雙波段光纖眼鏡設(shè)計(jì)

雙波段光纖眼鏡設(shè)計(jì)

對(duì)雙段光纖跳槽系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)量光學(xué)纖維也稱為光，具有傳光、成像和傳遞其他類型光信息的獨(dú)特功能。在光纖內(nèi)窺鏡的制造上,國(guó)內(nèi)與國(guó)外的制造原理基本相同,水平也沒有太大差距,主要差別是在于光纖的制造工藝。在相同截面直徑下,國(guó)外生產(chǎn)的傳像束單絲個(gè)數(shù)為2萬余根,而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的僅在1萬根以內(nèi)。但隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和加工技術(shù)的飛速提高,具有高質(zhì)量大截面高單絲率的光纖傳像束已逐漸被投放到市場(chǎng)。因此,有關(guān)像質(zhì)良好、結(jié)構(gòu)合理、實(shí)用方便的光纖內(nèi)窺鏡的研發(fā)設(shè)計(jì)也需要隨著光纖的發(fā)展逐步提高。在單兵反恐、公共安全以及工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域,光線強(qiáng)弱不均的環(huán)境(白天、黑夜或暗室)都需要內(nèi)窺鏡在其中運(yùn)用自如。因此這些領(lǐng)域的問題就不能夠由某一單獨(dú)波段的探測(cè)來解決,能夠滿足全天候工作要求的多波段光纖內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)和開發(fā)已逐漸被研究人員所重視。由于觀察目標(biāo)會(huì)輻射或反射出不同譜段的光學(xué)信息,所以可以采用多波段的方法來實(shí)現(xiàn)晝夜偵察。以下兩種方式為雙波段系統(tǒng)的常見組成方式:第1種是由一組能分別接收不同光譜的探測(cè)器共光路或分光路組成;第2種是用一個(gè)能接收不同波段頻譜的探測(cè)器組成共光路系統(tǒng)。鑒于本文所涉及的光纖內(nèi)窺鏡具有便攜、簡(jiǎn)易、小型化等特點(diǎn),所以該雙波段光纖內(nèi)窺鏡采取第2種方式構(gòu)成。由于雙波段成像系統(tǒng)選取擁有不同光譜波段的2個(gè)通道,因此其含有2倍于目標(biāo)信息量的優(yōu)點(diǎn)改善了光學(xué)系統(tǒng)偵察目標(biāo)的能力1軸外點(diǎn)b的相干合成了光纖傳像束的接收點(diǎn)前置物鏡的設(shè)計(jì)過程中,全反射條件是光纖必須滿足的———光纖傳像束的數(shù)值孔徑要大于入射光線的數(shù)值孔徑。但在設(shè)計(jì)期間,前置物鏡的像方數(shù)值孔徑與光纖傳像束的物方數(shù)值孔徑的合理搭配只是一個(gè)必要條件。如圖1所示,對(duì)于軸上點(diǎn)A的像點(diǎn)A′而言,其成像光束的立體角相對(duì)于光軸對(duì)稱,但對(duì)于軸外點(diǎn)B的像點(diǎn)B′而言,其成像光束的立體角相對(duì)主光線是對(duì)稱的。AA′的光束正入射到光纖傳像束的接收面上,而軸外光束BB′是斜入射到光纖接收面上的。當(dāng)傳像束的數(shù)值孔徑角與與物鏡L的像方孔徑角相等時(shí),軸上光束AA′全部都能夠進(jìn)入光纖傳像束,但對(duì)于軸外光束BB′來說,其主光線與光纖的接收面法線成視場(chǎng)角ω′,這樣就會(huì)使軸外光束BB′的部分下光線的入射角大于光纖傳像束的數(shù)值孔徑角而不能進(jìn)入傳像束,其結(jié)果是會(huì)使傳像束不能接收到這部分光,類似于幾何光學(xué)中的攔光作用,并且隨著視場(chǎng)的增加,邊緣攔光效果逐漸明顯,使得輸出圖像邊緣帶較暗。為了減少上述缺陷帶來的不便,應(yīng)將前置物鏡設(shè)計(jì)成像方遠(yuǎn)心光路光纖傳像束制造手段以及其自身的缺陷和不足,導(dǎo)致其較差的傳像效率、效果。所以在設(shè)計(jì)前置物鏡時(shí),要充分利用傳像束的分辨率。為了保證光纖傳像內(nèi)窺鏡系統(tǒng)最終的成像質(zhì)量,前置物鏡的極限分辨率應(yīng)大于傳像束的分辨率2項(xiàng)目實(shí)例2.1傳像束的確定現(xiàn)設(shè)計(jì)一光纖傳像光學(xué)系統(tǒng)的前置物鏡。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定參數(shù)如下:傳像束截面直徑φ=1.6mm,數(shù)值孔徑NA=0.4,傳像束單絲直徑為16μm,在靜態(tài)下,光纖按正方形排列2.2前置物鏡設(shè)計(jì)對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡而言,視場(chǎng)相對(duì)較小,為使光線全部通過光纖束,設(shè)計(jì)像方遠(yuǎn)心光路時(shí)可將孔徑光闌置于光學(xué)系統(tǒng)的前焦點(diǎn)處通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算和初始結(jié)構(gòu)的選取以及借助Zemax軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出的前置物鏡如圖4所示,它由兩組雙膠合以及兩片單透鏡組成,像方數(shù)值孔徑NA=0.124,小于光纖傳像束的數(shù)值孔徑,滿足全反射條件和像方遠(yuǎn)心光路的要求。2.3結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)由于可見光和近紅外波段的設(shè)計(jì)原理、方法基本相同,可見光波段的光學(xué)材料也可透過近紅外光,因此透鏡材料將在普通玻璃中選取。前組透鏡依據(jù)反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的前半部分選取,負(fù)光焦度的前組透鏡一般為從單個(gè)透鏡直到極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu),本文在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中最終確定為3片透鏡(含一組雙膠合)。為滿足大視場(chǎng)的要求,將第1片透鏡設(shè)計(jì)成折射率和曲率都很大的負(fù)透鏡,光學(xué)材料將選擇折射率相對(duì)較大的鑭系玻璃,這樣可使軸外光線偏折較大,有利于實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心光路。第2組雙膠合透鏡組為正負(fù)透鏡(冕牌+火石)組合形式,用于校正系統(tǒng)的球差和軸向色差,且其構(gòu)成彎月形厚透鏡可輔助校正場(chǎng)曲3能量集中系數(shù)分布的貿(mào)易摩擦圖5(a)和5(b)為調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。由圖5可知,該物鏡可見光(近紅外)部分,在31lp/mm空間截止頻率處MTF值在0.81(0.80)以上且接近衍射極限,滿足像質(zhì)要求。圖6(a)和6(b)是3個(gè)視場(chǎng)的圓內(nèi)能量集中度分布曲線,橫坐標(biāo)為光斑直徑,縱坐標(biāo)為能量集中百分比。從圖中可知,可見光區(qū)域93%的能量集中在直徑為16μm的圓內(nèi)(圖中顯示半徑8μm),近紅外區(qū)域89%的能量集中在直徑為16μm的圓內(nèi)。由此可見,絕大部分能量都集中在16μm的單絲直徑范圍內(nèi),消除了軸外光線在像面處引起的照度不均現(xiàn)象。該光學(xué)系統(tǒng)的畸變?cè)谶吘壱晥?chǎng)處達(dá)到最大,為-31.1%(-31.4%),這是大視場(chǎng)的必然后果。由于畸變不影響清晰度,且此內(nèi)窺物鏡為觀察系統(tǒng),而非測(cè)量系統(tǒng),可通過后續(xù)圖像處理軟件進(jìn)行處理,故允許有一定的畸變。圖7(a)和7(b)是光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖,由于單根光纖的直徑為16μm,而可見光(近紅外)波段最大幾何彌散斑半徑僅為6.84(7.40)μm,其直徑13.68(14.8)μm小于16μm,滿足系統(tǒng)成像要求此外,該物鏡的波像差P-V值為0.193(0.126)λ、RMS值為0.057(0.037)λ,均小于0.25λ,滿足瑞利判斷準(zhǔn)則4結(jié)論4.1應(yīng)用于大量應(yīng)用的家庭暴力光纖內(nèi)窺鏡由于光纖自身特點(diǎn)使其在生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域有著大量應(yīng)用。但難裝配、成本高、光纖易損耗,光纖斷絲率、設(shè)計(jì)和成品之間的差異等不足也在制約它的發(fā)展,同時(shí)這些局限性也為光纖內(nèi)窺鏡的生產(chǎn)和研究指明了方向。4.2光纖活性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了使觀察到的圖像具有較高的對(duì)比度,首先要提高光學(xué)系統(tǒng)的光照度。然而,內(nèi)窺鏡的基本光學(xué)特性(視場(chǎng)、出瞳直徑、放大率)都是互相制約的,因此這些特性(鑒于同一長(zhǎng)度和口徑的光學(xué)系統(tǒng))中若一個(gè)數(shù)值增加將會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)的下降。為了評(píng)價(jià)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)所能達(dá)到的光學(xué)特性,下面的公式式中:K為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的最佳系數(shù);依據(jù)上述理論,有:對(duì)于一般的內(nèi)窺鏡系統(tǒng),K值在0.1~0.2之間.因此本文中所設(shè)計(jì)的光纖內(nèi)窺鏡相比于其他一般的內(nèi)窺鏡具有較好的性能。在設(shè)計(jì)光纖內(nèi)窺鏡時(shí),要滿足光纖的全反射條件,這樣才能使光線全部在光纖傳像束內(nèi)傳播。為了使物鏡結(jié)構(gòu)緊湊,減小橫向尺寸,并保證一定的成像質(zhì)量和像面照度均勻性,