專利名稱：偶數(shù)窄縫式光電自準直儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高精度角位移檢測裝置，具體涉及一種光電自準直儀。
背景技術：
在精密測試計量技術領域，光電自準直儀的廣泛應用于小角度測量、高精度角度標校、導軌的平直度、精密平臺的平面度、轉臺位置不確定度等測量領域，是機械制造、造船、航空航天、計量測試、科學研究等部門必備的常規(guī)測量儀器。特別是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用。它既可單獨用于工程測量，也可作為經緯儀、測角儀、光學比較儀等光學計量儀器中的瞄準及測量部件。由于光電自準直儀實質為高精度的數(shù)字圖像微位移檢測系統(tǒng)，改變狹縫類型成為 提高其精度的關鍵要素。目前，光電自準直儀中所用的狹縫類型主要有十字絲、圓孔、M形/V形/N形分劃、單狹縫、光柵等。十字絲、圓孔等直接與面陣探測器配合完成二維測量，受限于面陣器件自身的工作原理，其測量速度及精度都會受到限制。M形/V形/N形分劃板主要與單線陣CCD結合實現(xiàn)二維轉角測量，對狹縫與線陣CCD安裝精度要求較高，進而影響測量范圍及測量精度。若采用單狹縫，則單狹縫作為圖像時，圖像要素只有縫寬，不利于提高精度。光柵式光電自準直儀的出現(xiàn)是一種新的探索，該類型自準直儀通過一對光柵副產生的莫爾條紋的位移來獲得平面鏡的角位移信息。莫爾條紋位移信息不僅與光柵副之間的單根柵線的柵距差異有關，還與光柵副之間的夾角有關，造成這種類型的自準直儀對光柵的安裝較高，加之莫爾條紋本身的復雜性，要對其進行準確定位，對后期圖像處理要求較高，實際測量精度及可靠性也受到限制(如果存在探測器響應或光柵刻畫的誤差，影響就會更為嚴重)。
發(fā)明內容
為克服前述背景技術存在的不足，本發(fā)明了提供一種精度高、可靠性好的偶數(shù)窄縫式光電自準直儀。本發(fā)明的技術解決方案是偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，包括在主光路上依次設置的單色光源(I)、窄縫組
(2)、分光鏡(3)、準直物鏡(4)、可轉動的平面反射鏡(5)以及在分光鏡分光光路上設置的線陣CXD (6)，窄縫組(2)與線陣CXD (6)共軛，光源(I)發(fā)出的光通過窄縫組(2)、經分光鏡透射后在平面反射鏡(5)反射回分光鏡分光，成像于線陣CXD (6)處；其特殊之處在于所述窄縫組(2)為偶數(shù)窄縫，由多個等寬度且等間距的平行單狹縫組成，平行單狹縫的數(shù)目P (即單幀偶數(shù)窄縫圖像包含平行單狹縫的數(shù)目P)為p=2k，其中，k=l，2，3，... (A)；各平行單狹縫的間距為i/=(n± + ) Pd，其中，n=1，2，3，…；p=2k為單狹縫數(shù)量，Pd為CCD像元間距(B)。
基于上述基本技術方案，本發(fā)明還進行了以下優(yōu)化、改進上述光源具體可以采用LED光源、激光光源等。上述平行單狹縫的數(shù)目2彡P彡32。各平行單狹縫的縫寬b為b=nPd，其中，n=l，2，3，... ; Pd為CCD像元間距;且11彡3更佳。要想獲得更高的測量精度，準直物鏡(4)的焦距可以更長，線陣CCD的像元數(shù)可以更小，采用相對應的偶數(shù)窄縫結構即可獲得更高的精度。本發(fā)明具有以下優(yōu)點偶數(shù)窄縫作為圖像目標，安裝及后期圖像處理要求要低于光柵；與單狹縫相比，偶 數(shù)窄縫圖像除了狹縫寬度還有狹縫間距、狹縫個數(shù)等圖像要素，適當選擇偶數(shù)窄縫的寬度、間距及個數(shù)，在適當調整后期算法基礎上，有利于提升系統(tǒng)精度。本發(fā)明在裝調要求較低的情況下，能夠實現(xiàn)高精度測量，可靠性高。本發(fā)明能夠允許適當調節(jié)線陣CCD光敏面與最佳像面之間的離焦量。本發(fā)明可廣泛應用于高精度小角度精度測試，反射鏡動靜態(tài)小角度誤差高精度測量、角位移傳感器角度標校、光學平面冷加工件的小角度測量、高精度臺面或工件的垂直度/平面度的高精度測量等。
圖I為本發(fā)明的原理示意圖；圖2為本發(fā)明一個線陣CXD的信號輸出圖。圖3表示了本發(fā)明在±15'范圍內的測量精度結果(該結果為與德國MOLLER公司ELC0MAT 3000型準直光管精度對比結果，其中，德國MOLLER公司ELC0MAT 3000型準直光管在±1050"內測量精度為±0.25")。
具體實施例方式如圖I所示，偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，包括在主光路上依次設置的LED光源組件(I)、偶數(shù)窄縫(2)、分光鏡(3)、準直物鏡(4)、平面反射鏡(5)以及在分光鏡分光光路上設置的線陣CXD (6)，偶數(shù)窄縫(2)與線陣CXD (6)共軛，光源(I)發(fā)出的光通過偶數(shù)窄縫
(2)、經分光鏡透射，光線經準直物鏡(4)準直后經平面反射鏡(5)反射回分光鏡，分光鏡分光，成像于線陣CXD (6)處。其中，一種實時采集圖像如圖2所示。當平面鏡(5)轉動一個小角度時(根據測量需求，可以設置為可低速轉動，與CCD本身的積分時間相適應)，偶數(shù)窄縫圖像在線陣CCD有一定位移量，通過轉換關系將位置信息轉換為角度量，并實時顯示角度變化。圖I中，LED光源組件可采用紅光LED光源。線陣CXD采用單線陣(XD，單個像元尺寸及像元間距均為7μπι，單個像元尺寸及像元間距也可以更小；偶數(shù)窄縫有多個相同寬度及間距的平行單狹縫組成，單幅偶數(shù)窄縫圖像包含單狹縫的數(shù)量需滿足p=2k(k=l, 2，3，…) (A)偶數(shù)窄縫的縫間距為
d=(n±|)巧(n=l，2，3，…；p=2k為單狹縫數(shù)量，Pd為CCD像元間距) (B)當偶數(shù)窄縫滿足上述條件時，線陣CCD采樣產生的混疊噪聲得到抑制，獲得高的成像質量。設準直物鏡(4)的焦距為f，當偶數(shù)窄縫像移動的距離為S，當被測平面鏡(5)轉動Θ，根據自準直原理，有S=f · tan2 Θ。如果選用準直物鏡(4)的焦距f=300mm，線陣C⑶單個像元尺寸為7 μ m，單個像元的有效分辨率為
Θ = |arctan(^) = -jrarctan( \ ) ^ 2.4"。實際的測量精度往往低于2. 4"，通過采用滿
2/ 2300 X1000
足上述條件(A) (B)四狹縫結構，準直物鏡(4)的焦距f = 300mm，獲得在±15'范圍 內極限誤差為±0.4"。所采用的四狹縫圖像如圖2所示，對應所獲得精度結果如圖3所示。由圖3可知，采用上述結構型式，在±15'內測量精度與ELC0MAT 3000型準直光管的精度
基本相當。要想獲得更高的測量精度，準直物鏡(4)的焦距可以更長，線陣CCD的像元數(shù)可以更小，采用相對應的偶數(shù)窄縫結構即可獲得更高的精度。本發(fā)明可廣泛應用于高精度小角度精度測試，反射鏡動靜態(tài)小角度誤差高精度測量、角位移傳感器角度標校、光學平面冷加工件的小角度測量、高精度臺面或工件的垂直度/平面度的高精度測量等。
權利要求
1.偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，包括在主光路上依次設置的單色光源(I)、窄縫組(2)、分光鏡(3)、準直物鏡(4)、可轉動的平面反射鏡(5)以及在分光鏡分光光路上設置的線陣CXD (6)，窄縫組(2)與線陣CXD (6)共軛，光源(I)發(fā)出的光通過窄縫組(2)、經分光鏡透射后在平面反射鏡(5)反射回分光鏡分光，成像于線陣CCD (6)處；其特征在于 所述窄縫組(2)為偶數(shù)窄縫，偶數(shù)窄縫由多個等寬度且等間距的平行單狹縫組成，平行單狹縫的數(shù)目P為 p=2k，其中，k=l，2，3，…； 各平行單狹縫的間距為 =(n±i)巧，其中，n=l，2，3，…；p=2k為單狹縫數(shù)量，Pd為CCD像元間距。
2.根據權利要求I所述的偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，其特征在于各平行單狹縫的縫寬b均為b=nPd，其中，n=l，2，3，…；Pd為C⑶像元間距。
3.根據權利要求2所述的偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，其特征在于對于b=nPd，η取大于或等于3的自然數(shù)。
4.根據權利要求3所述的偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，其特征在于所述光源采用LED光源或激光光源。
5.根據權利要求4所述的偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，其特征在于所述平行單狹縫的數(shù)目2≤P≤32。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種精度高、可靠性好的偶數(shù)窄縫式光電自準直儀。該偶數(shù)窄縫式光電自準直儀，包括在主光路上依次設置的單色光源(1)、窄縫組(2)、分光鏡(3)、準直物鏡(4)、可轉動的平面反射鏡(5)以及在分光鏡分光光路上設置的線陣CCD(6)，所述窄縫組(2)為偶數(shù)窄縫，偶數(shù)窄縫由多個等寬度且等間距的平行單狹縫組成，平行單狹縫的數(shù)目p為p=2k，各平行單狹縫的間距為本發(fā)明可廣泛應用于高精度小角度精度測試，反射鏡動靜態(tài)小角度誤差高精度測量、角位移傳感器角度標校、光學平面冷加工件的小角度測量、高精度臺面或工件的垂直度/平面度的高精度測量等。
文檔編號G01B11/26GK102865834SQ201210375629
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權日2012年9月29日
發(fā)明者劉愛敏, 高立民, 吳易明 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所