激光偏角测量技术研究

　　引　言

　　光学系统的成象质量除了取决于系统中各元件的制造精度以外,很大程度上受装配精度的影响,如光学间隔和光学偏心的影响。根据对光学系统公差的分析,系统对偏心的公差要求往往高于对间隔的公差要求。因此,在光学系统装配时,对光学元件的偏心要进行严格的控制。经过多年研究,光学系统中光学元件偏心的测量已经有比较成熟的方法,如采用光学对心器和中心偏测量仪。这两种方法都是测量光学元件球心的象,装配时调整光学元件,使所有球心象在一条直线上。通常,采用这种方法装配出的光学系统具有较高的偏心精度。但是,这两种测量方法也有不足之处,如对于非球面的光学元件,很多没有球心的象。另外,当光学元件口径很大或中心处有开口时,上述的偏心测量方法就受到了限制。基于这个原因,我们研制了激光偏角测量仪。它充分利用了激光发散角小、直线性好、便于安装、调试和瞄准的特点,适合于各种光学元件的装配测量。此外,这种激光测量技术还适合于重点建筑,如水坝、高层建筑的变形监测。

　　1　激光偏角测量原理

　　首先将被测反射镜安装在高精度转轴上,调整激光器的位置,使激光器发出一束激光照射到被测反射镜表面,由被测反射镜表面反射,经过成象光学系统聚焦到面阵CCD摄象机靶面上。由于激光的光强太大,使CCD处于饱和,因此在成象光学系统前面有衰减片,激光经过衰减后,其光强在CCD的响应范围内。通过图象采集系统,把激光象点的数字图象传到计算机中。计算机对图象数据进行处理,计算出激光象点的中心位置,如图1所示。

　　如果被测反射镜安装偏心或反射镜的光轴与回转轴不一致,当反射镜随转轴回转时,其表面反射光线的角度也随之改变,这样CCD靶面上激光象点就会有一个相应的位移,计算机计算出这个位移量。经过标定,我们可知这个位移量与反射镜偏转角度的关系,从而测量出反射镜的偏转角度。当反射镜连续转动时,激光光斑在CCD靶面上的轨迹为一个椭圆,椭圆的长轴就是反射镜最大的角度变化量。通过调整反射镜,使反射镜的偏角达到光学系统设计公差要求。

　　2　成象光学系统参数确定

　　反射镜偏角的测量精度主要由成象光学系统的焦距、CCD象素尺寸和CCD细分倍数决定。我们选用CCD的光敏面为6.0mm×4.5mm,象素尺寸为10μm。根据10″测角精度要求,我们可以计算出光学系统的焦距。为了有效地分辨激光光斑的移动,当反射镜角度变化10″时,光斑在CCD光敏面上至少移动1个象素(10μm),则光学系统的焦距为

　　当光学系统的焦距为206mm时,测量分辨力为10″,但测量精度却达不到10″,为了提高测量精度,我们还需要采取CCD细分技术,使光斑中心的测量精度在1/5个象素以内。因此,象面上激光光斑的尺寸必须满足压住象素的要求。我们选用的He-Ne激光器,其激光出口处的光束直径为0.7～0.8mm,发散角为0.74mard,到达光学系统表面时激光光束直径约为2a=1mm,则象面上的光斑尺寸为