雙波段經(jīng)緯儀檢定裝置的光學(xué)系統(tǒng)

張冠陽等

摘要： 簡單介紹了經(jīng)緯儀檢定裝置，設(shè)計(jì)一款可檢定紅外-可見雙波段經(jīng)緯儀的檢定裝置，并對(duì)該裝置中卡塞格林平行光管進(jìn)行了設(shè)計(jì)，運(yùn)用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與分析，確定其非球面系數(shù)，通過點(diǎn)列圖、MTF函數(shù)及能量分布對(duì)其像質(zhì)進(jìn)行簡要分析從而確定了該設(shè)計(jì)的可行性與合理性，最后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了與之匹配的光管的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞： 經(jīng)緯儀； 雙波段； 卡塞格林平行光管； Zemax； 光學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.010

Abstract： With the rapid development of modern technology， theodolite test device received a lot of attention.This paper introduces the structure of theodolite test device briefly. We designed a theodolite test device which could test dual-band theodolite， and designed the Cassegrain collimator. We utilized Zemax optical design tool to design and analyse the optical system. We determined the aspheric coefficient. In the analysis of the spot diagram， MTF function and energy distribution over the image quality， we determined the feasibility and rationality of the design. Finally based on the analysis，we designed mechanical structure.

Keywords：theodolite； dual-band； Cassegrain collimator； Zemax； optical system

引 言

雙波段光學(xué)系統(tǒng)可以全天候工作，并且具有很強(qiáng)的抗干擾能力及信息量互補(bǔ)性，所以在天文測量、大地測量、工程測量以及軍事等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，雙波段在經(jīng)緯儀上的應(yīng)用也引起世界各領(lǐng)域的重視，為了適應(yīng)國內(nèi)外發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)了一款適用于雙波段經(jīng)緯儀的檢驗(yàn)裝置，該檢定裝置由檢定桁架，中央檢定臺(tái)及光學(xué)系統(tǒng)組成。本文著重介紹了該裝置的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與分析。

1 經(jīng)緯儀檢定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)緯儀檢定裝置結(jié)構(gòu)形式比較多，以測回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差的檢定方法來分有兩種形式：一種是多目標(biāo)裝置檢定裝置，水平方向上以4～6只平行光管作為無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，在全圓范圍內(nèi)隨機(jī)分布組，豎直方向上在30°范圍內(nèi)隨機(jī)布設(shè)5個(gè)以上光管，且中間位置光管絕對(duì)水平；另一種是多齒分度臺(tái)檢定裝置，由多齒分度臺(tái)和平行光管組成。我們所設(shè)計(jì)經(jīng)緯儀檢定裝置采用第一種形式，結(jié)構(gòu)如圖1所示，檢定桁架由大理石鑄造，為保證能夠有效全面的進(jìn)行檢定，水平角方向上，分別在0°、30°、90°、180°、270°、330°設(shè)置平行光管，豎直方向上：在-30°、-15°、0°、15°、30°位置布置平行光管，其中0°位置光管與水平檢定叫裝置共用，光管距經(jīng)緯儀支撐臺(tái)2 500 mm。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到該經(jīng)緯儀檢定裝置所檢定經(jīng)緯儀工作波段為可見光和紅外波段，因此需要采用卡塞格林式平行光管。卡塞格林平行光管屬于反射式平行光管，其優(yōu)點(diǎn)在于沒有色差，所有波長光線所成的像都完全重合；工作波長從紫外到紅外，可以避免玻璃對(duì)紅外光的吸收以及色散的影響；在材料方面，尤其是大口徑零件，反射鏡面的材料比透射鏡材料容易制造。卡塞格林式光學(xué)系統(tǒng)具備無色差、無熱化、結(jié)構(gòu)緊湊、特別適于多光譜等優(yōu)點(diǎn)。卡塞格林式平行光管的衍射分辨率在遮擋孔徑尺寸不大的情況下有微小提高[1]，但體積相對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)的平行光管卻有大幅度的減小。綜上分析，選用卡塞格林平行光管符合設(shè)計(jì)要求。

2.1 初始結(jié)構(gòu)

使用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)，設(shè)定初始結(jié)構(gòu)：口徑D=50 mm，初始光學(xué)筒長233 mm，分劃板直徑15 mm，焦距f′=500 mm，光學(xué)系統(tǒng)工作波段為可見、紅外光波段波長，視場角根據(jù)公式：

為使像充滿分劃板，半像高y′取8 mm，求得視場角ω=0.9°。由于該系統(tǒng)為目視結(jié)構(gòu)，截止頻率按照以往經(jīng)驗(yàn)給定為40 lp/mm。初始結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 非球面結(jié)構(gòu)

由于所設(shè)計(jì)的卡塞格林平行光管屬于大口徑小視場的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，無色差，所以只需矯正球差和慧差，而單透鏡不能矯正，所以采用非球面結(jié)構(gòu)進(jìn)行矯正。非球面在像差矯正方面與傳統(tǒng)球面相比有較大優(yōu)勢，采用非球面能夠有效校正初級(jí)和高級(jí)像差，縮小光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸，減輕系統(tǒng)重量，提高光學(xué)性能，改善成像質(zhì)量。

偶次非球面可以表示為

由式（2）可以看出，高次非球面與普通的球面相比，有更大的自由度。其中，c 是以頂點(diǎn)為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)曲率，K是二次圓錐曲率系數(shù)，y是垂直于光軸計(jì)算的半徑，其余項(xiàng)是高次非球面系數(shù)。

使用Zemax軟件對(duì)非球面系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。項(xiàng)數(shù)越高，優(yōu)化效果越好，但同時(shí)也需考慮項(xiàng)數(shù)增加會(huì)給加工與檢驗(yàn)帶來困難，使加工出鏡片與設(shè)計(jì)曲線不符，所以這里采用八次項(xiàng)優(yōu)化。其中主鏡曲率半徑為-188.43 mm，次鏡曲率半徑為-205.15 mm。

表1為Zemax所優(yōu)化的平行光管主副鏡非球面系數(shù)。

2.3 反射鏡鍍膜

圖3所示為實(shí)驗(yàn)測定的鋁、銀、銅、金等幾種常見金屬的反射比隨波長變化圖線。可以看出，銀和鋁有的反射比較高，銅和金的反射比隨波長變短而顯著下降。在紫外區(qū)，銀的反射比下降很快；在短波區(qū)，銀的反射比與玻璃的反射比接近，且銀是透明的[2]。鋁在從紅外到近紫外區(qū)都有很高的反射比，符合所要設(shè)計(jì)的紅外可見光雙工作波段要求。由此選擇鋁為該平行光管的反射膜材料。

2.4 像質(zhì)評(píng)價(jià)

所設(shè)計(jì)的卡塞格林平行光管屬于大口徑小視場的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，無色差，所以主要考慮點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)、能量分布。

2.4.1 點(diǎn)列圖

本文所設(shè)計(jì)的卡塞格林式平行光管的光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖如圖4所示。通過點(diǎn)列圖可以看出，該系統(tǒng)大多數(shù)的能量都接近愛里斑，所以成像質(zhì)量達(dá)到系統(tǒng)要求。

2.4.2 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF

傳遞函數(shù)是能夠?qū)ο褓|(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)估和判別的重要依據(jù) [3]。光學(xué)傳遞函數(shù)與光學(xué)系統(tǒng)的像差和衍射效果有關(guān)，所以可用來評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像的質(zhì)量，評(píng)價(jià)結(jié)果客觀可靠，并且在小像差光學(xué)系統(tǒng)和大像差光學(xué)系統(tǒng)中皆可應(yīng)用 [4]。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線如圖5所示，MTF曲線比較平坦，說明系統(tǒng)邊緣與中心成像差距小。

2.4.3 能量分布

系統(tǒng)的能量分布如圖6所示。由系統(tǒng)能量分布圖可以看出，在對(duì)應(yīng)的工作波段中，系統(tǒng)能量分布都在90%以上，說明系統(tǒng)能量集中度高，圖像接受清晰，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 系統(tǒng)最終效果

根據(jù)平行光管設(shè)計(jì)指標(biāo)，結(jié)合像差理論，通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終系統(tǒng)效果圖如圖7所示。設(shè)計(jì)符合要求，成像質(zhì)量好并具有很高的分辨率，能夠很好的對(duì)紅外與可見光經(jīng)緯儀進(jìn)行檢定。圖8為所設(shè)計(jì)平行光管結(jié)構(gòu)圖。

2.6 平行光管的機(jī)械結(jié)構(gòu)

經(jīng)前文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)最后確定平行光管總長度240 mm，高度170 mm，主鏡與次鏡間距為93 mm，后截距離為155 mm。平行光管使用鋁為制作材料，結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。光管具有大角度俯仰粗調(diào)與軸向微調(diào)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)光源室內(nèi)燈源位置，可以將燈源調(diào)整到最佳照明位置。調(diào)整完畢后，將各連接處用螺釘鎖緊。所有零件均發(fā)黑處理，可以有效的消除系統(tǒng)雜光。

3 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)紅外-可見光雙波段卡塞格林式平行光管結(jié)構(gòu)緊湊，加工可行性強(qiáng)。目前，已完成該光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作和鏡頭的試制，光管已經(jīng)加工成型并安裝完畢，并已完成檢定測試階段，光管可穩(wěn)固的安裝在檢定桁架上，在工作溫度內(nèi)（20°C±5°C）使用某型號(hào)經(jīng)緯儀觀測，分劃板刻線清晰，在同一焦面內(nèi)，視場清晰，亮度均勻，無目視可見亮暗差異，可以有效對(duì)紅外-可見光雙工作波段的經(jīng)緯儀進(jìn)行全天候檢定。該設(shè)計(jì)擴(kuò)展了經(jīng)緯儀檢定范圍，提高了裝置穩(wěn)定性，并能確保量傳精度，并為今后開展雙波段經(jīng)緯儀的檢定工作奠定基礎(chǔ)，起到積極的推進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 王鑫，向陽，車英，等.校靶鏡檢定裝置光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]光學(xué)與光電技術(shù)，2014，14（2）：83-88.

[4] 李姝.靜態(tài)測角場用平行光管設(shè)計(jì)[D].長春： 長春理工大學(xué)，2008.

（編輯：張磊）