一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統，該系統包括周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路和中心視野小視場倒置伽利略望遠鏡光路②，兩光路的光闌位置與瞳孔重合。本系統基于孔徑拼接原理采用雙光路，通過控制兩光路的光線高度，在青光眼患者受損視網膜上獲得無混疊高倍視野擴大全視場圖像；利用曲率半徑可變的第一和第三自由曲面反射鏡，和鏡片之間光學間隔改變，完成視度調節。本發明系統屬于光學儀器技術領域，利用孔徑拼接的雙光路同時獲取周邊視野和中心視野圖像，代替現有青光眼擴視器的視場切換，并在系統增加視度調節機制。新系統結構簡單緊湊，無需切換，視度可調，使用便利，具有更好的市場前景。
【專利說明】
一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統
技術領域
[0001] 本發明屬于光學儀器技術領域，涉及一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器 光學系統，特別適用于具有10°管狀視野的晚期具有正常視力或遠視青光眼患者。
【背景技術】
[0002] 青光眼是全球第二大致盲眼病，是第一大不可修復致盲眼病。青光眼以眼壓升高、 視神經萎縮和視野缺損為主要特征。晚期青光眼會引起嚴重的周邊視野喪失，形成管狀視 野(2w<10°)。這種嚴重的周邊視野缺失，即使有較佳的中心視力，也會嚴重影響定向與行 走，給患者的日常生活帶來極大的不便。且中老年人是青光眼發病的主要群體，而一般中老 年人青光眼患者還伴隨有遠視，因此，研制一種視度可調、無創傷擴大青光眼視野的擴視器 對于青光眼患者至關重要。
[0003] 國外與發明相似的技術為OPTICS EXPRESS上的一篇論文"Novel ultra-thin near-eye augmented-view device(UNAD)"，文章創新性提出兩個相互獨立的光路:軸對稱 超薄離軸八反倒置望遠光學系統與中心未經視場擴大光學系統，通過偏振片和一對液晶開 關選擇性阻擋中央孔徑或邊緣孔徑，實現兩個光路的切換。但是，由于兩光路相互獨立，在 某一時刻，青光眼患者視網膜只能獲得單一周邊視野圖像或者中心視野圖像，這樣會造成 周邊視野或者視野圖像的缺失，為青光眼患者帶來巨大的安全隱患，并且雙光路在切換時 需要一定的時間延遲。為實現切換，擴視器還需要配套復雜的電路和控制裝置，增加擴視器 系統的結構復雜性，并且增加系統體積和重量，影響患者佩戴的舒適性。并且該擴視器主要 是根據正常視力的人群設計光路，而一般青光眼患者多為伴隨有遠視眼的老年人，需要額 外增加視力矯正鏡片才能看清圖像，增加患者佩戴負擔，難以滿足多種需求。
[0004] -種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統與傳統的青光眼擴視器系 統相比，一方面，采用共孔徑拼接原理，設置小型倒置伽利略望遠鏡于中心孔徑之前，實現 周邊視野圖像與患者殘存中心視野圖像同時成像在視網膜上，避免周邊視野與中心視野切 換帶來的安全隱患以及切換裝置帶來的系統重量、體積、復雜度增加等問題，并通過控制各 光路的出射光線高度避免視網膜上圖像混疊的問題；另一方面，通過改變部分光學元件的 間隔和曲率，實現系統視野放大倍數的調節，改變進入人眼瞳孔的光線角度，則無論正常視 力或遠視青光眼患者都能在10°管狀視野對應的受損視網膜上得到清晰圖像，達到視度調 節的目的，適應不同視力的人使用。
[0005] 新系統結構無需切換，視度可調，簡單緊湊，體積小，質量輕，適用群體廣泛，使用 便利。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是探索新型青光眼擴視器，解決現有青光眼擴視器光學系統由于視 場切換無法在同一時刻獲取全視場圖像、視網膜圖像混疊、視度不可調節等技術問題，提出 一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統。
[0007] 本發明解決技術問題的具體技術方案是：
[0008] -種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統，其特征在于:包括周邊視 野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①與中心視野小視場倒置伽利略望遠鏡光路②。其中 周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①包含四個自由曲面反射鏡、光闌8和成像視 網膜9,其中反射鏡面型均為Zernike多項式面，即曲率半徑可變的第一自由曲面反射鏡1、 第二自由曲面反射鏡2、曲率半徑可變的第三自由曲面反射鏡3、第四自由曲面反射鏡4。以 上光學元件，除光闌8和成像視網膜9,其他均以一定的偏心和離軸放置。中心視野小視場倒 置伽利略望遠鏡光路②包含光焦度為負的雙膠合透鏡5、光焦度為正的透鏡6、光焦度為正 的透鏡7、第四自由曲面反射鏡4、光闌8和成像視網膜9;其中，第四自由曲面反射鏡4鍍有半 反半透膜，則既能反射周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①的光線又能透射中心 視野小視場倒置伽利略望遠鏡光路②的光線。在光線傳播方向上，以上光學元件在同一光 軸上按順序依次排列。兩光路的光闌8重合，對應人眼瞳孔。
[0009] 所述曲率半徑可變的第一反射鏡1、第二反射鏡2、曲率半徑可變的第三反射鏡3、 第四反射鏡4,面型均為Zernike多項式面，且均設置一定的偏心和傾斜，以實現視野放大， 將大視場周邊視野圖像縮小到患者殘存10°視野范圍內從而清晰成像在患者周邊受損的視 網膜9上;提高多自由度，校正系統的像差，提高系統成像質量并顯著縮小系統體積。
[0010] 所述中心視野小視場倒置伽利略望遠光路②采用透射式，因為中心視野對應視場 小，采用透射式球面鏡于生產、裝調，并提高光能利用率。故光焦度為負的雙膠合透鏡5、光 焦度為正的透鏡6和透鏡7組成小型倒置伽利略望遠鏡，將青光眼患者殘存10°小視場中心 視野圖像進行縮小，使其成像在視網膜9上的圖像能夠與通過周邊視野大視場軸對稱八反 倒置望遠鏡的大視場周邊視野圖像在患者受損視網膜9上進行拼接，避免圖像混疊。
[0011] 所述的周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①中的第一自由曲面反射鏡1 和第三自由曲面反射鏡3的曲率半徑可以改變，并結合反射鏡之間的間隔的變化，就能夠實 現4x視野放大倍數和4.5x視野放大倍數的改變；中心視野小視場倒置伽利略望遠鏡光路② 通過直接改變鏡片之間的空氣間隔，實現視野放大倍數的改變，并且實現青光眼患者受損 視網膜9上周邊視野圖像和中心視野圖像的無縫拼接。則整個雙光路系統就可以實現視野 放大倍數的改變，從而實現視度調節。
[0012] 所述的周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①和中心視野小視場倒置伽 利略望遠鏡光路②的光闌8位置重合，對應人眼瞳孔位置，實現了瞳孔匹配，避免由于眼球 運動某些視場光線不能進入瞳孔，從而造成視網膜9上對應視場圖像的缺失。
[0013]本發明具有以下顯著優點：本發明采用孔徑拼接的方法，增加小型倒置伽利略望 遠系統與中心視野對應光路之中，結合周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路實現青 光眼患者10°管狀視野對應的殘存視網膜9上大視場周邊視野圖像和小視場中心視野圖像 的無混疊拼接，即系統不需要復雜的視場切換裝置即可滿足全視場觀察需求。
[0014] 本發明利用第一自由曲面反射鏡1和第三自由曲面反射鏡3的曲率半徑可變，結合 鏡片之間的光學間隔改變，實現周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①和中心視野 小視場倒置伽利略望遠鏡光路②的共同4x和4.5x視野放大倍數調節，完成視度調節，讓具 有正常視力或遠視的青光眼患者均能在受損視網膜9上獲得清晰的全視場無混疊圖像。
[0015] 因此，系統具有無需切換、視度可調、成像質量好、結構緊湊等特點，滿足市場多樣 化、便利化的需求，有廣闊的市場應用前景。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統的4x視野擴大 結構示意圖
[0017] 圖2是本發明一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統的4.5x視野擴 大結構示意圖
[0018] 圖中，1-曲率半徑可變的第一自由曲面反射鏡、2-第二自由曲面反射鏡、3-曲率半 徑可變的第三自由曲面反射鏡、4-第四自由曲面反射鏡、5-光焦度為負的雙膠合透鏡、6-光 焦度為正的透鏡、7-光焦度為正的透鏡、8-光闌、9-成像視網膜。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0020] 實施例如圖1所示，本發明一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統 包括：曲率半徑可變的第一自由曲面反射鏡1、第二自由曲面反射鏡2、曲率半徑可變的第三 自由曲面反射鏡3、第四自由曲面反射鏡4、光闌8和成像視網膜9成周邊視野大視場軸對稱 八反倒置望遠鏡光路①，在光線傳播方向上，除光闌8和成像視網膜9外，以上各光學元件以 一定的偏心和離軸放置;光焦度為負的雙膠合透鏡5、光焦度為正的透鏡6、光焦度為正的透 鏡7、鍍有半反半透的第四自由曲面反射鏡4、光闌8和成像視網膜9組成中心視野小視場倒 置伽利略望遠光路②，在光線傳播方向上，各光學元件在同一光軸上按順序依次排列。
[0021] 位于大視場周邊視野中的目標物體發出的平行光線經邊緣孔徑進入周邊視野大 視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①，經由第一自由曲面反射鏡1、第二自由曲面反射鏡2、第 三自由曲面反射鏡3、第四自由曲面反射鏡4進行四次反射使光線進入光闌8,即人眼瞳孔進 入人眼，最終成像在視網膜9上。第一自由曲面反射鏡1、第二自由曲面反射鏡2、第三自由曲 面反射鏡3、第四自由曲面反射鏡4均為Zernike多項式面，主要用于校正系統像差，并實現 視野擴大，即出射光線視場角相對于入射光線視場角發生縮小。且四個反射鏡均設置有偏 心、傾斜，是為了折轉光軸，控制光線高度，使各反射鏡不發生遮攔，并保證在人眼視網膜9 上與中心視野小視場倒置伽利略望遠鏡光路②所成的圖像不發生混疊，實現大視場周邊視 野圖像和小視場中心視野圖像的良好拼接。
[0022] 位于小視場中心視野中的目標物體發出的平行光線經中心圓形孔徑進入中心視 野小視場倒置伽利略望遠鏡光學系統②，首先經由光焦度為負的雙膠合透鏡5進行光線會 聚。透鏡6和透鏡7組成光焦度為正的透鏡后組，透鏡后組的焦點與雙膠合透鏡5的焦點重 合，組成小型倒置伽利略望遠系統，故經由雙膠合透鏡5會聚的光線，進入透鏡6和透鏡7后 再次發散成平行光。接著，平行光透射過鍍有半反半透膜的第四反自由曲面射鏡4,出射光 依然為平行光，并且角度不發生偏轉。最后，平行光經由光闌8,即瞳孔進入人眼，在視網膜9 上成像。通過控制雙膠合透鏡5、透鏡6和透鏡7的曲率半徑、厚度、材料和間隔，來達到光線 高度控制的目的，使雙光路在視網膜9上的圖像不發生混疊，實現全視場圖像的良好拼接。
[0023] 在系統視野擴大倍率改變的過程中，對于周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡 光路①，第二自由曲面反射鏡2和第四自由曲面反射鏡4的曲率半徑保持不變，曲率半徑可 變的第一自由曲面反射鏡1和曲率半徑可變的第三自由曲面反射鏡3則通過背面由電壓控 制的壓電陶瓷促動器改變自身的面形，改變自身的光焦度，并且結合反射鏡之間的光學間 隔改變，從而實現系統視野擴大率的改變;對于中心視野小視場倒置伽利略望遠鏡光學系 統②，利用雙膠合透鏡5、透鏡6、透鏡7和光闌8之間的空氣間隔的變化實現系統視野擴大率 的改變，以達到與周邊大視場圖像在受損視網膜9上的無混疊拼接。
[0024] 實施例中一種視度可調的孔徑拼接青光眼擴視器光學系統基本光學參數如表1所 不。
[0025] 實施例中反射鏡基本參數如表2所示。
[0026] 表1 一種視度可調的孔徑拼接青光眼擴視器光學系統基本參數
[0027]
[0028] 表2四面反射鏡Zernike多項式系數
【主權項】
1. 本發明一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統，其特征在于:包括：曲 率半徑可變的第一自由曲面反射鏡1、第二自由曲面反射鏡2、曲率半徑可變的第三自由曲 面反射鏡3、第四自由曲面反射鏡4、光闌8和成像視網膜9組成的周邊視野大視場軸對稱八 反倒置望遠鏡光路①，在光線傳播方向上，除光闌8和成像視網膜9外，以上各光學元件以一 定的偏心和離軸放置；由一個光焦度為負的雙膠合透鏡5、兩個光焦度為正的透鏡6和7、鍍 有半反半透的第四自由曲面反射鏡4、光闌8和成像視網膜9組成的中心視野小視場倒置伽 利略望遠光路②，在光線傳播方向上，各光學元件在同一光軸上按順序依次排列;大視場周 邊視野的目標景物發出的光線通過邊緣孔徑進入周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡 光路①，小視場中心視野的目標景物發出的光線通過中心圓形孔徑進入中心視野小視場倒 置伽利略望遠光路②，兩光路光闌8位置重合，均位于人眼瞳孔處;通過雙光路拼接，可以實 現高倍視野擴大，將全視場圖像同時縮小成像到青光眼患者10°管狀視野對應的視網膜9 上;通過曲率半徑可變的第一自由曲面反射鏡1和第三自由曲面反射鏡3,以及鏡片之間的 光學間隔改變可以實現視野擴大倍數在4x和4.5x之間的改變，實現視度調節，滿足不同正 常視力或遠視青光眼患者的使用要求，使用便利，更具有市場使用前景。2. 根據權利要求1所述的一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統，其特 征在于:周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①采用反射式，包括四個反射鏡:第一 自由曲面反射鏡1、第二自由曲面反射鏡2、第三自由曲面反射鏡3、第四自由曲面反射鏡4， 它們均為Zernike多項式面，且設置偏心、傾斜，主要作用是對周邊大視場圖像進行高倍縮 小，并折疊光線來控制光線高度和保證系統緊湊度，利用Zernike多項式面的多自由度實現 系統像差的校正；中心視野小視場倒置伽利略望遠光路②采用透射式，因為中心視野對應 視場小，采用透射式球面鏡于生產、裝調，并提高光能利用率，而光焦度為負的雙膠合透鏡 5、兩個光焦度為正的透鏡6和7組成小型倒置伽利略望遠系統能縮小系統體積。3. 根據權利要求1所述的一種視度可調的基于孔徑拼接青光眼擴視器光學系統，其特 征在于該系統的設計方法如下： 1) 基于孔徑拼接原理，控制四個自由曲面反射鏡的Zernike多項式系數和偏心、傾斜量 來控制視網膜9上周邊視野對應光線高度，控制焦度為負的雙膠合透鏡5、兩個光焦度為正 的透鏡6與7的曲率半徑、厚度、材料和間距來控制視網膜9上中心視野對應光線高度，使視 網膜9上周邊視野圖像與中心視野圖像不發生混疊；并令光闌8(瞳孔)處光線視場角均在 10°視場角范圍內，保證青光眼患者能在殘存10°管狀視野對應的視網膜9上獲得全視場拼 接圖像。相比切換視場分別獲得中心視野圖像和周邊視野圖像，新系統能夠更好滿足患者 使用需求，更具有市場前景； 2) 周邊視野對應視場角大，要對其進行高倍視野擴大，若采用傳統透射式系統，系統將 引入多頭鏡組，十分復雜且體積龐大。采用反射式結構能夠顯著縮短系統尺寸，并且第一自 由曲面反射鏡1、第二自由曲面反射鏡2、第三自由曲面反射鏡3、第四自由曲面反射鏡4均采 用Zernike多項式能夠顯著提高系統成像質量；中心視野對應視場角小，采用透射式結構能 夠降低制造、裝調難度，利于批量生產，提高生產率； 3) 利用曲率半徑可變的第一自由曲面反射鏡1和第三自由曲面反射鏡3,以及鏡片之間 的光學間隔改變，實現周邊視野大視場軸對稱八反倒置望遠鏡光路①和中心視野小視場倒 置伽利略望遠鏡光路②的共同4x和4.5x視野放大倍數改變，完成視度調節，并保證視網膜9 上大視場周邊視野圖像與小視場中心視野圖像不發生混疊，讓具有正常視力或遠視的青光 眼患者均能在受損視網膜9上獲得清晰的全視場無混疊圖像。
【文檔編號】G02B27/01GK106054385SQ201610408881
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】常軍, 朱懿, 陳蔚霖, 牛亞軍, 余鴻昊, 劉鑫, 李衍璋, 呂鳳先
【申請人】北京理工大學