紧凑型内调焦全站仪物镜设计

　　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