用于石油含水率检测的显微物镜设计

The Microscope Objectives Design Used for Testing theM oisture Content in PetroleumWANG Yanqing，AN Zhiyong，SHANG Shizhe，ZHANG Danfeng，CHEN Xuan(Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022)Abstract：The detection of moisture content in petroleum need an infrared microscope objective with bigger numerical rdp-terture，long working distance and low range.Under the premise of guarantee numerica1 apeure，increase of the workingdistance wil bring aperture higher order aberration quickly，in order to coordinate the contradiction among the numericalaperture，the working distance，and the magnification，we choose a separation structure of posivive and megative lensgroup，use zemax software to stimulate，optimization，and analysis the results after opeimization.W e work out the micro-scope objective with the following paramefers：NA0.33， 3.5，WD23mm，system conjugate length is 150 mm，rood-ulation transfer function is more than 0.4.and the distortion is less than 0.2% when the resoluticln is 7.4/xm (68 lp/mm)。

Key words：long working distance；microscope objectives；optical design目前国内对石油的含水率检测主要有蒸馏法、电容法、微波法、Y射线法等。蒸馏法主要通过石油与水的蒸馏分离计算含水率，这-方法需要大型蒸馏设备，并且不能进行实时在线检测。电容法和微波法是基于石油和水介电常数的差异进行检测，虽然能在线检测 ，但物质的介电常数还受温度 、密度等因素影响较大，这给测量带来了很大的误差。而Y射线法自身带有放射源，对生产安全造成极大威胁 。因此，-种安全、便携、高精度、数字化的石油含水率检测仪器-直是石油行业追求的目标。

近年来，国外开始将AOI(Automatic OpticalInspection自动光学检测)技术运用于石油含水率检测。基于这-技术，文中设计了-款光学成像系统，通过光学影像传输与后续的图像处理，能够对石油中的含水率进行有效检测。

光学成像系统是A0I技术的核心，其成像质量的优劣直接影响后续图像处理的结果 ' 。因此，光学系统必须满足高分辨率 、宣变的要求 ，以满足检测精度〖虑到石油和水的光谱透过率不同，将工作波段设置在800nm-900nm的近红外波段。石油从油井中抽取出来时，温度高达80℃，因此镜头必须处于石油管道之外，这就需要物镜有较大的工作距离，根据实际要求，物镜的工作距离>20mm。

同时，为了提高检测精度，系统NA>0.3，放大倍率<收稿日期：2012-05-20作者简介：汪燕青 (1987-)，男，硕士研究生，主要从事光电测控技术与仪器方面的研究长春理T大学学报 (自然科学版)4 。该设计主要难点是在保证数值孔径的前提下，增大工作距离，缩小筒长，使系统结构紧凑。

1 物镜结构参数确定1.1 长工作距显微物镜结构高数值孔径显微物镜往往工作距离较短，因为工作距离的增加会使物镜口径增大，从而使系统孑L径高级像差增加。这时，为了平衡系统高级像差，需要增加镜片数量，使系统结构复杂化。要想获得长T作距离，-般采用的方法是物镜用正、负两个组件组成 ， ，正透镜组靠近物体-侧，负透镜组远离物体。正、负组件分离得越远，则像方主面越靠近物体，物镜T作距离就越长。

从数值孔径角度考虑，选取lister型显微物镜作为基本结构，但是 lister型物镜的T作距离较短，而且带有较大的场曲，影响系统成像质量，因此在物镜的两侧均引入弯月形厚透镜，则既可以消除场曲，又能增加T作距离，而且大大提高了系统的数值孑L径。此时，为了简化系统结构，可以把lister物镜简化，通过靠近物方的弯月形厚透镜依然可以保证数值孑L径。具体结构如图1所示。

图1 长工作距显微物镜结构Fig.1 Structure of long working distancemicroscope objective1.2 光学系统参数计算1.2.1 CCD接收器选取在光学系统设计中，首先需根据光谱范围、分辨率大小等选择适当的接收器，然后根据具体要求设计与接收器相匹配的物镜。在石油含水率检测系统中，考虑到石油与水的光谱透过率不同 ，选取波长范罔覆盖800nm900nm的探测器，这里选择1/3 SONY XC-EI30型CCD接收器，其光谱范围为 4001700nm，qgl9Wd，，单个像元大小为 7.4fm，满足检测系统使用要求。由单个像元大猩计算出该CCD奎尼斯特频率为：1 1面 2x7.4fire 681p/mm1.2.2 数值孑L径与分辨率显微物镜主要技术参数有数值孔径 、放大倍率 、筒长、焦距等。物镜的分辨率撒于数值孔径与波长，其关系为： (1)其中 为物镜物方分辨率 ；NA为数值孔径；，l为主波长。数值孔径不是越大越好，其大小撒于系统所需要的分辨率和像面光亮度。数值孔径越大，物镜分辨率越高，这给物镜设计和CCD的选取带来了闲难，增加了成本；数值孑L径越小，物镜分辨率越低，像面光亮度越小，无法满足检测需求。 考虑到石油浓度对光谱的吸收率，为了增加分辨率和像面光亮度，选择NA0.33，由(1)式计算可知，该物镜的分辨率达到1.57 fm。

1.2.3 物镜共轭距与焦距物镜共轭距与放大倍率 、焦距相互制约，基于系统总体结构性，选择共轭距为150mm， 3.5 ，放大倍率和焦距有如下关系：n ]，：l- (2) 1(1其中 L为系统共轭距 ， 为放大倍率，， 为焦距。

2 设计实例2.1 技术指标根据以上计算分析，本系统具体技术指标如下 ：焦距 25.9ram工作距离 >20ram共轭距 150mm放大倍率 3.5681p/mm 时MTF值 >0.3畸变 <0.5%2.2 成像模拟与像质评价按照以上技术指标，通过zemax模拟设计 、优化。表2为系统结构数据；图2为系统光路图；图3为系统MTF曲线图，南图3可知，系统681p/ram处 ，MTF>0.4；图4为系统场曲、畸变冈，全视雏变

第四期 汪燕青，等：用于石油含水率检测的显微物镜设计 61表1 系统结构数据Tab.1 Parameters of the system---而r-7 ..-- - ----- 图2 系统光路图Fig.2 System layoutSPRTIRL FREQUENCY IN CYCLES PER HH图3 系统MTF图Fig.3 FFT MTF：：。

Ⅲ T图4 系统象散、场曲、畸变图Fig.4 Field curv/dist3 公差分析光学系统在制造、装配的过程中，往往会引入- 定误差，如光学表面偏心、倾斜，元件的厚度误差等都会导致成像质量下降。那么，在设计过程中必须对光学系统整体进行公差分析，以满足实际使用要求，使系统保持-定的稳定性。

经过分析，最终选取各元件厚度公差0.03mm、surface decenter0.01ram、surfalee tilt 30arcsec、sphericity 0.5fringes等，在合理的工艺范围内，其蒙特卡罗分析结果如图5所示。由于CCD的MTF域值为0.15，因此经过公差分析之后 ，其MTF的工艺下降后的允许值必须大于0.15，由图5可知，MTF>0.24的概率为98%，满足MTF域值要求。

98 9O8O 5O2OO'2 'aI.229O9O.29O2i825a.3it75.1孽6a1.3S229117a1.3S拿S2S办.39f3OOS2S妇1.t2iO工3土置Ad of 。

图5 蒙特卡罗：分析数据图Fig.5 Monte carlo data4 物镜三维结构经过公差分析之后 ，物镜的光路设计基本完成 。在 zemax中读取物镜外形尺寸数据 ，通过solidworks软件对物镜进行总体结构设计 ，其设计结果如图6所示。

图6 显微物竞三维图Fig.6 Three-dimensional structure of objective5 实验结果高分辨率成像技术是实现数字化检测 的关键。本文设计的长工作距离显微物镜成功地应用于石油含水率的检测，由图 可知，在全视场范围内能清晰的分辨石油和水泡。应用数字图像处理技术对含水的石油图像进行处理，其中主要采用了去噪、检测、识别并提取出了石油中的水，检测结果表明，石油中含水率的误差<2%。

62 长春理工大学学报 (自然科学版)图7 石油含水率检测图Fig.7 The detection figure of moisture content in oi6 结论本文设计了-种大数值孔径 、长工作距离、低倍的红外显微物镜。通过研究长工作距显微物镜的结构形式和实现方法，根据实际要求对lister物镜进行复杂化 ，从而使物镜在NA0.33的条件下 ，工作距离达到23mm， -3.5 ，整个视场内的场曲和畸变都得到了很好的控制。通过蒙特卡罗模拟分(上接第 58页)如图5所示，安装激光扫描测头的导轨与光栅尺不平行，具有夹角为0，引起的阿贝误差由下式给出△j L· (19)式中L--为光栅尺与导轨距离。

F1上式可知，尽量减小光栅尺安装位置和与安装激光扫描测头导轨的距离 L，或提高光栅尺与安装激光扫描测头导轨的平行度，均可提高测量系统的精度。

3 结论本测量系统应用激光扫描测头和高精度光栅尺组成直角测头，对安装在V形支承上的，由步进电机驱动的回转类零件进行扫描测量。该测量方法打破了传统的半径变化量误差的检测方法。本论文所提出的方法，首次采用测量被测轴类零件圆内接 角形变化；间接测得被测零件半径变化量。

被测零件由步进电机驱动旋转，因此可选择任意旋转角，实时测得被测零件的半径变化量，更方便于析与实际使用结果可以看出，成像质量完全满足检测需求。