高精度光电自动折射仪的瞄准方法及其实现

　　1　引　　言

　　高精度光电自动折射仪是对光学材料折射率进行精密测量的一种高精度光电测量仪器。为了达到高精度()并实现自动测量,该仪器采用了垂直照射封闭测量法[1]。其方法是首先要分别测出由等边三角形样品的三个顶角入射且垂直于底边的平行光束经样品出射后的折射角并取平均得φ值,然后再按式(1)算出折射率[2]。我们知道要测出折射角首先要对出射光进

　(1)

行精确瞄准,其瞄准精度将直接影响折射率的测量精度。通常瞄准法分为光学瞄准法和光电瞄准法,光学瞄准法由于受人眼瞄准精度的限制,能达到的精度有 限,即使采用双线对称跨单线法进行瞄准,其精度也不过0.2~0.3μm,同时由于仪器工作在由紫外到红外的宽波段范围,根本无法用人眼瞄准。而用光电瞄 准法精度可提高一个量级以上,且使对准和测量自动化成为可能。以往研制的自动折射仪常采用极值法瞄准[3],即瞄准点为信号的极值点,但极值点处信号幅度 变化比较缓慢,不易判别极值,误差较大。为了克服极值法瞄准的缺点,我们采用了振动狭缝瞄准法,该方法在瞄准点附近信号斜率变化较大且相位突变,易于判 别,在实际应用中取得了满意效果。

　　2　瞄准方法

　　所谓振动狭缝瞄准法就是利用一个具有宽度为B,振幅为A,按频率f作正弦运动的振动狭缝的振动中心去对准单色仪的出射狭缝像。若振动狭缝中心相 对于出射狭缝像中心的初始偏移量为Δ,则振动狭缝相对于被瞄准的出射狭缝像(单色仪出射光经被测棱镜所形成的出射光)中心的偏移量[4]为

　　x = Asinωt+Δ(2)

　　式中ω=2πf,t为振动扫描时间,其Δ偏左和偏右时所对应的电信号波形如图1所示。当Δ=0,即振动狭缝的振动中心与出射狭缝像中心完全对 准,此时我们将图1(b)函数进行付氏分解可以得到信号的基波频率为零,二次谐波成分为最大。当振动狭缝的振动中心与出射狭缝像中心不重合,其偏移Δ≠0 时即不瞄准,其电信号可分解为基波f,谐波2f、3f ...等各种分量,故分析其基波f的幅值大小即可判别出它的偏离程度,而基波f的相位则反映了瞄准时的偏离方向。根据分析[5]当振动狭缝振幅A大于狭缝 宽度L时,其信号斜率和线性区都明显变坏,当A等于L时线性区最大,斜率不次于A小于L的情况,其关系如图2所示。故为了获得较大的线性区和适当的斜率, 我们选择振动狭缝宽度L、振幅A和影像宽度B三者相等。

　　Fig.1　Waveform of photoelectric signal　　

Fig.2　Relation for amplitude vs the signal

　　按仪器总体要求瞄准误差应为σ≤±0.1角秒,当光学接收系统的焦距F=350mm时,狭缝像中心在视场内相对于振动中心的偏移量为