CN101680742B - 用于眼科透镜的光学测试的具有液体填充的池的转盘 - Google Patents

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Abstract

改进的MZ(马赫-曾德尔)干涉仪通过将透镜安装在比色皿中而用于分析眼科透镜的透射的非球面波前，该比色皿具有可保持多个透镜的可旋转的转盘。新鲜的温度受控的盐水溶液围绕透镜进行循环，并使比色皿定位在干涉仪结构的竖直的测试臂中。反向光线跟踪用于除去当波前紧靠透镜之后成像到干涉仪的检测器上时引入到波前中的像差。

Description

用于眼科透镜的光学测试的具有液体填充的池的转盘
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2006年12月21日提交的名称为“INTERFEROMETRY TESTING OF LENSES，AND SYSTEMS ANDDEVICES FOR SAME”的美国临时专利申请No.60/871,319的权益，其通过引用而完整地结合在本文中。
技术领域
本技术领域大致涉及光学，更具体地说涉及一种用于测试光学透镜的系统和方法、用于保持透镜的容器以及用于分析透镜的光学特性的方法。
背景技术
接触透镜工业已经朝着更高水平的视力矫正方向经历了快速发展。制造商正朝着提供设计成可匹配患者的屈光矫正和舒适度的接触透镜方向前进。通过跳出标准的球面透镜之外，制造商将能够为接触透镜佩带者提供更好的视敏度和整体舒适度。
然而，用于评估透镜的度量衡(测量)技术和仪器却没有跟上透镜技术的快速发展。例如基于焦距计和莫尔测偏法的方法的当前的度量衡学缺乏精确测量更先进的透镜所需要的空间分辨率、高灵敏度和大动态范围的组合特征。当前的度量衡技术通常局限于透镜的有效倍率(power)的眼科测试，以及通过平移透镜直至检测到视准而实现的倍率的间接测量。
发明内容
本发明一方面包括利用改进的马赫-曾德尔(MZ)干涉仪来分析所透射的眼科透镜的非球面波前。干涉仪能够分析广泛的各种透镜类型，例如球面透镜、复曲面透镜、双焦点透镜和多焦点透镜。在本发明的某些实施例中，透镜安装在比色皿(cuvette)中，比色皿使新鲜的盐水围绕透镜循环，并定位在干涉仪结构的竖直的测试臂上。被称为反向光线追踪的技术可用于去除当波前成像时引入到波前中的像差。
附图说明
当结合附图进行阅读时，将更好地理解前述发明内容以及以下详细描述。出于举例说明使用干涉度量用于透镜的透射波前测试的目的，图中显示了其示例性的结构；然而，用于透镜的透射波前测试的干涉度量的使用并不局限于所公开的特定的方法和仪器。
图1是描绘一种用于获得透镜的波前的示例性干涉仪结构的简图。
图2描绘了示例性的基准波前的图像。
图3描绘了从正向测试透镜中除去了不合适的像素的透射的光程差。
图4描绘了测试波前的示范性图像。
图5描绘了对通过测试透镜的被测量波前的评估。
图6显示了被测量的波前和用于校准透镜的模型化的波前。
图7描绘了在被测量的波前和模型化的波前之间差异的波前差。
图8显示了泽尔尼克表面及其图像。
图9显示了测试透镜的局部缺陷。
图10显示了其中条纹(fringe)被轻微扁平化的区域。
图11显示了指示透镜周边可能的应力或其它变化的缺陷。
图12显示了对于四个不同的透镜球面像差对频率的曲线图。
图13显示了复曲面透镜的厚度。
图14是比色皿的横截面图。
图15是比色皿的一部分的放大的横截面图的图示。
图16描绘了一种示例性的联接机构。
图17是比色皿定位机构的图示的顶视图。
图18是位置标志的和位置传感器的图示。
图19是封闭的比色皿的简图。
图20是用于使干涉仪结构的检测器对准以便获得透镜的波前的示例过程的流程图。
图21描绘了用于检测器对准的示例靶镜。
实施例的详细描述
本发明涉及通过测量透镜的透射波前而获得用于评估广泛范围的眼科透镜类型的信息。在某些实施例中，马赫-曾德尔干涉仪用于浸渍于盐水溶液中并安装在比色皿或水池中的透镜，比色皿或水池使新鲜的盐水溶液循环。盐水溶液中的测试透镜被认为减轻了透镜的脱水作用，脱水作用可能改变透镜的折射率。通过例如反向光线跟踪可实现感应像差的去除，其中在检测器处的波前被追溯至紧靠透镜之后的位置。反向光线跟踪促进了理论波前的产生，理论波前可用于在透射波前水平下评估性能。
可被评估的透镜的示例类型包括硬性接触透镜、硬性折射接触透镜、硬性衍射接触透镜、硬性混合折射/衍射接触透镜、软性接触透镜、软性折射接触透镜、软性衍射接触透镜、软性混合折射/衍射接触透镜、包含活性药物的硬性接触透镜、包含活性药物的软性接触透镜、单视觉透镜、复曲面透镜、双焦点接触透镜、多焦点透镜、美容染色透镜、自由曲面透镜、眼内透镜、眼内折射透镜、眼内衍射透镜、眼内混合折射/衍射透镜、可调节性透镜、柔性焦距透镜、折射柔性焦距透镜、衍射柔性焦距透镜、以及混合折射/衍射柔性焦距透镜、包含多种内置材料的复合透镜、光致变色透镜、以及用于制造前述透镜的模具。应该懂得，示例透镜应不局限于前面列举的示例透镜。本领域中的技术人员将轻易认识到，其它类型的透镜也是适用的，并且适合通过透射波前分析而进行评估。
图1描绘了一种用于获得透镜的波前的示例性干涉仪结构12的简图。干涉仪结构12包括两个光束分离器18，24和用于引导光束穿过竖直的测试臂30的基准臂36的四个反射镜20，22，26，40。比色皿28定位在竖直的测试臂30中，并将待测试的一个或多个透镜放置在比色皿28中(图1中未显示透镜)。例如激光器的光源14产生相干光束。相干性以长度单位进行测量，并且在示例性的实施例中，光源14的相干性大于基准臂36光程和竖直的测试臂30光程之间的预计光程距离差。离开光源14的光线利用校准透镜16进行滤波和整形。利用处于45°的光束分离器18将从校准透镜16发出的校准光束分裂成两个光束。光束分离器本质上是一种特殊类型的反射镜，其中50％的光被反射，而其它50％的光被透射。因而，从校准透镜16发出的校准光束的50％通过光束分离器18而被指向反射镜40，而其它50％的校准光束被指向反射镜20。
指向反射镜20的光束被反射镜反射穿过基准臂36。该光束被称为基准光束。指向反射镜40的光束还被反射镜20反射穿过竖直的测试臂30。该光束被称为测试光束。测试光束穿过比色皿28和包含在比色皿中的测试透镜。同时，基准光束穿过基准臂36的空气或任何合适的气体。利用另一光束分离器24重组基准光束和测试光束，并且在这两个光束之间发生干涉。两个光束自光束分离器24中发出。指向成像透镜42的一个光束表示通过光束分离器24透射的测试光束的一部分与从光束分离器24反射的基准光束的一部分组合。指向成像透镜32的另一光束表示从光束分离器24反射的测试光束的一部分与通过光束分离器24而透射的基准光束的一部分组合。
利用摄像机34可记录指向成像透镜32的光束的干涉作用。摄像机34可包括任何合适类型的摄像机，例如电荷耦合器件(CCD)摄像机、互补型金属氧化物半导体(CMOS)摄像机、电荷注入器件(CID)摄像机等等。摄像机34被称为科学摄像机。成像透镜32放置在光束分离器24和科学摄像机34之间，以便将测试透镜成像到摄像机之上。因而，由科学摄像机34记录的干涉作用包括测试下的透镜处的干涉图样。
指向成像透镜42的光束被被称为成像摄像机的摄像机38收集。摄像机38可包括任何合适类型的摄像机，例如电荷耦合器件(CCD)摄像机、互补型金属氧化物半导体(CMOS)摄像机、电荷注入器件(CID)摄像机等等。由成像摄像机38收集的光表示通过光束分离器24而从基准臂22中反射出的光以及通过光束分离器24而从测试臂30中透射出的光。使用两个摄像机34，38而提供了测试下的透镜的两个视图。在一个示例性的实施例中，成像摄像机38被设定在固定的放大水平下，其容许成像摄像机38看见并记录测试下的整个透镜。来自成像摄像机38的图像用于直径和圆度测量以及设定分析孔在测试透镜的光学区域中的放置。科学摄像机34看到测试透镜的光学区域的中央部分。这在测量测试透镜的透射波前时提供了最大的空间分辨率。
干涉仪结构12不利用空光学器件。也就是说，没有向干涉仪结构12增加或从干涉仪结构12上除去器件以除去可归因于干涉仪结构12的信号。空光学器件的利用将可能需要为各种透镜类型设计空光学器件，而广泛范围的透镜类型使得这是不切实际的。非空结构中的测试调动了干涉仪结构12的至少三个设计因素。第一，因为波前被成像光学器件(例如科学摄像机34和成像摄像机38)收集和捕获，所以测试波前、成像透镜和检测器的参数是匹配的。第二，入射在检测器上的干涉得以解决。在一个示例性的实施例中，禁止干涉条纹在相位上的改变超过每像素pi(π)，从而确保条纹频率低于用于检测器的奈奎斯特频率。然而，在一个备选实施例中，亚奈奎斯特干涉度量法通过其稀疏的阵列摄像机而用于解决非空结构中由非球面镜产生的高频干涉。第三，在检测器处重建的波前被校准，以考虑由干涉仪12的成像光学器件引起的像差。在基准臂36和测试臂30波前之间的公共光程的缺失导致各个波前中不同的像差。以下将描述用于除去感应像差的一种示例性的校准过程。
在一个示例性的实施例中，干涉图样被数字化并记录为数字数据，数字数据经处理而产生用于测试光学器件(测试下的透镜)的透射波前。测量的透射波前经分析以确定被测试的光学器件的特性，例如其直径、圆度、相对厚度、缺陷和眼科验光单。
在一个示例性的实施例中，定位在基准臂36顶部的反射镜38包括相移倍率。相移倍率可通过利用任何合适的材料，例如锆钛酸铅(Pb[ZrXTi1-X]O3)，PZT)来实现。PZT是一种包括铁电体和压电体属性的陶瓷材料。在这个实施例中，反射镜38是附连在顶部基准臂反射镜上动态构件。PZT材料给顶部反射镜38提供了小(部分波长)的平移。这在所记录的干涉图样中产生了相移。记录了一系列图样。相移方向的确定去除了测试光学器件倍率符号的模糊性。例如，在静止的干涉仪中，+1D和-1D透镜将是难以区分的。然而，利用带相移倍率的反射镜38可去除这种模糊性。
如图1中所示，测试臂30是竖直定向的。为了防止接触透镜在其自身重量下产生瑕疵，透镜以水平定向安装在比色皿28中，比色皿定位在竖直的测试臂30中。为了促进比色皿28的水平定位，两个光束分离器26，40如图1中所示设置成竖直方向。干涉仪结构12提供了用于放置在潜望镜26，40之间的测试透镜的竖直的光束路径。这种干涉仪结构12为基准臂36和测试臂30保留了相等的测试路径长度，同时容许位于测试下的透镜上方的外壳和比色皿28。如以下更详细所述，比色皿28提供了几乎不透光的环境，保护光学器件免受供透镜使用的盐水溶液影响，并且阻碍系统受到外部空气湍流的影响。
成像透镜32和42的直径能够捕获所有或基本上所有预计的波前。干涉仪结构12能够测试正透镜和负透镜。对于负透镜，测试下的透镜之后的波前发散，并因而要考虑从测试下的透镜至成像透镜之间的距离。成像透镜的倍率确定波前成像的放大倍率。因此，要考虑成像透镜32，42的倍率，以确保相应的波前被科学摄像机34和成像摄像机38恰当地成像。
待成像的像素的间距或间隙典型地指示检测器的奈奎斯特频率。因此，要考虑待成像的像素的尺寸和间距以确保干涉仪结构12将适当地解决干涉作用。要在科学摄像机34和成像摄像机38上成像的像素的尺寸分别与成像透镜32和成像透镜42的工作焦距比数(在本领域中也被称为焦距比、f-比和相对孔径)相符。工作焦距比数与波长一起赋予能够由测试下的透镜产生的最小特征尺寸。这与像素尺寸匹配，使得任一系统都不会限制另一系统的分辨率。术语“工作焦距比数”不同于更普通的术语“焦距比数”，因为工作焦距比数考虑了成像系统的放大。
如上所述，将也被称为测试透镜或光学器件的测试下的透镜浸渍在比色皿28中的溶液例如盐水溶液中。通过将测试透镜浸渍在溶液中，增加了干涉仪12的动态范围。这是由于测试光学器件和周围介质之间的折射率差异减小所致。就倍率而言，对于任何特定的干涉仪可以精确测试的倍率量存在上限。该上限与诸如像素尺寸、像素间距和成像透镜直径等参数相关联。当测试光学器件被浸渍时，降低了透射波前的倍率，从而增加了干涉仪12的动态范围。在一个示例性的实施例中，带有高像素密度和大灰度级分辨率的高灵敏度的摄像机与浸渍协同使用以提供具有可接受的灵敏度和动态范围等级的测试台。干涉度量的灵敏度与增加的浸渍的动态范围的组合提供了一种对广泛范围的倍率、设计和材料进行测试的实用技术。
然而，即使浸渍在溶液中，测试透镜的基本倍率典型地将产生带有大量条纹的干涉图样，因为基准波前是平面的。为了记录高频条纹，在一个示例性的实施例中，科学摄像机34在28平方毫米内包括四百万像素的CCD检测器。然而，应强调的是四百万像素CCD摄像机的实施方式只是示例性的，而且可利用任何合适的检测器。通过具有足够的分辨率来解析高频条纹，科学摄像机34在测量中提供了高空间分辨率。为了促进这种大型阵列，科学摄像机34的传感器利用全帧架构(full frame architecture)。全帧架构结合了外部快门，以便恰当地读出电荷。在一个示例性的实施例中，为了提供遮光，声-光学(AO)调节器与空间滤波器协同使用来清除光束。当打开并对准时，调节器产生包含大部分入射激光的一阶光束。该一阶光束与空间滤波器对准。当调节器关闭时，只存在零阶光束(其被空间滤波器阻塞)。因而调节器和空间滤波器产生了用于光进入干涉仪中的通断开关。AO调节器由科学摄像机34驱动；因而同时发生遮光和读出。
如上所述，反向光线跟踪促进了理论波前的产生，理论波前用于评估透射波前的性能。一种用于理解理论波前如何产生的方法是考虑正在检测的是什么：在检测器(例如科学摄像机34)的平面中由两个波前产生的干涉。根据相移干涉度量(PSI)，干涉揭示了在两个波前之间的相对的光程差(OPD)。然而，所需的波前在测试部分(测试下的透镜)处是测试波前，而在科学摄像机34处则不是。为了获得所需的波前，已知的基准波前与OPD协同使用以推断科学摄像机34处的未知的测试波前。当测试波前扩散通过干涉仪12的光学器件时，产生了像差。校准过程用于将该推断出的科学摄像机34处的测试波前转换成接触透镜处的测试波前的最佳估算。
感应像差的一部分依赖于入射波前。然而，增加的像差的大小典型地是波前大小的一小部分。这容许像差作为波前的干扰进行处理。从数学上说，使波前成像的操作在本文中被限定为：Img{W}＝W+A{W}                (1)其中W代表原始波前，而A{W}代表感应像差。符号A{W}用于指示感应像差依赖于波前。成像透镜32是感应像差的来源。一种用于看出为什么不同的波前接收不同的像差的方法是查看共轭移动时的不同波前。用于干涉仪的成像透镜32的共轭物是测试平面和科学摄像机的检测器34，测试平面是紧跟在定位在比色皿28中的测试透镜之后的平面。虽然这些共轭物不会变化，但是测试透镜的任何变化都会导致在测试平面中出现不同的波前，并因而使不同的波前移动穿过由成像透镜32和科学摄像机的检测器34组成的成像系统。
被检测的干涉图样代表两个波前图像而非波前本身之间的差异。因此在检测器平面上，在测试波前(WT)的图像和基准波前(WR)的图像之间的OPDT(OPD测试光束)从数学上表示如下：OPDT＝Img{WT}-Img{WR}＝(WT+A{WT})-(WR+A{WR})    (2)
成像过程的逆向操作即反向光线跟踪可用于确定透镜处的波前。当干涉仪的指示已知时，产生像差的系统不是黑盒，而是可模型化的光学器件的集合。模型是使成像的逆向操作即反向光线跟踪能够实现的工具。利用反向光线跟踪，在测试平面典型地为紧跟在测试光学器件之后的平面处的波前可从OPD中产生，并且通过跟踪向回穿过系统的光线而在检测器处产生基准波前。据称该光线被回溯跟踪，因为虽然在干涉仪中光从测试平面移动至检测器(科学摄像机34)，但光线从检测器(科学摄像机34)被跟踪至测试平面。利用等式(1)和等式(2)，该逆向操作在数学上定义如下： W ~ T = Img - 1 { W T + A { W T } ) = Img - 1 { OPD T + Img { W R } ) . - - - ( 3 )
等式3显示了一种用于执行反向光线跟踪过程的方法。参照干涉仪12，沿着基准臂36跟踪光线，光纤穿过成像光学器件32，并投射到检测器、科学摄像机34之上。这是WR(Img{WR})的图像。然后将OPDT添加到光线上，改变其位置和角度。此时可获得WT的图像。然后跟踪光线返回到测试平面。在测试平面上，光线被转换成为的波前，是原始测试波前WT的估算值。逆向操作的结果被标为估算值的原因是使用了干涉仪的模型来提供校正。模型和实际的干涉仪可能不同。校正或增强模型以更好地匹配实际的干涉仪可通过一种被称为逆向优化的过程来实现。该模型通过放大成像透镜的共轭进行检验。从指示中只有两个距离是未知的：从比色皿28的顶部至成像透镜32的距离，以及从成像透镜32至检测器即科学摄像机34的距离。实际上，这两个距离是对于成像透镜32的物距和像距。因为成像透镜是已知的，所以知晓共轭平面之间的放大倍率提供了充分的信息以唯一地确定这两个距离。旁轴光线跟踪用于更新给定最近放大倍率测量的模型。
图2、图3、图4和图5显示了各种波前。图2描绘了一种示例性的基准波前WR44的图像。测试光学器件46是一种平凸的玻璃透镜，并且高度单位是波(543.5nm)。与平的相反，显示基准波前WR44具有相当大的倍率。这是因为在检测器即科学摄像机34处，基准波前WR44具有相当大的倍率。如图1的干涉仪12中所示，基准臂36中校准后的光将在科学摄像机34处产生发散的波前。这是基准波前WR44的图像，因为成像透镜具有测试平面和检测器作为其共轭物。图3描绘了OPDT48，其中从正测试透镜50中除去了代表失真的不需要的像素。图4描绘了测试波前WT52的示例性的图像。所测量的OPDT48被添加到WR44的图像上，以产生WT52的图像。图像WT48和WR44相差OPDT，OPDT的大小比任一波前都小得多。因为正测试透镜用于该示例，所以测试波前的图像具有比基准波前的图像更长的曲率半径(较少下垂于孔径上)。对测试波前WT52的图像应用反向光线跟踪，形成通过测试透镜54而透射出的被测量的波前的评估，如图5中所示。
利用干涉仪12和通过反向光线跟踪确定的波前，可在测试透镜和模型透镜之间进行比较。图6显示了被测量的波前56和用于校准透镜的模型化的波前58。可在被测量的波前和模型化的波前之间进行比较，提供用于例如部件检验的方法。为了在测量数据和模型化数据之间建立比较，使用了校准部件。在一个示例性的实施例中，使用平凸的玻璃透镜作为校准部件。参数例如指数、中央厚度和曲率半径是独立测量的，为透镜提供了完整的指示。与测试部件的指示一起，干涉仪的指示使得模型化的波前能够产生在与被测量的波前相同的位置上。对于在相同位置，并因而具有相同尺寸的两个波前，通过简单地从测量的波前中减去模型化的波前可计算出波前差。
图7描绘了在被测量的波前56和模型化的波前58之间差异的波前差60。该差异以这两个波前的直径的99％进行计算，以避免边缘效应。由于各种因素的组合，波前差60中的噪声使波前差60的大体形状模糊。波前差60中的噪声可以任何合适的方式减轻。例如，可对波前差60应用泽尔尼克多项式以除去噪声。泽尔尼克多项式在本领域中是已知的。泽尔尼克多项式的应用已知用于消除失真。在一个示例性的实施例中，使用泽尔尼克拟合来除去高的空间频率噪声，并且使用泽尔尼克系数来计算关于波前的像差信息。
图8显示了在对波前差60应用了36项泽尔尼克多项式拟合之后的泽尔尼克表面62及其图像64。泽尔尼克表面62显示散焦是在被测量的波前和模型化的波前之间进行比较时的主要误差。不局限于具体的理论，假定这样的倍率上的差异最可能是由于测试透镜和干涉仪中的环境盐水溶液的折射率相对模型中所使用的值的差异而引起的。对于这种差异使用泽尔尼克系数，在-0.019屈光度下测量倍率。在空气中，这种差异变成-0.054屈光度。利用薄的透镜模型，可将该倍率上的差异转换成指数上的不确定度。-0.054屈光度的差异与透镜的指示一起给出了0.0015指数上的差异不确定度。因为指数值对于大约0.001的不确定度是当前已知的，所以可归因于指数上的差异的倍率误差的观念看似是合理的。
除了用于透镜的眼科验光单的测试之外，透镜的各种其它特性和特征也是可检测的。例如，图9的干涉图样显示了测试下的透镜的局部缺陷84。因而，利用干涉仪12确定透射的波前提供了检测光学性能方面的缺陷的倍率，这些缺陷造成为所使用的光的波长的一小部分的光程偏差。此外，利用干涉仪12确定透射波前可产生任何球面接触透镜的球面倍率。对于复曲面透镜，还可获得圆柱形的倍率和轴线。此外，可检测偏离透镜其它部分的区域，如图10中所示。图10显示了其中条纹被轻微扁平化的区域86。区域68可能并不表征缺陷(例如图9的缺陷84)，但将产生不同的光学效应，例如倍率变化、球面像差等。利用干涉仪12确定透射波前还可检测关于透镜周边可能的应力或其它变化的信息，如图11的区域88中所示。理想地，在光学区域之外，在条纹图样中关于穿过框标(fiducial mark)90的线应有对称性。靠近两个框标90的条纹88中的旋涡或不对准指示了可能的应力和/或不对准的区域。
通过分析由干涉仪12收集的透射波前可产生大量信息。该信息可用于在具有不同添加剂水平的材料，具有不同像差数量的设计，以及由相同设计但不同材料制成的透镜之间进行辨别。例如，图12显示了对于四个不同透镜的在每平方毫米屈光度(D/mm2)相对频率方面的球面像差(SPHA)的曲线图90，92，94和96。各个被测试的透镜具有-1.00屈光度(D)的倍率。此外，可执行通过波前分析获得的信息的统计分析，如统计块82所示，其中描绘了用于各个透镜90，92，94和96的球面像差的平均偏差和标准偏差。
通过波前分析可获得许多其它的透镜特性和参数。例如，如图13中所示可确定复曲面透镜的厚度。复曲面接触透镜是设计成校正眼中的散光现象的球柱面透镜。在图13中，描绘了三个透镜100，102和104的厚度。与对于各个透镜更淡的区域相比，更黑的区域指示增加的厚度，其具有0.0mm至0.500mm的范围。
如上所述，可将测试下的透镜放置在比色皿中，在比色皿中它们浸渍在溶液(例如盐水溶液)中。图14是图1中所描绘的干涉仪12中所显示的比色皿28的横截面图。在测试期间利用比色皿28将透镜保持在溶液中。用于制造接触透镜的材料包括吸湿性的水凝胶。透镜放置在比色皿28或水池中，以便将它们保持与水结合，并且在折射率方面是稳定的。比色皿28包括具有两个窗口的舱室，窗口涂有抗反射(AR)涂层。测试下的透镜定位在两个窗口之间。窗口在外表面上涂有AR涂层。在窗玻璃和溶液之间的指数匹配消除了对于内表面上的AR涂层的需求。
总地说来，并如以下更详细所述，整个比色皿通过运动支架并通过自动连接系统而与例如干涉仪12的测试结构对接，自动连接系统包括到干涉仪传动系统的机械联接和电气控制及仪器电路。外壳容纳比色皿的所有组成部分。外壳构造成使测试溶液均匀地循环，以防止测试溶液漏泄，并监测测试溶液的温度。透镜保持器包含一个或多个测试池，其构造成保持透镜浸渍在溶液中，并且其可在比色皿的外壳中移动，同时保持测试透镜的方位和定向。第一窗口构造成容许干涉仪测试臂光束进入池中，而在视准或相干距离上没有变化。第二窗口构造成容许测试臂光束在穿过透镜之后离开比色皿，而对离开的测试臂光束没有额外的变化。两个光学窗口的中心彼此对准，且它们之间安装有可移动的透镜保持器。移动保持器从而将各个池一次一个地定位在第一窗口和第二窗口之间。
比色皿的运动支架是通过使用燕尾型滑块来实现的，滑块提供了比色皿对机械和电气连接器及传感器的主要对准功能，并提供了定位销和弹性(例如弹簧加载的)臂的垂直高度配准用途，配准提供了抵抗定位销的径向力，以便精确且一致地将比色皿定位在与燕尾型滑块平行的平面中。机械联接设计成在比色皿和干涉仪之间提供可重复的正向接合和振动隔离，而无须对比色皿的联接进行任何预调节。
透镜保持器中的各个池具有不会改变入射的平行光束的视准或相干距离的窗口，且该窗口对于干涉仪的相干光源的一个或多个波长是透明的。该窗口形成在其上安装测试透镜的表面。透镜保持器中的各个池中的窗口与透镜保持器中所有其它池窗口是共面的。透镜保持器中的各个池具有锥形的壁，该壁设计成容许测试透镜精确且无变形地安装在池中。各个池设计成使得干涉仪的成像摄像机可将整个透镜成像。透镜保持器中的各个池具有至少一个容许溶液流动的通道。比色皿中的光学窗口对于干涉仪的相干光源的一个或多个波长是透明的。通过比色皿循环的测试溶液对于干涉仪的相干光源的一个或多个波长是光学透明的。示例性的测试溶液包括盐水溶液、缓冲盐水溶液、脱离子水、带有活性药物的溶液或它们的组合。
比色皿的外壳包括用于温度受控的测试溶液源的入口和出口连接。外壳构造成利用温度探头来监测测试溶液的温度。在示例构造中，温度探头包括电阻式温度检测器(RTD)，其为外部温度控制器提供信息，以帮助稳定比色皿中的溶液的温度。在一个示例构造中，比色皿的外壳由不透明聚碳酸酯材料构成，其在存在测试溶液的条件下是机械稳定的。
比色皿构造成处理各种类型的透镜，例如硬性接触透镜、硬性折射接触透镜、硬性衍射接触透镜、硬性混合折射/衍射接触透镜、软性接触透镜、软性折射接触透镜、软性衍射接触透镜、软性混合折射/衍射接触透镜、包含活性药物的硬性接触透镜、包含活性药物的软性接触透镜、单视觉透镜、复曲面透镜、双焦点接触透镜、多焦点透镜、美容染色透镜、自由曲面透镜、眼内透镜、眼内折射透镜、眼内衍射透镜、眼内混合折射/衍射透镜、可调节性透镜、柔性焦距透镜、折射柔性焦距透镜、衍射柔性焦距透镜、以及混合折射/衍射柔性焦距透镜。
参看图14，比色皿28是一种用于以使得可以利用干涉仪12测试透镜的方式保持浸渍在溶液中的接触透镜的容器。比色皿28设计成容纳多个透镜。在一个示例性的实施例中，比色皿28可保持30个透镜。各个透镜在比色皿28中具有其自己的位置(池)，并且池可在比色皿28中移动。透镜可在比色皿28中定位以用于测试，并且优选不会由于比色皿或其内部的任何支架而变形。还优选的是测试下的整个透镜是可见的。比色皿的所有窗口优选在平整度方面具有相等的光学品质，以防止对透射的波前增加额外的倍率。透镜的位置和出现优选是逐个透镜以及逐个轨迹可重复的。将透镜插入比色皿28和从比色皿28去除透镜典型地是简单且直接的。透镜优选不会自由移出它们的池，并且溶液中形成的气泡不应该干涉测量。也就是说，气泡在池中不应是可见的。
比色皿28包括外壁106和108。位于比色皿28中间的部分110或转盘包括多个透镜池112。在一个示例性的实施例中，转盘110包括30个透镜池112。各个池112包括锥形壁114(其可与透镜相符)、用于流体流动的通道116以及位于池底部上的窗口118，透镜搁置在窗口上。外壁106和108可包括任何合适的材料。在一个示例性的实施例中，外壁106和108包括聚碳酸酯。聚碳酸酯为比色皿28提供了以下特征：重量轻、不透明、化学惰性和低吸水性，这使比色皿28在尺寸上保持稳定。
图15是比色皿的一部分的放大的横截面图的图示。来自干涉仪12的光通过顶部窗口120沿箭头122的方向进入比色皿28中，并向下穿过搁置在其透镜池112中的透镜而前进，之后穿过底部窗口122而离开比色皿。
在一个示例性的实施例中，在透镜池壁114的顶部和顶部窗口120之间有很小的距离，其在图15中被标为124。这个小的间隙124在整个比色皿28中得以保持，并设计成在旋转期间将透镜保持在它们相应的池112中。另外，在一个示例性的实施例中，在各个透镜池112中存在四个凹口116。凹口116容许循环的溶液轻易地流过各个池112，从而保持所有的池112处于热平衡状态。应强调的是，比色皿28中所描绘的凹口116的数量只是示例性的，而且可实现任意合适数量的凹口。外部窗口120和122是阶梯状的，从而提供了用于搁置O形圈或垫圈的通道126，并围绕各个窗口120，122提供密封。这种构造还容许窗口翻转和/或倾斜而对准，而不是依赖于固定的安装模式。中间玻璃窗口128也是阶梯状的，见区域130，从而在所有池112之间提供了一致的对准。在一个示例性的实施例中，中间窗口128从转盘110的底部突出，以使溶液中的气泡远离窗口128的中央部分。各个池112的锥形边114易于使透镜定心，并且不会以任何方式使透镜变形。另外，壁边114有助于卸载透镜，因为透镜可沿池112的侧边滑动，之后一旦滑出池112即从比色皿28中除去透镜。透镜的装载和卸载可通过比色皿28的门151或相似物来实现。在一种示例性的结构中，门连接在互锁装置(参见图19中的联锁装置188)上，其在打开门时防止转盘的自动旋转。不需要专用工具与透镜协同工作，例如可使用药签与透镜协同工作。
为了在无用户需求的条件下利用干涉仪12对多个透镜进行测量，在一个示例性的实施例中，干涉仪12通过自动分度控制比色皿28。自动分度可通过任何合适的方法来实现。例如，比色皿28可具有其自己的马达和处理器，并且简单地接收来自干涉仪12的信号。在另一示例性的实施例中，在干涉仪12中包含更多的控制，而在比色皿28中包含较少的控制。在这个实施例中，干涉仪12提供了一种与比色皿28相匹配的用于旋转的方法。这可通过例如使用齿轮、皮带、链条、齿条和小齿轮等或它们的组合来实现。
图16描绘了一种示例性的联接机构，其包括单个马达132、齿轮箱134、滑轮136，138，140以及带槽的皮带142。转盘110直至比色皿滑轮138均包含在比色皿28中。马达132、齿轮箱134、驱动滑轮140和张紧滑轮136是干涉仪12中的固定构件。当将比色皿28推入到干涉仪12中时，在比色皿滑轮138和连接的皮带142之间发生联接。这种类型的联接在滑轮周围提供了显著的接合，降低了滑动的可能性。大的接合量易于起动和停止比色皿旋转。该系统中的应力是较低的，并且皮带的柔性减轻了在马达和比色皿之间的任何联接。另外，皮带的柔性抑制了由马达132引入的任何空转。这种设计使转盘110悬置，转盘110的任一部分都不骑跨在比色皿28的底部上。这消除了摩擦和静态阻力(静摩擦)，并从而提高了定位精度。
对于加载典型地不需要设定旋转点；皮带142和滑轮138无论如何都将配合。根据需要可调整张紧滑轮136，以使加载力保持恒定。皮带系统的坚韧性有利于供多个比色皿28使用。为了将比色皿28装载到干涉仪12中，可简单地沿着比色皿28的燕尾144(见图14)推入/拉出比色皿28。当比色皿28与干涉仪12及控制自动分度的位置传感器配合时，燕尾144提供了垂直稳定度。
图17是比色皿定位机构的图示的顶视图。在一个示例性的实施例中，池112的位置由两个定位销确定，这两个定位销分别是XY定位器146和径向定位器148的一部分。在与松配合的燕尾144组合后，两个定位销为比色皿提供了可重复的运动定位。设计的联接容许手动旋转。链轮150(见图14)提供手动旋转，并且出于安全目的而咬合；当将比色皿装载到系统中时，在链轮和干涉仪之间避免了夹点。促动臂184和扫污臂186成对工作，以便提供弹簧加载力，该力使比色皿28通过径向力而被压在XY定位器146和径向定位器148上。因而这两个臂184和186使得能够将比色皿28运动加载到干涉仪上。
通过正好定位在链轮150的下面的带有标志152的轮盘(见图14)可提供自动分度。标志152与附连在干涉仪12上的位置传感器154接合，如图18中所示。当比色皿28旋转时，标志152触发位置传感器154，该位置传感器然后发送命令以减慢并然后停止比色皿28。在图18中出于简单起见仅仅标出了三个池位置检测器152。比色皿28被减慢，以便最大限度地减小干扰所装载的透镜。透镜定位并不依赖于用于使比色皿28旋转的机构。马达基于来自位置传感器154的信号而简单地起动和停止。没有计数器或其它马达设置用于确定池的位置。原位置标志156用于使比色皿28与干涉仪12的对准初始化。
图19是封闭的比色皿28的简图。封闭的比色皿28通过使溶液在比色皿28和外部冷却器(图19中未显示外部冷却器)之间循环而提供了温度稳定性。比色皿内部的设计容许流体穿过并在池112之间流动。比色皿包括用于流体控制的三个元件：温度探头158、进入阀160和排出管162。另外，还提供了溢流联接头164。温度探头158提供了比色皿28内部靠近测量窗口的流体温度的电子读数。进入阀160和排出管162提供了使溶液穿过比色皿28进行循环的端口。进入部分容许溶液进入比色皿28中，而排出管部分容许溶液离开比色皿28。进入阀160和排出管162通过装备有合适的接头的管道而与外部冷却器及泵接合。
带有比色皿28的干涉仪12提供了一种用于利用波前分析来测试接触透镜的可行的方法和系统。对平面基准波前的测试使得能够确定绝对的透镜倍率。由于透镜浸渍在盐水溶液中，动态范围的增加容许在不使用空光学器件或其它去除大透镜倍率的装置的条件下进行广泛范围的验光单测试。该方法和系统可适用于广泛的各种透镜，包括球面透镜。关于要测试的部件类型不需要任何假定。所需要的只是测试透镜的验光单。
图20是用于使干涉仪结构的检测器对准以便获得透镜波前的示例性过程的流程图。在一个示例性的实施例中，摄像机(例如成像摄像机38和科学摄像机34)在对透镜进行测试之前对准。对准包括将成像摄像机38的坐标系统转换成科学摄像机34的坐标系统。为了实现对准，选择成像摄像机38中的像点，并且在科学摄像机34中确定相对应的像点。图像摄像机38和科学摄像机34至少在放大能力上不一致。另外，摄像机可在相对应的像点的X轴、Y轴和/或旋转方面的相应位移上有所不同。
在一个示例性的对准过程中，利用测试靶(例如具有已知基准点的靶镜)以确定这两个摄像机之间的关系。图21显示了一个示例性的靶镜178。靶镜178包括十个同心圆。示例性的像点180具有X轴上为0且Y轴上为1的位置。这在图21中表示为(0，1)。示例性的像点182具有X轴上为-2且Y轴上为0的位置。这在图21中表示为(-2，0)。为了校准检测器，利用了x轴和y轴与圆的交点。利用测试靶，在一个示例性的过程中，确定五个值。在步骤166中，确定第一检测器(例如科学摄像机34)的放大倍率。科学摄像机的放大倍率在本文被称为mS。在步骤168中确定第二检测器(例如成像摄像机38)的放大倍率。成像摄像机的放大倍率在本文被称为mI。在步骤170中，确定与成像摄像机38上的X轴位置零点的位置相对应的科学摄像机34的X轴位置。科学摄像机34的这个X轴位置在本文被称为x0。在步骤172中，确定与成像摄像机38上的Y轴位置零点的位置相对应的科学摄像机34的Y轴位置。科学摄像机34的这个X轴位置在本文被称为y0。在步骤174中确定科学摄像机34和成像摄像机38之间的旋转角度差。这个旋转角度差在本文被称为θS。在步骤176中，利用所确定的mI，mS，x0，y0和θS的值将成像摄像机38中所测量的靶镜的中心位置转换成科学摄像机34中相应的位置。更一般地说，利用mI，mS，x0，y0和θS的值将成像摄像机38的坐标系统转换成科学摄像机34的坐标系统。
在一个示例性的实施例中，对于相应的点，科学摄像机34的坐标系统中的坐标是根据以下公式从科学摄像机的坐标系统中的坐标转换而来。xS＝(xI*cosθS+yI*sinθS)mI/mS+x0    (4)yS＝(-xI*sinθS+yI*cosθS)mI/mS+y0， (5)其中：xS代表与成像摄像机中的对应点的X轴位置相对应的科学摄像机中的X轴位置，yS代表与成像摄像机中的对应点的Y轴位置相对应的科学摄像机中的Y轴位置，mS代表科学摄像机34的放大倍率，mI代表成像摄像机38的放大倍率，x0代表科学摄像机34的X轴位置零点在成像摄像机38中的X轴位置，y0代表科学摄像机34的Y轴位置零点在成像摄像机38中的Y轴位置，并且θS代表科学摄像机38和成像摄像机34之间的旋转角度差。
在一个示例性的实施例中，从科学摄像机和成像摄像机所获得的干涉图样被组合到用于测试下的透镜的一部分的单个波前中。在科学摄像机和成像摄像机两处捕获干涉图样。对于成像摄像机计算调幅。计算调幅产生用于由成像摄像机捕获的干涉图样的各个像素的值。调幅用于识别与透镜边缘相关联的像素。使一个椭圆与所识别的像素保持一致，并确定椭圆的中心。利用任何合适的(例如预定的)映射等式，代表由成像摄像机捕获的透镜的中心的所确定的中心被映射到科学摄像机的中心上。由科学摄像机捕获的干涉图样的恰当区域被遮蔽以保留感兴趣的透镜区域。这个感兴趣的区域的透射波前经计算而用于进一步的分析。
本文所描述的各种技术可结合硬件或软件或它们合适的组合来实施。因而，用于使用干涉度量进行透镜的透射波前测试的方法，或其某些方面或部分可采用包含在有形介质中的程序代码(即指令)的形式，介质例如软盘、CD-ROM、硬盘或任何其它机器可读的存储介质，其中当将程序代码加载到例如计算机的机器中并由机器执行时，该机器变成了用于进行透镜的透射波前测试的干涉度量的设备。
如果需要，程序可以汇编语言或机器语言来实现。在任何情况下，该语言可以是编译语言或解释语言，并与硬件设备结合。用于透镜的透射波前测试的干涉度量的使用的方法还可通过以程序代码形式实施的通信机制来实践，程序代码在某些传输介质上，例如在电线或电缆上，通过光导纤维或通过任何其它传输形式进行传输，其中当机器，例如EPROM、门阵列、可编程逻辑装置(PLD)、客户机等接收到并加载且执行程序代码时，该机器变成了用于透镜的透射波前测试的干涉度量的设备。当在通用用途的处理器上执行时，程序代码与处理器结合，以提供一种独特的装置，其运行以调用用于透镜的透射波前测试的使用干涉度量的功能。另外，结合用于透镜的透射波前测试的干涉度量而使用的任何存储技术都可以总是硬件和软件的组合。
虽然已经结合各种附图的示例性实施例而描述了用于透镜的透射波前测试的干涉度量的用途，但是应该懂得，在不偏离其精髓的条件下可使用其它相似的实施例，或者对所述实施例进行修改和添加，以用于执行相同的功能，从而用于透镜的透射波前测试的干涉度量的用途。因此，本文所述用于透镜的透射波前测试的干涉度量的用途不应局限于任何单个实施例，而应在根据所附权利要求的广度和范围内进行理解。

Claims (18)

1.一种构造成保持多个眼科透镜的比色皿，所述比色皿包括：
包括多个池的转盘，其中：
各个池构造成将眼科透镜保持浸渍在溶液中；且
所述转盘可在所述比色皿中旋转；
各个池包括构造成容许溶液流过其中的至少一个通道；
构造成容许光进入池的第一窗口，其中；
形成与所述第一窗口相对的池的表面的第二窗口，所述第二窗口构造成容许光离开池，其中池是可定位的，以容许光经由所述转盘的旋转通过所述第一窗口和第二窗口而传播；和
外壳，其围绕所述转盘进行定位，并构造成既防止溶液从所述比色皿中漏泄出来，又使所述溶液在所述多个池之间循环。
2.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述比色皿还包括联接机构，该联接机构构造成：
运动地将所述比色皿联接到干涉仪上。
3.根据权利要求2所述的比色皿，其特征在于，所述联接机构包括可联接到传动皮带上的至少一个滑轮。
4.根据权利要求3所述的比色皿，其特征在于，所述联接机构在所述比色皿和所述干涉仪之间提供了振动隔离。
5.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述比色皿还包括：
进入部分，其构造成容许溶液进入所述比色皿中；和
排出管部分，其构造成容许溶液离开所述比色皿。
6.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述比色皿构造成提供在其中的溶液的温度稳定性。
7.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述比色皿还包括温度探头，该温度探头构造成监测在其中的溶液的温度。
8.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，各个池包括锥形壁。
9.根据权利要求8所述的比色皿，其特征在于，所述锥形壁构造成促进眼科透镜在所述池中的放置，而不会使放置在所述池中的透镜变形。
10.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述外壳包括聚碳酸酯。
11.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述外壳是不透明的。
12.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述溶液包括盐水溶液、缓冲盐水溶液、脱离子水和包括活性药物的溶液中的至少其中一种。
13.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，定位在所述第一窗口和第二窗口之间的池中的眼科透镜通过所述第一窗口和所述第二窗口是整体可见的。
14.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，当定位在池中时眼科透镜不会变形。
15.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述溶液中形成的气泡通过所述第一窗口和所述第二窗口是不可见的。
16.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述多个池的第二窗口是共面的。
17.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述第一窗口和所述第二窗口构造成保持穿过其中传播的光的视准和相干性。
18.根据权利要求1所述的比色皿，其特征在于，所述比色皿构造成容纳选自包括如下眼科透镜的眼科透镜组中的至少一种眼科透镜：硬性折射接触透镜、硬性衍射接触透镜、硬性混合折射/衍射接触透镜、软性折射接触透镜、软性衍射接触透镜、软性混合折射/衍射接触透镜、包括活性药物的硬性接触透镜、包括活性药物的软性接触透镜、单视觉透镜、复曲面透镜、双焦点接触透镜、多焦点透镜、美容染色透镜、自由曲面透镜、眼内折射透镜、眼内衍射透镜、眼内混合折射/衍射透镜、可调节型透镜、折射柔性焦距透镜、衍射柔性焦距透镜、混合折射/衍射柔性焦距透镜、包括多个内置材料的复合透镜、光致变色透镜；并容纳用于制造透镜的模具。
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