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。

设计了一款便携式39°视场免散瞳眼底相机光学系统, 可以对-10~+15m-1屈光度变化范围内的人眼视网膜清晰成像。采用环形光源照明, 使眼底视网膜照明均匀度达到95%, 也很好地消除了角膜反射。加入的信标系统使得便携式眼底相机光学系统在拍摄时有助于保持人眼与成像系统的同轴度, 进一步提高拍摄视网膜图像的清晰度。通过对成像系统的优化设计及仿真分析, 得到均方根直径小于6.4μm、场曲小于60μm、像散小于50μm、畸变小于3.6%, 在67lp/mm处各视场传递函数值大于0.5和成像系统加工良率高的眼底相机光学系统方案。方案可以应用于眼科检查, 改善全国偏远地区眼科医疗器械缺少的情况。

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。

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。

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像，设计了一款40°视场、48 mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜，引入了自由曲面以校正其离轴像差，成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型，用于优化成像光路，消除人眼像差对成像的影响，同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑，减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10~+10 m-1调焦，物方各视场分辨率为33 lp/mm，系统畸变小于8.5%; 照明光学系统在不产生鬼像的前提下，可均匀照明眼底，照度非均匀性在15%以内。实验表明，引入自由曲面的折反式眼底相机，有效地消除了杂光和鬼像，满足大视场和大工作距离的要求。