二维电子动态自准直仪

　　1引言

　　自准直仪，亦称自准直光管，已被广泛地应用于各种精密的测量工作中，例如光学元件的角度测量，平台平面的测量，轴系的晃动测量，导轨直线性测量，光学与机械零件的安装定位等等。以往传统的自准直仪，需要人工瞄准与读数，测量速度慢，精度也不高。为了实现自动测量，消除人为误差，各种应用光电探测器的自准直光管陆续问世，例如用面阵CCD或线列CCD作为测量元件的自准直光管〔1〕图。

　　近年来，我们研制成功一种采用象限探测器作为检测元件的二维电子动态自准自仪。这种自准直仪不但结构简单，使用方便，而且具有无人瞄准读数，自动测量，检测速度快，测量精度高，并且能够动态测量两维座标角度变化的特点。它的主要技术指标如下:

　　2工作原理

　　二维电子动态自准直仪的工作原理如图1所示。白炽灯光源照亮一个小孔，透过小孔的光线经过准直物镜变成平行光，投射到被测对象反射镜上。光线自此反射镜反射回来，再次经过准直物镜聚焦，在位于分光棱镜后的四象限探测器上成像。被测反射镜的角度变化，引起小孔像斑在探测器上的位置变化。

　　四象限探测器上各象限的输出电流与照射到该象限的光强成正比。这一电流经过电流/电压变换，产生对应的输出电压。自准直仪的二维角度输出的计算公式是:

　　上述两式中，分母中电压之和(VA+VB+VC+Vo)起着规一化的作用。这样做的结果，可以有效地抑制照明光源光强度变化，探测器及电路中的漂移等因素对测角的影响，提高测角精度的稳定性。

　　Cx和Cy是X、Y方向上的两个角度转换系数。由于四个象限灵敏度的差异，以及后续电路的不对称，它们常常是不相等的。Cr和Cy的具体数值，可以通过对自准直仪的精确标定得到。

　　实际上，四象限探测器给出的四路电压信号，由模数转换器变换成四路数字信号送入计算机，在计算机内按(1)、(2)式完成X、Y角度的解算，并以适当的方式输出显示。在高速动态测量时，实时测得X、Y角度数据可以存储在计算机内，事后进行用户所需要的数据分析统计，包括作图制表。这就大大方便了自准直仪的使用。

　　在计算时间和采样速率允许的条件下，自准直仪的角度输出X、Y数值，可以用多次平均的方法求取。平均的结果，能够明显抑制各种时间阑里的随机干扰，降低角噪声，提高测角精度。

　　图2为用二维电子动态自准直仪记录一物体受冲击时角位置变化的过程，此时的采样频率为l000Hz。由图可见，电子动态自准直仪能够测量快速的角位置变化过程，这在一般的自准直仪上是不可能的。