Zemax光学设计实例（68）---一个采用棒状透镜的内窥镜的设计

导论：

内窥镜是非常长而且窄的光学转像系统，是为探测人体内相关机体专门设计的。物空间的介质是水，所以，最前面的元件通常为平面形状，以此使内窥镜能够观察到空气或人体内的物体。由于内窥镜应用在人体内部，所以，必须经得起高压灭菌器，或浸在有毒气体，例如环氧乙烷中进行消毒。又因为其长而窄的结构，内窥镜在工业界可用作深孔检查的工具，故称为管道镜。

在某些系统中，是在一个小直径不锈钢管内安装一个前物镜（探针的最远端），物镜后紧跟着一系列转像透镜和场镜，从而将样片成像在一束光纤上，这种灵活的光纤束将图像传输到另一端（探针的近端），然后用目镜进行观察。另外，也可以使用CCD拍摄到该图像，很方便地在监视器上观看，还可以使用另一光纤照明。这种结构形式非常灵活方便，经常用于体检。为使对人体的伤害达到最小，前端刚性部分的直径一般小于3mm。

在某些医学应用中，外科医生希望能够旋转内窥镜，以便对人体内诊断区域进行扫描，在物镜前面设计一个偏折棱镜就可以完成该任务。

设计一个棒状透镜的内窥镜，该系统在水中的视场是50度，f#是f/3。

ZEMAX仿真：

（1）系统建模：

由设计要求，在“Units”的“Lens Units”选择“inches（英寸）”。如下图：

在孔径类型中选择“Image Space F/#”，ApodizationType选择“Uniform”。

如下图：

在Field Data里，选择“Angle（Deg）”，输入0，13，25，如下图：

在波长设定对话框中，输入0.546um，0.640um，0.480um，0.590um和0.515um五个波长，0.546um为主波长，权重为1，其他4个波长的权重如下图：

然后将初始结构数据都输入到LDE中，如下图：

与直径相比，这类物镜的光学元件都非常长，有利于仪器的固定和装配。

厚透镜也有助于减小Petzval和球差。

然后查看下初始2DLayout，如下图：

由上图看出，系统被分为相同的三块。

（2）系统优化：

打开MFE，选择“Tools-Default Merit Function”，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Spot Radius+Centroid”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

增加以下操作数：

EFFL操作数，控制系统有效焦距，目标值-0.06，权重100；

MNCG操作数，控制第1面至第7面的最小玻璃中心厚度，目标值是0.03，权重10；

MXCG操作数，控制第1面至第7面的最大玻璃中心厚度，目标值是0.2，权重1；

MNEG操作数，控制第1面至第7面的最小玻璃边缘厚度，目标值是0.02，权重10；

MNEA操作数，控制第2面至第5面的最小空气边缘厚度，目标值是5，权重10；

MNCA操作数，控制第2面至第5面的最小空气中心厚度，目标值是5，权重10；

DIMX操作数，监控最大视场的畸变大小，目标值是3，权重0.1；

CTGT操作数，控制第26面的中心厚度大于，目标值0.19，权重1；

TTHI操作数，控制系统总长，目标值8.2，权重0.1；

MNIN操作数，控制第3面至第10面的最小d光折射率，目标值是1.5，权重1；

MXIN操作数，控制第3面至第10面的最大d光折射率，目标值是1.73，权重1；

MNAB操作数，控制第3面至第10面的最小阿贝色散系数，目标值是25，权重0.1；

MXAB操作数，控制第3面至第10面的最大阿贝色散系数，目标值是65，权重0.1；

如下图所示：

打开LDE，将所有面的半径，各个面的厚度设置为变量，如下图所示：

点击OPT开始优化。

查看优化后的2D Layout：

点列图：

Ray Fan图：

RMS Vs Fields：

MTF：

Field Curv/Dist：