JP2006516447A - 眼のタルボ・モアレ波面センサ - Google Patents

Abstract

ビーム・スプリッタ１４で反射される細い平行光ビーム１２を供給する光源１０を有する、眼を測定するためのシステム。光ビーム１２は、瞳孔１７を通って眼１６に入射し、網膜１８上の一点２０で集束する。光１２は網膜１８で反射し、一連のリレー・レンズ２２、２４を通過する。光は、次に、１つまたは複数のレチクル２６、２８を通過する。ＣＣＤカメラ３０が、レチクル２６、２８によって形成されるシャドー・パターンを記録する。このシャドー・パターンがコンピュータ内にディジタル化され、ゆがみを計算するためのアルゴリズムが生成される。上記ステップを実行することにより、矯正レンズが所定の位置に置かれた状態、もしくは矯正レンズが所定の位置に置かれていない状態で眼の屈折強度を多くのポイントで同時に測定することができる。

Description

本発明は、ヒトの眼の様々なパラメータを測定する分野に関する。

視力の改善は非常に重要である。視力の矯正を処方するためには、形状構成（フィーチャ）を始めとする眼の物理的な特性を正確に測定することもまた極めて重要である。

より複雑な光学表面を生成することができる新しい技術の出現により、眼の光学特性の測定に必要なツールには注目すべき復活が起きており、過去において可能であった以上により高度に複雑になってきている。

本発明は、ホロウィッツ（Ｈｏｒｗｉｔｚ）の米国特許第５，９６３，３００号明細書に記載されているシステムに改良を加えたものである。ホロウィッツのシステムでは、光ビームが眼に投射される。光ビームの直径は、眼の瞳孔の直径に等しいか、あるいはそれ以上である。眼は光ビームを網膜に集束させ、そして光ビームは網膜で反射して眼の光学コンポーネントを通って眼から出る。眼で反射した光はリレー・レンズ系によって集められ、１つのレチクルもしくは複数のレチクルを通して投影される。リレー・レンズ系内には空間フィルタ（アイリスあるいは絞り）が配置されて不要な反射光（ｇｌｉｎｔ）を阻止している。１つまたは複数のレチクルを通過した光は透明なスクリーン上に投影され、スクリーン上に画像が生成される。電荷結合デバイスＣＣＤカメラがスクリーン上に焦点を合わせており、１つまたは複数のレチクルによって生成されたパターンが「観察」される。コンピュータを使用してＣＣＤカメラ画像がディジタル・データに変換される。次に、コンピュータによってディジタル・データが解析され、眼の屈折状態が決定される。コンピュータはまたカメラの頂点からの反射光（ｇｌｉｎｔ）の位置および瞳孔の位置を分析し、それら２つの位置を比較し、そして眼が凝視している位置を決定する。

眼の反射波面を測定するために利用可能な複数の方法が存在している。本発明による方法は、「タルボ／モアレ干渉法」として知られている。利用可能な他の方法の中で最も一般的な方法は、「レンズレット・アレイ・システム」あるいは「ハルトマン・シャック」センサとして知られている。そのような波面センサは、リアング（Ｌｉａｎｇ）らの著書「ハルトマン・シャック・センサを用いたヒトの眼の波面収差の客観的測定（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｗａｖｅ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｍａｎ Ｅｙｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ ａ Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ Ｗａｖｅ−Ｆｒｏｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ）」（米国光学学会会誌、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．７、１９９４年７月、１９４９〜１９５７頁）に記載されている。

ウィリアム（Ｗｉｌｌｉａｍｓ）の米国特許第５，９４９，５２１号明細書には、初期のハルトマン・シャック・システムの１つが記載されている。光ビームが眼に投射される。ウィリアムは、光を眼に投射する前に、最初に光学コンポーネントを通過させ、次に変形可能ミラーで反射させる。眼で反射した光がリレー・レンズ系によって集光され、変形可能ミラーに投射される。変形可能ミラーに投射された光は、レンズレット・アレイに向かって反射する。

レンズレット・アレイは、昆虫の眼に非常に良く似た、しかし球面というよりは平坦な多数の微小レンズを備えたディスクである。このレンズレット・アレイは、空中画像に焦点を合わせられた多数の光スポットを生成する。もし微小レンズによって集光されている光がレンズに向かって「真直ぐに」接近してきていれば、微小レンズによって形成されるスポットは微小レンズの光軸に沿って形成されることになるであろう。しかし光が微小レンズに向かって「真直ぐに」接近しておらず、光軸の一方の側に向かって斜めになっていれば、結果として得られるスポットは微小レンズの光軸の一方の側に形成されることになるであろう。解析中の眼から出た反射光が光軸に沿って完全に整列していないとき、その眼は欠陥を有している。結果として得られる、微小レンズによって形成されたスポットの位置のずれによって、眼の欠陥のタイプおよび欠陥の程度が示される。個々の微小レンズの位置は、眼の対応する位置の光学性能に関連している。換言すれば、眼から出た光を集光しているアレイの最頂部の微小レンズがスポットを生成し、したがって眼の頂部から出た光に関する情報を生成するであろう。一方、アレイの底部のスポットは眼の底部に対応しており、その他のスポットについても同様である。（光学設計にもよるが、もし画像が反転あるいは鏡映されていれば、それに応じて関連性が調整されなければならない。例えば画像が反転されている場合には、眼の「頂部」はアレイの「底部」のスポットによって表されるであろう。）ＣＣＤカメラは、スポットが集束する空中平面上に焦点を合わせられており、光のスポットを「観察」している。ＣＣＤカメラ画像はコンピュータを使用してディジタル・データに変換される。次に、コンピュータによってディジタル・データが解析され、欠陥のない眼がスポットを集束させるであろう位置からの個々のスポットの位置のずれを比較することによって眼の屈折状態が決定される。コンピュータは、変形可能ミラーの形状を変えることにより、レンズレット・アレイによって生成される（すなわち結果として得られる）スポット・パターンを変更することができ、またそれらのスポットが、適正に焦点を結ぶ眼のためのスポットの位置に近づくように変更を試行する。

リアン（Ｌｉａｎｇ）らの米国特許第６，２７０，２２１号明細書には、ハルトマン・シャック・システムに対する改善が記載されている。リアンらは、ハルトマン・シャック・レンズレット・システムの欠点のせいで、ヒトの眼に依存して大きな入射光ビームを網膜上の微小スポットに集束させるという問題を有していた。ハルトマン・シャック・デバイスを（焦点を合わせられた問題のある眼の測定に対して）有用にしていることそのものが、ハルトマン・シャック・デバイスにそれらの眼の問題をもたらしている。良好に焦点を結ばない眼の場合、反射波面は微小スポットから発生せず、大きいスポットからのものであるので、レンズレットの性能を低下させる。したがってこのような眼を測定することは不可能である。ハルトマン・シャック・システムはレンズレットを使用しているため、このタイプの誤差に極めて敏感である。リアンらの解決法は、集束レンズ（フォーカス・レンズ）を追加して照明ビームを収束あるいは発散させ、それにより眼の屈折不足を補償し、またこの問題に対するハルトマン・シャック・レンズレット・システムの過剰感度を補償している。

本出願人の発明は、ホロウィッツのシステムに改良を加えたものである。

ホロウィッツに関連して、眼に投射される光ビームは、本出願人のシステムでは、眼の瞳孔の直径よりはるかに小さい直径を有している。ホロウィッツのシステムは、眼の角膜およびレンズが光を網膜表面の微小ポイントに集束させることを必要としている。患者の眼が良好に機能しているときには網膜上に光の微小ポイントが形成されるが、もし患者の眼が良好に機能していないか、あるいはただ単に適応しているだけであれば、光の微小ポイントは形成されず、その代わりにより大きい光のスポットが形成される。このスポットは眼の屈折状態が悪いほど大きくなり、そのために網膜上の多くのポイントで光が反射し、縞の画像品質が悪くなる。空間フィルタおよびスクリーンを追加することにより、不要な多くの反射がフィルタ除去されるが、不要なすべての反射が除去されるわけではない。それだけでなく、さらに重大なことには、空間フィルタはデバイスの測定範囲を制限し、またスクリーンは、いくつかのより高い次数の収差に対する感度を低下させる。これらのより高い次数の収差に対する感度の低下は許容不可能であったものと思われ、またホロウィッツの発明の時点では望ましかったとしても、現在ではそれらを測定して定量化することが望ましい。さらに、以前のデバイスの測定範囲は、その当時はそれで許容されたとしても、現在ではこれらのシステムに対する測定範囲の要求がますます広くなっており、より広い範囲が必要である。

直径が眼の瞳孔の直径よりはるかに小さいビーム、例えば１ｍｍ未満のビームを使用することにより、ビームは、事実上屈折が生じない眼の中心軸線を通過する。光は、患者の眼の光学性能あるいは適応状態には無関係に微小スポットを網膜に形成し、それによって縞パターンを生成するためのはるかに良好な品質の戻り信号が得られる。また網膜上の中心光軸線に対応するポイントで衝突することを条件として、他の角度および位置から直径の小さい照明ビームを眼に投射してもよい。

トポグラフィあるいはパキメトリーは使用されない。本出願人の発明は、網膜で反射し且つ眼のすべての光学コンポーネントを通って屈折する光のみを解析するものであり、角膜および水晶体などの他の表面で反射する光は解析しない。眼のトラッキング（追跡）は行われない。ホロウィッツのシステムとは異なり、空間フィルタあるいはスクリーンは使用されない。

ウィリアムのシステムに関連して、本出願人の発明は、眼に投射する光を修正するための変形可能ミラー、および眼から集光する反射光を修正するための変形可能ミラーを使用しない。変形可能ミラーは極めて複雑であり、ウィリアムのシステムを著しくコストのかかるものにしている。本出願人のシステムはより単純で、より低コストであり、またサービスおよび保守がより頑強で、より単純である。本出願人のシステムはレンズレット・アレイを使用しない。その代わりに、本出願人のシステムは、レンズレット・アレイとは全く異なる光学方式であるレチクルを利用している。レンズレット・アレイは波面を集光してスポットに変換するが、レチクルは波面を維持し、また波面に対照暗線および明線を導入することによって波面を画像化する。ウィリアムの場合にはスポットが波面の形状を表しているのに対し、本出願人の場合は暗線が波面の形状を表しているため、本出願人のシステムは、微細収差、中間収差および粗収差のすべてを測定することができ、一方、ウィリアムのシステムにできることは中間収差の測定のみである。

ウィリアムに必要なハルトマン・シャック（ＨＳ）収差計の２つの限界は、粗収差の測定および微細収差の測定である。ウィリアムの基礎をなしている前提は、波面が局部的に平坦であり、集光した光を個々のレンズレットが微小スポットに鮮明に集束させるということにある。次にスポットの位置が測定され、レンズレットの光軸からのそのスポットの偏差が測定され、それにより集光した波面の誤差が決定される。この前提は、粗収差を有する光をレンズレットが集光する場合に、光を微小スポットに集束させることができないという理由で成り立たない。波面の大きな湾曲によってスポットがぼやけ、そのスポットの中心位置の測定が困難になる。この前提はまた、光を微小スポットに集束させることができないという同じ理由で、微細収差を有する光をレンズレットが集光する場合にも成り立たない。

ウィリアムのシステムはまたレンズレット・アレイを使用する結果として、レンズレット・アレイが生成する画像の中に、評価中の眼を見ることができない。ウィリアムのシステムで見ることができるのは、近似位置のみである。ウィリアムには評価中の眼を見るための第２のカメラが必要であり、そのために複雑性が増すだけでなく、潜在的な測定誤差を招く。本出願人のシステムは、１つまたは複数のレチクルによって生成された画像の中に眼を見ることができる。これは必要なカメラが１台のみであるためより単純なシステムを提供し、また波面の測定が瞳孔の位置と正確に適合することを保証する。

レンズレット・アレイを使用しているため、ウィリアムは、レンズレット・アレイが生成する画像内にグリント（プルキニエ像）を正確に見出すことができないが、本出願人のシステムは、その画像の中にグリントを見ることができる。この光点の位置の観察および正確な識別は、測定中の患者の眼が波面測定デバイスを直接凝視していることを保証するための基本である。凝視角の不整列は、眼の光心の誤ったうかつな測定の原因になり、その測定に基づいて眼に施される矯正行為、すなわち中心外れを矯正するための外科的処置もしくは矯正レンズは、極めて望ましくない結果をもたらすことになる。

レンズレット・アレイではなく、１つまたは複数のレチクルを使用するもう１つの利点は、より頑強な手段（フーリエ解析）を使用して信号を解析することができるため、システムが信号損失の影響を受け難くなるばかりでなく、数学計算の信頼性が高くなることである。この利点をもたらしている理由の１つは、本出願人の発明には、個々の単一レンズレットによって形成される個々の単一画像の中心スポットを突きとめる必要がないことにある。その代わりに画像が周波数領域に変換され、本明細書の中で追ってより詳細に説明するように、数学解析アルゴリズムを適用する機会がはるかに多くなる。

リアングらに関しては、本出願人の発明は、レンズレット・アレイを使用していない点で大きく異なっているだけではなく、照明ビームを調節するための集束手段を使用していない点で大きく異なっている。レンズレット・アレイを使用することによる前述の問題に加えて、このような集束手段を使用することによってシステムが複雑になり、コストが高くなる。また入射ビームを調整して患者の眼の特性に適合させるのに必要なステップが追加されるため、測定時間が長くなる。

本発明の目的は、欠陥を矯正するために必要な処方を決定するために眼の収差を測定することができるシステムを提供することである。

また本発明の目的は、両方の眼を同時に調べることができるシステムを提供するために２つのデバイスを同時に使用することである。

本発明の他の目的は、眼内レンズ（ＩＯＬ）、コンタクト・レンズあるいは特注眼鏡レンズを構築するためのデバイスに接続することができる、眼を測定するためのシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、レーザ手術をガイドするためのデバイスに結合することができる眼を測定するためのシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、処方が適切であるかどうかを試験／審査するために、患者の眼鏡もしくはコンタクトを通して収差を測定するシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、十分に言葉を話せない子供の焦点を、眼鏡を着用した状態および眼鏡を着用していない状態で測定するシステムであって、ヒトのレンズがバッグから取り出されてすぐ、しかし人工ＩＯＬが挿入される前にＩＯＬ処方のために測定を行い、且つ眼の中でＩＯＬを調整しながら屈折を測定するシステムを提供することである。

本発明のこれらおよび他の目的は、本発明についての以下の詳細な説明から理解されよう。

図１は、本発明による眼生体計測器（オキュラー・バイオメータ）を略図で示したものである。レーザ１０などの光源が、ビーム・スプリッタ１４で反射する、眼の瞳孔の直径より細い、一般的には直径が約１ｍｍ未満の平行光ビーム１２を供給する。光ビーム１２は、瞳孔１７を通って眼１６に入射し、網膜１８上の一点２０に集束する。

光ビーム１２の直径を使用レーザの標準出力より小さくする必要がある場合、レーザの前面に開口１３が配置され、レーザのサイズが縮小される。好ましい実施例では、開口は、非反射性プラスチックの薄いシートでできており、所望のビーム径の孔がその中心に穿たれているが、他の材料を使用することも可能であり、また他の形状、例えばレーザ側の形状が円錐形のもの、および／または孔の形状が円錐形のものを使用して、開口材料で反射する望ましくないあらゆる光を許容可能な場所へ導くことも可能である。

光は網膜１８で反射し、一連のリレー・レンズ２２、２４を通過した後、１つまたは複数のレチクル２６、２８を通過する。

ＣＣＤ（電荷結合デバイス）カメラ３０は、レチクル２６、２８によって形成されたシャドー・パターンを記録し、あるいは１つのレチクルのみが使用されている場合にはレチクル２６によって形成されたシャドー・パターンを記録する。このシャドー・パターンがコンピュータ内でディジタル化され、ゆがみ（ひずみ）を計算するためのアルゴリズムが生成される。上記のステップを実行することにより、眼の屈折強度を瞳孔全体に亘って多くのポイントで同時に測定することができる。

好ましい実施例では、光源１０は、波長が７７０ｎｍ（ナノメートル）から７９０ｎｍまでの光、好ましくは７８０ｎｍの光を生成する。このデバイスは他の多くの波長でも機能するけれども、現在利用可能なカメラ技術、この波長に対するヒトの眼の嫌忌性の欠乏、およびヒトの眼が可視スペクトルの光を屈折させる場合と同様にこの波長を屈折させるヒトの眼の能力には、この特定の波長の光が最適である。

現在広く利用可能なＣＣＤカメラは、この波長に対して極めて敏感であり、良好な戻り信号を眼から得るために必要な光の必要量が少なくてすむため、安全性の点で優れている。より長い波長に敏感な利用可能カメラが存在しているが、そのようなカメラは実質的にコストが高く、将来的には、より高い波長感度のカメラがより低コストでより広く利用可能になることが期待されている。

ヒトの眼は、物を見るために必要な量以上の光が眼に入射したことを知覚すると、瞳孔が閉じる。デバイスを機能させるために眼に投射される光の量は、眼が物を見るために必要な量より多いため、７８０ｎｍより短い波長では、眼はその波長を知覚し、瞳孔を閉じる。瞳孔が閉じると、デバイスが測定することができるのは、瞳孔から漏れる波面のみであり、適切な測定のためには瞳孔が全開している必要があるため、瞳孔が閉じることは望ましくない。したがって７７０〜７９０ｎｍの波長を使用することにより、患者を位置決めしている間に一定の光ビームを眼に投射することができ、眼の瞳孔が反応するのに要する短時間の間に光を点滅させて画像を捕獲するという複雑性が回避される。

生成される光１２はまた高度に平行でなければならず、１５アーク秒未満の発散もしくは収束であることが理想である。このコリメーションの品質によって網膜上のより小さい光点の生成が促進され、より良好な戻り信号が得られる。

ビーム・スプリッタ１４は、その好ましい実施例では、９０／１０（９０対１０）の透過率／反射率（透過率対反射率）を有している。光源によって生成される光の９０パーセントがビーム・スプリッタを通過して失われることになるが、眼に投射する光の量を最少化するためにはこれが必要である。それは、眼で反射する光が同じくビーム・スプリッタを通過しなければならず、ビーム・スプリッタを通過する光の一部もまた反射するという理由によるものである。例えば光源が１００単位の光を生成すると仮定し、またビーム・スプリッタがそのうちの１０パーセントを反射すると仮定すると、１０単位の光が眼に投射されることになる。この実施例の場合、５０％すなわち５単位の光が眼で反射すると仮定する。５単位の反射光が眼からの戻り経路上でビーム・スプリッタを通過する際に、１０パーセントすなわち０．５単位が反射し、残りの４．５単位の光がビーム・スプリッタを通過してレチクル２６を照射する。しかしビーム・スプリッタが５０／５０であると仮定すると、レチクルを照射するために利用することができる同じ４．５単位を得るためには、１８単位の光、すなわち８０％余分に光を眼に投射しなければならないことになる（１８単位が眼に投射され、９単位が反射し、４．５単位が５０／５０ビーム・スプリッタで反射し、４．５単位がレチクルへ透過する）。したがって生成される光の量は少なくても（３６単位対１００単位）無駄になる分が少ないため（１８単位対９０単位）、眼に投射される光の量が８０％増加する。眼に投射される光の量は、少なければ少ないほど安全である。この割合のビーム・スプリッタ比率が使用されることが好ましいが、このデバイスはほとんどの他の任意の比率でも機能する（但し、眼に対する光レベルは減少あるいは増加されるであろう）。

リレー・レンズ２２および２４は、それぞれ一体に接合された２枚のガラス片でできている（アクロマートあるいは色消しレンズとして知られている）。この構成により、画像をレチクル上により良好に集束させることができる。

また焦点距離が全く同じ２つのリレー・レンズが使用されることが好ましく、このような構成の場合、レチクル上に投影される画像のサイズは、画像化する瞳孔のサイズとほぼ同じになる。他の焦点距離の変形形態も可能であり、アプリケーションによっては、その空間的な制限のため、このような変形形態が望ましい場合もあるが、その場合、解析計算に際して、画像サイズのシフトを許容しなければならない。

複数のレチクルが使用される実施例では、レチクル２６およびレチクル２８は交差格子である。この格子は、ガラス基板にエッチングされた複数の実線であり、１組の平行線ともう１組の平行線が９０度で交差している。線と線の間の周期は２５．４マイクロメートルであるが、他の周期間隔を使用することも可能である。好ましい実施例では、線は、明確なエッジを備えた実線であるが、正弦波線を使用することも可能である。個々の線と線の間は、幅が実線もしくは正弦波線の幅と等価の透明線である。

眼で反射する光は「波面」と称される。眼の光学性能に欠陥がない場合、波面は平坦であり、眼の光学性能に欠陥がある場合は、平坦な形状から波面が逸脱する。波面のこの平坦な形状からの逸脱量および形状は、調査中の眼の屈折誤差の量およびタイプを表している。波面が第１のレチクルを通過すると、レチクルの背後の平面にその波面の空中画像が形成される。この画像は、レチクルの背後の連続する反復平面に何度も再形成される。これは、「タルボ効果」として知られている。タルボ平面は、使用する光の波長および格子の間隔周期に応じて、その形成場所および再形成場所を予測することができる。これらの空中画像にＣＣＤカメラ３０の焦点を合わせることにより、一連の暗線および明線として波面を観察することができる。この暗線および明線は、レチクルを通過する波面のひずみに比例してひずむ。

複数のタルボ平面の１つに、第１のレチクルに対して若干回転させて第２のレチクルを追加することにより、「モアレ効果」が生成される。このモアレ効果によって暗線および明線のひずみが増幅すなわち誇張され、縞が生成される。ＣＣＤカメラはこれらの縞をより容易に識別することができ、したがってＣＣＤカメラに対する解像度要求が緩和され、また外国製の超高解像度カメラを使用することなく、より幅の広い視野を使用することができる。本明細書において、これらの暗線および明線は、その形成がタルボ効果によるものであれ、あるいはモアレ効果によるものであれ、それには無関係に「縞」と称されている。

カメラ３０は、複数のタルボ平面の１つで形を成す画像の光を取り入れる集束レンズからなり、この集束レンズは、縞の画像をＣＣＤチップ上に集束させる。ＣＣＤカメラを使用する理由は、使用する光の波長がヒトの眼には見えないこと、したがって同じく縞が見えないことによるものである。フィルム・カメラなどの他のタイプのカメラを使用することも可能であるが、フィルムを処理するために必要な時間によってプロセスが遅くなり、またコストが高くなる。ＣＣＤカメラを使用することにより、処理コストを必要とすることなく、多くの画像が瞬時に提供される。他のタイプの電子カメラを利用することも可能であるが、寸法安定性、頑強性、弱い光に対する感度および低コストのため、ＣＣＤカメラであることが好ましい。

縞の画像は、多くの方法で解析することができるが、好ましい方法は、画像をコンピュータ内でディジタル化し、縞のゆがみを計算するためのアルゴリズムを生成することである。平坦な波面から得られた縞を使用して基準画像が生成され、次にこの基準画像と患者の眼によって生成された縞とが比較される。基準画像と比べた縞の位置変化はすべて、縞の中の対応するポイントにおける測定中の眼のポイントでの屈折変化と見なすことができる。換言すれば、画像の頂部中央の縞は、瞳孔の頂部中央における眼の屈折強度を表している（画像が反転もしくは鏡映されていないことを条件とし、画像が反転もしくは鏡映されている場合には位置の補償再割当てが実行される）。

縞を測定して眼の屈折強度を決定するための多くのアルゴリズム手法が存在しているが、本開示には最も単純な方法が使用されている。数学解析の分野の技術者は、より複雑なアルゴリズムを使用することができるが、そのようなより複雑なアルゴリズムは、以下の基礎に基づいている。

任意の関心領域（ＲＯＩ）において、得られた画像中の縞の位置が測定され、基準画像中の縞の対応する位置と比較される。これらの位置は、ＸおよびＹ座標で表され、得られた縞のＸ位置およびＹ位置の値を基準縞のＸ位置およびＹ位置から減算することによってデルタＸおよびＹが計算される。縞の位置の変化は、基準画像中の対応する同じＲＯＩにおける屈折強度に対するそのＲＯＩにおける屈折変化の量に比例している。また縞の境界を副縞（ｓｕｂ−ｆｒｉｎｇｅｓ）とすることができ、これらの副縞が見出される縞よりさらに詳細なレベルまで解析することができる。

システム内に置かれている既知の様々な屈折エレメントに対するシステムの応答を解析することによって、屈折強度の変化量に対する縞の移動量の比率が決定および測定される。光学および数学の分野の技術者は、実際の測定を必要とすることなく、屈折強度比率に対する縞の位置のこの予測変化を計算することができるが、好ましい方法は、較正済みのレンズを使用してシステムの応答を実際に測定し、製造中にシステムに生じ得る設計仕様からのあらゆる逸脱を考慮することである。

数学解析の好ましい方法は、縞の画像を視覚領域から周波数領域へ変換することである。これは、マシン視覚画像の数学解析の分野の技術者に知られている数学ルーチンである高速フーリエ変換を使用して達成される。次に、「ＩＤＬ」（これは、ニューヨーク州ロチェスター在所のコダック社から入手することができる）などの従来のプログラムを使用して、得られた多次元周波数アレイを解析することができ、次に、開発したアルゴリズムはほとんどすべての標準コンピュータ・プログラム言語、例えば「Ｃ」言語などに変換することができる。

以下は、このような解析の一例である。

標準高速フーリエ解析を使用して縞画像が周波数領域に変換され、その結果として得られる周波数画像によって５つの最も有力なポイントが生成される。中央のポイントは雑音として廃棄され、残る４つの最も有力なポイントが識別される。これらの最も有力なポイントの位置変化は、焦点外れおよび非点収差として直接解釈される。これらの最も有力なポイントの位置移動は、光学特性が既知の広く利用可能なレンズを使用した試験によって容易に認識することができ、またその特定のシステムの光学設計構成を容易に予測することができる。このような変動パターンの一例は、４つのすべてのポイントの単なる回転移動が焦点外れを示し、４つのポイントのうちの２つのポイントのみの移動が非点収差を示すことであろう。これらの最も有力なポイントの形状変化は、眼のより高い次数の収差を示しており、この場合も、光学特性が既知の広く利用可能なレンズを使用した試験によって容易にこのような形状変化を認識することができ、またその特定のシステムの光学設計構成を容易に予測することができる。このような形状変化の一例は、これらの最も有力なポイントが高速フーリエ変換アレイの中心軸線の周りに伸張して球面収差を示すことであろう。

眼の屈折強度が多くのポイントで測定されると、眼の強度マップが作成される。このマップは、個々のＲＯＩのＸＹ座標および個々のＲＯＩに対応する屈折強度からなっている。この強度マップは、眼の屈折性能を定量化するための診断ツールとして使用することができる。試験は、患者が矯正レンズを着用した状態で実行することも、あるいは矯正レンズを着用していない状態で実行することもできる。患者が矯正レンズを着用している場合、強度マップは、矯正レンズの強度と組み合わせた眼の強度を示すことになる。

システムによって生成された情報は、眼自体を修正するかあるいは眼の上もしくは眼の中で使用するレンズを製造するかのいずれかによって視力を矯正もしくは改善する他のデバイスに付加することができる。これらのデバイスは、レーザ外科処置レーザであっても、眼角膜再調レーザおよびメカニズムであっても良く、あるいは眼鏡レンズ、コンタクト・レンズまたは眼の中に注入するレンズなどの矯正レンズ製造機であっても良い。これらのデバイスはすべて「矯正器デバイス」と称される。

視力を矯正し、あるいは改善するように、本発明によるシステムを矯正器デバイスに接続するためには、強度マップから生成される情報をさらに処理および調整しなければならない。情報をさらに処理する第１のステップは、必要な屈折変化を計算することである。この計算は、個々のＲＯＩにおける実際の屈折強度を同じＲＯＩにおける所望の屈折強度から減算することによって実施される。次に、必要な矯正を示す新しい強度マップが作成される。次に、この新しい強度マップを、眼を修正するタスクあるいは矯正レンズを製造するタスクを実行する１つまたは複数の矯正器デバイスに理解されるフォーマットに変換しなければならない。

矯正器デバイスに使用されるデータ・フォーマットには多くのフォーマットが存在しており、多くの場合、様々なフォーマットが様々なデバイスに使用されているが、デバイスが何をなすべきかについてなされているすべての結論の拠り所である基礎は、眼が最終的に必要とする所望の屈折強度によって指示される要求事項に基づいている。当業者は、異なるデータ・フォーマットを工夫することができるが、このような矯正デバイスの屈折強度要求事項を表現するための極めて一般的な手段は、ゼルニケ係数すなわち「ゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅｓ）」である。

ゼルニケは、当業者に知られている別の方法で計算することも可能である。好ましい方法では、屈折強度の変化の勾配が眼の両端間のＸおよびＹの両方向に対して表される。その値が商用的に入手可能なプログラム「ＩＤＬ」（これは、ニューヨーク州ロチェスター在所のコダック社から入手することができる）に入力され、勾配の値をゼルニケに変換するためのサブルーチンが、光学および数学の分野の技術者に知られている数学概念を使用して作成される。

ゼルニケが生成されると矯正デバイスに直接転送され、それにより矯正デバイスはその機能を実行することができる。シボス（Ｔｈｉｂｏｓ）らの「眼の光学収差の報告基準（Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｏｆ Ｒｅｐｏｒｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｅｙｅｓ）」（ＯＳＡ Ｏｐｔｉｃｓ Ｎｅｔ）に、ゼルニケ多項式の詳細が参考として開示されている。

上記のステップを実行することにより、眼の屈折強度を瞳孔全体に亘って多くのポイントで同時に測定することができる。また２つのデバイスを同時に使用して両方の眼を同時に調査および測定することもできる。矯正レンズを眼の前面、眼の上もしくは眼の中に使用して眼の測定特性を決定し、矯正レンズによる矯正が適切であるかどうかを決定することができる。矯正レンズは、眼鏡であっても、コンタクト・レンズであっても、眼内レンズであっても、あるいは他の矯正レンズ・デバイスであっても良い。

眼の屈折強度が多くのポイントで測定されると、眼の強度マップが生成される。このマップは、個々のＲＯＩのＸＹ座標および個々のＲＯＩに対応する屈折強度からなっている。この強度マップは、眼の屈折性能を定量化するための診断ツールとして使用することができる。試験は、患者が矯正レンズを着用した状態で実行することも、あるいは矯正レンズを着用していない状態で実行することもできる。患者が矯正レンズを着用している場合、強度マップは、矯正レンズの強度と組み合わせた眼の強度を示し、矯正レンズの処方が適切であるかどうかが試験される。

以上、本発明について説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲の各請求項によってのみ制限されるものと理解されるべきである。

本発明によるシステムを示す略図である。

Claims (31)

1. 眼の特性を測定するためのシステムであって、
   （ａ）測定する眼の瞳孔よりも直径の小さい光波面を生成するための手段と、
   （ｂ）眼の網膜上の点で反射する前記光波面を眼に送る手段と、
   （ｃ）眼から反射した前記波面をレチクル手段に送る手段と、
   （ｄ）１つまたは複数のレチクル手段であって、反射した前記光波面は該レチクル手段を通過してシャドー・パターンを生成するレチクル手段と、
   （ｅ）前記波面の特性の測定データを生成するようにシャドー・パターンを解析する手段であって、それによって眼の測定特性を提供する手段と
   を有する眼の特性測定システム。
2. 前記光波面は、直径が約１ミリメートル未満の平行ビームである請求項１に記載の眼の特性測定システム。
3. 前記光波面を生成するために所定の波長の平行ビームを生成するための手段をさらに有する請求項１に記載の眼の特性測定システム。
4. 波長が７７０ナノメートルから７９０ナノメートルまでの平行ビームを生成するための手段をさらに有する請求項３に記載の眼の特性測定システム。
5. 波長が約７８０ナノメートルの平行ビームを生成するための手段をさらに有する請求項４に記載の眼の特性測定システム。
6. 眼で反射した波面を送るための前記手段が一連のリレー・レンズである請求項１に記載の眼の特性測定システム。
7. 前記リレー・レンズが色消しレンズである請求項６に記載の眼の特性測定システム。
8. シャドー・パターンを解析するための前記手段が、前記シャドー・パターンを記録するＣＣＤカメラであり、前記シャドー・パターンは、解析のためにコンピュータ内にディジタル化される請求項１に記載の眼の特性測定システム。
9. 前記平行ビームの発散もしくは収束が１５アーク秒未満である請求項２に記載の眼の特性測定システム。
10. 焦点距離が等しい２つのリレー・レンズを有している請求項７に記載の眼の特性測定システム。
11. 第１のレチクルと、該第１のレチクルに対して回転された第２のレチクルとを有し、それによってモアレ効果を生成する請求項１に記載の眼の特性測定システム。
12. 前記眼の測定特性が眼を矯正するデバイスに移送される請求項１に記載の眼の特性測定システム。
13. 前記矯正デバイスが、レーザ外科処置レーザ、眼角膜再調レーザ、または矯正レンズ製造デバイスである請求項１２に記載の眼の特性測定システム。
14. 前記眼の測定特性が、矯正デバイスへの移送に先立ってゼルニケに変換される請求項１２に記載の眼の特性測定システム。
15. 眼の特性を測定するためのシステムであって、
    （ａ）測定する眼の瞳孔よりも直径の小さい光波面を生成するための光源と、
    （ｂ）眼の網膜上の点で反射する前記光波面を眼に送るためのビーム・スプリッタと、
    （ｃ）眼から反射した前記波面を１つまたは複数のレチクルに送るためのリレー・レンズであって、反射した前記光波面は該レチクルを通過してシャドー・パターンを生成するリレー・レンズと、
    （ｄ）前記シャドー・パターンを記録するためのカメラと、
    （ｅ）記録されたシャドー・パターンをコンピュータ内にディジタル化するステップと、
    （ｆ）前記波面の特性の測定データを生成するように前記ディジタル化されたシャドー・パターンを解析するステップであって、それにより眼の測定特性を提供する解析ステップと
    を有する眼の特性測定システム。
16. 前記光波面は、直径が約１ミリメートル未満の平行ビームである請求項１５に記載の眼の特性測定システム。
17. 前記光波面を生成するために所定の波長の平行ビームを生成するための手段をさらに有する請求項１５に記載の眼の特性測定システム。
18. 波長が７７０ナノメートルから７９０ナノメートルまでの平行ビームを生成するための手段をさらに有する請求項１７に記載の眼の特性測定システム。
19. 波長が約７８０ナノメートルの平行ビームを生成するための手段をさらに有する請求項１８に記載の眼の特性測定システム。
20. 前記リレー・レンズが色消しレンズである請求項１５に記載の眼の特性測定システム。
21. 前記平行光ビームの発散もしくは収束が１５アーク秒未満である請求項１６に記載の眼の特性測定システム。
22. 焦点距離が等しい２つのリレー・レンズを有している請求項１５に記載の眼の特性測定システム。
23. 第１のレチクルと、該第１のレチクルに対して回転された第２のレチクルとを有し、それによってモアレ効果を生成する請求項１５に記載の眼の特性測定システム。
24. 前記眼の測定特性が眼を矯正するデバイスに転送される請求項１５に記載の眼の特性測定システム。
25. 前記矯正デバイスが、レーザ外科処置レーザ、眼角膜再調レーザ、または矯正レンズ製造デバイスである請求項２４に記載の眼の特性測定システム。
26. 前記眼の測定特性が、矯正デバイスへの移送に先立ってゼルニケに変換される請求項２４に記載の眼の特性測定システム。
27. 前記カメラがＣＣＤカメラである請求項１５に記載の眼の特性測定システム。
28. 眼の特性を測定するためのシステムであって、
    （ａ）測定する眼の直径よりも小さい平行ビームを有する光波面を生成するための光源であって、前記平行ビームは約７８０ナノメートルの波長を有している光源と、
    （ｂ）眼の網膜上の点で反射する前記光波面を眼に送るためのビーム・スプリッタと、
    （ｃ）眼から反射した前記波面を第１のレチクルおよび前記第１のレチクルに対して回転された第２のレチクルに送る焦点距離の等しい２つの色消しリレー・レンズであって、それによってモアレ効果を生成する２つの色消しリレー・レンズと、
    （ｄ）前記モアレ効果を記録するＣＣＤカメラと、
    （ｇ）記録されたモアレ効果をコンピュータ内にディジタル化するステップと、
    （ｈ）前記波面の特性の測定データを生成しるように前記ディジタル化されたモアレ効果を解析するステップであって、それによって眼の測定特性を提供するステップと
    を有する眼の特性測定システム。
29. 前記光ビームの直径を測定中の眼の瞳孔の直径より小さくするための開口手段をさらに有する請求項１、請求項１５または請求項２８に記載の眼の特性測定システム。
30. 両方の眼を同時に測定するために、同時に使用される２つのシステムをさらに有する請求項１、請求項１５または請求項２８に記載の眼の特性測定システム。
31. 眼の前面、眼の上もしくは眼の中に矯正レンズを備えた状態で前記測定特性が決定され、それによって前記矯正レンズによる矯正が適切であるかどうかが決定される請求項１、請求項１５または請求項２８に記載の眼の特性測定システム。

Images