CN101278867A - 一种反射式人工晶体像差哈特曼测量仪 - Google Patents

Abstract

反射式人工晶体像差哈特曼测量仪主要包括：光源、光束匹配系统、标准球面反射镜、孔径分割元件、光电探测器和计算机，其中孔径分割元件、光电探测器构成哈特曼波前传感器；由光源发出的光被准直为平行光出射，该平行光依次经反射镜和分光镜穿过待测人工晶体，透射光波到达标准球面反射镜，轴向调整标准球面反射镜，使待测人工晶体的后焦点与标准球面反射镜的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿过待测人工晶体，依次经分光镜和光束匹配系统后，被孔径分割元件分割采样并聚焦到光电探测器上形成光斑阵列，采集的光斑数据送入计算机，经处理得到待测人工晶体的像差。本发明结构简单、稳定，为眼科临床人工晶体移植以及个性化人眼像差矫正人工晶体的加工和检测提供方便、快捷和可靠的检测工具。

Description

一种反射式人工晶体像差哈特曼测量仪

技术领域

本发明涉及一种反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，它是眼科临床移植人工晶体时的专用设备，同时也是生产人工晶体的一种高精度设备。

背景技术

目前，人工晶体已广泛应用于高度屈光不正和白内障手术后的光学矫正，但大都只能矫正人眼低阶像差如离焦、像散等。研究表面，人眼光学系统不仅存在低阶像差，还存在高阶像差如彗差、球差等，同时矫正人眼低阶和高阶像差可以获得更佳的视觉质量改善(“VisualPerformance after correcting the monochromatic and chromatic aberrations of the eye”，Geun-YoungYoon and David R.Williams，J.Opt.Soc.Am.A/Vol.19，No.2/February)。因此，单一矫正人眼低阶像差的人工晶体已不能满足人们对人眼屈光矫正的需求，能够矫正人眼高阶像差的人工晶体成为新的研究热点和未来发展的趋势。实现这一目标的基础是人眼高阶像差矫正人工晶体的制作，而人工晶体检测是制作的基础。

由于人眼高阶像差矫正人工晶体不仅矫正人眼低阶像差，同时还要矫正人眼高阶像差，单纯的光焦度检测不能满足对高阶像差矫正人工晶体的检测要求，需要全面客观地测量人工晶体各阶像差(低阶和高阶)。目前，人眼高阶像差矫正人工晶体还是一种新颖的人工晶体，配套技术还在积极研究之中，本发明提出采用哈特曼波前探测技术实现人工晶体像差测量，它不但可以测量人工晶体低阶像差，还可以测量人工晶体高阶像差。

哈特曼波前传感器是一种结构简单、稳定的波前传感器，它将入射光束分割采样并聚焦到光电探测器上，通过数据处理获得入射光波前相位分布。目前，哈特曼波前传感器主要有基于微透镜阵列(“哈特曼波前传感器的应用”，姜文汉，鲜浩，杨泽平等，量子电子学报，15卷2期228-235页，1998年)和基于微棱镜阵列(“Hartmann-Shack Wavefront Sensor Based on aMicro-Grating Array”，Haiying Wang，Haifeng Duan，Changtao Wang，Yudong Zhang，SPIE，Vol.6018，2005)两种形式。哈特曼波前探测技术已广泛用于人眼像差测量、光束质量诊断、光学元件检测等诸多领域。但是，哈特曼波前传感器应用于人工晶体像差测量尚属空白，本发明正是针对这一情况提出的。

发明内容

本发明所提供的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种通用性好，可以对任意屈光度的人工晶体进行像差测量的反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，为眼科临床人工晶体移植以及人工晶体的加工和检测等提供方便、快捷和可靠的检测。

本发明的技术解决方案是：反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，主要包括：光源、光束滤波系统、光束匹配系统、标准球面反射镜、孔径分割元件、光电探测器和计算机，其中孔径分割元件、光电探测器构成哈特曼波前传感器；由光源发出的光经光束滤波系统滤波和准直为平行光后出射，该平行光依次经反射镜和分光镜穿过待测人工晶体，透射光波到达标准球面反射镜，轴向调整标准球面反射镜，使待测人工晶体的后焦点与标准球面反射镜的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿过待测人工晶体，依次经分光镜和光束匹配系统后，被孔径分割元件分割采样并聚焦到光电探测器上形成光斑阵列，光电探测器将采集的光斑数据送入计算机，经计算机处理得到待测人工晶体的像差。

所述的标准球面反射镜可以是标准凹球面反射镜，也可以是标准凸球面反射镜。

所述的孔径分割元件为微透镜阵列，或微棱镜阵列；当孔径分割元件为微透镜阵列时，光电探测器件位于微透镜阵列焦面上；当为微棱镜阵列时，在微棱镜阵列后面还加有傅立叶透镜或成像透镜，傅立叶透镜或成像透镜紧靠微棱镜阵列，光电探测器件位于傅立叶透镜或成像透镜的焦面上。

所述的光束滤波系统由针孔和准直镜构成，光束经针孔滤波，由准直镜准直为平行光出射。

所述的光电探测器既可以是成像相机，也可以是位置敏感器阵列。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用哈特曼波前传感器测量人工晶体，探测光束两次穿过待测人工晶体，通过沿光轴方向前后移动反射镜或固定反射镜，沿光轴方向前后移动其余部分可以方便地实现对人工晶体屈光度进行补偿，将较大的离焦与其余像差分开测量，减小人工晶体像差测量对哈特曼动态范围的要求，仪器通用性好，可以对任意屈光度的人工晶体进行像差测量，为眼科临床人工晶体移植以及人工晶体的加工和检测等提供方便、快捷和可靠的检测。

(2)本发明所采用的沿光轴方向前后移动反射镜或其余部分对人工晶体屈光度进行补偿，补偿量等于人工晶体光焦度大小，因此在获得人工晶体综合像差的同时可以获得晶体屈光度的大小，通用性好。

(3)本发明通过测量哈特曼传感器光斑的位置偏移，由复原算法重构波前像差，相对于干涉仪像差检测方法，本发明对环境要求低，容易实现小口径(人工晶体光学区5mm左右)复杂高阶像差检测，具有结构简单和稳定的优点。

附图说明

图1为本发明基于微透镜哈特曼的人工晶体像差测量原理图；

图2为本发明中基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器结构及工作原理示意图；

图3为本发明基于微棱镜哈特曼的人工晶体像差测量原理图；

图4为本发明中基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器结构及工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明中的孔径分割元件为微透镜阵列的人工晶体像差测量原理图，它包括光源1、光束滤波系统，光束匹配系统8、标准球面反射镜5、孔径分割元件，即微透镜阵列91、光电探测器92和计算机10，其中孔径分割元件91和光电探测器92构成哈特曼波前传感器，光束滤波系统由针孔2和准直镜3构成，光束匹配系统8由两个不同焦距的透镜或反射镜构成的光束匹配望远镜。由光源1发出的光，经针孔2滤波，由准直镜3准直为平行光出射，经反射镜4、分光镜7穿过待测人工晶体6，透射光波到达标准球面反射镜5，轴向调整标准球面反射镜5，使待测人工晶体后焦点与标准球面反射镜的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿过待测人工晶体6，经分光镜7和光束匹配系统8后，被微透镜阵列91分割采样并聚焦到光电探测器92上形成光斑阵列，光电探测器92将采集的光斑数据送入计算机10，经计算机10处理得到待测人工晶体的像差。

如图2所示，基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器主要由微透镜阵列91和光电探测器件92组成，其中光电探测器件92位于微透镜阵列91焦面上。

基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器的工作原理为：入射光束经微透镜阵列91后，在其焦面上形成一个光斑阵列，整个光束孔径被均匀分割。保存标准平面波入射产生的光斑阵列作为标定数据。当具有一定像差的波前入射时，各个微透镜上的局部波前倾斜引起微透镜阵列焦面上的光斑位置发生偏移。

光电探测器件92接收到的光斑信号可通过计算机10进行处理，采用质心算法：由公式①计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$        ①

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到光电探测器件92上对应的像素区域，I_nm是光电探测器件92上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据公式②计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}},$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}$        ②

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。

如图3所示，为本发明中的孔径分割元件为微棱镜阵列的人工晶体像差测量原理图。它包括光源1、光束滤波系统，光束匹配系统8、标准球面反射镜5、孔径分割元件，即微棱镜阵列91’、傅立叶透镜或成像透镜93、光电探测器92和计算机10，其中孔径分割元件91’、傅立叶透镜或成像透镜93和光电探测器92构成哈特曼波前传感器，光束滤波系统由针孔2和准直镜3构成，光束匹配系统8由两个不同焦距的透镜或反射镜构成的光束匹配望远镜。由光源1发出的光，经针孔2滤波，由准直镜3准直为平行光出射，经反射镜4、分光镜7穿过待测人工晶体6，透射光波到达标准球面反射镜5，轴向调整标准球面反射镜5，使待测人工晶体后焦点与标准球面反射镜的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿过待测人工晶体6，经分光镜7和光束匹配系统8后，被微棱镜阵列91’，傅立叶透镜或成像透镜93后被分割采样并聚焦到光电探测器92上形成光斑阵列，采集光斑数据送入计算机10，经处理得到待测人工晶体的像差。

如图4所示，基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器主要由锯齿形相位光栅结构的微棱镜阵列91’、傅立叶透镜93和光电探测器件92组成，其中傅立叶透镜93紧靠微棱镜阵列91’，光电探测器件92位于傅立叶透镜93的焦面上。

基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器的工作原理为：入射光束经微棱镜阵列91’后，各个子孔径的光束分别产生了相应的相位变化，通过紧贴其后的傅立叶透镜或成像透镜93成像，由位于傅立叶透镜或成像透镜93焦面上的光电探测器件92探测其光强分布，该光强分布包含着二维锯齿形相位光栅阵列所产生的相位信息，每个子孔径所产生的相位变化不同，因而在傅立叶透镜或成像透镜93焦面上形成一个光斑阵列，整个光束孔径被均匀分割。标准平面波入射产生的光斑阵列将被保存起来作为标定数据。当具有一定像差的波前入射时，各个局部倾斜平面波对其子孔径内二维锯齿形相位光栅产生新的附加相位，该相位变化将反映到傅立叶透镜或成像透镜93焦面的光斑位置偏移上。

光电探测器件92接收到的光斑信号可通过计算机10进行处理，处理方式与前面所述的基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器相同。采用质心算法：由公式①计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$              ①

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到光电探测器件92上对应的像素区域，I_nm是光电探测器件92上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据公式②计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}},$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}$              ②

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。

Claims (7)

1、反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，其特征在于主要包括：光源、光束滤波系统、光束匹配系统、标准球面反射镜、孔径分割元件、光电探测器和计算机，其中孔径分割元件、光电探测器构成哈特曼波前传感器；由光源发出的光经光束滤波系统滤波和准直为平行光后出射，该平行光依次经反射镜和分光镜穿过待测人工晶体，透射光波到达标准球面反射镜，轴向调整标准球面反射镜，使待测人工晶体的后焦点与标准球面反射镜的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿过待测人工晶体，依次经分光镜和光束匹配系统后，被孔径分割元件分割采样并聚焦到光电探测器上形成光斑阵列，光电探测器将采集的光斑数据送入计算机，经计算机处理得到待测人工晶体的像差。

2、根据权利要求1所述的反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，其特征在于：所述的标准球面反射镜为标准凹球面反射镜，或标准凸球面反射镜。

3、根据权利要求1所述的反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，其特征在于：所述的孔径分割元件为微透镜阵列，或微棱镜阵列；当孔径分割元件为微透镜阵列时，光电探测器件位于微透镜阵列焦面上；当为微棱镜阵列时，在微棱镜阵列后面还加有傅立叶透镜或成像透镜，傅立叶透镜或成像透镜紧靠微棱镜阵列，光电探测器件位于傅立叶透镜或成像透镜的焦面上。

4、根据权利要求1所述的反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，其特征在于：所述的光电探测器为成像相机，或位置敏感器阵列。

5、根据权利要求1所述的反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，其特征在于：所述的光束滤波系统由针孔和准直镜构成，光束经针孔滤波，由准直镜准直为平行光出射。

6、根据权利要求1所述的反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，其特征在于：所述的光束匹配系统由两个不同焦距的透镜或反射镜构成的光束匹配望远镜。

7、根据权利要求1所述的反射式人工晶体像差哈特曼测量仪，其特征在于：所述的光源是激光器、或半导体激光器、或超辐射半导体器件。

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