自准直仪的现状与发展趋势

　　1 引 言

　　自准直仪是利用光学自准直原理将角度测量转换为线性测量的一种计量仪器。 它广泛用于小角度测量、 平板的平面度测量、 导轨的平直度与平行度测量等方面, 是机械制造、 计量测试、 科学研究等部门必备的常规测量仪器。 特别是在精密、 超精密定位方面， 更有不可替代的作用。

          自准直仪通常分光学自准直仪和光电自准直仪两大类。 光学自准直仪： 直接利用测微装置或可动分划板从分划板或读数鼓轮上读出数值， 精度最低。　光电自准直仪： 以光电瞄准对线代替人工瞄准线， 是自准直仪中测量准确度较高、 发展历史较短的一类。

　　自准直仪的误差来源： (1) 测角公式的近似所带来的原理误差、 出射光非严格平行光线所引起的误差以及光学系统的畸变; (2) 人眼瞄准和读数会产生瞄准误差及估读误差; (3) 光电探测器灵敏度非均匀性以及响应非线性误差。 从误差的来源来看，自准直仪的精度很大程度上取决于光电转换器的类别。 目前主要有以下几种: 面阵 CCD、 线阵 CCD、　　四象限光电探测器、 PSD 等[1]。

　　2 测量原理

　　自准直仪是基于自准直原理, 其测量原理如图1 所示。

　　分划板位于物镜的焦平面上， 当光源照射分划板上的十字光丝后， 光线经物镜后, 成一束与光轴平行的平行光束射向反射镜。 当反射镜面垂直于光轴时, 光线仍按原路返回, 经物镜后仍成像在分划板上的中心处,。 如果反射镜与光轴偏过一个小角度 α, 当平行光轴的光线射向反射镜时, 光线按反射定律与原光线成 2α 角返回, 通过物镜后成像在分划板/CCD 处,　　偏离中心位移量为 x。 根据几何光学原理, 可按下式计算:

　　在自准直仪中, 物镜焦距 f′是一个常数。 如果测得位移量 x, 即可计算出反射镜偏角 α 的大小[2]。光学自准直仪的像接收器为分划板， 由人眼直接观测得出 x 值。 而光电自准直仪的像接收器为CCD 或其他的光电接收器, 接收图像后经数据处理输出 x 值。

　　3 国际动态

　　国际上生产光电自准直仪的国家主要有： 德国、英国、 美国、 日本等。 60 年代开始到 90 年代， 英国泰勒·霍普森(Taylor/ Hobson) 公司生产的产品引领该产品的先进水平, 测试精度达到 0.2″, 当时我国大量引进了该公司的产品。 现在，该公司推出的主要产品有 TA80、 DA20 以及 DA400 型， 分辨率为 0.1″和0.01″ ， 误差为 ±0.1″ 和 ±2″ 。 到了本世纪初 ， 德国MOLLER 公司推出的 ELCOMAT HR 和 ELCOMAT3000 型光电自准直仪精度达到 0.1″， 误差为±0.03″和±0.25″， 是目前世界最高精度的自准直仪　　[3]。 现在我国各著名计量检测单位以及高等院校都采用这类仪器。 国际上比较有代表性的光电自准直仪产品及主要技术指标见表 1 。 国外产品类型包含单坐标测量和双坐标测量， 有鼓轮读数和数字显示， 在数字显示中一般都采用 RS-232 接口传输数据。 在光电传感器方面一般都选用高分辨率线阵 CCD。