专利名称：短距精密动态测角仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学测量领域，具体涉及一种用于微角振动测量的短距精密动态测角仪。
2.背景技术目前，公知的反射靶标式光学动态测角仪是通过具有动态性能的二维位置传感器，获取与被测体固连的平面反射镜上入射光束与反射光束之间的角偏移在位置传感器探测面上光点的动态线位移，对应求得被测体在两个正交方向上的动态偏转角。实用新型动态测角仪(专利号95238619.4)公开了一种光学测角装置，该测角仪是按照上述基本原理设计的一种初级装置，由于该装置中不含有角放大功能的光学部件，若要提高测角分辨率，须通过增加探测距离来解决，与此同时必然造成测角动态范围缩小，且每次测量安置时物镜须重新进行纵调，才能保证光束在位置传感器上有良好的聚焦，并且靶标拉开的距离受到物镜焦距的限制，这些不足都将给装置的使用带来不便。
3.发明内容为了克服现有技术中精密探测距离长、测量动态范围小、使用不方便的不足，本实用新型提供一种短距精密动态测角仪，可缩短探测距离，并保持测角分辨率和测角动态范围不变。本实用新型短距精密动态测角仪，含有作为测量基准的主体结构和作为被测体的反射靶标；主体结构包括底部设置有二维角度精调机构的机箱和设置在机箱体内的光学结构、位置传感器、电路部分。其特点是，机箱内的光学结构含有半导体激光器、双向运用的主扩束镜、次扩束镜、45°分束镜、聚焦透镜和45°反射镜，其连接关系为，机箱内光学结构在准直轴上顺序同轴设置有半导体激光器、次扩束镜和主扩束镜，由半导体激光器和次扩束镜构成的准直光源后面设置有45°分束镜，45°分束镜后面设置主扩束镜，主扩束镜与反射靶标对应；45°分束镜在传感分支光路上通过设置在右面的聚焦透镜沿45°平面反射镜的折转光路与焦面上的位置传感器对应；位置传感器与电路部分相连，电路部分与机箱外的计算机系统相连。
本实用新型设计原理直径为d的平行准直光束经过一个倍率为β的扩束镜，其输出形成直径为βd的基准平行光束，照射于用作靶标的被测平面反射镜上。当反射靶标无偏转时，反射光轴与入射光轴相重合，它们的夹角为零，并沿原光路返回扩束镜。这时，逆向传输的反射光束将按同样倍率缩束，该缩束平行光由分束镜分离出准直光路的传感分支光束经过聚焦透镜和平面反射镜折转引导，照射在位于焦平面上的位置传感器探测面中心(即参考点)。当反射靶标发生角度为θ的微小偏转时，入射光轴与反射光轴之间夹角则为2θ，按照扩束镜原理，返回扩束镜的逆传光束直径压缩β倍的同时光束偏移角也得到β倍放大，即缩束光轴与准直光轴之间夹角变为2βθ，进而汇聚在位置传感器探测面上的光点相对于参考点位置偏移量也随之放大β倍。在测角效果上，探测灵敏度获得倍增作用。该光学结构与高精度位置传感器结合，可达到缩短测角探测距离的目的。测角实际距离压缩于聚焦透镜的焦距上，与测角等效距离相比，测角距离压缩率为2β。
本实用新型在不改变位置传感器的条件下，光路中引入双向运用的倍率为β的主扩束镜后，实际测角距离缩短为2β倍，或在同样探测距离下，测角灵敏度提高β倍。本实用新型体积小、光路结构简单，实际测角距离压缩并折转于机箱小空间内。照射靶标的光束为平行光，靶标放置距离可任意调节，而不影响测角固有分辨精度和动态范围。机箱装配时位置传感器探测面调焦已完成，装置使用时勿须再做调焦操作。本实用新型可用于大型光机结构微角振动的精密测量、也可用于结构或光束的致稳控制系统。
4.
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型短距精密动态测角仪实施例的主视结构示意图。
图2为本实用新型短距精密动态测角仪实施例的主体结构部分机箱内部的结构示意图。
图中1.反射靶标2.顶盖3.滤波片4.位置传感器5.二维角度精调机构6.底板7.电路板8.电缆孔9.电缆座10.电缆座11.电缆座12.电路板13.电缆孔14.隔板15.半导体激光器16.次扩束镜17.光阱18.45°分束镜19.聚焦透镜20.主扩束镜21.45°平面反射镜22.通光孔23.45°平面反射镜24.45°平面反射镜25.隔板26.侧板27.侧板28.后板29.前板5.具体实施方式
图中，本实用新型短距精密动态测角仪，含有主体结构和反射靶标1。主体结构包括底部设置有二维角度精调机构的机箱和设置在机箱体内的光学结构、位置传感器4和电路部分。主体结构的机箱壳体由侧板26、侧板27、后板28、前板29、底板6和顶盖2构成的扁平箱体。机箱内固定设置有光学结构、位置传感器和电路部分。采用厚钢板的机箱前板29和底板6组成光学结构的刚性基座，前板29与穿过它的光学结构中的主扩束镜20相固连，机箱底板6的下表面与二维角度精调机构5相固连。反射靶标1镜面一侧与凸出机箱前板29的主扩束镜20的镜头相对设置，其放置距离根据需要可任意调节。反射靶标1的平面反射镜的镜面直径设计为主扩束镜20的扩束光束直径的2倍。
机箱内的宽度方向设置有隔板14，隔板14与后板28之间设置电路板7和电路板12。在隔板14与前板29之间设置有隔板25，隔板25设有一个通光孔22。
机箱内光学结构在准直轴上顺序同轴设置有半导体激光器15、次扩束镜16和主扩束镜20，主扩束镜20为双向运用的扩束镜。次扩束镜16与主扩束镜20之间设置有45°分束镜18，准直轴线穿过其中心并与其法线成45°。次扩束镜16小口径一端的设置与半导体激光器15相邻，其大口径一端的设置与45°分束镜18相邻。主扩束镜20小口径一端的设置与45°分束镜18相邻，其大口径一端的设置凸出于前板29。光阱17和聚焦透镜19分别设置于45°分束镜18的两侧，聚焦透镜19的另一侧设置有45°平面反射镜23。光阱17和聚焦透镜19的几何中心轴线为同一条直线，并与准直轴线垂直相交，此直线分别穿过位于聚焦透镜19两侧的、法线相互垂直的45°分束镜18和45°平面反射镜23的中心。45°平面反射镜23与45°平面反射镜21法线相互平行、镜面中心之间的连线与准直轴线平行；45°平面反射镜21与45°平面反射镜24法线相互垂直、镜面中心之间的连线与准直轴线垂直；45°平面反射镜24镜面中心与位置传感器4探测面中心之间的连线穿过法线与之平行的滤波片3中心并与准直轴线平行。聚焦透镜19输出的汇聚光束依次经过三个45°平面反射镜(23、21、24)作三次直角折转，引导至位置传感器4探测面上。汇聚光束传输路径长度为聚焦透镜19的焦距，位置传感器4探测面在聚焦透镜19的焦面上。
机箱内电路部分中的电路板7为光源驱动板，输出电缆通过电缆孔8与相邻的半导体激光器15相连；其中电路板12为信号接收板，输入电缆通过电缆孔13与相邻的传感器相连；机箱后板28上水平排列设置了三个电缆座，其中，电缆座9与电路板7连接，为其提供独立电源；电缆座10与电路板12连接，为其提供独立供电源；电缆座11与电路板7连接，为其提供输出信号。输出信号传输给数据采集卡，或通过微机时实监测二维动态测角过程，或与闭环控制系统相连接。
权利要求1.短距精密动态测角仪，含有作为测量基准的主体结构和作为被测体的反射靶标；主体结构包括底部设置有二维角度精调机构的机箱和设置在机箱体内的光学结构、位置传感器和电路部分；其特征在于机箱内的光学结构含有半导体激光器(15)、双向运用的主扩束镜(20)、次扩束镜(16)、45°分束镜(18)、聚焦透镜(19)和45°平面反射镜，其连接关系为，机箱内光学结构在准直轴上顺序同轴设置有半导体激光器(15)、次扩束镜(16)和主扩束镜(20)，由半导体激光器(15)和次扩束镜(16)构成的准直光源后面还设置有45°分束镜(18)，45°分束镜(18)后面设置有主扩束镜(20)，主扩束镜(20)与反射靶标(1)对应；45°分束镜(18)在传感分支光路上通过设置在右面的聚焦透镜(19)沿45°平面反射镜的折转光路与焦面上的位置传感器(4)对应；位置传感器(4)与电路部分相连，电路部分与机箱外的计算机系统相连。
2.根据权利要求1所述的短距精密动态测角仪，其特征在于所述的光学结构中聚焦透镜(19)至位置传感器(4)的折转光路上设置有45°平面反射镜(23、21、24)。
专利摘要本实用新型提供一种短距精密动态测角仪，含有主体结构和反射靶标。主体结构包括底部设置有二维角度精调机构的箱体和固定在箱内的光学结构、位置传感器和电路部分。光学结构中的半导体激光器与次扩束镜构成的准直光源后面设置有45°分束镜，45°分束镜在准直光路上通过主扩束镜与机箱外的反射靶标对应，45°分束镜在传感分支光路上通过聚焦透镜及45°平面反射镜与位置传感器对应，位置传感器与电路部分相连，电路部分与机箱外的计算机系统相连。本实用新型设置了双向运用的扩束镜，测角灵敏度获得倍增，探测精度大大提高，等效探测距离不变而实际探测距离缩短。本实用新型体积小、架设方便，可用于大型光机结构微角振动的精密测量。
文档编号G01B11/26GK2777490SQ20042010561
公开日2006年5月3日 申请日期2004年12月14日 优先权日2004年12月14日
发明者王雁, 马社, 赵忠杰 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所