【正文】 第三章 基本光學(xué)測(cè)量技術(shù) 第一節(jié) 光電測(cè)量用的精密測(cè)角儀 第一節(jié) 光電測(cè)量用的精密測(cè)角儀 ? 角度計(jì)量是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分，隨著生產(chǎn)和高科技 的發(fā)展，對(duì)角度計(jì)量的要求日益增多，測(cè)角技術(shù)及其測(cè)量準(zhǔn) 確度因?yàn)樵诓粩嗵岣?。光學(xué)測(cè)量所涉及的許多量是可以通過 測(cè)量角度后間接得到的，例如棱鏡角度的偏差、反射棱鏡角 度的光學(xué)平行差、玻璃材料的折射率、光學(xué)系統(tǒng)的焦距、自 聚焦透鏡的數(shù)值孔徑等。 ? 角度測(cè)量的方法和儀器很多，例如光學(xué)角度規(guī)、水平儀、 測(cè)角儀、光學(xué)分度頭、分度臺(tái)、經(jīng)緯儀、羅盤、體視望遠(yuǎn)鏡、 周視瞄準(zhǔn)鏡等。精密測(cè)角儀是實(shí)現(xiàn)任意角高精度測(cè)量的重要 儀器之一，也是光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的基本儀器。 ? 測(cè)角儀的關(guān)鍵部件是圓分度器件，圓分度是指對(duì)圓周的分 度，角度測(cè)量就是使被測(cè)的角度量與圓分度進(jìn)行比較。 ? 實(shí)現(xiàn)圓分度的器件有很多種，常用的是度盤，其它還有多 面體、圓光柵、光學(xué)軸角編碼器、同步感應(yīng)器等。 167。 1精密測(cè)角儀 一、精密測(cè)角儀概述 ? 近年來，利用計(jì)量光柵的測(cè)角技術(shù)發(fā)展迅速，精度越來越 高，應(yīng)為圓周誤差是封閉的，很容易采用全積分或多頭讀數(shù) 法將圓光柵的刻劃誤差減小，使測(cè)角系統(tǒng)具有較高的測(cè)角準(zhǔn) 確度；同時(shí)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，將光柵的一個(gè)刻線周期 等分成百份甚至上千份都是能夠辦到的，因此可以獲得很高 的角分辨率；計(jì)量光柵還具有信號(hào)強(qiáng)、反差高非接觸、響應(yīng) 速度快和便于控制等特點(diǎn)，因此它廣泛應(yīng)用于角度的計(jì)量中。 國(guó)內(nèi)外著名的精密測(cè)角儀，其角度基準(zhǔn)器幾乎都是利用計(jì) 量光柵制成的。 167。 1精密測(cè)角儀 一、精密測(cè)角儀概述 ? 第一代測(cè)角儀 用光學(xué)度盤作基準(zhǔn)器的測(cè)角儀（測(cè)量不 確定度多數(shù)為秒級(jí)，如英國(guó) 60年代生產(chǎn)的 C20型測(cè)角儀，不 確定度 1″ ，分辨率 ″ ； ? 第二代測(cè)角儀 利用光柵做成的數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)，不確定度達(dá) 十分之一秒級(jí)，如我國(guó)航天航空工業(yè)部與 1985年研制成功的 精密數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)，角分辨率為 ″, 不確定度為 ″ ； 西德 70年代末研制的 210轉(zhuǎn)臺(tái)，分辨率為 ″ ，不確定 度為 ″ 。 ? 第三代測(cè)角儀 以電子計(jì)算機(jī)控制的具有自動(dòng)測(cè)角功能 的精密測(cè)角儀，如日本的用于角度編碼器的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)， 可以 5轉(zhuǎn) /分的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)測(cè)角，微機(jī)修正誤差和數(shù)據(jù)處理分辨 率為 ″ ，不確定度優(yōu)于 ″ 167。 1精密測(cè)角儀 二、 JC1型精密測(cè)角儀工作原理 ? JC1型精密測(cè)角儀是我國(guó)自行設(shè)計(jì)。研制成功的新型動(dòng)態(tài) 測(cè)角儀。該儀器在設(shè)計(jì)中采用積木式及結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行多種組 合以滿足測(cè)角、測(cè)量光學(xué)材料折射率、測(cè)量光柵分度元件的 刻劃誤差等的需要。該測(cè)角儀利用微機(jī)控制測(cè)角過程、修正 分度誤差及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；能自動(dòng)尋找最小偏向角，以最小 偏向角法自動(dòng)測(cè)量光學(xué)材料折射率，其功能如圖 31所示。 ? 儀器主要由角度基準(zhǔn)器、動(dòng)態(tài)光電自準(zhǔn)直儀、傳動(dòng)系統(tǒng)及 電器柜等組成，如圖 32所示。 二、 JC1型精密測(cè)角儀工作原理 圖 31 JC1型精密測(cè)角儀功能圖解 角度器件 動(dòng)態(tài)測(cè)試儀 編碼器，聯(lián)軸器 編碼器，聯(lián)軸節(jié) 譜線發(fā)光管 精密測(cè)角儀 角基準(zhǔn)器 +光電自準(zhǔn)直儀 棱鏡、角度塊、多面體 折射率測(cè)量?jī)x 自尋 光柵檢驗(yàn)儀 光柵盤，度盤等 讀數(shù)頭 光柵 + + + 167。 1精密測(cè)角儀 二、 JC1型精密測(cè)角儀工作原理 ? 由 CMC80單板機(jī)按預(yù)定速度控制無刷力矩電機(jī)直驅(qū)空氣軸 承轉(zhuǎn)臺(tái)。由測(cè)速機(jī)信號(hào)組成的速度環(huán)及光柵信號(hào)給出的位置 環(huán)控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得了低速下的高穩(wěn)定性傳動(dòng)。 ? 角度基準(zhǔn)器使用了一塊刻線數(shù)為 129600線光柵，由同一光 源發(fā)出的光被對(duì)稱的分成八路，形成平行光后照射在八個(gè)光 柵副上，莫爾條紋光信號(hào)經(jīng)硅光電二極管轉(zhuǎn)換成電量，并給 出 四路信號(hào)，采用載波調(diào)制鎖相倍頻 技術(shù)細(xì)分為五百等份后，一度分秒共九位數(shù)字顯示在面板上 或送計(jì)算機(jī)采集。 ???? c os,s in,c os,s in ??167。 1精密測(cè)角儀 二、 JC1型精密測(cè)角儀工作原理 ? 動(dòng)態(tài)光電自準(zhǔn)直儀在收到自準(zhǔn)信號(hào)后，形成對(duì)準(zhǔn)脈沖，以 此脈沖鎖存角度基準(zhǔn)器角度值并顯示在面板上同時(shí)送計(jì)算機(jī) 采集。 JC1型精密測(cè)角儀之所以能達(dá)到不確定度 （峰峰 值），主要是測(cè)角儀中有幾個(gè)關(guān)鍵單元技術(shù)達(dá)到較高水平。 三、 JC1型精密測(cè)角儀的單元技術(shù) （一）空氣靜壓軸承 空氣軸承為計(jì)量光柵提供了優(yōu)良的軸系。用于測(cè)角的空氣軸 承回轉(zhuǎn)精度高（運(yùn)動(dòng)誤差小于 m），剛度高。曾在轉(zhuǎn) 臺(tái)上 處值 ，在此條件下檢驗(yàn)測(cè)角儀精 度與加載前物變化。 ???UmmR 2 0 0?167。 1精密測(cè)角儀 三、 JC1型精密測(cè)角儀的單元技術(shù) （一）空氣靜壓軸承 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用雙半球孔節(jié)流，背靠背結(jié)構(gòu)形式增大了跨 距，兩半球能自立，無干涉，空氣軸承的運(yùn)動(dòng)和靜止部分之間 被一層空氣包圍，摩擦系數(shù)極小，且動(dòng)、靜之間無變化，無低 速爬行。由于靠氣膜而不是靠機(jī)械變形支撐，因此具有很高的 置中性能，很適合作計(jì)量光柵的回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)。 （二）角度基準(zhǔn)器 一塊 刻線 129600條的圓光柵安裝在空氣軸承上，采用 平行光照明，提取以此相差 的四路正余弦信號(hào)，光柵誤 差曲線經(jīng)諧波分析后，認(rèn)為選取八讀數(shù)頭系統(tǒng)較好，為了獲 2/?mm410?167。 1精密測(cè)角儀 三、 JC1型精密測(cè)角儀的單元技術(shù) 得高質(zhì)量光柵信號(hào)供電子電路細(xì)分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是： 采用高精度回轉(zhuǎn)精度；長(zhǎng)焦距平行光管發(fā)出的平行光照明； 多讀數(shù)頭合成；大視場(chǎng)接受；優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)等，從而獲 得了能滿足 500細(xì)分要求的光柵信號(hào)。原始信號(hào)經(jīng)電路處理和 500細(xì)分后，其分辨率為 2 9 6 0 03600????167。 1精密測(cè)角儀 三、 JC1型精密測(cè)角儀的單元技術(shù) （三）動(dòng)態(tài)光電自準(zhǔn)直儀 ? 自準(zhǔn)直儀是精密測(cè)角儀重要組成部分，其主要功能是：動(dòng)態(tài) 自動(dòng)取數(shù)，靜態(tài)人工讀數(shù)和接受譜線完成最小偏向角的測(cè)試。 ? 動(dòng)態(tài)測(cè)量 由平面反射鏡返回的光線或光譜燈發(fā)出的單色 光經(jīng)分束鏡分成兩部分，一部分成像在分劃板上，完成目視測(cè) 量；另一路有兩塊直角棱鏡等分成兩部分，經(jīng)兩個(gè)狹縫分別有 兩支 R456光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，兩信號(hào)具有一固定相位 差，經(jīng)差分放大等電路處理后，給出一對(duì)稱脈沖，以次脈沖提 取角度信息鎖存、顯示，完成動(dòng)態(tài)測(cè)量，如圖 33所示。 用動(dòng)態(tài)角度基準(zhǔn)作為動(dòng)態(tài)測(cè)量角度值的方式必須適應(yīng)動(dòng)態(tài)采樣 速度響應(yīng)的要求，其光路原理如圖 34所示。 167。 1精密測(cè)角儀 三、 JC1型精密測(cè)角儀的單元技術(shù) （三）動(dòng)態(tài)光電自準(zhǔn)直儀 ? 靜態(tài)讀數(shù) 該自準(zhǔn)直儀沒有目視測(cè)量系統(tǒng)，讀數(shù)分劃格 值為 ，目鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)為：目鏡視場(chǎng)角 ；目 鏡放大率 ；眼點(diǎn)距離 ，出瞳直徑 ；目視 分辨率 60對(duì)線 /毫米。其它與動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)共用的參數(shù)有：物 鏡焦距 900mm，物鏡視場(chǎng)角 ；望遠(yuǎn)鏡放大率倍數(shù) ，物鏡相對(duì)孔徑 1︰ 18。動(dòng)態(tài)光電自準(zhǔn)直儀的主要技術(shù)關(guān)鍵是 提取高質(zhì)量的差分信號(hào)。信號(hào)質(zhì)量主要指：兩路差分信號(hào)的 穩(wěn)定性，等幅性，高信噪比和小的直流飄移等。信號(hào)質(zhì)量直 接影響差分點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)精度。 ?? 0372 ??? ?? ?45167。 1精密測(cè)角儀 四、用于日常工作的測(cè)角儀器 以上介紹的 JC1型測(cè)角儀是屬于高精密型的，在工廠和實(shí)驗(yàn) 室中大量的日常測(cè)角工作是在一般的精密測(cè)角儀（精度為秒 級(jí)）上完成的，一般精密測(cè)角儀結(jié)構(gòu)原理如圖 35 所示，這 類測(cè)角儀的所有部件包括自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、工作臺(tái)、平行光管、 光學(xué)度盤、符合成像系統(tǒng)、軸系和讀數(shù)顯微鏡系統(tǒng)都裝在牢 固的基座上。它的主要部分是光學(xué)度盤和軸系，二者精確共 軸。測(cè)角儀工作之前必須調(diào)整自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和平行光管的視 軸，使它們垂直于光學(xué)度盤轉(zhuǎn)軸（又稱主軸），平行光管的 視軸應(yīng)位于自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其視軸掃過的平面內(nèi) （該平面與度盤刻線面平行）。 167。 1精密測(cè)角儀 四、用于日常工作的測(cè)角儀器 為了適應(yīng)不同工作的需要，精密測(cè)角儀可以有多種形式，例 如儀器的主軸由鉛垂位置改為水平位置，即可作成本章第二 節(jié)所介紹的用于測(cè)量光學(xué)玻璃折射率和色散的 V棱鏡折光儀。 第三章 基本光學(xué)測(cè)量技術(shù) 第二節(jié) 測(cè)角技術(shù)的應(yīng)用 第二節(jié) 測(cè)角技術(shù)的應(yīng)用 一、在精密測(cè)角儀上測(cè)量棱鏡的角度 ? 準(zhǔn)確度要求高的特殊棱鏡，以及光學(xué)冷加工中使用的光學(xué) 角度樣板，除了 30176。 、 45176。 、 60176。 、 90176。 標(biāo)準(zhǔn)角度的棱鏡， 可以使用自準(zhǔn)直方法并經(jīng)計(jì)算獲得較高的測(cè)角準(zhǔn)確度外，通 常都要在精密測(cè)角儀上測(cè)量角度。常用的方法有如下三種。 （一）借助自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡定位對(duì)準(zhǔn)測(cè)量棱鏡角度 圖 36（ a）是一種測(cè)量方法的原理圖。 自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的作用是對(duì)棱鏡被測(cè)角 的兩個(gè)平面定位和對(duì)準(zhǔn)，通常 稱為 照準(zhǔn)定位 。測(cè)量時(shí)可以 使工作臺(tái)和度盤固定，利用自準(zhǔn)直 望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)來照準(zhǔn)定位； A?① ② 1 2 3 第二節(jié) 測(cè)角技術(shù)的應(yīng)用 一、在精密測(cè)角儀上測(cè)量棱鏡的角度 也可以使自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡固定，工作臺(tái)和度盤轉(zhuǎn)動(dòng)。 首先是自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)棱鏡工作面①，如圖 36（ a）的實(shí) 現(xiàn)所示位置，當(dāng)看到自準(zhǔn)直像和分劃板本身重合時(shí)，表示自 準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡視軸與棱鏡平面①法線重合。這時(shí)，從度盤上得到 一讀數(shù)。然后使自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡與棱鏡工作面 ② 對(duì)準(zhǔn)，如圖 36 （ a）的虛線所示位置，又可得到 一讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即為兩工作 面法線的夾角 φ。圖中很容易 看出被測(cè)角 A為： A?① ② 1 2 3 ∠A=180 176。 φ （ 31） 第二節(jié) 測(cè)角技術(shù)的應(yīng)用 一、在精密測(cè)角儀上測(cè)量棱鏡的角度 ? 在精密測(cè)角儀上測(cè)量時(shí)，首先必須調(diào)節(jié)被測(cè)棱鏡的位置，使 組成被測(cè)角的兩平面法線構(gòu)成的平面與自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的視軸平 行。這樣當(dāng)自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡分別在平面和上照準(zhǔn)時(shí)，可同時(shí)得到 在分劃線本身重合的自準(zhǔn)直像。為了是這樣的調(diào)節(jié)方便起見， 在工作臺(tái)上可以按圖 36（ b）所示那樣來放置被測(cè)棱鏡。這時(shí) 轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平螺釘 3能使平面 ② 傾斜，而對(duì)平面①的影響很小。當(dāng) 轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平螺釘 2時(shí)能使平面①傾斜，而對(duì)平面 ② 的影響很小。 A?① ② 度盤 自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡 被測(cè)角度 A② ① 工作臺(tái) 調(diào)平螺釘 1 2 3 第二節(jié) 測(cè)角技術(shù)的應(yīng)用 一、在精密測(cè)角儀上測(cè)量棱鏡的角度 （二）用平行光管和自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡組合定位對(duì)準(zhǔn)（方法二） ? 使平行光管視軸和自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡視軸組成一銳角，如圖 3 6所示。 先使構(gòu)成被測(cè)角 A的一個(gè)工作面①轉(zhuǎn)到圖示位置，并調(diào)節(jié)到自 準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中看到平行光管狹縫的 像。當(dāng)狹縫像與自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡分劃 板刻線對(duì)準(zhǔn)時(shí)，就表明平面①的法 線正處在該銳角的角平分線上。 此時(shí)從度盤上可以取得一讀數(shù)。 2nA② 度盤 平行光管 自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡 1n?第二節(jié) 測(cè)角技術(shù)的應(yīng)用 一、在精密測(cè)角儀上測(cè)量棱鏡的角度 然后，使工作臺(tái)和度盤一起帶著被測(cè)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，直到使平面 ② 轉(zhuǎn)到此位置上，并再次從自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡中看到平行光管狹 縫的反射像。用同樣對(duì)準(zhǔn)后，有可以從度盤上取得另一讀數(shù)。 很明顯。兩讀數(shù)之差就是平面①和 ② 的法線之間的夾角 ，于 是被測(cè)棱鏡角 A為： 這時(shí)，自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡本身的照明燈泡 不必點(diǎn)亮，作為普通望遠(yuǎn)鏡使用。 在測(cè)量之前也必須