一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统，该系统包括周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路和中心视野小视场倒置伽利略望远镜光路②，两光路的光阑位置与瞳孔重合。本系统基于孔径拼接原理采用双光路，通过控制两光路的光线高度，在青光眼患者受损视网膜上获得无混叠高倍视野扩大全视场图像；利用曲率半径可变的第一和第三自由曲面反射镜，和镜片之间光学间隔改变，完成视度调节。本发明系统属于光学仪器技术领域，利用孔径拼接的双光路同时获取周边视野和中心视野图像，代替现有青光眼扩视器的视场切换，并在系统增加视度调节机制。新系统结构简单紧凑，无需切换，视度可调，使用便利，具有更好的市场前景。
【专利说明】
一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统
技术领域
[0001] 本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器 光学系统，特别适用于具有10°管状视野的晚期具有正常视力或远视青光眼患者。
【背景技术】
[0002] 青光眼是全球第二大致盲眼病，是第一大不可修复致盲眼病。青光眼以眼压升高、 视神经萎缩和视野缺损为主要特征。晚期青光眼会引起严重的周边视野丧失，形成管状视 野(2w<10°)。这种严重的周边视野缺失，即使有较佳的中心视力，也会严重影响定向与行 走，给患者的日常生活带来极大的不便。且中老年人是青光眼发病的主要群体，而一般中老 年人青光眼患者还伴随有远视，因此，研制一种视度可调、无创伤扩大青光眼视野的扩视器 对于青光眼患者至关重要。
[0003] 国外与发明相似的技术为OPTICS EXPRESS上的一篇论文"Novel ultra-thin near-eye augmented-view device(UNAD)"，文章创新性提出两个相互独立的光路:轴对称 超薄离轴八反倒置望远光学系统与中心未经视场扩大光学系统，通过偏振片和一对液晶开 关选择性阻挡中央孔径或边缘孔径，实现两个光路的切换。但是，由于两光路相互独立，在 某一时刻，青光眼患者视网膜只能获得单一周边视野图像或者中心视野图像，这样会造成 周边视野或者视野图像的缺失，为青光眼患者带来巨大的安全隐患，并且双光路在切换时 需要一定的时间延迟。为实现切换，扩视器还需要配套复杂的电路和控制装置，增加扩视器 系统的结构复杂性，并且增加系统体积和重量，影响患者佩戴的舒适性。并且该扩视器主要 是根据正常视力的人群设计光路，而一般青光眼患者多为伴随有远视眼的老年人，需要额 外增加视力矫正镜片才能看清图像，增加患者佩戴负担，难以满足多种需求。
[0004] -种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统与传统的青光眼扩视器系 统相比，一方面，采用共孔径拼接原理，设置小型倒置伽利略望远镜于中心孔径之前，实现 周边视野图像与患者残存中心视野图像同时成像在视网膜上，避免周边视野与中心视野切 换带来的安全隐患以及切换装置带来的系统重量、体积、复杂度增加等问题，并通过控制各 光路的出射光线高度避免视网膜上图像混叠的问题；另一方面，通过改变部分光学元件的 间隔和曲率，实现系统视野放大倍数的调节，改变进入人眼瞳孔的光线角度，则无论正常视 力或远视青光眼患者都能在10°管状视野对应的受损视网膜上得到清晰图像，达到视度调 节的目的，适应不同视力的人使用。
[0005] 新系统结构无需切换，视度可调，简单紧凑，体积小，质量轻，适用群体广泛，使用 便利。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是探索新型青光眼扩视器，解决现有青光眼扩视器光学系统由于视 场切换无法在同一时刻获取全视场图像、视网膜图像混叠、视度不可调节等技术问题，提出 一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统。
[0007] 本发明解决技术问题的具体技术方案是：
[0008] -种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统，其特征在于:包括周边视 野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①与中心视野小视场倒置伽利略望远镜光路②。其中 周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①包含四个自由曲面反射镜、光阑8和成像视 网膜9,其中反射镜面型均为Zernike多项式面，即曲率半径可变的第一自由曲面反射镜1、 第二自由曲面反射镜2、曲率半径可变的第三自由曲面反射镜3、第四自由曲面反射镜4。以 上光学元件，除光阑8和成像视网膜9,其他均以一定的偏心和离轴放置。中心视野小视场倒 置伽利略望远镜光路②包含光焦度为负的双胶合透镜5、光焦度为正的透镜6、光焦度为正 的透镜7、第四自由曲面反射镜4、光阑8和成像视网膜9;其中，第四自由曲面反射镜4镀有半 反半透膜，则既能反射周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①的光线又能透射中心 视野小视场倒置伽利略望远镜光路②的光线。在光线传播方向上，以上光学元件在同一光 轴上按顺序依次排列。两光路的光阑8重合，对应人眼瞳孔。
[0009] 所述曲率半径可变的第一反射镜1、第二反射镜2、曲率半径可变的第三反射镜3、 第四反射镜4,面型均为Zernike多项式面，且均设置一定的偏心和倾斜，以实现视野放大， 将大视场周边视野图像缩小到患者残存10°视野范围内从而清晰成像在患者周边受损的视 网膜9上;提高多自由度，校正系统的像差，提高系统成像质量并显著缩小系统体积。
[0010] 所述中心视野小视场倒置伽利略望远光路②采用透射式，因为中心视野对应视场 小，采用透射式球面镜于生产、装调，并提高光能利用率。故光焦度为负的双胶合透镜5、光 焦度为正的透镜6和透镜7组成小型倒置伽利略望远镜，将青光眼患者残存10°小视场中心 视野图像进行缩小，使其成像在视网膜9上的图像能够与通过周边视野大视场轴对称八反 倒置望远镜的大视场周边视野图像在患者受损视网膜9上进行拼接，避免图像混叠。
[0011] 所述的周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①中的第一自由曲面反射镜1 和第三自由曲面反射镜3的曲率半径可以改变，并结合反射镜之间的间隔的变化，就能够实 现4x视野放大倍数和4.5x视野放大倍数的改变；中心视野小视场倒置伽利略望远镜光路② 通过直接改变镜片之间的空气间隔，实现视野放大倍数的改变，并且实现青光眼患者受损 视网膜9上周边视野图像和中心视野图像的无缝拼接。则整个双光路系统就可以实现视野 放大倍数的改变，从而实现视度调节。
[0012] 所述的周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①和中心视野小视场倒置伽 利略望远镜光路②的光阑8位置重合，对应人眼瞳孔位置，实现了瞳孔匹配，避免由于眼球 运动某些视场光线不能进入瞳孔，从而造成视网膜9上对应视场图像的缺失。
[0013]本发明具有以下显著优点：本发明采用孔径拼接的方法，增加小型倒置伽利略望 远系统与中心视野对应光路之中，结合周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路实现青 光眼患者10°管状视野对应的残存视网膜9上大视场周边视野图像和小视场中心视野图像 的无混叠拼接，即系统不需要复杂的视场切换装置即可满足全视场观察需求。
[0014] 本发明利用第一自由曲面反射镜1和第三自由曲面反射镜3的曲率半径可变，结合 镜片之间的光学间隔改变，实现周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①和中心视野 小视场倒置伽利略望远镜光路②的共同4x和4.5x视野放大倍数调节，完成视度调节，让具 有正常视力或远视的青光眼患者均能在受损视网膜9上获得清晰的全视场无混叠图像。
[0015] 因此，系统具有无需切换、视度可调、成像质量好、结构紧凑等特点，满足市场多样 化、便利化的需求，有广阔的市场应用前景。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统的4x视野扩大 结构示意图
[0017] 图2是本发明一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统的4.5x视野扩 大结构示意图
[0018] 图中，1-曲率半径可变的第一自由曲面反射镜、2-第二自由曲面反射镜、3-曲率半 径可变的第三自由曲面反射镜、4-第四自由曲面反射镜、5-光焦度为负的双胶合透镜、6-光 焦度为正的透镜、7-光焦度为正的透镜、8-光阑、9-成像视网膜。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0020] 实施例如图1所示，本发明一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统 包括：曲率半径可变的第一自由曲面反射镜1、第二自由曲面反射镜2、曲率半径可变的第三 自由曲面反射镜3、第四自由曲面反射镜4、光阑8和成像视网膜9成周边视野大视场轴对称 八反倒置望远镜光路①，在光线传播方向上，除光阑8和成像视网膜9外，以上各光学元件以 一定的偏心和离轴放置;光焦度为负的双胶合透镜5、光焦度为正的透镜6、光焦度为正的透 镜7、镀有半反半透的第四自由曲面反射镜4、光阑8和成像视网膜9组成中心视野小视场倒 置伽利略望远光路②，在光线传播方向上，各光学元件在同一光轴上按顺序依次排列。
[0021] 位于大视场周边视野中的目标物体发出的平行光线经边缘孔径进入周边视野大 视场轴对称八反倒置望远镜光路①，经由第一自由曲面反射镜1、第二自由曲面反射镜2、第 三自由曲面反射镜3、第四自由曲面反射镜4进行四次反射使光线进入光阑8,即人眼瞳孔进 入人眼，最终成像在视网膜9上。第一自由曲面反射镜1、第二自由曲面反射镜2、第三自由曲 面反射镜3、第四自由曲面反射镜4均为Zernike多项式面，主要用于校正系统像差，并实现 视野扩大，即出射光线视场角相对于入射光线视场角发生缩小。且四个反射镜均设置有偏 心、倾斜，是为了折转光轴，控制光线高度，使各反射镜不发生遮拦，并保证在人眼视网膜9 上与中心视野小视场倒置伽利略望远镜光路②所成的图像不发生混叠，实现大视场周边视 野图像和小视场中心视野图像的良好拼接。
[0022] 位于小视场中心视野中的目标物体发出的平行光线经中心圆形孔径进入中心视 野小视场倒置伽利略望远镜光学系统②，首先经由光焦度为负的双胶合透镜5进行光线会 聚。透镜6和透镜7组成光焦度为正的透镜后组，透镜后组的焦点与双胶合透镜5的焦点重 合，组成小型倒置伽利略望远系统，故经由双胶合透镜5会聚的光线，进入透镜6和透镜7后 再次发散成平行光。接着，平行光透射过镀有半反半透膜的第四反自由曲面射镜4,出射光 依然为平行光，并且角度不发生偏转。最后，平行光经由光阑8,即瞳孔进入人眼，在视网膜9 上成像。通过控制双胶合透镜5、透镜6和透镜7的曲率半径、厚度、材料和间隔，来达到光线 高度控制的目的，使双光路在视网膜9上的图像不发生混叠，实现全视场图像的良好拼接。
[0023] 在系统视野扩大倍率改变的过程中，对于周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜 光路①，第二自由曲面反射镜2和第四自由曲面反射镜4的曲率半径保持不变，曲率半径可 变的第一自由曲面反射镜1和曲率半径可变的第三自由曲面反射镜3则通过背面由电压控 制的压电陶瓷促动器改变自身的面形，改变自身的光焦度，并且结合反射镜之间的光学间 隔改变，从而实现系统视野扩大率的改变;对于中心视野小视场倒置伽利略望远镜光学系 统②，利用双胶合透镜5、透镜6、透镜7和光阑8之间的空气间隔的变化实现系统视野扩大率 的改变，以达到与周边大视场图像在受损视网膜9上的无混叠拼接。
[0024] 实施例中一种视度可调的孔径拼接青光眼扩视器光学系统基本光学参数如表1所 不。
[0025] 实施例中反射镜基本参数如表2所示。
[0026] 表1 一种视度可调的孔径拼接青光眼扩视器光学系统基本参数
[0027]
[0028] 表2四面反射镜Zernike多项式系数
【主权项】
1. 本发明一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统，其特征在于:包括：曲 率半径可变的第一自由曲面反射镜1、第二自由曲面反射镜2、曲率半径可变的第三自由曲 面反射镜3、第四自由曲面反射镜4、光阑8和成像视网膜9组成的周边视野大视场轴对称八 反倒置望远镜光路①，在光线传播方向上，除光阑8和成像视网膜9外，以上各光学元件以一 定的偏心和离轴放置；由一个光焦度为负的双胶合透镜5、两个光焦度为正的透镜6和7、镀 有半反半透的第四自由曲面反射镜4、光阑8和成像视网膜9组成的中心视野小视场倒置伽 利略望远光路②，在光线传播方向上，各光学元件在同一光轴上按顺序依次排列;大视场周 边视野的目标景物发出的光线通过边缘孔径进入周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜 光路①，小视场中心视野的目标景物发出的光线通过中心圆形孔径进入中心视野小视场倒 置伽利略望远光路②，两光路光阑8位置重合，均位于人眼瞳孔处;通过双光路拼接，可以实 现高倍视野扩大，将全视场图像同时缩小成像到青光眼患者10°管状视野对应的视网膜9 上;通过曲率半径可变的第一自由曲面反射镜1和第三自由曲面反射镜3,以及镜片之间的 光学间隔改变可以实现视野扩大倍数在4x和4.5x之间的改变，实现视度调节，满足不同正 常视力或远视青光眼患者的使用要求，使用便利，更具有市场使用前景。2. 根据权利要求1所述的一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统，其特 征在于:周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①采用反射式，包括四个反射镜:第一 自由曲面反射镜1、第二自由曲面反射镜2、第三自由曲面反射镜3、第四自由曲面反射镜4， 它们均为Zernike多项式面，且设置偏心、倾斜，主要作用是对周边大视场图像进行高倍缩 小，并折叠光线来控制光线高度和保证系统紧凑度，利用Zernike多项式面的多自由度实现 系统像差的校正；中心视野小视场倒置伽利略望远光路②采用透射式，因为中心视野对应 视场小，采用透射式球面镜于生产、装调，并提高光能利用率，而光焦度为负的双胶合透镜 5、两个光焦度为正的透镜6和7组成小型倒置伽利略望远系统能缩小系统体积。3. 根据权利要求1所述的一种视度可调的基于孔径拼接青光眼扩视器光学系统，其特 征在于该系统的设计方法如下： 1) 基于孔径拼接原理，控制四个自由曲面反射镜的Zernike多项式系数和偏心、倾斜量 来控制视网膜9上周边视野对应光线高度，控制焦度为负的双胶合透镜5、两个光焦度为正 的透镜6与7的曲率半径、厚度、材料和间距来控制视网膜9上中心视野对应光线高度，使视 网膜9上周边视野图像与中心视野图像不发生混叠；并令光阑8(瞳孔)处光线视场角均在 10°视场角范围内，保证青光眼患者能在残存10°管状视野对应的视网膜9上获得全视场拼 接图像。相比切换视场分别获得中心视野图像和周边视野图像，新系统能够更好满足患者 使用需求，更具有市场前景； 2) 周边视野对应视场角大，要对其进行高倍视野扩大，若采用传统透射式系统，系统将 引入多头镜组，十分复杂且体积庞大。采用反射式结构能够显著缩短系统尺寸，并且第一自 由曲面反射镜1、第二自由曲面反射镜2、第三自由曲面反射镜3、第四自由曲面反射镜4均采 用Zernike多项式能够显著提高系统成像质量；中心视野对应视场角小，采用透射式结构能 够降低制造、装调难度，利于批量生产，提高生产率； 3) 利用曲率半径可变的第一自由曲面反射镜1和第三自由曲面反射镜3,以及镜片之间 的光学间隔改变，实现周边视野大视场轴对称八反倒置望远镜光路①和中心视野小视场倒 置伽利略望远镜光路②的共同4x和4.5x视野放大倍数改变，完成视度调节，并保证视网膜9 上大视场周边视野图像与小视场中心视野图像不发生混叠，让具有正常视力或远视的青光 眼患者均能在受损视网膜9上获得清晰的全视场无混叠图像。
【文档编号】G02B27/01GK106054385SQ201610408881
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】常军, 朱懿, 陈蔚霖, 牛亚军, 余鸿昊, 刘鑫, 李衍璋, 吕凤先
【申请人】北京理工大学