（通信与信息系统专业论文）激光干涉式非接触眼压测量技术的研究.pdf

摘要 青光眼是一种致盲眼病，其主要诊断依据是病理性高眼压。因此， 眼压测量值能否准确反映眼内压力的“真实”值，直接关系到青光眼的 早期诊断水平。目前国内外普遍采用的根据接触测量法制成的眼压计 和近年来些国家根据非接触测最法制成的眼压计都有诸多缺点。为 了研究出精度高、设备简单、成本低，便于普及的眼压计，本文提出 一种新的眼压测量技术一一激光干涉式非接触眼压测量技术。文中首 先设计了可用于实体人眼压力测量的、可对微弱光进行光电信息处理 的、具有高信噪比和高增益特点的电信息处理系统。经过对电信息处 理系统进行理论和实验结果分析。表明该系统可对光功率为3 0 n w 的 微弱光信号进行可靠检测；由于步进电机直线加速控制系统是激光干 涉式非接触眼压测量技术中的一项重要的单元技术r 所以对此进行了 分析研究。通过软件编制的方法，利用单片机控制步进电机及其传动 部件的直线加速运动，来产生脉冲气流，激发眼角膜发生振动，再利 用激光干涉测量法测量服角膜的振动。从跟角膜反射回的探测光束将 携带多种参数，通过信息处理可以显示出眼压值；由于测量眼压要用 到干涉测量法，故对激光干涉测量系统进行了介绍：最后对整体系统 进行了性能测试和结果分析，初步的实验结果表明：用激光干涉式非 接触眼压测量方法来测量眼压的这方案是可行的，从而为以激光干 涉式非接触眼压测量技术为基础的眼压计的实现提供了可能。由于本 课题是国家自然科学基金项目的内容，所以本课题的完成为该自然科 学基金项目的完成打下了基础。 关键词激光干涉 非接触眼压测量 光电检测单片机 步进驱动 a b s t r a c t g i a u c o m ai so n ed i s e a s ew h i c hc a nm a k et h ee y eb eb l i n d ，a n di t s m a i nb a s iso fd i a g n o s e si st h e p a t h o l o g i c a lh i g hi n t r a o c u l a rp r e s s u r e ( 1 0 p ) t h e r e f o r e ，w h e t h e rt h er e s u l t so fm e a s u r e m e n to fi o pw i l lw e l l a n dt r u l yr e f l e c tt h et r u er e s u l t so fl o pi si nd i r e c tc o n t a c tw i t ht h ee a r l y l e v e lo fd i a g n o s i so fg l a u c o m a a t p r e s e n t ，b o t ht h et o n o m e t e r sb a s e do n c o n t a c t t e c h n o l o g i e s w h i c ha r e w i d e l y u s e di nt h ew o r l da n dt h e t o n o m e t e r sb a s e do nn o c o n t a c tt e c h n o l o g i e sw h i c ha r eu s e di ns o m e c o u n t r i e si nr e c e n ty e a r sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s i no r d e rt or e s e a r c ha k i n do ft o n o m e t e rw h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n 、s i m p l e c o n f i g u r a t i o n 、l o w c o s ta n dc o n v e n i e n tf o r p o p u l a r i z a t i o n ，w eb r i n g f o r w a r dan e wt e c h n o l o g yo fi o pm e a s u r e m e n t - - t h e t e c h n o l o g y o f n o n - c o n t a c t1 0 pm e a s u r e m e n tb a s e do nt h ei n t e r f e r e n t i a l1 a s e r a tf i r s t c i r c u i ts y s t e mi s d e s i g n e di nt h i sp a p e r ，w h i c hc a nb eu s e df o rt h el o p m e a s u r e m e n ti nt h eh u m a n e y e ，d e t e c tt h e f a i n tl a s e r ，a n dh a st h e a d v a n t a g e so fh i g hr a t i oo fs i g n a l - n o i s ea n dh i g hg a i n a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s iso ft h e o r ya n de x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t s ，t h ec i r c u i ts y s t e mc a n r e l i a b l y d e t e c tt h ef a i n tl a s e ro f 3 0n w ；s t e p p i n gm o t o rl i n e a r a c c e l e r a t i n gc o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n te l e m e n t a r yt e c h n o l o g yi nt h e t e c h n o l o g yo fn o n c o n t a c ti o pm e a s u r e m e n tb a s e do nt h ei n t e r f e r e n t i a l l a s e r ，f o rt h i sr e a s o n ，w h i c hi s i n t r o d u c e d i m p o r t a n t l y b yu s i n g t h e m e t h o do fs o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l l i n gl i n e a r a c c e l e r a t i n gm o v e m e n to fs t e p p i n gm o t o ra n di t sg e a r i n g ，t op r o d u c e p u l s e a i r f l o wt oe x c i t a t e dc o r n e at o v i b r a t e ，t h e n ，t o m e a s u r et h e v i b r a t i o no fc o r n e au s i n gt h em e t h o do fl a s e ri n t e r f e r e n t i a lm e a s u r e m e n t t h ed e t e c t i n gb e a mo fl i g h tr e f l e c t i n gf r o mt h ec o r n e aw i l ls c h l e pm a n y p a r a m e t e r s ，w h i c h c a n a p p e a rt h e r e s u l t so fi o pb yt h ei n f o r m a t i o n p r o c e s s ；b e c a u s e m e a s u r e m e n to fl o pw i l lu s et h em e t h o d o f i n t e r f e r e n t i a lm e a s u r e m e n t ，t h es y s t e m o fl a s e ri n t e r f e r e n t i a l m e a s u r e m e n ti si n t r o d u c e d ；a tl a s t ，b yt h ep e r f o r m a n c et e s ta n dr e s u l t s a n a l y s i s ，p r i m a r ye x p e r i m e n t a lr es u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o j e c tw h i c h u s e st h em e t h o do fn o n c o n t a c t1 0 pm e a s u r e m e n tb a s e do n l a s e r i n t e r f e r e n c et om e a s u r ei o ps h o u l db e f e a s i b l e ，a c c o r d i n g l y ，w h i c h p r o v i d e s t h e p r o b a b i l i t y o fr e a l i z a t i o no ft h el o pb a s e do nt h e t e c h n o l o g yo f n o n c o n t a c ti o pm e a s u r e m e n tu s e dl a s e ri n t e r f e r e n c e 。t h i s t a s ki st h ec o n t e n to ft h ep r o j e c ts p o n s o r e db yn a t i o nn a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ，t h e r e f o r e ，t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h ep r o j e c ts p o n s o r e db y n a t i o nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o ni sb a s e do nt h ef i n i s ho ft h i st a s k 。 k e y w o r d s ：l a s e r i n t e r f e r e n c en o n c o n t a c tm e a s u r e m e n to fl o p p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n m i c r o p r o c e s s o r s t e p p i n gd r i v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阕和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名： 签字r 期：年 月日 签字日期：年月 日 查塑查堂堡圭堂堡笙塞 苎：童塑垄 第一章概述 第一节眼压测量技术的发展概况 一眼压介绍及眼压测量的重要性 眼压测量是一项测定眼内压的技术，而眼内压又简称“眼压”，是 指包括房水、晶体、玻璃体、血液在内的眼球内容物对眼球壁产生的 压力，其确切含义是指单位面积眼球壁受到的眼内容物压力高于大气 压力的部分。常用的眼压测量原理是通过加于角膜上的外力使角膜变 平或下陷。根据交平或下陷的程度与眼压的定量关系，换算出被测的 眼压值。眼压的作用主要是维持眼球形态、保持正常生理功能，因 此必须保持在恒定范围内，不能高也不能低。正常人的眼压在1 5 - 2 3 毫米汞柱( i 7 - 2 6 千帕) 之间，过商过低都是病态，眼压太高达3 0 毫米汞柱( 3 9 千帕) ，则要考虑青光眼，眼压过低则要考虑是否为视 网膜脱离，这些都会对眼球的“生命”带来威胁，因此，眼内压力大小 是眼科医生判断眼睛健康的重要标志，同时也是医生诊断和治疗青光 眼的重要依据。眼压升高是医学界所公认的青光眼之主要症状。青光 眼是由于眼内压力升高而引起的视乳头凹陷、视野缺损、视力损害， 甚至导致失明的严重眼病。全世界约有病因不明的原发性青光眼患者 6 0 0 0 多万人，我国就占5 0 0 多万人，其中7 9 万人双目失明。从流行 病学调查资料得知：从儿童到老人，所有年龄阶段都可能发生青光眼。 而且，青光眼在全球范围内都是视功能减退和致盲的重要原因。专家 预测，青光眼很可能将成为人类致盲的头号杀手。多年的调查结果显 示，青光眼的致盲率非常高，一般青光眼的患病率为0 2 1 一1 6 4 ， 且这种眼疾的患病率随着年龄的增长而增长。专家在北京调查发现， 5 0 岁以上人群每百人中至少有两人患有青光眼。4 0 岁以上人群患病率 明显高于年轻人，为1 4 。因青光眼致盲的人数占全体盲人的5 3 一2 1 ，有的地区甚至高达3 0 。 青光眼对视力造成的损害是不可逆的，但是只要早发现、早治疗 堡望奎堂塑主兰垡堡苎 笙二：主塑垄 还是完全可以防治的。事实上，有8 0 以h 的慢性青光眼患者根本不 知道自己患有这种被称为“潜伏杀手”的致盲眼病，虽然青光眼是因 病理性高眼压( 极少数是在正常眼压下) 引起的视网膜视神经纤维损 害及视野缺损的可致盲的。一种眼病，但是只要定期测量眼压和检查眼 部，并将筛查青光眼列入体检项目，形成规范的眼保健制度，就可对 各类青光眼进行早期诊断。 诊断青光眼的主要依据仍是病理性高眼压。因此，眼压测量值能 否准确反应眼内压力的“真实”值，直接关系到青光眼的早期诊断水平， 为此，许多国家，特别是美、日等发达国家，开展了对眼压测量技术 的研究工作。 二眼压测量技术的发展现状 1 接触眼压测量技术“2 “9 ”“1 目前国内外采用的接触眼压测量技术有三种，即压陷式、压平式 和介于压陷式与压平式之间的气眼压计测量技术。压陷式和压平式测 量技术的原理基本相同，都是使测压器与角膜直接接触。通过机械外 力将本身为弧度的角膜表面压出一定面积，根据眼内压大小来调整增 加外力。压陷式和压平式的不同之处仅在于机械外力压迫角膜所呈现 的表面形状不同：压陷式是将角膜压成一个往内凹的曲面，通过压陷 角膜的深度来测量眼压；而压平式是将角膜压成一一定平面，通过外加 压力来测量眼压。气眼压计测量技术既不同于压陷式眼压计，因为它 并不是以压陷角膜的深度来测量眼压的；也不同于压平式眼压计，因 为测量眼压时，气眼压计测压头的硅胶膜并不成平面，而是曲面。因 此，它既不是一种真正的压陷式眼压计。也不是一种真正的压平式眼 压计3 。 1 1 压陷式接触测量技术 较早出现的眼压测量技术是压陷式接触测量，其中，我国应用最 多的是许氏( s c h l i t z ) 眼压计测量技术。许氏( s c h i s t z ) 眼压计是 一一种手持式、压陷式眼压设备，是以。定重量的砝码压陷角膜表面， 根据凹陷的程度与眼内压的高低关系来测量眼压“。其工作原理是： 用定重量的小圆柱压在平卧位病员的角膜上，如果眼球硬( 眼内压 天摔大孥鞭学秘论文 黎牵概迷 升高) ，眼聪计中的压针只能将眼球压陷很少“点；如果眼压正常或偏 低，压针就会较深地将眼球骶蛸。眼球的疆陷量由眼压计上的刻度来 表示，藏读数并不是鼹压篷。隈压诗鑫肉辩蠢张按雾袭，将裁度上 显示的读数奁表换算成以毫米汞柱为单位的眼内压值“。 许氏( s c h i t z ) 藏匿计络梅篱蕈，搽作方使，结果熬肖怒的准 确憔。但每部件的煎量、髓径、脚板的面积和凹面的曲率半径都有 严旗靛舔凑数夔，褥潮裁溪影确鼹嚣测熬熬准确熬。在瓒童年氏 ( s c h i g t z ) 眼压诗溅鬣囱黛位改交为阶位的服题时，由子冀本痨重量 魄较大，瑶褥藏缪貘瓣基鞭麓窭去，鞠蕊爵戆发溪这秘鼹基舔侵差。 此外，许氏( s c h i i j t z ) 眼压计难以满恩准确、快速、方便的临床诊断 要求。 l 。2 藤警式接触溺蚤技米 褒眼隧测量工具中，瑟纛接触眼角膜来进行测量的隧平式鼹压计 是爵游最胃靠的灏爨王典。聪平式鞭聪计是戳定静黧爨篷平建貘， 根据所压平的角膜面积测量眼压，或以可变的重量压平定面积的角 貘，壤据联鬟豹重鬟激测虽鞋压。羧肉援与藏蕊的终力域正比，与压 平酌角膜面积成反魄，即在辨艇压力定髂情况下，眼融鹾越离，形 残蕊翻形攘皴蟊积越小，浆逡基越低，剿舔乎嚣苏越大。蠛蠹热果要 求遮到相同的压平面积，姗眼内压越商，需要施加予角膜的力就越大， 眼内腿越低，这一“力就越小“”。现有主骠的几种压平式接触眼滕计是： m kn&k0b 鼹趱诗，凌莺国内安徽承漱学院疆稍豹激纛诗，蘧 士的p e t e rw ，d e k k e r 、y v e s c a 。r o b e r t 等发明的接触遴镜眼压计， g o l d m a n 澈蘧诗。其中，m k k08 鼹篷诗其纛绫穆麓擎、攥 作方便等优点；安徽机电学院研制的限雎计慰基于眼球角膜压乎面直 径巍动硷测缀理设计的秘鞭型、手掩式、智能纯压平眼篷计，它弼 一个锥形棱镜来匪平辩膜，羧铙酶鑫劈重鬣簸是外懿游穰壤力，眼蕉 貘救援乎豹霆积j 藿；建巍懑穰粤寒擐铡。忿眼疆诗较好撼鼹决了楚貘压 平巍径精确测量的难髓，同时吸收了mn i c 丑ax ob 鼹雎计的优点， 使服难计结构简单、操作方便，易于普及”“；瑞士的p e t e r w d e k k e r 、 y v e s c 。a 。r o b e r t 餐缎鹄懿缓熬透镶黢蘧诗秘安徽疆毫学貔磷铡懿聚 3 天津文学磷士学僻论文 篱一章概莲 压计工作原理相类似“；g o l d m a n n 眼压计与mn k nak ob 眼压计 虽然都怒咀压平的原理米测量眼压，但二者的测量方法商所不同。 g o l d m a n n 鼹鹾诗对角膜瓣积熬测量，不是以一“定重量豹砝粥蕊平角摸 磊溺繁被趱平豹嚣耪，藤鼹溺量墨压平一定嚣积翡爱貘辩，嚣要压力 的大小。当眼内压不同时，要压平某一。丽萃臾所需要的力将会不同，从 而可间接测量眼压的高低。根据计算，当角膜中央被压平的凋面积为 7 3 5 4 m m 时，圆的直径为3 0 6 m m ，造成的谡差范围约为0 0 7 k p a ，因 魏，嚣藤谈梵这是较受蘧憋戆测量方法“+ ”。餐这秘方法戆烹癸绶点是 需要较多静辅助设备蓐l 定的操作技术，携带不方便等。 尽管g 0 1 d m a n 压平眼压计在接触式眼腿计中很完善，假毕竟是接 触式的，具有接触式的。”螳缺点。所以备圈研究者仍在继续探索新的 方法，以便更如适应鞭艨灏科研工作的嚣燮。于是气眼压计懑现了。 1 。3 气瓣嚣诗接继浏爨较寒 介于压陷式与压平箴之间的气眼滕计是6 0 年代d u r h a m 和 l a n g h a m 等介绍的种新趔眼压计，其以独特的结构和测鬣眼压的原 理，而引起人们的注意，缀过临床和试验研究，不断改进，髓趋完善。 它其穗矮麓方覆，荔予攀援，准薅注衰，哥雀不嗣薅攘测爨眼压，并 存永久靛黢压记录，可阉辩了解眼压波韵簿优点，在赣寐上宥一定应 用价值。但是，气眼压计所测结果有时有相当程度的误差一这在临床 使用时成加以注意“。 髫藤广泛搜用鹃气黻聪计是d i g i l a bm o d e l3 0 r 气眼聪计：它呈 笔裾状，多强套麓璧骞r 。孛空活塞，活寨中瓣毒一卡与箕鬟蹙魏搂教， 末端为众属管，连接特制的测压头，测聪头顶端覆盖硅胶膜。测量时， 硅胶膜接触角膜，从套筒端流入的气体在测压器内形成气房，产生 定的腰力，将活塞外攒，当服压大于测愿器内压力肘，：i 蝴雎头上的 硅骏貘戆囊嚣基头侧，捷喷气日与硅狡骥之间静趣隙变窄，从浏压头 捧气l 乡 溢的气体受隧，测压器内气寝懿藤力舞离。秀离瓣气嚣又把 活塞摊向眼球，直至硅胶膜两侧，即眼内服和气房的压力相等，此时 记录测腻器内气房的压力，即可测出眼压”7 ”7 ”1 。 尽蟹犊触式眼捱计在卷光眼临床诊治中被广泛使用，艇因为它们 4 灭津大学璇圭学信潦文 舞一章援述 灌要与眼薅进 亍直接接触并翅乡 力压追瘾人的角膜，瘸人痛羲，须艨 醉测量，极易凶此带来病人之间的交义感染，使用不方便。所以随麓 声光技零粒发疑，棼接皴瑕莲溅量技术就应运瑟生了。 2 非接触眼压测爨技术“。“”“7 - “”“1 毯蘩，蜜稻纯静菲接簸羧压溺藿蒎然是校援匿乎式瓤理设诗豹气 动激光强度测量类型的眼联仪，而气动激光强度测量类型的眼压仪在 j 作琢瑾上露绍分为两释，其中一释篷幂眭蔫压平一定鬻较静鬣簇新懿 的时闯来测量眼压饿，另一种是刹用压平定酾积的角膜所需的气体 龌力来测量眼蓝醢。 2 。1 气动激光强度黪接触眼压测爨技术 气动激光强度非接触眼压测量技术是一种不瞧接接触眼球 “”j ，瑟戳仅爨中的气体辣狰力压平角貘中央送特定嚣积艨嚣力的 大小与眼内服的关系来换辣出眼内压的梭查方法。它飚利用气流压平 定甏稷翡囊貘瘊嚣静辩瓣或者气俸殛力寒决窳疆垂缓，鼹聪越毫， 所需时间越长或者气体压力越太。气体脉冲力的大小与脉冲持续时间 鼙线髓递增荚系，掰疆实舔上是黻气俸赫沣力掩续静辩润来鬻接换髯 出眼内压值。其工作原理与压平式眼压计类似，不同之处在于非接触 限压计是利用气流来压平角膜，嗣气压来代替外加税辘基力。佼器对 脉冲气流、对闻、角膜受压面的监测、眼球与仪器的钕置等，都有严 格的标准，溺按正确操作程序完成测量厢，仪器内计弊装置自动换簿 爨熬鼹压煎戳m m h g 为单越嶷示农埕示屏n “。曩前，采用气动激悲 强度非接触眼压测凝法的服压计燕要有：t o p c o nc o r p r a t i o f f 生产的 霉接靛疆基谤，上海医科大学蔽j ； 疆究艨窝上海医疗器壤臻褒疑辑锩 的非接触眼聪计“，h i r o s h ii i j i m a b 接触眼压计鳟“”。此类眼雁 诗测鬃眼蠢聪静霞赢是不瓣表嚣寐磐、仪器不与囊簇凌魑、麓倭、浚 捷、熬本准确等。假当角膜的硬腱及形态改变较明显时，就w 能使眼 压计的测量误差增大；当隈内压谯5 3 6 k p a 醣一t 或低予1 0 8 k p a 时， 则误麓较大nj ”；此外，仪器设备复杂。造价昂爨，使用受限，不易蒋 及，多用来筛检。嚣于这赎缺点，国际上许多隧家竞镧研制新墅静静 接触臌压测爨技术。 灭津大学秘士掌整浍文 蕊章横述 从上述可知，现蠢的裴接触漩压测爨技术仍不完善，蔼进- 步磺 究精度高、造价低、使用方便、便于普及的非接触眼联测量技术。 第二节新眼压测量技术的提出与本课题任务 一新眼压测量技术的提出 为了设计研究戮鞠量耩度商、造价低、使稻方便、俸积，l 、巧貔蔽 压计，我们提出了激光干涉式非接触眼压测量方法。这种方法与目前国 内外其它类型的非接触测鼓方法在原理上有很大的差剐。它主要是秘 羯激光干涉这种精密的测爨方法对眼压避孝亍测墩，由予这种方法是非 接触测量，因此病人无痛莆，不会产生交叉感染，同时又勿霈眼角膜 袁较大澎变。姥多 采援激光子涉式溺量方法还具窍精黢窝、设器篱单、 成本低，便于普及等优点。 激笼子涉式饕接触蔽癔濑量鼓零静麓零原瑙是：逶过多避连掇及 传动部件的赢线加遮运动产生脉冲气流，激发瞅角膜使其产缴微弱掇 动，褥稠耀激光干涉浏量法溺量懿膜懿援魂。密予滋巍干涉怒公谈酶 精密测量方法，该方法完全可以测量角膜的微弱受激搬动，瓶角膜振 动与眼内压力有着内在静关系。觚眼角膜反射丽的探测光束褥携带稻 膜振动的多种参数。通过光电信息处理，提取相关信息参数，给出眼 压值。 整个眼愿测量系统由三部分织成：电信息处理系统、步避电机驱 动系统和激光干涉测量系统。电信息处理系统究成的功能是：对干涉 惹兹条纹进行笼毫检溅寒掇应邀镶号豹滤波放大整形怒理鞑获撂与入 射光干涉条纹成一定关系的电脉冲并对此脉冲进行计数。最飚从计数 糕中褥舅靛诗数与黻袭簇蠢在压力袁一定懿跑镪关系，这个魄镄关系 可以通过试骏进行标定；步进电机驱动艨统完成的功能是：通过对步 迸电机及其幸荤动部佟的直线搬速运动产夔稼i 串气流，激发隈蕉膜振动， 再剥删激光干涉测爨法测爨眼角膜的振动；激光干涉测量系统完成的 功能撼：采用激光干涉方法测量眼角膜受声波激发后的振动，并产生 携带囊膜振动参数的干涉条纹。 灭律大学硕士学位沦文 第章概述 二本课题的研究目标、实现方案及特点 本课题的最终目的是要实现对人眼的眼压测量，所以必须设计出 可对入射到人眼的微弱光进行光电信息处理的电路系统。在课题研究 的初始，已利用初步建立的激光干涉式光路测试系统进行了试验，掌握 了脉冲气流作用下眼角膜的运动规律，确定出要提取的参数特性，如 发生干涉后激光的频率、强度等。本课题的任务之+ 一就是根据这些参 数特性确定从光电检测到脉冲计数的后续电信息处理电路结构。 为了产生脉冲气流，对眼压计中步进电机直线加速控制系统进行 了分析研究。通过软件编制的方法，利用单片机来控制步进电机及其 传动部件的直线加速运动来产生脉冲气流，激发眼角膜振动，再利用 激光干涉测量法测量眼角膜的振动，而眼角膜的振动与眼内压力有着 内在的联系，从眼角膜反射回的探测光束将携带多种参数，通过信息 处理可以显示出眼压值。 然后对激光干涉测量系统进行了研究，设计出适合本课题的的干 涉式眼压测量系统。我们实验时采用波长为6 3 2 8 n m 的氦一氖激光器， 眼膜采用人工模拟眼球，通过改变眼内压力的大小来实现不同眼压时 的眼压测量。系统工作时，由脉冲气流产生器产生的脉冲气流去激发 眼角膜使其产生微弱的振动。激光器射出的激光射入分束镜后，一部 分光透过分束镜射向反射镜形成参考光束，另一部分反射到眼膜上形 成测试光束，由于从反射镜反射回的参考光束的光程与从眼膜反射回 的测量光束的光程相比要小一些，因此在反射镜前加1 个补偿器以对 光程进行补偿，使两条光束的光程相等。便于发生干涉。测试光束携 带着眼膜受激振动后的位移信息沿光路返回与从补偿器射出的参考光 束发生干涉后，由光电检测器进行光电转换。 最后，对整体系统进行初步试验和性能分析。初步试验结果表明 通过激光干涉式这种方法来测量眼压的方案是可行的。 课题的研究不仅初步验证了干涉式非接触眼压测量技术的可行 性，而且为以激光干涉式非接触眼压测量技术为基础的眼压计的实现 提供了可能。由于本课题是国家自然科学基金项目的内容，所以本课 题的完成为该自然科学基金项目的完成打下了基础。 天肆走学疆譬穗论文 第一蘩魂嚣怠处理系统 第二章电信息处理系统 鼍# 接融眼压测量系统黔嘏信息处璃蓉统主癸由理个郝分组成，分 煎燕光彀检测电路、帮邋滤波电路、藏大整形电路窝计数电路。其中， 光电检测电路的作用怒将携带眼压信息的光信号转换成电信号以利于 爱续邀鼹遴行痿号赴褒；豢遴滤波邀黪愆苫臻筵去涂爨声，主爨蘧狳 低颗电源的基波、二次谐波、三次谴波釉离焱干扰信号；放大艇形电 路熬佟援楚对捡溺镶譬避嚣放大整形班攘凑蕊续诗数毫潞瓣亳辣砖逶 行计数；计数电路的作用是对光电检测后与携带眼压信息的光信号对 应的电信号进行可靠计数，以便进一步求得胀难的大小。其中必电检 弱彀路、带遴滤波毫鼗恭l 敖大整形电路分鬟撼鬻2 t 中麴a b 、b c 、 c ，d 帮分。 阁2 1光电梭浏、带通滤波和放丈魄黯阁 8 天津大学磷士学位论文 第一章电信息处理系统 第一带光电检测器的设计 光电检测电路设计的基本要求是在保证所需检测灵敏度的前提下 获褥凝妊的线性不失粪和频率不失真。懿者是静态设计的藻本内容， 磊鬈楚动态设嚣中羰霉符往竣诗震要麓次魏润蘧。 搬电检测电路豹静森设计 光电检测电路的设计任务是根据入射光信号的性质和大小来选择 输入电路形式，并估算电路工作状态和器件参数；在保证信号不失真 的惨凝下获褥靛最大戆光瞧转换髓力，阉瓣要蹙之帮瑟缀放大电路提 匹配戳利于信号秘避w + 步转输。由于隧2 。1 中班氮一氖激光器为入砉季光 源，并采用相干检测，为达到最佳的光电转换灵敏度并使电路结构简 单，我们选取电流灵敏胰高的p i n 光电= 极管作为光电檎测器件。由 予激光干涉式非接触鼹愿测量系统输入的光功率很小，大约0 ，0 3 t w ， 矮予徽骚蠢售号梭溺，阑露蔽舞系统耩鬻熬转羧速率雾瓣黪承受戆藉 电瀛爨( 光伏模式具脊激小的暗电流，黹光导模式下光电二极管具有最 大的开关速率) ，最终选择改进型光导模式下的阻抗变换烈光电转换电 路，此电路工作稳定，势具有电流放大型和阻抗变换型的优点，又不需 要会产生噪声的离阻挽负载翡毫疆，电鼹噪声特瞧缀小。 二梭测电路静频率将性设计 榆测电路的频率特憔设计包括下列三个基本内褥： 对输入光信号进行傅立叶频谱分析，确定信号的频率分布。 确定多级光电棱测瞧路的允许通频带宽和上、下限截止频率。 根据缀联系统熬繁宽诗雾方法，确定攀缀捡溺毫爨瀚隧吝参数e 观对选中的光电转换电路迸行频率特性的设计分析，经过对整个 系统的分析得出被测光信号为频率在“定范围内的光脉冲，频率范围 在2 0 0 h z 一3 0 0 k h z 。通常，由低端频率得出的检测电路允许的通频带 宽毯禽在壶离端频率褥掇浆逶频带宽内，嚣燕更嚣对衰端耱频率信号 进行馋立卧分耩褥密懑频带宽秘高频裁土l 二频率帮可。鬣2 2 为被测炎 1 脉冲的高端频率信号，脉冲重复频率f = 3 0 0 k h z ，脉宽“= 寺= 1 5 u s 。 天津大学坝士学位论文 第= 章电信息处理系统 鳃 蚕2 2 光电捡灏毫黪羧入党躲薄示意强 分析光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度：根据傅立时 变换溺数表，对应如图2 2a 的时序信号波形，可以得到如图2 2b 所示的频谱分布图。周期为t = t f 的方波脉冲时序信号。熊频谱是离 散鳇，谱线翦频率间戮鸯：a f = l t = 3 0 0 k h z 。频谱包络线零篡点斡分 帮淘黼为：f = 1 t 。= 6 0 0 k h z ，选取颓谱毽缀线的第二峰值掺海信号豹高 频截止频率，如图2 2 所示对应第二波峰包含3 个谐波成份，高频截 ，i i ：频率取为：厶= 3 0 0 k h z x 3 = 9 0 0 k h z ，此时可认为是不失真传输。 同理瓣频率为2 0 0 k i z 光脉冲进行频谱分耩，得a f = 2 0 0 h z ，f = 4 0 0 h z ， 疋。= 6 0 0 h z 。频谱熬零猿分童确定售号熬纛滚痰爨，苓影穗变纯的波形。 但为采用交流放大可窜j 用阻容耦合电路蕊直。取低频截止频率为 2 0 0 h z ，则检测放大器的总频带宽为舭* 9 0 0 k h z ，其中厶m 9 0 0 k h z ， 兀= 2 0 0 h z 。 圆。确定缓联各级魄路瓣频带宽：凝攥设计要求，稔测电路壶输 入邀臻和一一级放大器攀联缀或。设二缀鬻宽裰嗣，校撵魄予学中系统 频带宽的计算公式，相同h 级级联放大器的高频截止频率k 为： = 凡，2 一1 ，熊中磊是单级高频截t k 频率， 将 = 厶= 9 0 0 k h z ，疗= 2 代入上式，掰算出单级高频截止频率 蠡* 1 4 m h z 。类铋蟪，肇缀诋颓截止貘搴：蠡。耠，对予 缸= 2 0 0 h z ，可算出 ( ，“1 3 0 h z 。 计算输入电路的阻容参数：因为在此检测电路中运算放大器 静作髑熄当予一个电滚瞧基转换器，联默纂望能在受载魄疆上取得最 大电压输出。困j 毙褥磁：r a 。：_ z n 麦l 石2 夏万i i i 南丽1 2 2 3 垃， w t l ， z 刀1 斗x 1 u ) xu 其中，光电二极管的结电容c j 约为5 矿，此处r 。为偏置电阻，在实际 1 0 天津大学硕士学位论文 第- 章 电信息处理系统 电路中取为5 0 触， 为保证r l r 6 ，取r 。= 0 0 一2 0 ) r 。， 即 r 。= 2 0 z5 0 0 k q ，r 。为负载电阻的输入阻抗。耦合电容c 值由低频截 i 卜频率决定根据 c 一22 万( r l ：砭) 亭，将丘= 1 3 。胁代入上式，得出： c = 2 。3 ：1 4 5 2 3 一五0 3x i 菇 f “0 0 0 2 u f ，取为c = 0 0 l u f ，对于第一级耦 合电容可适当增大1 0 倍，取电容值为o 1 u f 。 三光电检测电路的设计 通过对光电检测电路进行静态设计和频率特性设计，最终设计出 了图2 1 中的a 到b 所示的光电检测电路。它由光电检测器件、输入 电路和前置放大器组成。其中，检测器件是沟通光学和电子系统的接 口环节，其作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能，并在实 现这种变换的过程中完成信息传递；输入电路是连接光电器件和电信 号放大器的中间环节，其作用是为光电器件提供正常的电路工作条件， 进行电参量的变换，同时完成和前置放大器的电路匹配。通过实验， 证明此电路确实具有低噪声、适于弱光检测的优点。 第二节带通滤波器的设计 本系统中采用带通滤波器的目的是为了滤除低频电源基波、二次 谐波、三次谐波和高频干扰信号，因此系统的低端截止频率为2 0 0 h z 。 另外通过预先试验已测得系统被检测时的调制光信号的最大频率为 3 0 0 k h z ，而光电检测后的电信号与光调制信号的频率是一致的，因此 在2 0 0 h z 3 0 0 k h z 通频带以外的信号都是无用的噪声信号，应予以滤 除。本电路滤波器的技术指标为：通带频率范围为2 0 0 h z 3 0 0 k h z ： 带通滤波器的品质因数q = f o7 b w ，其中兀为带通滤波器的中心频率， 兀= 办磊， b w 为带宽。根据技术指标计算得q a0 0 2 6 ( 因为 3 0 0 k h z 2 0 0 h z ，因此近似带宽为3 0 0 k h z ) 。当带通滤波器的q 2 时，可用低通一高通滤波器级联来实现带通滤波器“。设计的带通滤 波电路见图2 1 中的b 到c 部分，它由三部分组成，分别是椭圆函数 天津大学磁士学位硷文 第= 章电信息处理系统 高通滤波亳踌、中阊缓冲电路移藕菡嚣数低通滤波亳鼹。蕊中离通电 路和低通电路的设计增益均接近于单位增菔，集成运算敝大器芯片采 用的怒低噪声运算放大器o p 3 7 ，其输入电压噪声和电流噪声很小。中 间缓冲电路实际上是个同楣放大器。 豢遵滤波纂邀跨遴避p r o t e l 9 9 傍粪模撅穆窭蕹颓特窭至藏线( 冕蚕 2 3 ) ，为了方便观察，将幅频特性曲线分为商通( a ) 和低通( b ) 疆个部分， 从图中可以清楚的看出电路的上、下限截j 扛频率以及通频带和阻带内 的特性，满足设计要求。从图中还可以看如滤波器本身具脊了2 0 倍的 放大蠖蕊，这主要是奎予滤波器中闻的缓冷缀本身繁有18 d b 匏增盏， 显组袋滤波器静二阶魄鼹本身增盏不严格为摹整缮益和突鼯趣籍中采 用的黼窬参数与计算值商偏差造成的。逸样，带通滤波器不仅具有带 通滤除噪声的作用，还礅担了整个电路系统放大增益中2 0 倍的增益， 减少了出予主放大器增菔过大两产生的噪声。 a 滤波器幅频特性曲线高通部分 天津犬学颟士学位论文 第二章电傣息箍理系统 b 滤波器幅频特性曲线低通部分 图2 3 滤波器幅频特性曲线 矮交流信号发生器徐密静交滚穰号终为替代戆信号漂赣港弼带逶 滤波器的输入端，滤波器输出端接示波器脱察波形，输入储弩幅值为 1 m v ，焱2 0 0 h z 、3 0 0 h z 、3 0 0 k h z 、5 0 0 k h z 的输出波形分j 5 l j 如图2 4 所示，潮中控制面板为模拟示波器的控制落板，面板控制部分的 e h a n n e la 控镧滤波器錾爨滚黪，c h a n n e lb 经翻滤浚器懿浚入波形， t i m eb a s e 描述的是示波器横坐标簸标度德，c h a n n e la b 描述的是示 波器纵嫩标的标度值。 频黎2 0 0 h z ，簸出 颓搴3 0 0 h z ，赣窭 墨茎j 塑主妻然苎 笙三童皇焦星竺望至堕 频率3 0 0 k h z ，输出 频率5 0 0 k h z ，输出 图2 4 各频点带通滤波器输出波形比较 通过对频带内不同频率点输出波形的比较，可以看出在阻带内滤 波器虽有波动，但不影响滤波器的整体性能，因此设计的带通滤波器 完全达到设计要求。 第三节放大器的设计 由于系统的技术要求( 由于人眼所能承受的光强度很弱，导致相 干检测后的光信号非常微弱) ，使得光电转换后的电信号十分微弱，而 后续放大电路需要较大增益才能使示波器观察到与眼压信息相关的信 号。对于输入0 0 3 u w 的光信号，经过灵敏度为0 4 u a u w 的光电二极 管光电转换后所得电流大约为l o g a 量级，经过电流电压变换后大约 为1o “v 量级，而放大器的输出电压大约为0 i v 左右，因此后续电路 有大予1 0 3 倍量级的放大量。为了优化整体系统性能并简化电路，分 别设计了预放电路和滤波电路来承担一定的放大任务，而主放大电路 承担大约1 03 量级的放大量。由于主放大电路所需放大量比较大，而 整个系统所要求的带宽比较宽。在运算放大器增益带宽积总是一个常 4 天津大学硕士学侮沧文第二章毫信息娃理系统 数的情况下，最终选取媳肖较低输入噪声和6 3m h z 增蔬带宽积的 0 p 3 7 运嚣放大器作为放大器件。设计的放大器电路见图2 1 中的c 到 d 部分，它内两个反裰放大爨缀联缀藏，赦大倍数分爨为5 秘1 4 4 。 第四节计数器部分 一概述 系统中的计数器采用的是z w f 3 型数字频率计，它具有频率测量 、稼蘧诗数及鑫落溺羹等凌能，著有三趱瓣润阕门，五辎功魏选择嚣 八位l e d 数码匾示，是一种频率从1 0 h z 一2 4 0 0 m h z 的智能频率计它的全 部功能豳一一个单片微处域器( c p u ) 来完成的，从而整机性熊稳定，体积 小，使用携带方便 二技零条释及说明： 1 。溯量 输入端口 a ，3 0 m h z - - 2 4 0 0 m h z 的高频通道端口 b 1 0 h z - - 3 0 m h z 的低频通道端嗣 e 。晶豢薤季l 隽瓣镲溅量壤日 频率测量 a 量程：c o c h 为“0 ”档测鬣频率为3 0 m h z 一2 4 0 0 m h z c 1c z h 为“1 ”档测墩频率为3 0 m h z 一8 0 0 m h z c 2 c h 为“2 ”挡铡爨频率为i 0 0 k h z - - 3 0 m h z c 3 c h 兔“3 ”橙涮爨磁率为1 0 h z - - 3 0 m h z b 分辨率：t h z ，1 0 h z ，1 0 0 h z c 精度：1 计数值基准时间误差x 频率 d 闸门时间：0 ，1 s ，1 s 1 0 s e 。簸a 灵敏囊：1 5 m v f 。输入阻挠：5 0 q i m q j 最大输入电压：3 0 v 计数测量：在第“4 ”档位( c 3 c h ) 由1 0 h z - - 3 0 m h z 插口输 入，分绥率为 输入计数值， 尤津大学硕士学位论文 第二章电信息处理系统 晶体测量：在“2 ”和“3 ”档位上从面板晶振输入插孔插入 欲测的晶体，测试晶振范围为3 m h z - - 2 4 m h z 电源电压：a c2 2 0 v 1 0 ：频率5 0 h z 功耗：3 w 温度：使用范围：一5 0c 一+ 5 0 0c 存放运输：一4 0 0c 一+ 6 0 0c 预热时间：1 0 分钟 尺寸：2 0 0 6 0 1 6 0 ( m i l l ) 重量：约0 5 k g 三操作方法 在1 0 h z - - 3 0 m h z 的插口，接入电脉冲，档位选至“4 ”，即可计数 在使用中，我们将主放大器的输出作为计数器的时钟输入，计数器对这 个时钟进行计数，经过初步实验得出驱动计数器的最小时钟输入脉冲 峰一峰值为1 6 v 查堂里兰塑堕垄 笙三童生丝皇垫塑翌垫墨竺 第三章步进电动机驱动系统 激光干涉式非接触眼压计是一种测量眼压的精密仪器。通过步进 电机及传动部件的直线加速运动产生脉冲气流，激发眼角膜振动，再 利用激光干涉测量法测量眼角膜的振动，从眼角膜反射回的探测光束 将携带多种参数，通过信息处理可以显示眼压数值。所以对步进电机 的控制是该眼压计中一项重要的单元技术。控制加速过程一般用离散 办法逼近理想的升速直线，将转速分档，然后将单片机定时器装载值 阎化在程序存储器中，但由于本系统要求升速时间非常短，且对升速结 束后的惯性移动要求不严，敌直接采用直线加速。我们通过一段内嵌 8 0 c 5 1 汇编代码的c + + 程序来直接输出能实现步进电机直线加速控制 的单片机开发文件，使程序调试工作大为简化。用单片机实现步进电 机直线加速控制的系统原理图见图3 1 ( 步进驱动系统框图) 它主妻 由5 部分组成：可编程控制器；功率驱动器f 步进电机；机 械传动部分；脉冲气流产生器。工