专利名称:二维旋光准直仪的制作方法
本实用新型属于一种几何量计量光学仪器。
准直仪以激光束建立准直基线，传感器在垂直于基线方向上的运动被检测出来，传感器沿准直基线的运动不影响示值。传感器固定在机床工作台上，可以检测综合运动直线性。把传感器逐次安放在若干个轴承孔中，可以得知这些孔的中心是否在一条直线上，称之为同轴度测量。准直仪在大型精密设备的制造和安装中起着重要的作用。
1981年英国国家物理实验室R.J.King等发表了旋光法准直测量的研究结果。其光学原理如图1所示。从激光器〔1〕发出的激光束经起偏器〔2〕化为线偏振光。〔3〕为磁光玻璃棒，〔4〕为调制器线圈，〔3〕和〔4〕构成法拉第盒，用来调制激光束偏振面的方位。〔5〕为小孔光栏，〔6〕，〔7〕是两组传感石英光楔，它们都是由角度相等的左旋和右旋石英楔构成，是旋光准直测量的传感器。〔8〕为四分之一波片，〔9〕为透镜，〔10〕为凹面反射镜，〔9〕，〔10〕构成的系统可使光束对称返回，称之为猫眼系统。〔11〕为小楔镜，使光束产生一个小的偏折。返回光束再次经过传感器〔6〕〔7〕进入检偏器〔12〕。检偏器〔12〕和起偏器〔2〕是正交放置的。如果激光束的偏振方向没有旋转，在光电倍增管〔13〕上检测到的是消光状态。为了减少漂移，精选了SF57玻璃作磁光材料，用EMI9558B光电倍增管和锁定放大器判断消光。用这种实验装置测量了两根300mm长的石英棒，其测量误差为0.2μ。这套装置的体积很大，只能在实验室内使用。
旋光法准直测量的传感器是左、右旋石英晶体制成的光楔，左右旋石英楔厚度相等处称为中性面，光束经过中性面不产生旋光作用。当光楔沿垂直于光束的方向横向移动时偏振面旋转，旋转角δ和横向移动量Δ之间的关系为δ＝4βΔtgγ (1)式中，β石英晶体的旋光常数，约为18°／mmγ楔角δ值可以通过测量机械转角的方法得到，从而计算出Δ值。但是，让调制器兼作补偿器可以省去机械转角测量系统。方法是在调制器线圈中通过直流电流，使偏振面旋转量与δ值数量相等方向相反，从而使系统保持消光状态。这时，补偿电流I和旋转量δ之间的关系为δ＝V·1·4πμ0nI (2)式中，V磁光常数n每厘米长度中线圈的匝数μ0导磁率I线圈中的直流补偿电流l磁光玻璃棒的长度(mm)由式(1)(2)可以看出，直流补偿电流I和横向偏移量Δ之间呈线性关系。这是旋光准直的基本方程。测得I就可以得到偏移量Δ。
根据文章所述，英国国家物理实验室的结果采用了较大的调制角，偏振光相对于平衡位置对称摆动±1°～±2°。带来了一系列的缺点线圈中的交变电流使线圈发热，磁光玻璃棒的残余双折射随着温度的升高而变化，造成了通过调制器的光束偏振态的慢漂移，为此需要使用高性能的磁光玻璃或者使用水冷控温。这两个要求都使技术上带来困难和使系统庞杂。
为了得到大的转角，在限定电流的情况下，只能依靠增加线圈的匝数。线圈的体积和重量增大。用光电倍增管作检测器，在使用中要时刻提防烧毁光电管。由于体积大，难于作出二维测量的安排。使用两套光楔组，没有带来实质性的好处，反而造成使用的麻烦。
本实用新型克服了上述缺点，采用了单组石英光楔传感器，小调制角谐振式法拉第盒，半导体光电检测器，保持了原测量装置的测量精度，实现了二维测量，使之成为轻便的，适于在加工车间使用的仪器。
本实用新型包括以下四方面的内容(1)使用随机偏振的全内腔氦氖激光器，由方解石晶体棱镜分成两束线偏振光，作为两个互相正交的横向偏移的测量光束。这两束光受到同一个法拉第盒的调制。
(2)只有一个传感石英楔组件。它由正交放置的三对石英楔组成。〔52〕的楔角主截面为铅垂面，只感受垂直面内的偏移，对水平面内的位移没有反映。〔51〕和〔53〕的楔角主截面在水平面内，只感受水平面内的偏移，对垂直面内的偏移没有反映。因此，两个误差分量互相独立，不相干扰。即不存在二维测量的交叉干扰问题。
(3)采用了小调制角法拉第盒，偏振面对于平衡位置的摆动量仅为±15分左右，减少了调制器的功耗，实测结果仅有0.4瓦，不足以影响磁光玻璃棒的残余双折射，保证了系统的稳定性。在线圈上串联电容，并使C＝ 1/(ω2L) (3)式中C在磁光调制线圈上串联的电容值ω调制电压的角频率L调制器线圈的电感值。
法拉第盒不需水冷，器件的典型尺寸为直径80mm，长度70mm。调制器电源也很轻便。
(4)用半导体光电检测器代替光电倍增管，采用图4所示的接收系统电路。基频和二倍频信号分别进行选频放大再进行比例相加，从而提高了灵敏度。当系统处于消光状态，合成信号仅含二倍频成份，当系统微微离开消光状态，合成信号中就出现二倍频和基频两种成分。由于采样脉冲相对调制信号移相45°，每隔半个周期采样一次，在采样保持器中相继得到两个相邻的峰值。只有纯净的二倍频信号才能使采样保持器中得到两个相等的相邻峰值，以此作为消光的判据。这种方法有利于提高信噪比和检测灵敏度。实测结果灵敏度优于±0.15μ。
图2为二维旋光准直仪光学原理图。〔21〕为激光器，〔22〕、〔24〕为倒置望远镜扩束器，〔23〕为小孔光栏，〔25〕为偏振分光棱镜，把激光束分成偏振面互相垂直的等强线偏振光。其中经反射镜〔26〕反射的一束光首先进入石英楔对〔40〕，经过四分之一波片〔37〕和猫眼系统〔38〕〔39〕再从右侧进入石英楔对〔35〕，穿过析光镜〔30〕经反射镜〔29〕〔41〕进入检偏器〔42〕。透镜〔43〕把光束会聚到半导体光电三极管〔44〕上，实现水平面内的偏移测量。偏振分光镜〔25〕的透射光束穿过析光镜〔30〕，进入石英楔对〔36〕，经过四分之一波片〔37〕和猫眼系统〔38〕〔39〕使光束在垂直面内分离开一段距离再从右侧进入石英楔对〔36〕，由析光镜〔30〕，反射镜〔31〕反射到检偏器〔32〕，经过透镜〔33〕会聚到光电三极管〔34〕上，实现垂直面内的偏移测量。二维测量是由这两套系统同时完成的。
图3是二维测量石英传感器组件的平面图。石英楔对〔51〕对应于图2中的〔35〕，〔52〕对应于〔36〕，〔53〕对应于〔40〕。图中的符号表示激光束的进入和出射位置。三对石英楔光轴互相平行，固定在同一壳体内。
图4是检测系统电路框图直接从二倍频选频放大器得到二倍频信号经过45°移相构成采样控制脉冲。在采样保持器中比较两个相邻的峰值。当二者完全相等时说明系统处于消光状态。
权利要求
1.一种旋光准直仪，是由传感石英楔[35]、[36]、[40]，法拉第盒[27]、[28]，偏振器件[32]、[42]，激光器[21]及检测电路所组成，其特征在于，(1)采用三对正交放置的且光轴互相平行的左右旋的石英光楔，(2)采用小调制角的谐振式法拉第盒[27]、[28]，(3)采用由光电三极管，基频选频电路，二倍频选频电路，比例相加，采样保持电路及45°移相器构成的检测电路。
专利摘要
一种可以测量同轴度的二维旋光准直仪，采用小调制谐振式法拉弟盒使激光束的偏振方向相对于平衡位置摆动15分左右。三对正交的光轴互相平行的左右旋石英光楔沿垂直光束方向的移动造成光束偏振面的旋转。在法拉弟盒中通以直流迫使偏振面回复到消光状态。补偿电流表征了偏移量的大小。消光点是由光电三极管、选频放大器、移相器、采样保持器构成的系统判断出来的。
文档编号G01B9/00GK86208090SQ86208090
公开日1987年12月5日 申请日期1986年10月16日
发明者殷纯永 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan