45°视场角投影式头盔在视空间的性能评价

提出理想透镜像距不变,通过改变其焦距来模拟人眼调节完成视空间性能评价的一种新方法.对45°投影式头盔物镜系统进行了精确的视空间评价.其MTF评价结果显示,系统在眼睛注视0°视场时可达到1 arc minute的分辨率;注视＋13.1°视场时可达到1.4 arc minute的分辨率.眼睛无论是注视0°视场还是＋13.1°视场,只有在一定的视场范围内,调节模糊和像散模糊才不会影响图像的清晰程度,且系统的横向色差和二级光谱均小于人眼的最小分辨角,不会对成像清晰度造成影响.眼睛注视＋13.1°视场时,系统的调节和调节模糊、像散和像散模糊、横向色差和二级光谱均具有明显的非对称性.此外,与改变理想透镜像距进行视空间评价的结果相比较,只有注视13.1°视场时的MTF差别较大.     

投影式头盔物镜设计在视空间的性能评价

对一款折衍混合投影式头盔(Head-mounted projective displays,HMPDs)物镜进行了精确的视空间评价,并给出了详细的评价步骤和评价结果。在对调制传递函数(MTF)进行评价时,充分考虑了人眼的焦距和瞳孔对评价结果的影响,给出了调节和像散所造成的分辨力损失的计算公式。评价结果显示:对于3 mm瞳孔,该系统中心视场调制传递函数在0.5 cycles/(′)达到了0.55,达到了人眼的最小分辨角(1′)。当眼睛注视投影像面中心时,轴外点最大需要0.35D的调节量,由此造成的分辨力损失最大为3.5′。由于像散造成的分辨力损失最大只有1.1′。横向色差和二级光谱最大值分别只有0.57′和0.17′,均小于人眼的最小分辨角。这些结果证明此设计满足投影式头盔物镜的使用需要。该方法适用于所有的头盔系统在视空间的性能评价。     

多光轴渐进变焦眼镜设计

提出了一种多光轴渐进多焦点镜片设计方法,选取人眼观察使用的实际光瞳为眼镜通光口径内的小光瞳对应的元透镜设计。在子午面上,镜片视远点与视近点之间的光焦度由8次多项式确定。在光瞳面内,包含远视区和邻近视近区光瞳的光焦度分别取双曲线类型和抛物线类型分布。鉴于元透镜都是小像差系统,把元透镜看作是中心厚度已知的薄透镜,采用高斯光学方法设计面型,不必进行光路追迹和像差平衡。实验结果表明,多光轴渐进多焦点镜片屈光度和像散符合理论设计分布要求。为渐进多焦点镜片设计提供了一种新的途径。     

基于圆锥曲线参数方程的渐进多焦点镜片设计

在渐进多焦点镜片（PAL）的直接设计法中,光焦度轮廓分布对镜片的光学性能至关重要。在子午线上同一曲率变化的基础上,引入不同圆锥曲线方程来描述镜片光焦度轮廓分布。利用椭圆、双曲线、抛物线和圆的定义设定镜片内表面子午线上每个点曲线的离心率以及开口大小。根据圆锥曲线分布情况加入偏移量,实现远近视区视配点可视区宽度调整。设计、仿真和加工了4块镜片。结果表明,基于双曲线方程计算得到的渐进多焦点镜片的周边最大像散大于1倍加光度（ADD）,而基于椭圆方程、圆方程和抛物线方程计算得到的渐进多焦点镜片周边最大像散小于1倍ADD,光学性能更好。当定焦区较大时,基于椭圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值;当定焦区较小时,基于圆方程设计得到的镜片定焦点可视区宽度最接近理论值。所提方法可为渐进多焦点镜片的优化设计提供新的方案。     

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。     

一种用于渐进多焦点镜片的检测装置

渐进多焦点镜片可为佩戴者提供自远点到近点全程、连续的清晰视觉。检测仪器由光源、聚焦镜、CCD、镜片夹具和转动装置等构成,用于检测渐变镜片视远区、视近区、渐变区的度数变化。提出了仪器装置的总体设计方案,通过CCD采集图像,经过后续处理可以得到镜片的屈光度分布图。结果表明,该仪器操作方便可行。     

渐进多焦点自由曲面镜片非对称设计內移量对光学性能影响的研究

探究渐进多焦点自由曲面镜片非对称设计过程中,内偏移量对镜片光学性能的影响。推导人眼在观察物体时,双眼汇聚而内转的偏移量计算公式。仿真在同等参数条件下,为实现左右眼平衡设计及在视觉生理上的视像对称,渐进多焦点自由曲面镜片下加光区四种不同的内偏移量产生的光焦度和散光分布图。通过仿真结果得出,不同的内偏移量对镜片的光焦度和散光分布有一定的影响,特别是周边像散区的分布大小;渐进多焦点自由曲面镜片的内偏移量应根据屈光不正患者实际的验光参数计算得到。     

渐进多焦点镜片面形误差与光焦度关系的分析

渐进多焦点眼镜片能够同时满足视远与视近的需求,其应用日益广泛.本文介绍了渐进多焦点镜片的设计与评价方法,在此基础上通过对镜片面形方程及球面度方程求解偏微分,构建了渐进多焦点镜片光焦度分布与面形误差的关系模型.根据国家标准规定的镜片有效区域实际屈光度与名义值差值小于0.1 D的要求,对加光度为2.0D(6.0D8.0D)的渐进面面形误差进行了实例分析.应用给定的面形误差结果进行实验加工的镜片,经分析后实验输出的光焦度变化符合所设定的国家标准要求的范围,进一步验证了面形误差与光焦度分布关系模型的正确性,为渐进多焦点镜片加工的面形控制精度提供理论依据.     

渐进多焦点镜片波前像差的扩束测量方法

利用波前传感器测量自由曲面镜片时,由于自由曲面镜片的直径通常大于波前传感器的接收孔径,主要采用子孔径拼接技术测量镜片的波前像差。针对子孔径拼接技术测量中存在着操作繁琐、数据处理量大等问题,提出渐进多焦点镜片波前像差的扩束测量方法,得到渐进多焦点镜片中央直径为22 mm圆形区域内的波前像差。为了验证试验的可靠性,将测量得到的波前像差泽尼克表述中的离焦项转换为球镜度,与条纹偏折法测量得到镜片的球镜度进行对比实验,实验结果证明了渐进多焦点镜片波前像差的扩束测量方法可以用于渐进多焦点镜片波前像差的检测。     

基于权重函数优化的渐进多焦点镜片设计

探究渐进多焦点镜片间接法设计中权重函数和平均曲率分布对镜片光焦度和像散的影响。设计了两组权重函数分布以及平均曲率分布,提出了根据符合度矩阵重置镜片权重分布的优化方法。在相同参数下计算出5组具有不同权重函数和平均曲率分布的渐进多焦点自由曲面面型。对镜片进行加工和评价测量,实验结果表明：权重函数的形状、面积以及权重值的不同,可对镜片光学性能带来不同方面的优化,且权重函数和平均曲率分布共同影响镜片的光焦度和像散分布。     

头盔显示器在视空间性能评价中的眼睛转动问题研究

以一款由Erfle目镜为目视系统的头盔显示器为例,给出了眼睛转动时其视空间的性能评价方法、计算公式和评价结果.评价内容包括MTF、调节、像散、横向色差和畸变.对眼睛转动和不转动情况下的结果进行了分析比较：由于转动,使得某些视场的MTF 、调节等性能指标严重变差,成清晰像的范围明显减小;系统的性能出现了明显的非对称性.结果表明:无法根据眼睛不转动情况下的系统性能来判断转动情况下的性能,而只能通过实际的光线追迹才能获得.     

基于多频段区域互信息的光学成像系统性能评价

提出一种基于多频段区域互信息(MRMI)的光学成像系统性能评价方法。由信息论出发,结合人类视觉系统(HVS)分频感知原理,利用小波变换将物面与像面图像分解为多个频段,分别计算各频段区域互信息(RMI),再由小波滤波器和MTF的空间频段积分比计算各频段RMI的权重系数,加权综合得到多频段区域互信息(MRMI)。实验分析了具有不同像散度的光学系统点光源成像,最终得到的评价参数MRMI随着光学系统像散度的不断增大而趋于减小,曲线拟合结果表明MRMI值与像散度呈幂函数关系,确定系数达0.981以上。与MTF等传统光学系统性能评价方法相比,MRMI值量化反映了光学系统的成像性能,且与人眼视觉感知相一致。     

渐进多焦点自由曲面镜片渐进通道优化设计

渐进多焦点镜片子午线光焦度分布设计直接影响镜片像散分布,是优化设计的核心之一。提出了一种基于累积分布函数的子午线光焦度分布方法;针对渐进通道宽度过窄的问题,对子午线光焦度分布下的不同轮廓线求解对应的矢高进行加权叠加,同时推导新的子午线光焦度分布函数以降低子午线光焦度变化率;仿真及加工了3片镜片。研究结果表明：采用累积分布函数能够设计出满足光学性能要求的渐进镜片;使用矢高叠加扩展了渐进通道的宽度,保持了像散梯度的平滑过渡,且将最大像散分布在镜片鼻翼两侧;新的子午线光焦度分布函数在拓宽渐进通道宽度下会存在像散梯度变化堆积问题,所以需要将光焦度分布和面型等因素结合考虑,并进行优化。本研究方法为渐进多焦点镜片的子午线光焦度优化设计提供了新的理论。     

基于信息量的眼镜镜片光学性能评价北大核心CSCD

针对眼镜镜片成像性能评价,根据信息论的概念,对物面与像面图像进行小波变换分解得到多个不同子频带图像,计算分解之后的各个子频带的区域互信息值(RMI)。依据人眼视觉系统对不同频率光学信号敏感度不同的特点,采用小波滤波器和人眼模型的MTF的空间频段积分比反映人眼对不同频率信号的敏感程度,以该积分比作为各频带RMI的权重系数,加权计算得到MRMI值。选取了目前市场上六款不同阿贝数和折射率的镜片进行测量实验,得到每款镜片的成像MRMI值,其定量反映了镜片的成像性能,与人眼视觉主观感知相符。     

基于个体眼光学结构的波前眼镜设计

提出一种在个体眼光学结构基础上根据波前数据设计波前眼镜的新方法。建立了个性化的眼光学结构,并将眼球和镜片视为统一的镜一眼光学系统,用光学设计的优化方法给出镜片的结构数据,并分析了±7°视场和眼球旋转±20°时,该镜一眼系统的成像情况。与波前拟合的方法相比,该方法设计的波前眼镜离焦差为（-0．057±0．015）m^-1,像散差为（0．015±0．013）m^-1散光轴位差为（0．100±0．316）°。镜一眼系统的矫正视力均大于1．25,其中8只被试眼的视力可达1．5以上。10只被试眼在转动±20°情形下的0°视场成像相比于直视的情况均略有下降,而7°视场的成像质量相比于直视的情况下降则更为明显。由该方法给出的验光结果客观可信,可用于对佩戴波前眼镜后人眼的视觉质量的预先评估。     

眼模型下的投影式头盔物镜设计及视空间评价

进一步完善了投影式头盔系统的视空间评价方法,应用接近实际情况的眼模型来模拟人眼对头盔物镜系统进行评价。由视空间的评价结果出发,从眼模型的成像效果反过来进一步指导头盔系统的设计工作。设计结果显示,轴上视场和大视场的调制传递函数特性良好,在轴上视场可以达到1′的人眼最小分辨角,在大视场可以达到微显示器单个像素确定的视锐度,表明此系统在视空间的分辨力满足实际使用需要。系统最大畸变小于5%,色差不会对人眼分辨产生影响。     

同轴五反大视场多目标三维成像光学系统设计

对于远距离、大视场、多个运动目标的光电跟踪,现有光学系统形式难以同时兼顾大口径、大视场与高角分辨率的要求。通过模仿人眼小凹转动视觉生理机制,设计了一种轻型物方扫描校正镜组,具有中红外成像与激光测距的共口径同轴五反式新型光学系统。该光学系统主镜口径为1000mm,瞬时扫描有效口径为600mm,最大视场角达到20.7°,中波红外成像传感器像元角分辨率优于13!rad,激光测距单元作用距离达到20km。该新型光学系统具有大视场范围,可同时对6个以上远距离高速运动目标进行跟踪。     

渐进多焦点眼镜片的公差分析

渐进多焦点眼镜片能够同时满足视远与视近的需求,其应用日益广泛。介绍渐进多焦点镜片的基本结构、设计与评价方法,在此基础上根据国家标准规定的镜片有效区域实际屈光度与名义值差值小于0.1m-1的要求,对渐进多焦点镜片的面型进行了公差分析。通过对镜片面型方程及球面度方程求解偏微分推导出屈光度与面型相关的公差公式。举例对屈光度增量2.5 m-1（6.5 m-1~9 m-1）的渐进面进行设计评价与公差分析,该设计实例公差分析结果表明:面型最敏感处公差值为0.1 m,为镜片加工的控制精度提供理论依据。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

矫正近视和老视的非球面衍射型隐形眼镜

近视人眼随年龄的增长会出现老视,为了实现一副眼镜矫正近视并发老视人眼的远、近视力,设计了一种非球面衍射型隐形眼镜(CL),通过非球面CL矫正近视,并通过衍射环的设计矫正老视。在一个有200度近视和2D调节力的近视并发老视眼模型上优化CL,选取的5个设计物距介于250mm到无限远。研究了0°视场和±4°视场时设计物距下佩戴CL的近视并发老视眼模型的光学性能。结果表明,佩戴该CL后,在明视觉条件下(2.8mm瞳孔直径),注视不同距离物体时,人眼视力最低可达1.3,最高可达1.5;在间视觉条件下(4.5mm瞳孔直径),除注视无穷远处物体时视力略差(0.9),注视其他距离物体时,视力均在1.0以上。此外,佩戴CL后,眼模型的大视场彗差、像散和畸变均在合理范围内。可见,所设计CL能够在0~4D物距范围内提供良好的光学质量和视觉质量,且中间距离也实现了高质量成像,成像性能几乎不受瞳孔变化的影响。