CN109199320B - 一种便携式视力筛选仪及其光路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医学检测设备和视力筛选仪领域，尤其涉及一种便携式视力筛选仪及其光路结构。本发明视力筛选仪由电路系统和光路结构组成，电路系统为双处理器结构，其中包含ARM处理器、FPGA、SDRAM、超声测距电路、温度检测电路、环境光检测电路、无线充电电路等部件；光路结构中包含近红外光源、准直透镜、CCD图像传感器、HS传感器、高通滤光片等部件。本发明便携式视力筛选仪能够对成人、婴幼儿、特殊疾病患者等各类人群进行快速、准确、全面的视力筛查及分析，可检测球镜度数、柱镜度数、柱镜角度、瞳孔大小、瞳距、屈光异常和固视方向等多种指标，适用于医院、体检中心、学校、眼镜店等各类机构。

Description

一种便携式视力筛选仪及其光路结构
技术领域
本发明涉及医学检测设备和视力筛选仪领域，尤其涉及一种便携式视力筛选仪及其光路结构以及其在医学检测中的应用。
背景技术
目前医院眼科及眼镜行业所使用的视力筛选仪(验光仪)主要是台式验光设备，验光对象主要是成人或达到一定年龄、可以主动配合的儿童，需要将头放在支架上，眼睛配合医生主动去观察。台式验光设备按照其验光原理不同可分为主观式验光仪和客观式验光仪，主观式验光仪需要被测者反馈自己的感受，从而使得测试结果更为准确；而客观式验光仪则不需要被测者的反馈，避免了人为误差。但无论主观式验光还是客观式验光都需要被测者的行为配合，如果被测者年龄较小或存在某些疾患，则可能无法进行测试，另外，由于台式验光仪通常体积较大，不易移动，无法进行家庭访视。因此，台式验光仪并不适用于婴幼儿及一些特殊的病患者。
为了克服上述台式验光仪的不足，技术人员开发出了便携式视力筛选仪(便携式验光仪)，旨在解决台式验光仪笨重、不易携带、筛查效率低等问题，并在婴幼儿视力筛查中得到了较广泛的应用。
目前便携式视力筛选仪采用的技术有两种，一种是采用Hartmann-Shark技术，利用Zernike多项式进行像差分析后得出测量结果，其可以准确的分析出人眼的低阶像差和高阶像差，即分析人眼的近视、远视、散光和柱镜轴位；另一种是通过摄像-验光法的原理进行测量，是将近红外光源透射到被测者眼底视网膜上，视网膜上的光反射到瞳孔区域，在不同的屈光状态下呈现不同的图案，摄像机记录图案并通过计算得出屈光度、屈光参差和斜视等相关数据。
但上述两种便携式视力筛选仪也各有其优缺点：采用Hartmann-Shark技术的便携式验光仪，一般被称为单目视力筛选仪，其优点是测量准确，但测量项目相对较少，只能测球镜(近视、远视)、柱镜(散光)和轴位(散光角度)，而且只能单眼测量；采用摄像技术的便携式视力筛选仪，一般被称为双目视力筛选仪，其可同时测得两个眼睛的球镜(近视、远视)、柱镜(散光)和轴位(散光角度)等数据，还可以通过图像处理分析出瞳孔的大小、瞳距、固视角度等结果，并同时拍摄眼睛的图像，相对Hartmann-Shark技术，其分析内容丰富许多，但其最大的问题在于测试结果准确性低，重复性较差，而且不能分析高阶像差。
如何克服上述两种便携式视力筛选仪在使用过程中存在的缺陷，开发出适用于婴幼儿视力筛查的能够进行快速、准确、全面的视力筛查及分析的新型便携式视力筛选仪已成为技术人员关注的课题。然而，由于上述两种便携式视力筛选仪其检测原理具有很大差异，将其结合使用技术难度较大，因此，目前为止尚未见到结合使用上述技术制成的便携式视力筛查设备面世。
发明内容
为了克服现有便携式视力筛选仪在使用过程中存在的缺陷，本发明在反复调试的基础上，开发出了一种全新的便携式视力筛选仪。
人眼测量技术根据是否需要被测者的响应分为主观测量法和客观测量法。主观测量法包括主观阴影像差仪、干涉度量法和主观光路追迹法等，这些都需要依据被测者的反馈进行结果判定；客观测量法主要包括基于哈特曼-夏克(Hartmann-Shark，HS)波前传感器测量法、客观阴影像差法、摄影验光法、双光程法和同步像差法等，客观测量法不需要被测者的反馈，可尽量减少人为误差，而且适用范围更广。
在各种客观测量方法中，采用Hartmann-Shark技术的检测设备应用最为广泛。当将Hartmann-Shark技术应用于验光仪领域时，主要是利用其进行波前像差的测量，并在此基础上分析Zernike多项式的低阶像差，即分析人眼的近视、远视、散光和柱镜轴位。
人眼的复杂像差可以分解为多个Zernike多项式：
W＝C0 0Z0 0+C1 -1Z1 -1+C1 1Z1 1+C2 -2Z2 -2+C2 2Z2 2+C2 0Z2 0+C3 -3Z3 -3+C3 -1Z3 -1+……+其余高级多项式；
而人眼的一些像差就可以用Zernike多项式的系数计算出来：
例如，用于表述人眼近视/远视的球镜度(S)可表述为：
Figure BDA0001746650170000031
用于描述人眼散光的柱镜度(C)可表述为：
Figure BDA0001746650170000032
用于描述人眼散光角度的轴位角(θ)可表述为：
Figure BDA0001746650170000033
由此可见，采用Hartmann-Shark传感器通过Zernike多项式可以很精确的测量出人眼的各种低价像差。
传统的Hartmann-Shark测试光路结构如附图1所示，其中：
(1)近红外光源、(2)准直透镜L1、(3)光阑S1、(4)反射镜M1、(5)CCD图像传感器1、(6)HS传感器、(7)高通滤光片F1、(8)透镜L3、(9)透镜L2、(10)分光片M2、(11)窗口片M3、(12)瞳孔。
在这个光路中，近红外光源多采用近红外发光二极管(LED)或近红外激光二级管(LD)，L1将光源发出的近红外光准直，光阑S1限制准直光的出射孔径，一般形成直径1～2mm的光束；M1是全反射镜，使得光束呈90°偏转；M2是分光片，使得出射光束部分透射，部分反射；M3是窗口片，主要起保护和密封作用；经M2反射后的准直光束经过窗口片M3后进入人眼，经瞳孔汇聚后，光斑呈现在眼底视网膜处，漫反射后通过瞳孔出射，经瞳孔出射的光线再经过窗口片M3，然后经过分光片M2透射，经透镜L2、L3整形后经过高通滤光片F1，再经过HS传感器，然后成像在CCD图像传感器上，CCD和瞳孔呈共轭关系。
在本发明中，发明人改进了传统的Hartmann-Shark测试光路结构，得到了一种适用于便携式视力筛选仪的新光路结构，如附图2所示，改进后的新光路结构由下述部件组成：
(1)近红外光源、(2)准直透镜L1、(3)光阑S1、(4)反射镜M1、(5)CCD图像传感器1、(6)HS传感器、(7)高通滤光片F1、(8)准直透镜L3、(9)准直透镜L2、(10)分光片M2、(11)窗口片M3、(13)CCD图像传感器2、(14)透镜L4、(15)透镜L5、(16)分光片M4；其中：
由近红外光源发出的光束经准直透镜L1准直后射入直径2mm的光阑S1，使得准直光形成直径2mm的准直光束；
反射镜M1使得准直光束呈90°偏转；
CCD图像传感器1、HS传感器、高通滤光片F1、准直透镜L3、准直透镜L2、分光片M2和窗口片M3组成本光路结构的第一测试通道；
分光片M2为50％分光片，使得准直光束50％透射，50％反射；
窗口片M3起保护和密封作用；
经分光片M2反射后的准直光束经过窗口片M3后进入人眼，经瞳孔汇聚后，光斑呈现在眼底视网膜处，经视网膜再次反射后通过瞳孔出射，经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3，然后依次经过分光片M2透射，准直透镜L2和准直透镜L3整形，高通滤光片F1滤光，HS传感器处理后成像在CCD图像传感器1上，CCD图像传感器1和人眼瞳孔成共轭关系；
CCD图像传感器2、透镜L4、透镜L5和分光片M4组成本光路结构的第二测试通道；
分光片M4为50％分光片；
透镜L5和透镜L4构成一个望远系统；
经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3后，其中50％经过分光片M2反射至分光片M4上，反射光经分光片M4再次反射后进入透镜L5和透镜L4构成的望远系统中，最后成像在CCD图像传感器2上。
在本发明光路结构中，CCD图像传感器1主要用于处理人眼的像差，其作用是分析、测量人眼的球镜、柱镜及柱镜角度；CCD图像传感器2主要用于获取人眼的整体图像，该通道即为摄像通道，获得的人眼图像可用于分析、测量瞳孔大小、瞳距、固视方向、屈光参差等指标。
因为准直透镜L2的透镜焦距为200mm，准直透镜L3的透镜焦距为100mm，准直透镜L2和L3的间距为300mm，因此如果成直线摆放则光路结构尺寸太大，为了解决这个问题，生产厂家一般采用两个反射镜，形成“门”字形结构，如附图3所示，其中：
(5)CCD图像传感器1、(6)HS传感器、(7)高通滤光片F1、(8)准直透镜L3、(9)准直透镜L2、(10)分光片M2、(11)窗口片M3、(17)反射镜M5、(18)反射镜M6。
在准直透镜L2和L3的光路中间插入2片反射镜M5、M6，这样可以使得光路产生180°的转折，有利于减小仪器尺寸，但经上述改进后的结构尺寸仍然偏大，不能满足便携性要求。
为了解决上述问题，在保证光程不变的前提下进一步减小仪器尺寸，本发明采用了“几”字形结构，在准直透镜L2和L3的光路中间插入4片反射镜M5～M8，使得入射光束产生多次回转，可以在保证光程不变的前提下，进一步减小结构尺寸。
如附图4所示，作为一种优选，本发明便携式视力筛选仪的光路结构中还可包含下述部件：(17)反射镜M5、(18)反射镜M6、(19)反射镜M7和(20)反射镜M8；所述反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7和反射镜M8依次设置于准直透镜L2和准直透镜L3之间，并成“几”字形排列。
进一步地，本发明便携式视力筛选仪的光路结构，其中：
所述近红外光源为波长850nm的激光二极管；
所述高通滤光片F1的前截止波长为810nm，光密度D值大于3，其作用是滤除可见光。
此外，本发明还涉及上述光路结构在制备便携式视力筛选仪中的应用。
作为本发明的主要目的之一，本发明旨在提供一种便携式视力筛选仪，所述便携式视力筛选仪中包含电路系统和光路结构，其中：
所述电路系统为双处理器结构，其中包含下述部件：1#ARM处理器、2#ARM处理器、FPGA、1#SDRAM、2#SDRAM、超声测距电路、温度检测电路、存储电路、环境光检测电路、接口电路、电源电路、锂电池、无线充电电路、激光功率电路和显示屏接口；
其中所述1#ARM处理器和2#ARM处理器的外部均设有CCD接口和SDRAM接口；
所述光路结构由下述部件组成：
(1)近红外光源、(2)准直透镜L1、(3)光阑S1、(4)反射镜M1、(5)CCD图像传感器1、(6)HS传感器、(7)高通滤光片F1、(8)准直透镜L3、(9)准直透镜L2、(10)分光片M2、(11)窗口片M3、(13)CCD图像传感器2、(14)透镜L4、(15)透镜L5、(16)分光片M4；其中：
由近红外光源发出的光束经准直透镜L1准直后射入直径2mm的光阑S1，使得准直光形成直径2mm的准直光束；
反射镜M1使得准直光束呈90°偏转；
CCD图像传感器1、HS传感器、高通滤光片F1、准直透镜L3、准直透镜L2、分光片M2和窗口片M3组成本光路结构的第一测试通道；
分光片M2为50％分光片，使得准直光束50％透射，50％反射；
窗口片M3起保护和密封作用；
经分光片M2反射后的准直光束经过窗口片M3后进入人眼，经瞳孔汇聚后，光斑呈现在眼底视网膜处，经视网膜再次反射后通过瞳孔出射，经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3，然后依次经过分光片M2透射，准直透镜L2和准直透镜L3整形，高通滤光片F1滤光，HS传感器处理后成像在CCD图像传感器1上，CCD图像传感器1和人眼瞳孔成共轭关系，主要用于处理人眼的像差，其作用是分析、测量人眼的球镜、柱镜及柱镜角度；
CCD图像传感器2、透镜L4、透镜L5和分光片M4组成本光路结构的第二测试通道；
分光片M4为50％分光片；
透镜L5和透镜L4构成一个望远系统；
经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3后，其中50％经过分光片M2反射至分光片M4上，反射光经分光片M4再次反射后进入透镜L5和透镜L4构成的望远系统中，最后成像在CCD图像传感器2上，CCD图像传感器2主要用于获取人眼的整体图像，该通道即为摄像通道，获得的人眼图像可用于分析、测量瞳孔大小、瞳距、固视方向、屈光参差等指标。
作为一种优选，本发明便携式视力筛选仪，其光路结构中还可包含下述部件：(17)反射镜M5、(18)反射镜M6、(19)反射镜M7和(20)反射镜M8；所述反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7和反射镜M8依次设置于准直透镜L2和准直透镜L3之间，并成“几”字形排列。
进一步地，本发明便携式视力筛选仪，其光路结构中：
所述近红外光源为波长850nm的激光二极管；
所述高通滤光片F1的前截止波长为810nm，光密度D值大于3，其作用是滤除可见光。
进一步地，本发明便携式视力筛选仪，其电路系统中：
所述超声测距电路为500kHz单探头收发一体的超声测距模块，其发射角为7.5；
所述温度检测电路采用B值为3950的1％精度NTC热敏电阻作为传感器；
所述环境光检测电路采用可见光响应范围的硅光二极管作为检测元件，并包含I/V转换电路；
所述接口电路包含下述三种接口类型：USB接口电路、蓝牙接口电路和WIFI接口电路；
所述激光功率电路为恒功率电路，设定输出功率为2mW。
本发明便携式视力筛选仪的电路系统采用双处理器结构，如附图5所示，其设计思想是采用并行处理方式，因为一个处理器无法同时处理两路CCD图像，并且还要满足同时处理多个外部传感器数据的实时需求，因此采用了两组ARM处理器并行处理，然后对处理后的数据集中管理的方式。
其中CCD图像传感器1接收来自Hartmann-Shark传感器透射来的近红外光，并形成一幅完整的图像，该图像会被实时的存储在1#SDRAM中，因为要在50ms内完成对整个图像的捕捉、存储、预处理和判断，因此单纯用ARM处理器是无法满足这个处理速度的，因此在这个电路内采用了FPGA来实现对CCD图像的处理，其首先按照CCD规定的时序发送脉冲读取CCD图像信号，并将每个CCD的像素点的值依次存储在1#SDRAM的不同地址中，同时FPGA会按行和列分别对图像数据进行预处理(阈值去噪声—>平滑—>积分)，然后根据处理的结果判断该图像是否满足要求，如果符合，则做5幅图像的累加平均；如果不符合，则抛弃该图像，用下一幅图像覆盖该图像；这样可解决图像抖动、眨眼等问题。
FPGA对图像进行预处理后，由1#ARM处理器再进行全面处理，对图像进行区域划分、质心提取、计算眼球的球镜、柱镜屈光度和柱镜角度(即测量近视、远视、散光的度数和散光角度)等，并将计算结果传送给2#处理器进行汇总。
CCD图像传感器2接收来自望远系统的可见光并形成人眼区域图像，2#ARM处理器实时获取这些眼睛的图像，并通过显示屏接口将其动态的呈现在TFT显示屏上，其间并不做任何图像处理，当收到1#ARM处理器的处理数据后，锁定CCD图像传感器2的图像并将其保存在2#SDRAM中，然后对保存在2#SDRAM中的眼睛图像进行图像处理(去噪声、特征提取、瞳孔识别)，并根据超声传感器测量的距离换算出瞳孔的大小，还可根据瞳孔表面反射光的位置判断是否存在固视不正(斜视)等问题。
本发明便携式视力筛选仪的电路系统中的激光功率电路是用来给激光二极管提供稳定的电流，可提供不超过2mW的光功率，并具有通断控制功能。
由于本发明为便携产品，因此采用锂电池供电，为方便移动充电，本发明产品采用无线充电方式，其发射端为9V电源，无线充电功率为10W。
另外，如果外界光强太大，人的瞳孔会变小；如果外界光强太小，人的瞳孔会变大，而这两者都会给测量造成误差，因此本发明电路系统中还设计了环境光检测电路(光强检测电路)，检测器采用硅光二极管，可在测试时检测外界光强的大小，当外界光强大于300Lux或小于60Lux时，会给检测者以提示，从而有效避免了光强因素造成的测量误差。
本发明电路系统中的温度检测电路分为两路，一路用于检测锂电池温度，当充电温度过高时自动切断供电电压并发出警报，防止损坏电池甚至引发火灾；另一路用于检测外界环境温度，因为超声测距其原理是检测超声波在抵达目标后的回波间隔，探头和目标间的距离L＝V*T/2，其中V是超声波波速，T是超声波发射和接收的时间间隔。然而，超声波的波速受温度影响较大，其公式为：
Figure BDA0001746650170000081
或经验公式：V＝331.3+0.606*T，其中的T为环境温度(℃)，由此可见，必须考虑到环境温度对波速的影响，才能准确的计算出人眼的实际距离，并根据三角函数测算出瞳孔大小和瞳距。
本发明电路系统中的超声测距电路可发射和接收500kHz的超声波，由于采用了温度校正，其测量误差可控制在2mm之内，瞳孔直径的测量精度可达到0.05mm，瞳距的测量精度可达到0.5mm。
测量得到的数据可通过存储电路保存在TF存储卡中，也可以利用接口电路通过USB、蓝牙或WIFI传输到外部设备上去。
综上，本发明综合分析了单目和双目视力筛选仪的构造特点，通过对光路结构的改进，既保留了Hartmann-Shark技术，用于测量球镜(近视、远视)、柱镜(散光)和轴位(散光角度)等数据；同时也结合了摄像技术，不仅可获得并保存眼睛的图像，还可分析出瞳孔大小、瞳距、固视角度等信息，从而实现了在保证高测量精度的同时，获得尽可能多的人眼信息。本发明便携式视力筛选仪在一定程度上克服了现有产品检测项目单一、测试准确性低、重复性差等缺陷，可以很好的满足视力检测仪器市场的需求。
本发明便携式视力筛选仪属于多用途视力检测设备，能够对成人、婴幼儿、特殊疾病患者等各类目标人群进行快速、准确、全面的视力筛查及分析，可检测球镜度数、柱镜度数、柱镜角度、瞳孔大小、瞳距、屈光异常和固视方向等多种指标，适用于医院、妇幼保健院、体检中心、社区服务中心、幼儿园、中小学、眼镜店、配镜中心等各类机构。
附图说明
图1为传统Hartmann-Shark测试光路结构图。
图2为本发明便携式视力筛选仪中改进后的Hartmann-Shark测试光路结构图。
图3为传统的“门”字形转折光路结构图。
图4为本发明便携式视力筛选仪中改进后的“几”字形转折光路结构图。
图5为本发明便携式视力筛选仪的电路系统结构图。
图6为本发明便携式视力筛选仪的测试流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
实施例
(一)便携式视力筛选仪
本发明便携式视力筛选仪中包含电路系统和光路结构，其中：
1.电路系统为双处理器结构，其中包含下述部件：1#ARM处理器、2#ARM处理器、FPGA、1#SDRAM、2#SDRAM、超声测距电路、温度检测电路、存储电路、环境光检测电路、接口电路、电源电路、锂电池、无线充电电路、激光功率电路和显示屏接口；其中：
1#ARM处理器和2#ARM处理器均采用STM32F429，其外部均设有CCD接口和SDRAM接口；
FPGA采用Altera公司的EP4CE6F17C8；
1#SDRAM和2#SDRAM均采用HYNIX公司32M的H57V256GTR；
超声测距电路采用500kHz单探头收发一体的超声测距模块，其发射角为7.5；
温度检测电路采用B值为3950的1％精度NTC热敏电阻作为传感器进行检测；
存储电路采用外接的8GB的TF卡保存存储的图像数据和检测数据；
环境光检测电路采用可见光响应范围的硅光二极管作为检测元件，并包含I/V转换电路，其转换电压可直接接到STM32F429本身自带的12bit的A/D引脚上；
接口电路包含下述三种接口类型：分别是采用TYPE C接口的USB接口电路(其用于和计算机相连)、4.0版的蓝牙接口电路和WIFI接口电路；
锂电池为6.4V的4800mAh磷酸铁锂电池，循环充电可达2000次，充电电路的电流设定为最大1.5A；
激光功率电路采用恒功率电路，设定输出功率为2mW，提供给外接的近红外激光二极管；
显示屏接口采用LVDS接口，外接800*480分辨率的彩色TFT显示屏，该显示屏为电容触控屏。
2.光路结构由下述部件组成：
(1)近红外光源、(2)准直透镜L1、(3)光阑S1、(4)反射镜M1、(5)CCD图像传感器1、(6)HS传感器、(7)高通滤光片F1、(8)准直透镜L3、(9)准直透镜L2、(10)分光片M2、(11)窗口片M3、(13)CCD图像传感器2、(14)透镜L4、(15)透镜L5、(16)分光片M4；其中：
所述近红外光源为波长850nm的激光二极管，由其发出的光束经准直透镜L1准直后射入直径2mm的光阑S1，使得准直光形成直径2mm的准直光束；
反射镜M1使得准直光束呈90°偏转；
CCD图像传感器1、HS传感器、高通滤光片F1、准直透镜L3、准直透镜L2、分光片M2和窗口片M3组成本光路结构的第一测试通道；
CCD图像传感器1(1#CCD)采用On Semiconductor公司的AR0134图像传感器芯片，为120万像素，其近红外灵敏度较高，用于采集HS传感器透射的近红外光束；
分光片M2为50％分光片，使得准直光束50％透射，50％反射；
窗口片M3起保护和密封作用；
高通滤光片F1的前截止波长为810nm，光密度D值大于3，其作用是滤除可见光；
经分光片M2反射后的准直光束经过窗口片M3后进入人眼，经瞳孔汇聚后，光斑呈现在眼底视网膜处，经视网膜再次反射后通过瞳孔出射，经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3，然后依次经过分光片M2透射，准直透镜L2和准直透镜L3整形，高通滤光片F1滤光，HS传感器处理后成像在CCD图像传感器1上，CCD图像传感器1和人眼瞳孔成共轭关系，主要用于处理人眼的像差，其作用是分析、测量人眼的球镜、柱镜及柱镜角度；
CCD图像传感器2、透镜L4、透镜L5和分光片M4组成本光路结构的第二测试通道；
CCD图像传感器2(2#CCD)采用OmniVision公司的OV7725图像传感器芯片，为30万像素，用于采集望远系统获得的人眼部的可见光图像；
分光片M4为50％分光片；
透镜L5和透镜L4构成一个望远系统；
经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3后，其中50％经过分光片M2反射至分光片M4上，反射光经分光片M4再次反射后进入透镜L5和透镜L4构成的望远系统中，最后成像在CCD图像传感器2上，CCD图像传感器2主要用于获取人眼的整体图像，该通道即为摄像通道，获得的人眼图像可用于分析、测量瞳孔大小、瞳距、固视方向、屈光参差等指标。
(二)便携式视力筛选仪的光路系统
一种便携式视力筛选仪的光路结构，由下述部件组成：
(1)近红外光源、(2)准直透镜L1、(3)光阑S1、(4)反射镜M1、(5)CCD图像传感器1、(6)HS传感器、(7)高通滤光片F1、(8)准直透镜L3、(9)准直透镜L2、(10)分光片M2、(11)窗口片M3、(13)CCD图像传感器2、(14)透镜L4、(15)透镜L5、(16)分光片M4、(17)反射镜M5、(18)反射镜M6、(19)反射镜M7和(20)反射镜M8；其中：
所述近红外光源为波长850nm的激光二极管，由其发出的光束经准直透镜L1准直后射入直径2mm的光阑S1，使得准直光形成直径2mm的准直光束；
反射镜M1使得准直光束呈90°偏转；
CCD图像传感器1、HS传感器、高通滤光片F1、准直透镜L3、反射镜M5～M8、准直透镜L2、分光片M2和窗口片M3组成本光路结构的第一测试通道；
CCD图像传感器1(1#CCD)采用On Semiconductor公司的AR0134图像传感器芯片，为120万像素，其近红外灵敏度较高，用于采集HS传感器透射的近红外光束；
分光片M2为50％分光片，使得准直光束50％透射，50％反射；
窗口片M3起保护和密封作用；
高通滤光片F1的前截止波长为810nm，光密度D值大于3，其作用是滤除可见光；
反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7和反射镜M8依次设置于准直透镜L2和准直透镜L3之间，并成“几”字形排列；
经分光片M2反射后的准直光束经过窗口片M3后进入人眼，经瞳孔汇聚后，光斑呈现在眼底视网膜处，经视网膜再次反射后通过瞳孔出射，经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3，然后依次经过分光片M2透射，准直透镜L2和准直透镜L3整形，高通滤光片F1滤光，HS传感器处理后成像在CCD图像传感器1上，CCD图像传感器1和人眼瞳孔成共轭关系，主要用于处理人眼的像差，其作用是分析、测量人眼的球镜、柱镜及柱镜角度；
CCD图像传感器2、透镜L4、透镜L5和分光片M4组成本光路结构的第二测试通道；
CCD图像传感器2(2#CCD)采用OmniVision公司的OV7725图像传感器芯片，为30万像素，用于采集望远系统获得的人眼部的可见光图像；
分光片M4为50％分光片；
透镜L5和透镜L4构成一个望远系统；
经瞳孔出射的光线再次经过窗口片M3后，其中50％经过分光片M2反射至分光片M4上，反射光经分光片M4再次反射后进入透镜L5和透镜L4构成的望远系统中，最后成像在CCD图像传感器2上，CCD图像传感器2主要用于获取人眼的整体图像，该通道即为摄像通道，获得的人眼图像可用于分析、测量瞳孔大小、瞳距、固视方向、屈光参差等指标。
(三)便携式视力筛选仪的测试流程
如附图6所示，本发明便携式视力筛选仪的测试流程如下：
(1)仪器开机，点击测试按钮，进入测试页面，开始测试；
(2)硅光二极管检测外部光强；如果外界光强太小(<60Lux)或光强太大(>300Lux)，则该环境不适宜进行视力检测，提示检测者；
(3)如果环境光强适宜，则将激光对准人眼(在显示屏上可以看见瞳孔上的亮点)；
(4)与此同时，同步进行环境温度检测和超声测距，采用温度补偿算法，实时计算出仪器和人眼的距离；
(5)如果人眼与仪器的距离并没有达到设定的共轭距离，则需要根据显示屏提示手动调节仪器前后距离，当人眼与仪器处于共轭位置时，将自动触发FPGA，FPGA从1#CCD图像传感器中读取图像，并对图像进行预处理(阈值去噪、平滑、二维积分等)，进行初步判断；
(6)如采集的图像符合预设要求，则存入1#SDRAM中；如果1#SDRAM中已经存储有图像，则进行图像累加；
(7)如果图像已经存满5张，则立即触发2#ARM，从2#CCD图像传感器中读取图像并保存到2#SDRAM中；
(8)1#ARM对1#SDRAM中保存的图像进行二次处理(边缘提取、质心提取、质心偏差、计算Zernike系数等)，并进一步计算出球镜、柱镜、轴位的数据；然后将计算结果发送给2#ARM；
(9)2#ARM对2#SDRAM中的人眼图像数据进行处理(锐化、边缘提取、图像匹配等)，分析计算得出瞳孔大小和瞳距，并根据瞳孔中反射光斑的位置，计算出固视方向；
(10)将计算得到的所有数据(双眼的球镜、柱镜的屈光度、柱镜的轴位、瞳孔大小、瞳距、屈光参差、固视方向等)通过显示屏接口发送到TFT显示屏上。
以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种便携式视力筛选仪，其特征在于所述便携式视力筛选仪中包含电路系统和光路结构，其中：
所述电路系统为双处理器结构，其中包含下述部件：1#ARM处理器、2#ARM处理器、FPGA、1#SDRAM、2#SDRAM、超声测距电路、温度检测电路、存储电路、环境光检测电路、接口电路、电源电路、锂电池、无线充电电路、激光功率电路和显示屏接口；
其中所述1#ARM处理器和2#ARM处理器的外部均设有CCD接口和SDRAM接口；
所述光路结构由下述部件组成：近红外光源（1）、准直透镜L1（2）、光阑S1（3）、反射镜M1（4）、CCD图像传感器1（5）、HS传感器（6）、高通滤光片F1（7）、准直透镜L3（8）、准直透镜L2（9）、分光片M2（10）、窗口片M3（11）、CCD图像传感器2（13）、透镜L4（14）、透镜L5（15）和分光片M4（16）；其中：
由近红外光源（1）发出的光束经准直透镜L1（2）准直后射入直径2mm的光阑S1（3），使得准直光形成直径2mm的准直光束；
反射镜M1（4）使得准直光束呈90°偏转；
CCD图像传感器1（5）、HS传感器（6）、高通滤光片F1（7）、准直透镜L3（8）、准直透镜L2（9）、分光片M2（10）和窗口片M3（11）组成本光路结构的第一测试通道；
分光片M2（10）为50%分光片，使得准直光束50%透射，50%反射；
窗口片M3（11）起保护和密封作用；
经分光片M2（10）反射后的准直光束经过窗口片M3（11）后进入人眼，经瞳孔（12）汇聚后，光斑呈现在眼底视网膜处，经视网膜再次反射后通过瞳孔（12）出射，经瞳孔（12）出射的光线再次经过窗口片M3（11），然后依次经过分光片M2（10）透射，准直透镜L2（9）和准直透镜L3（8）整形，高通滤光片F1（7）滤光，HS传感器（6）处理后成像在CCD图像传感器1（5）上，CCD图像传感器1（5）和人眼瞳孔（12）成共轭关系；
CCD图像传感器2（13）、透镜L4（14）、透镜L5（15）和分光片M4（16）组成本光路结构的第二测试通道；
分光片M4（16）为50%分光片；
透镜L5（15）和透镜L4（14）构成一个望远系统；
经瞳孔（12）出射的光线再次经过窗口片M3（11）后，其中50%经过分光片M2（10）反射至分光片M4（16）上，反射光经分光片M4（16）再次反射后进入透镜L5（15）和透镜L4（14）构成的望远系统中，最后成像在CCD图像传感器2（13）上；
所述超声测距电路为500kHz单探头收发一体的超声测距模块，其发射角为7.5；
所述温度检测电路采用B值为3950的1%精度NTC热敏电阻作为传感器；
所述环境光检测电路采用可见光响应范围的硅光二极管作为检测元件，并包含I/V转换电路；
所述接口电路包含下述三种接口类型：USB接口电路、蓝牙接口电路和WIFI接口电路；
所述激光功率电路为恒功率电路，设定输出功率为2mW；
所述CCD图像传感器1用于接收来自HS传感器（6）透射来的近红外光，并形成一幅完整的图像，该图像用于被实时的存储在1#SDRAM中，所述FPGA用于在50ms内完成对CCD图像的捕捉、存储、预处理和判断；
其中包括：按照CCD图像传感器1规定的时序发送脉冲读取CCD图像信号，并将每个CCD图像信号的像素点的值依次存储在1#SDRAM的不同地址中，同时FPGA会按行和列分别对图像数据进行预处理；
根据预处理的结果判断该图像是否满足要求，如果符合，则做5幅图像的累加平均；如果不符合，则抛弃该图像，用下一幅图像覆盖该图像；
所述对图像数据进行预处理包括：对图像数据依次进行阈值去噪声、平滑和积分；
所述1#ARM处理器对所述FPGA处理后符合要求的图像进行区域划分、质心提取、计算眼球的球镜、柱镜屈光度和柱镜角度；并将计算结果传送给2#ARM处理器进行汇总；
CCD图像传感器2用于接收来自望远系统的可见光并形成人眼区域图像，2#ARM处理器用于实时获取眼睛的图像，并通过显示屏接口将其动态的呈现在TFT显示屏上；
当收到1#ARM处理器的处理数据后，锁定CCD图像传感器2的图像并将其保存在2#SDRAM中，然后对保存在2#SDRAM中的眼睛图像进行图像处理，并根据超声传感器测量的距离换算出瞳孔的大小，还可根据瞳孔表面反射光的位置判断是否存在固视不正；
对保存在2#SDRAM中的眼睛图像进行图像处理包括：对保存在2#SDRAM中的眼睛图像进行去噪声、特征提取和瞳孔识别处理。
2.如权利要求1所述的便携式视力筛选仪，所述光路结构中还包含下述部件：反射镜M5（17）、反射镜M6（18）、反射镜M7（19）和反射镜M8（20）；所述反射镜M5（17）、反射镜M6（18）、反射镜M7（19）和反射镜M8（20）依次设置于准直透镜L2（9）和准直透镜L3（8）之间，并成“几”字形排列。
3.如权利要求1所述的便携式视力筛选仪，其中：
所述近红外光源（1）为波长850nm的激光二极管；
所述高通滤光片F1（7）的前截止波长为810nm，光密度D值大于3，其作用是滤除可见光。
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