自动离焦补偿人眼像差哈特曼测量仪

摘要

一种自动离焦补偿人眼像差哈特曼测量仪由光源、光束滤波系统、光束匹配系统、孔径分割元件、光电探测器、计算机系统和由人眼支架与前组调焦物镜构成的固定部分组成。计算机系统包含自动离焦补偿系统，自动离焦补偿系统由离焦调节控制模块和图像分析控制模块构成；孔径分割元件和光电探测器构成哈特曼波前传感器；除固定部分和计算机系统外，其它部分放置在测量仪的壳体内构成可前后平移的移动部分。调焦操作通过移动部分相对于固定部分的前后移动实现。离焦调节控制模块采集不同位置的哈特曼光斑图像；图像分析控制模块分析哈特曼光斑的几何特征确定最佳离焦补偿量，实现对待测人眼的自动离焦补偿，在此基础上像差测量仪完成人眼像差的测量。

主权项

1.自动离焦补偿人眼像差哈特曼测量仪，其特征在于包括：近红外发光二极管(2)、第一分光镜(3)、瞳孔成像物镜(4)、瞳孔相机(5)、前组调焦物镜(6)、后组调焦物镜(7)、第二分光镜(8)、第三分光镜(9)、口径匹配系统(10)、第一反光镜(11)、旋转信标装置(12)、信标光直准系统(13)、LD半导体激光器(14)、目标系统(15)、小孔光阑(16)、计算机系统(17)和哈特曼波前传感器(18)；计算机系统(17)包含自动离焦补偿系统，其中自动离焦补偿系统由离焦调节控制模块和图像分析控制模块构成；哈特曼波前传感器由孔径分割元件和光电探测器构成；后组调焦物镜(7)、第二分光镜(8)、第三分光镜(9)、口径匹配系统(10)、第一反光镜(11)、旋转信标装置(12)、信标光直准系统(13)、LD半导体激光器(14)、目标系统(15)、小孔光阑(16)和哈特曼波前传感器(18)放置在测量仪的壳体内构成可以在水平方向上前后平移的移动部分，所述移动部分由计算机系统(17)控制步进电机搭载在导轨上前后平移；近红外发光二极管(2)照明待测人眼(1)，通过第一分光镜(3)反射，由瞳孔成像物镜(4)将待测量人眼(1)瞳孔成像在瞳孔相机(5)上，再将瞳孔相机(5)输出的视频信号在计算机系统(17)上显示；调整测量仪的位置，使待测人眼(1)瞳孔中心位于测量仪光轴中心，再由被测量者用眼睛通过第一分光镜(3)、前组调焦物镜(6)、后组调焦物镜(7)、第二分光镜(8)、第三分光镜(9)观察目标系统(15)中出现的一个无穷远处的目标；完成对准后，LD半导体激光器(14)发出的信标光，由信标光准直系统(13)进行准直、扩束，经旋转信标装置(12)、第一反射镜(11)反射后，再经第二分光镜(8)反射，透过前组调焦物镜(6)、后组调焦物镜(7)、第一分光镜(3)，进入待测人眼(1)，待测人眼(1)眼底散射的信标光透过第一分光镜(3)、前组调焦物镜(6)、后组调焦物镜(7)，再透过第二分光镜(8)，经第三分光镜(9)反射，进入口径匹配系统(10)，出射光进入哈特曼波前传感器(18)，哈特曼波前传感器(18)中光电探测器采集的视频信号输入计算机系统(17)；完成光路调整操作后，自动离焦补偿系统的离焦调节控制模块控制步进电机搭载移动部分在导轨上从最大正离焦补偿位置以等间距方式平移至最大负离焦补偿位置，并通过哈特曼波前传感器(18)中的光电探测器采集移动部分位于不同调焦位置时对应的哈特曼波前传感器光斑图像序列，即对待测人眼实施不同离焦补偿量；完成光斑图像序列采集后，自动离焦补偿系统的图像分析控制模块通过光斑质量评价算法确定最佳光斑图像，根据最佳光斑图像在图像序列中的序号计算最佳离焦补偿量，即自动离焦补偿系统补偿的离焦量，并控制步进电机搭载移动部分平移至最佳离焦补偿量对应的导轨位置，实现对待测人眼的自动离焦补偿；所述的自动离焦补偿人眼像差哈特曼测量仪，其特征在于：所述的自动离焦补偿系统的图像分析控制模块通过光斑质量评价算法确定最佳光斑图像，根据最佳光斑图像在图像序列中的序号计算最佳离焦补偿量的过程为：图像分析控制模块中图像评价算法对光斑质量的评价由以下三个评价指标构成：(1)哈特曼波前传感器光斑质心相对于哈特曼波前传感器子孔径中心的偏移程度；光斑质心越靠近子孔径中心，该评价指标判断光斑质量越好；(2)以哈特曼波前传感器光斑质心为中心的小区域占据的能量与对应哈特曼子孔径中总能量的比值；小区域占据子孔径的能量越大，该评价指标判断光斑质量越好；(3)哈特曼波前传感器光斑形态的似圆度，即接近圆形的程度；光斑形态越接近圆形，该评价指标判断光斑质量越好；以上三个评价指标的数学表达如下：(1)哈特曼波前传感器光斑质心相对于哈特曼波前传感器子孔径中心的偏移程度，通过归一化的欧式距离表达：$D=\sqrt{\frac{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}{{(m/2)}^2+{(n/2)}^2}}---\left(1\right)$其中，m和n是子孔径的长和宽；(x₀，y₀)是子孔径中心；(x，y)是光斑质心，计算方式如下：$x=\frac{\underset{(i,j)\in W_{m,n}}{\Sigma }{x}_{i,j}·I_{i,j}}{\underset{(i,j)\in W_{m,n}}{\Sigma }{I}_{i,j}},$$y=\frac{\underset{(i,j)\in W_{m,n}}{\Sigma }{y}_{i,j}·I_{i,j}}{\underset{(i,j)\in W_{m,n}}{\Sigma }{I}_{i,j}}---\left(2\right)$其中，W_m，n是子孔径中像素坐标集合；(i，j)是子孔径中像素坐标；I_i，j是对应像素的光强；(x_i，j，y_i，j)是第(i，j)个像素的x坐标和y坐标；(2)以哈特曼波前传感器光斑质心为中心的小区域占据的能量与对应哈特曼子孔径中总能量的比值，定义如下：$E=\frac{\underset{(x,y)\in W_{s,t}}{\Sigma }{I}_{x,y}}{\underset{(i,j)\in W_{m,n}}{\Sigma }{I}_{i,j}}---\left(3\right)$其中，s和t是以光斑质心(x，y)为中心的小区域W_s，t的长和宽；(3)哈特曼波前传感器光斑形态的似圆度，即接近圆形的程度，定义如下：$S=\frac{\underset{i\in \bar{\eta }}{\mathrm{Max}}\left\{R_i\right\}}{\underset{i\in \bar{\eta }}{\mathrm{Min}}\left\{R_i\right\}}---\left(4\right)$其中，是以质心为中心的八个检测方向；R_i是检测方向上像素点光强总和，计算方式如下：$R_i=\underset{x,y\in W_i}{\Sigma }{I}_{x,y}---\left(5\right)$其中，W_i是该方向上像素坐标集合；获得以上三个评价指标数学表达后，图像评价算法确定最佳光斑图像的具体过程如下：首先根据以上三个评价指标，计算光斑图像中哈特曼波前传感器每个子孔径所包含的光斑对应的质量评价值，然后将所有子孔径中光斑质量的评价值求和，作为哈特曼波前传感器光斑图像质量的判别值，哈特曼波前传感器光斑图像质量判别式定义如下：$P\left(I_{i,j}\right)=\underset{n\in N}{\Sigma }(\cos (D_n\times \frac{\pi }{2})+E_n+S_n-1.5)---\left(6\right)$其中，N是哈特曼子孔径阵列数目；判别值P(I_i，j)取值越大，算法判断光斑图像质量越好；根据最佳光斑图像在图像序列中的序号计算最佳离焦补偿量的具体过程如下：初始时刻移动部分位于最大正离焦补偿位置，即图像序列中第一帧图像对应最大正离焦补偿量，然后离焦调节控制模块控制步进电机搭载移动部分在导轨上从最大正离焦补偿位置以等间距方式平移至最大负离焦补偿位置，因此相邻两帧图像之间具有相同间距的离焦量；通过哈特曼光斑图像质量判别式(6)计算图像序列中每帧图像的判别值P(I_i，j)，通过比较每帧图像的判别值，找到具有最大判别值的最佳光斑图像，同时获得最佳光斑图像对应的序号，最佳离焦补偿量计算公式如下：$f=F-\frac{n}{N}\times \mathrm{\Delta f}---\left(7\right)$其中，F是最大正离焦补偿量；Δf是相邻两帧图像之间离焦量的间距；N是哈特曼波前传感器光电探测器采集的光斑图像总帧数；n是最佳光斑图像在图像序列中的序号。