一種反射式人工晶體像差哈特曼測量儀的製作方法

2023-08-10 05:06:06 2

專利名稱：一種反射式人工晶體像差哈特曼測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，它是眼科臨床移植人工晶體時的專用 設備，同時也是生產人工晶體的一種高精度設備。
背景技術：
目前，人工晶體已廣泛應用於高度屈光不正和白內障手術後的光學矯正，但大都只能矯正 人眼低階像差如離焦、像散等。研究表面，人眼光學系統不僅存在低階像差，還存在高階像差 如彗差、球差等，同時矯正人眼低階和高階像差可以獲得更佳的視覺質量改善("Visual Performance after correcting the monochromatic and chromatic aberrations of the eye ，，， Geun-Young Yoon and David R.Williams, J. Opt. Soc. Am. A/Vol.19, No.2/Februaiy)。因此，單一矯正人眼 低階像差的人工晶體已不能滿足人們對人眼屈光矯正的需求，能夠矯正人眼高階像差的人工晶 體成為新的研究熱點和未來發展的趨勢。實現這一目標的基礎是人眼高階像差矯正人工晶體的 製作，而人工晶體檢測是製作的基礎。
由於人眼高階像差矯正人工晶體不僅矯正人眼低階像差，同時還要矯正人眼高階像差，單 純的光焦度檢測不能滿足對高階像差矯正人工晶體的檢測要求，需要全面客觀地測量人工晶體 各階像差(低階和高階)。目前，人眼高階像差矯正人工晶體還是一種新穎的人工晶體，配套 技術還在積極研究之中，本發明提出採用哈特曼波前探測技術實現人工晶體像差測量，它不但 可以測量人工晶體低階像差，還可以測量人工晶體高階像差。
哈特曼波前傳感器是一種結構簡單、穩定的波前傳感器，它將入射光束分割採樣並聚焦到 光電探測器上，通過數據處理獲得入射光波前相位分布。目前，哈特曼波前傳感器主要有基於 微透鏡陣列("哈特曼波前傳感器的應用"，姜文漢,鮮浩,楊澤平等，量子電子學報，15巻2期 228-235頁，1998年)和基於微稜鏡陣列("Hartmann-Shack Wavefront Sensor Based on a Micro-Grating Array" ， Haiying Wang, Haifeng Duan, Changtao Wang， Yudong Zhang, SP正,Vol. 6018,2005)兩種形式。哈特曼波前探測技術已廣泛用於人眼像差測量、光束質量診斷、光學元 件檢測等諸多領域。但是，哈特曼波前傳感器應用於人工晶體像差測量尚屬空白，本發明正是 針對這一情況提出的。

發明內容
本發明所提供的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種通用性好，可以對任意屈光度的人工晶體進行像差測量的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，為眼科臨床人工晶體移 植以及人工晶體的加工和檢測等提供方便、快捷和可靠的檢測。
本發明的技術解決方案是反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，主要包括光源、光束濾 波系統、光束匹配系統、標準球面反射鏡、孔徑分割元件、光電探測器和計算機，其中孔徑分 割元件、光電探測器構成哈特曼波前傳感器；由光源發出的光經光束濾波系統濾波和準直為平 行光後出射，該平行光依次經反射鏡和分光鏡穿過待測人工晶體，透射光波到達標準球面反射 鏡，軸向調整標準球面反射鏡，使待測人工晶體的後焦點與標準球面反射鏡的球心重合，反射 光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體，依次經分光鏡和光束匹配系統後，被孔徑分割元件 分割採樣並聚焦到光電探測器上形成光斑陣列，光電探測器將採集的光斑數據送入計算機，經 計算機處理得到待測人工晶體的像差。
所述的標準球面反射鏡可以是標準凹球面反射鏡，也可以是標準凸球面反射鏡。 所述的孔徑分割元件為微透鏡陣列，或微稜鏡陣列；當孔徑分割元件為微透鏡陣列時，光 電探測器件位於微透鏡陣列焦面上；當為微稜鏡陣列時，在微稜鏡陣列後面還加有傅立葉透鏡 或成像透鏡，傅立葉透鏡或成像透鏡緊靠微稜鏡陣列，光電探測器件位於傅立葉透鏡或成像透 鏡的焦面上。
所述的光束濾波系統由針孔和準直鏡構成，光束經針孔濾波，由準直鏡準直為平行光出射。 所述的光電探測器既可以是成像相機，也可以是位置敏感器陣列。 本發明與現有技術相比的優點在於
(1) 本發明採用哈特曼波前傳感器測量人工晶體，探測光束兩次穿過待測人工晶體，通過 沿光軸方向前後移動反射鏡或固定反射鏡，沿光軸方向前後移動其餘部分可以方便地實現對人 工晶體屈光度進行補償，將較大的離焦與其餘像差分開測量，減小人工晶體像差測量對哈特曼 動態範圍的要求，儀器通用性好，可以對任意屈光度的人工晶體進行像差測量，為眼科臨床人 工晶體移植以及人工晶體的加工和檢測等提供方便、快捷和可靠的檢測。
(2) 本發明所採用的沿光軸方向前後移動反射鏡或其餘部分對人工晶體屈光度進行補償， 補償量等於人工晶體光焦度大小，因此在獲得人工晶體綜合像差的同時可以獲得晶體屈光度的 大小，通用性好。
(3) 本發明通過測量哈特曼傳感器光斑的位置偏移，由復原算法重構波前像差，相對於幹 涉儀像差檢測方法，本發明對環境要求低，容易實現小口徑(人工晶體光學區5mm左右)複雜 高階像差檢測，具有結構簡單和穩定的優點。


圖1為本發明基於微透鏡哈特曼的人工晶體像差測量原理屈;圖2為本發明中基於微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器結構及工作原理示意圖； 圖3為本發明基於微稜鏡哈特曼的人工晶體像差測量原理圖； 圖4為本發明中基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳感器結構及工作原理示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，為本發明中的孔徑分割元件為微透鏡陣列的人工晶體像差測量原理圖，它包 括光源l、光束濾波系統，光束匹配系統8、標準球面反射鏡5、孔徑分割元件，即微透鏡陣列 91、光電探測器92和計算機10，其中孔徑分割元件91和光電探測器92構成哈特曼波前傳感器， 光束濾波系統由針孔2和準直鏡3構成，光束匹配系統8由兩個不同焦距的透鏡或反射鏡構成 的光束匹配望遠鏡。由光源l發出的光，經針孔2濾波，由準直鏡3準直為平行光出射，經反 射鏡4、分光鏡7穿過待測人工晶體6，透射光波到達標準球面反射鏡5，軸向調整標準球面反 射鏡5，使待測人工晶體後焦點與標準球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過 待測人工晶體6，經分光鏡7和光束匹配系統8後，被微透鏡陣列91分割採樣並聚焦到光電探 測器92上形成光斑陣列，光電探測器92將採集的光斑數據送入計算機10，經計算機10處理得 到待測人工晶體的像差。
如圖2所示，基於微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器主要由微透鏡陣列91和光電探測器件92 組成，其中光電探測器件92位於微透鏡陣列91焦面上。
基於微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器的工作原理為入射光束經微透鏡陣列91後，在其焦 面上形成一個光斑陣列，整個光束孔徑被均勻分割。保存標準平面波入射產生的光斑陣列作為 標定數據。當具有一定像差的波前入射時，各個微透鏡上的局部波前傾斜引起微透鏡陣列焦面 上的光斑位置發生偏移。
光電探測器件92接收到的光斑信號可通過計算機10進行處理，採用質心算法由公式①
計算光斑的位置(X ， J,)，探測全孔徑的波面誤差信息
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式中，m=l~M，n=l~N為子孔徑映射到光電探測器件92上對應的像素區域，^""是光電探 測器件92上第(n，m)個像素接收到的信號，x ，3;分別為第(n,m)個像素的x坐標和y 坐標。
再根據公式②計算入射波前的波前斜率《，g :formula see original document page 6器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(;c,，y,)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖3所示，為本發明中的孔徑分割元件為微稜鏡陣列的人工晶體像差測量原理圖。它包 括光源l、光束濾波系統，光束匹配系統8、標準球面反射鏡5、孔徑分割元件，即微稜鏡陣列 91'、傅立葉透鏡或成像透鏡93、光電探測器92和計算機10，其中孔徑分割元件91'、傅立葉 透鏡或成像透鏡93和光電探測器92構成哈特曼波前傳感器，光束濾波系統由針孔2和準直鏡3 構成，光束匹配系統8由兩個不同焦距的透鏡或反射鏡構成的光束匹配望遠鏡。由光源1發出 的光，經針孔2濾波，由準直鏡3準直為平行光出射，經反射鏡4、分光鏡7穿過待測人工晶體 6，透射光波到達標準球面反射鏡5，軸向調整標準球面反射鏡5，使待測人工晶體後焦點與標 準球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體6，經分光鏡7和光束 匹配系統8後，被微稜鏡陣列91'，傅立葉透鏡或成像透鏡93後被分割採樣並聚焦到光電探測 器92上形成光斑陣列，採集光斑數據送入計算機10，經處理得到待測人工晶體的像差。
如圖4所示，基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳感器主要由鋸齒形相位光柵結構的微稜鏡陣 列91'、傅立葉透鏡93和光電探測器件92組成，其中傅立葉透鏡93緊靠微稜鏡陣列91'，光電 探測器件92位於傅立葉透鏡93的焦面上。
基於微稜鏡陣列的哈特曼波前傳感器的工作原理為入射光束經微稜鏡陣列91，後，各個子 孔徑的光束分別產生了相應的相位變化，通過緊貼其後的傅立葉透鏡或成像透鏡93成像，由位 於傅立葉透鏡或成像透鏡93焦面上的光電探測器件92探測其光強分布，該光強分布包含著二 維鋸齒形相位光柵陣列所產生的相位信息，每個子孔徑所產生的相位變化不同，因而在傅立葉 透鏡或成像透鏡93焦面上形成一個光斑陣列，整個光束孔徑被均勻分割。標準平面波入射產生 的光斑陣列將被保存起來作為標定數據。當具有一定像差的波前入射時，各個局部傾斜平面波 對其子孔徑內二維鋸齒形相位光柵產生新的附加相位，該相位變化將反映到傅立葉透鏡或成像 透鏡93焦面的光斑位置偏移上。
光電探測器件92接收到的光斑信號可通過計算機10進行處理,處理方式與前面所述的基
於微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器相同。採用質心算法由公式①計算光斑的位置(工，少P， 探測全孔徑的波面誤差信息-formula see original document page 7式中，m=l~M，n=l~N為子孔徑映射到光電探測器件92上對應的像素區域，厶m是光電探
測器件92上第(n，m)個像素接收到的信號，l"X"分別為第(n,m)個像素的x坐標和y 坐標。
再根據公式②計算入射波前的波前斜率g"'g":
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式巾，(x。,;;。)力才示《￥皿&木示^(%#€{專*#1^肖^]力珍王巾心^ @胃；(^ft員肖ii 器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(;c,，;^)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
權利要求
1、反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特徵在於主要包括光源、光束濾波系統、光束匹配系統、標準球面反射鏡、孔徑分割元件、光電探測器和計算機，其中孔徑分割元件、光電探測器構成哈特曼波前傳感器；由光源發出的光經光束濾波系統濾波和準直為平行光後出射，該平行光依次經反射鏡和分光鏡穿過待測人工晶體，透射光波到達標準球面反射鏡，軸向調整標準球面反射鏡，使待測人工晶體的後焦點與標準球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體，依次經分光鏡和光束匹配系統後，被孔徑分割元件分割採樣並聚焦到光電探測器上形成光斑陣列，光電探測器將採集的光斑數據送入計算機，經計算機處理得到待測人工晶體的像差。
2、 根據權利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特徵在於所述的標準球 面反射鏡為標準凹球面反射鏡，或標準凸球面反射鏡。
3、 根據權利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特徵在於所述的孔徑分 割元件為微透鏡陣列，或微稜鏡陣列；當孔徑分割元件為微透鏡陣列時，光電探測器件位於微 透鏡陣列焦面上；當為微稜鏡陣列時，在微稜鏡陣列後面還加有傅立葉透鏡或成像透鏡，傅立 葉透鏡或成像透鏡緊靠微稜鏡陣列，光電探測器件位於傅立葉透鏡或成像透鏡的焦面上。
4、 根據權利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特徵在於所述的光電探 測器為成像相機，或位置敏感器陣列。
5、 根據權利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特徵在於所述的光束濾 波系統由針孔和準直鏡構成，光束經針孔濾波，由準直鏡準直為平行光出射。
6、 根據權利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特徵在於所述的光束匹 配系統由兩個不同焦距的透鏡或反射鏡構成的光束匹配望遠鏡。
7、 根據權利要求l所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特徵在於所述的光源是 雷射器、或半導體雷射器、或超輻射半導體器件。
全文摘要
反射式人工晶體像差哈特曼測量儀主要包括光源、光束匹配系統、標準球面反射鏡、孔徑分割元件、光電探測器和計算機，其中孔徑分割元件、光電探測器構成哈特曼波前傳感器；由光源發出的光被準直為平行光出射，該平行光依次經反射鏡和分光鏡穿過待測人工晶體，透射光波到達標準球面反射鏡，軸向調整標準球面反射鏡，使待測人工晶體的後焦點與標準球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體，依次經分光鏡和光束匹配系統後，被孔徑分割元件分割採樣並聚焦到光電探測器上形成光斑陣列，採集的光斑數據送入計算機，經處理得到待測人工晶體的像差。本發明結構簡單、穩定，為眼科臨床人工晶體移植以及個性化人眼像差矯正人工晶體的加工和檢測提供方便、快捷和可靠的檢測工具。
文檔編號A61F2/76GK101278867SQ20071030451
公開日2008年10月8日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者萬修華, 張雨東, 雲 戴, 瑛 熊, 王寧利, 王海英, 饒學軍 申請人:中國科學院光電技術研究所;首都醫科大學附屬北京同仁醫院