一种验光仪和眼科生物多参数测量仪及测量方法与流程

1.本发明涉及光学领域，特别是涉及一种验光仪和眼科生物多参数测量仪及测量方法。


背景技术：

2.近视已成为影响我国青少年眼健康的重大公共卫生问题。根据北京大学中国健康发展研究中心发布的《国民视觉健康》白皮书来看，在中国近视成为“国病”，每三个人中就有一个人是近视患者。近视的预防和监测能够有效的减少近视带来的危害。目前视力筛查的主要工具是验光仪和和眼科生物多参数测量仪，通过验光仪测量眼球的屈光和散光情况，眼科生物多参数测量仪判断真假近视。
3.验光仪在眼科或者眼镜店都是一个重要的辅助检测医疗手段，它通过发射一束红外光源经过人眼的角膜、晶状体、视网膜，通过反射回到光学系统中，最后由相机去接收，把光信号转化为电信号，得到球镜、柱镜和轴位等数据，最后根据这些数据得到被测眼的屈光度，为眼睛的屈光不正提供准确的镜片矫正度数。
4.眼科生物多参数测量仪是一种能够同时测量眼睛的角膜长度、前房深度、晶体厚度、玻璃体厚度、眼轴长度的仪器。眼轴长度在判断眼球的真假近视中起着关键的作用，同时它对视力的健康筛查和发展趋势有着很好的监测作用，通常眼轴长度每增加1mm，近视度数增加200～300度左右；角膜厚度、前房深度和晶体厚度等参数在白内障摘除联合眼内人工晶体移植术前屈光度的计算起着关键作用。
5.现有的眼科生物多参数测量仪技术专利主要有光学相干生物测量仪及进行眼睛生物测量的方法(cn 102551654 b)和一种用弱相干技术测量眼球参数的系统及测量方法(cn 102727172 a)来测量眼睛的角膜厚度、晶状体厚度等；现有的验光仪专利技术主要有一种验光仪(cn 110558931 a)、一种基于hartmann阵列的全自动电脑验光仪(cn 111281333 a)和一种医疗验光仪及其验光方法(cn 104274152 a)。这些专利都是基于眼睛生物参数测量仪和验光仪独有的技术功能方案。
6.目前的眼科生物多参数测量仪能够测量眼睛的角膜长度、前房深度、晶体厚度、玻璃体厚度、眼轴长度；验光仪能够测量眼睛的屈光情况，但是还没有将两者的功能同时结合起来的仪器出现。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种验光仪和眼科生物多参数测量仪，其能够实现同一台仪器既能够验光也能够进行眼科生物多参数测量。
8.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种验光仪和眼科生物多参数测量仪测量眼科生物多参数的方法，其能够使用本技术的测量仪实现测量眼科生物多参数。
9.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种验光仪和眼科
生物多参数测量仪测量屈光度的方法，其能够使用本技术的测量仪实现测量人眼屈光度。
10.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.一种验光仪和眼科生物多参数测量仪，包括探测光源光路系统、样品臂光路系统、参考臂光路系统、光电探测采集系统和成像系统，
12.探测光源光路系统包括通过光纤连接的光源、环形器和耦合器，光源发出的光束通过光纤进入环形器，从环形器出来的部分光线进入到2
×
2的光纤耦合器，按50：50的分光比射出光线，光纤耦合器射出的光线分别进入样品臂臂光路系统和参考臂光路系统；
13.样品臂光路系统包括第一准直镜、半反半透镜，从光纤耦合器出来的光线经过第一准直镜变成平行光入射到眼睛上，经过眼睛反射和半反半透镜投射的一部分光线原路返回到光纤耦合器中，
14.参考臂光路系统包括沿光线入射方向上依次设置的第二准直器、光学延迟线、柱面镜和反射镜，从光纤耦合器出来的光线经过第二准直镜变成平行光进入到光学延迟线，经过光学延迟线出射光经过柱面镜聚焦到反射镜，经过反射镜原路返回到光纤耦合器中；
15.光电探测采集系统包括光电平衡探测器、数据采集卡和处理器，样品臂光路系统中回来的光线与参考臂光路系统中回来的光线在光纤耦合器中发生干涉后被光电平衡探测器接收，环形器出来的另一部分光线进入到光电平衡探测器中，上述光信号转化为电信号被数据采集卡采集并传输到处理器中，进行信号分析和处理；
16.成像系统包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜微透镜阵列和成像装置，眼睛反射回的光被半反半透镜反射的光线，经过第一聚焦透镜聚焦，再经过第二聚焦透镜变成平行光，经过微透镜阵列汇聚被成像装置接收，成像装置接收到的数据传输到处理器中进行数据处理。
17.进一步，光学延迟线为能够旋转的立方体形光学延迟线、步进电机带动反射镜的光学延迟线或者直角棱镜的光学延迟线中的任意一种。
18.进一步，光源为宽带sld光源，成像装置为ccd相机。
19.一种验光仪和眼科生物多参数测量仪测量眼科生物多参数的方法，包括如下步骤，
20.步骤一、根据迈克尔逊干涉仪干涉原理采集眼睛各个部分的信号；
21.步骤二、对角膜、晶状体和视网膜的干涉信号进行带通滤波处理，除去眼睛信号之外的频率噪声；
22.步骤三、对信号进行希尔伯特变换提取信号的包络；
23.步骤四、通过低通滤波除去毛刺的噪声信号频率，得到纯净的峰值信号；
24.步骤五、利用高相干光的干涉波峰与波谷之间的个数计算出对应信号之间的距离。
25.进一步，相邻干涉信号峰值之间的距离d可表达为，
[0026][0027]
式中：λ
l
为高相干激光的波长，为峰值间测距干涉信号的相位差，n
l
为波长λ
l
下的折射率n为干涉信号波峰波谷之间的个数。
[0028]
一种验光仪和眼科生物多参数测量仪测量屈光度的方法，包括如下步骤，
[0029]
步骤一、利用成像装置获取参考光斑阵列图像和待测光斑阵列图像；
[0030]
步骤二、通过ostu阈值分割对参考光斑阵列图像和待测光斑阵列图像进行噪声抑制，并获取每个光斑的质心位置；
[0031]
步骤三、确定光斑质心偏移量；
[0032]
步骤四、计算出波前斜率；
[0033]
步骤五、进行波前像差拟合，计算入射波前像差和zernike多项式系数；
[0034]
步骤六、计算人眼屈光度。
[0035]
进一步，根据几何光学，光点相对偏移量与在该点的局部斜率成正比，所以x、y两个正交方向上的波前斜率为：
[0036][0037][0038]
其中w(x,y)为入射波前像差，f为微透镜的焦距。
[0039]
进一步，将波前用zernike多项式表示，
[0040][0041]
将式(4)代入式(3)和式(2)，可得：
[0042][0043][0044]
然后令：
[0045][0046][0047][0048][0049]
将式(7)、(8)、(9)、(10)写成矩阵的形式：
[0050][0051]
在上述矩阵中，wj矩阵就是重建波前的系数矩阵，通过最小二乘解将上式写成
[0052]
β＝αω
→
α
t
β＝α
t
αω
→
ω＝(α
t
α)-1
α
t
β＝α
+
β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0053]
求得zernike多项式系数即可对人眼波前像差进行重建，并根据下式可算得屈光度数：
[0054][0055]
其中，r为瞳孔半径，c为柱镜度度数，s为球镜度度数，ω4、ω5、ω6为zernike多项式系数。
[0056]
总的说来，本发明具有如下优点：
[0057]
一种验光仪和眼科生物多参数测量仪，包括探测光源光路系统、样品臂光路系统、参考臂光路系统、光电探测采集系统和成像系统，其结构简单，布局合理，根据迈克尔逊干涉仪干涉原理，能够实现同一台仪器既能够验光也能够进行眼科生物多参数测量。
[0058]
一种验光仪和眼科生物多参数测量仪测量眼科生物多参数的方法，包括如下步骤，步骤一、根据迈克尔逊干涉仪干涉原理采集眼睛各个部分的信号；步骤二、对角膜、晶状体和视网膜的干涉信号进行带通滤波处理，除去眼睛信号之外的频率噪声；步骤三、对信号进行希尔伯特变换提取信号的包络；步骤四、通过低通滤波除去毛刺的噪声信号频率，得到纯净的峰值信号；步骤五、利用高相干光的干涉波峰与波谷之间的个数计算出对应信号之间的距离。采用上述方法其能够使用本技术的测量仪实现测量眼科生物多参数，且测量数据准确度高。
[0059]
一种验光仪和眼科生物多参数测量仪测量屈光度的方法，包括如下步骤，步骤一、利用成像装置获取参考光斑阵列图像和待测光斑阵列图像；步骤二、通过ostu阈值分割对参考光斑阵列图像和待测光斑阵列图像进行噪声抑制，并获取每个光斑的质心位置；步骤三、确定光斑质心偏移量；步骤四、计算出波前斜率；步骤五、进行波前像差拟合，计算入射波前像差和zernike多项式系数；步骤六、计算人眼屈光度。采用上述方法其能够使用本技术的测量仪实现测量人眼屈光度，测量较准确。
附图说明
[0060]
图1为本发明一种验光仪和眼科生物多参数测量仪的结构示意图。
[0061]
图2为角膜及干涉信号图。
[0062]
图3为经过低通滤波后的角膜信号图。
[0063]
图4为对角膜信号进行希尔伯特变换后的图。
[0064]
图5为低通滤波除去毛刺的噪声信号频率，得到纯净的峰值信号图。
[0065]
图6为眼科生物多参数测量图。
[0066]
图7为理想波面的h-s光斑图。
[0067]
图8为求取人眼屈光度算法流程图。
[0068]
图9为波前像差偏移图。
[0069]
其中图1中包括有：
[0070]
1——宽带sld光源、2——光纤、3——环形器、4——光纤耦合器、5——第一准直镜、6——半反半透镜、7——眼睛、8——第一聚焦透镜、9——第二聚焦透镜、10——微透镜阵列、11——ccd相机、12——第二准直镜、13——光学延迟线、14——柱面镜、15——反射镜、16——光电平衡探测器、17——数据采集卡、18——电脑处理终端。
具体实施方式
[0071]
下面来对本发明做进一步详细的说明。
[0072]
如图1所示，一种验光仪和眼科生物多参数测量仪，包括探测光源光路系统、样品臂光路系统、参考臂光路系统、光电探测采集系统和成像系统，
[0073]
探测光源光路系统包括通过光纤连接的光源、环形器和耦合器，光源发出的光束通过光纤进入环形器，从环形器出来的部分光线进入到2
×
2的光纤耦合器，按50：50的分光比射出光线，光纤耦合器射出的光线分别进入样品臂臂光路系统和参考臂光路系统；
[0074]
样品臂光路系统包括第一准直镜、半反半透镜，从光纤耦合器出来的光线经过第一准直镜变成平行光入射到眼睛上，经过眼睛反射和半反半透镜投射的一部分光线原路返回到光纤耦合器中，
[0075]
参考臂光路系统包括沿光线入射方向上依次设置的第二准直器、光学延迟线、柱面镜和反射镜，从光纤耦合器出来的光线经过第二准直镜变成平行光进入到光学延迟线，经过光学延迟线出射光经过柱面镜聚焦到反射镜，经过反射镜原路返回到光纤耦合器中；
[0076]
光电探测采集系统包括光电平衡探测器、数据采集卡和处理器，样品臂光路系统中回来的光线与参考臂光路系统中回来的光线在光纤耦合器中发生干涉后被光电平衡探测器接收，环形器出来的另一部分光线进入到光电平衡探测器中，上述光信号转化为电信号被数据采集卡采集并传输到处理器中，进行信号分析和处理；成像系统包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜微透镜阵列和成像装置，眼睛反射回的光被半反半透镜反射的光线，经过第一聚焦透镜聚焦，再经过第二聚焦透镜变成平行光，经过微透镜阵列汇聚被成像装置接收，成像装置接收到的数据传输到处理器中进行数据处理。光学延迟线为能够旋转的立方体形光学延迟线、步进电机带动反射镜的光学延迟线或者直角棱镜的光学延迟线中的任意一种。光源为宽带sld光源，成像装置为ccd相机。
[0077]
眼科生物多参数测量仪测量的实现是利用旋转式的四方块产生光学延迟线，能快
速改变光程，对眼睛进行实时轴向扫描。样品臂的光入射到眼睛上，经过角膜、晶状体和视网膜反射原路返回，与参考臂的光发生干涉。当采用低相干光源时，只有当参考臂和样品臂的光程差为零时，探测器接收到能量最大。具体的流程为：从宽带sld光源中到第一准直镜和到第二准直镜的光纤长度相等，保证样品臂和参考臂的光纤光程相等；然后控制第一准直镜到眼睛角膜的光程和第二准直镜到反射镜的光程相等，这样我们就保证了两臂的光程差为0，通过旋转四方块就可以对眼睛进行扫描。
[0078]
一种验光仪和眼科生物多参数测量仪测量眼科生物多参数的方法，包括如下步骤，步骤一、根据迈克尔逊干涉仪干涉原理采集眼睛各个部分的信号；步骤二、对角膜、晶状体和视网膜的干涉信号进行带通滤波处理，除去眼睛信号之外的频率噪声；步骤三、对信号进行希尔伯特变换提取信号的包络；步骤四、通过低通滤波除去毛刺的噪声信号频率，得到纯净的峰值信号；步骤五、利用高相干光的干涉波峰与波谷之间的个数计算出对应信号之间的距离。具体的测量角膜的信号如图2所示，角膜的干涉信号为正弦波，我们需要对信号进行处理。具体的流程为：先对角膜、晶状体和视网膜的干涉信号进行带通滤波处理，除去眼睛信号之外的频率噪声，如图3所示；接着对信号进行希尔伯特变换提取信号的包络，信号如图4所示；提取出来的包络会有一定的毛刺，最后我们通过低通滤波出去毛刺的噪声信号频率，得到纯净的峰值信号，如图5所示；最后如图6所示利用高相干光的干涉波峰与波谷之间的个数计算出对应信号之间的距离。相邻干涉信号峰值之间的距离d可表达为，
[0079][0080]
式中：λ
l
为高相干激光的波长，为峰值间测距干涉信号的相位差，n
l
为波长λ
l
下的折射率n为干涉信号波峰波谷之间的个数。
[0081]
一种验光仪和眼科生物多参数测量仪测量屈光度的方法，包括如下步骤，步骤一、利用成像装置获取参考光斑阵列图像和待测光斑阵列图像；步骤二、通过ostu阈值分割对参考光斑阵列图像和待测光斑阵列图像进行噪声抑制，并获取每个光斑的质心位置；步骤三、确定光斑质心偏移量；步骤四、计算出波前斜率；步骤五、进行波前像差拟合，计算入射波前像差和zernike多项式系数；步骤六、计算人眼屈光度。
[0082]
眼睛反射回来的光经过半反半透镜一部分反射回到第一聚焦透镜进行聚焦，再经过第二聚焦透镜变成平行光，平行光经过微透镜阵列汇聚到ccd相机上，当一个理想平面波通过微透镜阵列以后，波前聚焦在微透镜的焦平面形成光斑阵列，如图7所示。
[0083]
当带有像差的波前经过微透镜阵列后，其在焦平面聚焦的光斑阵列会产生偏移。因此可通过比较理想平面波与带有像差的波前的光斑阵列则可以计算出每个微透镜在x、y方向的相对偏移量δx和δy。利用ccd相机获取光斑阵列图像，通过ostu阈值分割进行噪声抑制并获取每个光斑的质心位置，然后确定光斑质心偏移量，便可计算出波前斜率。算法流程图如图8所示：
[0084]
如图9所示，根据几何光学，光点相对偏移量与在该点的局部斜率成正比，所以x、y两个正交方向上的波前斜率为：
[0085]
[0086][0087]
其中w(x,y)为入射波前像差，f为微透镜的焦距。
[0088]
为了避免在波前像差拟合的过程中发生因为没有正交性使各项方程式互相影响而导致误差的发生，所选择的波前重构算法需要多项式兼具正交的特性以及光学像差的对应性，因此选择zernike多项式作为波前重构算法。将波前用zernike多项式表示，
[0089][0090]
将式(4)代入式(3)和式(2)，可得：
[0091][0092][0093]
然后令：
[0094][0095][0096][0097][0098]
将式(7)、(8)、(9)、(10)写成矩阵的形式：
[0099][0100]
在上述矩阵中，wj矩阵就是重建波前的系数矩阵，通过最小二乘解将上式写成
[0101]
β＝αω
→
α
t
β＝α
t
αω
→
ω＝(α
t
α)-1
α
t
β＝α
+
β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0102]
求得zernike多项式系数即可对人眼波前像差进行重建，并根据下式可算得屈光度数：
[0103][0104]
其中，r为瞳孔半径，c为柱镜度度数，s为球镜度度数，ω4、ω5、ω6为zernike多项式系数。
[0105]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。