（光学工程专业论文）光电眼底成像系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文回顾了眼底成像技术发展的历史，分析比较了o c t 、s l o 、自适光学 和传统眼底照相等眼底成像技术的优缺点。以传统光学照相和面阵c c d 相结合 的光电眼底成像系统为对象研究了影响成像的关键因素，找出了解决的方法， 设计出了光学系统结构，计算了具体参数。并对光学系统和c c d 光电探测器的 匹配进行了深入的讨论。最后还对眼底图像的数字化处理方法及增强技术进行了 研究。 本文主要研究了以下几个方面： 一眼底成像光学系统设计 1分析了与眼底成像有关的人眼基本结构和光谱透过率，指出了影响成像 的关键因素：角膜相对较强的反射光干扰了从眼底反射回来的很弱的成像光束。 2 采用了能有效避开角膜反射光的照明和成像光路共轴的主动成像系统。 为了有效避开角膜反射光对成像对比度的影响，仔细设计了照明光路，通过加入 环形光阑和中空反射镜，并合理安排照明光路中的各元件的位置，使得照明眼底 的光束在角膜上呈现圆环状，照明光柬从圆环的环区进入眼睛均匀照明眼底，而 成像光束从圆环中间的孔出射，从而实现了照明光束和成像光束在空间上的分 离，有效地解决了角膜反射光对成像的干扰。 3 分析了照明光束在接目物镜各面上引起的鬼像位置通过在照明光路中 合适的位置加入黑点板来消鬼像。并经过巧妙设计按目物镜，使得各面产生的鬼 像处于同一位置，进而减少了黑点板的数量，简化了系统的结构。 二光电匹配及眼底成像系统的分辨率 1 将光学系统和c c d 探测器看成线性系统，应用匹配滤波理论，分析得出： 当c c d 的点扩散函数与光学系统的越相近。则系统的信噪比越大。等效平方带 宽一直是光电成像系统非噪声情况下的评价方法，它标志着系统的分辨率，在红 外成像领域有广泛的应用。本文综合考虑了眼底成像系统的等效平方带宽和由匹 配滤波得到的信噪比，建立了基于信噪比通道宽度的评价模型，并进行了计算机 仿真，得出了眼底成像系统中光学系统和c c d 光电探测器一般匹配特性和最佳 匹配条件。将结果和基于信息论的评价方法进行了比较，证明此方法是可行的， 而且对于一般的光电成像系统均适用。 山东大学硕士学位论文 2 对眼底成像系统能达到的分辨率进行了研究，指出了采用传统光学成像 方法所能得到的极限分辨率由人眼瞳孔的衍射极限所决定。 三视网膜血管图像的增强 最后还对眼底图像的数字化处理方法和增强技术进行了研究。重点研究了基 于数学形态学和匹配滤波的视网膜血管图像增强方法，本文针对视网膜血管图像 成像的特点，通过同态滤波的方法，使图像照度不均的情况得到了有效的校正， 在此基础上。通过数学形态学的t o p - - h a t 变换，消除了背景不均的情况使得 背景信息得到抑制，血管信息被增强；所采用的匹配滤波器，对血管信息进行搽 测，进一步使得血管信息得到了有效增强，可视性大大加强。 关键词：眼底成像鬼像匹配滤波信噪比通道带宽图像增强 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fr e t i n a li m a g i n gt e c h n o l o g yi sr e v i e w e da n ds e v e r a lr e t i n a l i m a g i n gt e c h n o l o g i e si n c l u d i n go c t ( o p t i c a l c o h e r e n c e t o m o g r a p h y ) ， s l o ( s c a n n i n g l a s e r o p h t h a l m o s c o p e ) ，a d a p t i v eo p t i c sa n d t r a d i t i o n a lr e t i n a li m a g i n g t e c h n o l o g ya r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d w es t u d yt h ep h o t o e l e c t r i cr e t i n a li m a g i n g s y s t e mc o m p o s e do ft r a d i t i o n a lo p t i e a li m a g i n gs y s t e ma n dc o l o rc c dd e t e c t o ra n d f i n dt h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ei m a g e q u a l i t y , a n dt h e n ac o r r e s p o n d i n gr e s o l u t i o ni s g i v e n t h ei n t e r r e l a t i o nb e t w e e no p t i e a ls y s t e ma n dc c d d e t e c t o ri sd i s c u s s e d d e e p l y a tl a s t , i m a g ed i g i t a lp r o c e s s i n ga n de n h a n c e m e n tm e t h o d sf o rr e t i n a li m a g e sa l e s t u d i e d t h e f o l l o w i n ga s p e c t sa mm a i n l ys t u d i e d ： i o p t i c a ld e s i g no f r e t i n a li m a g i n g s y s t e m 1 t h r o u g ha n a l y s i so f b a s i cc o n f i g u r a t i o na n ds p e c t r u mc h a r a c t e r so f e y e s ，i t i si n d i c a t e dt h a tt h er e l a t i v e l ys t r o n gl i g h tr e f l e c t e db ye o m e ad i s t u r b st h ei m a g i n g l i g h tr e f l e c t e db y r e t i n a 2a na c t i v ei m a g i n gs y s t e mi nw h i c ht h ei l l u m i n a t i o np a t ha n di m a g i n gp a t h a r ec o a x i a li ss e l e c t e d i no r d e rt oa v o i dl i g h tr e f l e c t e db yt h ec o r n e a , w em a k et h e s h a p eo f i l l u m i n a t i o nb e a m r i n g - l i k eo nc o r n e aa n ds e p a r a t ei l l u m i n a t i o nb e a mf r o m i m a g i n gb e a m i ns p a c eb yi n s e r t i n gar i n g - l i k es t o pa p e r t u r ea n da r r a n g i n ge l e m e n t s p r o p e r l yi nt h ei l l u m i n a t i o np a t h 3t h eg h o s tp o s i t i o n so nt h es u r f a c e so f o b j e c t i v el e n sa r ea n a l y z e da n dt h e b l a c ks p o tp l a t e sa r ep l a c e dp r o p e r l yi nt h ei l l u m i n a t i o np a t ht oc l e a r 叩t h eg h o s t s m e a n w h i l ei nd e s i g n i n gt h eo b j e c t i v el e n s ，w es e tt h eg h o s tg e n e r a t e db ys o m eo p t i c a l s u r f a c e sa tn e a r l ys a n l ep l a c ei no r d e rt or e d u c et h en u m b e ro f b l a c ks p o tp l a t e sa n d s i m p l i f yt h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n i i s y s t e mr e s o l u t i o na n dm a t c h i n g b e t w e e n o p t i c sa n d d e t e c t o r 1 b ye x t e n d i n gm a t c h e df i l t e r s a n de q u i v a l e n ts q u a r eb a n d w i d t ht h e o r yt o p h o t o e l e c t r i cr e t i n a li m a g i n gs y s t e mi n w h i c ht h e o p t i c a ls y s t e ma n dd e t e c t o ra r e l o o k e da sl i n e a rs y s t e m s ，t h em o d e lo f s y s t e mp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nb a s e do ns i g n a l i l 山东大学硬士学位论文 t on o i s er a t i ob a n d w i d t hi s b u i l t s i g n 丑lt on o i s er a t i ob a n d 诵d t h b a s e dc o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t sa r cg i v e n a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h eg a n e r a lm a t c h i n g f e a t u r e sa n di d e a lm a t c h i n gc o n d i t i o nb c t w no p t i c a ls y s t e ma n dc c d d e t e c t o ro f r e t i n a l i m 晒n gs y s t e m a r e o b t a i n e d c o m p a r i n gw i t h o t h e r s y s t e mp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nm e t h o d s ，t h em e t h o dp r o d d e di n t h i sp a p e ri sp r o v e dv a l i da n df i t t o g a n e r a jp h o t o e l e c t r i ci m a g i n gs y s t e m s 2i ti si n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mr e s o l u t i o nr e a c h e di s l i m i t e db yt h ep u p i l d i f f r a c t i o no f e y e sb ys t u d y i n g t r a d i t i o n a lo p t i c a lr e t i n a li m a g i n gs y s t e m i i ir e t i n a lv a s c u l a ri m a g ee n h a n c e m e n t f i n a l l yi m a g ep r o c e s s i n g a n de n h a n c e m e n tm e t h o d sf o rr e t i n a li m a g e s a r e s t u d i e d an e wi m a g ee n h a n c e m e n tm e t h o df o rr e t i n a lv a s c u l a ri m a g e si sp r o v i d e d a c c o r d i n gt ot h ei m a g i n gc h a r a c t e r s a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l eo fh o m e o s t a s i sf i l t e r m e t h o d ，an e wf i l t e r i s d e s i g n e d i no r d e rt o a d j l a s t t h eu n e v e nb r i g h t n e s s a m a t h e m a t i cm o r p h o l o g yt o p - h a to p e r a t i o ni sp e r f o r m e d t h er e s u l te n h a n c e d r e t i n a l i m a g ed e p i c t ss i g n i f i c a n t l ys u p p r e s s e db a c k g r o u n dw h i l ee n h a n c e dv e s s e lv i s i b i l i t y f i n a l l y , u s i n gt h em e t h o do fm a t c h e df n t c r s t o e x p l o r ev a s c u l a ri n f o r m a t i o n ，t h e v a s c u l a rb r i g h t n e s sa n dt h ec o n t r a s tb e t w e e nb a c k g r o u n da n d v a s c u l a ra r ce n h a n c e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h ev a l u e sf o r 廿把c l i n i c a lp r a c t i c e k e yw o r d s ：r e t i n a li m a g i n g ；g h o s t ；m a t c h e d f i l t e r ；s i g n a l t on o i s er a t i o b a n d w i d t h ；i m a g e e n h a n c e m e n t 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 丛丝螽 日期：塑咝鬓型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 趟蠢导师签名：习盈亟! 璺日 期：迦笙丝孟! 。 山东大学磺士学位论文 常用符号 瞳孔直径 眼睛屈光不正度 眼底光照底 探测器上光照度 光通量 角膜反射率 眼底反射率 眼睛光学系统透光率 照相放大倍率 物距 像距 像方焦距 光学系统的频率响应 探测器的频率响应 归一化信噪比 等效平方带宽 信噪比通道宽度 入射分量 反射分量 v 。b 助中 如坼n芦，r厂一啪舢从删舰 第一章绪论 人们把眼睛称作“心灵的窗口”，它是人获得信息最重要也是最主要的器官。 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、糖尿瘸、妊娠毒血症和肿 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枝可以从其 推测脑血管的情况。特别是通过眼底荧光造影技术，获得荧光素钠的荧光在眼底 动静脉血管出现的时间、扩散顺序和速度等参数，是进行人体微循环分析研究的 重要方法之一【1 4 ，8 ，叭。因此，不断利用新的光电子技术，实现对眼底成像技术改 进及更深入的研究工作，在临床应用和理论研究工作中都具有重大意义。 1 1 眼底成像技术简介 1 1 1 眼底照相机 最早实现对人眼视网膜的观察，要追溯到十九世纪。1 8 5 1 年，h e l m o h o t z 改 装了由b a b b a g e 于1 8 4 7 年发明的间接检眼镜，使眼科医生第一次看到了眼底。 在这个简单的设备中医生用自己的限睛作为探测器，用起来非常灵活，这种结构 已经保持了1 5 0 年基本没变，至今仍是眼科医生常用的检查工具。1 8 8 5 年d e n n e t 改装成直接检眼镜，以后相继发明了g o l d m a n n 接触镜、三面镜、巩膜压迫器， 使眼底的周边得到了详细的观察。 j e c h m a n 和w e b s t e r 于1 8 8 6 年用一个固定在病人头部的相机得了第一张活人 的视网膜照片，但由于曝光时间过长( 2 5 r a i n ) ，病人眼球的运动使得图像很模 糊，仅能显示出视网膜最明显的特征。真正意义上的眼底照相机是由德国c a r l z e i s s 公司于1 9 2 5 年首先研制成功的，它是由间接检眼镜发展而成。经过几十年 发展，目前利用高分辨率的乳胶底片，设计良好的眼底照相机可以获得大约6 u m 的分辨率。眼底照相机的出现在视网膜成像技术发展过程中具有重大的意义，它 排除了以往对眼底观察的主观因素，能将视网膜图像客观地、永久性地记录下来， 山东大学硕士学位论文 并为后来荧光素眼底血管造影术的产生奠定了基础。 1 9 6 1 年，n o v o t n y ，a l v i s 用自已的血加入荧光素钠，铡得了含血荧光素的 激发波长和发射波长，把荧光素钠注入a l v i s 的血管中，他们选择了合适的滤光 片，改进了光源系统，采用高敏感度的胶片作为记录介质利用c a r lz e i s s 公司 的眼底照相机，第一次成功拍摄了人类第一张眼底血管造影片，观察到了视阏膜 脉络循环的动态过程【4 j 。此后虽然该技术不断得到研究和改进，但n o v o t n y ，a l v i s 所使用的基本方法和原理一直沿用至今。 1 1 2 扫描激光检眼镜 眼底成像技术发展过程中一个重要的突破是1 9 7 9 年r o b e tw e b 发明的扫描 激光检眼镜( s c a n n i n g l a s e r o p h t h a l m o s c o p e ) ，它不同于传统的眼底成像技术中 的一次照相技术，采用扫描成像。它用光栅将一个聚焦后的激光光斑在视网膜上 扫描，并以高灵度的雪崩光电二极管或光电倍增管为探测器接收反射光，用一个 大的出射瞳孔以增强光信号，在分辨率方面不会受损，因为s l o 的分辨率取决 于在视网膜上扫描的激光光斑的聚焦情况【2 t3 ，5 6 1 。高灵敏度的探测器和大的出射 瞳孔相结合使得s l o 的灵敏度甚至超过了配有c c d 的眼底照相机，放宽了对视 网膜曝光的要求。由于其利用了小的共焦孔径，所以将横向分辨率提高了1 4 倍， 它的另外一个优点是利用共焦孔径可以实现对不同层面成像，即三维成像。但由 于人眼像差的存在，使得s l o 的轴向分辨率限制在3 0 0 u m 左右，大致和视网膜 的厚度相当，虽然不能对视网膜层析成像，但能够以很高的精度确定视网膜特征 的位置。 1 1 3 光学相干层析眼底成像技术 光学相干层析( o c t ) 技术的出现克服了瞳孔和人眼像差的存在对轴向分辨 率的限制，它利用低相干光源加一个迈克尔逊干涉仪对眼底进行相干扫描成像， 其轴向分辨率仅取决于光源的相干长度，目前轴向分辨率极限约为1 0 u r n 左右， 但有可能达到不到4 u m 。o c t 将以前所未有的分辨率探测诸如视网膜色素上皮 血管和玻璃体与视网膜界面之间的散射特性，使人们可进步了解视网膜结构特 征。并能对视网膜厚度进行测量，改进了对许多视网膜疾病探测和监视，其中包 括青光眼、糖尿病斑状水肿、黑点性退化。目前o c t 成像技术还不完全成熟， 只有德国z e i s s 公司有眼科o c t 的产品，但于由于其超高的分辨率和无损伤探 山东大学硬士学位论文 测的优点，必将成为眼底成像技术领域内一个重要分支。 1 1 4 自适光学眼底成像技术 自适应光学原本是在地基望远镜中用于补偿大气湍流的影响，该技术能很好 地适用于矫正眼睛的像差，对不同的眼睛这种像差差别很大。在1 9 9 6 年l o 月于 罗彻斯特召开的o s a 年会上，美国的l i a n gw i l l i a m s 和m i l l e r 首先将自适应光 学技术应用眼底成像当中，获得了活人眼睛视网膜小凹中光感受器列阵的轮廓鲜 明的相片。他们的系统用h a r t m a n n - s h a c h 波前传感器首次测量了眼睛的波畸变 并用一个形状可变的反射镜将畸变了的波前重新形成平面波前。用他们的系统可 将畸变矫正到只有原来的四分之一，并使横向分辨率提高两倍，光瞳的直径可由 3 m m 增大到8 m m ，衍射限制的横向分辨率将会提高2 7 倍，对光的聚焦能力超 过普通眼底照相7 倍“。中科院成都光电所研制的8 6 3 项目“人眼视网膜成像自 适应光学系统”于2 0 0 0 年底通过8 6 3 专家组验收。该系统用一个3 7 单元的形变 器作为波前校正器，将眼底照相的分辨率推进到了前所未有的o 6 1 7 u m ，并于 2 0 0 1 年六月底在国内首次获得眼底视网膜中不同层面视觉细胞图像和视网膜内 毛细血管高分辨率图像，并可对不同层面上的细胞进行计数，此结果代表了这一 领域的最新研究进展。 1 2 各种眼底成像技术的优缺点 传统的眼底照相机是利用乳胶底片作为记录介质，由于眼球对于光的损耗比 较大，为了获得足够强的眼底信息，需要传递给眼底的光要达到相当的强度才行， 但增加传递给眼底的能量有损害视网膜的危险而受到限制，并且必须使曝光时间 足够短以避免由于眼球的运动而造成图像模糊。使用胶片的眼底照相机已经接近 了最大允许曝光量的a n s i ( 美国国家标准协会) 限制【7 1 。使用底片的另一个缺 点是必须经过冲洗定影后才能得到还原的图像，制作一张照片步骤多，费时长， 到目前为止最好的照片连拍技术仍限于每秒三张嗍，这些都不利于眼底变化情况 尤其是快速的眼底荧光影技术的分析和研究。 o c t 和自适应光学技术在分辨率上有绝对的优势，将是眼底成像领域未来 发展的方向。但由于其技术还不够成熟，目前还处在研究适用阶段。而且由于其 山东人学硕士学位论文 使用单色光成像，所获得为仅为眼底的灰度图像。s l o 的缺点是成像视场小、 而设备成本高。目前，单色s l o 根据其所选的激光器市场价为6 7 万英磅，而 为了获得彩色眼底像，采用多色激光器无疑又会增加成本。并且激光常被描述成 具有杀伤性的东西，患者由此而产生的畏惧心理也在一定程度上限制了s l o 的 推广【3 5 1 。 相对而言，采用传统成像技术的眼底照相机拥有技术成熟、成像范围大、易 操作等优点，而且彩色眼底照片仍然是对眼底病理状态记录的“金标淮”，并常 规地被眼科医师用来记录眼底的生理状态。 1 3 传统眼底成像技术的新发展 商业化的眼底照相机从上世纪三十年代以来已作为常规应用，且在近7 0 年 来有了巨大变化。9 0 年代以来，光电子技术突破性发展为眼底成像技术开辟了 新的方向。德国z e i s s 公司和日本的t o p c o n 公司率先将微型的c c d 光电成 像器件代替乳胶底片作为记录介质应用在眼底照相机当中，由于c c d 探测器的 灵敏度比胶片高1 0 0 倍以上 7 1 ，因此可以大大减少对患者眼底照射的光能量，降 低患者的不舒适感，可较长时间进行连续观察和拍摄。并且c c d 可以将获取的 模拟光信号快速转换成数字电信号，很方便的传给计算机，非常有利于对图像进 行数字化的分析和处理。虽然目前许多眼科诊所仍用照相胶卷记录眼底图像，但 近年来将高分辨率、高灵敏度的彩色c c d 照相机安装在眼底照相机上，使其能 够用数码技术捕获并存储在电脑上，再采用相应的图像处理软件快速便捷地进行 处理，以获取有效的信息，其实时性、及时性大大增强。这对于传统眼底照相技 术来说无疑是巨大的进步。因此，应用c c d 作为探测器已成为传统眼底照相技 术的发展趋势。 虽然采用乳胶底片的眼底照相机己相当普及，采用c c d 作为图像探测器的 眼底相机也已开始市场化，但是主要技术被国外垄断，目前国内眼底成像技术的 发展还处在相对落后的状态，各眼科诊所使用的设备基本靠进口。国内某些医疗 器械生产厂也曾生产过一些型号的眼底照相机，但终因系统设计的不好，而很难 得到清晰图像。 山东大学硬士学位论文 本文所研究的眼底成像系统是采用传统的眼底照相和面阵c c d 探测器相结 合的光电眼底成像系统。我们将重点分析眼底照相系统中影响成像质量的关键所 在，精心设计系统，去除影响因素，提高成像质量。 山末大学颈士学位论文 第二章眼底成像光学系统 2 1 人眼结构和光学特性 人眼本身就是一个比较完美的照相机，角膜和晶状体相当于透镜，瞳孔相当 于光圈，视网膜相当于底片，睫状体相当于调焦器。对视网膜这一特殊的组织进 行照相，无异于对一架照相机的底片进行照相。原来作为图像接收器的视网膜现 在要成为别的照相机的目标，被拍摄，这是相当有意思的事情。但这又是不容易 办到的，因为视网膜位于眼睛最里面，前面有角膜、虹膜、晶状体、玻璃体等组 织的阻挡，这些组织都是有不同的结构和光学性质。而且在长期的进化中，眼球 内部形成了一个类似于暗室的环境1 9 1 2 】，即：杂光不容易进入眼内，眼底本身也 是不发光的，这是为了便于视网膜更好的接收图像。但这对要拍摄处于“暗室” 中的视网膜的图像，是极其不利的，因为我们不可能把人眼剖开给视网膜照相( 实 际上这是早期活眼视网膜成像技术出现之前所采取的方法) 。因此，在讨论眼底 照相之前，有必要先对眼睛的基本结构和光学特性加以研究。 2 1 1 人眼的结构 经 图2 1 人眼结构图 图2 1 即为人眼的结构图1 1 2 l ( 图中只画出了与本文相关的部分，不相关部分 未标注) 。现将人眼各部分构造分述如下【9 t t o , 1 2 , l ： 1 角膜 山东大学硬士学位论文 眼球的最前面是角膜。角膜与外界( 空气) 的折射率差别很大，是眼球中屈光 力最大的折射面。整个眼球的光焦度值为5 8 6 m 1 , 而角膜的光焦度值为4 3 m ， 约占人眼整个光焦度的2 3 因此角膜的形状对眼的屈光影响较大。角膜由上皮、 前弹性层、实质、反弹性层和内皮组成。其主要部分为实质，由胶原纤维和基质 组成。胶原纤维与表层平行，每条厚度为2 u m 左右，共二百条以上。胶原纤维 排列十分整齐，这可使角膜保持透明。角膜的平均折射率为1 3 7 5 。角膜前表面 的曲率半径约为7 7 m m ( 欧美人为7 9 m m ) ，垂直切面的曲率半径通常比水平切面 的略小些，因此9 0 以上的人都有生理上的正散光，这是正常的，并不影响视 力。角膜后表面的曲率半径为6 8 r a m ( 欧美人为6 2 2 m m ) 。角膜的中心部分厚 o 5 m m ，正常情况下，周边区比中央区约厚0 1 m m ，因而角膜实际上是个凹透镜。 为防止干燥，维持透明度，角膜上皮经常有泪液使之保持湿润。泪液的折射率为 1 3 3 6 一1 3 3 7 。角膜本身无血管，其营养主要靠其周围的毛细血管网和其后的房 水来供给。 2 前房 角膜后的空问称为前房。前房内充满房水，其折射率为1 3 3 5 4 。房水是一种 透明液体。内含少量蛋白质和盐分。房水由睫状突产生，每分钟约可产生2 u l ， 总液量约o 2 5 m l ，多余的房水由前房角排出眼外。房水对成像的作用不大，其主 要作用是供给角膜和晶状体营养，维持眼内压力，以保持角膜成一定的形状。当 眼调节时，晶状体变厚，并突向前，使前房深度减小至1 6 a t o m ( 欧美人减小至 2 7 m m ) 。 3 虹膜与瞳孔 虹膜位于晶状体前面，虹膜中间的孔，称为瞳孔。虹膜具有丰富的色素，不 透光，因而瞳孔就相当于照相机的光阑。在强光下，括约肌收缩，使瞳孔变小， 进入眼睛的光能量减少，象差同时减小，而焦深增加。反之，光线暗弱时，扩张 肌可使瞳孔变大。其反应速度为：收缩时在1 秒内变小：扩大时约需要数分钟的 时间。此外，在看近的物体时，眼睛在调焦的同时，瞳孔也会适当收缩，以减小 象差而使视网膜上成像更为清晰。事实上，瞳孔过大时，由于象差增加而使成像 模糊；而瞳孔过小时，由于二衍射效应增强，也会使成像模糊。人眼在观看时，瞳 孔的最合适直径为3 4 姗。正常人眼的瞳孔为圆形，直径为2 5 5 m m ( 欧美人 山东大学颈t 学位论文 为2 - - s m m ) ，两眼瞳孔的中心距为5 8 5 r a m 左右( 欧美人为6 4 m m 左右) 。 4 晶状体 虹膜的后面是晶状体。晶状体是一双凸的、略带黄色的、扁圆形的弹性透明 体。主要由外部的晶状体皮质和中心部的晶状体核组成。前者折射率为1 3 7 7 一 1 4 0 5 ，后者折射率为1 3 9 9 一1 4 2 4 。中间部分的折射率是介于二者之间而逐渐变 化的。因此晶状体是一种多层的薄膜结构，共约2 2 0 0 层，各层之间差异较小。 晶状体前表面的曲率半径为l o m m ，后表面曲率半径为6 m m ，它是一种富有弹性 的粘弹性体，但也具有残留的畸变。当人的年龄增大时，其弹性会逐渐减弱而变 硬。晶状体通过晶体悬韧带与睫状体相连，并固定其位置。人眼在调节时，悬韧 带松弛，使晶状体前曲率半径变小，晶状体的总体折射率变大，并使晶状体的后 曲率半径变小。这三者综合的结果，使人眼的光焦度增加。一般成年人调焦能力 为4 m 。左右，晶状体中心部厚度为3 6 m m ，在调节时会增大至4 m m 左右。 5 玻璃体 在晶状体后面，到视网膜的空腔内，充满了一种胶状的透明体，称为玻璃体 其折射率和房水相同，为1 3 3 5 4 。 6 视网膜 活体视网膜是薄而透明的膜，其厚度随不同位置而异，平均为0 3 m m 。外界 物体的像。通过眼屈光介质的屈折后，成像于此。因此，它可以比作是照相机的 感) 底片。视网膜由十层组成，光线先通过前八层。到达视觉细胞。视觉细胞经 过光刺激后，产生电信号，又逆着光线方向，形成复杂的回路，经内网丛层、外 网从层和神经节细胞层后，经视神经汇合而由中心凹处输出传导至大脑信息处 理系统。视觉细胞共约有1 亿个，按形态和功能可外为两类，即视杆细胞和锥细 胞。视杆细胞直径为2 4 u m ，长为6 0 u m ，它在暗视时( 在1 0 。3 - - 1 0 。l x 这样暗的 状态下看物体时) 检测亮度信息。锥细胞为圆锥状，直径为2 自雌，长为4 0 u r n ， 它在亮视时( 在1 0 1 0 5 l x 这样亮的状态下看物体) 检测亮度和颜色信息。而在中 间亮度时( 1o 1 l o l x ) ，两种细胞同时活动。 7 脉络膜 脉络膜前接视网膜后接巩膜。其厚度约为o 4 m m ，具有丰富的血管和色素， 除供给本身营养外，也供给视网膜外层营养。它能吸收射入的光线。 山幕大学磺上学位论文 8 巩膜 角膜往后延伸，形成巩膜。巩膜为白色不透明体，俗称“眼白”，厚o 3 一l m m ， 由相互交错的胶原纤维及弹力纤维构成，质地坚韧。巩膜的作用是保持眼球的形 状和保护眼睛的内容物： 9 光轴和视轴 眼球的光学对称轴为光轴。人眼观察的最灵敏部位在黄斑部，黄斑部是视网 膜上的特定部位，成凹坑状直径约1 5 r a m ( 5 。) ，呈椭圆形，水平方向略大些。 黄斑的底部称中心小窝，直径约o 3 o 4 r a m ( 2 。) 。黄斑部集中了大量的视神经 细胞，因而该处视觉最为灵敏。离黄斑部越远，视力下降得越快。人为了观察得 清晰，常自动地将黄斑部对准观察物。所以观察方向是黄斑和眼节点问的连线， 此连线称为视轴。视轴和光轴相交约成5 。角。由于黄斑部具有一定的大小，所 以人眼的视角范围虽然很大( 约1 5 0 。) ，但能看清晰的范围不大，约3 。一l o 。 对称于黄斑，位于光轴另一边的是乳头。乳头直径为1 5 m m ，是视神经的出口处。 该处没有视觉细胞，不能感光，所以又称为生理盲点。在后节点的角展度为垂直 方向7 5 。，水平方向5 5 。 眼球前后直径约为2 4 r a m ，水平径约为2 3 5 m m ，垂直径约为2 3 r a m 。现将 人眼的各组织结构参数及折射率汇总如下表： 表2 1 人眼的各组织结构参数及折射率 名称曲率半径【m m )折射率厚度( m m l直径( m m ) 前7 8中央o 5 8 0 6 4水平面1 1 5 一1 2 角膜 l3 7 5 后6 8边缘1 1垂直面i o 5 1 1 前房1 3 3 5 42 s 一3 瞳孔2 8 皮质1 3 7 7 前i o一1 4 0 5 晶状体3 6 49 - 1 0 后6核质1 3 9 9 一1 4 2 4 玻璃体 1 3 3 5 4 前后长约1 7 视两膜0 3 9 2 1 - 2 人眼的光谱透过率 眼球具有良好的透光和聚光性能，有人把它比作一个自动照相机。它可以通 过一系列精细的调整装置，将外界目标的物像，清晰地投射在视网膜上，刺激视 网膜的视细胞，经过视神经传导至大脑皮质的视中枢，从而产生视觉。 当电磁辐射通过眼部某一组织介质时，可能发生：直接透过该介质：被该介 质反射：被该介质散射；被该介质吸收。当辐射通过眼时可以发生下述4 种现象： 部分能量可直接透过介质，在视网膜上成像；部分能量披散射，照亮眼内；有些 能量为介质吸收，且以较长的波长再辐射；眼内折射率不同的各介质面反射- - , b 部分，大部分反射发生在折射率变化最大的角膜的前表面。 人眼的透射率和典型哺乳动物如：免、猫、猴和牛眼的透射率大致相同。1 9 7 9 年上海第六人民医院眼科用单色法测定了2 5 只正常入眼球各组织的光谱透过 率。在3 5 0 - - 1 2 0 0 h m 范围，分1 8 个波段对人眼球各组织测定的结果是：角膜透 射率最高值在6 0 0 n t o 处达9 3 8 ，6 9 4 3 r i m 为9 3 ，1 0 6 0 n m 为8 7 。晶状体透 射率在6 9 4 3 r i m 和1 0 6 0 n m 分别为9 8 和9 5 。虹膜的透射率与虹膜的色素多少 相关，对6 9 4 3 r i m 的透射率几乎为零。巩膜的直接透射率很低，直到1 2 0 0 h m 不 超过4 。玻璃体的透射率最高，在9 0 0 h m 处为9 5 9 8 。视网膜色素上皮和脉 络膜因含有大量色素，对各种光谱的透射率均不高f 1 2 l 。 0 遗射翠 ( ， 图2 - - 2 人眼屈光介质透过率 l 一到房水2 一到晶状体3 一到玻璃体4 一到视网膜 ( n m ) 整个眼的透射率：可通过计算得出计算时包括由于正常入射光在空气和角 膜之间界面上的反射损耗，其他介质界面之间，因总的反射损耗小于0 3 ，故 可忽略不计。人眼届光介质的透射率见图2 - - 2 。眼底对不同波长的光的吸收率 见图2 - - 3 。 百 分 率 i 】i 纠 b 謦 礤 _ j、 驴 i 卜 ? 1 、：、 ；f - 匕 1 、 、 a ： l j i 、_ l 、 tti i 矿、；_一嘧 ，- ，j 图2 3 视网膜色素上皮和脉络膜对不同波长光的吸收率 粗虚线为人眼细虚线为兔眼实线为猴眼 2 2 影响眼底成像的关键因素 这里我们所关心的是人眼在4 0 0 - - 7 0 0 h m 可见光区的特性，因为我们研究的 眼底成像系统即工作此范围内。由图2 2 和2 3 可以看到：在可见光范围内， 人眼通过瞳孔方向总的透射率是相当高的，大约在7 0 - - 8 0 ，而视网膜色素上皮 和脉络膜的吸收率也比较高，约在5 0 7 5 之间变化。这二者的共同作用的结果 对人眼的视力是有积极意义的，高的透过率使得进入瞳孔的光线在到达视网膜之 前，通过眼内各屈光介质时形成的杂散光很少，而视网膜色素上皮和脉络膜又能 够很好的吸收掉未被视细胞吸收的剩余光能量，又避免了其被眼底反射或散射形 成杂散光，从而使眼球内形成一个类似“暗室”的空间，保证了视网膜不受杂散 山求大学硕士学位论文 光干扰的情况下，准确的探测物体的像。这也是人眼长期进化的结果。 对我们要进行的视网膜成像雨言，这是有利而又是不利的。屈光介质高的透 过率和视网膜下面组织的强的吸收作用使得杂散光降到最小，这对于视网膜图像 的拍摄，是有利的；而不利的在于： 1 视网膜的低反射率 相对来说视网膜本身是透明的，其对光的反射作用是相当差的。研究表明， 在出射瞳孔方向上，视网膜的反射率与波长有关，在整个可见光范围内反射率在 0 1 1 0 之间变化1 1 l 。如此低的反射率使我们在自然光照明下是很难看到视网膜 图像的。 2 瞳孔的限制 由于视网膜反射率如此的低，我们必须用一束相对较强的光对眼底实旆照 明，才能成像。但由2 1 中人眼的组织结构和光谱特性可知：巩膜和虹膜的透光 率是很低的，可以认为是不透光的。而我们又是对活眼的成像，因此对视网膜的 照明只能限制在直径仅为3 4 m m 的瞳孔内。在暗室环境中瞳孔可以自动放大到 4 m m 以上，若用扩瞳药物还可以扩大，即便如此。瞳孔直径最大也不超过8 m m ， 我们仅能在如此小的通道内进行照明。同时，瞳孔也大大限制了眼底反射的成像 光的范围，3 m m 的瞳孔将射出眼睛的光通量限制在l 以下【l l ，结合上面的视网 膜的反射率，可知裸眼的光损耗因子约是1 0 5 ( 蓝光) 一1 0 3 ( 红光) 。由于光在 眼内届光介质上的损耗相对来说小，这里暂且忽略不计。这么大的光损耗使得我 们能够利用于成像的光能量是很低的。 3 人眼的光损伤阈值 眼睛如此高的光损耗，使得我们不得不提高对眼底照明光的强度，而过高的 光强势必会对眼睛各组织有一定的损伤。尤其眼底，由图2 - - 3 可以看到：在可 见光区内眼底对光的吸收作用相当强烈，而屈光介质对可见光谱的透射率很高， 吸收率很低，故可见光谱主要造成眼底的损伤。所以我们在对眼底进行照明时， 必须将照明光的强度控制在人眼的光损伤阈值范围内，这实际上是限定了我们所 能获取成像光束的最大光通量。 美国国家标准院曾公布了一套详细的激光防护标准，称为a n s iz 一1 3 6 标 准。表2 - - 2 和2 - - 3 是此标准中关于可见光区( 4 0 0 7 0 0 n m ) 眼的激光曝光安 全标准。 表2 - 2 眼赡为7 r a m 时激光单次曝光束内观察眼的保护标准 曝光时间t ( 秒)保护标准( 焦厘米2 ) l o 9 1 8 1 0 0 , 5 x l 矿 1 8 1 0 r 6 l o 1 8 x 1 0 一f 圻 1 0 1 0 41 0 2 1 0 4 3 1 0 4i 微瓦厘米2 表2 3 观察扩散源和漫反射光时限的激光辐射曝光的保护标准【1 4 1 漫反射面的辐照度来自扩散源的面辐射亮 曝光时间t ( 秒) ( 焦厘米2 )度或累计面辐射亮度 1 0 沂焦厘米2 立 1 0 4 1 01 0 万“f 体角。1 1 0 1 0 42 0 #2 0 焦厘米2 立体角。 2 x 1 0 3 瓦厘米2 立体 l0 4 3 1 0 4 2 厅1 0 3 瓦厘米2 角。 表2 2 为瞳孔为7 m m 时激光单次曝光束在人眼角膜上的照射安全标准。 表2 3 为观察扩展源和漫反射光时，曝光安全标准内的光源的最大辐射照度和 亮度。 对扩展源的这些防护标准乃用于对角大于6 ”( 见图2 4 ) 的光源，防护标准 随着曝光时间而有所不同。应注意的是此角并不是激光源的发散角，而是扩展源 源的。角的对边小于占- + 的扩展源被认为是平行的，此时应用表2 2 规定的安 全标准；大于或等于占- + 者被认为是扩展源，此时应用表2 3 规定的安全标准。 至于视网膜容许的安全曝光数值，系根据上述角膜容许的曝光水平，经眼聚 焦和成像过程的放大因数，通过数学处理而得。一个松弛状态的眼球，对可见光 谱范围来说，角膜容许的安全数值一般乘以5 1 0 5