眼轴长度测量系统设计

杨梅 王成 李丕丁 张宇宁 郑刚 张大伟

摘要：眼轴长度与屈光不正、白内障等常见眼科疾病有密切关系，精确测量眼轴长度对眼科疾病的预防及治疗具有重要的意义。为实现眼轴长度安全有效的光学测量，入射光强度不能超过安全限度，同时人眼眼底反射出来的光只有入射光的10^-5～10^-4。为此基于光学方法的眼轴长度测量的弱光探测，设计了一种基于外差干涉测量的眼轴长度测量系统。测量系统硬件部分采用PIN光电二极管将弱光信号转化成易于处理的弱电信号，同时设计一个低噪声、高性能的弱信号处理电路，并选用MaX 10系列的10M25sAE作为主控芯片处理信号;软件部分采用VHDL语言进行编程。实验结果表明，该测量系统可以对眼轴长度实现有效且稳定的测量。

关键词：眼轴长度;弱信号;外差干涉;测量

中图分类号：TB96 文献标志码：A

引言

临床上，常用的眼轴长度测量方法主要有超声测量法和光学测量法。虽然超声生物测量法被广泛使用，但仍有许多限制，如需要麻醉和接触式测量，会使受测者增加交叉感染的风险，同时对操作者有严格的要求，并且测量结果小于实际的眼轴长度。光学生物测量所测得的眼轴长度为沿视轴方向从泪膜到视网膜色素上皮层的距离，相比于超声测量结果更接近真正意义上的视轴。光学测量方法主要是基于光学相干技术的测量，目前应用较广的人眼测量光学仪器有IOL Master（德国，Carl Zeiss公司）、OA-1000（日本，Tomey）及Lenstar LS 900（瑞士，HAAG-ATREIT公司），它们分别基于部分相干干涉原理（PCI）和低相干反射测量原理（OLCR）。光学测量无需接触眼睛，安全方便，速度快且具有更高的分辨率和精度（可精确到10um）。

本文针对眼轴长度测量，设计了一套眼轴长度测量系统。该测量系统包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计中采用PIN光电二极管作为光电探测器，并设计一套信号处理电路，检测从眼球前后表面反射回来的两组干涉信号，并由磁栅尺位移传感器记录下两组干涉信号之间参考臂运动平台移动的距离，即眼球前后表面的光学距离。干涉信号包络信息和位置信息传给软件部分进行处理，然后根据眼球屈光介质的平均折射率可以计算得到眼轴长度。

1测量系统硬件设计

1.1硬件整体设计

从眼睛各界面的反射光来分析，最外层界面（角膜前表面）的反射光的光强大于眼内其他界面的反射光，而眼轴长度测量中的一个重要干涉信号来自视网膜色素上皮层即眼球后表面，该表面的反射光相对较弱（有研究表明人眼角膜前表面反射的杂散光是视网膜有效反射率的10～100倍）。本系统采用光纤进行空间条纹提取，光纤芯径为62.8um，接收干涉图样中的某一级干涉条纹。这些因素都直接影响眼球前表面和后表面信号的强度，因此需要设计一个低噪声高性能的弱信号处理电路。

结合弱信号特点和测量系统要求，本系统的硬件设计框图如图1所示。

该电路将PIN光电二极管探测到的弱光信号进行选频放大至百毫伏量级，便于控制系统量化采样。PIN光电二极管将光信号转换成便于处理的电流信号，经过前置放大电路将电流信号转化成电压信号并进行放大，以便于观察直流本底信号，协助光路调节。高通滤波器负责滤除直流本底信号以及有效干涉信号频率以外的信号。由于眼球前后表面返回的光强大小具有明显的差别，常规的线性放大电路极易使得前表面的信号满偏，干涉信号会失去其明显的幅值特征，影響最终的测量值。因此采用增益自动控制的非线性放大电路，即前表面的信号强，采用小放大倍数，后表面的信号弱，电路自动切换成高增益模式。带通滤波器用于提取干涉信号，干涉信号再通过同相比例放大电路输出至模数转换器。

1.2前置放大电路设计

弱信号处理电路的灵敏度依赖于光电探测器的选择，高灵敏度的光电探测器可以探测到更加精确的弱信号。本系统采用的光电探测器是北京敏光科技生产的LSSPD-0.5的P1N光电二极管，该光电二极管具灵敏度高和暗电流小的特点，响应率为0.45 mA/mW，可用于400～1100nm波长的微弱光信号检测。该P1N光电二极管可以将nW级的弱光信号转化为nA级的电流，但需要前置放大电路将该电流信号转化成电压信号并进行放大，以利于后续电路中信号的获取，因此该前置放大电路的设计尤为重要。

集成运算放大器AD8066具有低噪声和精密失调特性，特别适合作光电二极管的电流/电压（I/v）转换放大器。AD8626是一种JFET型输入放大器，其单位增益稳定，输入电压噪声为17.5 nV/根号HZ，最大失调电压为500uv，输入偏置电流仅为1 pA，适合用于本系统的前置放大电路。图2为本系统的前置放大电路，包括两级：第一级为带有100 kΩ电阻的I/V转换电路，既可以实现电流电压信号的转换又可以获得较大的放大倍数;第二级为同相比例放大电路，采用二级运算放大器串联的同相放大结构，每一级的放大倍数等于RF/RG+I，可以通过调整电阻RF改变放大倍数。经过P1N光电二极管和该前置放大电路，nW级的弱光信号可以输出为mV级的电压信号。

1.3带通滤波电路设计

该眼轴长度测量系统中外差干涉信号作为载频进入电路，当直流电机与导轨相配合控制参考臂以45 mm/s的速度匀速移动时，对应的特征频率为115 kHz。利用ADI滤波器设计向导设计一个中心频率为115 kHz、通带为30 kHz的八阶巴特沃兹带通滤波电路，如图3所示。通过该部分电路，可以提取干涉信号并滤除带宽范围外的噪声。

1.4主控芯片模块设计

本系统选择Max 10系列中的10 M25SAE作为主控芯片，其内部集成了模数转换器（ADC）、片上闪存（FLASH）、可编程逻辑阵列（LABs）及基本输入输出等。其中，内置的模数转换器不仅可以满足本系统的工程需求，而且能够减小印刷电路板（PCB）的设计面积，降低电路设计的难度。

弱信号处理电路的输出信号在传送至模数转换器的输入引脚时，如果输入信号线走线不合理，输入信号之间的串扰相对较大，进而影响测量精度。因此在PCB设计时要遵守两个设计原则：（1）电源线和地线尽可能粗短，输入信号线不平行于电源线、地线及数字IO口走线;（2）外接电源串联磁珠接至电源引脚，并联一个10uf电容接地，组成一个RC低通滤波器，以抑制电源线上的高频噪声，同时电源引脚使用100 nF去耦电容。

2测量系统软件设计

2.1软件整体设计

测量系统的软件设计包括初始化、系统自检、干涉信号处理和串口通信等部分。系统上电后，初始化相关功能模块，根据串口接收的指令执行系统自检，自检通过则等待串口传送的上位机其他指令（如眼轴长度测量指令），内置模数转换器采集干涉信号并用峰值检波算法提取干涉信号的峰值，最后将测量数据发送给上位机。

2.2干涉信号峰值检波程序设计

眼軸长度测量依赖于对干涉信号的有效识别，干涉信号呈现高斯分布形状，记录其峰值信息。该干涉信号是由光干涉形成的载波调制信号，需要经过解调电路才能提取包络信号的峰值。常用的模拟型解调电路是由二极管、电容与电阻共同构成的RC充放电式的检波电路，由于二极管的存在使得该电路具有门限电压，降低了信号处理模块的动态输入范围，另外模拟电路容易受到外界干扰，也增加了后续处理的难度。Max 10具备丰富的可编程逻辑和内置的高采样率模数转换器，可直接使用FPGA实现数字电路解调，并将其包络信号存放至缓冲区，通过峰值检测算法计算出该波形的峰值，可以提高系统的抗干扰能力。

干涉信号的数字解调模块使用VHDL语言（一种用于电路设计的高级语言）进行编写，模数转换器输出的数字化后的干涉信号先去除直流分量，再将非正信号取反，实现波形取绝对值的功能，再通过数字低通滤波器实现解调功能，并将数据存放在缓冲区以供软核处理器使用。

在实验中采用示波器显示测量得到的干涉信号，展开后的信号宽度约1 ms，故配置20 us定时器中断，并构造一维数组（包含50个元素）用来存放转换出的数字。通过窗口滑动比较数组内50个数的数值，找到波形的峰值并保存，同时记录对应位置磁栅尺的读数。峰值检测算法的流程如图4所示。

2.3串口通信程序设计

为了方便快速识别有效数据包，提高数据传输效率，系统自定义一套用于PC机与下位机数据传输的通信协议，包括帧头、帧尾、数据长度、有效数据及求和校验等。帧头为两个字节的数组uart_buff[o]和uart_buff[I]，当串口缓存区的数据uart buff[O]=Ox55且uart buff[1]=OxAA时，认为该数据包为有效数据，第三个字节表明该数据包的类型，下位机根据命令进行相应的动作。

3实验结果

为验证本文设计的测量系统的有效性，采用蔡司公司的模拟眼作为被测样品，该标准模拟眼的轴长为20.80mm，其折射率约为1.384 6，通过MS0400系列示波器直接显示各级输出波形。参考人眼激光安全规定，设定激光器输出电压为5 v，采用索雷博公司的光功率计（型号为PM100D）测得此时790mm波长的红外光进入模拟眼的光功率为710uw，测得经眼球内部反射回来的光功率为80 nW。通过系统中的弱信号处理电路，得到眼球前表面和后表面干涉信号分别为1 880 mV和900 mV，如图5所示。

通过精度为5 um的磁栅尺位移传感器得到两个峰值对应的位置信息，分别记为D1和D2，则被测器件的光学长度L表达式为：L=D2-D1。根据光学长度和折射率，可以得到被测物的物理长度。任意选取10组模拟眼眼轴长度测量结果进行分析，如表1所示。

测量结果显示，该系统测量误差为±0.0 1mm。因此，该测量系统可以稳定地探测到模拟眼的眼轴前表面及后表面信号，并通过与其他机械结构配合得到模拟眼的眼轴长度。

4结论

本文基于外差干涉原理，设计了一套用于测量眼轴长度的测量系统。硬件系统设计中选择带宽为30 kHz、中心频率为115 kHz的八阶带通滤波电路，该电路可以有效提高系统的信噪比。另外，系统选择数字型峰值检波电路替代传统的模拟型检波电路，提高了系统的抗干扰能力。实验结果表明，该测量系统较好地实现了光电信号的转换和信号提取，能有效且稳定地完成眼轴长度的测量。