專(zhuān)利名稱(chēng)：人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，是一種用于個(gè)性化人眼高階像差手術(shù)矯正術(shù)前、或個(gè)性化人眼高階像差隱形眼鏡配置前，仿真人眼術(shù)后、或隱形眼鏡配置后視覺(jué)效果的光學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明放射狀角膜切開(kāi)術(shù)(RadialKeratotomy-RK)矯正視力以來(lái)，隨著激光技術(shù)、光電技術(shù)的進(jìn)步，90年代出現(xiàn)了準(zhǔn)分子激光角膜削融術(shù)(Photorefractive Keratertomy-PRK)，90年代后期發(fā)展起來(lái)的準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)(Laser in SituKeratomileusis-LASIK)，近年來(lái)這些技術(shù)都已經(jīng)發(fā)展成為了門(mén)診手術(shù)。這些手術(shù)通過(guò)手術(shù)刀、激光切削角膜組織、改變角膜表面的曲率使平行光線重新聚焦在視網(wǎng)膜上，從而達(dá)到屈光矯正的目的。
隨著人眼波像差精確測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，波像差引導(dǎo)的“個(gè)性化”角膜屈光手術(shù)成為了可能。所謂波前像差引導(dǎo)的角膜個(gè)性化切削，是指用波前像差儀測(cè)量患者眼的波前像差，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算，制定出需矯正的手術(shù)方案，通過(guò)LASIK手術(shù)中小光斑飛點(diǎn)掃描激光系統(tǒng)實(shí)行手術(shù)。亦即根據(jù)不同個(gè)體獨(dú)特的光學(xué)特性和解剖特性，通過(guò)各種波像差，如球差、像散、彗差和非球面誤差切削，矯正個(gè)體人眼波像差、并減少手術(shù)帶來(lái)的高階像差，從而提高人眼視網(wǎng)膜的成像質(zhì)量。這種方式理論上可以使患者得到比正常人更好的“超常視力”。
David Williams實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)就校正人眼的高階像差做過(guò)相應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)，證明校掉較高階像差有助于提高人眼的主觀像質(zhì)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)其主要特征在于人眼像差的測(cè)量采用微透鏡結(jié)構(gòu)的哈特曼-夏克波前傳感器(“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)。
在實(shí)際應(yīng)用中，個(gè)性化LASIK手術(shù)還存在如下幾個(gè)問(wèn)題(1)手術(shù)不可逆，患者術(shù)后角膜很薄，即便準(zhǔn)確測(cè)定了術(shù)后殘留像差，也無(wú)法通過(guò)再次手術(shù)加以矯正；(2)客觀個(gè)性化與視覺(jué)主觀感受的差異。手術(shù)切削方案的制定完全基于物理的像差測(cè)量數(shù)據(jù)，但像差對(duì)成像質(zhì)量特別是人的主觀視力感覺(jué)具有兩重性。有時(shí)即使通過(guò)手術(shù)消除了所有像差，患者的主觀感覺(jué)不一定最好，不一定達(dá)到患者最滿意的視覺(jué)效果；而適當(dāng)保留某些像差卻有助于提高患者主觀感覺(jué)和舒適度，或有助于提高某些特定視功能；(3)LASIK手術(shù)切削精度、偏中心切削和角膜組織傷口的自動(dòng)愈合功能等因素，使得術(shù)后效果具有一定程度的不可預(yù)測(cè)性和不可確定性。
所以在手術(shù)方案制定過(guò)程中，如何考慮像差的消除，哪些像差應(yīng)該消除，像差在多大程度上給予消除，如何考慮手術(shù)切削誤差、中心偏誤差，如何建立客觀像差補(bǔ)償和患者主觀感受間的關(guān)系等等問(wèn)題，都需要一種工具來(lái)幫助預(yù)先模擬手術(shù)方案的實(shí)施結(jié)果，便于降低風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到接近預(yù)期的手術(shù)效果。
此外，配置個(gè)性化人眼高階像差隱形眼鏡，需要事先用波前像差儀測(cè)量患者眼的波前像差，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理成控制數(shù)據(jù)，用以制定隱形眼鏡的掩模方案，再經(jīng)刻蝕和曝光程序制作個(gè)性化隱形眼鏡。該過(guò)程制作成本比普通眼鏡高得多，如果能事先模擬眼鏡設(shè)計(jì)方案，使患者感受其對(duì)人眼產(chǎn)生的主觀矯正效果，將有利于提高制作的成功率，從而降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決解決問(wèn)題是提供一種人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，使患者在手術(shù)方案或個(gè)性化隱形眼鏡的制定過(guò)程中，通過(guò)本儀器就可以感受到術(shù)后或高階像差矯正后的視覺(jué)效果，使患者與醫(yī)生共同討論手術(shù)方案或設(shè)計(jì)方案成為可能，或者在個(gè)性化隱形眼鏡制作之前實(shí)現(xiàn)參數(shù)的修改優(yōu)化。醫(yī)生也可以使用本儀器，仿真模擬手術(shù)中的各種誤差對(duì)患者術(shù)后視覺(jué)的影響以?xún)?yōu)化手術(shù)參數(shù)，同時(shí)建立客觀測(cè)量數(shù)據(jù)與視覺(jué)主觀感受間的關(guān)系，使得不可逆的手術(shù)方案術(shù)前優(yōu)化成為可能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于它由自適應(yīng)光學(xué)信標(biāo)、擴(kuò)束系統(tǒng)、反射鏡、分光鏡、人眼、光束匹配望遠(yuǎn)鏡、波前校正器、光束匹配望遠(yuǎn)鏡、反射鏡、分束鏡、基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器、計(jì)算機(jī)、高壓放大器、成像光學(xué)系統(tǒng)和視覺(jué)鑒別率顯示器組成，信標(biāo)發(fā)出的光，由擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束，經(jīng)第一反射鏡和分束鏡反射進(jìn)人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透過(guò)分光鏡和光束匹配望遠(yuǎn)鏡，再經(jīng)波前校正器反射，通過(guò)光束匹配望遠(yuǎn)鏡，至第二反射鏡，第二反射鏡將反射光透過(guò)分束鏡反射進(jìn)基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器，該傳感器將測(cè)得的誤差信號(hào)送至計(jì)算機(jī)處理成人眼波像差。
所述的哈特曼波前傳感器是基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器；所述的波前校正器是變形反射鏡，或液晶波前校正器，或微機(jī)械變形鏡，或雙壓電陶瓷變形鏡；所述的視覺(jué)鑒別率顯示器是商用投影儀、或彩色液晶顯示器、或等離子體顯示器、或場(chǎng)致發(fā)光顯示器、或有機(jī)發(fā)光顯示器；系統(tǒng)視場(chǎng)光欄面或視場(chǎng)光欄實(shí)象面還加有共焦濾波小孔。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，首次提出將人眼高階像差矯正應(yīng)用于LASIK手術(shù)前或隱形眼鏡配置前患者主觀視覺(jué)效果的仿真判定上，并且其中的波前傳感器為基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，加工工藝易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于現(xiàn)有的基于微透鏡陣列的哈特曼傳感器技術(shù)，能夠簡(jiǎn)化安裝、調(diào)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。


圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2為本發(fā)明中的哈特曼波前傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由自適應(yīng)光學(xué)信標(biāo)1、擴(kuò)束系統(tǒng)2、反射鏡3、分光鏡4、人眼5、光束匹配望遠(yuǎn)鏡6、波前校正器7、光束匹配望遠(yuǎn)鏡8、反射鏡9、分束鏡10、哈特曼波前傳感器11、計(jì)算機(jī)12、高壓放大器13、反射鏡14、成像光學(xué)系統(tǒng)15和視覺(jué)鑒別率顯示器16組成，其中自適應(yīng)光學(xué)信標(biāo)1可以是激光器laser、半導(dǎo)體激光器laser diode和超熒光輻射半導(dǎo)體器件super luminescent diode-SLD；波前校正器7可以是變形反射鏡deformable mirror、液晶波前校正器liquid crystal device、微機(jī)械變形鏡micro-machined mirror和雙壓電陶瓷變形鏡bimorph mirror；哈特曼波前傳感器11是基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器(見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?3126431.X、03126430.1和200310100168.1)，該新型哈特曼波前傳感器是以二維鋸齒形相位光柵陣列和傅立葉透鏡組合，代替以往的微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束孔徑的均勻分割，位于傅立葉透鏡焦平面的CCD進(jìn)行光電探測(cè)，實(shí)現(xiàn)波前測(cè)量功能；視覺(jué)鑒別率顯示器16可以是商用投影儀、彩色液晶顯示器、等離子體顯示器、場(chǎng)致發(fā)光顯示器和有機(jī)發(fā)光顯示器；消除人眼角膜的雜光可以用共焦成像的原理，共焦濾波小孔17置于成像系統(tǒng)的視場(chǎng)光欄面或視場(chǎng)光欄實(shí)像面，例如在光束匹配望遠(yuǎn)鏡6或8的兩組透鏡的公共焦點(diǎn)處，這樣只有眼底反射光才能透過(guò)該光欄，從而消除雜光；或者采用偏軸照明的方法；或者采用偏振光源照明，眼底反射光是退偏的，角膜散射光則不退偏，通過(guò)檢偏器檢不同的偏振態(tài)來(lái)濾除角膜雜光。
本發(fā)明實(shí)施例的原理是信標(biāo)1發(fā)出的光，由擴(kuò)束系統(tǒng)2擴(kuò)束，經(jīng)反射鏡3和分束鏡4反射進(jìn)人眼5瞳孔；人眼5眼底反射的光，透過(guò)分光鏡4和光束匹配望遠(yuǎn)鏡6(根據(jù)共焦成像原理，共焦濾波小孔17置于成像系統(tǒng)的視場(chǎng)光欄面或視場(chǎng)光欄實(shí)像面，例如在光束匹配望遠(yuǎn)鏡6或光束匹配望遠(yuǎn)鏡8的兩組透鏡的公共焦點(diǎn)處的共焦濾波光欄17，只讓眼底反射光透過(guò)，從而消除雜光)，再經(jīng)波前校正器7反射，通過(guò)光束匹配望遠(yuǎn)鏡8，至反射鏡9，反射鏡9將反射光透過(guò)分束鏡10反射進(jìn)基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器11，傳感器11將測(cè)得的誤差信號(hào)送至計(jì)算機(jī)12處理成人眼波像差。
如圖2所示，基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器11由二維鋸齒形相位光柵陣列結(jié)構(gòu)的微棱鏡陣列11-1、傅立葉透鏡11-2和位于透鏡焦平面的CCD 11-3組成，入射光束經(jīng)微棱鏡陣列11-1后，各個(gè)子孔徑的光束分別產(chǎn)生了相應(yīng)的相位變化，經(jīng)由緊貼其后的傅立葉透鏡11-2，和位于傅立葉透鏡焦面上的CCD 11-3探測(cè)其光強(qiáng)分布，該光強(qiáng)分布包含著二維鋸齒形相位光柵陣列11-1所產(chǎn)生的相位信息，每個(gè)子孔徑所產(chǎn)生的相位變化不同，因而在傅立葉透鏡11-2焦面上形成一個(gè)光斑陣列，整個(gè)光束孔徑被均勻分割。標(biāo)準(zhǔn)平面波入射產(chǎn)生的光斑陣列事先被保存起來(lái)作為標(biāo)定數(shù)據(jù)。當(dāng)具有一定像差的波前入射時(shí)，各個(gè)局部?jī)A斜平面波對(duì)其子孔徑內(nèi)二維鋸齒形相位光柵產(chǎn)生新的附加相位，該相位變化將反映到傅立葉透鏡11-2焦面的光斑位置偏移上。
CCD 11-3接收到的光斑信號(hào)可通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，采用質(zhì)心算法由公式①計(jì)算光斑的位置(xi，yi)，探測(cè)全孔徑的波面誤差信息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為子孔徑映射到CCD 11-3光敏靶面上對(duì)應(yīng)的像素區(qū)域，Inm是CCD 11-3光敏靶面上第(n，m)個(gè)像素接收到的信號(hào)，xnm，ynm分別為第(n，m)個(gè)像素的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)。
再根據(jù)公式②計(jì)算入射波前的波前斜率gxi，gyigxi=Δxλf=xi-x0λf,gyi=Δyλf=yi-y0λf]]>②
式中，(x0，y0)為標(biāo)準(zhǔn)平面波標(biāo)定哈特曼傳感器獲得的光斑中心基準(zhǔn)位置；哈特曼傳感器探測(cè)波前畸變時(shí)，光斑中心偏移到(xi，yi)，完成哈特曼波前傳感器對(duì)信號(hào)的檢測(cè)。
本發(fā)明的使用過(guò)程是(1)醫(yī)生根據(jù)波像差數(shù)據(jù)制定手術(shù)方案，將LASIK手術(shù)預(yù)案或個(gè)性化隱形眼鏡的設(shè)計(jì)預(yù)案數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將這些數(shù)據(jù)處理成控制信號(hào)，控制信號(hào)送高壓放大器13放大后，施加到波前校正器7上，由波前校正器生成術(shù)后或隱形眼鏡配置后的波像差矯正量，從而模擬校正人眼波像差。
(2)人眼波像差校正完畢，計(jì)算機(jī)控制視覺(jué)鑒別率顯示器16工作，視覺(jué)鑒別率顯示器16發(fā)出的光，經(jīng)成像光學(xué)系統(tǒng)15、反射鏡14、分束鏡10，反射鏡9、光束匹配望遠(yuǎn)鏡8、波前校正器7、光束匹配望遠(yuǎn)鏡6、進(jìn)入人眼5，此時(shí)患者就可以通過(guò)觀看鑒別率顯示器顯示屏上生成的各種圖案，真實(shí)地體驗(yàn)LASIK手術(shù)后或個(gè)性化隱形眼鏡配置后的視覺(jué)感受。
(3)根據(jù)患者的視覺(jué)感受，醫(yī)生可以調(diào)整LASIK手術(shù)預(yù)案或個(gè)性化隱形眼鏡波像差矯正方案，由該人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)再現(xiàn)這些調(diào)整，重復(fù)上述1、2兩個(gè)步驟，直至患者視覺(jué)感受最佳，從而解決LASIK手術(shù)不可逆帶來(lái)的一系列問(wèn)題，或者幫助了解個(gè)性化隱形眼鏡配置后的主觀視覺(jué)感受。
(4)醫(yī)生可以通過(guò)該系統(tǒng)再現(xiàn)LASIK手術(shù)中切削精度、偏中心切削和角膜組織傷口的自動(dòng)愈合功能等因素帶來(lái)的各種波像差，重復(fù)上述1、2、3等步驟，通過(guò)患者的真實(shí)視覺(jué)感受，優(yōu)化手術(shù)方案或個(gè)性化隱形眼鏡的配置方案，幫助患者獲得最佳手術(shù)、視覺(jué)效果。
權(quán)利要求
1.人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，其特征在于它由自適應(yīng)光學(xué)信標(biāo)(1)、擴(kuò)束系統(tǒng)(2)、反射鏡(3)、分光鏡(4)、人眼(5)、光束匹配望遠(yuǎn)鏡(6)、波前校正器(7)、光束匹配望遠(yuǎn)鏡(8)、反射鏡(9)、分束鏡(10)、哈特曼波前傳感器(11)、計(jì)算機(jī)(12)、高壓放大器(13)、反射鏡(14)、成像光學(xué)系統(tǒng)(15)和視覺(jué)鑒別率顯示器(16)組成，信標(biāo)(1)發(fā)出的光，由擴(kuò)束系統(tǒng)(2)擴(kuò)束，經(jīng)反射鏡(3)和分束鏡(4)反射進(jìn)人眼(5)瞳孔；人眼(5)眼底反射的光，透過(guò)分光鏡(4)和光束匹配望遠(yuǎn)鏡(6)，再經(jīng)波前校正器(7)反射，通過(guò)光束匹配望遠(yuǎn)鏡(8)，至反射鏡(9)，反射鏡(9)將反射光透過(guò)分束鏡(10)反射進(jìn)哈特曼波前傳感器(11)，該傳感器(11)將測(cè)得的誤差信號(hào)送至計(jì)算機(jī)(12)處理成人眼波像差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的哈特曼波前傳感器(11)是基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的波前校正器(7)是變形反射鏡，或液晶波前校正器，或微機(jī)械變形鏡，或雙壓電陶瓷變形鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，其特征在于視覺(jué)鑒別率顯示器(16)是商用投影儀、或彩色液晶顯示器、或等離子體顯示器、或場(chǎng)致發(fā)光顯示器、或有機(jī)發(fā)光顯示器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)視場(chǎng)光欄面或視場(chǎng)光欄實(shí)象面還加有共焦濾波小孔(17)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的共焦濾波小孔(17)置于光束匹配望遠(yuǎn)鏡(6)或光束匹配望遠(yuǎn)鏡(8)的前組和后組透鏡公共焦點(diǎn)處。
全文摘要
人眼高階像差矯正視覺(jué)仿真系統(tǒng)由自適應(yīng)光學(xué)信標(biāo)、擴(kuò)束系統(tǒng)、反射鏡、分光鏡、人眼、光束匹配望遠(yuǎn)鏡、波前校正器、光束匹配望遠(yuǎn)鏡、反射鏡、分束鏡、基于微棱鏡陣列的哈特曼波前傳感器、計(jì)算機(jī)、高壓放大器、成像光學(xué)系統(tǒng)和視覺(jué)鑒別率顯示器組成，信標(biāo)發(fā)出的光，由擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束，經(jīng)第一反射鏡和分束鏡反射進(jìn)人眼瞳孔；人眼眼底反射的光，透過(guò)分光鏡和光束匹配望遠(yuǎn)鏡，再經(jīng)波前校正器反射，通過(guò)光束匹配望遠(yuǎn)鏡，至第二反射鏡，第二反射鏡將反射光透過(guò)分束鏡反射進(jìn)哈特曼波前傳感器，該傳感器將測(cè)得的誤差信號(hào)送至計(jì)算機(jī)處理成人眼波像差。本發(fā)明將人眼高階像差矯正應(yīng)用于LASIK手術(shù)前或隱形眼鏡配置前患者主觀視覺(jué)效果的仿真判定上，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，加工工藝易實(shí)現(xiàn)，能夠簡(jiǎn)化安裝、調(diào)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)A61B3/10GK1701756SQ20041000911
公開(kāi)日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2004年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月24日
發(fā)明者張雨?yáng)|, 饒學(xué)軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所