新聞動(dòng)態(tài)

News Center

用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模

發(fā)布日期:
2024-01-09

瀏覽次數(shù):


介紹

無(wú)論是在研究中還是通過(guò)工業(yè)設(shè)備開(kāi)發(fā)后用于臨床目的,Shack?Hartmann 傳感器被廣泛應(yīng)用于測(cè)量人眼所產(chǎn)生的像差。


原理

這種裝置的基本原理可以描述如下:光束聚焦在用作光擴(kuò)散器的視網(wǎng)膜上,盡管出于安全考慮優(yōu)選使用近紅外進(jìn)行測(cè)量,但光束的主要部分被這種復(fù)雜介質(zhì)吸收。光的弱背向反射部分穿過(guò)人眼結(jié)構(gòu)的不同元件,例如前房的玻璃體和晶狀體以及后房的房水和角膜。每一個(gè)元件都會(huì)對(duì)眼睛出瞳處波前的形狀產(chǎn)生影響。


下圖描述了人眼的構(gòu)造:https://www.britannica.com/science/ human?eye

用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


光學(xué)系統(tǒng)將眼睛瞳孔和具有給定放大倍數(shù)的Shack?Hartmann 傳感器結(jié)合起來(lái)[1]。下圖顯示了使用Shack?Hartmann 傳感器進(jìn)行的人眼像差測(cè)量。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


Shack?Hartmann 傳感器由小透鏡陣列和位于小透鏡焦距處的成像傳感器組成。每個(gè)小透鏡通過(guò)評(píng)估成像傳感器上的橫向焦點(diǎn)位移來(lái)局部測(cè)量波前變形。


Shack?Hartmann 原理如下圖所示:https://en.wikipedia.org/wiki/Shack%E2%80%93Hartmannn_wavefront_sensor


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


該測(cè)量不能被視為絕對(duì)結(jié)果,而是被視為與參考波前(通常是平面波)進(jìn)行比較的相對(duì)變形。然后根據(jù)每個(gè)小透鏡發(fā)出的局部結(jié)果重建整個(gè)波前。Zernike多項(xiàng)式可用于區(qū)分和量化眼睛產(chǎn)生的像差類型[2]。


這種系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)出一個(gè)在精度、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍之間折中的結(jié)果。例如,大的微透鏡將提高系統(tǒng)靈敏度。但大型微透鏡也意味著無(wú)法檢測(cè)到透鏡區(qū)域內(nèi)波前的局部變化,這意味著結(jié)果精確度的損失。


為了獲得像差波前的可靠重建,在OpticStudio中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模有助于確定單個(gè)微透鏡元素尺寸并評(píng)估系統(tǒng)對(duì)結(jié)果的影響。事實(shí)上,系統(tǒng)建模能夠評(píng)估所選鏡頭附加波前變形的潛在影響,并可能校準(zhǔn)系統(tǒng)。


對(duì)于建模來(lái)說(shuō),系統(tǒng)可以分解為三個(gè)部分:人眼建模、采集光學(xué)系統(tǒng)和Shack-Hartmann傳感器。本文將描述每個(gè)部分的建模以及評(píng)估系統(tǒng)性能的分析工具。


在本文中,不會(huì)對(duì)將焦點(diǎn)聚焦到視網(wǎng)膜的注入部分進(jìn)行專門建模,主要關(guān)注的是采集光學(xué)系統(tǒng)和傳感器。


第1部分:人眼建模

已經(jīng)提出了幾種不同的方法來(lái)對(duì)如此排列復(fù)雜的人眼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。


視網(wǎng)膜中心設(shè)置為物體位置(surface 0),光闌固定在眼睛瞳孔(surface 5)處,并根據(jù)外部環(huán)境給定直徑在2到8mm之間變化。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


后房玻璃體液的長(zhǎng)度是造成視力異常的原因之一。多重結(jié)構(gòu)編輯器可用于根據(jù)不同的屈光不正的情況來(lái)定義和跟蹤系統(tǒng)屬性。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


第2部分:采集光學(xué)系統(tǒng)

在本文中,我們將使用參考文獻(xiàn)中 Liang 的期刊論文中所示的設(shè)計(jì)。它描述了兩種無(wú)焦系統(tǒng)[1]。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


第一望遠(yuǎn)鏡被設(shè)定的焦距f1等于第一鏡片到眼睛瞳孔的距離。


在第二望遠(yuǎn)鏡中,焦距 f2和 f3 的選擇方式應(yīng)確保有合適的放大倍數(shù),以便根據(jù)要檢查的光瞳尺寸范圍來(lái)調(diào)整 Shack?Hartmann 傳感器的尺寸。在第二望遠(yuǎn)鏡的中間,第三個(gè)透鏡的焦平面上有一個(gè)針孔,以消除背向散射光,特別是來(lái)自角膜的散射光,此類散射對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的障礙較大。


在兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間可以進(jìn)行視場(chǎng)映射,入射光瞳將與 Shack?Hartmann 共軛。在系統(tǒng)選項(xiàng)中設(shè)置:

  • 在“孔徑類型”下,孔徑設(shè)置為“光闌尺寸浮動(dòng)”。光闌表面即人眼瞳孔。

  • 在系統(tǒng)孔徑中,無(wú)焦像空間設(shè)置被勾選,因?yàn)槲覀冋谔幚韮蓚€(gè)無(wú)焦系統(tǒng)。

  • 在光線瞄準(zhǔn)下,光線瞄準(zhǔn)設(shè)置為近軸,以便更可靠地填充光闌,特別是在高像差的情況下。有關(guān)此選項(xiàng)的更多信息,請(qǐng)參閱知識(shí)庫(kù)文章如何使用光線瞄準(zhǔn)。

  • 在高級(jí)下,參考OPD設(shè)置為絕對(duì)。為了比較眼睛瞳孔處和 Shack?Hartmann 前方的波前變形,在兩種情況下都根據(jù)平面評(píng)估波前。


    用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


  • Zemax 將設(shè)置連續(xù)的 Zernike 標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式作為像差表達(dá)方式。


真實(shí)鏡片的設(shè)計(jì)如下面的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器界面所示。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


當(dāng)在同一界面上可視化所有配置時(shí),可以看到不同的屈光不正情況。

用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模
用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模

第3部分:Shack?Hartmann 傳感器

Shack?Hartmann 傳感器是一個(gè)具有給定曲率和節(jié)距的透鏡陣列。微透鏡數(shù)據(jù)的選擇,即尺寸、數(shù)量和焦距,必須適應(yīng)系統(tǒng)所需的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍與可測(cè)量的最大波前變形有關(guān),這主要是由于眼睛屈光不正造成的,它發(fā)生在瞳孔的邊緣。


Shack?Hartmann 使用用戶定義的表面進(jìn)行建模:us_array.dll。在參數(shù) 3 和 4 中設(shè)置150 μm的間距。微透鏡的材料、厚度和半徑的定義方式與標(biāo)準(zhǔn)表面相同。由系統(tǒng)的像平面表示的成像傳感器位于微透鏡的后焦距處。有關(guān)us_array.dll的更多參數(shù)信息可以在 OpticStudio 的幫助系統(tǒng)中找到。

用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


波前圖分析

第一項(xiàng)分析可以通過(guò)分析Shack-Hartmann入口處的波前(surface 22)來(lái)進(jìn)行。波前圖展示了歸一化出射光瞳的波前與表面22處的平面波之間的波差異。這些數(shù)據(jù)可以根據(jù)波前圖功能區(qū)中顯示的出瞳直徑(以毫米為單位)和系統(tǒng)選項(xiàng)中使用的波長(zhǎng)進(jìn)行縮放。波前圖功能區(qū)可以顯示波前均方根 (RMS) 值和峰谷值 (PV)。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


可以用 Zernike標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式擬合波前圖來(lái)測(cè)量像差。


下表描述了與 Zernike 多項(xiàng)式和 Zemax 命名法相關(guān)的不同像差。Z4 項(xiàng)主要取決于眼睛屈光不正,并且是通常對(duì)波前變形的最重要因素。這是在改變玻璃體長(zhǎng)度的多重結(jié)構(gòu)內(nèi)Zernike參數(shù)中觀察到的主要變化。像散、慧差和球差與眼睛后段問(wèn)題的關(guān)系更大。三階像差通常幅度較低,但它對(duì)視力的影響非常明顯,尤其是在弱光環(huán)境下。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


現(xiàn)在也可以在表面 22 處讀取在角膜后面為正常眼睛建立的以下Zernike 多項(xiàng)式,如下圖所示:


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??在角膜(表面8):? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?透鏡后(表面22):

用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


通過(guò)將Shack?Hartmann 前面的 Zernike 參數(shù)與眼睛瞳孔前的參數(shù)進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估光學(xué)系統(tǒng)在幾種像差情況下的可靠性。Shack?Hartmann模型證明該設(shè)備的尺寸正確,可以評(píng)估眼睛產(chǎn)生的波前變形。


幾何圖像模擬

幾何圖像分析可用于查看 Shack?Hartmann 傳感器上的結(jié)果:


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


在這個(gè)模型中,我們從視網(wǎng)膜上的點(diǎn)源開(kāi)始,但實(shí)際上,激光照亮的視網(wǎng)膜主要是散射和吸收的。因此,在本文中,我們將切趾形式定義為高斯。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


如下圖所示,我們可以通過(guò)多種方式查看傳感器平面中的輻照度。我們可以通過(guò)每個(gè)焦點(diǎn)相對(duì)于每個(gè)微透鏡軸上的參考位置的位移來(lái)評(píng)估波前的局部斜率。整個(gè)二維數(shù)據(jù)集可以在與分析相關(guān)的文本文件中恢復(fù),然后可以使用該數(shù)據(jù)集測(cè)試算法并評(píng)估其可靠性。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模

用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


物理光學(xué)傳播

為了考慮衍射效應(yīng)而不僅僅是斑點(diǎn)的位置,我們可以使用物理光學(xué)傳播 (POP) 工具從視網(wǎng)膜(表面1)到成像傳感器表面(像面)。

POP 光束定義中的參數(shù)是通過(guò)讀取Analyze…Reports…Prescription Data下的物空間數(shù)值孔徑找到。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


物空間數(shù)值孔徑定義為:NA=n,sin(θ)=0.126。n=1.34是玻璃體的光學(xué)折射率,因此θ等于5.4°。它在POP中被定義為高斯發(fā)散角。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


請(qǐng)注意,在 Surface 24 上,輸出 Pilot 光束半徑強(qiáng)制設(shè)置為平面。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


更多相關(guān)信息,請(qǐng)參閱如何將 POP 與微透鏡陣列結(jié)合使用。

與幾何圖像分析一樣,可以看到傳感器平面中的輻照度。


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


結(jié)論

本文通過(guò)使用 us_array.dll、Zemax 的幾何圖像分析或物理光學(xué)傳播 (POP) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行序列模式建模,能夠評(píng)估從眼睛到探測(cè)器經(jīng)過(guò)系統(tǒng)不同鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)。以及本文介紹了? Zemax提供的可用于在概念的每個(gè)步驟評(píng)估系統(tǒng)的主要工具, 以及用于實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)分析的重要設(shè)置。


參考文獻(xiàn)

[1]“Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor” Liang et al J. Opt. Soc. Am. A Vol. 11, No. 7 p1949 July 1994.

[2]“Normal-eye Zernike coefficients and root-mean-square wavefront errors ”? Salmon, van de Pol, J CATARACT REFRACT SURG - VOL 32, DECEMBER 2006.


相關(guān)閱讀

如何在OpticStudio中模擬光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)

如何在OpticStudio 中建模人體皮膚以及光學(xué)心率探測(cè)器

探究Zemax OpticStudio偏振分析功能

如何在Zemax OpticStudio用戶自定義表面真實(shí)建模衍射式人工晶狀體透鏡

如何使用 Zemax OpticStudio 進(jìn)行雜散光分析


用于眼睛像差評(píng)估的Shack?Hartmann傳感器建模


相關(guān)推薦

【Lumerical系列】無(wú)源器件-復(fù)用器件(3)丨模式(解)復(fù)用器
本期是Lumerical系列中無(wú)源器件專題-復(fù)用器件的第三期,涉及的器件...
Ansys 2024 R2-Ansys 光學(xué)與光子學(xué)仿真新功能介紹——Speos
1. 光學(xué)設(shè)計(jì)交換增強(qiáng)功能1.1 在2024 R1版本中引入的光學(xué)設(shè)計(jì)交...
Ansys 2024 R2-Ansys 光學(xué)與光子學(xué)仿真新功能介紹——Zemax
1. 離軸孔徑和RSI的公差操作數(shù)OpticStudio 將添加Zern...
Ansys 2024 R2-Ansys 光學(xué)與光子學(xué)仿真新功能介紹——Lumerical
Lumerical 新功能介紹1. CMOS圖像傳感光子逆向設(shè)計(jì)的改進(jìn)1...