基于Hartmann-Shack波前传感器的实时人眼像差测量

王波

【摘 要】为实时、准确地测量人眼的像差,保证人眼像差校正时数据的准确性,依据Hartmann-Shack波前传感器测量像差探测原理,设计搭建了一套基于

Hartmann-Shack波前传感器的人眼像差实时测量系统.用该系统对人眼的动态像差进行了测量实验,对实验的结果进行了分析.实验结果表明:为了满足传感器获取光斑图及保证人眼的安全,入瞳的激光功率80μW较为合适;像差测量的结果折算成屈光度与主观方法验光值结果基本相符;动态像差连续测量观察像差波动的时间约在0.2～0.5s,与人眼的波前像差变化频率在5 Hz左右的结论基本相符.结果表明该系统满足了人眼像差测量的可行性和准确性要求. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2014(014)003 【总页数】5页(P195-199)

【关键词】Hartmann-Shack传感器;人眼;波前像差 【作 者】王波

【作者单位】滁州学院机械与电子工程学院,滁州239000 【正文语种】中 文

【中图分类】TP212.14;TH786

人眼是一种重要的光学仪器，但不是理想的光学系统，它不仅存在离焦和散光等低

阶像差，同时还存在球差、慧差和非规则的高阶像差［1］，尤其在弱光下人眼呈现的大瞳孔，人眼波前像差更大，从而使人眼的视觉性能远远低于衍射极限。如果能够准确测量并矫正人眼波前像差，可以提高正常人眼的视力得到超视觉2。因此，人眼波前像差测量数据的准确性，对提高正常人眼的视力和人眼屈光矫正手术等领域具有重要的实验和临床价值［3］。目前，人眼波前像差的测量方法有激光光线追踪法、双程技术法、空间分辨折射仪法和哈特-曼波前传感器(hartmann-shack wavefront sensor，HSWS)测量法［7］。用HSWS测量人眼波像差，有快速、实时等特点，特别适合于测量活体、动体的波前像差测量［8］。1994年，美国Rochester大学视觉科学中心的Liang等首先将HSWS用于人眼波前像差的测量［2］。随着自适应光学技术的发展，利用哈特曼-夏克原理成为了探测人眼波前像差的主要方法。为了提高系统测量人眼屈光度和散光度的范围，己有一些方案被提出［9］，然而大多数方案仅单纯地测量人眼像差，没有与校正系统形成一个闭环系统，无法实时使用所测数据。

本文在研究人眼像差测量主要方法的基础上，搭建一套基HSWS的人眼像差测量系统，创造性地在测量系统中安装了一个微机械薄膜变形镜。该系统可以实时地测量人眼动态像差，为后续校正系统提供实时数据的保证。该系统通过激光照射人眼反射人眼波前，用HSWS接收人眼像差信息，最后通过计算机处理数据测得人眼像差。同时，通过计算机获取的人眼像差数据来控制变形镜变形来消除像差，实现测量数据的实时处理与使用。本文用该系统对人眼像差进行了测量实验，对实验测量的像差进行了分析，研究了该系统的可行性和测量结果的精确度。 1 哈特曼-夏克波前传感器人眼像差探测原理

HSWS的波前像差原理示意图如图1所示，其主要的元器件由微透镜阵列(micro lens array)、波前探测器(CCD)等构成。

微透镜阵列由一组孔径大小和焦距均相等的若干个等间距的子孔径组成(图2所示

为正六边形微透镜阵列)。当畸变波前或者平面波前射入微透镜阵列时，被子孔径分解为子波前并聚焦成像为光斑显示在波前探测器上。波前探测器通常选用效率高、可靠性和精度高的面阵CCD。根据子波前光斑的焦点位置和光强分布计算出每个光斑质心的坐标与理想波前通过微透镜阵列子孔径形成光斑的标准质心坐标O计算出偏移量Δx、Δy，最后运用波前重构算法计算斜率偏移量来重构原始波前。 图1 Hartman-Shack波前传感器工作原理图 图2 微透镜阵列

HSW中使用到的透镜阵规格参数很大程度上影响着波前传感器的精度。目前已经出现了多种微透镜阵列形式，常用的主要有正方形排列的透镜阵列和正六边形排列的透镜阵列(图2)。微透镜阵列形有三个重要设计参数:子透镜数N、透镜焦距f和子孔径直径d。波前传感器的空间分辨率、灵敏度及动态测量范围主要由这些参数决定［10］。

考虑到人眼像差的特点，实验中HSWS采用正六边形分布的微透镜阵列，其中微透镜数n=127，直径d=0.19 mm，微透镜焦距f=16 mm。其他主要参数如表1所示。

表1 Hartmann-Shack波前传感器主要参数/mm 0.3微透镜阵列总数 127探测器分辨率/像素 656×491最大帧频 60 fps(8 bits)像素尺寸/mm x方向:0.009 894;y方向:参数 值微透镜间距0.009 902 2 人眼像差实时测量系统结构原理及实现

人眼像差测量系统部分主要包含照明子系统、孔径匹配系统、变形镜以及HSWS等组成。根据设计指标与要求，主要采用了ZEMAX软件设计并优化了各光学子系统，并对光学子系统组合成的完整光学成像系统进行了优化。在该系统中，人眼瞳孔直径、微机械薄膜变形镜口径、HSWS口径三者必须保持匹配，这样才能准确测量、校正人眼像差。图3为该系统的光路结构示意图。由于自然光照射人眼反

射后形成的光束光强较弱，无法在HSWS上形成清晰的光斑图，因此，采用激光信标光源的目的是为了提高被测人眼反射畸变波前的强度。然而，因为激光能量在比较小范围内容易聚集并达到很高的值，过高的激光能量会对人眼造成严重的伤害。鉴于人眼具有的生物组织特性，在对人眼进行像差测量时必须考虑入瞳激光功率的安全范围，保证人眼组织不受伤害。因此，为了确保人眼的安全以及足够能量的光束能够被HSWS所捕捉，考虑到HSWS光强接收效率与波长关系，在测量系统的设计中应该选择合适功率和波长的激光点光源以满足人眼波前像差的测量系统要求，本系统选用0.78 μm波长的红外激光作为人眼出射光的信标光源。该系统的工作原理示意图如图3所示，主要包括3个功能:①照明子系统的激光光源的出射光经过凸透镜准直后经过反射镜反射进入半透半反镜BS1、BS2射入待测量像差的人眼，含有人眼像差信息的出射光通过人眼视网膜反射后将进入像差测量光路系统。系统同时在人眼前设置了视度补偿镜。②经过人眼反射后的光束通过BS1后经过孔径匹配系统I后在微机械薄膜变形镜表面反射，再经过孔径匹配系统II入射BS1后进入到HSWS获取人眼波前的光斑图。其中，出射光也由BS2反射后进入监视CCD。监视CCD的主要作用是人眼瞳孔定位功能，该系统在人眼前安装了LED红外灯，主要借助瞳孔监视CCD观测其反射光来实现瞳孔相对于测量系统对中。③HSWS获取的光束信息通过计算PC处理后测得人眼像差。PC也是人眼像差的主控电脑，同时主要完成所有硬、软件的控制任务。

在测量人眼波前像差的过程中，微机械薄膜变形镜的作用相当于一个平面反射镜的作用，处于未变形状态。本系统在测量光路中安装了微机械薄膜变形镜后，PC获取HSWS测得人眼波前像差的同时，又控制着微机械薄膜变形镜。在测量人眼波前像差的同时，可以实时地利用测量数据实现人眼波前像差的校正。因此，本系统实现了测量数据的实时使用，为像差的实时校正提供了保证。同时，为了有效减少镜面、眼角膜等反射进入光路的杂光对本系统测量精度的影响，在孔径匹配系统II

中安装了一个光阑调节光束的强弱。

图3 基于H-S波前传感器的人眼像差测量系统 3 人眼像差测量实验

为了测试人眼像差测量系统的可行性和稳定性，分别对真实人眼进行静态像差测量实验和睛动态像差测量实验来测试系统的稳定性和可行性。在实验前应确保以下两个方面的要求:①合理的入瞳激光功率以保证安全;②测量时瞳孔相对于测量系统对中。本系统主要根据美国国家标准“ANSI Z136.1—2007 american national standard for safe use of lasers”对信标激光光源在入瞳位置(受试人眼瞳孔位置)处的安全功率范围进行约束控制。在实验中，信标光源在入瞳处的光强功率控制在80 μW时基本能满足系统的使用要求，对于一些眼透光率差的眼睛，可以适当增大光强功率。瞳孔监视CCD的设置正是确保测量时瞳孔相对于测量系统对中。 3.1 瞬时像差测量

瞬时像差测量是在本文中定义为:对HSWS采集到的单幅光斑图计算所测单个人眼像差。首先启动人眼像差测量系统，将微机械薄膜变形镜所有通道电压置为偏置电压Vb，此时变形镜相对于成像系统处于不工作的状态，变形镜仅起到一个反射光束的作用，即系统像差RMS值小于0.1λ。随后开启系统中的像差实时测量功能，将像差的RMS值调整至接近0.3λ时结束调节。接着对这人眼进行多次像差测量，并和其他方法测量的像差结果进行比较，表明系统的像差测量精度高于0.01λ(RMS值)。对所测人眼像差进行波前重构，采用文献［11］中人眼像差的Zernike的表示方法来表示重构后的波前。

利用人眼像差测量系统对受试者WWM(正视+散光)和JXS的左眼(近视+散光)进行人眼像差测量。在某一时刻采集单幅H-S光斑图，分析由不同光斑圈数进行波前重构以及Zernike系数的分布特性。图4和图5为实验的人眼瞬时像差测量结果，分别是像差的波前重构图和Zernike系数分布图。从两个受试者的波前复原

图可知两者眼睛瞳面上像差的最大值与最小值之间的偏差 peak-to-valley，PV)值分别是PVW=9.142 5λ，PVJ=2.52λ，人眼像差均方根(RMS)值RW=2.009λ，RJ=0.471 6λ。如像差Zernike系数分布图所示，两者左眼的像差主要包含低阶像差，高阶像差较少。其中受试者WWM左眼的像差前Z1、Z2(Z为Zernike各项系数值)项为零，Z3～Z13项集中了其左眼像差的大部分低阶像差，Z14项以后基本为零，其中Z4为WWM左眼像差的最大值。受试者JXS左眼的像差Z1、Z2项同样为零，而JXS低阶像差则主要分布于Z4～Z18项，而Z26～Z35项集中了JXS左眼的高阶像差，但其值较低，Z7为JXS左眼像差的最大值。 图4 WWM左眼像差测量结果

表2为受试者的第二阶8项像差Zernike多项式系数值。总体来看，WWM左眼像差的整体特性优于JXS左眼。为了验证人眼测量系统的准确性，根据像差和屈光度之间的转换公式，对受试者的人眼像差分别换算成屈光度，同时采用主观方法验光对两者进行屈光度测量，比较两者的屈光度值来验证测量系统的准确性。结果表明受试者人眼像差测量的值换算成屈光度基本与主观方法验光实际所测值相符，其中WWM左眼像差折算成屈光度约140°度近视，50°散光，散光轴方向为80°;JXS左眼折算屈光度后基本为正视眼，有约20°散光，散光轴方向为 180°。 图5 JXS左眼像差测量结果

表2 受试者人眼像差Zernike多项式系数Zernike项 WWM JXS 备注Z3 －0.216 λ 0.021 λ 45°/135°的散光Z4 －1.862 λ 0.088 1 λ 离焦Z5 0.591 λ －0.215 λ 180°/90°的散光Z6 －0.119 λ 0.191 λ 三角散光，基底沿x轴Z7 0.279 λ －0.381 λ 沿x轴的三阶彗差Z8 －0.153 λ －0.009 λ 沿 y 轴的三阶彗差 3.2 动态像差测量

对于实际的人眼情况，由于人眼泪膜厚度变化、瞳孔直径变化、人眼组织生理运动以及主观情绪变化等众多因素，人眼像差具有波动性，因此人眼像差测量系统对活

体人眼像差的处理能力是系统考察的重点。以20 Hz的频率连续采集H-S光斑图，分别对两个被测者的左眼进行人眼动态像差连续测量，分析两者人眼动态像差变化随时间波动情况。图6和图7为两者Z3～Z10项人眼像差Zernike系数随时间变化的动态曲线。

图6 WWM左眼动态像差曲线 图7 JSX左眼动态像差曲线

表3为两者Z3～Z10项人眼像差Zernike系数的统计分析结果。从分析结果可以看出，WWM左眼的最大RMS值像差波动出现在Z8(PV=0.107)，JSX左眼的最大RMS值像差波动出现在Z5(PV=0.057)，且两者RMS值都为较小值，取值也不超过1/8 λ。需要特别注意的是:除Z5外，JXS的左眼像差RMS值在整体上均要小于WWM左眼，产生这一现象的原因主要有两方面:① JXS左眼的像差Zernike系数总体上小于WWM左眼;②在特性上的不同人眼的个体差异也会造成像差波动时的感知像差类型的不一样。进一步观察受试者人眼像动态差波动规律可以知，0.3～0.6 s的时间内出现一次人眼像差的波动，而两次人眼像差波动之间持续的相对稳定时间为0.4～1 s。由于受被测样本数及受试者人数有限的局限性影响，而无法给出更加准确的结论，但其结果与人眼波前像差变化频率为5 Hz左右的结论相一致［12］，因此在实施像差校正时，可为人眼像差校正的频率选取提供了参考依据。

表3 人眼动态像差系数统计分析Zernike项 RMS/(×λ)PV/(×λ)WWM JXS Z3 WWM JXS 0.058 0.028 0.254 0.141 Z4 0.092 0.053 0.407 0.261 Z5 0.044 0.056 0.213 0.271 Z6 0.021 0.022 0.088 0.081 Z7 0.071 0.023 0.471 0.069 Z8 0.107 0.014 0.351 0.063 Z90.018 0.015 0.085 0.042 4 小结

本文搭建了一套人眼像差实时测量系统，该系统采用HSWS测量人眼像差，具有

实时、操作方便等特点。用该系统对人眼像差进行了实际测量，人眼像差测量的结果折算成屈光度与主观方法验光值结果基本相符;动态像差连续测量观察像差波动的时间约在0.2～0.5 s，与人眼的波前像差变化频率在5 Hz左右的结论基本相符。实验的结果表明该系统满足了人眼像差测量的可行性和准确性要求，为进一步校正人眼像差提供了理论和实验依据。 参考文献

【相关文献】

1 Howland H C，Buettner J.Computing high order wave aberration coefficients from variations of best focus for small artificial pupils.Vision Res，1989;29:979—983

2 Liang J，Williams D R.Supernormal vision and high-resolution retinal imaging through adaptive optics.J Opt Soc Am，1997;A14(11):2884—2892

3 叶 寒，廖文和，沈建新.波前像差引导的角膜切削模型及实现技术的研究.光学精密工程，2004;12(1):31—36

4 Artal P，Marcos S，Navarro R，et al.Odd aberrations and doublepass measurements of retinal image quality.J Opt Soc Am，1997;A12(2):195—201

5 He J C，Marcos S.Measurement of the wave-front aberration of the eye by a fast psychophysical procedure.J Opt Soc Am，1998;A15:2449—2455

6 Prieto P M，Vargas-Martin F.Analysis of the performance of the Hartmann-Shack sensor in the human eye.J Opt Soc Am，2000;A17(8):1388—1398

7 Southwell W H.Wave-front estimation from wave-front slope measurements.J Opt Soc Am，1980;A70(8):998—1006

8 姜文汉，鲜 浩，沈 锋.哈特曼波前传感器的探测误差.量子电子学报，1998;15(2):218—227 9 程少园，曹召良，胡立发，等.用夏克-哈特曼探测器测量人眼波前像差.光学精密工程，2010;18(5):1061—1066

10 Greivenkamp J E，Smith D G.Graphical approach to Shack-Hartmann lenslet array design.Optical Engineering，2008;47(06):063601-1—063601-4

11 Thibos L N，Applegate R A，Schwiegerling J T，et al.Standards for reporting the optical aberrations of eyes.Journal of Refractive Surgery，2002;18(5):S652—S660

12 Charman W N，Heron G.Fluctuations in accommodation:a review.Ophthalmic＆ Physiological Optics，1988;8:153—163