摘 要:为了动态地观测眼底显微图像,为了便于进行图像处理,眼底电视或摄录兼容已成为眼底照相机近年来的一个重要发展方向。眼底电视光学系统是建立在传统Zeiss眼底照相机光学系统之上的,并具有渐进创新。卧式不散瞳广角眼底观测仪光学系统是眼底电视光学系统的具体化和复杂化。给出了设计实例。眼底电视光学系统的设计方法对眼底照相机类仪器的光学系统设计具有参考价值。
1 引 言
眼底视网膜血管网络是人体唯一能进行直接观察的小动脉、小静脉血管网络,它可以直接反映出冠心病、高血压、脑溢血、动脉硬化等疾病。因此,眼底病变不仅仅是眼病,而且也是全身多种疾病早期诊断的主要依据。眼底微血管与脑及全身病变密切相关,所以也是微循环研究的一个十分重要的部分。眼底图谱更是一种作为研究、诊断的重要资料。
眼底观测光学仪器主要有:直接的和间接的检眼镜,手持式和台式眼底相机,以及近年来出现的眼底电视。眼底电视可动态地观测眼底显微图像,可以利用计算机对眼底图像进行处理,大大提高了眼底照相机的科技含量,并扩大了其使用范围。
2 眼底照相机类仪器的光学原理
2.1 Zeiss眼底照相机光学系统
眼底照相机是建立在检眼镜的基础之上的,是由德国Zeiss公司在1925年发明的。Zeiss公司的产品主要有两个比较突出的特点:把人眼的特性作为仪器光学系统的一部分来考虑;创造了适合于眼底观察的“共轴式照明”光学系统。基于上述两点,目前几乎所有的光学眼底观测仪器的光学系统都沿用了Zeiss的这一模式。
眼底暗、不发光,而眼角膜的反射光相对来说比较强,常常会干扰对眼底的观察。为此,眼底仪器必须具有一个能用较强的光照亮眼底的照明系统和一个能避开眼前部强烈反射光的成像系统。共轴照明系统与照相系统同轴,是一个能较好地实现两者功能的结构。
眼底仪器由照明、观察瞄准、成像探测(照相胶片、CCD光靶)三个部分组成。照相系统将光源的光引入眼底;观察瞄准系统用于寻找病变区;成像探测系统将眼底的显微图像显示在屏幕上或摄录成资料。
2.2 眼底电视成像光学系统
眼底电视成像光学系统如图1所示。眼底图像(物)OA通过眼光学系统后出射的是平行光,经网膜物镜L1后成像在后焦平面上,通过成像物镜L2后,把第一次所成的像O′A′成像在CCD光靶上,即O″A″。与眼底相机相比,最主要的区别是:用CCD取代照相底片,是一个探测器,且倍率是缩小的(眼底摄影倍率=1.7~2.7倍)。
2.2.1 共轴照明光学系统
由图1可以看出,眼底电视光学系统仍然采用了传统的共轴照明光学系统。中空反射镜把照明系统的光束反射在网膜物镜L1的边缘部分,在眼瞳上形成Φ8mm(外径)×Φ4mm(内径)的环形照明光束(光阑像),从而照亮眼底;成像光束从被照亮的眼底通过Φ4mm的眼瞳孔,由网膜物镜成第一次像,成像光束通过反射镜的中间孔,经成像物镜成像在CCD上。这样既实现了共轴照明,同时又使眼角膜的反射光和成像光分离了。因眼瞳是成像光学系统的入瞳,网膜物镜L1可以看成是目镜的倒转使用,所以可采用通常目镜的设计方法。但工作距离要求大;成像物镜L2相当于低倍的投影物镜。在对L1和L2单独校正像差后,再加入场镜,形成一个长光路,然后进行迭代优化。
2.2.2 眼的调焦
不管采取何种方式,在对不同的光焦度不正的眼进行调焦时,都要求在调焦过程中确保成像清晰。
3 设计实例:卧式不散瞳广角眼底观测仪
3.1 卧式不散瞳广角眼底观测仪及其特点
3.1.1 卧式不散瞳广角眼底观测仪
卧式不散瞳广角眼底观测仪(以下简称眼底观测仪)是一种特殊的眼底观测仪器。与常规的眼底照相机相比有三个不同的地方:用CCD取代照相机来作为眼底显微图像的探测器,因而属于眼底电视仪器类型;检测时患者为卧式;不散瞳。
3.1.2 光路特点
(1)成像光路、照明光路和观察瞄准光路共轴。
(2)孔径大、光路长(成像光路共轭距为552·43mm)、结构复杂(观察瞄准系统由16个透镜组成),且对每一个光路的像质要求都比较高,平衡像差困难。
(3)成像光路中的成像物镜采用外调焦方式,便于对光焦度不正的患眼进行观察。
3.1.3 设计中的主要困难与对策
(1)需要对成像光路和网膜物镜进行很好的设计。很显然,网膜物镜是三条光路的“龙头”,在设计中处于重中之重的地位。像质优良的网膜物镜将为整个光学系统优良像质的实现奠定了坚实的基础。
(2)由于仪器的使用要求和结构的限制,本设计把传统眼底照相机的观察瞄准光路与照相光路耦合的形式改为观察瞄准光路与照明光路的耦合,这样虽然增加了设计的难度,但在照明光路中使用了胶合组来补偿色差和球差,使观察瞄准光路的像质得到了保证。
3.2 仪器的成像光学系统设计
眼底观测仪成像系统的设计指标为:工作距离为37mm;视场角2ω=45°;1/2英寸CCD,其对角线长为8mm,即像方线视场2y″=O″A″=8mm;仪器长度约为450mm。
3.2.1 总放大倍率β总
由图1可见,Y=OA=16.83(模型眼焦距)×tg22.5°=6.91mm
β总=4/6.91=0.57887倍
根据文献[2]的计算,还要加上11.3%畸变量,所以β总=0.644倍≈0.64倍。
3.2.2 网膜物镜的设计
如前所述,网膜物镜是成像光路、照明光路和观察瞄准光路相互耦合的“龙头”,是最重要的光学部件,也是眼底光路设计中最主要的方面。网膜物镜可采用一个高出眼点的广角目镜结构,但像质却要满足相对孔径相当大的物镜的要求。对策是:“精心选好优良的出发组+复杂化”。值得指出的是,不少进口眼底照相机以及由浙江大学设计、苏州光学仪器厂生产的眼底照相机,其网膜物镜采用的是两片式非球面简化结构。从本仪器的特点出发,并考虑到加工的困难,实践证明采用本设计也是可行的。
3.2.3 成像物镜的设计
成像物镜采用非对称型的双高斯形式,为5片4组元结构。在单独校正像差后,再与网膜物镜一起进行统算。
3.2.4 成像物镜+CCD外调焦,实现对光焦度不正眼的观测
眼底电视在使用中应能对不同的光焦度不正眼进行调焦,以使眼底与CCD共轭,确保成像清晰,其原理如图2所示。调焦方法有:移动整个成像系统或移动网膜物镜;移动成像物镜;移动CCD;同时移动成像物镜+CCD。
采用移动整个成像系统或移动网膜物镜的方法会影响照明;采用移动成像物镜的方法或移动CCD的方法会引起放大倍率产生较大的变动;采用同时移动成像物镜+CCD的方法可使放大倍率和成像物镜的像差变化较小。本设计采用了同时移动成像物镜+CCD的方法,并通过外调焦来实施。
先用正视眼定标定出一个标准距离。如果是远视眼,则比标准距离长,即成像物镜和CCD一起后退,远离检眼;如果是近视眼,则调焦时比标准距离短,即成像物镜和CCD应一起前移(靠近检眼)。经计算,所设计的仪器在±20m-1光焦度不正时,总移动量为20mm。
3.2.5 成像光学系统的设计结果与评价
图3为眼底观测仪器成像的光学系统图。所设计的光学系统实质上是一个电视摄像光学系统,设计结果可用分辨率或调制传递函数(MTF)来评价。摄像系统的分辨率表征它分辨图像细节的能力,它必须满足电视系统分辨率的要求。用分辨率来评价摄像系统成像质量的方法,因包含着人的主观因素,所以不够严格;而用MTF来表达更为科学。MTF可理解为在不同空间频率下像的对比度与物的对比度之比。因受电视系统分辨率Nv(在像高h内的电视线数)的限制,对摄像系统分辨率N要求不太高,但在电视系统分辨率范围内的MTF要高。N与Nv的关系为
电视系统通常以400电视线的MTF来衡量其分辨率的好坏,400电视线的摄像系统分辨率可按上式计算。对于1/2英寸的CCD来说,b=6.4mm,则摄像系统分辨率N=(2×400)/(3×6·4)=41·66对线/mm。
用MTF评价的结果如表1所示。从表1可以看出,其结果是令人满意的。
3.3 仪器照明系统和观察瞄准系统的设计
3.3.1 仪器照明系统的设计
眼底观测仪对照明系统的设计要求是:均匀的暗光照明;具有独立的对焦功能。达到上述两点要求的对策是:在照明系统中耦合一个观察瞄准光学系统,这样的话势必使照明系统复杂化,可通过加入胶合面校正色差,否则像差校正达不到目视观察的要求;在灯泡附近使用毛玻璃以形成一个漫反射的光源面。该照明系统光路图如图4所示。
3.3.2 目镜设计
按照光学系统的要求,目镜选用复杂化的开涅尔目镜结构类型(图4),场镜采用胶合组,以补偿与照明系统耦合时存在的部分色差。
4 结 论
眼底电视光学系统是建立在传统Zeiss眼底照相机光学系统之上的,是具有渐进型创新的光学系统。卧式不散瞳广角眼底观测仪光学系统是眼底电视光学系统的具体化和复杂化。本文是该仪器光学设计成果的总结,对眼底照相机类仪器的光学系统设计具有参考价值。
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作者简介:萧泽新(1943-),男,广西壮族自治区人,桂林电子工业学院光机电一体化研究所教授,主要从事工程光学、光机电一体化、精密测试技术方面的研究。
E-mail:emeoff@gliet.edu.cn
