CN104094095A - 用于对眼科装置的波前进行测量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种方法和一种波前测量设备，该方法和波前测量设备用于在一个或连续测量中以非水化状态和以更快的方式以及高空间分辨率来测量直接位于芯轴上的一个或多个眼科装置。

Description

用于对眼科装置的波前进行测量的方法和设备

相关专利申请

本专利申请要求基于2012年2月10日提交的No.61/579,338美国临时申请的优先权，所述临时申请的内容依赖于且并入本文中。

技术领域

本发明阐述一种方法和一种设备，该方法和设备用于使用光学数字波前传感器来获得对眼科装置的准确光学测量而无需接触所述眼科装置。更具体地，所述设备使用一种光学数字波前计量技术以在一个或多个连续测量中获得所传输波前的强度和相位的同时测量。

背景技术

已知使用各种装置和方法(即，光学计量)来测量接触镜片的物理特性。通常，光学计量涉及检测光学物件处的入射光束，测量所得衍射光束，以及分析衍射光束以确定各种特性，诸如结构的外形。然而，传统的眼科镜片通常是通过铸模成型而制成，其中将单体材料沉积在相对的模具部件的光学表面之间限定的腔体中。为了使用此类模具部件来制备镜片，将未固化的水凝胶镜片制剂放置在一次性塑性前曲面模具部件与一次性塑性后曲面模具部件之间。

前曲面模具部件和后曲面模具部件通常采用注模成型技术形成，其中迫使熔化的塑料进入具有至少一个光学质量表面的高度加工钢质模具中。

根据期望的镜片参数将前曲面和后曲面模具部件结合在一起以成形镜片。随后，例如通过暴露于热和光使镜片制剂固化，进而形成镜片。在固化之后，分离模具部件并从模具部件中移除镜片以用于所述常规光学计量。然而，注模成型工艺的特性和设备使得很难根据具体患者的眼睛或具体应用来定制镜片。因此，在先前说明中，诸如在WO 2009/025848和WO2009/025845中已阐述了用于通过使用自由成形技术来形成定制镜片的方法和设备。这些技术的一个重要方面是以新颖的方式生产镜片，其中两个镜片表面之一是以自由成形方式形成，而不采用铸模成型、车床加工或其它模具。

自由成形表面和基部可包括自由成形表面中所包括的自由流动流体介质。这种组合将得到有时称为镜片前体的装置。通常可利用固化辐射和水合处理将镜片前体转化成眼科镜片。

可能需要测量以这种方式形成的自由曲面镜片以确定镜片的物理参数。因此需要新颖的设备和方法来测量由前体形成的镜片。

发明内容

因此，本发明涉及用于使用非接触式光学仪器以通过使用光学数字波前技术来确定对眼科装置(例如包括镜片中不存在水分的紫外固化镜片的干式接触镜片)的测量的方法和设备。本发明的一些关键优点可包括下列中的一个或多个：通过单发和实时光学测量来获得对干式接触镜片的准确测量的更快方式、强度和波前的直接可视化、高动态范围、与CCD照相机分辨率正相关的高空间分辨率、振动不敏感性和成本效率。

本发明提供一种用于测量眼科装置的物理特性的设备，所述设备包括：

光学芯轴，该光学芯轴用于使用自由成形技术来形成眼科装置；所述光学芯轴包括光学效应；

镜片消除系统，该镜片消除系统包括一个或多个镜片以共同消除所述光学芯轴的光学效应；

发射器，该发射器起作用以在朝向眼科装置的方向上发射辐射的波长；

传感器，该传感器起作用以基于发射的波长来检测所传输的波前，其中所传输的波前的强度和相位会基于所述眼科装置的物理特性而不同，和

处理器，该处理器与发射器和传感器之一或二者逻辑通信；其中处理器被编程为基于反射波前的强度和相位来传输逻辑信号。

该设备可测量多于一种物理特性。优选地，设备获得对眼科装置的波前测量。

如本文所用，术语“发射器”可指“光源”。

光学芯轴、镜片消除系统、发射器和传感器可对齐。优选地，镜片消除系统、发射器和传感器安装在导轨上。导轨可为竖直导轨，优选为竖直光学导轨。

在设备中，传感器可包括数字波前照相机。该数字波前照相机可能够移动以连续更改或改变沿着两个或更多个强度分布的传输光轴的距离。数字波前照相机可为振动不敏感的。数字波前照相机还可包括分束器以导致在沿着传输光轴的不同位置处产生第二图像。作为另外一种选择或除此之外，数字波前照相机还可包括一个或多个放大镜片，该一个或多个放大镜片依赖于在光源中的隔膜和在光源和数字波前照相机之间的工作距离。

设备还可包括运动学安装件，该运动学安装件用于将所述光学芯轴放置成与镜片消除系统和发射器适当对齐。

另外，设备还可包括真空，该真空用于保持芯轴夹具和运动学安装件。设备还可包括顶部孔和底部孔，其中所述顶部孔略小于底部孔并被放置在所述芯轴夹具顶上但不接触所述芯轴以通过限制光束穿过来形成物理屏障，从而限定强度传播方程的解的边界条件。可更改顶部孔以覆盖不同的视野。也可更改所述底部孔以进一步改善测量的动态范围。

本文设备中所使用的镜片消除系统可包括组件，该组件包括位于管内部的三个镜片，其中光束可穿过所述镜片中的每个。组件可垂直于所述导轨放置。光束可垂直于所述导轨放置。三镜片式消除系统可包括下列中的一个或多个：非球面镜片、平凸镜片和平凹镜片以消除下列之一或二者：成形光学芯轴的离焦和球面像差，其随后允许从芯轴出来的光被准直。

处理器可实时起作用以产生对所述眼科装置的一个或多个连续波前测量。

发射的辐射可为具有单色波长的高质量光束。发射的辐射可包括从约630nm到约635mm的单色波长。

本发明还提供一种获得对眼科装置的波前测量的方法，该方法包括：

对齐眼科镜片波前系统，

对成形光学芯轴进行光学测量并存储成形光学芯轴的强度测量作为强度参考文件，

对其上可能已形成有镜片的成形玻璃芯轴进行光学测量并存储强度文件，

使用处理器中的软件以实时获得镜片的光学波前的值，软件能够从至少一个其它强度文件中减去一个强度文件。

该方法还可包括所述处理器实现强度传播方程和算法的步骤。作为另外一种选择或除此之外，随后可将强度数据转变成光学波前。光学波前可根据光的强度和相位来描述光的路径。

本发明方法中所使用的眼科镜片波前系统可包括本文所述设备中任一者。

附图说明

图1示出了可用于实现本发明的方法步骤。

图2示出了可适用于实现本发明的设备部件，设备部件包括数字光学波前技术。

图3、图3A和图3B示出了可适用于实现本发明的示例性运动学安装设备部件。

图4示出了与无芯轴波前光学消除不同的芯轴波前光学消除的例子。

图4A示出了在芯轴波前光学消除之后干式镜片波前的例子。

图5示出了可用于实现本发明的附加方法步骤。

具体实施方式

本公开提供用于获得对眼科装置的光学波前测量的方法和设备。在下面的章节中，将给出对本发明的详细说明。对优选实施例和替代实施例的说明尽管详尽但仅为示例性的，且本领域的技术人员应理解，变化、修改和改变可能是显而易见的。因此，应当理解，示例性实施例并不限制基础发明各方面的广度，而是由权利要求所限定。

术语表

如本文所用，术语“包含”涵盖“包括”以及“由…组成”和“基本上由…组成”，如“包含”X的设备可仅由X组成，或可包括额外的装置，如X+Y。

如本文所用，“流体镜片反应介质”是指反应性混合物，其天然形态、反应后的形态或部分反应后的形态是可流动的，并且所有反应介质或一部分可在进一步加工成为眼科镜片的一部分之后形成。

如本文所用，“自由成形”是指这样的表面：其通过暴露于光化辐射使反应性混合物交联而以体素为基础形成，具有或没有流体介质层，并且不是根据铸模成型、车床加工或激光烧蚀而成形。

在本文中，“镜片形成混合物”且有时被称为“反应性混合物”或“RMM”(反应单体混合物)是指可交联形成眼科镜片的单体或预聚物材料。镜片形成混合物可包括一种或多种添加剂，诸如：UV阻滞剂、着色剂、光引发剂或催化剂，以及人们可能想在眼科镜片例如接触镜片或眼内镜片中加入的其它添加剂。

如本文所用，“镜片前体”是指由镜片前体形态和与镜片前体形态接触的流体镜片反应混合物组成的复合物件。例如，在一定体积的反应混合物内生产镜片前体形态的过程中，可形成流体镜片反应介质。从用于制备镜片前体形式的一定体积的反应性混合物中分离出镜片前体形式和所粘附的流体反应性介质，可产生镜片前体。另外，镜片前体可通过移除大部分流体镜片反应性混合物或将大部分流体镜片反应介质转化成非流体复合材料而转化成不同的实体。

如本文所用，“镜片前体形式”表示具有至少一个光学质量表面的非流体物，其经进一步加工即可相容地复合到眼科镜片中。

如本文所用，“眼科镜片”且有时被称为“眼科装置”或“镜片”是指驻留在眼睛内或眼睛上的任何眼科装置。这些装置可提供光学校正或可为装饰性的。例如，术语“镜片”可指用于矫正或改进视力或用于增强眼部生理美容(例如虹膜颜色)而不影响视力的接触镜片、眼内镜片、覆盖镜片、眼部插入物、光学插入物或其它类似装置。本发明的优选镜片可为由有机硅弹性体或水凝胶制成的软性接触镜片，所述硅弹性体或水凝胶包括但不限于有机硅水凝胶和氟代凝胶。

对一个或多个眼科装置的测量可在其未水化镜片状态下并在其上可使用自由成形技术形成镜片的芯轴上进行。

本公开包括数字波前照相机和物镜。还可包括：芯轴夹具，该芯轴夹具可安装在运动学安装装置组件上，该组件可包括位于管内部的三镜片式芯轴消除系统；位于芯轴夹具下面的底部孔和直接放置在所述玻璃芯轴顶上但不进行物理接触的顶部孔；光源；针孔；隔膜；和球面镜片，所述球面镜片位于所述设备的底部部分中。所有这些部件均可垂直于竖直光学导轨安装并加以调节，直到来自光源的输出光束与导轨平行并可在其离开所述成形光学芯轴时准直。准直光可为具有平波前的平行光束，此意味光的强度不会沿着光轴(被称为“z方向”)变化。

可实现一系列步骤以测量自由成形的未水化眼科镜片。首先，可在其上没有镜片的情况下以传输模式对形成光学玻璃芯轴进行光学测量以获得基础芯轴的光学波前。随后，可存储波前数据作为参考文件。随后，可在可安装到所述运动学安装组件上的完全相同的芯轴夹具上制作镜片。随后，可以传输模式对其上有镜片的形成光学玻璃芯轴进行光学测量，并且还可存储波前数据文件。可将这两个数据文件彼此相减，进而得到在传输中对镜片的光学波前测量。测量可以传输模式进行，但作为另外一种选择或除此之外，或许同样可以反射模式进行测量。

现在参见图1，其为示出可用于获得镜片的光学波前的方法步骤的流程图。各个步骤可包括下列中的一个或多个：对齐眼科镜片波前(WF)系统110，之后是对形成光学玻璃芯轴进行光学波前测量并存储波前数据作为参考文件(波前1)120，之后是对具有可能已在特定光学件上形成的镜片的形成光学玻璃芯轴进行光学波前测量并存储波前数据文件(波前2)130，之后是从波前1文件中减去波前2文件并获得眼科镜片的光学波前的值140。

现在参见图2，图中示出了垂直于竖直光学导轨255安装的示例性波前测量系统的侧视图。光源200可充当在对齐设备时用于保持部件的参考并可放置在离竖直光学导轨255大约125mm处。对齐设备的总体目标可为可如此产生准直光束以致在其离开形成光学玻璃芯轴235时平行于导轨255。可具有约633nm的波长的光源200可在其内部含有各种光学元件，并且产生高质量光束。然而，波长可能不同，本文阐述633nm是出于示例性目的，但可使用任何其它单色波长。调节光束的直径的针孔205可限制非准直光束。非球面聚焦镜片210随后聚焦光束并使其准直。。在准直光束进入芯轴消除光学系统220之前，可存在底部孔215，该底部孔可位于非球面聚焦镜片210正上方并可独立安装或安装到“LP1A”(轴可调节的)平台265的底部。可调节底部孔215控制来自非球面镜片210的准直光的直径。底部孔215的目的可为限制视野以允许均一化和均匀的强度分布并防止数字波前照相机(在此也被称为“DWC”)250饱和。

在底部孔215紧上方可为运动学安装装置225，所述运动学安装装置可在其内部含有包括一系列镜片的管，所述一系列镜片可共同形成芯轴消除光学系统220。例如，可使用一组三个镜片：非球面镜片、平凸镜片和平凹镜片。芯轴消除光学系统220的目的可为抵销形成光学玻璃芯轴235的离焦和球面像差两者，其随后允许从芯轴235出来的光被准直。在存在芯轴消除光学系统220的三个镜片情况下，这三个镜片之间的功率和距离可以这样一种方式设计以消除芯轴235在10mm视野范围内的光学效应，从而导致DWC检测平波前。否则，芯轴235的光学效应可引入在减法时对镜片波前的计算误差。在芯轴消除光学系统220正上方可为用于芯轴夹具230的运动学安装装置225，所述芯轴夹具可安装在顶部上。

现在参见图3和图3A，图3示出了示例性运动学安装装置组件325的示意图。图3A代表运动学安装装置组件325的俯视图。形成光学组件玻璃芯轴夹具330可由两个调节器球头销315(图3仅示出其中之一)和柱塞310保持就位。柱塞310依靠在后面可具有弹簧320的凹槽中，所述弹簧可由代表弹簧销组件345的弹簧销组件螺钉340俘获。柱塞310可自由进出，从而接合凹口355中的芯轴夹具330。当弹簧320将柱塞310推进到凹口355中时，凹口355可使芯轴夹具330保持锁定处于期望的位置。弹簧销组件345通过柱塞310将芯轴夹具330朝左(在图3中)推进，所述芯轴夹具的边缘随后撞击调节器球头销315。对调节器球头销315中任何一者的调节可调节芯轴夹具330的整个X，Y位置。可通过调节螺钉305并定位球头300来调节芯轴夹具330的高度和水平。可对芯轴夹具330和运动学安装件325之间的空间施加真空350。真空350将芯轴夹具330压制到球头300上，但不压制到可禁止弹簧320和柱塞310将芯轴夹具330推进抵靠在调节器球头销315的点。形成光学玻璃芯轴335可定位在芯轴夹具330上。可使用运动学安装装置325的不同几何形状。

现在参见图3B，其代表运动学安装装置325和装纳芯轴消除光学系统的三个镜片的包封镜片管360的断开视图。还可示出包含于运动学安装件325内部的芯轴消除光学系统的位置。运动学安装装置325可包括锁定螺母327。

重新参见图2，顶部孔240可附接到位于芯轴夹具230正上方的导轨255。顶部孔240当靠近形成光学玻璃芯轴235时可直接放置在芯轴夹具230的顶部上但不实际物理接触芯轴。可使用顶部孔240的不同几何形状。可略小于底部孔215的顶部孔240可限制离开形成光学玻璃芯轴235的准直光束的直径，从而导致DWC 250仅在由顶部孔240限制的仅某一区中从准直光获得强度。可更改顶部孔240的直径以覆盖不同的视野。顶部孔的目的可为通过限制光仅穿过孔来形成物理屏障，从而限定强度传播方程的解的边界条件，所述强度传播方程假定超出顶部孔240的直径的光强度可等于零。可使用可调节顶部孔240或顶部孔240和底部孔215的各种组合以改善测量的动态范围。

物镜245可位于顶部孔240正上方并且DWC 250可附接到物镜245。DWC 250可安装在X，Y平台260上。作为另外一种选择，可在此安装旋转平台。在DWC内部，可存在分束器，该分束器可导致沿着传输光轴与第一强度图像相隔固定距离形成第二强度图像。两个图像之间的距离可更改为另一固定值或使用可移动的照相机连续改变。DWC 250和光源200中的隔膜之间的工作距离可依赖于所使用的物镜照相机的放大率。物镜照相机的放大率可为.333并且工作距离可为69mm。

可存在DWC 250的三个对齐位置。首先，DWC 250和物镜245可在竖直光学导轨255上定位于位置1中。在位置1中，物镜245使DWC 250中的顶部孔240成像，从而产生被称为图像1的处于焦点的第一图像。其次，DWC 250和物镜245可在竖直光学导轨255上向下定位在其中图像1变得模糊的位置2中。在位置2中，DWC 250中的分束器随后可导致产生被称为图像2的第二图像。最后，DWC 250和物镜245随后可在图像1和图2中间定位在最终位置中。在最终位置中，图像1和图像2可均同为模糊的。

现在参见图4和图4A，图4为没有芯轴光学消除的参考的计算机产生光学波前400和具有芯轴光学消除的参考芯轴的光学波前410的例子。图4A示出了在移除芯轴光学波前420之后获得的干式镜片的计算机产生波前的例子。在对齐系统之后，所进行的第一测量可为对其上没有镜片的玻璃芯轴的光学参考测量，被显示为例子410。那个数据可被称为波前1且可被存储。随后可对其上有镜片的玻璃芯轴进行第二光学测量，并且存储被称为波前2的数据。最后，可从波前2中数字减去波前1以产生镜片波前，被显示为例子420。

现在参见图5，其代表照片图500以示出可用以通过从DWC 510采集图像1520和图像2530来进行波前测量540的过程。在测量期间，可获得两个强度图像(图像1520和图像2530)。所利用的软件可为被称作由Phaseview设计的Getwave软件(版本1.0.9)。然而，可使用实现相同功能的其它软件。出于举例说明目的，图像1520可被称为强度分布1并且图像2530可被称为强度分布2。这两个强度分布图像随后可用于计算，所述计算可基于这两个图像之间的差异在软件内部进行。随后，可建构光学波前以用于测量。更具体地，软件利用可被称为强度传播方程的通用方程，所述方程为：

强度传播方程可通过使用特定算法以这样一种方式实现，以允许对玻璃芯轴或其上有镜片的玻璃芯轴进行测量并且从这二个测量收集强度数据。随后可将强度数据转变成光学波前。光学波前可根据光的强度和相位来描述光的路径。可根据下列中的一个或多个来测量波前：作为峰谷(“PTV”)的泽尔尼克系数和相较于平波的波前均方根(“RMS”)。在对没有镜片的玻璃芯轴的参考测量(波前1)和对有镜片的玻璃芯轴的测量(波前2)的波前计算之后；可将两个波前文件(波前2和波前1)彼此相减以获得镜片的光学波前的值。

结论

如上文所述且如下文权利要求书进一步限定，本公开提供用于测量一个或多个眼科装置的物理特性的方法和设备。

Claims (24)

1.一种用于测量眼科装置的物理特性的设备，所述设备包括：

光学芯轴，所述光学芯轴用于使用自由成形技术来形成眼科装置；所述光学芯轴包括光学效应；

镜片消除系统，所述镜片消除系统包括一个或多个镜片以共同消除所述光学芯轴的光学效应；

发射器，所述发射器起作用以在朝向所述眼科装置的方向上发射辐射的波长；

传感器，所述传感器起作用以基于所发射的波长来检测传输的波前，其中所传输的波前的强度和相位将基于所述眼科装置的物理特性而不同，和

处理器，所述处理器与所述发射器和所述传感器之一或二者逻辑通信；其中所述处理器被编程为基于反射波前的强度和相位来传输逻辑信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学芯轴、所述镜片消除系统、所述发射器和所述传感器对齐。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述光学芯轴、所述镜片消除系统、所述发射器和所述传感器安装在导轨上。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述导轨为竖直光学导轨。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述传感器包括数字波前照相机。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述数字波前照相机能够移动以连续更改或改变沿着两个或更多个强度分布的传输光轴的距离。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的设备，其中所述数字波前照相机为振动不敏感的。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的设备，其中所述数字波前照相机还包括分束器以导致在沿着所述传输光轴的不同位置处产生第二图像。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的设备，其中所述数字波前照相机还包括一个或多个放大镜片，所述一个或多个放大镜片依赖于在光源中的隔膜和在所述光源与所述数字波前照相机之间的工作距离。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括运动学安装件，所述运动学安装件用于将所述光学芯轴放置成与所述镜片消除系统和所述发射器正确对齐。

11.根据权利要求10所述的设备，还包括真空，所述真空用于保持芯轴夹具和所述运动学安装件。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括顶部孔和底部孔，其中所述顶部孔略小于所述底部孔并被放置在所述芯轴夹具的顶部上但不接触所述芯轴以通过限制所述光束穿过来形成物理屏障，从而限定强度传播方程的解的边界条件。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述顶部孔能够被更改以覆盖不同的视野。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的设备，其中所述底部孔也能够被更改以进一步改善测量的动态范围。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述镜片消除系统包括组件，所述组件包括位于管内部的三个镜片，其中光束能穿过所述镜片中的每个并能垂直于所述导轨放置。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述三镜片式消除系统能包括下列中的一个或多个：非球面镜片、平凸镜片和平凹镜片以消除下列之一或二者：所述成形光学芯轴的离焦和球面像差，所述成形光学芯轴随后允许从所述芯轴出来的光被准直。

17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述处理器实时起作用以产生所述眼科装置的一个或多个连续波前测量。

18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所发射的辐射为具有单色波长的高质量光束。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所发射的辐射包括从约630nm到约635mm的单色波长。

20.一种用于获得眼科装置的波前测量的方法，所述方法包括：

对齐眼科镜片波前系统，

对成形光学芯轴进行光学测量并存储成形光学芯轴的该强度测量作为强度参考文件，

对其上可能已形成有镜片的成形玻璃芯轴进行光学测量并存储该强度文件，

使用处理器中的软件以实时获得镜片的光学波前的值，所述软件能够从至少一个其它强度文件中减去一个强度文件。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括所述处理器实现强度传播方程和算法。

22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中能够随后将强度数据转变成光学波前。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述光学波前根据光的强度和相位来描述光的路径。

24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中所述眼科镜片波前系统包括根据权利要求1至19中任一项所述的设备。