朱海龙，冯大伟，付威威

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院苏州生物医学与工程技术研究所 医学影像室，苏州 215000）

干眼症，又称角结膜干燥症，常见症状包括眼睛干涩、容易疲倦、眼痒、有异物感、痛灼热感、分泌物粘稠、怕风、畏光、对外界刺激很敏感等，我国的干眼患病率约在21%-33.7%，目前干眼在世界范围内的发病率呈逐年上升趋势，已经发展为一种危及健康的常见病、多发病。随着电子屏幕的广泛使用、环境恶化、滴眼液的滥用、隐形眼镜的配戴等原因，干眼症还将继续增多。引起干眼症的主要原因是眼表泪膜的异常破裂，相关研究文章表明，干眼症患者泪膜破裂时间通常低于10s，正常人眼泪膜破裂时间一般为 10-45s［1，2，3］。泪膜的破裂时间长短是判断是否患有干眼症的一项重要指标，因此准确有效的检测出泪膜的破裂时间对干眼症的检查有着重要的意义。

传统的干眼症的检查方法有：裂隙灯检查、泪液分泌试验（Schirmer I及II试验）、泪膜破裂时间（Tear Break-up Time，BUT）试验、眼表活体染色试验、泪液渗透压测定试验，乳铁蛋白含量测定（Lactoferrin，LF）试验，泪液蕨样变试验，结膜印迹细胞学检查，血清学检查等。这些传统评估泪膜稳定性的方法为侵犯性泪膜破裂时间（invasive tear break-up time，IBUT），具有变异性大、重复性低、易受外界影响等局限性［4］。现代的非入侵式检查方法有光学相干断层扫描技术，但是光学相干断层扫描技术一般成本较高并且结构比较复杂［5］。而且目前市场上专业的干眼检测设备较少，并且都依赖进口，价格比较昂贵，如德国OCULUS的Keratograph 5M干眼检测设备售价近四十万人民币，价格过于昂贵，国内很多中小型医院资金短缺，无力购买。针对以上需求，有必要研制开发一种针对干眼症状分析的设备，替代现有临床的侵入式的检查手段，从而减少患者痛苦，替代国外进口设备，降低设备成本。

本文基于Placido盘的非侵入式的检验方法，研制了能对人眼表面泪膜破裂时间进行测量的干眼症检测仪，基于泪膜破裂时间的图像算法，设计了照明和成像系统［6］。照明系统可以将Placido盘后表面均匀的照明，在人眼泪膜上可以得到照度均匀的投影图；为了适应仪器整体结构，利用zemax软件设计了工作距为100mm的成像物镜，优化后的物镜可以得到良好的成像质量。实验结果表明，本文所设计的照明和成像系统可以很好的满足干眼检测仪整机要求。

1 系统设计原理

图1 干眼检测仪照明成像系统结构及原理图

如图1，首先LED背光源发出光将Placido盘照明，将Placido盘上黑白相间的环形条纹的像投影到人眼表面的泪膜上，然后光经过人眼表面泪膜反射，通过成像物镜，将泪膜表面Placido环形的投影图成像在CCD相机上。当人眼表面泪膜完整无破裂时，CCD相机上采集到的人眼表泪膜上的黑白相间的圆环是完整的同心圆环。当人眼表面的泪膜破裂时，CCD相机采集到的人眼泪膜上的黑白相间的圆环随着泪膜的破裂而扭曲或者不完整。根据CCD相机采集到受检查者的眼表泪膜由完整到破裂时的一系列图片，经过图像算法处理，即可得出泪膜破裂时间，从而判断出受检查者泪膜破裂时间是否异常。

2 LED光源设计

考虑到干眼症检测时图像采集是连续长时间采集，为了减少对人眼的刺激，这里选择中心波长850nm的红外LED灯珠。为了得到更加容易处理的图像，算出精确的泪膜破裂时间，人眼泪膜上的Placido盘投影图像的黑白环需要照度均匀，这就要求背光源能将Placido盘后表面均匀照明。因本设计里Placido盘相对单个LED比较大，且单个LED为近朗伯体发光，均匀性较差，所以本设计在参考国内外专利文献后决定照明光源采用多个LED环形排布设计［7-9］。为了达到良好的匀光效果，本文选取一款发散角150°的LED灯珠，并且在LED焊接电路板后10mm处，加一亚克力光扩散板用来匀光。光源设计示意图如图2所示，LED分布参数如表1所示。

图2 光源LED分布示意图

表1 LED灯珠分布参数

将设计后加工好的光源装调好后，用光谱仪测量照度的均匀性，以placido盘中心为圆心，在每个白环前表面（靠近人眼一侧）每隔90°测量一次照度值，得到44个点的照度值，测量数据见表2，然后根据均匀度计算公式：

计算可得Placido盘前表面的照度均匀度为78.7%，这表明本光源设计可以比较均匀的将Placido盘后表面照明，满足整机系统里图像算法的均匀度需求。

表2 Placido盘实测照度值

3 成像光学系统设计及结果

3.1 成像系统参数要求

本文选用100万像素1/2′面阵CCD，具体参数如表3所示。

表3CCD相关参数

根据表3像元尺寸大小，由奈奎斯特采样定理（2），可算出本系统要求的截至频率为90.91lp/mm。

式中，fs为截止频率，s为像元尺寸。

光学系统设计参数如表4所示。

表4 光学系统设计参数

3.2 系统初始结构选取和优化

从光学设计手册中寻找一款照相物镜做为初始结构，在zemax软件里选取物方半物高分别为0mm、4.5mm、6.3mm、9mm四个视场。根据选取的照明光源的近红外LED灯珠的光谱特性曲线，选择760nm～940nm波段为系统波长，中心波长为850nm。入瞳直径设置为12mm。然后将物镜中的曲率、厚度、玻璃材料等参数输入到zemax软件里。由于所要设计的系统是小视场小相对孔径系统，因此可以着重对轴上像差进行优化，轴外像差可把权重值设置相对低一点［11］，在光学软件zemax优化时，使用正负透镜组合来矫正球差；保留一对双胶合透镜来矫正色差，胶合透镜选用色散差较大的玻璃材料，能有效减少轴向色差；让靠近光阑的镜片弯向光阑，使得主光线偏角尽量小，利于轴外像差的校正。优化后的光学系统如图3所示，系统像高7.86mm，后工作距30.03mm，筒长78mm，详细结构参数如表5。整个系统不但满足了设计需求，还有结构简单，且玻璃为常用玻璃，制造成本较低等特点。

图3 优化后的镜头

表5 镜头结构参数

3.3 设计结果分析

如图4所示，弥散斑的均方根（RMS值）在各个视场均小于CCD像元尺寸5.5um，并且各个值都接近艾利斑尺寸；图5所示为系统的MTF曲线，从图中可看出，在空间频率值为91lp/mm处全视场MTF值大于0.4，并且MTF曲线接近衍射极限；图6为系统场曲畸变图，从图中可以看出，场曲在全视场最大处不大于0.04mm，全视场最大畸变不大于0.8%；图7为系统最大视场9mm处的波像差图，图中峰谷比为0.17个波长，小于瑞利判据0.25个波长。由以上知，本系统有着良好的成像质量，达到了设计要求。

图4 系统点列图

图5 系统MTF图

图6 系统场曲畸变图

图7 系统9mm视场处波像差图

4 实验结果与分析

将上述照明和成像系统加工组装到整机后，整机样机如图8所示，对人眼表面泪膜进行成像实验，图9所示为本设计仪器整机采集到的泪膜上的投影图片，此时眼表泪膜上Placido环形还是完整同心的，由图9可知泪膜表面圆环亮度均匀性比较好，说明此系统照明光源设计完成了设计需求，同时也可说明物镜设计也完成了成像需求，可以得到质量良好的眼表泪膜上的Placido盘的投影图。

图8 干眼检测原理样机图

图9 实验效果图

5 结论

本文基于Placido盘的原理设计出一款便捷的干眼检测仪，对投影照明系统的LED背光源进行了设计仿真模拟，得到了良好的人眼表面的照明效果。根据系统要求，用zemax光学设计软件对成像系统进行了模拟设计，在全视场91mm/lp处mtf值大于0.3，达到了良好的成像效果。在加工装配后，本照明成像系统所得到的图片可以良好的展示出泪膜上Placido盘环形投影图像，达到了整机系统的需求。

参考文献

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