[发明专利]一种用于内窥系统均匀圆形照明的基于非球面透镜的光学系统

说明书

本发明公开了一种用于内窥镜均匀圆形照明的基于非球面透镜的光学系统，属于非成像光学技术领域。本发明系统根据照明要求设置非球面透镜的具体光路结构，包含一个非球面透镜，半透半反棱镜和渐变折射率透镜，根据折射定律，能量守恒定律和渐变折射率透镜光线传输特性，在计算机辅助下，设计出可实现均匀圆形照明的非球面。入射光线经非球面透镜折射再经半透半反镜折转后聚焦于渐变折射率透镜前端面中心，从渐变折射率透镜后端面出射后，在目标照明区域产生照度均匀的圆形光斑。本设计可获得较大的均匀圆形照明区域，能量利用率高，在内窥镜照明领域有重要应用价值。本发明设计能保证曲面的连续性，便于加工。

技术领域

本发明涉及非成像光学及照明技术领域，尤其涉及一种用于内窥镜均匀圆形照明的基于非球面透镜的光学系统。

背景技术

内窥系统一般包括成像系统部分和照明系统部分，一方面成像系统的好坏直接影响成像质量的好坏，另一方面在成像系统质量达到一定要求后，照明系统的性能则成为影响观察质量的关键，照明系统的照明质量太差会大大影响成像的质量。现有的内窥系统一般都是简单地用透镜将光束耦合进光纤束或梯度折射率透镜，无法对出射光进行有效调控。结果便是投射到组织上的光分布不均匀，往往存在中心过度曝光，边缘曝光不足的问题，导致观察的物或结构中间过亮，边缘又太暗，十分影响成像质量和观察的范围，不利于对样本的观察，尤其是微细的结构，所以设计一种用于内窥镜均匀圆形照明的基于非球面透镜的光学系统来获得照度均匀的照明面十分有意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于内窥镜均匀圆形照明的基于非球面透镜的光学系统。包括非球面透镜100、半透半反棱镜200、渐变折射率透镜 300和照明面400；非球面透镜100的入射面S1和出射面S2均为非球面；光源发出的光经非球面透镜折射再经半透半反棱镜200折转后从渐变折射率透镜300的前端面耦合进入，从渐变折射率透镜的后端面射出，在照明面400得到照度均匀的圆形光斑。

优选的，光源发出的光经非球面透镜折射再经半透半反棱镜折转后聚焦于渐变折射率透镜前端面的中心。

非球面透镜面型的设计步骤具体如下：

(1)光源发出的光经过非球面透镜后直接耦合进入渐变折射率透镜，根据初始设计参数对非球面透镜进行非球面设计；

(2)以光源S为坐标原点o建立全局直角坐标系xyz，对步骤(1)所确定的非球面透镜的非球面S1上点P₁的位置用直角坐标表示为P₁(x₁,y₁,z₁)，球坐标表示为对步骤(1)所确定的非球面透镜的非球面S2上点P₂的位置用直角坐标表示为P₂(x₂,y₂,z₂)；照明面上与点P₁和P₂对应的目标T的坐标表示为T(t_x,t_y,t_z)；所述的光学系统是轴旋转对称的，在过中心的平面内得出在平面yoz上，非球面S1的入射光束单位方向向量I的三个分量表示为：非球面S1的出射光束单位方向向量O的三个分量表示为：

其中，

其中，变量ρ₁为光源到非球面S1上的点P₁的距离；变量ρ₂为非球面S2上的点P₂到渐变折射率透镜前端面中心B₃的距离；