六角棱鏡調(diào)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(tǒng)電腦驗光儀調(diào)焦速度慢，聚焦誤差大的缺陷，對現(xiàn)有驗光儀六角棱鏡的成像系統(tǒng)進行優(yōu)化。通過光學(xué)仿真軟件分析和對比，發(fā)現(xiàn)六角棱鏡調(diào)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(huán)調(diào)制的驗光儀（0.2 m-1，1.75°）。因此，采用圓環(huán)代替六角棱鏡調(diào)制可以增加檢測的精度。另外，對六棱鏡分光法設(shè)計的驗光儀的設(shè)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(guān)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(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.001

引言目前生產(chǎn)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(shè)計的基于波前像差測量的自動驗光設(shè)備[1]，這種設(shè)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(yī)學(xué)靜態(tài)檢影檢查人眼屈光度的自動驗光設(shè)備[3]，因為該類驗光儀的光學(xué)系統(tǒng)通常采用調(diào)制光環(huán)經(jīng)眼底反射后，由可移動的調(diào)焦透鏡聚焦成像，存在速度慢、誤差大的缺陷[4]，所以，現(xiàn)在很多驗光儀都采用六角棱鏡[5]代替調(diào)焦成像系統(tǒng)來實現(xiàn)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(diào)制驗光儀光學(xué)系統(tǒng)和普通圓環(huán)調(diào)制驗光儀光學(xué)系統(tǒng)，針對不同散光眼的仿真結(jié)果，來探討六角棱鏡驗光儀對散光眼驗光結(jié)果的準(zhǔn)確性。1六角棱鏡調(diào)制電腦驗光儀光學(xué)系統(tǒng)及測量原理

這類驗光儀是采用測量眼底視網(wǎng)膜反射后光斑像在光軸上的成像位置實現(xiàn)的，圖1分別表示入射平行光經(jīng)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(fā)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(shù)。光學(xué)儀器第36卷

圖2是該驗光儀的光學(xué)系統(tǒng)圖，圖中測量光源發(fā)出的光經(jīng)光源會聚鏡、通孔、透鏡1后入射人眼。人眼眼底反射光經(jīng)透鏡1、反射鏡后被六孔板和六棱鏡分為6條細(xì)光束再經(jīng)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(jīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)散光眼種類很多，其中不規(guī)則散光由于各子午面屈光力不同，無一定規(guī)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(guī)則散光進行分析。本文采用文獻[7]中的散光眼模型，設(shè)計仿真了8個規(guī)則單純散光眼模型，仿真參數(shù)見表1，仿真圖見圖4。

3六棱鏡調(diào)制驗光系統(tǒng)對散光眼的檢測結(jié)果使用圖2所示六棱鏡調(diào)制電腦驗光儀光學(xué)系統(tǒng)，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(shù)（見圖6）。

參照最新JJG 892-2011[9]規(guī)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(nèi)不得超過0.25 m-1。觀察圖6結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是散光度還是散光軸位，該系統(tǒng)均不能滿足規(guī)范的要求。特別是在散光度檢測中，其平均誤差甚至超過標(biāo)準(zhǔn)1倍多，無法滿足當(dāng)下驗光的需要。為了與該類驗光儀測量結(jié)果作比較，采用不使用六角棱鏡調(diào)制的電腦驗光儀系統(tǒng)進行同樣的仿真分析，結(jié)果見圖7。該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)棱鏡調(diào)制出圓環(huán)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(tǒng)最終被CCD接收，系統(tǒng)光路見圖8。

觀察圖7檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以完全滿足JJG 892-2011規(guī)范的要求，只有在遠視散光度數(shù)超過7.5 m-1時才會出現(xiàn)散光度數(shù)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(shù)通常不深[10]，該誤差并不影響其實際使用的結(jié)果。表2為六棱鏡和普通圓環(huán)調(diào)制電腦驗光儀對散光眼的檢測結(jié)果，經(jīng)過t檢驗發(fā)現(xiàn)不論是散光度還是散光軸位，普通圓環(huán)調(diào)制驗光儀的檢測精度顯著高于六棱鏡調(diào)制。圖9為不同調(diào)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(huán)調(diào)制驗光儀散光度檢測的相對誤差明顯降低，而六棱鏡調(diào)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(guī)定的客觀式模擬眼結(jié)構(gòu)，通過仿真不同屈光度的模擬眼對儀器進行定標(biāo)。經(jīng)過多次反復(fù)仿真發(fā)現(xiàn)，兩種原理設(shè)計的驗光儀的重復(fù)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(diào)校不準(zhǔn)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(zhì)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(zhì)心位置（結(jié)果比較準(zhǔn)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(diào)制驗光儀主要通過六棱鏡，將由于屈光不同導(dǎo)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(diào)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(xiàn)出其獨特的優(yōu)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(dǎo)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(zhǔn)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(jié)論國內(nèi)散光人群（柱鏡度數(shù)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(yán)格，導(dǎo)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(shè)計、購置還是檢驗的過程中，對于使用六棱鏡分光法設(shè)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(gòu)和患者造成損失。

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