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广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析

陈蔚霖 常军 赵雪惠 金辉

陈蔚霖, 常军, 赵雪惠, 金辉. 广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0066
引用本文: 陈蔚霖, 常军, 赵雪惠, 金辉. 广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0066
CHEN Wei-lin, CHANG Jun, ZHAO Xue-hui, JIN Hui. Optical system design of a wide-area fundus camera[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0066
Citation: CHEN Wei-lin, CHANG Jun, ZHAO Xue-hui, JIN Hui. Optical system design of a wide-area fundus camera[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0066

广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析

doi: 10.37188/CO.2020-0066
基金项目: 国家自然科学基金
详细信息
    作者简介:

    陈蔚霖(1985—),男,湖南衡阳人,博士研究生,2007年于延边大学获得学士学位,2015年于北京理工大学获得硕士学位,主要从事光学系统设计、医疗光学设备技术等方面的研究。E-mail:new_david139@163.com

    常 军,(1973—),男,江西吉安人,博士,研究员,博士生导师,分别于1994年、1999年、2002年在长春理工大学获得学士、硕士、博士学位,主要研究方向为:光电仪器系统设计、光学系统设计、光电对抗、光电检测。Email:bitchang@bit.edu.cn

    赵雪惠(1997—),女,吉林松原人,硕士研究生,2019年于北京理工大学获得学士学位,主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:15600920918@163.com

    金 辉(1979—),女,吉林长春,博士,副研究员,20013年在长春理工大学获得博士学位,主要研究方向为: 光电仪器系统设计及检测、光电对抗、光电检测。Email:jinhui@ciomp.ac.cn,工作单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences

  • 中图分类号: O439;TH786

Optical system design of a wide-area fundus camera

Funds: National Natural Science Foundation of China (NO.61471039)
  • 摘要: 为了实现对婴幼儿视网膜的筛查,本文设计了广域眼底相机,对该系统所包含的照明系统、成像系统的设计方法进行了探讨。首先,根据James Polans宽视场人眼模型和婴儿眼解剖学数据,建立了婴儿眼模型。接着,提出新的锥形光纤方案用于大视场照明。最后,重点介绍了广域眼底相机的成像系统,包括接触镜、中继物镜的设计方法。设计实例表明:广域眼底相机的视场可以达到130°,对眼底的物方分辨率可以达到10 μm。设计结果符合眼底成像设备国家标准YY0634-2008,满足婴幼儿视网膜筛查的要求。
  • 图  1  广域眼底相机原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of a wide-area fundus camera

    图  2  宽视场婴儿眼模型

    Figure  2.  Wide-field infant eye model

    图  3  增加光束发散角的方法

    Figure  3.  Two methods of increasing divergence angle

    图  5  眼底照度分布图

    图  6  接触镜与矫正镜

    Figure  6.  Contact lens and Correct lens

    图  7  场镜

    Figure  7.  Field lens

    图  8  成像系统设计流程图

    Figure  8.  Flow diagram of design

    图  12  图像仿真

    Figure  12.  Image simulation

    图  9  成像系统Layout图

    Figure  9.  Layout of imaging system

    图  10  MTF曲线

    Figure  10.  MTF diagram

    图  11  场曲与畸变

    Figure  11.  Field curvature and distortion

    表  1  婴儿眼结构参数

    Table  1.   Parameters of an infant eye

    解剖学数据眼模型参数
    曲率半径(mm)厚度(mm)材料曲率半径(mm)厚度(mm)材料
    角膜前表面< 7.62< 0.4nd ≈ 1.384.4280.32参考James Polans模型
    角膜后表面< 6.23.519
    房水< 2.9Nd ≈ 1.342.10参考James Polans模型
    晶状体前表面未知2.9 ~ 4Nd ≈ 1.38~1.446.6332.90参考James Polans模型
    晶状体后表面未知−3.738
    玻璃体12 ~ 13Nd ≈ 1.3412.90参考James Polans模型
    视网膜< 8.5−7.533
    视轴总长17.2 ~ 19.818.22
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    表  2  成像系统部分结构参数

    SurfTypeRadiusmmThicknessmm
    1Standard−4.4283.456
    2Even Asphere−2.7671.728
    3Even Asphere−37.9363.456
    4Even Asphere125.5261.441
    5Standard9.2305.186
    6Standard49.03623.042
    7Standard40.0875.733
    8Standard−35.65610.325
    9Standard−5.9483.853
    10Standard−9.8483.075
    11Standard−11.0614.542
    12Standard−44.7071.097
    13Standard−96.6583.469
    14Standard−13.0752.880
    15Standard23.3082.951
    16Standard−45.3711.395
    17Standard19.5834.928
    18Standard6.1562.452
    19Standard14.4062.386
    20Standard−5.9371.726
    21Standard−18.2790.319
    22Standard13.9612.304
    23Standard9.9113.517
    IMGStandard
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出版历程
  • 网络出版日期:  2020-07-04

广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析

doi: 10.37188/CO.2020-0066
    基金项目:  国家自然科学基金
    作者简介:

    陈蔚霖(1985—),男,湖南衡阳人,博士研究生,2007年于延边大学获得学士学位,2015年于北京理工大学获得硕士学位,主要从事光学系统设计、医疗光学设备技术等方面的研究。E-mail:new_david139@163.com

    常 军,(1973—),男,江西吉安人,博士,研究员,博士生导师,分别于1994年、1999年、2002年在长春理工大学获得学士、硕士、博士学位,主要研究方向为:光电仪器系统设计、光学系统设计、光电对抗、光电检测。Email:bitchang@bit.edu.cn

    赵雪惠(1997—),女,吉林松原人,硕士研究生,2019年于北京理工大学获得学士学位,主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:15600920918@163.com

    金 辉(1979—),女,吉林长春,博士,副研究员,20013年在长春理工大学获得博士学位,主要研究方向为: 光电仪器系统设计及检测、光电对抗、光电检测。Email:jinhui@ciomp.ac.cn,工作单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences

  • 中图分类号: O439;TH786

摘要: 为了实现对婴幼儿视网膜的筛查,本文设计了广域眼底相机,对该系统所包含的照明系统、成像系统的设计方法进行了探讨。首先,根据James Polans宽视场人眼模型和婴儿眼解剖学数据,建立了婴儿眼模型。接着,提出新的锥形光纤方案用于大视场照明。最后,重点介绍了广域眼底相机的成像系统,包括接触镜、中继物镜的设计方法。设计实例表明:广域眼底相机的视场可以达到130°,对眼底的物方分辨率可以达到10 μm。设计结果符合眼底成像设备国家标准YY0634-2008,满足婴幼儿视网膜筛查的要求。

English Abstract

陈蔚霖, 常军, 赵雪惠, 金辉. 广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0066
引用本文: 陈蔚霖, 常军, 赵雪惠, 金辉. 广域眼底相机光学系统的设计与仿真分析[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0066
CHEN Wei-lin, CHANG Jun, ZHAO Xue-hui, JIN Hui. Optical system design of a wide-area fundus camera[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0066
Citation: CHEN Wei-lin, CHANG Jun, ZHAO Xue-hui, JIN Hui. Optical system design of a wide-area fundus camera[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0066
    • 新生儿眼底筛查可以尽早地发现眼睛异常,为医生及早介入治疗提供参考,给家庭和社会减轻负担。在条件允许的情况下,足月新生儿应该在出生7天内进行第一次眼底筛查。除此之外,由于早产儿往往需要在高氧的暖箱中哺养,而吸入高浓度的氧气容易使视网膜血管组织生成大量新生血管,从而产生出血、渗出及机化膜,因此早产儿患有视网膜疾病的可能性非常高。一般应在早产儿出生后4~6周内或者矫正胎龄32周内进行眼底筛查[1]

      对婴幼儿眼底检查常用的设备有:直接/间接检眼镜、普通眼底相机和广域眼底相机。直接/间接检眼镜仅适用于观察,不能保存图像。直接检眼镜的视场较小,约为10°;间接检眼镜视场略大,约为30°左右。而眼底相机可以保存图像。普通眼底相机视场约为45°左右,广域眼底相机视场可达到200°[2-5]。对于婴幼儿眼底筛查来说,广域眼底相机一次拍摄即可完成筛查任务,是最为合适的。

      广域眼底相机的典型代表有:Ret-Cam系统,Optomap。Ret-Cam系统是美国Clarity公司所研制的产品,使用最为广泛,有一系列不同视场的检测头,可以更换使用,最大视场可达到130°[6-8]。Optomap是美国Optos公司的产品,视场角可达200°[9-10]。这两款产品的性能优异,但价格高昂,售价均在百万以上。国内尚未见广域眼底相机上市产品相关报道。

    • 图1是广域眼底相机的系统构成图。其中,1是照明光源,由近红外LED和可见光LED构成,2是导光光纤,3是人眼,4是接触镜,5是矫正镜,6是场镜,7是中继物镜,8是图像传感器。图1中,淡黄色区域表示照明范围,红色线条表示成像光线。

      图  1  广域眼底相机原理图

      Figure 1.  Schematic diagram of a wide-area fundus camera

    • 广域眼底相机的基本工作原理为:照明光源1发光,经导光光纤2导入到人眼角膜上,照明光通过瞳孔进入人眼,照亮眼底;照明光经过眼底反射后,携带眼底图像信息经由人眼3、接触镜4、矫正镜5、场镜6、中继物镜7,最终在图像传感器8上聚焦成像。

      照明光源1由近红外LED和可见光LED组合而成。近红外LED持续照明,用于观察和对焦。可见光LED为脉冲光源,用于拍照。近红外在眼底的反射率较高,而且人眼不能感知,所以不会引起不适,人眼瞳孔不会收缩,有利于拍摄。但眼底不同细胞对近红外的反射率的差别不如可见光明显,所以若用近红外照明,拍摄的眼底图像的对比度偏低。采用可见光脉冲光源拍摄,可以获取对比度更好的眼底图像[11-13]

    • 广域眼底相机与普通眼底相机的区别在于照明和成像的范围都更大,这增加了照明系统和成像系统的设计难度,主要体现在:1、照明光束的发散角要更大;2、成像系统的视场更大,边缘视场的像差更大,难以矫正。

      在进行广域眼底相机的设计之前,首先要研究婴儿眼的光学属性,本文在James Polans宽视场人眼模型[14]和婴幼儿眼解剖学数据的[14-15]基础上,建立了宽视场婴儿眼模型,如图2所示。婴儿眼的结构参数如表1所示. 在此基础上,再进行照明系统设计和成像系统设计。

      图  2  宽视场婴儿眼模型

      Figure 2.  Wide-field infant eye model

      表 1  婴儿眼结构参数

      Table 1.  Parameters of an infant eye

      解剖学数据眼模型参数
      曲率半径(mm)厚度(mm)材料曲率半径(mm)厚度(mm)材料
      角膜前表面< 7.62< 0.4nd ≈ 1.384.4280.32参考James Polans模型
      角膜后表面< 6.23.519
      房水< 2.9Nd ≈ 1.342.10参考James Polans模型
      晶状体前表面未知2.9 ~ 4Nd ≈ 1.38~1.446.6332.90参考James Polans模型
      晶状体后表面未知−3.738
      玻璃体12 ~ 13Nd ≈ 1.3412.90参考James Polans模型
      视网膜< 8.5−7.533
      视轴总长17.2 ~ 19.818.22
    • 国家标准GB/T 7247.9-2016.《激光产品的安全 第9部分:非相干光辐射最大允许照射量》[16-17]明确规定了人眼所能允许的最大照射量。

      人眼允许的最大照射量与波长、曝光时间相关。本文所设计的眼底相机使用两种光源,一种为用于对焦和观察眼底像的近红外LED,波长在800 nm附近,作为持续照明光源,照射时间在10分钟以内;另一种为用于拍摄眼底像的白光光源,波长在300~700 nm内,脉冲光源,照射时间在10−3秒到10−1秒之间。参照GB/T 7247.9-2016中对人眼所能允许的最大照射量的规定,这两种情况分别适用公式(1)和公式(2)。

      $${L_{\max }} = \left( {\frac{{1 \cdot {{10}^6}}}{t}} \right){W / {({m^2} \cdot sr)}},$$ (1)
      $${L_{\max }} = \left( {\frac{{5 \cdot {{10}^4}}}{{{C_a} \cdot {t^4}}}} \right){W / {({m^2} \cdot sr)}},$$ (2)

      式(3−2)中,Ca是修正因子,等于光源对人眼的张角,单位是弧度。t是照射时间。W/(m2·sr)是辐亮度单位。已知眼睛感知的最大亮度,可以由公式(3)计算出光源的最大功率。

      $${P_{\max }} = {L_{\max }} \cdot {A_{fundus}} \cdot {\varOmega _{source}}/\eta ,$$ (3)

      公式(3)中,Pmax是光源的最大功率,Lmax是光源最大亮度,Afundus是光源在眼底的照明面积,Ωsourc是照明光束的立体角,η是光源的辐射效率。

      对于近红外LED光源,假设照明时间t=300 s,Ca=1.5 rad,代入公式(1)得到近红外LED最大亮度:

      $${L_{\max }} \approx 8\;000{W / {({m^2} \cdot sr)}}.$$ (4)

      眼底照明面积约为300 mm2 = 0.0003 m2,光纤输出光束立体角约为0.6 sr,LED的辐射效率约为0.3,代入公式(3)可得近红外LED的最大功率不超过:

      $$8\;000*0.000\;3*0.6/0.3 = 4.8W.$$ (5)

      对于白光脉冲LED光源,假设照明时间t = 0.1 s,同理,根据公式(2)和3)可计算出脉冲LED的最大亮度不超过10^7W/(m2*sr),最大瞬时功率不超过3000 W。

      为了确保完全,选择光源时,其功率应在最大允许功率的1/100 ~ 1/10范围内。

    • 广域眼底相机设计的一个难点是,照明范围要大于成像视场,由图3可看出,光纤输出光束的发散角至少要大于1/2成像视场。因此,对于130°广域眼底相机来说,光纤输出光束的发散角要大于65°,相应的光纤的数值孔径要达到sin(65°/2)= 0.537。

      普通的单模光纤的NA一般在0.12左右,多模光纤在0.12~0.4以内,不能满足眼底广域照明的需求。采用锥形光纤作为导光光纤,可以扩大照明光束发散角,可如图3所示。

      图  3  增加光束发散角的方法

      Figure 3.  Two methods of increasing divergence angle

      图3采用在光纤外壁上镀反射膜的锥形光纤来增加光纤数值孔径,从入射端进入的光线在锥形光纤内多次反射,由此可增加出射端光束的束散角。

      对锥形光纤照明效果进行了仿真建模,照明范围如图4所示,照明的均匀性如图5所示。

      图  5  眼底照度分布图

    • 对于大视场角的成像系统,难以通过一次成像做到比较好的矫正各种像差。所以,总体设计思想是把整个系统分成3个部分,分而治之。

      整个成像系统可看成由接触镜+矫正镜,场镜,中继物镜三部分组成。接触镜+矫正镜这一组镜头,完成对眼底成一次中间像。由于视场角大,而且镜片数量不宜过多,所以这两枚镜片均采用偶次非球面,偶次非球面比球面拥有更多的控制面型的参数,矫正像差的能力要比球面强。接触镜的主要作用是减小各视场主光线与光轴的夹角U’,矫正镜的主要作用是补偿接触镜带来的畸变、像散和色差等。初步设计的接触镜+矫正镜如图6所示。

      图  6  接触镜与矫正镜

      Figure 6.  Contact lens and Correct lens

    • 场镜的主要作用是调节系统的出瞳,或者说是调节经由最后光学表面出射的主光线与光轴的夹角U’,同时还要注意减小光瞳像差。由于接触镜和矫正镜带来的光瞳像差较大,场镜也使用了非球面面型来矫正光瞳像差。初步设计后的场镜如图7所示。

      图  7  场镜

      Figure 7.  Field lens

    • 中继物镜的结构比较复杂,一般是从已公开资料中查找合适镜头作为初始结构。根据中间像,可以推定中继系统的主要性能参数。中间像的像高,等于中继系统的物高。由中间像的像方F/#,可以确定中继系统的系统孔径。根据中间像的像高和已选定图像传感器的尺寸,可以确定中继物镜的垂轴放大率β。由此,完全确定中继系统的视场、系统孔径、垂轴放大率。再根据以上这些参数,去查找已公布镜头文件作为初始结构,代入光学设计软件中进行优化设计。

      总体设计流程如图8所示.

      图  8  成像系统设计流程图

      Figure 8.  Flow diagram of design

    • 按照图8所示方法,在光学设计软件中对广域眼底相机成像系统进行设计仿真与分析。表1列出了一个设计样例, 图9图12分别是一项设计实例的Layout图、MTF曲线、场曲和畸变曲线和图像仿真结果。

      图  12  图像仿真

      Figure 12.  Image simulation

    • 表2列出了成像系统的结构参数,图9是优化后的系统结构图。

      表 2  成像系统部分结构参数

      SurfTypeRadiusmmThicknessmm
      1Standard−4.4283.456
      2Even Asphere−2.7671.728
      3Even Asphere−37.9363.456
      4Even Asphere125.5261.441
      5Standard9.2305.186
      6Standard49.03623.042
      7Standard40.0875.733
      8Standard−35.65610.325
      9Standard−5.9483.853
      10Standard−9.8483.075
      11Standard−11.0614.542
      12Standard−44.7071.097
      13Standard−96.6583.469
      14Standard−13.0752.880
      15Standard23.3082.951
      16Standard−45.3711.395
      17Standard19.5834.928
      18Standard6.1562.452
      19Standard14.4062.386
      20Standard−5.9371.726
      21Standard−18.2790.319
      22Standard13.9612.304
      23Standard9.9113.517
      IMGStandard

      图  9  成像系统Layout图

      Figure 9.  Layout of imaging system

    • MTF曲线表明,0°、70°、140°视场在空间频率2 00l p/mm的MTF值分别是0.58、0.38、0.18。该系统的横向放大率β为−0.35, 由此可得物方在200 *0.35 = 70l p/mm的MTF值为0.58、0.38、0.18。按照瑞利判据,一个爱里斑的中心与另一个爱里斑的第一级暗环重合时,刚好能分辨,此时的对比度值为0.15。在全视场范围内,70l p/mm的MTF值均大于0.15,所以全视场内的分辨率能达到70l p/mm,符合眼底照相机标准YY0634-2008[18-20]的要求。

      图  10  MTF曲线

      Figure 10.  MTF diagram

    • 图11所示为系统的场曲与畸变曲线图,场曲与畸变都控制在了合理的范围内。

      图  11  场曲与畸变

      Figure 11.  Field curvature and distortion

    • 图12对原图和利用本文所设计的广域眼底相机光学系统的得到的光学仿真图进行了对比。仿真结果明,该系统可以分辨眼底的血管细节。

    • 广域眼底相机可一次性完成80%以上视网膜的检查,可简化婴幼儿视网膜病变的筛查操作。本文首先建立了宽视场婴儿眼模型,接着提出了一种新的扩大光纤输出光束束散角的方案,以实现大视场眼底照明,然后重点分析了广域眼底相机成像系统的设计思想,设计方法与设计流程。最后的设计实例表明,广域眼底成像系统的视场角可达到140°,成像质量符合眼底照相机标准YY0634-2008,满足婴幼儿视网膜病变的筛查需求。

参考文献 (20)

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