小孔径内壁探测镜头初步设计20221127
工业内窥镜基本结构的确定
根据被测工件的外形尺寸和具体的缺陷检测要求，初步设计一种前端使用球面反射镜结构的小型工业内窥镜。确定了所使用内窥镜的基本结构、工作条件、成像质量等目标，采用360°环视的方式，实现对工件内壁的细节成像。
传统硬管内窥镜
硬管内窥镜一般由物镜、转镜、目镜、外管和导光束组成。其原理是物镜先对被检测部位进行成像，然后由转镜来传输图像，其有效工作长度取决于转镜的设计长度和组数，照明一般采用光纤进行传光照明，即将独立光源发出的光线传送至前端工作位置。根据不同的需求，可以更换不同的探头得到所需的视场。
工件内壁检测方案
本文所设计的小型工业内窥镜，旨在观察孔径较小的管状零件的内壁缺陷及表面情况，是否存在划伤、砂眼、磕碰等缺陷。
小口径零件的内直径大于4mm、长度50mm，需要检测其内有无缺陷，并能分辨0.1mm的缺陷。而常用的内壁环视检测手段主要为360°环视成像，即通过球面反射镜将孔内壁图像进行反射成像。所以，考虑采用硬管内窥镜和前端球面反射物镜结合的方式设计发动机内孔检测光学镜头。
总体技术指标
而在发动机内壁缺陷检测技术中，所需要检测的发动机内孔的直径大于4mm，长度在100mm以内，并能达到成像分辨力为0.1mm/pixel。这样小孔径的内孔缺陷检测对内窥镜的外形和成像方式要求较高。
根据零件的外形参数和检测方案，可以得到设计参数大致为：
- 采用硬管内窥镜结构，外管直径Φ4mm，满足小孔径发动机内壁探测要求；
- 有效工作长度接近50mm，满足零件的长度要求；
- 360°环视内孔壁成像；
- 最终的成像分辨力在0.1mm/pixel。
具体镜头部分结构初步设计
总体设计
对于总体的4mm外径镜头的设计主要是沿用硬质内窥镜的设计，同时在其物镜端换成球面反射镜以达到360°环视效果。其基本组成为物镜、转镜和后物镜三部分。
物镜系统设计
本设计与常用的工业硬质内窥镜的最大区别在于本设计需要具有360°环视孔内壁的能力，同时需要满足整体的内窥镜的外径直径为4mm，考虑到外管和光纤的厚度，内窥镜的镜片外径尺寸应不大于3.5mm甚至更小。而为了获取内孔360°环视的图像，物镜前端可以采用球面反射镜将内孔图像反射成圆环图像呈现在物镜的像面上。可以设计物镜系统的设计像面直径3mm，所有镜片的外直径3.5mm，包括反射镜的外径也需要小于3.5mm。
而为了与后续转镜相衔接，物镜需要采用像方远心设计，可以消除物镜像方调焦不准引入的测量误差。
转镜系统设计
在硬管内窥镜中，转镜系统一般采用结构完全对称的多组棒镜构成，两个棒镜为一转镜组，每组转镜组的系统放大倍率为-1，即经过转镜组成像后的大小不会发生变化，只会将正像变为倒像。所以设计的转镜系统大致如下。
系统仍然需要采用远心设计，其孔径光阑位于两棒镜中间，同时需要保证转镜的物方数值孔径与前面物镜的像方数值孔径大小相同，转镜物面大小与物镜像面大小相同以匹配设计的物镜系统，根据指标要求，转镜的镜片口径也为3.5mm，转镜的整体长度接近50mm。
后物镜系统的设计
在典型的工业内窥镜中使用的是目镜为了便于人眼观察，而本设计中需要将孔内壁图像成像采集到相机中，所以需要设计后物镜系统用于将转镜组传输的图像进行放大。而根据前文的分析可以得到物镜的像方直径为3mm，而如果选择匹配的相机的靶面尺寸为1/3’’，即对应的靶面尺寸为4.8mm×3.6mm，所以为了充分利用相机的靶面且不会丢失已成像的信息，应当使放大后的像面尺寸接近于3.6mm，也就是说后物镜组的放大倍率接近于1.2倍。
分辨力的初步分析
假设选择的1/3’’靶面尺寸的相机的像元尺寸为3.45μm×3.45μm，而探测的内孔径大小为5mm，则若成像占满靶面，其外圈的成像分辨力为完全能满足分辨力要求，而计算满足最小分辨力要求的内圈直径为则几乎整个成像都能满足横向分辨力要求。
照明方式
光纤照明
采用将光纤导入到镜头前端进行照明，如下示意图，导光纤维需要均匀分布在球面反射镜周围，同时根据照明部分的不同，需要将光纤的照明方向进行改变，即斜对准孔内壁进行照明，所以需要在光源前端加入光源反射镜改变光纤照明光线的方向。由于孔径4mm的要求，这里我们选择的光纤和外管的厚度加起来需要小于0.5mm。
对于这种情况，我们可以采用Lighttools仿真软件仿真其在内壁上的光照情况如下。
可以看到，将光学反射镜放在圆柱体中间高的位置，同时光源反射镜在其上方反射光纤带来的平行光，在圆柱的中间位置周围可以有较好的光照情况，有利于成像。
LED照明
可以在球面反射镜下方在加一个装置贴上环形LED，这样既不会由于照明占用内径资源，同时也能进行较好的照明，其大致示意图如下。为了保证LED供电，其供电线可以类似光纤迁入镜头前端。
同样将反射镜放置在圆柱体中间高部分区域，可以观察到其中间区域的光照情况较为良好。