高分辨率免散瞳眼底相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖 錘，伍雁雄，李建聰，郭智元，張宏炫，陳太喜

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動化學(xué)院，廣東佛山528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院，廣東佛山528000；3.季華實(shí)驗(yàn)室，廣東佛山528000）

人眼視網(wǎng)膜是人眼重要的組成部分，視網(wǎng)膜的變化可以很好的反映人身體的變化。諸如白內(nèi)障、青光眼、夜盲癥、雪盲癥等都可以在視網(wǎng)膜上體現(xiàn)。此外，糖尿病、冠心病等諸多病癥在視網(wǎng)膜上也有病變體現(xiàn)［1-2］。因此，眼睛視網(wǎng)膜的檢測分析成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)界的一個(gè)熱門研究方向。眼底相機(jī)是專門對眼睛視網(wǎng)膜進(jìn)行觀測成像的，所以眼底相機(jī)在現(xiàn)代醫(yī)療診斷中是必不可少的。

蔡司公司研制了世界上第一臺眼底相機(jī)，接下來美國、日本、德國等國家對眼底相機(jī)做了大量的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。目前國際上比較著名的眼底相機(jī)產(chǎn)品有ZEISS、TOPCON，NICON、OPLMPUS等。國內(nèi)的蘇州微清，六六視覺等也在進(jìn)行相關(guān)研究，并做出了一些實(shí)際產(chǎn)品［3］。傳統(tǒng)眼底相機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)受到對眼底相機(jī)工作原理認(rèn)識不足、設(shè)計(jì)水平限制等影響，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品在使用時(shí)需要先對病人注射散瞳劑做擴(kuò)瞳處理才能很好的拍攝成像，而散瞳劑具有大約十萬分之一致死率，這對于病人是非常危險(xiǎn)的；此外傳統(tǒng)的眼底相機(jī)在照明時(shí)亮度不均勻，拍攝時(shí)邊緣視場成像質(zhì)量較差；傳統(tǒng)眼底相機(jī)還存在分辨率不足，眼底毛細(xì)血管直徑大約為6～9 μm，傳統(tǒng)眼底相機(jī)不能完全將其分辨出來，影響醫(yī)生診斷［4］。

為了減少上述問題所帶來的影響，本文基于Gullstrand-Le Grand光學(xué)眼模型［5］設(shè)計(jì)了一種大視場免散瞳眼底相機(jī)。其中成像、照明光路通過中空反射鏡共用網(wǎng)膜物鏡，減小雜散光的干擾，提高成像質(zhì)量并且使得整體結(jié)構(gòu)簡化。設(shè)計(jì)成像視場角41°，對視網(wǎng)膜成像區(qū)域直徑超過13 mm，分辨率達(dá)到5 μm，且邊緣視場成像好，亮度高，滿足醫(yī)療需求。采用近紅外光觀察與調(diào)焦，可見光拍攝，避免因瞳孔受激收縮而影響成像質(zhì)量，不需要專門的散瞳劑對病人進(jìn)行擴(kuò)瞳處理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

如圖1所示為眼底相機(jī)結(jié)構(gòu)圖，眼底相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)三部分組成。成像系統(tǒng)中視網(wǎng)膜上反射光首先通過網(wǎng)膜物鏡聚焦，然后通過中空反射鏡進(jìn)入中繼鏡組，最后通過調(diào)焦鏡調(diào)節(jié)不同人眼屈光度后對視網(wǎng)膜探測成像。照明系統(tǒng)的光源分為近紅外光與可見光，人眼對近紅外光不敏感，當(dāng)使用近紅外光照明時(shí)不會引起瞳孔收縮，所以使用近紅外光照明眼底輔助調(diào)焦和觀察。使用可見光拍攝的視網(wǎng)膜圖像比使用近紅外光拍攝的視網(wǎng)膜圖像質(zhì)量更好，所以使用可見光拍攝眼底圖像［6］。照明系統(tǒng)首先使用近紅外光均勻照明眼底，然后通過調(diào)焦鏡調(diào)節(jié)不同人眼屈光度后按下拍攝鍵，此時(shí)照明光源由近紅外光轉(zhuǎn)為可見光，瞳孔來不及收縮，便可以在免散瞳的情況下拍攝到眼底視網(wǎng)膜的圖像。

圖1 眼底相機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)的孔徑光闌為瞳孔，本文設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)瞳孔大小為2 mm，眼底相機(jī)應(yīng)對不同人眼都能清晰成像，所以成像系統(tǒng)還應(yīng)具有調(diào)節(jié)不同人眼屈光度的功能，本文設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)可對±10D屈光度進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

成像系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用二次成像的光路結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)膜物鏡與二次成像鏡組進(jìn)行組合，其中二次成像鏡組中又包含了調(diào)焦鏡。成像系統(tǒng)通過兩次成像逐步矯正像差，降低設(shè)計(jì)難度。首先設(shè)計(jì)網(wǎng)膜物鏡，眼底對光的有效反射率不到0.1%，系統(tǒng)中光學(xué)元件的散射及后向反射光的強(qiáng)度高于眼底反射光，透鏡鍍增透膜后也還會存在1%左右的反射光，在設(shè)計(jì)網(wǎng)膜物鏡時(shí)應(yīng)盡量選擇較少的鏡片減少雜散光。此外，網(wǎng)膜物鏡應(yīng)當(dāng)滿足41°視場角成像要求，為了減小系統(tǒng)的總長度，網(wǎng)膜物鏡的焦距也不宜過大。

綜上所述，網(wǎng)膜物鏡選擇為1組雙膠合加1片非球面透鏡的3片式結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)加入正常人眼結(jié)構(gòu)，雙膠合可以矯正人眼色差、球差等像差，非球面可以減少畸變。成像光路設(shè)計(jì)為二次成像結(jié)構(gòu)，分布矯正像差。網(wǎng)膜物鏡在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮矯正除色差和場曲之外的像差，采用單波長優(yōu)化。為了保證瞳孔和孔徑光闌共軛關(guān)系，人眼離焦像差暫時(shí)也不考慮矯正，最終結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)膜物鏡結(jié)構(gòu)

網(wǎng)膜物鏡在設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮矯正色差、場曲以及人眼離焦像差，降低了設(shè)計(jì)難度，最終設(shè)計(jì)出來的網(wǎng)膜物鏡成像質(zhì)量接近衍射極限，MTF曲線圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)膜物鏡MTF曲線

在設(shè)計(jì)好網(wǎng)膜物鏡之后，便可在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)后續(xù)的二次成像系統(tǒng)，二次成像系統(tǒng)的作用是：1）校正一次成像后的剩余像差；2）其中的1塊透鏡作為調(diào)焦鏡對不同人眼屈光度進(jìn)行調(diào)節(jié)；3）作為成像鏡組滿足近紅外與可見光共焦面成像需求。二次成像系統(tǒng)中需要重點(diǎn)消除色差和場曲，在光學(xué)系統(tǒng)中采用雙膠合透鏡可以達(dá)到消除色差的目的。消除場曲的方法一般是在光學(xué)系統(tǒng)中引入正負(fù)光焦度分離，使得負(fù)透鏡在軸上的光線高度低于正透鏡；另一種方法是引入彎月形厚透鏡，引入彎月形厚透鏡等價(jià)于正負(fù)光焦度分離。綜上所述，采用兩組雙膠合透鏡加1片單透鏡的消色差平場物鏡結(jié)構(gòu)作為為二次成像鏡組。其中單透鏡作為調(diào)焦鏡，在優(yōu)化時(shí)加入已經(jīng)優(yōu)化好的網(wǎng)膜物鏡，最終成像光路的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 成像系統(tǒng)光路

二次成像鏡組的設(shè)計(jì)充分利用了系統(tǒng)關(guān)于孔徑光闌的對稱性，通過兩組雙膠合透鏡校正了系統(tǒng)色差，特別是垂軸色差。剩余場曲像差較小，采用單彎月透鏡的平場物鏡校正了一次像面的剩余場曲像差。物方要求分辨率達(dá)到100 lp/mm，即眼底分辨5 μm的結(jié)構(gòu)單元。成像系統(tǒng)放大倍率1.1，所以像面要求90 lp/mm的分辨率。成像質(zhì)量的評價(jià)以Gullstrand-Le Grand光學(xué)眼模型為主，如圖5所示，整個(gè)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近衍射極限，滿足成像需求。

圖5 成像系統(tǒng)MTF曲線

3 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)采用近紅外和可見光雙波段照明，設(shè)計(jì)時(shí)要求照明均勻、柔和、顯色好，有足夠的光強(qiáng)度，同時(shí)最重要的是盡量減少照明引起的雜散光和鬼像［7］，保證對眼底的成像質(zhì)量。眼底對光的有效反射率一般在0.001%～0.1%之間［8］，角膜對光的有效反射率是眼底對光反射率的20～2 000倍；另外，系統(tǒng)內(nèi)部光機(jī)結(jié)構(gòu)的散射以及網(wǎng)膜物鏡反射光能量也大于眼底反射光能量［9-10］。為此設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)必須考慮減小角膜反射光和網(wǎng)膜物鏡中間反射光對眼底成像的影響。

3.1 照明系統(tǒng)分析與選型

眼底相機(jī)照明方式一般采用臨界照明或者科勒照明，如圖6為臨界照明示意圖。臨界照明中光源經(jīng)聚光鏡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，但整個(gè)視場內(nèi)容易出現(xiàn)照明不均勻的情況，甚至出現(xiàn)光源像，影響成像質(zhì)量。并且臨界照明中照明的熱焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜上，有可能灼傷視網(wǎng)膜，不適合眼底相機(jī)照明。

圖6 臨界照明光路

科勒照明是在臨界照明的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的照明方式，科勒照明克服了臨界照明中照明不均勻的缺點(diǎn)［11-12］。如圖7所示，科勒照明中光源成像于后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳之上，同時(shí)照明系統(tǒng)的出瞳充滿整個(gè)待測物面，科勒照明具有能量利用率高以及照明均勻的優(yōu)點(diǎn)，且照明的熱焦點(diǎn)不在視網(wǎng)膜上，不會灼傷視網(wǎng)膜。相比之下，科勒照明比臨界照明更適合用于眼底照明。

圖7 科勒照明光路

但是，在使用科勒照明的情況下以角膜為反射面做雜散光分析時(shí)，存在角膜反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)的問題。如圖8所示為科勒照明情況下角膜處雜散光模擬，通過模擬分析發(fā)現(xiàn)存在角膜反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)的情況。由于角膜對光的反射率遠(yuǎn)大于視網(wǎng)膜，由此產(chǎn)生的鬼像會嚴(yán)重影響到眼底成像質(zhì)量［13］。因此如果要使用科勒照明方式照明眼底，必須找到合適的方法消除雜散光對成像質(zhì)量的影響，同時(shí)還應(yīng)保證照明均勻性。

圖8 科勒照明下角膜處雜散光模擬

通過對模擬結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)科勒照明中進(jìn)入成像系統(tǒng)的光線只占照明系統(tǒng)的一部分。如能在屏蔽掉這一部分光線的同時(shí)保證照明均勻性，科勒照明將符合眼底照明需求。考慮到本文所使用光源的特殊性，如圖9所示，上下為550～580 nm可見光LED光源，左右為780 nm近紅外LED光源。為此，本文提出一種改進(jìn)型科勒照明方式，在照明系統(tǒng)中引入圖10所示橢圓形黑色遮光板防止照明光線通過角膜反射進(jìn)入成像系統(tǒng)。照明時(shí)首先控制左右兩個(gè)LED燈發(fā)光，同時(shí)將橢圓形黑色遮光板水平放置，遮擋雜光。當(dāng)需要進(jìn)行拍照時(shí)，控制上下兩個(gè)LED燈發(fā)光，同時(shí)將橢圓形黑色遮光板豎直放置，遮擋雜光。遮光板的位置隨需求而改變。具體效果圖如圖11所示，改進(jìn)后的科勒照明依然能均勻照明眼底。

圖9 照明光源

圖10 橢圓形黑色遮光板

圖11 改進(jìn)型科勒照明光路結(jié)構(gòu)

3.2 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)選型完畢后，便可開始具體照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少鏡片的使用，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)只需保證照明效果不變差，減少雜散光，對像質(zhì)要求不高［14-15］。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮近紅外與可見光共焦問題以及色差消除。設(shè)計(jì)好照明系統(tǒng)后，加入橢圓形黑色遮光板，根據(jù)照明需求調(diào)節(jié)遮光板的大小和位置，直到照明和消雜光效果達(dá)到需求。如圖12所示給出了最終照明光路的設(shè)計(jì)結(jié)果，照明光路設(shè)計(jì)為雙波段共焦成像，如圖13所示，在瞳孔處的點(diǎn)列圖達(dá)到22 μm，對于照明光路來說已經(jīng)滿足要求。

圖12 照明光路圖

圖13 照明光路點(diǎn)列圖

為了檢驗(yàn)改進(jìn)型科勒照明的消雜光效果，以角膜為反射面做雜散光模擬。如圖14所示，經(jīng)改進(jìn)后角膜反射光不再進(jìn)入成像系統(tǒng)，改進(jìn)后的科勒照明可以達(dá)到消除角膜反射光的目的。此外，還應(yīng)檢驗(yàn)照明是否均勻，本文采用幾何像分析進(jìn)行照明均勻度的評價(jià)，如圖15所示，通過觀察分析，在眼底處形成的光斑是均勻的圓斑，符合設(shè)計(jì)的照明均勻性要求。

圖14 改進(jìn)型科勒照明雜散光模擬分析

圖15 照明均勻性模擬

4 結(jié)論

眼底相機(jī)在眼科醫(yī)療中有著非常重要的作用，它的成像質(zhì)量好壞直接影響醫(yī)療診斷。本文設(shè)計(jì)了一種視場角達(dá)到41°、成像分辨率達(dá)到5 μm的眼底相機(jī)，通過采用二次成像的方法，逐步矯正像差，降低了設(shè)計(jì)難度；通過近紅外光與可見光共焦面成像設(shè)計(jì)，簡化了光路結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)便攜式的眼底相機(jī)。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對6～10 μm范圍內(nèi)眼底毛細(xì)血管的精細(xì)成像，提高了眼底相機(jī)分辨率，有利于醫(yī)生對病人進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。為了避免光路中角膜反射雜散光對視網(wǎng)膜成像對比度的干擾，本文基于傳統(tǒng)科勒照明光路架構(gòu)，研究設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的科勒照明方式，使得照明系統(tǒng)既能均勻照明眼底，又能有效屏蔽角膜反射光，有效提升了眼底相機(jī)的成像性能。研究成果為實(shí)現(xiàn)高分辨率眼底成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及獲得低雜散光干擾的眼底視網(wǎng)膜圖像提供了有益的參考與借鑒。