平行度测试仪原理及其测量精度分析

第34卷第5期 光电工程 V ol.34, No.5 2007年5月 Opto-Electronic Engineering May, 2007 文章编号：1003-501X(2007)05-0052-05

平行度测试仪原理及其测量精度分析

贺和好1，2，叶 露1，周兴义1，沈湘衡1

( 1. 中国科学院长春光学机密机械与物理研究所 质检中心，吉林 长春 130033；

2. 中国科学院研究生院，北京 100039 )

摘要：平行度测试仪是检测大型光电经纬仪多光轴系统平行度的设备，要求平行度测试仪的精度要达到0.5″。方法是利用一块反射镜和两块五棱镜将一束准直光束分光成两束平行光束，大型经纬仪的两个光学系统分别接收这两束平行光，两束平行光所成像的脱靶量差值即为两光学系统的光轴平行度。利用两个精度为0.1″的自准直平行光管和一块平面反射镜检测平行度测试仪精度。经检测标定后平行度测试仪的精度可达到0.5″，能够很好的满足检测平行度为2″的光学系统的检测。

关键词：平行度检测；五棱镜；光电测量系统；光轴平行度

中图分类号：TB133 文献标识码：A

Theory and precision analysis of testing apparatus of parallel depth HE He-hao12，YE Lu1，ZHOU Xing-yi1，SHEN Xiang-heng1 ，

( 1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, the Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033,

China ; 2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China )

Abstract ：Parallelization tester is used to test the parallel degree of multi-optic-axes system of the large scale photoelectric theodolite with precision less than 0.5 arcsec. By using a reflector and two pentaprisms, one beam of light is separated into two parallel beams, then respectively they are received by two optical systems of the large scale photoelectric theodolite with certain imaging D-value which correspondingly represents each optic axis parallel error of these two optical systems. With two autocollimations and a big flat mirror, the precision of the parallelization tester can be better evaluated. After experimentally measuring and marking, this instrument’s precision reaches 0.5 arcsec, which better satisfies the requirement—normally 2 arcsec the parallel precision of optical system testing.

Key words: Parallel testing; Pentaprism; Large scale photoelectric theodolite; Optic axis parallel.

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。

收稿日期：2006-04-20；收到修改稿日期：2007-03-07

作者简介：贺和好(1981-) ，男(汉族），江苏沛县人，研究生，主要研究工作是光学精密机械检测及检测设备研制。E-mail : [email protected]

2007年5月 贺和好 等：平行度测试仪原理及其测量精度分析 531 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。

2.2 五棱镜放置姿态带来的误差

五棱镜安装姿态对平行度测试仪精度的影响是很复杂的。当入射光的方向一定，五棱镜的三个方向的旋转会使出射光方向发生变化。五棱镜旋转对出射光束方向带来的影响做以下分析。

建立如图2的三维坐标系，图中五棱镜可以绕X 、Y 、Z 轴旋转，平行光束沿X 轴负方向入射。根据五棱镜工作原理，当五棱镜绕Z 轴旋转一个小角度时，五棱镜的光轴截面不变，

入射光束仍在光轴截面内，

54 光电工程 第34卷第5期 出射光束方向不会发生任何变化；当五棱镜绕X 、Y 轴旋转时，五棱镜的光轴截面发生变化，入射光束方向不变时，出射光束的方向会发生变化。当五棱镜绕X 轴旋转时，入射光束仍沿入射光轴入射，出射光束也会沿出射光轴出射。旋转后的五棱镜建立如图3(a)坐标系OX ′Y ′Z ′，出射光轴方向为Y ′正方向，出射光束方向也为Y ′正方向。综上得出以下结论：当五棱镜绕X 轴顺时针旋转时，出射光束高低向上偏移，当五棱镜绕X 轴逆时针旋转时，出射光束向下偏移；当五棱镜绕X 轴旋转时出射光束的方位方向不会发生变化。

当五棱镜绕Y 轴顺时针旋转时，出射光束方向的变化比较复杂，具体分析如下：如图3(b)所示，当五棱镜绕Y 轴旋转一小角度α，建立旋转后的五棱镜坐标系OX ′Y ′Z ′，坐标系OX ′Y ′Z ′的Y ′轴与原坐标系的Y 轴重合，X ′轴与X 轴成α角度，Z ′轴与X ′、Y ′轴垂直，构成三维笛卡儿坐标系。

入射光束方向不变，在旋转后的五棱镜坐标系内，入射光束的向量P 为

⎛cos α⎞⎜⎟P =⎜0⎟ (1)

⎜sin α⎟⎝⎠

根据五棱镜的作用，入射光束与出射光束在光轴平面OX ′Y ′内的投影垂直。在旋转后的坐标系内，入射光束不再是沿光轴方向入射，而是与五棱镜的光轴成一定角度，入射光束与光轴所成的角度就是α，出射光束与光轴的夹角也应该是α。所以可以得到出射光束在坐标系OX ′Y ′Z ′内的向量P ′为

⎛0⎞⎜⎟P ′=⎜cos α⎟ (2)

⎜−sin α⎟⎝⎠

把坐标系OX ′Y ′Z ′看成原坐标系，把坐标系OXYZ 看成新坐标系，新坐标系绕Y ′轴顺时针旋转α。因此可以得到出射光束向量在新坐标系OXYZ 内的向量为

2⎡X ⎤⎡cos α0sin α⎤⎡0⎤⎡−sin α⎤⎥⎢Y ⎥=⎢0⎥⎢cos α⎥=⎢cos α10⎢⎥ (3) ⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎥⎢⎣Z ⎥⎦⎢⎣−sin α0cos α⎥⎦⎢⎣−sin α⎥⎦⎢⎣−sin αcos α⎦

五棱镜没有旋转时，出射光束在坐标系OXYZ 内的向量应该是[0，1，0]T ，如果将光束在OXY 平面内的偏移看作方位方向的偏移，将OXZ 平面内的平移看作高地方向上的偏移。根据五棱镜绕Y 轴旋转后出射光束的向量，当旋转角度α(单位为弧度) 很小时，可以认为五棱镜旋转后的出射在方位方向偏移角度为α2(向右偏移) ，在高低方向的偏移为-α(向上偏移) 。

综上所述：五棱镜绕Z 轴旋转时出射光束的高低和方位不会发生变化；当五棱镜绕X 轴旋转时，出射光束的高低变化，方位不会变化；当五棱镜绕Y 轴旋转时，高低和方位都会变化。为了保证平行度测试仪高低和方位的精度，必须让五棱镜光轴截面与导轨平面平行。安装姿态带来的误差是系统误差，可以通过调整五棱镜基座修正。

2.3 导轨平面度带来的误差

五棱镜2在导轨上滑动，如果导轨平面度不好，五棱镜2在导轨上滑动时，会造成五棱镜姿态的改变，从而使两束平行光不平行。可在检测导轨时修研导轨，提高导轨平面度，从而减小导轨平面度带来的误差。

2.4 离焦带来的测量误差

如果十字丝不严格在准直物镜的焦面上，准直后的光束将不是平行光束。光束1和光束2分别用平行光束的不同口径处的光，当从准直物镜出射的光不是平行光时，光束1和光束2就会有一定夹角γ，夹角γ与十字丝的离焦量有关，具体分析如下。

如图4所示，P 为十字丝位置，P ′为十字丝成像位置。当十字丝在焦面以外δ，准直物镜直径为D 时，根据高斯公式

f ′f +=1 (4) l ′l

2007年5月 贺和好 等：平行度测试仪原理及其测量精度分析 55

可计算出l ′=−f 2/δ−f ，这时边缘出射光线的夹角为D /l ′，光线为汇聚的；同理可以计算出十字丝在焦面以内时边缘出射光线的夹角为D /(f 2/δ−f ) ，

光线为发散的。上述两种情况均可以认为出射光线夹

角为：γ=D δ/f 。当考虑到焦深时，光学系统焦深

∆为

∆=λu ′2=4λ⋅f 2D 2 (5)

其中 u ′为孔径角，λ为波长。当离焦量δ＝∆时，可计 2算出出射光线的最大交角为γ=D ∆/f 2=4λD 。根据仪器设计精度要求可以给出允许的离焦量。 3 仪器装调与检测

3.1 导轨平面度的检测与修正

首先对导轨平面度进行检测，方法如图5所示：在平行度测试仪其它光学器件没有安装之前，将平行度测试仪前放置一平面反射镜，在五棱镜1后放置一自准直仪。调整平面镜，使自准直仪能观察到自准直回来的像。让五棱镜2的基座在导轨上移动，观察自准直回来的像。当五棱镜2沿导轨移动时，如果自准直回来的像移动量大，说明导轨平面度不好，需要修研导轨，直到五棱镜2移动时自准直回来像的移动范围达到精度要求。

3.2 平行度检测仪整体检测与装调

如图6所示，首先用两个自准直仪分别瞄准两束平行光，这时两个自准直仪光轴分别与两束平行光平行。然后在自准直仪与平行度测试仪之间放置一块面形较好的反射镜(面形RMS 值为0.01582µm)，反射面向自准直仪，调整反射镜的高低和方位，使自准直仪1自身像与反射镜自准直回来的像重合，观察记录自准直仪2自准直回来的像与自身像在高低方位方向的偏离量。移开反射镜，将五棱镜2移到导轨的下一点，重复上述方法进行检测。根据检测数据平均值相应调整五棱镜2基座与导轨的三个接触点，方法如下：如果平均值为正，表示光束2相对于光束1向上偏移，需要研磨接触点2、3，反之研磨接触点1。研磨后重复上述方法进行检测。直到平行光束1、2的平行度平均值接近0，这时认为各点平行度误差是仪器修正后的最终误差。

4 数据处理

导轨的有效长度为80cm ，将五棱镜2沿导轨移动，每隔5cm 测量一个点，在没有修正导轨与基座前得到的数据和修正后得到的数据如表1。数据是用平行度检测仪整体检测的方法得到的，以平行光束1为基准，当平行光束2向上偏移时，规定误差为正，向下偏移误差为负，当平行光束2方位方向向左偏移认为误差为负，向右偏移认为误差为正。通过数据可以看出，在修正前误差比较大，特别是高低方向的误差，

56 光电工程 第34卷第5期

这是因为五棱镜绕X 轴、Y 轴旋转都会影响高低变化，而且影响量与棱镜旋转角度相等。对于方位方向上的误差，只有绕Y 轴旋转时

才会影响方位误差，影响也很小。

在有一定离焦的情况下，通过研磨修正导

轨，修正基座与导轨的接触点，平行度测试仪

的精度得到大大提高，通过对比修正前后的数

据可以发现：修正后高低方向数据精度可以达

到0.5″，而修正前后平行度测试仪的方位误差

变化不大，对于高低方向的误差，修正后数据

明显优于修正前。

5 结 论

本文首先阐述了平行度测试仪的原理，然

后从理论上分析造成误差的各种原因，详细说

明了平行度测试仪的检测方法及装调方法。通

过实验证明该平行度测试仪的精度可以达到0.5″，满足检测大型经纬仪平行度为2″的要求。该平行度测试仪已经在光电测量设备检测中得到了应用，很好的满足了光电跟踪测量系统同轴精度测量的要求。

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