郭力振 肖小平 王光明 刘 柯 王晓光 朱 浩

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

1 引 言

定距角锥棱镜长度标准器(以下简称角锥长度标准器)即利用两个具有一定距离间隔的角锥棱镜光学顶点作为标准距离的长度标准器。其在精密工程测量技术领域有较多应用，如激光跟踪仪作为高精度大尺寸测量仪器的代表，在几何量测量领域发挥着重要的作用[1～3]。单台激光跟踪仪现场使用时，为确定跟踪仪工作状态，需要利用角锥长度标准器进行校准，其结构示意图如图1所示。激光跟踪仪联合建站组成激光跟踪仪测量系统，组站后构成联合测量网络，网络的组网精度需要使用角锥长度标准器进行校准。所以，该标准器的校准精度是影响组网精度的重要因素[4,5]。

图1 角锥长度标准器示意图Fig.1 Schematic diagram of corner cube prism length standard

一般而言，对于由两个具有一定几何特征构成的直线距离标准器，可以采用坐标测量机进行距离的校准，如球棒标准器、标准步距规，标准孔板。但由于角锥棱镜光学顶点无法直接采用探针获得，因此不能采用上述方法获得角锥长度标准器的准确距离。目前国内在使用角锥长度标准器对仪器进行校准时，采用标准球杆的标称名义值，对于名义值的引用不确定度水平缺少国内计量技术机构的计量确认。根据国外对角锥长度标准器出具的校准证书，国外对于角锥长度标准器的校准不确定度为U=0.001mm。国内少数计量技术机构对角锥长度标准器的校准做过一些研究，基本原理是采用坐标测量机对其进行赋值，即利用坐标测量机探头对角锥棱镜外球面进行多点探测，将探测点拟合成一个球体，通过评价两个球心的间距来确定角锥长度标准器的长度值。上述校准过程假定角锥棱镜外球面中心与棱镜光学中心重合，但实际由于角锥棱镜加工偏差[6]两中心必然不重合，因此该方法降低了角锥长度标准器的校准准确度。针对上述问题，本文提出了一种角锥棱镜光学顶点直接瞄准与装调方法，确定其空间位置，提高角锥长度标准器的瞄准与校准准确度。

2 基本原理

定距角锥棱镜长度标准器校准装置结构示意图如图2所示。主要包括两部分：角锥棱镜光学中心瞄准模块和基于三支路激光干涉测长的精密气浮平移台。其中角锥棱镜光学中心瞄准模块主要用于角锥长度标准器两端角锥棱镜光学中心的瞄准；精密气浮平移台采用高精度燕尾形气浮导轨作为精密一维直线运动机构，配合三支路激光干涉测长模块以消除阿贝误差产生的测量误差，提高角锥长度标准器长度测量的准确度。

图2 角锥长度标准器校准装置结构示意图Fig.2 Structure diagram of calibration device of corner-cube prism length standard

移动滑台使瞄准装置瞄准角锥长度标准器一端的角锥棱镜光学定点，读取激光干涉仪初始读数，移动滑台使瞄准装置瞄准角锥长度标准器另一端的角锥棱镜光学定点，读取激光干涉仪最终读数，被检球杆长度值为两者之差。激光干涉仪读数已经考虑阿贝误差及环境参数补偿。

2.1 角锥棱镜光学中心瞄准方法

针对角锥棱镜光学顶点瞄准过程，设计了一套瞄准装置，瞄准装置由激光测距模块、激光吸收片、平面反射镜、角锥棱镜、三维位置调整平台、分光棱镜、位置敏感器件组成。角锥棱镜光学顶点瞄准装置布局如图3所示。

图3 角锥棱镜光学顶点瞄准装置示意图Fig.3 Schematic diagram of optical vertex aiming device of corner detector

激光测距模块发出连续激光用于测量角锥棱镜顶点位置，经过分光棱镜后分为两束。一束沿x轴方向传播，作为校准光，一束沿z轴方向传播，作为测量光。装置使用前首先进行自校准，分光棱镜与角锥棱镜之间放置激光吸收片，吸收测量光，校准光束经过反射镜反射后，穿过分光棱镜到达位置敏感器件，通过位置敏感器件记录下光斑中心的坐标作为参考坐标，完成装置的自校准。然后在分光棱镜与参考反射镜之间放置激光吸收片，移除分光棱镜与角锥棱镜之间的激光吸收片，此时校准光被吸收，测量光经过角锥棱镜反射后沿z轴正方向传播，经分光棱镜反射后入射至位置敏感器件，记录下此时光斑中心坐标并与参考坐标进行比较，如果两个坐标不一致，则通过三维位置调整平台调整角锥棱镜在x-y平面内的位置，直至测量光束的光斑中心坐标与参考坐标一致，完成角锥棱镜光学顶点瞄准。

上述装置虽然结构简单，但对个元件之间的绝对位置和法线方向有严格的要求。激光测距模块发出的光束经过棱镜分束后须保持垂直，并且校准支路反射镜的法线须与入射光纤平行，才能保证校准光束沿原方向返回。然而，分光棱镜不可避免地存在面形和角度误差，各元件之间相对位置调整安装比较困难。

2.2 瞄准装置快速调整方法

针对瞄准装置各元件绝对装调困难的问题，提出了一种利用光电自准直仪和长焦距相机的相对位置调整方法，利用自准直仪作为调整基准，避免了分光棱镜的制造误差带来的影响，提高了装调的速度和精度。

图4 瞄准装置快速调整机构示意图Fig.4 Schematic diagram of rapid adjustment mechanism of aiming device

角锥棱镜光学顶点瞄准装置快速调整机构由平面反射镜、分光棱镜、激光测距模块、光电自准直仪、位置敏感器件、图像探测器、成像镜头、激光吸收片等组成，如图4所示。首先，将光电自准直仪放置在瞄准装置激光测距模块的同一侧，并使其光束出射方向大致与分光棱镜的表面垂直且经过分光棱镜的中心。

在自校准支路反射镜与分光棱镜之间放置激光吸收片，光电自准直仪发出的测量光穿过分光棱镜到达测量支路反射镜，经过反射后测量光再次经过分光棱镜分束后，一束穿过分光棱镜到达光电自准直仪。光电自准直仪根据这一光束测量出返回光与出射光之间的角度；另外一束光经分光棱镜反射后，进入成像镜头汇聚成像，被图像探测器接收。

调整测量支路反射镜的方位角度，直至光电自准直仪两个方向的角度读数都为0，此时测量光与反射镜的表面垂直，被反射后原路返回。同理，在分光棱镜与测量支路反射镜之间放置激光吸收片，按上述流程完成校准支路反射镜的位置调节。记录下此时图像探测器上十字丝的位置，这一十字丝由光电自准直仪发出。

保持各元件相对位置不变，用激光测距模块替换光电自准直仪。激光测距模块发出的准直激光经过穿过分光棱镜，到达两个支路的反射镜，经反射镜反射后经被图像探测器接收。调整激光测距模块出射光线的角度，使图像探测器上接收的光斑与之前记录下来的十字丝的位置重合。

将激光测距模块的位置固定，用位置敏感器件替换图像探测器和成像镜头，并且使其敏感面垂直于测量光束。替换完成后，记录下此时位置敏感元件上光斑中心的坐标，这一位置就是瞄准过程中的参考坐标。至此，角锥棱镜光学顶点瞄准装置的装调全部完成。

2.3 角锥棱镜光学顶点瞄准

装调完成后，在实际瞄准过程中，将测量支路反射镜的位置放置角锥棱镜，如果测量光斑中心与参考坐标位置一致，则此时瞄准角锥棱镜光学顶点。反之，未瞄准光学顶点，需要调节三维平台，使其重合，从而完成角锥棱镜光学顶点瞄准。同时，激光测距装置还可以精确测量与角锥棱镜顶点之间的距离，从而得到角锥棱镜顶点的空间坐标。瞄准位置如图5所示。

图5 瞄准位置示意图Fig.5 Schematic diagram of aiming position

由于系统采用相对测量手段，因此器件本身的误差并不影响系统测量精度。由测量支路反射镜调整产生的角度误差Δθ为

(2)

式中：Δx——CCD光斑质心提取误差；f——成像镜头的焦距(适当选择长焦镜头、高分辨率图像探测器有助于减小误差)。

3 角锥长度标准器长度测量不确定度评定

3.1 测量模型与不确定度传播公式3.1.1 测量模型

l=L1-L0

(3)

式中：l——被检球杆长度值；L1——激光干涉仪终测点读数值(该读数已经考虑阿贝误差及环境参数补偿)；L0——激光干涉仪起测点读数值(该读数已经考虑阿贝误差及环境参数补偿)。

3.1.2不确定度传播公式

(4)

则合成标准不确定度uc为

(5)

式中：c1——灵敏系数，c1=1;c2——灵敏系数，c2=-1。

3.2 测量不确定度来源

(1)测量重复性引入的标准不确定度分量u1；

(2)检定装置引入的标准不确定度分量u2；

(3)标准器温度引入的不确定度分量u3；

(4)标准器材料线膨胀系数引入的不确定度分量u4。

3.3 标准不确定度分量3.3.1 测量重复性引入的标准不确定度分量u1

u1采用标准不确定度A类评定方法评定，在重复性测量条件下，对规格分别为500mm、1000mm、1500mm和2000mm角锥长度标准器进行10次重复性瞄准测量，得到实验标准偏差，重复性引入的标准不确定度[7]分量见表1，重复性测量数据见表2。

表1 角锥长度标准器测量重复性Tab.1 Measuring repeatability of corner cube length standard序号规格(mm)标准不确定度(μm)15000.9210000.9315001.0420001.2

表2 角锥长度标准器长度测量重复性测试数据Tab.2 Experimental data of measuring repeatability of corner cube length standard标称长度L (mm)测量序号 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测量重复性(μm)0.90.91.01.2

3.3.2检定装置引入的标准不确定度分量u2

根据校准证书，检定装置测量不确定度U为(0.2+0.2×10-6L)μm，k=2。由此引入的标准不确定度分量可用B类评定方法按公式(6)计算。

(6)

u2=(0.1+0.1×10-6L)μm

3.3.3标准器温度引入的不确定度分量u3

(7)

3.3.4 标准器材料线膨胀系数引入的不确定度分量u4

(8)

3.3.5合成标准不确定度uc(l)

各不确定度分量相互独立不相关，因此合成标准不确定度[8]uc(l)为

(9)

代入表2中数据，uc500(l)=0.9μm，uc1000(l)=0.9μm，uc1500(l)=1.0μm，uc2000(l)=1.3μm。

3.4 扩展不确定度U(l)

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

(10)

式中：k——包含因子。

代入上式数据，U500(l)=1.8μm，U1000(l)=1.8μm，U1500(l)=2.0μm，U2000(l)=2.6μm。

3 结束语

根据角锥棱镜的光学结构特点，提出了一种角锥棱镜光学顶点直接瞄准方法，并研制了相应的瞄准装置和快速调整机构，用于角锥长度标准器两端角锥棱镜光学中心的快速精确瞄准。设计搭建了三支路激光干涉测长装置，通过消除阿贝误差产生的测量误差，提高角锥长度标准器长度测量的准确度。并进行了定距角锥棱镜标准器长度测量不确定度评定，可以满足角锥长度标准器校准的要求。该校准方法可有效提高角锥棱镜长度标准器的校准准确度，确保激光跟踪仪等高精度几何量测量仪器的测量准确性。