專利名稱：使用波前分析的光學(xué)系統(tǒng)的客觀測(cè)量和校正的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學(xué)象差測(cè)量和校正，更具體地說(shuō)，涉及具有諸如人和動(dòng)物眼睛之類的實(shí)象焦點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)的客觀測(cè)量和校正。
具有實(shí)象焦點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)能接收準(zhǔn)直光，并且把它聚焦在一點(diǎn)上。這樣的光學(xué)系統(tǒng)能在自然界中發(fā)現(xiàn)，例如人和動(dòng)物眼睛，或者能是人造的，例如實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。在任一種情況下，在光學(xué)系統(tǒng)中的象差能影響系統(tǒng)的性能。通過(guò)例子，將使用人眼來(lái)解釋該問(wèn)題。
參照

圖1A，表示一只完美或理想的眼睛100，它從其視網(wǎng)膜102后部(即中央凹103)經(jīng)包括透鏡104和角膜106的眼睛光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)散地反射撞擊光束(為了清楚起見沒(méi)有表示)。對(duì)于在放松狀態(tài)下，即不適于提供近場(chǎng)聚焦，的這樣一種理想眼睛，反射光(由箭頭108表示)按照平面波順序離開眼睛100，其之一用直線110表示。然而，眼睛通常具有引起離開眼睛的波的畸變或失真的象差。這通過(guò)圖1B中的例子表示，其中畸變眼睛120從中央凹123的其視網(wǎng)膜122的后部經(jīng)透鏡124和角膜126擴(kuò)散地反射撞擊光束(同樣為了清楚起見沒(méi)有表示)。對(duì)于畸變眼睛120，反射光128按失真波前的順序離開眼睛120，其之一用波浪線130表示。
目前，有多種試圖為病人提供改進(jìn)視力的技術(shù)。這種技術(shù)的例子包括使用折射激光外科手術(shù)或內(nèi)角膜植入重新塑造角膜126、和使用眼內(nèi)透鏡植入和精磨眼鏡把合成透鏡添加到光學(xué)系統(tǒng)上。在每一種情況下，校正處理量一般通過(guò)把已知折射能力的球形和／或圓柱形透鏡放在眼鏡平面處(在角膜126前約1．0-1．5厘米)并且問(wèn)病人哪種透鏡或透鏡組合提供最清晰的視覺(jué)來(lái)確定。這顯然是波前130真正失真的非常不精確測(cè)量，因?yàn)?)跨過(guò)整個(gè)波前施加單次球柱面補(bǔ)償，2)在折射校正的分立間隔(即，屈光度單位)下測(cè)試視力，及3)需要通過(guò)病人的主觀確定，以便確定光學(xué)校正。因而，用來(lái)確定眼睛折射誤差的常規(guī)方法基本上沒(méi)有現(xiàn)在可用來(lái)校正目鏡象差的技術(shù)準(zhǔn)確。
測(cè)量目鏡折射誤差的一種方法由Penney等在“空間分辨客觀自動(dòng)折光儀”，美國(guó)專利No．5，258，791，發(fā)布于1993年11月2日中公開。Penney等講授了自動(dòng)折光儀的使用，以在跨過(guò)角膜表面的多個(gè)分立位置處測(cè)量眼睛的折射。自動(dòng)折光儀設(shè)計(jì)成把光學(xué)輻射的窄光束發(fā)送到眼睛表面、并且使用視網(wǎng)膜成象系統(tǒng)確定該光束撞擊到視網(wǎng)膜的何處。光束傳播方向相對(duì)于系統(tǒng)光軸的角度和光束撞擊到眼睛角膜表面的近似位置都是可獨(dú)立調(diào)節(jié)的。入射在角膜上的光束點(diǎn)位置的較小不確定性或誤差由于彎曲角膜表面而存在。對(duì)跨過(guò)角膜表面入射的每個(gè)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)光束撞擊角膜直到折射到虹膜上的光束撞擊到中央凹的角度，能確定與該表面點(diǎn)對(duì)應(yīng)的眼睛折射。傳播光束角度的調(diào)節(jié)能由病人手動(dòng)地實(shí)現(xiàn)，或者如果包括有涉及角膜成象元件的反饋回路則由自動(dòng)折光儀自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)。
Penney等進(jìn)一步講授了在確定適當(dāng)角膜表面重新成形以提供屈光正常時(shí)自動(dòng)折光儀測(cè)量的使用。這通過(guò)首先得到角膜表面外形的精確測(cè)量而實(shí)現(xiàn)(使用分離的工業(yè)可用裝置)。然后，使用在每個(gè)表面基準(zhǔn)點(diǎn)處的初始角膜外形、在每個(gè)表面點(diǎn)處的測(cè)量折射、及斯涅耳折射定律進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，以確定在每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)處的表面輪廓的要求變化。然后把在各基準(zhǔn)點(diǎn)處的輪廓變化相組合，以實(shí)現(xiàn)跨過(guò)全部角膜表面要施加的單次重新成形輪廓。
對(duì)由Penney等描述的方法的主要限制在于，角膜外形的單獨(dú)測(cè)量要求進(jìn)行需要折射變化的斯涅耳定律分析。該要求顯著增加了完成診斷估計(jì)的時(shí)間和成本。而且，折射變化分析的精度將取決于外形測(cè)量的精度和自動(dòng)折光儀測(cè)量的精度。另外，外形“圖”相對(duì)于折射圖的空間取向的任何誤差將降低需要校正的外形的精度。
對(duì)由Penney等描述的方法的第二限制在于，順序檢查在角膜表面上的試驗(yàn)點(diǎn)。在檢查期間有意或無(wú)意的眼睛運(yùn)動(dòng)能把顯著的誤差引入到折射測(cè)量中。Penney等試圖通過(guò)故意包括在瞳孔外，即在重迭虹膜的角膜區(qū)域中，的測(cè)量點(diǎn)，提供這種眼睛運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，其中在檢查順序的特定間隔處來(lái)自視網(wǎng)膜的返回顯然是零。然而，該方法可能仍允許在這樣的虹膜基準(zhǔn)點(diǎn)之間的顯著未檢測(cè)眼睛運(yùn)動(dòng)誤差。
當(dāng)今，校正方法基于波前130完全失真的同時(shí)檢查。人眼波象差即目鏡象差的測(cè)量，已經(jīng)研究了多年。一種先有技術(shù)的方法和系統(tǒng)由Liang等在“利用Hartmann-Shack波前傳感器的人眼波象差的客觀測(cè)量”Journal of the Optical Society of America，卷11，No．7，1994年7月，p．p．1949-1957中公開。Liang等講授了使用Hartmann-Shack波前傳感器，通過(guò)測(cè)量由在視網(wǎng)膜的中央凹上的聚焦激光點(diǎn)的視網(wǎng)膜反射從眼睛出現(xiàn)的波前，來(lái)測(cè)量目鏡象差。使用具有Zernike多項(xiàng)式的波前估計(jì)重新建造實(shí)際波前。
由Liang等公開的Hartmann-Shack波前傳感器包括圓透鏡的兩個(gè)相同層，使層如此布置，從而在每層中的透鏡彼此垂直。以這種方式，兩層起把入射光波劃分成子孔徑的兩維陣列球形小透鏡的作用。把穿過(guò)每個(gè)子孔徑的光帶到聚焦在其中一個(gè)電荷耦合器件(CCD)圖象模塊駐留的透鏡陣列的焦平面中。
Liang等的系統(tǒng)通過(guò)把理想的光平面波撞擊在光透鏡陣列上校準(zhǔn)，從而基準(zhǔn)或校準(zhǔn)聚焦斑點(diǎn)圖案成象在CCD上。由于理想波前是平面的，所以把與理想波前相關(guān)的每個(gè)斑點(diǎn)定位在相應(yīng)小透鏡的光軸上。當(dāng)失真波前通過(guò)小透鏡陣列時(shí)，在CCD上的象點(diǎn)相對(duì)于由理想波前產(chǎn)生的基準(zhǔn)圖案移動(dòng)。每次移動(dòng)與失真波前的局部斜率即偏導(dǎo)數(shù)成比例，該失真波前借助于帶有Zernike多項(xiàng)式的典型波前估計(jì)，能用來(lái)重新構(gòu)成失真波前。
然而，由Liang等公開的系統(tǒng)僅對(duì)于具有較好視力的眼睛有效。呈現(xiàn)深度近視(近視)的眼睛引起聚焦斑點(diǎn)重迭在CCD上，由此對(duì)于具有這種狀態(tài)的眼睛使得局部斜率確定是不可能的。類似地，呈現(xiàn)深度遠(yuǎn)視(遠(yuǎn)視)的眼睛反射聚焦斑點(diǎn)，從而他們不會(huì)撞擊到CCD上，同樣由此對(duì)于具有這種狀態(tài)的眼睛使得局部斜率確定是不可能的。
Liang等的系統(tǒng)的另一種限制在于Hartmann-Shack傳感器的配置透鏡必須是均勻的，以便限定均勻的小透鏡陣列，從而整個(gè)陣列分享一個(gè)公共焦平面，并且本身不會(huì)產(chǎn)生波前的失真。然而，與這樣的限制有關(guān)的制造成本是相當(dāng)大的。
因而，由于以上提到的所有限制，Liang等僅對(duì)于較小類別的病人能實(shí)現(xiàn)波前測(cè)量。這些病人能具有至多中度失真的視覺(jué)。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種通過(guò)波前分析用來(lái)客觀測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的象差、和用來(lái)使用這種測(cè)量產(chǎn)生光學(xué)校正的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供具有動(dòng)態(tài)范圍的目鏡象差的客觀測(cè)量，能處理大量的這種象差，以便用在實(shí)際用途中。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供一種使用簡(jiǎn)單和便宜結(jié)構(gòu)的波前分析器用來(lái)客觀測(cè)量目鏡象差的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)下面在說(shuō)明書和附圖中將變得更加明白。
按照本發(fā)明，能量源產(chǎn)生輻射光束。布置在光束通路中的光學(xué)系統(tǒng)，指引光束通過(guò)聚焦光學(xué)系統(tǒng)，例如其后部起擴(kuò)散反射器作用的眼睛。光束作為通過(guò)聚焦光學(xué)系統(tǒng)的輻射的波前，從后部擴(kuò)散地反射回，撞擊在光學(xué)系統(tǒng)上。當(dāng)波前從聚焦光學(xué)系統(tǒng)出現(xiàn)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)把波前以與波前的直接對(duì)應(yīng)投射到一個(gè)波前分析器上。波前分析器布置在從光學(xué)系統(tǒng)投射的波前的通路中，并且計(jì)算波前的失真，作為聚焦光學(xué)系統(tǒng)的目鏡象差的估計(jì)。波前分析器包括一個(gè)波前傳感器，該傳感器聯(lián)接到一個(gè)分析傳感器數(shù)據(jù)以重新構(gòu)造包括其失真的波前的處理器上。
在一個(gè)實(shí)施例中，輻射是光學(xué)輻射，并且使用一塊板和光敏元件的一個(gè)平面陣列實(shí)現(xiàn)波前傳感器。該板一般是不透明的，但具有一個(gè)選擇性讓撞擊光從中通過(guò)的光透射孔徑陣列。該板布置在波前的通路中，從而波前部分通過(guò)光透射孔徑。元件的平面陣列平行于該板排列，并且與板隔開選擇的距離。穿過(guò)光透射孔徑之一的波前的每一部分表明覆蓋獨(dú)特多個(gè)元件的幾何形狀。在另一個(gè)實(shí)施例中，波前傳感器包括一個(gè)球形小透鏡的兩維陣列和一個(gè)元件的平面陣列。小透鏡陣列定義離其一個(gè)焦距遠(yuǎn)的焦平面。小透鏡陣列布置其中波前的部分從中穿過(guò)的波前通路中。元件的平面陣列平行于小透鏡陣列排列，并且與小透鏡陣列隔開一個(gè)獨(dú)立于焦距的選擇距離。類似于第一實(shí)施例波前傳感器，波前的每一部分表明覆蓋獨(dú)特多個(gè)元件的幾何形狀。不顧使用哪種波前傳感器，在元件平面陣列與不透明板、或小透鏡陣列之間的距離能改變，以調(diào)節(jié)波前傳感器的斜率測(cè)量增益，并且由此改進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
動(dòng)態(tài)范圍提高的另一種措施由聚焦光學(xué)系統(tǒng)提供。聚焦光學(xué)系統(tǒng)包括以固定位置保持在光束和波前的通路中的第一和第二透鏡。在光束和波前的通路中在透鏡之間布置光學(xué)元件的排列。光學(xué)元件是可調(diào)節(jié)的，以改變?cè)谕哥R之間的光程長(zhǎng)度。
如果希望光學(xué)校正，則把失真轉(zhuǎn)換成光學(xué)校正，該光學(xué)校正如果放置在波前的通路中，則引起波前近似以平面波出現(xiàn)。光學(xué)校正能具有透鏡的形式或是從眼睛燒蝕角膜材料的量。
圖1A是從其視網(wǎng)膜把光反射成平面波前的理想眼睛的示意圖；圖1B是從其視網(wǎng)膜把光反射成失真波前的有象差眼睛的示意圖；圖1C是相對(duì)于基準(zhǔn)平面的失真波前的示意圖，表示在傳播方向作為橫向距離的函數(shù)的波前誤差或光程差；圖1D是相對(duì)于與角膜平面相切的基準(zhǔn)平面的失真波前的示意圖；圖2是按照本發(fā)明的基本特征用來(lái)確定目鏡象差的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；圖3是在本發(fā)明中使用的Hartmann-Shack波前分析器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖4是包括來(lái)自圖3實(shí)施例的波前傳感器的針孔成象板和光敏元件平面陣列的一部分的立體圖，其中表示與有象差眼睛有關(guān)的波前片的反射，同與校準(zhǔn)有關(guān)的波前片或平面波前相比較；圖5是在與對(duì)應(yīng)孔有關(guān)的光敏元件平面陣列上的指示區(qū)域的平面圖；圖6是在本發(fā)明中使用的波前分析器的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖7是適于眼科使用的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；及圖8是角膜的側(cè)視圖，表示作為由本發(fā)明產(chǎn)生的光學(xué)校正要燒蝕的角膜材料的厚度。
通過(guò)說(shuō)性例子，相對(duì)于診斷和校正人眼描述本發(fā)明。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明的技術(shù)可適用于具有實(shí)象焦點(diǎn)的任何光學(xué)系統(tǒng)，該焦點(diǎn)能(或能適于)從光學(xué)系統(tǒng)后部擴(kuò)散地反射回輻射聚焦斑點(diǎn)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)作為輻射波前。因而，本發(fā)明能供可以是活的或死的患者的人或動(dòng)物眼睛、或滿足關(guān)于實(shí)象焦點(diǎn)的任何人造光學(xué)系統(tǒng)之用。
參照眼睛例子和借助于圖1C中所示的示意圖，將介紹使用波前分析確定適當(dāng)光學(xué)校正的方法。為了方便起見，定義一個(gè)坐標(biāo)系，其中正x在圖面中向上，正y從圖面向外，及正z向右沿傳播方向。失真波前130能用數(shù)學(xué)方法描述為W(x，y)。
測(cè)量在波前130失真的一種方法是，確定在離眼睛已知距離z0處的一個(gè)基準(zhǔn)平面131(類似于理想波前110)在當(dāng)波前130的前沿橫動(dòng)距離z0時(shí)在失真波前130的每個(gè)(x，y)點(diǎn)處之間的空間間隔△z。這表明在圖1C中，并且用數(shù)學(xué)方法描述成△z(x，y)=z0-w(x，y) (1)這些△z測(cè)量定義由測(cè)試眼睛的象差造成的不適當(dāng)光程差。適當(dāng)?shù)男Ｕǔミ@些光程差。理想地，在基準(zhǔn)平面131處進(jìn)行這種校正。
依據(jù)校正療法(即，角膜組織燒蝕、合成透鏡添加等)，如果討論的材料的折射率是已知的，則能直接計(jì)算在每個(gè)(x，y)坐標(biāo)處除去或添加的材料量。對(duì)于多種過(guò)程，如眼內(nèi)透鏡植入或徑向角膜切開術(shù)，在過(guò)程期間能反復(fù)地進(jìn)行這種有分析，以提供關(guān)于過(guò)程適當(dāng)終點(diǎn)的反饋信息。
按照說(shuō)明性例子，在失真與理想波前之間的差△z(x，y)是眼睛象差的結(jié)果。這些象差的理想校正包括引入負(fù)△z(x，y)在基準(zhǔn)平面131處的光程差。如果治療方法包括從角膜表面上通過(guò)激光燒蝕除去組織，那么對(duì)于基準(zhǔn)平面131定位的邏輯選擇是與角膜126的表面相切(即，z0=0)。這示意地表示在圖1D中，其中角膜126的彎曲為了表明清楚起見被大大地放大。然后通過(guò)一個(gè)激光束輸送和眼睛跟蹤系統(tǒng)，如在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No．08／232，615中公開的那種，沿角膜在每個(gè)(x，y)坐標(biāo)處能獨(dú)立地執(zhí)行燒蝕，該專利申請(qǐng)于1994年4月25日，由本發(fā)明的相同授予人所有，并且通過(guò)參考包括在這里。
在任何(x，y)橫向坐標(biāo)處的適當(dāng)角膜燒蝕深度在小誤差范圍內(nèi)由下式給出△z(x，y)／(nc-1)(2)其中nc是角膜組織的反射率或1．3775。下面詳細(xì)描述的方法通過(guò)首先測(cè)量在波前130中的局部斜率，即在基準(zhǔn)平面131中在橫向x和y方向的多個(gè)點(diǎn)處的δW(x，y)／δx和δW(x，y)／δy；并且然后產(chǎn)生具有與實(shí)驗(yàn)確定值最可能一致的斜率的W(x，y)的數(shù)學(xué)描述，計(jì)算△z(x，y)。一種這樣的斜率δW(x0，y0)／δx表示在圖1D中。在這樣做時(shí)，由于在基準(zhǔn)平面131處測(cè)量失真波前130而波前130出自剛好在基準(zhǔn)平面131之后的彎曲(角膜)表面的事實(shí)，引入較小誤差。該誤差類似于用以上討論的Penney等的先有技術(shù)方法遇到的誤差。誤差Ex(x，y)是在測(cè)量平面(即，基準(zhǔn)平面131)處在每個(gè)(x，y)位置在x方向上到彎曲角膜表面的側(cè)向位移。類似誤差對(duì)于涉及彎曲光學(xué)表面的任何校正是明白的。誤差一般隨離開切點(diǎn)的(x，y)位移和局部波前誤差增大。
對(duì)于在任意坐標(biāo)，例如(x0，y0)，處測(cè)量的每個(gè)測(cè)量位置(x，y)，通過(guò)把該位置投射回角膜126上的原點(diǎn)，能求出誤差Ex(x，y)的數(shù)值。這能使用圖1D能用數(shù)學(xué)方法解釋。為了簡(jiǎn)單起見，解釋假定誤差僅在圖面中，即由y=y0定義的平面，不過(guò)把分析擴(kuò)展到包括y尺寸誤差在數(shù)學(xué)上十分簡(jiǎn)單。在從角膜表面至基準(zhǔn)平面的z0基準(zhǔn)平面中在(x0，y0)處測(cè)量的跟蹤波前元素傳播的線L的量化是L(x)=z0-(x-x0)δW(x0,y0)/δx--(3)]]>如果由表達(dá)式S(x0，y0)描述的圖的平面中的角膜表面，那么通過(guò)求出在L(x)與S(x0，y0)之間相交點(diǎn)，能找到用于波前元素的原點(diǎn)。在數(shù)學(xué)上，這要求求出滿足L(x＇)=S(x0，y0)的值x＇。然后作為Ex(x0，y0)=x＇-x0給出誤差Ex(x0，y0)。把分析擴(kuò)展到考慮在y方向的誤差將產(chǎn)生對(duì)于Ey的類似表達(dá)式，其中Ey(x0，y0)=y＇-y0。如果有影響，則通過(guò)把在每個(gè)(x，y)坐標(biāo)處計(jì)算的象差校正側(cè)向移動(dòng)量Ex(x，y)和Ey(x，y)能補(bǔ)償這些橫向誤差。
在人類角膜的情況下，在大多數(shù)情況下的橫向誤差是可忽略的。在其中角膜組織和基準(zhǔn)平面131相切的原點(diǎn)處，誤差是零。對(duì)于人類角膜，組織近似為球形，具有約7．5-8．0mm的彎曲半徑。校正治療半徑一般不大于3mm，并且局部波前彎曲半徑幾乎總是超過(guò)50mm(20屈光度的折射誤差)。對(duì)于50mm的局部波前彎曲半徑在3mm治療半徑下的橫向誤差小40mm。
對(duì)于一定的眼科過(guò)程，在校正過(guò)程期間也能反復(fù)使用波前分析以提供有用的反饋信息。這種使用的一個(gè)例子是在白內(nèi)障手術(shù)中，其中在眼內(nèi)透鏡植入(IOL)的放置之后能對(duì)眼睛進(jìn)行波前分析。該分析有助于辨別是否已經(jīng)插入適當(dāng)折射能力的IOL，或者是否應(yīng)該使用不同折射能力IOL。重復(fù)波前分析的另一個(gè)例子是在角膜成形期間，其中通過(guò)改變繞其邊緣的機(jī)械張力故意扭曲眼睛的角膜。這里，重復(fù)波前分析能用來(lái)精選在繞角膜每點(diǎn)處產(chǎn)生的張力變化程度，由此提供得到用于最好視力的最佳表面彎曲的工具。
為了以與諸如上述那些之類的校正過(guò)程相容的方式進(jìn)行波前分析，必須測(cè)量波前130的分量部分相對(duì)于平面或理想波前的相應(yīng)分量部分的空間分離量。正是本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，即使對(duì)于包括那些呈現(xiàn)諸如嚴(yán)重近視和遠(yuǎn)視之類的嚴(yán)重缺陷的那些顯著有象差眼睛，也允許客觀和準(zhǔn)確地測(cè)量這種分離。
對(duì)于本發(fā)明的估計(jì)或測(cè)量部分，病人的瞳孔應(yīng)該理想地?cái)U(kuò)散到近似6毫米或更大，即人類瞳孔在低照度下的典型尺寸。以這種方式，在使用角膜最大區(qū)域的同時(shí)估計(jì)眼睛，從而由這種測(cè)量產(chǎn)生的任何校正考慮到病人眼睛的最大可用角膜區(qū)域。(在目光中使用角膜的較小量，其中瞳孔顯著較小，例如在3毫米的量級(jí)上。)通過(guò)在諸如暗室之類的低照度環(huán)境中實(shí)施本發(fā)明的測(cè)量部分，能自然地產(chǎn)生擴(kuò)散。通過(guò)使用藥劑也能產(chǎn)生擴(kuò)散。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，表示描繪其基本元件的本發(fā)明的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖，并且一般用標(biāo)號(hào)10指示。系統(tǒng)10包括用來(lái)產(chǎn)生光學(xué)輻射的激光器12，用來(lái)產(chǎn)生小直徑激光束。激光器12一般是一個(gè)產(chǎn)生對(duì)眼睛安全的波長(zhǎng)和功率的準(zhǔn)直激光光(由虛線14表示)的激光器。對(duì)于眼科用途，適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)包括來(lái)自約400-710納米整個(gè)可見光譜和來(lái)自約710-1000納米的紅外光譜。盡管在可見光譜中的操作一般是最好的(因?yàn)檫@些是其中眼睛工作的條件)，但靠近紅外光譜可以提供在一定用途中的優(yōu)點(diǎn)。例如，如果病人不知道正在進(jìn)行測(cè)量，則病人的眼睛可能更放松。與光學(xué)輻射的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，在眼科應(yīng)用中應(yīng)該把功率限制到眼睛安全的等級(jí)。對(duì)于激光輻射，適當(dāng)?shù)难劬Π踩┞兜燃?jí)能在用于激光產(chǎn)品的美國(guó)聯(lián)邦性能標(biāo)準(zhǔn)中找到。如果分析是在光學(xué)系統(tǒng)上而不是在眼睛上進(jìn)行，則檢查波長(zhǎng)范圍邏輯上應(yīng)該包括在系統(tǒng)的指示性能范圍中。
為了選擇激光光14的小直徑準(zhǔn)直心部，能使用一個(gè)可變光圈16來(lái)阻塞除由本發(fā)明使用希望尺寸的激光束18之外的所有激光光14。按照本發(fā)明，激光束18能具有在約0．5-4．5毫米的范圍內(nèi)、1-3毫米是典型的直徑。嚴(yán)重象差的眼睛要求較小直徑光束，而僅有輕微象差的眼睛能用較磊直徑光束估計(jì)。依據(jù)激光器12的輸出發(fā)散，能在光束通路中定位一個(gè)透鏡(未表示)以優(yōu)化準(zhǔn)直。
激光束18是在途中穿過(guò)一個(gè)偏振敏感光束分光器20指向聚焦光學(xué)系統(tǒng)22的偏振光束。光學(xué)系統(tǒng)22操作以把激光束18經(jīng)眼睛120的光學(xué)系統(tǒng)(例如，角膜126、瞳孔125和透鏡124)聚焦到眼睛視網(wǎng)膜122的后部。(應(yīng)該理解，對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行白內(nèi)障過(guò)程的病人透鏡124可能是不存在的，然而，這不影響本發(fā)明)。在表明的例子中，光學(xué)系統(tǒng)22把激光束18在或靠近眼睛的中央凹123處成象為一個(gè)小光斑，在該處眼睛的視覺(jué)最靈敏。注意能反射小光斑離開視網(wǎng)膜122的另一部分，以便確定與人視覺(jué)另一方面有關(guān)的象差。例如，如果反射光斑離開視網(wǎng)膜122圍繞中央凹123的區(qū)域，則能估計(jì)特別與人的邊緣視覺(jué)有關(guān)的象差。在所有情況下，定光斑的尺寸，以在視網(wǎng)膜122上形成近衍射限制圖象。因而，在中央凹123處由激光束18產(chǎn)生的光斑在直徑上不超過(guò)約100微米，并且一般在10微米的量級(jí)上。
從視網(wǎng)膜122返回的激光束18的擴(kuò)散反射用實(shí)線24表示在圖2中，指示經(jīng)眼睛120返回的輻射的波前。波前24撞擊和穿過(guò)在途中的光學(xué)系統(tǒng)22到偏振敏感光束分光器20。當(dāng)波前24離開視網(wǎng)膜122時(shí)，波前24由于反射和衍射相對(duì)于激光束18去偏。因而，波前24在偏振敏感光束分光器20處轉(zhuǎn)向，并且指向一個(gè)波前分析器26，如Hartmann-Shack(H-S)波前分析器。一般地說(shuō)，波前分析器26測(cè)量波前24的斜率，即在多個(gè)(x，y)橫向坐標(biāo)處相對(duì)x和y的偏導(dǎo)數(shù)。該偏導(dǎo)數(shù)信息用來(lái)借助于諸如Zernike多項(xiàng)式加權(quán)序列之類的數(shù)學(xué)表達(dá)式重新構(gòu)造或近似原始波前。
用于入射激光束18和光束分光器20的以上規(guī)定偏振狀態(tài)的目的在于，減小到達(dá)波前分析器26的傳感器部分的雜散激光輻射量。在某些情況下，雜散輻射當(dāng)與從希望目標(biāo)(例如，視網(wǎng)膜122)返回的輻射相比時(shí)可能足夠小，從而以上偏振規(guī)定是不必要的。
本發(fā)明能夠適于寬范圍的視覺(jué)缺陷，并且象這樣按照測(cè)量目鏡象差達(dá)到一個(gè)新動(dòng)態(tài)范圍等級(jí)。借助于現(xiàn)在將解釋的光學(xué)系統(tǒng)22和／或波前分析器26的波前傳感器部分實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍提高。
在表明的實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)22包括一個(gè)第一透鏡220、一個(gè)平面鏡221、一個(gè)Porro鏡222及一個(gè)第二透鏡224，所有這些都沿激光束18和波前24的通路布置。第一透鏡220和第二透鏡224是保持在固定位置的相同透鏡。Porro鏡222能夠如由箭頭223所指示的那樣線性運(yùn)動(dòng)，以改變?cè)谕哥R220與224之間的光程長(zhǎng)度。然而應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于平面鏡221和Porro鏡222的具體布置，并且其他的光學(xué)布置能用在透鏡220與224之間，以改變其之間的光程長(zhǎng)度。
通過(guò)用模擬完美平面波的準(zhǔn)直光的寬束源(未表示)代替圖2中的眼睛120，能辨別Porro鏡222的“零位置”。通過(guò)用一個(gè)光束望遠(yuǎn)鏡把激光束擴(kuò)展到覆蓋波前分析器26的成象平面的直徑、和調(diào)節(jié)Porro鏡222直到波前分析器26檢測(cè)到準(zhǔn)直的光，能實(shí)現(xiàn)這樣一種源。注意由Porro鏡222產(chǎn)生的光程長(zhǎng)度的變化能以屈光度校準(zhǔn)，以提供下面將進(jìn)一步解釋的近似球形屈光度校正。
通過(guò)利用包括一個(gè)改進(jìn)波前傳感器裝置的最佳實(shí)施例的波前分析器，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)10的動(dòng)態(tài)范圍。借助于圖3和4現(xiàn)在將解釋一種這樣的波前傳感器裝置。在圖3中，波前分析器包括一塊不透明成象板32，帶有穿過(guò)其中的一個(gè)孔陣列34；一個(gè)光敏感元件的平面陣列36，如電荷耦合器件元件38；及一個(gè)處理器40，聯(lián)接到元件38的平面陣列36上。板32和平面陣列36的組合包括該實(shí)施例的獨(dú)特波前傳感器。板32保持平行于平面陣列36，并且與其隔開一個(gè)分離距離F。如下面將進(jìn)一步解釋的那樣，能改變分離距離F以調(diào)節(jié)傳感器的增益。為了這樣做，把平面陣列36聯(lián)接到一個(gè)定位設(shè)備42上，例如，具有精確運(yùn)動(dòng)能力的常規(guī)機(jī)械化線性定位器，該定位設(shè)備42能調(diào)節(jié)平面陣列36相對(duì)于板32的位置，以如由箭頭43指示的那樣改變分離距離F。就孔陣列34而論，孔34的每一個(gè)都具有相同的尺寸和形狀，由于制造容易一般是圓形的。在表明的例子中，正方形陣形幾何形狀用于孔陣列34，不過(guò)能使用其他陣列幾何形狀。
如圖4中所示，當(dāng)波前24撞擊在板32上時(shí)，用箭頭25指示的波前24的一片或一部分穿過(guò)孔34，以照亮平面陣列36。對(duì)于第一順序，由每個(gè)這樣的波前片25形成的生成圖象是相應(yīng)孔34的正陰影。然而，衍射不以由每個(gè)孔34的直徑D、光源(即波前24)的波長(zhǎng)λ及在板32與平面陣列36之間的分離距離F確定的方式發(fā)生。通過(guò)定位設(shè)備42改變值F，以根據(jù)具體病人調(diào)節(jié)增益，如下面進(jìn)一步解釋的那樣。
注意使用由諸如光刻膜之類的光敏材料制成的固體板或膜，也能實(shí)現(xiàn)由帶有孔34的板32提供的功能。在這樣一種情況下，孔陣列34由當(dāng)光撞擊在其上時(shí)光穿過(guò)其的成形光透射孔徑陣列代替。這樣一種板或膜的其余部分是不透光的。由這樣一個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于，能容易地制造光透射孔徑，以與任何希望形狀一致。
不管如何產(chǎn)生每個(gè)波前片25，本發(fā)明測(cè)量與由平面波前產(chǎn)生的波前片有關(guān)的每個(gè)波前片25的角偏轉(zhuǎn)量。這在圖4中看得最清楚，其中光的校準(zhǔn)或平面波前生成由箭頭112表示的波前片(正交于板32)，該波前片照亮在平面陣列36上的幾何斑點(diǎn)114。相反，假定波前24表示上述的失真波前，波前片25將呈現(xiàn)與(校準(zhǔn))波前片112有關(guān)的角偏轉(zhuǎn)量。角偏轉(zhuǎn)引起波前片25把幾何斑點(diǎn)27照在平面陣列36上，偏離(校準(zhǔn))斑點(diǎn)114。按照本發(fā)明，分別相對(duì)于斑點(diǎn)114和27的形心116和29測(cè)量偏離量。在兩維平面陣列36中，形心29(一般)在陣列36的x和y方向上都偏轉(zhuǎn)。因而，在x和y方向每一個(gè)上的角偏轉(zhuǎn)分別由△x／F和△y／F給出。
在該最佳實(shí)施例中，如上述的那樣透鏡220和224是相同的。然而，在某些用途中，可能希望放大或減小在波前傳感器處的波前。這能通過(guò)使用不同焦距的透鏡220和224并因而調(diào)節(jié)設(shè)備尺寸而實(shí)現(xiàn)。對(duì)于眼睛估計(jì)，設(shè)備的物面應(yīng)該理想地與能由各種裝置實(shí)現(xiàn)的角膜平面相切。因而，在光學(xué)系統(tǒng)22的物面處的每個(gè)點(diǎn)非常接近對(duì)應(yīng)于角膜上的相同點(diǎn)(不過(guò)由于角膜是彎曲的，有稍微的側(cè)向位移)。波前分析器26的板32(或任何波前傳感器部分的成象平面)定位在透鏡220的焦平面上。以這種方式，物面總是在與從角膜126出現(xiàn)的波前圖象相對(duì)應(yīng)的方向上成象在板32上。這是真實(shí)的，與透鏡220與224之間的光程長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。對(duì)于該結(jié)構(gòu)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中一個(gè)是有可從市場(chǎng)買到的光敏元件的非常良好的平面陣列，以成象與角膜的6毫米中心圓形區(qū)域相對(duì)應(yīng)的區(qū)域?，F(xiàn)在將解釋另外的優(yōu)點(diǎn)。
板32(或任何波前傳感器部分的成象平面)的目的在于把波前24打散成在平面陣列36處每個(gè)能獨(dú)立(按照傳播方向)測(cè)量的波前片。由于在最佳實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)22不放大或減小在物面中的圖象，所以在物面處的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在光學(xué)系統(tǒng)22的圖象平面處的相同點(diǎn)。對(duì)于設(shè)置在其“零位置”的Porro鏡222，波前24每一片在物面處行進(jìn)的方向準(zhǔn)確地復(fù)制在波前分析器26的圖象平面處。例如，如果在物面中的一個(gè)位置處的波前片相對(duì)于與垂直于物面的光軸以20°的角度行進(jìn)遠(yuǎn)離光軸，則在圖象平面中在相同位置處的波前片也以20°的角度行進(jìn)遠(yuǎn)離光軸。
注意近視的人將產(chǎn)生這樣一種波前，從而由板32隔離的波前片將向陣列36的中心會(huì)聚。遠(yuǎn)視者將產(chǎn)生這樣一種波前，從而由板32隔離的波前片發(fā)散。因而，具有顯著視覺(jué)誤差的人變得難以估計(jì)，因?yàn)椴ㄇ捌苤氐?近視)在平面陣列36處，或者溢出(遠(yuǎn)視)平面陣列36。
在本發(fā)明中，有三種用來(lái)補(bǔ)償這種嚴(yán)重象差的方法。第一種方法是利用一種具有顯著小的光敏元件38和顯著大的孔34(或任何其他透射孔徑)的波前傳感器。在這種方法中，使用對(duì)于F的小值能進(jìn)行至可接受的精度的每個(gè)波前片的測(cè)量。第二種方法是，沿光軸移動(dòng)平面陣列36以改變對(duì)于板32的分離距離F。對(duì)于具有嚴(yán)重象差的人，靠近板32定位平面陣列36，以保持投射波前片良好地分離并且在平面陣列36上。對(duì)于中等象差，能移動(dòng)平面陣列36，以增大對(duì)于板32的分離距離F，進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。移動(dòng)平面陣列36改變對(duì)于板32的分離距離F的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于任何位置容易地實(shí)現(xiàn)波前分析。在本發(fā)明中補(bǔ)償嚴(yán)重象差的第三種方法是改變?cè)谕哥R220與240之間的光程長(zhǎng)度。移動(dòng)Porro鏡222將不影響波前擊到板32的位置，但將改變投射波前片穿過(guò)板32的角度偏轉(zhuǎn)，即△x／F和△y／F。減小在透鏡220與240之間的光程長(zhǎng)度趨于把波前片拉向平面陣列36的中心，由此補(bǔ)償遠(yuǎn)視。增大在透鏡220與240之間的光程長(zhǎng)度將趨于把波前片向平面陣列36的邊緣擴(kuò)展，由此補(bǔ)償近視。改變與每個(gè)波前片有關(guān)的角度偏轉(zhuǎn)的程度，是其離開光軸的距離和Porro鏡222離開其零位置的移動(dòng)量的線性函數(shù)。
為了準(zhǔn)確地確定撞擊在陣列36上的光斑的形心，必須提供元件38相對(duì)于斑點(diǎn)尺寸的精細(xì)結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，每個(gè)光點(diǎn)必須覆蓋多個(gè)元件38。在該最佳實(shí)施例中，為了相對(duì)于由另外一個(gè)孔34引起的斑點(diǎn)清楚地確定每個(gè)斑點(diǎn)的形心，把獨(dú)特?cái)?shù)量的元件分配給每個(gè)孔34。在圖5中由粗柵格線39指示“分配區(qū)域”。應(yīng)該理解，柵格線39不是元件38之間的實(shí)際物理邊界，而是簡(jiǎn)單地表示以表明包含多個(gè)元件38的獨(dú)特指定區(qū)域。能利用不需要陣列36這樣劃分的其他形心對(duì)策。
由于本發(fā)明的波前傳感器不在陣列36的表面處把每個(gè)波前片聚焦到最小，所以由每個(gè)幾何斑點(diǎn)照亮較大數(shù)量的元件38，從而能以比以前可能的更高精度確定每個(gè)斑點(diǎn)的形心。
借助于用相同球形小透鏡的一個(gè)兩維陣列33代替板32(圖3)的波前分析器，也能實(shí)施本發(fā)明，如圖6中所示。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，陣列33由定位設(shè)備42這樣定位，從而分離距離F獨(dú)立于定義由虛線35表示的陣列33的焦平面焦距F。換句話說(shuō)，穿過(guò)陣列33的子孔徑的每個(gè)波前片(例如波前片37)在尺寸(例如直徑)上減小，但不必象如果分離距離F等于焦距f則會(huì)出現(xiàn)的那樣，在陣列36處帶到最小。因而，在實(shí)際中，把陣列33定位成為了在平面陣列36上的足夠密度把每個(gè)波前片中的光集中在一個(gè)區(qū)域上，而仍然照亮很大數(shù)量的元件38(如上述那樣)，以便以最高精度確定斑點(diǎn)形心的偏轉(zhuǎn)。
與波前傳感器的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，處理器40計(jì)算由波前24產(chǎn)生的每個(gè)斑點(diǎn)的每個(gè)兩維形心。把對(duì)于與相應(yīng)孔34(或陣列33的子孔徑)有關(guān)的每個(gè)指定區(qū)域的兩維形心偏移量(相對(duì)于校準(zhǔn)斑點(diǎn)的形心)除以分離距離F，產(chǎn)生波前的一個(gè)局部斜率矩陣，即在孔34中心的(x，y)坐標(biāo)處的δW(x，y)／δx和δW(x，y)／δy。為了簡(jiǎn)單起見，這些分別由P(x，y)=δW(x，y)／δx和Q(x，y)=δW(x，y)／δy指示。
存在用來(lái)使用偏導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算原始(失真)波前的多種方法。一種可接收的方法是由Liang等在上述論文中使用的方法，其中使用Zernike多項(xiàng)式近似波前。這是一種在多篇光學(xué)文章中描述的標(biāo)準(zhǔn)分析技術(shù)，如在M．Born和E．Wolf等的“光學(xué)原理”Pergamon Press，Oxford，England，1964中。通過(guò)例子，這里將討論Zernike多項(xiàng)式方法。然而，應(yīng)該理解，其他數(shù)學(xué)方法也能用在近似失真波前中。
簡(jiǎn)短地說(shuō)，把波前W(x，y)表示成各個(gè)多項(xiàng)式的加權(quán)和W(x,y)=Σi=0nCiZi(x,y)--(4)]]>其中Ci是加權(quán)系數(shù)，而Zi(x，y)是高至某階的Zernike多項(xiàng)式。關(guān)于求和的上限n是用來(lái)近似真實(shí)波前的Zernike多項(xiàng)式的數(shù)量，即最高階，的函數(shù)。如果m是使用的最高階，那么n=(m+1)(m+2)／2 (5)在多篇光學(xué)文章，如Born和Wolf的上述書籍，中描述了高至任意階n的Zernike多項(xiàng)式的導(dǎo)出。
現(xiàn)在將解釋確定斑點(diǎn)形心和Zernike加權(quán)系數(shù)計(jì)算的一種可能方法。在每個(gè)孔34中心處的單位法線的方向基于在元件38上的斑點(diǎn)的形心。由于每個(gè)斑點(diǎn)將以變化亮度照亮多個(gè)元件，所以能使用標(biāo)準(zhǔn)振幅加權(quán)形心計(jì)算來(lái)求出每個(gè)斑點(diǎn)的中心。每個(gè)形心必須測(cè)量?jī)纱?，一次用于垂直的?zhǔn)直光，而再次用于要分析的波前。當(dāng)然，在每次暴露期間同時(shí)成象所有斑點(diǎn)。
可以使用多次暴露來(lái)檢查在各次暴露期間的不適當(dāng)眼睛對(duì)準(zhǔn)或眼睛運(yùn)動(dòng)。如果在暴露期間的眼睛運(yùn)動(dòng)不能通過(guò)獲得多次暴露成功地分析，那么系統(tǒng)10能通過(guò)一個(gè)眼睛跟蹤器25的添加而擴(kuò)大。眼睛跟蹤器25的一種可能放置表示在圖2中。然而，應(yīng)該理解，能把眼睛跟蹤器25放置在系統(tǒng)10中的其他地方。一種這樣的眼睛跟蹤器在上述的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No．08／232，615中公開。以這種方式，即使在有限的眼睛運(yùn)動(dòng)量期間也能進(jìn)行波前分析。
單次校準(zhǔn)暴露也能用來(lái)確定各個(gè)元件的相對(duì)靈敏度。這借助于除去板32在均勻的準(zhǔn)直光中進(jìn)行。然后記錄各個(gè)元件的響應(yīng)。
對(duì)于每個(gè)光透射孔徑(例如孔34)，在準(zhǔn)直情況下的形心起用于具體孔的專用原點(diǎn)的作用。對(duì)于每個(gè)孔從“原點(diǎn)”至形心由波前24引起的偏移(如在該坐標(biāo)系中觀察到的那樣)通過(guò)與該孔對(duì)應(yīng)的波表面的方向確定。如果△x(m，n)是第(m，n)個(gè)形心的x分量，并且F是板分離，那么用于第(m，n)個(gè)形心的P值是P(m，n)=δx(m，n)／δz=△x(m，n)／F (6)用于Q的相應(yīng)表達(dá)式是Q(m，n)=δy(m，n)／δz=△y(m，n)／F (7)因而，每個(gè)P(m，n)和Q(m，n)表示對(duì)于每個(gè)孔34的(x，y)坐標(biāo)W(x，y)相對(duì)于x和y的偏導(dǎo)數(shù)。對(duì)于原始波前的m階Zernike近似，然后在如下公式中使用實(shí)驗(yàn)確定的P和Q，以按如下計(jì)算適當(dāng)?shù)腃i加權(quán)系數(shù)P(m,n)=δW(x,y)δx=Σi=0nCiδZi(x,y)δx--(8)]]>Q(m,n)=δW(x,y)δy=Σi=0nCiδZi(x,y)δy--(9)]]>通過(guò)使用最小平方近似(m，n)／δzach使在以上公式中左手側(cè)的實(shí)際波前斜率與右手側(cè)的Zernike近似之間的誤差最小，能得到用于加權(quán)系數(shù)的最佳值。
在一種計(jì)算形心(xc，yc)的可能方法中，每個(gè)孔34分配其陣列36的專用區(qū)域或(im，m±△i，jm，m±△j)。多個(gè)光敏元件的該正方形大得足以使相鄰孔圖象永遠(yuǎn)不會(huì)侵入，并且包含來(lái)自該孔的所有照明。該正方形包含4△i*△j個(gè)元件。
如果指定陣列36ck，l=(xc(i，j)，yc(i，j))，k，l=0…2△l，△j，并且關(guān)于中心的間隙是△x=△y=d，測(cè)量的元件響應(yīng)是V(k，l)而相對(duì)響應(yīng)性是R(k，1)，那么作為i，j函數(shù)的x分量xc是xc(i，j)=[Σk，lv(k，l)*R(k，l)*d*k]／[Σk，lv(k，l)*R(k，l)] (10)而作為i，j函數(shù)的y分量yc是yc(i，j)=[Σk，lv(k，l)*R(k，l)*d*l]／[Σk，lv(k，l)*R(k，l)] (11)然后，如果(xc0(i，j)，yc0(i，j))是對(duì)于(i，j)孔的“原點(diǎn)形心”，即在垂直的準(zhǔn)直光中形成，并且(xcw(i，j)，ycw(i，j))是對(duì)于要測(cè)量的波前求出的相應(yīng)形心，那么相對(duì)形心偏移(xcr(i，j)，ycr(i，j))按如下求出(xcr(i，j)=xcw(i，j)-xc0(i，j)(12)(ycr(i，j)=ycw(i，j)-yc0(i，j)(13)值P(i，j)和Q(i，j)由下式確定P(i，j)=xcr(i，j)／F (14)和Q(i，j)=ycr(i，j)／F (15)其次使用對(duì)于板32的孔中心陣列的表面偏導(dǎo)數(shù)P(i，j)和Q(i，j)來(lái)計(jì)算描述原始波前W(x，y)的適當(dāng)Zernike多項(xiàng)式加權(quán)系數(shù)。這現(xiàn)在通過(guò)對(duì)于孔34的7×7正方形陣列的說(shuō)明解釋。然而，應(yīng)該理解，能使用其他尺寸和形狀的孔陣列。
首先，按如下形成一個(gè)1×98矩陣(即列矩陣)PQ(k)PQ(k)=P(7i+j)，j=0…6，i=0…6，k=0…48(16)PQ(k)=Q(7i+j)，j=0…6，i=0…6，k=49…98 (17)使j對(duì)于每個(gè)i循環(huán)，即PQ(18)=P(2，5)。
矩陣PQ從左邊乘以轉(zhuǎn)換矩陣TM以按如下得到矩陣Cc=TM*PQ (18)其中TM是98寬乘14高的矩陣，而C是1寬乘14高的矩陣或列向量。C是矩陣Ckk=1，…，14，從而對(duì)于最小平方誤差，w(x，y)=ΣkCk*Zk(x，y) (19)并且對(duì)于給定孔徑，例如6毫米的瞳孔孔徑，計(jì)算TM。
在公式(19)中的函數(shù)Zk(x，y)是Zernike多項(xiàng)式。沒(méi)有關(guān)于其序列的標(biāo)準(zhǔn)約定。因而，為了一致性，重要的是，使用相同序列產(chǎn)生為導(dǎo)出矩陣TM選擇的集合Ck。他們?cè)谙嗤A的組中出現(xiàn)，這是在組中的最高分量，在一階中的項(xiàng)總數(shù)隨階數(shù)增大。例如，在四階分析中，使用高達(dá)4且包括4的階數(shù)(較小的Z0-階0的單項(xiàng)，是常數(shù)1，描述在Z方向組的基準(zhǔn)位置)。由于波前24沿Z(以光速)運(yùn)動(dòng)，所以該“活塞項(xiàng)”僅描述在Z中的任意偏移，并且可以忽略該項(xiàng)。最初的5階(0，1，…，4)包含包括活塞項(xiàng)的15個(gè)函數(shù)。
因而，在表明的例子中，計(jì)算Ck的14個(gè)值作為14個(gè)Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)。通過(guò)例子，一種用來(lái)計(jì)算TM的這種階在表1中給出，它包括Zernike多項(xiàng)式和其偏導(dǎo)數(shù)。
表1通過(guò)階4的Zernike(x，y)多項(xiàng)式擴(kuò)展多項(xiàng)式階0z(0) +1dz(0)／dx 0．0dz(0)／dy 0．0多項(xiàng)式階1z(1) +ydz(1)／dx 0．0dz(1)／dy +1z(2) +xdz(2)／dx +1dz(2)／dy 0．0多項(xiàng)式階2
z(3) -1+2y2+2x2dz(3)/dx +4xdz(3)/dy +4yz(4) +2xydz(4)/dx +2ydz(4)/dy +2xz(5) -y2+x2dz(5)/dx +2xdz(5)/dy -2y多項(xiàng)式階3z(6) -2y+3y3+3x2ydz(6)/dx +6xydz(6)/dy -2+9y2+3x2z(7) -2x+3xy2+3x3dz(7)/dx -2+3y2+9x2dz(7)/dy +6xyz(8) -y3+3x2ydz(8)/dx +6xydz(8)/dy -3y2+3x2z(9) -3xy2+x3dz(9)/dx -3y2+3x2dz(9)/dy -6xy多項(xiàng)式階4z(10)+1-6y2+6y4-6x2+12x2y2+6x4dz(10)/dx-12x+24xy2+24x3dz(10)/dy-12y+24y3+24x2yz(11)-6xy+8xy3+8x3ydz(11)/dx-6y+8y3+24x2ydz(11)/dy-6x+24xy2+8x3z(12)+3y2-4y4-3x2+4x4dz(12)/dx-6x+16x3dz(12)/dy+6y-16y3z(13)-4xy3+4x3ydz(13)/dx-4y3+12x2ydz(13)/dy-12xy2+4x3z(14)+y4-6x2y2+x4dz(14)/dx-12xy2+4x3dz(14)/dy+4y3-12x2y
排序Zernike多項(xiàng)式的選擇規(guī)定公式(19)中的Ck的說(shuō)明，并因此規(guī)定在TM矩陣中諸項(xiàng)的順序。因此，必須在進(jìn)行選擇之后計(jì)算TM矩陣。下面將解釋用于說(shuō)明例子的TM矩陣的產(chǎn)生。
注意四階分析只是一個(gè)例子，而不是唯一的可能性。能進(jìn)行至任意階的Zernike分析。一般地說(shuō)，階越高，在測(cè)試點(diǎn)上的結(jié)果越準(zhǔn)確。然而，在測(cè)試點(diǎn)上的準(zhǔn)確多項(xiàng)式擬合不一定是希望的。這種似合具有典型的干擾特性除非表面本身碰巧是不高于用于表面擬合階的準(zhǔn)確多項(xiàng)式，否則在分離諸點(diǎn)處的準(zhǔn)確擬合引起在擬合點(diǎn)之間的猛烈擺動(dòng)。就是說(shuō)，在多項(xiàng)式表面擬合中，在有限數(shù)量點(diǎn)處的準(zhǔn)確擬合對(duì)于通用函數(shù)能產(chǎn)生差的平均擬合。對(duì)于上述系統(tǒng)的眼科應(yīng)用，計(jì)算機(jī)模擬提出六階Zernike分析可以產(chǎn)生最好的結(jié)果。
通過(guò)從Zernike近似中減去一個(gè)常數(shù)，簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)從波前的Zernike重新構(gòu)造計(jì)算△z(x，y)光學(xué)通路差信息。常數(shù)的值將取決于△z(x，y)的希望特性。依據(jù)校正象差選擇的方法(例如，激光燒蝕、透鏡添加等)，例如可以希望把△z(x，y)的最大、平均或最小值設(shè)置為等于零。
現(xiàn)在對(duì)于板32中的7×7陣列孔的說(shuō)明例子解釋轉(zhuǎn)換矩陣TM的產(chǎn)生。在每個(gè)點(diǎn)(xi，yj)處，法線分量的正切是P(xi，yj)和Q(xi，yj)，其中P(xi，yj)=δW(xi，yj)／δx (20)和Q(xi，yj)=δW(xi，yj)／δy (21)把這些與公式(11)相結(jié)合，P(xi，yj)=∑kCkδW(xi，yj)／δx (22)和Q(xi，yj)=∑kCkδW(xi，yj)／δy (23)每個(gè)可應(yīng)用于49種(i，j)組合。這些結(jié)合成是98個(gè)元素高的單列向量PQ，例如一個(gè)98×1矩陣。定義兩個(gè)矩陣Ck(14高×1寬)和Mk，(ij)(14寬×98高)(Mk，(i，j))=δZk(xi，yj)／δx；δZk(xi，yj)／δy (24)其中x導(dǎo)數(shù)是最初49行而y導(dǎo)數(shù)是最后49行。然后，能把公式(19)重寫成矩陣公式(PQ)=(M)(C)(25)其中M的頂部49行是δW(xi，yi)／δy。
按照用于由14個(gè)C的陣列描述的表面的Zernike系數(shù)，公式(25)中的表示給出正交分量。這些是準(zhǔn)確的，但不保證實(shí)際整個(gè)表面能由這樣一個(gè)系數(shù)陣列描述。因而，如果假定描述在可接收的容限內(nèi)，即允許在最小平方誤差確定之后剩余的誤差，那么能考慮公式(26)，以便按照都已知的數(shù)學(xué)矩陣M和測(cè)量向量PQ隱含地定義列向量C。在最小條件下實(shí)現(xiàn)該方案的方法如下。
首先，公式(25)在左邊乘以M的轉(zhuǎn)置MT，從而(MT)(PQ)=(MT)(M)(C)=(S)(C) (26)其中S=MTM(27)是平方與對(duì)稱矩陣，例如為維數(shù)14×14(對(duì)于每個(gè)元素，98個(gè)乘積之和)。這樣一種矩陣具有逆矩陣，除非其系數(shù)行列式是零。由于這單獨(dú)基于Zernike多項(xiàng)式，并且他們都是彼此獨(dú)立的，所以行列式是非零的，從而定義一個(gè)逆矩陣S-1。其次，公式(25)在左邊乘以S-1以產(chǎn)生(8-1)(MT)(PQ)=(s-1)(8)(C)=(I)(C)=C(28)然后，數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣(獨(dú)立于測(cè)量)是(TM)=C(S-1)(MT) (29)并且通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣相乘能產(chǎn)生來(lái)自測(cè)量的PQ的C的“最好擬合”陣列(c)=(TM)(PQ) (30)為了清楚地估計(jì)眼睛，由于波前24照亮平面陣列36的所有斑點(diǎn)必須同時(shí)入射在平面陣列36上。速通過(guò)脈動(dòng)或開關(guān)激光源(即激光器12)實(shí)現(xiàn)，從而脈沖持續(xù)時(shí)間小于眼睛的眼急動(dòng)間隔，即幾毫秒。可選擇的是，能保留激光源連續(xù)，而能開關(guān)波前24，顯得象小于眼睛急動(dòng)的持續(xù)時(shí)間的波前脈沖。因而，如圖2中所示，快門50能定位在激光束18的通路中在眼睛120之前，或者在波前24的通路中在波前分析器26之前。
適于臨床使用的本發(fā)明的實(shí)施示意表示在圖7中，并且一般用標(biāo)號(hào)11指示。類似的標(biāo)號(hào)用來(lái)描述與相對(duì)于系統(tǒng)10在以上描述的那些相同的元件。因而，不進(jìn)一步描述類似的元件和其功能。
一個(gè)雙色光束分光器52插入在光束分光器20與光學(xué)系統(tǒng)22之間，以把由50／50光束分光器54彼此光學(xué)分離的固定目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)60和觀察光學(xué)系統(tǒng)70引入到系統(tǒng)11中。在功能上，固定目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)為眼睛120提供目標(biāo)形狀的可見光。由固定目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)60產(chǎn)生的可見光由雙色光束分光器50反射，并且方向通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)22。
應(yīng)該理解，固定目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)60能以各種方式實(shí)施。通過(guò)例子，表示一個(gè)這樣的實(shí)施例，并且包括一個(gè)可見光源61、一個(gè)光漫射器62、目標(biāo)63、視場(chǎng)光闌64、透鏡65及光圈66。光源61和光漫射器62用來(lái)提供固定目標(biāo)63的均勻照明。視場(chǎng)光闌64、透鏡65、及光圈66聯(lián)系光學(xué)系統(tǒng)22使用，以把固定目標(biāo)的清晰圖象呈現(xiàn)給(病人)眼睛120。
在功能上，觀察光學(xué)系統(tǒng)70允許技術(shù)人員觀察和確證眼睛估計(jì)過(guò)程。盡管觀察光學(xué)系統(tǒng)70的各種實(shí)施是可能的，但通過(guò)例子表示一種這樣的實(shí)施。在圖7中，觀察光學(xué)系統(tǒng)70包括視場(chǎng)透鏡71、透鏡72、光圈73、透鏡74、及攝象機(jī)75。一個(gè)環(huán)形照明燈80放置在眼睛120的前面，以便為了觀察和／或拍攝目的照亮眼睛。
來(lái)自波前分析器26的輸出，例如公式(19)的Zernike展開，能以各種方式使用。例如，能使用輸出來(lái)連續(xù)或周期地監(jiān)視眼科過(guò)程的進(jìn)行或效果。該輸出也能用來(lái)產(chǎn)生對(duì)于眼睛120的光學(xué)校正。光學(xué)校正使得波前24顯得近似為平面波。如上所述，光學(xué)校正能以各種方式實(shí)施。在每一種情況下，波前分析器26的輸出輸入到一個(gè)處理器90，處理器90把公式(19)的Zernike展開轉(zhuǎn)換成適于作為可能光學(xué)校正之一實(shí)施的形式。(處理器90的功能也能在波前分析器26的處理器40處實(shí)施)。
處理器90能使用來(lái)自公式(19)的展開的Zernike系數(shù)的一些，來(lái)產(chǎn)生用于透鏡磨床92的標(biāo)準(zhǔn)球柱面校正，以生產(chǎn)常規(guī)的光學(xué)透鏡，例如用于眼鏡的透鏡、接觸透鏡等。處理器90也能把有象差波前的Zernike重新構(gòu)造除以角膜126的折射率減1，以計(jì)算在角膜上在每個(gè)相應(yīng)(x，y)位置處燒蝕的角膜材料量。角膜材料在每個(gè)位置處的量輸入到一個(gè)激光束輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般具有眼睛跟蹤能力94，如在上述美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No．08／232，615中描述的那樣。激光束輸送和眼睛跟蹤器94放置成與系統(tǒng)11的光軸成一直線。該元件的眼睛跟蹤器部分允許系統(tǒng)11響應(yīng)多余的眼睛運(yùn)動(dòng)。激光束輸送和眼睛跟蹤器94一般把燒蝕激光光的短脈沖或“射擊”聚焦在角膜126或眼睛120處，以在每個(gè)位置處除去規(guī)定厚度t的材料。這示意表示在圖8中，其中角膜126的未校正表面用標(biāo)號(hào)126A指示，而在燒蝕之后角膜126的校正表面由標(biāo)號(hào)126B指示。
按照本發(fā)明，跨過(guò)被測(cè)角膜的孔徑，例如在眼睛測(cè)量期間把眼睛的瞳孔擴(kuò)散到的6毫米圓，規(guī)定燒蝕厚度t。在規(guī)定處理圓之外，可以添加部分燒蝕的減小混合區(qū)，以減小角膜彎曲的劇烈變化，并因此減輕衰退。激光束輸送系統(tǒng)94除去厚度t，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)校正，即校正的角膜表面126B。注意光學(xué)校正不是與最終角膜外形有關(guān)，而是除去角膜材料，以實(shí)現(xiàn)考慮到眼睛的所有目鏡象差的光學(xué)校正。這是重要的，因?yàn)榻悄さ谋砻嫘螤钅塥?dú)立于要求的校正，因?yàn)檠劬Φ囊曈X(jué)取決于除角膜彎曲之外的多個(gè)因素。因此，用于最佳視覺(jué)的最好角膜表面外形可以在如下方面遠(yuǎn)離規(guī)則它必須補(bǔ)償眼睛其他表面的誤差。因而，顯然本發(fā)明能用來(lái)提供除常規(guī)球面和／或柱面校正之外的角膜表面校正。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有多個(gè)。給出一種用來(lái)測(cè)量目鏡象差的完全客觀的方法。該方法對(duì)于寬范圍的視覺(jué)缺陷是有效的。因而，本發(fā)明在各種各樣的臨床用途中具有很大的實(shí)用性。例如，計(jì)算的Zernike系數(shù)能用來(lái)產(chǎn)生能借助于激光燒蝕實(shí)現(xiàn)的完全客觀透鏡方案或角膜校正。另外，波前傳感器實(shí)施例的每一個(gè)相對(duì)于測(cè)量波前偏轉(zhuǎn)提供優(yōu)于先有技術(shù)的較高準(zhǔn)確度。而且，簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)節(jié)在傳感器成象平面與光敏元件平面陣列之間的分離距離，能按照增益調(diào)節(jié)該波前傳感器。
本發(fā)明的客觀測(cè)量對(duì)于其中“病人”不能提供由常規(guī)眼睛診斷要求的反饋的大量用途，也將找到很大的實(shí)用性。例如，本發(fā)明能用來(lái)估計(jì)不擁有表現(xiàn)通信技能的任何病人的眼睛，如嬰兒、動(dòng)物、死標(biāo)本、以及任何建造的光學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)楸景l(fā)明是不需要來(lái)自“對(duì)象”的任何估計(jì)的客觀分析。所有必需的是把對(duì)象眼睛適當(dāng)定位，從而能得到對(duì)眼睛的適當(dāng)光學(xué)訪問(wèn)。
本發(fā)明也能用在應(yīng)該確定每只眼睛的Zernike系數(shù)是唯一的識(shí)別領(lǐng)域。那么，本發(fā)明在法律實(shí)施領(lǐng)域、信用卡／銀行安全性、或肯定識(shí)別是有益的任何其他領(lǐng)域會(huì)發(fā)現(xiàn)很大的實(shí)用性。
盡管相對(duì)于其特定實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但按照本發(fā)明的講述對(duì)于熟悉本技術(shù)的專業(yè)人員有多種顯而易見的變更和修改。因此應(yīng)該理解，在附屬權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，除具體描述的之外可以實(shí)施本發(fā)明。
作為新的和希望的要求由美國(guó)專利證書保護(hù)的是
權(quán)利要求
1．一種系統(tǒng)，包括一個(gè)能量源，用來(lái)產(chǎn)生輻射光束；光學(xué)系統(tǒng)，布置在所述光束的通路中，用來(lái)指引所述光束通過(guò)使其后部起擴(kuò)散反射器作用的一個(gè)聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光束作為通過(guò)所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)的輻射波前，從所述后部擴(kuò)散地反射回，以撞擊在所述光學(xué)系統(tǒng)上，光學(xué)系統(tǒng)按與撞擊在所述光學(xué)系統(tǒng)上的所述波前的直接對(duì)應(yīng)投射所述波前；一個(gè)波前分析器，布置在從所述光學(xué)系統(tǒng)投射的所述波前的通路中，用來(lái)計(jì)算波前的失真，作為所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)的象差估計(jì)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述能量源包括一個(gè)準(zhǔn)直激光器，用來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)直激光光；及一個(gè)可變光圈，布置在所述準(zhǔn)直激光光的通路中以投射所述準(zhǔn)直激光光的準(zhǔn)直心部，其中所述準(zhǔn)直心部是具有直徑在約0．5毫米至約4．5毫米范圍內(nèi)的所述輻射光束。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述輻射是光學(xué)輻射，并且其中所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)第一透鏡，保持在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第一固定位置中；一個(gè)第二透鏡，保持在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第二固定位置中；及一種光學(xué)元件的排列，布置在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間，光學(xué)元件的所述排列是可調(diào)節(jié)的，以便改變?cè)谒龅谝煌哥R與所述第二透鏡之間的光程長(zhǎng)度。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述波前分析器包括一個(gè)用來(lái)把所述波前劃分成多個(gè)光學(xué)輻射光束的波前傳感器，其中所述第一透鏡的焦平面在所述波前傳感器處，及其中所述第二透鏡的一個(gè)焦平面在所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)的物面處。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)是一只眼睛并且其中所述波前分析器包括一個(gè)用來(lái)把所述波前劃分成多個(gè)光學(xué)輻射光束的波前傳感器，其中所述第一透鏡的焦平面在所述波前傳感器處，及其中所述第二透鏡的焦平面在所述眼睛的瞳孔處。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述波前分析器是Hartmann-Shack波前分析器。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述輻射是光學(xué)輻射，并且其中所述波前分析器包括一塊板，除允許撞擊光從中穿過(guò)的光透射孔徑的陣列之外是不透光的，所述板布置在所述波前的通路中，其中所述波前的諸部分穿過(guò)光透射孔徑的所述陣列；光敏元件的一個(gè)平面陣列，平行于所述板布置并且與所述板隔開一個(gè)選擇的距離，其中穿過(guò)光透射孔徑所述陣列之一的所述波前的所述部分的每一個(gè)照亮覆蓋來(lái)自元件的所述平面陣列的獨(dú)特多個(gè)元件的幾何形狀；及一個(gè)處理器，聯(lián)接到元件的所述平面陣列上，用來(lái)根據(jù)每個(gè)所述幾何形狀的形心計(jì)算所述失真。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中在光透射孔徑的所述陣列中的每個(gè)光透射孔徑具有等同的尺寸。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中在光透射孔徑的所述陣列中的每個(gè)光透射孔徑是圓形的。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中光透射孔徑的所述陣列是一個(gè)正方形陣列。
11．根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用來(lái)調(diào)節(jié)在所述板與元件的所述平面陣列之間的所述選擇距離的裝置。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述輻射是光學(xué)輻射，并且其中所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)第一透鏡，保持在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第一固定位置中；一個(gè)第二透鏡，保持在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第二固定位置中；及一種光學(xué)元件的排列，布置在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間，光學(xué)元件的所述排列是可調(diào)節(jié)的，以便改變?cè)谒龅谝煌哥R與所述第二透鏡之間的光程長(zhǎng)度。
13．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述輻射是光學(xué)輻射，并且其中所述波前分析器包括球形小透鏡的一個(gè)兩維陣列，限定一個(gè)焦平面，該焦平面遠(yuǎn)離球形小透鏡的所述兩維陣列一個(gè)焦距，球形小透鏡的所述兩維陣列布置在所述波前的通路中，其中所述波前的諸部分穿過(guò)球形小透鏡的所述兩維陣列；光敏元件的一個(gè)平面陣列，平行于球形小透鏡的所述兩維陣列布置并且與其隔開一個(gè)獨(dú)立于所述焦距的選擇距離，其中穿過(guò)球形小透鏡的所述兩維陣列的所述波前的所述部分的每一個(gè)照亮覆蓋來(lái)自元件的所述平面陣列的獨(dú)特多個(gè)元件的幾何形狀；及一個(gè)處理器，聯(lián)接到CCD元件的所述平面陣列上，用來(lái)根據(jù)每個(gè)所述幾何形狀的形心計(jì)算所述失真。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用來(lái)調(diào)節(jié)在球形小透鏡的所述兩維陣列與元件的所述平面陣列之間的所述選擇距離的裝置。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)第一透鏡，保持在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第一固定位置中；一個(gè)第二透鏡，保持在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第二固定位置中；及一種光學(xué)元件的排列，布置在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間，光學(xué)元件的所述排列是可調(diào)節(jié)的，以便改變?cè)谒龅谝煌哥R與所述第二透鏡之間的光程長(zhǎng)度。
16．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)是任何眼睛，并且進(jìn)一步包括用來(lái)使所述光束作為比所述眼睛的急動(dòng)間隔小的持續(xù)時(shí)間脈沖發(fā)生的裝置。
17．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)是任何眼睛，并且進(jìn)一步包括用來(lái)使所述波前作為比所述眼睛的急動(dòng)間隔小的持續(xù)時(shí)間脈沖向所述波前分析器顯示的裝置。
18．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)是任何眼睛，并且進(jìn)一步包括一個(gè)用來(lái)按目標(biāo)的形狀產(chǎn)生可見光的固定目標(biāo)發(fā)生器，所述固定目標(biāo)發(fā)生器如此布置，從而所述可見光經(jīng)所述光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)，其中所述可見光能由所述眼睛看到。
19．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)用來(lái)把所述失真轉(zhuǎn)換成光學(xué)校正的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器如果放置在所述波前的通路中，則使所述波前顯得近似為平面波。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換器把所述失真轉(zhuǎn)換到透鏡方案上，并且其中根據(jù)所述透鏡方案由透鏡實(shí)現(xiàn)所述光學(xué)校正。
21．根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)是一只眼睛，及其中所述轉(zhuǎn)換器把所述失真轉(zhuǎn)換成要從所述眼睛燒蝕的復(fù)雜幾何形狀的角膜材料的量，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)激光束輸送系統(tǒng)，該激光束輸送系統(tǒng)用來(lái)借助于燒蝕所述角膜材料的波長(zhǎng)和功率的多個(gè)小直徑激光束脈沖照射所述眼睛，其中通過(guò)除去所述量的角膜材料實(shí)現(xiàn)所述光學(xué)校正。
22．根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述激光束輸送系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)用來(lái)監(jiān)視所述眼睛運(yùn)動(dòng)和用來(lái)調(diào)節(jié)與所述運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的所述多個(gè)小直徑激光束脈沖的位置的眼睛跟蹤器。
23．根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)是一只眼睛，并且其中所述轉(zhuǎn)換器把所述失真轉(zhuǎn)換成所述眼睛角膜表面彎曲的規(guī)定變化，及其中通過(guò)根據(jù)所述規(guī)定變化重新形成所述眼睛的所述角膜表面彎曲，實(shí)現(xiàn)所述光學(xué)校正。
24．根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)是一只眼睛，并且進(jìn)一步包括一個(gè)用來(lái)監(jiān)視所述眼睛的運(yùn)動(dòng)的眼睛跟蹤器。
25．一種光學(xué)波前傳感器，包括一塊板，除允許撞擊光從中穿過(guò)的光透射孔徑的陣列之外是不透光的，所述板布置在所述波前的通路中，其中所述光學(xué)波前的諸部分穿過(guò)光透射孔徑的所述陣列；及光敏元件的一個(gè)平面陣列，平行于所述板布置并且與所述板隔開一個(gè)選擇的距離，其中穿過(guò)光透射孔徑所述陣列之一的所述波前的所述部分的每一個(gè)照亮覆蓋來(lái)自元件的所述平面陣列的獨(dú)特多個(gè)元件的幾何形狀。
26．根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學(xué)波前傳感器，其中在光透射孔徑的所述陣列中的每個(gè)光透射孔徑具有等同的尺寸。
27．根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學(xué)波前傳感器，其中在光透射孔徑的所述陣列中的每個(gè)光透射孔徑是圓形的。
28．根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學(xué)波前傳感器，其中光透射孔徑的所述陣列是一個(gè)正方形陣列。
29．根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學(xué)波前傳感器，進(jìn)一步包括用來(lái)調(diào)節(jié)在所述板與元件的所述平面陣列之間的所述選擇距離的裝置。
30．根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學(xué)波前傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)聯(lián)接到元件的所述平面陣列上、用來(lái)確定每個(gè)所述幾何形狀的形心的處理器。
31．一種方法，包括步驟產(chǎn)生一個(gè)光學(xué)輻射光束；借助于聚焦光學(xué)系統(tǒng)把所述光束聚焦到一只眼睛中，以把所述光束成象為一個(gè)在所述眼睛視網(wǎng)膜后部處形成近衍射有限圖象的聚焦斑點(diǎn)，其中所述光束擴(kuò)散地從視網(wǎng)膜反射回，作為通過(guò)所述眼睛的輻射波前；允許所述波前撞擊在所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)上；借助于所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)，按與撞擊在所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)上的所述波前的直接對(duì)應(yīng)投射所述波前；及使用布置在從所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)投射的所述波前的通路中的一個(gè)波前分析器，來(lái)計(jì)算與從所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)投射的所述波前有關(guān)的失真。
32．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述產(chǎn)生步驟包括產(chǎn)生準(zhǔn)直激光光；及選擇所述準(zhǔn)直激光光的一個(gè)準(zhǔn)直心部，作為具有直徑在約0．5毫米至約4．5毫米范圍內(nèi)的所述光學(xué)輻射光束。
33．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述聚焦步驟包括步驟把一個(gè)第一透鏡固定在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第一位置中；把一個(gè)第二透鏡固定在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第二位置中；及把一種光學(xué)元件的排列定位在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間；及調(diào)節(jié)光學(xué)元件的所述排列的位置，以便改變?cè)谒龅谝煌哥R與所述第二透鏡之間的光程長(zhǎng)度。
34．根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述波前分析器包括一個(gè)用來(lái)把所述波前劃分成多個(gè)光學(xué)輻射光束的波前傳感器，其中固定所述第一透鏡的所述步驟包括把所述第一透鏡的焦平面布置在所述波前傳感器處的步驟，及其中固定所述第二透鏡的所述步驟包括把所述第二透鏡的焦平面布置在所述眼睛的瞳孔處的步驟。
35．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述波前分析器包括一塊板，除允許撞擊光從中穿過(guò)的光透射孔徑的陣列之外是不透光的，所述板布置在所述波前的通路中，其中所述波前的諸部分穿過(guò)光透射孔徑的所述陣列；和光敏元件的一個(gè)平面陣列，平行于所述板布置并且與所述板隔開一個(gè)選擇的距離，其中穿過(guò)光透射孔徑所述陣列之一的所述波前的所述部分的每一個(gè)照亮覆蓋來(lái)自元件的所述平面陣列的獨(dú)特多個(gè)元件的幾何形狀，所述方法進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)所述選擇距離以調(diào)節(jié)所述波前分析器的增益的步驟。
36．根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述聚焦步驟包括步驟把一個(gè)第一透鏡固定在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第一位置中；把一個(gè)第二透鏡固定在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第二位置中；及把一種光學(xué)元件的排列定位在所述激光束和所述波前的通路中在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間；及調(diào)節(jié)光學(xué)元件的所述排列的位置，以便改變?cè)谒龅谝煌哥R與所述第二透鏡之間的光程長(zhǎng)度。
37．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述波前分析器包括球形小透鏡的一個(gè)兩維陣列，限定一個(gè)焦平面，該焦平面遠(yuǎn)離球形小透鏡的所述兩維陣列一個(gè)焦距，球形小透鏡的所述兩維陣列布置在所述波前的通路中，其中所述波前的諸部分穿過(guò)球形小透鏡的所述兩維陣列；和光敏元件的一個(gè)平面陣列，平行于球形小透鏡的所述兩維陣列布置并且與其隔開一個(gè)不等于所述焦距的選擇距離，其中穿過(guò)球形小透鏡的所述兩維陣列的所述波前的所述部分的每一個(gè)照亮覆蓋來(lái)自元件的所述平面陣列的獨(dú)特多個(gè)元件的幾何形狀，元件的所述平面陣列帶有穿過(guò)其中的孔陣列，所述方法進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)所述選擇距離以調(diào)節(jié)所述波前分析器的增益的步驟。
38．根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述聚焦步驟包括步驟把一個(gè)第一透鏡固定在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第一位置中；把一個(gè)第二透鏡固定在所述光束和所述波前的通路中的一個(gè)第二位置中；及把一種光學(xué)元件的排列定位在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間；及調(diào)節(jié)光學(xué)元件的所述排列的位置，以便改變?cè)谒龅谝煌哥R與所述第二透鏡之間的光程長(zhǎng)度。
39．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括斷路所述光束的步驟，從而引導(dǎo)脈沖通過(guò)所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)，所述脈沖具有比所述眼睛的急動(dòng)間隔小的持續(xù)時(shí)間。
40．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括斷路所述波前的步驟，所述波前向所述波前分析器顯示，作為比所述眼睛的急動(dòng)間隔小的持續(xù)時(shí)間脈沖。
41．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括步驟按目標(biāo)的形狀產(chǎn)生可見光；和引導(dǎo)所述可見光通過(guò)所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)，其中所述可見光能由所述眼睛看到。
42．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括把所述失真轉(zhuǎn)換成光學(xué)校正的步驟，該光學(xué)校正如果放置在所述波前的通路中，則使所述波前顯得近似為平面波。
43．根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述光學(xué)校正是以透鏡方式。
44．根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述光學(xué)校正是以從所述眼睛燒蝕角膜材料量的方式。
45．根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中所述光學(xué)校正是以規(guī)定改變所述眼睛角膜表面彎曲的方式。
46．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括把所述眼睛的瞳孔擴(kuò)散到在低照度環(huán)境下達(dá)到的尺寸的步驟，在所述聚焦、允許和投射步驟之前實(shí)現(xiàn)所述擴(kuò)散步驟。
47．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括步驟在所述眼睛上進(jìn)行眼科過(guò)程；及在所述眼科過(guò)程已經(jīng)開始之后，進(jìn)行所述產(chǎn)生、聚焦、允許、投射及計(jì)算的步驟至少一次，以監(jiān)視所述眼科過(guò)程對(duì)所述眼睛的影響。
48．根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中所述計(jì)算步驟包括計(jì)算與所述失真有關(guān)的Zernike系數(shù)的步驟。
49．一種方法，包括步驟提供對(duì)不能明確通信的對(duì)象的眼睛的光學(xué)訪問(wèn)；產(chǎn)生一個(gè)光學(xué)輻射光束；借助于聚焦光學(xué)系統(tǒng)把所述光束聚焦到所述眼睛中，以把所述光束成象為一個(gè)在所述眼睛視網(wǎng)膜后部處形成近衍射有限圖象的聚焦斑點(diǎn)，其中所述光束擴(kuò)散地從視網(wǎng)膜反射回，作為通過(guò)所述眼睛的輻射波前；允許所述波前撞擊在所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)上；借助于所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)，按與撞擊在所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)上的所述波前的直接對(duì)應(yīng)投射所述波前；及使用布置在從所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)投射的所述波前的通路中的一個(gè)波前分析器，來(lái)計(jì)算與從所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)投射的所述波前有關(guān)的失真。
50．一種校正眼睛視覺(jué)缺陷的方法，包括步驟測(cè)量從所述眼睛視網(wǎng)膜上的一個(gè)定義原點(diǎn)擴(kuò)散反射的光的波前的失真，所述失真指示在所述眼睛角膜表面上在精確位置處應(yīng)該除去角膜材料的量，以近似地消除所述失真；及在所述精確位置處燒蝕所述眼睛角膜材料的所述量。
全文摘要
一種用于聚焦光學(xué)系統(tǒng)的客觀測(cè)量和校正的系統(tǒng)和方法包括布置在光束(18)的通路中的光學(xué)系統(tǒng),該光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)光束通過(guò)聚焦光學(xué)系統(tǒng),例如即眼睛(120),并且把光束聚焦在其后部(122)處。該光束擴(kuò)散地反射回,并且一個(gè)波前分析器(26)布置在從光學(xué)系統(tǒng)投射的波前的通路中,并且計(jì)算失真作為聚焦光學(xué)系統(tǒng)的象差估計(jì)。
文檔編號(hào)G01J1/00GK1291281SQ97182533
公開日2001年4月11日 申請(qǐng)日期1997年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月21日
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