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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen der optischen Qualität
eines Auges. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein
Verfahren und eine Vorrichtung, die Brechfehler eines Auges auf
der Basis einer Wellenfrontmessung messen.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Wie
wohlbekannt ist, ist ein Refractor eine optische Vorrichtung, mit
der Brechfehler eines Auges gemessen werden. Insbesondere ist ein Wavefront-Refractor
ein Refractor auf der Basis von Wellenfrontmessung, und wie weiterhin
wohlbekannt ist, kann zum Konstruieren eines derartigen Wavefront-Refractors
ein Hartmann-Shack-Wellenfrontsensor
verwendet werden.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Wavefront-Refractors 200 nach dem Stand
der Technik. Wie in 2 gezeigt umfaßt der Wavefront-Refractor 200 eine
Sondenstrahlbaugruppe 10, einen polarisierenden Strahlteiler 20,
eine Übertragungsoptikbaugruppe 40 und
eine Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50'. Wie in 2 gezeigt
umfaßt
die Sondenstrahlbaugruppe 10 eine nicht gezeigte Strahlungsquelle,
die einen Strahlungsstrahl 11 ausgibt, wobei der Strahlungsstrahl 11 (nach
Umlenkung durch einen Drehreflektor 12) als Eingabe an
den polarisierten Strahlteiler 20 angelegt wird. Der Strahlungsstrahl 11 umfaßt in der
Regel Strahlung, die von einem Patienten nicht detektiert wird,
wie etwa Infrarot- oder Nahinfrarotstrahlung. Die Quelle des Strahlungsstrahls 11 kann
eine Superlumineszenzdiode oder ein Laser sein. Der von dem polarisierenden Strahlteiler 20 ausgegebene
Strahlungsstrahl wird so gelenkt, daß er auf das Auge 30 auftrifft,
um auf einer Retina 31 einen Beleuchtungsfleck 32 auszubilden.
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Wie
in 2 gezeigt, tritt von dem Beleuchtungsfleck 32 gestreute
Strahlung durch die Augenoptik (einschließlich Augenlinse 34 und
Hornhaut 35) durch und tritt als ausgehender Strahl 33 aus.
Die Wellenfront des ausgehenden Strahls 33 trägt die optische
Qualität
der Augenoptik direkt betreffende Aberrationsinformationen. Beispielsweise
ist für
ein perfektes emmetropisches Auge ohne Aberrationsfehler die Wellenfront
des abgehenden Strahls 33 eine flache Ebene; für ein myopisches
oder hyperopisches Auge weist die Wellenfront des abgehenden Strahls 33 die
Gestalt einer Kugeloberfläche
auf, und für
ein Auge mit Aberrationen hoher Ordnung ist die Wellenfront des
abgehenden Strahls 33 unregelmäßig verzerrt.
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Wie
in 2 gezeigt, überträgt die Übertragungsoptikbaugruppe 40 die
Wellenfront des abgehenden Strahls 33 von der Austrittspupillenebene
P des Auges 30 zu der in der konjugierten Ebene P' angeordneten Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50'. Wie weiter
in 2 gezeigt, umfaßt die Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50' des Wavefront-Refractors 200 nach
dem Stand der Technik ein Lenslet-Array 51 und eine CCD-Kamera 53. Die
zum Herstellen einer Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50' verwendeten
Prinzipien und Designparameter sind in der Technik wohlbekannt.
Gemäß dem Design
nach dem Stand der Technik befindet sich die CCD-Kamera 53 in
der Brennebene der Lenslet-Elemente des Lenslet-Arrays 51,
und die Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50' nach dem Stand der Technik detektiert
die Wellenfront des abgehenden Strahls 33, wenn das Lenslet-Array 51 die Wellenfront
des abgehenden Strahls 33 in Subaperturen der Lenslets
unterteilt. Jedes Lenslet bildet einen Brennfleck wie etwa einen
Brennfleck 52 auf der CCD-Kamera 53, und wie wohlbekannt
ist trägt
das Muster aus Brennflecken die Signatur der Wellenfront des zu
messenden Strahls.
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Gemäß diesem
Design nach dem Stand der Technik wird die Ausgabe von der CCD-Kamera 53 als
Eingabe an einen Analysierer 60, beispielsweise einen PC,
angelegt. Der Analysierer 60 bestimmt dann die x-, y-,
z-Position eines Schwerpunkts jedes der Brennflecken gemäß einem
beliebigen einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt
sind. Als nächstes
bestimmt der Analysierer 60 die Steigung jedes Strahlsegments
unter Verwendung der Koordinaten der Schwerpunkte, um die Steigung
eines Abschnitts des Strahls zu bestimmen, der durch jedes der Elemente
des Lenslet-Arrays 50 hindurchtritt. Als nächstes verwendet
der Analysierer 60 ein beliebiges einer Reihe von Verfahren,
die dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt sind, um anhand der Steigungen
der Strahlsegmente die Wellenfront des Strahls 33 in der
Ebene P' zu rekonstruieren.
Beispielsweise paßt
bei einer derartigen Ausführungsform
der Analysierer 60 die Steigungen der Strahlsegmente an
eine Menge von Zernike-Polynome an, um die Wellenfront des Strahls 33 in
der Ebene P' gemäß der Lehre
eines Artikels mit dem Titel "Objective
measurement of wave aberrations of the human eye with the use of
a Hartmann-Shack wave-front sensor" von J. Liang et al., J. Opt. Soc. Am.
A, Bd. 11, Nr. 7, Juli 1994, S. 1949–1957 und eines Artikels mit
dem Titel "Aberrations
and retinal image quality of the normal human eye" von J. Liang et
al., J. Opt. Soc. Am. A, Bd. 14, Nr. 11, November 1997, S. 2873–2883 (die "Liang-Artikel") zu rekonstruieren.
Die Wellenfront des abgehenden Strahls 33 wird dann in
der Ebene P über
einen durch die Übertragungsoptikbaugruppe 40 bestimmten
Skalierungsfaktor rekonstruiert. Eine Besprechung des Hartmann-Shack-Wellenfrontsensors und
eine Wellenfrontrekonstruktion findet man in dem US-Patent Nr. 5,777,719.
Die Brechfehler des Auges schließlich werden durch den Analysierer 60 gemäß einem
beliebigen einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind, unter Verwendung der rekonstruierten Wellenfront
berechnet.
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Beispielsweise
ist ein derartiges Verfahren aus einer Publikation von Frey et al.
am 3. Juni 1999, WO 99/27334 mit dem Titel "Objective Measurement and Correction
of Optical Systems Using Wavefront Analysis" bekannt, wobei Verzerrungen der Wellenfront
als ein Schätzwert
der Aberrationen genommen werden. Ein Algorithmus zum Einsatz im
Analysierer 60, beispielsweise ein Computeralgorithmus,
ist kommerziell beispielsweise von der Firma Adaptive Optics Associates
in Cambridge, Massachusetts, USA, erhältlich.
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Eine
umfassende Messung der Brechfehler der Augenoptik, bereitgestellt
durch den Wavefront-Refractor 200 nach dem Stand der Technik,
enthalten Aberrationen hoher Ordnung. Eine derartige umfassende
Messung der Brechfehler kann verwendet werden, um Laserchirurgie
zu führen,
um die Brechfehler des Auges zu korrigieren. Vorteilhafterweise
kann ein Wavefront-Refractor eine genauere Messung der Brechfehler
eines Auges als ein herkömmlicher
Autorefraktor liefern. Folglich kann ein Wavefront-Refractor schließlich verwendet
werden, um Rezepte für
Brillengläser
und Kontaktlinsen zu liefern.
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Es
kommt jedoch zu mehreren Problemen bei der Verwendung des Wavefront-Refractors 200 nach
dem Stand der Technik, der die Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 200 enthält. Zu einem
ersten Problem kommt es, weil Brechfehler eines menschlichen Auges
erheblich sein können
und infolgedessen eine Wellenfrontverzerrung signifikant sein kann.
Für den
Fall einer von einem emmetropischen Auge produzierten planaren Wellenfront
bilden Brennflecke 52 ein Gittermuster auf der CCD-Kamera 53,
das mit dem des Lenslet-Arrays 51 identisch ist. Für einen
Fall jedoch, wo die Wellenfrontverzerrung signifikant ist, ist das
Gittermuster aus Brennflecken 52 möglicherweise stark verzerrt.
Dies führt
zu einer Notwendigkeit für
einen Algorithmus (zum Analysieren des Gittermusters aus Brennflecken
verwendet), um jeden Brennfleck mit dem zum Ausbilden des Brennflecks
verwendeten jeweiligen Lenslet zu assoziieren.
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Zu
einem zweiten Problem kommt es, weil eine Verzerrung des Gittermusters
aus Brennflecken aus einer anderen Quelle als dem Brechfehler des Auges
herrühren
kann. Insbesondere kann die Intensitätsverteilung des abgehenden
Strahls aufgrund einer Reihe von Effekten signifikant über die
Austrittspupille hinweg variieren, beispielsweise einschließlich der
streuenden Natur des Sondenstrahls von der Retina. In einem derartigen
Fall kann der Schwerpunkt einiger Brennflecken (hier als "schlechte" Flecken bezeichnet)
von ihren Hauptstrahlen wegverschoben werden – zu einer derartigen Verschiebung kommt
es immer dann, wenn die Intensitätsverteilung über ein
Lenslet hinweg eine starke Steigung aufweist. Dies verursacht eine
Notwendigkeit für
einen (zum Analysieren des Gittermusters aus Brennflecken verwendeten)
Algorithmus, um diese verschobenen oder "schlechten" Flecken zurückzuweisen.
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Zu
einem dritten Problem kommt es, weil unerwünschte Spurenstrahlen, d.h.
beispielsweise von Optikelementen und/oder dem Auge reflektierte Strahlen,
nicht immer beseitigt werden können.
In solch einem Fall können
in dem Gittermuster aus Brennflecken "Geister"-Brennflecken erscheinen. Dies verursacht
eine Notwendigkeit für
einen (zum Analysieren des Gittermusters aus Brennflecken verwendeten)
Algorithmus, um diese Geisterflecken zu identifizieren.
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Aus
dem US-Patent Nr. 5,629,765 (das Patent '765) ist eine Fleckenabstimmungstechnik
bekannt, die eine CCD-Kamera
in Längsrichtung
bewegt und Bilder an mehreren verschiedenen Positionen aufzeichnet.
Die Bilder werden dann analysiert, und die Verschiebung jedes Brennfleckes
wird in Richtung eines Lenslet verfolgt. Durch Abstimmen jedes Brennflecks
auf ein Lenslet kann die mittlere Neigung des Teststrahls bestimmt
werden, und die Subapertur jedes Lenslet kann auf die CCD-Kamera wieder ausgerichtet
werden. Diese Technik ermöglicht eine
präzise
und zuverlässige
Messung eines Teststrahls mit großer Gesamtneigung bezüglich einer
Instrumentenachse. Dies löst
jedoch keines der oben identifizierten Probleme bezüglich einer
Messung von Brechfehlern eines Auges. Zusätzlich dazu ist die Kamerabewegung
in der Regel viel langsamer als die Augenbewegung. Infolgedessen
liefert eine bewegliche Kamera keine praktische Lösung für die Probleme,
die beim Messen von Brechfehlern eines Auges auftreten.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden den oben identifizierten Problemen
in der Technik vorteilhafterweise gerecht und stellen ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Messen von Brechfehlern eines Auges bereit.
Vorteilhafterweise ermöglichen
gemäß der vorliegenden
Erfindung Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung: (a) Messung eines Auges mit großen Brechfehlern;
(b) Messung eines Teststrahls mit großer Wellenfrontverzerrung;
(c) Zurückweisung
von "schlechten" Flecken und "Geisterflecken" und (d) zuverlässige Messung, die
frei von Augenbewegung ist.
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Spezifisch
ist eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Wavefront-Refractor, der folgendes
umfaßt:
(a) eine Übertragungsoptik,
die dafür ausgelegt
ist, eine Wellenfront eines aus einem Auge austretenden Strahls
aus einer Hornhautebene in eine konjugierte Ebene zu übertragen;
(b) ein in der konjugierten Ebene angeordnetes Lenslet-Array zum Abfangen
des übertragenen
Strahls; (c) einen hinter dem Lenslet-Array angeordneten Strahlteiler zum Aufteilen
von von dem Lenslet-Array durchgelassener Strahlung in erste Strahlung
und zweite Strahlung; (d) eine erste Kamera, die so angeordnet ist, daß sie die
erste Strahlung in einer Entfernung von dem Lenslet-Array empfängt, die kürzer ist
als eine Brennweite eines Lenslet und (e) eine zweite Kamera, die
so angeordnet ist, daß sie
die zweite Strahlung in einer Entfernung von dem Lenslet-Array empfängt, die
länger
ist als eine Brennweite des Lenslet.
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Kurze Beschreibung
der Figur
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Wavefront-Refractors, der gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wird;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Wavefront-Refractor nach dem Stand der Technik;
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3 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie gepaarte Brennflecke
in einer optischen Konfiguration aufgezeichnet werden, die zu der
in 1 gezeigten äquivalent
ist;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie eine Verlängerungslinie
gepaarter Brennflecke verwendet werden kann, um ein Lenslet zu identifizieren,
das die gepaarten Brennflecken bildete;
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie eine Verlängerungslinie
gepaarter Brennflecke verwendet werden kann, um "schlechte" Brennflecke zu identifizieren;
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6 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie eine Verlängerungslinie
gepaarter Brennflecke verwendet werden kann, um "Geisterflecke" zu identifizieren, d.h., von unerwünschten
Spurstrahlen erzeugte Flecke;
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7 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, daß mit Hilfe eines Hartmann-Shack-Bilds,
das mit einer CCD-Kamera aufgenommen wird, die sich näher an einem
Lenslet-Array befindet als eine zweite CCD-Kamera, eine bessere
Messung einer konvergierenden Wellenfront erhalten werden kann,
und
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8 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, daß mit Hilfe eines Hartmann-Shack-Bilds,
das mit einer zweiten CCD-Kamera aufgenommen wird, die sich weiter weg
von einem Lenslet-Array befindet als eine erste CCD-Kamera, eine
bessere Messung einer konvergierenden Wellenfront erhalten werden
kann.
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Ausführliche
Beschreibung
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Wavefront-Refractors 100, der gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung hergestellt wird. Wie in 1 gezeigt,
umfaßt
der Wavefront-Refractor 100 eine Sondenstrahlbaugruppe 10,
einen polarisierenden Strahlteiler 20, eine Übertragungsoptikbaugruppe 40 und
eine Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50.
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Wie
in 1 gezeigt, umfaßt die Sondenstrahlbaugruppe 10 eine
nicht gezeigte Strahlungsquelle, die einen Strahlungsstrahl 11 ausgibt,
wobei der Strahlungsstrahl 11 (nach Umlenkung durch einen
Drehreflektor 12) als Eingabe an den polarisierenden Strahlteiler 20 angelegt
wird. Der Strahlungsstrahl 11 umfaßt in der Regel Strahlen, die
von einem Patienten nicht detektiert wird, wie etwa beispielsweise
und ohne Beschränkung
Infrarot- oder Nahinfrarotstrahlung. Es ist wünschenswert, zum Herstellen der
Strahlungsquelle eine Superlumineszenzdiode aufgrund ihrer hohen
Helligkeit und kurzen Kohärenzlänge einzusetzen.
Eine erwünschte
Wellenlänge der
Superlumineszenzdiode liegt in den Nahinfrarotspektralbereich. Andere
Strahlungsquellen können jedoch
verwendet werden, wie etwa beispielsweise und ohne Beschränkung ein
Laser oder eine Leuchtdiode.
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Der
von dem polarisierenden Strahlteiler 20 ausgegebene Strahlungsstrahl
ist linear polarisierte Strahlung (der polarisierende Strahlteiler 20 kann
gemäß einer
Reihe von Verfahren hergestellt werden, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind), die so gelenkt wird, daß sie so gelenkt wird, daß sie auf
dem Auge 30 auftrifft und einen Beleuchtungsfleck 32 auf
der Retina 31 bildet. In der Regel weist der Beleuchtungsfleck 32 eine
Fleckgröße von etwa einigen
wenigen Hunderten Mikrometern auf.
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Wie
in 1 gezeigt tritt von dem Beleuchtungsfleck 32 gestreute
Strahlung durch die Augenoptik (einschließlich Augenlinse 34 und
Hornhaut 35) hindurch und tritt als abgehender Strahl 33 aus.
Die Wellenfront des abgehenden Strahls 33 trägt die optische
Qualität
der Augenoptik direkt betreffende Aberrationsinformationen. Beispielsweise
ist für
ein perfektes emmetropisches Auge ohne Aberrationsfehler die Wellenfront
des abgehenden Strahls 33 eine flache Ebene. Bei einem
myopischen oder hyperopischen Auge jedoch weist die Wellenfront
des abgehenden Strahls 33 die Gestalt einer Kugeloberfläche auf.
Für ein
Auge mit Aberrationen hoher Ordnung ist die Wellenfront des abgehenden
Strahls 33 unregelmäßig verzerrt.
Der erfindungsgemäße Wavefront-Refractor 100 mißt das Wellenfrontprofil des
abgehenden Strahls 33, um die Gesamtbrechfehler der Augenoptik
zu bestimmen.
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Der
polarisierende Strahlteiler 20 läßt nur einen Teil des entpolarisierenden
abgehenden Strahls 33 durch (d.h., vorteilhafterweise weist
der polarisierende Strahlteiler 20 Reflexionen von unter
anderem der Augenlinse 34, der Hornhaut 35 und
der Retina 31 zurück).
Wie in 1 gezeigt, umfaßt die Übertragungsoptikbaugruppe 40 ein
Linsensystem 41 und ein Linsensystem 42 (obwohl
Linsensystem 41 und Linsensystem 42 jeweils als
eine einzelne Linse gezeigt sind, versteht der Durchschnittsfachmann
ohne weiteres, daß jedes
des Linsensystems 41 und 42 eine oder mehrere
Linsen umfassen kann). Die Übertragungsoptikbaugruppe 40 überträgt die Wellenfront des
abgehenden Strahls 33 von der Pupillenebene P des Auges 30 in
eine konjugierte Ebene P'.
Bevorzugt weist die Übertragungsoptikbaugruppe 40 in
einer konfokalen Konfiguration installierte Linsensysteme 41 und 42 auf.
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Wie
weiter in 1 gezeigt, umfaßt die Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50 ein
Lenslet-Array 51, einen Strahlteiler 54, eine
erste CCD-Kamera 55 und eine zweite CCD-Kamera 58.
Es ist erwünscht, daß das Lenslet-Array 51 eine
Subapertur in der Größenordnung
von 1 mm und eine Brennweite in der Größenordnung von 10 mm aufweist.
Ein derartiges Lenslet-Array 51 ist kommerziell beispielsweise
von der Firma Adaptive Optics Associates in Cambridge, Massachusetts,
USA, erhältlich.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind zwei CCD-Kameras 55 und 58 beide
in dem Nahinfrarotspektralbereich empfindlich und können gleichzeitig
zwei Mengen von Brennfleckmustern aufzeichnen. Gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Strahlteiler 54 ein
breitbandiger Strahlteiler mit einer Flächenabmessung von etwa 20 mm
im Quadrat. Bei einer derartigen Ausführungsform ist der Strahlteiler 54 ein
nicht polarisationsabhängiger
Strahlteiler. Gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeichnen die CCD-Kamera 55 und 58 Bilder
als Reaktion auf ein Signal von dem Analysierer 75 auf. Zudem
kann der Analysierer 75 ein Signal an eine Sonde 10 senden,
die Operation des Wavefront-Refractors 100 gemäß einem
einer Reihe von Verfahren zu synchronisieren, die dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt
sind.
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Gemäß der Operation
des Strahlteilers 54 weist jeder von der ersten CCD-Kamera 55 aufgezeichnete
Brennfleck 59 einen Zwillings- oder gepaarten Fleck 59' auf, der von
der zweiten CCD-Kamera 58 aufgezeichnet wird. Gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die CCD-Kameras 55 und 58 in
unterschiedlichen Abständen
von dem Lenslet-Array 51 angeordnet. Infolgedessen sind
das Gittermuster aus Brennflecken 59 und das Gittermuster
aus Brennflecken 59' verschieden.
Bei einer derartigen Ausführungsform
beträgt der Unterschied
zwischen den Abständen
der CCD-Kameras 55 und 58 von dem Lenslet-Array 51 etwa
einen Bruchteil einer Brennweite eines Lenslet.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie gepaarte Brennflecke
in einer optischen Konfiguration aufgezeichnet werden, die der in 1 gezeigten äquivalent
ist. Die gestrichelte Linie zeigt die äquivalente Position der CCD-Kamera 55 relativ
zum Lenslet-Array 51. In 3 bezeichnet
F die Brennebene des Lenslet-Array 51, F1 die Sensoroberfläche der
ersten CCD-Kamera 55 und F2 die Sensoroberfläche der
zweiten CCD-Kamera 58. Gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Abstand zwischen F1 und F2 auf
etwa 10% der Brennweite F des Lenslet-Array 51 eingestellt
werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann
mindestens eine der CCD-Kameras 55 und 58 bewegbar
sein, um die Differenz zwischen ihrem Abstand zum Lenslet-Array 51 zu
variieren (es gibt viele Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann
bekannt sind, um eine CCD-Kamera beispielsweise und ohne Beschränkung durch
vom Analysierer 75 gesendete Signale zu bewegen). Dem Durchschnittsfachmann sollte
klar sein, daß das
mit der ersten CCD-Kamera 55 aufgezeichnete Brennfleckmuster ähnlich dem
mit der zweiten CCD-Kamera 58 aufgezeichneten ist, wobei
die genauen Positionen jedes von gepaarten Brennflecken 59 und 59' in den beiden
Bildern verschieden sein werden.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie eine Verlängerungslinie
gepaarter Brennflecke verwendet werden kann, um ein Lenslet zu identifizieren,
das die gepaarten Brennflecken bildete. Gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bestimmt, nachdem Brennfleckmuster mit
der ersten CCD-Kamera 55 und
der zweiten CCD-Kamera 58 aufgezeichnet sind, ein Algorithmus im
Analysierer 75 die Schwerpunktpositionen jedes Brennflecks
gemäß einem
beliebigen einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt
sind. Ein weiterer Algorithmus im Analysierer 75 paart
Brennflecke 62 und 62' von einem auf den CCD-Kameras 55 bzw. 58 aufgezeichneten
Gittermuster und bildet eine gerade Linie (Verlängerungslinie 61),
die durch die Flecken hindurchgeht, gemäß einem beliebigen einer Reihe
von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt sind. Da
die beiden Mengen von Brennfleckmuster einander ähnlich sind, werden gepaarte
Brennflecke in den beiden Brennfleckmustern eine ähnliche
Relativposition aufweisen und werden im allgemeinen die nächsten Flecke
zueinander sein, wenn die beiden Fleckmuster überlagert werden. Der Analysierer 75 verwendet
diese Tatsache, um Brennflecke unter Verwendung eines beliebigen
einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt
sind, zu paaren. Der Analysierer 75 bestimmt dann den Schnittpunkt
von Verlängerungslinie 61 und
Lenslet-Array 51 gemäß einem
beliebigen einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind, und bestimmt den Abstand zwischen diesem Schnittpunkt
und der Mitte des Lenslet gemäß einem
beliebigen einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind. Die Mitte der Lenslet im Lenslet-Array werden
entweder vorbestimmt oder durch eine Kalibrierungsprozedur bestimmt
und in den Analysierer 75 eingegeben.
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Wenn
Brennflecke 62 und 62' durch einen Strahl ausgebildet
würden,
der beispielsweise über Lenslet 63 hinweg
gleichförmig
wäre, dann
sollte die (aus gepaarten Brennflecken 62 und 62' gebildete) Verlängerungslinie 61 durch
die Mitte des Lenslet 63 hindurchgehen. Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann in die Analyseroutine des Analysierers 75 eine
Toleranz voreingestellt werden (oder von einem Benutzer als Reaktion
auf eine Anforderung zur Eingabe vom Analysierer 75 eingegeben
werden). Dann können
Brennflecke 62 und 62' als gute Flecke identifiziert
werden und können
mit dem Lenslet 63 innerhalb der Analyseroutinen des Analysierers 75 assoziiert
werden, wenn die Verlängerungslinie 61 um
weniger als die voreingestellte Toleranz von der Mitte des assoziierten
Lenslet 63 abweicht. Vorteilhafterweise kann gemäß dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung diese Assoziation auch dann zuverlässig erzielt
werden, obwohl aufgezeichnete Brennfleckmuster eine signifikante
Verzerrung aufweisen können.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie eine aus gepaarten Brennflecken 72 und 72' ausgebildete
Verlängerungslinie 71 dazu
verwendet werden kann, um zu identifizieren, daß die Brennflecke 72 und 72' "schlecht" sind. Immer wenn die
Intensitätsverteilung über das
Lenslet 73 hinweg signifikant variiert, liegt der Schwerpunkt
jedes Brennflecks 72 oder 72' möglicherweise nicht auf: dem
Hauptstrahl, der durch die Mitte des Lenslet 73 und den
Brennpunkt des auf dem Lenslet 73 auftreffenden Strahls
hindurchläuft.
In diesem Fall wird die aus gepaarten Brennflecken 72 und 72' ausgebildete Verlängerungslinie 71 von
der Mitte des assoziierten Lenslet 73 abweichen. Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann in den Analyseroutinen des Analysierers 75 eine
Toleranz voreingestellt werden (oder von einem Benutzer als Reaktion
auf eine Anforderung zur Eingabe vom Analysierer 75 eingegeben
werden), und Brennflecken 72 und 72' können als "schlechte" Flecken identifiziert werden, wenn
die Abweichung größer ist
als die voreingestellte Toleranz.
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6 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, wie eine aus gepaarten Brennflecken 84 und 84' ausgebildete
Verlängerungslinie 82 und
eine aus gepaarten Brennflecken 85 und 85' ausgebildete Verlängerungslinie 81 dazu
verwendet werden können, "Geisterflecken" zu identifizieren,
d.h. durch unerwünschte
Spurstrahlen erzeugte Flecke. Immer wenn irgendein unerwünschter
Strahl, der beispielsweise aufgrund von Reflexion von einer Optik
entsteht oder das betreffende Auge in die Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50 eintritt,
bildet der unerwünschte
Strahl Geisterflecken. In diesem Fall können zwei Verlängerungslinien 81 und 82 mit
einem einzelnen Lenslet 83 assoziiert werden; wobei eine
Verlängerungslinie
aus einem Paar guter Brennflecke und eine andere Verlängerungslinie
aus einem Paar von Geisterflecken ausgebildet wird. Die Geisterflecken,
beispielsweise Brennflecken 84 und 84', sollten vom
Computeralgorithmus von der weiteren Verarbeitung zurückgewiesen
werden. Es wird erwartet, daß,
wie zwischen einem "guten" Fleck und einem "Geisterfleck", der "Geisterfleck" hinsichtlich Helligkeit
und/oder Position weiter von dem regulären Brennfleckmuster abweichen
wird als der "gute" Fleck. Diese Abweichung
(beispielsweise und ohne Beschränkung
hinsichtlich Helligkeit und/oder Position) kann gemäß einem
einer Reihe von Verfahren berechnet werden, die dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt
sind. Wenn die Abweichung eines der Flecken hinsichtlich Helligkeit
und/oder Position ein vorbestimmtes Ausmaß übersteigt, kann er als ein "Geisterfleck" zurückgewiesen
werden. Es kann jedoch unklare Fälle
geben, wo ein Fleck möglicherweise
eines der Kriterien übersteigt,
aber nicht ein anderes, falls zwei verwendet werden, oder wenn beide
Flecken eines oder mehrere der Kriterien übersteigen. In diesem Fall
ist es besser, sowohl den "guten" Fleck als auch den "Geisterfleck" wegzulassen, anstatt
einen schlechten Datenpunkt zu verwenden.
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7 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, daß mit Hilfe eines Hartmann-Shack-Bilds,
das mit der CCD-Kamera 55 aufgenommen wird, die sich näher an einem
Lenslet-Array 51 befindet als die CCD-Kamera 58,
eine bessere Messung einer konvergierenden Wellenfront erhalten werden
kann. Immer wenn der abgehende Strahl 33 von 1 von
einem myopischen Auge ist, weist der abgehende Strahl 33 eine
konvergierende Wellenfront auf. In diesem Fall befinden sich die
Brennpunkte der konvergierenden Wellenfront vor der Brennebene F
des Lenslet-Arrays 51. Deshalb wird ein von der ersten
CCD-Kamera 55 erhaltenes
Hartmann-Shack-Bild ein schärferes
Brennfleckbild aufweisen als das von der zweiten CCD-Kamera 58 erhaltene.
Somit kann eine auf einem von der ersten CCD-Kamera 55 erhaltenen
Hartmann-Shack-Bild basierte Wellenfrontmessung eine bessere Genauigkeit
liefern als eine auf einem von der zweiten CCD-Kamera 58 erhaltenen
Hartmann-Shack-Bild basierte Wellenfrontmessung. Somit bestimmt
bei einer Ausführungsform
der Analysierer 75, ob die Wellenfront konvergiert. Wenn
die Wellenfront konvergiert, können
von der ersten CCD-Kamera 55 erhaltene
Wellenfrontmeßergebnisse
bei der weiteren Analyse verwendet werden. Der Analysierer 75 kann bestimmen,
ob die Wellenfront konvergiert, indem eine Benutzereingabe empfangen
wird (gemäß einem
beliebigen einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind), die beispielsweise anzeigt, daß das Auge
myopisch ist. Außerdem
kann der Analysierer 75 die Gesamtfläche der Brennpunkte in dem
Hartmann-Shack-Bild gemäß einem
einer Reihe von Verfahren bestimmen, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind, und sie mit einer für eine planare Wellenfront
erwarteten vorbestimmten Fläche
vergleichen (die Gesamtfläche
des Hartmann-Shack-Bilds ist für
eine konvergierende Wellenfront kleiner als für eine planare Wellenfront).
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8 zeigt
ein Blockdiagramm, das veranschaulicht, daß mit Hilfe eines Hartmann-Shack-Bilds,
das mit der CCD-Kamera 58 aufgenommen wird, die sich weiter
weg einem Lenslet-Arrays befindet als die CCD-Kamera 55,
eine bessere Messung einer konvergierenden Wellenfront erhalten
werden kann. Immer wenn der abgehende Strahl 33 von 1 von
einem hyperopischen Auge ist, weist der abgehende Strahl 33 eine
divergierende Wellenfront auf. In diesem Fall befinden sich die Brennpunkte
der divergierenden Wellenfront hinter der Brennebene F des Lenslet-Arrays 51.
Deshalb wird ein von der zweiten CCD-Kamera 58 erhaltenes Hartmann-Shack-Bild
ein schärferes
Brennfleckbild aufweisen als das von der ersten CCD-Kamera 55 erhaltene.
Somit kann eine auf einem von der zweiten CCD-Kamera 58 erhaltenen
Hartmann-Shack-Bild basierte Wellenfrontmessung eine bessere Genauigkeit
liefern als eine auf einem von der ersten CCD-Kamera 55 erhaltenen
Hartmann-Shack-Bild basierte Wellenfrontmessung. Somit bestimmt
bei einer Ausführungsform
der Analysierer 75, ob die Wellenfront divergiert. Wenn
die Wellenfront divergiert, können
von der zweiten CCD-Kamera 58 erhaltene Wellenfrontmeßergebnisse
bei der weiteren Analyse verwendet werden. Der Analysierer 75 kann
bestimmen, ob die Wellenfront divergiert, indem eine Benutzereingabe
empfangen wird (gemäß einem
beliebigen einer Reihe von Verfahren, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind), die beispielsweise anzeigt, daß das Auge
hyperopisch ist. Außerdem
kann der Analysierer 75 die Gesamtfläche der Brennpunkte in dem
Hartmann-Shack-Bild gemäß einem
einer Reihe von Verfahren bestimmen, die dem Durchschnittsfachmann
wohlbekannt sind, und sie mit einer für eine planare Wellenfront
erwarteten vorbestimmten Fläche
vergleichen (die Gesamtfläche des
Hartmann-Shack-Bilds ist für
eine divergierende Wellenfront größer als für eine planare Wellenfront).
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die relativen Positionen der CCD-Kameras 55 und 58 variiert
werden, damit man ein schärferes
Bild für
einen der oben beschriebenen Fälle
erhält.
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Gemäß einer
erfindungsgemäßen Technik des
Verwendens der in 1 gezeigten Ausführungsform
sind für
eine Wellenfront mit relativ geringer Verzerrung (d.h., definiert
als ein Fall, wo die Wellenfront nahe genug daran ist, planar zu
sein, daß die Brennflecken
ohne Verwirrung mit ihren Lenslet assoziiert werden können) die
durch die CCD-Kameras 55 und 58 erhaltenen Bilder
hinsichtlich Brennfleckposition im wesentlichen identisch, und beide
Bilder können
zum Rekonstruieren der Wellenfront des Strahls auf die gleiche Weise
verwendet werden, auf die ein herkömmliches Hartmann-Shack-Bild analysiert
wird (siehe den allgemeinen Stand der Technik). Wenngleich die Mittelwertbildung
der Ergebnisse der Rekonstruktion für die beiden Bilder möglicherweise die
Genauigkeit des Endergebnisses verbessert, ist es nicht erforderlich
dies zu tun. Gemäß einer
erfindungsgemäßen Technik
des Verwendens der in 1 gezeigten Ausführungsform
sind für
eine Wellenfront mit einer relativ starken Verzerrung (d.h., definiert
als ein Fall, wo die Wellenfront ausreichend weit davon entfernt
ist, planar zu sein, um in das Assoziieren von Brennflecken mit
einer Linse eine Ungewißheit
einzuführen)
die durch CCD-Kameras 55 und 58 erhaltenen Bilder
hinsichtlich Brennfleckposition verschieden. Gemäß dieser erfindungsgemäßen Technik
können
Brennflecken definiert werden als: (a) "gute" Flecken,
wie oben im Detail beschrieben wurde (gute Flecken, auch als Analyseflecken
bezeichnet, können
zur weiteren Verarbeitung verwendet werden); (b) "schlechte" Flecken, wie oben
im Detail beschrieben wurde (schlechte Flecken, auch als zurückgewiesene
Flecken bezeichnet, können von
der weiteren Verarbeitung ausgeschlossen werden); und (c) "Geisterflecken", wie im Detail oben
beschrieben wurde (Geisterflecken, auch als zurückgewiesene Flecken bezeichnet,
können
von der weiteren Verarbeitung ausgeschlossen werden). Dann kann
unter Verwendung der guten Flecken eines der beiden Bilder zum Rekonstruieren
der Wellenfront des Strahls auf die gleiche Weise verwendet werden, auf
die ein Konventions-Hartmann-Shack-Bild analysiert wurde. Wenngleich
die Mittelwertbildung der Ergebnisse der Rekonstruktion für die beiden
Bilder möglicherweise
die Genauigkeit des Endergebnisses verbessert, ist es nicht erforderlich
dies zu tun.
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Zur
Verwendung beim Messen von Brechfehlern eines Auges wird erwartet,
daß ein Wavefront-Refractor
eine Wellenfront in einem Bereich von etwa –15 Dioptrien (konvergierend)
bis etwa +15 Dioptrien (divergierend) mißt. Vorteilhafterweise hilft
die in 1 gezeigte Ausführungsform (mit erster CCD-Kamera 55 und
zweiter CCD-Kamera 58), über einen derartigen großen Dynamikbereich genauere
Messungen zu erhalten als die in 2 gezeigte
Konfiguration nach dem Stand der Technik. Da eine Augenbewegung
die Datenerfassungszeit einer Augenmessung auf einen Bruchteil einer
Sekunde begrenzt, ermöglichen
es zusätzliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die gleichzeitig zwei Hartmann-Shack-Bilder
aufzeichnen, schnelle und genaue Messungen zu erhalten.
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Da
eine präzise
Ausrichtung und Kalibrierung für
das Erhalten genauer Messungen unter Verwendung des in 1 gezeigten
Wavefront-Refractors 100 kritisch sind, ist die mechanische
Stabilität der
Ausrichtung zwischen erster CCD-Kamera 55 und zweiter CCD-Kamera 58 wichtig.
Aus diesem Grund ist ein modulares Paket zum Herstellen der in 1 gezeigten
Hartmann-Shack-Sensorbaugruppe 50 wünschenswert.
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Der
Fachmann erkennt, daß die
vorausgegangene Beschreibung lediglich zum Zweck der Veranschaulichung
und Beschreibung vorgelegt worden ist. Als solche soll sie nicht
erschöpfend
sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form beschränken. Als
Beispiel wurden zwar Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung so beschrieben, daß sie CCD-Kameras verwenden,
doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz von CCD-Kameras beschränkt und
beinhaltet Ausführungsformen,
die andere Arten von Aufzeichnungseinrichtungen oder Kameras verwenden,
die gegenüber
Strahlung empfindlich sind, mit der der Sondenstrahl geliefert wird.