基于梯度折射率透镜的管道内窥镜设计

针对管道测试的需求,将梯度折射率透镜的光学性能与显微镜相结合,设计了具有大景深的管道内窥镜光学系统.在保证所需放大倍率的同时,利用梯度折射率透镜介质折射率渐变的特点,使该系统的景深增大为原来的200倍.该系统像面近似球面的特点使其更适合圆形管道内壁的检测,当它与CCD等器件相结合,不仅实现管道内窥镜的数字化测试,而且能通过监视器在更大景深范围内、方便的监测管道内壁的裂痕、磨损等清晰的图像.     

梯度折射率透镜在口腔内窥镜中的设计与应用

作为口腔内窥镜的摄像镜头，利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、结构简单、分辨率高、成像景深大的优点，研制出一套适合医患交流及进行口腔检查与治疗的医疗装置。采用修正折射率剖面的梯度折射率透镜, 降低系统渐晕，减小畸变,获取口腔内部图像，经CCD光电转换装置转换成电信号，再将电信号经过数字信号处理以后，将该数字信息存储于计算机内部或在显示器上显示出来。口腔内窥镜是集梯度折射率透镜、光学原理、光学材料与加工、微电子、数字成像技术等为一体的新型医疗设备。特别是采用经修正的梯度折射率透镜制造的口腔内窥镜成像清晰, 在图像畸变、景深等方面优于现有产品，而且便于对患者的各种信息进行管理、查询、输出等。     

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.     

负折射平板透镜景深特性仿真分析

根据波前编码理论,通过计算机仿真分析的形式,对负折射平板透镜景深延拓特性进行了探讨在折射率为-1时,实现了8.5333倍的景深延拓;在折射率有微小偏移的情况下,以-0.99为例,引入校正透镜后,实现了6.5862倍的景深延拓.     

分布折射率平面微透镜阵列综述

就分布折射率平面微透镜阵列的发展现状,以及该器件的特性、制造工艺、测试手段和实际应用等作了简单回顾,并分折了该器件的发展趋势。一、概述梯度透镜是一种折射率按某种规律变化的透镜。     

用液芯柱透镜测量液体折射率

制作了一种液芯变焦柱透镜并将其用于精确测量液体的折射率.在空心的柱透镜内注入待测折射率的液体,通过测量液芯透镜的焦距,根据焦距和折射率之间的关系,计算出液芯介质的折射率.此方法有效地提高了折射率测量的灵敏度,减小了测量系统的景深.选取×20倍显微物镜可实现液体折射率1.3～1.642范围内的精确测量,单次测量误差小于0.000 2.     

测量液体折射率的一种新方法——液芯柱透镜散焦宽度法

本文提出了一种基于消球差复合液芯柱透镜快速、准确测量液体折射率的新方法——液芯柱透镜散焦宽度法.该方法利用消球差复合液芯柱透镜在较宽折射率范围内系统球差小、成像准确的特点,基于不同折射率在成像系统上呈现一一对应的散焦图像,仅需采集一幅散焦图像即可得到待测液体的折射率.用该方法测量了室温(20℃)下21组不同液体的折射率,测量结果与用阿贝折射仪测量结果一致,用ZEMAX和光线追迹逐面成像法仿真的散焦宽度图像与实验图像一致.用该方法测量液体折射率具有系统简单、稳定性好、操作简便、测量速度快等特点.     

非圆柱形发散梯度折射率棒透镜光线传播轨迹的解析解族

本文研究光线在具有非圆柱形等折射率面的发散型梯度折射率棒透镜中的传播规律,提出在轴向弱非匀条件(即dg~(-1)(z)/dz<<1下近轴子午光线轨迹的一种解析表达式.从该解析式的解析解,棒透镜梯度参数g(z)所满足的条件出发,导出棒透镜的折射率分布族.文中给出了两个线性无关的光线传播轨迹的解析解族,并以一种发散型棒透镜为例讨论了近轴成像特性.     

变折射率透镜的研究和发展现状

变折射率介质是折射率按一定规律变化的介质,又称为非均匀介质、梯度折射率介质或渐变折射率介质.这种介质在自然界普遍存在.早在公元100年,就有人研究大气层(非均匀介质)的折射现象.在光学系统中,麦克斯韦在1854年首先设计了折射率对某点呈球对称的“鱼眼”透镜.1905年,伍德设计了一个折射率和径向距离有关的伍德透镜.但由于制作工艺没有解决,因而变折射率透镜发展十分缓慢. 1968年,日本北野一郎等人[1]首先采用离子交换工艺制成变折射率透镜,称为自聚焦透镜.此后,人们对这领域的理论、制作工艺、测试、光学设计、加工、器件等方面作了较深…     

球面端面的锥形梯度折射率透镜的近轴成像特性

本文根据光线在球面上的折射公式及光线微分方程,研究了光线经两端面为球面的锥形梯度折射率透镜的传播和变换,基于光线传递ABCD矩阵,提出了球面端面的锥形梯度折射率透镜的一种等效光学系统.文中给出了该透镜的主平面、焦平面和焦距计算公式,以及近轴成像高斯公式.当锥度为零时即得到球面端面的柱形或径向梯度折射率透镜的相应结果.     

Compact and large depth of field image scanner for auto document feeder with compound eye system

We designed a compact and large depth of field image scanner targeted for auto document feeders (ADF) by using a compound eye system design with plural optical units in which the ray paths are folded by a reflective optics. Though we have previously proposed the principle concept, we advance the design using a free-form surface mirror to reduce the F-number for less illumination energy and to shrink its optical track width to 40 mm. We achieved large depth of field (DOF) of 1.2 mm, defined as a range exceeding 30% modulation transfer function (MTF) at 300 dpi, which is about twice as large as a conventional gradient index (GRIN) lens array contact image sensor (CIS). The aperture stop has a rectangular-shaped aperture, where one side length is as large as 4.0mm for collecting much light, and another side length is as small as 1.88mm for avoiding interference of folded ray paths.     

小口径大视场工业内窥镜光学系统设计

近年来,内窥镜广泛应用于复杂环境下小尺寸零件缺陷检测,该文设计一种用于航空发动机叶片检测的工业内窥镜光学系统。系统基本结构采用二次成像,物镜采用非对称反远距结构,将大视场光线收束进小口径腔体中,适配镜将物镜所成一次实像放大21倍,后接对角线长42 mm高速相机。系统基于Zemax设计软件进行系统优化、公差分析和像质评价,最终系统具有大视场(120°)、细孔径(3 mm)、耐高温(25℃～180℃)等特点。由于对视场、孔径和适配镜放大率有较高要求,因此合理引入非球面提高系统成像质量,入瞳直径提高至0.5 mm,系统空间截止频率在17 lp·mm^-1处,全视场调制传递函数值均大于0.28,最大畸变值小于21.2%。     

Pupil-segmentation-based adaptive optical correction of a high-numerical-aperture gradient refractive index lens for two-photon fluorescence endoscopy

The intrinsic aberrations of high-NA gradient refractive index (GRIN) lenses limit their image quality as well as field of view. Here we used a pupil-segmentation-based adaptive optical approach to correct the inherent aberrations in a two-photon fluorescence endoscope utilizing a 0.8 NA GRIN lens. By correcting the field-dependent aberrations, we recovered diffraction-limited performance across a large imaging field. The consequent improvements in imaging signal and resolution allowed us to detect fine structures that were otherwise invisible inside mouse brain slices.     

基于梯度折射率透镜的关节镜光学系统设计

关节镜是一种用于观察关节内部结构、诊治关节疾患的内窥镜。利用梯度折射率透镜质量轻、体积小、像质好的优点,运用Zemax软件设计了一款结构简单的关节镜光学系统,可用于1/10＂CCD关节内窥镜成像。系统具有60视场角,F数为6, 工作距离从～5 mm,各视场的调制传递函数(MTF)在125 lp/mm时达到0.2以上,分辨率达到4 m,且各组态点列图均小于艾里斑半径。光学结构总长204 mm,最大镜头口径小于4.6 mm,根据关节镜的使用特点,系统满足使用要求。     

90°视向角口腔内窥镜光学系统设计

基于实际应用设计了一个90°视向角的光学系统,可用于1/4″CCD口腔内窥镜成像.系统具有62°视场角,孔径为F/7,各视场的光学传递函数在80 lp/mm处取值良好、景深大、像面照度均匀,整个系统的最大镜头口径小于4.6 mm.     

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。     

An anatomically accurate eye model with a shell-structure lens

A human eye model based on anatomically accurate eye model previously proposed by Liou, has been transformed into a new eye model, in which laminated structure of the lens is considered. The crystalline lens is presented in the form of hundreds of shells with rotational symmetry, and with constant index within each shell. The refractive index increases from the cortical shell to the inner one, according to the equation proposed by Smith G. et al. The anterior surface of the lens is prolate, whereas the posterior surface of the lens is oblate which is consistent with the anatomical data. A ray tracing procedure has been applied to study the refractive structure of the eye. The optical characters of the model have been studied. The reason that the wings occur on the spherical aberration curve has been given. And we found that the lens with gradient refractive index and lens with shell structure can give same longitudinal spherical aberration results.     

微型光纤传像束内窥镜的物镜设计

根据微型纤维软镜小尺寸、大视场的要求, 分析其设计准则, 采用"负-正"型反远距物镜作为初始结构, 确定其为像方远心光学系统。通过理论计算和Zemax光学仿真软件的不断优化, 最终设计出了一个工作波段在0.48 μm~0.65 μm, 焦距为0.37 mm, 全视场90°, 相对孔径为1:4的微型光纤传像束内窥镜物镜。该物镜由4片透镜组成, 包括1片负透镜、1片正透镜和1片双胶合透镜。设计结果表明:镜头总长3.89 mm, 最大横截面直径0.95 mm, 满足像方远心光学系统的初始设计要求, 在奈奎斯特空间频率77 lp/mm处的调制传递函数(MTF)近似为0.7, 接近衍射极限, 并且具有小尺寸、大视场、像质优良、结构合理、像面光照强度均匀等特点, 符合微型纤维式内窥镜的使用条件。     

热致梯度折射率对非球面光学系统成像质量的影响

机载相机在上升过程中,由于温度降低和镜头各部分材料的导热率大小不同,镜头部分会产生温度梯度,从而导致非球面光学系统产生梯度折射率.利用有限元分析软件对镜头部分进行瞬态热分析以模拟机载相机上升过程中温度的变化情况,将有限元分析不同时间节点温度分布结果导入编写的折射率梯度系数拟合程序,将所求解的梯度折射率系数通过镜面类型接口在光学软件中建立光学系统模型,利用点列图的弥散斑半径评价不同时间节点梯度折射率对成像质量的影响.结果表明,机载相机刚升入工作高度时温度梯度最大,对成像质量影响也最严重,梯度折射率系数随着温度梯度系数的降低而降低,同时成像质量提高,该结果对光学系统的设计具有指导意义.     

Rapid-scanning forward-imaging miniature endoscope for real-time optical coherence tomography

We developed a miniature endoscope that is capable of rapid lateral scanning and is suitable for real-time forward-imaging optical coherence tomography (OCT). The endoscope has an outer diameter of 2.4 mm, consisting of a miniature tubular lead zirconate titanate (PZT) actuator, a single-mode fiber-optic cantilever, and a graded-index lens. Rapid lateral scanning at 2.8 kHz is achieved when the fiber-optic cantilever is resonated with the PZT actuator. This allows OCT imaging to be performed by fast lateral beam scanning followed by slow depth scanning, which is different from the conventional OCT imaging sequence. Real-time OCT imaging with the endoscope operated in the new image acquisition sequence at 6 frames/s is demonstrated.