空间放大镜

空间放大镜（精选5篇）

空间放大镜 篇1

摘要：针对EHF频段卫星通信对固态高功率需求问题, 提出一种空间功率合成放大器的设计方案, 基于BJ400标准波导的波导T型结功率分配/合成器、H面波导3 dB分支线电桥和波导-微带探针变换相结合的合成高效、结构紧密的空间功率合成。借助三维电磁仿真软件HFSS对无源网络进行仿真优化, 依托精密的机械加工技术, 进而实现了8路功率合成。驱动功放和末级功放均采用GaAs MMIC功放芯片, 实现最小10 W的连续波功率输出。测试结果表明, 在EHF频段43~45GHz范围内, 1 dB压缩点输出功率最小达到10 W, 合成效率高于80%, 在该频段上实现了高效率合成和大功率输出。此方案的结构具有尺寸容差大、易于制造和方便散热的特点, 在工程应用中有很大的前景。

关键词：EHF频段,波导电桥,波导微带过渡,空间功率合成,连续波

0 引言

随着卫星通信技术发展, 业务需求量的增加, 无线电频谱资源越来越紧张。目前多数卫星使用C频段和Ku频段, 部分使用Ka频段[1]。EHF频段作为下一代卫星通信系统的应用频段, 具有抗核辐射的重要特点。目前国外的EHF频段卫星通信系统已进入了实用阶段。

大功率放大器是卫星通信系统中的核心部件, 功率输出的大小直接决定了通信距离、抗干扰能力以及通信质量。相对于电真空功放, 固态功放具有可靠性高、尺寸小、使用电压低和无需预热等优点, 得到了广泛的使用[2]。但是在毫米波频段, 单个固态功放元器件的输出功率有限, 需要采用功率合成技术来获得更大的输出功率。传统的电路合成技术采用威尔金森电桥、微带分支线电桥和Lange耦合器等功率分配/合成网路, 虽然结构简单、技术成熟、工程上广泛应用[3], 但是在毫米波频段电路合成损耗大, 这些技术主要用于芯片级的功率合成, 且合成效率随功分/合成网络级数的增多显著下降, 因而限制了固态功放器件的数量, 无法满足高效率与大功率二者兼顾的要求。

空间功率合成技术最大的优点在于功率合成效率高, 特别是越多功放器件合成大功率, 兼顾高效和大功率, 例如准光合成以及波导裂缝阵等[4]。但是准光合成以及波导裂缝阵结构缺陷使它们在散热这个重要性能上有很大不足, 难以应用于大功率连续波输出场合。本文提出的波导内空间功率合成方案, 在EHF频段上实现高效合成效率, 易于散热的特点可应用于连续波场合, 其设计思路亦可应用于其他毫米波频段的功率合成电路设计中。

1 EHF频段功率合成网络的设计

1.1 总体设计

EHF频段10 W功率放大器组成如图1所示。本文提出一种结构紧凑的8路功率合成网络实现EHF频段上大于10 W连续波功率输出, 从图1中可以看出, 采用外部H面波导T型结功分/合成器与2个4路功率合成模块相结合。这种合成方案优点是4路功率合成模块合成效率高、体积小;4路功率合成模块通过测试与电路调试, 确保功放模块的幅度和相位相近, 才能进行最终的功率合成;其整体结构进行模块分解, 可维护性强。本文方案结构简单、易实现, 且符合模块化设计要求。

1.2 4路功率合成模块的设计

4路功率合成模块结构采用了H面波导3 d B分支线电桥、E面波导T型结功率分配/合成器和波导-微带探针变换相结合的方式。如图2所示, 合成模块可分解以下几个部分: (1) H面波导3 d B分支线电桥, 由此实现信号的2路等幅相位正交的输出; (2) 上下2层E面波导T型结2路功率分配/合成网络, 实现了4路信号分离进入功放芯片进行放大, 再进行两两合成; (3) 是H面波导3 d B分支线电桥, 由此实现上下两T型结输出功率的合成。该结构具有以下优点:首先克服双层探针结构在同一空间内功放芯片的互相影响, 降低功放芯片工作的不稳定性;其次, 波导3 d B分支线电桥具备端口隔离度, 使得上下2部分的其一损坏, 不会影响或者损坏另一部分;最后, 这种多层立体型结构缩小了电路的体积, 实现了模块小型化, 减小了电路损耗, 从而增加了整个电路的可靠性。

1.2.1 H面波导3 d B电桥的原理及仿真

文献[5]提出了一种宽带H面电桥的结构, 该结构紧凑并具有良好隔离度和正交等幅功率分配/合成特性。本文在此基础上设计了一个EHF波段H面波导3 d B分支线电桥。该结构运用高次模耦合, 采用H面波导膜片来改变耦合窗位置的宽边尺寸, 以匹配标准波导中传输的主模, 进而改变高次模的特性阻抗, 从而实现二者阻抗匹配。该结构较简单、工作频带较宽、插入损耗低、隔离度高和体积小等特点, 故非常适合工程应用。该结构在HFSS中建模仿真, 在42~46 GHz内各个端口的回波损耗大于20 d B, 输出端口的幅度相差小于0.2 d B, 隔离度大于20 d B, 完全满足功率合成要求。

1.2.2 E面波导T型结结合波导微带探针过渡

波导E面T型结功分/合成器具有体积小、易加工和容差好等特点[6], 被广泛应用于功率分配与合成中。

波导E面T型结是在主波导宽边面上进行分支, 从其等效电路看, 波导宽边的不连续面将引入一个串联电抗[7]。通常的匹配方法是加入一个相反特性的电抗元件来补偿波导不连续性带来的电抗[8]。为了适合工程应用, 最好是可以一体化加工的紧凑结构, 因此在主波导中加入一个电容性的台阶匹配, 其高度和宽度影响中心频率和带宽。

波导-微带探针变换[9]相比波导同轴探针[10]有结构紧凑、容差好等特点, 因而在毫米波电路中广泛应用。和微带天线一样, 只要保证微带与电场平行即可以激励出电流, 其中伸入波导内的微带探针长度与中心频率相关, 宽度则影响工作带宽, 微带探针后的阻抗变换部分可以扩展变换结构的工作带宽, 微带探针中心到波导短路面距离约为1/4波导波长, 这样可以保证在微带探针位置的电场最强, 从而实现探针最强的能量耦合[11]。

基于以上分析, 在HFSS中建立的波导E面T型结功分/合成器与波导微带探针变换结合的网络建模优化, 在42~46 GHz频率范围内, 端口的回波损耗大于20 d B, 插入损耗小于0.4 d B。该结构适用于EHF频段分配/合成网络。

1.2.3 4路功率合成模块的整体结构仿真分析

综合上述内容, 将H面3 d B电桥结合E面T型结、波导探针过渡, 构成4路功率合成无源网络, 在电磁仿真软件HFSS建模如图3所示。仿真优化后, 并且加工制作。其仿真结果与无源实测结果如图4所示。仿真结果显示, 该无源网络的在工作频带范围内, 回波损耗大于20 d B, 插入损耗小于0.4 d B。虽然实测结果比仿真结果恶化, 但是可以满足工程应用的需求。造成恶化的主要原因来于加工精度与毫米波微组装的误差, 以及仿真建模的误差。

1.3 H面波导T型结分配/合成器设计

1.3.1 H面波导T型结分配/合成器原理

H面波导T型结是在主波导窄边面上的进行分支, 其轴线平行于主波导主模TE10的磁场方向, 从其结构与等效电路结合看, 波导H面T型结分支线相当于并联于主波导的分支线。

当信号从主端口进入时, 等功率分给2个输出端口, 两端口输出等幅同相的TE10波;同理, 当在2个分路端口同相激励时, 主端口的合成输出最大, 而当两个分路端口反相激励时, 主端口将无输出。H面波导T型结的散射矩阵为:

可以采用与E面波导T型结功分/合成器类似的匹配方法, 在主波导中加入一个感性膜片即可, 如果工作带宽不够, 同样在主波导与分路波导之间中加入2个对称的感性膜片做辅助匹配, 以拓展带宽。

1.3.2 H面波导T型结分配/合成器仿真

按照上一节的分析, 在HFSS中建立的H面波导T型结功分/合成器模型和优化后的仿真结果如图5和图6所示。

其中, 分支波导中间感性膜片的长度和厚度主要影响中心频率, 主波导的对称电感膜片用于扩展带宽, 起到辅助匹配的作用。从仿真结果图可以看出在42~46 GHz频率范围内, 输入端口的回波损耗大于25 d B, 2个输出端口的幅度不平衡度小于0.2d B, 该结构可以应用于工程实际。

2 EHF频段10 W功率放大器的实现

2.1 有源放大部分设计实现

本文中MMIC功放芯片采用NC11210C-4045, 其增益为17 d B, 1 d B压缩点输出功率大于32 d Bm, 供电电压典型值分别为-0.6 V/6 V, 静态电流2 A, 饱和输出功率电流为3 A。驱动功放采用的是NC11208C-4045和NC11210C-4045, NC11208C-4045提供增益, NC11210C-4045提供功率驱动8片NC11210C-4045, 提供大功率输出。由于采用的MMIC功放芯片为耗尽型, 需要对沟道进行预夹断, 因而设计一种时序保护电路来对功放供电, 加电时, 保证加上栅压, 再加漏压;断电时, 先断漏压, 再断栅压。

单路之间的幅相一致性大大影响功率合成效率, 本方案中虽然采用一个批次MMIC芯片, 其本身的幅度相位一致性高, 但是为了尽可能提高合成效率, 必须保证机械加工的高精度, 同时芯片微组装输入输出金丝的一致性要好, 也要注意微带探针的安装要很高的一致性。根据文献[12]研究, 两合成信号的相位差小于15°, 基本不影响合成的功率;如果相位差超过30°, 那么对合成的功率有大的影响。所以在使用4路功率合成模块与H面波导T型结功分/合成器做最终大功率合成输出时[13], 一定保证2个四路功率合成模块的输出相位差小于30°。

2.2 实测结果

将加工的EHF频段无源合成网络与MMIC功放芯片组装到一起, 得到功放实物如图7所示, 体积为120 mm×80 mm×30 mm。该功放的1 d B压缩点输出功率测试在高中低3个频率上, 实测结果为:在43 GHz上, 得到40.2 d Bm的输出功率;在44 GHz上, 得到40.2 d Bm的输出功率;在45 GHz上, 得到40.1 d Bm输出功率。在中心频率44 GHz, 1 d B压缩点输出功率回退3 d B, 三阶交调实测值为-23 d Bc。从实测结果可以估计该功率放大器的合成效率[14,15], 在45 GHz的最小功率输出时, 其合成效率为81.2%。

3 结束语

本文提出了一种结构新颖的EHF频段8路功率合成方案, 研制了一个高效、大功率的功率放大器, 有助于EHF频段卫通通信技术的发展。EHF频段功率放大器具有体积小、重量轻、可靠性高、加工调试方便和一致性好的特点。经过实际测试, 该功率放大器在43~45 GHz范围内, 最小的1 d B压缩点输出功率大于10 W, 合成效率最小为81%, 在1 d B压缩点回退3 d B处的三阶交调为-23 d Bc。测试结果表明, 该功率放大器达到国外同类产品水平, 将在EHF频段卫星通信系统中有广阔的应用前景。

互联网放大传统企业创新空间 篇2

首先从“触网”开始，传统企业需要找到自己与互联网的恰当关系。如果实在不知道怎么开始，那就试试把渠道拓展到天猫这类电子商务网站上。当传统产业与互联网（尤其是移动互联网）开始结合，创新的灵感也许就此打开。以电子商务为例，过去认为网购只是实体渠道的补充，现在则冲击和颠覆传统零售业，甚至商业地产。

当然，互联网绝非作为一个销售渠道那么简单，仅仅把渠道搬到线上还远远不够。利用互联网，企业能够创造出新的行业机会，激发传统行业在细分领域的潜力。移动浪潮下，甚至连互联网企业都已成为传统企业，门户网、电子商务、设备商/运营商，都需要能够跟得上移动互联的步伐。

由于互联网时代用户需求碎片化，企业可以从规模化生产向个性化定制转变。有一家生产家具的电子商务网站，所有的设计方案都放在网上由用户评分，企业只生产用户评价排名前5位的家具产品。来自意大利OSVehicle汽车制造公司的“虎斑猫”，是全球首部采用模块化设计的开源汽车。虎斑猫将互联网思想引入到汽车生产中，登录其开源平台，就可以下载设计图并自行组装。只要一小时，就能完成一辆模块化设计的开源汽车的制造和组装。当前，不少中国服装企业陷入了“规模陷阱”，耐克的运动鞋定制能够为他们带来一些启示：用户可以在网上选择不同的产品样式，不同的定制规模对应不同的产品价格。

逐渐地，互联网思维要能够渗透到企业的每个细胞和每个业务单元。眼下的电子商务，用户的需求和体验是全流程的。在线上，用户要求参与和购买；在线下，用户需要实体店的体验、快捷的物流和送装一体。只有通过线上和线下的虚实融合，才能够满足多样化的用户需求。海尔的“虚网”有海尔商城、天猫旗舰店等，其营销网、物流网、服务网等“实网”能够和虚网实现线上线下融合。以海尔物流网为例，它承接的是来自互联网的订单，调动的是营销网中的产品库存和服务内容，针对家电等大件产品的物流配送，提供全国范围的24小时按约送达、送装一体的物流服务。通过线上线下融合，海尔保证了电子商务交互、交易、交付三大功能的实现。

传统企业的互联网转型难点在于组织转型。企业的经营历史越成功，组织就越难以变革。海尔认为互联网思维就是企业平台化发展。通过构建“平台型企业”，海尔一边聚集着引领企业创新的用户需求，一边连接着供应商资源和解决方案，形成创新生态系统，通过开放式资源整合，不断创造用户价值。

海尔是传统的家电制造型企业，但是现在正在搭建“并联平台的生态圈”使得企业更加适应互联网时代的节奏。互联网时代，海尔已经不再是单纯的制造型企业，它强调“差异化的用户全流程体验”，在产品设计、电子商务、产品制造、售后服务、物流配送等所有环节都充斥着“用户需求”导向的经营哲学。

有些传统企业在工业化时代做得风生水起，反而难以拥抱互联网和移动浪潮，比如新东方正面临着YY在线教育的挑战。面对“社区”、“粉丝”等，不能继续采用老的思维，简单把他们归结为“消费者”。传统企业焦虑互联网，根源在于互联网未来的不确定性；但也正因如此，创新型的传统企业面对着前所未有的发展空间。

[编辑 陈俊伶]

空间放大镜 篇3

1 放大器技术要求与结构组成

对于紫外光通信,常用的调制方法是二进制频移键控(2FSK),这种调制方式可以通过电子镇流器驱动紫外气体放电灯来实现[4]。文中设计了对应的频移键控载波为:发送“1”时对应50 kHz的正弦波,发送“0”时对应30 kHz的正弦波。因此放大器需要兼有滤波的特性,即选频放大。提出放大器的选频特性如图1所示。

放大器主要技术指标如下:(1)总放大倍数:要求在10 000～100 000之间连续可调;(2)通带中心频率:30 kHz,50 k Hz;(3)通带中心频率附近带宽:2kHz;(4)放大器输入等效噪声电压:5 n V/Hz@30 kHz、50 k Hz.放大器整体结构图如图2所示。

2 选频电路设计

2.1 选频电路结构与指标

要得到如图1所示的选频特性,可以采用带通电路与带阻电路串联的结构形式,而带通电路又可以用低通电路和高通电路串联。为了达到总体指标要求,对这些单元电路提出更细化的指标如表1所示。表1中,对低通,高通以及带阻电路的截止频率均留有1 kHz的余量,这是因为考虑到信号在传播过程中可能有微小的频移。

2.2 选频电路设计

图3a给出了带通滤波器的电路图。该带通滤波器由低通和高通电路组成。低通部分由2个二阶巴特沃斯低通滤波器串联成一个4阶的巴特沃斯低通滤波器。高通部分也是类似构成。

以图3a中低通电路为例,取R2=R5=R6=R,C1=C2=C3=C4=C。设计中先选定C的大小,由确定R的值。对于由2个二阶巴特沃斯低通滤波器串联成的4阶电路,前一个2阶电路的增益必须为1.152,即满足;后一个2阶电路增益必须为2.235,即满足。只有同时达到这2个增益要求才能保证幅频特性曲线在截止频率处的平坦性,而这也是巴特沃斯滤波器滤波特性的基本特点[5]。在确定R3、R4、R7、R8的值时还要尽量保证运放同相输入端和反向输入端的直流等效电阻相等。根据这些要求可以确定低通电路各元件的取值如图3a所标示。采用类似的方法可以确定高通电路的元件参数取值。

在前面的分析中看到,一个4阶低通滤波器和一个4阶高通滤波器的通带放大倍数相同,均应该是1.152×2.235=2.575,那么整个带通滤波器的增益为2.5752。为了能使带通电路的通带增益为0 dB,这里采用了电阻分压来调整了增益,具体见图3a中的电阻R1和R22。利用戴维南定理可知,当这两个电阻造成的增益衰减满足时就能达到要求。此外,这2个电阻的等效阻值必须等于前面已经确定了的R才不致改变电路的滤波特性,从而可以得到关系式。由这两个约束条件就可以确定电阻R1、R22的大小。

带阻滤波器电路图见图3b。其中的电阻取值之间满足关系R1=R2=R,电容取值满足关系C1=C2=C,C3=2C。

通带截止频率为

式中,f0是中心频率,且;通带增益

通过式(1)、式(2)联立方程,并代入设计指标所要求的fp1,fp2,可以解出Aup和f0。再取定C的值,则可以算出R的大小。和之前的讨论类似,R3和R4的取值除了考虑增益Aup外,还要尽量保证运放同向输入端和反向输入端的直流电阻相等。计算结果已标示在图3b中。

选频环节的幅频特性曲线如图3c所示。由图3c可以看到,在中心频率30 kHz和50 k Hz处的增益并不严格相等,这主要是由于计算过程中用了较多的近似和器件的损耗引起的。如果经过后续放大电路的放大,其增益差别会更大。为了进行增益补偿,需要设计对应的增益调整电路。将增益调整电路放在整个放大器的最后一级可以达到很好的调整效果。这将放在下一小节中讨论。

3 三级放大电路设计

级联放大器中各级的噪声系数对总噪声系数的影响是不同的,越是前级影响越大,第一级影响最大。在设计用于微弱信号检测的低噪声系统时,必须保证第一级的噪声系数足够小[6]。因此,前置放大器(第一级放大电路)的器件选择和电路设计是至关重要的。通常放大器设计中的运放尽量要选择低噪声运算放大器。所设计的三级放大电路如图4所示。其中第一级放大电路和第二级放大电路的放大倍数均为100,第三级放大电路的放大倍数在1～10之间连续可调。

3.1 第一级放大电路

图4a是第一级放大电路,它应该具有I/V转换和阻抗匹配的功能,这里设计其放大倍数为100。为了能达到规定的总体指标,即等效噪声谱密度不大于,这里选用运放AD797来构成。AD797的主要特点是低噪声(等效噪声电压为0.9 nV/)、低失真度(在20 k Hz的情况下为-120 dB)、转换速度高(可以达到20 V/μs),其满功率带宽为280 kHz,最大输入失调电压为80μV。利用这些特点对于构成I/V转换电路是有益的。

图4a中,电容C25、C13、C26均属于旁路电容,其目的是滤除噪声的影响。通常,紫外探测器存在结电容和结电阻,电阻通常也有寄生电容,这样会使放大器的频率特性变坏。电容C12的目的就是进行相位补偿以防止自激振荡[7]。此外,为了达到和下一级放大电路的噪声匹配,根据后续器件噪声匹配的需求增加了电阻R32作为匹配电阻,其取值为200Ω。电阻R23作为I/V转换电阻,该电路的输入输出关系为Vo=-Ii⋅R23,其中Ii为输入电流信号,Vo为经过转换的输出电压信号。这里电阻R23取值为100Ω,保证了该级电路有100倍的放大能力。

3.2 第二级放大电路

图4b是第二级放大电路,其放大倍数设计为100倍。作为主要放大环节,对其基本要求有以下几点:噪声系数要低;共模抑制能力强;输入阻抗大,输出阻抗小;输出失真要小。这里选择INA103来构建电路。INA103是一种低噪声、低失真度的精密仪表放大器芯片。其主要技术指标是:等效噪声电压为1nV/;在1 kHz,增益100的情况下失真为0.0009%;在增益1 000时的带宽也能达到100 MHz;共模抑制比大于100 dB。

图4b中使用了INA103内部60.6Ω的电阻使放大倍数为100。芯片INA103存在着补偿电压失调,必须为其设置偏置电流。当输入电压源有内阻时,偏置电流会在内阻上形成压降,导致同向输入端和反向输入端偏置电压出现差异,成为了差模信号,该信号经放大会成很大的直流漂移信号输出。解决办法就是加电阻R30、R31,滑动变阻器和输入端的耦合电容。通过调节滑动变阻器,可以改变同向和反向输入端的偏置电阻,这样可以改变偏置电压,从而保证两输入端的偏置电流大约相等以抑制直流输出。

3.3 第三级放大电路

图4c是第三级放大电路,要求它具有连续可调的放大倍数。前2级放大电路已经有10 000倍的放大能力,故只需要让第三级电路的放大能力在1～10倍之间连续可调即可。由于在I/V转换电路中引入了负的放大倍数,所以此处用反向接入的连接方式以使放大倍数为正。当滑动变阻器阻值为0时,放大倍数为1,滑动变阻器阻值为最大时,放大倍数为10。

图4c矩形框中的电路主要起增益调整作用,即用以调节图1所示的放大器整体幅频特性曲线两个峰值高度尽量相等。该部分电路频率特性曲线如图5所示。

该增益调整电路的系统函数可以表示为

再设x|F|f→0处对应的频率为fL(x待定),则

设在没有加增益调整电路前两个中心频率的增益比值为,为了达到使两个中心频率增益相等的效果,需要满足

增益调整电路不能改变选频特性曲线的中心频率,所以应该让fH=50 kHz,f L=30 kHz,K值则可以在仿真图上测出来。联立式(4)～式(6),可以解出f1、f2、x的值,再取定电容值后就可以算出电阻的取值了。

4 放大器仿真

放大器的总体频率响应特性曲线如图6所示。由图6可以看到,整个曲线的要求符合预期指标,而且在两个中心频率处的峰值基本一致,这样就体现了增益调整电路的重要作用。

对于滤波效果的测试见图7。图7中上面的曲线是混有噪声的50 kHz微弱信号,下面的曲线是经过放大器后的输出信号。可见,经过放大器后噪声得到了极大衰减,信号本身的特征得以显现出来。放大器整体噪声特性如图8所示。其中,在低频段起作用的是1 f噪声,中频段起主导的是高斯白噪声,高频段主要是晶体管的分配噪声或场效应管的感应噪声。通过仿真测试,该电路等效输入噪声电压为1.042 4 nV/@30 k Hz,1.486 9 n V/@50kHz,符合指标要求。

5 结束语

一种医用眼镜式放大镜的设计 篇4

关键词：医用眼镜式放大镜,非球面透镜组,人体工学设计,光路,三维模型

引言

现有的大部分手术显微镜和手术放大镜只是简单地提供放大功能,且不同的佩戴者头部特征、眼镜的生理参数各不相同,在临床手术中,常出现因瞳距不合适、工作距离不准确、顶点距离过近等问题,无法适应不同使用者的头部特征及眼睛的不同生理参数,造成手术放大镜或放大眼镜无法在外科手术中发挥作用,严重影响手术的进行。

本研究测量使用者的瞳距等生理参数,采用人体工学设计,根据参数精心设计非球面透镜组,准确设计出所需的放大倍数,同时消除边缘畸变及球面像差。通过三维建模量身定制眼镜镜架,准确镶嵌放大模块,使术者长时间佩戴不产生不适,提高手术效率。

1 系统设计路线

本研究包括3部分:生理参数测量、放大部分研究及镜架部分设计。技术路线框图,见图1。通过测量瞳距、瞳孔高度等眼部生理数据,为后续设计提供所需参数。放大部分采用伽利略型望远镜的光路设计,目镜和物镜均采用非球面透镜,精确设计其弧度以获得准确的放大倍数,同时最大限度消除球面像差和镜片的边缘畸变。通过Pro/E软件进行三维建模[1],构建出眼镜镜架部分的三维模型。

2 眼部生理参数的测量

测量方法主要采用眼球位置与头部大小相关测量法[2]。测量眼部生理参数的重点在于其精确度[3]。由于所需测量的参数单位均为mm,精度要求高,稍有偏差就会影响后续的设计。

2.1 工作距离

工作距离指手术中眼球到手术时操作面的距离。佩戴放大镜手术时,工作距离太小,需要佩戴者低头甚至弯腰才能看清患部。工作距离太大,则需要佩戴者降低工作面,增加眼球至工作面的距离。工作距离过大或过小都需要佩戴者变换体位,影响手术进行。

测量方法:佩戴者站立,双手放置于平时习惯的操作面,头部保持平时手术时常规的俯视姿态,闭上双眼,保持静止,避免测量时对眼睛造成不必要的伤害,使用皮尺测量从眼球到双手下沿的距离。

2.2 瞳距

瞳距指左右眼瞳孔间距离,用专用的测瞳仪测量。放大镜的两个镜筒之间的距离即为眼镜式放大镜的瞳距。若瞳距不合适,会造成眼镜平视时看到镜筒的边框,使佩戴者无法准确看到需要观察的患部。

2.3 瞳孔高度

瞳孔高度指镜框最高点至瞳孔所在直线的垂线距离。瞳孔高度对佩戴者的影响与瞳距类似,瞳孔高度不合适同样需要佩戴者眼睛上瞟或俯视才能观察到患部,长时间保持这个视角会造成佩戴者眼部不适,影响手术效果。瞳孔高度示意图,见图2,S即为瞳孔高度。

2.4 顶点距离

眼球到放大部分镜片的距离。若顶点距离太近,会让佩戴者产生镜片触到眼球的错觉,眨眼频率明显增高,同时眼部产生不适感。手术中手术医生眼部不适,为防止感染又不能用手处理,严重影响医生的手术操作。顶点距离示意图,见图3,D即为顶点距离。

2.5 医学镜头处方

医学镜头处方包括:SPH,即近视、远视的屈光度;CYL,即散光的测定;AXIS,即散光的轴向;ADD-N与ADD-M,即老花的测定。由于每个佩戴者的眼镜情况各不相同,放大部分透镜组的设计需要根据佩戴者的近视度数或是老花眼程度等进行具体定制,如果不存在老花等眼部变形,则以平光镜的标准进行透镜组设计即可。这5个参数需要到眼科用专用设备进行准确测量。

3 放大部分设计

放大部分是本眼镜式放大镜的核心部分。本研究借鉴伽利略型望远镜的设计思路,采用多片非球面透镜[4]组成的透镜组作为放大部分,各块镜片相互配合,消除边缘畸变,消除球面像差,同时达到需求的放大倍数。

3.1 透镜组的光路设计

本研究的放大模块需要呈现的是被放大患部的正像,采用伽利略型望远镜的设计思路进行光路设计,其优点是镜筒短而能成正像。光路设计示意图,见图4。光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方焦点上,这像对目镜是一个虚像,因此经它折射后成一放大的正立虚像。本研究的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。

放大模块分为物镜组和目镜组两部分。物镜是放大模块中把操作面患部成像于其焦平面上的一个透镜组。在无透镜转像系统的简单望远镜中,物镜的这一像面与目镜的物方焦平面重合,眼睛通过目镜观察这一物体的中间像。

透镜组的设计难点在于需要获得较小的放大倍数(4~6倍),但用于外科手术则需要图像精确,无球差和边缘畸变。

3.1.1 物镜

物镜的主要性能参量是焦距、相对孔径和视场角。放大率M是物镜焦距f与目镜焦距fe之比,而放大模块的镜筒长度是f与fe之和,故物镜的焦距f是决定放大模块放大率和筒长的一个重要参量。物镜相对孔径D/f是放大模块入射光瞳直径D与物镜焦距f之比,本研究取1:2.5。物镜半视场角W与目镜半视场角We之间的关系为tan W=tan We/M,目镜视场角We一般为40°~50°,设放大率M为4倍,则物镜视场角2W不大于10°。所以物镜是属于中等孔径和小视场一类的透镜组,只要对其校正轴向球面像差和满足正弦条件即可。

物镜的设计难度在于需要消除球差,因此本研究采用非球面镜片作为透镜,可以有效地消除球面像差。同时,采用非球面透镜能在增大透镜半径同时获得相对较小的放大倍数,且镜面相对较平,抗撞击能力高。

3.1.2 目镜

在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的透镜组称为目镜。目镜所能接受的光束已被物镜的像方光束所限定,因此眼睛瞳孔的位置也随之限定,一定要置于仪器出射光瞳处,才能看到全部视场。仪器的出射光瞳一般位于目镜像方焦点以外与之很靠近的地方,目镜最后一面至出射光瞳的距离称为出瞳距离,或称镜目距,即在参数测量中测得的顶点距离,是选用目镜时的一个重要参量。由于本研究的放大模块镶嵌于眼镜镜片上,故顶点距离大于常规望远镜,这里取10 mm。设目镜的焦距为fe',则放大率为Me=10÷fe',放大率为1倍,属于中短焦距一类透镜组。目镜的相对孔径较小而视场较大,所以球面像差和轴向色差一般不是关键问题,而应着重于校正轴外球面像差,主要是边缘畸变和像散(包括像散和像面弯曲)。由于眼睛有调节功能,对像面弯曲可以放宽要求。

为获得4~6倍的系统放大倍数,目镜的设计要求放大倍数小,但对边缘畸变的消除效果要求较高。本研究中目镜同样采用非球面透镜,对边缘畸变有很好的消除效果。

3.2 非球面透镜的设计

光学透镜的镜面通常是制成球面状的,从透镜中心到周边有一定的曲面,这种透镜称为球面透镜。非球面透镜的镜面则是从透镜中心到周边曲率作连续变化的,非球面透镜又有单面非球面和双面非球面两种。纵向球面相差示意图,见图5。

球面镜片,其镜片呈球面的弧度,其横切面也呈弧状。当不同波长的光线,以平行光轴入射在镜片上的不同位置时,在菲林平面上不能聚焦成一点,而形成球面像差的问题。由球面透镜组成的透镜组是采用多片透镜的组合来克服球面像差和边缘畸变的。这种透镜组会不同程度地存在一定的球面像差。采用非球面透镜组成的透镜组则能有效地克服球面像差和边缘畸变,减少透镜片数与镜头长度,有利于镜头小型化[5]。

本研究通过软件仿真,将镜片边缘部分“削去少许”,使其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时,光线能够聚焦于一点,且在菲林平面上。

本研究采用顶周非球面镜片[6],见图6。该镜片从镜片中心到周边,曲率半径逐渐增加(镜片表面逐渐平坦)。镜片折射面,根据所选基弧,计算完善的接近理想的非球面曲线。其非球面曲线接近椭圆面或抛物线。平行光线入射镜片,不论近轴光线还是远轴光线都可以会聚为一点。

非球面透镜应用于眼镜式放大镜中,具有以下明显优点:

(1)球面像差校准。用非球面透镜替换球面透镜,最显著的优点在于可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球面像差。通过调整曲面常数和非球面系数,非球面透镜可以最大限度的消除球面像差。传统镜头通常采用三片球面透镜,增大有效焦距,用于消除球面像差。但一片非球面透镜就可以有效消除球面像差,并且简化系统设计和提供光的透过率。

(2)系统优点。非球面透镜简化了光学工程师为提高光学品质所涉及的元素,同时提高了系统的稳定性,减小系统尺寸,提高成本率,降低系统的综合成本。

4 镜架部分设计

本研究以普通眼镜的镜框为基础,根据前期测得的使用者的各项生理数据,采用人体工学设计,设计出佩戴舒适的眼镜镜架。

镜架部分设计的难点在于眼球到镜片的距离需要满足顶点距离。若镜片到眼球的距离不合适,则会造成图像模糊,直接导致设计失败。因此需要建立头部模型[7]和眼镜模型两个三维模型,并将顶点距离作为参数将两个模型有机结合,最终设计出完美的眼镜式放大镜。

4.1 数字头模型

数字头模型是佩戴头部生物信息在计算机中数据结构的存储,即头部的三维信息和用户属性信息的集合。根据从输入到输出的操作流程,将该系统分为信息获取、基于数字头模型的推荐和定制,基于用户体验的数字化仿真和眼镜输出4个部分。通过测量头部尺寸及各项比例获取头部信息,输入计算机,并构建数字头模型。在定制化过程中提供给用户以参数化的形式对眼镜进行修改,并实时与头部模型进行仿真模拟。最后通过工厂制造完成眼镜的输出过程。

4.2 头部参数测量

眼镜镜框的设计采用人体测量方法,对与眼镜架有关的头眼部参数进行测量,并根据与人体头部尺寸有关的眼镜结构模型,进行镜架及镜框的设计[8]。需要测量的参数包括:佩戴者头部尺寸、头部尺寸近似比例关系、头面眼部二维相对比例关系等。

4.3 软件平台

前期的三维建模采用VC98作为软件平台,C++为编程语言,基于Open GL进行[9]。基于VC和Open GL建立STL模型,该模型能够STL快速拾取表面点参数的特点。但由于采用Open GL平台编程工作量太大,实际建模时则采用的是可参数化建模的Pro/E进行三维建模。本研究中使用了Pro/E作为三维建模的软件平台[10]。

4.4 建立头部模型

将已经测得的佩戴者头部尺寸、头部尺寸近似比例关系、头面眼部二维相对比例关系等数据输入计算机,建立头部三维模型的特征值数据库。同时将瞳距、眼球可视部分大小等参数输入计算机,建立眼球的特征值数据库,并确定眼球具体位置。最后通过Pro/E进行参数可视化建模,最终得到完整、精确的三维头部模型。

本研究主要对眼镜架进行设计,因此对眼部的数据、位置及比例进行了较为精确的测量,面部其余器官如鼻子、嘴等只进行了基本的粗略测量,目的是为了在建模时能够建立完整的面部轮廓和头部模型。

4.5 建立眼镜模型

根据前期已经测得的瞳距和瞳孔高度,将这两项数据输入系统,建立眼镜的特征值数据库,并利用Pro/E进行参数可视化建模。分别建立镜框、镜架、镜腿和连接件等部件的三维模型,见图7。

将各部位零件组装起来,得到完整的眼镜模型[11]。完整的眼镜模型以及眼镜式放大实物图,见图8。

在定制镜片时将预先测得的眼科镜头处方考虑在内,根据不同使用者的眼部特征量身定制外围镜片,满足近视、散光或老花眼等不同人群的需求。制作镜架时采用TR-90高分子材料,韧性高,耐撞耐磨,耐化学腐蚀,能防止镜架断裂,且重量轻,整个眼镜式放大镜重量仅为30 g。

注:a.完整的眼镜模型;b.眼镜式放大实物图。

5 临床应用

本眼镜式放大镜重量轻,放大效果好,图像无球差,边缘无畸变,聚焦准确,佩戴舒适,能满足各种人群的需求,医疗效率高,应用推广前景好。临床应用实例,见图9。

6 小结

本研究测量使用者的瞳距等生理参数,量身定制眼镜式放大镜。其中关键部分为透镜组的设计,不仅需要获得准确的放大倍数,还需消除图像的球差和边缘畸变。因此采用非球面透镜设计物镜和目镜,组成透镜组,根据参数设计光路,准确设计出所需的放大倍数,同时消除边缘畸变及球面像差。通过获取的头部及眼部尺寸及位置数据,建立特征值数据库,三维建模量身定制眼镜镜架、准确镶嵌放大模块,使术者长时间佩戴舒适,有效提高手术效率。

注:a.镜架的三维模型;b.镜片的三维模型;c.镜腿的三维模型;d~g.眼镜连接件的三维模型。单位:mm。

参考文献

[1]刘新东.基于Pro/E三维模型参数化设计的应用[J].电工技术,2009,(3):47-48.

[2]罗仕鉴,朱上上,孙守迁.人体测量技术的现状与发展趋势[J].人类工效学,2002,(2):31-34.

[3]王艺,袁久民,王前,等.人眼联合应用放大镜形成放大视觉的机制概述[J].中华眼科医学杂志,2014,(5):290-291.

[4]李翔,陶育华,苏彬彬,等.非球面手机屏幕放大镜的设计[J].应用光学,2010,31(2):31-37.

[5]孙理伟,金尚忠,岑松原.用于固态照明的自由曲面微透镜设计[J].光子学报,2010,39(5):60-65.

[6]陈云亮,李铁才,邱祥辉.头戴显示器中自由曲面棱镜的设计[J].应用光学,2009,(4):25-31.

[7]胡小羽.基于我国人体头部尺寸驱动的眼镜规格研究[D].成都:西南交通大学,2008.

[8]吴汝康.人体测量方法[M].北京:科学出版社,1984.

[9]庄云良,赵东标,刘凯,等.基于VC和Open GL的STL文件的分层和显示[J].机械与电子,2012,(1):27-30.

[10]刘雨东.基于头部三维信息的眼镜在线定制系统设计及体验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.

用我的“放大镜”寻你的闪光点 篇5

案例:

1. 他没有好的!

班上有一个叫小张的学生,开学之前我就从其他老师和学生那里了解到一些情况:他生长在一个问题家庭之中,妈妈在他很小的时候就离开了,爸爸又给他找了一位新妈妈。父母都好打牌,很少关心他的学习和生活。而他从来都不写作业,上课一直玩手机,也从来不听讲,如果哪个老师管教他,他就认为是老师在跟他作对,所以只要是教过他的老师都和他发生过矛盾。他成为一个“出了名”的问题学生,老师和同学们都告诫“少惹他”。我问,那他有什么优点吗?大家几乎是异口同声:他没有好的!

2. 他没有好的?

我还真不相信“老虎屁股摸不得”。我想,对于这样一个学生就是要“惹一惹”。开学第一天张同学来校报到就迟到了,站在班级门口,蛮不在乎地说了声“报告”。看到他那种漫不经心的样子,我觉得必须给他一个下马威。我让他到办公室等我,我以为他会跟我发脾气,可他却一声不吭地去了。处理完班级事务,在回办公室的路上我还担心他是否会跑掉,但远远地就看到他还站在办公室门口等我。通过交谈,我了解到是因为他爸爸早上有事耽搁了所以来学校报到晚了。从交谈的情况来看,他并不是我想象中那么“坏”。

3. 他真有好的！

通过一周的观察与了解,我觉得是该找个时间与他聊聊了。周五放学后我把他留了下来。我温和地对他说:“小张,一个星期过去了,你能对自己的表现作个评价吗?”他低着头很坦诚地说:“表现不好。”“你觉得哪些地方不好?”“学习不认真,作业也完不成,而且还经常被老师批评。”他摸着头说。“你自己说不好,可我却觉得你有很多好的地方。”听到我的话,他很吃惊地看着我,眼中充满了疑问和不自信。我接着说:“我觉得你是有所改变的,不是吗?”他看着我说:“确实有点不一样了,以前上课天天玩手机。”“现在呢?”“我这一周上课都没有玩手机。”我继续说:“听说你以前会和老师顶嘴,甚至上课还会捣乱,是吧?”听我这样一说,他很小声地说“是的”。“可这一周并没有发生这样的事,不是吗?其实,我从其他老师那里对你了解了不少。或许对于你来说在学习上有些吃力,因为听不懂所以不想听,可不管怎样,现在已是初三了,你必须得学会做人,将来走出校门后没有人会容忍你的任性。你说是不是?”听完我的话,他把头埋下去了,我知道他在想着改变自己了。

4. 他的优点可以放大!

自从这次谈话后,小张上课捣乱的事情再也没有发生过,而且他越来越关心班级,愿意为班级做好事了。教室旁边的小办公室,因为长时间不用,桌上、椅子上都是灰,地面上更是落了一层厚厚的灰,我请班上一位同学去打扫,他听到后马上自告奋勇地说:“老师,我也去。”他俩汗流浃背地忙了整整一个中午,但在他们脸上却看不到一丝不乐意。我在班上表扬了两位同学,充分肯定了他们身上具有的不怕脏的精神和勤劳的品质。此刻,我看见小张害羞地低下了头,还时不时偷偷瞟我一眼。一次,学校组织“基础知识竞赛”,专门针对一些学习基础较差的学生而开展的帮扶活动,班上的同学都在积极准备着,小张也不例外。由于同学们的共同努力,班级在这次活动中取得了年级第三、物理均分第一的好成绩。当我把这个好消息在班上宣布的时候,全班都沸腾了,每个学生的脸上都洋溢着快乐的笑容。小张考了66分,已是相当不错的成绩了。我把他的成绩告诉班级同学时,同学们给了他热烈的掌声。那一刻,我在他的脸上看到了自信,在他的眼睛里看到了光亮。我想,这是对他努力的最好回报。

思考:

其实像小张这样的学生在班级中还有很多,他们身上问题的形成是日积月累的,改变也不是一蹴而就的,关键是怎样去引导,怎样去转化。美国前总统林肯曾说过:“关键的一句话有时会影响人的一生。”教师任何一个言行举止都可能会对学生产生相当重要的影响。在对小张的教育中,我充分认识到两个道理。

1.寻找优点需要用“放大镜”

好学生是夸出来的,不是批评出来的。学生身上越是有很多的缺点,才越需要教师拿着“放大镜”去寻找他们的优点,然后给予及时的鼓励和表扬,这才是学生最需要的。一个不经常得到鼓励的孩子,他的潜能仅能发挥20%-30%;而一旦得到激励,其潜能将会发挥70%-80%。如果一个学生生活在鼓励之中,他就学会了自信;生活在赞美之中,他就学会了感激。这样的学生才会成长得越来越好。

2.扩展优点需要“赏识教育”

心理学家威廉·杰姆斯说:“人性最深层的需要就是渴望别人的赞赏,这是人类区别于动物的地方。”可见“赏识教育”就是要充分肯定学生,通过心理暗示,不断培养学生的自尊心和自信心,从而使其不仅有勇于进取的信心,而且有不断进取的动力。赏识教育是生命的教育,是爱的教育,是充满人情味、富有生命力的教育。苏霍姆林斯基说:“请记住成功的欢乐是一种巨大的精神力量,它可以促进儿童产生好好学习的愿望。”