数字式摄影验光仪的设计与研究

　　1　引　言

　　数字式摄影验光仪是一种可以自动检测人眼屈光度的客观验光仪,适合于开展普查工作,特别对于合作能力差的儿童,视力普查方便、快速、准确。早在1974年美国学者Howland就发明了正交摄影验光方法,仅用一张照片就可以判断出被检者的屈光度。随后芬兰学者Kaakinen于1979年提出了偏心摄影验光方法[1]。基于这些理论,研制了多种摄影验光仪,例如美国的宝利来公司的摄影验光仪。但由于这种摄影验光仪处理数据的方法陈旧,精度较差,而且对于被检者的屈光度的测量所需时间过长,加之验光仪的成本很高,使得这种验光仪基本上没有市场。

　　以偏心验光的基本原理为基础,深入分析了拍摄像面上的光强分布[2],对光路进行了改进。同时采用了计算机作为工作的基本平台,使用图像处理的相关技术,以自动化为前提,研制了一台界面友好、操作简便、测量时间较短而精度高的新型数字式摄影验光仪。这台数字式摄影验光仪客观性较强,并采用了一些较新的技术使之有别于以前的摄影验光仪。

　　2　仪器的基本原理

　　数字式摄影验光仪的基本原理如图1所示,假设被检眼为近视眼,狭缝F(lf0×bf0)为照明光源,狭缝C(lc0×bc0)为接受裂隙,置于接收镜头前,两裂隙间距为H。从光源F的中心点发出的光锥经过被检眼整个眼瞳(圆O),照亮眼底并在视网膜上形成一弥散斑,其间光锥在远点平面上形成一圆G,它与视网膜上弥散斑G0共轭。从眼底漫反射回来的光线也经过整个眼瞳,并通过对应共轭圆G中对应的共轭点。设裂隙C的中心点为C0,连接C0、G两点,其延长线交眼瞳平面于O″点,并将圆G投影到眼瞳平面上得到圆O″。圆O和圆O″分别与Y轴交于P、B、P″、B″点,线段PB″上的点射向点C的光线都能够经过远点平面上的圆G,即存在实际光线能够进入相机,PB″是亮的。由作图可知BB″上的点向C点发出的光线均在圆G以外,而实际上BB″上的点发出的全部光线都必须经过圆G,这样就没有实际光线能进入相机。由此可见,只有圆O和圆O″的交叠区域中的每点才有一条光线通过C进入相机,使CCD感光。摄影验光仪的工作距离为W,物镜焦距为f,患者眼瞳直径为D,眼瞳处暗区高度PB″为Q。

　　当患者为近视时,暗区位于眼瞳下方,Q为负值;反之,远视患者Q为正值。由图1建立坐标系,可得:ΔB″AB～ΔCAF,因而

则被检近视眼的屈光不正度R为

式中r为被检眼远点距离。远视眼可按同样的方法处理,得到的屈光不正度同(1),只不过近视时,R<0;远视时,R>0。

　　3　数字式摄影验光仪的双光路设计

　　由以上的基本原理可以看出,要得到被检查的屈光度,就需要得到Q、H、W的数值,H、W作为工作距离可以通过测量求得,因此只需通过图像处理求出眼瞳的暗区高度Q即可求得被检查的屈光度。以前的摄影验光仪采用一张照片来分析被检查的屈光度,由一张照片测出被检查的眼瞳的直径大小以及眼瞳像上亮暗区的高度,进而求出被检查的屈光度。由以前的双裂隙偏心摄影验光拍摄的图像可以看出,图像处理的主要难度在于拍摄的图像亮暗区的界线并不分明,眼瞳的边界也并不分明,因此从拍下的一张图像中同时求出眼瞳的直径以及眼瞳中亮暗区的高度是一件很困难的事情。为了弥补以上的缺陷,这台摄影验光仪采用了双光路系统,即同时拍下两幅图像,一幅带有被检查的屈光度信息,称为主瞳像,另一幅的图像中被检查的眼瞳部分是全亮的,称为辅瞳像,摄取眼瞳的直径以及位置信息。拍摄的图像如图2和图3所示。实际的基本结构原理图如图4所示。