CN102551657A - 一种基于位相参差的人眼像差测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位相参差的人眼像差测量系统，包括照明光学系统、瞳孔对准系统、凝视光学系统和成像光学系统，所述照明光学系统主要是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述瞳孔对准系统是用于在探测之前将人眼与照明光学系统和成像光学系统的光轴对准的系统，凝视光学系统主要是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，成像光学系统主要是对照明系统所照明的眼底区域进行观察成像的系统。本发明克服了现有技术中，主观性像差测量、测量时间长、不能用于引导个体化像差校正、测量准确性低、测量范围小等不足。

Description

一种基于位相参差的人眼像差测量系统

技术领域

本发明属于一种人眼像差测量技术，具体地涉及一种基于位相参差的人眼像差测量系统。

背景技术

近年来，随着现代技术的发展，波前像差理论不断发展，对人眼屈光状态的评价如离焦、散光已不能满足对人眼光学质量的评价。波前像差已由一单纯的光学概念变为一种可能改变人眼视觉质量的有效途径和评价成像质量的重要手段。

测量人眼的波前像差并予以校正，对提高视觉质量有着显著的作用。将可预见性像差因素融入个体化设计，将是波前像差引导的个体化像差校正所追求的理想境界。为此，准确地测量并且进行波前像差前后的大量对比，将是通向这一理想境界的必经之路。

目前，测量人眼像差的方法主要有hartmann法、Tcherning法和Scheiner法。Scheiner法是主观性像差测量，测量时间长，不能用于引导个体化像差校正；Tcherning法局限在于光束的位置偏离计算中，要用到一个理想化的人眼模型(Gullstrand模型眼)，测量准确性低；Hartmann法的测量时间短，测量结果准确可靠，但测量范围小，无法准确测量大离焦量的波前像差。

位相参差测量波前像差的方法是利用相机捕获的图像信息(光强分布)推算出光学系统波面像差的一种波前传感技术。

根据傅里叶光学理论，光学系统的点扩散函数PSF和光学传递函数OTF之间有如下变换关系：

OTF(u，v)＝∫∫PSF(x，y)·exp[-2πi(ux+vy)]dxdy                (1)

振幅点扩散函数为ASF(x，y)，点扩散函数是它的模的平方，关系如下：

PSF(x，y)＝ASF(x，y)ASF^*(x，y)＝|ASF(x，y)|²                   (2)

而振幅点扩散函数ASF(x，y)和光瞳函数P(x′，y′)之间存在如下傅里叶变换关系：

P(x′，y′)＝∫∫ASF(x，y)·exp[-2πi(x′x+y′y)]dxdy          (3)

由以上三式可知，光学传递函数是光瞳函数的自相关，关系如下：

$\mathrm{OTF}(u,v)=\∫\∫P(x^{\′},y^{\′})P^{*}(x^{\′}+u,y^{\′}+v){\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}=P(x^{\′},y^{\′})\⊗P(x^{\′},y^{\′})---\left(4\right)$

光瞳函数可以表示为

P(x′，y′)＝A(x′，y′)exp[ikW(x′，y′)]                     (5)

其中，A(x′，y′)表示光瞳函数的振幅部分，是光瞳口径的函数，通光孔内为1，通光孔外为0，k＝2π/λ为波数；W(x′，y′)表示光瞳函数的位相部分，是系统的波像差。

位相恢复的问题就是已知点扩散函数PSF(x，y)和光瞳函数振幅部分A(x′，y′)，求出光瞳函数的位相部分W(x′，y′)。

对于一个点物可以使用迭代法求得系统波像差。相机探测到的光强分布可以看做是点光源所经过系统的点扩散函数PSF(x，y)，点扩散函数的傅里叶变换为系统的传递函数。将波前像差展开成级数，一般利用Zernike多项式展开。然后利用光瞳函数的自相关计算传递函数，改变Zernike系数，得到不同的传递函数的计算结果，并与由点扩散函数的傅里叶变换得到的系统传递函数比较，其均方差值最小时得到的波前像差为系统的波前像差。

对于人眼波前像差的探测在一般情况下是不满足点光源成像的条件的，尤其是在人眼像差比较大的情况下从人眼反射出来的光点被发散很大的面积。单纯利用相机得到的点扩散函数不会准确。此时相当于对扩展物体成像，单纯采用上面提到的迭代法不能得到精确的人眼波前像差。我们采用位相参差的方法对上面提到的迭代法改进。

位相参差是给光学系统一个或几个已知的位相差，如像面离焦，此时如果已知离焦量就可以知道系统的位相差，这样系统的像面和离焦面就有一个位相差，这就叫做位相参差。如果同时考虑系统像面和参差面的图像并且已知参差面与像面之间的位相差，就可以计算出光学系统的位相，尤其是对于扩展的物体这种方法更为有效。

光学系统的成像关系可以表示为

i(x，y)＝h(x，y)*d(x，y)*o(x，y)+n(x，y)                       (6)

其中i(x，y)为像面上的光强分布；h(x，y)为光学系统的点扩散函数，d(x，y)为探测器的点扩散函数；o(x，y)为物体的光强分布；n(x，y)为噪声。*表示卷积运算。

对(6)式两边取傅里叶变换得

I(u，v)＝H(u，v)D(u，v)O(u，v)+N(u，v)                         (7)

其中I(u，v)为像的频谱；H(u，v)为光学传递函数；D(u，v)为探测器的传递函数；O(u，v)为物体的频谱；N(u，v)为噪声频谱。

利用点光源情况下位相恢复的参数法，把光瞳函数可以简写成

P(x′，y′)＝A(x′，y′)exp[ikW(x′，y′)]                     (8)

其中，波像差W(x′，y′)可以展开成多项式

$W(x^{\′},y^{\′})=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{\mathrm{\φ}}_k\left(x^{\′}\right)---\left(9\right)$

光学传递函数H(u，v)是光瞳函数的自相关，

H(u，v)＝∫∫P(x′，y′)P^*(x′+u，y′+v)dx′dy′

       ＝∫∫A(x′，y′)A(x′+u，y′+v)exp[ikW(x′+u，y′+v)-ikW(x′，y′)]dx′dy′

(10)

通过给定的多项式展开系数c_k推算出来的频谱H(u，v)D(u，v)O(u，v)和探测到的像的频谱I(u，v)之间的方差最小求出多项式展开系数c_k，从而确定系统的波像差。推算频谱和探测到的频谱之间的评价值为

E＝∫∫|I(u，v)-H(u，v)D(u，v)O(u，v)|²dudv                  (11)

当E为最小时得到的c_k所确定的多项式就为系统的波像差。

在不知道物面光强分布的情况下，使用位相参差法可以有效的确定E的值，从而确定c_k。设在两个位置观察物体，得到两个像i₁(x，y)和i₂(x，y)，这时评价值E为

E＝∫∫|I₁(u，v)-H₁(u，v)D(u，v)O(u，v)|²dudv

  +∫∫|I₂(u，v)-H₂(u，v)D(u，v)O(u，v)|²dudv                (12)

此时物体的频谱O(u，v)为

$D(u,v)O(u,v)=\frac{H_1^{*}{I}_1+H_2^{*}{I}_2}{{\left|H_1\right|}^2+{\left|H_2\right|}^2}---\left(13\right)$

时评价值E为最小。

将(13)式代入(12)式，得到

$E=\∫\∫\frac{{|I_1{H}_2-I_2{H}_1|}^2}{{\left|H_1\right|}^2+{\left|H_2\right|}^2}\mathrm{dudv}---\left(14\right)$

通过两幅图像的频谱和它们之间的位相参差就可以计算得到系统的波像差。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于位相参差的人眼像差测量系统。

为了解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现：

一种基于位相参差的人眼像差测量系统，包括照明光学系统、瞳孔对准系统、凝视光学系统和成像光学系统。

进一步的，所述照明光学系统包括在光路中依次设置的第一透镜、环形光阑、第二透镜和第三透镜，还包括一由计算机控制的光源和光纤；光源通过光纤将光耦合进系统，依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜和瞳孔后成像在人眼眼底处。

进一步的，所述瞳孔对准系统包括对瞳孔进行红外照射的第一红外照明灯与第二红外照明灯、第一分光片、第四透镜和瞳孔相机，以及用于照明光学系统的第三透镜，第一分光片设置在第三透镜的后面，第四透镜设置在第一分光片的反射光路上，瞳孔相机设置在第四透镜的后面；第一红外照明灯和第二红外照明灯的照明光被瞳孔反射之后依次经过第三透镜、第一分光片和第四透镜成像在瞳孔相机上。

进一步的，所述凝视光学系统包括第二分光片、第五透镜和视标，以及用于用于照明光学系统的第三透镜与第二透镜，第二分光片设置在第二透镜的后面，第五透镜第二分光片的反射光路上，视标设置在第五透镜的后面；人眼依次通过第三透镜、第二透镜、第二分光片和第五透镜凝视视标上的视标图案。

进一步的，所述成像光学系统包括设置在瞳孔后的将人眼眼底反射光偏折一定角度与所述照明光学系统的光路光束分开的第三分光片，还包括在依次设置在第三分光片的反射光路上的第六透镜、第七透镜、第八透镜和相机成像系统，所述照明光学系统投射在人眼眼底的光斑依次经过第六透镜、第七透镜、第八透镜，成像在相机成像系统上。

进一步的，所述第二透镜和第三透镜组成一个望远系统，将所述环形光阑成像在瞳孔前表面处。

进一步的，所述瞳孔相机的位置与瞳孔面共轭。

优选的，所述相机成像系统包括一设置在第八透镜后的分光棱镜，以及分别设置在分光棱镜的两出射光路上的第一成像相机和第二成像相机，所述第一成像相机和第二成像相机分别连接在所述计算机上。

进一步的，所述第一成像相机位于眼底像面共轭处，所述第二成像相机处于相对于眼底像面有一个已知的任意数值的偏移量的位置上。

优选的，所述相机成像系统包括一设置在第八透镜后的第四分光片，以及第四分光片的反射光路上设置的反射镜，还包括一设置在，可供第四分光片的投射光束和反射镜的反射光束进入的光路上的第一成像相机，所述第一成像相机连接在所述计算机上。

进一步的，所述第四分光片的投射光束和反射镜的反射光束保持一个恒定的任意数值的位相差。

与现有技术相比与本发明克服了现有技术中，Scheiner法，主观性像差测量，测量时间长，不能用于引导个体化像差校正；Tcherning法，局限在于光束的位置偏离计算中，要用到一个理想化的人眼模型(Gullstrand模型眼)，测量准确性低；Hartmann法的测量时间短，测量结果准确可靠，但测量范围小，无法准确测量大离焦量的波前像差的不足。

附图说明

图1是本发明的基于位相参差的人眼像差测量系统的一实施例的系统结构图。

图2是本发明的基于位相参差的人眼像差测量系统的另一实施例的系统结构图。

具体实施方式

实施例1：

参见图1所示，一种基于位相参差的人眼像差测量系统，包括照明光学系统、瞳孔对准系统、凝视光学系统和成像光学系统，所述照明光学系统主要是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述瞳孔对准系统是用于在探测之前将人眼与照明光学系统和成像光学系统的光轴对准的系统，凝视光学系统主要是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，成像光学系统主要是对照明系统所照明的眼底区域进行观察成像的系统。

进一步的，所述照明光学系统包括在光路中依次设置的第一透镜3、环形光阑4、第二透镜5和第三透镜6，还包括一由计算机23控制的光源1和光纤2；光源1通过光纤2将光耦合进系统，依次经过第一透镜3、第二透镜5、第三透镜6和瞳孔后成像在人眼眼底处，所述第二透镜5和第三透镜6组成一个望远系统，将所述环形光阑4成像在瞳孔前表面处。

进一步的，所述瞳孔对准系统包括对瞳孔进行红外照射的第一红外照明灯81与第二红外照明灯82、第一分光片15、第四透镜16和瞳孔相机17，以及用于照明光学系统的第三透镜6，第一分光片15设置在第三透镜6的后面，第四透镜16设置在第一分光片15的反射光路上，瞳孔相机17设置在第四透镜16的后面，并且其位置与瞳孔面共轭；第一红外照明灯81和第二红外照明灯82的照明光被瞳孔反射之后依次经过第三透镜6、第一分光片15和第四透镜16成像在瞳孔相机17上。

进一步的，所述凝视光学系统包括第二分光片18、第五透镜19和视标20，以及用于用于照明光学系统的第三透镜6与第二透镜5，第二分光片18设置在第二透镜5的后面，第五透镜19第二分光片18的反射光路上，视标20设置在第五透镜19的后面；人眼依次通过第三透镜6、第二透镜5、第二分光片18和第五透镜19凝视视标20上的视标图案。

进一步的，所述成像光学系统包括设置在瞳孔后的将人眼眼底反射光偏折一定角度与所述照明光学系统的光路光束分开的第三分光片7，还包括在依次设置在第三分光片7的反射光路上的第六透镜9、第七透镜10、第八透镜11和相机成像系统。

进一步的，所述相机成像系统包括一设置在第八透镜11后的分光棱镜12，以及分别设置在分光棱镜12的两出射光路上的第一成像相机13和第二成像相机14，所述第一成像相机13和第二成像相机14分别连接在所述计算机23上，所述第一成像相机位于眼底像面共轭处，所述第二成像相机14处于相对于眼底像面有一个已知的任意数值的偏移量的位置上，所述照明光学系统投射在人眼眼底的光斑依次经过第六透镜9、第七透镜10、第八透镜11，成像在第一成像相机13和第二成像相机14上。

本实施例的工作过程如下：

首先第一红外明灯81和第二红外照明灯82打开，照亮瞳孔，并通过调整仪器的位置使人眼眼轴与照明光学系统和成像光学系统的光轴重合，调整好仪器位置之后触发光源1和探测光路的第一成像相机13和第二成像相机14，使光源1发出光照明眼底并且第一成像相机13和第二成像相机14开始探测人眼反射光的图像。在光源1照明眼底的同时，第一红外明灯81和第二红外照明灯82关闭。第一成像相机13和第二成像相机14采集到人眼眼底反射光之后，并根据计算公式

$E=\∫\∫\frac{{|I_1{H}_2-I_2{H}_1|}^2}{{\left|H_1\right|}^2+{\left|H_2\right|}^2}\mathrm{dudv}---\left(14\right)$

计算出人眼的波像差，式中：E表示人眼的波像差，I₁表示第一成像相机13采集到的像的频谱，I₂表示第二成像相机14采集到的像的频谱，H₁表示第一成像相机13有关的光学传递函数，H₂表示第二成像相机14有关的光学传递函数。

实施例2：

参见图2所示，一种基于位相参差的人眼像差测量系统，包括照明光学系统、瞳孔对准系统、凝视光学系统和成像光学系统，所述照明光学系统主要是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述瞳孔对准系统是用于在探测之前将人眼与照明光学系统和成像光学系统的光轴对准的系统，凝视光学系统主要是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，成像光学系统主要是对照明系统所照明的眼底区域进行观察成像的系统。

进一步的，所述照明光学系统包括在光路中依次设置的第一透镜3、环形光阑4、第二透镜5和第三透镜6，还包括一由计算机24控制的光源1和光纤2；光源1通过光纤2将光耦合进系统，依次经过第一透镜3、第二透镜5、第三透镜6和瞳孔后成像在人眼眼底处，所述第二透镜5和第三透镜6组成一个望远系统，将所述环形光阑4成像在瞳孔前表面处。

进一步的，所述瞳孔对准系统包括对瞳孔进行红外照射的第一红外照明灯81与第二红外照明灯82、第一分光片15、第四透镜16和瞳孔相机17，以及用于照明光学系统的第三透镜6，第一分光片15设置在第三透镜6的后面，第四透镜16设置在第一分光片15的反射光路上，瞳孔相机17设置在第四透镜16的后面，并且其位置与瞳孔面共轭；第一红外照明灯81和第二红外照明灯82的照明光被瞳孔反射之后依次经过第三透镜6、第一分光片15和第四透镜16成像在瞳孔相机17上。

进一步的，所述凝视光学系统包括第二分光片18、第五透镜19和视标20，以及用于用于照明光学系统的第三透镜6与第二透镜5，第二分光片18设置在第二透镜5的后面，第五透镜19第二分光片18的反射光路上，视标20设置在第五透镜19的后面；人眼依次通过第三透镜6、第二透镜5、第二分光片18和第五透镜19凝视视标20上的视标图案。

进一步的，所述成像光学系统包括设置在瞳孔后的将人眼眼底反射光偏折一定角度与所述照明光学系统的光路光束分开的第三分光片7，还包括在依次设置在第三分光片7的反射光路上的第六透镜9、第七透镜10、第八透镜11和相机成像系统。

进一步的，所述相机成像系统包括一设置在第八透镜11后的第四分光片21，以及第四分光片21的反射光路上设置的反射镜22，还包括一设置在，可供第四分光片21的投射光束和反射镜22的反射光束进入的光路上的第一成像相机13，所述第一成像相机13连接在所述计算机23上，所述第四分光片21的投射光束和反射镜22的反射光束保持一个恒定的任意数值的位相差。

本实施例与实施例1的工作过程基本相同，区别之处如下：

第一成像相机13位于眼底像面处，由眼底出射的光经过第四分光片21之后除了一路直接投射第一成像在相机13上之外，还有一路被第四分光片21反射出来并经过反射镜22的反射进入第一成像在相机13，这两束光具有一个恒定的位相差。根据第一成像在相机13上探测到的两个具有恒定位相差的图像，并根据计算公式

$E=\∫\∫\frac{{|I_1{H}_2-I_2{H}_1|}^2}{{\left|H_1\right|}^2+{\left|H_2\right|}^2}\mathrm{dudv}---\left(14\right)$

计算出人眼的波像差，式中：E表示人眼的波像差，I₁表示第一成像在相机13由第四分光片21直接投射的光束产生的像的频谱，I₂表示第一成像相机13由反射镜22反射的光束产生的像的频谱，H₁表示第一成像在相机13由第四分光片21直接投射的光束产生的有关的光学传递函数，H₂表示第一成像相机13由反射镜22反射的光束产生的有关的光学传递函数。

上述实例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于位相参差的人眼像差测量系统，包括照明光学系统、瞳孔对准系统、凝视光学系统和成像光学系统，其特征在于：所述照明光学系统包括在光路中依次设置的第一透镜(3)、环形光阑(4)、第二透镜(5)和第三透镜(6)，还包括一由计算机(23)控制的光源(1)和光纤(2)；光源(1)通过光纤(2)将光耦合进系统，依次经过第一透镜(3)、第二透镜(5)、第三透镜(6)和瞳孔后成像在人眼眼底处；

所述瞳孔对准系统包括对瞳孔(24)进行红外照射的第一红外照明灯(81)与第二红外照明灯(82)、第一分光片(15)、第四透镜(16)和瞳孔相机(17)，以及用于照明光学系统的第三透镜(6)，第一分光片(15)设置在第三透镜(6)的后面，第四透镜(16)设置在第一分光片(15)的反射光路上，瞳孔相机(17)设置在第四透镜(16)的后面；第一红外照明灯(81)和第二红外照明灯(82)的照明光被瞳孔(24)反射之后依次经过第三透镜(6)、第一分光片(15)和第四透镜(16)成像在瞳孔相机(17)上；

所述凝视光学系统包括第二分光片(18)、第五透镜(19)和视标(20)，以及用于用于照明光学系统的第三透镜(6)与第二透镜(5)，第二分光片(18)设置在第二透镜(5)的后面，第五透镜(19)第二分光片(18)的反射光路上，视标(20)设置在第五透镜(19)的后面；人眼依次通过第三透镜(6)、第二透镜(5)、第二分光片(18)和第五透镜(19)凝视视标(20)上的视标图案；

所述成像光学系统包括设置在瞳孔(24)后的将人眼眼底反射光偏折一定角度与所述照明光学系统的光路光束分开的第三分光片(7)，还包括在依次设置在第三分光片(7)的反射光路上的第六透镜(9)、第七透镜(10)、第八透镜(11)和相机成像系统，所述照明光学系统投射在人眼眼底的光斑依次经过第六透镜(9)、第七透镜(10)、第八透镜(11)，成像在相机成像系统上。

2.根据权利要求1所述的基于位相参差的人眼像差测量系统，其特征在于：所述第二透镜(5)和第三透镜(6)组成一个望远系统，将所述环形光阑(4)成像在瞳孔(24)前表面处。

3.根据权利要求1所述的基于位相参差的人眼像差测量系统，其特征在于：所述瞳孔相机(17)的位置与瞳孔(24)面共轭。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于位相参差的人眼像差测量系统，其特征在于：所述相机成像系统包括一设置在第八透镜(11)后的分光棱镜(12)，以及分别设置在分光棱镜(12)的两出射光路上的第一成像相机(13)和第二成像相机(14)，所述第一成像相机(13)和第二成像相机(14)分别连接在所述计算机(23)上。

5.根据权利要求4所述的基于位相参差的人眼像差测量系统，其特征在于：所述第一成像相机(13)位于眼底像面共轭处，所述第二成像相机(14)处于相对于眼底像面有一个已知的任意数值的偏移量的位置上。

6.根据权利要求1或2或3所述的基于位相参差的人眼像差测量系统，其特征在于：所述相机成像系统包括一设置在第八透镜(11)后的第四分光片(15)，以及第四分光片(21)的反射光路上设置的反射镜(22)，还包括一设置在，可供第四分光片(21)的投射光束和反射镜(22)的反射光束进入的光路上的第一成像相机(13)，所述成像相机(13)连接在所述计算机(23)上。

7.根据权利要求6所述的基于位相参差的人眼像差测量系统，其特征在于：所述第四分光片(21)的投射光束和反射镜(22)的反射光束保持一个恒定的任意数值的位相差。

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