定距角錐棱鏡長度標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)技術(shù)研究

郭力振 肖小平 王光明 劉 柯 王曉光 朱 浩

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076；2.湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

1 引 言

定距角錐棱鏡長度標(biāo)準(zhǔn)器(以下簡稱角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器)即利用兩個具有一定距離間隔的角錐棱鏡光學(xué)頂點作為標(biāo)準(zhǔn)距離的長度標(biāo)準(zhǔn)器。其在精密工程測量技術(shù)領(lǐng)域有較多應(yīng)用，如激光跟蹤儀作為高精度大尺寸測量儀器的代表，在幾何量測量領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1～3]。單臺激光跟蹤儀現(xiàn)場使用時，為確定跟蹤儀工作狀態(tài)，需要利用角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。激光跟蹤儀聯(lián)合建站組成激光跟蹤儀測量系統(tǒng)，組站后構(gòu)成聯(lián)合測量網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)精度需要使用角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)。所以，該標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)精度是影響組網(wǎng)精度的重要因素[4,5]。

圖1 角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of corner cube prism length standard

一般而言，對于由兩個具有一定幾何特征構(gòu)成的直線距離標(biāo)準(zhǔn)器，可以采用坐標(biāo)測量機進(jìn)行距離的校準(zhǔn)，如球棒標(biāo)準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)步距規(guī)，標(biāo)準(zhǔn)孔板。但由于角錐棱鏡光學(xué)頂點無法直接采用探針獲得，因此不能采用上述方法獲得角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確距離。目前國內(nèi)在使用角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)時，采用標(biāo)準(zhǔn)球桿的標(biāo)稱名義值，對于名義值的引用不確定度水平缺少國內(nèi)計量技術(shù)機構(gòu)的計量確認(rèn)。根據(jù)國外對角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器出具的校準(zhǔn)證書，國外對于角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)不確定度為U=0.001mm。國內(nèi)少數(shù)計量技術(shù)機構(gòu)對角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)做過一些研究，基本原理是采用坐標(biāo)測量機對其進(jìn)行賦值，即利用坐標(biāo)測量機探頭對角錐棱鏡外球面進(jìn)行多點探測，將探測點擬合成一個球體，通過評價兩個球心的間距來確定角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器的長度值。上述校準(zhǔn)過程假定角錐棱鏡外球面中心與棱鏡光學(xué)中心重合，但實際由于角錐棱鏡加工偏差[6]兩中心必然不重合，因此該方法降低了角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度。針對上述問題，本文提出了一種角錐棱鏡光學(xué)頂點直接瞄準(zhǔn)與裝調(diào)方法，確定其空間位置，提高角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器的瞄準(zhǔn)與校準(zhǔn)準(zhǔn)確度。

2 基本原理

定距角錐棱鏡長度標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。主要包括兩部分：角錐棱鏡光學(xué)中心瞄準(zhǔn)模塊和基于三支路激光干涉測長的精密氣浮平移臺。其中角錐棱鏡光學(xué)中心瞄準(zhǔn)模塊主要用于角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器兩端角錐棱鏡光學(xué)中心的瞄準(zhǔn)；精密氣浮平移臺采用高精度燕尾形氣浮導(dǎo)軌作為精密一維直線運動機構(gòu)，配合三支路激光干涉測長模塊以消除阿貝誤差產(chǎn)生的測量誤差，提高角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器長度測量的準(zhǔn)確度。

圖2 角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of calibration device of corner-cube prism length standard

移動滑臺使瞄準(zhǔn)裝置瞄準(zhǔn)角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器一端的角錐棱鏡光學(xué)定點，讀取激光干涉儀初始讀數(shù)，移動滑臺使瞄準(zhǔn)裝置瞄準(zhǔn)角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器另一端的角錐棱鏡光學(xué)定點，讀取激光干涉儀最終讀數(shù)，被檢球桿長度值為兩者之差。激光干涉儀讀數(shù)已經(jīng)考慮阿貝誤差及環(huán)境參數(shù)補償。

2.1 角錐棱鏡光學(xué)中心瞄準(zhǔn)方法

針對角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)過程，設(shè)計了一套瞄準(zhǔn)裝置，瞄準(zhǔn)裝置由激光測距模塊、激光吸收片、平面反射鏡、角錐棱鏡、三維位置調(diào)整平臺、分光棱鏡、位置敏感器件組成。角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)裝置布局如圖3所示。

圖3 角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical vertex aiming device of corner detector

激光測距模塊發(fā)出連續(xù)激光用于測量角錐棱鏡頂點位置，經(jīng)過分光棱鏡后分為兩束。一束沿x軸方向傳播，作為校準(zhǔn)光，一束沿z軸方向傳播，作為測量光。裝置使用前首先進(jìn)行自校準(zhǔn)，分光棱鏡與角錐棱鏡之間放置激光吸收片，吸收測量光，校準(zhǔn)光束經(jīng)過反射鏡反射后，穿過分光棱鏡到達(dá)位置敏感器件，通過位置敏感器件記錄下光斑中心的坐標(biāo)作為參考坐標(biāo)，完成裝置的自校準(zhǔn)。然后在分光棱鏡與參考反射鏡之間放置激光吸收片，移除分光棱鏡與角錐棱鏡之間的激光吸收片，此時校準(zhǔn)光被吸收，測量光經(jīng)過角錐棱鏡反射后沿z軸正方向傳播，經(jīng)分光棱鏡反射后入射至位置敏感器件，記錄下此時光斑中心坐標(biāo)并與參考坐標(biāo)進(jìn)行比較，如果兩個坐標(biāo)不一致，則通過三維位置調(diào)整平臺調(diào)整角錐棱鏡在x-y平面內(nèi)的位置，直至測量光束的光斑中心坐標(biāo)與參考坐標(biāo)一致，完成角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)。

上述裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但對個元件之間的絕對位置和法線方向有嚴(yán)格的要求。激光測距模塊發(fā)出的光束經(jīng)過棱鏡分束后須保持垂直，并且校準(zhǔn)支路反射鏡的法線須與入射光纖平行，才能保證校準(zhǔn)光束沿原方向返回。然而，分光棱鏡不可避免地存在面形和角度誤差，各元件之間相對位置調(diào)整安裝比較困難。

2.2 瞄準(zhǔn)裝置快速調(diào)整方法

針對瞄準(zhǔn)裝置各元件絕對裝調(diào)困難的問題，提出了一種利用光電自準(zhǔn)直儀和長焦距相機的相對位置調(diào)整方法，利用自準(zhǔn)直儀作為調(diào)整基準(zhǔn)，避免了分光棱鏡的制造誤差帶來的影響，提高了裝調(diào)的速度和精度。

圖4 瞄準(zhǔn)裝置快速調(diào)整機構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of rapid adjustment mechanism of aiming device

角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)裝置快速調(diào)整機構(gòu)由平面反射鏡、分光棱鏡、激光測距模塊、光電自準(zhǔn)直儀、位置敏感器件、圖像探測器、成像鏡頭、激光吸收片等組成，如圖4所示。首先，將光電自準(zhǔn)直儀放置在瞄準(zhǔn)裝置激光測距模塊的同一側(cè)，并使其光束出射方向大致與分光棱鏡的表面垂直且經(jīng)過分光棱鏡的中心。

在自校準(zhǔn)支路反射鏡與分光棱鏡之間放置激光吸收片，光電自準(zhǔn)直儀發(fā)出的測量光穿過分光棱鏡到達(dá)測量支路反射鏡，經(jīng)過反射后測量光再次經(jīng)過分光棱鏡分束后，一束穿過分光棱鏡到達(dá)光電自準(zhǔn)直儀。光電自準(zhǔn)直儀根據(jù)這一光束測量出返回光與出射光之間的角度；另外一束光經(jīng)分光棱鏡反射后，進(jìn)入成像鏡頭匯聚成像，被圖像探測器接收。

調(diào)整測量支路反射鏡的方位角度，直至光電自準(zhǔn)直儀兩個方向的角度讀數(shù)都為0，此時測量光與反射鏡的表面垂直，被反射后原路返回。同理，在分光棱鏡與測量支路反射鏡之間放置激光吸收片，按上述流程完成校準(zhǔn)支路反射鏡的位置調(diào)節(jié)。記錄下此時圖像探測器上十字絲的位置，這一十字絲由光電自準(zhǔn)直儀發(fā)出。

保持各元件相對位置不變，用激光測距模塊替換光電自準(zhǔn)直儀。激光測距模塊發(fā)出的準(zhǔn)直激光經(jīng)過穿過分光棱鏡，到達(dá)兩個支路的反射鏡，經(jīng)反射鏡反射后經(jīng)被圖像探測器接收。調(diào)整激光測距模塊出射光線的角度，使圖像探測器上接收的光斑與之前記錄下來的十字絲的位置重合。

將激光測距模塊的位置固定，用位置敏感器件替換圖像探測器和成像鏡頭，并且使其敏感面垂直于測量光束。替換完成后，記錄下此時位置敏感元件上光斑中心的坐標(biāo)，這一位置就是瞄準(zhǔn)過程中的參考坐標(biāo)。至此，角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)裝置的裝調(diào)全部完成。

2.3 角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)

裝調(diào)完成后，在實際瞄準(zhǔn)過程中，將測量支路反射鏡的位置放置角錐棱鏡，如果測量光斑中心與參考坐標(biāo)位置一致，則此時瞄準(zhǔn)角錐棱鏡光學(xué)頂點。反之，未瞄準(zhǔn)光學(xué)頂點，需要調(diào)節(jié)三維平臺，使其重合，從而完成角錐棱鏡光學(xué)頂點瞄準(zhǔn)。同時，激光測距裝置還可以精確測量與角錐棱鏡頂點之間的距離，從而得到角錐棱鏡頂點的空間坐標(biāo)。瞄準(zhǔn)位置如圖5所示。

圖5 瞄準(zhǔn)位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of aiming position

由于系統(tǒng)采用相對測量手段，因此器件本身的誤差并不影響系統(tǒng)測量精度。由測量支路反射鏡調(diào)整產(chǎn)生的角度誤差Δθ為

(2)

式中：Δx——CCD光斑質(zhì)心提取誤差；f——成像鏡頭的焦距(適當(dāng)選擇長焦鏡頭、高分辨率圖像探測器有助于減小誤差)。

3 角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器長度測量不確定度評定

3.1 測量模型與不確定度傳播公式3.1.1 測量模型

l=L1-L0

(3)

式中：l——被檢球桿長度值；L1——激光干涉儀終測點讀數(shù)值(該讀數(shù)已經(jīng)考慮阿貝誤差及環(huán)境參數(shù)補償)；L0——激光干涉儀起測點讀數(shù)值(該讀數(shù)已經(jīng)考慮阿貝誤差及環(huán)境參數(shù)補償)。

3.1.2不確定度傳播公式

(4)

則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為

(5)

式中：c1——靈敏系數(shù)，c1=1;c2——靈敏系數(shù)，c2=-1。

3.2 測量不確定度來源

(1)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1；

(2)檢定裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2；

(3)標(biāo)準(zhǔn)器溫度引入的不確定度分量u3；

(4)標(biāo)準(zhǔn)器材料線膨脹系數(shù)引入的不確定度分量u4。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量3.3.1 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

u1采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評定方法評定，在重復(fù)性測量條件下，對規(guī)格分別為500mm、1000mm、1500mm和2000mm角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行10次重復(fù)性瞄準(zhǔn)測量，得到實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[7]分量見表1，重復(fù)性測量數(shù)據(jù)見表2。

表1 角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器測量重復(fù)性Tab.1 Measuring repeatability of corner cube length standard序號規(guī)格(mm)標(biāo)準(zhǔn)不確定度(μm)15000.9210000.9315001.0420001.2

表2 角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器長度測量重復(fù)性測試數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of measuring repeatability of corner cube length standard標(biāo)稱長度L (mm)測量序號 5001000150020001498.94661003.55031499.90462001.32892498.94481003.55111499.90412001.32963498.94421003.55221499.90382001.32854498.94481003.55161499.90312001.32745498.94441003.55171499.90252001.32636498.94571003.55211499.90242001.32757498.94411003.55311499.90192001.32578498.94361003.55191499.90132001.32869498.94581003.55161499.90252001.326810498.9451003.55331499.90342001.3278平均值L(mm)498.94491003.551891499.90302001.3277測量重復(fù)性(μm)0.90.91.01.2

3.3.2檢定裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

根據(jù)校準(zhǔn)證書，檢定裝置測量不確定度U為(0.2+0.2×10-6L)μm，k=2。由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量可用B類評定方法按公式(6)計算。

(6)

u2=(0.1+0.1×10-6L)μm

3.3.3標(biāo)準(zhǔn)器溫度引入的不確定度分量u3

(7)

3.3.4 標(biāo)準(zhǔn)器材料線膨脹系數(shù)引入的不確定度分量u4

(8)

3.3.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(l)

各不確定度分量相互獨立不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[8]uc(l)為

(9)

代入表2中數(shù)據(jù)，uc500(l)=0.9μm，uc1000(l)=0.9μm，uc1500(l)=1.0μm，uc2000(l)=1.3μm。

3.4 擴(kuò)展不確定度U(l)

U(l)=kuc(l)(k=2)

(10)

式中：k——包含因子。

代入上式數(shù)據(jù)，U500(l)=1.8μm，U1000(l)=1.8μm，U1500(l)=2.0μm，U2000(l)=2.6μm。

3 結(jié)束語

根據(jù)角錐棱鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)特點，提出了一種角錐棱鏡光學(xué)頂點直接瞄準(zhǔn)方法，并研制了相應(yīng)的瞄準(zhǔn)裝置和快速調(diào)整機構(gòu)，用于角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器兩端角錐棱鏡光學(xué)中心的快速精確瞄準(zhǔn)。設(shè)計搭建了三支路激光干涉測長裝置，通過消除阿貝誤差產(chǎn)生的測量誤差，提高角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器長度測量的準(zhǔn)確度。并進(jìn)行了定距角錐棱鏡標(biāo)準(zhǔn)器長度測量不確定度評定，可以滿足角錐長度標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)的要求。該校準(zhǔn)方法可有效提高角錐棱鏡長度標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，確保激光跟蹤儀等高精度幾何量測量儀器的測量準(zhǔn)確性。