引言
超广角眼底成像对视网膜周边病变早期筛查具备重要临床价值，免散瞳、大视场、多光谱、兼容人眼屈光误差是眼底设备研发的核心技术难点。本文基于 Optics Express公开文献，解读一套189.06°透射式同轴免散瞳共聚焦眼底成像光学方案[1]，完整展示Ansys Zemax OpticStudio在生物医疗眼科光学中的全流程设计、优化、仿真评估工作流，为共聚焦扫描检眼镜设备开发提供工程参考。
超广角免散瞳眼底成像的设计挑战
眼底成像是筛查糖尿病视网膜病变、视网膜脱离、青光眼、周边视网膜变性等眼科疾病的核心手段。传统商用眼底设备单帧成像视场大多仅30°‑50°，大量早期病变发生在视网膜周边区域，小视场系统极易造成漏诊。超广角眼底成像（UWF）可以大幅提升周边视网膜覆盖范围，在临床筛查领域需求快速增长。目前主流超广角眼底成像分为折反式与透射式两大技术路线：
折反式方案：依靠离轴反射镜实现超大视场，但会引入严重非对称像差，系统装调难度大，畸变标定复杂，成像均匀性受限。
透射式同轴方案：旋转对称结构，像差校正难度更低、装调简单、畸变标定方便，但是实现大视场难度极高。大视场会带来严重的轴外像差，同时受限于人眼瞳孔尺寸，免散瞳条件（瞳孔直径≤3 mm）下，照明光路与成像光路的光瞳分离难度大，还要兼容近视‑15 D~远视+15 D大范围人眼屈光误差，同时支持多光谱成像。
现有透射式共聚焦眼底系统普遍存在视场不足的短板。该论文提出全透射同轴架构+内部调焦补偿的技术路线，在免散瞳条件下实现189.06°视网膜视场，同时兼容488 nm、520 nm、635 nm、785 nm多光谱成像。整个光学系统的建模、评价函数构建、多工况联合优化、成像质量仿真全部基于Ansys Zemax OpticStudio完成。
图1 透射式共聚焦眼底成像系统架构原理图
系统原理与共轭面光线追迹理论模型
2.1 共聚焦眼底扫描成像基本原理
本系统采用照明‑成像共光路架构。多波长激光器出射光束经过准直后入射XY二维振镜，振镜偏转改变光束角度，经由目镜组入射到人眼，聚焦在视网膜不同位置。视网膜后向散射光沿原光路返回，经过分光镜进入成像光路，聚焦到共聚焦针孔。针孔实现空间滤波，滤除离焦散射杂光，只有视网膜聚焦信号透过针孔被探测器接收，以此提升图像信噪比。系统理论横向分辨率遵循瑞利判据：
2.2 大视场实光线追迹与共轭面分析
超大视场条件下近轴近似失效，不能依靠近轴公式描述光束传播与光瞳共轭关系。研究人员建立序列实光线追迹模型，定义振镜平面为共轭面1，人眼瞳孔平面为共轭面2。通过实光线追迹，计算不同扫描视场下：主光线偏移、光瞳畸变、扫描畸变、光束footprint尺寸。将上述物理量与像面光斑RMS半径共同构建综合评价函数：
该评价函数直接导入Zemax优化器，用于目镜组全局优化，解决大视场下光瞳偏移、渐晕、畸变问题，保障小瞳孔下免散瞳成像。
图2 超广角眼底成像序列真实光线追迹模型
2.3 内部调焦补偿屈光误差原理
不同患者眼睛存在巨大屈光差异（近视、远视），会造成视网膜共轭像面轴向偏移。外部调焦（移动整机、移动探测器）会改变系统共轭关系，引入视场相关像差，不适合超广角系统。因此本文采用内部调焦方案：在中继光路内部轴向移动调焦透镜，整机总长保持不变，维持系统共轭关系，降低像面漂移。通过高斯成像建立调焦透镜位移与人眼屈光度之间的解析模型，为Zemax多状态优化提供理论约束。
基于Zemax的光学系统建模与多状态优化
3.1 系统核心技术指标
3.2 目镜组光学系统优化
在Zemax OpticStudio中引入Navarro标准人眼模型，这是眼科光学仿真行业广泛使用的人眼解剖学模型，可以复现人眼球差、彗差、像散、场曲畸变。目镜组是整套共聚焦系统的核心，同时承担照明与成像共光路。目镜组由6片透镜组成，包含三组胶合镜，引入两片偶次非球面用于校正超广角带来的高阶轴外像差。Zemax关键优化设置：
将前面推导得到的光瞳偏移、畸变、光斑RMS等物理量构建自定义评价函数；
设置多重组态（Multi‑Configuration），覆盖‑15 D、‑10 D、‑5 D、0 D、+5 D、+10 D、+15 D共7种人眼屈光状态；
将调焦透镜轴向位移设置为组态变量，约束系统总机械长度固定不变，模拟内部调焦工作模式；
约束镜片最大口径、工作距离、玻璃材料选用国产CDGM玻璃库，保证可加工性；
多光谱权重设置，同时优化488 nm、520 nm、635 nm、785 nm四个特征波长的像差。
图3 光瞳面光束分布与主光线偏移仿真结果
3.3 内部调焦机构多组态仿真
借助Zemax多重组态功能，只改变调焦透镜的轴向位移，系统总长保持117.701 mm恒定。输出不同屈光度对应的调焦透镜位移曲线，为后续电机驱动机械结构设计提供原始数据。仿真表明，即便瞳孔收缩至2 mm，系统仅长波存在部分渐晕，全视场仍然可以完成成像。
图4 内部调焦仿真与调焦透镜位移曲线。(a)不同屈光度下光路布局；(b)调焦透镜位移‑屈光度关系曲线
完成目镜组优化后，在Zemax序列模式下整合振镜、分光镜、成像镜组、共聚焦针孔模块，完成整套透射式超广角共聚焦眼底成像系统完整光学模型。
Zemax仿真全维度成像性能评估
完成优化之后，在Zemax中开展点列图、MTF、分辨率仿真，同时开展光辐射安全评估。
4.1 点列图分析
选取从0°至最大视场94.53°共9个视场采样点，对4个工作波长做仿真。结果显示，全部视场、全部波长条件下，光斑RMS尺寸均小于对应波长艾里斑半径，系统实现接近衍射极限成像性能。
图5 四个特征波长下系统点列图
4.2 MTF调制传递函数评价
Zemax输出全视场子午/弧矢MTF曲线：488 nm截止73 lp/mm，520 nm截止68 lp/mm，635 nm截止54 lp/mm，785 nm截止34 lp/mm。全视场MTF下降平缓，大视场边缘没有发生断崖式衰减。
图6 多波长系统MTF曲线
4.3 全屈光补偿范围物方分辨率仿真
遍历‑15 D~+15 D全部屈光组态，计算视网膜物方分辨率。仿真结果：在全部屈光度、全部视场条件下，系统视网膜分辨率均优于15 μm，满足眼底临床成像需求。
图7 ‑15 D~+15 D屈光补偿范围内系统分辨率
4.4 光辐射安全评估
基于Zemax输出的透过率数据，结合人眼介质光谱透过率、眼底反射率，完成辐射计算。按照ANSI Z80.36‑2021眼科仪器光危害标准，计算得到每个像素眼底辐射曝光量远低于安全阈值，满足眼科设备光安全规范。
总结
针对免散瞳超广角共聚焦眼底成像的工程难题，该文献提出一套全透射同轴光学架构。基于Zemax OpticStudio完成整套系统建模、多状态优化与仿真评估：
建立实光线追迹共轭面理论模型，构建适配大视场眼底系统的自定义评价函数，解决免散瞳小瞳孔下光瞳偏移与畸变；
采用内部调焦机制，调焦透镜轴向移动补偿‑15 D~+15 D人眼屈光误差，整机总长度保持不变；
仿真实现189.06°超大视网膜视场，488‑785 nm多光谱兼容，全视场全屈光度条件下分辨率优于15 μm，成像接近衍射极限，满足眼科临床筛查指标；
完成光辐射安全验算，符合ANSI眼科仪器光安全标准。
该方案为新一代透射式共聚焦扫描检眼镜设备提供了重要的设计参考。在医疗光学设备研发流程中，利用Zemax在设计阶段完成多工况仿真评估，可以提前识别像差、光瞳匹配、调焦行程风险，有效减少迭代次数，降低样机研制成本。
参考文献
[1] Xuan Xiao, Hao Tan, Guigang Li, Liwen Chen, Zhen Cai, and Donglin Ma, "Optical design of a transmissive ultra-widefield non-mydriatic confocal fundus imaging system," Opt. Express 34, 37740-37757 (2026)
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