一种自准直仪摄远物镜光学结构的设计

闫钰锋+周翔+王世峰

摘要： 设计了一种采用波长为650 nm的单色红光为光源，焦距为450 mm，D/f′=1∶9.375，视场角2w=0.6°的摄远物镜，主要应用在自准直仪上，利用其筒长小于系统焦距的特点，可以使仪器的体积更加小巧，方便携带。摄远结构可校正系统的球差、彗差、色差、象散和场曲。采用波长为650 nm的红光光源，所以不用考虑色差的因素。摄远结构筒长L与系统焦距f ′之比控制在2/3～3/4之间，摄远比达到了0.54。MTF曲线也达到了衍射极限，可有效提高检测精度，仪器的测量范围在1.5 m之内。最后推导出了通过修调正负镜组之间的间隔来对仪器的示值误差进行补偿公式。

关键词： 摄远结构； 自准直仪； 摄远比

中图分类号： TH 741.1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.010

文章编号： 1005-5630（2016）05-0430-04

引 言

在几何量计量领域，小角度的测量是很重要的一部分，而自准直仪是小角度测量中应用最广、最多的高精度仪器。在测量的过程当中，测量的光学系统会产生球差、彗差、场曲、象散等像差。这对测量的精度带来了很大的影响[1-2]。所以，可以通过合理选用系统的光学结构来减小这种影响，从而提高测量的精度。光电自准直仪的自准管就是在物镜的焦平面上安装了分划板的平行光管，所以，自准管是整个光电自准直仪的基础，其成像质量对整个系统的测量范围和测量精度都会带来影响[3]，为了实现理想的测量精度和范围，并尽可能的减小自准直仪的体积，缩短平行光管的长度，可以采用摄远物镜结构的形式。

1 摄远结构的光学特性

本文所设计的摄远物镜参数为焦距f ′=450 mm，视场角2w=0.6°。摄远结构系统组成如图1所示，后组负焦距系统由正、负透镜胶合而成，可以校正轴上点的球差，同时还可以校正彗差和色差。而前组正焦距组合系统可以消场曲，因此系统可以有较好的成像质量，测量精度也可以得到提高。同时，本文的光源为红色单色光源，所以不用考虑系统色差的校正[4-5]。

2 摄远光学结构设计

初始结构参数为： f ′=288.1 1 mm，D/f ′=1∶6.4，2w=1.3°，lF ′=59.11 mm。其中 f ′为系统焦距，D/f ′为相对孔径，2w为视场角，lF′为后工作距，且把参数输入Zemax软件之后，按照给定的指标450 mm进行焦距转换，得到的初始结构参数和初始结构见表1[6]。

得到的MTF曲线与点列图见图2和图3，其中，MTF的最大空间频率设置为50 lp/mm，这是因为本文将采用单个像素大小为9.9 μm×9.9 μm的面阵CCD，所以本文设计的镜头的极限分辨率线宽也应该是77 lp/mm，而一对黑白线宽就是19.8 μm，所以采用的空间频率等于1/0.019 8=50 lp/mm。一般大于30 lp/mm时代表了镜头的分辨率特性[7]。

从图2和图3可见，初始结构就达到了较好的效果，但是MTF值与衍射极限还有一定的差距，所以可以对系统进一步的优化[8-9]，并在系统中加入等腰直角棱镜一起模拟设计物镜在自准直仪中应用，棱镜与物镜系统的光学像差可以互补，优化后的点列图及MTF在反射镜距离物镜距离在30 mm和1.5 m的状态如表2所示。

由图4到图7可以看到优化后系统的MTF值得到改善。同时，与图4和图5中反射镜距离物镜距离在30 mm时系统的MTF和点列图相比，图6和图7中，随着反射镜与仪器的距离加大，系统的传递函数值有所下降，但仍在可接受的范围内，因此，仪器使用时反射镜距离物镜范围应小于1.5 m。

现在求焦距调整量Δf ′与物镜组前后间隔调整量Δd之间的关系，把上式微分并以微分代替调整量得

4 结 论

本文的摄远结构长度为247 mm，系统焦距为450 mm，摄远比达到了0.55，使仪器的结构更加紧凑，系统的体积变小，更加轻便，方便携带。系统利用负焦距的双胶合镜消除了球差；利用正焦距的正负分离透镜组，能够有效的校正场曲和象散。通过对组合焦距公式进行微分，推出了通过修调正负镜组之间的间隔来对仪器的示值误差进行补偿的公式。

参考文献：

[1] 萧泽新.工程光学设计[M].北京：电子工业出版社，2003：15-57.

[2] 李士贤，李林.光学设计手册[M].2版.北京：北京理工大学出版社，1996：286-288.

[3] 蔡淑璋，景芳盛.光电自准直仪及其应用[M].北京：中国计量出版社，1986.

[4] 郁道银，谈恒英.工程光学基础教程[M].北京：机械工业出版社，2007：28-32.

[5] 傅瑞斯.摄远物镜初步设计的一种方法[J].云光技术，2002，34（2）：21-24.

[6] 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，2013.