高分辨力雙軸自準直儀系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及幾何計量測試【技術領域】，具體公開了一種高分辨力雙軸自準直儀。該系統中反光鏡對物鏡后組的水平光線反射，射入分光棱鏡B及分光棱鏡A，并在分光棱鏡A的垂直光線通路上設有水平準直分劃板、水平聚光鏡及水平LED光源，分光棱鏡A反射的水平光線通路上設有顯微物鏡B和垂直安裝的第二線陣CCD；分光棱鏡B反射的水平光線通路上設有分光棱鏡C、顯微物鏡A以及水平安裝的第一線陣CCD，且在分光棱鏡C垂直水平面的反射光線通路上依次安裝有垂直準直分劃板、垂直聚光鏡以及垂直LED光源。該系統采用物鏡前組和物鏡后組，減小準直光路長度，使準直光路的長度小于物鏡焦距；同時，采用折疊光路的反射鏡，使光學系統的長度尺寸不增加，僅增加寬度。
【專利說明】高分辨力雙軸自準直儀系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于幾何量計量測試【技術領域】，具體涉及一種高分辨力雙軸自準直儀。
【背景技術】
[0002]自準直儀是應用最廣泛的小角度測量儀器，用于測量反光鏡微小的角位移。光學自準直儀在20世紀30年代中期就開始用于角度測量，到了 20世紀40年代末期，精度為I秒的儀器被正式采用。當以光電技術取代肉眼之后，其精度有了大幅度的提高。在20世紀60年代美國、英國及德國制造商已生產了多種光電式的商品自準直儀。之后數十年來自準直儀得到了飛速的發展。自準直儀經歷了目視式、光電指零式和數顯式三個發展階段。[0003]數顯式自準直儀的出現使自準直儀的性能有質的飛躍，數顯式把儀器準確度由I"級提高至0.1"級，最小顯示值由0.1"級提高至0.01"級。數顯式自準直儀準確度高，使用方便，操作簡單，能實現自動測量。按光電轉換元件分類，典型的數顯式自準直儀有振子式、、PSD式、和(XD式等。
[0004]提高分辨力和示值穩定性(減小跳字量)是通用數顯自準直儀的發展方向。
[0005]高分辨力是高準確度的保障與前提，高穩定性(跳字量小)又是高分辨力的保障與前提。跳字量是靜態數顯自準直儀的特點和難點。動態測量每次采樣只有一個數值輸出，反應不出示值的跳動，其難點是動態響應速度和動態準確度，但通用儀器要讀出每個位置的穩定讀數值，跳字大就只能估讀，影響示值的準確度，也影響分辨力。因此國內外對提高光電自準直儀的分辨力和穩定性進行了大量的研究工作，分辨力的提高主要是通過增長自準直儀物鏡的焦距和增加圖像亞像素處理的細分數，當前準確度最高的數顯自準直儀是德國M0LLER公司的HR型自準直儀，它用CCD作為光電轉換元件，物鏡焦距為1100mm，最小顯示值為0.001〃，分辨力0.005〃，示值誤差在10〃范圍內為±0.01〃，在40〃范圍內為±0.02〃，在300〃 X 300〃全量程內為±0.03〃。國內尚無同等產品。
[0006]但是增長自準直儀物鏡焦距的會引起儀器的體積、長度和重量增大。而增加亞像素處理的細分數會加劇示值跳動，穩定性下降，細分可靠性降低，德國HR自準直儀雖然最小顯示值可達0.001"，但其技術文件中的分辨力為0.005"，按分辨力公式:
,? P.(Jl
[0007]do =-
2-f'-N
[0008]式中d δ為測角分辨力，單位為角秒，dt為CXD測量方向的相鄰像元的間距，單位為mm，P為弧度到角度的轉換常量，取206265，f為物鏡焦距，單位mm，N為CXD的軟件細分數。如選擇相鄰像元間距dt = 0.007mm的C⑶作為光電傳感器，物鏡焦距f' = IlOOmm,要達到0.001〃分辨力，細分數需達到657細分，其可靠性是很難保證的，因此HR盡管可以顯示至0.001"，但其技術文件中的分辨力為0.005"，相應的細分數為131.4。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于提供一種高分辨力雙軸自準直儀系統，在焦距為1000mm、細分數不超過100時，使分辨力達到0.001"。
[0010]本發明的技術方案如下:一種高分辨力雙軸自準直儀系統，該系統包括儀器外殼以及固定在儀器外殼上的物鏡組套筒，其中，物鏡組套筒由前后依次設置的物鏡前組和物鏡后組組成，儀器外殼內安裝有水平LED光源、垂直LED光源、水平準直分劃板、垂直準直分劃板、分光棱鏡A、分光棱鏡B、分光棱鏡C以及反光鏡,其中，反光鏡對通過物鏡后組的水平光線進行反射，形成垂直光線，射入兩個依次布置的分光棱鏡B以及分光棱鏡A,并在分光棱鏡A的垂直光線通路上依次設有水平準直分劃板、水平聚光鏡以及水平LED光源，分光棱鏡A反射的水平光線通路上依次安裝有顯微物鏡B和垂直安裝的第二線陣CCD ;分光棱鏡B反射的水平光線通路上依次安裝有分光棱鏡C、顯微物鏡A以及水平安裝的第一線陣CCD，且在分光棱鏡C垂直水平面的反射光線通路上依次安裝有垂直準直分劃板、垂直聚光鏡以及垂直LED光源。[0011]所述的反光鏡由若干個反光鏡組成，可以對通過物鏡后組的水平光線進行若干次折疊反射后，形成垂直光線。
[0012]所述的水平準直分劃板或垂直準直分劃板安裝在物鏡前組和物鏡后組的焦面上。
[0013]所述的物鏡組套筒通光口徑D=50mm,焦距f' = 1000mm。
[0014]所述的顯微物鏡A或顯微物鏡B的光學放大倍數K=7.5。
[0015]本發明的顯著效果在于:本發明所述的一種高分辨力雙軸自準直儀系統采用物鏡前組和物鏡后組，減小準直光路長度，使準直光路的長度小于物鏡焦距；同時，采用折疊光路的反射鏡，使光學系統的長度尺寸不增加，僅增加寬度；該高分辨力雙軸自準直儀系統最小顯示位為0.001〃，加防氣流罩后自準直儀跳字量〈0.002〃，在土 10〃測量范圍內的示值誤差不超過±0.01〃，在±40〃范圍內不超過±0.02〃。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明所示的一種高分辨力雙軸自準直儀系統光路示意圖；
[0017]圖2為A-A向視圖；
[0018]圖中:1、物鏡前組；2、物鏡組套筒；3、第一線陣CXD ;4、物鏡后組；5、第二線陣CXD ;6、顯微物鏡A ;7、顯微物鏡B ;8、水平LED光源；9、水平聚光鏡；10、水平準直分劃板；
11、分光棱鏡A ;12、分光棱鏡B ;13、反光鏡；14、儀器外殼；15、工件反光鏡；16、分光棱鏡C ；
17、垂直準直分劃板；18、垂直聚光鏡；19、垂直LED光源。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0020]如圖1、圖2所示，一種高分辨力雙軸自準直儀系統，包括物鏡組套筒2和儀器外殼14，物鏡組套筒2固定在儀器外殼14上，其中，物鏡組套筒2由前后依次放置的物鏡前組I與物鏡后組4組成，且物鏡組套筒2通光口徑D=50mm，焦距f = 1000mm,相對孔徑D/P = 1/20 ;儀器外殼14內安裝有水平LED光源8、垂直LED光源19、水平準直分劃板10、垂直準直分劃板17、分光棱鏡AU、分光棱鏡B12、分光棱鏡C16以及反光鏡13，其中，反光鏡13由若干個反光鏡組成，可以對通過物鏡后組4的水平光線進行若干次折疊反射后，形成垂直光線，射入兩個依次布置的分光棱鏡B12以及分光棱鏡All,并在分光棱鏡All的垂直光線通路上依次安裝有水平準直分劃板10、水平聚光鏡9以及水平LED光源8，其中，水平準直分劃板10位于物鏡前組I與物鏡后組4的焦面上；分光棱鏡All反射的水平光線通路上依次安裝有顯微物鏡B7和垂直安裝的第二線陣CCD5 ;分光棱鏡B12反射的水平光線通路上依次安裝有分光棱鏡C 16、顯微物鏡A6以及水平安裝的第一線陣(XD3，且在分光棱鏡C16垂直水平面的反射光線通路上依次安裝有垂直準直分劃板17、垂直聚光鏡18以及垂直LED光源19，其中，垂直準直分劃板17位于物鏡前組I與物鏡后組4的焦面上。
[0021]本發明所述的一種高分辨力雙軸自準直儀系統，具體工作過程為:將該系統放置
于工件反光鏡15前，且使物鏡組套筒2對準工件反光鏡15，當測量水平角時，垂直LED光源
19通電(此時水平LED光源8斷電)，經過垂直聚光鏡18后，照亮暗視場亮線結構的垂直準
直分劃板17，垂直準直分劃板17中間的垂直亮線光經過分光棱鏡C16反射、分光棱鏡B12
反射以及反光鏡13反射后經過物鏡后組4和物鏡前組I后形成平行光照射到工件反光鏡
15，由工件反光鏡15返回的光經過物鏡前組I和物鏡后組4后，通過反光鏡13及分光棱鏡
B12反射后，透過分光棱鏡C16，并由顯微物鏡A6放大后，由水平安裝的第一線陣(XD3轉變
為電信號；當測量垂直角時，水平LED光源8通電(此時垂直LED光源19斷電)，經過水平聚
光鏡9后，照亮暗視場亮線結構的水平準直分劃板10，水平準直分劃板10中間的水平亮線
依次透過分光棱鏡All和分光棱鏡B12后，經過反光鏡13反射后，進入物鏡后組4和物鏡
前組I后形成平行光照射到工件反光鏡15，由工件反光鏡15返回的光經過物鏡前組I和物
鏡后組4后,通過反光鏡13后,透過分光棱鏡B12,并由分光棱鏡All反射后,經由顯微物鏡
B7放大后，由垂直安裝的第二線陣CCD5轉變為電信號；雖然該系統中安裝有分光棱鏡AU、
分光棱鏡B12以及分光棱鏡C16三塊分光棱鏡,但是每次通電后,有效光路只通過兩塊分光
棱鏡，因此，光能的損失率不會低于75%。經過物鏡前組I和物鏡后組4成水平準直分劃板
10或垂直準直分劃板17像，由顯微物鏡B7或顯微物鏡A6將刻線像的寬度、長度和位移量
都放大K倍后，由CCD轉變為電信號。由于位移量的放大，使靈敏度提高了 K倍，達到同樣
分辨力所需的CCD軟件細分數降低了 K倍，CCD分劃誤差引起的測量誤差降低了 K倍。加
光學放大后分辨力公式為:
【權利要求】
1.一種高分辨力雙軸自準直儀系統，其特征在于:該系統包括儀器外殼(14)以及固定在儀器外殼(14)上的物鏡組套筒(2)，其中，物鏡組套筒(2)由前后依次設置的物鏡前組(I)和物鏡后組(4)組成，儀器外殼(14)內安裝有水平LED光源(8)、垂直LED光源(19)、水平準直分劃板(10)、垂直準直分劃板(17)、分光棱鏡A (11)、分光棱鏡B (12)、分光棱鏡C(16)以及反光鏡(13)，其中，反光鏡(13)對通過物鏡后組(4)的水平光線進行反射，形成垂直光線，射入兩個依次布置的分光棱鏡B (12)以及分光棱鏡A (11),并在分光棱鏡A (11)的垂直光線通路上依次設有水平準直分劃板(10)、水平聚光鏡(9)以及水平LED光源(8)，分光棱鏡A (11)反射的水平光線通路上依次安裝有顯微物鏡B (7)和垂直安裝的第二線陣CCD (5);分光棱鏡B (12)反射的水平光線通路上依次安裝有分光棱鏡C (16)、顯微物鏡A (6)以及水平安裝的第一線陣CXD (3)，且在分光棱鏡C (16)垂直水平面的反射光線通路上依次安裝有垂直準直分劃板(17)、垂直聚光鏡(18)以及垂直LED光源(19)。
2.根據權利要求1所述的一種高分辨力雙軸自準直儀系統，其特征在于:所述的反光鏡(13)由若干個反光鏡組成，可以對通過物鏡后組(4)的水平光線進行若干次折疊反射后，形成垂直光線。
3.根據權利要求1所述的一種高分辨力雙軸自準直儀系統，其特征在于:所述的水平準直分劃板(10)或垂直準直分劃板(17)安裝在物鏡前組(I)和物鏡后組(4)的焦面上。
4.根據權利要求1所述的一種高分辨力雙軸自準直儀系統，其特征在于:所述的物鏡組套筒(2)通光口徑D=50mm，焦距f' =1000臟。
5.根據權利要求4所述的一種高分辨力雙軸自準直儀系統，其特征在于:所述的顯微物鏡A (6)或顯微物鏡B (7)的光學放大倍數K=7.5。
【文檔編號】G01B11/26GK103630090SQ201210311121
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月28日 優先權日:2012年8月28日
【發明者】王震, 張俊杰, 張忠武, 李永剛, 孫方金 申請人:北京航天計量測試技術研究所, 中國運載火箭技術研究院