第十九章光学显微镜、近场光学显微镜与近场光学第三节近场光学 一、超分辨与近场光学概论 （一）细光束的极值 1、海森伯不确定性原理 2、传输光束中光子的空间不确定性极值 （二）突破分辨极限成像的关键 （三）近场光学的定义 二、近场光学显微镜(NOM) （一）NOM的发展历史 1、早期NOM的设想与研究 2、扫描隧道显微镜（STM）的发明促进A-SNOM发展 3、尖散射型扫描近场光学显微镜（S-SNOM ） 4、隧道结光发射扫描近场光学显微镜（TE-SNOM） 5、光子扫描隧道显微镜（PSTM） （1）早期的光子扫描隧道显微镜（PSTM） （2）原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF/PSTM） （二）NOM综述 1、NOM基本类型 （1）基本类型 （2）基本结构 （3）有代表性的研究成果 （4）NOM的适用范围 2、NOM超分辨成像的基本条件 （1）隐失光成像 （2）超分辨尺度的光探测尖 （3）光探测尖与样品表面间距的精确反馈控制
（4）三维超衍射极限精度的扫描机构和高灵敏度记录系统 3、NOM的产业化现状 三、近场光学理论模拟方法 （一）理论基础与方法 1、近场、远场和隐失波、传输波概念的数学表述 2、理论基础与其早期的研究 3、近场光学理论方法 （二）时域有限差分法 1、时域有限差分法特点 2、叶（Y ee）氏网格 3、麦克斯韦（Maxwell）方程的差分形式 4、数值稳定性问题 5、数值色散问题 6、吸收边界条件 （1）莫尔（Mur）二阶吸收边界 （2）PML理想匹配层吸收边界 7、散射场计算方法 （1）总场和散射场方法 （2）分离场公式 8、色散介质中的时域有限差分方程(FD)2TD 9、举例 （1）A-SNOM实验结果 （2）S-SNOM模拟结果 （3）PSTM模拟演示 （三）格林并矢方法 1、李普曼-施温格（Lippmann-Schwinger）积分方程 2、求解李普曼-施温格积分方程 （1）介质样品“OPTICS”字符的PSTM 等高光场分布模拟
光纤激光器原理： 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值，光束质量好和窄线宽等优点。并且，光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点；超长的工作寿命和免维护时间，平均免维护时间在10 万小时以上。 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如 说10 ns（纳秒），一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连 串脉冲，比如， 1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复（频）率前者为10，后者为 1 ，那么， 1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而 1 秒钟发出 1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ（毫焦），T = 0.1 秒，那么， 平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t ，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率（peak power），例如，在前面的例子中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P 峰值= 50 ×10^（-3）/[10 10×^（-9）] = 5 10×^6 W = 5 MW（兆瓦），由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k= ？秒平均功率 P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P 峰值功率=E/t
对振镜式激光打标控制器的深入研究随着激光打标机应用范围的不断扩大，对激光打标的速度和精度要求也越来越高。TI公司的TMS320F2812DSP，是专门为工业控制应用而设计的高速处理器，应用其来开发激光打标控制器具有实际意义，文中设计的激光打标控制器应用前景广阔。 1 控制器的工作原理 振镜式激光打标控制器上位机是安装了打标软件的计算机，文字和图形通过图像处理成大量的打标数据，并在打标软件界面上显示出效果图。打标数据由USB总线传输到扩展存储器RAM上，再由DSP按顺序取出送入到D/A转换芯片中，D/A芯片转换后输出-5～5 V的模拟电压驱动扫描振镜和控制激光电源的功率，并由一路GPIO(通用输入/输出)引脚控制激光能量的开关，x、y轴振镜控制激光焦点在二维平面上有序移动来完成各种形式的文字、图形打标。 2 振镜式激光打标控制器的硬件电路设计 系统的原理框图如图1所示。振镜式激光打标控制器主要有USB通讯电路、扩展存储器电路、D/A转换电路和CPLD 电路。
2.1 USB通讯接口 USB通讯模块采用Cypress公司的CY7C68013，USB与DSP的连接方法有FIFO和GPIF两种，在本系统中采用了FIFO 方式，读写信号由CPLD和DSP提供。USB芯片的SLOE连接到DSP的外部中断，其他控制信号由DSP通过CPLD译码后与USB芯片连接，DSP的数据线和两路地址线直接与USB相连。 2.2 高速D/A转换电路 数模转换部分为控制器的关键部分。本系统中需要三路D/A，分别控制振镜x轴和振镜y轴以及激光功率。对于本系统AD7836的主要技术参数都符合要求： (1)单片4路14位D/A转换;(2)电压输出，最大电压输出范围是±10 V;(3)输出电压的建立时间典型值为16 μs。 D/A电压分辨率为：5 V/213=O.61 mV。双极性和单极性电压输出相比电路省去了改变电压极性的运算放大器，使电
1 绪论 1.1 内窥镜的国内外发展现状 1.1.1 国内研究现状及主要研究内容 从1980年代起，国内陆续开始自主研究，生产硬式内窥镜、光纤内窥镜，并且引进电子内窥镜技术，生产电子内窥镜系列产品。己投放市场的产品有硬式内窥镜、光纤内窥镜、电子视频内窥镜三类产品。 (l)硬式内窥镜 硬式内窥镜由成像物镜、转像透镜、导光束、目镜、外管组成。硬式内窥镜成像原理是光学物镜成像，然后利用转像系统来传输图像。因此，光学镜片的加工技术水平决定了硬式内窥镜的技术水平。目前，在成像技术上，国内与国外是基本相同的。但是，在产品外部材料和外观上，与国外同类产品相比有差距，但使用效果相同。 (2)光纤内窥镜 制造光纤内窥镜关键的部件是光纤传像束，它决定产品清晰度、分辨率和使用寿命。在光纤传像束直径相同的条件下，国外光纤传像束生产线生产的光纤传像束单丝为2万余根，国产生产线生产的光纤传像束单丝为1万根以内。其内窥镜制造原理一样，但是光纤材料有差别。如果采用进口光纤传像束组装内窥镜，国内与国外同类产品的差距会减小。 例如:EKG一3002型光纤工业内窥镜是一种利用纤维光学、精密机械及电子技术结合而成的新型光学仪器。它利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能，可以对设备中肉眼不易直接观察的隐蔽部位方便地进行直接快速的检查。既不需设备解体，也不需另外照明，只要将窥头插入孔内，内部情况便可一目了然。可直视，也可侧视。 还可手控窥头对被检查面进行连续上下左右扫描达100°。可目视，也可照相，还可录像或电视显示，为分析故障原因提供依据。是航天、军事、国防、无损检测、机械制造、发电、石化、汽车、兵器、交通、冶金、压力容器等领域中得心应手的直观高效的检测仪器。 EKG一3002型工业内窥镜主要技术参数: l)探头外径:Ф6.5～Ф15mm 2)探测长度:1.8～4.5m 3)工作距离:10～80mm 4)视场角:≥100° (3)电子内窥镜 国内制造商均采用进口CCD原件，组装电子工业内窥镜产品，整机主体技参数与外国产品的相接近。在航天航空行业等己基本能够满足NDT正常使用。国外产品最小直径为6mm，国内
浅析光学显微镜机械结构设计 发表时间：2019-04-28T09:29:27.077Z 来源：《基层建设》2019年第6期作者：朱濛1 陈振波2 孔欢3 王鹏程4 姚新科5 [导读] 摘要：光学显微镜（Optical Microscope，简写OM）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。 1、南京工程学院电力工程学院 21167； 2、南京工程学院机械工程学院 21167； 3、南京工程学院电力工程学院 21167； 4、南京工程学院建筑工程学院 21167； 5、南京工程学院自动化学院 21167 摘要：光学显微镜（Optical Microscope，简写OM）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。光学显微镜的使用范围非常的广泛，发展至今，也衍生出了非常多的类型，本文结合光学显微镜的结构组成，从人体工程视角探索光学显微镜的机械结构设计，从使用的安全性、科学性、可靠性的角度分析了光学显微镜的机械结构设计的规范和标准。 关键词：光学显微镜；机械结构；人体工程学 光学显微镜的结构主要有光学结构和机械结构组成，机械结构的部分不仅能对光学结构有很好的固定作用，还起着关键性的调节作用，机械结构能够发挥光学系统的最大功效，辅助光学系统完成相关的显微镜观察工作。光学显微镜的机械结构的部分主要在载物台、物镜转换器以及调焦装置等，这些机械结构的设计不仅要遵循基本的机械结构设计原则，还要保证在光学显微镜中的具体的光学操作，除此之外，设计的原则还要迎合人体操作的需求，使得光学显微镜的机械结构更加的吻合人体工程学的设计要求，使得光学显微镜使用更加的舒适方便。 一、光学显微镜的基本构造 对于光学显微镜的机械设计，我们首先要了解光学显微镜的构造组成部分，而且还要知道这些零部件的作用，只有熟知了这些零部件的作用和使用规范，我们才能更加合理的设计光学显微镜的机械结构部分，光学显微镜一般是由载物台、聚光照明系统、物镜，目镜和调焦机构组成。载物台的作用是放置被观察的物体，使用调焦旋钮来驱动调焦机构能完成对载物台的调节工作。聚光灯照明系统由聚光灯和光源组成，聚光灯的作用能够让光更多的聚集到被观察的部位。物镜距离载物台比较近，是第一级的放大装置。目镜则是于人眼靠近的第二级放大镜头。 这三部分是光学显微镜的重要组成部分，构成了光学显微镜的主要工作原理。 那么机械装置有哪些呢？一般光学显微镜的机械装置有镜座、镜臂、载物台、镜筒、物镜转换器、与调焦装置。这些机械装置的主要作用是固定和调节光学镜头，调节标本的位置等。其中镜座是支撑整个显微镜的装置，而镜臂则用来支撑精通和载物台。 二、基于人体工程学的光学显微镜的机械结构设计 人体工程学的设计原理主要是考虑到人体结构和机械结构尺寸，并且综合考虑到人们劳动、工作效果、工作效能等方面，利用系统工程、控制理论、统计学的原理设计出一系列的设计方法。具体到光学显微镜的机械结构设计中，我们就要考虑到人们的身体尺寸和应用习惯，首先我们从有关部分获得了我国成年人的人体部分尺寸的表格（表-1），以此为根据设计光学显微镜结构部分。 1、载物台的设计 从上面的介绍中我们知道，载物台的作用是用来放置被观察物体的，并且式样能够在载物台上自由的移动，以获取最佳的观察效果。一般的移动范围是30mm*70mm和50mm*70mm，主要的设计标准就是，载物台距离工作底面的距离于载物台和人体的水平距离，分别设为B1和B2，考虑到人在调节使用载物台的过程中的行为习惯，得出计算式。 其中y1和y2分别衣着修正指数和身体活动余量修正。同理得出B2的表达式。经过计算得出： B1=307～357mm B2=301～348mm 2、调焦机构设计 调焦机构用于调节光学结构以便于观察人员获取最佳的成像效果，调焦的动作主要包括了上下移动和粗微调节机构，如何合理的设计能够使得人在调焦的过程中更加的舒适和便捷。首先是调焦旋钮的位置，在具体的使用过程中，显微镜是放在工作台上的，我们无法获取具体的使用高度和姿势，所以我们只能将人体的上身活动分为三个维度的多个不同程度的拆解动作，分别为手肘在X、Y、Z轴上的旋转方向，并在matlab的环境下运行得出，人体的手臂舒适度域： 为了适应大多数人的使用习惯，我们从95百分位这一阶段的数据为设计的参考点，确定出调焦按钮的最佳设计尺寸，从而确定调焦按钮在光学显微镜中的位置。其次是调焦按钮的外形和尺寸，旋钮的截面形状对于人手的握持方式有着一定的影响，当旋钮和手掌的接触面积越大的时候，人手的贴合的程度越好，那么使用的手感就越好，但是太大了会让人手在长期的握持中增加疲劳感，所以对于旋钮的直径设计要求为。旋钮的直径设计保持在35mm-75mm之间，厚度的大小在20mm-50mm范围内波动。最后是旋钮的扭矩M，扭矩的大小设计也非常的重要，太大了会使握持不舒服，太小的话又不利于调焦的准确，由于人类的手部关节的操作力范围为12N-18N，根据人体工程学的计算方法得出M的大小为： 除了基本的形态和尺寸设计，我们还要考虑到载物台移动过程中的摩擦力设计，太小的摩擦力会让调节过程难以掌握精确度，阻力太大的话会增加人使用的机体劳累，所以适当的摩擦力设计也是机械结构设计中需要考虑的内容。 3、物镜转换器的设计 物镜转换器是迅速切换物镜的机械装置，有内定位和外定位两种，转换器的设计直接影响了成像的质量，根据人体工程学的原理，内定位型的转换器比较能够减轻操作的负担，同时还能节省操作台的空间，所以很多光学显微镜的采用内定位转换器，其设计也非常的满足心理学和生理学的设计要求。 结语 本文通过对光学显微镜的主要结构做了介绍，并对光学显微镜的机械部分的功能做了相应的阐述，利用人体工程学的设计理论，对光学显微镜的机械结构部分作出了具体的设计标准的研究，是符合我国当前光学显微镜制造标准的。 参考文献： [1]史红伟，石要武，杨爽等.光学显微镜自动调焦指导函数的评价与选择[J].计算机辅助设计与图形学学报，2013，25（2）：235-24
第36卷第11期 光电工程V ol.36, No.11 2009年11月Opto-Electronic Engineering Nov, 2009 文章编号：1003-501X(2009)11-0075-04 口腔内窥镜系统的设计与实现 吴頔，张红霞，贾大功，井文才，张以谟 ( 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学)，天津 300072 ) 摘要：本文设计一种口腔内窥镜，以满足牙科医学应用。整个系统主要由成像系统、照明系统、图像显示及处理系统三个部分组成。系统具有显微放大的功能，并且亮度及色温可调。文中利用光学软件设计、优化了光学成像系统，给出了系统像差曲线，并构造了光学照明系统。论文结尾使用口腔内窥镜对两种牙齿模型进行了测试实验，系统成像分辨力高于100 lp/mm，图像清晰，可以观察到牙齿表面的细节。实验结果表明，系统能够满足牙科医学使用要求。 关键词：口腔内窥镜；光学系统；照明系统；牙齿模型 中图分类号：TH74；R781 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2009.11.016 Design and Realization of Oral Cavity Endoscope System WU Di，ZHANG Hong-xia，JIA Da-gong，JING Wen-cai，ZHANG Yi-mo ( College of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering, Key Laboratory of Opto-Electronic Science and Technology, Ministry of Education (Tianjin University), Tianjin 300072, China ) Abstract: An oral cavity endoscope was designed to meet the practical needs of dentistry. The whole system was composed of imaging system, illuminating system, image display and processing system. The system has the function of micro-amplification, and the brightness and color temperature is adjustable. In this paper, optics software was used to design and optimize the optics imaging system, and gave out the aberration curve. The illumination system was constructed. In the ending of the papers, the oral cavity endoscope was used to test two teeth model. The system resolution is higher than 100 lp/mm and the image is clear. The details of tooth surface can be observed. The experiment results show that the system could meet the requirements of dental medical application. Key words: oral cavity endoscope; optical system; illumination system; teeth model 0 引言 近年来，口腔内窥镜在口腔临床医学中得到迅速普及与广泛应用[1-3]。它通过将观测探头伸入口腔，在自备光源的照明下，由成像镜头摄取牙齿的细节，成像在COMS或CCD图像传感器上，经过光电转换和图像信号处理后送到显示器上，显示清晰放大的图像供医生观察。目前国内口腔内窥镜多为代理国外公司的产品，自行设计研发的口腔内窥镜产品很少[4]。市场上常见的口腔内窥镜，其成像系统一般是投影成像系统或望远成像系统。相应的照明系统使用贴片封装式的LED，其优点是成本低，结构简单。但是这种口腔内窥镜无法观察牙齿细节，并且不易在色温，亮度，发热等方面进行调节，同时需要复杂时序电路控制。 本文利用显微成像系统原理设计一种口腔内窥镜，目的在于观察人眼不易直接看到的牙齿细节，及时发现病变。文中采用图像传感器配合显微成像镜头和光纤照明系统实现清晰的成像效果，并在牙齿模型上 收稿日期：2009-03-03；收到修改稿日期：2009-06-11 基金项目：国家自然科学基金项目(60577013)；教育部新教师博士点基金项目(200800561022)；天津市自然科学基金项目(2009F2-0019)作者简介：吴頔(1985-)，男(汉族)，辽宁盘锦人。硕士研究生，主要从事口腔观测方面研究。E-mail: wd101101@https://www.doczj.com/doc/8b14243625.html,。
内窥镜光学设计， 内窥镜是医生用于医疗的一种光学设备，关于它的基本原理在许多论文都有所阐述，开始全部用小镜片设计，后来随着光学设计技术发展，设计思路的改进，也有比较大的变化，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成本，高亮度，良好的装配性，这些年随着设计经验的积累，对设计有很多改善 体现在 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，一方面降低成本，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，比如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达到4.9mm， 和国外的STOZS等的产品基本一致， 4）设计光谱，材料根据各方面情况进行优选，使设计的光学系统色彩还原性好，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，降低成本,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，在结构方面，我们提供优质成熟的结构设计，新的结构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验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行设计，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
课 程 设 计 光学显微镜设计 设计题目 学 号 专业班级 指导教师 学生姓名 测量显微镜
根据学号得到自己设计内容的数据要求： 1.目镜放大率10(即焦距25） 2.目镜最后一面到物面距离110 3.对准精度1.2微米 按照实验步骤，先计算好外形尺寸。然后根据数据要求选取目镜与物镜。 我先做物镜。因为这个镜片比较少。按物镜放大率选好物镜后，将参数输入。简单优化，得到比较接近自己要求的物镜。 然后做目镜，同样的做法，这个按照焦距选目镜，将参数输入。将曲率半径设为可变量，调入默认的优化函数进行优化。发现“优化不了”，所有参数均没有变化。而且发现把光源放在“焦点”位置，目镜出射的不是平行光。我百思不得其解。开始认为镜头库的参数可能有问题。最后我问老师，老师解释，那个所谓的“焦点”其实不是焦点，我错误的把“焦点”到目镜第一个面的距离当成了焦距。这个目镜是有一定厚度的，不能简单等效成薄透镜。焦点到节点的距离才是焦距。经过老师指点后，我尝试调节光源到目镜第一面的距离，想得到出射平行光，从而找到焦点。但这个寻找是很费力气的，事倍功半。老师建议我把目镜的参数倒着顺序输入参数。然后用平行光入射，然后可以轻松找到焦点。 但是，按照这个方法，倒着输入参数，把光源放在无限
远的地方（平行光入射），发现光线是发散的。不解。还是按照原来的方法。把光源放在目镜焦点上，尽量使之出射平行光。然后把它与优化好的物镜拼接起来。后来，加入理想透镜（会聚平行光线），加以优化。 还有一个问题，就是选物镜的时候，发现放大倍率符合了自己的需求，但工作距离与共轭距，不符合自己的要求。这个问题在课堂上问过老师，后来经老师指点，通过总体缩放解决。 物镜参数及优化函数
FD光学内窥镜硬管内窥镜直窥镜 产品介绍： FD型硬管光学内窥镜是由高性能的光学透镜组系统，外敷刚性外管，通过物镜、目镜成像的光学检测仪器。独特的光学系统具有图像真实清晰、色彩纯正明亮，被观察物体无球变等优点。 针对不同检测工件提供0°、70°、90°不同观察视角，可选100mm、175mm、300mm 不同长度，是机械制造、铸造行业、航空航天、管道等行业必备检查工具。 使用范围： FD型硬管光学内窥镜现已广泛应用于汽车零部件铸造、液压类铸造、泵体阀体类铸造、机械零部件铸造、管路管件类铸造、兵器制造等单位，用于检查铸造体内部的深孔、盲孔、交错孔、、夹砂、毛刺、表面光洁度等铸造缺陷。 产品特点： 清晰、明亮的影像 影像即可目视观察，也可通过外接CCD摄像机屏幕显示，图像真实清晰、色彩纯正明亮，被观察物体无球变等优点 可互换的插入管 针对不同的观察环境，快速更换0°、70°、90°不同的观察视角 优秀的光学系统 大视场、长景深、小直径成像物镜结构设计，保证影像的清晰 明亮的光源 提供充足的照明光源，扩大了观察范围 刚性的外管设计，经久耐用 特殊的刚性外管设计，防磨损、防污垢更加适用于特殊的环境
技术参数： 插入外管直径：2.7mm/3mm/4mm/6mm 工作长度：100mm/175mm/300mm 外管材质：刚性外管 观察视角：0°/70°/90° 视场角：60° 焦距：5mm--∞ 光源类型：手持式高亮度LED光源 成像系统：光学透镜成像系统 观察方式：光学目镜观察 插入管材质：超强度刚性不锈钢外管，耐磨、防酸、防碱、防腐蚀，在水中也可使用照明方式：一体式便携光源、光纤导光 使用环境：-20℃-- 80°℃ 供电方式：AA锂电池
激光振镜运动控制系统开发 固高科技（深圳）有限公司 摘要：激光振镜运动控制技术是将振镜运动控制、电机运动控制和激光及其能量控制相结合的专业控制技术。针对不同的激光器，提供了频率输出、ＰＷＭ输出以及模拟电压输出三种激光输出 方式，提供激光能量的三种控制方式：随动模式、时序逻辑输出模式和位置相关控制模式， 以实现不同的激光加工工艺。本文以开放式结构的固高激光振镜运动控制器为平台，详细的 阐述了该控制器的特点，并以激光雕刻为例阐述了在激光加工行业的应用。 关键字：运动控制器激光能量雕刻切割 1前言 激光加工技术实现了光、机、电技术相结合，是一种先进的制造技术。由于其具有无接触、清洁、效率高以及适用于特殊加工等优点，使得激光加工技术广泛渗透于传统制造技术的很多工艺过程中。随着振镜电机的出现，大大提高了激光加工设备的速度，提高了生产效率。已经广泛应用于汽车、冶金、纺织、化工及微电子等众多的领域，随着对精度更高的要求和一些特殊加工工艺的出现，不但需要对激光能量进行实时的控制，而且需要更加复杂的运动控制。 固高公司的激光振镜运动控制器以先进的激光加工需要为出发点，不但保证系统高速高精度的轨迹运动，而且能准确、实时的控制激光能量。本文基于这款激光振镜运动控制器，详细阐述了其特点，并讨论了激光振镜运动控制系统的设计过程。 2激光振镜运动控制器特点 激光振镜运动控制器继承了固高公司通用运动控制器良好的运动控制功能，同时提供了高性能的激光能量控制。而且把振镜电机控制和步进（伺服）电机控制相结合，能完成更加灵活的运动控制。现将激光振镜运动控制器的特点归纳如下： （1）多轴联动，能实现直线、圆弧插补；可任意指定控制轴为电机或振镜。 （2）可实现小线段连续加工。 （3）可根据不同振镜，进行非线性误差校正。 （4）采用高速IO作为激光输出，并提供激光状态改变的延时时序逻辑处理，实现运动控制与激光控制的有效结合。 （5）提供实时位置比较输出功能，使得激光状态的改变没有非指定延迟。 （6）提供频率、PWM以及模拟电压三种激光能量输出方式。 （7）提供能量跟随、时序逻辑输出和位置相关控制三种激光能量控制模式。 3激光振镜运动控制系统的开发 采用固高激光振镜运动控制器只需要添加少量的硬件设备即可建立完整的激光加工设备，实现优
激光打标机常见故障处理方法及注意事项 故障1：打标不均匀，导致打标不均匀的因素主要有7种： a、机台水平未调好：即振镜头或场镜镜头与加工台面不平行。 处理方法：将机台水平调好。 b、工件表面不在焦平面上。 处理方法：调整工件表面至焦点 c、激光输出光斑被遮挡：即激光光束经过振镜及场镜后光斑有缺，不够圆。处理方法：调节固定夹具与振镜。 d、振镜偏转镜片有损伤： 处理方法：更换镜片。 e、材料的原因：如材料表面的膜层厚度不一致或物理化学性质变化。 f、打标速度过快。 处理方法：放慢速度。 g、激光器使用年限过长，导致衰减。 处理方法：需要更换新的激光器。
故障2：激光强度下降，标记不够清晰 处理方法： a、激光谐振腔是否变化；微调谐振腔镜片。使输出光斑最好； b、声光晶体偏移或者声光电源输出能量偏低；调整声光晶体位置或者加大声光电源工作电流； c、进入振镜的激光偏离中心：调节激光器； d、若电流调到20A左右仍感光强不够：氪灯老化，更换新灯。 故障3：氪灯不能触发 解决方法： a、检查所有的电源连接线； b、高压氪灯老化，更换氪灯。 故障4、激光打标机激光输出光斑有闪烁现象： 处理方法：a、谐振腔调整是否精确； b、膜片架是否固定牢靠； c、聚光腔固定是否有问题； d、YAG晶体固定是否松紧适度。 注意事项: 1 、采用水冷的激光设备，要保持内循环水干净。定期清洗水箱并换干净去离子水或纯水。严禁无水或水循环不正常情况下启动激光电源和调Q电源； 2 、不允许Q电源空载工作(即调Q电源输出端悬空)； 3、出现异常现象，首先关闭振镜开关和钥匙开关，再行检查； 4 、采用风冷方式冷却的激光设备，检查排风扇，仔细观察设备运行时排风扇是否运转正常、有无异样杂音或过热现象。 5、定期清除空气滤网的灰尘，一般2-4周清除一次，若污垢严重或滤网有破损，需更换过滤网。 6、搬动激光打标机时，注意不得拉伤激光传送管； 7、注意打标机幅面不得超过工作幅面; 8、要严格按照设备的启动步骤来操作，不要胡乱操作； 9、作业时在激光束边上需要按规定戴上防护用品；
第十六章显微镜物镜设计 显微镜是用来帮助人眼观察近距离细小目标的一种目视光学仪器，它由物镜和目镜组合而成。显微镜物镜的作用是把被观察的物体放大为一个实像、位在目镜的焦面上，然后通 过目镜成像在无限远，供人眼观察。 在一架显微镜上，通常都配有若干个不同倍率的物镜目镜供互换使用。为了保证物镜的互换性，要求不同倍率的显微镜物镜的共轭距离（物平面到像平面的距离）相等。各国生 产的通用显微镜物镜的共轭距离大约为190m m左右，我国规定为195mm。如图16- 1所 示。可见，显微镜物镜的倍率越高，焦距越短。 还有一种被称为“无限筒长”的显微镜物镜，被观察物体通过物镜以后，成像在无限远，在物镜的后面，另有一个固定不变的筒镜透镜，再把像成在目镜的焦面上，如图16-2所示。筒镜透镜的焦距，我国规定为250mm。物镜的倍率按与筒镜透镜的组合倍率计算为： 250 图16 — 2无限筒长显微镜系统
§ 1显微镜物镜的光学特性 一显微镜物镜的倍率 显微镜物镜的倍率是指物镜的垂轴放大率。由于显微镜是实物成实像，因此为负值，但一般用的绝对值代表物镜的倍率。在共轭距L一定的条件下，与物镜的焦距存 在以下关系： 物 2 L (1 ) 对于无限筒长的显微镜的物镜，其焦距与倍率之间的关系为: 250 物 式中，为负值。 无论是有限筒长，还是无限筒长的显微镜的物镜，倍率的绝对值越大，焦距f物越短。 所以，实际上，物镜的倍率决定了物镜的焦距。因此，显微镜物镜的焦距一般比望远镜物镜的焦距短得多。焦距短是显微镜物镜光学特性的一个特点。 二显微镜物镜的数值孔径 数值孔径NA n sinU，是显微镜物镜最主要的光学特性，它决定了物镜的衍射分辨率，根据显微镜物镜衍射分辨率的计算公式： 0.61 NA 公式中，代表显微镜物镜能分辨的最小物点间隔；为光的波长，对目视光学仪器来说， 取平均波长0.0005mm 500nm ；NA为物镜的数值孔径。因此要提高显微镜物镜的 分辨率，必须增大数值孔径NA。 显微镜物镜的倍率、数值孔径NA、显微镜目镜的焦距f目与系统出射光瞳直径D/之 间满足以下关系： / NA NA 250 D f s = 目 式中，目为目镜的视放大率。为了保证人眼观察的主观亮度，出射光瞳直径最好不小于 1mm。在一定的数值孔径下，如果目镜的倍率目越小，就要求物镜有更高的倍率，但是物镜的倍率越高，工作距离越短，这给显微镜的使用造成不方便，因此一般希望尽量提高目 镜的倍率，但目镜由于受到出射光瞳距离的限制，焦距不能太小，通常目镜的最高倍率为 15 ，因此物镜倍率越高，要求物镜的数值孔径越大。数值孔径NA与相对孔径之间近似符合以下关系：
目录 摘要 I Abstract II 第一章绪论 1 1.1显微镜国内外发展情况 1 1.2 ZEMAX简介及原理 1 第二章物镜设计方案 2 2.1 物镜的种类 2 2.2高倍物镜的设计方案 9 第三章物镜设计参数及镜片选择 10 3.1物镜的数值孔径 10 3.2物镜的鉴别率 11 3.3物镜的有效放大倍数 11 3.4垂直鉴别率 12 3.5显微镜的视场 12 3.6 显微镜物镜设计中应校正的像差 13 3.7实际参数确定 13 第四章40×显微镜物镜光学系统仿真过程 16 4.1选择初始结构并设置参数 16 4.2自动优化 16 4.3 物镜的光线像差(Ray Aberration)分析 18 4.4 物镜的波像均方差(OPD)分析 18 4.5 物镜的光学传递函数(MTF)分析 19 4.6最终仿真参数分析 20 第五章心得体会 21 第六章参考文献 21 摘要 物镜是显微镜的结构组成中最为重要的光学元器件之一,它的原理则是利用光的折射成像原理，使被检测得物体通过光迹被物镜折射成像再传入人眼中,所以如何衡量一台显微镜质量的好坏，物镜的各项光学技术参数就成为了最为直接和影响成像质量的最重要的标准。物镜筒内是由分开一段距离并被固定的，一组或多组胶
合透镜组组装而成，目的是为了对像差和对像差公差的校正。物镜有许多具体的要求,比如透镜组的合轴或齐焦，因此物镜的结构极为复杂，需要具备精密的制作工艺。由于现代物镜的数值孔径（研究物镜的非常重要的一个参考数据）已经接近极限，物镜成像的视场中心的分辨率与研究的理论值几乎没有出入，也就意味着现代显微物镜已经达到了高度完善的地步，因此视场边缘的细致化与视场的增大化就成为我们现如今的研究工作。本次课设主要目的是设计出一个40×显微镜物镜光学系统。为了设计出相对完整的物镜光学系统，使得成像光斑（也就是误差）达到衍射极限，并能够完美的解决系统像差，主要的应用光学设计软件是ZEMAX，随后我们会详细介绍ZEMAX的发展历史和功能。设计显微物镜光学系统的过程就是个反复优化的过程，需要先经过计算机初步优化，系统分析，计算机调整参数，更改参数变量，再次进行优化，最终靠分析波前均方差和波像均方差等重要参数，评价模拟结果的点列图，设计出符合要求的显微物镜 关键词：显微物镜；ZEMAX；优化；光学系统 Abstract The most important objective is microscope optical components, use light was the first object, so direct relation with little influence imaging quality and technical parameters of the optical microscope, is the primary measure a quality standard. The structure is complex, objective, because of poor precision calibration, metal objects from the telescope in a certain distance apart and fixed lens groups. There are many specific objective requirements, such as close to axis. Modern microscope objectives, it has already reached the height already nearing their limits numerical aperture, view of theoretical resolution of the center with little difference has a narrow-sized microscope objectives. The view and improve the quality of imaging edge view, this study is still possible, still in the works. This class is mainly applied set ZEMAX optical design software, design and x microscope optical system accurately. Through computer optimization, system analysis - fine-tuning parameters - changing parameters optimized variables - again after repeated process, designed to eliminate system as the objectives and poor aspheric optics system, make whole disk image reached diffraction limit. The simulated results
第42卷第2期红外与激光工程2013年2月Vol.42No.2Infrared and Laser Engineering Feb.2013利用光纤传像束的内窥镜物镜设计 闫兴涛1,2，杨建峰1，薛彬1，周珂1,2，赵意意1,2，卜凡1,2 (1.中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术实验室，陕西西安710119； 2.中国科学院大学，北京100049) 摘要：光纤传像束用于内窥镜时，对内窥镜物镜的结构型式和成像质量提出了新的要求。在分析了其基本设计原则后，根据实际需求，选用反远距型物镜作为初始结构，利用Zemax软件优化设计了一个工作波段0.38~0.78μm，焦距0.921mm，全视场100°、相对孔径1/4的内窥镜物镜。镜头总长 10.32mm，满足像方远心要求，在38lp/mm频率处MTF值在0.85以上，像质优良；同时，在Tracepro 软件中建立了所设计物镜与光纤传像束结合后系统的模型，模拟的系统耦合效率约为96%且出射端照度均匀。结果表明：该物镜具有视场大、短焦距、结构合理、耦合效率高、像面照度均匀等特点，满足内窥镜要求。 关键词：应用光学；物镜设计；光纤传像束；像方远心 中图分类号：O439文献标志码：A文章编号：1007-2276(2013)02-0423-05 Design of the objective lens for endoscope with imaging fiber bundle Yan Xingtao1,2,Yang Jianfeng1,Xue Bin1,Zhou Ke1,2,Zhao Yiyi1,2,Bu Fan1,2 (1.Spectral Imaging Technique Laboratory,Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences, Xi′an710119,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China) Abstract:For the endoscope with imaging fiber bundle,either the configuration or the imaging quality of its objective lens should satisfy some new requirements.Firstly,the fundamental of the objective lens design was analyzed,and the retrofocus objective lens was chosen as an initial structure for this design. Then an objective lens for the fiber-optic endoscope was designed with the software Zemax.The operation wavelength,focal length,FOV(field of view)and relative aperture of the designed lens are 0.38-0.78μm,0.921mm,100°and1/4respectively.Its total length is10.32mm.It′s telecentric in image space.The MTF value of the lens is greater than0.85at the spatial frequency of38lp/mm. Furthermore,a model of the designed lens combined with the imaging fiber bundle was established in the software Tracepro.The coupling efficiency of the simulated system is about96%and the illumination of output end is uniform.All the results show that the designed lens has the peculiarity of wide FOV,short focal length,logical configuration,high coupling efficiency and uniformity illumination at image plane.It 收稿日期：2012-06-10；修订日期：2012-07-19 基金项目：国家自然科学基金(60808028)；国家863计划(2009AA122203) 作者简介：闫兴涛(1986-)，男，博士生，主要从事光学系统设计方面的研究。Email:xingtao.yan@https://www.doczj.com/doc/8b14243625.html, 导师简介：杨建峰(1969-)，男，博士生导师，博士，主要从事光学设计与光谱成像方面的研究。Email:yangjf@https://www.doczj.com/doc/8b14243625.html,
GT系列激光振镜运动控制器 (GT-400-SCAN) GT-400-SCAN型激光振镜控制器是固高科技开发 的新一代的激光振镜控制器，该控制器硬件系统采用 PCI总线形式，基于更高主频的DSP处理器和FPGA的 架构，能对振镜扫描头和激光进行实时同步精确控制的 多功能控制卡。该控制器提供了更多得到存储空间和更 高的控制性能以及更加精简的控制指令集。该控制器可 以广泛的应用于金属非金属的打标、精细加工、半导体 切割以及快速成型等应用领域。 激光振镜控制功能： 基于高性能的DSP+FPGA结构，高速高精度 的振镜运动控制。 提供可容纳10000条控制指令的缓冲区，提高振镜控制的实时性。 可实现二轴激光振镜的直线和圆弧插补输出，支持三维动态调焦功能(选件)。 支持缓冲区运动的暂停、恢复和停止操作。 高速高精度的飞行打标功能，支持模拟飞行打标和带码盘反馈的飞行打标模式。 多种模式的图像扫描功能，可以实现高清晰真灰度的图片扫描，可以通过调节控制参数实现图像灰度和对比度的调节。 控制器具备振镜非线性校正功能。 具有专门的快速定位功能以及跳转出光的功能，可以用于激光打孔等行业。 多种激光振镜工艺参数设置功能，最大限度的提高振镜扫描系统的性能，降低用户的开发难度。 具备多种特殊应用功能，满足一些特殊行业应用。 振镜刷新周期为10μs。 在缓冲区内可以直接控制D/A输出和I/O输出。 运动控制功能： 可以提供多达4轴的脉冲输出，可以实现柱面以及大幅面的平面打标，各轴运动相互独立。 脉冲输出频率达1MHz。 HOME信号、限位信号和报警信号输入接口，限位或报警触发自动停止运动。HOME 或INDEX捕获可实现精确回原点。 可以设置轴运动近速度、加速度和位置，T型曲线加减速。