从高温镜头出发谈光学系统的设计

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光学系统的基本参数和成像质量的确定
视场角的确定方法：
• 例1：AB=BC=24m，CG=27m， TP=3.2m，计算得全视场角2 ω=60° 。 • 镜头的实际视场角应略大于计算值， 以确保所需的观察范围并降低安装 精度要求； • 例2：一个高温镜头的全视场角2 ω=80° ，安装高度6m，则计算得其 对底面的观察范围为8.6mx6.6m（这 可以满足底面尺寸为8mx6m的窑炉 的观察需求）。
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提 纲
• • • • • • • • • 背景 高温镜头基本要求 光学系统的基本参数和成像质量的确定 系统特点与像差校正要求 总体结构型式与主要组成部分 各组成部分的结构型式，像差校正策略 各部分的具体设计 实际使用情况 结语
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背 景
D光—589.3nm或e光—546.1nm F光—486.1nm C光—656.3nm
视见函数 中国科学院上海光学精密机械研究所
(人眼光谱灵敏度)
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视场角的确定方法：
光学系统的基本参数和成像质量的确定
炉膛结构示意图
• 炉膛形状——通常为长方体； • 镜头通常安装于炉膛顶边AD的中点O(或者 顶面中心位置)，要求镜头能同时观察炉膛 底面各点的燃烧情况； • 光轴为OT方向，即T点偏离底面中心点P一 定的距离。因为O点距点F、G的距离大于 距点E、H的距离，在相同的视场角下对点 F、G可观察到较大的尺寸范围。
入瞳
第一像面
孔径光阑
第二像面
可变光阑
最终像面 （ 靶面）
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总体结构型式与主要组成部分
总焦距、入瞳与可变光阑直径、总长度：
• 总焦距：f’=f1’×M1×M2； M1= f12’/f11’、M2=f22’/f21’，分别为第一、第二转像 系统的放大倍率； • 入瞳直径：φ1mm，最大NA=0.5/3.85=0.13； • 可变光阑最大直径：D2=D1x(f11’/f1’)x(f12’/f21’) D2是可变光阑最大直径，D1是入瞳直径。 • 总长度L=(前组入瞳与第一像面之距离) +2f11’+2f12’+2f21’+2f22’
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背 景
• • 高温窑炉在高温、高压下工作，是危险的作业场 所； 高温窑炉又是大量消耗燃料的工业设备，需提高 燃料的热转换效率与能源利用率，保护生态平衡， 减少废气排放； 为了保证其安全、高效运行，必须对其工况进行 实时监测与有效控制； -火焰燃烧、燃料添加、 内壁损伤及温度分布等情况； 但是恶劣环境（高温>1000°C，高于光学玻璃的 转变温度；高压；高污染）使人眼不能直接观察 炉内情况； 必需特殊的监控技术与设备。
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总体结构型式与主要组成部分
非物方远心光路带来的测量误差（测量投影仪）：
• 分划板与物镜理想像面位置A1’重合，如果物体准确位于理想物面位置A1， 此时测量得到的物体尺寸为M1M2。 • 但由于存在景深，很难对物体精确调焦使其像与分划板平面重合，此时 即引入测量误差。 • 如将物面调到A1之后的A2位置，则其像在分划板A1’之后的A2’位置，两者 不重合，像点B1’、B2’的成像光束在分划板上将截得对应的弥散斑，实际 读得的长度是像点B1’、B2’的主光线与分划板的交点距离N1N2，显然N1N2> M1M2。
入瞳 第一像面 孔径光阑 第二像面 可变光阑 （ 最终像面 靶面）
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转像系统、远心光路：
总体结构型式与主要组成部分
• 为了满足镜头外径小、总长大的要求，转像系统宜采用双远 心光路结构，即4f结构型式； • 远心光路（双远心光路）在精密测量与精密加工光学系统中 得到广泛应用——光学测量投影仪、万能工具显微镜、光刻 物镜、光刻机中的精密测量系统（调焦调平传感光路、对准 光路）等； • 其优点是：在物面或像面轴向定位不准确或相对于光轴倾斜 时，可以消除垂轴测量误差。 物面或像面轴向定位误差存在的原因： • 在精密测量场合，物面在景深范围内、 像面在焦深范围内变化时，像仍然是清 晰的。但如果不是远心光路，则弥散斑 中心在垂轴面移动与会引入测量误差。 • 在本系统中，远心光路有利于镜头整体 外形尺寸的优化，降低装配精度。 中国科学院上海光学精密机械研究所
光学系统的基本参数和成像质量的确定
小孔径、大视场、大像差系统：
• NA——较小，一般为D/f’=1/4∼1/20， CCD光谱灵敏度 即NA=0.125∼0.025；
为了适用不同燃烧工况，光圈最好是可调的；
• • • •
视场角——2ω=80°左右； 分辨率——优于20lp/mm； 图像接收器——CCD摄像机，彩色； 光谱——可见光，与人眼一致，
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提 纲
• • • • • • • • • 背景 高温镜头基本要求 光学系统的基本参数和成像质量的确定 系统特点与像差校正要求 总体结构型式与主要组成部分 各组成部分的结构型式，像差校正策略 各部分的具体设计 实际使用情况 结语
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耐高温电视镜头（High-temperature resistant TV lens）：工作于高温环境的光学镜头； Harsh environment TV lens：工作于恶劣环境的光 学镜头，恶劣环境是指高温wk.baidu.com高污染等不利于常规 光学系统工作的环境； 高温工业内窥镜（Wall-eye）：镜头外形细长，使 用时安装于炉壁的开孔内，对炉膛内物体成像； 目前习惯的名称：高温镜头。
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总体结构型式与主要组成部分
高斯光学关系：
• 前组物镜将需观察的物体成像于其后焦面上，即获得所需 的视场角；然后由2个转像系统把像面传递到CCD靶面上； • 入射光瞳经前组物镜、第一转像系统与第二转像系统之前 半部成像于可变光阑面，即入瞳与可变光阑满足物像关系； • 在大视场的多次成像系统中各部分光阑的共轭关系特别重 要，否则前组物镜出射光线的结构将被后续系统改变（两 者不匹配），因而会引入很大的轴外像差、并丢失边缘视 场。
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提 纲
• • • • • • • • • 背景 高温镜头基本要求 光学系统的基本参数和成像质量的确定 系统特点与像差校正要求 总体结构型式与主要组成部分 各组成部分的结构型式，像差校正策略 各部分的具体设计 实际使用情况 结语
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光学设计的基本方法与步骤： 1）根据技术参数与要求，考虑与确定光学系统的整体方案； 2）在高斯光学范围内，计算和确定各个具有独立功能的组成 部分的光学性能参数； 3）选择与确定各组成部分的结构型式； 4）选定或计算各组成部分的初始结构（可以对已有专利或典 型结构经缩放而得到）； 5）进一步校正像差以及对像质进行评价。 • 上述所有工作是光学设计不可缺少的环节。只不过随着系统 的不同，各个环节的侧重点和难易程度会有所不同。 • 系统的高斯光学关系是设计光学系统的基础；搞清高斯光学 性能有助于选择合理的结构型式，为设计好系统奠定基础。 • 光学设计程序/软件/可以使我们快速进行像差计算、优化与 评价，它是设计好一个光学系统的重要手段。 中国科学院上海光学精密机械研究所
现代许多工业领域都用到高温窑炉，如： • 电力：火力发电电站锅炉 • 化工：反应炉 • 建材：砖瓦窑、水泥窑、玻璃熔炼炉 • 钢铁：炼钢炉、炼焦炉 • 环保：垃圾焚烧炉
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背 景
高温窑炉的工况特点： • 高温、高压、高污染（煤粉、油雾）
• • • • 熊熊燃烧的火焰 喷射的气流(煤汽) 流淌的钢水、飞溅的钢花 ••• •••
炉膛结构示意图
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一个设计实例的基本参数
• • • • • • • NA——0.125∼0.025；为了适用不同燃烧工况，光圈可调； 视场角——2ω=80°左右； 图像接收器——CCD摄像机，1/3“，彩色； 焦距——f’=3x0.95/tg(40°)= ∼3.5mm(CCD overscan因素);如 允许10%畸变，则f’=3.85mm； 总长——从入瞳到像面距离=820+12.5(C型接口距离)=∼832mm 外径——前端插入炉壁所开的孔内，直径φ25mm 后部有可变光阑、CCD接口，可以大一些。
从使用角度看：
• 外形细长——窑炉通常是密封的，炉壁有一定厚度 （0.5-1.0m），开孔尽量小（高温工业内窥镜）； • 前置针孔——镜头对于炉内有尽可能小的暴露面积， 以减小热辐射与灰尘进入镜头； • 前端保护——用耐高温、耐辐射光学窗口保护整个 镜头； • 数值孔径较小——观察对象为燃烧的火焰，辐射光 强度很大；目前的图像接收器CCD灵敏度很高； • 视场较大——炉体尺寸大，希望看到炉膛整体； • 分辨率一般——观察的物体大，不注重细节。
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背 景
• • • 高温工业电视（炉膛火焰监视系统）应运而 生； 高温工业电视是观察炉内燃烧工况的一种重 要设备，已广泛应用于高温窑炉； 高温镜头是高温工业电视的一个关键部件— —“前哨”，是一个图像传感器。
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背 景
• 高温镜头的名称沿革
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总体结构型式与主要组成部分
总体结构型式与主要组成部分
总体结构型式：
• 由前组物镜与2个二次成像系统（转像系统、中继系统） 构成，可以满足外径小、光轴超长的要求； • 前组物镜决定系统的视场角，转像系统用来拉长光路，实 现总长大的要求； • 前组物镜——采用倒置目镜；一般使其焦距大于总焦距； • 转像系统——长共轭距（工作距）透镜成像系统，通常为 双远心4f系统；为便于校正像差，转像系统倍率（绝对值） 通常<1，这也可用来放大或缩小总焦距，使总焦距满足设 计要求）。
CCD靶面尺寸
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• • • • • • • • • 背景 高温镜头基本要求 光学系统的基本参数和成像质量的确定 系统特点与像差校正要求 总体结构型式与主要组成部分 各组成部分的结构型式，像差校正策略 各部分的具体设计 实际使用情况 结语
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光学设计
——从高温镜头出发谈光学系统的设计 从高温镜头出发谈光学系统的设计
黄惠杰
中国科学院上海光学精密机械研究所 2009年10月20日 2009年10月20日
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意 图
• 从具体的使用要求出发，讲解光学系统设 计的一般步骤：总体设计、部分设计、结 构选择、像质评价，等； 加深对已学几何光学、像差理论及光学设 计基本知识、一般手段的理解，并能运用。
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总体结构型式与主要组成部分
物方远心光路改善测量精度（测量投影仪）：
• 物方远心光路——光阑（出瞳）位于物镜后焦面，物方主光线平行于光 轴，经物镜后总是通过像方焦点F’。 • 如果物体调焦准确（位于理想物面位置A1），此时测量得到的物体尺寸 为M1M2。 • 如果物体调焦不准确，如将物面调到A1之后的A2位置，则其像点B1’、B2’ 将偏离分划板，在分划板上得到一个弥散的投影像斑。 • 但是，由于同一物点的成像光束的主光线并不随物体位置而变，过投影 像斑中心的主光线仍通过M1和M2，实际读得的长度仍是M1M2。 • 所以调焦不准并不影响测量结果。
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提 纲
• • • • • • • • • 背景 高温镜头基本要求 光学系统的基本参数和成像质量的确定 系统特点与像差校正要求 总体结构型式与主要组成部分 各组成部分的结构型式，像差校正策略 各部分的具体设计 实际使用情况 结语
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高温镜头基本要求
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系统特点与像差校正要求
• 入瞳在光学系统外面（光学系统第一面），是非对称光学 系统，因而轴外像差（彗差、倍率色差、畸变、场曲、像 散）难以校正； • 焦距短、视场大、外形细长，一次成像难以与CCD靶面耦 合，必须二次或多次中继（Relay）成像（即利用转像系 统把镜头光轴总长放大到焦距的数百倍以上；而一般光学 系统的总长度与其焦距相当）； • 在二次或多次成像时，要考虑各种像差的综合效应； • 多个成像镜组的光阑应共轭； • 尽量避免使用胶合透镜，尤其伸入炉内的前端部分（使用 环境温度高，易脱胶）。 • 需主要校正像差： 轴上像差：球差、色差——因NA很小，容易校正 轴外像差：彗差、倍率色差、畸变、场曲、像散 中国科学院上海光学精密机械研究所