РАЗРАБОТКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА. Часть 2

Страница 1 2 3

---

3 Габаритно-энергетический расчет разрабатываемого офтальмологического периметра

В процессе габаритно-энергетического расчета будут определены параметры оптико-электронных элементов системы таких как, экран, источник излучения и телевизионная камера.

Требуется учесть и пространственную конфигурацию этих элементов, так как это влияет на значение освещенности на приемнике излучения. Для данной системы важнейшим условием является минимизация габаритов и массы, так как пациент не должен ощущать дискомфорт во время тестирования.

Согласно техническим требованиям из ГОСТ Р ИСО 12866-2011 ГСИ световые стимулы должны соответствовать размерам по Гольдману, где наименьший соответствует 0,1°, а допустимый эксцентриситет для наборов световых стимулов в височной области составляет 70°. В таком случае средний шаг, с которым могут быть расположены световые стимулы составляет 700 стимулов и 1400 стимулов для двух глаз, данный шаг тождественен элементу светодиодного экрана, поэтому:

1. Для наблюдения тест-объектов в шлеме необходим экран с разрешением 1920×1080. Такое разрешение экрана позволит реализовать любую программу и стратегию исследования.
2. Зная максимальную длину шлема и среднее поле зрения глаза 70°, можно оценить диагональ экрана в 5,5 дюймов. Зная средний диаметр глаза человека , с помощью алгоритмов оптимизации ZEMAX были подобраны параметры линзы из каталога Edmund optics, проецирующей изображение (рис. 11): заднее фокусное расстояние и световой диаметр

Рисунок 11 – Ход лучей в шлеме

• Чтобы выбрать источник излучения и ай-трекер, оценим угловой размер глаза, зная диаметр линзы, её заднее фокусное расстояние, диаметр глаза и поправку на конструкцию оправы (рис. 12):

Рисунок 12 – Расположение элементов в шлеме

• Источник излучения не должен влиять на восприятие тест-объекта человеком и в виду отсутствия чувствительности глаза на длине волны и необходимости угла излучения источника порядка 30°, был выбрал ИК излучатель Wurth Elektronik 15412094A3060 с длиной волны 940  нм, углом излучения 30 ° и силой излучения 5 мВт/ср, распределение относительной спектральной мощности представлено на рисунке 13.

Рисунок 13 – Распределение относительной спектральной мощности ИК излучателя Wurth Elektronik 15412094A3060

• Найдем поток излучения, падающий на приемник оптического излучения , учитывая силу излучения источника, коэффициент отражения глаза и пропускание объектива . Коэффициент отражения можно оценить с помощью формулы Френеля, где  поток излучения, падающий на глаз,  – показатель преломления наружной оболочки глаза, телесный угол.

• Исходя из условия минимизации габаритов, высокой чувствительности в ближнем ИК диапазоне , поля зрения объектива (на один глаз, на оба) и частоты кадров порядка 60 Гц (нистагм глаза тремор глаза ), была выбрана камера Raspberry Pi Camera v2 (NoIR) [15,16] с характеристиками:

Тип сенсора: Sony IMX 219 PQ CMOS, ¼ дюйма

Максимальное разрешение: 8 Мп (3280×2464)

Поддерживаемые видеоформаты: 1080p (30 кадров/с), 720p (60 кадров/с), 640×480p (90 кадров/с)

Эквивалентное фокусное расстояние: 33 мм

Поле зрения: 62,2°×48,8°

Светосила объектива: f/2

Размеры: 2592×1944 (3.68 x 2.76 мм)

Вес: 3 г

7. Найдем облученность ПОИ по потоку, падающему на него, и по площади матрицы:
8. Интегральная чувствительность КМОП-матрицы фирмы SONY рассчитывалась и измерялась при цветовой температуре источника Т = 3200º К, яркости L = 706 кд/м² и времени накопления t = 20 мс. Относительная спектральная характеристика чувствительности представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Относительная спектральная характеристика чувствительности

Также на этом графике представлены относительные спектральные мощности паспортного источника и рабочего ИК источника. Используя распределения, рассчитаем коэффициенты использования излучения приемником ϰ_р и ϰ_п .

Пересчитаем интегральную чувствительность и пороговую освещенность:

• Погрешность измерения в 0,05 от размера пикселя достигается при отношении сигнал/шум . Будем принимать для дальнейших расчетов погрешности, используя зависимость на рисунке 15.

Рисунок 15 – Зависимость средней квадратической погрешности σ измерения координат изображения точечного объекта от отношения сигнал/шум

3.1 Влияния оптических параметров системы на её качество

Основной проблемой, наблюдаемой в VR-очках, которая упоминается во многих источниках, являются сильные аберрации на краях поля зрения, что является неприемлемым для тестирования поля зрения глаза, так как при сильных аберрациях на краях поля смешается координата тест-объекта, изменяется форма и размер тест-объекта, он перестает быть точкой. Помимо искажения координаты, размера и формы тест-объекта присутствует и сильная хроматическая аберрация на краях поля зрения линзы. В этой главе будет изучено как можно оценить качество оптической системы, влияние её параметров на качество изображение, а также оптимизация этих параметров для получения изображения более лучшего качества [25, 26].

3.2 Критерии качества оптической системы

Оптическая поверхность – это наиболее ответственный элемент приборов, формирующих оптическое изображение. Для высокоточных поверхностей допустимое отклонение действительной формы поверхности от теоретической составляет десятые и сотые доли микрометра. Выявить эти отклонения, определить их характер и размер – основная цель контроля поверхностей [27].

Косвенные методы дают возможность определить влияние конкретных искажений волнового фронта, вносимых системой, на качество изображения, что служит предпосылкой широкого применения косвенных методов в условиях производства, например – при обработке оптических поверхностей, изготовлении оптических элементов и юстировке оптических систем. Более полную количественную информацию о волновом фронте можно получить интерферометрическим методом. Так, волновой фронт может быть в принципе оценён с интервалом , где λ – длина световой волны источника, а  – число проходов лучей через систему.

Способы прямой оценки качества изображения оптических систем состоят в наблюдении изображения тест-объекта, сформированного при помощи исследуемой системы, и измерении фотометрической структуры этого изображения. При этом определился ряд классических тест-объектов (рис. 16) и математический аппарат функций, которые описывают структуру изображений этих тест-объектов и служат характеристиками качества изображения [27].

Рисунок 16 – Варианты тест-объектов

Функция рассеяния точки (ФРТ) представляет собой распределение энергии в изображении точки в плоскости наилучшей установки. ФРТ для центрированной системы без экранирования определяется следующим выражением, где η’ – каноническая координата на изображении, f(ρ) = τ^½(ρ) ^e2πiW(ρ)– комплексная функция зрачка, τ(ρ) – коэффициент пропускания по зрачку, W(ρ) – волновая аберрация, ρ – каноническая координата на зрачке.

Если величина аберраций невелика, то форма пятна сохраняется, но происходит перераспределение энергии. При больших аберрациях часть энергии перекачивается в кольца, а распределение интенсивности полностью определяется присутствующими в системе аберрациями. На рисунке 17 показан вид пятна рассеяния в случае идеального изображения, а также при наличии расфокусировки, астигматизма и комы. Особенно сложной картина получается в изображении внеосевой точки поля. Поэтому иногда за критерий оценки качества изображения оптических систем с небольшим полем принимают ФРТ по центру поля. Понятие функции рассеяния распространяют и на распределение освещенности в изображении светящейся линии. Функция рассеяния линии – это результат интегрирования ФРТ [28].

Рисунок 17 – Вид пятна рассеяния: безаберрационное изображение (а), пятно рассеяния при наличии расфокусировки (б), пятно рассеяния при наличии астигматизма (в), пятно рассеяния при наличии комы (г)

По измеренной функции рассеяния точки также может быть рассчитана функция концентрации энергии (ФКЭ). ФКЭ характеризует количество энергии в кружке заданного диаметра или радиуса, где e(h’) – ФКЭ в относительных единицах,h’ – каноническая координата на изображении, h(h’) – ФРТ, D – диаметр кружка.

Для оценки качества сфокусированного объектива по ФКЭ существует следующий критерий: оптическая система считается идеальной, если в кружке равном 1,22 кан.ед. заключено более 80% энергии. Следует отметить, что вид ФКЭ и относительное снижение энергии в пятне заданного диаметра зависит как от величины аберрации, так и от ее типа [28].

Любой предмет, изображаемый оптической системой, можно описать функцией распределения интенсивности. Объектив представляет собой фильтр, выделяющий низкие пространственные частоты; его влияние на качество изображения может быть описано кривой пропускания пространственных частот. Такую характеристику называют оптической передаточной функцией. ФРТ показывает, как оптическая система изображает точку, а оптическая передаточная функция показывает, как оптическая система изображает гармоническую решетку, то есть как меняется комплексная амплитуда решетки в зависимости от частоты. Модуль оптической передаточной функции называется функцией передачи модуляции (ФПМ) или частотно-контрастной характеристикой (рис. 18).

Дифракционно-ограниченные оптические системы имеют рабочий интервал частот, превышающий половину от предельной, то есть ω>1. Качество изображения в таких системах определяется в основном явлениями дифракции и непосредственно зависит от отношения апертуры к длине волны. К дифракционно-ограниченным системам относятся, в частности, измерительные системы и системы, работающие с глазом.

К геометрически-ограниченным относятся оптические системы, рабочий интервал частот для которых не превосходит в канонических частотах ω=0.5. Качество изображения таких систем определяется картиной поперечных аберраций. К таким системам относятся, в частности, кино-, фото- и телевизионные объективы [30]. На основании изложенных критериев качества изображения в следующем подразделе будет произведена оценка качества изображения проектируемой системы

3.3 Оценка качества изображения

Воспользуемся программой Zemax для того, чтобы задать конструктивные параметры рассчитанной линзы и поле зрения в пространстве объекта. Для анализа качества изображения построим диаграммы пятна рассеивания на оси и полевых точках, таких как ±15° и ±30° (рис. 19) и ФПМ (рис. 20). СКЗ радиуса пятна на краях поля составляет 220 мм, что далеко не отвечает современным критериям качества.  ФПМ (рис. 20) не соответствует виду геометрически-ограниченной системы, а именно имеет провал на малых пространственных частотах.

Рисунок 19 – Точечная диаграмма пятна рассеяния до оптимизации

Рисунок 20 – Функция передачи модуляции до оптимизации

Другой превосходный путь для контроля качества вашей схемы по всему полю и по всем длинам волн – это использование программы имитации изображения, создаваемого оптической системой (рис.21).

Рисунок 21 – Симуляция изображения (объект и его изображение)

Исходя из этих результатов, необходимо провести оптимизацию очков в программе Zemax. Программы оптимизации позволяют найти такую конфигурацию оптической системы, которая будет иметь наилучшие характеристики. Для начала создаётся исходная оптическая система, в которой заданы значения полей зрения, длин волн, апертура системы, количество поверхностей. Эта система должна быть задана корректно, то есть через нее возможна трассировка лучей без ошибок.

Второй шаг – это задание статуса переменной величины для тех параметров, величины которых могут изменяться в процессе оптимизации. В нашем случае мы выбрали все радиусы, толщины и стекла в качестве переменных величин [31].

Наконец, нужно задать целевую функцию оптимизации, в которой определяются цели оптимизации и устанавливаются пределы изменения переменных параметров, например, толщина линз не должна превышать 10 мм. Величина целевой функции выражается одним числом. Алгоритм оптимизации изменяет числовые значения переменных параметров, приближая величину оценочной функции к минимальному значению.

ZEMAX снабжен несколькими различными алгоритмами оптимизации: двумя алгоритмами локальной оптимизации и двумя алгоритмами глобальной оптимизации. В работе будет использоваться алгоритм глобальной оптимизации – оптимизация методом “постукивания по системе” (“Hammer” оптимизатор) [32].

Для оптимизации линзы за переменные величин были выбраны все радиусы, толщины и стёкла. После оптимизации и построения основных характеристик можно заметить, что СКЗ радиуса пятна рассеяния нового объектива составляет 7,7 мм на краях поля, это в 28,5 раз меньше пятна до оптимизации, заметно меньше стала хроматическая аберрация (рис. 22). Также устранилась дефокусировка изображения.

Рисунок 22 – Точечная диаграмма пятна рассеяния после оптимизации

Тем не менее не удалось устранить резкий провал в ФПМ, сферическую, хроматическую аберрацию и кому на краях поля, что невозможно решить без введения второго оптического компонента.

Чтобы не нарушать масса-габаритные требования и разработать систему с минимальной массой и размерами, введение второго компонента будет неоправданно. Поэтому стоит рассмотреть линзы других типов, таких как асферические линзы, мениски, линзы Френеля. Стоит отметить сразу, что асферические линзы позволяют сократить искажения на краях поля, но они сложны в производстве, поэтому их стоимость в несколько раз больше чем, например, стоимость линзы Френеля [32, 33].

Линза Френеля позволяет сократить расстояние от экрана очков до оправы на максимальное расстояние, благодаря большому углу обзора (порядка 150°) и своей легкости, такие линзы сделали прорыв в VR-технологии. Но достижение большого поля обзора потребовало компромисса. Он заключается в возникновении из-за гребней Френеля световых искажений, которые есть в Oculus Rift и HTC Vive, но в меньшей степени. Также проявляется разновидность интерференции в виде концентрических колец. Несмотря на то, что производители стараются свести к минимуму эти эффекты, эти линзы не подойдут для точных медицинских исследований [33].

Оптические системы с исправленными сферической аберрацией и комой принято называть апланатическими. В частности, это определение применяется и к отдельно взятой поверхности. В зависимости от условия положения предмета и изображения апланатические поверхности делятся на три вида.

Апланатическим мениском будем называть мениск, поверхности которого являются апланатическими поверхностями одного из видов и имеют кривизну одного знака. Мениск, образованный апланатическими поверхностями второго вида, находит применение для компенсации остаточного астигматизма и кривизны поверхности изображения. Мениск, образованный апланатическими поверхностями первого и второго вида, находит применение для компенсации остаточной кривизны и астигматизма изображения [34]. Стоимость же менисковых линз чуть больше чем плоско-выпуклых, но всё же меньше, чем стоимость линз с асферическими поверхностями.

Смоделируем в Zemax мениск с таким же диаметром, как и первоначальная линза и расположим там же экран. Рассмотрим точечную диаграмму пятна рассеяния в центре и на краях поля (рис. 23).

Рисунок 23 – Точечная диаграмма пятна рассеяния мениска

На диаграммах можно увидеть, что в любой точке поля изображение остается точкой, её форма не искажена, явных аберраций не наблюдается. Это является важным выводом для построения системы, в которой объекты имеют форму точечных световых стимулов. С помощью алгоритмов оптимизации можно добиться уменьшения этого пятна и в дальнейшем использовать именно менисковую линзы в принципиальной оптической схеме (рис.24).

Рисунок 24 – Оптическая принципиальная схема периметра офтальмологического

Вывод. Учитывая вышесказанное и результаты габаритно-энергетического расчета, были выбраны следующие элементы: Raspberry PI – Amoled 5.5″ 1920×1080, рассчитанная в Zemax линза-мениск с фокусным расстояние f’=50 мм, и световым диаметром d=40 мм, два ИК излучателя Wurth Elektronik 15412094A3060 с длиной волны 940 нм, уголом излучения 30 °, силой излучения 5 мВт/ср и камера Raspberry Pi NoIR Camera v2.

4 Выбор и расчет основных параметров электрической схемы блока питания офтальмологического периметра

В схему питания периметра включены:

• блок питания;
• микроконтроллер в качестве блока управления;
• плата коммутации;
• оптическая система, состоящая из камеры и 2 светодиодов.

Все вышеперечисленные элементы собираются в электрическую схему,

изображенную на рисунке 25.

Рисунок 25 – Схема электрическая принципиальная питания периметра

• Определим максимальный ток каждого диода выпрямителей:

где I_д — ток диода; I_н — максимальный ток нагрузки;
С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки. I_д  = 253 мА;

• Рассчитаем обратное напряжения каждого диода выпрямителей:

где U_обр — обратное напряжение, U_н — напряжение на нагрузке.

U_обр = 7,5 В;

Исходя из рассчитанных параметров, выберем выпрямительный диод Д226 с максимальным прямым током 300 мА.

• Определим емкость сглаживающих конденсаторов в следующей формуле, где С — емкость сглаживающего конденсатора; I_н — ток нагрузки;

Uн — напряжение на нагрузке; Кп — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Примем коэффициент пульсации равным 10^-5,
С1 = С2 = 1472 мкФ. В качестве конденсаторов С1и С2 выберем модель К50-35 1500 мкФ, 6.3 В.

Параметры электронных элементов округлялись до ближайшего номинального.

Вывод. В качестве комплектующих схемы питания электрической схемы блока питания офтальмологического периметра были выбраны следующие компоненты: выпрямительный диод Д226, конденсаторы К50-35, стабилизатор линейный LM350T и трансформатор Feron 21004.

5 Описание конструкции офтальмологического периметра

Компоновка устройства проводилась в соответствии с оптической принципиальной схемой периметра и в значительной мере не отличается от конструкций систем, основанных на очках виртуальной реальности (рис.24).

Важным элементом конструкции, является корпус (рис. 26) с отверстиями под крепления регулировочного механизма диоптрийной подвижки и с отверстиями под крепления ремней, плотно удерживающих очки на голове пациента. В этот корпус помещаются все элементы системы, представленные на оптической принципиальной схеме периметра.

Рисунок 26 – Корпус VR-очков

На изображениях конструкции, представленных на рисунке 27, также видно корпус 11 с внутренней стороны которого монтируются такие сборочные единицы как две платы 5 с ИК-светодиодами, две оправы очков 3 с регулировочным механизмом межзрачкового расстояния (61±9 мм) и диоптрийной подвижкой (42±5 мм). Регулировку межзрачкового расстояния осуществляет винт 1, а регулировку диоптрийной подвижки осуществляет ролик регулировочный 8. На держателе 10 шурупами зафиксирована плата камеры Raspberry Pi V2 обозначенная позицией 16. Платы светодиодов, плата камеры, регулировочные элементы, крышка этой сборочной единицы и другие элементы фиксируются с помощью шурупов 1-1,5х7.

Рисунок 27 – Проекционные виды из сборочного чертежа периметра офтальмологического

Отдельной сборочной единицей является крышка периметра 4, так как к ней крепится плата коммутации, идущая в комплекте с экраном 17.

Остальные электронные компоненты, такие как блок питания, контроллер Raspberry Pi Zero W1 и выключатель конструктивно вынесены в отдельный блок управления, так как это уменьшит массу и габариты самих очков.

Вывод. Разработана конструкция офтальмологического периметра, представлена на сборочном чертеже ИТМО.943114.001 СБ, в данной сборке  имеются следующие сборочные единицы: оправа, узел регулировки, винт регулировки, плата светодиода и подсборка крышки. Остальные элементы являются деталями и стандартными и прочими изделиями.

6 Расчет погрешности офтальмологического периметра

Разработанная система должна соответствовать следующему нормативному документу: ГОСТ Р ИСО 12866-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Периметры офтальмологические. Технические требования и методы испытаний».

Согласно этому ГОСТу основные требования накладываются на воспроизводимые световые стимулы, допустимые погрешности перечислены в таблице 4, где фоновая яркость L_в измеряется в кд/м², контраст ∆L/L_в является величиной относительной, поэтому размерности не имеет.

Таблица 4 – Требования к воспроизводимым световым стимулам

• Проверка фоновой яркости

Измеряют фоновую яркость в направлениях центров каждого из четырех квадрантов поверхности экрана периметра, используя яркомер, и определяют разницу между измеренным и нормированным значениями.

• Проверка яркости стимулов

Измеряют яркость световых стимулов, используя яркомер, объектив которого расположен в позиции, предназначенной для зрачка пациента, и определяют разницу между измеренным и нормированным значениями яркости. Если яркость контрольных стимулов может варьироваться с направлением, то измеренные значения должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1, для любого положения объектива яркомера с отклонением от позиции, предназначенной для зрачка пациента, не превышающим ±1 см.

• Проверка положения стимулов

Измеряют координаты центра светового стимула и вычисляют разницу между измеренными координатами и заданными в эксплуатационной документации на периметр.

• Проверка размеров стимулов

Измеряют площадь контрольного стимула. Измеряют дистанцию между позицией зрачка и поверхностью экрана периметра. Конвертируют значение площади в телесный угол. Вычисляют разницу между измеренным значением угла и нормированным значением.

• Проверка формы стимулов

Измеряют максимальную и минимальную ширину стимула в четырех различных точках поля зрения с эксцентриситетом 25°.

• Проверка длительности стимулов

Измеряют длительность предъявления контрольного стимула и вычисляют разницу между измеренным и нормированным значениями.

• Погрешности определения координат центра светового пятна

Из габаритно-энергетического расчета известно, что ПОИ может
зарегистрировать изменение положения пятна в пределах 5% от размера элемента матрицы [44]. Размер одного пикселя 1.12х1.12 мкм².

Погрешность измерения координат изображения на матрице будет равна σ_С=0,05·1,12 = 0,056 мкм. Величина погрешности определения координат центра светового пятна σ_С равна 0,056 мкм.

• Погрешность фокусного расстояния объектива

Погрешность фокусного расстояния и установки объектива обусловлена несовпадением номинального фокусного расстояния объектива и рассчитанного.

где S — расстояние от главной фокальной плоскости оптической системы до плоскости объекта, мм; f’ — фокусное расстояние оптической системы, мм.

Из формулы видно, что интересующий нас параметрах можно представить функцией =(′, , ′), где x’, f’, S — истинные значения физических параметров, которые не зависят друг от друга [45]. Тогда погрешность измерений, связанную с несовпадением реального фокусного расстояния с номинальным, можно рассчитать по формуле, где ∂f/∂f’ — обозначает частную производную функции f по переменной f’.

Тогда для оценки погрешности фокусного расстояния получаем формулу:

Зададимся следующими значениями: ΔS оценим в 4 мм; Δf’ оценим в 10% от фокусного расстояния объектива, S = 37 мм Δf’ = 33 мм. Подставляя данные значения в формулу, получим: = 0,15 мм. По полученному результату можно сделать вывод, что при погрешности фокусного расстояния объектива в 10%, погрешность результата измерения составит 0,15 мм.

Суммарную погрешность найдем как корень из суммы квадратов:

Вывод. Погрешность офтальмологического периметра состоит из погрешности проецирующей системы и из погрешности измерительной системы, телевизионной камеры. Была оценена погрешность телевизионной камеры (0,15 мм) как сумма следующих составляющих: ошибка определения координаты изображения и погрешность фокусного расстояния объектива. Так как наибольший вклад имеет погрешность фокусного расстояния объектива камера, в дальнейшем можно использовать методы её коррекции.

---

Страница 1 2 3