一种双焦点曲面的测量用转动架的设计原理
1 引 言
供宇航员、飞行员甚至摩托车驾驶员戴的头盔面窗已由过去的单球心球面逐步改善成当今的双焦点曲面,因为这更符合人体脸部的解剖学构造,以提供更清晰的视野和能见度。根据几何公理,同时通过双焦点曲面两个焦点的直线只有一条,即所谓公法线,唯有此线曲面微元垂直。这就对头盔面窗光学性能的测量构成了挑战。因为执行精密测量时,相应仪器的测量光束一般是固定不动的,必须借助转动架固定头盔面窗使之作全方位的旋转,使测量光束透过头盔面窗的任何点或者说扫描整个被测表面。为了获得正确的测量数据,测量光束必须处处与头盔面窗的被测表面垂直;或者圆头盔面窗必须有无穷多条公法线以便同时通过两个焦点。
本文介绍了一种头盔面窗的转动架设计原理,通过独特的构思,把似乎不可能的测量变成可能,并据此成功地实现了对头盔面窗的棱镜度、角偏差、光畸变度、光谱透射比、透射均匀度、光密度、中性度和色度等光学性能参数的不接触的无损精密测量。
2 头盔面窗的几何特征
待测头盔面窗是一种特殊的双焦点曲面的一部分,见图1所示。OH和OV分别是头盔面窗的前后焦点,具体说是其水平旋转和垂直旋转的焦点,两个焦点的距离为d=30mm。图1右边所示的圆心为OV,半径为d的两块对称的扇形平面,使用时可紧固在头盔面窗的盔壳中,测量时可卡定在转动架两端的卡盘里。其装卸的可靠性和方便性明显优于过去的单球心球面结构的头盔面窗,因为前者的装卸区域是整个曲面中唯一的平面。需要注意的是,图示头盔面窗的每一块微元均同时含有正交的曲率半径分别为RH=135mm和RV=165mm的母线。这意味着图1左边的曲面并非由曲率半径为RH的母线以OH为焦点水平扫描180°而成,图1左边的曲面也并非由曲率半径为RV的母线以OV为焦点垂直扫描100°而成。否则将相悖而形不成如图所示的双焦点曲面。正确的理解是:结合图3所示,以OV为圆心,以RV=OVO为半径先在主截面V内扫描出母线ON⌒,其弧长所对应的圆心角为100°;再以OH为焦点,旋转180°扫描出整个头盔面窗。反之,也可以以OH为圆心,以RH=OHO为半径先在主截面H内扫描出母线MOM⌒,其弧长所对应的圆心角为180°,再以OV为焦点,旋转100°扫描出整个头盔面窗。
当然,头盔面窗作为双焦点曲面,也具有二次曲面的若干特征,例:任一垂直于主光轴OVOOH的平面与它的交线为一椭圆,是一条二次曲线。最后指出它不是椭球曲面,因为由图1所示曲面的几何特征不能构成椭圆方程。本转动架不适用于对椭球曲面的测量。
3 转动架构造的4个原则
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