JP2004524051A - 光学システムの客観的測定のための波面センサー及びその方法 - Google Patents

Abstract

波面センサーが、ソース平面から反射された入来波面を拡大するためのアフォーカルリレーステージを含む。典型的な用途では、眼の網膜が衝突光ビームをその上で反射し、一連の波面を形成する。レンズレットアレイをアフォーカルリレーステージの基準平面に配置し、拡大された波面を受ける。さらに、下流には、最終画像面にてレンズレットアレイの焦点面画像を画像化及び縮小化するための手段を配置する。この縮小化された画像は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラのような分析器への入力として使う。

Description

【０００１】
発明の背景
関連出願の相互参照
この出願は、仮出願番号第６０／１９８，５３６号の「拡大ダイナミックレンジの波面センサーと小フォーマットＣＣＤ検出器（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ ａｎｄ ａ Ｓｍａｌｌ−Ｆｏｒｍａｔ ＣＣＤ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）」（２０００年４月１９日提出）に基づいて優先権を主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、光学測定及び方法に関し、特に眼の客観的測定のためのシステム及び方法に関する。
【０００３】
関連技術の説明
実像の焦点を有する光学系は、コリメートされた光を受けてそれを一点にフォーカスすることができる。このような光学系は、例えば人間や動物の眼のように自然のうちに見い出すこともできるし、例えば実験室でのシステムやガイドシステムなどのように人工的なものもある。どちらの場合も、光学系における収差が系の性能に影響を与え得る。この問題を説明するのに、例として人間の眼を用いる。
完全な又は理想的な眼は、衝突光ビームをその網膜からレンズと角膜とを含んだ眼の光学系を通って拡散反射する。弛緩状態、即ち近視野焦点を与えるべく適応していない状態のこのような理想的な眼の場合には、反射した光は、一連の平面波として眼から出ていく。しかしながら、眼は一般に収差を有し、眼から出ていく反射光を変形又は歪ませる。収差のある眼は、衝突光ビームをその網膜からそのレンズと角膜とを通して一連の歪み波面として拡散反射する。
【０００４】
患者に改善された視力を与えることを試みるいくつかの技術がある。このような技術の例としては、屈折レーザー手術又は角膜内移植による角膜の改造、眼内レンズ移植による光学系への合成レンズの付加、及び精研削されたメガネが挙げられる。各々の場合、一般に矯正処置の量は、メガネ面（角膜より約１．０〜１．５ｃｍ前）に既知の屈折力の球面及び／又は円柱レンズを置いて、患者にどのレンズ又はレンズの組み合わせが最も明瞭な視界を与えますかと言葉で問うことにより決められる。これは、反射した波面における真の歪みの不正確な測定である。というのは、（１）単一の球・円柱面の補正が波面全体に亘って行われている、（２）視力が屈折矯正の離散的な間隔（即ちジオプトリー単位）で調べられている、（３）光学的な矯正を決めるのに患者による主観的な決定が行われているからである。よって、眼の屈折誤差を決める従来の方法は、眼の収差を矯正するのに現在利用できる技術よりも実質的に精度が劣る。
眼の屈折誤差を測定する一つの方法が、Ｐｅｎｎｅｙ他への米国特許第５，２５８，７９１号「空間分解された客観的自動屈折計（Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ａｕｔｏｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）」に開示されており、これは、自動屈折計を使用して、角膜表面を横切る数多くの離散的箇所にて眼の屈折を測定することを教示する。また、Ｐｅｎｎｅｙへの米国特許第５，２５８，７９１号は、正常視、即ち光の平行ビーム又は光線が網膜上に正確にフォーカスして視力が完全な場合の通常の眼の状態を与えるべく適当な角膜表面の新形態を決めるに際し自動屈折計の測定値を使用することを教示する。
【０００５】
例として、当該技術において公知の一つの方法及びシステムが、Ｊｕｎｚｈｏｎｇ Ｌｉａｎｇ他の「ハルトマン−シャック波面センサーを用いた人間の眼の波面収差の客観的測定（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｗａｖｅ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｍａｎ Ｅｙｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ ａ Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ Ｗａｖｅ−Ｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ）」［Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． １１（７）， Ｊｕｌｙ １９９４， ｐｐ １９４９−５７ ］に開示されている。Ｌｉａｎｇ 他は、フォーカスされたレーザー光スポットの網膜窩上での網膜反射により眼から出ていく波面を測定することにより眼の収差を測定すべくハルトマン−シャック波面センサーを使用することを教示する。実際の波面は、ゼルニケ多項式で波面を評価して再構成される。レーザー光の平行ビームは、ビームスプリッターとレンズ対とを通過し、眼の光学系により網膜上の焦点にビームをもたらす。調べられる眼においてありうる近視又は遠視は、レンズ対内のレンズの移動により矯正される。前記窩にフォーカスした光は、拡散反射して網膜上に位置する点光源として動作すると仮定される。反射光は眼を通過し、眼の収差を原因として眼の前方で歪んだ波面を形成する。収差のある波面が波面センサーに送られる。
【０００６】
Ｌｉａｎｇ 他により開示されたハルトマン−シャック波面センサーは、Ｂｉｌｌｅ への米国特許第５，０６２，７０２号にも開示されているように、各層のレンズが互いに垂直となるように配置された複数層にて円柱レンズの２つの同一層を含む。このように、この２つの層は、入来する光波をサブアパーチャーに分割する球面レンズレットの２次元アレイとして動作する。各サブアパーチャーを通る光は、電荷結合素子（ＣＣＤ）の画像モジュールが設けられたレンズアレイの焦点面内にフォーカスする。
Ｌｉａｎｇ 他のシステムは、焦点スポットの基準又は校正パターンがＣＣＤ上に画像化するように光の理想平面波をレンズレットアレイ上に当てることにより校正される。理想波面は平面状であるから、理想波面に関係した各スポットは、対応するレンズレットの光学軸上に配置される。歪んだ波面がレンズレットアレイを通過するとき、ＣＣＤ上の画像スポットは、理想波面により発生された基準パターンに対してシフトする。各シフトは局所傾斜、即ち歪んだ波面の偏導関数に比例し、この偏導関数は、ゼルニケ多項式を用いたモード波面評価により歪んだ波面を再構築するのに使用される。
しかしながら、Ｌｉａｎｇ 他により開示されたシステムは、かなり良い視力を有する眼に対してのみ効果的である。相当な近視の眼では、焦点スポットがＣＣＤ上に重なってしまい、この状態の眼に対しては局所傾斜を決めるのが実際上できなくなる。同様に、かなりの遠視の眼では、焦点スポットが偏向してＣＣＤ上に当たらず、この場合もこのような状態の眼に対しては局所傾斜を決めるのが実際上できなくなる。
【０００７】
波面分析により光学系の収差を客観的に測定するための方法及びシステムの種々の実施態様が、共有の出願番号第０９／５６６，６６８号「波面分析を用いた客観的測定及び光学系の矯正のための装置及び方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｕｓｉｎｇ Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）」（２０００年５月８日提出）に開示されており、ここに文献として援用する。この発明では、エネルギー源が放射ビームを発生する。ビームの経路中に配置された光学系により、拡散レフレクターを示す後部（例えば網膜）を有するフォーカス光学系（例えば眼）を通して該ビームが送られる。このビームは、放射の波面として該後部から後方に拡散反射し、フォーカス光学系を通過して光学系に当たる。この光学系は、波面がフォーカス光学系から出てきた際に波面に直接対応して該波面を波面分析器に投射する。波面分析器は、光学系から投射された波面の経路中に配置され、フォーカス光学系の眼の収差の評価として波面の歪みを計算する。波面分析器は、プロセッサーに接続された波面センサーを含み、該プロセッサーはセンサーのデータを分析し、その歪みを含むように波面を再構築する。
【０００８】
完全で理想的な正常視の眼に入射する完全にコリメートされた光ビーム（即ち、平行な光線の束であり、ここでは小径で眼に安全なレーザービーム）は、網膜上の回折限界の小スポットにフォーカスする。この完全なフォーカシングは、位置に関わらず、入射瞳を通過する全ての光線に対して当てはまる。波面の観点から、コリメートされた光は、眼に当たる一連の完全な平面波を表す。この光は、網膜上の照明されたスポットから一連の完全な平面波として出ていく波面として発し、理想からの歪みを測定する波面分析器に送られる。
一実施態様では、放射は光学的な放射であり、波面センサーは、光電性セルプレート及び平面アレイを用いて実現される。このプレートは、一般に不透明であるが、光を選択的に通して当てる光透過アパーチャーのアレイを有する。このプレートは、波面の一部が光透過アパーチャーを通過するように波面の経路中に配置される。セルの平面アレイは、このプレートに平行でかつ選択した距離だけ該プレートから離して配置される。光透過アパーチャーの一つを通過する波面の各部分は、独自の複数のセルを含んだ幾何形状を照明する。
【０００９】
波面の光学経路は、角膜平面からの再放出波面をハルトマン−シャック波面センサーの入射面に中継する。センサーに入射した波面は、高感度の電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラとレンズレットのアレイを含んだ光学プレートとが受ける。レンズレットのアレイは、ＣＣＤ検出器面に平行であり、それらの間の距離は、レンズレットアレイにおける各レンズの焦点距離にほぼ等しい。レンズレットのアレイは、入来する波面を「ウェーブレット」の整合アレイに分割し、その各々は、ＣＣＤ検出器平面上の小スポットにフォーカスする。ＣＣＤにおけるウェーブレットスポット群は、入射波面の形状を再構築するのに使用される。垂直（直交）入射にてレンズレットに当たるコリメートされた光は、光学軸が交差するＣＣＤ面上のスポットにフォーカスする。本装置の光学系は、このようにコリメートされた光を校正光学経路を用いて波面センサーに与える。
【００１０】
反射した収差波面の場合には、コリメートされた基準点から距離Ｄ_ｘ だけ変位したスポットに光がフォーカスする。従って、測定した変位Ｄ_ｘ を既知の伝搬距離Ｄ_ｚ で割って、このレンズ要素の場所での波面の傾斜を決める。この平面内のｙ方向においても同じ計算を行い、プロセス全体を波面で照射されたすべてのレンズレット要素に適用する。次に、数学的なアルゴリズムを適用し、計算されたＤ_ｘ ／Ｄ_ｚ 及びＤ_ｙ ／Ｄ_ｚ の傾斜データと矛盾しない波面形状を再構築する。どの波面センサーを使用したかに関わらず、セルの平面アレイと不透明プレート又はレンズレットのアレイとの距離を変えて波面センサーの傾斜測定利得を調整でき、それにより、システムのダイナミックレンジを改善する。
ダイナミックレンジを改善する別の手段は、フォーカシング光学系により与えられる。フォーカシング光学系は、ビーム及び波面の経路中の固定位置に維持された第１及び第２レンズを含む。光学要素構成が、ビーム及び波面の経路中にてレンズ間に配置される。この光学要素は、レンズ間の光学経路長を変えるべく調整可能である。光学修正が望まれるならば、歪みが光学修正に変換され、もしこれが波面の経路中に配置されるならば、この波面はほぼ平面波として現れる。この光学修正は、レンズの形態、又は眼から切除される角膜物質の量とし得る。
【００１１】
ここに例として記載の眼の収差を決めるための一つの方法としては、プローブビームをプローブビーム経路に沿って眼に送り、固定画像を固定画像経路に沿って眼に送り、光源をビデオ画像経路に沿って眼に送り、眼のビデオ画像を発生し、眼から発する波面を波面経路に沿って送り（ここで、プローブビーム経路、固定画像経路、ビデオ画像経路、及び波面経路が少なくとも夫々の経路の一部に沿って一致し、プローブビーム経路は、眼の網膜にて終端し、プローブビームは眼の網膜から波面として反射する。）、ビデオ画像経路に沿って送られた光源により発生された眼のビデオ画像上の少なくとも一部に基づいて眼をプローブビーム経路と位置合わせし、波面を測定し、そして波面の測定に基づいて眼の収差を表すデータを発生することを含む。また、ビデオ画像経路に沿って送られる光源により発生された眼のビデオ画像の少なくとも一部に基づいて眼をプローブビーム経路に位置合わせすることにより、波面が単一のマイクロレンズのアレイを通過するようにできる。
【００１２】
発明の概要
本発明の目的は、簡単で低価格の設計の波面分析器を用いて眼の収差を客観的に測定するためのシステム及び方法を提供することである。
別の目的は、小フォーマットカメラを用いることができるこのような装置及び方法を提供することである。
さらなる目的は、このようなシステムを構成するための方法を提供することである。
これらの目的及びその他の目的は、本発明、即ちソース平面から反射された入来波面を拡大するアフォーカルリレーステージを含む波面センサーにより達成される。典型的な用途では、眼の網膜は、その上に衝突する光ビームを反射して一連の波面を形成する。また、下流には、最終画像平面でのレンズレットアレイの焦点面画像を画像化及び縮小化するための手段を配置する。この縮小化された画像は、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ（但しこれに限定されない）のような分析器の入力として使われる。
機構や操作法について本発明を特徴付ける特徴が、さらなる目的とその利点と共に、添付図面に関連して用いられる以下の説明からよく理解されるであろう。図面は説明のためであり、本発明の限界を定めるものとして意図したものでないことは明らかに分かる。本発明により達成されるこれら及びその他の目的、与えられる利点は、添付図面に関連して以下の記載を読めば十分に明らかとなるであろう。
【００１３】
好適実施態様の詳細な説明
本発明の好ましい実施態様の説明を図１と図２に関して以下に行う。
従来技術の装置１０（図１）は、光学軸１３中に第１アフォーカルリレーステージ１１と第２アフォーカルリレーステージ１２とを含む。出願番号第０９／５６６，６６８号に記載のように、第１アフォーカルリレーステージ１１を通る光学経路により、第１画像平面１５にて角膜平面１４の画像が生じ、これが、球面トライアルレンズの挿入地点として用いられる。
波面センサーは、固定距離だけ離れた第２画像平面１６にてマイクロレンズのアレイプレートと電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラとを含む。よって、光学軸１３は、レンズレットアレイにて、即ち実際の波面センサーの入射面にて、角膜平面１４の画像を作り、これは単一のアフォーカルリレーステージにより達成できる。理論上では、第１画像平面１５にて光学軸１３中に球面レンズを置いてデフォーカス波面誤差を除去することができる。このことは、潜在的には装置１０のダイナミックレンジを拡張させる。しかしながら、トライアルレンズのアプローチは、すばらしい精度と反復性にてレンズを第１画像平面１５に配置できる移動機構である。従って、ダイナミックレンジを広げるべく開発される別の手段が強く望まれる。
【００１４】
本発明２０（図２）は、第１アフォーカルステージ２１を用いて角膜平面１４の画像を拡大することによりこのことを達成する。波面の拡大により波面の傾斜が小さくなり、それにより、フォーカスされた光スポットのＣＣＤ上での変位が減少する。従来技術の構成１０は、このために第２アフォーカルステージ１２中でのいくらか拡大を伴う。この装置１０で使用すべく選択された第２アフォーカルステージ１２の拡大率は、約１．２であり、これは屈折誤差の所望の範囲をカバーするには不十分である。装置１０の使用を拡張するには、１．５を越える拡大率が望ましい。しかしながら、角膜平面１４を単に拡大することは、大きなアパーチャーの波面センサーを必要とするという点で欠点を有する。すなわち、レンズアレイとＣＣＤカメラの両方が大きな断面積を有して平面ポイントの拡大された画像を含むのが好ましい。このことはレンズアレイプレートにとっては重要な問題ではないが、大きなフォーマットのＣＣＤカメラは非常に高価で、このようなカメラは限定された数の売主からしか入手できない。
【００１５】
本発明の装置２０はこの困難を解決する。角膜平面１４は、第１アフォーカルリレーステージ２１により基準平面２２にて画像化される。第１アフォーカルリレーステージ２１は、所定量だけ角膜平面１４を拡大する。レンズレットアレイプレート２３は基準平面２２に配置する。眼から光のフォーカスされたスポットが、レンズレットアレイ２３の焦点面２４にて作られる。
第２アフォーカルリレーステージ２５が、ＣＣＤカメラが配置されたカメラ平面２６にてアレイ焦点面２４を画像化する。第２ステージ２５はアフォーカルな構成とは異なるものにできるが、アレイの焦点面２４の縮小を与えるのが好ましい。この特徴により、波面センサーにおける光記録要素として小アクティブ領域カメラを使用できる。光学的な構成の詳細は、所与のカメラ及びレンズレットアレイの仕様に対して性能を最大にすべく所望のように調整できる。
【００１６】
当業者ならば、同様の機能を達成する代わりの光学要素を含めて、別の実施態様を考えつくであろう。
上記説明において、簡単さ、明確さのために特定の用語を使用してきたが、それから従来技術の要求を越えて不必要な制限は課されるべきでない。というのは、これらの語は、ここでの説明を目的として使用されているのであり、広く解釈されるべきだからである。また、ここに記載の装置の実施態様は例であり、本発明の範囲はその構成の詳細に限定されない。
本発明の構成、その好適実施態様の動作と使用及びそれにより得られる有利で新規で有益な結果について記載してきたが、新規で有益な構成や当業者には自明なその合理的な機械的等価物が添付の請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
波面測定の装置の略図である（従来技術）。
【図２】
本発明による波面測定の装置の略図である。
【符号の説明】
１０ 従来技術の装置
１１ 第１アフォーカルリレーステージ
１２ 第２アフォーカルリレーステージ
１３ 光学軸
１４ 角膜平面
１５ 第１画像平面
１６ 第２画像平面
２０ 本発明の装置
２１ 第１アフォーカルリレーステージ
２２ 基準平面
２３ レンズレットアレイプレート
２４ 焦点面
２５ 第２アフォーカルリレーステージ
２６ カメラ平面

Claims (20)

1. ソース平面から反射された入来波面を拡大するためのアフォーカルリレーステージ、
   アフォーカルリレーステージの基準平面に配置され、拡大された波面を受けるためのレンズレットアレイ、及び
   分析器への入力として用いるために、最終画像平面にてレンズレットアレイの焦点面画像を画像化し縮小するための手段、
   を含む波面センサー。
2. 前記画像化し縮小するための手段が第２アフォーカルリレーステージを含む、請求項１記載の波面センサー。
3. 前記ソース平面が角膜平面からなる、請求項１記載の波面センサー。
4. 前記アフォーカルリレーステージが、少なくとも１．５の倍率にて入来波面を拡大するための手段からなる、請求項１記載の波面センサー。
5. 前記縮小する手段が、レンズレットアレイの焦点面画像を前記入来波面の寸法より小さい寸法に縮小する、請求項１記載の波面センサー。
6. 光ビームを眼の角膜上に送るための手段、
   眼の網膜から反射された光の波面を拡大するためのアフォーカルリレーステージ、
   アフォーカルリレーステージの基準平面に配置され、拡大された波面を受けるためのレンズレットアレイ、
   最終画像平面にてレンズレットアレイの焦点面画像を縮小するための手段、及び
   反射された波面の平坦度から収差を決めるために最終画像平面を画像化する手段、
   を含む眼の屈折収差を決めるためのシステム。
7. 前記送るための手段が、眼の窩上にフォーカスしたレーザービームを含む、請求項６記載のシステム。
8. 前記画像化及び縮小するための手段が第２アフォーカルリレーステージを含む、請求項６記載のシステム。
9. 前記アフォーカルリレーステージが、少なくとも１．５の倍率だけ入来波面を拡大するための手段からなる、請求項６記載のシステム。
10. 前記縮小するための手段が、レンズレットアレイの焦点面画像を入来波面の寸法より小さい寸法に縮小する、請求項６記載のシステム。
11. 前記画像化するための手段が電荷結合素子カメラを含む、請求項６記載のシステム。
12. 前記カメラが小アクティブ領域カメラからなる、請求項１１記載のシステム。
13. 光ビームを眼の角膜上に送るステップ、
    眼の網膜から反射された光の波面を拡大するステップ、
    拡大された波面を、拡大された波面の基準平面に配置されたレンズレットアレイに送るステップ、
    最終画像平面にてレンズレットアレイの焦点面画像を縮小するステップ、及び 反射された波面の平坦度から収差を決めるために、最終画像平面を画像化するステップ、
    を含む眼の屈折収差を測定する方法。
14. 前記送るステップが、眼の窩にレーザービームをフォーカスすることを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記拡大するステップが、反射された波面を第１アフォーカルリレーステージに送ることを含む、請求項１３記載の方法。
16. 前記縮小するステップが、レンズレットアレイの焦点面画像を第２アフォーカルリレーステージに送ることを含む、請求項１３記載の方法。
17. 前記第１アフォーカルリレーステージが、反射された波面を少なくとも１．５の倍率だけ拡大するための手段からなる、請求項１３記載の方法。
18. 前記縮小するステップが、レンズレットアレイの焦点面画像を前記反射された波面の寸法より小さな寸法に縮小することからなる、請求項１３記載の方法。
19. 前記画像化するステップが、電荷結合素子カメラを使用して最終画像平面を収集することを含む、請求項１３記載の方法。
20. 光ビームを眼の角膜上に送るための手段を設けるステップ、
    眼の網膜から反射された光の波面を拡大するための手段を設けるステップ、
    拡大された波面の基準平面に配置されたレンズレットアレイを設けるステップ、
    最終画像平面にてレンズレットアレイの焦点面画像を縮小するための手段を設けるステップ、
    最終画像平面を画像化するための手段を設けるステップ、及び
    前記反射された波面の平坦度から収差を決めるための手段を設けるステップ、
    を含む眼の屈折収差を測定するためのシステムを構築する方法。

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