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镜面偏心测量光学系统设计

 

博信光学元件超市 / 2015-09-28

1.引言

    光学系统已经广泛应用于国防军事、航天航空、工业检测、安防监控和日常生活多个领域,许多应用领域对光学系统的性能要求很高,而光学镜头的装调精度对于光学系统性能指标影响很大,长春博信光电子有限公司为保证光学镜头的装调精度,使光学镜头中各个镜面的中心偏差满足公差要求。目前,已有多种光学镜头辅助装调设备用于镜头装调过程中测量镜片的中心偏差,这些辅助装调设备各有优缺点。

    在这篇文章中,采用调焦和切换镜头相结合的方法设计镜面中心偏差测量设备的光学系统,实现靶标聚集点得连续调节,既能用于各种曲率半径镜面的中心偏差测量,又能保证中心偏差的测量精度。

2.镜面偏心测量原理

    镜面中心偏差测量采用反射式测量方法,系统的组成机构分为测量头和精密旋转台两个部分,其中测量头由光源、分光棱镜、测量镜组、成像探测器组成。测量头部分连接在竖直导轨上,可以上下移动。

 

    光源产生十字靶标,经过分光棱镜和测量镜组,形成会聚光束,或者发散光束,会聚光束有一个会聚点,发散光束的反向延长线也聚在一点,统称为会聚点。在测量过程中,竖直导轨带动测量头上下移动,使靶标的会聚点与当前被测镜面的球心重合,此时,入射到被测镜面的光束,在被测透镜表面发生部分反射,反射光束沿原路返回测量镜组中,经过分光棱镜,聚焦在成像探测器的靶面上,形成清晰的十字线图像。

    被测镜头放置在旋转台的中心,在测量过程中,被测镜头绕着转台的中心轴旋转,该转轴即是中心偏差测量过程中的参考轴,如果被测球面的球心不在转轴上,在成像探测器的靶面上,十字靶标画出圆形轨迹,根据圆的直径和测量镜组的放大率可以计算被测量面的球心相对参考轴的中心偏差。利于此方法,可以得到所有镜面球心的中心偏差,光学镜头装调人员可以根据测量得到的中心偏差值,将各个球心调节到参考轴上,或者调节到公差范围内。

 

镜面的角偏心量可以表示为:

 

上述表达式中,D是探测器上靶标中心所画圆的直径,β是测量镜头组的垂轴放大率,R是被测球面的曲率半径。

镜面的线偏心量可以表示为:

 

上述表达式中,a为线偏心量。

3.光学系统设计

    目前,现有的光学镜头中心偏差测量设备在光路上主要采用两种方法来改变十字靶标聚焦点得位置,一种称为内调焦方法,另一种称为切换镜头方法。内调焦方法通过改变测量镜头组的焦距来实现靶标聚焦点位置的连续调节,该方法的优点是操作方便,其缺点是存在调节盲区。切换镜头方法通过更换测量镜组下端的镜头,改变测量镜头组的焦距,从而实现靶标聚焦点位置的改变。该方法的优点是能得到精确的垂轴放大率,从而具有较高的中心偏差测量精度;其缺点是需要的镜头数量较多,不仅增加了成本,而且无法测量大曲率半径表面的中心偏差。

(a)图为调焦模式的光路图,(b)切换镜头模式的光路图。

 

   

光路结构如下:光源的靶标面与探测器的靶面到分光棱镜中心的距离相等,即为共轭面。光源产生的靶标光束经过分光棱镜,部分反射,再经过测量镜组,进行准直 或者会聚。测量镜头组由两个双胶合镜组成。在设计过程中,需要综合考虑光学系统的极限分辨率和视场角之间的关系。本文选用的探测器分辨率是1 390 pixel×1 040 pixel,像元大小为3.75 μm,当探测器靶面位于测量镜组的焦面时,全视场角为1.37°×1.02°,极限分辨率为0.017 mrad

 

在调焦模式中,位于棱镜下方的测量镜组能够沿光轴方向上下移动,改变测量镜组与探测器靶面的距离,从而使十字靶标的聚焦位置在-∞~-2 000 mm2 000 mm+∞范围内连续调节;在切换镜头模式中,测量镜组移动到某个位置,使其光源靶面位于测量镜组的焦面上,则可以产生靶标的平行光束,在准直镜头组的下 方增加一个双胶合镜头,该镜头有多种型号,可以进行切换,同时,该测量系统放置在竖直导轨上,能够整体上下移动,因此,此工作模式能够使十字靶标的聚焦位 置在-2 0002 000 mm范围内连续调节。这两种工作模式相互补充,能够保证十字靶标在-∞~+∞范围内连续调节,因此,利用该系统可以测量各种曲率半径的光学镜面的中心偏差。

最终设计的光路如下图所示。(a)(b)是调焦模式的光路图,(a)的靶标聚焦点位于+2 000 mm的位置,(b)的靶标聚焦点位于-2 000 mm的位置,(a)(b)各有两幅图,分别为光路全图和局部放大图。(c)(d)是切换镜头模式的光路图,(c)的靶标聚焦点位于+200 mm的位置,(d)的靶标聚焦点位于-200 mm的位置。

 

    最终设计的光路如下图所示。(a)(b)是调焦模式的光路图,(a)的靶标聚焦点位于+2 000 mm的位置,(b)的靶标聚焦点位于-2 000 mm的位置,(a)(b)各有两幅图,分别为光路全图和局部放大图。(c)(d)是切换镜头模式的光路图,(c)的靶标聚焦点位于+200 mm的位置,(d)的靶标聚焦点位于-200 mm的位置。

 

 

 

4.结论

 

本文设计了镜面偏心测量光学系统,该系统采用调焦和切换镜头相结合的方式,实现十字靶标在-∞~+∞范围内连续调节,从而能够测量各种曲率半径的镜面中心偏差。建立光线追迹模型,对该系统的杂光进行分析,该系统的杂光主要来源于准直镜头组和被测镜头的各个镜面的多次反射,分析结果表明,准直镜头组内部产生的杂光较小,可以忽略不计,而当被测镜头中的球面存在相邻的球心像距时,会产生较强的杂光,对目标图像的对比度影响较大。

博信光学元件超市(长春博信光电子),提供现货平凸透镜、双凹透镜、棱镜、柱面镜、复曲面镜(双曲面镜、轮胎镜)、反射镜、窗口、光栅、滤光片、激光光学镜片、工业镜头等标准光学元件库存。随时欢迎洽谈。

参考文献:《中国光学》

 


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