CN111543938B - 一种眼底相机光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种眼底相机光学系统，包括：成像系统，设有第一主光轴；照明系统，发出照明光，设有第二主光轴，所述第一主光轴和第二主光轴呈90°夹角相交；平面分光镜，穿过第一主光轴和第二主光轴的相交点，设有反射面和投射面，所述反射面和投射面平行，所述反射面与第一主光轴呈45°夹角；所述照明系统发出的照明光传输到所述反射面，所述成像系统接收的光来源于所述投射面；本发明对杂光实现很好的抑制作用。提高成像质量。本发明主要用于眼科医疗设备技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及眼科医疗设备技术领域，特别涉及一种眼底相机光学系统。
背景技术
眼底相机属于医学成像领域，可以对视网膜病变进行及时探测、跟踪，对多种疾病起到有效的诊断、预警作用。例如通过筛选视网膜照片检测脑梗塞、脑溢血、脑动脉硬化、脑肿瘤、糖尿病、肾病、高血压、早产儿视网膜病变、青光眼、脑年化黄斑变性，因此眼底相机普遍用于临床筛查眼底疾病，成为不可或缺的医疗器械。目前，虽然眼底相机已经被广泛使用，但是大部分眼底相机是无法移动的台式机。为了方便眼底检查和进行眼科普查，现有存在小型化便携式眼底相机作为社区医院与偏远地区的眼底检查设备。这些小型化的眼底相机采用39°视场的可见光免散瞳眼底相机光学系统，分辨眼底10μm结构，成像系统为265mm，但是这种光学系统在对角膜反射带来的杂散光的抑制方面效果并不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种眼底相机光学系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种眼底相机光学系统，包括：
成像系统，设有第一主光轴；
照明系统，发出照明光，设有第二主光轴，所述第一主光轴和第二主光轴呈90°夹角相交；
平面分光镜，穿过第一主光轴和第二主光轴的相交点，设有反射面和投射面，所述反射面和投射面平行，所述反射面与第一主光轴呈45°夹角；
所述照明系统发出的照明光传输到所述反射面并入射到角膜中，所述成像系统接收的光来源于所述投射面；
其中，设：入射到角膜的照明光与第一主光轴的夹角为δ，入射到角膜的照明光在角膜处入射光线与其法线之间的夹角为γ，照明光在角膜的入射高度为h1；
δ满足：
γ满足：
h1满足：
h2表示为成像系统入光口的半口径，h3表示为眼底照明的高度，R1表示为角膜的曲率半径，R2表示为视网膜的曲率半径，D表示为瞳孔半径，n1表示为空气的折射率，n2表示为角膜的折射率，x0表示为成像系统与角膜之间的距离，l1表示为角膜前表面与瞳孔的距离，l2表示为瞳孔到视网膜的距离。
进一步，所述成像系统包括：网膜物镜和成像镜组，所述网膜物镜和成像镜组的主光轴均与第一主光轴共光轴设置，所述网膜物镜对从所述投射面传输过来的光进行第一次成像，所述成像镜组对从网膜物镜传输过来的光进行第二次成像。通过两次成像的方式可以最大程度的消除像差。
进一步，所述网膜物镜包括：第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜沿光传输的方向依次设置，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜均与第一主光轴共光轴设置。
进一步，所述成像镜组包括：用于平衡校正垂直色差第一透镜组和用于平衡像差第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组沿光传输的方向依次设置，所述第一透镜组和第二透镜组均与第一主光轴共光轴设置。通过第一透镜组和第二透镜组实现平衡校正垂直色差和平衡像差。
进一步，所述照明系统包括：LED光源和环形光阑，所述环形光阑设置在LED光源的发光面上，所述环形光阑用于将LED光源发出的光形成环形光。使得整个照明系统发出环形光，降低了整个照明光的阴影。
进一步，所述LED光源包括基板，所述基板上焊接有至少八颗LED灯珠，LED灯珠围成环状。
进一步，所述照明系统还包括匀光镜，所述匀光镜用于均匀所述环形光阑的出射光。通过匀光镜可以均匀照明光。
进一步，所述照明系统还包括聚光镜组，所述聚光镜组设置在平面分光镜和匀光镜之间，所述聚光镜组和所述匀光镜均与第二主光轴共光轴设置，所述聚光镜组用于调整照明系统的焦距。
本发明的有益效果是：本发明对杂光实现很好的抑制作用。实现了MTF在95lp/mm处大于0.2，眼底的分辨力能达到6μm，眼底成像质量高。最大RMS光斑半径为4.658μm，且在艾里斑的半径8.224μm之内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是眼底相机光学系统示意图；
图2是人眼角膜反射杂光抑制模型的模型示意图；
图3是照明光通过角膜实现眼底均匀照明的光线传输模型的模型示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参考图1、图2和图3，一种眼底相机光学系统，包括：成像系统100、照明系统200和平面分光镜500，所述成像系统100设有第一主光轴300；所述照明系统200用于发出照明光，所述照明系统200设有第二主光轴400，所述第一主光轴300和第二主光轴400呈90°夹角相交；所述平面分光镜500穿过第一主光轴300和第二主光轴400的相交点，所述平面分光镜500设有反射面和投射面，所述反射面和投射面平行，所述反射面与第一主光轴300呈45°夹角。待测眼睛与第一主光轴300同光轴，所述照明系统200发出的照明光传输到所述反射面并入射到角膜中，所述成像系统100接收的光来源于所述投射面。
其中，设：入射到角膜800的照明光与第一主光轴300的夹角为δ，入射到角膜800的照明光在角膜800处入射光线与其法线之间的夹角为γ，照明光在角膜800的入射高度为h1；
δ满足：
γ满足：
h1满足：
h2表示为成像系统100入光口的半口径，h3表示为眼底照明的高度，R1表示为角膜800的曲率半径，R2表示为视网膜的曲率半径，D表示为瞳孔半径，n1表示为空气的折射率，n2表示为角膜800的折射率，x0表示为成像系统100与角膜800之间的距离，l1表示为角膜800前表面与瞳孔的距离，l2表示为瞳孔到视网膜的距离。一般情况下，I1等于4.05mm，l2等于20.79mm。
确定角度的正负关系，在本实施例中，以主光轴为参考轴，绕参考轴顺时针方向转动的角度为正，逆时针方向转动的角度为负。
当光学系统工作时，比如需要获取眼底照明的高度h3所在位置的眼底图像，即可以通过目标h3计算出δ、γ和h1，通过控制δ、γ和h1便可以得到目标h3位置的眼底图像，该眼底图像杂光少，质量高。具体的，设定好成像系统100与角膜800之间的距离x0，通过目标h3获取夹角δ、γ。照明系统200发出照明光，该照明光在以一定的角度照射到角膜800中。其中，在夹角δ的作用下，角膜800上反射的杂光无法进入成像系统100。在夹角γ和高度h1的作用下，照明光可以对眼底进行照亮，使得带有眼底信息的反射光通过经过眼睛的玻璃体、晶状体、通孔、前房和角膜800后形成与第一主光轴300相平行的平行光，该平行光通过平面分光镜500进入成像系统100。
为确定由角膜800反射刚好不进入成像系统100的边界条件，本发明建立人眼角膜800反射杂光抑制模型。设照明光经角膜800反射后刚好进入成像系统100的对应角度为入射临界角度β，设照明光在角膜800上的反射光与光轴夹角为ω，照明光在角膜800上入射点对应的法线与光轴夹角为α，为了保证角膜800的反射光无法进入成像系统100，应该满足：
δ≤β；
根据图2，可知入射临界角度β为：
β＝2α-ω (1)
根据图2的几何关系，可得：
根据以上公式。便可求出照明光经角膜800反射后不进入成像系统100的角度范围为：
同时，为了实现对眼底的照亮，建立了照明光通过角膜800实现眼底均匀照明的光线传输模型。参考图3中几何关系，确定经角膜800折射后进入人眼的光线与眼底视轴310的夹角θ3，眼底视轴310与第一主光轴300平行，计算公式如下：
照明光经过角膜800折射后进入人眼的光线与对应法线的夹角θ2为：
θ2＝θ3-θ4 (7)
照明光在角膜800入射点对应法线与眼底视轴310的夹角θ4为：
根据式(5)至(7)求出θ2，依据折射定律，照明光在角膜800处入射光线与其法线夹角θ1为：
其中，夹角θ1的最小值为当h3为0的时候，夹角θ1随着眼底的高度变化，为了使得眼底可以完全照亮，夹角γ需要小于等于夹角θ1的最大值，且大于夹角θ1的最小值，故：
其中，h1满足：
所述成像系统100包括：网膜物镜110和成像镜组，所述网膜物镜110和成像镜组的主光轴均与第一主光轴300共光轴设置，所述网膜物镜110对从所述投射面传输过来的光进行第一次成像，所述成像镜组对从网膜物镜110传输过来的光进行第二次成像。在通过本光学系统对眼底进行成像时，容易产生像差，因此，为了解决这个问题，通过设置通过两次成像的方式，以最大程度的消除像差，提高成像质量。
所述网膜物镜110包括：第一平凸透镜111和第二平凸透镜112，所述第一平凸透镜111和第二平凸透镜112沿光传输的方向依次设置，所述第一平凸透镜111和第二平凸透镜112均与第一主光轴300共光轴设置。所述成像镜组包括：用于平衡校正垂直色差第一透镜组120和用于平衡像差第二透镜组130，所述第一透镜组120和第二透镜组130沿光传输的方向依次设置，所述第一透镜组120和第二透镜组130均与第一主光轴300共光轴设置。
所述照明系统200包括：LED光源201、环形光阑202、匀光镜203和聚光镜组210，所述环形光阑202设置在LED光源201的发光面上，所述环形光阑202用于将LED光源201发出的光形成环形光。所述LED光源201包括基板，所述基板上焊接有至少八颗LED灯珠，LED灯珠围成环状。所述匀光镜203用于均匀所述环形光阑202的出射光。所述聚光镜组210设置在平面分光镜500和匀光镜203之间，所述聚光镜组210和所述匀光镜203均与第二主光轴400共光轴设置，所述聚光镜组210用于调整照明系统200的焦距。
为了实验本光学系统的工作，设置标准人眼模型600来模拟人眼。在成像系统100的成像面上设置CMOS感光片700。如图1所示的设置本光学系统。
其中，在网膜物镜110中，第一平凸透镜111的左侧面的曲率半径为39.9421mm，第一平凸透镜111的右侧面的曲率半径为-76.3069mm，第二平凸透镜112的左侧面的曲率半径为94.7992mm，第二平凸透镜112的右侧面的曲率半径为-137.3367mm。
在成像镜组中，第一透镜组120由第一透镜121和第二透镜122同光轴组成，其中，第一透镜121的左侧面的曲率半径为-10.4009mm，第一透镜121的右侧面的曲率半径为16.2243mm，第二透镜122的左侧面的曲率半径为16.2243mm，第二透镜122的右侧面的曲率半径为-18.4712mm。
第二透镜组130由第三透镜131、第四透镜132和第五透镜133共光轴组成。第三透镜131的左侧面的曲率半径为15.5748mm，第三透镜131的右侧面的曲率半径为-32.6509mm，第四透镜132的左侧面的曲率半径为-16.7271mm，第四透镜132的右侧面的曲率半径为-11.4240mm，第五透镜133的左侧面的曲率半径为-6.1374mm，第五透镜133的右侧面的曲率半径为-8.1595mm。
第一平凸透镜111的左侧面与其的右侧面之间的距离为13.0050mm，第一平凸透镜111的右侧面与第二平凸透镜112的左侧面之间的距离为16.0110mm。第二平凸透镜112的左侧面与其的右侧面之间的距离为15.0069mm。第二平凸透镜112的右侧面与第一透镜121的左侧面之间的距离为25.0044mm，第一透镜121的左侧面与其的右侧面之间的距离为3.0897mm，第一透镜121的右侧面与第二透镜122的左侧面之间的距离为0，第二透镜122的左侧面与其的右侧面之间的距离为12.0049mm，第二透镜122的右侧面与第三透镜131的左侧面之间的距离为13.0005mm，第三透镜131的左侧面与其的右侧面之间的距离为6.0097mm，第三透镜131的右侧面与第四透镜132的左侧面之间的距离为2.4131mm，第四透镜132的左侧面与其的右侧面之间的距离为12.0088mm，第四透镜132的右侧面与第五透镜133的左侧面之间的距离为1.6385mm，第五透镜133的左侧面与其的右侧面之间的距离为4.4761mm。
在照明系统200中，匀光镜203的下侧面的曲率半径为173.0631mm，匀光镜203的上侧面的曲率半径为60mm。聚光镜组210由第六透镜211、第七透镜212和第八透镜213组成，第六透镜211、第七透镜212和第八透镜213自下往上依次设置。第六透镜211的下侧面的曲率半径为-26.0571mm，第六透镜211的上侧面的曲率半径为-27.2871mm，第七透镜212的下侧面的曲率半径为1350.9696mm，第七透镜212的上侧面的曲率半径为-52.5290mm，第八透镜213的下侧面的曲率半径为43.2217mm，第八透镜213的上侧面的曲率半径为270.2535mm。
匀光镜203的下侧面与其的上侧面之间的距离为8mm，匀光镜203的上侧面与第六透镜211的下侧面之间的距离为15mm，第六透镜211的下侧面与其的上侧面之间的距离为12.7875mm，第六透镜211的上侧面与第七透镜212的下侧面之间的距离为2mm，第七透镜212的下侧面与其的上侧面之间的距离为9.8414mm，第七透镜212的上侧面与第八透镜213的下侧面之间的距离为1mm，第八透镜213的下侧面与其的上侧面之间的距离为8mm，第八透镜213的上侧面与角膜800前表面的距离为50mm。
通过构建本实施例的眼底相机系统，可以对杂光实现很好的抑制作用。实现了MTF在95lp/mm处大于0.2，眼底的分辨力能达到6μm，眼底成像质量高。最大RMS光斑半径为4.658μm，且在艾里斑的半径8.224μm之内。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种眼底相机光学系统，其特征在于，包括：
成像系统，设有第一主光轴；
照明系统，发出照明光，设有第二主光轴，所述第一主光轴和第二主光轴呈90°夹角相交；
平面分光镜，穿过第一主光轴和第二主光轴的相交点，设有反射面和投射面，所述反射面和投射面平行，所述反射面与第一主光轴呈45°夹角；
所述照明系统发出的照明光传输到所述反射面并入射到角膜中，所述成像系统接收的光来源于所述投射面；
其中，设：入射到角膜的照明光与第一主光轴的夹角为δ，入射到角膜的照明光在角膜处入射光线与其法线之间的夹角为γ，照明光在角膜的入射高度为h1；
δ满足：
γ满足：
h1满足：
h2表示为成像系统入光口的半口径，h3表示为眼底照明的高度，R1表示为角膜的曲率半径，R2表示为视网膜的曲率半径，D表示为瞳孔半径，n1表示为空气的折射率，n2表示为角膜的折射率，x0表示为成像系统与角膜之间的距离，l1表示为角膜前表面与瞳孔的距离，l2表示为瞳孔到视网膜的距离。
2.根据权利要求1所述的一种眼底相机光学系统，其特征在于：所述成像系统包括：网膜物镜和成像镜组，所述网膜物镜和成像镜组的主光轴均与第一主光轴共光轴设置，所述网膜物镜对从所述投射面传输过来的光进行第一次成像，所述成像镜组对从网膜物镜传输过来的光进行第二次成像。
3.根据权利要求2所述的一种眼底相机光学系统，其特征在于：所述网膜物镜包括：第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜沿光传输的方向依次设置，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜均与第一主光轴共光轴设置。
4.根据权利要求2所述的一种眼底相机光学系统，其特征在于：所述成像镜组包括：用于平衡校正垂直色差第一透镜组和用于平衡像差第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组沿光传输的方向依次设置，所述第一透镜组和第二透镜组均与第一主光轴共光轴设置。
5.根据权利要求1所述的一种眼底相机光学系统，其特征在于：所述照明系统包括：LED光源和环形光阑，所述环形光阑设置在LED光源的发光面上，所述环形光阑用于将LED光源发出的光形成环形光。
6.根据权利要求5所述的一种眼底相机光学系统，其特征在于：所述LED光源包括基板，所述基板上焊接有至少八颗LED灯珠，LED灯珠围成环状。
7.根据权利要求5所述的一种眼底相机光学系统，其特征在于：所述照明系统还包括匀光镜，所述匀光镜用于均匀所述环形光阑的出射光。
8.根据权利要求7所述的一种眼底相机光学系统，其特征在于：所述照明系统还包括聚光镜组，所述聚光镜组设置在平面分光镜和匀光镜之间，所述聚光镜组和所述匀光镜均与第二主光轴共光轴设置，所述聚光镜组用于调整照明系统的焦距。
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