一種新型折反式光學(xué)定心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李響，白素平，王赫，閆鈺鋒

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

定心系統(tǒng)在光學(xué)檢測(cè)和加工的領(lǐng)域中越來(lái)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(wú)法滿足寬波段應(yīng)用需求。市場(chǎng)上的定心儀多數(shù)是只針對(duì)可見光或紅外光等某一特定波段進(jìn)行工作，且紅外波段的定心儀價(jià)格昂貴。因此對(duì)多個(gè)波段的透鏡進(jìn)行便捷的中心偏測(cè)量已成為多波段定心加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(guò)折反式原理來(lái)實(shí)現(xiàn)定心測(cè)量。解決了光學(xué)定心系統(tǒng)固有的測(cè)量波段單一的缺點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(cè)量方法分析

對(duì)中心偏的檢測(cè)按照測(cè)量基準(zhǔn)的不同有靜止測(cè)量法與旋轉(zhuǎn)測(cè)量法兩種。而在光學(xué)裝調(diào)中往往采用旋轉(zhuǎn)測(cè)量法，原因?yàn)椋旱谝唬瑥脑砩蟻?lái)說(shuō)旋轉(zhuǎn)測(cè)量法的分辨力是靜止測(cè)量法的二倍；第二，旋轉(zhuǎn)測(cè)量法只需讓測(cè)量?jī)x器能夠觀測(cè)到像點(diǎn)且保持穩(wěn)定不動(dòng)，因此對(duì)儀器的擺放要求不高；第三，旋轉(zhuǎn)測(cè)量法可以測(cè)量多鏡片光學(xué)系統(tǒng)中任意表面的偏心量[1]。

在實(shí)際測(cè)量中往往采用反射式旋轉(zhuǎn)測(cè)量法，其原理如圖1所示。采用真空吸附的方法通過(guò)專用夾具將被測(cè)鏡片固定在空氣主軸上，并以該主軸為測(cè)量基準(zhǔn)。被測(cè)透鏡隨空氣主軸旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)被測(cè)面的反射像點(diǎn)會(huì)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(cè)量法原理圖

圖2 測(cè)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(cè)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(cè)量基準(zhǔn)，使用自準(zhǔn)直儀與前置鏡配合的方法對(duì)被測(cè)透鏡進(jìn)行定心，當(dāng)準(zhǔn)直物鏡的工作波段為可見光、而被測(cè)透鏡波段為紅外光時(shí)，傳統(tǒng)的定心裝置無(wú)法完成測(cè)量，定心儀的工作波段受到準(zhǔn)直物鏡透過(guò)率的限制。而改進(jìn)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(zhǔn)直系統(tǒng)，使定心儀內(nèi)部均采用折反式原理來(lái)完成透鏡中心偏的測(cè)量。工作時(shí)，由光源發(fā)出的光照亮分劃板，經(jīng)過(guò)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(gè)分劃板的像。軸向調(diào)節(jié)定心儀位置使像與被測(cè)表面球心重合，根據(jù)球面反射原理，經(jīng)過(guò)球心的像將原路返回，并通過(guò)分束鏡到達(dá)像面處。轉(zhuǎn)動(dòng)主軸使像點(diǎn)畫圓，通過(guò)圓的直徑即可計(jì)算出被測(cè)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(jìn)型的折反式定心儀不再需要光通過(guò)準(zhǔn)直物鏡，因此沒(méi)有了準(zhǔn)直物鏡的透過(guò)率對(duì)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(cè)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(jì)

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(diǎn)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(jí)像差理論，分別用S1、S2、S3、S4、S5來(lái)表示兩鏡反射系統(tǒng)中的球差、慧差、像散、場(chǎng)區(qū)和畸變的系數(shù)[5]。可以推導(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(jì)指標(biāo)見表1。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

利用Zemax軟件對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yàn)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(zhǎng)調(diào)整為紅外光遠(yuǎn)波長(zhǎng)3μm、4μm、5μm。擬將分光板與光源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為一體，可以進(jìn)行同時(shí)更換。遠(yuǎn)紅外波段光源對(duì)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(duì)可見光和上述遠(yuǎn)紅外波段，分別對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。系統(tǒng)在可見光波段與紅外光波段對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線分別如圖7和圖8[8]。可以看出，在可見光波段內(nèi)近軸視場(chǎng)在空間頻率60lp/mm處傳遞函數(shù)值接近0.2；0.7視場(chǎng)在空間頻率40lp/mm處傳遞函數(shù)值接近0.4。在紅外波段時(shí)全視場(chǎng)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(gè)視場(chǎng)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(diǎn)列圖

系統(tǒng)在可見與紅外兩波段的點(diǎn)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(yuǎn)紅外波段更加集中。說(shuō)明該系統(tǒng)其具有很好的能量集中度。

圖9 可見光波段點(diǎn)列圖

圖10 紅外波段點(diǎn)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?cè)诰∮?.2%，在遠(yuǎn)紅外波段的畸變保持在0.2%左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中的小于0.5%。達(dá)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(shí)取出，單獨(dú)對(duì)離軸反射系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，從而得到各個(gè)加工或安裝誤差單獨(dú)作用對(duì)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(jìn)行改進(jìn)，利用離軸R-C系統(tǒng)代替原系統(tǒng)中的自準(zhǔn)直物鏡，無(wú)需相應(yīng)波段的準(zhǔn)直物鏡，采用折反式方法完成被檢查透鏡的定心。整個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段透鏡的偏心測(cè)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(gè)波段透鏡的偏心測(cè)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(zhǎng)度，使裝置更加小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能性強(qiáng)，為方便的實(shí)現(xiàn)多個(gè)波段的中心偏測(cè)量提出了一種切實(shí)可行的方法。在對(duì)中心偏差要求越來(lái)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(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。