基于机械调焦式的眼底相机成像系统.pdf

本发明提供了一种基于机械调焦式的眼底相机成像系统，包括成像系统和照明系统，所述成像系统由靠近眼睛的接目物镜，靠近接收器件的成像物镜，以及接收器件和显示器件组成；照明系统由光源，靠近光源的匀光镜和靠近眼睛的接目物镜组成，照明系统和成像系统通过半反半透镜连接起来，所述成像系统为CCD。本发明设计了一种基于机械调焦方式的成像系统，通过优化结构，详细的初始参数计算和最终的像质分析，达到了使用要求，并且设计简单，使用效果好。

1.  一种基于机械调焦式的眼底相机成像系统，包括成像系统和照明系统，其特征在于：所述成像系统由靠近眼睛的接目物镜，靠近接收器件的成像物镜，以及接收器件和显示器件组成；照明系统由光源，靠近光源的匀光镜和靠近眼睛的接目物镜组成，照明系统和成像系统通过半反半透镜连接起来，所述成像系统为CCD接收器。

2.  一种基于机械调焦式的眼底相机成像系统，包括成像系统和照明系统，其特征在于：所述成像系统由靠近眼睛的接目物镜，靠近接收器件的成像物镜，以及接收器件和显示器件组成；照明系统由光源，靠近光源的匀光镜和靠近眼睛的接目物镜组成，照明系统和成像系统通过半反半透镜连接起来；采用200万像素，1/2英寸CCD作为接收器件的成像系统，全视场角60°，眼底相机成像系统总长不超过220mm，将瞳孔位置作为成像系统的孔径光阑，工作距离为30-40mm。

3.  根据权利要求2所述的基于机械调焦式的眼底相机成像系统，其特征在于：根据下列方法计算出眼底相机成像系统的主要参数：
正常人眼的焦距是16.573mm，成像系统的视场角是±30°，根据光学系统的成像计算公式可以求出能够观察到的眼底线视场为：

像面处选用的CCD为1/2英寸，尺寸为6.4mm×4.8mm，其对角线高度，即像面高度为：
2y2′=6.42+4.82=8mm---(2)]]>
所以对于成像系统，系统总放大率β为：

系统总焦距f′等于：

对于接目物镜，由正常人眼平行出射的光线经过接目物镜会聚后首先成一次中间像，然后再传递给成像物镜，由于考虑到后组成像物镜和照明系统的镜片口径大小，中间像不能过大，否则光束以发散状态入射到成像物镜，在对系统设计过程中会导致成像物镜和照明系统的镜片口径比接目物镜的还大，选成像系统的工作距离为40mm，接目物镜的口径D1可根据公式求得：
D₁＝2×40tan(30°)＝46.2mm   (5)
若取接目物镜的焦距f₁′为35mm，求出由接目物镜所成中间像的高度y₁′为：

对于成像物镜，成像物镜的放大倍率β₂为：
β2=y2*y2=y2*y1*=-0.198---(7)]]>
根据理想系统成像计算公式，成像物镜的物距l₂和像距l′₂满足：
l′₂＝β₂×l₂＝-0.198l₂   (8)
由于系统总长不超过220mm，根据公式可得：
-L₂+L′₂＝220-F′₁＝185mm   (9)
结合公式(8)和(9)，可以分别求出物距和像距为：
L₂＝-154.424mm
l′₂＝30.576mm   (10)
再根据高斯公式：
1l2′-1l2=1f2′---(11)]]>
求得成像物镜的焦距f2′＝25.523mm。

基于机械调焦式的眼底相机成像系统
技术领域
本发明涉及一种眼底相机，尤其涉及一种基于机械调焦式的眼底相机成像系统，属于医学眼底成像领域。
背景技术
人眼视网膜，又叫眼底，是一层结构高度复杂的薄膜，是人眼的重要组成部分。视网膜在眼睛里的地位相当于成像系统的接收器。眼视网膜上分布着大量的血管，对人眼视网膜上的血管脉络进行观测，可以为医生进行许多眼部疾病，甚至是全身许多疾病的诊断提供重要依据。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。糖尿病正在成为一种全球性流行病，全世界有3.47亿人患有糖尿病，据预测，在今后10年内，由糖尿病造成的死亡总数将增加50％以上，到2030年糖尿病将成为全球第七大死亡原因。发现糖尿病后，除了在医生指导下严格控制血糖、血压和血脂外，还需要定期检查眼底，根据病情及时进行治疗，防止新生血管发生，保存一定视力。对于湿性老年性黄斑变性不治则导致100％致盲，早期发现是关键，而且早期治疗效果显著。在患者出现明显视力障碍之前，提前进行视网膜检查，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。眼底照相机便是用于对眼底病变进行检查的眼科设备，是医生进行视网膜检查的重要手段。
眼底相机是一种用于观察人眼视网膜病变的重要眼科设备，在临床上有着重要的应用。眼底相机的光学系统包括照明系统和成像系统，工作谱 段覆盖近红外和可见光，近红外与可见光照明系统实现对眼底均匀、充分的照明，成像系统实现将视网膜最终成像在位于最佳像面的传感器上。具体的工作过程为由光源发出的光依次经过匀光镜透射、半反半透镜的反射以及接目物镜透射后入射到人眼。进入眼睛的光由眼底反射后出射，经过接目物镜收集后先成一次中间像，再由成像物镜将中间像成像到接收器上，并最后经过显示器件显示出来。为了同时满足医生观察和拍摄的需要，光源一般选用可见光和近红外波长两种。近红外波段的光源用于医生进行观察和瞄准，可见波段的光源用于拍照。眼底照相机是一种重要的眼科设备。对眼底相机的研究主要包括对成像系统的设计和对照明系统的设计。如图1所示，成像系统由靠近眼睛的接目物镜，靠近接收器件的成像物镜，以及接收器件和显示器件组成；照明系统由光源，靠近光源的匀光镜和靠近眼睛的接目物镜组成。由于照明系统和成像系统需要共用部分光路，照明系统和成像系统通过半反半透镜连接起来。
国内对于眼底相机的研究起步较晚，目前国内使用的眼底相机多数依靠从国外进口，然后再进行数字化改造。国内对于眼底相机的研究还比较有限，相关的研究论文比较少。国内开发的大多数眼底相机存在以下问题：设备需要专业的医生或者护士进行操作，设备成本费和医疗费用较高，需要用药物对人眼进行散瞳，而散瞳对人体具有一定的副作用。这些都严重限制了眼底相机的使用。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于机械调焦式的眼底相机成像系统。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：相较于现有技术，本发明提供的基于机械调焦式的眼底相机成像系统包括成像系统和照明系所述成像系统由靠近眼睛的接目物镜，靠近接收器件的成像物镜，以及接 收器件和显示器件组成；照明系统由光源，靠近光源的匀光镜和靠近眼睛的接目物镜组成，照明系统和成像系统通过半反半透镜连接起来，所述成像系统为CCD。
本发明公开了另一种基于机械调焦式的眼底相机成像系统，包括成像系统和照明系统，所述成像系统由靠近眼睛的接目物镜，靠近接收器件的成像物镜，以及接收器件和显示器件组成；照明系统由光源，靠近光源的匀光镜和靠近眼睛的接目物镜组成，照明系统和成像系统通过半反半透镜连接起来；采用200万像素，1/2英寸CCD作为接收器件的成像系统，全视场角60°，眼底相机成像系统总长不超过220mm，将瞳孔位置作为成像系统的孔径光阑，工作距离为30-40mm；
根据下列方法计算出眼底相机成像系统的主要参数：
正常人眼的焦距是16.573mm，成像系统的视场角是±30°，根据光学系统的成像计算公式可以求出能够观察到的眼底线视场为：
y′_眼眼＝f′tan(30°)＝16.573×tan(30°)＝9.568mm   (1)
像面处选用的CCD为1/2英寸，尺寸为6.4mm×4.8mm，其对角线高度，即像面高度为：
2y2′=6.42+4.82=8mm---(2)]]>
所以对于成像系统，系统总放大率β为：

系统总焦距f′等于：

对于接目物镜，由正常人眼平行出射的光线经过接目物镜会聚后首先成一次中间像，然后再传递给成像物镜，由于考虑到后组成像物镜和照明系统的镜片口径大小，中间像不能过大，否则光束以发散状态入射到成像 物镜，在对系统设计过程中会导致成像物镜和照明系统的镜片口径比接目物镜的还大，选成像系统的工作距离为40mm，接目物镜的口径D1可根据公式求得：
D₁＝2×40tan(30°)＝46.2mm   (5)
若取接目物镜的焦距f₁′为35mm，求出由接目物镜所成中间像的高度y₁′为：

对于成像物镜，成像物镜的放大倍率β₂为：
β2=y2′y2=y2′y1′=-0.198---(7)]]>
根据理想系统成像计算公式，成像物镜的物距l₂和像距l₂′满足：
l′₂＝β₂×l₂＝-0.198l₂   (8)
由于系统总长不超过220mm，根据公式可得：
-l₂+l′₂＝220-f′₁＝185mm   (9)
结合公式(8)和(9)，可以分别求出物距和像距为：
l₂＝-154.424mm
l′₂＝30.576mm   (10)
再根据高斯公式：
1l2′-1l2=1f2′---(11)]]>
求得成像物镜的焦距f2′＝25.523mm。
本发明设计了一种基于机械调焦方式的成像系统，通过优化结构，详细的初始参数计算和最终的像质分析，达到了使用要求，并且设计简单，使用效果好。
附图说明
图1为眼底照相机成像系统和照明系统结构示意图；
图2为本发明基于机械调焦方式的成像系统光路示意图；
图3为不同视度人眼的光线出射状况示意图；
图4为基于机械调焦方式的成像系统接目物镜结构图；
图5为基于机械调焦方式的成像系统成像物镜结构图；
图6为对正常人眼的成像系统光路图。
具体实施方式
本发明提供一种基于机械调焦式的眼底相机成像系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例公开的基于机械调焦式的眼底相机成像系统，结构形式——设计针对市面上存在的200万像素，1/2英寸CCD作为接收器件的成像系统，全视场角60°，系统总长不超过220mm，并且能够对视度从-8D至+10D的人眼普遍适用。由于瞳孔限制进入眼睛的光束宽度，同时也限制从眼睛出射的光束宽度，因此将瞳孔位置作为成像系统的孔径光阑是比较合理的。在正常情况下，人眼瞳孔直径为2-4mm，因此可以取系统的入瞳直径为3mm。此外，眼底相机的工作距离既不能过近，避免眼睛碰到镜片，也不能过远，避免接目物镜的口径过大，一般取30-40mm。本发明中设计眼底相机的工作距离为40mm。
在确定了这些参数以后，根据成像系统计算公式可以求出系统的其他参数。图2为成像系统的光路示意图。如上图所示，正常人眼的焦距是 16.573mm，成像系统的视场角是±30°，根据理想光学系统的成像计算公式可以求出能够观察到的眼底线视场为：
y′_眼眼＝f′tan(30°)＝16.573×tan(30°)＝9.568mm   (1)
像面处选用的CCD为1/2英寸，尺寸为6.4mm×4.8mm，其对角线高度，即像面高度为：
2y2′=6.42+4.82=8mm---(2)]]>
所以对于成像系统，系统总放大率β为：

系统总焦距f′等于：

对于接目物镜，由正常人眼平行出射的光线经过接目物镜会聚后首先成一次中间像，然后再传递给成像物镜。由于考虑到后组成像物镜和照明系统的镜片口径大小，中间像不能过大，否则光束以发散状态入射到成像物镜，在对系统设计过程中会导致成像物镜和照明系统的镜片口径比接目物镜的还大。成像系统的工作距离为40mm，
接目物镜的口径D1可根据公式求得：
D₁＝2×40tan(30°)＝46.2mm   (5)
若取接目物镜的焦距f₁′为35mm，可以求出由接目物镜所成中间像的高度y₁′为：

对于成像物镜，成像物镜的放大倍率β₂为：
β2=y2′y2=y2′y1′=-0.198---(7)]]>
根据理想系统成像计算公式，成像物镜的物距l₂和像距l₂′满足：
l′₂＝β₂×l₂＝-0.198l₂   (8)
由于系统总长不超过220mm，根据公式可得：
-l₂+l′₂＝220-f₁′＝185mm   (9)
结合公式(8)和(9)，可以分别求出物距和像距为：
l₂＝-154.424mm
l′₂＝30.576mm   (10)
再根据高斯公式：
1l2′-1l2=1f2′---(11)]]>
求得成像物镜的焦距f2′＝25.523mm。
本发明选用的CCD接收器，像元尺寸为4.3μm，根据奈奎斯特极限频率计算公式可以求出系统MTF截止频率为：

综合以上结果，最终确定系统的设计指标如表1为：

表1 基于机械调焦方式的成像系统设计参数
以上述技术指标为依据，利用光学设计软件CODE V对成像系统进行优化设计。对于不同视度的人眼，近点和远点的位置各不相同。如图3所示，根据光路可逆原理，确定对于正常人眼，射入眼睛的光经眼底反射后最终以平行光出射；对于近视眼，入射光经眼底反射后出射，最终聚焦在相应的远点位置；对于远视眼，入射光经眼底反射后出射，最终聚焦在相应的远点位置。
对于不同视度人眼光线出射状况的模拟，在CODEV中需要靠多重结构来实现。以物距作为变焦变量，通过对不同视度设置不同的物距，保证各重结构均能同时满足系统的设计要求。此外，由于系统需要满足在两种光谱范围内工作，因此还需要对系统的波长权重设置多重结构。在设计过程中对视度从-8D至+10D的范围内采样视度-8D、-5D、-3D、0D、3D、5D、8D和10D，考虑到近红外和可见光两个波段，因此共需要设置16重结构。对于系统机械调焦，共有三种方式可供选择，即：(1)仅通过调节像面位置来补偿由于物距和工作波长变化引起的像距和像质的改变；(2)仅通过调节成像物镜的位置来补偿由于物距和工作波长变化引起的像距和像质的改变；(3)同时调节像面位置和成像物镜的位置来补偿由于物距和工作波长变化引起的像距和像质的改变。考虑到机械结构设计的复杂程度和最终医生操作的复杂程度，选取仅靠调节像面位置来补偿像距和像质改变的方式。
在以上所有设置完成以后，以瞳孔位置作为系统的孔径光阑，选取合理的初始结构和约束条件进行系统优化，最终得到如下的设计结果。接目物镜由四片单透镜组成，如图4所示，通过多片正负透镜组合的方式校正系统的像散和畸变等像差，以获得一个像质较好的中间像，供放置十字叉丝等用于瞄准。
成像物镜共由六片组成，如图5所示。其中最后两片采用正负透镜组合的方式用于消除系统的色差，六片透镜组合使用用于校正由于不同物距 和波长引起的像质改变。
成像系统最终的结构形式如图6所示。图中给出的是对正常人眼的成像系统光路图。
最终设计结果在各组多重结构下的系统参数如下，表2给出在可见光光谱范围内的部分系统参数。

表2 可见光光谱范围内的部分系统结构参数
表3给出在近红外光谱范围内的部分系统参数。

表3 近红外光谱范围内的部分系统结构参数
表4给出各个多重结构的像面调焦需要的移动距离，其中可见光光谱 范围内和近红外光谱范围内的调节量均是相对于当前光谱范围内的0D视度的像距。

表4 在不同视度下像面的移动调节量
由上表可以看出，在视度从-8D至+10D的范围内，像面调焦的移动量均不超过0.45mm，像面只需要在一个很小的范围内进行移动即可找到成像最清晰的位置。此外在可见光光谱范围内和近红外光谱范围内具有相同视度的多重结构有相同的像面移动量，区别在于每一组具有相同视度的多重结构下近红外光谱范围内的像距均比可见光光谱范围内的像距大0.1mm。这种设计方式既充分保证了像面调节的灵活性，由能够保证可操作性。在实际操作过程中，首先在近红外光谱范围内进行调节，找到像面成像最清晰的位置，然后再将像距减小0.1mm，从而得到可见光光谱范围内对应的成像最清晰的位置，并将光源切换成可见光进行拍照。
本发明设计了一种基于机械调焦方式的成像系统，通过优化结构，详细的初始参数计算和最终的像质分析，达到了使用要求，并且设计简单，使用效果好。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。