大相对孔径数字化X射线成像系统的光学设计

1、第卷第期年月应用光学（）文章编号：大相对孔径数字化射线成像系统的光学设计陈宝莹，唐勇，柴利飞，孙浩，张远健，林森（）长春理工大学光电工程学院，吉林长春摘要：针对设计一个用于牙科诊断的射线数字化成像×尺寸碘化铯荧光屏，光学系统。选用有效尺寸光学系统结构型式为复杂×的作为接受器件，化双高斯型，相对孔径和全视场角分别达到有效焦距。全视场和°在空间全视场畸变为频率时高于，边缘视场照度与中心视场照度之百分比达到整个系统的像差得到了较好的校正，满足数字化射线成像系统。从设计结果可以看出，的使用要求。关键词：光学设计；大相对孔径；数字射线成像；双高斯物镜中图分类号：；文献标志码

2、：，（，），：××，°，：；引言随着数字化射线摄影（的发展，对）成像系统的光学镜头质量提出了更高的要求。由（）于荧光屏和专用的都具有极高的分所以光学镜头的性能对系统的影响非常重辨率，要。与普通摄影不同，必系统为近距离成像，须有针对性地专门设计方能达到最佳效果。大的相对孔径可以使光学镜头较好地工作在极低照度的环境中，并且可以减少曝光时间和光剂量，延（）长荧光屏的工作寿命，为医生根据图像几何尺寸的微小畸变进行诊断提供了可靠的依据。结合以上本文以像差理论为基镜头的特点，通过将双高斯结构复杂化，设计了一个相对孔础，径大，空间分辨率高的摄影物镜。；收稿日期：修回日期：，男，

3、作者简介：陈宝莹（吉林敦化人，硕士研究生，主要从事光学设计与光学仪器等方面的研究工作。）：··（）应用光学等：大相对孔径数字化射线成像系统的光学设计，陈宝莹，结构选型能做到大相对孔径的照相物镜主要有物镜、反摄远物镜和双高斯物镜。其中物镜很难做到较大的视场，而反摄远物镜系统能够但是反摄远物镜的做到大视场和长后工作距离，光栏非对称性会导致垂轴像差难于校正。本光学系统对后工作距要求不高，而且不追求非常大的所以本光学系统采用双高斯物镜型式。双视场，高斯物镜是个对称的系统，垂轴像差比较容易校只需考虑轴向像差的校正。在双高斯物镜中正，利用厚透镜可以校正场曲，利用厚、薄透镜互相补偿球差，

4、选取正确的孔径光栏位置可以校正像散，在厚透镜中引入胶合面可以校正色差。这里产生了比轴上光束大得多的轴外负球差。为此，需一块薄透镜来减小，这块薄透镜需背向光栏弯曲，其弯曲的愈厉害，就愈小。但是这样如图第片薄透镜会限制系统视场的提高，所示。为了校正整个系统的垂轴色差，可使第一组双胶合中胶合面背向光栏，以产生符号相反的垂轴色差，与系统原有的像差相抵消，如图所示。由于胶合面背向光栏，又会使主光线在胶合面上的入射角变大，从而产生大量的高级像差。为控制高级像差，胶合面两边玻璃的折射率差和色散差尽可能大些。把图中原本为双胶合的第透镜和第透镜分裂为双分离，也是为了利用微量的空气间隔来平衡高级像差。为了减小场曲

5、，根据摄影物镜玻璃选择的原则，负透镜的折射率值比正透镜低一些，但是第透镜），的折射率值（高于第透镜（这是为了进一步减小轴外负球差（它可以增大第面透，镜的半径）第透镜的折射率值（大于第）更有利减小轴外负球差。这是因透镜（第透镜为紧挨着第透镜的透镜都是正光焦度，负光焦度）存在。之后还有第透镜（将初始结构中最后一片薄透镜变成厚透镜，使场曲和像散得到进一步校正，再将厚透镜变为双胶合透镜（选取折射率相等，色散不相等的玻璃，组合）使色差也得到进一步的校正。优化设计随着光学系统视场和相对口径的增大，其高必须将光学系统复杂化才能级像差将明显增大，使设计满足要求。图和图分别为光学系统初始结构和复杂化后的光学系统

6、结构图。设计结果及像质评价光学系统的曲线优化后光学系统的曲线如图所示。通过整个系统中中系数可知，的第面和第面（光栏两侧的面）是主要产生负球差的面，同时光束在这里又有较大的入射角，使它产生很大的高级负球差。为了减小系统的正像散，将光栏前后两部分靠拢，导致第面和第面偏离于光栏同心的位置，结果使得轴外光束经过图曲线由图可以看出，全视场的在空间频率为时大于。并且各视场的（）应用光学等：大相对孔径数字化射线成像系统的光学设计，陈宝莹，··相对比较集中。轴向像差曲线轴向像差曲线如图所示。由图可知，轴向轴向色差和初级球差都得到像差小于，了很好的校正。在消色差孔径处剩余二级光谱为在系统焦深

7、之内。，图相对照度曲线结论本文基于双高斯结构，设计了一个用于牙科针对诊断，×尺寸碘化铯荧光屏的相对孔径和全视场角分别达到射线成像系统，图轴向像差曲线，有效焦距，全视场和°在空时高于全视场畸变为间频率，边缘视场与中心视场像面照度比达到，满足。整个系统的像差得到很好的校正，镜头要求的相对孔径大，畸变小，空间分辨率高，近距离成像等技术指标。参考文献：薛鸣球，余建军大视场大相对孔径长波红沈为民，（）：外物镜光子学报，：，（）（）光学设计北京：科学出版社，袁旭沧：，）（张登臣，郁道银实用光学设计方法与现代光学系统北京：机械工业出版社，（：）北京：电子工业出版张以谟应用光学社，：，（）

8、：，场曲畸变曲线光学系统场曲畸变曲线如图所示。图场曲和畸变曲线由图可知，场曲和像散得到了很好的校正，全视场畸变为相对照度曲线光学系统相对照度曲线如图所示。对多数照相物镜来说，一般允许视场边缘像点的像差比同时允许轴外光束的宽度小于中心适当大一些，轴上像点的光束宽度，即允许视场边缘有渐晕。因此在校正像差过程中，可以把轴外光束一部分像差过大的光线截去，使它们不能通过系统到达像面成像。对系统设置渐晕后边缘视场与中心视场像面照度比能够达到，满足光学系统性能要求。··（）应用光学等：大相对孔径数字化射线成像系统的光学设计，陈宝莹，北京：北京理李士贤，郑乐年光学设计手册工大学出版社，：，）（董晓娜，陈良益，等大视场大相对孔径水下谢正茂，：专用摄影物镜的设计光子学