OLED数字化对准读数零位仪二次成像光学系统设计

孙美娇，王劲松，袁仙丹，王琪，牛婷婷

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

OLED数字化对准读数零位仪二次成像光学系统设计

孙美娇，王劲松，袁仙丹，王琪，牛婷婷

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

采用大靶面、高像素数OLED（8.4寸2560×1600）实现了瞄准镜零位走动检测的数字化对准读数需求，OLED经前置投影系统压缩成像后再经准直物镜形成无穷远目标，该目标成像在被测瞄准镜的分划板上，通过移动OLED电子分划来实现被测瞄准镜零位走动的大测量范围下的高分辨率检测。前置投影系统和后续准直系统分开设计，利用ZEMAX软件进行仿真，设计后的系统MTF≥0.3@80lp/mm，点列图弥散斑直径控制在艾里斑以内，达到衍射极限，系统成像质量良好，保证了测量范围大于20mil，分辨率可达到0.015mil。

OLED；零位仪；二次成像；ZEMAX仿真；准直光学系统设计

光学瞄准镜在射击震荡前后瞄准基线会产生偏移，造成目标瞄准精度下降。瞄准基线变化量的检测通常采用平行光管来模拟一个无穷远的基准目标，通过测量光学瞄准镜分划图像前后相对变化量来实现零位检测［1-3］。零位检测系统的研究国内外已有不少报道，国外以美国OPTIKOS公司和CI公司为代表，主要开发红外系统和仪器检测的红外平行光管。国内以长春理工大学和南京理工大学为主，长春理工大学梁妍、李光辉等人提出了采用玻璃平板补偿读数式准直光学系统，研制出机械细分辅助分划读数的白光零位仪，测量范围达到±10mil，分辨率达到0.01mil［4-5］。温斌等人提出了采用离轴反射式结构，实现可见-红外零位检测，测量范围± 10mil，测量精度达到0.7mil［6］。吕溥提出用CCD作为探测器实现高精度的零位检测系统，测量精度不大于2.16″（即0.01mil），测量范围不小于4320″（即20mil）［7］。刘洋提出OLED显示屏应用于检测系统中作为电子分划实现数字化测量［8］。这些方法和系统虽然精度能够满足现在产品的使用要求，但结构复杂，可靠性不高，均采用光学分划，适用性不好。基于OLED的数字化电子分划白光零位仪的研究，可以简化前述复杂的机械结构，提高可靠性的同时，由于其分划可程控改变，大大扩展了其产品适用性，有一定的现实意义，但受OLED显示屏分辨率限制，无法同时实现大测量范围和高分辨率的测量要求，据此提出了二次成像方案，采用大靶面、高像素数OLED经前置投影系统压缩成像后再准直二次成像来实现大测量范围下的高分辨率检测。为OLED应用于数字化对准读数的白光零位检测系统的研究提供了新的解决方案。

1 系统检测原理及方案

1.1 设计需求分析

考虑目前绝大多数产品的零位变化范围在几个mil，精度要求在0.1mil以内，因此确定系统的测量范围大于20mil，测量分辨率0.015mil。

1.2 系统检测原理

基于OLED的数字化白光零位仪检测系统原理如图1所示。由准直光学系统及放置在其焦平面上的OLED显示屏构成平行光管来模拟无穷远电子分划靶标，即通过间接测量被测瞄准镜使用前后，光管模拟的无穷远靶标图像在瞄具瞄准镜分划板上所成像的偏离量，来检测瞄具的零位变化量。当被测瞄准镜有零位走动时，电子分划像与分划板刻线将不重合，通过上位机编程控制OLED电子分划移动，实现分划图像的对准，则OLED电子分划所走过的移动量对准直物镜的张角，即为检测系统测得的被测瞄具的零位走动量，通过计数电子分划移动的像素数，来实现被测瞄具的瞄准基线变化量的间接检测。

1.3 检测系统方案

由OLED直接准直成像方案受市面上现有OLED显示屏分辨率的限制，无法同时实现测量范围和分辨率的检测需求，考虑二次成像方案，如图2所示。利用大的靶面、高像素数的OLED，通过前置投影系统压缩成像于准直物镜系统的焦平面处，再经过准直物镜二次成像实现无穷远电子分划靶标的模拟。投影系统及准直物镜系统分开设计，共同构成平行光管来模拟无穷远电子分划靶标，实现数字化零位检测。

图2 投影二次成像检测方案

2 OLED选型及光学系统参数计算

2.1OLED选型

目前市面上常见的OLED显示屏大都为128× 64、256×64、320×240等像素数较低，多用于显示牌、卡尺等字符串数字显示，达不到指标要求；而工业用OLED如0.6寸（1240×1024）又无法同时保证测量范围和分辨率的需求。采用大的靶面、高像素数的OLED显示屏，优先考虑保证足够大的测量范围，再经投影系统成像后进行二次准直成像，实现高分辨率。综合考虑设计选定军用OL084DZ_03WN型号的OLED显示屏8.4寸（2560×1600），靶面尺寸为219×128.5mm、像元尺寸80μm。

2.2 系统参数计算

（1）准直物镜参数计算

常见光学瞄准镜的放大倍率为2×-10×，军用目视仪器人眼入瞳取6mm，为适用不同放大倍率瞄准镜的检测，取前方准直物镜入瞳D0=60mm。

由OLED基本参数尺寸及系统指标要求，二者共同限定准直物镜的焦距 f′和前置投影系统的放大倍率β等参数。如图3所示，显示屏的一次像与物镜焦距 f′构成两个相互制约的三角函数关系，一次像靶面尺寸2y′决定系统的测量范围2ω，一次像像元尺寸q决定系统的分辨率即极限分辨角ε，则准直物镜焦距由公式（1）和（2）决定。

（a）测量范围要求20mil：（即ω=0.6°）时，有

（b）分辨率要求0.015mil：（即ε=0.0009°）时，有

即准直物镜的焦距 f′应满足：

图3 参数计算关系

考虑相对孔径D/f′对系统像面照度的影响及弥散斑直径对系统优化难易程度的限制，计算选定q=8μm，即系统弥散斑直径要求小于8μm，光学系统设计比较容易实现，y′=6.4mm满足系统视场要求，即系统焦距要求565.88mm≤f′≤679.04mm，这里选定系统焦距 f′=600mm，分辨率达到0.014mil，对应的视场角为2ω=1.36°，即测量范围为±11.33mil，其相对孔径D/f′=1/10，满足光管的设计要求。

准直物镜参数要求为：焦距 f′=600mm，入瞳口径D0=60mm，视场角2ω=1.36°

（2）投影物镜系统参数计算

由OLED选型可确定前置投影物镜物方的视场2y=128.5mm，像方分辨率（最小分辨尺寸）8μm，放大倍率β=-0.1×。投影物镜的焦距与视场相互制约，F数由像弥散斑直径要求确定。由衍射原理知艾里斑直径d满足公式（4）。

要求F≤5.96，这里设计取F=5.9。

由焦距 f′、工作距离l、视场角ω及放大率β之间满足的关系为

平衡参数之间的关系，这里取工作距离l= 500mm，焦距f′=61.73mm。

投影物镜参数为：物方的线视场2y=128.5mm，放大倍率β=-0.1×，F=5.9，工作距离为l=500mm，f′=61.73mm，分辨率（最小分辨尺寸）8μm。

3 光学系统设计

3.1 准直物镜的设计

准直物镜成像质量对测量产生直接影响，畸变、像散和场曲等像差是影响测量的主要因素。常采用双胶合的结构形式，但系统焦距过大导致系统过长，最终采用摄远物镜结构形式。采用两个双胶合的结构，前后两组透镜的像差可以相互补偿，使畸变场曲等像差得到很好地校正，从而获得了较好的成像质量。其设计结果及像差曲线如图4、图5所示。

图4 准直物镜二维结构图

图5 准直物镜成像质量分析图

设计的准直物镜焦距 f′=599.89mm，入瞳口径D0=60mm，视场角2ω=1.36°，筒长在400mm以内，基本达到衍射极限要求，MTF≥0.3@80lp/mm，点列图直径小于8μm在艾里斑以内，波像差达到0.5λ，畸变达到0.002%，像质良好，符合设计要求。

3.2 投影物镜的设计

前置投影物镜对OLED显示屏一次放大成像，通过其像来实现最终测量的分辨率要求，系统采用李斯特放大物镜设计，两个双胶合物镜结合形式可以做到像差很好地校正，其设计结果的像差曲线如图6、图7所示。

设计的投影物镜物方的线视场2y=128.5mm，放大倍率β=-0.099×，F=5.88，工作距离为l=550mm，f′=67.9mm，分辨率（最小分辨尺寸）8μm。基本达到衍射极限，点列图直径小于8μm在艾里斑以内，波像差0.5λ，畸变小于0.02%，像质良好，达到设计指标要求。

图6 投影物镜二维结构图

图7 投影物镜成像质量分析图

4 结论

针对8.4寸（2560×1600）OLED显示屏设计了零位仪二次成像光学系统，可以达到20mil测量范围和0.015mil分辨率的检测需求。在现有OLED显示屏无法做到大靶面、小像元尺寸的情况下，解决了瞄准镜零位走动的大测量范围和高分辨率同时检测问题。为了实现高精度的测量，可以采用远心光路设计［9-10］，远心光路可以保证恒定放大倍率的同时做到大的景深，以减小系统装调误差对测量精度的影响。

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［2]Pu L，Han G H．Application of dual wedges in optical axis alignment for laser rangefinders［J］.Laser Technol⁃ogy，2012，36（2）：151-153．

［3]王莹，王劲松，崔士宝，等.高精度白光与微光瞄具零位走动量检测技术研究［J］.兵工学报，2015，36（8）：1481-1486.

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［5]李光辉，安志勇，赵宇宸，等.玻璃平板补偿读数式准直光学系统设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2012，35（1）：43-45.

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［7]吕溥，韩国华，张艾莉，等.高精度瞄准镜零位走动量检测研究［J］.激光技术，2013，37（3）：404-408.

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［9]罗春华，侯锐利，于艇，等.工业双远心系统的设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2015，30（6）：12-15.

［10]李明东，高兴宇，叶鹏，等.机器视觉非球面双远心物镜的设计［J］.激光与光电子学进展，2016，53（070801）：070801-1-070801-9.

Design of Secondary Imaging Optical System for Digitized Alignment Readout Zero Testing Instrument Based on OLED

SUN Meijiao，WANG Jinsong，YUAN Xiandan，WANG Qi，NIU Tingting
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，OLED with large target surface and high pixel（8.4 inches，2560×1600） is used and the requirement of digitized alignment readout for zero-shift detection is realized.The OLED is imaged through the projection system and then is dealt with the collimation lens as the formation of infinity objective.The target is imaged on the reticle of the measured sighting telescope.By moving the OLED electronic division，high resolution detection under the large range measurement is achieved. The pre-projection system and the subsequent collimation system are designed separately.The ZEMAX software is used to simu⁃late.The MTF of the designed system is more than 0.3@80lp/mm，and the diameter of dispersion spot in the spot diagram is con⁃trolled within the Airy disk.The diffraction limit is reached and the imaging quality is good.The wide measurement range of more than 20mil can be achieved and the resolution with 0.015mil can be reached in the designed system.

OLED；zero testing instruments；secondary image；ZEMAX simulation；collimation optical system design

TH745

A

1672-9870（2017）02-0046-04

2016-12-14

孙美娇（1992-），女，硕士研究生，E-mail：18704498812@163.com

王劲松（1973-），男，博士，副教授，E-mail：oldier_1973@163.com