CN102688016B - 一种眼底照相机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于检测人眼病变的眼底相机光学系统，包括照明和成像系统。成像系统包括接目物镜和成像物镜。其中接目物镜(从左到右)由第一、二、三、四镜片组成，成像物镜由第五、六、七、八、九镜片组成，成像系统将眼底成在CCD上，并通过LCD实时显示。照明系统包括环形光源、匀光镜和接目物镜。其中匀光镜由第十、十一和第十二镜片组成，接目物镜与成像系统共用。在系统中加入PBS和四分之一波片，消除由接目物镜产生的鬼像。本发明所述相机采用200万像素的CCD，在120lp/mm处MTF值大于0.2，全视场角60°，畸变值小于5％，通过调节CCD的位置，能够对-8D到+10D的人眼普遍适用。
Description
技术领域
本发明设计一种用于可见光和近红外范围内的对人眼病变检测的眼底相机。
背景技术
眼底照相机主要包括成像系统和照明系统两部分。接目物镜为成像系统和照明系统共用，如何对眼底进行均匀照明，以及如何消除由眼角膜和接目物镜反射产生的杂光是眼底相机设计的难点所在。
目前广泛应用的眼底照相机都采用加入环形光阑和中空反射镜的方法在眼瞳处获得环形光斑，通过控制环形光斑的内径和外径来消除由眼角膜产生的反射光对成像的影响。通过在照明光路中加入黑点板的方法消除由接目物镜各个面的反射在照明光路中产生的鬼像。传统的这种消除由眼角膜和接目物镜反射所产生的杂光的方法比较复杂，设计起来比较麻烦，需要进行复杂的计算和装调。
本发明采用新的方法重新进行照明光路设计和消杂光设计，方法简单，便于设计和装调。通过采用环形光源，利用匀光镜和接目物镜将光源直接成像在眼瞳处，既保证了眼底照明的均匀性，同时又能够达到消除由眼角膜反射而产生的杂光问题。通过引入PBS分光棱镜和在眼睛与接目物镜之间加入四分之一波片，一方面PBS分光棱镜将光源发出的光反射到接目物镜，实现了成像光路和照明光路的共轴照明，另一方面通过PBS和四分之一波片的配合使用，利用偏振的方法，使接目物镜产生的反射光不能透过PBS分光棱镜，从而达到了消除接目物镜反射光的目的。
发明内容
本发明提出一种用于检测人眼病变的眼底照相机。该眼底相机包括照明系统和成像系统两部分。
成像系统包括接目物镜和成像物镜两部分。其中接目物镜由第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片组成，成像物镜由第五镜片、第六镜片、第七镜片、第八镜片、第九镜片组成，由眼底反射回来的光线先经接目物镜成一个中间像，再由成像物镜将中间像最后成在二分之一英寸200万像素的CCD靶面上，并最后通过LCD实时显示出来。
照明系统包括环形光源、前组的匀光镜和后组的接目物镜组成，其中，前组由第十镜片、第十一镜片、第十二镜片组成，接目物镜与成像系统共用。光源发出的光，经过前组的均光系统后由PBS分光棱镜将光源的光反射到接目物镜，再由接目物镜将环形光源直接成像在眼瞳处，与成像系统实现共轴照明。
所述眼底照相机包括拍摄光路和观察瞄准光路。拍摄光路和观察瞄准光路采用共光路形式，唯一的区别在于光源的选取。为了避免可见光对人眼的刺激，观察瞄准光路采用红外光源；为了获得彩色图像，拍摄光路采用白光闪光光源。医生先通过观察瞄准光路得到眼底图像，然后将光源切换成白光闪光光源并进行拍照。
成像光路中引入PBS作为半反半透镜，并在接目物镜后加入四分之一波片。光源发出的光，经过PBS反射后经接目物镜透射，再经过四分之一波片后进入眼睛，由眼底反射回来的光再经过一次四分之一波片，变成振动方向垂直于最初经过四分之一波片的偏振光，然后经接目物镜和PBS分光棱镜再透射。通过这种处理，只能将由眼睛反射回来的光透射到成像物镜上，从而也就消除了接目物镜产生的反射光。
本发明所述相机采用二分之一英寸200万像素的CCD，在120lp/mm处，其MTF值均大于0.2，全视场角为60°，负畸变值小于5％，并能够对-8D到+10D的人眼普遍适用。
本发明所述相机的照明系统通过均光系统和接目物镜将环形光源直接成像在眼瞳处，能够对眼底进行充分照明。相比于传统结构，本发明首次提出直接采用环形光源。环形光源由多个红外LED和白光闪光LED排列而成。红外LED和白光闪光LED均能够单独排列成环形光源。将环形光源直接成像于眼瞳处，省去了中间的环形光阑和中空反射镜，设计简单，所用镜片数目少，照明效果好。
本发明所述相机的PBS偏振分光镜取代传统的中空反射镜或半反半透镜，放在接目物镜和成像物镜之间，并靠近接目物镜一侧。一方面将匀光镜透射过来的光反射到接目物镜，并经过接目物镜成像到眼瞳处，从而实现照明系统与成像系统的共轴照明。另一方面，将四分之一波片放在眼镜和接目物镜直间，靠近接目物镜一侧，通过与PBS配合使用，将由光源发出，经PBS反射回来的线偏振光经眼底反射变成与之振动方向垂直的线偏振光，再经过PBS透射，成像到CCD靶面上，从而有效地控制由接目物镜反射产生的杂光。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例1的成像系统的光学系统图。
图2示出了本发明实施例1的成像系统的光学系统像差图。
图3示出了本发明实施例的照明系统的光学系统图。
图4示出了本发明实施例的照明系统在眼瞳处成的环形光斑图。
图5示出了本发明实施例的照明系统和成像系统的整体结构图。
图6示出了本发明实施例2的成像系统的光学系统图。
图7示出了本发明实施例2的成像系统的光学系统像差图。
图8示出了本发明实施例3的成像系统的光学系统图。
图9示出了本发明实施例3的成像系统的光学系统像差图。
具体实施方式
图1示出了本发明的实施例1的成像系统。如图1所示，从人眼到CCD接收面依次为(从左到右)1/4波片、光阑、第一镜片101、第二镜片102、第三镜片103、第四镜片104、PBS、第五镜片105、第六镜片106、第七镜片107、第八镜片108、第九镜片109，CCD接收器。
第一镜片101,是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第二镜片102，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第三镜片103，是具有负光焦度的平凹镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第四镜片104，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第五镜片105，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第六镜片106，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第七镜片107，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第八镜片108，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第九镜片109，是由具有正光焦度的双凸透镜和具有负光焦度的双凹镜片组成的胶合镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件。
所述透镜满足下面的条件公式：
(1)
(2)
其中f‘目为成像系统接目物镜的焦距，f‘物为成像系统成像物镜的焦距，f’成像为成像系统的总焦距。并且透镜材料满足要求：
N3>1.9。
镜片101到104组成的成像系统的接目物镜，作为成像系统的前组，具有正光焦度；镜片105到109组成系统的成像物镜，作为成像系统的后组，具有正光焦度，其中镜片108和109组成正—负形式的双胶合透镜，用于系统的色差校正。成像物镜后面是CCD接收器。接目物镜将眼底图像在成像物镜之前先成一中间像，再由成像物镜将中间像成像在CCD接收器上，最后通过LCD进行实时显示。通过以上配置，可以实现对于全视场60°范围内的眼底图像清晰成像。
图1为实施例1的成像光路图，图2为实施例1的球差和畸变图。
实施例1的具体光学参数参见表1。
表1
(标“*”的数据为变焦数据)
实施例1的变焦数据如表2所示：
表2
| -8D | -5D | 0D | 3D | 5D | 8D | 10D | |
| 物距 | -125 | -200 | Infinity | 333 | 200 | 125 | 100 |
| 像距(可见光) | 10.40 | 10.56 | 10.81 | 10.97 | 11.08 | 11.24 | 11.37 |
| 像距(近红外) | 10.50 | 10.66 | 10.91 | 11.07 | 11.18 | 11.34 | 11.47 |
图3示出了本发明眼底相机的照明系统。如图3所示，从人眼到光源，依次顺序为物面、第一镜片L1、第二镜片L2、第三镜片L3、第四镜片L4、光阑、第十镜片L10、第十一镜片L11、第十二镜片L12和环形光源。
第一镜片L1,是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第二镜片L2，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第三镜片L3，是具有负光焦度的平凹镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第四镜片L4，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第十镜片L10，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第十一镜片L11，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第十二镜片L12，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件。所述照明系统透镜组满足以下条件公式：
(1)
(2)
其中f‘目为接目物镜的焦距，f‘均为照明系统匀光镜的焦距，f’照明为照明系统的总焦距。
照明系统，通过均光系统和接目物镜将环形光源直接成像在眼瞳处，能够对眼底进行充分照明。相比于传统结构，本发明首次提出直接采用环形光源。环形光源由多个红外LED和白光闪光LED排列而成。红外LED和白光闪光LED均能够单独排列成环形光源。将环形光源直接成像于眼瞳处，省去了中间的环形光阑和中空反射镜，设计简单，所用镜片数目少，照明效果好。
镜片L10到L12具有正光焦度，组成照明系统的前组匀光镜；镜片L1到L4具有正光焦度，组成后组接目物镜，接目物镜与成像光路共用。通过前组匀光镜和后组接目物镜的配合使用，将光源直接成像在眼瞳处。
图3给出了实施例照明系统的光路图，图4给出了照明系统在眼瞳处得到的环形光斑，图5给出了照明系统和成像系统的整体结构图。照明系统的具体光学参数如表3所示。
表3
其中标“*”的为反射面。
图6示出了本发明的实施例2的成像系统。如图6所示，从人眼到CCD接收面依次为(从左到右)1/4波片、光阑、第一镜片201、第二镜片202、第三镜片203、第四镜片204、PBS、第五镜片205、第六镜片206、第七镜片207、第八镜片208、第九镜片209，CCD接收器。
第一镜片201,是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第二镜片202，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第三镜片203，是具有负光焦度的平凹镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第四镜片204，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第五镜片205，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第六镜片206，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第七镜片207，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第八镜片208，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第九镜片209，是由具有正光焦度的双凸透镜和具有负光焦度的双凹镜片组成的胶合镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件。
镜片201到204组成的成像系统的接目物镜，作为成像系统的前组，具有正光焦度；镜片205到209组成系统的成像物镜，作为成像系统的后组，具有正光焦度，其中镜片208和209组成正—负形式的双胶合透镜，用于系统的色差校正。成像物镜后面是CCD接收器。接目物镜将眼底图像在成像物镜之前先成一中间像，再由成像物镜将中间像成像在CCD接收器上，最后通过LCD进行实时显示。通过以上配置，可以实现对于全视场60°范围内的眼底图像清晰成像。
图6为实施例2的成像光路图，图7为实施例2的球差和畸变图。实施例2的具体光学参数参见表4。
表4
(标“*”的数据为变焦数据)
实施例2的变焦数据如表5所示：
表5
| -8D | -5D | 0D | 3D | 5D | 8D | 10D | |
| 物距 | -125 | -200 | Infinity | 333 | 200 | 125 | 100 |
| 像距(可见光) | 10.40 | 10.55 | 10.8 | 10.96 | 11.07 | 11.23 | 11.35 |
| 像距(近红外) | 10.50 | 10.65 | 10.9 | 11.06 | 11.178 | 11.33 | 11.45 |
图8示出了本发明的实施例3成像系统。如图8所示，从人眼到CCD接收面依次为(从左到右)1/4波片、光阑、第一镜片301、第二镜片302、第三镜片303、第四镜片304、PBS、第五镜片305、第六镜片306、第七镜片307、第八镜片308、第九镜片309，CCD接收器。
第一镜片301,是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第二镜片302，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第三镜片303，是具有负光焦度的平凹镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第四镜片304，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第五镜片305，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第六镜片306，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第七镜片307，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第八镜片308，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第九镜片309，是由具有正光焦度的双凸透镜和具有负光焦度的双凹镜片组成的胶合镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件。
镜片301到304组成的成像系统的接目物镜，作为成像系统的前组，具有正光焦度；镜片305到309组成系统的成像物镜，作为成像系统的后组，具有正光焦度，其中镜片308和309组成正—负形式的双胶合透镜，用于系统的色差校正。成像物镜后面是CCD接收器。接目物镜将眼底图像在成像物镜之前先成一中间像，再由成像物镜将中间像成像在CCD接收器上，最后通过LCD进行实时显示。通过以上配置，可以实现对于全视场60°范围内的眼底图像清晰成像。
图8为实施例3的成像光路图，图9为实施例3的球差和畸变图。
实施例3的具体光学参数参见表6。
表6
(标“*”的数据为变焦数据)
实施例3的变焦数据如表7所示：
表7
| -8D | -5D | 0D | 3D | 5D | 8D | 10D | |
| 物距 | -125 | -200 | Infinity | 333 | 200 | 125 | 100 |
| 像距(可见光) | 10.45 | 10.6 | 10.85 | 11.01 | 11.12 | 11.29 | 11.4 |
| 像距(近红外) | 10.55 | 10.7 | 10.95 | 11.11 | 11.22 | 11.39 | 11.5 |
Claims (4)
1.一种眼底照相机，包括照明系统和成像系统，以及PBS偏振分光镜、四分之一波片和CCD接收器件；成像系统包括具有正光焦度的接目物镜和具有正光焦度的成像物镜，其中接目物镜由第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片组成，成像物镜由第五镜片、第六镜片、第七镜片、第八镜片、第九镜片组成；照明系统包括前组匀光镜、后组的接目物镜和环形光源；匀光镜由第十镜片、第十一镜片和第十二镜片组成，第十镜片是具有负光焦度的负弯月形镜片；第十一镜片是具有正光焦度的正弯月形镜片；第十二镜片是具有正光焦度的正弯月形镜片；照明系统特征在于透镜组满足以下条件公式：
(1)
(2)
其中f‘目为接目物镜的焦距，f‘均为照明系统匀光镜的焦距，f’照明为照明系统的总焦距；照明系统通过均光系统和接目物镜将环形光源直接成像在眼瞳处，能够对眼底进行充分照明；所述环形光源由多个红外LED和白光闪光LED排列而成；红外LED和白光闪光LED均能够单独排列成环形光源；
所述PBS偏振分光镜取代传统的中空反射镜或半反半透镜，放在接目物镜和成像物镜之间，并靠近接目物镜一侧；
照明光路包括具有正光焦度的匀光镜和具有正光焦度的接目物镜；照明系统和成像系统共用一组接目物镜，通过使用PBS偏振分光镜，照明光路和成像光路组成共轴照明光路。
2.如权利要求1所述的眼底照相机，其成像光路包括接目物镜和成像物镜；接目物镜由第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片组成，第一镜片是具有负光焦度的负弯月形镜片；第二镜片，是具有正光焦度的双凸镜片；第三镜片是具有负光焦度的平凹镜片；第四镜片是具有正光焦度的双凸镜片；成像物镜由第五镜片、第六镜片、第七镜片、第八镜片、第九镜片组成；第五镜片是具有负光焦度的负弯月形镜片；第六镜片是具有正光焦度的双凸镜片；第七镜片是具有正光焦度的正弯月形镜片；第八镜片是具有正光焦度的双凸镜片；第九镜片是由具有正光焦度的双凸透镜和具有负光焦度的双凹镜片组成的胶合镜片。
3.如权利要求1所述的一种眼底照相机，其性能参数如下：成像系统将眼底图像成在二分之一英寸200万像素的CCD靶面上，通过LCD可以实时显示，在120lp/mm处，其MTF值均大于0.2，全视场角为60°，负畸变值小于5％，能够对可见和近红外光成像，通过调节CCD的位置，能够对-8D到+10D的人眼普遍适用。
4.如权利要求1所述的一种眼底照相机，包括拍摄光路和观察瞄准光路；拍摄光路和观察瞄准光路采用共光路形式，唯一的区别在于光源的选取；为了避免可见光对人眼的刺激，观察瞄准光路采用红外光源；为了获得彩色图像，拍摄光路采用白光闪光光源；医生先通过观察瞄准光路得到眼底图像，然后将光源切换成白光闪光光源并进行拍照。
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