孫方金 王 蕾 孟慶生 張忠武

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

板式空心角錐棱鏡的研制

孫方金 王 蕾 孟慶生 張忠武

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

在遠距離測量、特別是距離達到一公里左右時，角錐棱鏡幾乎是唯一可行的反射器件。遠距離測量的需求是增大角錐棱鏡的通光口徑，以便于捕捉目標(biāo)，并增大反射光的能量。常用的整體式角錐棱鏡，以及國外的柱式空心角錐棱鏡，隨著通光口徑的增大，都會顯著增加棱鏡的體積與重量，造成使用不便與工藝?yán)щy。解決辦法是采用板式結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗，通光口徑為80mm的板式空心角錐棱鏡，工作距離可達一公里以上，出射光對入射光的平行度達角秒級，體積與重量在可以接受的范圍內(nèi)，而且可以降低工藝難度。

角錐棱鏡 空心 板式結(jié)構(gòu)

1 引 言

角錐棱鏡是一種常用、重要的反射器件，其基本特性為：出射光線與入射光線平行[1]。因此角錐棱鏡宜用于“測距”和“跟蹤”，是測距儀、全站儀、跟蹤儀等精密儀器的配套附件。

在發(fā)散光路中，反射光束的主光線隨棱鏡的線位移而產(chǎn)生角度變化，因此可用“重合法”把自準(zhǔn)直儀器的分劃線中心與角錐棱鏡的頂點對準(zhǔn)[1]，從而能用于遠距離測量時的對準(zhǔn)與跟蹤。為減少光能損耗，常用光斑大于棱鏡通光口徑的“準(zhǔn)平行光”。

角錐棱鏡由“整體式”向“分體式”發(fā)展。整體式角錐棱鏡用整塊玻璃制成；分體式角錐棱鏡則以三塊帶有反射面的光學(xué)件膠合而成，使得光路的介質(zhì)全為空氣，不存在空氣與玻璃的轉(zhuǎn)變，消除了光束在玻璃中的能量損耗，常稱為“空心角錐棱鏡”。

國外的空心角錐棱鏡常采用“柱式”結(jié)構(gòu)，膠合后的外形為圓柱體，見圖1(圖中所示1、2、3面為反射面)，這種結(jié)構(gòu)具有良好的剛度，為避免棱鏡的重量過大，通光口徑一般較小。

為適應(yīng)遠距離測量的特點[2]，需增大角錐棱鏡的通光口徑，以便于捕捉目標(biāo)，增大反射光能量，改善目視對準(zhǔn)時的成像清晰度，提高光電對準(zhǔn)時的光能，并減輕棱鏡的重量，為此特提出采用“板式”結(jié)構(gòu)，并研制成功了“板式空心角錐棱鏡”。

2 板式空心角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)

板式空心角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)見圖2(圖中所示為角錐棱鏡的背面)：由三塊直角三角形的反射玻璃板組成，每塊板上有一個反射面上鍍?nèi)瓷淠づc保護膜；三塊玻璃板的相鄰側(cè)面，膠合同樣材料制造的直角玻璃鑲條，把三塊玻璃板連成一個剛性整體，并保持相鄰反射面的垂直度。若角錐棱鏡的通光口徑較大，每對相鄰側(cè)面可膠合兩個或更多的鑲條，并盡量增大頭、尾兩鑲條間的距離；若角錐棱鏡通光口徑較小，可膠合一塊與側(cè)面接近等長的鑲條。除反射面需為“鏡面”外，全部光學(xué)零件的其余面均為粗糙度不大于1.6μm的研磨面。

玻璃板的厚度是關(guān)鍵參數(shù)，需特別注意應(yīng)具有足夠的剛度，否則在裝調(diào)與檢測時，會產(chǎn)生很多不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當(dāng)角錐棱鏡在常溫環(huán)境條件使用時，可用K9光學(xué)玻璃；當(dāng)用于高、低溫環(huán)境條件時，需用微晶玻璃或石英玻璃；當(dāng)需把角錐棱鏡端面膠合在安裝結(jié)構(gòu)件上時，結(jié)構(gòu)件材料宜用銦鋼。

具有完整三角形玻璃板、通光口徑為80mm的板式空心角錐棱鏡見圖5。圖示是不拆卸調(diào)整夾具使用的結(jié)構(gòu)，調(diào)整夾具的端面需研磨以保持平面度。以夾具端面上的螺孔固定，其特點是可保護棱鏡。

但由于帶著調(diào)整夾具使用，會顯著增大角錐棱鏡的體積與重量，當(dāng)需減小時，可拆去調(diào)整夾具，將已膠合成型的角錐棱鏡的三個54.74°端面研磨平，且必需研至同一平面，再膠合在安裝結(jié)構(gòu)件上。

3 工藝

3.1要求

板式空心角錐棱鏡的總體要求是“出射光對入射光的平行度”，影響該平行度的主要因素是相鄰反射面的垂直度，參閱圖5，其關(guān)系式[2]如下

(1)

式中：α——出射光對入射光的平行度，腳碼為出射光的工作區(qū)，如αb′為b′工作區(qū)出射光對入射光的平行度；n——玻璃的折射率，可取n=1.5；ε——相鄰兩反射面的垂直度，腳碼為兩反射面的序號，如ε1，2為第一反射面和第二反射面的垂直度。

由式(1)及圖3可以看出：角錐棱鏡共有a-a′，b-b′，c-c′三對、六個出射區(qū)；同一對的兩個出射區(qū)，其出射光對入射光的平行度，大小相等，方向相反。因此，在平行光路中，出射光的平行度將變差。

由于式(1)比較復(fù)雜，為了掌握出射光平行度和相鄰反射面垂直度大致的量值關(guān)系，假定三個相鄰面垂直度相等，從而可把式(1)簡化成下式[3]

α=4.9×ε

(2)

由式(2)可見，相鄰面垂直度對出射光平行度的影響很大，如果出射光平行度要達到1″，那么三個相鄰反射面垂直度都要達到0.2″。

板式空心角錐棱鏡為“分體式”結(jié)構(gòu)，具有分散工藝要求的作用，從而降低了工藝難度。整體式角錐棱鏡，每個反射面研磨時，同一工序需達到平面度、粗糙度、與相鄰反射面垂直度等三項要求，工藝難度相當(dāng)大。而分體式結(jié)構(gòu)，這三項要求是分散在不同工序完成的，在反射玻璃板零件光學(xué)加工時，保證反射面的平面度與粗糙度；在棱鏡裝調(diào)時，保證相鄰反射面的垂直度。

3.2工裝

板式空心角錐棱鏡相鄰反射面的垂直度是以調(diào)整的方法保證的，采用反射玻璃板的磁力吸附法，需用以下工裝進行棱鏡相鄰反射面垂直度的調(diào)整與檢測：

(1)每塊反射玻璃板反射面的背面膠合三塊永久磁鐵O1，O2與O3(如圖4所示)，以進行雙向垂直度調(diào)整，分別以O(shè)1-O3為支點調(diào)整O2和以O(shè)2-O3為支點調(diào)整O1。

(2)制造調(diào)整夾具。夾具由三塊直角三角形的鋼板或鋁板組成，與板式空心角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)類似，但尺寸略大且不需保證幾何準(zhǔn)確度，其特點是玻璃板每塊磁鐵的對應(yīng)位置均設(shè)有調(diào)整機構(gòu)，見圖6：夾具上調(diào)整螺塞的球面和永久磁鐵相吸，把反射玻璃板吸附在夾具相應(yīng)板的三個球面上。不動的兩個調(diào)整螺塞球面作為支點，當(dāng)轉(zhuǎn)動第三個調(diào)整螺塞時，玻璃板隨球面位移，從而繞兩支點產(chǎn)生角度變化，以調(diào)整該方向的垂直度。

(3)調(diào)整夾具的安裝與轉(zhuǎn)位工裝

相鄰反射面垂直度的檢測，以多齒分度臺作為測量標(biāo)準(zhǔn)，檢測時棱鏡的安裝位置需保持其中一個反射面處于水平狀態(tài)，此時另兩反射面為垂直狀態(tài)，以進行該兩反射面垂直度的檢測。

安裝與轉(zhuǎn)位工裝用于把調(diào)整夾具安裝在多齒分度臺的臺面上，并可轉(zhuǎn)至三個反射面分別處于水平狀態(tài)，以測量相應(yīng)的相鄰面垂直度。依據(jù)角錐棱鏡的尺寸及結(jié)構(gòu)，工裝可設(shè)計成固定式或可調(diào)式等結(jié)構(gòu)。圖7是通光口徑16mm的小型棱鏡，具安裝板，板上有三個通過中心的安裝孔，板的安裝面經(jīng)過精密研磨。工裝采用固定式結(jié)構(gòu)，通過連接板，固定于多齒分度臺臺面上，并需伸出一臂，上制對臺面成54°44′角、經(jīng)研磨且?guī)菘椎男泵?，?dāng)把棱鏡安裝板與工裝斜面貼住并固定后，相應(yīng)的反射面即基本與臺面平行，即水平位置。

3.3調(diào)整

棱鏡相鄰反射面垂直度的調(diào)整與檢測用多齒分度臺與光電自準(zhǔn)直儀進行。相鄰面垂直度共有三個，如三個反射面分別為1、2、3，則先調(diào)1-2面垂直度，這是單向垂直度；而調(diào)第3面時，需同時保征3-1與3-2面垂直度，是雙向垂直度，且不能同時測出，需改變狀態(tài)：把2面水平改為1面水平，因此難度較大。

由于反射玻璃板吸附在調(diào)整夾具上時，其位置是隨機的，誤差很大，開始時往往沒有返回像，因此需用大測量范圍的目視式平面度測量儀進行粗調(diào)，以便于捕捉目標(biāo)。粗調(diào)要求共兩項：兩被測反射面對平板的垂直度(垂直角)；兩被測反射面的垂直度(水平角)，這兩項要求需反復(fù)調(diào)整，直至都達到角秒級準(zhǔn)確度，再換用光電自準(zhǔn)直儀，測量與調(diào)整相鄰面垂直度。測量對平板垂直度時，先用具反光性能的90°標(biāo)準(zhǔn)塊，如標(biāo)準(zhǔn)六面體，對好自準(zhǔn)直儀零位。

調(diào)好單向垂直度后，膠合玻璃鑲條，采用“光學(xué)結(jié)構(gòu)膠”，其特點是低應(yīng)力，低蠕變，低線脹系數(shù)，常溫下固化緩慢。其中固化緩慢對調(diào)整垂直度非常重要，因為如果固化很快，一旦垂直度發(fā)生變化，要加熱才能拆開，很容易破壞反射面的平面度，而緩慢固化，可不斷監(jiān)視垂直度，一旦發(fā)現(xiàn)變化，能及時調(diào)整。

膠完全固化，并復(fù)查單向垂直度合格后，進行最后一個反射面的雙向垂直度調(diào)整，最后一面同樣需進行粗調(diào)，測量雙向垂直度合格后，膠合連接前兩面的玻璃鑲條，方法相同，但要反復(fù)轉(zhuǎn)位，比較麻煩。

4 檢測

角錐棱鏡的性能指標(biāo)是“出射光對入射光的平行度”，當(dāng)前的主要檢測方法有“當(dāng)量平面度法”與“自準(zhǔn)直像線寬法”兩種?！爱?dāng)量平面度法”用激光平面度干涉儀檢測，如果角錐棱鏡的出射光與入射光完全平行，相當(dāng)于沒有誤差的理想平面，否則就可由干涉帶測出偏差。干涉法具有較高的靈敏度與準(zhǔn)確度，但由于以角度誤差表達，需引入角錐棱鏡的通光口徑，當(dāng)通光口徑較小時，測量誤差將增大，且干涉儀是大型的固定設(shè)備，難以用于高、低溫試驗時的實時檢測?！白詼?zhǔn)直像線寬法”[4]是應(yīng)用了角錐棱鏡每對工作區(qū)出射光平行度大小相等、極性相反的特點，從而形成兩個自準(zhǔn)直像，當(dāng)平行度超過線寬時兩像完全分開，一般情況下，雖不致分開，但會使線寬增粗，因此測量自準(zhǔn)直像的線寬，即可測量出射光的平行度。這種方法測量參數(shù)是角度，與角錐棱鏡的通光口徑無關(guān)，不會因通光口徑減小而增大測量誤差；測量設(shè)備是面陣CCD自準(zhǔn)直儀，是便攜式儀器，可用于角錐棱鏡的高、低溫試驗時的實時測量，但線寬截止點的合理選取，CCD細分作用難以充分發(fā)揮，影響了測量準(zhǔn)確度的提高，尚待進一步研究。

表1所示為板式空心角錐棱鏡試件的檢測結(jié)果。通光口徑為Ф80mm棱鏡(實物見圖4)，六個工作區(qū)出射光對入射光的平行度：最大為3.2″，最小為0.8″；經(jīng)試驗，其工作距離可大于1km。通光口徑為Ф16mm的小型板式空心角錐棱鏡，出射光的最大平行度為3.6″；經(jīng)試驗，其工作距離達1km以上。

表1 試件檢測結(jié)果

板式空心角錐棱鏡高、低溫時的出射光平行度，試驗時以起始溫度20°C時的平行度為零，用自準(zhǔn)直像線寬法，測量不同溫度時的實時值，得到不同溫度時的平行度變化量，試驗結(jié)果見表2。

表2 兩種棱鏡高低溫試驗數(shù)據(jù)

板式空心角錐棱鏡的紅光反射率，測試結(jié)果為57.6%～60.2%。

5 結(jié)束語

采用反射件為“板式”結(jié)構(gòu)的角錐棱鏡，可以減小體積與重量，制成較大的通光口徑，滿足遠距離測量的需求，達到較高的準(zhǔn)確度，而且介質(zhì)全部為空氣，不存在空氣與玻璃的轉(zhuǎn)變，不存在玻璃中的光能損耗。

但是當(dāng)前的工藝方法，工作效率很低，只能適應(yīng)單件生產(chǎn)，當(dāng)具一定產(chǎn)量時，需研究改進工藝方法，提高效率。棱鏡的長期穩(wěn)定性也有待進一步試驗。當(dāng)角錐棱鏡需用于高、低溫環(huán)境條件時，需從研究改進光學(xué)結(jié)構(gòu)膠著手，改善角錐棱鏡的高、低溫性能。此外，還需研究改進角錐棱鏡性能指標(biāo)的檢測方法與檢測設(shè)備，提高測量準(zhǔn)確度，拓寬應(yīng)用面。

[1] 孫方金，王姜婷，張玉龍等.定向原理與方位角的傳遞[M].北京：中國宇航出版社，2014.

[2] 商秋芳，張俊杰，趙功偉等.準(zhǔn)平行光遠距離動態(tài)重合度的自準(zhǔn)直測量方法研究[J].宇航計測技術(shù)，2014(2)：6～8.

[3] 何勇.錐體棱鏡的測試[J].實用測試技術(shù)，1997(3)：26～29.

[4] 張俊杰，王震，李政陽.光學(xué)平行度的自準(zhǔn)直象線寬測量法[J].紅外與激光工程，2009，38(增刊)：197～200.

DevelopmentofHollowCubeCornerRetro-reflectorofPanelStructure

SUN Fang-jin WANG Lei MENG Qing-sheng ZHANG Zhong-wu

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing 100076，China)

In the long distance measurement, especially a distance up to one kilometer, cube corner retro-reflector (CCR) is almost the only feasible reflection device. The demand of long distance measurement is the augmented clear aperture of the CCR, in order to catch the target and augment the energy of the reflex. Along with the augmenting clear aperture, the whole CCR in common use and other columnar hollow CCR in overseas augment evidently the volume and weight of the clear aperture，which works inconvenient use and difficult technics. A panel structure is adopted for solution. After some experimentation, hollow cube corner retro-reflector of panel structure, which has 80mm clear aperture, has one kilometer working distance upwards. The parallel between its emitting light and its incident light gets to the second of the angle unitage. The volume and weight are becoming acceptable, and the technics can be reduced difficulties.

Cube corner retro-reflector (CCR) Hollow Panel structure

2016-08-22，

2017-05-16

孫方金(1934-)，男，研究員，主要研究方向：角度計量測試技術(shù)與儀器。

1000-7202(2017) 04-0007-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.02

P224.1

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