为实现角膜在眼底相机系统轴向上的精确对准，提出了一种基于双光点视标的角膜精密对准技术。采用该对准技术，可以将双孔光阑所形成的两个光点视标投影在角膜上，依据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上重合的位置坐标，先实现对瞳孔中心的对准，再根据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上的分离情况与分离距离，确定眼底相机相对于角膜的轴向位置。实验结果表明：基于该双光点视标的角膜精密对准技术可以达到0.25 mm的对准精度和8.2 mm的对准范围。这种对准方法精确度高，对准范围大，可以满足眼底成像时仪器相对于被检眼轴向调节位置的要求。

眼底照相是获取眼部图像的主要技术之一。利用眼底相机对视网膜病变区域进行拍摄可以获得清晰的图像，从获取的图像中能够直接观察到眼球中的渗出物、出血点和微血管瘤，根据检测出的病灶类型、数量和位置等信息可进行糖尿病视网膜病变分类。基于此，本文利用深度神经网络对糖尿病视网膜病变进行自动分类识别，提出了一种体系结构简单、在通用设备上运行速度快的卷积神经网络CA-RepVGG(CA代表Channel Attention，RepVGG为现有模块)。利用单路极简结构的RepVGG模块替代复杂的可使用性较差的模块作为分类模型的主体部位，并选用高效通道注意力机制ECA替代压缩注意力机制SE，以此来提升模型对病变分级的能力。此外，本文还将CA-RepVGG模型与传统的分类模型VGG-16、Inception-V3、ResNet-50和ResNext-50模型进行了比较。从比较结果可以看出，虽然CA-RepVGG模型的参数量最大，但由于其是单分支结构，且只有3×3卷积块，因此它的模型复杂度并不高，分类速度很快，比另外4个模型中分类速度最快的ResNet-50还高出15.3%。另外，利用两个混淆矩阵展示了所提模型的分类结果，其在两个数据集上的准确度都超过了92.4%，精确度不低于91.6%，灵敏度在93.8%以上。从实验结果可知，所提模型不仅可对糖尿病视网膜病变进行分类，而且相比其他现有模型具有一定的优越性。若将该模型应用在临床上，可以提高专业眼科医生在眼科疾病上的诊断效率。

设计了一个视场角为30°的免散瞳立体成像眼底相机的光学系统。系统由成像系统和照明系统组成,在成像系统中,设计了新型眼底立体成像光学结构,并加入前置物镜来提高成像分辨率;在照明系统中,通过设置环形光阑来避免角膜反射光的产生,并加入黑点板来消除网膜物镜产生的杂散光。研究结果表明,该系统不仅可以实现眼底视网膜图像的多角度同步采集,还可以实现眼底视网膜6×10 ⁶ pixel的高清成像。系统对正常人眼的物方分辨率高于200 lp/mm,系统总长为290 mm,场曲值小于28 μm,畸变仅为-4.9%。系统具有较强的调焦能力,能对-7~+5 m ^-1屈光度人眼的眼底进行清晰成像。

设计了一种便携式免散瞳眼底相机光学系统, 达到了全视场300万像素的高清眼底成像。在考虑人眼生理特征和光学特性的基础上, 引入Gullstrand-Le Grand 眼模型来模拟被测屈光度正常的人眼, 用Schematic眼模型来检验屈光度异常人眼对成像光路的影响。在成像系统中, 首先采用接目物镜会聚从人眼视网膜反射出瞳孔的光线, 然后再由成像物镜将视网膜的像成像到CCD上。在照明系统中, 为避免角膜中心区域产生杂散光, 采用环形光阑和共轴照明相结合的照明方式给眼底照明。仿真结果表明: 该系统视场角为30°, 成像分辨率高于120 lp/mm, 场曲值小于0.12 mm, 畸变仅为-1.2％, 全视场色差值均在艾里斑之内, 且该光学系统具有较大的调焦能力, 对-10 D~+10 D的人眼普遍适用。所用的光学元件均为普通的球面玻璃, 便于加工制造且能有效降低实际的制作成本。

为了实现从不同角度同时拍摄同一眼底视网膜区域的图像, 使采用双目立体视觉法进行眼底三维重建成为可能, 设计了一种免散瞳立体成像眼底相机光学系统。该光学系统由成像系统和照明系统两部分组成, 在成像系统中, 使用Gullstrand-Le Grand眼模型来模拟正常人眼, 运用体视显微镜成像原理进行分光设计; 在照明系统中, 通过设置黑点板的方式消除网膜物镜产生的杂散光, 并加入环形光阑以避免角膜反射光的产生。设计结果表明, 本立体成像眼底相机光学系统截止频率在95 lp/mm处各视场的MTF值均大于0.2, 成像系统畸变小于-3%, 场曲值小于0.1 mm, 色差矫正良好, 并且具有较强的调焦能力, 能对-10~+5 m-1的人眼清晰成像。

设计了一种具有40°视场角的手持式免散瞳眼底照相机,可用来拍摄视网膜图像。相机光学系统由照明系统和成像系统组成,其中照明系统设有可见照明光源和红外对焦光源,采用红外光源对焦可以不用药物对眼睛进行散瞳处理。照明光源采用独特的环形LED,将环形LED光源成像于人眼的瞳孔之上,避免照射到角膜上发生反射作用。在成像系统中设置调焦镜,具备±15D的屈光度补偿功能。成像光学系统的点列图均方根值小于2.8 μm,场曲小于0.2 mm,畸变小于0.6%,在70 lp/mm处各视场处的调制传递函数均高于0.4。使用Zemax光学设计软件的成像模拟功能,在光学系统的像面上清晰地再现了原图。该相机可以应用于眼科医学行业,为疾病的预防和康复服务。

为了测量视网膜血氧饱和度，本文设计一种以商业眼底相机为平台的双波长视网膜血氧测量系统。该系统将商业眼底相机输出的视网膜像进行二次成像，同时采集含氧血红蛋白和还原血红蛋白的等吸收波段和非等吸收波段图像。对获取的双波长图像进行图像配准、血管分割、光密度比计算等一系列运算，最终完成视网膜血管血氧饱和度的测量。对健康人眼进行重复性测量，动脉和静脉的血氧饱和度平均值分别是 92.85%和 56.75%，标准差的平均值分别为 2.41%和 3.63%，表明系统的准确性和重复性较好。本系统在获取视网膜结构图像的同时获得视网膜血管功能信息，可以为生命科学相关研究、眼底相关疾病的诊断提供有力工具。

提出了一种采用液体透镜(LTL)补偿人眼屈光度变化的新型眼底相机光学系统，应用高斯括号法推导了液体透镜光焦度与人眼屈光度的函数关系式，计算并搭建了包含人眼模型的眼底相机近轴光学系统。在优化过程中控制人眼瞳孔位置与液体透镜共轭并保证位于它们之间的光学系统放大率接近1，使成像光束能够通过液体透镜；光源与角膜共轭，采用环形光源结合偏振光照明，并在探测器前加入检偏器降低系统杂光。设计并研制了视场角为50°、物方工作距为40 mm、总长小于220 mm的便携式眼底相机光学系统，拍摄了不同屈光度状态下的模型眼在采用液体透镜和不采用液体透镜补偿的眼底图片，结果表明：通过液体透镜的电控变焦能对-10 D～+10 D(1 D=1 m-1)的人眼清晰成像。该系统结构紧凑、无机械运动部件，大幅降低了光机系统的复杂程度。

基于自适应光学设计了一款可诱导人眼自动调焦的眼底相机，包括视度调节系统、照明系统和自适应成像系统。在视度调节系统中，通过设置视标诱导人眼自动调焦，校正人眼初级像差，将人眼残余像差控制在自适应成像系统的校正范围内。在照明系统中，采用轴锥镜组产生环形光照明人眼，消除人眼角膜的强反射光，通过调节轴锥镜之间的距离使环形光束内径连续变化以适应不同的人眼。在自适应成像系统中，使用哈特曼夏克波前传感器作为波前探测器，使用变形镜作为波前校正器，校正人眼的高阶像差。仿真结果表明，眼底照明均匀度可达95%，自适应成像系统在截止频率76 lp/mm处，各视场调制传递函数(MTF)值均大于0.36。系统畸变小于1%，能够对在-6D～+8D(D表示屈光度数)之间的人眼眼底清晰成像。