基于眼模型的折/衍混合眼底相机设计

应用二元衍射光学理论,设计了一个基于Gullstrand-LeGrand眼光学模型的折／衍混合免散瞳手持式数字眼底相机．该相机的视场角28°,摄影系统由五片透镜构成,其中包含一个二元面．在综合考虑人眼本身和外部系统的像差后,实现了全视场200万像素的高清晰成像,具有较大调焦能力,对-10D至7D屈光度人眼普遍适用．结果显示,该系统成像分辨率高于120lp／mm,场曲值小于0．75mm,畸变仅为7．0％,色差小于3．5μm．衍射光学元件的引入,有效地简化了系统,减小了重量和体积．     

基于眼模型的便携式眼底荧光相机设计

设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式眼底荧光相机.该相机选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统,综合考虑了人眼光学结构和外部系统的像差进行综合设计,实现了全视场200万像素的高清晰成像.采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式,获得了眼底均匀照明.结果显示:本相机具有较大的调节能力,对-10D～+8D人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120lp/mm,负畸变值小于5.3%.     

大视场手持式免散瞳眼底照相机光学设计

设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源,采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8μm,场曲小于0.2mm,畸变小于0.6%,在70lp/mm处各视场处的调制传递函数均高于0.4。使用Zemax光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰地再现了原图。该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。     

大视场免散瞳手持式眼底照相机光学设计

研究设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源。采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8μm,场曲小于0.2mm,畸变小于0.6%,在70lp/mm处各视场处的MTF均高于0.4。使用ZEMAX光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰的再现了原图,该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。     

可诱导人眼自动调焦的眼底相机光学系统设计

基于自适应光学设计了一款可诱导人眼自动调焦的眼底相机,包括视度调节系统、照明系统和自适应成像系统。在视度调节系统中,通过设置视标诱导人眼自动调焦,校正人眼初级像差,将人眼残余像差控制在自适应成像系统的校正范围内。在照明系统中,采用轴锥镜组产生环形光照明人眼,消除人眼角膜的强反射光,通过调节轴锥镜之间的距离使环形光束内径连续变化以适应不同的人眼。在自适应成像系统中,使用哈特曼-夏克波前传感器作为波前探测器,使用变形镜作为波前校正器,校正人眼的高阶像差。仿真结果表明,眼底照明均匀度可达95%,自适应成像系统在截止频率76lp/mm处,各视场调制传递函数(MTF)值均大于0.36。系统畸变小于1%,能够对在-6 D~+8 D(D表示屈光度数)之间的人眼眼底清晰成像。     

便携式立体成像眼底相机的光学系统设计

设计了一个视场角为30°的免散瞳立体成像眼底相机的光学系统。系统由成像系统和照明系统组成,在成像系统中,设计了新型眼底立体成像光学结构,并加入前置物镜来提高成像分辨率;在照明系统中,通过设置环形光阑来避免角膜反射光的产生,并加入黑点板来消除网膜物镜产生的杂散光。研究结果表明,该系统不仅可以实现眼底视网膜图像的多角度同步采集,还可以实现眼底视网膜6×10~6 pixel的高清成像。系统对正常人眼的物方分辨率高于200 lp/mm,系统总长为290 mm,场曲值小于28μm,畸变仅为-4.9%。系统具有较强的调焦能力,能对-7～+5 m~(-1)屈光度人眼的眼底进行清晰成像。     

基于智能手机的眼底成像系统

眼底成像技术可检测临床视网膜组织状态,其检测结果已成为多种眼底疾病诊断的重要依据。然而,传统的眼底成像系统需要专业医护人员操作,且具有体积大、价格昂贵等缺点。随着智能手机的图像采集、存储、数据传输等功能的不断提升,基于智能手机的眼底成像系统可有效弥补传统眼底成像系统的上述缺陷。在本研究中,我们设计了照明和成像光路并利用3D打印技术将其小型化,通过与智能手机相结合实现了对人眼视网膜图像的采集。结果表明,基于智能手机的眼底相机距离模拟眼的工作距离约为17 mm,安置于体积仅为88 mm×79 mm×42 mm(长×宽×高)的手机外设配件中。随后,利用Zemax对系统光学参数进行了进一步优化。经优化后的成像系统,畸变保持在0. 2%范围内,场曲小于10μm。该系统具有便携性良好、无创、价格低廉等优点,未来可用于多种眼底疾病的社区筛查工作。     

基于高斯括号法的液体透镜调焦眼底相机光学系统设计

提出了一种采用液体透镜(LTL)补偿人眼屈光度变化的新型眼底相机光学系统,应用高斯括号法推导了液体透镜光焦度与人眼屈光度的函数关系式,计算并搭建了包含人眼模型的眼底相机近轴光学系统。在优化过程中控制人眼瞳孔位置与液体透镜共轭并保证位于它们之间的光学系统放大率接近1,使成像光束能够通过液体透镜;光源与角膜共轭,采用环形光源结合偏振光照明,并在探测器前加入检偏器降低系统杂光。设计并研制了视场角为50°、物方工作距为40mm、总长小于220mm的便携式眼底相机光学系统,拍摄了不同屈光度状态下的模型眼在采用液体透镜和不采用液体透镜补偿的眼底图片,结果表明:通过液体透镜的电控变焦能对-10D~+10D(1D=1m-1)的人眼清晰成像。该系统结构紧凑、无机械运动部件,大幅降低了光机系统的复杂程度。     

消畸变、长焦距相机光学系统设计

随着空间光学技术的不断发展,时间延时积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机得到了广泛的应用,TDI-CCD图像传感器的应用不仅提高了相机系统的信噪比而且使相机的光机结构更加紧凑,但光学系统的畸变在推扫过程中会造成像移,并最终导致图像模糊,因此对光学系统的设计提出了新的要求。分析了光学系统畸变对TDI-CCD推扫成像时的影响,研究了空间相机光学系统设计中消除畸变的方法,并进行了光学系统设计。设计了谱段位于450～900nm,焦距f=6000mm,F数为10的三反射消畸变光学系统。设计结果表明,当光学系统视场角为1.6°时,光学系统的畸变量小于0.01%,当面中心遮拦为0.06时,Nyquist频率(50lp/mm)处调制传递函数优于0.50,成像质量达到衍射极限,可以满足高分辨率TDI-CCD空间相机的使用要求。该光学系也适用于多光谱、立体成像和立体测绘等对光学系统畸变有严格要求的相机系统。     

便携式免散瞳带信标眼底相机光学系统

设计了一款便携式39°视场免散瞳眼底相机光学系统,可以对-10～+15m~(-1)屈光度变化范围内的人眼视网膜清晰成像。采用环形光源照明,使眼底视网膜照明均匀度达到95%,也很好地消除了角膜反射。加入的信标系统使得便携式眼底相机光学系统在拍摄时有助于保持人眼与成像系统的同轴度,进一步提高拍摄视网膜图像的清晰度。通过对成像系统的优化设计及仿真分析,得到均方根直径小于6.4μm、场曲小于60μm、像散小于50μm、畸变小于3.6%,在67lp/mm处各视场传递函数值大于0.5和成像系统加工良率高的眼底相机光学系统方案。方案可以应用于眼科检查,改善全国偏远地区眼科医疗器械缺少的情况。     

用于复色哈特曼人眼波像差测量的折/衍混合调焦系统

设计了一个折/衍混合多色调焦系统,可用于哈特曼波前传感器测量不同波长下人眼的波像差.系统由两片折射透镜和一个二元衍射面构成,焦距调整范围为－200～200 mm.系统性能达到衍射受限,在0.488～0.655 μm波长范围内,焦点色位移小于3 μm.整个系统结构简单、紧凑,同哈特曼波前传感器相匹配,可用于普通人群眼波像差的测量.     

Design of optical system for head-mounted micro-display

Assembling one optical imaging system with 0.56″ liquid crystal on silicon (LCOS), we achieved one practical head-mounted micro-display system for civilian applications. The optical system consists of three refractive elements and one binary surface. It has a 32° field of view (FOV), a 10 mm exit pupil diameter, and a 20 mm eye clearance distance. Compared with the traditional optical system, the hybrid refractive/diffractive system has a longer working distance and can be used in higher resolution display with better image quality. Designing results indicate that the introducing of binary element in the system with smaller FOV could improve the image quality dramatically.     

用于头盔显示器的折/衍混合目镜设计

设计了一个用于头盔显示器的40°目镜,由两片镜组成,其中含有一个二元衍射面和一个非球面.该折/衍目镜具有10 mm的出瞳直径和25 mm的出瞳距离,结构紧凑,总重量仅为16.6 g.像差特性优于传统的折射目镜,轴上视场传递函数良好,适用于SXGA分辨率的显示.     

非制冷长波红外热像仪折衍混合双视场光学系统设计

根据衍射光学元件具有大的负向色散特性,将衍射光学元件应用于红外双视场光学系统中,根据傅里叶光学分析衍射光学元件(DOE)的消色差,列表对比折射透镜与衍射光学透镜的特性,并给出变倍比为4∶1可用作非制冷红外热像仪的光学系统的具体设计实例.系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入2片透镜实现宽视场,通过引入二元面和非球面提高了成像质量.设计结果表明:在空间频率11 lp/mm处,短焦距40 mm时,各个视场的MTF值均大于0.6;长焦距160 mm时,各个视场的MTF值均大于0.7,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

折射/衍射混合红外双焦光学系统设计

利用二元光学元件消色差和对波面进行任意整形的特点，将二元衍射面应用于红外双焦光学系统中，对变焦方程的解进行了分析，给出了具体的系统设计实例.设计结果表明，在仅使用4片锗透镜的情况下，系统焦距为80 mm，F数为0.8时，系统垂轴像差小于72μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.8；系统焦距为160mm，F数为1.6时，系统垂轴像差小于35μm，在10lp/mm时光学传递函数大于0.7. 关键词： 红外变焦光学系统 折射/衍射混合透镜 光学设计     

基于叠层衍射成像的二元光学元件检测研究

本文提出了一种基于叠层衍射成像(ptychography)的二元光学元件的检测方法,该方法可实现对二元光学元件表面微观轮廓的检测以及特征尺寸的标定.相比于传统的二元光学元件检测方法,其使用无透镜成像技术,简化了系统结构并可适用于特殊环境下的检测.该方法可直接通过采集多幅衍射图,利用叠层衍射成像迭代算法可精确地复原大尺寸待测元件的表面微观轮廓,提高大尺寸器件的检测效率.本文模拟仿真了台阶高度与噪声大小对纯相位台阶板复原结果的影响,并在光学实验中选取计算全息板为样品,复原样品的表面微观轮廓信息以及得到台阶高度.以白光干涉仪检测结果为标准,该方法在精度要求不太高的前提下,可获得令人满意的成像质量.     

A novel approach to design intraocular lenses with extended depth of focus in a pseudophakic eye model

Eye model is firstly used to design and assess the performance of intraocular lenses (IOLs) with extended depth of focus (DOF), including aspherical IOL, refractive multifocal IOL and diffractive multifocal IOL. The details of design and optimization are given, and the optical performance of the pseudophakic eye with the designed IOLs is assessed with the spot diagram and the visual acuity. For the pseudophakic eye with 3 mm pupil, when the spherical aberration is fully corrected by the aspherical IOL, the best visual acuity reaches 1.2 with a DOF of only 1.4D. Whereas when the spherical aberration is 0.4λ, the best visual acuity is 0.9 with a DOF as much as 2.2D. With the implantation of refractive or diffractive multifocal IOL, the pseudophakic eye has fairly good distant and near vision, while the intermediate vision is worse. Diffractive multifocal IOL diverts 81% of the input light to two primary focuses equally, with the additional 19% of the light wasted as higher order diffraction. Refractive multifocal IOL diverts all the light to two focuses but the light distribution varies with the pupil diameter.     

含三层衍射元件的60°视场折/衍混合头盔目镜

设计了一种含有三层衍射光学元件的60°视场头盔显示目镜,并给出了系统优化过程和结果.在整个视场和设计波段范围内三层衍射光学元件的衍射效率均在90%以上,提高了系统的光能利用率和像的对比度.此目镜光学系统的出瞳直径为8 mm,出瞳距离为22 mm.整个系统重量仅为8 g,总长度为26.8 mm,结构轻便紧凑,具有良好的光学性能,满足头盔显示目镜的使用需求.     

大焦深人工晶体的设计

运用Zemax光学设计软件构建Liou-Brennan眼模型,设计了增大焦深的非球面、折射型多焦点和衍射型多焦点人工晶体,并用点列图和视锐度分析了所设计的人工晶体的光学质量。对于非球面人工晶体,在3mm瞳孔下,当人眼无球差时,最佳视锐度相当高,但焦深仅为1．4m^-1;当人眼球差为0．4λ时,最佳视锐度可达0．9,焦深达2．2m,同时在整个焦深范围内视觉质量均优越。对于衍射型和折射型多焦点人工晶体,在明视条件下,虽然视远和视近时视觉质量良好,但是中间距离的视锐度〈0．5。衍射型多焦点人工晶体只有81％的光能用于成像,远近焦点能量均分,且与瞳孔大小无关;折射型多焦点人工晶体的远近焦点能量与瞳孔大小相关。设计的人工晶体均能增大人眼的焦深,但各有优缺点,临床上应该酌情选用。