胶囊内窥镜接收系统及基于ZEMAX的镜头优化设计研究

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目前,因食品安全等问题出现了越来越多的消化道疾病,使人们更加重视身体健康状况。无线胶囊内窥镜(WCE)的出现,解决了医生检测病人胃肠道疾病时的不便;WCE作为一个微型化的医疗器械,可以使病人无痛苦、无创伤地完成消化道疾病的检测,具有重要的研究意义。本文以广东省中国科学院全面战略合作项目:具有精确定位和主动控制的新型胶囊内窥镜系统(20098091300160)为平台,致力于研究胶囊内窥镜的接收系统以及基于ZEMAX的镜头优化设计。整个系统的完成需要运用嵌入式电路、无线通信、光学设计、机械设计等多方面的知识,其各部分功能由我们的小团队分工合作来实现。我的工作是设计胶囊体外接收板的硬件与固件程序,并优化设计在该胶囊上适用的光学镜头,以提高WCE采集图像的质量,增加医生对病人的诊断准确性。本文的主要研究工作包括一下几个方面:1)总结分析了目前WCE的发展现状和研究方向,明确了其研究意义,以已有胶囊内窥镜为参照,制定具有自身特点的胶囊内窥镜总体结构设计方案,并确定了相应的硬件设计方案。2)提出了基于STM32和nRF24L01的便携式体外接收模块的设计方案,完成了相应的硬件和固件程序设计,并在己初步完成的系统平台上进行测试,实现了既定的功能,并测试分析了整个系统的功耗等问题。3)分析了光学成像以及像差的基本理论,以选定的OV2640图像传感器芯片为目标,利用光学设计软件ZEMAX,采用常规的镜头优化设计方法,完成了WCE光学镜头的优化设计与仿真,仿真结果表明,该镜头能够在我们选定的图像传感器上实现良好的成像质量。
摘要第4-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第10-16页
    1.1 课题研究背景第10-11页
    1.2 国内外研究现状第11-14页
        1.2.1 胶囊本体与病变区域的定位第12页
        1.2.2 控制胶囊运动形态第12-13页
        1.2.3 病理位置自动检测第13页
        1.2.4 提高采集图像质量第13-14页
    1.3 课题主要研究工作第14-15页
    1.4 本文组织结构第15-16页
第二章 胶囊内窥镜器件选型与电路设计第16-30页
    2.1 内窥镜总体设计结构第16-17页
    2.2 接收板模块设计第17-18页
    2.3 器件方案的选择第18-24页
        2.3.1 微控制器第18-20页
        2.3.2 无线模块芯片第20-21页
        2.3.3 图像传感器第21-24页
    2.4 接收板硬件电路设计第24-28页
        2.4.1 MCU外围电路设计第24-25页
        2.4.2 USB接口电路设计第25-26页
        2.4.3 电源及其他接口电路设计第26-28页
        2.4.4 无线模块电路设计第28页
    2.5 本章小结第28-30页
第三章 内窥镜系统制版、软件设计与功能调试第30-42页
    3.1 设计开发工具介绍第30-31页
    3.2 硬件PCB设计第31-33页
        3.2.1 胶囊PCB设计第31-32页
        3.2.2 接收板PCB设计第32-33页
    3.3 内窥镜系统实物图第33-34页
    3.4 固件程序设计第34-38页
        3.4.1 系统工作流程第34-35页
        3.4.2 固件时序与程序设计第35-38页
    3.5 系统调试与结果分析第38-41页
    3.6 本章小结第41-42页
第四章 内窥镜镜头设计相关理论第42-54页
    4.1 基本成像理论第42-44页
        4.1.1 高斯公式第42-43页
        4.1.2 薄透镜成像公式第43-44页
    4.2 像差理论第44-49页
        4.2.1 几何像差理论第44-47页
        4.2.2 PW形式的初级像差理论第47-49页
    4.3 非球面技术理论第49-50页
    4.4 内窥镜镜头的光学特性和结构特点第50-52页
    4.5 光学系统设计概述第52-53页
        4.5.1 光学系统设计步骤第52页
        4.5.2 光学系统总体设计第52-53页
        4.5.3 镜头具体设计步骤第53页
    4.6 本章小结第53-54页
第五章 内窥镜镜头优化设计与仿真第54-65页
    5.1 光学设计软件介绍第54页
    5.2 设计流程第54-55页
    5.3 初始值计算与设计指标第55-56页
    5.4 镜头优化仿真第56-60页
        5.4.1 初始结构选择第56-57页
        5.4.2 材料选择第57-58页
        5.4.3 像差校正第58-60页
        5.4.4 非球面矫正像差第60页
    5.5 结果分析第60-64页
    5.6 本章小结第64-65页
第六章 总结与展望第65-67页
    6.1 工作总结第65页
    6.2 工作展望第65-67页
致谢第67-68页
参考文献第68-72页
攻硕期间取得的研究成果第72-73页
附录 部分固件代码第73-76页
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