平行度检测仪的设计方法

第28卷第4期长春理工大学学报

Vo l 128No 142005年12月

J ou rnal of Changchun Un i versit y of Science and T echnology

Dec .2005

收稿日期:2005-08-12

基金项目:振兴东北老工业基地项目(04-02GG156)

作者简介:张立颖,女(1976-),硕士研究生,主要从事光学仪器装调方面的研究。

平行度检测仪的设计方法

张立颖 刘德尚 王文革

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130031)

摘 要:国内现有的平行度检测方法和检测设备都是用于检测可见光的平行度。对于激光和红外平行度的精密检测,还没有一个好的检测方法。本文介绍了一种既可以检测可见光又可以检测激光、红外平行度的检测仪,并且论述了设计原理、装调方法以及精度的验证,其检测精度可以达到?2d 。关键词:平行度;激光;红外

中图分类号:TH74512 文献标识码:A

文章编号:1672-9870(2005)04-0033-03

Design of t he L ight Parallelis m Detector

Z HANG L i y ing LIU D es hang WANG W enge

(Changchun Instit u te o f Op tics ,F i n eM echanics and Phy sics ,Chinese Acade my of Siences ,Changchun 130031)Abst ract :In our nation ,w e have l o ts o f m ethods and equ i p m ents to detect the parallelis m of v isible li g h.t But w e don t 'kno w how to detect the paralle lis m of laser and i n frared ,This paper descri b es briefly the desi g n idea,asse m b l y techn i q ue and ho w to test and verify its accuracy .A t las,t we get the conclu -si o n that the accuracy of the ne w detecto r is less than ?2d ,and the dectctor can be used i n v isi b l e ligh.t

K ey w ords :Pa ra lle lis

m;Laser ;Infrared 随着激光与红外技术的发展,红外跟踪器和激光测距机已被广泛应用在现代化的光电经纬仪上。

然而令人遗憾是,对于激光、红外系统的平行度的标校却一直没有一个令人满意的方法,无奈人们只能在几十公里外制造一个红外目标,并把这个目标假设为无穷远光源来标校激光、红外系统的平行度,这个方法测量误差大,实现也困难。本文设计的平行度检测仪(以下简称检测仪)从根本上解决了这个难题,它的结构简单、成本低,既可以在实验室使用,又可以直接安装在红外跟踪车上,在外场随时标校激光、红外的平行度,同时它又可兼做红外目标模拟器,因此具有良好的市场前景。

1 检测仪的结构及检测原理

111 检测仪的结构

用于检测激光、红外平行度的检测仪的组成包括,光学部分:(1)衰减片;(2)平面镜组;(3)分光镜;(4)平行光管;(5)红外光源;(6)特

制耙面。机械部分:(1)导轨;(2)可移动支架。用于可见光测量时,只需把红外光源更换为普通光源,将特制耙面更换为普通星点板即可。112 检测仪的检测原理11211 检测仪的光学系统

检测仪的光学系统如图1所示。检测仪由A 、B 两个光路组成。激光经过(光路A )衰减片衰减后,从平面镜2的周围入射到分光镜上,经过平行光管汇聚到特制耙面上,使耙面发热形成红外光源,发射出的光经过平行光管后变成平行光,经过分光镜把光分成两束,一束(光路A )原路返回,一束(光路B)进入红外接收系统。11212 检测仪的工作过程

①红外光源发射出的光经过特制耙面(此时耙面可以视为一个星点)通过平行光管变成平行光,再经过分光镜进入光路B ,并呈像在红外成像器的光轴中心。

②激光测距机发出的激光通过光路A 最终汇

长春理工大学学报2005年

1)衰减片;2、3)平面镜组;4、5)平行光管

6)特制面;7)红外光源;8)分光镜

图1光学系统图

聚到耙面上,使耙面发热形成红外光源,发射出的光经过光路B呈像在红外成像器上,当成像器上的亮斑偏离中心时,调整激光测距机使亮斑呈像在红外成像器的中心。

11213检测仪的工作原理

当实现工作过程①时,以红外光源作为基准,将检测仪与被检系统的相对位置调整至最佳(实验证明,这样利于提高检测精度)。检测仪本身平行度主要取决于平面镜组的平行关系,如图2所示(零件符号参见图1)。

图2平面镜组光路原理对比图

由图2可以看出只要两只平面镜保持平行,则入射光线与出射光线就总能平行。因此,当平行镜组平行,激光发出的光斑呈在红外系统的光轴中心时,激光与红外这两个光轴就是平行的。如果光斑偏离红外光轴中心,其偏离量即为两光轴的不平行度。

21检测仪的机械结构和装调方法

211检测仪的机械结构

检测仪的机械结构如图3所示(零件符号参见图1)。检测仪的机械结构主要由导轨和支承架组成。包括:托板、转向装置、升降杆、底座、轮子和底脚。如果无需移动则可以去掉轮子和底脚,而将底座设计为用螺钉固定在某一基面的形式。转向装置用来(根据需要)调整导轨角度和固定导轨。升降杆通过一个微调机构任意升降并锁紧。

图3机械结构简图

鉴于导轨的任意方向的微小变形都会直接影响检测仪的精度。因此导轨的结构设计非常重要。导轨采用对称结构,铸铁材料,并经时效处理,四面精磨,这样可使其不易弯曲、扭曲,由温度差异所引起的变形小,导轨的设计结构如图4所示。

图4导轨结构图

212检测仪的装调方法

由图2不难看出,检测仪的精度主要取决于平面镜组的平行度。因此,在将平面镜组安装在导轨上时,以导轨底面为基面,用一台精度为012d的平行光管和一个大直径的标准平面镜将平面镜组的平行度调至?1d范围内;同样以导轨为基准,分别用平面镜、平行光管和刀口仪对件8、件4、件5进行调整,并调到?2c以内。件6是一个可以更换靶面的装置,靶面与机械件的配合精度要满足滑配无晃量。

31精度的检测

将一个测量用十字丝安装到检测仪耙面所在位置处(特制耙面去掉后),将两个012d平行光管用标准平面镜调至平行后,标定检测仪从两个光路出来的十字丝,并测量三次,其所得平均值为:

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第4期张立颖等:平行度检测仪的设计方法X=+012d,Y=+018d。

41误差分析

设计要求检测精度为:两束平行光平行度[?

2d。实际误差情况如表1所示。

表1误差分析

序号误差因素

极限误差/秒

随机误差未定系统误差

备注

1温度误差?012每?5e带来的误差

2瞄准误差?014

3读数误差?012

4光学刻尺误差?012

由公式:D=?1

2E2

i=1

D2i+E2j=1e2j

求得极限误差(单位:秒)为:

D=?1

2

(0.22+0.22)+(0.42+0.22)

=?01489U?015

进而:

|X|+|D|=0.7"

|Y|+|D|=1.3"

|X|+|D|<|?2"|

|Y|+|D|<|?2"|

因此检测结果能够满足设计要求。

5结论

由于红外成像器和激光测距机在收发能量和光谱谱段方面的巨大差异,因此对不同谱段传感器之间的平行度检测装置的研制一直是光电测量设备检测领域的热点和难点之一。本文介绍的多功能新型平行度检测仪填补了国内激光和红外检测方法方面的技术空白。视需要,如果仪器使用精度可放宽至?10d以上,则可以将导轨及支承架材料设计为铸铝,其整体结构将更加轻便、携带亦方便,更有利于野外使用。用于可见光测量时,可以取代拱型检测架、T型检测架、莱卡经纬仪及012d平行光管等。

现有检测仪耙面在使用过程中会有损伤,应根据需要定期更换。相信随着技术的进步,各种元器件、材料性能的不断发展、完善,新型无需更换的耙面很快将面世,定期更换耙面的问题也将随之得到解决。

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