具体实施方式

这里描述了具有动态照明器的视网膜相机的系统、装置和操作方法的实施方式，该动态照明器具有扩展的眼动范围。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，这里描述的技术可以在没有一个或更多个具体细节的情况下或在使用其它方法、部件、材料等的情况下被实践。在其它实例中，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。

贯穿本说明书对“一个实施方式”或“一实施方式”的引用意思是结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，短语“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”贯穿本说明书在各处的出现未必全都是指同一实施方式。此外，在一个或更多个实施方式中，可以以任何合适的方式来组合特定的特征、结构或特性。

高保真视网膜图像对于筛查、诊断和监测许多视网膜疾病是重要的。为此，期望减少或消除遮挡或以其它方式伤害视网膜图像的部分的图像伪影的实例。图1示出了具有许多图像伪影105的示例视网膜图像100。当视网膜成像系统与眼睛之间的未对准允许来自照明源的杂散光和有害反射进入图像路径并最终与视网膜图像光一起被图像传感器捕获时，可能产生这些图像伪影。未对准可导致有害的角膜/虹膜反射、来自晶状体的折射分散和成像孔径的堵塞。

常规成像系统具有相对小的眼动范围，其需要精确对准以避免图像伪影进入图像路径。这里描述的实施方式提供了基于视网膜成像系统与眼睛之间的检测到的对准来改变其照明式样的动态照明器。照明式样的这些动态变化扩展了眼动范围而无需使用复杂或昂贵的机械部件。扩展的眼动范围减轻了对准负担，同时减少了图像伪影遮挡或以其它方式伤害所捕获的视网膜图像的实例。动态照明器结合了两种不同的照明架构——一种是当眼睛与眼睛的光轴或注视方向大致对准时(在此称为圆形照明式样)，另一种是当眼睛从眼睛的光轴或注视方向偏移时(在此称为非圆形照明式样或堆叠式照明)。通过在这两种照明架构之间动态地切换，与常规的环形照明器相比，这里描述的视网膜成像系统的眼动范围可以扩展2倍或更多倍。

图2示出了根据本公开的一实施方式的具有动态照明器的视网膜成像系统200。视网膜成像系统200的所示实施方式包括动态照明器205、图像传感器210(也称为视网膜相机传感器)、控制器215、用户界面220、显示器225、对准跟踪器230和光学中继系统。光学中继系统的所示实施方式包括透镜235、240、245和分束器250。动态照明器205的所示实施方式包括围绕孔径的中央挡板255和从中央挡板255延伸的照明阵列265。

光学中继系统用于沿着穿过眼睛270的瞳孔的照明路径引导从动态照明器205输出的照明光280(例如，使照明光280通过或反射照明光280)以照亮视网膜275，同时还沿着图像路径将视网膜275的图像光285(即视网膜图像)引导到图像传感器210。图像光285由照明光280离开视网膜275的漫反射形成。在所示实施方式中，光学中继系统还包括分束器250，其使图像光285的至少一部分通过到达图像传感器210，同时还将从显示器225输出的显示光290引导到眼睛270。分束器250可以被实现为偏振分束器、非偏振分束器(例如，90％透射和10％反射的50/50分束器等)、二向色分束器或其它。光学中继系统包括诸如透镜235、240和245的多个透镜，以根据需要聚焦各个光路。例如，透镜235可以包括共同形成目镜的一个或更多个透镜元件，该目镜在操作期间以适眼距295从眼睛270的角膜移位。透镜240可以包括用于将图像光285聚焦在图像传感器210上的一个或更多个透镜元件。透镜245可以包括用于聚焦显示光290的一个或更多个透镜元件。应理解，光学中继系统可以用若干个各种各样的光学元件(例如，透镜、反射表面、衍射表面等)来实现。

在一个实施方式中，从显示器225输出的显示光290是固视目标或其它视觉刺激。固视目标不仅可以通过向患者提供视觉反馈来帮助获得视网膜成像系统200与眼睛270之间的对准，而且还可以为患者提供该患者能将其视力置于其上的固视目标。显示器225可以用包括液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)、各种被照亮的形状(例如，被照亮的十字或同心圆)或其它的各种技术来实现。

控制器215联接到图像传感器210、显示器225、动态照明器205和对准跟踪器230以编排它们的操作。控制器215可以包括在微控制器上运行的软件/固件逻辑、硬件逻辑(例如，专用集成电路、现场可编程门阵列等)或软件和硬件逻辑的组合。尽管图2将控制器215示出为相异的功能元件，但是控制器215执行的逻辑功能可以被分散在若干硬件元件上。控制器115还可以包括输入/输出(I/O端口)、通信系统或其它。控制器215联接到用户界面220，以接收用户输入并提供对视网膜成像系统200的用户控制。用户界面220可以包括一个或更多个按钮、拨盘、反馈显示器、指示灯等。

图像传感器210可以使用各种各样的成像技术来实现，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合器件(CCD)图像传感器或其它。在一个实施方式中，图像传感器210包括板载存储器缓冲器或附接的存储器以存储视网膜图像。

对准跟踪器230进行操作以跟踪视网膜成像系统200与眼睛270之间的对准。对准跟踪器230可以使用各种不同的技术来操作，以跟踪眼睛270和视网膜成像系统200的相对位置，包括瞳孔跟踪、视网膜跟踪、虹膜跟踪或其它。在一个实施方式中，对准跟踪器230包括一个或更多个红外(IR)发射器，以在用可见光谱光获取视网膜图像的同时通过IR光来跟踪眼睛270。在这样的实施方式中，IR滤光器可以位于图像路径内以过滤IR跟踪光。在其它实施方式中，跟踪照明在时间上从图像获取偏移。

在操作期间，控制器115操作动态照明器105和视网膜相机110以捕获一个或更多个视网膜图像。动态照明器105是动态的，因为其照明式样不是静态的；而是基于所确定的与眼睛270的对准(在下面详细讨论)在控制器215的影响下动态地改变。照明光280被引导通过眼睛270的瞳孔以照亮视网膜275。来自视网膜275的漫反射沿着图像路径通过中央挡板255中的孔径被引导回图像传感器210。中央挡板255进行操作以阻挡有害的反射和光散射，若不被阻挡则该有害的反射和光散射将会在使图像光本身通过的同时伤害视网膜图像。由动态照明器205输出的照明式样基于当前对准来选择，以减少有害的图像伪影。图像伪影可以产生自因眼睛270内的人眼晶状体导致的光散射、来自角膜/虹膜的反射、或甚至照明光280的来自视网膜275的直接镜面反射。来自视网膜275或角膜/虹膜的直接镜面反射可能产生视网膜图像中的被冲洗掉的区域(例如，图像伪影105)。从动态照明器205输出的照明式样中的动态变化用于将这些镜面反射从图像路径偏离轴线引导，因此被视场光阑或中央挡板255阻挡。

图3A-D示出了根据本公开的一实施方式的动态照明器300的各种视图。动态照明器300的所示实施方式是图2中的动态照明器205的一种可能的实现方式。图3A是动态照明器300的透视图，图3B是平面图，图3C是截面图，图3D是其侧视图。动态照明器300的所示实施方式包括限定孔径310的中央挡板305、沿着第一线形轴306(图3B中的竖直轴)从孔径310和中央挡板305的彼此相反侧(例如，径向地)向外延伸的第一照明阵列315、以及沿着第二线形轴307(图3B中的水平轴)从孔径310和中央挡板305的彼此相反侧(例如，径向地)向外延伸的第二照明阵列320。每个照明阵列315和320包括离散的照明源325，每个照明源325被照明挡板330环绕。

如所提到的，动态照明器300包括从中央挡板305向外延伸以提供用于照亮视网膜275的光的来源的照明源325的阵列。在所示实施方式中，照明阵列315和320分别沿着基本上正交的线形轴306和307延伸，线形轴306和307形成像是加号或十字形形状。在所示实施方式中，线形轴306和307是基本上穿过孔径310的中心的径向线。在一个实施方式中，照明阵列315内的照明源325绕线形轴307对称地定位，而照明阵列320内的照明源325绕线形轴306对称地定位。每个照明阵列包括从中央挡板305和孔径310的彼此相反侧延伸的两个部分。照明阵列315和320包括照明被独立控制的离散位置。换句话说，可以在控制器215的影响下独立地启用或禁用照明源325以产生相异的照明式样。在一个实施方式中，照明源325被实现为相异的LED源。在其它实施方式中，照明源325可以用能够提供照明光可被独立控制的相异位置的技术和配置来实现。例如，照明阵列315和320的每个部分可以共享公共背光，但是具有可控制的掩模(例如，LCD屏幕)以选择性地过滤和控制光照明的位置。可以使用其它照明技术。此外，尽管每个照明阵列315和320被示出为包括八个照明源325，但是实现方式可以包括更多或更少的照明源325。在一个实施方式中，照明源325具有以下分离节距和尺寸：L1＝6.5mm，L2＝10mm，L3＝13mm，L4＝16mm，L5＝3mm，以及L6＝2mm。当然，可以实现其它尺寸和分离节距。

在所示实施方式中，中央挡板305具有圆锥形状，该圆锥形状围绕孔径310并从孔径310朝目镜透镜235伸出。中央挡板305的侧面与紧邻中央挡板305的最内侧的照明源325的一部分重叠。当由最内侧的照明源325背光照明时，这种部分重叠使中央挡板305部分地进行阻挡或投射阴影，但是不阻挡其它照明源325。该阴影用于将图像路径与照明路径基本上分离并隔离，因此减少了这些路径之间的串扰并减少了视网膜图像中的图像伪影。当最内侧的照明源325被照亮时，中央挡板305阻挡由于眼睛晶状体中的散射和来自角膜的反射而引起不良图像质量的照明射线角度。

通过使用围绕每个照明源325的照明挡板330，进一步隔离并减少了有害的图像伪影。照明挡板330用于限制照明源325的发射发散式样，并且在一些实施方式中，还通过覆盖住每个照明源325的部分来限制照明源325的有效管芯尺寸。照明挡板330还减少了照明路径对特别是离散照明源325的批次或实例之间的制造偏差/公差的依赖性，因为许多LED源或其它类型的照明源不产生精确的照明式样或准直光。照明挡板330可以被实现为离散的挡板或一体式护罩或模制组件的部分。模制组件可以包括用于给定的照明阵列315或320的每一半的离散模制物，或备选地，照明挡板330以及中央挡板305可以由单个连续的组件制造。在所示实施方式中，中央挡板305具有圆形的截面形状(围绕穿过孔径310的图像路径的中心光轴)，而照明挡板330具有矩形的截面形状。当然，可以使用其它横截面形状来微调照明路径和图像路径。例如，照明挡板330也可以具有圆形的截面形状。在一个实施方式中，中央挡板305和照明挡板330具有以下大小：D1＝13mm，D2＝10.60mm，L5＝3mm，L6＝2mm，L7＝1.5mm，L8＝5.5mm。当然，可以实现其它大小。

图4是示出根据本公开的一实施方式的用于视网膜成像系统200的操作的过程400的流程图。一些或所有的过程块在过程400中出现的顺序不应被视为限制性的。而是，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，过程块中的一些可以按未示出的各种顺序或甚至并行地执行。

在过程块405中，开始视网膜成像过程。开始可以包括用户从用户界面220选择电源按钮。在过程块410中，对准跟踪器230开始跟踪并确定视网膜相机系统200与眼睛270之间的对准。具体地，可以将跟踪确定为目镜透镜235与眼睛270的瞳孔、虹膜或视网膜之间的相对测量。可以实现各种不同的对准跟踪技术，包括瞳孔跟踪、虹膜跟踪、视网膜跟踪、反复试验等。对准跟踪用于确定在图像获取期间应使用至少两种照明方案中的哪一种来照亮视网膜275。当相对对准在中心对准与偏移对准之间徘徊时，这些照明方案之间的过渡可能是突然的或是在其间的平滑淡褪。

在判定块415中，如果确定视网膜相机系统200在限定的阈值内与注视方向271(例如，眼睛270的光轴)中心对准，则过程400继续到过程块420。在过程块420中，动态照明器205由控制器215操作以产生圆形照明式样，用于通过眼睛270的瞳孔照亮视网膜275。图5A-C示出了圆形照明式样的特征。如图5A所示，圆形照明式样同时照亮紧邻中央挡板305(或255)的最内侧的照明源501，同时禁用或不照亮不紧邻中央挡板305的其余外侧照明源325。如图5B所示，照明路径505在虹膜、晶状体和角膜处与图像路径510基本上分离开或隔离。

照明源501的发射发散式样由中央挡板305投射的阴影和照明挡板330限制和控制(过程块425)。中央挡板305用于阻挡照明光的从内侧照明器源501输出的部分，该部分会导致眼睛270中的有害散射。如图5C进一步所示，在眼睛270中易于产生图像伪影的区域处，照明路径505与图像路径510基本上分离(例如，彼此物理地偏移)。这些区域包括角膜平面、虹膜平面和晶状体。中央挡板305策略性地将照明阴影投射到这些眼睛结构上，该照明阴影减少了图像路径510与照明路径505之间的串扰，从而减少了由图像传感器210捕获的图像伪影。中央挡板305的角度和深度影响在角膜、虹膜和晶状体处图像路径和照明路径的分离。可以选择角度和深度以实现特定的分离范围。

在过程块430中，视网膜图像穿过孔径310，在孔径310处，在图像传感器210捕获形成视网膜图像的图像光285之前，中央挡板305进一步阻挡有害的反射和其它杂散折射(过程块435)。

回到判定块415，如果确定视网膜相机系统200以限定的阈值从注视方向271偏移，则过程400继续到过程块445至455。在过程块445至455中，动态照明器205由控制器215操作以产生非圆形照明式样(也称为堆叠式照明式样)，用于通过眼睛270的瞳孔照亮视网膜275。图6A-C示出了其中偏移在单个方向上的非圆形照明式样的特征。如图6A所示，非圆形照明式样启用单个照明源601。如果在单个方向上的偏移量较小，则最内侧的照明源601被照亮。然而，随着偏移量增加，越来越多的外围照明源被照亮。图7A示出了非圆形照明式样的示例，该示例由于在单个方向上的更大量的偏移对准而使照明源701被启用。图6A和图7A两者是示出了其中视网膜成像系统200在眼睛270下方竖直地偏移的示例。因此，所选择的特定照明源在中央挡板305的与眼睛270的物理偏移对准相反的一侧，并随着偏移对准增加而具有增加的从中央挡板305的外围偏移。因此，在过程块445中，确定偏移的方向以识别将启用动态照明器200的哪一侧。在过程块450中，确定偏移量以识别将启用哪个照明源325(例如，内侧、中间、外侧)。最后，在过程块455中，产生非圆形照明式样。

图6B示出了照明路径605与图像路径610之间的堆叠式对准，照明路径605和图像路径610在虹膜、晶状体和角膜处基本上彼此分离。同样，当最内侧的照明源(诸如照明源601)被照亮时，中央挡板305策略性地将照明阴影投射到这些眼睛结构上。这减少了图像路径610与照明路径605之间的串扰，从而减少了图像传感器210捕获的图像伪影。

图7B示出了当视网膜成像系统200在两个方向上从注视方向271偏移时的示例非圆形照明式样。例如，在图7B中，注视方向271向下和向右偏移，如图7B中的目标771所示，因此在上方和在左侧的照明源702和703被照亮。因为偏移量或未对准量是适度的，所以照明源702和703沿着它们各自的照明阵列居间地设置。

图8A-C是说明性热图，其示出了在眼睛的多个结构处圆形照明式样的照明路径和图像路径之间的物理分离，所述多个结构引起有害的反射和散射。图8A示出了照明光280如何在中心处几乎没有或没有照明的情况下被基本上驱逐至角膜平面的外围区域。图8B示出了照明光280如何在中心处几乎没有或没有照明的情况下再次被基本上驱逐至虹膜平面的外围区域。中央挡板305顺着眼睛270的中心投射阴影，从而产生几乎没有或没有照明的中心孔，同时允许动态照明器205(或300)基本上均匀地照亮虹膜275。图8C是示出在虹膜处叠加的照明光280和图像光285的示例截面的热图。可以看出，用于照明的路径和用于成像的路径在虹膜处基本上分离，这减少了归因于散射或反射的串扰。由于这些路径之间的物理分隔，确实会在各种眼睛结构处发生的散射和/或有害反射被中央挡板305和孔径310容易地阻挡。

图9A和图9B示出了根据本公开的一实施方式的动态照明器900的各种视图。动态照明器900的所示实施方式是图2中的动态照明器205的另一种可能的实现方式。图9A是动态照明器900的平面图，而图9B是其透视图。动态照明器900的所示实施方式包括限定孔径310的中央挡板905、沿着第一线形轴306(图9A中的竖直轴)从孔径310和中央挡板905的彼此相反侧(例如，径向地)向外延伸的第一照明阵列915、沿着第二线形轴307(图9A中的水平轴)从孔径310和中央挡板905的彼此相反侧(例如，径向地)向外延伸的第二照明阵列920、以及沿着第三线形轴907(图9A中的斜向轴)从孔径310和中央挡板905的彼此相反侧(例如，径向地)向外延伸的第三照明阵列922。中央挡板905的所示实施方式包括圆筒形护罩壁910和912。每个照明阵列915、920和922包括离散的照明源325，每个照明源325被照明挡板930环绕。

除了可选的附加斜向照明阵列922提供附加照明灵活性以外，照明阵列915、920和922以与以上结合照明阵列315和320所讨论的相似的方式操作。与用于每个照明阵列315和320的八个离散的照明源325相比，每个照明阵列915、920和922的所示实施方式包括十个离散的照明源325。虽然可以调节每个照明阵列的离散照明源325的数量，但是两个附加的离散照明源325提供了对照明式样更精细的颗粒度控制。

中央挡板905也以与中央挡板305相似的功能方式操作；然而，对照于单个圆锥形的中央挡板305，中央挡板905使用两个圆筒形护罩壁910和912以精确地限制发射发散式样(并策略性地将阴影投射到眼睛270上)。与中央挡板305的成角度的圆锥形状相比，护罩壁910和912的直的圆筒形形状制造起来更加简单。如所示出的，外侧圆筒形护罩壁912围绕内侧圆筒形护罩壁910。圆筒形护罩壁910和912两者从孔径310的平面延伸；然而，内侧圆筒形护罩壁910比外侧圆筒形护罩壁912延伸至更大的高度。此外，每个照明阵列915、920和922的最内侧的离散的照明源325(即，来自设置在孔径310的两侧中的任一侧并紧邻孔径310的每个照明阵列的两个最内侧的离散的照明源)径向地设置在内侧的圆筒形护罩壁910与外侧的圆筒形护罩壁912之间。其余离散的照明源325全都径向地设置在圆筒形护罩壁912之外。内侧离散的照明源325的居间位置使圆筒形护罩壁910和912能够限制从内侧离散的照明源325输出的照明路径的内边缘和外边缘(即，发射发散式样)。相对应地，还选择圆筒形护罩壁910和912的高度以控制从第二内侧的环的离散照明源325(即，径向地在圆筒形护罩壁912之外但紧邻圆筒形护罩壁912的离散照明源325)输出的照明路径的内边缘。

图10A和图10B示出了根据本公开的一实施方式的中央挡板905如何限制从最内侧的离散照明源发射的照明光的发射发散的两侧。图10B是图10A的部分的特写，其中照明路径1005和1010入射在眼睛270的角膜上。如所示出的，照明路径1005和1010由圆筒形护罩壁910和912限制，以减少在角膜和晶状体处的有害反射。具体地，照明路径1005和1010被限制为确保阴影1001被投射在角膜平面的中心。

图11A和图11B示出了根据本公开的一实施方式的中央挡板905如何限制从第二内侧的环的离散照明源发射的照明光的发射发散的内侧。图11B是图11A的部分的特写，其中照明路径1005、1010和1105入射在眼睛270的角膜上。如所示出的，照明路径1105被圆筒形护罩壁910和912的顶部边缘限制在内侧(例如，中间)。照明路径1105是从第二内侧的环的离散照明源325(即，径向地在圆筒形护罩壁912之外并紧邻圆筒形护罩壁912的离散照明源)输出的光的发射发散路径。具体地，照明路径1105的内侧被限制为还确保阴影1001被投射在角膜平面的中心。阴影1001减少了在角膜和晶状体处的有害反射。还应理解，目镜透镜235被完全照亮，因此提供了改善的成像和照明。

在计算机软件和硬件方面描述了上述过程。所描述的技术可以构成体现在有形或非暂时性的机器(例如，计算机)可读存储介质内的机器可运行指令，该机器可运行指令当由机器运行时将使该机器执行所描述的操作。另外，所述过程可以体现在诸如专用集成电路(“ASIC”)或其它的硬件内。

有形的机器可读存储介质包括以可由机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一个或更多个处理器的集合的装置等)访问的非暂时性形式提供(即存储)信息的任何机构。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存装置等)。

本发明的所示实施方式的以上描述，包括摘要中描述的内容，不旨在穷举本发明或将本发明限制为所公开的精确形式。虽然这里出于说明的目的描述了本发明的特定实施方式和示例，但是相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可以进行各种修改。

可以根据以上详细描述对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制为本说明书中公开的特定实施方式。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书决定，所附权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。