采用光學(xué)放大提高光電自準(zhǔn)直儀的分辨力

張俊杰,李政陽,葉聲華

1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072;2.北京航天計量測試技術(shù)研究所,北京 100076

精密光機工程的發(fā)展對測角精度要求越來越高[1-5],因此對光電自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)確度的要求也越來越高[6-8],而要提高自準(zhǔn)直儀的準(zhǔn)確度,首先要提高分辨力[9-12]。采用在自準(zhǔn)直光路中增加光學(xué)放大環(huán)節(jié)的方法能大幅度提高分辨力,自準(zhǔn)直儀的外形尺寸又不顯著增加,而且對靜態(tài)和動態(tài)數(shù)字式的自準(zhǔn)直儀都能適用。

1 光學(xué)放大原理

按自準(zhǔn)直原理,CCD自準(zhǔn)直儀的分辨力為：

式中 Δα為自準(zhǔn)直儀的分辨力,單位為角秒,Δt為CCD相鄰像元的間距,單位為 mm,N為 CCD信號的軟件細分?jǐn)?shù),f′為準(zhǔn)直物鏡的焦距,單位為 mm,ρ″為轉(zhuǎn)換系數(shù),ρ=206 265。

要提高分辨力即減小 Δα,需提高自準(zhǔn)直像位移量的測量分辨力,包括減小 Δt和增大 N,或增大焦距 f′,但是減小 Δt受元件限制,增大 N會加劇示值跳動,增加 f′會使自準(zhǔn)直儀長度增大,因此提高的幅度都不大。

把返回光形成的自準(zhǔn)直像先用顯微物鏡放大,再由 CCD轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｈ鐖D 1,O為自準(zhǔn)直像,也是顯微物鏡的物面,O′為 O經(jīng)顯微物鏡所成的像,當(dāng)自準(zhǔn)直像 O位移 t時,像 O′相應(yīng)的位移量為 t′,t′=kt,可測出的最小位移 d t為：

圖1 光學(xué)放大原理圖

式中 k為顯微物鏡的放大倍數(shù),v為物距,u為像距,即顯微物鏡把自準(zhǔn)直像的大小放大 k倍的同時把其位移量也放大了 k倍。代入式,加光學(xué)放大后分辨力公式為：

由式(3)可測出的最小角 Δα是式的 1/k倍,從而大幅度提高了分辨力。為便于分析,可看作 kf′為當(dāng)量焦距,增加光學(xué)放大后,相當(dāng)于準(zhǔn)直物鏡的焦距增大了 k倍。

2 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)見圖 2,由準(zhǔn)直光路與顯微物鏡放大光路兩部分組成,準(zhǔn)直物鏡為攝遠型物鏡,其像面與顯微物鏡的物面重合。顯微物鏡的孔徑光闌設(shè)置在后焦點處,構(gòu)成物方遠心光路以消減自準(zhǔn)直像離焦產(chǎn)生的誤差,并使顯微物鏡的入瞳與準(zhǔn)直物鏡的出瞳位置重合。放大光路采用折疊式設(shè)計以縮小系統(tǒng)的軸向尺寸。光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)見表 1。

表1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

整個光學(xué)系統(tǒng)像差的點列圖見圖 3,傳遞函數(shù)圖見圖 4,已接近衍射極限,全系統(tǒng)的畸變小于0.01%,曲線見圖 5。

圖3 系統(tǒng)點列圖

圖4 傳遞函數(shù)圖

圖5 畸變曲線圖

CCD像元間隔 Δt=0.008mm,軟件細分?jǐn)?shù) N=32,物鏡焦距 f′=1 100mm,顯微物鏡光學(xué)放大倍數(shù)k=20,則最小顯示值為

3 實驗效果

研制的樣機最小顯示值為 0.001″,包含示值跳動量在內(nèi),分辨力 ＜0.005″,用臂長為 400 mm的正弦臂式激光小角度校準(zhǔn)裝置檢測結(jié)果,補償前的示值誤差在 ±50″全量程范圍內(nèi)為 +0.097″和-0.050″,表達了設(shè)計和工藝的質(zhì)量,補償后的示值誤差在 ±10″測量范圍內(nèi)為 +0.005″和 -0.007″,±50″全量程內(nèi)為 +0.019″和 -0.017″,說明了提高分辨力對提高準(zhǔn)確度的重要作用。

4 結(jié)論

在自準(zhǔn)直光路中,對返回光形成的自準(zhǔn)直像增加光學(xué)放大環(huán)節(jié),能有效地提高測角分辨力,使最小顯示值為 0.001″,從而保證了自準(zhǔn)直儀達到高準(zhǔn)確度,示值誤差在 ±10″測量范圍內(nèi)為 ±0.01″,±50″全量程為 ±0.02″。而且這種方法對靜態(tài)和動態(tài)數(shù)字式的自準(zhǔn)直儀都能選用。當(dāng)放大光路采取折疊式設(shè)計時,自準(zhǔn)直儀的長度尺寸可以不增加,僅增加寬度或高度尺寸,但是增加光學(xué)放大環(huán)節(jié)后,對同樣光敏面長度的線陣 CCD自準(zhǔn)直儀的測量范圍將相應(yīng)減少。

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