用于眼睛像差评估的Shack‑Hartmann传感器建模

ShackHartmann 传感器在眼科应用中的专业技术解析

ShackHartmann 传感器因其在眼科中精确测量人类眼球产生的像差特性而成为广泛使用的技术工具。本文详细阐述了其原理、设计和应用，结合OpticStudio的建模仿真，实现在研究和临床器械开发过程中的先进应用。

一、原理与目标




ShackHartmann 传感器的基本原理涉及光束聚焦于视网膜上，偏科测量光束在通过眼球结构（如玻璃体、晶状体、房水和角膜）后自瞳孔开口处的波前形状特性。尽管通常在安全考虑下偏好近红外波段进行测量，但大部分光主要被这复杂介质吸收。通过分析光束的弱逆向反射部分通过眼球结构后的多点信息，继而重建整体前表面变化，从而量化眼球像差。

二、关键技术步骤

1. 系统搭建与理论基础：光束聚焦于视网膜并沿光路通过眼球主要结构，每一层对出瞳波前形态造成影响。使用的是针对特定放大倍数的人眼与 ShackHartmann 传感器的结合系统设计。

2. 光学布局：考虑到人眼光学特性和标准尺寸，设计中提出了一种双透镜系统，确保光束集束到特定位置后，生成符合眼球检查范围的 ShackHartmann 传感器位置。在两者之间设计散射光过滤项，保持测量准确性。

3. 系统建模与评估——人的双眼镜建模：使用OpticStudio进行系统建模。包括模型人眼、采集光学系统和ShackHartmann 传感器的引入，实现对不同屈光状态的拟合，以便精确评估影响因素并获得敏感度与动态范围之间的平衡结果。

4. 像差测量与性能分析：以绝对精度描述的眼球像差测量并与参考波前进行比较。使用 Zernike 公式区分并量度不同的像差类型，如高等和三阶像差。通过分析波前变形，评估光学系统性能，特别是在不同眼球屈光不正常态下。

三、应用与优化

1. ShackHartmann 传感器设计：其阵列由具有特定间距的相互独立透镜创建，根据待检视野的动态范围设计，充分考虑到检测区域内的局部像差变化。

2. 系统建模增强：通过OpticStudio对系统性能进行深入分析，通过不同的镜头尺寸参数化，评估对最终像差模式重建的影响。

3. 波前分析与图解：使用软件内置的工具实现精准而直观的波前图分析，包括均方根和峰谷值的测量，以及通过 Zernike 多项式拟合波前图，以精确描述眼球像差。

4. 物理光学传播：结合实空间的光学模型与物理光学传播工具，优化光束路径，提高对像差模式的预测精度，尤其是在考虑衍射效应的大范围光学系统中。

四、结论

集成了优化的建模、高级分析工具、系统性能评估以及眼球屈光状态的详细考量，ShackHartmann 传感器在优化的眼科应用中展现出显著的精确把控特性。本文所述的技术既服务于研究目的，也支持临床前和临床设备的开发，旨在持续改进人眼成像与光学特性测量的精准度和效能。

参考文献:

[1] Liang, et al., "Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a HartmannShack wavefront sensor", J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 11, Issue 7, 1949, July 1994.

[2] Salmon, et al., "Normaleye Zernike coefficients and rootmeansquare wavefront errors ", J. CATARACT REFRACT SURG, VOL 32, DEC. 2006.