自准直仪：原理、结构、应用

    “对准”是一件看似简单却极其重要的事，无论是复杂光学系统的调试，高精度机床安装，平行导轨的安装，还是粒子加速器中磁体的排列，如何让目标在空间中“对得齐”，往往决定着整个系统的成败。

    自准直仪是一种高精度对准工具，它通过望远镜与光源的结合，让我们可以“看到”目标是否处在一个精准的直线上，精度可以达到微米或者亚角分。

    自准直原理（autocollimation）：自准直是指一束光通过光学系统照射到一个反射面上，从该反射面反射回来的光线沿原路返回光学系统，最终成像在与光源相同的位置。常见的自准直如下图，当目标表面与自准直仪垂直时，就实现了光线的自准直。

    自准直仪对反射镜的倾斜角度敏感，如果反射面与光轴存在夹角(a)，反射光线将以2倍夹角(2xa)偏离原光路。

    自准直仪基于自准直原理及特性，利用望远镜发出一束平行光，如果这束光被垂直反射回来，则说明反射面（或者目标面）的法线与望远镜光轴重合。如果目标面有中心标识，可将其中心调整至光轴上，那么目标面便与自准直仪/望远镜共轴。以此类推，如果将不同目标都调至与自准直仪共轴，那么所有目标将实现高精度对齐。

    本文以Davison Optronics D-275为例，讨论自准直仪的结构与使用。该自准直仪利用分束镜，将等光程的两个靶标在空间位置上分开。两个靶标分别是目镜靶标与目标靶标，其中目镜靶标为十字叉丝，目标靶标为圆环。

在使用自准直仪之前，先回顾一下基本概念：

1. 光线在反射面上主要有三种表现形式，镜面反射，散射，逆反射（回射）。

2. 镜面反射：镜面反射对镜面的倾斜角度非常敏感。即轻轻转动镜面时，出射光线将以2倍于倾斜角的方向出射。

3. 散射：光遇到粗糙表面或微小粒子后，朝多个方向扩散。

4. 逆反射/回射：光照亮物体，反射光沿原光路返回。但是反射光不受目标角度的影响，当旋转目标时，目标的像位置不变，只有亮度发生变化。日常生活中，交通标识的表面就是利用光线的回射现象。

下面详细介绍如何使用自准直仪，主要分为三大步：初步对准，锁定目标，精准对齐（调至共轴）。案例中使用平面反射镜进行演示，现象直观便于理解，实验装置如下。

第一大步：初步对准

1. 将目标放置于自准直仪前方，暗室的时候，可以看到自准直仪出射的光斑照亮目标物体。或者有些高级的自准直仪，配有激光束，作为光轴的参考线。

2. 调整自准直仪的焦面，将其聚焦在反射镜的表面。此时，可以使用白色卡纸辅助对准。卡纸表面粗糙，可以产生散射，前后移动卡纸，很容易在视场里看到卡纸表面纹理以及轮廓。缓慢调整焦距调节旋钮，使其对卡纸成清晰像，即自准直仪对有限距离的目标成像。此时，自准直仪发射的光束在镜面附近成像，可以在卡纸上看到圆环靶标。

第二大步：锁定目标

3. 移开卡纸，继续调节调焦旋钮，将自准直仪进一步聚焦到反射镜表面。当聚焦时，可以清晰看到目标标靶的圆环像（因为圆环像的光线在反射镜表面发生回射）。利用卡纸的一角，靠近反射镜的中心，那么自准仪可以同时看到卡纸的散射成像以及反射镜的回射图像。

此时，光线在镜面发生回射。根据回射特性，当转动反射镜时，图像位置不变，仅亮度发生变化，如下图所示。由此也可以看出，如果反射镜与光轴的倾角比较大，那么圆环的像就会很弱。一旦圆环出现，可以尝试调整反射镜的倾斜，让圆环像变的更亮。这一过程也使得反射镜与光轴的夹角变小，缓慢接近自准直状态。

左侧图像亮度暗，说明夹角较大，右侧图像变亮，说明反射镜法线与光轴夹角变小

4. 将自准直一仪的调焦旋钮顺时针转动，直至转动到底，即将自准直仪的焦面调至无限远，此时出射光为平行光。此过程，反射镜表面的圆环像消失，取而代之的是平行光束照射目标表面，十字叉丝仍可见。如果暗室观察，反射镜上的光束由圆环变为均匀的光斑。

第三大步：精准对齐

5. 暗室条件下，可以看到准直光平行入射到反射镜，并发生镜面反射。可以使用白色卡纸观察反射光线，沿着反射光线移动卡纸，观察反射光线是否可以回到自准直仪。

6. 初次调整，非常小的概率反射光线会回到自准直仪。此时，需要根据反射光斑与自准直仪的关系，调整反射镜倾角或者自准直仪的角度，直至反射光回到自准直仪。

7. 当反射光线进入自准直仪，视场中将看到反射回来的圆环靶标，即为自准直成像。微调自准直仪的高度和角度，直至反射光环落在十字叉丝上。此时，目标反射镜与自准直仪垂直，或称为反射镜与自准直仪共轴。

应用场景举例：

8. 如果需要将多个目标调至对齐或者共轴。在完成上面的步骤后，准直仪与反射镜形成的一条看不见的精确基准线。固定自准直仪，在自准直仪和平面反射镜中间加入待调节目标（S），重复上面的步骤，仅通过调整目标 S 的位置和角度，则可以将目标 S 与自准直仪的共轴。那么目标 S 则与示例中平面反射镜实现了中心对齐。

9. 在一些情景下，如果不将反射的目标标靶调至十字叉丝，那么通过度读十字叉丝中心和反射环形靶标的中心，既可以测量出反射镜与光轴的夹角。利用这一原理，可以实现角度的精确测量。例如下图，最外环落在十字叉丝中心，则说明被测目标的法线与自准直仪的光轴存在15角分的夹角。利用该原理，沿光轴方向移动目标反射镜，则可以测量工作台的水平度。

自准直仪的其他应用：

如果理解了上面的原理，那么就可以理解如何利自准直仪实现其他场景下的高精度对齐，平行度调整，直线度测量以及角度的测量。

应用案例参考: 

https://www.brunson.us/blog/post/optical-tooling-techniques

作者QQ及微信：49922779