CN105324649B - 光谱波前分析仪和用于分析波前的方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于使用光谱波前分析仪分析波前以在所述波前的二维采样点阵列提取光学相位和光谱信息的方法和系统，其中，所述采样点之间的相对相位信息得以保持。还提供了用于通过反射眼睛的波前并以多个角度测量所述波前以提供眼睛的离轴相对波前曲率和像差的映射来测量眼睛的方法和系统。通过这些方法和系统提供的波长与光束孔径上的采样点之间的相位精度具有许多眼睛应用，包括角膜和眼前断层扫描术、高分辨率视网膜成像，以及作为探测光束入射角的函数的用于确定近视发展并设计和测试用于校正近视的镜片的波前分析。

Description

光谱波前分析仪和用于分析波前的方法

技术领域

本发明涉及光学反射和散射介质的计量，并涉及高光谱成像和波前分析领域。本发明主要开发用于人眼计量，且下文将参考该应用来描述本发明。然而应理解的是，本发明并不限于该特定使用领域。

相关申请的交叉引证

本发明要求于2013年6月20日提交的澳大利亚临时专利申请第2013902254号的优先权，其内容通过引证结合于此。

背景技术

在整个说明书中，任何有关现有技术的讨论都不应该被认为是承认该现有技术已经为公知常识或构成本领域公知常识的一部分。

已通过一系列不同仪器解决了对光学部件(尤其是人眼)的测量，这些仪器能够提供有关眼睛形态和功能的不同方面的信息并识别各种异常。测量眼睛表面的轮廓在需要装配隐形眼镜(contact lens，接触镜片)的应用中受到特别关注，且随着隐形眼镜的范围和功能的增加，精确测量较大区域的表面地形图(topography)的需要变得越来越重要。可进行的其他测量包括波前分析，波前分析为对眼睛的光学特性(即，眼睛功能)进行的基于相位的测量。对眼睛前段各种特征的测量在外科应用中可具有很大价值。在对眼睛视网膜进行成像方面已取得了重大进展，且光学相干断层扫描技术(OCT)(optical coherencetomography，光学相干层析成像技术)已使得能够通过使用反射光的强度和相位所包含的信息的扫描方法对多种眼睛结构进行三维分析。

图1示意性地示出了能够计算活体人眼角膜的隆起度(elevation)和曲率的普氏盘(Placido disc，普拉西多氏角膜盘)地形图仪。一系列被照射的同心环100从目标角膜101被镜面反射，且反射图像被透镜系统102投影到成像传感器103上。使用软件来处理捕获的图像以识别环反射和相应的物理环。利用环100的已知几何形状和透镜系统102，在每一个环图像与相应的物理环之间进行反向光线追踪104以确定角膜表面从角膜顶点105处开始在每一个反射点的斜率。使用“弧阶(arc step)”算法来计算下一个环反射点沿每一条射线的斜率、曲率和轴向深度。

图2示意性地示出了能够沿狭缝孔径222在许多点处对光的强度进行光谱分析的“推扫式”高光谱成像仪(‘push broom’hyperspectral imager)。狭缝孔径222用于分析样本221(例如，由远视成像系统或其他成像系统形成的图像)的线性部分。准直透镜223将通过狭缝孔径收集的光引导至分散元件(例如，光栅225)，其有角度地使光的波长分量分散，且聚焦透镜224将每一个波长分量聚焦到沿焦平面阵列226的波长轴线的分离位置上，信息在此处被收集和分析。通过相对于狭缝孔径222来扫描样本221可获得完整的高光谱图像。高光谱成像还延伸至二维“单拍(single shot)”应用，其中对穿过一区域的不同波长的光强度进行“单拍”测量，而非以扫描方式进行测量。

高光谱成像仅收集与强度有关的信息，因此会丢失任何相位信息。其对眼睛计量的价值有限，且生物学应用通常局限于理解光谱特征，例如血液的氧化，这些光谱特征通过吸收性或荧光性来显示。

图3示意性地示出了用于确定眼睛波前像差(aberration)的波前分析仪。输入的已知光束或波前321(通常为单色但并不一定为单色)通过分束器322传播至待测眼睛324，在此处，理想的是光束因眼睛的屈光力(optical power)323被聚焦到视网膜325上，或接近视网膜325。然后，一小部分反射分量因眼睛的屈光力被准直，并通过分束器322与输入光束321分离以形成输出波前326，其含有关于眼睛324的剩余屈光力和像差的信息。

利用夏克-哈特曼分析仪(Shack-Hartmann analyser)327来分析输出波前326，如图3a中的放大图所示，分析仪327由微透镜阵列331组成，微透镜阵列对预定网格的波前进行采样并将其聚焦到焦平面阵列333上。由每一个微透镜形成的图像斑点334的位置可用于估计波前326在每一个采样点的斜率335，且如果可足够准确地确定斜率且如果采样点之间的变化并不大，则有可能重构波前在采样点的实际相位328。已建议利用多光谱波前分析仪来确定光学部件的分散性能，例如眼睛的纵向色差，例如在P.珍妮和J.施魏因格林的“RGB夏克-哈特曼波前传感器”，现代光学杂志2008年第55卷第737-748页(P.Jain andJ.Schwiegerling‘RGB Shack-Hartmann wavefront sensor’,J.Modern Optics 55(2008)737-748)以及S.曼扎罗拉等人的“用于人眼的波长可调波前传感器”，光学快递2008年第16卷第7748-7755页(S.Manzanera et al‘A wavelength tunable wavefront sensor forthe human eye’,Optics Express 16(2008)7748-7755)中讨论的那样。然而，未获得不同波长之间的相对相位信息。

许多分析眼睛的方法依赖于被称为光学相干断层扫描技术(OCT)的各种变型，该技术能够提供关于眼睛结构的断层扫描数据并结合入许多眼睛仪器。可利用的方法主要有两种，即时域OCT和谱域OCT(time domain OCT and spectral domain OCT)。在时域OCT中，通过对从样本反射的光进行成像并利用由相同源提供的但具有时变路径长度的参考光束干涉图像或图像内的单个点，可利用相干长度为几微米的部分相干源(例如，超辐射发光二极管(SLED))的相干特性。在样本中与路径长度延迟对应的特定深度，将在组合的反射回信号中检测到干涉条纹包络，从而允许重构在深度维度的反射剖面。通常，一次仅对单个采样点进行处理，且相应的深度扫描被称为“A扫描”。该技术的变型(被称为线性OCT)通过使参考光束和样本光束适当地成角度以单拍方式捕获A扫描，并沿焦平面阵列检测条纹。在每种情况下，可在正交维数上扫描采样点以提供二维“B扫描”或甚至完整的三维扫描。

谱域OCT技术不再扫描延迟线，而是通过利用参考光束干涉反射光来分析反射光，作为波长(扫频源OCT)的时变函数，或通过利用光栅或其他光谱多路复用器(spectraldemultiplexer)使不同的波长分散并同时沿检测器阵列检测。谱域信息为空间(深度)反射剖面的傅里叶变换，因此空间剖面可通过快速傅里叶变换恢复(在技术的限制范围内)。现代计算技术使得能够利用例如谐振扫描镜快速地进行可在两个轴线上扫描的A扫描，以便以作为临床可允许的屈光力、分辨率与信噪要求之间的折衷的刷新速率给出高分辨率完全扫描。众所周知，在利用OCT的扫描系统中，由于扫描期间活体人眼会发生微米级运动(通常为一秒的量级)，因此很难在不同采样点之间实现高精度相对测量。

阮(Nguyen)等人(光学快递2013年第21卷第13758-13772页(Optics Express 21(2013)13758-13772))已提出了基于将干涉仪与经修改的能够在图像平面测量多个A扫描的高光谱成像系统结合的OCT系统。然而，由于无校准或无指定用于保证相位关系的方法，因此该系统似乎无法保持采样点或波长之间的相对相位信息。

发明目的

本发明的目的是克服现有技术的至少一个局限性。本发明的优选形式的目的是提供依赖活体生物样本(尤其是可易于产生运动伪影的样本，例如眼睛)中的光学相位进行精确测量的系统和方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了用于分析波前的光学系统，该系统包括适于在该波前的多个采样点提取光学相位和光谱信息的光谱波前分析仪，其中，该多个采样点之间的相对相位信息得以保持，且其中该多个采样点形成二维采样阵列。

二维采样阵列优选包括多个由微透镜阵列形成的细光束。

在优选的实施方式中，波前通过探测光束从样本反射或投射穿过样本的获得。

系统优选适于在单次采集中从多个采样点提取光学相位和光谱信息，以减少样本运动造成的伪影。

在优选的实施方式中，系统包括处理器，该处理器适于处理光学相位和光谱信息以提供样本的断层扫描剖面，或提供对眼角膜地形图的测量，或确定眼睛前段的一个或多个界面的剖面。

系统优选包括干涉仪，且通过利用参考光束干涉波前提取光学相位和光谱信息。干涉仪优选包括用于使参考光束分散的一个或多个分散元件。优选地，一个或多个分散元件的至少一个包括光栅。系统优选包括偏振光学器件，其适于使参考光束和探测光束正交地偏振，并在利用参考光束干涉波前之后分析所得到的偏振状态。在优选的实施方式中，偏振光学器件适于分析多种偏振状态以提供平衡的检测系统。

根据本发明的第二方面，提供了用于分析波前的方法，该方法包括在该波前的多个采样点提取光学相位和光谱信息的步骤，其中，多个采样点之间的相对相位信息得以保持，且其中多个采样点形成二维采样阵列。

在优选的实施方式中，二维采样阵列优选包括由微透镜阵列形成的多个细光束。

波前优选通过探测光束从样本的反射或穿过样本的透射而获得。

优选在单次采集中从多个采样点提取光学相位和光谱信息，以减少样本运动造成的伪影。

优选地，该方法进一步包括处理光学相位和光谱信息以提供样本的断层扫描剖面，或提供对眼角膜地形图的测量，或确定眼睛前段的一个或多个界面的剖面的步骤。

在优选的实施方式中，通过利用参考光束干涉波前来提取光学相位和光谱信息。参考光束优选被一个或多个分散元件分散。优选地，一个或多个分散元件的至少一个包括光栅。在优选的实施方式中，该方法进一步包括正交地使参考光束和探测光束偏振，并在已利用参考光束干涉波前之后分析所得到的偏振状态的步骤。优选地，分析多种偏振状态以对波前进行平衡检测。

根据本发明的第三方面，提供了用于测量眼睛的方法，该方法包括以下步骤：

通过使探测光束从眼睛反射而获得波前；并且

以多个角度测量该波前以提供该眼睛的离轴相对波前曲率和像差的映射。

在某些实施方式中，多个角度由分散元件提供，且以多个波长来测量波前。可替代地，通过使波前从扫描镜反射提供多个角度。

在优选的实施方式中，该方法进一步包括通过利用各个反射点识别预定光学频率来确定眼睛的光学深度并确定相应的与每一个光学频率关联的相对光学深度的步骤。

根据本发明的第四方面，提供了用于测量眼睛的光学系统，该系统包括：

用于通过使探测光束从眼睛反射获得波前的装置；和

以多个角度测量该波前以提供眼睛的离轴相对波前曲率和像差的映射的装置。

在某些实施方式中，用于测量波前的装置包括用于提供多个角度的分散元件，并适于以多个波长来测量波前。可替代地，用于测量该波前的装置包括用于以多个角度反射波前的扫描镜。

优选地，该系统适于通过利用各个反射点识别预定光学频率来确定眼睛的光学深度并确定与每一个光学频率关联的相应相对光学深度。

根据本发明的第五方面，提供了设计用于校正近视的镜片的方法，该方法包括以下步骤：

通过使探测光束从眼睛反射而获得波前；

以多个角度测量该波前以提供眼睛的相对波前曲率的映射；以及

利用轴上和周边波前数据来设计该镜片，以使得在使用时该镜片针对轴上波前校正该眼睛的近视并将周边波前聚焦在该眼睛的视网膜上或视网膜后面。

根据本发明的第六方面，提供了设计用于校正近视的镜片的系统，该系统包括：

用于通过使探测光束从眼睛反射而获得波前的装置；

以多个角度测量该波前以提供眼睛的相对波前曲率的映射的装置；以及

利用轴上和周边波前数据来设计该镜片，以使得在使用时该镜片针对轴上波前校正该眼睛的近视并将周边波前聚焦在该眼睛的视网膜上或视网膜后面的装置。

根据本发明的第七方面，提供了设计用于校正近视的镜片的方法，该方法包括以下步骤：

当该镜片处于适当位置以便探测光束穿过该镜片时，通过使探测光束从眼睛反射来获得波前；

以多个角度测量该波前以提供眼睛与镜片组合的波前曲率的映射；以及

利用轴上和周边波前数据来确定镜片是否正针对轴上波前校正眼睛的近视并将周边波前聚焦在眼睛的视网膜上或视网膜后面。

根据本发明的第八方面，提供了测试用于校正近视的镜片的系统，该系统包括：

当该镜片处于适当位置以便该探测光束穿过该镜片时，通过使探测光束从眼睛反射来获得波前的装置；

以多个角度测量该波前以提供眼睛与镜片组合的波前曲率的映射；以及

利用轴上和周边波前数据来确定该镜片是否正针对轴上波前校正眼睛的近视并将周边波前聚焦在眼睛的视网膜上或视网膜后面的装置。

根据本发明的第九方面，提供了用于校正近视的镜片，其中利用第五方面的方法或第六方面的系统来设计该镜片，或利用第七方面的方法或第八方面的系统来测试该镜片。

根据本发明的第十方面，提供了一种包括计算机可用介质的制品，计算机可用介质具有计算机可读程序代码，计算机可读程序代码配置成根据第一方面或第四方面操作光学系统，或根据第六方面或第八方面操作系统，或根据第二方面、第三方面、第五方面或第七方面实现该方法。

附图说明

现在将参考附图，仅通过实例的方式描述本发明的优选的实施方式，其中：

图1示意性地图示了能够计算活体人眼角膜的隆起度和曲率的普氏盘地形图仪。

图2示意性地图示了能够沿狭缝孔径在许多点对光的强度进行光谱分析的“推扫式”高光谱成像仪。

图3示意性地图示了用于确定眼睛波前像差的波前分析仪。

图3a示出了图3中的一部分的放大视图。

图4a是根据本发明的实施方式的高光谱分辨率高光谱波前分析系统的概念图。

图4b图示了用于测量反射光的光谱相位和振幅响应的技术。

图5示意性地图示了本发明的实施方式的光具组(optical train，光学系统)，其利用参考光束在许多网格点和波长以干涉方式测量光的相位。

图6示意性地图示了本发明另一个实施方式的光具组，其包括参考臂，与波长相关的光学波前曲率在参考臂处引入参考光束中。

图7示出了输入波前如何可被分为二维细光束阵列。

图8图示了参考波前的使用，其中空间剖面在一些波长处设计成眼睛模型的空间剖面以减小需要通过测量孔径追踪的相位变化的范围。

图9示出了根据本发明的另一个实施方式的如何可利用单拍波前分析仪收集一系列离轴波前。

图10图示了用于在低相干性干涉测量法中增强路径长度相干性的技术。

图11图示了适于调节二维细光束阵列在样本上的空间位置的光学中继系统。

具体实施方式

本发明涉及用于通过采集波长之间以及在空间上由入射到待测量样本上的强度和相位剖面已知的光束的反射或透射形成的多波长光学波前的精确相对相位信息获得样本的详细光学计量数据的系统和方法，其中能够确定光学和/或反射术语。可利用在多个采样点提取光学相位和光谱信息的能力来提供测量系统，测量系统可构造成利用一些技术，例如高准确度角膜地形图、基于网格的眼前断层扫描术、基于线的眼前断层扫描术、高分辨率视网膜成像、作为探测光束入射角的函数用于确定近视发展的波前分析以及单拍采集ps分辨(ps resolved)的用于监控视网膜消融(retinal ablation)的图像来测量人眼参数范围。

图4a是根据本发明的实施方式的高光谱分辨率高光谱波前分析系统的概念图。输入的已知多波长波前421(其可以是例如平面或球形的)穿过偏振型或功率分束型(powersplitting type)的分束器422并从待测样本423反射，待测样本可由多个分布或分立的反射层或界面424(例如，可在眼睛前段发现的反射层或界面)组成。有关样本的形态和反射率的信息被编码成反射波前425的形状和光谱响应，反射波前与输入波前421被分束器422分开。与夏克-哈特曼分析相似，通过二维网格427对波前425进行采样，然而在这种情况下，采样通过光谱波前分析仪426进行，以为网格427中的每一个点产生采样的作为波长λ的函数的相位428和幅度429形式的光学相位和光谱信息，以便由配备有合适的计算机可读程序代码的处理器进行后续分析。优选地，采样选择为在两个空间维度以及波长上确保相对相位和幅度轮廓430的连续性和精确校准，以便即使测试样本发生运动的情况下(进行临床活体测量时测试样本会运动)也可确定采样的相位和幅度数据。

图4b图示了用于在单个点测量从样本423反射的光的光谱相位和振幅响应以清楚地解释以下实施方式中将用到的工作原理的技术。平面多波长波前421的一部分经分束器422引导通过聚焦透镜459被引导至样本423，平面多波长波前421的第二部分(参考波前)被引导至光栅460。来自参考波前的光根据波长被分散成461和462，并与从样本423反射的多波长波前463组合以形成条纹图形464，由于与光栅460的分散相关的角度改变，条纹图形的周期Ω(λ)与波长λ对应。从样本反射的光的光学频率被转换成空间频率，可使用配备有合适的计算机可读程序代码的处理器通过对得到的干涉条纹进行傅里叶分析而分析空间频率。在该特定实施方式中，光栅460在临近利特罗反射角(Littrow reflection angle)的反射中起作用，尽管这些选择可能不如其他几种构造重要。

图5示意性地图示了根据本发明的实施方式的光谱波前分析仪的光具组，其利用参考光束以干涉方式在多个波长在二维采样点网格(即二维采样阵列)上测量光的相位。

偏振分束器(PBS)521根据输入波前(例如，椭圆形)的偏振状态将例如来自SLED或扫频波长源的已知多波长输入波前520分成参考光束542和探测光束543。参考光束542穿过四分之一波片522并从镜523反射，而探测光束543穿过另一个四分之一波片525并从待测样本524反射，待测样本也可由多个分布或分立的反射层或界面545(例如，可在眼睛前段发现的反射层或界面)组成。参考光束和探测光束通过偏振复用(polarisation multiplexing)在PBS 521处被重新组合，并被导向微透镜阵列526和选择性孔径阵列527以形成二维采样阵列(有效部分为细光束544的束腰(waist))。孔径阵列527是可选的，但其提高了系统的空间分辨率，并改进了相邻细光束测量之间的隔离。多波长细光束被透镜528(用于透射配置，如所示)准直并被引导至将细光束分成参考分量和探测分量的第二PBS 529。两个分量被引导通过各自的偏振波片540和541至相应的衍射光栅530和531上，可根据衍射光栅的定向来排列衍射光栅以使其具有符号相同或相反的分散方向。替代地，对于需要较少分散的应用，可以使用传统棱镜或其他分散技术。分散的参考细光束和探测细光束被PBS 529重新组合，且在重新组合的图像在焦平面阵列535被检测之前，由柱面透镜532和533或球面透镜组成的光具组通过一个或多个偏振分析元件534(例如，YVO₄离散板(如所示)，或另一种PBS)中继传输该重新组合的图像。每一个细光束形成被紧聚焦成与分散轴正交并在分散轴线上扩展的图像536。如果光栅530和531的分散相对排列，则光具组被配置成形成参考细光束和探测细光束的远场图像，一旦对参考细光束和探测细光束的偏振进行了分析，参考细光束和探测细光束将会干涉。如果考虑光的单一波长，则每一个细光束内的空间振荡频率将与光的波长对应，且可通过与该频率对应的零值最大值的位置来获得相对于参考光束的相位。本领域的技术人员应理解的是，由于每一个波长与特定的空间振荡对应，因此可利用配备有合适的计算机可读程序代码的处理器通过傅里叶变换技术分析多个波长条纹图形的叠加。同一日期提交的名称为“波前分析仪(Wavefront Analyser)”的共同未决专利合作条约专利申请中描述了傅里叶变换技术的实例，该专利申请的内容通过引证结合于此。此外，如果远场图像具有曲率或像差，则可在数学分析中进行校正，这降低了对精密光学部件和公差的要求，因此会显著减少广泛用于临床应用的仪器的费用。在光学频率与空间频率之间存在线性相关的特定情况下，空间频率的总和可在样本反射点的深度与空间干涉包络之间形成对应关系。

在替代的实施方式中，样本和参考臂在PBS 529重新组合之后被分散，并聚焦在分散轴线中。其效果是使线性像素阵列与每一个细光束关联，其中，阵列的每一个像素与特定波长对应，从而形成了二维样本矩阵，其中利用与每一个样本细光束对应的线性阵列来测量每一个样本细光束。在某些情况下，该与分光仪相似的方法可提供更好地信噪比，但是由于其要求尽可能紧地聚焦每一个波长(如果成像光学器件不具有相当的复杂性，则很难实现)，因此其更加难以校正光学装置的像差。

在又一个实施方式中，一个或多个偏振分析元件534适于分析重新组合的图像的一种以上的偏振状态以提供平衡检测系统。

图6示意性地示出了替代的实施方式，其中对图5中的光具组的参考臂进行了修改以将与波长相关的光学波前曲率引入参考光束542。在本实施方式中，输入光束520的参考光束偏振分量经过复合透镜621，复合透镜包括由具有不同分散的玻璃组成正屈光力元件624和负屈光力元件625。复合透镜621引入波前曲率622(其作为波长λ的连续函数变化)，并设计成以预定波长λ₀具有有效的零屈光度。

图7示意性地示出了图5所示的光谱波前分析仪的另一个变型，其中输入波前被分成二维细光束阵列。输入的已知多波长光束520穿过球形微透镜阵列721或一对柱形微透镜阵列以形成适当的发散网格，即与细光束腰部对应的采样/参考点722的阵列。这些细光束腰部中继通过参考臂中的透镜723、726的适当光具组和包括待测样本524的探测臂中的透镜723、727的相似光具组。每一个臂中形成细束接近腰部的相应波前(724和725)，在行进穿过图5中描绘的光谱波前分析系统的剩余部分之前，该相应波前又通过PBS 521和透镜728被中继传输至微透镜阵列526，微透镜阵列用于增大每一个斑点的数值孔径(并因此减小光斑尺寸)。如此，每一个探测细光束便与通过单个微透镜的处理对应，且因孔径阵列527而阻止散射，避免了不需要的散射。

应强调的是，使用二维采样点阵列所提供的优点是能够以单拍方式(因此运动伪影最少)检测从眼睛或其他样本反射的光束的整个频谱的相对相位和幅度，从而允许以高精度重建断层扫描特征，和/或测量光束的波前。如果曝光过长使得在采集时间内存在相对样本运动，则检测的条纹将减少，但是其对应位置将不受影响。可通过在采集周期期间使用单个短光脉冲来改善该条纹消衰效应。

在上述光谱波前分析技术中，保持相对相位信息所产生的波长与光束孔径上的采样点之间的相位精度可用于研发具有多种应用的仪器，这些应用包括对高分辨率二维和三维显微术、表面和层的精确地形图，以及如以下将描述的对眼睛进行波前分析的新技术进行数字全息重建。

图8示出了根据本发明的一个方面的用于从干涉仪的参考臂中的眼睛模型的前表面反射的波前的技术。输入的标称平面波前821被偏振分束器521分成探测光束822和参考光束823。参考光束823穿过四分之一波片522，并被透镜824聚焦穿过孔径825。由于使用了折射光学元件824，所有光束路径的光程长度在孔径处明显相等。光从孔径825球状发散，但被反射部件826(例如，平面衍射光学器件部件(planar diffractive optics component))射回。这形成了球状变化的光程长度差，该光程长度差可与移动至探测光束路径822上的眼睛或其他样本524的第一镜面反射点的光的路径长度差近似。这使得重新组合的波前827的相位变化显著减小，在波前分析系统的剩余部分可更容易追踪相位变化而无相位模糊。可以使用一个以上的衍射光学器件部件826，且衍射光学器件部件还可以使用非平面基体，这允许近似更复杂的深度剖面。此外，对于多波长波前821，图8中的设备可用于形成与波长相关的波前曲率，如结合图6所描述的。

图9示意性地示出了根据本发明的另一个实施方式的光谱波前分析仪的光具组，其中可利用单拍波前分析仪收集来自样本的一系列离轴波前。在该系统中，每一个波长表示待测眼睛915上的输入光束910的不同入射角，且因此表示视网膜916上的发出待分析样本波前的不同点。

与图5中的实施方式相似，特征已知的多波长输入波前910被分束器912(其可以是偏振分束器或传统的功率分束器)分成两个分量。一个分量(探测光束)通过中继透镜911和913被中继传输至分散元件(例如，透射衍射光栅914)，其根据波长有角度地将该分量分散成多个轨迹。这些轨迹中的光基本上被待测眼睛915的屈光元件聚焦，以在眼睛的视网膜916上形成多个分散斑点917、918。来自每一个斑点的光的一小部分通过系统被反射回去，且在聚焦至孔径919之前被衍射光栅914重新组合，孔径919可以是例如定向成与分散轴线的方向正交的狭缝。孔径919定位在准直重新组合的光926的透镜924的焦距处，重新组合的光926在撞击焦平面阵列925之前，至少在与狭缝919正交的轴线上。

输入波前910的第二分量(即，参考光束)通过中继透镜911和920中继传输至衍射光栅921，其根据波长沿不同轨迹922和923有角度地使第二分量分散。该有角度地复用的波前通过分束器912以及透镜920和924被中继传输以干涉从待测眼睛915反射的组合波前，从而在焦平面阵列925上形成多个干涉图形，其中干涉图形的数量由输入波前910中的波长分量的数量确定。

在分束器912为偏振分束器的实施方式中，可通过偏振操作(例如通过插入如以上参考图5描述的四分之一波片和偏振分析元件)来实现两个光束的组合，以分析两个光束在空间中每一个点处的相对相位。

如在上述名称为波前分析仪(Wavefront Analyser)的共同未决PCT专利申请中更详细地描述的，在每一个波长得出的干涉图形与分散轴线方向上的空间频率对应，且可根据相应空间频率的相位重建每一个波长成分的相位。在参考光束路径和探测光束路径中设置分散元件意味着可使用较大的空间频率范围，从两个像素及以上，且有利的是可明确分辨每一个波长的相位。尽管与扫描技术相比，该单拍技术能够通过同时捕获在眼睛915的所有离轴轨迹的整个波前而提供更高的准确性，但重要的是应注意，由于单拍技术为干涉测量技术，因此短的捕获时间仍很重要，以便减少因待测眼睛的相对运动而导致的任何条纹消衰。同样，除快速遮挡焦平面阵列之外，可通过使用短脉冲照射来促进此。

现在正考虑应用上述离轴波前分析来诊断近视并监控近视的发展或治疗。最近的研究表明，在一些情况下，眼睛的离轴聚焦性能与近视的发展之间可能存在因果关系。重要的是考虑量化该发展的方法以帮助理解近视的发生，并开展成功治疗。图9中公开的设备允许围绕预定轴线从待测眼睛的视网膜反射的光束捕获大范围的离轴波前。通过以多个角度测量反射波前，可获得眼睛的离轴相对波前曲率和像差的映射。由于在眼睛的一组离散光束角度是通过分散元件获得的，因此有可能从一个波长至下一个波长准确地追踪相位，并因此处理聚焦发生的大的变化，而不会要求测量设备进行多种机械调节。可替代地，不再使用光栅或其他分散元件来使波长分散，而是能以变化的角度通过使所有波长从扫描镜反射来引导波长，扫描镜相对于光具组定位成使光束围绕距眼睛透镜的有效光心大约一个焦距的点形成有效转动。再次，名称为“波前分析仪(Wavefront Analyser)”的共同未决PCT专利申请中对此进行了更详细的描述。

扫描镜在光学中继系统中还可有利于扩展图7中所示设备的灵活性以将光束腰部725的网格投射到样本524上。如图11所示，合适的中继系统1120包括扫描镜1121以及两个屈光元件1122和1123，其可以是例如透镜或反射镜。扫描镜1121设置在距两个屈光元件的至少其中之一大约焦距的位置处，优选元件1122距样本524更近。扫描镜1121在任一轴线1124上的角度调整会导致重新成像的光束腰部1125在相应轴线上发生横向位移。扫描镜1121可定位在两个屈光元件1122和1123的焦点处(如图11所示)，在这种情况下，中继系统1120形成4F光学系统，尽管如果需要调整细光束1125的轨迹的话，屈光元件的间隔可改变。在两次或更多次曝光中横跨样本524扫描像素化样本探针(即，光束腰部的网格)会实现对反射样本波前进行更密集的空间采样，而不会要求大扫描镜或大角度来给出3D结构的完全成像覆盖。由于反射镜1121处位于中继系统1120的焦点处，因此可利用可快速稳定、紧凑且质量轻的小MEMS型镜以使系统微型化。这提供了相当多的优点来提高对待测反射表面的计量，并允许重建横跨或穿过样本的任意扫描。

每一次曝光会捕获穿过样本的一组二维深度扫描。在每一次曝光中，同时获得了深度扫描，从而消除了在扫描之间样本的相对运动问题。网格1125中的每一个细光束相对于其他细光束的准确位置和角度不会改变，且当已制成仪器时，可非常精确地对准确位置和角度进行校准。这使使用未处于中继系统的焦点的旋转镜获取单次扫描的扫描系统获得了显著优点，在这些系统中由于无法精确地测量反射镜在任意点的准确位置，因此任意两个测量之间便引入了一定程度的不确定性。

可利用标准图像处理技术对在每一次曝光中获取的一组深度扫描进行分段以定位样本内的表面，对于眼睛应用，表面可包括角膜的前表面和后表面。可利用标准表面拟合方法(standard surface fitting methods)将数学表面模型(例如，泽尼克多项式(Zernike polynomial))拟合至分段的表面数据。通常，由于扫描镜或样本的运动，曝光之间的时间意味着每一组数据之间将存在一定的相对位移或转动。针对该运动，可通过使来自初始曝光的数学模型与表面数据配准来校正来自后续曝光的数据。分段数据点围绕所有三个轴线转动和/或移位，且利用标准优化技术使从移位/转动表面点至初始数学表面的距离最小化以确定表面之间的最佳对准。然后，可更新数学表面模型使其包括初始数据点以及来自后续曝光的数据点以逐渐提高表面模型的准确性。

分析来自样本的离轴波前数据的能力还可用于设计或定制将校正近视患者在中心轴上波前中的屈光力，同时确保周边波前聚焦在视网膜上或视网膜后面的隐形眼镜或眼镜，从而防止或降低近视发展。此外，可再次利用处于适当位置的校正眼镜对患者的眼睛成像以确认眼镜在按要求发挥作用，或监控近视的发展。

以上参考图9描述的技术还可用于测量眼睛的光学深度(即长度，就中心波长的光学循环的数量而言，从待测眼睛的第一反射点至视网膜反射)，如果源的相干长度(由可检测干涉效应的长度确定)适当长的话。参考图10讨论了一种提高低相干性干涉计量学中的相干长度的方法。首先利用包括准直透镜1004、标准具1005和镜1006的设备对光源1003(例如，固有光谱宽度1010为几十纳米的LED或半导体光放大器)进行滤波，准直透镜1004、标准具1005和反射镜1006处于路径长度与光谱采样点的所需波长间隔有关的光束的准直部分。得到的输出光束1007的相干长度与输出光束的每一个波长成分1011的光谱宽度成反比。在图10所示的具体实例中，光谱宽度从40纳米减小至0.02纳米将使相干长度增加200x。如此，即便是精密度适度低的标准具也可使可检测可测量条纹的范围显著增大。

可利用包括例如分束器和组合器的光学延迟设备来替代使用标准具，以提供不同的路径长度，其中光学延迟选择为在例如眼睛的前表面和视网膜同时提供相干性。仪器中的样本或参考光束的不同位置也可包括该延迟。

参考图10中的光学中继系统描述的表面配准技术(surface registrationtechniques)还可用于使来自获取的多次曝光的数据与不同的延迟路径长度配准，只要这两组数据包括公共参考表面便可。该方法可用于例如使包含角膜和透镜的前表面和后表面的一组数据与包含前角膜表面和视网膜的另一组数据配准。对眼睛的所有在光学上重要的表面(相对于公共参考)进行精确测量意味着有可能采用角膜、晶状体、水状液和玻璃状体的屈光指数的平均群体值通过执行模拟射线追踪技术沿任意轴线对眼睛波前进行重建。对于专注于从眼睛内的各种界面的稀疏反射的眼睛应用，这可允许同时对例如前表面和视网膜进行测量。然而，对光谱欠采样可导致重影和伪影。

在上述实施方式中，所分析的波前是从待测样本(例如，眼睛)反射而获得的。然而应理解的是，也可通过透射穿过待测样本获得波前。不论是哪种情况，关于样本的信息被编码在波前的形状和光谱组成中。应理解的是，图示的实施方式使得能够在从样本反射的波前的多个采样点提取作为波长的函数的光学相位和光谱信息，例如相位和幅度数据。采样点之间的相对相位信息得以保持，且得出的相位精度可用于提供依赖眼睛中的光学相位和可易于产生运动伪影的其他活体生物样本进行精确测量的系统和方法。

尽管已参考具体实例描述了本发明，但本领域的技术人员应理解，本发明可以多种其他形式体现。

Claims (18)

1.一种光谱波前分析仪，所述光谱波前分析仪包括光学系统，所述光学系统适于在多个采样点处对波前进行采样，所述波前通过探测光束的二维阵列从样本反射而获得或通过探测光束的二维阵列透射穿过所述样本而获得，其中，所述光学系统包括干涉仪，所述干涉仪包括一个或多个分散元件，以用于：将多波长输入波前分成所述探测光束的二维阵列和参考光束；利用所述参考光束干涉所反射的或透射的波前；并且在所述多个采样点处从反射的或透射的所述波前相对于所述参考光束而提取光学相位和光谱信息，同时保持所述多个采样点之间的相对相位，其中，所述多个采样点形成二维采样阵列，并且其中，所述系统包括适于处理所述光学相位和光谱信息以提供所述样本的断层扫描剖面的处理器。

2.根据权利要求1所述的光谱波前分析仪，其中，所述二维采样阵列包括由微透镜阵列形成的多个细光束。

3.根据权利要求1或2所述的光谱波前分析仪，其中，所述光学系统适于在单次采集中从所述多个采样点提取所述光学相位和光谱信息，以减少由所述样本的运动造成的伪影。

4.根据权利要求1或2所述的光谱波前分析仪，其中，所述处理器适于处理所述光学相位和光谱信息以确定眼睛前段中的一个或多个界面的剖面。

5.根据权利要求4所述的光谱波前分析仪，其中，所述一个或多个界面包括所述眼睛的角膜的前表面。

6.根据权利要求1所述的光谱波前分析仪，其中，所述一个或多个分散元件中的至少一个分散元件设置为用于使所述参考光束分散。

7.根据权利要求6所述的光谱波前分析仪，其中，所述一个或多个分散元件的至少一个包括光栅。

8.根据权利要求1所述的光谱波前分析仪，其中，所述系统包括偏振光学器件，所述偏振光学器件适于使所述参考光束和所述探测光束的二维阵列正交地偏振，并在利用所述参考光束干涉所述波前之后分析所得到的偏振状态。

9.根据权利要求8所述的光谱波前分析仪，其中，所述偏振光学器件适于分析多于一个的偏振状态以提供平衡的检测系统。

10.一种用于分析波前的方法，所述方法包括以下步骤：将多波长输入波前分成探测光束的二维阵列和参考光束；在多个采样点处对波前进行采样的步骤，所述波前通过所述探测光束的二维阵列从样本反射而获得或通过探测光束的二维阵列透射穿过所述样本而获得；以及利用具有一个或多个分散元件的干涉仪，在所述多个采样点处从反射的或透射的所述波前提取光学相位和光谱信息，同时保持所述多个采样点之间的相对相位，其中，所述多个采样点形成二维采样阵列，并且其中，所述方法还包括：处理所述光学相位和光谱信息以提供所述样本的断层扫描剖面的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述二维采样阵列包括由微透镜阵列形成的多个细光束。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，在单次采集中从所述多个采样点提取所述光学相位和光谱信息，以减少由所述样本的运动造成的伪影。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述处理的步骤包括确定眼睛前段中的一个或多个界面的剖面。

14.根据权利要求13所述的方法，所述一个或多个界面包括所述眼睛的角膜的前表面。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述参考光束被所述一个或多个分散元件中的至少一个分散元件分散。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述一个或多个分散元件的至少一个包括光栅。

17.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括以下步骤：使所述参考光束和所述探测光束的二维阵列正交地偏振；以及在利用所述参考光束干涉所述波前之后分析所得到的偏振状态。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，分析多于一个的偏振状态以对所述波前进行平衡的检测。

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