多無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)模擬裝置光軸共面測(cè)試技術(shù)研究

李明，安志勇，朱海濱，肖作江，馬萄

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.吉林東光精密機(jī)械廠，長(zhǎng)春 130103)

航空相機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)是將全景航空相機(jī)固定在整個(gè)檢測(cè)裝置的頂端不動(dòng)，在其下方特定位置 40°、00°(機(jī)下點(diǎn))、+40°放置三個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)模擬裝置(即三個(gè)大視場(chǎng)復(fù)消色平行光管)，通過(guò)移動(dòng)平行光管的分辨率板來(lái)模擬地面物體的移動(dòng)，從而對(duì)相機(jī)動(dòng)態(tài)分辨力進(jìn)行檢測(cè)。因此就必須要求這三個(gè)平行光管的光軸在相機(jī)擺掃的同一平面內(nèi)。如圖1所示，因?yàn)槊總€(gè)平行光管都是固定在金屬平板上的，所以固定平行光管的三個(gè)金屬平板也必須保證在同一平面內(nèi)，通過(guò)檢測(cè)三光管立板組成平面的平面度來(lái)為多無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)模擬裝置三光軸共面做一個(gè)保證。目前，檢測(cè)平面度多數(shù)采用自準(zhǔn)直儀法、干涉法和光電檢測(cè)法等，而由三塊光管立板組成的非連續(xù)平面較大，共面性要求較高(共面度0.05mm)，測(cè)量難度高，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)理想的辦法。為適應(yīng)平面度測(cè)量的需求，提出一種新方法，即一種基于激光準(zhǔn)直五棱鏡回轉(zhuǎn)掃描和 CCD技術(shù)的非接觸檢測(cè)方法從而來(lái)測(cè)試三光管立板組成平面的平面度。

1 測(cè)量原理與方法

檢測(cè)被測(cè)工件的空間平面度首先要解決的問(wèn)題是建立一個(gè)較為理想的平面模型，使被測(cè)工件平面與理想平面具有很小的偏差。因此在測(cè)量光管三立板平面度時(shí)，找到這樣一個(gè)理想平面就顯得尤為重要，為使測(cè)量具有較高的參考價(jià)值，需保證理想平面具有比較高的精度。激光光束在性能上具有比其它光源更為優(yōu)越的性能，在創(chuàng)建平面基準(zhǔn)時(shí)往往采用激光光束。被準(zhǔn)直之后的激光光束與軸系在空間上相互垂直，光束隨著軸系轉(zhuǎn)動(dòng)一周，便可在空間創(chuàng)建一個(gè)平面基準(zhǔn)作為參考平面，這一參考平面可以近似認(rèn)為是無(wú)窮大的，在檢測(cè)大型待測(cè)工件的平面度方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值[3]。

選擇線陣 CCD的主要依據(jù)是測(cè)量范圍和測(cè)量精度，本系統(tǒng)立板平面度測(cè)量精度要求較高，為±0.05mm，即選擇1000像元以上的線陣CCD可以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的精度要求。本測(cè)試系統(tǒng)選擇TCD1206UD型線陣 CCD，它的有效像元數(shù)為2160，像元尺寸為 0.014mm×0.014mm，像元中心距為0.014mm，足以滿足本測(cè)量系統(tǒng)的要求。

圖1顯示了測(cè)量原理，波長(zhǎng)為650nm的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光，在準(zhǔn)直系統(tǒng)以及縮束系統(tǒng)的共同作用下，形成平行度很高的激光光束，入射到五棱鏡上并調(diào)整五棱鏡的位置，使得出射光束同入射光束垂直，在回轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，從五棱鏡發(fā)射出去的激光光束在空間便形成一個(gè)理想的參考平面，作為待測(cè)工件的平面基準(zhǔn)，發(fā)射出去的激光通過(guò)CCD探測(cè)器接收。

圖1 共面度測(cè)試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the co-planarity test

量方法如下：調(diào)整線陣 CCD的檢測(cè)方向，保證這一方向與磁力表的底邊平面相正交并將 CCD固定在表座上。在各個(gè)光管金屬立板上分別設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，并在這些測(cè)量點(diǎn)上固定磁力表，轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸使由五棱鏡發(fā)射出來(lái)的激光光束，以垂直于 CCD表面的方向入射到其上，激光束便形成一個(gè)光斑。磁力表的位移，會(huì)使 CCD探測(cè)器隨被測(cè)表面的移動(dòng)而發(fā)生起伏，導(dǎo)致激光光束在探測(cè)器表面上形成的光斑在像敏面上發(fā)生位置上的改變，改變的大小與被測(cè)工件表面和建立的理想的平面基準(zhǔn)的高度差直接相關(guān)。最終把各測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)平面在高度上的差值依次保存到單片機(jī)內(nèi)并加以顯示，將單片機(jī)連接到計(jì)算機(jī)上，建立偏差值的數(shù)據(jù)庫(kù)，使用誤差評(píng)定軟件估計(jì)此數(shù)據(jù)庫(kù)文件，結(jié)果將可視化并可以打印。

2 準(zhǔn)直激光束的產(chǎn)生

激光器輸出的高斯光束，由于其發(fā)散角往往都不是很小，有的甚至很大，所以在應(yīng)用時(shí)，要對(duì)激光束進(jìn)一步擴(kuò)束，得到接近理想的平面波。高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，與束腰半徑成反比。準(zhǔn)直就是減少高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，進(jìn)一步改善它的方向性，也就是擴(kuò)大它的束腰半徑，所以通常這一過(guò)程被稱為擴(kuò)束或準(zhǔn)直。當(dāng)已知束腰半徑和束腰與薄透鏡距離L時(shí)，根據(jù)薄透鏡對(duì)高斯光束的變換公式可以推出像方高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為

圖2 擴(kuò)束或準(zhǔn)直用的倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)Fig.2 Alignment of the inverted telescope system

為了獲得較高的駐波峰值強(qiáng)度，應(yīng)縮小光束口徑，增大光子密度，形成高深度的光學(xué)勢(shì)阱，所以光束必須縮束?？s束系統(tǒng)一般使用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，由幾何光學(xué)知識(shí)可知，在嚴(yán)格的望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，光束口徑D和發(fā)散角 之間關(guān)系為：

由此可見(jiàn)二者呈反比關(guān)系，在一定的倍率條件下，二者有不可調(diào)和的矛盾。為了達(dá)到光路某一段口徑的要求，設(shè)計(jì)了一套離焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)倍率M為l0×，離焦距離可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況具體調(diào)節(jié)。

3 精度分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 精度分析

3.1.1 光源的穩(wěn)定性

激光器的穩(wěn)定性是是影響實(shí)驗(yàn)精度的一個(gè)重要因素。打開(kāi)激光器半小時(shí)后，以20s為采樣間隔，對(duì)同一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行20min的穩(wěn)定性試驗(yàn)。分別得到兩個(gè)方向上的光斑(電壓)漂移圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水平方向、垂直方向的最大偏差分別為0.72"、0.64"，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.17"、0.11"。修正后尚有的殘差為。

3.1.2 五角棱鏡90°轉(zhuǎn)角差

棱鏡角度制造誤差的大小，會(huì)嚴(yán)重地影響到光學(xué)儀器的光學(xué)性能和成像質(zhì)量。五棱鏡作為反射棱鏡的一種，必能展開(kāi)為一塊平行玻璃。平行光束通過(guò)這樣的透鏡正如通過(guò)平行平板一樣，不致產(chǎn)生額外的像差。如果棱鏡展開(kāi)后所成的平行玻璃板的入射平面與出射平面不平行，就會(huì)展開(kāi)成一個(gè)楔形角，這一楔形角一方面可以引起光軸偏折，另一方面會(huì)引起色差。五棱鏡的轉(zhuǎn)向角受制備技術(shù)、制備工藝的限制，在加工過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，這一誤差是由制造本身引起的，可通過(guò)對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)上的修正，以消除系統(tǒng)誤差給計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，在本課題中使用的五棱鏡的這一修正值或準(zhǔn)確度其值約為0.2"，修正后尚有的殘差為

3.1.3 儀器引入的誤差

測(cè)試系統(tǒng)中光電接收器采用TCD1206UD型線陣 CCD，它的有效像元數(shù)為 2160，像元尺寸為0.014mm×0.014mm，由于在室內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，可以認(rèn)為大氣環(huán)境對(duì)檢測(cè)本身不產(chǎn)生任何影響，在這種情況下由接收器所引起的誤差可近視認(rèn)為為

3.1.4 儀器軸系精度引起的誤差

對(duì)系統(tǒng)而言，回轉(zhuǎn)軸系引起的誤差也是不能忽略的，由回轉(zhuǎn)軸系引入的誤差主要有徑向跳動(dòng)誤差、角偏擺誤差以及軸向跳動(dòng)誤差。因?yàn)閺较蛱鴦?dòng)誤差對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響非常小，可以認(rèn)為不影響系統(tǒng)結(jié)果。在這種情況下，有3=2.1×106

3.1.5 測(cè)量環(huán)境誤差

在不考慮環(huán)境溫度對(duì)準(zhǔn)直光束的作用以及忽略氣流對(duì)準(zhǔn)直光束的在數(shù)據(jù)上造成的誤差的情況下，系統(tǒng)機(jī)械裝置也會(huì)對(duì)準(zhǔn)直光束產(chǎn)生影響，主要是在穩(wěn)定性方面影響準(zhǔn)直光束。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，可以知道，在1小時(shí)內(nèi)處于10m位置處的最大誤差值大約為。

綜上所述，得總誤差為：

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

三塊平行光管立板組成的平面尺寸為2500mm×820mm，共面度要求為0.05mm，圖3顯示光管立板共面度測(cè)量點(diǎn)分布。表1給出測(cè)量數(shù)據(jù)及評(píng)定結(jié)果。平面度為0.039mm，滿足要求。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)與評(píng)定結(jié)果Tab.1 Measurement data and evaluation results

圖3 多無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)模擬裝置測(cè)試點(diǎn)分布圖Fig.3 Device to test point distribution map

4 結(jié)論

本文采用激光準(zhǔn)直五棱鏡回轉(zhuǎn)掃描法對(duì)多無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)模擬裝置進(jìn)行了共面檢測(cè)，建立了數(shù)學(xué)模型，給出了平面度誤差評(píng)定方法，在理論和實(shí)踐中都取得了滿意的結(jié)果，此方法只要改變?cè)u(píng)定軟件可以完成對(duì)任意形狀的大工件平面度誤差的測(cè)量。

[1]李松.用五棱鏡法檢測(cè)光束準(zhǔn)直性的原理分析[J].測(cè)繪信息與工程，1999(2)：30-31.

[2]朱若谷.激光應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：52-57.

[3]甄恒洲.一種計(jì)算空間平面的平面度誤差新方法[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2001，10:21-23.

[4]張東梅，尚春民.車載平臺(tái)變形的激光自準(zhǔn)直測(cè)量方法研究[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(3)：16-19.