基本光学测量技术.

第三章基本光学测量技术第一节光电测量用的精密测角仪第一节光电测量用的精密测角仪角度计量是计量科学的重要组成部分，随着生产和高科技的发展，对角度计量的要求日益增多，测角技术及其测量准确度因为在不断提高。光学测量所涉及的许多量是可以通过测量角度后间接得到的，例如棱镜角度的偏差、反射棱镜角度的光学平行差、玻璃材料的折射率、光学系统的焦距、自聚焦透镜的数值孔径等。角度测量的方法和仪器很多，例如光学角度规、水平仪、测角仪、光学分度头、分度台、经纬仪、罗盘、体视望远镜、周视瞄准镜等。精密测角仪是实现任意角高精度测量的重要仪器之一，也是光学测量实验室的基本仪器。测角仪的关键部件是圆分度器件，圆分度是指对圆周的分度，角度测量就是使被测的角度量与圆分度进行比较。实现圆分度的器件有很多种，常用的是度盘，其它还有多面体、圆光栅、光学轴角编码器、同步感应器等。§1精密测角仪一、精密测角仪概述近年来，利用计量光栅的测角技术发展迅速，精度越来越高，应为圆周误差是封闭的，很容易采用全积分或多头读数法将圆光栅的刻划误差减小，使测角系统具有较高的测角准确度；同时随着微电子技术的发展，将光栅的一个刻线周期等分成百份甚至上千份都是能够办到的，因此可以获得很高的角分辨率；计量光栅还具有信号强、反差高非接触、响应速度快和便于控制等特点，因此它广泛应用于角度的计量中。国内外著名的精密测角仪，其角度基准器几乎都是利用计量光栅制成的。§1精密测角仪一、精密测角仪概述第一代测角仪----用光学度盘作基准器的测角仪（测量不确定度多数为秒级，如英国60年代生产的C-20型测角仪，不确定度1″，分辨率0.1″；第二代测角仪----利用光栅做成的数显转台，不确定度达十分之一秒级，如我国航天航空工业部与1985年研制成功的精密数显转台，角分辨率为0.01″,不确定度为0.22″；西德70年代末研制的210转台，分辨率为0.02″，不确定度为0.15″。第三代测角仪----以电子计算机控制的具有自动测角功能的精密测角仪，如日本的用于角度编码器的自动校准系统，可以5转/分的转速动态测角，微机修正误差和数据处理分辨率为0.0135″，不确定度优于0.3″§1精密测角仪二、JC-1型精密测角仪工作原理JC-1型精密测角仪是我国自行设计。研制成功的新型动态测角仪。该仪器在设计中采用积木式及结构，可进行多种组合以满足测角、测量光学材料折射率、测量光栅分度元件的刻划误差等的需要。该测角仪利用微机控制测角过程、修正分度误差及进行数据处理；能自动寻找最小偏向角，以最小偏向角法自动测量光学材料折射率，其功能如图3-1所示。仪器主要由角度基准器、动态光电自准直仪、传动系统及电器柜等组成，如图3-2所示。二、JC-1型精密测角仪工作原理图3-1JC-1型精密测角仪功能图解角度器件动态测试仪编码器，联轴器编码器，联轴节谱线发光管精密测角仪角基准器+光电自准直仪棱镜、角度块、多面体折射率测量仪自寻光栅检验仪光栅盘，度盘等读数头光栅+++§1精密测角仪二、JC-1型精密测角仪工作原理由CMC-80单板机按预定速度控制无刷力矩电机直驱空气轴承转台。由测速机信号组成的速度环及光栅信号给出的位置环控制转台转动，获得了低速下的高稳定性传动。角度基准器使用了一块刻线数为129600线光栅，由同一光源发出的光被对称的分成八路，形成平行光后照射在八个光栅副上，莫尔条纹光信号经硅光电二极管转换成电量，并给出四路信号，采用载波调制锁相倍频技术细分为五百等份后，一度分秒共九位数字显示在面板上或送计算机采集。cos,sin,cos,sin§1精密测角仪二、JC-1型精密测角仪工作原理动态光电自准直仪在收到自准信号后，形成对准脉冲，以此脉冲锁存角度基准器角度值并显示在面板上同时送计算机采集。JC-1型精密测角仪之所以能达到不确定度（峰峰值），主要是测角仪中有几个关键单元技术达到较高水平。三、JC-1型精密测角仪的单元技术（一）空气静压轴承空气轴承为计量光栅提供了优良的轴系。用于测角的空气轴承回转精度高（运动误差小于0.025μm），刚度高。曾在转台上处值1.3公斤铅块，在此条件下检验测角仪精度与加载前物变化。91.0UmmR200§1精密测角仪三、JC-1型精密测角仪的单元技术（一）空气静压轴承在结构设计中采用双半球孔节流，背靠背结构形式增大了跨距，两半球能自立，无干涉，空气轴承的运动和静止部分之间被一层空气包围，摩擦系数极小，且动、静之间无变化，无低速爬行。由于靠气膜而不是靠机械变形支撑，因此具有很高的置中性能，很适合作计量光栅的回转基准。（二）角度基准器一块刻线129600条的圆光栅安装在空气轴承上，采用平行光照明，提取以此相差的四路正余弦信号，光栅误差曲线经谐波分析后，认为选取八读数头系统较好，为了获2/mm410§1精密测角仪三、JC-1型精密测角仪的单元技术得高质量光栅信号供电子电路细分，其结构设计的要点是：采用高精度回转精度；长焦距平行光管发出的平行光照明；多读数头合成；大视场接受；优化系统参数设计等，从而获得了能满足500细分要求的光栅信号。原始信号经电路处理和500细分后，其分辨率为20.05001296003600§1精密测角仪三、JC-1型精密测角仪的单元技术（三）动态光电自准直仪自准直仪是精密测角仪重要组成部分，其主要功能是：动态自动取数，静态人工读数和接受谱线完成最小偏向角的测试。动态测量---由平面反射镜返回的光线或光谱灯发出的单色光经分束镜分成两部分，一部分成像在分划板上，完成目视测量；另一路有两块直角棱镜等分成两部分，经两个狭缝分别有两支R456光电倍增管转换成电信号，两信号具有一固定相位差，经差分放大等电路处理后，给出一对称脉冲，以次脉冲提取角度信息锁存、显示，完成动态测量，如图3-3所示。用动态角度基准作为动态测量角度值的方式必须适应动态采样速度响应的要求，其光路原理如图3-4所示。§1精密测角仪三、JC-1型精密测角仪的单元技术（三）动态光电自准直仪静态读数----该自准直仪没有目视测量系统，读数分划格值为，目镜系统设计参数为：目镜视场角；目镜放大率；眼点距离15.37mm，出瞳直径1.12mm；目视分辨率60对线/毫米。其它与动态测量系统共用的参数有：物镜焦距900mm，物镜视场角；望远镜放大率倍数，物镜相对孔径1︰18。动态光电自准直仪的主要技术关键是提取高质量的差分信号。信号质量主要指：两路差分信号的稳定性，等幅性，高信噪比和小的直流飘移等。信号质量直接影响差分点对准精度。52.003725.1209.0245§1精密测角仪四、用于日常工作的测角仪器以上介绍的JC-1型测角仪是属于高精密型的，在工厂和实验室中大量的日常测角工作是在一般的精密测角仪（精度为秒级）上完成的，一般精密测角仪结构原理如图3-5所示，这类测角仪的所有部件包括自准直望远镜、工作台、平行光管、光学度盘、符合成像系统、轴系和读数显微镜系统都装在牢固的基座上。它的主要部分是光学度盘和轴系，二者精确共轴。测角仪工作之前必须调整自准直望远镜和平行光管的视轴，使它们垂直于光学度盘转轴（又称主轴），平行光管的视轴应位于自准直望远镜绕主轴转动时其视轴扫过的平面内（该平面与度盘刻线面平行）。§1精密测角仪四、用于日常工作的测角仪器为了适应不同工作的需要，精密测角仪可以有多种形式，例如仪器的主轴由铅垂位置改为水平位置，即可作成本章第二节所介绍的用于测量光学玻璃折射率和色散的V棱镜折光仪。第三章基本光学测量技术第二节测角技术的应用第二节测角技术的应用一、在精密测角仪上测量棱镜的角度准确度要求高的特殊棱镜，以及光学冷加工中使用的光学角度样板，除了30°、45°、60°、90°标准角度的棱镜，可以使用自准直方法并经计算获得较高的测角准确度外，通常都要在精密测角仪上测量角度。常用的方法有如下三种。（一）借助自准直望远镜定位对准测量棱镜角度图3-6（a）是一种测量方法的原理图。自准直望远镜的作用是对棱镜被测角的两个平面定位和对准，通常称为照准定位。测量时可以使工作台和度盘固定，利用自准直望远镜转动来照准定位；A①②123第二节测角技术的应用一、在精密测角仪上测量棱镜的角度也可以使自准直望远镜固定，工作台和度盘转动。首先是自准直望远镜对准棱镜工作面①，如图3-6（a）的实现所示位置，当看到自准直像和分划板本身重合时，表示自准直望远镜视轴与棱镜平面①法线重合。这时，从度盘上得到一读数。然后使自准直望远镜与棱镜工作面②对准，如图3-6（a）的虚线所示位置，又可得到一读数，两次读数之差即为两工作面法线的夹角φ。图中很容易看出被测角A为：A①②123∠A=180°-φ（3-1）第二节测角技术的应用一、在精密测角仪上测量棱镜的角度在精密测角仪上测量时，首先必须调节被测棱镜的位置，使组成被测角的两平面法线构成的平面与自准直望远镜的视轴平行。这样当自准直望远镜分别在平面和上照准时，可同时得到在分划线本身重合的自准直像。为了是这样的调节方便起见，在工作台上可以按图3-6（b）所示那样来放置被测棱镜。这时转动调平螺钉3能使平面②倾斜，而对平面①的影响很小。当转动调平螺钉2时能使平面①倾斜，而对平面②的影响很小。A①②度盘自准直望远镜被测角度A②①工作台调平螺钉123第二节测角技术的应用一、在精密测角仪上测量棱镜的角度（二）用平行光管和自准直望远镜组合定位对准（方法二）使平行光管视轴和自准直望远镜视轴组成一锐角，如图3-6所示。先使构成被测角A的一个工作面①转到图示位置，并调节到自准直望远镜中看到平行光管狭缝的像。当狭缝像与自准直望远镜分划板刻线对准时，就表明平面①的法线正处在该锐角的角平分线上。此时从度盘上可以取得一读数。2nA②度盘平行光管自准直望远镜1n第二节测角技术的应用一、在精密测角仪上测量棱镜的角度然后，使工作台和度盘一起带着被测棱镜转动，直到使平面②转到此位置上，并再次从自准直望远镜中看到平行光管狭缝的反射像。用同样对准后，有可以从度盘上取得另一读数。很明显。两读数之差就是平面①和②的法线之间的夹角，于是被测棱镜角A为：这时，自准直望远镜本身的照明灯泡不必点亮，作为普通望远镜使用。在测量之前也必须调节工作台的调平螺钉，是被测角两表面法线构成的平面与由平行光管视轴和自准直望远镜视轴构成的平面相平行。0180A2nA②度盘平行光管自准直望远镜1n第二节测角技术的应用一、在精密测角仪上测量棱镜的角度（三）用分割平行光束定位对准测量棱镜顶角（方法三）使被测角A的棱线对向平行光管，则由平行光管射出的平行光束分成两半，分别射到平面①和平面②上，如图3-7（b）所示。首先使自准直望远镜转到正对着平面①反射光线的方向，观察到平行光管狭缝的反射像。当反射像和分划板刻线对准时，就可以在度盘上取得第一个读数；A①②平行光管度盘自准直望远镜工作台第二节测角技术的应用一、在精密测角仪上测量棱镜的角度然后使自准直望远镜转到正对着平面②反射光线的方向，再次观察到平行光管狭缝的反射像，并使它与分划板刻线对准，从度盘上又可取得一个读数。两读数之差即为图中的角。很容易看出，被测角A为:这里自准直望远镜也是作为普通望远镜使用。测量之前还必须借助工作台调平螺钉调节棱镜的位置，使平面①和②的法线构成的平面与旋转望远镜时由视轴扫出的平面平行。A①②平行光管度盘自准直望远镜工作台∠A=φ/2第二节测角技术的应用二、光学玻璃折射率的测量作为成像光学系统的介质材料，光学玻璃对折射率的要求是很严格的，在光学玻璃整个熔制过程中，需要不断地进行折射率测量，以便控制折射率的变化，和即使纠正偏差，保证成品玻璃的折射率在严格的质量指标范围内。众所周知，折射率是以光在真空中的传播速度与在介质中的转播速度之比来定义的，但是要通过测量光速度来得到折射率显然是很难办到的，光学玻璃折射率的测量主要借助于折射定律，即通过测量光线在不同介质中传播时偏折的角度来实现的，测角技术是测量光学玻璃折射率的基础。重点介