摘 要:提出了用于光楔加工中楔角检测的一种新型装置及测角系统。结合锗晶体元件的光学特性,在综合分析各种测角装置的结构特点后,形成了此装置及系统。实际使用中该装置测角性能良好。对测量中可能产生的误差进行了较详细的分析。经过对标准楔块的检测,可满足实际使用要求。该装置的特点:采用多个微动机构,在微机控制的细分驱动方式下,利用搜索逼近的方法完成对楔角的测量。该装置除用于红外光楔的锗晶体测量之外,也可用作其它光学玻璃的角度测量和分度使用。
1 引 言
锗光楔是一种秒级精度的红外偏角器件。是用于红外光学系统扫描部分的关键器件。在红外成像系统的多种扫描形式中,与现有的其它扫描方式(如摆动平面反射镜、旋转反射镜鼓、旋转折射棱镜)相比,由红外光楔形成的旋转折射双光楔扫描器具有许多优越之处。它利用一对旋转光楔分别改变其旋转方向和转速,可以得到各种不同的扫描图形,且扫描效率高、运动平稳、结构紧凑,可实现隔行扫描,易于消除冷反射。但是,这种扫描方式对光楔的加工精度要求较高,使其应用受到限制。因此,对光楔质量的检验显得尤为重要。在探索光学器件的角度检测方法及采用的测试手段方面,人们做了大量的工作[1~3],并在此基础上进一步研究设计出了锗扫描光楔的一种微机控制精密测量转台。由于该转台配合自准直仪,采用搜索逼近进行测角,与文献[3]的检测方法相比,避免了测角过程中手动调整的不稳定性,使所测结果更准确。但实际应用中发现了一些不足,并及时进行了相应的改进。
2 测角装置及检测原理
2.1 装置介绍
本装置所做的改进设计包括:
(1)回转运动采用720多齿细分分度台,原装置为蜗杆回转运动。
(2)绕光轴的转动采用螺旋-杠杆微动机构(沿螺杆方向用弹簧保证触点与摆杆的接触,以消除间隙),原装置采用摆动杠杆机构。
与楔角测量相关的俯仰角调节采用滚珠丝杠及摆杆微动机构。结构简图如图1所示。各回转自由度[4]包括:
(1)光楔绕垂直轴Z回转角θZ。
(2)光楔绕水平轴Y的旋转角(绕光轴的转动)θy。
(3)光楔绕水平轴X的摆动角(俯仰运动)θx。
2.2 角度的测量
(1)确定基准,如图2所示。第一步,在安装被测楔块之前,调整准直仪3和4同轴或平行。
第二步,将锗光楔安装到调整转台上,将调整转台置于3和4之间。
第三步,调整测量平台5(图2中未标出,可参见结构简图1),使镜面1与准直仪3垂直。
测量过程中需使用准直仪3对镜面1进行跟踪监测,以获得可靠的测量结果。
(2)角度的测量。在完成上述准备工作及确定基准之后,各记录步进电机转角单元清零,作好计数准备,开始进行光楔角度的测量。测量初始,由于有些楔块的楔角较大,所成的像可能不在视场内,这时,借助于找像器并采用手动按键操作,直至反射的像进入视场,如图3(a)所示。这时启动自动搜索测量程序。测量过程中计算机不断进行转角信号的比较、搜索。进一步调节镜片绕光轴的转动,使之成为如图3(b)所示的位置。此时,控制电机对应的俯仰转角与自准直仪示角值之和为所测楔角。通过实际测量结果的分析,楔角读数误差为±1.5″,与传统的测量法所获得的精度相比,既获得了高的精度又简化了测量手段。
3 测量误差分析
令绕光轴的旋转角为θy,计算机读取自准直仪输出数据后,采用搜索逼近方式驱动步进电机,步距角为1·5°,经过i =40的细分驱动,再通过1/80的螺纹副驱动,如图4所示,所获得的最小转角间距为
Δθy= (1/80)×(1.5/40) =1.68°
由于测量中读数点不可能正好到达图4(放大示意图)中的A位置,而将A点作为读数点,由此产生与ΔL对应的角度误差及相对误差ΔL/L,它相对于L的误差随步长的逐步减少可以忽略不计。
考虑实际驱动情况,搜索步长初步取值为N=3200或1600,之后N递减为800、400、200。与之对应的角度跨距及相应的相对偏差如表1所示。
最终搜索步长为N =200,同时输出多次测得的平均楔角,测量精度为±1.5″,符合实际应用要求。
4 结构特点及控制程序
该装置在原有结构的基础上提出了新的设计思想。即进一步改进了可能产生传动间隙的机构,同时又保留了原有的设计特色。例如与测量楔角密切相关的俯仰运动采用精密微调装置及锥面定位方式,利用偏心轴套调整传动间隙等。由于底座的回转采用了720多齿分度台,使测量过程中的控制程序有所简化。该装置也不失原有的特性:手动旋钮可作为一般性角度测量,微机控制下的自动测量方式可作为楔角的精密测量。
参考文献:
[1]廖兆暑,吕如寿.用重叠莫尔偏折术测量光楔楔角[J].光学技术,1992,(1).
[2]许求真,李艳芬.一种测量高精度角度误差的新方法[J].光学技术,1993,(1).
[3]回长顺.秒级锗扫描光楔加工及检测方法[J].光学技术,1996,(1).
作者简介:洪林(1958-),男,湖北省人,天津理工学院机械系副教授,硕士,主要从事精密仪器及机械设计与理论方面的研究。
