激光自準直儀小型化光機結構設計

杜娟，鄭喆，2，王世鋒，閆鈺鋒

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

激光自準直儀小型化光機結構設計

杜娟1，鄭喆1，2，王世鋒1，閆鈺鋒1

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

增加自準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)激光自準直儀小型化，本文利用攝遠物鏡的實際長度小于焦距的結構特點，設計了焦距為450mm的激光自準直儀攝遠物鏡，像差分析表明系統(tǒng)傳函接近衍射極限，點列圖中光斑遠小于艾里斑；光機結構設計后，系統(tǒng)包括激光光源在內的軸向尺寸僅為295mm，在滿足激光自準直儀光學系統(tǒng)像質要求的條件下，有效減小了儀器系體積。

激光自準直儀；小型化設計；攝遠物鏡

自準直儀廣泛應用于小角度測量領域，對傳統(tǒng)自準直技術的升級，采用如LED、激光為光源和CCD、PSD為接收器件的光電自準直儀是目前研究的主要方向。光電自準直技術經歷了幾十年的發(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展。但僅對激光為光源的光電自準直儀而言，目前仍以德國、美國等生產的儀器為高水平代表，其測量不確定度可達±0.01″/10″，國內在激光自準直技術研究及其產品開發(fā)中精度指標及穩(wěn)定性、產品體積及便攜性均處于劣勢，激光自準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直儀為研究對象，主要針對使其小型化的光學設計及光機結構進行優(yōu)化設計。

1　自準直原理分析

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，反射鏡偏轉一個角度，則反射光線偏轉2ω。進入物鏡后成像在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′，像點偏轉距離為OO'=Δs，則Δs與反射鏡偏轉角度的關系：

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

圖1　自準直原理

由公式（2）可得：

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

由公式（3）可得出，在光電自準直儀中，若提高自準直儀的精度，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，本文提出了將攝遠物鏡的光學結構形式應用于光電自準直儀的技術方法。

2　基于攝遠物鏡的激光自準直儀光學系統(tǒng)設計

2.1攝遠物鏡的特點

物鏡是激光自準直儀的基礎部件，其成像質量和焦距、視場等參數對系統(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直儀物鏡采用攝遠結構的形式，如圖2所示，H′為系統(tǒng)的像方主點，F(xiàn)1′、F2′分別為正負透鏡的像方焦點，F(xiàn)′為攝遠系統(tǒng)的像方焦點，f1′、f2′、f′分別為正透鏡、負透鏡和攝遠系統(tǒng)的像方焦距，由圖中可看出攝遠結構的系統(tǒng)總長L小于系統(tǒng)焦距 f′，一般為2/3 到3/4之間。攝遠結構由正負分離結構構成，設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，若把攝遠結構簡化為前正后負的形式，通過合理選取場曲系數可以消場曲［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)帶來較好的成像質量，使儀器的測量精度可以得到提高。

圖2　攝遠物鏡簡圖

2.2光學系統(tǒng)設計

本文的初始結構選自《光學設計手冊》，其初始參數為：f′=288.11mm，D′/f′=1∶6.4，2ω=1.3°，。把選取的初始結構參數輸入ZEMAX軟件之后，進行450mm的焦距轉換，光源的波長為650nm，得到的初始結構參數，通過優(yōu)化、樣板匹配并加入分光棱鏡后的結構如圖3所示，其參數如表1所示。

圖3　系統(tǒng)光學結構圖

表1　光學系統(tǒng)系統(tǒng)參數

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　反射鏡與準直物鏡距離1500mm的MTF和點列圖

由圖5和圖6結果可以看出，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，點列圖中光斑遠小于艾里斑，表明系統(tǒng)在近點和遠點工作范圍內具有較好的像質，但同時也可以看到，系統(tǒng)隨反射鏡與物鏡距離的加大，其成像質量也會有所下降，因此在實際使用過程中，當距離較大時系統(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曲線作為判定標準。將在經濟精度條件下光學零件、機械零件加工的公差值賦予光學系統(tǒng)，作為光學系統(tǒng)中光學零件的面型誤差，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　公差值設定數據表

依據表2數據，調整光學系統(tǒng)位置，通過ZEMAX分析得到的MTF分析結果截取后列表如表3所示，結果表明，當系統(tǒng)的截止頻率為50lp/mm時，MTF對應的名義值為0.611，最佳值為0.606，最差值為0.481，標準偏差為0.037。即截止頻率為50lp/ mm時，鏡頭的MTF值均大于0.48。

經過分析結果，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分析結果

上述分析可以表明，光學系統(tǒng)中單個光學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，光學系統(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和機械加工領域均為經濟公差［6］。

3　光機結構設計

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，設計完成后鏡筒并含激光光源部分總長為295mm，與傳統(tǒng)自準直儀相比有效減小了儀器體積。

圖7　整體結構圖

鏡筒設計成可拆式的結構，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)焦距的調整。在實際的校準測試中，焦距是參與角度計算的系數之一，如公式（3），通過改變焦距值可對系統(tǒng)綜合誤差進行補償，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構的間距，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，亦可調整像點的中心位置。

4　結論

將攝遠結構應用于激光自準直儀的物鏡光學系統(tǒng)，在保證自準直儀精度的前提下，可有效減小光學系統(tǒng)筒長。本文設計的焦距為450mm的自準直儀物鏡，包括機械結構在內可做到軸向尺寸僅為295mm，其像質能滿足自準直測量要求，通過可調整光學間隔的機械結構設計，亦可對透鏡面型誤差進行補償，在自準直儀裝調和標定過程中進行綜合誤差補償，有利于提高激光自準直儀的精度。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行分析，在精度等級較高的情況下本系統(tǒng)是否應加入補償環(huán)節(jié)尚需進一步研究。

［1］ 陳穎，張學典.自準直儀的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.光機電信息，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.高精度光電自準直儀的研究［D］.長春：長春理工大學，2010.

［4］ 劉瑩瑩.紅外無熱化攝遠物鏡設計與檢測［D］.長春：長春理工大學，2014.

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

［6］ 曲興華，儀器制造技術（第二版）［M］.北京：機械工業(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基金（20150101047JC）；上海市科學技術委員會資助項目（13dz2260100）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2014CB744200）；上海市深空探測技術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