光电窥膛光学系统参数优化选择

　　引 言

　　前几年，国内虽然研制了 CCD-TV 窥膛系统，它对光学管检查方法进行了较大的改进，所观察的图像可以存贮和事后调用。然而这种系统仍没有从根本上克服光学管窥膛系统设备大而笨以及操作不便 的局限性，而且对窥膛疵病只能定性观测，不能定量测量。为了克服上述窥膛系统的局限性，我们放弃了传统光学窥膛系统的设计思路，采用了精密机械、检测控 制、图像处理与图像测量以及光电摄像等多个学科领域的高新技术，并遵循力求高性能与使用操作方便相结合的设计原则，研制出了一种高性能爬行式光电窥膛系 统。炮管内膛表面不仅光洁如镜面，而且结构复杂，以致用目前从国外引进的最先进光电窥膛系统(如美国的“韦林”等内窥系统)也难以对其成像，更谈不上精确 地测量其中的疵病。本项目在对膛内的光路、光谱、光强分布进行深入分析和大量实验的基础上，采用分布式光源和散射、反射和吸收等光学技术，为 CCD 摄如图1，由于机械加工及装备精度有限和炮管内阴阳膛线及其它因素的影响，光电窥膛头在前进中会造成 CCD 镜头光轴偏离炮管中心轴线，如果它们的偏差超过了CCD 镜头的景深，可能造成反射镜在周转过程中有些方向的图像不太清晰或同一幅图像中部分清晰，部分模糊。上述现象对 CCD 所成像的清晰度和质量等会产生很大影响，通过机械方面定位虽然在一定范围内可弥补一点，但经过认真分析，从光路方面通过增大成像镜头景深来解决上述问题是 一种很好的有效方法。景深与 CCD 摄像机的入瞳直径(光圈大小)、焦距和对准平面的距离等参数有关，可对以上参数和光路进行最优化设计，使景深尽可能最大。

　　1 光电窥膛系统光路分析及数学建模

　　根据炮管内膛的结构特点, 设计成像光路结构如图1 所示。设CCD 摄像镜头入瞳直径为 D，f 为物镜的焦距，x 为反射镜中心到入瞳的距离，y 为炮管的半径，根据光学的成像原理，可得景深的表达式为

式中z 为弥散斑大小，由此可见当图像清晰度即z 规定后，景深δ 与 D, f, x, y 有关。入瞳直径 D 越小，物镜的焦距 f 越小，景深δ 越大;物距越大，景深δ 也越大。

　　1.1 设计光电窥膛系统光路成像的主要技术指标

　　光圈大小：12a ≤ D≤a，其中12a ,a的大小与系统中的光强等因素有关;

　　物镜的焦距：12f ≤ f≤f，与 CCD 摄像的分辨力以及视场大小要求有关;

　　反射镜中心到入瞳的距离：12l ≤ x≤l;12l ,l的大小与光学系统中的光强分布、结构和视场大小等有关。弥散斑大小 z：可根据实际要求设定。