李響，白素平，王赫，閆鈺鋒

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

定心系統(tǒng)在光學(xué)檢測和加工的領(lǐng)域中越來越顯現(xiàn)出其重要性。并且近幾年伴隨著不可見光成像技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，常規(guī)的用于可見光系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)與裝調(diào)設(shè)備已無法滿足寬波段應(yīng)用需求。市場上的定心儀多數(shù)是只針對可見光或紅外光等某一特定波段進行工作，且紅外波段的定心儀價格昂貴。因此對多個波段的透鏡進行便捷的中心偏測量已成為多波段定心加工領(lǐng)域的研究熱點之一。

本文提出了一種用于光學(xué)定心的新型折反式光學(xué)系統(tǒng)，其內(nèi)部采用離軸R-C光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過折反式原理來實現(xiàn)定心測量。解決了光學(xué)定心系統(tǒng)固有的測量波段單一的缺點，為實現(xiàn)多個波段的光學(xué)透鏡的定心裝配提供了新的思路。

1 定心系統(tǒng)工作原理

1.1 測量方法分析

對中心偏的檢測按照測量基準的不同有靜止測量法與旋轉(zhuǎn)測量法兩種。而在光學(xué)裝調(diào)中往往采用旋轉(zhuǎn)測量法，原因為：第一，從原理上來說旋轉(zhuǎn)測量法的分辨力是靜止測量法的二倍；第二，旋轉(zhuǎn)測量法只需讓測量儀器能夠觀測到像點且保持穩(wěn)定不動，因此對儀器的擺放要求不高；第三，旋轉(zhuǎn)測量法可以測量多鏡片光學(xué)系統(tǒng)中任意表面的偏心量[1]。

在實際測量中往往采用反射式旋轉(zhuǎn)測量法，其原理如圖1所示。采用真空吸附的方法通過專用夾具將被測鏡片固定在空氣主軸上，并以該主軸為測量基準。被測透鏡隨空氣主軸旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過被測面的反射像點會畫圓，如圖2所示。其旋轉(zhuǎn)直徑D=4ΔC（ΔC為球心偏）[2]。

圖1 反射式旋轉(zhuǎn)測量法原理圖

圖2 測量效果圖

1.2 新型折反式定心儀工作原理

傳統(tǒng)的反射式定心儀如圖3所示，新型的折反式定心儀如圖4所示，工作原理都以上述反射式旋轉(zhuǎn)測量方法為基礎(chǔ)。可以看出傳統(tǒng)的反射式定心儀以精密回轉(zhuǎn)軸系作為測量基準，使用自準直儀與前置鏡配合的方法對被測透鏡進行定心，當(dāng)準直物鏡的工作波段為可見光、而被測透鏡波段為紅外光時，傳統(tǒng)的定心裝置無法完成測量，定心儀的工作波段受到準直物鏡透過率的限制。而改進的新型折反式定心儀利用離軸R-C光學(xué)系統(tǒng)代替原裝置中的自準直系統(tǒng)，使定心儀內(nèi)部均采用折反式原理來完成透鏡中心偏的測量。工作時，由光源發(fā)出的光照亮分劃板，經(jīng)過離軸R-C系統(tǒng)的兩次反射后平行照射前置鏡，經(jīng)前置鏡匯聚在其焦面處產(chǎn)生一個分劃板的像。軸向調(diào)節(jié)定心儀位置使像與被測表面球心重合，根據(jù)球面反射原理，經(jīng)過球心的像將原路返回，并通過分束鏡到達像面處。轉(zhuǎn)動主軸使像點畫圓，通過圓的直徑即可計算出被測透鏡的中心偏數(shù)值[3]。

圖3 傳統(tǒng)的反射式定心儀原理圖

圖4 新型折反式光學(xué)定心系統(tǒng)原理圖

由于改進型的折反式定心儀不再需要光通過準直物鏡，因此沒有了準直物鏡的透過率對定心儀工作波段的局限。只要搭配相應(yīng)波段的光源與前置鏡，即可測量任意波段透鏡的中心偏。并且新型的折反式定心儀有效的縮短了原光學(xué)系統(tǒng)的軸向距離，結(jié)構(gòu)更加小巧。

2 折反式定心儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 雙鏡反射系統(tǒng)的像差分析

本文中所使用的離軸R-C系統(tǒng)如圖5所示，為兩塊反射鏡所組成的雙鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。1為主鏡，2為次鏡。其函數(shù)關(guān)系可表示為：

其中，r為反射鏡定點的曲率半徑，e2為反射鏡的面型參數(shù)。

定義參數(shù)α、β為：

α為主次鏡的中心遮攔比，β表示次鏡的垂軸放大率[4]。

圖5 雙反射鏡系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)三級像差理論，分別用S1、S2、S3、S4、S5來表示兩鏡反射系統(tǒng)中的球差、慧差、像散、場區(qū)和畸變的系數(shù)[5]?？梢酝茖?dǎo)出：

2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

為本系統(tǒng)選取合適的焦距和離軸量[7]。由近軸系統(tǒng)物象關(guān)系公式：

最終選取反射鏡焦距為1000mm，離軸量為110mm，入瞳直徑為50mm。具體設(shè)計指標見表1。

表1 設(shè)計指標

利用Zemax軟件對該光學(xué)系統(tǒng)進行設(shè)計，其主要參數(shù)與光學(xué)模組如表2和圖6所示。

表2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

為驗證本系統(tǒng)在其它波段工作的可行性，在上述基于可見光的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將波長調(diào)整為紅外光遠波長3μm、4μm、5μm。擬將分光板與光源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上設(shè)計為一體，可以進行同時更換。遠紅外波段光源對應(yīng)分光板材料選取SILICON（硅），其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)依然如圖6所示，保持不變。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)光路示意圖

3 光學(xué)系統(tǒng)性能分析

3.1 調(diào)制傳遞函數(shù)

針對可見光和上述遠紅外波段，分別對系統(tǒng)性能進行分析。系統(tǒng)在可見光波段與紅外光波段對應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線分別如圖7和圖8[8]?？梢钥闯?，在可見光波段內(nèi)近軸視場在空間頻率60lp/mm處傳遞函數(shù)值接近0.2；0.7視場在空間頻率40lp/mm處傳遞函數(shù)值接近0.4。在紅外波段時全視場在空間頻率10lp/mm處傳遞函數(shù)值大于0.1。該傳遞函數(shù)整體上在各個視場均高于傳統(tǒng)的定心儀光學(xué)結(jié)構(gòu)，且更加平緩，表明該系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量。

圖7 可見光波段的傳遞函數(shù)曲線

圖8 紅外波段的傳遞函數(shù)曲線

3.2 點列圖

系統(tǒng)在可見與紅外兩波段的點列圖如圖9與圖10，結(jié)果表明，其均方根彌散斑均在艾里斑環(huán)直徑范圍內(nèi)，并且在遠紅外波段更加集中。說明該系統(tǒng)其具有很好的能量集中度。

圖9 可見光波段點列圖

圖10 紅外波段點列圖

3.3 光學(xué)系統(tǒng)畸變

由圖11和圖12可以看出此光學(xué)系統(tǒng)在可見光波段的光學(xué)畸變在均小于0.2%，在遠紅外波段的畸變保持在0.2%左右，滿足設(shè)計指標中的小于0.5%。達到使用需求。

圖11 可見光波段的畸變

圖12 紅外波段的畸變

3.4 公差分析

將上述系統(tǒng)中的分光板從系統(tǒng)中暫時取出，單獨對離軸反射系統(tǒng)進行公差分析，從而得到各個加工或安裝誤差單獨作用對系統(tǒng)性能的影響。由圖13可以看出，其公差分析的結(jié)果為：曲率半徑、透鏡厚度和空氣間隔均在±0.02mm。

圖13 系統(tǒng)的公差分析

4 結(jié)論

新型折反式光學(xué)定心系統(tǒng)在傳統(tǒng)的反射式光學(xué)定心系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行改進，利用離軸R-C系統(tǒng)代替原系統(tǒng)中的自準直物鏡，無需相應(yīng)波段的準直物鏡，采用折反式方法完成被檢查透鏡的定心。整個系統(tǒng)僅需要配合不同波段的前置鏡與光源，即可方便的實現(xiàn)對不同波段透鏡的偏心測量。與傳統(tǒng)的光學(xué)定心系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能夠滿足多個波段透鏡的偏心測量，解決了光學(xué)定心儀只能在單一波段工作的局限性，并且又能有效的縮短傳統(tǒng)定心儀的軸向長度，使裝置更加小巧，結(jié)構(gòu)簡單，功能性強，為方便的實現(xiàn)多個波段的中心偏測量提出了一種切實可行的方法。在對中心偏差要求越來越高與不可見光成像技術(shù)飛速發(fā)展的今天，有著一定的參考價值和現(xiàn)實意義。