平行度测试仪原理及其测量精度分析

    引 言

    多光轴大型光电经纬仪不同测量系统光轴的平行度是评价大型经纬仪精度的重要指标，如果各光学系统的光轴不平行，对同一个目标进行参数测量时会得出不同的结果。因此，在大型经纬仪光电测控设备使用之前，必须对各光学系统的光轴平行性进行精密检测装调，使光轴平行性误差控制在测量精度允许的范围内。光轴平行度传统的检测方法大多用平行光管，平行光管的有效口径可以覆盖两个光学系统，但是随着经纬仪的发展，大型经纬仪两个轴间距离一般要在0.5m以上，有的甚至更大，做大口径的平行光管价格昂贵，使用不方便。为了解决这个问题，做了很多尝试，其中最有效的是利用五棱镜的特点，即通过五棱镜的光束方向改变90°，经过两块五棱镜就可使入射光束与出射光束成180°。两个五棱镜将一束平行光作平移，利用两束平行光来检测经纬仪的同轴精度起到了很好的效果。这种平行度测试仪的精度可用两个精度为0.1″的自准直平行光管和一块直径为1m的反射镜标定。

    1 平行度测试仪的工作原理

    图 1 是平行度测试仪的光学原理示意图，图中光源发出的光照亮十字丝，经平面反射镜 1 反射和准直物镜准直后成为准直光束，再经过平面反射镜 2 反射，一部分作为平行光束 1，进入被检测经纬仪的一个光学测量系统，另一部分经两个五棱镜后作为平行光束 2 进入被检测经纬仪的另一个光学测量系统。平行光束 2 经过五棱镜 1 与五棱镜 2 的两次改变 90°方向后与平行光束 1 平行，两束平行光分别进入不同的成像系统，让其中一个成像系统的像成在视场中心，另一个成像系统像偏离中心的角度就是光电测量设备两个成像系统光轴的不平行度。为了适应光学系统光轴距离不同的经纬仪，五棱镜 2安装在基座上，基座与导轨有三个接触点，可以沿平行导轨滑动，五棱镜 1 固定在导轨的一端，通过移动基座改变平行光束 1、2 间的距离。另外可以通过调节五棱镜 2 基座与导轨的三个接触点来调节五棱镜 2 的姿态，从而改变平行光束 2 的出射方向。

    2 误差因素分析

    2.1 五棱镜加工精度带来的误差

    为了保证平行度测试仪的精度，要求五棱镜的两个成 45°角的面所成角度的精度很高。如果两个 45°角不一致，则平行光束 1、2 不平行。采用一种特殊加工方法，可以在这个 45°角有一定误差时也能保证两束平行光束有很高的平行度。把两个五棱镜的两个五边形的面粘在一起，同时加工两个五棱镜的相应平面，以保证两个五棱镜成 45°角的平面所成的角度一样，这样即使两个成 45°角的平面所成角度不是严格的 45°，也可以使光线 1 和光线 2 的夹角与光线 2 和光线 3 的夹角相同，从而保证光线 1 与光线 3 平行。因此，只要两个五棱镜加工达到一定精度，就可以保证平行度测试仪的精度。一旦五棱镜加工好，这些误差是确定的，也就是系统误差，可根据检测结果对其进行调整修正。