提高眼底自适应光学成像系统的普适性设计

自适应光学技术被广泛应用于人眼像差的校正，从而实现眼底细胞和微血管进行高分辨率成像。传统自适应光学系统受夏克哈特曼波前探测器的动态范围限制，只对部分人群适用，无法对高屈光不正人群进行眼底高分辨率成像。为了提高眼底自适应光学成像系统普适性，本文设计了一种基于音圈变形镜高分辨率眼底自适应光学成像系统：引入Badal调焦系统，能够对人眼屈光度在-8～8 D的眼底进行高分辨率成像；用轴锥透镜组代替传统的环形光阑，控制正、负轴锥透镜间距可以调节环形光内径，以适应不同人眼的角膜，同时避免角膜反射的杂光；通过视标引导实现大视场成像。仿真结果表明，照明子系统在眼底视网膜照度分布均匀；在设定的公差范围内，至少有90%的MTF值在25 lp/mm达到0.21（对应视网膜上4μm）。在实验室搭建了相应的光路，对大畸变的模拟人眼进行了成像，获得了较好的成像效果。     

视标引导的自适应光学眼底成像视场精确定位

自适应光学眼底相机,由于较高的成像分辨率和人眼等晕角的存在,单次成像的视场被限制在1左右。必须实现单个视场的精确定位和多个视场的图像拼接,才能得到完整的眼底图像。为了精确定位,文中分析视标引导成像视场的原理,设计了新型的视标引导系统。平行光照明视标,并通过透镜聚焦于人眼瞳孔中心,这样能够精确测量眼底成像视场的位置。基于此搭建的自适应光学系统可在22.6的眼底范围内成像,精度达到0.003。这套系统成功实现了单个细胞的追踪和眼底血管的大视场拼接,这将有益于液晶自适应光学系统在临床眼科的应用和推广。     

超轻小宽视场高分辨无人机机载相机光学系统设计

针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求，基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像，位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″，筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内，像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1μm，在空间频率230 lp/mm处，各视场调制传递函数值大于0.4，系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑，可用于无人机遥感领域，在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时，还可实现光学系统的小型化和轻量化，具有广阔的应用前景。     

轻小型立体相机光学系统研制

针对民用低成本立体成像的应用需求,设计了一种轻小型立体成像相机光学系统,旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像,该光学系统在焦面探测器配合下,既可实现立体成像,又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f'=32 mm,视场角2=66,相对孔径D/f'=1:6.8,工作谱段450~750 nm。光学系统设计中,采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式,最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm,几何畸变小于0.1%,边缘视场与中心视场照度比0.83,边缘视场与主光线入射角小于15。光学系统采用精密定心装配,并对成像质量进行了检测,装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm,满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。     

自适应光学相干层析在视网膜高分辨成像中的应用

视网膜光学相干层析（OCT）技术利用外部低相干光源照射人眼眼底,并将人眼眼底散射信号进行干涉成像,获得人眼视网膜的断层图像信息,以实现人眼视网膜无创、实时、在体的光学活检。传统光学相干层析在视网膜成像时的轴向分辨率可达3 μm以上,但由于人眼个体差异和不可避免的像差限制了视网膜OCT的横向分辨率,只能达到约15~20 μm。而自适应光学作为一项波前校正的先进技术,可以校正OCT色差以及人眼有限视场和眼球运动导致的像差,将OCT横向分辨率提高到低于2 μm,以实现视网膜细胞及微细血管近衍射极限成像,及时发现患者眼底存在的早期病变。在介绍自适应光学和视网膜光学相干层析的技术特点基础上,对自适应光学在视网膜光学相干层析成像应用的国内外发展现状进行了论述,总结了自适应光学OCT视网膜高分辨成像在宽带光源色差校正、眼球运动伪影减少、自适应光学视场扩大和波前传感与校正系统简化的关键技术和未来发展趋势,以实现大视场、高效率、高灵敏度、高分辨率的高速人眼视网膜成像,为未来自适应光学OCT视网膜成像技术的研究和应用提供参考和借鉴。     

高度屈光不正人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的利用液晶自适应成像系统进行具有较大屈光不正人眼像差校正及视网膜的成像,建立了一套基于低阶像差自补偿的眼底自适应成像系统。该系统采用基于人眼调节特性的光学系统进行屈光补偿,用夏克哈特曼波前传感器进行实时的波面探测,将探测所得波前畸变进行波前重构,通过LCOS波前校正器进行高阶像差的波面校正提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差得到有效控制。光学系统的分辨率接近70 lp/mm,已经到达该光学系统的衍射极限分辨。可以得出:液晶自适应视网膜成像系统可以满足高度屈光不正情况下的人眼视网膜成像要求。     

热红外相机光机系统设计

以气象观测应用为目标,提出一种基于非制冷微测辐射计的热红外波段相机光学设计方案,该光学系统焦距60 mm,光谱范围8～14 μm,视场角7°.综合三片分离式结构和双高斯光学结构设计了红外物镜,优化后物镜成像质量达到衍射极限.进行了物镜的无热化结构设计,分析结果表明在-20℃～60℃范围内,物镜成像弥散斑直径接近爱里斑直...     

用于多光谱照明通信的大视场接收光学天线设计

针对多光谱照明通信要求,提出了一种新型大视场高增益光学天线。天线采用前组三片式负组透镜、后组四片式正组透镜组合的反远距天线结构,通过理论计算、Zemax设计优化,设计出视场角(FOV)90°、增益115的大视场高增益前置接收光学天线,同时具有较小的体积。该光学天线与色散分光系统联合仿真表明,该天线可实现视场角90°×22°、增益20,适用于多光谱照明通信。同时设计出的前置光学接收天线也可独立作为大视场成像光学系统、成像光谱仪前置物镜系统等,具有广泛的适应性。     

小型化人眼像差校正仪光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,需要实时校正人眼的动态变化像差,尤其是高 阶像差.设计了一套基于液晶空间光调制器的小型化人眼像差实时校正光学系统.该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变.探测光采用790nm近红外光,成像光采用570nm可见光.系统设计尽量少采用透镜,减小了系统的体积、光能损失和系统自身可能引入的像差.使用开环模式可以提高光能利用率和系统的稳定性,而双波长模式可以增大视场,实现不同波长的成像,而且可以实现瞬间强曝光成像.用ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,表明该系统可以达到衍射极限的水平,MTF=0.5@31 cycles/mm(对应视网膜上4μm),MTF=0.3@48 cycles/mm(对应视网膜上2.6μm).实验结果证明:该系统光能利用率高,杂光干扰小,方便灵活.     

超大视场变焦仿生眼光学系统设计

提出了一种新的基于仿生鱼眼镜头模型的超大视场变焦仿生眼光学系统。该仿生眼应用可调光焦度器件能使光学系统更紧凑和不需要移动。鉴于鱼眼系统可以简化成反远物镜的原理,利用矩阵理论和变焦准则,研究了基于可调光焦度器件鱼眼镜头设计的一阶几何光学理论,得到了鱼眼系统前组和后组的光焦度控制方程;进一步讨论了其光焦度的边界方程;最后提供的仿生变焦鱼眼的视场角最大为164,焦距从5～15 mm变化,成像质量达到系统要求。设计实例为其在智能监控、航天军工、机器人系统等领域的应用提供了有益的探索。     

用于亚公里级三维成像的全光相机主物镜设计

The plenoptic camera can refocus after imaging, and obtain the position and direction information of the target at the same time with one exposure. Compared with the active distance measurement method and the traditional passive distance measurement method, the depth measurement method based on the plenoptic camera has the advantages of being difficult to detect and easy to calibrate. The plenoptic camera 3D imaging technology is a computational imaging technology that integrates the front-end optical system and the back-end information processing. The current research works mainly focus on the back-end information processing algorithm et al. There are few reports on the research of the front-end optical system. Therefore, the design of the front-end optical system was researched. Firstly, a calculation model was established for the depth resolution of a plenoptic camera based on multi-eye vision and the influence of optical system performance parameters was analyzed such as focal length and F-number on the object depth resolution. Secondly, the influence of factors was analyzed such as the blocking ratio of the two-mirror optical system and the magnification of the secondary mirror on the system parameters. Finally, a plenoptic camera main objective optical system for sub-kilometer-scale 3D imaging was designed comprehensively considering the design, processing, assembly, and ranging performance. The focal length of the system is 500 mm, the total length of the system is less than 163 mm, the telephoto ratio is less than 1/3, and the working temperature range is ?40 -70 ℃. The full field of view MTF in 80 lp/mm is better than 0.3 at different temperatures. If the plenoptic camera uses this objective and a sub-pixel recognition accuracy algorithm of 1/8 pixel, a depth resolution of less than 5 m can be obtained at 0.5 km.     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

应用六阶波像差理论的鱼眼镜头系统设计

鱼眼镜头系统具有平面对称、超大视场、大孔径成像等特点,使得其设计十分复杂。波像差理论是研究光学系统的重要手段,由于鱼眼镜头系统具有平面对称的成像特性,赛德尔初级像差和基于轴对称光学系统发展的高阶像差理论不再适用于鱼眼镜头系统的像差分析和设计。介绍了六阶波像差理论,包括六阶本征波像差、五阶像差、衍生波像差及孔径光线二阶精度对波像差的影响,给出六阶波像差理论设计鱼眼镜头系统的流程图,应用六阶波像差理论设计鱼眼镜头前光组,由其前光组与后光组像差平衡设计了后光组。最后得到一成像质量良好的鱼眼镜头系统,该镜头的焦距为5.989 mm,视场角为180°,相对孔径为1/3.2。设计结果表明,该鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在空间频率为60 lp/mm时均不低于0.56,具有较好的成像质量。     

光场相机建模与畸变校正改进方法

光场相机作为一种新型的成像系统,可以直接从一次曝光的图像中得到三维信息。为了能够更充分有效地利用光场数据包含的角度和位置信息,完成更加精准的场景深度计算,从而提升光场相机的三维重建的精度,需要实现精确的几何建模,并精确标定其模型参数。该方法从薄透镜模型和小孔成像模型出发,将主透镜建模为薄透镜模型,将微透镜建模为小孔成像模型,结合光场相机双平面模型,将每个提取到的特征点与其在三维空间中的射线建立联系,详细解释了内参矩阵中每个参数的物理意义,以及标定过程中初值确定的过程,并在镜头径向畸变模型的基础上进一步应用了相机镜头的切向畸变模型以及基于射线重投影误差的非线性优化方法,改进了光场相机的标定方法。实验显示,该方法的RMS射线重投影误差为0.332 mm,与经典的Dansereau标定方法相比,进行非线性优化后得到的射线重投影误差精度提升了8%。该方法详细分析的场景点与特定像素索引的推导过程对光场相机的标定具有重要的研究意义,为光场相机光学模型的建立与初始化标定奠定了基础。     

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4～1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。     

利用光纤传像束的内窥镜物镜设计

光纤传像束用于内窥镜时,对内窥镜物镜的结构型式和成像质量提出了新的要求。在分析了其基本设计原则后,根据实际需求,选用反远距型物镜作为初始结构,利用Zemax软件优化设计了一个工作波段0.38~0.78 m,焦距0.921 mm,全视场100、相对孔径1/4的内窥镜物镜。镜头总长10.32 mm,满足像方远心要求,在38 lp/mm频率处MTF值在0.85以上,像质优良;同时,在Tracepro软件中建立了所设计物镜与光纤传像束结合后系统的模型,模拟的系统耦合效率约为96%且出射端照度均匀。结果表明:该物镜具有视场大、短焦距、结构合理、耦合效率高、像面照度均匀等特点,满足内窥镜要求。