中国激光, 2023, 50 (21): 2107204, 网络出版: 2023-11-01   

腹腔镜用液体透镜变焦光学系统设计研究

Design and Study of Liquid Lens Zoom Optical System for Laparoscopy
作者单位
长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
图 & 表

图 1. 电润湿液体透镜结构示意图

Fig. 1. Structure diagram of electrowetting liquid lens

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图 2. 系统结构组成

Fig. 2. System structure composition

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图 3. 机械变焦系统结构图。(a)焦距5 mm;(b)焦距7.2 mm;(c)焦距10.4 mm;(d)焦距15 mm

Fig. 3. Structure diagram of mechanical zoom system. (a) Effective focal length (EFL) 5 mm; (b) EFL 7.2 mm; (c) EFL 10.4 mm; (d) EFL 15 mm

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图 4. 不同电压下COMSOL仿真图。(a)U=0 V;(b)U=35 V;(c)U=60 V

Fig. 4. COMSOL simulation results under different voltages. (a) U=0 V; (b) U=35 V; (c) U=60 V

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图 5. 外部电压与液体透镜焦距的关系

Fig. 5. Relation between external voltage and focal length of liquid lens

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图 6. 液体透镜变焦系统初始结构

Fig. 6. Initial structure of liquid lens zoom system

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图 7. 液体透镜变焦系统结构图。(a)焦距5 mm;(b)焦距7.2 mm;(c)焦距10.4 mm;(d)焦距15 mm

Fig. 7. Structure of liquid lens zoom system. (a) EFL 5 mm; (b) EFL 7.2 mm; (c) EFL 10.4 mm; (d) EFL 15 mm

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图 8. 不同焦距MTF图。(a)焦距5 mm;(b)焦距7.2 mm;(c)焦距10.4 mm;(d)焦距15 mm

Fig. 8. MTF curves for different focal lengths. (a) EFL 5 mm; (b) EFL 7.2 mm; (c) EFL 10.4 mm; (d) EFL 15 mm

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图 9. 不同焦距场曲畸变图。(a)焦距5 mm;(b)焦距7.2 mm;(c)焦距10.4 mm;(d)焦距15 mm

Fig. 9. Field curvature/distortion for different focal lengths. (a) EFL 5 mm; (b) EFL 7.2 mm; (c) EFL 10.4 mm; (d) EFL 15 mm

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表 1腹腔镜用变焦光学系统指标要求

Table1. Index requirements of laparoscopic zoom optical system

ParameterValue
Wavelength coverage /nm486‒656
Zoom part system caliber /mm≤6.2
System outside diameter /mm≤10
Overall length /mm≤45
Focal length /mm5‒15
Field angle range /(°)24‒64
MTF /(lp·mm-1≥0.3
Optical distortion /%<15

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表 2结构参数

Table2. Structure parameters

SurfaceRadius /mmThickness /mmMaterial
1Infinity10.000
2-45.8980.980H-ZBAF16
37.0272.069
4-13.7372.410D-LAK52
5-8.0910.086
648.2171.835H-ZLAF50E
7-10.6450.600
8-9.6750.500H-ZF73
9Infinity1.000Sodium chloride solution
10Short EFL(5 mm)-5.726,middle EFL(7.2 mm)-15.576,middle EFL(10.4 mm)57.832,long EFL(15 mm)12.4101.000Silicone oil
11Infinity0.500H-ZK14
12Infinity3.496
13-9.5891.201H-K3
14-6.5630.991H-ZK10
15-6.9727.935
16Infinity0.299
174.1621.530ZF7L
18-6.8790.983H-ZLAF4LB
194.6582.106
207.5391.850H-LAK52
21-2.8970.953H-ZF73
22-13.7000.295
23-14.5800.500H-BAK7A
24Infinity1.000Sodium chloride solution
25Short EFL(5 mm)6.583,middle EFL(7.2 mm)11.978,middle EFL(10.4 mm)-202.228,long EFL(15 mm)-7.4581.000Silicone oil
26Infinity0.500D-ZLAF52LA-25
27Infinity5.550
28-2.9691.278D-LAK70
29-3.5770.086
3011.0311.512F2
31-47.5070.981

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表 3系统参数

Table3. System parameters

Focal length /mm57.210.415
Field angle /(°)22.32032.27645.24061.928
F#5.05.56.06.5
Maximum RMS radius /μm4.5963.6114.6866.694
Total length /mm45454545

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董健, 王春艳, 孙昊, 刘欢, 滕云杰. 腹腔镜用液体透镜变焦光学系统设计研究[J]. 中国激光, 2023, 50(21): 2107204. Jian Dong, Chunyan Wang, Hao Sun, Huan Liu, Yunjie Teng. Design and Study of Liquid Lens Zoom Optical System for Laparoscopy[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(21): 2107204.

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