JP2010104769A - 位相板フィードバックによるレーザ制御 - Google Patents

Abstract

【課題】画像光ビームの回折限界点広がり関数（ＤＬ−ＰＳＦ）を最適化する眼科画像システム及び方法を提供すること。
【解決手段】眼科画像システムは、光源と、集束光学部品と、補償光学部品と、両方の光学部品を連係させるコンピュータとを含む。詳細には、補償光学部品は、眼によって画像光ビーム中に生じた静的収差をほぼ完全に補償するカスタム位相板を含む。さらに、コンピュータは、動的収差により生じる動作誤差信号を測定する。次に、コンピュータは、誤差信号を使用して補償光学部品を制御し、それによって静的及び動的な収差両方を補償することでＤＬ−ＰＳＦを最適化する。一代替実施例では、アクティブ・ミラーを補償光学部品に含めて、動的収差をさらに補償することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は概ね眼科画像システムに関する。より詳細には、本発明は、眼によってビーム中に生じる静的及び動的な収差の両方を補償し、それによって、光ビームの回折限界−点広がり関数（ＤＬ−ＰＳＦ）を最適化するように画像光ビームを変えるシステム及び方法に関する。本発明は特に、完全な静的補償を提供するカスタム位相板を有するシステム及び方法で有用であり、またコンピュータ制御フィードバックと組み合わせて、画像光ビーム中に生じる動的収差の補償を実現するが、それだけには限定されない。

走査顕微鏡の使用を含む眼科画像システムでは、得られた画像の細部及び解像度は、照明光ビームの焦点のサイズと、画像システムの光学部品の特性との両方に直接依存する。焦点のサイズに関しては、特に眼の網膜組織を画像化する場合、スポットサイズは可能な限り小さいことが望ましい。これは、網膜組織の構造上の大きさにより、直径がわずか約２ミクロンのスポットサイズが有用になりうることを意味する。光学システムの特性に関して、この要素は一般に、点広がり関数（ＰＳＦ）として知られているもので評価される。より具体的には、ＰＳＦは、点光源又は点対象に対する画像システムの応答を表す強度分布に関係する。その場合、点対象の広がり（即ち、ぼけ）の程度が画像システムの特性の尺度になる。

当然のことながら、画像システムのＰＳＦは、いくつかの要因によって悪影響を受けることがある。特に、あるＰＳＦを有する画像解像度は、光学システムのレンズの欠陥、レンズの調整不良、また眼科画像応用例の特殊な場合で、眼自体によって生じる収差などの要因によって制限される。この最後の点については、網膜を画像化する場合に、網膜だけでなく眼の前部構成要素（即ち、眼の角膜及びレンズ）が画像システムの光学構成要素と共に考慮される必要があることが理解されるべきである。しかし、回折のために、画像システムによって達成できる解像度には、依然として基本的な最高値がある。具体的には、ほとんど機器の理論限界値である角度解像度の画像を生成する能力を有する光学（画像）システムは、「回折限界」であると言われる。したがって、眼科画像システムでは、その目標は、回折限界点広がり関数（ＤＬ−ＰＳＦ）を達成することになる。

回折限界近くで動作する画像システムのＰＳＦと関連する技術的概念は「ストレール比」である。定義により、ストレール比は、回折限界で動作する完全画像システムの理論最大ピーク強度と比べた観測ピーク強度の比である。言い換えると、ストレール比は、画像システムの最良フォーカスと定義することができる。重要なことに、所与の光学（画像）システムのストレール比は測定可能であり、またそこからの偏差が観測可能である。

眼科画像システムとの関連において、解剖学的に生じる光学収差が光学システムの光ビーム中で生じる場合、それを測定できることが知られている。さらに、そのような収差は補償できることも知られている。例えば、本発明と同じ譲受人に譲渡された「Ｃｕｓｔｏｍ Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ」という名称の発明の米国特許出願第１２／２０４６７４号では、光学収差が眼の網膜及び眼の前部構成要素によって生じた場合に、それを光ビームから除去するためのカスタマイズされた位相板を開示している。しかし、解剖学的に生じる光学収差は、静的でもあり動的でもある。これは、画像化処理手順中は実質的に静的なままである光学（画像）システムと対照的である。

上記に照らして、本発明の目的は、画像化処理手順中に画像光ビーム中に生じる動的及び静的な収差を補償するシステム及び方法を提供することである。本発明の別の目的は、画像化処理手順中に高品質光学システムのための実質的なＤＬ−ＰＳＦをもたらし維持することである。本発明のさらに別の目的は、使いやすく、製造が相対的に簡単で、比較的費用効率が高い画像システムのＰＳＦを最適化するシステム及び方法を提供することである。

本発明によれば、ある回折限界点広がり関数（ＤＬ−ＰＳＦ）を眼の網膜の画像化中に維持する画像（光学）システムは、画像光ビームにより解剖学的に生じる光学収差を除去するためにカスタム位相板を使用する。画像化処理手順中に眼によって生じることがある静的収差を除去することに加えて、画像光ビームによる動的収差を除去するために、システムはまた、コンピュータで生成したフィードバックも含む。本発明の一実施例では、動的に生じた光学収差を補償するために、コンピュータで生成したフィードバックを使用して、フォーカス／デフォーカス・ユニットの直線的な移動と協同してカスタム位相板の回転を制御する。一代替実施例では、この同じ目的のために、アクティブ・ミラーがコンピュータによって制御される。両方の実施例で、カスタム位相板は、ある特定の眼によって生じた光学収差の実質的に完全な静的補償をする。

構造上、本発明のシステムは、レーザ・ビームを発生するレーザ・ユニットを含む。レーザ・ビームは、発生したとき、画像化されるべき眼の中の網膜組織の方へとビーム経路上に向けられる。画像化されるべき組織上に焦点を確立するために、経路上にフォーカス／デフォーカス・ユニット（即ちレンズ）が配置される。重要なことに、この焦点は、観測可能な点広がり関数（ＰＳＦ）を有する。さらに、画像化される眼によってレーザ・ビーム中に生じる静的光学収差を補償するために、カスタム位相板がビーム経路上に配置される。

本発明の意図通りに、カスタム位相板は、画像化される眼専用に作製される。詳細には、位相板は、複数の隣接するスポットがその上に形成されたほぼ平坦な面を有する。重要なことに、この面上の各スポットは、位相板上のそのスポットを通過する光に対して指定の光路差（ＯＰＤ）を確立する。集合的に、複数のスポットは、眼によって生じた静的収差を補償するために、波面解析によって決定される回折パターンを生成する。

カスタム位相板と共に、システムは、システムのストレール比を実質的に評価して誤差信号を生成するコンピュータを含む。標準的なフィードバック制御理論に従って、誤差信号は、システムのＤＬ−ＰＳＦを最適化するためのフィードバックを行う。上記のように、システムの一実施例では、この誤差信号が、フォーカス／デフォーカス・ユニットの動き（並進）とカスタム位相板の動き（回転）を連係させるために使用される。一代替実施例では、誤差信号は、アクティブ・ミラーへの入力を与える。両方の例で、画像化処理手順中に光学（画像）システム中に生じる動的収差及び球面収差を補償するように、システム内で制御が行われる。

動作については、本発明は、波面形成の点から説明することができる。この観点で、レーザ・ユニットは最初に、ほぼ平坦な波面を有する光ビームを発生する。次に、この光ビームは、眼の網膜の方に向けられ、画像化されるべき網膜組織上の焦点に集束される。上記のように、この焦点は観測可能なＰＳＦを有する。しかし、光ビームが網膜への途上でカスタム位相板を通過するとき、レーザ・ユニットによって発生した平坦な波面はカスタム位相板によって変えられて、補償波面が生成される。眼の前部構成要素（即ち角膜及びレンズ）を通過するのは、この補償波面である。次に、網膜から反射され眼の外へ出る光は反射波面を有する。誤差信号を得るために平坦な波面と比較されるのは、この反射波面である。次に、ＰＳＦの改善（即ちＤＬ−ＰＳＦの最適化）のために、コンピュータを使用して補償波面の誤差信号を最小にする。

本発明の新規な特徴、並びに本発明自体は、その構造とその動作の両方に関して、添付の説明と併せた添付の図面により最もよく理解されよう。図で、同様の参照文字は同様の部分を指す。

本発明によるシステムの概略図である。 眼との動作関係で示した、本発明のシステムの簡略化フィードバック制御図である。 本発明のシステムの動作中に生成される様々な波面の図である。

図１を最初に参照すると、本発明による光学（画像）システムが示されており、全体が１０で示されている。図示のように、システム１０は、レーザ・ビーム１４を発生するレーザ・ユニット１２を含み、このレーザ・ビームは、ビーム経路１８に沿ってアクティブ・ミラー（任意選択）１６の方へ向けられる。レーザ・ビーム１４は、持続時間がフェムト秒の範囲のパルスを有するパルス化ビームであることが好ましい。

図１をさらに参照すると、レーザ・ビーム１４は、カスタム位相板２０を通過してからレンズ２２を通過することが分かり、このレンズは、点広がり関数（ＰＳＦ）２４を有する焦点にレーザ・ビーム１４を集束する。一般に、本発明で想定されているように、ＰＳＦ ２４は、１０〜２０ミクロンの範囲にある長さ２６と、約２ミクロンである高さ２８と、やはり約２ミクロンである幅３０とを有する。システム１０の目的のために、レンズ２２は、位相板２０又はアクティブ・ミラー１６と協同で独立して動作するフォーカス／デフォーカス・ユニットとして機能する。この組合せで、レンズ２２は集束光学部品として機能し、位相板２０は、アクティブ・ミラー１６と共に、又はそれなしで補償光学部品として機能する。

詳細には、位相板２０は、個々の患者（図示せず）ごとにカスタマイズされる。こうするために、位相板２０は、複数の隣接するスポットにより形成されたほぼ平坦な面３２を有する。重要なことに、面３２上の各スポットはレーザ・ビーム１４の光に対して、それが位相板２０上のスポットを通過するときに、指定の光路差（ＯＰＤ）を確立する。集合的に、複数のスポットは、患者の眼３４（図２参照）の波面解析に基づく回折パターンを生成する。本発明で意図されているように、カスタム位相板２０は、眼３４によって生じる光学収差のほぼ完全な静的補償をするように製作される。

図１はまた、ＰＳＦ ２４によって照明される標的から反射された光が、ターニング・ミラー３６によって経路３８に沿って波面アナライザ４０の方へ向けられることも示している。次に、波面アナライザ４０の出力はコンピュータ４２に供給される。図１で、一点鎖線４４がさらに、コンピュータ４２がレンズ２２のフォーカス／デフォーカス・ユニットと電子的に接続されることを示す。同様に、コンピュータ４２は、カスタム位相板２０と電子的に接続され（点線４６で示す）、アクティブ・ミラー１６とも、それが使用されるならば接続される（破線４８で示す）。一緒に合わせて、これらの様々な接続は、入力レーザ・ビーム１４がビーム１４のフォーカスと眼３４内のＰＳＦ ２４に関する伝達関数「Ｇ」に応じてフィードバック５０によって変えられる、図２に全体が示されたフィードバック制御システムを構成する。

図２はまた、眼３４の網膜５２上にＰＳＦ ２４を有する焦点にレーザ・ビーム１４が集束されるときに、ビーム１４の光が眼３４の前部構成要素を通過することも明らかに示す。具体的には、光は、眼３４の角膜５４とレンズ５６の両方を通過する。上述のように、眼３４の前部構成要素はレーザ・ビーム１４に光学収差を生じさせ、この光学収差は、補償されなければシステム１０の所望のＤＬ−ＰＳＦに有害な影響を及ぼすことになる。

システム１０は、動作については図３を参照することでおそらく最もよく理解される。図で光学部品５８は、図１に示されたレンズ２２、位相板２０、及びアクティブ・ミラー１６（使用される場合）を本質的に含むことを理解されたい。さらに、波面アナライザ４０（図１参照）の動作態様は、コンピュータ４２の動作に含まれる。このことを考慮すると、図３は、レーザ・ユニット１２が最初に、平坦な波面６０を有するレーザ・ビーム１４を発生することを示している。次に、光学部品５８は、平坦な波面６０を変えて補償波面６２を生成する。カスタム位相板２０によって生成されて、眼３４の前部構成要素（即ち角膜５４及びレンズ５６）及び網膜５２によって生じる光学収差の実質的に完全な静的補償をするのが、この補償波面６２である。眼３４の網膜５２の方に向けられてＰＳＦ ２４を生成するのもこの補償波面６２である。

網膜５２から反射されるＰＳＦ ２４の光は、補償波面６２が眼３４を通過した後に生じる反射波面６４を有する。次に、反射波面６４は、波面アナライザ４０によって測定され、コンピュータ４２によって平坦な波面６０と比較されて、誤差信号「ｅ」が生成される。注：静的な場合では、反射波面６４は本質的に平坦な波面６０と同じになる。この場合、誤差信号「ｅ」はゼロになる。しかし、動的な場合では異なっており、眼３４によって生じる動的な変化が、反射波面６４で明らかである。したがって、誤差信号「ｅ」は本質的に、システム１０内に生じる光学収差の動的変化を明らかにする。本発明で想定されているように、誤差信号「ｅ」は、システム１０のストレール比からの偏差として測定することができる。そうであれば、反射波面６４の強度の、ＤＬ−ＰＳＦによって与えられる理論最高値からの変動は、システム１０を制御する目的のために測定し使用することができる。

本発明の目的のために、誤差信号「ｅ」は、２つの異なる目的に効果的に使用することができる。１つには、それを光学部品５８のフィードバック制御のためにコンピュータ４２で使用することができる。具体的には、誤差信号「ｅ」を使用して、レンズ２２の平行移動と一緒に位相板２０を回転させることができ、或いは、それを使用してアクティブ・ミラー１６の構成を変えることができる。これらのそれぞれの例で、誤差信号「ｅ」により、最適のＰＳＦ ２４を維持するように光学部品５８を操作する。図３は、誤差信号「ｅ」の別の使い方として、反射波面６４を修正するのに誤差信号「ｅ」を使用して平坦な（画像）波面６０’を生成できることを示す。波面６０’は、ＰＳＦ ２４をその上に集束させた標的構造を見るために、画像ユニット６６で使用することができる。システム１０が走査顕微鏡で使用される特定の例では、ＰＳＦ ２４を標的（例えば網膜５２）上に向けることができ、かつ得られた一連の画素を画像ユニット６６によって必要に応じ配列することができる。

本明細書で図示し詳細に開示した特定の、位相板フィードバックによるレーザ制御は、対象を取得すること、及び上述の利点をもたらすことが完全にできるが、それが本発明の現在の好ましい実施例を例示するものにすぎず、本明細書で示した構造又は設計の細部について、添付の特許請求の範囲に記載されたもの以外に限定するものではないことを理解されたい。

Claims (4)

1. 静的及び動的な収差を有するレーザ・ビームの回折限界点広がり関数（ＤＬ−ＰＳＦ）を最適化するシステムであって、
   前記レーザ・ビームを発生し、前記レーザ・ビームをビーム経路上に向けるレーザ・ユニットと、
   ある点広がり関数を有する焦点を確立するために前記ビーム経路上に配置されたフォーカス／デフォーカス・ユニットと、
   複数のスポットがその上に形成されたほぼ平坦な面を有するカスタム位相板とを備え、各スポットが指定の光路差（ＯＰＤ）を有し、前記複数のスポットが、前記レーザ・ビームの最適ＤＬ−ＰＳＦをもたらすように前記レーザ・ビーム中の収差を補償する回折パターンを生成する、システム。
2. ほぼ平坦な波面を有するレーザ・ビームを発生するレーザ・ユニットと、
   前記レーザ・ビームをビーム経路に沿って眼底にある焦点の方に向ける集束光学部品であって、前記焦点が点広がり関数によって特徴付けられる集束光学部品と、
   前記眼底の方に向けられる光の補償波面を確立するように前記レーザ・ビームを所定の収差によって変えるカスタム位相板を含む補償光学部品と、
   前記眼底から反射された光の反射波面を測定する波面アナライザと、
   前記点広がり関数の改善のために、前記反射波面を前記補償波面と比較し、前記補償光学部品を制御するのに使用する誤差信号を得て、前記誤差信号を最小にするコンピュータとを備える画像システム。
3. 前記位相板が、複数のスポットがその上に形成されたほぼ平坦な面を有し、各スポットが指定の光路差（ＯＰＤ）を有し、前記複数のスポットが、前記レーザ・ビームの最適点広がり関数をもたらすように前記レーザ・ビーム波面中の収差を補償する回折パターンを生成する、請求項２に記載のシステム。
4. 回折限界点広がり関数（ＤＬ−ＰＳＦ）を最適化する方法であって、
   ほぼ平坦な波面を有するレーザ・ビームを発生するステップと、
   前記レーザ・ビームをビーム経路に沿って眼底にある焦点の方に向けるステップであって、前記焦点が点広がり関数によって特徴付けられるステップと、
   カスタム位相板によって前記レーザ・ビームを変えて所定の収差を生じさせ、前記眼底の方に向けられる光の補償波面を確立するステップと、
   前記眼底から反射された光の反射波面を測定するステップと、
   前記反射波面を前記平坦な波面と比較して誤差信号を得るステップと、
   前記補償波面の誤差信号を最小にするように前記変えるステップを制御して、前記点広がり関数を改善するステップとを含む方法。

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