第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年4月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Apr. 2008
收稿日期：2008-03-20
作者简介：杨文志（1977-），男，四川达县人，硕士生，主要从事总检、部检及精密测试工作。Email:ywzywz973131@ 导师简介：吴时彬（1963-），男，四川成都人，硕士生导师，研究员，研究方向为光学测量。Email:zkb@
激光平面度仪的研究
杨文志，景洪伟，曹学东，吴时彬
（中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209）
摘要：针对大型环形平面尤其是非连续平面（带孔、有槽、中间有凸台子、中间间断、异形平面）平面度的检测，研制了一种新型测量设备—激光平面度仪。该仪器采用了激器、五棱镜与转台组合产生基准平面，以PSD 作为探测器；通过测量被测点与基准面的高度差获取平面度数据。该仪器的测量不确度为4.6 µm 。
关键词：平面度； 非连续平面； 五棱镜； PSD
中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0144-03
Laser flatness instrument
YANG Wen-zhi, JING Hong-wei, CAO Xue-dong, WU Shi-bin
(Institute of Optics and Electronics ,Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China)
Abstract:The laser flatness instrument,a new flatness measurement device, is reported.This measurement device is very useful for the large annular planes especially non-continuous planes,for example planes with holes,planes with slots,planes with bosses,planes with intervals,odd-form planes.The standard plane is generated using laser,pentaprism and rotary table ,and the detector is PSD.The flatness information is got by measuring the discrepancies of the measuring points and standard plane.The measurement uncertainty of the device is 4.6 µm.
Key words: Flatness; Non-continuous planes; Pentaprism; PSD
0 引 言
中国科学院光电技术研究所大型零件平面度检测方法有电子水平仪-跨桥法、三点支承法（主要用
于圆环形平面）和三坐标测量法。前两种方法均只能检测连续平面，不能用于非连续平面（带孔、有槽、中间有凸台、中间间断、异形平面）检测。三坐标测量法是非连续平面平面度测量的最佳方法，而在中国科学院光电技术研究所研制的大型设备中，其大型工件远远超出了三坐标的测量范围。而目前我所对大型工件（尤其是对非连续平面）的需求不断增加，因此
开展了大平面、圆环和非连续平面的平面度测量方法研究，并研制了一种新型的测量装置即激光平面度仪。该仪器可解决大平面、圆环和非连续平面平面度测量难题。
1 工作原理
激光平面度仪是光电所最近研制的大型零件平面度误差在位检测装置，其原理如图1所示，激光器发出的光经反射镜反射后沿转台转轴方向射向五棱镜，经五棱镜折转后水平射出，由于五棱镜出射光始终与
增刊
杨文志等：激光平面度仪的研究 145
入射光垂直，所以旋转转台出射光形成的平面可以作为基准平面，在被测平面上放置位置探测器(PSD)便可测量出被测点相对于激光光束基准平面的高度差，经数据处理后便可得出被检面平面度误差[1-3]。
图1 激光平面度仪原理图
Fig.1 Principle of laser flatness instrument
PSD 位置测量原理图如图2所示。
图2 PSD 位置测量原理图 Fig.2 Principle of PSD measurement
光斑在PSD 光敏面向上移动时，I 1增加，I 2减少，I 1+I 2不变；反之，I 1减少，I 2增加，I 1+I 2亦不变；在另一个方向同样如此[4]。其电流与位移关系如下式：
3434
I I
X k I I −=×+ (1)
12
12
I I Y k I I −=×
+ (2) 式中：I 1、I 2、I 3、I 4为PSD 光敏表面受光照射后的输出电流；K 为比例系数。
PSD 光敏面受激光照射后，产生模拟信号经过两级放大后，进入采集卡进行A/D 转换。最后进入微机进行数据处理。运用两级放大是为了在激光平面度仪进行调平和检测时有两个档：精调和粗调[5-6]。
2 测量不确定度分析
激光入射光束与出射光束位置关系（见图1）。①转台角晃动：出射光方向在入射光线垂直面上作椭
圆旋转；②转台轴向、径向位移：出射光上下移动；
③入射光光束与转台转轴不平行：出射光始终与入射
光成90°；④激光光束偏心（相对于转台转轴）：出射光方向不变，上下移动。
下面以测量φ2.5 m 止推环的平面度为例，进行不确定度分析：
2.1 转台角晃动引起的不确定度分量u 1
转台角晃对光束的影响示意图如图3所示，根据
对五角棱镜的光路分析可知，转台绕X 轴晃动，出射光线只是绕Z
轴水平旋转和水平移动，对测量影响很小，可忽略；绕Y 轴的角晃对五角棱镜的出射光线
图3 转台角晃对光束的影响示意图 Fig.3 Rays in rotary table shaking
在Z 轴向上下移动，实验测得转台的角晃为 ：θ=2.0″（PV 值），依据经验假设该值以等概率落在区间内，即均匀分布。五棱镜的口径为：d =20 mm 。
1
2sin 0.2µm d U θ== (3)
2.2 转台径向晃动引起的不确定度分量u 2
转台的径向晃动：δ1=2.0 µm （PV 值），该值以等概率分布在区间内，服从均匀分布。
20.6µm U == (4)
2.3 转台轴向窜动引起的不确定度分量u 3 转台的轴向窜动：δ2=2.0 µm （PV 值），该值以等概率分布在区间内，服从均匀分布。
30.6µm U == (5)
2.4 PSD 位置误差引起的不确定度分量u 4
选用的PSD 的位置分辨率为0.2 µm ，光敏面：10 mm ×10 mm 。激光器距PSD 为1 250 mm ，测得PSD 的位置误差为u p =4.0 µm （PV 值）。该值以等概率分布在区间内，服从均匀分布。其标准不确定度为：
