JP4988767B2 - 連続波面センサ - Google Patents

Description

波面センサは、光ビームの波面形状の計測に用いる装置である（特許文献１参照）。大半の場合、波面センサは基準波面すなわち平面波面等の理想的波面からの波面の経距を計測する。波面センサは、人の眼等の各種光学結像系の低次または高次の収差の両方の計測に用いることができる（例えば非特許文献１や、非特許文献２参照）。さらに、波面センサは例えば可変形ミラー等の光学的波面補償装置を用いて歪曲波面を計測し実時間で補償することのできる適応光学系に使用することもできる。このような補償の結果、鮮明な像が得られる（例えば、特許文献２参照）。

現在、人の眼の収差を計測するよう設計された大半の波面センサは、シャック・ハートマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ）型であり、これは被計測波面を並列フォーマットにて多くの小波面に同時分割するものである。この種のセンサの必須の構成要素は、光源又は入力光ビームや小さなレンズのアレイ（小型レンズアレイと呼ぶ）や小型アレイにより形成されたスポット画像のパターンと位置（図心とも呼ぶ）を記録するカメラまたは他の何らかの手段を含む。

図１は、乱視計測に用いる例示先行技術のシャック・ハートマンセンサを示す。ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）１０２が一般に光源として用いられ、その光は眼の光学系（角膜１０４と水晶体１０６とを含む）を介して網膜１０８上の比較的小さな領域へ運ばれる。網膜１０８からの散乱光は眼の光学結像系（角膜１０４と水晶体１０６とを含む）を通過し、異常波面１１０として瞳孔を出射する。角膜１０４と網膜１０８以外の水晶体１０６等の光学的インタフェースによる反射光による干渉を抑制すべく、通常は第１の偏光器１１２により比較的幅狭の入力ビームを第１の方向に偏光させる。網膜が散乱する光がより多く偏光解消されるとすると、網膜の散乱光は通常第２の直交分析器１１４を用いて第２の直交偏光方向に計測される。

例えばレンズ群で出来たリレー光学系１１６を用い、異常波面を拡大もしくは縮小し、または単純に小型レンズ１１８上に転送することができる。小型レンズアレイ１１８が瞳孔共役面（瞳孔の結像面）内にある場合、小型レンズ面の波面は眼の瞳孔の波面と同一かまたは拡大もしくは縮小されたものとなるだろう。小型レンズアレイ１１８はそこで、ＣＣＤカメラ１２０上に結像スポットアレイを形成する。眼が完全な光学系であるとすると、小型レンズアレイ面の波面は完全に平坦（点直線１２２により図示）となり、一様に分散する結像スポットアレイが小型レンズアレイの焦点面に位置するＣＣＤカメラ１２０により記録されることになる筈である。

他方、眼が完全でない場合、小型レンズアレイにおける波面１２４はもはや完全に平坦とはならず、不規則な湾曲形状を有することになる。その結果、ＣＣＤカメラ１２０上の結像スポットは収差の無い場合に対応する位置から離れることになる。ＣＣＤカメラ１２０上の結像スポット位置のデータ処理を通じ、眼の低次及び高次両方の収差を特定することができる（例えば非特許文献１）。

波面センサは光学結像系の低次及び高次両方の収差を計測できるが、人の眼等の非静的結像系では、眼の中心部分から計測される球状−筒状誤差に対応する低次収差だけが比較的一貫性があることが示されている（例えば非特許文献３参照）。

実際に、大半の基底部結像光学系についてだけでなく大半の眼の収差計測及び矯正においても、計測し矯正する必要のある光学収差は球状−筒状誤差（焦点ボケや乱視とも呼ばれる）である。これらの収差が入力波面の環状リング周りの少数の波面を用いて計測できることは、当業者にはよく知られるところである。このような場合、ＣＣＤ検出器アレイの大半の部分の読み出しが無駄となる。経費節約のため、幾つか（通常８又は１６個）の４象限検出器を異常波面の環状リング周りに配置してこれらの小波面のみからなる計測を行うことができる（例えば、他の全ての参照文献と共に本特許出願の参照文献としてその全体が本願明細書に取り込まれる、特許文献１参照）。
米国特許第４，１４１，６５２号明細書 米国特許第５，７７７，７１９号明細書 ジェイ・リャン（Ｊ．Ｌｉａｎｇ）等著「ハートマン・シャック波面センサの使用を伴う人の眼の波動収差の対物計測（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｅｙｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ａ Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｏｒ）」、米国光学学会誌Ａ１１、１９９４年、ｐ．１９４９−１９５７ ティー・デイブ（Ｔ．Ｄａｖｅ）著「波面収差計測第１部：最新理論と考え方（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ａｂｅｒｒｏｍｅｔｒｙ Ｐａｒｔ １ ：Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｃｅｐｔｓ）」、現代光学計測（Ｏｐｔｏｍｅｔｒｙ Ｔｏｄａｙ）、２００４年１１月、第１９巻、ｐ．４１−４５ ギニス・エイチエス（Ｇｉｎｉｓ ＨＳ）等著「臨床シャック・ハートマン収差計器を用いた小型瞳孔寸法における波面収差計測の多様性（Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｓｍａｌｌ ｐｕｐｉｌ ｓｉｚｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ ａｂｅｒｒｏｍｅｔｅｒ）」、ＢＭＣ眼科学、２００４年２月１１日；４：１

しかしながら、この構成を用いても、依然として多数の４象限検出器が必要である。これは全体としては大面積ＣＣＤカメラよりも廉価ではあるものの、依然として単一の４象限検出器よりも高価である。さらに、多数の４象限検出器を整列配置することもまた単一の４象限検出器と比べてずっと困難だろう。

ここで、本発明の各種実施形態に対して詳細な参照を行う。これらの実施形態の例は添付図面に示される。本発明はこれらの実施形態とともに説明されるが、本発明をいかなる実施形態にも限定する意図がないことを理解されたい。これとは逆に、添付の特許請求の範囲に規定する本発明の趣旨ならびに範囲内に含めることのできる代替例、改変例、等価物は、包含することを意図するものである。下記の説明にあっては、各種実施形態を完全に理解できるように多数の具体的細部が記載してある。しかしながら、本発明はこれらの具体的詳細の一部または全てを用いることなく実施可能である。他の事例にあっては、本発明を不必要に不明瞭にしないよう周知の方法動作は説明しないものとする。

本発明の一実施形態は、光ビーム走査モジュールと、小波面集束レンズと、２以上の感光領域を有する検出器と、小波面から連続的に得られる集束光スポットの図心を算出して入力波面の収差を割り出すプロセッサと、を備える連続波面センサである。本発明のこの実施形態では、小波面集束レンズと検出器は空間内に固定してあり、入力ビームを光ビーム走査モジュールにより走査して入力ビームからの波面の異なる部分または波面の複製を小波面集束レンズ及び検出器へ連続投射する。プロセッサは、ｘ−ｙ平面上での図心軌跡またはパターンの算出に用いることのできるコンピュータまたはプログラム可能な電子ボードとすることができる。

図２は、連続波面センサ２００の一実施形態の例示概略線図を示す。波面２０２を有する線形偏光入力ビーム光を、第１のレンズ２０４により集束させる。集束ビームは、通過偏光方向が入射ビームの偏光方向に整列するよう配置された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０６を通過する。その結果、直線偏光収束ビームがＰＢＳ２０６を通過する。ＰＢＳ２０６の背後には１／４波長板２０８が固定軸を配向した状態で配置されており、１／４波長板２０８を通過した後に円偏光ビームが出射するようにしてある。１／４波長板２０８の背後かつ走査ミラー２１２の右前方にはピンホール２１０が配置されており、光ビームの関係する波面から直接入射しない光を排斥する目的のために役立つ。

入力収束ビームは、ピンホール２１０を通過した後、モータ軸２１４上に装着した傾斜走査ミラー２１２の反射面上に集束する。ミラーで反射された光ビームは発散し、そのビーム中心主光線は走査ミラー２１２の傾斜角度及びモータ２１４の回転位置に応じた方向に切り替えられる。被反射ビームは依然として円偏光状態にあると予想されるが、円偏光の回転方向は左方から右方へ、または右方から左方へ切り替えられることになる。このため、その戻り路上で二回目に１／４波長板２０８を通過する時に、ビームは再度直線偏光化するも、その偏光方向は元々の入射ビームに対し直交方向に回転する。このため、偏光ビームスプリッタ２０６において、戻りビームは図２の点線の光線が示すように大半が左方へ反射されることになる。

第２のレンズ２１６がＰＢＳ２０６に隣接して左方に配置され、被反射発散ビームを収束させるとともに原入力波面の複製を生成する。走査ミラーの傾斜により、複製波面は横断方向に転移する。複製波面の小さな部分を選択するために、絞り２１８が第２のレンズ２１６の背後で小波面集束レンズ２２０の右前方に配置されている。小波面集束レンズ２２０は選択された小波面を位置検出装置２２２上に集束させる。この装置は連続的な選択小波面から生成される集束光スポットの図心の割り出しに用いる。モータ２１４を回転させ走査ミラー２１２の傾斜角度を段階的態様にて切り替えることにより、複製波面の径方向及び方位角方向の転移量を制御し、複製波面の任意部分を選択して絞り２１８を連続通過させることができる。その結果、各小波面の図心が並列態様ではなく連続的に得られることを例外として、標準的なハートマン・シャック波面センサの事例について原入射ビームの波面全体を特性解明することができる。

別の実施形態では、走査ミラーの傾斜角度を固定し、モータを連続的に複数ステップで回転させる。その結果、波面の環状リング周りの所定数の小波面だけが選択され、特性解明されることになる。この走査モードは、背景技術の部分で説明したように、原波面の球状−筒状誤差や焦点ボケや乱視の割り出しに極めて有用である。図３は、原波面の環状リング３２０周りの絞り３１０により選択される４個の小波面（３１２，３１４，３１６，３１８）に対応する各回転の４個の対称停止モータ位置における複製波面（３０２，３０４，３０６，３０８）の絞り３１０についての径方向と方位角方向の転移を示す。

本発明範囲から逸脱することなく、用いられる構成要素について多くの変形例が存在することを理解されたい。例えば、１／４波長板は非零次１／４波長板であってもよく、戻りビームの偏光方向を直交方向に回転させることのできるファラデー回転子（Ｆａｒａｄａｙ ｒｏｔａｔｏｒ）により置き換えてもよい。また、入力ビームを直線偏光させる必要はなく、ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタに限定する必要はない。通常の光ビームスプリッタを用いてもよく、このような場合には１／４波長板またはファラデー回転子を取り除くことができる。検出器への光出力効率は低下するであろうが、検出器に対し十分な光出力が給送される限りは必ずしも波面センサの挙動に影響を及ぼすことはない。

位置検出装置（ＰＳＤ）は、様々な大きさの光スポットの図心を計測するのに使用されるセンサである。位置検出装置は、４象限検出器やＰＳＤセンサ、または小領域二次元アレイ等の複数感光領域を有する検出器であってよいが、これに限定されない。この種の検出器は、ＣＣＤ面検出器とＣＭＯＳ面検出器とを含む。２０４，２１６，２２０を含む使用レンズはそれぞれ単一レンズに限定される必要はなく、当業者に周知のレンズの組み合わせとしてもよい。小波面集束レンズ前方の絞りは、小波面集束レンズが単一の小型レンズ程度に小さい場合は取り除いてもよい。そうでないならば、絞りが好ましくは必要である。この絞りの目的は、絞りの背後に使用する小波面集束レンズが比較的大型であるときに検出器上への集束用に波面の小部分を選択することである。この絞りは固定サイズの構成に必ずしも限定されない。絞りの寸法が可変であることにより、動作中の感度ならびに解像度の選択が可能となる。

さらに、小波面集束レンズは集束の機能を達成することができる任意の光学素子で置き換えてもよく、例えば勾配屈折率レンズや合焦ミラーを用いることができる。また、モータの回転ごとの停止回数は４回に限定する必要はなく、任意の回数であってよい。一方、モータは連続的に回転させることができ、光源は異なる回数でもって短いパルスを供給して点灯させることができる。走査モータの傾斜角度はリアルタイムで動的に切り替えられ、これにより波面の異なる環状リング部分を選択できるようにすることができる。使用される用語「傾斜ミラー」は、ミラーの角度傾斜が零の場合もまた含むものであり、すなわち入力ビームがミラーに垂直で、反射ビームが入力ビームに対し同軸で、そのことが原波面の中心部分を検出器に導くことになる点に留意されたい。

小波面の選択が所望の任意の順序にできるように、モータ回転と走査ミラー傾斜の手順は逆であっても混ぜられていてもよい。さらに、走査ミラーとモータは、これに限定はされないが、現在市場に投入されているＭＥＭＳ（微細−電機−機械−システム）や、反射光ビームの方向を切り替えることができる限り他の任意の可変形ミラーにより、置き換えることができる。ＭＥＭＳミラーを使用すると、可動ミラーの質量が低い重さであるために比較的高周波の応答性を有し、その結果高速の連続波面検出が達成できるという点で有利である。さらに、ＭＥＭＳミラーの傾斜角度は簡単に制御することができる。

本発明の範囲から逸脱することなく、システム構成について多くの変形例がまた存在し得ることを理解されたい。例えば、まず波面を後方に反射し、続いてビームを側方に偏向させる絶対的必要性は存在しない。

一代替例として、走査ミラーは従来の多面体ドラムミラー４１２により置き換えることもできる。このミラーは各反射面が所望の空間配置を有しており、各反射面を所定位置において段階的にまたは連続的態様にて回転させたとき、中心の主要光線が円錐周りを追尾しながら収束入力ビームを反射する。図４は、反射ビームが横断方向に上方に転移される構成４００の概略断面図を示す。反射ビームを、径方向の変位量を伴って左下或いは右下または任意の方位角方向に転移させてもよいことに留意されたい。これは、多面体ドラム４１２が対称多面体ではないからであり、各面を所定位置にて移動させて入力収束ビームを反射させたときに、異なる空間的方向にビームを反射し、複製波面の所望部分を絞りにより選択して検出器上に集束させるようになっている。

加えて、入力光路に沿って多面体ミラー前方にピンホールをさらに配置することができ、所望方向または入力ビームの位置から来たのではない光を排斥するようにできる。前述の全ての利点をもたらす多面体ミラーを置き換えるためにＭＥＭＳミラーを用いることによって、同じ構成を実現できることに留意されたい。多面体ドラムミラーは、ドラムを連続的に多段階回転させたときに、波面の環状リング周りの幾つかの小波面を選択して検出器上に集束させるような切子面配向構成を有することができることにも留意されたい。

別の代替例として、このシステムは反射モードに代えて完全透過モードにて構成することもできる。図５は、複数の面取りドラムミラーを透過型光学ビームスキャナ５１２ａ，５１２ｂにより置き換えた構成を示すものである。目下、幾つかの異なる透過型光学ビームスキャナが市販されており、それらの例には、５１２ａで表される、音響−光学変調器や電子−光学又は磁気−光学ビームスキャナや液晶ビームスキャナが含まれる。このような場合、特性解明用に一定数の波面所要部分を連続的に案内すべく、ビームスキャナは透過型スキャナの窓の内外側に応じて合焦又は非合焦とされるビームを二次元的に案内できるようにしなければならない。

代替的には、多楔部分ディスク５１２ｂもまたこの種の目的のために用いることができる。反射型の場合の多面体ドラムミラーについて説明したように、一つの楔部を集束ビームまたは非集束ビームを偏光するよう所定位置に回転させたときに、楔角度が出射ビーム方向、すなわち絞り５１８ｂが選択することになる波面の一部を決定することになるといった意味において、透過型の場合の多楔部分ディスク５１２ｂもまた非対称ディスクであるべきということを理解されたい。各楔断面は、一連の所望波面が特性解明できるよう異なる楔角度方向を有する必要がある。透過型スキャナの窓が小型である場合、入力ビームを透過型スキャナの位置に集束させる必要がある。このような場合には、第１のレンズを用いて入力光ビームを集束させ、第２のレンズを用いて透過ビームを平行光線化し、空間内を横断方向に転移させた入力波面の複製を生成すべきであることに留意されたい。

本発明の別の実施形態では、入力波面を横断方向に連続的に転移させるという考え方をさらに拡張し、入力ビームを集束させずに再平行光線化するような入力ビームの直接的な横断方向転移事例も含まれる。その代りに、入力ビームは横断方向に転移するよう案内して波面の所望方向を絞り（６１８ａ，６１８ｂ）へ案内する。この種の方式は、必要な光学素子がより少数であり、このために光走査モジュールをずっと単純化できるという点で有利である。図６は、異なる所望の空間的配向からなる幾つかの並列光学ブロック（６１２ａ，６１２ｂ）を光学的ビーム路内へ連続的に切り替えてビームを横断方向に転移させることのできる一例を示すものである。

代替的には、透過型光ビームスキャナは、光ビーム路を遮断してビームを連続横断方向に転移させるよう段階的に回転させることのできる複数切子面透過型多面体（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆａｃｅｔｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ ｐｏｌｙｇｏｎ）とすることができる。また、光学ビームの横断方向の転移は必ずしも機械的手段により達成する必要がない点に留意されたい。例えば、液晶レンズ、電気−光学セル、磁気−光学セルは全てビーム横断方向の転移目的に使用可能であり、その場合にはセルの効果的な屈折率変化が横断方向のビーム転移量を変化させることになる。反射光ビームスキャナの場合のように、波面の環状リング周りの幾つかの小波面を選択して焦点ボケ及び乱視収差検出用に検出器上に集束させられるよう、透過型光学ビームスキャナを作成することができる。

上記の波面センサは多数の用途に用いることができる。第１の主要な用途は、可変形ミラーアレイ等の波面補償装置を用いて被計測歪曲波面をリアルタイムで補償することのできる補償光学系にある。このような場合、ビームの走査速度が比較的高速となるため、ＭＥＭＳミラー、電気−光学または磁気−光学セル等のシフターや高速ビームスキャナを用いることが好ましい。

上記実施形態の第２の主要な用途は、自動合焦及び／又は乱視矯正にある。人の眼等の結像系の焦点ボケや乱視を推定する上で環状リング周りの少数（例えば、８個）の小波面だけを特性解明する必要があるため、光ビーム走査モジュールはそれほど高周波の応答性を有する必要がない。従って、図４に示すステップモータ上の傾斜ミラーマウント等の低廉なビームスキャナで十分だろう。例えば、上記の波面センサは米国特許第６，３６１，１６７号明細書や米国特許第６，６８５，３１７号明細書に記載された眼の結像系の焦点ボケ及び／又は乱視のリアルタイム矯正用の基底部カメラに使用され、高解像度の基底部像が得られるようにできる。

上記の波面センサの別の特徴は、これが焦点ボケ及び／又は乱視だけの特性解明に適用されたときには４象限検出器で十分であり、その出力を処理して連続軌跡やパターンを生成してモニター上に表示し、乱視の軸だけでなく、センサ前方の光学結像システムが合焦状態にあるか否か、焦点はどの程度ずれているか、焦点ボケが収束か発散か、乱視の量がどの位かなどもまたリアルタイムで示すことができるという点である。

図７に示すように、４個の感光領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを有する４象限検出器７０２を、想定する。小波面が４象限検出器前方の小波面集束レンズに対し垂直に入射する場合、４象限検出器上の結像スポット７０４は中心にあり、４個の感光領域は同量の光を受光し、各領域が同強度の信号を生成する。他方、小波面が垂直入射から傾斜角度をもってずれた（すなわち、右上方に向かう）場合、４象限検出器上の結像スポットは中心から遠ざかって形成される（結像スポット７０６に示すように右上方四分円に向けて移動する）ことになる。中心（ｘ＝０，ｙ＝０）からの図心のずれ（ｘ，ｙ）は、下式を用いて特性解明することができる。

ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは４象限検出器の各対応する感光領域の信号強度を表し、分母（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）は計測値を正規化し、光源強度の変動を相殺するために用いたものである。

光ビームの環状リング周りの複数（例えば、４，８，１６個）の対称小波面が、小波面集束レンズと４象限検出器上に連続的に投射（例えば、時計周り方向に）されると、式（１）の（ｘ，ｙ）で示される４象限検出器の中心からの図心のずれは、ｘ−ｙ平面上で所定パターンを描き、これをモニター上に表示してデジタル的に処理して焦点ボケと乱視の状態を示すこともできる。

図８は、良好な合焦状態、焦点ボケ及び乱視からなる複数の代表的事例を、小波面集束レンズ背後の４象限検出器上の関連結像スポットパターンと、モニター上に表示したときの対応する図心位置の連続的移動で示すものである。同一の小波面集束レンズ及び４象限検出器に対し異なる小波面をもって投射された複数の波面を描く代りに、同一の環状リング周りに幾つかの小波面を図示し、複数の４象限検出器を同一の環状リング周りに描いて小波面集束レンズと単一の４象限検出器に対する波面の異なる部分の走査事例を表すという、図３に示した等価な表現を採用することに留意されたい。

小波面の頂部から波面環状リング周りに走査を開始し、矢印８０９で示すように右側の第２の小波面等に向けて時計方向に移動させるものと想定する。図８から波面が、光学系が乱視を伴うことなく良好な合焦状態にあることを意味する平面波８０１であるとき、全ての小波面（例えば、８０２）は４象限検出器８０４の中心に結像スポット８０３を形成し、その結果モニター８０６上の図心軌跡８０５もまたｘ−ｙ平面の中心に常時存在することになることが理解できる。従って、良好な合焦状態を示すために、ｘ−ｙ平面中心の全ての図心パターンすなわち軌跡を用いることができる。

しかしながら、より一般的な事例では、後述する乱視の場合等、ｘ−ｙ平面中心から図心を若干遠ざける入力波面の一部収差が常に存在する。このため、ｘ−ｙ平面中心からの図心の発散を最小化する他の収差の存在を自動合焦点または支援付き合焦用の基準として用いることができる。このような場合、図心の発散は共通中心からの各図心の絶対的距離の総和として規定することができ、この信号を自動合焦用の閉ループ制御系におけるフィードバック信号として用いることができる。

入力波面が８１１で示すように発散している場合、各小波面８１２の結像スポット８１３の中心は波面の中心に対し径方向外方にあって４象限検出器８１４の中心から等距離ずれており、その結果モニター８１６上の軌跡８１５は頂部位置８１７から始まる矢印８１８にて示すように時計周りの円となるだろう。他方、入力波面が８２１で示すように収束している場合、各小波面８２２の結像スポット８２３の中心は波面の中心に対し径方向内方にあって４象限検出器８２４の中心から等距離ずれている。この結果モニター８２６上の図心軌跡８２５は依然として円形をなすが底部位置８２７から始まることとなり、矢印８２８にて示すように依然として時計周りとなるだろう。このため、ｘ軸図心位置とｙ軸図心位置の双方に関する符号変化が検出される時には、入力波面が発散ビームから収束ビームへ変化しているか、またはその逆であるかを示すものとなる。さらに、図心軌跡の始点は入力波面が発散しているか収束しているかを示す基準として使用することもできる。

このために、この符号変化または始点変化基準は、波面センサ前方の光学系が合焦状態にあるのか否かを示すフィードバックとして用いることができる。実際には、他の波面収差が存在することがあるため、全ての図心位置に関して同時に符号変化が生ずることはない。好適な実施形態は、波面センサ前方において光学系内での合焦調整の臨界量を規定しており、図心軌跡の全てないし大半が予め設定された合焦調整範囲内で変化した場合には、波面が合焦状態にあると見なせるようにできる。従って、本発明の一実施形態では、この符号変化を自動合焦または支援付き合焦用の基準として使用することができ、ここでは高速モータにより閉ループ制御態様にて軸方向に駆動される可動レンズ等の高速合焦調整光学素子やモジュールを光学系内で波面センサ前方に配置し、符号変化点にシステムをロックすることにより光学系を常に合焦状態に保つことができる。代替的には同一目的のために、液体表面張力レンズ、液晶レンズ、音響−光学レンズ等の他種の焦点可調整レンズもまた用いることができる。

入力波面が発散と収束の両方の球状である場合に、ｘ−ｙ平面上の連続的な図心軌跡の回転方向は入力波面の環状リング周りの小波面の走査方向と同一となる。本発明のこの実施形態では、この同じ回転方向を正常と規定する。後述する乱視入力波面の場合については、ｘ−ｙ平面上の連続図心軌跡の回転方向が入力波面の環状リング周りの小波面の走査方向に比べ反対方向となることがあるが、この反対方向を異常と規定することにする。

ｘ−ｙ平面上の図心軌跡回転が正常である場合については、軌跡が円形である場合、合焦程度を示すために円形軌跡（８１５，８２５）の直径を使用することができるのは明らかである。実際には常に他の何らかの収差が存在するため図心軌跡は完全には円とはならないかもしれないので、良好な実施としては図心軌跡を一つの円に当てはめ、そこで軌跡の平均直径または半径を導きだす。本発明の一実施形態では、図心軌跡の最小平均直径または半径を得る基準を支援付き合焦または自動合焦に用い、そこで高速モータにより閉ループ制御態様にて軸方向に駆動する可動レンズ（９３０）等の高速合焦調整光学素子またはモジュールを光学系内で波面センサ前方に配置し、図９に示すように光学系を常に合焦状態に保つようにする。代替的には同一目的のために、液体表面張力レンズ、液晶レンズ、音響−光学レンズ等の焦点可調整レンズもまた使用することができる。

入力波面が乱視である場合には、図８から見て取れるように、入力波面が大まかに合焦状態にあるとき波面が８３１ａで示すように垂直方向に発散性であるかもしれず、８３１ｂで示すように水平方向に収束性であるかもしれない。その結果、垂直小波面の図心位置８３３ａは入力波面の中心に対し径方向外方に位置することになり、水平小波面の図心位置８３３ｂは入力波面の中心に対し径方向内方に位置することとなり得る。その結果、モニター８３６上の図心軌跡８３５は頂部位置８３７から開始することになるが、矢印８３８で示すように反時計方向に動くため、図心軌跡回転はここで異常とされる。乱視波面が大まかには合焦状態にあるとは、乱視波面のある軸に沿って小波面が発散し、乱視波面の他の軸に沿って小波面が収束することを意味するということに留意されたい。本発明の一実施形態では、この図心軌跡のこの異常な回転方向は入力波面が乱視であることをまず示し、次に乱視波面が大雑把に合焦状態にあることを示すのに用いることができる。異常な図心軌跡の真円度は、乱視入力波面が比較的良好な合焦状態にあるか否かを示すのに用いることもできる。

他方、入力波面が乱視であるが全ての小波面が全体として発散しまたは全体として収束する場合、図心軌跡の回転は発散及び収束非合焦波面についてなした同様の論法に基づき時計回り（すなわち、正常）となるが、乱視の場合は、乱視軸に沿う小波面が他の軸に沿うものよりもさらに発散性または収束性となるために、モニター上の図心軌跡は円形ではなく楕円となる。より一般的な乱視波面では、図心軌跡が楕円もしくは円形のいずれかの軌跡を伴って異常方向に回転するか、または図心軌跡が正常な回転方向に回転するも軌跡が楕円となるかのいずれかである。楕円軸は、乱視軸を示す波面の中心に対し任意の径方向に置くことができる。このような場合には、環状リング周りの４個の小波面では十分でなく、より多く（４ではなく、８又は１６個）の小波面を小波面集束レンズと４象限検出器上に投射して特性解明することができる。

本発明の一実施形態では、正常な図心軌跡の楕円率または二つの楕円軸の相対的な長さの差を用いて乱視の程度を示す。本発明の別の実施形態では、正常な楕円図心軌跡の軸を用いて乱視軸を示す。さらに本発明の別の実施形態では、波面センサを波面センサモジュール前方の光学系の乱視を矯正するフィードバック信号を供給するのに用いることができる。このような場合、回転方向と楕円軸と図心軌跡の楕円度を全て閉ループ制御システム内のフィードバックとして用い、乱視矯正素子を起動し、二つの筒状レンズ１０３０，１０３１（図１０に示す）を複合素子として回転させることができる。このような場合、図心軌跡の回転が正常であれば、図心軌跡の楕円度は最小化できるので、軌跡の真円度を最大化して自動乱視矯正を達成することができる。他方、図心軌跡の回転が異常であれば、まず二つの楕円軌跡軸の一方を短縮して図心軌跡を正常回転に変え、続いて同じ軸を伸長して図心軌跡を円形化することが乱視矯正用の良好な基準となる。この結果、自動の乱視矯正もまた達成することができる。

本発明の別の実施形態では、自動合焦モードの動作に自動乱視矯正モードの動作を組み合わせることにより、人の眼等の光学結像系に対し焦点ボケと乱視のリアルタイム矯正を達成することができる。好適な実施では、まず乱視矯正を達成し、続いて焦点ボケを矯正するだろう。しかしながら、これは手順を逆にできないということを意味するものではない。実際、所定の基準に達するまで二つの矯正間で対話型の方法を用いることができる。本出願の背景技術において説明したように、焦点ボケと乱視は光学結像系の品質に著しく影響を及ぼすことのある二つの重大な異常である。従って、上記の波面センサを用いてこれら二つの重大な異常を矯正することにより、人の眼の基底部像等の高品質の画像を得ることができる。

焦点ボケと乱視の特性解明と矯正に関する上記の説明において動作原理の例示には４象限検出器を用いたが、図心位置の情報を提供する限り他の検出器もまた使用することができる。この検出器がＣＣＤ面またはＣＭＯＳ面検出器アレイであってもよいことは先に触れた。これらの検出器を、前記した焦点ボケや乱視の特性解明や矯正用の４象限検出器に代えて用いることもできるのは明らかである。

前記したセンサは、自動合焦及び乱視矯正用の基底部カメラ内の高度センサとして使用することに加え、他の多くの用途に適用されることが出来る。例えば、光学式整列配置ツールに用いることができ、その中核技術は新規の自動屈折レンズの母体としても使用できる。センサは、任意の応用分野において汎用合焦センサとして使用することもできる。

本発明は、コンピュータ可読媒体に記憶されてデジタルコンピュータにより実行されるプログラムコードとして一部実装することができる。コンピュータ可読媒体としては特に、磁気媒体、光媒体、電−磁界エンコードデジタル情報等を含んでいてよい。

本発明の好適な実施形態の説明は、例示目的のみのものであることを理解されたい。当業者は、本願明細書に記載したものと等価な他の実施形態を認識できるだろう。その等価物は本願明細書に添付した特許請求の範囲により包含されることを意図している。例えば本記載は単一の小波面集束レンズと単一の４象限検出器とを用いる事例のためのものであるが、波面を走査して波面の異なる位置に投射するという同一原理を、２以上の４象限検出器または他の検出モジュールに適用できないということを意味するものではない。光走査モジュールは入力波面の複数部分を複数の検出モジュール上に投射することによって、一連の小波面特性解明を完了する時間をさらに短縮することができる。例えば、この原理は直線配列小型レンズを直線配列４象限検出器に並列配置する事例に拡張可能であり、これにより、直線配列小型レンズと４象限検出器に垂直な方向に波面を走査することで入力波面の連続走査を達成することができる。

乱視計測に用いる例示的な先行技術シャック−ハートマンセンサを示す図である。 連読波面センサの一実施形態の例示概略線図を示す。 原波面の環状リング周りの絞りにより選択される４個の小波面に対応する４個の対称位置における複製波面の相対的な径方向及び方位角方向転移を示す。 反射ビームを先ず後方に導く代りに走査ミラーにより側方に案内する連続波面センサの代替実施形態を示す。 透過型光ビームスキャナを使用する連続波面センサの別の代替実施形態を示す。 異なる所望の空間配向からなる幾つかの並列光学ブロックを光学ビーム路内へ連続的に切り替えてビームを横断方向に転移させる連続波面センサのさらに別の代替実施形態を示す。 Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４個の感光領域を有する４象限検出器を有する４象限検出器と正常入射小波面と異常入射小波面に関する４象限検出器への結像スポットとを示す。 モニター上に表示したときの対応図心位置の連続移動だけでなく、小波面集束レンズ背後の４象限検出器上の、良好な合焦状態、焦点ボケ、乱視、および関連結像スポットパターンからもなる幾つかの代表的事例を示す。 高速合焦調整光学素子又はモジュールを高速モータにより閉ループ制御態様にて駆動して光学系を合焦状態に保つシステムを表す。 図心軌跡の回転状態を閉ループ制御システム内のフィードバックとして使用して２個の筒状レンズを回転させて乱視を制御し矯正することのできるシステムを表す。

Claims (36)

1. 一次元における第１の変位と二次元における第２の変位とにより、入射波面を連続的に転移させるよう構成された波面走査装置と、
   前記波面走査装置により転移された入射波面の部分を選択しかつ遮断するよう配置された絞りと、
   前記絞りにより選択された転移された入射波面の部分を位置検出装置上に合焦するよう構成された合焦素子と、を備え、
   前記位置検出装置は、前記合焦素子により前記位置検出装置上に合焦された転移された入射波面の部分の基準点からの二次元変位を示すように構成された、連続波面センサ。
2. 前記波面走査装置が、入射波面を横方向に連続的に転移させる波面スキャナをさらに備える請求項１記載の連続波面センサ。
3. 前記波面スキャナが、軸を有する電動モータと、前記軸上に配置された傾斜ミラーと、を備える請求項２記載の連続波面センサ。
4. 前記モータがステップモータであり、
   前記軸が回転しているときに前記入射波面の環状リング周りの複数の小波面が選択されるように、前記傾斜ミラーが固定角度にて前記軸の端部に装着された、請求項３記載の連続波面センサ。
5. 前記波面スキャナが、軸を有する電動モータと、前記軸上に取り付けられた非対称多面体ドラムミラーと、を備える請求項２記載の連続波面センサ。
6. 前記位置検出装置が、４個の感光領域を有する４象限検出器である請求項１記載の連続波面センサ。
7. 一次元における第１の変位と二次元における第２の変位とにより、入射波面を連続的に転移させるステップと、
   転移された入射波面の部分を絞りによって選択しかつ遮断するステップと、
   前記絞りにより選択された転移された入射波面の部分を、位置検出装置上に合焦するステップと、
   前記位置検出装置上に合焦された入射波面部分の、前記位置検出装置上の基準点からの二次元偏向を判定するステップと、を含むことを特徴とする入力波面の収差検出方法。
8. 前記入射波面の収差を特性解明するために、複数の二次元偏向を分析するステップをさらに含む請求項７記載の方法。
9. 前記位置検出装置が基準点を有する４象限検出器であり、
   前記偏向を判定するステップが、前記４象限検出器上に合焦された入射波面の部分の二次元偏向座標を算出するステップをさらに含む請求項８記載の方法。
10. 前記選択するステップが、前記入射波面の環状リング周りに位置する転移された入射波面の部分を連続的に選択するステップを含み、
    前記分析するステップが、前記二次元偏向の分散を割り出すステップを含む請求項９記載の方法。
11. 前記選択するステップが、前記入射波面の環状リング周りに位置する転移された入射波面の部分を連続的に選択するステップを含み、
    前記分析するステップが、収束波形と拡散波形の間における入力波形の変化を示す合焦部分の位置における符号変化を検出するステップをさらに含む請求項９記載の方法。
12. 一次元における第１の変位と二次元における第２の変位とにより、入射波面を連続的に転移するステップと、
    転移された入射波面の部分を絞りにより選択しかつ遮断するステップと、
    前記絞りにより選択された転移された入射波面の部分を位置検出装置上に合焦するステップと、
    前記入射波面の収差を割り出すために、前記位置検出装置上に合焦された転移された入射波面の合焦部分の前記位置検出装置上の基準点からの二次元偏向を計測するステップと、
    転移された入射波面の合焦部分の二次元偏向に基づきフィードバック基準を形成するステップと、を含むことを特徴とする入射波面の収差補償方法。
13. 前記選択するステップが、前記入射波面の環状リング周りの入射波面の転移された多数の部分を連続的に選択するステップをさらに含む、請求項１２記載の連続波面センサ。
14. 前記フィードバック基準を形成するステップが、前記波面の焦点ボケを矯正する基準として前記偏向の分散を最小化するステップをさらに含む請求項１３記載の方法。
15. 前記フィードバック基準を形成するステップが、前記波面前方の光学系が合焦状態にあるときを示す基準として、合焦位置の偏向の符号変化を検出するステップをさらに含む請求項１３記載の方法。
16. 前記フィードバック基準を形成するステップが、波面の乱視を矯正するフィードバック基準として、円からの偏向形成パターンの偏差を検出するステップをさらに含む請求項１３記載の方法。
17. 前記フィードバック基準を形成するステップが、波面の乱視を矯正するフィードバック基準として、前記偏向形成パターンの異常回転を検出するステップをさらに含む請求項１３記載の方法。
18. 前記フィードバック基準を形成するステップが、乱視を矯正するフィードバック基準として、前記偏向形成パターンの楕円度を検出するステップをさらに含む請求項１３記載の方法。
19. 前記フィードバック基準を用いて前記入射波面の収差を補償する光学波面補償装置を制御するステップをさらに含む請求項１２記載の方法。
20. 前記二次元偏向を表示装置上にリアルタイムで表示するステップをさらに含む請求項１３記載の方法。
21. 前記波面スキャナが、ＭＥＭＳベースのスキャナを備える請求項２記載の連続波面センサ。
22. 前記波面スキャナが、透過型光ビームスキャナを備える請求項２記載の連続波面センサ。
23. 一次元における第１の変位と二次元における第２の変位とにより、入射波面を連続的に転移させるよう構成された波面走査装置と、
    前記波面走査装置により転移された入射波面の部分を選択しかつ遮断するよう配置された絞りと、
    前記絞りにより選択された転移された入射波面の部分を位置検出装置上に合焦するよう構成された合焦素子と、を備える波面補償システムであって、
    前記位置検出装置は、前記合焦素子により前記位置検出装置上に合焦された転移された入射波面の部分の基準点からの二次元偏向を示すように構成され、
    転移された入射波面の連続的に選択された部分の検出位置に基づきフィードバック信号を生成する波面収差分析装置と、
    閉ループ制御システム内で前記フィードバック信号を用いて補償を行う前記波面内収差補償用の波面補償装置と、をさらに備える、波面補償システム。
24. 前記波面補償装置が、前記波面を合焦させる軸方向駆動光学レンズを備える請求項２３記載のシステム。
25. 前記波面補償装置が、回転駆動される乱視矯正素子を備える請求項２３記載のシステム。
26. 前記絞りが、選択された入射波面の部分の大きさを制御するための可変絞りであることを特徴とする請求項１記載の連続波面センサ。
27. 波面を発生させる光源をパルスさせるかバーストさせるステップをさらに含む請求項７記載の方法。
28. 表示装置上にパターンを形成するように、前記二次元偏向を表示するステップをさらに含む請求項８記載の方法。
29. 前記位置検出装置が基準点を有する４象限検出器であり、
    前記偏向を表示するステップが、算出された座標に基づきそれぞれの合焦位置を表示する請求項９記載の方法。
30. 前記二次元偏向を表示装置上にリアルタイムで表示するステップをさらに含む請求項１１記載の方法。
31. 環状リングがサンプリングされるように、入射波面を連続的に転移させるよう構成された波面走査装置と、
    前記波面走査装置により転移された入射波面の部分を選択しかつ遮断するよう配置された絞りと、
    前記絞りにより選択された転移された入射波面の部分を位置検出装置上に合焦するよう構成された合焦素子と、を備え、
    前記位置検出装置は、前記合焦素子により前記位置検出装置上に合焦された転移された入射波面の部分の基準点からの二次元変位を示すよう構成された連続波面センサ。
32. 一次元における第１の変位と二次元における第２の変位とにより、入射波面を連続的に転移させる波面走査装置と、
    前記波面走査装置により転移された入射波面の部分を選択しかつ遮断するよう配置されるとともに、動作中の感度ならびに解像度を制御可能なように可変寸法を有する可変絞りと、
    前記絞りにより選択された転移された入射波面の部分を位置検出装置上に合焦するよう構成された合焦素子と、を備え、
    前記位置検出装置は、前記合焦素子により前記位置検出装置上に合焦された転移された入射波面の部分の基準点からの二次元変位を示すよう構成された、連続波面センサ。
33. 入射結像スポットの二次元変位を示すよう構成された位置検出装置と、
    前記位置検出装置に結像スポットを投射するように波面の一部を通過させるよう構成された絞りと、
    前記絞りを通過させるように入射波面の部分を連続的に案内する走査装置と、を備える、システム。
34. 前記走査装置が、任意の径方向および方位各方向にステップインする反射素子を備える請求項３３記載のシステム。
35. 前記走査装置が、任意の径方向および方位各方向に入射波面を連続的に転移するよう構成された反射素子を備える請求項３３記載のシステム。
36. 絞り平面に沿って配置された絞りと、
    前記絞り平面への入射波面を複製するよう構成された光学系と、
    前記光学系に含まれるとともに、選択された二次元の横断方向の変位をもって前記入射波面を前記絞り平面へと投射するように構成された波面位置決め装置であって、投射された複製された入射波面は前記絞りを通過するよう選択される波面位置決め装置と、
    前記絞りを通過するよう選択された入射波面の複製の投影された部分を位置検出装置上に合焦するよう構成された合焦素子と、を備え、
    前記位置検出装置は、前記合焦素子により前記位置検出装置上に合焦された入射波面の部分の基準点からの二次元変位を示すよう構成された、装置。

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