JP2005506107A - 光学システムをマッピングするための断層撮影波面分析システム及び方法 - Google Patents

Abstract

眼球のような光学システムの３次元構造の収差を測定する方法は、複数の光ビームを発生させる工程と、前記光ビームを光学的に結像する工程と、光ビームを光学システム内の異なる位置に投射する工程と、前記位置のそれぞれから散乱光を受け取る工程と、前記散乱光の個々の波面を検出する工程とを備える。複数の光ビームは、同時にもしくは逐次的に発生および投射してもよい。光学システムの３次元構造の収差を測定するためのシステムが、複数の光ビームを発生させる光源（１１２）と、前記光ビームを光学的に結像し、対象となる光学システム内の異なる位置に前記光ビームを投射する光学イメージングシステム（１２０）と、前記位置のそれぞれから散乱光を受け取り、前記散乱光の個々の波面を検出する波面センサー（１３０）とを備える。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、光学システムの屈折誤差を測定する技術分野に関する。詳細には、眼球のような光学システムの屈折誤差の断層撮影マッピングを編集するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
眼球の収差の測定は、視覚的な欠陥及び感度の診断において重要である。外科的手術による方法および外科的手術によらない方法を使用して収差を矯正する方法が多数存在する。これらの方法は、全眼球システムを正確かつ厳密に測定することに依存しており、患者を撮影し、矯正手段を用いて試し、適切なところまで処置できるようする。さらに、眼球測定の正確さ及び厳密さを向上させることにより、視覚的欠陥の矯正方法が改善でき、また、処置が必要な患者の診察方法を改善できる。
【０００３】
光学システムの性能を測定するために使用される方法が数多く存在する。最も確立されたものは、測定のパラメータを得るために、被験者である患者からの応答に依存する精神物理学的方法である。これら測定方法の最も古いものは、ホロプターによる方法若しくはレンズによる試行錯誤法である。この技術は、必要とされる矯正を試行錯誤的に明らかにする方法に依存する。視覚的精度、眼球調節変換係数、コントラスト感度、目的の他のパラメータを測定するための精神物理学的技術がある。そのような技術は、例えば、デビッドＡ.ゴスとロジャーＷ.ウェストによる「眼球等の光学システムへの導入（INTRODUCTION TO THE OPTICS OF THE EYE）」に開示されている。
【０００４】
主体的な方法以外にも、客観的に光学システムの性能を測定する方法が数多く存在する。これらには、眼球を測定するための角膜の断層撮影、波面アベロメトリー、角膜干渉計による方法、自動屈折法、及び他の方法が多数含まれる。これらの方法は、以下のように要約される。
【０００５】
角膜の表面形状及び膜厚は、レーザによる視界矯正手術、眼球コンタクト、放射状角膜切開、他の外科的手術及び矯正のために、非常に重要な情報である。角膜局所解剖学により、角膜の表面形状を測定することができる。角膜局所解剖学を使用して、完全な視野に必要な理想的な形状と、角膜の形状とのズレを測定しても良い。異なる方法を用いて、この目的を達成する商業的な装置がいくつか存在する。これらの方法の多くは、直接角膜を手術するものである。よって、その膜厚、形状及び他のパラメータは、良い結果を得るために重要である。ビルによる米国特許第４,８３８,６７９号、第５,０６２,７０２号、第５,８２２,０３５号、及び第５,９２０,３７３号には、様々な方法を用いて、眼球の角膜をマッピングすることが開示されている。角膜は、前表面と後表面間の屈折率が相違し、角膜の膜厚を計測することが可能である。
【０００６】
しかし、角膜は、眼球システムの光学誤差に部分的に寄与する。眼球の硝子液及び水晶体レンズのような多くの他の構成要素は、角膜局所解剖学により解明できない重要な構成要素である。眼球の屈折率を客観的に決定する他の装置は、自動屈折装置である。自動屈折装置は、必要とされる矯正のための処方を自動的に決定して、様々な方法の一つを使用する。これは、網膜の上に、１以上のスポット若しくはパターンを投射することからなる。自動屈折装置で、様々な光学要素を調整することにより、必要とされる矯正が自動的に決定される。多数の自動屈折装置は改良され、一般的に病院で使用されている。具体例が米国特許第３,８１９,２５６号及び第４,０２１,１０２号に開示されている。
【０００７】
しかし、屈折率の正確さは、疑わしく、眼科の医師は、さらに改善することなくこの情報を使用する。自動屈折装置が有する基本的な問題は、球形誤差及び乱視の誤差のようなより低いオーダーの要素のみを測定可能であることである。より高いオーダーの収差は、自動屈折装置により解明できない。自動屈折装置は、光学システムの平均的な性能だけしか測定できない。
【０００８】
最近、光学システムである眼球の処置に注目が集まっている。このため、他の光学システムのために以前使用されていた測定方法（干渉計使用法、シャックハルトマン波面検出法等）が眼球に応用されるようになってきている。これらの技術は非常に有効である。それは、眼球等の光学システムの完全な収差を測定するからである。
【０００９】
波面アベロメトリーにおいて、スポットは眼球の網膜に投射され、その結果得られる散乱光は光学システムを用いて測定される。端から端まで視野の全体に亘って、完全に眼球の収差測定がなされる。波面アベロメトリーを使用して、眼球等の光学システムの端から端までの完全な収差を測定する。
【００１０】
この付加的な情報により、診断を行う者及び患者は、視野に影響を及ぼす非対称的で非均一的な効果を測定することができる。それに加えて、その情報は、多くの患者の視野を大きく改善するため、多くの様々な矯正方法と直接関連している。
【００１１】
ウィリアムによる米国特許第５,７７７,７１９号には、超解像度の網膜検査器を作るために、シャックハルトマン波面検出光学システムと順応光学システムとを応用して眼球収差を決定する例が記載されている。この情報は、ウィリアムによる米国特許第５,９４９,５２１号に記載されたものより良いコンタクトレンズ、内部眼球レンズ及び他の光学システムを作るために使用される。ＰＣＴ特許公報ＷＯ００／１０４４８号（自律神経の技術）には、正確に網膜上に光ビームを投射するための方法が開示されている。アリンウェリッチによる米国特許第６,００７,２０４号は、簡便であり、さらに手で保持できるユニットを開示している。共有に係る米国特許第０９／６９２,４８３（代理人権限授与書番号ＷＦＳ.００６）（ニール等）（出願中）は、眼球の後部のスポットのサイズを最小にし、より高い分解能の波面検出を可能とするため、改良投射システムを使用した統合装置が開示されている。
【００１２】
上記の通り、角膜局所解剖学を使用して、完全な視野のために必要な理想的な形状と角膜形状とのズレを測定してもよいし、波面アベロメトリーを使用して、端から端まで光学システムの完全な収差を測定してもよい。しかし、たいていの外科的処置においては（若しくはいくつかの外科的でない処置においても）、角膜の形状及び波面収差の情報が必要である。これは、波面アベロメーターおよび角膜局所解剖学装置を用いて逐次的に同じ眼球を測定することにより、また、統合された装置を用いてこれらの測定を行うことにより得ても良い。ビルによる米国特許第６,０５０,６８７号は、角膜局所解剖学及び波面収差機能を単一の装置に組み込む方法が開示されている。
【００１３】
そのような統合型装置の目的は、眼球の収差を明らかにするだけでなく、様々な要因による効果を分離することでもある。およそ３０％の収差は、角膜の形状によることが知られている。そのため、残りの７０％は、他の埋設された構造体による。波面アベロメトリーでは、屈折率の３次元構造を測定することはできない。波面アベロメトリーと角膜局所解剖学とを結び合わせることにより、使用者は、その表面に対して、その寄与を決定することができるが、他の原因を確認することはできない。
【００１４】
本当に必要とされているものは、目の構造若しくは他の光学システムの個々の構造の収差だけでなく完全な３次元構造を測定する方法である。
【００１５】
頻繁に研究されているものの、媒体内部の３次元構造を測定することは困難な問題である。人間の生物学的なシステムに、浸入せずに処置する方法が必要である。これにより、利用可能な方法は制限されてしまう。眼球は前面からのみ精査できるので（広範囲な外科的手術方法を用いずに）、測定されるものを当然に制限してしまう。ｘ線放射線学において、この問題に直面する。ｘ線放射線学では、内部の有機的構造もしくは骨格構造が研究されている。この分野に用いられる技術は数多く存在する。その技術の最も顕著なものは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）および自動化コンピュータ断層撮影（ＣＡＴ）である。これらの２つの技術は、人間の体の中に埋設された３次元の構造体を測定するときに非常に便利であり、日常的に全世界で用いられている。ＮＭＲは、体内のある構成要素の分子構造および原子構造に磁気調整を導入すること、及びその反応を観測することによる。平面と線の幾何学的な交差を使用して、調査しながら目的構造物の３次元構造を決定する。自動化コンピュータ断層撮影法は、投射して測定を行う。その測定は、実物の構造に触れずに、調査しながらその目的物を線積分して得られる。
【００１６】
波面検出は、視線測定技術である。自動化コンピュータ断層撮影の原理を用いて、複数の視野から目的物の３次元構造を再構築してもよいし、波面検出により得られる目的物の測定から目的物の３次元構造を再構築してもよい。流体噴射において３次元構造を測定するために、この技術が用いられてきた。このため、８つの直線的波面センサーが用いられ、同時に高速データが取得される。動的な荒い噴射の完全な３次元流れ場は、この技術を使用して再構築された（L.マックマキン、B.マッソン、Ｎ.クラーク、Ｋ.ビショップ、Ｒ.ピアーソン、そしてＥ.チェンによる流れ場における動的有機的構造体のハルトマン波前面センサーに関する研究（ＡＩＡＡジャーナル３３（１１）ｐｐ、2158−2164（1995））参照）
【００１７】
しかし、生きた目もしくは他の光学システムを測定するために、流体噴出を測定するために用いられるシステムおよび技術に対して、たくさんの拡張、変更、推測が必要である。
【００１８】
ライアン等による、「レーザによる断層撮影スキャナーの深さ方向分解能を改善した、活性な光学システム内の構成要素であるハルトマンシャックセンサー」（SPIE1542、pp543−554（1991））において、装置の分解能を改善するために、順応性光学システムを使用することが報告されている。その装置は、網膜付近で測定するために使用される。レーザ断層撮影スキャナーを使用して、網膜を測定してもよい。しかし、ライアン等の波面センサーおよび順応性光学システムをだけを使用して、スキャナーの分解能が改善される。
【００１９】
これらのことから、個々の構造の収差だけでなく、目もしくは他の光学システムの完全な３次元構造を測定することができるシステムを提供することは、有効なことである。また、目もしくは他の光学システムの完全な３次元構造の収差を測定する方法を提供することは有効なことである。以下に、他の目的及び有利な点を明らかにしている。
【００２０】
本発明は、上記の欠点の少なくとも１つを解消する光学システムを測定する方法およびそのシステムを含む。
【００２１】
本発明は、目もしくは他の光学システムの３次元構造を決定することを目的とする。これは、同時に若しくは逐次的でもよいが、それぞれのスポットから得られる波面収差を別々に決定するように、網膜の上に複数のスポットを投射することにより実現される。
【００２２】
波面収差マップのこのグループを、自動化コンピュータ断層撮影法を使用して分析し、目もしくは他の光学システムの３次元構造を決定してもよい。本発明のこれらの目的もしくは他の目的は、以下に示された詳細な説明により容易に明らかとなる。
【００２３】
第一の発明では、断層撮影波面分析システムは、多数の平行光線を発生させる投射システム、複数の平行光線を受け取り、同時に目の複数の異なる位置にこの平行光線を与えるための光学イメージングシステム、それぞれの異なる位置から散乱光を同時に受け取る波面センサーとを備える。
【００２４】
第二の発明では、複数の平行光線を発生させ、同時にこの複数の平行光線を、光学システム内の異なる位置に与え、異なる位置のそれぞれから散乱光を同時に受け取る工程を備える光学システムの３次元構造の収差を測定するための方法が開示されている。
【００２５】
さらに別の発明では、断層撮影波面分析システムは、光線を発生させ、複数の所望の方向の光源を走査する投射システム、走査された光線を受け取り、目の中の複数の異なる位置に散乱光を与えるための光学イメージングシステム、異なる位置のそれぞれから散乱光を受け取る波面センサーを備える。
【００２６】
また別の発明では、光学システムの３次元構造の収差を測定する方法が、光線を発生させ、複数の所望の方向の光線をスキャンする工程と、スキャンされた光線を、光学システム内の複数の異なる位置に与える工程と、異なる位置のそれぞれから散乱光を受け取る工程とを備える。
【００２７】
システムのさらに別の発明では、波面分析システムの波面センサーが、散乱光を受け取りさらに焦点を絞るための小型レンズアレイと、焦点を絞られた散乱光をその小型レンズアレイから検出するための多数の検出器アレイであって異なる検出板に位置する検出器アレイとを備える。ここで、検出器アレイのそれぞれは、色により符号化され、類似する様々な波長に対応する光のみ実質的に検出する。
【００２８】
別の発明では、散乱光を受け取りさらに焦点を絞る小型レンズアレイおよび色符号化されたモザイクパターンを有する検出器アレイが、焦点を合わされた散乱光を検出する。
【００２９】
また、別の発明では、角膜局所解剖学測定を、局所解剖学波面分析システムとともに取り入れてもよい。角膜局所解剖学は、いくつかの設計から構成されていても良く、そのシステムの代表的なタイプであるプラシド角膜計であってもよい。データの数学的換算は、プラシド角膜計、発光ダイオードもしくは他の配置からのデータを使用して、角膜表面形状を決定する。その後、局所解剖学波面分析システムを使用して、眼球の内部三次元構造を数学的に決定する。
【００３０】
しかしながら、詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好ましい実施の形態を示すものであるが、例示にすぎないものであり、当業者であれば、本発明の精神および技術範囲内に含まれる種々の変形および改良がこの詳細な説明から明白であることは理解されるべきである。
【００３１】
（発明を実施するための最良の形態）
以下に記載されたシステムの実施の形態を含め、ここに記載された発明の実施の形態及び別の発明を、特許出願中の米国特許出願第０９／６９２,４８３号に、全体的または部分的に記載された発明とともに作製し使用してもよい。米国特許出願第０９／６９２,４８３号は、２０００年１０月２０日に、発明者ダニエルＲ.ニール、ダレルＪ.アームストロング、ジェームスＫ.グローツナー、そしてリチャードＪ．コープランドの名で出願されている。また、その発明の名称は、「眼球の測定に使用することを含め、波面センサーに使用するダイナミックレンジ拡張技術」（以降、「ＷＦＳ.００６出願」という。）という。上記明細書は、本明細書で十分に述べられているような全ての目的を参考にして、ここに取り入れられている。
【００３２】
図１Ａは、トモグラフィー（断層撮影）波面分析システム１００のある実施の形態を示した一般的な線図である。一般的に、断層撮影波面分析システム１００は、投射システム１１０、光学イメージング装置１２０、波面センサー１３０を備える。上記投射システム１１０は、光源１１２、視準レンズ１１４、アパーチャー１１５、及び偏光させるためのビームスプリッター１１６を備える。上記光学イメージング装置１２０は、レンズ１２２、１２４、アパーチャー１２５、及び四分の波長板１２６を備える。また、上記波面センサー１３０は、小型レンズアレイ１３４及びセンサー（例えば検出器アレイ１３６）を備える。断層撮影波面分析システム１００は、処理装置１５２を有するデータ分析システム１５０を備える。
【００３３】
断層撮影波面分析システム１００は、眼球を構成する光学構成要素の収差を測定する。また、断層撮影波面分析システム１００は、光を眼球の中に投射し、その眼球に支配的な収差について光を予め補正し、その後網膜から反射され散乱された光を、例えばシャックハルトマン波面センサーなどの波面センサー１３０により測定する。
【００３４】
本発明によれば、断層撮影波面分析システム１００は、複数のオフアクシス波面測定を行うために用いられ、単一の測定（一般的にオンアクシス）で得られるものより情報の量が多いものが得られる。そのために、光は眼球の網膜上の異なるいくつかの場所若しくは位置に投射される。その結果得られるスポットは、少なくとも１つのスポットが、例えば視覚ターゲットを用いて患者を調整することにより決定された視線に対してオフアクシスであるように、配置すべきである。
【００３５】
眼球及び光学システムを介して、これらの個々の光スポットに結像することによって生み出された波面は、独立して測定され、波面センサーにより眼球が別々に測定される。自動化コンピュータ断層撮影法を使用してこの情報を処理し、全ての光線のパスが通過した領域の三次元構造を決定しても良い。
【００３６】
上記のように、断層波面分析装置１００は、光学イメージング装置１２０により光を網膜上に投射する。この光学イメージング装置１２０は、眼球のより強い焦点ぼけ及び非点収差を予め補正する。これにより、波面センサー１３０が、使用し得る解像度を向上させる。この配置において、迷光の反射を最小にすることが必要である。これは、内部空間フィルターを用いて偏光要素を使用してオフアクシス入射することにより、又は他の方法により行っても良い。光を、大きな角度で眼球の中に入射させることができる光学装置を使用しても良い。角度が大きくなればなるほど、瞳近辺での測定の空間分解能が良くなる。これは、直接眼球アベロメトリー法で使用されるものより開口数の大きな光学システムを使用する必要がある。
【００３７】
瞳の結像が小型レンズアレイ１３４及び検出器アレイ１３６の検出板にリレーされるように、適当な結像距離を保持する必要がある。この結像関係により、光の全てが小型レンズアレイ１３４に入射され、眼球の瞳と測定板との間で直接マッピングをすることができる。しかし、網膜上に投射された様々なスポットからの光が、波面センサー１３０に様々な角度で到達する。センサーの設計に依存するけれども、波面センサー１３０の焦平面により、スポットは検出器アレイ１３６の完全に異なるグループの画素を占拠するようになる。これは、以下に更に詳細に記載しているように、測定を分離するために使用しても良い。
【００３８】
作動中においては、図１Ｂに示すように、眼球２は、その角膜８若しくは瞳が小型レンズアレイ１３４と共役関係になるように配置される。投射システム１１０を用いて、複数のオフアクシスポジションを含め、眼球２の様々な位置４、６等に光スポットのパターンを投射することが重要である。以下に詳細に記載しているように、その光スポットは、光を走査若しくは制御することにより、同時に投射しても良いし、スポットのパターンを逐次的に発生させても良い。これらの異なる焦点スポット４、６から散乱した光は、水晶体レンズおよび角膜８を異なる方向から通過する。この散乱光は、光学イメージングシステム１２０により集光され、波面センサー１３０により分析される。シャックハルトマン波面センサーが具体例により示されているが、剪断干渉計、モイレ、ハルトマン若しくは光の波面を測定することができる他のセンサーを使用しても良い。イメージングシステム１２２、１２４を用いて、波面センサー１３０により必要とされるダイナミックレンジを最小にするように、眼球の正味の焦点ぼけによる誤差を補正してもよい。
【００３９】
別の実施の形態では、結像距離を変動させることにより、眼球構造の分解能が改善される。これは、眼球を固定したままにして、光学軸に沿って波面センサー１３０の位置を移動させることによって行われる。これは、小型レンズアレイ１３４の共役面（conjugate plane）を眼球の瞳の前方若しくは後方にくるように変化させる。その後、収集されたデータを、自動化コンピュータ断層撮影技術により、眼球の三次元構造に変換してもよい。これには、ここで開示された他の技術だけで使用してもよいし、またそれらを組み合わせて使用してもよい。
【００４０】
図２は、波面センサー２００の実施の形態の詳細図である。波面センサー２００は、断層撮影波面分析システム１００において使用してもよい。図２は、入射する波面２３２が、どのように、小型レンズアレイ２３４により分離され、焦点スポット２３８のパターンが作りだされるかを示している。焦点スポット２３８は、センサー２３０により検出される。その結果得られる情報は、分析のため、処理装置に蓄積される。小型レンズアレイ２３４は、検出アレイ２３６上に、それぞれの「分析方向」に対応する別個の像を作り出す。これらの像を分離し、その結果得られる波面を決定する方法が数多くある。
【００４１】
様々な波面測定を分離してデータを適切に解釈することは、断層撮影波面分析システムを用いて、眼球の十分な三次元構造の収差を測定するシステム及び方法の重要な必要条件である。この必要条件を満たす方法は、一般的に２つのカテゴリーに分けられる。一つ目は、逐次システム及び方法、２つ目は、同時システム及び方法である。これらの方法は、それぞれ、異なる利点及び欠点を有する。
【００４２】
同時方法を用いれば、時間分解能を有する測定が可能である。これは、眼球が動くことに起因する誤差が測定中において発生せず、測定間の媒体若しくは配置の変化が発生しないからである。しかし、同時に発生された様々なイメージを分離する必要があるため、そのシステムに対する全ダイナミックレンジは小さくなる。それ以外にも、比較的多くの固定された角度測定が可能である。
【００４３】
一方、逐次測定の方法を用いれば、それぞれの測定に対して、波面センサーのダイナミックレンジを全部使用することができる。それに、分析されるポイントの数は、完全に任意であっても良い。しかし、特に、測定中に眼球がかなり動くと、光走査システムは（例えばいくつかの場合における要素の移動などにより）複雑になり、測定間の媒体若しくは配置の変化を引き起こしやすい。
【００４４】
逐次及び同時システムさらにそれらの方法、またそれらの好ましい実施の形態が以降詳細に記載している。
【００４５】
逐次システム及び方法
逐次測定を行う時、光束は、分離された状態で中間焦平面に到達する。この板は、網膜上に投射されたスポットと共役な位置（be conjugate to）にある。この中間板に配置されたマスクは、様々な測定を分離し区別するために使用しても良い。マスクは、適当なパターンで配置された透明領域若しくはホールのパターンで構成されていても良い。所望の光だけをホールに通過させることにより、データを連続的に入手しても良い。いくつかある手段のうちの一つを用いて、これを制御しても良い。ある実施の形態においては、適当なパターンを有する液晶装置若しくは他の光調整装置のような光バルブを焦平面に挿入しても良い。測定シーケンスにおいて、この光バルブを適当なタイミングで逐次的に操作し、適当なポイントに光を通過させる。別の実施の形態では、適当なホールパターンを有するディスクを、中間焦平面に挿入してもよい。このディスクは、与えられた位置において唯一つのホールを、光が通過するように調整される。
【００４６】
図３は、逐次測定断層撮影波面分析システム３００に関連した部分を示している。波面分析システム３００は、走査型光投射システム３１０を備える。また、光学イメージシステム３２０、波面センサー３３０、データ分析システム３５０を備える。前記データ分析システム３５０は、図１と同様の処理装置３５２を備える。
【００４７】
システム３００において、レンズ３１４は、光源３１２（例えば、レーザーダイオード若しくは超発光ダイオード（ＳＬＤ））からの光を平行にする。前記平行にされた光は、偏光ビームスプリッター３１６により偏光される。結像板のところでは、走査レンズ３１８が使用され、時間の関数として、入射された光ビームを所望の位置に向ける。その結像板は、光学イメージシステムを介して角膜体と共役な位置をとる。別の実施の形態においては、前記走査ミラー３１８は、光学イメージシステム３２０などの異なる位置に、所望のように配置してもよい。また、それは正しい共役面にそれを結像させるための適切な光学システムを備える。この走査ミラー３１８は動的に調整され、予め決められた時間に亘って、複数の異なる角度で焦点スポットに投射する。最新の走査ミラーを用いれば、非常に即座に測定を行うことができる。この測定は、波面センサー３３０による取得と同期して行われる。波面センサー３３６内に、安価で周囲を囲まれていないカメラを使用した場合でも、例えば１分間に３０個の測定が容易に行える。
【００４８】
図３において、アパーチャー板３２８が、網膜上に投射されたスポットと共役の位置にある中間焦平面に配置されている。アパーチャー板３２８内のアパーチャーの数は、得ることができる角度の数を制限する。したがって、走査ミラー３１８が、候補として挙げられる多数の位置に対して任意に配置されるとしても、実際は、測定の数は、中間アパーチャー板３２８の構造により制限される。この問題に対する一つの解決策が早くから言及されている。それは、アパーチャー３２８を、光バルブ（例えば液晶装置）若しくは他のタイプの可動もしくは変形アパーチャーのようなプログラム可能な要素により置き換えることである。これにより角度測定の複雑さが増加する一方、システムの複雑さも増加する。
【００４９】
図７は、複雑さが大幅に増加せずに、これらの問題を回避することができる実施の形態を示している。この場合、第２のリレーテレスコープ７４２、７４４は、走査ミラー７６０及び眼球２間に加えられ、容易に多数の角度測定を行うことができる。この第２のリレーテレスコープ７４２、７４４に対しては中間板にアパーチャー板が無いので、走査位置の数に制限が無い。これは、予め補正する構成要素７２０の全てが、走査要素７４０から独立しているという利点を有する。これにより、機能を分離して、装置の構造を簡便にすることができる。範囲限定用アパーチャーが、位置７２５においても使用されているが、単一の固定アパーチャーから構成される。
【００５０】
以下に、この実施の形態を詳細に記載している。投射システム７１０は、単一の光源７１２（レーザーダイオード、発光ダイオード、超発光ダイオード）を備える。さらに、光源７１２は、レンズ７１５により平行にされ、アパーチャー７１５により濾光される。投射システム７１０からの光は、偏光器７１８を介して偏光ビームスプリッター筐体７１６内に照射される。前記偏光ビームスプリッター筐体７１６は、ｓ-偏光を光学システム７２０内に反射させる。光学システム７２０は、レンズ７２２、７２４及び範囲制限アパーチャー７２５を備える。レンズ７２２及び７２４を互いに相対的に移動させて、眼球２の焦点収差のために、入射され反射された光を予め補正しても良い。前記光は、走査ミラー７６０に照射される。走査ミラー７６０は、眼球２と共役の位置にある光学システム７４０のイメージ平面に位置する。その走査ミラー７６０は、動的に調整され、眼球から異なった角度で光を入射し受け取る。入射レンズ７４２及び７４４間にアパーチャーは無いので、走査ミラー７６０を使用して、多数のポイントにおいてサンプルを取得しても良い。これは、カメラ取得と走査ミラー７６０とを同期させることにより行っても良い。さらに、信号が分離した位置に記録されるように、パルスの光源７１２を使用することが好ましい。四分の一波長板７４６は、眼球２に入射する前に、直線偏光された光を円偏光の光に変換する。光は網膜表面から散乱した後、水晶体レンズ９、角膜８、およびイメージングシステム７４０により集光される。この光は、入射したビームに対して直交する偏光を有し、入射ビームに対して平行で同一線上のパスを戻る。走査ミラー７６０は、その後、この光を新たな方向へ向け、波面センサー７３０の光学軸と一致するよう正確に配列する。波面センサー７３０では、光が、光学システム７２０により集光され、波面センサー７３０上に再び結像する。この配置において、波面センサー７３０は、常に略平行の光を受け取り、それは光学システムと適切に配列されている。これは、小型レンズアレイ７３４上に入射された全ての光は、範囲制限アパーチャー７２５を通過しなければならず、そのことによって、波面センサー７３０の可動範囲以上に逸脱することはできないからである。それぞれの測定角に対する走査ミラー７６０の位置が記録され、測定角の決定に使用される。これは、処理装置７５２を備えるデータ分析システム７５０によるデータ分析において使用され、眼球の内部構造が決定される。
【００５１】
同時システム及び方法
必要とされる様々な像を同時に記録するため、角度に依存した符号化が必要である。眼球の後方にあるそれぞれの焦点スポットは、その位置に関連する情報により符号化される。これは、様々な方法により行っても良い。
【００５２】
ある実施の形態では、位置により符号化を行っても良い。その場合、異なる角度で様々な領域から入射された光を空間的に分離する波面センサーが用いられる。また、ある実施の形態では、波面センサーは検出アレイより小さい小型レンズアレイを備える。それぞれの小型レンズアレイが多数の画素上に位置するように、全画素数が小型レンズアレイのレンズの数より多いカメラ（コダック社メガピクセル若しくはＳＭＤ １Ｍ１５）を使用して、上記符号化を行っても良い。このようにして、測定は重複することなく、同時取得が可能となる。これにより、位置による符号化のために必要となるサブエリアが得られる。
【００５３】
他の実施の形態では、波長による符号化が行われる。僅かに異なる光の色を、測定されるべき眼球のそれぞれの位置に同時に投射することにより、それぞれのスポットは「カラーによる符号化」が行われる。この場合、信号を直接暗号解読するため、カラー波面センサーが用いられる。それゆえ、様々のスポットは、別の位置のものとオーバーラップしても良い。
【００５４】
図４は、同時測定断層撮影波面分析システム４００に関連した部分を示している。断層撮影波面分析システム４００は、複数の焦点スポットのパターンを、同時に眼球の網膜上に投射するための光投射システム４１０を備える。システム４００は、光学イメージングシステム４２０、波面センサー４３０、データ分析システム４５０を備える。前記データ分析システム４５０は、それぞれ、図１の対応する要素と機能的に同様である。
【００５５】
前記システム４００において、複数のポイント光源４１２は、例えば、ＳＬＤアレイ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、後ろから照射された穴（図５Ｃに示されている）により与えられる。光源４１２は、単一レンズ４１４及びアパーチャー格子４１５により結像される。レンズ４１４により、光源４１２の直線的なポジションの違いが、角度が異なる一連の平行ビームに変換される。光学イメージングシステム４２０を使用して、眼球の網膜上の異なるスポットに、異なる角度で異なる光ビームを結像する。
【００５６】
図５Ａ〜５Ｃは、異なる分析角で測定された波面を同時に分析するためのシステム及び方法に関連した部分を示している。この配置において、例えば上記の図４に示したシステム４００などのシステム及び方法を用いて、多数のスポットが網膜上の異なる位置に同時に投射されている。図５Ａは、検出器アレイ５３６上の焦点スポットのパターンを示している。このパターンでは、中央スポット５５４及び１以上のオフアクシススポット５５６がある。これらの焦点スポットは、入射角の違いのため、空間的に離れている。図５Ｄは、ショックハルトマン波面センサー５３０のための小型レンズアレイ５３４の詳細な断面図を示している。ここでは、全ての視界からの様々な光を、小型レンズ５３４に入射させ、その後検出器アレイ５３６に焦点を合わせた。入射角が異なることによって、空間的に離れたスポット５４４及び５４６となる。これらのスポットのそれぞれを、それ自身の目的領域（ＡＯＩ）５５２に割り当てることにより、セントロイド位置（centroid location）をＡＯＩ内に決定しても良い。参照波面を同一のシステムで記録し、これらのＡＯＩの位置を確立し、適切なマッピングを確立してもよい。この配置では、図５Ｂに示したように、小型レンズあたり９つの焦点スポットを分析するのに適している。この場合、小型レンズアパーチャー５６２は、焦点スポットとともに、その境界線及び角部に配列される。それぞれの焦点スポット５６０は、同じ大きさのＡＯＩ５６４を有する。近接した小型レンズは、同様のパターンを有している。システムのこのタイプは大きなフォーマットカメラを使用することが必要となる場合がある。単一の焦点スポットから得られるのと同じ分解能を得ることができる。図５Ｃは、ＳＬＤ若しくはＬＥＤ５７０のアレイがどのように使用され、様々な角度の多数のビームを作り出すかを示している。これは、レンズ５７２により、放出された光を平行にし、さらにアパーチャー５７４によりビームサイズを制限することにより行われる。
【００５７】
図６は、網膜上に投射された焦点スポットをスペクトルにより符号化し、その焦点スポットから戻ってきた散乱光をスペクトルにより分離するためのシステム及び方法が示されている。このため、焦点スポットのそれぞれは、僅かに異なる波長λの光を使用することにより符号化される。この符号化は、角度調整フィルター６２６により、若しくは異なる色のＳＬＤ若しくはＬＥＤを使用することにより達成しても良い。例えば、３元カラーのＣＣＤカメラ６４０を使用して、像を３つ別々のＣＣＤ検出板６４５、６４６及び６４７上に空間的に分離する。これにより、高い動的範囲の高分解能波面測定が、簡単な光学システムを用いて行われる。しかし、そのようなシステム及び方法は、実際は、いくつかの角度、例えば３つの角度を検査することに制限される。
【００５８】
連続的に変化しうる一連のフィルターを用いて、さらに広範囲の周波数を検査することが可能である。ＬＣＤ（液晶）技術を使用することにより、電気的に制御された光学フィルターを作ることが可能である。異なる色の焦点スポットの固定パターンが眼球に投射され、その像は、一連の電気的フィルターの異なる設定を逐次的に記録する。これは、構成要素が動かないという利点を有するが、上記の走査システムと同様、データの逐次取得を必要とする。
【００５９】
スペクトル分離システム及び方法に関して、以下にさらに詳細に記載する。角度調整フィルター６２６を、狭帯域干渉被覆の法則を利用して作製しても良い。このフィルターは、被覆の設計に依存するけれども、反射性のものでも良いし若しくは透過性のものでも良い。このタイプのフィルターは、図６に記載された特性を示す。この場合、フィルターの角度を変化させることにより、透過若しくは反射する光の波長を変化させることができる。そのフィルター６２６を傾いたポジションで用いて、任意のデザインポイント６１４を選択し、波長を、その角度に対応する中央波長６１３から上（６１１）若しくは下（６１５）に補正してもよい。このようにして、広域光源６２２（少なくとも６１１の波長λ_１から６１５の波長λ_２までの波長の広がりより広い）をフィルター６２６とともに使用し、６２０に示すように、角度に応じて波長で符号化された光を発生させる。この場合、大きなＬＥＤ６２２は、レンズ６２４により略平行にされる。光源６２２の幅広い領域は、レンズ６２４を通過して平行にされた後、その角度の範囲となる。上記のように、フィルター６２６を通過した後、与えられた角度の光は、波長により符号化される。このようにして、特定の角度の光を特定の波長と結びつける方法が与えられる。
【００６０】
この光源６２０は、光源４１２の代わりに使用しても良く、さらに断層撮影波面センサーとともに使用してもよい。光学システムを通って様々なプローブ角で波面を検出し記録する。この断層撮影波面センサーは、光学システム４２０及び眼球２を通過し、波面センサー４３０に戻ってきた後、様々な角度からの光は、小型レンズアレイ４３４に入射し、検出器アレイ４３６上に焦点スポットを作り出す。これらのスポットは、一般的に重複していても良い。このスポットは、色波面センサー６３０若しくは６４０を使用することにより分離し検出しても良い。
【００６１】
ある実施の形態では、色波面センサー６３０は、様々な画素上に配列された色フィルターを備えるモザイク焦平面検出器からなる。屈折小型レンズアレイ６３２は、検出器用モザイク６３６の前に使用され、入射波の波長に依存しない方法で焦点スポットを作り出す。検出要素６３６のモザイクは、複合の異なる色でのサンプルを含むので、たとえ、異なる色の入射光により作られたスポットが表示され重複したとしても、特定の波長（例えば「Ｂ」）に対して符号化されたこれらの画素だけを読み込むことにより、特定の色（例えば「Ｂ］）にのみ関連する情報を読み出す。スペクトルで符号化された焦点スポットの位置を記録するこの方法は、非常に単純で確固としたものである。しかし、スポット破壊（spot decimation）及びポジション探知の分解能を最大にするため、いくつかの色に制限される。一般的に、赤、緑及び青の被覆（ＲＧＢ）を有し、色イメージングセンサーとして使用されている商用のモザイク焦平面アレイが利用可能である。しかし、断層撮影波面センサー１００に対して、異なるスペクトル範囲を有する特定の色波面センサー６３０を作ることはさらに有用である。例えば、ＲＧＢでラベルされた画素は、それぞれ８５０、８３０、８１０ｎｍを有するフィルターから構成されても良い。
【００６２】
波面センサーの別の実施の形態は、６４０に示された３次元ＣＣＤカメラである。この実施の形態では、小型レンズアレイ６４１は、中間イメージ面６４２に焦点スポットを作り出す。これらのスポットは重複しても良く、色符号化組織６２０の結果得られたものであり、スペクトル分離される。中継イメージングレンズ６４４を使用して、中間イメージ面のイメージを検出板６４５、６４６及び６４７に中継する。これらの面のそれぞれにおいては、検出器アレイ（例えばＣＣＤアレイ）が配置される。スペクトルフィルター６４８及び６４９を使用して、それぞれの検出器板に透過される波長をスペクトルで分離する。このようにして、中間イメージ面６４２における焦点スポットパターンの完全なイメージは、それぞれの検出面６４５、６４６及び６４７に表されるが、しかし、所望の色符号化によりスペクトル分離される。
【００６３】
赤、緑及び青の波長に対してスペクトル被膜を有するカラー３次元ＣＣＤカメライメージセンサーが、商用的に利用可能である。断層撮影波面分析システム１００で使用するために、眼球測定に適切な波長を有する一連の様々なフィルターが選択される（例えば、８５０、８３０及び８１０ｎｍ）。
【００６４】
より多くの波長を使用して、３以上の角度サンプルを断層撮影の波面分析システム１００に与えても良い。これらは、空間分解技術４００とともに配置し、より大きな角度測定格子を作り出しても良い。例えば、もし３つの色（８５０、８３０及び８１０ｎｍ）がスペクトルで分離されるとすると、垂直に配置された一組のフィルター６２６を使用することにより、ｘ方向及びｙ方向に配置されたパターンを得ることができる。これにより、スポットを重複したり、発明の他のすべての特徴を利用しながら、異なる角度を９つまでサンプル可能である。
【００６５】
他の配置も可能であり、当業者であれば容易に明らかにすることができる。
【００６６】
上記のように、例えば、断層撮影の波面センサーシステムの第１の必要条件は、光学システム（例えば、眼球）を様々な角度で測定可能であることである。図１〜７は、客観的及び機械的に、様々な角度測定により、光学波面収差を同時もしくは逐次的に測定するための様々な配置が示されているが、試行錯誤しながら目的物を移動させることによりこれらの測定を行うことも可能である。人間の眼球の場合、ターゲットの変化を除いてＷＦＳ.００６出願に記載されたものと同様の器具を使用することにより、これを行っても良い。図９に図示されているように、ＷＦＳ.００６出願における機器は、内部ターゲットシステム９４０を備える。内部ターゲットシステム９４０は、患者を固定し、患者の調整を制御するために使用される。異なる角度で眼球の測定を行うために、ターゲットシステム９４０のターゲット９４２を変化させて、異なる位置に眼球の焦点を合わせてもよい。測定装置の光学システムにより直接配列された軸のみに焦点を合わせるのではなく、ターゲットを、複数のオフアクシス位置に配列しても良い。これを、ターゲット９４２を物理的に移動させることにより、若しくは、ターゲット中心の相対的な位置を新たな位置に変えるための電気的方法もしくは他の方法を与えることにより行っても良い。具体例として、それぞれ制御可能な発光ダイオードの格子を、ターゲットとして使用しても良い。この場合、所望の測定に対応したそれぞれのＬＥＤが発光し、それに対応する波面が記録され、その後、次の所望の測定位置に対応する次のＬＥＤが発光し、所望の測定全てがなされるまで逐次的に続けられる。これは、上記他の方法と同数の様々な角度ポジションに対して測定がなされる。しかし、この方法は、単純である一方、時間を大きく隔てて別の測定をしなければならないという欠点を有する。試行錯誤を行いながら、眼球の平均的な性能を測定しても良い。多くの場合、これで十分である。
【００６７】
データ解析
上記方法及びシステムの目的は、光学システムを様々な角度から測定した一連のデータを改良することである。同時若しくは略同時に測定を行って、測定されたデータを一緒に使用し、内部光学システムの詳細を決定しても良い。これは、いわゆる断層撮影再構築である。図１に図示されているように、波面センサー１３０により集められたデータは、処理装置１５２とメモリーとを備えるデータ分析システム１５０に与えられる。以下に、より詳細に記載されているように、そのデータ分析システム１５０は、本発明に係る測定データ解析処理により、光学システム（例えば、眼球）の断層撮影再構築を行う。
【００６８】
いくつかの異なる角度で同じ光学システムを測定する具体例が、図８Ａ〜Ｄに示されている。
【００６９】
図８Ａ〜Ｄは、ＷＦＳ.００６出願に記載された眼球用波面分析システムにより測定され分析された波面マップであって、同じ眼球を測定した４つの異なる波面マップを示している。図８ａにおいて、オンアクシス収差が示されている。図８Ｂ〜Ｄは、同じ眼球のオフアクシス測定である。ここでは、眼球をおよそ１５°左、１５°上、１５°下から連続して測定する。明確とするため、低オーダーの収差が、図８Ａ〜Ｄに記載された波面から取り除かれる。眼球の角度ポジションが、結果的に得られる収差に大きな影響を及ぼすことは、これらの像を検査すれば明確である。数多くの測定に含まれる情報を足し合わせることによって、内部構造が決定してもよい。
【００７０】
自動化コンピュータ断層撮影（ＣＡＴ）スキャン若しくは磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）法などの古典的な断層撮影再構築において、数多くのデータが、システムを介して様々な角度から取得される。この場合、測定される三次元構造は、複数の別々の測定から構築される。その時、フーリエ変換技術を使用して内部構造を再構築しても良い。これは、断層撮影波面センサーにおいて使用されている。この場合、波面を、小型レンズアレイの分解能（若しくは適切であるならばより高い分解能を与えるためにさらに小型レンズアレイを加えても良い）でサンプリングし、その後異なる領域を断層撮影再構築アルゴリズムに与えても良い。
【００７１】
内部構造の情報が予め知られている眼球などの光学システムに対して、別の方法を使用しても良い。例えば、眼球は、屈折率の差が存在する外部表面及び内部表面を有する。これらは、角膜の前表面及び後表面、前面チャンバー、水晶体レンズ（後面及び前面）、ガラス体、網膜を備える。正確な位置、分離、曲率及びこれら様々な要素の形状は良く知られていないが、内部構造を記載する必要がある非常に限られた数の要素がある。
【００７２】
眼球のレンズの内部構造は、半径ポジションに依存して屈折率が変化することが良く知られており、この半径方向の依存性を断層撮影分析により測定しても良い。
【００７３】
一般的にゼルニケ多項式を使用して波面が記載されるので、これらと同じ多項式を使用して、様々な内部要素の形状を記載することは当然のことである。しかし、これらは、便利な数学的記述であるが、他の多項式若しくは数学的記述子を使用しても良い。
【００７４】
様々な表面が、以下の言葉の中に記載されている。
Ｓｃａ 角膜の前面
Ｓｃｐ 角膜の後面
ｔａ 角膜の中央部厚さ
ｔａｃ 前面チャンバーの中央部厚さ
Ｓｌａ 水晶体レンズの前表面
Ｓｌｐ 水晶体レンズの後表面
ｔｌ 水晶体レンズの中央部厚さ
様々な表面が、いくつかの付加的定数により記載されている。これらは、曲率半径、円柱定数、これらの形状からの小さな偏りを示す係数を含む。例えば、表面は以下の式によりあらわされても良い。
【数１】

ここで、
Ｃ_ｘとＣ_ｙは、ｘ方向及びｙ方向の曲率半径を定義した定数である。
ｋ_ｘとｋ_ｙは、ｘ方向及びｙ方向の円柱定数である。
Ｚ_ｋは、一連の多項式を定義する。
ａ_ｋは、多項式の係数である。
【００７５】
この表面の記載は、全般的に歪んだ円柱表面形状及び純粋な円柱形から任意に偏った形状を含む。４次のオーダーに対して、この表面は、完全に記載するためには１３のパラメータが必要である。４つの表面Ｓｃａ、Ｓｃｐ、Ｓｌａ、Ｓｌｐのそれぞれは、上記のように広がっていても良い。さらに、これらの表面のそれぞれは、参照フレームに対して回転する主軸を有し、それぞれの表面に対して付加的なパラメータを発生させても良い。このように、それぞれの表面（４番目のオーダーに対して）は、１４のパラメータを必要とする。様々な中央部厚さを含むため、内部構造を含め、眼球を完全に記述するためには、全部で６０のパラメータが発生する。これらのパラメータを、単一のリストｂ_ｋ（ここでｋ＝（１、６０））に適切に収集してもよい。これらのパラメータの情報は、全透過された波面誤差、角膜表面曲率、形状及び膜厚、内部レンズ形状、膜厚及び波面誤差を与える。データを、多くの様々な見地から分析しても良い。例えば、オンアクシス角膜断層撮影及び波面測定とを統合してもよい。角膜の厚さのマップ（測厚）若しくは角膜表面の曲率を、データから容易に決定しても良い。即ち、このことによって、診断、病理学、外科手術の計画、他の数多くの応用のため眼球を完全に分析するのに必要な全ての情報が与えられる。
【００７６】
様々な角度で測定することにより、ある特定の角度で集光された光線に関する情報が与えられる。これらは、ゼルニケ多項式若しくは他の多項式により、波面の最良フィットを記載している。しかし、高い分解能の装置（例えば、ＷＦＳ.００６出願参照）については、８００の個々の傾きの測定をそのデータにフィッティングして結果を得ても良い。異なる角度（３〜２５）から、その眼球のシステムを厳密に調べることが望ましいならば、非常に多くの測定がなされ、それらの測定は内部構造を決定するために使用される。システムは非常に多元的に決定される。
【００７７】
測定基準を形成することによって分析が進む。その測定基準は、パラメータで表示された表面と測定されたデータとの実質的な光学パスの相違（ＯＰＤ）を記述するものである。断層撮影波面システムαにより精査されたそれぞれの角度に対して、その実質ＯＰＤは、光学システム内の光線トレースにより決定される。その光学システムは、先程の表面パラメータのリストからなる表面ｂ_ｋを記述するパラメータを有する。これは、その角度に対して、測定された光学パス相違（ＯＰＤ_ｍ）と比較され、それぞれの領域に対する全ての角度およびすべての位置に亘って足し合わされる。
【数２】

パラメータｂ_ｋに関してχ^２を最小にして、該パラメータｂ_ｋを規格化最小二乗法より導き出せる。これを解決するため、ガウス-シーデル法、特異値分解若しくは反復最小二乗法を含む多数の方法が存在する。これらの表面のうちいくつかが、角膜断層撮影測定（Ｓｃａ及びＳｃｐとして知られている）などの他の測定から知られているなら、この情報を使用して、他のパラメータを決定する場合の正確性を向上させてもよい。
【００７８】
フーリエ変換断層撮影再構築法によるこのタイプの技術の利点は、シャック-ハルトマン波面センサーの空間方向（ｘ、ｙ）に対する分解能が、順序方向（ｚ）に対するものと本質的に似ていないということである。小型レンズアレイ（若しくは他の波面計測法のための画素サイズ）が、空間分解能を決定する一方、波面分解能（正確に決定された最小波面）は、検出器、小型レンズアレイ特性、アルゴリズムおよび他の効果により決定される。波面分解能は０.１μｍ以下であるのに対し、一般的に空間分解能は、２００〜３００μｍとなり得る。このことにより、フーリエ変換法は、この応用分野に適用可能であるけれども、小型レンズアレイ分解能（２００〜３００μｍ）と同一の結果を生み出す。これは、いくつかの応用分野においては十分ではない。
【００７９】
最小二乗法では、様々な角度が重複しない部分以外は、サブミクロレベル以下の正確な測定が行える。この重複しない領域は、多項式表現により適切に扱うことができる。なぜならば、様々な面に対して、部分的に重複する領域に対してすらも最良に定義づけができるからである。
【００８０】
人間が、異なる距離に、眼球の焦点を合わせる時、眼球の中のレンズの内部形状は変化するが、一方、眼球の他の構造はほとんど変化しない。ある実施の形態では、患者が様々な距離に焦点を合わせるように配置されたターゲットを用いる。その後、様々な距離において焦点を合わされた眼球に対してトモグラフィー測定が行われる。数学的アルゴリズムが適用され、３次元構造のパラメータが決定される。一方、レンズの形状及び膜厚を、測定されたデータに最も良くフィットするように変化させてもよい。この技術により、眼球内の構造の測定において分解能が増加する。
【００８１】
いくつかの場合において、対称若しくは他の数学的効果は、導かれた項の正確さを制限するかもしれない。光学システムである瞳から遠くへ引き離された構造に対して、様々なプローブ角の重複が減るかもしれない。このようにして、完全な収差を決定し得るのは、限られた瞳孔部分となるかもしれない。これらの制限は、特定の実施の形態の詳細に依存し、発明自身の制限ではない。
【００８２】
好ましい実施の形態がここで開示されているが、本発明のコンセプト及び技術範囲において多くの変形が可能である。そのような変形は、明細書、図面及びクレームを閲覧した後に、当業者であれば明らかになるだろう。それゆえ、本発明は、添付のクレームの精神及び技術範囲に制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１Ａは、断層撮影波面分析システムを示しており、図１Ｂは、眼球の網膜上に投射された複数の投射スポットを示している。
【図２】図２は、波面センサーの詳細な構造を示している。
【図３】図３は、逐次測定断層撮影波面分析システムの実施の形態を示している。
【図４】図４は、同時測定断層撮影波面分析システムの実施の形態を示している。
【図５】図５Ａ〜５Ｄは、異なる分析角度で測定された波面を同時に分析するためのシステムおよび方法の関連した部分を示している。
【図６】図６は、眼球上に投射された焦点スポットを空間的に分離し、色波面センサーによりこれらのスポットを検出するためのシステムを示している。
【図７】図７は、逐次測定断層撮影波面分析システムの他の実施の形態を示している。
【図８】図８Ａ〜８Ｄは、眼球の波面分析システムにより測定され分析された同一の眼球からの４つの異なる波面マップを示している。
【図９】図９は、目的の固定ポイントを変えることにより異なる角度で眼球を測定するための方法を示している。

Claims (70)

1. 投射システムと、光学イメージングシステムと、波面センサーとを備える断層撮影波面分析システムであって、
   複数の光ビームを投射する前記投射システムは、
   複数の光ビームを同時に発生させる光源と、
   前記複数の光ビームを平行にする平行レンズと、
   平行にされた前記光ビームが通過するアパーチャー格子と、
   平行にされた複数の前記光ビームを受け取り偏光するための偏光ビームスプリッターとを備え、
   前記光学イメージングシステムは、偏光され平行にされた光ビームを受け取り、眼球内の複数の異なる位置に、偏光され平行にされた前記光ビームを同時に照射し、
   それぞれの位置からの散乱光を同時に受け取る前記波面センサーは、前記散乱光を受け取り焦点を絞る小型レンズアレイと、焦点を合わされた散乱光を検出する検出器アレイとを備えることを特徴とする断層撮影波面分析システム。
2. 前記光学イメージングシステムが、
   走査ミラーと眼球との間の光学パス内に配置された一対のレンズと、
   一対の前記レンズと眼球との間の光学パス内に配置された四分の一波長板とを備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記光源が、実質的に同じ波長を有する複数の光ビームを発生させることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記小型レンズアレイが複数の小型レンズを備え、前記検出器アレイが複数の画素を備え、前記画素の数が小型レンズの数より多いことを特徴とする請求項３記載のシステム。
5. 前記光源が、類似する様々な波長を有する複数の光ビームを発生させることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記検出器アレイが、色で符号化された画素のモザイクパターンを備え、それぞれの色符号化画素が、実質的に、様々な波長のうちの一つに対応する光のみを検出することを特徴とする請求項５記載のシステム。
7. 前記波面センサーが、第二および第三の検出器アレイをさらに備え、前記検出器アレイのそれぞれが色により符号化され、様々な波長の一つに対応する光のみ実質的に検出することを特徴とする請求項５記載のシステム。
8. 前記波面センサーが、前記小型レンズアレイと検出器アレイとの間の光学パス上に配置された少なくとも一つのスペクトルフィルターをさらに備え、前記スペクトルフィルターが、検出器アレイに与えられる散乱光であって、焦点を絞られた散乱光をスペクトルでフィルターすることを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記検出器アレイからデータを受け取り、それにより、眼球の内部構造の表面を表現する一連のパラメータを決定する処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 投射システム、光学イメージングシステム、および波面センサーを備える断層撮影波面分析システムであって、
    走査され偏光され平行にされた光ビームを投射する前記投射システムは、
    光ビームを発生させる光源と、
    前記光ビームを平行にする平行レンズと、
    平行にされた前記光ビームが通過するアパーチャー格子と、
    平行にされた前記光ビームを受け取り偏光する偏光ビームスプリッターと、
    一定時間に亘って複数の所望の方向に光ビームを走査しながら反射する走査ミラーと、を備え、
    さらに、前記光学イメージングシステムは、走査され偏光され平行にされた前記光ビームを受け取り、眼球内の複数の異なる位置に、走査され偏光され平行にされた前記光ビームを向け、
    前記位置のそれぞれから散乱光を受け取る前記波面センサーは、
    散乱光を受け取り焦点を絞る小型レンズアレイと、
    焦点を絞られた前記散乱光を検出する検出器アレイと、
    を備えることを特徴とする断層撮影波面分析システム。
11. 前記眼球と前記波面センサーとの間の光学パスに配置された光バルブをさらに備え、前記光バルブが波面センサーに前記散乱光を逐次的に通過させることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
12. 前記光バルブが、眼球内の、光が散乱される位置と共役の位置にある中間焦平面に配置されることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. 前記光バルブが、液晶装置をさらに備えることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
14. 前記眼球と前記波面センサー間の光学パス内に配置されたディスクをさらに備え、前記ディスクが、波面センサーに散乱光を選択的に通過させる穴のパターンを有することを特徴とする請求項１０記載のシステム。
15. 前記光学イメージングシステムが、
    前記走査ミラーと前記眼球との間の光学パスに配置された一連のレンズと、
    前記一連のレンズと前記眼球との間の光学パスに配置された四分の一波長板とを備えることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
16. 前記光源と前記走査ミラーとの間の光学パスに配置されたリレーテレスコープをさらに備え、前記リレーテレスコープが、第一のレンズと第二のレンズと、さらに前記第一、第二のレンズ間に位置しアパーチャーを有する板とを備えることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
17. 前記光学イメージングシステムが、
    前記走査ミラーと前記眼球との間の光学パスに配置された一対のレンズと、
    一対の前記レンズと前記眼球との間の光学パスに配置された四分の一波長板と、
    からなることを特徴とする請求項１６記載のシステム。
18. 前記走査ミラーが、検出器アレイと同期して行われることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
19. 前記検出器アレイからデータを受け取り、それにより、眼球の内部構造表面を記述する一連のパラメータを決定する処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
20. 平行にされた複数の光ビームを発生する投射システムと、
    平行にされた複数の光ビームを受け取り、眼球内の複数の異なる位置に、平行にされた複数の前記光ビームを同時に与える光学イメージングシステムと、
    異なる位置のそれぞれから散乱光を同時に受け取る波面センサーと、
    を備えることを特徴とする断層撮影波面分析システム。
21. 前記光学イメージングシステムが、
    前記投射システムと前記眼球との間の光学パスに配置された一対のレンズと、
    前記一対のレンズと前記眼球との間の光学パスに配置された四分の一波長板とを備えることを特徴とする請求項２０記載のシステム。
22. 前記投射システムが、実質的に同じ波長を有する複数の光ビームを発生させることを特徴とする請求項２０記載のシステム。
23. 前記波面センサーが、
    前記散乱光を受け取り焦点を絞る複数の小型レンズを有する小型レンズアレイと、
    焦点を絞られた前記散乱光を検出する複数の画素を有する検出器アレイとを備え、
    前記画素の数が、実質的に、前記小型レンズの数より多いことを特徴とする請求項２２記載のシステム。
24. 前記投射システムが、類似する様々な波長を有する複数の光ビームを発生させることを特徴とする請求項２０記載のシステム。
25. 前記波面センサーが、
    前記散乱光を受け取り焦点を絞る小型レンズアレイと、
    焦点を絞られた前記散乱光を検出する色符号化画素のモザイクパターンを有する検出器アレイとを備え、
    それぞれの色符号化画素が、異なる波長の一つに対応する光のみ実質的に検出することを特徴とする請求項２０記載のシステム。
26. 前記波面センサーが、複数の検出器アレイを備え、前記検出器アレイのそれぞれが、色により符号化され、実質的に、様々な波長の一つに対応する光のみ検出することを特徴とする請求項２４記載のシステム。
27. 前記波面センサーが、前記小型レンズアレイと前記検出器アレイとの間の光学パスに配置された少なくとも一つのスペクトルフィルターを備え、前記スペクトルフィルターが、前記検出器アレイに与えられる散乱光であって、焦点を絞られた散乱光をスペクトルでフィルターすることを特徴とする請求項２６記載のシステム。
28. 前記波面センサーからデータを受け取り、それから眼球の内部構造表面を記載する一連のパラメータを決定する処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項２０記載のシステム。
29. 平行にされた複数の光ビームを発生させる工程と、
    対象光学システム内の複数の異なる位置に、平行にされた複数の前記光ビームを同時に与える工程と、
    様々な位置のそれぞれから散乱光を同時に受け取る工程を備えることを特徴とする対象光学システムの３次元構造の収差を測定する方法。
30. 平行にされた複数の光ビームを発生させる工程が、実質的に同じ波長を有する複数の平行光ビームを発生させる工程を含むことを特徴とする請求項２９記載の方法。
31. 平行にされた複数の光ビームを発生させる工程が、類似する様々な波長を有する複数の平行光ビームを発生させる工程を含むことを特徴とする請求項２９記載の方法。
32. 前記散乱光から波面データを検出する工程と、
    検出した前記波面データを処理して、それにより、対象光学システムの内部構造表面を決定する一連のパラメータを決定する工程とをさらに備えることを特徴とする請求項２９記載の方法。
33. 検出された前記波面データを処理して、それにより、対象光学システムの内部構造表面を記述する一連のパラメータを決定する工程が、内部構造に関連する先行情報を使用することにより、決定された前記パラメータの正確性を向上させることを含むことを特徴とする請求項３２記載の方法。
34. 前記対象光学システムが眼球である方法であって、
    眼球の角膜局所解剖学測定を行う工程と、
    前記散乱光から波面データを検出する工程と、
    検出された前記波面データを処理して、それにより、眼球の内部構造表面を記述する一連のパラメータを決定する工程とを備え、
    前記検出された波面データを処理する工程が、角膜局所解剖学測定から得た角膜表面パラメータを使用することにより、決定された一連の前記パラメータの正確性を向上させる工程を備えることを特徴とする請求項２９記載の方法。
35. 光ビームを発生させ、複数の所望の方向に前記光ビームを走査する投射システムと、
    走査された前記光ビームを受け取り、対象光学システム内の異なる複数の位置に、走査された前記光ビームを与える光学イメージングシステムと、
    異なる位置のそれぞれから散乱光を受け取る波面センサーとを備えることを特徴とする断層撮影波面分析システム。
36. 前記投射システムが、走査ミラーを備え、複数の所望の方向に光ビームを走査することを特徴とする請求項３５記載のシステム。
37. 対象となる前記光学システムと、前記波面センサーとの間の光学パスに配置された光バルブをさらに備え、前記光バルブが前記波面センサーに前記散乱光を逐次的に通過させることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
38. 前記光バルブが、液晶装置を備えることを特徴とする請求項３７記載のシステム。
39. 対象となる前記光学システムおよび前記波面センサー間の光学パスに配置されたディスクをさらに備え、前記ディスクが、穴のパターンを有し、前記波面センサーに前記散乱光を選択的に通過させることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
40. 前記投射システムおよび前記光学イメージングシステム間の光学パスに配置されたリレーテレスコープをさらに備え、前記リレーテレスコープが、第一レンズと第二レンズと、さらに第一および第二のレンズ間に配置されたアパーチャーを有する板とを備えることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
41. 前記光学イメージングシステムが、
    前記走査ミラーと対象となる前記光学システムとの間の光学パスに配置される一対のレンズと、
    一対の前記レンズと対象となる前記光学システムとの間の光学パスに配置される四分の一波長板と、
    からなることを特徴とする請求項４０記載のシステム。
42. 前記波面センサーからデータを受け取り、それにより、対象となる前記光学システム内部の構造表面を記述する一連のパラメータを発生させる処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項３５記載のシステム。
43. 光ビームを発生させる工程と、
    前記光ビームを、所望の複数の方向に走査する工程と、
    走査された前記光ビームを、対象となる前記光学システム内の異なる複数の位置に与える工程と、
    異なる前記位置のそれぞれから前記散乱光を受け取る工程と、
    を備える対象光学システムの３次元構造の収差を測定する方法。
44. 前記散乱光から波面データを検出する工程と、
    検出された前記波面データを処理し、それにより、対象となる前記光学システムの内部構造表面を記述する一連のパラメータを決定する工程とをさらに備えることを特徴とする方法。
45. 検出された前記波面データを処理して、それにより、対象となる前記光学システムの内部構造表面を記述する一連のパラメータを決定する工程が、内部構造に関連する先行情報を使用することにより、決定された一連の前記パラメータの正確性を向上させることを含むことを特徴とする請求項４４記載の方法。
46. 対象となる前記光学システムが眼球である方法であって、
    眼球の角膜局所解剖学測定を行う工程と、
    前記散乱光から波面データを検出する工程と、
    検出された前記波面データを処理して、それにより、眼球の内部構造表面を記述する一連のパラメータを決定する工程とをさらに備え、
    検出された前記波面データを処理する工程が、角膜局所解剖学測定から得た角膜表面パラメータを使用することにより、決定された一連の前記パラメータの正確性を向上させることを特徴とする請求項４３記載の方法。
47. 複数の光ビームを発生させるための手段と、
    前記光ビームを光学的に結像して、対象となる前記光学システム内の複数の異なる位置に、前記光ビームを投射する手段と、
    前記位置のそれぞれから、散乱光を受け取り、前記散乱光の個々の波面を検出するための手段とを備える対象光学システムを測定するための断層撮影波面分析システム。
48. 前記光ビームを光学的に結像し、対象となる前記光学システム内の複数の異なる位置に、前記光ビームを投射する前記手段が、前記光ビームを結像すると同時に、対象となる光学システム内の複数の異なる位置に前記光ビームを投射する手段を含むことを特徴とする請求項４７記載のシステム。
49. 複数の光ビームを発生させる手段が、実質的に同じ波長を有する複数の光ビームを発生させる手段を含むことを特徴とする請求項４８記載のシステム。
50. 実質的に同じ波長を有する複数の光ビームを発生させる手段が、複数のレーザーダイオードを含むことを特徴とする請求項５０記載のシステム。
51. 前記位置のそれぞれから散乱光を受け取り前記散乱光の個々の波面を検出する前記手段が、受け取った前記散乱光を空間的に分離する手段を含むことを特徴とする請求項４９記載のシステム。
52. 前記位置のそれぞれから散乱光を受け取り前記散乱光の個々の波面を検出する前記手段が、
    前記散乱光を受け取り焦点を絞る複数の小型レンズを有する小型レンズアレイと、
    焦点を合わされた前記散乱光を検出する複数の画素を有する検出器アレイと、
    を備え、
    前記画素の数が、前記小型レンズの数より実質的に多いことを特徴とする請求項５１記載のシステム。
53. 複数の光ビームを発生させる前記手段が、類似する様々な波長を有する複数の光ビームを発生させる手段を備えることを特徴とする請求項４８記載のシステム。
54. 類似する様々な波長を有する複数の光ビームを発生させる前記手段が、
    複数の波長を有する光を発生させる広帯域光源と、
    該光を受け取り、それにより、類似する様々な波長を有する複数の光ビームを発生させる角度調整フィルターとを備え、前記光ビームのそれぞれが、前記角度調整フィルターから異なる角度で投射されることを特徴とする請求項５３記載のシステム。
55. 前記位置のそれぞれから散乱光を受け取り前記散乱光の個々の波面を検出する前記手段が、受け取った前記散乱光をスペクトルで分離する手段を備えることを特徴とする請求項５３記載のシステム。
56. 前記位置のそれぞれから散乱光を受け取り前記散乱光の個々の波面を検出する前記手段が、
    前記散乱光を受け取り焦点を絞る小型レンズアレイと、
    焦点を合わされた前記散乱光を検出する色符号化画素のモザイクパターンを有する検出器アレイと、
    を備え、
    それぞれの色符号化画素が、実質的に、様々な波長の一つに対応する光のみを検出することを特徴とする請求項５５記載のシステム。
57. 前記波面センサーが、複数の検出器アレイを備え、前記検出器アレイのそれぞれが、色により符号化され、実質的に、様々な波長の一つに対応する光のみ検出することを特徴とする請求項５５記載のシステム。
58. 光ビームを光学的に結像し、対象となる前記光学システム内の異なる複数の位置に前記光ビームを投射する前記手段が、光ビームを結像した後、逐次的に、対象となる前記光学システム内の複数の様々な位置に光ビームを投射する手段を含むことを特徴とする請求項４７記載のシステム。
59. 複数の光ビームを発生させる手段が、走査ミラーを含むことを特徴とする請求項５８記載のシステム。
60. 対象となる前記光学システムと、前記位置のそれぞれから散乱光を受け取り前記散乱光の個々の波面を検出する前記手段との間の光学パスに配置された光バルブを備え、
    前記光バルブは、それぞれの位置から散乱光を受け取り、前記散乱光の個々の波面を検出する手段に対して散乱光を逐次的に通過させることを特徴とする請求項５８記載のシステム。
61. 検出された波面データを受け取り、それにより、対象となる前記光学システムの内部構造表面を記述する一連のパラメータを決定する手段をさらに備えることを特徴とする請求項４７記載のシステム。
62. 散乱光を受け取り、焦点を絞る小型レンズアレイと、
    異なる検出器板に位置し、小型レンズアレイから、焦点を絞られた散乱光を検出する複数の検出器アレイとを備え、
    前記検出器アレイのそれぞれが、色により符号化され、実質的に、類似する様々な波長に対応する光のみ検出することを特徴とする波面分析システム用波面センサー。
63. 前記小型レンズアレイと前記検出器アレイとの間の光学パスに配置された少なくとも一つのスペクトルフィルターをさらに備え、前記スペクトルフィルターが、前記検出器アレイに与えられた散乱光であって、焦点を合わされた散乱光をスペクトルでフィルターしたことを特徴とする請求項６２記載の波面センサー。
64. 散乱光を受け取り、焦点を絞る小型レンズアレイと、
    焦点を合わされた前記散乱光を検出する色符号化画素のモザイクパターンを有する検出器アレイとを備えることを特徴とする波面分析システム用波面センサー。
65. 光ビームを発生させる投射システムと、
    異なる複数の方向に逐次的に眼球をフォーカスするための固定用ターゲットと、
    前記光ビームを受け取り、眼球が固定用ターゲットによりフォーカスされている様々な方向に対応する眼球の網膜上の複数の異なる位置に逐次的に光ビームを与える光学イメージングシステムと、
    様々な位置のそれぞれから散乱光を受け取る波面センサーと、
    を備える断層撮影波面分析システム。
66. 前記波面センサーからデータを受け取り、それにより、眼球の内部構造表面を記述する一連のパラメータを発生させる処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項６５記載のシステム。
67. 光ビームを発生させる工程と、
    異なる複数の方向に逐次的に眼球をフォーカスする工程と、
    前記眼球が、固定用ターゲットによりフォーカスされた様々な方向に対応する眼球の網膜上の複数の異なる位置に逐次的に前記光ビームを与える工程と、
    前記異なる位置のそれぞれから散乱光を受け取る工程と、
    を備えることを特徴とする眼球の三次元構造の収差を測定する方法。
68. 前記散乱光から波面データを検出する工程と、
    検出された前記波面データを処理して、それにより、眼球内部構造の表面を記述する一連のパラメータを決定する工程とをさらに備えることを特徴とする請求項６７記載の方法。
69. 検出された前記波面データを処理して、それにより、眼球内部構造の表面を記述する一連のパラメータを決定する工程が、内部構造に関連した先行情報を使用することにより、決定された一連の前記パラメータの正確性を向上させることを含むことを特徴とする請求項６８記載の方法。
70. 眼球の角膜局所解剖学測定を行う工程と、
    前記散乱光から波面データを検出する工程と、
    検出された前記波面データを処理して、それにより、眼球の内部構造の表面を記述する一連のパラメータを決定する工程とを備え、
    検出された波面データを処理する工程が、前記角膜局所解剖学測定から得た角膜表面パラメータを使用することにより、決定された一連の前記パラメータの正確性を向上させることを特徴とする請求項６７記載の方法。

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