專利名稱：高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型屬于幾何量計(jì)量測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀。
背景技術(shù)：
[0002]自準(zhǔn)直儀是應(yīng)用最廣泛的小角度測(cè)量?jī)x器，用于測(cè)量反光鏡微小的角位移。光學(xué)自準(zhǔn)直儀在20世紀(jì)30年代中期就開(kāi)始用于角度測(cè)量，到了 20世紀(jì)40年代末期，精度為I 秒的儀器被正式采用。當(dāng)以光電技術(shù)取代肉眼之后，其精度有了大幅度的提高。在20世紀(jì) 60年代美國(guó)、英國(guó)及德國(guó)制造商已生產(chǎn)了多種光電式的商品自準(zhǔn)直儀。之后數(shù)十年來(lái)自準(zhǔn)直儀得到了飛速的發(fā)展。自準(zhǔn)直儀經(jīng)歷了目視式、光電指零式和數(shù)顯式三個(gè)發(fā)展階段。[0003]數(shù)顯式自準(zhǔn)直儀的出現(xiàn)使自準(zhǔn)直儀的性能有質(zhì)的飛躍，數(shù)顯式把儀器準(zhǔn)確度由 I"級(jí)提高至0.1"級(jí)，最小顯示值由0.1"級(jí)提高至0.01"級(jí)。數(shù)顯式自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)確度高， 使用方便，操作簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。按光電轉(zhuǎn)換元件分類，典型的數(shù)顯式自準(zhǔn)直儀有振子式、、PSD式、和CCD式等。[0004]提高分辨力和示值穩(wěn)定性(減小跳字量)是通用數(shù)顯自準(zhǔn)直儀的發(fā)展方向。[0005]高分辨力是高準(zhǔn)確度的保障與前提，高穩(wěn)定性(跳字量小)又是高分辨力的保障與前提。跳字量是靜態(tài)數(shù)顯自準(zhǔn)直儀的特點(diǎn)和難點(diǎn)。動(dòng)態(tài)測(cè)量每次采樣只有一個(gè)數(shù)值輸出， 反應(yīng)不出示值的跳動(dòng)，其難點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度，但通用儀器要讀出每個(gè)位置的穩(wěn)定讀數(shù)值，跳字大就只能估讀，影響示值的準(zhǔn)確度，也影響分辨力。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)提高光電自準(zhǔn)直儀的分辨力和穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究工作，分辨力的提高主要是通過(guò)增長(zhǎng)自準(zhǔn)直儀物鏡的焦距和增加圖像亞像素處理的細(xì)分?jǐn)?shù)，當(dāng)前準(zhǔn)確度最高的數(shù)顯自準(zhǔn)直儀是德國(guó)M0LLER公司的HR型自準(zhǔn)直儀，它用CXD作為光電轉(zhuǎn)換元件，物鏡焦距為1100mm，最小顯示值為O. 001〃，分辨力O. 005〃，示值誤差在10〃范圍內(nèi)為±0.01〃，在40〃范圍內(nèi)為 ±O. 02〃，在300〃 X 300〃全量程內(nèi)為±0.03〃。國(guó)內(nèi)尚無(wú)同等產(chǎn)品。[0006]但是增長(zhǎng)自準(zhǔn)直儀物鏡焦距的會(huì)引起儀器的體積、長(zhǎng)度和重量增大。而增加亞像素處理的細(xì)分?jǐn)?shù)會(huì)加劇示值跳動(dòng)，穩(wěn)定性下降，細(xì)分可靠性降低，德國(guó)HR自準(zhǔn)直儀雖然最小顯示值可達(dá)O. 001"，但其技術(shù)文件中的分辨力為O. 005"，按分辨力公式JC P' a'![0007] δ = τητ^[0008]式中d δ為測(cè)角分辨力，單位為角秒，dt為CCD測(cè)量方向的相鄰像元的間距，單位為mm，P為弧度到角度的轉(zhuǎn)換常量，取206265，f為物鏡焦距，單位mm，N為CXD的軟件細(xì)分?jǐn)?shù)。如選擇相鄰像元間距dt = O. 007mm的C⑶作為光電傳感器，物鏡焦距f' = IlOOmm, 要達(dá)到O. 001〃分辨力，細(xì)分?jǐn)?shù)需達(dá)到657細(xì)分，其可靠性是很難保證的，因此HR盡管可以顯示至O. 001"，但其技術(shù)文件中的分辨力為O. 005"，相應(yīng)的細(xì)分?jǐn)?shù)為131. 4。發(fā)明內(nèi)容[0009]本實(shí)用新型的目的在于提供一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，在焦距為1000mm、 細(xì)分?jǐn)?shù)不超過(guò)100時(shí)，使分辨力達(dá)到O. 001"。[0010]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shè)置的物鏡前組和物鏡后組組成，儀器外殼內(nèi)安裝有水平LED光源、垂直LED光源、水平準(zhǔn)直分劃板、垂直準(zhǔn)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(duì)通過(guò)物鏡后組的水平光線進(jìn)行反射，形成垂直光線，射入兩個(gè)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(shè)有水平準(zhǔn)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(zhǔn)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(gè)反光鏡組成，可以對(duì)通過(guò)物鏡后組的水平光線進(jìn)行若干次折疊反射后，形成垂直光線。[0012]所述的水平準(zhǔn)直分劃板或垂直準(zhǔn)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(xué)放大倍數(shù)K=7. 5。[0015]本實(shí)用新型的顯著效果在于本實(shí)用新型所述的一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)采用物鏡前組和物鏡后組，減小準(zhǔn)直光路長(zhǎng)度，使準(zhǔn)直光路的長(zhǎng)度小于物鏡焦距；同時(shí)，采用折疊光路的反射鏡，使光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度尺寸不增加，僅增加寬度；該高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)最小顯示位為O. 001〃，加防氣流罩后自準(zhǔn)直儀跳字量〈O. 002〃，在土 10〃測(cè)量范圍內(nèi)的示值誤差不超過(guò)±0. 01〃，在±40〃范圍內(nèi)不超過(guò)±0. 02〃。


[0016]圖I為本實(shí)用新型所示的一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)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(zhǔn)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(zhǔn)直分劃板；18、垂直聚光鏡；19、垂直LED光源。
具體實(shí)施方式
[0019]
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。[0020]如圖I、圖2所示，一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，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Γ = 1000mm,相對(duì)孔徑D/ Γ = 1/20 ;儀器外殼14內(nèi)安裝有水平LED光源8、垂直LED光源19、水平準(zhǔn)直分劃板10、 垂直準(zhǔn)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(gè)反光鏡組成，可以對(duì)通過(guò)物鏡后組4的水平光線進(jìn)行若干次折疊反射后，形成垂直光線，射入兩個(gè)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(zhǔn)直分劃板10、水平聚光鏡9以及水平LED光源8，其中，水平準(zhǔn)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(zhǔn)直分劃板17、垂直聚光鏡18以及垂直LED光源19，其中，垂直準(zhǔn)直分劃板17位于物鏡前組I與物鏡后組4的焦面上。[0021]本實(shí)用新型所述的一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，具體工作過(guò)程為將該系統(tǒng)放置于工件反光鏡15前，且使物鏡組套筒2對(duì)準(zhǔn)工件反光鏡15，當(dāng)測(cè)量水平角時(shí)，垂直LED 光源19通電(此時(shí)水平LED光源8斷電)，經(jīng)過(guò)垂直聚光鏡18后，照亮暗視場(chǎng)亮線結(jié)構(gòu)的垂直準(zhǔn)直分劃板17，垂直準(zhǔn)直分劃板17中間的垂直亮線光經(jīng)過(guò)分光棱鏡C16反射、分光棱鏡 B12反射以及反光鏡13反射后經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)物鏡前組I和物鏡后組4后，通過(guò)反光鏡13及分光棱鏡B12反射后，透過(guò)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；當(dāng)測(cè)量垂直角時(shí)，水平LED光源8通電(此時(shí)垂直LED光源19斷電)，經(jīng)過(guò)水平聚光鏡9后，照亮暗視場(chǎng)亮線結(jié)構(gòu)的水平準(zhǔn)直分劃板10，水平準(zhǔn)直分劃板10中間的水平亮線依次透過(guò)分光棱鏡All和分光棱鏡B12后，經(jīng)過(guò)反光鏡13反射后，進(jìn)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(jīng)過(guò)物鏡前組I 和物鏡后組4后，通過(guò)反光鏡13后，透過(guò)分光棱鏡B12，并由分光棱鏡All反射后，經(jīng)由顯微物鏡B7放大后，由垂直安裝的第二線陣CCD5轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；雖然該系統(tǒng)中安裝有分光棱鏡 All、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(guò)兩塊分光棱鏡，因此，光能的損失率不會(huì)低于75%。經(jīng)過(guò)物鏡前組I和物鏡后組4成水平準(zhǔn)直分劃板10或垂直準(zhǔn)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(zhǎng)度和位移量都放大K倍后，由CCD轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。由于位移量的放大，使靈敏度提高了 K倍，達(dá)到同樣分辨力所需的CCD軟件細(xì)分?jǐn)?shù)降低了 K倍，CCD分劃誤差引起的測(cè)量誤差降低了 K倍。 加光學(xué)放大后分辨力公式為,,, P ■ cf/[0022]<-10 =-l-f'-N.K[0023]式中d δ為測(cè)角分辨力，單位為角秒，dt為CCD的單個(gè)像元的線值，單位為mm，P 取206265，f'為物鏡焦距，單位mm，N為CXD的軟件細(xì)分?jǐn)?shù)，K為顯微物鏡的光學(xué)放大倍數(shù)。 選擇像元dt=0. 007mm的CXD作為光電轉(zhuǎn)換元件，顯微物鏡光學(xué)放大倍數(shù)K=7. 5，物鏡焦距 f = 1000mm，則軟件細(xì)分?jǐn)?shù)N = 96時(shí)即可達(dá)到O. 001〃的分辨力。
權(quán)利要求1.一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)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(shè)置的物鏡前組(I)和物鏡后組(4)組成，儀器外殼(14)內(nèi)安裝有水平LED光源(8)、垂直LED光源(19)、水平準(zhǔn)直分劃板(10)、垂直準(zhǔn)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(duì)通過(guò)物鏡后組(4)的水平光線進(jìn)行反射，形成垂直光線，射入兩個(gè)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(shè)有水平準(zhǔn)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(zhǔn)直分劃板(17)、垂直聚光鏡(18)以及垂直LED光源(19)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于所述的反光鏡(13)由若干個(gè)反光鏡組成，可以對(duì)通過(guò)物鏡后組(4)的水平光線進(jìn)行若干次折疊反射后，形成垂直光線。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于所述的水平準(zhǔn)直分劃板(10)或垂直準(zhǔn)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(jù)權(quán)利要求I所述的一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于所述的物鏡組套筒(2)通光口徑D=50mm，焦距f’ =1000mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，其特征在于所述的顯微物鏡A (6)或顯微物鏡B (7)的光學(xué)放大倍數(shù)K=7. 5。
專利摘要本實(shí)用新型涉及幾何計(jì)量測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種高分辨力雙軸自準(zhǔn)直儀。該系統(tǒng)中反光鏡對(duì)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(shè)有水平準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(zhǔn)直分劃板、垂直聚光鏡以及垂直LED光源。該系統(tǒng)采用物鏡前組和物鏡后組，減小準(zhǔn)直光路長(zhǎng)度，使準(zhǔn)直光路長(zhǎng)度小于物鏡焦距；采用折疊光路的反射鏡，使光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度尺寸不增加。
文檔編號(hào)G01B11/26GK202814358SQ20122043250
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者王震, 張俊杰, 張忠武, 李永剛, 孫方金 申請(qǐng)人:北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院