激光自準(zhǔn)直儀小型化光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

杜娟，鄭喆，2，王世鋒，閆鈺鋒

（1.長春理工大學(xué)，長春　130022；2.63861部隊，白城　137000）

激光自準(zhǔn)直儀小型化光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

杜娟1，鄭喆1，2，王世鋒1，閆鈺鋒1

（1.長春理工大學(xué)，長春130022；2.63861部隊，白城137000）

增加自準(zhǔn)直儀物鏡焦距可提高儀器精度，但儀器長度也會隨之增加。為實現(xiàn)激光自準(zhǔn)直儀小型化，本文利用攝遠(yuǎn)物鏡的實際長度小于焦距的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了焦距為450mm的激光自準(zhǔn)直儀攝遠(yuǎn)物鏡，像差分析表明系統(tǒng)傳函接近衍射極限，點列圖中光斑遠(yuǎn)小于艾里斑；光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計后，系統(tǒng)包括激光光源在內(nèi)的軸向尺寸僅為295mm，在滿足激光自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)要求的條件下，有效減小了儀器系體積。

激光自準(zhǔn)直儀；小型化設(shè)計；攝遠(yuǎn)物鏡

自準(zhǔn)直儀廣泛應(yīng)用于小角度測量領(lǐng)域，對傳統(tǒng)自準(zhǔn)直技術(shù)的升級，采用如LED、激光為光源和CCD、PSD為接收器件的光電自準(zhǔn)直儀是目前研究的主要方向。光電自準(zhǔn)直技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷史，在測量分辨力、測量精度、穩(wěn)定性等方面均有較大進(jìn)展。但僅對激光為光源的光電自準(zhǔn)直儀而言，目前仍以德國、美國等生產(chǎn)的儀器為高水平代表，其測量不確定度可達(dá)±0.01″/10″，國內(nèi)在激光自準(zhǔn)直技術(shù)研究及其產(chǎn)品開發(fā)中精度指標(biāo)及穩(wěn)定性、產(chǎn)品體積及便攜性均處于劣勢，激光自準(zhǔn)直儀的市場化受到極大制約［1］。

本文以激光為光源的光電自準(zhǔn)直儀為研究對象，主要針對使其小型化的光學(xué)設(shè)計及光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1　自準(zhǔn)直原理分析

如圖1（a）所示，將反射鏡垂直放置于系統(tǒng)的光軸，根據(jù)平面鏡反射原理，射向平面鏡的反射光線將于原路返回，并且交于O點。圖1（b）中，反射鏡偏轉(zhuǎn)一個角度，則反射光線偏轉(zhuǎn)2ω。進(jìn)入物鏡后成像在O'點，出射光線與回射光軸的夾角也是2ω。物鏡的像方焦距為 f′，從兩光軸與OO'形成的直角三角形可以看出，OO'=tan（2ω）·f′，像點偏轉(zhuǎn)距離為OO'=Δs，則Δs與反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系：

因2ω為小角度，傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀測量技術(shù)中取tan（2ω）≈2ω，式（1）可以寫成：

圖1　自準(zhǔn)直原理

由公式（2）可得：

式中：ω為反射鏡（或被側(cè)目標(biāo)）偏轉(zhuǎn)角度；Δs為自準(zhǔn)直儀光源像點在焦平面上的偏轉(zhuǎn)距離；f′為自準(zhǔn)直儀的物鏡焦距［2］。

由公式（3）可得出，在光電自準(zhǔn)直儀中，若提高自準(zhǔn)直儀的精度，就是要使ω值盡量小，其途徑有兩種，增大系統(tǒng)焦距和減小探測器件的像元間距，從目前探測器件的像元間距角度出發(fā)，受探測器件的制約較大，因此加大物鏡的焦距是普遍采用的方法，但由于加大系統(tǒng)焦距后，系統(tǒng)的體積會增大，對儀器的小型化和便攜性能造成影響，為解決這一矛盾，本文提出了將攝遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于光電自準(zhǔn)直儀的技術(shù)方法。

2　基于攝遠(yuǎn)物鏡的激光自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1攝遠(yuǎn)物鏡的特點

物鏡是激光自準(zhǔn)直儀的基礎(chǔ)部件，其成像質(zhì)量和焦距、視場等參數(shù)對系統(tǒng)的測量范圍和測量精度都會帶來較大影響。本文研究的激光自準(zhǔn)直儀物鏡采用攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的形式，如圖2所示，H′為系統(tǒng)的像方主點，F(xiàn)1′、F2′分別為正負(fù)透鏡的像方焦點，F(xiàn)′為攝遠(yuǎn)系統(tǒng)的像方焦點，f1′、f2′、f′分別為正透鏡、負(fù)透鏡和攝遠(yuǎn)系統(tǒng)的像方焦距，由圖中可看出攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)總長L小于系統(tǒng)焦距 f′，一般為2/3 到3/4之間。攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)由正負(fù)分離結(jié)構(gòu)構(gòu)成，設(shè)計時若同時包含雙膠合透鏡，亦可以校正軸上點的球差；同時，若把攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)簡化為前正后負(fù)的形式，通過合理選取場曲系數(shù)可以消場曲［3，4］；由于系統(tǒng)采用650nm的激光光源，可不考慮色差的影響。上述像差的校正可以為系統(tǒng)帶來較好的成像質(zhì)量，使儀器的測量精度可以得到提高。

圖2　攝遠(yuǎn)物鏡簡圖

2.2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

本文的初始結(jié)構(gòu)選自《光學(xué)設(shè)計手冊》，其初始參數(shù)為：f′=288.11mm，D′/f′=1∶6.4，2ω=1.3°，。把選取的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入ZEMAX軟件之后，進(jìn)行450mm的焦距轉(zhuǎn)換，光源的波長為650nm，得到的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過優(yōu)化、樣板匹配并加入分光棱鏡后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其參數(shù)如表1所示。

圖3　系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

表1　光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)

反射鏡在物鏡前30mm放置時的MTF曲線和點列圖如圖5所示。

圖5　反射鏡與準(zhǔn)直物鏡距離30mm的MTF曲線和點列圖

反射鏡在物鏡前1500mm時的MTF曲線和點列如圖6所示。

圖6　反射鏡與準(zhǔn)直物鏡距離1500mm的MTF和點列圖

由圖5和圖6結(jié)果可以看出，在1500mm時，系統(tǒng)的MTF略有下降，但不是很明顯，兩組模擬中系統(tǒng)的傳函均接近了衍射極限，點列圖中光斑遠(yuǎn)小于艾里斑，表明系統(tǒng)在近點和遠(yuǎn)點工作范圍內(nèi)具有較好的像質(zhì)，但同時也可以看到，系統(tǒng)隨反射鏡與物鏡距離的加大，其成像質(zhì)量也會有所下降，因此在實際使用過程中，當(dāng)距離較大時系統(tǒng)精度會有所下降。

2.3透鏡曲率公差及位置公差分配

ZEMAX軟件中可通過靈敏度法、反靈敏度法、蒙地卡羅法三種方法進(jìn)行公差分析。本文選用反靈敏度法，由于系統(tǒng)的MTF接近衍射極限，所以選MTF曲線作為判定標(biāo)準(zhǔn)。將在經(jīng)濟(jì)精度條件下光學(xué)零件、機(jī)械零件加工的公差值賦予光學(xué)系統(tǒng)，作為光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)零件的面型誤差，零件間沿著軸向和徑向的位置誤差。在ZEMAX中，引入該誤差對系統(tǒng)進(jìn)行分析，反射鏡距離測量最大距離1.5m時，公差分配如表2所示。

表2　公差值設(shè)定數(shù)據(jù)表

依據(jù)表2數(shù)據(jù)，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)位置，通過ZEMAX分析得到的MTF分析結(jié)果截取后列表如表3所示，結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)的截止頻率為50lp/mm時，MTF對應(yīng)的名義值為0.611，最佳值為0.606，最差值為0.481，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.037。即截止頻率為50lp/ mm時，鏡頭的MTF值均大于0.48。

經(jīng)過分析結(jié)果，90%的蒙特卡羅分析MTF大于0.485，50%的蒙特卡羅析MTF大于0.548，10%的蒙特卡羅分析MTF大于0.603。

表3　引入公差后系統(tǒng)MTF分析結(jié)果

上述分析可以表明，光學(xué)系統(tǒng)中單個光學(xué)零件曲率誤差控制在0.015mm，透鏡間間隔與同軸度偏差控制在0.015mm以內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)可完全滿足CCD接收系統(tǒng)的空間頻率要求，而上述偏差在目前的光學(xué)和機(jī)械加工領(lǐng)域均為經(jīng)濟(jì)公差［6］。

3　光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

將物鏡、棱鏡座與底座相連接，最后完成的整體裝配圖及三維圖如圖7所示。系統(tǒng)物鏡焦距為450mm，設(shè)計完成后鏡筒并含激光光源部分總長為295mm，與傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀相比有效減小了儀器體積。

圖7　整體結(jié)構(gòu)圖

鏡筒設(shè)計成可拆式的結(jié)構(gòu)，分成鏡筒1和鏡筒2兩部分，鏡筒1和2之間有隔圈1，通過修正隔圈的厚度可以改變前后鏡組的間隔，實現(xiàn)系統(tǒng)焦距的調(diào)整。在實際的校準(zhǔn)測試中，焦距是參與角度計算的系數(shù)之一，如公式（3），通過改變焦距值可對系統(tǒng)綜合誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)對測量的角度值示值誤差的修正［8］，理論分析表明通過改變前后分離式鏡組結(jié)構(gòu)的間距，即增加0.0625mm可修正儀器示值誤差-0.5″，減小0.0625mm，可修正儀器示值誤差+ 0.5″。鏡筒2與棱鏡座之間用隔圈2相連，通過修隔圈的厚度改變棱鏡的中心與前組透鏡的間隔，亦可調(diào)整像點的中心位置。

4　結(jié)論

將攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于激光自準(zhǔn)直儀的物鏡光學(xué)系統(tǒng)，在保證自準(zhǔn)直儀精度的前提下，可有效減小光學(xué)系統(tǒng)筒長。本文設(shè)計的焦距為450mm的自準(zhǔn)直儀物鏡，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)在內(nèi)可做到軸向尺寸僅為295mm，其像質(zhì)能滿足自準(zhǔn)直測量要求，通過可調(diào)整光學(xué)間隔的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，亦可對透鏡面型誤差進(jìn)行補(bǔ)償，在自準(zhǔn)直儀裝調(diào)和標(biāo)定過程中進(jìn)行綜合誤差補(bǔ)償，有利于提高激光自準(zhǔn)直儀的精度。本文在研究過程中對環(huán)境溫度的變化、震動、空氣抖動等外界因素的影響未進(jìn)行分析，在精度等級較高的情況下本系統(tǒng)是否應(yīng)加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)尚需進(jìn)一步研究。

［1］ 陳穎，張學(xué)典.自準(zhǔn)直儀的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.光機(jī)電信息，2011，28（1）：6-9.

［2］ Wei Y，Wu Y，Xiao M，et al.Optical system design of dual-spectrum autocollimator［C］.Applied Optics and Photonics，China，Beijing，2015.

［3］ 張欣婷.高精度光電自準(zhǔn)直儀的研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2010.

［4］ 劉瑩瑩.紅外無熱化攝遠(yuǎn)物鏡設(shè)計與檢測［D］.長春：長春理工大學(xué)，2014.

［5］ 李士賢，李林.光學(xué)設(shè)計手冊（修訂版）［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

［6］ 曲興華，儀器制造技術(shù)（第二版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

Design of Optical and Mechanical Structure for Compact Laser Autocollimator

DU Juan1，ZHENG Zhe1，2，WANG Shifeng1，YAN Yufeng1
（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.63861 unit of PLA，Baicheng 137000）

It can be concluded that the precision of autocollimator will be improved with the focal length increase of Lens Negatively；the dimension of the instrument will get larger too.A 450mm telephoto lens is designed for getting a kind of compact autocollimator，it applied the feature that its shape size shorter than the focal length.Aberration analysis indicates that the MTF close to the diffraction limit，the spot in the spot diagram is much smaller than the Airy disk；the total length of the telephoto lens is only 295mm by the design of the optical machine structure optimization. The autocollimator’ dimension get compact obviously under the condition of the image quality is guaranteed.

laser autocollimator；design of compact；telephoto lens

TH74

A

1672-9870（2015）06-0001-04

2015-08-03

吉林省科技廳自然科學(xué)基金（20150101047JC）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目（13dz2260100）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2014CB744200）；上海市深空探測技術(shù)重點實驗室開放課題資助項目（DS201507-001，DS201509-002）

杜娟（1974-），女，碩士，助理研究員，E-mail：dj@cust.edu.cn

閆鈺鋒（1978-），男，副教授，E-mail：yan.851@outlook.com