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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, 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, 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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  • [1] L?FGREN M, ANDERSSON I, BONDESON L, et al. X-ray guided fine-needle aspiration for the cytologic diagnosis of nonpalpable breast lesions[J]. Cancer, 1988, 61(5): 1032-1037. doi: 10.1002/1097-0142(19880301)61:5<1032::AID-CNCR2820610529>3.0.CO;2-R
    [2] VIDAL F P, JOHN N W, HEALEY A E, et al. Simulation of ultrasound guided needle puncture using patient specific data with 3D textures and volume haptics[J]. Computer Animation &Virtual Worlds, 2008, 19(2): 111-127.
    [3] XU H ZH, LV Y ZH, GUO D L, et al. Morphological structure of the infraorbital canal using three-dimensional reconstruction[J]. Journal of Craniofacial Surgery, 2012, 23(4): 1166-1168. doi: 10.1097/SCS.0b013e31824dfcfd
    [4] BADER M J, GRATZKE C, SEITZ M, et al. The "all-seeing needle": initial results of an optical puncture system confirming access in percutaneous nephrolithotomy[J]. European Urology, 2011, 59(6): 1054-1059. doi: 10.1016/j.eururo.2011.03.026
    [5] 管喆恒. 可视化椎弓根穿刺针的初步设计与研究[D]. 苏州: 苏州大学, 2017: 14-18.

    GUAN ZH H. Preliminary design and study of visual pedicle probe[D]. Suzhou: Soochow University, 2017: 14-18. (in Chinese)
    [6] 禹璐, 程德文, 周伟, 等. 大景深高清硬性内窥镜光学系统的优化设计[J]. 光学学报,2013,33(11):1122003. doi: 10.3788/AOS201333.1122003

    YU L, CHENG D W, ZHOU W, et al. Optimization design of rigid endoscope with high definition and large depth of field[J]. Acta Optica Sinica, 2013, 33(11): 1122003. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201333.1122003
    [7] 张树青, 王庆晨, 智喜洋, 等. 30°视向角硬质内窥镜光学设计[J]. 光学学报,2018,38(2):0222002. doi: 10.3788/AOS201838.0222002

    ZHANG SH Q, WANG Q CH, ZHI X Y, et al. Optical design of rigid endoscope with 30° viewing angle[J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(2): 0222002. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201838.0222002
    [8] 沈为民. 大相对口径大视场红外光学系统[D]. 西安: 中国科学院西安光学精密机械研究所, 2004: 23-24.

    SHEN W M. High-speed infrared optical systems with wide field of view[D]. Xi'an: Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Science, 2004: 23-24. (in Chinese)
    [9] 电影镜头设计组. 电影摄影物镜光学设计[M]. 北京: 中国工业出版社, 1971: 24-27.

    The Optical Design Group of the Motion Picture Lenses. The Optical Design of the Motion Picture Lenses[M]. Beijing: China Industry Press, 1971: 24-27. (in Chinese)
    [10] XIANG CH CH, CHEN X H, CHEN Y G, et al. MTF measurement and imaging quality evaluation of digital camera with slanted-edge method[J]. Proceedings of SPIE, 2010, 7849: 78490A.
    [11] 徐宝腾, 杨西斌, 刘家林, 等. 高速扫描激光共聚焦显微内窥镜图像校正[J]. 光学 精密工程,2020,28(1):60-68. doi: 10.3788/OPE.20202801.0060

    XU B T, YANG X B, LIU J L, et al. Image correction for high speed scanning confocal laser endomicroscopy[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(1): 60-68. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20202801.0060
    [12] 陈聪, 杨帆, 范立成, 等. 眼科手术导航的OCT图像畸变矫正[J]. 光学 精密工程,2020,28(1):182-188. doi: 10.3788/OPE.20202801.0182

    CHEN C, YANG F, FAN L CH, et al. Study on distortion correction method of OCT image in ophthalmic surgery navigation[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(1): 182-188. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20202801.0182
    [13] 丛婧, 俎明明, 李洪涛, 等. 基于智能手机的眼底成像系统[J]. 中国光学,2019,12(1):97-103. doi: 10.3788/co.20191201.0097

    CONG J, ZU M M, LI H T, et al. Smart phone-based fundus imaging system[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 97-103. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191201.0097
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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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