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緊湊型內(nèi)調(diào)焦全站儀物鏡設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2017-11-22
全站儀,即全站型電子速測(cè)儀,是由電子測(cè)角、激光測(cè)距、電子計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等組成的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),它集光、機(jī)、電、算和激光測(cè)距與經(jīng)緯儀功能于一體,具有測(cè)程大、測(cè)量時(shí)間短、精度高等優(yōu)點(diǎn),20世紀(jì)90年代以來(lái)發(fā)展迅速,可廣泛用于火箭、導(dǎo)彈等運(yùn)載工具和各種橋梁、大壩、隧道、大型拋物面天線等三維目標(biāo)的測(cè)量與測(cè)繪。
全站儀光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡、目鏡系統(tǒng)和近紅外激光發(fā)射與接收光學(xué)系統(tǒng)。因集測(cè)距與測(cè)角于一身,所以光學(xué)結(jié)構(gòu)要求更緊湊。全站儀光學(xué)系統(tǒng)是全站儀瞄準(zhǔn)目標(biāo)、提高測(cè)量分辨率與精度的關(guān)鍵部件之一。
對(duì)全站儀物鏡,設(shè)計(jì)人員追求的目標(biāo)是盡量縮短筒長(zhǎng)與視距,如日本索佳株式會(huì)社的全站儀物鏡筒長(zhǎng)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(guó)內(nèi)全站儀市場(chǎng)受到國(guó)外壟斷。本文設(shè)計(jì)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全站儀內(nèi)調(diào)焦物鏡,其主要技術(shù)指標(biāo)為:焦距f′為250 mm,物鏡總長(zhǎng)為142 mm,孔徑小于40mm,在2 m視距內(nèi)具有良好像質(zhì),為方便近紅外激光的發(fā)射與返回信號(hào)的接收,物鏡前組頂焦距大于95 mm。
據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,內(nèi)調(diào)焦物鏡采用遠(yuǎn)攝型,其設(shè)計(jì)具有以下難點(diǎn):(1)據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,遠(yuǎn)攝比小,同時(shí)又要求物鏡前組具有長(zhǎng)的頂焦距,這是一對(duì)矛盾的要求;(2)視距要求短時(shí),初級(jí)像差系數(shù)會(huì)因視距的變化而發(fā)生改變,像差校正與平衡困難[2],同時(shí)內(nèi)調(diào)焦組需要較大的調(diào)焦范圍;(3)其它色差得到校正時(shí),二級(jí)光譜殘余量很難校正。
1光學(xué)結(jié)構(gòu)型式與各組元光焦度
1.1型式
為了縮短物鏡筒長(zhǎng),采用遠(yuǎn)攝型結(jié)構(gòu),其光學(xué)原理圖用薄透鏡系統(tǒng)表示,如圖1所示。圖中前組具有正光焦度,后組即物鏡的內(nèi)調(diào)焦組具有負(fù)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(chǎng)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(tǒng)焦距,d為前后組之間的間隔,L為物鏡總長(zhǎng),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(zhǎng)為
L = d+ l′F(1)
由式(1)可知,縮短總長(zhǎng)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(fù)組后都使用轉(zhuǎn)象棱鏡,所以縮短總長(zhǎng)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(dǎo)致前組光焦度φ′1變大;但φ′1變大,引起前組承擔(dān)的偏角增大,前組結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。
從方便近紅外激光發(fā)射與接收的角度考慮,希望在不增加總長(zhǎng)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(shí),要考慮φ′1的最佳選擇。
1.2各組元光焦度
假設(shè)選用通用的阿貝棱鏡為轉(zhuǎn)像棱鏡,考慮視距最短時(shí)方便于負(fù)組調(diào)焦,可以確定l′F,并有下列公式組:
據(jù)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(zhǎng)頂焦距的控制
據(jù)物鏡相對(duì)孔徑和前組應(yīng)承擔(dān)的相對(duì)孔徑要求,可以確定前組的光學(xué)結(jié)構(gòu)。如果前組由兩組元構(gòu)成,焦距分別為f′11、f′12,兩組元的間隔為g,則頂焦距l(xiāng)′12為
式中,f′1為物鏡前組的焦距。由式(3)知,要使l′12長(zhǎng),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(zhǎng)L,又確保前組頂焦距長(zhǎng)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(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)該物鏡時(shí),在評(píng)價(jià)函數(shù)中,要加入對(duì)物鏡前組頂焦距的控制。由于ZEMAX沒(méi)有提供中間光學(xué)系統(tǒng)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(diào)焦距離
當(dāng)視距(即物距)由無(wú)窮遠(yuǎn)向近距變化時(shí),目標(biāo)的像將不在原物鏡后焦面(此處安裝分劃板)上,此時(shí)需調(diào)節(jié)內(nèi)調(diào)焦鏡(物鏡后組)沿軸向移動(dòng),保證像位置不動(dòng)。這里,內(nèi)調(diào)焦鏡沿光軸方向的移動(dòng)距離,稱為調(diào)焦距離da,等效于前后組主面之間的間隔變化。調(diào)焦距離愈大,物鏡的像差變化愈大,使設(shè)計(jì)難度增加。因此調(diào)焦距離的大小要恰當(dāng),在前、后組的光焦度被確定后,它只與視距l(xiāng)有關(guān)。經(jīng)推導(dǎo),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(guān)系曲線,l為負(fù)值表示物在物鏡左邊。
由圖2看出,當(dāng)視距由無(wú)窮遠(yuǎn)向近距離變化時(shí),d的變化開(kāi)始比較緩慢,但當(dāng)視距達(dá)1 m左右時(shí),d變化很快,視距與調(diào)焦距離的數(shù)值關(guān)系參見(jiàn)表1。由表1看出,當(dāng)視距由無(wú)窮遠(yuǎn)到5 m時(shí),d從83.0 mm變化到85.8 mm,調(diào)焦距離僅為2.8 mm;當(dāng)視距為2 m時(shí),調(diào)焦距離增為7.3 mm;視距為1 m時(shí),調(diào)焦距離躍為15.9 mm;視距為0.5 m時(shí),調(diào)焦距離跳升為40.1 mm。
調(diào)焦距離的大幅變化,給光學(xué)設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)很大壓力,有些設(shè)計(jì)甚至難以實(shí)現(xiàn)。因此要選擇合理的視距。
3二級(jí)光譜討論
為了保證全站儀光學(xué)系統(tǒng)具有足夠的視角放大率,物鏡焦距要達(dá)到250 mm左右,因此在校正軸向色差以后,仍會(huì)殘留二級(jí)光譜余量。如圖3給出了設(shè)計(jì)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(jí)光譜殘余像差。為了消除二級(jí)光譜色差,可以采取:(1)采用特殊的光學(xué)材料;(2)在光學(xué)系統(tǒng)中加一組無(wú)焦系統(tǒng),以補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的二級(jí)光譜。考慮到物鏡結(jié)構(gòu)的緊湊性要求,本文采用特殊的光學(xué)玻璃。圖4給出了消除二級(jí)光譜后設(shè)計(jì)結(jié)果的像差曲線。由圖4看出,殘留的二級(jí)光譜ΔLFCD′=0.07 mm,已經(jīng)可用。
4設(shè)計(jì)實(shí)例
為了綜合控制物鏡在不同視距時(shí)的成像質(zhì)量,采用ZEMAX中多重結(jié)構(gòu)(Multi-configuration)設(shè)計(jì)方法,即分別取視距為無(wú)窮遠(yuǎn)和2 m來(lái)定義初始光學(xué)結(jié)構(gòu),并構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù),對(duì)2個(gè)結(jié)構(gòu)同時(shí)優(yōu)化。圖4為視距位于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)的軸向球差曲線,此時(shí)全視場(chǎng)0.586μm波長(zhǎng)處波差值為0?177λ(λ=0?586μm,下同);圖5為視距位于2 m時(shí)的軸向球差曲線,此時(shí)全視場(chǎng)0.586μm波長(zhǎng)處波差值為0?321λ。由這些結(jié)果看出,視距位于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)像質(zhì)指標(biāo)滿足像差經(jīng)典公差要求;視距位于2 m時(shí),成像質(zhì)量有所下降,但還可用。
全站儀的目標(biāo)瞄準(zhǔn)觀察系統(tǒng)屬內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng),其物鏡可留殘余像差,以便平衡目鏡系統(tǒng)的軸向像差。
5結(jié)論
緊湊型內(nèi)調(diào)焦物鏡設(shè)計(jì)是體積小、重量輕全站儀的設(shè)計(jì)前提。經(jīng)過(guò)討論及設(shè)計(jì)實(shí)例,可以得出結(jié)論:(1)緊湊型內(nèi)調(diào)焦物鏡采用遠(yuǎn)攝型結(jié)構(gòu),為了方便調(diào)焦物鏡的工作及安裝阿貝轉(zhuǎn)像棱鏡,采用縮短透鏡組間隔d,增大l′F的設(shè)計(jì)方案;(2)激光發(fā)射與接收要經(jīng)過(guò)物鏡的前組,因此要控制前組具有足夠長(zhǎng)的頂焦距,但在縮短透鏡組間隔d時(shí),導(dǎo)致前組光焦度φ′1增大,與長(zhǎng)頂焦距的要求矛盾;通過(guò)ZPL編寫程序建立對(duì)前組頂焦距的優(yōu)化控制,尋找前組光焦度的最佳選擇;(3)視距短于2 m時(shí),調(diào)焦距離增加太大,設(shè)計(jì)難度陡增,通過(guò)建立視距與調(diào)焦距離之間的數(shù)值關(guān)系,為最短視距的選取提供參考依據(jù)。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
