成像系統的案例
全電動倒置顯微鏡數字成像系統
APX100桌面成像系統以其簡便的操作流程、強大的成像能力和高效的數據管理功能，成為現代研發工作的理想選擇。
光學成像系統中的像差
成像系統的主要功能是盡可能多地收集從每個物體點發出的光，并使這些光錐再次匯聚到像面，從而使每個物體點被統一映射到其在像面上的對應物。這類系統的性能通常是根據物點和像點之間的對應關系維持得如何來判斷的，眾所周知的理論限制是由衍射現象造成的：即使在一個光學系統中，根據幾何光學定律，將來自一個物點的所有光線準確地映射到一個單一的、數學上的像點，衍射也會導致該像點被抹成一個小的、但尺寸有限的斑點。這種衍射受限的情況是成像系統設計的典型目標，衍射受限的領域有一個球形波面。與球形波面的幾何偏差被稱為 "像差"，并使用不同的多項式基數來描述，以幫助量化其強度和形狀。畸變的存在會增加圖像點的涂抹，從而降低成像系統的質量。
展開 實際約束條件下成像系統的初始結構的生成
本研究采用“First Time Right”方法生成受約束的初始系統，并運用PanDao制造鏈建模技術，從設計初期來量化制造因素。
1.簡介
當今成像系統的光學設計主要依賴于高效光線追跡與（局部或全局）優化算法。此類傳統設計方法通常需要豐富的經驗、直覺及頻繁的試錯迭代。值得關注的是，尋找合適的初始設計方案以進行后續適配與優化，已經被證明是一項艱巨的工作。為避免這一耗時流程，本次研究的目標是從既定規格與約束條件中直接生成多種優質的初始結構。此研究將會為光學設計師帶來兩大好處：其一，可以顯著加快設計周期；其二，通過各種生成的初始設計對系統候選結構進行更廣泛的搜索。
我們研發了一種自動化的“First Time Right’”（FTR）設計工具，可實現從零開始快速生成成像系統。FTR通過計算所有光學表面的系數，以確保各階像差[1,2]引起的圖像模糊最小化。尤為關鍵的是，該工具不僅會考慮透鏡規格需求，更會將實際約束條件（如光闌位置、尺寸限制、間距約束或后焦距限制等）納入考慮。
為何約束條件至關重要？智能手機攝像頭的鏡頭就是一個最具說服力的例證。若無約束限制，諸如f/1.5光圈、適配7.6×5.7 mm傳感器的5.5 mm焦距等典型規格的鏡頭，采用全球面透鏡設計就可輕松實現。然而，受限于手機內部嚴苛的長度約束，使用高非球面化透鏡就成為了必然選擇。下文將展示幾個FTR技術應用的案例，并將生成的光學設計結果與生產信息進行權重整合。為此，采用最新研發的PanDao軟件 [3-5]對給定光學設計進行制造鏈建模與優化（實現最低制造成本與風險）。
2.實際約束條件下初始結構的生成
盡管FTR方法能夠兼容折射式與反射式表面（包括球面、非球面及自由曲面形態），但本文將聚焦于全球面透鏡設計的自動生成。
展開 實際約束條件下成像系統的初始結構的生成
本研究采用“First Time Right”方法生成受約束的初始系統，并運用PanDao制造鏈建模技術，從設計初期來量化制造因素。
1.簡介
當今成像系統的光學設計主要依賴于高效光線追跡與（局部或全局）優化算法。此類傳統設計方法通常需要豐富的經驗、直覺及頻繁的試錯迭代。值得關注的是，尋找合適的初始設計方案以進行后續適配與優化，已經被證明是一項艱巨的工作。為避免這一耗時流程，本次研究的目標是從既定規格與約束條件中直接生成多種優質的初始結構。此研究將會為光學設計師帶來兩大好處：其一，可以顯著加快設計周期；其二，通過各種生成的初始設計對系統候選結構進行更廣泛的搜索。
我們研發了一種自動化的“First Time Right’”（FTR）設計工具，可實現從零開始快速生成成像系統。FTR通過計算所有光學表面的系數，以確保各階像差[1,2]引起的圖像模糊最小化。尤為關鍵的是，該工具不僅會考慮透鏡規格需求，更會將實際約束條件（如光闌位置、尺寸限制、間距約束或后焦距限制等）納入考慮。
為何約束條件至關重要？智能手機攝像頭的鏡頭就是一個最具說服力的例證。若無約束限制，諸如f/1.5光圈、適配7.6×5.7 mm傳感器的5.5 mm焦距等典型規格的鏡頭，采用全球面透鏡設計就可輕松實現。然而，受限于手機內部嚴苛的長度約束，使用高非球面化透鏡就成為了必然選擇。下文將展示幾個FTR技術應用的案例，并將生成的光學設計結果與生產信息進行權重整合。為此，采用最新研發的PanDao軟件 [3-5]對給定光學設計進行制造鏈建模與優化（實現最低制造成本與風險）。
2.實際約束條件下初始結構的生成
盡管FTR方法能夠兼容折射式與反射式表面（包括球面、非球面及自由曲面形態），但本文將聚焦于全球面透鏡設計的自動生成。
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Ansys Zemax | 使用點擴散函數的衍射極限成像系統的分辨率
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成像系統（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。
簡介
成像系統的性能與其分辨率有關，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環相關[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準則估算的[2]。在實踐中，這些系統的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預期分辨率，選定上述標準之一。這些微粒充當形成 PSF 的點發源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統的分辨率。
方法一：多重結構編輯器（相干成像）
顯微鏡設計
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設計。放大倍數為 4X，數值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm2物理尺寸的科學 CMOS (sCMOS) 探測器進行建模。
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概要
成像系統（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。
簡介
成像系統的性能與其分辨率有關，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環相關[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準則估算的[2]。在實踐中，這些系統的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預期分辨率，選定上述標準之一。這些微粒充當形成 PSF 的點發源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統的分辨率。
方法一：多重結構編輯器（相干成像）
顯微鏡設計
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設計。放大倍數為 4X，數值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm 2 物理尺寸的科學 CMOS (sCMOS) 探測器進行建模。
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成像系統（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。在本文中，我建議使用在 OpticStudio 中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的 PSF 的兩種方法。第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。（聯系我們獲取文章附件）
簡介
成像系統的性能與其分辨率有關，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環相關[1]用于評估分辨率。在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準則估算的[2]。在實踐中，這些系統的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預期分辨率，選定上述標準之一。這些微粒充當形成 PSF 的點發源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據其定義而變化。在本文中，我們使用 OpticStudio 中的 PSF 來更客觀地評估衍射極限成像系統的分辨率。
方法一：多重結構編輯器（相干成像）
顯微鏡設計
在整篇文章中，我使用了基于 TL4X-SAP 物鏡（4X，0.2 NA）和 TTL200 管鏡的顯微鏡設計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由 THORLABS 網站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由 THORLABS 的黑匣子元件組成的顯微鏡設計。放大倍數為 4X，數值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實圖像高度”定義并指定了在 X 和 Y 半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm
2物理尺寸的科學 CMOS (sCMOS) 探測器進行建模。
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：使用點擴散函數的衍射極限成像系統的分辨率
成像系統（例如顯微鏡）的衍射極限分辨率可以通過不同方式表征。 在本文中，我建議使用在OpticStudio中計算的點擴散函數 (PSF) 來客觀衡量這些成像系統的分辨率。文中介紹了重疊圖像（探測器）平面上兩個點的PSF的兩種方法。 第一種方法使用多重結構編輯器，第二種方法使用圖像模擬工具。文中比較了這兩種方法，并討論了它們的優缺點。
成像系統的性能與其分辨率有關，但分辨率的定義各不相同。在超分辨率顯微鏡中，傅里葉環相關[1]用于評估分辨率。 在衍射極限顯微鏡中，分辨率是用瑞利或斯派羅準則估算的[2]。在實踐中，這些系統的分辨率也可以用微粒測量，微粒選擇明顯小于預期分辨率，選定上述標準之一。這些微粒充當形成PSF的點發源，其尺寸給出了圖像分辨率的估計值，同樣，該尺寸根據其定義而變化。在本文中，我們使用OpticStudio中的PSF來更客觀地評估衍射極限成像系統的分辨率。
方法一：多重結構編輯器（相干成像）
顯微鏡設計
在整篇文章中，我使用了基于TL4X-SAP物鏡（4X，0.2 NA）和TTL200管鏡的顯微鏡設計，如圖1所示。這兩種透鏡都可由THORLABS網站以黑盒形式提供。
圖 1 - 由THORLABS的黑匣子元件組成的顯微鏡設計。放大倍數為4X，數值孔徑 (NA) 為0.2。
我們使用“真實圖像高度”定義并指定了在X和Y半寬為6.656毫米的正方形上具有相等面積的五個視場，對應于物平面中的1.664毫米。視場由像面中具有2048x2048像素和13.312x13.312mm2物理尺寸的科學 CMOS (sCMOS) 探測器進行建模。這些探測器通常用于顯微鏡，可以在Orca-Flash4.0 V3 (Hamamatsu) 或Zyla 4.2 plus (Andor) 等相機產品中找到。
展開 成像系統的先進PSF和MTF計算
摘要
對于實際成像系統，孔徑對其性能影響很大。在不同的系統配置和不同的光照條件下，孔徑的實際形狀可能會有很大的不同。為了研究這種影響，我們模擬了一個由準直物鏡和人眼組成的成像系統。通過對不同光照條件下，PSF和MTF的計算，研究了全孔徑照明和部分孔徑照明的案例。
1. 建模任務
2. 結果
3. 文件和技術信息
免費線上培訓 | 《 SYNOPSYS 成像系統設計 》
SYNOPSYS? 光學設計軟件是目前世界上功能強大的光學設計軟件之一，擁有最強大的優化功能，可快速準確地優化光學系統，可分析各種各樣的復雜光學系統，同時能自動為客戶提供一些較有潛力的初始結構和自動鏡片增刪功能，極大的提高設計效率。
為幫助大家更全面的了解 SYNOPSYS? 光學設計軟件，武漢墨光將于07月27日開展《SYNOPSYS 成像系統設計》免費線上培訓，將通過分享多種設計實例，帶大家更為直觀的學習了解 SYNOPSYS 在光學設計領域的具體應用實操。以下是本次培訓的具體介紹：
培訓主題
SYNOPSYS 成像系統設計
培訓大綱
· SYNOPSYS 軟件介紹
· 單透鏡建模與分析
· 三片式攝影透鏡完整建模流程
· SYNOPSYS 自動增刪功能介紹
· 5片式透鏡設計案例
· 定焦鏡頭設計功能介紹
· 自動玻璃優化功能介紹
· 變焦鏡頭設計功能介紹
· 三倍變焦鏡頭設計實際
· 顯微鏡設計實例
· 投影物鏡設計實例
· 望遠鏡設計實例
· 廣角鏡頭設計實例
· 自由曲面設計
· 公差分析
培訓詳情
舉辦單位：武漢墨光科技有限公司
培訓講師：武漢墨光科技資深光學工程師
培訓時間：2023年07月27日 （上午09：00-12：00，下午14:00-17:00）
報名方式：掃碼即可提前預約會議
# 騰訊會議：629-157-273
溫馨小提示
本次培訓名額有限，滿額請評論留言添加工作人員微信或致電咨詢。
咨詢電話：13396044940
展開 COMSOL與MATLAB聯合仿真人工智能的電學層析成像系統
關鍵詞：MATLAB，電學層析成像，人工智能，圖像重建，深度學習
一、引言
基于人工智能的電學層析成像系統是一種創新的檢測技術，結合了電學層析成像技術與人工智能算法的優勢。電學層析成像技術，簡記為ET，是層析成像技術的一種。它基于電學傳感器提取被測區域物質的空間分布的部分信息，以電學信號作為載體進行處理與傳輸，并采用適當的信息重構算法，重構被測區域物質的空間分布的全部信息。電學層析成像技術存在三種基本形式，即電容層析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）、電阻層析成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）和電磁層析成像（Electromagnetic Tomography，EMT）。在基于人工智能的電學層析成像系統中，人工智能算法的應用顯著提升了圖像重建的精度和速度。通過訓練深度學習模型，系統能夠從復雜的電學信號中準確提取出被測物體的內部結構信息。這些算法可以自動學習并優化圖像重建過程中的參數設置，從而減少對人工干預的依賴，提高系統的自動化程度和檢測效率。此外，人工智能算法還能夠實現電學層析成像系統的智能診斷和優化。通過對歷史數據和實時數據的分析，系統能夠及時發現并糾正潛在的誤差和問題，確保檢測結果的準確性和可靠性。同時，系統還可以根據實際應用場景和需求，自動調整檢測參數和算法策略，以適應不同的被測物體和檢測環境。綜上所述，基于人工智能的電學層析成像系統在工業檢測、醫療診斷等領域具有廣泛的應用前景和重要的研究價值。
二、COMSOL&MATLAB聯合仿真
COMSOL與MATLAB聯合仿真是一種強大的多物理場仿真方法，它將COMSOL的多物理場建模能力和MATLAB的編程及數據分析功能相結合，為用戶提供了一種高效、靈活的仿真解決方案。
展開 
基于Pancake系統的折反射成像系統
為了降低成本和重量，許多現代應用引入了智能方法來小型化其光學系統。該原理的一個特殊實現是折疊成像系統，其中聚焦透鏡的屬性分布在多個組件之間。通過巧妙地操縱傳播光的偏振狀態，該系統允許多次內部反射，模仿更大透鏡的功能。在此用例中，我們展示了這種系統的工作原理。為此，我們定義了一組具有不同入射角的平面波，然后通過系統傳播以計算最終的焦點。然后可以使用此信息進一步優化設置，但這超出了此用例的范圍。
第十二屆“宇瞳杯”光學設計大賽--中波紅外成像光學系統設計
2.初始參數計算及分析
半像高h
h=(12×√(2×1024^2 ))/(2×1000)=8.689mm
可計算出半成像高h為8.689mm。
系統的焦距f
光學系統的半視場角w為3°，半像高h為8.689mm，根據焦距計算公式：f=h/tan w
可計算出焦距F為165.79mm。
系統入瞳的大小D
系統的F_#為1.65，光學系統的入瞳直徑為焦距與數的比值，則系統的入瞳直徑為：D=f/F_#
可以計算出系統的入瞳直徑D=100.48mm。。
系統要求口徑最大不超過110mm，因此采用二次成像系統，使系統的整體口徑不至于太大。系統的波段為3μm ~5μm，如果要想實現消色差，可能需要衍射元件來實現。而且系統需要實現在-40℃～+60℃無熱化，因此需要對系統進行消色差和消熱差兩種設計。
二次成像系統的構型圖如下圖所示
二次成像系統由物鏡組和中繼鏡組組成，其兩者之間的近軸初級關系為
將公式代入可以計算出系統物鏡組焦距為f_0為80.25mm，f_R為58.66mm，m為2.06。
物鏡的設計：
首先設置好材料，選用常用的硅和鍺材料，設置波段3~5um，入瞳直徑為100mm，控制系統的焦距為80mm，做初始優化。
優化后的物鏡的初始結構如下圖，作為系統物鏡組的初始結構。
目鏡的設計
根據近軸關系計算，目鏡m為2.06，可計算出中繼鏡組的物距為30.18mm，像距為62.18mm。系統口徑設置為物方數值孔徑，為了與物鏡組相匹配，物方數值孔徑為物鏡組的像方數值孔徑，為0.53，選取三片透鏡作為優化，優化后的結果為。
優化后的初始結構如下圖。
展開 VirtualLab 基于Pancake系統的折反射成像系統
1 摘要
為了降低成本和重量，許多現代應用引入了智能方法來小型化其光學系統。該原理的一個特殊實現是折疊成像系統，其中聚焦透鏡的屬性分布在多個組件之間。通過巧妙地操縱傳播光的偏振狀態，該系統允許多次內部反射，模仿更大透鏡的功能。在此用例中，我們展示了這種系統的工作原理。為此，我們定義了一組具有不同入射角的平面波，然后通過系統傳播以計算最終的焦點。然后可以使用此信息進一步優化設置，但這超出了此用例的范圍。
2 設想
系統基于：Wong, Timothy 等人，‘Folded Optics with Birefringent Reflective Polarizers’，Proc. SPIE 10335
（注：本用例不包含系統的優化，只討論此類系統的工作原理。）
3.1建模任務 1：系統中偏振狀態的調查.
3.2建模任務 2：焦點調查
4.1模擬結果 – 偏振狀態
4.1.1系統的偏振狀態
4.2模擬結果 – 焦點調查
4.2.1點圖和模式輻照度 – 0°
4.2.2點圖和模式輻照度 – 10°
4.2.3點圖和模式輻照度 – 20°
4.2.4點圖和模式輻照度 – 40°
展開 成像系統雜散光分析，詳解鏡頭雜散光解決方案新進展
在攝像鏡頭形成物體的實像時， 除了成像光線，還有非成像光線，即雜散光。來自鏡片、機械結構、CMOS傳感器的反射光、散射光可能到達像面都會造成雜散光。
任何光學系統都會存在雜散光，成像系統雜散光是可見光光學系統中需要重點分析的雜散光來源之一，預期設計的光線經過折射光學元件的過程中，會有少量的非預期光線經過散射、反射也到達像面，對正常光路成像產生負面影響。因此，在設計光學系統的過程中為保證系統的正常運行，要盡可能將雜散光降低。
7月11日，Ansys 將推出「成像系統雜散光工作流更新」主題網絡研討會，介紹Ansys鏡頭雜散光解決方案的新進展，使用Zemax OpticStudio、Speos和Lumerical綜合考量鏡頭和CMOS特性，通過光線追跡、序列檢測等方法分析雜光來源，并對系統進行優化。
講師：
馬鎏學 | Ansys 高級應用工程師
Ansys 高級應用工程師。參與過汽車、航空、電子領域客戶光學方案的咨詢和技術支持。目前負責Ansys SPEOS技術工作。
形式：線上
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技術鄰簡介:
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
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