六角棱鏡調制電腦驗光儀對散光眼模型檢測精度分析

郭東煜

摘要： 針對傳統電腦驗光儀調焦速度慢，聚焦誤差大的缺陷，對現有驗光儀六角棱鏡的成像系統進行優化。通過光學仿真軟件分析和對比，發現六角棱鏡調制的驗光儀在散光度和散光軸位的測量誤差（柱鏡示值平均誤差為0.8 m-1，軸位示值平均誤差為3.73°）均明顯大于普通圓環調制的驗光儀（0.2 m-1，1.75°）。因此，采用圓環代替六角棱鏡調制可以增加檢測的精度。另外，對六棱鏡分光法設計的驗光儀的設計和檢驗，需要特別注意其柱鏡度和柱鏡軸位的檢測評價，避免造成驗光誤差。

關鍵詞： 電腦驗光儀； 六角棱鏡； 精度分析； 散光檢測

中圖分類號： TH 773文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.001

引言目前生產的新型電腦驗光儀主要分為兩類：一是利用激光光線追蹤法或ShackHartmann檢測器法設計的基于波前像差測量的自動驗光設備[1]，這種設備檢測精度極高，但是因為價格昂貴并不被廣泛接受[2]；二是基于醫學靜態檢影檢查人眼屈光度的自動驗光設備[3]，因為該類驗光儀的光學系統通常采用調制光環經眼底反射后，由可移動的調焦透鏡聚焦成像，存在速度慢、誤差大的缺陷[4]，所以，現在很多驗光儀都采用六角棱鏡[5]代替調焦成像系統來實現快速、有效的測量。本文通過使用實際光線追跡軟件對比六角棱鏡調制驗光儀光學系統和普通圓環調制驗光儀光學系統，針對不同散光眼的仿真結果，來探討六角棱鏡驗光儀對散光眼驗光結果的準確性。1六角棱鏡調制電腦驗光儀光學系統及測量原理

這類驗光儀是采用測量眼底視網膜反射后光斑像在光軸上的成像位置實現的，圖1分別表示入射平行光經正視眼、遠視眼和近視眼眼底反射后出射光的情況。正視眼眼底反射的仍是平行光，其反射像位于無窮遠處；遠視眼眼底反射的是發散光，其反射像位于眼球后光軸上某處，且遠視屈光度越大距離眼球越近；近視眼眼底反射的是會聚光，其反射像位于眼球前光軸上某處，且近視屈光度越大距離眼球越近。因此通過測量反射像的位置即可確定眼的屈光不正的度數。光學儀器第36卷

圖2是該驗光儀的光學系統圖，圖中測量光源發出的光經光源會聚鏡、通孔、透鏡1后入射人眼。人眼眼底反射光經透鏡1、反射鏡后被六孔板和六棱鏡分為6條細光束再經過CCD會聚鏡投射在CCD上。在該光路中，六棱鏡起到測量眼底反射后光斑像在光軸上的成像位置的作用。由于在光路中反射像的位置不同，所以經過六棱鏡后可以將該點分為距光軸遠近不一的6個點，通過測量CCD上6點的位置即可知道人眼的屈光情況。將此6點的位置輸入到計算機內進行計算，生成如圖3所示的測量圖像，并通過計算橢圓方程來確定人眼的屈光情況。

2散光眼模型結構散光眼種類很多，其中不規則散光由于各子午面屈光力不同，無一定規則[6]，很難開具處方，一般的電腦驗光儀都無法進行測量，所以本文僅針對規則散光進行分析。本文采用文獻[7]中的散光眼模型，設計仿真了8個規則單純散光眼模型，仿真參數見表1，仿真圖見圖4。

3六棱鏡調制驗光系統對散光眼的檢測結果使用圖2所示六棱鏡調制電腦驗光儀光學系統，對表1中所示的散光眼進行光線追跡仿真，將CCD上得到的光斑像（見圖5）通過計算（詳見參考文獻[8]）來得到檢測的人眼參數（見圖6）。

參照最新JJG 892-2011[9]規范要求，驗光儀柱鏡軸位示值誤差不得大于5°，柱鏡度示值誤差在-6～+6 m-1范圍內不得超過0.25 m-1。觀察圖6結果發現，無論是散光度還是散光軸位，該系統均不能滿足規范的要求。特別是在散光度檢測中，其平均誤差甚至超過標準1倍多，無法滿足當下驗光的需要。為了與該類驗光儀測量結果作比較，采用不使用六角棱鏡調制的電腦驗光儀系統進行同樣的仿真分析，結果見圖7。該系統采用旋轉棱鏡調制出圓環像將其成像于眼底，眼底反射出的光線通過一系列成像系統最終被CCD接收，系統光路見圖8。

觀察圖7檢測結果發現，該系統可以完全滿足JJG 892-2011規范的要求，只有在遠視散光度數超過7.5 m-1時才會出現散光度數檢測誤差稍大的情況。從實用角度考慮，由于遠視散光人群所占比例較小，且度數通常不深[10]，該誤差并不影響其實際使用的結果。表2為六棱鏡和普通圓環調制電腦驗光儀對散光眼的檢測結果，經過t檢驗發現不論是散光度還是散光軸位，普通圓環調制驗光儀的檢測精度顯著高于六棱鏡調制。圖9為不同調制驗光儀檢測的相對誤差曲線，由圖可以看出，隨著散光度的增加，普通圓環調制驗光儀散光度檢測的相對誤差明顯降低，而六棱鏡調制驗光儀不但沒有降低反而有增加的趨勢。本實驗中，采用JJG 892-2011規定的客觀式模擬眼結構，通過仿真不同屈光度的模擬眼對儀器進行定標。經過多次反復仿真發現，兩種原理設計的驗光儀的重復測量誤差均不大于0.15 m-1，證明仿真中的兩臺儀器并不存在調校不準的情況。由于本實驗是通過取光斑照度最高的點來確定光斑的質心位置，而實際驗光儀中是通過二值化銳利之后再使用重心法來確定質心位置（結果比較準確）。所以，在本實驗中所有散光度和散光軸位的測量誤差會高于實際的驗光儀。4討論六棱鏡調制驗光儀主要通過六棱鏡，將由于屈光不同導致在光軸上不同位置的眼底反射中間像分割成為6個距離光軸遠近不一的點。這種方法的好處是可以充分利用眼底反射出微弱光能，不需要移動聚光鏡的位置調焦，因而縮短了時間，可以在0.2 s完成聚焦成像，因此消除了由人眼疲勞而引起的誤差，在對無散光的患者進行測量時確實體現出其獨特的優勢[5]。但是對于散光眼情況，由于不同子午面的屈光情況不同，導致眼底反射中間像在光軸上的位置本身不一致，如圖10所示。所以通過六棱鏡進行分光時并不能很準確地將其分為距光軸遠近不同的6個點，從而造成在散光眼測量時有較大的誤差。5結論國內散光人群（柱鏡度數大于0.5 m-1）占屈光不正人群的40%～50%[10]，而在驗光儀的檢定過程中，對于柱鏡度和柱鏡軸位的檢驗往往并不是很嚴格，導致部分驗光儀在散光眼的檢測上存在較大誤差。然而在實際配鏡過程中，球鏡度的檢測誤差可以通過主覺插片驗光，進行快速、簡單糾正，而柱鏡誤差糾正相對比較困難。因此，無論在進行驗光儀的設計、購置還是檢驗的過程中，對于使用六棱鏡分光法設計的驗光儀，需要特別注意對其柱鏡度和柱鏡軸位的檢測評價，避免由此對驗光機構和患者造成損失。

參考文獻：

[1]LIANG J，GRIMM B，GOELZ S，et al.Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a HartmannShack wavefront sensor[J].Journal of the Optical Society of America，1997，11（7）：19491957.

[2]全薇，凌寧，王肇圻，等.哈特曼傳感器測量人眼波像差的特性研究[J].光電工程，2003，30（3）：15.

[3]HOWLAND H C，HOWLAND B.Photorefraction：A technique for study of refractive state at a distance[J].Journal of the Optical Society of America，1974，64（2）：240249.

[4]CHOI M，WEISS S，SCHAEFFEL F，et al.Laboratory，clinical，and kindergarten test of a new eccentric infrared photorefractor（powerrefractor）[J].Optometry and Vision Science，2000，77（10）：537548.

[5]歐凌，任云成.電腦驗光儀六角棱鏡：中國，200520045530.4[P].20051009.

[6]TANABE T，TOMIDOKORO A，SAMEJIMA T，et al.Corneal regular and irregular astigmatism assessed by Fourier analysis of videokeratography data in normal and pathologic eyes[J].Ophthalmology，2004，111（4）：752757.

[7]劉文麗，朱建平，洪寶玉，等.驗光儀用柱鏡標準器的研制[J].計量學報，2009，30（5）：405408.

[8]崔亮飛.基于CCD與FPGA的全自動電腦驗光儀圖像系統設計[J].電子測試，2010（12）：4043.

[9]全國光學計量技術委員會.JJG 892-2011 驗光儀檢定規程[S].北京：中國質檢出版社.20110704.

[10]胡其明.人群散光眼分布狀況調查分析[J].中國校醫，1998，12（2）：146147.

參考文獻：

[1]LIANG J，GRIMM B，GOELZ S，et al.Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a HartmannShack wavefront sensor[J].Journal of the Optical Society of America，1997，11（7）：19491957.

[2]全薇，凌寧，王肇圻，等.哈特曼傳感器測量人眼波像差的特性研究[J].光電工程，2003，30（3）：15.

[3]HOWLAND H C，HOWLAND B.Photorefraction：A technique for study of refractive state at a distance[J].Journal of the Optical Society of America，1974，64（2）：240249.

[4]CHOI M，WEISS S，SCHAEFFEL F，et al.Laboratory，clinical，and kindergarten test of a new eccentric infrared photorefractor（powerrefractor）[J].Optometry and Vision Science，2000，77（10）：537548.

[5]歐凌，任云成.電腦驗光儀六角棱鏡：中國，200520045530.4[P].20051009.

[6]TANABE T，TOMIDOKORO A，SAMEJIMA T，et al.Corneal regular and irregular astigmatism assessed by Fourier analysis of videokeratography data in normal and pathologic eyes[J].Ophthalmology，2004，111（4）：752757.

[7]劉文麗，朱建平，洪寶玉，等.驗光儀用柱鏡標準器的研制[J].計量學報，2009，30（5）：405408.

[8]崔亮飛.基于CCD與FPGA的全自動電腦驗光儀圖像系統設計[J].電子測試，2010（12）：4043.

[9]全國光學計量技術委員會.JJG 892-2011 驗光儀檢定規程[S].北京：中國質檢出版社.20110704.

[10]胡其明.人群散光眼分布狀況調查分析[J].中國校醫，1998，12（2）：146147.

參考文獻：

[1]LIANG J，GRIMM B，GOELZ S，et al.Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a HartmannShack wavefront sensor[J].Journal of the Optical Society of America，1997，11（7）：19491957.

[2]全薇，凌寧，王肇圻，等.哈特曼傳感器測量人眼波像差的特性研究[J].光電工程，2003，30（3）：15.

[3]HOWLAND H C，HOWLAND B.Photorefraction：A technique for study of refractive state at a distance[J].Journal of the Optical Society of America，1974，64（2）：240249.

[4]CHOI M，WEISS S，SCHAEFFEL F，et al.Laboratory，clinical，and kindergarten test of a new eccentric infrared photorefractor（powerrefractor）[J].Optometry and Vision Science，2000，77（10）：537548.

[5]歐凌，任云成.電腦驗光儀六角棱鏡：中國，200520045530.4[P].20051009.

[6]TANABE T，TOMIDOKORO A，SAMEJIMA T，et al.Corneal regular and irregular astigmatism assessed by Fourier analysis of videokeratography data in normal and pathologic eyes[J].Ophthalmology，2004，111（4）：752757.

[7]劉文麗，朱建平，洪寶玉，等.驗光儀用柱鏡標準器的研制[J].計量學報，2009，30（5）：405408.

[8]崔亮飛.基于CCD與FPGA的全自動電腦驗光儀圖像系統設計[J].電子測試，2010（12）：4043.

[9]全國光學計量技術委員會.JJG 892-2011 驗光儀檢定規程[S].北京：中國質檢出版社.20110704.

[10]胡其明.人群散光眼分布狀況調查分析[J].中國校醫，1998，12（2）：146147.