基于微棱镜阵列夏克－哈特曼波前传感器的人眼像差和角膜面形测量系统

摘要

基于微棱镜阵列夏克－哈特曼波前传感器的人眼像差和角膜面形测量系统，由瞳孔或角膜照明光源、分光镜、瞳孔成像物镜、CCD、信标光源、信标光准直系统、口径控制装置、反射镜、前组调焦物镜、后组调焦物镜、口径匹配系统、基于微棱镜阵列的夏克－哈特曼波前传感器、目标系统、计算机和附加测量透镜组成，本发明能够实现测量人眼像差和角膜面形两个功能，且两功能切换方便易操作，能够一次得到人眼低级、高级像差数据和角膜面形数据，便于了解人眼的整体像差、角膜像差和人眼内部像差其特性和三者之间的关系，避免了现有技术中采用不同仪器分别测量人眼像差和角膜像差带来的误差，能够为医学临床提供更准确、充分的诊断数据。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种基于微棱镜阵列夏克-哈特曼波前传感器的人眼像差和角膜面形测量系统，是一种采用同一个仪器，能同时实现人眼像差测量和人眼角膜表面面形测量的光学系统。

背景技术

人眼的单色像差，如离焦、像散等和一些高阶像差，如彗差、球差等等，会导致视网膜成像质量的降低，并引起主观视觉感受的下降。在人眼的低级、高级像差测量、眼底视网膜成像技术等方面，常用夏克-哈特曼人眼像差测量系统。这类测量系统其主要特征在于采用的是基于微透镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器(“Visual Performance after correcting the monochromaticand chromatic aberrations of the eye”Geun-Young Yoon and DavidR.Williams，J.Opt.Soc.Am.A/Vol.19，No.2/February)。目前，一种新型的基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器已发明成功(见中国专利申请号03126430.1和200310100168.1)，其结构简单、稳定，相对于现有的基于微透镜阵列的哈特曼传感器技术，能够简化安装、调节，降低生产成本。在人眼像差测量方面，基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器同样能够无侵入地实现对人眼低级和高级像差的测量，该技术在人眼像差测量、人眼高阶像差矫正视觉仿真等方面的应用已申请若干项国家专利(见中国专利申请号03126431.X、200410009116.8和200410009043.2)。

除了人眼整体像差的测量之外，科学家们也开始关注人眼的一些特殊结构，如角膜和晶状体等的特性及其独立的光学面形。这些信息对于了解人眼各结构的光学特性和相互之间的作用有着非常重要的意义。眼外科的角膜修正术正是通过修正角膜形状来矫正人眼的整体像差，因此，不仅有必要了解人眼的整体像差，还需要对角膜面形、像差进行测量，并分析人眼整体像差和角膜像差之间的关系，以及角膜像差和人眼内部像差之间的相对平衡关系等，才能为医学临床提供更准确、充分的数据。

目前，有一些实验机构开始研究采用基于投影的角膜地形测量系统，如激光干涉仪，或者基于反射的角膜地形测量系统，如角膜散光计、视频角膜测量仪(videokeratoscope)等来测量角膜地形，计算角膜像差，再以夏克-哈特曼波前传感器测量人眼整体像差的技术。但是测量角膜地形和测量人眼像差采用的是两种不同的仪器，在测量中有着不同的视参考轴线，导致在计算角膜像差以及计算人眼内部像差时产生误差，如文献(“Videokeratoscope-line-of-sight misalignment and its effect onmeasurements of corneal and internal coular aberrations”，J.Opt.Soc.Am.A19，657-669，2002)中所介绍的。

发明内容

本发明所提供的技术解决问题是：提供一个既能测量人眼整体像差，又能同时对角膜面形进行测量的的基于微棱镜阵列夏克-哈特曼波前传感器的人眼像差和角膜面形测量系统，它测量人眼像差和角膜面形时采用的是同一个仪器，且能够一次得到人眼低级、高级像差数据和角膜像差数据，便于了解人眼的整体像差、角膜像差和人眼内部像差其特性和三者之间的关系；同时又避免了现有技术中采用不同仪器分别测量人眼像差和角膜像差带来的误差。

本发明的技术解决方案是：基于微棱镜阵列夏克-哈特曼波前传感器的人眼像差和角膜面形测量系统：它由瞳孔或角膜照明光源、分光镜(位于人眼前方，反射一部分信标光进入瞳孔成像系统，透射光进入测量光路)、瞳孔成像物镜、CCD探测器、信标光源、信标光准直系统、口径控制装置、反射镜(位于口径控制装置和调焦系统之间)、前组调焦物镜、后组调焦物镜、分光镜(位于调焦系统和信标光准直系统之间)、口径匹配系统、反射镜(位于口径匹配系统中)、基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器、分光镜(位于调焦系统和目标系统之间)、目标系统、计算机和附加测量透镜组成。

所述的基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器主要由锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列、傅立叶透镜(或成像透镜)和光电耦合器件(如CCD探测器)组成，其中傅立叶透镜(或成像透镜)紧靠微棱镜阵列，光电耦合器件位于傅立叶透镜(或成像透镜)焦面上。

本发明的原理是：在基于微棱镜阵列的人眼像差夏克-哈特曼测量仪的基础上(见中国发明专利申请号03126431.X)，通过一个口径控制装置，改变人眼像差仪中信标光入射口径(由细光束变为宽光束)，并用一附加测量透镜，通过该测量透镜的轴向调整，将宽光束的信标光聚焦到角膜曲面的内焦点，经角膜前表面反射，由附加测量透镜准直为平行光，再进入人眼像差测量仪，即可实现对人眼角膜表面面形的测量。而现有的基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼人眼像差测量仪在对人眼整体像差进行测量时，是用一束细光束从瞳孔射入眼内，经人眼会聚后在眼底形成一个光斑，经眼底散射后从瞳孔射出，用基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器测量这束光的波前误差，即是人眼的像差。本发明对现有的基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼人眼像差测量仪进行改造，能够在同一个系统上实现角膜面形和人眼整体像差的测量。

所述的基于微棱镜镜阵列的人眼像差夏克-哈特曼波前传感器，主要由锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列、傅立叶透镜(或成像物镜)和光电耦合器件(如CCD探测器)组成，其中傅立叶透镜(或成像透镜)紧靠微棱镜阵列，光电耦合器件位于傅立叶透镜(或成像透镜)焦面上。

系统视场光栏面或视场光栏实象面还加有共焦滤波光阑，共焦滤波光阑置于口径匹配系统的前组和后组透镜公共焦点处或者调焦系统的前组透镜和后组透镜的公共焦点处。

本发明与现有技术相比的有益效果：本发明将人眼角膜面形的测量这一功能耦合到基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼人眼像差仪上，通过附加光学件，就能够既实现人眼像差测量、又实现对角膜面形的测量，避免了使用不同仪器测量带来的误差。该系统结构简单，人眼像差测量和角膜面形测量功能之间的切换方便易操作，在现有技术基础上实现了人眼像差测量仪功能的扩大化，使得一次测量就能够得到角膜面形、人眼整体像差数据，帮助了解人眼角膜的光学特性、角膜像差和人眼内部像差以及相互之间的像差平衡方式，为临床医学，特别是视光学矫正和眼外科手术等提供更准确充分的诊断依据。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理框图。系统工作在人眼像差测量状态下，光束路径如图中阴影部分(细光束口径)所示；当在角膜面形测量功能下，系统工作在图示的宽光束口径下；

图2为本发明中的附加测量透镜测量角膜面形原理示意图；

图3为本发明的基于微棱镜镜阵列的人眼像差夏克-哈特曼波前传感器的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由瞳孔或角膜照明光源2、分光镜3、瞳孔成像物镜4、CCD 5、信标光源6、信标光准直系统7、口径控制装置8、反射镜9、分光镜10、前组调焦物镜11、后组调焦物镜12、分光镜13、口径匹配系统14、反射镜15、共焦滤波光阑16、基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器17、目标系统18、计算机19、和附加测量透镜20组成，其中，瞳孔或角膜照明光源(2)位于人眼侧前方；附加测量透镜(20)靠近人眼，其焦点与角膜曲面内焦点重合；分光镜(3)位于人眼前方，瞳孔成像物镜位于分光镜(3)的反射方向，CCD(5)位于瞳孔成像物镜的焦面上；信标光源(6)、信标光准直系统(7)、口径控制装置(8)、反射镜(9)、分光镜(10)、前组调焦物镜(11)、后组调焦物镜(12)、分光镜(3)共同组成信标光输入光路；分光镜(13)和目标系统(18)置于分光镜(10)的前方；口径匹配系统(14)位于分光镜(13)的光束反射方向，反射镜(15)位于口径匹配系统(14)光路中；基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器(17)位于口径匹配系统(14)的光路出口；计算机(19)对CCD(5)和基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器(17)施加控制信号，并进行数据处理。

本发明中的瞳孔或角膜照明光源可以是近红外发光二极管；其中的信标光源可以是LD半导体激光器；其中的口径控制装置8可以是一个旋转信标装置；利用8使得通过它的光束口径变小，可以提供人眼像差测量需要的细光束；利用8使得通过它的光束口径变大，则可以放出角膜面形测量所需的宽光束；附加测量透镜20经过良好的消像差设计，并设有垂直光轴方向和沿轴方向的两维调整机构，可以适应不同个体的眼角膜曲率，将信标光调焦到角膜的内焦点如图2所示，并通过在系统中的移入或移出来实现不同功能状态之间的切换。

系统可以工作在角膜面形测量和人眼像差测量两个功能下，细述如下：

当系统工作在角膜面形测量功能下时，首先进行瞳孔对准，用照明光源2照明被测量人眼1瞳孔，通过分光镜3反射，由瞳孔成像物镜4将被测量人眼1瞳孔成像在CCD 5靶面上，再将CCD 5输出的视频信号输入计算机19中的视频采集卡，实时显示在计算机显示器上。调整仪器位置，使被测量人眼1瞳孔中心位于仪器光轴中心，再由被测量者用眼睛通过分光镜3、前组调焦物镜11和后组调焦物镜12组成的调焦系统、分光镜10、分光镜13观察目标系统18中一无穷远的目标。在完成对准后，由信标光源6发出信标光，由信标光准直系统7进行准直，放开口径控制装置8到大通光口径，使信标光成为宽光束，经反射镜9反射后，再经分光镜10反射，通过调焦系统，透过分光镜3，透过附加测量透镜20，调整附加测量透镜，使信标光聚焦于角膜的内焦点处。角膜前表面的反射光再通过附加测量透镜20准直成为平行光束，透过分光镜3和调焦系统，再透过分光镜10，经分光镜13反射，进入口径匹配系统14、反射镜15，出射光进入基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器17，夏克-哈特曼波前传感器17将CCD输出的视频信号输入计算机19中，由计算机19计算出被测量人眼1角膜的面形。其中的口径匹配系统14实焦面处，或调焦系统的前组透镜11和后组透镜12的公共焦点处设有共焦滤波光阑16，只通过角膜前表面反射光，能滤除系统中出现的杂散光。

完成角膜面形的测量之后，系统即可以工作在人眼整体像差测量的功能之下：改变口径控制装置8的通光口径，使信标光成为细光束，并将附加测量透镜20移出系统之外。与角膜面形测量程序相同，首先进行瞳孔对准，用瞳孔或角膜照明光源2照明被测量人眼1瞳孔，通过分光镜3反射，由瞳孔成像物镜4将被测量人眼1瞳孔成像在CCD 5靶面上，再将CCD 5输出的视频信号输入计算机19中的视频采集卡，实时显示在计算机显示器上。调整仪器位置，使被测量人眼1瞳孔中心位于仪器光轴中心，再由被测量者用眼睛通过分光镜3、前组调焦物镜11和后组调焦物镜12组成的调焦系统、分光镜10、分光镜13观察目标系统18中一无穷远的目标，调整调焦系统，使目标在眼底成像清楚。在完成对准、调焦后，由信标光源6发出、由信标光准直系统7进行准直后的信标光，经口径控制装置8成为细光束后，经反射镜9反射，再经分光镜10反射，通过调焦系统，最后透过分光镜3，进入被测量人眼1；被测量人眼1眼底散射的信标光透过分光镜3和调焦系统，再透过分光镜10，经分光镜13反射，进入口径匹配系统14、反射镜15，出射光进入基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器17，传感器17将CCD输出的视频信号输入计算机19中，由计算机19计算出被测量人眼1的像差。此时，其中的口径匹配系统14实焦面处，或调焦系统的前组透镜11和后组透镜12的公共焦点处的共焦滤波光阑16，又只允许眼底散射光通过，能够将角膜杂散光滤除。

如图3所示，基于微棱镜阵列的夏克-哈特曼波前传感器主要由锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列31、傅立叶透镜(或成像透镜)32和光电耦合器件(如CCD探测器)33组成，其中傅立叶透镜(或成像透镜)32紧靠微棱镜阵列31，光电耦合器件33位于傅立叶透镜(或成像透镜)31焦面上。

基于微棱镜阵列的人眼像差哈特曼传感器由的工作原理为：入射光束经微棱镜阵列31后，各个子孔径的光束分别产生了相应的相位变化，通过紧贴其后的傅立叶透镜(或成像透镜)32成像，由位于傅立叶透镜(或成像透镜)焦面上的光电耦合器件33探测其光强分布，该光强分布包含着二维锯齿形相位光栅阵列所产生的相位信息，每个子孔径所产生的相位变化不同，因而在傅立叶透镜(或成像透镜)焦面上形成一个光斑阵列，整个光束孔径被均匀分割。标准平面波入射产生的光斑阵列将被保存起来作为标定数据。

当具有一定像差的波前入射时，各个局部倾斜平面波对其子孔径内二维锯齿形相位光栅产生新的附加相位，该相位变化将反映到傅立叶透镜(或成像透镜)焦面的光斑位置偏移上。

光电耦合器件33接收到的光斑信号可通过计算机进行处理，采用质心算法：由公式①计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$>>>x>i>>=>>>>\Sigma >>m>=>1>>M>>>\Sigma >>n>=>1>>N>>>x>nm>>>I>nm>>>>>\Sigma >>m>=>1>>M>>>\Sigma >>n>=>1>>N>>>I>nm>>>>,>>y>i>>=>>>>\Sigma >>m>=>1>>M>>>\Sigma >>n>=>1>>N>>>y>nm>>>I>nm>>>>>\Sigma >>m>=>1>>M>>>\Sigma >>n>=>1>>N>>>I>nm>>>>>s>①$

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到光电耦合器件33光敏靶面34上对应的像素区域，I_nm是光电耦合器件33光敏靶面34上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据公式②计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$>>>g>xi>>=>>\Delta x>\lambda f>>=>>>>x>i>>->>x>o>>>\lambda f>>,>>g>yi>>=>>\Delta y>\lambda f>>=>>>>y>i>>->>y>o>>>\lambda f>>>s>②$

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。