CN105496349B - 哈特曼人眼色差测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种哈特曼人眼色差测量系统，多波长信标发出的光，经准直镜、合束镜、光阑、分光镜、进入人眼瞳孔；从眼底漫反射的后向散射光通过瞳孔，经过分光镜、调焦系统、口径匹配系统、滤波器，各波长光分别进入相应的哈特曼波前传感器，哈特曼波前传感器的CCD将采集到的波前数据传输到计算机。计算机根据测得的波前数据，将其转换为泽尼克多项式，通过各波长的泽尼克多项式系数第四项离焦项计算人眼轴向色差；通过哈特曼波前传感器的每一个微透(或棱)镜阵列的各波长位置偏差，计算对应人眼瞳孔位置的局部横向色差。本发明实现了在同时测量人眼横向色差与轴向色差的前提下，避免了人眼微快速扫视等视网膜抖动和动态像差对色差数据的影响。

Description

哈特曼人眼色差测量系统

技术领域

本发明涉及人眼色差测量的技术领域，具体涉及一种哈特曼人眼色差测量系统。

背景技术

人类的眼睛结构复杂，它的成像系统主要由角膜、前房、虹膜、晶状体和玻璃体组成。每一部分的屈光程度不一样，而大多数情况我们希望研究的眼底视网膜却在人眼的成像系统之后。多波长光经过这一透光系统进入眼底视网膜的过程，必然伴随色差的产生，有研究表明，角膜的不规则是横向色差产生的主要原因。换言之，无论是希望进行多波长的眼底视网膜成像，还是白内障复明手术所需要的人工晶体(IOL)眼的评价，还有其他术前、术后眼的色差评估都可能要对人眼色差进行测量、校正和补偿。因此，研究人眼色差的测量有极其重大的意义，是视网膜成像质量提高和白内障患者在可见光下清晰视物的重要前提。

由几何光学的知识，可以将人眼色差可以分为轴向色差和横向色差。轴向色差(Longitudinal or Axial Chromatic Aberration)简称LCA，描述两种色光对轴上物点成像位置的差异，造成视网膜成像的离焦；横向色差(Transverse or Lateral ChromaticAberration)简称TCA，主要是由人眼光学系统本身色散性质造成，在视网膜成像中表现为图像放大率的不同和空间位移的改变(见图1)。

若将人眼由角膜、前房、虹膜、晶状体和玻璃体组成的成像系统，看成一个透镜组合系统，又由于物方为实物，物方色差为0，可以定义轴上色差为(几何光学、像差、光学设计，李晓彤，岑兆丰，范世福，2012年12月第二版)：

其中ΣC₁为初级轴上色差系数，也定义为第一色差和数；n′_k为不同组成部分的折射率，u_k则为每一部分的视场角。

类似的，横向色差可以定义为：

其中ΣC_Π为初级横向色差系数，也定义为第二色差和数。从横向色差的公式可以看出，初级横向色差仅与视场的一次方成比例，表明光学系统在视场不大时，就会有横向色差的有害影响。

单色球面波(或平面波)经过光学系统后，将由于像差而发生变形。如果物方球面波时复色的，那么各色波面经系统后，将因各自像差的不同而又不同程度的变形。而不同波长的两光波面间的偏离量，可用来表征色差，称之为波色差。按照习惯，轴向色差一般用光焦度作为单位，而横向色差则采用角度作为单位。

从二十世纪40年代开始，已经有人开展了人眼色差测量的研究，George Wald等人采用光谱细孔屈光镜测量得到14只人眼在365nm至750nm波段的LCA为3.2D(George Wald,Donald R,Griffin.May 1947,Vol.37,No.5：321～336)。一直到今天，色差测量的研究从未停止过，色差测量的方法可分为直接测量法和间接测量法，其中直接测量法由主观测量发展为更为准确、快捷的客观测量，而间接测量法则通过软件建立模拟人眼进行仿真研究。

若按照色差种类划分，也就是分为轴向色差和横向色差。轴向色差随着哈特曼人眼像差技术的发展实现了测量，通过将不同波长光的泽尼克多项式第四离焦项系数相减可得轴向色差。

2008年，Silvestre Manzanera等人采用哈特曼波前传感器对人眼LCA进行了客观测量。(A wavelength tunable wavefront sensor for the human eye.SilvestreManzanera,Carmen Canovas,Pedro M.Prieto.et al.OPTICS EXPRESS.26May2008.Vol.16,No.11：7748～7755)该方法具体采用了一个Xe白光灯和一个用于波长选择的干涉滤波器作为光源，一台哈特曼波前传感器用于人眼波前信息的采集，再采用一个可动变焦模块适应波长改变焦距的调整。该研究方法没有实现人眼横向色差的测量。

对于横向色差的测量，1987年，Youmay U.Ogboso和Harold E.Bedell通过双色视标法从主观上测量横向色差(Magnitude of lateral chromatic aberration across theretina of the human eye.Youmay U.Ogboso,Harold E.Bedell.Optical Society ofAmerica.1987.August.Vol.4,No.8.1666～1672)。2012年，Wolf M.Harmening通过不同波长光的眼底成像图之间的偏移量，客观测量横向色差，并与主观方法做了比较，验证了准确性。(Measurement and correction of transverse chromatic offsets for multi-wavelength retinal microscopy in the living eye.Wolf M.Harmening,PavanTiruveedhula,Austin Roorda.BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS.2012september.Vol.3,No.9.2066～2077)2013年，饶丰等人在其专利(基于哈特曼传感器的人眼色差测量装置，授权公告号：CN103230254A)中提出了另一种采用哈特曼测量人眼色差的方法，可分时测量人眼的横向色差与轴向色差。该方法采用交替发光的单色光光源，通过一台哈特曼波前传感器分时测量每一波长的波前信息，再通过计算得到人眼的色差。该方法有不足之处：

1、在实际的哈特曼单色相差测量中，固视状态下，活体人眼自身不可避免的有震颤tremor、微快速扫视microsaccade、和偏移drift的存在(Ralf Engbert,ReinholdKliegl.Vision Research.432003：1035–1045)，这些视网膜抖动使得瞳孔对应的微透(或棱)镜上光线发生变化，有可能影响横向色差的准确性，必须予以考虑。

在这些固视视网膜抖动中，不规则的、高频率(50～100Hz)的震颤幅度极小，约为视锥细胞直径大小，仅约20秒视角；微快速扫视速度约每秒几分视角；由大量震颤运动构成的偏移可达6分视角，是缓慢的曲线运动。可知微快速扫视是造成视网膜抖动的主要原因。与此同时，人眼内在的像差的动态变化也给测量带来影响。

2、由于哈特曼的量程限制，对于屈光不正的人眼可能无法实现完美的视网膜聚焦，造成测量结果不准确。

发明内容

本发明克服了目前哈特曼色差测量系统的不足，提供一种基于哈特曼波前传感器的人眼色差测量系统，是一种人眼横向色差与轴向色差可同时测量的光学仪器，旨在实现准确的人眼两种色差(横向色差、轴向色差)的测量，从而为眼底成像诊断眼科疾病和病眼治疗提供了更为可靠的数据。通过三个哈特曼波前传感器对三波长光进行同时数据采集，避免了视网膜抖动和人眼像差随时间动态变化造成的误差，简化了实验；可通过在人眼前加入试镜片trial，对屈光不正的被测人眼进行预校正，并在系统中加入离焦补偿系统进行补偿。

本发明采用的技术方案是：哈特曼人眼色差测量系统，包括可预调焦的可见光或近红外光信标，光阑，第一分光镜，活体人眼，调焦系统，第二分光镜，口径匹配系统，第一滤波器，第二滤波器，第二反射镜，三个哈特曼波前传感器，观察目标系统和计算机组成；可预调焦的可见光或近红外光信标包括第一波长信标，第二波长信标，第三波长信标，第一反射镜，第一合束镜和第二合束镜；三个哈特曼波前传感器为第一哈特曼波前传感器，第二哈特曼波前传感器和第三哈特曼波前传感器；

可见光或近红外光三波长信标的第一波长信标发出信标光，信标光预先准直后，经第一反射镜反射后再经第一合束镜透射到达第二合束镜后被第二合束镜反射，可见光或近红外光三波长信标的第二波长信标发出信标光，信标光预先准直后，经第一合束镜反射后到达第二合束镜后被第二合束镜反射，可见光或近红外光三波长信标的第三波长信标发出信标光，信标光预先准直后，经第二合束镜透射，该第二合束镜将三束光波汇聚成一束不相干的离散光，经光阑、第一分光镜反射进入人眼瞳孔；人眼眼底视网膜漫反射的后向散射光，通过第一分光镜、调焦系统、第二分光镜，经口径匹配系统，第一滤波器选择出第一波长光透射进入第一哈特曼波前传感器，同理，由第一滤波器反射的剩余的两束光，经第二滤波器选择出第二波长光反射到第二哈特曼波前传感器，最后一束光透过第二滤波器由第二反射镜反射，进入第三哈特曼波前传感器，三个哈特曼波前传感器将采集到的光斑图像送至计算机，计算机根据测得的三波长人眼波相差经控制软件转化为泽尼克多项式，通过各波长泽尼克多项式系数第四项(即离焦)之差计算人眼轴向色差；通过各波长在相应哈特曼波前传感器的每一微透镜或棱镜或某几个微透镜或棱镜区域的位置偏差，计算对应瞳孔位置的局部横向色差；

通过改变观察目标系统的位置，让人眼主动进行眼球的转动，从而改变视轴与测量轴的角度，用于测量不同视轴角度下的人眼色差；通过前后移动调焦系统，配合观察目标系统进行测量前的调焦。

其中，所述的可见光或近红外光三波长信标是考虑多个离散波长组合的叠加效应，同时入射人眼，满足人眼安全剂量，可以是可见光、近红外激光器，或可见光、近红外半导体激光器，或可见光、近红外超辐射半导体器件。

其中，所述的三个哈特曼波前传感器实现同时采集不同波长的波前数据。

其中，所述的局部横向色差测量，可以通过增减微透镜或棱镜阵列的单元数或者选择某几个临近的微透镜或棱镜来缩小或扩大每次测量的瞳孔局部范围。

其中，所述的三个哈特曼波前传感器均是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，或基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器。

其中，所述调焦系统可以是一个双透镜4F系统、Badal调焦系统，用于补偿系统无法测量的较大离焦。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

1、本发明实现了人眼轴向色差与横向色差的同时测量，且为客观测量法，不需要被测量者接受训练；

2、本发明采用三台哈特曼同时测量不同波长的人眼波像差，克服了微快速扫视、人眼像差波动带来的实验误差，即避免了时间因素带来的误差。

3、本发明有调焦系统，可以补偿哈特曼无法测量的较大离焦。

附图说明

图1为几何光学概念上的轴向色差与横向色差示意图；

图中虚线和实线分别表示不同波长的两色光，左上图为像空间的轴向色差，右上图为物空间的轴向色差，左下图为某一瞳孔位置像空间的横向色差，右下图为某一瞳孔位置物空间的横向色差；

图2为三台哈特曼人眼色差测量系统结构示意图；

图中1、3、5为可预调焦的可见或近红外光三波长信标的第一波长信标、第二波长信标、第三波长信标，2为第一反射镜，4为第一合束镜，6为第二合束镜，7为光阑，8为第一分光镜，9为活体人眼，10为调焦系统，11为第二分光镜，12为口径匹配系统，13为第一滤波器，15为第二滤波器，17为第二反射镜，14、16、18为三个哈特曼波前传感器，即第一哈特曼波前传感器14，第二哈特曼波前传感器16，第三哈特曼波前传感器18，19为观察目标系统和20为计算机；

图3为哈特曼波前传感器微透镜阵列，某一微小透镜的光束汇聚到CCD面示意图；

图中实线和虚线分别表示波长不同的两束光，实心点与空心点分别对应实线和虚线的光，左图为两束不同波长光在Y方向上的偏差，右图为左视图，可见两束不同波长光在X，Y方向上的偏差。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图2所示，本发明一种哈特曼人眼色差测量系统包括可预调焦的可见光或近红外光信标，光阑7，第一分光镜8，活体人眼9，调焦系统10，第二分光镜11，口径匹配系统12，第一滤波器13，第二滤波器15，第二反射镜17，三个哈特曼波前传感器14、16、18，观察目标系统19和计算机20。可预调焦的可见光或近红外光信标包括第一波长信标1，第二波长信标3，第三波长信标5，第一反射镜2，第一合束镜4和第二合束镜6，其中可见或近红外光信标可以是激光器laser、半导体激光器laser diode和超辐射半导体器件super luminescentdiode—SLD；第一、第二、第三哈特曼波前传感器14、16、18可以是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，或是基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器；合束镜、滤波器可以是热镜、冷镜或者二向色滤波器；分光镜可以是玻璃分光镜、薄膜分光镜；调焦系统可以是一个双透镜4F系统、Badal调焦系统。

本实例的哈特曼人眼色差测量系统工作过程如下：可见或近红外三波长信标的第一波长信标1、第二波长信标3、第三波长信标5发出信标光，信标光预先准直后，经第一反射镜2，第一合束镜4，第二合束镜6，将三束光波汇聚成一束不相干的离散光，经光阑7、第一分光镜8反射进入人眼9瞳孔；人眼9眼底视网膜漫反射的后向散射光，通过第一分光镜8、调焦系统10、第二分光镜11，经口径匹配系统12，由第一滤波器13选择出第一波长光透射进入第一哈特曼14，同理，由第一滤波器13反射的剩余的两束光，经第二滤波器15选择出第二波长光反射到第二哈特曼16，最后一束光透过第二滤波器15由第二反射镜17反射，进入第三哈特曼18，三台哈特曼将采集到的光斑图像送至计算机20，计算机20根据测得的三波长人眼波相差经控制软件转化为泽尼克多项式，通过各波长泽尼克多项式系数第四项(离焦)之差计算人眼轴向色差；通过各波长在相应哈特曼波前传感器的每一微透镜(或棱镜)或某几个微透镜(或棱镜)区域的位置偏差，计算对应瞳孔位置的横向色差。通过改变观察目标系统19的位置，让人眼9主动进行眼球的转动，从而改变视轴与测量轴的角度，用于测量不同视轴角度下人眼9的色差；通过前后移动调焦系统10，配合观察目标系统19进行测量前的调焦。

被测波前为圆域波前时，通常可采用一组泽尼克多项式来描述：

式中，为哈特曼波前传感器的入射光波前(即包含人眼像差信息的反射光波前)，a₀为平均位相波面；a_k为第k项泽尼克多项式系数；Z_k为第k项泽尼克多项式。

泽尼克多项式是一组在圆域上正交的多项式，它在单位圆上定义为：

其中，

θ表示单位圆不同角度，m和n分别为角向频率和径向频率，它们恒为整数并且满足：

m≤n，n-|m|＝even(4)

第一、第二、第三哈特曼波前传感器14、16、18可以是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，也可以是基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器，两者的区别主要在采集波前信息的方式，但对采集到的波前信息的处理过程是一致的(如图2)。在微棱镜或微透镜阵列焦平面采集到的光斑偏移信息，通过计算机的处理，采用质心算法，假设光斑的位置为(x_i，y_i)，则探测到的全孔径的波面误差信息可表示为：

式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到CCD光敏靶面上对应的像素区域，M和N分别为子孔径映射到光敏靶面上对应区域的横向和纵向像素数，I_nm是CCD光敏靶面上第(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。

再根据以下公式计算入射波前的波前斜率G_x，G_y：

式中，s为子孔径面积；Φ(x,y)为入射光束波前相位；f为微透镜焦距。

像差波前转换为可用于计算的泽尼克多项式，一个完整的波前Φ(x,y)可以用泽尼克多项式(1)来描述。子孔径内的斜率数据与泽尼克多项式系数的关系为：

其中ε_x、ε_y为波前相位测量误差，n为模式阶数，Z_xk(i)和Z_yk(i)是第k项泽尼克多项式在第i子孔径内的平均斜率，S_i为子孔径的归一化面积。m个子孔径斜率n项泽尼克系数的关系用矩阵表示为：

记为：

G＝DA+ε (11)

对于任意的2m和n，上述方程的最小二乘和最小范数解可用广义逆D⁺表示：

A＝D⁺G (12)

此时得到泽尼克系数A。

泽尼克系数A用C_n表示，其中n表示泽尼克系数第n项。

通过波前拟合出的不同波长的波平面之差，可以得到不同波长间的波色差。

通过泽尼克系数A求解轴向色差的过程如下：

Y方向和X方向散光项C₃、C₅，可计算散光的角度：

通过计算两个中间变量B和E，其中C₄为离焦项：

or

通过(11)、(12)计算以屈光度为单位的两波长λ1、λ2的轴向色差，其中R为瞳孔半径,为λ1的E中间变量，为λ2的E中间变量：

通过微透镜或棱镜阵列的每一微透镜或棱镜或某几个微透镜或棱镜区域中各波长的偏离量求解横向色差过程如下(以下以某一微透镜为例)：

已知某一微透镜阵列的每一个微透镜的半径为r，焦距为f，波长λ1汇聚于该微透镜区域(x₁，y₁)，波长λ2汇聚于(x₂，y₂)，两波长汇聚点在X方向距离为Δx，在Y方向距离为Δy，则可以得到该微透镜对应于人眼瞳孔位置的在X、Y两个方向上的局部横向色差β_y、β_x为：

Claims (5)

1.哈特曼人眼色差测量系统，其特征在于：包括可预调焦的可见光或近红外光信标，光阑(7)，第一分光镜(8)，活体人眼(9)，调焦系统(10)，第二分光镜(11)，口径匹配系统(12)，第一滤波器(13)，第二滤波器(15)，第二反射镜(17)，三个哈特曼波前传感器(14、16、18)，观察目标系统(19)和计算机(20)；可预调焦的可见光或近红外光信标包括第一波长信标(1)，第二波长信标(3)，第三波长信标(5)，第一反射镜(2)，第一合束镜(4)和第二合束镜(6)；三个哈特曼波前传感器(14、16、18)为第一哈特曼波前传感器(14)，第二哈特曼波前传感器(16)和第三哈特曼波前传感器(18)；

可见光或近红外光三波长信标的第一波长信标(1)发出信标光，信标光预先准直后，经第一反射镜(2)反射后再经第一合束镜(4)透射到达第二合束镜(6)后被第二合束镜(6)反射，可见光或近红外光三波长信标的第二波长信标(3)发出信标光，信标光预先准直后，经第一合束镜(4)反射后到达第二合束镜(6)后被第二合束镜(6)反射，可见光或近红外光三波长信标的第三波长信标(5)发出信标光，信标光预先准直后，经第二合束镜(6)透射，该第二合束镜(6)将三束光波汇聚成一束不相干的离散光，经光阑(7)、第一分光镜(8)反射进入人眼(9)瞳孔；人眼(9)眼底视网膜漫反射的后向散射光，通过第一分光镜(8)、调焦系统(10)、第二分光镜(11)，经口径匹配系统(12)，第一滤波器(13)选择出第一波长光透射进入第一哈特曼波前传感器(14)，同理，由第一滤波器(13)反射的剩余的两束光，经第二滤波器(15)选择出第二波长光反射到第二哈特曼波前传感器(16)，最后一束光透过第二滤波器(15)由第二反射镜(17)反射，进入第三哈特曼波前传感器(18)，三个哈特曼波前传感器(14、16、18)将采集到的光斑图像送至计算机(20)，计算机(20)根据测得的三波长人眼波相差经控制软件转化为泽尼克多项式，通过各波长泽尼克多项式系数第四项之差计算人眼轴向色差；通过各波长在相应哈特曼波前传感器的每一微透镜或棱镜或某几个微透镜或棱镜区域的位置偏差，计算对应瞳孔位置的局部横向色差；

通过改变观察目标系统(19)的位置，让人眼(9)主动进行眼球的转动，从而改变视轴与测量轴的角度，用于测量不同视轴角度下的人眼(9)色差；通过前后移动调焦系统(10)，配合观察目标系统(19)进行测量前的调焦。

2.根据权利要求1所述的哈特曼人眼色差测量系统，其特征在于：所述的三波长信标(1、3、5)是考虑多个离散波长组合的叠加效应，同时入射人眼，满足人眼安全剂量，可以是可见光、近红外激光器。

3.根据权利要求1所述的哈特曼人眼色差测量系统，其特征在于：所述的三个哈特曼波前传感器(14、16、18)实现同时采集不同波长的波前数据。

4.根据权利要求1所述的哈特曼人眼色差测量系统，其特征在于：所述的局部横向色差测量，可以通过增减微透镜或棱镜阵列的单元数或者选择某几个临近的微透镜或棱镜来缩小或扩大每次测量的瞳孔局部范围。

5.根据权利要求1所述的哈特曼人眼色差测量系统，其特征在于：所述的三个哈特曼波前传感器(14、16、18)均是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，或基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器。