一种混合折射-衍射眼底相机的设计，其对屈光不正的敏感度较低

《Optics and Lasers in Engineering》：Design of a hybrid refractive-diffractive fundus camera with reduced sensitivity to refractive errors

提出基于混合折射-衍射元件的眼底相机设计，扩展屈光误差校正范围至-10D至+10D，实现无需瞳孔扩张、7mm工作距离和小于40mm系统长度的便携式设备，提升资源有限地区眼科诊断可及性。

　　

Xuan Xiao|Hao Tan|Siqi He|Liwen Chen|Donglin Ma

华中科技大学光电子信息学院，中国武汉430074

摘要

随着电子设备的广泛使用，近视和远视已成为普遍的眼科疾病。屈光不正会显著降低眼底成像系统的成像清晰度，可能导致误诊或漏诊。传统的眼底成像系统通常通过移动透镜组来补偿屈光不正，但这增加了系统的复杂性和操作难度。在本文中，我们提出了一种基于混合折射-衍射元件的眼底相机设计，该设计对屈光不正的敏感度较低。该系统的视场为25°，瞳孔直径为2毫米，适用于-10D到+10D范围内的屈光不正。它在可见光和近红外波段（488–785纳米）的分辨率为30微米，工作距离为7毫米，总系统长度小于40毫米。这种设计易于操作且便携，为资源有限的地区改善眼科诊断和治疗提供了有前景的解决方案。

引言

眼底成像不仅对于诊断眼病至关重要，而且对于早期发现冠心病、糖尿病和高血压等系统性疾病也非常重要[[1], [2], [3]]。近视和远视是常见的眼科疾病。统计数据显示，全球有超过十亿人存在视力问题，在东亚和东南亚的一些地区，青少年的近视发病率高达80–90% [4,5]。在对近视和远视患者进行眼科检查时，经验不足的眼科医生常常难以使用眼底成像设备准确筛查眼底疾病，因为屈光不正会显著降低图像清晰度。

传统上，通过调整眼底相机内的透镜组来补偿屈光不正。然而，这大大增加了系统的复杂性和操作难度[[6], [7], [8]]。此外，机械聚焦结构还增加了系统的体积并提高了制造成本。因此，这些昂贵的设备对于需要及时有效眼科诊断和治疗的偏远和服务不足地区的患者来说难以获得。随着智能手机的普及及其相机技术的快速发展，基于智能手机的眼底相机体积小巧，可以利用自动对焦和变焦算法，从而在一定程度上降低了操作难度[[9], [10], [11]]。然而，大多数智能手机眼底相机在检查时需要扩瞳，并且必须直接接触眼睛。此外，智能手机的传感器只能响应可见光，限制了眼底相机的工作波长范围。这一限制阻碍了对更深层眼底结构（如脉络膜）的观察，可能导致漏诊[12,13]。

一些研究探索了在不移动透镜组的情况下补偿眼底成像中屈光不正的解决方案。结合漫射元件的波前编码计算成像技术已经展示了±4D的屈光不正校正范围[14]。此外，自由形光学设计成功地将校正范围扩展到了±5D[15]。然而，流行病学研究表明，全球约有4%的人口患有超过-5D的高度近视，而且青少年中的发病率正在显著上升。值得注意的是，高度近视可能导致严重的并发症，如视网膜脱离、开角型青光眼和黄斑区的脉络膜新生血管形成，这是不可逆视力丧失的主要原因[[16], [17], [18]]。此外，少数婴儿表现出超过+5D的高度远视。目前的光学矫正方法仍不足以对这些特殊患者群体进行临床诊断，这凸显了需要一种具有扩展屈光适应范围的眼底成像系统的迫切需求。

在本文中，我们提出了一种对屈光不正不敏感的混合折射-衍射眼底相机设计。该系统由旋转对称的衍射光学元件（DOEs）和折射元件组成。通过利用DOEs的相位调制特性，系统扩展了其景深（DOF），能够在-10D到+10D的屈光不正范围内进行眼底成像。它在可见光和近红外波段（488–785纳米）的分辨率为30微米。该系统具有25°的视场（FOV），无需扩瞳即可操作，并保持7毫米的工作距离。总系统长度小于40毫米，非常便携。在检查过程中，即使对于不同屈光不正的患者也不需要调整透镜组，无需专门培训即可轻松操作。这一设计提高了眼底摄影的可访问性，特别是在社区医疗和偏远地区。

部分内容摘录

具有旋转对称性的相位调制DOEs

在传统的光学成像系统中，景深（DOF）主要受系统的F数和数值孔径（NA）的限制。扩展景深一直是光学工程的研究重点。近年来，提出了多种扩展景深的技术，包括减小孔径、幅度调制、纯相位调制和混合幅度-相位调制。然而，如减小孔径和幅度调制等方法会导致显著的光损失。

设计结果与性能

由于所设计的眼底相机的成像性能尚未达到衍射极限，因此使用点图而不是点扩散函数（PSF）来评估图像质量。基于成像系统的旋转对称性，可以通过从中心到边缘的径向采样简化性能分析。为了满足视网膜结构的多层成像需求，根据其光学特性选择了四个特征波长：488纳米

DOEs的制造和误差分析

在图3所示的衍射表面中，表面4、5和6表现出显著的高频特征，这对传统的单点金刚石车削加工来说是一个挑战。为了评估制造可行性，考虑了半导体光刻工艺的潜在应用。为了在保持光学性能的同时提高可制造性，连续表面被离散成15微米宽的台阶（光刻工艺能够实现

结论

在本文中，我们提出了一种混合折射-衍射眼底相机设计。该成像系统由一个DOE和两个混合衍射-折射元件组成。通过优化衍射表面的相位分布，系统实现了扩展的景深（DOF），降低了了对屈光不正的敏感度，并能够在-10D到+10D的屈光不正范围内进行眼底成像。此外，通过利用折射和衍射元件的互补色散特性

资助

中国国家重点研发计划（2023YFC2414700）；国家自然科学基金（12274156）；深圳市科技创新委员会（JCYJ20250604191014019）。

数据可用性

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CRediT作者贡献声明

Xuan Xiao：撰写——初稿。Hao Tan：撰写——审阅与编辑，方法论。Siqi He：研究。Liwen Chen：数据管理，研究。Donglin Ma：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

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