采用光学放大提高光电自准直仪的分辨力

张俊杰,李政阳,叶声华

1.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津 300072;2.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076

精密光机工程的发展对测角精度要求越来越高[1-5],因此对光电自准直仪准确度的要求也越来越高[6-8],而要提高自准直仪的准确度,首先要提高分辨力[9-12]。采用在自准直光路中增加光学放大环节的方法能大幅度提高分辨力,自准直仪的外形尺寸又不显著增加,而且对静态和动态数字式的自准直仪都能适用。

1 光学放大原理

按自准直原理,CCD自准直仪的分辨力为：

式中 Δα为自准直仪的分辨力,单位为角秒,Δt为CCD相邻像元的间距,单位为 mm,N为 CCD信号的软件细分数,f′为准直物镜的焦距,单位为 mm,ρ″为转换系数,ρ=206 265。

要提高分辨力即减小 Δα,需提高自准直像位移量的测量分辨力,包括减小 Δt和增大 N,或增大焦距 f′,但是减小 Δt受元件限制,增大 N会加剧示值跳动,增加 f′会使自准直仪长度增大,因此提高的幅度都不大。

把返回光形成的自准直像先用显微物镜放大,再由 CCD转变为电信号。如图 1,O为自准直像,也是显微物镜的物面,O′为 O经显微物镜所成的像,当自准直像 O位移 t时,像 O′相应的位移量为 t′,t′=kt,可测出的最小位移 d t为：

图1 光学放大原理图

式中 k为显微物镜的放大倍数,v为物距,u为像距,即显微物镜把自准直像的大小放大 k倍的同时把其位移量也放大了 k倍。代入式,加光学放大后分辨力公式为：

由式(3)可测出的最小角 Δα是式的 1/k倍,从而大幅度提高了分辨力。为便于分析,可看作 kf′为当量焦距,增加光学放大后,相当于准直物镜的焦距增大了 k倍。

2 光学系统

光学系统见图 2,由准直光路与显微物镜放大光路两部分组成,准直物镜为摄远型物镜,其像面与显微物镜的物面重合。显微物镜的孔径光阑设置在后焦点处,构成物方远心光路以消减自准直像离焦产生的误差,并使显微物镜的入瞳与准直物镜的出瞳位置重合。放大光路采用折叠式设计以缩小系统的轴向尺寸。光学系统参数见表 1。

表1 光学系统参数

整个光学系统像差的点列图见图 3,传递函数图见图 4,已接近衍射极限,全系统的畸变小于0.01%,曲线见图 5。

图3 系统点列图

图4 传递函数图

图5 畸变曲线图

CCD像元间隔 Δt=0.008mm,软件细分数 N=32,物镜焦距 f′=1 100mm,显微物镜光学放大倍数k=20,则最小显示值为

3 实验效果

研制的样机最小显示值为 0.001″,包含示值跳动量在内,分辨力 ＜0.005″,用臂长为 400 mm的正弦臂式激光小角度校准装置检测结果,补偿前的示值误差在 ±50″全量程范围内为 +0.097″和-0.050″,表达了设计和工艺的质量,补偿后的示值误差在 ±10″测量范围内为 +0.005″和 -0.007″,±50″全量程内为 +0.019″和 -0.017″,说明了提高分辨力对提高准确度的重要作用。

4 结论

在自准直光路中,对返回光形成的自准直像增加光学放大环节,能有效地提高测角分辨力,使最小显示值为 0.001″,从而保证了自准直仪达到高准确度,示值误差在 ±10″测量范围内为 ±0.01″,±50″全量程为 ±0.02″。而且这种方法对静态和动态数字式的自准直仪都能选用。当放大光路采取折叠式设计时,自准直仪的长度尺寸可以不增加,仅增加宽度或高度尺寸,但是增加光学放大环节后,对同样光敏面长度的线阵 CCD自准直仪的测量范围将相应减少。

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