李 唐，吳南壽，李秉堯，曾亞光

（1.佛山科學技術(shù)學院 機電工程與自動化學院，廣東 佛山 528225；2.佛山科學技術(shù)學院 物理與光電工程學院，廣東 佛山 528225）

0 引言

中國兒童青少年近視呈高發(fā)和低齡化趨勢，嚴重影響兒童青少年的身心健康，已成為全社會關(guān)注的焦點，人眼屈光不正已成為影響國民尤其是青少年眼健康的重大公共衛(wèi)生問題[1,2]。北京大學中國健康發(fā)展研究中心發(fā)布的《國民視覺健康》白皮書[3]提到近視已成為“國病”[4-7]，近視的預防與治療可以通過測量眼軸長度與角膜曲率來達到[8-13]，國家衛(wèi)生健康委提出建立中小學生視力定期篩查制度，鼓勵測量眼軸長度[17]，預防近視，及時治療。

準確的眼軸測量參數(shù)對于患者的診斷及術(shù)后的治療效果至關(guān)重要。眼軸測量參數(shù)包含眼軸長度、角膜曲率等，而其中眼軸長度對于真假近視的判斷具有重要參考意義，可以為患者提供最合適的治療方案，達到近視防控的目的。

眼軸測量方法主要分為接觸式測量即基于超聲波測量和非接觸式光學測量，即基于相干光干涉測量與基于相干光反射測量方法。超聲波測量技術(shù)的精度較低，且需要接觸角膜，易感染，且測量精確度為100μm。相對傳統(tǒng)的測量方式，光學相干測量具有更加準確、可靠的測量結(jié)果。因此，研究光學非接觸式眼軸參數(shù)測量儀有非常重要的意義[14-17]。目前相干光干涉測量的方式有通過分振幅法產(chǎn)生干涉進行測量，采樣過程中的時間會存在間隔，采用SLD作為光源只能提取一個峰值點，影響誤差。相干光的干涉測量方式此外有通過測量交和視網(wǎng)膜的反射與散射回光的干涉來測量眼軸數(shù)據(jù)，此方案的重復性較差，無法保證測量的準確性[19]?；谙喔晒飧缮鏈y量方式利用OCT的技術(shù)對人眼成像，獲取角膜前表面到視網(wǎng)膜的實際距離實現(xiàn)眼軸測量。采用多個參考臂系統(tǒng)，實現(xiàn)多個圖像拼接，達到人眼成像的目的，測量眼軸長。本文提出了一種光學測量的方式，具有非接觸、精度高的優(yōu)點。采用低相干的技術(shù)可降低干涉信號中存在的噪聲，進一步提升信噪比。選用SLED低相干光源，利用低相干干涉原理，通過光學延遲裝置可以采樣多組數(shù)據(jù)，測量角膜前表面和視網(wǎng)膜表面的反射光與參考臂經(jīng)過光學延遲裝置的回光干涉信號，取得干涉信號峰值點附近的數(shù)據(jù)，可以進一步提高測量精確度。

1 測量系統(tǒng)實現(xiàn)與原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

如圖1所示，本文研究的眼軸測量系統(tǒng)是基于低相干干涉原理而搭建的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由低相干光源、耦合器、光學延遲裝置、探測器及主機構(gòu)成。本系統(tǒng)主要利用邁克爾遜干涉原理由光源發(fā)光經(jīng)過耦合器分光分別射入人眼與光學延遲裝置，通過入射到人眼的回光與參考臂的回光產(chǎn)生干涉，經(jīng)過探測器對其差分信號進行處理得到良好的信噪比，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號處理后傳至主機對探測器采集到的數(shù)據(jù)進行處理，通過計算角膜信號處理得到角膜曲率，角膜與視網(wǎng)膜兩處的干涉信號峰之間的距離得到眼軸長度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

本系統(tǒng)方案選用的光源為850nm的近紅外低相干寬帶光源，其相干長度較短為微米級，可以降低探測部分的噪聲，提高測量的精確度。選用33：33：33的耦合器，兩路分別為樣品臂與參考臂光，回光進入探測器對其做差分處理，得到干涉信號。其中，進入人眼的樣品臂光功率為0.6MW，以保證測量信號且對人眼不會造成不可逆?zhèn)?。光學延遲裝置則實現(xiàn)參考臂光程的改變，產(chǎn)生干涉信號，達到測量眼軸長度的目的。低相干干涉技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率，非接觸等優(yōu)點，可以很好地用于非接觸式光學測量系統(tǒng)中。

1.2 低相干光干涉原理

光學相干技術(shù)的基本原理裝置（邁克爾遜干涉儀）如圖2(a)所示兩束光在邁克爾遜干涉儀中，兩路樣品臂與參考臂的回光會產(chǎn)生干涉。其干涉信號的光強表達式如下：

圖2 邁克爾遜干涉儀與低相干干涉信號Fig.2 Michelson interferometer and low coherence interference signals

其中，A1A2為射向樣品臂和參考臂的光強，a1，a2為兩面反射鏡的反射率，n為光經(jīng)過的介質(zhì)的折射率（此處為空氣，n取1），k為波矢，Δz為兩束光的光程差。

干涉信號的表達式可以表示為帶寬范圍內(nèi)對λ取積分：

其中，λm為光源的光譜半帶寬，φ(λ)為探測器接收到的干涉信號關(guān)于λ的光強分布。在兩路光線的等光程點（兩束光線走過的總路程相等的位置）附近來回移動參考臂的反射鏡前后移動，兩束光線發(fā)生干涉產(chǎn)生明暗變化。干涉信號的波形如圖2(b)，在等光程點處干涉信號達到最大值。

圖2中，(a)表示邁克爾遜干涉原理簡圖，(b)表示低相干的干涉信號，兩束光的干涉信號在等光程點最強。隨著參考臂反射鏡的移動，兩者之間光程距離差增大時，干涉信號逐漸減弱。由此可知，若使樣品臂與參考臂的光程等長，可以獲得最好的干涉信號，有助于測量信號判斷，提高測量準確度。

1.3 眼軸長度測量原理

本文提出的光學測量方案測量眼軸長度利用了低相干光干涉的原理：當樣品臂的光射入眼睛，經(jīng)過角膜、晶狀體、玻璃體到達視網(wǎng)膜并沿原路返回，與參考臂的光經(jīng)光學延遲裝置返回的光產(chǎn)生干涉，將兩路光信號接入到探測器進行差分信號的處理。由圖2（b）可知，若被測人眼的回光與樣品臂的回光之間光程差為零，則產(chǎn)生的干涉信號光強最大，通過精準定位多個干涉信號的位置，即判斷出角膜與視網(wǎng)膜的干涉信號的位置，計算出兩處干涉信號之間的位置距離，實現(xiàn)眼軸長度的測量。

若準確測量人眼的眼軸長度，需實現(xiàn)軸向掃描。本系統(tǒng)方案利用光學延遲線改變參考臂的光程，實現(xiàn)軸向掃描。光學延遲線可分為直線式與旋轉(zhuǎn)式兩種。本系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)對人眼眼軸的測量，直線式光學延遲線要完成一次軸向掃描需要較長的時間，而人眼在此掃描過程中是運動的，需要盡可能快速地完成測量過程，這就會導致測量精度偏低。旋轉(zhuǎn)式光學延遲線具有響應(yīng)時間快，高線性度等優(yōu)點，可以實現(xiàn)快速、精確地眼軸測量，滿足本系統(tǒng)設(shè)計方案需要快速測量的需求。

鑒于兩種光學延遲線的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)方案使用的旋轉(zhuǎn)式光學延遲線如圖3。入射光從A點進入光學材料，發(fā)生折射打到B點，在C、D點發(fā)生反射從D點折射出去，經(jīng)過反射回光達到延時的目的，改變光程。

圖3 光學延遲線掃描原理圖Fig.3 Schematic diagram of optical delay line scanning

光學延遲線旋轉(zhuǎn)時，不同角度α的入射光與光學材料中的光程S(α)的關(guān)系式如下：

式（3）中：α為入射角，β為折射角，a為光學材料的邊長，n為光學材料的折射率[18]。

當光學材料的邊長恒定，改變?nèi)肷浣堑慕嵌圈?，光程并非成線性關(guān)系改變。在整個測量過程中，光學延遲裝置的旋轉(zhuǎn)速度是恒定的，探測器探測到的光信號的速度恒定。因此，測量不同的人，在單位時間內(nèi)采集得到的信號長度與實際長度不符，根據(jù)干涉原理需要對其進行校正，以保證測量結(jié)果的準確性。

本系統(tǒng)利用上述旋轉(zhuǎn)式光學延遲線方案實現(xiàn)參考臂信號的回光的光程改變，從而達到與人眼入射光不同測量位置回光的光程等長，獲取最佳的干涉信號，使測量結(jié)果的準確性提高。

2 測量結(jié)果與分析

對本系統(tǒng)提出的光學測量方案經(jīng)過實際測量驗證，對比標準模擬眼多次測量取平均值與標準值對比，并與蔡司IOL Master進行多組測量數(shù)據(jù)的對比，驗證其準確性、重復性與可靠性。

2.1 本系統(tǒng)的信號測量

本系統(tǒng)的測量結(jié)果通過探測器采集兩路差分信號將光信號轉(zhuǎn)換為電信號處理傳輸至上位機，經(jīng)算法計算處理得到測量眼軸的各項參數(shù)，可在測量過程中顯示實時測量信號。

圖4為本系統(tǒng)搭建的測量系統(tǒng)在測量過程中的實時信號數(shù)據(jù)的可視化圖窗，圖中為探測器所采集得到的原始數(shù)據(jù)并經(jīng)過信號處理的干涉信號。在程序啟動后，可通過對人眼瞳孔圖像擬合圓，通過圓環(huán)擬合找到眼睛測量得到干涉信號，計算得出眼軸長度。此圖綠色為信號，表示兩路回光產(chǎn)生的干涉信號及探測器中的噪聲信號；紅色虛線為信號所處位置，通過信號所處位置來判斷測量系統(tǒng)是否移動到合適的測量位置，提高測量準確度；前后紅色實線為設(shè)置的閾值，避免因為噪聲偏大時，錯誤認為有效信號。圖4中前后兩處綠色峰值信號分別為前角膜與視網(wǎng)膜干涉信號，對峰值處信號處理，計算兩者之間的距離則可得眼軸長度，對角膜處信號處理計算得到角膜曲率。

圖4 眼軸測量實時信號的可視化圖窗Fig.4 Visual window for the measurement signal of the axial measurement program

2.2 標準模擬眼的測量與分析

為測量本系統(tǒng)測量結(jié)果的重復性與準確性，在同一條件下，對同一個中國計量院的標準眼軸長模擬眼進行多次的測量，對比其測量數(shù)據(jù)的重復性與一致性。表1是5次標準模擬眼的測量結(jié)果，計算其平均值與方差。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，測量誤差平均值在10μm以內(nèi)，且方差較小，可以得出本系統(tǒng)的測量結(jié)果的穩(wěn)定性好、重復性良好，有著實際應(yīng)用價值。

表1 標準模擬眼5次測量數(shù)據(jù)Table 1 Standard simulated eye five measurements

2.3 IOL Master對比測量數(shù)據(jù)結(jié)果

為進一步驗證此系統(tǒng)方案的準確性，對比市面已被認可的IOL Master系統(tǒng)進行多組數(shù)據(jù)的測量。表2表示了本系統(tǒng)與IOL Master系統(tǒng)測量5個不同人進行參數(shù)比較，測量結(jié)果如下。

表2 對比IOL Master 5組測量數(shù)據(jù)Table 2 Compare five groups of measurement data of IOL Master

從表2中數(shù)據(jù)可知，測量誤差最大值為20μm，結(jié)果說明測量不同的人眼可以保證良好的準確性，證明此系統(tǒng)的測量結(jié)果有良好的一致性，可以達到實際測量效果。本次測量人眼眼軸長度覆蓋范圍較廣。由此可知，本系統(tǒng)的測量方案可以滿足各類人群的測量，具有實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計的基于低相干光干涉原理的眼軸測量系統(tǒng)實現(xiàn)雙光路差分信號干涉對眼軸測量，可獲得眼軸長度、角膜曲率等主要參數(shù)。對中科院標準模擬眼多次測量與IOL Master對不同人在同一條件下對比測量，結(jié)果表明本系統(tǒng)的測量結(jié)果具有可靠性及良好的重復性。

本系統(tǒng)仍存在誤差，誤差主要由于光學系統(tǒng)內(nèi)部的參考臂的回光受旋轉(zhuǎn)光學延遲裝置的穩(wěn)定性影響。理論上應(yīng)在任意時刻都保持相同的速率，實際應(yīng)用中仍無法保證其長時間保持瞬時速度不變，會導致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。本系統(tǒng)方案通過相機圖像處理實現(xiàn)找眼測量，需要找眼進行圖像處理擬合，速度有待提高，也可后續(xù)改進提高找眼的準確性與速度，降低測量過程中的誤差，進一步提高測量速度、準確度與重復性，提高測量體驗感，為后續(xù)的研發(fā)與實驗提供一種思路。

總之，本文設(shè)計了一套光學測量的方案，利用低相干光干涉原理進行測量，可一次性獲得眼軸長度、角膜曲率等重要參數(shù)，具有高準確度、高重復性的優(yōu)點。本研究對于早期的假性近視預防和近視防控提供了新的測量方案，為眼軸生物參數(shù)測量儀的研發(fā)提供了新的技術(shù)方案，具有重要的現(xiàn)實意義。