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        傾斜分束片型復(fù)色自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)

        2021-07-03 07:00:20劉智穎鄭秋水李文博王曉燕黃蘊(yùn)涵
        光學(xué)精密工程 2021年4期
        關(guān)鍵詞:復(fù)色柱面物鏡

        劉智穎,鄭秋水,李文博,3,王曉燕,黃蘊(yùn)涵

        (1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,吉林 長春130022;2.光電測控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春130022;3.中船重工安譜(湖北)儀器有限公司,湖北 宜昌443000;4.北京控制工程研究所,北京100080)

        1 引言

        自準(zhǔn)直儀作為光學(xué)測量中的重要儀器,在精密檢測中發(fā)揮著不可或缺的作用。為了實(shí)現(xiàn)特定波段的高反或高透,自準(zhǔn)直儀需要引入分束器。常見的分束器有傾斜分束片[1]和分光棱鏡[2-5]兩種。對(duì)比兩種分光方式的特點(diǎn),加入分光棱鏡相當(dāng)于在分光系統(tǒng)的反射部分和透射部分中加入了兩塊相同的平行平板,且因全偏振現(xiàn)象造成透過率的降低,因此,傾斜分束片在質(zhì)量和透過率上都要優(yōu)于分光棱鏡。傾斜分束片通常為平板分束器,它在平行光路中不會(huì)引入額外的像差,而在非平行光路中會(huì)引起軸上點(diǎn)的像散。平板分束器在光路中通常傾斜45°放置,此時(shí)由它引入的像散不可忽略。通常軸上點(diǎn)是不存在像散的,但由于系統(tǒng)中加入了平板分束器,引入了軸上點(diǎn)像散,這會(huì)大幅降低系統(tǒng)的成像質(zhì)量。如何降低由平板分束器引入的軸上像散,是解決成像質(zhì)量問題的關(guān)鍵。

        目前,像散校正主要有3種方法。閆亞東在復(fù)合式干涉儀中優(yōu)化信號(hào)光收集光學(xué)系統(tǒng),提出將平板分束器改為楔板來進(jìn)行分光,在1547~1553 nm波段下,系統(tǒng)的RMS值降低約20μm,像質(zhì)大幅提升;但由于楔角較小,且楔板的兩個(gè)表面均為平面,其聚焦能力有限,因此對(duì)系統(tǒng)像散的校正能力一般[6]。段相永提出采用相同的平行平板互相垂直放置來減小像散,同時(shí)可以消除光路的平移量,但要保證互相垂直會(huì)增加裝調(diào)難度[7]。于建東在焦距為400 mm的傅里葉變換成像光譜儀物鏡設(shè)計(jì)中采用柱面鏡校正像散,使像散降低幾十個(gè)波長量級(jí)[8]。張倩采用雙膠合柱面鏡對(duì)波長選擇開關(guān)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),提高了成像精度[9]。黃瑋通過柱面鏡校正指紋采集儀光學(xué)系統(tǒng)的投影畸變,使大部分視場的MTF提升至棱鏡補(bǔ)償方案的1.6倍[10]。Xia G、FU X、張曉龍等分別在Czerny-Turner光譜儀中使用柱面鏡對(duì)像散進(jìn)行補(bǔ)償校正,像質(zhì)均得到有效的提升[11-13]。徐鶴軒及陳芳使用反射式柱面鏡進(jìn)行消像散設(shè)計(jì),使寬譜段光譜儀系統(tǒng)的像散得到了有效控制[14-15]。

        本文設(shè)計(jì)了一款帶有傾斜分束片的長焦距復(fù)色自準(zhǔn)直儀,對(duì)平板分束器引入的軸上像散進(jìn)行了分析。為達(dá)到既可以分光又能同時(shí)校正像散與色差的目的,因此在復(fù)色光波段下選取合適的材料,并選用柱面分束器與柱面鏡組合的形式,使系統(tǒng)的成像質(zhì)量較平板分束器大幅提升。

        2 平板分束器引入像散分析

        像散產(chǎn)生的原因主要是子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)并不重合,兩者分開的距離稱為像散。眾所周知,像散隨著視場的增大成倍地增大,因此像散主要針對(duì)的是軸外視場。而平板分束器會(huì)造成子午焦點(diǎn)和弧矢焦點(diǎn)的位移差,引起軸上像散。像散會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的子午焦點(diǎn)與弧矢焦點(diǎn)不重合。

        在自準(zhǔn)直儀光路中插入平板分束器后,子午面和弧矢面均會(huì)產(chǎn)生焦移,兩者焦移量的差值即為平板分束器的軸上像散,如圖1所示。則平板分束器的軸上像散BASTI為:

        圖1 平板分束器引入的軸上像散示意圖Fig.1 Schematic diagram of on-axis astigmatism intro?duced by plate beam splitter

        其中:ΔL Y為子午方向的焦移量,ΔL X為弧矢方向的焦移量。

        3 像散校正

        目前,由平板分束器引入的軸上像散的校正方法主要有三種:第一種是將平板分束器改為楔板分束器,但它對(duì)像散的校正能力有限;第二種在光路中加入另一個(gè)相同的平行平板,使它互相垂直放置,但裝調(diào)時(shí)難以保證完全對(duì)稱;第三種使用柱面鏡進(jìn)行像散校正,校正效果理想且設(shè)計(jì)與裝調(diào)簡便。柱面鏡與軸垂直的面為圓曲面,使光發(fā)生屈折聚焦成線,而與軸平行的面上光不發(fā)生屈折,使其子午方向與弧矢方向的光焦度產(chǎn)生變化,因此柱面鏡可以校正系統(tǒng)像散。

        以不改變?cè)鈱W(xué)系統(tǒng)弧矢方向的焦距為例,子午像點(diǎn)應(yīng)向其弧矢像點(diǎn)移動(dòng),且僅在子午方向存在曲率。本文采用的柱面鏡靠近像點(diǎn)的表面為柱面,靠近平板分束器的表面為平面。Y像點(diǎn)經(jīng)柱面鏡成像于X像點(diǎn),則柱面的Y方向?yàn)橥姑?,如圖2所示。

        圖2 柱面鏡示意圖Fig.2 Schematic diagram of cylindrical lens

        柱面鏡的后表面頂點(diǎn)到弧矢像點(diǎn)的中心距離為后截距LBX,由物像關(guān)系式,柱面鏡子午方向的凸面曲率半徑ry為:

        式中n2為柱面鏡的折射率。由式(2)不難看出,通過改變后截距與柱面鏡半徑,可以對(duì)任意大小的軸上像散進(jìn)行校正。

        4 傾斜分束片型復(fù)色自準(zhǔn)直儀的設(shè)計(jì)

        4.1 自準(zhǔn)直儀物鏡的設(shè)計(jì)

        自準(zhǔn)直儀的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示??紤]到系統(tǒng)焦距長、口徑大,使用透射式結(jié)構(gòu)會(huì)增加系統(tǒng)質(zhì)量,且色差難以校正會(huì)使系統(tǒng)有著較大的二級(jí)光譜。反射式結(jié)構(gòu)不會(huì)引入色差,但球面反射鏡的球差難以校正,因此采用牛頓反射式結(jié)構(gòu),用拋物面反射鏡對(duì)自準(zhǔn)直儀物鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        表1 自準(zhǔn)直儀物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of autocollimator objective lens

        自準(zhǔn)直儀物鏡如圖3所示,點(diǎn)列圖如圖4(a)所示,可以看到RMS值小于艾里斑的半徑,MTF曲線如圖4(b)所示,可以看到MTF接近衍射極限,表明系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。

        圖3 自準(zhǔn)直儀物鏡Fig.3 Parabolic autocollimator

        圖4 自準(zhǔn)直儀像質(zhì)圖Fig.4 Image quality map of autocollimator

        由于前文所述的平板分束器會(huì)引起軸上像散,在加入平板分束器后可以看到像質(zhì)明顯下降,點(diǎn)列圖及MTF曲線如圖5所示。

        圖5 帶有平板分束器的自準(zhǔn)直儀像質(zhì)圖Fig.5 Image quality map of autocollimator with plate beam splitter

        4.2 柱面鏡校正軸上像散

        由前文所知,采用柱面鏡可校正平板分束器所引入的軸上像散,且結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)式(1)可以計(jì)算出表1所示系統(tǒng)的像散為0.54 mm。根據(jù)需要取后截距為45 mm,根據(jù)式(2)可以計(jì)算出柱面鏡半徑為-1961.26 mm,加入柱面鏡的系統(tǒng)如圖6所示。

        圖6 柱面鏡校正軸上像散系統(tǒng)Fig.6 Correction system of on-axis astigmatism with cy?lindrical lens

        由 圖7(a)~7(c)和 圖8(a)~8(c)可 知,經(jīng)過優(yōu)化系統(tǒng)在各個(gè)單色光波段下的軸上像散得到了有效的校正。但從圖7(d)和8(d)發(fā)現(xiàn),在復(fù)色波段下系統(tǒng)殘余的色差較為明顯,造成了像質(zhì)的降低,因此要對(duì)系統(tǒng)殘余的色差進(jìn)行校正。

        圖7 各個(gè)波段下柱面鏡校正系統(tǒng)的點(diǎn)列圖Fig.7 Spot diagrams of cylindrical lens correction system in each band

        圖8 各個(gè)波段下柱面鏡校正系統(tǒng)的MTF曲線Fig.8 MTF curves of cylindrical lens correction system in each band

        4.3 自準(zhǔn)直儀色差校正

        自準(zhǔn)直儀物鏡采用反射式結(jié)構(gòu),不存在色差。平板分束器是沒有光焦度的,不會(huì)引入色差,因此系統(tǒng)的色差主要是柱面鏡帶來的。為了獲得良好的像質(zhì),要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行消色差設(shè)計(jì)。

        4.3.1 雙柱面鏡組合校正色差

        光學(xué)系統(tǒng)的色差系數(shù)由各個(gè)透鏡的色差系數(shù)相加,每塊透鏡的色差貢獻(xiàn)都與光焦度φ和阿貝數(shù)ν有關(guān)。從初級(jí)色差的角度來考慮光學(xué)系統(tǒng)消色差問題,使色差系數(shù)為0,得到每片透鏡的光焦度為:

        通過式(3)計(jì)算得到雙柱面鏡組合的曲率半徑分別為r y1=-461.10 mm及r y2=423.46 mm,得到在486~656 nm波段下的自準(zhǔn)直儀如圖9所示,系統(tǒng)的點(diǎn)列圖及MTF曲線如圖10所示??梢钥吹剑畹玫搅藰O大的改善,同時(shí)成像質(zhì)量也有了顯著的提升,滿足自準(zhǔn)直儀的設(shè)計(jì)要求。

        圖9 雙柱面鏡軸上像散、色差校正系統(tǒng)Fig.9 Correction system of on-axis astigmatism and chromatic aberration with double cylindrical lens

        圖10 雙柱面鏡校正系統(tǒng)像質(zhì)圖Fig.10 Image quality diagrams of double cylindrical lens correction system

        4.3.2 柱面分束器與柱面鏡組合校正色差

        基于雙柱面鏡組合的設(shè)計(jì)方法,將平板分束器與柱面鏡1結(jié)合,改進(jìn)為柱面分束器。反射光路一側(cè)為平面,透射光路一側(cè)為柱面,將柱面分束器與柱面鏡組合對(duì)軸上像散與色差進(jìn)行校正,在486~656 nm波段下帶有柱面分束器的自準(zhǔn)直儀如圖11所示,包含光源、拋物面反射鏡、折轉(zhuǎn)平面反射鏡、柱面分束器與柱面鏡組合校正系統(tǒng)。

        圖11 柱面分束器與柱面鏡組合的復(fù)色自準(zhǔn)直儀Fig.11 Cylindrical beam splitter and cylindrical lens combined multicolor autocollimator

        系統(tǒng)的點(diǎn)列圖及MTF曲線如圖12所示。可以看出,軸上像散與色差得到了有效的校正,成像質(zhì)量良好。系統(tǒng)波前如圖13所示,可以看出系統(tǒng)的RMS值為λ/26,PV值為λ/5,滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖12 柱面分束器與柱面鏡組合系統(tǒng)的像質(zhì)圖Fig.12 Image quality diagram of cylindrical beam split?ter and cylindrical lens combined system

        圖13 柱面分束器與柱面鏡組合系統(tǒng)的波前圖Fig.13 Wavefront diagram of cylindrical beam splitter and cylindrical lens combined system

        柱面鏡的加工與裝調(diào)公差如表2與表3所示,系統(tǒng)的像質(zhì)仍滿足設(shè)計(jì)要求。

        表2 柱面元件的加工公差Tab.2 Machining tolerances of cylindrical components

        表3 柱面元件的裝調(diào)公差Tab.3 Assembly tolerance of cylindrical components

        對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)形式,發(fā)現(xiàn)采用柱面分束器與柱面鏡組合代替雙柱面鏡結(jié)構(gòu)校正時(shí),軸上像散與色差均得到了有效的校正,自準(zhǔn)直儀的成像質(zhì)量得到了有效復(fù)原;而柱面分束器與柱面鏡組合校正方法可減少元件數(shù)量,更易于裝調(diào),降低系統(tǒng)的成本,因此最終本系統(tǒng)采用柱面分束器與柱面鏡組合的方法。

        4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        該自準(zhǔn)直儀使用柱面分束器代替平板分束器,可以同時(shí)校正軸上像散及色差,提升系統(tǒng)像質(zhì)并使用更少的光學(xué)元件。傾斜分束片型復(fù)色自準(zhǔn)直儀樣機(jī)如圖14所示。光源發(fā)出的波長在486~656 nm的光經(jīng)過一個(gè)柱面分束器及平面反射鏡反射,再經(jīng)拋物面反射鏡出射后提供準(zhǔn)直光,自準(zhǔn)直光由柱面分束器透射及柱面校正鏡透射后返回接收探測器。對(duì)系統(tǒng)波前進(jìn)行檢測,結(jié)果如圖15所示,可以看出系統(tǒng)的波前平滑,RMS值為λ/25,PV值為6λ/25,小于λ/4,系統(tǒng)成像質(zhì)量良好,驗(yàn)證了采用柱面鏡分光的可行性。

        圖14 復(fù)色自準(zhǔn)直儀樣機(jī)Fig.14 Photo of multicolor autocollimator prototype

        圖15 復(fù)色自準(zhǔn)直儀樣機(jī)波前圖Fig.15 Wavefront diagram of multicolor autocollimator prototype

        5 結(jié)論

        本文設(shè)計(jì)了一款帶有柱面分束器的長焦距復(fù)色自準(zhǔn)直儀。自準(zhǔn)直儀光路中加入平板分束器會(huì)引入軸上像散,對(duì)像散產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,采用柱面鏡對(duì)軸上像散進(jìn)行校正。通過光焦度的分配計(jì)算對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行消色差設(shè)計(jì)。最終將平板分束器與柱面鏡結(jié)合,采用柱面分束器進(jìn)行分光。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,采用柱面分束器與柱面鏡組合的自準(zhǔn)直儀,可以在分光的同時(shí)校正軸上像散和色差,使系統(tǒng)的成像質(zhì)量得到有效的提升,為復(fù)色自準(zhǔn)直儀設(shè)計(jì)提供了新思路。最后對(duì)傾斜分束片型自準(zhǔn)直儀樣機(jī)進(jìn)行波前檢測,測得系統(tǒng)的RMS值為λ/25,PV值為6λ/25,成像質(zhì)量良好。

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