（光学专业论文）双目瞳孔测量仪的研究和设计.pdf

南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 田眙 、j - 一- 一- 一- - - 一- 一- - 一一- - - _ - - - - 一- - - - - 一- 一- 一- 一一一一一一一一一一一一一一一 印弼年弓月协日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 、耐1 i 咯 , - 伊0 3 年多月7 2 - 日 摘要 摘要 一直以来，为了实现对眼睛各项光学参数的精确测量，以帮助医生对病人 进行诊断和治疗，人们致力于各种方法和仪器的研究。其中，瞳孔测量仪器和 设备，对多种疾病的诊断、眼科手术以及疗效的评估具有重要意义。本文对瞳 孔测量进行了较系统的研究，自主设计了光、电、算一体化的双目瞳孔测量仪， 并建立了实验系统进行实验。主要研究工作如下： 1 概述了瞳孔测量的必要性，了解和研究了目前使用的瞳- t l n 量装置和仪器， 并对其优缺点进行了分析。 2 提出了一种光、电、算一体化的双目瞳- t l n 量仪的总体方案，可实现双目测 量、多照度测量、c c d 接收、数字图像处理，并具有精度高、结构简单、价 格适中的特点。根据该仪器的使用要求，给出相关的技术要求和技术参数。 3 完成双目瞳孔测量仪光学系统的总体设计，以及各部件的设计和选择。在系 统设计和理论计算之后，利用z e m a x 完成了系统及各部件加工参数的仿真 和优化。分析了系统的像差，并根据人均瞳距、工作距离、通光口径、c c d 接口、光能损失、成像质量和仪器尺寸等因素，确定了适合本系统的结构参 数。 4 选择暗视觉和明视觉测量环境下的照明光源，并根据照度要求和均匀性要求 设计了照明系统。 5 针对瞳孔实际成像特点，提出了一种基于形态学算法的瞳孔直径的精确测量 方法，从而实现对红外、可见光多种照度级下所摄取瞳孔像的高精度直径测 量。然后，通过理论计算，对结果进行放大率补偿和角膜误差校正。 6 根据系统的设计原理，扩展实现双目瞳孔测量仪测量瞳距的功能，即在后期 计算瞳孑l 直径的同时实现了瞳距测量算法。 7 建立了模拟测量系统，实际采集了人眼图像，对人眼直径进行精确测量和动 态分析。实验表明，本文提出的方法可对多种照度级所摄瞳孔直径高精度测 量，能够满足眼科手术等应用情况的精度要求。 关键词：瞳孔测量棱镜系统图像处理形态学算法瞳距测量 a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，p e o p l eh a v ed e v o t e dt h e m s e l v e si n t ot h er e s e a r c h e so fm e t h o d s a n da p p a r a t u sf o rt h ep r e c i s i o nm e a s u r e m e n to fo p t i c a lp a r a m e t e r so f h u m a ne y e s ，s o t h a tt h ed o c t o r sc o u l dg i v eb e t t e rd i a g n o s i sa n dt r e a t m e n tf o rt h ep a t i e n t sw i t ht h e m a m o n ga l lt h ea p p a r a t u s ，t h ep u p i l o m e t e rh a ss i g n i f i c a n ts e n s ef o rt h ee s t i m a t i o no f d i a g n o s i sa n de f f e c t so fv a r i o u sd i s e a s e sa n do p e r a t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ep u p i l m e a s l j l e m 铋ti ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ab i n o c u l a rp u p i l o m e t e rw i t ho p t i c s ， e l e c t r i c i t ya n dc a l c u l a t i o na si n t e g r i t yi sd e s i g n e da n da ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi s e s t a b l i s h e df o rp r a c t i c e t h em a i nw o r k s h a v eb e e nd o n eb yt h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e d a sf o l l o w ： 1 t h en e c e s s i t yo ft h ep u p i lm e a s u r e m e n t i ss u m m a r i z e d t h em e t h o d sa n da p p a r a t u s u s e di np r e s e n ta r ei n t r o d u c e da n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r e a n a l y z e d 2 ag e n e r a lp l a ni sp u tf o r w a r df o rt h eb i n o c u l a rp u p i l o m e t e rw i t ho p t i c s ，e l e c t r i c i t y a n dc a l c u l a t i o n 懿i n t e g r i t y i tc a nr e a l i z eb i n o c u l a rm e a s u r e m e n t ， m u l t i i 1 1 u m i n a i l c em e a s u r e m e n t ，c c dr e c e p t i o n , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n di t a l s oh a l st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp r e c i s i o n ，s i m p l es t r u c t u r ea n dr e a s o n a b l ep r i c e t h er e l a t e dt e c h n o l o g i c a ld e m a n d sa n dp a r a m e t e r sa r eg i v e nb a s e do nt h eu s a g e r e q u i r e m e n to f t h i sa p p a r a t u s 3 t h eo p t i c a ls y s t e md e s i g na n de l e m e n t sc h o i c eo ft h eb i n o c u l a rp u p i l o m e t e rh a v e 。 b e e nf i n i s h e d a f t e rt h es y s t e md e s i g na n dt h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o n , t h es i m u l a t i o n a n do p t i m i z a t i o no ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ft h es y s t e ma n de l e m e n t sa r e d e s i g n e db yt h es o f t w a r ez e m a x t h es y s t e ma b e r r a t i o n i sa n a l y z e da n dt h e s u i t a b l es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ea v e r a g ei n t e r o c u l a r d i s t a n c e ，w o r k i n gd i s t a n c e ，c l e a ra p e r t u r e ，c c di n t e r f a c e ，l i g h t e i l e r g yl o s s ， i m a g i n gq u a l i t y , a p p a r a t u ss i z ea n ds oo n 4 t h ei 1 1 u m i n a t i o ns o u r c e sh a v eb e e nc h o s e no nm e s o p i ca n ds c o t o p i cc o n d i t i o n s ， a n dt h ei l l u m i n a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e df o rt h er e q u i r e m e n t so f i l l u m i n a n c e a n du n i f o r m 1 1 a b s t r a c t 5 c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h er e a li m a g i n go fp u p i l s ，am o r p h o l o g i c a r i t h m e t i cm e t h o do fp r e c i s i o nm e a s u r e m e n to fp u p i ld i a m e t e ri sp u tf o r w a r d ，s o t h a tt h e h i g h p r e c i s i o n m e a s u r e m e n to f p u p i li m a g e sp h o t o g r a p h e d i n m u l t i - i l l u m i n a n c ec o n d i t i o n s ，s u c ha si n f r a r e da n dv i s i b l es p e c t r u m ，i sr e a l i z e d a n dt h e n ，t h r o u g ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , t h em a g n i f i c a t i o nr a t i oi s c o m p e n s a t e da n dt h ec o r n e a le r r o r i sc o r r e c t e df o rt h er e s u l t 6 t h ei n t e r o c u l a rd i s t a n c em e a s u r e m e n ta st h ee x t e n df u n c t i o no ft h ep u p i l o m e t e ri s r e a l i z e db a s e do nt h es y s t e md e s i g np r i n c i p l e t h a tm e a n st h ei n t e r o c u l a rd i s t a n c e a r i t h m e t i ci sd e s i g n e da tt h es a m et i m ew i t ht h ec a l c u l a t i o no ft h ep u p i ld i a m e t e r 7 t h es i m u l a t e de x p e r i m e n to fh u m a np u p i l si s c o m p l e t e d t h ep r e c i s i o n m e a s u r e m e n ta n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h eh u m a np u p i l sh a v eb e e nd o n eb a s e do n t h e e y e si m a g e s c o l l e c t e di nr e a l i t y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a t h i g h r e s o l u t i o nm e a s u r e m e n tc o u l db er e a l i z e di nm u l t i - i l l u m i n a t i o nl e v e l s i ti s s a t i s f a c t o r yf o rt h eu s a g eo ft h eo p h t h a l m o l o g i co p e r a t i o n s k e yw o r d s ：p u p i lm e a s u r e m e n t ；p r i s ms y s t e m ；i m a g ep r o c e s s i n g ；m o r p h o l o g i c a r i t h m e t i c ；i n t e r o c u l a rd i s t a n c em e a s u r e m e n t l l i 目录 目录 第一章绪论i 第一节瞳孔测量的意义1 i i 1 瞳孔的生理特点1 1 1 - 2 瞳孔测量对眼科手术和疾病诊断的重要意义。2 第二节瞳孔测量的装置和仪器3 1 2 1 简易瞳孔测量装置。3 1 2 2 精密瞳孔测量装置4 第三节本论文的主要研究内容6 1 3 i 本文的主要目标及要求：6 1 3 2 本文的主要研究内容及成果6 第二章双目瞳孔测量仪的总体方案及技术要求8 第一节双目瞳孔测量的意义8 第二节双目瞳孔测量仪的总体方案9 第三节技术要求1 1 2 3 1 成像系统中光学玻璃的选择1 1 2 3 2 摄像系统的选择1 2 2 3 3 照明光源的选择1 3 第四节系统光学参数1 4 2 4 1 畸变的要求1 4 2 4 2 分辨率及相对孔径的要求15 2 4 3 放大率的要求：16 2 4 4 工作距离的要求17 第五节图像处理系统的实现原理1 7 2 5 1 瞳孔图像处理1 7 目录 2 5 2 瞳孔直径计算1 8 第六节总体设计原则1 9 第三章双目瞳孔测量仪的系统设计2 0 第一节系统光学参数计算2 0 3 1 1 成像系统光学参数计算2 0 3 1 2 镜头初始结构光学参数计算2 1 3 1 3 棱镜参数计算2 5 第二节成像系统设计3 0 3 2 1 成像系统设计过程3 0 3 2 2 系统对不同测量条件的适应性3 3 3 2 3 像差质量分析3 4 第三节照明系统设计3 5 3 3 1 像面照度分析3 5 3 3 2 照明系统设计3 7 第四节小结3 9 第四章双目瞳孔测量仪的图像处理4 0 第一节形态学算法。4 0 4 1 1 二值形态学算法4 0 4 1 2 灰度形态学算法4 2 第二节瞳孔图像处理4 5 4 2 1 算法分析选择4 5 4 2 2 模拟实验系统4 5 4 2 3 明视测量环境4 6 4 2 4 暗视测量环境4 7 第三节瞳孔直径计算4 8 4 3 1 瞳孔直径计算4 8 4 3 2 角膜误差校正4 8 v 目录 第四节瞳距测量算法5 1 4 4 1 瞳距测量的概念及意义5 1 4 4 2 瞳距测量的一般方法5 2 4 4 3 瞳距测量实现方法5 2 4 4 4 瞳距测量误差分析5 3 第五节图像处理结果分析5 4 4 5 1 明视测量环境：5 4 4 5 2 暗视测量环境5 5 第六节小结一5 6 第五章总结与展望5 7 第一节本文总结。5 7 5 1 1 本文的主要研究工作5 7 5 1 2 本文的创新点5 8 第二节展望5 9 参考文献6 0 致谢6 3 个人简历6 4 在学期间发表学术论文情况6 4 v l 第一章绪论 第一章绪论 眼睛是人体重要的信息获取器官，可反映人体多个组织和器官的病变情况 等信息。因此，对其进行观察和测量不仅对眼科疾病，而且对很多其他疾病的 诊断也有极为重要的医学参考价值。其中，对瞳孔直径的精确测量是多数诊查 与手术必不可少的环节之一。 本章首先结合瞳孔的生理特点，介绍瞳孔测量在眼科手术和疾病诊断等方 面的重要意义；然后列举已有的瞳孔测量的装置和仪器，并分析各自的优缺点； 最后概述本文的主要目标要求及研究内容。 1 1 1 瞳孔的生理特点 第一节瞳孔测量的意义 瞳孔指虹膜中间的开孔，是光线进入眼内的门户，它在亮光处缩小，暗光 处散大，其大小可以控制进入眼内的光量。通过瞳孔的调节，始终保持适量的 光线进入眼睛，使落在视网膜上的物体像清晰，同时又保证不会有过量的光线 灼伤视网膜。 成人瞳孔直径一般为2 5 一- - 4 m m ，呈正圆形，两侧等大，用药物缩瞳或扩瞳 时，最小可到0 5 m m ，最大可到8 m m 。小于2 m m 者叫瞳孔缩小，大于5 m m 者 叫瞳孔开大。瞳孔的大小除了随光线的强弱变化外，还与年龄大小、屈光、生 理状态、外界刺激和情绪等等因素有关。一般来说，老年人瞳孔较小，而幼儿 至成年人阶段的瞳孔较大，尤其在青春期时瞳孔最大；相同年龄的男性比女性 的瞳孔要小；近视眼患者的瞳孔大于远视眼患者；情绪紧张、激动时瞳孔会开 大，深呼吸、脑力劳动、睡眠时瞳孔就缩小。 一般光照条件下正常瞳孔不断地扩大和缩小，称瞳孔不安 2 】。当亮光刺激持 续时，瞳孔不安会更为明显：如果光刺激的强度增加，瞳孔的直径将更小，舒 缩的速度将增加。这种生理性瞳孔不安的特点是幅度变化小和易受照明的影响。 瞳孔震荡【3 】是一种特殊的瞳孔不安，其表现也是双眼同步的节律性瞳孔舒缩变 第一章绪论 化，但变化的幅度较大，并和光照无关。瞳孔的这些生理特点可为眼科手术和 疾病诊断提供重要依据。 1 1 2 瞳孔测量对眼科手术和疾病诊断的重要意义 随着科技的进步出现了诸如放射状角膜切开术( i ) ，准分子激光切削术 ( p r k ) ，自动板层角膜成形术( a l k e ) ，准分子激光原位磨镶术( l a s ) 等 屈光手术。我国近视眼患者人数达2 2 4 亿人，选择接受以上屈光手术的人也越 来越多。但是一些患者术后视力失常严重【4 】，包括光晕、眩光、鬼影等并发症， 在暗视环境下表现尤为突出。 研究表吲5 ，屈光手术后主观视功能障碍与术前暗视环境下的瞳孔大小密 切相关，因此暗视环境下瞳孔孔径的静态大小成为术前眼科医师参考的一个重 要因素。例如，准分子激光屈光性角膜矫治手术中多采用6 , - - - , 6 5 m m 作为光学切 削区域的直径，其值大于一般近视患者的明视瞳孔直径，但小于部分近视患者 的暗视瞳孔直径，因此在具体手术时不可一律采用常规尺寸的切削区域，而应 根据不同患者的瞳孔状况针对性地调整切削光学区，使切削区与非切削区之间 的边界沿着瞳孔边界外侧0 5 1 o m m ，从而最大限度地降低术后暗视环境下轴 外光线对视觉质量的影响。 晶状体植入手术也有着类似的情况【8 1 3 1 。术前的瞳孔病变情况对白内障手术 极为重要。大瞳孔白内障手术的自身特点较为复杂，为手术及术后处理带来很 大困难。由于瞳孔散大固定，晶状体、玻璃体等缺乏虹膜强有力的保护，手术 意外的发生率大大增加，而且散大的瞳孔所产生的眩光等并发症会使患者感觉 不适，并使原本较差的视力变得更差。 瞳孔直径的动态分析在多种精神疾病的诊断方面有着重要应用。瞳孔受高 级神经活动的调节，因此，瞳孔直径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 有密切关系【l 引。 瞳孔的对光反射功能测验，也可及时准确地诊断多种疾病【15 1 。在没有用扩 瞳剂及缩瞳剂的情况下，瞳孔扩大或缩小均属病理现象。如：瞳孑l 缩小见于有 机磷农药、吗啡等中毒及霍纳综合症；瞳孔大小不等，常提示有颅内病变：双 侧瞳孔不等大，且变化不定，可能为中枢神经和虹膜的神经支配障碍。而且， 2 第一章绪论 瞳孔的动态特性可用于早期诊断青光眼、眼神经炎等眼科疾病，以及痴呆和某 些癌症。 总之，观察瞳孔大小、动态变化、对光反射的动度等情况，不仅可用于早 期诊断多种疾病，而且有助于配合医疗提供术前参考、提高术后疗效【l6 】，在眼 科学、心理学、临床神经药理学等多个医学领域广泛应用。 第二节瞳孔测量的装置和仪器 针对以上对瞳孔的静态尺寸测量、动态特性检测和光反射功能测验等方面 的需求，逐渐出现了不同的装置和仪器，有简易的直尺测量和对照目测法，也 有复杂的高精度测量仪器【1 7 1 9 1 。各种装置和仪器的准确性、操作性和性价比， 参差不齐。这些装置和仪器为本文的进一步研究提供了素材和参考。本节简要 介绍几种比较典型的瞳孑l 测量装置和仪器。 1 2 1 简易瞳孔测量装置 以对照法为主的测量板2 0 】可方便地对照估计出瞳孔直径的值，其结构如图 1 1 所示。一般在圆形测量板上可设1 3 个瞳- t l n 量孔，分别对应l m m - - - 7 m m 的 瞳孔直径，精度为0 5 m m ，各测量孔依次按环绕圆排列，便于对照。 图1 1 测量板示意图 测量时，将测量板的测量孔直接与患者瞳孔对比，找出与瞳孔大小相一致 的测量；l i i p 可从其标示读出瞳孔直径的大小。这种装置操作方便、可直接对比、 取材方便、制造简便经济、操作无损伤，准确性高于直尺直接测量等方法。但 第一章绪论 是，测量时测量板不可能非常靠近瞳孔平面，测量原理本身就决定了瞳孔直径 有被低估的趋向，而且不能测量暗视瞳孔直径，所以只能作为医师在明视测量 条件下的大概参考。 另外，解放军第1 5 4 医院提出了一种使用透明软质梯形材料结合几何技术 制作的简易瞳孔计【2 ，其结构如图1 2 所示。该装置选用透明有适当硬度的塑料 制品，剪成高为4 c m 的等腰梯形，同时取硬纸剪2 条长5 c m 、宽0 2 c m 的细长 方形，用螺帽或针线交叉固定在等腰梯形的中心。中心上端为长线端，长4 c m ， 突出于梯形上线之外，利于手动测量变化；下端为短线端，长l c m ，为测瞳孔之 用。其后取一长形胶布按直尺所示刻度填写后，贴于梯形四边形两长线端2 c m 处，使短线端内径所测距离反映在长线端内径上更为精确，也可避免测瞳孔时 遮挡短线端视野。 测量时，测量者站于患者左侧，右手拇指、食指持瞳孔测量仪，右手掌尺 侧由下至上轻推患者眼睑，使其保持睁眼状态后将测量仪梯形上线与眼眶一致 固定后，右手拇指、食指上端可适当调节，以准确测量瞳孔即可。其制作简便、 经济，操作简单无损伤，但暗视条件下读数困难，精度有待提高。 图1 2 简易瞳孔测量计示意图 1 2 2 精密瞳孔测量仪器 目前已有较高精度的瞳孔测量仪器，比如国外的c o l v a r d 红外瞳孔单眼测量 仪( 如图1 3 所示) ，通过像面上覆盖的十字毫米刻度线可以直接读数( 如图1 4 所示) ，而且使用了图像增强技术，可在低光通量条件下进行测量。其精度较上 述简易装置有所改善，但测量结果仍需读数，带有主观误差，且是单眼测量， 不能最大程度地反映人眼的实际生理状态。 4 第一章绪论 图1 3 使用中的c o l v a r d 图1 4c o l v a r d 瞳孔计观察到的附有直尺的瞳孔图像 另外，p r o c y o n 公司的p 3 0 0 0 x 2 1 艮瞳孔计 2 2 ，2 3 】( 如图1 5 所示) ，是目前世 界上最顶级的瞳孔测量设备之一，具有可控的标准照度级和调节性，提供三个 照度级：暗适应o 0 4 1 u x ，弱黄昏0 4l u x ，强黄昏4 0 1 u x ，以适应不同的测量要 求。空间分辨率小于o 0 5 m m 。双眼实时动态测量时，患者可以看到视场中的不 同目标。新的设计对于需要在不同照度级下准确测量同一瞳孔尺寸的医生来说 是非常有价值的。其精度较前几种装置有了较大提高，是一易于操作的可靠仪 器，但价格昂贵，国内还不具备大规模引进普及的条件。 图1 5 使用中的p r o c y o n 3 0 0 0 5 第一章绪论 现代医学领域，医学检查、诊断和治疗越来越多依赖各种医疗器械的辅助， 眼光学领域也不例外，由于该领域的解剖和生理的特殊性，加上研究和发展较 其它领域快，因此相应各种测量仪器发展，走在了医疗器械技术的前列。然而， 在我国，自主完全研发医疗器械水平相对落后，特别是瞳孔测量仪器，大都采 用上一小节提到的简易装置，难以满足现代医学的需要；有时需要进口国外先 进设备，花费较高。因此，我们结合光学工程的有利平台，针对临床医学上的 特殊应用，自行研究设计高精度双目瞳孔测量仪。 第三节本论文的主要研究内容 1 3 1 本文的主要目标及要求 本研究旨在根据光学系统原理和数字图像处理设计出一种在明视和暗视环 境下都适用的双目瞳孔测量仪。利用特殊设计的镜头和摄像机产品的组合加上 相关软件的支持，使该仪器满足以下要求： ( 1 ) 所用照明光源对人眼无伤害； ( 2 ) 镜头在分辨率为6 0 1 p r a m 要保持较好的传递函数，以保证测量精度； ( 3 ) 摄像机应该具有低照度条件下工作的能力，并且对红外波段响应，从 而保证摄取图像的对比度等，为后续数字图像处理奠定基础； ( 4 ) 图像处理结果精确，且算法简单，可移植性好； ( 5 ) 操作简单、体积合适、生产工艺相对简单、扩展性好、制作成本低廉 和易于维护。 1 3 2 本文的主要研究内容及成果 ( 1 ) 首先了解和研究目前使用的瞳孔测量装置和仪器，并对其优缺点进行了 分析。 ( 2 ) 在参考己有瞳孔测量装置和仪器的基础上，提出了一种光、电、算一体 化的双目瞳孔测量仪的总体方案，该系统的主要特点包括：双目测量、多照度 测量、c c d 接收、数字图像处理，精度高、结构简单。根据该仪器的使用要求， 给出相关的技术要求和技术参数。 6 第一章绪论 ( 3 ) 完成了双目瞳- y l n 量仪的总体设计，以及各部件的设计和选择。具体为： 引入双棱镜和双胶合透镜组合，同时进行了理论计算；选用合适尺寸和像素的 黑白低照度c c d 作为成像传感器；确定暗视和明视测量环境下的照明光源，并 设计照明系统；利用z e m a x 进行系统及各部件加工参数的仿真和优化，分析 系统的像差，并根据人均瞳距、工作距离、通光口径、c c d 接口、光能损失、 成像质量和仪器尺寸等因素，最终确定合适的结构参数，完成整个光学系统及 元件的设计。 ( 4 ) 在后端图像处理中，针对瞳孔成像特点，提出了一种基于形态学算法的 瞳孔直径的精确测量方法。运用重构算法对原始图像做平滑处理，再对二值化 后的图像进行交替顺序滤波，进一步修复瞳孔边缘，得到瞳孔的理想二值图像， 然后根据光学系统放大率等参数计算得出瞳孔直径。该算法适用于红外、可见 光多种照度级下所摄取的瞳孔像，具有较高精度。然后，通过理论计算，对之 前所得瞳孔直径进行放大率补偿和角膜误差校正。除此之外，在后续算法中还 扩展实现了瞳距测量功能。 ( 5 ) 建立了模拟测量系统，实际采集了人眼图像，对人眼直径进行精确测量 和动态分析。实验表明，本文提出的方法可对多种照度级所摄瞳孔直径高精度 测量，能够满足眼科手术等应用情况的精度要求。最后，进一步对该系统提出 改进的方案。 7 第二章双目瞳孔测量仪的总体方案及技术要求 第二章双目瞳孔测量仪的总体方案及技术要求 目前已存在的瞳孔测量仪大多为单眼测量，而本文希望设计可同时进行双 目瞳孔测量的仪器，因此，本章首先在讨论双目测量的意义以及实现方法的基 础上，提出双目瞳孔测量仪的总体方案；然后分别原理性地说明了成像系统、 照明系统、摄像系统所用材料或器件的选择；再根据该双目瞳孔测量仪的使用 要求，给出主要的技术要求和光学参数；最后，针对瞳孔图像特点提出图像处 理系统的实现原理。 第一节双目瞳孔测量的意义 现有的眼睛参数测量仪器大多是对左右眼分别进行单眼测量，例如屈光检 查、角膜地形图检查、波前像差检查、角膜测厚、角膜曲率检查和白内障患者 潜在视力测量等，这些测量结果较为精确。而对于瞳孔测量，我们则不能等同 视之。为了验证单眼测量的结果是否可靠，前人做了大量的工作。 k u r z 、p f e i f f e r 、d i c k 等人做了如下统计实验1 2 4 j ：使用p r o c y o n 公司的p 2 0 0 0 s a 瞳孔计在暗适应o 0 3l u x ，弱黄昏o 8 2l u x 和强黄昏6 4l u x 三个测量环境下 对7 0 人1 4 0 只健康眼睛的瞳孔直径进行单眼测量和双眼测量。 表2 1k u r z 实验统计数据 瞳孔直径( m m ) 组别眼睛暗适应 弱黄昏强黄昏 暗适应弱黄昏强黄昏 右6 8 04 0 03 5 l6 5 34 5 73 6 2 先双后单 左6 7 03 9 43 4 36 3 84 4 93 8 0 右6 9 3 6 0 64 。8 86 6 4 4 5 83 3 2 i 先单后双 左 7 0 7 5 6 74 0 26 5 6 4 4 0 3 2 5 从表2 1 中的实验数据可以看到：先进行单眼测量再进行双眼测量，在暗适 应、弱黄昏和强黄昏下，单眼测量结果全部大于双眼测量结果：先进行双眼测 第二章双目瞳孔测量仪的总体方案及技术要求 量再进行单眼测量，在弱黄昏和强黄昏下，单眼测量结果大于双眼测量结果， 而在暗适应下，单眼测量结果略小于双眼测量结果。这种双眼测量后单眼瞳孔 值的降低的现象，可以解释为一只眼睛在双眼测量后有瞳孔缩小的倾向性，尽 管在每一次测量前都有一分钟的适应黑暗环境时间。于是可以得出结论，对于 所有眼睛，在黄昏测量条件下，单眼测量结果较明显地大于双眼测量结果；在 暗适应条件下，单眼测量结果在统计意义上也有更大值的趋向。 k o h n e i l 用不同仪器( c o l v a r d 瞳孔计) 做了类似实验，也得出了相同结果。 可见，实验结果没有依赖实验仪器，反映了普遍规律。 考虑到测量方法会导致测量结果的不确定性，我们还是倾向于双眼测量， 因为双眼情况更能反映病人的真实状态，而且，也可帮助医师判断被测量者的 双眼变化情况是否一致。 第二节双目瞳孔测量仪的总体方案 实现双眼测量的方法有很多，最为简单易行的是将两个完全相同的单眼测 量系统并列组合成双眼测量系统。但是，本系统拟采用c c d 作为成像介质，如 果按照上述方法设计，则需要两只c c d 分别对左、右眼成像，无疑会大幅增加 成本；而且，两只c c d 的成像系统标准不同，对误差的分析参考也很难确保一 致，有违设计双目测量系统的初衷；同时，双c c d 系统对后续的图像采集与处 理系统要求过高，不便于实际应用。于是，本系统希望在只使用一只c c d 的基 础上实现双目测量。 c c d 尺寸只有英寸级别，而人的平均瞳距约为6 5 m m ，远大于c c d 尺寸。 要实现双目同时成像于一只c c d ，双目各自的共轴球面光路必须转折。转折光 路，一般有两种方法：反光镜反射和棱镜全反射。考虑到反光镜的反射膜光能 损失较大、易变质和损伤，而且安装固定困难，本设计采用了斜方转向棱镜。 棱镜系统的引入，对整个光学系统的像差没有影响，但其后端与c c d 接口 的特殊性对棱镜尺寸、后工作距离、通光口径等参数产生限制，增加了光学系 统设计难度。在具体设计过程中，既要采用尽量大的入射光瞳，又要保证棱镜 入口处光束全部进入，还必须考光能损失对成像质量的影响。 按照以上分析，我们拟定了双目瞳孔测量仪的总体方案：主要由成像系统 ( 其中包括斜方转向棱镜) 、照明系统、摄像系统以及后续的图像采集与处理系 9 第二章双目瞳孔测量仪的总体方案及技术要求 统组成，其基本结构柜架图，如图2 1 所示。 图2 1 中l e 、r e 分别表示左、右眼；l e d l 、l e d 2 为两路照明系统，参数 相同；l 1 、l 2 是满足一定成像要求的镜头，二者相同，且中心距离固定；p 1 、 p 2 为斜方棱镜，对系统光焦度没有贡献，主要作用是将来自l 1 和l 2 的眼睛像 转折到同一c c d 靶面；i m 表示在没有棱镜情况下的眼睛像；i m 表示在棱镜只 起反射作用时的理想像面位置；i e 表示眼睛像的实际位置，因为棱镜等效为一 平行平板，所以像面位置较i m 要沿轴向右平移一定距离；l 3 是一正透镜，把 眼睛像成像在c c d 靶面上，在这里，希望l 3 在二倍焦距处成像，是考虑到对 称光学系统良好的消像差特性和系统放大率要求，对系统光焦度亦没有贡献， 如果m 到棱镜的距离大于c c d 镜头接口安装方式要求的距离，那么l 3 可省去； c c d 是一低照度摄像机，用来接收最后的眼睛像；c p 为后续的图像采集与处理 系统。 图2 1 双目瞳孔测量仪结构柜架图 图中红色光线表示两路的光轴，水平虚线是系统的对称轴，指向c c d 靶面 中心，左、右瞳孔像据此中心对称的分布。 在以上总体框架的基础上，接下来分别原理性地说明成像系统、照明系统、 摄像系统所用材料或器件的选择；根据该仪器的使用要求，给出主要的技术要 求和技术参数；并针对瞳孔图像特点提出图像处理系统的实现原理。 1 0 第二章双目瞳孔测量仪的总体方案及技术要求 第三节技术要求 2 3 1成像系统中光学玻璃的选择 一般情况下，各种折射、反射光学元件如透镜、平面镜、棱镜和球面镜等 是构成光学系统的基本元件，所用材料必须满足要求：折射材料对工作波段有 良好的透过率；反射材料对工作波段有很高的反射犁2 习。 首先选择工作波段。本设计的瞳孔测量仪主要实现两项功能：一是在红外 光照明条件下测量瞳孔在暗视环境下的直径；二是在可见光照明条件下记录、 分析瞳孔的直径和动态变化情况，对人眼照度从0 - 2 0 0 1 h x 连续可调。考虑到本 系统只需采集灰度图像，为了排除色差的影响，使用单色光照明，选择两个工 作波长分别为红外波段的8 5 0 r i m 和可见光波段的5 3 5 n m 。这样的选择既可以满 足上述工作要求，又有市面上成熟的照明产品，价格低廉。 然后确定光学材料。光学玻璃是最常用的光学材料，其制造工艺成熟，品 种齐全，一般可以透过波长范围为0 3 5 1 t m , - - - , 2 5 p , m ，该波段之外的光被强烈的吸 收。8 5 0 n m 和5 3 5 n m ，两个波段均包含在此范围内，所以一般的光学玻璃即可 以满足要求。 k 9 光学玻璃 2 6 】是应用最为广泛的镜头材料之一，其波长透过范围为 0 3 6 5 0 1 p m 1 0 1 4 9 m ，可以满足一般的设计要求，广泛应用于摄像机、照相机 和望远镜镜头。本设计所应用的波长均在它的透过范围内，所以选择k 9 光学玻 璃作为制作透镜和棱镜的材料。k 9 玻璃相关参数如表2 2 和表2 3 。 表2 2 上海新沪玻璃厂k 9 玻璃冕玻璃 密度 序号牌号 n f n c n f 刀c r t d 力， g c m 3 1 3 k 9 1 5 1 6 30 0 0 8 06 4 01 5 2 1 91 5 1 3 91 5 1 6 31 5 1 2 52 5 3 表2 3k 9 玻璃色散系数表 牌号 44 呜 呜 彳4 以 k 92 2 7 0 3 5 911 0 0 9 0 e 21 0 8 7 0 e 29 2 6 6 6 e 51 2 4 5 7 e 57 38 4 6 e 。7 表2 2 只提供几条主要谱线折射率的实测数据，这里需要使用色散公式计算 第二章双目瞳孔测量仪的总体方案及技术要求 本设计应用波长的折射率近似值。色散公式【2 7 】如下： n 五2 = 4 + 4 见2 + 4 五- 2 + 4 a - 4 + 以五- 6 + 4 名一8 ( 2 1 ) 其中，五波长单位取岬，n 。是波长为名时的折射率，实验证明【2 8 1 ，利用此 公式计算所得折射率在0 3 3 5 9 , m - 1 0 1 4 1 a m 范围之内的误差不超过0 5 x1 0 。于 是，可将表2 3 色散系数代入公式( 2 1 ) 计算k 9 光学玻璃对8 5 0 n m 和5 3 5 n m 两个波长的折射率分别为1 , 5 0 9 4 、1 5 1 6 4 。 本设计采用的另外一种光学玻璃材料为中国玻璃库中常用的f 1 玻璃，其可 透过的波长范围与k 9 相同，色散公式系数如表2 4 所示。 表2 4f 1 玻璃色散系数表 牌号 么4 么24彳4a 5 f 12 5 0 5 9 4 1 88 4 2 4 7 e 32 1 3 0 7 6 e 2 6 7 1 2 2 1e - 41 0 4 9 1 e 53 5 3 6 6 0 e 6