專利名稱:二維旋光準(zhǔn)直儀的制作方法
本實(shí)用新型屬于一種幾何量計(jì)量光學(xué)儀器。
準(zhǔn)直儀以激光束建立準(zhǔn)直基線，傳感器在垂直于基線方向上的運(yùn)動(dòng)被檢測(cè)出來(lái)，傳感器沿準(zhǔn)直基線的運(yùn)動(dòng)不影響示值。傳感器固定在機(jī)床工作臺(tái)上，可以檢測(cè)綜合運(yùn)動(dòng)直線性。把傳感器逐次安放在若干個(gè)軸承孔中，可以得知這些孔的中心是否在一條直線上，稱之為同軸度測(cè)量。準(zhǔn)直儀在大型精密設(shè)備的制造和安裝中起著重要的作用。
1981年英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室R.J.King等發(fā)表了旋光法準(zhǔn)直測(cè)量的研究結(jié)果。其光學(xué)原理如圖1所示。從激光器〔1〕發(fā)出的激光束經(jīng)起偏器〔2〕化為線偏振光?！?〕為磁光玻璃棒，〔4〕為調(diào)制器線圈，〔3〕和〔4〕構(gòu)成法拉第盒，用來(lái)調(diào)制激光束偏振面的方位。〔5〕為小孔光欄，〔6〕，〔7〕是兩組傳感石英光楔，它們都是由角度相等的左旋和右旋石英楔構(gòu)成，是旋光準(zhǔn)直測(cè)量的傳感器?！?〕為四分之一波片，〔9〕為透鏡，〔10〕為凹面反射鏡，〔9〕，〔10〕構(gòu)成的系統(tǒng)可使光束對(duì)稱返回，稱之為貓眼系統(tǒng)?！?1〕為小楔鏡，使光束產(chǎn)生一個(gè)小的偏折。返回光束再次經(jīng)過(guò)傳感器〔6〕〔7〕進(jìn)入檢偏器〔12〕。檢偏器〔12〕和起偏器〔2〕是正交放置的。如果激光束的偏振方向沒有旋轉(zhuǎn)，在光電倍增管〔13〕上檢測(cè)到的是消光狀態(tài)。為了減少漂移，精選了SF57玻璃作磁光材料，用EMI9558B光電倍增管和鎖定放大器判斷消光。用這種實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量了兩根300mm長(zhǎng)的石英棒，其測(cè)量誤差為0.2μ。這套裝置的體積很大，只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用。
旋光法準(zhǔn)直測(cè)量的傳感器是左、右旋石英晶體制成的光楔，左右旋石英楔厚度相等處稱為中性面，光束經(jīng)過(guò)中性面不產(chǎn)生旋光作用。當(dāng)光楔沿垂直于光束的方向橫向移動(dòng)時(shí)偏振面旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角δ和橫向移動(dòng)量Δ之間的關(guān)系為δ＝4βΔtgγ (1)式中，β石英晶體的旋光常數(shù)，約為18°／mmγ楔角δ值可以通過(guò)測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)角的方法得到，從而計(jì)算出Δ值。但是，讓調(diào)制器兼作補(bǔ)償器可以省去機(jī)械轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)。方法是在調(diào)制器線圈中通過(guò)直流電流，使偏振面旋轉(zhuǎn)量與δ值數(shù)量相等方向相反，從而使系統(tǒng)保持消光狀態(tài)。這時(shí)，補(bǔ)償電流I和旋轉(zhuǎn)量δ之間的關(guān)系為δ＝V·1·4πμ0nI (2)式中，V磁光常數(shù)n每厘米長(zhǎng)度中線圈的匝數(shù)μ0導(dǎo)磁率I線圈中的直流補(bǔ)償電流l磁光玻璃棒的長(zhǎng)度(mm)由式(1)(2)可以看出，直流補(bǔ)償電流I和橫向偏移量Δ之間呈線性關(guān)系。這是旋光準(zhǔn)直的基本方程。測(cè)得I就可以得到偏移量Δ。
根據(jù)文章所述，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果采用了較大的調(diào)制角，偏振光相對(duì)于平衡位置對(duì)稱擺動(dòng)±1°～±2°。帶來(lái)了一系列的缺點(diǎn)線圈中的交變電流使線圈發(fā)熱，磁光玻璃棒的殘余雙折射隨著溫度的升高而變化，造成了通過(guò)調(diào)制器的光束偏振態(tài)的慢漂移，為此需要使用高性能的磁光玻璃或者使用水冷控溫。這兩個(gè)要求都使技術(shù)上帶來(lái)困難和使系統(tǒng)龐雜。
為了得到大的轉(zhuǎn)角，在限定電流的情況下，只能依靠增加線圈的匝數(shù)。線圈的體積和重量增大。用光電倍增管作檢測(cè)器，在使用中要時(shí)刻提防燒毀光電管。由于體積大，難于作出二維測(cè)量的安排。使用兩套光楔組，沒有帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的好處，反而造成使用的麻煩。
本實(shí)用新型克服了上述缺點(diǎn)，采用了單組石英光楔傳感器，小調(diào)制角諧振式法拉第盒，半導(dǎo)體光電檢測(cè)器，保持了原測(cè)量裝置的測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了二維測(cè)量，使之成為輕便的，適于在加工車間使用的儀器。
本實(shí)用新型包括以下四方面的內(nèi)容(1)使用隨機(jī)偏振的全內(nèi)腔氦氖激光器，由方解石晶體棱鏡分成兩束線偏振光，作為兩個(gè)互相正交的橫向偏移的測(cè)量光束。這兩束光受到同一個(gè)法拉第盒的調(diào)制。
(2)只有一個(gè)傳感石英楔組件。它由正交放置的三對(duì)石英楔組成?！?2〕的楔角主截面為鉛垂面，只感受垂直面內(nèi)的偏移，對(duì)水平面內(nèi)的位移沒有反映?！?1〕和〔53〕的楔角主截面在水平面內(nèi)，只感受水平面內(nèi)的偏移，對(duì)垂直面內(nèi)的偏移沒有反映。因此，兩個(gè)誤差分量互相獨(dú)立，不相干擾。即不存在二維測(cè)量的交叉干擾問(wèn)題。
(3)采用了小調(diào)制角法拉第盒，偏振面對(duì)于平衡位置的擺動(dòng)量?jī)H為±15分左右，減少了調(diào)制器的功耗，實(shí)測(cè)結(jié)果僅有0.4瓦，不足以影響磁光玻璃棒的殘余雙折射，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在線圈上串聯(lián)電容，并使C＝ 1/(ω2L) (3)式中C在磁光調(diào)制線圈上串聯(lián)的電容值ω調(diào)制電壓的角頻率L調(diào)制器線圈的電感值。
法拉第盒不需水冷，器件的典型尺寸為直徑80mm，長(zhǎng)度70mm。調(diào)制器電源也很輕便。
(4)用半導(dǎo)體光電檢測(cè)器代替光電倍增管，采用圖4所示的接收系統(tǒng)電路。基頻和二倍頻信號(hào)分別進(jìn)行選頻放大再進(jìn)行比例相加，從而提高了靈敏度。當(dāng)系統(tǒng)處于消光狀態(tài)，合成信號(hào)僅含二倍頻成份，當(dāng)系統(tǒng)微微離開消光狀態(tài)，合成信號(hào)中就出現(xiàn)二倍頻和基頻兩種成分。由于采樣脈沖相對(duì)調(diào)制信號(hào)移相45°，每隔半個(gè)周期采樣一次，在采樣保持器中相繼得到兩個(gè)相鄰的峰值。只有純凈的二倍頻信號(hào)才能使采樣保持器中得到兩個(gè)相等的相鄰峰值，以此作為消光的判據(jù)。這種方法有利于提高信噪比和檢測(cè)靈敏度。實(shí)測(cè)結(jié)果靈敏度優(yōu)于±0.15μ。
圖2為二維旋光準(zhǔn)直儀光學(xué)原理圖?！?1〕為激光器，〔22〕、〔24〕為倒置望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束器，〔23〕為小孔光欄，〔25〕為偏振分光棱鏡，把激光束分成偏振面互相垂直的等強(qiáng)線偏振光。其中經(jīng)反射鏡〔26〕反射的一束光首先進(jìn)入石英楔對(duì)〔40〕，經(jīng)過(guò)四分之一波片〔37〕和貓眼系統(tǒng)〔38〕〔39〕再?gòu)挠覀?cè)進(jìn)入石英楔對(duì)〔35〕，穿過(guò)析光鏡〔30〕經(jīng)反射鏡〔29〕〔41〕進(jìn)入檢偏器〔42〕。透鏡〔43〕把光束會(huì)聚到半導(dǎo)體光電三極管〔44〕上，實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的偏移測(cè)量。偏振分光鏡〔25〕的透射光束穿過(guò)析光鏡〔30〕，進(jìn)入石英楔對(duì)〔36〕，經(jīng)過(guò)四分之一波片〔37〕和貓眼系統(tǒng)〔38〕〔39〕使光束在垂直面內(nèi)分離開一段距離再?gòu)挠覀?cè)進(jìn)入石英楔對(duì)〔36〕，由析光鏡〔30〕，反射鏡〔31〕反射到檢偏器〔32〕，經(jīng)過(guò)透鏡〔33〕會(huì)聚到光電三極管〔34〕上，實(shí)現(xiàn)垂直面內(nèi)的偏移測(cè)量。二維測(cè)量是由這兩套系統(tǒng)同時(shí)完成的。
圖3是二維測(cè)量石英傳感器組件的平面圖。石英楔對(duì)〔51〕對(duì)應(yīng)于圖2中的〔35〕，〔52〕對(duì)應(yīng)于〔36〕，〔53〕對(duì)應(yīng)于〔40〕。圖中的符號(hào)表示激光束的進(jìn)入和出射位置。三對(duì)石英楔光軸互相平行，固定在同一殼體內(nèi)。
圖4是檢測(cè)系統(tǒng)電路框圖直接從二倍頻選頻放大器得到二倍頻信號(hào)經(jīng)過(guò)45°移相構(gòu)成采樣控制脈沖。在采樣保持器中比較兩個(gè)相鄰的峰值。當(dāng)二者完全相等時(shí)說(shuō)明系統(tǒng)處于消光狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種旋光準(zhǔn)直儀，是由傳感石英楔[35]、[36]、[40]，法拉第盒[27]、[28]，偏振器件[32]、[42]，激光器[21]及檢測(cè)電路所組成，其特征在于，(1)采用三對(duì)正交放置的且光軸互相平行的左右旋的石英光楔，(2)采用小調(diào)制角的諧振式法拉第盒[27]、[28]，(3)采用由光電三極管，基頻選頻電路，二倍頻選頻電路，比例相加，采樣保持電路及45°移相器構(gòu)成的檢測(cè)電路。
專利摘要
一種可以測(cè)量同軸度的二維旋光準(zhǔn)直儀，采用小調(diào)制諧振式法拉弟盒使激光束的偏振方向相對(duì)于平衡位置擺動(dòng)15分左右。三對(duì)正交的光軸互相平行的左右旋石英光楔沿垂直光束方向的移動(dòng)造成光束偏振面的旋轉(zhuǎn)。在法拉弟盒中通以直流迫使偏振面回復(fù)到消光狀態(tài)。補(bǔ)償電流表征了偏移量的大小。消光點(diǎn)是由光電三極管、選頻放大器、移相器、采樣保持器構(gòu)成的系統(tǒng)判斷出來(lái)的。
文檔編號(hào)G01B9/00GK86208090SQ86208090
公開日1987年12月5日 申請(qǐng)日期1986年10月16日
發(fā)明者殷純永 申請(qǐng)人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan