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緊湊型內調焦全站儀物鏡設計

發布時間:2017-11-22

全站儀,即全站型電子速測儀,是由電子測角、激光測距、電子計算和數據存儲單元等組成的三維坐標測量系統,它集光、機、電、算和激光測距與經緯儀功能于一體,具有測程大、測量時間短、精度高等優點,20世紀90年代以來發展迅速,可廣泛用于火箭、導彈等運載工具和各種橋梁、大壩、隧道、大型拋物面天線等三維目標的測量與測繪。

全站儀光學系統包括物鏡、目鏡系統和近紅外激光發射與接收光學系統。因集測距與測角于一身,所以光學結構要求更緊湊。全站儀光學系統是全站儀瞄準目標、提高測量分辨率與精度的關鍵部件之一。

對全站儀物鏡,設計人員追求的目標是盡量縮短筒長與視距,如日本索佳株式會社的全站儀物鏡筒長約為152~154 mm,最短視距為1 m,視角放大率為26~30倍,物鏡孔徑Φ為45~49 mm[1]。目前,國內全站儀市場受到國外壟斷。本文設計了具有自主知識產權的全站儀內調焦物鏡,其主要技術指標為:焦距f′為250 mm,物鏡總長為142 mm,孔徑小于40mm,在2 m視距內具有良好像質,為方便近紅外激光的發射與返回信號的接收,物鏡前組頂焦距大于95 mm。

據設計指標要求,內調焦物鏡采用遠攝型,其設計具有以下難點:(1)據設計指標要求,遠攝比小,同時又要求物鏡前組具有長的頂焦距,這是一對矛盾的要求;(2)視距要求短時,初級像差系數會因視距的變化而發生改變,像差校正與平衡困難[2],同時內調焦組需要較大的調焦范圍;(3)其它色差得到校正時,二級光譜殘余量很難校正。

1光學結構型式與各組元光焦度

1.1型式

為了縮短物鏡筒長,采用遠攝型結構,其光學原理圖用薄透鏡系統表示,如圖1所示。圖中前組具有正光焦度,后組即物鏡的內調焦組具有負的光焦度。h1和h2分別表示第一近軸光線在前、后組上的投射高;hz2為第二近軸光線(主光線)在后組上的投射高;u1和u′1分別為第一近軸光線在前組的物、像方孔徑角,u′2表示后組像方孔徑角;uz1= u′z1為物方視場角,u′z2為第二近軸光線在后組上的象方孔徑角;l′F為像距,f′為系統焦距,d為前后組之間的間隔,L為物鏡總長,φ′1和φ′2分別為前后組的光焦度。

如令h1=1,f′=1,u′2=1,則第二近軸光線在后組上的角放大率為,γ= u′z2/u′z1;第二近軸光線在后組上的偏角為u′z2- u′z1=-du′z1φ′2=-duz1φ′2;前組第一近軸光線的偏角為u′1-u1= h1φ′1;后組第一近軸光線的偏角為u′2-u2= h2φ′2;后組焦距為f′2=h2/(1-φ′1)。而l′F= f′(1- dφ′1),故物鏡總長為

L = d+ l′F(1)

由式(1)可知,縮短總長L的辦法有:(1)保證一定的l′F,縮短d;(2) d不變,縮短l′F。一般情況下,物鏡負組后都使用轉象棱鏡,所以縮短總長采用方法(1) ,即保證一定的l′F。在l′F不變的情況下,縮短d,導致前組光焦度φ′1變大;但φ′1變大,引起前組承擔的偏角增大,前組結構越復雜。

從方便近紅外激光發射與接收的角度考慮,希望在不增加總長的情況下,增大前組的頂焦距,因此前組的光焦度φ′1不能太大。在確定前后組的光焦度時,要考慮φ′1的最佳選擇。

1.2各組元光焦度

假設選用通用的阿貝棱鏡為轉像棱鏡,考慮視距最短時方便于負組調焦,可以確定l′F,并有下列公式組:

據式(2)和前組頂焦距要求確定前組的焦距f′1后,可確定后組的光焦度φ′2和間隔d。

1.3前組元長頂焦距的控制

據物鏡相對孔徑和前組應承擔的相對孔徑要求,可以確定前組的光學結構。如果前組由兩組元構成,焦距分別為f′11、f′12,兩組元的間隔為g,則頂焦距l′12為

式中,f′1為物鏡前組的焦距。由式(3)知,要使l′12長,則需g≈0和f′11>0或f′11<0,g>0。前者為既不增加物鏡總長L,又確保前組頂焦距長的最佳選擇,可使前組中兩正組元的間距盡量小。

用ZEMAX[3]光學設計軟件設計該物鏡時,在評價函數中,要加入對物鏡前組頂焦距的控制。由于ZEMAX沒有提供中間光學系統頂焦距的控制操作符,本文用ZPL編寫程序,完成該控制操作。

2視距與調焦距離

當視距(即物距)由無窮遠向近距變化時,目標的像將不在原物鏡后焦面(此處安裝分劃板)上,此時需調節內調焦鏡(物鏡后組)沿軸向移動,保證像位置不動。這里,內調焦鏡沿光軸方向的移動距離,稱為調焦距離da,等效于前后組主面之間的間隔變化。調焦距離愈大,物鏡的像差變化愈大,使設計難度增加。因此調焦距離的大小要恰當,在前、后組的光焦度被確定后,它只與視距l有關。經推導,前后組之間的距離d滿足

式中,l′= lf′1/(l+f′1)。圖2給出了d與l的關系曲線,l為負值表示物在物鏡左邊。

由圖2看出,當視距由無窮遠向近距離變化時,d的變化開始比較緩慢,但當視距達1 m左右時,d變化很快,視距與調焦距離的數值關系參見表1。由表1看出,當視距由無窮遠到5 m時,d從83.0 mm變化到85.8 mm,調焦距離僅為2.8 mm;當視距為2 m時,調焦距離增為7.3 mm;視距為1 m時,調焦距離躍為15.9 mm;視距為0.5 m時,調焦距離跳升為40.1 mm。

調焦距離的大幅變化,給光學設計與機械設計帶來很大壓力,有些設計甚至難以實現。因此要選擇合理的視距。

3二級光譜討論

為了保證全站儀光學系統具有足夠的視角放大率,物鏡焦距要達到250 mm左右,因此在校正軸向色差以后,仍會殘留二級光譜余量。如圖3給出了設計中各色光軸向球差δL′曲線。由圖3看出,仍然具有ΔLFCD′=0.2 mm的二級光譜殘余像差。為了消除二級光譜色差,可以采取:(1)采用特殊的光學材料;(2)在光學系統中加一組無焦系統,以補償整個系統的二級光譜??紤]到物鏡結構的緊湊性要求,本文采用特殊的光學玻璃。圖4給出了消除二級光譜后設計結果的像差曲線。由圖4看出,殘留的二級光譜ΔLFCD′=0.07 mm,已經可用。

4設計實例

為了綜合控制物鏡在不同視距時的成像質量,采用ZEMAX中多重結構(Multi-configuration)設計方法,即分別取視距為無窮遠和2 m來定義初始光學結構,并構建評價函數,對2個結構同時優化。圖4為視距位于無窮遠時的軸向球差曲線,此時全視場0.586μm波長處波差值為0?177λ(λ=0?586μm,下同);圖5為視距位于2 m時的軸向球差曲線,此時全視場0.586μm波長處波差值為0?321λ。由這些結果看出,視距位于無窮遠時像質指標滿足像差經典公差要求;視距位于2 m時,成像質量有所下降,但還可用。

全站儀的目標瞄準觀察系統屬內調焦望遠系統,其物鏡可留殘余像差,以便平衡目鏡系統的軸向像差。

5結論

緊湊型內調焦物鏡設計是體積小、重量輕全站儀的設計前提。經過討論及設計實例,可以得出結論:(1)緊湊型內調焦物鏡采用遠攝型結構,為了方便調焦物鏡的工作及安裝阿貝轉像棱鏡,采用縮短透鏡組間隔d,增大l′F的設計方案;(2)激光發射與接收要經過物鏡的前組,因此要控制前組具有足夠長的頂焦距,但在縮短透鏡組間隔d時,導致前組光焦度φ′1增大,與長頂焦距的要求矛盾;通過ZPL編寫程序建立對前組頂焦距的優化控制,尋找前組光焦度的最佳選擇;(3)視距短于2 m時,調焦距離增加太大,設計難度陡增,通過建立視距與調焦距離之間的數值關系,為最短視距的選取提供參考依據。

摘自:中國計量測控網


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