板式空心角锥棱镜的研制

孙方金 王 蕾 孟庆生 张忠武

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

板式空心角锥棱镜的研制

孙方金 王 蕾 孟庆生 张忠武

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

在远距离测量、特别是距离达到一公里左右时，角锥棱镜几乎是唯一可行的反射器件。远距离测量的需求是增大角锥棱镜的通光口径，以便于捕捉目标，并增大反射光的能量。常用的整体式角锥棱镜，以及国外的柱式空心角锥棱镜，随着通光口径的增大，都会显著增加棱镜的体积与重量，造成使用不便与工艺困难。解决办法是采用板式结构，经试验，通光口径为80mm的板式空心角锥棱镜，工作距离可达一公里以上，出射光对入射光的平行度达角秒级，体积与重量在可以接受的范围内，而且可以降低工艺难度。

角锥棱镜 空心 板式结构

1 引 言

角锥棱镜是一种常用、重要的反射器件，其基本特性为：出射光线与入射光线平行[1]。因此角锥棱镜宜用于“测距”和“跟踪”，是测距仪、全站仪、跟踪仪等精密仪器的配套附件。

在发散光路中，反射光束的主光线随棱镜的线位移而产生角度变化，因此可用“重合法”把自准直仪器的分划线中心与角锥棱镜的顶点对准[1]，从而能用于远距离测量时的对准与跟踪。为减少光能损耗，常用光斑大于棱镜通光口径的“准平行光”。

角锥棱镜由“整体式”向“分体式”发展。整体式角锥棱镜用整块玻璃制成；分体式角锥棱镜则以三块带有反射面的光学件胶合而成，使得光路的介质全为空气，不存在空气与玻璃的转变，消除了光束在玻璃中的能量损耗，常称为“空心角锥棱镜”。

国外的空心角锥棱镜常采用“柱式”结构，胶合后的外形为圆柱体，见图1(图中所示1、2、3面为反射面)，这种结构具有良好的刚度，为避免棱镜的重量过大，通光口径一般较小。

为适应远距离测量的特点[2]，需增大角锥棱镜的通光口径，以便于捕捉目标，增大反射光能量，改善目视对准时的成像清晰度，提高光电对准时的光能，并减轻棱镜的重量，为此特提出采用“板式”结构，并研制成功了“板式空心角锥棱镜”。

2 板式空心角锥棱镜的结构

板式空心角锥棱镜的结构见图2(图中所示为角锥棱镜的背面)：由三块直角三角形的反射玻璃板组成，每块板上有一个反射面上镀全反射膜与保护膜；三块玻璃板的相邻侧面，胶合同样材料制造的直角玻璃镶条，把三块玻璃板连成一个刚性整体，并保持相邻反射面的垂直度。若角锥棱镜的通光口径较大，每对相邻侧面可胶合两个或更多的镶条，并尽量增大头、尾两镶条间的距离；若角锥棱镜通光口径较小，可胶合一块与侧面接近等长的镶条。除反射面需为“镜面”外，全部光学零件的其余面均为粗糙度不大于1.6μm的研磨面。

玻璃板的厚度是关键参数，需特别注意应具有足够的刚度，否则在装调与检测时，会产生很多不稳定的现象。当角锥棱镜在常温环境条件使用时，可用K9光学玻璃；当用于高、低温环境条件时，需用微晶玻璃或石英玻璃；当需把角锥棱镜端面胶合在安装结构件上时，结构件材料宜用铟钢。

具有完整三角形玻璃板、通光口径为80mm的板式空心角锥棱镜见图5。图示是不拆卸调整夹具使用的结构，调整夹具的端面需研磨以保持平面度。以夹具端面上的螺孔固定，其特点是可保护棱镜。

但由于带着调整夹具使用，会显著增大角锥棱镜的体积与重量，当需减小时，可拆去调整夹具，将已胶合成型的角锥棱镜的三个54.74°端面研磨平，且必需研至同一平面，再胶合在安装结构件上。

3 工艺

3.1要求

板式空心角锥棱镜的总体要求是“出射光对入射光的平行度”，影响该平行度的主要因素是相邻反射面的垂直度，参阅图5，其关系式[2]如下

(1)

式中：α——出射光对入射光的平行度，脚码为出射光的工作区，如αb′为b′工作区出射光对入射光的平行度；n——玻璃的折射率，可取n=1.5；ε——相邻两反射面的垂直度，脚码为两反射面的序号，如ε1，2为第一反射面和第二反射面的垂直度。

由式(1)及图3可以看出：角锥棱镜共有a-a′，b-b′，c-c′三对、六个出射区；同一对的两个出射区，其出射光对入射光的平行度，大小相等，方向相反。因此，在平行光路中，出射光的平行度将变差。

由于式(1)比较复杂，为了掌握出射光平行度和相邻反射面垂直度大致的量值关系，假定三个相邻面垂直度相等，从而可把式(1)简化成下式[3]

α=4.9×ε

(2)

由式(2)可见，相邻面垂直度对出射光平行度的影响很大，如果出射光平行度要达到1″，那么三个相邻反射面垂直度都要达到0.2″。

板式空心角锥棱镜为“分体式”结构，具有分散工艺要求的作用，从而降低了工艺难度。整体式角锥棱镜，每个反射面研磨时，同一工序需达到平面度、粗糙度、与相邻反射面垂直度等三项要求，工艺难度相当大。而分体式结构，这三项要求是分散在不同工序完成的，在反射玻璃板零件光学加工时，保证反射面的平面度与粗糙度；在棱镜装调时，保证相邻反射面的垂直度。

3.2工装

板式空心角锥棱镜相邻反射面的垂直度是以调整的方法保证的，采用反射玻璃板的磁力吸附法，需用以下工装进行棱镜相邻反射面垂直度的调整与检测：

(1)每块反射玻璃板反射面的背面胶合三块永久磁铁O1，O2与O3(如图4所示)，以进行双向垂直度调整，分别以O1-O3为支点调整O2和以O2-O3为支点调整O1。

(2)制造调整夹具。夹具由三块直角三角形的钢板或铝板组成，与板式空心角锥棱镜的结构类似，但尺寸略大且不需保证几何准确度，其特点是玻璃板每块磁铁的对应位置均设有调整机构，见图6：夹具上调整螺塞的球面和永久磁铁相吸，把反射玻璃板吸附在夹具相应板的三个球面上。不动的两个调整螺塞球面作为支点，当转动第三个调整螺塞时，玻璃板随球面位移，从而绕两支点产生角度变化，以调整该方向的垂直度。

(3)调整夹具的安装与转位工装

相邻反射面垂直度的检测，以多齿分度台作为测量标准，检测时棱镜的安装位置需保持其中一个反射面处于水平状态，此时另两反射面为垂直状态，以进行该两反射面垂直度的检测。

安装与转位工装用于把调整夹具安装在多齿分度台的台面上，并可转至三个反射面分别处于水平状态，以测量相应的相邻面垂直度。依据角锥棱镜的尺寸及结构，工装可设计成固定式或可调式等结构。图7是通光口径16mm的小型棱镜，具安装板，板上有三个通过中心的安装孔，板的安装面经过精密研磨。工装采用固定式结构，通过连接板，固定于多齿分度台台面上，并需伸出一臂，上制对台面成54°44′角、经研磨且带螺孔的斜面，当把棱镜安装板与工装斜面贴住并固定后，相应的反射面即基本与台面平行，即水平位置。

3.3调整

棱镜相邻反射面垂直度的调整与检测用多齿分度台与光电自准直仪进行。相邻面垂直度共有三个，如三个反射面分别为1、2、3，则先调1-2面垂直度，这是单向垂直度；而调第3面时，需同时保征3-1与3-2面垂直度，是双向垂直度，且不能同时测出，需改变状态：把2面水平改为1面水平，因此难度较大。

由于反射玻璃板吸附在调整夹具上时，其位置是随机的，误差很大，开始时往往没有返回像，因此需用大测量范围的目视式平面度测量仪进行粗调，以便于捕捉目标。粗调要求共两项：两被测反射面对平板的垂直度(垂直角)；两被测反射面的垂直度(水平角)，这两项要求需反复调整，直至都达到角秒级准确度，再换用光电自准直仪，测量与调整相邻面垂直度。测量对平板垂直度时，先用具反光性能的90°标准块，如标准六面体，对好自准直仪零位。

调好单向垂直度后，胶合玻璃镶条，采用“光学结构胶”，其特点是低应力，低蠕变，低线胀系数，常温下固化缓慢。其中固化缓慢对调整垂直度非常重要，因为如果固化很快，一旦垂直度发生变化，要加热才能拆开，很容易破坏反射面的平面度，而缓慢固化，可不断监视垂直度，一旦发现变化，能及时调整。

胶完全固化，并复查单向垂直度合格后，进行最后一个反射面的双向垂直度调整，最后一面同样需进行粗调，测量双向垂直度合格后，胶合连接前两面的玻璃镶条，方法相同，但要反复转位，比较麻烦。

4 检测

角锥棱镜的性能指标是“出射光对入射光的平行度”，当前的主要检测方法有“当量平面度法”与“自准直像线宽法”两种。“当量平面度法”用激光平面度干涉仪检测，如果角锥棱镜的出射光与入射光完全平行，相当于没有误差的理想平面，否则就可由干涉带测出偏差。干涉法具有较高的灵敏度与准确度，但由于以角度误差表达，需引入角锥棱镜的通光口径，当通光口径较小时，测量误差将增大，且干涉仪是大型的固定设备，难以用于高、低温试验时的实时检测。“自准直像线宽法”[4]是应用了角锥棱镜每对工作区出射光平行度大小相等、极性相反的特点，从而形成两个自准直像，当平行度超过线宽时两像完全分开，一般情况下，虽不致分开，但会使线宽增粗，因此测量自准直像的线宽，即可测量出射光的平行度。这种方法测量参数是角度，与角锥棱镜的通光口径无关，不会因通光口径减小而增大测量误差；测量设备是面阵CCD自准直仪，是便携式仪器，可用于角锥棱镜的高、低温试验时的实时测量，但线宽截止点的合理选取，CCD细分作用难以充分发挥，影响了测量准确度的提高，尚待进一步研究。

表1所示为板式空心角锥棱镜试件的检测结果。通光口径为Ф80mm棱镜(实物见图4)，六个工作区出射光对入射光的平行度：最大为3.2″，最小为0.8″；经试验，其工作距离可大于1km。通光口径为Ф16mm的小型板式空心角锥棱镜，出射光的最大平行度为3.6″；经试验，其工作距离达1km以上。

表1 试件检测结果

板式空心角锥棱镜高、低温时的出射光平行度，试验时以起始温度20°C时的平行度为零，用自准直像线宽法，测量不同温度时的实时值，得到不同温度时的平行度变化量，试验结果见表2。

表2 两种棱镜高低温试验数据

板式空心角锥棱镜的红光反射率，测试结果为57.6%～60.2%。

5 结束语

采用反射件为“板式”结构的角锥棱镜，可以减小体积与重量，制成较大的通光口径，满足远距离测量的需求，达到较高的准确度，而且介质全部为空气，不存在空气与玻璃的转变，不存在玻璃中的光能损耗。

但是当前的工艺方法，工作效率很低，只能适应单件生产，当具一定产量时，需研究改进工艺方法，提高效率。棱镜的长期稳定性也有待进一步试验。当角锥棱镜需用于高、低温环境条件时，需从研究改进光学结构胶着手，改善角锥棱镜的高、低温性能。此外，还需研究改进角锥棱镜性能指标的检测方法与检测设备，提高测量准确度，拓宽应用面。

[1] 孙方金，王姜婷，张玉龙等.定向原理与方位角的传递[M].北京：中国宇航出版社，2014.

[2] 商秋芳，张俊杰，赵功伟等.准平行光远距离动态重合度的自准直测量方法研究[J].宇航计测技术，2014(2)：6～8.

[3] 何勇.锥体棱镜的测试[J].实用测试技术，1997(3)：26～29.

[4] 张俊杰，王震，李政阳.光学平行度的自准直象线宽测量法[J].红外与激光工程，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

孙方金(1934-)，男，研究员，主要研究方向：角度计量测试技术与仪器。

1000-7202(2017) 04-0007-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.02

P224.1

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