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第32卷第1期
光学仪器
2010年2月
OPTICAL INSTRUMENTS
February, 2010
文章编号:1005-5630(2010)01-0071-04
用于畸变标定的大视场平行光管的研制
陈志凌
(华中光电技术研究所武汉光电国家实验室,湖北武汉430073)
摘要:在光学系统畸变标定中,大視场小畸变的平行光管是必要的高精度目标模拟设备。研制
的新型平行光管采用一体式硬铝合金结构、四片式光学系统、LED阵列和匀光板形成的大面积
均匀光源、精密分布星点板等,实现了焦距为601.2mm,视场角18.2°,全视场内物镜分辨力为
5",時变小于0.1%,满足了某型星敏感器的光学系统畸变标定需要。
关键词:畸变标定;平行光管;光学设计;星点板;照明系统
中图分类号:TH741文献标识码:Adoi:10.3969/-isn-1005-5630.2010.01.016
Manufacture of wide view collimator for distortion calibration
CHEN Zhiling
Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong Institute of Electro-optics, Wuhan 430073, China)
Abstract: A collimator with big visual angle and little distortion is necessary precision target
simulation equipment for distortion calibration. The new collimator is composed of integrative
duralumin drawtube, four lens optical system, large symmetrical lamp house with LED array
and scale board with exactitude stars. It achieves focus of 601. 2 mm, visual angle of 18. 2
resolving power of 5"and distortion less than 0. 1% in whole view. It has been successfully
used for distortion calibration of a certain star sensor optical system.
Key words distortion calibration; collimator; optical design; scale board; illumination system
引言
由于光学设计剩余像差、光学加工与装调工艺、光学材料及机械结构影响等诸多原因,光学镜头成像
时不可避免地产生一定的畸变,对用于测量、导航、光刻、诊断等系统的性能会带来较大影响。而依靠优
化光学系统设计、精选光学材料、改善光学工艺等手段来减小光学系统的畸变非常困难,也不可能完全消
除畸变。因此,在光学系统研制完成后,对其进行精确的畸变标定和有效的畸变校正具有重要意义2。
根据光学系统成像原理和中心投影定理确定的物像关系,畸变的标定主要就是确定畸变模型中的畸
变系数。光学系统畸变标定的方法主要有投影法、正反向节点法、测角法、多平行光管法、样板标定法
等。比较而言,样板标定法具有原理直观、设备简单、测量精度高等特点,应用也最广泛。样板标定法
就是利用定制位置准确且分布较规则的目标物点的标准样板,使其通过待校正光学系统成像。根据样板
理想设计参数和光学系统的放大率,计算出样板理想的无失真的像,比较它和存在畸变的实际像的差别,
就能够得到它们之间的函数关系,完成图像像素的几何位置校正。当被标定光学系统对无穷远目标成像
收稿日期:2009-07-02
作者简介:陈志凌(1979),男,湖北黄网人,工程师,硕士,主要从事光学仪器设计与研究。
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第32卷
时,标准样板通常由平行光管来产生,并对平行光管的研制提出了较高的要求。
技术指标
平行光管要根据被测光学镜头的系统参数和标定精度等要求,选择合适技术指标如下:
工作波长:486.1~656.3nm
焦距:600mm
人瞳直径:d80mm
相对孔径:1/7.
视场角2o:18
物镜分辨力
其它要求:全视场内畸变≤0.1%
2系统结构
平行光管主要由物镜、镜筒、分划板、匀光板、光源等积部分组成,系统结构如图1所示。
为了减轻平行光管的重量,提高其刚度,并保证光轴
精度,镜筒釆用硬铝合金整体直接加工实现。物镜和光
源分别布置在镜筒两端,光源与分刘板之间安装匀光板,
使点光源叠加后形成均匀的面光源。物镜各透镜由镜筒
端逐片安装,调整到合适位置后由压圈及螺钉固定们。
1-物镜;2镜筒;3分划板;4匀光板;5光源
3光学系统设计
图1平行光管系统结构
从上述指标要求可以看出,平行光管光学系统具有
Fig. 1 Structure of colli
相对口径小、视场大、畸变小、分辨力高等特点。由于过分失对称的系统,故视场较大时难以校正轴外彗
差和畸变。对彗差和畸变要求严格时,应尽量考虑采用对称型的结构形式,即光阑位于物镜结构中间,形
成对称或近对称的结构形式。因此,平行光管光学系统初始结构可考虑选择对称式三片物镜。三片型物
镜共有8个独立参数,能同时校正轴上及轴外像差[,?。
光学系统像差平衡与系统优化主要从以下几方面考虑
(1)像点能量中心位置的漂移和能量扩散的不对称性对测量精度有直接影响,系统像差首先校正畸
变和彗差。
(2)为保证成像质量和判读方便,要校正造成像点弥散圆扩大的像差,如轴向球差、轴向色差、像散和
场曲等,以控制像点能量扩散在允许的范围内,保证像点能量分布既对称又有可允许的尺寸
(3)剩余像差要合理匹配,即轴上点像差与各个视场的轴外像差要尽可能一致,使整个视场内的像质
比较均匀
(4)全视场内都不允许存在渐晕。因为渐晕会降低轴外像的成像质量和分辨力,也使视场边缘和视
场中心的曝光量不一致。
最后得到的平行光管光学系统由四片光焦度分别为正一负一负一正的透镜组成,孔径光阙位于系统
中间第七面。四个透镜均为薄透镜,采用的透镜材料均为常规光学玻璃,依次为ZK1、ZF。、ZF2、LaF3。
光学系统的畸变和弥散圆很小,加工的公差要求比较宽松,成像质量均能满足使用要求。
光学系统光路图及成像质量如图2~图4所示
分划板
分划板上刻蚀规律分布的星点,经光源均匀照亮后,
通过物镜形成无穷远目标。星点位置需要精确测量,且星
点经被测光学系统后的像点位置也需要精确测定,因此,
分划板图案主要从加工工艺和测试精度两方面综合考虑。
图2光学系统光路图
根据系统参数和标定需要,星点规则分布为中心方阵和径
Fig 2 Optical layout
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