裂隙灯生物显微镜数字化成像系统设计.doc

裂隙灯生物显微镜数字化成像系统设计De si gn fo r Slit2L a mp Micro scop e B a se d o n Di git al Ima ging Sy st e m蔡轶珩 , 沈兰荪( 北京工业大学 信号与信息处理研究室 ,北京 100022)摘要 :基 于 国 内 普 遍 采 用 的 YZ5 E 系 列 裂 隙 灯 显 微 镜 , 采 用Cano n Powershot A70 数码相机作为数字图像采集设备 ,构造了 裂隙灯显微镜数字化成像系统 。在裂隙灯原照相光路的基础 上 ,调整了场镜的参数 ,并设计了天塞式接口透镜 ,较高质量地 实现了裂隙灯图像的数字化 。该系统设计对其他类似数字成像 系统研制有参考意义 。关键词 :裂隙灯 ;光学设计 ;数字化成像系统中图分类号 : T H740 . 2文献标识码 :B像技术开始应用于医学图像 。高分辨率数字影像技术应用于裂隙灯生物显微镜 ,可以有效克服现有裂隙灯使用中的种种不足 , 并可进一步对眼部数字图像中的病灶部分进行量化分析 ,客观 准确地判断病情变化1 3 。笔者基于国内普遍采用的 YZ5 E 系列裂隙灯显微镜 ,采用 Cano n Powershot A70 数码相机作为数字图像采集设备 ,设计构 造了裂隙灯显微镜数字化成像系统 ,实现了裂隙灯图像的数字化 ,为后续的计算机图像分析和处理提供条件 。裂隙灯显微镜结构及原理裂隙灯显微镜主要包括裂隙灯照明系统和双目显微镜 2 部,如图 1 所示 。1Abstract :A slit2lamp microscope based o n digital imaging system is p resented. In t his system ,a Cano n Powershot A70 digital still cam2 era is used as a digital imaging device ,and t he original op tical sys2 tem is redesigned to get digital images wit h high qualit y ,where pa2 rameters of field lens are adjusted and an interface lens is int roduced and designed. This system is significant for t he develop ment of ot h2 er analogous systems.Key words :slit2lamp microscope ;op tical design ; digital imaging sys2tem分4裂隙灯显微镜 ( slit2lamp microscope) 是 Gullst rand 于 1911 年 发明的 ,随着科学技术的发展 ,裂隙灯显微镜屡经改进 ,已经成 为眼科检查的重要工具 。通过裂隙灯显微镜可以仔细观察眼前 部 ,检查眼睑 、巩膜 、角膜 、结膜 、虹膜 、晶体 、玻璃状体等组织的 细微病变 ,可以利用裂隙光带通过透明组织形成的光学切面判 断病变的深 、浅层次 ,还可以借助荧光造影和红外线等技术进一 步了解眼部生理和病理特征 ,并且能够用来实施部分眼科显微 手术 。长期以来 ,裂隙灯检查所见皆由医师用文字描述或用略图 表示 ,仅少数重要 、罕见病例采用系统的附件 普通相机拍摄 照片来记录病变 。这种检查方式具有许多不足 :首先 ,受普通相 机的限制 ,不能立即观察拍摄情况 ; 第二 ,受图像质量和尺寸限 制 ,难以精确观察分析细微病变 ;最后 ,资料管理 、检索复杂 。随着图像处理技术与计算机技术的发展 ,高分辨率数字影图 1裂隙灯显微镜结构图(1) 照明系统 。主要包括光源 、聚光透镜 、裂隙 、光阑盘 、滤 色片 、投射透镜 、反光镜等 。光源 1 发出的光经聚光镜 2 集中 , 通过裂隙 3 和光阑 4 ,将光线束调整成不同长短宽窄的裂隙 ,再 经过投射透镜 6 使光线更加集中 ,然后经反光镜 7 使亮而集中 的光束投射在所要检查的眼组织上 。(2) 双目显微镜 。由成对的物镜 、转向棱镜 、目镜组成 。被 检眼通过物镜 9 和转向棱镜 10 后 ,在目镜焦面处成正像 ,再由目镜 12 成像在无穷远处 ,即可由观察者接收 。收稿日期 :2004 - 01 - 05基金项目 :北京市教委科技发展计划资助项目 ( KM200410005030)射镜引出 ,成像在场镜位置处 ,光束通过场镜的压缩 ,经反射镜变换传输路线 ,再通过成像镜头成像在普通相机胶片上 。为了 实现从场镜到照相底片的近距离成像 ,成像镜头的焦距比一般照相机小 。为 F2 . 8 F4 . 8 。(3) 成像 CCD 尺寸 : Cano n Powershot A70 数码相机的 CCD 封装尺寸约 9 . 41 mm ,该尺寸是指 CCD 的对角线长度 。实际有 效成像尺寸可以计算得出 ,约为 5 . 31 mm 3 . 98 mm 。2 . 2 光路原理设计本系统设计将数码相机作为图像采集设备 ,由于数码相机 的照相物镜一般不容易拆卸 ,因此没有采用原裂隙灯照相光路 的设计方式 (即重新设计近距离照相物镜 ,取代照相机的成像物 镜) ,而是在照相光路中的场镜和照相物镜之间设计一套接口透 镜 ,将场镜处的像成像在无穷远处 , 以满足照相物镜物距的要 求 ,再通过照 相 物 镜 最 终 成 像 在 数 码 相 机 CCD 上 , 如 图 3 所示 。图 2 裂隙灯显微镜照相光路简图本系统就是在原模拟照相光路的基础上进行二次设计 ,实 现裂隙灯图像的数字化拍摄 。2数字成像系统设计裂隙灯数字成像系统应实现一定质量的数字成像 ,以达到观察以及后续图像分析的图像质量要求 。图像质量主要包括清晰度 、几何畸变 、颜色深度和视场范围等 ,这些指标是由成像光 路和数字图像采集设备共同决定的 。2 . 1 数字图像采集设备选择及相关参数常用的数字图像采集设备主要有数码摄像机 、数码相机和 数字摄像头等 。从分辨率 、彩色特性 、通用性 、使用方便以及性 能价格比等多方面考虑 ,笔者选择了数码相机作为本设计的图 像采集设备 。数码相机集成了图像信息的采集 、存储和传输等部件 ,能方 便地与计算机进行数字图像信息的交互处理 。与传统相机相 比 ,数码相机使用光敏元件作为成像器件 。常见数码相机的成 像器件是 CCD (电荷耦合器件) 图像传感器 ,它用一种高感光度 的半导体材料制成 ,能把光强度转变为电荷 ,通过模数转换器芯 片转换成数字信号 。CCD 的分辨率是衡量数码相机成像质量最重要的指标 ,它 直接影响拍摄图像的清晰度 。本设计中 ,分辨率为 300 万像素 的数码相机就能够满足后续图像分析的要求 ,因此选用分辨率 约 320 万像素的 Cano n Powershot A70 数码相机作为系统的图 像采集设备 。该相机与本设计有关的主要光学参数 :(1) 照 相 物 镜 焦 距 : Cano n Powershot A70 数 码 相 机 具 有 3倍光学变焦 ,焦距范围为 5 . 416 . 2 mm ,相当于 35 mm 胶片的35105 mm 。(2) 照相物镜相对孔径/ 光圈指数 : 相对孔径是指照相物镜 孔径与焦距的比值 ,而光圈指数是相对孔径的倒数 ,它们表征物图 3 裂隙灯显微镜数字成像光路简图数字图像采集的视场范围应该与显微镜目镜观察到的范围 基本相同 。对于 YZ5 E 系列裂隙灯显微镜来说 ,由于显微光路 中光阑孔径对光束的限制 ,从裂隙灯显微镜目镜中观察 ,可以得 到在 1 倍物镜情况下 ,显微镜物面观察范围约为 19 mm 。因此 数字成像光路设计的目标即是在 1 倍物镜情况下 ,将 19 mm 物 面范围成像在 CCD 有效长度范围内 , 也就 是 将 场 镜 处 19 mm 的像成像在 CCD 有效长度范围 5 . 31 mm 内 。(1 . 6 倍物镜情况 下 ,观察者从目镜中观察到的像为 1 倍物镜情况下的 1 . 6 倍 ,但 由于光阑孔径对光束的限制 ,视场范围也相应缩小为 1 倍物镜 情况下的 1/ 1 . 6 倍 。因此数字成像光路设计的目标与在 1 倍物 镜情况下相同 。)由于数码相机的 CCD 像面位于照相物镜的后焦面上 ,从而 使无穷远处 物 体 发 出 的 平 行 光 , 经 照 相 物 镜 汇 聚 在 后 焦 面 的 CCD 上 。接口透镜的作用是将场镜处的像成在数码相机照相 物镜物方无穷远处 ,因此场镜应位于接口透镜的前焦面处 。这 样 ,得到接口透镜焦距 f 接口镜 与场镜处像高 y场 、照相物镜焦距f CCD 、CCD 有效长度尺寸 y CCD之间的关系为 f 接口镜 f CCD= y CCDy场由上述设计目标可以计算得到接口透镜的焦距f CCD16 . 2y场 = 5 31 19 58 mmf 接口镜 =最后为留出一定余量 ,取接口透镜的焦距为 60 mm 。将焦距为 60 mm 的实验镜片放置于原照相光路场镜后 60 mm 处 ,然后再由 Powershot A70 成像 ,发现可以观察到的视场 范围小于 19 mm ,且视场没有充满 CCD 感光面 。分析其原因 , 主要是因为物面 19 mm 范围发出的光束经物镜 、场镜 、接口透 镜后 ,受到数码相机照相镜头孔径的限制 ,部分物点发出的光线 没有被接 收 。经 测 量 , 原 照 相 光 路 中 场 镜 的 焦 距 f 场 约 为 38mm ,从图 4 的光路原理图可以看到 ,高为 19 mm 的物面两端发出的光束经物镜成像在场镜处 ,由于场镜的焦距较小 ,两光束由场镜压缩后在接口透镜前发生大范围交叉 ,再经焦距为 60 mm 的接口透镜 ,呈发散状态 。由于原机械结构的限制 ,数码相机的 照相物镜与接口透镜的距离不能很近 ,再加上其孔径大小的限 制 ,边缘点发出的光束就无法被数码相机接收 。根据上述分析 ,笔者对设计光路进行调整 ,将场镜的焦距改 为 50 mm ,使其与接口透镜更好地匹配 。改动后的光路原理如图 5 所示 。图 4 数字成像光路初步设计原理图图 5 数字成像光路改进设计原理图通过增大场镜焦距 , 边缘点光束经接口透镜后 , 呈汇聚状态 ,更全面地被照相物镜接收 ,此时接口透镜的孔径约为 15 . 2 mm ,取孔径 D接口镜 为 16 mm 。2 . 3 接口透镜设计接口透镜的焦距和孔径尺寸确定后 ,就可以进行镜头设计 , 确定其具体结构参数 ,以保证满足系统光学特性和成像质量要 求 。从光路原理可以看出 ,接口透镜是将场镜处的像成在无穷行的天塞物镜 ,它的最大相对孔径可达到 1/ 3 . 5 1/ 2 . 8 ,视场角为 5055。根据接口透镜的光学特性 ,确定了初始结构参 数 ,如表 1 所示 ,分别为初始结构各面曲率半径 r 、各面间距离 d 、各镜片的玻璃牌号和孔径 D 。可以看到该组结构参数的光学特性中 ,相对孔径为 1/ 3 . 5 ,视场角为 55,都好于接口透镜的光学特性设计要求 。表 1接口透镜设计初始结构参数结构参数光学性能 D场 D接口镜玻璃牌号rd远处 ,且视场 2为 2arctan ( 2 f ) 约 18、相对孔径 f 约接口镜接口镜25 . 729- 921 . 21- 53 . 67223 . 503- 506 . 7429 . 671- 38 . 11763 . 911 . 76 . 511 . 65 . 8为 1/ 4 ,属于较大视场 、较大孔径的情况 。因此 , 接口透镜的设计应归为照相物镜设计问题 。2 . 3 . 1 初始结构的选择 照相物镜突出的特点是视场和相对孔径都比较大 ,因此在设计时 7 类像差都需要校正 ,且不仅要校正初级像差 ,还要在一 定程度上校正高级像差 ,这就决定了照相物镜的结构一般比较 复杂 。常用的照相物镜的类型包括三片型物镜 、双高斯物镜 、托卜 岗物镜 、鲁沙物镜 、达哥物镜 、摄远物 镜 、反 摄 远 物 镜 等5 。其 中 ,三片型物镜又称柯克型物镜 ,是由 3 个单薄透镜按“正 、负 、 正”的分布组成 。一般能够达到的光学特性为 :相对孔径 1/ 41/ 5 ,视场角 4050,是具有中等光学特性的照相物镜中结构 最简单的一种 。为了加大相对孔径或提高视场边缘的成像质量 ,可以将三 片型物镜进行演变和改进 ,产生新的物镜型式 。比如将三片型 物镜的最后一块正透镜改为双胶合透镜组 ,就成为天塞物镜 ;将 三片型物镜的二片正透镜都做成双胶合透镜就成为海利亚物 镜 ;在三片型物镜前两片之间引入一块接近不晕的正透镜 ,就成 为松纳型物镜 。由于本次设计中 ,接口透镜的相对孔径和视场在照相物镜中属于较小的 ,因此可以采用比较简单的结构型式 。如比较流ZK11f = 76D/ f = 13 . 52= 55F2Ba F2L a K22 . 3 . 2 像差校正在初始结构基础上 ,按设计焦距进行缩放后 ,就可以进行像 差校正 ,最终得到设计结果 。像差的校正方法很多 ,最基本的方 法有代数法 、试验法和像差自动校正法 。代数法是先求出希望达到的像差目标值和由光路计算得到 的像差值之差 ,再利用初级像差普遍表示式计算新的结构参数 ; 试验法是通过试验得到像差变化量表 ,从而研究结构参数的变 化由它们引起的像差值变化之间的关系 ,找出对被校正像差最 灵敏而对其他像差影响较小的结构参数 ; 像差自动校正法是把 数学上的最优化方法应用到光学设计中 ,让计算机自动修改结 构参数 ,使系统综合像差减到尽可能小的程度 。由于计算机的 高速运算 ,大大加快了像差自动校正计算过程 ,并提高了设计质 量 。如今 ,像差自动校正程序已经成为光学设计中普遍应用的 工具 。(下转第 56 页)dimensio n = 3 ; / / 设 dimensio n 初始值为 3do ; / / 针对像素 (i ,j) 滤波运算过程if ( (i = = 1) | | (j = = 1) | | (i = = Iheight - 2) | | (j = = Iwidt h - 2) ) di2mensio nMax = 3 ;else if ( (i = = 2) | | ( j = = 2) | | ( i = = Iheight - 3 ) | | (j = = Iwidt h - 3 ) )dimensio nMax = 5 ;else if ( (i = = 3) | | ( j = = 3) | | ( i = = Iheight - 4 ) | | (j = = Iwidt h - 4 ) )dimensio nMax = 7 ;else dimensio nMax = 7 ;dimensio n + = 2 ;while ( dimensio n = dimensio nMax)对 Pa = Pb = 0 . 4 的椒盐噪声进行滤波的比较结果 。其中 , (a) 是原始图像 ; ( b) 是含有 Pa = Pb = 0 . 4 ( Pa 、Pb 分 别是椒噪声概率和盐噪声概率) 的椒盐噪声图像 ; (c) 是使用 33 滤窗中值滤波后的效果 ; ( d) 是使用 5 5 滤窗中值滤波后 的效果 ; (e) 是使用 7 7 滤窗中值滤波后的效果 ; (f ) 是使用最 大滤窗 S max = 7 自适应中值滤波后的效果 。从图中可以看出 ,中值滤波器虽然随着滤窗大小的增加 ,降噪的能力增强 ,但图像变得越来越模糊 ,大量的图像细节丢失 , 不能从根本上解决降噪与保护图像细节之间的矛盾 。而自适应 中值滤波器 ,在有效地抑制噪声的同时还充分地保护了图像细 节 。由此可见 ,在对含有空间密度较大的脉冲噪声图像进行滤 波时 ,自适应中值滤波器较传统中值滤波器具有很大的优越性 , 在很大程度上降低了滤除噪声和图像细节丢失之间的矛盾 ,对于工程实现有较好的理论参考价值 。3实验结果分析在试验中 ,笔者把 L ena 图像人为地加上强度不等的椒盐噪声 ,将自适应中值滤波与传统中值滤波进行了比较 ,图 2 所示为结束语笔者在图像降噪技术中应用了自适应中值滤波器 ,介绍了 该算法的基本原理 ,并应用 Visual C + + 进行编程实现 。试验中 针对强度不等的椒盐噪声图像进行滤波 ,并与传统中值滤波器 进行了比较 ,结果表明自适应中值滤波器无论对低噪声还是高 噪声的滤除效果都非常好 。参考文献 :41赵荣椿 ,赵忠明 ,崔 生. 数字图象处理导论 M . 西安 : 西北工业大学出版社 ,2000 .Go nzalez RC , Woo ds R E. Digital image p rocessing ( seco nd editio n) M . Bei jing : Publishing Ho use of Elect ro nics Indust ry ,2002 .李于剑. Visual C + + 实践与提高 图形图像编程篇 M . 北京 :23中国铁道出版社 ,2001 .图 2 实际滤波处理效果对比3结束语基于国内普遍采用的 YZ5 E 系列裂隙灯显微镜 ,从数字图(上接第 50 页)笔者采用 SOD88 光学设计软件包的阻尼最小二乘法程序 ,对选定的初始结构进行像差校正 。选择初始结构中各面曲率半 径 r 、各面间距离 d 作为自变量 ,校正结果见表 2 。像采集设备选择 、成像光路原理 、接口透镜设计等方面 ,介绍了裂隙灯显微镜数字化成像系统的设计过程 。该系统实