基于梯度折射率透镜的管道内窥镜设计

　　0　引言

　　管道内窥镜凭借其体积小、结构灵活的特点,已经广泛应用于各种管道设备的生产、检测及日常检测和维护中.它作为一种无损检测设备,有效延长了人眼的视距,突破了人眼观察的死角,可以准确、清晰地观察管道设备内部或零件内表面的情况,如磨破损、表面裂纹等,避免了不必要的设备拆卸以及零部件损伤,具有操作方便,检查效率高,结果客观准确的优势,是管道设备检测的一个有力工具.

　　显微镜是管道内窥镜的重要组成部分.由于显微系统的景深很小,对具有一定厚度的物体成像得到的图像中只有部分细节良好聚焦,其他部分则是模糊的.一般情况,当显微镜的放大倍率越大,测试准确度越高,其景深也就越小.

　　大景深对成像系统而言意味着同一画面中有更多的清晰景物,更多的可测控、监控对象.自20世纪60年代由Welford提出环形孔径增大景深方法以来,又出现了很多其他的方法[9],如二维成像序列的图像融合、特殊设计透镜结合图像处理[10]等.但这些方法都需要复杂的后续处理,并非直接增大光学系统的景深.

　　高质量的管道内窥镜既需要大的放大倍率,又需要大的景深.因此,放大倍率与景深的矛盾成为制约管道内窥镜性能的瓶颈.本文利用梯度折射率透镜介质折射率渐变的特点,将其与显微物镜相结合,设计了其像面弯曲近似球面、大景深的管道内窥镜,其景深增大为原来系统的200倍.并获得了很好的像质,能与CCD等光敏器件结合,通过监视器可以方便观察被测管道内壁细小的裂痕、破损以及死角等.

　　1　梯度折射率透镜的特性

　　梯度折射率透镜具有大小端数值孔径可变、结构紧凑和像质好的优点,用它作为内窥镜的物镜可进一步简化结构和提高像质[11-12].梯度折射率透镜介质的折射率是非均匀的、按某种规律变化的.因此,光线传播轨迹不是直线,而是曲线.

　　设计中采用径向梯度折射率透镜.其折射率是径向距离的函数,等折射率面为中心轴对称的圆柱面系,介质中折射率变化的梯度是常量.

　　梯度折射率材料折射率剖面的函数一般表达式为[13-14]：

　　在径向梯度折射率介质中,光线轨迹在子午面内是一条正弦曲线,其周期为(2π/a)cosζ,曲线的振幅、周期均与a成反比,且随光线初始入射ζ0(与光轴z的夹角)变化,这表明该介质对不同入射角的光线具有不同的会聚能力.该介质的聚焦周期为2π/a,表明这种介质中某一轴上点所发出的近轴光线会周期性的在轴上重新聚焦,此聚焦点为原轴上点的理想像点.实际光线与近轴光线轨迹如图1.

　　梯度折射率透镜内的光传播正弦曲线特性使其获得很大的景深,且其景深随物距的减小而增大,不遵守几何光学中几何景深公式.因此,在对内窥镜的显微系统设计时,可使梯度折射率透镜的与显微镜结合,扩大内窥镜的景深,满足内窥镜光学系统大景深的设计要求.