OLED數(shù)字化對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)零位儀二次成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫美嬌，王勁松，袁仙丹，王琪，牛婷婷

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

OLED數(shù)字化對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)零位儀二次成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫美嬌，王勁松，袁仙丹，王琪，牛婷婷

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

采用大靶面、高像素?cái)?shù)OLED（8.4寸2560×1600）實(shí)現(xiàn)了瞄準(zhǔn)鏡零位走動(dòng)檢測的數(shù)字化對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)需求，OLED經(jīng)前置投影系統(tǒng)壓縮成像后再經(jīng)準(zhǔn)直物鏡形成無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，該目標(biāo)成像在被測瞄準(zhǔn)鏡的分劃板上，通過移動(dòng)OLED電子分劃來實(shí)現(xiàn)被測瞄準(zhǔn)鏡零位走動(dòng)的大測量范圍下的高分辨率檢測。前置投影系統(tǒng)和后續(xù)準(zhǔn)直系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)，利用ZEMAX軟件進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)MTF≥0.3@80lp/mm，點(diǎn)列圖彌散斑直徑控制在艾里斑以內(nèi)，達(dá)到衍射極限，系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，保證了測量范圍大于20mil，分辨率可達(dá)到0.015mil。

OLED；零位儀；二次成像；ZEMAX仿真；準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡在射擊震蕩前后瞄準(zhǔn)基線會(huì)產(chǎn)生偏移，造成目標(biāo)瞄準(zhǔn)精度下降。瞄準(zhǔn)基線變化量的檢測通常采用平行光管來模擬一個(gè)無窮遠(yuǎn)的基準(zhǔn)目標(biāo)，通過測量光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡分劃圖像前后相對(duì)變化量來實(shí)現(xiàn)零位檢測［1-3］。零位檢測系統(tǒng)的研究國內(nèi)外已有不少報(bào)道，國外以美國OPTIKOS公司和CI公司為代表，主要開發(fā)紅外系統(tǒng)和儀器檢測的紅外平行光管。國內(nèi)以長春理工大學(xué)和南京理工大學(xué)為主，長春理工大學(xué)梁妍、李光輝等人提出了采用玻璃平板補(bǔ)償讀數(shù)式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，研制出機(jī)械細(xì)分輔助分劃讀數(shù)的白光零位儀，測量范圍達(dá)到±10mil，分辨率達(dá)到0.01mil［4-5］。溫斌等人提出了采用離軸反射式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可見-紅外零位檢測，測量范圍± 10mil，測量精度達(dá)到0.7mil［6］。呂溥提出用CCD作為探測器實(shí)現(xiàn)高精度的零位檢測系統(tǒng)，測量精度不大于2.16″（即0.01mil），測量范圍不小于4320″（即20mil）［7］。劉洋提出OLED顯示屏應(yīng)用于檢測系統(tǒng)中作為電子分劃實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測量［8］。這些方法和系統(tǒng)雖然精度能夠滿足現(xiàn)在產(chǎn)品的使用要求，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高，均采用光學(xué)分劃，適用性不好?；贠LED的數(shù)字化電子分劃白光零位儀的研究，可以簡化前述復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高可靠性的同時(shí)，由于其分劃可程控改變，大大擴(kuò)展了其產(chǎn)品適用性，有一定的現(xiàn)實(shí)意義，但受OLED顯示屏分辨率限制，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)大測量范圍和高分辨率的測量要求，據(jù)此提出了二次成像方案，采用大靶面、高像素?cái)?shù)OLED經(jīng)前置投影系統(tǒng)壓縮成像后再準(zhǔn)直二次成像來實(shí)現(xiàn)大測量范圍下的高分辨率檢測。為OLED應(yīng)用于數(shù)字化對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)的白光零位檢測系統(tǒng)的研究提供了新的解決方案。

1 系統(tǒng)檢測原理及方案

1.1 設(shè)計(jì)需求分析

考慮目前絕大多數(shù)產(chǎn)品的零位變化范圍在幾個(gè)mil，精度要求在0.1mil以內(nèi)，因此確定系統(tǒng)的測量范圍大于20mil，測量分辨率0.015mil。

1.2 系統(tǒng)檢測原理

基于OLED的數(shù)字化白光零位儀檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)及放置在其焦平面上的OLED顯示屏構(gòu)成平行光管來模擬無窮遠(yuǎn)電子分劃靶標(biāo)，即通過間接測量被測瞄準(zhǔn)鏡使用前后，光管模擬的無窮遠(yuǎn)靶標(biāo)圖像在瞄具瞄準(zhǔn)鏡分劃板上所成像的偏離量，來檢測瞄具的零位變化量。當(dāng)被測瞄準(zhǔn)鏡有零位走動(dòng)時(shí)，電子分劃像與分劃板刻線將不重合，通過上位機(jī)編程控制OLED電子分劃移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分劃圖像的對(duì)準(zhǔn)，則OLED電子分劃所走過的移動(dòng)量對(duì)準(zhǔn)直物鏡的張角，即為檢測系統(tǒng)測得的被測瞄具的零位走動(dòng)量，通過計(jì)數(shù)電子分劃移動(dòng)的像素?cái)?shù)，來實(shí)現(xiàn)被測瞄具的瞄準(zhǔn)基線變化量的間接檢測。

1.3 檢測系統(tǒng)方案

由OLED直接準(zhǔn)直成像方案受市面上現(xiàn)有OLED顯示屏分辨率的限制，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)測量范圍和分辨率的檢測需求，考慮二次成像方案，如圖2所示。利用大的靶面、高像素?cái)?shù)的OLED，通過前置投影系統(tǒng)壓縮成像于準(zhǔn)直物鏡系統(tǒng)的焦平面處，再經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡二次成像實(shí)現(xiàn)無窮遠(yuǎn)電子分劃靶標(biāo)的模擬。投影系統(tǒng)及準(zhǔn)直物鏡系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)，共同構(gòu)成平行光管來模擬無窮遠(yuǎn)電子分劃靶標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化零位檢測。

圖2 投影二次成像檢測方案

2 OLED選型及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

2.1OLED選型

目前市面上常見的OLED顯示屏大都為128× 64、256×64、320×240等像素?cái)?shù)較低，多用于顯示牌、卡尺等字符串?dāng)?shù)字顯示，達(dá)不到指標(biāo)要求；而工業(yè)用OLED如0.6寸（1240×1024）又無法同時(shí)保證測量范圍和分辨率的需求。采用大的靶面、高像素?cái)?shù)的OLED顯示屏，優(yōu)先考慮保證足夠大的測量范圍，再經(jīng)投影系統(tǒng)成像后進(jìn)行二次準(zhǔn)直成像，實(shí)現(xiàn)高分辨率。綜合考慮設(shè)計(jì)選定軍用OL084DZ_03WN型號(hào)的OLED顯示屏8.4寸（2560×1600），靶面尺寸為219×128.5mm、像元尺寸80μm。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

（1）準(zhǔn)直物鏡參數(shù)計(jì)算

常見光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的放大倍率為2×-10×，軍用目視儀器人眼入瞳取6mm，為適用不同放大倍率瞄準(zhǔn)鏡的檢測，取前方準(zhǔn)直物鏡入瞳D0=60mm。

由OLED基本參數(shù)尺寸及系統(tǒng)指標(biāo)要求，二者共同限定準(zhǔn)直物鏡的焦距 f′和前置投影系統(tǒng)的放大倍率β等參數(shù)。如圖3所示，顯示屏的一次像與物鏡焦距 f′構(gòu)成兩個(gè)相互制約的三角函數(shù)關(guān)系，一次像靶面尺寸2y′決定系統(tǒng)的測量范圍2ω，一次像像元尺寸q決定系統(tǒng)的分辨率即極限分辨角ε，則準(zhǔn)直物鏡焦距由公式（1）和（2）決定。

（a）測量范圍要求20mil：（即ω=0.6°）時(shí)，有

（b）分辨率要求0.015mil：（即ε=0.0009°）時(shí)，有

即準(zhǔn)直物鏡的焦距 f′應(yīng)滿足：

圖3 參數(shù)計(jì)算關(guān)系

考慮相對(duì)孔徑D/f′對(duì)系統(tǒng)像面照度的影響及彌散斑直徑對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化難易程度的限制，計(jì)算選定q=8μm，即系統(tǒng)彌散斑直徑要求小于8μm，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，y′=6.4mm滿足系統(tǒng)視場要求，即系統(tǒng)焦距要求565.88mm≤f′≤679.04mm，這里選定系統(tǒng)焦距 f′=600mm，分辨率達(dá)到0.014mil，對(duì)應(yīng)的視場角為2ω=1.36°，即測量范圍為±11.33mil，其相對(duì)孔徑D/f′=1/10，滿足光管的設(shè)計(jì)要求。

準(zhǔn)直物鏡參數(shù)要求為：焦距 f′=600mm，入瞳口徑D0=60mm，視場角2ω=1.36°

（2）投影物鏡系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

由OLED選型可確定前置投影物鏡物方的視場2y=128.5mm，像方分辨率（最小分辨尺寸）8μm，放大倍率β=-0.1×。投影物鏡的焦距與視場相互制約，F(xiàn)數(shù)由像彌散斑直徑要求確定。由衍射原理知艾里斑直徑d滿足公式（4）。

要求F≤5.96，這里設(shè)計(jì)取F=5.9。

由焦距 f′、工作距離l、視場角ω及放大率β之間滿足的關(guān)系為

平衡參數(shù)之間的關(guān)系，這里取工作距離l= 500mm，焦距f′=61.73mm。

投影物鏡參數(shù)為：物方的線視場2y=128.5mm，放大倍率β=-0.1×，F(xiàn)=5.9，工作距離為l=500mm，f′=61.73mm，分辨率（最小分辨尺寸）8μm。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 準(zhǔn)直物鏡的設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直物鏡成像質(zhì)量對(duì)測量產(chǎn)生直接影響，畸變、像散和場曲等像差是影響測量的主要因素。常采用雙膠合的結(jié)構(gòu)形式，但系統(tǒng)焦距過大導(dǎo)致系統(tǒng)過長，最終采用攝遠(yuǎn)物鏡結(jié)構(gòu)形式。采用兩個(gè)雙膠合的結(jié)構(gòu)，前后兩組透鏡的像差可以相互補(bǔ)償，使畸變場曲等像差得到很好地校正，從而獲得了較好的成像質(zhì)量。其設(shè)計(jì)結(jié)果及像差曲線如圖4、圖5所示。

圖4 準(zhǔn)直物鏡二維結(jié)構(gòu)圖

圖5 準(zhǔn)直物鏡成像質(zhì)量分析圖

設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直物鏡焦距 f′=599.89mm，入瞳口徑D0=60mm，視場角2ω=1.36°，筒長在400mm以內(nèi)，基本達(dá)到衍射極限要求，MTF≥0.3@80lp/mm，點(diǎn)列圖直徑小于8μm在艾里斑以內(nèi)，波像差達(dá)到0.5λ，畸變達(dá)到0.002%，像質(zhì)良好，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 投影物鏡的設(shè)計(jì)

前置投影物鏡對(duì)OLED顯示屏一次放大成像，通過其像來實(shí)現(xiàn)最終測量的分辨率要求，系統(tǒng)采用李斯特放大物鏡設(shè)計(jì)，兩個(gè)雙膠合物鏡結(jié)合形式可以做到像差很好地校正，其設(shè)計(jì)結(jié)果的像差曲線如圖6、圖7所示。

設(shè)計(jì)的投影物鏡物方的線視場2y=128.5mm，放大倍率β=-0.099×，F(xiàn)=5.88，工作距離為l=550mm，f′=67.9mm，分辨率（最小分辨尺寸）8μm。基本達(dá)到衍射極限，點(diǎn)列圖直徑小于8μm在艾里斑以內(nèi)，波像差0.5λ，畸變小于0.02%，像質(zhì)良好，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6 投影物鏡二維結(jié)構(gòu)圖

圖7 投影物鏡成像質(zhì)量分析圖

4 結(jié)論

針對(duì)8.4寸（2560×1600）OLED顯示屏設(shè)計(jì)了零位儀二次成像光學(xué)系統(tǒng)，可以達(dá)到20mil測量范圍和0.015mil分辨率的檢測需求。在現(xiàn)有OLED顯示屏無法做到大靶面、小像元尺寸的情況下，解決了瞄準(zhǔn)鏡零位走動(dòng)的大測量范圍和高分辨率同時(shí)檢測問題。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測量，可以采用遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)［9-10］，遠(yuǎn)心光路可以保證恒定放大倍率的同時(shí)做到大的景深，以減小系統(tǒng)裝調(diào)誤差對(duì)測量精度的影響。

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Design of Secondary Imaging Optical System for Digitized Alignment Readout Zero Testing Instrument Based on OLED

SUN Meijiao，WANG Jinsong，YUAN Xiandan，WANG Qi，NIU Tingting
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，OLED with large target surface and high pixel（8.4 inches，2560×1600） is used and the requirement of digitized alignment readout for zero-shift detection is realized.The OLED is imaged through the projection system and then is dealt with the collimation lens as the formation of infinity objective.The target is imaged on the reticle of the measured sighting telescope.By moving the OLED electronic division，high resolution detection under the large range measurement is achieved. The pre-projection system and the subsequent collimation system are designed separately.The ZEMAX software is used to simu?late.The MTF of the designed system is more than 0.3@80lp/mm，and the diameter of dispersion spot in the spot diagram is con?trolled within the Airy disk.The diffraction limit is reached and the imaging quality is good.The wide measurement range of more than 20mil can be achieved and the resolution with 0.015mil can be reached in the designed system.

OLED；zero testing instruments；secondary image；ZEMAX simulation；collimation optical system design

TH745

A

1672-9870（2017）02-0046-04

2016-12-14

孫美嬌（1992-），女，碩士研究生，E-mail：18704498812@163.com

王勁松（1973-），男，博士，副教授，E-mail：oldier_1973@163.com