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平行光管簡介及選用

一、簡介

平行光管（collimator）是準直儀的一種，通過平行光管能夠獲取來自無窮遠的光束，是光學儀器裝校、檢測的重要工具之一，也是光學儀器（如經緯儀等）的重要組成部分。
像面經過嚴格校準的平行光管可用于光學儀器的裝調，而平行光管配以不同的目標板，可廣泛用于光學儀器幾何參數（焦距、相對孔徑等）、成像質量（星點檢驗、目視分辨率檢驗、MTF檢驗等）等光學參數的測量。此外，若將配套的可調式平面反光鏡固定于被檢運動直的工件上，則可以進行運動工件的直線性檢驗。

二、主要用途

平行光管主要用在光學系統裝校、檢測、標定等方面。

三、組成部分

平行光管在結構上一般包括物鏡、目標板、光源、支架、可調式平面反射鏡、高斯目鏡等幾部分，其中可調式平面反射鏡、高斯目鏡屬于自校準用附件，如圖1所示。

圖1 平行光管組成部分

  （1）物鏡：平行光管物鏡，根據口徑和焦距的不同可以是折射式、反射式或折返式系統，是平行光管的核心部件，物鏡的成像質量直接決定著平行光管的優劣。
  （2）目標板：根據平行光管使用任務的不同，目標板可以是十字絲，波羅板，鑒別率板，輻射狀、星點板，條紋板等。
  （3）光源：均勻的面光源，照明目標板用。一般用途時，使用照明燈泡與毛玻璃組合即可滿足要求；當用于成像質量（如MTF等）測量時，一般需要使用專門設計的照明系統或使用積分球。根據用途的不同，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，一般為三點支撐方式，具有高低、俯仰、偏擺等自由度的調制。
  （5）可調式平面反射鏡：具有俯仰調整、水平面內旋轉調整的反射鏡，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，配以可調式平面反射鏡可便于平行光管自準調整。

四、工作原理

平行光管是準直儀的一種，是無窮遠成像系統的逆向使用，工作原理如下：光源發出的光均勻照亮目標板，當目標板嚴格位于平行光管物鏡的焦面上時，目標板的像在物鏡像空間的無窮遠處，即由平行光管發出的光是平行光束。
在實際使用時，受裝校精度的制約，平行光管的目標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指標，也是平行光管選用時需要權衡考慮的技術參數。
  1.焦距（f）
  焦距是平行光管的重要技術指標，也是平行光管選用首先需要考慮的技術參數。
  一方面，根據幾何光學的物像關系表達式，理論上只要準確測量平行光管的焦距值，即可計算、推導出待測光學儀器的技術參數，而無需考慮焦距的大小。但在實際使用過程中，由于平行光管目標板存在必然的位置誤差，根據牛頓公式可知，目標板離焦量一定時，出射光的平行度誤差與焦距成反比，所以，需要根據出射光平行度的要求和目標板校準精度，權衡平行光管的焦距。
  另一方面，在光學儀器幾何參數（焦距、相對孔徑等）、成像質量測量時，為了降低測量誤差，一般選用平行光管的焦距是待檢測儀器的3～5倍。
  2.視場角（2ω）
  視場角是平行光管的另一個重要的技術指標，一般透射式平行光管視場角較大，而反射式平行光管視場角較小。
  當平行光管視場角大于待檢測儀器視場角時，可以一次完成待測儀器全視場相關參數的檢測，否則需要進行多次測量。在平行光管選用時需要根據待測儀器視場角、平行光特性、成本等因素綜合考慮。
  3.口徑（D）
  全口徑檢測是光學儀器檢測的基本原則一致，所以選用的平行光管口徑必須大于待檢光學儀器的口徑。
  口徑的增大，直接導致平行光管的重量、成本的成倍增加，當口徑大到一定程度后還會影響平行光管的結構形式。譬如，當平行光管的有效口徑要求大于150mm時，一般選用反射式系統，而非中小口徑時的透射式系統。
  4.波前誤差（WFE）
  當平行光管用于光學儀器幾何參數檢測或其他角度測量時，稱此類平行光管為“角度測量用平行光管”，一般不對其成像質量過多關注；當平行光管用于光學儀器的裝校、成像質量檢測時，稱此類平行光管為“成像檢測用平行光管”，此類平行光管自身的成像質量將直接影響檢測結果的正確性。
  “成像檢測用平行光管”作為光學測試儀器，不像普通成像系統那樣具有固定的工作空間頻率，所以一般用波前誤差（WFE）評價其成像質量，“成像檢測用平行光管”選用時需要根據待測光學儀器的波像差要求選用波前誤差匹配的平行光管。
  “成像檢測用平行光管”屬于高檔平行光管，此類平行光管可以用于光學儀器的裝校或成像性能檢測，但對光學設計、光機設計、裝調等均提出了苛刻的要求，平行光管的成本也較角度測量用平行光管昂貴。
  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）目標板離焦量
  根據牛頓公式可知，當平行光管目標板離焦時，目標板的像將在物鏡像空間的有限遠處，即平行光管的出射光不嚴格平行，平行度誤差與平行光管的口徑有關。所以，目標板離焦是導致平行光管出射光平行度存在誤差的主要原因。
  （2）光學系統殘差
  光學系統設計的理論像差和光機裝調時的裝調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程中是無法調整、補償的，需要在光學設計、光機設計、光機裝調等方面嚴格要求。
    綜上所述，平行光管作為一種光學檢測儀器，需要根據不同的用途選用不同技術參數和精度要求的產品，同時需要權衡重量、成本等因素，切不可一味追求長焦距、大視場、大口徑、高精度，因為平行光管的價格與其技術參數、精度等級基本成指數關系遞增。譬如，同為焦距550mm的平行光管，當有效口徑由50mm增加一倍到100mm時，價格將增加4～5倍；而一個焦距550mm的平行光管，當焦距增加5倍到3m時，價格將增加1～2個數量級！