眼底相機(jī)的均勻照明及消雜光干擾設(shè)計(jì)

李 淳，孫 強(qiáng)，劉 英，盧欣霽，2，王 健，孫金霞，2，劉建卓，2，曲 鋒，2

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；

2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049）

眼底相機(jī)的均勻照明及消雜光干擾設(shè)計(jì)

李 淳1，孫 強(qiáng)1，劉 英1，盧欣霽1，2，王 健1，孫金霞1，2，劉建卓1，2，曲 鋒1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；

2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049）

給出了一種新型眼底相機(jī)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)現(xiàn)行眼底相機(jī)照明系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)經(jīng)典的柯勒照明光路進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，得到了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的眼底照明系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)中除網(wǎng)膜物鏡外，只需用到4片透鏡，且眼底照明區(qū)域直徑連續(xù)可調(diào)，充分利用了光能。通過(guò)在照明光路中添加黑點(diǎn)板和環(huán)形光闌，屏蔽了系統(tǒng)99％以上的雜散光，使眼底相機(jī)成像畫(huà)面的信噪比達(dá)到20 dB以上，提高了對(duì)比度。同時(shí)在Gullstrand_Le標(biāo)準(zhǔn)眼模型上，得到一個(gè)均勻度達(dá)95％以上的照明區(qū)域。

眼底照相機(jī)；柯勒照明；眼模型；信噪比（S/N）；均勻度

1 引 言

人眼的視網(wǎng)膜上分布著大量的毛細(xì)血管，是人體內(nèi)唯一能直接觀測(cè)到的毛細(xì)血管。對(duì)這些血管進(jìn)行觀測(cè)，是早期診斷眼病乃至全身多種疾病的重要途徑。視網(wǎng)膜檢查已經(jīng)是現(xiàn)代醫(yī)療診斷的重要組成部分，而眼底相機(jī)就是用來(lái)觀察和記錄視網(wǎng)膜病變的重要工具，它將視網(wǎng)膜成像在探測(cè)器上，醫(yī)生通過(guò)對(duì)所探測(cè)的眼底圖片進(jìn)行觀察分析，即可得到患者眼底的病變信息。因此，眼底相機(jī)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可缺少的重要的眼科器材。1925年，第一臺(tái)眼底相機(jī)誕生于德國(guó)的Zeiss公司。經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，眼底相機(jī)的研發(fā)工作有了相當(dāng)程度的進(jìn)展［1］。

現(xiàn)行的眼底相機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。照明系統(tǒng)完成對(duì)視網(wǎng)膜的照明，成像系統(tǒng)將視網(wǎng)膜成像在探測(cè)器上。相機(jī)系統(tǒng)多采用共軸照明方式［2］，即照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)通過(guò)一塊半反半透板來(lái)共用一組網(wǎng)膜物鏡。不僅成像系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)眼底相機(jī)的性能有重要影響，而且照明系統(tǒng)也是決定眼底相機(jī)性能的重要環(huán)節(jié)，尤其是照明區(qū)域亮度的均勻性直接影響到成像質(zhì)量；其次還要考慮如何屏蔽掉角膜和網(wǎng)膜物鏡所產(chǎn)生的雜散光，這些雜散光一旦進(jìn)入成像系統(tǒng)將會(huì)嚴(yán)重降低成像畫(huà)面的對(duì)比度。雖然在現(xiàn)行的眼底相機(jī)設(shè)計(jì)中充分考慮了以上因素，但是最終的設(shè)計(jì)結(jié)果均較為復(fù)雜。以Visual Pathways公司的產(chǎn)品為例［3］，該公司所生產(chǎn)的眼底相機(jī)，其照明光路除網(wǎng)膜物鏡外，還用了6片透鏡。

本文給出眼底相機(jī)照明系統(tǒng)的一個(gè)新的設(shè)計(jì)，對(duì)經(jīng)典的柯勒照明光路進(jìn)行改良，加入了Gullstrand_Le標(biāo)準(zhǔn)眼模型，將柯勒照明光路和標(biāo)準(zhǔn)眼模型相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足照明均勻度的要求，屏蔽了大部分的雜散光。同時(shí)，系統(tǒng)充分利用柯勒照明的特點(diǎn)，使眼底被照明區(qū)域的大小靈活可調(diào)，有效地利用了光能。

2 眼底照明光學(xué)系統(tǒng)

2.1 屏蔽角膜反射光

照明光束入射人眼的第一層界面是角膜，角膜是位于眼層前壁的一層透明膜，它對(duì)入射人眼的光線有較強(qiáng)的反射作用，反射率達(dá)到4％。在眼底圖像的拍攝過(guò)程中，如果大量的角膜反射光進(jìn)入成像光路，會(huì)使像面背景光增強(qiáng)，湮沒(méi)眼底圖像的某些細(xì)節(jié)；部分角膜反射光甚至?xí)谔綔y(cè)器上聚焦，嚴(yán)重地影響成像質(zhì)量。為避免角膜反射光的影響，采用照明光束從角膜邊緣入射的方法，如圖1所示。圖1（a）中，照明光線以一定的角度入射到角膜上一點(diǎn)，入射光線剛好原路返回，此時(shí)入射光線為臨界狀態(tài)；圖1（b）中，入射光線的入射點(diǎn)高于圖1（a），此時(shí)反射光線被反射出成像光路；圖1（c）中，入射光線的入射點(diǎn)低于（a），此時(shí)反射光線進(jìn)入成像光路。

圖1 邊緣入射人眼照明

為實(shí)現(xiàn)既能使光束從瞳孔邊緣入射到人眼，又能充分利用光能，且保證眼底被拍攝區(qū)域亮度的均勻性，采用環(huán)形光照明的方法。即在照明光源的位置上放置一環(huán)形光闌，照明系統(tǒng)首先將該環(huán)形光闌成像在人眼角膜上，該光闌像外徑的大小等于人眼瞳孔的大小。這樣，照明光束實(shí)際上是沿一環(huán)形從角膜邊緣入射人眼，從而實(shí)現(xiàn)將角膜反射光逸出成像光路的目的。為了絕對(duì)排除角膜的反射光，環(huán)形光斑的內(nèi)徑必須嚴(yán)格大于圖1（a）所示的臨界狀態(tài)，即環(huán)形光斑要有較清晰的輪廓，這就對(duì)環(huán)形光闌的像質(zhì)有較高的要求。但在共軸照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還要兼顧已設(shè)計(jì)好的網(wǎng)膜物鏡，因此照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果往往較為復(fù)雜。本研究采用一個(gè)改良的柯勒照明光路系統(tǒng)，既得到清晰的環(huán)形光斑，又能靈活地控制眼底照明區(qū)域的大小。

2.2 柯勒照明的改良設(shè)計(jì)

柯勒照明已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于顯微鏡照明系統(tǒng)中。柯勒照明光路主要由集光鏡、聚光鏡、視場(chǎng)光闌和孔徑光闌組成，是一個(gè)既能控制照明亮度又能控制照明區(qū)域形狀的光學(xué)系統(tǒng)。將柯勒應(yīng)用于眼底照明系統(tǒng)，可得圖2所示光路。

圖2 柯勒照明應(yīng)用于人眼照明系統(tǒng)

從圖2可以看出，該照明光路主要由集光鏡、聚光鏡、視場(chǎng)光闌和孔徑光闌組成。光源通過(guò)集光鏡成一實(shí)像，在該像面上安放一個(gè)可調(diào)的孔徑光闌，可以控制照明區(qū)域的亮度；集光鏡通過(guò)聚光鏡成像于眼角膜，在集光鏡附近位置放一視場(chǎng)光闌，可以用來(lái)控制入射人眼光斑的大小及形狀。從圖2可以看出，實(shí)際上是光源成像于眼底，因此光源本身是否均勻直接影響了眼底照明的均勻程度。為均勻照明眼底，必須對(duì)此照明光路進(jìn)行改良，本文用一勻光系統(tǒng)來(lái)代替原有光源，如圖3所示。圖3中，由光源和勻光鏡組成勻光系統(tǒng)，取代圖2中的光源。將視場(chǎng)光闌移至勻光鏡的后表面上，將孔徑光闌移至集光鏡的后表面上。這樣，光源通過(guò)勻光鏡、集光鏡和聚光鏡在角膜處成實(shí)像，集光鏡位于一次像面處，在此處安放一環(huán)形光闌可以在角膜處得到環(huán)形照明光斑；視場(chǎng)光闌通過(guò)集光鏡和聚光鏡成像于眼底，視場(chǎng)光闌處于均光系統(tǒng)出口，為均勻光場(chǎng)，因而眼底被照明區(qū)域也為均勻光場(chǎng)。由于視場(chǎng)光闌和眼底的位置為物像共軛，在視場(chǎng)光闌處放一可調(diào)節(jié)的光闌，便可控制眼底被照明區(qū)域的大小和形狀。

圖3 改進(jìn)后的人眼照明系統(tǒng)

2.3 消除鬼像

探測(cè)器接收到的雜散光主要有兩個(gè)來(lái)源：一個(gè)是角膜上的反射光，另一個(gè)是網(wǎng)膜物鏡各表面的反射光。對(duì)于角膜的反射光，按照2.1所述的方法，采用環(huán)形光闌角膜邊緣入射，從而使反射光逸出成像系統(tǒng)，避免其參與成像。網(wǎng)膜物鏡的各個(gè)表面雖然已經(jīng)鍍減反射膜，但實(shí)際上仍會(huì)有一部分光線被反射回去，而由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用共軸照明方式，成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)共用一組網(wǎng)膜物鏡，網(wǎng)膜物鏡各表面的反射光就會(huì)進(jìn)入成像系統(tǒng)，并被探測(cè)器接收形成鬼像。鬼像的存在嚴(yán)重降低成像畫(huà)面的對(duì)比度，降低成像質(zhì)量，因此，要得到高質(zhì)量的眼底畫(huà)面，必須屏蔽掉所有鬼像。這里采用在照明光路中添加黑點(diǎn)板的方式來(lái)消除鬼像。以網(wǎng)膜物鏡的各表面為反射鏡面，以探測(cè)器表面為物面，反向追跡光線，在照明光路中找到與探測(cè)器表面共軛的位置，計(jì)算出在該位置探測(cè)器所成像的大小，在該位置加以相同大小的黑點(diǎn)板即可屏蔽掉參與形成鬼像的雜散光［4］。

有時(shí)在探測(cè)器上會(huì)接受到一個(gè)點(diǎn)像或是一個(gè)環(huán)形影像，這實(shí)際上是光源或環(huán)形光闌被成像在探測(cè)器上，這時(shí)候如果在相應(yīng)的鬼像位置加擋光措施，會(huì)大大減少甚至完全屏蔽掉照明光能量，因此，在設(shè)計(jì)網(wǎng)膜物鏡的時(shí)候，應(yīng)該避免使探測(cè)器面和照明光源對(duì)于網(wǎng)膜物鏡的每個(gè)面處于共軛位置。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例和模擬

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX來(lái)對(duì)眼底相機(jī)照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中加入Gullstrand_Le標(biāo)準(zhǔn)眼模型［5］，照明視場(chǎng)為30°，角膜處環(huán)形光斑尺寸為內(nèi)徑＞4 mm、外徑＜6 mm，眼底均勻照明區(qū)域直徑為10 mm，如圖4所示。為縮短光路的長(zhǎng)度，添加了一個(gè)場(chǎng)鏡，它與網(wǎng)膜物鏡共同組成柯勒光路的聚光鏡；均光系統(tǒng)由兩片透鏡組成；環(huán)形光闌的尺寸為內(nèi)徑7.2 mm、外徑9.8 mm；視場(chǎng)光闌的通光孔徑為25 mm；系統(tǒng)插入3塊黑點(diǎn)板，它們的位置是以探測(cè)器表面為物面，以網(wǎng)膜物鏡的表面為反射鏡面反向追跡光線得到的。網(wǎng)膜物鏡共有5個(gè)表面，從左到右依次記為表面1、表面2、表面3、表面4、表面5，則3塊黑點(diǎn)板依次對(duì)應(yīng)表面2、表面3、表面5的反射，而表面1和表面4所對(duì)應(yīng)的黑點(diǎn)板的位置在光源位置以下，可以不考慮。

圖4 照明系統(tǒng)

3.2 眼底光能量的均勻性模擬［6］

利用光機(jī)設(shè)計(jì)軟件LightTools對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的照明效果進(jìn)行分析。LightTools中設(shè)置光源功率為1W，追跡光線200 000條，眼模型使用Gullstrand_Le標(biāo)準(zhǔn)眼模型。分別分析角膜處照明效果、眼底照明效果和眼底照明能量分布，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5（a）為環(huán)形光闌在角膜處所成的環(huán)形像斑，可見(jiàn)該環(huán)形像斑具有清晰的輪廓，光斑內(nèi)徑為4.2 mm，外徑為5.8 mm。圖5（b）為眼底照明光斑，該光斑覆蓋了眼底直徑為12 mm范圍的照明區(qū)域。在實(shí)際制作中將視場(chǎng)光闌換成通光孔徑可連續(xù)調(diào)節(jié)的光闌，即可實(shí)現(xiàn)眼底照明區(qū)域的靈活控制。圖5（c）為眼底照明能量分布，由圖可以看出，在照明視場(chǎng)中心10 mm的范圍內(nèi)，最高功率密度（Pmax）為0.000 375 W/mm2，最低功率密度（Pmin）為0.000 358 W/mm2，平均功率密度（Pave）為0.000 362 W/mm2。定義照明均勻度為：

則本設(shè)計(jì)中眼底照明的均勻度為95.3％，滿足清晰成像要求。

圖5 眼底光能量均勻性的仿真結(jié)果

3.3 雜散光的控制

設(shè)置LightTools光源功率為100W，探測(cè)器面積為50 mm2，角膜的反射率取4％，網(wǎng)膜物鏡膠合面的反射率取4％，其余表面的反射率取1％，在LightTools中分析角膜反射光和網(wǎng)膜物鏡反射光的屏蔽情況，分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同情況下像面功率密度與總功率表Tab.1 Power density and total power in different conditions

從表1可以看出，在理想情況下，即假設(shè)角膜表面和網(wǎng)膜物鏡各表面均不反射光的時(shí)候，探測(cè)器接收到的完全是來(lái)自眼底的光，功率為0.901 W。而實(shí)際情況下，若不使用黑點(diǎn)板和環(huán)形光闌，探測(cè)器除接收到來(lái)自眼底的信號(hào)能量外，還有來(lái)自角膜表面和網(wǎng)膜物鏡各表面的雜散光，像面總功率為2.294 W，即雜散光功率為1.393 W。雜散光的功率高于信號(hào)光功率，如此高功率的雜散光完全屏蔽了來(lái)自眼底的信號(hào)光。當(dāng)只使用黑點(diǎn)板而不使用環(huán)形光闌的時(shí)候，探測(cè)器同時(shí)也接收了來(lái)自角膜反射的光共1.564 W；當(dāng)只使用環(huán)形光闌而不使用黑點(diǎn)板的時(shí)候，探測(cè)器同時(shí)接收了來(lái)自網(wǎng)膜物鏡各反射面的光共1.638 W；當(dāng)同時(shí)使用環(huán)形光闌和黑點(diǎn)板進(jìn)行消雜處理的時(shí)候，眼底所探測(cè)到的光功率為0.908 W，非常接近理想情況下的0.901 W，此時(shí)系統(tǒng)剩余雜散光為0.007W。由此可見(jiàn)，黑點(diǎn)板和環(huán)形光闌屏蔽掉了系統(tǒng)99.4％的雜散光，使成像畫(huà)面的信噪比達(dá)到21.1 dB，極大地提高了對(duì)比度。

4 結(jié) 論

本文在眼底相機(jī)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，保證了眼底照明的均勻性，并通過(guò)對(duì)經(jīng)典的柯勒照明光路的改良，得到了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的眼底照明系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)中除網(wǎng)膜物鏡外，只需用到4片透鏡，同時(shí)設(shè)計(jì)中充分利用了柯勒照明光路的特點(diǎn)，通過(guò)在一次像面處加可變光闌，使得眼底照明區(qū)域直徑連續(xù)可調(diào)。最后通過(guò)在光路中添加黑點(diǎn)板和環(huán)形光闌的方式，屏蔽了系統(tǒng)99％以上的雜散光，使眼底相機(jī)成像畫(huà)面的信噪比在20 dB以上。

［1］崔桂華.眼底照相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中雜光和鬼像的控制［J］.光電技術(shù)，2006，（26）：139-141.

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［2］蕭澤新.眼底電視光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.光電技術(shù)，2005，（31）：170-172.

XIAO Z X.Optics system design of eyeground television［J］.Opt.Technique，2005，（31）：170-172.（in Chinese）

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［6］SHAPIRO L.New ANSI/IEC standard for projectors［J］.SPIE，1996，2650：209-216.

Design of uniform illum ination system of fundus camera and its stray light shield

LIChun1，SUN Qiang1，LIU Ying1，LU Xin-qi1，2，WANG Jian1，SUN Jin-xia1，2，LIU Jian-zhuo1，2，QU Feng1，2
（1.State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

A new design of illuminating system used in fundus cameras was proposed.The design was a improved system based upon Kohler illumination，and it used the near infrared lightwhich could not be felt by human eye to dealwith the problem of iris shrinking effectwhen illuminating light flashed.The design had only four lenses and the illuminated area could be adjust continuously，meanwhile the energy of the illumination light could be used efficiently.By inserting black dot boards and a ring stop in the light，the design could shield almost99％stray light，and the Ratio of Signal to Noise（S/N）of the system could be up to 20 dB.The Gullstrand_Le standard eyemodel was used in the system，and a uniform illuminated area with the uniformity of 95％could be achieved.

fundus camera；Kohler illumination；eyemodel；Ratio of Signal to Noise（S/N）；uniformity

國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2007AA12Z110）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.60507003）

TH773；TB853.9

A

1674-2915（2010）04-0363-06

2010-03-11；

2010-05-18

李 淳（1982—），男，山東招遠(yuǎn)人，碩士研究生，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。E-mail：xlfd-0830＠163.com