大焦深内窥镜光学系统设计
高清内窥镜适配器光学系统设计
适配器 ，使用 ＺＥＭＡＸ软件优 化设计其光 学系统 。参数要 求为 ：入 瞳直径为４ｍｍ，全视 场角为 １５。，焦距 为 ５３ｍｍ。该 内窥
镜 适配 器结构为 ８组 １０片式 ，使 用 １英寸 ＣＣＤ传感 器，像 元尺寸为 ５．５ｐｍ。 系统优化后 ，调 制传递函数 （ＭＴＦ）在 ９０１ｐ／
ｍｍ达到 ０．１５，畸变小于０．２％，系统总长为 ７３．７ｍｍ。说 明该设 计结果满足 系统要 求。 实现 了系统焦距较 长 ，总长较短的光
现代 微创外科对 内窥镜适配器要求 为高清成 用 １／２英寸ＣＣＤ，分辨率已达到４４万像素（７５２ｘ５８２） 。
像 。外 科 手术 的基 本原 则 是 以最小 的干扰 和破坏 对 本 文 内窥 镜 适 配器 利 用 １英 寸 ＣＣＤ成像 系统 ，达 到
病 人进 行必 要 的外科 手 术 。而外 科 手术 在操 作空 间 了 ５３ｍｍ 的 长 焦 距 要 求 ，实 现 了 ３００万 像 素 （２０４８ｘ
ห้องสมุดไป่ตู้
王 卉 ，向 阳 ， 张 良 ，付 艳 丽 ，王 若 帆
（１．长春理工大学 光 电工程学 院，长春 １３００２２；２．西安卫 星测控 中心活动测控 回收部 ，西安 ７１００００）
摘 要 ：内窥镜适 配器是 内窥镜 目镜 与ＣＣＤ成像 系统之 间的转接 系统 ，主要应 用在现代 医用微创手术 中。针对 高清内窥镜
２．Ｘｉ’ａｌｌ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｅｎｔｅｒ Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ ７１００００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ａｄａｐｔｅｒ ｉｓ ａ ｔｒａｎ ｓｉｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ｅｙｅｐｉｅｃｅ ａｎ ｄ ｔｈｅ ＣＣＤ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ． Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｄｅｆ ｉｎｉｔｉｏｎ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ａｄａｐｔｅｒ， ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＺＥＭ ＡＸ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａ ｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｕｐｉｌ ｄｉａｍ ｅｔｅｒ ｉｓ ４ｍｍ ； ｔｈ ｅ ｆｕｌｌ ｆｉｅｌｄ ａｎｇｌｅ ｉｓ １５ ｄｅｇｒｅｅｓ； ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ５３ｍｍ ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ，ｔ ｈｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ （ＭＴＦ） ｒｅａｃｈｅｓ Ｏ．１５ ａｔ ９０１ｐ／ ｍ ｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ７３．７ｍｍ ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ８ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ １０ ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ ａ １ ｉｎｃｈ ＣＣＤ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｃｈａ ｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａ ｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅｄ； ａｎｄ ｖａｒｉｏｕｓ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ Ｍ ＴＦ ｃｕｒｖｅｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｒ ｅ ｍ ｅｔ． Ａ ｂｅｔｔｅｒ ｔｒａｎｓｉｔｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ ｅｙｅｐｉｅｃｅ ａｎ ｄ ｔｈｅ ＣＣＤ Ｃａ ｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ～ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ； ａｄａｐｔｅｒ；ｌｏｎｇ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ； ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．
大焦深光学投影镜头设计
大焦深光学投影镜头设计作者：邹跃来源：《科教导刊·电子版》2018年第05期摘要根据镜头初始数据改编，设计了一款焦距为12mm，F数为8，视场角为60度，焦深范围为0.84mm的超短定焦投影镜头。
经测试表明，镜头在全使用球面镜的条件下像差较小，空间分辨率较高，焦深范围大，是一款整体效果不错的大焦深投影镜头。
关键词大焦深传递函数超短焦投影镜头0引言随着材料科学与光学产业的快速发展，当前的投影市场呈现出一派欣欣向荣的景象，投影镜头因其呈现的大范围高清画面以及办公时的高效性而受到越来越多的青睐。
超短焦投影镜头更是因为在短距离就可投射出大画面的特点而得到更深入的研究，大焦深则可在一定范围内调焦仍然清晰，可有效地防止用户花费较多的时间去寻找最好的聚焦点而浪费不必要的时间。
本文基于此，通过改变初始镜头的参数来实现大焦深、超短焦的投影镜头设计。
本镜头主要是基于常规的投影镜头与幕布相距太远，人员的走动易遮挡光线连续性的不足而改编的。
焦深是指焦点的深度，即在人眼不能明显分辨物体清晰度的条件下镜头的聚焦范围。
影响焦深最主要的因素是光圈的大小，光圈越小，焦点与出射光之间的夹角越小，在相同的光斑约束下，清晰的范围就越大。
除了减小光圈，还有一个研究方向很火，就是在出瞳处放置一块相位掩模板改变光波的相位，通过编码的方式来重构，效果很好，但难度和成本很大。
为降低难度和节约成本，本文仅以减小光圈为突破口，实现大焦深的目的，虽然以减小光通量为代价，但是整体的效果较好，具有一定的参考价值。
1镜头数据参数根据镜头初始数据，使用了10片球面玻璃以及2块不同折射率的平行玻璃板和一个平面，如图1所示。
平行玻璃板可以改变光束的偏移方向，还可与透镜产生的像差相互抵消，加入一个平面可有效地弥补剩余的像差，使得弥散斑最小化。
球面玻璃中既有火石玻璃，又有冕牌玻璃，大都是常见的，都是以折射率和阿贝数的形式表示，可在镜头数据库找到，没有使用双胶合透镜。
内窥镜的结构设计原理
内窥镜的结构设计原理内窥镜（Endoscope）是一种利用光学原理和电子技术的医疗设备，用于在人体内部观察、检查和治疗疾病。
它主要由光纤系统、成像系统、操作系统和附件组成。
内窥镜的结构设计原理如下：1. 光纤系统：内窥镜的光纤系统是实现图像传输的关键部分。
它由光源、光导纤维束和接受器组成。
光源用于产生足够的光线，光导纤维束负责将光线导入人体内部，并将反射的光线传回接受器，接受器将收到的光信号转化为图像信号。
光纤系统的设计需要考虑光的强度、聚焦度和传输效率，以获得清晰的图像。
2. 成像系统：内窥镜的成像系统用于捕捉人体内部的图像。
它包括镜头、图像传感器和信号处理器。
镜头负责将光线聚焦在目标部位，并通过激光反射或增强的光源来提高图像的亮度和对比度。
图像传感器将光线转化为电信号，并发送给信号处理器进行进一步的处理和增强，以获得清晰、真实的图像。
成像系统的设计需要考虑镜头的质量和焦距、图像传感器的灵敏度和分辨率，以及信号处理器的功能和性能。
3. 操作系统：内窥镜的操作系统用于控制和操纵内窥镜的移动和视角。
它包括操纵杆、电动机和控制器。
操纵杆负责通过机械连接将手动操作转化为内窥镜的移动，电动机提供动力，并根据操作者的指令控制内窥镜的方向和角度。
控制器用于接收和处理操作者的指令，并向电动机发送相应的控制信号。
操作系统的设计需要考虑操作的便捷性和精度，以及电动机和控制器的性能和可靠性。
4. 附件：内窥镜的附件包括清洗系统、注射系统和辅助工具。
清洗系统用于清洗内窥镜的镜头和光纤，保持图像的清晰度和亮度。
注射系统用于在内窥镜的末端注入液体，以改善可视性和进行治疗操作。
辅助工具包括夹子、刀具和吸引器等，用于辅助内窥镜的操作和治疗。
附件的设计需要考虑功能的多样性和兼容性，以满足不同的临床需求。
综上所述，内窥镜的结构设计原理主要涉及光纤系统、成像系统、操作系统和附件四个方面。
光纤系统负责图像的传输，成像系统负责图像的捕捉和处理，操作系统负责内窥镜的操作和操纵，附件提供清洗、注射和辅助工具等功能。
变焦内窥镜光学系统设计
变焦内窥镜光学系统设计引言：随着医学技术的发展和需求的增加，内窥镜成为一种重要的医疗设备。
然而，由于人体的解剖结构复杂，传统的固定焦距内窥镜存在着一些局限性。
为了解决这个问题，变焦内窥镜应运而生。
本文将介绍变焦内窥镜光学系统的设计。
一、需求分析：1.可视范围：变焦内窥镜应具备广阔的可视范围，以便医生能够更好地观察内部病变情况。
2.分辨率：为了准确诊断病情，变焦内窥镜的图像应具有高分辨率，能够清晰地显示细小的病变。
3.像差控制：为了消除像差的影响，变焦内窥镜光学系统应具备高质量的光学元件和优化的设计。
4.变焦方式：变焦内窥镜可以通过机械或电子方式进行焦距的变化。
机械方式可以通过调节镜头位置实现，而电子方式则可以通过调节电子元件的参数来实现。
根据实际需求，选择合适的变焦方式。
二、设计原理：1.光学元件选择：变焦内窥镜光学系统主要由物镜、浅巷和目镜组成。
针对需求分析中的高分辨率要求，可以选择分辨率高的光学元件，并通过涂层技术降低反射损耗。
2.光路设计：根据需求分析中的可视范围要求，可以设计合适的光路，通过镜头间的距离调整焦距，从而实现变焦功能。
3.像差控制：对于变焦内窥镜光学系统，由于需要调整焦距，会产生一定的像差。
通过优化光学设计，使用合适的补偿光学元件或者折中的方法，可以有效地控制像差。
三、设计步骤：1.确定变焦方式：根据实际需求，选择适合的变焦方式，是机械还是电子变焦。
2.确定光学元件：根据需求分析，在设计范围内选择分辨率高的光学元件，并使用涂层技术优化光学性能。
3.设计光路：根据需求分析，设计变焦内窥镜的光路，使得能够通过调整焦距实现变焦功能。
4.优化设计：优化光学设计，通过使用补偿光学元件或者折中的方法，控制像差的产生。
5.性能测试：对设计的变焦内窥镜光学系统进行性能测试，包括可视范围、分辨率和像差等指标的测试。
四、结论：通过合理的光学元件选择、光路设计和优化设计，可以实现高性能的变焦内窥镜光学系统。
大倍率大口径观光望远镜的光学系统设计(光学工程专业优秀论文)
ａｎｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｓｅ ｏｒ ｐｌｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ，ｗｅ ｅｄｉｔ ａ ＰＯＢ ｆｉｌｅ，ｉｍｐｏｒｔ ａ ｌｅｍａｎ ｒｏｏｆ ｐｒｉｓｍ ｉｎｔｏ ＺＥＭＡＸ ｐｒｏｇｒａｍ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ ｔｏ
‘！¨
咀日本工业标准棱镜双筒望远镜为例，说明正像光学系统中使用棱镜的双简望远 镜的有关事项“”。
１ ３ １主要部分的名称
囊 譬群⑨胄刮
图ｌ ２（ａ）主要部分名称（之一）
图１ ２（ｂ）主要部分名称（２－二）
表１ ５主要部分名称
出瞳
１３
２
出瞳直径
目距刻度
实际视场
物镜的有效孔径
放大率
１８
类型（等级）
１９
８
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａｉｍ ａｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃａｎ ｏｂｓｅｒｖｅ ｐｅｏｐｌｅ ｏｒ ｓｃｅｎｅｒｙ ａｔ ｔｅｎ ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ，ａ ｌａｒｇｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｇｈｔ·ｓｅｅｉｎｇ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．
ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ，ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｌｖｉｎｇ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｏｂｉｅｃｔｉｖｅ，ｔｈｅ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｃｏｌｏｒ ａｃｈｒｏｍａｔｓ ａｒｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｑｕｉｃｋｌｙ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｔｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｌ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｈｒｏｍａｔｉｃ
内窥镜产品设计方案模板
内窥镜产品设计方案模板一、产品介绍内窥镜是一种用于观察体腔内部情况的医疗器械。
它由光学系统、成像传输系统、激光系统、机械臂系统等组成。
内窥镜可以在医生的操作下进入人体或动物体内，通过实时图像传输让医生观察到异常情况，并进行相关诊断或治疗。
二、市场需求分析1. 市场规模：内窥镜市场需求量迅速增长，主要驱动因素是人口老龄化、医疗技术进步和疾病发病率上升。
2. 市场竞争：内窥镜市场竞争激烈，主要竞争对手有国内外多家知名制造商，需要通过优化产品设计来提升竞争力。
三、产品设计目标1. 创新技术：整合最新的成像传输和激光技术，提高图像分辨率和视野范围，增强医生的观察和诊断能力。
2. 操作便捷：设计轻便、灵活的机械臂系统，使医生能够简单、精确地操控内窥镜。
3. 安全可靠：保证产品的材质安全性，降低患者过敏风险；加强产品结构的稳定性，提高产品的可靠性和耐用性。
四、产品设计要点1. 材质选择：采用医疗级不锈钢、高纯度玻璃等材料，确保产品无毒、无害，避免对人体产生副作用。
2. 成像传输系统：应用高清晰度CCD芯片和先进的图像处理算法，提高图像质量和分辨率。
3. 激光系统：结合激光聚焦技术，提供更精确的切割和凝固功能，可以在内窥镜操作过程中进行微创手术。
4. 机械臂系统：采用电动活塞、传感器等技术，使机械臂具备精准运动和自动稳定功能，提高内窥镜的定位精度和操控灵活度。
5. 人机界面设计：通过直观的触摸屏和简单易懂的操作界面，使医生能够快速上手操作内窥镜，提高工作效率。
6. 防护措施：在产品设计中加入防护装置，减少对人体的伤害风险，并降低机械故障的发生率。
五、产品测试和验证1. 样机制作：根据设计要求制作内窥镜样机，并提供给医生进行测试。
2. 医学实验：邀请医生和专家组成小组，对内窥镜样机进行实时测试和评估，并针对性地改进设计。
3. 安全标准验证：进行相关检测，确保产品符合医疗器械相关的安全标准和法规要求。
六、市场推广和销售1. 营销策略：制定全面的市场推广计划，结合线上线下宣传，提高品牌知名度和产品的市场份额。
内窥镜光学指标范本
内窥镜光学设计，内窥镜是医生用于医疗的一种光学设备，关于它的根本原理在许多论文都有所阐述，开场全部用小镜片设计，后来随着光学设计技术开展，设计思路的改良，也有比拟大的变化，新的系统于90年代棒镜设计，并且新的设计思路强调设计低本钱，高亮度，良好的装配性，这些年随着设计经历的积累，对设计有很多改善表达在1〕视向棱镜实行一体化设计，降低装配难度2〕转像棒镜采用单边胶合设计，一方面降低本钱，另一方面降低高温脱胶概率，提高产品可靠性，3〕设计时采用大的视场光栏设计，提高亮度，比方10mm腹腔镜国内多数企业的光栏是3.6—4mm，采用新的设计技术使光栏最大孔径到达4.9mm，和国外的STOZS等的产品根本一致，4〕设计光谱，材料根据各方面情况进展优选，使设计的光学系统色彩复原性好，5〕设计视场角从60度--120度全覆盖，125度以上采用非球面设计，6〕同一规格产品使用同一种棒设计，降低本钱,例如4mm鼻窦镜不同视场的镜子只使用同一种棒以上几个方面是光学设计方面的新的成果，在构造方面，我们提供优质成熟的构造设计，新的构造设计充分考虑与进口产品的互用性，装配密闭性，在装配方面我们用装配经历达十几年的师傅提供装配指导在CCD接口镜头方面我们也可以根据需要进展设计，有现成的为腹腔镜配接镜头f20mm的，可以为您设计你需要的镜头，还可以根据您的需要为你设计变焦CCD卡口镜头具体的数据有：1)鼻窦镜〔外径4mm〕1。
F=1.6mm,2.总长：206mm,3.视场:70度4：DIST：13%5：渐晕：95%6：棒镜为单边胶合7:F#=7.2〔该镜头是四片式物镜，装配工艺非常好〕2)鼻窦镜〔外径4mm〕1。
F=1.3mm,2.总长：207mm,3.视场:110度4：DIST：42%5：渐晕：95%6：棒镜为单边胶合7:F#=7.33)鼻窦镜〔外径2.7mm〕1。
F=1.35mm,2.总长：133mm,3.视场:60度4：DIST：13%5：渐晕：94%6：棒镜为单边胶合7:F#=6.44)腹腔镜〔外径5mm〕1。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
变液体 固体界面的外加电压来控制液体在固体面 上的润湿特性的, 电润湿型液体透镜的成像原理就 是基于这一物理现象的。 电润湿型可变焦液体透镜的基本结构如图 1 所 示。 将两种互不相溶的 液体注入到一个包含两 个透明玻璃基板的腔体 中。在 两种液 体 中, 一 种( liquid 1) 为电活性液 体 , 另一 种 ( liquid 2) 为 绝缘液体。在腔体的侧 壁上包含两个金属电极 1 和 2, 金属电极 1 直接 与电活性 液体相 接触 , 金属电极 2 及腔体的侧 壁均涂覆 疏水介 电层。
558
第4期
张薇 , 等 :
大焦深内窥镜光学系统设计
成像质量。在实际光学系统被校正像差后, 除在理 想像面上可获得清晰的像以外 , 常把理想波面的参 考点沿轴离焦 , 当波像差不超过 / 2( 由 /4 到 / 4 ) 时 , 也能得到清晰的像 , 所以把对应的离焦量 称作为焦深。 在已知系统的入射光瞳直径 D 及系统 的焦距 f 后 , 焦深可用如下公式计算 : 2 l = 4 n f D
[ 5, 6]
∀ 0∀ r U2 2! 12 d
, 基于填充液体表 面曲率
[ 10 ! 12]
[ 7 ! 9]
和基于 介质上电润湿 流体 。在 本文 的设 计
接触角变 化的 可变 焦透镜
中, 主要采用电润湿型液体透镜, 通过电压控制其焦 距变化, 实现系统微调焦 , 达到增大焦深的目的。该 种液体透镜具有响应时间短、 无机械可动部件、 集成 性能好的优点。 电润湿效应是一种物理化学现象 , 它是通过改
由于内窥镜技术可在最大程度减小病人痛苦的 前提下深入脏器 , 观察病灶, 所以在无创或微创治疗 中的应用已越来越广泛 。由于各种体腔往往深 入在人体内部, 难以触及 , 所以对内窥镜光学系统提 出了细长结构及大视场角的要求。由于医用内窥镜 光学系统要求的物距范围非常 大 ( 3~ 100mm) , 要 在大景深范围内实现清晰成像难度较大, 这就使得 内窥镜在使用状态下的成像质量受到一定的限制。 如何在医用内窥镜中实现大物 距范围内的清 晰成 像, 是使用者对新型内窥镜提出的要求 , 然而内窥镜 光学系统对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格 ,
图 1 基于介质上 电润湿流体接触角 变化的可变焦透镜
成像系统的通光口径越大 , 该系统的焦深就越 小。因此为了增大系统的焦深 , 通常采用缩小系统 相对孔径的方法。但这一做法会带来不可避免的缺 点, 即随着出瞳直径的减小, 系统的光通量将以平方 量级降低 , 同时还会降低系统的分辨率 , 造成图像细 节模糊。 如何在保持系统分辨率的同时提高其焦深, 在 内窥镜、 3D 光学断层成像、 微电子技术、 医学成像等 领域中具有重大意义。已提出的增大系统焦深的方 法主要有 Strehl 比空间滤波法、 变迹法、 显微镜 CT 法、 OT F 变换法、 波前编码调制法等若干种 。其 中以波前编码调制法的效果最为优越, 但由于波前 调制掩膜板的加入 , 会引起系统结构及后期图像处 理的复杂化。本文提出了利用电润湿型液体透镜元 件, 通过电压控制液体透镜焦距的变化 , 从而实现了 一种大焦深内窥镜系统。
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。 关 键 词 : 应用光学 ; 大焦深 ; 内窥镜 ; 液体透镜 ; 电润湿效应 ; 光学设 计 文献标识码 : A 中图分类号 : O439
的曲率半径 R 之间的关系示意图
0+
3
液体透镜技术及其原理
液体透镜是一种基于人眼结构提出的仿生学光
学元件 , 也是近年来国际上研究的一个新方向。人 眼具有极强的调节能力, 其变焦是通过睫状肌收缩 与松弛和通过调节晶状体的曲率变化来实现的。据 此提出的液体可变焦透镜可以 不采用任何移 动组 件, 具有变焦平滑、 体积小、 重量轻、 成本低廉、 加工 容易的特点 , 可被大量使用于一些新型传感器及系 统中 , 用来调节像质 , 提高放大率等 , 在信息技术、 工 业生产、 医疗卫生、 军事国防等方面都具有很好的应 用前景。 实现液体变焦通常有三种方法: 基于液体折射 率变化的可变焦透镜 变化的可变焦透镜
1
引
言
难以利用传统方法实现光学调焦。 液体透镜是一种基于仿生学概念提出的新型透 镜 , 具有体积小、 集成度高 , 且具有一定的自主变焦 能力。如将这一新型光学元件应用于医用内窥镜光 学系统的设计 , 将有可能在不增加系统复杂度的前 提下实现调焦。本文从增大医用内窥镜焦深的内在 要求出发, 结合液体透镜的应用 , 深入研究了一种大 焦深医用内窥镜光学系统。
Design of a kind of large depth of focus endoscope system
ZHANG Wei1 , 2 , TIAN Wei jian1 , 2
( 1. State K ey Lab of T ransient Optics T echnology , Xi an I nstitute of O ptical & Pr ecision M echanics of CAS, Xi an 710119, China) ( 2. G raduate School of the CA S, Beijing 100039, China) Abstract: Endoscope system is required to have large depth of focus. But it is very difficult to realize focal adjusting in en doscope by tr aditional methods, for its restricted requir ements on the dimension of the system and the numbers of the lens. I n no rmal optical desig n, stopping down the apper ture is often adopted to extend the depth of focus of a system. But t his method has many serious disadvantages such as decr easing the optical flux and the resolution at imaging plane. A kind of liquid lens based on electrowetting effect is introduced, which is considered as a kind o f novel optical component. A micro focus contro lling endoscope system is designed, in which the liquid lens is used as a core element. T he focal length of the liquid lens can be ad justed by an ex ter nal electr ic field, w hich can compensate t he defocusing of the system coused by the change of the object dis tance. T his can make the endoscope system using mo re convenient and can have v er y wide application in t he futur e. Key words: applied optics; large dept h of focus; endoscope system; liquid lens; electr owetting effect; optical design
的曲率半径 R 存在如下关系 : r0 R= ∀ 0∀ r 2 cos 0 + U 2! 12 d 559
光 学
技
术
决定两种液体间的界面形
第 35 卷
式中 , r 0 为液体透镜的内半径。 由此可见, 接触角 状。界面形状的改变会引起透镜焦距的变化, 通过 电压控制接触角 就可以控制液体透镜的焦距。
[ 3, 4]
当改变两电极间的外加 电压时, 可以有效地改变导电液体与介电层之间的 界面张力 , 导致两种互不相溶的液体间接触角 发 生变化。由于两种液体的体积是固定不变的 , 当接 触角发生变化时, 两种液体间界面的形状将发生变 化。 根据适用于液固三相系统的杨氏方程, 可以得 到当外加电压为 0 时 , 接触角与界面张力之间的关 系: cos = ! s2 - ! s 1/ ! 12 式中: 为两种液体间的接触角; ! s1 和 ! s 2 分别为容 器固体内壁与液体 1 和液体 2 之间的界面张力 ; ! 12 为这两种液体之间的界面张力。 当在液体透镜上外加电压 U, 并达到新的平衡 状态时 , 接触角与外加电压的关系为 cos = cos 式中: ∀ 0 为真空 中 的介 电常量; ∀ r 和 d 分别为疏水介电 层的相对 介电常 量和厚度。如图 2 所示, 接触角 与 图 2 接触角 与两种液体间界面 两种液体 间界面
第 35 卷 第 4 期 2 0 09 年 7 月
光 学 技 术
OP T ICA L T ECHN IQ U E
V ol. 35 No. 4 July 2009