具有光學(xué)畸變校正的光學(xué)成像組件以及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供一種光學(xué)成像組件，包括：光學(xué)軸；物體軸；透光套管，所述透光套管包圍物體軸，該光學(xué)成像組件在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心，具有至少三個折射透鏡元件，所述透鏡元件中的至少一個包括具有圓柱和非圓柱方案中的至少一個的表面，該光學(xué)成像組件具有圖像平面，其中被成像的所述物體位于所述套管內(nèi)。
【專利說明】
具有光學(xué)畸變校正的光學(xué)成像組件以及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開主要涉及光學(xué)成像和測量系統(tǒng)，并且更特別地涉及用于校準(zhǔn)流動至醫(yī)療輸液栗的流體流量的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]測量流體的流量的一種方式在于使流體流成為已知體積的液滴的連續(xù)流，然后對單位時間的液滴數(shù)計數(shù)從而推導(dǎo)出流量。這種方法非常粗略，因為具有等于液滴體積的測量粒度，并且假定每個液滴的體積都與其從其孔口分離時相同。實際上，這種“液滴計數(shù)”方法具有對于許多應(yīng)用諸如醫(yī)療輸液不適當(dāng)?shù)臏y量精度。如果能夠隨著液滴形成并且從支撐孔口分離而實時地測量液滴的體積，則能夠消除粒度問題。
[0003]測量體積的一種方式在于捕捉從其孔口懸垂的下垂液滴的二維圖像，并且然后沿著從液滴的頂端至孔口的幾個點測量其寬度。如果假定旋轉(zhuǎn)對稱，則液滴能夠被表示為一系列堆疊盤片，其中每個盤片的體積為V = πΗ (寬度/2)2，其中H為沿旋轉(zhuǎn)軸的多個點之間的距離。液滴的體積為所有盤片的體積的總和。為了獲得良好的液滴體積精度，重要的是獲得對液滴寬度的良好估算。然后能夠通過例如借助快速連續(xù)地收集和處理一系列圖像，諸如一系列視頻圖像，而測量液滴體積的時間變化率，來更精確地確定流體的流量。
[0004]成像過程的復(fù)雜性在于下列事實，即輸液管的下垂液滴被包圍在將測量小滴寬度的方向中引入錯誤光學(xué)畸變量的大致圓柱形滴注室內(nèi)。進一步復(fù)雜問題在于，飛濺和冷凝能夠引起流體小滴在滴注室的內(nèi)表面上形成，這能夠阻礙或者部分地阻礙液滴的邊緣被成像。最后，由于制造、裝配甚至是使用過程，成像組件必須能夠容忍下垂液滴的軸和透鏡之間的距離變化，而不引起液滴的計算體積的可觀變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因而，指定了一種光學(xué)快速的、校正與物體的軸同軸的套管引起的光學(xué)畸變，并且在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心的光學(xué)成像組件。本組件采用圓柱形或者非圓柱形以及球面或者非球面透鏡元件的組合來校正光學(xué)畸變和其它像差。另外，本公開涉及一種與輸液管一起使用，并且更特別地用于對輸液管內(nèi)的下垂液滴成像的光學(xué)成像組件。本光學(xué)成像組件校正輸液管引起的光學(xué)畸變，并且是光學(xué)快速的，以便殘留在輸液管壁上的小滴和其它假象偏離焦距且不被成像系統(tǒng)成像，并且是遠(yuǎn)心的，以便物體的放大倍率基本獨立于物體和第一透鏡元件之間的距離。
[0006]根據(jù)本文所示的方面，提供一種光學(xué)成像組件，包括:連接物體平面和圖像平面的光學(xué)軸;在物體平面內(nèi)并且垂直于光學(xué)軸的物體軸;具有基本平面的輸入表面和非圓柱形輸出表面的第一光學(xué)元件，其中非圓柱的軸與光學(xué)軸相交并且平行于物體軸;具有基本平面的輸入表面和非圓柱形輸出表面的第二光學(xué)元件，其中非圓柱的軸與光學(xué)軸相交并且平行于物體軸，并且第二光學(xué)元件的非圓柱形輸出表面與第一光學(xué)元件的非圓柱形輸出表面間隔隔開;具有輸入和輸出表面的第三光學(xué)元件，輸入和輸出表面具有旋轉(zhuǎn)對稱性并且中心位于光學(xué)軸上;孔徑光闌；和具有輸入和輸出表面的第四光學(xué)元件，輸入和輸出表面具有旋轉(zhuǎn)對稱性并且中心位于光學(xué)軸上。
[0007]更特別地，提供一種光學(xué)成像組件，包括光學(xué)軸，具有物體軸，具有包圍物體軸的透光套管，該光學(xué)成像組件在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心，具有至少三個折射透鏡元件，在其中的兩個透鏡元件中，至少一個所述元件包括具有圓柱形和非圓柱形方案(prescript1n)中的至少一個的表面，該光學(xué)成像組件具有圖像平面，其中被成像的物體位于套管內(nèi)。
[0008]在一個實施例中，一種組件包括以使得所產(chǎn)生的光學(xué)成像組件能夠矯正大光學(xué)畸變量的方式布置的四個透鏡元件，該組件在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心，并且具有1.5或者更小的f數(shù)。透鏡元件中的兩個具有非球面方案(prescript1n)，并且另兩個透鏡元件具有非圓柱形表面，其中兩個非圓柱表面彼此分離。光學(xué)成像組件非常適合在其中流體以包圍在滴注室內(nèi)的一系列小滴流動的液體流量計中使用。
[0009]在另一實施例中，成像組件被配置成用于從位于透光套管內(nèi)的物體產(chǎn)生的圖像去除光學(xué)畸變。該組件包括結(jié)合第二光學(xué)元件起作用的第一光學(xué)元件;兩個光學(xué)元件都具有一起從圖像去除光學(xué)畸變的圓柱形和/或非圓柱形表面。
【附圖說明】
[0010]現(xiàn)在將在下文結(jié)合附圖的詳細(xì)說明中更充分地描述本光學(xué)成像組件的特性和操作模式，其中:
[0011 ]圖1是本光學(xué)成像組件的示意性頂視圖；
[0012]圖2是本光學(xué)成像組件的示意性側(cè)視圖；
[0013]圖3是本光學(xué)成像組件的物體、物體周圍的套管以及物鏡元件的軸測圖；
[0014]圖4是示出源自物體平面中的視場邊緣處的扇形光線如何穿過光學(xué)成像組件到達(dá)圖像平面的頂視光線軌跡圖；
[0015]圖5是其中光學(xué)成像組件不是光學(xué)快速的情況下，具有內(nèi)表面小滴的套管內(nèi)的下垂液滴的代表性圖像；
[0016]圖6是其中光學(xué)成像組件光學(xué)快速的情況下，具有內(nèi)表面小滴的套管內(nèi)的下垂液滴的代表性圖像；
[0017]圖7A、7B和7C是通過Zemax透鏡設(shè)計程序產(chǎn)生的本光學(xué)成像組件的實施例的方案；
[0018]圖8A和SB是來自Zemax透鏡設(shè)計程序的，示出在繞物體設(shè)置圓柱形套管的情況下，分別平行于物體軸并且垂直于物體軸的方向中的光學(xué)成像組件的光學(xué)畸變量的視圖；
[0019]圖9是來自Zemax透鏡設(shè)計程序的，示出本光學(xué)成像組件產(chǎn)生的圖像的大小和形狀的點列圖，其中在繞物體設(shè)置套管的情況下，物體由六個視場位置處的S函數(shù)組成；以及
[0020]圖10是示出如何在流量測量系統(tǒng)中使用本光學(xué)成像組件的方框圖。
【具體實施方式】
[0021]首先，應(yīng)明白，不同視圖上的相同標(biāo)識符識別本公開的相同或者功能類似的元件。
[0022]此外，應(yīng)理解，本公開不限于所述的特殊方法、材料和變型，并且這些方法、材料和變型中的任何一種當(dāng)然都可以變化。也應(yīng)理解，本文使用的術(shù)語僅是為了描述特殊方面，并且無意限制僅由附加權(quán)利要求限定的本公開的范圍。
[0023]除非另外限定，否則本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語都具有與本公開所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的相同意義。雖然能夠在本公開的實踐或者測試中使用與本文所述的那些類似或者等效的任何方法、裝置或者材料，但是現(xiàn)在描述示例方法、裝置和材料。
[0024]圖1是光學(xué)成像組件100的示意性頂視圖，該光學(xué)成像組件100包括光學(xué)軸102、具有輸入表面134和輸出表面136的第一透鏡元件112、具有輸入表面138和輸出表面140的第二透鏡元件114、具有輸入表面142和輸出表面144的第三透鏡元件116、孔徑光闌118，以及具有輸入表面146和輸出表面148的第四透鏡元件120。物體表面104垂直于光學(xué)軸102，并且包括被成像的物體——諸如圖3中所示的下垂液滴152——的至少一部分。物體空間101也包括具有旋轉(zhuǎn)軸108的套管110，旋轉(zhuǎn)軸108與旋轉(zhuǎn)對稱物體，諸如圖3中所示的下垂液滴152基本重合。套管110優(yōu)選地基本為圓柱形，預(yù)期為具有約0.5至5.0°的斜率的稍微錐形以有利于成型過程，并且具有內(nèi)表面130和外表面132。光學(xué)成像組件100產(chǎn)生的圖像位于圖像平面106內(nèi)。
[0025]圖1中也示出軸的要素，其中Z軸用作光學(xué)軸102，Y軸在圖平面中垂直于Z軸，并且X軸垂直于Z軸且垂直于圖平面。物體平面104在X-Y平面中處于Z = O處。
[0026]將參考圖1、2和3更充分地描述上文所列的每個組件。第一透鏡元件112是具有基本平面的輸入表面134和圓柱或者非圓柱輸出表面136的折射光學(xué)元件。平面表面的生產(chǎn)比非平面表面更廉價，并且只要可能就應(yīng)使用，以降低光學(xué)成像組件100的制造成本。此外，使輸入表面134為平面有利于在光學(xué)成像組件100前部布置和替換套管110，所以能夠視需要地在光學(xué)成像組件100的前部安裝不同的物體。圓柱或者非圓柱的輸出表面136在Y軸方向中具有光焦度(optical power)，并且在X軸方向中具有很少或者不具有光焦度。
[0027]第二透鏡元件114是具有基本平面的輸入表面138和圓柱或者非圓柱輸出表面140的折射光學(xué)元件。平面表面的生產(chǎn)比非平面表面更廉價，并且只要可能就應(yīng)使用，以降低光學(xué)成像組件100的制造成本。圓柱或者非圓柱的輸出表面140在Y軸方向中具有光焦度，并且在X軸方向中具有很少或者不具有光焦度。
[0028]在圖1、2和3中示出圓柱/非圓柱表面位于輸出表面136和140上，雖然它們能夠位于輸入表面134和138上，或者輸入和輸出表面的組合上，諸如輸入表面134和輸出表面140，或者輸出表面136和輸入表面138。
[0029]在圖1、2和3中，圓柱/非圓柱表面兩者在Y方向(即，垂直于光學(xué)軸102并且垂直于物體軸108)中都具有光焦度，雖然作為代替，光焦度能夠處于X方向(S卩，平行于物體軸108的方向)中，或者一個圓柱/非圓柱表面能夠在Y方向中具有光焦度，并且另一圓柱/非圓柱表面能夠在X方向中具有光焦度。
[0030]第三透鏡元件116是具有其旋轉(zhuǎn)中心與光學(xué)軸102基本重合的球面或者非球面輸入表面142的折射光學(xué)元件。類似地，輸出表面144是球面或者非球面的，并且也具有與光學(xué)軸102基本重合的旋轉(zhuǎn)中心。
[0031]孔徑光闌118位于第三透鏡元件116和第四透鏡元件120之間。孔徑光闌118能夠由不透明的薄片材料，諸如金屬或者塑料片制成。孔徑光闌118的孔徑標(biāo)稱上是圓形的，但是也能夠具有其它形狀，諸如正方形、矩形、六邊形、八邊形，或者由任意線段和弧制成的任何形狀。孔徑光闌118的孔徑標(biāo)稱上中心位于光學(xué)軸102上。當(dāng)通過光學(xué)軸102測量時，從孔徑光闌118的孔徑的一側(cè)至相對側(cè)的距離能夠在Imm至10mm之間。
[0032]預(yù)期所有折射透鏡元件112、114、116和118都由玻璃或者聚合物，諸如亞克力、聚碳酸酯或者聚苯乙烯制成，雖然通常具有更高折射率的材料，諸如聚碳酸酯或者聚苯乙烯提供更大的光焦度，這繼而有利于其中從物體平面104至圖像平面106的距離縮短的更緊湊設(shè)計。如果對材料的選擇為聚合物，則任何或者所有透鏡元件112、114、116和118都能夠由注塑成型工藝、壓塑成型工藝、注塑壓塑成型工藝或者甚至是金剛石車削制成。如果對材料的選擇為玻璃，則任何或者所有透鏡元件112、114、116和118都能夠通過傳統(tǒng)的玻璃研磨和拋光工藝、高級拋光工藝諸如MRF(磁流變拋光)、金剛石車削工藝或者通過模制工藝制成。
[0033]沿光學(xué)軸從輸入表面的頂點至輸出表面的頂點測量的每個折射透鏡元件112、114、116和118的厚度都能夠為從1.0至25.0mm之間。折射元件112、114、116和118的周界能夠為矩形的，諸如圖3中的第一透鏡元件112所示的，或者為圓形的，諸如圖3中的第三透鏡元件116所示的，或者它們能夠具有任何數(shù)目的任意曲線和邊，以有利于制造。當(dāng)通過光學(xué)軸102測量時，從任何或者全部折射透鏡元件112、114、116和118的一側(cè)至相對側(cè)的距離能夠為從I Omm至200mm之間。
[0034]如果任何或者全部折射透鏡元件112、114、116和118都通過模制工藝制成，則在制作工藝期間，能夠?qū)惭b、對齊或者附接部件并入透鏡元件。
[0035]由于菲涅爾反射，所以折射透鏡元件112、114、116和118的每個表面都將入射在其上的光反射回約4%，導(dǎo)致光吞吐量減小，以及能夠在圖像上形成能夠惡化圖像處理過程的閃光或者其它假象的雜散光。防反射涂層能夠被安裝到折射透鏡元件112、114、116和118的一些或者全部表面上，以將菲涅爾表面反射比降為小于1%。防反射涂層能夠為寬頻帶防反射涂層，或者能夠為多層干涉膜堆疊。
[0036]此外，第一光學(xué)元件112的輸入表面134上的涂層應(yīng)具有耐磨蝕性，因為將需要在每次輸液開始時更換滴注室300。同樣地，由于滴注室緊鄰能夠在安裝滴注室300時被擦傷或者受損的輸入表面134，所以耐磨蝕性有益。
[0037]圍繞物體平面104和物體152的是套管110。在優(yōu)選實施例中，基本圓柱形的套管110不是光學(xué)成像組件100的一部分，而是位于物體空間101內(nèi)，并且被用于包圍、囊封或者以其它方式容納物體152。套管110對用于對物體152成像的光基本透明或者半透明，并且能夠由聚合物制成，諸如亞克力、聚碳酸酯、聚苯乙烯或者乙烯基類塑料。套管110能夠為輸液給藥套件的一部分，諸如由美國巴克斯特國際公司(Baxter Internat1nal，Inc)制作。如果套管110為輸液給藥套件的一部分，則已知該套管為滴注室，并且物體152為位于滴注室內(nèi)，并且中心為與或者中心接近位于光學(xué)軸102上的下垂液滴。套管滴注室110標(biāo)稱上中心位于物體軸108上，并且具有7.8mm的內(nèi)半徑和8.8mm的外半徑，雖然套管滴注室能夠具有在1.0mm至10mm范圍內(nèi)的其它半徑。
[0038]套管滴注室110沿Y軸引入必須由光學(xué)成像組件100補償以精確地測量物體152的寬度的嚴(yán)重光學(xué)畸變。也就是說，為了最佳結(jié)果，圖像平面106處的物體152的圖像應(yīng)基本無光學(xué)畸變。
[0039]套管滴注室110通常通過低成本注塑成型工藝制成。為了降低制作成本，所使用的模具能夠具有將表面缺陷施加給能夠出現(xiàn)在物體152的圖像中的圓柱形套管的表面缺陷。此外，預(yù)期套管滴注室110能夠具有都能夠出現(xiàn)在圖像中的?？p線、流線和顆粒缺陷。
[0040]當(dāng)流體在操作時流經(jīng)套管110時，即當(dāng)物體152小滴在套管滴注室內(nèi)形成并且分離時，來自套管滴注室底部的流體貯液室的飛濺物能夠在光學(xué)成像組件100的視場內(nèi)存留于套管的內(nèi)表面130上。此外，經(jīng)過長時間段，流經(jīng)套管110的流體能夠蒸發(fā)并且繼而在光學(xué)成像組件100的視場內(nèi)在套管110的內(nèi)表面130上冷凝。這種冷凝物能夠看起來像是緊密間隔的小滴的集合，并且顯著地影響傳統(tǒng)的成像組件對套管110內(nèi)部成像的能力。上述飛濺物和冷凝物兩者在圖3中都被示出為側(cè)壁小滴154。
[0041]光學(xué)成像組件100面臨的另一挑戰(zhàn)在于套管110的布置，并且更特別地是物體軸108和物體152相對于光學(xué)成像組件100的位置。也就是說，由于乙烯基類塑料套管滴注室110的不穩(wěn)定性和柔性，物體軸108和第一透鏡元件112的輸入表面134之間的距離能夠變化幾毫米。只要是如一次輸液結(jié)束并且另一次輸液開始時發(fā)生的、以另一相同組件替換一個套管滴注室110，這種尺寸問題就惡化。由于透鏡的放大倍率通常隨著變化的物體距離而變化，所以變化的放大倍率將導(dǎo)致圖像大小變化，并且下垂的液滴物體152的計算體積不精確，這將繼而引起所計算的流量也不精確。
[0042]上述段落已經(jīng)示出對具有下列一組特征的光學(xué)成像組件100的需求:I)光學(xué)成像組件100必須在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心，以便放大倍率不隨著變化的物體-輸入表面距離而變化；2)光學(xué)成像組件100必須是光學(xué)快速的，約F/1.5或者更快，以便套管滴注室110內(nèi)的側(cè)壁小滴154和其它不期望的假象都偏離焦距，并且不出現(xiàn)在圖像中；和3)套管110引入的光學(xué)畸變被光學(xué)成像組件100去除。另外的期望特征在于，光學(xué)成像組件100盡可能地緊湊，意思是說，例如，物體平面104和圖像平面106之間的距離小，諸如小于150mm。本光學(xué)成像組件100具有這四個期望特征，在下面的段落中描述那些功能。
[0043]物體空間101中的遠(yuǎn)心度是下列條件，其中平行于光學(xué)軸102傳播的離開物體152的光線穿過孔徑光闌118的中心。在圖4中，能夠看出也稱為主光線的該特殊光線為光線164C，其在基本平行于光學(xué)軸102的方向中在位置160處離開物體，并且繼而在位置119處穿過孔徑光闌118。應(yīng)注意，位置119基本處于孔徑光闌118的中心，并且主光線164C在位置119處與光學(xué)軸102相交。
[0044]物體空間遠(yuǎn)心度條件由第三透鏡元件116的光焦度，和第三透鏡元件116和物體平面104之間的光學(xué)距離以及第三透鏡元件116和孔徑光闌118之間的光學(xué)距離確定。
[0045]如上所述，滴注室110引入被光學(xué)成像組件100去除的嚴(yán)重量的光學(xué)畸變。通過結(jié)合第二光學(xué)元件114起作用的第一光學(xué)元件112實現(xiàn)這種光學(xué)畸變補償。這兩個光學(xué)元件都具有一起從圖像去除光學(xué)畸變的圓柱和/或非圓柱表面(即，輸出透鏡表面136和輸出透鏡表面140)。最初嘗試設(shè)計采用具有一個或者兩個圓柱和/或非圓柱表面的僅一個光學(xué)元件的畸變補償透鏡組件;直觀地，這種方法看起來合理，因為套管110是僅一個光學(xué)組件(處于適當(dāng)?shù)耐哥R外部)，并且其引入的畸變應(yīng)由具有圓柱或者非圓柱表面的僅一個透鏡元件抵消。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不能使所有采用具有圓柱或者非圓柱表面的僅一個元件的設(shè)計光學(xué)快速和/或遠(yuǎn)心，或者其受到不良圖像質(zhì)量的影響。
[0046]除了需要兩個透鏡元件用于光學(xué)畸變校正(即第一透鏡元件112和第二透鏡元件114)之外，這兩個透鏡元件的圓柱/非圓柱表面優(yōu)選地彼此物理分離相當(dāng)大的距離，諸如4mm或者更大。這種分離允許一個圓柱/非圓柱表面的畸變校正特征相對第二圓柱/非圓柱表面存在優(yōu)勢。也就是說，由于兩個圓柱/非圓柱表面(例如，136和140)分離，所以它們的像差補償效果不是簡單地疊加，而是在產(chǎn)生更高階畸變補償項方面相互作用。這種相互作用是本組件100的一個關(guān)鍵要素。
[0047]如上所述，光學(xué)成像組件100優(yōu)選地光學(xué)快速，所以位于套管110滴注室內(nèi)的遮攔，或者位于內(nèi)表面130或者外表面132上的遮攔偏離焦距，并且不出現(xiàn)在圖像中。如果光學(xué)成像組件具有低于約F/2.0或者優(yōu)選低于F/1.5的光學(xué)速度，則這種遮攔不出現(xiàn)在圖像中。
[0048]通常難以設(shè)計具有f數(shù)為2.0或者更小的透鏡，雖然如果物體或者圖像場的尺寸大，或者如果存在并且必須消除相當(dāng)大的像差，這種透鏡的設(shè)計困難。這兩種條件都存在于當(dāng)前操作環(huán)境下，并且光學(xué)成像組件100優(yōu)選地以必需的光學(xué)速度在整個視場上提供良好的圖像質(zhì)量。通過兩者都采用具有徑向?qū)ΨQ光焦度的輸入和輸出表面的第三光學(xué)元件116和第四光學(xué)元件120實現(xiàn)該目標(biāo)。這四個表面自然能夠為球面的，但是如果它們是非球面的，諸如由八階多項式所述的非球面，能夠獲得更好的圖像質(zhì)量，雖然也能夠使用低階多項式，諸如六階。
[0049]孔徑光闌118的孔徑直徑在定義光學(xué)成像組件100的光學(xué)速度時也起重要作用。一般而言，孔徑的寬度越大，則透鏡越快，雖然更大的孔徑通常允許更多高像差光線到達(dá)圖像，導(dǎo)致圖像質(zhì)量更差。
[0050]總而言之，第一透鏡元件112和第二透鏡元件114被用于校正套管110引入的光學(xué)畸變;第三透鏡元件116和孔徑光闌118被用于控制光學(xué)成像組件100的物體空間遠(yuǎn)心率，并且具有孔徑光闌118的第三透鏡元件116和第四透鏡元件120被用于以低f數(shù)提供良好的圖像質(zhì)量。
[0051 ]圖3示出其中測量輸液給藥套件的流體流量的光學(xué)成像組件100的一個應(yīng)用。在這種結(jié)構(gòu)中，物體是從孔口 150懸垂的下垂液滴152，兩者都基本位于物體軸108上。在操作期間，下垂液滴15 2的大小隨著所輸送的流體流動而增大，然后在達(dá)到其最終重量時與孔口150分離，并且然后重復(fù)地增大并且分離，直到已經(jīng)給藥了期望流體體積。由于小滴的體積小于I毫升，所以在輸液過程中，幾千滴液滴增大并且分離。
[0052]在輸液過程期間，小滴154能夠在套管滴注室110的內(nèi)表面上形成。這些小滴154能夠由下落的小滴落在滴注室底部的流體貯液器中時的飛濺物產(chǎn)生。由于輸液過程能夠持續(xù)幾個小時，所以流體能夠從下垂液滴152并且從滴注室底部的流體貯液器蒸發(fā)。如果內(nèi)表面130的溫度足夠低，則一些已蒸發(fā)的流體能夠在內(nèi)表面130上冷凝，并且它們自身作為小滴154存在。
[0053]如果光學(xué)成像組件100的光學(xué)速度相對地低(S卩，高f數(shù))，則小滴154將在圖像平面106處對焦或者部分對焦。例如，圖5示出當(dāng)光學(xué)成像組件100的速度僅為f/5.6時，在小滴154存在于內(nèi)表面130上時的下垂液滴152的圖像。應(yīng)注意，小滴154的圖像易于辨別。更壞的情況是一些小滴154位于下垂液滴152的圖像邊緣處，對于圖像處理軟件，這將使下垂液滴152的大小看起來比其實際上更大，并且將使流體流量測量計算產(chǎn)生不精確的結(jié)果。
[0054]圖6示出與圖5的圖像相同地產(chǎn)生的，在相同一系列小滴154位于內(nèi)表面130上的情況下的下垂液滴152的圖像。然而，通過具有光學(xué)速度f/1.4的光學(xué)成像組件100產(chǎn)生圖6的圖像。應(yīng)注意，小滴154的圖像基本不明顯，并且下垂液滴152的圖像邊緣具有良好的對比度和保真度。圖像處理軟件將能夠以良好的精度計算下垂液滴152的大小。
[°°55] 通過Zemax(美國華盛頓州雷德蒙德的Radiant Zemax有限責(zé)任公司)設(shè)計光學(xué)成像組件100的一個這種實施例。在圖7A、7B和7C中給出該組件的方案。圖7A中所示的設(shè)計中最突出的是:108.1mm的總長(total track:從物體平面104至圖像平面106的距離)、7.5mm的光闌半徑、1.40的工作F/#、8.8mm的最大物體場寬度、-0.526的放大倍率，并且光的波長為825nm。圖像質(zhì)量被設(shè)置成在六個物體場位置處最佳，即以毫米為單位的X、Y對表示為:(0.0，0.0)、(4.0，0.0)、(0.0，3.0)、(0.0，5.5)、(8.8，0.0)、和(6.0，3.5)0
[0056]在圖7Β能夠看出，該光學(xué)模型由物體“OBJ”平面和圖像“ΙΜΑ”平面、孔徑光闌“ST0”和i^一個其它表面組成。表面I是Zemax為了遠(yuǎn)心率最優(yōu)化而使用的啞表面。表面2和3是由PVC制成的透明套管110的內(nèi)表面130和外表面132。表面4和5是由聚苯乙烯(P0LYSTYR)制成的第一透鏡元件112的輸入表面134和輸出表面136。表面6和7是也由聚苯乙烯制成的第二透鏡元件114的輸入表面138和輸出表面140。表面8和9是也由聚苯乙烯制成的第三透鏡元件116的輸入表面142和輸出表面144。最后，表面11和12是也由聚苯乙烯制成的第四透鏡元件120的輸入表面146和輸出表面148。
[0057]進一步往下，在圖7B和7C中能夠看出，第一透鏡元件的輸入表面134和第二透鏡元件的輸入表面138兩者都不具有曲率并且實際上為平面的。第一透鏡元件的輸出表面136和第二透鏡元件的輸出表面140兩者都具有非圓柱方案。第三透鏡元件116和第四透鏡元件120的兩個表面都是非球面的。
[0058]圖8A和8B是X方向(平行于物體軸108)和Y方向(垂直于物體軸108)中的圖像中存在的光學(xué)畸變的曲線圖。在X方向中，畸變僅為在視場距離約5mm時為幾十微米。在Y方向中，畸變僅為在徑向視場距離約4mm時為幾十微米。應(yīng)注意，在Y方向中，在徑向視場距離處大于套管110的內(nèi)表面130的半徑處未定義畸變。
[0059]圖9是上述六個物體場位置，并且經(jīng)Zemax優(yōu)化的圖像點圖的集合。應(yīng)注意，作為六個圖的每個的高度和寬度的尺度為400μπι。六個點圖中的每個的RMS寬度都充分小于ΙΟΟμπι。由于CCD或者CMOS圖像傳感器的像素通常為ΙΟμπι或者更小，所以下垂液滴152物體的邊緣將橫跨約10個像素成像，這對于通過高級圖像處理算法以子像素精度定位物體的圖像邊緣是理想的。
[0060]圖10示出本光學(xué)成像組件100能夠如何被用作醫(yī)療輸液裝置的流量計200的一部分，以測量所輸液流體的流量。流量計包括將被輸液的流體的袋312或者容器、將測量其流量的輸液流體的下垂液滴152、具有將輸液流體輸送給患者的出口端口310和出口管308的滴注室300。
[0061 ] 如圖1O中所示，流量計200也包括用于照亮輸液流體的下垂液滴15 2的背光源20 2、光學(xué)成像組件100、位于圖像平面106處的圖像傳感器204，圖像傳感器204輸出端處的通信總線212將圖像數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字處理裝置206，數(shù)字處理裝置206繼而通過通信總線220連接至存儲器元件208，存儲器元件208用于存儲圖像數(shù)據(jù)216、其它數(shù)據(jù)214和處理指令210。
[0062]在操作時，輸液流體緩慢地流出流體袋312，并且在滴注室3 O O內(nèi)形成下垂液滴152。然后，背光源202用于穿過滴注室300的套管110照亮下垂液滴152。然后，穿過套管110的光203被光學(xué)成像組件100收集，然后，光學(xué)成像組件100在圖像傳感器204上形成下垂液滴152的圖像。圖像傳感器204的輸出是整數(shù)數(shù)據(jù)的二維陣列形式的像素化圖像數(shù)據(jù)，其中整數(shù)數(shù)據(jù)對應(yīng)于陣列的每個位置處的圖像的亮度。然后，這種亮度數(shù)據(jù)的數(shù)字陣列在通信總線212上傳輸至處理器206，處理器206處理圖像陣列數(shù)據(jù)以I)在陣列內(nèi)尋找下垂液滴152的圖像邊緣，和2)計算在圖像傳感器204捕捉的圖像中的特殊瞬間的下垂液滴152的體積。已知連續(xù)圖像被圖像傳感器204捕捉的精確時間，以及精確地計算每個連續(xù)幀內(nèi)的下垂液滴152的體積允許計算作為流體的流量的下垂液滴152的時間變化率。
[0063]如上所述，與不緊湊的實施例相比，更期望光學(xué)成像組件100的緊湊實施例。在一些構(gòu)造中，能夠通過將折疊反射鏡插入組件內(nèi)，諸如第三透鏡元件116和第四透鏡元件120之間而實現(xiàn)更緊湊實施例。通常，折疊反射鏡的中心將位于光學(xué)軸120上，并且關(guān)于光學(xué)軸102以45°角傾斜，以便成像路徑彎曲90°。這能夠?qū)⒐鈱W(xué)成像組件100占用的包絡(luò)寬度降低約30%，雖然這將增大正交方向的尺寸。但是這種正交方向尺寸的增大通常將不增大流量計200的整體尺寸，因為正交方向中的其它流量計組件將限制流量計200該維度的尺寸。
[0064]上文關(guān)于圖7A所述的放大倍率為-0.526。負(fù)號的意思是圖像關(guān)于物體顛倒。實際上，圖3中的下垂液滴152的頂點看起來是向下方向，而圖5和6中的下垂液滴的圖像看起來為向上方向。放大倍率的量0.526的意思是圖像的大小僅為物體大小的52.6%，因為更小并且更廉價的圖像傳感器204能夠被用作流量計200的一部分，所以這是期望的。光學(xué)成像組件100的放大倍率的符號通常為負(fù)的，雖然放大倍率的量能夠按圖像傳感器204的大小定制，并且能夠在0.1至10.0之間。
[0065]上文結(jié)合圖7A所述的光的波長為825nm。所使用的光的波長必須可由背光源202產(chǎn)生，可透過光學(xué)成像組件100的所有光學(xué)元件，可透過套管110，并且圖像傳感器204必須對其響應(yīng)。圖像傳感器204通常為硅裝置，并且響應(yīng)于400nm至IlOOnm之間的波長;背光源能夠由一個或者更多能夠發(fā)出400nm至900nm之間的光的LED(發(fā)光二極管)光源組成；并且大部分折射光學(xué)元件都能夠透過可見光和接近IR光譜段的光，包括波長400nm至I 10nm的光。因此，能夠與光學(xué)成像組件100—起使用的光波長的范圍能夠為400nm至900nmo
[0066]如圖4中所示，第四透鏡元件120的中心厚度相當(dāng)厚，為圖7B中指示的8.32mm厚。由于在成型后的透鏡冷卻時，透鏡元件的中心部分相對于較薄的外部部分大量縮水，所以具有大的厚度的聚合物透鏡元件難以通過良好的保真度成型。為了減輕這種問題，第四透鏡元件120能夠被分為兩個單獨的較薄透鏡元件。這具有材料和裝配成本更高的缺點，但是通過第五透鏡元件的兩個表面，也提供了還能夠被用于提高圖像質(zhì)量的兩個另外的自由度。
[0067]雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的基本概念，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，上文詳細(xì)公開有意僅作為示例而非限制提出。雖然本文未明確提出但是各種替換、改進和變型將發(fā)生，并且是本領(lǐng)域技術(shù)人員預(yù)期的。這些替換、改進和變型有意由此提出，并且處于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。另外，因此所列的處理元件的次序或者順序或者數(shù)字、字母或者其它指示的使用都無意將所要求的工藝限于除了權(quán)利要求中可能指定的任何順序。因而，本發(fā)明僅由下文權(quán)利要求及其等效物限定。
【主權(quán)項】
1.一種光學(xué)成像組件，所述光學(xué)成像組件包括:光學(xué)軸;物體軸;透光套管，所述透光套管包圍所述物體軸，所述光學(xué)成像組件在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心，具有至少三個折射透鏡元件，所述元件中的至少一個包括具有圓柱和非圓柱方案中的至少一個的表面，所述光學(xué)成像組件具有圖像平面，其中，被成像的所述物體位于所述套管內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述圓柱和非圓柱方案中的至少一個之間的距離大于1.0mm03.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，第一透鏡元件的輸入表面為平面的。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述折射透鏡元件中的至少一個包括具有徑向?qū)ΨQ性的表面。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組件，其中，具有徑向?qū)ΨQ性的所述表面為球面表面。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組件，其中，具有徑向?qū)ΨQ性的所述表面為非球面表面。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述折射透鏡元件中的至少一個由聚合物材料制成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述折射透鏡元件中的至少一個通過模制工藝制作。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，被成像的所述物體為液體。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的組件，其中，所述液體物體為下垂液滴。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述系統(tǒng)在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述系統(tǒng)具有2.0或者更小的f數(shù)。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，從所述物體平面至所述圖像平面的距離為200mm或者更小。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述放大倍率的量小于1.0。15.—種成像組件，包括:以使得所產(chǎn)生的光學(xué)成像組件能夠矯正大光學(xué)畸變量的方式布置的四個透鏡元件;所述成像組件在物體空間內(nèi)遠(yuǎn)心;具有1.5或者更小的f數(shù);所述透鏡元件中的兩個具有非球面方案，并且所述透鏡元件中的另兩個具有非圓柱表面;其中，所述兩個非圓柱表面彼此分離。16.—種被配置成用于從圖像去除光學(xué)畸變的成像組件，所述圖像由位于透明套管內(nèi)的物體產(chǎn)生，所述組件包括:與第二光學(xué)元件結(jié)合地起作用的第一光學(xué)元件;所述光學(xué)元件兩者都具有一起從所述圖像去除光學(xué)畸變的圓柱和/或非圓柱表面。
【文檔編號】G02B13/08GK105940334SQ201580006512
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年1月27日
【發(fā)明人】詹姆斯·F·芒羅
【申請人】巴克斯特國際公司, 巴克斯特醫(yī)療保健股份有限公司