直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置的制作方法

專利名稱：直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種成像裝置，尤其是涉及一種利用相干光在視網膜上直接 成像的光學成像裝置。
背景技術：
傳統的成像裝置采用二維屏幕顯示靜止或動態的圖像(例如液晶顯示器、等 離子體顯示器、投影顯示器等)，人眼視覺系統通過角膜和水晶體組成的透鏡系 統，將二維屏幕上的圖像再次成像在視網膜上，通過進一步將視網膜上的圖像信 號傳輸到大腦，人眼視覺系統能夠感知到顯示的圖像。
將圖像直接成像在視網膜上則可以省略二維屏幕，實現虛擬現實(virtual reality)顯示、增強現實(augmented reality)顯示和服底醫學診斷(optical coherence tomography)。美國華盛頓大學的研究人員提出了一種視網膜圖 像掃描裝置(參考文獻1: Brian T. Schowengerdt, Eric丄Seibel, 'Scanned voxel displays'. Information Display, Vol. 24, No. 7, 2008, pp26-36),該裝 置通過微機械掃描方式將調制的光信號直接聚焦在人眼視網膜上。由于人眼的遲 滯特性，當行、列掃描速度足夠高時，人眼視覺系統便感知一幅完整的畫面。但 是該裝置需要復雜和昂貴的微機械掃描裝置和復雜光學系統，并且為實現三維圖 像的掃描，需要更高速度的行、列掃描裝置。 '
發明內容
技術問題本實用新型的目的是提供一種直接在視網膜上實現三維立體成 像的裝置，利用相干光在視網膜成像的裝置，該裝置無需復雜和昂貴的微機械掃 描裝置和復雜的光學系統，直接在視網膜上成像，并且可以方便實現三維立體成 像。技術方案為了避免復雜和昂貴的微機械掃描裝置以及復雜的光學系統，本 實用新型提供-一種利用相T光直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，該裝置 能夠將二維或三維圖像直接成像在視網膜上。本發明解決其技術問題所采用的技 術方案是采用相干光源照射全相位空間光調制器，全相位空間光調制器的出射 相干光經光學系統傳播，光學系統出射光瞳位于角膜前，相干光依次通過角膜、 虹膜、水晶體，最后到達視網膜，在視網膜前后多個成像平面上相干光場的振幅 分布由全相位空間光調制器調制。
相干光源可以是平面光波、或球面光波。
全相位空間光調制器可以產生虛擬透鏡。
光學系統是一個、或多個共軸透鏡組成的系統，可以通過分光鏡改變光路。
眼球可以近似為一個、或兩個共軸透鏡組成的系統，水晶體可以近似為單透 鏡、或多層折射率變化的透鏡、或梯度折射率透鏡。
多個成像平面的光場振幅分布形成三維物體空間光場的分布，多個成像平面 的光場振幅分布可以擬合為視網膜曲面光場的分布，多個成像平面的光場振幅分 布由全相位空間光調制器調制，全相位空間光調制器的相位分布函數可以通過迭 代方法、或解析方法求解。 '
多個波長的相干光采用分時復用的方式通過空間光調制器進行調制，或多個 波長的相干光通過分光鏡實現共軸同時顯示。
分光鏡可以是全反射式的、或半透半反型的，分光鏡可以是平面的、或曲面 的，通過分光鏡實現虛擬現實顯示、或增強現實顯示、或眼底醫學診斷。
有益效果本實用新型有益效果是，可以將二維或三維圖像直接成像在視網 膜上，結構簡單，可以實現虛擬現實顯示、增強現實顯示和眼底醫學診斷。該裝 置無需復雜和昂貴的微機械掃描裝置和復雜的光學系統，直接在視網膜上成像， 并且可以方便實現三維立體成像。


圖1視網膜成像裝置示意圖。
圖2視網膜成像裝置實現三維立體顯示示意圖。
圖3視網膜成像裝置實現虛擬現實顯示、增強現實顯示和眼底醫學診斷示意以上圖中有相干光源l、全相位空間光調制器2、光學系統3、角膜4、虹 膜5、水晶體6、視網膜7、光學系統出射光瞳8、第一成像平面9、第二成像平 面IO、第三成像平面ll、凸透鏡12、分光鏡13、前室水狀液M、后室玻璃體 15。
具體實施方式
圖1中所示是視網膜成像裝置示意圖。該裝置主要有相干光源1、全相位空 間光調制器2和光學系統3組成。為具體說明視網膜成像過程，圖1中包括了 簡單的眼球剖面圖，其中有角膜4、虹膜5、水晶體6和視網膜7。關于光學系 統中人眼結構更詳細的模型可以參考文獻(參考文獻1: Frank Trager, 'Handbook of lasers and optics', Springer, New York, 2007)。相關光源1 可以是氣體、固體、或半導體激光器所產生的相干光，該相干光通過透鏡可以產 生平面光波、或球面光波。相干光源1直接照射全相位空間光調制器2，全相位 空間光調制器2可以是透射式液晶顯示器、反射式LCoS顯示器等具有0 2兀 調制范圍的純相位調制器(phase only spatial light modulator),當采用反射 式空間光調制器時可以增加分光鏡。當采用平面光波照射時，全相位空間光調制 器2出射平面的光場相位被調制為設定值，而振幅分布不變，當采用球面光波照 射時，等效于全相位空間光調制器2進行相位調制后再增加一個虛擬透鏡(發散 球面光波為凹透鏡，會聚球面光波為凸透鏡)(參考文獻2: Joseph W. Goodman, 'Introduction to Fourier Optics, Third Edition',電子工業出版 社，2006)，該虛擬透鏡可以看成為光學系統3的一部分。相干光源i經全相位 空間光調制器2調制后進入光學系統3，光學成像系統3可以由一個或多個共軸 透鏡組成，實現光學成像過程的縮放等功能，從而使光學系統3的出射光瞳大小 與人眼瞳孔大小相一致，避免人眼瞳孔對相干光場衍射的限制。相干光在光學系 統3中的傳播符合標量衍射原理，傳播函數可以在光線傳播方向上依次采用算符 方法進行計算求得(參考文獻2)，例如，光學系統3由一個共軸透鏡組成，其 傳播過程用算符方法表述為其中，t/。(;c,》，)為光學系統3輸入平面的光場分布函數，^(^，77)為輸出平面的
光場分布函數，/為透鏡的焦距，《、《為相干光在透鏡前后的傳播距離。本
領域內研究人員可以根據需要推導出多個透鏡系統的傳播函數。光學系統出射光 瞳8位于眼球角膜4前，相干光依次通過角膜4、虹膜5、水晶體6，最后到達 視網膜7。相干光在眼球中的傳播符合標量衍射原理，可以看作是兩個共軸透鏡 組成的光學系統(參考文獻l)，其傳播過程用算符方法表述為
"2(w，v) = i [《]e
/2
豐]e
7
{味")} (2)
其中，f/,(《，77)為光學系統出射光瞳8的光場分布函數，a、 a分別為眼球前室 水狀液14和眼球后室玻璃體15的折射率，./;、 /2分別為角膜4和水晶體6的 焦距，4為角膜4到水晶體6的距離，《為水晶體6到視網膜7的距離，C/2 (w，v) 為視網膜7所在位置平面上的光場分布函數。人眼視覺系統中角膜4的屈光度
(diopter)是相對穩定的，正常人的屈光度為D = ，"43，而水晶體6的屈光
度是可變的，年輕人屈光度的變化范圍可以達到14，而老年人屈光度的變化范
圍為O(參考文獻1 )。當水晶體6屈光度發生變化時，公式(2)中的相位項2 -，
也將發生變化。通過算符方法分析可以得出，當水晶體6屈光度發生變化時，視 網膜7前的三維空間光場振幅分布相應的作了一次縮放。
公式(1)和公式(2)給出了從相干光源1到視網膜7上相干光場的傳播函 數，在預先設定視網膜7所在位置平面上光場振幅分布函數F(",v)^l"("，v)l的
前提下，可以通過迭代方法(參考文獻3:丄R. Fienup, 'Phase retrieval algorithms: a comparison', APPLIED OPTICS, Vol. 21, No. 15, 1982: 2758-2769)或解析方法(參考文獻4: T. E. Gureyev, , A. Pogany, D. M. Paganin, S. W. Wilkins, 'Linear algorithms for phase retrieval in the Fresnel region', Optics Communications 231 (2004) 53~70)求得對應的全相位空間 光調制器2的相位分布函數戶Oc，"，通過全相位空間光調制器2調制該相位分
布函數POc,川，在視網膜7上變獲得預先設定的光場振幅分布，此時人眼視覺
系統感知到一幅二維圖像，其各點強度分布為/(m,v)+2("，v)1 (3)， 在全相位空間光調制器2上周期性地改變相位分布函數尸^,y)，例如改變頻率
為60Hz，人眼便可以感知到連續的運動圖像。當水晶體6的屈光度發生變化時， 為保證在視網膜上成清晰的像，需根據公式(2)相應地調整全相位空間光調制 器2的相位分布函數。
眼球中的水晶體6是一個相對復雜的光學系統，公式(2)采用單透鏡進行 近似，還可以用多層折射率變化的透鏡或梯度折射率透鏡(參考文獻5: A. V. Goncharov and C. Dainty, 'Wide-field schematic eye models with gradient-index lens',丄Opt. Soc. Am. A, Vol. 24, No. 8, August 2007)來 精確近似，另外，還可以將角膜4和水晶體6組成的共軸透鏡系統近似為一個簡 單的單透鏡，本領域的研究人員可以采用多種近似方法建立眼球的相干光傳播函 數。
圖2所示為視網膜成像裝置實現三維立體顯示示意圖，為方便討論，圖中同 時給出了由單透鏡12構成的光學系統3。相干光源1通過全相位空間光調制器 2后各點相位被調制，而振幅保持不變。單透鏡12使全相位空間光調制器2出 射平面的光場分布在角膜4前呈一個縮小的像。為避免所呈像中包含一個二次相 位因子，可以在全相位空間光調制器2后增加一個焦距等于全相位空間光調制器 2與單透鏡12距離的凸透鏡(參考文獻2)，或采用虛擬透鏡，即將所需透鏡的 二次相位分布函數直接加到全相位空間光調制器2的相位分布函數上，或采用會 聚點在單透鏡12所在平面的相干球面光波。本領域內研究人員還可以設計各種 具有縮放功能的光學系統3，例如采用多個共軸透鏡增加光學系統的屈光能力， 還可以使光學系統3所成縮小的像位于角膜4所在平面的左邊或右邊，只需滿足 相干光場在角膜4所在平面的分布與人眼瞳孔大小相一致。為實現三維立體顯 示，本發明的技術方案為，在視網膜前后多個成像平面上(例如圖2中的第一成 像平面9、第二成像平面10、第三成像平面11 ，其中第三成像平面11位于視網 膜后可以視為虛擬平面，當人眼屈光度發生變化時，虛擬平面前移從而變為真實 成像平面)各自設定的區域內，光場的振幅分布各自滿足設定值，即將三維空間 光場的振幅分布離散為多個二維平面上光場的振幅分布；相干光源1經過全相位 空間光調制器2的調制，同時在多個成像平面上實現振幅分布接近設定值；多個成像平面上同時進行相干光振幅調制的方法為，通過公式U)和公式(2)確定 從全相位空間光調制器2到多個成像平面的相干光傳播函數，設定每個成像平面 上的振幅調制區域以及振幅分布函數，通過迭代或解析方法求解全相位空間光調 制器2上的相位分布函數，本發明優選迭代方法，其步驟為
1) 確定迭代初始條件，即根據所需顯示的三維圖像，離散化視網膜7前后 三維空間光場的振幅分布，確定視網膜7前后成像平面的個數，確定每個成像平 面的設定區域，以及設定區域內的振幅分布函數，確定光學系統3以及人眼的相 干光傳播函數，由于人眼水晶體6的屈光度可變，通常需根據具體應用確定一個 虛擬觀察距離，水晶體6的屈光度由該觀測距離確定，確定全相位空間光調制器 2的初始相位；
2) 利用相干光傳播函數，計算相干光場從而全相位空間光調制器2傳播到 第一成像平面9的光場振幅分布，施加第一成像平面9振幅限制條件，即在設定 區域內，將所計算的光場振幅分布修改為設定值，而其他區域保持不變，光場相 位分布函數保持不變；
3) 相干光場依次在第二成像平面10、第三成像平面11等多個成像平面之
間進行傳播，并依次施加光場振幅限制條件，光場相位分布函數保持不變；
4) 相干光場從最后一個成像平面(例如第三成像平面11)反向傳播到全相 位空間光調制器2，并施加光場振幅限制條件，即光場振幅分布修改為均勻分布， 而光場相位分布函數保持不變；
5) 循環迭代步驟2) 4)，直至各個成像平面的光場振幅分布與設定值的 誤差小于預先設置的閾值o。
上述迭代步驟中，迭代初始平面可以是全相位空間光調制器2的出射平面， 或其他成像平面，例如第一成像平面9、第二成像平面10、第三成像平面11等， 并且迭代的次序也可以改變，或增加循環迭代過程以提高計算的收斂速度，本領 域研究人員可以根據需要對迭代過程進行優化。
上述迭代步驟是針對單波長的相干光，對于多個波長的單色光，可以采用分 時復用的方式，即各個波長的相干光單獨迭代運算，并通過分時復用的方式依次 通過全相位空間光調制器2進行調制，采用該方法可以實現全彩色圖像的顯示， 還可以多個波長相干光通過分光鏡13實現共軸同時顯示，即類似于彩色投影系 統(圖3中的虛線表示單色光通過分光鏡13實現與角膜4和水晶體6組成的光學系統的共軸)，每個波長的單色光單獨采用一個全相位空間光調制器2進行調 制，并通過分光鏡13依次改變光路實現與角膜4和水晶體6組成的光學系統共 軸。
上述迭代步驟中，成像平面的個數，以及每個成像平面上光場的振幅分布由 所需顯示的三維立體圖像決定。另外，由于人眼視網膜7是一個曲面，因此可以 采用多個平面成像的光場振幅分布擬合為視網膜7曲面上的光場振幅分布，即在 每個平面與視網膜7曲面的相交處設定成像所需的振幅分布，從而實現視網膜7 曲面上的清晰成像。
人眼視覺系統僅能清楚的感知到與視網膜7位置重合的成像平面上的二維光 場強度信息，在視網膜7前、后成像平面上的光場分布被感知為模糊的圖像，當 水晶體6的屈光度發生變化時，即人眼聚焦點位置發生變化時，視網膜7前后的 三維空間復雜光場將隨之產生縮放，例如聚焦點趨向遠方時，原先視網膜7前方 的光場分布將移動到視網膜7位置，從而被感知為清晰的像，聚焦點趨向近點時， 原先視網膜7后方的光場分布將移動到視網膜7位置，從而被感知為清晰的像。 因此，水晶體6屈光度的變化引起視網膜7上空間光場強度信息的變化，該過程 與人眼觀察三維空間中真實物體的影像相類似，從而使人眼視覺系統感知到三維 立體的畫面。
圖3中所示為視網膜成像裝置實現虛擬現實顯示、增強現實顯示和眼底醫學 診斷的示意圖。該技術方案與圖1中相比增加了一個分光鏡13，該分光鏡13的 主要作用是改變光線的傳播方向。為實現虛擬現實顯示，分光鏡13可以是全反 射式的，通過改變光路，可以方便的將光學系統3固定在各種頭盔上；為實現增 強現實顯示，分光鏡13可以是半透半反型的，即人眼可以透過分光鏡13觀看 外部真實的場景，同時又可以通過反射感知到虛擬的圖像，兩種圖像互相重疊； 為實現眼底醫學診斷，分光鏡13可以是半透半反型的，即全相位空間光調制器 2調制的相干光經光學系統3傳播和分光鏡13反射，在視網膜上成像，相干光 再經視網膜反射后反向傳輸并部分透射出光鏡13，在分光鏡13后采用CCD或 膠片可以拍攝到相干光經視網膜反射后的千涉條紋。本領域的研究人員還可以根 據需要在光學系統3中增加多個分光鏡，分光鏡13可以是平面的，也可以是曲 面的，例如分光鏡13可以是類似于眼鏡的凹面鏡，從而在改變光路的同時等效 于再增加一個凸透鏡。
權利要求1. 一種直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，其特征是該裝置由相干光源(1)、全相位空間光調制器(2)、光學系統(3)和眼球所構成，相干光源(1)位于全相位空間光調制器(2)前，全相位空間光調制器(2)位于由一個或多個透鏡組成的光學系統(3)前，光學系統出射光瞳(8)位于角膜(4)前，其出射相干光依次通過角膜(4)、虹膜(5)、水晶體(6)，最后到達視網膜(7)，并直接在視網膜上成像。
2. 根據權利要求1所述的一種直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，其 特征是相干光源(1)是平面光波、或球面光波。
3. 根據權利要求1所述的一種直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，其 特征是全相位空間光調制器(2)通過增加二次相位分布函數產生虛擬透鏡。
4. 根據權利要求1所述的一種直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，其 特征是光學系統(3)是一個、或多個共軸透鏡組成，光學系統(3)通過增加 分光鏡(13)改變光路傳播方向。
5. 根據權利要求1所述的一種直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，其 特征是所述的眼球可以近似為一個、或兩個共軸透鏡組成，水晶體(6)近似 為單透鏡、或多層折射率變化的透鏡、或梯度折射率透鏡。
6. 根據權利要求1所述的一種直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，其特征是分光鏡(13)是全反射式的、或半透半反型的，分光鏡(13)是平面的、或曲面的。
專利摘要一種直接在視網膜上實現三維立體成像的裝置，它采用相干光源1照射全相位空間光調制器2，全相位空間光調制器2的出射相干光經光學系統3傳播，光學系統出射光瞳8位于角膜4前，相干光依次通過角膜4、虹膜5、水晶體6，最后到達視網膜7，在視網膜7前后多個成像平面上相干光場的振幅分布由全相位空間光調制器2調制。本實用新型將二維或三維圖像直接成像在視網膜上，結構簡單，可以應用于虛擬現實顯示、增強現實顯示和眼底醫學診斷。
文檔編號G02B27/22GK201269949SQ20082018577
公開日2009年7月8日 申請日期2008年9月9日 優先權日2008年9月9日
發明者軍 夏, 威 雷 申請人:東南大學