基于波前像差的视觉光学分析系统.pdf

一种医用光学技术领域的基于波前像差的视觉光学分析系统，本发明中：第一分光镜位于光阑和角膜之间，泼拉西多氏盘的出射光经过第二分光镜和第三分光镜投射至角膜表面，角膜出射的光经由第四分光镜反射到角膜地形图成像系统，角膜地形图成像物镜位于第一口匹配系统和监视CCD之间，散光补偿系统位于第一口径匹配系统和光棱镜之间，分光棱镜出射的一部分光反射经过第二口径匹配系统后一部分到达目标物，另一部分照射到夏克-哈特曼波前传感器，分光棱镜出射的一部分传输到变形镜，第五分光镜与目标物之间设有目标物成像物镜，夏克-哈特曼波前传感器和变形镜均和计算机相连。本发明既得到人眼像差和角膜面形的数据，又能对人眼像差进行矫正。

权利要求书
1、  一种基于波前像差的视觉光学分析系统，包括：激光光源、激光准直扩束系统、第一分光镜、第五分光镜、第二分光镜、第三分光镜、角膜地形图成像物镜、第一口径匹配系统、第四分光镜、分光棱镜、夏克-哈特曼波前传感器、目标物、监视CCD和计算机，其特征在于，还包括：光阑、泼拉西多氏盘、离焦补偿系统、散光补偿系统、变形镜、目标物成像物镜、第二口径匹配系统，其中：
激光光源的出射光经过激光准直扩束系统到达光阑，第一分光镜位于光阑和角膜之间，泼拉西多氏盘的出射光经过第二分光镜和第三分光镜投射至角膜表面，角膜出射的一部分光经由第四分光镜反射到角膜地形图成像系统，角膜地形图成像物镜位于第一口匹配系统和监视CCD之间，第四分光镜和离焦补偿系统均设置于第一口径匹配系统内部，散光补偿系统位于第一口径匹配系统和光棱镜之间，分光棱镜出射的一部分光反射经过第二口径匹配系统后一部分到达目标物，另一部分照射到夏克-哈特曼波前传感器，分光棱镜出射的一部分传输到变形镜，第二口径匹配系统内部设置有第五分光镜，第五分光镜与目标物之间设有目标物成像物镜，夏克-哈特曼波前传感器和变形镜均和计算机相连。

2、  根据权利要求1所述的基于波前像差的视觉光学分析系统，其特征是，所述的激光准直扩束系统由一个空间滤波器和一个凸透镜组成，空间滤波器置于凸透镜前焦点处。

3、  根据权利要求1所述的基于波前像差的视觉光学分析系统，其特征是，所述的第一口径匹配系统，其为由两个凸透镜组成的扩束系统，其中靠近眼瞳的凸透镜焦距小于靠近变形镜的凸透镜焦距，两凸透镜共焦。

4、  根据权利要求1所述的基于波前像差的视觉光学分析系统，其特征是，所述的第二口径匹配系统，其为由两个凸透镜组成的缩束系统，其中靠近变形镜的凸透镜的焦距大于靠近夏克-哈特曼波前传感器的凸透镜的焦距，两凸透镜共焦。

5、  根据权利要求1所述的基于波前像差的视觉光学分析系统，其特征是，所述的离焦补偿系统包括两个直角棱镜，两个直角棱镜之间平行放置。

6、  根据权利要求1所述的基于波前像差的视觉光学分析系统，其特征是，所述的散光补偿系统包括正柱镜和负柱镜，正柱镜和负柱镜之间正交放置。

7、  根据权利要求1所述的基于波前像差的视觉光学分析系统，其特征是，所述的夏克-哈特曼波前传感器，包括：微透镜阵列、光电耦合器件和数据采集卡，微透镜阵列的焦面与光电耦合器件的表面重合，光电耦合器件通过数据采集卡与计算机相连。

说明书基于波前像差的视觉光学分析系统
技术领域
本发明涉及的是一种医用光学技术领域的系统，具体是一种基于波前像差的视觉光学分析系统。
背景技术
夏克-哈特曼波前像差仪是现在广泛使用的一种客观波前分析仪，从眼底反射回来的波阵面经过一透镜阵列形成一个聚焦点所组成的阵列。如果是理想的眼球系统，反射回来的平行波阵面经聚焦后将产生等间距规则分布的点阵列。但是对于有像差的眼球，各个聚焦点会发生偏离。根据每个聚焦点与理想位置的偏差，计算出波前像差。对于传统的夏克-哈特曼波前像差仪来说，当像差严重变形时，聚焦点的偏差很大而使其与理想位置的聚焦点的一一对应关系难以识别，这就使得像差计算成为困难，而且这种检测波前像差的方法仅考虑了眼球的光学性质，而忽视了患者的主观视觉反应，患者无法感知测量的结果，更无法参与测量过程。
角膜地形图是对整个角膜表面进行分析，在临床应用于诊断角膜散光，分析角膜形状，将角膜面形数据以伪彩色显示出来。但是这种用于分析角膜形状的角膜地形图系统通常不具备角膜波前像差分析功能。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明申请号为200410068953.8，公开日为2006年1月18日，该专利自述为：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、角膜地形图成像物镜、监视CCD(电荷耦合图像传感器)、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，使其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，避免了现有技术的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。其不足之处在于该光学系统只是纯粹的对人眼低级、高级像差进行了测量，不能反应被测者的主观视觉响应，且并未针对人眼像差各个组成单元进行测量分析，不能广泛应用于需对人眼像差总体及各个组成单元进行分析的临床实践中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于波前像差的视觉光学分析系统，将自适应光学原理和夏克-哈特曼波前像差仪相结合，把人眼像差测量和角膜地形图测量相结合，使其不仅能够同时测量出人眼的各种像差和角膜地形图，便于了解两者之间的关系，还能针对人眼像差进行矫正，并能让被测者将客观的矫正结果实时加以反馈，以便将视力矫正为最佳状态。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光光源、激光准直扩束系统、光阑、第一分光镜、第五分光镜、泼拉西多氏盘、第二分光镜、第三分光镜、角膜地形图成像物镜、第一口径匹配系统、第四分光镜、离焦补偿系统、散光补偿系统、分光棱镜、变形镜、第二口径匹配系统、目标物、目标物成像物镜、夏克-哈特曼波前传感器、监视CCD和计算机，其中：
激光光源的出射光经过激光准直扩束系统到达光阑，第一分光镜位于光阑和角膜之间，泼拉西多氏盘的出射光经过第二分光镜和第三分光镜投射至角膜表面，角膜出射的一部分光经由第四分光镜反射到角膜地形图成像系统，角膜地形图成像物镜位于第一口匹配系统和监视CCD之间，第四分光镜和离焦补偿系统均设置于第一口径匹配系统内部，散光补偿系统位于第一口径匹配系统和光棱镜之间，分光棱镜出射的一部分光反射经过第二口径匹配系统后一部分到达目标物，另一部分照射到夏克-哈特曼波前传感器，分光棱镜出射的一部分传输到变形镜，第二口径匹配系统内部设置有第五分光镜，第五分光镜与目标物之间设有目标物成像物镜，夏克-哈特曼波前传感器和变形镜均和计算机相连。
所述的激光准直扩束系统由一个空间滤波器和一个凸透镜组成，空间滤波器置于凸透镜前焦点处，空间滤波器对激光滤波后通过凸透镜成为平行光，以保证激光光源的出射光平行且均匀，并用光阑取出射光的中心部分作为入射到眼瞳的细光束。
所述的第一口径匹配系统，其为由两个凸透镜组成的扩束系统，由于眼瞳直径较小，变形镜口径较大，其中靠近眼瞳的凸透镜焦距小于靠近变形镜的凸透镜焦距，两凸透镜共焦，以实现眼瞳出射光束与变形镜的口径匹配。
所述的第二口径匹配系统，其为由两个凸透镜组成的缩束系统，由于变形镜口径较大，夏克-哈特曼波前传感器的口径较小，所以靠近变形镜的凸透镜的焦距大于靠近夏克-哈特曼波前传感器的凸透镜的焦距，两凸透镜共焦，以实现变形镜出射光束和夏克-哈特曼波前传感器的口径匹配。
所述的离焦补偿系统包括两个直角棱镜，两个直角棱镜之间平行设置，两个直角棱镜之间的距离可调，通过平移调节两个三棱镜之间的距离来实现离焦补偿。
所述的散光补偿系统包括正柱镜和负柱镜，正柱镜和负柱镜之间正交放置，并且两棱柱之间的角度可调，通过旋转调节两个柱镜的相对角度来实现散光补偿。
所述的夏克-哈特曼波前传感器，包括：微透镜阵列、光电耦合器件和数据采集卡，微透镜阵列的焦面与光电耦合器件的表面重合，光电耦合器件通过数据采集卡与计算机相连。
所述计算机，其通过光电耦合器件接收光电耦合器件对波前的探测结果，计算出子孔径斜率后进行波前重建并根据控制方法计算出控制电压，经高压放大后驱动变形镜工作实现系统的闭环工作。
所述的变形镜是指在控制电压驱动下能产生表面形状变化的器件。
本发明中，普拉西多氏盘发出的光通过第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜投射到角膜表面上，再经过角膜地形图成像物镜将被测量人眼的角膜成像在监视CCD上，并经过计算获得角膜表面的形态分布数据及图形，同时可经过计算获得角膜表面波前像差分布数据及图形。监视CCD输出的视频信号可以通过视频采集卡在计算机上实时显示出来。同时，激光器出射的光经过激光准直扩束系统之后，用光阑截取中心部分的细光束入射到眼底。从眼底反射出的波阵面受到眼球的屈光介质的影响产生形变，传入第五分光镜后分成两束光，一束由夏克-哈特曼波前传感器测量计算被测眼睛的波前像差并且传输给计算机储存，由计算机计算输出控制电压，调整变形镜表面形状以调制入射光的波阵面补偿眼球的像差，直到夏克-哈特曼波前传感器检测到均匀分布的聚焦阵列，这部分实现眼波前像差的客观测量与矫正；另一束波阵面通过变形镜补偿后投影到目标物上，被测者可以观察到目标物，并将满意程度反馈给计算机，通过改变变形镜表面形状进行微调。因此，能在客观测量结果的基础上，实现主观的微调，以确定获得最佳视觉效果的眼波前像差分布。
激光经扩束后，尺寸与变形镜的尺寸相匹配，变形镜反射的光通过第一口径匹配系统，与夏克-哈特曼波前传感器上的微透镜阵列共轭，同时尺寸也与夏克-哈特曼波前传感器上的微透镜阵列的尺寸相匹配，夏克-哈特曼波前传感器探测出波前畸变的斜率，通过计算将其进一步处理成波前畸变的相位分布。得到畸变波前的相位分布后，通过控制方法产生控制信号。控制信号驱动变形镜变形，按照系统要求矫正像差或者产生特定的像差。
被测眼瞳孔通过望远系统和变形镜呈共轭关系，变形镜通过第一口径匹配系统与夏克-哈特曼波前传感器上的微透镜阵列呈共轭关系，这样瞳孔和夏克-哈特曼波前传感器上的微透镜阵列也呈共轭关系。监视CCD用于监测瞳孔位置与大小。离焦补偿系统用于补偿被测眼的离焦，散光补偿系统用于补偿被测眼的散光。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明将自适应光学原理和夏克-哈特曼波前像差仪相结合，能够实现人眼像差的测量和角膜地形图的测量，便于了解两者之间的关系。并在现有的技术基础上实现了针对人眼像差的矫正，通过离焦，散光补偿，能够使整个系统的离焦测量与矫正范围达到±20D，散光测量与矫正范围达到±10D。被测者可以将客观的矫正结果实时加以反馈，以便将视力矫正为最佳状态。该系统结构和操作都比较简单，通过一次测量不但可以得到人眼像差和角膜面形的数据，还能够对人眼像差进行矫正。对于帮助了解人眼的角膜光学特性、人眼角膜表面波前像差分布以及各种高阶像差对人眼视力的影响都有着重要的意义。同时也为临床上的视觉光学矫正和眼外科手术提供了更为准确有效的支持。
附图说明
图1是本发明的光学系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：激光光源1、激光准直扩束系统2、光阑3、第一分光镜4、第五分光镜5、泼拉西多氏盘6、第二分光镜7、第三分光镜8、角膜地形图成像物镜9、第一口径匹配系统10、第四分光镜11、离焦补偿系统12、散光补偿系统13、分光棱镜14、变形镜15、第二口径匹配系统16、目标物成像物镜17、目标物18、夏克-哈特曼波前传感器19、监视CCD20和计算机21，其中：
激光光源1的出射光经过激光准直扩束系统2到达光阑3，第一分光镜4位于光阑3和角膜之间，泼拉西多氏盘6的出射光经过第二分光镜7和第三分光镜8投射至角膜表面，角膜出射的一部分光经由第四分光镜11反射到角膜地形图成像系统9，角膜地形图成像物镜9位于第一口径匹配系统10和监视CCD20之间，第四分光镜11和离焦补偿系统12均设置于第一口径匹配系统10内部，散光补偿系统13位于第一口径匹配系统和光棱镜14之间，分光棱镜14出射的一部分光反射经过第二口径匹配系统16后一部分到达目标物18，另一部分照射到夏克-哈特曼波前传感器19，分光棱镜14出射的一部分传输到变形镜15，第二口径匹配系统16内部设置有第五分光镜5，第五分光镜5与目标物18之间设有目标物成像物镜17，夏克-哈特曼波前传感器19和变形镜15均和计算机21相连。
所述激光准直扩束系统2，包括一个空间滤波器和一个凸透镜，凸透镜位于空间滤波器后侧，空间滤波器置于透镜前焦点处以保证出射光线是平行光。
所述空间滤波器，其孔径小于等于50μm。
所述的第一口径匹配系统10，其为由两个凸透镜组成的扩束系统，其中靠近眼瞳的凸透镜焦距小于靠近变形镜15的凸透镜焦距，两凸透镜共焦，以实现眼瞳出射光束与变形镜15的口径匹配。
所述第一口径匹配系统10，其两个凸透镜的焦距分别为120mm和400mm。
所述离焦补偿系统12包括两个直角棱镜，两个直角棱镜之间平行设置，两个直角棱镜之间的距离可调，通过调节两个三棱镜之间的距离来实现离焦补偿。
所述的离焦补偿系统13包括两个直角棱镜，两个直角棱镜之间平行设置，两个直角棱镜之间的距离可调，通过平移调节两个三棱镜之间的距离来实现离焦补偿。
所述的第二口径匹配系统16，其为是由两个凸透镜组成的缩束系统，其中靠近变形镜15的凸透镜的焦距大于靠近夏克-哈特曼波前传感器19的凸透镜的焦距，两凸透镜共焦，以实现变形镜15出射光束和夏克-哈特曼波前传感器19的口径匹配。
所述第二口径匹配系统16，其两个凸透镜的焦距分别为150mm和30mm。
本实施例中，角膜照明光源为近红外发光二极管，光源照射到泼拉西多氏盘6表面之后，通过第二分光镜7投射到角膜表面上，再经过角膜地形图成像物镜9将被测量人眼的角膜成像在监视CCD20上，监视CCD20输出的视频信号可以通过视频采集卡在计算机21上实时显示出来。调整仪器位置，使被测量人眼瞳孔中心位于仪器光轴中心，完成对准后，监视CCD20的视频信号输入到计算机21中，通过计算获得被测眼角膜表面的形态分布。根据所测得的角膜形态分布，可计算角膜上任意一点与任意设定参考面上对应点的相对距离，将此相对距离乘以角膜折射率，本实施例中角膜折射率n为1.376，可得角膜表面波前像差分布。
同时，激光光源1出射的光经过准直扩束之后，用光阑3截取中心部分的细光束入射到眼底。从眼底反射出的波阵面受到眼球的屈光介质的影响产生形变，通过第一口径匹配系统10扩束，并调节离焦补偿系统12和散光补偿系统13以补偿离焦和散光。光线照射到变形镜15上，变形镜15的反射光通过分光棱镜14反射出来，传入第五分光镜5后分成两束光，一束由夏克-哈特曼波前传感器19测量并且储存传输给计算机21，然后由计算机21发出信号调节变形镜15补偿眼球的像差，直到夏克-哈特曼波前传感器19检测到均匀分布的聚焦阵列，这部分实现客观测量与矫正；另一束波阵面通过可变形15微镜阵列补偿后投影到目标物18(如视力表)上，被测者可以观察到目标物18，并将满意程度反馈给计算机21，在客观的测量结果的基础上，通过改变变形镜15中的微镜阵列的分布进行微调，最后根据变形镜15中的微镜阵列分布的改变情况计算像差，从而实现获得最佳视觉效果时的主观的波前像差的测量与矫正。所得的眼球像差及角膜像差相减便可得到眼内其它部分的像差，实现被测眼不同部分眼波前像差的分析。
本实施例能够实现人眼像差的测量和角膜地形图的测量，并实现了针对人眼像差的矫正，被测者可以将客观的矫正结果实时加以反馈，以便将视力矫正为最佳状态。通过离焦，散光补偿，能够使整个系统的离焦测量与矫正范围达到±20D，散光测量与矫正范围达到±10D。本实施例的结构和操作都比较简单，通过一次测量不但可以得到人眼像差和角膜面形的数据，还能够对人眼像差进行矫正。对于帮助了解人眼的角膜光学特性、人眼角膜表面波前像差分布以及各种高阶像差对人眼视力的影响都有着重要的意义。