CN111110184A - 基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统 - Google Patents
基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于Hartmann–Shack波前像差测量系统(HSWS)的大视场像差光学客观测量的方法，该方法采用内设视标与分光镜轴外注视相结合的方法，达到水平与垂直多条相交子午线相应视场角上像差客观测量，周边像差的测量过程以受试者眼球转动为基础，在这个过程中像差仪与波前保持平行。标定环境照度与测量精度，改良像差计算方法以利用Zernike多项式对周边像差进行表达计算。该发明能实现对于轴外大视场高阶像差的测量，为了解人眼离轴大视场高阶像差的组成与分布规律提供可靠、便捷的测量手段。
Description
技术领域
本发明涉及人眼像差测量技术领域，具体涉及基于Hartmann– Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统。
背景技术
波前像差作为现代物理光学理论在天文学中的应用，逐渐被引入人眼视觉光学的评估及矫正领域，经历了由可测量、可评估，到可矫正的发展过程。人眼波前像差的测量从早期单纯的实验室研究，到如今作为常规检查方法应用于视觉矫正尤其是角膜屈光手术中，期间经历了复杂的发展历程。早期的像差仪测量方法复杂，数据分析耗时。随着技术的更新，现有的仪器可以进行实现高速实时测量，已经在激光屈光手术等视觉矫正中得到了广泛应用。
自适应光学在眼科中的应用是民用自适应光学最重要、最活跃的应用领域，而人眼像差与视功能研究是其两大重要研究方向之一。 1997年，美国Rochester大学的D.R.Williams等人首次利用自适应光学技术分析了人眼高阶像差矫正对视功能的影响，通过静态补偿人眼高阶像差受试眼对比敏感度提高了6倍之多，并获得了分辨55c/deg 正弦光栅视标的“超视力(Supernormal vision)”，研究结果的报道极大地激励了研究人员的热情，也使视光学相关研究进入全新阶段。 Hartmann技术最初被用来测量和提高望远镜的光学成像质量。把一个有多小孔的不透明屏幕放置在望远镜的主孔径上，这些小孔把入射光束分割成许多细光束，这些细光束通过入射光瞳的不同位置后形成点阵，点阵分布模式决定了望远镜成像质量。而梁俊忠(Junzhong Liang)于1997年首次把Hartmann-Shack传感器和一个可变形镜结合起来，对人眼波前像差进行了测量和矫正，通过这种技术可以对人眼的视觉能力的极限进行评估，自适应光学技术可以矫正人眼的全部像差，从而可以进一步认识和了解人眼的视觉功能，并可获得更清晰的视网膜和眼底图像，这些大大推动了对人眼的光学和神经系统的研究进展。
随着人们对主观视觉症状了解的加深，对其光学机理的不断挖掘，越来越多的研究发现出现视觉不良症状，如眩光、光晕、鬼影等症状，并非完全黑暗的暗环境中，而是亮度介于明视觉和暗视觉之间的区域,通常认为中间视觉亮度水平(Mesopic vision)，处于中间视觉时,视锥细胞和视杆细胞同时发挥作用,但两者的活跃程度随亮度不同也会发生变化。影响间视觉的因素可能不只是轴上像差(低阶与高阶)，间视觉下近周边部较大视场角范围内视网膜均暴露在光照范围内，参与视觉过程，近周边部乃至大视场光学特性对间视觉成像和成像质量可能会产生更重要的意义。基于各种测量原理，近年来很多学者在测量大视场像差方面进行了各种努力，试图研究出针对大视场像差的测量方法与仪器设备。
本发明旨在通过改造原有像差测量设备，构建能测量大视野像差的客观活体光学像差测量系统，以获取正常人眼及屈光手术矫正前后人眼大视场范围内高阶像差光学质量特性及其对视觉质量影响机制。
发明内容
本发明所要解决的问题是改造原有像差测量设备，构建能测量大视野像差的客观活体光学像差测量系统，以获取正常人眼及屈光手术矫正前后人眼大视场范围内高阶像差光学质量特性及其对视觉质量影响机制。
为解决以上技术问题，本发明的通过以下方案实现：
搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)中心定位
首先，通过H-S波前像差测量仪内置视标中心点与外置视标系统中心镜像重合的原理，对测量视标系统进行中心定位，即保持固视中心位于瞳孔轴上，这样便可确保以固视中心为中心的其他注视角度的准确性；
其次，安装分光镜，在H-S像差测量仪测量光路上外置安装分光镜，以利用分光镜的折射效应，引导受试者进行轴外注视，达到测量离轴像差的目的；
(2)标定视场角及外置视标间距
1)设定视场角为5°、10°、15°；
2)将外置视标场底板与H-S像差测量仪测量光路平行放置，外置视标场与地面垂直且距离.H-S像差测量仪光路距离外置视标场的距离为m；
3)根据公式α＝atan(d/m)计算视标之间的距离；α为视场角、d 为视标间距、m为外置视标置场距H-S像差测量系统的间距；
4)根据公式算出的5°、10°、15°视场下视标之间的间距布置搭建LED光源电路装置；
5)根据LED光源电路系统分割标记周边像差测量角度；
(3)亮度定标
大视场像差测试系统的亮度定标计算，调整遮光手段，调整光线入射角度，光谱光度扫描仪对实验照度、亮度、色温、光谱等进行测量，计算最大视场角以内区域视网膜照度；测定光照度，对方位角进行调整，利用光谱光度扫描仪对背景光照度以及各个指示灯照度进行测量，并进行调整，尽量保持背景光照度在间视觉的环境，并且12 个指示灯的光照度一致；
(4)离轴测量
采用内设视标与分光镜轴外注视相结合的方法，基于Hartmann –Shack波前像差测量仪(HSWS)像差仪，达到水平与垂直多条相交子午线相应视场角上离轴像差的客观测量。具体测量方法如下：大视场像差的测量过程以受试者眼球转动为基础，直接注视内设视标或经分光镜反射注视轴外视标，以获得准确视场角，测量以5°为间隔，从颞侧视场(鼻侧视网膜)到鼻侧视场(颞侧视网膜)，以及上方视场(下方视网膜)到下方视场(上方视网膜)，每个离轴视角平均测量3次，通常图像质量由于存在周边曲率及离轴像散的影响不是很好，可通过再次聚焦进行调整；在这个过程中像差仪与波前保持平行；
(5)像差计算方法
采用椭圆瞳孔的最小直径模拟圆形瞳孔法(SC法)，在测量有效范围内选取5mm大小测量瞳孔直径分析像差。
进一步的，所述步骤(1)中通过调整分光镜的角度、位置使外置视标场投影与H-S波前像差测量仪内置视标同时出现在视野之内；再次调整分光镜的角度、位置使内置视标中心点和外置视标场垂直相交的子午线交点重合。
进一步的，所述步骤(2)中LED光源电路装置包括视标—LED 灯、控制器、导线；根据步骤(2)计算出的视标间距d在外置视标场底板布置LED灯，LED灯共有12个，横向子线上有6个以纵向子午线为轴左3个、右3个对称排列；纵向子线上有6个以横向子午线为轴左3个、右3个对称排列；LED从子午线交点处向外分别是5°、 10°、15°视标间距d；为LED灯编号，子午线交点为0，左边三个从右往左依次是1、2、3，右边三个从左往右依次是4、5、6，上方从下往上依次是7、8、9，下方从上往下依次是10、11、12。
进一步的，所述步骤(3)中的让12个指示灯的光照度一致的方法是通过控制器完成的；所述控制器控制LED灯为旋钮控制亮度，按键打开或关闭LED灯，旋转旋钮逐渐增加LED灯的亮度；用光谱光度扫描仪在背景光照度在间视觉的环境中选定光照度，用光谱光度扫描仪测定LED灯光照度，用旋钮调整光照度，使12个指示灯的光照度一致且为间视觉光照度。
基于搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置，其特征在于：包括Hartmann –Shack波前像差测量仪、分光镜、外置视标场、光谱光度扫描仪；
所述Hartmann–Shack波前像差测量仪包括Hartmann–Shack波前像差测量仪、桌子、凳子；桌子放置在室内靠墙放置，Hartmann –Shack波前像差测量仪放置在桌子上，凳子放置在桌子的正前方；
所述分光镜包括调整台、分光镜；所述调整台包括底座、伸缩杆、支撑台，所述底座为长方体结构上表面中央位置是伸缩杆的套杆；所述伸缩杆包括套杆和活动杆，套杆为空心圆筒，开口位置有高度调节旋钮；活动杆为实心杆，侧面上有与高度调节旋钮啮合的齿条，一端插在套杆内，另一端底端上连接支撑台；所述支撑台与伸缩杆连接处有轴承；分光镜放置在支撑台上；
所述外置视标场包括LED灯路、视标板；所述视标板为磁性长方形板，视标板上有两条垂直相交的子午线，交点位于视标板的中心；视标板的底面上是两个完全相同的平行放置的三脚架；所述LED灯路包括LED灯、控制器、导电线，LED灯的灯座上有磁石，磁石的磁力能让贴LED灯贴在视标板子午线上，每一个LED灯在控制器上对应一个控制按钮，LED灯通过导电线与控制器连接；外置视标场与 Hartmann–Shack波前像差测量仪光路平行放置；
所述光谱光度扫描仪用于对实验照度、亮度、色温、光谱等进行测量，计算最大视场角以内区域视网膜照度。
进一步的，所述分光镜的放置位置在在H-S像差测量仪测量光路上，外置视标场投影在在分光镜的上，视标板的子午线交点与 Hartmann–Shack波前像差测量仪的内置视标中心点重合。
进一步的，所述外置视标场的LED灯共有12个，横向子线上有 6个以纵向子午线为轴左3个、右3个对称排列；纵向子线上有6个以横向子午线为轴左3个、右3个对称排列；为LED灯编号，子午线交点为0，左边三个从右往左依次是1、2、3，右边三个从左往右依次是4、5、6，上方从下往上依次是7、8、9，下方从上往下依次是 10、11、12；从子午线交点向外各LED灯之间的间距分别以5°、10°、 15°视场角算得出，计算公式为：α＝arctan(d/m)，公式中α为视场角、d为LED灯间距、m为外置视标置场距H-S像差测量系统的间距。
进一步的，所述控制器控制LED灯为旋钮控制，按键打开或关闭 LED灯；旋转旋钮逐渐增或降低LED灯的亮度，控制器上有对应LED 灯的编号。
进一步的，所述高度调节旋钮包括空心外壳、齿轮、旋钮；外壳为圆柱状，一部分外壁与套杆融合，两底面上有齿轮轴孔，齿轮轴是底面大圆柱上有个小圆柱的组合，让齿轮保持在外壳中央；齿轮放置在外壳，轮齿与活动杆的齿条啮合，一端齿轮轴探出外壳与旋钮连接；旋钮为底面中央带齿轮轴孔的圆柱，圆柱侧面上有突起的条纹。
基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的用途在于：构建能测量大视野像差的客观活体光学像差测量系统，以获取正常人眼及屈光手术矫正前后人眼大视场范围内高阶像差光学质量特性及其对视觉质量影响机制。
发明的有益效果
(1)本发明通过内置视标中心点与外置视标系统中心镜像重合的原理，对测量视标系统进行中心定位，即保持固视中心位于瞳孔轴上，这样便可确保以固视中心为中心的其他注视角度的准确性。其次，在H-S像差测量仪测量光路上外置安装分光镜，以利用分光镜的折射效应，引导受试者进行轴外注视，达到测量离轴像差的目的。
(2)本发明设置了预设了视场角，根据视场角计算出视标间距，再布置LED灯为视标的光路，视标LED灯投影到分光镜上显示在人眼视野之中与内置视标中央相交且垂直的子午线重合，在进行离轴像差测量时通过控制器引导人看向亮起的LED灯便可以得出人眼转向 5°、10°、15°的视场像差。
(3)本发明利用光谱光度扫描仪对背景光照度以及各个指示灯照度进行测量，并进行调整，尽量保持背景光照度在间视觉的环境，并且12个LED灯的光照度一致，在采集视场像差数据时排除环境及 LED灯光照度的干扰条件。
(4)周边注视时像差仪采集到的瞳孔图像会因为注视角度的原因引起瞳孔形状的改变，入瞳的图像则由圆形变成椭圆形，对于轴上像差的分析是基于瞳孔是近似圆形的基础上进行的。利用Zernike多项式等用于分析圆形多项式来描述像差的大小与组成。但是在分析大视场像差时，瞳孔是圆形的假设即不适用，由于此时瞳孔并非是圆形，而随着视场角的逐渐增加成为椭圆形。本发明采用椭圆瞳孔的最小直径模拟圆形瞳孔法(SC法)，在测量有效范围内选取5mm大小测量瞳孔直径分析像差，所有视场角位点均采用此方法，一是仍应用 Zernike多项式对像差的表达方式，二是统一像差分析直径范围，以供不同视场角位点间进行比较，以及手术前后同一视场角位点像差的变化值对比性研究。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为LED光源电路实物图；
图2为标定视场角及外置视标间距原理图；
图3为离轴测量方法示意图；
图4为中央注视和周边注视时瞳孔及像差仪采集数据区域的区别示意图；
图5为基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置的结构示意图；
图6为分光镜结构等轴视图；
图7为分光镜结构透视图；
图8为齿轮结构示意图；
图9为外置视标场结构示意图；
图10为眼球周边性相对近视和中央视近聚焦示意图；
说明书附图中，各部件及其标号为：
Hartmann–Shack波前像差测量仪1、分光镜2、外置视标场3、光谱光度扫描仪4、桌子5、凳子6、底座7、伸缩杆8、支撑台9、套杆10、活动杆11、高度调节旋钮12、齿条13、轴承14、外壳15、齿轮16、旋钮17、齿轮轴18、LED灯19、控制器20、导电线21、视标板22、三脚架23、旋钮24、按键25。
实施例
下面将通过实施例对本发明的方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是本发明中出现的设备均为现有技术，设备及其型号如下：
Hartmann–Shack波前像差测量仪(COAS)
光谱光度扫描仪(PR-650)
实施例Ⅰ
搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)中心定位
首先，通过H-S波前像差测量仪内置视标中心点与外置视标系统中心镜像重合的原理，对测量视标系统进行中心定位，即保持固视中心位于瞳孔轴上，这样便可确保以固视中心为中心的其他注视角度的准确性。其次，安装分光镜，在H-S像差测量仪测量光路上外置安装分光镜，以利用分光镜的折射效应，引导受试者进行轴外注视，达到测量离轴像差的目的。通过调整分光镜的角度、位置使外置视标场投影与H-S波前像差测量仪内置视标同时出现在视野之内；再次调整分光镜的角度、位置使内置视标中心点和外置视标场垂直相交的子午线交点重合。
(2)标定视场角及外置视标间距(如图2)
1)设定视场角为5°、10°、15°；
2)将外置视标场底板与H-S像差测量仪测量光路平行放置，外置视标场与地面垂直且距离.H-S像差测量仪光路距离外置视标场的距离为2m；
3)根据公式α＝atan(d/m)计算视标之间的距离；α为视场角、d 为视标间距、m为外置视标置场距H-S像差测量系统的间距。
4)根据公式算出5°、10°以及15°视标间距分别为0.175m、 0.3526m、0.5358m；并按此间距布置LED光源电路系统；
5)根据LED光源电路系统分割标记周边像差测量角度。
所布置的LED光源电路如图1所示，包括视标—LED灯、控制器、导线；根据步骤(2)计算出的视标间距d在外置视标场底板布置LED 灯，LED灯共有12个，横向子线上有6个以纵向子午线为轴左3个、右3个对称排列；纵向子线上有6个以横向子午线为轴左3个、右3 个对称排列；LED从子午线交点处向外分别是5°、10°、15°视标间距d，；为LED灯编号，子午线交点为0，左边三个从右往左依次是1、2、3，右边三个从左往右依次是4、5、6，上方从下往上依次是7、8、9，下方从上往下依次是10、11、12，0和1之间的间距为 0.175m、1和2之间的间距为0.3526m、2和3之间的间距为0.5358m， 0、4、5、6，0、7、8、9，0、10、11、12的间距与0、1、2、3相同。
(3)亮度定标
大视场像差测试系统的亮度定标计算，调整遮光手段，调整光线入射角度，光谱光度扫描仪对实验照度、亮度、色温、光谱等进行测量，计算最大视场角以内区域视网膜照度。测定光照度，对方位角进行调整，利用光谱光度扫描仪对背景光照度以及各个指示灯照度进行测量，并进行调整，尽量保持背景光照度在间视觉的环境，并且12 个指示灯的光照度一致。中的让12个指示灯的光照度一致的方法是通过控制器完成的；控制器控制LED灯为旋钮控制亮度，按键打开或关闭LED灯，旋转旋钮逐渐增加LED灯的亮度；用光谱光度扫描仪在背景光照度在间视觉的环境中选定光照度，用光谱光度扫描仪测定 LED灯光照度，用旋钮调整光照度，使12个指示灯的光照度一致且为间视觉光照度。
光照度计对背景及指示灯照度的测量，以及光谱分析的结果如表 1所示。
表1
(4)离轴测量
采用内设视标与分光镜轴外注视相结合的方法，基于Hartmann –Shack波前像差测量仪(HSWS)像差仪，达到水平与垂直多条相交子午线相应视场角上离轴像差的客观测量。具体测量方法如下(如图 3)：大视场像差的测量过程以受试者眼球转动为基础，直接注视内设视标或经分光镜反射注视轴外视标，以获得准确视场角，测量以5°为间隔，从颞侧视场(鼻侧视网膜)到鼻侧视场(颞侧视网膜)，以及上方视场(下方视网膜)到下方视场(上方视网膜)，每个离轴视角平均测量3次，通常图像质量由于存在周边曲率及离轴像散的影响不是很好，可通过再次聚焦进行调整。在这个过程中像差仪与波前保持平行。
实际操作过程中，先让被测试人员看向0号视标，再以此看向1、 2、3号视标，然后是4、5、6以此类推，每个离轴视角平均测量3 次，若图像质量由于存在周边曲率及离轴像散的影响不是很好，可通过再次聚焦进行调整。在这个过程中像差仪与波前保持平行，用控制器控制对应的视标LED灯亮起。
(5)像差计算方法
采用椭圆瞳孔的最小直径模拟圆形瞳孔法(SC法)，在测量有效范围内选取5mm大小测量瞳孔直径分析像差。
周边注视时像差仪采集到的瞳孔图像会因为注视角度的原因引起瞳孔形状的改变，入瞳的图像则由圆形变成椭圆形(如图4)，对于轴上像差的分析是基于瞳孔是近似圆形的基础上进行的。利用Zernike多项式等用于分析圆形多项式来描述像差的大小与组成。但是在分析大视场像差时，瞳孔是圆形的假设即不适用，由于此时瞳孔并非是圆形，而随着视场角的逐渐增加成为椭圆形。本发明采用椭圆瞳孔的最小直径模拟圆形瞳孔法(SC法)，在测量有效范围内选取 5mm大小测量瞳孔直径分析像差，所有视场角位点均采用此方法。一是仍应用Zernike多项式对像差的表达方式，二是统一像差分析直径范围，以供不同视场角位点间进行比较，以及手术前后同一视场角位点像差的变化值对比性研究。
实施例Ⅱ
本发明的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置的结构如图5所示包括Hartmann–Shack 波前像差测量仪1、分光镜2、外置视标场3、光谱光度扫描仪4；
所述Hartmann–Shack波前像差测量仪1包括Hartmann–Shack 波前像差测量仪1、桌子5、凳子6；桌子5放置在室内靠墙放置， Hartmann–Shack波前像差测量仪1放置在桌子5上，凳子6放置在桌子5的正前方；凳子6给被测人员使用。
本发明的分光镜2的结构如图6、图7所示：包括分光镜2、调整台(7、8、9)，调整台(7、8、9)包括底座7、伸缩杆8、支撑台9，所述底座7为长方体结构上表面中央位置是伸缩杆8的套杆10；所述伸缩杆8包括套杆10和活动杆11，套杆10为空心圆筒，开口位置有高度调节旋钮12；活动杆11为实心杆，侧面上有与高度调节旋钮12啮合的齿条13，一端插在套杆10内，另一端底端上连接支撑台9；所述支撑台9为圆盘与伸缩杆8连接处有轴承14，分光镜2放置在支撑台9上；伸缩杆8让分光镜2可以上下调节高度，支撑台 9让分光镜2可以旋转角度；所述高度调节旋钮12包括空心外壳15、齿轮16、旋钮17；外壳15为圆柱状，一部分外壁与套杆10融合，两底面上有齿轮轴18孔；齿轮16(如图8)放置在外壳，轮齿与活动杆11的齿条13啮合，一端齿轮轴18探出外壳与旋钮17连接，齿轮轴18是底面大圆柱上有个小圆柱的组合，让齿轮16保持在外壳 15中央；旋钮17为底面中央带齿轮轴18孔的圆柱，圆柱侧面上有突起的条纹方便旋转。通过旋转旋钮17，扭矩带动齿轮16旋转，齿轮16将扭转力传递给齿条13，从而带动活动杆11上下活动，分光镜2高度也随支撑台9升降；轴承14支撑台9相对与底座7旋转，从而调整分光镜2的角度。
本发明的外置视标场3的结构如图9所示包括LED灯路(19、20、 21)、视标板22；所述视标板22为磁性长方形板，视标板22上有两条垂直相交的子午线，交点位于视标板22的中心；视标板22的底面上是两个完全相同的平行放置的三脚架23，三脚架23用于支撑外置视标场3，让视标板22保持竖直站立；所述LED灯路(19、20、 21)包括LED灯19、控制器20、导电线21，LED灯19的灯座上有磁石，磁石磁力能让贴LED灯贴在视标板22子午线上，每一个LED灯在控制器上对应一个控制器20，LED灯19通过导电线21与控制器 20连接；外置视标场3与Hartmann–Shack波前像差测量仪光路平行放置且距离为2m；外置视标场3的LED灯19共有12个，横向子线上有6个以纵向子午线为轴左3个、右3个对称排列；纵向子线上有6个以横向子午线为轴左3个、右3个对称排列；为LED灯19编号，子午线交点为0，左边三个从右往左依次是1、2、3，右边三个从左往右依次是4、5、6，上方从下往上依次是7、8、9，下方从上往下依次是10、11、12；从子午线交点向外各LED灯19之间的间距分别以5°、10°、15°视场角算得出，计算公式为：α＝arctan(d/m)，公式中α为视场角、d为LED灯19间距、m为外置视标置场3距H-S 像差测量系统1的间距；已知外置视标场3与Hartmann–Shack波前像差测量仪光路平行放置且距离为2m，故计算得出0和1之间的间距为0.175m、1和2之间的间距为0.3526m、2和3之间的间距为 0.5358m，0、4、5、6，0、7、8、9，0、10、11、12的间距与0、1、 2、3相同。所述控制器20控制LED灯19亮度为旋钮24控制，按键 25打开或关闭LED灯；旋转旋钮24逐渐增或降低LED灯的亮度，控制器20上有对应LED灯19的编号。
所述光谱光度扫描仪4用于对实验照度、亮度、色温、光谱等进行测量，计算最大视场角以内区域视网膜照度；让12个LED灯19 的光照度一致。
实施例Ⅲ
本发明的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置的使用方法为：
本装置于暗室中进行操作。
首先进行中心定位，启动Hartmann–Shack波前像差测量仪1调试人员坐在凳子6上，眼睛看向Hartmann–Shack波前像差测量仪1 的内置视标，瞳孔轴与Hartmann–Shack波前像差测量仪1光路对齐；一只手旋转高度调节旋钮12另一只手旋转支撑台9使外置视标场3 与内置视标同时出现在视野内；通过控制调整台(7、8、9)来调整分光镜2的角度、位置使内置视标中心点和外置视标场3视标板22 上的子午线交点重合；
然后被测量人员坐在凳子6上左眼看向Hartmann–Shack波前像差测量仪1的内置视标，瞳孔轴与Hartmann–Shack波前像差测量仪 1光路对齐，即正视内置视标中心点；测量人员通过控制器20控制 LED灯19引导背测量人员转动眼球，首先按动标号为1的LED灯19的按键25，被测量人员转动眼球看向分光镜2上亮起的LED灯19，记录一次波前像差数据，关闭标号1的LED灯19，被测量人眼球转向内置视标中心点，再次按动标号为1的LED灯19的按键25，被测量人员转动眼球看向分光镜2上亮起的LED灯19，再次记录一次波前像差数据；如此重复三次，记录三个波前像差数据；按上述操作依次记录三次1-12号LED灯19的波前像差数据；
最后处理数据，应用Zernike多项式对像差的表达方式结合椭圆瞳孔的最小直径模拟圆形瞳孔法(SC法)，在测量有效范围内选取 5mm大小测量瞳孔直径分析像差，所有视场角位点均采用此方法。
实施例Ⅳ
本发明基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的用途在于：构建能测量大视野像差的客观活体光学像差测量系统，以获取正常人眼及屈光手术矫正前后人眼大视场范围内高阶像差光学质量特性及其对视觉质量影响机制，其研究过程如下：
1.正视眼与近视眼大视场像差组成与分布特点的对比性研究
人眼的解剖结构十分复杂，对于光学成像的光学结构也较复杂，并且不是完美的旋转对称球体，不仅如此，视轴与最佳拟合光轴间存在夹角α，这使得鼻侧视野范围内的散光会略大于颞侧视野，这是构成全视网膜像差复杂特征的原因，黄斑周边视网膜的厚度为250-270 μm，而黄斑中心凹视网膜厚度仅为120μm，则单纯在解剖结构上便会产生近0.01D的折射作用，解剖学表明对暗视觉敏感的视杆细胞较密的区域不是视网膜中心凹处，而是较大的20°视场角，在50°～ 60°视场角处,视杆细胞密度下降到一半。为了更好地理解边缘视觉对人眼视觉质量的影响,真实测量与分析大视场波前像差具有重要的意义。中心网膜和周边网膜的解剖结构、视功能、像质对比如表2 所示：
表2
人眼不同的屈光状态在光学成像上基本上可以理解为物体成像的焦点与视网膜层面的位置关系，当物体的像点落在视网膜上即为正视，落在视网膜前为近视，而落在视网膜后则为远视，对于不同的屈光状态的定义是指在中央轴上的光学成像关系，而不同屈光状态眼的周边大视场像差间也存在较大的差别。
早有研究发现周边部屈光状态的不同会导致不同的屈光状态，后天视觉体验以及非中心凹的视网膜屈光状态将影响屈光不正的发展。并且，正视眼与近视眼视网膜形态不一致，故造成两者周边屈光状态的不同，正视眼视网膜呈oblate形状，即周边相对于黄斑区斜率更大，近视眼视网膜则较正视眼oblate趋势更弱些，正视眼周边视网膜形态越陡，对应区域的周边远视度数越高(如图10所示)。
本研究旨在通过所构建的大视场客观像差测量系统对不同屈光状态人眼大视场像差进行测量，以获取正视眼及近视眼不同视场角上低阶及高阶像差的分布规律，揭示不同屈光状态对轴外像差的影响因素，以及不同屈光状态人眼周边部视网膜视觉成像质量。
2.研究对象和方法
2.1.1临床资料
采用前瞻性研究设计，根据散瞳睫状肌麻痹下检影验光度数，将受试者人群以球镜度分为正视眼组和近视眼组，其中正视眼组屈光度控制在±0.25D,近视眼组屈光度为≤0.00D。
入选标准：除检影验光度数以外，还需角膜地形图形态规则无异常，排除圆锥角膜的风险；泪液功能检测显示无严重干眼；前节裂隙灯检查角膜透明无薄翳或斑翳；无眼部活动性疾病及青光眼、白内障及眼底等病变；无眼部外伤史；术前软性角膜接触镜停戴2周以上，硬性角膜接触镜停戴1个月以上，角膜塑形镜停戴3个月以上。
排除标准：角膜瘢痕及不规则散光；眼睑形态异常如睑裂闭合不全、内翻倒睫等；弱视；根据Rabinowitz-McDonnell判定标准为圆锥角膜或形态可疑的不对称角膜；角膜上皮粗糙；严重干眼病；眼部活动性炎症或任何眼部疾病；曾有眼部手术史、外伤史；未受控制的全身结缔组织病及严重的自身免疫性疾病；未受控制的糖尿病；患有精神疾病者等。
2.1.2检查方法与数据获取
2.1.2.1常规眼科检查
常规眼科检查包括采用国际标准视力表测试裸眼视力(UCVA) 及最佳矫正视力(BCVA)、采用AT－2C型全自动电脑验光仪(日本Canon 公司)进行电脑验光、综合验光仪验光、散瞳睫状肌麻痹下进行检影验光、非接触式眼压计TX-20(日本佳能Canon)眼压测量、暗视下瞳孔直径、裂隙灯眼前节检查、眼底检查等。
角膜地形图检查方法：被检查于暗室环境中取坐位进行检查，下巴置于下颌托上，双眼自然睁开注视前方指示灯，尽量睁大双眼以确保角膜不被睫毛或眼睑遮挡。检查者对焦后仪器开始自动进行旋转扫描和连续拍摄，选择图像质量参数>95％、分析直径＞9mm的图像进行数据处理。排除术后因泪液影响或角膜表面不光滑等因素导致的角膜局部形态不规则的病例，每只眼共测量3次进行统计学分析。
2.1.2.2大视场光学像差测量
所有受试者进行前期搭建的Hartmann–Shack波前像差测量仪 (HSWS)Aberrometor(COAS)像差仪构建的大视场光学像差客观测量系统，测量以5°为间隔，从颞侧视场(鼻侧视网膜)到鼻侧视场(颞侧视网膜)，以及上方视场(下方视网膜)到下方视场(上方视网膜)，每个离轴视角平均测量3次，通常图像质量由于存在周边曲率及离轴像散的影响不是很好，可通过再次聚焦进行调整。在这个过程中像差仪与波前保持平行。
检查方法：于暗室环境中进行测量，被检查者取坐位，将下巴放于下颌托上，双眼自然睁开，检查者嘱其注视Aberrometor(COAS)像差仪内置视标中心的指示灯，要求患者尽量睁大双眼，以保证角膜不被睫毛或眼睑遮挡而影响数据结果。并开启外置视标系统0点中心位置指示灯，调整受试者眼位及头位，以确保内置视标中心点与外置视标系统中心相对应重合，为避免个体因素和可能的镜像效应引起的测量及计算误差，所有被检者仅取其左眼数据进行分析。使用摇杆，调整十字靶标对准瞳孔中心。前后移动像差仪的镜头直到看清虹膜纹理为止，即将焦点聚集到虹膜平面。为保证瞳孔大小无论在任何中心轴上及轴外各视场角均可大于5mm，且为进一步排除调节因素对像差测量的干扰，所有受试者均接受5g/L复方托比酰胺眼药进行散瞳部分麻痹睫状肌。
检查者首先对中央轴上像差进行测量，然后按指示灯标示数字依次进行颞侧视场(鼻侧视网膜)到鼻侧视场(颞侧视网膜)，以及上方视场(下方视网膜)到下方视场(上方视网膜)12个指示灯位点的光学像差测量。
2.1.2.1数据处理方法：
a)相对周边屈光度(Relative Pheripharal Refractiotive Erro，RPRE): 来描述屈光度随视场角度变化的规律，RPRE是用周边位置所获取的屈光度值减去中央轴上屈光度得到的差值，通过RPRE即可反应整体大视场下屈光状态的变化趋势，以及周边视网膜位置相对于中心所处的屈光状态。
b)最小直径模拟圆形瞳孔法(SC法)：在测量有效范围内选取 5mm大小测量瞳孔直径分析像差，所有视场角位点均采用此方法。
c)像差的表达方式：采用美国光学学会(国际标准化组织，2008) 像差标准表达模式，利用Zernike多项式的像差描述方法，主要针对三阶像差及四阶像差对正视眼及近视眼组不同空间分布规律进行分析，以及对比性研究。
2.1.4统计学方法
应用SPSS20.0统计学软件包进行统计分析，数据资料经 Shpiro-Wilk检验证实呈正态分布，以x(_)±s表示。正视组和近视组基本数据应用独立样本t检验分析，两组不同子午线及不同视场角像差各项之间差异比较采用独立样本t检验分析，以P<0.05表示差异有统计学意义。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。
Claims (10)
1.搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)中心定位
首先，通过H-S波前像差测量仪内置视标中心点与外置视标系统中心镜像重合的原理，对测量视标系统进行中心定位，即保持固视中心位于瞳孔轴上，这样便可确保以固视中心为中心的其他注视角度的准确性；
其次，安装分光镜，在H-S像差测量仪测量光路上外置安装分光镜，以利用分光镜的折射效应，引导受试者进行轴外注视，达到测量离轴像差的目的；
(2)标定视场角及外置视标间距
1)设定视场角为5°、10°、15°；
2)将外置视标场底板与H-S像差测量仪测量光路平行放置，外置视标场与地面垂直且距离.H-S像差测量仪光路距离外置视标场的距离为m；
3)根据公式α＝atan(d/m)计算视标之间的距离；α为视场角、d为视标间距、m为外置视标置场距H-S像差测量系统的间距；
4)根据公式算出的5°、10°、15°视场下视标之间的间距布置搭建LED光源电路装置；
5)根据LED光源电路系统分割标记周边像差测量角度；
(3)亮度定标
大视场像差测试系统的亮度定标计算，调整遮光手段，调整光线入射角度，光谱光度扫描仪对实验照度、亮度、色温、光谱等进行测量，计算最大视场角以内区域视网膜照度；测定光照度，对方位角进行调整，利用光谱光度扫描仪对背景光照度以及各个指示灯照度进行测量，并进行调整，尽量保持背景光照度在间视觉的环境，并且12 个指示灯的光照度一致；
(4)离轴测量
采用内设视标与分光镜轴外注视相结合的方法，基于Hartmann–Shack波前像差测量仪(HSWS)像差仪，达到水平与垂直多条相交子午线相应视场角上离轴像差的客观测量。具体测量方法如下：大视场像差的测量过程以受试者眼球转动为基础，直接注视内设视标或经分光镜反射注视轴外视标，以获得准确视场角，测量以5°为间隔，从颞侧视场(鼻侧视网膜)到鼻侧视场(颞侧视网膜)，以及上方视场(下方视网膜)到下方视场(上方视网膜)，每个离轴视角平均测量3次，通常图像质量由于存在周边曲率及离轴像散的影响不是很好，可通过再次聚焦进行调整。在这个过程中像差仪与波前保持平行；
(5)像差计算方法
采用椭圆瞳孔的最小直径模拟圆形瞳孔法(SC法)，在测量有效范围内选取5mm大小测量瞳孔直径分析像差。
2.根据权利要求1所述的搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过调整分光镜的角度、位置使外置视标场投影与H-S波前像差测量仪内置视标同时出现在视野之内；再次调整分光镜的角度、位置使内置视标中心点和外置视标场垂直相交的子午线交点重合。
3.根据权利要求1所述的搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法，其特征在于：所述步骤(2)中LED光源电路装置包括视标—LED灯、控制器、导线；根据步骤(2)计算出的视标间距d在外置视标场底板布置LED灯，LED灯共有12个，横向子线上有6个以纵向子午线为轴左3个、右3个对称排列；纵向子线上有6个以横向子午线为轴左3个、右3个对称排列；LED从子午线交点处向外分别是5°、10°、15°视标间距d；为LED灯编号，子午线交点为0，左边三个从右往左依次是1、2、3，右边三个从左往右依次是4、5、6，上方从下往上依次是7、8、9，下方从上往下依次是10、11、12。
4.根据权利要求1所述的搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的让12个指示灯的光照度一致的方法是通过控制器完成的；所述控制器控制LED灯为旋钮控制亮度，按键打开或关闭LED灯，旋转旋钮逐渐增加LED灯的亮度；用光谱光度扫描仪在背景光照度在间视觉的环境中选定光照度，用光谱光度扫描仪测定LED灯光照度，用旋钮调整光照度，使12个指示灯的光照度一致且为间视觉光照度。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的搭建基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的方法的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置，其特征在于：包括Hartmann–Shack波前像差测量仪、分光镜、外置视标场、光谱光度扫描仪；
所述Hartmann–Shack波前像差测量仪包括Hartmann–Shack波前像差测量仪、桌子、凳子；桌子放置在室内靠墙放置，Hartmann–Shack波前像差测量仪放置在桌子，凳子放置在桌子的正前方；
所述分光镜包括调整台、分光镜；所述调整台包括底座、伸缩杆、支撑台，所述底座为长方体结构上表面中央位置是伸缩杆的套杆；所述伸缩杆包括套杆和活动杆，套杆为空心圆筒，开口位置有高度调节旋钮；活动杆为实心杆，侧面上有与高度调节旋钮啮合的齿条，一端插在套杆内，另一端底端上连接支撑台；所述支撑台与伸缩杆连接处有轴承；分光镜放置在支撑台上；
所述外置视标场包括LED灯路、视标板；所述视标板为磁性长方形板，视标板上有两条垂直相交的子午线，交点位于视标板的中心；视标板的底面上是两个完全相同的平行放置的三脚架；所述LED灯路包括LED灯、控制器、导电线，LED灯的灯座上有磁石，磁石磁力能让贴LED灯贴在视标板子午线上，每一个LED灯在控制器上对应一个控制按钮，LED灯通过导电线与控制器连接；外置视标场与Hartmann–Shack波前像差测量仪光路平行放置；
所述光谱光度扫描仪用于对实验照度、亮度、色温、光谱等进行测量，计算最大视场角以内区域视网膜照度；让12个LED灯的光照度一致。
6.根据权利要求1所述的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置，其特征在于：所述分光镜的放置位置在在H-S像差测量仪测量光路上，外置视标场投影在在分光镜的上，视标板的子午线交点与Hartmann–Shack波前像差测量仪的内置视标中心点重合。
7.根据权利要求1所述的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置，其特征在于：所述外置视标场的LED灯共有12个，横向子线上有6个以纵向子午线为轴左3个、右3个对称排列；纵向子线上有6个以横向子午线为轴左3个、右3个对称排列；为LED灯编号，子午线交点为0，左边三个从右往左依次是1、2、3，右边三个从左往右依次是4、5、6，上方从下往上依次是7、8、9，下方从上往下依次是10、11、12；从子午线交点向外各LED灯之间的间距分别以5°、10°、15°视场角算得出，计算公式为：α＝arctan(d/m)，公式中α为视场角、d为LED灯间距、m为外置视标置场距H-S像差测量系统的间距。
8.根据权利要求1所述的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置，其特征在于：所述控制器控制LED灯为旋钮控制，按键打开或关闭LED灯；旋转旋钮逐渐增或降低LED灯的亮度，控制器上有对应LED灯的编号。
9.根据权利要求1所述的一种基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的装置，其特征在于：所述高度调节旋钮包括空心外壳、齿轮、旋钮；外壳为圆柱状，一部分外壁与套杆融合，两底面上有齿轮轴孔；齿轮放置在外壳，轮齿与活动杆的齿条啮合，一端齿轮轴探出外壳与旋钮连接；旋钮为底面中央带齿轮轴孔的圆柱，圆柱侧面上有突起的条纹，齿轮轴是底面大圆柱上有个小圆柱的组合。
10.基于权利要求1-9任意一项所述的的基于Hartmann–Shack波前像差测量仪周边视网膜像差光学测量系统的用途在于：构建能测量大视野像差的客观活体光学像差测量系统，以获取正常人眼及屈光手术矫正前后人眼大视场范围内高阶像差光学质量特性及其对视觉质量影响机制。
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