專利名稱：用于人眼測量的混合變焦距光學系統(tǒng)結構的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學成像系統(tǒng)，涉及到一種對哈特曼波前傳感器測量手段的改進，特別是涉及到哈特曼波前傳感器中折/衍混合變焦距系統(tǒng)來矯正遠視、近視眼的光學成像系統(tǒng)結構的改進。
背景技術：
人眼的光學系統(tǒng)是一個由非球面和梯度折射率變化的復雜光學系統(tǒng)，為了測量人眼的波像差，近些年國外利用哈特曼傳感器采用的是通過測量波前斜率，再經過適當?shù)牟ㄇ爸貥嬎惴▉硗瓿刹ㄇ皽y量，整個系統(tǒng)結構簡單、緊湊，由于研究采用的是單色光，所以只涉及單色像差；使用白光對人眼進行測試時，發(fā)現(xiàn)矯正高級像差后的人眼高空間頻率物的反差靈敏度函數(shù)(CSF)只能提高2倍，這是由于使用白光時，存在的波色差阻礙了人眼視力的提高。顯然如果同時矯正單色像差和波色差，人眼視覺將會得到更好的改善，因此測量不同波長下的人眼波像差亦具有極為重要的意義。而目前用哈特曼傳感器對人眼波像差的研究均基于單色波長和測量正常人眼，結構在于由激光器發(fā)出的單色光經微透鏡陣列及半反半透鏡平行入射到人眼到達視網膜后，再按原路返回到達半反半透鏡后反射到CCD相機得到人眼視網膜的圖像?；诒尘凹夹g哈特曼傳感器的這種結構，它不能測量人眼波色差和遠視眼和近視眼等普通個體人眼。
發(fā)明內容
針對上述背景技術中存在的問題，本實用新型的目的是解決背景技術中用哈特曼傳感器不能測量人眼波色差和遠視眼和近視眼等問題，本實用新型將要提供一種復消波色差的變焦系統(tǒng)，采用多色光源，可用來測量普通個體人眼的波色差。基于上述需要，本實用新型設計了一種用于可在不同波長下用于人眼測量的混合變焦距光學系統(tǒng)結構。
本實用新型的技術方案包括哈特曼傳感器、變焦系統(tǒng)、待測人眼，其中哈特曼傳感器包括探測器、激光器、微透鏡陣列、反射鏡、半透半反鏡；變焦系統(tǒng)包括第一折射透鏡、第二折射透鏡、二元衍射面；本實用新型變焦系統(tǒng)位于待測人眼和哈特曼傳感器之間并且三者處于同一光軸；二元衍射面刻蝕在第一折射透鏡或者第二折射透鏡中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡和第二折射透鏡的位置可以互換；第一折射透鏡、第二折射透鏡、二元衍射面在系統(tǒng)光軸上垂直放置或傾斜放置。
本實用新型工作時，當激光束聚焦在人眼視網膜上形成像點，該像點經過人眼屈光介質反射出的光束由微透鏡陣列成像，該微透鏡陣列將入射波前分割成子波前陣列，通過測量各個子波前的相位斜率，經波前重構算法重構出實際波前，從而可以得到人眼的各種像差。由于不同的非正常視力的人眼存在不同程度的離焦(近視或遠視)，這將導致從光源出射的平行光束不能成像在視網膜上，從而使反射到微透鏡陣列上的光強變弱，信噪比降低，不能準確地得到待測波前信息。本實用新型通過調焦系統(tǒng)來補償不同個體人眼存在的離焦，便可使入射光束在視網膜上聚焦成像，從而對不同的個體眼，均可獲得到較高的信噪比，同時由變焦系統(tǒng)可以得到待測人眼被補償?shù)碾x焦量。因此本實用新型可用于哈特曼傳感器精確測量個體人眼波像差。
本實用新型的積極效果本實用新型根據哈特曼波前傳感器測量不同波長下人眼波像差的需要，設計了由兩片折射透鏡和一個二元衍射面構成折/衍混合多色變焦系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中采用的二元衍射面因為其獨特的色散特性，已表現(xiàn)出折射元件不可替代的優(yōu)勢。二元衍射面具有大的負向色散特性，可同折射元件組合構成消色差系統(tǒng)；而且二元衍射面是直接制作在折射透鏡上的浮雕結構，可有效地簡化系統(tǒng)結構，減輕重量。解決了背景技術不能測量人眼波色差和遠視眼和近視眼等普通個體人眼的問題。該系統(tǒng)置于哈特曼傳感器和人眼之間，在對有不同程度的近視或遠視的非正常眼進行測量時，通過該系統(tǒng)的調焦，使測試光束均能聚焦在視網膜上，再原路返回到半反半透鏡上再反射到CCD上獲得人眼信息，從而對不同的個體眼，均可獲得較高的信噪比，從而實現(xiàn)包括近視眼、遠視眼、正常眼在內的波像差的測量。焦長調整范圍為-200mm-200mm，可用于離焦在-500度到+500度范圍內的非正常眼。準直情況下，系統(tǒng)性能達到衍射受限；在0.488μm-0.655μm波長范圍內，焦點的色位移小于3μm。整個系統(tǒng)結構簡單緊湊，性能良好，可以很好地同哈特曼波前傳感器相匹配。
圖1是本實用新型的結構示意圖圖(2a)是本實用新型變焦系統(tǒng)的準直狀態(tài)示意圖圖(2b)是本實用新型變焦系統(tǒng)的焦距為-200mm時的發(fā)散狀態(tài)示意圖圖(2c)是本實用新型變焦系統(tǒng)焦距為+200mm時的會聚狀態(tài)示意圖圖3是本實用新型變焦系統(tǒng)的焦點色位移示意圖圖4是本實用新型的準直系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)曲線圖5是本實用新型的二元衍射面的線頻率(a)和相位(b)隨元件徑向坐標的變化具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型的實施作進一步說明本實用新型如圖1包括哈特曼傳感器1、變焦系統(tǒng)7、待測人眼11，其中哈特曼傳感器1包括探測器2、激光器3、微透鏡陣列4、反射鏡5、半透半反鏡6；變焦系統(tǒng)7包括第一折射透鏡8、第二折射透鏡9、二元衍射面10。探測器2采用CCD探測器。激光器3采用氦氖激光器。微透鏡陣列4采用玻璃制成。反射鏡5采用鍍銀平面鏡。半透半反鏡6采用平板玻璃上鍍制半反半透膜。第一折射透鏡8和第二折射透鏡9的材料一般由K9玻璃制成，或者由TF1、TF2、TF3、TF4、TF5、TF6、K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8等組成單色變焦系統(tǒng)。變焦系統(tǒng)中的第一折射透鏡8、第二折射透鏡9、二元衍射面10在光軸上既可以垂直放置也可以傾斜放置，放置的其角度可選擇在85度-95度，例如選擇85度、88度、90度、92度、95度等。二元衍射面10刻蝕在第一折射透鏡8或者第二折射透鏡9中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡8和第二折射透鏡9的位置可以互換。
根據哈特曼傳感器的光束口徑來設計變焦系統(tǒng)的入射光束口徑；一般人眼在暗視覺時的光瞳約為8mm左右，因此設計該變焦系統(tǒng)的出射光束口徑最大為8mm，以確保從人眼視網膜反射的光束可同哈特曼傳感器內的微透鏡陣列相匹配；波長選取0.488μm，0.514μm，0.655μm；為滿足-500度到+500度的人眼視力調整范圍，焦長變化范圍應在-200mm-200mm。
為縮小變焦系統(tǒng)7的長度，第一折射透鏡8選用負透鏡。為確保在變焦過程中系統(tǒng)出射光束口徑最大為8mm，在準直光路情況下，合理設定第一折射透鏡8與第二折射透鏡9之間的間隔，使出射光束口徑約為6.5mm。設計中加入理想虛擬透鏡，優(yōu)化各面曲率校正球差。若將僅由兩片折射透鏡構成的變焦系統(tǒng)用于多色情況，則存在較大的色差和色球差，二元衍射面具有大的負向色散特性，可同折射元件組合構成消色差系統(tǒng)，如圖3所示。
優(yōu)化后系統(tǒng)的變焦結構如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示，第二折射透鏡9的前表面為二元衍射面，變焦系統(tǒng)7長為60mm，焦長從-200mm到200mm范圍內變化時，第二折射透鏡9移動距離為32mm。其中圖2(a)是光束準直出射時的結構，圖2(b)、圖2(c)分別表示焦距為-200mm和+200mm時的結構。光束準直情況下的焦點色位移情況如圖3所示，曲線變?yōu)閽佄镄?，最大焦移?μm；圖4給出了準直系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)(MTF)特性曲線，可知變焦系統(tǒng)為衍射受限。
根據圖5給出了二元衍射面的面型參數(shù)曲線可以制作二元衍射面，其中曲線a表示線頻率隨元件徑向坐標的變化，曲線b表示相位隨元件徑向坐標的變化。由曲線a可知，在孔徑邊緣處的線頻率為1.84periods/mm，對應最小線寬為543μm。當選擇每周期的刻蝕臺階數(shù)為8時，對應衍射效率為95％，此時二元面的最小特征尺寸為67.9μm。
哈特曼傳感器1包括探測器2、激光器3、微透鏡陣列4、反射鏡5、半透半反鏡6置于金屬或者其它承重材料制成的殼體內組裝成子系統(tǒng)。第一折射透鏡8、第二折射透鏡9、二元衍射面10組成的變焦系統(tǒng)組成一個筒狀結構與上述子系統(tǒng)對接，從而形成用于人眼測量的混合變焦距光學系統(tǒng)結構。
權利要求1.用于人眼測量的混合變焦距光學系統(tǒng)結構，包括哈特曼傳感器(1)探測器(2)、激光器(3)、微透鏡陣列(4)、反射鏡(5)、半透半反鏡(6)和待測人眼(11)，其特征在于還包括變焦系統(tǒng)(7)第一折射透鏡(8)、第二折射透鏡(9)、二元衍射面(10)，變焦系統(tǒng)(7)位于待測人眼(11)和哈特曼傳感器(1)之間并且三者處于同一光軸；二元衍射面(10)刻蝕在第一折射透鏡(8)或者第二折射透鏡(9)中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡(8)和第二折射透鏡(9)的位置可以互換；第一折射透鏡(8)、第二折射透鏡(9)、二元衍射面(10)在系統(tǒng)光軸上垂直放置或傾斜放置。
專利摘要本實用新型涉及一種用于人眼測量的混合變焦距光學系統(tǒng)結構。包括哈特曼波前傳感器1、探測器2、激光器3、微透鏡陣列4、反射鏡5、半透半反鏡6、變焦系統(tǒng)7、第一、第二折射透鏡8、9、二元衍射面10、待測人眼11，變焦系統(tǒng)位于待測人眼和哈特曼傳感器之間并處于同一光軸；二元衍射面刻蝕在第一折射透鏡或者第二折射透鏡中的折射面中的任何一面；第一折射透鏡和第二折射透鏡的位置可以互換；第一折射透鏡、第二折射透鏡、二元衍射面在系統(tǒng)光軸上垂直或傾斜放置。用變焦系統(tǒng)的調焦和二元衍射面的負向色散特性，解決哈特曼傳感器不能測量人眼波色差和遠視眼和近視眼等問題。
文檔編號A61B3/10GK2751745SQ200320112748
公開日2006年1月18日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權日2003年11月13日
發(fā)明者孫強, 盧振武 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所