CN1604754A - 用于校正波前传感器的设备及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量眼睛像差的波前传感器，包括校正测试元件(32)和存储在设备中用作比较的校正测量信息，以确保该设备被正确地校正而用于可靠的像差测量。波前校正、聚焦校正以及视网膜照射度监视均为所考虑的校正测量。可选择的互锁功能在像差仪超出校正范围或使用不安全时阻止该像差仪的诊断性/治疗性操作。还描述了一种用于校正像差仪的方法。

Description

用于校正波前传感器的设备及相关方法

技术领域

本发明涉及眼睛波前(ophthalmic wavefront)传感领域，并特别涉及用于像差仪校正的设备及相关方法。

背景技术

波前传感器，通常称为像差仪(这个术语在此将互换使用)，是一种测量在光束的光径中畸变的波前与理想的或参考的波前之间差异的设备。所述测量在适当处理时，可以产生光束传播通过的光学系统的各种像差值，这些光学系统使得波前产生畸变。尽管高能激光和天文成像是波前传感前发展的主要动力(其中大气自身是导致像差的光学系统)，近来更多的注意力集中在测量眼睛的像差，以达到改善视觉质量的目的。感兴趣的读者可以参考Geary，JM，Introduction toWavefront Sensors，SPIE Optical Engineering Press(1995)(波前传感器导论，SPIE光学工程出版社(1995))；以及Williams的美国专利5,777,719以获得更多信息。这些参考以可以应用的专利条款和法律所允许的程度而作为参考完整的结合于此。

上述的Williams的专利描述了沙克—哈特曼(Shack-Hartmann)型波前传感仪器，可以用于测量在其它参数之中的高阶眼睛像差。很多商业的像差仪包含微透镜(小型透镜)阵列并以沙克—哈特曼原理工作。其他类型的像差仪包括空间解析的基于Scheiner视力计的屈光度计，以及基于Tscheming原理的该类系统，视网膜检影系统，Tracey技术型的扫描系统，光束跟踪设备，以及其他等等。所有这些像差仪类型在眼睛波前传感领域是公知的，因此对于理解本发明并不需要对这些设备的详细描述。对这些设备的描述，举例来说，可以在2000年9月/10月的J. Refractive Surg.16(5)中找到。

眼睛的波前数据越来越多的用于配置屈光度外科(如PRK，LASIK，以及LASEK)的切除算法，以及用于隐形眼镜的定制成形，IOL，贴膜(onlay)以及其他视觉校正单元。这些应用的成功效果依赖于所获取的像差测量的有效性，而该像差测量的有效性依赖于像差仪的正确的初始校正，以及在像差仪用于获取诊断/治疗的波前像差测量时对其的正确校准。因此，本发明人认识到需要一种方法和设备，以解决这些问题以及其他与波前测量和像差检测操作的精确性和可再现性相关的问题。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种改进的波前传感设备。一个像差仪，不管其工作原理，需要一个光头，一个数据采集、存储和处理系统，以用于检测、测量和显示波前像差数据，并使得电子设备和软件结合起来。根据本发明的改进的总的特征在于位于波前传感器光径中的像差仪校正元件，以及所述校正元件的存档的校正测量，该校正测量精确表示该校正元件所需的测量参数。该校正元件优选地包括特性优良的测试光学部件或眼球模型。用于波前测量校正的该实施例的一种优选方式中，校正元件是具有已知波前像差的眼球模型，并且所需测量参数是用于波前测量校正的Zemike像差系数。在另一种涉及像差仪屈光聚焦校正的方式中，校正元件是具有已知的正的或负的屈光能力的测试光学部件，并且所需的测量参数是屈光度校正或像差仪聚焦校正。这些校正元件可以单独使用或组合起来使用。一个或多个可控的透光元件，如快门或光圈，设置在光径中以选择性的传送到达或来自所述校正元件的光束，从而可以分别获得校正和诊断/治疗测量。除所述校正元件之外，还在像差仪的视网膜照射源和病人眼睛之间设置光强或功率计，以提供安全功能而防止危险的过高(或过低不足)程度的视网膜照射。任何一个或所有的前述元件可以与交互连接的像差仪处理和控制中心协同工作，以在像差仪没有校正或使用不适合或不安全时停止该像差仪的诊断和/或治疗操作。

本发明进一步考虑了操作相关的校正和监视方法。

本发明的这些和其它目标通过下面的详细描述可以变得更容易明白。然而，应该理解，所述的详细描述和特定例子，尽管说明了本发明的优选实施例，但仅仅是作为示例而给出，因为在此处的描述和附图以及所附权利要求书的基础上，在本发明精神和范围内的多种改变和修改对于本领域技术人员是很明显的。

附图说明

图1是一般的沙克—哈特曼像差仪的光学示意图；

图2是根据本发明一个实施例的沙克—哈特曼像差仪的光学示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的沙克—哈特曼像差仪的光学示意图；

图4(a-d)是根据本发明一个实施例的多种校正方式的光学路线图示；

图5是根据本发明一个实施例的另一种校正方式的光学示意图；

图6是根据本发明的示例眼球模型的前表面的光学干涉图的复制图；以及

图7是根据本发明的眼球模型的例子的线条图。

具体实施方式

图1显示了一般的沙克—哈特曼像差仪10的光学图。可以理解，本发明并不限于沙克—哈特曼像差仪，而实际上可以应用于所有像差仪和波前传感方法，并可以经受所述像差仪测量路径中的测试目标以及所存储的校正测量与所述测试光学部件的校正测量之间的对比分析的检验。此处所用的术语“屈光能力”指以屈光度(D)测量的(±)球体散焦(spherical dfocus)，由球形凹透镜或凸透镜或眼睛产生。

以一般文字描述波前传感器操作，病人眼睛正确地与像差仪的测量轴对齐。眼睛的视网膜被光源照射，该光源例如为激光二极管，或者其他适当的相干或半相干光源，并且光束被像差仪中的光学系统聚焦在视网膜上。来自视网膜的反射光束通过眼睛的光学系统并射到探测器上。在沙克—哈特曼系统(这是当前用于诊断性波前测量的主要眼科设备方法)中，反射光束被微透镜阵列聚焦为探测器上的虚像。计算图像的中心并通过图像偏移信息获得波前倾斜数据。该信息被处理并通常用Zemike多项式拟合以输出像差系数测量值。然后这些系数可以用于校正透镜，切除算法，以及其他本领域技术人员公知的眼科应用的设计。

参考图1，像差仪10一般地需要一个光头，一个数据采集、存储和处理系统，以用于检测、测量和显示波前像差数据，并使得电子设备和软件结合起来。所述光头优选的包括：激光二极管照射源12，工作在780nm(本领域公知的其他波长也是合适的)；成像透镜14和分光器16，用于处理来自照射源12的发射和反射光束；微透镜阵列18，用于将反射自眼睛视网膜的光束成像到探测器或传感器20上；与所述传感器结合在一起的波前照相机22，以及用于观察成像点的显示监视器(未示出)；处理系统24包括P.C.和适当的软件，用于计算像差数据、对像差仪元件的指令和控制、数据传输和使用波前信息的各种计算；以及用于辅助眼睛定位的共轴调整照相机26。固定目标28通常辅助病人眼睛50的对准和测量。优选地，该固定目标由发射绿光的LED从背后照亮，因为绿光比红光提供更好的适应性。波前传感设备10包括U型导光系统(optical trombone system)30用于补偿病人眼睛引入的屈光折射(散焦)。换句话说，所述U型导光系统(或本领域公知的替换的光学聚焦系统)用于补偿通常的眼睛近视和远视，并锐化探测器上形成的图像点的聚焦，产生更精确的波前测量。感兴趣的读者可以参考国际公开WO 01/28408以获得所述U型导光系统的详细描述。以可适用的专利条款和法律所允许的程度该公开通过参考而完整结合于此。

根据图2所示的本发明的一个实施例，改进的波前传感器10′包括定位于光学测量路径40中的波前校正测试透镜32(下面将详细描述)。优选地，测试透镜32精密制造并具有精确特性而作为校正元件。反射表面或介质33优选地设置在所述测试透镜32的后表面，以模拟视网膜的漫散射。表面33的位置不一定与所述测试透镜表面结合在一起或紧紧相邻，而可以如本领域技术人员所希望的那样位于适当的位置。在如图7所示并在下面描述的一种测试光学部件是眼球模型的方式中，反射表面33位于离开眼球模型前表面72一定距离处，以模拟人眼中的距离。在一种优选方式中，可控的透光元件(LTE)34，例如(但不限于)机械、电子或光学控制的快门或光圈34，位于沿光轴40的照射源12和测试光学部件32之间。该LTE 34打开以允许来自光源12的光束传播经过测试透镜32以进行校正，否则就关闭。该LTE定向为相对于光轴40有一个很小的角度，从而从该LTE表面反射的任何光束不会传播回探测器20和/或波前照相机22。另外，类似于LTE 34的可选择的LTE 36设置在光源12和眼睛50之间，以在诊断性或治疗性波前测量期间允许光束传播到达眼睛，并在校正测量期间阻断到达眼睛的光束。

在该实施例的一种优选方式中，如图7所示测试光学部件32是眼球模型。该眼球模型32是单块的平凸的光学部件，其中，根据待模拟的像差，该凸出(前部)表面72可以为球面、轴对称非球面或非轴对称非球面。眼球模型32的凸的和平的表面均可以通过传统的制造技术形成，包括研磨和抛光，金刚石切削，激光加工，蚀刻，模塑等等。所述眼球模型的材料可以是对所用的照射波长透明的任何光学材料，包括玻璃(如BK7)，塑料(如PMMA)，晶体，以及多晶材料(如ZnS)。在一个示例的实施例中，眼球模型32为金刚石切削的PMMA平凸柱面。轴长d为23.647mm，外径为12.7mm。对凸表面的指定如下：

顶点半径，R＝7.8mm；

圆锥常数，k＝0；

Zemike第11项系数，Z330＝0.008652619mm；

正交半径，NR＝4mm；

表面垂度方程：

Z＝(x^2/R)/[1+sqrt(1-(1+k)*(x/R)^2]+Z330*(x/NR)^3*cos(3q)

其中x为以毫米为单位的径向坐标，q为以度或弧度为单位的方位角坐标。眼球模型32在波长780nm下孔径为5.7mm时显现1.89微米的三叶形图案。眼球模型前表面的干涉图77，78显示在图6中。

在图3中示意性地示出的另一个实施例中，校正元件优选为正的球面透镜44或负的球面透镜46，通过转台组件、V形凹槽或其它公知的插入/支撑装置沿光轴40设置。所需的校正参数是所述U型导光系统30的屈光聚焦设置。透镜44(46)具有已知的优选为±10D范围内的屈光聚焦能力。当透镜44位于如图所示的系统中的位置时，U型导光系统30被调整以补偿透镜的特定屈光能力。初始校正聚焦设置存储在像差仪的处理中心24的存储介质中。在以后的某个时间，测试透镜44(46)可以再次精确定位于像差仪的测量路径中，并且U型导光系统的聚焦设置可以与所存储的测量数据进行比较。如果像差仪在合适的聚焦校正范围内，优选地在大约±0.25D之内，那么像差仪的聚焦能力被校正；否则，建议进行重新校正。在像差仪的控制系统24中可以采用安全互锁系统，以在像差仪并不处于校正范围内时阻止该像差仪的诊断性/治疗性操作。

在一种优选的方式中，波前校正元件32和聚焦校正元件44(46)均可以用于像差仪的校正。图4(a-d)显示了根据本发明的四种校正测量情况。图4a显示了诊断性/治疗性的眼睛测量方式，其中波前校正透镜32固定地定位于光轴40上，然而快门34关闭，从而阻断光束传播到测试光学部件。来自激光器12的光束从分光器16反射到眼睛50中，以进行眼睛的波前测量。在图4b中，快门36关闭以阻断光束传播到眼睛中，而快门34打开以将光束从光源12传播到波前校正透镜32。所测量的像差与先前获得并存储的波前校正数据作比较，从而像差仪校正被检验。图4c显示了具有负屈光能力的透镜46，与波前校正透镜32一起位于光轴40上。同样的，在图4d中，正透镜44位于校正测量位置，同时快门34打开，快门36关闭。所存储的U型导光系统位置和通过4c或4d的系统获得的测量之间的比较测量提供了对像差仪的聚焦校正。

在根据图5的另一个实施例中，视网膜照射度测量设备66设置在光径64上，与光源12成一直线。优选地，照射源为发射780nm光束的激光器，并且测量设备66是激光功率计。为了连续监视激光功率，功率计66固定定位于由分光器16′提供的光束路径64上。分光器16′的合适的透射/反射比由可用的激光功率决定。处理器24中的像差仪控制软件被编程，举例来说可以编程为在激光射入眼睛50之前立即自动对其进行脉冲调节，眼睛50由可控的快门36保护。如果测量到的功率过高(或过低)，像差仪的互锁系统可以警告操作者或撤销像差仪操作直到所有问题解决。本发明的这种方式优选的为此处所参考的其他校正测量的附加功能。

根据本发明另一个实施例，用于校正像差仪的方法包括以下步骤：具有已知特性的测试元件设置在设备的测量路径上，所述特性例如为(但不限于)，波前畸变和/或屈光能力。使用所述测试元件进行像差仪的初始校正，以提供所需性质的精确测量校正数据。该测量校正数据存储在设备的存储介质中，如P.C.。然后在选定时间进行该测试元件的测试测量。这应该在每次诊断性波前测量之前，以预设的时间间隔或者手动进行。然后所述测试测量与所存储的校正测量数据进行比较，从而当比较结果落入预定的校正容差范围内时波前传感器的校正得到验证。例如，如果需要在±.25个波(wave)以内测量各个Zemike系数，那么校正容差应被设为大约±.1个波。U型导光聚焦系统的聚焦容差范围优选的大约为±0.25D。如果没有得到验证，波前传感器可以通过适当人员重新校正。

示例性地，波前校正测量优选地包括步骤：从测试光学部件获取一组初始的已知为精确的波前数据，计算所测量的像差的Zernike系数并在设备的存储介质/区域中存储所述Zernike系数，在其后一定时间，从所述测试光学部件获取另一组波前数据并再次计算相关的Zernike系数，并比较这两组系数数据以验证像差仪校正。其他的校正步骤和校正容差很明显地可以根据特定应用所需而而选用，但均在本发明范围之内。

尽管选择了多种有益的实施例来说明本发明，但本领域技术人员可以理解，其中可以做各种变更和修改而不背离所附权利要求书定义的本发明的范围。

Claims (24)

1、一种用于测量眼睛像差的改进波前传感器设备，所述波前传感器包括光头，数据采集、存储和处理系统，并连接一体化的电子设备，从而通过反射自眼睛视网膜的光束探测、测量和显示眼睛像差信息，

该改进的特征在于：

与波前传感器协同工作的波前传感器校正元件；以及

精确表示所述校正元件的所需测量参数的存档的校正测量数据。

2、根据权利要求1的设备，其中校正元件为具有所需测量参数的测试光学部件。

3、根据权利要求1的设备，其中校正元件包括具有所需测量参数的测试光学元件；还包括至少一个装置，用于向所述测试光学部件可控地传送光束。

4、根据权利要求3的设备，包括用于控制传送到被测试眼睛的光束的另一装置。

5、根据权利要求3的设备，其中光束传送装置以这样一种方式相对于所述设备的光轴定向，即，使得反射自该光束传送装置的光束不会沿所述设备的光轴而传播。

6、根据权利要求3的设备，其中至少一个光束传送装置与所述设备的数据采集、存储和处理系统协同工作。

7、根据权利要求1的设备，其进一步包括互锁提供元件，该元件在所述设备超出预定校正范围时阻止像差仪的诊断性/治疗性操作。

8、根据权利要求1的设备，其中所述波前传感器设备为沙克-哈特曼型波前传感器。

9、根据权利要求1的设备，其中波前传感器设备为Tscherning像差仪。

10、根据权利要求1的设备，其中波前传感器设备为光束跟踪像差仪。

11、根据权利要求1的设备，其中波前传感器设备为视网膜检影像差仪。

12、根据权利要求1的设备，其进一步包括与所述校正元件关联的用于模拟眼睛视网膜的光散射的散射介质。

13、根据权利要求2的设备，其中所需的测量参数为已知的波前畸变和已知的光功率中的至少一个。

14、根据权利要求1的设备，其中校正元件包括像差仪的光径上的第一元件，用于提供波前校正测量，以及在所述第一元件和波前传感器元件之间的第二元件，用于提供屈光能力校正测量。

15、根据权利要求14的设备，其中第二元件包括具有在大约±10D范围内的屈光能力的光学元件。

16、根据权利要求14的设备，其中所述第二元件可以选择性地位于光径之内或之外。

17、根据权利要求1的设备，其进一步包括设置在视网膜照射源和眼睛之间的视网膜照射度测量设备。

18、根据权利要求17的设备，其中视网膜照射源为部分相干或相干发光源中的至少一个。

19、一种用于校正像差仪的方法，包括：

在所述像差仪的光径上设置具有已知测量参数的测试元件；

使用所述像差仪进行所述已知测量参数的初始测量，获得像差仪校正数据；

在像差仪的存储介质中存储该校正数据；

在选定时间进行测试元件的测试测量；

比较所述测试测量和所存储的校正数据；以及

验证所述像差仪的校正是否在预定的校正范围内。

20、根据权利要求19的方法，其中已知测量参数为波前畸变。

21、根据权利要求19的方法，其中已知测量参数为屈光能力。

22、根据权利要求19的方法，其中定位测试元件包括在像差仪光径上定位第一元件，该第一元件提供波前校正测量，以及在所述第一元件和波前传感器元件之间定位第二元件，该第二元件提供屈光能力校正测量。

23、根据权利要求19的方法，进一步包括如果所述像差仪超出预设的校正范围则重新校正该像差仪。

24、根据权利要求19的方法，其中在选定时间进行测试测量包括对所述波前传感设备编程以使其以设定的时间频率或事件自动进行所述测试测量。

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