CN112043233B - 一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪 - Google Patents

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Abstract

一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪，该测量仪包含人眼双通PSF图像测量子系统、人眼像差测量子系统和计算机，人眼双通PSF图像测量子系统包括光源、准直透镜、入瞳光阑、中继光学系统、出瞳光阑、成像物镜、光电探测器，用于人眼双通PSF图像测量；人眼像差测量子系统包括信标光源、准直透镜、中继光学系统以及波前传感器，用于测量人眼像差；计算机中包含三个功能模块，分别实现以下三个功能：(1)由人眼双通PSF图像计算客观散射系数，(2)根据波前传感器测量的数据复原计算人眼像差系数，然后由人眼像差数据计算人眼像差引入的客观散射系数，(3)由人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，以此消除人眼像差对眼内散射客观测量的影响。

Description

一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪
技术领域
本发明涉及人眼散射客观测量技术，具体涉及一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪，可广泛用于活体人眼散射客观测量。
背景技术
眼睛被誉为人类心灵的窗户，其重要性不言而喻。人无时无刻不在与外部世界进行交流，其中约80％以上的外部信息经由视觉通道进入人类的意识世界。视觉通道的好坏直接影响我们的正常生活和工作。人眼作为一个光学系统并非完美，存在各种缺陷，主要包括像差和散射。人眼散射的存在会降低视网膜图像质量，且会随着年龄的增大而增加，同时也会伴随着白内障等眼病的形成而显著增加。精确测量人眼散射对于白内障等疾病的早期预防和诊断具有重要价值。
前期的人眼散射测量手段都是采用主观方式，通过测量被试者对不同刺激的反应来量化人眼散射的大小。这些技术手段存在一些共有的问题：受被试者主观因素干扰大；对被试者配合度要求高；测量结果重复性差；当散射量较小、人眼主观感受不明显的情况无法实现测量，而可以测量时人眼散射量已经较大，即意味着此时眼病已经比较严重，无法达到早期预防的目的。为了解决上述问题，文献An Objective Scatter Index Based onDouble-Pass Retinal Images of a Point Source to Classify Cataracts(P.Artal,A.Benito,G.M.Pérez,et al.Plos One,2012,6(2):e16823)中提出了基于双通PSF的人眼散射客观评价方法。然而在该方法的应用过程中发现了一些缺陷：文献An ObjectiveScatter Index Based on Double-Pass Retinal Images of a Point Source toClassify Cataracts(P.Artal,A.Benito,G.M.Pérez,et al.Plos One,2012,6(2):e16823)中指出该方法会受到人眼像差的影响，从而降低测量精度；文献Use of thedouble-pass technique to quantify ocular scatter in patients with uveitis:apilot study(M.A.Nanavaty,M.R.Stanford,R.Sharma,et al..Ophthalmologica.JournalInternational Dophtalmologie.International Journal ofOphthalmology.Zeitschrift Für Augenheilkunde,2011,225(1):61-66)中指出该方法测量时采用的孔径比较小，会影响最终的测量精度。
针对基于双通PSF图像客观评价人眼散射的方法受人眼像差和小孔径影响的问题，中科院光电所团队在文献Quantifying intraocular scatter with neardiffraction-limited double-pass spread function(J.Zhao,F.Xiao,J.Kang,H.Zhao,Y.Dai and Y.Zhang.Biomed.Opt.Express,2016,7(11):4595-4604)中提出了基于自适应光学人眼双通PSF图像客观评价人眼散射的解决方案。文献中报道的结果显示，人眼像差确实会给严重影响人眼散射客观测量的精度。基于自适应光学的人眼散射客观测量系统虽然能够解决上述问题，但是该系统比较复杂，成本高，不便于临床推广。
针对以上问题，本发明提出一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪。本发明采用双通光学系统测量人眼双通PSF图像；同时采用波前传感器测量人眼像差，并采用计算的方法分别获得由人眼双通PSF图像解算出的客观散射系数和人眼像差引入的客观散射系数；最后在由人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，获得最终的人眼客观散射系数；该仪器可以消除人眼像差对眼内散射客观测量带来的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪。该系统通过测量人眼双通PSF图像得到人眼客观散射系数；同时采用波前传感器测量人眼像差，并采用计算的方法获得人眼像差引入的客观散射系数；最后在由人眼双通PSF图像得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，获得最终的人眼客观散射系数，实现活体人眼散射的精确客观测量。
本发明采用的技术方案为：一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪，该测量仪包含人眼双通PSF图像测量子系统、人眼像差测量子系统和计算机。人眼双通PSF图像测量子系统包括光源、准直透镜、入瞳光阑、中继光学系统、出瞳光阑、成像物镜、光电探测器，用于人眼双通PSF图像测量；人眼像差测量子系统包括信标光源、准直透镜、入瞳光阑、中继光学系统以及波前传感器，用于测量人眼像差；计算机中包含三个功能模块，分别实现以下三个功能：(1)由人眼双通PSF图像计算客观散射系数，(2)根据波前传感器测量的数据复原计算人眼像差系数，然后由人眼像差数据计算人眼像差引入的客观散射系数，(3)由人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，以此消除人眼像差对眼内散射客观测量的影响。
工作时，首先打开光源1，该光源1经由准直透镜2准直后，经入瞳光阑3、第一透镜4、第一分光镜5和第二透镜6照明眼底；从眼底反射的光依次通过第二透镜6、第一分光镜5、第三透镜8后，一部分光被第二分光镜9反射，经光束匹配系统10进入波前传感器11；另一部分光穿过第二分光镜9，经出瞳光阑12和成像物镜13进入成像相机14。波前传感器11将所探测的数据送至计算机15进行波前复原计算，得到人眼像差数据，计算机15根据人眼像差数据计算得到人眼像差引入的客观散射系数；成像相机14将采集到的人眼双通PSF图像数据送至计算机15，计算机15根据人眼双通PSF图像计算得到人眼客观散射系数；最后，计算机15在由人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，获得最终的人眼客观散射系数。
其中，所述的人眼双通PSF图像测量子系统中，包含两个孔径光阑，即入瞳光阑和出瞳光阑，两者均放置于人眼瞳孔共轭的位置处。
其中，所述的人眼像差测量子系统中，所述的波前传感器是从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器、基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器、曲率波前传感器、角锥波前传感器中选择的。
其中，所述的光源1、准直透镜2、入瞳光阑3、第一透镜4、第一分光镜5和第二透镜6组成的光路同时作为人眼双通PSF图像测量子系统中的照明光路和人眼像差测量子系统中的信标光路使用。上述光路可以使用两个光路(包含两个光源)替代，分别作为人眼双通PSF图像测量子系统中的照明光路和人眼像差测量子系统中的信标光路。
本发明与现有技术相比所具有的优点：
(1)、本发明采用波前传感器测量人眼像差，并采用计算的方法获得了人眼像差引入的客观散射系数，在由人眼双通PSF图像获得的客观散射系数基础上减去人眼像差引入的客观散射系数，提高了人眼散射客观测量的精度。
(2)、基于波前像差测量和计算相结合的方式消除人眼像差对人眼散射客观测量影响的方式，使得系统更加简单，成本大大降低。
(3)、该仪器在对人眼散射进行客观测量的同时，可以实现对人眼像差的客观测量，两项功能相结合可以实现对人眼光学系统性能的综合评价。
附图说明
图1为本发明的组成结构原理框图；
图2为本发明中由人眼像差数据计算人眼像差引入客观散射系数的流程图；
图3为本发明中客观散射系数定义的示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1为本发明的组成结构原理框图。
如图1所示，本发明的一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪，包括光源1、准直透镜2、入瞳光阑3、第一透镜4、第一分光镜5、第二透镜6、第三透镜8、第二分光镜9、光束匹配系统10、波前传感器11、出瞳光阑12、成像透镜13、成像相机14和计算机15。人眼以附图标记7标识。
本发明的可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪工作过程可以包括两个阶段：数据采集阶段和数据处理阶段。数据采集阶段是通过可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪的光学系统采集人眼双通PSF图像数据和人眼波前数据；数据处理阶段是计算机完成以下三个功能：(1)由人眼双通PSF图像计算客观散射系数，(2)根据波前传感器测量的数据复原计算人眼像差系数，然后由人眼像差数据计算人眼像差引入的客观散射系数，(3)由人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数。
在数据采集阶段中，光源1经由准直透镜2准直后，经入瞳光阑3、第一透镜4、第一分光镜5和第二透镜6照明眼底；从眼底反射的光依次通过第二透镜6、第一分光镜5、第三透镜8后，一部分光被第二分光镜9反射，经光束匹配系统10进入波前传感器11，波前传感器11将所探测到的数据送至计算机15；另一部分光穿过第二分光镜9，经出瞳光阑12和成像物镜13进入成像相机14，成像相机14将采集到的人眼双通PSF图像数据送至计算机15。
在数据处理阶段，计算机会根据人眼双通PSF图像计算客观散射系数，具体计算方法是获得的双通PSF图像边缘区域能量IR和中心区域能量IC之比，边缘区域和中心区域的范围具体取值依赖于实际光学系统参数。图2是客观散射系数定义的示意图。获得双通PSF图像之后，分别计算边缘区域和中心区域的灰度值之和，两者的比值即是客观散射系数。
可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪的光学系统是一个双通结构，包括第一通道光路和第二通道光路。第一通道光路是指光源照明眼底的光路，包括光源1、准直透镜2、入瞳光阑3、第一透镜4、第一分光镜5、第二透镜6和人眼光学系统；第二通道光路是指由眼底反射成像的光路，包括人眼光学系统、第二透镜6、第一分光镜5、第三透镜8、第二分光镜9、出瞳光阑12和成像物镜13。计算机会根据波前传感器11测量的波前数据复原出人眼像差系数，然后根据双通系统的成像原理(文献Double-pass measurements of retinalimage quality:a review of the theory,limitations and results中有详细介绍)以及人眼客观散射系数定义计算人眼像差引入的客观散射系数，具体实现过程如图3所示。由人眼入瞳函数和人眼像差函数可以得到人眼孔径函数，对人眼孔径函数取傅里叶变换并取模方，得到第一通道光路的PSF图像；由人眼出瞳函数和人眼像差函数同样可以通过计算得到第二通道光路的PSF图像；对第一通道PSF图像和第二通道PSF图像做互相关运算，即可得到双通PSF图像；最后根据客观散射系数的定义，计算得到人眼像差引入的客观散射系数。这里，人眼入瞳函数和出瞳函数由光学系统的结构确定，人眼像差数据由波前传感器11测量的波前数据复原得到。
完成上述由人眼双通PSF图像解算的客观散射系数和人眼像差引入的客观散射系数计算过程之后，计算机会在人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，得到最终的人眼客观散射系数。采用上述相减操作可以消除人眼像差对眼内散射客观测量影响的原理介绍如下。
客观散射系数的定义上面已经给出，计算公式是：OSI＝IR/IC。其中，IR是边缘区域的能量，包括衍射形成的能量IRD、像差引起的能量IRA和散射引起的能量IRS；IC是中心区域的能量，包括衍射形成的能量ICD、像差引起的能量ICA和散射引起的能量ICS。即OSI＝(IRD+IRA+IRS)/(ICD+ICA+ICS)。在定义OSI中的参数时，已经考虑到降低衍射对计算结果的影响，公式中IRD的值近似为0；散射对双通PSF的影响主要在边缘区域，ICS的值相对于ICD+ICA可以忽略不计(该近似是在屈光度数不超过一定范围的前提下成立，受试者佩戴眼镜即可实现)。基于以上近似，OSI＝(IRA+IRS)/(ICD+ICA)＝IRA/(ICD+ICA)+IRS/(ICD+ICA)＝OSIA+OSIS。其中,OSIA为像差引入的客观散射系数的值；OSIC为散射引入的客观散射系数的值。为了得到OSIS的值，分别计算出OSI和OSIA，然后做减法运算即可。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (1)

1.一种可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪，其特征在于：该测量仪包含人眼双通PSF图像测量子系统、人眼像差测量子系统和计算机，人眼双通PSF图像测量子系统包括光源、准直透镜、入瞳光阑、中继光学系统、出瞳光阑、成像物镜、光电探测器，用于人眼双通PSF图像测量；人眼像差测量子系统包括信标光源、准直透镜、中继光学系统以及波前传感器，用于测量人眼像差；计算机中包含三个功能模块，分别实现以下三个功能：(1)由人眼双通PSF图像计算客观散射系数，(2)根据波前传感器测量的数据复原计算人眼像差系数，然后由人眼像差数据计算人眼像差引入的客观散射系数，(3)由人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，以此消除人眼像差对眼内散射客观测量的影响；
工作时，首先打开光源(1)，该光源(1)经由准直透镜(2)准直后，经入瞳光阑(3)、第一透镜(4)、第一分光镜(5)和第二透镜(6)照明眼底；从眼底反射的光依次通过第二透镜(6)、第一分光镜(5)、第三透镜(8)后，一部分光被第二分光镜(9)反射，经光束匹配系统(10)进入波前传感器(11)；另一部分光穿过第二分光镜(9)，经出瞳光阑(12)和成像物镜(13)进入成像相机(14)，波前传感器(11)将所探测的数据送至计算机(15)进行波前复原计算，得到人眼像差数据，计算机(15)根据人眼像差数据计算得到人眼像差引入的客观散射系数；成像相机(14)将采集到的人眼双通PSF图像数据送至计算机(15)，计算机(15)根据人眼双通PSF图像计算得到客观散射系数；最后，计算机(15)在由人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，获得最终的人眼客观散射系数；
所述的人眼双通PSF图像测量子系统中，包含两个孔径光阑，即入瞳光阑和出瞳光阑，两者均放置于人眼瞳孔共轭的位置处；
在数据处理阶段，计算机会根据人眼双通PSF图像计算客观散射系数，具体计算方法是获得的双通PSF图像边缘区域能量IR和中心区域能量IC之比，边缘区域和中心区域的范围具体取值依赖于实际光学系统参数；获得双通PSF图像之后，分别计算边缘区域和中心区域的灰度值之和，两者的比值即是客观散射系数；
可以消除人眼像差影响的人眼散射客观测量仪的光学系统是一个双通结构，包括第一通道光路和第二通道光路；第一通道光路是指光源照明眼底的光路，包括光源(1)、准直透镜(2)、入瞳光阑(3)、第一透镜(4)、第一分光镜(5)、第二透镜(6)和人眼光学系统；第二通道光路是指由眼底反射成像的光路，包括人眼光学系统、第二透镜(6)、第一分光镜(5)、第三透镜(8)、第二分光镜(9)、出瞳光阑(12)和成像物镜(13)；计算机会根据波前传感器(11)测量的波前数据复原出人眼像差系数，然后根据双通系统的成像原理以及人眼客观散射系数定义计算人眼像差引入的客观散射系数，由人眼入瞳函数和人眼像差函数可以得到人眼孔径函数，对人眼孔径函数取傅里叶变换并取模方，得到第一通道光路的PSF图像；由人眼出瞳函数和人眼像差函数同样可以通过计算得到第二通道光路的PSF图像；对第一通道PSF图像和第二通道PSF图像做互相关运算，即可得到双通PSF图像；最后根据客观散射系数的定义，计算得到人眼像差引入的客观散射系数，人眼入瞳函数和出瞳函数由光学系统的结构确定，人眼像差数据由波前传感器(11)测量的波前数据复原得到；
完成上述由人眼双通PSF图像解算的客观散射系数和人眼像差引入的客观散射系数计算过程之后，计算机会在人眼双通PSF图像计算得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，得到最终的人眼客观散射系数；采用上述相减操作可以消除人眼像差对眼内散射客观测量影响的介绍如下：
客观散射系数的定义上面已经给出，计算公式是：OSI＝IR/IC，其中，IR是边缘区域的能量，包括衍射形成的能量IRD、像差引起的能量IRA和散射引起的能量IRS；IC是中心区域的能量，包括衍射形成的能量ICD、像差引起的能量ICA和散射引起的能量ICS，即OSI＝(IRD+IRA+IRS)/(ICD+ICA+ICS)，在定义OSI中的参数时，已经考虑到降低衍射对计算结果的影响，公式中IRD的值近似为0；散射对双通PSF的影响主要在边缘区域，ICS的值相对于ICD+ICA可以忽略不计，该近似是在屈光度数不超过一定范围的前提下成立，受试者佩戴眼镜即可实现；基于以上近似，OSI＝(IRA+IRS)/(ICD+ICA)＝IRA/(ICD+ICA)+IRS/(ICD+ICA)＝OSIA+OSIS，其中,OSIA为像差引入的客观散射系数的值；OSIC为散射引入的客观散射系数的值，为了得到OSIS的值，分别计算出OSI和OSIA，然后做减法运算即可；
所述的人眼像差测量子系统中，所述的波前传感器是从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器、基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器、曲率波前传感器、角锥波前传感器中选择的；
所述的光源(1)、准直透镜(2)、入瞳光阑(3)、第一透镜(4)、第一分光镜(5)和第二透镜(6)组成的光路同时作为人眼双通PSF图像测量子系统中的照明光路和人眼像差测量子系统中的信标光路使用，上述光路可以使用包含两个光源两个光路替代，分别作为人眼双通PSF图像测量子系统中的照明光路和人眼像差测量子系统中的信标光路；
该系统通过测量人眼双通PSF图像得到人眼客观散射系数；同时采用波前传感器测量人眼像差，并采用计算的方法获得人眼像差引入的客观散射系数；最后在由人眼双通PSF图像得到的客观散射系数中减去人眼像差引入的客观散射系数，获得最终的人眼客观散射系数，实现活体人眼散射的精确客观测量；
采用波前传感器测量人眼像差，并采用计算的方法获得了人眼像差引入的客观散射系数，在由人眼双通PSF图像获得的客观散射系数基础上减去人眼像差引入的客观散射系数，提高了人眼散射客观测量的精度；
基于波前像差测量和计算相结合的方式消除人眼像差对人眼散射客观测量影响的方式，使得系统更加简单，成本大大降低；
该测量仪在对人眼散射进行客观测量的同时，可以实现对人眼像差的客观测量，两项功能相结合可以实现对人眼光学系统性能的综合评价。
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