CN104434025B - 一种用于眼底成像的大视场照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于眼底成像的大视场照明装置，包括圆台环状光架，在圆台环状光架的底部外侧制有多个LED光源固定槽，在固定槽内固装LED光源，所述LED光源上方的圆台环状光架由导光板内壁环及导光板外壁环构成，导光板内壁环及导光板外壁环相夹构成环状导光板腔体，在圆台环状光架的顶端开口处固装角膜接触镜，角膜接触镜由角膜接触镜中心部件及角膜接触镜环形部件组成，且连接表面作光学漆黑处理，在角膜接触镜中心部件下部的光架腔体中固装成像物镜。本发明使用LED光源在眼底形成超过120度的照明视场，使对称的光束在眼底中心区域的重叠比例增大，提高了照明均匀性和眼底图像质量。

Description

一种用于眼底成像的大视场照明装置

技术领域

本发明属于光学医疗仪器技术领域，涉及的是一种以LED作为光源，通过导光板和角膜接触镜对眼底实现大视场照明的装置，具体的是一种用于眼底成像的大视场照明装置。

背景技术

眼底成像技术已经被广泛的应用于临床检测中。医学表明，眼科疾病和身体的系统性疾病在发病早期都会在眼底视网膜产生病变。对视网膜病变进行准确、及时的检测，可以对疾病的早期诊断起到重大的作用，也可以对重大疾病的病理学研究提供一个良好的平台。根据临床需求的不同，仪器性能也千差万别，但总体上是向大视场、高分辨率和彩色成像的方向发展。

近年来，新生儿视网膜病变的发病率不断升高。这种病如果不在发病早期进行激光手术治疗则会导致终生失明。临床早期对这种疾病的筛查需要至少120度的成像视场，而普通眼底相机的成像视场一般在40度左右，这就给该疾病的诊断带来了瓶颈。

对于大视场眼底成像系统来说，其照明光路的设计难度很大。不但要提供足够大的照明视场(一般情况下，照明视场要稍大于成像视场)，还要保证在全视场范围内的照明均匀性。除此之外，制造工艺的复杂程度和成本也是设计师应该考虑的。

对眼底进行大视场成像时，从眼底边缘视场反射出瞳孔的光在角膜上的入射角会超过临界角从而形成全反射，使其无法进入成像系统。因此，必须使用接触式的接目镜组才能实现大视场的眼底成像。该镜组中角膜接触镜的材料选取十分重要。既要保证折射率可以和人眼角膜进行匹配消除全反射，还要具有足够的抗腐蚀性。由于角膜接触镜直接和角膜贴合，使得照明光线必须先通过角膜接触镜才能进入人眼。角膜接触镜前表面对照明光的部分反射会在成像系统中形成大量的杂散光，必须通过设计进行消除，否则会严重影响眼底成像的质量。

专利US5822036实现了一种接触式的眼底照明装置。该装置采用2000根光纤排列成环形对眼底进行照明。由于光纤的光束发散角普遍较小，使得眼底中间区域无法被照亮。因此，在光纤和角膜接触镜之间还需放置一个导光棱镜用于扩大光束发散角。该装置可将照明视场提高到120度以上，但设计难度大，制造工艺十分复杂，装调困难，成本昂贵。

LED光源是近年来发展出的新型照明光源，其具有亮度高，寿命长，低能耗等优点。本发明就利用LED作为照明光源，通过中空金属导光板代替导光棱镜对眼底实现了120度视场的均匀照明。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于眼底成像的大视场照明装置。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于眼底成像的大视场照明装置，包括圆台环状光架，在圆台环状光架的底部外侧均距间隔制有中心对称的多个LED光源固定槽，在每个固定槽内固装LED光源，所述LED光源上方的圆台环状光架由导光板内壁环及导光板外壁环构成，导光板内壁环及导光板外壁环相夹构成环状导光板腔体，LED光源发出的光在导光板腔体内传播，在圆台环状光架的顶端开口处固装角膜接触镜，角膜接触镜由覆盖在导光板内壁环构成的圆孔面积上的角膜接触镜中心部件及覆盖在导光板腔体上开口构成环状面积上的角膜接触镜环形部件组成，所述角膜接触镜中心部件及角膜接触镜环形部件的连接表面作光学漆黑处理，在角膜接触镜中心部件下部的圆台环状光架内部腔体中固装成像物镜。

而且，所述角膜接触镜与人眼角膜接触，装置构成的成像系统的入瞳位于人眼角膜和瞳孔之间，距人眼瞳孔1mm-2mm，LED光源发出的光束在角膜接触镜处的垂轴高度<6mm。

而且，所述固装在多个固定槽内的LED光源共有14个，采用小型白光LED，覆盖波段为420nm-780nm，色温2600K-4300K，显色指数CRI>90％，光源的照明发散角超过80度。

而且，所述导光板腔体的内壁表面进行剖光处理，剖光后金属表面反射率>80％，导光板腔体长度为20mm-30mm，导光板腔体厚度为1mm-1.7mm，导光板腔体向内倾斜与装置成像物镜光轴的夹角为42度-48度。

而且，所述角膜接触镜中心部件用于成像，为一锥形透镜，上端直径为3mm-3.5mm，下端直径为5mm-5.5mm，所述角膜接触镜环形部件用于照明，外径9mm，角膜接触镜环形部件的中心锥形孔和角膜接触镜中心部件尺寸相同，整个角膜接触镜的材料和人眼角膜进行折射率匹配，选择CR-39、PMMA等光学塑料作为角膜接触镜材料。

而且，整个角膜接触镜上表面与人眼角膜贴合，其上表面曲率半径为7.5mm-8mm，其下表面曲率半径为20mm-40mm，构成负焦度的角膜接触镜。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明使用LED代替光纤作为照明光源，省去了光纤与光源耦合以及排列、固定等装调步骤，大幅降低了成本和装调难度。

2、本发明LED光源的发散角可达80度以上，无需再使用棱镜扩大发散角，降低了光学设计难度，简化了系统。

3、本发明采用中空金属导光板传导照明光进入人眼，形成超过120度的照明视场。

4、本发明中的角膜接触镜由两部件组成，即中心部件和环形部件，中心部件用于成像，环形部分用于照明，两部件相邻表面作光学漆黑处理，有效的消除了角膜接触镜前表面对照明光的部分反射而形成的杂散光，提高了眼底图像质量。

5、本发明中的角膜接触镜设计为负焦度，扩大了光束的发散角，使对称的光束在眼底中心区域的重叠比例增大，保证了眼底照明的均匀性。

6、本发明为了实现装置的便携性和实用性，本装置在系统设计上特别对光源、照明系统和机械结构做了小型化设计，整套设备结构紧凑，便于携带。

附图说明

图1是光学系统入瞳位于人眼瞳孔处时的光路示意图，其中，图(a)为眼底成像光路示意图，图(b)为照明光路示意图；

图2是光学系统入瞳偏离人眼瞳孔处时的光路示意图，其中，图(a)为眼底成像光路示意图，图(b)为照明光路示意图；

图3是本发明装置的结构示意图；

图4是本发明装置的立体结构示意图；

图5是消除角膜接触镜前表面形成的杂散光的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明的光学原理。

在设计眼底相机时，一般会选择人眼的瞳孔作为成像光学系统的入瞳，眼底反射光出瞳后进入成像光学系统，照明光源放在角膜接触镜后，成像光学系统两侧。由于边缘视场光线的垂轴高度较高，使得成像光学系统尺寸较大，进而造成眼底中心区域无法被照亮，如图1所示。因此，需要将成像光学系统的入瞳从人眼瞳孔处向角膜处移动一段距离，从而降低边缘视场光线的垂轴高度，以保证眼底中心区域可以被照亮，如图2所示。

除了垂轴高度以外，照明光源的光束发散角也是影响照明视场的重要因素。发散角小的光源，如光纤(一般不超过30度)，需要先扩大光束发散角再进入人眼，否则眼底中心区域同样无法被照亮。LED作为新型照明光源，其发散角可以达到80度以上，无需再进行扩大。

小型LED的光强有限，而眼底成像对照明强度需求很高，因此需要使用多个LED同时进行照明。但由于空间有限，无法将全部的LED都放置在紧贴角膜接触镜的位置。因此，需要一个导光装置将LED的光传导至角膜接触镜处。本发明采用中空金属导光板进行导光。它只具有传导作用，并不会改变光源的发散角。使用中空金属导光板还可以控制照明光束相对于光轴的投射角度，保证眼底照明视场的范围和均匀性。

照明光是通过角膜接触镜对眼底进行照明的，由于角膜接触镜与人眼角膜之间折射率的差异，会造成角膜接触镜前表面对照明光的部分反射。在对视网膜这种本身不会发光且反射率较低的物体成像时，这些反射光进入成像系统会形成严重的杂散光，降低眼底成像的质量。表面镀膜是光学设计中经常采用的减少反射杂光的方法。但由于角膜接触镜前表面经常和人眼进行接触，所镀膜系容易遭到腐蚀，因此该方法并不适用于本发明。本发明采取的方法是将角膜接触镜设计成两个部件，即中心部件和环形部件。中心部件用于成像，环形部分用于照明。两部件相邻表面作光学漆黑处理。这种方法从根本上解决了照明系统引入杂散光的问题。

LED光源的能量分布并不是均匀的，中心区域能量要强于边缘。从图2可以看出，眼底中心区域是由LED光源发出的光束的边缘角度进行照明的，这会造成眼底中心区域较暗。为了保证眼底照明的均匀性，本发明在设计角膜接触镜时使其带有一定的负焦度，扩大了光线的发散角，加大对称的两束光线在眼底中心区域的重叠比例，使得眼底照度更加均匀。如果要进一步优化照明的均匀度，可以对角膜接触镜采用非球面设计。

一种用于眼底成像的大视场照明装置，如图3或4所示，包括圆台环状光架8，在圆台环状光架的底部外侧均距间隔制有中心对称的多个LED光源固定槽1，在每个固定槽内固装LED光源2，所述LED光源上方的圆台环状光架由自光架底端连续倾斜向上延伸的导光板内壁环7及自LED光源固定槽上沿连续倾斜向上延伸的导光板外壁环3构成，导光板内壁环及导光板外壁环相夹构成环状导光板腔体4，LED光源发出的光在导光板腔体内传播，在圆台环状光架的顶端固装角膜接触镜，角膜接触镜由覆盖在导光板内壁环构成的圆孔面积上的角膜接触镜中心部件6及覆盖在导光板腔体构成环状面积上的角膜接触镜环形部件5组成，所述角膜接触镜中心部件及角膜接触镜环形部件的连接表面作光学漆黑处理，在角膜接触镜中心部件下部的圆台环状光架内部腔体中固装成像物镜9。

在本发明的具体实施中，所述角膜接触镜与人眼角膜接触，本装置构成的成像系统的入瞳位于人眼角膜和瞳孔之间，距人眼瞳孔1mm-2mm。LED光源发出的光束在角膜接触镜处的垂轴高度<6mm。

在本发明的具体实施中，所述固装在多个固定槽内的LED光源共有14个，采用小型白光LED，覆盖波段为420nm-780nm，色温2600K-4300K，显色指数CRI>90％。在满足人眼安全曝光极限的标准下，保证能够获得足够亮度的眼底照明，该光源的照明发散角超过80度，满足应用需要。

在本发明的具体实施中，所述LED光源固定槽的槽口尺寸为1.6mmx1.6mm，刚好可以固定光源。

在本发明的具体实施中，所述由导光板内壁环及导光板外壁环相夹构成环状导光板腔体的内壁表面进行剖光处理，剖光后金属表面反射率>80％，包括光源固定槽在内的其余所有表面作光学氧化黑处理，避免杂散光，导光板腔体由下向上延伸的长度为20mm-30mm，导光板内壁环及导光板外壁环相夹的导光板腔体厚度为1mm-1.7mm，导光板腔体向内倾斜与光学系统光轴的夹角为42度-48度。

在本发明的具体实施中，为了消除由角膜接触镜前表面对照明光的部分反射而形成的杂散光，角膜接触镜设计成由两个部件组成，即中心部件和环形部件。中心部件用于成像，为一锥形透镜，上端直径3mm-3.5mm，下端直径5mm-5.5mm。环形部件用于照明，外径9mm，环形部件的中心锥形孔和中心部件尺寸相同。两部件相邻表面作光学漆黑处理，漆黑后接触镜前表面的反射杂散光无法进入成像系统，如图5所示。角膜接触镜要经常和人眼角膜接触，也经常被酒精等擦拭消毒，因此其材料要有良好的抗腐蚀性。另外，为了消除人眼角膜的全反射，接触镜的材料需要和人眼角膜进行折射率匹配，人眼角膜折射率约1.34，因此应选择折射率较低的光学材料，可选择CR-39、PMMA等光学塑料作为角膜接触镜的材料。

在本发明的具体实施中，角膜接触镜上表面需与人眼角膜贴合，因此，其曲率半径为7.5mm-8mm。下表面可根据需要进行设计，如果光源发散角足够大，可使用近似无焦的角膜接触镜，即下表面曲率半径和上表面接近或相同。本实施方案为了获得更加均匀的眼底照明，使用了负焦度的角膜接触镜，其下表面的曲率半径为20mm-40mm。

本发明的工作流程如下：启动电源开关，通过PCB电路板为LED光源供电。白光LED发出照明光线，照明光束通过中空金属导光板的传导和角膜接触镜扩散后进入散瞳后的人眼，形成超过120度的均匀照明。该装置中相互对称的光源在眼底中心区域形成重叠，以保证眼底中心区域得到足够的照明。

需要说明的是，本发明的可行方案公布如上，但并不仅限于说明书和实施方案中所列的应用。完全可以被用于本领域其它发明，对于熟悉本领域的技术人员而言，可以较为容易的实现修改和变化，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明不限于特定的细节和这里所描述的图例。

Claims (6)

1.一种用于眼底成像的大视场照明装置，其特征在于：包括圆台环状光架，在圆台环状光架的底部外侧均距间隔制有中心对称的多个LED光源固定槽，在每个固定槽内固装LED光源，所述LED光源上方的圆台环状光架由导光板内壁环及导光板外壁环构成，导光板内壁环及导光板外壁环相夹构成环状导光板腔体，LED光源发出的光在导光板腔体内传播，在圆台环状光架的顶端开口处固装角膜接触镜，角膜接触镜由覆盖在导光板内壁环构成的圆孔面积上的角膜接触镜中心部件及覆盖在导光板腔体上开口构成环状面积上的角膜接触镜环形部件组成，所述角膜接触镜中心部件及角膜接触镜环形部件的连接表面作光学漆黑处理，在角膜接触镜中心部件下部的圆台环状光架内部腔体中固装成像物镜。

2.根据权利要求1所述的用于眼底成像的大视场照明装置，其特征在于：所述角膜接触镜与人眼角膜接触，装置构成的成像系统的入瞳位于人眼角膜和瞳孔之间，距人眼瞳孔1mm-2mm，LED光源发出的光束在角膜接触镜处的垂轴高度<6mm。

3.根据权利要求1所述的用于眼底成像的大视场照明装置，其特征在于：所述固装在多个固定槽内的LED光源共有14个，采用小型白光LED，覆盖波段为420nm-780nm，色温2600K-4300K，显色指数CRI>90％，光源的照明发散角超过80度。

4.根据权利要求1所述的用于眼底成像的大视场照明装置，其特征在于：所述导光板腔体的内壁表面进行剖光处理，剖光后金属表面反射率>80％，导光板腔体长度为20mm-30mm，导光板腔体厚度为1mm-1.7mm，导光板腔体向内倾斜与装置成像物镜光轴的夹角为42度-48度。

5.根据权利要求1所述的用于眼底成像的大视场照明装置，其特征在于：所述角膜接触镜中心部件用于成像，为一锥形透镜，上端直径为3mm-3.5mm，下端直径为5mm-5.5mm，所述角膜接触镜环形部件用于照明，外径9mm，角膜接触镜环形部件的中心锥形孔和角膜接触镜中心部件尺寸相同，整个角膜接触镜的材料和人眼角膜进行折射率匹配，选择CR-39、PMMA光学塑料作为角膜接触镜材料。

6.根据权利要求1所述的用于眼底成像的大视场照明装置，其特征在于：整个角膜接触镜上表面与人眼角膜贴合，其上表面曲率半径为7.5mm-8mm，其下表面曲率半径为20mm-40mm，构成负焦度的角膜接触镜。