瞳孔检测仪的研究及其光学系统设计

　　0　引言

　　我国近视眼患者人数达2.24亿.随着科技的进步出现了诸如放射状角膜切开术(RK),准分子激光切削(PRK)等屈光手术,选择接受激光手术的人也越来越多.但是一些患者术后视力失常严重[1],包括光晕、眩光、鬼影等并发症,暗环境下表现更为突出.研究表明[2],屈光手术前暗视瞳孔大小与术后主观视功能障碍有显著相关性,因此暗视环境下瞳孔的大小成为术前眼科医师考虑的一个重要因素.

　　另外,瞳孔的动态变化能反映出高级神经活动及其生理状态,例如瞳孔的变化与精神分裂症、阿尔茨海默病和情感性精神障碍之间有着密切关系.瞳孔的动态检测在精神科的应用也逐渐受到重视.瞳孔测量方法有直尺测量、瞳孔测量板.这两种方法测得的结果远不能满足某些医学要求.国外有Colvard红外瞳孔单眼测量仪,像面上覆盖了一把标有刻度的直尺,精度仍然偏低,且是单眼测量,不能正确反映人眼的实际生理状态.Procyon公司的P3000双眼瞳孔计,精度较前几种方法有了提高,实现了双眼测量,但价格昂贵.因此本文自行设计和研制了一种新型高精度瞳孔检测仪.实验表明,该仪器在0~200 lux照度级下的测量精度可达0.01 mm.

　　1　系统结构和优化结果

　　系统设计主要实现两项功能:一是在红外光照明条件下测量瞳孔在暗视环境下的直径;二是可见光照明条件下记录、分析瞳孔的动态变化情况,对人眼照度从0~200 lux连续可调.双眼较之单眼测量更贴近于人眼的实际生理状态,所以本系统采用了双眼同时测量方案.

　　1.1　整体结构设计及工作原理

　　瞳孔计系统结构如图1.LE和RE分别表示人的左右眼,L1和L2是相同的一组成像透镜,P1和P2是一组斜方转向棱镜,CCD表示低照度摄像机,CP表示计算机;PD是平均瞳距,L是前工作距离即人眼到镜头第一面的距离,dp是斜方棱镜到镜头最后一面的距离,lpw表示系统的后工作距离,即CCD靶面到棱镜第二折射面的距离.左右眼可分别被近红外或可见光照明,经成像透镜L1和L2,及斜方棱镜折射,使左右眼瞳孔成像在CCD靶面的不同区域.由图像采集卡把模拟信号转化为数字图像信号存入计算机,经软件系统处理图像并实现检测.

　　1.2　镜头设计

　　1.2.1　放大率

　　瞳孔直径暗视场下最大值为D=8 mm,采用低照度摄像机的CCD靶面为1/2英寸,靶面面积6.4×4.8 mm.为测得瞳孔直径,后续图像处理只要求瞳孔像在竖直方向成完整像,因此瞳孔像水平方向边缘部分的缺失不会影响处理结果.每个瞳孔在CCD靶面的成像范围为3.2×4.8 mm,所以放大率取β=0.5既可以保证在CCD竖直方向上得到完整的瞳孔像,又充分利用了CCD的感光面.