OLED數字化對準讀數零位儀二次成像光學系統設計

孫美嬌，王勁松，袁仙丹，王琪，牛婷婷

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

OLED數字化對準讀數零位儀二次成像光學系統設計

孫美嬌，王勁松，袁仙丹，王琪，牛婷婷

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

采用大靶面、高像素數OLED（8.4寸2560×1600）實現了瞄準鏡零位走動檢測的數字化對準讀數需求，OLED經前置投影系統壓縮成像后再經準直物鏡形成無窮遠目標，該目標成像在被測瞄準鏡的分劃板上，通過移動OLED電子分劃來實現被測瞄準鏡零位走動的大測量范圍下的高分辨率檢測。前置投影系統和后續準直系統分開設計，利用ZEMAX軟件進行仿真，設計后的系統MTF≥0.3@80lp/mm，點列圖彌散斑直徑控制在艾里斑以內，達到衍射極限，系統成像質量良好，保證了測量范圍大于20mil，分辨率可達到0.015mil。

OLED；零位儀；二次成像；ZEMAX仿真；準直光學系統設計

光學瞄準鏡在射擊震蕩前后瞄準基線會產生偏移，造成目標瞄準精度下降。瞄準基線變化量的檢測通常采用平行光管來模擬一個無窮遠的基準目標，通過測量光學瞄準鏡分劃圖像前后相對變化量來實現零位檢測［1-3］。零位檢測系統的研究國內外已有不少報道，國外以美國OPTIKOS公司和CI公司為代表，主要開發紅外系統和儀器檢測的紅外平行光管。國內以長春理工大學和南京理工大學為主，長春理工大學梁妍、李光輝等人提出了采用玻璃平板補償讀數式準直光學系統，研制出機械細分輔助分劃讀數的白光零位儀，測量范圍達到±10mil，分辨率達到0.01mil［4-5］。溫斌等人提出了采用離軸反射式結構，實現可見-紅外零位檢測，測量范圍± 10mil，測量精度達到0.7mil［6］。呂溥提出用CCD作為探測器實現高精度的零位檢測系統，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顯示屏應用于檢測系統中作為電子分劃實現數字化測量［8］。這些方法和系統雖然精度能夠滿足現在產品的使用要求，但結構復雜，可靠性不高，均采用光學分劃，適用性不好。基于OLED的數字化電子分劃白光零位儀的研究，可以簡化前述復雜的機械結構，提高可靠性的同時，由于其分劃可程控改變，大大擴展了其產品適用性，有一定的現實意義，但受OLED顯示屏分辨率限制，無法同時實現大測量范圍和高分辨率的測量要求，據此提出了二次成像方案，采用大靶面、高像素數OLED經前置投影系統壓縮成像后再準直二次成像來實現大測量范圍下的高分辨率檢測。為OLED應用于數字化對準讀數的白光零位檢測系統的研究提供了新的解決方案。

1 系統檢測原理及方案

1.1 設計需求分析

考慮目前絕大多數產品的零位變化范圍在幾個mil，精度要求在0.1mil以內，因此確定系統的測量范圍大于20mil，測量分辨率0.015mil。

1.2 系統檢測原理

基于OLED的數字化白光零位儀檢測系統原理如圖1所示。由準直光學系統及放置在其焦平面上的OLED顯示屏構成平行光管來模擬無窮遠電子分劃靶標，即通過間接測量被測瞄準鏡使用前后，光管模擬的無窮遠靶標圖像在瞄具瞄準鏡分劃板上所成像的偏離量，來檢測瞄具的零位變化量。當被測瞄準鏡有零位走動時，電子分劃像與分劃板刻線將不重合，通過上位機編程控制OLED電子分劃移動，實現分劃圖像的對準，則OLED電子分劃所走過的移動量對準直物鏡的張角，即為檢測系統測得的被測瞄具的零位走動量，通過計數電子分劃移動的像素數，來實現被測瞄具的瞄準基線變化量的間接檢測。

1.3 檢測系統方案

由OLED直接準直成像方案受市面上現有OLED顯示屏分辨率的限制，無法同時實現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、高像素數的OLED，通過前置投影系統壓縮成像于準直物鏡系統的焦平面處，再經過準直物鏡二次成像實現無窮遠電子分劃靶標的模擬。投影系統及準直物鏡系統分開設計，共同構成平行光管來模擬無窮遠電子分劃靶標，實現數字化零位檢測。

圖2 投影二次成像檢測方案

2 OLED選型及光學系統參數計算

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等像素數較低，多用于顯示牌、卡尺等字符串數字顯示，達不到指標要求；而工業用OLED如0.6寸（1240×1024）又無法同時保證測量范圍和分辨率的需求。采用大的靶面、高像素數的OLED顯示屏，優先考慮保證足夠大的測量范圍，再經投影系統成像后進行二次準直成像，實現高分辨率。綜合考慮設計選定軍用OL084DZ_03WN型號的OLED顯示屏8.4寸（2560×1600），靶面尺寸為219×128.5mm、像元尺寸80μm。

2.2 系統參數計算

（1）準直物鏡參數計算

常見光學瞄準鏡的放大倍率為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鏡的檢測，取前方準直物鏡入瞳D0=60mm。

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

（a）測量范圍要求20mil：（即ω=0.6°）時，有

（b）分辨率要求0.015mil：（即ε=0.0009°）時，有

即準直物鏡的焦距 f′應滿足：

圖3 參數計算關系

考慮相對孔徑D/f′對系統像面照度的影響及彌散斑直徑對系統優化難易程度的限制，計算選定q=8μm，即系統彌散斑直徑要求小于8μm，光學系統設計比較容易實現，y′=6.4mm滿足系統視場要求，即系統焦距要求565.88mm≤f′≤679.04mm，這里選定系統焦距 f′=600mm，分辨率達到0.014mil，對應的視場角為2ω=1.36°，即測量范圍為±11.33mil，其相對孔徑D/f′=1/10，滿足光管的設計要求。

準直物鏡參數要求為：焦距 f′=600mm，入瞳口徑D0=60mm，視場角2ω=1.36°

（2）投影物鏡系統參數計算

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數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，這里設計取F=5.9。

由焦距 f′、工作距離l、視場角ω及放大率β之間滿足的關系為

平衡參數之間的關系，這里取工作距離l= 500mm，焦距f′=61.73mm。

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

3 光學系統設計

3.1 準直物鏡的設計

準直物鏡成像質量對測量產生直接影響，畸變、像散和場曲等像差是影響測量的主要因素。常采用雙膠合的結構形式，但系統焦距過大導致系統過長，最終采用攝遠物鏡結構形式。采用兩個雙膠合的結構，前后兩組透鏡的像差可以相互補償，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量。其設計結果及像差曲線如圖4、圖5所示。

圖4 準直物鏡二維結構圖

圖5 準直物鏡成像質量分析圖

設計的準直物鏡焦距 f′=599.89mm，入瞳口徑D0=60mm，視場角2ω=1.36°，筒長在400mm以內，基本達到衍射極限要求，MTF≥0.3@80lp/mm，點列圖直徑小于8μm在艾里斑以內，波像差達到0.5λ，畸變達到0.002%，像質良好，符合設計要求。

3.2 投影物鏡的設計

前置投影物鏡對OLED顯示屏一次放大成像，通過其像來實現最終測量的分辨率要求，系統采用李斯特放大物鏡設計，兩個雙膠合物鏡結合形式可以做到像差很好地校正，其設計結果的像差曲線如圖6、圖7所示。

設計的投影物鏡物方的線視場2y=128.5mm，放大倍率β=-0.099×，F=5.88，工作距離為l=550mm，f′=67.9mm，分辨率（最小分辨尺寸）8μm。基本達到衍射極限，點列圖直徑小于8μm在艾里斑以內，波像差0.5λ，畸變小于0.02%，像質良好，達到設計指標要求。

圖6 投影物鏡二維結構圖

圖7 投影物鏡成像質量分析圖

4 結論

針對8.4寸（2560×1600）OLED顯示屏設計了零位儀二次成像光學系統，可以達到20mil測量范圍和0.015mil分辨率的檢測需求。在現有OLED顯示屏無法做到大靶面、小像元尺寸的情況下，解決了瞄準鏡零位走動的大測量范圍和高分辨率同時檢測問題。為了實現高精度的測量，可以采用遠心光路設計［9-10］，遠心光路可以保證恒定放大倍率的同時做到大的景深，以減小系統裝調誤差對測量精度的影響。

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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