紧凑型内调焦全站仪物镜设计
发布时间：2017-11-22
全站仪,即全站型电子速测仪,是由电子测角、激光测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统,它集光、机、电、算和激光测距与经纬仪功能于一体,具有测程大、测量时间短、精度高等优点,20世纪90年代以来发展迅速,可广泛用于火箭、导弹等运载工具和各种桥梁、大坝、隧道、大型抛物面天线等三维目标的测量与测绘。
全站仪光学系统包括物镜、目镜系统和近红外激光发射与接收光学系统。因集测距与测角于一身,所以光学结构要求更紧凑。全站仪光学系统是全站仪瞄准目标、提高测量分辨率与精度的关键部件之一。
对全站仪物镜,设计人员追求的目标是尽量缩短筒长与视距,如日本索佳株式会社的全站仪物镜筒长约为152~154 mm,最短视距为1 m,视角放大率为26~30倍,物镜孔径Φ为45~49 mm[1]。目前,国内全站仪市场受到国外垄断。本文设计了具有自主知识产权的全站仪内调焦物镜,其主要技术指标为:焦距f′为250 mm,物镜总长为142 mm,孔径小于40mm,在2 m视距内具有良好像质,为方便近红外激光的发射与返回信号的接收,物镜前组顶焦距大于95 mm。
据设计指标要求,内调焦物镜采用远摄型,其设计具有以下难点:(1)据设计指标要求,远摄比小,同时又要求物镜前组具有长的顶焦距,这是一对矛盾的要求;(2)视距要求短时,初级像差系数会因视距的变化而发生改变,像差校正与平衡困难[2],同时内调焦组需要较大的调焦范围;(3)其它色差得到校正时,二级光谱残余量很难校正。
1光学结构型式与各组元光焦度
1.1型式
为了缩短物镜筒长,采用远摄型结构,其光学原理图用薄透镜系统表示,如图1所示。图中前组具有正光焦度,后组即物镜的内调焦组具有负的光焦度。h1和h2分别表示第一近轴光线在前、后组上的投射高;hz2为第二近轴光线(主光线)在后组上的投射高;u1和u′1分别为第一近轴光线在前组的物、像方孔径角,u′2表示后组像方孔径角;uz1= u′z1为物方视场角,u′z2为第二近轴光线在后组上的象方孔径角;l′F为像距,f′为系统焦距,d为前后组之间的间隔,L为物镜总长,φ′1和φ′2分别为前后组的光焦度。
如令h1=1,f′=1,u′2=1,则第二近轴光线在后组上的角放大率为,γ= u′z2/u′z1;第二近轴光线在后组上的偏角为u′z2- u′z1=-du′z1φ′2=-duz1φ′2;前组第一近轴光线的偏角为u′1-u1= h1φ′1;后组第一近轴光线的偏角为u′2-u2= h2φ′2;后组焦距为f′2=h2/(1-φ′1)。而l′F= f′(1- dφ′1),故物镜总长为
L = d+ l′F(1)
由式(1)可知,缩短总长L的办法有:(1)保证一定的l′F,缩短d;(2) d不变,缩短l′F。一般情况下,物镜负组后都使用转象棱镜,所以缩短总长采用方法(1) ,即保证一定的l′F。在l′F不变的情况下,缩短d,导致前组光焦度φ′1变大;但φ′1变大,引起前组承担的偏角增大,前组结构越复杂。
从方便近红外激光发射与接收的角度考虑,希望在不增加总长的情况下,增大前组的顶焦距,因此前组的光焦度φ′1不能太大。在确定前后组的光焦度时,要考虑φ′1的最佳选择。
1.2各组元光焦度
假设选用通用的阿贝棱镜为转像棱镜,考虑视距最短时方便于负组调焦,可以确定l′F,并有下列公式组:
据式(2)和前组顶焦距要求确定前组的焦距f′1后,可确定后组的光焦度φ′2和间隔d。
1.3前组元长顶焦距的控制
据物镜相对孔径和前组应承担的相对孔径要求,可以确定前组的光学结构。如果前组由两组元构成,焦距分别为f′11、f′12,两组元的间隔为g,则顶焦距l′12为
式中,f′1为物镜前组的焦距。由式(3)知,要使l′12长,则需g≈0和f′11>0或f′11<0,g>0。前者为既不增加物镜总长L,又确保前组顶焦距长的最佳选择,可使前组中两正组元的间距尽量小。
用ZEMAX[3]光学设计软件设计该物镜时,在评价函数中,要加入对物镜前组顶焦距的控制。由于ZEMAX没有提供中间光学系统顶焦距的控制操作符,本文用ZPL编写程序,完成该控制操作。
2视距与调焦距离
当视距(即物距)由无穷远向近距变化时,目标的像将不在原物镜后焦面(此处安装分划板)上,此时需调节内调焦镜(物镜后组)沿轴向移动,保证像位置不动。这里,内调焦镜沿光轴方向的移动距离,称为调焦距离da,等效于前后组主面之间的间隔变化。调焦距离愈大,物镜的像差变化愈大,使设计难度增加。因此调焦距离的大小要恰当,在前、后组的光焦度被确定后,它只与视距l有关。经推导,前后组之间的距离d满足
式中,l′= lf′1/(l+f′1)。图2给出了d与l的关系曲线,l为负值表示物在物镜左边。
由图2看出,当视距由无穷远向近距离变化时,d的变化开始比较缓慢,但当视距达1 m左右时,d变化很快,视距与调焦距离的数值关系参见表1。由表1看出,当视距由无穷远到5 m时,d从83.0 mm变化到85.8 mm,调焦距离仅为2.8 mm;当视距为2 m时,调焦距离增为7.3 mm;视距为1 m时,调焦距离跃为15.9 mm;视距为0.5 m时,调焦距离跳升为40.1 mm。
调焦距离的大幅变化,给光学设计与机械设计带来很大压力,有些设计甚至难以实现。因此要选择合理的视距。
3二级光谱讨论
为了保证全站仪光学系统具有足够的视角放大率,物镜焦距要达到250 mm左右,因此在校正轴向色差以后,仍会残留二级光谱余量。如图3给出了设计中各色光轴向球差δL′曲线。由图3看出,仍然具有ΔLFCD′=0.2 mm的二级光谱残余像差。为了消除二级光谱色差,可以采取:(1)采用特殊的光学材料;(2)在光学系统中加一组无焦系统,以补偿整个系统的二级光谱。考虑到物镜结构的紧凑性要求,本文采用特殊的光学玻璃。图4给出了消除二级光谱后设计结果的像差曲线。由图4看出,残留的二级光谱ΔLFCD′=0.07 mm,已经可用。
4设计实例
为了综合控制物镜在不同视距时的成像质量,采用ZEMAX中多重结构(Multi-configuration)设计方法,即分别取视距为无穷远和2 m来定义初始光学结构,并构建评价函数,对2个结构同时优化。图4为视距位于无穷远时的轴向球差曲线,此时全视场0.586μm波长处波差值为0・177λ(λ=0・586μm,下同);图5为视距位于2 m时的轴向球差曲线,此时全视场0.586μm波长处波差值为0・321λ。由这些结果看出,视距位于无穷远时像质指标满足像差经典公差要求;视距位于2 m时,成像质量有所下降,但还可用。
全站仪的目标瞄准观察系统属内调焦望远系统,其物镜可留残余像差,以便平衡目镜系统的轴向像差。
5结论
紧凑型内调焦物镜设计是体积小、重量轻全站仪的设计前提。经过讨论及设计实例,可以得出结论:(1)紧凑型内调焦物镜采用远摄型结构,为了方便调焦物镜的工作及安装阿贝转像棱镜,采用缩短透镜组间隔d,增大l′F的设计方案;(2)激光发射与接收要经过物镜的前组,因此要控制前组具有足够长的顶焦距,但在缩短透镜组间隔d时,导致前组光焦度φ′1增大,与长顶焦距的要求矛盾;通过ZPL编写程序建立对前组顶焦距的优化控制,寻找前组光焦度的最佳选择;(3)视距短于2 m时,调焦距离增加太大,设计难度陡增,通过建立视距与调焦距离之间的数值关系,为最短视距的选取提供参考依据。
摘自：中国计量测控网
