数字式摄影验光仪的原理分析和数字模拟

　　1　引　　言

　　1·1　简介

　　偏心摄影验光法是一种通过摄影手段测量眼睛视度的客观方法。它不需要被检者对目视对象的主观描述,因此特别适用于婴幼儿的视力普查。1974年美国Howland[1]提出了正交摄影验光法, 1979年芬兰Kaakinen提出了偏心摄影验光法[2]。但根据他们提出的方法制作的仪器误差大,价格高,不实用。近年来,Austin Roorda et al.[3]Wolfgang Wesemann et al.[4]和Reinhard Kusel et al.[5]等先后对此法进行了研究。

　　由于偏心摄影所拍摄到瞳孔像中明暗交界处的过渡区是误差的主要来源,文献[6~8]对此进行了初步讨论,本文在此基础上分析了数字式摄影验光仪的光学原理,进行了实际拍摄和数字模拟,验证了我们的分析模型,初步确定了瞳孔像的过渡区与视度的关系,为提高验光精度创造了条件。

　　1·2　仪器构成

　　数字式摄影验光仪示意图见图1。闪光灯1发出的光线经照明裂隙2到达模型眼3,由模型眼视网膜返回的光线经接受裂隙4和CCD摄像机6的镜头5在CCD上生成眼瞳像,眼瞳像信号进入计算机7自动处理,求出模型眼的视度。

　　1·3　基本原理和存在问题

　　我们把仪器考虑为理想光学系统(图2),调节摄像机镜头,使CCD表面与眼瞳面共轭。不考虑裂隙宽度,以近视眼为例分析如下。

　　由照明隙射出的光线经模型眼瞳孔在视网膜上成视网膜像(离焦像)。视网膜像漫反射出的光线再通过瞳孔射出模型眼,在远点面上成像。由于可逆性,远点面像必然是照明锥(瞳孔为底,照明隙为顶的锥体)与远点面的相贯面。

　　只有通过远点面上照明锥和接受锥的公共部分的光线才能在CCD上形成的像有一定的照度,接受锥的其余部分没有光线,只能形成黑色的阴影。由于裂隙是一定长度的直线,CCD上的眼瞳像具有明确的直线边界。图2中近视眼的视度计算公式:

　　但实际上拍摄到的眼瞳像(见图3)与图2有很大的不同。主要是明暗区间没有明确的界线,用公式(1)求视度时会产生很大的不确定度。例如图3中的模型眼为- 3·00D,在l = 1·64m, h = 0·00575m, d =7·00mm时,过渡区影响了目测判断明暗分界线的确切位置。假设目测分界线到瞳孔下沿距离b在过渡区内服从正态分布,b的目测估计值为1·67mm,b的可能变化范围目测估计值Ub为±0·58mm,用公式(1)求得模型眼视度值估计值为R=-3·17D,包含因子k=3,则b的标准不确定度B类评定分量ubi=Ub/k=±0·19mm,可求得在-3·17D中仅仅由于过渡区引起的视度测得值标准不确定度B类分量就达到0·24D。

　　这一测量不确定度分量偏大。问题出在公式(1)的推导中没有考虑过渡区引起距离b的不确定性。因此,必须对实际眼瞳的照度分布,尤其是过渡区的形成和特征作认真分析,在一定的测量条件下对一定视度的瞳面像进行数字模拟,导出视度与过渡区特征量的关系,修正公式(1)。