本發(fā)明涉及基于光學(xué)手段的角度計量，可拓展用于鏡面面形測量，特別涉及一種高精度高空間分辨的角度測量儀及角度測量方法。

背景技術(shù)：

高精度的角度測量技術(shù)在許多工程領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用價值，例如高精密的設(shè)備需要高精度的姿態(tài)裝調(diào)，特別在同步輻射領(lǐng)域，通過對表面的傾斜度測量并積分可以獲得元件的表面面形等?；诠鈱W(xué)方法的測角設(shè)備具有無接觸，不影響工件/系統(tǒng)特征的巨大優(yōu)勢，而受到廣泛應(yīng)用。主要的測角設(shè)備包括電子自準(zhǔn)直儀和基于激光干涉的角度測量方法。由于它們使用準(zhǔn)直光束掃描樣品，為了保證足夠的信噪比及定位精度，這種掃描光束的光斑尺寸或者說樣品表面的采樣光斑尺寸一般比較大。例如，長程面形儀中的光學(xué)頭結(jié)構(gòu)使用的是激光干涉的角度測量方法，由于采樣光斑的尺寸為1–2mm，因此對每一個采樣點，測量的角度是該光斑照明區(qū)域內(nèi)的平均結(jié)果。

簡而言之，如果面形變化的橫向周期小于1mm(快變)，這種變化是無法被準(zhǔn)確測量的。從頻率角度來說，更高頻的表面信息無法被測量。然而這些信息對鏡面面形的質(zhì)量評估，以及其所應(yīng)用的系統(tǒng)的性能評估都非常重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高精度高空間分辨角度測量儀及角度測量方法。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)包括：

光源11，產(chǎn)生位置空間及角空間都均勻的光場。實現(xiàn)方式：(1)對于非相干光源，如LED，利用光纖或其他方式勻光，產(chǎn)生空間分布均勻，出射角分布均勻的光；利用小孔限制光源的面積。(2)相干光源，通過單模保偏光纖傳輸并輸出。

光欄12，限制光束口徑；

透鏡14，用于聚焦照明光束，產(chǎn)生小的采樣光斑，并收集從待測反射鏡15折返的光束；

待測反射鏡15，位置可以隨意調(diào)整，可以在透鏡14的成像面，此時測試采樣光斑最小，因此空間分辨率更高。也可以在其它離焦平面，僅會改變空間分辨率，不影響測試精度；

分光鏡13，分離照明光路和探測光路，即照明光束透射，折返光束反射到探測單元平面；

探測器單元16為一探測器陣列，位于透鏡的前焦平面上，用于記錄折返光束的圖像；

數(shù)據(jù)處理組件17，根據(jù)記錄的圖像計算得到待測鏡角度變化導(dǎo)致的光斑相對位移，進(jìn)而基于此反推待測鏡角度變化，并對最終測量結(jié)果進(jìn)行顯示。

功能實現(xiàn)機(jī)理：

光源發(fā)出的發(fā)散光線首先通過位置固定的光欄，然后一定口徑的照明光束透過分光鏡后到達(dá)透鏡，經(jīng)過透鏡的聚焦，并照射待測反射鏡表面。待測反射鏡的位置對于匯聚點的遠(yuǎn)近，決定了采樣光斑的尺寸。

被反射鏡折返的光束，透過透鏡后，被分光鏡反射，最終到達(dá)探測器平面并被光電轉(zhuǎn)換成電子圖像。根據(jù)待測反射鏡角度變化前后，探測器探測圖像中光斑的位移(Δx,Δy)，可以獲得測試反射鏡的角度變化信息(Δx/2f,Δy/2f)，其中，f是透鏡焦距。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：

該結(jié)構(gòu)能夠解決現(xiàn)有光學(xué)角度測量儀(如自準(zhǔn)直儀等)所面臨的樣品表面處測量光斑尺寸大的問題，進(jìn)一步地，可將此設(shè)備用于長程面形掃描，從而得到待測樣品的面形數(shù)據(jù)。同時，該系統(tǒng)對樣品的位置或者離焦誤差，透鏡像差不敏感，適合小范圍內(nèi)的高精度測量。

如圖4所示，本發(fā)明具有更高的空間分辨能力，實例使用的光斑尺寸0.1mm，采樣步長0.1mm，可以明顯觀察到這種小空間尺度上的角度分布。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的角度測量儀；

其中，10-掃描光學(xué)頭，11-光源，12-光欄，13-分光鏡，14-透鏡，15-待測反射鏡，16-探測單元，17-數(shù)據(jù)處理組件，18-照明光線，19-折返光束；

圖2為本發(fā)明光源的結(jié)構(gòu)圖；

(a)為一種相干光源系統(tǒng)，其中，21-激光器，22-耦合透鏡，23-光纖；

(b)為一種非相干光源系統(tǒng)，其中，24-發(fā)光二極管，小孔光欄-25；

圖3為面形儀掃描系統(tǒng)；

其中，31-待測物體、32-高精密氣浮平移臺、33-大口徑反射鏡、34-電子自準(zhǔn)直儀；

圖4為面形儀測量結(jié)果；

(a)測量的表面傾斜度曲線，(b)曲線進(jìn)行積分處理結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明的高精度高空間分辨的角度測量儀如圖1所示，其結(jié)構(gòu)包括：光源11，產(chǎn)生位置空間及角空間都均勻的光場；光欄12，限制光束口徑；透鏡14，用于聚焦照明光束及收集折返的光束；待測反射鏡；分光鏡13，用于將折返光束反射到探測器平面；探測器陣列16，用于記錄前焦平面上折返光束形貌的圖像；數(shù)據(jù)處理組件17，根據(jù)記錄的圖像計算得到待測鏡角度變化導(dǎo)致的光斑相對位移，進(jìn)而基于此反推待測反射鏡15的角度變化，并對最終測量結(jié)果進(jìn)行顯示；可以采用質(zhì)心法、相關(guān)算法等方法計算質(zhì)心變化，本發(fā)明采用基于質(zhì)心的算法。

位移和角度算法：記錄待測反射鏡角度變化前后的圖像A，B。使用質(zhì)心方法分別計算光斑的質(zhì)心，即計算

其中I_i,j是第(i,j)像素點的光信號強(qiáng)度，x_i,j和y_i,j是第(i,j)像素點的空間坐標(biāo)，M和N是用于數(shù)據(jù)處理的圖像橫向和縱向像素數(shù)目。依次方法計算得到圖像A和圖像B中質(zhì)心分別為(x_A,y_A)和(x_B,y_B)，最終可以獲得測試反射鏡的角度為：

其中，f是透鏡焦距。

本發(fā)明的光源11具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，實現(xiàn)方式：(1)采用相干光源如圖2(a)，包括激光器21、耦合透鏡22和光纖23，直接將激光器21的光耦合到光纖中，通過光纖傳輸并輸出，保證光纖足夠長，端面光滑的前提下，就可以產(chǎn)生這種光場。(2)采用非相干光源如圖2(b)，包括發(fā)光二極管24和小孔光欄25?；蛘呃霉饫w或其他方式勻光，產(chǎn)生空間分布均勻，出射角分布均勻的光；利用小孔限制光源的面積。

應(yīng)用實例：

(1)角度測量(原理上，僅測角)

如前所述，測量目標(biāo)反射鏡的轉(zhuǎn)動角度

(2)面形測量(應(yīng)用上，測角，積分從而得到)

參照圖3，該高空間分辨長程面形檢測系統(tǒng)包括：待測物體31、高精密氣浮平移臺32、掃描光學(xué)頭10、大口徑反射鏡33、電子自準(zhǔn)直儀34。

掃描光學(xué)頭10如圖3所示。掃描光學(xué)頭10和大口徑反射鏡33隨高精密氣浮平移臺32運動。經(jīng)過掃描光學(xué)頭10內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)形成聚焦光束35掃描待測物體31，折返光束36重新進(jìn)入掃描光學(xué)頭10后被探測。電子自準(zhǔn)直儀34固定于掃描光學(xué)頭10外部，電子自準(zhǔn)直儀34測量其發(fā)射的光束經(jīng)大口徑反射鏡33反射后的角度變化，從而得到掃描光學(xué)頭10的轉(zhuǎn)動 角度誤差β_OH。光學(xué)頭內(nèi)探測器測量的光束位置變化可以表達(dá)為：

x_samp＝2x_0，samp+2f(β_sut+β_OH)

在掃描過程過程中，常量Const＝2x_0，samp不會反映待測物體31表面傾斜度的變化。最終，可以得到待測物體11表面的傾斜度變化為：

圖4給出了一個樣品的傾斜度測量結(jié)果，掃描步長為0.1mm。圖4(a)是測量的表面傾斜度曲線，圖4(b)是對圖4(a)的曲線進(jìn)行差別計算，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差為40nrad rms。