CN104316000B - 一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种准直仪，具体指一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，包括第一光源、第二光源、第一分划板、第二分划板、第一光源汇集透镜、第二光源汇聚透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、1/4波片、望远主镜、次镜和PSD探测器，本发明采用偏振片，减少了光能损失；采用PSD探测器，分辨率高；采用双轴“一字”分划板，所探测到的“十字”投影光信号，是经过双轴的两套独立光源系统的光信号重叠而产生，相当于在一个自准直仪上实现了两次检测的功能，提高了系统的分辨能力和反应能力，结构简单，测量精度更高，可广泛应用于日常生活、工业生产、航空航天、船舶和军工领域的准直测量中。

Description

一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪

技术领域

本发明涉光电探测领域，尤其是涉及自准仪领域。

背景技术

自准直仪是利用光学自准直原理，实现小角度测量的精密测量仪器。由于其使用方便而且具有较高的检测精度，被广泛应用于航空航天、船舶、军工等精密度极高的行业，例如机械加工工业的质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度测试标准、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等，其应用范围广阔。自准直仪经历了目视式、光电指零式和数显式三个发展阶段。

提高分辨力和示值稳定性是通用数显自准直仪的发展方向。

高分辨力是高准确度的保障与前提，高稳定性又是高分辨力的保障与前提。跳字量是静态数显自准直仪的特点和难点。动态测量每次采样只有一个数值输出，反应不出示值的跳动，其难点是动态响应速度和动态准确度，但通用仪器要读出每个位置的稳定读数值，跳字大就只能估读，影响示值的准确度，也影响分辨力。

数显式自准直仪的出现使自准直仪的性能有质的飞跃，数显式把仪器准确度由1″级提高至0.1″级，最小显示值由0.1″级提高至0.01″级。数显式自准直仪准确度高，使用方便，操作简单，能实现自动测量。

目前国内外生产的光电自准直仪主要靠人眼读数，用于静态测试，响应频率不高，无法满足高速测量的需要。

此外单轴自准直仪的测量精度较差，不能很好的实现二维角度的测量。

此外当目前的自准直仪一般多次经过分光棱镜的半透半反作用，最后能够投射到检测装置的光能量，损失很大，可以高达80%，这样大的光能量损失，对检测装置的感光灵敏度提出更高要求。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供了一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，可对目标进行自动识别，相比于传统的光电自准仪具有更高的分辨率，而通过双轴测量，能够更灵敏的检测出被测目标二维角度的偏移。

为了实现上述目标，本发明采取以下技术方案：一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，包括第一光源、第二光源、第一分划板、第二分划板、第一光源汇集透镜、第二光源汇聚透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、1/4波片、望远主镜、望远次镜和PSD探测器；其中，所述第一分划板和第二分划板均为“一字”型分化板，第一和第二分划板上的“一字”形刻线相互垂直摆放；当第一光源、第二光源开启后，所发出的光线分别照亮第一分划板和第二分化板，所述第一分划板和第二分化板上相互垂直的“一字”形刻线，分别投影到，第一光源汇聚透镜和第二光源汇聚透镜，所述第一光源透镜和第二光源汇聚透镜的汇聚作用后，分别投射到第一分光棱镜和第二分光棱镜中，经过第一分光棱镜和第二分光棱镜的反射作用，最后入射到望远主镜中，经过望远主镜的准直作用投射到目标反射面中，目标反射面将上述光线反射回来，依次透过所述第一分光棱镜、1/4波片和第二分光棱镜后经过所述次镜，所述次镜将上述光线汇聚后投射到所述PSD探测器中。

进一步的，所述第二分光棱镜为偏振分光棱镜，经过偏振分光棱镜的P分量波被全部透射，而S分量波会被全部以45°角被反射。

当第二光源开启后，所发出的光线照亮第二分划板，经过所述第二分划板的光经过第二光源汇集透镜汇聚后照射到偏振分光棱镜的反光面上，经过第偏振分光棱镜的反射作用后,第二光源信号中的S波分量被全部反射出去，透过1/4波片后，相位延迟90°，并透过第一分光棱镜后，进入望远主镜，然后投射到目标反射面上；目标反射面将上述光信号反射回来后，经过望远主镜的再次汇聚后，依次透过第一分光棱镜和1/4波片，经过1/4波片的再次相位延迟90°后，变成P波，上述P波全部透过偏振分光棱镜和次镜后，最终入射到所述PSD探测器中。这时由于1/4波片两次相位延迟，使得原来的S波变成了P波，完全透过了偏振分光棱镜，使得光信号在经过分光棱镜后的能量损失减低到0，极大的提高的光源能量的利用率，这种光能量的利用率的提高在光信号需要多次经过分光棱镜面时显得尤为重要，因为理论上说自然光没经过一次分光棱镜面得光能量损失接近50%，假如经过n次分光棱镜，则剩余光能量为原来的1/2ⁿ。本发明中利用偏振分光棱镜和1/4波片使第二光源发出的光能量利用率提高一倍。

进一步的，所述第一光源和第二光源采用LED光源，相比于传统光源，LED具有，成本低、高效率，低能耗，高亮度，绿色环保，超长寿命等一系列显著优点，本一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪采用LED为光源，降低了生产成本，同时光源发光强度也得到保证，同时由于LED光源所发出光具有很高的偏振性，用LED光源的系统光能量损失可以降低到最小。

具体的，当第一光源开启后，所发出的光线照亮第一分划板，经过所述第一分划板的光经过第一光源汇集透镜汇聚后照射到第一分光棱镜的反光面上，经过第一分光棱镜的反射作用后，进入望远主镜后，投射到目标反射面上；目标反射面将光反射后回来后经过望远主镜的再次汇聚后，依次透过第一分光棱镜、1/4波片和第二分光棱镜和次镜后，最终入射到所述PSD探测器中；由于所采用的光源具有很高的偏振性，在此第一光源可以选用椭圆偏振波，上述椭圆偏振波经过1/4波片的90°相位延迟后可以变成P波，而完全透过为偏正分光棱镜的第二分光棱镜。提高了管第一光源的光能量利用率。

本发明采用双轴系统，其中第一分划板和第二分划板均为：“一字”形刻线，两分划板刻线相互垂直摆放，分别经过第一分光棱镜和第二分光棱镜的反射作用后投射到目标反射面中，如果反射面与自准直仪垂直，没有偏转角度时，理论上，光线经过准直仪各个光学面最终投射到PSD探测器中时应该成相互交叉的“十字”形，且与PSD所设置的中心位置重合，当目标反射面与自准直仪轴向程一定角度偏移时，两分划板上的“一字”形刻线就不能在PSD探测器的探测面上形成“十字”形投影。根据PSD探测器的探测面所接收到的分划板影像就能更好的判断目标反射面得偏移角度和方向。相比于单轴的自准直仪，一般所用的“十字”或其他形状的分划板，本发明采用双轴“一字”分划板，最后PSD探测器所探测到的“十字”投影光信号，是经过双轴的两套独立光源系统的光信号重叠而产生，这相当于在一个自准直仪上实现了两次检测的功能，提高了系统的分辨能力和反应能力。

作为一种优选，所述第一分划板上的“一字”刻线位于自准直仪的中轴线的正上方，平行于自准直仪的轴线；所述第二分划板上的“一字”刻线，水平摆放于自准直仪的中轴线的正上方，垂直于自准直仪的轴线。

作为一种优选，所述第二分划板上的“一字”刻线位于自准直仪的中轴线的正上方，平行于自准直仪的轴线；所述第一分划板上的“一字”刻线，水平摆放于自准直仪的中轴线的正上方，垂直于自准直仪的轴线。

本偏振隔离双轴数字式光电自准直仪采用PSD探测器，所探测的光信号的位置量信息为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统，相比于CCD探测器，本发明采用PSD探测器的探测灵敏度更高，高实现高更精度的测量。同时价格也更加便宜。

进一步的，所述望远主镜为胶合透镜组，相比于普通透镜，胶合透镜组具有更好的聚光效果。

本发明具有以下有益效果：本偏振隔离双轴数字式光电自准直仪采用PSD探测器，所探测的光信号的位置量信息为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统，相比于CCD探测器，本发明采用偏振分光棱镜和偏振片，提高了光能量利用率；采用PSD探测器的探测灵敏度更高，高实现高更精度的测量，同时价格也更加便宜；本发明采用双轴“一字”分划板，最后PSD探测器所探测到的“十字”投影光信号，是经过双轴的两套独立光源系统的光信号重叠而产生，这相当于在一个自准直仪上实现了两次检测的功能，提高了系统的分辨能力和反应能力，结构简单，生产成本低，测量精度更高，可广泛应用于日常生活、工业生产、航空航天、船舶和军工领域的准直测量中。

附图说明

图1为本偏振隔离双轴数字式光电自准直仪的原理结构图。

图2为本偏振隔离双轴数字式光电自准直仪优选方式1的光路原理示意图。

图3为本偏振隔离双轴数字式光电自准直仪优选方式2的光路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。

本发明提供了一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，可对目标进行自动识别，相比于传统的光电自准仪具有更高的分辨率，而通过双轴测量，能够更灵敏的检测出被测目标二维角度的偏移。

一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，如图1所示，包括第一光源1、第二光源2、第一分划板3、第二分划板4、第一光源汇集透镜5、第二光源汇聚透镜6、第一分光棱镜7、第二分光棱镜8、望远主镜9、目标反射面10、次镜11、PSD探测器12和1/4波片13；其中，所述第一分划板3和第二分划板4均为“一字”型分化板，第一和第二分划板上的“一字”形刻线相互垂直摆放；当第一光源1、第二光源2开启后，所发出的光线分别照亮第一分划板3和第二分化板4，所述第一分划板3和第二分化板4上相互垂直的“一字”形刻线，分别投影到第一光源汇聚透镜5和第二光源汇聚透镜6，所述第一光源透镜5和第二光源汇聚透镜6的汇聚作用后，分别投射到第一分光棱镜7和第二分光棱镜8中，经过第一分光棱镜7和第二分光棱镜8的反射作用，最后入射到望远主镜9中，经过望远主镜9的准直作用投射到目标反射面10中，目标反射面10将上述光线反射回来，依次透过所述第一分光棱镜7、1/4波片13和第二分光棱镜8后经过所述次镜11，所述次镜11将上述光线汇聚后投射到所述PSD探测器12中（光信号传输路径如图2和图3所示）。

进一步的，所述第二分光棱镜8为偏振分光棱镜，经过偏振分光棱镜的P分量波被全部透射，而S分量波会被全部以45°角被反射。

如图1所示，当第二光源2开启后，所发出的光线照亮第二分划板4，经过所述第二分划板4的光经过第二光源汇集透镜6汇聚后照射到偏振分光棱镜8的反光面上，经过偏振分光棱镜8的反射作用后,第二光源信号中的S波分量被全部反射出去，透过1/4波片13后，相位延迟90°，并透过第一分光棱镜7后，进入望远主镜9，然后投射到目标反射面10上；目标反射面10将上述光信号反射回来后，经过望远主镜9的再次汇聚后，依次透过第一分光棱镜8和1/4波片13，经过1/4波片13的再次相位延迟90°后，变成P波，上述P波全部透过偏振分光棱镜8和次镜11后，最终入射到所述PSD探测器12中。

由于1/4波片两次相位延迟，使得原来的S波变成了P波，完全透过了偏振分光棱镜，使得光信号在经过分光棱镜后的能量损失减低到0，极大的提高的光源能量的利用率，这种光能量的利用率的提高在光信号需要多次经过分光棱镜面时显得尤为重要，因为理论上说自然光没经过一次分光棱镜面得光能量损失接近50%，假如经过n次分光棱镜，则剩余光能量为原来的1/2ⁿ。本发明中利用偏振分光棱镜和1/4波片使第二光源发出的光能量利用率提高一倍。

进一步的，所述第一光源和第二光源采用LED光源，相比于传统光源，LED具有，成本低、高效率，低能耗，高亮度，绿色环保，超长寿命等一系列显著优点，本一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪采用LED为光源，降低了生产成本，同时光源发光强度也得到保证，同时由于LED光源所发出光具有很高的偏振性，用LED光源的系统光能量损失可以降低到最小。

具体的，（如图2或图3所示）当第一光源开启后，所发出的光线照亮第一分划板，经过所述第一分划板的光经过第一光源汇集透镜汇聚后照射到第一分光棱镜的反光面上，经过第一分光棱镜的反射作用后，进入望远主镜后，投射到目标反射面上；目标反射面将光反射后回来后经过望远主镜的再次汇聚后，依次透过第一分光棱镜、1/4波片和第二分光棱镜和次镜后，最终入射到所述PSD探测器中；由于所采用的光源具有很高的偏振性，在此第一光源可以选用椭圆偏振波，上述椭圆偏振波经过1/4波片的90°相位延迟后可以变成P波，而完全透过为偏正分光棱镜的第二分光棱镜。提高了管第一光源的光能量利用率。

本发明采用双轴系统，其中第一分划板和第二分划板均为：“一字”形刻线，两分划板刻线相互垂直摆放，分别经过第一分光棱镜和第二分光棱镜的反射作用后投射到目标反射面中，如果反射面与自准直仪垂直，没有偏转角度时，理论上，光线经过准直仪各个光学面最终投射到PSD探测器中时应该成相互交叉的“十字”形，且与PSD所设置的中心位置重合，当目标反射面与自准直仪轴向程一定角度偏移时，两分划板上的“一字”形刻线就不能在PSD探测器的探测面上形成“十字”形投影。根据PSD探测器的探测面所接收到的分划板影像就能更好的判断目标反射面得偏移角度和方向。相比于单轴的自准直仪，一般所用的“十字”或其他形状的分划板，本发明采用双轴“一字”分划板，最后PSD探测器所探测到的“十字”投影光信号，是经过双轴的两套独立光源系统的光信号重叠而产生，这相当于在一个自准直仪上实现了两次检测的功能，提高了系统的分辨能力和反应能力。

优选方式1，所述第一分划板上的“一字”刻线位于自准直仪的中轴线的正上方，平行于自准直仪的轴线；所述第二分划板上的“一字”刻线，水平摆放于自准直仪的中轴线的正上方，垂直于自准直仪的轴线（如图2所示）。

优选方式2，所述第二分划板上的“一字”刻线位于自准直仪的中轴线的正上方，平行于自准直仪的轴线；所述第一分划板上的“一字”刻线，水平摆放于自准直仪的中轴线的正上方，垂直于自准直仪的轴线（如图3所示）。

本偏振隔离双轴数字式光电自准直仪采用PSD探测器，所探测的光信号的位置量信息为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统，相比于CCD探测器，本发明采用PSD探测器的探测灵敏度更高，高实现高更精度的测量。同时价格也更加便宜。

进一步的，所述望远主镜为胶合透镜组，相比于普通透镜，胶合透镜组具有更好的聚光效果。

本偏振隔离双轴数字式光电自准直仪采用PSD探测器，所探测的光信号的位置量信息为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统，相比于CCD探测器，本发明采用偏振分光棱镜和偏振片，提高了光能量利用率；采用PSD探测器的探测灵敏度更高，高实现高更精度的测量，同时价格也更加便宜；本发明采用双轴“一字”分划板，最后PSD探测器所探测到的“十字”投影光信号，是经过双轴的两套独立光源系统的光信号重叠而产生，这相当于在一个自准直仪上实现了两次检测的功能，提高了系统的分辨能力和反应能力，结构简单，生产成本低，测量精度更高，可广泛应用于日常生活、工业生产、航空航天、船舶和军工领域的准直测量中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，其特征是，包括第一光源、第二光源、第一分划板、第二分划板、第一光源汇集透镜、第二光源汇聚透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、1/4波片、望远主镜、次镜和PSD探测器；

所述第一分划板和第二分划板均为“一字”型分化板；第一和第二分划板上的“一字”形刻线相互垂直摆放；

当第一光源开启后，所发出的光线照亮第一分划板，经过所述第一分划板的光经过第一光源汇集透镜汇聚后照射到第一分光棱镜的反光面上，经过第一分光棱镜的反射作用后，进入望远主镜后，投射到目标反射面上；目标反射面将光反射后回来后经过望远主镜的再次汇聚后，依次透过第一分光棱镜、1/4波片、第二分光棱镜和次镜后，最终入射到所述PSD探测器中；

当第二光源开启后，所发出的光线照亮第二分划板，经过所述第二分划板的光经过第二光源汇集透镜汇聚后照射到第二分光棱镜的反光面上，经过第二分光棱镜的反射作用后，透过1/4波片、第一分光棱镜，进入望远主镜后，投射到目标反射面上；目标反射面将光反射后回来后经过望远主镜的再次汇聚后，依次透过第一分光棱镜、1/4波片、第二分光棱镜和次镜后，最终入射到所述PSD探测器中；其中，所述第一分划板上的“一字”刻线位于自准直仪的中轴线的正上方，平行于自准直仪的轴线；

所述第二分划板上的“一字”刻线，水平摆放于自准直仪的中轴线的正上方，垂直于自准直仪的轴线。

2.如权利要求1所述的一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，其特征是，所述第二分光棱镜为偏振分光棱镜。

3.如权利要求1所述的一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，其特征是，所述第一光源和第二光源为LED光源。

4.如权利要求1所述的一种偏振隔离双轴数字式光电自准直仪，其特征是，所述望远主镜为胶合透镜组。