一种激光对中仪接收系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光对中仪接收系统，包括物镜、分光棱镜、第一位敏探测器PSD1以及第二位敏探测器PSD2，应用于激光对中测量，涉及同轴度、平面度、直线度的测量。本与现有技术相比，改进了光路结构，在测量过程中不需要旋转就可以测量获得角偏量和平偏量，减少了操作步骤，降低了操作难度，提高了系统测量精度，达到了提高效率的作用，同时增加了适用范围。
【专利说明】-种激光对中仪接收系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种激光对中仪接收系统，应用于激光对中测量，设及同轴度、平面 度、直线度的测量。
【背景技术】
[0002] 平面度、直线度是重要的形位公差，在机械加工等领域是必不可少的测量量。对于 激光对中仪，光斑接收器的功能和准确度对轴对中的精度有着不可忽视的影响。现有可测 量平偏、角偏的光斑接收系统由单个PSD (position Sensitive Detector)及采集、驱动系 统构成。激光发射器和光斑接收器分别固定于主动轴和从动轴上。W同一角速度和方向转 动主动轴和从动轴时，激光束在PSD光敏面上的轨迹就会形成封闭的曲线。在理想对中情 况下，曲线就会变为一个点。若两轴仅有平行偏差，则轨迹是一个圆。在一般情况下（包含 平行偏差和角度偏差），该条轨迹曲线既不是楠圆（圆为特例），更不是点。但可W肯定，该 曲线任一点的坐标由两轴的相对位置决定。根据该一特性建立数学模型，即可从激光光斑 在PSD上的坐标计算出两轴的相对偏差。（引用文献；粪正烈，程晓曼，徐静等.单光束LD/ PSD激光对中测量仪及其数学模型.光电子?激光.2002,13 (4) ;378?381)
[0003] 虽然现有的光斑接收系统也能够测量角偏和平偏，但是还存在W下缺陷：
[0004] 1、现有对中测量系统通过旋转轴来测量角度偏差（角偏）和平行偏差（平偏）。 轴传动是机械传动的一种重要方式。轴传动的一个关键问题就是要实现轴对中。机械轴系 是否对中对设备正常运行有着至关重要的影响。英国皇家研究机构的一份调查报告指出， 50% W上的机器故障都是由于传动设备联轴器不对中引起的。因此，轴对中的改善具有重 要意义。
[0005] 2、现有的光斑接收器系统需要通过旋转传动轴才能测量出轴对中偏差量。对于难 W旋转轴的情况，如传动轴支撑座偏差的测量等，该方法将无法使用。另外，对于一些扩展 运用，如平面度、直线度的测量，该方法同样无法使用。
【发明内容】
[0006] 为了解决【背景技术】中存在的缺陷，本发明提供一种激光对中仪接收系统，本发明 的目的是建立一套在测量过程中不需要旋转就可W测量获得角偏量和平偏量，提高了测量 效率，同时增加了适用范围。
[0007] 本发明的技术解决方案；
[000引一种激光对中仪接收系统，其特殊之处在于；包括物镜、分光棱镜、第一位敏探测 器PSD1 W及第二位敏探测器PSD2,所述物镜与分光棱镜依次沿光路设置，所述第一位敏探 测器PSD1位于分光棱镜的焦面上，所述第二位敏探测器PSD2位于分光棱镜焦面后距离t 处W接收透射光束，其中t为第二位敏探测器PSD2与物镜焦点的间距。
[0009] 一种激光对中接收方法，其特殊之处在于，包括W下步骤：
[0010] 1】搭建上述的激光对中仪接收系统；
[0011] 2】搭建与上述激光对中仪接收系统等效的光路，分光棱镜分成两束光的光路图等 效为存在水平方向的一束光，包括沿光路依次设置有物镜、第一位敏探测器PSD1 W及第二 位敏探测器PSD2,所述第一位敏探测器PSD1位于物镜后焦面处，所述第二位敏探测器PSD2 位于分光棱镜焦面后距离t处；
[0012] 3】在等效光路上建立坐标系：
[0013] 第一坐标系；物镜光轴与物镜主面的交点为原点0。，光轴为Z。轴；X。轴W及Y。轴 位于物镜主面上；其中基准光束的传输方向为Z。轴的正向，朝向纸面的为Y。轴的正向；
[0014] 第二坐标系；物镜光轴与第一位敏探测器PSD1的感光面的交点为原点〇1，光轴为 Zi轴；Xi轴W及Yi轴位于第一位敏探测器PSD1的感光面上，Xi轴平行于X。轴，Yi轴平行于 Y。轴；
[0015] 第S坐标系；物镜光轴与第二位敏探测器PSD2的感光面的交点为原点化，光轴为 Z2轴；X 2轴W及Y 2轴位于第二位敏探测器PSD2的感光面上，X 2轴平行于X。轴，Y 2轴平行于 Y。轴；
[0016] 4】计算一维角度偏移量a ;
[0017] 4. 1】利用位于物镜焦面位置处的第一位敏探测器PSD1采集光斑，根据第二坐标 系，得到光斑中屯、位置的一维坐标（Xi);
[0018] 4.2】利用公式（1)，计算基准光束对应的主光线与物镜光轴之间的夹角a，即为 一维角度偏移量：
[0019] a 二 arcta吐争 (1)
[0020] 其中；f'为物镜的焦距；
[0021] 5】计算一维位置偏移量L :
[0022] 利用第二位敏探测器PSD2采集光斑，结合第S坐标系得到光斑中屯、位置的一维 坐标咕)，利用公式（2)、（3)计算一维位置偏移量L ;
[0023] L. =(./ +/')tana (2)
[0024] i = y(A-,-L,) (3)
[002引其中；f'为物镜的焦距；t为第二位敏探测器PSD2与物镜焦点的间距；
[0026] f'与t存在如下关系；
[0027]
【权利要求】
1. 一种激光对中仪接收系统，其特征在于：包括物镜、分光棱镜、第一位敏探测器PSDl 以及第二位敏探测器PSD2,所述物镜与分光棱镜依次沿光路设置，所述第一位敏探测器 PSDl位于分光棱镜的焦面上，所述第二位敏探测器PSD2位于分光棱镜焦面后距离t处以接 收透射光束，其中t为第二位敏探测器PSD2与物镜焦点的间距。
2. -种激光对中接收方法，其特征在于，包括以下步骤： 1】搭建权利要求1所述的激光对中仪接收系统； 2】搭建与权利要求1的激光对中仪接收系统等效的光路，分光棱镜分成两束光的光路 图等效为存在水平方向的一束光，包括沿光路依次设置有物镜、第一位敏探测器PSDl以及 第二位敏探测器PSD2,所述第一位敏探测器PSDl位于物镜后焦面处，所述第二位敏探测器 PSD2位于分光棱镜焦面后距离t处； 3】在等效光路上建立坐标系： 第一坐标系：物镜光轴与物镜主面的交点为原点0(!，光轴为Ztl轴；Xtl轴以及Ytl轴位于 物镜主面上；其中基准光束的传输方向为Ztl轴的正向，朝向纸面的为YC1轴的正向； 第二坐标系：物镜光轴与第一位敏探测器PSDl的感光面的交点为原点O1，光轴为Z1 轴；X1轴以及Y:轴位于第一位敏探测器PSDl的感光面上，X:轴平行于X^轴，Y:轴平行于Y^ 轴； 第三坐标系：物镜光轴与第二位敏探测器PSD2的感光面的交点为原点O2，光轴为Z2 轴；X2轴以及Y2轴位于第二位敏探测器PSD2的感光面上，X2轴平行于X。轴，Y2轴平行于YQ 轴； 4】计算一维角度偏移量a: 4. 1】利用位于物镜焦面位置处的第一位敏探测器PSDl采集光斑，根据第二坐标系，得 到光斑中心位置的一维坐标（X1); 4.2】利用公式（1)，计算基准光束对应的主光线与物镜光轴之间的夹角a，即为一维 角度偏移量：
其中：f'为物镜的焦距； 5】计算一维位置偏移量L: 利用第二位敏探测器PSD2采集光斑，结合第三坐标系得到光斑中心位置的一维坐标 (X2)，利用公式（2)、（3)计算一维位置偏移量L: L2= (f' +t)tana(2)
式中，土D/2为系统的位置偏移量测量范围，±a_为系统的角度偏移量测量范围，b 为第二位敏探测器PSD2感光面边长； 根据公式（1)?（3)可得系统平偏测量误差为：
式中％为第二位敏探测器PSD2测量误差； 在确定系统位置偏移量测量范围、角度偏移量测量范围及测量误差后，根据公式（4)、 (5)计算出所需的f'、t，从而根据公式（3)计算得到一维位置偏移量L; 6】建立视场角查找表： 根据光线追迹公式，在第一坐标系中，\正方向上，每间隔单位距离，XciOciZ面内角度每 隔单位角度，YciOciZ面内角度每间隔单位角度，计算第一位敏探测器PSDl位置处光斑坐标和 第二位敏探测器PSD2位置处光斑坐标，并按照对应关系列成表形成视场角查找表； 7】在视场角查找表中查找实际的角度偏移量： 根据计算出的位置偏移量L及第一位敏探测器PSDl所测得光斑中心位置的一维坐标(X1)，在视场角查找表中可找出对应的角度偏移量。
【文档编号】G01B11/00GK104501715SQ201410749357
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】吴国俊, 齐文博, 张毅, 王维, 韦明智 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所