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高分辨率可视穿刺针光学系统的设计与研制

陈新华 罗宗平 杨惠林 赵知诚 沈为民

陈新华, 罗宗平, 杨惠林, 赵知诚, 沈为民. 高分辨率可视穿刺针光学系统的设计与研制[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(5): 1162-1168. doi: 10.37188/CO.2021-0001
引用本文: 陈新华, 罗宗平, 杨惠林, 赵知诚, 沈为民. 高分辨率可视穿刺针光学系统的设计与研制[J]. 中国光学(中英文), 2021, 14(5): 1162-1168. doi: 10.37188/CO.2021-0001
CHEN Xin-hua, LUO Zong-ping, YANG Hui-lin, ZHAO Zhi-cheng, SHEN Wei-min. Design and development of the optical system for the high resolution visual puncture needle[J]. Chinese Optics, 2021, 14(5): 1162-1168. doi: 10.37188/CO.2021-0001
Citation: CHEN Xin-hua, LUO Zong-ping, YANG Hui-lin, ZHAO Zhi-cheng, SHEN Wei-min. Design and development of the optical system for the high resolution visual puncture needle[J]. Chinese Optics, 2021, 14(5): 1162-1168. doi: 10.37188/CO.2021-0001

高分辨率可视穿刺针光学系统的设计与研制

doi: 10.37188/CO.2021-0001
基金项目: 江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)
详细信息
    作者简介:

    陈新华(1982—),男,江苏盐城人,博士,副研究员,2013年于苏州大学现代光学技术研究所获得光学工程博士学位,现工作于苏州大学光电科学与工程学院,主要研究方向为光谱成像系统和光学测试技术等方面。E-mail:xinhua_chen@suda.edu.cn

  • 中图分类号: TH773

Design and development of the optical system for the high resolution visual puncture needle

Funds: Supported by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD)
More Information
  • 摘要: 为了实现穿刺过程中的精准定位,设计研制了一款视场角为90°,焦距为0.67 mm的高分辨率可视穿刺针光学系统。为使光学系统的光轴垂直于穿刺针的倾斜刃面,利用反射棱镜对光束进行转折,实现45°视向角。光学系统采用反远结构,并对初始结构参数的计算公式进行推导。经过优化设计后,系统成像质量接近衍射极限,最大光学元件尺寸小于1.5 mm。利用研制的光学系统和微型CMOS图像传感器,装配完成了一款直径为4 mm的可视穿刺针。对该可视穿刺针分别进行调制传递函数(MTF)测试和成像试验,测试结果表明,研制的光学系统具有较好的成像质量,物方分辨率优于18.03 lp/mm,能够实现清晰成像。

     

  • 图 1  可视穿刺针的外观图

    Figure 1.  The appearance of the visual puncture needle

    图 2  光路结构

    Figure 2.  The structure of the optical system

    图 3  设计得到的光路结构

    Figure 3.  The optical layout of the designed optical system

    图 4  光学系统的点列图

    Figure 4.  The spot diagrams of the designed optical system

    图 5  光学系统的MTF曲线

    Figure 5.  The MTF curves of the designed optical system

    图 6  光学系统的相对照度曲线

    Figure 6.  The relative illumination curve of the designed optical system

    图 7  光学系统的畸变网格图

    Figure 7.  The distortion grid of the designed optical system

    图 8  可视穿刺针机械结构剖面图

    Figure 8.  The cross section of the visual puncture needle

    图 9  部分光学元件

    Figure 9.  Optical components used in the puncture needle

    图 10  装配完成的光学系统

    Figure 10.  The optical system after assembly

    图 11  可视穿刺针光学系统测试场景

    Figure 11.  Visual puncture needle measurement scene

    图 12  (a)拍摄的斜边图案及(b)光学系统的MTF测试结果

    Figure 12.  The captured slanted edge images (a) and the MTF measurement results (b) of the optical system

    图 13  (a)拍摄的双频环带图案和(b)棋盘格图案

    Figure 13.  The captured dual-frequency zone plate image (a) and the checkerboard image (b)

    表  1  主要参数的设计结果

    Table  1.   Optical parameters of designed optical system

    ParametersValue
    Wavelength/μm0.45~0.75
    Focal length/mm0.67
    Field of view/(°)90
    F/#4.6
    Back focal length/mm0.92
    Working distance/mm10
    Magnification0.0764
    Image size/mm0.7×0.7
    MTF≥0.2@246 lp/mm
    Maximum component size/mm≤1.5
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-04
  • 修回日期:  2021-02-22
  • 网络出版日期:  2021-04-30
  • 刊出日期:  2021-09-18

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