平行光管

        根据几何光学原理系统焦面发出的光线经光学系统后将出射平行光。平行光管就是在其光学系统焦平面上设置光源或者所需光学元件（如星点板、分辨率板、玻罗板等)，使其成像于无穷远处，为后续系统提供一束平行光或者一个无穷远的目标^[2]。

图1 平行光管的结构原理图

        许多光学设备的检测都离不开平行光管。作为光学测量仪器的主要部件之一，它的作用是用来产生平行光束，为被测系统提供无限远的目标。

        实验室所用的焦距仪主要由平行光管和测微目镜组成（如图2）^[3]，用于测定透镜或透镜组焦距，还可以用来测定光学系统物镜的分辨率即定性检查光学零件的成像质量^[4]。

图2 焦距仪原理图

        还可将平面反光镜放置在直线运动的工件上，通过平行光管上的高斯目镜观察，以检验工件的直线性。

        在平行光管像面处放置运动目标发生器，可以模拟一个无穷远处目标的多种运动形式，如移动、旋转等。

        在检测过程中配以动态千涉仪和其他检测仪器，就可以构建一个动态检测系统‚对被检件进行动态检测，一记录光学元件各参数各个时间的情况^[1]。

3.1 直筒式平行光管

        直筒式平行光管一般焦距较短，形式如图所示。这种平行光管结构简单，装调检测和搬运都比较方便。一般在焦面上放置分划板，以模拟无穷远目标，配用不同的分划板，能满足一般的检测要求。

图3 直管式平行光管

3.2 可调视度平行光管

        可调视度平行光管就是利用视度的可调性做成的平行光管（如图4a所示）^[5]。分划板装在光管的一侧，这部分光管的镜筒可以前后伸缩，如同视度管，通过镜筒的伸缩来调节分划板的位置。当分划板正好处于平行光管物镜的焦平面上时，即可形成平行光出射，如图4b所示。

图4 可调视度平行光管

3.3 分离式平行光管

        当平行光管的焦距很长时，把物镜和分划板装在同一个镜筒里，镜筒将会做得很长，占据较大的空间，所以常做成分离式。将物镜和分划板分开，比如将物镜和分划板分别固定在两个水泥台上，如图5所示。分离式平行光管大大减少了空间的占用，因为物镜和分划板中间部分完全处于自然环境下，所以易受使用环境的限制。

图5 分离式平行光管

3.4 折转式平行光管

        为了缩小体积或某些工作条件的方便，利用平面反射镜将直筒式光管的光路进行折转，形成折转式平行光管，折转的角度可根据需要而定。如图6所示。

图6 折转式平行光管

        平行光管用来产生平行光，给被测设备提供一个无穷远目标。平行光管物镜通常采用焦距，孔径和视场角来表征它的光学特征。平行光管物镜按光学系统类型可分为反射式、折射式和折反射式三种类型。

4.1 反射式平行光管物镜

        大口径、长焦距的平行光管物镜大都采用反射式系统，如图7所示。

图7 反射式平行光管

        牛顿式系统通常由抛物面和平面反射镜组成，平面反射镜和光轴成45夹角，其作用是将光路折转，以便于观察和测量使用。

        卡塞格林系统一般由抛物面主镜和双曲面次镜组成，形成倒的实像，如图8所示。

图8 卡塞格林反射式物镜

图9 格里高里反射式物镜

        反射式平行光管物镜的优点：（1）完全没有色差，也不需要校正二级光谱，做成抛物面时没有球差，因而成像清晰。（2）反射面由金属或者玻璃制造由于可做成空心，而且对玻璃折射率的均匀性没有要求，因而可以使系统口径增加很大，具有较强的集光本领。（3）反射镜的镀铝面，对于可见光、紫外光、近红外、远红外的光反射率都很大，因而适应在红外和紫外波段工作。（4）对材料的要求不高。零件数相对较少，结构简单，可以折转光路，缩短系统长度^[6]。

        但是纯反射式平行光管也有一定缺陷。主要是稳定性差，像质易受加工误差、温度变化以及本身重量变形等影响。一般反射式光学系统的优化变量比较少，轴外像差中彗差和场曲较严重，因而很难满足大视场、大相对孔径的要求。并且反射式系统对表面质量要求更高，镜面大都采用非球面，加工难度大，精度要求高。同轴反射式平行光管还存在中心遮栏，所以次镜要做的尽量小，以降低光能量的损失。

4.2 折射式平行光管物镜

        折射式平行光管物镜较常见的形式是采用双胶合系统。

        这种物镜是由冕牌玻璃和火石玻璃透镜（即一正一负透镜）胶合而成，使用情况较多，可以用冕牌玻璃向者物体，也可以火石玻璃向者物体。

        双胶合物镜结构相对简单，较为常用。正确设计的双胶合物镜可以同时校正球差、色差和正弦差，但由于不能校正带球差和轴外像差，因而视场和相对孔径受到了限制，相对孔径一般不大于1：4，视场通常不大于12°。双胶合物镜直径不能做的太大，一般不超过100mm，因为当口径过大时，透镜本身的重量会造成胶合面出现松动，甚至两透镜脱落，所以双胶合物镜一般不能用于大口径平行光管物镜。

        另外，大口径、长焦距的折射式平行光管系统光路相对反射式系统光路长，质量也较重。需要消除因玻璃对不同光的折射率不同而产生的色差和二级光谱，结构比较复杂，透镜数量较多。而且，折射式系统口径受到像差、工艺水平和材料的限制而不能做的太大，一般不超过500mm^[7]。

4.3 折反射式平行光管物镜

        反射式系统存在严重的缺点，特别是彗差和场曲，影响着系统相对孔径的进一步提高和视场的扩大。另外非球面反射镜给加工带来极大的困难，因此，光学工作人员幵始把反射镜做成球面的，为了抵消球面反射镜产生的像差（主要是球差、彗差和场曲），同时扩大系统的视场，可以在系统前后分别加入校正镜来补偿像差，于是出现了折反射系统。

        折反射式平行光管物镜（如图10），是在反射式平行光管物镜的基础上加入折射元件（像差补偿透镜）。折射元件本身具有一定量的像差，这样既可以校正主次镜的球差和轴外像差，也能扩大系统的视场，完全可以做到很高的成像质量。这种形式的系统保持了反射系统孔径大、焦距长、总长短的特点。但同时也带入了色差、二级光谱等问题，需要用消色差透镜来校正色差和二级光谱^[8]。

图10 折反射式平行光管