专利名称：一种直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种法平面铅垂度检测方法及其装置，具体涉及一种直角反射棱镜法
平面铅垂度检测方法及其装置。
背景技术：
在精密测试计量技术领域，直角反射棱镜的应用非常广泛，然而在应用过程中，由 于其法平面的不铅垂，对测量误差产生重要影响，从而影响了测量精度。 目前，直角反射棱镜在安装过程中，其法平面铅垂度是一个重要参数，现阶段主要 使用自准直经纬仪对其法平面铅垂度进行测量。该方法的实现，一种是使用一台自准直经 纬仪，要先后通过平瞄与仰瞄两次测量得到测量结果；另一种是使用两台自准直经纬仪，分 别同时进行平瞄与仰瞄测量。但以上两种方法均存在测量次数多，测量过程烦琐，且两次测 量存在方位误差，以及自准直经纬仪自身的测量误差，使得测量误差加大，大大降低了测量 精度。因此，目前没有理想的方法或者测量装置实现法平面铅垂度的准确测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法及其装置，其解
决了背景技术中无法实现法平面铅垂度准确测量的技术问题。 本发明的技术解决方案是 —种直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法，其特殊之处在于，该方法包括以下步 骤 1)以斜方棱镜2的中心为坐标原点，建立坐标系0XYZ ; 2)斜方棱镜2位于铅垂状态(第一状态)时，自准直仪1对直角反射棱镜3进行 瞄准，记录瞄准示值; 3)斜方棱镜2绕Z轴单方向旋转22.5。，位于第二状态4时，其前表面部分6与 下表面部分7构成了楔形镜，光线经折射至直角反射棱镜3，自准直仪1对直角反射棱镜3 进行瞄准，并记录瞄准示值P2 ; 4)斜方棱镜2绕竖轴及码盘10在水平面内旋转180。，由第二状态4至第三状态 5时，自准直仪1再对直角反射棱镜3进行瞄准，并记录瞄准示值13 3 ;
5)对3次测量的h、h以及|33按照其矢量关系进行处理，即得到直角反射棱镜 3的法平面铅垂度。 上述斜方棱镜2在安装过程中，若其前表面部分6与下表面7相交棱线处于水平 状态，则斜方棱镜2位于第二状态4与第三状态5时，检测装置中光路完全相同，仅需对第 二状态4测量，得到测量数据|32，结合铅垂状态下测量数据！^，便可得到测量结果。
上述斜方棱镜2在安装过程中，其前表面部分6与下表面7相交棱线一般不处于 水平状态，则斜方棱镜2位于第二状态4与第三状态5时，所得瞄准示值|32与|33有偏差， 对其求平均值可以消除棱线不水平带来的测量误差，提高测量精度。
4
上述斜方棱镜2位于铅垂状态具体实现方式是检测前调节水泡12，自准直仪1 对斜方棱镜2前表面部分6进行瞄准，使斜方棱镜2处于铅垂状态，完成自准。
—种直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，包括底座11以及设置于底座11上的 竖轴及码盘10，所述竖轴及码盘10与U型架9连接，所述U型架9可绕竖轴及码盘10在水 平面内旋转，所述U型架9的上端连接一横轴8。 其特殊之处在于还包括设置于横轴8上的斜方棱镜2，以斜方棱镜2的中心为坐 标原点，建立坐标系0XYZ，所述横轴8与斜方棱镜2的Z轴同轴心，并能带动斜方棱镜2绕 Z轴单方向旋转22. 5° ;所述斜方棱镜2的两侧分别设置自准直仪1和直角反射棱镜3，自 准直仪1发出光线经斜方棱镜2和直角反射棱镜3后，又能回到自准直经纬仪1 ;所述支架 9的底部还设置有实现斜方棱镜2水平调整的水泡12。 上述斜方棱镜2包括在其上镀有反射膜的前表面部分6和镀有增透膜的下表面7。
上述支架9的底部位于竖轴及码盘10 —侧设置有实现斜方棱镜2水平调整的水 泡12。 上述斜方棱镜2的前表面部分6镀的反射膜反射率为5% 50% 。
上述斜方棱镜2的前表面部分6镀的反射膜反射率以10%或20%为佳。
上述斜方棱镜2为特级K9玻璃的斜方棱镜。 本发明中提供的直角反射棱镜法平面铅垂度检测仪，由于其采用单次测量方法， 避免了两次测量引入的方位误差，其测量精度可以控制在8〃以内，同时具有测量原理简 单，操作容易等优点。本发明可用于直角反射棱镜装调过程中法平面铅垂度的检测。
图1为本发明的装置示意图；
图2为本发明的原理示意图。 附图标号说明1-自准直仪；2-斜方棱镜；3_直角反射棱镜；4_第二状态；5-第 三状态；6-前表面部分；7-下表面；8-横轴；9-U型架；10-竖轴及码盘；11_底座；12-水泡。
具体实施例方式
如图1及图2，一种直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法，该方法包括以下步骤
1)以斜方棱镜2的中心为坐标原点，建立坐标系0XYZ ; 2)斜方棱镜2位于铅垂状态时，首先自准直仪1对直角反射棱镜3进行瞄准，记录 瞄准示值P i ; 3)横轴8与斜方棱镜2的Z轴同轴心，斜方棱镜2的下表面7镀有增透膜，在横轴 8带动下斜方棱镜2绕Z轴单方向旋转22. 5° ，位于第二状态4时，其前表面部分6与下表 面部分7构成了楔形镜，光线经折射至直角反射棱镜3，自准直仪1对直角反射棱镜3进行 瞄准，并记录瞄准示值P2 ; 4)斜方棱镜2绕竖轴及码盘10在水平面内旋转180° ，由第二状态4至第三状态
5时，自准直仪1再对直角反射棱镜3进行瞄准，并记录瞄准示值13 3 ; 5)对3次测量的13pl^以及|33按照其矢量关系进行处理，即得到直角反射棱镜3的法平面铅垂度。 —种直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，包括底座11以及设置于底座11上的 竖轴及码盘10，竖轴及码盘10与U型架9连接，所述U型架可绕竖轴及码盘10在水平面 内旋转，U型架的上端连接一横轴8，还包括设置于横轴8上的斜方棱镜2，以斜方棱镜2的 中心为坐标原点，建立坐标系0XYZ，所述横轴8与斜方棱镜2的Z轴同轴心，并能带动斜方 棱镜2绕Z轴单方向旋转22. 5° ;斜方棱镜2的两侧分别设置自准直仪1和直角反射棱镜 3，自准直仪1发出光线经斜方棱镜2和直角反射棱镜3后，又能回到自准直仪1 ;U型架9 的底部位于竖轴及码盘10 —侧设置有实现斜方棱镜2水平调整的水泡12 ;其中斜方棱镜2 包括在其上镀有反射率为5% 50%反射膜的前表面部分6和镀有增透膜的下表面7。其 中反射膜的反射率以10%或20%为佳。 如图2所示，包括有自准直仪1、斜方棱镜2和直角反射棱镜3。自准直仪1的 测量误差为0.2"，斜方棱镜2采用特级K9玻璃制造。建立坐标系0。X。Y。Z。， OXYZ和 0' X' Y' Z'，分别为自准直仪1，斜方棱镜2和直角反射棱镜3的坐标系。检测前调平 U型架中水泡12，自准直仪1对斜方棱镜2上镀有5% 50%反射膜的前表面部分6进行 瞄准，斜方棱镜2处于铅垂状态，完成自准；开始检测，自准直仪1对直角反射棱镜3进行瞄 准，记录瞄准示值P i ;斜方棱镜2绕Z轴单方向旋转22. 5°至第二状态4时，由于斜方棱 镜2的下表面7镀有增透膜，其前表面部分6与下表面部分7构成了楔形镜，光线经折射至 直角反射棱镜3，瞄准并记录瞄准示值13 2 ;斜方棱镜2绕竖轴10在水平面内旋转180°由 第二状态4至第三状态5时，瞄准并记录瞄准示值13 3，对三次测量数据按其矢量关系进行 处理，即可得到直角反射棱镜3的法平面铅垂度。 斜方棱镜2在安装过程中，其前表面部分6与下表面7相交棱线处于水平状态，则 斜方棱镜2处于状态4与状态5时，检测仪中光路完全相同，仅需对状态4与状态5任一状 态测量，结合！^，便可得到测量结果。反之，如果棱线不水平，则状态4与状态5时，所得瞄 准示值！32与！33有偏差，对其求平均值可以消除棱线不水平带来的测量误差，提高测量精 度。
运用矩阵光学理论，对检测仪进行光路分析。
直角反射棱镜3绕Z'轴旋转一角度a ，即其法平面有一偏转角度a ，设入射光矢
Ain=[10 0]T (i) 斜方棱镜2处于铅垂状态，出射光矢量为
入。UU = [-I 0 O]T (ii) 即出射光线沿原路近回，光线没有发生偏转。
斜方棱镜2处于第二状态4时，出射光矢量为
入。ut2 = [2sin2csin2 a -sin2csin2 a sincsin2 a ]T (iii)
其中c为入射光线与经斜方棱镜2的出射光线的夹角，其大小为
c = arcsin{wsin[45°
.sin22.5°，、 -arcsin-]}■
-22.5°
(iv) 其中n为斜方棱镜2的折射率c
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斜方棱镜2处于第三状态5时，出射光矢量为A 。ut3。 比较(2)式与(3)式，按其Z分量进行计算，则直角反射棱镜3法平面偏转角度
为
<formula>formula see original document page 7</formula> 目前使用T3A型号自准直经纬仪对直角反射棱镜法平面铅垂度进行测量，测量精 度最高可以达到15〃 ，而采用本发明中提供的直角反射棱镜法平面铅垂度检测仪，由于其 采用单次测量方法，避免了两次测量引入的方位误差，其测量精度可以控制在8〃以内，同 时具有测量原理简单，操作容易等优点。本发明可用于直角反射棱镜装调过程中法平面铅 垂度的检测。
权利要求
一种直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)以斜方棱镜(2)的中心为坐标原点，建立坐标系OXYZ；2)斜方棱镜(2)位于铅垂状态时，首先自准直仪(1)对直角反射棱镜(3)进行瞄准，记录瞄准示值β1；3)横轴(8)与斜方棱镜(2)的Z轴同轴心，斜方棱镜(2)的下表面(7)镀有增透膜，在横轴(8)带动下斜方棱镜(2)绕Z轴单方向旋转22.5°，位于第二状态(4)时，其前表面部分(6)与下表面部分(7)构成了楔形镜，光线经折射至直角反射棱镜(3)，自准直仪(1)对直角反射棱镜(3)进行瞄准，并记录瞄准示值β2；4)斜方棱镜(2)绕竖轴及码盘(10)在水平面内旋转180°，由第二状态(4)至第三状态(5)时，自准直仪(1)再对直角反射棱镜(3)进行瞄准，并记录瞄准示值β3；5)对3次测量的β1、β2以及β3按公式(vi)，即得到直角反射棱镜(3)的法平面铅垂度。
2. 根据权利要求1所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法，其特征在于所述斜方 棱镜(2)在安装过程中，若其前表面部分(6)与下表面(7)相交棱线处于水平状态，则斜方 棱镜(2)位于第二状态(4)与第三状态(5)时，检测装置中光路完全相同，仅需对第二状态 (4)测量，得到测量数据|32，结合铅垂状态下测量数据！^，便可得到测量结果。
3. 根据权利要求1所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法，其特征在于所述斜方 棱镜(2)在安装过程中，其前表面部分(6)与下表面(7)相交棱线一般不处于水平状态，则 斜方棱镜(2)位于第二状态(4)与第三状态(5)时，所得瞄准示值|32与|33有偏差，对其 求平均值可以消除棱线不水平带来的测量误差，提高测量精度。
4. 根据权利要求1 3任一所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法，其特征在于，所 述斜方棱镜(2)位于铅垂状态具体实现方式是检测前调节水泡(12)，自准直仪(1)对斜 方棱镜(2)前表面部分(6)进行瞄准，使斜方棱镜(2)处于铅垂状态，完成自准。
5. —种实现权利要求1所述检测方法的直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，包括底 座(11)以及设置于底座(11)上的竖轴及码盘(IO)，所述竖轴及码盘(10)与U型架(9)连 接，所述U型架(9)可绕竖轴及码盘(10)在水平面内旋转，所述U型架(9)的上端连接一 横轴(8)。其特征在于还包括设置于横轴(8)上的斜方棱镜(2)，以斜方棱镜(2)的中心为坐标 原点，建立坐标系OXYZ，所述横轴(8)与斜方棱镜(2)的Z轴同轴心，并能带动斜方棱镜(2) 绕Z轴单方向旋转22. 5度；所述斜方棱镜(2)的两侧分别设置自准直仪(1)和直角反射棱 镜(3)，自准直仪(1)发出光线经斜方棱镜(2)和直角反射棱镜(3)后，又能回到自准直经 纬仪(1);所述支架(9)的底部还设置有实现斜方棱镜(2)水平调整的水泡(12)。
6. 根据权利要求5所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，其特征在于所述斜方 棱镜(2)包括在其上镀有反射膜的前表面部分(6)和镀有增透膜的下表面(7)。
7. 根据权利要求5或6所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，其特征在于所述 支架(9)的底部位于竖轴及码盘(10) —侧设置有实现斜方棱镜(2)水平调整的水泡(12)。
8. 根据权利要求7所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，其特征在于所述斜方 棱镜(2)的前表面部分(6)镀的反射膜反射率为5% 50%。
9. 根据权利要求8所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，其特征在于所述斜方棱镜(2)的前表面部分(6)镀的反射膜反射率为10%或20%。
10.根据权利要求9所述直角反射棱镜法平面铅垂度检测装置，其特征在于所述斜方 棱镜(2)为特级K9玻璃的斜方棱镜。
全文摘要
一种直角反射棱镜法平面铅垂度检测方法及其装置，该方法包括建立坐标系OXYZ、自准直仪对直角反射棱镜进行瞄准，记录瞄准示值β1；位于第二状态时，自准直仪对直角反射棱镜进行瞄准，并记录瞄准示值β2、由第二状态至第三状态时，自准直仪再对直角反射棱镜进行瞄准，并记录瞄准示值β3以及对3次测量的β1、β2以及β3按照其矢量关系进行处理的步骤。本发明测量精度可以控制在8″以内，同时具有测量原理简单，操作容易等优点。本发明可用于直角反射棱镜装调过程中法平面铅垂度的检测。
文档编号G01C15/10GK101776454SQ20091002084
公开日2010年7月14日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者吴易明, 胡晓东, 赵军丽, 高立民 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所