飞机风挡玻璃光学角偏差测量的研究

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第29卷第2期应用光学Vol.29No.2

2008年3月JournalofAppliedOpticsMar.2008文章编号:100222082(2008)0220262205

飞机风挡玻璃光学角偏差测量的研究

林延东,吕　亮

(中国计量科学研究院,北京100013)

摘　要:　介绍一种新的测量飞机风挡玻璃光学角偏差的方法和全自动测量装置。与现行的角偏差自动测量方法相比,这种方法的物理意义清晰、样件被测量位置明确、测量结果准确度高。标靶采用针孔而不是十字叉丝或“形。采用钨灯和投射透镜产生准直白光,用CCD探测器作为光斑L”

位置传感器在成像透镜的后焦面测量光斑位置的变化,从而可得光学角偏差。测量系统通过标准

(k=2)。样品可溯源到国家角度基准。分析表明:测量系统的测量不确定度达到7.3″关键词:　飞机风挡玻璃;光学角偏差;光学角偏差测量

中图分类号:TN307234　　　　　　文献标志码:A

Measurementofopticalangulardeviation

forairplanewindscreens

LINYan2dong,LüLiang(NationalInstituteofMetrology,Beijing100013,China)

Abstract:Anovelmeasurementmethodandafull2automaticmeasurementfacilityforopticalangulardeviationofairplanewindscreensarepresented.Comparedwiththeexistingautomaticmeasurementmethod,thismethodhasclearphysicalmeaning,welldefinedmeasurementpositionanditcouldachievemoreaccurateresult.Thetargetisapin2holeinsteadofacrossora

“.AtungstenhalogenlampandaprojectinglensareusedtogeneratethecolliL”matedlight.A

CCDdetectorisusedaslightspotpositionsensortomeasurethechangesofthespotpositionattherearfocalplaneoftheimaginglens,andtheopticalangulardeviationcanbederived.Themeasurementfacilityistraceabletothenationalangleprimarystandardwithstandardoptical

.Theanalysisshowsthatthemeasurementuncertaintyofthesystemangulardeviationsamples

(k=2).reaches7.3″

Keywords:airplanewindscreen;opticalangulardeviation;opticalangulardeviationmeasurement

引言

当光通过光学介质时,有多种效应使光线偏离原来应有的传播轨迹。因此当人们透过产生上述现象的光学介质去观察物体时,会感觉到被观察物体图像发生了变化。描述影响光线传播的参数包括光学角偏差、光线的平移、光畸变、清晰度、光透射比

和色度等[122]。一般来说,多种光学效应会同时存在。一些参数之间还有联系。光学角偏差是描述光线通过透明材料后所引起的光线传播方向变化的物理量,是评价透明材料的重要光学参数之一。对

),光学角偏差是于飞机风挡玻璃(以下简称“风挡”评价其光学质量的非常重要的参数。因为在飞机

收稿日期:2007211212;　修回日期:2007212213

作者简介:林延东(1964-),男,北京市人,中国计量科学研究院研究员,长期从事光学计量研究工作。E2mail:linyd@nim.ac.cn

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的起降、编队飞行及空中加油时,必须通过风挡观察。精确测定风挡的光学角偏差对风挡的质量检验和制造显得极其重要。飞机风挡玻璃光学角偏差的测量在国外已经开展多年,并已经制定了相应标准[325]。测量方法包括传统的光学方法[3]、基于光探测器的可自动扫描测量的方法以及基于二次曝光的测量方法[226]。传统光学方法测量效率很低。由于高分辨率线阵探测器率先得到发展和普及,现行的自动化测量方法中普遍采用2个一维线阵CCD测量“形标记两维位置变化,从而得到被测样件光L”学角偏差[223,5]。该方法存在物理意义不明确、测量位置不清楚等缺陷,影响了测量准确度。本文对该方法存在的问题进行分析,介绍了一种新的基于面阵光探测器测量光学角偏差的方法和基于该方法的测量装置。

为测量2个正交方向的位置变化,采用分束器将光束分为相互垂直的2部分,形成2个靶标图像,一部

图2　光学角偏差测量光学原理

Fig.2　Opticalprinciplegenerallyusedforoptical

angulardeviationmeasurement

分保持在后焦面,另一部分偏折90°。这样,2个线阵CCD就可以分别测量“形靶标2臂像的相对L”位置偏移。光斑投射在探测器表面的位置与未放被测样品时光斑位置的偏移距离只与入射光束的光学角偏差有关。这样就将光线斜入射到被测样品所产生的光束平移造成的影响消除了。通过接收透镜的焦距f和线阵CCD测得的光束位置的偏移量Ti,

[8]

可以分别得出2个正交方向的光学角偏差Α:i

1　测量原理

一般来说,光学角偏差随着光线入射位置和入

射角度的变化而不同。对于具有一定光学角偏差的实验样品,光线通过样品的偏移情况如图1所示。出射光束对入射光束既有平移∃,又有由于光学角偏差a造成的随观察点到样品距离而变化的光束的相对偏移。实际情况下,光线从不同方向以不同的入射角射入并穿过风档到达眼位。在此过程中,不但光学角偏差造成的光线偏离随入射位置不同而变化,而且光线斜入射通过玻璃后产生的平移也随入射的角度不同而变化。

Αi=arctan学角偏差Α为

Tif

(1)

2个正交方向的角偏差Αx和Αy合成后总的光

(2)=Αx+ΑyΑ

在这个测量方法中,为避免“靶标另外1个L”

臂的图像对被测臂的影响,在未放置被测样品时每个CCD相对靶标的初始位置最好处于各自测量的那个臂的图像中间,这样才能得到尽可能大的动态范围。

对一定测量范围和分辨率目标的设计,探测器灵敏面尺寸、像素的尺寸以及接收透镜焦距的选取要综合考虑。线阵CCD的长度保守估计至少为几毫米。假设2个线阵CCD与靶标“的交点到“L”L”交叉点的距离为2mm,则CCD在“的2个交点L”

图1　光线偏移示意图

Fig.1　Schematicdiagramofbeamdeviation

的距离约为2.8mm。另外保守地假设投射和汇聚透镜的焦距都为300mm,在没有测量样品的情况下,在距投射透镜1m处的样品位置,汇聚于像面上“2臂与CCD交叉点的主光束间的距离达到L”

9mm。在这样的测量系统中,实际测量的是2个不同位置角偏差的x和y分量。正常人眼瞳孔的直径变动范围为1.5mm～8.0mm。即使是人眼瞳孔达到最大时也不能将如此大间距的光束同时纳入人眼,更何况2束光是发散光,人眼实际位置还要靠后得多。因此,1次测量结果的角偏差是2个相距较

为将上述2种导致光束偏移的因素分离出来,

从而测量出需要的光学角偏差,测量系统的光学原理如图2所示[223,5]。

光源的光经过聚光镜汇聚照亮靶面的“形L”标记。经过投射镜和被测样品到达汇聚镜。在汇聚透镜的后焦面形成靶标“的像。位置传感器采用L”

2个一维线阵传感器,分别测量靶标“2个臂在L”

放入被测样件后相对于未放置前的图像位置变化。

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远的不同位置的结果,不同位置的测量结果是不能正交合成得到总角偏差的。所以上述测量结果的合成表示总的光学角偏差没有物理基础,物理意义不明确,测量位置不清楚。

我们对光学角偏差的测量方法进行了改进,改进后的测量系统如图3所示。

用的一维线阵探测器等测量方法相比,本方法去掉了分束器或转像装置,一方面避免了由分束或转向可能引入的图像畸变,提高了系统性能;另一方面简化了光学系统设计,系统便于使用和维护。本方法通过采用二维面阵CCD探测器替代2个线阵探测器,数据信息量比传统方法大很多,对实际角偏差测量结果有了更加全面客观的反映。

2　测量装置

飞机风挡玻璃光学角偏差测量系统的方框图如图4所示。

图3　测量光学角偏差新方法的原理

Fig.3　Measurementprincipleofnewmethodfor

opticalangulardeviation

新设计的测量系统中选用尺寸很小的针孔而不是“或者十字叉丝作为靶标。在投射透镜后面L”增加了孔径限制光阑,使光束的尺寸与人眼瞳孔的尺寸相当(可以选2mm～8mm)[9]。位置敏感的探测器为面阵CCD探测器。若接收透镜焦距为f,在焦面上光斑的直径为d,探测器灵敏面尺寸为a,探测器像素间隔(盲区)尺寸为∆。则当fµa时,测量系统光学角偏差的测量范围A为

A=arctan

a-d2f

图4　测量系统示意图

Fig.4　Schematicdiagramofmeasurementfacility

系统主要由光源、发射系统、电控二维转动测试样品台、接收光学系统、探测CCD阵列探测器、器驱动电路、接口电路、被测样品二维扫描驱动电路、二维角度测量系统及计算机控制和数据处理系统等部分组成。

为使测量结果更具有实际意义,风挡光学角偏差的测量应在尽可能接近使用状态的条件下进行。在实际状态下,光线始终斜入射穿过风挡,到达眼位。因此,在扫描过程中,风挡以眼位为转动中心进行二维转动。

在白光照明条件下,测量系统在实际使用时采用宽光谱光源。通过漫射器、小孔和投射透镜产生平行光。实验台可以围绕眼位进行水平和俯仰二维转动。水平转动的范围是±45°,俯仰转动的范围是±15°。由于实验样品本身质量比较大,而且样品重心距离转动中心超过1m,驱动二维转动的步进电机需要较大的扭矩克服被测样品及其转台的转动惯量。为此,选用了扭矩比较大的步进电机。在步进电机的速度控制上采用梯形变速控制,既保证了速度,又保证了运行平稳。对二维转动进行当前角位置测量,并反馈控制扫描,将扫描控制变为闭环控制。

测量系统采用的接收透镜和投射透镜的焦距

(3)

系统光学角偏差测量的分辨率Γ的保守估计如下:

Γ=arctan

∆(4)

实际系统中,通常采用适当数据处理技术使得系统的分辨率得到了进一步提高。

与前述测量方法相比,本方法最重要的改进在于:1)面阵CCD的采用使得靶标可以是小圆孔,准直光的发散很小,克服了前述“靶标2臂对应L”

光束在样品表面位置的巨大距离问题,消除了测量位置的差异。正交方向的测量位置相同,计算结果的物理意义清晰明确;2)光束在传输过程中可以是一个尺寸几乎不变的圆光斑,测量位置明确。在本方法中,沿光束前后移动与投射透镜光阑开口大小一样的光阑不会影响测量结果,而且可以清楚表明测量位置。而原来的测量方法在这种情况下因只能有部分光束通过,所以不会同时得到正交2个方向的测量结果,这表明测量状态下得到的2个方向的结果是不同位置的结果。另外,与传统的测量方法相比,本方法可以实现自动测量。和目前普遍采

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相等。为保证光学角偏差在设计测量范围内的任何情况下光束都能通过接收透镜达到探测器灵敏面,并保证测量准确度,接收透镜的口径比发射透镜的口径大得多。接收和投射透镜被分别安装在2个多维可调节的支架上,通过微调可以调整光学系统同轴并通过被测眼位。样品可以在样品架上方便地前后左右移动,被测样品支架还可以相对于转动架部分进行整体升降调节。这样就可以很方便地调节眼位和样品之间的几何关系,可以在不同眼位高度进行光学角偏差的测量,也可以进行双目测量。

整套系统是以计算机为核心的全自动测量系统。利用测量系统的软件,可以对测量装置进行定标,还可以设置测量扫描的范围与角度间隔等测量参数,控制整个自动测量过程。计算机软件还提供了很强的数据处理能力,给出了光学角偏差的测量结果,并画出质量分析图和测量结果统计分析图。

由于被测样品尺寸很大,系统处在对环境光开放状态下,环境光对测量将产生干扰。通过在CCD探测器前面加1个均匀的衰减倍数适合的中性衰减器并减小背景辐射的措施,消除环境光的影响。表1　角偏差标准片测量结果

Table1　Measuredresultsofstandardsampleswith

angulardeviation

标准片号

ABCD

(″)标准值󰃗1174.0920.0612.0317.0

(″)测量值󰃗1174.6921.8612.7318.1

(″)误　差󰃗

0.61.80.61.1

　　当被测样品沿光轴前后移动时,由于样品位置

等的变化,被测样品的测量值也会发生单调的变化(包括重复放置因素等的影响)。在光束与被测飞机风挡有效尺寸接触所确定的前后范围内,测量结果变化的极限误差为±5″。综合上述各个不确定度分量,测量系统给出的测量结果的合成标准不确定度为3.65″。取扩展因

(k=2)。子为2,测量系统的不确定度为7.3″

4　结论本文介绍了飞机风挡玻璃光学角偏差新的测量方法。新方法引入面阵CCD探测器与圆光斑靶标,其测量物理意义清楚,测量位置明确,测量准确度高。与经过溯源到国家基准的标准角偏差样片比较,结果表明测量系统对标准片测量的准确度优于1.8″。考虑到测量重复性、被测样品的旋转和沿光

3　实验结果及分析理论上,本系统可以由光束偏移量的测量和接收透镜焦距的值通过(1)式求得光学角偏差。但由于探测器准确调整到焦面较困难等原因,实际采用溯源到国家基准的标准角偏差样片校准系统,测量系统单位光束位置偏移对应的光学角偏差量,从而避免了前述困难。角偏差标准片标定值的不确定度

为1″。

测量系统经过1个角偏差标准片定标后,用光学角偏差值不同的标准样片对测量系统进行测量,结果表明系统在1h内测量结果的标准差为0.5″。

在测量系统标定好后,对不同角偏差标准片进行测量,既能够使不同角偏差标准片互相验证,也考察了系统的性能。角偏差标准片测量结果如表1所示。

由于实际系统存在光学同轴度调整得不理想、系统的轴对称性不理想及CCD探测器二维的一致性误差等测量误差因素,当标准片以入射光束为轴转动时,系统对同一样片会给出不同的角偏差测量结果。实验结果表明,选用的CCD探测器面元在2个正交方向上存在的系统偏差达到1.3%。在进行探测器二维修正后,实测样品旋转一致性测量结果为1.9″。

[10]

轴前后移动等影响测量结果的不确定度因素后,该

(k=2)。测量系统达到的测量结果不确定度为7.3″

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