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

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

陈蔚霖^1,,
常军^1,,
赵雪惠^1,,
金辉^2, ,

1.
北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033

基金项目: 国家自然科学基金 (No.61471039)

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，吉林长春人，博士，副研究员，2013年于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

中图分类号: O439；TH786
计量
- 文章访问数: 3682
- HTML全文浏览量: 1289
- PDF下载量: 379
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2020-04-17
- 修回日期: 2020-05-27
- 刊出日期: 2020-08-01

Optical system design and simulation of a wide-area fundus camera

CHEN Wei-lin^1
,,
CHANG Jun^1
,,
ZHAO Xue-hui^1
,,
JIN Hui^{2
, ,}

1.
School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and Systems of the Ministry of Education of China, Beijing 100081, China
2.
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No.61471039)

More Information

Corresponding author: jinhui@ciomp.ac.cn

摘要

摘要: 本文设计了一种用于婴幼儿视网膜筛查的广域眼底相机。文中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。
- 光学设计 /
- 广域视网膜成像 /
- 医用光学
Abstract: A wide-area fundus camera used for screening the retinae of infants was designed. In this paper, the design methods of the device’s illuminating and imaging systems were investigated. Based on James Polans’ wide-field human eye model and a set of ophthalmic anatomy data, an infant eye model was established. Then, a tapered fiber scheme was proposed for wide area illumination. Finally, the design method of a wide-area fundus camera imaging system, including the contact lens and relay lens, is introduced. The design example shows that the Field Of View (FOV) of the wide-area fundus camera can reach 130°, and the object resolution of the fundus can reach 10 μm. The design results meet the national standards YY0634-2008 for fundus imaging equipment and meet the requirements for infant retina screening.
- optical design /
- wide-area retinal imaging /
- medical optics

HTML全文

图 1 广域眼底相机原理图

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 宽视场婴儿眼模型

Figure 2. Wide-field infant eye model

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 增加光束发散角的方法

Figure 3. Method of increasing divergence angle

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 锥形光纤照明范围的仿真结果

Figure 4. Simulation results of illumination range of tappered fiber

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 锥形光纤照度均匀性的仿真结果

Figure 5. Simulation results of illumination uniformity of tappered fiber

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 接触镜与矫正镜的初步设计结果

Figure 6. Initial design results of contact lens and correct lens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 场镜的初始设计结果

Figure 7. Initial design results of field lens

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 成像系统设计流程图

Figure 8. Flow chart of imaging system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 成像系统布局图

Figure 9. Layout of imaging system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 成像系统的MTF曲线

Figure 10. MTF diagram of proposed imaging system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 成像系统的场曲与畸变

Figure 11. Field curvature and distortion of proposed imaging system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 原图（a）和利用本文广域眼底相机光学系统（b）所得的仿真图

Figure 12. (a) Original image and (b) simulation image obtained by optical system in proposed wide-area fundus camera

下载: 全尺寸图片幻灯片

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	< 0.4	Nd ≈ 1.38	4.428	0.32	参考James Polans模型
角膜后表面	< 6.2	−	−	3.519	−	−
房水	−	< 2.9	Nd ≈ 1.34	−	2.10	参考James Polans模型
晶状体前表面	未知	2.9 ~ 4	Nd ≈ 1.38~1.44	6.633	2.90	参考James Polans模型
晶状体后表面	未知	−	−	−3.738	−	−
玻璃体	−	12 ~ 13	Nd ≈ 1.34	−	12.90	参考James Polans模型
视网膜	< 8.5	−	−	−7.533	−	−
视轴总长	17.2 ~ 19.8			18.22

下载: 导出CSV

表 2 成像系统结构参数

Table 2. Parameters of imaging system

Surf	Radius (mm)	Thickness (mm)	Glass
Surf	Radius (mm)	Thickness (mm)	nd	vd
1	−4.428	3.456	1.67	55
2	−2.767	1.728
3	−37.936	3.456	1.85	40
4	125.526	1.441
5	9.230	5.186	1.67	55
6	49.036	23.042
7	40.087	5.733	1.76	27
8	−35.656	10.325
9	−5.948	3.853	1.73	2
10	−9.848	3.075
11	−11.061	4.542	1.85	24
12	−44.707	1.097
13	−96.658	3.469	1.57	56
14	−13.075	2.880
15	23.308	2.951	1.59	61
16	−45.371	1.395
17	9.583	4.928	1.83	37
18	6.156	2.452
19	14.406	2.386	1.59	61
20	−5.937	1.726	1.92	21
21	−18.279	0.319
22	3.961	2.304	1.59	61
23	9.911	3.517
IMG

下载: 导出CSV

参考文献(19)

[1]	赵堪兴, 杨培增. 眼科学[M]. 8版. 北京: 人民卫生出版社, 2013. ZHAO K X, YANG P Z. Ophthalmology[M]. 8th ed. Beijing: People's Medical Publishing House, 2013. (in Chinese)
[2]	李蕊, 刘永基, 王肇圻. 基于个体眼光学结构的波前眼镜设计[J]. 中国光学,2012,5(5):512-519. LI R, LIU Y J, WANG ZH Q. Design of wavefront-guided lens based on individual eye optical model[J]. Chinese Optics, 2012, 5(5): 512-519. (in Chinese)
[3]	王植.广域数字眼底成像关键技术研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2017. WANG ZH. Research on key technique of wide-area digital fundus imaging technology[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2017. (in Chinese)
[4]	姚凤莹, 沈建新, 陈华. 婴幼儿视网膜广域成像关键技术研究[J]. 光学与光电技术,2018,16(6):63-70. YAO F Y, SHEN J X, CHEN H. Study on key techniques of wide-area retinal imaging for infant[J]. Optics &Optoelectronic Technology, 2018, 16(6): 63-70. (in Chinese)
[5]	王业顺, 沈建新. 广域视网膜成像技术研究[J]. 应用光学,2018,39(1):35-39. doi: 10.5768/JAO201839.0101007 WANG Y SH, SHEN J X. Research of wide-area retinal imaging technique[J]. Journal of Applied Optics, 2018, 39(1): 35-39. (in Chinese) doi: 10.5768/JAO201839.0101007
[6]	沈冬玲, 张光华, 马娟, 等. 应用RetCam3行足月新生儿视网膜筛查的临床研究[J]. 中国实用医药,2019,14(22):26-27. SHEN D L, ZHANG G H, MA J, et al. Clinical study of RetCam3 for full-term neonatal retinal screening[J]. China Practical Medicine, 2019, 14(22): 26-27. (in Chinese)
[7]	张国明, 曾键, 黄丽娜, 等. 广角数码儿童视网膜成像系统引导下激光光凝治疗早产儿视网膜病变[J]. 中华眼底病杂志,2008,24(1):17-19. ZHANG G M, ZENG J, HUANG L N, et al. Wide-field digital pediatric retinal imaging system-assisted photocoagulation for retinopathy of prematurity[J]. Chinese Journal of Ocular Fundus Diseases, 2008, 24(1): 17-19. (in Chinese)
[8]	李秋平, 黄俊谨, 陈颖, 等. 早产儿视网膜病变筛查分析[J]. 中华眼科杂志,2012,48(10):903-907. doi: 10.3760/cma.j.issn.0412-4081.2012.10.010 LI Q P, HUANG J J, CHEN Y, et al. Retinopathy of prematurity screening in 2185 premature infants[J]. Chinese Journal of Ophthalmology, 2012, 48(10): 903-907. (in Chinese) doi: 10.3760/cma.j.issn.0412-4081.2012.10.010
[9]	MANIVANNAN A, PLSKOVA J, FARROW A, et al. Ultra-wide-field fluorescein angiography of the ocular fundus[J]. American Journal of Ophthalmology, 2005, 140(3): 525-527. doi: 10.1016/j.ajo.2005.02.055
[10]	PURBRICK R M J, IZADI S, GUPTA A, et al. Comparison of optomap ultrawide-field imaging versus slit-lamp biomicroscopy for assessment of diabetic retinopathy in a real-life clinic[J]. Clinical Ophthalmology, 2014, 8: 1413-1417.
[11]	DEHOOG E, SCHWIEGERLING J. Fundus camera systems: a comparative analysis[J]. Applied Optics, 2009, 48(2): 221-228. doi: 10.1364/AO.48.000221
[12]	李灿.新型眼底相机的设计与研制[D]. 长春: 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2014. LI C. Design and fabrication of new type of fundus camera[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2014. (in Chinese)
[13]	王晶, 崔恩坤. 大视场曲面复眼光学系统设计[J]. 中国光学,2014,7(6):969-974. doi: 10.3788/CO.20140706.0969 WANG J, CUI E K. Design of large FOV curved artificial compound eye with freeform lens[J]. Chinese Optics, 2014, 7(6): 969-974. (in Chinese) doi: 10.3788/CO.20140706.0969
[14]	POLANS J, JAEKEN B, MCNABB R P, et al. Wide-field optical model of the human eye with asymmetrically tilted and decentered lens that reproduces measured ocular aberrations[J]. Optica, 2015, 2(2): 124-134. doi: 10.1364/OPTICA.2.000124
[15]	李秋明, 郑广瑛. 眼科应用解剖学[M]. 郑州大学出版社, 2010. LI Q M, ZHENG G Y. Applied Anatomy of Ophthalmology[M]. Zhengzhou: Zhengzhou University Press, 2010. (in Chinese)
[16]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 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[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017. AQSIQ, Standardization Administration of China. GB/T 7247.9-2016 Safety of laser products—Part 9: Compilation of maximum permissible exposure to incoherent optical radiation[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017. (in Chinese)
[17]	何远清, 刘永基, 翟奕. 成像角膜曲率计的光学设计[J]. 中国光学,2014,7(6):956-961. doi: 10.3788/CO.20140706.0956 HE Y Q, LIU Y J, ZHAI Y. Optical design of imaging keratometer[J]. Chinese Optics, 2014, 7(6): 956-961. (in Chinese) doi: 10.3788/CO.20140706.0956
[18]	程少园.视网膜血管的液晶自适应光学成像系统设计[D]. 长春: 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2010. CHENG SH Y. Design of liquid crystal adaptive optical system for fundus blood vessel imaging[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2010. (in Chinese)
[19]	国家食品药品监督管理局. YY 0634-2008 眼科仪器眼底照相机[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009. State Food and Drug Administration. YY 0634-2008 Ophthalmic instruments—fundus cameras[S]. Beijing: Standards Press of China, 2009. (in Chinese)