一种基于平行四边形棱镜的紧凑型巩膜血管成像装置的制作方法

1.本发明涉及光学成像系统设计领域，尤其是基于平行四边形棱镜的紧凑型近距巩膜血管成像系统设计领域。


背景技术：

2.巩膜血管位于眼睛巩膜区域的表层，呈现丝状、网状结构，在眼睛外部可以清晰地观察到。巩膜血管是一种结构稳定、极具个性化的生物特征，不会随着外部环境、个人生理和心理状态的改变而改变，非常有利于基于生物特征的检测与识别技术的开发与应用。
3.随着穿戴式身份识别、眼动跟踪等装备的发展，能够在不影响人眼观察的情况下，在眼部附近实现身份识别和眼动跟踪，已经成为当前的研究热点之一。由于巩膜血管具有稳定、个性化和易于检测的特点，在相关技术领域中，是一种非常合理有效的标志物选择。
4.人眼近似为一个球体，眼球表面有一定曲率，利用光学系统对巩膜血管进行成像时，巩膜不同区域的血管到光学系统的距离有较大差异。传统的光学成像方法在近距离成像时，存在景深较小、分辨率不足的问题，难以在眼部附近对大范围巩膜血管进行清晰成像。这就需要开发一种具有大景深、大视场、高分辨率的巩膜血管近距成像装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于平行四边形棱镜的紧凑型巩膜血管成像装置，克服传统成像方法在近距离成像时，景深小、视场小的问题，实现在眼部附近对近距离巩膜血管的直接聚焦和清晰成像。并且该装置具有体积小、便携性好、隐蔽性强的特点，能够广泛应用于身份识别和眼动跟踪等任务。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于平行四边形棱镜的紧凑型巩膜血管成像装置，包括：滤光片、平凸透镜、平行四边形棱镜、微透镜阵列、成像探测器和外部封装，如图1所示。平凸透镜和微透镜阵列分别胶合在平行四边形棱镜的两个斜面上，形成一体式组合光学器件，如图2和图3所示；平行四边形棱镜的两个平行面镀有反射膜；成像探测器位于微透镜阵列的后焦面上；滤光片放置于平凸透镜前方或微透镜阵列与成像探测器之间的光路中。
8.装置整体安装于眼睛巩膜的侧前方，如图1所示。平凸透镜的前焦距等于其到眼球表面的距离；巩膜血管发射的光线通过平凸透镜形成平行光束，经平行四边形棱镜的两个平行面两次反射，再经微透镜阵列聚焦，在成像探测器上形成清晰的巩膜血管多孔径图像阵列，如图7所示。每个子孔径图像对应于整个眼睛巩膜的一个小区域，含有部分清晰的巩膜血管图像，相邻子孔径图像之间不存在重叠现象，如11所示。
9.外部封装包括：光学器件卡槽、成像探测器卡槽、滤光片卡槽、通光孔和不透明吸光侧壁，如图4所示。装配完成后(如图5和图6所示)，一体式组合光学器件插入光学器件卡槽中，通光孔紧贴一体式组合光学器件上的平凸透镜形成孔径光阑；成像探测器插入成像探测器卡槽中，使得成像探测器的探测面位于一体式组合光学器件上的微透镜阵列的后焦
面上；滤光片卡槽位于通光孔处或微透镜阵列与成像探测器之间，滤光片插入滤光片卡槽中。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
11.图1是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的自由空间巩膜血管成像光路图。
12.图2是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的一体式组合光学器件整体构造图。
13.图3是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的一体式组合光学器件的正视图。
14.图4是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的外部封装的整体构造图。
15.图5是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的整体装配图。
16.图6是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的纵剖面装配图。
17.图7是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的光学原理图。
18.图8是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的真空光路等效图。
19.图9是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的视场角示意图。
20.图10是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的景深示意图。
21.图11是本发明实施例提供的紧凑型巩膜血管成像装置的成像结果示意图。
具体实施方式
22.以下结合附图，对本发明做进一步的详细描述。
23.显然，以下所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的一个实施例中，提供了一种基于平行四边形棱镜的紧凑型巩膜血管成像装置的实现方法，其具有结构紧凑、体积小、景深大、视场大、分辨率高的特点，可以对近距离巩膜血管清晰成像。
25.图1所示为本实施例的自由空间成像光路图，根据人眼的真实结构，考虑了眼球巩膜区域的大小，巩膜血管位于平凸透镜前方一倍焦距处(约25mm)，巩膜血管发出的光线首先经过滤光片，然后经过平凸透镜会聚，再经过平行四边形棱镜的两次反射，最后由微透镜阵列会聚于成像探测器上清晰成像。
26.图2和图3所示分别为本实施例的一体式组合光学器件的整体构造图和正视图，平凸透镜与微透镜阵列分别胶合在平行四边形棱镜的两个斜面上形成一体式组合光学器件。平行四边形棱镜的另外两个平行面镀反射膜。
27.图4所示为本实施例的外部封装整体构造图，外部封装包括光学器件卡槽、成像探测器卡槽、滤光片卡槽、通光孔和不透明吸光侧壁。将一体式组合光学器件装配完成后，通光孔紧贴平凸透镜形成孔径光阑。通过选择通光孔的尺寸，使得相邻子孔径图像之间保持
一定范围的重复，并且不存在图像重叠现象。
28.图5和图6所示分别为本实施例的整体装配图和纵剖面装配图。装配时，将滤光片嵌入到外部封装的滤光片卡槽中；将图2的一体式组合光学器件嵌入到外部封装的光学器件卡槽中；将成像探测器嵌入到外部封装的的成像探测器卡槽中，使得成像探测器的探测面位于微透镜阵列的后方焦平面上。
29.图7所示为本实施例的光学原理图。按照光路顺序依次是成像物体、平凸透镜、平行四边形棱镜、反射面1、反射面2、微透镜阵列、成像探测器。巩膜血管发出的光线经过平凸透镜被会聚为平行光，再经过平行四边形棱镜的两次反射，最终被微透镜聚焦于成像探测器上清晰成像。
30.图8所示为本实施例的真空光路等效图。物平面距离平凸透镜z1＝f
m
＝25mm；平行四边形棱镜的平行边长度为10mm，相邻边所夹锐角为45
°
，材料为k9玻璃；主透镜到微透镜阵列的距离转换到真空中光路为z2＝13.123mm；微透镜阵列的子孔径大小为d
w
＝250μm，子孔径焦距为f
w
＝1.163mm；通光孔即孔径光阑，紧贴主透镜，为保证子孔径的成像互不影响，孔径光阑的大小为d＝2.8mm；成像探测器的探测面到微透镜的距离z3＝f
w
＝1.163mm，成像探测器的单位像元尺寸大小为0.002mm
×
0.002mm。
31.图9所示为本实施例的视场角示意图。其中fov为成像装置总的视场角，l为可以通过镜头成像的最大目标范围。在本实施例中，成像探测器的分辨率为2688
×
1520，单位像元的大小为p0＝0.002mm
×
0.002mm，成像探测器成像区域的大小为5.376mm
×
3.04mm，能够完整成像的微透镜个数为m
×
n＝21
×
12＝252个，可以解得系统的视场角fov＝25.40
°×
12.59
°
，对应到物空间的成像范围约为8.382mm
×
14.669mm，完全能够满足对单侧巩膜区域血管成像的需求。
32.图10所示为本实施例的景深示意图。其中z1＝f
m
＝25mm，z2＝13.123mm，z3＝f
w
＝1.163mm。远点距x
m1
处在成像探测器前方成理想像，近点距x
m2
处在成像探测器后方成理想像。二者均在成像探测器上成一个弥散斑，当弥散斑直径不大于单位像元尺寸的时候，仍可以成清晰像。根据设定参数解得系统景深dof＝8.65mm。完全可以满足巩膜血管成像要求。
33.图11所示为本实施例的成像结果示意图。获得的眼纹多孔径图像阵列的每一个子图像都是由微透镜阵列的一个子透镜成像产生，对应于整个眼睛巩膜的一个小区域；图像阵列的每一个子图像都具有眼纹分辨能力，含有部分清晰的眼纹；相邻子孔径图像之间保持一定范围的重复，并且不存在相邻子图像重叠现象
34.尽管已经参照附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。