閆鈺鋒+周翔+王世峰

摘要： 設(shè)計(jì)了一種采用波長為650 nm的單色紅光為光源，焦距為450 mm，D/f′=1∶9.375，視場角2w=0.6°的攝遠(yuǎn)物鏡，主要應(yīng)用在自準(zhǔn)直儀上，利用其筒長小于系統(tǒng)焦距的特點(diǎn)，可以使儀器的體積更加小巧，方便攜帶。攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)可校正系統(tǒng)的球差、彗差、色差、象散和場曲。采用波長為650 nm的紅光光源，所以不用考慮色差的因素。攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)筒長L與系統(tǒng)焦距f ′之比控制在2/3～3/4之間，攝遠(yuǎn)比達(dá)到了0.54。MTF曲線也達(dá)到了衍射極限，可有效提高檢測精度，儀器的測量范圍在1.5 m之內(nèi)。最后推導(dǎo)出了通過修調(diào)正負(fù)鏡組之間的間隔來對儀器的示值誤差進(jìn)行補(bǔ)償公式。

關(guān)鍵詞： 攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)； 自準(zhǔn)直儀； 攝遠(yuǎn)比

中圖分類號： TH 741.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.010

文章編號： 1005-5630（2016）05-0430-04

引 言

在幾何量計(jì)量領(lǐng)域，小角度的測量是很重要的一部分，而自準(zhǔn)直儀是小角度測量中應(yīng)用最廣、最多的高精度儀器。在測量的過程當(dāng)中，測量的光學(xué)系統(tǒng)會產(chǎn)生球差、彗差、場曲、象散等像差。這對測量的精度帶來了很大的影響[1-2]。所以，可以通過合理選用系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)來減小這種影響，從而提高測量的精度。光電自準(zhǔn)直儀的自準(zhǔn)管就是在物鏡的焦平面上安裝了分劃板的平行光管，所以，自準(zhǔn)管是整個光電自準(zhǔn)直儀的基礎(chǔ)，其成像質(zhì)量對整個系統(tǒng)的測量范圍和測量精度都會帶來影響[3]，為了實(shí)現(xiàn)理想的測量精度和范圍，并盡可能的減小自準(zhǔn)直儀的體積，縮短平行光管的長度，可以采用攝遠(yuǎn)物鏡結(jié)構(gòu)的形式。

1 攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性

本文所設(shè)計(jì)的攝遠(yuǎn)物鏡參數(shù)為焦距f ′=450 mm，視場角2w=0.6°。攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成如圖1所示，后組負(fù)焦距系統(tǒng)由正、負(fù)透鏡膠合而成，可以校正軸上點(diǎn)的球差，同時還可以校正彗差和色差。而前組正焦距組合系統(tǒng)可以消場曲，因此系統(tǒng)可以有較好的成像質(zhì)量，測量精度也可以得到提高。同時，本文的光源為紅色單色光源，所以不用考慮系統(tǒng)色差的校正[4-5]。

2 攝遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為： f ′=288.1 1 mm，D/f ′=1∶6.4，2w=1.3°，lF ′=59.11 mm。其中 f ′為系統(tǒng)焦距，D/f ′為相對孔徑，2w為視場角，lF′為后工作距，且把參數(shù)輸入Zemax軟件之后，按照給定的指標(biāo)450 mm進(jìn)行焦距轉(zhuǎn)換，得到的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始結(jié)構(gòu)見表1[6]。

得到的MTF曲線與點(diǎn)列圖見圖2和圖3，其中，MTF的最大空間頻率設(shè)置為50 lp/mm，這是因?yàn)楸疚膶⒉捎脝蝹€像素大小為9.9 μm×9.9 μm的面陣CCD，所以本文設(shè)計(jì)的鏡頭的極限分辨率線寬也應(yīng)該是77 lp/mm，而一對黑白線寬就是19.8 μm，所以采用的空間頻率等于1/0.019 8=50 lp/mm。一般大于30 lp/mm時代表了鏡頭的分辨率特性[7]。

從圖2和圖3可見，初始結(jié)構(gòu)就達(dá)到了較好的效果，但是MTF值與衍射極限還有一定的差距，所以可以對系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化[8-9]，并在系統(tǒng)中加入等腰直角棱鏡一起模擬設(shè)計(jì)物鏡在自準(zhǔn)直儀中應(yīng)用，棱鏡與物鏡系統(tǒng)的光學(xué)像差可以互補(bǔ)，優(yōu)化后的點(diǎn)列圖及MTF在反射鏡距離物鏡距離在30 mm和1.5 m的狀態(tài)如表2所示。

由圖4到圖7可以看到優(yōu)化后系統(tǒng)的MTF值得到改善。同時，與圖4和圖5中反射鏡距離物鏡距離在30 mm時系統(tǒng)的MTF和點(diǎn)列圖相比，圖6和圖7中，隨著反射鏡與儀器的距離加大，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)值有所下降，但仍在可接受的范圍內(nèi)，因此，儀器使用時反射鏡距離物鏡范圍應(yīng)小于1.5 m。

現(xiàn)在求焦距調(diào)整量Δf ′與物鏡組前后間隔調(diào)整量Δd之間的關(guān)系，把上式微分并以微分代替調(diào)整量得

4 結(jié) 論

本文的攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)長度為247 mm，系統(tǒng)焦距為450 mm，攝遠(yuǎn)比達(dá)到了0.55，使儀器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，系統(tǒng)的體積變小，更加輕便，方便攜帶。系統(tǒng)利用負(fù)焦距的雙膠合鏡消除了球差；利用正焦距的正負(fù)分離透鏡組，能夠有效的校正場曲和象散。通過對組合焦距公式進(jìn)行微分，推出了通過修調(diào)正負(fù)鏡組之間的間隔來對儀器的示值誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓健?/p>

參考文獻(xiàn)：

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