手持式眼底相机光学系统设计

发布时间：2016-10-09 20:33

本文关键词：手持式眼底相机光学系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

第３２卷第９期２０１２年９月；光学学报；Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．９；，Ｓｅｔｅｍｂｅｒ２０１２ｐ；手持式眼底相机光学系统设计；２１１１１；李灿１，宋淑梅李淳刘英孙强；中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春；中国科学院研究生院，北京１０００４９；摘要提出一种新型眼底成像系统，结构更加简单、紧凑；分利用了网膜物镜系统的空间；：／中图分类号ＴＨ７７３文献标识

第３２卷　第９期２０１２年９月

光　学　学　报

Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．９

，Ｓｅｔｅｍｂｅｒ２０１２ｐ

手持式眼底相机光学系统设计

２１１１１

李　灿１，　宋淑梅　李　淳　刘　英　孙　强

（

１

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３

２

中国科学院研究生院，北京１０００４９

）

摘要　提出一种新型眼底成像系统，结构更加简单、紧凑。系统的成像和调焦投影光路共用调焦镜，调焦投影光路避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。并且充完全嵌入到照明光路。调焦投影光路不再专设照明组件，

分利用了网膜物镜系统的空间。利用Ｌ瞄准和拍照过程共用一个电荷耦合器件相机。采ＥＤ光源窄带宽的优势，、设计了一款视场３工作距离３眼光焦度补偿范围－１用新的光学结构，０°０ｍｍ的眼底相机光学系统，０ｍ－１～／物方各视场分辨率为４畸变小于５％。＋５ｍ－１，５ｌｉｎｅｍｍ，关键词　光学设计；眼底相机；调焦镜；网膜物镜；调焦投影系统光路

：／中图分类号　ＴＨ７７３　　　文献标识码　Ａ　　　ｄｏｉ１０．３７８８ＡＯＳ２０１２３２．０９２２００３

ＯｔｉｃａｌＳｓｔｅｍ　ＤｅｓｉｎｏｆＰｏｒｔａｂｌｅＦｕｎｄｕｓＣａｍｅｒａ　　　　　ｐｙｇ

１２１１１１

ＬｉＣａｎｏｎＳｈｕｍｅｉｉＣｈｕｎｉｕＹｉｎｕｎＱｉａｎ　　Ｓ　　Ｌ　　Ｌ　　ｇｇ　Ｓｇ　

１　

ｈａｎｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＯｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ　ＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ　　　　　ｇｆｐｙｙｆ　　　Ｃ，

Ｃｈａｎｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａｇ

２　

ＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｉｎ１０００４９，Ｃｈｉｎａ　　ｙｆｙｆｊｇ　　　　　

Ａｂｓｔｒａｃｔｏｒｔａｂｌｅｆｕｎｄｕｓｃａｍｅｒａｉｓｄｅｓｉｎｅｄｔｏｍａｋｅｔｈｅｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍ　ｍｏｒｅｓｉｍｌｅａｎｄｃｏｍａｃｔｃｏｍａｒｉｎｗｉｔｈ　Ａ　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｐｙｐｐｐｇ　ｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｓｓｔｅｍ．Ｔｈｅｈｏｔｏｒａｈｉｎｓｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｆｏｃｕｓｔａｒｅｔｒｏｅｃｔｉｏｎｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍａｒｅｕｓｉｎａｃｏｍｍｏｎ　　　　　　　　　　　　　ｙｐｇｐｇｙｇｐｊｐｙｇ　　，ｓｒｏｅｃｔｉｏｎｌｅｎｓｏｔｈａｔｔｈｅｆｏｃｕｓｔａｒｅｔｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍｃａｎｂｅａｒｒａｎｅｄｃｏｍｌｅｔｅｌｉｎｔｈｅｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｆｏｃｕｓｉｎ　　　　　　　　　　　　　ｐｊｇｐｙｇｐｙｇ　　，ｓｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｅｆｏｃｕｓｔａｒｅｔｒｏｅｃｔｉｏｎｓｓｔｅｍａｓｅｃｉａｌｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｓｔｅｍｉｓｎｏｔｒｅｕｉｒｅｄａｎｌｏｎｅｒａｎｄａｆｏｃｕｓｌｉｎｋ　　　　　　　　　　　　　　　　ｙｇｐｊｙｐｙｑｙｇ　

ｍｅｃｈａｎｉｓｍｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｏｅｃｔｉｖｅｔａｒｅｔａｎｄｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｌｅｎｓｉｓａｖｏｉｄｅｄ．Ｆｏｃｕｓｉｎｌｅｎｓｆｕｌｌｕｔｉｌｌｉｚｅｓｔｈｅｓａｃｅｏｆ　　　　　　　　　　　　　ｐｊｇｇｇｙｐ　　　

，ｏｔｈｅｒｅｔｉｎａｏｂｅｃｔｌｅｎｓｓｓｔｅｍ．Ｔａｋｉｎａｄｖａｎｔａｅｏｆｎａｒｒｏｗｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｌｉｈｔｓｏｕｒｃｅｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｓｔｅｍａｎｄ　　　　　　　　　　　　ｊｙｇｇｇｙ　ｓｓｔｅｍｓｈａｒｅｔｈｅｃｏｍｍｏｎｃｈａｒｅｃｏｕｌｅｄｄｅｖｉｃｅ．Ａｎｅｗｔｅｏｆｆｕｎｄｕｓｃａｍｅｒａｉｓｄｅｓｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｈｏｔｏｒａｈｉｎ　　　　　　　　　　　　　　　ｙｇｐｙｐｇｐｇｐｇ　

－１

，ｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗｏｆ３０°ｔｈｅｆｒｅｅｗｏｒｋｉｎｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ３０ｍｍ．Ｔｈｅａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎｒａｎｅｓｂｅｔｗｅｅｎ－１０ｍ　ａｎｄ　　　　　　　　　　　　　ｇｇ　

－１

／ｍ．Ｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｔｔｈｅｏｂｅｃｔｌａｎｅｏｆ４５ｌｉｎｅｍｍａｃｒｏｓｓｔｈｅｅｎｔｉｒｅｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ＋５　　　　　　　　　　　　　　　　　ｊｐｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ５％．　　　　

；；；；ａｔｈｒｏｅｃｔｉｏｎＫｅｗｏｒｄｓｔｉｃａｌｄｅｓｉｎｆｕｎｄｕｓｃａｍｅｒａｆｏｃｕｓｉｎｌｅｎｓｏｈｔｈａｌｍｉｃｌｅｎｓｏｔｉｃａｌｏｆｆｏｃｕｓｔａｒｅｔｓｓｔｅｍ　ｏ　　　　　　　　　ｐｐｊｐｇｇｐｐｇｙｙ　　ＯＣＩＳｃｏｄｅｓ２０．４５７０；２２０．２７４０；２２０．２９４５　　１

１　引　　言

眼底相机是一种传统的医疗设备，用以观测、记录人眼视网膜图像。视网膜上分布着人体内唯一能直接观测到的毛细血管，这些微血管形态的变化可用于高

血压、糖尿病等多种疾病的早期诊断，已成为现代医疗诊断的重要手段。世界上第一台眼底相机是由德国ＣＡＲＬＺＥＩＳＳ公司于１９２５年试制成功的。随后　

、ＯＣＡＮＯＮ、ＴＯＰＣＯＮ、ＮＩＫＯＮ、ＯＬＹＭＰＵＳＰＴＯＮ、

；收到修改稿日期：２０１２０３０９２０１２０４０６　　收稿日期：－－－－

）基金项目：国家自然科学基金（和吉林省与中国科学院合作长吉图开发开放先导区科技创新合作专项资金项６０９７７００１）目（资助课题。２０１１ＣＪＴ０００４

，：作者简介：李　灿（男，博士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。Ｅ－ｍ１９８５—）ａｉｌｌｃ１９８５１１２５＠１６３．ｃｏｍ，：导师简介：孙　强（男，研究员，博士生导师，主要从事光学系统设计方面的研究。Ｅ－ｍ１９７１－）ａｉｌｓｕｎｉｏｍ．ａｎ．ｃｎ＠ｃｑｐ

０９２２００３１－

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美国和德国的公司对眼ＶＩＳＵＡＬＰＡＴＨ等这些日本、　

１］

。我国起步较底相机的设计进行了大量的改进［

发展较慢，其中一个重要原因就是受制于其复杂晚，

的光学结构。考虑到活体视网膜拍摄，照明和成像过程必须同时进行以保证人眼安全，并且为提高受检者的舒适度，免散瞳眼底相机通常是医疗场所的首选。免散瞳眼底相机光学系统设计的关键为选择合适的成像光源，合理布置照明和成像光路的空间利用黑点位置来消除影响成像质量的角膜反射光，，板消除照明光束和网膜物镜作用所形成的鬼像，采用内调焦方式对眼光焦度不正进行补偿，除此之外

２～４］

。还需要考虑人眼定位和瞄准系统的设计［

照明，成像系统将视网膜成像在探测器上，调焦投影

５～７］

。考虑到照光路辅助准确快捷地确定调焦位置［

采用共轴式环形照明。明的均匀性和对杂光的控制，

照明光路中光阑与眼底共轭，既可提高眼底照明均匀性，也可作为成像系统的视场光阑控制视网膜视场的大小。成像光路由网膜物镜、成像物镜和调焦镜组成，中空反射镜为孔径光阑。调焦投影光路中投影目标在近红外波段下与眼底共轭，辅助瞄准和调焦过程。

只要能够证明弱光焦度的调焦镜对照明光路的影响小到可以忽略，调焦镜即可由成像镜组移至网图１为传统结构和新型结构的对比。新型膜物镜，

结构中，调焦投影光路可以完全嵌入到照明光路中，避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。调焦镜位于孔径光阑之前，系统调焦可充分利用网膜成像物镜系统可以变短，结构更加物镜系统的空间，

紧凑。新型结构中调焦镜的中间反射光会带来杂散光，采用窄带双波段成像可以大大提高调焦镜的增结合黑点板的使用共同消除网膜物镜和调透效果，

焦镜的杂散光和鬼像

。

针对以上问题，本文提出一种新的眼底成像光体积更加紧凑，结构更加简单。近红外瞄准学结构，

和可见光拍照共用一个电荷耦合器件（相机，ＣＣＤ）系统调焦投影光路可以完全嵌入到照明光路中，系统调焦可充分利用网膜物镜系统的空间。

２　系统结构及设计原理

眼底相机的基本结构包括成像系统、照明系统和调焦投影系统三部分，照明系统完成对视网膜的

））图１（传统结构和（新型结构眼底成像光学系统原理ａｂ

））Ｆｉ．１Ｐｒｉｎｃｉｌｅｏｆｆｕｎｄｕｓｏｃｕｌｉｉｍａｉｎｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍｏｆ（ａｃｌａｓｓｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ（ｂｔｈｅｒｏｏｓｅｄｏｎｅ　　　　　　　　　　ｇｐｇｇｐｙｐｐ　

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李　灿等：　手持式眼底相机光学系统设计

３　光学系统结构的设计过程

３．１　技术指标

在相同的设计指标要求下，分别采用传统结构和新型结构设计两款眼底相机光学系统，并从成像光路、照明光路和调焦投影光路三方面对两种结构进行对比分析。

最小拍摄瞳孔直径为４ｍｍ；设计波长为

（；全视场为眼底３８５０±２５）ｎｍ和（５２５±２５）ｎｍ；０°

，工作距离为２接收器为７８ｍｍ；５２ｐｉｘｅｌ×５８２ｐｉｘｅｌ／屈光不正眼补１３ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈ＝０．０２５４ｍ）ＣＣＤ；

观察用８偿为－１０ｍ－１～＋５ｍ－１；５０ｎｍ的发光二，极管（拍照用５分辨率在物方大ＬＥＤ）２５ｎｍ的ＬＥＤ；

／于４即可分辨眼底１５ｌｉｎｅｍｍ，１μｍ的结构单元。３．２　网膜物镜设计

网膜物镜作为成像和照明光路的公共部分，设计要综合考虑两光路的要求，是搭建系统总体结构的基础。在成像光路中，中空反射镜的中孔作为孔径光阑，网膜物镜保证人眼瞳孔与中空反射镜较为完善地共轭，降低人眼像差的影响；在照明光路中，保证中空反射镜处的环形光斑成像到人眼瞳孔处，均匀地照明视网膜目标区域。中空反射镜将照明光路和成像光路分开，可减少网膜物镜和调焦镜的中间反射光等其它杂散光进入成像光路降低成像质（）如图２所示

。量，ｂ

））图２（传统结构和（新型结构的网膜物镜结构ａｂ

））Ｆｉ．２Ｏｈｔｈａｌｍｉｃｌｅｎｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ（ａｃｌａｓｓｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ（ｂｔｈｅｒｏｏｓｅｄｏｎｅ　　　　　　　ｇｐｐｐ

［８］

网膜物镜要求垂轴放大倍　　按理想系统计算，

率β为－０．工作距离ｌ为３３，′０ｍｍ，

２

／，′ｌα＝β＝ｌ

在保证调焦镜光焦度不变的情况下，优化得到新型网膜物镜，其中弯月形的调焦镜对球差和彗差的校正起（）到良好的作用，如图２所示。ｂ３．３　成像光路设计

保持网膜物镜结构不变，在此基础上继续搭建但在优化过成像光路。传统和新型结构虽有差别，

程中像差校正和光焦度分配基本相同。设计结合实现对人眼像差ＧｕｌｌｓｔｒａｎｄＬｅＧｒａｎｄ离焦眼模型，－　

９～１１］

。为保证系统对孔径与系统像差的综合校正［

成像镜组依然使用两个正透镜平衡光阑的对称性，

校正垂轴像差。后组选用双胶合透镜校正轴向色差，保证双波段系统的后工作距离相同。尽管双波段放大率稍有不同，但瞄准和拍照过程可以通过同一个ＣＣＤ来接收视网膜像。

（）１

，（）２－＝

ｌ′ｌｆ１

式中α为轴向放大率，ｌ为物距，ｌ′为β为垂轴放大率，））像距。由（式和（式计算焦距ｆ１２２５．８５ｍｍ。该１＝窄波段的系统色差较小，球差较大，采用两个单片透）镜优化设计得到传统的网膜物镜结构，如图２（所ａ示。将调焦镜加入上述传统结构，与网膜物镜的距离调焦镜焦距ｆｄ＝６０ｍｍ，１０ｆ２＝１，

（）３Φ＝Φ１＋Φ２－ｄΦ１Φ２，式中ΦΦΦ１为调焦镜为光焦度，２为网膜物镜光焦度，

）为总的光焦度。由（式计算总焦距ｆ＝３３３．６８ｍｍ。

））图３（传统结构和（新型结构的成像光路ａｂ

））Ｆｉ．３Ｉｍａｉｎｏｔｉｃａｌａｔｈｏｆ（ａｃｌａｓｓｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ（ｂｔｈｅｒｏｏｓｅｄｏｎｅ　　　　　　ｇｇｇｐｐｐｐ　

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最终优化得到两种结构的设计结果如图３所示，在光学性能相似的情况下，新型结构的成像光路总长度由传统的２减少了１７ｍｍ缩短至１８８ｍｍ，１３．４％。新型结构中，２２ｍｍ调焦距离保证了成像光路－１０ｍ－１～＋５ｍ－１的视度补偿。调焦过程中网膜物镜焦距变化仅有±１．人眼瞳孔处的光５ｍｍ，相对４～６ｍｍ的阑像仅有±０．２ｍｍ的位置变化，人眼瞳孔可以忽略其影响。３．４　照明光路设计

在网膜物镜的基础上，照明光路还需要完成ＬＥＤ光源到中空反射镜的成像。该部分光路相对

孔径较大，主要像差依然为球差和彗差，设计选择相对孔径较大的双高斯系统作为初始结构。综合考虑前后组均使用ＬＥＤ的窄波段和该系统的对称性，

结合网膜物镜共同优化得到最终的３片单正透镜，

系统设计为物方远心光路，可提高照明光路。另外，

ＬＥＤ能量利用率。光路采用ＬＥＤ环形阵列照明，

３个近红外ＬＥＤ用于瞄准过程，３个可见光ＬＥＤ用于拍摄过程。设计采用多重结构同时优化双波段的两种Ｌ图４中仅表光学系统，ＥＤ的工作距离不同，示出了可见照明光路

。

））图４（传统结构和（新型结构的照明光路ａｂ

））Ｆｉ．４Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｏｔｉｃａｌａｔｈｏｆ（ａｃｌａｓｓｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ（ｂｔｈｅｒｏｏｓｅｄｏｎ

ｅ　　　　　　　ｇｐｐｐｐ

只需保证瞳孔处能得　　照明光路像质要求不高，

到边缘清晰、无变形的环形光斑，有效抑制角膜反射光产生的杂散光。调焦过程中网膜物镜焦距变化仅有±１．保证环形光斑像的前后移动范围在允５ｍｍ，许的焦深内，就能满足照明光路要求。调焦过程中瞳孔处环形光斑大小变化仅有±０．对眼底照１ｍｍ，明产生的影响可以忽略。３．５　调焦投影光路设计

调焦投影光路利用近红外光将分划板投影到眼底，通过判断投影像的分辨率、对比度和放大倍率等

１２，１３］

。传统调焦投影光路来准确地确定调焦位置［

）前后移动分划板来补偿人眼光焦度，如图５（所ａ示。新型结构还须综合考虑照明光路和调焦投影光利用前组照明中继镜组的３个单透镜保路的结构，

证在整个调焦过程中分划板和眼底始终共轭，如（）图５所示。确定照明中继镜组的结构之后，要通ｂ过前组的照明聚光镜组３片透镜来重新优化照明光（）路，如图４所示。ｂ

（）图５的新型结构，成像光路和调焦投影光路ｂ共用调焦镜，调焦投影光路完全嵌入到照明光路中，避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构以及二者相对位置的标定。设计采用多重结构同时优化双波段的投影系统，可见光下照明光阑和眼底共轭，

在网膜物镜基础上必须专设中继镜组和光源，通过

））图５（传统结构和（新型结构和调焦投影光路ａｂ

））Ｆｉ．５Ｏｔｉｃａｌａｔｈｏｆｆｏｃｕｓｔａｒｅｔｒｏｅｃｔｉｏｎｓｓｔｅｍｏｆ（ａｃｌａｓｓｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ（ｂｔｈｅｒｏｏｓｅｄｏｎｅ　　　　　　　　　　　ｇｐｐｇｐｊｙｐｐ

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李　灿等：　手持式眼底相机光学系统设计

近红外波段下投影目标位于照明光阑后３ｍｍ的位置。可见光拍照时提高了眼底照明的均匀性，且调焦投影光路不再需要专设照明组件。

和体积上具有优势。图６中为这种新型眼底相机的光学结构设计结果，光学软件ＬｉｈｔＴｏｏｌｓ的建模结ｇ而构不仅可以方便准确地得到眼底照明分布情况，且可以清晰地表示各个位置的共轭关系

。

４　设计结果和像质评价

通过比较分析，新型眼底成像光学系统在结构

图６新型眼底相机光学系统

Ｆｉ．６Ｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍｏｆｔｈｅｎｅｗｆｕｎｄｕｓｃａｍｅｒ

ａ　　　　　　ｇｐｙ

４．１　成像光路

为了保证眼底成像的普适性，成像质量的评价

１４］

。设计要求分以屈光正常眼为主，兼顾非正常眼［

所以像面要求元。眼底成像系统放大倍率为０．６，／（））和（分别为正常人７５ｌｉｎｅｍｍ的分辨率。图７ａｂ眼在可见光波段和近红外波段的光学传递函数曲线。调焦过程中系统的场曲和畸变变化很小，

／辨率达到４即眼底分辨１５ｌｉｎｅｍｍ，１μｍ的结构单

）（）（）图７正常人眼成像光学特性曲线。（可见光波段ＭＴ近红外波段ＭＴ场曲和畸变曲线ａＦ曲线；ｂＦ曲线；ｃ）ＭＴ）ＭＴＦｉ．７Ｉｍａｉｎｏｔｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｓｏｆｎｏｒｍａｌｅｅ．（ａＦｃｕｒｖｅｓａｔｖｉｓｉｂｌｅｗａｖｅｌｅｎｔｈ；（ｂＦｃｕｒｖｅｓ　　　　　　　　　　ｇｇｇｐｙｇ　

）ａｔｉｎｆｒａｒｅｄｗａｖｅｌｅｎｔｈ；（ｃｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅａｎｄｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓ　　　　　　ｇ

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