微形貌光电观测镜的光学系统设计

　　引 言

　　微形貌非接触快速测量是目前国内外发展的重点项目，它在光通讯、先进制造技术等方面有着广泛的应用。光通信领域中，光纤端面的污渍、划痕、裂缝 等缺陷严重影响通信质量。本文针对光通讯设备中的机架插孔，设计了一种微形貌观测镜观测插孔中的光纤端面缺陷。国外现有产品多是依靠物镜光学工作距离对插 孔底面进行观测，数值孔径受到插孔边缘限制，插孔底面上的目标有不同程度的“渐晕”。本文提出的微形貌精密观测系统，主要针对微小盲孔的内表面观测和三维 扫描模型构造，观测探头深入到插孔内部。

　　1 微形貌小型光电精密多功能观测系统的光学结构原理

　　该系统物镜属于显微物镜，光学系统的分辨力为[1]

式中σ0为系统分辨力;n 代表物空间折射率;λ 为光源主波长;NA=nsinU 为镜头的数值孔径。在波长λ一定的情况下，只有通过提高光学系统的数值孔径来提高系统的分辨力。光学放大率由CCD 像素大小和设计的目标分辨力共同决定：

式中β 为光学放大率，σCCD为CCD 最小分辨尺寸，σSYS为系统的最小分辨尺寸。

　　如图1(a)所示，常规尺寸的物镜组位于盲孔外部，难以获得理想的数值孔径。而提高系统分辨力必须提高受微孔尺寸限制的数值孔径。本文提出的光学结构物镜探测头外径小于微孔内径尺寸，突破了微孔尺寸限制，如图1(b)所示。

　　图2 为整个系统原理图。1, 2 组成固定倍率物镜组;3 为平板微扫描器;4 是直角棱镜;6 为照明聚光镜;7 是光源;5 为CCD;a 位置处可放置各种模版适用于不同用途的需要。微表面形貌通过透镜组成像在CCD 图像传感器上，可利用光学微扫描器瞄准观测细节，然后通过电路将形貌信息采集起来传输到计算机中，进行后续处理，包括图像显示和量化分析等。

　　除了上述直接成像检测法外，该系统还可进行微形貌三维模型构造。图3 为图2 中虚线框的放大图，说明了微扫描器偏转时成像主光线的变化情况。利用平板微扫描器实现立体视觉原理，采集两幅以上不同方向的微形貌投影信息，用来获得被测 表面的3D 信息。图3 中，1 为待测物体，2 代表物镜组，3 是可在一定范围内旋转的微扫描器。图3 (a)中，扫描器垂直于光轴，中心主光线始终与光轴重合;图3(b)微扫描器相对于垂直位置发生了θ 角度的偏转，使得与光轴重合的中心主光线的成像光束角度相应发生偏转。因此，在扫描器位于不同角度时，成像光束的角度也不同，最终成像也发生变化。令扫描 器以一定速度旋转，通过接收器摄取此过程中的图像序列，再综合分析即可求得待测表面的相关信息用来构造被测物体的立体模型。