杨世杰-新型折反式眼底相机光学系统设计VIP免费

医用光学仪器1新型折反式眼底相机光学系统设计摘要:为控制传统眼底相机的杂光和鬼像，设计了一款40o视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜，引入了自由曲面以校正其离轴像差，成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型，用于优化成像光路，消除人眼像差对成像的影响，同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑，减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10D-+10D调焦，物方各视场分辨率为33lp/mm，系统畸变小于8.5%；照明光学系统在不产生鬼像的前提下，可均匀照明眼底，照度非均匀性在15%以内。实验表明，引入自由曲面的折反式眼底相机，有效地消除了杂光和鬼像，满足大视场和大工作距离的要求。关键词：折反式；网膜物镜；离轴反射系统；自由曲面；眼底相机1、引言人眼眼底成像是诊断和鉴别眼底疾病的一种重要手段，通过对人眼眼底的观测，可以正确地诊断出患者的视网膜病变及全身微循环系统的改变[1-2]。然而眼底相机的杂光和鬼像是影响其成像质量的主要因素，我国眼底相机起步较晚，发展较慢，其中一个重要的原因就是受困于眼底相机的杂光问题[3]。为克服透射式网膜物镜所带来的杂光和鬼像问题，目前已经出现了若干反射式结构的网膜物镜设计，然而这些系统均不能提供大视场，针对以上的问题，本文构建了反射式自由曲面网膜物镜，设计了一款折反式眼底相机，解决了透射式网膜物镜的杂光问题，同时具有大视场。2、基本参数计算光学系统的基本性能由三个主要参数表征，即焦距ƒ，相对孔径Ｄ/ƒ和视场角2ω。除此之外，还有其它表述参数，还有前主点和后主点，孔径光阑，入射光瞳和出射光瞳，视场光阑，入射窗和出射窗等等。由以上所述确定的摄影光学系统主要参数如下：1)最小拍摄瞳孔直径：4mm；2)设计波长：486nm～656nm；3)全视场：40°眼底；4)工作距离：48mm；5)接收器：600万像素，3.4cm（4/3inch）CCD；6)屈光不正眼补偿：-10D～10D；医用光学仪器27)照明：观察用卤素光灯、拍照用氙灯；8)物方分辨率：屈光正常眼45lp/mm以上，即分辨眼底11µm的结构单元屈光不正眼33lp/mm以上，即分辨眼底15µm的结构单元。2.1、放大倍率β本文采用Gullstrand-LeGrand眼模型，根据其结构参数，从视网膜到晶状体的距离为16.6mm，因此设定人眼入瞳到物面（视网膜）的距离ƒ。假设物方视场角2ω，则物面高为:2y=2ƒtanω=12.08mm由以上参数知，光电接收器靶面直径为34mm，所以得放大倍率：β=Y/2y其中，y为半视场高度，Y为接收靶面直径。由式（2-2）得放大倍率β=2.82。2.2、系统焦距瞳孔与接目物镜的距离为48mm。孔径光阑和网膜物镜之间需要至少有70mm的空间放置定位光路，设中空反射镜的位置为距网膜物镜75mm处，根据高斯成像公式：可计算接目物镜的焦距为ƒ图2.1摄影系统光路示意图考虑系统总长不大于250mm，设为250mm，假设被测眼为正视眼，(2-4)和(2-5)两式成立：（2-2）（2-1）（2-3）医用光学仪器3将ƒβ=2.82代入上(2-4)和(2-5)两式，得l2=-84.90mm，l2。根据成像公式(2-3)计算得到成像物镜的焦距ƒ根据组合焦距(2-6)公式：又有=d-ƒƒ，即=-l2ƒƒƒ将结ƒ。综上，通过计算分别得到了接目物镜和成像物镜的焦距及摄影系统的组合焦距。3、新型折反式眼底相机的系统设计眼底相机主要由成像系统和照明系统组成[4]。本设计基于离轴两反式自由曲面网膜物镜，设计一种大视场折反式眼底相机光学系统。消除了一般折射式网膜物镜带来的中间反射光，进而省掉照明光路中的黑点板，使系统不再存在中心遮拦和鬼像。其次，反射式系统不存在色差，降低了整个后续光学系统的设计难度，在宽波段系统的设计中优势会更加明显。最终设计一款折反式眼底相机光学系统，解决了透射式网膜物镜的杂光问题，同时具有40°的大视场和48mm的工作距离。本节的研究重点在于离轴两反自由曲面网膜物镜，该系统主要集中于成像光学系统和照明光学系统两部分。3.1、折反式眼底相机的总体结构及指标要求考虑到照明的均匀性和杂光的控制，本文采用共轴式照明，如图3.1所示。照明光路中环形光源9发出的光经过折...