大截面?zhèn)飨袷爸霉鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大截面?zhèn)飨袷爸霉鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大截面光纖傳像束的優(yōu)化設(shè)計(jì)纖維光學(xué)是將一定長(zhǎng)度的纖維整合到一起的，通常安排的圖像可以傳輸?shù)郊?，?shí)現(xiàn)圖像傳輸?shù)睦w維光學(xué)元件。它也是一個(gè)無源性的圖形傳輸源裝置。由于其特有的不可替代的特性,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、科研、軍事等眾多領(lǐng)域。常用的光纖傳像束對(duì)成像質(zhì)量要求不高,前置成像物鏡比較簡(jiǎn)單。隨著CCD成像技術(shù)和大截面光纖傳像束技術(shù)的發(fā)展,在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合(例如對(duì)特定激光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)),為了保證系統(tǒng)具有較高的探測(cè)距離和定位精度,采用了大截面光纖傳像束,對(duì)傳像束前置光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和通光口徑提出更高的要求,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足要求,必須對(duì)前置光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著LED單色照明技術(shù)的提高,其單色光亮度已經(jīng)完全能夠滿足內(nèi)窺鏡的需求,本物鏡專門針對(duì)660mm紅光優(yōu)化,利用一面四次非球面鏡片和彎月形厚透鏡矯正像差,將光欄置于后透鏡組前焦面,實(shí)現(xiàn)了全視場(chǎng)2ω達(dá)到60°,圖像畸變小于0.05%,保證了成像質(zhì)量和測(cè)量精度,并且實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的小型化,輕型化。1非球面在系統(tǒng)中的位置位置對(duì)于一般工業(yè)或醫(yī)用內(nèi)窺鏡,由于視場(chǎng)相對(duì)較小,實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的像方遠(yuǎn)心光路可以將孔徑光欄置于光學(xué)系統(tǒng)的前焦點(diǎn)處,但是在寬視場(chǎng)條件下,這將造成光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸過大,隨之質(zhì)量也過大等問題。因此,我們采用將孔徑光欄置于光學(xué)系統(tǒng)中間,光學(xué)系統(tǒng)的前組為負(fù)光焦度,孔徑光欄處于光學(xué)系統(tǒng)后組的前焦點(diǎn)處,形成“負(fù)-正”型式的寬視場(chǎng)像方遠(yuǎn)心光路,可以保證光學(xué)系統(tǒng)具有比較小的體積和質(zhì)量。為了控制畸變,提高成像質(zhì)量,同時(shí)使系統(tǒng)的體積和質(zhì)量得到控制,可以適當(dāng)引入非球面。非球面在光學(xué)系統(tǒng)校正像差中具有顯著的優(yōu)點(diǎn),它增加了自變量校正像差的能力,因此可獲得更好的成像質(zhì)量或在保持成像質(zhì)量不變的情況下簡(jiǎn)化系統(tǒng)。非球面在系統(tǒng)中的位置對(duì)校正像差是有差別的,一般來說,非球面接近系統(tǒng)的孔徑光欄對(duì)校正系統(tǒng)的球差是有利的,如果非球面位置遠(yuǎn)離孔徑光欄,則有利于校正系統(tǒng)的軸外像差。旋轉(zhuǎn)對(duì)稱多項(xiàng)式非球面是在一個(gè)球面(或是用二次曲面確定的非球面)基礎(chǔ)上加一個(gè)多項(xiàng)式的增量來描述的。常用的偶次非球面僅用徑向坐標(biāo)值的偶數(shù)次冪來描述非球面。標(biāo)準(zhǔn)基面用曲率半徑和二次曲面系數(shù)確定。面型坐標(biāo)由以下公式確定:z=cr21+1?(1+k)cr2√+∑i=18αir2iz=cr21+1-(1+k)cr2+∑i=18αir2i式中:r為徑向坐標(biāo);α1～α4為高次非球面系數(shù);c為非球面的基準(zhǔn)面或輔助球面的曲率;k為錐面度(對(duì)于球面k=0),與二次曲面的離心率有關(guān)。隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展,采用非球面技術(shù)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于軍用和民用產(chǎn)品中。設(shè)計(jì)時(shí)先使用標(biāo)準(zhǔn)球面優(yōu)化,控制各個(gè)面的塞德爾系數(shù),使塞德爾系數(shù)盡量集中到光欄后的一個(gè)面上,最后加入非球面進(jìn)行優(yōu)化。在使用非球面的時(shí)候,盡量使鏡片接近球面,以便于加工(加工難度通常與非球面和球面的差成正比)。為控制光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲,光學(xué)系統(tǒng)中采用了厚透鏡。密接薄透鏡的場(chǎng)曲可表示為SIV=J2∑n?1n(1r1?1r2)=J2∑Φ薄nSΙV=J2∑n-1n(1r1-1r2)=J2∑Φ薄n式中:J為赫拉不變量;Φ薄為密接薄透鏡光焦度;n為材料折射率。對(duì)于φ≠0的密接薄透鏡光組,場(chǎng)曲不能消除,在厚透鏡中則不然,采用彎月形厚透鏡,通過對(duì)變量的控制,可以在保證其正光焦度(或焦距值)的條件下,使SVI=0或等于負(fù)值。這種彎月形厚透鏡能夠減小光學(xué)系統(tǒng)尺寸,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物鏡和廣角目鏡中。內(nèi)窺鏡是長(zhǎng)且窄的光學(xué)成像系統(tǒng),為了探測(cè)人體內(nèi)或其他結(jié)構(gòu)內(nèi)部而專門設(shè)計(jì)的。應(yīng)用物空間介質(zhì)可設(shè)為水,為觀察方便,第一面設(shè)為平面。2遠(yuǎn)心光面設(shè)計(jì)結(jié)果從現(xiàn)有文獻(xiàn)中選擇一組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,光焦度分配為“負(fù)-正”形式的透鏡組作為初始結(jié)構(gòu),滿足像方遠(yuǎn)心要求。首先不加入非球面對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的像差分析,發(fā)現(xiàn)影響成像質(zhì)量進(jìn)一步提高的主要像差是軸外像散、場(chǎng)曲和畸變。通過計(jì)算和優(yōu)化,在前期的設(shè)計(jì)中采用了2個(gè)非球面,第一片負(fù)透鏡后表面采用二次拋物面,主要用來消除軸外像散和彗差。進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)現(xiàn)此面已經(jīng)很接近球面,為降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,最終設(shè)計(jì)此面為球面。光欄后的第二透鏡第一面采用高次非球面,是四次非球面,用來消除軸外球差、像散和控制畸變。第二透鏡為高折射率玻璃制成的彎月形厚透鏡,有利于減少軸外像散、球差和場(chǎng)曲,同時(shí)用于偏折軸外光線以保持遠(yuǎn)心光路。此系統(tǒng)第三、四透鏡采用雙膠合透鏡,其中第三透鏡使用冕牌玻璃,第四透鏡為負(fù)透鏡,使用火石玻璃,形成“高低搭配”有利于減小像差。光學(xué)系統(tǒng)的光欄被設(shè)置于后透鏡組前焦面,有利于保證像方遠(yuǎn)心光路,對(duì)提高成像質(zhì)量,減小尺寸結(jié)構(gòu)也有幫助。最終光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。由圖2光學(xué)傳遞函數(shù)圖可見,該前置光學(xué)系統(tǒng)中各視場(chǎng)的MTF在空間頻率40lp/mm處均大于0.8,表明該鏡頭像質(zhì)優(yōu)良。圖3為場(chǎng)曲和畸變圖。由圖3可見,該光學(xué)系統(tǒng)在全視場(chǎng)范圍內(nèi)畸變均小于0.05%,場(chǎng)曲低于50μm,能夠很好地滿足測(cè)量要求。圖4為能量集中度曲線。由圖4可見,0°、10°、20°、30°視場(chǎng)在彌散半徑4μm處能量集中度分別為0.8667、0.8675、0.8428、0.8021,在6μm處各視場(chǎng)能量集中度均大于0.9。3光纖傳像束物鏡系統(tǒng)傳像束實(shí)際上是利用單根光纖傳輸光來達(dá)到傳輸圖像的目的。因此,在傳像束前置物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),一定要滿足光纖的全反射條件。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在660nm紅光條件下,焦距f′=1.22mm,相對(duì)孔徑D/f′=1∶3,大視場(chǎng)(2ω=60°)超低畸變(全視場(chǎng)內(nèi)畸變小于0.05%)的光纖傳