CN105534474A - 带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，用于检查、测试眼睛，属于光学仪器技术领域，包括照明光路、瞳孔定位光路和主光路，通过将波前探测器与点光源成像系统结合，同时加入波前校正器用于实时补偿人眼像差，实现既可评价人眼整体视觉质量，又可单独探测人眼像差、评价除人眼像差以外的其他因素影响下的视觉质量，还可进行术前模拟评价角膜屈光手术之后的视觉质量。

Description

带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统

技术领域

本发明涉及带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，用于检查、测试眼睛，属于光学仪器技术领域。

背景技术

随着白内障手术和角膜屈光手术的发展，视觉质量逐渐开始被眼科医生所重视。视觉质量是表述整个人眼视光系统性能的指标，是眼科医生判断病人术前分析和术后满意度的重要参考。

评价视觉质量的指标，包括主观感受、视力、对比敏感度、调制传递函数、点扩散函数、像差、散射、衍射等。常见的此类检查采用如分辨视力表字母和对比度敏感检查的方式，但均是基于主观、要求患者配合，且忽略了很多视觉质量因素，结果不客观、不全面。例如，患者做完屈光手术之后，视力可达到1.0，但仍可能存在看物模糊、晕轮、炫光、重影等现象，这即是术后视觉质量下降所引起的。

波前像差仪是一种客观的检测设备，它能探测人眼低阶和高阶像差，可通过像差间接计算出点扩散函数。波前像差仪可在角膜屈光手术中指导医生如何削切角膜，削切角膜的形状产生新的像差能够补偿人眼的原有像差即可。波前像差仪相比较传统视力检查已比较全面，但忽略了散射、衍射等因素的影响，所以术后仍有可能存在上述看物模糊、晕轮、炫光、重影等现象。在这种情况下，由于波前像差仪给出的是客观结果，但其指导下的角膜屈光手术预后却不佳，很容易令患者将责任推给医生，这是医患矛盾可能发生的爆发点，也一定程度上限制了波前像差仪的使用。

为了能够全面评价人眼视觉质量，客观质量分析系统（OpticalQualityAnalysisSystem,OQAS，西班牙Visiometrics公司）开始应用于临床。它采集点光源在眼底的图像，这个图像是点光源光线两次经过人眼光学系统所形成的，再经过后期计算，得到一次成像的结果，也就是点扩散函数。然后可进一步通过计算得到调制传递函数、斯特列尔比等其他数据。OQAS分析整个眼底的光强分布，得到的是综合所有影响因素的点扩散函数，因此可以评价人眼的整体视觉质量。然而，这套系统只能得到总体评价，并不能分别评价像差和除了像差以外的其他因素所带来的影响。因此，针对像角膜屈光手术这样只改变人眼像差一个因素的情况，仍不能进行准确的术前分析。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种将波前探测器与点光源成像系统结合，同时加入波前校正器用于实时补偿人眼像差，实现既可评价人眼整体视觉质量，又可单独探测人眼像差、评价除人眼像差以外的其他因素影响下的视觉质量，还可进行术前模拟评价角膜屈光手术之后视觉质量的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统。

本发明的技术方案如下：一种带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，包括照明光路、瞳孔定位光路和主光路，其特征在于：

所述照明光路包括照明光源，所述照明光源发出的照明光依次经过准直透镜、透镜一、视场光阑、透镜二和孔径光阑后通过分光片一耦合进主光路；

所述瞳孔定位光路包括瞳孔照明灯、反射镜四和瞳孔相机，瞳孔照明灯发出的光波通过分色片耦合进主光路，分色片反射照明光源的光波进入瞳孔相机；

所述主光路包括波前校正器和波前探测器，照明光源发出的照明光经分光片一耦合进主光路后，依次经过透镜三、分光片二、透镜四、波前校正器、反射镜一、透镜五、反射镜二、反射镜三和透镜六到达人眼瞳孔处并在人眼眼底成像，从人眼眼底反射出的光波依次通过透镜六、反射镜三、反射镜二、透镜五、反射镜一、波前校正器、透镜四和分光片二，分光片二将反射光波分成两束，其中一束经过透镜七进入波前探测器，另外一束经过透镜三和成像透镜进入成像相机，所述成像相机、波前探测器和波前校正器电连接有计算机。

本发明的技术方案还包括：所述透镜三与透镜四、透镜五与透镜六、透镜四与透镜七均为共轭透镜组。

本发明的技术方案还包括：所述波前校正器、波前探测器、人眼瞳孔和孔径光阑保持共轭。

本发明的技术方案还包括：所述人眼眼底、成像相机和视场光阑保持共轭。

本发明的技术方案还包括：所述波前探测器是哈特曼探测器，所述波前校正器是变形镜、微机电系统或液晶空间光调制器中的一种。

本发明的技术方案还包括：所述照明光源的波长短于瞳孔照明灯的波长。

本发明的技术方案还包括：所述照明光源选用超发光二极管或者激光，所述瞳孔照明灯选用红外发光二极管。

本发明的技术方案还包括：所述视场光阑位置处设置有小孔滤波器或声光调制器。

本发明的有益效果是：当波前校正器工作时，照明光在波前校正器处反射时也受到波前校正器的调制，使得原本是平行光的照明光带有了像差，这个像差便是波前校正器调制产生的反向像差，带有像差的照明光进入人眼，与人眼本身的像差相互弥补，从而使照明光聚焦在眼底形成较为理想的圆点像，即为眼底的“点光源”，此像的形成没有人眼像差的影响，只有人眼散射、衍射等其他因素的影响；

当关闭波前校正器时，波前校正器复位相当于一个普通反射镜，此时成像相机采集的图像即为所有因素造成的点扩散函数的两次叠加，计算机采集并计算可以评价人眼整体视觉质量；

当被测试者为角膜屈光手术术前患者时，可通过计算机向波前校正器发出任意波面补偿信号，用于模拟不同情况下的角膜削割，通过成像相机便可观测不同角膜削割之后人眼除像差之外其他因素对视觉质量的影响，通过波前探测仪可观测术后的残留波前像差，若在补偿人眼像差最理想情况下，由成像相机图像所获得的点扩散函数仍不集中（或者说斯特列尔比较低），说明此患者眼内散光、衍射等其他因素对视觉质量影响较大，角膜屈光手术并不能对这些因素进行补偿，因此可以预言此患者预后较差。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图中：1、照明光源，2、准直透镜，3、透镜一，4、视场光阑，5、透镜二，6、孔径光阑，7、分光片一，8、透镜三，9、分光片二，10、透镜四，11、波前校正器，12、反射镜一，13、透镜五，14、反射镜二，15、反射镜三，16、位移台，17、透镜六，18、分色片，19、人眼眼底，20、人眼瞳孔，21、透镜七，22、波前探测器，23、成像透镜，24、成像相机，25、瞳孔照明灯，26、反射镜四，27、瞳孔相机，28、计算机。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

本发明的视觉质量分析光学系统，通过将波前探测器与点光源成像系统结合，同时加入波前校正器用于实时补偿人眼像差，既可评价人眼整体视觉质量，又可单独探测人眼像差，又可评价除人眼像差以外的其他因素影响下的视觉质量，还可术前模拟评价角膜屈光手术之后的视觉质量。

如图1所示，本发明的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统包括照明光路、瞳孔定位光路、主光路三部分。

照明光路包括照明光源1、准直透镜2、透镜一3、视场光阑4、透镜二5和孔径光阑6，并通过分光片一7耦合进主光路。

照明光源1选用近红外波段、低相干光源，近红外波段对人眼刺激小，低相干光不会产生散斑干扰测量结果，因此可选用超发光二极管作为光源，若使用激光作为光源时应先采取降低相干性消散斑措施。

照明光源1发出的照明光经过准直透镜2和透镜一3聚焦于视场光阑4处，此处与人眼眼底19共轭，视场光阑处4放置小孔滤波器，用于形成在人眼眼底19的“点光源”，此处亦可使用声光调制器（Acousto-opticalModulators，AOM）对照明光的强度和频率进行调节。

瞳孔定位光路包括瞳孔照明灯25、反射镜四26和瞳孔相机27，并通过分色片18耦合进主光路。

瞳孔照明灯25选用红外发光二极管，波长较照明光源1波长要长，直接照亮人眼瞳孔20。

分色片18可使瞳孔照明灯25光波通过，而反射照明光源1的光波，这样瞳孔反射光进入瞳孔相机27成像。

在人眼处摆放模型眼，使其与主光路光轴对齐，并在瞳孔相机27图像上标记模型眼瞳孔位置，之后撤掉模型眼换上真实被测试者时，调节头托使其瞳孔对准已有的标记。

主光路的具体介绍如下：

照明光源1发出的照明光进入主光路后，依次经过透镜三8、分光片二9、透镜四10、波前校正器11、反射镜一12、透镜五13、反射镜二14、反射镜三15和透镜六17等透射或反射元器件到达人眼瞳孔20处，并在人眼眼底19处成像。从人眼眼底19反射出的光亦要依次通过透镜六17、反射镜三15、反射镜二14、透镜五13、反射镜一12、波前校正器11、透镜四10、分光片二9和透镜三8这些元器件到达成像透镜23，并于成像相机24处成像，因此透镜三8、分光片二9、透镜四10、波前校正器11、反射镜一12、透镜五13、反射镜二14、反射镜三15和透镜六17这些元器件对照明光和眼底反射光产生同样的作用。

透镜三8与透镜四10，透镜五13与透镜六17，透镜四10与透镜七21均为共轭透镜组，人眼瞳孔20、波前校正器11、波前探测器22均与孔径光阑6保持共轭。

位移台16上放置反射镜二14和反射镜三15，整体在图中竖直方向（即箭头所示方向）移动，用于改变光路光程，使得不同屈光度的人眼眼前光线聚焦点与视场光阑4保持共轭，系统中人眼眼底19、成像相机24均与视场光阑4保持共轭。

波前探测器22使用哈特曼（Hartmann-Shack）探测器，用于实时测量人眼波前像差，并将探测信号传送到计算机28处理，计算机28根据探测信号重构波面，计算像差，并由此计算点扩散函数和调制传递函数，用于评价人眼波前像差对视觉质量的影响，最终计算出波前补偿信号发送到波前校正器11。

波前校正器11使用变形镜（Deformablemirrors，DMs）或微机电系统（Microelectromechanicalsystems，MEMS）或液晶空间光调制器（liquidcrystalspatiallightmodulators，LC-SLMs），根据计算机28的波前补偿信号做出反应，用于实时补偿人眼波前像差，实际上是波前校正器11调制产生反向像差，与光束中原有的人眼像差相互弥补。

当波前校正器11工作时，照明光在波前校正器11处反射时也受到波前校正器11的调制，使得原本是平行光的照明光带有了像差，这个像差便是波前校正器11调制产生的反向像差，带有像差的照明光进入人眼，与人眼本身的像差相互弥补，从而使照明光聚焦在眼底形成较为理想的圆点像，即为眼底的“点光源”，此像的形成没有人眼像差的影响，只有人眼散射、衍射等其他因素的影响。

当较为理想的圆点像反射出人眼瞳孔20进入光学系统时，反射光再次带有了人眼波前像差，反射光经过波前校正器11时再次被补偿掉波前像差，并在分光片二9处分光成两束，一束进入波前探测器22用于测量波前像差的残差，形成闭环回路，一束成像在成像相机24处。

成像相机24处采集的图像便是眼底“点光源”的像，没有人眼像差的影响，而人眼散射、衍射等其他因素影响了两次，此图像即为人眼散射、衍射等其他因素造成的点扩散函数的两次叠加，计算机采集此像并计算便可得到单次点扩散函数的图像，由此可以评价人眼散射、衍射等其他因素对视觉质量造成的影响。

当关闭波前校正器11时，波前校正器11复位相当于一个普通反射镜，此时成像相机24采集的图像即为所有因素造成的点扩散函数的两次叠加，计算机采集并计算可以评价人眼整体视觉质量。

当被测试者为角膜屈光手术术前患者时，可通过计算机28向波前校正器11发出任意波面补偿信号，用于模拟不同情况下的角膜削割，通过成像相机24便可观测不同角膜削割之后人眼除像差之外其他因素对视觉质量的影响，通过波前探测仪22可观测术后的残留波前像差，若在补偿人眼像差最理想情况下，由成像相机24图像所获得的点扩散函数仍不集中（或者说斯特列尔比较低），说明此患者眼内散光、衍射等其他因素对视觉质量影响较大，角膜屈光手术并不能对这些因素进行补偿，因此可以预言此患者预后较差。

本发明的实施例中，以标准模型眼的客观视觉质量分析光学系统为例。

1、人眼处放置标准模型眼，具体参数：眼内折射率1.33，眼轴长22.78mm，有效焦距17.05mm，瞳孔直径6mm。

2、所用照明光源1为超发光二极管，带有光纤耦合，纤芯直径100μm，波长785nm（±3nm），功率在10nW到20mW可调。

3、准直透镜2、透镜一3、透镜二5、透镜三8、透镜四10、透镜五13、透镜六17、透镜七21和成像透镜23均为双胶合消色差透镜，且表面镀有增透膜。口径依次为8mm、15mm、15mm、20mm、20mm、20mm、20mm、20mm、20mm。焦距依次为10mm、18mm、20mm、80mm、250mm、250mm、200mm、86mm、100mm。

4、所用视场光阑4，直径180μm小孔，对应眼底约50μm的照明区域。

5、所用孔径光阑6，使用直径2.3mm小孔，对应人眼瞳孔6mm。

6、所用分光片一7，使用波长在785nm透反比8:2的分光片，保证人眼反射光尽可能的进入相机，口径25mm。

7、所用分光片二9，使用波长在785nm透反比5:5的分光片，口径25mm。

8、所用瞳孔照明灯25，使用中心波长850nm（±30nm）的发光二极管。

9、所用分色镜18，口径25mm，800nm以上波长透射率大于95%，800nm以下波长反射率大于95%，这样将瞳孔照明光与主光路中照明光区分开。

10、所用位移台16，为一维位移器，位移精度0.01mm，行程120mm。

11、所用反射镜一12、反射镜二14、反射镜三15、反射镜四26为薄型平面反射镜，面积15mm×15mm，厚度2mm，在785nm反射率95％。

12、所用波前校正器11，为液晶校正器，纯位相型反射式器件，美国BNS公司生产，型号P512-0785，液晶对驱动电压的响应时间为15ms，像素512×512。

13、所用波前探测器22，为哈特曼探测器，有效微透镜数为233，接收孔径2.5mm，配置的CCD为英国ANDOR公司生产，型号EM-DV897，128×128像素，量子效率在808nm波长处为70％，波前探测速度200Hz，测量误差峰谷值0.05λ，均方根值0.01λ。

14、所用成像相机24为高灵敏度科学级CCD相机，英国ANDOR公司生产，型号EM-DV897，像素512×512，单个像素16μm。

15、所用瞳孔相机22为COOKE公司生产的高灵敏度CCD相机，型号PixelFlyQE，像素1390×1024。

16、波前校正器11、波前探测器22、成像相机24均与28计算机相连，受其控制，位移台16由一单片机控制，单片机控制盒与计算机28相连，瞳孔相机27接另一显示器用于定位瞳孔。

17、所用控制程序由Matlab和VC编写，存于28计算机内。

本发明的视觉质量分析光学系统的使用方法是：

步骤一：调整头托，令模型眼瞳孔对准瞳孔相机27所标记的位置，便可正式开始测量。

步骤二：开启照明光源1，关闭波前校正器11与波前探测器22，令成像相机24获取模型眼眼底图像，可由计算机28计算得到综合所有影响因素的点扩散函数，可以评价人眼的整体视觉质量。

步骤三：开启照明光源1与波前探测器22，关闭波前校正器11，可令波前探测器22探测模型眼波前像差，可由计算机28拟合重构人眼像差，并计算点扩散函数和调制传递函数，用于评价人眼波前像差对视觉质量的影响。

步骤四：开启照明光源1、波前探测器22与波前校正器11，根据波前探测器22所获取的波前像差，计算机28控制波前校正器11做出反应补偿像差，此时成像相机24获取眼底图像为为人眼散射、衍射等其他因素造成的点扩散函数的两次叠加，计算机采集此像并计算便可得到单次点扩散函数的图像，由此可以评价人眼散射、衍射等其他因素对视觉质量造成的影响。

停止向波前校正器11发送补偿信号，而是手动发送信号，可模拟不同情况下的角膜削割，通过成像相机24便可观测不同角膜削割之后人眼除像差之外其他因素对视觉质量的影响，通过波前探测仪22可观测术后的残留波前像差。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，包括照明光路、瞳孔定位光路和主光路，其特征在于：

所述照明光路包括照明光源（1），所述照明光源（1）发出的照明光依次经过准直透镜（2）、透镜一（3）、视场光阑（4）、透镜二（5）和孔径光阑（6）后通过分光片一（7）耦合进主光路；

所述瞳孔定位光路包括瞳孔照明灯（25）、反射镜四（26）和瞳孔相机（27），瞳孔照明灯（25）发出的光波通过分色片（18）耦合进主光路，分色片（18）反射照明光源（1）的光波进入瞳孔相机（27）；

所述主光路包括波前校正器（11）和波前探测器（22），照明光源（1）发出的照明光经分光片一（1）耦合进主光路后，依次经过透镜三（8）、分光片二（9）、透镜四（10）、波前校正器（11）、反射镜一（12）、透镜五（13）、反射镜二（14）、反射镜三（15）和透镜六（17）到达人眼瞳孔（20）处并在人眼眼底（19）成像，从人眼眼底（19）反射出的光波依次通过透镜六（17）、反射镜三（15）、反射镜二（14）、透镜五（13）、反射镜一（12）、波前校正器（11）、透镜四（10）和分光片二（9），分光片二（9）将反射光波分成两束，其中一束经过透镜七（21）进入波前探测器（22），另外一束经过透镜三（8）和成像透镜（23）进入成像相机（24），所述成像相机（24）、波前探测器（22）和波前校正器（11）电连接有计算机（28）。

2.如权利要求1所述的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，其特征在于：所述透镜三（8）与透镜四（10）、透镜五（13）与透镜六（17）、透镜四（10）与透镜七（21）均为共轭透镜组。

3.如权利要求2所述的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，其特征在于：所述波前校正器（11）、波前探测器（22）、人眼瞳孔（20）和孔径光阑（6）保持共轭。

4.如权利要求3所述的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，其特征在于：所述人眼眼底（19）、成像相机（24）和视场光阑（4）保持共轭。

5.如权利要求1所述的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，其特征在于：所述波前探测器（22）是哈特曼探测器，所述波前校正器（11）是变形镜、微机电系统或液晶空间光调制器中的一种。

6.如权利要求1至5任一所述的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，其特征在于：所述照明光源（1）的波长短于瞳孔照明灯（25）的波长。

7.如权利要求6所述的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，其特征在于：所述照明光源（1）选用超发光二极管或者激光，所述瞳孔照明灯（25）选用红外发光二极管。

8.如权利要求6所述的带有像差探测与补偿的客观视觉质量分析光学系统，其特征在于：所述视场光阑（4）位置处设置有小孔滤波器或声光调制器。