高帧频紧凑型自适应光学扫描激光检眼镜

基于自适应光学(AO)像差校正技术的激光共聚焦扫描检眼镜是当前研究的热点,为眼底疾病早期诊断提供有力的支持。利用可连续变形镜和夏克-哈特曼探测器为核心器件搭建了一套高帧频紧凑型自适应光学扫描激光检眼镜(AOSLO)系统,系统物理尺寸为350 mm×400 mm,图像采集帧频为40 fps,分别进行了系统分辨率测试与人眼视网膜成像初步实验。结果表明,系统人眼视网膜面上的分辨率可达到2.50μm,达到极限分辨率(2.32μm),可实现细胞量级高分辨率成像,自适应光学系统能够校正人眼像差,校正前后图像质量有明显的提高,能清楚地观察到人眼视网膜视盘附近的血管以及黄斑区细胞图像。     

高速线扫描共焦检眼镜

高速线扫描共焦检眼镜使用线光束照明眼底视网膜,同时利用线阵CCD对视网膜平面的单次散射线光束探测成像。系统光学放大率为7倍,横向分辨率小于10μm,对于58kHz线频的1024pixel×512pixel成像模式,成像帧频高达110frame/s。该系统实现了高分辨率、高帧频模拟人眼实验图像的获取。     

广域视网膜成像技术研究

针对传统眼底照相机检查不到视网膜边缘的缺陷,提出一种基于Volk角膜接触透镜的免散瞳广域视网膜成像系统。照明充分时,Volk镜头能够达到130°以上的视场。在传统眼底相机的基础上改进照明方式, 采用外部环形光纤照明的方式实现视网膜广域照明。增大入射角度消除鬼像的影响,同时避免由环形照明方式导致的中心区域的暗斑现象,被照亮的眼底图像经过接目物镜组消除眼角膜反射造成的杂光并采用手动调焦的方式在CMOS相机上成现清晰的像。图像采集使用(2/3)英寸板面彩色CMOS相机并且实时上传至电脑客户端进行分析、处理、存档等操作,经过后期图像处理后可为各类眼科疾病的诊断、筛查提供清晰、客观的依据。     

基于仿视网膜成像器件的折反射全景系统设计

针对传统折反射全景成像系统的图像必须依赖展开技术的问题,提出一种基于仿视网膜成像器件的折反射全景系统设计。利用国内首款仿视网膜CMOS探测器各环上像元与周向、径向空间瞬时视场的对应关系,推导了双曲面反射镜的镜面参数,构建了基于BIT Retina52探测器的全景成像系统。系统实现了无需坐标变换的全景图像直接输出,较之传统折反射成像系统,改善了空间角分辨率变尺度分布问题。     

高分辨率开环液晶自适应光学视网膜成像系统

利用液晶空间光调制器和夏克-哈特曼波前探测器作为核心器件搭建了一套开环双光源液晶自适应光学视网膜成像系统。系统采用人眼屈光0D基准设计并使用动态视标定位人眼,提高了人眼在测试时的稳定性,有效降低了由不同人眼个体差异带来的影响。通过补偿镜预补偿,配合微调照明光焦面,使照明光聚焦在眼底视觉细胞层,保证了像差探测精度和成像质量。利用人眼的偏振特性,采用偏振光照明的方式,将系统的能量利用率提高了20%。优化了系统的工作流程,优化后系统连续工作频率可超过20Hz。对4名志愿者进行了实验,均获得了清晰的眼底视网膜细胞图像。     

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。     

基于非共轴阵列照明的小型化眼底相机光学系统设计

建立了非共轴阵列照明下的眼底成像数学模型,采用照明光路与成像光路独立设计方法,提出了一种微小型眼底相机光学系统,以避免传统眼底相机中人眼角膜与网膜物镜反射杂光对视网膜图像的干扰.设计了6阵列环形光源照明光路系统,长度仅17.9 mm,实现眼底视网膜有效照明线视场不小于12 mm;成像光路系统采用二次成像设计,光学调制传递函数优于0.2@91 lp/mm,畸变小于5%,长度仅为75 mm.仿真与设计结果表明,该眼底相机光学系统有效抑制了光路中的杂散光,有利于获得高对比度视网膜图像.研究结果可为高像质、小型化以及低杂光眼底相机发展提供设计参考.     

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。     

人眼像差校正仪视网膜动态稳像研究

针对人眼无意识的抖动导致图像位置在眼底成像设备上无规律变化而无法有效观察指定区域的问题,提出了一种视网膜图像实时动态稳像算法.该算法依据图像匹配理论,在图像探测的同时引入图像有效区域实时"计算-移位".利用时间上相邻的视频序列图像近似对应于眼底同一位置的特点,通过"采集-运算"找到当前采集图像的中心区域.把当前图像的中心区域与第一帧采集图像的中心区域进行相关匹配,获取当前视网膜图像相对第一帧图像抖动的偏移方向和偏移量,然后把当前图像移位,循环执行此过程,并剔除无法匹配的图像,使得屏幕上的图像始终是在同一个位置的静态图像.实验证明:本文提出的算法解决了自适应眼底成像设备在对视网膜细胞观测时因为人眼自然抖动而造成的图像不稳定问题;解决了人眼在可见光波段的激光照明下受到较强刺激而无法长时观测的问题,实现了细胞和微血管同平台同算法观测;是采用拼接技术实现大视场图像的前提.     

应用于dPCR基因芯片的荧光精缩无限远物镜设计

数字聚合酶链式反应(dPCR)技术在生物医疗领域具有非常重要的应用价值,为了进一步投入临床诊断和病原体检测中需要在光学检测系统的检测效率和准确性方面取得进展。针对dPCR检测需求,使用ZEMAX软件设计了无限远消色差荧光精缩物镜。镜头物方数值孔径为0.1,整体放大倍率为-0.65倍,可对Φ为34.9mm的物体进行成像,物方工作距离105.3mm,像方传递函数在70lp/mm处高于0.73,相对畸变小于0.4%;镜头设计可以同时满足大视场高分辨率的荧光多通道探测要求;基于无限远荧光显微成像技术,镜头可一次性检测位于28mm×18mm基因芯片上2万个反应通道,克服现有设备拼接成像的弊端并提高检测效率。     

LED微阵列投影系统设计

为满足便携式投影仪的市场需求,设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元,利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构,全视场角为80°,焦距为8 mm,属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处,该物镜的调制传递函数大于0. 85,畸变小于2%,符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小,结构简单,投影效果好,易加工等诸多优势,可为第三代投影技术的发展提供参考。     

基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展

太赫兹(THz)实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域,具有成像速度快、成像分辨率高等特点,基于THz量子级联激光器(QCL)的实时成像系统是其中最重要的一种,系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展,采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光,实现了准高斯光束输出,搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统,单帧成像光斑面积45mm×30 mm,实现了对刀片、药片的实时成像演示,成像分辨率优于0.5 mm;最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述,并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。     

集成式光读出FPA红外成像系统设计

本文对读出原理、像差要求、图谱质量进行深入研究,进而对读出技术进行深度整合与简化,实现光读出FPA红外成像系统小型化、轻量化、集成化。首先,从FPA的热-机械效应出发,介绍了光读出FPA红外成像系统的工作原理;然后,针对通常采用的光读出FPA红外成像系统体积大、重量大、结构复杂缺陷,提出了高集成度的新型光读出系统;接着,在分析讨论读出光路像差容限、特点的基础上,对以异形棱镜为核心元件的光读出系统进行了具体的光学仿真设计;最后,设计了集光、机、电、软技术的集成式光读出FPA红外成像系统。对系统样机测试结果表明:在确保成像性能的前提下,光读出FPA红外成像系统的体积减小到175 mm×83 mm×105 mm。以异形棱镜为核心元件的光读出技术,在满足成像精度和灵敏度的前提下,可减小读出系统的复杂程度,有效降低了光读出FPA红外成像系统的体积和重量,从而促进光读出FPA成像系统的工业化应用。     

滤光片式双视场成像光谱仪光学系统设计

为了满足机载搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论和成像光谱系统的特点,设计一个滤光片式双视场成像光谱仪光学系统实例。系统采用1/3英寸CCD接收,像元尺寸为6.0 m6.0 m。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,实现0.45 m～0.7 m/0.6 m～0.95 m双波段清晰成像,通过轴向移动变倍组完成139.75/32.25双视场转换,在视场切换过程中,F数为5.6且恒定不变。设计结果表明:在各谱段下系统宽视场畸变3.5%,窄视场畸变0.2%,探测器的Nyquist频率50 lp/mm处光学传递函数的峰值均大于0.5,系统的最小后截距大于35 mm,用以安装滤光片轮,满足装配要求。     

紧凑型长焦距平行光管的设计

设计一台用于CCD相机外场测试标定的超小体积、长焦距、高像质的平行光管,结构形式采用全反射离轴两镜式。设计的平行光管焦距1 2000 mm,有效口径400 mm,在线视场30 mm30 mm范围内波像差优于/20@6328 nm。光路经过多次折转后,平行光管外形尺寸小于1 000 mm600 mm500 mm,总质量小于60 kg。经分析计算,平行光管的环境适应性较好,能够满足被检相机正常发射场测试使用需求。     

200万像素手机摄像镜头的设计

为了适用手机这一特殊领域对微型化和简单化的摄像镜头的需要,在传统球面玻璃镜片基础上结合非球面透镜理论,运用CODE V优化出一个用于可见波段且生产成本低廉的三镜片定焦摄像镜头系统。该镜头总长度小于5mm,并且有着很好的成像效果。为了结构紧凑并且能最大限度地降低生产成本,在结构设计中采用球面的玻璃镜片和非球面的塑料镜片,镜头的适应像素尺寸是2.52μm×2.52μm,相应的尼奎斯特频率是196条/mm,相关的调制传输函数值在尼奎斯特频率的1/2时达到40%,所成像面的球差控制在-0.05mm～0.05mm之内,最大畸变小于0.17%。该镜头可满足手机摄像镜头200万像素的要求。     

Blood flow evaluation in high-frequency, 40 MHz imaging: A comparative study of four vector velocity estimation methods

Ultrasonic imaging is often used to estimate blood flow velocity. Currently, estimates are carried out using Doppler-based techniques. However, there are a number of shortcomings such as the limited spatial resolution and the inability to estimate longitudinal flows. Thus, alternative methods have been proposed to overcome them. Difficulties are notably encountered with high-frequency imaging systems that use swept-scan techniques. In this article, we propose to compare four vector velocity estimation methods that are complementary to Doppler, focusing on 40 MHz, high-frequency imaging. The goal of this study is to evaluate which method could circumvent the limitations of Doppler methods for evaluation of microcirculation, in the vessels having diameter on the order of 1 mm. We used two region-based approaches, one decorrelation-based approach and one spatiotemporal approach. Each method has been applied to seven flow sequences with various orientations and mean velocities. Four sequences were simulated with a system approach based on a 3D set of moving scatterers. Three experimental sequences were carried out by injecting blood-mimicking fluid within a gelatin phantom and then acquiring images with Visualsonics, Vevo 660 system. From velocity estimates, several performance criteria such as the normalized mean error or the normalized mean standard deviation were defined to compare the performance of the four estimators. The results show that region-based methods are the most accurate exhibiting mean errors less than 10% and mean standard deviation less than 13%. However, region-based approaches are those that require the highest calculative cost compared to the decorrelation-based method, which is the fastest. Finally, the spatiotemporal approach appeared to be a trade-off in terms of computational complexity and accuracy of estimates. It provides estimates with errors less than 10% for mean velocity and the CPU time is approximately 17 s for a ROI of size 40 * 80 pixels.     

自由曲面成像光学系统设计:理论、发展与应用

传统球面以及非球面可供光学系统设计使用的自由度较少。自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束,特别适用于校正非旋转对称系统的像差,同时可以减少系统中元件的数量,减小系统的体积与质量,实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能。自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力,但同时也带来了全新的困难与挑战。概括性地总结了自由曲面成像系统设计的研究现状。简要介绍了自由曲面的常用数学描述与自由曲面成像系统的像差理论,总结了自由曲面成像系统的设计方法,并对自由曲面在各类成像系统中的应用进行概述。最后,对自由曲面成像光学设计的未来发展方向进行了讨论与展望。     

AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

基于声光可调谐滤波器（AOTF）的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5～6,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128128像元,TeO2晶体尺寸为10 mm10 mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点,分析比较了2种光学系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,获得较高的图像信噪比。     

一种组件透射式成像光谱仪设计

针对反射式成像光谱系统普遍存在多次反射(和衍射)产生杂散光和装调难度大等问题,设计了一种高性能透射式系统,全部使用通用光学组件,简化了系统结构,降低了成本和装调难度,较传统成像光谱仪有更广的适用范围。该设计中全部部件都非定制,可以根据应用场合更换,具有较好的灵活性,采用透射的方式,减少了杂散光的影响。利用ZEMAX软件仿真、优化了搭配两组不同物镜的系统光路,对畸变、MTF、色差等性能进行测试。对比25和50 mm物镜的系统性能,发现望远镜头的更换对整个系统成像质量的影响不大。参照设计参数成功搭建出一台成像光谱仪,其中望远物镜采用准对称双高斯结构,有利于控制场曲和畸变;采用透射式平面衍射光栅作为分光器件,制作工艺成熟,无需定制,装调简单。光谱分辨率和畸变测试结果显示该系统拥有良好的畸变控制能力,光谱分辨率达到2 nm,满足设计要求,利用标定后的系统测得的氘灯光谱取得了较为理想的结果。