專利名稱：用于人眼測(cè)量的混合變焦距光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)成像系統(tǒng)，涉及到一種對(duì)哈特曼波前傳感器測(cè)量手段的改進(jìn)，特別是涉及到哈特曼波前傳感器中折/衍混合變焦距系統(tǒng)來(lái)矯正遠(yuǎn)視、近視眼的光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
人眼的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)由非球面和梯度折射率變化的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，為了測(cè)量人眼的波像差，近些年國(guó)外利用哈特曼傳感器采用的是通過(guò)測(cè)量波前斜率，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)牟ㄇ爸貥?gòu)算法來(lái)完成波前測(cè)量，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，由于研究采用的是單色光，所以只涉及單色像差；使用白光對(duì)人眼進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)矯正高級(jí)像差后的人眼高空間頻率物的反差靈敏度函數(shù)(CSF)只能提高2倍，這是由于使用白光時(shí)，存在的波色差阻礙了人眼視力的提高。顯然如果同時(shí)矯正單色像差和波色差，人眼視覺(jué)將會(huì)得到更好的改善，因此測(cè)量不同波長(zhǎng)下的人眼波像差亦具有極為重要的意義。而目前用哈特曼傳感器對(duì)人眼波像差的研究均基于單色波長(zhǎng)和測(cè)量正常人眼，結(jié)構(gòu)在于由激光器發(fā)出的單色光經(jīng)微透鏡陣列及半反半透鏡平行入射到人眼到達(dá)視網(wǎng)膜后，再按原路返回到達(dá)半反半透鏡后反射到CCD相機(jī)得到人眼視網(wǎng)膜的圖像?；诒尘凹夹g(shù)哈特曼傳感器的這種結(jié)構(gòu)，它不能測(cè)量人眼波色差和遠(yuǎn)視眼和近視眼等普通個(gè)體人眼。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是解決背景技術(shù)中用哈特曼傳感器不能測(cè)量人眼波色差和遠(yuǎn)視眼和近視眼等問(wèn)題，本實(shí)用新型將要提供一種復(fù)消波色差的變焦系統(tǒng)，采用多色光源，可用來(lái)測(cè)量普通個(gè)體人眼的波色差?；谏鲜鲂枰?，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種用于可在不同波長(zhǎng)下用于人眼測(cè)量的混合變焦距光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案包括哈特曼傳感器、變焦系統(tǒng)、待測(cè)人眼，其中哈特曼傳感器包括探測(cè)器、激光器、微透鏡陣列、反射鏡、半透半反鏡；變焦系統(tǒng)包括第一折射透鏡、第二折射透鏡、二元衍射面；本實(shí)用新型變焦系統(tǒng)位于待測(cè)人眼和哈特曼傳感器之間并且三者處于同一光軸；二元衍射面刻蝕在第一折射透鏡或者第二折射透鏡中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡和第二折射透鏡的位置可以互換；第一折射透鏡、第二折射透鏡、二元衍射面在系統(tǒng)光軸上垂直放置或傾斜放置。
本實(shí)用新型工作時(shí)，當(dāng)激光束聚焦在人眼視網(wǎng)膜上形成像點(diǎn)，該像點(diǎn)經(jīng)過(guò)人眼屈光介質(zhì)反射出的光束由微透鏡陣列成像，該微透鏡陣列將入射波前分割成子波前陣列，通過(guò)測(cè)量各個(gè)子波前的相位斜率，經(jīng)波前重構(gòu)算法重構(gòu)出實(shí)際波前，從而可以得到人眼的各種像差。由于不同的非正常視力的人眼存在不同程度的離焦(近視或遠(yuǎn)視)，這將導(dǎo)致從光源出射的平行光束不能成像在視網(wǎng)膜上，從而使反射到微透鏡陣列上的光強(qiáng)變?nèi)?，信噪比降低，不能?zhǔn)確地得到待測(cè)波前信息。本實(shí)用新型通過(guò)調(diào)焦系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償不同個(gè)體人眼存在的離焦，便可使入射光束在視網(wǎng)膜上聚焦成像，從而對(duì)不同的個(gè)體眼，均可獲得到較高的信噪比，同時(shí)由變焦系統(tǒng)可以得到待測(cè)人眼被補(bǔ)償?shù)碾x焦量。因此本實(shí)用新型可用于哈特曼傳感器精確測(cè)量個(gè)體人眼波像差。
本實(shí)用新型的積極效果本實(shí)用新型根據(jù)哈特曼波前傳感器測(cè)量不同波長(zhǎng)下人眼波像差的需要，設(shè)計(jì)了由兩片折射透鏡和一個(gè)二元衍射面構(gòu)成折/衍混合多色變焦系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)中采用的二元衍射面因?yàn)槠洫?dú)特的色散特性，已表現(xiàn)出折射元件不可替代的優(yōu)勢(shì)。二元衍射面具有大的負(fù)向色散特性，可同折射元件組合構(gòu)成消色差系統(tǒng)；而且二元衍射面是直接制作在折射透鏡上的浮雕結(jié)構(gòu)，可有效地簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕重量。解決了背景技術(shù)不能測(cè)量人眼波色差和遠(yuǎn)視眼和近視眼等普通個(gè)體人眼的問(wèn)題。該系統(tǒng)置于哈特曼傳感器和人眼之間，在對(duì)有不同程度的近視或遠(yuǎn)視的非正常眼進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通過(guò)該系統(tǒng)的調(diào)焦，使測(cè)試光束均能聚焦在視網(wǎng)膜上，再原路返回到半反半透鏡上再反射到CCD上獲得人眼信息，從而對(duì)不同的個(gè)體眼，均可獲得較高的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)包括近視眼、遠(yuǎn)視眼、正常眼在內(nèi)的波像差的測(cè)量。焦長(zhǎng)調(diào)整范圍為-200mm-200mm，可用于離焦在-500度到+500度范圍內(nèi)的非正常眼。準(zhǔn)直情況下，系統(tǒng)性能達(dá)到衍射受限；在0.488μm-0.655μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，焦點(diǎn)的色位移小于3μm。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，性能良好，可以很好地同哈特曼波前傳感器相匹配。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖圖(2a)是本實(shí)用新型變焦系統(tǒng)的準(zhǔn)直狀態(tài)示意圖圖(2b)是本實(shí)用新型變焦系統(tǒng)的焦距為-200mm時(shí)的發(fā)散狀態(tài)示意圖圖(2c)是本實(shí)用新型變焦系統(tǒng)焦距為+200mm時(shí)的會(huì)聚狀態(tài)示意圖圖3是本實(shí)用新型變焦系統(tǒng)的焦點(diǎn)色位移示意圖圖4是本實(shí)用新型的準(zhǔn)直系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線圖5是本實(shí)用新型的二元衍射面的線頻率(a)和相位(b)隨元件徑向坐標(biāo)的變化具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施作進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型如圖1包括哈特曼傳感器1、變焦系統(tǒng)7、待測(cè)人眼11，其中哈特曼傳感器1包括探測(cè)器2、激光器3、微透鏡陣列4、反射鏡5、半透半反鏡6；變焦系統(tǒng)7包括第一折射透鏡8、第二折射透鏡9、二元衍射面10。探測(cè)器2采用CCD探測(cè)器。激光器3采用氦氖激光器。微透鏡陣列4采用玻璃制成。反射鏡5采用鍍銀平面鏡。半透半反鏡6采用平板玻璃上鍍制半反半透膜。第一折射透鏡8和第二折射透鏡9的材料一般由K9玻璃制成，或者由TF1、TF2、TF3、TF4、TF5、TF6、K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8等組成單色變焦系統(tǒng)。變焦系統(tǒng)中的第一折射透鏡8、第二折射透鏡9、二元衍射面10在光軸上既可以垂直放置也可以傾斜放置，放置的其角度可選擇在85度-95度，例如選擇85度、88度、90度、92度、95度等。二元衍射面10刻蝕在第一折射透鏡8或者第二折射透鏡9中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡8和第二折射透鏡9的位置可以互換。
根據(jù)哈特曼傳感器的光束口徑來(lái)設(shè)計(jì)變焦系統(tǒng)的入射光束口徑；一般人眼在暗視覺(jué)時(shí)的光瞳約為8mm左右，因此設(shè)計(jì)該變焦系統(tǒng)的出射光束口徑最大為8mm，以確保從人眼視網(wǎng)膜反射的光束可同哈特曼傳感器內(nèi)的微透鏡陣列相匹配；波長(zhǎng)選取0.488μm，0.514μm，0.655μm；為滿足-500度到+500度的人眼視力調(diào)整范圍，焦長(zhǎng)變化范圍應(yīng)在-200mm-200mm。
為縮小變焦系統(tǒng)7的長(zhǎng)度，第一折射透鏡8選用負(fù)透鏡。為確保在變焦過(guò)程中系統(tǒng)出射光束口徑最大為8mm，在準(zhǔn)直光路情況下，合理設(shè)定第一折射透鏡8與第二折射透鏡9之間的間隔，使出射光束口徑約為6.5mm。設(shè)計(jì)中加入理想虛擬透鏡，優(yōu)化各面曲率校正球差。若將僅由兩片折射透鏡構(gòu)成的變焦系統(tǒng)用于多色情況，則存在較大的色差和色球差，二元衍射面具有大的負(fù)向色散特性，可同折射元件組合構(gòu)成消色差系統(tǒng)，如圖3所示。
優(yōu)化后系統(tǒng)的變焦結(jié)構(gòu)如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示，第二折射透鏡9的前表面為二元衍射面，變焦系統(tǒng)7長(zhǎng)為60mm，焦長(zhǎng)從-200mm到200mm范圍內(nèi)變化時(shí)，第二折射透鏡9移動(dòng)距離為32mm。其中圖2(a)是光束準(zhǔn)直出射時(shí)的結(jié)構(gòu)，圖2(b)、圖2(c)分別表示焦距為-200mm和+200mm時(shí)的結(jié)構(gòu)。光束準(zhǔn)直情況下的焦點(diǎn)色位移情況如圖3所示，曲線變?yōu)閽佄镄?，最大焦移?μm；圖4給出了準(zhǔn)直系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)特性曲線，可知變焦系統(tǒng)為衍射受限。
根據(jù)圖5給出了二元衍射面的面型參數(shù)曲線可以制作二元衍射面，其中曲線a表示線頻率隨元件徑向坐標(biāo)的變化，曲線b表示相位隨元件徑向坐標(biāo)的變化。由曲線a可知，在孔徑邊緣處的線頻率為1.84periods/mm，對(duì)應(yīng)最小線寬為543μm。當(dāng)選擇每周期的刻蝕臺(tái)階數(shù)為8時(shí)，對(duì)應(yīng)衍射效率為95％，此時(shí)二元面的最小特征尺寸為67.9μm。
哈特曼傳感器1包括探測(cè)器2、激光器3、微透鏡陣列4、反射鏡5、半透半反鏡6置于金屬或者其它承重材料制成的殼體內(nèi)組裝成子系統(tǒng)。第一折射透鏡8、第二折射透鏡9、二元衍射面10組成的變焦系統(tǒng)組成一個(gè)筒狀結(jié)構(gòu)與上述子系統(tǒng)對(duì)接，從而形成用于人眼測(cè)量的混合變焦距光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.用于人眼測(cè)量的混合變焦距光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括哈特曼傳感器(1)探測(cè)器(2)、激光器(3)、微透鏡陣列(4)、反射鏡(5)、半透半反鏡(6)和待測(cè)人眼(11)，其特征在于還包括變焦系統(tǒng)(7)第一折射透鏡(8)、第二折射透鏡(9)、二元衍射面(10)，變焦系統(tǒng)(7)位于待測(cè)人眼(11)和哈特曼傳感器(1)之間并且三者處于同一光軸；二元衍射面(10)刻蝕在第一折射透鏡(8)或者第二折射透鏡(9)中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡(8)和第二折射透鏡(9)的位置可以互換；第一折射透鏡(8)、第二折射透鏡(9)、二元衍射面(10)在系統(tǒng)光軸上垂直放置或傾斜放置。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于人眼測(cè)量的混合變焦距光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。包括哈特曼波前傳感器1、探測(cè)器2、激光器3、微透鏡陣列4、反射鏡5、半透半反鏡6、變焦系統(tǒng)7、第一、第二折射透鏡8、9、二元衍射面10、待測(cè)人眼11，變焦系統(tǒng)位于待測(cè)人眼和哈特曼傳感器之間并處于同一光軸；二元衍射面刻蝕在第一折射透鏡或者第二折射透鏡中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡和第二折射透鏡的位置可以互換；第一折射透鏡、第二折射透鏡、二元衍射面在系統(tǒng)光軸上垂直或傾斜放置。用變焦系統(tǒng)的調(diào)焦和二元衍射面的負(fù)向色散特性，解決哈特曼傳感器不能測(cè)量人眼波色差和遠(yuǎn)視眼和近視眼等問(wèn)題。
文檔編號(hào)A61B3/10GK2751745SQ200320112748
公開(kāi)日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者孫強(qiáng), 盧振武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所