一种长工作距广角工业内窥镜头的设计

葛玉德,吴海滨,胡明勇,封志伟,李昭阳,刘凯迪,范轩硕

(1安徽大学物理与材料科学学院,安徽 合肥 230601;2合肥工业大学光电技术研究院,安徽 合肥 230009)

0 引言

最初内窥镜发明于100多年前,作为检查、诊断和治疗人体器官内部腔体的医用仪器,通常简称内镜[1]。大角域范围覆盖、高信息量获取一直是光学传感器研制不断追求的方向之一。短焦距超广角镜头的光学设计是目前工业镜头设计的热点之一[2]。广角镜头的主要特点为视野宽阔、景深长、焦距很短,比较适合拍摄较大场景的照片,如建筑、风景等题材。一个光学镜头的视场角越大,能捕捉到的信息就越多,因此广角内窥镜头适合用在工业上。工业内窥镜可用于高温、有毒、核辐射及人眼无法直接观察到的场所的检查和观察。

工业生产对环境监测的准确性、稳定性的要求越来越高,视场大、像质高的工业内窥镜使工业生产更加可视化。对于光学系统焦距很短的情况,光学设计难度较大,故基本结构采取物镜后接转像系统[3]。本文采用三级成像延长工作距,即物镜系统加上两组转像系统。物镜光学系统加入一个蓝宝石窗口作为第一片透镜,具有保护作用;第一组转像光学系统除对称的两组透镜外,还加入一个场镜和一个平行平板厚平面;第二组转像光学系统包括一组透镜和一个场镜。经过不断优化,最后得到一个成像质量良好的广角工业内窥镜结构,其视场大、焦距短,满足设计要求。

1 光学系统初始结构介绍

1.1 技术要求

根据使用要求,工作距离L为10 m,物高2Y约为25 m,后截距大于55 mm,可以放置其他的光学元件,也可以保障调焦空间[2],光学系统外径D约为22 mm,接收器为1/3英寸CCD,靶面尺寸为4.8 mm×3.6 mm(对角线为6 mm),则

式中ω为半视场角。对于理想光学系统,像高与视场角的关系是由于存在很大的桶形畸变,故这种关系对于视场角大于100°的广角镜头不再适用,此时的像高与视场角的关系应为[2]

则

式中:为镜头整体的焦距,单位为mm;2为CCD靶面上成像高度,即6 mm;ω为半视场角。

镜头整体结构如图1所示。系统入瞳直径为1 mm,第一个是系统光阑面,用来规划系统进光能量,第一组转像系统中间是孔径光阑,作用是消除杂散光。整体光学系统的焦距按分配[3],其中f1为物镜系统焦距,f2为第一组转像系统焦距,f3为第二组转像系统焦距。

图1 镜头整体结构图Fig.1 Overall structure diagram of lens

具体的镜头技术要求如表1所示。

表1 镜头的技术指标Table 1 Technical requirements of lens

1.2 物镜系统结构

根据工业内窥镜广角长工作距的光学特点,物镜采用反远距型光学系统,正负透镜组分离,负透镜组在前,正透镜组在后。负透镜组将入射的平行光发散,正透镜组将光线成像在焦面上,使得光学系统的主面向后移,得到一个大于焦距的工作距离[4]。图2为反远距型光学系统图,如图所示,光学系统像方主平面已经被后组移出,焦距小于后截距[5]。

图2 反远距型光学系统图Fig.2 Schematic diagram of the anti-remote-type optical system

设f1为物镜系统的焦距,镜头光学系统外径D=22 mm,物镜外径要小一些,取物镜外径D1=16 mm,则物镜焦距为

单位为mm。物镜系统初始结构如图3所示,由一片负透镜前组和三片型正透镜后组组成,第一个面是系统光阑面,光阑后的第一片透镜是蓝宝石(AL2O3)窗口,折射率Nd为1.768172,阿贝数Vd为72.308589,蓝宝石的稳定性好,硬度高,便于清洗,能够用在高温的生产环境中,在工业镜头中起保护作用。

图3 物镜系统初始结构Fig.3 The initial structure of the objective system

1.3 转像系统结构

采用透镜式转像系统,常用的转像系统结构如图4所示[6]第一组转像系统图(4)(左)是双透镜转像系统,结构完全对称,一般由两个双胶合透镜组成,考虑到成本和加工难易程度,此处将其改成间距不到1 mm的双分离透镜,系统的孔径光阑在转像系统中间,减小了系统的垂轴像差;第二组转像系统图(4)(右)同理也把胶合透镜改为间隙很小的双分离透镜。为了使通过物镜后的轴外光束折向转像系统以减小转向系统的横向尺寸,在物镜的像平面和转像系统的物平面处往往加入一块透镜,即场镜[7]。此处两组转像系统都加了场镜,可有效减小场曲等轴外像差。

图4 常用的转像系统结构Fig.4 Structures of common image rotation system

2 光学系统优化结果

根据设计要求在ZEMAX软件中将光学系统透镜的半径、大的空气间隔设为变量[8],通过设置评价函数中操作数,将玻璃库设置为成都光明,不断调整优化,第一组转像系统的对称透镜完全相同,都是非胶合透镜,最后得到一个成像质量良好的镜头结构。设计结果是在温度为20°C、标准大气压(1.01×105Pa)下得到的。在温度为20～100°C时做多重结构分析,每组温度间隔为20°C,结果显示镜头在此温度范围内满足技术要求。光学系统全视场角为102°,焦距为3.25 mm,总长为730 mm,后截距为58 mm,相对孔径为1/3.25,在50 lp/mm处的调制传递函数值大于0.4,成像弥散斑半径大小在6 μm以内,接近衍射极限,系统最大畸变值为24.5%左右,在26%以内,像面直径为6 mm,像质高,设计结果满足技术要求。图5是镜头整体光学系统图,由于镜头结构较长,故将光学系统图分成三个部分给出;图6～8分别是物镜系统图和两组转像系统图,图中光线为中心视场和最边缘视场的光线。

图5 整体光学系统图Fig.5 Schematic diagram of the overall optical system

图6物镜系统中用的光学玻璃材料分别为:蓝宝石窗口(AL2O3),H-ZF62,H-LAF55,H-ZF62,HLAF55;图7第一组转像系统中用的光学玻璃材料分别为:H-ZF62,H-ZF6,H-ZF6,H-K9L,H-K9L,H-ZF6;图8第二组转像系统中用的光学玻璃材料分别为:H-ZF6,H-K9L,H-ZF6。其中H-ZF62:火石玻璃,折射率Nd为1.92286,阿贝数Vd为20.88;H-LAF55:火石玻璃,折射率Nd为1.762004,阿贝数Vd为40.106913;H-ZF6:火石玻璃,折射率Nd为1.755205,阿贝数Vd为27.546239;H-K9L:冕牌玻璃,折射率Nd为1.516797,阿贝数Vd为64.212351。H-ZF62为双分离透镜的负透镜材料,折射率大;H-K9L为双分离透镜的正透镜材料,均匀性高,低气泡度,物理和化学性能良好。一般情况下,正透镜用阿贝数高的材料,负透镜用阿贝数低的材料[9],有利于提高像质。所用的光学玻璃均为安全环保材质,在可见光范围内透光性好,因此广泛应用于可见光波段的成像器件中。

图6 物镜光学系统图Fig.6 Schematic diagram of the objective optical system

图7 第一组转像系统图Fig.7 Schematic diagram of the first set of image rotation optical system

图8 第二组转像系统图Fig.8 Schematic diagram of the second set of image rotation optical system

3 像质分析

3.1 点列图

图9为光学系统优化后的点列图。由图可知:镜头在轴上视场、28°视场、40°视场和51°视场的弥散斑均方根半径均在6 μm以内,且与艾里斑半径相差不多,接近衍射极限,满足设计技术要求。

图9 镜头点列图Fig.9 Point column chart of lens

3.2 调制传递函数

图10为光学系统优化后的MTF曲线图,MTF值越大,表示系统的成像质量越好。由图10可知:光学系统在50 lp/mm空间频率处MTF值大于0.4,MTF曲线相对比较集中,满足设计要求。

图10 镜头MTF图Fig.10 MTF graph of lens

3.3 场曲和畸变

图11为光学系统优化后的场曲/畸变曲线图,由图可知:镜头的场曲控制在0.2 mm左右,最大畸变值为24.5%左右,满足设计要求。

图11 镜头场曲和畸变图Fig.11 Field curvature and distortion graph of lens

4 公差分析

光学系统的设计完成后还需要考虑光学元件在加工和装配过程中的误差,如果设计好的光学系统允许的误差在实际加工制造的偏差范围之内,那么这个设计是可以进行加工生产的。在ZEMAX中以调制传递函数MTF值为公差灵敏度,使用灵敏度分析和蒙特卡罗分析,得到镜头各透镜厚度公差为±0.02 mm,曲率半径公差为0.01 mm,各表面偏心公差为0.03,倾斜公差为0.05°,结构合理,基本达到生产要求。

5 结论

介绍了一个短焦距、大视场的工业内窥镜设计,光学系统不仅有比较长的工作距,还有58 mm的后截距,便于调焦或者在镜头和CCD之间增加其他光学元件,整个光学系统由三组系统组成,都采用常见的光学玻璃材料,厚平面用来延长工作距,三组正负透镜组合可以大大减小光学系统像差,提高镜头成像质量,结构合理。工业广角内窥镜可用在多种特殊环境的工业生产中,具有一定的工程意义。