本文關鍵詞：新型大視場消雜光眼底相機光學系統(tǒng)的設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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新型大視場消雜光眼底相機光學系統(tǒng)的設計
楊加強，程德文 *，王慶豐，王涌天
（北京理工大學光電學院，北京 100081） 摘要：設計了一款大視場、免散瞳便攜式眼底相機。綜合考慮接目物鏡被成像和照明系統(tǒng)共 用、人眼的像差和視度差異，采用 16 重結(jié)構進行優(yōu)化設計。設計結(jié)果的視場角達 60?，分 辨率為 200 萬像素，對-8 D 到+1

0 D 的人眼普遍適用，在 120 LP/mm 處各視場的 MTF 均大 于 0.2，畸變小于 5%。為消除角膜反射產(chǎn)生的嚴重雜散光，提出采用 LED 環(huán)形光源改進傳 統(tǒng)科勒式照明光路，不僅保證眼底照明均勻，而且大大提高了系統(tǒng)的光能利用率，以及大幅 降低了光學系統(tǒng)的復雜程度。 為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中接目物鏡雜散光無法消除的難題， 首次提 出采用偏振分光棱鏡代替系統(tǒng)中的分光鏡， 同時在接目物鏡前端加入 1/4 波片， 消除了 99.5% 以上的由接目物鏡反射產(chǎn)生的雜光。 關鍵詞：光學設計；眼底相機；消雜光設計；PBS；環(huán)形光源 中圖分類號 TH744 文獻標識碼 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 基金項目：國家自然科學基金資助項目(61178038)、國家基礎研究計劃（973）項目（2011CB706701）資助 項目 作者簡介：楊加強（1988-），男，碩士研究生，主要從事成像光學系統(tǒng)設計，光機集成分析方面的研究。 Email：jiaqiang1988-2006@163.com *通信聯(lián)系人：程德文（1982-），男，博士，副教授，主要從事新型光學系統(tǒng)設計、光學 CAD/CAE，3D 成像顯示技術等方面的研究。Email：cdwlxk@bit.edu.cn。

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OCIS c odes

220.0220；220.3620

1 引言 人眼視網(wǎng)膜上分布的毛細血管，是人體內(nèi)唯一能夠直接觀測到的小動脈，小 靜脈[1]。對人眼底血管的檢測，是早期診斷眼疾病的重要依據(jù)。例如，糖尿病性 視網(wǎng)膜病變是糖尿病患者致盲的主要原因，已經(jīng)成為患者致盲的四大病變之一
[2]-[4]

。 但糖尿病性視網(wǎng)膜病變有可能病發(fā)數(shù)年而不出現(xiàn)明顯的視網(wǎng)膜病變， 因此，

在患者出現(xiàn)明顯視力障礙之前，提早進行視網(wǎng)膜篩查，是及時發(fā)現(xiàn)病變、及時治 療的唯一有效途徑。此外，像冠心病、高血壓等疾病，也可以通過進行早期的視 網(wǎng)膜篩查，及早發(fā)現(xiàn)、進行及時治療。眼底照相機是用于對視網(wǎng)膜進行成像的重 要眼科設備，是醫(yī)生進行視網(wǎng)膜檢查的重要手段。因此，眼底相機是現(xiàn)代醫(yī)學中 必不可少的眼科器材。 從 1925 年德國蔡司公司研制的第一臺眼底相機開始[5]，大部分眼底相機的 成像和照明系統(tǒng)共用接目物鏡，以及采用共軸照明光路[6]-[7]。眼底相機光學系統(tǒng) 設計的一個關鍵因素是消除角膜和接目物鏡反射產(chǎn)生的雜散光。 由于視網(wǎng)膜的反 射率非常微弱，遠遠低于角膜和接目物鏡的反射率，如果不采取雜光抑制措施， 眼底在 CCD 上所成的圖像會被淹沒在雜散光中。為了消除角膜反射的影響，照 明系統(tǒng)必須將光源在角膜上照射成環(huán)形光斑。 傳統(tǒng)設計方法在科勒照明系統(tǒng)中加 入環(huán)形擋光板[8]，大幅降低了系統(tǒng)的光能量利用率。本文采用環(huán)形光源，直接將 其成像在角膜處得到環(huán)形光斑，既簡化了照明系統(tǒng)，又提高了光能利用率。為了 消除接目物鏡產(chǎn)生的雜散光，常規(guī)方法是在照明系統(tǒng)中加入黑點板[5]。黑點板的 使用增加了系統(tǒng)計算和結(jié)構的復雜程度。本文提出了采用偏振分光鏡和 1/4 波片 結(jié)合的方法消除接目物鏡產(chǎn)生的雜散光。 在傳統(tǒng)設計方法中，成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的設計一般分開進行，容易造成因 照明效果達不到要求而導致設計過程反復。為此，本文采用一體化設計方法，將 照明和成像系統(tǒng)作為整體同步優(yōu)化， 充分發(fā)揮接目物鏡的像差校正能力，保證最 終設計更合理。同時，本論文的眼底相機采用了 60°的大視場角設計，可以觀 測更大范圍的眼底圖像。 2 系統(tǒng)優(yōu)化設計
2.1 設計難點和設計指標

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2.1.1 設計難點

眼底相機主要由成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成。在對眼底相機的設計中，主要存 在以下設計難點： （1）成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)共用一組接目物鏡，需要進行共光路設計； （2）消雜光設計是眼底相機設計的另一難點。角膜反射和接目物鏡反射產(chǎn)生的 雜散光對系統(tǒng)成像質(zhì)量影響很大，甚至比眼底反射回來的光要強數(shù)倍。 （3）眼底相機需要滿足對不同視度人眼普遍適用，觀瞄和成像系統(tǒng)還需要具有 一定的調(diào)焦能力。
2.1.2 設計要求

在正常情況下，人眼的瞳孔直徑為 2-8mm，眼底相機必須保證在滿足此條件 下工作。 為保證能獲得清晰的眼底圖像， 在成像系統(tǒng)中選用的 CCD 像素數(shù)為 200 萬，成像系統(tǒng)的 MTF 值必須滿足在 120 LP/mm 處大于 0.2。為了保證能對眼底 更大范圍內(nèi)清晰成像，選取系統(tǒng)視場角為 60°。為了保證眼底圖像不失真，要求 畸變值不超過 5%。此外，照明系統(tǒng)必須保證能對眼底進行充分、均勻的照明， 照明系統(tǒng)的照明均勻度必須大于 90%。
2.2 成像系統(tǒng)設計

成像系統(tǒng)由接目物鏡和成像物鏡兩部分組成。 由于接目物鏡為成像系統(tǒng)和照 明系統(tǒng)共用， 同時要保證對不同視度人眼的調(diào)焦能力，要求接目物鏡所成中間像 的像差尤其是畸變要足夠小。為滿足上述要求，在設計過程中利用 CODE V 的 多重結(jié)構功能對不同視度的人眼模型和接目物鏡共設置 16 重結(jié)構（可見和近紅 外波段各 8 重結(jié)構） ， 進行同步優(yōu)化設計。選取成像系統(tǒng)的初始結(jié)構如圖 1 所示。 成像系統(tǒng)的接目物鏡由 4 片透鏡組成， 成像物鏡由 6 片透鏡組成。圖 2 為在可見 光和近紅外波段下成像系統(tǒng)對正常人眼的 MTF 曲線。圖 2 中，在 120 線對處， 可見光和近紅外波段下的 MTF 值均低于 0.2，此外在其他光屈度時的 MTF 值均 低于對正常人眼的 MTF 值， 成像系統(tǒng)不能滿足和 200 萬像素 1/2 英寸的 CCD 配 合使用的要求。因此需要對成像系統(tǒng)的設計進行修改。

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圖 1 成像系統(tǒng)初始結(jié)構光路圖 Fig.1The starting point of the imaging system

(a) 可見光波段成像系統(tǒng)的 MTF 曲線 (b) 近紅外波段成像系統(tǒng)的 MTF 曲線 (a) MTF curves in visible wavelength (b) MTF curves in near-infrared wavelength 圖 2 可見光和近紅外波段下成像系統(tǒng)對正常人眼的 MTF 曲線 Fig.2 MTF curves of imaging system for normal eyes in visible and near-infrared wavelength

利用光學設計軟件 CODE V 對成像系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。設計過程中綜合考 慮了成像系統(tǒng)的畸變， 色差等各種像差， 最終優(yōu)化得到了如圖 3 所示的成像系統(tǒng)。 相比于初始結(jié)構，該系統(tǒng)在接目物鏡和成像物鏡各減少一片透鏡，并且系統(tǒng)的 MTF 曲線在可見光和近紅外波段都有了很大的提高。

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圖 3 眼底相機的成像光路示意圖 Fig.3 The layout of the optimized imaging system

圖 4 為在可見光波段下成像系統(tǒng)對于正常人眼的 MTF 曲線和畸變曲線。成 像系統(tǒng)各個視場在 120 LP/mm 處的 MTF 值均大于 0.2， 滿足成像系統(tǒng)中使用 200 萬像素 1/2 英寸的 CCD 的要求。同時成像系統(tǒng)的畸變在全視場范圍內(nèi)均不超過 5%，保證了最終獲得的眼底圖像不失真。

(a) 成像系統(tǒng)的 MTF 曲線 (b) 成像系統(tǒng)的畸變圖 (a) MTF Curves of the imaging system (b) distortion of the imaging system 圖 4 成像系統(tǒng)的 MTF 曲線和畸變圖 Fig.4 MTF Curves and distortion of the optimized imaging system

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(a) 接目物鏡的 MTF 曲線 (b) 接目物鏡的畸變圖 (a) MTF curves of the eye-piece objective lens (b)distortion of the eye-piece objective lens 圖 5 接目物鏡的 MTF 曲線和畸變圖 Fig.5 MTF curves and distortion of the eye-piece objective lens

接目物鏡的 MTF 曲線和畸變?nèi)鐖D 5 所示。從圖 5 中可以看出，在成像系統(tǒng) ±7°視場范圍內(nèi)， 由接目物鏡所成中間像的 MTF 曲線非常接近衍射極限。 接目 物鏡的像差得到了有效的校正， 并且中間像在相同范圍內(nèi)的畸變值不超過 0.5%， 滿足系統(tǒng)設計要求。 此外，通過調(diào)節(jié) CCD 對系統(tǒng)進行調(diào)焦，能夠保證對人眼-8 D 到+10 D 范圍 內(nèi)清晰成像。 為了滿足觀察瞄準系統(tǒng)和攝影系統(tǒng)的成像要求，系統(tǒng)還要對可見和 近紅外波段清晰成像。 本文所述成像系統(tǒng)在近紅外和可見光波段下，對不同視度 人眼的 MTF 曲線如圖 6 所示。

(a) 可見光波段 MTF 變化曲線 (b) 近紅外波段 MTF 變化曲線 (a) MTF curves in visible wavelength (b) MTF curves in near-infrared wavelength 圖 6 可見光和近紅外波段下 120 線對處的 MTF 值隨人眼視度的變化曲線 Fig.6 MTF curves with different diopter in 120 LP/mm in visible and near-infrared wavelength

圖 6 給出在 120 LP/mm 處子午方向各個視場的 MTF 值隨人眼視度的變化曲

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線。在弧矢方向以及小于 120 LP/mm 的各線對處，MTF 值均好于圖中的結(jié)果。 由圖 6 可以看出從-8 D 到+10 D 的范圍內(nèi)，各點的 MTF 值均能大于 0.2，并且各 點在 120 LP/mm 處的 MTF 值變化不大，滿足成像系統(tǒng)對于視度從-8 D 到+10 D 的人眼均清晰成像的設計要求。
2.3 照明系統(tǒng)設計

照明系統(tǒng)采用共軸照明方式對人眼進行照明。人眼本身不發(fā)光，需要加入外 部光源將眼底照亮， 并由成像系統(tǒng)接收眼底的反射光。 由于人眼角膜的反射很強， 產(chǎn)生的雜散光對系統(tǒng)成像影響比較嚴重， 因此需要在眼瞳處形成一個環(huán)形光斑對 眼底進行照明，以降低眼角膜的反射[8]。本文提出利用近紅外和白光閃光 LED 交替排列成環(huán)形光源， 通過照明系統(tǒng)的勻光鏡和接目物鏡將光源直接成像在眼瞳 處，以得到尺寸合適的環(huán)形光斑。具體設計光路如圖 7 所示。如圖 7，白光 LED 作為系統(tǒng)的閃光燈，用于對眼底圖像進行拍照；近紅外 LED 用于對眼底圖像進 行實時觀察。白光閃光 LED 和近紅外 LED 均勻排列成一個圓環(huán)，有利于照明系 統(tǒng)對眼底進行均勻充分的照明。

圖 7 照明系統(tǒng)結(jié)構示意圖 Fig.7 Optical layout of the illumination System 2.4 系統(tǒng)消雜光設計

通過控制照明光斑在眼瞳處的尺寸，可以降低角膜反射對系統(tǒng)的影響。此 外， 由于照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)共用一組接目物鏡，接目物鏡的雜散光也是嚴重影 響系統(tǒng)成像質(zhì)量的雜光之一。 目前存在的眼底相機中，大多數(shù)采用在照明系統(tǒng)的 合適位置設置黑點板的方法來消除接目物鏡的雜散光，系統(tǒng)計算復雜。

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本文采用新的方法消除接目物鏡的雜散光。 在接目物鏡與成像物鏡之間加入 偏振分光棱鏡代替半反半透鏡，并在接目物鏡與眼睛之間加入 1/4 波片。由光源 發(fā)出的光線經(jīng)過偏振分光棱鏡后，垂直分量的線偏振光反射后依次經(jīng)過接目物 鏡、1/4 波片然后進入眼睛。由眼底反射回來的光再經(jīng)過 1/4 波片和接目物鏡后 經(jīng)偏振分光棱鏡透射到成像物鏡。 由于經(jīng)過偏振分光棱鏡反射的線偏振光相位只 有改變 π[9]才能透射，因此應用此方法只能透過由眼底反射回來的光線，從而消 除了接目物鏡的雜散光。 3 光路追跡結(jié)果與分析
3.1 設計實例

本文選取照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)共用一組接目物鏡的共軸照明結(jié)構形式[10]， 利 用光學設計軟件 CODE V 對系統(tǒng)進行優(yōu)化。系統(tǒng)參數(shù)如表 1 所示。
表 1 設計實例的系統(tǒng)參數(shù)表 Table 1 System parameters of the example Eye model Entrance pupil diameter Field view angle Light source diameter Illumination annulus diameter 3.2 照明均勻性模擬 Liou-Brennan eye model 3 mm 60° Inner 8 mm，outer 12 mm Inner 3 mm，outer 6 mm

利用 LightTools 對照明系統(tǒng)進行模擬仿真，并進行照明效果分析。設置光源 功率 100W，光源發(fā)散角 30°，追跡光線 1 千萬條。圖 8 為得到的照明效果圖。 圖8 （a） 為在眼睛角膜處得到的環(huán)形光斑照明效果圖， 光斑內(nèi)徑 3mm， 外徑 6mm； 圖 8（b）為得到的在視網(wǎng)膜上的照明效果圖。照明系統(tǒng)能夠?qū)ρ鄣字睆?20mm 的區(qū)域內(nèi)照明；圖 8（c）為眼底的照明能量分布圖。

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圖 8 眼底照明均勻性仿真效果圖 Fig.8 Simulation of Illumination Uniformity in fundus

圖 8（c）所示的照度分布曲線圖中，±4.47mm 對應眼底 30°（±15°）范圍 內(nèi)的照明區(qū)域，中心點的功率密度 Pcenter 最高，為 0.01286W/mm2，30°照明區(qū)域 內(nèi) 85% 位 置 上 的 功 率 密 度 P85% ， 為 0.01166W/mm2 ， 最 大 功 率 Pmax 為 0.01286W/mm2。定義照明均勻度 U 為[11]：
P ? P85% 1 ? center U= ×100% Pmax

本文設計的照明系統(tǒng)對眼底 30°范圍內(nèi)照明的均勻度達到 90.7%，滿足照明 系統(tǒng)要求。 3.3 消雜光分析與抑制 利用 LightTools 進行照明系統(tǒng)模擬仿真，其結(jié)構如圖 9 所示。設置光源發(fā)散 角 30°，功率 100W，角膜反射率 4%，其余表面反射率 1%，使用 PBS 進行分析 時，設定 PBS 的 P 光透過率 97%，S 光反射率 100%，采用半反半透鏡代替 PBS 分析時，設定半反半透鏡反射率 50%，透過率 48.5%，各自追跡 1 千萬條光線， 表 2 列出了詳細分析結(jié)果。在不引入任何消雜光措施的情況下，CCD 像面接收 到的功率為 1.6618 W，其中由視網(wǎng)膜反射的功率為 1.1289 W，其他各面產(chǎn)生的 雜光為 0.5329 W， 加入 PBS 后由視網(wǎng)膜反射的功率為 1.1289 W， 雜光為 0.03472 W，雜光盡占總量的 3%甚至更低。對于接目物鏡產(chǎn)生的雜散光影響，通過加入 PBS 和四分之一波片，消除了 99.5%以上的雜光；對角膜產(chǎn)生的雜光，在使用環(huán) 形光源的情況下，加入 PBS 能夠抑制 92%以上的剩余雜光，由此可見，系統(tǒng)中

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的雜光得到了很好的抑制。

圖 9 LightTools 中眼底相機的三維結(jié)構圖 Fig.9 The 3D structure of fundus camera in LightTools

從表 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 視網(wǎng)膜反射的能量并未改變。角膜反射受到抑制的原因在于若保持 PBS 透射軸 的旋轉(zhuǎn)角相對于 1/4 波片的快軸為 0°時，，由 PBS 反射產(chǎn)生的線偏振光，經(jīng)過角 膜反射和兩次 1/4 波片的透射后仍為線偏振光， 且振動方向不變， 因此不能經(jīng) PBS 透射，即達到抑制角膜反射光的效果。對于視網(wǎng)膜反射未受到抑制的現(xiàn)象，經(jīng)在 LightTools 中對多種眼模型進行大量驗證實驗后可知，入射到眼睛的線偏振光， 在眼睛內(nèi)進行多次的散射和反射后，出射光偏振態(tài)接近自然光。因此系統(tǒng)中無論 是否加入 PBS， 入射到眼睛內(nèi)的光都以自然光出射， 最終到達像面的能量也就不 會因使用 PBS 改變。
表 2 加入 PBS 和不加入 PBS 時各表面的反射情況 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 結(jié)論 本文設計了一種便攜式免散瞳眼底相機，具有如下特點：首先照明光源采用 由近紅外 LED 和白光閃光 LED 交替排列組成的環(huán)形光源。相比于傳統(tǒng)光源，環(huán) 形光源大大提高了系統(tǒng)的能量利用率和光源壽命， 并滿足了降低角膜反射產(chǎn)生的

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雜散光和均勻照明的要求； 其次， 利用 PBS 和 1/4 波片消除接目物鏡反射產(chǎn)生的 雜散光，通過 LightTools 進行仿真，可以消除接目物鏡產(chǎn)生的 99.5%以上的雜散 光，雜光抑制效果明顯；第三，系統(tǒng)采用大視場設計，全視場角 60°，并能在近 紅外和可見光范圍內(nèi)對-8D 到+10D 的人眼均清晰成像。

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附：創(chuàng)新點 1、環(huán)形光源 為了消除角膜反射的影響， 傳統(tǒng)方法采用在照明系統(tǒng)中加入環(huán)形光闌。照明 系統(tǒng)先將光源在環(huán)形光闌處成一次中間像， 再由中空反射鏡或系統(tǒng)的其他部分最 終將光源成像在眼瞳處。本文采用由近紅外和白光 LED 交替排列組成的環(huán)形光 源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源， 系統(tǒng)中不再加入環(huán)形光闌， 而是將環(huán)形光源直接成像在眼瞳處， 不僅保證眼底照明均勻， 消除了角膜反射光， 而且大大提高了系統(tǒng)的光能利用率， 以及大幅簡化了光學系統(tǒng)的復雜程度。 2、一體化優(yōu)化設計方法 由于接目物鏡為成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)所共用，對眼底相機設計中，相比于傳 統(tǒng)設計方法， 本文采用一體化優(yōu)化設計方法，對成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)進行同步設 計。同時，為保證系統(tǒng)能分別在可見和近紅外波段對不同視度的人眼適用，系統(tǒng) 中在從-8D 到+10D 加入 16 重結(jié)構。 3、PBS+1/4 波片消雜光方法 為了消除接目物鏡產(chǎn)生的雜散光，普遍采用的方法是在照明系統(tǒng)中，接目物 鏡各個面的共軛位置處加入黑點板，以阻擋產(chǎn)生接目物鏡雜散光的光線。本文采 用通過 PBS 代替系統(tǒng)中的分光鏡， 同時在接目物鏡前端加入 1/4 波片的方法消除 雜光。通過對系統(tǒng)進行仿真分析，此方法可以將接目物鏡反射光降到 0.5%以內(nèi)。 角膜反射光降到系統(tǒng) 3%以內(nèi)。此外，設計中省略了黑點板，大大簡化了光學系 統(tǒng)的復雜程度。



  本文關鍵詞：新型大視場消雜光眼底相機光學系統(tǒng)的設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。