CN103431837B - 基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置及其方法，其中装置包括测试光源、第一起偏器、滤波和准直装置、半透半反镜、偏振光分束器、去噪和调焦系统、哈特曼传感器、计算机、注视光源、第二起偏器和反射镜，本发明的方法不但可以测量黄斑中心凹处的横向色差和轴向色差，还可以快速地得到不同离轴角度和距离下的横向色差和轴向色差，进一步扩大了测量范围。为眼科诊断和治疗提供了可靠的依据。

Description

基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种光学检测装置及其方法，特别是一种基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置及其方法。

背景技术

现有的基于哈特曼传感器的客观像差仪剔除了人眼主观因素，能够实时快速地测量人眼单色波前像差，在眼科屈光手术、眼视光临床检查和白内障术后检查等方面获得了巨大的成功，但是该装置一般不能测量人眼的轴向色差和横向色差。目前临床上对人眼的轴向色差和横向色差一般采用主观测量法，耗时长，精确度不高，可重复性不够，不利于后期的治疗和校正。

实用新型“基于哈特曼传感器的人眼色差测量装置(申请号201320199926.9)”，公布了一种用基于哈特曼传感器的客观人眼轴向色差测量装置，该设备采用多颗不同波长LED为光源，采用能够交替发光的方式，在人眼未来得及调节的时间范围内，测量不同波长下人眼的单色像差，再通过常规计算即可精确获得轴向色差。但该设备只能测量正视人眼沿视轴方向的轴向色差，同时也没有考虑设备本身色差的影响。

专利“适用于哈特曼传感器的消色差变焦系统”(ZL200310110055.x)提供了一种仪器本身消色差方法，即在离哈特曼传感器最近的一个透镜上刻蚀二元面，但是，该方法只能对最终到达CCD上的光线消色差，而系统中，如透镜组中间的滤波小孔处，并不能消色差，这影响了系统的去噪能力，导致CCD上的光斑阵列不够清晰，进而影响测量精度。另外，二元面本身存在着杂散光，特别是光线斜入射时，杂散光较大，影响了测量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于哈特曼传感器能够准确测量不同离轴距离和角度下，人眼轴向色差和横向色差的的客观测量装置及其方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，包括测试光源、第一起偏器、滤波和准直装置、半透半反镜、偏振光分束器、去噪和调焦系统、哈特曼传感器、计算机、注视光源、第二起偏器和反射镜，所述的注视光源发出平行细光束，所述的平行细光束依次经过第二起偏器和反射镜反射后透过半透半反镜再经过偏振光分束器反射进入人眼的视网膜上的黄斑中心凹处，所述测试光源，第一起偏器以及滤波和准直装置的轴心在同一光轴上，所述测试光源、第一起偏器以及滤波和准直装置组成测试光源系统，所述的测试光源的出射光线依次经过第一起偏器、滤波和准直装置、半透半反镜和偏振光分束器的反射后进入人眼，到达视网膜，经过人眼视网膜反射，在角膜前得到携带人眼波前像差的反射光线，所述的反射光线依次透过偏振光分束器与去噪和调焦系统到达哈特曼传感器，经过微透镜阵列采样，在电荷耦合元件上形成一圆形点阵列并传送至计算机。

所述的视网膜与去噪和调焦系统中的针孔滤波器共轭，所述的人眼的瞳孔与哈特曼传感器的微透镜阵列共轭。

所述的测试光源包括多个不同颜色的脉冲光。

所述的注视光源为LED光源，所述的测试光源和注视光源为同种类的LED光源。

所述的测试光源系统在垂直光路平面上的位移不超过3mm，所述的测试光源系统的光轴与注视光源、第二起偏器的光轴之间形成的夹角不超过8°。

所述的去噪和调焦系统包括两个消色差透镜和一个针孔滤波器，所述的两个消色差透镜焦点重合，所述的针孔滤波器位于两个消色差透镜的共同焦点处，所述的两个消色差透镜沿光轴相对移动距离为200mm。

所述的去噪和调焦系统包括两个凹面反射镜和一个针孔滤波器，所述的两个凹面反射镜焦点重合，所述的针孔滤波器位于两个凹面反射镜的共同焦点处，所述的两个凹面反射镜沿光轴相对移动距离为200mm。

基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量方法，其特征在于步骤包括：

1)打开测试光源和注视光源，之后执行步骤2)；

2)需测人眼就位，计算机自动设定测试光源和注视光源为同种类的LED，然后计算机控制测试光源系统移动和转动，使得以注视光源的光路与测试光源的光路重合，成像均在黄斑中心凹处，设此时测试光源系统的位置为起始位置，即离轴距离h为0mm,夹角a为0°，之后执行步骤3)；

3)人眼注视着注视光源，操作者通过计算机调整离轴距离h和入射角度a，所述的离轴距离h不超过3mm，所述的入射角度a不超过8°，之后执行步骤4)；

4)测试光源依次快速发出不同波长的光，设光的波长为λ_i，测试光源发出不同波长的光的脉冲的时间之和小于0.05秒，所述的不同波长的光依次经过第一起偏器、滤波和准直装置、半透半反镜和偏振光分束器的反射后进入人眼，所述的人眼反射出携带人眼波前相差的反射光线依次透过偏振光分束器与去噪和调焦系统到达哈特曼传感器上经过微透镜阵列采样，每一种波长的光在电荷耦合元件上形成一圆形点阵列并传送至计算机，测量出所述的圆形点阵列半径R，之后执行步骤5)；

5)圆形点阵列光斑中心在垂直于光轴面上的几何坐标为(x,y),计算机根据圆形点阵列计算出每一光点的与微透镜焦点的偏差(Δx,Δy)，所示的(Δx,Δy)分别表示x,y方向的偏差，所述的(Δx,Δy)均由波前斜率决定，即 $\left\{\begin{array}{cc}\frac{\∂W(x,y)}{\∂x}=\frac{\mathrm{\Δx}(x,y)}{f}& \\ \frac{\∂W(x,y)}{\∂y}=\frac{\mathrm{\Δy}(x,y)}{f}& ,(x^2+y^2\≤1),\end{array}\right.$ x,y是归一化坐标，归一化半径为所选的圆形点分布范围的半径，W(x,y)是人眼波前，f是哈特曼传感器中小透镜焦距，Δx(x,y),Δy(x,y)分别是光斑位置与小透镜焦点在x,y方向的偏移，之后执行步骤6)；

6)将波长λ_i对应的人眼波前以泽尼克多项式的形式描述：即可得到各阶泽尼克系数C_j，取0≤j≤27，j为整数，即得到了以泽尼克多项式形式描述的波前像差，其中，Z_j(x,y)为j阶泽尼克多项式，采用美国光学学会规定的形式，之后执行步骤7)；

7)计算机通过公式得出光波长对应的离焦，其中，C₄，C₁₂为步骤6)计算出的波长λ_i测试光源对应的泽尼克系数，R为步骤4)中的圆形点阵列的半径；通过公式LCA(λ₁,λ₂)＝D(λ₂)-D(λ₁)得出当测试光源系统的离轴距离h和入射角度a时，波长为λ₁,λ₂时对应的下离焦量之差，即轴向色差LCA(λ₁,λ₂)；通过公式得出波长为λ_i的波前倾斜角，其中C2、C3为步骤6)计算出波长λ_i的测试光源对应的泽尼克系数，R为波前的半径，即步骤4)中的圆形点阵列的半径；通过公式TCA(λ₁，λ₂)＝θ(λ₂)-θ(λ₁)得出当测试光源系统的离轴距离h和入射角度a时，波长为λ₁,λ₂时对应的倾斜角之差，即横向色差TCA(λ₁,λ₂)，本方法结束。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：将能够依次发出不同波长的脉冲光的LED光源，消色差透镜组或凹面反射镜组与哈特曼传感器相结合，设计了一种人眼的横向色差和轴向色差客观测量装置，该装置能够客观测量不同离轴距离和角度下不同波长下人眼的单色像差、人眼轴向色差和横向色差，为眼科诊断和治疗提供了可靠的仪器装置。该装置可以通过消色差透镜组或凹面反射镜组的相对移动实现调焦，从而在CCD面上总能得到清晰的圆形点阵列，实现屈光度-5.00D～+5.00D范围内人眼的准确测量。整个系统结构紧凑，性能可靠。

本发明的方法不但可以测量黄斑中心凹处的横向色差和轴向色差，还可以快速地得到不同离轴角度和距离下的横向色差和轴向色差，进一步扩大了测量范围。为眼科诊断和治疗提供了可靠的依据。

附图说明

图1为本发明基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置的结构示意图。

图2为本发明基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置中去噪和调焦系统的第一种结构示意图。

图3为本发明基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置中去噪和调焦系统的第二种结构示意图。

图4为本发明基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置获取的圆形点阵列示意图。

图5为本发明基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置测试光源的结构示意图。

图6为本发明基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置测试光源各芯片的光谱示意图。

图7为本发明基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量方法的流程图。

图中：1测试光源、2第一起偏器、3滤波和准直装置、4半透半反镜、5偏振光分束器、6去噪和调焦系统、7哈特曼传感器、7-1微透镜阵列、7-2电荷耦合元件、8计算机、9注视光源、10第二起偏器、11反射镜、12人眼、13消色差透镜、14针孔滤波器、15凹面反射镜。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的解释。

如图1所示，基于哈特曼传感器7的人眼12轴向色差和横向色差测量装置，包括测试光源1、第一起偏器2、滤波和准直装置3、半透半反镜4、偏振光分束器5、去噪和调焦系统6、哈特曼传感器7、计算机8、注视光源9、第二起偏器10和反射镜11，所述的注视光源9发出平行细光束，所述的平行细光束依次经过第二起偏器10和反射镜11反射后透过半透半反镜4再经过偏振光分束器5反射进入人眼12的视网膜上的黄斑中心凹处，所述测试光源1，第一起偏器2以及滤波和准直装置3的轴心在同一光轴上，所述测试光源1、第一起偏器2以及滤波和准直装置3组成测试光源1系统，所述的测试光源1的出射光线依次经过第一起偏器2、滤波和准直装置3、半透半反镜4和偏振光分束器5的反射后进入人眼12，到达视网膜，经过人眼12视网膜反射，在角膜前得到携带人眼12波前像差的反射光线，所述的反射光线依次透过偏振光分束器5与去噪和调焦系统6到达哈特曼传感器7，经过微透镜阵列7-1采样，在电荷耦合元件7-2上形成一圆形点阵列并传送至计算机8。所述的圆形点阵列如图4所示。

所述的视网膜与去噪和调焦系统6中的针孔滤波器14共轭，所述的人眼12的瞳孔与哈特曼传感器7的微透镜阵列7-1共轭。

所述的测试光源1包括多个不同颜色的脉冲光。

所述的注视光源9为LED光源，所述的测试光源1和注视光源9为同种类的LED光源。

所述的测试光源1系统在垂直光路平面上的位移不超过3mm，所述的测试光源1系统的光轴与注视光源9、第二起偏器10的光轴之间形成的夹角不超过8°。

如图2所示，所述的去噪和调焦系统6包括两个消色差透镜13和一个针孔滤波器14，所述的两个消色差透镜13焦点重合，所述的针孔滤波器14位于两个消色差透镜13的共同焦点处，平行光入射消色差透镜13，在焦点处通过针孔滤波器14，滤掉杂波，在经过消色差透镜13得到平行光。调焦功能有两个透镜相对变远和变近完成，为了满足人眼12屈光度-5.00D～5.00D的要求，所述的两个消色差透镜13沿光轴相对移动距离为200mm。

如图3所示，所述的去噪和调焦系统6包括两个凹面反射镜15和一个针孔滤波器14，所述的两个凹面反射镜15焦点重合，所述的针孔滤波器14位于两个凹面反射镜15的共同焦点处，平行光经过凹面镜后，在焦点处通过针孔滤波器14去噪，再经第二只凹面反射镜15形成平行光出射。调焦由两凹面反射镜15沿着光路方向的相对位置变化组成，为了满足人眼12屈光度-5.00D～5.00D的要求，所述的两个凹面反射镜15沿光轴相对移动距离为200mm。

如图5、图6所示，所述的测试光源1的5只光谱各不相同的芯片abcde紧密地封装在一起，构成了一只多波长LED光源，可以作为本发明的测试光源1。

每个LED配一个驱动电路，每一个驱动电路均与电子计算机8单独连接，由电脑单独控制每个LED的亮暗。测量时，LED芯片依次点亮，每个LED点亮的时间在0.01秒以内，以保证人眼12来不及调节，这样，在CCD上，我们得到了不带调节时各种波长对应的光斑阵列图。

在圆形点阵列中，每一光点(即实际波前所成的像)的与微透镜焦点(即理想波前所成的像)的偏差(Δx,Δy)均由波前斜率决定。即:

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂W(x,y)}{\∂x}=\frac{\mathrm{\Δx}(x,y)}{f}\\ \frac{\∂W(x,y)}{\∂y}=\frac{\mathrm{\Δy}(x,y)}{f}\end{array}\right.,(x^2+y^2\≤1)---\left(1\right)$

式中，x,y是归一化坐标，归一化半径为所选的光斑分布范围的半径，W(x,y)是人眼12波前，f是哈特曼传感器7中小透镜焦距，Δx(x,y),Δy(x,y)分别是光斑位置与小透镜焦点在x,y方向的偏移。

将W(x,y)以泽尼克多项式的形式描述：

$W(x,y)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{C}_j{Z}_j(x,y)---\left(2\right)$

将式(2)代入方程组(1)，解该方程组，求得最小二乘解，即可得到泽尼克系数。

如图7所示，基于哈特曼传感器7的人眼12轴向色差和横向色差测量方法，步骤包括：

1)打开测试光源1和注视光源9，之后执行步骤2)；

2)需测人眼12就位，计算机8自动设定测试光源1和注视光源9为同种类的LED，然后计算机8控制测试光源1系统移动和转动，使得以注视光源9的光路与测试光源1的光路重合，成像均在黄斑中心凹处，设此时测试光源1系统的位置为起始位置，即离轴距离h为0mm,夹角a为0°，之后执行步骤3)；

3)人眼12注视着注视光源9，操作者通过计算机8调整离轴距离h和入射角度a，所述的离轴距离h不超过3mm，所述的入射角度a不超过8°之后执行步骤4)；

4)测试光源1依次快速发出不同波长的光，设光的波长为λ_i，测试光源发出不同波长的光脉冲的时间之和小于0.05秒，所述的不同波长的光依次经过第一起偏器2、滤波和准直装置3、半透半反镜4和偏振光分束器5的反射后进入人眼12，所述的人眼12反射出携带人眼12波前相差的反射光线依次透过偏振光分束器5与去噪和调焦系统6到达哈特曼传感器7上经过微透镜阵列7-1采样，每一种波长的光在电荷耦合元件上形成一圆形点阵列并传送至计算机8，测量出所述的圆形点阵列半径R，之后执行步骤5)；

5)圆形点阵列光斑中心在垂直于光轴面上的几何坐标为(x,y),计算机8根据圆形点阵列计算出每一光点的与微透镜焦点的偏差(Δx,Δy)，所示的(Δx,Δy)分别表示x,y方向的偏差，所述的(Δx,Δy)均由波前斜率决定，即 $\left\{\begin{array}{cc}\frac{\∂W(x,y)}{\∂x}=\frac{\mathrm{\Δx}(x,y)}{f}& \\ \frac{\∂W(x,y)}{\∂y}=\frac{\mathrm{\Δy}(x,y)}{f}& ,(x^2+y^2\≤1),\end{array}\right.$ x,y是归一化坐标，归一化半径为所选的圆形点分布范围的半径，W(x,y)是人眼12波前，f是哈特曼传感器7中小透镜焦距，Δx(x,y),Δy(x,y)分别是光斑位置与小透镜焦点在x,y方向的偏移，之后执行步骤6)；

6)将波长λ_i对应的人眼12波前以泽尼克多项式的形式描述：即可得到各阶泽尼克系数C_j，取0≤j≤27，j为整数，即得到了以泽尼克多项式形式描述的波前像差，其中，Z_j(x,y)为j阶泽尼克多项式，采用美国光学学会规定的形式，之后执行步骤7)；

7)计算机8通过公式得出光波长对应的离焦，其中，C₄，C₁₂为步骤6)计算出的波长λ_i测试光源1对应的泽尼克系数，R为步骤4)中的圆形点阵列的半径；通过公式LCA(λ₁,λ₂)＝D(λ₂)-D(λ₁)得出当测试光源1系统的离轴距离h和入射角度a时，波长为λ₁,λ₂时对应的下离焦量之差，即轴向色差LCA(λ₁,λ₂)；通过公式得出波长为λ_i的波前倾斜角，其中C2、C3为步骤6)计算出波长λ_i的测试光源1对应的泽尼克系数，R为波前的半径，即步骤4)中的圆形点阵列的半径；通过公式TCA(λ₁，λ₂)＝θ(λ₂)-θ(λ₁)，得出当测试光源1系统的离轴距离h和入射角度a时，波长为λ₁,λ₂时对应的倾斜角之差，即横向色差TCA(λ₁,λ₂)，本方法结束。

Claims (8)

1.基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，包括测试光源、第一起偏器、滤波和准直装置、半透半反镜、偏振光分束器、去噪和调焦系统、哈特曼传感器、计算机、注视光源、第二起偏器和反射镜，其特征在于所述的注视光源发出平行细光束，所述的平行细光束依次经过第二起偏器和反射镜反射后透过半透半反镜再经过偏振光分束器反射进入人眼的视网膜上的黄斑中心凹处，所述测试光源，第一起偏器以及滤波和准直装置的轴心在同一光轴上，所述测试光源、第一起偏器以及滤波和准直装置组成测试光源系统，所述的测试光源的出射光线依次经过第一起偏器、滤波和准直装置、半透半反镜和偏振光分束器的反射后进入人眼，到达视网膜，经过人眼视网膜反射，在角膜前得到携带人眼波前像差的反射光线，所述的反射光线依次透过偏振光分束器与去噪和调焦系统到达哈特曼传感器，经过微透镜阵列采样，在电荷耦合元件上形成一圆形点阵列并传送至计算机。

2.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，其特征在于所述的视网膜与去噪和调焦系统中的针孔滤波器共轭，所述的人眼的瞳孔与哈特曼传感器的微透镜阵列共轭。

3.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，其特征在于所述的测试光源包括多个不同颜色的脉冲光。

4.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，其特征在于所述的注视光源为LED光源，所述的测试 光源和注视光源为同种类的LED光源。

5.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，其特征在于所述的测试光源系统在垂直光路平面上的位移不超过3mm，所述的测试光源系统的光轴与注视光源、第二起偏器的光轴之间形成的夹角不超过8°。

6.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，其特征在于所述的去噪和调焦系统包括两个消色差透镜和一个针孔滤波器，所述的两个消色差透镜焦点重合，所述的针孔滤波器位于两个消色差透镜的共同焦点处，所述的两个消色差透镜沿光轴相对移动距离为200mm。

7.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量装置，其特征在于所述的去噪和调焦系统包括两个凹面反射镜和一个针孔滤波器，所述的两个凹面反射镜焦点重合，所述的针孔滤波器位于两个凹面反射镜的共同焦点处，所述的两个凹面反射镜沿光轴相对移动距离为200mm。

8.基于哈特曼传感器的人眼轴向色差和横向色差测量方法，其特征在于步骤包括：

1)打开测试光源和注视光源，之后执行步骤2)；

2)需测人眼就位，计算机自动设定测试光源和注视光源为同种类的LED，然后计算机控制测试光源系统移动和转动，使得以注视光源的光路与测试光源的光路重合，成像均在黄斑中心凹处，设此时测试光源系统的位置为起始位置，即离轴距离h为0mm,夹角a为0°，之 后执行步骤3)；

3)人眼注视着注视光源，操作者通过计算机调整离轴距离h和入射角度a，所述的离轴距离h不超过3mm，所述的入射角度a不超过8°，之后执行步骤4)；

4)测试光源依次快速发出不同波长的光，设光的波长为λ_i，测试光源发出不同波长的光的脉冲的时间之和小于0.05秒，所述的不同波长的光依次经过第一起偏器、滤波和准直装置、半透半反镜和偏振光分束器的反射后进入人眼，所述的人眼反射出携带人眼波前像差的反射光线依次透过偏振光分束器与去噪和调焦系统到达哈特曼传感器上经过微透镜阵列采样，每一种波长的光在电荷耦合元件上形成一圆形点阵列并传送至计算机，测量出所述的圆形点阵列半径R，之后执行步骤5)；

5)圆形点阵列光斑中心在垂直于光轴面上的几何坐标为(x,y),计算机根据圆形点阵列计算出每一光点的与微透镜焦点的偏差(Δx,Δy)，所示的(Δx,Δy)分别表示x,y方向的偏差，所述的(Δx,Δy)均由波前斜率决定，即(x²+y²≤1)，x,y是归一化坐标，归一化半径为所选的圆形点分布范围的半径，W(x,y)是人眼波前，f是哈特曼传感器中小透镜焦距，Δx(x,y),Δy(x,y)分别是光斑位置与小透镜焦点在x,y方向的偏移，之后执行步骤6)；

6)将波长λ_i对应的人眼波前以泽尼克多项式的形式描述： 即可得到各阶泽尼克系数C_j，取0≤j≤27，j为整数，即得到了以泽尼克多项式形式描述的波前像差，其中，Z_j(x,y)为j阶泽尼克多项式，采用美国光学学会规定的形式，之后执行步骤7)；

7)计算机通过公式得出光波长对应的离焦，其中，C₄，C₁₂为步骤6)计算出的波长λ_i测试光源对应的泽尼克系数，R为步骤4)中的圆形点阵列的半径；通过公式LCA(λ₁,λ₂)＝D(λ₂)-D(λ₁)得出当测试光源系统的离轴距离h和入射角度a时，波长为λ₁,λ₂时对应的下离焦量之差，即轴向色差LCA(λ₁,λ₂)；通过公式 得出波长为λ_i的波前倾斜角，其中C2、C3为步骤6)计算出波长λ_i的测试光源对应的泽尼克系数，R为波前的半径，即步骤4)中的圆形点阵列的半径；通过公式TCA(λ₁，λ₂)＝θ(λ₂)-θ(λ₁)，得出当测试光源系统的离轴距离h和入射角度a时，波长为λ₁,λ₂时对应的倾斜角之差，即横向色差TCA(λ₁,λ₂)，本方法结束。