红外偏心摄影验光仪的研究

　　1　引　言

　　摄影验光是根据拍摄光源在眼底的反射图像来确定人眼屈光度的一种测量方法。这种方法源自于1873年Cuignot发明的检影法。与其他客观验光法不同,采用摄影验光时,由于仪器与被检者有一定距离,不需要被检者严格配合,甚至不需固定被检者头部,因此检测过程十分简单、迅速,特别适用于婴幼儿、学龄前儿童的视力普检等一些客体难以配合正常检测的应用场合。摄影验光仪是光、机、电一体化的测量仪器,从它诞生至今,一直伴随着光学器件和电子技术的进步而发展。近年来,图像传感器和计算机技术的快速发展,使得摄影验光仪的研制有了很好的技术支持,从而为各种新方案的尝试提供了可能。

　　2　偏心摄影验光的工作原理

　　偏心摄影验光法最早由Kaakinen在1978年提出,随即引起广泛关注。后来,Howland采用一条光纤作为点光源制作试验装置,如图1所示,得到光源在视网膜上的反射图像,并根据图像的亮暗区域,利用光线追踪方法推导出了计算屈光度的具体公式[1]:

式中,A为眼睛主面到摄像机镜头主面的距离;DF为眼瞳图像的暗区高度与眼瞳直径之比;R为眼瞳半径;E为点光源中心到摄像机光阑刀口边缘的偏心距;D为人眼相对屈光度,定义为,X为远点距离。

　　人眼部分(近视)光路图见图2。

　　由图2可见,偏心光源发出的光线进入人眼,由于近视,聚焦点前移入射光线在视网膜上形成一弥散斑。该弥散斑在视网膜上发生漫反射,又可当作光源,通过眼瞳把光线投入摄像机成像。因此,摄像机拍摄到的眼瞳图像根据被测眼睛的屈光状态而有所不同。对于正常眼来说,聚焦点在视网膜上,光线按原路返回,聚焦在偏心光源上,没有光线进入摄像机,所拍摄的眼瞳图像为全暗;对于被测眼为近视状态时,由于摄像机光阑设置的位置拦截了弥散斑上半部分的光线,因此,所拍摄的眼瞳图像以图2中所示的最高反射光线为分界线,把整个眼瞳分为明暗两部分,从最高反射光线与眼瞳的相交点开始到眼瞳下方为暗区,形状为一弯月形。类似地,可以得到远视时的眼瞳图像,与近视时的眼瞳图像相反,其暗区在眼瞳上方。定义:

F为眼睛的焦距。根据高斯公式可得:

根据图1和图2可得:

由式(2)～式(7)可解得:

　　把(9)式代入(8)式,即可解得(1)式。用相同方法求解远视状态可得到相同的结果。因此,式(1)为偏心摄影验光这种新型的验光方法提供了理论依据。一般在测量时,偏心距和被测者到摄像机的距离保持不变,拍摄眼瞳图像后,只要测量出眼瞳半径和暗区的高度后即可得到被测眼睛的屈光度。由于这种测量方法原理简单、操作方便,所以一直作为研制摄影验光仪的主要理论依据。