一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的实时动态模拟装置及其实时动态模拟方法

摘要

一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的实时动态模拟装置及其实时动态模拟方法，所述的实时动态模拟装置包括波前探测器、模拟眼、光源、头托及人眼、移动载物台及物体、带通滤光片、分束片和准直透镜，能模拟各种情况下的人眼实时动态变化情况，通过图像能直观的呈现出眼睛调节过程，方便眼科教学，能实时观察到眼睛所成像的实时图像，同时该装置能实现实时动态观察人眼像差变化引起的眼底所成图像变换情况，为科研工作者提供人眼像差调节方式研究的依据，并具有操作方便、效率高、精确高、真实性好、调节范围广、能实时观察眼底所成像等特点，适于大规模推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及涉及结合自适应光学技术的像差可调的模拟眼技术领域，具体涉及一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的实时动态模拟装置及其实时动态模拟方法。

背景技术

在眼科教学或者科研过程中，很多眼科仪器或者研发的眼科系统都要用到受试者作为检查对象，由于教学或者科研过程中难免存在学生使用不当或者研发的系统不稳定等因素，从而可能造成受试者人眼受伤等现象；同时，临时急用或者长时间配合的受试者较难找到，这些情况都会对科研或教学工作者带来不方便；此外，每个人具有不同的人眼结构，最典型的有近视眼、远视眼等，观察物体时将产生不同的人眼像差，对检查设备产生不同的效果，所以设计一种人眼像差可调的能真实模拟人眼的模拟眼具有非常重要的研究意义。此外，不同人眼不同观察角度会产生不同的人眼像差，从而观察物体时眼底会呈现出不同共轭像，实时动态观察人眼屈光不正调节引起眼底共轭像的变化对人眼像差调节方式具有一定的研究意义，所以非常有必要设计一种能实时动态模拟人眼像差变化的装置。

目前市场上出现的模拟眼基本上都是静态模拟眼，很多眼科仪器标定或测试都是使用静态模拟眼，无法通过改变模拟眼内结构来实现屈光可调（人眼像差可调），满足不了教学或科研所需的功能，只能通过采用不同屈光度的模拟眼来模拟各种眼屈光不正情况，实现不同人眼的仪器观察与测试，其缺点操作不方便，效率低，真实性差，精度低，不能实时动态观察等特点。此外，市场上也出现存在极少部分带有简单屈光可调的模拟眼，虽然可模拟远视或近视，但都是定性模拟，无法精确模拟或者设计出各种人眼像差，也无法真实反映出通过人眼在眼底所成的图像，其精度低，调节能力弱，真实性差（不能完全模拟人眼真实像差），不能实时动态观察等缺点。

中国发明专利CN201210132443中，描述了一种屈光度可调的模拟眼，只能改变人眼个别像差，无法真实模拟人眼，也无法真实反映屈光不正人眼通过人眼在眼底所成的图像情况，具体内容可见专利CN201210132443。类似专利还有专利CN201610051712等，关于基于空间光调制器像差可调的模拟眼及其实时动态模拟装置专利基本上未看到过。

因此，迫切需要一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼及其实时动态模拟的装置，根据不同人眼像差，模拟出真实人眼像差，实现观察与测试，观察各种像差情况下的眼底所成图像，能在任何眼科仪器设备中代替各种情况下的人眼，并具有操作方便、效率高、精度高、真实性好、调节范围广、能实时观察眼底所成像等特点。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，本发明提供一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的实时动态模拟装置及其实时动态模拟方法，该装置能实时动态模拟出各种人眼像差，包括高阶像差和低阶像差，通过图像能直观的呈现出眼睛调节过程，方便眼科教学以及人眼像差调节方式的研究，具有操作方便、效率高、精度高、真实性好、调节范围广、能实时观察眼底所成的像等特点。

本发明采用的技术解决方案是：一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的实时动态模拟装置，所述的装置包括波前探测器M2和模拟眼M1以及光源M3和头托及人眼M4，所述的头托及人眼M4的正前方还设有移动载物台及物体M5，所述的头托及人眼M4与移动载物台及物体M5的连线与波前传感器M2和模拟眼M1的连线相互垂直，所述的模拟眼M1与移动载物台及物体M5的前端分别设有可见光带通滤光片M6，所述的光源M3的前端还设有准直透镜M9，所述的光源M3与波前传感器M2和模拟眼M1的连线之间以及头托及人眼M4与移动载物台及物体M5的连线与波前传感器M2和模拟眼M1的连线的交汇处分别设有分束片M8，所述的两个分束片M8之间还设有近红外带通滤光片M7。

所述的波前探测器M2可为夏克-哈特曼波前探测器。

所述的光源M3为超辐射发光二极管或者激光，波长选用近红外波段。

一种实时动态模拟装置的实时动态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）人眼M4观察物体M5，物体M5发出的光线经滤光片M6和分束片M8进入到人眼M4，引起晶状体调节，以达到看清物体，同时，由光源M3发出的光线经准直透镜M9准直，入射到人眼M4，由人眼M4眼底反射过来的光线，再经分束片M8和滤光片M7进入到波前探测器M2里，通过波前传感器M2获取光学系统波前分割的点阵图，发送到计算机上，通过软件计算人眼像差在点阵图上的斜率向量，从而可以重构出波前曲面方程，得到人眼像差参数值；

（2）根据像差参数向量计算出各单元电极电压值，将计算得到电压值信号发送给所述的模拟眼M1，控制液晶空间调制器33的单元电极电压，使模拟眼M1系统像差与此时人眼M4像差一致，从而精确模拟出人眼；

（3）通过移动物体M5，人眼为了看清物体M5会调节晶状体面型，从而改变人眼像差，眼底所成的图像由模糊变清晰，模拟眼M1通过反馈过来的动态像差，可以实时模拟出人眼像差，眼底所成的图像通过光电传感器4在计算机上显示出来，从而可实现实时动态观察人眼像差变化引起的眼底所成图像变换情况。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的实时动态模拟装置及其实时动态模拟方法，所述的实时动态模拟装置包括波前探测器、模拟眼、光源、头托及人眼、移动载物台及物体、带通滤光片、分束片和准直透镜，能模拟各种情况下的人眼实时动态变化情况，通过图像能直观的呈现出眼睛调节过程，方便眼科教学，能实时观察到眼睛所成像的实时图像，同时该装置能实现实时动态观察人眼像差变化引起的眼底所成图像变换情况，为科研工作者提供人眼像差调节方式研究的依据，并具有操作方便、效率高、精确高、真实性好、调节范围广、能实时观察眼底所成像等特点，适于大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明的模拟眼具体实施例的结构剖视图。

图2是图1所示的具体实施例模拟近视眼的结构剖视图。

图3是图1所示的具体实施例模拟远视眼的结构剖视图。

图4是本发明模拟眼中计算像差响应矩阵的自适应系统实验装置图。

图5是本发明的实时动态模拟人眼像差变化装置具体实施例的结构示意图。

图中1-仿真角膜部件，2-仿真虹膜部件，3-仿真晶状体部件，4-仿真视网膜部件，5-壳体，6-透明液体，7-计算机，8-前腔，9-后腔，31-透镜，32-偏振片，33-透射式液晶空间调制器，34-控制器，35-控制软件。

具体实施方式

如图1所示，一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼，包括壳体（5）与计算机（7），所述的壳体（5）后壁呈内凹球面状，所述的壳体（5）的前端从外至内依次设有仿真角膜部件（1）、仿真虹膜部件（2）、仿真晶状体部件（3），所述的仿真角膜部件（1）向外呈球面凸出，所述的仿真角膜部件（1）为负弯月形薄透明材料，所述的仿真角膜部件（1）为负弯月形薄透镜或人工角膜中的一种。所述的仿真虹膜部件（2）为可变通光孔。所述的仿真晶状体部件（3）为空间光调制器。通过改变空间光调制器来实现人眼像差的改变，所述的仿真晶状体部件（3）还包括控制器（34）和控制软件（35），所述的控制器（34）安装到壳体（5）上，所述的控制软件（35）安装在计算机（7）上。所述的仿真虹膜部件2位于仿真角膜部件（1）后部且紧靠仿真晶状体部件（3），所述的仿真晶状体部件（3）的后部还设有仿真视网膜部件4，所述的仿真视网膜部件4为光电传感器。所述的光电传感器可为CCD传感器或CMOS传感器等。所述的仿真视网膜部件4安装在壳体（5）的后壁上，所述的壳体（5）被仿真晶状体部件（3）分隔成前腔（8）和后腔（9），所述的前腔（8）和后腔（9）分别充有互不相溶的透明液体（6），所述的透明液体（6）可为油或者水等。所述的仿真角膜部件（1）、仿真虹膜部件（2）、仿真晶状体部件（3）均安装在前腔（8）的前部，所述的计算机（7）与仿真晶状体部件（3）和仿真视网膜部件（4）分别相连。

所述的仿真晶状体部件（3）包括透镜（31）、偏振片（32）、透射式液晶空间调制器（33），所述的透镜（31）位于偏振片（32）或透射式液晶空间调制器（33）的前侧或者后侧，其主要目的是给模拟眼M1一个初始的屈光度，而像差调节由所述透射式液晶空间调制器33来实现，在给定的初始屈光度基础上进行正负方向调节；所述的偏振片（32）位于透射式液晶空间调制器（33）前端，用于将入射的自然光转换成偏振光，所述的透射式液晶空间调制器由许多小液晶单元以及对应的液晶单元电极组成。通过所述的控制软件35输入所要求的人眼波前像差曲面方程（可采用泽尼克多项式）的相关参数，根据波前像差与液晶空间调制器33所需驱动电压间的关系计算出各单元电极驱动电压值，将电压值信号发送给所述的控制器，控制液晶空间调制器的单元电极驱动电压，通过改变加在液晶单元电极上的驱动电压值，就可逐点控制入射光的相位，进而实现人眼波前像差的变化。

本发明能模拟出不同屈光状态下人眼，例如，如图2所示的近视眼状态，如图3所示的远视眼状态，方便眼科教学和系统科研。

为了实现模拟眼系统像差可调，在本发明的具体实施例中，一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的像差调节方法，所述的调节方法包括以下步骤：

（1）将仿真晶状体部件（空间光调制器）和仿真视网膜部件（光电传感器）与所述的计算机连接在一起；

（2）将已知的人眼通过波前像差探测器计算得到的波前像差相关参数（如泽尼克多项式系数值）或者人为任意给定的波前像差相关参数，手动输入到安装在计算机的控制软件里；

（3）控制软件根据波前像差参数向量A与空间光调制器所需驱动电压向量V间的关系式，如公式1所示，由波前像差参数和像差响应矩阵计算出各单元电极驱动电压值，

（1）

其中D为像差响应矩阵，其像差响应矩阵可通过如下方式得到：搭建一个的自适应系统M，如图4所示，所述的自适应系统包括夏克-哈特曼波前传感器M2和模拟眼M1以及光源M3，所述的夏克-哈特曼波前传感器M2和模拟眼M1的连线之间还设有分束片M8，所述的光源M3与分束片M8的连线与夏克-哈特曼波前传感器M2和模拟眼M1的连线相互垂直，所述的光源M3与分束片M8之间还设有准直透镜M9；

通过夏克-哈特曼波前传感器M2获取光学系统波前分割的点阵图，计算人眼像差在点阵图上的斜率向量，分离斜率向量中倾斜、平移等零阶像差，以消除光学系统中像差的整体倾斜或平移，然后，通过对空间光调制器单元电极的独立测试，获得像差校正空间光调制器的像差响应矩阵；

（4）将计算得到电压值信号发送给所述的控制器，控制液晶空间调制器的单元电极驱动电压，通过改变加在液晶单元电极上的驱动电压值，就可逐点控制入射光的相位，进而实现人眼波前像差的变化。

为了实现实时动态观察人眼像差变化引起的眼底所成图像变换情况，在本发明具体实施例中，如图5所示，一种基于空间光调制器像差可调的模拟眼的实时动态模拟装置，包括波前探测器M2和模拟眼M1以及光源M3和头托及人眼M4，所述的头托及人眼M4的正前方还设有移动载物台及物体M5，所述的头托及人眼M4与移动载物台及物体M5的连线与波前传感器M2和模拟眼M1的连线相互垂直，所述的模拟眼M1与移动载物台及物体M5的前端分别设有可见光带通滤光片M6，所述的可见光带通滤光片M6主要目的是为了滤去除了可见光外的其他杂散光，采用可见光用于观察物体，近红外光用于像差探测，观察和像差探测分离，有利于功能的实现，所述的光源M3的前端还设有准直透镜M9，所述的光源M3与波前传感器M2和模拟眼M1的连线之间以及头托及人眼M4与移动载物台及物体M5的连线与波前传感器M2和模拟眼M1的连线的交汇处分别设有分束片M8，所述的两个分束片M8之间还设有近红外带通滤光片M7。所述的近红外带通滤光片M7主要目的是为了滤掉由物体M5发出的可见光经人眼M4和模拟眼M1反射过来的可见光，减少杂散光对波前探测精度的影响。

所述的波前探测器M2可为夏克-哈特曼波前探测器。

所述的光源M3为超辐射发光二极管或者激光，波长选用近红外波段。减少眼睛对光线的敏感引起晶状体的调节，从而影响人眼对物体的观察。

一种实时动态模拟装置的实时动态模拟方法，具体实现的步骤和方法如下：

（1）人眼M4观察物体M5，物体M5发出的光线经滤光片M6和分束片M8进入到人眼M4，引起晶状体调节，以达到看清物体，同时，由光源M3发出的光线经准直透镜M9准直，入射到人眼M4，由人眼M4眼底反射过来的光线，再经分束片M8和滤光片M7进入到波前探测器M2里，通过波前传感器M2获取光学系统波前分割的点阵图，发送到计算机上，通过软件计算人眼像差在点阵图上的斜率向量，从而可以重构出波前曲面方程，得到人眼像差参数值；

（2）根据像差参数向量计算出各单元电极电压值，将计算得到电压值信号发送给所述的模拟眼M1，控制液晶空间调制器33的单元电极电压，使模拟眼M1系统像差与此时人眼M4像差一致，从而精确模拟出人眼；

（3）通过移动物体M5，人眼为了看清物体M5会调节晶状体面型，从而改变人眼像差，眼底所成的图像由模糊变清晰，模拟眼M1通过反馈过来的动态像差，可以实时模拟出人眼像差，眼底所成的图像通过光电传感器4在计算机上显示出来，从而可实现实时动态观察人眼像差变化引起的眼底所成图像变换情况。

本发明的基于空间光调制器像差可调的模拟眼及其实时动态模拟装置设计巧妙独特，能在任何眼科仪器设备中代替各种情况下的人眼，方便眼科教学、为眼科设备提供可靠真实的人眼模型，并具有操作方便、效率高、精确高、真实性好、调节范围广、能实时观察眼底所成像等特点，适于大规模推广应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。