Design of optical system for catadioptric fundus camera

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统.设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正.建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路.照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光.成像光学系统可在-10～+10 m-1调焦,物方各视场分辨率为33 lp/mm,系统畸变小于8.5％;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15％以内.实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求.     

基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析

针对含有自由曲面的空间光学系统中偏振像差对探测精度和成像质量的影响,基于琼斯表示法,提出以条纹泽尼克多项式为表征函数的自由曲面离轴光学系统偏振像差分析方法,构建了自由曲面反射光学系统偏振像差解析模型,分析了条纹泽尼克多项式低阶系数对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响;通过全视场偏振光线追迹仿真及系统引入自由曲面前后的对比,揭示了自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟和二向衰减3种偏振像差的作用规律;最后,设计了含有自由曲面的大视场离轴三反偏振成像光学系统,并分析了系统全视场的偏振像差.分析结果表明:相位像差分布与自由曲面面形矢高分布一致,自由曲面引起的二向衰减和相位延迟占系统总体二向衰减和相位延迟的52.5％.掌握这种偏振特性变化对于设计深空天文望远镜等甚高精度的光学系统具有重要意义.     

立体成像眼底相机光学系统设计

为了实现从不同角度同时拍摄同一眼底视网膜区域的图像,使采用双目立体视觉法进行眼底三维重建成为可能,设计了一种免散瞳立体成像眼底相机光学系统。该光学系统由成像系统和照明系统两部分组成,在成像系统中,使用Gullstrand-Le Grand眼模型来模拟正常人眼,运用体视显微镜成像原理进行分光设计;在照明系统中,通过设置黑点板的方式消除网膜物镜产生的杂散光,并加入环形光阑以避免角膜反射光的产生。设计结果表明,本立体成像眼底相机光学系统截止频率在95lp/mm处各视场的MTF值均大于0.2,成像系统畸变小于-3%,场曲值小于0.1mm,色差矫正良好,并且具有较强的调焦能力,能对-10~+5m~(-1)的人眼清晰成像。     

折/衍混合自由曲面式头戴显示器光学系统设计

为解决传统头戴式显示器大视场、大出瞳距与小型、轻量化之间的矛盾,设计了折/衍混合自由曲面式头戴显示器的光学系统.利用衍射元件的特殊色散特性校正系统色差;选取最佳的自由曲面面型组合校正系统的像散、彗差和畸变;由光学塑料(PMMA)注塑成型的自由曲面棱镜形成离轴结构,使光学系统结构紧凑、便于装调.设计得到的光学系统出瞳距离...     

基于光学自由曲面的离轴三反光学系统

为了研制长焦距大视场离轴三反空间光学系统,描述了自由曲面光学数理模型,设计了基于自由曲面的离轴三反光学系统.针对焦距为4500 mm,成像视场角为11°,系统总长与焦距的比值为1/3的光学系统,对比分析了传统离轴三反光学系统和次镜为自由曲面的离轴三反光学系统的关键性能.在提出的光学系统中次镜采用自由曲面设计,提升了光学...     

基于眼模型的非球面眼底荧光相机的设计

运用非球面光学理论,设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式非球面眼底荧光相机。该相机根据滤光片选择原则,选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统进行光谱滤光;为避免角膜中心较大曲率引起的杂散光,采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式实现眼底均匀照明;摄影系统中引入眼模型结构,综合校正了人眼及系统的像差,实现了全视场20×106pixel的高清晰成像。该摄影系统包含有2个非球面结构,使系统由9片镜结构简化为7片镜结构。实验结果表明,该相机具有较大的调节能力,对-12～+12m-1的人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120lp/mm,畸变值3.9%。非球面光学元件的使用,有效地简化了系统,减小了系统体积和重量,提高了成像质量。     

硬性内窥镜光学系统的杂散光分析与抑制

基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法,以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹,分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光;通过杂光路径分析,提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因,由此研究了相应的杂散光抑制方法:即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径,并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后,采用提出的方法设计了视场角为70°,透镜直径为2.7mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示,研制的硬性内窥镜光学系统在100lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上,逼近衍射极限。光线追迹结果表明,在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射,完全消除杂散光并保证良好的像质。     

离轴回转对称棱镜式头戴显示器目镜的研制

针对大曲率自由曲面棱镜在加工中存在表面粗糙度差的问题,本文采用离轴非球面面型研制了棱镜式虚拟显示目镜.目镜的3个光学表面都采用了回转对称的非球面面型,其加工精度比自由曲面高且加工难度大大降低.通过控制棱镜各表面的曲率、倾斜角度来实现短焦距和大视场并通过优化高次非球面系数校正像差.实验结果显示:研制的目镜其光瞳大小为6 mm,视场大小为55°;在30 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数(MTF)值高于0.2,轴外视场的MTF值高于0.1,目镜的最大畸变量为-5.37％.棱镜的检测和试验结果表明:与自由曲面棱镜相比,采用非球面面型能够显著降低棱镜表面的粗糙度,避免图像重影现象,成像更为清晰,虚拟成像的目视效果得到了明显改善.     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。     

同轴大压缩比大相对孔径相机的光学系统设计

以近轴三反射镜消像差理论作为设计依据,采用小视场角偏置设置,使用一维倾斜平面镜将光路在主镜前折叠,优化设计了具有高压缩比的同轴大相对孔径成像光学系统。其中,相机焦距为2.5 m,像方F数为6.3,成像视场角为0.6°×0.3°,在91 lp/mm的空间频率下,400～900 nm可见光-近红外波段光学调制传递函数优于0.41,1 064 nm激光波段20 lp/mm时光学调制传递函数优于0.6,成像质量均接近衍射极限,全视场下成像一致性较好。光学系统长度具备小于1/5.6倍系统焦距、1.1倍主镜直径的高压缩比,三反射镜均为二次曲面且非离轴空间布局,不含有高次非球面系数,公差分析结果表明光学系统易于工程化实现,在多星组网的紧凑型商用成像测高光学相机领域具有广泛的应用前景。     

双视场无盲点全景成像仪

折返式全景成像技术作为一种新型的成像技术是光学设计领域近十几年的研究热点,但该技术有一个重大缺陷——在镜头的正前方存在观测盲区。本文设计了一种拥有双观测模式的新型全景成像仪。相比于传统的折返式全景成像仪,该仪器可以同时对前向视场360°×(0°~55°)和环形视场360°×(55°~95°)进行观测。其中,前向视场很好地补充了折返式光学系统的中央观测盲区,并增加了CCD探测器的面积利用率。该成像仪光学系统由前置透镜组、全景环形透镜和中继转像系统三部分组成。所有的透镜表面均为球面,具有易加工、低成本的特点。最后针对这种光学系统设计了对应的机械结构,从而为以后成像仪的加工、装调服务。该成像仪设计为折返式全景成像技术提供了一个新思路。     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。     

基于眼模型的数字眼底相机设计

本文基于Gullstrand-Le Grand眼光学模型设计了一个视场角为30°免散瞳手持式的数字眼底相机,在综合考虑人眼本身和外部系统的像差后,实现了全视场200万像素的高清晰眼底成像;引入眼模型辅助设计,解决了人眼自身的色差问题,从而适用于白光照明。同时,为避免角膜中心曲率大的区域反射引入杂散光,专门设计了环形光阑和共轴照明相结合的照明系统。结果显示,该相机系统成像分辨率高于120lp/mm,场曲值小于0.86mm,畸变仅为7.2%,并且具有较大调焦能力,对-10D至7D屈光度人眼普遍适用。     

视网膜细胞显微镜的照明系统

为满足视网膜细胞成像照明光束的高亮度、窄谱宽要求,提出了一种用于视网膜细胞成像的照明系统,将半导体激光器发出的632.8nm激光耦合到芯径为105μm的多模光纤中,用聚光镜将多模光纤的出光端汇聚到一个旋转毛玻璃上,再用一个投射物镜将毛玻璃上的光源像投射到眼睛里照亮视网膜。试验发现该照明方法很好地消除了激光散斑,满足视网膜显微成像对高亮度光源的要求,光源有较窄的谱宽,成像系统色差很小,成像质量优于采用传统氙灯做照明光源的图像。该照明系统能较好地满足视网膜显微成像。     

耳鼻喉内窥镜视频高清光学系统设计与实现

为了实现高清数字化医疗内窥成像,使用成像质量良好的耦合透镜系统耦合内窥镜目镜和CCD相机,成为高清视频内窥镜。基于实际应用的要求,设计了一个适用于耳鼻喉科内窥镜耦合CCD相机的透镜系统,该系统可以用于1/1.8in(1in=25.4mm)、200万像素的CCD相机成像,并且具有12°视场角,4.4的F数。在调制传递函数(MTF)大于0.1判据下,透镜系统各视场的分辨率都在111lp/mm以上,在全视场范围都能取得很好的成像效果。实际测试表明,该系统光学成像清楚,图像细节表现明显,分辨率达到了高清成像的要求,虽然结构简单,但达到了预期的设计目标,不但有利于加工和装配,而且降低了大量的成本。     

Multispectral imaging of the ocular fundus using light emitting diode illumination

We present an imaging system based on light emitting diode (LED) illumination that produces multispectral optical images of the human ocular fundus. It uses a conventional fundus camera equipped with a high power LED light source and a highly sensitive electron-multiplying charge coupled device camera. It is able to take pictures at a series of wavelengths in rapid succession at short exposure times, thereby eliminating the image shift introduced by natural eye movements (saccades). In contrast with snapshot systems the images retain full spatial resolution. The system is not suitable for applications where the full spectral resolution is required as it uses discrete wavebands for illumination. This is not a problem in retinal imaging where the use of selected wavelengths is common. The modular nature of the light source allows new wavelengths to be introduced easily and at low cost. The use of wavelength-specific LEDs as a source is preferable to white light illumination and subsequent filtering of the remitted light as it minimizes the total light exposure of the subject. The system is controlled via a graphical user interface that enables flexible control of intensity, duration, and sequencing of sources in synchrony with the camera. Our initial experiments indicate that the system can acquire multispectral image sequences of the human retina at exposure times of 0.05 s in the range of 500-620 nm with mean signal to noise ratio of 17 dB (min 11, std 4.5), making it suitable for quantitative analysis with application to the diagnosis and screening of eye diseases such as diabetic retinopathy and age-related macular degeneration.     

大孔径大视场轻小型星敏感器光学系统

提出了一个大相对孔径、大视场轻小型CCD星敏感器光学系统设计方案,该星敏感器焦距为22.5 mm,F数为1.2,谱段范围470~750 nm,视场角25°。采用双高斯基本型后加一片近乎等晕的正透镜,获得了较大的相对孔径,同时选择高折射率玻璃材料增大视场并降低轴上及轴外光束入射角,高折射率玻璃材料亦能降低高级像差且使系统总长缩短。像质分析表明,此设计方案能够满足使用要求,光学系统总长仅为46.51 mm,满足实际工程轻量化需求。     

人眼波前像差测量中的照明系统设计

使用Hartmann-Shack传感器测量大像差人眼时,细平行光照明会导致波前像差测量的精度下降。设计并实现了一种自动的可调照明系统,在入射光路中加入了一个位置可以自动调整的准直透镜,调整这个透镜的位置可以准确的改变照明光的光屈度,精密电控平移台可以对准直透镜的位置进行快速准确扫描定位。实验中对模拟人眼像差进行了测量,分别用细平行光照明和自动可调照明系统的实验结果进行了对比。实验结果显示,使用自动可调照明使传感器获得图像的信噪比由2:1提高到10:1,对近视-5D模拟人眼测量的结果也由-4.285D±0.208D提高到-5.041D±0.157D,结果显示,使用自动可调照明系统提高了Hartmann-Shack传感器图像的信噪比,使测量结果更加准确。