光柵式光電自準直儀的製作方法

2023-04-23 18:10:01 1

專利名稱：光柵式光電自準直儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種角度位置檢測裝置，特別是一種光柵式光電自準直儀。
背景技術：
在精密測試計量技術領域，自準直儀是小角度測量中應用最廣、最多的儀器之一。由於它具有較高的準確度和測量分辨力，而且結構簡單，造價較低，因而被廣泛應用於工業生產過程的檢測及角度計量器具的檢定。如在角度測量、平板的平面度測量、軸系的角晃動測量、導軌的直線度測量等方面自準直儀發揮著重要的作用。
高精度的光電自準直儀由於其精度高，自動讀數的優點正在成為自準直儀發展的主流。目前，高精度光電自準直儀所用的光電探測器主要有位置敏感探測器PSD、四象限探測器、CCD等。但受探測器接收面的尺寸及電子細分位數的限制，這些光電自準直儀很難做到既有很高的分辨力同時又有很大的測量範圍和動態測量性能。因而其在使用中受到了許多限制。

發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種適用於靜動態測量，分辨力高且測量範圍大的光柵式光電自準直儀。
本發明的技術解決方案光柵式光電自準直儀，其特點在於一種光柵式光電自準直儀，其特徵在於包括有雷射光源(1)、標尺光柵(2)、分光鏡(3)、準直物鏡(4)、平面反射鏡(5)、指示光柵(6)、光電接收元件(7)，標尺光柵(2)和指示光柵(6)共軛，標尺光柵(2)置於物鏡的焦平面上，指示光柵(6)置於物鏡的經分光鏡(3)分束後的另一焦平面上，雷射光源(1)發出的光照亮標尺光柵(2)，光線經準直物鏡(4)準直並經平面反射鏡(5)反射後成像於指示光柵(6)處，標尺光柵(2)的像與指示光柵(6)形成光柵副，通過該光柵副的周期性變化反映被測物的小角度變化量。


圖1為本發明的原理示意圖；圖2為本發明一個光電接收元件的信號輸出圖；圖3為本發明另一個光電接收元件的信號輸出圖。
具體實施例方式
如圖1所示，包括有雷射光源1、標尺光柵2、分光鏡3、準直物鏡4、平面反射鏡5、指示光柵6、光電接收元件7。標尺光柵2和指示光柵6均在準直物鏡4的焦平面上。從雷射光源1發出的光照亮標尺光柵2，再經準直物鏡4準直後照到平面反射鏡5上。經平面反射鏡5反射回的光再經分光鏡3會聚於指示光柵6處。因此，標尺光柵2的像與指示光柵6相疊合而形成莫爾條紋。當平面反射鏡5轉動一個小角度時，光柵副相對移動產生明暗交替變化的光信號，光電元件7輸出隨光信號變化的電信號，經後續處理電路和A/D採集卡與計算機相連，通過計算機處理程序將從光閘式莫爾條紋獲得的位置信息轉換為角度量，並實時顯示輸出角度變化量。
圖1中，雷射光源1採用半導體雷射器。標尺光柵2和指示光柵6均採用刻線密度為100線/mm的長光柵。光柵條紋採用光閘式莫爾條紋。光電接收元件7採用2個光電二極體並聯組成，標尺光柵2和指示光柵6均放置在準直物鏡4的焦平面上。
設準直物鏡4的焦距為f，標尺光柵像移動的距離為S，當被測物5轉動角度θ時，根據自準直原理，有S＝f tan 2θ。
使用這種方法測角，其分辨力取決於準直物鏡4的焦距f及光柵的位移分辨力；其測量範圍取決於標尺光柵2的長度及準直物鏡4的視場角。目前，光柵位移分辨力很容易達到0.1μm，若選用焦距f＝500mm準直物鏡，則其分辨力可達θ＝1/2*arctan(S/f)＝0.02″。目前標尺光柵很容易做到數百毫米長度(對應的角度可以達到數十度)，所以測量範圍只受準直物鏡視場角的限制，因而本發明既可做到高分辨力又能做到大測量範圍。
另外，由於本發明的接收元件7是光電二極體，其動態響應時間在幾十納秒，經後期電子細分和軟體細分提取光柵副的信息處理時間在1微秒以內，所以本發明可用於動態測試。圖2為cos信號波形，圖3為sin信號波形，該信號均為經電路差放後的信號，橫軸為信號採集處理所用時間，縱軸為信號幅值。
本發明可廣泛應用於靜動態精度測試，如多面稜體的檢定、編碼器和快速反射鏡動態測角誤差的測量、平板的平面度測量、角位移傳感器動態特性的檢測以及光學平面冷加工件的小角度檢測等。
權利要求
1.一種光柵式光電自準直儀，其特徵在於包括有雷射光源(1)、標尺光柵(2)、分光鏡(3)、準直物鏡(4)、平面反射鏡(5)、指示光柵(6)、光電接收元件(7)，標尺光柵(2)和指示光柵(6)共軛，標尺光柵(2)置於物鏡的焦平面上，指示光柵(6)置於物鏡的經分光鏡(3)分束後的另一焦平面上，雷射光源(1)發出的光照亮標尺光柵(2)，光線經準直物鏡(4)準直並經平面反射鏡(5)反射後成像於指示光柵(6)處，標尺光柵(2)的像與指示光柵(6)形成光柵副，通過該光柵副的周期性變化反映被測物的小角度變化量。
2.根據權利要求1所述的光柵式光電自準直儀，其特徵在於所述的標尺光柵(2)與指示光柵(6)均採用長光柵。
3.根據權利要求1所述的光柵式光電自準直儀，其特徵在於所述的光電接收元件(7)由兩個光電二極體並聯組成。
全文摘要
一種光柵式光電自準直儀，標尺光柵(2)和指示光柵(6)共軛，標尺光柵(2)置於準直物鏡(4)的焦平面上，指示光柵(6)置於準直物鏡(4)的經分光鏡(3)分束後的另一焦平面上，雷射光源(1)發出的光照亮標尺光柵(2)，光線經準直物鏡(4)準直並經平面反射鏡(5)反射後成像於指示光柵(6)處。標尺光柵(2)的像與指示光柵(6)形成光柵副，通過該光柵副的周期性變化所產生的莫爾條紋反映被測物的小角度變化量。本發明可實現靜動態角度測試，測量範圍大、分辨力高，可廣泛應用於工業生產過程的檢測、角度計量器具的檢定和高頻角晃動的檢測。
文檔編號G01B11/26GK1740742SQ20051008641
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月13日 優先權日2005年9月13日
發明者張繼友, 範天泉, 曹學東 申請人:中國科學院光電技術研究所