CN108577801B - 便携式立体成像眼底相机光学系统 - Google Patents

便携式立体成像眼底相机光学系统 Download PDF

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Abstract

一种便携式立体成像眼底相机光学系统,包括网膜物镜、场镜、半反半透镜、前置物镜、成像物镜、成像芯片和照明装置;网膜物镜、场镜、前置物镜均与主光轴垂直,半反半透镜与主光轴之间的夹角为30‑60°,主光线在场镜后表面被分成两对称倾斜子光路A1和A2,两倾斜子光路A1和A2之间的夹角a为11°,一个成像物镜和一个成像芯片构成一个成像组,最上方的成像组中的成像物镜、成像芯片依次设置在第一子光轴A1上,最下方的成像组中的成像物镜、成像芯片依次设置在第二子光轴A2上,照明装置的输出光路与半反半透镜之间的夹角为45°。本发明解决了现有的单目眼底相机无法在同一时刻获取一组图像的问题,并实现眼底相机的小型化与便携。

Description

便携式立体成像眼底相机光学系统
技术领域
本发明属于眼底微成像及眼底三维重建技术领域,具体涉及便携式立体成像眼底相机光学系统。
背景技术
人们通过感觉器官从外界获取信息的过程有80%是通过眼睛完成的。人眼结构精细且复杂,眼底是其中的重要组成部分。临床检查中,对于眼部疾患,首先检查眼底,观察有无病变,以正确判断病因。眼底的病变与全身其他系统疾病密切联系与相互影响。很多疾病在眼底都有所表现。根据眼底的一些特征,可以协助其他临床学科做出正确诊断。另外一些疾病的早期症状出现在眼部,眼底检查能够使这些疾病得到适时的治疗。人眼富有很多微细血管,是人体最能直接观察到的微细血管部位,因此也是人体微循环研究的重要部位。
人眼视网膜,又称眼底,是一层结构高度复杂的薄膜,是人眼的重要组成部分。视网膜在眼睛里的地位相当于成像系统的接收器。眼底是眼睛这一感觉器官的一个重要的组成部分,眼睛的大部分病变来自眼底。同时眼底分布着大量的各种动静脉血管,这些血管可以反映全身血管性疾病的状态。如高血压、动静脉血栓、小动脉硬化断裂、肾炎和肿瘤等疾病,都可以通过对眼底脉络膜和视网膜的观察分析,根据眼底的变化症状对这些疾病做出早期诊断和预防。而且视网膜血管也是脑血管的分支,可以从其推测脑血管的情况。眼底相机便是用于对眼底病变进行检查的眼科设备,是医生进行视网膜检查的一种重要手段,在临床上有着重要的应用。
由于眼底相机生成的二维图像无法具有真实感地展示三维眼底视网膜图像的空间关系,因而给医生诊断带来一些不便。眼底图像的三维重建可以将二维的医疗影像数据的真实感官效果展示给诊断人员,弥补了现有的医疗影像设备在成像时丢失了第三维信息的缺点,使医务人员可以更加准确、更加清晰的观察眼底病灶的大小、空间位置、几何形状及其与周围其他组织结构的关系,可以对病人眼底的组织结构进行多角度、多层次的观察,从而大大减少了因为医务人员的主观判断和临床经验不足而对诊断结果造成的不良影响。通过眼底图像三维重建还可以辅助医生对病人眼底病变进行定性和定量分析,从而使医疗影像设备输出二维数据的利用价值得到最大程度的发挥,提高诊断的准确性,从而提高医疗诊断水平。
目前对于眼底图像三维重建的方法种类较多,经对比研究发现采用双目立体视觉的方法进行眼底图像三维重建精度相对较高,是目前最具优势的方法。利用机器视觉的方法进行眼底图像的三维重建首要问题是获取满足条件的眼底图像,如何获取人眼在同一时刻下一组具有重叠区域的眼底图像是需要重点解决的问题。目前眼底相机均为单目系统,虽然单目眼底相机技术发展成熟,但无法在同一时刻获取一组图像,立体成像眼底相机技术处于空白状态,因此设计一种能够实现立体成像的眼底相机光学系统十分必要,对临床医学和科学研究都具有重大的意义。
发明内容
本发明目的是:旨在提供便携式立体成像眼底相机光学系统,用以解决现有的单目眼底相机无法在同一时刻获取一组图像的问题,并实现眼底相机的小型化与便携。 为实现上述技术目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明的便携式立体成像眼底相机光学系统,包括网膜物镜、场镜、半反半透镜、前置物镜、成像物镜、成像芯片、和照明装置;所述的网膜物镜、场镜、半反半透镜和前置物镜依次设置在主光轴上,网膜物镜、场镜、前置物镜均与主光轴垂直,半反半透镜与主光轴之间的夹角为30-60°;前置物镜的后端形成倾斜子光路A1和倾斜子光路A2,倾斜子光路A1和倾斜子光路A2关于主光轴对称,且倾斜子光路A1、A2之间的角度a为10-12°,所述两倾斜子光路A1和A2的倾斜顶点在场镜后表面;倾斜子光路A1和倾斜子光路A2上分别设置由一个成像物镜和一个成像芯片构成的成像组,两个成像组关于主光轴对称,上方的一个成像组中的成像物镜、成像芯片依次设置在倾斜子光路A1上,下方的另一个成像组中的成像物镜、成像芯片依次设置在倾斜子光路A2上,所述照明装置的输出光路与半反半透镜之间的夹角为30-60°。
采用上述技术方案的发明,人眼视网膜的像先在网膜物镜后的场镜上成一次实像,场镜上的实像透过半反半透镜照射到前置物镜上,经前置物镜变为平行光束投射到两对称倾斜子光路A1和A2上,设置在两对称倾斜子光路上的成像物镜将视网膜的像分别成像到各自的成像芯片上,两对称倾斜子光路上分别放置有完全相同的成像物镜和成像芯片,且倾斜子光路A1和倾斜子光路A2之间的角度a在10°~12°之间可调,两对称倾斜子光路的成像质量完全相同且在两个成像芯片上所成的两幅图像有视角差,从而实现同时从两个不同角度拍摄同一眼底视网膜图像的目的,能够实现双目立体成像,对临床医学和科学研究都具有重大的意义。
进一步,所述网膜物镜的像方焦点位于场镜处,即网膜物镜所成的实像面与场镜重合。这样的设计,成像质量较佳。
进一步,所述场镜位于网膜物镜与半反半透镜的中间区域。这样的设计,成像效果较理想。
进一步,所述前置物镜可将成像光束变为平行光束。这样的设计,有利于像质的提高。
进一步,所述两倾斜子光路A1和A2关于主光轴对称。这样的设计,在确保成像质量的基础上,简化系统结构,可以在一定程度上降低生产成本。
进一步,所述两倾斜子光路A1和A2之间的角度a在10°~12°之间可调。这样的设计,可以在较为理想的范围内随意改变两倾斜子光路之间的角度,以按需调节两倾斜子光路间的距离,适用范围较广,设计较为合理。
进一步,所述网膜物镜、场镜、半反半透镜、前置物镜、成像物镜均为球面镜片。这样的设计,网膜物镜、场镜、半反半透镜、前置物镜、成像物镜没有抛物面和非规则的镜面,便于生产制造,生产成本低,精度较高。
进一步,所述的成像物镜为强光照相机物镜或变焦照相机物镜,所述的成像芯片为CCD或CMOS。这样的设计,不仅成像效果较佳,而且处理速度较快,在一定程度上缩短了双目立体成像的时间。
进一步,所述的便携式立体成像眼底相机光学系统为免散瞳眼底相机光学系统,所述的便携式立体成像眼底相机光学系统整体长度小于250mm,所述的照明装置采用共轴照明方式。这样的设计,适用的瞳孔范围较广,从而可以用于广大人群眼底的双目立体成像;而光学系统尺寸较小,可以方便仪器设备的携带,方便医护人员使用;而照明装置采用共轴照明方式,可以进一步确保照明的均匀性,改善成像的质量。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明;
图1为本发明便携式立体成像眼底相机光学系统实施例的结构示意图;
图2为本发明便携式立体成像眼底相机光学系统实施例中光束分离示意图;
图3为本发明便携式立体成像眼底相机光学系统实施例的调制传递函数(MTF)曲线图;
图4为本发明便携式立体成像眼底相机光学系统实施例的场曲和畸变曲线图;
图示中的符号说明如下:
1.网膜物镜、2.场镜、3.半反半透镜、4.前置物镜、5.成像物镜、6.成像芯片、7.照明装置。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明,下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1和图2所示,本发明的便携式立体成像眼底相机光学系统,包括网膜物镜1、场镜2、半反半透镜3、前置物镜4、成像物镜5、成像芯片6和照明装置7;所述的网膜物镜1、场镜2、半反半透镜3和前置物镜4依次设置在主光轴上,网膜物镜1、场镜2、前置物镜4均与主光轴垂直,半反半透镜3与主光轴之间的夹角为45°;前置物镜的后端形成倾斜子光路A1和倾斜子光路A2,倾斜子光路A1和倾斜子光路A2关于主光轴对称,且倾斜子光路A1、A2之间的角度a为11°,所述两倾斜子光路A1和A2的倾斜顶点在场镜2的后表面;倾斜子光路A1和倾斜子光路A2上分别设置由一个成像物镜5和一个成像芯片6构成的成像组,两个成像组关于主光轴对称,上方的一个成像组中的成像物镜5、成像芯片6依次设置在倾斜子光路A1上,下方的另一个成像组中的成像物镜5、成像芯片6依次设置在倾斜子光路A2上,所述照明装置7的输出光路与半反半透镜3之间的夹角为45°。
半反半透镜3与主光轴之间的夹角为30°时,照明装置7的输出光路与半反半透镜3之间的夹角为60°;如果半反半透镜3与主光轴之间的夹角为60°时,照明装置7的输出光路与半反半透镜3之间的夹角为30°,上述夹角两两互余。
本实施例中,人眼视网膜e与网膜物镜1之间的距离至少为10mm,人眼视网膜的像先在网膜物镜1的场镜2处成一次实像,实像的直径在10-20mm之间,场镜2上的实像透过半反半透镜3照射到前置物镜4上,经前置物镜4变为平行光束分别投射到对称设置的两路倾斜子光路A1和A2上,设置在斜子光路上的成像物镜5将视网膜的像又分别成像到各自的成像芯片6上,倾斜子光路A1和倾斜子光路A2上分别放置有完全相同的成像物镜5和成像芯片6,且倾斜子光路A1和倾斜子光路A2之间的夹角a在10°~12°之间可调,两对称倾斜子光路的成像质量完全相同且在两个成像芯片6上所成的两幅图像有视角差,从而实现同时从两个不同角度拍摄同一眼底视网膜图像的目的,能够实现双目立体成像,对临床医学和科学研究都具有重大的意义。
网膜物镜1的像方焦点和场镜2重合于实像面,此时成像质量较佳。即场镜2的位置在网膜物镜1的像方焦点处,即网膜物镜1所成的实像面与场镜2重合,也可以根据实际情况具体考虑场镜2和网膜物镜1的像方焦点之间的关系。
同样的,场镜2的位置同时为前置物镜4的物方焦点,此时光线通过前置物镜的成像效果最佳;也可以根据实际情况具体考虑场镜2和前置物镜4的物方焦点之间的关系。
成像芯片(6)设置在成像物镜(5)的像方焦点处,从而在成像芯片上成清晰的像,两成像芯片和对应成像物镜之间的位置也可根据实际情况进行调整。
场镜2位于网膜物镜1与半反半透镜3的中间区域,这样成像效果较理想。也可以根据实际需要具体考虑场镜2位于网膜物镜1与半反半透镜3之间的具体位置。
前置物镜4可将成像光束变为平行光束,有利于像质的提高。实际上,也可以根据实际需要具体考虑前置物镜4是否需要将成像光束变为平行光束。
两倾斜子光路A1和A2关于主光轴对称,两对称倾斜子光路A1和A2关于主光轴可以左右对称也可以上下对称,能够在确保成像质量的基础上,简化系统结构,可以在一定程度上降低生产成本,也可以根据实际需要具体考虑两倾斜子光路A1和A2是否关于主光轴对称。
两倾斜子光路A1和A2之间的角度a在10°~12°之间可调。这样的设计,可以在较为理想的范围内随意改变两倾斜子光路之间的角度,以按需调节两倾斜子光路间的距离,适用范围较广,设计较为合理。最优的选择为11°,也可以根据实际情况具体考虑角度a的范围。
网膜物镜1、场镜2、半反半透镜3、前置物镜4、成像物镜5均为球面镜片,网膜物镜1、场镜2、半反半透镜3、前置物镜4、成像物镜5没有抛物面和非规则的镜面,便于生产制造,生产成本低,精度较高。实际上,也可以根据实际情况具体考虑网膜物镜1、场镜2、半反半透镜3、前置物镜4、成像物镜5的类型。
成像物镜5为强光照相机物镜或变焦照相机物镜,成像芯片6为CCD或CMOS。这样的设计,不仅成像效果较佳,而且处理速度较快,在一定程度上缩短了双目立体成像的时间。实际上,也可以根据实际情况具体考虑成像物镜5和成像芯片6的类型。
便携式立体成像眼底相机光学系统为免散瞳眼底相机光学系统,所述的便携式立体成像眼底相机光学系统整体长度小于250mm,所述的照明装置7采用共轴照明方式。这样的设计,适用的瞳孔范围较广,从而可以用于广大人群眼底的双目立体成像;而光学系统尺寸较小,可以方便仪器设备的携带,方便医护人员使用;而照明装置7采用共轴照明方式,可以进一步确保照明的均匀性,改善成像的质量。实际上,也可以根据实际情况具体考虑便携式立体成像眼底相机是否免散瞳以及照明装置7的照明方式。
如图3所示,在本发明便携式立体成像眼底相机光学系统的MTF曲线中,各视场的MTF值均大于0.2在150lp/mm处,满足我国医药行业标准YY0634-2008《眼科仪器 眼底照相机》规定的图像分辨率大于80lp/mm的的技术要求,且各视场的传递函数曲线趋势平滑,成像质量较好。
光学系统存在场曲时,不能使一个较大的平面物体上的各点同时在同一像面上成清晰像,由于成像芯片6要求像面必须在同一平面内,故场曲需很小。由图4所示的场曲曲线可以看出场曲值最大为0.012mm,完全符合平面成像要求。畸变的存在使主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度不等于理想像高,使像相对于物失去了相似性,造成像失真。由图4所示的畸变曲线可以看出畸变值最大仅为-2.5%,故图像无明显失真现象。
综合上述,本发明设计的便携式立体成像眼底相机光学系统可以从两个不同角度同时拍摄同一眼底视网膜照片,成像质量达到了我国制定的医药行业标准YY0634-2008《眼科仪器 眼底照相机》所规定的标准,且优于此标准。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:包括网膜物镜(1)、场镜(2)、半反半透镜(3)、前置物镜(4)、成像物镜(5)、成像芯片(6)和照明装置(7);所述的网膜物镜(1)、场镜(2)、半反半透镜(3)和前置物镜(4)依次设置在主光轴上,网膜物镜(1)、场镜(2)、前置物镜(4)均与主光轴垂直,半反半透镜(3)与主光轴之间的夹角为30-60°;前置物镜的后端形成倾斜子光路A1和倾斜子光路A2,倾斜子光路A1和倾斜子光路A2关于主光轴对称,且倾斜子光路A1、A2之间的角度a为10-12°,所述两倾斜子光路A1和A2的倾斜顶点在场镜(2)后表面;倾斜子光路A1和倾斜子光路A2上分别设置由一个成像物镜(5)和一个成像芯片(6)构成的成像组,两个成像组关于主光轴对称,上方的一个成像组中的成像物镜(5)、成像芯片(6)依次设置在倾斜子光路A1上,下方的另一个成像组中的成像物镜(5)、成像芯片(6)依次设置在倾斜子光路A2上,所述照明装置(7)的输出光路与半反半透镜(3)之间的夹角为30-60°。
2.根据权利要求1所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:所述场镜(2)的位置在网膜物镜(1)的像方焦点处,即网膜物镜(1)所成的实像面与场镜(2)重合;且场镜(2)的位置同时为前置物镜(4)的物方焦点;成像芯片(6)设置在成像物镜(5)的像方焦点处。
3.根据权利要求1所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:所述半反半透镜(3)位于场镜(2)和前置物镜(4)的之间区域。
4.根据权利要求1所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:所述前置物镜(4)位于半反半透镜(3)和成像物镜(5)的之间,成像光束经前置物镜(4)后变为平行光束投射到成像物镜(5)处。
5.根据权利要求1所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:所述两对称倾斜子光路A1和A2的倾斜顶点在场镜(2)后表面,且两对称倾斜子光路A1和A2关于主光轴可以左右对称也可以上下对称。
6.根据权利要求5所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:所述倾斜子光路A1和倾斜子光路A2之间的夹角角度a为11°。
7.根据权利要求1所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:所述的成像物镜(5)为强光成像物镜或变焦成像物镜,所述的成像芯片(6)为CCD或CMOS。
8.根据权利要求1所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:所述的便携式立体成像眼底相机光学系统为免散瞳眼底相机光学系统,所述的便携式立体成像眼底相机光学系统整体长度小于250mm。
9.根据权利要求1所述的便携式立体成像眼底相机光学系统,其特征在于:半反半透镜(3)与主光轴之间的夹角为45°,照明装置(7)的输出光路与半反半透镜(3)之间的夹角为45°。
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