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。     

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。     

眼底照相机光学系统中杂光和鬼像的控制

论述了眼底照相机的原理和控制杂光及鬼像的方法。通过精心设计照明系统的接目物镜 ,使其各个光学表面产生的鬼像位于较理想的位置 ,并通过在照明光路中加入较少的黑点板予以消除。同时通过使照明系统的环行光阑与照相系统的孔径光阑处于相互共轭的位置上 ,达到消除照明系统产生杂光和鬼像的目的。     

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。     

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%.     

准直物镜在变焦距镜头杂散光系数测试中的作用和影响分析

在对变焦距光学镜头进行杂散光系数测试的过程中,需要了解各测试环节的作用及对测量结果的影响。讨论了准直物镜使用与否对杂散光系数测量结果的影响。通过对杂散光形成机理的分析,将杂散光来源分为视场内与视场外两种,阐述不同来源杂散光的不同特点及这两种杂散光通过准直物镜后的状态。用两个参数不同的变焦距光学镜头在有无准直物镜两种情况下杂散光系数的测量结果,说明准直物镜在杂光测试中的作用。对于视场外入射光束形成的杂散光,准直物镜的使用与否对其测量结果影响巨大,而对视场内入射光束形成的杂散光影响很小,测量时可以利用准直物镜来判断光学镜头杂散光的来源。同时通过实验说明入射光线在准直物镜间的多次反射形成的杂散光约为1%,它可作为系统误差从测量结果中剔除。     

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。     

广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析

本文设计了一种用于婴幼儿视网膜筛查的广域眼底相机。文中对该系统所包含的照明系统、成像系统的设计方法进行了探讨。首先,根据James Polans宽视场人眼模型和婴儿眼解剖学数据,建立了婴儿眼模型。接着,提出新的锥形光纤方案用于大视场照明。最后,重点介绍了广域眼底相机的成像系统(包括接触镜、中继物镜)的设计方法。设计实例表明:广域眼底相机的视场可以达到130°,对眼底的物方分辨率可以达到10μm。设计结果符合眼底成像设备国家标准YY0634-2008,满足婴幼儿视网膜筛查的要求。     

Stray light analysis of low-level-light optical system with LightTools software北大核心CSCD

为解决低照度微弱信号探测的微光光学系统杂散光问题,研究了杂散光的原理和特性。利用光学系统建模软件LightTools对微光光学系统进行仿真建模,并开展杂散光分析。为减少杂散光,在物镜筒的筒壁加工消光螺纹,并针对不同形式的消光螺纹,开展了能量仿真模拟。仿真结果表明,采用螺距0.35 mm的消光螺纹,能够将杂散光系数从7%降低到4%。仿真分析结果与实验结果一致,为其他微弱信号探测光学系统在设计阶段对杂散光进行消除提供了指导。     

Optical design and analysis of illumination system based on augmented reality北大核心CSCD

照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分,其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量,因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究,重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系,在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上,对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解,结合偏微分方程法和划分网格法,设计了自由曲面透镜,该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon,LCoS）照明系统。仿真分析结果表明:系统照度均匀性达到91.96%,若不计偏振影响,照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点,满足增强现实眼镜的需求。     

基于非球面透镜的光分束器设计

 针对目前532 nm波长光的分束技术在光电测控系统（如激光干涉测速）等领域的广泛应用,提出一种光分束器的设计方法,此分束器可将光纤入射的532 nm绿光分成接近等比的多束光（包括一分二、一分三、一分四）。此系统首先用非球面透镜将光纤入射的光束准直,再通过分光片分光后用同样的透镜将光束耦合进光纤,达到了77%的通光效率,附加损耗约1 dB。详细介绍了非球面透镜的设计、分束器的结构、装配及其实验结果,并对实验结果以及研制过程中影响分束器效率的各种因素进行分析。     

近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

通用型数字鱼眼镜头检测系统的设计

设计了一种通用型数字鱼眼镜头检测系统,由照明系统、检测标板、等效平行平板系统和球幕组成。照明系统内部设有平面反光镜、柱体蝇眼透镜阵列、准直物镜,起到了缩小系统体积,提高光能利用率和照明均匀性,以及实现照明光斑大小尺寸可调的作用。其球幕内壁刻有角度分划尺,用于测量被测镜头的视场角。测试系统的照明视场范围为φ8.1 mm~φ36.3 mm,照度均匀度达到91%,光通量大于5 000 lm,且大小可调。检测系统可实现对芯片尺寸为0.55″~1.55″的1DLP、3DLP、3LCD、3LCOS的各种类型的数字投影或放映鱼眼镜头的像方视场角、分辨率、彩色还原性能、色差等性能和放映效果进行测试,降低了检测成本,通用性强。     

采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计

针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求,设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上,给出了激光3D成像光学系统结构框图:激光经衍射元件实现分束照明,采用双工反射镜实现收发光路的耦合。该光学系统用于2 km以内的目标三维成像,根据激光测距方程,确定了接收光学系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。为避免造成像素之间串扰,设计了5倍扩束比的发射光学系统。最后,采用偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光,降低了发射光路对接收光路的影响。设计结果表明:接收光学系统弥散斑直径小于120μm,畸变小于0.2%。该光学系统体积小、重量轻,成像质量良好,可为同类激光成像光学系统提供借鉴参考。     

Optical design of a full-pupil field,non-contact and high resolution corneal curved objective lens

It has been a challenge to overcome the corneal curvature radius to design a full-pupil field, non-contact and high resolution corneal curved objective lens, which covers the cornea full-pupil field and has the ability to resolve corneal cells. In this paper, we report an optical design of a full-pupil field, non-contact corneal curved objective lens for high resolution cornea imaging. The advantages of this lens are that it has a wide field of view (FOV) with the corneal curved image surface, maintains the beam normal incidence, as well as non-contact lens imaging, and offers a cell-level lateral resolution of cornea structure. The analysis of optimization shows that the system achieves diffraction limit in a circular FOV of 4 mm diameter covering the full-pupil zone. The theoretical lateral resolution is about 2.5 μm with an image space NA of 0.16, which is sufficient to resolve corneal cells of 7 μm diameter, and the working distance is larger than 15 mm which is enough for a non-contact objective lens. So the optical design is effectively and efficiently meeting the demand of specifications.     

傅里叶变换光谱仪多次反射杂光对调制度的影响分析

为满足遥感探测领域对高光谱干涉探测仪的高信噪比和高光谱分辨率的要求,针对我国目前在研高光谱分辨率傅里叶变换光谱仪,详细分析了采用分束器及补偿器分光方案的迈克尔逊干涉仪中,增透面上多次反射杂光对光谱仪调制度的影响。分析表明增透面透过率越低,光谱仪调制度越低。理论分析发现,引入分束器和补偿器的楔角和倾斜角可以实现正常光斑与多次反射光斑分离,从而减弱甚至消除多次反射杂光的影响。通过理论计算给出了二次反射杂光与正常光路夹角与楔角和倾斜角的关系式,并依据光斑分离要求确定了楔角和倾斜角优化方法。由于干涉仪结构参数的相互关联特性,在优化楔角和倾斜角后,需要对入射角进行调整,使得反射光路与透射光路关于分束面对称,以消除其对光谱分辨率的影响;需要对补偿器厚度进行调整匹配,消除由于角度调整引入的正常光路光程差改变导致的调制度下降。按此步骤进行设计优化,在保持原有高精度设计指标的前提下,可消除干涉仪多次反射杂光的影响,该干涉仪优化设计步骤及结构参数调整方法适用于采用分束器补偿器分光方案的傅里叶变换光谱仪。     

Compound diffractive telescope system: design, straylight analysis, and optical test

The compound diffractive telescope is a novel space optical system which combines the structure of compound eyes with diffractive optics and so it has a lighter weight, a wider field of view (FOV), a lower cost as well as looser fabrication tolerance. In this paper, the design of a compound diffractive telescope composed of one primary lens and twenty-one eyepieces is introduced. Then the influence of diffraction orders on the performance of the system is analysed. A modified phase function model of diffractive optics is proposed to analyse the modulation transfer function (MTF) curves for 0℃ FOV, which provides a more accurate prediction of the performance of the system. In addition, an optimized mechanism is also proposed to suppress stray light. The star image and resolution tests show that the system can achieve diffraction limit imaging within ± 2℃ of FOV and ±4~mm of eccentricity. Finally, a series of pictures of an object are taken from different channels, and the splicing of pictures from adjacent FOVs is demonstrated. In summary, the designed system has been proved to have great potential applications.