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光学微结构观测系统研究

作　者: 刘娜
导　师: 张以谟
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 光学设计选型微结构观测显微物镜较大数值孔径大视场光纤端面内窥镜
分类号: TN29
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文在已有光学系统资料和前人光学设计经验基础上,提出了消色差非浸液显微物镜选型经验公式和相应表格。为了验证其有效性,以此为依据设计了一系列用于光纤端面观测的“较大数值孔径”深孔检测小型光学系统,在保证优良像质的前提下获得了比类似系统更简单的结构。为了提高系统观察细节的能力,特提出一种双组元全动型微结构观测变焦距系统,既可单独使用又可与其它物镜系统组合使用,获得了比类似产品更大的变焦比。在微结构成像观测方面,还开展了用于内窥镜观察的“大视场”细管状光学成像系统研究,提出了一系列简单实用的广角/超广角小型光学系统结构,比同等视场的内窥镜系统结构更简单,已交付有关单位使用。本文最后实现了可分别组合使用的连续变焦光纤端面观测镜的仪器化,并进行了有关测试,取得了良好的实验结果。工作中的主要创新点在于:光学设计理论研究方面:提出了消色差非浸液显微物镜的系统结构与负担偏角之间的定量关系经验公式,综合标准球面物镜系统经济成本的考虑,得到了消色差非浸液显微物镜选型表格,对于该类物镜设计具有一定的指导意义。利用以上成果设计了4种“较大数值孔径”微结构观测光学系统,获得了比类似系统结构更简单的设计结果,验证了选型研究结论的有效性。光学系统设计方面:提出并设计了两类微结构成像小型光学系统:“较大数值孔径”深孔检测光学成像系统系列(5种)和“大视场”细管状光学成像系统系列(3种)。前者利用针式/阶式探测物镜深入/半深入深孔获得高分辨力,后者采用超大视场物镜/大视场垂直偏转物镜覆盖大视场。二者均取得比类似系统更简单的结构。仪器设计方面:将变焦距物镜与定焦距物镜相结合,实现了便携式连续变焦光纤端面观测镜的仪器化,采用空间凸轮机构实现连续变焦要求,最高分辨力达1.5μm,可直接应用于PC/APC光纤连接方式。经实验验证,像质良好,变焦比达到4×,与类似产品(变焦比2.2×)相比有所提高。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-28
  1.1 微结构成像观测研究的背景  10-11
    1.1.1 微结构成像观测研究的意义  10
    1.1.2 微结构成像观测研究的应用领域  10-11
  1.2 微结构成像在光纤端面观测方面的应用  11-22
    1.2.1 光纤端面检测的意义和市场前景  11-12
    1.2.2 光纤端面质量的影响  12-16
    1.2.3 光纤的活动连接形式和光纤连接器  16-20
    1.2.4 光纤端面质量检测的现有产品  20-21
    1.2.5 光纤端面质量检测光学系统的要求  21-22
  1.3 微结构成像在体腔内病变诊断治疗方面的应用  22-24
    1.3.1 微结构成像在体腔内病变诊断治疗方面应用的优势和意义  22-23
    1.3.2 体腔内病变诊断治疗用光学系统的要求  23-24
  1.4 微结构成像观测系统的结构  24-25
  1.5 本章小结  25
  1.6 本文的主要研究工作和各章主要内容  25-28
第二章非浸液显微物镜光学系统“经验设计”研究  28-52
  2.1 研究光学系统结构与要求的关系的必要性  28-31
  2.2 非浸液显微物镜系统孔径与结构的关系研究  31-38
    2.2.1 双胶合透镜负担偏角  31-35
    2.2.2 普通单透镜负担偏角  35-37
    2.2.3 半球形透镜前片负担偏角  37-38
  2.3 显微物镜长工作距离要求和结构的关系  38-41
  2.4 消色差非浸液显微物镜结构选型研究  41-50
    2.4.1 消色差非浸液显微物镜选型近似公式研究  41-43
    2.4.2 消色差非浸液显微物镜选型近似公式的适应性研究  43-48
      2.4.2.1 消色差非浸液显微物镜选型近似公式的在有限筒长范围的适应性研究  43-46
      2.4.2.2 消色差非浸液显微物镜选型近似公式的在无限筒长范围的适应性研究  46-48
    2.4.3 消色差非浸液显微物镜选型经济程度研究  48-50
  2.5 本章小结  50-52
第三章 “较大数值孔径”深孔检测光学成像系统系列的研究与设计  52-85
  3.1 “较大数值孔径”深孔检测光学成像系统要求  52-55
    3.1.1 “较大数值孔径”深孔检测光学成像系统的基本参数确定  52-54
    3.1.2 “较大数值孔径”深孔检测光学成像系统系列的提出  54-55
  3.2 针式探测物镜系统设计  55-61
    3.2.1 针式探测物镜初始结构选择和像差分析  55-56
    3.2.2 针式探测物镜设计结果  56-60
    3.2.3 针式探测物镜设计结果比较  60-61
  3.3 大孔径针式探测物镜系统设计  61-64
    3.3.1 大孔径针式探测物镜初始结构选择和像差分析  61-62
    3.3.2 大孔径针式探测物镜设计结果  62-64
  3.4 长工作距离阶式探测物镜系统设计  64-70
    3.4.1 长工作距离阶式探测物镜初始结构选择和像差分析  64-67
    3.4.2 长工作距离阶式探测物镜设计结果  67-70
  3.5 管式物镜系统设计  70-74
    3.5.1 管式物镜初始结构选择和像差分析  70
    3.5.2 管式物镜设计结果  70-74
  3.6 变焦距物镜系统设计  74-83
    3.6.1 变焦距物镜初始结构选择  74-75
    3.6.2 双组元全动型变焦距物镜运动模型分析  75-79
    3.6.3 变焦距物镜设计结果  79-83
      3.6.3.1 变焦距物镜独立使用的像差结果  79-82
      3.6.3.2 变焦距物镜与针式探测物镜的场镜衔接设计和像差结果  82-83
  3.7 本章小结  83-85
第四章 “大视场”细管状光学成像系统系列的研究与设计  85-114
  4.1 “大视场”细管状光学成像系统系列的研究与设计  85-87
  4.2 超大视场物镜系统设计  87-96
    4.2.1 超大视场物镜系统结构和像差分析  87-91
    4.2.2 超大视场物镜系统初始结构的选择和调整  91-92
    4.2.3 超大视场物镜系统设计结果  92-96
  4.3 大视场垂直偏转物镜系统设计  96-102
    4.3.1 大视场垂直偏转物镜系统结构的优点  96-97
    4.3.2 大视场垂直偏转物镜系统初始结构的选择和调整  97-100
    4.3.3 大视场垂直偏转物镜系统设计结果  100-102
  4.4 胶合棒镜传像光学系统设计  102-110
    4.4.1 胶合棒镜传像光学系统结构分析和像差分析  102-107
    4.4.2 胶合棒镜传像光学系统初始结构的选择和调整  107-108
    4.4.3 胶合棒镜传像光学系统设计结果  108-110
  4.5 “大视场”细管状光学成像系统设计比较  110-112
    4.5.1 “大视场”细管状光学成像系统畸变  110-111
    4.5.2 “大视场”细管状光学成像系统结构简化程度  111-112
  4.6 本章小结  112-114
第五章连续变焦光纤端面观测镜仪器化设计与实验研究  114-147
  5.1 连续变焦光纤端面观测镜系统结构  114-121
    5.1.1 连续变焦光纤端面观测镜总体结构  114-115
    5.1.2 连续变焦光纤端面观测镜光学结构  115
    5.1.3 连续变焦光纤端面观测镜照明系统设计  115-116
    5.1.4 连续变焦光纤端面观测镜光电器件选择与光能验证  116-121
  5.2 连续变焦光纤端面观测镜机械结构设计  121-132
    5.2.1 针式探测镜机械设计  121-124
      5.2.1.1 针式探测镜机械系统  121-123
      5.2.1.2 针式探测镜实物图  123-124
    5.2.2 变焦距微结构观测镜机械设计  124-130
      5.2.2.1 变焦距微结构观测镜机械系统  124-125
      5.2.2.2 变焦距机械系统——凸轮机构  125-129
      5.2.2.3 变焦距微结构观测镜实物图  129-130
    5.2.3 变焦距针式探测镜机械设计  130-132
      5.2.3.1 变焦距针式探测镜机械系统  130-131
      5.2.3.2 变焦距针式探测镜实物图  131-132
  5.3 连续变焦光纤端面观测镜实验装置  132-133
  5.4 连续变焦光纤端面观测镜实验研究  133-145
    5.4.1 针式探测镜实验研究  133-139
      5.4.1.1 针式探测镜光纤端面PC连接方式观测实验结果  133-134
      5.4.1.2 针式探测镜光纤端面APC连接方式观测实验结果  134-136
      5.4.1.3 针式探测镜计量光栅观测实验结果  136-137
      5.4.1.4 针式探测镜分辨率板观测实验结果  137-139
    5.4.2 变焦距观测镜实验研究  139-143
      5.4.2.1 变焦距观测镜计量光栅观测实验结果  139-140
      5.4.2.2 变焦距观测镜分辨率板观测实验结果  140-143
    5.4.3 变焦距针式探测镜实验研究  143-145
  5.5 本章小结  145-147
第六章总结与展望  147-150
参考文献  150-153
发表论文和科研情况说明  153-154
致谢  154

光学微结构观测系统研究

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