投影式头戴静脉显像光学系统的设计

摘要：为了辅助静脉穿刺及相关的医疗操作，设计了一款基于投影式头戴显示器（HMPD）的静脉显像系统，其光学系统由近红外成像系统和穿透型HMPD构成。利用光学设计软件在ZEMAX优化设计近红外成像系统，使其具有F/2.6的大数值孔径，有利于弱反射红外光的收集成像。穿透型HMPD采用与近红外成像系统相同的光学结构，有利于简化系统的加工装调。设计结果表明，近红外成像系统成像质量优异，分辨率达到QXGA(2048x1536)。穿透型HMPD具有18mm的大出瞳直径及25mmm的大出瞳距离，场曲小于0.03D，畸变小于0.32%，达到QXGA分辨率显示模式。与现行的静脉显像系统相比，本显像系统结构简单紧凑、佩戴舒适，且具有超高分辨率，是一款适用于辅助医疗的目视系统。

1.引言

静脉穿刺是一种常见的医疗手段，广泛地应用于临床治疗。医护人员通常采用的目视和触摸法，虽然方便快捷，却存在一定的局限性，例如患者血管较细、肤色较深或脂肪层较厚，导致穿刺成功率明显下降。根据静脉血中脱氧血红蛋白明显吸收近红外光这一特性，静脉显像仪是近些年发展起来的皮下静脉显示设备。目前报道的静脉显像仪多数为台式或手持式，台式显像仪体积普遍较大，便携性差曰手持式显像仪，虽较为便携，但增加了使用者穿刺的操作难度。2013年底，Evena Medical造公司推出了一款名为Eyes-On-Glasses的静脉显像眼镜。该眼镜目前尚未面向市场，且有关其光学系统的信息均未有报道。

现代头戴式显示器(Head-Mounted Display,HMD)要求其光学系统不仅具有优良的光学性能，并且要求系统结构简单紧凑、体积小、重量轻。目前大多数头戴式显示器采用传统的共轴目镜结构，然而该结构已无法解决系统对高成像质量的要求与小型轻量化之间的矛盾。为克服上述缺点，云藻则早葬泽燥灶首次提出了投影式头盔系统（Head-Mounted Projective Display,HMPD）的概念。利用投影物镜的对称性和返射屏将入射光线沿原路返回的作用，HMPD相比于以目镜为基础的匀酝阅可获得更小的体积和质量、更大的视场以及更小的光学畸变。

本文设计了一款新型的头戴式静脉显像系统，其光学系统由近红外成像系统和穿透型投影式头戴显示器组成。佩戴者可直接于皮肤表面观察到清晰的静脉图像，且不影响观看外界事物。相比于现有的静脉显像系统，本系统具有结构简单紧凑、佩戴舒适、高分辨率以及易于加工装调的特点。

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