CN102865835A - 游标狭缝式光电自准直仪 - Google Patents

Abstract

本发明了提供一种精度高、可靠性好的游标狭缝式光电自准直仪。该游标狭缝式光电自准直仪，包括在主光路上依次设置的单色光源（1）、多狭缝（2）、分光镜（3）、准直物镜（4）、可转动的平面反射镜（5）以及在分光镜分光光路上设置的线阵CCD（6），多狭缝（2）与线阵CCD（6）共轭；所述多狭缝（2）由多个平行单狭缝组成，各平行单狭缝缝宽与缝间距均相等；以线阵CCD作为主尺，多狭缝（2）的像作为游标尺，游标尺与主尺满足游标细分原理。本发明可广泛应用于高精度小角度精度测试，反射镜动静态小角度误差高精度测量、角位移传感器角度标校、光学平面冷加工件的小角度测量等。

Description

游标狭缝式光电自准直仪

技术领域

本发明涉及一种高精度角位移检测装置，具体涉及一种游标狭缝式光电自准直仪。

背景技术

在精密测试计量技术领域，光电自准直仪的广泛应用于小角度测量、高精度角度标校、导轨的平直度、精密平台的平面度、转台位置不确定度等测量领域，是机械制造、造船、航空航天、计量测试、科学研究等部门必备的常规测量仪器。特别是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用。它既可单独用于工程测量，也可作为经纬仪、测角仪、光学比较仪等光学计量仪器中的瞄准及测量部件。

由于光电自准直仪实质为高精度的数字图像微位移检测***，改变狭缝类型成为提高其精度的关键要素。目前，光电自准直仪中所用的狭缝类型主要有：十字丝、圆孔、M形/V形/N形分划、单狭缝、光栅等。十字丝、圆孔等直接与面阵探测器配合完成二维测量，受限于面阵器件自身的工作原理，其测量速度及精度都会受到限制。M形/V形/N形分划板主要与单线阵CCD结合实现二维转角测量，对狭缝与线阵CCD安装精度要求较高，进而影响测量范围及测量精度。若采用单狭缝，则单狭缝作为图像时，图像要素只有缝宽，不利于提高精度。光栅式光电自准直仪的出现是一种新的探索，该类型自准直仪通过一对光栅副产生的莫尔条纹的位移来获得平面镜的角位移信息。莫尔条纹位移信息不仅与光栅副之间的单根栅线的栅距差异有关，还与光栅副之间的夹角有关，造成这种类型的自准直仪对光栅的安装较高，加之莫尔条纹本身的复杂性，要对其进行准确定位，对后期图像处理要求较高，实际测量精度及可靠性也受到限制（如果存在探测器响应或光栅刻画的误差，影响就会更为严重）。

发明内容

为克服前述背景技术存在的不足，本发明了提供一种精度高、可靠性好的游标狭缝式光电自准直仪。

本发明的技术解决方案是：

游标狭缝式光电自准直仪，包括在主光路上依次设置的单色光源（1）、多狭缝（2）、分光镜（3）、准直物镜（4）、可转动的平面反射镜（5）以及在分光镜分光光路上设置的线阵CCD（6），多狭缝（2）与线阵CCD（6）共轭，光源（1）发出的光通过多狭缝（2）、经分光镜透射后在平面反射镜（5）反射回分光镜分光，成像于线阵CCD（6）处；其特殊之处在于：

所述多狭缝（2）由多个平行单狭缝组成，各平行单狭缝缝宽与缝间距均相等；以线阵CCD作为主尺，多狭缝（2）的像作为游标尺，游标尺与主尺满足游标细分原理。

这样，当平面反射镜（5）转动一个小角度时，多狭缝（可称之为“游标狭缝”）图像在线阵CCD有一定位移量，通过游标原理来获取游标细分后的亚像元位移信息，CCD输出信号经过A/D转换，通过数学转换关系将位置信息转换为角度量，从而能够精确显示角度变化。

基于上述基本技术方案，本发明还进行了以下优化限定和改进：

上述单个狭缝的宽度大于或等于3倍的线阵CCD原始像元尺寸。

设各平行单狭缝缝宽与缝间距均为d，狭缝个数为N，线阵CCD像元尺寸与像元间距均为P_d，对输出的CCD信号进行了M倍硬件细分，则游标尺与主尺满足以下数学关系：

$(2N-1)\×d=[k\×(2N-1)-1]\×\frac{P_d}{M},$ 其中，N=1,2,3,…;M=1,2,3,…;k=1,2,3,…。

上述各参数的取值优选为2≤N≤50；2≤k≤100；1≤M≤20。

上述光源具体可以采用LED光源、激光光源等。

要想获得更高的测量精度，准直物镜（4）的焦距可以更长，线阵CCD的像元数可以更小，采用相对应的游标狭缝结构即可获得更高的精度。

本发明具有以下优点：

本发明巧妙应用了游标细分原理，该准直仪在装调要求较低的情况下，能够实现高精度测量，可靠性高。本发明能够允许适当调节线阵CCD光敏面与最佳像面之间的离焦量。

本发明可广泛应用于高精度小角度精度测试，反射镜动静态小角度误差高精度测量、角位移传感器角度标校、光学平面冷加工件的小角度测量、高精度台面或工件的垂直度/平面度的高精度测量等。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明一个线阵CCD与游标狭缝之间的数学关系原理图。

具体实施方式

如图1所示，包括有LED光源组件（1）、游标狭缝（2）、分光镜（3）、准直物镜（4）、平面反射镜（5）、线阵CCD（6）。游标狭缝（2）及线阵CCD（6）位于准直物镜（4）的焦平面上或其附近。LED光源组件（1）发出的光照亮游标狭缝（2），光线经准直物镜（4）准直并经平面镜（5）反射后成像于线阵CCD（6）处。当控制平面反射镜（5）转动一个小角度时，游标狭缝图像在线阵CCD有一定位移量，通过游标原理来获取游标细分后的亚像元位移信息，通过数学转换关系将位置信息转换为角度量，并实时显示角度变化。

图1中，LED光源组件采用红光LED光源。线阵CCD采用单线阵CCD，单个像元尺寸及像元间距均为7μm，单个像元尺寸及像元间距也可以更小；当游标狭缝（2）的缝宽与缝间距相等同为d，当游标狭缝个数为N时，且单线阵CCD像元尺寸与像元间距均为P_d，将线阵CCD作为主尺，游标狭缝（2）的像作为游标尺，当游标狭缝（2）的像与线阵CCD（6）之间满足游标细分原理时，即满足下列数学关系时，

(2N-1)×d＝[k ×(2N-1)-1]×P_d，其中N=1,2,3,…;k=1,2,3,…（A）

游标狭缝（2）的像对线阵CCD（6）单位像元P_d实现了满足游标原理的无误差细分，细分倍数为：

$f=\frac{1}{2N-1}---\left(B\right)$

即当游标狭缝移动

时，游标狭缝上对应位置的狭缝边缘与线阵CCD像元的边缘对齐，实现了亚像元细分，游标尺上第一个狭缝的边缘对应的CCD整像元，两者之和反应游标狭缝尺的无误差亚像元位移。

CCD输出信号经过A/D转换，由模拟信号转变为数字信号，当采用的A/D转换时钟信号为CCD积分时间的M倍，即对输出的CCD信号进行了M倍硬件细分；假设CCD原有像元数为N_c，输出的像元数则变为M·N_c，采用该细分方法时，单个狭缝的宽度最好大于3倍原始像元大小。在这种情况下，当游标狭缝（2）的像与线阵CCD（6）之间满足游标细分原理时，即满足下列数学关系时，

其中，N=1,2,3,…;M=1,2,3,…;k=1,2,3,…（C）

游标狭缝（2）的像对线阵CCD（6）细分后的单位像元

实现了满足游标原理的无误差细分，细分倍数为：

$f=\frac{1}{2N-1}---\left(D\right)$

即当游标狭缝移动

时，游标狭缝上对应位置的狭缝边缘与细分后的线阵CCD像元的边缘对齐，实现了亚像元细分，游标尺上第一个狭缝的边缘对应的细分后的CCD整像元，两者之和反应游标狭缝尺的无误差亚像元位移。

设准直物镜（4）的焦距为f，当多狭缝像移动的距离为S，当被测平面镜（5）转动θ，根据自准直原理，有：S＝f·tan2θ。如果选用准直物镜（4）的焦距f=300mm，线阵CCD单个像元尺寸为7μm，单个像元的有效分辨率为： $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{S}{f}\right)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{7}{300\×1000}\right)\≈{2.4}^{\′\′}.$ 实际的测量精度往往低于2.4″，通过采用满足上述条件（A）的四狭缝结构（取N＝4），取k＝5时，即游标狭缝的单狭缝与缝间距为

可以对线阵CCD实现个像元细分精度，此时能达到的细分精度为：

如果对线阵CCD输出信号进行M＝4倍细分，细分后的单个像元的有效分辨率为：

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{S}{f}\right)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{7}{300\×1000\×4}\right)\≈{0.6}^{\′\′},$ 四狭缝结构（取N＝4）取k＝20时，即游标狭缝的单狭缝与缝间距为

可以对细分后的线阵CCD实现

个像元细分精度，此时能达到的细分精度为：

线阵CCD与游标狭缝之间的数学关系原理图如图2所示。

要想获得更高的测量精度，准直物镜（4）的焦距可以更长，线阵CCD的像元数可以更小，采用相对应的游标狭缝结构即可获得更高的精度。

本发明可广泛应用于高精度小角度精度测试，反射镜动静态小角度误差高精度测量、角位移传感器角度标校、光学平面冷加工件的小角度测量、高精度台面或工件的垂直度/平面度的高精度测量等。

Claims (5)

1.游标狭缝式光电自准直仪，包括在主光路上依次设置的单色光源（1）、多狭缝（2）、分光镜（3）、准直物镜（4）、可转动的平面反射镜（5）以及在分光镜分光光路上设置的线阵CCD（6），多狭缝（2）与线阵CCD（6）共轭，光源（1）发出的光通过多狭缝（2）、经分光镜透射后在平面反射镜（5）反射回分光镜分光，成像于线阵CCD（6）处；其特征在于：

所述多狭缝（2）由多个平行单狭缝组成，各平行单狭缝缝宽与缝间距均相等；以线阵CCD作为主尺，多狭缝（2）的像作为游标尺，游标尺与主尺满足游标细分原理。

2.根据权利要求1所述的游标狭缝式光电自准直仪，其特征在于：所述单个狭缝的宽度大于或等于3倍的线阵CCD原始像元尺寸。

3.根据权利要求1所述的游标狭缝式光电自准直仪，其特征在于：设各平行单狭缝缝宽与缝间距均为d，狭缝个数为N，线阵CCD像元尺寸与像元间距均为P_d，对输出的CCD信号进行了M倍硬件细分，则游标尺与主尺满足以下数学关系：

其中，N=1,2,3,…;M=1,2,3,…;k=1,2,3,…。

4.根据权利要求3所述的游标狭缝式光电自准直仪，其特征在于：各参数的取值为2≤N≤50；2≤k≤100；1≤M≤20。

5.根据权利要求4所述的游标狭缝式光电自准直仪，其特征在于：所述光源为LED光源或激光光源。

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