航空透明件光学角偏差测试仪的光学系统设计

　　1 引 言

　　航空透明件包括飞机夹层风挡玻璃、飞机防弹玻璃、航测玻璃及其同类产品。在许多应用中，为符合空气动力学要求，曲面透明件已经逐步替代了平面透明件。由于曲面透明件的形状比较复杂，导致其光学性能有所下降，尤其对于战斗机飞行员来说，此情况将产生很大的问题[1-2]，因此对曲面透明件的光学性能进行检测就成为非常重要的工作。表征曲面航空透明件光学性能的参数主要有光学角偏差、光学畸变、双目视察、分辨率、雾度及透光度等，其中光学角偏差为最重要的参数[3]。由于透明件的折射率不均、内外表面的楔角、曲率等因素的影响，光线通光透明件时其光轴会发生偏折，所偏折的角度即为光学角偏差。透明件的分辨率可理解为透过透明件成像的清晰程度。影响分辨率的因素有很多，透明件的光学角偏差、弯曲、瑕疵、畸变等众多因素都会导致成像模糊。到目前为止，透明件的分辨率还没有客观的衡量标准，只能通过人眼进行主观评测。

　　航空透明件一般为大型的透明体，要求检测仪器具有检测速度快、工作距离长的特点，而普通测量光楔角的方法则无法达到上述要求[4-6]。测量航空透明件光线偏折角的基本原理有 2 种：1)投影测量法，用投影仪将一组刻线投射到屏幕上，通过对比安装透明件前后刻线的位置得到偏折角，此方法只能达到分级的精度;2)准直望远镜测量法，由准直镜出射一束平行光，经透明件后进入一个望远镜系统，通过读取望远镜分划板的刻度值得到光束的偏折角，此方法可以达到秒级的精度。本检测装置采用准直望远镜测量法的原理，分化板替换为面阵 CCD，从而实现了高精度、高速度、全自动的航空透明件角偏差测试仪器。

　　2 装置原理

　　2.1 角偏差测量原理

　　图 1 为本装置角偏差测量的原理图：当一束平行光入射到透明件时将产生偏折，偏折角度大小为 δ，此偏折光束经聚焦镜会聚在其后焦面的 CCD 上。根据几何光学成像原理得到如下关系式：

　　2.2 光斑位置确定

　　判定相机上的光斑位置为角偏差测试过程中的关键工作。若光斑的位置判定存在大的误差将直接导致测量精度下降。确定光斑位置有许多种方法，例如：中心法、重心法、模板匹配等[7-9]。相比之下模板匹配方法对光源亮度、光斑形状、杂散光等因素的影响不敏感，因此本系统采用模板匹配的方法确定光斑的位置。由于 CCD 是由离散的像素点构成，采用匹配算法时得到的光斑位置的最小量为一个像素，这就造成了位置判定的固有误差，为了消除这种固有误差，提出了一种三角形近似的亚像素算法，进一步提高了测量精度，而且由于计算简单很适合一些需要快速计算的工程应用。