CN1630487A - 确定相对位置和旋转偏移 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个用于确定一个第一和第二成像设备之间的一个相对位置和旋转偏移的设备和方法。在一个示例性的实施方式中，本发明可用于确定一个Hartmann－Shack波前传感器和一个瞳孔照相机之间的相对偏移。校准设备(12)包括一个主体(48)，它可包括得到于接收一条校准轨的开口(50)。一个可旋转和平移的主体(54)具有一个位于中心的十字形的孔隙(2)，它可移动地连接到主体(48)。

Description

确定相对位置和旋转偏移

参照相关申请

本发明权利要求了临时专利申请60/356658的优先权，该专利申请的发明名称为“用于确定一个第一和第二成像设备之间的相对位置和旋转偏移的设备和方法”，是在2002年2月11日提交的，其全部发明在此处被结合进来作为参考。

本发明还涉及了临时专利申请60/356657、发明名称为“用于校准一个光学波前系统的方法和设备”，以及临时专利申请60/356672\发明名称为“用于切除具有像差的透镜的闭循环系统和方法”，这两个专利申请都是在2002年2月11日提交的，其全部发明在此处被结合进来作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及用一个第二成像设备对准一个第一成像设备。本发明尤其涉及用于确定一个波前系统的第一和第二成像设备之间的相对位置和旋转偏移的设备和方法。

背景技术

激光眼部手术程序通常采用某种能够测量患者眼睛的光学特性的系统。一种有希望的眼睛测量系统是VISX WaveScan^TM系统，该系统采用一个Hartmann-Shack波前传感器装置，它可以量化整个光学系统的高阶像差，包括一阶和二阶球柱面误差，以及由慧形和球面像差引起的三至六阶像差。眼睛的波前测量产生一个高阶像差图，通过它可以估计眼睛的整个光学路径的像差，例如，内部像差和角膜表面的像差。此后，波前像差信息可以被保存，然后被放进激光系统，以便计算一个校正患者眼中的像差的定制的切除模式。

WaveScan^TM系统还包括一个照相机(“瞳孔照相机”)，它在以Hartmann-Shack波前传感器装置获取波前测量结果时获取眼睛的图像。以瞳孔照相机获取的眼睛的图像可用于跟踪眼睛的空间位置，以便在角膜切除治疗过程中将切除激光正确地与眼睛对准。

由于在激光切除过程中对眼睛的跟踪和对准是基于用瞳孔照相机获取的图像的，因此波前数据与瞳孔照相机获取的图像空间上(平移地和旋转地)对准是很重要的。如果在获取波前测量结果时瞳孔照相机与波前传感器没有空间上取准，则接下来的依靠波前测量结果的在激光帮助下的角膜切除，则可能不能与患者的眼睛对准。

因此，需要的是可确定波前系统的两个成像设备之间的相对位置和旋转偏移的设备和方法。

发明内容

本发明测量波前系统的Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机之间的相对位置和旋转偏移，并校准波前系统的所述两个照相机。

本发明可使用计算机实现的软件算法来校正Hartmann-Shack传感器和瞳孔照相机的位置和旋转之间的误差，以便用两个成像设备获取的图像能够相对彼此正确对准。一旦确定了Hartmann-Shack传感器和瞳孔照相机的位置和旋转偏移，偏移量可被存储在系统的内存中，以便软件可校正用照相机获取的图像之间的偏移。通常，本发明的方法可用于在波前系统的制造过程中或定期维护过程中校准波前系统，以便确保在实际使用过程中两个成像设备在空间上是对准的。

但是，应当认识到，虽然以下说明集中于一个波前系统的Hartmann-Shack传感器和瞳孔照相机的空间对准，但是本发明可用于对任何两个(或多个)同时记录图像的成像设备进行空间上的对准。

在一个方面中，本发明提供了一个校准设备，用于确定一个Hartmann-Shack照相机和一个瞳孔照相机之间的相对位置和旋转偏移。该设备包括一个具有一个孔隙的主体。在某些实施方式中，孔隙是旋转不对称的。旋转不对称的孔隙可采取多种不对称的形式。在一个有用的实施方式中，不对称的孔隙采取十字或X的形式。在某些配置中，设备可包括用于防止光直接从设备的主体反射的装置。在其它配置中，孔隙可以可移动地连接到主体上，以便允许孔隙相对于主体旋转和平移。设备可位于Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机的成像平面上，以便它被两个照相机同时成像。设备的图像可用于测量和补偿两个照相机的位置和旋转偏移。

在另一个方面中，本发明提供了一种将一个第一成像设备与一个第二成像设备对准或校准的方法。该方法大体上包括放置一个对准设备或者定位器，以便定位器被第一成像设备和第二成像设备成像。由第一成像设备和第二成像设备获取的定位器的图像被分析，以确定第一成像设备和第二成像设备之间的错位。

有多种定位器可用于本发明的方法和系统，以测量和校正第一和第二成像设备之间的错位。例如，在某些实施方式中，可使用一个固定的、不可调节的校准设备。在其它实施方式中，可使用一个完全可调节的校准设备，以便用户能够调节校准设备的至少一部分的一个旋转方向和平移位置。

在一个实施方式中，本方法包括提供一个校准设备或定位器，它包括一个具有一个旋转不对称的孔隙的主体。该定位器被放置在第一成像设备和第二成像设备的一个光学路径上。定位器的图像被第一成像设备和第二成像设备获取。可引导光线通过旋转不对称的孔隙到达第一成像设备和第二成像设备，并且以第一成像设备和第二成像设备对孔隙成像，以确定位置和旋转偏移。第一成像设备可为一个测量波前数据的Hartmann-Shack照相机。孔隙也可以是可调节的。

一个标记或者覆盖层可以加于第一和第二成像设备获取的定位器的图像中的至少一个图像上。用第一成像设备获取的图像中的标记从一个标称位置(例如，图像的一个中心)移动，以便将标记与定位器充分对齐。第一图像中的标记的移动信息(例如，沿着x轴和y轴的移动和围绕z轴的旋转)被保存，用于将来参考。用第二成像设备获取的图像中的标记从一个标称位置(例如，图像的一个中心)移动，以便将标记与定位器充分对齐。第二图像中的标记的移动信息也被保存，用于将来参考。最后，比较第一图像中的标记的移动信息和第二图像中的标记的移动信息，以确定第一和第二成像设备之间的旋转和位置偏移。

在另一个实施方式中，定位器可被第一成像设备和第二成像设备成像。可调节定位器的一个平移位置和旋转方向，直到定位器位于由第一成像设备获取的图像中一个想要的位置，例如图像的一个中心。一旦定位器位于想要的位置，则分析由第二成像设备获取的图像，以确定定位器是否位于相同的想要的位置(例如，由第二成像设备获取的图像的一个中心)。如果定位器没有位于想要的位置，则由第二成像设备获取的图像上覆盖的一个标记可从想要的位置移动，直到它与定位器充分对齐。然后标记的移动信息可用于确定第一和第二成像设备之间的旋转和位置偏移。

在还有一个方面中，本发明提供了一个系统，该系统包括一个成像系统，该成像系统具有一个Hartman-Shack照相机和一个瞳孔照相机。一个校准设备，例如一个包括一个旋转不对称的孔隙的主体，可位于Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机的一条光学路径上。一个控制系统连接到Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机，以确定校准设备在每个照相机获取的图像中的相对位置，以便确定两个照相机之间的偏移。

在一个实施方式中，控制系统具有第一和第二模式。第一模式中的控制系统可被配置为将一个标记叠加在由Hartmann-Shack照相机获取的校准设备的一个图像以及由瞳孔照相机获取的一个图像上的标称位置。可以允许标记移动到与不对称的孔隙的图像充分对齐。在第二模式中，控制系统可将由Hartmann-Shack照相机获取的图像中的标记的移动类型与由瞳孔照相机获取的图像中的标记的移动类型相比较，以便确定Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机之间的位置和旋转偏移。

在另一个方面中，本发明提供了代码模块和图形用户接口，用于实现此处说明的本发明的方法。

这些和其它方面将在余下的附录、说明和权利要求中显示出来。

附图说明

图1示意性地描述了由本发明实现的一个波前系统、校准设备和一个对象。

图2示意性地描述了本发明的一个简化的波前系统。

图3示意性地描述了本发明的一个简化的计算机系统。

图4描述了可实现本发明的方法的某些模块。

图5显示了结合了本发明的一个校准设备的一个实施方式。

图6示意性地描述了使用图5的校准设备的本发明的一个简化的方法。

图7显示了由一个瞳孔照相机获取的图5的校准设备的一个图像。

图8显示了由一个Hartmann-Shack照相机获取的图5的校准设备的一个图像。

图9显示了图5的校准设备的一个修改后的Hartmann-Shack图像。

图10显示了结合了本发明的一个校准设备的另一个实施方式。

图11示意性地描述了使用图10的校准设备的本发明的一个简化的方法；以及

图12至17描述了可用于实现使用图10的校准设备的本发明的方法的本发明的某些图形用户接口。

具体实施方式

本发明对于增强激光眼部手术程序(例如激光屈光性角膜切除术(PRK)、光照疗法角膜切除术(PTK)、激光辅助层状角膜切除术(LASIK)等)的精确性和功效尤其有用。本发明最好可通过改进用于得到和对准一个角膜切除的方法或其它对患者眼睛的屈光治疗程序来增强屈光程序的光精确度。

虽然本发明的系统和方法主要是在一个激光眼部手术系统的情况下被说明的，但应该理解本发明的技术可用于其它眼部治疗程序和系统，例如放射状角膜切除术、眼内晶状物、角膜环植入、胶原角膜组织热重塑等。

图1示意性地描述了本发明的一个校准系统10。校准系统10包括一个参考物体，例如放置在位于波前系统16和一个对象18之间的波前系统16的一条光学路径14中的一个定位器或校准设备12。除其它部分外，波前系统16还可包括一个Hartmann-Shack照相机和一个瞳孔照相机，用于同时分别获取眼睛的波前数据和一个图像。

光可从波前系统16的一个光源(未显示)中发出，经过校准设备12中的一个孔隙20，然后射到对象18上。对象18可用于产生Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机的一个点源。一束生成的或反向的光可从对象18通过校准设备12的孔隙20射回到波前系统16中。由于校准设备12被放置在Hartmann-Shack照相机的图像平面中，因此对应于校准设备12中的孔隙20的形状的一个斑点图案出现在由Hartmann-Shack照相机获取的图像中。在一个实施方式中，孔隙20是旋转不对称的。但在另一个实施方式中，如果需要的话，孔隙可以是旋转对称的。在两个图像中确定校准设备12的位置和方向以估计照相机之间的偏移。

在一个配置中，对象18可以具有不光滑的白色表面，以便减少不想要的光反射的量。在另一个配置中，对象18包括Spectralon^，它可将往回反射光学上漫射的光，通过校准设备12。但是，应该认识到，可使用多种其它材料作为对象，以便往回反射或生成光，通过校准设备12。

图2示意性地描述了本发明的一个简化的波前系统16。波前系统16大体上包括一个Hartmann-Shack照相机22，它被配置为获取患者眼睛的光学组织的一个波前测量结果。Hartmann-Shack照相机22具有一个透镜阵列(未显示)，该阵列记录在视网膜上光线从一个点光源的偏移。波前系统16还包括一个瞳孔照相机24，例如一个CCD，它被配置为在Hartmann-Shack照相机进行波前测量的同时记录患者眼睛的一个图像。一个控制器，例如一个计算机系统26，可连接到照相机22、24，用于分析和校准由照相机22、24获取的图像。计算机系统26可结合在波前系统16中，或者它可以是一个连接到照相机22、24的单独的计算机。

图3是一个计算机系统26的一个简化的框图，该计算机系统可用于根据本发明的一个实施方式对准和对齐由照相机22、24获取的图像。计算机系统26包括至少一个处理器28，它通过一个总线子系统30与多个外围设备通信。这些外围设备可包括一个存储子系统32，其包括一个内存子系统34和一个文件存储子系统36，用户接口输入设备38，用户接口输出设备40，以及一个可选的网络接口子系统42。输入和输出设备使得用户可以与计算机系统26交互。一个用户可以是一个人类用户、一个设备、一个进程、另一台计算机等。

网络接口子系统42提供一个到其它计算机系统和通信网路的接口。网络接口子系统42的实施方式包括一块以太网卡、一个调制解调器(电话、卫星、电缆、ISDN等)、(异步)数字用户回路(DSL)单元等。计算机网络可包括互联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线网络、内联网、私有网络、公共网络、交换网络等。

用户接口输入设备38可包括一个键盘、指针设备(例如一个鼠标、跟踪球、触摸板或绘图板)、一台扫描仪、一台条形码扫描仪、一个结合在显示器中的触摸屏、音频输入设备(例如语音识别系统、麦克风)以及其它类型的输入设备。一般地，使用“输入设备”这个词组是旨在包括使用计算机系统26输入信息的所有可能的设备的方法。

用户接口输出设备40可包括一个显示子系统、一台打印机、一台传真机或非视觉的显示器，例如音频输出设备。显示子系统可为一个阴极射线管(CRT)，一个平面设备(例如一台液晶显示器(LCD))，或者一个投影设备。一般地，使用“输出设备”这个词组旨在包括从计算机系统26输出信息的所有可能的设备和方法。

存储子系统32可被配置为存储提供本发明的功能的基本软件程序和数据结构。例如，根据本发明的一个实施方式，实现本发明的功能的软件模块可存储在存储子系统32中。这些软件模块可由处理器28执行。在一个分布式的环境中，软件模块可存储在多个计算机系统上，并且被多个计算机系统的处理器执行。存储子系统32也可提供一个存储空间，用于存储各种数据库和数据结构，这些数据库和数据结构可用于根据本发明所说明的方法存储信息。存储子系统32可包括内存子系统34和文件存储子系统36。

内存子系统34可包括多个内存，包括一个主随机访问内存(RAM)44，用于存储程序执行过程中的指令和数据，以及一个只读存储器(ROM)46，其中存储了固定指令。文件存储子系统36持续(非挥发性地)存储程序和数据文件，可包括一个硬盘驱动器、一个软盘驱动器及相关的可移动介质、一个压缩数字只读存储器(CD-ROM)驱动器、一个光驱、可移动介质盒、CD、DVD以及其它类似的存储介质。一个或多个设备可位于其它连接的计算机上的远程位置上。

总线子系统30提供一个机制，使得计算机系统26的各组件和子系统按照需要彼此通信。计算机系统26的各种子系统和组件不必位于相同的物理位置，而是可以分布在不同的位置。虽然总线子系统30被示意性地显示为一条总线，总线子系统的其它实施方式也可利用多条总线。

计算机系统26本身可以是不同的类型，包括一台个人计算机、一台便携式计算机、一个工作站、一个计算机终端、一台网络计算机、一台主机或任何其它的数据处理系统。由于计算机随时在变化的性质，对图2和3所描述的计算机系统26的说明只是作为一个特定的例子，用于描述本发明的一个实施方式。可能有一个计算机系统的许多其它配置，这些配置具有与图3所示的计算机系统相比更多或更少的组件。

图4描述了实现本发明的方法的某些模块的一个简化的框图。这些模块可在波前系统16内的软件、硬件或软件和硬件的结合中实现。在图4所示的实施方式中，模块80包括一个用户接口模块82、一个图像模块84、图像处理模块86以及一个校准模块88。

用户接口模块82提供一个接口，通过该接口一个用户可输入命令、查看图像以及查看校准的结果。用户可输入命令处理图像，以帮助确定Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24获取的图像中的校准设备的旋转方向和位置。

根据本发明的一个实施方式，校准模块的图像是由图像模块84从照相机22、24获取的。图像可存储在一个数据库90中，该数据库可位于一个存储子系统32中、一个远程服务器中等。用户可通过在用户接口模块82中提供适当的输入来指定显示哪个图像。一旦适当的图像被显示出来，则图像处理模块86被配置为通过用户接口模块82接收输入命令，以处理从照相机之一获取的图像，以便确定由照相机获取的图像的图像参数(例如，校准设备的方向和位置偏移)。一旦通过图像处理模块86分析了第一个图像之后，则可将第一图像的图像和参数信息存储在数据库90中。然后可用用户接口模块82访问图像模块84，以查看第二图像(例如，由另一个照相机获取的图像)。然后用户可通过用户接口模块82指示图像处理模块86分析和获取第二图像的图像参数，并将第二图像和图像参数存储在数据库90中。

一旦通过图像处理模块86分析了两个图像之后，则可用校准模块88访问存储在数据库90中的信息，以确定由照相机22、24获取的图像之间的偏移。校准模块88可被配置为将校准的校准结果输出到用户接口模块82，可选择地，也可自动将结果保存在数据库90中并自动计算偏移。校准的结果也可只输出到用户接口模块82。然后用户可指示校准模块88将校准结果保存在数据库90中。正如可被认识到那样，数据库90可被其它模块(可以是本地模块也可以是远程模块)所访问，以使得校准信息可被用于波前系统和/或一个激光手术系统中，以补偿照相机22、24之间的任何偏移。

本发明还提供了对准图像并补偿第一成像设备(例如Hartmann-Shack照相机22)和第二成像设备(例如瞳孔照相机24)之间的错位的特定方法。如果(X^P，Y^P)是瞳孔照相机24的像素坐标，而(X^HS，Y^HS)是Hartmann-Shack照相机22的像素坐标，则有一个涉及Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24的两个坐标系统的投影变换。已发现一个刚性变换，足以描述两个照相机之间的关系。从而该刚性变换可通过三个参数Δx、Δy和θ描述，其中Δx是沿着X轴的平移、Δy是沿着Y轴的平移，而θ是围绕Z轴的旋转。Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24之间的一个比例因子“A”是一个已知的固定值。则该变换成为：

$\left[\begin{array}{c}{X}^P\\ Y^P\end{array}\right]=A*\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}^{\mathrm{HS}}\\ Y^{\mathrm{HS}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]$

为确定变换参数Δx、Δy和θ的值，一个定位器或校准设备12可被Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24成像，以确定两个照相机的图像中的设备的位置和方向，以便可以确定照相机的空间偏移，以便随后估计变换参数。

图5描述了一个结合了本发明的校准设备12。校准设备12可固定地放置于一个WaveScan^TM校准轨(未显示)上，以便将校准设备12放置在波前系统16的光轴14上(图1)。但是，应当认识到，多种其他的常规固定装置可用于将校准设备放置在WaveScan^TM系统或其他例如由Bausch&Lomb、Alcon Labs和Wavefront Sciences制造或销售的波前系统的图像平面中。一个孔隙位于校准设备12的主体48的中心，以使得光能够从对象18(图1)反射开来，并且通过孔隙回到Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24中。孔隙20可被配置为其两个维度上的宽度W均对应于Hartmann-Shack照相机的透镜阵列的透镜的间距的两倍。

在示例性的实施方式中，孔隙20是旋转不对称的，其形状为十字形，孔隙宽度约为1mm。十字形是一个首选实施方式，因此它具有清楚的中心原点(例如，水平孔隙和垂直孔隙之间的交叉点)。但是应该认识到，在其他实施方式中，孔隙可为任何旋转不对称的形状，例如一条线、一个三叶草的形状、一个三角形、多边形，具有标记的圆等，并且可具有其他尺寸。如果需要的，校准设备12可包括多个开口50，以接收校准轨(未显示)。

作为选择，校准设备12也可包括防反射装置50，用于防止或减少光直接从校准设备12的主体的反射。在所述的实施方式中，校准设备的一个中央部分52被一个非反射材料所覆盖，或者由一个非反射材料制成，以便防止光从校准设备12反射并进入光轴14。在一个实施方式，块中央的直径8mm的部分被涂上了一种模型铁路引擎黑模以防反射。应该认识到，在某些实施方式中，可以仅将校准设备12放置在相对于光轴14的一个角度上，以便防止光直接从校准设备沿着波前系统16的光轴14反射。

图6示意性地描述了使用图5的校准设备的本发明的一个简化方法。首先，在步骤70中，用Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机获取校准设备的图像，在步骤72中，确定在Hartmann-Shack照相机获取的图像中的校准设备的旋转方向和位置。在步骤74中，确定在瞳孔照相机获取的图像中的校准设备的旋转方向和位置。图像中的校准设备的位置和旋转参数与彼此相比较以确定任何旋转和平移偏移。在步骤76中，数据的比较结果可用于确定照相机之间的错位，并对准图像以及校准Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机。一旦确定了旋转和位置偏移，则可生成一个软件校正算法，以校正照相机之间的错位。

图7至9描述了图5的校准设备使用的某些简化的图形用户界面以及由Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24获取的图像。例如图7描述了由瞳孔照相机24获取的校准设备12的一个图像。在一个计算机系统26(图2和3)上运行的与照相机22、24通信的校准软件可在孔隙20的图像的一个标称位置中添加一个标记或覆盖，例如一个红十字图像100(或者对应于孔隙20的形状的其他图像)。在一个配置中，标称位置是图像的中心。在所述的实施方式中，在用户界面102上的滑动条调节使得用户能够沿着三个参数(Δx、Δy和θ)移动红十字图像100，以便将红十字图像100与孔隙20的图像充分对准。在所述实施方式中，位置调节可以按1个像素的步长完成，而旋转调节可按1/2度的步长完成。如滑动条调节中所示，在此例中，红十字图像100相对于其原来的标称位置在x方向移动了27个像素，在y方向移动了3个像素，并且旋转了-6.0°度，以便将覆盖图形100与不对称的孔隙20充分对准。这些来自滑动条的值，Δx^{Pupil-＞Object}、Δy^{Pupil-＞Object}和θ^{Pupil-＞Object}被存储在计算机系统26的一个内存中，以便将来参考。但是，应该认识到，除了滑动条调节以外，可使用多种其他软件方法来将红十字图像100与孔隙20的图像对准。此外，除了手动地将覆盖图形与孔隙20的图像对准以外，本发明的软件模块可被配置为自动地将覆盖图形与孔隙20对齐。

图8显示了Hartmann-Shack照相机22获取的校准设备12的一个图像。正如本领域已知的，来自一个Hartmann-Shack照相机的图像将是一个斑点图案104的形式。为了便于参考，图像已经被限制在最大值的10％以上，以便提高来自Hartmann-Shack传感器的透镜阵列的斑点的对比度。与瞳孔照相机相似，校准软件可在Hartmann-Shack照相机22获取的图像上的标称位置中添加一个标记或覆盖图形，例如一个红十字图像101或其他图像。用户界面103可提供三个参数(Δx、Δy和θ)的滑动条调节，使得用户能够将覆盖图形的红十字图像与不对称的孔隙的斑点图像充分对准。如滑动条调节中所示，在此例中，红十字图像101在x方向移动了-21个像素，在y方向移动了-7个像素，并且旋转了7.5°度，以便将红十字101与孔隙的斑点图案图像104对准。在一个配置中，位置调节可以按1个像素的步长完成，而旋转调节可按1/2度的步长完成。一般地，红十字图像101应该被放置为使得它覆盖尽可能多的孔隙20的图像的斑点。不是在所有的配置中都可能覆盖Hartmann-Shack图像的所有斑点。来自滑动条的值，Δx^HS-＞Object、Δy^HS-＞Object和θ^HS-＞Object被存储在系统的一个内存中，以便将来参考。

校准过程中的下一个步骤是建立两个照相机22、24之间的变换参数。这可以通过把一个外部物体(例如，校准装置12的孔隙)的相对位置用作两个照相机的一个参考来实现。因此：

Δx＝Δx^{Pupil-＞Object}-Δx^HS-＞Object

Δy＝Δy^{Pupil-＞Object}-Δy^HS-＞Object

θ＝θ^{Pupil-＞Object}-θ^HS-＞Object

以上变换参数可被放入上述变换方程中，以确定相对旋转和位置偏移，以便本发明能够用软件校正残留对准误差，以便波前系统能够将波前图像与瞳孔照相机获取的图像精确匹配。

从而，根据以上例子：

Δx＝27像素-(-21)像素＝48像素

Δy＝3像素-(-7)像素＝10像素

θ＝-6.0度-(-7.5)度＝1.5度

因此，为了将Hartmann-Shack照相机22获取的波前正视图与瞳孔照相机24获取的图像在空间上对准，软件必须将波前图在+x方向移动48个像素(例如，向右)，在+y方向移动10个像素(例如，向上)，以及围绕z轴旋转1.5度(例如，逆时针)。

虽然由于孔隙的可见的边缘，使得十字图像100与瞳孔图像中的孔隙图像的对准是可定位的，来自Hartmann-Shack照相机的图像包含一个通过孔隙可见的斑点图案104，但是斑点的边缘或外侧的行可能不能清晰地可见。从而，为了简化将十字图像101与孔隙20的Hartmann-Shack图像的对准过程，存储在计算机系统26的内存中的一个图像处理算法可用于来自Hartmann-Shack照相机的图像。在这样的实施方式中，如图9所示，可通过减短孔隙臂之一的的长度来修改校准设备12的十字孔隙，以便在十字孔隙20上定义一个主轴106和一个副轴108。

例如，本发明的算法可提供一个设定阈值的步骤，其中至少为图像中的最高亮度值的20％的像素被指定为值1。其余的值被指定为值0。一个块卷积步骤将其余的图像与一个包含1的大小为40×40的正方形核进行卷积。此步骤可将斑点扩展到更大的块，以便将“斑点”(现在是更大的块)合并到一起。最后，算法可包括一个形态操作步骤，其中二进制图像的其余部分被分析以找出质心和主轴。在一个实施方式中，该操作步骤可用Matlab的“imfeature”命令实现。从此步骤获取的值可用于将红十字图像101与更改后的孔隙20的图像相对准。

图10-17描述了一个校准设备的其他实施方式，以及校准设备的使用。图10描述了校准设备12的一个可调节的实施方式，它包括一个主体48，该主体48可包括一个或多个可选的开口50，用于接收校准轨。具有一个位于中心的十字形孔隙20的可旋转和平移的主体54可移动地连接到主体48。校准设备12可包括一个旋转调节部件56和两个平移部件58、60的组合，通过它们分别可进行孔隙的旋转和位置调节。如箭头62所指出的，启动旋转调节部件56使得孔隙20围绕其中心旋转。启动平移部件58可使得孔隙在箭头64的方向上平移，而启动平移部件60可使得孔隙20在箭头66的方向上平移。在一个实施方式中，平移部件58、60是螺钉，以便旋转螺钉能引起平移部件58、60和主体54的移动。

图11示意性地描述了使用图11的可调节校准设备的本发明的一个简化的方法。首先，在步骤61中，孔隙被放置为位于一个透镜的中心，以便它最接近于Hartmann-Shack斑点图像的中心或其他想要的部分。可选择地，在步骤63中，十字孔隙可被继续调节，直到十字孔隙与Hartmann-Shack图像的中心接近对准，并且行和列(或斑点图案的其他部分)中的Hartmann-Shack斑点的亮度更加均匀地平衡。在步骤65中，一旦校准设备位于Hartmann-Shack图像的中心，一个与校准设备中的孔隙具有基本相同的形状的标记从图像一个中心移动，并覆盖来自瞳孔照相机的图像中的孔隙。对于图10的实施方式，标记的形状是一个十字准线，它基本对应于十字形孔隙的形状。一旦标记与孔隙对准了，在步骤67中，对准标记和孔隙的图像所需的平移移动和旋转移动量，与孔隙距离Hartmann-Shack图像中的图像的希望部分(例如，中心)的任何偏移一起，可用于确定Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机之间的错位。

本发明进一步提供了用于实现本发明的方法的用户界面。用户界面帮助用户对准Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24的图像。由本发明生成的用户界面可存储在一个存储子系统中，并且输出在波前系统的一个输出设备上。图12-17描述了使用图10的校准设备的本发明的多种用户界面和方法。具有本领域普通技术者将意识到其他变化、修改和替换可用于本发明。因此，以下说明旨在描述，而不是限制本发明的范围。

图12描述了一个示例性的用于校准和对准Hartmann-Shack照相机22和瞳孔照相机24的用户界面110。在所述实施方式中，用户界面具有多个选项条112，它们使得用户能够选择计算机上运行的软件的功能。为了校准Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机，用户可选择或打开一个“服务(service)”选项条114(例如，用一个指针或箭头点击该选项条)。“服务”选项条窗口使得用户能够选择多种不同的图像参数，正如由在靠近界面的底端显示一个子选项条116的菜单所描述的那样。为了对准照相机22、24，用户可选择“照相机对准”选项条118。

用户界面110可具有一个窗口122，以显示由Hartmann-Shack照相机获取的图像，以及一个窗口124，以显示由瞳孔照相机获取的图像。通常，用户界面还包括控件126，用于调节Hartmann-Shack照相机图像，以及控件128，用于调节瞳孔照相机图像。可选择地，用户界面110可具有一个窗口130，显示用于执行一个对准的步骤。

如果需要，用户可激活放大按钮142，以便图像窗口122、124中的任何一个可占据用户界面110的整个中央部分。可实时地、静态地或者有延时地查看每个图像窗口122、124。

为了开始对准和对齐图像，用户可激活“打开覆盖(overlay on)”按钮132，以便将在显示的窗口上显示覆盖的对准元件。在所述的实施方式中，对于Hartmann-Shack图像窗口122，对准元件包括一个第一和第二十字准线134、136。第一十字准线134是固定的，可用于标记图像的中心或图像的任何希望的部分。如果软件能够确定Hartmann-Shack斑点图案的中心，则第二十字准线136也可被显示出来，以描述估计的斑点图案的中心。在一个实施方式中，用不同的颜色(例如，黄色和蓝色)和/或不同的尺寸显示十字准线134和十字准线136以便将十字准线彼此区分开来。可选择地，如果软件确定Hartmann-Shack图像未位于中心或者图像相对于图像窗口的中心旋转了，则可在图像上显示一个提示箭头138。

在瞳孔图像窗口124的情况下，一个覆盖图形140可包括一个对应于校准设备中的孔隙的形状的十字。在某些模式中，用户可手动移动覆盖图形140以及重新设定其大小。在其他模式中，覆盖图形140的位置和大小可由软件自动确定。

现参见图13至14，可通过启动放大按钮142放大图像窗口122(图12)。为提高图像质量，用户可通过在输入144中输入希望的亮度和对比度来调节图像的对比度和亮度。例如，一个有用的配置是亮度级别约为50，而对比度级别约为100。正如可认识到那样，根据获取的特定图像，可选择其他级别的亮度和对比度。一旦选定了亮度和对比度，用户可按下“下一步”按钮146。

在一个特定的用户中，在用户界面147中，用户可首先按“自动聚焦(Auto-Focus)”按钮148来聚焦图像。如果软件可获取Hartmann-Shack图像，一个结果集合可显示在文本框150、150”中，指示图像是否已经充分对准。在一个实施方式中，文本框可以被加上颜色，以便可视化地指示是否已实现了对准。例如，红色和/或提示箭头138可指示图像尚未被对准(图13)，而绿色(和/或没有提示箭头)可指示图像的对准是可接受的(图14)。如果框150、150’指示图像已对准(例如，绿色，图像中无提示箭头138等)，用户可通过按“下一步”按钮146前进到下一个用户界面。

如果框150、150”指示图像未对准，则用户可手动或自动调节校准设备的方向和位置，以便将孔隙的图像基本位于斑点图案的中央，以便图像垂直和水平对称。如图13所示，如果软件能够分析斑点图案，则提示箭头138显示在图像窗口的左上部分，以便指示用户校准设备必须向哪个方向调节，以便将孔隙136的中心与Hartmann-Shack图像134的中心充分对准(例如，上/下，左/右和/或旋转)，以使得Hartmann-Shack图像的中心和孔隙(例如，十字准线134、136)的中心充分对准。

如框150、150”所示，框150是垂直堆叠的，并且显示了对应于斑点的三个中心行的平均亮度的数字结果。水平堆叠的框150对应于斑点的三个中心列的平均亮度。用户可调节校准设备的位置和方向，直到外侧的行和列的亮度更均匀地平衡。如图14所示，在界面149中，当孔隙的Hartmann-Shack图像与图像的中心对准，并且外侧的行的亮度更均匀地平衡时，每个框150、150’中的第一和最后一个数字应该充分相等。正如可认识到的那样，如果需要，用户可通过在“容差(Tolerance)”控制输入152中输入一个容差来指定一个小的计算差别，以便不要求数字完全相等。正如可在图14中见到的，在用户界面的左下角的“图案偏移(pattern ofst)”框中，透镜阵列中心(例如，图像中心)相对于校准设备的孔隙的中心的平移和角度偏移被自动计算。

一旦Hartmann-Shack图像窗口122上的图案被充分地对准，则用户可按下“下一步”按钮146，它使得软件切换到瞳孔照相机图像124并在用户界面154上显示该图像。在一个实施方式中，软件可被配置为自动尝试定位垂直和水平孔隙部分。一个黄色的覆盖图形140将指示软件确定的孔隙20的位置。作为替换，用户也可手动使用右侧面板中的控件128相对一个标称位置(例如，图像的一个中心)调节十字准线覆盖图形140的位置、角方向和宽度，以便将覆盖图形140放置在孔隙的图像之上。软件可计算相对于标称位置的平移和旋转偏移。一旦用户确定覆盖图形已经被适当地放置，则用户可按下“下一步”按钮146，以便前进到图16所示的用户界面156，在这里软件将计算Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机之间的位置和角偏移，如上所述。

对图像的分析提供了关于两个照相机的距离图像中心的偏移的信息。由于在两个情况下孔隙的绝对位置是相同的(例如，对一个孔隙同时成像)，因此软件能够确定Hartmann-Shack照相机相对于瞳孔照相机的相对x，y和θ坐标。由于分析是从选择一个特定的Hartmann-Shack斑点作为其中心，并将孔隙以该斑点为中心，因此软件也知道Hartmann-Shack图案的绝对位置，以及图案相对于Hartmann-Shack照相机的角旋转。

正如可在图15和16中所见的，“位置和旋转”框157中的数字数据指示了瞳孔照相机的坐标中的覆盖图形的相对位置和角旋转，以便指示相对于瞳孔照相机图像中心的像素和角度差。为了设置照相机22、24之间的对准参数，用户可按下“设置对准”按钮158，它启动关于照相机22、24之间的偏移的计算，如上所述。一旦按下了“设置对准”158按钮，软件按照上述方法计算照相机22、24之间的偏移，并且前进到用户界面160(图17)，在这里校准结束。可选择地，两个照相机的平移和角偏移也可显示在用户界面的“结果”框164中。如果需要，用户可按下一个“打印”按钮162以获取校准的一个硬拷贝。在所述的实施方式中，偏移数据可显示在用户界面的右下侧上的“结果”部分中。

画如那些本领域技术熟练者将理解到的那样，本发明可在不背离其基本特性的情况下以其他特定形式实施。例如，图形用户界面的特定设置只是一个例子，不应该限制本发明。此外，虽然方法可说明分析Hartmann-Shack图像和瞳孔照相机图像的一个特定的顺序，但是也可执行任何分析顺序，并且本发明不限于一个特定的分析顺序。以上例子仅是描述结合了本发明的某些实施方式的，并不限制本发明的范围。具有本领域普通技术者将认识到其他变化、修改和替换。因此，前述说明是用作说明用的，并不限制以下权利要求书中阐明的本发明的范围。

Claims (33)

1.一个用于确定一个波前系统的一个Hartmann-Shack照相机和一个瞳孔照相机之间的相对位置和旋转偏移的设备，该设备包括：

一个主体；以及

一个有形状的孔隙，它使得光线能射到Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机。

2.权利要求1的设备，包括用于将主体放置在Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机的光轴中的装置。

3.权利要求1的设备，其中孔隙是旋转不对称的。

4.权利要求3的设备，其中旋转不对称的孔隙基本上是十字形的。

5.权利要求1的设备，其中主体包括防反射装置。

6.权利要求1的设备，其中主体的一部分在至少两个运动维度上是可旋转和可移动的。

7.用于测量一个第一成像设备和一个第二成像设备之间的旋转和位置偏移的一种方法，该方法包括：

用第一和第二成像设备获取一个定位器的一个图像；

将一个标记添加在用第一和第二成像设备获取的所述定位器的各个图像上的标称位置中；

将标记从用第一成像设备获取的所述图像中的所述标称位置移动到一个与所述定位器的图像基本对准的位置；

将标记从用第二成像设备获取的所述图像中的所述标称位置移动到一个与所述定位器的图像基本对准的位置；以及

将第一图像中的标记的移动信息与第二图像中的标记的移动信息相比较以确定第一和第二成像设备之间的旋转和位置偏移。

8.权利要求7的方法，其中移动信息包括沿着x轴的平移、沿着y轴的平移和围绕z轴的旋转中的至少之一。

9.权利要求7的方法，其中定位器包括一个旋转不对称的孔隙。

10.权利要求9的方法，其中标记的形状基本对应于定位器的旋转不对称的孔隙的形状。

11.权利要求7的方法，其中第一成像设备包括一个Hartmann-Shack照相机。

12.权利要求7的方法，其中图像中的标称位置为图像的中心。

13.一个系统包括：

一个成像系统，该系统包括一个Hartmann-Shack照相机和一个瞳孔照相机；

一个校准设备，该设备包括一个孔隙，该孔隙可放置在Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机的一条光学路径上；以及

一个连接到成像系统的控制系统，其中控制系统被配置为具有第一模式和第二模式，其中处于第一模式的控制系统将一个标记添加到Hartmann-Shack照相机获取的校准设备的一个图像和用瞳孔照相机获取的一个图像的标称位置上，并且允许标记移动到与不对称的孔隙的图像基本对准，

其中第二模式中的控制系统将用Hartmann-Shack照相机获取的图像中的标记的移动类型与用瞳孔照相机获取的图像中的标记的移动类型相比较，以便确定Hartmann-Shack照相机和瞳孔照相机之间的位置和旋转偏移。

14.权利要求13的系统，其中孔隙是旋转不对称的。

15.权利要求13的系统，其中不对称的孔隙近似地是十字形的。

16.权利要求13的系统，其中成像系统是一个波前系统。

17.权利要求13的系统，其中定位器包括一个不反射的中央部分，以防止反射。

18.权利要求13的系统，包括一个位于成像系统的光轴上的对象，其中校准设备位于对象和成像系统之间。

19.用于确定一个系统的第一成像设备和第二成像设备之间的相对位置和旋转偏移的一种方法，该方法包括：

提供一个主体，该主体包括一个位于第一成像设备和第二成像设备的一条光学路径中的一个旋转不对称的孔隙；

引导光线通过旋转不对称的孔隙射到第一成像设备和第二成像设备；

用第一成像设备和第二成像设备对孔隙成像；以及

比较孔隙的图像的旋转和位置偏移，以确定第一和第二成像设备之间的一个相对位置和旋转偏移。

20.权利要求19的方法，其中所述引导包括使所述光线从一个对象的反射平面反射。

21.权利要求19的方法，其中比较包括：

将一个标记添加到由第一成像设备获取的图像上，其中标记基本对应于孔隙的形状；

将标记从一个标称位置移动到与孔隙基本对准；

计算标记沿x轴、y轴的移动以及围绕z轴的旋转；

将一个标记添加到由第二成像设备获取的图像上，其中标记基本对应于孔隙的形状；

将标记从一个标称位置移动到与孔隙基本对准；

计算标记沿x轴、y轴的移动以及围绕z轴的旋转；

将计算出的由第一成像设备获取的图像中的标记的移动减去由第二成像设备获取的图像中的标记的移动。

22.存储在一个计算机可读存储介质上的一个计算机程序产品，用于将一个第一成像设备与一个第二成像设备对准，该计算机程序产品包括：

用于用第一成像设备和第二成像设备获取图像的代码；

用于将一个标记添加到用第一和第二成像设备获取的定位器的图像上的代码；

用于在用第一成像设备获取的图像中移动标记以使得标记与定位器基本对准的代码；

用于在用第二成像设备获取的图像中移动标记以使得标记与定位器基本对准的代码；

用于将第一图像中的标记的移动信息与第二图像中的标记的移动信息相比较，以确定第一和第二成像设备之间的旋转和位置偏移的代码。

23.用于将一个第一成像设备与一个第二成像设备对准的一种方法，该方法包括：

放置一个定位器，以使得该定位器被第一成像设备和第二成像设备成像；以及

分析由第一成像设备和第二成像设备获取的定位器的图像以确定第一成像设备和第二成像设备之间的错位。

24.权利要求23的方法，包括调节定位器的位置，以使得定位器位于由第一成像设备获取的图像中的一个希望的位置。

25.权利要求24的方法，其中调节位置包括在第一成像设备的光轴内改变定位器的角方向和平移位置中的至少一个。

26.权利要求24的方法，其中所述希望的位置实际上是由第一成像设备获取的图像的中心。

27.权利要求26的方法，其中分析图像包括计算定位器距离由第二成像设备获取的图像的中心的平移和角偏移。

28.权利要求27的方法，其中计算包括：

将一个标记从由第二成像设备获取的图像的中心移动，直到标记与定位器基本对准；以及

测量将标记与定位器基本对准所需的平移移动和角移动量。

29.权利要求23的方法，其中第一成像设备是一个Hartmann-Shack照相机。

30.权利要求29的方法，其中定位器包括一个主体，该主体包括一个孔隙，其中由第一成像设备获取的图像是对应于孔隙的形状的一个斑点图案。

31.权利要求30的方法包括，调节孔隙的位置和角方向中的至少一个，直到斑点图案的选中的部分中的亮度基本均匀平衡。

32.权利要求30的方法，其中孔隙的形状是不对称的，其中定位器的孔隙和标记的不对称的形状包含基本相同的形状。

33.权利要求32的方法，其中有形状的孔隙是十字形的。

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