CN107115096B - 眼底光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种眼底光学成像系统，所述系统依次包括前端物镜、滤光片、后端中继镜和图像传感器，前端物镜与滤光片之间设置有中间像面；所述前端物镜用于获取眼底视网膜的图像并成像于所述中间像面处；所述滤光片用于将所述中间像面上的图像过滤为单色图像；所述后端中继镜用于将所述单色图像成像于所述图像传感器。本发明中，前端物镜、后端中继镜和图像传感器为根据滤光片的特性设置的光路器件，从而将滤光片融入到整个光路中，不需要增加额外的空间体积，从而减小眼底光学成像系统的体积。

Description

眼底光学成像系统

技术领域

本发明涉及医学成像领域，特别是涉及一种眼底光学成像系统。

背景技术

随着我国经济发展，新生儿医疗科学技术日新月异，新生儿的眼底视网膜疾病逐渐受到关注。眼底视网膜疾病严重时可导致失明，是目前儿童失明的首位原因，对家庭和社会造成沉重负担。

新生儿的眼底视网膜疾病的发生病因有多种，大部分儿童的第一次眼睛检查都是在幼儿园入学前检查，由于不少的视觉异常可能只短暂的出现，越来越多的医生相信对新生儿童的眼睛进行筛查可以提早发现视觉异常，-比如像玻璃体出血这样的情况，其很可能是最终导致弱视的前兆。弱视这一严重的疾病会对儿童造成长期的影响，甚至导致成人以后永久性的失明。如果能够在早期发现和诊断像玻璃体出血以及其他多种严重的疾病，新生儿童将可以及时得到有效的治疗，从而防止出现严重的视觉损害。新生儿的眼底视网膜疾病可通过早期筛查和正确治疗可以阻止病变的发展，这大大减少致盲率，具有重大的社会效益。

目前，大部分的眼底成像系统都是可见光宽光谱成像，然后在光路中间提供安装滤光片的机构，以获得特定光谱的图像。这种眼底成像系统体积庞大，且结构复杂不适宜用于新生儿的眼底检查。

发明内容

基于此，有必要针对目前眼底成像系统体积庞大的问题提供一种眼底光学成像系统。

一种眼底光学成像系统，其特征在于，所述系统依次包括前端物镜、滤光片、后端中继镜和图像传感器，所述前端物镜与滤光片之间设置有中间像面；

所述前端物镜用于获取眼底视网膜的图像并成像于所述中间像面处；

所述滤光片用于将所述中间像面上的图像过滤为单色图像；

所述后端中继镜用于将所述单色图像成像于所述图像传感器。

在其中一个实施例中，所述前端物镜包括依次设置的：

角膜接触镜片，用于接触角膜以获取眼底视网膜的图像；

锥形镜片，用于控制从所述角膜接触镜片入射的光线的偏折方向；

双胶合镜片，用于控制所述前端物镜的整体色差；

双凸镜片，用于控制从所述双胶合镜片入射的光线在所述中间像面上的成像高度和入射至所述滤光片的光线方向。

在其中一个实施例中，所述锥形镜片包括凹面和与所述凹面连接的凸面，所述锥形镜片的凹面覆盖于所述角膜接触镜片的凸面，使所述角膜接触镜片的凸面两侧对称地形成非覆盖凸面。

在其中一个实施例中，所述系统还包括分别设置于所述非覆盖凸面的环形照明装置。

在其中一个实施例中，所述前端物镜的成像角度大于130度，所述环形照明装置的照明角度大于130度，且亮度均匀。

在其中一个实施例中，所述环形照明装置为锥形的导光体，其中，光纤射出的光束经所述导光体和所述角膜接触镜片进入所述眼底视网膜。

在其中一个实施例中，所述导光体包括多个倾斜角度相同或不同的斜面体，所述斜面体上端形成入射端口，下端形成内环出光端口和外环出光端口。

在其中一个实施例中，所述滤光片为液晶可调制滤光片，包括多层液晶基片，每层所述液晶基片均连接有通过电压控制所述液晶基片内部液晶分子取向以改变双折射率的电线。

在其中一个实施例中，所述后端中继镜包括依次设置的第一镜片、第二镜片、与所述第一镜片、第二镜片分别对称设置的第三镜片、第四镜片以及设置于所述第二镜片和第三镜片之间的光阑，其中，所述第一镜片用于控制入射光的偏折方向，所述第二镜片和第三镜片用于控制入射光的色差，所述光阑用于控制入射的光束宽度，所述第四镜片用于控制入射的光线成像于所述图像传感器的成像高度。

在其中一个实施例中，所述图像传感器为CCD图像传感器。

以上所述眼底光学成像系统依次设置前端物镜、滤光片、后端中继镜和图像传感器，前端物镜与滤光片之间设置有中间像面，前端物镜、后端中继镜和图像传感器为根据滤光片的特性设置的光路器件，从而将滤光片融入到整个光路中，不需要增加额外的空间体积，从而减小眼底光学成像系统的体积。

附图说明

图1为眼底光学成像系统的结构示意图；

图2为图1中前端物镜的结构示意图；

图3为光线在前端物镜110中的双凸镜片114、中间像面120、和滤光片130之间传输的示意图；

图4为图1中后端中继镜140的结构示意图；

图5为导光体的正视图；

图6为导光体的侧视图；

图7为导光体的侧面剖视图；

图8为光束在导光体中传输的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一实施例的眼底光学成像系统依次设置前端物镜110、滤光片130、后端中继镜140和图像传感器150，所述前端物镜110与滤光片130之间设置有中间像面120；

前端物镜110用于获取眼底视网膜的图像并成像于中间像面120处；

滤光片130用于将中间像面120上的图像过滤为单色图像；

后端中继镜140用于将单色图像成像于图像传感器150。

以上所述眼底光学成像系统依次设置前端物镜、滤光片、后端中继镜和图像传感器，前端物镜、后端中继镜和图像传感器为根据滤光片的特性设置的光路器件，从而将滤光片融入到整个光路中，不需要增加额外的空间体积，从而减小眼底光学成像系统的体积。明显的，更小体积的眼底光学成像系统可以更为方便的操作使用。

其中，前端物镜110和后端中继镜140分开设计，前端物镜110和后端中继镜140有各自镜筒，镜筒长度30到40mm，具体的，前端物镜110长约30mm，后端中继镜140长约40mm。二者分开装配内部的镜片，然后经过对准机构定位并锁紧，方便前端物镜110的拆卸。前端物镜110和后端中继镜140分开设计使得前端物镜可快速更换，甚至根据需求不同可替换为其他视角范围的物镜。

参照图2所示，前端物镜110包括角膜接触镜片111、锥形镜片112、双胶合镜片113和双凸镜片114。

角膜接触镜片111，用于接触角膜以获取眼底视网膜的图像。

锥形镜片112，用于控制从角膜接触镜片111入射的光线的偏折方向，从而使双胶合镜片113、双凸镜片114和后端中继镜140具有较小的口径，减小系统的体积。

双胶合镜片113，用于控制前端物镜110的整体色差。

双凸镜片114，用于控制从双胶合镜片113入射的光线在中间像面上的成像高度和入射至滤光片的光线方向。

其中，角膜接触镜片111包括可与眼球贴合接触的凹面及与凹面连接的凸面。角膜接触镜片111的凹面曲率半径为7.0mm到15mm之间，以匹配人体眼睛中角膜的曲率，使其与角膜充分匹配，以保护眼睛。

锥形镜片112包括凹面和与凹面连接的凸面，锥形镜片112的凹面覆盖于角膜接触镜片111的凸面，使角膜接触镜片111的凸面两侧对称地形成非覆盖凸面。锥形镜片112可以控制光线的偏折，从而使发散的光线按需要的方向偏折，以便于收集到更多的光线，也保证后端中继镜140口径不被扩大，进而减少眼底光学成像系统的体积。

眼底光学成像系统还设置有环形照明装置160，环形照明装置160分别设置于角膜接触镜片111的凸面两侧形成的非覆盖凸面。为保证照明亮度均匀，环形照明装置160为锥形的导光体，导光体为塑料制品，容易加工，如可以为透明材料ABS或PC或PMMA或SAN等。控制其放置的倾斜角度、口径大小和光束发散角的大小等，可以实现照明区域的亮度均匀。光纤射出的光束经导光体和角膜接触镜片111进入眼底视网膜，使得可获取眼底视网膜的图像信息。本实施例中，在角膜接触镜片111的凹面镀有减反射膜，以减少角膜接触镜片111凹面的后向反射光，消除反射杂光的影响，获取更清晰的眼底视网膜图像。

本实施例中，导光体是单一结构，而非多个独立结构的组合或者粘合，大大减少了制造和安装上的困难，节省加工和人工成本。

参照图5和图6所示，为实现光照的亮度均匀，本实施例将导光体设置为多个倾斜角度相同或不同的斜面体，每个斜面体的倾斜角度是设置好的，且其中的一个斜面体为全反射面504，斜面体上端形成入射端口503，下端形成内环出光端口501和外环出光端口502，需要指出的是，内环出光端口501是依据全反射面504形成的，外环出光端口502则是直接折射形成的。内环出光端口501和外环出光端口502的正视图参照图5所示。图7显示了导光体的侧面剖视图，更清楚地显示了入射端口503以及内环出光端口501和外环出光端口502。

如图8所示的光束在导光体中传输的原理图，眼球0与角膜接触镜片111接触后，光束从入射端口503进入后，被分为两部分。一部分光束经过全反射面504反射到内环出射端口501，再经过内环出射端口501折射后通过角膜接触镜片111到达第一眼底区域01；另一部分光束直接经过外环出光端口502折射后通过角膜接触镜片111到达第二眼底区域02。本实施例中，导光体只有一个入射端口503，使每个斜面体的倾斜角度根据需要进行设置，利用全反射和折射，可以形成仅有的两个出光端口，实现光对眼球内部结构的分区域照射，如图8所示的第一眼底区域01和第二眼底区域02。小区域的均匀照射更容易实现，所以切割为两个分区域的均匀照射，可以实现大区域范围的130度眼底均匀照明。

一般新生儿发生视网膜病变的涉及区域比较大，观察是在120度的视网膜区域内，甚至更大。如果观察区域过小会出现漏诊和误诊等问题，所以成像系统的观察区域要大于120度的范围。

本实施例中，前端物镜110为广角物镜，可捕获大于130度的眼底视网膜图像。环形照明装置160的照明范围也大于130度，而且亮度均匀，保证整个系统可清晰拍摄130度内的眼底视网膜。需要指出的是，常规的光学成像系统中，照明超过120度的眼底视网膜区域时，一般无法保证照明亮度分布的均匀性，会导致形成的眼底视网膜的图像出现过曝和暗角，从而影响医生对图像局部区域的分析判断。本实施例可以做到照明范围大于130度，且照亮均匀，提升后续对眼底视网膜的成像效果。

本实施例中，滤光片130为液晶可调制滤光片，包括多层液晶基片，总厚度为30mm，每层液晶基片均连接有通过电压控制液晶基片内部液晶分子取向以改变双折射率的电线。改变双折射率会导致偏振干涉的变化，实现滤光波长的选取。需要指出的是，本实施例中，前端物镜110与后端中继镜140之间的空气间隔中以放入滤光片130。由于前端物镜、后端中继镜和图像传感器根据滤光片的特性设置的光路器件，从而将滤光片融入到整个光路中，不需要增加额外的空间体积，从而减小了眼底光学成像系统的体积。除此之外，通过精密电压控制电路改变电压可使液晶可调制滤光片快速切换波长以实现滤光效果，获得多张不同波长的图像，病变组织在不同的波长下表现不一样，可容易分离判断出来。同时，多光谱图像可以提供2+1维的信息，增加光谱维度信息方便了图像处理，可实现智能化地识别筛选病变区域，减少工作量、判断更加客观和流程化。

本实施例中，液晶可调制滤光片完全由电控制，没有机械振动，控制更为方便。

如图3所示，控制前端物镜110的双凸镜片114的第一次成像光束的主光线垂直于分光器件液晶可调制滤光片130，而且光束的发散角小于液晶可调制滤光片130波长选择准确的可接受角度。

如图4所示，后端中继镜140采用对称的镜头结构，可以消除部分横向像差，物像关系为非对称的情况可以通过这种结构来演化成非对称式的结构。具体的，后端中继镜140包括依次设置的第一镜片141、第二镜片142、与第一镜片141、第二镜片142分别对称设置的第三镜片143、第四镜片144以及设置于第二镜片142和第三镜片143之间的光阑145。其中，第一镜片141用于控制入射光的偏折方向。第二镜片142和第三镜片143用于控制入射光的色差。光阑145用于控制入射的光束宽度，具体的，通过控制后端中继镜140与图像传感器150的相对位置，实现连续变焦功能，使不同眼轴长度眼球的视网膜都能成像在固定的图像传感器150处。明显的，通过后端中继镜140自动快速对焦，方便医生准确快速捕获到清晰的眼底视网膜图像，大大地缩短检查时间，提高了工作效率。第四镜片144用于控制入射的光线成像于图像传感器的成像高度。

本实施例中，图像传感器150使用高信噪比、高灵敏度和大动态范围的CCD图像传感器，使实时传输的图像数据保存更方便快捷。

为了满足CCD的分辨率要求，达到100LP/mm，本实施例中，在设计前端物镜110和后端中继镜140时，考虑了眼球本身的结构所造成的成像像差，将眼球内部产生的像差与前端物镜110和后端中继镜140产生的像差相互平衡抵消，使得最终综合像差符合要求，以满足所选用的CCD分辨率要求，达到100LP/mm。

本实施例中，眼底光学成像系统中的所有镜片均镀有减反射膜，使反射率小于0.5％，且镜片外圆均涂抹高吸收率的黑漆，使得杂光大大减少，提高了图像的对比度。其中，包括前端物镜110和后端中继镜140中的所有镜片均镀有反射膜。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种眼底光学成像系统，其特征在于，所述系统依次包括前端物镜、环形照明装置、滤光片、后端中继镜和图像传感器，所述前端物镜与滤光片之间设置有中间像面；

所述前端物镜用于获取眼底视网膜的图像并成像于所述中间像面处；

所述环形照明装置为锥形的导光体，所述导光体包括多个倾斜角度相同或不同的斜面体，其中的一个斜面体为全反射面，斜面体上端形成入射端口，下端形成内环出光端口和外环出光端口，光束从入射端口进入后被分为两部分：一部分光束经过全反射面反射到内环出光端口折射后到达第一眼底区域；另一部分光束直接经过外环出光端口折射后到达第二眼底区域；

所述滤光片用于将所述中间像面上的图像过滤为单色图像；

所述后端中继镜用于将所述单色图像成像于所述图像传感器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前端物镜包括：

角膜接触镜片，用于接触眼球中的角膜以获取眼底视网膜的图像；

锥形镜片，用于控制从所述角膜接触镜片入射的光线的偏折方向；

双胶合镜片，用于控制所述前端物镜的整体色差；

双凸镜片，用于控制从所述双胶合镜片入射的光线在所述中间像面上的成像高度和入射至所述滤光片的光线方向。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述锥形镜片包括凹面和与所述凹面连接的凸面，所述锥形镜片的凹面覆盖于所述角膜接触镜片的凸面，使所述角膜接触镜片的凸面两侧对称地形成非覆盖凸面。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述环形照明装置分别设置于所述非覆盖凸面。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述前端物镜的成像角度大于130度，所述环形照明装置的照明角度大于130度，且亮度均匀。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，光纤射出的光束经所述导光体和所述角膜接触镜片进入所述眼底视网膜。

7.根据权利要求1－6任一项所述的系统，其特征在于，所述滤光片为液晶可调制滤光片，包括多层液晶基片，每层所述液晶基片均连接有通过电压控制所述液晶基片内部液晶分子取向以改变双折射率的电线。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述后端中继镜包括依次设置的第一镜片、第二镜片、与所述第一镜片、第二镜片分别对称设置的第三镜片、第四镜片以及设置于所述第二镜片和第三镜片之间的光阑，其中，所述第一镜片用于控制入射光的偏折方向，所述第二镜片和第三镜片用于控制入射光的色差，所述光阑用于控制入射的光束宽度，所述第四镜片用于控制入射的光线成像于所述图像传感器的成像高度。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像传感器为CCD图像传感器。