专利名称：一种高精度二维小角度测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度二维小角度测量装置，属于光学非接触小型集成化的二维小角度测量技术。
背景技术：
目前，常用的光学测角方法包括光学分度头法、多面棱体法、光电编码法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、激光干涉法以及环形激光法等。而对于小角度测量(α≤1°，特别是±10～20arcmin以内)，主要测量方法包括激光小角度测量仪法、标准光学角规法、圆光栅测角法、激光干涉测量法、光电自准直仪法。虽然这些方法能提供较高的测量精度，但基于此设计的测量系统结构比较复杂、体积较大，安装空间受限，大部分只能进行一维角度的测量。要想实现二维角度测量，通常都是两个一维装置组合起来，结果是测量系统的体积更加庞大，因而在工业实际应用中具有较大的局限性，特别是很难与加工机械结合用于在线测量。因此，要寻找体积小、测量分辨力高且具有一定测量范围的二维小角度测量装置以适应在线测量的要求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度二维小角度测量装置，该装置在一维角度测量的基础上，通过分光系统，设立2个一维角度测量装置，从而实现具有一定测量范围的二维光学非接触小角度测量装置，克服现有小角度测量方法的不足，系统具有体积小、结构简单、调整方便、稳定性高、可作为带数据显示角度传感器使用等特点，并可设计适应多种测量精度和测量范围，可广泛用于精密、超精密测量控制，在线精密加工制造领域。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的一种高精度二维小角度测量装置，其特征在于该装置包括二维光探头、光电测试装置及计算机通讯与控制装置，所述的二维光探头包括准直半导体激光器2，偏光分光镜及夹持架16，1/4波片及夹持架17，物体表面或反射镜1，3个分光镜及夹持架3、4、15，4个两个临界角棱镜及夹持架5、8、12、13，4个光电二极管及夹持架7、9、10、14；其中4、5、7、8、9构成XY平面的一维角度测量，10、12、13、14、15构成YZ平面的一维角度测量，分光镜3将物体表面反射光分为两束互相正交的光，分别进入XY、YZ角度测量平面。所述的光电测试装置包括包括四个I-V变换电路，电压信号分别输入到加法电路和减法电路，加法结果和减法结果输入到除法电路，其后进行A/D转换；计算机通讯与控制装置包括单片机(MCU)、数字滤波、开关量输出端口、上位机通讯接口、显示装置。
本发明的优点在于仅由一个照明光源和分光光路装置，实现二维小角度测量，实现了光电测试装置和计算机通讯与控制装置的一体化，光探头通过电缆与前述部分连接，系统精度高、分辨力和测量范围可调、体积小、结构简单，分辨力可达0.05arcsec，测量范围为±600arcsec；光学零部件均采用弹性紧固件结构进行固定，达到紧固、抗振和避免损伤光学零部件的作用。


图1为本发明的二维小角度测量装置系统框图。
图2为二维光学非接触式小角度测量装置的光探头结构立体示意图。
图中1为被测物体表面或反射镜，2为准直激光器，3、4、15为分光镜及其夹持架，5、8、12、13为临界角棱镜及其夹持架，7、9、10、14为光电二极管及其夹持架(其中光电二极管未画出)，16为偏光分光镜及其夹持架，17为1/4波片及其夹持架，6为主基板，11为副基板。
图3为图1中的信号处理装置和计算机通讯与控制装置系统框图。
具体实施方案一种高精度二维小角度测量装置，采用光学差动式角度测量装置，检测被测物体的转角变化量，其过程是半导体激光器与准直透镜集成在一起通过夹持架构成2，发出的光经偏光分光镜16后，其中的S偏光被反射后经1/4波片17后成为圆偏光，入射到物体表面或固定在被测物体表面的反射镜1，从被测反射面反射回来的圆偏光，通过分光镜17后成为P偏光，再经分光镜3后分成能量相等的两束互相正交的光，其偏振状态保持不变，其中一束光经分光镜4后被分为两束光，分别入射到两个沿直角方向安置的棱镜5和8内，出射光光强分别被光电接受器7和9检测，此部分在设计时被安装在XY面内，因此能检测到绕Z轴方向的转角变化；另一束光经分光镜15后被分为两束光，分别入射到两个沿直角方向安置的棱镜12和13内，出射光光强分别被光电接受器10和14检测，此部分在设计时被安装在YZ面内，因此能检测到绕X轴方向的转角变化。2、3、4、5、7、8、9、16、17通过各自夹持架固定在主基板6上，10、12、13、14、15通过各自夹持架固定在副基板11上，6、11平面的法线互相垂直。这样当被测平面镜存在一个二维的角度变化时就可以被同时测量出来。在初始测力设定值时，可以认为角度测量装置两路输出信号为“零”；当测量过程中物体姿态发生变化时，物体/反射面的空间方位角度发生变化，反射光即相对于角度测量装置的入射光，其入射角度也产生相应的变化，该变化量为反射面角度变化量的一倍，使被测量得到放大。
系统整体的外壳固定在6上，其上开有出射/入射通孔。当反射光的角度有偏摆时，4个内反射棱镜的入射光的入射角分别增大/减小Δθ，反射率变化量也分别增大或减小，出射光的光强被光电接受器检测并转化为光电流，四路光电流信号经过电流-电压变换以及分别经加法、减法和除法运算后，得到线性化处理后的角度变化量，在单片机的运算程序控制下进行采样、滤波、分析处理后，角度变化量被显示，从而得到由于物体姿态变化而引起的二维角度变化。
系统可任意设置参考角度值和允许变动量，当转角测量值超过允许变动值时，该装置可经过开关量输出差值，控制物体的两个方向的转角变化；通讯端口采用RS-232接口；显示装置采用两路6位的LED数码管动态显示。
权利要求
1.一种高精度二维小角度测量装置，其特征在于该装置包括二维光探头、光电测试装置及计算机通讯与控制装置，所述的二维光探头包括准直半导体激光器(2)，偏光分光镜及夹持架(16)，1/4波片及夹持架(17)，物体表面或反射镜(1)，3个分光镜及夹持架(3)、(4)、(15)，4个两个临界角棱镜及夹持架(5)、(8)、(12)、(13)，4个光电二极管及夹持架(7)、(9)、(10)、(14)；其中(4)、(5)、(7)、(8)、(9)构成XY平面的一维角度测量，(10)、(12)、(13)、(14)、(15)构成YZ平面的一维角度测量，分光镜(3)将物体表面反射光分为两束互相正交的光，分别进入XY、YZ角度测量平面；所述的光电测试装置包括四个I-V变换电路，电压信号分别输入到加法电路和减法电路，加法结果和减法结果输入到除法电路，其后进行A/D转换；计算机通讯与控制装置包括单片机、数字滤波、开关量输出端口、上位机通讯接口、显示装置。
全文摘要
本发明公开了一种高精度二维小角度测量装置，属于光学非接触小型集成化的二维小角度测量技术。该装置包括二维光探头、光电测试及计算机通讯与控制装置；光探头包括半导体激光器、偏光分光镜、1/4波片、反射镜、分光镜、临界角棱镜、光电二极管；分光镜3将物体表面反射光分为两束正交的光，进入由上述部件构成的XY和YZ一维角度测量平面；输出信号分别经I－V变换、加法、减法、除法电路，由单片机控制进行A/D转换；经数字滤波后进行开关量输出、上位机通讯及显示。本发明的优点在于实现了光电测试装置和计算机通讯与控制装置的一体化，光探头通过电缆与前述部分连接，系统精度高、分辨力和测量范围可调、体积小、结构简单，分辨力可达0.05arcsec，测量范围为±600arcsec。
文档编号G01B11/26GK1632453SQ200410094050
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者刘庆纲, 李德春, 李志刚, 胡小鹏, 匡登峰, 田会斌, 李敏, 王璐 申请人:天津大学