红外偏心摄影验光仪的研究.docx

文章编号: 100525630 (2005) 0620080205红外偏心摄影验光仪的研究叶宏伟1 , 李湘宁1 , 陈杰1 , 张振永2(1. 上海理工大学光电学院, 上海 200093;2. 上海市普陀区人民医院, 上海 200060)摘要: 摄影验光是一种根据一定距离拍摄的眼瞳图像快速确定屈光误差的测量方法。通过光线追迹阐明了偏心摄影验光的基本原理。 为了能够测量散光和提高测量性能, 提出 采用近红外发光二极管作为摄影验光仪光源并改进了光阑结构, 引入由光源在视网膜上反 射图像的照度斜率来判断屈光状态这一独特检测方法。 对拍摄的模拟眼图像加以处理分 析, 验证该方案的可行性, 作为进一步研制实用化摄影验光仪的理论依据。关键词: 摄影验光仪; 红外发光二极管; 照度分布斜率; 屈光状态中图分类号: t h 786文献标识码: astudy on in f ra red eccen tr ic pho toref ra c tory e h on g 2w e i1 , l i x ia n g 2n in g 1 , ch en j ie1 , z h a n g z h en 2y on g 2(1. co llege o f o p t ic s and e lec t ro n ic s, u n ive r sity o f sh angh a i fo r sc ience and t ech no lo gy, sh angh a i 200093, c h ina;2. t h e p eop les h o sp ita l o f sh angh a i p u tuo d ist r ic t , sh angh a i 200060, c h ina)a bstra c t: p ho to ref rac t io n is a m e tho d w h ich can fa st de te rm in e th e ref rac t ive e r ro r b y cap tu r in g af ram e o f p up illa ry im age rem o te ly. in th is a r t ic le, th e m ea su rem en t p r in c ip le o f p ho to ref rac to r is exp la in ed b y th e re su lt s o f ray t rac in g. in o rde r to m ea su re th e a st igm a t ism an d im p ro ve th e p e rfo rm an ce, a n ew p ho to ref rac to r is in t ro du ced w h ich so u rce is com po sed o f th e ir l ed an d w ith th e ch an ged ap e r tu re. t h e n ew p ho to ref rac to r de te rm in e s th e ref rac t ive sta te b y th e slop e o f th e in ten sity o f th e ref lec t ive im age p ro du ced b y so u rce. t h e fea sib ility is p ro ved b y th e p ro ce ssed im age s o f th e a r t if ic ia l eye cap tu red b y th e app a ra tu s in p rac t ice . it can b e th e th eo re t ic b a se fo r deve lop in g th e app lied p ho to ref rac to r.key word s: p ho to ref rac to r; ir l ed ; slop e o f th e in ten sity; ref rac t ive sta te1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c u igno t 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、学收稿日期: 2005204202基金项目: 上海市高教发展基金资助项目( 03gk 13) ; 上海市重点学科资助项目(t 0501) ; 上海市教委重点学科( 四期) 。作者简介: 叶宏伟( 19732) , 男, 浙江定海人, 硕士研究生, 主要从事视光学方面的研究。81第 6 期叶宏伟等: 红外偏心摄影验光仪的研究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k aak in en 在 1978 年提出, 随即引起广泛关注。 后来, h ow lan d 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 :e(1)d =2a d f r式中, a 为眼睛主面到摄像机镜头主面的距离; d f 为眼瞳图像的暗区高度与眼瞳直径之比; r 为眼瞳半1 -1 , x 为远点径; 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d =距离。人眼部分 (近视) 光路图见图 2。x a图 1 偏心摄影验光原理图 2 偏心摄影验光眼睛部分光路图 (近视)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 = 1 ; a =1(2)faf 为眼睛的焦距。 根据高斯公式可得:1(3)z 2 =f + a 根据图 1 和图 2 可得:e z 2(4)y 2 = -a1(5)z 3 =f + a + d (z 3 - z 2 ) ry 3 = -(6)z 2 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved.82光 学 仪 器第 27 卷y 2 z 3 - y 3 z 2(7)y 1 =z 3 - z 2r - y 1 (8)d f =2r由式 (2) 式(7) 可解得:e(9)y 1 = r -a d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。然而, 在实际应用中, 以下几个方面对测量结果影响较大。首先, 在拍摄的眼瞳图像中难以准确地区分 明暗分界线。由于设置的光阑无法达到绝对的拦光作用以及感光器件的固有特性, 不但光源照度过强时造成的ccd 曝光过度、拍摄环境等各种因素都会对分界线的识别造成很大困难, 而且一般通过计算图像像 素的方法获取眼瞳分界线高度, 拍摄人眼时如果同时摄入双眼进行测量, 整个眼瞳图像所占的像素不会很大, 因此, 辨别明暗分界线以及造成的测量误差对结果影响很大。 其次, 为了获得满意的眼瞳图像, 光源一 般选用较大功率的发光器件如闪光灯, 这样工作时发射的强光会对被测者造成较大的心理压力, 并可能引 起眼睛的调节, 影响测量精度。此外, 测量散光困难是采用该结构的一个较大缺陷。因此, 在保留原偏心摄 影验光工作原理的基础上对结构和检测方法作了改进并制作了实验装置, 对红外摄影验光仪进行了初步的研究2 。3红外摄影验光仪的结构特点3. 1光源部分改进后的红外摄影验光仪采用用波长为 850nm (发射峰值) , 最大工作电流为 100ma的高功率红外发光二极管作为光源。相比其他光源, 红外l ed 发出的近红外线对人眼影响较小, 工作时被测者几乎感觉不到测量过程, 不会引起人眼的适度调节, 能够获得较好的测量状态, 并且红外l ed 驱动电路的实现也比闪 光灯光源简便、安全, 实时性好。 由于实际使用中单个红外l ed 的发光强度有限, 无法获得符合测量要求 的眼瞳图像, 因此, 采用多个红外l ed 组成阵列, 串联驱动以增加发光强度。但是, 由于视网膜对红外线的散射和一些未知的原因, 故采用红外光源时拍摄的人眼图像, 整个眼瞳都被照亮, 如图 3 所示, 对屈光度的差异只是反映在灰度级别的不同。图 3 采用红外l ed 光源拍摄的人眼图像3. 2光阑部分图 4 改进后的光阑为了便于测量散光, 对光阑也作了相应改进, 改进后的光阑形状如图 4 所示。 光阑通光面为一正六边形, 相邻各边垂线相差60。正六边形的每条边设置一路红外l ed 阵列。图中, 红外l ed 的直径为5mm , 偏 心距e 为3. 2mm , l 为16mm 。组成阵列的红外l ed 个数、偏心距e 和正六边形的边长以拍摄的眼瞳图像 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 83第 6 期叶宏伟等: 红外偏心摄影验光仪的研究获得最佳亮度, 测量范围最大为标准进行优化选取。工作时, 按顺时针方向从1 到6 轮流点亮红外l ed 阵列, 点亮后分别拍摄1 帧图像, 可得到同一眼瞳6 个子午线方向的屈光状态。其中, 各自相对的子午线方向 上所获得的屈光度取算术平均值, 这样设置的好处是能够减小由于眼睛的主光轴与摄像机的主光轴不共轴时造成的测量误差。 为了获得散光参数球镜sp h、柱镜 cy l、和轴线a x , 根据欧拉公式可得3:sp h = a +b 2 + c 2(10)(11)cy l= 2b 2 + c 2a x = 0. 5a rc tan c(12)b式(10) 式(12) 中:r ( 0) + r ( 60) + r ( 120)a =(13)32 r (0) - r (60) - r (120)(14)b =3r (120) - r (60)(15)c =3式 (13) 式 (15) 中, r (0)、r (60)、r (120) 是图 4 中分别在边 1、2、3 方向上测得的屈光度。 同样 r ( 180)、r (240) 和r (300) , 表示4、5、6 边方向上测得的屈光度。实际计算时, r (0)、r (60)、r (120) 分别取1、4, 2、5,3、6 方向上测得的屈光度的算术平均值, 减少眼睛与摄像机不共轴的影响。图 5 不同屈光度的模拟眼图(a) - 3d ; ( b) - 2d ; (c) - 1d ; ( d) 0d ; (e) + 1d ; (f) + 2d ; (g) + 3d图 6 不同屈光度的位置灰度值曲线图1+ 3d ; 2+ 2d ; 3+ 1d ; 40d ;5- 1d ; 6- 2d ; 7- 3d4红外摄影验光仪测量方案改进如果仅仅对光源和结构进行改进, 仍然采用辨别眼瞳图像的明暗分界线的测量方案的话, 测量精度将很难提高。因此, 引入了根据光源在视网膜上反射图像的照度斜率来判断眼睛屈光状态这一测量方案。具 体来说, 就是以眼瞳中点为中心, 沿着拍摄眼瞳图像时的主子午线方向取若干个像素点的灰度值组成数 组, 根据最小二乘法把这个数组拟合成一条直线, 按照这条直线的斜率来确定眼睛的屈光状态。 图 5 是以 不同屈光度的标准模拟眼为对象拍摄的1 组图片。模拟眼的眼瞳直径为8mm , 测量距离a 为1m , 拍摄方向 为上方光阑1。图6 为根据图5 以眼瞳中心为中点上下各取20 个像素的灰度值组成的组合图, 图中的数值 经过滤波处理。 由最小二乘法拟合的公式可得拟合后的直线斜率k 为: 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 84光学仪 器第 27 卷nnn1 (x i ) (y i )x i y i -ni= 1i= 1 i= 1(16)k =nn1 (x i ) 2x i 2 -ni= 1i= 1式中x i 为像素位置, y i 为该位置对应的灰度值。按式(16) 计算出不同屈光度对应的斜率列为表1。由此可见, 利用红外光源在视网膜上反射图像的光强斜率来确定眼睛屈光状态是可行的。表 1 不同屈光度对应的斜率屈光度斜率+ 3d- 4. 00+ 2d- 3. 54+ 1d- 2. 540d- 0. 91- 1d0. 21- 2d0. 98- 3d1. 565结束语摄影验光作为一种屈光度检测的手段, 其快速性和无需被测者配合等特点在一些特殊领域如婴幼儿、学龄前儿童视力普查的应用中有着重要的意义4 。 由于种种原因, 即使在发达国家, 婴幼儿的视力普查的 普及率也很低, 由此造成的终身眼疾发病率相当高。 现对红外摄影验光仪的研制进行了初步探索, 通过改 进光源和结构并结合实验验证了由光源在眼底反射图像的光强斜率来确定屈光度这一工作方案的可行性。 然而, 还有一些情况需要作进一步地研究, 如(1) 式所示, 眼睛的屈光度是检测距离、光源偏心距、眼瞳 尺寸以及眼瞳图像的亮暗区比例的函数。 文中的结论都是基于检测距离和眼瞳尺寸为定值时得出的。 实 际应用中, 这两个