基于梯度折射率透镜的工业内窥镜设计

论文摘要

梯度折射率光学亦称非均匀介质光学,梯度折射率介质亦称为非均匀介质或变折射率介质或者渐变折射率介质,其介质内的折射率是按某种规律变化的。因此,英文称作Gradient Index(Grin)。梯度折射率材料的使用,使得光学系统得以简化,同时也减小了体积、重量和光能损失。梯度折射率透镜的独特性能,可以用于显微系统增大其景深。随着工业技术不断的发展,工业管道及设备日益增多。为保证工业管道的正常使用和各种设备的安全运行要经常对其检测维修,而工业内窥镜的出现,正解决了受工作环境影响无法直接对工业管道进行内部检测维修的难题。本文设计的工业内窥镜是由梯度折射率透镜、显微物镜、转像透镜和接收装置共同组成的特殊光学系统。显微物镜的倍率越大其测试精度就越大,但是景深就越小。设计中利用由梯度折射率透镜的光传播的正弦曲线特性导致梯度折射率透镜具有较大景深的独特性能,使梯度折射率透镜的焦深与显微物镜的景深相匹配,扩大了光学系统的景深,满足了对工业管道测试的大景深要求。针对工业管道的测试要求设计一个4倍显微物镜,显微物镜的几何景深为0.018mm,在此物镜前加一梯度折射率透镜,其几何景深为1.75mm,增大了约100倍。物理景深原为0.055mm,加梯度折射率透镜后变为5.5mm,增大了100倍,总景深约为原景深的200倍。从而扩大了工业内窥镜的测试范围,并且可以准确清晰地观察管道内表面不同部位的情况。设计后所有视场的最佳像点形成一条近似球面的曲线,故可测试的最佳表面为球面。利用此特点可以将其应用于工业管道内球形表面的测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 梯度折射率光学概述
• 1.2 梯度折射率光学的国内外研究概况
• 1.3 梯度折射率光学的应用及前景
• 1.4 课题研究的目的、意义及内容
• 第二章 梯度折射率光学
• 2.1 梯度折射率介质中的光线追迹
• 2.2 梯度折射率透镜的象差
• 第三章 工业内窥镜的介绍
• 3.1 工业内窥镜国内外发展概况及其应用
• 3.2 工业内窥镜的分类及其制造技术在国内外产品上的差距
• 3.3 工业内窥镜的未来发展趋势
• 第四章 基于梯度折射率透镜的工业内窥镜设计
• 4.1 工业内窥镜系统的设计思路
• 4.2 显微物镜设计
• 4.3 梯度折射率透镜设计
• 4.4 转像透镜与场镜设计
• 4.5 基于梯度折射率透镜的工业内窥镜设计
• 第五章 像质评价和数据分析
• 5.1 像质评价
• 5.2 数据分析
• 总结
• 致谢
• 参考文献