多光軸光學(xué)系統(tǒng)光軸間平行性檢測(cè)儀的研制

黃 欣，沈湘衡，葉 露，吳 瑾，趙玉艷

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001)

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多光軸光學(xué)系統(tǒng)光軸間平行性檢測(cè)儀的研制

黃 欣1, 2，沈湘衡1，葉 露1，吳 瑾1，趙玉艷3

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001)

結(jié)合實(shí)際需要設(shè)計(jì)了一種精度高、便攜性好，用于檢測(cè)多光軸光學(xué)系統(tǒng)光軸間平行性的檢測(cè)儀器。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)可見(jiàn)、紅外與激光不同譜段任意兩個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)間的光軸平行性檢測(cè)。與同類其他儀器比較，該儀器的特點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均采用全反射設(shè)計(jì)，避免使用紅外光學(xué)玻璃，在設(shè)計(jì)中減小和去除了影響儀器精度的一些因素，例如:去除了平面鏡2個(gè)表面楔角α的影響。儀器的主體采用完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)和積木式的組裝方式，保證了儀器經(jīng)溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)后檢測(cè)精度優(yōu)于5″，滿足使用要求。

光軸平行性檢測(cè)；多光軸光電系統(tǒng)；激光與紅外光軸；可見(jiàn)/紅外與可見(jiàn)/紅外光軸

引言

光軸平行性是多光軸、多傳感器光電跟蹤測(cè)量設(shè)備的重要檢測(cè)指標(biāo)。目前光電跟蹤測(cè)量設(shè)備通常都同時(shí)配有可見(jiàn)光、近紅外、中波紅外、長(zhǎng)波紅外以及激光測(cè)距等多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，可同時(shí)對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行全天候的跟蹤與測(cè)量。為使多光軸系統(tǒng)的測(cè)量具有一致性，務(wù)必保證測(cè)量設(shè)備的多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)之間的光軸平行性保持在一定的精度之內(nèi)。光軸平行性檢測(cè)儀是用來(lái)測(cè)量多光軸、多傳感器光電系統(tǒng)光軸平行性的設(shè)備。為了精確地測(cè)量多光軸光學(xué)設(shè)備光軸間的不平行度，要求光軸平行性檢測(cè)儀的儀器精度要優(yōu)于5″。由于大多數(shù)光電跟蹤測(cè)量設(shè)備工作在環(huán)境惡劣的野外，在運(yùn)輸和使用過(guò)程中難免會(huì)造成光學(xué)系統(tǒng)之間的光軸平行性精度的降低，甚至完全不符合精度要求[1]。因此，十分需要適合野外使用的光軸平行性測(cè)量?jī)x器。針對(duì)光電跟蹤測(cè)量設(shè)備的種類和用途的不同，光軸平行性測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)也不盡相同[2-11]。根據(jù)實(shí)際需要，我們研制了一種可測(cè)量激光測(cè)距機(jī)發(fā)射器光軸與紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，以及不同紅外譜段的2個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)之間光軸平行性的便攜式測(cè)試儀，適合光電測(cè)量設(shè)備室內(nèi)裝調(diào)時(shí)的檢測(cè)以及在外場(chǎng)工作時(shí)的實(shí)時(shí)校驗(yàn)。該儀器測(cè)量精度優(yōu)于5″，經(jīng)溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)后儀器保持精度優(yōu)于5″。

1 儀器原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 工作原理

平行性測(cè)試儀的工作原理[12]如圖1所示。儀器的光學(xué)結(jié)構(gòu)劃分為2個(gè)部分：反射式平行光管和分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)。

圖1 平行性測(cè)試儀光路圖Fig.1 Light path of parallelism testing instrument

平行性測(cè)試儀的工作原理如下：

1) 被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)是激光測(cè)距機(jī)發(fā)射器系統(tǒng)與可見(jiàn)/紅外光學(xué)成像系統(tǒng)時(shí)：首先被測(cè)設(shè)備的可見(jiàn)/紅外系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)光管，使光管產(chǎn)生的可見(jiàn)/紅外目標(biāo)成像在被測(cè)可見(jiàn)/紅外系統(tǒng)的視場(chǎng)中心。然后，關(guān)閉光管鹵素?zé)?，被檢設(shè)備激光發(fā)射器發(fā)出的激光射入分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)平面鏡2次反射，進(jìn)入卡塞格林式平行光管系統(tǒng)，聚焦在焦平面的熱靶上。熱靶在激光聚焦點(diǎn)的熱作用下，形成能被可見(jiàn)/紅外成像系統(tǒng)接收的可見(jiàn)/紅外目標(biāo)，為可見(jiàn)/紅外成像系統(tǒng)提供無(wú)限遠(yuǎn)的點(diǎn)目標(biāo)。這個(gè)點(diǎn)目標(biāo)為激光測(cè)距光軸與可見(jiàn)/紅外成像系統(tǒng)光軸建立了關(guān)聯(lián)，從而可以測(cè)量出激光光軸與可見(jiàn)/紅外系統(tǒng)光軸間的平行性。星點(diǎn)在可見(jiàn)/紅外成像系統(tǒng)中所成的像偏離視場(chǎng)中心的量即為激光測(cè)距機(jī)發(fā)射器光軸與可見(jiàn)/紅外光學(xué)成像系統(tǒng)光軸平行性誤差。

2) 被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)是可見(jiàn)/紅外光學(xué)成像系統(tǒng)與可見(jiàn)/紅外光學(xué)成像系統(tǒng)時(shí)：鹵素?zé)舭l(fā)出的光通過(guò)熱靶上的星點(diǎn)孔，經(jīng)過(guò)平行光管準(zhǔn)直，為2個(gè)光學(xué)系統(tǒng)提供無(wú)限遠(yuǎn)的星點(diǎn)目標(biāo)。部分平行光通過(guò)平面反射鏡的開(kāi)孔部分，直接進(jìn)入可見(jiàn)/紅外光學(xué)系統(tǒng)Ⅰ；剩余的平行光經(jīng)過(guò)中心孔平面反射鏡和平面反射鏡2次反射，進(jìn)入可見(jiàn)/紅外光學(xué)系統(tǒng)Ⅱ。通過(guò)平行性測(cè)試儀的精密調(diào)整機(jī)構(gòu)，將星點(diǎn)成像在被測(cè)可見(jiàn)/紅外光學(xué)系統(tǒng)Ⅰ的視場(chǎng)中心，而星點(diǎn)在被測(cè)可見(jiàn)/紅外光學(xué)系統(tǒng)Ⅱ上的像點(diǎn)距離視場(chǎng)中心的偏移量，即為光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行性誤差。

1.2 儀器結(jié)構(gòu)

出于對(duì)安裝、拆卸、便攜性和儀器精度穩(wěn)定性等幾方面的考慮，將平行性檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成由調(diào)整支撐機(jī)構(gòu)、分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)和平行光管系統(tǒng)3部分組成，采用積木式組裝設(shè)計(jì)，可隨時(shí)、方便地組裝拆卸。如圖2所示。

圖2 平行度測(cè)試儀總裝圖與實(shí)物圖Fig.2 Assemble graph and real graph of parallelism testing instrument

調(diào)整支撐機(jī)構(gòu)：用于支撐分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)和平行光管系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)功能。主要由調(diào)平地腳、底板和支撐側(cè)板組成。通過(guò)調(diào)整地腳，可以調(diào)整平行性檢測(cè)儀的高低與方位變化，使檢測(cè)儀出射的平行光與被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行，即完成對(duì)準(zhǔn)。

分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)：2塊平面反射鏡安裝位置與入射光線成45°角，且相互平行，對(duì)射入的平行光進(jìn)行分束。主體框架結(jié)構(gòu)采用完全對(duì)稱式設(shè)計(jì)，消除框架由于應(yīng)力變形和熱變形對(duì)2個(gè)平面反射鏡光軸平行性產(chǎn)生不一致的影響；結(jié)構(gòu)上避免了固定平面鏡的筒壁與外殼和外殼與調(diào)整支撐機(jī)構(gòu)的側(cè)板有任何的直接接觸，減少外界震動(dòng)對(duì)分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)的影響，保持其穩(wěn)定可靠的精度。

平行光管系統(tǒng)：采用結(jié)構(gòu)緊湊的卡塞格林式光學(xué)系統(tǒng)，為分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)提供平行光，借助鹵素?zé)舭l(fā)光特性，能提供從可見(jiàn)光波段至長(zhǎng)波紅外波段的無(wú)限遠(yuǎn)星點(diǎn)目標(biāo)。主鏡、次鏡以及光管的其他機(jī)械件，在選材上選用熱膨脹系數(shù)相同的材料，熱靶材料選用熱穩(wěn)定性好(耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)低)的酚醛樹(shù)脂，保證在野外高低溫環(huán)境下光管的星點(diǎn)具有良好的像質(zhì)，保證測(cè)量精度。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多譜段范圍內(nèi)任意2個(gè)波段光學(xué)系統(tǒng)光軸平行性的測(cè)量：鹵素?zé)糇鳛楣庠?，其發(fā)光特性為：光譜范圍覆蓋可見(jiàn)光波段、中紅外波段、長(zhǎng)紅外波段等多譜段。因此該設(shè)備可以對(duì)上述多譜段范圍內(nèi)任意2個(gè)波段光學(xué)系統(tǒng)光軸平行性進(jìn)行測(cè)量。例如：可見(jiàn)光波段系統(tǒng)與紅外波段系統(tǒng)、紅外波段系統(tǒng)與激光發(fā)射器系統(tǒng)、紅外波段系統(tǒng)與紅外波段系統(tǒng)。

系統(tǒng)光路均采用反射式結(jié)構(gòu)：由于系統(tǒng)光路均采用反射式結(jié)構(gòu)，沒(méi)有折射，根據(jù)像差理論整個(gè)系統(tǒng)不存在色差影響，即無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)源不存在色差。由平行平板楔角公式δ=(n-1)α可知，將平面反射鏡中間開(kāi)孔，使光線未經(jīng)折射直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)Ι，這樣避免了平面反射鏡上下表面楔角α的存在而造成的光線偏轉(zhuǎn)角δ，這樣去除了影響分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)中2個(gè)出射光線光軸平行性精度的因素，同時(shí)降低了對(duì)平面反射鏡2個(gè)表面平行性的加工精度要求。分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)的2塊平面反射鏡不存在折射，均為反射，這樣可以避免使用較為昂貴的紅外波段光學(xué)玻璃，可以使用價(jià)格便宜、耐用、光學(xué)特性更加穩(wěn)定的光學(xué)玻璃鍍上全反膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如K9。

2 儀器精度的檢測(cè)及影響精度的因素分析

2.1 儀器精度的檢測(cè)

平行性檢測(cè)儀的精度是通過(guò)分束轉(zhuǎn)折光路系統(tǒng)中2個(gè)出射光線光軸平行性精度來(lái)衡量。通常采用高精度大口徑平面反射鏡來(lái)檢測(cè)和標(biāo)定多光軸系統(tǒng)的光軸平行性，考慮到實(shí)現(xiàn)野外實(shí)時(shí)檢測(cè)和標(biāo)定的需要，采用高精度光學(xué)平尺來(lái)替代大口徑平面反射鏡，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低、便于攜帶和實(shí)時(shí)調(diào)整，加工容易且滿足精度要求。2個(gè)平行參考光的光軸平行性精度檢測(cè)[12]如圖3所示。

圖3 平行性檢測(cè)儀精度檢測(cè)圖Fig.3 Accuracy detection diagram of parallelism testing instrument

光學(xué)平尺：提供基準(zhǔn)平面，即平面上任意2塊區(qū)域的法線相互平行，并通過(guò)大口徑干涉儀(Zygo)檢測(cè)，其PV值為0.247 λ，rms值為0.033 λ，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 平尺面型檢測(cè)圖Fig.4 Detection chart of flat-ruler surface figure

根據(jù)圖4的面型檢測(cè)圖可知平尺反射平面面型大致為“鼓”型，依據(jù)“鼓”型面型確定平尺面型誤差對(duì)法線不平行性的影響，法線不平行性計(jì)算示意圖如圖5所示。

圖5 法線不平行性計(jì)算示意圖Fig.5 Nonparallelism calculation of normal line schematic diagram

b= tan(b)=0.247 λ/(225×106) nm=

(0.247×632.5 )nm/(225×106)nm≈

6.94×10-7

由弧度轉(zhuǎn)換到角秒

b=6.94×10-7×(180×3 600″/π)=0.14″

由于b值非常小，導(dǎo)致a值與b值很接近(當(dāng)b=0時(shí)，a=b，此時(shí)平尺為理想平面)，令a=2b，a=0.28″ 2a=0.56″，所以，平尺表面法線不平行性2a=0.56″，理想平行光束經(jīng)平尺表面反射后，反射光束的不平行性誤差為4a=1.12″，而平行度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)指標(biāo)為5″，滿足檢定設(shè)備的1/10～1/3法則，符合本設(shè)計(jì)中充當(dāng)基準(zhǔn)平面的要求。

高精度自準(zhǔn)直儀(分辨率0.1″)：提供參考平行光，讓其部分平行光直接通過(guò)平面反射鏡的開(kāi)孔部分射向光學(xué)平尺，余下的部分平行光通過(guò)平面反射鏡2次反射向光學(xué)平尺。將擋光板放在位置1處，此時(shí)只有開(kāi)孔反射鏡處有光入射到平尺，通過(guò)三維調(diào)整臺(tái)調(diào)整平尺位置，使自準(zhǔn)直儀高低和方位示值為零，將擋光板由位置1移動(dòng)到位置2，這時(shí)只有經(jīng)過(guò)2次反射的光入射到平尺，自準(zhǔn)直儀的示值即為平行性檢測(cè)儀的精度，其值優(yōu)于5″。

2.2 影響精度的因素分析

2個(gè)平面反射鏡反射面的平行性誤差：考慮到平行光管和平面反射鏡加工及檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，其精度能得到很好管控，對(duì)儀器精度影響不屬主要因素。影響儀器精度主要因素為2個(gè)平面反射鏡反射面的平行性誤差，這主要受裝調(diào)誤差和其連接件精度影響。若2塊反射鏡反射面夾角為β，光束通過(guò)2個(gè)反射面反射后出射光束改變?yōu)榻铅?，兩者關(guān)系為δ=2β[13]。為了保證連接件對(duì)δ的精度，同時(shí)考慮儀器在野外使用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱形式，經(jīng)過(guò)精密加工、強(qiáng)化處理和去除殘余應(yīng)力等工藝，以及無(wú)應(yīng)力裝配，使其在野外高低溫條件下能保持很好的穩(wěn)定性，使δ的精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

由于開(kāi)孔平面反射鏡中間部分開(kāi)孔，激光束中心部分光線直接射出不進(jìn)入光管，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光束的衰減；因此，結(jié)合實(shí)際需要，可以通過(guò)調(diào)整開(kāi)孔面積與激光束面積的比值，并結(jié)合激光光強(qiáng)公式，可以定量地對(duì)激光束進(jìn)行衰減，保護(hù)熱靶不因激光功率過(guò)大而造成的熱損壞，避免使用衰減片及其相關(guān)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了總體結(jié)構(gòu)，也去除了衰減片2個(gè)表面楔角α對(duì)儀器精度的影響，減少了1個(gè)誤差源。

3 結(jié)論

本儀器采用完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)和積木式的組裝方式，以及相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境，如在溫度變化和隨機(jī)振動(dòng)等不利因素條件下，設(shè)備仍能保持良好的校正精度(優(yōu)于5″)，可實(shí)時(shí)對(duì)光電測(cè)量設(shè)備多光軸系統(tǒng)的同軸度進(jìn)行校正，同時(shí)設(shè)備便于攜帶和實(shí)時(shí)組裝。通過(guò)這種高精度檢測(cè)儀器的使用，可提高光電測(cè)控設(shè)備的總體性能，從而使光電測(cè)控設(shè)備發(fā)揮其更強(qiáng)大的功能。

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Development of testing instrument of optical-axial parallelism for multi-axial systems

Huang Xin1, 2，Shen Xiangheng1，Ye Lu1，Wu Jin1，Zhao Yuyan3

(1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, CAS, Changchun 130033, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.China Baicheng Ordnance Test Center,Baicheng 137001,China)

A high-precision, good-portability testing instrument was designed, which could detect optical axis’ parallelism of multi-axial system according to practical needs. The instrument was able to test the nonparallelism of system’s optical axis among visible, infrared and different laser spectrum bands. Compared with similar instruments, the instrument was characterized by utilizing total reflection structure design and did not use infrared optical glass.Meanwhile, through optimization design, the instrument avoided some disadvantageous factors that influenced precision,such as the influence of plane mirror’s wedge angleα. Main structure of the instrument used completely symmetric structure design and cordwood assembly way to ensure that the test precision superiored to 5″, after temperature cycle test and vibration test. The instrument meets customer requirements.

optical-axis parallelism detection; multi-axial photoelectric system; laser and infrared optical-axis; visible/ infrared optical-axis

1002-2082(2015)01-0019-05

2014-05-21;

2014-11-19

黃欣(1983-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，主要從事光學(xué)設(shè)備檢測(cè)技術(shù)方面的研究。

E-mail：huangx_1234@sina.com

TN24；TH741.14

A

10.5768/JAO201536.0101004