CN107421470B - 一种双路自准直仪 - Google Patents

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Abstract

一种双路自准直仪，涉及光学自准直仪领域。解决了现有随着测量距离的增加，使得测量环境波动直接影响测量精度，从而降低了测量精度的问题。绿光光源发出的光作为测量光；红光光源发出的光作为校准光，两个光源发出的光分别通过分光镜、准直镜，在1号二向色镜处汇合，在此处绿光发生反射，依次通过1号二向色镜、反射镜、1号准直镜、1号分光镜，成像在1号面阵CCD的光敏面处；红色激光经1号二向色镜透射后入射至2号二向色镜，经2号二向色镜透射后，入射至角锥棱镜，红光经角锥棱镜的反射后，依次经1号二向色镜、2号准直镜、2号分光镜透射后，成像在2号面阵CCD的光敏面。本发明主要适用于较大测量距离的光路的应用。

Description

一种双路自准直仪
技术领域
本发明涉及光学自准直仪领域。
背景技术
自准直仪是利用光学自准直原理，用于小角度测量或可转换为小角度测量的一种常用计量测试仪器。它在实现小角度的多维、非接触测量中具有独特的优点，被广泛用于光学元件的角度检测、平台平面度检测、机械轴系的晃动及精密导轨的直线度检测等精密测量中。
现有自准直仪工作原理如图2所示，光源发出的光束经聚光镜均匀照明位于物镜的焦平面上的十字分划板上，十字形刻线经分光镜、物镜、反射镜后，光线返回经物镜和分光镜，十字形刻线成像在面阵CCD器件上，面阵CCD器件放置在物镜的焦平面上。
当反射镜有微小的角度θ变化时，参见图3，入射光线和反射光线夹角改变2θ，因此，像O′相对于反射镜垂直于光轴时的像O有d的位移量，这时位移量与反射镜偏角θ之间的关系：
d＝f·tan(2θ) (公式一)；
其中，f为准直物镜的焦距，在该试验中f＝860mm。因被测角很小，公式一可简化为：
d＝f·2θ；亦即θ＝d/2f (公式二)；
在二维的情况下，需要同时考虑像O′相对于反射镜垂直于光轴时的像O的水平方向位移量x和垂直方向位移量y。通过测量二维位移即可得到反射镜的二维偏转角θx，θy。
目前，自准直仪技术发展主要集中在如何提高测量范围，如何提高测量精度，如何提高测量距离等方面。目前自准直仪最大测量距离一般在30米以内，测量不确定度在0.5"至3"左右。随着测量距离的增加，测量环境波动直接影响测量精度，导致测量不确定度增大，本发明主要解决提高测量距离，减少环境波动对测量精度的影响，提高自准直仪的测量精度。
发明内容
本发明是为了解决现有随着测量距离的增加，使得测量环境波动直接影响测量精度，从而降低了测量精度的问题。本发明提出了一种双路自准直仪。
一种双路自准直仪，它包括绿光光源、红光光源、1号面阵CCD、2号面阵CCD、1号分光镜、2号分光镜、1号准直镜、2号准直镜、反射镜、1号二向色镜、2号二向色镜和角锥棱镜；
所述的2号二向色镜和角锥棱镜封装在一起，并固定在被测物体上；
绿光光源发出的光作为测量光；红光光源发出的光作为校准光；
绿光光源发出的光经1号分光镜反射后入射至1号准直镜，经1号准直镜透射后入射至反射镜，经反射镜反射后入射至1号二向色镜，经1号二向色镜反射后入射至2号二向色镜，经2号二向色镜反射的光沿入射光路返回至1号分光镜后，经1号分光镜透射后入射至1号面阵CCD的光敏面，该光敏面上形成光斑，被测物体自身偏移量通过检测该光斑的偏移量获取；
红光光源发出的光经2号分光镜反射后入射至2号准直镜，经2号准直镜透射后入射至1号二向色镜，经1号二向色镜透射后入射至2号二向色镜，经2号二向色镜透射后入射至角锥棱镜，经角锥棱镜反射的光沿入射光路返回至2号分光镜后，经2号分光镜透射后入射至2号面阵CCD的光敏面，该光敏面上形成光斑，被测物体受环境因素影响引发的偏移量通过该光斑获取。
所述的绿光光源发出的光的波长为532nm±10nm。
所述的红光光源发出的光的波长为638nm±10nm。
反射镜与角锥棱镜的分光比为1:1。
本发明带来的有益效果是，本发明所述的一种双路自准直仪，采用双路比较测量原理，并在光路中增加了二向色镜，可以根据光束的波长将光源分为测量光、以及校准光，分别成像在两个面阵CCD上，通过对两路光的图像进行差分计算，可以消除由于光路扰动引入的误差，即：消除了测量环境波动对测量精度的影响，测量精度提高了20％以上。本发明所述的双路自准直仪测量距离在30m以内，适用于较大测量距离的光路的应用，具体用于轨道的直线检测。
附图说明
图1为本发明所述的一种双路自准直仪的结构示意图。
图2为现有自准直仪结构示意图；其中，A为光源，B为聚光镜，C为十字线分划板，D为分光镜，E为物镜，F为反射镜。
图3为现有自准直仪的光路图，其中，M为反射镜，P为物镜，Q为焦平面。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种双路自准直仪，其特征在于，它包括绿光光源1、红光光源2、1号面阵CCD 3-1、2号面阵CCD 3-2、1号分光镜4-1、2号分光镜4-2、1号准直镜5-1、2号准直镜5-2、反射镜6、1号二向色镜7-1、2号二向色镜7-2和角锥棱镜8；
所述的2号二向色镜7-2和角锥棱镜8封装在一起，并固定在被测物体上；
绿光光源1发出的光作为测量光；红光光源2发出的光作为校准光；
绿光光源1发出的光经1号分光镜4-1反射后入射至1号准直镜5-1，经1号准直镜5-1透射后入射至反射镜6，经反射镜6反射后入射至1号二向色镜7-1，经1号二向色镜7-1反射后入射至2号二向色镜7-2，经2号二向色镜7-2反射的光沿入射光路返回至1号分光镜4-1后，经1号分光镜4-1透射后入射至1号面阵CCD 3-1的光敏面，该光敏面上形成光斑，被测物体自身偏移量通过检测该光斑的偏移量获取；
红光光源2发出的光经2号分光镜4-2反射后入射至2号准直镜5-2，经2号准直镜5-2透射后入射至1号二向色镜7-1，经1号二向色镜7-1透射后入射至2号二向色镜7-2，经2号二向色镜7-2透射后入射至角锥棱镜8，经角锥棱镜8反射的光沿入射光路返回至2号分光镜4-2后，经2号分光镜4-2透射后入射至2号面阵CCD 3-2的光敏面，该光敏面上形成光斑，被测物体受环境因素影响引发的偏移量通过该光斑获取。
本实施方式，1号二向色镜7-1和2号二向色镜7-2满足对绿光光源1发出的绿光实现反射，对红光光源2发出的光实现透射。
具体应用过程中，将封装在一起的2号二向色镜7-2和角锥棱镜8，固定在被测物体上，跟随被侧物体运动。当被测物体上2号二向色镜7-2和角锥棱镜8发生一定角度的偏转时，根据自准直仪的工作原理，可知，我们在1号面阵CCD 3-1和2号面阵CCD 3-2上得到的光斑像会发生一定位置的偏移，其中，1号面阵CCD 3-1上光斑位置偏移的大小由被测物角度决定，2号面阵CCD 3-2上光斑位置偏移大小是决定于环境波动。通过测量两个面阵CCD上光斑位置偏移量，可以计算出此刻待测物的偏转角度。
本次发明在光路中增加了二向色镜，可以根据光束的波长将光源分为测量光、以及校准光，分别成像在两个面阵CCD上，通过对两路光的图像进行差分计算，可以消除由于光路扰动引入的误差，提高测量精度。适用于较大测量距离的光路的应用。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种双路自准直仪的区别在于，所述的绿光光源1发出的光的波长为532nm±10nm。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种双路自准直仪的区别在于，所述的红光光源2发出的光的波长为638nm±10nm。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种双路自准直仪的区别在于，反射镜6与角锥棱镜8的分光比为1:1。

Claims (4)

1.一种双路自准直仪，其特征在于，它包括绿光光源(1)、红光光源(2)、1号面阵CCD(3-1)、2号面阵CCD(3-2)、1号分光镜(4-1)、2号分光镜(4-2)、1号准直镜(5-1)、2号准直镜(5-2)、反射镜(6)、1号二向色镜(7-1)、2号二向色镜(7-2)和角锥棱镜(8)；
所述的2号二向色镜(7-2)和角锥棱镜(8)封装在一起，并固定在被测物体上；
绿光光源(1)发出的光作为测量光；红光光源(2)发出的光作为校准光；
绿光光源(1)发出的光经1号分光镜(4-1)反射后入射至1号准直镜(5-1)，经1号准直镜(5-1)透射后入射至反射镜(6)，经反射镜(6)反射后入射至1号二向色镜(7-1)，经1号二向色镜(7-1)反射后入射至2号二向色镜(7-2)，经2号二向色镜(7-2)反射的光沿入射光路返回至1号分光镜(4-1)后，经1号分光镜(4-1)透射后入射至1号面阵CCD(3-1)的光敏面，该光敏面上形成光斑，被测物体自身偏移量通过检测该光斑的偏移量获取；
红光光源(2)发出的光经2号分光镜(4-2)反射后入射至2号准直镜(5-2)，经2号准直镜(5-2)透射后入射至1号二向色镜(7-1)，经1号二向色镜(7-1)透射后入射至2号二向色镜(7-2)，经2号二向色镜(7-2)透射后入射至角锥棱镜(8)，经角锥棱镜(8)反射的光沿入射光路返回至2号分光镜(4-2)后，经2号分光镜(4-2)透射后入射至2号面阵CCD(3-2)的光敏面，该光敏面上形成光斑，被测物体受环境因素影响引发的偏移量通过该光斑获取；
通过对两路光的图像进行差分计算，消除由于光路扰动引入的误差。
2.根据权利要求1所述的一种双路自准直仪，其特征在于，所述的绿光光源(1)发出的光的波长为532nm±10nm。
3.根据权利要求1所述的一种双路自准直仪，其特征在于，所述的红光光源(2)发出的光的波长为638nm±10nm。
4.根据权利要求1所述的一种双路自准直仪，其特征在于，反射镜(6)与角锥棱镜(8)的分光比为1:1。
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