CN111772574B

CN111772574B - 一种波前像差测量时消除离焦的方法和装置

Info

Publication number: CN111772574B
Application number: CN202010508782.5A
Authority: CN
Inventors: 毛维波; 刘峰; 梅建国
Original assignee: Ningbo Ming Sing Optical R & D Co ltd
Current assignee: Ningbo Ming Sing Optical R & D Co ltd
Priority date: 2020-06-06
Filing date: 2020-06-06
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2040-06-06
Also published as: CN111772574A

Abstract

本发明公开了一种波前像差测量时消除离焦的方法和装置，首先确定传感器的原点，在传感器位于原点时，改变离焦参数，测量不同离焦参数时，摄像头中某一光斑的光斑距离，得到离焦参数与光斑距离的相对关系；确定离焦参数，改变传感器位置，在光斑为无离焦状态情况下，测量传感器位置，形成离焦参数与传感器位置的相对关系；在进行测量时，先测量出光斑测量距离，根据光斑距离与离焦参数的相对关系，得到离焦参数，再根据离焦参数与传感器位置的相对关系，得到传感器的位置，移动传感器到该位置，实现其他参数的测量。本申请适用于不同离焦时的波前像差设备测量，计算量少，达到快速消除离焦的结果。

Description

一种波前像差测量时消除离焦的方法和装置

技术领域

本发明涉及眼科仪器技术领域，尤其是涉及一种波前像差测量时消除离焦的方法和装置。

背景技术

波前是光波的连续性的同相表面，在没有像差时，进入人眼的波前可以很好的在视网膜上会聚成一个焦点，波前像差即是由实际波前和理想的无偏差状态的波前之间的偏差来定义，人眼存在像差，在视力测量时，不仅要求测量屈光度数据，还需要测量人眼的波前像差数据。夏克—哈特曼波前传感器是进行波前像差测量的常用仪器，但在测量前需要先进行离焦参数的消除，以克服传感器物理参数带来的对测量的影响，保证更准确地测量波前像差的其他参数。

通常，采用光斑的相对偏移计算离焦参数，然后移动传感器到离焦参数接近零的位置，从而消除离焦。但这种方法由于计算量大、性能较低，并不适合离焦较大的情况。

因此，如何设计一种适用性强、计算量小的消除离焦方法，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种波前像差测量时消除离焦的方法和装置，首先确定传感器的原点，在传感器位于原点时，改变离焦参数，测量不同离焦参数时，摄像头中某一光斑的光斑距离，得到离焦参数与光斑距离的相对关系；确定离焦参数，改变传感器位置，在光斑为无离焦状态情况下，测量传感器位置，形成离焦参数与传感器位置的相对关系；在进行测量时，先测量出光斑测量距离，根据光斑距离与离焦参数的相对关系，得到离焦参数，再根据离焦参数与传感器位置的相对关系，得到传感器的位置，移动传感器到该位置，实现其他参数的测量。

本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：

一种波前像差测量时消除离焦的方法，包括以下步骤：

S1、确定传感器原点；

S2、传感器位于原点位置时，标定第一离焦参数对应的第一光斑位置，计算第一离焦参数对应的第一光斑距离；

S3、改变离焦参数，标记第一光斑对应位置，计算第i离焦参数对应的第一光斑距离；

S4、生成离焦参数与对应光斑距离曲线，即第一曲线；

S5、基于第P离焦参数的光线，调整传感器位置，在光斑为无离焦状态时，测量第一传感器位置；

S6、改变离焦参数，在光斑为无离焦状态时，对应标定第j传感器位置；

S7、生成离焦参数与对应传感器位置曲线，即第二曲线；

S8、进行波前像差测量时，传感器位于原点位置，测量光斑位置，计算光斑测量距离；

S9、根据光斑测量距离、第一曲线，得到测量离焦参数，再根据第二曲线，得到传感器测量位置。

本发明进一步设置为：步骤S1中，确定传感器原点，传感器包括传感器透镜、透镜阵列、CCD摄像头，包括以下步骤：

A1、入射平行光，在只有透镜阵列、CCD摄像头组合状态时，测量并计算CCD摄像头中一个光斑的距离V1；

A2、在波前像差仪入射平行光，在传感器位于第一点时，测量并计算CCD摄像头中同一位置光斑的距离V2；

A3、计算V2与V1差值，得到第2差值；

A4、改变传感器位置，测量并计算CCD摄像头中同一位置光斑的距离Vk；

A5、计算Vk与V1差值，得到第k差值；

A6、重复步骤A4、A5，得到差值集；

A7、查找差值集中绝对值最小的差值，以最小差值对应的传感器位置为传感器原点。

本发明进一步设置为：计算光斑距离包括以下步骤：

标记光斑m的质心与邻近光斑质心的距离为dm1，dm2……dmn，各光斑对应的距离权重标记为w1，w2……wn，光斑距离以下式表示：V＝F(dm1 w1，dm2w2……dmn wn)；其中n表示单一方向上邻近光斑数量，F表示函数。

本发明进一步设置为：F是均值函数，或是均方根值函数。

本发明进一步设置为：步骤S5中，判断无离焦状态，包括以下步骤：

B1、发射无离焦的平面波光线，得到光斑质心(c1，c2……cn)；B2、传感器位于第一位置；

B3、发射已知离焦参数的光线，得到相应的光斑质心(kc1，kc2……kcn)；

B4、计算各光斑两次质心的差值；

B5、计算所述离焦参数对应的所有质心的第一均方根值；

B6、改变传感器位置，重复步骤B3至B5，得到不同传感器位置时对应的第一均方根值；

B7、求取所有第一均方根值的最小值，其对应的状态即为无离焦状态，其对应的位置即为所述离焦参数对应的传感器位置。

E1、发射无离焦的平面波光线，得到光斑质心(c1，c2……cn)；

计算光斑i的光斑距离V1；

E2、传感器位于第一位置；

E3、发射已知离焦参数的光线，得到相应的光斑质心(kc1，kc2……kcn)；

E4、计算光斑i的光斑距离V2；

E5、计算V2与V1的差值；

E6、改变传感器位置，重复步骤E3至E5，得到不同传感器位置时对应的差值；

E7、求取所有差值的最小值，其对应的状态即为无离焦状态，其对应的位置即为所述离焦参数对应的传感器位置。

本发明进一步设置为：基于已有数据，采用插值法，生成第一曲线或第二曲线。

本发明的上述发明目的还通过以下技术方案得以实现：

一种波前像差测量时消除离焦的方法，包括以下步骤：

G1、确定传感器原点；

G2、传感器位于原点位置时，标定第一离焦参数对应的第一光斑位置，计算第一离焦参数对应的第一光斑距离；

G3、改变离焦参数，标记第一光斑对应位置，计算第i离焦参数对应的第一光斑距离；

G4、生成离焦参数与对应光斑距离数据集，即第一数据集；

G5、基于第一离焦参数的光线，调整传感器位置，在光斑为无离焦状态时，测量第一传感器位置；

G6、改变离焦参数，在光斑为无离焦状态时，对应标定第i离焦参数对应的第j传感器位置；

G7、生成离焦参数与对应传感器位置数据集，即第二数据集；

G8、根据第一数据集与第二数据集，生成离焦参数、传感器位置、光斑距离数据集，即第三数据集；

G9、进行波前像差测量时，传感器位于原点位置，测量光斑位置，计算光斑测量距离；

G10、在第三数据集中，查找与光斑测量距离数值最接近的光斑距离，以最接近的光斑距离为被测光线的距离值，查找得到对应的传感器位置。

本发明进一步设置为：第一数据集中的离焦参数与第二数据集中的离焦参数一一对应。

本发明的上述发明目的还通过以下技术方案得以实现：

一种波前像差测量时消除离焦的装置，包括存储器、控制器，存储器存储用能够被控制器加载和执行的一种波前像差测量时消除离焦的方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

1.本申请通过传感器在原点时，对不同离焦参数光线，对应的哈特曼光斑距离进行计算，得到离焦参数与光斑距离的相应关系；再在无离焦状态时，得到离焦参数与传感器距离的相应关系，为测量到不同光斑时确定传感器位置提供依据；

2.进一步地，本申请通过标定光斑与相邻近光斑的质心，结合邻近光斑权值，计算出光斑距离，作为一个参数来确定传感器无离焦状态的位置，实现了标定的统一；

3.进一步地，本申请通过计算平行光线时的光斑距离、已知离焦参数光线时的光斑距离，将两者进行比较，得到光斑为无离焦状态时的传感器位置，从而确定了离焦参数与传感器位置的一一对应关系。

附图说明

图1是波前像差仪的结构示意图；

图2是本发明的一个具体实施例的消除离焦方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，波前像差仪，包括激光器、声光调制器、空间滤波器、透镜L1—L5，反光镜、分光镜、透镜阵列、CCD摄像头。传感器包括透镜L5、透镜阵列、CCD摄像头。

激光器发射的光线，经过声光调制器、空间滤波器、透镜L1后变成平行光，投射到反光镜，经过反光镜反射到分光镜上，因为分光镜没有折射功能，光线不会到达透镜阵列，分光镜把光线经过透镜L2聚焦、透镜L3发散成平行光传输到眼睛位置，经过眼睛反射后，经过透镜L3、L2后，到达分光镜进行分光，一部分反射光线经过分光镜后，再经过透镜L4、透镜L5、透镜阵列到达CCD摄像头，另一部分反射光线经过反光镜后、透镜L1后返回，在空间滤波器与透镜L1之间设置人眼注视点，用于观察。

经过眼睛反射后的光线，会带有眼睛的相关信息，包括眼睛的屈光度参数。如果眼睛的屈光正常，r就是图示中的位置；如果眼睛的屈光超前或落后，则r的位置就会发生变化，产生离焦，CCD摄像头拍摄的光斑大小、位置就会发生变化。为了消除离焦，需要移动传感器，以满足新的r的位置，使CCD摄像头拍摄的光斑无离焦。

经过透镜阵列后，在CCD摄像头上形成阵列式的光斑组合。

传感器位置的标定通常有2种方式，一种是在眼睛位置上放置不同屈光度的模拟眼，模拟产生不同离焦的光线，因模拟眼不能产生光线，因此需要激光器工作；另一种是在眼睛位置直接产生不同离焦量的光线，此时激光器不需要工作。

图中，P表示瞳孔的共轭面。

本申请采用在眼睛位置产生不同离焦量的光线，确定传感器位置。

具体实施例一

本发明的一种波前像差测量时消除离焦的方法，如图1所示，包括以下步骤：

G1、确定传感器原点；

G4、生成离焦参数与对应光斑距离数据集，即第一数据集；

具体地，光斑距离的计算方法，包括以下步骤：

在光斑阵列中，标记光斑m的质心与邻近光斑质心的距离为dm1，dm2……dmn，各光斑对应的距离权重标记为w1，w2……wn，光斑距离以下式表示：V＝F(dm1 w1，dm2w2……dmnwn)；其中n表示单一方向上邻近光斑数量，F表示函数。

在本申请的一个具体实施例中，F是均方根值函数。

在本申请的另一个具体实施例中，F是均值函数。

邻近光斑可以是直接相邻的光斑，或者是间隔相邻的光斑。

步骤S1中，确定传感器原点，包括以下步骤：

A1、从眼睛位置发射平行光，取掉透镜L5，只有透镜阵列、CCD摄像头组合状态，测量并计算CCD摄像头中一个光斑的距离V1；

A2、从眼睛位置发射平行光，安装上透镜L5，移动传感器，在传感器位于第一个位置时，测量并计算CCD摄像头中同一位置光斑的距离V2；

A3、计算V2与V1差值，得到两者的差值，记为第2差值；

A4、再次改变传感器位置，测量并计算CCD摄像头中同一位置光斑的距离Vk；

A5、计算Vk与V1差值，记为第k差值；

A6、重复步骤A4、A5，得到差值集；

将传感器移动到原点，在眼睛位置，发射第一束已知离焦参数的光线，在CCD摄像头位置得到光斑阵列，此时的光斑为离焦状态，选取一个光斑，计算该光斑的光斑距离。

然后改变离焦参数，发射第二束离焦参数的光线，在CCD摄像头位置的光斑阵列中，选取同一位置的光斑，再次计算光斑距离。

经过多次改变离焦参数，形成多个光斑距离，生成传感器位于原点位置时的离焦参数--光斑距离数据集。

在眼睛位置，发射无离焦的平面波光线，移动传感器，生成无离焦状态的光斑，包括以下步骤：

B1、在眼睛位置，发射无离焦的平面波光线，得到光斑阵列，标记各光斑的质心为(c1，c2……cn)，其中n为哈特曼光斑的数量；

B2、移动传感器位于第一位置；

B4、计算各光斑两次质心的差值kci-ci；

B5、计算所述离焦参数对应的所有质心的第一均方根差值

B6、改变传感器位置，重复步骤B3至B5，得到不同传感器位置时对应的第一均方根值，经过多次重复后，得到传感器位置与对应的第一均方根差值数据集；

B7、查找所有第一均方根差值的最小值，其对应的状态对应光斑无离焦状态，其对应的位置即为所述离焦参数对应的传感器位置。

改变离焦参数，继续计算在光斑无离焦状态时传感器位置。

经过多次改变离焦参数，计算传感器位置，生成在光斑无离焦状态时，离焦参数---传感器位置数据集。

为了数据的对应，在离焦参数--光斑距离数据集中的离焦参数，与离焦参数---传感器位置数据集中的离焦参数一一对应。

进行测量时，眼睛位置的反射光线在CCD摄像头上生成光斑阵列，选择同一位置的光斑，采用相同的方法计算其光斑距离，根据离焦参数---光斑距离数据集，查找到对应的离焦参数，再对应离焦参数，查找光斑无离焦状态时的传感器位置。移动传感器到此位置，就能够消除离焦。

具体实施例二

本发明的一种波前像差测量时消除离焦的方法，包括以下步骤：

S1、确定传感器原点；

S4、生成离焦参数与对应光斑距离曲线，即第一曲线；

S7、生成离焦参数与对应传感器位置曲线，即第二曲线；

本实施例与具体实施例一不同之处在于：

在光斑无离焦状态时，生成离焦参数---传感器位置数据集的方法不同。

具体地，判断光斑无离焦状态，包括以下步骤：

E1、在眼睛位置，发射无离焦的平面波光线，得到光斑质心(c1，c2……cn)，选取光斑阵列中的一个光斑i，计算光斑i的光斑距离V1；

E2、将传感器移动到第一位置；

E3、在眼睛位置，发射已知离焦参数的光线，得到相应的光斑质心(kc1，kc2……kcn)；

E4、选取同一位置的光斑，计算光斑i的光斑距离V2；

E5、计算V2与V1的差值；

E6、改变传感器位置，重复步骤E3至E5，得到不同传感器位置时对应的差值，经过多次改变传感器位置，得到多个差值；

E7、求取所有差值中的最小值，其对应的状态即为无离焦状态，其对应的位置即为所述离焦参数对应的传感器位置。

在步骤S4、S7中，根据已有数据，再采用插值法，生成第一曲线或第二曲线。

插值法包括牛顿插值法、三次样条插值法。

在步骤S2、S5中，采用的离焦参数相同或不相同。

本实施例的实施原理为：先找到传感器原点，在传感器位于原点时，基于已知离焦参数的光线，测量光斑阵列中某一光斑的光斑距离，生成传感器位于原点时，离焦参数---光斑距离数据集或曲线；

在光斑无离焦状态时，根据已知离焦参数，计算得到传感器位置，生成离焦参数---传感器位置数据集或曲线；

在未知离焦参数的情况下，测量并计算同一位置光斑的光斑距离，基于离焦参数---光斑距离数据集或曲线，得到离焦参数，再根据离焦参数---传感器位置数据集或曲线，得到传感器位置，将传感器移动到此位置，就能够进行波前像差其他参数的测量。

具体实施例三

本申请的一种波前像差测量时消除离焦的装置，包括存储器、控制器，存储器存储用能够被控制器加载和执行的一种波前像差测量时消除离焦的方法的计算机程序。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种波前像差测量时消除离焦的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、确定传感器原点；

S2、传感器位于原点位置时，标定第一离焦参数对应的光斑位置，计算第一离焦参数对应的光斑距离；

S3、改变离焦参数，标记光斑对应位置，计算第i离焦参数对应的光斑距离；

S4、生成离焦参数与对应光斑距离曲线，即第一曲线；

S5、基于第q离焦参数的光线，调整传感器位置，在光斑为无离焦状态时，测量第一传感器位置；

S7、生成离焦参数与对应传感器位置曲线，即第二曲线；

S9、根据光斑测量距离、第一曲线，得到测量离焦参数，再根据第二曲线，得到传感器测量位置；

其中，i、q、j为正整数，用于表示序号，i用于表示传感器位于原点位置时不同的离焦参数序号，q用于表示离焦参数序号，j用于表示对于光斑为无离焦状态时不同的传感器位置序号。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤S1中，确定传感器原点，传感器包括传感器透镜、透镜阵列、CCD摄像头，包括以下步骤：

A1、在波前像差仪眼睛位置入射平行光，取掉传感器透镜，在只有透镜阵列、CCD摄像头组合状态时，测量并计算CCD摄像头中一个光斑的距离V1；

A2、在波前像差仪眼睛位置入射平行光，安装上传感器透镜，移动传感器，在传感器位于第一个位置点时，测量并计算CCD摄像头中同一位置光斑的距离V2；

A3、计算V2与V1差值，得到第2差值；

A5、计算Vk与V1差值，得到第k差值；

A6、重复步骤A4、A5，得到差值集；

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：计算光斑距离包括以下步骤：

标记光斑m的质心与邻近光斑质心的距离为d_m1，d_m2……d_mn，各光斑对应的距离权重标记为w₁，w₂……w_n，光斑距离以下式表示：V＝F(d_m1 w₁，d_m2w₂……d_mn w_n)；其中n表示单一方向上邻近光斑数量，F表示函数。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：F是均值函数，或是均方根值函数。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤S5中，判断无离焦状态，包括以下步骤：

B1、发射无离焦的平面波光线，得到光斑质心(c₁，c₂……c_h),h为哈特曼光斑的数量；

B2、传感器位于第一位置；

B3、发射已知离焦参数的光线，得到相应的光斑质心(kc₁，

kc₂……kc_h)；

B4、计算各光斑两次质心的差值；

B5、计算所述离焦参数对应的所有质心的第一均方根差值；

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤S5中，判断无离焦状态，包括以下步骤：

E1、发射无离焦的平面波光线，得到光斑质心(c₁，c₂……c_h)，h为哈特曼光斑的数量；

计算光斑g的光斑距离，标记为V1；

E2、传感器位于第一位置；

E3、发射已知离焦参数的光线，得到相应的光斑质心(kc₁，

kc₂……kc_h)；

E4、计算光斑g的光斑距离，标记为V2；

E5、计算V2与V1的差值；

E7、求取所有差值的最小值，其对应的状态即为无离焦状态，其对应的位置即为所述离焦参数对应的传感器位置；

其中，g为正整数，用于表示光斑序号。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于：基于已有数据，采用插值法，生成第一曲线或第二曲线；第一曲线中的离焦参数与第二曲线的离焦参数，是一一对应的，或非一一对应的。

8.一种波前像差测量时消除离焦的方法，其特征在于：包括以下步骤：

G1、确定传感器原点；

G2、传感器位于原点位置时，标定第一离焦参数对应的光斑位置，计算第一离焦参数对应的光斑距离；

G3、改变离焦参数，标记光斑对应位置，计算第i离焦参数对应的光斑距离；

G4、生成离焦参数与对应光斑距离数据集，即第一数据集；

G10、在第三数据集中，查找与光斑测量距离数值最接近的光斑距离，以最接近的光斑距离为被测光线的距离值，查找得到对应的传感器位置；

其中，i、j为正整数，用于表示序号，i用于表示传感器位于原点位置时不同的离焦参数序号，j用于表示对于光斑为无离焦状态时不同的传感器位置序号。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于：第一数据集中的离焦参数与第二数据集中的离焦参数一一对应。

10.一种波前像差测量时消除离焦的装置，其特征在于：包括存储器、控制器，存储器存储有能够被控制器加载并执行的如权利要求1-9任意一项所述方法的计算机程序。