CN102641115A - 一种大视场折反式眼底相机光学系统 - Google Patents

Abstract

一种大视场折反式眼底相机光学系统，属于医用光学仪器领域。为解决现有技术存在的技术问题，包括全折射式系统的杂散光，全反式系统的成像视场小、结构复杂、无屈光度补偿以及离轴网膜物镜制造难度大等问题，提供一种大视场折反式眼底相机光学系统。包括成像光路和照明光路两部分，成像光路和照明光路共用反射式网膜物镜主镜、反射式网膜物镜次镜和中空反射镜，该系统还包括折射式照明中继镜组、照明光阑、折射式照明聚光镜组组、光源、折射式调焦镜组、折射式聚焦成像镜组和相机；所述折射式成像镜组采用自由曲面面型校正反射式网膜物镜的剩余离轴像差，保证了眼底成像系统在45°视场区域都满足成像要求，改善了折反式眼底相机光学系统的性能。

Description

一种大视场折反式眼底相机光学系统

技术领域

本发明涉及一种大视场折反式眼底相机光学系统，属于医用光学仪器领域。

背景技术

眼底相机是一种传统的医疗设备，用以观测、记录人眼视网膜图像。眼底相机虽是以视网膜成像为目的，但是其照明光路更为复杂，照明光路引入的杂光和鬼像是影响其成像质量的主要因素，也是设计难点所在。

杂光主要源于眼球光学系统和透射式网膜物镜对照明光的反射，其他部分的杂散光在设计中不予考虑。通常，眼球光学结构的中间反射光用瞳孔分离的方法来消除，即采用环形照明。透射式网膜物镜的中间反射光传统的解决办法是在照明光路中使用挡板即黑点板。然而，黑点板不仅会使得眼底图像的中央区域有阴影，而且由于其位置对杂光的控制非常敏感，给相机的装调带来难度。

为彻底解决透射式网膜物镜带来杂光和鬼像的问题，目前出现了若干反射式网膜物镜的设计，特别是离轴两反的系统。基于离轴两反网膜物镜的折反混合式眼底相机还未见到报道，这种折反结构可以避免上述中间反射光的影响，并且具有结构紧凑、内调焦屈光度补偿和大视场的优点。

蔡司公司US2010/0014052和WO2009/143976A1两篇专利均提及了一种离轴反射式网膜物镜系统的设计，其中后者设计了基于这种离轴两反网膜物镜的全反式眼底相机光学系统，照明光路和成像光路均为反射式系统。该系统的技术缺陷在于：(1)眼底成像视场小，只有30°以内的视场可以满足视网膜成像要求；(2)整个系统选择全反射式，光路的折叠复杂化了光学结构，并且系统缺少补偿屈光度的调焦镜组；(3)系统网膜物镜的自由曲面面型、离轴和倾斜不具备对称性，过于复杂，不利于系统的加工制造和结构装调。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，包括全折射式系统的杂散光，全反式的系统成像视场小、结构复杂、无屈光度补偿以及离轴网膜物镜制造和装调难度大等问题，现提供一种大视场折反式眼底相机光学系统。

本发明是这样实现的，一种大视场折反式眼底相机光学系统，包括成像光路和照明光路两部分，成像光路和照明光路共用反射式网膜物镜主镜、反射式网膜物镜次镜和中空反射镜，该系统还包括折射式照明中继镜组、照明光阑、折射式照明聚光镜组组、光源、折射式调焦镜组、折射式聚焦成像镜组和相机；所述的反射式网膜物镜主镜和反射式网膜物镜次镜的自由曲面面型关于子午面对称，所述的反射式网膜物镜主镜和反射式网膜物镜次镜的离轴和倾斜只限于子午面内；

所述的照明光路中光源发出的光经过折射式照明聚光镜组、照明光阑、折射式照明中继镜组在中空反射镜处形成一个中间像，再经过反射式网膜物镜次镜、反射式网膜物镜主镜、通光孔径，最终照明眼底；所述的成像光路中眼底的反射光通过通光孔径，反射式网膜物镜主镜、反射式网膜物镜次镜、中空反射镜中心、折射式调焦镜组、折射式聚焦成像镜组成像到相机上，最终得到眼底的图像。

本发明的有益效果之一，本发明中将对称式的离轴两反网膜物镜与折射式照明镜组(包括折射式照明聚光镜组、照明光阑、折射式照明中继镜组)和折射式成像镜组(包括折射式调焦镜组、折射式聚焦成像镜组)相结合，以简单的方式解决了网膜物镜杂散光和大视场的问题。而且折射式的照明镜组和折射式的成像镜组具有结构紧凑和内调焦补偿屈光度的优点。

本发明有益效果之二，本发明中网膜物镜主镜和网膜物镜次镜的自由曲面面型均关于子午面对称(即自由曲面面型Extended Polynominal扩展多项式中仅保留X的偶次项)，降低了网膜物镜系统的加工制造难度。本发明中网膜物镜主镜和网膜物镜次镜的离轴和倾斜均只限制于子午面上，弧矢方向既无离轴也无倾斜，自由度少，降低了离轴网膜物镜系统的装调难度。折射式成像镜组引入自由曲面面型校正反射式网膜物镜的剩余离轴像差，保证眼底成像系统在45°视场区域都满足成像要求。

附图说明

图1为本发明一种大视场折反式眼底相机光学系统的光学原理示意图；

图2为具体实施方式二中的网膜物镜的光学结构图；

图3为为具体实施方式二中的照明光路光学结构图；

图4为为具体实施方式二中的成像光路光学结构图。

具体实施方式

具体实施方式一

结合图1说明本实施方式，图1为本发明一种大视场折反式眼底相机光学系统的光学原理示意图，图中包括人眼的光学模型1，通光孔径2，反射式网膜物镜主镜3，反射式网膜物镜次镜4，中空反射镜5(中空部分同时为成像系统的孔径光阑)，折射式照明中继镜组6，照明光阑7，折射式照明聚光镜组8，光源9，折射式调焦镜组10，折射式聚焦成像组11，相机12。本发明采用共轴照明，照明光路A和成像光路B共用网膜物镜的通光孔径2，反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4。反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4为离轴两反的自由曲面网膜物镜。

本发明是这样实现的，一种大视场折反式眼底相机光学系统，包括成像光路和照明光路两部分，成像光路和照明光路共用反射式网膜物镜主镜3、反射式网膜物镜次镜4和中空反射镜5，该系统还包括折射式照明中继镜组6，照明光阑7、折射式照明聚光镜组8和光源9、折射式调焦镜组10、折射式聚焦成像镜组11和相机12；折射式照明中继镜组6为单-双、双-单或者更复杂结构的正透镜组，折射式照明聚光镜组8为单-双、双-单或者更复杂结构的正透镜组，折射式调焦镜组10为双凹、弯月型等单负透镜结构，折射式聚焦成像镜组11由单-双、双-单或单-单-双或者更复杂结构的正透镜组组成，并且每组正透镜组中至少有一个、两个或三个正透镜的表面具有自由曲面的面型。

反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4的自由曲面面型关于子午面对称，所述的反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4的离轴和倾斜只限于子午面内。

照明光路中光源9使用LED阵列光源，光源发出的光经过折射式照明聚光镜组8、照明光阑7、折射式照明中继镜组6在中空反射镜5处形成一个中间像，再经过反射式网膜物镜次镜4、反射式网膜物镜主镜3、通光孔径2，最终在人眼瞳孔1-1处得到环形光斑，进而照明眼底1-2。眼底1-2的反射光通过瞳孔1-1，所述的成像光路中眼底1-2的反射光通过网膜物镜通光孔径2，反射式网膜物镜主镜3、反射式网膜物镜次镜4、中空反射镜5中心、折射式调焦镜组10、折射式聚焦成像镜组11成像到相机12上，相机12为CCD或CMOS相机，最终得到眼底的图像。

本发明的工作波段为400～750nm，全视场可达到45°，前工作距离48mm(网膜物镜通光孔径2到人眼的距离)，调焦范围-10D～+10D，各视场的眼底分辨率均在33lp/mm以上。

具体实施方式二

结合图2、图3和图4说明本实施方式

图2为本实施方式所用的网膜物镜的光学结构图，图2中的网膜物镜是图3照明光路和图4成像光路的公共部分，瞳孔1-1(物方)，通光孔径2，反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4，中空反射镜5(像方)在同一光轴(折叠光轴)上顺序放置。其放大倍率为1.5，瞳孔(物方)1-1为6mm，像方5为9mm，前工作距离为48mm。

下面给出本实施例中反射式网膜物镜主镜、反射式网膜物镜次镜和中空反射镜的结构参数：

表1

表2

表1为瞳孔1-1、反射式网膜物镜主镜3、反射式网膜物镜次镜4和中空反射镜5的全局坐标，以瞳孔1-1为坐标原点。(其中网膜物镜通光孔径2的坐标与光学结构无关，未标出)。表1中X坐标均为零，表明网膜物镜主镜3和网膜物镜次镜4在弧矢面内不存在离轴。

表2为反射式网膜物镜主镜3、反射式网膜物镜次镜4和中空反射镜5坐标相对于眼瞳1-1的旋转的方向余弦(其中通光孔径2的方向余弦与光学结构无关，未标出)。表2中β和γ旋转度数均为零，表明反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4只存在绕X轴的旋转的自由度，只在子午面内倾斜。

反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4均使用扩展多项式自由曲面面型Extended Polynominal，表达式如下：

$Z=\frac{{\mathrm{Cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2{r}^2}}+A_{1}x+A_{2}y+A_3{x}^2$

$+A_4\mathrm{xy}+A_5{y}^2+A_6{x}^3+A_7{x}^{2}y+A_8{\mathrm{xy}}^2+A_9{y}^3$

$+A_{10}{x}^4+A_{11}{x}^{3}y+...$

其中Z为表面的矢高，C为曲面曲率，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲面系数，A_i为第i项扩展多项式系数。

表3

表4

表3为反射式网膜物镜主镜3的面型参数。表4为反射式网膜物镜次镜4的面型参数。表3和4中，多项式X奇数次方项的系数均为零，表明反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4的面型关于子午面对称。

图3为本实施方式中照明光路光学结构图，环形LED阵列光源9，折射式照明聚光镜组8，照明光阑7，折射式照明中继镜组6，中空反射镜5(图中仅为其位置)，反射式网膜物镜主镜3、反射式网膜物镜次镜4和通光孔径2，眼模型的瞳孔1-1在同一光轴上顺序放置。LED阵列光源9发出的光经过照明聚光镜组8、照明光阑7在中空反射镜5处形成一个中间像，经中空反射镜5反射之后再经过反射式网膜物镜主镜3、反射式网膜物镜次镜4、通光孔径2，最终在人眼瞳孔1-1处得到了一个清晰、无变形的环形光斑，进而照明眼底，即为柯勒照明。这样保证了照明光路和成像光路在人眼瞳孔处充分分开，从而降低眼球光学系统的带来杂散光。其中，LED阵列光源9成像于中空反射镜5处，考虑到其对称性的特征，选择一个视场较小、相对孔径较大的双高斯结构，照明中继镜组6为双-单结构的正透镜组，照明聚光镜8为单-双结构的正透镜组。

图4为本实施方式中的成像光路光学结构图，包括人眼眼底1-2，网膜物镜通光孔径2，反射式网膜物镜主镜3和反射式网膜物镜次镜4，中空反射镜5(的中空部分，称为孔径光阑)，折射式调焦镜组10，折射式聚焦成像组11(包括11-1第一透镜，11-2第二透镜，11-3双胶合透镜组)，CCD相机12在同一光轴上顺序放置。眼底1-2的反射光通过瞳孔1-1、网膜物镜通光孔径2，反射式网膜物镜主镜3、反射式网膜物镜次镜4、中空反射镜5中心(的中空部分，称为孔径光阑)、调焦镜组10、聚焦成像组11成像到CCD相机上，最终得到眼底的图像。调焦镜组10为双凹单负透镜结构，可实现眼屈光不正的补偿，聚焦成像镜组11为单-单-双的正透镜组，调焦镜组10与聚焦成像组11组成一个反远距系统，保证了足够大的后工作距离。其中折射式聚焦成像组11的第一透镜11-1、第二透镜11-2各使用了一个扩展多项式自由曲面Extended Polynominal来校正离轴网膜物镜的剩余像差，双胶合透镜组11-3校正大视场带来的色差，实现45°大视场的眼底成像。

Claims (5)

1.一种大视场折反式眼底相机光学系统，包括成像光路和照明光路两部分，成像光路和照明光路共用反射式网膜物镜主镜(3)、反射式网膜物镜次镜(4)和中空反射镜(5)，其特征在于，该系统还包括折射式照明中继镜组(6)、照明光阑(7)、折射式照明聚光镜组(8)、光源(9)、折射式调焦镜组(10)、折射式聚焦成像镜组(11)和相机(12)；所述的反射式网膜物镜主镜(3)和反射式网膜物镜次镜(4)的自由曲面面型关于子午面对称，所述的反射式网膜物镜主镜(3)和反射式网膜物镜次镜(4)的离轴和倾斜只限于子午面内；

所述的照明光路中光源(9)发出的光经过折射式照明聚光镜组(8)、照明光阑(7)、折射式照明中继镜组(6)在中空反射镜(5)处形成一个中间像，再经过反射式网膜物镜次镜(4)、反射式网膜物镜主镜(3)、通光孔径(2)，最终照明眼底(1-2)；所述的成像光路中眼底(1-2)的反射光通过通光孔径(2)，反射式网膜物镜主镜(3)、反射式网膜物镜次镜(4)、中空反射镜(5)中心、折射式调焦镜组(10)、折射式聚焦成像镜组(11)成像到相机(12)上，最终得到眼底的图像。

2.根据权利要求1所述的一种大视场折反式眼底相机光学系统，其特征在于，所述的折射式照明中继镜组(6)由单-双结构的正透镜组成或者由双-单结构的正透镜组成。

3.根据权利要求1所述的一种大视场折反式眼底相机光学系统，其特征在于，所述的折射式照明聚光镜组(8)由单-双结构的正透镜组成或者由双-单结构的正透镜组成。

4.根据权利要求1所述的一种大视场折反式眼底相机光学系统，其特征在于，所述的折射式调焦镜组(10)由双凹单负透镜组成或者由弯月型单负透镜组成。

5.根据权利要求1所述的一种大视场折反式眼底相机光学系统，其特征在于，所述的折射式聚焦成像镜组(11)由单-双、双-单或单-单-双的正透镜组组成，并且每组正透镜组中至少有一个、两个或三个正透镜的表面具有自由曲面的面型。

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