基于Q-type非球面的电子内窥镜物镜光学系统设计EI北大核心CSCD

采用具有"负-正"形式的反远距结构作为初始结构,利用Q-type非球面设计了一款工作在可见光波段的电子内窥镜物镜(EEO)光学系统,其全视场为110°,焦距为1 mm,F数为3.3,最大通光孔径为3 mm,系统总长为7.89mm。该光学系统由6片透镜组成,包括两组双胶合透镜和一片两面均为Q-type非球面的镜片。设计结果表明,在奈奎斯特空间频率143lp/mm处的调制传递函数(MTF)高于0.4,接近衍射极限。为验证Q-type非球面在EEO系统设计中的优越性,在相同计算平台与结构参数下设计了一款包含幂级数(PS)非球面的EEO系统,对两者进行了分析比较。结果表明,Q-type非球面具有更强的系统像差校正能力,且有利于提高系统的优化设计效率;设计得到的Q-type非球面与其最接近球面之间的偏离量非常小,有利于提高非球面光学元件的加工效率与检测精度,降低成本;同时Q-type非球面EEO系统的装配敏感性更低,有利于提高系统的装配效率。     

基于微透镜阵列的电子内窥镜光学系统设计

为了满足现代医疗领域中对内窥镜小型化、大视场的需求,采用反远距光学结构作为初始结构,利用Zemax光学设计软件在原有结构中加入5×5微透镜阵列,得到了一种工作于可见光波段、全视场为110°、焦距为1.55mm、F数为4.2、最大通光口径为3.15mm、系统总长为7.99mm的高清电子内窥镜物镜光学系统。该系统由6片透镜组成,以光阑面为界分为前组和后组,其中前组包括一片前后两面均为阵列面的镜片,后组包含一组双胶合透镜。整个系统的光学调制传递函数在120lp/mm处达到0.36,接近衍射极限,满足医疗使用的要求。设计结果表明,微透镜阵列在不改变口径的条件下对增大内窥镜光学系统视场有明显优势,在医疗领域具有广阔的应用前景。     

影碟机激光头非球面物镜的设计

本文首先介绍了影碟机激光头的工作原理,然后根据激光二极管的发光特性及刻录在光盘上表示信息的坑槽的细微结构,提出了使激光头物镜满足工作需求的光学设计要求。在非球面物镜的总体设计阶段,对物镜的焦距、口径等系统性能参数进行了确定,并针对系统要求提出需校正的像差种类。在非球面物镜的光学设计阶段,以总体设计的初始结构数据为基础,利用计算机进行非球面物镜的设计和优化,得到了满足各项要求的设计结果。文中给出了所设计的非球面物镜结构参数及像差曲线,并就该塑料镜片的工艺性进行了初步讨论     

变焦投影物镜光学系统设计

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下,能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm,视场角为46°~75°,F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大,具有大视场角和小变焦倍比,根据变焦理论,采用正组补偿的机械补偿法,并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段,求出高斯解;然后对各组元分别选用合理的初始结构,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题,并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明:该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求,在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3,畸变小于1%。     

Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657 mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°~90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.     

双波段光纤内窥镜物镜设计

为适应昼夜侦查、探测目标的需要,设计了可见与近红外双波段光纤内窥镜物镜。在分析其基本原理的基础上,采用反远距形式的像方远心光路结构作为初始结构,通过Zemax软件进行优化设计,给出了一个工作波长0.486 m～0.656 m/0.7 m～1.1 m,焦距1.21 mm/1.22 mm,F数为4,视场角为80,光学长度为8.45 mm/8.47 mm的设计实例。传像束单丝直径16 m,并按正方形排列,据此要求在31 lp/mm处评价像质。设计结果表明,系统满足像方远心光路要求,轴上和轴外像面照度均匀,该镜头可见光部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.81,近红外部分在31 lp/mm空间截止频率处MTF值超过0.80。该双波段内窥镜的设计在实现已有内窥镜功能的同时,又提升了探测范围和信息量,能够实现全天候的检测与侦查。     

轴对称非球面光学系统自动设计的探讨

本文讨论包括轴对称高次非球面在内的光学系统自动设计,介绍程序中的某些处理方法,并给出计算实例子以说明。     

二元变焦内窥镜光学系统设计

根据高斯光学原理,以液体透镜为核心元件,研究了无移动镜组变焦系统的设计方法。从医用内窥镜的使用要求出发,设计了一种二元变焦内窥镜系统。该系统可通过气压或液压控制液体透镜表面曲率变化,实现1.5倍变倍比,在1.8 mm和2.7 mm焦距下都获得了良好的成像质量。     

Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°～90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.     

含非球面光学系统多功能光学设计程序

本FORTRAN程序普适于球面和含有非球面的光学系统.用它可在微机上完成包括自动设计和OTF计算在内的全部设计过程.自动设计子程序贯穿了复合优化思想;提出了新的病态处理方法;实现了自动设计与OTF评价的方便结合,与传统设计手段的方便结合.     

偏轴非球面红外光学系统的自动设计

本文给出了矢量形式的折、反射定律的完整表达式. 推导了解析形式的球面、非球面、柱面、平面以及折射和反射通用的间光线追迹公式, 处理了非同轴系统. 目前国内外采用的Fder 公式[1], , 相当于本文公式组的一个特殊情况—共轴球面系统. 此外, 使用本文的公式组, 能自动排除Feder 公式中可能出现的光线与曲面的不正确交点。五年来的实践证明, 本文的公式组使用方便, 精度较高, 是值得推广的. 应用上述公式组, 以点列图作系统评价函数, 用阻尼最小二乘法自动设计了偏轴球面折、反射系统和非球面双反射系统, 效果较好. 此外, 还推导了光束截面最小的位置, 以便安放红 外探测器. 关键词：     

一种塑料非球面门镜光学系统的设计

介绍了一种塑料非球面门镜的设计原理及方法。把门镜视为逆向伽俐略系统来确定外形尺寸参数 ;仔细选取系统的光阑位置 ,选取二次曲面的系数及二次曲面的位置 ,可以校正系统的参差及像散。设计的门镜比现有的多种专利门镜结构简单、成像清晰。其视场中心像质达到了人眼明视距离处的极限分辨率。     

轻小型宽波段变焦物镜光学系统设计

为满足具有连续变焦和昼夜合一功能的光电瞄具的轻小型要求,采用前固定组为调焦组的四组三联动结构的物镜,通过视场、作用距离和CCD探测器相关参数确定所需焦距范围,使用高斯括弧法对四组三联动变焦结构进行高斯光学分析,通过调焦一次实现可见光波段到红外波段的转换。最终设计的光学系统的工作波段为0.48～0.68μm和0.80～0.90μm,调焦量仅为0.26 mm,光圈为F_5.0～F_6.5,变焦范围为25～250 mm,满足短焦探测和长焦识别距离不小于2 km的要求。此外,该物镜的光学总长为199 mm,最大通光孔径为58.1 mm,镜片总质量为203.6 g,满足系统轻小型需求,并且在不同工作波段下变焦全程成像质量良好,从公差分析结果可以看出所设计系统具有优良的可实现性。     

鼻黏膜纤毛显微内窥镜光学系统设计

为了实现从前鼻孔进镜对鼻黏膜表面进行直接显微成像,从而进行无创性观察和测量在体鼻纤毛运动,设计了一种能够分辨鼻纤毛,并且带有30°视向角的变倍硬性显微内窥镜。所设计的硬性内窥镜系统物方数值孔径为0.15,分辨率为272 lp/mm,工作距离为3.00 mm,视向角为30°,物面高度为0.40 mm,系统总长度为205.62 mm,物方口径为4.65 mm,放大倍率为6×～10×。此鼻黏膜纤毛显微内窥镜将可以避免取材造成的纤毛功能损害和受试者痛苦,极大地提高纤毛相关疾病的临床诊断能力,成为助益纤毛领域科研和临床工作的重要突破。     

大焦深内窥镜光学系统设计

医用内窥镜技术要求在大的物距范围内实现清晰成像,但其使用环境又对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格,难以利用传统方法实现光学调焦。在传统的光学设计中,通常依靠减小相对孔径来增大系统焦深,往往会造成许多负面影响。介绍了一种电润湿型液体可变焦透镜,并在这一新型元件的基础上,设计了一种微型可调焦光学系统。该系统依靠外加电压控制液体透镜焦距做微小改变,从而校正由于物距变化产生的离焦,增大内系统的焦深,同时保证系统的微型结构。这一设计将使内窥镜的使用更加方便,有着广泛的应用前景。     

可调焦胶囊内窥镜光学系统设计

为解决胶囊内窥镜分辨率与景深相互制约的问题,将一种单液体、电控、可变焦液体透镜应用到内窥镜光学系统中进行光学设计,在保证分辨率的同时,扩大了系统景深.采用CODE V软件进行设计,建立系统初始结构,构造液体透镜模型,基于液体透镜中液体的体积不变,曲率、孔径和厚度可变的结构约束特点,在MATLAB中计算出不同物距下透镜的曲率、孔径和厚度数据,将其导入CODE V的系统模型中,并提出了相应的优化流程.设计并优化带有液体透镜的胶囊内窥镜系统,实现了系统在3~100mm景深范围内的清晰成像,视场角大于110°,全视场范围内调制传递函数在40lp/mm频率下均大于0.3.     

头盔式单目微光夜视仪中非球面物镜系统的设计

为提高头盔式微光夜视系统的成像质量，并满足整个夜视系统体积小、重量轻的指标要求，提出了非球面物镜系统的设计。通过在物镜系统中引入高次项非球面结构，不仅使系统成像质量在空间频率为40lp/mm时，轴上传递函数可以达到0.62，轴外可以达到0.42；而且光学系统的质量约为300g，物镜由原来的9片减少到6片，仪器总长由原来的81mm减少为72mm。设计结果表明，在头盔式单目微光夜视系统中采用非球面结构可以使系统的成像质量有很大提高，并可使系统结构大大简化。