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小口径大视场工业内窥镜光学系统设计

史天翼 杨磊 刘泽武 苏晓琴 谢洪波

史天翼, 杨磊, 刘泽武, 苏晓琴, 谢洪波. 小口径大视场工业内窥镜光学系统设计[J]. 应用光学, 2023, 44(1): 17-23. doi: 10.5768/JAO202344.0101003
引用本文: 史天翼, 杨磊, 刘泽武, 苏晓琴, 谢洪波. 小口径大视场工业内窥镜光学系统设计[J]. 应用光学, 2023, 44(1): 17-23. doi: 10.5768/JAO202344.0101003
SHI Tianyi, YANG Lei, LIU Zewu, SU Xiaoqin, XIE Hongbo. Optical system design of small-caliber and large-field industrial endoscope[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(1): 17-23. doi: 10.5768/JAO202344.0101003
Citation: SHI Tianyi, YANG Lei, LIU Zewu, SU Xiaoqin, XIE Hongbo. Optical system design of small-caliber and large-field industrial endoscope[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(1): 17-23. doi: 10.5768/JAO202344.0101003

小口径大视场工业内窥镜光学系统设计

doi: 10.5768/JAO202344.0101003
基金项目: 国防预研基金
详细信息
    作者简介:

    史天翼(1995—),男,硕士研究生,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:jingyisty@tju.edu.cn

    通讯作者:

    杨磊(1982—),男,博士,副教授,主要从事光学设计、光电检测与成像方面的研究。E-mail:yanglei@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN202

Optical system design of small-caliber and large-field industrial endoscope

  • 摘要: 近年来,内窥镜广泛应用于复杂环境下小尺寸零件缺陷检测,该文设计一种用于航空发动机叶片检测的工业内窥镜光学系统。系统基本结构采用二次成像,物镜采用非对称反远距结构,将大视场光线收束进小口径腔体中,适配镜将物镜所成一次实像放大21倍,后接对角线长42 mm高速相机。系统基于Zemax设计软件进行系统优化、公差分析和像质评价,最终系统具有大视场(120°)、细孔径(3 mm)、耐高温(25 ℃~180 ℃)等特点。由于对视场、孔径和适配镜放大率有较高要求,因此合理引入非球面提高系统成像质量,入瞳直径提高至0.5 mm,系统空间截止频率在17 lp·mm−1处,全视场调制传递函数值均大于0.28,最大畸变值小于21.2 %。
  • 图  1  内窥镜结构示意图

    Fig.  1  Schematic diagram of endoscope structure

    图  2  前物镜初始结构

    Fig.  2  Initial structure diagram of front objective lens

    图  3  后物镜初始结构

    Fig.  3  Initial structure diagram of rear objective lens

    图  4  优化后前物镜组二维图

    Fig.  4  2D diagram of optimized front objective lens group

    图  5  优化后前物镜组MTF曲线

    Fig.  5  MTF curves of optimized front objective lens group

    图  6  系统拼接后结构图

    Fig.  6  Structure diagram of spliced system

    图  7  系统点列图

    Fig.  7  Spot diagram of system

    图  8  网格畸变图

    Fig.  8  Mesh distortion diagram

    图  9  MTF曲线图

    Fig.  9  MTF curves

    图  10  图像模拟

    Fig.  10  Image simulation

    图  11  相对照度曲线图

    Fig.  11  Curves of relative illumination

    图  12  初始高温下MTF曲线

    Fig.  12  MTF curves of system at initial high temperature

    图  13  3种温度下系统的MTF曲线

    Fig.  13  MTF curves of system at three temperatures

    表  1  工业内窥镜设计指标

    Table  1  Design indexes of industrial endoscope

    参数指标要求备注
    物方高度/mm 13.4
    工作距离/mm 3
    波长/nm 710 单波长无色差
    分辨率/lp·mm−1 >17 像方要求充分利用相机靶面
    直径(带导光束)/mm 4 光学3 mm
    细管长度/mm >20
    耐温/℃ 25~180 无热化
    相机接口 F口 机械配合
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    表  2  非球面面型参数

    Table  2  Aspheric surface parameters

    表面编号曲率半
    径/mm
    圆锥系数4阶项6阶项8阶项
    3−3.797−2.390−0.0244.030E-039.166E-04
    27−4.0340.0603.005E-03−6.329E-041.236E-04
    29−22.713−2.1993.773E-06−1.154E-09−4.330E-14
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    表  3  材料类型及性能参数

    Table  3  Material types and performance parameters

    材料具体类型热膨胀
    系数/10−7/K
    折射率温
    度系数/10−6/℃
    镜片H-ZK3523.7
    H-ZLAF50E623.8
    H-LAK53B573.6
    H-ZK9B621.9
    H-LAF3B801.2
    H-K9L761.6
    H-LAK4L602.9
    隔圈、镜筒304不锈钢17
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    表  4  系统元件公差分配

    Table  4  Tolerance allocation of system elements

    公差类型允许误差值
    中心厚度/mm±0.02
    表面X偏心/mm±0.02
    表面Y偏心/mm±0.02
    X轴倾斜/(˚)±0.032
    Y轴倾斜/(˚)±0.032
    折射率±0.005
    阿贝数±0.5
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    表  5  蒙特卡洛公差分析结果

    Table  5  Results of Monte Carlo tolerance analysis

    蒙特卡
    洛样本
    百分比/%
    各视场
    平均值
    中心
    视场
    2视场3视场4视场5视场边缘
    视场
    900.1830.2770.2020.1850.1580.1500.128
    800.1950.3060.2230.1940.1710.1620.136
    500.2210.3470.2600.2330.1830.1730.150
    200.2540.3930.3200.2840.2200.1970.175
    100.2750.4340.3320.3080.2550.2250.193
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  • [1] GUO Junfeng, LIU Peng, JIAO Guohua, et al. Binocular optical system of industrial endoscope for three-dimensional measurement[J]. Optics and Precision Engineering,2014,22(9):2337-2344. doi: 10.3788/OPE.20142209.2337
    [2] 黄锦煖, 贺艳芳, 林峰. 基于Zemax的双视场胶囊内窥镜设计[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(18): 376-381.

    HUANG Jinxuan, HE Yanfang, LIN Feng. Dual-field capsule endoscope design basedon Zemax software[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(18): 376-381.
    [3] 吴丹磊, 冯丽爽, 王爱民. 高收集效率双光子内窥物镜的光学设计[J]. 激光与光电子学进展,2018,55(7):400-405.

    WU Danlei, FENG Lishuang, WANG Aimin. Optical design of two-photon endoscopy objectve with high collection efficiency[J]. Laser & Optoelectronics Progress,2018,55(7):400-405.
    [4] 吕思航, 向阳, 刘永坤, 等. 一次性口腔内窥镜光学系统设计[J]. 长春理工大学学报(自然科学版),2021,44(5):32-37.

    LYU Sihang, XIANG Yang, LIU Yongkun, et al. Optical design of disposable oral endoscope[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology(Natural Science Edition),2021,44(5):32-37.
    [5] YANG L, CHEN M, ZHU Q, et al. Development of a small-diameter and high-resolution industrial endoscope with CMOS image sensor[J]. Sensors and Actuators:A Physical,2019,296:17-23. doi: 10.1016/j.sna.2019.04.026
    [6] 葛玉德, 吴海滨, 胡明勇, 等. 一种长工作距广角工业内窥镜头的设计[J]. 量子电子学报,2021,38(6):815-822.

    GE Yude, WU Haibin, HU Mingyong, et al. Design of a long working distance wide-angle industrial endoscope lens[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics,2021,38(6):815-822.
    [7] 崔秀玲. 超细径大视场医用电子内窥镜系统研究 [D]. 沈阳: 沈阳理工大学, 2016.

    CUI Xiuling. Research of the system of super-slender diameter and wide field of view medical electronic endoscope[D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2016.
    [8] 佟建, 向阳, 董萌, 等. 双波段光纤内窥镜物镜设计[J]. 应用光学,2014,35(5):779-784.

    TONG Jian, XIANG Yang, DONG Meng, et al. Objective design of dual-waveband endoscope with image fiber bundles[J]. Journal of Applied Optics,2014,35(5):779-784.
    [9] YANG D M. Ultra-wide to mid-wide angle 3× zoom and focus adjustable lens design for industrial video endoscope[J]. SPIE,2012,8557:85570P.
    [10] 禹璐, 程德文, 周伟, 等. 大景深高清硬性内窥镜光学系统的优化设计[J]. 光学学报,2013,33(11):221-229.

    YU Lu, CHENG Dewen, ZHOU Wei, et al. Optimization design of rigid endoscope with high definition and large depth of field[J]. Acta Optica Sinica,2013,33(11):221-229.
    [11] 谷俊达, 向阳. 电子内窥镜光学系统设计[J]. 长春理工大学学报(自然科学版),2015,38(2):18-20.

    GU Junda, XIANG Yang. Optical system design of electronic endoscope[J]. Joumal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition),2015,38(2):18-20.
    [12] XU T X, CHEN Z P, JIANG Z H, et al. A real-time 3D measurement system for the blast furnace burden surface using high-temperature industrial endoscope[J]. Sensors,2020,20(3):869. doi: 10.3390/s20030869
    [13] 赵谦, 张莉华, 钱渠. 工业管道内壁损伤重建与检测[J]. 科学技术与工程,2021,21(25):10796-10805. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2021.25.032

    ZHAO Qian, ZHANG Lihua, QIAN Qu, et al. Reconstruction and inspection of the inner wall damage of industrial pipelines[J]. Science Technology and Engineering,2021,21(25):10796-10805. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2021.25.032
    [14] CHEN Z P, JIANG Z H, GUI W H, et al. A novel device for optical imaging of blast furnace burden surface: parallel low-light-loss backlight high-temperature industrial endoscope[J]. IEEE Sensors Journal,2016,16(17):6703-6717. doi: 10.1109/JSEN.2016.2587729
    [15] 王丹艺, 薛常喜, 李闯, 等. 基于微透镜阵列的电子内窥镜光学系统设计[J]. 光学学报,2018,38(2):320-325.

    WANG Danyi, XUE Changxi, LI Chuang, et al. Design of electronic endoscope optical system based on microlens array[J]. Acta Optica Sinica,2018,38(2):320-325.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-19
  • 修回日期:  2022-06-13
  • 网络出版日期:  2022-09-16
  • 刊出日期:  2023-01-17

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