高分辨率免散瞳眼底相机光学系统设计

廖 锤，伍雁雄，李建聪，郭智元，张宏炫，陈太喜

（1.佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，广东佛山528000；2.佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东佛山528000；3.季华实验室，广东佛山528000）

人眼视网膜是人眼重要的组成部分，视网膜的变化可以很好的反映人身体的变化。诸如白内障、青光眼、夜盲症、雪盲症等都可以在视网膜上体现。此外，糖尿病、冠心病等诸多病症在视网膜上也有病变体现［1-2］。因此，眼睛视网膜的检测分析成为当前医学界的一个热门研究方向。眼底相机是专门对眼睛视网膜进行观测成像的，所以眼底相机在现代医疗诊断中是必不可少的。

蔡司公司研制了世界上第一台眼底相机，接下来美国、日本、德国等国家对眼底相机做了大量的设计和改进。目前国际上比较著名的眼底相机产品有ZEISS、TOPCON，NICON、OPLMPUS等。国内的苏州微清，六六视觉等也在进行相关研究，并做出了一些实际产品［3］。传统眼底相机在设计时受到对眼底相机工作原理认识不足、设计水平限制等影响，设计出来的产品在使用时需要先对病人注射散瞳剂做扩瞳处理才能很好的拍摄成像，而散瞳剂具有大约十万分之一致死率，这对于病人是非常危险的；此外传统的眼底相机在照明时亮度不均匀，拍摄时边缘视场成像质量较差；传统眼底相机还存在分辨率不足，眼底毛细血管直径大约为6～9 μm，传统眼底相机不能完全将其分辨出来，影响医生诊断［4］。

为了减少上述问题所带来的影响，本文基于Gullstrand-Le Grand光学眼模型［5］设计了一种大视场免散瞳眼底相机。其中成像、照明光路通过中空反射镜共用网膜物镜，减小杂散光的干扰，提高成像质量并且使得整体结构简化。设计成像视场角41°，对视网膜成像区域直径超过13 mm，分辨率达到5 μm，且边缘视场成像好，亮度高，满足医疗需求。采用近红外光观察与调焦，可见光拍摄，避免因瞳孔受激收缩而影响成像质量，不需要专门的散瞳剂对病人进行扩瞳处理。

1 系统结构及设计原理

如图1所示为眼底相机结构图，眼底相机光学系统主要由成像系统、照明系统、调焦系统三部分组成。成像系统中视网膜上反射光首先通过网膜物镜聚焦，然后通过中空反射镜进入中继镜组，最后通过调焦镜调节不同人眼屈光度后对视网膜探测成像。照明系统的光源分为近红外光与可见光，人眼对近红外光不敏感，当使用近红外光照明时不会引起瞳孔收缩，所以使用近红外光照明眼底辅助调焦和观察。使用可见光拍摄的视网膜图像比使用近红外光拍摄的视网膜图像质量更好，所以使用可见光拍摄眼底图像［6］。照明系统首先使用近红外光均匀照明眼底，然后通过调焦镜调节不同人眼屈光度后按下拍摄键，此时照明光源由近红外光转为可见光，瞳孔来不及收缩，便可以在免散瞳的情况下拍摄到眼底视网膜的图像。

图1 眼底相机总体结构

2 成像系统设计

成像系统的孔径光阑为瞳孔，本文设计成像系统瞳孔大小为2 mm，眼底相机应对不同人眼都能清晰成像，所以成像系统还应具有调节不同人眼屈光度的功能，本文设计成像系统可对±10D屈光度进行调节，具体设计指标如表1所示。

表1 成像系统设计指标

成像系统在设计时采用二次成像的光路结构，将网膜物镜与二次成像镜组进行组合，其中二次成像镜组中又包含了调焦镜。成像系统通过两次成像逐步矫正像差，降低设计难度。首先设计网膜物镜，眼底对光的有效反射率不到0.1%，系统中光学元件的散射及后向反射光的强度高于眼底反射光，透镜镀增透膜后也还会存在1%左右的反射光，在设计网膜物镜时应尽量选择较少的镜片减少杂散光。此外，网膜物镜应当满足41°视场角成像要求，为了减小系统的总长度，网膜物镜的焦距也不宜过大。

综上所述，网膜物镜选择为1组双胶合加1片非球面透镜的3片式结构进行优化。优化时加入正常人眼结构，双胶合可以矫正人眼色差、球差等像差，非球面可以减少畸变。成像光路设计为二次成像结构，分布矫正像差。网膜物镜在设计时优先考虑矫正除色差和场曲之外的像差，采用单波长优化。为了保证瞳孔和孔径光阑共轭关系，人眼离焦像差暂时也不考虑矫正，最终结果如图2所示。

图2 网膜物镜结构

网膜物镜在设计时不需要考虑矫正色差、场曲以及人眼离焦像差，降低了设计难度，最终设计出来的网膜物镜成像质量接近衍射极限，MTF曲线图如图3所示。

图3 网膜物镜MTF曲线

在设计好网膜物镜之后，便可在此基础上设计后续的二次成像系统，二次成像系统的作用是：1）校正一次成像后的剩余像差；2）其中的1块透镜作为调焦镜对不同人眼屈光度进行调节；3）作为成像镜组满足近红外与可见光共焦面成像需求。二次成像系统中需要重点消除色差和场曲，在光学系统中采用双胶合透镜可以达到消除色差的目的。消除场曲的方法一般是在光学系统中引入正负光焦度分离，使得负透镜在轴上的光线高度低于正透镜；另一种方法是引入弯月形厚透镜，引入弯月形厚透镜等价于正负光焦度分离。综上所述，采用两组双胶合透镜加1片单透镜的消色差平场物镜结构作为为二次成像镜组。其中单透镜作为调焦镜，在优化时加入已经优化好的网膜物镜，最终成像光路的设计结果如图4所示。

图4 成像系统光路

二次成像镜组的设计充分利用了系统关于孔径光阑的对称性，通过两组双胶合透镜校正了系统色差，特别是垂轴色差。剩余场曲像差较小，采用单弯月透镜的平场物镜校正了一次像面的剩余场曲像差。物方要求分辨率达到100 lp/mm，即眼底分辨5 μm的结构单元。成像系统放大倍率1.1，所以像面要求90 lp/mm的分辨率。成像质量的评价以Gullstrand-Le Grand光学眼模型为主，如图5所示，整个成像系统的成像质量接近衍射极限，满足成像需求。

图5 成像系统MTF曲线

3 照明系统设计

照明系统采用近红外和可见光双波段照明，设计时要求照明均匀、柔和、显色好，有足够的光强度，同时最重要的是尽量减少照明引起的杂散光和鬼像［7］，保证对眼底的成像质量。眼底对光的有效反射率一般在0.001%～0.1%之间［8］，角膜对光的有效反射率是眼底对光反射率的20～2 000倍；另外，系统内部光机结构的散射以及网膜物镜反射光能量也大于眼底反射光能量［9-10］。为此设计照明系统时必须考虑减小角膜反射光和网膜物镜中间反射光对眼底成像的影响。

3.1 照明系统分析与选型

眼底相机照明方式一般采用临界照明或者科勒照明，如图6为临界照明示意图。临界照明中光源经聚光镜成像在物面上或其附近，物面上得到充分照明，光能利用率高，但整个视场内容易出现照明不均匀的情况，甚至出现光源像，影响成像质量。并且临界照明中照明的热焦点位于视网膜上，有可能灼伤视网膜，不适合眼底相机照明。

图6 临界照明光路

科勒照明是在临界照明的基础上发展起来的一种新的照明方式，科勒照明克服了临界照明中照明不均匀的缺点［11-12］。如图7所示，科勒照明中光源成像于后续光学系统的入射光瞳之上，同时照明系统的出瞳充满整个待测物面，科勒照明具有能量利用率高以及照明均匀的优点，且照明的热焦点不在视网膜上，不会灼伤视网膜。相比之下，科勒照明比临界照明更适合用于眼底照明。

图7 科勒照明光路

但是，在使用科勒照明的情况下以角膜为反射面做杂散光分析时，存在角膜反射光进入成像系统的问题。如图8所示为科勒照明情况下角膜处杂散光模拟，通过模拟分析发现存在角膜反射光进入成像系统的情况。由于角膜对光的反射率远大于视网膜，由此产生的鬼像会严重影响到眼底成像质量［13］。因此如果要使用科勒照明方式照明眼底，必须找到合适的方法消除杂散光对成像质量的影响，同时还应保证照明均匀性。

图8 科勒照明下角膜处杂散光模拟

通过对模拟结果分析，发现科勒照明中进入成像系统的光线只占照明系统的一部分。如能在屏蔽掉这一部分光线的同时保证照明均匀性，科勒照明将符合眼底照明需求。考虑到本文所使用光源的特殊性，如图9所示，上下为550～580 nm可见光LED光源，左右为780 nm近红外LED光源。为此，本文提出一种改进型科勒照明方式，在照明系统中引入图10所示椭圆形黑色遮光板防止照明光线通过角膜反射进入成像系统。照明时首先控制左右两个LED灯发光，同时将椭圆形黑色遮光板水平放置，遮挡杂光。当需要进行拍照时，控制上下两个LED灯发光，同时将椭圆形黑色遮光板竖直放置，遮挡杂光。遮光板的位置随需求而改变。具体效果图如图11所示，改进后的科勒照明依然能均匀照明眼底。

图9 照明光源

图10 椭圆形黑色遮光板

图11 改进型科勒照明光路结构

3.2 照明系统设计

照明系统选型完毕后，便可开始具体照明系统设计。照明系统设计时应减少镜片的使用，简化系统结构，且照明系统设计时只需保证照明效果不变差，减少杂散光，对像质要求不高［14-15］。设计时主要考虑近红外与可见光共焦问题以及色差消除。设计好照明系统后，加入椭圆形黑色遮光板，根据照明需求调节遮光板的大小和位置，直到照明和消杂光效果达到需求。如图12所示给出了最终照明光路的设计结果，照明光路设计为双波段共焦成像，如图13所示，在瞳孔处的点列图达到22 μm，对于照明光路来说已经满足要求。

图12 照明光路图

图13 照明光路点列图

为了检验改进型科勒照明的消杂光效果，以角膜为反射面做杂散光模拟。如图14所示，经改进后角膜反射光不再进入成像系统，改进后的科勒照明可以达到消除角膜反射光的目的。此外，还应检验照明是否均匀，本文采用几何像分析进行照明均匀度的评价，如图15所示，通过观察分析，在眼底处形成的光斑是均匀的圆斑，符合设计的照明均匀性要求。

图14 改进型科勒照明杂散光模拟分析

图15 照明均匀性模拟

4 结论

眼底相机在眼科医疗中有着非常重要的作用，它的成像质量好坏直接影响医疗诊断。本文设计了一种视场角达到41°、成像分辨率达到5 μm的眼底相机，通过采用二次成像的方法，逐步矫正像差，降低了设计难度；通过近红外光与可见光共焦面成像设计，简化了光路结构，有利于实现便携式的眼底相机。本设计可以实现对6～10 μm范围内眼底毛细血管的精细成像，提高了眼底相机分辨率，有利于医生对病人进行准确诊断。为了避免光路中角膜反射杂散光对视网膜成像对比度的干扰，本文基于传统科勒照明光路架构，研究设计了一种改进型的科勒照明方式，使得照明系统既能均匀照明眼底，又能有效屏蔽角膜反射光，有效提升了眼底相机的成像性能。研究成果为实现高分辨率眼底成像光学系统设计以及获得低杂散光干扰的眼底视网膜图像提供了有益的参考与借鉴。