葛玉德,吳海濱,胡明勇,封志偉,李昭陽,劉凱迪,范軒碩

(1安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230601;2合肥工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

0 引言

最初內(nèi)窺鏡發(fā)明于100多年前,作為檢查、診斷和治療人體器官內(nèi)部腔體的醫(yī)用儀器,通常簡稱內(nèi)鏡[1]。大角域范圍覆蓋、高信息量獲取一直是光學(xué)傳感器研制不斷追求的方向之一。短焦距超廣角鏡頭的光學(xué)設(shè)計是目前工業(yè)鏡頭設(shè)計的熱點之一[2]。廣角鏡頭的主要特點為視野寬闊、景深長、焦距很短,比較適合拍攝較大場景的照片,如建筑、風(fēng)景等題材。一個光學(xué)鏡頭的視場角越大,能捕捉到的信息就越多,因此廣角內(nèi)窺鏡頭適合用在工業(yè)上。工業(yè)內(nèi)窺鏡可用于高溫、有毒、核輻射及人眼無法直接觀察到的場所的檢查和觀察。

工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境監(jiān)測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性的要求越來越高,視場大、像質(zhì)高的工業(yè)內(nèi)窺鏡使工業(yè)生產(chǎn)更加可視化。對于光學(xué)系統(tǒng)焦距很短的情況,光學(xué)設(shè)計難度較大,故基本結(jié)構(gòu)采取物鏡后接轉(zhuǎn)像系統(tǒng)[3]。本文采用三級成像延長工作距,即物鏡系統(tǒng)加上兩組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。物鏡光學(xué)系統(tǒng)加入一個藍(lán)寶石窗口作為第一片透鏡,具有保護(hù)作用;第一組轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)除對稱的兩組透鏡外,還加入一個場鏡和一個平行平板厚平面;第二組轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)包括一組透鏡和一個場鏡。經(jīng)過不斷優(yōu)化,最后得到一個成像質(zhì)量良好的廣角工業(yè)內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu),其視場大、焦距短,滿足設(shè)計要求。

1 光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)介紹

1.1 技術(shù)要求

根據(jù)使用要求,工作距離L為10 m,物高2Y約為25 m,后截距大于55 mm,可以放置其他的光學(xué)元件,也可以保障調(diào)焦空間[2],光學(xué)系統(tǒng)外徑D約為22 mm,接收器為1/3英寸CCD,靶面尺寸為4.8 mm×3.6 mm(對角線為6 mm),則

式中ω為半視場角。對于理想光學(xué)系統(tǒng),像高與視場角的關(guān)系是由于存在很大的桶形畸變,故這種關(guān)系對于視場角大于100°的廣角鏡頭不再適用,此時的像高與視場角的關(guān)系應(yīng)為[2]

則

式中:為鏡頭整體的焦距,單位為mm;2為CCD靶面上成像高度,即6 mm;ω為半視場角。

鏡頭整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)入瞳直徑為1 mm,第一個是系統(tǒng)光闌面,用來規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)光能量,第一組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)中間是孔徑光闌,作用是消除雜散光。整體光學(xué)系統(tǒng)的焦距按分配[3],其中f1為物鏡系統(tǒng)焦距,f2為第一組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)焦距,f3為第二組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)焦距。

圖1 鏡頭整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of lens

具體的鏡頭技術(shù)要求如表1所示。

表1 鏡頭的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical requirements of lens

1.2 物鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工業(yè)內(nèi)窺鏡廣角長工作距的光學(xué)特點,物鏡采用反遠(yuǎn)距型光學(xué)系統(tǒng),正負(fù)透鏡組分離,負(fù)透鏡組在前,正透鏡組在后。負(fù)透鏡組將入射的平行光發(fā)散,正透鏡組將光線成像在焦面上,使得光學(xué)系統(tǒng)的主面向后移,得到一個大于焦距的工作距離[4]。圖2為反遠(yuǎn)距型光學(xué)系統(tǒng)圖,如圖所示,光學(xué)系統(tǒng)像方主平面已經(jīng)被后組移出,焦距小于后截距[5]。

圖2 反遠(yuǎn)距型光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of the anti-remote-type optical system

設(shè)f1為物鏡系統(tǒng)的焦距,鏡頭光學(xué)系統(tǒng)外徑D=22 mm,物鏡外徑要小一些,取物鏡外徑D1=16 mm,則物鏡焦距為

單位為mm。物鏡系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)如圖3所示,由一片負(fù)透鏡前組和三片型正透鏡后組組成,第一個面是系統(tǒng)光闌面,光闌后的第一片透鏡是藍(lán)寶石(AL2O3)窗口,折射率Nd為1.768172,阿貝數(shù)Vd為72.308589,藍(lán)寶石的穩(wěn)定性好,硬度高,便于清洗,能夠用在高溫的生產(chǎn)環(huán)境中,在工業(yè)鏡頭中起保護(hù)作用。

圖3 物鏡系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)Fig.3 The initial structure of the objective system

1.3 轉(zhuǎn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用透鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng),常用的轉(zhuǎn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]第一組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)圖(4)(左)是雙透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng),結(jié)構(gòu)完全對稱,一般由兩個雙膠合透鏡組成,考慮到成本和加工難易程度,此處將其改成間距不到1 mm的雙分離透鏡,系統(tǒng)的孔徑光闌在轉(zhuǎn)像系統(tǒng)中間,減小了系統(tǒng)的垂軸像差;第二組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)圖(4)(右)同理也把膠合透鏡改為間隙很小的雙分離透鏡。為了使通過物鏡后的軸外光束折向轉(zhuǎn)像系統(tǒng)以減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的橫向尺寸,在物鏡的像平面和轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的物平面處往往加入一塊透鏡,即場鏡[7]。此處兩組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)都加了場鏡,可有效減小場曲等軸外像差。

圖4 常用的轉(zhuǎn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of common image rotation system

2 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)設(shè)計要求在ZEMAX軟件中將光學(xué)系統(tǒng)透鏡的半徑、大的空氣間隔設(shè)為變量[8],通過設(shè)置評價函數(shù)中操作數(shù),將玻璃庫設(shè)置為成都光明,不斷調(diào)整優(yōu)化,第一組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的對稱透鏡完全相同,都是非膠合透鏡,最后得到一個成像質(zhì)量良好的鏡頭結(jié)構(gòu)。設(shè)計結(jié)果是在溫度為20°C、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.01×105Pa)下得到的。在溫度為20～100°C時做多重結(jié)構(gòu)分析,每組溫度間隔為20°C,結(jié)果顯示鏡頭在此溫度范圍內(nèi)滿足技術(shù)要求。光學(xué)系統(tǒng)全視場角為102°,焦距為3.25 mm,總長為730 mm,后截距為58 mm,相對孔徑為1/3.25,在50 lp/mm處的調(diào)制傳遞函數(shù)值大于0.4,成像彌散斑半徑大小在6 μm以內(nèi),接近衍射極限,系統(tǒng)最大畸變值為24.5%左右,在26%以內(nèi),像面直徑為6 mm,像質(zhì)高,設(shè)計結(jié)果滿足技術(shù)要求。圖5是鏡頭整體光學(xué)系統(tǒng)圖,由于鏡頭結(jié)構(gòu)較長,故將光學(xué)系統(tǒng)圖分成三個部分給出;圖6～8分別是物鏡系統(tǒng)圖和兩組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)圖,圖中光線為中心視場和最邊緣視場的光線。

圖5 整體光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.5 Schematic diagram of the overall optical system

圖6物鏡系統(tǒng)中用的光學(xué)玻璃材料分別為:藍(lán)寶石窗口(AL2O3),H-ZF62,H-LAF55,H-ZF62,HLAF55;圖7第一組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)中用的光學(xué)玻璃材料分別為:H-ZF62,H-ZF6,H-ZF6,H-K9L,H-K9L,H-ZF6;圖8第二組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)中用的光學(xué)玻璃材料分別為:H-ZF6,H-K9L,H-ZF6。其中H-ZF62:火石玻璃,折射率Nd為1.92286,阿貝數(shù)Vd為20.88;H-LAF55:火石玻璃,折射率Nd為1.762004,阿貝數(shù)Vd為40.106913;H-ZF6:火石玻璃,折射率Nd為1.755205,阿貝數(shù)Vd為27.546239;H-K9L:冕牌玻璃,折射率Nd為1.516797,阿貝數(shù)Vd為64.212351。H-ZF62為雙分離透鏡的負(fù)透鏡材料,折射率大;H-K9L為雙分離透鏡的正透鏡材料,均勻性高,低氣泡度,物理和化學(xué)性能良好。一般情況下,正透鏡用阿貝數(shù)高的材料,負(fù)透鏡用阿貝數(shù)低的材料[9],有利于提高像質(zhì)。所用的光學(xué)玻璃均為安全環(huán)保材質(zhì),在可見光范圍內(nèi)透光性好,因此廣泛應(yīng)用于可見光波段的成像器件中。

圖6 物鏡光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.6 Schematic diagram of the objective optical system

圖7 第一組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)圖Fig.7 Schematic diagram of the first set of image rotation optical system

圖8 第二組轉(zhuǎn)像系統(tǒng)圖Fig.8 Schematic diagram of the second set of image rotation optical system

3 像質(zhì)分析

3.1 點列圖

圖9為光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化后的點列圖。由圖可知:鏡頭在軸上視場、28°視場、40°視場和51°視場的彌散斑均方根半徑均在6 μm以內(nèi),且與艾里斑半徑相差不多,接近衍射極限,滿足設(shè)計技術(shù)要求。

圖9 鏡頭點列圖Fig.9 Point column chart of lens

3.2 調(diào)制傳遞函數(shù)

圖10為光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化后的MTF曲線圖,MTF值越大,表示系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。由圖10可知:光學(xué)系統(tǒng)在50 lp/mm空間頻率處MTF值大于0.4,MTF曲線相對比較集中,滿足設(shè)計要求。

圖10 鏡頭MTF圖Fig.10 MTF graph of lens

3.3 場曲和畸變

圖11為光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化后的場曲/畸變曲線圖,由圖可知:鏡頭的場曲控制在0.2 mm左右,最大畸變值為24.5%左右,滿足設(shè)計要求。

圖11 鏡頭場曲和畸變圖Fig.11 Field curvature and distortion graph of lens

4 公差分析

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計完成后還需要考慮光學(xué)元件在加工和裝配過程中的誤差,如果設(shè)計好的光學(xué)系統(tǒng)允許的誤差在實際加工制造的偏差范圍之內(nèi),那么這個設(shè)計是可以進(jìn)行加工生產(chǎn)的。在ZEMAX中以調(diào)制傳遞函數(shù)MTF值為公差靈敏度,使用靈敏度分析和蒙特卡羅分析,得到鏡頭各透鏡厚度公差為±0.02 mm,曲率半徑公差為0.01 mm,各表面偏心公差為0.03,傾斜公差為0.05°,結(jié)構(gòu)合理,基本達(dá)到生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

介紹了一個短焦距、大視場的工業(yè)內(nèi)窺鏡設(shè)計,光學(xué)系統(tǒng)不僅有比較長的工作距,還有58 mm的后截距,便于調(diào)焦或者在鏡頭和CCD之間增加其他光學(xué)元件,整個光學(xué)系統(tǒng)由三組系統(tǒng)組成,都采用常見的光學(xué)玻璃材料,厚平面用來延長工作距,三組正負(fù)透鏡組合可以大大減小光學(xué)系統(tǒng)像差,提高鏡頭成像質(zhì)量,結(jié)構(gòu)合理。工業(yè)廣角內(nèi)窺鏡可用在多種特殊環(huán)境的工業(yè)生產(chǎn)中,具有一定的工程意義。