激光自准直仪小型化光机结构设计

杜娟，郑喆，2，王世锋，闫钰锋

（1.长春理工大学，长春　130022；2.63861部队，白城　137000）

激光自准直仪小型化光机结构设计

杜娟1，郑喆1，2，王世锋1，闫钰锋1

（1.长春理工大学，长春130022；2.63861部队，白城137000）

增加自准直仪物镜焦距可提高仪器精度，但仪器长度也会随之增加。为实现激光自准直仪小型化，本文利用摄远物镜的实际长度小于焦距的结构特点，设计了焦距为450mm的激光自准直仪摄远物镜，像差分析表明系统传函接近衍射极限，点列图中光斑远小于艾里斑；光机结构设计后，系统包括激光光源在内的轴向尺寸仅为295mm，在满足激光自准直仪光学系统像质要求的条件下，有效减小了仪器系体积。

激光自准直仪；小型化设计；摄远物镜

自准直仪广泛应用于小角度测量领域，对传统自准直技术的升级，采用如LED、激光为光源和CCD、PSD为接收器件的光电自准直仪是目前研究的主要方向。光电自准直技术经历了几十年的发展历史，在测量分辨力、测量精度、稳定性等方面均有较大进展。但仅对激光为光源的光电自准直仪而言，目前仍以德国、美国等生产的仪器为高水平代表，其测量不确定度可达±0.01″/10″，国内在激光自准直技术研究及其产品开发中精度指标及稳定性、产品体积及便携性均处于劣势，激光自准直仪的市场化受到极大制约［1］。

本文以激光为光源的光电自准直仪为研究对象，主要针对使其小型化的光学设计及光机结构进行优化设计。

1　自准直原理分析

如图1（a）所示，将反射镜垂直放置于系统的光轴，根据平面镜反射原理，射向平面镜的反射光线将于原路返回，并且交于O点。图1（b）中，反射镜偏转一个角度，则反射光线偏转2ω。进入物镜后成像在O'点，出射光线与回射光轴的夹角也是2ω。物镜的像方焦距为 f′，从两光轴与OO'形成的直角三角形可以看出，OO'=tan（2ω）·f′，像点偏转距离为OO'=Δs，则Δs与反射镜偏转角度的关系：

因2ω为小角度，传统自准直仪测量技术中取tan（2ω）≈2ω，式（1）可以写成：

图1　自准直原理

由公式（2）可得：

式中：ω为反射镜（或被侧目标）偏转角度；Δs为自准直仪光源像点在焦平面上的偏转距离；f′为自准直仪的物镜焦距［2］。

由公式（3）可得出，在光电自准直仪中，若提高自准直仪的精度，就是要使ω值尽量小，其途径有两种，增大系统焦距和减小探测器件的像元间距，从目前探测器件的像元间距角度出发，受探测器件的制约较大，因此加大物镜的焦距是普遍采用的方法，但由于加大系统焦距后，系统的体积会增大，对仪器的小型化和便携性能造成影响，为解决这一矛盾，本文提出了将摄远物镜的光学结构形式应用于光电自准直仪的技术方法。

2　基于摄远物镜的激光自准直仪光学系统设计

2.1摄远物镜的特点

物镜是激光自准直仪的基础部件，其成像质量和焦距、视场等参数对系统的测量范围和测量精度都会带来较大影响。本文研究的激光自准直仪物镜采用摄远结构的形式，如图2所示，H′为系统的像方主点，F1′、F2′分别为正负透镜的像方焦点，F′为摄远系统的像方焦点，f1′、f2′、f′分别为正透镜、负透镜和摄远系统的像方焦距，由图中可看出摄远结构的系统总长L小于系统焦距 f′，一般为2/3 到3/4之间。摄远结构由正负分离结构构成，设计时若同时包含双胶合透镜，亦可以校正轴上点的球差；同时，若把摄远结构简化为前正后负的形式，通过合理选取场曲系数可以消场曲［3，4］；由于系统采用650nm的激光光源，可不考虑色差的影响。上述像差的校正可以为系统带来较好的成像质量，使仪器的测量精度可以得到提高。

图2　摄远物镜简图

2.2光学系统设计

本文的初始结构选自《光学设计手册》，其初始参数为：f′=288.11mm，D′/f′=1∶6.4，2ω=1.3°，。把选取的初始结构参数输入ZEMAX软件之后，进行450mm的焦距转换，光源的波长为650nm，得到的初始结构参数，通过优化、样板匹配并加入分光棱镜后的结构如图3所示，其参数如表1所示。

图3　系统光学结构图

表1　光学系统系统参数

反射镜在物镜前30mm放置时的MTF曲线和点列图如图5所示。

图5　反射镜与准直物镜距离30mm的MTF曲线和点列图

反射镜在物镜前1500mm时的MTF曲线和点列如图6所示。

图6　反射镜与准直物镜距离1500mm的MTF和点列图

由图5和图6结果可以看出，在1500mm时，系统的MTF略有下降，但不是很明显，两组模拟中系统的传函均接近了衍射极限，点列图中光斑远小于艾里斑，表明系统在近点和远点工作范围内具有较好的像质，但同时也可以看到，系统随反射镜与物镜距离的加大，其成像质量也会有所下降，因此在实际使用过程中，当距离较大时系统精度会有所下降。

2.3透镜曲率公差及位置公差分配

ZEMAX软件中可通过灵敏度法、反灵敏度法、蒙地卡罗法三种方法进行公差分析。本文选用反灵敏度法，由于系统的MTF接近衍射极限，所以选MTF曲线作为判定标准。将在经济精度条件下光学零件、机械零件加工的公差值赋予光学系统，作为光学系统中光学零件的面型误差，零件间沿着轴向和径向的位置误差。在ZEMAX中，引入该误差对系统进行分析，反射镜距离测量最大距离1.5m时，公差分配如表2所示。

表2　公差值设定数据表

依据表2数据，调整光学系统位置，通过ZEMAX分析得到的MTF分析结果截取后列表如表3所示，结果表明，当系统的截止频率为50lp/mm时，MTF对应的名义值为0.611，最佳值为0.606，最差值为0.481，标准偏差为0.037。即截止频率为50lp/ mm时，镜头的MTF值均大于0.48。

经过分析结果，90%的蒙特卡罗分析MTF大于0.485，50%的蒙特卡罗析MTF大于0.548，10%的蒙特卡罗分析MTF大于0.603。

表3　引入公差后系统MTF分析结果

上述分析可以表明，光学系统中单个光学零件曲率误差控制在0.015mm，透镜间间隔与同轴度偏差控制在0.015mm以内，光学系统可完全满足CCD接收系统的空间频率要求，而上述偏差在目前的光学和机械加工领域均为经济公差［6］。

3　光机结构设计

将物镜、棱镜座与底座相连接，最后完成的整体装配图及三维图如图7所示。系统物镜焦距为450mm，设计完成后镜筒并含激光光源部分总长为295mm，与传统自准直仪相比有效减小了仪器体积。

图7　整体结构图

镜筒设计成可拆式的结构，分成镜筒1和镜筒2两部分，镜筒1和2之间有隔圈1，通过修正隔圈的厚度可以改变前后镜组的间隔，实现系统焦距的调整。在实际的校准测试中，焦距是参与角度计算的系数之一，如公式（3），通过改变焦距值可对系统综合误差进行补偿，实现对测量的角度值示值误差的修正［8］，理论分析表明通过改变前后分离式镜组结构的间距，即增加0.0625mm可修正仪器示值误差-0.5″，减小0.0625mm，可修正仪器示值误差+ 0.5″。镜筒2与棱镜座之间用隔圈2相连，通过修隔圈的厚度改变棱镜的中心与前组透镜的间隔，亦可调整像点的中心位置。

4　结论

将摄远结构应用于激光自准直仪的物镜光学系统，在保证自准直仪精度的前提下，可有效减小光学系统筒长。本文设计的焦距为450mm的自准直仪物镜，包括机械结构在内可做到轴向尺寸仅为295mm，其像质能满足自准直测量要求，通过可调整光学间隔的机械结构设计，亦可对透镜面型误差进行补偿，在自准直仪装调和标定过程中进行综合误差补偿，有利于提高激光自准直仪的精度。本文在研究过程中对环境温度的变化、震动、空气抖动等外界因素的影响未进行分析，在精度等级较高的情况下本系统是否应加入补偿环节尚需进一步研究。

［1］ 陈颖，张学典.自准直仪的现状与发展趋势［J］.光机电信息，2011，28（1）：6-9.

［2］ Wei Y，Wu Y，Xiao M，et al.Optical system design of dual-spectrum autocollimator［C］.Applied Optics and Photonics，China，Beijing，2015.

［3］ 张欣婷.高精度光电自准直仪的研究［D］.长春：长春理工大学，2010.

［4］ 刘莹莹.红外无热化摄远物镜设计与检测［D］.长春：长春理工大学，2014.

［5］ 李士贤，李林.光学设计手册（修订版）［M］.北京：北京理工大学出版社，1996.

［6］ 曲兴华，仪器制造技术（第二版）［M］.北京：机械工业出版社，2013.

Design of Optical and Mechanical Structure for Compact Laser Autocollimator

DU Juan1，ZHENG Zhe1，2，WANG Shifeng1，YAN Yufeng1
（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.63861 unit of PLA，Baicheng 137000）

It can be concluded that the precision of autocollimator will be improved with the focal length increase of Lens Negatively；the dimension of the instrument will get larger too.A 450mm telephoto lens is designed for getting a kind of compact autocollimator，it applied the feature that its shape size shorter than the focal length.Aberration analysis indicates that the MTF close to the diffraction limit，the spot in the spot diagram is much smaller than the Airy disk；the total length of the telephoto lens is only 295mm by the design of the optical machine structure optimization. The autocollimator’ dimension get compact obviously under the condition of the image quality is guaranteed.

laser autocollimator；design of compact；telephoto lens

TH74

A

1672-9870（2015）06-0001-04

2015-08-03

吉林省科技厅自然科学基金（20150101047JC）；上海市科学技术委员会资助项目（13dz2260100）；国家重点基础研究发展计划项目（2014CB744200）；上海市深空探测技术重点实验室开放课题资助项目（DS201507-001，DS201509-002）

杜娟（1974-），女，硕士，助理研究员，E-mail：dj@cust.edu.cn

闫钰锋（1978-），男，副教授，E-mail：yan.851@outlook.com