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服務(wù)支持

平行光管簡(jiǎn)介及選用

一、簡(jiǎn)介

平行光管（collimator）是準(zhǔn)直儀的一種，通過(guò)平行光管能夠獲取來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)的光束，是光學(xué)儀器裝校、檢測(cè)的重要工具之一，也是光學(xué)儀器（如經(jīng)緯儀等）的重要組成部分。
像面經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)的平行光管可用于光學(xué)儀器的裝調(diào)，而平行光管配以不同的目標(biāo)板，可廣泛用于光學(xué)儀器幾何參數(shù)（焦距、相對(duì)孔徑等）、成像質(zhì)量（星點(diǎn)檢驗(yàn)、目視分辨率檢驗(yàn)、MTF檢驗(yàn)等）等光學(xué)參數(shù)的測(cè)量。此外，若將配套的可調(diào)式平面反光鏡固定于被檢運(yùn)動(dòng)直的工件上，則可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)工件的直線性檢驗(yàn)。

二、主要用途

平行光管主要用在光學(xué)系統(tǒng)裝校、檢測(cè)、標(biāo)定等方面。

三、組成部分

平行光管在結(jié)構(gòu)上一般包括物鏡、目標(biāo)板、光源、支架、可調(diào)式平面反射鏡、高斯目鏡等幾部分，其中可調(diào)式平面反射鏡、高斯目鏡屬于自校準(zhǔn)用附件，如圖1所示。

圖1 平行光管組成部分

  （1）物鏡：平行光管物鏡，根據(jù)口徑和焦距的不同可以是折射式、反射式或折返式系統(tǒng)，是平行光管的核心部件，物鏡的成像質(zhì)量直接決定著平行光管的優(yōu)劣。
  （2）目標(biāo)板：根據(jù)平行光管使用任務(wù)的不同，目標(biāo)板可以是十字絲，波羅板，鑒別率板，輻射狀、星點(diǎn)板，條紋板等。
  （3）光源：均勻的面光源，照明目標(biāo)板用。一般用途時(shí)，使用照明燈泡與毛玻璃組合即可滿足要求；當(dāng)用于成像質(zhì)量（如MTF等）測(cè)量時(shí)，一般需要使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)或使用積分球。根據(jù)用途的不同，需要考慮照明光源的的工作波段范圍。
  （4）支架：支撐平行光管，一般為三點(diǎn)支撐方式，具有高低、俯仰、偏擺等自由度的調(diào)制。
  （5）可調(diào)式平面反射鏡：具有俯仰調(diào)整、水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)整的反射鏡，用于平行光管的自檢。
  （6）高斯目鏡：選用焦距、放大倍率合適的高斯目鏡，配以可調(diào)式平面反射鏡可便于平行光管自準(zhǔn)調(diào)整。

四、工作原理

平行光管是準(zhǔn)直儀的一種，是無(wú)窮遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的逆向使用，工作原理如下：光源發(fā)出的光均勻照亮目標(biāo)板，當(dāng)目標(biāo)板嚴(yán)格位于平行光管物鏡的焦面上時(shí)，目標(biāo)板的像在物鏡像空間的無(wú)窮遠(yuǎn)處，即由平行光管發(fā)出的光是平行光束。
在實(shí)際使用時(shí)，受裝校精度的制約，平行光管的目標(biāo)板位置與平行光管理想物方焦面位置之間必然存在一定位置誤差，這是影響平行光管出射光平行度的主要原因。

五、平行光管選用

  焦距f、視場(chǎng)角2ω、口徑D、波前誤差（WFE）、出射光平行度（σ）是平行光管的主要技術(shù)指標(biāo)，也是平行光管選用時(shí)需要權(quán)衡考慮的技術(shù)參數(shù)。
  1.焦距（f）
  焦距是平行光管的重要技術(shù)指標(biāo)，也是平行光管選用首先需要考慮的技術(shù)參數(shù)。
  一方面，根據(jù)幾何光學(xué)的物像關(guān)系表達(dá)式，理論上只要準(zhǔn)確測(cè)量平行光管的焦距值，即可計(jì)算、推導(dǎo)出待測(cè)光學(xué)儀器的技術(shù)參數(shù)，而無(wú)需考慮焦距的大小。但在實(shí)際使用過(guò)程中，由于平行光管目標(biāo)板存在必然的位置誤差，根據(jù)牛頓公式可知，目標(biāo)板離焦量一定時(shí)，出射光的平行度誤差與焦距成反比，所以，需要根據(jù)出射光平行度的要求和目標(biāo)板校準(zhǔn)精度，權(quán)衡平行光管的焦距。
  另一方面，在光學(xué)儀器幾何參數(shù)（焦距、相對(duì)孔徑等）、成像質(zhì)量測(cè)量時(shí)，為了降低測(cè)量誤差，一般選用平行光管的焦距是待檢測(cè)儀器的3～5倍。
  2.視場(chǎng)角（2ω）
  視場(chǎng)角是平行光管的另一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，一般透射式平行光管視場(chǎng)角較大，而反射式平行光管視場(chǎng)角較小。
  當(dāng)平行光管視場(chǎng)角大于待檢測(cè)儀器視場(chǎng)角時(shí)，可以一次完成待測(cè)儀器全視場(chǎng)相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)，否則需要進(jìn)行多次測(cè)量。在平行光管選用時(shí)需要根據(jù)待測(cè)儀器視場(chǎng)角、平行光特性、成本等因素綜合考慮。
  3.口徑（D）
  全口徑檢測(cè)是光學(xué)儀器檢測(cè)的基本原則一致，所以選用的平行光管口徑必須大于待檢光學(xué)儀器的口徑。
  口徑的增大，直接導(dǎo)致平行光管的重量、成本的成倍增加，當(dāng)口徑大到一定程度后還會(huì)影響平行光管的結(jié)構(gòu)形式。譬如，當(dāng)平行光管的有效口徑要求大于150mm時(shí)，一般選用反射式系統(tǒng)，而非中小口徑時(shí)的透射式系統(tǒng)。
  4.波前誤差（WFE）
  當(dāng)平行光管用于光學(xué)儀器幾何參數(shù)檢測(cè)或其他角度測(cè)量時(shí)，稱(chēng)此類(lèi)平行光管為“角度測(cè)量用平行光管”，一般不對(duì)其成像質(zhì)量過(guò)多關(guān)注；當(dāng)平行光管用于光學(xué)儀器的裝校、成像質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，稱(chēng)此類(lèi)平行光管為“成像檢測(cè)用平行光管”，此類(lèi)平行光管自身的成像質(zhì)量將直接影響檢測(cè)結(jié)果的正確性。
  “成像檢測(cè)用平行光管”作為光學(xué)測(cè)試儀器，不像普通成像系統(tǒng)那樣具有固定的工作空間頻率，所以一般用波前誤差（WFE）評(píng)價(jià)其成像質(zhì)量，“成像檢測(cè)用平行光管”選用時(shí)需要根據(jù)待測(cè)光學(xué)儀器的波像差要求選用波前誤差匹配的平行光管。
  “成像檢測(cè)用平行光管”屬于高檔平行光管，此類(lèi)平行光管可以用于光學(xué)儀器的裝校或成像性能檢測(cè)，但對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)、光機(jī)設(shè)計(jì)、裝調(diào)等均提出了苛刻的要求，平行光管的成本也較角度測(cè)量用平行光管昂貴。
  5.出射光平行度誤差（σ）
  平行光管出射光平行度主要受兩方面影響：
  （1）目標(biāo)板離焦量
  根據(jù)牛頓公式可知，當(dāng)平行光管目標(biāo)板離焦時(shí)，目標(biāo)板的像將在物鏡像空間的有限遠(yuǎn)處，即平行光管的出射光不嚴(yán)格平行，平行度誤差與平行光管的口徑有關(guān)。所以，目標(biāo)板離焦是導(dǎo)致平行光管出射光平行度存在誤差的主要原因。
  （2）光學(xué)系統(tǒng)殘差
  光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論像差和光機(jī)裝調(diào)時(shí)的裝調(diào)誤差影響也將影響平行光管的平行度，這部分誤差在平行光管使用過(guò)程中是無(wú)法調(diào)整、補(bǔ)償?shù)模枰诠鈱W(xué)設(shè)計(jì)、光機(jī)設(shè)計(jì)、光機(jī)裝調(diào)等方面嚴(yán)格要求。
    綜上所述，平行光管作為一種光學(xué)檢測(cè)儀器，需要根據(jù)不同的用途選用不同技術(shù)參數(shù)和精度要求的產(chǎn)品，同時(shí)需要權(quán)衡重量、成本等因素，切不可一味追求長(zhǎng)焦距、大視場(chǎng)、大口徑、高精度，因?yàn)槠叫泄夤艿膬r(jià)格與其技術(shù)參數(shù)、精度等級(jí)基本成指數(shù)關(guān)系遞增。譬如，同為焦距550mm的平行光管，當(dāng)有效口徑由50mm增加一倍到100mm時(shí)，價(jià)格將增加4～5倍；而一個(gè)焦距550mm的平行光管，當(dāng)焦距增加5倍到3m時(shí)，價(jià)格將增加1～2個(gè)數(shù)量級(jí)！

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