一、自准直仪、准直仪及望远镜：

1.1、自准直原理简介：

　　自准直仪将一个刻线的图像以平行光束（准直光）的形式投射到反射镜上，该反射镜将其光束反射回自准直仪。这就是自准直图像。如果反射镜与光轴垂直，则光束将反射回其自身。

　　如果反射镜倾斜一个角度，则其反射光将以角度反射回来。根据反射光的倾斜程度，自准直图像会以更大或更小的角度发生位移。通过测量自准直图像在X轴及Y轴上的位移可以测得反射镜的角度变化。

　　自准直意为平行光。其测量结果不受距离的影响。



　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　 图6：一个光学自准直仪的基本结构

　　1-物管，带消色差（achromatic）透镜的物管1.1
　　2-准直测头，带分束器、目镜刻线及准直刻线2.3
　　3- 目镜
　　4- 带灯泡的光源，过滤玻璃及聚光器
　　4.3 光学自准直仪设为无限远，可见波长为: λ=546nm。
　　ELCOMAT vario 的光源是LED，设为无限远，可见波长为λ= 660 nm

1.2、光电自准仪内部探测器的四种类型及CCD线阵的特点。

　　从光电自准直仪的内部探测器的发展来讲，大致先后有四种类型：最早的光电自准直仪是采用带有像电单元的振荡狭缝（Oscillating slit with fotoelectric cell）；第二个阶段是带有不同的电路的二极管（Diodes in difference circuit）；第三个阶段是采用四像限的二极管（Four-quadrant diode），这是一种位置敏感传感器(PSB)，目前这种类型的光电自准直仪使用相对较多；第四种类型的光电自准直仪采用CCD线阵（CCD-array）做为探测器。现在，第一种及第二种类型的光电自准直仪已不多见了。

　　当我们选择采用何种探测器的电子自准直仪时，需要综合考虑以下几个方面：

　　是否有大的测量范围？是否在不同的温度下具有稳定性？这种技术是否具有长期的可得性（是否在短期会被淘汰，长期的配件供应是否可得）？是否具有高的光谱敏感性？在全部测量范围内是否具有高度的线性？是否具有高的测量频率？其价格是否合理。

　　CCD线阵与传统的四像限二极管及其它方式相比，除在测量频率外在各个方面都具有全面的优势。其唯一的不足是它的测量频率（即每秒钟的测量次数）低于模拟测量方式(ELCOMAT系列每秒钟约测量25次)。

　　ELCOMAT HR、ELCOMAT 2000及ELCOMAT vario都采用CCD测量方式。CCD并不意味我们的自准直仪与采用其它测量方式的其它厂家的同等测量仪器在对使用环境上有更高的要求，相反，如果您使用一张纸遮住其它类型的光电自准直的部分光路（如50％）时，您可以发现，这些光电自准直仪的读数有非常大的变化。我们的ELCOMAT系列的读数也会变化，但这种数值上的变化就小得多，这从一个方面也说明了我们仪器的优势。

1.3、ELCOMAT HR对测量环境的要求。

　　ELCOMAT HR做为世界上精度最高的自准直仪，几乎为所有的国际校准/计量机构所使用。在一次有众多厂家参加的有关测量仪器的补偿实验中，ELCOMAT HR被评为最佳仪器。用户也可以与德国PTB联系，他们有我们多台ELCOMAT HR作为计量基准，可以询问他们在使用中的意见。

　　ELCOMAT HR的中心测量精度为+/- 0.01秒，显示分辨率为0.005秒，内部分辨率高达0.001秒，这样一台计量级的仪器，它对使用的环境也有较为严格的要求：

　　a. 温度波动： 在整个测量过程中，温度波动应保持在不超过1摄氏度的范围内。温度波动越小，则测试就越稳定，因温度变化而引起的飘移也就越小，我们建议温度波动不超过+/-2摄氏度；

　　b. 空气干扰： 因为它的内部分辨率高达0.001秒，非常的敏感，较小的空气干扰也会引起角度值的变化。我们在ELCOMAT系列中已设置了噪音抑制程序，它可以以固定的时间间隔测量一组数值，取平均值并显示出来，这样可以过滤到一些偶然因素对测量结果的影响。但是，因为这是一台计量级的仪器，我们还是建议用户最好使用一个罩子（泡沫塑料）盖住自准值仪和反射镜的空间。德国PTB也在使用这样一个罩子，而且他们每一个点测100次再取中间值。

　　c. 预热时间： 没有达到热均衡的ELCOMAT HR无法提供给用户稳定、可靠的计量。先前的ELCOMAT HR需要6个小时以达到内部所有光学及电气元件的热平衡，现在我们在制造ELCOMAT HR的过程中通体材料都使用了热膨胀系数极低的ZERDOUR材料，使得其预热时间可以缩短至4个小时。我们内部的光源采用LED，其本身不产生热量，而且HR内部的元件与基座的固定没有采用传统的方法，而是采用底面（单面）粘合的方式，以尽可能的降低热量的影响（这也是为什么在使用过程中不能将它放倒使用的原因）。但即便如此，ELCOMAT HR也依然需要足够的预热时间。我们的自准值仪有备用（Standby）功能，所以它可以整晚开着而不用断电。在德国，用户一般是在晚上把它的电源打开，这样第二天一早就可以使用了。另外，如果用户需将ELCOMAT HR移至另一地点使用，我们建议先将ELCOMAT HR放置在新的地点至少12个小时再进行通电预热，以使ELCOMAT HR内部温度与新环境的温度有一个自然均衡的过程。

　　d. 台面及地基： 因为用户需要达到的是计量级的测量，我们建议最好使用石头制成的稳定的台面，并有稳固的地基。

　　e. 电压波动： 230VA+/-10VAC。如用户地点电压不稳，建议用户使用稳压电源。我们在德国不需要使用它。 以上这些对环境的要求，是因为我们需要达到如此高的测量精度。 ELCOMAT其它系列（ELCOMAT 3000及ELCOMAT vario)则是为普通机床工业而设计，有更大的环境适应能力。

1.4、ELCOMAT 3000及ELCOMAT vario对测量环境的要求。

　　与计量级的ELCOMAT HR不同，ELCOMAT 3000及ELCOMAT vario对环境要求相对较低，可以在普通的车间或实验室中使用。而且由于其采用了CCD技术和MOLLER专利的软件技术，使其不易受外界环境干扰，与其它厂家的同等精度的自准直仪相比，其读数更为稳定，重复性更高。

1.5、 ELCOMAT系列光电自准直仪精度的长期稳定性及再校准问题。

　　ELCOMAT系列是高精度的光电自准直仪。由于我们工厂的先进设计和内置的补偿程序，我们可以保证仪器的长期的精度。我们多年的经验证明：在正常使用的条件下，ELCOMAT系列的精度不会改变。

　　然而，由于ISO9000的规定，我们必须向我们的用户提供一个校准的周期。如果该仪器在良好的条件下正常使用，我们认为5年的再校准周期是足够的。

　　如果用户有能力自己检验该仪器的精度，则他不需要将仪器送到我们工厂进行再校准。直到他有一天认为精度有所变化，也就是说他认为该仪器的精度超出了操作手册上所给出的精度。

　　在德国工厂，我们是采用以一套非常精度的参考系统为对照，利用我们的具有“know-how”的测量软件进行精度的检验及再校准。对于国内的用户来说，如硬件条件许可，可以用以下办法进行定期的检测：

1、对于ELCOMAT HR的校准：

　　用户可以用另一台经校准ELCOMAT HR通过一面双面镜与其进行比对，同时测量时的环境条件也需满足ELCOMAT HR的测量要求。

2、对于ELCOMAT 3000及ELCOMAT vario的校准:

　　用户可以用一台经校准的ELCOMAT HR或一个精度优于0.1秒的高精度的小角度台( Small angle generator)来检测ELCOMAT 3000的精度。一般说来，这种小角度台将一个侧向的移动转化为一个角度的移动。

　　当然，该小角度台的分辨率及精度必须优于ELCOMAT 3000的分辨率及精度。

　　在德国MOLLER－WEDEL，我们的再校准工作并不仅仅包括电子元件，同时也包括了整个设置（含光学及机械），特别是：
　　检查硬件（LED，CCD线阵，板卡）
　　清洁仪器
　　功能检测
　　检测校准数据及软件补偿
　　再校准并出具校准证书
　　再校准的过程不需要： 更换电子元件，如CCD线阵，LED，板卡。
　　经过再校准后，用户可以放心他的ELCOMAT的性能指标如新的仪器一样。

1.6、 如何用自准直仪测量机床导轨的平直度?

　　以下说明及图表简要介绍了用自准直仪（光学或光电自准直仪）测量机床平直度的方法。我们另有专门的平直度测量软件，以与光电自准直仪进行自动测量。

　　需要自准直仪，带有双微分计、准直刻线（单十字线）及目镜刻线（双十字线）或者自准直仪，带有准直刻线（单十字线）及目镜刻线S411…S431（带角度刻度）或是（带线或角度刻度）

·可调夹具
·基座反射镜
·三角架

　　将基座反射镜放在受测的导轨或是机床上。将自准值仪放在三角架上并就反射镜调好自准直仪，直至准直刻线的图像与目镜刻线相重合。将基座反射镜移动距离，并得出两个方向上（X及Y）自准直图像的变动。其高度的差异Δh按如下公式计算出来：                     
ΔY
Δh = b x tan ——
　　　　　　　　　　　　2f

此处：
b:基座反射镜的基座长度
ΔY:自准直图像从其零点位置的偏移
f:自准直仪焦距
X方向上的测量方法与此类似。用ΔX代替ΔY.我们的电子自准直仪系列可以同时读出两个方向上轴的数值。我们也有专门的分析软件来进行平直度的测量。

　　


1.7、用ELCOMAT 3000光电自准直仪测量机床导轨的平直度所能达到的精度及其条件。

　　ELCOMAT 3000的精度为在任何20秒内+/-0.1秒。如果直线度（即当沿导轨移动反射镜时反射镜的倾斜角度）在任何20秒内时，其测量精度为+/-0.1秒。如果倾斜角度大于它（但小于我们的测量范围，在5米距离时测量范围约为+/-516秒）时，最大误差为+/-0.25秒。如果我们使用一个100毫米长度的反射镜，则+/-0.1秒相当于+/-0.0485微米的精度，+/-0.25秒相当于0.12微米。这只是ELCOMAT 3000的误差。我们的软件只使用零后的一位小数，也就是说这个软件的最大误差为+/-0.0485微米。这是仪器及软件的误差。另外，环境也可能造成误差。若环境温度波动1摄氏度，角度数值可能会变化0.2秒，也就是相当于0.1微米。

　　如果测量现场有震动的话，当然也会造成额外的误差，但这个误差我们无法预计。所以，如果我们只是考虑理论上的误差及可能的温度波动造成的误差，我们可以说在非常好的条件下的测量精度为0.3微米。但是，我们不能向用户保证在直线度测量时他可以达到这样的精度，因为根据我们的经验，因为测量精度大部分依靠于用户这边的条件。我们在德国有一个用户，他可以达到这个精度，但他的条件非常好（在实验室中）并有专业的操作人员。

　　在机床工业中，普通的环境下用户可以达到大约1至3微米的重复性。但这也需要较好的条件。另外，因为反射镜需要在导轨上移动，其测量精度也受导轨自身的粗糙度的影响。如果其粗糙度在0.1毫米或是0.01毫米的范围，当然这也会增加测量误差，因为反射镜角度的变化不仅仅是由非直线度造成的，也是由粗糙度的作用引起的。

1.8 ELCOMAT系列是如何进行粗找准的？

　　Moller-Wedel的光电自准值仪ELCOMAT系列具有较大的测量范围和信号获取范围，因而找准非常便捷。与采用传统模拟测量方式的光电自准直仪不同，我们的ELCOMAT系列不设传统的找准目镜，它们的找准是通过其特别内置的“数字化目镜”进行。当进行粗找准时，ELCOMAT将显示角秒，它是与自准值仪的光学轴之间的绝对角度，同时还显示当前信号在光轴的相对位置，并以表明当前信号的强弱。然后，您可以微调ELCOMAT系列所配的双轴可调底座（选件）或是调整您的找准目标。

　　您还可以选择我们的找像棱体（选件）进行找准工作。

　　另外，我们还为ELCOMAT 3000及ELCOMAT vario设计有一个激光快速找准装置做为选件。它是一种放在物管前端的附件。它的中心与光管及光轴同心。在它的中心点上有一个激光二极管，它所发射出的光束经反射镜反射并折回。因为激光二极管是置于找准装置的结构上的轴心，而激光找准装置又是装在准值仪的轴心上，所以如果反射镜与准值仪的光学轴心垂直，那么光束将反射到自己。如果不是，你将看到返回的光束与发射出的光束错位。用这种简单的方式，您可以非常迅速、简单的找准，而且您还可以据此做出相应的调整。这会大大方便用户的使用并节省用户的时间，尤其是您将ELCOMAT 2000及ELCOMAT vario倾斜或垂直使用时。

　　

　　因为我们的ELCOMAT系列的测量范围非常大，而且可以在测量范围内的任意位置清零以进行相对测量，所以，在粗找准工作中您只需找到大致的绝对零位即可开始使用，而不需到精确的绝对零位。

1.9 ELCOMAT 3000的RS 232通讯协议中测量数值正负符号如何判断？

　　以X为例：
　　从串口接到一组数据后得到x0、x1、x2
　　X=x0 +（x1×256）+（x2×65536）
　　当X=<8388607时X=X（正值）
　　当X>8388607时X=X－16777215（负值）
　　将得到的结果除以100就得到了角度值，Y的算法相同。

二、测角仪：

2.1 测角仪的技术优势：

　 　我们MOLLER－WEDEL OPTICAL的测角仪的优势在于：

　　－　测量精度高至单次测量2秒、多次测量0.6秒。该测量精度可以上溯至德国国家标准。对于折射率测量，我们的测角仪－分光光度计可以达到高至1x10-5，我们在仪器出厂时根据德国PTB认证的棱镜进行校准；

　　－　与采用自准直仪＋空气转台并依赖于计算机图像处理软件构成的测角仪不同，我们的测角仪由一台自准直仪＋望远镜＋玻璃度盘构成，与其相比，我们的还可以测量透射中的角度；

　　－　我们的测角仪并没有采用空气转台的设计，所以可以为用户服务许多年，而无需维修；

　　－　我们拥有最多的生产测角仪及测角仪－分光光度计的经验，我们在30年多年来一直生产这样的仪器；

　　－　大多数世界著名的玻璃生产厂家都在使用我们的测角仪－分光光度计测量他们的光学玻璃，如：Hoya, Ohara, Corning, Schott（美国）。而且，许多的研究机构也在使用我们的测角仪－分光光度计测量他们的光学材料的折射率；

　　－　我们开发了一个先进的软件，可以使用户在测量时考虑到其环境条件并补偿，计算出标准环境下的折射率；

　　－　据我们所知，我们是目前世界上惟一生产测角仪－分光光度计的厂家。

三、球径仪：

3.1 球径仪Spheromatic H的精度及其计算公式的说明

　　一般来讲，球径仪的精度依赖于测量样品的直径与曲率半径的比例和所使用的球环。在我们的操作手册上您可以找到球径测量精度的校准报告，它依据了测量样品的直径及其曲率半径的关系。测量偏差以mm和%给出的。它标明了在使用不同的球环、在不同的直径和曲率半径比例下，该球径仪可以达到的精度。当用户应顾客要求的精度进行测量时，须参照此表。精度上至0.01%意味着可以在特定的条件下对于特定的样品是可以达到此测量精度。

　　这里我们先以我们一台Spheromatic H球径仪（生产序号：SPH 060 05）的精度校准报告作为示例：其中的黄色部分标示出可以达到精度优于0.01%的情况。

　　有关计算出曲率半径dR的公式有一定难度：dR取决于球环曲率半径drs的未知系统不确定度（3微米），小球直径dks未知不确定度（0.5微米），矢高dhs的未知不确定度（线性探头0.5微米包括未知定心和倾斜误差）。最后是测量时接触的不确定度dhz。对于dhz, 高斯误差计算是由标准偏差和误差的中间值而来决定的（1-alpha=95%）。偏差dh是线性相加的：dh=|dhs|+|dhz|。做为一个安全系数，样品透镜曲率半径R的误差（不确定度）得以计算出来，并取最大数值。

　　通过最大误差和高斯误差测量的dhz计算出来的单个透镜的测量公式为：
　　dR = |(r/h)|*|dr|+|0,5*(1-r*r/h*h)|*|dh| + |dk|

　　球环曲率半径r的校准是由Moeller-Wedel进行的。我们使用由PTB（德国基础物理实验室）认证的最大至141.81 mm的透镜组进行。该透镜的不确定度在20°C时大约是5微米（相当于不确定度为0.0035%）。温度变化1°C（如21°C）时该透镜的曲率半径测量相当于球环曲率半径偏差约1微米。如果在测量时不受其它测量误差影响（如温度波动20°C±1°C或球、球环的损坏）时，曲率半径的测量不确定度将优于图表中给出的数值。

　　进一步来讲，测量精度也依赖于您所要进行何种测量；

　　1、 测量单独的凹或凸透镜
　　2、 测量一对透镜，使用“平晶-凸-凹”方法，与公式1相同
　　3、 测量一对透镜，使用“凸-凹”方法（软件功能，精度大约提高25%）

　　该图表也说明了，在使用球环H（直径=120 mm）时，曲率半径2000 mm的测量精度约为1.31 mm（相当于0.066%）。