新型大视场消杂光眼底相机光学系统的设计

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新型大视场消杂光眼底相机光学系统的设计
杨加强，程德文 *，王庆丰，王涌天
（北京理工大学光电学院，北京 100081） 摘要：设计了一款大视场、免散瞳便携式眼底相机。综合考虑接目物镜被成像和照明系统共 用、人眼的像差和视度差异，采用 16 重结构进行优化设计。设计结果的视场角达 60?，分 辨率为 200 万像素，对-8 D 到+1

0 D 的人眼普遍适用，在 120 LP/mm 处各视场的 MTF 均大 于 0.2，畸变小于 5%。为消除角膜反射产生的严重杂散光，提出采用 LED 环形光源改进传 统科勒式照明光路，不仅保证眼底照明均匀，而且大大提高了系统的光能利用率，以及大幅 降低了光学系统的复杂程度。 为了解决传统系统中接目物镜杂散光无法消除的难题， 首次提 出采用偏振分光棱镜代替系统中的分光镜， 同时在接目物镜前端加入 1/4 波片， 消除了 99.5% 以上的由接目物镜反射产生的杂光。 关键词：光学设计；眼底相机；消杂光设计；PBS；环形光源 中图分类号 TH744 文献标识码 A

Design of a Novel Wide Angle and Antireflection Fundus Camera
Yang Jiaqiang Cheng Dewen* Wang Qiangfeng Wang Yongtian (School of Optolectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract: A novel portable free dilated fundus cameras with large field of view is designed. By taking consideration of human eye’s aberration and diopter variance, besides, the eye-piece objective lens is shared by the illumination system and the imaging system, a lens system with 16 configurations is set up for optimization. In the result, a 60? and 2 mega pixels resolution system with -5 percent distortion has been designed. The camera can be adapted to eyes which diopter range from -8 D to +10 D, the MTF values of all fields higher than 0.2 at 120 LP/mm. In order to eliminate the stray light reflected by cornea, ring-shaped LED light source is used to replace traditional Kohler illumination system. The method not only ensures illumination uniformity on fundus, but also greatly improves illumination efficiency and dramatically simplifies the system. A polarizing beam splitter (PBS) and quarter wave retarder are used to replace the traditional beam splitter and the black dot board for the first time to shield the stray light. 99.5% of the stray light caused by the eye-piece objective lenses is eliminated. Key words: Optical design; Fundus camera; Stray light; PBS; ring-shaped Light Source
收稿日期：年月日；收到修改稿日期：年月日 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61178038)、国家基础研究计划（973）项目（2011CB706701）资助 项目 作者简介：杨加强（1988-），男，硕士研究生，主要从事成像光学系统设计，光机集成分析方面的研究。 Email：jiaqiang1988-2006@163.com *通信联系人：程德文（1982-），男，博士，副教授，主要从事新型光学系统设计、光学 CAD/CAE，3D 成像显示技术等方面的研究。Email：cdwlxk@bit.edu.cn。

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OCIS c odes

220.0220；220.3620

1 引言 人眼视网膜上分布的毛细血管，是人体内唯一能够直接观测到的小动脉，小 静脉[1]。对人眼底血管的检测，是早期诊断眼疾病的重要依据。例如，糖尿病性 视网膜病变是糖尿病患者致盲的主要原因，已经成为患者致盲的四大病变之一
[2]-[4]

。 但糖尿病性视网膜病变有可能病发数年而不出现明显的视网膜病变， 因此，

在患者出现明显视力障碍之前，提早进行视网膜筛查，是及时发现病变、及时治 疗的唯一有效途径。此外，像冠心病、高血压等疾病，也可以通过进行早期的视 网膜筛查，及早发现、进行及时治疗。眼底照相机是用于对视网膜进行成像的重 要眼科设备，是医生进行视网膜检查的重要手段。因此，眼底相机是现代医学中 必不可少的眼科器材。 从 1925 年德国蔡司公司研制的第一台眼底相机开始[5]，大部分眼底相机的 成像和照明系统共用接目物镜，以及采用共轴照明光路[6]-[7]。眼底相机光学系统 设计的一个关键因素是消除角膜和接目物镜反射产生的杂散光。 由于视网膜的反 射率非常微弱，远远低于角膜和接目物镜的反射率，如果不采取杂光抑制措施， 眼底在 CCD 上所成的图像会被淹没在杂散光中。为了消除角膜反射的影响，照 明系统必须将光源在角膜上照射成环形光斑。 传统设计方法在科勒照明系统中加 入环形挡光板[8]，大幅降低了系统的光能量利用率。本文采用环形光源，直接将 其成像在角膜处得到环形光斑，既简化了照明系统，又提高了光能利用率。为了 消除接目物镜产生的杂散光，常规方法是在照明系统中加入黑点板[5]。黑点板的 使用增加了系统计算和结构的复杂程度。本文提出了采用偏振分光镜和 1/4 波片 结合的方法消除接目物镜产生的杂散光。 在传统设计方法中，成像系统和照明系统的设计一般分开进行，容易造成因 照明效果达不到要求而导致设计过程反复。为此，本文采用一体化设计方法，将 照明和成像系统作为整体同步优化， 充分发挥接目物镜的像差校正能力，保证最 终设计更合理。同时，本论文的眼底相机采用了 60°的大视场角设计，可以观 测更大范围的眼底图像。 2 系统优化设计
2.1 设计难点和设计指标

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2.1.1 设计难点

眼底相机主要由成像系统和照明系统组成。在对眼底相机的设计中，主要存 在以下设计难点： （1）成像系统和照明系统共用一组接目物镜，需要进行共光路设计； （2）消杂光设计是眼底相机设计的另一难点。角膜反射和接目物镜反射产生的 杂散光对系统成像质量影响很大，甚至比眼底反射回来的光要强数倍。 （3）眼底相机需要满足对不同视度人眼普遍适用，观瞄和成像系统还需要具有 一定的调焦能力。
2.1.2 设计要求

在正常情况下，人眼的瞳孔直径为 2-8mm，眼底相机必须保证在满足此条件 下工作。 为保证能获得清晰的眼底图像， 在成像系统中选用的 CCD 像素数为 200 万，成像系统的 MTF 值必须满足在 120 LP/mm 处大于 0.2。为了保证能对眼底 更大范围内清晰成像，选取系统视场角为 60°。为了保证眼底图像不失真，要求 畸变值不超过 5%。此外，照明系统必须保证能对眼底进行充分、均匀的照明， 照明系统的照明均匀度必须大于 90%。
2.2 成像系统设计

成像系统由接目物镜和成像物镜两部分组成。 由于接目物镜为成像系统和照 明系统共用， 同时要保证对不同视度人眼的调焦能力，要求接目物镜所成中间像 的像差尤其是畸变要足够小。为满足上述要求，在设计过程中利用 CODE V 的 多重结构功能对不同视度的人眼模型和接目物镜共设置 16 重结构（可见和近红 外波段各 8 重结构） ， 进行同步优化设计。选取成像系统的初始结构如图 1 所示。 成像系统的接目物镜由 4 片透镜组成， 成像物镜由 6 片透镜组成。图 2 为在可见 光和近红外波段下成像系统对正常人眼的 MTF 曲线。图 2 中，在 120 线对处， 可见光和近红外波段下的 MTF 值均低于 0.2，此外在其他光屈度时的 MTF 值均 低于对正常人眼的 MTF 值， 成像系统不能满足和 200 万像素 1/2 英寸的 CCD 配 合使用的要求。因此需要对成像系统的设计进行修改。

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图 1 成像系统初始结构光路图 Fig.1The starting point of the imaging system

(a) 可见光波段成像系统的 MTF 曲线 (b) 近红外波段成像系统的 MTF 曲线 (a) MTF curves in visible wavelength (b) MTF curves in near-infrared wavelength 图 2 可见光和近红外波段下成像系统对正常人眼的 MTF 曲线 Fig.2 MTF curves of imaging system for normal eyes in visible and near-infrared wavelength

利用光学设计软件 CODE V 对成像系统进行优化设计。设计过程中综合考 虑了成像系统的畸变， 色差等各种像差， 最终优化得到了如图 3 所示的成像系统。 相比于初始结构，该系统在接目物镜和成像物镜各减少一片透镜，并且系统的 MTF 曲线在可见光和近红外波段都有了很大的提高。

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图 3 眼底相机的成像光路示意图 Fig.3 The layout of the optimized imaging system

图 4 为在可见光波段下成像系统对于正常人眼的 MTF 曲线和畸变曲线。成 像系统各个视场在 120 LP/mm 处的 MTF 值均大于 0.2， 满足成像系统中使用 200 万像素 1/2 英寸的 CCD 的要求。同时成像系统的畸变在全视场范围内均不超过 5%，保证了最终获得的眼底图像不失真。

(a) 成像系统的 MTF 曲线 (b) 成像系统的畸变图 (a) MTF Curves of the imaging system (b) distortion of the imaging system 图 4 成像系统的 MTF 曲线和畸变图 Fig.4 MTF Curves and distortion of the optimized imaging system

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(a) 接目物镜的 MTF 曲线 (b) 接目物镜的畸变图 (a) MTF curves of the eye-piece objective lens (b)distortion of the eye-piece objective lens 图 5 接目物镜的 MTF 曲线和畸变图 Fig.5 MTF curves and distortion of the eye-piece objective lens

接目物镜的 MTF 曲线和畸变如图 5 所示。从图 5 中可以看出，在成像系统 ±7°视场范围内， 由接目物镜所成中间像的 MTF 曲线非常接近衍射极限。 接目 物镜的像差得到了有效的校正， 并且中间像在相同范围内的畸变值不超过 0.5%， 满足系统设计要求。 此外，通过调节 CCD 对系统进行调焦，能够保证对人眼-8 D 到+10 D 范围 内清晰成像。 为了满足观察瞄准系统和摄影系统的成像要求，系统还要对可见和 近红外波段清晰成像。 本文所述成像系统在近红外和可见光波段下，对不同视度 人眼的 MTF 曲线如图 6 所示。

(a) 可见光波段 MTF 变化曲线 (b) 近红外波段 MTF 变化曲线 (a) MTF curves in visible wavelength (b) MTF curves in near-infrared wavelength 图 6 可见光和近红外波段下 120 线对处的 MTF 值随人眼视度的变化曲线 Fig.6 MTF curves with different diopter in 120 LP/mm in visible and near-infrared wavelength

图 6 给出在 120 LP/mm 处子午方向各个视场的 MTF 值随人眼视度的变化曲

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线。在弧矢方向以及小于 120 LP/mm 的各线对处，MTF 值均好于图中的结果。 由图 6 可以看出从-8 D 到+10 D 的范围内，各点的 MTF 值均能大于 0.2，并且各 点在 120 LP/mm 处的 MTF 值变化不大，满足成像系统对于视度从-8 D 到+10 D 的人眼均清晰成像的设计要求。
2.3 照明系统设计

照明系统采用共轴照明方式对人眼进行照明。人眼本身不发光，需要加入外 部光源将眼底照亮， 并由成像系统接收眼底的反射光。 由于人眼角膜的反射很强， 产生的杂散光对系统成像影响比较严重， 因此需要在眼瞳处形成一个环形光斑对 眼底进行照明，以降低眼角膜的反射[8]。本文提出利用近红外和白光闪光 LED 交替排列成环形光源， 通过照明系统的匀光镜和接目物镜将光源直接成像在眼瞳 处，以得到尺寸合适的环形光斑。具体设计光路如图 7 所示。如图 7，白光 LED 作为系统的闪光灯，用于对眼底图像进行拍照；近红外 LED 用于对眼底图像进 行实时观察。白光闪光 LED 和近红外 LED 均匀排列成一个圆环，有利于照明系 统对眼底进行均匀充分的照明。

图 7 照明系统结构示意图 Fig.7 Optical layout of the illumination System 2.4 系统消杂光设计

通过控制照明光斑在眼瞳处的尺寸，可以降低角膜反射对系统的影响。此 外， 由于照明系统和成像系统共用一组接目物镜，接目物镜的杂散光也是严重影 响系统成像质量的杂光之一。 目前存在的眼底相机中，大多数采用在照明系统的 合适位置设置黑点板的方法来消除接目物镜的杂散光，系统计算复杂。

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本文采用新的方法消除接目物镜的杂散光。 在接目物镜与成像物镜之间加入 偏振分光棱镜代替半反半透镜，并在接目物镜与眼睛之间加入 1/4 波片。由光源 发出的光线经过偏振分光棱镜后，垂直分量的线偏振光反射后依次经过接目物 镜、1/4 波片然后进入眼睛。由眼底反射回来的光再经过 1/4 波片和接目物镜后 经偏振分光棱镜透射到成像物镜。 由于经过偏振分光棱镜反射的线偏振光相位只 有改变 π[9]才能透射，因此应用此方法只能透过由眼底反射回来的光线，从而消 除了接目物镜的杂散光。 3 光路追迹结果与分析
3.1 设计实例

本文选取照明系统和成像系统共用一组接目物镜的共轴照明结构形式[10]， 利 用光学设计软件 CODE V 对系统进行优化。系统参数如表 1 所示。
表 1 设计实例的系统参数表 Table 1 System parameters of the example Eye model Entrance pupil diameter Field view angle Light source diameter Illumination annulus diameter 3.2 照明均匀性模拟 Liou-Brennan eye model 3 mm 60° Inner 8 mm，outer 12 mm Inner 3 mm，outer 6 mm

利用 LightTools 对照明系统进行模拟仿真，并进行照明效果分析。设置光源 功率 100W，光源发散角 30°，追迹光线 1 千万条。图 8 为得到的照明效果图。 图8 （a） 为在眼睛角膜处得到的环形光斑照明效果图， 光斑内径 3mm， 外径 6mm； 图 8（b）为得到的在视网膜上的照明效果图。照明系统能够对眼底直径 20mm 的区域内照明；图 8（c）为眼底的照明能量分布图。

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图 8 眼底照明均匀性仿真效果图 Fig.8 Simulation of Illumination Uniformity in fundus

图 8（c）所示的照度分布曲线图中，±4.47mm 对应眼底 30°（±15°）范围 内的照明区域，中心点的功率密度 Pcenter 最高，为 0.01286W/mm2，30°照明区域 内 85% 位 置 上 的 功 率 密 度 P85% ， 为 0.01166W/mm2 ， 最 大 功 率 Pmax 为 0.01286W/mm2。定义照明均匀度 U 为[11]：
P ? P85% 1 ? center U= ×100% Pmax

本文设计的照明系统对眼底 30°范围内照明的均匀度达到 90.7%，满足照明 系统要求。 3.3 消杂光分析与抑制 利用 LightTools 进行照明系统模拟仿真，其结构如图 9 所示。设置光源发散 角 30°，功率 100W，角膜反射率 4%，其余表面反射率 1%，使用 PBS 进行分析 时，设定 PBS 的 P 光透过率 97%，S 光反射率 100%，采用半反半透镜代替 PBS 分析时，设定半反半透镜反射率 50%，透过率 48.5%，各自追迹 1 千万条光线， 表 2 列出了详细分析结果。在不引入任何消杂光措施的情况下，CCD 像面接收 到的功率为 1.6618 W，其中由视网膜反射的功率为 1.1289 W，其他各面产生的 杂光为 0.5329 W， 加入 PBS 后由视网膜反射的功率为 1.1289 W， 杂光为 0.03472 W，杂光尽占总量的 3%甚至更低。对于接目物镜产生的杂散光影响，通过加入 PBS 和四分之一波片，消除了 99.5%以上的杂光；对角膜产生的杂光，在使用环 形光源的情况下，加入 PBS 能够抑制 92%以上的剩余杂光，由此可见，系统中

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的杂光得到了很好的抑制。

图 9 LightTools 中眼底相机的三维结构图 Fig.9 The 3D structure of fundus camera in LightTools

从表 2 可以看出，加入 PBS 后角膜反射光得到了很大程度上的抑制，但由 视网膜反射的能量并未改变。角膜反射受到抑制的原因在于若保持 PBS 透射轴 的旋转角相对于 1/4 波片的快轴为 0°时，，由 PBS 反射产生的线偏振光，经过角 膜反射和两次 1/4 波片的透射后仍为线偏振光， 且振动方向不变， 因此不能经 PBS 透射，即达到抑制角膜反射光的效果。对于视网膜反射未受到抑制的现象，经在 LightTools 中对多种眼模型进行大量验证实验后可知，入射到眼睛的线偏振光， 在眼睛内进行多次的散射和反射后，出射光偏振态接近自然光。因此系统中无论 是否加入 PBS， 入射到眼睛内的光都以自然光出射， 最终到达像面的能量也就不 会因使用 PBS 改变。
表 2 加入 PBS 和不加入 PBS 时各表面的反射情况 Table 2 Reflected power of surfaces with and without PBS With PBS (W) Reflection of the cornea Reflection of the fundus Reflections of the eye-piece objective lens 0.03452 1.1289 0.0002018 Without PBS (W) 0.4916 1.1289 0.04128

4 结论 本文设计了一种便携式免散瞳眼底相机，具有如下特点：首先照明光源采用 由近红外 LED 和白光闪光 LED 交替排列组成的环形光源。相比于传统光源，环 形光源大大提高了系统的能量利用率和光源寿命， 并满足了降低角膜反射产生的

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杂散光和均匀照明的要求； 其次， 利用 PBS 和 1/4 波片消除接目物镜反射产生的 杂散光，通过 LightTools 进行仿真，可以消除接目物镜产生的 99.5%以上的杂散 光，杂光抑制效果明显；第三，系统采用大视场设计，全视场角 60°，并能在近 红外和可见光范围内对-8D 到+10D 的人眼均清晰成像。

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附：创新点 1、环形光源 为了消除角膜反射的影响， 传统方法采用在照明系统中加入环形光阑。照明 系统先将光源在环形光阑处成一次中间像， 再由中空反射镜或系统的其他部分最 终将光源成像在眼瞳处。本文采用由近红外和白光 LED 交替排列组成的环形光 源代替传统光源， 系统中不再加入环形光阑， 而是将环形光源直接成像在眼瞳处， 不仅保证眼底照明均匀， 消除了角膜反射光， 而且大大提高了系统的光能利用率， 以及大幅简化了光学系统的复杂程度。 2、一体化优化设计方法 由于接目物镜为成像系统和照明系统所共用，对眼底相机设计中，相比于传 统设计方法， 本文采用一体化优化设计方法，对成像系统和照明系统进行同步设 计。同时，为保证系统能分别在可见和近红外波段对不同视度的人眼适用，系统 中在从-8D 到+10D 加入 16 重结构。 3、PBS+1/4 波片消杂光方法 为了消除接目物镜产生的杂散光，普遍采用的方法是在照明系统中，接目物 镜各个面的共轭位置处加入黑点板，以阻挡产生接目物镜杂散光的光线。本文采 用通过 PBS 代替系统中的分光镜， 同时在接目物镜前端加入 1/4 波片的方法消除 杂光。通过对系统进行仿真分析，此方法可以将接目物镜反射光降到 0.5%以内。 角膜反射光降到系统 3%以内。此外，设计中省略了黑点板，大大简化了光学系 统的复杂程度。



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