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1、(10)申请公布号 CN 102818542 A (43)申请公布日 2012.12.12 CN 102818542 A *CN102818542A* (21)申请号 201210292245.7 (22)申请日 2012.08.16 G01B 11/26(2006.01) (71)申请人 中国科学院光电技术研究所 地址 610209 四川省成都市双流 350 信箱 (72)发明人 陈强 李世杰 万勇建 侯溪 张晶 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 梁爱荣 (54) 发明名称 一种对锥镜锥角的测量方法 (57) 摘要 本发明是一种对锥镜锥角的测量方法， 。
2、利用 包括干涉仪、 标准平面镜、 被测锥镜、 旋转平台、 立 方体及光学平台的装置 ； 首先将旋转平台与光轴 垂直， 然后将被测锥镜放置在旋转平台中心， 调节 锥镜的一条母线或锥面与光轴垂直， 利用这条母 线及其周围区域或锥面的自准直反射， 将与干涉 仪内部的参考光形成零干涉条纹， 转动旋转平台， 使其对应侧的另一条母线或另一个锥面与光轴垂 直， 同样的形成零干涉条纹 ； 此时， 旋转平台的旋 转角度与锥角互为补角， 可以计算出此锥角的精 确值 ； 该检测方法为锥角的高精度测量提供了一 种有效的方法， 且结构简单， 具有较大的应用价 值。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5。
3、 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种对锥镜锥角的测量方法， 其特征在于 ： 利用测量装置实现对锥镜锥角的测量的 步骤如下 ： 步骤 S1 ： 设置含有干涉仪、 平面镜头、 被测锥镜、 旋转平台、 光学平台和立方体的测量 装置， 在干涉仪和被测锥镜或立方体之间设有平面镜头， 被测锥镜的径向面固定在旋转平 台中心的位置上 ； 步骤 S2 ： 将平面镜头安装在干涉仪上面， 调整干涉仪， 使经过平面镜头出射标准平行 光， 将立方体安装在旋转平台上， 旋转平台放置在光学平台上， 调整旋。
4、转平台与光学平台的 水平方向的倾斜位置和光学平台的垂直方向的俯仰位置， 使立方体的反射面的与平面镜头 的平行光的光轴互相垂直， 利用平面镜头的平行光的自准直反射， 将干涉仪中的干涉条纹 调为零条纹， 此时旋转平台的旋转轴与平行光的光轴处于互相垂直的位置 ； 步骤 S3 ： 移走立方体， 将被测锥镜的径向面与旋转平台的上平面相互垂直放置， 并将 被测锥镜固定在旋转平台的上平面上， 转动旋转平台， 使被测锥镜的第一母线与第一平行 光光轴垂直， 利用第一母线周围区域内光的自准直反射光与干涉仪内部的参考光形成干涉 条纹， 根据干涉条纹， 对旋转平台进行调整， 使干涉条纹形成带弯曲的零干涉条纹， 选择旋。
5、 转平台上的角度值读数， 记录旋转平台此时的角度值读数为第一角度值读数 ； 步骤 S4 ： 旋转旋转平台， 使被测锥镜的第二母线与第二平行光光轴垂直， 利用第二母 线周围区域内光的自准直反射光， 与干涉仪内部的参考光形成干涉条纹， 根据干涉条纹， 对 旋转平台进行调整， 使干涉条纹形成带弯曲的零干涉条纹， 记录旋转平台此时的第二角度 读数 ； 步骤 S5 ： 对旋转平台的第一角度读数 B1 和第二角度读数 B2 进行计算， 得到旋转平台 的旋转角度 B， B |B2-B2|， 其中 B1 为第一角度读数、 B2 为第二角度读数 ； 步骤 S6 ： 利用旋转角度 B 与锥角为互为补角的关系， 计。
6、算出被测锥镜的锥角 A， A -B。 2. 如权利要求 1 所述对锥镜锥角的测量方法， 其特征在于 ： 所述被测锥镜是圆锥镜、 三 角锥镜、 多棱锥镜、 锥台镜其中之一， 或是其中几个锥镜的组合。 3. 如权利要求 2 所述对锥镜锥角的测量方法， 其特征在于 ： 所述三角形锥镜用于自准 直反射的区域为平面， 在步骤S2和步骤S3中， 需要调节三角形锥镜的锥面与平行光光轴垂 直， 利用锥面的自准直反射光与干涉仪内部的参考光束形成零干涉条纹。 权 利 要 求 书 CN 102818542 A 2 1/5 页 3 一种对锥镜锥角的测量方法 技术领域 0001 本发明属于光学测量技术领域， 具体涉及的。
7、是一种对锥镜锥角的测量方法。 背景技术 0002 随着现代光学加工技术的发展， 对锥镜的锥角的高精度检测要求不断提高。准确 的锥镜的锥角参数对其加工和使用都有着重要的工程意义。 对加工完成的锥镜的锥角进行 高精度测量， 其前提是要保证测量过程中不会对锥镜的锥面造成损伤。 目前， 很少报道对锥 镜的锥角的高精度检测方法。普通的锥角的测量方法一般针对的是金属类的锥体， 这对玻 璃材质的锥镜来说， 不是完全适用。而且这些测量方法难以满足高精度的要求。传统的测 量锥角的方法主要包括直接测量法 ( 如三坐标检测法 ) 和间接测量法 ( 正弦规检测法、 采 用测长仪等 )。 0003 三坐标测量法可以用到。
8、锥镜的锥角测量中。其原理是获取锥面上的空间离散点， 然后通过一定的数学计算， 还原出锥面。然后， 在软件中生成被测锥镜的 CAD 图形， 从 CAD 图形中获取锥角的参数。 但是其局限在于三坐标的测量精度有限， 最好为微米级精度， 故测 量误差不可忽略。而且在 CAD 中进行锥镜的面形重构时， 拟合误差也不可避免。这些因素 都会影响最后的测量精度。 0004 正弦规检测测量锥角是工厂计量室、 车间现场精密测量的主要方法。其测量原理 是使正弦规构成一个标准的角度， 通过测量和数学运算求出被测锥镜的锥角的实际值 ( 实 际偏差)。 但是量块尺寸的组合对测量结果的影响很大， 还有正弦规工作台面与两圆。
9、柱下母 线公切面的平行度误差可引起的测角误差 ； 测量平板的平行度误差引起的测角误差等。而 且此种测量方法属于接触式测量， 会对锥镜的表面造成损伤。 0005 赵军等在中国专利 “CN 200968848， 锥角测量仪” 中提出的将角度测量转化为长度 的测量来达到目的。 采用滑块对被测锥体进行固定， 使用游标爪卡进行读数， 在通过简单计 算得到锥角。该方法也属于接触类测量， 不适用于锥镜的锥角测量。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种对锥镜锥角的测量方法， 该方法可以实现对加工完成的 锥镜的锥角的高精度测量。 0007 本发明一种对锥镜锥角的测量方法， 解决方案是 ： 利用测量装置实现。
10、对锥镜锥角 的测量的步骤如下 ： 0008 步骤 S1 ： 设置含有干涉仪、 平面镜头、 被测锥镜、 旋转平台、 光学平台和立方体的 测量装置， 在干涉仪和被测锥镜或立方体之间设有平面镜头， 被测锥镜的径向面固定在旋 转平台中心的位置上 ； 0009 步骤 S2 ： 将平面镜头安装在干涉仪上面， 调整干涉仪， 使经过平面镜头出射标准 平行光， 将立方体安装在旋转平台上， 旋转平台放置在光学平台上， 调整旋转平台与光学平 台的水平方向的倾斜位置和光学平台的垂直方向的俯仰位置， 使立方体的反射面的与平面 说 明 书 CN 102818542 A 3 2/5 页 4 镜头的平行光的光轴互相垂直， 利。
11、用平面镜头的平行光的自准直反射， 将干涉仪中的干涉 条纹调为零条纹， 此时旋转平台的旋转轴与平行光的光轴处于互相垂直的位置 ； 0010 步骤 S3 ： 移走立方体， 将被测锥镜的径向面与旋转平台的上平面相互垂直放置， 并将被测锥镜固定在旋转平台的上平面上， 转动旋转平台， 使被测锥镜的第一母线与第一 平行光光轴垂直， 利用第一母线周围区域内光的自准直反射光与干涉仪内部的参考光形成 干涉条纹， 根据干涉条纹， 对旋转平台进行调整， 使干涉条纹形成带弯曲的零干涉条纹， 选 择旋转平台上的角度值读数， 记录旋转平台此时的角度值读数为第一角度值读数 ； 0011 步骤 S4 ： 旋转旋转平台， 使被。
12、测锥镜的第二母线与第二平行光光轴垂直， 利用第 二母线周围区域内光的自准直反射光， 与干涉仪内部的参考光形成干涉条纹， 根据干涉条 纹， 对旋转平台进行调整， 使干涉条纹形成带弯曲的零干涉条纹， 记录旋转平台此时的第二 角度读数 ； 0012 步骤 S5 ： 对旋转平台的第一角度读数 B1 和第二角度读数 B2 进行计算， 得到旋转 平台的旋转角度 B， B |B2-B1|， 其中 B1 为第一角度读数、 B2 为 0013 第二角度读数 ； 0014 步骤 S6 ： 利用旋转角度 B 与锥角为互为补角的关系， 计算出被测锥镜的锥角 A， A -B。 0015 本发明与现有技术相比的优势在于本。
13、发明所提出的锥角的测量方法， 是基于光学 的测量方法， 不会对锥镜的面形产生影响。 本发明利用高精度旋转平台作为直接计量数据， 其精度可达到秒级， 而同时采用的干涉条纹图可以达到纳米级的对准， 从而保证最终的检 测精度。此发明的原理简单， 操作方便， 易于实现。 0016 1) 本发明通过干涉条纹监测平行光光轴与圆锥镜母线的垂直度， 可以达到纳米级 精度。 0017 2) 本发明通过高精度旋转平台测量被测圆锥镜的锥角的补角， 利用互补关系计算 锥角的大小， 可以达到秒级精度。 0018 3) 本发明所用到的实验仪器少， 调节步骤简单， 而且可以实现锥角的高精度测量。 0019 三角形锥镜用于自。
14、准直反射的区域为平面， 由于三角形锥镜锥面的区域比较大， 所形成的干涉条纹的形状更加容易分辨。 附图说明 0020 图 1 是本发明中调整旋转平台与平行光光轴垂直度的示意图。 0021 图 2 是本发明中锥角的测量示意图。 0022 图 3A 是描述剩余误差大小的具体分布图。 0023 图 3B 是描述剩余误差的倾斜图。 0024 图 3C 是描述干涉条纹分布的示意图。是被测锥镜上一条母线自准直反射形成的 干涉条纹图。 0025 图 4 是被测锥镜的锥角与旋转角度互补的示意图。 0026 图 5 是本发明锥角的高精度测量方法流程图。 0027 干涉仪 1， 平面镜头 2， 0028 被测锥镜 。
15、3， 旋转平台 4， 说 明 书 CN 102818542 A 4 3/5 页 5 0029 立方体 5， 光学平台 7 0030 用于自准直反射的母线及其周围区域 6， 0031 被测锥镜 3 的第一条母线 a， 0032 被测锥镜 3 的第二条母线 b， 0033 平面镜头 2 的第一平行光光轴 c， 0034 平面镜头 2 的第二平行光光轴 d。 具体实施方式 0035 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 以下结合具体实施例， 并参照 附图， 对本发明进一步详细说明。 0036 具体实施方式结合图 1 和图 2 来说明， 调整旋转平台与平行光光轴垂直度的示意 图， 利用测量。
16、装置实现锥角的高精度测量， 其中包括干涉仪 1、 平面镜头 2、 被测锥镜 3、 旋转 平台 4、 立方体 5、 区域 6 和光学平台 7。 0037 下面结合图 5 对测量装置实现锥镜锥角的高精度测量的调整步骤做如下描述 ： 0038 步骤 S1 ： 在干涉仪 1 和被测锥镜 3 或立方体 5 之间设有平面镜头 2， 被测锥镜 3 的 径向面固定在旋转平台 4 的上平面中心的位置上。被测锥镜 3 是圆锥镜、 三角锥镜、 多棱锥 镜、 锥台镜其中之一， 或是其中几个锥镜的组合。 0039 步骤 S2 ： 将平面镜头 2 安装在干涉仪 1 上面， 调整干涉仪 1， 使经过平面镜头 2 出 射的平。
17、行光为标准平行光。将立方体 5 安装在旋转平台 4 的上平面上， 如图 1 和图 2 所示 的本发明中旋转平台 4 放置在光学平台 7 上， 调整旋转平台 4 与光学平台 7 的水平方向的 倾斜位置和光学平台 7 的垂直方向的俯仰位置， 使立方体 7 的反射面与平面镜头 2 的平行 光的光轴 x 互相垂直， 利用平面镜头 2 的平行光的自准直反射， 将干涉仪 1 中的干涉条纹调 为零条纹， 此时旋转平台 4 的旋转轴 y 与平面镜头 2 的平行光的光轴 x 处于互相垂直的位 置 ； 0040 步骤S3 ： 移走立方体5， 将被测锥镜3的径向面与旋转平台4的上平面相互垂直放 置， 被测锥镜 3 。
18、固定在旋转平台 4 的上平面上， 如图 2 所示。旋转旋转平台 4， 使被测锥镜 3 的第一母线 a 或锥面与第一平行光光轴 c 垂直， 第一母线 a 周围区域 6 或锥面内光的自准 直反射光将与干涉仪 1 内部的参考光形成干涉条纹。根据干涉条纹， 对旋转平台 4 进行调 整， 使干涉条纹形成如图 3 所示的带弯曲的零干涉条纹。选择旋转平台 4 上的角度值读数。 此时， 记录旋转平台 4 此时的角度值读数为第一角度读数 B1 ； 0041 步骤 S4 ： 旋转旋转平台 4， 使被测锥镜 3 的第二母线 b 或锥面与平行光光轴垂直， 第二母线 b 周围区域 6 或锥面内光的自准直反射光将与干涉仪。
19、 1 中的参考光形成干涉条 纹。根据干涉条纹， 对旋转平台 4 进行微小调整， 使干涉条纹形成如图 3 所示的带弯曲的零 干涉条纹。此时， 记录高精度旋转平台 4 此时的第二角度读数 B2 ； 当干涉仪 1 中的干涉条 纹为零条纹时， 将会在图 3C 中的干涉条纹分布图 (Intensity Map) 中显示为零条纹。在图 3B的倾斜图(Oblique Plot)中显示为高低较为均匀的柱状， 同时图3A的均方根值为小量， 即十几纳米。 0042 步骤S5 ： 利用记录的旋转平台4的第一角度读数B1和第二角度读数B2， 计算出旋 转平台 4 的旋转角度 B |B2-B2|， 其中 B1 为第一角。
20、度读数、 B2 为第二角度读数。 说 明 书 CN 102818542 A 5 4/5 页 6 0043 步骤 S6 ： 利用旋转角度 B 与被测锥镜 3 的锥角的关系如图 4 所示， 它们互为补角。 故可以计算出被测锥镜 3 的锥角 A -B。 0044 图 2 是本发明中圆锥角的测量装置示意图， 来自干涉仪 1 内部的光束经过平面镜 头 2 后平行入射到被测锥镜 3 上， 调节旋转平台 4 使被测锥镜 3 的第一母线 a 和平面镜头 2 输出的平行光的光轴互相垂直， 利用第一母线 a 及其周围区域内的自准直反射光， 与干涉 仪 1 内部的参考光形成略带弯曲的零干涉条纹。如此测量对称位置第一。
21、母线 a、 第二母线 b 的零干涉条纹， 可以得到旋转平台4旋转的角度， 然后根据图4中所示旋转角度与圆锥角的 互补关系， 可以得到圆锥角的精确值， 此种方法得到的圆锥角的测量值的精度在 5 秒以内， 即具有秒级精度， 属于高精度测量 ； 此处用到的旋转平台4的旋转精度在2秒以内的高精度 旋转平台 4。第一母线 a 和第二母线 b 分别位于锥角的两侧， 类似于一个角的两条边线。被 测锥镜 3 的两个锥面也一样分别位于锥角的两侧。 0045 实施例 1 ： 利用测量装置实现锥角的高精度测量， 对一个被测锥镜 3 为被测圆锥镜 的圆锥角的具体测量和调整步骤如下描述 ： 0046 1)将平面镜头2安。
22、装在干涉仪1上面， 对干涉仪1的倾斜和俯仰进行微调， 使经过 平面镜头2出射的平行光为标准平行光 ； 将立方体5固定在旋转平台4的平面上， 旋转旋转 平台 4， 使立方体 5 的其中一个面的反射光能进入干涉仪 1， 反射光与干涉仪 1 中的参考光 形成干涉条纹， 如图 1 所示 ； 对旋转平台 4 与光学平台的水平方向的倾斜和俯仰进行微调， 同时也要对旋转平台4进行微小旋转， 使干涉仪1中的干涉条纹调整到零条纹， 此时旋转平 台 4 的旋转轴与平行光的光轴处于互相垂直的位置 ； 0047 2)移走立方体5， 将被测圆锥镜的径向面与旋转平台4平面相互垂直放置， 被测圆 锥镜固定在旋转平台 4 的。
23、平面上， 如图 2 所示 ； 旋转旋转平台 4， 使被测圆锥镜的第一母线 a 与第一平行光光轴 c 垂直， 第一母线 a 周围区域 6 内光的自准直反射光， 将与干涉仪 1 内 部的参考光形成干涉条纹。根据干涉条纹的形状， 对旋转平台 4 进行微小旋转， 同时也要对 旋转平台 4 的倾斜角和俯仰角进行微小调整， 使干涉条纹形成如图 3 所示的带弯曲的零干 涉条纹。此时， 人为记录下旋转平台 4 的第一角度读数 B1 ； 所述的形成带弯曲的零干涉条 纹时， 将会在图3C中的干涉条纹分布图中显示为零条纹， 在图3B中的倾斜图中显示为高低 较为均匀的柱状， 同时图 3A 的均方根值为 1/50 波长。
24、。 0048 3) 旋转旋转平台 4， 让被测圆锥镜的第二母线 b 与平行光光轴 d 垂直， 第二母线 b 周围区域 6 内光的自准直反射光， 将与干涉仪 1 中的参考光形成干涉条纹。根据干涉条纹 的形状， 对旋转平台 4 进行微小旋转， 同时也要对旋转平台 4 的倾斜和俯仰进行微小调整， 使干涉条纹形成如图 3 所示的带弯曲的零干涉条纹。此时， 人为记录下旋转平台 4 的第一 角度读数 B2 ； 所述的形成带弯曲的零干涉条纹时， 将会在图 3C 中的干涉条纹分布图中显示 为零条纹， 在图3B中的倾斜图中显示为高低较为均匀的柱状， 同时图3A的均方根值为1/50 波长。 0049 4) 利用记。
25、录的旋转平台 4 的第一角度读数 B1 和第二角度读数 B2， 计算出旋转平 台 4 的旋转角度 B |B2-B1|， 其中 B1 为第一角度读数、 B2 为第二角度读数。 0050 5) 利用旋转角度 B 与被测圆锥镜的圆锥角的关系如图 4 所示， 它们互为补角。故 可以计算出被测圆锥镜的圆锥角 A -B。 0051 实施例 2 ： 利用测量装置实现锥角的高精度测量， 给出被测锥镜 3 为被测三角形锥 说 明 书 CN 102818542 A 6 5/5 页 7 镜的实施例， 具体描述 ： 步骤 1-4 与实施例 1 相同， 不同点在于 ： 与圆锥镜不同， 三角形锥镜 用于自准直反射的区域为。
26、平面， 故在步骤2和步骤3中， 需要调节三角形锥镜的锥面与平行 光光轴垂直， 利用锥面的自准直反射光与干涉仪 1 内部的参考光束形成零干涉条纹。由于 锥面的区域比较大， 所形成的干涉条纹的形状更加容易分辨。 所述形成的零干涉条纹， 将会 在图 3C 中的干涉条纹分布图中显示为零条纹， 在图 3A 的均方根值为纳米量级。 0052 再利用旋转角度B与被测三角形锥镜的锥角的关系如图4所示， 它们互为补角。 故 可以计算出被测三角形锥镜的锥角 A -B。 0053 其他的多棱锥镜、 锥台镜等的锥角测量方法与实施例1或实施例2类似， 通过该测 量步骤， 可以得到被测锥镜 3 的锥角。 0054 以上所述， 仅为本发明中的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换， 都应涵盖在本发明的 包含范围之内。 说 明 书 CN 102818542 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102818542 A 8 2/4 页 9 图 3A 图 3B 说 明 书 附 图 CN 102818542 A 9 3/4 页 10 图 3C 说 明 书 附 图 CN 102818542 A 10 4/4 页 11 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102818542 A 11 。