一种自准直系统技术方案

本发明专利技术涉及光学精密测量技术领域，针对现有自准直仪分辨率与测量精度低的不足，提供一种自准直系统。自准直系统包括面阵CCD探测器，以及沿水平光轴从左至右依次设置的激光光源、二维指示光栅、分束镜、物镜和反射镜；激光光源发射的光束照亮指示光栅，光束经分束镜分束，再经物镜准直后照射到反射镜上；经反射镜折返回并透过物镜的光束再经分束镜反射至面阵CCD探测器，在面阵CCD探测器上产生纵向莫尔条纹并成像。

An Autocollimation System

The invention relates to the field of optical precision measurement technology, and provides a self-collimation system in view of the shortcomings of the existing self-collimator in low resolution and measurement accuracy. The self-collimation system consists of an array CCD detector and a laser source, a two-dimensional indicator grating, a beam splitter, an objective and a reflector arranged in turn from left to right along the horizontal optical axis. The beam emitted by the laser source illuminates the indicator grating, and the beam is splitted by the beam splitter and then illuminated on the reflector after collimation by the objective lens. The beam is refracted by the reflector and reflected through the objective lens. A plane array CCD detector generates longitudinal moire fringes and images on the plane array CCD detector.

【技术实现步骤摘要】
一种自准直系统
本专利技术涉及光学精密测量
，具体涉及一种自准直系统。
技术介绍
角度测量是计量科学的重要组成部分，微小角度的测量在精密加工、航空航天、通讯以及科学研究等许多领域都具有极其重要的意义和作用。自准直仪是小角度测量中非常重要的测量仪器，由于它具有非接触、精度高、测量范围广以及使用方便等优点，因而得到广泛的应用。自准直系统的分辨率取决于成像探测器的分辨率和光学系统的分辨率。成像探测器的分辨率由探测器自身像元大小与像元数量决定；光学系统的分辨率由光学元件(主要是各种关系镜片)的设计、表面质量等因素决定。传统自准直仪采用直接检测法，其通过将位于准直透镜后部焦平面上照亮的目标投射到无穷远，并由反射镜所反射，反射回来的光波最终由光感接收器接收。由于传统自准直仪的光轴与反射镜角度之间的微小变化会引起一个偏差，此偏差会被仪器测定，最终通过计算公式换算即可求得反射镜转过的小角度。但传统自准直仪的光感接收器和光学系统很大程度上限制了其分辨率与测量精度，无法满足航天、精密工业对微小角度的测量需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有自准直仪分辨率与测量精度低的不足，而提供一种自准直系统，利用二维光栅叠加生成纵向莫尔条纹的放大原理，可有效提高自准直仪光学系统的分辨率，提升测量精度。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种自准直系统，其特殊之处在于，包括面阵CCD探测器，以及沿水平光轴依次设置的激光光源、二维指示光栅、分束镜、物镜和反射镜；反射镜设置在待测物的表面，随待测物一起转动从而发生角度变化；激光光源发射的光束照亮二维指示光栅，光束经分束镜分束，再经物镜准直后照射到反射镜上；经反射镜折返回并透过物镜的光束再经分束镜反射至面阵CCD探测器，在面阵CCD探测器上产生纵向莫尔条纹并成像。当反射镜转动一个角度时，面阵CCD探测器与二维指示光栅产生的纵向莫尔条纹移动；纵向莫尔条纹的移动信息与反射镜角度的变化量对应，基于此实现微小角度的测量。进一步地，上述激光光源为半导体激光器。进一步地，上述分束镜与水平光轴成45°夹角。进一步地，上述物镜为长焦距透镜，长焦距是指焦距大于85mm。本专利技术的工作原理：本专利技术引入纵向莫尔条纹，指示光栅的移动方向、整个莫尔条纹区域的移动方向，以及莫尔条纹的移动方向均一致。用二维指示光栅代替传统单狭缝，将二维指示光栅成像在面阵CCD探测器上，面阵CCD探测器同时作为二维标尺光栅，通过两个二维光栅叠加形成的莫尔条纹的变化可以将成像位移分辨率提高到亚像元，进而将角度分辨率提高到毫秒级。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术提供的自准直系统，将纵向莫尔条纹引入到光路中，用二维指示光栅代替传统单狭缝，成像在面阵CCD探测器上。面阵CCD探测器同时作为二维标尺光栅，通过与二维指示光栅叠加形成二维莫尔条纹，光路中莫尔条纹对移动量进行放大，放大的移动量变化可将成像位移分辨率提高到亚像元，进而将角度分辨率提高到毫秒级，有效提高了光学系统的分辨率和测量精度。2、本专利技术使用二维指示光栅和二维标尺光栅(面阵CCD探测器)，在第二个维度上每一列像元都可以读出一组有效数据，且由于二维莫尔条纹的特点，数据之间存在微小的、有规律的相位差。数据几何倍数增长，且通过对大量数据的运算处理，即可找准莫尔条纹中心。由于有效数据等于光栅的划线数量，数据的体量足够大，外界干扰较为剧烈时依然可以校准莫尔条纹中心，大大降低信噪比，提高测量精度。3、本专利技术不仅利用莫尔条纹放大原理提高了角度测量的精度，而且由于采用面阵CCD探测器等效二维标尺光栅，最大限度简化了系统结构，使得系统结构简洁、紧凑，装调方便；同时，因面阵CCD探测器单位像元有效面积可进一步减小(像元有效面积越小价格越低)，大大降低制造成本。附图说明图1是本专利技术自准直系统在初始位置α＝0时的光路示意图；图2是本专利技术自准直系统在α＞0时的光路示意图。图中各标号的说明如下：1—激光光源、2—二维指示光栅、3—分束镜、4—物镜、5—反射镜、6—面阵CCD探测器。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1、图2所示的一种自准直系统，包括面阵CCD探测器6，以及沿水平光轴依次设置的激光光源1、二维指示光栅2、分束镜3、物镜4和反射镜5；其中，激光光源1为半导体激光器。分束镜3与水平光轴成45°夹角。物镜4为长焦距透镜。反射镜5设置在待测物的表面，随待测物一起转动从而发生角度变化；激光光源1发射的光束照亮二维指示光栅2，光束经分束镜3分束，再经物镜4准直后照射到反射镜5上；经反射镜5折返回并透过物镜4的光束再经分束镜3反射至面阵CCD探测器6，在面阵CCD探测器6上产生纵向莫尔条纹并成像。图1是本实施例自准直系统在初始位置α＝0时的光路示意图。如图2所示，当反射镜5转动一个角度α时，面阵CCD探测器6与指示光栅产生的纵向莫尔条纹移动；纵向莫尔条纹的移动信息与反射镜5角度的变化量对应，基于此实现微小角度的测量。面阵CCD探测器的像元均分，各个像元间距，像元大小都相等，分别在纵横两个方向上均匀设置n个像元成像。n个像元成像时，作为成像探测器；不成像时，相当于二维透射光栅。二维指示光栅与面阵CCD探测器(二维标尺光栅)相叠角为零度，在纵横两个方向上指示光栅数与探测器象元个数都少一个，二维指示光栅的栅距与面阵CCD探测器像元的大小在数值上有微小差异。二维指示光栅与面阵CCD探测器(二维标尺光栅)作用生成纵向莫尔条纹，莫尔条纹区域的移动方向与光栅划线方向一致。当指示光栅在二维标尺光栅上横向移动一个二维标尺光栅的栅距时，莫尔条纹横向移动一个宽度；当指示光栅在二维标尺光栅上横向移动的距离小于二维标尺光栅的栅距时，莫尔条纹横向移动小于一个宽度，但移动的距离和指示光栅移动的距离成正比。二维指示光栅的栅距记为d1；面阵CCD探测器像元(二维标尺光栅的栅距)的大小记为d2，在数值上d1和d2很接近。纵向莫尔条纹的周期为D，m为莫尔条纹范围内，两块光栅刻线数的差值。莫尔条纹宽度D是d2的倍，即莫尔条纹的放大倍率为由上式可以看出，当d1和d2相差很小时，放大倍率可以很大。因此，在成像探测器分辨率一定的情况下，相比于传统自准直仪的直接检测法，检测莫尔条纹的移动距离将大大提高系统分辨率。自准直仪零度角时，指示光栅左边界所处的位置为b1像元，莫尔条纹暗条纹距莫尔条纹左边界的距离为a1个像元。当反射镜转过一个角度α之后，指示光栅像左边界所处的位置为b2像元，暗条纹距左边界的距离为a2个像元。则转角α可按如下公式计算：式中，a为像元大小，f为物镜焦距。转角α的测量范围取决于指示光栅与二维标尺光栅的宽度差，以及透镜的焦距，假设指示光栅的长度为D1，二维标尺光栅的长度为D2，则可测量的角度范围为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自准直系统，其特征在于：包括面阵CCD探测器(6)，以及沿水平光轴从左至右依次设置的激光光源(1)、二维指示光栅(2)、分束镜(3)、物镜(4)和反射镜(5)；激光光源(1)发射的光束照亮二维指示光栅(2)，光束经分束镜(3)分束，再经物镜(4)准直后照射到反射镜(5)上；经反射镜(5)折返回并透过物镜(4)的光束再经分束镜(3)反射至面阵CCD探测器(6)，在面阵CCD探测器(6)上产生纵向莫尔条纹并成像。

【技术特征摘要】
1.一种自准直系统，其特征在于：包括面阵CCD探测器(6)，以及沿水平光轴从左至右依次设置的激光光源(1)、二维指示光栅(2)、分束镜(3)、物镜(4)和反射镜(5)；激光光源(1)发射的光束照亮二维指示光栅(2)，光束经分束镜(3)分束，再经物镜(4)准直后照射到反射镜(5)上；经反射镜(5)折返回并透过物镜(4)的光束再经分束镜(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马臻，李奇炘，丁蛟腾，许亮，易红伟，吴璀罡，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61