用于确定待测试光学系统的波前像差数据的方法
【专利说明】用于确定待测试光学系统的波前像差数据的方法
[0001] 本发明涉及一种用于从图像数据确定待测试光学系统的波前像差数据的系统和 方法。
[0002] 在眼科像差测量领域，波前像差数据提供了对人眼的光学特性的全面描述，从这 些光学特性中可以计算折射误差以及图像质量度量。
[0003] 波前技术主要基于使用被称为波前传感器的装置对眼睛的波像差数据的精确测 量。
[0004] 可购得用于眼睛的许多商业波前传感器，其中大多数是基于夏克-哈特曼 (Shack-Hartmann)波前传感器技术，如在梁等人 94'，"Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor (使用夏克-哈特曼波前传感器客观测量人眼的波像差）"（美国J.光学学会A，第 11卷，第7号，第1949页，1994年7月）中描述的。
[0005] 图1展示了夏克-哈特曼波前传感器10的基本配置的一些主要元件。
[0006] 采用夏克-哈特曼波前传感器的测量仪器将入射的波前光注入人眼，该入射的波 前光聚焦在眼睛的视网膜上并且朝向测量仪器反向散射。
[0007] 夏克-哈特曼波前传感器由与人眼的瞳孔共辄的平面中的小透镜阵列11和光检 测器12 (如，电荷耦合装置（CXD))组成。
[0008] 此入射的波前光被成像到小透镜阵列11上并且产生作为在光检测器12的焦平面 上形成并且由光检测器12记录的焦斑13a、14a的阵列的波前传感器图像13、14。
[0009] 感测聚焦光斑13a、14a的位置并且其用于导出在每个小透镜11处的波前斜率。
[0010] 随着每个小透镜处的波前斜率变化，每个聚焦光斑14a相对于其在参考图案13中 的参考位置（即，当真正的平面波被施加于小透镜阵列时产生的位置）成比例偏离。
[0011] 可以通过计算每个聚焦光斑14a的质心并且使局部斜率拟合一组基函数（如泽尼 克（Zernike)多项式）来导出波前像差数据和波前重构。
[0012] 图像质量对于确保光学测量的准确度和波前重构的质量至关重要。
[0013] 事实上，不准确的聚焦光斑分布、不准确的聚焦光斑位置数据和/或不准确的聚 焦光斑强度数据将在波像差数据的估计中引入误差，结果，它使针对每个聚焦光斑计算的 质心移位。
[0014] 从不准确的聚焦光斑的质心重构的波前提供对受测试光学系统的光学像差的不 正确描述。
[0015] 根据常规算法的波前重构可能会受到多个伪像危害并降级，这些伪像由于并入杂 散像差而影响波前感测图像数据质量。
[0016] 常规算法提出了管理一些伪像（如角膜的镜面反射）的解决方案。
[0017] 然而，其他伪像被低估。
[0018] 例如，这是以下的伪像的情况。
[0019] 常规波前重构算法假设波前感测图像由从眼底的单个层反射的光产生，这与显示 多个层促成反射的OCT (光学相干断层扫描）结果相矛盾。
[0020] 更精确来讲，常规波前重构算法假设波前感测图像由从单点源反射的光产生，该 单点源位于距离受测试眼睛的光接收层的恒定距离处。
[0021] 实际上，没有掌握点源的精确位置。事实上，视网膜是一个相当厚的反射器和多 层，并且探测光束由视网膜的多个层同时反射。
[0022] 从不同的反射层产生的聚焦光斑侧向移位并且轴向重叠，这在波前感测图像中引 起斑点伸长。
[0023] 因此，常规波前重构算法导致未知幅度的误差并且重构的波前将引入杂散量的像 差（如球面像差和散焦）。
[0024] 因此，对波前传感器数据中的将损害测量的噪声和伪像的管理是一个关键问题。
[0025] 需要一种用于确定波前像差数据以克服图像数据中的像差的降级效应和响应于 测量准确度和精度要求的方法。
[0026] 本发明的一个目的是提供一种用于确定待测试光学系统的波前像差数据的方法， 该方法响应于常规方法的失效。
[0027] 本发明的另一个目的是提供一种用于确定待测试光学系统的波前像差数据的方 法，该方法允许减小使斑点图案的质量降级的伪像的影响并且从而改善波前像差测量。
[0028] 本发明的另一个目的是提供一种用于确定提供眼睛的波像差的准确测量以用于 可靠的视力矫正和视力诊断的待测试光学系统的波前像差数据的方法。
[0029] 为此，本发明提出了一种用于确定待测试光学系统的波前像差数据的方法，该方 法包括以下步骤：
[0030] a)提供从该受测试光学系统接收的光的一张波前感测图像；
[0031] b)提供表示该光学系统的一个模型，该模型具有表示所述模型的至少一个光学参 数
[0032] c)根据一个优值函数优化一个波前系数数据集和所述模型的所述至少光学参数， 其中，所述优值函数的计算包括以下步骤：
[0033] -借助于所述至少光学参数和所述波前系数数据集生成从所述模型接收的光的一 张波前感测模型图像；
[0034]-基于该波前感测图像的形状参数数据和该波前感测模型图像的形状参数数据来 计算一个标准，以便获得该受测试光学系统的波前像差数据。
[0035] 有利的是，根据本发明的方法提供使用模型眼睛和形状参数数据的全局算法，这 克服了波前感测图像数据中的像差降级效应并且响应于像差测量准确度要求。
[0036] 根据可以单独或组合考虑的进一步的实施例：
[0037] -所述波前感测图像包括感测到的聚焦光斑的阵列，并且；
[0038] -所述波前感测模型图像包括模型聚焦光斑的阵列，并且；
[0039] 该标准的计算包括计算至少这些感测到的聚焦光斑的形状参数与这些模型聚焦 光斑的形状参数之间的差的步骤。
[0040] -所述模型是包括η个反射层的眼睛模型，η>1。
[0041] -这些反射层中的至少两个反射层以不同的方向性反射光。
[0042] -生成该波前感测模型图像包括：
[0043] -获得从所述眼睛模型的每个被照射反射层接收的光的波前感测图像，并且；
[0044] -从η个反射层的波前感测图像生成波前感测复合模型图像。
[0045] -表征所述眼睛模型的光学参数表示两个反射层之间的相对位置。
[0046] -获得波前像差数据的步骤包括：
[0047] -选择所述眼睛模型的一个反射层并且从是所述选择的反射层的特点的波前系数 数据集中获得波前像差数据。
[0048] -步骤c)进一步包括：
[0049] 〇 -个形状参数数据确定步骤，在该步骤过程中，生成多个斑点描述符，每个斑点 描述符表征一个相应聚焦光斑的形状参数数据，并且每个斑点描述符包括一个α阶矩形 状描述符、一个傅立叶形状描述符或一个矢量场描述符，α >1。
[0050] -该形状参数数据确定步骤包括：
[0051] -测量每个聚焦光斑的像素强度值，
[0052] -生成每个聚焦光斑的这些像素强度值的二阶矩数据作为该相应斑点的一个斑点 描述符。
[0053] -用以下表达式（9)来定义该优值函数：
[0055] 式中：
[0056] L是波前感测图像中的聚焦光斑的数量；
[0057] sm是感测到的聚焦光斑的像素强度值的二阶矩；
[0058] ss是模型聚焦光斑的像素强度值的二阶矩。
[0059] -方法进一步包括：
[0060]-所述模型的光瞳的重新定位步骤，以便当在所提供的波前感测图像中观察该受 测试光学系统的光瞳时与该光瞳的位置匹配。
[0061]-该重新定位步骤包括：
[0062]-所述模型的模型聚焦光斑的阵列的重新定位步骤，以便当在所提供的波前感测 图像中观察该受测试光学系统的感测到的聚焦光斑的阵列时与该阵列的位置匹配。
[0063] 根据进一步的方面，本发明涉及一种测量人眼的像差的方法：
[0064]-用一个光源产生的光照射受测试的人眼，
[0065]-执行上述用于确定受测试的人眼的波前像差数据的方法，
[0066]-从所确定的波前像差数据确定该受测试的人眼的像差矫正。
[0067] 根据进一步的方面，本发明涉及一种矫正人眼的像差的方法，包括：
[0068]-用一个光源产生的光照射受测试的人眼，
[0069]-执行上述用于确定受测试的人眼的波前像差数据的方法，
[0070] -从所确定的该波前像差数据确定该受测试的人眼的像差矫正，
[0071] -接收所述像差矫正用于：
[0072] 〇控制一个补偿光