專利名稱：一種反射式人工晶體像差哈特曼測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，它是眼科臨床移植人工晶體時的專用 設(shè)備，同時也是生產(chǎn)人工晶體的一種高精度設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前，人工晶體已廣泛應(yīng)用于高度屈光不正和白內(nèi)障手術(shù)后的光學(xué)矯正，但大都只能矯正 人眼低階像差如離焦、像散等。研究表面，人眼光學(xué)系統(tǒng)不僅存在低階像差，還存在高階像差 如彗差、球差等，同時矯正人眼低階和高階像差可以獲得更佳的視覺質(zhì)量改善("Visual Performance after correcting the monochromatic and chromatic aberrations of the eye ，，， Geun-Young Yoon and David R.Williams, J. Opt. Soc. Am. A/Vol.19, No.2/Februaiy)。因此，單一矯正人眼 低階像差的人工晶體已不能滿足人們對人眼屈光矯正的需求，能夠矯正人眼高階像差的人工晶 體成為新的研究熱點(diǎn)和未來發(fā)展的趨勢。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基礎(chǔ)是人眼高階像差矯正人工晶體的 制作，而人工晶體檢測是制作的基礎(chǔ)。
由于人眼高階像差矯正人工晶體不僅矯正人眼低階像差，同時還要矯正人眼高階像差，單 純的光焦度檢測不能滿足對高階像差矯正人工晶體的檢測要求，需要全面客觀地測量人工晶體 各階像差(低階和高階)。目前，人眼高階像差矯正人工晶體還是一種新穎的人工晶體，配套 技術(shù)還在積極研究之中，本發(fā)明提出采用哈特曼波前探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)人工晶體像差測量，它不但 可以測量人工晶體低階像差，還可以測量人工晶體高階像差。
哈特曼波前傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定的波前傳感器，它將入射光束分割采樣并聚焦到 光電探測器上，通過數(shù)據(jù)處理獲得入射光波前相位分布。目前，哈特曼波前傳感器主要有基于 微透鏡陣列("哈特曼波前傳感器的應(yīng)用"，姜文漢,鮮浩,楊澤平等，量子電子學(xué)報，15巻2期 228-235頁，1998年)和基于微棱鏡陣列("Hartmann-Shack Wavefront Sensor Based on a Micro-Grating Array" ， Haiying Wang, Haifeng Duan, Changtao Wang， Yudong Zhang, SP正,Vol. 6018,2005)兩種形式。哈特曼波前探測技術(shù)已廣泛用于人眼像差測量、光束質(zhì)量診斷、光學(xué)元 件檢測等諸多領(lǐng)域。但是，哈特曼波前傳感器應(yīng)用于人工晶體像差測量尚屬空白，本發(fā)明正是 針對這一情況提出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所提供的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通用性好，可以對任意屈光度的人工晶體進(jìn)行像差測量的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，為眼科臨床人工晶體移 植以及人工晶體的加工和檢測等提供方便、快捷和可靠的檢測。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，主要包括光源、光束濾 波系統(tǒng)、光束匹配系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡、孔徑分割元件、光電探測器和計算機(jī)，其中孔徑分 割元件、光電探測器構(gòu)成哈特曼波前傳感器；由光源發(fā)出的光經(jīng)光束濾波系統(tǒng)濾波和準(zhǔn)直為平 行光后出射，該平行光依次經(jīng)反射鏡和分光鏡穿過待測人工晶體，透射光波到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)球面反射 鏡，軸向調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，使待測人工晶體的后焦點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的球心重合，反射 光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體，依次經(jīng)分光鏡和光束匹配系統(tǒng)后，被孔徑分割元件 分割采樣并聚焦到光電探測器上形成光斑陣列，光電探測器將采集的光斑數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，經(jīng) 計算機(jī)處理得到待測人工晶體的像差。
所述的標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡可以是標(biāo)準(zhǔn)凹球面反射鏡，也可以是標(biāo)準(zhǔn)凸球面反射鏡。 所述的孔徑分割元件為微透鏡陣列，或微棱鏡陣列；當(dāng)孔徑分割元件為微透鏡陣列時，光 電探測器件位于微透鏡陣列焦面上；當(dāng)為微棱鏡陣列時，在微棱鏡陣列后面還加有傅立葉透鏡 或成像透鏡，傅立葉透鏡或成像透鏡緊靠微棱鏡陣列，光電探測器件位于傅立葉透鏡或成像透 鏡的焦面上。
所述的光束濾波系統(tǒng)由針孔和準(zhǔn)直鏡構(gòu)成，光束經(jīng)針孔濾波，由準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光出射。 所述的光電探測器既可以是成像相機(jī)，也可以是位置敏感器陣列。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 本發(fā)明采用哈特曼波前傳感器測量人工晶體，探測光束兩次穿過待測人工晶體，通過 沿光軸方向前后移動反射鏡或固定反射鏡，沿光軸方向前后移動其余部分可以方便地實(shí)現(xiàn)對人 工晶體屈光度進(jìn)行補(bǔ)償，將較大的離焦與其余像差分開測量，減小人工晶體像差測量對哈特曼 動態(tài)范圍的要求，儀器通用性好，可以對任意屈光度的人工晶體進(jìn)行像差測量，為眼科臨床人 工晶體移植以及人工晶體的加工和檢測等提供方便、快捷和可靠的檢測。
(2) 本發(fā)明所采用的沿光軸方向前后移動反射鏡或其余部分對人工晶體屈光度進(jìn)行補(bǔ)償， 補(bǔ)償量等于人工晶體光焦度大小，因此在獲得人工晶體綜合像差的同時可以獲得晶體屈光度的 大小，通用性好。
(3) 本發(fā)明通過測量哈特曼傳感器光斑的位置偏移，由復(fù)原算法重構(gòu)波前像差，相對于干 涉儀像差檢測方法，本發(fā)明對環(huán)境要求低，容易實(shí)現(xiàn)小口徑(人工晶體光學(xué)區(qū)5mm左右)復(fù)雜 高階像差檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明基于微透鏡哈特曼的人工晶體像差測量原理屈;圖2為本發(fā)明中基于微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖； 圖3為本發(fā)明基于微棱鏡哈特曼的人工晶體像差測量原理圖； 圖4為本發(fā)明中基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，為本發(fā)明中的孔徑分割元件為微透鏡陣列的人工晶體像差測量原理圖，它包 括光源l、光束濾波系統(tǒng)，光束匹配系統(tǒng)8、標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡5、孔徑分割元件，即微透鏡陣列 91、光電探測器92和計算機(jī)10，其中孔徑分割元件91和光電探測器92構(gòu)成哈特曼波前傳感器， 光束濾波系統(tǒng)由針孔2和準(zhǔn)直鏡3構(gòu)成，光束匹配系統(tǒng)8由兩個不同焦距的透鏡或反射鏡構(gòu)成 的光束匹配望遠(yuǎn)鏡。由光源l發(fā)出的光，經(jīng)針孔2濾波，由準(zhǔn)直鏡3準(zhǔn)直為平行光出射，經(jīng)反 射鏡4、分光鏡7穿過待測人工晶體6，透射光波到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡5，軸向調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面反 射鏡5，使待測人工晶體后焦點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過 待測人工晶體6，經(jīng)分光鏡7和光束匹配系統(tǒng)8后，被微透鏡陣列91分割采樣并聚焦到光電探 測器92上形成光斑陣列，光電探測器92將采集的光斑數(shù)據(jù)送入計算機(jī)10，經(jīng)計算機(jī)10處理得 到待測人工晶體的像差。
如圖2所示，基于微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器主要由微透鏡陣列91和光電探測器件92 組成，其中光電探測器件92位于微透鏡陣列91焦面上。
基于微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器的工作原理為入射光束經(jīng)微透鏡陣列91后，在其焦 面上形成一個光斑陣列，整個光束孔徑被均勻分割。保存標(biāo)準(zhǔn)平面波入射產(chǎn)生的光斑陣列作為 標(biāo)定數(shù)據(jù)。當(dāng)具有一定像差的波前入射時，各個微透鏡上的局部波前傾斜引起微透鏡陣列焦面 上的光斑位置發(fā)生偏移。
光電探測器件92接收到的光斑信號可通過計算機(jī)10進(jìn)行處理，采用質(zhì)心算法由公式①
計算光斑的位置(X ， J,)，探測全孔徑的波面誤差信息
<formula>formula see original document page 5</formula>
式中，m=l~M，n=l~N為子孔徑映射到光電探測器件92上對應(yīng)的像素區(qū)域，^""是光電探 測器件92上第(n，m)個像素接收到的信號，x ，3;分別為第(n,m)個像素的x坐標(biāo)和y 坐標(biāo)。
再根據(jù)公式②計算入射波前的波前斜率《，g :<formula>formula see original document page 6</formula>器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(;c,，y,)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
如圖3所示，為本發(fā)明中的孔徑分割元件為微棱鏡陣列的人工晶體像差測量原理圖。它包 括光源l、光束濾波系統(tǒng)，光束匹配系統(tǒng)8、標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡5、孔徑分割元件，即微棱鏡陣列 91'、傅立葉透鏡或成像透鏡93、光電探測器92和計算機(jī)10，其中孔徑分割元件91'、傅立葉 透鏡或成像透鏡93和光電探測器92構(gòu)成哈特曼波前傳感器，光束濾波系統(tǒng)由針孔2和準(zhǔn)直鏡3 構(gòu)成，光束匹配系統(tǒng)8由兩個不同焦距的透鏡或反射鏡構(gòu)成的光束匹配望遠(yuǎn)鏡。由光源1發(fā)出 的光，經(jīng)針孔2濾波，由準(zhǔn)直鏡3準(zhǔn)直為平行光出射，經(jīng)反射鏡4、分光鏡7穿過待測人工晶體 6，透射光波到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡5，軸向調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡5，使待測人工晶體后焦點(diǎn)與標(biāo) 準(zhǔn)球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體6，經(jīng)分光鏡7和光束 匹配系統(tǒng)8后，被微棱鏡陣列91'，傅立葉透鏡或成像透鏡93后被分割采樣并聚焦到光電探測 器92上形成光斑陣列，采集光斑數(shù)據(jù)送入計算機(jī)10，經(jīng)處理得到待測人工晶體的像差。
如圖4所示，基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器主要由鋸齒形相位光柵結(jié)構(gòu)的微棱鏡陣 列91'、傅立葉透鏡93和光電探測器件92組成，其中傅立葉透鏡93緊靠微棱鏡陣列91'，光電 探測器件92位于傅立葉透鏡93的焦面上。
基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器的工作原理為入射光束經(jīng)微棱鏡陣列91，后，各個子 孔徑的光束分別產(chǎn)生了相應(yīng)的相位變化，通過緊貼其后的傅立葉透鏡或成像透鏡93成像，由位 于傅立葉透鏡或成像透鏡93焦面上的光電探測器件92探測其光強(qiáng)分布，該光強(qiáng)分布包含著二 維鋸齒形相位光柵陣列所產(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 透鏡或成像透鏡93焦面上形成一個光斑陣列，整個光束孔徑被均勻分割。標(biāo)準(zhǔn)平面波入射產(chǎn)生 的光斑陣列將被保存起來作為標(biāo)定數(shù)據(jù)。當(dāng)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或成像 透鏡93焦面的光斑位置偏移上。
光電探測器件92接收到的光斑信號可通過計算機(jī)10進(jìn)行處理,處理方式與前面所述的基
于微透鏡陣列的哈特曼波前傳感器相同。采用質(zhì)心算法由公式①計算光斑的位置(工，少P， 探測全孔徑的波面誤差信息-<formula>formula see original document page 7</formula>式中，m=l~M，n=l~N為子孔徑映射到光電探測器件92上對應(yīng)的像素區(qū)域，厶m是光電探
測器件92上第(n，m)個像素接收到的信號，l"X"分別為第(n,m)個像素的x坐標(biāo)和y 坐標(biāo)。
再根據(jù)公式②計算入射波前的波前斜率g"'g":
<formula>formula see original document page 7</formula> ②
式巾，(x。,;;。)力才示《￥皿&木示^(%#€{專*#1^肖^]力珍王巾心^ @胃；(^ft員肖ii 器探測波前畸變時，光斑中心偏移到(;c,，;^)，完成哈特曼波前傳感器對信號的檢測。
權(quán)利要求
1、反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特征在于主要包括光源、光束濾波系統(tǒng)、光束匹配系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡、孔徑分割元件、光電探測器和計算機(jī)，其中孔徑分割元件、光電探測器構(gòu)成哈特曼波前傳感器；由光源發(fā)出的光經(jīng)光束濾波系統(tǒng)濾波和準(zhǔn)直為平行光后出射，該平行光依次經(jīng)反射鏡和分光鏡穿過待測人工晶體，透射光波到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，軸向調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，使待測人工晶體的后焦點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體，依次經(jīng)分光鏡和光束匹配系統(tǒng)后，被孔徑分割元件分割采樣并聚焦到光電探測器上形成光斑陣列，光電探測器將采集的光斑數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，經(jīng)計算機(jī)處理得到待測人工晶體的像差。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)球 面反射鏡為標(biāo)準(zhǔn)凹球面反射鏡，或標(biāo)準(zhǔn)凸球面反射鏡。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特征在于所述的孔徑分 割元件為微透鏡陣列，或微棱鏡陣列；當(dāng)孔徑分割元件為微透鏡陣列時，光電探測器件位于微 透鏡陣列焦面上；當(dāng)為微棱鏡陣列時，在微棱鏡陣列后面還加有傅立葉透鏡或成像透鏡，傅立 葉透鏡或成像透鏡緊靠微棱鏡陣列，光電探測器件位于傅立葉透鏡或成像透鏡的焦面上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特征在于所述的光電探 測器為成像相機(jī)，或位置敏感器陣列。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特征在于所述的光束濾 波系統(tǒng)由針孔和準(zhǔn)直鏡構(gòu)成，光束經(jīng)針孔濾波，由準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光出射。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特征在于所述的光束匹 配系統(tǒng)由兩個不同焦距的透鏡或反射鏡構(gòu)成的光束匹配望遠(yuǎn)鏡。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的反射式人工晶體像差哈特曼測量儀，其特征在于所述的光源是 激光器、或半導(dǎo)體激光器、或超輻射半導(dǎo)體器件。
全文摘要
反射式人工晶體像差哈特曼測量儀主要包括光源、光束匹配系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡、孔徑分割元件、光電探測器和計算機(jī)，其中孔徑分割元件、光電探測器構(gòu)成哈特曼波前傳感器；由光源發(fā)出的光被準(zhǔn)直為平行光出射，該平行光依次經(jīng)反射鏡和分光鏡穿過待測人工晶體，透射光波到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，軸向調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，使待測人工晶體的后焦點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡的球心重合，反射光波沿原光路返回再次穿過待測人工晶體，依次經(jīng)分光鏡和光束匹配系統(tǒng)后，被孔徑分割元件分割采樣并聚焦到光電探測器上形成光斑陣列，采集的光斑數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，經(jīng)處理得到待測人工晶體的像差。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，為眼科臨床人工晶體移植以及個性化人眼像差矯正人工晶體的加工和檢測提供方便、快捷和可靠的檢測工具。
文檔編號A61F2/76GK101278867SQ20071030451
公開日2008年10月8日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者萬修華, 張雨東, 云 戴, 瑛 熊, 王寧利, 王海英, 饒學(xué)軍 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所;首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院