專利名稱：人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，是一種用于個性化人眼高階像差手術矯正術前、或個性化人眼高階像差隱形眼鏡配置前，仿真人眼術后、或隱形眼鏡配置后視覺效果的光學儀器。
背景技術：
自上世紀70年代前蘇聯(lián)科學家發(fā)明放射狀角膜切開術(RadialKeratotomy-RK)矯正視力以來，隨著激光技術、光電技術的進步，90年代出現(xiàn)了準分子激光角膜削融術(Photorefractive Keratertomy-PRK)，90年代后期發(fā)展起來的準分子激光原位角膜磨鑲術(Laser in SituKeratomileusis-LASIK)，近年來這些技術都已經(jīng)發(fā)展成為了門診手術。這些手術通過手術刀、激光切削角膜組織、改變角膜表面的曲率使平行光線重新聚焦在視網(wǎng)膜上，從而達到屈光矯正的目的。
隨著人眼波像差精確測量技術的出現(xiàn)，波像差引導的“個性化”角膜屈光手術成為了可能。所謂波前像差引導的角膜個性化切削，是指用波前像差儀測量患者眼的波前像差，數(shù)據(jù)經(jīng)計算機計算，制定出需矯正的手術方案，通過LASIK手術中小光斑飛點掃描激光系統(tǒng)實行手術。亦即根據(jù)不同個體獨特的光學特性和解剖特性，通過各種波像差，如球差、像散、彗差和非球面誤差切削，矯正個體人眼波像差、并減少手術帶來的高階像差，從而提高人眼視網(wǎng)膜的成像質(zhì)量。這種方式理論上可以使患者得到比正常人更好的“超常視力”。
David Williams實驗室曾經(jīng)就校正人眼的高階像差做過相應研究實驗，證明校掉較高階像差有助于提高人眼的主觀像質(zhì)，該實驗系統(tǒng)其主要特征在于人眼像差的測量采用微透鏡結(jié)構的哈特曼-夏克波前傳感器(“VisualPerformance after correcting the monochromatic and chromaticaberrations of the eye”Geun-Young Yoon and David R.Williams，J.Opt.Soc.Am.A/Vol.19，No.2/February)。
在實際應用中，個性化LASIK手術還存在如下幾個問題(1)手術不可逆，患者術后角膜很薄，即便準確測定了術后殘留像差，也無法通過再次手術加以矯正；(2)客觀個性化與視覺主觀感受的差異。手術切削方案的制定完全基于物理的像差測量數(shù)據(jù)，但像差對成像質(zhì)量特別是人的主觀視力感覺具有兩重性。有時即使通過手術消除了所有像差，患者的主觀感覺不一定最好，不一定達到患者最滿意的視覺效果；而適當保留某些像差卻有助于提高患者主觀感覺和舒適度，或有助于提高某些特定視功能；(3)LASIK手術切削精度、偏中心切削和角膜組織傷口的自動愈合功能等因素，使得術后效果具有一定程度的不可預測性和不可確定性。
所以在手術方案制定過程中，如何考慮像差的消除，哪些像差應該消除，像差在多大程度上給予消除，如何考慮手術切削誤差、中心偏誤差，如何建立客觀像差補償和患者主觀感受間的關系等等問題，都需要一種工具來幫助預先模擬手術方案的實施結(jié)果，便于降低風險，達到接近預期的手術效果。
此外，配置個性化人眼高階像差隱形眼鏡，需要事先用波前像差儀測量患者眼的波前像差，數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理成控制數(shù)據(jù)，用以制定隱形眼鏡的掩模方案，再經(jīng)刻蝕和曝光程序制作個性化隱形眼鏡。該過程制作成本比普通眼鏡高得多，如果能事先模擬眼鏡設計方案，使患者感受其對人眼產(chǎn)生的主觀矯正效果，將有利于提高制作的成功率，從而降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決解決問題是提供一種人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，使患者在手術方案或個性化隱形眼鏡的制定過程中，通過本儀器就可以感受到術后或高階像差矯正后的視覺效果，使患者與醫(yī)生共同討論手術方案或設計方案成為可能，或者在個性化隱形眼鏡制作之前實現(xiàn)參數(shù)的修改優(yōu)化。醫(yī)生也可以使用本儀器，仿真模擬手術中的各種誤差對患者術后視覺的影響以優(yōu)化手術參數(shù)，同時建立客觀測量數(shù)據(jù)與視覺主觀感受間的關系，使得不可逆的手術方案術前優(yōu)化成為可能。
本發(fā)明的技術解決方案是人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，其特點在于它由自適應光學信標、擴束系統(tǒng)、反射鏡、分光鏡、人眼、光束匹配望遠鏡、波前校正器、光束匹配望遠鏡、反射鏡、分束鏡、基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器、計算機、高壓放大器、成像光學系統(tǒng)和視覺鑒別率顯示器組成，信標發(fā)出的光，由擴束系統(tǒng)擴束，經(jīng)第一反射鏡和分束鏡反射進人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透過分光鏡和光束匹配望遠鏡，再經(jīng)波前校正器反射，通過光束匹配望遠鏡，至第二反射鏡，第二反射鏡將反射光透過分束鏡反射進基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器，該傳感器將測得的誤差信號送至計算機處理成人眼波像差。
所述的哈特曼波前傳感器是基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器；所述的波前校正器是變形反射鏡，或液晶波前校正器，或微機械變形鏡，或雙壓電陶瓷變形鏡；所述的視覺鑒別率顯示器是商用投影儀、或彩色液晶顯示器、或等離子體顯示器、或場致發(fā)光顯示器、或有機發(fā)光顯示器；系統(tǒng)視場光欄面或視場光欄實象面還加有共焦濾波小孔。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，首次提出將人眼高階像差矯正應用于LASIK手術前或隱形眼鏡配置前患者主觀視覺效果的仿真判定上，并且其中的波前傳感器為基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其結(jié)構簡單、穩(wěn)定，加工工藝易實現(xiàn)，相對于現(xiàn)有的基于微透鏡陣列的哈特曼傳感器技術，能夠簡化安裝、調(diào)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。


圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構原理框圖；圖2為本發(fā)明中的哈特曼波前傳感器的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由自適應光學信標1、擴束系統(tǒng)2、反射鏡3、分光鏡4、人眼5、光束匹配望遠鏡6、波前校正器7、光束匹配望遠鏡8、反射鏡9、分束鏡10、哈特曼波前傳感器11、計算機12、高壓放大器13、反射鏡14、成像光學系統(tǒng)15和視覺鑒別率顯示器16組成，其中自適應光學信標1可以是激光器laser、半導體激光器laser diode和超熒光輻射半導體器件super luminescent diode-SLD；波前校正器7可以是變形反射鏡deformable mirror、液晶波前校正器liquid crystal device、微機械變形鏡micro-machined mirror和雙壓電陶瓷變形鏡bimorph mirror；哈特曼波前傳感器11是基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器(見中國專利申請?zhí)?3126431.X、03126430.1和200310100168.1)，該新型哈特曼波前傳感器是以二維鋸齒形相位光柵陣列和傅立葉透鏡組合，代替以往的微透鏡陣列實現(xiàn)光束孔徑的均勻分割，位于傅立葉透鏡焦平面的CCD進行光電探測，實現(xiàn)波前測量功能；視覺鑒別率顯示器16可以是商用投影儀、彩色液晶顯示器、等離子體顯示器、場致發(fā)光顯示器和有機發(fā)光顯示器；消除人眼角膜的雜光可以用共焦成像的原理，共焦濾波小孔17置于成像系統(tǒng)的視場光欄面或視場光欄實像面，例如在光束匹配望遠鏡6或8的兩組透鏡的公共焦點處，這樣只有眼底反射光才能透過該光欄，從而消除雜光；或者采用偏軸照明的方法；或者采用偏振光源照明，眼底反射光是退偏的，角膜散射光則不退偏，通過檢偏器檢不同的偏振態(tài)來濾除角膜雜光。
本發(fā)明實施例的原理是信標1發(fā)出的光，由擴束系統(tǒng)2擴束，經(jīng)反射鏡3和分束鏡4反射進人眼5瞳孔；人眼5眼底反射的光，透過分光鏡4和光束匹配望遠鏡6(根據(jù)共焦成像原理，共焦濾波小孔17置于成像系統(tǒng)的視場光欄面或視場光欄實像面，例如在光束匹配望遠鏡6或光束匹配望遠鏡8的兩組透鏡的公共焦點處的共焦濾波光欄17，只讓眼底反射光透過，從而消除雜光)，再經(jīng)波前校正器7反射，通過光束匹配望遠鏡8，至反射鏡9，反射鏡9將反射光透過分束鏡10反射進基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器11，傳感器11將測得的誤差信號送至計算機12處理成人眼波像差。
如圖2所示，基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器11由二維鋸齒形相位光柵陣列結(jié)構的微棱鏡陣列11-1、傅立葉透鏡11-2和位于透鏡焦平面的CCD 11-3組成，入射光束經(jīng)微棱鏡陣列11-1后，各個子孔徑的光束分別產(chǎn)生了相應的相位變化，經(jīng)由緊貼其后的傅立葉透鏡11-2，和位于傅立葉透鏡焦面上的CCD 11-3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11-1所產(chǎn)生的相位信息，每個子孔徑所產(chǎn)生的相位變化不同，因而在傅立葉透鏡11-2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(chǎn)生的光斑陣列事先被保存起來作為標定數(shù)據(jù)。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(nèi)二維鋸齒形相位光柵產(chǎn)生新的附加相位，該相位變化將反映到傅立葉透鏡11-2焦面的光斑位置偏移上。
CCD 11-3接收到的光斑信號可通過計算機進行處理，采用質(zhì)心算法由公式①計算光斑的位置(xi，yi)，探測全孔徑的波面誤差信息xi=∑m=1M∑n=1NxnmInm∑m=1M∑n=1NInm,yi=∑m=1M∑n=1NynmInm∑m=1M∑n=1NInm]]>①式中，m＝1～M，n＝1～N為子孔徑映射到CCD 11-3光敏靶面上對應的像素區(qū)域，Inm是CCD 11-3光敏靶面上第(n，m)個像素接收到的信號，xnm，ynm分別為第(n，m)個像素的x坐標和y坐標。
再根據(jù)公式②計算入射波前的波前斜率gxi，gyigxi=Δxλf=xi-x0λf,gyi=Δyλf=yi-y0λf]]>②
式中，(x0，y0)為標準平面波標定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準位置；哈特曼傳感器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(xi，yi)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
本發(fā)明的使用過程是(1)醫(yī)生根據(jù)波像差數(shù)據(jù)制定手術方案，將LASIK手術預案或個性化隱形眼鏡的設計預案數(shù)據(jù)輸入計算機，計算機將這些數(shù)據(jù)處理成控制信號，控制信號送高壓放大器13放大后，施加到波前校正器7上，由波前校正器生成術后或隱形眼鏡配置后的波像差矯正量，從而模擬校正人眼波像差。
(2)人眼波像差校正完畢，計算機控制視覺鑒別率顯示器16工作，視覺鑒別率顯示器16發(fā)出的光，經(jīng)成像光學系統(tǒng)15、反射鏡14、分束鏡10，反射鏡9、光束匹配望遠鏡8、波前校正器7、光束匹配望遠鏡6、進入人眼5，此時患者就可以通過觀看鑒別率顯示器顯示屏上生成的各種圖案，真實地體驗LASIK手術后或個性化隱形眼鏡配置后的視覺感受。
(3)根據(jù)患者的視覺感受，醫(yī)生可以調(diào)整LASIK手術預案或個性化隱形眼鏡波像差矯正方案，由該人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)再現(xiàn)這些調(diào)整，重復上述1、2兩個步驟，直至患者視覺感受最佳，從而解決LASIK手術不可逆帶來的一系列問題，或者幫助了解個性化隱形眼鏡配置后的主觀視覺感受。
(4)醫(yī)生可以通過該系統(tǒng)再現(xiàn)LASIK手術中切削精度、偏中心切削和角膜組織傷口的自動愈合功能等因素帶來的各種波像差，重復上述1、2、3等步驟，通過患者的真實視覺感受，優(yōu)化手術方案或個性化隱形眼鏡的配置方案，幫助患者獲得最佳手術、視覺效果。
權利要求
1.人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，其特征在于它由自適應光學信標(1)、擴束系統(tǒng)(2)、反射鏡(3)、分光鏡(4)、人眼(5)、光束匹配望遠鏡(6)、波前校正器(7)、光束匹配望遠鏡(8)、反射鏡(9)、分束鏡(10)、哈特曼波前傳感器(11)、計算機(12)、高壓放大器(13)、反射鏡(14)、成像光學系統(tǒng)(15)和視覺鑒別率顯示器(16)組成，信標(1)發(fā)出的光，由擴束系統(tǒng)(2)擴束，經(jīng)反射鏡(3)和分束鏡(4)反射進人眼(5)瞳孔；人眼(5)眼底反射的光，透過分光鏡(4)和光束匹配望遠鏡(6)，再經(jīng)波前校正器(7)反射，通過光束匹配望遠鏡(8)，至反射鏡(9)，反射鏡(9)將反射光透過分束鏡(10)反射進哈特曼波前傳感器(11)，該傳感器(11)將測得的誤差信號送至計算機(12)處理成人眼波像差。
2.根據(jù)權利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的哈特曼波前傳感器(11)是基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的波前校正器(7)是變形反射鏡，或液晶波前校正器，或微機械變形鏡，或雙壓電陶瓷變形鏡。
4.根據(jù)權利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，其特征在于視覺鑒別率顯示器(16)是商用投影儀、或彩色液晶顯示器、或等離子體顯示器、或場致發(fā)光顯示器、或有機發(fā)光顯示器。
5.根據(jù)權利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)視場光欄面或視場光欄實象面還加有共焦濾波小孔(17)。
6.根據(jù)權利要求5所述人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的共焦濾波小孔(17)置于光束匹配望遠鏡(6)或光束匹配望遠鏡(8)的前組和后組透鏡公共焦點處。
全文摘要
人眼高階像差矯正視覺仿真系統(tǒng)由自適應光學信標、擴束系統(tǒng)、反射鏡、分光鏡、人眼、光束匹配望遠鏡、波前校正器、光束匹配望遠鏡、反射鏡、分束鏡、基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器、計算機、高壓放大器、成像光學系統(tǒng)和視覺鑒別率顯示器組成，信標發(fā)出的光，由擴束系統(tǒng)擴束，經(jīng)第一反射鏡和分束鏡反射進人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透過分光鏡和光束匹配望遠鏡，再經(jīng)波前校正器反射，通過光束匹配望遠鏡，至第二反射鏡，第二反射鏡將反射光透過分束鏡反射進哈特曼波前傳感器，該傳感器將測得的誤差信號送至計算機處理成人眼波像差。本發(fā)明將人眼高階像差矯正應用于LASIK手術前或隱形眼鏡配置前患者主觀視覺效果的仿真判定上，其結(jié)構簡單、穩(wěn)定，加工工藝易實現(xiàn)，能夠簡化安裝、調(diào)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號A61B3/10GK1701756SQ20041000911
公開日2005年11月30日 申請日期2004年5月24日 優(yōu)先權日2004年5月24日
發(fā)明者張雨東, 饒學軍 申請人:中國科學院光電技術研究所