一种基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统的制作方法

本专利涉及一种眼底相机成像系统，尤其涉及一种基于Gullstrand-Le Grand眼模型的眼底相机双目立体成像系统，属于医学眼底成像领域。

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。当眼睛接受到外部的光刺激后，将光冲动传送到大脑中枢而引起视觉。人的视觉敏锐度对学习、生活和工作产生着极大的影响。人眼结构精细且复杂，眼底是其中的重要组成部分。人眼部的疾病除少数是角膜，晶状体的原因外，大部分都是由眼底病变引发的，因此，眼底一直是临床医师的重点关注部位。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也有着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。而目前眼底相机均为单目系统，无法在同一时刻获取一组图像，因此设计一种能够实现双目立体成像的眼底相机成像系统十分必要。

虽然眼底相机技术发展成熟，但主要技术被国外垄断，国内技术相对处于落后状态，其相关仪器也基本靠进口。所以，在掌握眼底相机原理的基础上，对传统眼底相机的设计做改善，在保持其结构简单、实用性广等特点外，使得眼底相机具有更加实用的功能，这对临床医学和科学研究都具有重大的意义。

技术实现要素：

本发明选用Gullstrand-Le Grand眼光学模型来模拟人眼，由眼底视网膜反射回来的光线经倾斜了40°(与垂直方向成40°角)并偏离主光轴2mm的半反半透镜分成两路，分别是正对人眼的一路和偏离主光轴的旁路。

正对人眼的成像光路包括眼模型、接目物镜、成像物镜、接收器件。其中接目物镜组由第一镜片、第二镜片、第三镜片组成，成像物镜组由第四镜片、第五镜片、第六镜片、第七镜片组成，由眼底视网膜反射回来的光线透过半反半透镜的部分先经接目物镜成一个中间像，再由成像物镜将中间像最后成在CCD的靶面上。

旁路成像光路同样包括眼模型、接目物镜、成像物镜、接收器件。其中接目物镜组由第八镜片、第九镜片、第十镜片、第十一镜片组成，成像物镜组由第十二镜片、第十三镜片、第十四镜片、第十五镜片组成，由眼底视网膜反射回来的光线经半反半透镜反射到旁路的部分先经接目物镜成一个中间像，再由成像物镜将中间像最后成在CCD的靶面上。

本发明所述眼底相机成像系统全视场为眼底30°，工作距离为30mm，接收器件采用二分之一英寸200万像素的CCD相机，该系统成像分辨率大于120lp/mm，负畸变值均小于2％。

本发明的有益效果之一，所述的基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统一次拍摄即可得到两幅清晰的眼底图像，与普通眼底相机一次拍摄只能获取一幅眼底图像相比，工作效率大大提高，同时也能够有效地减少病人在拍摄过程中眼睛不适的时间。

本发明的有益效果之二，所述的基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统可以获取同一时刻不同视角的两幅清晰的眼底图像，经过后期算法处理进行三维重建可以将二维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，同时医务人员可以更加准确更加清晰地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，从而大大减少了因医务人员主观判断和临床经验不足对诊断结果造成的影响。

本发明的有益效果之三，所述的基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统可以获取同一时刻不同视角的两幅清晰的眼底图像，经过后期拼接处理可以增大眼底观察区域，从而更好地辅助医务人员进行诊断。

附图说明

为了能够更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的系统结构示意图，图中主要包括人眼模型1、半反半透镜2、接目物镜3、成像物镜4、CCD5、接目物镜6、成像物镜7、CCD8，其中1-5组成成像光路(a)，1、2、6-8组成成像光路(b)。

图2示出了Gullstrand-Le Grand眼模型结构。

图3示出了本发明实施例的成像光路(a)的结构图。

图4示出了本发明实施例的成像光路(a)的调制传递函数(MTF)曲线图。

图5示出了本发明实施例的成像光路(a)的场曲和畸变曲线图。

图6示出了本发明实施例的成像光路(b)的结构图。

图7示出了本发明实施例的成像光路(b)的调制传递函数(MTF)曲线图。

图8示出了本发明实施例的成像光路(b)的场曲和畸变曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为解决现有眼底相机均为单目系统，无法获取同一时刻两幅具有重叠区域的眼底图像的问题，提供一种基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统。

图1示出了本发明实施例的系统结构。本发明在设计过程中，从眼底相机的实际应用环境出发，引入普适的Gullstrand-Le Grand眼模型作为对实际人眼的模拟，进行眼底相机双目立体成像系统的设计，综合校正了人眼及系统的像差。它由4个折射面组成，分别是角膜前后表面、晶状体前后表面。图2示出了该眼模型的结构示意图。

图3示出了本发明实施例的成像光路(a)的具体结构。如图3所示，从人眼模型到CCD接收面依次为(从左到右)第一镜片101、第二镜片102、第三镜片103、第四镜片104、第五镜片105、第六镜片106、第七镜片107、CCD1接收器。

第一镜片101和第二镜片102，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第三镜片103，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第四镜片104，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第五镜片105，是具有负光焦度的双凹镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第六镜片106，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第七镜片107，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件。

镜片101到103组成成像光路(a)的接目物镜，作为成像系统的前组，具有正的光焦度，其中镜片102和103组成正-负形式的双胶合透镜，用于系统的色差校正；镜片104到107组成成像物镜，作为成像系统的后组，具有正的光焦度。成像物镜后面是CCD1接收器。接目物镜将眼底视网膜图像在成像物镜之前先形成一个中间像，再由成像物镜将中间像成像在CCD1接收器上，最后可将数据读入计算机进行显示。通过以上配置，可以实现全视场30°范围内的眼底视网膜清晰成像。

对正常人眼，成像光路(a)的MTF曲线如图4所示，其中MTF(Modulation Transfer Function)为调制传递函数，成像光路(a)的场曲和畸变曲线如图5所示。从图4可以看出，该系统的成像分辨率大于120lp/mm，满足系统设计要求。从图5可以看出，本发明所述基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统对正常人眼的场曲值均小于0.35mm，负畸变值均小于1.6％，满足系统设计要求。

图6示出了本发明实施例的成像光路(b)的具体结构。如图6所示，从人眼模型到CCD接收面依次为(从下到上)半反半透镜、第一镜片201、第二镜片202、第三镜片203、第四镜片204、第五镜片205、第六镜片206、第七镜片207、第八镜片208、CCD2接收器。

第一镜片201和第二镜片202，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第三镜片203，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第四镜片204，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第五镜片205，是具有正光焦度的双凸镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第六镜片206，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第七镜片207，是具有正光焦度的正弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件；第八镜片208，是具有负光焦度的负弯月形镜片，是两面均是球面的玻璃透镜元件。

镜片201到204组成成像光路(b)的接目物镜，作为成像系统的前组，具有正的光焦度，其中镜片202到204组成三胶合透镜，用于减少色差和畸变；镜片205到208组成成像物镜，作为成像系统的后组，具有正的光焦度。成像物镜后面是CCD2接收器。眼底视网膜反射光线的一部分经半反半透镜反射到旁路，先由接目物镜在成像物镜之前先形成一个中间像，再由成像物镜将中间像成像在CCD2接收器上，最后可将数据读入计算机进行显示。通过以上配置，可以实现全视场30°范围内的眼底视网膜清晰成像。

对正常人眼，成像光路(b)的MTF曲线如图7所示，其中MTF(Modulation Transfer Function)为调制传递函数，成像光路(b)的场曲和畸变曲线如图8所示。从图7可以看出，该系统的成像分辨率大于120lp/mm，满足系统设计要求。从图8可以看出，本发明所述基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统对正常人眼，各个视场下场曲值最大值为-0.13mm，负畸变值均小于1.8％，满足系统设计要求。

综上所述，本发明所提供的一种基于眼模型的眼底相机双目立体成像系统包括不共轴的两个光路，分别是正对人眼的一路和偏离主光轴的旁路；所述正对人眼的一路由依次设置的眼模型、接目物镜、成像物镜、接收器件组成；所述偏离主光轴的旁路由依次设置的眼模型、接目物镜、成像物镜、接收器件组成；所述正对人眼的一路和所述偏离主光轴的旁路通过半反半透镜连接起来；所述眼模型为Gullstrand-Le Grand眼模型；所述接收器件为CCD。由眼底视网膜反射出瞳孔的光线经过半反半透镜分成不共轴两路。透过半反半透镜的光线经过接目物镜收集后先成一次中间像，再由成像物镜将中间像成像到接收器件上。经半反半透镜反射的光线先由接目物镜收集后成一次中间像，再由成像物镜将中间像成像到接收器上。两个成像光路均满足系统设计要求。