光电瞄准与定位系统

习题1：证明相位扫描式光电瞄准中，证明：
刻线上下偏移量相等时，采样电压u的波形 位相差为1800 。 习题2：设计双管差动式光电瞄准差动放大 电路。

0

'1800
e sin( ' 1800 ) e sin ' R R
1800 0
采用重合法可将对径上的指标线成象到一个视场 内，一次可得到对径的两个数。
成象原理：在坐标系“Ⅰ”经直角棱镜1输出右手坐标系，再经直角等腰屋 脊棱镜2，保持右手坐标不变。其俯视图见圆圈内，Ⅱ为对径指标。见 《应用光学》P78
三、相位扫描式
1.结构： ①狭缝扫描式 : 刻线象不动，狭缝振动。 ②振镜式: 让刻度象B在狭窄中心O附近振动。
O
O 刻线像宽B=βb 刻线像宽B=βb
主尺,刻线宽b
图①
图4-3-4
图②
2．特点
①振幅 A=B；②正弦振动 ③振动中心和狭缝中心重合 探测器上光电压 U K KES KE l
1 Y 右手坐标系 2
Z
X X Y 左手坐标系
Z
Y X 右手坐标系 Z
图4-1-5 重合法
Y I 即 Y 右手坐标系 X 右手坐标系 （俯视图） 左手坐标系 Y 1900 X
001
100 X
Y I
X
三.双象法 A’
Y
A”
镀反品红色膜
X
Y
镀反品红色膜
X
A’
A”
y A x
镀反绿色膜
y A x
镀反绿色膜
上偏
狭缝
∆
O 图4-3-5
t
对准时，以O为振动中心
u KA
U A1 sin t
频率2f，周期T/2 t T1 T2 t
(1)当指标振动中心为O点（指标与光轴对准时）,则
x A sin t
通光狭缝宽 x Asin t U KA sin t 输出电压 设x的频率f ，U的频率加倍2f 但是周期相等 T1=T2=T (2)当指标振动中心偏离O点 距离，指标中心的运动方 程 x A sin t

250
2 10 M
5
(mm)
习题1：人眼的角分辨率 1' 60'' ，M=100，求：光学显微镜瞄准精度 δ。
§4-2 光学瞄准法 一 .对线法
a)二实线重合，人眼对准精度 b)线端都对准，人眼对准精度 c)双线夹单线，人眼对准精度 d)虚线对实线，人眼对准精度
60"
60"
5''
20''
二．重合法 度盘的偏心误差是影响它测量精度的重要因素。
指针 刻画中心o h 旋转中心o’
φ
l
R
φ’ Δφ
瞄准显微镜
图4-1-4
设度盘的刻画中心为o，旋转中心o’，偏心e，假 设无偏心时（o与o’重合），指针转过 角，对 应弧长示值是l格； 有偏心时，示值还是l格，而指针相应转过 ' 角。 因此转角误差 h e sin ' ' (秒） 2 105 弧度化秒系数 R R 对径读数可消除偏心误差（两读数取平均值）， 在 ' 与 ' 180 处的误差相加可抵消：
2.放大倍率(见《应用光学》P385~388）
1
x1 f1 f1
2
x2 f 2
,
M 物 目＝
250 , , f1 f2
∵ 显微系统组合焦距 3.物方远心光路
物镜 B1 B1’
f1, f 2, f
分划板 孔径光栏 B
∴
M
为狭缝宽，l为缝长
A sin t
式中： k为比例系数，E为光照度，S照射面积，
则 U A1 sin t 结论：通光狭缝宽以正弦变化，则光电压以正弦绝 对值变化，幅值不一样。 以狭缝中心O为运动振动坐标原点，刻线象在 此坐标的位移函数为x(t) x A sin t x
A
x
频率f，周期T t
第四章
§4-1 概述 一.基本概念
光电瞄准与定位系统
1.瞄准：就是使被测物体或其上的特定标志与参考系 中指定标志相重合。即指标（参考系中）与目 标（被测物上）重合。 被测件标志
固定坐标系（光轴）
xyzθ 调准
2 瞄准误差 △θ角度量（由线量△决定），
＝ R
3 对瞄准精度要求 ①精度高（误差小） ②效率高（快速） ③灵敏度高
10 A” 7 Ar 6 移动
Ar ” A” Ar ”
9双刻线分划板 A’ Ar A’
5 A A
3十字分划板
图①
图4-1-7端面反射式瞄准显微镜
图②
瞄准精度： A’ Ar是工件表面到光轴距离的两倍， A’ Ar = 2（把误差量光学放大为原来的两倍来测量） 而瞄准是按的象计算的，瞄准精度提高一倍，瞄准精度可达到 0.2μm。
§4-3 光电显微镜瞄准系统
一.光度式 系统原理：刻尺线宽b经物镜成象于 B b 狭缝面上， 狭缝宽B’=B，进入光电管的光通量与B’对B的相对位 置S成类似正弦函数的关系。在对准点有最小值 单管式测量精度不高：因刻线不一样，成象质量、 电源电压波动，电子元件性能漂移，都会引起Φmin波 动。此一时彼一时不一样。
4 分类
人工瞄准 ①按使用分 ② 按原理分
光学瞄准 （光学显微镜） 机械瞄准 （游标卡尺，百分表） 电子瞄准 （电感式接近开关） 光、机、电组合型瞄准 （光学机械杠杆）光机型 （激光扫描） 光电型 （行程开关） 机电型 （光电灵敏杠杆）光机电型
自动瞄准
二 光学显微镜（线放大）
f1, A F1， Δ x1, 目镜
放大
显示
Φ
刻线像宽B=βb
Φmin
图4-3-2
S
刻尺
线宽b=10μm=0.01mm
图4-3-1
解决办法： ①软件办法：对每条刻线的都求一次最小值（读最 小值，以保证准确），对自动测量而言，软件编 程量增加，测量速度变慢。 ②改用差动式
二.双管差动式
A 半透半反镜 B B’ 差放 显示
U=UB-UA 在O 点（瞄准点）为零，如果两 条支路对称性较好则在瞄准点U=0的误差很小， 瞄准精度高，U(S)差值曲线斜率大，因而灵敏 (0.01 0.02) m 度高，对准精度达到 。 狭缝A，B的宽度a=0.5mm ，光电管放不 下，故采用右图结构形成，B’为B的象，原理同 左图。
250 f，
目镜
A1
A1’ 图4-1-2
A
采用物方远心光路，当物距有微小变化（A1B1移 动到A1’B1’）主光线在分划板上的位置不变，则物体 在分划板上成像大小不变，只是成像由清晰到较模糊。
（mm） 3）显微镜的瞄准精度 人眼的角分辨率 1' 60''
显微镜的瞄准精度

'MBiblioteka F2A，F2，
F1 物镜
物体
眼瞳 （出瞳） 分划板
δ1
明视距离=250mm
α 图4-1-1
1. 结构特点 1）物镜和目镜均为正光组； 2）Δ较大，f1′、f2′ 较小， Δ >> f1′、f2′ ； x1’≈Δ, x2’ ≈ -250mm
3）光学显微镜的结构
显微镜的结构示意图如图4-9所示。光 源20经聚光镜19使灯成象于可变光阑18 附近，可变光阑18位于聚光镜15的前焦 面上，故经反射镜16和聚光镜15后出射 为平行光束，使物面得到均匀照明。滤 色片17是为了获得人眼感到最舒适的黄 绿色光。工件放置在工作台13上，光线 进入物镜12、光阑11、斯米特棱镜1成 象于目镜前焦面的分划板4上，由目镜6、 7进行观测、斯米特棱镜的作用一是把 物镜成的倒象重新转为正象，二是使光 路倾斜45°以便于观察。2、5、14是保 护玻璃，防止灰尘落入。另有物镜9， 目镜8又组成了一个读数显微镜，是用 来读出由反光镜10照明度盘3给出的读 数。
x sin t
u KA sin t A
刻线上偏 T1> T2 ,周期不等 T1≠ T2；频率 有f、2f等。
x A+Δ Δ
u KA KΔ 刻线上偏 频率f，周期T t
削顶
t T1 T2 T1 t
刻线下偏T1< T2 3．信号处理 ①．时间比较法 T1=T2则瞄准了 ， T1≠ T2则没瞄准。 ②．波形分析法（振动50HZ） 傅式展开，包括50HZ ， 100HZ等，则没瞄准； 只有100HZ则瞄准了。
中心对称双象棱镜
轴对称双象棱镜
A” A’ A’ A”
未对准 对准了
图4-1-6
未对准
对准了
四.互补色法 如图4-1-6所示，A’为品红色，A”为绿色，二种颜色重叠 （ A’与A”重叠）为黑色（双象法中的两个象重叠）。
五.反射法 工作原理： ①当工件与光轴不重合时（图①）： 分划板3上的十字线A通过物镜与成象于A’, A’在 工件6的镜面成象Ar；A’和Ar分别通过物镜7成象于 分划板9上A”点和Ar”点。在视场中可见两个十字线 （A” 和Ar”）和双划线（在分划板9上）及工件边 缘反射面。 ②当工件与光轴重合时：（图②） Ar与A’成为一点， A”与Ar”重合；在视场 中只看见双刻线夹一个十字线，且工件边缘与 十字线重合。