便携式数字检眼镜光学系统设计

　　眼底检测仪器主要有检眼镜、裂隙灯显微镜、眼底照相机等。直接检眼镜具有操作简便和便携的特点。但是其存在检查距离近、视野小、照明度低等缺点，且其检查只能通过描述、绘图的方式进行记录，使检查结果的可比性、存储性受到很大的限制。数字眼底照相机则有效避免图像存储性差的缺陷，并且可以对采集的眼底图像进行相应的图像处理，但其体积大，便携性差。裂隙灯显微镜也存在体积大，且设计结构复杂。通过对上述三种仪器的原理和使用方式的比较，提出一种新型兼有检眼镜和眼底照相机功能的便携式数字检眼镜。本文针对便携式数字检眼镜的光学系统进行了优化设计，满足了检眼镜小型化和图像数字化处理要求，实现了眼底图像的显示、存储和后期图像处理。

　　1 便携式数字检眼镜工作原理

　　眼底检测仪器依据照明光路与照相系统的光轴角度可将系统分为分离式和共轴式两种。由于共轴系统能较好地避免反射光和杂散光，因此被大多数仪器设计所采用。图 1 示出便携式数字检眼镜原理结构。光线通过平凸聚光镜以平行光出射，投射镜与反射镜组合类似于传统梅式棱镜，将平行光线会聚、转向，通过中空反射镜和补偿镜在瞳孔处形成内径约4mm，外径约8mm的环形光束，照亮眼底。

　　眼底被照亮后平行光出射，在补偿镜后焦平面第一次成像，经过中空反射镜、成像物镜落在 CCD 光敏元上，通过 CCD 的光电转换，模数转换在液晶显示模块上成像。所成眼底图像可进行相应的显示和存储，并可通过USB口将成像结果上传PC进行存档和图像后期处理。

　　2 光学系统设计

　　2.1 参数设定

　　2.1.1 视场角

　　眼底临床检查主要为视神经盘、黄斑部和视网膜血管的特征和病变检查。黄斑部直径约为1.5mm，中央凹直径约为 0.3 ～ 0.4mm，在黄斑的鼻侧稍偏上方约 3.5mm处为视神经盘，中央有视神经和视神经中央动、静脉穿过。根据临床检测需要，眼底观察范围一般在 12 ～ 14mm。根据公式(1)，所取眼底图像直径yeye=2×17×tan =14mm，即 2 =44.76°，依据光路的可逆性，光线以45°入射成像物镜。

　　式中：y 为物高， 为眼睛的焦距， 为视角。

　　2.1.2 像空间

　　为避免杂散光进入成像物镜，相比于环形光中心暗斑，成像物镜孔径光阑的口径要小一些，即进入成像系统的光线应控制在中心暗斑区(F/# 4)，F/#取 2.8。

　　2.1.3 焦距

　　为避免CCD接收的图像存在周边暗区，所成图像直径应大于 CCD 对角线长度。取 1/4 英寸 CCD，则对角线长度 4mm，光线水平入射成像物镜，因此CCD应置于成像物镜像方焦平面处，根据公式(1)可知，成像物镜焦距 =2/tan22.5°=4.83mm