一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法

给出了一种基于高斯光束的平凹激光腔对准方法。在高斯准直光束后加一透镜系统,恰当地调整准直高斯光束到某一种汇聚发散的状态。在这种状态下,可使由平凹腔凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径大小相仿,解决了不加透镜系统时,两反射回来光斑直径相差很大,难于对准的问题,提高两光斑的对准精度。实验使用束腰为0.6 mm的氦氖光,其后加一优化好的透镜系统,在889 mm的距离下,对凹面镜曲率半径为50 mm的平凹腔进行对准。得到由凹面镜和平面镜反射回来的光斑直径分别为4.8 mm和5.1 mm,平凹腔的角度对准精度达到了3.18'。对准好的腔体在点亮LD后,均能出基模光斑。实验结果与理论分析相符,证明了该对准方法结构简单,执行方便。     

静电陀螺仪对准误差产生的系统伺服随动误差分析

介绍了采用平行光管式光电位置探测器(PSD)测角的静电陀螺仪在伺服测试转台上测试时,陀螺坐标系与平台台体坐标系之间的两种对准误差,然后推导出由该对准误差引起的反射光斑中心点在PSD平面坐标系上的坐标变化公式,给出了当陀螺坐标系与台体坐标系之间存在对准误差时,计算伺服随动误差的步骤,并根据静电陀螺仪的结构及工作情况,选取一组数据进行了计算。结果表明:第一种对准误差比第二种对准误差约大两个数量级;为减小系统伺服随动误差,第一种对准误差应不大于4'。其结论对静电陀螺仪的设计与测试具有理论指导意义。     

《光学仪器》总目次

测试技术一种基于 CMOS的长水泡检测方法研究徐　进 ,倪旭翔 ,陆祖康 ,等 ( 1 ,3)…………………………………DWDM信道光谱基于 GPIB的测试系统曹　倩 ,刘德明 ( 1 ,7)………………………………………………基于 Ronchi光栅 Talbot效应的角度精确测量侯昌伦 ,白　剑 ,侯西云 ,等 ( 1 ,1 1 )…………………………极坐标激光直写系统光轴和转轴对准的光栅反射对准法张　涛 ,杨国光 ,梁宜勇 ( 1 ,1 5 )…………………电磁波测距中多辅频内积检相技术的仿真研究刘国光 ,倪旭翔 ( 1 ,1 9)………………………………………激光干涉仪的计量保…     

高精度平面光栅尺测量系统的模型设计与安装误差分析

本文分析了高精度平面光栅尺的测量原理,推导了工件台坐标系的位置关系,利用读头光束与光栅平面的几何关系,建立光斑位移与工件台位置的关系,实现了将平面光栅尺测出的莫尔条纹数转化为工件台的位置信息。平面光栅尺测量系统在安装过程中,读头和光栅均存在沿X方向、Y方向上的平移偏差和绕X轴、Y轴和Z轴的旋转误差,本文利用组合分析的方法,推导出模型约束出安装误差的最大范围。通过仿真分析可知,模型设计精度要求为1×1010m时,读头平移误差范围在-1×10-3m～1×10-3m、读头旋转误差的范围-8×10-4rad～8×10-4rad、光栅旋转误差的范围为-1×10-4rad～1×10-4rad下,可以满足相应的设计指标,为实际的工程应用提供有效的理论依据。     

同心扫描法制作凹球面等距网栅的误差分析

纬线与纬线相交可形成球面等距网栅,而采用"同心扫描"的运动方式可在凹球面上生成纬线。"同心扫描"要求直写物镜光轴、直写物镜水平转轴、工件回转轴和工件分度轴四轴交于工件凹面球心。采用两两相交误差几何分析的方法,得到了同心误差与离焦量和栅距误差的变化关系:随着同心误差增加,系统离焦量和栅距误差也增加,且二者的变化趋势基本一致。因为网栅线宽一般要求达到微米量级,与之匹配的栅距则往往为几百微米,所以栅距误差与栅距相比可以忽略,系统离焦量对网栅线宽的影响却必须认真考虑。采用几何光学基本公式对物镜系统的进一步分析表明,为了制作细且均匀的网栅线条,必须采用小光斑,而小光斑对应的焦深也小,从而要求离焦量小,对同心误差要求严格;反之,则可放宽对同心误差的要求。     

五轴龙门数控铣床转动轴联动中的动态轨迹误差仿真分析

针对刀具两摆的五轴龙门数控铣床,对一转动轴与一平动轴联动及两转动轴联动加工圆弧时的动态轨迹误差分别进行了分析。采用D-H(Denavit-Hartenberg)法对轴的输入的进给指令位置计算公式进行了推导,并将进给指令位置输入到由动态仿真工具Simulink构建的进给伺服系统仿真模型中,得到了圆弧上动态轨迹误差的分布曲线。通过对转动轴联动加工圆弧的动态轨迹误差分析,可为五轴龙门数控铣床转动轴动态误差的检测提供指导,使得机床的检测与调整更加快速和便捷。     

全闭环数控回转轴定位精度研究

针对全闭环数控回转轴的关键检测元件—圆光栅的安装误差引起回转轴定位精度差的问题,基于圆光栅测量角度的工作原理,分析了圆光栅在安装时由于光栅定位端面的跳动误差对莫尔条纹的影响规律,推导出了相应的数学关系,建立了回转轴定位误差与光栅定位端面的跳动误差之间的数学模型.数值仿真表明当圆光栅出现端面定位安装误差后,回转轴回转一周,输出的莫尔条纹光强变化经历了一个周期,近似为一正弦曲线.针对上述理论分析,在加工中心回转轴C轴上进行了实验研究,结果表明,通过调整圆光栅端面的跳动误差从原来的70 μm到16 μm,利用高精密单频激光干涉仪对回转轴的定位误差进行了检测,两次测量的定位误差曲线均为正弦曲线,且回转轴的定位精度提高了3倍.研究结果表明,减小圆光栅定位端面的轴向跳动误差可有效提高回转轴的定位精度.     

新型旋转激光扫描系统轴系调整与误差标定

旋转激光扫描系统是一种基于精密转台结合多路激光的空间多目标并行角度传感系统。为改善系统光源性能,设计了一种采用光纤从外部导入光源的新型轴系结构。但是当激光以一定角度穿过中空的转轴进入镜组后,若倾斜入射柱镜,将导致出射的扫描光面型发生变化。针对此问题,研究了一种基于平行线的传递性的激光光轴姿态的调整方法,并借助激光跟踪仪测量平台,分别对光轴与转轴轴系进行拟合,建立了对光轴倾斜误差的标定方法。实验结果表明,调整后光轴与转轴轴线的空间夹角优于0.15°,完全满足扫描光截面中心直线度对激光入射柱镜的角度要求。该调整方案可用于系统的装配环节,使扫描光更加接近理想平面,有助于系统测量精度的提升。     

用于光电子器件对准的显微立体视觉系统及其标定方法研究

开发了用于光电子器件对准的显微立体视觉系统。该系统采用两个光轴交汇的可变焦镜头和CMOS摄像机采集图像;用调节螺钉实现视场匹配与聚焦匹配;采用了带误差修正的线性成像模型进行标定;标定控制点图像坐标的提取则利用Hough变换的方法来提高精度。目前,该系统已成功用于光电子器件对接机器人的视觉测量中。     

大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能

针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题,本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律,分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明,光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低,其中模场直径为28μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时,通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17μm时最大有效对准时间为7.05 ms,与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。     

转台误差对数字天顶仪轴系误差的影响

针对数字天顶仪在定位过程中存在的的轴系偏差,研究了如何对光轴与旋转轴、旋转轴与垂直轴之间的角度偏差进行补偿的方法。为了高精度地解算出测站点位置垂直轴的天文坐标,采用对称位置的两幅星图直接解算旋转轴的坐标,从而避免了光轴与旋转轴之间的补偿。采用双轴倾角仪测量倾角,并对旋转轴进行倾角补偿得出垂直轴的位置坐标。考虑进行轴系补偿时,转台误差会对旋转轴坐标和倾角补偿造成影响,分别研究了转台误差对于旋转轴以及倾角补偿的影响,并得出了转台误差的范围。实验结果表明:当测站点纬度的绝对值小于或等于88.3°时,转台误差必须小于或等于35″;当测站点纬度的绝对值大于88.3°时,转台误差值要小于|1 166.8cosδ|″。在对称位置解算测站点位置坐标时,必须提高转台的精度,以减小转台误差对于定位精度的影响。     

Alignment of the writing beam with the diffractive structure rotation axis in synthesis of diffractive optical elements in a polar coordinate system

A method is developed to ensure precise alignment of the origin of a polar coordinate system in which the laser beam position is defined in writing diffractive optical elements with the optical workpiece rotation axis. This method is used to improve the accuracy of a circular laser writing system in writing large-scale diffractive optical elements in a polar coordinate system. Results of studying new algorithms of detection and correction of positioning errors of the circular laser writing system in the course of writing are reported.     

飞秒激光跟踪仪光轴与竖轴同轴度的标定

考虑飞秒激光跟踪仪仪器轴系的几何误差会影响仪器的指向精度并最终影响坐标测量精度,本文研究了激光光轴与竖轴的几何误差对仪器测量精度的影响。提出了激光光轴与竖轴的同轴度标定方法,以降低其不重合带来的跟踪测量误差。首先,基于几何光学原理建立了光轴与竖轴的几何误差模型,分别分析了光轴与竖轴的倾斜与平移误差对仪器测角精度的影响。然后,针对设计的仪器提出了基于旋转成像原理的光轴与竖轴同轴度的检测方法,并设计了一套同轴度检测装置。最后,基于该检测装置,通过调节两组双光楔完成了激光光轴与竖轴的倾斜与平移误差的标定。结果显示,经标定校准后激光光轴与竖轴的角度误差为3.4″;平移误差为26.1μm,得到的结果为仪器后续建立误差补偿模型奠定了基础。     

水平式两轴转台中库德光路的快速装调

为实现对水平式两轴转台中库德光路的快速高精度装调,建立了自准直平行光管与平面反射镜相组合的自准直装调和检测系统。介绍了水平式两轴转台中库德光路的组成和工作原理,根据光学自准直原理给出了库德光路的装调和检测方法;结合库德光路的特点推导出基于坐标变换的库德镜辅助装调模型,进而实现了库德光路的快速装调。最后,对装调好的库德光路进行了随经轴和纬轴转动的误差检测,得出两轴转台工作过程中库德光路的实际晃动误差。结果表明,通过装调的库德光路晃动误差仅为5.2″,满足设计指标要求的8″。该装调技术不仅适用于库德光路也可对其它的反射镜装调提供一定的借鉴和参考。     

Critical alignments in plane mirror interferometry

Each axis of a plane mirror interferometer has three associated measurement vectors: the interferometer beam, mirror normal, and axis of measurement. The transducer axis of a plane mirror interferometer target is the mirror normal. This contrasts with a retroflector for which the transducer axis is the interferometer beam. The classical cosine error in x-y plane mirror interferometry is removed by the orienting the mirror normals in the travel plane. The axes do not have to be orthogonal to eliminate cosine error.     

Sensitivity of finite helical axis parameters to temporally varying realistic motion utilizing an idealized knee model

Various uses of the screw or helical axis have previously been reported in the literature in an attempt to quantify the complex displacements and coupled rotations of in vivo human knee kinematics. Multiple methods have been used by previous authors to calculate the axis parameters, and it has been theorized that the mathematical stability and accuracy of the finite helical axis (FHA) is highly dependent on experimental variability and rotation increment spacing between axis calculations. Previous research has not addressed the sensitivity of the FHA for true in vivo data collection, as required for gait laboratory analysis. This research presents a controlled series of experiments simulating continuous data collection as utilized in gait analysis to investigate the sensitivity of the three-dimensional finite screw axis parameters of rotation, displacement, orientation and location with regard to time step increment spacing, utilizing two different methods for spatial location. Six-degree-of-freedom motion parameters are measured for an idealized rigid body knee model that is constrained to a planar motion profile for the purposes of error analysis. The kinematic data are collected using a multicamera optoelectronic system combined with an error minimization algorithm known as the point cluster method. Rotation about the screw axis is seen to be repeatable, accurate and time step increment insensitive. Displacement along the axis is highly dependent on time step increment sizing, with smaller rotation angles between calculations producing more accuracy. Orientation of the axis in space is accurate with only a slight filtering effect noticed during motion reversal. Locating the screw axis by a projected point onto the screw axis from the mid-point of the finite displacement is found to be less sensitive to motion reversal than finding the intersection of the axis with a reference plane. A filtering effect of the spatial location parameters was noted for larger time step increments during periods of little or no rotation.     

CCD分段测量的光学位移测量系统

为了高精度地实现大量程的位移测量,采用传统激光三角法的测量原理,提出一种基于虚拟探测器的激光三角法来测量位移。该方法基于3个CCD分段测量的思想,将3个CCD互相独立且沿光轴均匀分布,以此扩大传统方法测量的范围。使用平面反射镜作为虚拟探测器进行探测,当成像光束经平面镜反射后在CCD上成像时,系统相当于增加了一个CCD,扩展了测量量程。由准直系统、偏振片、光阑组成准直滤光系统,缩小探测器光敏面上像点的直径,减小被测表面非理想光点对测量精度的影响,从而实现了较高精度下的大位移测量。最后通过实验验证了方法的可行性。     

基于光栅的贴片机对准系统的精度标定

贴片机对准系统的精度标定是视觉定位的关键环节,直接影响贴片精度与贴片质量。传统的标定方法往往需要进行大量的矩阵计算和分析,来确定相机的坐标系与世界坐标系和图像坐标系之间的关系,因此要掌握大量的三维几何知识与投影理论,并且计算繁杂。本文提出的基于光栅的精度标定方法,将光栅图像灰度值之和形成一组周期固定的准正弦信号,通过像元平移把图像条纹灰度值变为李萨如图。通过对李萨如图及其数据进行分析与处理,直接计算出光学系统的分辨率,实现光学系统的精度标定。实验结果表明这种标定方法的精度高,偏差小于0.2微米,精度达到亚微米级,满足贴片机的对准精度要求。     

Measuring probe alignment errors on cylindrical coordinate measuring machines

This note describes a method for measuring probe alignment errors on precision cylindrical coordinate measuring machines. Specifically, this method is used to determine the minimum distance between the line of travel of the center of a spherical probe tip and the axis of rotation of a rotary axis. Within the Timken facility, we refer to this error as intersection error [Bryan JB. Private communication; 7 June 1992]. In addition to intersection error, this method determines the position along the probe line of travel at which the center of the probe tip passes nearest to the axis of rotation. This position is commonly referred to as probe offset error. It is used to adjust the probe location such that its radial position is zero where it intersects (or nearly intersects) the axis of rotation. In this way, the probe tip location is datumed to the axis of rotation.