眼軸長度測量系統設計

楊梅 王成 李丕丁 張宇寧 鄭剛 張大偉

摘要：眼軸長度與屈光不正、白內障等常見眼科疾病有密切關系，精確測量眼軸長度對眼科疾病的預防及治療具有重要的意義。為實現眼軸長度安全有效的光學測量，入射光強度不能超過安全限度，同時人眼眼底反射出來的光只有入射光的10^-5～10^-4。為此基于光學方法的眼軸長度測量的弱光探測，設計了一種基于外差干涉測量的眼軸長度測量系統。測量系統硬件部分采用PIN光電二極管將弱光信號轉化成易于處理的弱電信號，同時設計一個低噪聲、高性能的弱信號處理電路，并選用MaX 10系列的10M25sAE作為主控芯片處理信號;軟件部分采用VHDL語言進行編程。實驗結果表明，該測量系統可以對眼軸長度實現有效且穩定的測量。

關鍵詞：眼軸長度;弱信號;外差干涉;測量

中圖分類號：TB96 文獻標志碼：A

引言

臨床上，常用的眼軸長度測量方法主要有超聲測量法和光學測量法。雖然超聲生物測量法被廣泛使用，但仍有許多限制，如需要麻醉和接觸式測量，會使受測者增加交叉感染的風險，同時對操作者有嚴格的要求，并且測量結果小于實際的眼軸長度。光學生物測量所測得的眼軸長度為沿視軸方向從淚膜到視網膜色素上皮層的距離，相比于超聲測量結果更接近真正意義上的視軸。光學測量方法主要是基于光學相干技術的測量，目前應用較廣的人眼測量光學儀器有IOL Master（德國，Carl Zeiss公司）、OA-1000（日本，Tomey）及Lenstar LS 900（瑞士，HAAG-ATREIT公司），它們分別基于部分相干干涉原理（PCI）和低相干反射測量原理（OLCR）。光學測量無需接觸眼睛，安全方便，速度快且具有更高的分辨率和精度（可精確到10um）。

本文針對眼軸長度測量，設計了一套眼軸長度測量系統。該測量系統包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計中采用PIN光電二極管作為光電探測器，并設計一套信號處理電路，檢測從眼球前后表面反射回來的兩組干涉信號，并由磁柵尺位移傳感器記錄下兩組干涉信號之間參考臂運動平臺移動的距離，即眼球前后表面的光學距離。干涉信號包絡信息和位置信息傳給軟件部分進行處理，然后根據眼球屈光介質的平均折射率可以計算得到眼軸長度。

1測量系統硬件設計

1.1硬件整體設計

從眼睛各界面的反射光來分析，最外層界面（角膜前表面）的反射光的光強大于眼內其他界面的反射光，而眼軸長度測量中的一個重要干涉信號來自視網膜色素上皮層即眼球后表面，該表面的反射光相對較弱（有研究表明人眼角膜前表面反射的雜散光是視網膜有效反射率的10～100倍）。本系統采用光纖進行空間條紋提取，光纖芯徑為62.8um，接收干涉圖樣中的某一級干涉條紋。這些因素都直接影響眼球前表面和后表面信號的強度，因此需要設計一個低噪聲高性能的弱信號處理電路。

結合弱信號特點和測量系統要求，本系統的硬件設計框圖如圖1所示。

該電路將PIN光電二極管探測到的弱光信號進行選頻放大至百毫伏量級，便于控制系統量化采樣。PIN光電二極管將光信號轉換成便于處理的電流信號，經過前置放大電路將電流信號轉化成電壓信號并進行放大，以便于觀察直流本底信號，協助光路調節。高通濾波器負責濾除直流本底信號以及有效干涉信號頻率以外的信號。由于眼球前后表面返回的光強大小具有明顯的差別，常規的線性放大電路極易使得前表面的信號滿偏，干涉信號會失去其明顯的幅值特征，影響最終的測量值。因此采用增益自動控制的非線性放大電路，即前表面的信號強，采用小放大倍數，后表面的信號弱，電路自動切換成高增益模式。帶通濾波器用于提取干涉信號，干涉信號再通過同相比例放大電路輸出至模數轉換器。

1.2前置放大電路設計

弱信號處理電路的靈敏度依賴于光電探測器的選擇，高靈敏度的光電探測器可以探測到更加精確的弱信號。本系統采用的光電探測器是北京敏光科技生產的LSSPD-0.5的P1N光電二極管，該光電二極管具靈敏度高和暗電流小的特點，響應率為0.45 mA/mW，可用于400～1100nm波長的微弱光信號檢測。該P1N光電二極管可以將nW級的弱光信號轉化為nA級的電流，但需要前置放大電路將該電流信號轉化成電壓信號并進行放大，以利于后續電路中信號的獲取，因此該前置放大電路的設計尤為重要。

集成運算放大器AD8066具有低噪聲和精密失調特性，特別適合作光電二極管的電流/電壓（I/v）轉換放大器。AD8626是一種JFET型輸入放大器，其單位增益穩定，輸入電壓噪聲為17.5 nV/根號HZ，最大失調電壓為500uv，輸入偏置電流僅為1 pA，適合用于本系統的前置放大電路。圖2為本系統的前置放大電路，包括兩級：第一級為帶有100 kΩ電阻的I/V轉換電路，既可以實現電流電壓信號的轉換又可以獲得較大的放大倍數;第二級為同相比例放大電路，采用二級運算放大器串聯的同相放大結構，每一級的放大倍數等于RF/RG+I，可以通過調整電阻RF改變放大倍數。經過P1N光電二極管和該前置放大電路，nW級的弱光信號可以輸出為mV級的電壓信號。

1.3帶通濾波電路設計

該眼軸長度測量系統中外差干涉信號作為載頻進入電路，當直流電機與導軌相配合控制參考臂以45 mm/s的速度勻速移動時，對應的特征頻率為115 kHz。利用ADI濾波器設計向導設計一個中心頻率為115 kHz、通帶為30 kHz的八階巴特沃茲帶通濾波電路，如圖3所示。通過該部分電路，可以提取干涉信號并濾除帶寬范圍外的噪聲。

1.4主控芯片模塊設計

本系統選擇Max 10系列中的10 M25SAE作為主控芯片，其內部集成了模數轉換器（ADC）、片上閃存（FLASH）、可編程邏輯陣列（LABs）及基本輸入輸出等。其中，內置的模數轉換器不僅可以滿足本系統的工程需求，而且能夠減小印刷電路板（PCB）的設計面積，降低電路設計的難度。

弱信號處理電路的輸出信號在傳送至模數轉換器的輸入引腳時，如果輸入信號線走線不合理，輸入信號之間的串擾相對較大，進而影響測量精度。因此在PCB設計時要遵守兩個設計原則：（1）電源線和地線盡可能粗短，輸入信號線不平行于電源線、地線及數字IO口走線;（2）外接電源串聯磁珠接至電源引腳，并聯一個10uf電容接地，組成一個RC低通濾波器，以抑制電源線上的高頻噪聲，同時電源引腳使用100 nF去耦電容。

2測量系統軟件設計

2.1軟件整體設計

測量系統的軟件設計包括初始化、系統自檢、干涉信號處理和串口通信等部分。系統上電后，初始化相關功能模塊，根據串口接收的指令執行系統自檢，自檢通過則等待串口傳送的上位機其他指令（如眼軸長度測量指令），內置模數轉換器采集干涉信號并用峰值檢波算法提取干涉信號的峰值，最后將測量數據發送給上位機。

2.2干涉信號峰值檢波程序設計

眼軸長度測量依賴于對干涉信號的有效識別，干涉信號呈現高斯分布形狀，記錄其峰值信息。該干涉信號是由光干涉形成的載波調制信號，需要經過解調電路才能提取包絡信號的峰值。常用的模擬型解調電路是由二極管、電容與電阻共同構成的RC充放電式的檢波電路，由于二極管的存在使得該電路具有門限電壓，降低了信號處理模塊的動態輸入范圍，另外模擬電路容易受到外界干擾，也增加了后續處理的難度。Max 10具備豐富的可編程邏輯和內置的高采樣率模數轉換器，可直接使用FPGA實現數字電路解調，并將其包絡信號存放至緩沖區，通過峰值檢測算法計算出該波形的峰值，可以提高系統的抗干擾能力。

干涉信號的數字解調模塊使用VHDL語言（一種用于電路設計的高級語言）進行編寫，模數轉換器輸出的數字化后的干涉信號先去除直流分量，再將非正信號取反，實現波形取絕對值的功能，再通過數字低通濾波器實現解調功能，并將數據存放在緩沖區以供軟核處理器使用。

在實驗中采用示波器顯示測量得到的干涉信號，展開后的信號寬度約1 ms，故配置20 us定時器中斷，并構造一維數組（包含50個元素）用來存放轉換出的數字。通過窗口滑動比較數組內50個數的數值，找到波形的峰值并保存，同時記錄對應位置磁柵尺的讀數。峰值檢測算法的流程如圖4所示。

2.3串口通信程序設計

為了方便快速識別有效數據包，提高數據傳輸效率，系統自定義一套用于PC機與下位機數據傳輸的通信協議，包括幀頭、幀尾、數據長度、有效數據及求和校驗等。幀頭為兩個字節的數組uart_buff[o]和uart_buff[I]，當串口緩存區的數據uart buff[O]=Ox55且uart buff[1]=OxAA時，認為該數據包為有效數據，第三個字節表明該數據包的類型，下位機根據命令進行相應的動作。

3實驗結果

為驗證本文設計的測量系統的有效性，采用蔡司公司的模擬眼作為被測樣品，該標準模擬眼的軸長為20.80mm，其折射率約為1.384 6，通過MS0400系列示波器直接顯示各級輸出波形。參考人眼激光安全規定，設定激光器輸出電壓為5 v，采用索雷博公司的光功率計（型號為PM100D）測得此時790mm波長的紅外光進入模擬眼的光功率為710uw，測得經眼球內部反射回來的光功率為80 nW。通過系統中的弱信號處理電路，得到眼球前表面和后表面干涉信號分別為1 880 mV和900 mV，如圖5所示。

通過精度為5 um的磁柵尺位移傳感器得到兩個峰值對應的位置信息，分別記為D1和D2，則被測器件的光學長度L表達式為：L=D2-D1。根據光學長度和折射率，可以得到被測物的物理長度。任意選取10組模擬眼眼軸長度測量結果進行分析，如表1所示。

測量結果顯示，該系統測量誤差為±0.0 1mm。因此，該測量系統可以穩定地探測到模擬眼的眼軸前表面及后表面信號，并通過與其他機械結構配合得到模擬眼的眼軸長度。

4結論

本文基于外差干涉原理，設計了一套用于測量眼軸長度的測量系統。硬件系統設計中選擇帶寬為30 kHz、中心頻率為115 kHz的八階帶通濾波電路，該電路可以有效提高系統的信噪比。另外，系統選擇數字型峰值檢波電路替代傳統的模擬型檢波電路，提高了系統的抗干擾能力。實驗結果表明，該測量系統較好地實現了光電信號的轉換和信號提取，能有效且穩定地完成眼軸長度的測量。