基于眼模型的数字眼底相机设计

　　1　引　言

　　视网膜是一层结构高度复杂的薄膜,是人眼非常重要的组成部分,在眼睛中的地位相当于光学系统中的接收屏幕。对视网膜的血管网络进行观测,可以诊 断出相关眼病,甚至可以作为全身许多疾病的早期诊断依据,如冠心病、糖尿病、高血压等。因此,眼底的观测图是临床诊断的重要参考。至今,眼底相机已有多年 的发展历史。德国Zeiss公司于1925年研制出世界第一台眼底相机之后,经过各国科学家的努力,目前在世界范围内已有多家厂商生产了多种形式的眼底相 机,主要包括:手持式、台式、电视式以及体视相机。而在国内,眼底相机的发展相对落后,多数依赖进口,然后进行数字化改造,且多为台式相机,较为笨重。

　　迄今的眼底相机设计中,只单方面地对外部的摄影系统进行像差校正,没有考虑对被测人眼的影响,成像质量并非十分理想。事实上,作为整个光路一部 分的被测人眼,本身就是一个复杂的光学系统,而且因人而异。其像差,特别是色差,会明显降低眼底成像质量[1-2]。所以在以往设计中,无论多么精确地改 进摄影系统,最终的成像质量都难以有所突破。

　　如果要求成像达到细胞水平,则必须考虑人眼本身的结构和其像差对成像质量的影响。文献[3]和文献[4]的研究者将自适应光学技术引入到眼底成 像中,考虑了人眼的光学结构的影响,获得了细胞级清晰度的眼底成像[3-4]。然而自适应光学系统需要对不同客体进行不同的波像差测量和校正,不仅系统复 杂,而且对于白光照明成像存在局限性。

　　本文引入普适的Gullstrand-Le Grand眼模型[5-6],作为对实际人眼的模拟,进行了眼底相机的设计,虽然没有考虑眼睛高阶像差的影响,但是解决了眼睛自身的色差问题,从而适用于 白光照明。所设计的小型手持式眼底相机,具有高清晰度和较大调节范围的特点。

　　2　设计原理

　　眼底相机一般由摄影系统、照明系统和观察瞄准系统3部分组成。摄影系统将眼底的细胞成像于CCD的光靶面上;照明系统将充足的光照通过环形光阑 引入眼底;观察系统为医生提供了观察患者眼底病灶和对非正常眼进行调焦的平台。照明系统:由于眼底本身不发光,要对其成像就需要外部照明。而人眼角膜对光 的反射作用较强,尤其是角膜中心曲率大的区域,会引入较强杂散光,影响成像系统的分辨率。因此,照明系统在满足成像所需光照的同时,还需尽量避免角膜杂散 光对成像的不良影响。环形光阑和共轴照明相结合的照明系统应为首选,因为环形光阑可以成功避开角膜中心反射最强的区域,使光从其外环进入,从而减少了杂散 光的反射;而共轴照明则可以保证光照的均匀性。