自準直儀

自準直儀，亦稱“自準直光管”、“光學平直度檢查儀”，是一種利用光的自準直原理將角度測量轉換為線性測量的一種計量儀器。它廣泛用於小角度測量、平板的平面度測量、導軌的平直度與平行度測量等方面。主要保括光學自準直儀、光電自準直儀、雷射準直儀等。詞條介紹了光學自準直儀、光電自準直儀、雷射準直儀，並重點詳細介紹了國產HYQ—03型自準直儀。

基本介紹

• 中文名：自準直儀
• 外文名：autocollimator
• 原理：光學自準直成像原理
• 技術：LED發光元件和線陣CCD成像技術
• 分類：光學自準直儀數字自準直儀
• 別名：自準直光管、光學平直度檢查儀

發展歷史

光學自準直儀在20世紀30年代中期便開始用於角度測量，但是到了20世紀40年代後期，這種準確度為1秒的儀器才被承認。到20世紀50年代，雖然光學自準直儀的設計原理仍未改變，但在光電檢測取代肉眼觀察之後，其準確度提高了一個數量級以上。在20世紀60年代，美國、英國及德國製造商已生產了多種光電式的商用自準直儀。之後數十年來．自準直儀得到了飛速的發展。自準直儀經歷了目視式、光電指零式和數字式三個發展階段。當前主要使用數字式自準直儀。目視式自準直儀雖然是目視、手動操作，準確度也不高，但工作可靠；攜帶方便，價格低廉，因此至今尚在使用中。而光電指零式自準直儀由於仍用目視、手動操作，僅以肉眼觀察電錶代替肉眼觀察自準直像，其性能並無實質性的提高，因此當前已被淘汰，只作為自準直儀由目視式至數字式、由光機式向光電式發展過程中的一個過渡階段。

定義

自準直儀，亦稱“自準直光管”、“光學平直度檢查儀”。它是一種利用光的自準直原理測量平直度的儀器。當狹縫光源位於物鏡的焦平面上時，光線將通過物鏡折射為平行光束，再經由一垂直於光軸的平面反射鏡將光束循原路反射回來。若是平面反射鏡有偏斜，則放射光束聚焦後成的像，將偏離狹縫光源的原始位置。同過目鏡讀數，可測出反射鏡對光軸垂直面的微小傾角。

原理

由光源發出的光經分劃板、半透反射鏡和物鏡後射到反射鏡上。光線通過位於物鏡焦平面的分劃板後，經物鏡形成平行光。平行光被垂直於光軸的反射鏡反射回來，再通過物鏡後在焦平面上形成分劃板標線像與標線重合。當反射鏡傾斜一個微小角度α角時，反射回來的光束就傾斜2α角。

自準直儀

組成結構

自準直儀通常由三部分組成:

1.體外反射鏡

2.物鏡光管部件

3.測微目鏡部件

由於分劃板和各個光學元件的位置、結構不同，自準直儀有以下三種基本光路。

光學自準直儀

高斯型自準直儀

（一）光路原理

如果反射鏡嚴格與光軸垂直，則十字線在分劃板上所成的像與原來的十字線完全重合。若反射鏡有一微小轉角α ，則十字線 的像將偏離原來的十字線，其偏離量的大小可 從測微目鏡6中讀出。

高斯型

1-反射鏡；2-物鏡；3-分劃板； 4-光源；5-分光鏡；6-目鏡

（二）高斯型系統特點

優 點：高斯型系統是目鏡視場不受遮擋，且分劃板上的刻劃位於視場正中，觀察方便。

缺 點：是亮度損失大，因而自準直像較暗；另外，為安置分光鏡，目鏡焦距較長，因而無法獲得較大的放大倍數

高斯型主要套用於普通光學自準直儀的光學系統。

阿貝型自準直儀

（一）光路原理

阿貝型自準直儀

1-物鏡；2-分劃板；3-稜鏡；4-光源；5-反射鏡

若平面反射鏡對光軸產生微小轉角α ，則十字線像將發生偏離，偏離量可從刻度尺上讀出。

（二）阿貝型系統特點

優 點：是光強度大，亮度損失只有10-15%

缺 點：是它的視場被膠合稜鏡遮擋了一半，又因光管出射光和反射光的方向不同，當反射鏡和物鏡間的距離超過一定數值後，反射光線就不能進入物鏡成像，所以儀器工作距離較短。阿貝型套用於光學計的光學系統。

雙分劃板型自準直儀

（一）光路原理

雙分劃板型自準直儀

1-物鏡；2-指示分劃板；3-立方直角稜鏡；4-刻度分劃板

若平面反射鏡對光軸有偏轉，將引起自準直像偏離十字線，由測微機構測出其偏離量，即可得出反射鏡對光軸的偏轉角。

（二）雙分劃板型系統特點

優 點: 是視場不被遮擋，刻線可位於視場中央；目鏡焦距短，可獲得較大的放大倍率。另外目鏡和光源可互換位置，給使用帶來方便。

缺 點: 是結構比較複雜，亮度損失較大（介於前兩者之間）。

光電自準直儀

如果狹縫振動中心與十字線像重合，則指示電錶15的指針指零，這就是瞄準位置；如果狹縫中心偏離了十字線像，則指示電錶的指針就離開零位。當電錶指針歸零時，刻度分劃板的刻線和十字線像了正好處於對準的位置。這就是起到了精確瞄準的作用。

光電自準直儀

1－光源；2－聚光鏡；3－分劃板；4-立方直角稜鏡；5-物鏡；6-反射鏡；7-振子；8-聚光鏡；9-狹縫；10-分光鏡；11-刻度分劃板；12-目鏡；13-光電元件；14-測微鼓輪；15-指示電錶

雷射準直儀

雷射準直儀是利用雷射具有能量高、方向性好等特點，提供了一條直線性極好的可見雷射束，以作為測量基準。雷射準直儀的測量距離大，測量精度高。

雷射準直儀是用雷射束作為測量的基準，易受溫度和氣流等因素的影響。除了儀器本身要採取一些防範措施外，對其測量環境即防震、防熱、防氣流抖動等都提出較高的要求，否則將會影響測量精度。

雷射準直儀

1—氦氖雷射器 2—平行光管 3—針孔光闌 4—雷射束 5—光電探測器（四象限靶） 6—運算電路 7—指示電錶

HYQ—03型自準直儀

HYQ—03型自準直儀常稱平直度檢查儀，是國產自準直儀中套用較多的一種（以下稱平直度檢查儀）。

儀器光學系統

（一）光路原理

平直度檢查儀

1-光源；2-濾光片；3-分劃板；4-立方直角稜鏡；5、6-反射鏡；7-物鏡；8-體外反射鏡；9-固定分劃板；10-活動分劃板； 11-目鏡； 12-測微螺桿；13-測微鼓輪

（二）測微原理

儀器的f物為400mm，測微螺桿12的螺距和固定分劃板9上刻線的分度間隔都是0.4mm，即測微螺桿每轉一圈，活動分劃板10上的長刻線在固定分劃板9的刻度上移動一格，其對應的反射鏡的傾角α為1/2000。

和測微螺桿12同軸相連的測微鼓輪13上有100格圓周刻度，每格代表反射鏡的傾角α為0.005/1000弧度。

儀器基本結構

平直度檢查儀結構

圖中1~4組成了測微目鏡部件，測量前可鬆開定位螺釘5，由於兩錐孔在圓周上互成90o ，可使整個目鏡頭就可精確地轉過90度。

儀器的操作與使用

操作過程

1、將儀器主體放置在被測件的一端或被測件以外穩固的基礎上，反射鏡座放在被測件上，並且要與儀器主體在同一水平面內；

2、接通電源後，將反射鏡座靠近自準直儀的主體，使反射鏡正對物鏡，使十字線像出現在目鏡視場的正中或附近；

3、仔細地沿測量方向移動反射鏡座，在各預定測量位置上讀數，並進行數據處理。

儀器的主要技術參數

1、分度值 0.005/1000≈1角/秒

2、物鏡焦距 400mm

3、目鏡放大倍數 20倍

4、示值範圍 ±500格

5、最大測距 5000mm

6、示值誤差

當測微鼓輪不超過一圈時 ±(0.5+0.01n)格

當刻度鼓超過一圈時 ±(1.5+0.01n)格

n----為測量時測微鼓輪轉過的格數

偏差來源

①測角公式的近似所帶來的原理誤差、出射光非嚴格平行光線所引起的誤差以及光學系統的畸變；

②人眼瞄準和讀數會產生瞄準誤差及估讀誤差；

③光電探測器靈敏度非均勻性以及回響非線性誤差。

套用

常用於測量導軌的直線度、平板的平面度(這時稱為平面度測量儀)等，也可藉助於轉向稜鏡附屬檔案測量垂直度等。光電自準直儀多套用於航空航天、船舶、軍工等要求精密度極高的行業，例如機械加工工業的質量保證（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、計量檢定行業中角度測試標準 、稜鏡角度定位及監控、光學元件的測試及安裝精度控制等等 。