大截面传像束前置光学系统设计

大截面传像束前置光学系统设计

大截面光纤传像束的优化设计纤维光学是将一定长度的纤维整合到一起的，通常安排的图像可以传输到集群，实现图像传输的纤维光学元件。它也是一个无源性的图形传输源装置。由于其特有的不可替代的特性,被广泛应用于医学、工业、科研、军事等众多领域。常用的光纤传像束对成像质量要求不高,前置成像物镜比较简单。随着CCD成像技术和大截面光纤传像束技术的发展,在某些特殊的应用场合(例如对特定激光信号进行探测),为了保证系统具有较高的探测距离和定位精度,采用了大截面光纤传像束,对传像束前置光学系统的成像质量和通光口径提出更高的要求,传统的设计已经不能满足要求,必须对前置光学系统进行优化设计。随着LED单色照明技术的提高,其单色光亮度已经完全能够满足内窥镜的需求,本物镜专门针对660mm红光优化,利用一面四次非球面镜片和弯月形厚透镜矫正像差,将光栏置于后透镜组前焦面,实现了全视场2ω达到60°,图像畸变小于0.05%,保证了成像质量和测量精度,并且实现了光学系统的小型化,轻型化。1非球面在系统中的位置位置对于一般工业或医用内窥镜,由于视场相对较小,实现光学系统的像方远心光路可以将孔径光栏置于光学系统的前焦点处,但是在宽视场条件下,这将造成光学系统的横向尺寸过大,随之质量也过大等问题。因此,我们采用将孔径光栏置于光学系统中间,光学系统的前组为负光焦度,孔径光栏处于光学系统后组的前焦点处,形成“负-正”型式的宽视场像方远心光路,可以保证光学系统具有比较小的体积和质量。为了控制畸变,提高成像质量,同时使系统的体积和质量得到控制,可以适当引入非球面。非球面在光学系统校正像差中具有显著的优点,它增加了自变量校正像差的能力,因此可获得更好的成像质量或在保持成像质量不变的情况下简化系统。非球面在系统中的位置对校正像差是有差别的,一般来说,非球面接近系统的孔径光栏对校正系统的球差是有利的,如果非球面位置远离孔径光栏,则有利于校正系统的轴外像差。旋转对称多项式非球面是在一个球面(或是用二次曲面确定的非球面)基础上加一个多项式的增量来描述的。常用的偶次非球面仅用径向坐标值的偶数次幂来描述非球面。标准基面用曲率半径和二次曲面系数确定。面型坐标由以下公式确定:z=cr21+1−(1+k)cr2√+∑i=18αir2iz=cr21+1-(1+k)cr2+∑i=18αir2i式中:r为径向坐标;α1～α4为高次非球面系数;c为非球面的基准面或辅助球面的曲率;k为锥面度(对于球面k=0),与二次曲面的离心率有关。随着超精密加工技术的发展,采用非球面技术设计的光学系统可广泛应用于军用和民用产品中。设计时先使用标准球面优化,控制各个面的塞德尔系数,使塞德尔系数尽量集中到光栏后的一个面上,最后加入非球面进行优化。在使用非球面的时候,尽量使镜片接近球面,以便于加工(加工难度通常与非球面和球面的差成正比)。为控制光学系统的场曲,光学系统中采用了厚透镜。密接薄透镜的场曲可表示为SIV=J2∑n−1n(1r1−1r2)=J2∑Φ薄nSΙV=J2∑n-1n(1r1-1r2)=J2∑Φ薄n式中:J为赫拉不变量;Φ薄为密接薄透镜光焦度;n为材料折射率。对于φ≠0的密接薄透镜光组,场曲不能消除,在厚透镜中则不然,采用弯月形厚透镜,通过对变量的控制,可以在保证其正光焦度(或焦距值)的条件下,使SVI=0或等于负值。这种弯月形厚透镜能够减小光学系统尺寸,已经广泛应用于物镜和广角目镜中。内窥镜是长且窄的光学成像系统,为了探测人体内或其他结构内部而专门设计的。应用物空间介质可设为水,为观察方便,第一面设为平面。2远心光面设计结果从现有文献中选择一组结构简单,光焦度分配为“负-正”形式的透镜组作为初始结构,满足像方远心要求。首先不加入非球面对光学系统进行优化,通过对光学系统的像差分析,发现影响成像质量进一步提高的主要像差是轴外像散、场曲和畸变。通过计算和优化,在前期的设计中采用了2个非球面,第一片负透镜后表面采用二次抛物面,主要用来消除轴外像散和彗差。进一步优化发现此面已经很接近球面,为降低结构复杂度,最终设计此面为球面。光栏后的第二透镜第一面采用高次非球面,是四次非球面,用来消除轴外球差、像散和控制畸变。第二透镜为高折射率玻璃制成的弯月形厚透镜,有利于减少轴外像散、球差和场曲,同时用于偏折轴外光线以保持远心光路。此系统第三、四透镜采用双胶合透镜,其中第三透镜使用冕牌玻璃,第四透镜为负透镜,使用火石玻璃,形成“高低搭配”有利于减小像差。光学系统的光栏被设置于后透镜组前焦面,有利于保证像方远心光路,对提高成像质量,减小尺寸结构也有帮助。最终光学系统设计结果如图1所示。由图2光学传递函数图可见,该前置光学系统中各视场的MTF在空间频率40lp/mm处均大于0.8,表明该镜头像质优良。图3为场曲和畸变图。由图3可见,该光学系统在全视场范围内畸变均小于0.05%,场曲低于50μm,能够很好地满足测量要求。图4为能量集中度曲线。由图4可见,0°、10°、20°、30°视场在弥散半径4μm处能量集中度分别为0.8667、0.8675、0.8428、0.8021,在6μm处各视场能量集中度均大于0.9。3光纤传像束物镜系统传像束实际上是利用单根光纤传输光来达到传输图像的目的。因此,在传像束前置物镜系统设计时,一定要满足光纤的全反射条件。本文设计了一个工作在660nm红光条件下,焦距f′=1.22mm,相对孔径D/f′=1∶3,大视场(2ω=60°)超低畸变(全视场内畸变小于0.05%)的光纤传