微面形貌观测物镜的光学系统误差分析

　　0　引言

　　微面形貌,包括微小“盲孔”(简称微孔)底面形貌的光电精密检测技术,在光通讯,先进制造技术和临床医疗等各个方面均有广泛应用.光纤技术是20世纪70年代继电缆技术之后迅速发展起来的以光纤感知或传输外界信号的新兴技术,广泛应用于光通信[1].目前,微孔内底面的光电检测系统主要应用之一是对光通信各种光纤连接器的接口插座中光纤端面的污渍,划痕,裂缝等缺陷的观测采用直接成像法进行测量[2].

　　本文提出一种微面形貌的光电精密观测多功能系统,着重分析光学系统的装配误差对实际成像分辨率的影响.利用几何光学原理,计算了三种装配误差与实际成像位移之间的关系.给出了满足CCD成像分辨率要求的位置调整范围,推导出了透镜的装配误差范围,达到提高系统分辨率优化系统的目的.

　　1　微面形貌观测镜光学系统设计

　　内窥式微面形貌观测镜由光纤端面、显微镜头、分光棱镜、图像传感器、聚光镜、光源组成光学部分,各部分之间是光学连接关系,其图像传感器采用CCD器件,CCD后续驱动控制电路,图像采集卡、计算机,图像处理部分和电源组成电路部分,通过数字化信号的转换,在液晶显示屏或计算机显示屏显示观测到的放大图像.图1是微形貌观测物镜的基本光学结构.

　　该观测系统属于小视场大孔径成像系统,大口径光学系统可以获得较高的空间分辨率和信号能量[3],由于视场小,主要考虑与孔径有关的像差:球差,正弦差和位置色差[4].针对常见单模多模光纤的数值孔径为0.2左右[5],设计内窥镜头组数值孔径为0.2,总偏角δ为0.225,通常消色差的双胶合透镜负担偏角δ小于0.15,考虑到球差、正弦差和色差的校正要求,故选取两组双胶合透镜[6].

　　1.1　放大倍率

　　光电检测系统分辨力由光学分辨力和接收器件CCD分辨力共同决定[7].如果选用1/4英寸的CCD作为接收器件,水平分辨率为380线,有效靶面尺寸为3.2 mm(H)×2.4 mm(V).CCD的水平分辨率RCCD和最小分辨尺寸σCCD可由式(1)、(2)推出[8]

　　式中,LTVH是CCD水平方向分辨率;SH是CCD靶面水平方向尺寸.可知CCD分辨最小尺寸约为13μm,也就是两个像素的大小.

　　系统的光学放大倍率是由CCD接收器的像素大小和系统分辨力决定的.

　　式中,β为系统光学放大率;RCCD为CCD最小分辨尺寸13μm;RSYS为光学系统分辨最小尺寸,当数值孔径为0.2时,RSYS=1.7μm.为了不损失系统分辨细节,最小可分辨尺寸至少要放大到两个CCD像素大小,则β需不小于由上式算出的7.64倍,取β=8.