眼底照相机成像系统的光学原理及设计分析

对眼底照相机成像系统的光学原理及设计方法进行了详细地分析与说明。通过精心设计眼底照相机的光学系统及其机械结构，并采用低照度低噪声高分辨率CCD获取微弱的眼底图像信号，使其可以动态的观测眼底显微图像。 本文阐述了各种眼底照相技术的发展历史以及眼底照相机在国内外的发展现状，给出了目前一些目前主流的眼底照相机，分析了人眼的结构以及在简略眼模型下对人眼的光学特性进行了详细的表达与描述。

在本课题中，眼底照相机采用共轴光学系统，在成像光学系统部分，挑选出合适的透镜组，成像光学系统由网膜物镜和成像物镜组成，网膜物镜采用广角II型透镜，成像物镜采用非对称双高斯透镜，在最后透镜面同CCD之间，设置一个场镜，设计出满足要求的成像光学系统。在设计透镜的过程中，简单介绍了功能强大的OSLO光学设计软件的功能与特点，使用OSLO软件完成设计了眼底照相机成像系统的接目物镜与成像物镜，并利用调制光学传递函数(MTF)对设计效果进行评价。 机械结构的设计部分，采用压圈法装配成像光学系统，满足其透镜系统的要求。本课题中给出了较为详尽的眼底照相机的成像系统光路设计方法。

引言

眼睛是人与外界交换信息的最重要器官之一，眼底是眼睛这一感觉器官的一个重要的组成部分，人眼的病态，除小部分是因为角膜、水晶体等而引起的外，大部分是因为眼底病态而引起的，眼睛的大部分病变来自眼底。同时眼底分布着大量的各种动静脉血管，这些血管可以反映映出冠心病、高血压、脑溢血、动脉硬化等疾病，糖尿病病人眼底毛细血管瘤、小的出血点和渗出物，都可以通过对眼底脉络膜和视网膜的观察分析，根据眼底的变化症状对这些疾病做出早期诊断和预防。

视网膜检查已经是现代医疗诊断重要的组成部分, 而眼底相机是用来观察和记录视网膜病变的工具, 它将视网膜成像在探测器上, 医生通过对所探测的眼底图片进行观察和分析, 即可得到患者眼底的病变信息。因此，不断用新的光电子技术，实现对眼底成像技术改进及更深入的研究工作，在临床应用和理论研究工作中都具有重大意义。 眼底观测光学仪器主要有: 直接的和间接的检眼镜, 手持式和台式眼底相机, 以及近年来出现的眼底电视仪器。眼底电视可动态地观测眼底图像, 并且可以利用计算机对眼底图像进行处理, 很大程度上提高了眼底照相机的科技含量, 并扩大了其使用范围。 眼底相机系统的基本结构主要包括两部分: 成像系统和照明系统。成像系统将视网膜成像在探测器上，照明系统完成对视网膜的照明。相机系统多采用共轴照明方式，。虽然在现行的眼底相机设计中充分考虑了以上因素,但是最终的设计结果均较为复杂。

1眼底成像技术简介

1.1典型的眼底成像技术

1.1.1 间接检眼镜仪器

最早实现对人眼视网膜的观察，要追溯到十九世纪。1851年，Helmohotz改装了由Babbage于1847年发明的间接检眼镜仪器，使眼科医第一次看到了眼底。他主要解决了两个问题：一、眼底照明光路和观察光路一致。二、引入补偿透镜组，校正被检眼和观察眼的屈光不正。在这个简单的设备中医生用自己的眼睛作为探测器，用起来非常灵活，这种结构己经保持至今基本没有改变，仍是眼科医生常用的检查工具。1885年改装成直接检眼镜，以后相继发明了Goldrnann接触镜、三面镜、巩膜压迫器，使眼底的周边得到了十分详细的观察。

1.1.2 直接检眼镜

1885年Dennet改装成直接检眼镜，以后相继发明了Goldrnann接触镜、三面镜、巩膜压迫器，使眼底的周边得到了详细的观察。Jechman和Webster于1886年用一个固定在病人头部的相机得了第一张活人的视网膜照片，但由于曝光时间过长，病人眼球的运动使得图像很模糊，仅能显示出视网膜最明显的特征。

1.1.3 SLO扫描激光检眼镜

而真正意义上的眼底照相机是由德国CarlZaiss公司于1925年首先研制成功的，它是由间接检眼镜发展而成。经过了几十年发展，目前利用高分辨率的乳胶底片，设计良好的眼底照相机可以获得大约6μm的分辨率。眼底照相机的出现在视网膜成像技术发展过程中具有重大的意义，它排除了对眼底观察的主观因素，能将视网膜图像客观地、永久性地记录下来，并为后来荧光素眼底血管造影术的产生莫定了基础。 眼底成像技术发展过程中一个 重要的突破是1979年RobetW曲发明的扫描激光检眼镜(Scanning LaserOphthalmoscope)，它不同于传统的眼底成像技术中所使用的一次照相技术，而是采用扫描成像。用光栅将一个聚焦后的激光光斑在视网膜上扫描，并以高灵度的雪崩光电二极管或光电倍增管为探测器接收反射光，用一个大的出射瞳孔以增强光信号，在分辨率方面不会受损，因为SLO的分辨率取决于在视网膜上扫描的激光光斑的聚焦情况。高灵敏度的探测器和大的出射瞳孔相结合使得SLO的灵敏度甚至超过了配有CCD的眼底照相机，放宽了对视网膜曝光的要求。由于其利用了小的共焦孔径，所以将横向分辨率提高了1．4倍，它的另外一个优点是利用共焦孔径可以实现对不同层面成像，即三维成像。，虽然不能对视网膜层析成像，但能够以很高的精度确定视网膜特征的位置。

1.1.4 OCT光学相干层析

光学相干层析(OCT)技术的出现克服了瞳孔和人眼像差的存在对轴向分辨率的限制，它利用低相干光源加一个迈克尔逊干涉仪对眼底进行相千扫描成像，其轴向分辨率仅取决于光源的相千长度， OCT将以前所未有的分辨率探测诸如视网膜色素上皮血管和玻璃体与视网膜界面之间的散射特性，使人们可进一步了解视网膜结构特征。

图2-2 眼底照相机的光学系统

图 7-4 成像透镜组装配图

编辑：黄飞