一种新型折反式光学定心系统设计

李响，白素平，王赫，闫钰锋

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

定心系统在光学检测和加工的领域中越来越显现出其重要性。并且近几年伴随着不可见光成像技术的飞速发展与广泛应用，常规的用于可见光系统的装调技术与装调设备已无法满足宽波段应用需求。市场上的定心仪多数是只针对可见光或红外光等某一特定波段进行工作，且红外波段的定心仪价格昂贵。因此对多个波段的透镜进行便捷的中心偏测量已成为多波段定心加工领域的研究热点之一。

本文提出了一种用于光学定心的新型折反式光学系统，其内部采用离轴R-C光学结构，通过折反式原理来实现定心测量。解决了光学定心系统固有的测量波段单一的缺点，为实现多个波段的光学透镜的定心装配提供了新的思路。

1 定心系统工作原理

1.1 测量方法分析

对中心偏的检测按照测量基准的不同有静止测量法与旋转测量法两种。而在光学装调中往往采用旋转测量法，原因为：第一，从原理上来说旋转测量法的分辨力是静止测量法的二倍；第二，旋转测量法只需让测量仪器能够观测到像点且保持稳定不动，因此对仪器的摆放要求不高；第三，旋转测量法可以测量多镜片光学系统中任意表面的偏心量[1]。

在实际测量中往往采用反射式旋转测量法，其原理如图1所示。采用真空吸附的方法通过专用夹具将被测镜片固定在空气主轴上，并以该主轴为测量基准。被测透镜随空气主轴旋转而旋转，经过被测面的反射像点会画圆，如图2所示。其旋转直径D=4ΔC（ΔC为球心偏）[2]。

图1 反射式旋转测量法原理图

图2 测量效果图

1.2 新型折反式定心仪工作原理

传统的反射式定心仪如图3所示，新型的折反式定心仪如图4所示，工作原理都以上述反射式旋转测量方法为基础。可以看出传统的反射式定心仪以精密回转轴系作为测量基准，使用自准直仪与前置镜配合的方法对被测透镜进行定心，当准直物镜的工作波段为可见光、而被测透镜波段为红外光时，传统的定心装置无法完成测量，定心仪的工作波段受到准直物镜透过率的限制。而改进的新型折反式定心仪利用离轴R-C光学系统代替原装置中的自准直系统，使定心仪内部均采用折反式原理来完成透镜中心偏的测量。工作时，由光源发出的光照亮分划板，经过离轴R-C系统的两次反射后平行照射前置镜，经前置镜汇聚在其焦面处产生一个分划板的像。轴向调节定心仪位置使像与被测表面球心重合，根据球面反射原理，经过球心的像将原路返回，并通过分束镜到达像面处。转动主轴使像点画圆，通过圆的直径即可计算出被测透镜的中心偏数值[3]。

图3 传统的反射式定心仪原理图

图4 新型折反式光学定心系统原理图

由于改进型的折反式定心仪不再需要光通过准直物镜，因此没有了准直物镜的透过率对定心仪工作波段的局限。只要搭配相应波段的光源与前置镜，即可测量任意波段透镜的中心偏。并且新型的折反式定心仪有效的缩短了原光学系统的轴向距离，结构更加小巧。

2 折反式定心仪光学系统设计

2.1 双镜反射系统的像差分析

本文中所使用的离轴R-C系统如图5所示，为两块反射镜所组成的双镜系统结构形式。1为主镜，2为次镜。其函数关系可表示为：

其中，r为反射镜定点的曲率半径，e2为反射镜的面型参数。

定义参数α、β为：

α为主次镜的中心遮拦比，β表示次镜的垂轴放大率[4]。

图5 双反射镜系统基本结构

根据三级像差理论，分别用S1、S2、S3、S4、S5来表示两镜反射系统中的球差、慧差、像散、场区和畸变的系数[5]。可以推导出：

2.2 系统参数设置

为本系统选取合适的焦距和离轴量[7]。由近轴系统物象关系公式：

最终选取反射镜焦距为1000mm，离轴量为110mm，入瞳直径为50mm。具体设计指标见表1。

表1 设计指标

利用Zemax软件对该光学系统进行设计，其主要参数与光学模组如表2和图6所示。

表2 系统结构参数

为验证本系统在其它波段工作的可行性，在上述基于可见光的系统结构基础上，将波长调整为红外光远波长3μm、4μm、5μm。拟将分光板与光源系统在结构上设计为一体，可以进行同时更换。远红外波段光源对应分光板材料选取SILICON（硅），其光学系统结构依然如图6所示，保持不变。

图6 光学系统光路示意图

3 光学系统性能分析

3.1 调制传递函数

针对可见光和上述远红外波段，分别对系统性能进行分析。系统在可见光波段与红外光波段对应的传递函数曲线分别如图7和图8[8]。可以看出，在可见光波段内近轴视场在空间频率60lp/mm处传递函数值接近0.2；0.7视场在空间频率40lp/mm处传递函数值接近0.4。在红外波段时全视场在空间频率10lp/mm处传递函数值大于0.1。该传递函数整体上在各个视场均高于传统的定心仪光学结构，且更加平缓，表明该系统具有较好的成像质量。

图7 可见光波段的传递函数曲线

图8 红外波段的传递函数曲线

3.2 点列图

系统在可见与红外两波段的点列图如图9与图10，结果表明，其均方根弥散斑均在艾里斑环直径范围内，并且在远红外波段更加集中。说明该系统其具有很好的能量集中度。

图9 可见光波段点列图

图10 红外波段点列图

3.3 光学系统畸变

由图11和图12可以看出此光学系统在可见光波段的光学畸变在均小于0.2%，在远红外波段的畸变保持在0.2%左右，满足设计指标中的小于0.5%。达到使用需求。

图11 可见光波段的畸变

图12 红外波段的畸变

3.4 公差分析

将上述系统中的分光板从系统中暂时取出，单独对离轴反射系统进行公差分析，从而得到各个加工或安装误差单独作用对系统性能的影响。由图13可以看出，其公差分析的结果为：曲率半径、透镜厚度和空气间隔均在±0.02mm。

图13 系统的公差分析

4 结论

新型折反式光学定心系统在传统的反射式光学定心系统基础上进行改进，利用离轴R-C系统代替原系统中的自准直物镜，无需相应波段的准直物镜，采用折反式方法完成被检查透镜的定心。整个系统仅需要配合不同波段的前置镜与光源，即可方便的实现对不同波段透镜的偏心测量。与传统的光学定心系统相比，该系统能够满足多个波段透镜的偏心测量，解决了光学定心仪只能在单一波段工作的局限性，并且又能有效的缩短传统定心仪的轴向长度，使装置更加小巧，结构简单，功能性强，为方便的实现多个波段的中心偏测量提出了一种切实可行的方法。在对中心偏差要求越来越高与不可见光成像技术飞速发展的今天，有着一定的参考价值和现实意义。