视光学仪器中光学系统的设计与实现

发布时间：2020-07-23 02:57

【摘要】：眼睛作为人体重要的器官,其构造十分奇妙、复杂与精致,具有精密的光学系统结构,执行着摄像功能和信息分析传送功能,角膜总的屈光力一般为42.18D,而整个眼睛屈光力为58.60D左右,角膜屈光力约占整个眼睛屈光力的70%,且其屈光力主要由前表面决定,因此角膜前表面微小变化的形态都会最终影响到整个眼睛的屈光状态分布,从而直接影响眼的视功能。角膜的病变可以分为物理病变(如划伤、破损及疤痕等)与光学病变(如圆锥角膜、角膜边缘变性等),通常针对这两种病变,可用特定的视光学仪器来检测与诊断,如角膜地形图仪主要用来检测光学病变,而裂隙灯显微镜主要用来检测物理病变,本论文主要对这两种仪器的照明系统与成像系统进行了研究。本论文选择了视光学仪器中较有代表性的这两种仪器作为研究对象。对于角膜地形图仪,根据人眼的明视觉光谱光视效率,CCD元件光谱响应曲线,以及仪器对面光源照度与发光均匀性的要求,进行了基于Placido盘的LED光源系统的设计,对其CCD成像系统,则根据近轴成像公式计算了透镜的初始结构,并利用Zemax进行了优化设计,最后利用模型眼和人眼对根据上述设计所搭建的角膜地形图仪系统进行了检测。实验结果表明:在主波长为625nm的基于Placido盘的AlGalnP红色LED面光源照明的情况下,成像CCD上的黑白条纹环能满足等间隔均匀分布,检测精度可达到0.05屈光度,满足了角膜地形图仪对照明系统与成像系统的高对比度要求。对于裂隙灯显微镜,首先分析了三种典型的照明系统,选取柯勒照明为其照明方式,其特征是由集光镜和聚光镜这两组透镜组成,灯丝经集光镜成像在聚光镜,通过裂隙或者光圈将其投射到眼部。接着利用Zemax设计了集光镜与聚光镜,投射镜直径较小,可以减少像差同时提高景深,裂隙灯照明光源出射的光亮度高、照明均匀、裂隙清晰。对于成像系统,分析了传统体视裂隙灯显微镜的光学系统结构,在其基础上将数码型裂隙灯显微镜划分为共用前置物镜、伽利略望远镜、摄影物镜三部分,采用了平行式伽利略望远镜系统结构作为改变倍率的方法,共可获得五档变倍效果。接着,研究了共用前置物镜、伽利略望远镜及摄影物镜的光学特性与技术指标要求,选取了合适的透镜类型。最后,利用Zemax优化系统使其在共轴时拥有良好的成像质量基础,再将其过渡到非共轴情况,进一步优化后,结果显示除40x时衍射极限较低外,在6x,10x,16x,25x情况下系统MTF曲线值在空间频率为1151p/mm处基本大于0.2,点列图显示不同倍率下的弥散斑大小均基本小于艾里斑。实测结果表明,该光学系统具有良好的成像效果,且整体结构简单,易加工,成本低,其性能很好地满足了整机的要求。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH786
【图文】：

基于

Ｐｌａｃｉｄｏ盘最早由Ａｎｔｏｎｉｏ邋Ｐｌａｃｉｄｏ于１８８２年设计并用于临床应用，它目前仍逡逑被用作是定量检测角膜表面是否异常的方法［２（）］。发展到目前，市场上主要有四种逡逑类型的Ｐｌａｃｕｉｏ盘，如图２．２所示，第一种是平面形，主要定性的观察角膜表面逡逑形貌，装置简单易操作，缺点是黑白条纹环数较少，测量不精确，多依据医生主逡逑观感觉？．第二种是小锥形Ｐｌａｃｉｄｏ盘，主要特点是黑白条纹环数较多，一般有３１－３５逡逑环，且工作距离短；第三种是大锥形Ｐｌａｃｉｄｏ盘，相对于小锥形来说，能够投射逡逑到角膜表面的黑白条纹数相对来说较少，但是工作距离长，可以在角膜地形图仪逡逑与测量眼之间加一些辅助器械，检测时对病人来说较舒适？，第四种是椭球形逡逑Ｐｌａｃｉｄｏ盘，与大锥形类似，一般有２２－２４个黑白条纹，工作距离较长。本课题所逡逑采用的为椭球形Ｐｌａｃｉｄｏ盘［２１］。逡逑９逡逑

ｃ大锥形Ｐｌａｃｉｄｏ盘逦ｄ椭球形Ｐｌａｃｉｄｏ盘逡逑图２．２四种不同面型Ｐｌａｃｉｄｏ盘逡逑２．３邋ＬＥＤ背光源的选择逡逑本文采用的ＣＣＤ型号为ＳＯＮＹ的１ＣＸ４２４ＡＬ，其光谱敏感性与人眼明视觉逡逑光谱光视效率关系如图２．３所示ｔ２２］。ＣＣＤ的光谱敏感性在５５０ｎｍ处达到最高，逡逑而人眼明视觉光谱光视效率在５７０ｎｍ附近达到最高，通常情况下应选择绿光作逡逑为背光源，但是由于绿光在正常眼屈光介质中拥有良好的穿透率，约为８０％，而逡逑角膜本身对光的反射率也不高，因此若采用绿色光源，则在ＣＣＤ表面接收不到逡逑合适的光强，图像的清晰度就会大打折扣［２＼逡逑——￣ＣＣＤ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋１邋ｓｅａｓｉｔ邋ｊｒ邋ｉＫ逡逑，0逦逦Ｓｐｅｃｔｒａｌ邋ｉｔｕｓｉｓｏｕｓ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ邋ｏｆ邋ｈｕｍａｎ邋ｗｅ％逡逑丨ｌ逡逑４０

【参考文献】

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本文编号：2766755