CN201575793U - 一种使用激光的光杠杆装置 - Google Patents

Abstract

一种使用了激光器的由平面反射镜、刻度尺等构成的光杠杆装置，其特点是采用了一块一端印有十字线、方框、同心圆等图线的长方形读数板，可以相当的精度读取激光器投射到刻度尺上的光斑的位置刻度；并能承受光斑一定程度的畸变而不致影响读数精度。因此还能使所用平面反射镜的反射面可以由经过抛光的有机玻璃板、铝板、不锈钢板等不透明材料构成。本光杠杆装置的放大倍数比现有光杠杆提高数倍，光路调节使用更方便，结构更牢固，生产成本大幅度下降。

Description

一种使用激光的光杠杆装置

所属领域  本实用新型涉及将微小的高度(长度)变化量通过光路放大后进行测量的仪器装置，尤其是使用于物理实验的仪器装置。

背景技术  现有光杠杆装置一般由全反射平面镜、尺读望远镜，刻度尺等构成。测量微小高度(长度)变化量的原理如图1所示。平面镜的前足搁于一个固定不动的平台，后足则搁于另一个高度可以升降的平台，前后足之间距离为D。假定平面镜的法线和望远镜光轴在同一直线上，且望远镜光轴和刻度尺垂直，刻度尺上a点发出的光线经过平面镜反射进入望远镜，可在望远镜中十字叉丝处读到a点的刻度，设为H₀。若平面镜的后足升降一个微小的高度Δh，引起平面镜及其法线转过角度

根据反射定律，反射光线则转过角度

此时在望远镜十字叉丝处见到尺上b点的像，设刻度为H₁。

因Δh很小，且Δh＜＜D，因此亦很小，故有

设平面镜镜面到刻度尺尺面的距离为s，因H₁-H₀＜＜s，则有

(1)(2)式中消去有

$\frac{2\mathrm{\Δh}}{D}=\frac{H_1-H_0}{s}$

令ΔH＝H₁-H₀，有

$\mathrm{\Δh}=\frac{D}{2s}\mathrm{\ΔH}---\left(3\right)$

由(3)式可见，利用光杠杆装置测量微小高度(长度)变化量的实质是：将微小高度(长度)的变化量Δh经光杠杆装置转变为微小角度的变化

再经尺读望远镜转变为刻度尺上较大的读数变化量ΔH。通过测量ΔH，实现对微小高度(长度)变化量Δh的测量。这样不但可以提高测量的准确度，而且可以实现非接触测量。2s/D称为光杠杆的放大倍数。增大s，减小D，光杠杆的放大倍数增大。但预置过大的s，过小的D，系统的抗干扰性能变差。因此，实际测量时一般选取s≈1.50m，D≈7cm左右，光杠杆的放大倍数可达40倍。

现有光杠杆装置的不足之处：1、由于所测高度(长度)变化量Δh的数值往往极小，放大倍数仍嫌不足。2、光路的调节比较烦杂。3、测试场所自然光照不充足时，需要额外的照明。

发明内容  采用激光器可以为解决以上问题提供一种有效途径，但由于激光器投射到刻度尺上的光斑的边缘不清晰，因此需要提供一种测定光斑位置的低成本的方法。本实用新型通过一种简单方法确定激光器在刻度尺上投射的光斑位置的刻度，从而使光杠杆装置中可以很方便地采用激光器，成倍地增大s值，大幅度提高放大倍数。同时也使装置的光路调节变得十分简便。并使平面反射镜的反射面可以使用更牢固更便宜的不透明材料。整个装置的生产成本也大幅度下降。

本实用新型提供的光杠杆装置由半导体激光器，平面反射镜、刻度尺、读数板等构成，所依据的对微小高度(长度)的变化量进行放大后测量的原理不变。激光器射出一束激光，经处于竖直状态的平面镜反射后，在远处的刻度尺上投射出一个光斑。调节激光器，使激光器出射点的高度，与其在直尺上的光斑的高度相同。当所测物体的高度(长度)发生微小变化Δh，同时使平面镜后足位置也升降Δh，改变了平面镜反射角，从而使刻度尺上的光班位置发生相应的移动。测出光斑位置的改变量。即可依公式(3)计算出Δh的数值。

由于激光器投射到刻度尺上的是一个边缘模糊的光斑，因此，如何准确地确定光斑在刻度尺上的位置，成为保证必要测量精度必须要解决的一个重要的问题。这个的问题的困难还在于光学器件间相互干涉等影响，使得即便采用昂贵的高精度平面反射镜，激光器投射到刻度尺上的仍然是一个边缘模糊的圆形光斑。可以通过复杂、贵重的柱透镜系统使激光器投射到直尺上的圆形光斑改变为一条横向的亮线，但仍然难以让该亮线的边缘清晰。本实用新型为解决这个问题提供了一种成本极低、使用极方便的读数板。如图2所示，读数板为一块长方形薄板，一端印有十字线、方框、同心圆等图线。当光斑投射到刻度尺上，读数板横置，紧贴尺身，以其一端的图线套住光斑，以读数板上沿或下沿所在的刻度作为光斑位置的相对刻度。当光斑移动，以读数板上同样的位置套住光斑，读出其所在刻度。两者相减，即为光斑移动的距离。即使光斑是带有畸变的不规整的，一般也可以比较稳定地每次都将其套在读数板上的某个特定位置，以保证相当的读数精度和测量精度。

由于采用读数板，因此可以承受光斑一定程度的畸变而不致影响测定精度。所以本实用新型中使用的平面反射镜，其反射面可以为经过抛光的有机玻璃板、铝板、不锈钢板等不透明材料，平直度并不要求很高。该平面反射镜生产成本极为低廉，而且牢固度好，使用中不易摔坏。与上述读数板配合使用，能够提供满足使用要求的光斑位置测定精度。

本实用新型所提供的光杠杆装置，与现有装置相比，具有以下优点：1、放大倍数大幅提高。使用尺读望远镜时，S值一般取1.5m左右，如取更大的值，尺读望远镜中则不易看清尺上刻度。而激光器的投射距离，实际上只受室内空间大小的限制，实用中S值可达5m。根据公式(3)，可知放大倍数能达现有装置的3倍以上。2、激光器投射的红色光束是外显的，可见性强，因此，光路的调节比现有装置更方便更快捷。3、以笔型激光器、不透明材料平面反射镜、读数板替代现有装置中的尺读望远镜和玻璃材料平面反射镜，整个装置的成本大幅下降。

附图说明  图1光杠杆装置的光路放大原理

图2读数板结构示意

附图标记：1、尺读望远镜；2、刻度尺；3、平面反射镜镜面；4、平面反射镜前足；5、平面反射镜后足；6、可升降平台；7、固定平台

具体实施方式  类似于图1所示的光路中，光路的前端为一个发射红色激光的笔型激光器，该激光器安装在一个带座盘的直杆支架上，激光器可沿直杆上下移动。支架上还设有可使激光器俯仰的俯仰机构。光路的中间是一个由表面经过抛光的不透明材料(如有机玻璃、铝、不锈钢等)构成反射面的平面反射镜。平面反射镜的前足搁于一个固定不动的平台，后足则搁于个欲测其上下移动距离的可升降的平台。光路的末端为一竖立的刻度尺。调节光路中的各器件，使激光器出射口的高度，与其经过处于竖直状态的平面反射镜反射至刻度尺上的光斑的高度相同。用一块一端印有十字线、方框、同心圆等图线的长方形读数板，横着紧贴刻度尺，以其上合适的图线套住光斑，读出读数板的上沿或下沿在刻度尺上的刻度，作为光斑在该位置的相对高度。让平面镜后足所在的平台产生个所欲测的微小的高度变化量Δh，引起平面镜法线的变化，使尺上的光斑相应地移动一个距离。再用读数板读出光斑新位置的相对高度，与原高度相减即得光斑的移动距离值。根据公式(1)即可计算出Δh的值。

Claims (2)

1.一种使用激光的光杠杆装置，由激光器、平面反射镜、刻度尺等组成，其特征是有块一端印有十字线、方框、同心圆等图线的长方形读数板。

2.一种使用激光的光杠杆装置，由激光器、平面反射镜、刻度尺等组成，其特征是平面反射镜的反射面可以由经抛光的有机玻璃、铝、不锈钢等不透明材料构成。

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