自準直儀

光學自準直儀在20世紀30年代中期 ^[1]  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。 ^[2] 

自準直儀 ^[1]  ，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。

由光源 ^[2]  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。

自準直儀通常由三部分組成 ^[3]  :

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。

（一）光路原理

如果反射鏡嚴格與光軸垂直 ^[3]  ，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。

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

高斯型主要應用於普通光學自準直儀的光學系統。

（一）光路原理

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。阿貝型應用於光學計的光學系統。

（一）光路原理

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）。

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 ^[4]  。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 ^[4]  。

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

激光準直儀 ^[5]  是利用激光具有能量高、方向性好等特點，提供了一條直線性極好的可見激光束，以作為測量基準。激光準直儀的測量距離大，測量精度高。

激光準直儀是用激光束作為測量的基準，易受温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。

1—氦氖激光器 2—平行光管 3—針孔光闌 4—激光束 5—光電探測器（四象限靶） 6—運算電路 7—指示電錶

HYQ—03型自準直儀常稱平直度檢查儀 ^[6]  ，是國產自準直儀中應用較多的一種（以下稱平直度檢查儀）。

（一）光路原理

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。

如圖《平直度檢查儀結構》所示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。

操作過程 ^[3] 

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。

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

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 ^[7]  ；

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響應非線性誤差。

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件測量垂直度等。光電自準直儀多應用於航空航天、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 ^[4]  。