战机座舱前罩盖角偏差测量仪的研制

　　1　引　言

　　战机座舱前罩盖透视质量的好坏关系到乘员的正确操作,故而事前必须进行质量检验。表征战机座舱前罩盖透视质量的光学性能参数共有11项,它们是:视场角、朦胧度、角偏差、棱镜度、光畸变度、光密度、中性度、色度、光谱透射比、光谱反射比和紫外透射比。其中最重要的是棱镜度(美国军标:MTL-HDBK-338,1984年),据统计,乘员因视觉走形而导致误操作的大部分原因是由它引起的。而对同一个测量物体如前罩盖,规定所有棱镜度中最大者为“光畸变度”。所谓棱镜度是指:光束垂直通过镜片某处后在传播方向上产生的角偏差的正切乘以100所得的值,所以棱镜度和角偏差的实质是一样的,它们的重要性在表征座舱前罩盖透视质量的十余项光学性能参数中居于首位。由于文中内容涉略军工的性质,文献中暂无国外类似测量仪的资料,故不进行参考和对比。鉴于在此之前曾经研制过航天员头盔面窗棱镜度测试仪[1,2],从而为研制这台测量仪积累了一定经验。现叙述该测量仪的研制过程和结果。

　　2　测量值的定义

　　角偏差是由测量点的镜片处存在缺陷引起的,而且这个缺陷只能是由于该处镜片前后表面不平行而形成的光楔所导致。由于玻璃该处的上述缺陷,导致被测光束在传播方向上的角偏差是有方向性的,所以它是一个矢量。

　　测量值的定义见图1所示。先假设被测对象是由aa-bb构成的平板,则当测量光束AA′穿透此平板后,逸出光束BB′与AA′产生一个平行位移d,其大小决定于入射角及平板厚度。现假设bb旋转成cc而使平板变成光楔。为便于理解,让cc垂直于折射光束A′B,即是说令Φ=90°,则出射光束BA将于A′B共线,其与法线n′n′构成的夹角β必小于入射角α,则角偏差为γ=α-β,单位是mrad。

　　3　测量原理

　　见图2所示,图中:1是前罩盖,2是被测处的微光楔,3是组合透镜,4是CCD的光敏面,5是通过薄透镜光心的平行于经前罩盖小光楔变向后的测量光束的辅助线,6是主光轴。由图可知,因为∠Φ=∠γ,∠Φ=∠δ,所以∠δ=∠γ。

　　因此前罩盖的角偏差δ转化为角γ,或说测量D转化为测量d。

　　4　测量仪的结构与功能

　　整套测量仪由独立的三部份构成,如图3所示。

　　图3中,1是测量光束发生器,依次为:1W溴钨灯,用作光源;磨砂玻璃,用于消除灯丝成象现象,且使光斑亮度均匀;钽箔Φ50μm针孔片,使光源成为点光源,以便基本消除测量光束周围的晕光;焦距150mm的组合会聚透镜,用以形成Φ1.6mm的平行测量光束;光阑,用于调出所需光束的直径;中性衰减片,用于调节测量光束的发光强度,以便达到CCD探测器响应最灵敏的输入信号水平,即mcd发光强度量级。2是前罩盖托架,前罩盖托架视尺寸不同可上下调节,升降范围为180mm。应甲方的要求,前罩盖未上照片。3是微机,4是二维转动架,由步进电机经减速器驱动的二维转动架由微机编程操控。水平转动范围为±40°,上下转动范围为±15°。二维转动架的工作噪声经测量为32dB,符合合同的要求。特别指出,利用在上下转动架转动轴两个滚珠轴承的内圈,安装了一条定位杆,在其中心处设有一个Φ2mm的通孔,用以调整整套测量仪的位置,特别是高度。照片上未装上定位杆,5指出了它的位置。6是信号接收器,即照片黑布前的白色物体,由焦距200mm的组合会聚透镜及CCD面阵探测器构成,测量信号由微机进行处理。所用光探测器为1/2″单色CCD面阵探测器,其像素尺寸为3.6μm×3.6μm;纵横盲沟宽度为0.4μm;像素分布为2048(H)×2048(V);帧频设成慢扫描状态,为500帧/s;暗电流为0.3nA/cm2;灵敏度为3μV/A。