平行光管的基本原理及使用方法

1、982儀器儀表學(xué)報第 27 卷平行光管的基本原理及使用方法王 磊1 ,2 王守印1 周 虎1 ,2 張余彬31 （中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 長春 130033）2 （中國科學(xué)院研究生院 北京 100039）3 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司 天津 300301）摘 要 平行光管是最基本的校驗(yàn)儀器。為了便于光學(xué)儀器的安裝和校驗(yàn)，著重介紹了平行光管的基本原理及結(jié)構(gòu)組成。 它主要由物鏡、分劃板和毛玻璃組成,五種分劃板決定了平行光管的不同用途。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐要求而設(shè)計的平行光管，可以 在室內(nèi)提供有限距離的目標(biāo)。它可以用于儀器的裝校,光學(xué)系統(tǒng)特性常數(shù)的測定等。關(guān)鍵詞 平行光管 光學(xué)系統(tǒng) 焦距Ba

2、sic principles and use method of collimatorWang Lei1 ,2 Wang Shouyin1 Zhou Hu1 ,2 Zhang Yubin31 (CAS Changchun Institute of Optics , Fine Mechanics and Physics , Changchun 130033 , China)2 ( Graduate School of the Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 ,China)3 ( Tianjin Steel Tube Company , T

3、ianjin 300301 , China)Abstract Collimator is the most basic calibrating instrument . For easy to install and checkout optical instrument , here primarily int roduces t he basic principles and st ruct ure component of collimator , which is composed of object lens 、divisional board and ground glass. F

4、ive kind divisional board determines the different uses of the collimator. Collimator is designed by the request of production practice , it canoffer the object infinitefarness location indoor. It is used to install and checkout instrument , and mensurate t he characteristic of optical system. 1994-

5、2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Key words colli mato r op tical syst em foci1引 言根據(jù)幾何光學(xué)原理,無限遠(yuǎn)處的物體經(jīng)過透鏡后 將成像在焦平面上;反之 ,從透鏡焦平面上發(fā)出的光線 經(jīng)透鏡后將成為一束平行光。如果將一個物體放在透 鏡的焦平面上 ,那么它將成像在無限遠(yuǎn)處。圖1 為平行光管的結(jié)構(gòu)原理圖。它由物鏡及置于 物鏡焦平面上的分劃板,光源以及為使分劃板被均勻 照亮而設(shè)置的毛玻璃組成。由于分劃板

6、置于物鏡的焦平面上 ,因此 ,當(dāng)光源照 亮分劃板后,分劃板上每一點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過透鏡后 ,都 成為一束平行光。又由于分劃板上有根據(jù)需要而刻成 的分劃線或圖案 ,這些刻線或圖案將成像在無限遠(yuǎn)處。 這樣 ,對觀察者來說 ,分劃板又相當(dāng)于一個無限遠(yuǎn)距離圖 1 平行光管的結(jié)構(gòu)原理的目標(biāo)。2 平行光管的分劃板2. 1 分劃板的形式根據(jù)平行光管要求的不同 ,分劃板可刻有各種各 樣的圖案。圖2 是幾種常見的分劃板圖案形式。圖2 （a）是刻有十字線的分劃板,常用于儀器光軸的校正;圖2(b)是帶角度分劃的分劃板,常用在角度測量上; 圖2(c)是中心有一個小孔的分劃板,又被稱為星點(diǎn) 板;圖2(d)是鑒別率板,它用于

7、檢驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)的成像 質(zhì)量。鑒別率板的圖樣有許多種,這里只是其中的一 種；圖2(e)是帶有幾組一定間隔線條的分劃板,通常 又稱它為玻羅板,它用在測量透鏡焦距的平行光管上。圖2分劃板的幾種形式2.2平行光管分劃板的計算用于測量角度的平行光管分劃板上刻有角度刻線,見圖3。每一條刻線到分劃板中心的距離為:y=ftgB式中:y為刻線至分劃板中心距離,f為平行光管的3平行光管的精度平行光管分劃板在按計算出的 y 值進(jìn)行刻制的過 程中，由于工藝等原因,必然會有刻制誤差。也就 是說，標(biāo)準(zhǔn)值為B的刻線實(shí)際已位于y + Ay處；同樣, f的實(shí)際值與設(shè)計值也存在一定的誤差A(yù)f。這樣，由 于Ay和Af而產(chǎn)生了角度的示

8、值誤差A(yù)。假設(shè)平行光管的分劃板能準(zhǔn)確地置于物鏡焦平面 上，通過數(shù)學(xué)分析可得到分劃板刻制誤差A(yù)y和物鏡 焦距誤差A(yù)f與平行光管角度誤差A(yù)的關(guān)系為：Ag_Ay AftB = y - f(2)當(dāng)Ay = 0時,f的實(shí)際值若比設(shè)計值大1 %,則B 的實(shí)際值將比設(shè)計值小1 %。當(dāng)Af = 0時，將yefB 代入式(2)后可看出A與Ay成正比,而與f成反比。由于減小Ay和Af總有一定限度，所以為了減小A , 可以增加f。這就是說，長焦距平行光管的精度比 較高。除了在設(shè)計和制造時保證平行光管的精度外,在 使用之前一般還需要對儀器進(jìn)行校正。通過校正要達(dá) 到以下要求：分劃板地刻度平面和物鏡焦平面相重合; 分劃板

9、地刻度中心與物鏡光軸重合。4平行光管的結(jié)構(gòu)平行光管按焦距的不同可分為短焦距、中等焦距 和長焦距平行光管。這種劃分并不是很嚴(yán)格。我國已 對平行光管的焦距制定了系列標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)平行光管時 采用了標(biāo)準(zhǔn)的焦距值。由于焦距的不同,使用條件的 不同 ,平行光管采用了不同的結(jié)構(gòu)形式。4.1直管式平行光管焦距較短的平行光管常做成直管式,形式如圖1 所示。這種平行光管分劃板位置一般為固定的,可根 據(jù)不同的需要安置各種形式的分劃板,能滿足一般使 用要求 ,便于搬運(yùn)。4.2 可調(diào)視度式平行光管如圖 4所示,視度是指光學(xué)儀器出射光束會聚或 發(fā)散的程度。這種平行光管的分劃板裝在可以動的伸 縮筒一端,當(dāng)分劃板位于物鏡焦平面

10、時,可成像于無限 遠(yuǎn);離開焦平面時可成像于有限距離處,見圖 4(b) 。 這種平行光管常作為通用儀器的部件,其分劃板一般 可根據(jù)不同需要方便地進(jìn)行更換。4.3 分離式平行光管當(dāng)平行光管的焦距很長時 ,采用金屬鏡管很困難 , 所以常做成分離式。如圖 5 所示。這種設(shè)備占據(jù)空間 較小 ,缺點(diǎn)是容易受到雜光及氣流的影響。圖5分離式平行光管4.4折轉(zhuǎn)式平行光管折轉(zhuǎn)式平行光管的主要性能與直管式相同,不同 的是利用平面鏡將光路進(jìn)行了折轉(zhuǎn),如圖6 所示。采用這種結(jié)構(gòu)可以縮小儀器的體積 ,操作方便。圖 6 折轉(zhuǎn)式平行光管4.5反射式平行光管口徑300mm、焦距3000mm以上的大口徑平行光 管，一般采用非球面

11、反射物鏡，如圖7所示圖 7 反射式平行光管反射物鏡與折射物鏡相比有以下優(yōu)點(diǎn):(1) 不受光學(xué)材料折射率、均勻性、條紋度等 影響;(2) 沒有色差 ;(3) 結(jié)構(gòu)簡單 ;(4) 對光學(xué)材料要求主要是應(yīng)力消除程度和氣 泡度;反射式平行光管的主要缺點(diǎn)是(1) 反射零件表面形狀誤差要求比對折射零件的 要求嚴(yán)格;(2) 反射物鏡采用了非球面,磨制較困難;5結(jié)論平行光管是校正過程中常用的一種基本光學(xué)工 具，了解平行光管的基本原理和使用方法，對光學(xué)儀器 的安裝和校正具有非常重要的意義。參考文獻(xiàn)1 機(jī)械工業(yè)部儀器儀表工業(yè)局.光學(xué)測量M.北京:機(jī) 械工業(yè)出版社,1985(9) :19225.2 邱松發(fā).光學(xué)儀器裝配與校正M.北京：國防工業(yè)出 版社 ,1980(4) :95298.3 曹根瑞.一種新概念平行光管J.北京:北京理工大 報 ,2003 :4532456.4 甘永立