基于Forbes非球面的胶囊内窥镜光学系统设计
高斯光束非球面镜整形系统的设计
高斯光束非球面镜整形系统的设计
冯科;李劲松
【摘 要】Application value of the Gaussian beam with flat-top shaping and
some main shaping methods were introduced. Because of the advantages
of aspherics, aspherics shaping method was studied, Fermi Dirac function
was chosen as a flat-top beam distribution model, and the relationship
between its flat-top distribution and the characteristic parameters was
analyzed. By analyzing aspherics shaping principle theoretically, according
to the law of conservation of energy and ray tracing function, aspheric
surface form expression was deduced. Considering the processing factors,
the effects of system parameters on the spherical degree was analyzed.
And then, by choosing appropriate parameters, MATLAB software was
used to solve numerical solution of mapping relation and surface shape
curve and fit to get aspheric coefficient. By using ZEMAX optical software
Zemax光学设计：一个胶囊内窥镜的设计实例
Zemax光学设计：一个胶囊内窥镜的设计实例
引言：
内窥镜是一种常用的医疗器械，可经由人体天然孔道或手术切口进入人体，用于检查人体内部难以触及的组织结构。内窥镜可分为硬管式内窥镜、半可屈式内窥镜、纤维内窥镜、电子内窥镜等。医用内窥镜不仅可以加装摄像系统，还可以进行手术治疗。胶囊内窥镜属于电子内窥镜的一种，同一般的电子内窥镜一样，其成像依赖于CMOS或CCD 器件，且其成像效果优于纤维内窥镜，分辨率高。胶囊内窥镜的工作系统由体内和体外两大部分组成，其中：体内部分是由摄像模块、电源模块、无线传输模块、照明模块构成的内窥镜胶囊；体外部分则由影像接收仪、影像与报告处理工作站、胶囊遥控单元组成。胶囊内窥镜通过吞服进入体内，由肠道排出，具有一次性的特点。与传统的多次使用的内窥镜相比，胶囊内窥镜杜绝了交叉感染的风险；同时,由于胶囊内窥镜外形圆润、体积小,可以降低检查时给患者带来的痛苦。胶囊内窥镜的工作原理如下图所示。传统的胶囊内窥镜由光学镜头、LED 、CMOS 图像传感器、控制电路、磁控开关、电池和发射装置组成。物体通过胶囊前端的透明球罩成像CMOS图像传感器上,经CMOS 进行光电信号转换后，电磁信号通过发射装置传输到体外的影像接收仪上。
人类肠道最窄的幽门和小肠直径在15-25mm之间，故对胶囊内窥镜进行设计时应考虑系统的总长和像高。若胶囊内窥镜过大，则胶囊可能会滞留于体内，需通过手术取出。肠道结构幽深复杂，在一定的纵向深度内，清晰成像是内窥镜的重要指标。对于像素阵列系统来说，其焦深为
式中：p 为像素边长；u'为像方孔径角；NA为像方数值孔径；F为近轴工作下的 F数。F 数越大，焦深越大。再由照度公式：
式中：E为照度；B为发光强度；τ为成像损耗系数；D为口径；f'为焦距。F数越大，照度越低。故在选择F数时需要权衡。 技术指标：设计一个胶囊内窥镜，系统总长小于10mm，F数为6，视场角为0-64°。成像芯片的参数为
基于Q_型非球面的全景环带红外光学系统设计
基于Q型非球面的全景环带红外光学系统设计
刘一帆 1 周峰 2,* 胡斌 1 晋利兵 1（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 北京邮电大学，北京 100876）
kRMS摘 要 全景环带光学系统凭借周视范围实时成像的特点已在超大视场光学领域中得到了广泛应用。传统的全景环带光学系统将折射、反射面集成在一片块状透镜中，光线在其内部进行多次折、反射导致头部单元体积较大，同时红外透镜材料密度大、折射率温度稳定性差等特点也与光学遥感器轻量化、可靠性高的应用需求相矛盾。文章基于像差理论，讨论了全景环带两反射镜红外光学系统头部单元初始结构设计方法，将Q型（Q-Type多项式）非球面引入全景头部单元增加优化变量，用偏离因子因子数值表征非球面加工难度，设计了以两反射镜为头部单元的全景环带红外光学系统。该系统在奈奎斯特频率（20线对/mm）处调制传递函数优于0.5；全视场像元（25 μm×25 μm区域内）能量集中度优于65%，像质评价结果表明其成像品质良好。该设计在缩小系统体积、提高光学设计优化效率方面有很大的改进，满足超大视场实时成像的应用需求。关键词 全景环带光学系统 超大视场 Q型非球面 光学遥感器中图分类号：O439 文献标志码：A 文章编号：1009-8518(2024)01-0090-09DOI：10.3969/j.issn.1009-8518.2024.01.008
Design of a Panoramic Band Infrared Optical System Based onQ-Type Aspherical Surface
LIU Yifan1 ZHOU Feng2,* HU Bin1 JIN Libing1
（ 1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China ）（ 2 Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China ）
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验是现代光学技术领域的重要内容。非球面镜头是一种光学元件，其曲率半径不是球形，可以用于改变光路、调整成像质量和改善成像形态等方面。
在非球面镜头的设计过程中，需要充分考虑光线的折射和反射，以及材料的折射率和色散等因素。设计师需要采用先进的光学软件进行模拟优化，不断调整镜片形状和参数，以达到最优光学效果。
加工非球面镜头是一个复杂而精密的过程。需要采用高精度加工设备和技术，以确保镜片的形状和表面质量。在加工过程中需要考虑到材料的特性，如可加工性、耐磨性和耐腐蚀性等，并进行合理的质量控制。
镜片检验是保证光学精度的关键步骤。可以采用光学检测设备进行检验，如干涉仪、激光测量仪等。通过检验，可以了解镜片表面的误差和偏差，从而进行调整和改进，提高光学成像质量和精度。
总之，非球面镜头的设计、加工和检验是一个紧密相连的过程，需要充分考虑光学原理和技术要求，并采用先进的设备和技术手段，以确保光学元件的高质量和高性能。
光学非球面的设计、加工与检验 2
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面（aspherical）的设计、加工与检验是光学领域中非常重要的主题。与球面镜不同，非球面镜的曲率半径是不同的，从而可以实现更复杂的光路设计，使得像差和畸变得到校正。
首先，非球面镜的设计通常采用光学设计软件，如Zemax、Code
V等。设计师需要根据系统的要求，选择合适的非球形曲率，并进行优化，以达到更好的成像质量。此外，许多非球面元件是自由曲面，其形状没有数学解析式，因此需要进行参数化建模，并通过优化算法，对设计进行特定的目标函数的优化。
然后，非球面镜的加工也有其特殊性。传统的机械加工难以精确地制造复杂曲率的非球面，因为这需要超高精度的加工设备和领域专家的卓越技能。目前，许多先进的加工技术已经得到应用，例如电解抛光、激光抛光等。这些高效、高精度的加工技术，使得制造非球面镜变得更加容易和可行。
最后，非球面镜的检验也是必不可少的。由于非球面曲率形状是非常复杂的，无法被通用的球差检验方法所测量。因此，许多特殊的检验方法已经被提出。例如干涉法、投影法、衍射法等。这些方法可以精确地测量非球面镜的曲率和形状，确保其具备高精度的成像功能。
综上所述，非球面光学元件的设计、加工以及检验是光学领域的重要组成部分，对于现代光学系统的优化和实用化起到了关键性的作用。
胶囊内窥镜图像采集系统设计
胶囊内窥镜图像采集系统设计 ・２５・
胶囊内窥镜图像采集系统设计
王微微，刘华
（上海交通大学医学精密工程及智能系统研究所，上海２００２４０）
摘要：研制了一种用于消化道图像采集并无线传送至体外的数字图像采集系统，该系统的图像传感器采
用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＣＭＯＳ数字图像传感器ＭＩ９Ｄ１３１。该图像传感器内嵌有ＪＰＥＧ压缩功能，可显著减
小图像数据量，并降低对无线传送的带宽要求。生成的图像压缩数据由挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司的无线射频收
发一体芯片ｎＲＦ２４Ｌ０１传送至体外，接收端接收到的数据通过串口传送至上位机。实验结果证明，该图
像采集系统成像质量好，可以用于诊疗胶囊内窥镜的原型设计。
关键词：胶囊内窥镜；无线通信；图像采集；ＭＩ９Ｄ１３１；ｎＲＦ２４Ｉ／３１
中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１３）０８—００２５—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｍａｇｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃａｐｓｕｌｅ Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ
ＷＡＮＧ Ｗｅｉ－ｗｅｉ．ＬＩＵ Ｈｕａ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｇａｓｔｒｏｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ（ＧＩ）ｔｒａｃｔ，ａ ｎｏｖｅｌ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｗｉｒｅｌｅｓｓ
ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃａｐｓｕｌｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｉｓ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ
ｏｎ ＭＴ９Ｄ１３１ ａｎｄ ｎＲＦ２４Ｌ０１．Ｔｈｅ Ｍ１９Ｄ１３１ ｈａｓ ａ ＪＰＥＧ ｅｎｇｉｎｅ，ｉｔ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｉｍ—
光学设计实验四卡塞格林系统设计
实验四:卡塞格林系统
一．实验目的
熟悉卡塞格林系统设计的原理过程，学习如何使用多项式的非球面，掌握设计系
统的的方法及过程。
二.系统结构性能要求
1）孔径值10英寸；
2）视场角为0︒；
3）相对波长为可见光；
4）玻璃材料BK7 、MIRROR ；
三．实验步骤
1.系统参数的设置：孔径值10英寸；（单位是英寸）
视场角为0︒；
工作波长为可见光；
2.结构参数的设置:平面镜的厚度为1英寸，玻璃材料BK7；
反射镜的焦距为60英寸，厚度为30英寸，玻璃材料为MIRROR；
如下图所示：
3.加辅助镜面，并安放像平面。让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。玻璃材料为
mirror。（注意：已将主反射面的距离减小到-18，这将使辅助镜面的尺寸减小。
像平面的距离现在是28，实际上，是在主反射面后10英寸）如下图所示：
四．光学望远系统优化过程
1.将三环六臂改为五环六臂（菜单栏Editors一Merit Function一Tools一
Default Merit Function一Reset一Rings）如下图所示：
2.设置变量，将曲率半径设为优化变量，权重设为1。将新面（即第3面）的厚
度从0改为20。往上移一行，将第2面的厚度由60改为40。对于主反射面来说，
校正器与它的距离就是60；
3,。将光阑面（STO）的表面类型换为“EVEN ASPHERE”。这种面型允许为非球面
校正器指定多项式非球面系数。并将第一面的“4th Order Term” 6th Order Term”
和“8th Order Term”列设为变量，当前为0，如下图所示：
4.打开视场角，调整设计。从主菜单，选System，Fields，并将视场角的个数
设置为3，输入y角0.0，0.35和0.7。如下图所示：
优化即可得到MTF，如下图所示：
5双击第三面的第一列，从孔径类型列中选圆形“Circular Aperture” ，到Min
高清针孔镜头光学系统设计
文章编号：1002-2082 (2021) 02-0223-06高清针孔镜头光学系统设计
孙彦超，罗 锐，梁秀玲（医学光电科学与技术教育部重点实验室 福建省光子技术重点实验室 福建师范大学，福建 福州 350007）摘 要：安防监控镜头在保护人身及财产安全方面越来越重要，其中针孔镜头因其特殊的结构而被广泛运用。利用ZEMAX软件设计了一款用于公安取证，侦察，反恐及高温炉、工业检测等特殊场合的针孔镜头。针对光阑前置这种失对称的光学系统，通过控制其像散、场曲、畸变等几何像差进行优化设计。设计的镜头F数为2，焦距为6 mm，匹配1/4英寸CCD，工作光谱为可见光波段，空间频率100 lp/mm处全视场MTF≥0.48，畸变≤±3%。该设计结构简单，全部采用标准球面设计，光学总长小于22 mm，处全视场MTF≥0.48，畸变≤±3%。该设计结构简单，全部采用标准球面设计，光学总长小于22 mm，关键词：光学设计；针孔镜头；MTF；畸变；公差分析中图分类号：TN202; O439 文献标志码：A DOI：10.5768/JAO202142.0201003Design of high-definition pinhole lens optical systemSUN Yanchao，LUO Rui，LIANG Xiuling（Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology, Key Laboratory of Optoelectronics Science andTechnology for Medicine of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China）Abstract：Security and protection surveillance lens is becoming more and more important in protectingpersonal and property safety, among which the pinhole lens is widely used because of its special structure. Apinhole lens was designed by using ZEMAX software for special occasions such as police forensics,reconnaissance, anti-terrorism as well as high temperature furnace and industrial inspection, etc. Aiming at theasymmetric optical system with the diaphragm in front of, the geometrical aberrations such as astigmatism,field curvature and distortion were controlled to optimize the design. The F number of the designed lens is 2and the focal length is 6 mm. The lens matches 1/4 inch CCD, and the working spectrum is the visible lightband, with the full field MTF≥0.48 at space frequency 100 lp/mm and the distortion ≤±3%. The designedstructure is simple, which adopts the standard spherical design. The optical total length is less than 22 mm,which means better processing technology and low production cost. The tolerance analysis of the lens wasanalyzed, and the results show that the optical system has reasonable tolerances, good overall performance, andis feasible for mass production.Key words：optical design；pinhole lens；modulation transfer function；distortion；tolerance analysis 引言随着社会的发展和科技的进步，在人民生活水平提高的同时，一系列社会不安定因素严重威胁着人民的人身和财产安全，因此很多国家也加大了对社会公共安全防范产业的资金投入和产品开发。针孔镜头因其前端进光孔小，不易被发现等特点，不仅广泛地应用到侦察，反恐解救人质，公安取证，暗访调查等特殊场合[1]，还在工业检 收稿日期：2020-10-09； 修回日期：2020-12-24基金项目：福建省科技厅引导性项目（2017H0010）作者简介：孙彦超（1993−），男，硕士研究生，主要从事光学设计方面的研究。Email：****************通信作者：梁秀玲，女，高级工程师，硕士生导师，主要从事光学设计与光学检测方面的研究。Email：****************.cn第 42 卷 第 2 期应 用 光 学Vol. 42 No. 22021 年 3 月Journal of Applied OpticsMar. 2021测，高温炉监控等工业领域得到了应用。为了达到隐蔽的目的，要把光阑放在镜头前端，这样成像光束前端小后端大，镜头显露的部分就很小，不易被察觉。光阑后面部分可以隐藏在墙体里面，或者隐藏在手持物件、背包里等。针孔镜头由于光阑位于系统的最前端，系统的不对称性引起系统的畸变、场曲、像散、彗差等轴外像差较大，且难以矫正。为了使畸变和成像质量能同时达到设计要求，设计者们通过各种方法来改善。例如，在参考文献[2]中，在前置针孔镜头加入了中继镜头，更好地矫正畸变等像差，但是该方法结构太长，达不到隐蔽的效果。同样在参考文献[3]中，设计者加入了转像系统，该转像系统采用了非对称式结构，补偿了物镜系统的轴外像差，垂轴色差和畸变，且采用了非球面结构，大大增加了加工难度与成本。又如文献[4]中，设计者根据光学成像理论和图像处理技术，建立畸变校正模型，设计畸变校正算法，对图像进行后期处理。为了提高性能并做到监控设备小型化，由于结构小而导致加工工艺困难，也增加了生产成本。本文以10倍艾尔弗目镜为初始结构，使用分裂透镜及增加单透镜等手段，优化设计了一款畸变小于±3%，且全部采用标准球面设计及成都光明的普通光学玻璃材料的高清针孔镜头。此镜头结构设计合理，光学总长短，成像质量优良，工艺性好，适合批量生产。
基于眼模型的非球面眼底荧光相机的设计
基于眼模型的非球面眼底荧光相机的设计
王肇圻;王尧;全薇
【摘 要】运用非球面光学理论,设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式非球面眼底荧光相机.该相机根据滤光片选择原则,选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统进行光谱滤光;为避免角膜中心较大曲率引起的杂散光,采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式实现眼底均匀照明;摄影系统中引入眼模型结构,综合校正了人眼及系统的像差,实现了全视场20×106 pixel的高清晰成像.该摄影系统包含有2个非球面结构,使系统由9片镜结构简化为7片镜结构.实验结果表明,该相机具有较大的调节能力,对-12～+12 m-1的人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120 lp/mm,畸变值＜3.9%.非球面光学元件的使用,有效地简化了系统,减小了系统体积和重量,提高了成像质量.
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2010(018)007
【总页数】9页(P1511-1519)
【关键词】光学设计;眼底荧光造影;相机;眼模型;非球面
【作 者】王肇圻;王尧;全薇
【作者单位】南开大学,现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300071;南开大学,现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300071;南开大学,现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300071 【正文语种】中 文
【中图分类】TH703;TB853.9
眼底荧光相机是用来观察和拍摄眼底荧光造影(Fundus Fluorescein
Angiography,FFA)的眼视光学仪器。自Novotny和Alvis于1961年首次成功拍摄人眼视网膜和脉络膜的循环动态过程以来,眼底荧光造影在眼科临床上迅速得到普及[1-3]。这项检查可以反映出视网膜大血管至毛细血管的生理与病理情况,对眼底疾病的诊断及鉴别诊断具有十分重要的作用。眼底荧光造影的基本原理是采用荧光素钠作为造影剂注入被检查者的静脉内,造影剂随血液循环至眼底血管中,受蓝光的激发而产生黄绿色荧光;利用配有特殊滤光片组合的眼底荧光相机,观察并及时拍摄眼底血液循环的动态过程。目前国际上有多家厂商如Kwoa,Canon等,已经生产出形式多样的眼底荧光相机,但这些相机都是台式。
高空预警探测用450mm口径红外非球面光学系统设计
第３２卷第９期 ２０１０年９月 红外技术 Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｌ０ｌ－３２ ＮＯ．９ Ｓｅｐ．２０１０
高空预警探测用４５０ ｍｍ口径红外非球面光学系统设计
刘群龙 ，吴晗平 ，一，熊衍建１，２ 吕照顺１，２周 伟 ，
（１．武汉工程大学光电子系统技术研究所，湖北武汉４３０２０５；２．湘潭大学材料与光电物理学院，湖南湘潭４１１１０５）
摘要：针对高空预警探测系统中红外光学系统的需求，在分析大口径光学系统结构特点的基础上，研
究了非球面系统的特点，结合两镜Ｒ．Ｃ系统结构计算方法，提出系统主要性能指标，并设计了一个符
合要求的４５０ｍｍ口径红外非球面光学系统。系统采用全非球面的设计，经过系统优化、像差和热差
分析。该系统具有结构简单、质量轻、口径大、焦距长、失真小以及良好温度适应性等特点。
关键词：高空预警；大口径；红外光学系统；非球面；设计
中图分类号：ＴＮ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—８８９１（２０１０）０９—０５１７．０６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ４５０ ｍｍ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ａｓｐｈｅｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ
ｆｏｒ Ｗａｒｎｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｕｐｐｅｒ Ａｉｒ
ＬＩＵ Ｑｕｎ—ｌｏｎｇ ，ｗｕ Ｈａｎ ｐｉｎｇ 。 ，ＸＩＯＮＧ Ｙａｎ￣ｉａｎ ’。，ＬＶ Ｚｈａｏ．ｓｈｕｎ ，ＺＨＯＵ Ｗｅｉ ，
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３０２０５，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＰｈｙＳｉｃｓ．Ｘｉａｎｇｔａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１ １ １０５，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｗａｒｎｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ