基于波前像差的視覺光學分析系統的製作方法

2023-05-01 03:36:36

專利名稱：基于波前像差的視覺光學分析系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種醫用光學技術領域的系統，具體是一種基于波前像差的 視覺光學分析系統。
技術背景夏克-哈特曼波前像差儀是現在廣泛使用的一種客觀波前分析儀，從眼底反射 回來的波陣面經過一透鏡陣列形成一個聚焦點所組成的陣列。如果是理想的眼球 系統，反射回來的平行波陣面經聚焦後將產生等間距規則分布的點陣列。但是對 於有像差的眼球，各個聚焦點會發生偏離。根據每個聚焦點與理想位置的偏差， 計算出波前像差。對於傳統的夏克-哈特曼波前像差儀來說，當像差嚴重變形時， 聚焦點的偏差很大而使其與理想位置的聚焦點的一一對應關係難以識別，這就使 得像差計算成為困難，而且這種檢測波前像差的方法僅考慮了眼球的光學性質， 而忽視了患者的主觀視覺反應，患者無法感知測量的結果，更無法參與測量過程。角膜地形圖是對整個角膜表面進行分析，在臨床應用於診斷角膜散光，分析 角膜形狀，將角膜面形數據以偽彩色顯示出來。但是這種用於分析角膜形狀的角 膜地形圖系統通常不具備角膜波前像差分析功能。經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明申請號為200410068953.8，
公開日
為2006年1月18日，該專利自述為基於微稜鏡陣列夏克-哈特曼波前傳感器的 人眼像差和角膜面形測量系統，由瞳孔或角膜照明光源、分光鏡、角膜地形圖成 像物鏡、監視CCD (電荷耦合圖像傳感器)、信標光源、信標光準直系統、口徑控 制裝置、反射鏡、前組調焦物鏡、後組調焦物鏡、口徑匹配系統、基於微稜鏡陣 列的夏克-哈特曼波前傳感器、目標系統、計算機和附加測量透鏡組成，使其能夠 實現測量人眼像差和角膜面形兩個功能，且兩功能切換方便易操作，能夠一次得 到人眼低級、高級像差數據和角膜面形數據，便於了解人眼的整體像差、角膜像 差和人眼內部像差其特性和三者之間的關係，避免了現有技術的不同儀器分別測 量人眼像差和角膜像差帶來的誤差，能夠為醫學臨床提供更準確、充分的診斷數據。其不足之處在於該光學系統只是純粹的對人眼低級、高級像差進行了測量， 不能反應被測者的主觀視覺響應，且並未針對人眼像差各個組成單元進行測量分 析，不能廣泛應用於需對人眼像差總體及各^^組成單元進行分析的臨床實踐中。 發明內容本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基于波前像差的視覺光學 分析系統，將自適應光學原理和夏克-哈特曼波前像差儀相結合，把人眼像差測量 和角膜地形圖測量相結合，使其不僅能夠同時測量出人眼的各種像差和角膜地形 圖，便於了解兩者之間的關係，還能針對人眼像差進行矯正，並能讓被測者將客 觀的矯正結果實時加以反饋，以便將視力矯正為最佳狀態。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括雷射光源、雷射準直擴束 系統、光闌、第一分光鏡、第五分光鏡、潑拉西多氏盤、第二分光鏡、第三分光 鏡、角膜地形圖成像物鏡、第一口徑匹配系統、第四分光鏡、離焦補償系統、散 光補償系統、分光稜鏡、變形鏡、第二口徑匹配系統、目標物、目標物成像物鏡、 夏克-哈特曼波前傳感器、監視CCD和計算機，其中雷射光源的出射光經過雷射準直擴束系統到達光闌，第一分光鏡位於光闌和 角膜之間，潑拉西多氏盤的出射光經過第二分光鏡和第三分光鏡投射至角膜表面， 角膜出射的一部分光經由第四分光鏡反射到角膜地形圖成像系統，角膜地形圖成 像物鏡位於第一口匹配系統和監視CCD之間，第四分光鏡和離焦補償系統均設置 於第一口徑匹配系統內部，散光補償系統位於第一口徑匹配系統和光稜鏡之間， 分光稜鏡出射的一部分光反射經過第二口徑匹配系統後一部分到達目標物，另一 部分照射到夏克-哈特曼波前傳感器，分光稜鏡出射的一部分傳輸到變形鏡，第二 口徑匹配系統內部設置有第五分光鏡，第五分光鏡與目標物之間設有目標物成像 物鏡，夏克-哈特曼波前傳感器和變形鏡均和計算機相連。所述的雷射準直擴束系統由一個空間濾波器和一個凸透鏡組成，空間濾波器 置於凸透鏡前焦點處，空間濾波器對雷射濾波後通過凸透鏡成為平行光，以保證 雷射光源的出射光平行且均勻，並用光闌取出射光的中心部分作為入射到眼瞳的 細光束。所述的第一口徑匹配系統，其為由兩個凸透鏡組成的擴束系統，由於眼瞳直 徑較小，變形鏡口徑較大，其中靠近眼瞳的凸透鏡焦距小於靠近變形鏡的凸透鏡 焦距，兩凸透鏡共焦，以實現眼瞳出射光束與變形鏡的口徑匹配。所述的第二口徑匹配系統，其為由兩個凸透鏡組成的縮束系統，由於變形鏡 口徑較大，夏克-哈特曼波前傳感器的口徑較小，所以靠近變形鏡的凸透鏡的焦距 大於靠近夏克-哈特曼波前傳感器的凸透鏡的焦距，兩凸透鏡共焦，以實現變形鏡 出射光束和夏克-哈特曼波前傳感器的口徑匹配。所述的離焦補償系統包括兩個直角稜鏡，兩個直角稜鏡之間平行設置，兩個 直角稜鏡之間的距離可調，通過平移調節兩個三稜鏡之間的距離來實現離焦補償。所述的散光補償系統包括正柱鏡和負柱鏡，正柱鏡和負柱鏡之間正交放置， 並且兩稜柱之間的角度可調，通過旋轉調節兩個柱鏡的相對角度來實現散光補償。所述的夏克-哈特曼波前傳感器，包括微透鏡陣列、光電耦合器件和數據採 集卡，微透鏡陣列的焦面與光電耦合器件的表面重合，光電耦合器件通過數據採 集卡與計算機相連。所述計算機，其通過光電耦合器件接收光電耦合器件對波前的探測結果，計 算出子孔徑斜率後進行波前重建並根據控制方法計算出控制電壓，經高壓放大後 驅動變形鏡工作實現系統的閉環工作。所述的變形鏡是指在控制電壓驅動下能產生表面形狀變化的器件。 本發明中，普拉西多氏盤發出的光通過第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光 鏡投射到角膜表面上，再經過角膜地形圖成像物鏡將被測量人眼的角膜成像在監 視CCD上，並經過計算獲得角膜表面的形態分布數據及圖形，同時可經過計算獲 得角膜表面波前像差分布數據及圖形。監視CCD輸出的視頻信號可以通過視頻採 集卡在計算機上實時顯示出來。同時，雷射器出射的光經過雷射準直擴束系統之 後，用光闌截取中心部分的細光束入射到眼底。從眼底反射出的波陣面受到眼球 的屈光介質的影響產生形變，傳入第五分光鏡後分成兩束光， 一束由夏克-哈特曼 波前傳感器測量計算被測眼睛的波前像差並且傳輸給計算機儲存，由計算機計算 輸出控制電壓，調整變形鏡表面形狀以調製入射光的波陣面補償眼球的像差，直 到夏克-哈特曼波前傳感器檢測到均勻分布的聚焦陣列，這部分實現眼波前像差的 客觀測量與矯正；另一束波陣面通過變形鏡補償後投影到目標物上，被測者可以 觀察到目標物，並將滿意程度反饋給計算機，通過改變變形鏡表面形狀進行微調。 因此，能在客觀測量結果的基礎上，實現主觀的微調，以確定獲得最佳視覺效果 的眼波前像差分布。雷射經擴束後，尺寸與變形鏡的尺寸相匹配，變形鏡反射的光通過第一口徑6匹配系統，與夏克-哈特曼波前傳感器上的微透鏡陣列共軛，同時尺寸也與夏克-哈特曼波前傳感器上的微透鏡陣列的尺寸相匹配，夏克-哈特曼波前傳感器探測出 波前畸變的斜率，通過計算將其進一步處理成波前畸變的相位分布。得到畸變波 前的相位分布後，通過控制方法產生控制信號。控制信號驅動變形鏡變形，按照 系統要求矯正像差或者產生特定的像差。被測眼瞳孔通過望遠系統和變形鏡呈共軛關係，變形鏡通過第一口徑匹配系 統與夏克-哈特曼波前傳感器上的微透鏡陣列呈共軛關係，這樣瞳孔和夏克-哈特 曼波前傳感器上的微透鏡陣列也呈共軛關係。監視CCD用於監測瞳孔位置與大小。離焦補償系統用於補償被測眼的離焦，散光補償系統用於補償被測眼的散光。本發明與現有技術相比，具有如下有益效果本發明將自適應光學原理和夏 克-哈特曼波前像差儀相結合，能夠實現人眼像差的測量和角膜地形圖的測量，便 於了解兩者之間的關係。並在現有的技術基礎上實現了針對人眼像差的矯正，通過離焦，散光補償，能夠使整個系統的離焦測量與矯正範圍達到士20D，散光測量 與矯正範圍達到土10D。被測者可以將客觀的矯正結果實時加以反饋，以便將視力 矯正為最佳狀態。該系統結構和操作都比較簡單，通過一次測量不但可以得到人 眼像差和角膜面形的數據，還能夠對人眼像差進行矯正。對於幫助了解人眼的角 膜光學特性、人眼角膜表面波前像差分布以及各種高階像差對人眼視力的影響都 有著重要的意義。同時也為臨床上的視覺光學矯正和眼外科手術提供了更為準確 有效的支持。


圖1是本發明的光學系統結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括雷射光源l、雷射準直擴束系統2、光闌3、第一分光鏡4、第五分光鏡5、潑拉西多氏盤6、第二分光鏡7、第三分光鏡8、角膜 地形圖成像物鏡9、第一口徑匹配系統IO、第四分光鏡ll、離焦補償系統12、散 光補償系統13、分光稜鏡14、變形鏡15、第二口徑匹配系統16、目標物成像物 鏡17、目標物18、夏克-哈特曼波前傳感器19、監視CCD20和計算機21，其中雷射光源1的出射光經過雷射準直擴束系統2到達光闌3，第一分光鏡4位於 光闌3和角膜之間，潑拉西多氏盤6的出射光經過第二分光鏡7和第三分光鏡8 投射至角膜表面，角膜出射的一部分光經由第四分光鏡11反射到角膜地形圖成像 系統9，角膜地形圖成像物鏡9位於第一口徑匹配系統10和監視CCD20之間，第 四分光鏡11和離焦補償系統12均設置於第一口徑匹配系統10內部，散光補償系 統13位於第一口徑匹配系統和光稜鏡14之間，分光稜鏡14出射的一部分光反射 經過第二口徑匹配系統16後一部分到達目標物18，另一部分照射到夏克-哈特曼 波前傳感器19，分光稜鏡14出射的一部分傳輸到變形鏡15，第二口徑匹配系統 16內部設置有第五分光鏡5，第五分光鏡5與目標物18之間設有目標物成像物鏡 17，夏克-哈特曼波前傳感器19和變形鏡15均和計算機21相連。所述雷射準直擴束系統2，包括一個空間濾波器和一個凸透鏡，凸透鏡位於 空間濾波器後側，空間濾波器置於透鏡前焦點處以保證出射光線是平行光。所述空間濾波器，其孔徑小於等於5(Vm。所述的第一口徑匹配系統IO，其為由兩個凸透鏡組成的擴束系統，其中靠近 眼瞳的凸透鏡焦距小於靠近變形鏡15的凸透鏡焦距，兩凸透鏡共焦，以實現眼瞳 出射光束與變形鏡15的口徑匹配。所述第一口徑匹配系統10，其兩個凸透鏡的焦距分別為120mrn和400mra。所述離焦補償系統12包括兩個直角稜鏡，兩個直角稜鏡之間平行設置，兩個 直角稜鏡之間的距離可調，通過調節兩個三稜鏡之間的距離來實現離焦補償。所述的離焦補償系統13包括兩個直角稜鏡，兩個直角稜鏡之間平行設置，兩 個直角稜鏡之間的距離可調，通過平移調節兩個三稜鏡之間的距離來實現離焦補 償。.所述的第二口徑匹配系統16，其為是由兩個凸透鏡組成的縮束系統，其中靠 近變形鏡15的凸透鏡的焦距大於靠近夏克-哈特曼波前傳感器19的凸透鏡的焦 距，兩凸透鏡共焦，以實現變形鏡15出射光束和夏克-哈特曼波前傳感器19的口 徑匹配。所述第二口徑匹配系統16，其兩個凸透鏡的焦距分別為150mm和30mm。 本實施例中，角膜照明光源為近紅外發光二極體，光源照射到潑拉西多氏盤6 表面之後，通過第二分光鏡7投射到角膜表面上，再經過角膜地形圖成像物鏡9 將被測量人眼的角膜成像在監視CCD20上，監視CCD20輸出的視頻信號可以通過視頻採集卡在計算機21上實時顯示出來。調整儀器位置，使被測量人眼瞳孔中心 位於儀器光軸中心，完成對準後，監視CCD20的視頻信號輸入到計算機21中，通 過計算獲得被測眼角膜表面的形態分布。根據所測得的角膜形態分布，可計算角 膜上任意一點與任意設定參考面上對應點的相對距離，將此相對距離乘以角膜折 射率，本實施例中角膜折射率n為1.376，可得角膜表面波前像差分布。同時，雷射光源1出射的光經過準直擴束之後，用光闌3截取中心部分的細 光束入射到眼底。從眼底反射出的波陣面受到眼球的屈光介質的影響產生形變， 通過第一口徑匹配系統10擴束，並調節離焦補償系統12和散光補償系統13以補 償離焦和散光。光線照射到變形鏡15上，變形鏡15的反射光通過分光稜鏡14反 射出來，傳入第五分光鏡5後分成兩束光， 一束由夏克-哈特曼波前傳感器19測 量並且儲存傳輸給計算機21，然後由計算機21發出信號調節變形鏡15補償眼球 的像差，直到夏克-哈特曼波前傳感器19檢測到均勻分布的聚焦陣列，這部分實 現客觀測量與矯正;另一束波陣面通過可變形15微鏡陣列補償後投影到目標物18 (如視力表)上，被測者可以觀察到目標物18，並將滿意程度反饋給計算機21， 在客觀的測量結果的基礎上，通過改變變形鏡15中的微鏡陣列的分布進行微調， 最後根據變形鏡15中的微鏡陣列分布的改變情況計算像差，從而實現獲得最佳視 覺效果時的主觀的波前像差的測量與矯正。所得的眼球像差及角膜像差相減便可 得到眼內其它部分的像差，實現被測眼不同部分眼波前像差的分析。本實施例能夠實現人眼像差的測量和角膜地形圖的測量，並實現了針對人眼 像差的矯正，被測者可以將客觀的矯正結果實時加以反饋，以便將視力矯正為最 佳狀態。通過離焦，散光補償，能夠使整個系統的離焦測量與矯正範圍達到士20D， 散光測量與矯正範圍達到士10D。本實施例的結構和操作都比較簡單，通過一次測 量不但可以得到人眼像差和角膜面形的數據，還能夠對人眼像差進行矯正。對於 幫助了解人眼的角膜光學特性、人眼角膜表面波前像差分布以及各種高階像差對 人眼視力的影響都有著重要的意義。
權利要求
1、一種基于波前像差的視覺光學分析系統，包括雷射光源、雷射準直擴束系統、第一分光鏡、第五分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、角膜地形圖成像物鏡、第一口徑匹配系統、第四分光鏡、分光稜鏡、夏克-哈特曼波前傳感器、目標物、監視CCD和計算機，其特徵在於，還包括光闌、潑拉西多氏盤、離焦補償系統、散光補償系統、變形鏡、目標物成像物鏡、第二口徑匹配系統，其中雷射光源的出射光經過雷射準直擴束系統到達光闌，第一分光鏡位於光闌和角膜之間，潑拉西多氏盤的出射光經過第二分光鏡和第三分光鏡投射至角膜表面，角膜出射的一部分光經由第四分光鏡反射到角膜地形圖成像系統，角膜地形圖成像物鏡位於第一口匹配系統和監視CCD之間，第四分光鏡和離焦補償系統均設置於第一口徑匹配系統內部，散光補償系統位於第一口徑匹配系統和光稜鏡之間，分光稜鏡出射的一部分光反射經過第二口徑匹配系統後一部分到達目標物，另一部分照射到夏克-哈特曼波前傳感器，分光稜鏡出射的一部分傳輸到變形鏡，第二口徑匹配系統內部設置有第五分光鏡，第五分光鏡與目標物之間設有目標物成像物鏡，夏克-哈特曼波前傳感器和變形鏡均和計算機相連。
2、 根據權利要求1所述的基于波前像差的視覺光學分析系統，其特徵是，所 述的雷射準直擴束系統由一個空間濾波器和一個凸透鏡組成，空間濾波器置於凸 透鏡前焦點處。
3、 根據權利要求1所述的基于波前像差的視覺光學分析系統，其特徵是，所 述的第一口徑匹配系統，其為由兩個凸透鏡組成的擴束系統，其中靠近眼瞳的凸 透鏡焦距小於靠近變形鏡的凸透鏡焦距，兩凸透鏡共焦。
4、 根據權利要求1所述的基于波前像差的視覺光學分析系統，其特徵是，所述的第二口徑匹配系統，其為由兩個凸透鏡組成的縮束系統，其中靠近變形鏡的 凸透鏡的焦距大於靠近夏克-哈特曼波前傳感器的凸透鏡的焦距，兩凸透鏡共焦。
5、 根據權利要求1所述的基于波前像差的視覺光學分析系統，其特徵是，所述的離焦補償系統包括兩個直角稜鏡，兩個直角稜鏡之間平行放置。
6、 根據權利要求1所述的基于波前像差的視覺光學分析系統，其特徵是，所述的散光補償系統包括正柱鏡和負柱鏡，正柱鏡和負柱鏡之間正交放置。
7、根據權利要求1所述的基于波前像差的視覺光學分析系統，其特徵是，所 述的夏克-哈特曼波前傳感器，包括微透鏡陣列、光電耦合器件和數據採集卡， 微透鏡陣列的焦面與光電耦合器件的表面重合，光電耦合器件通過數據採集卡與 計算機相連。
全文摘要
一種醫用光學技術領域的基于波前像差的視覺光學分析系統，本發明中第一分光鏡位於光闌和角膜之間，潑拉西多氏盤的出射光經過第二分光鏡和第三分光鏡投射至角膜表面，角膜出射的光經由第四分光鏡反射到角膜地形圖成像系統，角膜地形圖成像物鏡位於第一口匹配系統和監視CCD之間，散光補償系統位於第一口徑匹配系統和光稜鏡之間，分光稜鏡出射的一部分光反射經過第二口徑匹配系統後一部分到達目標物，另一部分照射到夏克-哈特曼波前傳感器，分光稜鏡出射的一部分傳輸到變形鏡，第五分光鏡與目標物之間設有目標物成像物鏡，夏克-哈特曼波前傳感器和變形鏡均和計算機相連。本發明既得到人眼像差和角膜面形的數據，又能對人眼像差進行矯正。
文檔編號A61B3/107GK101248981SQ200810035550
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者任秋實, 周傳清, 江旻珊 申請人:上海交通大學