CN202814358U - 高分辨力双轴自准直仪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及几何计量测试技术领域，具体公开了一种高分辨力双轴自准直仪。该系统中反光镜对物镜后组的水平光线反射，射入分光棱镜B及分光棱镜A，并在分光棱镜A的垂直光线通路上设有水平准直分划板、水平聚光镜及水平LED光源，分光棱镜A反射的水平光线通路上设有显微物镜B和垂直安装的第二线阵CCD；分光棱镜B反射的水平光线通路上设有分光棱镜C、显微物镜A以及水平安装的第一线阵CCD，且在分光棱镜C垂直水平面的反射光线通路上依次安装有垂直准直分划板、垂直聚光镜以及垂直LED光源。该系统采用物镜前组和物镜后组，减小准直光路长度，使准直光路长度小于物镜焦距；采用折叠光路的反射镜，使光学系统的长度尺寸不增加。

Description

高分辨力双轴自准直仪系统

技术领域

本实用新型属于几何量计量测试技术领域，具体涉及一种高分辨力双轴自准直仪。

背景技术

自准直仪是应用最广泛的小角度测量仪器，用于测量反光镜微小的角位移。光学自准直仪在20世纪30年代中期就开始用于角度测量，到了20世纪40年代末期，精度为1秒的仪器被正式采用。当以光电技术取代肉眼之后，其精度有了大幅度的提高。在20世纪60年代美国、英国及德国制造商已生产了多种光电式的商品自准直仪。之后数十年来自准直仪得到了飞速的发展。自准直仪经历了目视式、光电指零式和数显式三个发展阶段。

数显式自准直仪的出现使自准直仪的性能有质的飞跃，数显式把仪器准确度由1″级提高至0.1″级，最小显示值由0.1″级提高至0.01″级。数显式自准直仪准确度高，使用方便，操作简单，能实现自动测量。按光电转换元件分类，典型的数显式自准直仪有振子式、、PSD式、和CCD式等。

提高分辨力和示值稳定性（减小跳字量）是通用数显自准直仪的发展方向。

高分辨力是高准确度的保障与前提，高稳定性（跳字量小）又是高分辨力的保障与前提。跳字量是静态数显自准直仪的特点和难点。动态测量每次采样只有一个数值输出，反应不出示值的跳动，其难点是动态响应速度和动态准确度，但通用仪器要读出每个位置的稳定读数值，跳字大就只能估读，影响示值的准确度，也影响分辨力。因此国内外对提高光电自准直仪的分辨力和稳定性进行了大量的研究工作，分辨力的提高主要是通过增长自准直仪物镜的焦距和增加图像亚像素处理的细分数，当前准确度最高的数显自准直仪是德国

公司的HR型自准直仪，它用CCD作为光电转换元件，物镜焦距为1100mm，最小显示值为0.001"，分辨力0.005"，示值误差在10"范围内为±0.01"，在40"范围内为±0.02"，在300"×300"全量程内为±0.03"。国内尚无同等产品。

但是增长自准直仪物镜焦距的会引起仪器的体积、长度和重量增大。而增加亚像素处理的细分数会加剧示值跳动，稳定性下降，细分可靠性降低，德国HR自准直仪虽然最小显示值可达0.001"，但其技术文件中的分辨力为0.005"，按分辨力公式：

$\mathrm{d\δ}=\frac{\mathrm{\ρ}\·\mathrm{dt}}{2\·f^{\′}\·N}$

式中dδ为测角分辨力，单位为角秒，dt为CCD测量方向的相邻像元的间距，单位为mm，ρ为弧度到角度的转换常量，取206265，f'为物镜焦距，单位mm，N为CCD的软件细分数。如选择相邻像元间距dt＝0.007mm的CCD作为光电传感器，物镜焦距f′＝1100mm，要达到0.001"分辨力，细分数需达到657细分，其可靠性是很难保证的，因此HR尽管可以显示至0.001"，但其技术文件中的分辨力为0.005"，相应的细分数为131.4。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高分辨力双轴自准直仪系统，在焦距为1000mm、细分数不超过100时，使分辨力达到0.001"。

本实用新型的技术方案如下：一种高分辨力双轴自准直仪系统，该系统包括仪器外壳以及固定在仪器外壳上的物镜组套筒，其中，物镜组套筒由前后依次设置的物镜前组和物镜后组组成，仪器外壳内安装有水平LED光源、垂直LED光源、水平准直分划板、垂直准直分划板、分光棱镜A、分光棱镜B、分光棱镜C以及反光镜，其中，反光镜对通过物镜后组的水平光线进行反射，形成垂直光线，射入两个依次布置的分光棱镜B以及分光棱镜A，并在分光棱镜A的垂直光线通路上依次设有水平准直分划板、水平聚光镜以及水平LED光源，分光棱镜A反射的水平光线通路上依次安装有显微物镜B和垂直安装的第二线阵CCD；分光棱镜B反射的水平光线通路上依次安装有分光棱镜C、显微物镜A以及水平安装的第一线阵CCD，且在分光棱镜C垂直水平面的反射光线通路上依次安装有垂直准直分划板、垂直聚光镜以及垂直LED光源。

所述的反光镜由若干个反光镜组成，可以对通过物镜后组的水平光线进行若干次折叠反射后，形成垂直光线。

所述的水平准直分划板或垂直准直分划板安装在物镜前组和物镜后组的焦面上。

所述的物镜组套筒通光口径D=50mm，焦距f′＝1000mm。

所述的显微物镜A或显微物镜B的光学放大倍数K=7.5。

本实用新型的显著效果在于：本实用新型所述的一种高分辨力双轴自准直仪系统采用物镜前组和物镜后组，减小准直光路长度，使准直光路的长度小于物镜焦距；同时，采用折叠光路的反射镜，使光学系统的长度尺寸不增加，仅增加宽度；该高分辨力双轴自准直仪系统最小显示位为0.001"，加防气流罩后自准直仪跳字量<0.002"，在±10"测量范围内的示值误差不超过±0.01"，在±40"范围内不超过±0.02"。

附图说明

图1为本实用新型所示的一种高分辨力双轴自准直仪系统光路示意图；

图2为A-A向视图；

图中：1、物镜前组；2、物镜组套筒；3、第一线阵CCD；4、物镜后组；5、第二线阵CCD；6、显微物镜A；7、显微物镜B；8、水平LED光源；9、水平聚光镜；10、水平准直分划板；11、分光棱镜A；12、分光棱镜B；13、反光镜；14、仪器外壳；15、工件反光镜；16、分光棱镜C；17、垂直准直分划板；18、垂直聚光镜；19、垂直LED光源。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1、图2所示，一种高分辨力双轴自准直仪系统，包括物镜组套筒2和仪器外壳14，物镜组套筒2固定在仪器外壳14上，其中，物镜组套筒2由前后依次放置的物镜前组1与物镜后组4组成，且物镜组套筒2通光口径D=50mm，焦距f′＝1000mm，相对孔径D/f′＝1/20；仪器外壳14内安装有水平LED光源8、垂直LED光源19、水平准直分划板10、垂直准直分划板17、分光棱镜A11、分光棱镜B12、分光棱镜C16以及反光镜13，其中，反光镜13由若干个反光镜组成，可以对通过物镜后组4的水平光线进行若干次折叠反射后，形成垂直光线，射入两个依次布置的分光棱镜B12以及分光棱镜A11，并在分光棱镜A11的垂直光线通路上依次安装有水平准直分划板10、水平聚光镜9以及水平LED光源8，其中，水平准直分划板10位于物镜前组1与物镜后组4的焦面上；分光棱镜A11反射的水平光线通路上依次安装有显微物镜B7和垂直安装的第二线阵CCD5；分光棱镜B12反射的水平光线通路上依次安装有分光棱镜C 16、显微物镜A6以及水平安装的第一线阵CCD3，且在分光棱镜C16垂直水平面的反射光线通路上依次安装有垂直准直分划板17、垂直聚光镜18以及垂直LED光源19，其中，垂直准直分划板17位于物镜前组1与物镜后组4的焦面上。

本实用新型所述的一种高分辨力双轴自准直仪系统，具体工作过程为：将该系统放置于工件反光镜15前，且使物镜组套筒2对准工件反光镜15，当测量水平角时，垂直LED光源19通电（此时水平LED光源8断电），经过垂直聚光镜18后，照亮暗视场亮线结构的垂直准直分划板17，垂直准直分划板17中间的垂直亮线光经过分光棱镜C16反射、分光棱镜B12反射以及反光镜13反射后经过物镜后组4和物镜前组1后形成平行光照射到工件反光镜15，由工件反光镜15返回的光经过物镜前组1和物镜后组4后，通过反光镜13及分光棱镜B12反射后，透过分光棱镜C16，并由显微物镜A6放大后，由水平安装的第一线阵CCD3转变为电信号；当测量垂直角时，水平LED光源8通电（此时垂直LED光源19断电），经过水平聚光镜9后，照亮暗视场亮线结构的水平准直分划板10，水平准直分划板10中间的水平亮线依次透过分光棱镜A11和分光棱镜B12后，经过反光镜13反射后，进入物镜后组4和物镜前组1后形成平行光照射到工件反光镜15，由工件反光镜15返回的光经过物镜前组1和物镜后组4后，通过反光镜13后，透过分光棱镜B12，并由分光棱镜A11反射后，经由显微物镜B7放大后，由垂直安装的第二线阵CCD5转变为电信号；虽然该系统中安装有分光棱镜A11、分光棱镜B12以及分光棱镜C16三块分光棱镜，但是每次通电后，有效光路只通过两块分光棱镜，因此，光能的损失率不会低于75%。经过物镜前组1和物镜后组4成水平准直分划板10或垂直准直分划板17像，由显微物镜B7或显微物镜A6将刻线像的宽度、长度和位移量都放大K倍后，由CCD转变为电信号。由于位移量的放大，使灵敏度提高了K倍，达到同样分辨力所需的CCD软件细分数降低了K倍，CCD分划误差引起的测量误差降低了K倍。加光学放大后分辨力公式为：

$\mathrm{d\&delta;}=\frac{\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;\mathrm{dt}}{2\&CenterDot;f^{\&prime;}\&CenterDot;N\&CenterDot;K}$

式中dδ为测角分辨力，单位为角秒，dt为CCD的单个像元的线值，单位为mm，ρ取206265，f'为物镜焦距，单位mm，N为CCD的软件细分数，K为显微物镜的光学放大倍数。选择像元dt=0.007mm的CCD作为光电转换元件，显微物镜光学放大倍数K=7.5，物镜焦距f′＝1000mm，则软件细分数N＝96时即可达到0.001"的分辨力。

Claims (5)

1.一种高分辨力双轴自准直仪系统，其特征在于：该系统包括仪器外壳（14）以及固定在仪器外壳（14）上的物镜组套筒（2），其中，物镜组套筒（2）由前后依次设置的物镜前组（1）和物镜后组（4）组成，仪器外壳（14）内安装有水平LED光源（8）、垂直LED光源（19）、水平准直分划板（10）、垂直准直分划板（17）、分光棱镜A（11）、分光棱镜B（12）、分光棱镜C（16）以及反光镜（13），其中，反光镜（13）对通过物镜后组（4）的水平光线进行反射，形成垂直光线，射入两个依次布置的分光棱镜B（12）以及分光棱镜A（11），并在分光棱镜A（11）的垂直光线通路上依次设有水平准直分划板（10）、水平聚光镜（9）以及水平LED光源（8），分光棱镜A（11）反射的水平光线通路上依次安装有显微物镜B（7）和垂直安装的第二线阵CCD（5）；分光棱镜B（12）反射的水平光线通路上依次安装有分光棱镜C（16）、显微物镜A（6）以及水平安装的第一线阵CCD（3），且在分光棱镜C（16）垂直水平面的反射光线通路上依次安装有垂直准直分划板（17）、垂直聚光镜（18）以及垂直LED光源（19）。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨力双轴自准直仪系统，其特征在于：所述的反光镜（13）由若干个反光镜组成，可以对通过物镜后组（4）的水平光线进行若干次折叠反射后，形成垂直光线。

3.根据权利要求1所述的一种高分辨力双轴自准直仪系统，其特征在于：所述的水平准直分划板（10）或垂直准直分划板（17）安装在物镜前组（1）和物镜后组（4）的焦面上。

4.根据权利要求1所述的一种高分辨力双轴自准直仪系统，其特征在于：所述的物镜组套筒（2）通光口径D=50mm，焦距f'=1000mm。

5.根据权利要求4所述的一种高分辨力双轴自准直仪系统，其特征在于：所述的显微物镜A（6）或显微物镜B（7）的光学放大倍数K=7.5。

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