专利名称：人眼高阶像差矫正视觉仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，是一种用于个性化人眼高阶像差手术矫正术前、或个性化人眼高阶像差隐形眼镜配置前，仿真人眼术后、或隐形眼镜配置后视觉效果的光学仪器。
背景技术：
自上世纪70年代前苏联科学家发明放射状角膜切开术(RadialKeratotomy-RK)矫正视力以来，随着激光技术、光电技术的进步，90年代出现了准分子激光角膜削融术(Photorefractive Keratertomy-PRK)，90年代后期发展起来的准分子激光原位角膜磨镶术(Laser in SituKeratomileusis-LASIK)，近年来这些技术都已经发展成为了门诊手术。这些手术通过手术刀、激光切削角膜组织、改变角膜表面的曲率使平行光线重新聚焦在视网膜上，从而达到屈光矫正的目的。
随着人眼波像差精确测量技术的出现，波像差引导的“个性化”角膜屈光手术成为了可能。所谓波前像差引导的角膜个性化切削，是指用波前像差仪测量患者眼的波前像差，数据经计算机计算，制定出需矫正的手术方案，通过LASIK手术中小光斑飞点扫描激光系统实行手术。亦即根据不同个体独特的光学特性和解剖特性，通过各种波像差，如球差、像散、彗差和非球面误差切削，矫正个体人眼波像差、并减少手术带来的高阶像差，从而提高人眼视网膜的成像质量。这种方式理论上可以使患者得到比正常人更好的“超常视力”。
David Williams实验室曾经就校正人眼的高阶像差做过相应研究实验，证明校掉较高阶像差有助于提高人眼的主观像质，该实验系统其主要特征在于人眼像差的测量采用微透镜结构的哈特曼-夏克波前传感器(“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)。
在实际应用中，个性化LASIK手术还存在如下几个问题(1)手术不可逆，患者术后角膜很薄，即便准确测定了术后残留像差，也无法通过再次手术加以矫正；(2)客观个性化与视觉主观感受的差异。手术切削方案的制定完全基于物理的像差测量数据，但像差对成像质量特别是人的主观视力感觉具有两重性。有时即使通过手术消除了所有像差，患者的主观感觉不一定最好，不一定达到患者最满意的视觉效果；而适当保留某些像差却有助于提高患者主观感觉和舒适度，或有助于提高某些特定视功能；(3)LASIK手术切削精度、偏中心切削和角膜组织伤口的自动愈合功能等因素，使得术后效果具有一定程度的不可预测性和不可确定性。
所以在手术方案制定过程中，如何考虑像差的消除，哪些像差应该消除，像差在多大程度上给予消除，如何考虑手术切削误差、中心偏误差，如何建立客观像差补偿和患者主观感受间的关系等等问题，都需要一种工具来帮助预先模拟手术方案的实施结果，便于降低风险，达到接近预期的手术效果。
此外，配置个性化人眼高阶像差隐形眼镜，需要事先用波前像差仪测量患者眼的波前像差，数据经计算机处理成控制数据，用以制定隐形眼镜的掩模方案，再经刻蚀和曝光程序制作个性化隐形眼镜。该过程制作成本比普通眼镜高得多，如果能事先模拟眼镜设计方案，使患者感受其对人眼产生的主观矫正效果，将有利于提高制作的成功率，从而降低成本。
发明内容
本发明的技术解决解决问题是提供一种人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，使患者在手术方案或个性化隐形眼镜的制定过程中，通过本仪器就可以感受到术后或高阶像差矫正后的视觉效果，使患者与医生共同讨论手术方案或设计方案成为可能，或者在个性化隐形眼镜制作之前实现参数的修改优化。医生也可以使用本仪器，仿真模拟手术中的各种误差对患者术后视觉的影响以优化手术参数，同时建立客观测量数据与视觉主观感受间的关系，使得不可逆的手术方案术前优化成为可能。
本发明的技术解决方案是人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，其特点在于它由自适应光学信标、扩束系统、反射镜、分光镜、人眼、光束匹配望远镜、波前校正器、光束匹配望远镜、反射镜、分束镜、基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器、计算机、高压放大器、成像光学系统和视觉鉴别率显示器组成，信标发出的光，由扩束系统扩束，经第一反射镜和分束镜反射进人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透过分光镜和光束匹配望远镜，再经波前校正器反射，通过光束匹配望远镜，至第二反射镜，第二反射镜将反射光透过分束镜反射进基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，该传感器将测得的误差信号送至计算机处理成人眼波像差。
所述的哈特曼波前传感器是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器；所述的波前校正器是变形反射镜，或液晶波前校正器，或微机械变形镜，或双压电陶瓷变形镜；所述的视觉鉴别率显示器是商用投影仪、或彩色液晶显示器、或等离子体显示器、或场致发光显示器、或有机发光显示器；系统视场光栏面或视场光栏实象面还加有共焦滤波小孔。
本发明与现有技术相比，首次提出将人眼高阶像差矫正应用于LASIK手术前或隐形眼镜配置前患者主观视觉效果的仿真判定上，并且其中的波前传感器为基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器，其结构简单、稳定，加工工艺易实现，相对于现有的基于微透镜阵列的哈特曼传感器技术，能够简化安装、调节，降低生产成本。
图1为本发明的组成结构原理框图；图2为本发明中的哈特曼波前传感器的结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明由自适应光学信标1、扩束系统2、反射镜3、分光镜4、人眼5、光束匹配望远镜6、波前校正器7、光束匹配望远镜8、反射镜9、分束镜10、哈特曼波前传感器11、计算机12、高压放大器13、反射镜14、成像光学系统15和视觉鉴别率显示器16组成，其中自适应光学信标1可以是激光器laser、半导体激光器laser diode和超荧光辐射半导体器件super luminescent diode-SLD；波前校正器7可以是变形反射镜deformable mirror、液晶波前校正器liquid crystal device、微机械变形镜micro-machined mirror和双压电陶瓷变形镜bimorph mirror；哈特曼波前传感器11是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器(见中国专利申请号03126431.X、03126430.1和200310100168.1)，该新型哈特曼波前传感器是以二维锯齿形相位光栅阵列和傅立叶透镜组合，代替以往的微透镜阵列实现光束孔径的均匀分割，位于傅立叶透镜焦平面的CCD进行光电探测，实现波前测量功能；视觉鉴别率显示器16可以是商用投影仪、彩色液晶显示器、等离子体显示器、场致发光显示器和有机发光显示器；消除人眼角膜的杂光可以用共焦成像的原理，共焦滤波小孔17置于成像系统的视场光栏面或视场光栏实像面，例如在光束匹配望远镜6或8的两组透镜的公共焦点处，这样只有眼底反射光才能透过该光栏，从而消除杂光；或者采用偏轴照明的方法；或者采用偏振光源照明，眼底反射光是退偏的，角膜散射光则不退偏，通过检偏器检不同的偏振态来滤除角膜杂光。
本发明实施例的原理是信标1发出的光，由扩束系统2扩束，经反射镜3和分束镜4反射进人眼5瞳孔；人眼5眼底反射的光，透过分光镜4和光束匹配望远镜6(根据共焦成像原理，共焦滤波小孔17置于成像系统的视场光栏面或视场光栏实像面，例如在光束匹配望远镜6或光束匹配望远镜8的两组透镜的公共焦点处的共焦滤波光栏17，只让眼底反射光透过，从而消除杂光)，再经波前校正器7反射，通过光束匹配望远镜8，至反射镜9，反射镜9将反射光透过分束镜10反射进基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器11，传感器11将测得的误差信号送至计算机12处理成人眼波像差。
如图2所示，基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器11由二维锯齿形相位光栅阵列结构的微棱镜阵列11-1、傅立叶透镜11-2和位于透镜焦平面的CCD 11-3组成，入射光束经微棱镜阵列11-1后，各个子孔径的光束分别产生了相应的相位变化，经由紧贴其后的傅立叶透镜11-2，和位于傅立叶透镜焦面上的CCD 11-3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11-1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11-2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事先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11-2焦面的光斑位置偏移上。
CCD 11-3接收到的光斑信号可通过计算机进行处理，采用质心算法由公式①计算光斑的位置(xi，yi)，探测全孔径的波面误差信息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为子孔径映射到CCD 11-3光敏靶面上对应的像素区域，Inm是CCD 11-3光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，xnm，ynm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gxi，gyigxi=Δxλf=xi-x0λf,gyi=Δyλf=yi-y0λf]]>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(xi，yi)，完成哈特曼波前传感器对信号的检测。
本发明的使用过程是(1)医生根据波像差数据制定手术方案，将LASIK手术预案或个性化隐形眼镜的设计预案数据输入计算机，计算机将这些数据处理成控制信号，控制信号送高压放大器13放大后，施加到波前校正器7上，由波前校正器生成术后或隐形眼镜配置后的波像差矫正量，从而模拟校正人眼波像差。
(2)人眼波像差校正完毕，计算机控制视觉鉴别率显示器16工作，视觉鉴别率显示器16发出的光，经成像光学系统15、反射镜14、分束镜10，反射镜9、光束匹配望远镜8、波前校正器7、光束匹配望远镜6、进入人眼5，此时患者就可以通过观看鉴别率显示器显示屏上生成的各种图案，真实地体验LASIK手术后或个性化隐形眼镜配置后的视觉感受。
(3)根据患者的视觉感受，医生可以调整LASIK手术预案或个性化隐形眼镜波像差矫正方案，由该人眼高阶像差矫正视觉仿真系统再现这些调整，重复上述1、2两个步骤，直至患者视觉感受最佳，从而解决LASIK手术不可逆带来的一系列问题，或者帮助了解个性化隐形眼镜配置后的主观视觉感受。
(4)医生可以通过该系统再现LASIK手术中切削精度、偏中心切削和角膜组织伤口的自动愈合功能等因素带来的各种波像差，重复上述1、2、3等步骤，通过患者的真实视觉感受，优化手术方案或个性化隐形眼镜的配置方案，帮助患者获得最佳手术、视觉效果。
权利要求
1.人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，其特征在于它由自适应光学信标(1)、扩束系统(2)、反射镜(3)、分光镜(4)、人眼(5)、光束匹配望远镜(6)、波前校正器(7)、光束匹配望远镜(8)、反射镜(9)、分束镜(10)、哈特曼波前传感器(11)、计算机(12)、高压放大器(13)、反射镜(14)、成像光学系统(15)和视觉鉴别率显示器(16)组成，信标(1)发出的光，由扩束系统(2)扩束，经反射镜(3)和分束镜(4)反射进人眼(5)瞳孔；人眼(5)眼底反射的光，透过分光镜(4)和光束匹配望远镜(6)，再经波前校正器(7)反射，通过光束匹配望远镜(8)，至反射镜(9)，反射镜(9)将反射光透过分束镜(10)反射进哈特曼波前传感器(11)，该传感器(11)将测得的误差信号送至计算机(12)处理成人眼波像差。
2.根据权利要求1所述的人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，其特征在于所述的哈特曼波前传感器(11)是基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器。
3.根据权利要求1所述的人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，其特征在于所述的波前校正器(7)是变形反射镜，或液晶波前校正器，或微机械变形镜，或双压电陶瓷变形镜。
4.根据权利要求1所述的人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，其特征在于视觉鉴别率显示器(16)是商用投影仪、或彩色液晶显示器、或等离子体显示器、或场致发光显示器、或有机发光显示器。
5.根据权利要求1所述的人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，其特征在于系统视场光栏面或视场光栏实象面还加有共焦滤波小孔(17)。
6.根据权利要求5所述人眼高阶像差矫正视觉仿真系统，其特征在于所述的共焦滤波小孔(17)置于光束匹配望远镜(6)或光束匹配望远镜(8)的前组和后组透镜公共焦点处。
全文摘要
人眼高阶像差矫正视觉仿真系统由自适应光学信标、扩束系统、反射镜、分光镜、人眼、光束匹配望远镜、波前校正器、光束匹配望远镜、反射镜、分束镜、基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器、计算机、高压放大器、成像光学系统和视觉鉴别率显示器组成，信标发出的光，由扩束系统扩束，经第一反射镜和分束镜反射进人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透过分光镜和光束匹配望远镜，再经波前校正器反射，通过光束匹配望远镜，至第二反射镜，第二反射镜将反射光透过分束镜反射进哈特曼波前传感器，该传感器将测得的误差信号送至计算机处理成人眼波像差。本发明将人眼高阶像差矫正应用于LASIK手术前或隐形眼镜配置前患者主观视觉效果的仿真判定上，其结构简单、稳定，加工工艺易实现，能够简化安装、调节，降低生产成本。
文档编号A61B3/10GK1701756SQ20041000911
公开日2005年11月30日 申请日期2004年5月24日 优先权日2004年5月24日
发明者张雨东, 饶学军 申请人:中国科学院光电技术研究所