一种医用眼镜式放大镜的设计
陈庆，尤若宁，毛坤剑，周文光
解放军第174医院厦门大学附属成功医院 器材科，福建 厦门 361003
[摘 要]目的 研制一种具有放大功能的医用眼镜式放大镜，提供个性化定制，满足临床上医生的操作使用。方法 测量使用者眼睛的生理数据，定制非球面透镜作为目镜和物镜，设计光路，组成放大透镜组。根据测量得到的操作者眼科处方，定制外围眼镜片。测量使用者头部数据，三维建模，引进人体工学设计，建立眼镜镜架的三维模型，作为支架,将放大部分镶嵌其中，制成眼镜式放大镜。结果 经测试，本眼镜式放大镜重量轻，放大效果好，图像无球差，边缘无畸变，聚焦准确，佩戴舒适。结论 本研究根据使用者生理参数量身定制，满足个性化需要，非常适用于外科手术的放大应用。
[关键词]医用眼镜式放大镜；非球面透镜组；人体工学设计；光路；三维模型
引言
现有的大部分手术显微镜和手术放大镜只是简单地提供放大功能，且不同的佩戴者头部特征、眼镜的生理参数各不相同，在临床手术中，常出现因瞳距不合适、工作距离不准确、顶点距离过近等问题，无法适应不同使用者的头部特征及眼睛的不同生理参数，造成手术放大镜或放大眼镜无法在外科手术中发挥作用，严重影响手术的进行。
本研究测量使用者的瞳距等生理参数，采用人体工学设计，根据参数精心设计非球面透镜组，准确设计出所需的放大倍数，同时消除边缘畸变及球面像差。通过三维建模量身定制眼镜镜架，准确镶嵌放大模块，使术者长时间佩戴不产生不适，提高手术效率。
1 系统设计路线
本研究包括3部分：生理参数测量、放大部分研究及镜架部分设计。技术路线框图，见图1。通过测量瞳距、瞳孔高度等眼部生理数据，为后续设计提供所需参数。放大部分采用伽利略型望远镜的光路设计，目镜和物镜均采用非球面透镜，精确设计其弧度以获得准确的放大倍数，同时最大限度消除球面像差和镜片的边缘畸变。通过Pro/E软件进行三维建模[1]，构建出眼镜镜架部分的三维模型。
图1 技术路线框图
2 眼部生理参数的测量
测量方法主要采用眼球位置与头部大小相关测量法[2]。测量眼部生理参数的重点在于其精确度[3]。由于所需测量的参数单位均为mm，精度要求高，稍有偏差就会影响后续的设计。
2.1 工作距离
工作距离指手术中眼球到手术时操作面的距离。佩戴放大镜手术时，工作距离太小，需要佩戴者低头甚至弯腰才能看清患部。工作距离太大，则需要佩戴者降低工作面，增加眼球至工作面的距离。工作距离过大或过小都需要佩戴者变换体位，影响手术进行。
测量方法：佩戴者站立，双手放置于平时习惯的操作面，头部保持平时手术时常规的俯视姿态，闭上双眼，保持静止，避免测量时对眼睛造成不必要的伤害，使用皮尺测量从眼球到双手下沿的距离。
2.2 瞳距
瞳距指左右眼瞳孔间距离，用专用的测瞳仪测量。放大镜的两个镜筒之间的距离即为眼镜式放大镜的瞳距。若瞳距不合适，会造成眼镜平视时看到镜筒的边框，使佩戴者无法准确看到需要观察的患部。
2.3 瞳孔高度
瞳孔高度指镜框最高点至瞳孔所在直线的垂线距离。瞳孔高度对佩戴者的影响与瞳距类似，瞳孔高度不合适同样需要佩戴者眼睛上瞟或俯视才能观察到患部，长时间保持这个视角会造成佩戴者眼部不适，影响手术效果。瞳孔高度示意图，见图2，S即为瞳孔高度。
图2 瞳孔高度示意图
2.4 顶点距离
眼球到放大部分镜片的距离。若顶点距离太近，会让佩戴者产生镜片触到眼球的错觉，眨眼频率明显增高，同时眼部产生不适感。手术中手术医生眼部不适，为防止感染又不能用手处理，严重影响医生的手术操作。顶点距离示意图，见图3，D即为顶点距离。
图3 顶点距离示意图
2.5 医学镜头处方
医学镜头处方包括：SPH，即近视、远视的屈光度；CYL，即散光的测定；AXIS，即散光的轴向；ADD-N与ADD-M，即老花的测定。由于每个佩戴者的眼镜情况各不相同，放大部分透镜组的设计需要根据佩戴者的近视度数或是老花眼程度等进行具体定制，如果不存在老花等眼部变形，则以平光镜的标准进行透镜组设计即可。这5个参数需要到眼科用专用设备进行准确测量。
3 放大部分设计
放大部分是本眼镜式放大镜的核心部分。本研究借鉴伽利略型望远镜的设计思路，采用多片非球面透镜[4]组成的透镜组作为放大部分，各块镜片相互配合，消除边缘畸变，消除球面像差，同时达到需求的放大倍数。
3.1 透镜组的光路设计
本研究的放大模块需要呈现的是被放大患部的正像，采用伽利略型望远镜的设计思路进行光路设计，其优点是镜筒短而能成正像。光路设计示意图，见图4。光线经过物镜折射所成的实像在目镜的后方焦点上，这像对目镜是一个虚像，因此经它折射后成一放大的正立虚像。本研究的放大率等于物镜焦距与目镜焦距的比值。
图4 光路设计示意图
放大模块分为物镜组和目镜组两部分。物镜是放大模块中把操作面患部成像于其焦平面上的一个透镜组。在无透镜转像系统的简单望远镜中，物镜的这一像面与目镜的物方焦平面重合，眼睛通过目镜观察这一物体的中间像。
透镜组的设计难点在于需要获得较小的放大倍数（4～6倍），但用于外科手术则需要图像精确，无球差和边缘畸变。
3.1.1 物镜
物镜的主要性能参量是焦距、相对孔径和视场角。放大率M是物镜焦距f与目镜焦距fe之比，而放大模块的镜筒长度是f与fe之和，故物镜的焦距f是决定放大模块放大率和筒长的一个重要参量。物镜相对孔径D/f是放大模块入射光瞳直径D与物镜焦距f之比，本研究取1:2.5。物镜半视场角W与目镜半视场角We之间的关系为tanW=tanWe/M，目镜视场角We一般为40°～50°，设放大率M为4倍，则物镜视场角2W不大于10°。所以物镜是属于中等孔径和小视场一类的透镜组，只要对其校正轴向球面像差和满足正弦条件即可。
物镜的设计难度在于需要消除球差，因此本研究采用非球面镜片作为透镜，可以有效地消除球面像差。同时，采用非球面透镜能在增大透镜半径同时获得相对较小的放大倍数，且镜面相对较平，抗撞击能力高。
3.1.2 目镜
在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的透镜组称为目镜。目镜所能接受的光束已被物镜的像方光束所限定，因此眼睛瞳孔的位置也随之限定，一定要置于仪器出射光瞳处，才能看到全部视场。仪器的出射光瞳一般位于目镜像方焦点以外与之很靠近的地方，目镜最后一面至出射光瞳的距离称为出瞳距离，或称镜目距，即在参数测量中测得的顶点距离，是选用目镜时的一个重要参量。由于本研究的放大模块镶嵌于眼镜镜片上，故顶点距离大于常规望远镜，这里取10 mm。设目镜的焦距为fe'，则放大率为Me= 10 ÷ fe'，放大率为1倍，属于中短焦距一类透镜组。目镜的相对孔径较小而视场较大，所以球面像差和轴向色差一般不是关键问题，而应着重于校正轴外球面像差，主要是边缘畸变和像散（包括像散和像面弯曲）。由于眼睛有调节功能，对像面弯曲可以放宽要求。
为获得4～6倍的系统放大倍数，目镜的设计要求放大倍数小，但对边缘畸变的消除效果要求较高。本研究中目镜同样采用非球面透镜，对边缘畸变有很好的消除效果。
3.2 非球面透镜的设计
光学透镜的镜面通常是制成球面状的，从透镜中心到周边有一定的曲面，这种透镜称为球面透镜。非球面透镜的镜面则是从透镜中心到周边曲率作连续变化的，非球面透镜又有单面非球面和双面非球面两种。纵向球面相差示意图，见图5。
图5 纵向球面像差示意图
球面镜片，其镜片呈球面的弧度，其横切面也呈弧状。当不同波长的光线，以平行光轴入射在镜片上的不同位置时，在菲林平面上不能聚焦成一点，而形成球面像差的问题。由球面透镜组成的透镜组是采用多片透镜的组合来克服球面像差和边缘畸变的。这种透镜组会不同程度地存在一定的球面像差。采用非球面透镜组成的透镜组则能有效地克服球面像差和边缘畸变，减少透镜片数与镜头长度，有利于镜头小型化[5]。
本研究通过软件仿真，将镜片边缘部分“削去少许”，使其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，且在菲林平面上。
本研究采用顶周非球面镜片[6]，见图6。该镜片从镜片中心到周边，曲率半径逐渐增加（镜片表面逐渐平坦）。镜片折射面，根据所选基弧，计算完善的接近理想的非球面曲线。其非球面曲线接近椭圆面或抛物线。平行光线入射镜片，不论近轴光线还是远轴光线都可以会聚为一点。
非球面透镜应用于眼镜式放大镜中，具有以下明显优点：
图6 非球面透镜示意图
（1）球面像差校准。用非球面透镜替换球面透镜，最显著的优点在于可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球面像差。通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球面像差。传统镜头通常采用三片球面透镜，增大有效焦距，用于消除球面像差。但一片非球面透镜就可以有效消除球面像差，并且简化系统设计和提供光的透过率。
（2）系统优点。非球面透镜简化了光学工程师为提高光学品质所涉及的元素，同时提高了系统的稳定性，减小系统尺寸，提高成本率，降低系统的综合成本。
4 镜架部分设计
本研究以普通眼镜的镜框为基础，根据前期测得的使用者的各项生理数据，采用人体工学设计，设计出佩戴舒适的眼镜镜架。
镜架部分设计的难点在于眼球到镜片的距离需要满足顶点距离。若镜片到眼球的距离不合适，则会造成图像模糊，直接导致设计失败。因此需要建立头部模型[7]和眼镜模型两个三维模型，并将顶点距离作为参数将两个模型有机结合，最终设计出完美的眼镜式放大镜。
4.1 数字头模型
数字头模型是佩戴头部生物信息在计算机中数据结构的存储，即头部的三维信息和用户属性信息的集合。根据从输入到输出的操作流程，将该系统分为信息获取、基于数字头模型的推荐和定制，基于用户体验的数字化仿真和眼镜输出4个部分。通过测量头部尺寸及各项比例获取头部信息，输入计算机，并构建数字头模型。在定制化过程中提供给用户以参数化的形式对眼镜进行修改，并实时与头部模型进行仿真模拟。最后通过工厂制造完成眼镜的输出过程。
4.2 头部参数测量
眼镜镜框的设计采用人体测量方法，对与眼镜架有关的头眼部参数进行测量，并根据与人体头部尺寸有关的眼镜结构模型，进行镜架及镜框的设计[8]。需要测量的参数包括：佩戴者头部尺寸、头部尺寸近似比例关系、头面眼部二维相对比例关系等。
4.3 软件平台
前期的三维建模采用VC98作为软件平台，C++为编程语言，基于OpenGL进行[9]。基于VC和OpenGL建立STL模型，该模型能够STL快速拾取表面点参数的特点。但由于采用OpenGL平台编程工作量太大，实际建模时则采用的是可参数化建模的Pro/E进行三维建模。本研究中使用了Pro/E作为三维建模的软件平台[10]。
4.4 建立头部模型
将已经测得的佩戴者头部尺寸、头部尺寸近似比例关系、头面眼部二维相对比例关系等数据输入计算机，建立头部三维模型的特征值数据库。同时将瞳距、眼球可视部分大小等参数输入计算机，建立眼球的特征值数据库，并确定眼球具体位置。最后通过Pro/E进行参数可视化建模，最终得到完整、精确的三维头部模型。
本研究主要对眼镜架进行设计，因此对眼部的数据、位置及比例进行了较为精确的测量，面部其余器官如鼻子、嘴等只进行了基本的粗略测量，目的是为了在建模时能够建立完整的面部轮廓和头部模型。
4.5 建立眼镜模型
根据前期已经测得的瞳距和瞳孔高度，将这两项数据输入系统，建立眼镜的特征值数据库，并利用Pro/E进行参数可视化建模。分别建立镜框、镜架、镜腿和连接件等部件的三维模型，见图7。
图7 眼镜各部件的三维模型
注：a.镜架的三维模型；b.镜片的三维模型；c.镜腿的三维模型；d～g.眼镜连接件的三维模型。单位：mm。
将各部位零件组装起来，得到完整的眼镜模型[11]。完整的眼镜模型以及眼镜式放大实物图，见图8。
图8 完整的眼镜模型以及眼镜式放大实物图
注：a.完整的眼镜模型；b.眼镜式放大实物图。
在定制镜片时将预先测得的眼科镜头处方考虑在内，根据不同使用者的眼部特征量身定制外围镜片，满足近视、散光或老花眼等不同人群的需求。制作镜架时采用TR-90高分子材料，韧性高，耐撞耐磨，耐化学腐蚀，能防止镜架断裂，且重量轻，整个眼镜式放大镜重量仅为30 g。
5 临床应用
本眼镜式放大镜重量轻，放大效果好，图像无球差，边缘无畸变，聚焦准确，佩戴舒适，能满足各种人群的需求，医疗效率高，应用推广前景好。临床应用实例，见图9。
图9 临床应用实例
6 小结
本研究测量使用者的瞳距等生理参数，量身定制眼镜式放大镜。其中关键部分为透镜组的设计，不仅需要获得准确的放大倍数，还需消除图像的球差和边缘畸变。因此采用非球面透镜设计物镜和目镜，组成透镜组，根据参数设计光路，准确设计出所需的放大倍数，同时消除边缘畸变及球面像差。通过获取的头部及眼部尺寸及位置数据，建立特征值数据库，三维建模量身定制眼镜镜架、准确镶嵌放大模块，使术者长时间佩戴舒适，有效提高手术效率。
[参考文献]
[1] 刘新东.基于Pro/E三维模型参数化设计的应用[J].电工技术, 2009,(3):47-48.
[2] 罗仕鉴,朱上上,孙守迁.人体测量技术的现状与发展趋势[J].人类工效学,2002,(2):31-34.
[3] 王艺,袁久民,王前,等.人眼联合应用放大镜形成放大视觉的机制概述[J].中华眼科医学杂志,2014,(5):290-291.
[4] 李翔,陶育华,苏彬彬,等.非球面手机屏幕放大镜的设计[J].应用光学,2010,31(2):31-37.
[5] 孙理伟,金尚忠,岑松原.用于固态照明的自由曲面微透镜设计[J].光子学报,2010,39(5):60-65.
[6] 陈云亮,李铁才,邱祥辉.头戴显示器中自由曲面棱镜的设计[J].应用光学,2009,(4):25-31.
[7] 胡小羽.基于我国人体头部尺寸驱动的眼镜规格研究[D].成都:西南交通大学,2008.
[8] 吴汝康.人体测量方法[M].北京:科学出版社,1984.
[9] 庄云良,赵东标,刘凯,等.基于VC和OpenGL的STL文件的分层和显示[J].机械与电子,2012,(1):27-30.
[10] 刘雨东.基于头部三维信息的眼镜在线定制系统设计及体验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.
[11] 张国梁,孙照斌.Pro/E参数化技术及其在木材加工机械设计中的应用[A].2009全国木材加工技术与装备发展研讨会木工机械数控新技术培训班论文集(会刊)[C].北京:中国林业机械协会,2009.
Design of a Kind of Binocular Medical Magnifying Glasses
CHEN Qing, YOU Ruo-ning, MAO Kun-jian, ZHOU Wen-guang
Department of Equipment, the 174 Hospital of PLA, Chenggong Hospital Aff liated to Xiamen University, Xiamen Fujian 361003, China
Abstract：Objective To develop a kind of binocular magnifying glasses as to provide the individual customization and meet the operation and use needs for clinical doctors. Methods The physiological data of the user's eye was measured to customize the aspheric lens as the objective and the eyepiece. Then, the optical path was designed for composition of a magnifying lens group. According to operator's ophthalmic prescription obtained after measurement, the peripheral glasses were customized. The user's data of head was measured to make 3D modeling, introduce ergonomic design and then establish the 3D model of glasses frames as a scaffold. Then, the magnifying part was embedded into scaffold to make magnifying glasses. Results After the testing, the magnifying glasses were featured with light weight, good effect, aberration-free images, no distortion, accurate focusing and comfortability to wear. Conclusion Based on the physiological parameters of the users, this research met the individual needs, and was very suitable for the application of surgical procedures.
Key words：medical magnifying glasses; aspheric lens; ergonomic design; optical path; three dimensional model
[中图分类号]TH786
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.11.008
[文章编号]1674-1633(2016)11-0038-04
收稿日期：2016-06-24
修回日期：2016-07-05
通讯作者：周文光，高级工程师，主要研究方向为医疗设备维修、质量控制、使用管理等。