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.     

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。     

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%。     

大焦深离轴超透镜的设计与制作

基于单层超表面结构,设计并制作了一种具有大焦深的离轴超透镜.利用相位叠加的设计方法,将偏转与聚焦这两个功能合二为一以实现离轴聚焦,并通过优化入射孔径和离轴偏转角来增大焦深.实验结果表明:当入射电磁波的频率为9 GHz时,离轴偏转角为27.5°,焦距为335.4 mm,这与30° 和350 mm的预设值比较符合.在8,9...     

基于金属侧壁结构的电润湿液体透镜

金属具有良好的可加工性和导电性,利用金属制作液体透镜的壁垒,可有效地提高基于介质上电润湿液体透镜的抗震抗摔、耐电压,以及侧壁电极可加工等性能。针对材料表面平整度对击穿电压的影响进行了相关的研究,在此基础上制备的液体透镜聚焦性能良好,焦距变化的理论值与实验测量值高度吻合,可实现3cm至无穷远范围内的有效变焦。基于金属侧壁结构的电润湿液体透镜将在柔性显示以及液体透镜阵列化、多型化发展中发挥重要的作用。     

大焦深成像系统的特性研究

如何增大非相干光学成像系统的焦深已成为一项有意义的研究主题，为了增大焦深，通常的做法是缩小相对孔径，但这种做法会降低光学系统的光通量、调制传递函数（MTF）及分辨率，而大焦深成像系统通过在光学系统光路中加入一特殊设计的非球面掩摸板，并用图像处理技术对相位掩模板编码后的图像进行解码得到清晰图像，保证了光学系统在维持原有相对孔径的同时扩大其焦深范围，使光学系统在离焦范围内有好的图像质量，从光学图和系统的MTF两个方面对大焦深成像系统的特性进行了分离，并对结果进行了讨论。     

大焦深成像系统仿真实验研究

如何增大非相干光学成像系统的焦深是应用光学研究领域的热点问题.本文对采用高次非球面光学掩模板与图像处理相结合增大成像光学系统焦深的新方法进行了深入分析,建立了大焦深成像系统仿真实验模型,并进行了大焦深成像系统仿真实验.实验结果证明了该方法在维持原相对孔径的同时使光学系统在较大的离焦范围内有好的成像质量.实际应用中还要综合考虑模板参量、信噪比等关键因素.     

一种2k分辨率内窥镜光学系统设计

随着光学技术以及现代医学的发展,人们对基于内窥镜的微创手术接受度日益提高,医生通过观察由内窥镜获取的病变组织图像进行诊断,因此其光学系统的成像质量至关重要。目前市场上大多数内窥镜图像清晰但细节不够锐利,该文基于Zemax设计了一款分辨率达到2k的内窥镜光学系统,使得最终成像质量更佳。通过提高物镜的相对孔径,并提供一种新的中继硬管棒镜模块及与之匹配的转接光学模块,其入瞳直径为0.6 mm,总长为388.7 mm,视场角为±37.5°,物距为26 mm时物方分辨率为32 lp/mm,物方角分辨力为17/c/(°)。考虑加工以及装配误差,进行公差分析后可知,设计的系统满足实际使用要求。     

基于介电润湿三液体透镜的变焦光学系统的设计与分析

提出了一种基于介电润湿效应的三液体透镜与传统固定透镜组合的三组元结构变焦光学系统.在一、三组元固定不变的情况下,通过移动中间三液体透镜组改变系统焦距,并通过三液体透镜的自变焦特性,确保系统在变焦的同时保持像面位置不变.采用光焦度高斯括号法求解系统的初始结构参量,利用Zemax光学软件进行系统设计与优化,最后对系统的成像质量进行分析.结果表明:该系统总长22mm,可实现2.7~20.3mm范围内的连续变焦,系统变倍比接近8,在空间频率180lp/mm处调制传递函数值均大于0.4.     

多重结构的体全息存储傅里叶变换光学系统设计

分析了体全息存储傅里叶变换光学系统的设计要求和光学参量的确定。采用多重结构方法对傅里叶变换镜头的正向和逆向光路同时进行了优化,可实现对两对物像共扼位置控制像差。给出了前后组焦距分别为44mm和40mm的达到衍射受限要求的4片型球面全息存储光学系统的设计结果。     

优化算法用于变焦耳镜的光学系统设计

从耳镜变焦的目的出发,结合人耳的形状特点和耳镜的实际应用,使用粒子群优化PW系数求解结构参数的方法设计了一款3倍变焦的耳镜光学系统。变焦系统在做大范围观察时,视场角为2ω=30°,在长焦位置做仔细观察时,70lp/mm处MTF大于0.3。设计了入耳部分的微型结构,并使光斑直径小于爱里斑直径,畸变小于20%。在耳道各位置均能清晰成像,耳镜的使用更加方便,在耳疾诊治领域有广泛的应用前景。     

Edge detection with large depth of focus using differential Haar–Gaussian wavelet transform

We propose a new differential Haar–Gaussian (DHG) wavelet transform together with the bandwidth matching algorithm to perform edge detection, which can be processed with fast computation in both spatial and frequency domains. The telecentric optics is used to produce high-precision edge detection with large depth of focus.     

Design of midwave infrared athermalization optical system with a large focal plane array

Based on the most advanced staring focal plane array which had a format of 640 × 480 and the pixel pitch of 15 μm, a set of all-sphere midwave infrared ahermalization optical system was designed. The working wavelength was in 3–5 μm, the full field of view was 8.58°, the relative aperture was 1/2, the efficient focal length (EFL) was 80 m. The opticalsystem consisted of four lenses with three kinds of material – Ge, ZnSe and Si. All surfaces were sphere, which was easier to process test, making the cost inexpensive, and it could avoid using diffractive surface and aspheric surface. The image quality of the system approaches the diffraction limit in the temperature range −60 °C-180 °C. The design results proved that, the high resolution midwave infrared optical system had compact structure, small volume, high resolution and excellent image quality, meeting the design requirements, so that it could be used for photoelectric detection and tracking system.     

大孔径长焦距摄远物镜光学系统设计

对于长焦距摄远光学系统,大相对孔径意味着成像亮度更加优秀,但是也伴随着孔径边缘像差变差而难以校正的难题。利用折反系统减小光学系统总长,采用反射结构为基础,搭配前后两组校正镜构成光学系统,设计出大相对孔径,总长较短的摄远光学系统。光学系统工作波段为可见光波段,焦距1 000 mm,F数2.1,摄远比0.52,光学总长远小于焦距,遮拦比45%,全视场MTF在空间频率80 lp/mm处大于0.3,像面直径11 mm。该光学系统镜片全部采用球面镜,光学系统由2片反射镜和7片透射镜组成,结构紧凑,成像质量好。对摄远物镜进行公差分析,得出该设计公差较宽松。     

A novel approach to design intraocular lenses with extended depth of focus in a pseudophakic eye model

Eye model is firstly used to design and assess the performance of intraocular lenses (IOLs) with extended depth of focus (DOF), including aspherical IOL, refractive multifocal IOL and diffractive multifocal IOL. The details of design and optimization are given, and the optical performance of the pseudophakic eye with the designed IOLs is assessed with the spot diagram and the visual acuity. For the pseudophakic eye with 3 mm pupil, when the spherical aberration is fully corrected by the aspherical IOL, the best visual acuity reaches 1.2 with a DOF of only 1.4D. Whereas when the spherical aberration is 0.4λ, the best visual acuity is 0.9 with a DOF as much as 2.2D. With the implantation of refractive or diffractive multifocal IOL, the pseudophakic eye has fairly good distant and near vision, while the intermediate vision is worse. Diffractive multifocal IOL diverts 81% of the input light to two primary focuses equally, with the additional 19% of the light wasted as higher order diffraction. Refractive multifocal IOL diverts all the light to two focuses but the light distribution varies with the pupil diameter.     

液体透镜在变焦系统中的应用

利用液体透镜进行变焦系统设计可以大幅降低系统的复杂程度,本文介绍和讨论了该项技术的研究和应用现状。首先,基于液体透镜的分类即渐变折射率透镜和变曲率透镜介绍了几种主要液体透镜的原理和特点,给出了具有代表性的ARCTIC透镜系列和Optotune透镜系列的设计参数和优点。然后,对液体透镜技术在变焦系统中的应用进行了分析,描述了其在变焦眼镜、手机相机、内窥镜和显微镜等诸多领域中应用的现状和优势。最后,利用液体透镜设计了一种长焦距变焦系统,该系统可实现2.5倍的可见光变焦。     

可见光折/衍射混合光学系统消热差设计

由于一些可见光折衍射混合光学系统结构复杂,光学材料种类繁多且光热性能差异大,不能像红外系统那样通过解消色差、消热差方程组得到初始结构。通过分析衍射光学元件的温度特性,采取使用衍射光学元件先消色差再消热差的方法,完成了可见光波段遥感物镜的消热差设计。系统在20℃～100℃范围内成像质量均保持良好,调制传递函数下降范围在6％之内。设计结果表明利用衍射光学元件的混合光学设计使系统结构简单化,并在要求的温度范围内性能稳定。     

新型LED汽车前照灯光学系统设计

利用圆环形LED光源阵列结构,结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光,设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分,根据能量守恒定律,建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律,通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标,并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明,所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求,与传统的LED前照灯相比,能耗可降低至原来的75%。     

基于Etendue和显色特性的内窥镜LED照明系统的设计

根据内窥镜的使用要求,以Etendue的分析为基础,提供了一种内窥镜光纤照明系统。采用多个白光LED (W-LED)作为光源,提高了光通量,并对W-LED缺陷波段进行补色,通过移动补色光中心波长位置和调节光强度,有效地提高了显色指数。采用环形光纤,改善了光场角分布和白光与青色光的混光。给出了理论分析与计算、光学系统的优化设计与仿真的结果。实验得到了远场175.421m的光能量和87.7的显色指数,完全可以满足内窥镜照明系统的使用要求。     

手持式眼底相机光学系统设计

提出一种新型眼底成像系统,结构更加简单、紧凑。系统的成像和调焦投影光路共用调焦镜,调焦投影光路完全嵌入到照明光路。调焦投影光路不再专设照明组件,避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。并且充分利用了网膜物镜系统的空间。利用LED光源窄带宽的优势,瞄准和拍照过程共用一个电荷耦合器件相机。采用新的光学结构,设计了一款视场30°、工作距离30mm的眼底相机光学系统,眼光焦度补偿范围-10m-1～+5m-1,物方各视场分辨率为45line/mm,畸变小于5%。