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平行光管简介及选用

一、简介

平行光管（collimator）是准直仪的一种，通过平行光管能够获取来自无穷远的光束，是光学仪器装校、检测的重要工具之一，也是光学仪器（如经纬仪等）的重要组成部分。
像面经过严格校准的平行光管可用于光学仪器的装调，而平行光管配以不同的目标板，可广泛用于光学仪器几何参数（焦距、相对孔径等）、成像质量（星点检验、目视分辨率检验、MTF检验等）等光学参数的测量。此外，若将配套的可调式平面反光镜固定于被检运动直的工件上，则可以进行运动工件的直线性检验。

二、主要用途

平行光管主要用在光学系统装校、检测、标定等方面。

三、组成部分

平行光管在结构上一般包括物镜、目标板、光源、支架、可调式平面反射镜、高斯目镜等几部分，其中可调式平面反射镜、高斯目镜属于自校准用附件，如图1所示。

图1 平行光管组成部分

  （1）物镜：平行光管物镜，根据口径和焦距的不同可以是折射式、反射式或折返式系统，是平行光管的核心部件，物镜的成像质量直接决定着平行光管的优劣。
  （2）目标板：根据平行光管使用任务的不同，目标板可以是十字丝，波罗板，鉴别率板，辐射状、星点板，条纹板等。
  （3）光源：均匀的面光源，照明目标板用。一般用途时，使用照明灯泡与毛玻璃组合即可满足要求；当用于成像质量（如MTF等）测量时，一般需要使用专门设计的照明系统或使用积分球。根据用途的不同，需要考虑照明光源的的工作波段范围。
  （4）支架：支撑平行光管，一般为三点支撑方式，具有高低、俯仰、偏摆等自由度的调制。
  （5）可调式平面反射镜：具有俯仰调整、水平面内旋转调整的反射镜，用于平行光管的自检。
  （6）高斯目镜：选用焦距、放大倍率合适的高斯目镜，配以可调式平面反射镜可便于平行光管自准调整。

四、工作原理

平行光管是准直仪的一种，是无穷远成像系统的逆向使用，工作原理如下：光源发出的光均匀照亮目标板，当目标板严格位于平行光管物镜的焦面上时，目标板的像在物镜像空间的无穷远处，即由平行光管发出的光是平行光束。
在实际使用时，受装校精度的制约，平行光管的目标板位置与平行光管理想物方焦面位置之间必然存在一定位置误差，这是影响平行光管出射光平行度的主要原因。

五、平行光管选用

  焦距f、视场角2ω、口径D、波前误差（WFE）、出射光平行度（σ）是平行光管的主要技术指标，也是平行光管选用时需要权衡考虑的技术参数。
  1.焦距（f）
  焦距是平行光管的重要技术指标，也是平行光管选用首先需要考虑的技术参数。
  一方面，根据几何光学的物像关系表达式，理论上只要准确测量平行光管的焦距值，即可计算、推导出待测光学仪器的技术参数，而无需考虑焦距的大小。但在实际使用过程中，由于平行光管目标板存在必然的位置误差，根据牛顿公式可知，目标板离焦量一定时，出射光的平行度误差与焦距成反比，所以，需要根据出射光平行度的要求和目标板校准精度，权衡平行光管的焦距。
  另一方面，在光学仪器几何参数（焦距、相对孔径等）、成像质量测量时，为了降低测量误差，一般选用平行光管的焦距是待检测仪器的3～5倍。
  2.视场角（2ω）
  视场角是平行光管的另一个重要的技术指标，一般透射式平行光管视场角较大，而反射式平行光管视场角较小。
  当平行光管视场角大于待检测仪器视场角时，可以一次完成待测仪器全视场相关参数的检测，否则需要进行多次测量。在平行光管选用时需要根据待测仪器视场角、平行光特性、成本等因素综合考虑。
  3.口径（D）
  全口径检测是光学仪器检测的基本原则一致，所以选用的平行光管口径必须大于待检光学仪器的口径。
  口径的增大，直接导致平行光管的重量、成本的成倍增加，当口径大到一定程度后还会影响平行光管的结构形式。譬如，当平行光管的有效口径要求大于150mm时，一般选用反射式系统，而非中小口径时的透射式系统。
  4.波前误差（WFE）
  当平行光管用于光学仪器几何参数检测或其他角度测量时，称此类平行光管为“角度测量用平行光管”，一般不对其成像质量过多关注；当平行光管用于光学仪器的装校、成像质量检测时，称此类平行光管为“成像检测用平行光管”，此类平行光管自身的成像质量将直接影响检测结果的正确性。
  “成像检测用平行光管”作为光学测试仪器，不像普通成像系统那样具有固定的工作空间频率，所以一般用波前误差（WFE）评价其成像质量，“成像检测用平行光管”选用时需要根据待测光学仪器的波像差要求选用波前误差匹配的平行光管。
  “成像检测用平行光管”属于高档平行光管，此类平行光管可以用于光学仪器的装校或成像性能检测，但对光学设计、光机设计、装调等均提出了苛刻的要求，平行光管的成本也较角度测量用平行光管昂贵。
  5.出射光平行度误差（σ）
  平行光管出射光平行度主要受两方面影响：
  （1）目标板离焦量
  根据牛顿公式可知，当平行光管目标板离焦时，目标板的像将在物镜像空间的有限远处，即平行光管的出射光不严格平行，平行度误差与平行光管的口径有关。所以，目标板离焦是导致平行光管出射光平行度存在误差的主要原因。
  （2）光学系统残差
  光学系统设计的理论像差和光机装调时的装调误差影响也将影响平行光管的平行度，这部分误差在平行光管使用过程中是无法调整、补偿的，需要在光学设计、光机设计、光机装调等方面严格要求。
    综上所述，平行光管作为一种光学检测仪器，需要根据不同的用途选用不同技术参数和精度要求的产品，同时需要权衡重量、成本等因素，切不可一味追求长焦距、大视场、大口径、高精度，因为平行光管的价格与其技术参数、精度等级基本成指数关系递增。譬如，同为焦距550mm的平行光管，当有效口径由50mm增加一倍到100mm时，价格将增加4～5倍；而一个焦距550mm的平行光管，当焦距增加5倍到3m时，价格将增加1～2个数量级！