采用光學放大提高光電自準直儀的分辨力

張俊杰,李政陽,葉聲華

1.天津大學精密儀器與光電子工程學院,天津 300072;2.北京航天計量測試技術研究所,北京 100076

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

1 光學放大原理

按自準直原理,CCD自準直儀的分辨力為：

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

要提高分辨力即減小 Δα,需提高自準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直像先用顯微物鏡放大,再由 CCD轉變為電信號。如圖 1,O為自準直像,也是顯微物鏡的物面,O′為 O經顯微物鏡所成的像,當自準直像 O位移 t時,像 O′相應的位移量為 t′,t′=kt,可測出的最小位移 d t為：

圖1 光學放大原理圖

式中 k為顯微物鏡的放大倍數,v為物距,u為像距,即顯微物鏡把自準直像的大小放大 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′為當量焦距,增加光學放大后,相當于準直物鏡的焦距增大了 k倍。

2 光學系統

光學系統見圖 2,由準直光路與顯微物鏡放大光路兩部分組成,準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置在后焦點處,構成物方遠心光路以消減自準直像離焦產生的誤差,并使顯微物鏡的入瞳與準直物鏡的出瞳位置重合。放大光路采用折疊式設計以縮小系統的軸向尺寸。光學系統參數見表 1。

表1 光學系統參數

整個光學系統像差的點列圖見圖 3,傳遞函數圖見圖 4,已接近衍射極限,全系統的畸變小于0.01%,曲線見圖 5。

圖3 系統點列圖

圖4 傳遞函數圖

圖5 畸變曲線圖

CCD像元間隔 Δt=0.008mm,軟件細分數 N=32,物鏡焦距 f′=1 100mm,顯微物鏡光學放大倍數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,分辨力 ＜0.005″,用臂長為 400 mm的正弦臂式激光小角度校準裝置檢測結果,補償前的示值誤差在 ±50″全量程范圍內為 +0.097″和-0.050″,表達了設計和工藝的質量,補償后的示值誤差在 ±10″測量范圍內為 +0.005″和 -0.007″,±50″全量程內為 +0.019″和 -0.017″,說明了提高分辨力對提高準確度的重要作用。

4 結論

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

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