一种客观人眼波前像差测量系统和方法与流程

本发明涉及无波前传感的波前像差测量相关技术领域，尤其是指一种客观人眼波前像差测量系统和方法。

背景技术：

人眼作为典型的光学系统，含有多种成分的像差，离焦和散光统称为屈光不正，校正人眼屈光不正可以带来视觉功能的显著提高。测量人眼屈光不正的仪器主要包括主观验光仪和客观验光仪，专利cn2071054u、cn103300813a、cn1194131a、us4848895、us5844660等介绍了多种人眼主客观验光方法，可以快速精确的获得人眼屈光不正信息，为临床研究和验光配镜等提供依据。随着研究者对人眼屈光系统认识的加深，发现人眼像差中除了大家所熟知的离焦和散光外，还存在更多复杂成分，统称为高阶像差。哈特曼波前传感技术是人眼高阶像差测量中最常用的技术。美国专利us5777719a，中国专利cn1701756a和cn101926640a介绍了提高人眼视功能和视网膜图像分辨率的自适应光学系统，应用哈特曼波前传感器对人眼波前像差进行了精确测量，并通过波前校正器对像差进行校正，验证了测量的准确性。美国专利us6575572b2、us6439720b1、us6550917b1、us7419264b1，中国专利cn101803906、cn106163378a、cn105496351a等报道了多种哈特曼波前传感技术在人眼像差测量中的优化方案。受限于哈特曼波前传感技术中测量精度和测量动态范围之间的矛盾，在实际的像差测量仪器设计中，需要增加低阶像差补偿装置，增加了系统的复杂性和控制难度；且在现有专利中，低阶补偿也仅补偿了离焦，对于高散光人眼，依赖哈特曼波前传感器的动态范围难以保证测量精度。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中针对活体人眼波前像差测量中面临的像差幅值起伏大且人眼稳定度不足，提供了一种无波前传感的、基于像差校正的客观人眼波前像差测量系统和方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种客观人眼波前像差测量系统，包括信标光发射子系统、成像子系统、人眼像差校正子系统、分光镜和计算机，所述的信标光发射子系统和成像子系统通过分光镜与人眼像差校正子系统对接，所述的信标光发射子系统包括信标光源、准直透镜和信标光栏，所述的信标光源依次通过准直透镜和信标光栏与分光镜对接，所述的成像子系统包括成像透镜和成像相机，所述的成像相机通过成像透镜与分光镜对接，所述的人眼像差校正子系统包括波前校正器、第一孔径匹配透镜、第二孔径匹配透镜和滤波光栏，所述的分光镜与波前校正器对接，所述的波前校正器通过第一孔径匹配透镜和第二孔径匹配透镜与人眼对接，所述的滤波光栏置于第一孔径匹配透镜和第二孔径匹配透镜之间，所述的成像相机和波前校正器均与计算机连接。

信标光发射子系统，为人眼像差测量提供信标光源；成像子系统，用于采集信标光在眼底成像的远场图像；人眼像差校正子系统，用于校正人眼波前像差；波前校正器基于成像相机获得的信标光图像，通过波前校正器可同时校正人眼离焦和散光，实现大动态范围像差的测量，扩大人群适用范围。光学系统中无调焦运动部件，系统简单，易于实现。

作为优选，所述的信标光栏为环形光栏或旁轴光栏，所述的信标光源采用近红外波段。

作为优选，所述的信标光源为800nm-1000nm。

作为优选，所述的成像相机是ccd、cmos、pmt、光电管、光电二极管中的一种。成像相机用于采集信标光在眼底后向反射的远场图像。

作为优选，所述的波前校正器是液晶校正器、微机电变形镜、微加工薄膜变形镜、双压电陶瓷变形镜、液体变形镜中的一种。

本发明还提供了一种客观人眼波前像差测量方法，具体包括如下步骤：

(1)信标光源发出信标光，由准直透镜准直后，经信标光栏、分光镜、波前校正器、第一孔径匹配透镜和第二孔径匹配透镜，进入人眼经屈光系统聚焦于视网膜；

(2)信标光的后向反射光沿原路返回至分光镜，由成像透镜在成像相机上成像，计算机读取成像相机的信标光远场图像，计算目标函数并调用寻优算法控制波前校正器完成人眼波前像差的校正；

(3)校正完成后，根据波前校正器的驱动器电压值复原出波前面型，由波前重构矩阵得到人眼波前像差的各项泽尼克系数即完成了人眼波前像差的测量过程。

与传统人眼自适应光学系统中基于波前测量然后控制波前校正器进行波前校正不同，本发明基于信标光的远场图像控制波前校正器利用寻优算法实现波前校正，然后利用事先标定的波前校正器影响函数和波前重构矩阵获得人眼波前像差信息。通过波前校正器可同时校正人眼离焦和散光，实现大动态范围像差的测量，扩大人群适用范围；基于信标光远场图像的人眼波前像差寻优算法，可快速迭代实现波前校正，降低人眼稳定度要求。

作为优选，在步骤(2)中，所述的目标函数是从像清晰度函数、远场图像平均半径、远场峰值斯特列尔比中选取的一种。

作为优选，在步骤(2)中，所述的寻优算法是从模拟退火算法、单纯形法、模式提取算法、随机并行梯度下降算法中选取的一种。

本发明的有益效果是：通过波前校正器可同时校正人眼离焦和散光，实现大动态范围像差的测量，扩大人群适用范围；基于信标光远场图像的人眼波前像差寻优算法，可快速迭代实现波前校正，降低人眼稳定度要求；光学系统中无调焦运动部件，系统简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为本发明中针对被试人眼前20项像差进行spgd寻优控制前相机获取的信标光图像；

图3为本发明中针对被试人眼前20项像差进行spgd寻优控制后相机获取的信标光图像；

图4为本发明中剩余波前像差与迭代次数的关系图；

图5为本发明中复原的波前像差泽尼克系数与人眼像差泽尼克系数的对比图。

图中：1.信标光源，2.准直透镜，3.信标光栏，4.分光镜，5.波前校正器，6.第一孔径匹配透镜，7.滤波光栏，8.第二孔径匹配透镜，9.人眼，10.成像透镜，11.成像相机，12.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所述的实施例中，一种客观人眼波前像差测量系统，包括信标光发射子系统、成像子系统、人眼像差校正子系统、分光镜4和计算机12，信标光发射子系统和成像子系统通过分光镜4与人眼像差校正子系统对接，信标光发射子系统包括信标光源1、准直透镜2和信标光栏3，信标光源1依次通过准直透镜2和信标光栏3与分光镜4对接，成像子系统包括成像透镜10和成像相机11，成像相机11通过成像透镜10与分光镜4对接，人眼像差校正子系统包括波前校正器5、第一孔径匹配透镜6、第二孔径匹配透镜8和滤波光栏7，分光镜4与波前校正器5对接，波前校正器5通过第一孔径匹配透镜6和第二孔径匹配透镜8与人眼9对接，滤波光栏7置于第一孔径匹配透镜6和第二孔径匹配透镜8之间，成像相机11和波前校正器5均与计算机12连接。信标光栏3为环形光栏或旁轴光栏，信标光源1采用近红外波段。信标光源1为800nm-1000nm。成像相机11是ccd、cmos、pmt、光电管、光电二极管中的一种。波前校正器5是液晶校正器、微机电变形镜、微加工薄膜变形镜、双压电陶瓷变形镜、液体变形镜中的一种。

本发明还提供了一种客观人眼波前像差测量方法，具体包括如下步骤：

(1)信标光源1发出信标光，由准直透镜2准直后，经信标光栏3、分光镜4、波前校正器5、第一孔径匹配透镜6和第二孔径匹配透镜8，进入人眼9经屈光系统聚焦于视网膜；

(2)信标光的后向反射光沿原路返回至分光镜4，由成像透镜10在成像相机11上成像，计算机12读取成像相机11的信标光远场图像，计算目标函数并调用寻优算法控制波前校正器5完成人眼波前像差的校正；目标函数是从像清晰度函数、远场图像平均半径、远场峰值斯特列尔比中选取的一种；寻优算法是从模拟退火算法、单纯形法、模式提取算法、随机并行梯度下降算法中选取的一种；这是一个迭代的过程，直至波前校正器5校正人眼波前像差至信标光远场图像达到理想情况。

(3)校正完成后，根据波前校正器5的驱动器电压值复原出波前面型，由波前重构矩阵得到人眼波前像差的各项泽尼克系数即完成了人眼波前像差的测量过程。

下面以像清晰度作为目标函数、以随机并行梯度下降(spgd)算法作为寻优算法为例，来具体说明人眼波前像差校正过程和泽尼克系数复原过程。

首先定义目标函数为：

其中i(x,y)为信标光图像在点(x,y)处的光强值。一般情况下人眼波前像差只需要校正泽尼克像差前20项。目标函数j为控制矢量a＝(a3,a4,a5,…,a20)的函数。为了使目标函数达到极大值，我们采用双边扰动spgd算法对其进行寻优，其第m+1次迭代过程如下：产生随机扰动△a＝(△a3,△a4,△a5,…,△a20)，获得临时控制矢量a+＝am+△a、a-＝am-△a；通过临时控制矢量a+、a-计算出临时控制电压v+、v-，经控制电路放大后驱动第一波前校正器产生相位变化，成像相机11获取临时信标光图像并计算出临时目标函数j(a+)和j(a-)；更新控制矢量am+1＝am+λ(△j)△a，其中λ为增益系数，△j＝j(a+)-j(a-)。该迭代过程持续进行直到目标函数不再变大或已迭代指定次数为止。

校正完成后，根据波前校正器5的驱动器电压值vi和系统已标定的波前校正器5的各驱动器影响函数fi(x,y)可以拟合出此时的人眼波前特别地，当波前校正器5为液晶校正器时，各驱动器影响函数为线性响应，可直接拟合出人眼波前；当波前校正器5驱动器响应呈非线性特性时，需要测量控制电压与校正器面型之间的非线性关系曲线，在由控制电压计算波前校正器5补偿的波前时进行修正。人眼波前像差复原完成后，由波前重构矩阵计算出人眼像差的各项泽尼克系数即完成了人眼波前像差的测量过程。特别地，当该系统和方法用于人眼屈光不正的测量时，仅需复原前5项泽尼克系数即可。

图2和图3给出了针对某一具体人眼波前像差前20项进行spgd寻优控制前后相机获取的信标光图像，图2为没有进行像差校正时的信标光图像，图3为spgd寻优控制结束后的信标光图像。本例中，迭代200次时残余波前像差均方根稳定在0.1微米，如图3所示。通过波前重构矩阵计算的人眼像差泽尼克系数与人眼实际波前像差系数完全一致，两者均方根误差为0.024微米，如图4所示，说明本方法能够准确的测量人眼的波前像差。