眼底照相机光学系统中杂光和鬼像的控制

1、 第26卷第2期光学技术Vol. 26No. 22000年3月OPTICAL TECHN IQU E March 2000文章编号:100221582(2000 0220139203眼底照相机光学系统中杂光和鬼像的控制崔桂华(北京理工大学光电工程系, 北京100081摘要:论述了眼底照相机的原理和控制杂光及鬼像的方法。通过精心设计照明系统的接目物镜, 使其各个光学表面产生的鬼像位于较理想的位置, 并通过在照明光路中加入较少的黑点板予以消除。同时通过使照明系统的环行光阑与照相系统的孔径光阑处于相互共轭的位置上, 达到消除照明系统产生杂光和鬼像的目的。关键词:光学设计; 眼底照相机; 杂光; 鬼像

2、中图分类号:TB851; R77411文献标识码:BControl of ghost and hua(Optical , Beijing 100081Abstract :A as scatter light and central ghost in retinal camera was intro 2duced. illumination , we set the ghost generated by some optical surfaces at nearly same then some black s pot plates in the illumination path , also

3、 conjugated the ring 2like stop of the il 2lumination the aperture stop of photography system.K ey w ords :optical design ; retinal camera ; scatter light ; ghost1引言人眼的视网膜又称为眼底, 是人眼的重要组成部分。人眼的病态, 除小部分是因为角膜、水晶体等而引起的外, 大部分是因为眼底病态而引起的。因此, 眼底是诊断眼病甚至是全身多种疾病的重要依据。眼底照相机是用来观察和记录眼底状况的眼科医疗光学仪器, 它能够将眼底图像以黑白或彩色

4、照片的形式记录和保存下来。世界上的第一台眼底照相机是由德国蔡司工厂于1925年首先试制成功的, 经过七十多年的努力, 已取得了较大的发展, 著名的眼底照相机的生产厂商如OL YMPUS 、N I KON 、TOPCON 、CANON 、OP 2TON 、KOWA 等生产了一系列的手持式、台式、电视式以及体视眼底照相机。但在我国, 眼底照相机的发展还处在相对落后的状态, 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, 但终因光学系统的杂光和鬼像没有很好地控制, 而很难得到清晰的对比度较好的眼底照片。眼球后, 虽然能照亮眼底, 但光线很弱, 不足以用来观察眼底, 更不必说照相了。由于人眼角

5、膜的反射光相对眼底的亮度来说过于强大, 因此眼底照相机必须包括一个能用较强的光照亮眼底的照明系统和一个能避开人眼角膜上的强烈反射光对底片影响的成像系统。一个完整的眼底照相机光学系统如图1所示, 它是由照相系统、照明系统和观察瞄准系统三部分组成。211照相系统一般的照相系统只要有摄影物镜和成像底片即可, 而眼底照相机的照相系统则要包括接目物镜、成像物镜和底片图1眼底照相机光学系统原理图。1接目物镜; 2中空三个部分, 即在眼底照相机中, 摄影物镜被分成了两组靠近人眼的接目物镜和靠反射镜; 3成像物镜; 4目镜; 5底片; 6孔径光阑; 7照明物镜; 8黑点板; 9灯; 10聚光镜;11环行光阑2

6、眼底照相机的原理眼底本身是不发光的, 自然界中各种光线进入收稿日期:1999210208作者简介:崔桂华(19632 , 男, 湖北省人, 北京理工大学光电工程系副教授, 主要从事光学设计、颜色科学与工程的研究。139 光学技术第26卷近底片的成像物镜。其原因是:病眼可能存在光焦度不正, 而且差别往往很大。进入照相机的光线可能是平行光(正常眼 , 也可能是会聚光(近视眼 或发散光(远视眼 , 只用一组物镜往往难以适应各种不同的病眼。另一方面, 为了提高照相质量, 要求采用共轴照明系统, 为此也要求将摄影物镜分裂成两个部分。接目物镜既是照相系统的一部分, 也是照明系统的一部分。212照明系统由于

7、眼底本身是黑暗的, 并不发光, 因此要用一个外部的光源照明。与普通的照明系统相比, 除了要求照明均匀、柔和、显色好、有足够的光强度之外, 对眼底照相机照明系统最突出的要求是能减少因照明而引起的杂散光和鬼像, 要能避免角膜的反射光直接进入照相系统。度, , 成部分, 这种光学系统可以较好地避开反射光和杂散光, 因而被广泛地采用。眼底照相机的照明系统结构复杂, 如图1所示。环行光阑经过多组照明物镜之后, 成像在照相系统的孔径光阑上, 再经过接目物镜成像在病眼的瞳孔上。由于要用较强的光源照亮眼底才能获得较清晰的照片, 所以照明系统产生的鬼像和杂光所聚集的光能量也相对较强, 是影响眼底照相机成像质量的

8、极其关键的因素。213观察瞄准系统观察瞄准系统类似于普通相机的观察取景系统, 它的作用是:(1 供医生观察眼底作一般检查用; (2 供医生寻找病变区和照相范围; (3 供医生调焦之用。接反射光和消除接目物镜中的每个光学表面的一次反射光线所成的鬼像。311角膜上的反射光要减少角膜上的反射光, 可以通过照明系统和接目物镜把环行光阑成像在眼瞳上, 形成一个环行的亮斑, 如图2所示。一方面中央暗斑区挡住了大部分图2眼瞳上的照入射到角膜上并且极有可能要明效果直接反射回到接目物镜的近轴光线, , 使得亮环, , , , 为了减少角膜上亮环区的反射光进入到照相系统, 在接目物镜中, 靠近人眼的第一个球面取凸

9、向人眼的弯曲方向是比较合适的, 当来自于角膜亮环区的反射光线入射到该凸面上时, 会因为入射角较大而尽可能地加大杂光的反射。312用黑点板消鬼像当照明光束通过接目物镜时, 要在接目物镜的每个表面上形成反射光线, 这些反射光线再通过透镜的折射可形成一个鬼像。照相时, 为了使得黑暗的视网膜获得充分的照明, 一般采用闪光灯作为照明光源。因此这些鬼像都会聚集一定的光能量, 从而降低底片上的对比度, 直接影响到成像质量。一般来说, 为了校正像差, 接目物镜多采用单片、双片或单2双的结构形式, 视网膜的成像范围越大, 接目物镜的片数越多, 结构越复杂, 形成的鬼像也就越多。因此, 为了简化接目物镜的结构,

10、常常在接目物镜中使用非球面。要消除某一球面形成的鬼像, 首先要确定鬼像的位置和大小。方法是把照相系统中的紧接在中空反射镜之后的孔径光阑作为接目物镜的物, 将待考察的光学面由原来图3鬼像和黑点的的折射面改为反射面, 而其它位置。1鬼各光学面仍为折射面, 反向追像位置; 2接迹光线即可得到鬼像的位置目物镜; 3中和大小, 如图3所示。空反射镜;4黑点位置为了消除鬼像, 可在照明系统的平行光路中加入一个中心带有黑点的平板玻3杂光和鬼像的控制当照明系统的光线经过中空反射镜反射后, 要通过接目物镜入射到眼瞳上, 从而照亮眼底。在照明光线经过接目物镜的每个表面时, 都会有一部分光线反射而直接进入到照相系统

11、, 从而形成杂光或鬼像, 直接影响到照片的对比度。因此在设计眼底照相机的照明系统时, 除了要照明均匀、柔和、显色好、有足够的光强度之外, 关键的问题是如何有效地控制照明系统产生的杂光和鬼像。要控制杂光和鬼像, 关键是要减少角膜上的直140 第2期崔桂华:眼底照相机光学系统中杂光和鬼像的控制璃(称作黑点板 , 并使黑点板处在与鬼像共轭的位置上, 黑点的大小应使得黑点的像完全覆盖住鬼像。用同样的方法可以找到在接目物镜中的每一个球面产生的鬼像和对应的黑点板的位置及黑点的大小。这样一来, 由于黑点挡住了能形成鬼像的光线, 从而达到消除鬼像, 提高像面上对比度的目的。由于鬼像是通过黑点板挡住部分照明光线

12、来消除的, 因此黑点板的个数不能过多, 否则会影响到视网膜上的光强度。而实际上一个光学面就会有一个鬼像, 有几个鬼像就要有几个黑点板。所以, 在设计接目物镜时, 一方面应尽可能地采用简单的结构, 另一方面, 要尽量使得某两个甚至三个光学面的鬼像成在同一位置上, 这样就可以用一个黑点板同时消除几个光学面产生的鬼像, 从而减少黑点板的个数。同的位置, 。因此, 非球面。313在眼底照相机光学系统中, 照相系统的孔径光阑与眼瞳是相互共用环行光阑消鬼像轭的关系, 而照明系统图4则要把其中的环行孔径光阑成像到眼瞳上。因此, 照明系统的环行孔径光阑和照相系统的孔径光阑应当处在相互共轭的位置上, 即照明系统

13、应把环行孔径光阑成像到照相系统的孔径光阑上。由于环行光阑及其像的中心是不透光的黑暗区域, 类似于黑点板, 因此如果能把某一球面的鬼像成在照相系统的孔径光阑(实际也是环行光阑的像 上, 也是可以消除的, 并且可以减少一个黑点板, 如图4所示。把环行光阑成像到照相系统的孔径光阑上, 还有利于消除杂散光。在照相系统孔径光阑上, 环行光阑的像的中心暗斑要比照相系统的孔径光阑的孔径大, 这样不仅可以避免未经接目物镜的照明光线直接进入到成像物镜, 而且也可以避免经角膜和接目物镜的透镜表面反射的光线进入到成像物镜中。除此之外, 在接目物镜和照明系统中, 玻璃的气泡和条纹以及清洁程度也是产生杂散光的重要原因,

14、 必须加以严格控制。为了进一步消除杂光, 还可采取一些其它的措施, 如可以在光路中的适当位置专门设置光栏, 用来挡住杂光, 在透镜的外边缘涂上消光漆等。4实例为了进一步说明消除杂光和鬼像的方法, 这里列出一个实例, 如表1所示。表1接目物镜及其各面鬼像的位置光学表面序号半径/mm厚度或间隔材料的折射率鬼像位置表1列出的是我们设计的一个眼底照相机的接目物镜, 焦距为3816mm , 40mm , 照相系3mm 处。为了, 把照明系; , 在设计接目物镜时, 特意使得其中的第1、第4和第5三个光学表面所成的鬼像位于相同的位置, 其余两个光学面中的一个把鬼像成在孔径光阑上, 剩下的一个作为补偿面, 主要调整接目物镜的光焦度, 以满足照相系统的总的放大倍率和前后工作距离的要求。从表1中可以看出:第1、第4和第5面的鬼像大约在第5面和人眼之间的22174mm 的位置上, 可以用同一个黑点板消除; 第2面的鬼像位在第5面和人眼之间的63121mm 处, 可用一个单独的黑点板予以消除; 第3面的鬼像成在第5面之后88190mm 处, 正好位于孔径光阑(8813mm 附近, 可以通过使照明系统的环行孔径光阑与照相系统的孔径光阑共轭, 而由环行孔径光阑消除。接目物镜的5个光学面产生的5个鬼像全部得到了很好的控制。由于其中第2面用于调整接目物镜的光焦度, 因而需要用一个