CN109283663A - 一种大视场、高分辨的工业内窥镜光学*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的广角物镜***、场镜和光纤传像束；所述广角物镜***包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的负透镜组、孔径光阑和正透镜组；所述场镜设置在所述广角物镜***的焦平面偏物侧方向上；所述光纤传像束设置在所述广角物镜***的焦平面上，与所述场镜相邻。采用光纤传像束作为工业内窥镜光学***的转像***，长度可调，适应不同工业炉窑对设备长度的需求。利用场镜实现像方远心光路，使前置光学***的光线全部进入光纤。前置广角物镜***的设计与光纤传像束各性能参数、技术指标匹配，反摄远结构保证了光学***的大视场和像面均匀性。整个光学***分辨率大，色差小，成像效果好。

Description

一种大视场、高分辨的工业内窥镜光学***
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种大视场、高分辨的工业内窥镜光学***。
背景技术
工业炉窑在多种行业中普遍存在，例如冶金行业中的高炉、焦炭炉等，玻璃制造行业中的玻璃窑炉等，水泥行业中的回转窑等。随着工业的高速发展，为了监测炉内关键参数与运行工况，在各种工业密闭炉窑上安装内窥镜的需求越来越迫切。然而工业炉窑的运行环境复杂，大多存在高温，对光学***中透镜材料的转变温度以及折射率温度系数要求严格。同时炉窑内需求的成像面积大，对光学***的视场角和分辨率负担加重。
目前关于工业内窥镜具体光学***设计的发明专利较少，大都是内窥镜的机械结构设计。专利公开号CN1255631A发明专利提供了一种高温可见光摄像镜头的光学***。其原理是采用二级中继结构，使得结构总长在其焦距的百倍以上，足以使焦平面的探测器设置在高温炉炉壁之外，避免了探测器在高炉内部高温的影响。但其采用透镜作为中继***延长光路，使得整个设备重量增加很大，结合内窥镜的安装方式来看容易使光学***产生形变从而失焦。同时60°的全视场角无法在空间庞大的各种工业炉窑中获取全面的图像信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种大视场、高分辨的工业内窥镜光学***设计，此光学***可应用于各种工业密闭炉以便监测炉内关键参数以及运行工况。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的广角物镜***、场镜和光纤传像束；所述广角物镜***包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的负透镜组、孔径光阑和正透镜组；所述场镜设置在所述广角物镜***的焦平面偏物侧方向上；所述光纤传像束设置在所述广角物镜***的焦平面上，与所述场镜相邻。
进一步的，所述广角物镜***总长130～150mm，焦距6～10mm，全视场角100～120°，F数为6～10。
进一步的，所述负透镜组包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，第一透镜物侧面和像侧面均为凹面，第二透镜物侧面和像侧面均为凸面。
进一步的，第一透镜焦距范围为：-23<f1<-22，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62，阿贝数范围为：58<vd<59；
第二透镜焦距范围为：60<f2<61，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62，阿贝数范围为：58<vd<59。
进一步的，所述正透镜组包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的具有负光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，第三透镜物侧面为凸面，像侧面为凹面；第四透镜物侧面和均为凸面；第五透镜物侧面和像侧面均为凸面。
进一步的，第三透镜焦距范围为：-13<f3<-12，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.71<nd<1.72，阿贝数范围为：29<vd<30；
第四透镜焦距范围为：14<f1<15，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62。阿贝数范围为：58<vd<59；
第五透镜焦距范围为：14<f1<15，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62。阿贝数范围为：58<vd<59。
进一步的，所述场镜物侧面与像侧面都是凸面，焦距为广角物镜***的出瞳面与焦平面的距离，范围为：22<f<23，单位mm，折射率范围为：1.51<nd<1.52，阿贝数范围为：64<vd<65。
进一步的，所述光纤传像束极限分辨率为72lp/mm。
工业生产过程中的各类炉窑一般存在密闭、高温等情况。为方便密闭保障安全，安装工业内窥镜的窥孔不能开太大；为适应高温保证光学***正常应用，工业内窥镜的外部需要冷却装置。这两者限制了工业内窥镜光学***的纵向口径，因此本发明采取共轴、折射、定焦光学***，大大减少整个光学***所需要的纵向空间。
为了隔绝高温，工业炉一般炉壁很厚(0.5～1M)，如果采用普通的单次成像，光路短，焦平面在炉壁内部，对图像传感器的耐高温性能要求太过严格，增加了成本，并且图像传感器在炉壁内部不方便更换。本发明光学***采用光纤传像束将像延长，实现炉内取像、炉外成像的功能。同时光纤传像束的长度可以自由选择，便于满足不同大小、不同种类工业炉的成像光学***长度的需求。
考虑到工业炉一般密闭且炉内无光源或者存在具有吸光性的原料，为了获取到微光环境中的炉内图像信息，增加光学***的光通量，本发明采用的F数为6～10，同时适当程度牺牲像质来追求整个光学***的透镜数量尽可能少。
为了全面地获取各种类、各大小工业炉内的图像信息，本发明的光学***采用了100～120°全视场角。考虑到视场角较大并且炉内微光，而对称广角结构物方视场角与像方视场角大致相等，其光照度由中心向边缘按cos4ω'的速度衰减，其中ω'为像方半视场角。故前组广角镜头采用非对称的反摄远结构，其由一个负透镜组与一个正透镜组构成，孔径光阑设置在两透镜组的中间。负透镜组可以收集入射角度大的光线然后以较小角度传输给正透镜组，从而实现广角成像但物方视场角远小于像方视场角。反摄远结构保证了光学***的大视场和像面均匀性。同时广角镜头组的透镜采用转变温度高且折射率温度系数小的玻璃，降低内窥镜设备内部温度变化带来的影响，增加设备使用寿命。
光纤传像束利用全反射原理对光线进行传输，其入射面与前组广角镜头的焦平面重合，前端广角物镜组的像方数值孔径角与光纤传像束的数值孔径角相等。轴上光束沿光纤中心对称入射在传像光纤的入射面上，所以轴上光束可以全部进入传像光纤。但轴外光束沿主光线对称并以一定的角度斜射在传像光纤的入射面上，部分光束不能进入传像光纤中，导致输出图像的边缘带变暗并且随视场增加影响越明显。为了保证光纤传像束的图像质量，本发明采取场镜改变轴外主光线的方向，使轴外光束也能沿光纤中心对称。场镜通常放置在前组广角物镜的焦平面上或附近，本发明将场镜放置在焦平面偏物侧方向，为后面的光纤传像束腾出安装空间。本发明采用的场镜焦距为前组广角物镜焦平面与出瞳面的距离，因此光学***才具有像方远心光路的效果，使前置光学***的光线全部进入光纤。
本发明前置广角物镜***的设计与光纤传像束各性能参数、技术指标匹配。整个光学***分辨率大，色差小，成像效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的调制传递函数图；
图3为本发明实施例的点列图；
图4为本发明的畸变曲线图；
图5为本发明的横向色差图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
请参考图1，本发明一个优选实施例的大视场、高分辨的内窥镜光学***，其包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的A广角物镜***、B场镜、C光纤传像束。
下面详细说明光学***各个部分：
A广角物镜***
广角物镜***的参数为：***总长142.7mm，焦距6mm，全视场角110°，F数为6。其5片透镜全部由球面玻璃组成，孔径光阑6设置在透镜1、2组成的负透镜组与透镜3、4、5组成的正透镜组之间。用fi表示第i个透镜的焦距，单位为mm。
具有负光焦度的第一透镜1物侧面为凹面，像侧面也为凹面。其焦距范围为：-23<f1<-22。所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62。阿贝数范围为：58<vd<59。
具有正光焦度的第二透镜2物侧面为凸面，像侧面也为凸面。其焦距范围为：60<f2<61。所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62。阿贝数范围为：58<vd<59。
具有负光焦度的第三透镜3物侧面为凸面，像侧面为凹面。其焦距范围为：-13<f3<-12。所采用的玻璃折射率范围为：1.71<nd<1.72。阿贝数范围为：29<vd<30。
具有正光焦度的第四透镜4物侧面为凸面，像侧面也为凸面。其焦距范围为：14<f1<15。所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62。阿贝数范围为：58<vd<59。
具有正光焦度的第五透镜5物侧面为凸面，像侧面也为凸面。其焦距范围为：14<f1<15。所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62。阿贝数范围为：58<vd<59。
各透镜之间的距离要求说明如下：
第一透镜1与第二透镜2间距为29～30mm；
第二透镜2与孔径光阑6间距为61～62mm；
孔径光阑6与第三透镜3间距为1～2mm；
第三透镜3与第四透镜4间距为0.5～1.5mm；
第四透镜4与第五透镜5间距为0.5～1.5mm。
入瞳直径选取为1mm，可以满足应用中对景深的需求。入瞳直径主要由孔径光阑的口径和物方与孔径光阑之间的光学***的焦距共同作用决定。
B场镜
场镜为单个薄透镜，使光学***达到像方远心的目的。其物侧面与像侧面都是凸面，焦距为广角物镜***的出瞳面与焦平面的距离，范围为：22<f<23，单位为mm。所采用的玻璃折射率范围为：1.51<nd<1.52。阿贝数范围为：64<vd<65。
C光纤传像束
根据前述光学***的性能需求，特选取外径为8mm、单丝直径为8μm的光纤传像束。其长度能够自由选择，满足各种长度需求。该光线传像束按六边形排列在前述光学***的焦平面上，故传像束的极限分辨率为72lp/mm，与前述光学***相对应。光纤传像束的数值孔径为0.09大于前置物镜像方数值孔径0.083，符合光纤的全反射定理，故入射的光束可以完全进入光线传像束。
图2为本发明实例所述的光学***的调制传递函数图，调制传递函数表征光学***在不同空间频率传递对比能力。横轴表示空间频率，纵轴表示调制传递因子MTF。从图中可见该***在奈奎斯特空间频率72lp/mm处的MTF>0.5。
图3为本发明实例所述的光学***的点列图，点列图展示点经过光学***成像的弥散图形。横轴与纵轴皆表示尺寸大小。从图中可见该***各视场角的弥散图形均方根均小于8μm。
图4为本发明实例所述的光学***的畸变曲线图，畸变图表示实际像高和理想像高的差别。横轴表示畸变百分比，纵轴表示半像高。从图中可见该***畸变不超过-60％。虽然畸变较大，但是不影响成像清晰度，并且可以通过图像处理矫正。
图5为本发明实例所述的光学***的横向色差图，轴向色差图表示轴上点成像位置因光线波长不同而产生的差异。横轴表示偏移量，纵轴表示视角。从图中可见该***不同视角最大横向色差均小于3μm。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的广角物镜***、场镜和光纤传像束；所述广角物镜***包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的负透镜组、孔径光阑和正透镜组；所述场镜设置在所述广角物镜***的焦平面偏物侧方向上；所述光纤传像束设置在所述广角物镜***的焦平面上，与所述场镜相邻。
2.根据权利要求1所述的大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，所述广角物镜***总长130～150mm，焦距6～10mm，全视场角100～120°，F数为6～10。
3.根据权利要求1或2所述的大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，所述负透镜组包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，第一透镜物侧面和像侧面均为凹面，第二透镜物侧面和像侧面均为凸面。
4.根据权利要求3所述的大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，第一透镜焦距范围为：-23<f1<-22，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62，阿贝数范围为：58<vd<59；
第二透镜焦距范围为：60<f2<61，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62，阿贝数范围为：58<vd<59。
5.根据权利要求1或2所述的大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，所述正透镜组包括沿光轴由物侧到像侧依次分布的具有负光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，第三透镜物侧面为凸面，像侧面为凹面；第四透镜物侧面和像侧面均为凸面；第五透镜物侧面和像侧面均为凸面。
6.根据权利要求5所述的大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，第三透镜焦距范围为：-13<f3<-12，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.71<nd<1.72，阿贝数范围为：29<vd<30；
第四透镜焦距范围为：14<f1<15，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62；阿贝数范围为：58<vd<59；
第五透镜焦距范围为：14<f1<15，单位mm，所采用的玻璃折射率范围为：1.61<nd<1.62；阿贝数范围为：58<vd<59。
7.根据权利要求1或2所述的大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，所述场镜物侧面与像侧面都是凸面，焦距为广角物镜***的出瞳面与焦平面的距离，范围为：22<f<23，单位mm，折射率范围为：1.51<nd<1.52，阿贝数范围为：64<vd<65。
8.根据权利要求1或2所述的大视场、高分辨的工业内窥镜光学***，其特征在于，所述光纤传像束极限分辨率为72lp/mm。
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