李明，安志勇，朱海濱，肖作江，馬萄

(1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.吉林東光精密機械廠，長春 130103)

航空相機性能檢測系統(tǒng)是將全景航空相機固定在整個檢測裝置的頂端不動，在其下方特定位置 40°、00°(機下點)、+40°放置三個無限遠目標模擬裝置(即三個大視場復消色平行光管)，通過移動平行光管的分辨率板來模擬地面物體的移動，從而對相機動態(tài)分辨力進行檢測。因此就必須要求這三個平行光管的光軸在相機擺掃的同一平面內(nèi)。如圖1所示，因為每個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金屬平板也必須保證在同一平面內(nèi)，通過檢測三光管立板組成平面的平面度來為多無限遠目標模擬裝置三光軸共面做一個保證。目前，檢測平面度多數(shù)采用自準直儀法、干涉法和光電檢測法等，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)，測量難度高，國內(nèi)外尚無理想的辦法。為適應平面度測量的需求，提出一種新方法，即一種基于激光準直五棱鏡回轉(zhuǎn)掃描和 CCD技術(shù)的非接觸檢測方法從而來測試三光管立板組成平面的平面度。

1 測量原理與方法

檢測被測工件的空間平面度首先要解決的問題是建立一個較為理想的平面模型，使被測工件平面與理想平面具有很小的偏差。因此在測量光管三立板平面度時，找到這樣一個理想平面就顯得尤為重要，為使測量具有較高的參考價值，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)建平面基準時往往采用激光光束。被準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)動一周，便可在空間創(chuàng)建一個平面基準作為參考平面，這一參考平面可以近似認為是無窮大的，在檢測大型待測工件的平面度方面具有很高的應用價值[3]。

選擇線陣 CCD的主要依據(jù)是測量范圍和測量精度，本系統(tǒng)立板平面度測量精度要求較高，為±0.05mm，即選擇1000像元以上的線陣CCD可以滿足本測量系統(tǒng)的精度要求。本測試系統(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，足以滿足本測量系統(tǒng)的要求。

圖1顯示了測量原理，波長為650nm的半導體激光器發(fā)出的激光，在準直系統(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)帶動下，從五棱鏡發(fā)射出去的激光光束在空間便形成一個理想的參考平面，作為待測工件的平面基準，發(fā)射出去的激光通過CCD探測器接收。

圖1 共面度測試原理示意圖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。在各個光管金屬立板上分別設(shè)置測量點，并在這些測量點上固定磁力表，轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)軸使由五棱鏡發(fā)射出來的激光光束，以垂直于 CCD表面的方向入射到其上，激光束便形成一個光斑。磁力表的位移，會使 CCD探測器隨被測表面的移動而發(fā)生起伏，導致激光光束在探測器表面上形成的光斑在像敏面上發(fā)生位置上的改變，改變的大小與被測工件表面和建立的理想的平面基準的高度差直接相關(guān)。最終把各測量點與基準平面在高度上的差值依次保存到單片機內(nèi)并加以顯示，將單片機連接到計算機上，建立偏差值的數(shù)據(jù)庫，使用誤差評定軟件估計此數(shù)據(jù)庫文件，結(jié)果將可視化并可以打印。

2 準直激光束的產(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，所以在應用時，要對激光束進一步擴束，得到接近理想的平面波。高斯光束的遠場發(fā)散角，與束腰半徑成反比。準直就是減少高斯光束的遠場發(fā)散角，進一步改善它的方向性，也就是擴大它的束腰半徑，所以通常這一過程被稱為擴束或準直。當已知束腰半徑和束腰與薄透鏡距離L時，根據(jù)薄透鏡對高斯光束的變換公式可以推出像方高斯光束的遠場發(fā)散角為

圖2 擴束或準直用的倒置望遠鏡系統(tǒng)Fig.2 Alignment of the inverted telescope system

為了獲得較高的駐波峰值強度，應縮小光束口徑，增大光子密度，形成高深度的光學勢阱，所以光束必須縮束?？s束系統(tǒng)一般使用望遠鏡系統(tǒng)，由幾何光學知識可知，在嚴格的望遠系統(tǒng)中，光束口徑D和發(fā)散角 之間關(guān)系為：

由此可見二者呈反比關(guān)系，在一定的倍率條件下，二者有不可調(diào)和的矛盾。為了達到光路某一段口徑的要求，設(shè)計了一套離焦望遠系統(tǒng)，系統(tǒng)倍率M為l0×，離焦距離可根據(jù)實驗情況具體調(diào)節(jié)。

3 精度分析與實驗數(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)定性是是影響實驗精度的一個重要因素。打開激光器半小時后，以20s為采樣間隔，對同一個采樣點進行20min的穩(wěn)定性試驗。分別得到兩個方向上的光斑(電壓)漂移圖。實驗結(jié)果表明，水平方向、垂直方向的最大偏差分別為0.72"、0.64"，標準偏差為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，會嚴重地影響到光學儀器的光學性能和成像質(zhì)量。五棱鏡作為反射棱鏡的一種，必能展開為一塊平行玻璃。平行光束通過這樣的透鏡正如通過平行平板一樣，不致產(chǎn)生額外的像差。如果棱鏡展開后所成的平行玻璃板的入射平面與出射平面不平行，就會展開成一個楔形角，這一楔形角一方面可以引起光軸偏折，另一方面會引起色差。五棱鏡的轉(zhuǎn)向角受制備技術(shù)、制備工藝的限制，在加工過程中不可避免的會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，這一誤差是由制造本身引起的，可通過對最終結(jié)果進行數(shù)據(jù)上的修正，以消除系統(tǒng)誤差給計算結(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)進行檢測，可以認為大氣環(huán)境對檢測本身不產(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為為

3.1.4 儀器軸系精度引起的誤差

對系統(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誤差、角偏擺誤差以及軸向跳動誤差。因為徑向跳動誤差對系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響非常小，可以認為不影響系統(tǒng)結(jié)果。在這種情況下，有3=2.1×106

3.1.5 測量環(huán)境誤差

在不考慮環(huán)境溫度對準直光束的作用以及忽略氣流對準直光束的在數(shù)據(jù)上造成的誤差的情況下，系統(tǒng)機械裝置也會對準直光束產(chǎn)生影響，主要是在穩(wěn)定性方面影響準直光束。通過在實驗室內(nèi)的實驗測定，可以知道，在1小時內(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 實驗數(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量點分布。表1給出測量數(shù)據(jù)及評定結(jié)果。平面度為0.039mm，滿足要求。

表1 測量數(shù)據(jù)與評定結(jié)果Tab.1 Measurement data and evaluation results

圖3 多無限遠目標模擬裝置測試點分布圖Fig.3 Device to test point distribution map

4 結(jié)論

本文采用激光準直五棱鏡回轉(zhuǎn)掃描法對多無限遠目標模擬裝置進行了共面檢測，建立了數(shù)學模型，給出了平面度誤差評定方法，在理論和實踐中都取得了滿意的結(jié)果，此方法只要改變評定軟件可以完成對任意形狀的大工件平面度誤差的測量。

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

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

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

[4]張東梅，尚春民.車載平臺變形的激光自準直測量方法研究[J].長春理工大學學報，2006，29(3)：16-19.