高清医用电子内窥镜微型CMOS摄像模组(英文)

研发并报道一个全新的130万像素电子内窥镜微型摄像模组.该模组采用低压差分信号技术实现图像数据的长距离高保真传输,它包括一个1/5.5英寸、分辨率为1280×1024像素的CMOS图像传感器,一个视场角为140°的小型镜头以及2个电路板.小型镜头座直接粘合到图像传感器的非光学窗口部分,两块印刷电路板垂直装配,使模组的尺寸缩小到长宽高分别为15.0mm、5.5mm、5.2mm的空间.编码芯片将并行数字信号编码成低压差分信号经双绞线传出模组.搭建了实验系统并对摄像模组的实践性能进行评价.实验表明:模组分辨率达到136lp.mm-1,图像传输距离达到2m以上.紧凑的结构、高清分辨率图像、大视场和长传输距离使其适用于内窥镜诊治,特别是高清胃镜和结肠镜.     

800万像素手机镜头的设计

 随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大,利用Zemax光学设计软件设计一款大相对孔径800万像素的广角镜头。该镜头由1片非球面玻璃镜片,3片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃构成。镜头光圈值F为2.45,视场角2ω为68°,焦距为4.25 mm,后工作距离为0.5 mm。采用APTINA公司的MT9E013型号800万像素传感器,最大分辨率为3 264×2 448,最小像素为1.4 μm。设计结果显示：各视场的均方根差（RMS）半径小于1.4 μm,在奈奎斯特频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2 %,TV畸变小于0.3 %。     

500万像素手机镜头设计

 利用ZEMAX光学工程设计软件,设计了一款500万像素的手机镜头。该镜头由4片塑料非球面透镜和1片红外滤光片组成,其光圈值F为2.85,视场2ω为60°,采用Aptina公司的一款500万像素7.94mm(1/3.2)英寸CMOS作为该镜头的图像传感器,该图像传感器的像素颗粒大小为1.75μm,截止频率为285lp/mm,即为奈奎斯特频率。设计结果显示,该镜头在奈奎斯特频率处,0.7视场以内的MTF值大于0.3,在奈奎斯特频率1/2处视场的MTF值均大于0.5,波前均方差(RMS wavefront error)小于0.1,畸变小于1%。     

300万像素手机镜头设计

设计一种300万像素的手机镜头。该镜头由3片塑料非球面透镜和1个红外滤光片组成,采用三星公司的一款300万像素0.635cm(1/4inch)CMOS作为该镜头的图像传感器,像素颗粒大小为1.75μm,其分辨率极限为285lp/mm,即为奈奎斯特频率。镜头的光圈值F为2.85,视场2ω为62°。该镜头有较好的成像质量,在奈奎斯特频率1/2处绝大部分视场的MTF值大于0.5,波前均方差(RMS wavefront error)小于0.14λ(λ为波长),最大畸变为-0.2%。     

800万像素手机广角镜头设计

为了满足市场对高像素手机广角镜头的需求,设计出一款800万像素大相对孔径的手机广角镜头。该手机镜头由4片塑料非球面透镜和1片红外滤光片组成,镜头的光圈值F为2.45,视场角为80°,采用Omnivision公司的OV8850型号800万像素CMOS图像传感器,最大分辨率为3 280 pixel×2 464 pixel,CMOS图像传感器的像素尺寸为1.1 μm,奈奎斯特频率为454 lp/mm。设计结果显示,镜头在1/2奈奎斯特频率处,0.7视场内的MTF值均大于0.48,全视场的MTF值大于0.38;在奈奎斯特频率处,0.7视场内的MTF值大于0.15;最大畸变小于2%,因此可获得优良的成像质量。     

小型化望远式激光共焦扫描显微内窥镜

研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜,采用望远式显微内窥光学系统,同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现,低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用,激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先,体内的显微内窥成像光学系统,外径尺寸为8 mm,工作长度为250.3 mm,可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像;其次,采用3 mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描,摆动频率为100 Hz,实现快速共焦扫描;最后,激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接,减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证,本系统的成像视场为φ 600 μm,光学分辨率为2.2 μm,可采用手持式或者其他方式工作,进行体内组织的共焦扫描成像,实现微创、在体的荧光显微内窥术.     

基于CMOS图像传感器的车载高清全景成像系统设计

为了满足未来车载全景辅助泊车系统对高清视频图像的需求,以美国OmniVision公司的OV10635低功耗、高分辨率、高动态范围CMOS图像传感器为例,提出了应用210°超广角鱼眼镜头的高清720P车载全景成像系统的电路设计方法以及高速图像传输和调试应注意的问题,并通过选取超低EMI信号传输的双向FPD-LinkⅢ串行/解串器实现了传输距离远、信号质量稳定、传输速率1Gbit/s以上高清数字图像数据的高速传输。通过实际测试表明,对CMOS图像传感器电路的设计达到了车载全景成像系统的高清成像稳定性、小型化等要求。     

高精度虹膜识别光学镜头的研制

针对虹膜识别系统中难于获取高分辨率的虹膜图像问题,设计一款高精度虹膜图像采集摄像镜头。镜头焦距14.2 mm, 畸变小于0.15%,像方数值孔径为0.26,像面直径为5.35 mm,工作距离130 mm,物像共轭距为150 mm。光学系统可获得高分辨率图像,在0.7视场光学传递函数MTF在120 lp/mm时大于30%。镜头由4片球面透镜构成,结构简单,适合产业化生产,各项光学指标检测结果达到设计要求。     

大视场高分辨率显微工业电视镜头设计

随着CMOS、CCD探测器的广泛应用及其分辨率的不断提高，人们对电视镜头的分辨率提出了更高的要求。将显微工业电视镜头成像原理与传统显微镜进行了比较，并利用光学设计软件ZEMAX进行光学效果的模拟，给出了数值孔径为0．08，光学放大倍数为1，焦距为38mm，视场直径为8mm，全视场角为10°，分辨率为200万像素的光学系统设计结果。所设计的显微工业电视镜头可用于工业生产检测。     

基于ZEMAX的手机摄像镜头设计

在光学工程软件ZEMAX的辅助下,配套采用像元大小为1.75μm的CMOS图像传感器,设计了一款500万像素的手机镜头,镜头视场角60°,F/#2.8,半像高2.87 mm,镜头总长为6 mm,镜头为3P1G结构,第1、3、4片镜片采用非球面塑料,第2片镜片采用球面透镜。各个视场的横向像差均小于20μm,均方根半径(RMS Radius)都在艾利斑之内,在1/2奈奎斯特频率处绝大部分视场MTF值都大于0.6,可以获得优质的成像效果。     

A wide-angle camera module for disposable endoscopy

A wide-angle miniaturized camera module for disposable endoscope is demonstrated in this paper. A lens module with 150° angle of view (AOV) is designed and manufactured. All plastic injection-molded lenses and a commercial CMOS image sensor are employed to reduce the manufacturing cost. The image sensor and LED illumination unit are assembled with a lens module. The camera module does not include a camera processor to further reduce its size and cost. The size of the camera module is 5.5 × 5.5 × 22.3 mm³. The diagonal field of view (FOV) of the camera module is measured to be 110°. A prototype of a disposable endoscope is implemented to perform a pre-clinical animal testing. The esophagus of an adult beagle dog is observed. These results demonstrate the feasibility of a cost-effective and high-performance camera module for disposable endoscopy.     

宽视场高分辨率闭路监控系统监控镜头设计

为了满足新形势下闭路监控系统（CCTV）对拍摄视场和高清分辨率的要求,设计了一款复杂化的反摄远型全球面结构的CCTV镜头。该镜头的全视场为80,F#为3,焦距为5 mm,光谱范围为486 nm~656 nm。采用像元尺寸为7.5 m7.5 m,1.27 cm(1/2英寸)的CCD成像。该镜头在奈奎斯特频率67 lp/mm处,全视场MTF接近0.65;在1/2奈奎斯特频率处调制传递函数（MTF）大于0.85;在220 lp/mm处,全视场MTF大于0.3,已经接近衍射极限。镜头像面波前PV值为0.077 9,RMS为0.015 9,达到了瑞利判据的要求。设计评价结果表明,该镜头像差校正满足CCTV监控镜头的成像质量要求。     

大面阵CMOS APS相机系统的设计

基于大面阵CMOS APS图像传感器LUPA-4000设计出一个相机系统.通过对LUPA-4000驱动时序的分析,选用FPGA作为驱动信号产生载体,使用VHDL硬件语言设计了包括CMOS传感器驱动、通信、数据转换等一体化的程序,并分别对各个程序模块进行说明.设计了系统硬件电路,并加载程序对CMOS传感器驱动信号进行测试,给出了控制像素积分信号的测试波形.经测试相机电路系统与计算机通信正常,与下位机数据传输准确无误,系统整体运行稳定可靠.安装光学系统后获取了高质量图像.     

基于4f的大视角剪切散斑干涉系统设计

数字剪切散斑干涉技术在工业无损检测领域有广阔的应用前景,传统的迈克尔逊型数字剪切散斑干涉仪由于结构的限制,视场角很小,这限制了其在工程上的应用。介绍一种新型的大视角剪切散斑干涉系统,通过在成像镜头和CCD传感器之间嵌入4f光学系统来扩大其视场角,并实现镜头的外置。理论分析证明,视场角不再受到迈克尔逊结构的限制,仅仅取决于镜头的焦距和CCD传感器的靶面尺寸。设计并组建了一个大视场角迈克尔逊剪切散斑干涉系统,对比实验表明,在短的工作距离下实现了大视场的全场检测,在1 m的测距下,新系统测量面积可达800 mm600 mm,而传统的系统测量面积只有250 mm200 mm。     

变像管皮秒分幅和飞秒扫描相机的实验研究

本文将描述两种变像管皮秒分幅相机和一种飞秒扫描相机的设计特点、动态测试方法和实验结果。第一种变像管皮秒分幅相机采用了交叉点扫描多光栏分幅的方法,其变像管具有长加速电极和短阳极的静电弱聚焦系统与偏转灵敏度高、偏转像质好的偏转群体结构;其超快速控制电路只需一个光电开关斜坡电压脉冲发生器和一个特殊设计的脉冲成形网络即可送出具有合适时间关联的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶液电压脉冲。实验表明,该相机在提供6幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为80ps,除 3～4幅图像间的时间间隔为680ps外,其余均为160ps,动态空间分辨率达到5.51p/mm。第二种变像管皮秒分幅相机采用快门式分幅方法;其变像管采用行波偏转系统,内增强MCP做成带状线结构,并具有输入输出阻抗变换器,其三台阶波和快门脉冲序列均由光电开关电路和脉冲成形网络产生。该相机在提供三幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为660ps,画幅之间的时间间隔均为4ns,动态空间分辨率为5.5lp/mm。飞秒扫描相机采用MCP内增强飞秒扫描变像管、具有负时间畸变的中继透镜和无触发晃动的光电开关扫描电路。实验证明,该相机在时间分辨率为500fs时,其动态范围为30;当时间分辨率为1.2ps时,其动态范围可达500;无扫描图像弯曲现象,触发晃动为±2ps.     

45°视场角投影式头盔在视空间的性能评价

提出理想透镜像距不变,通过改变其焦距来模拟人眼调节完成视空间性能评价的一种新方法.对45°投影式头盔物镜系统进行了精确的视空间评价.其MTF评价结果显示,系统在眼睛注视0°视场时可达到1 arc minute的分辨率;注视＋13.1°视场时可达到1.4 arc minute的分辨率.眼睛无论是注视0°视场还是＋13.1°视场,只有在一定的视场范围内,调节模糊和像散模糊才不会影响图像的清晰程度,且系统的横向色差和二级光谱均小于人眼的最小分辨角,不会对成像清晰度造成影响.眼睛注视＋13.1°视场时,系统的调节和调节模糊、像散和像散模糊、横向色差和二级光谱均具有明显的非对称性.此外,与改变理想透镜像距进行视空间评价的结果相比较,只有注视13.1°视场时的MTF差别较大.     

光场多光谱相机像方远心镜头光学设计

光场多光谱成像技术具有能够同时获取目标二维空间信息和光谱信息的能力,利用光谱信息可以实现目标的分类和识别。为了快速、便捷地获取空间目标的完整光谱信息,实现目标表面光谱信息的真实记录,基于光场多光谱成像原理,采用光谱分光滤光片阵列分光实现主透镜系统入瞳孔径的分割,设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统具有宽波段400 nm~1 000 nm,焦距为240 mm,F数为4,全视场15.52°。像质评价与系统公差分析结果表明:设计的光场多光谱相机的像方远心镜头可以满足实际加工以及正常使用要求。     

大倍率红外连续变焦系统双电机控制技术研究

采用双电机联动控制变倍组与补偿组的变焦方案替代传统的曲线套筒,实现了采用全透射式结构型式,相对口径为1/4,焦距变化范围为342.76 mm~13.15 mm连续变焦光学镜头的机械补偿式变焦。将变倍组设计成步进模式,作匀速运动,补偿组设计成位置跟踪模式,按凸轮曲线作变速运动,采用双电机全数字伺服控制凸轮（CAM）算法,将光学设计计算的变倍镜和补偿镜位置对应关系转变为对应的脉冲数输入到CAM表中,从而确定2个不同运动速度轴之间的位置对应关系。试验结果表明:双电机控制的变倍组和补偿组位置分辨率达到0.18 m,光轴一致性水平方向达到1.9,垂直方向达到1.3。