JP5996097B2 - 並行サンプリングおよびロックイン検出モードで作動する眼科用波面センサ - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、2012年4月30日に出願された、「Ophthalmic Wavefront Sensor Operating in Parallel Sampling and Lock-In Detection Mode」と題する米国特許出願第13/459,914号の優先権を主張するものであり、これは2011年8月4日に出願され、「A Large Diopter Range Real Time Wavefront Sensor」と題する米国特許出願第13/198,442号の一部継続出願であり、これは2010年5月28日に出願され、「Adaptive Sequential Wavefront Sensor With Programmed Control」と題する特許出願第12/790,301号の一部継続出願であり、これは2007年6月12日に出願され、「Adaptive Sequential Wavefront Sensor and its Applications」と題する特許出願第11/761,890号、現在、2010年10月19日に交付された米国特許第7,815,310号の分割出願であり、これは2006年1月20日に出願され、「Sequential Wavefront Sensor」と題する米国特許出願第11/335,980号、現在は2008年11月4日に交付された米国特許第7,445,335号の一部継続出願であり、そしてこの出願は、2011年6月6日に出願され、「A Compact Wavefront Sensor Module and Its Attachment to or Integration with an Ophthalmic Instrument」と題する米国特許出願第13/154,293号の一部継続出願でもあり、これら全ては、あらゆる目的のために参照により組み入れられる。

発明の技術分野
本発明の1つまたは複数の態様は、全般的に、眼の屈折状態および波面収差を決定するための波面センサに関する。特に、本発明は、眼科手術の間、眼の屈折状態および波面収差を決定するための装置である。

発明の背景
波面センサは、光の波面の形状を測定するために使用されるデバイスである（例えば、US4141652（特許文献1）およびUS5164578（特許文献2）を参照のこと）。大抵の場合、波面センサは、基準波面または平面波面のような理想波面からの波面の出発を測定する。波面センサは、ヒト眼のような種々の光学結像系の低次収差および高次収差の両方を測定するために使用され得る（例えば、US6595642（特許文献3）; J. Liang, et al. (1994) "Objective measurement of the wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor," J. Opt. Soc. Am. A ll, 1949-1957（非特許文献1）; T. Dave (2004) "Wavefront aberrometry Part 1: Current theories and concepts" Optometr Today, 2004 Nov. 19, page 41-45（非特許文献2）を参照のこと）。さらに、波面センサは、歪められた波面が測定され、かつ例えば可変形鏡のような光学波面補償デバイスを使用してリアルタイムで補償され得る適応制御光学において、使用されることもできる（例えば、UShttp://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=6890076.PN.&OS=PN/6890076&RS=PN/6890076 - h0#h0http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=6890076.PN.&OS=PN/6890076&RS=PN/6890076 - h2#h26890076（特許文献4）、US6910770（特許文献5）、およびUS6964480（特許文献6）を参照のこと）。そのような補償の結果として、鮮明な画像を得ることができる（例えば、US5777719（特許文献7）を参照のこと）。

用語「有水晶体眼」は、その天然の水晶体を含む眼を指し、用語「無水晶体眼」は、その天然の水晶体が除去された状態の眼を指し、そして用語「偽水晶体眼」は、人工水晶体が埋め込まれた状態の眼を指す。現在、ヒト眼の収差を測定するための大多数の波面センサは、有水晶体眼または偽水晶体眼のための約-20D〜+20Dの限定されたジオプトリー範囲のみを網羅するように設計される。加えて、それらはまた、眼の波面が測定されるとき、比較的暗環境において作動するように設計される。

屈折に影響を与える眼科手術の間、連続フィードバックが執刀医に提供され得るように、手術が進行しているときに眼の屈折状態を知ることが望ましい（例えば、US6793654（特許文献8）、US7883505（特許文献9）およびUS7988291（特許文献10）を参照のこと）。これは、特に、眼の天然水晶体が人造水晶体によって置き換えられる白内障手術の場合である。そのような場合、執刀医は、人造水晶体を選択するために有水晶体、無水晶体および偽水晶体段階における眼の屈折状態を知り、天然水晶体が除去された後、その屈折力が的確であるかどうかを確認し、かつ人造水晶体が埋め込まれた後に正常視または他の意図されたジオプトリー値を確認したいと考える。したがって、より広いジオプトリー測定範囲を網羅するため、ならびに有水晶体および偽水晶体状態だけでなく無水晶体状態でも指定された精度で執刀医が眼の屈折状態を測定することを可能にするためにも、波面センサが必要である。

また、眼科手術の間、眼は、手術用顕微鏡からの非偏光広帯域（白色）光で照らされ、このため執刀医は、顕微鏡を通して患者の眼を見ることができる。この照明光はまた、患者の眼内に向けられ、網膜から散乱され、そして手術用顕微鏡へと戻される。手術用顕微鏡に連結された波面センサは、その意図される戻された波面測定光および手術用顕微鏡からの広帯域照明の両方を受け取る。顕微鏡照明光源は、一般的に、患者の屈折状態を明らかにする波面を発生させるために必要とされる、十分に小さい効果的光源を網膜で生成するようには設計されない。このため、波面センサによって受け取られる手術用顕微鏡からのいかなる照明光も、患者の屈折状態についての不正確な情報をもたらす可能性がある。したがって、手術用顕微鏡からの照明光の影響を受けない眼科用波面センサも必要である。

白内障手術のための市販の波面センサ、例えば、WaveTec VisionからのORange術中波面収差計（例えば、US6736510（特許文献11）を参照のこと）は、連続フィードバックを提供せず、屈折ジオプトリー範囲網羅率が限定され、かつまた手術用顕微鏡の照明光からの干渉の影響を免れることもない。実際に、ORange波面センサを使用して十分に精密および正確な屈折測定値を得るために、執刀医は、外科的手技を中断して手術用顕微鏡の照明光を消さなければならず、かつ複数のデータ枠を捕捉しなければならず、それは最大数分間の追加時間が白内障屈折矯正手術時間に加えられることをもたらす。

US4141652 US5164578 US6595642 US6890076 US6910770 US6964480 US5777719 US6793654 US7883505 US7988291 US6736510

J. Liang, et al. (1994) "Objective measurement of the wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor," J. Opt. Soc. Am. A ll, 1949-1957 T. Dave (2004) "Wavefront aberrometry Part 1: Current theories and concepts" Optometr Today, 2004 Nov. 19, page 41-45

本発明の一態様は、基準周波数で振動する／パルス発生する基準信号を受け取るように、および該基準周波数での光のパルスによって形成される光のビームを発生するように構成された、光源；該光源からの該光のビームを患者の眼内へ放つように構成され、該患者の眼から戻された該光のビームの一部分が、該基準周波数で光パルスの形態で物体波面を形成する、ビーム配向要素；物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から波面結像面まで、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドすることができるビーム路に沿ってリレーするように構成された、光学波面リレーシステム；各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、高周波応答位置感知デバイスのアレイ；該高周波応答位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該高周波応答位置感知デバイスのアレイにおける対応する高周波応答位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する高周波応答位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ；ならびに、該基準信号および該測定信号を受け取るために連結された電子周波数高感度検出システムであって、該基準周波数とは異なる周波数での全てのノイズ信号、例えば1/fノイズを実質的に抑制できるように、およそ該基準周波数での該測定信号の周波数成分の大きさのみを示すように構成された、電子周波数高感度検出システムを備える、眼科用波面センサに関する。

1つの特徴は、2個の縦続波面リレーの使用であり、第二リレーは、フーリエ変換面を有し、ここで波面リレービームが、眼からの波面が広いジオプトリー範囲にわたって変わるときにある特定の空間容積の範囲内にあるように、作製される。ビームスキャナー/デフレクターは、第二リレーのフーリエ変換面に配されて、ビームを角度スキャンし、そのため最終波面結像面でのリレーされた波面は、多数のサブ波面サンプリング要素のアレイに対して横方向にシフトされ得る。対応する数のPSDは、波面サンプリング要素の後ろに配されて、ロックイン検出モードで眼から波面を発生させるパルス光源と同期して作動する。横波面シフトにより、リレーされた波面の任意の部分がサンプリングされ得、波面サンプリングの空間分解能は、柔軟に制御されることもできる。

眼科手術中での使用のための別の特徴は、測定光以外の光からの信号の拒絶を可能とするために、「明」状態および「暗」状態の各々で検出される患者の眼から戻る波面を用いて、少なくとも2つの状態の間で出力が変化する波面を発生させるための光源である。

別の特徴は、ロックイン検出モードで光源と同期して、1/fノイズ範囲を超える周波数で作動され得る多数の高速PSDを使用して、波面の部分を並行して検出し、そのためDCおよび低周波バックグラウンドノイズが効果的に除去され得ることである。

別の特徴は、アクティブ並行波面サンプリングを実施することである。アクティブ並行波面サンプリング要素は、それらの位置、サブ波面サンプリング孔サイズ、焦点調節力およびオン/オフ状態に関して制御され得る。

さらに別の特徴は、広い屈折異常測定ジオプトリー範囲にわたって波面サンプリング要素間でクロストークがないように十分に広く離間されているサブ波面サンプリング要素を有することによってジオプトリー適用範囲を向上させる。別の例において、互いから十分に離間されている、ある特定の数のサブ波面のみが、サブセットのサブ波面サンプリング要素を始動させることによって、および対応する数の位置感知デバイス／検出器（PSD）のみがクロストークを避けることを可能にすることにもよって、サンプリングされる。さらに別の例において、PSDおよびサブ波面サンプリング要素は、各PSDのサブ波面傾斜感度が動的に調節され得るように、患者の屈折状態に応答してそれらの長手方向位置および/またはそれらの焦点調節力をそれぞれ変えるように稼働され得る。加えて、PSDの横方向位置はまた、各PSDが最良の横方向位置に位置付けられて最適中心位置応答を提供するように、患者の屈折状態に応答して調節され得る。

さらに別の特徴は、波面全体を逐次スキャニングまたはシフトすることを利用することであり、そのため並行サブ波面サンプリング要素および位置感知デバイス／検出器（PSD）が空間に固定される一方で、入射波面の任意の部分がサンプリングされ得る。別の局面において、瞳孔サイズ、位置、および眼からの波面のジオプトリー値に応じて、患者の瞳孔内の波面のある特定の所望の部分のみ、例えば中心3〜4mm直径領域がサンプリングされるように、スキャナー/デフレクターは眼を追跡し、シフトの自動調節を用いて患者の眼から戻された波面をシフトする。

さらに別の特徴は、屈折状態の任意の変化と器具によるその報告との間の低遅延があるという意味で、測定された眼屈折のタイムリーな報告を利用することである。これは、所望の期間にわたる検出された波面収差データを平均し、ライブの眼像を重ねる定性的および/または定量的測定結果を所望の更新率で更新することによって達成される。

さらに別の特徴は、眼科手術の間に生じる屈折異常、例えば、眼の天然水晶体が除去され人工水晶体で置換する前に生じる屈折異常の、広いジオプトリー範囲にわたる正確な測定を提供する。これらの正確な測定は、多くの方法で達成され得る。一例は、光学素子を、サブ波面サンプリング要素と位置感知デバイス／検出器の間の距離を積極的に変えることによって、またはサブ波面集束レンズの焦点距離を積極的に変えることによって、感度またはサブ波面傾斜応答曲線の勾配を動的に調節するように、設計することである。別の例は、焦点距離可変レンズのような球状ジオプトリー値オフセット要素を使用して、中間共役波面結像面で波面の球状屈折ジオプトリー値を動的にオフセットすることである。

例示的態様のこれらおよび他の特徴および利点は、添付の図面と併せて好ましい態様の以下の詳細な説明を考察すると当業者にはより容易に明らかになるであろう。これらの特徴の各々は、単独でまたは本明細書に記載される態様のいずれかと組み合わせて使用され得る。
[本発明1001]
基準周波数で振動する／パルス発生する基準信号を受け取るように、および該基準周波数での光のパルスによって形成される光のビームを発生するように構成された、光源；
該光源からの該光のビームを患者の眼内へ放つように構成され、該患者の眼から戻された該光のビームの一部分が、該基準周波数で光パルスの形態で物体波面を形成する、ビーム配向要素；
物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から波面結像面まで、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドすることができるビーム路に沿ってリレーするように構成された、光学波面リレーシステム；
各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、高周波応答位置感知デバイスのアレイ；
該高周波応答位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該高周波応答位置感知デバイスのアレイにおける対応する高周波応答位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する高周波応答位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ；ならびに
該基準信号および該測定信号を受け取るために連結された電子周波数高感度検出システムであって、該基準周波数とは異なる周波数での全てのノイズ信号、例えば1/fノイズを実質的に抑制できるように、およそ該基準周波数で該測定信号の周波数成分の大きさのみを示すように構成された、電子周波数高感度検出システム
を備える、眼科用波面センサ。
[本発明1002]
光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該光学波面リレーシステムが、物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から、該第一および第二レンズの間に位置するフーリエ変換面まで、ならびに波面結像面まで、ビーム路に沿ってリレーするように構成され、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドするように選択された、本発明1001の眼科用波面センサ。
[本発明1003]
光源の基準周波数が、1/fノイズ周波数範囲を上回る、本発明1001の眼科用波面センサ。
[本発明1004]
第一および第二レンズの間に位置するフーリエ変換面に配され、かつリレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトするように構成された第一ビームスキャナーをさらに備える、本発明1002の波面センサ。
[本発明1005]
第一ビームスキャナーが、たとえ眼が動いているときでも該眼からの波面の所望の部分のみが常にサンプリングされるように該眼を追跡するように、構成されている、本発明1004の波面センサ。
[本発明1006]
ライブの眼前方像を提供するように構成された眼画像センサ、および、眼の結像のための光路を提供するように構成された第二配向要素をさらに備える、本発明1001の波面センサ。
[本発明1007]
ライブの眼前方像を波面測定の定性的および/または定量的結果と重ねて表示するように構成されたディスプレイをさらに備える、本発明1006の波面センサ。
[本発明1008]
眼を追うために物体波面を発生させるための光ビームを配向することによって該眼を追跡するように構成された第二ビームスキャナーをさらに備える、本発明1004の波面センサ。
[本発明1009]
第二ビームスキャナーが、光学波面リレーシステムの第一レンズの後焦平面に配される、本発明1008の波面センサ。
[本発明1010]
サブ波面サンプリング要素のアレイおよび位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
をさらに備える、本発明1001の眼科用波面センサ。
[本発明1011]
基準周波数で振動する／パルス発生する基準信号を受け取るように、および該基準周波数での光のパルスによって形成される光のビームを発生するように構成された、光源；
該光源からの該光のビームを患者の眼内へ放つように構成され、該患者の眼から戻された該光のビームの一部分が、該基準周波数で光パルスの形態で物体波面を形成する、ビーム配向要素；
物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する第一物体面から第一波面結像面まで、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第一波面結像面までガイドすることができる第一ビーム路に沿ってリレーするように構成された、第一光学波面リレーシステム；
該第一波面結像面に実質的に位置する第二物体面を有し、該物体波面を、該第二物体面から第二波面結像面まで、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第二波面結像面までガイドすることができる第二ビーム路に沿ってさらにリレーするように構成された、第二光学波面リレーシステム；
各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、高周波応答位置感知デバイスのアレイ；
該高周波応答位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該第二波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該高周波応答位置感知デバイスのアレイにおける対応する高周波応答位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する高周波応答位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ；ならびに
該基準信号および該測定信号を受け取るために連結された電子周波数高感度検出システムであって、該基準周波数とは異なる周波数での全てのノイズ信号、例えば1/fノイズを実質的に抑制できるように、およそ該基準周波数で該測定信号の周波数成分の大きさのみを示すように構成された、電子周波数高感度検出システム
を備える、眼科用波面センサ。
[本発明1012]
第一光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する波面リレービームを第一波面結像面までガイドするように選択され；かつ
第二光学波面リレーシステムが、第三および第四レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第三および第四レンズの該焦点距離および該直径が、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを第二波面結像面までさらにガイドするように選択される、
本発明1011の眼科用波面センサ。
[本発明1013]
第三レンズが、物体波面を、該第三および第四レンズの間に位置するフーリエ変換面までガイドするように構成されている、本発明1012の眼科用波面センサ。
[本発明1014]
光源の基準周波数が、1/fノイズ周波数範囲を上回る、本発明1011の眼科用波面センサ。
[本発明1015]
第一波面結像面に配され、1つまたは複数の波面収差成分を部分的または完全に補償してそれにより残りの波面収差成分をより精密に測定できるように構成された波面補償板をさらに備える、本発明1011の波面センサ。
[本発明1016]
第三レンズおよび第四レンズの間のフーリエ変換面に配され、リレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトするように構成された第一ビームスキャナーをさらに備える、本発明1013の波面センサ。
[本発明1017]
第一ビームスキャナーが、たとえ眼が動いているときでも該眼からの波面の所望の部分のみが常にサンプリングされるように該眼を追跡するように、構成されている、本発明1016の波面センサ。
[本発明1018]
ライブの眼前方像を提供するように構成された眼画像センサ、および、眼の結像のための光路を提供するように構成された第二ビーム配向要素をさらに備える、本発明1011の波面センサ。
[本発明1019]
ライブの眼前方像を波面測定の定性的および/または定量的結果と重ねて表示するように構成されたディスプレイをさらに備える、本発明1018の波面センサ。
[本発明1020]
眼を追うために物体波面を発生させるための光ビームを配向することによって該眼を追跡するように構成された第二ビームスキャナーをさらに備える、本発明1011の波面センサ。
[本発明1021]
サブ波面サンプリング要素のアレイおよび位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
をさらに備える、本発明1011の眼科用波面センサ。
[本発明1022]
基準周波数で振動する／パルス発生する基準信号を受け取るように、および該基準周波数での光のパルスによって形成される光のビームを発生するように構成された、光源；
該光源からの該光のビームを患者の眼内へ放つように構成され、該患者の眼から戻された該光のビームの一部分が、該基準周波数で光パルスの形態で物体波面を形成する、第一ビーム配向要素；
ライブの眼前方像を提供するように構成された画像センサ；
眼の結像のための光路を提供するように構成された第二ビーム配向要素；
物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から波面結像面まで、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドすることができるビーム路に沿ってリレーするように構成された、光学波面リレーシステム；
各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、高周波応答位置感知デバイスのアレイ；
該高周波応答位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該高周波応答位置感知デバイスのアレイにおける対応する高周波応答位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する高周波応答位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ；ならびに
該基準信号および該測定信号を受け取るために連結されかつ該画像センサに連結された電子周波数高感度検出システムであって、該基準周波数とは異なる周波数での全てのノイズ信号、例えば1/fノイズを実質的に抑制できるように、およそ該基準周波数で該測定信号の周波数成分の大きさのみを示すように構成された、電子周波数高感度検出システム
を備える、眼科用顕微鏡に連結するよう適合された眼科用波面センサ。
[本発明1023]
光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該光学波面リレーシステムが、物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から、該第一および第二レンズの間に位置するフーリエ変換面まで、ならびに波面結像面まで、ビーム路に沿ってリレーするように構成され、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドするように選択された、本発明1022の眼科用波面センサ。
[本発明1024]
眼を追うために物体波面を発生させるための光ビームを配向することによって該眼を追跡するように構成された第一ビームスキャナーをさらに備える、本発明1022の眼科用波面センサ。
[本発明1025]
第一および第二レンズの間のフーリエ変換面に配され、かつリレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトするように構成された第二ビームスキャナーをさらに備える、本発明1023の眼科用波面センサ。
[本発明1026]
画像センサが、眼の瞳孔位置についての情報を提供するようにさらに構成され、第二ビームスキャナーが、たとえ眼が動いているときでも該眼からの波面の1つまたは複数の同じ部分がサンプリングされるように、リレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトすることによって、該眼を追跡するように構成されている、本発明1025の眼科用波面センサ。
[本発明1027]
サブ波面サンプリング要素のアレイおよび位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
をさらに備える、本発明1022の眼科用波面センサ。
[本発明1028]
基準周波数で振動する／パルス発生する基準信号を受け取るように、および該基準周波数での光のパルスによって形成される光のビームを発生するように構成された、光源；
該光源からの該光のビームを患者の眼内へ放つように構成され、該患者の眼から戻された該光のビームの一部分が、該基準周波数で光パルスの形態で物体波面を形成する、第一ビーム配向要素；
ライブの眼前方像を提供するように構成された画像センサ；
眼の結像のための光路を提供するように構成された第二ビーム配向要素；
物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する第一物体面から第一波面結像面まで、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第一波面結像面までガイドすることができる第一ビーム路に沿ってリレーするように構成された、第一光学波面リレーシステム；
該第一波面結像面に実質的に位置する第二物体面を有し、該物体波面を、該第二物体面から第二波面結像面まで、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第二波面結像面までガイドすることができる第二ビーム路に沿ってさらにリレーするように構成された、第二光学波面リレーシステム；
各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、高周波応答位置感知デバイスのアレイ；
該高周波応答位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該第二波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該高周波応答位置感知デバイスのアレイにおける対応する高周波応答位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する高周波応答位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ；ならびに
該基準信号および該測定信号を受け取るために連結された電子周波数高感度検出システムであって、該基準周波数とは異なる周波数での全てのノイズ信号、例えば1/fノイズを実質的に抑制できるように、およそ該基準周波数で該測定信号の周波数成分の大きさのみを示すように構成された、電子周波数高感度検出システム
を備える、眼科用顕微鏡に連結するよう適合された眼科用波面センサ。
[本発明1029]
第一光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを第一波面結像面までガイドするように選択され；かつ
第二光学波面リレーシステムが、第三および第四レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第三および第四レンズの該焦点距離および該直径が、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームをさらに第二波面結像面までガイドするように選択される、
本発明1028の眼科用波面センサ。
[本発明1030]
第三レンズが、物体波面を、該第三および第四レンズの間に位置するフーリエ変換面までガイドするように構成されている、本発明1029の眼科用波面センサ。
[本発明1031]
眼を追うために物体波面を発生させるための光ビームを配向することによって該眼を追跡するように構成された第一ビームスキャナーをさらに備える、本発明1028の眼科用波面センサ。
[本発明1032]
第三および第四レンズの間のフーリエ変換面に配され、リレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトするように構成された第二ビームスキャナーをさらに備える、本発明1030の眼科用波面センサ。
[本発明1033]
画像センサが、眼の瞳孔位置についての情報を提供するようにさらに構成され、第二ビームスキャナーが、たとえ眼が動いているときでも該眼からの波面の1つまたは複数の同じ部分がサンプリングされるように、リレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトすることによって、該眼を追跡するように構成されている、本発明1032の眼科用波面センサ。
[本発明1034]
サブ波面サンプリング要素のアレイおよび位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
をさらに備える、本発明1028の眼科用波面センサ。
[本発明1035]
物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から波面結像面まで、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドすることができるビーム路に沿ってリレーするように構成された、光学波面リレーシステム；
該ビーム路に沿って配され、波面リレービームを完全に遮断するようにおよび2次元でスキャンするように構成された、ビームスキャナー/デフレクター；
各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の2次元偏向の量を検出するように、および該2次元偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、位置感知デバイスのアレイ；ならびに
該位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該位置感知デバイスのアレイにおける対応する位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ
を備える、眼科用波面センサ。
[本発明1036]
光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該光学波面リレーシステムが、物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から、該第一および第二レンズの間に位置するフーリエ変換面まで、ならびに波面結像面まで、ビーム路に沿ってリレーするように構成され、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドするように選択され、ビームスキャナー/デフレクターが、該第一および第二レンズの間に位置する該フーリエ変換面に実質的に配される、本発明1035の眼科用波面センサ。
[本発明1037]
サブ波面サンプリング要素のアレイおよび位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
をさらに備える、本発明1035の眼科用波面センサ。
[本発明1038]
物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する第一物体面から第一波面結像面まで、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第一波面結像面までガイドすることができる第一ビーム路に沿ってリレーするように構成された、第一光学波面リレーシステム；
該第一波面結像面に実質的に位置する第二物体面を有し、該物体波面を、該第二物体面からフーリエ変換面まで、および第二波面結像面まで、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第二波面結像面までガイドすることができる第二ビーム路に沿ってさらにリレーするように構成された、第二光学波面リレーシステム；
該フーリエ変換面に実質的に配され、波面リレービームを完全に遮断するようにおよびスキャンするように構成された、ビームスキャナー/デフレクター；
各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、位置感知デバイスのアレイ；ならびに
該位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該第二波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該位置感知デバイスのアレイにおける対応する位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ
を備える、眼科用波面センサ。
[本発明1039]
第一光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを第一波面結像面までガイドするように選択され；かつ
第二光学波面リレーシステムが、第三および第四レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第三および第四レンズの該焦点距離および該直径が、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを第二波面結像面までさらにガイドするように選択される、
本発明1038の眼科用波面センサ。
[本発明1040]
サブ波面サンプリング要素のアレイおよび位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
をさらに備える、本発明1038の眼科用波面センサ。
[本発明1041]
基準周波数で振動する／パルス発生する基準信号を受け取るように、および該基準周波数での光のパルスによって形成される光のビームを発生するように構成された、光源；
該光源からの該光のビームを患者の眼内へ放つように構成され、該患者の眼から戻された該光のビームの一部分が、該基準周波数で光パルスの形態で物体波面を形成する、ビーム配向要素；
物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する物体面から波面結像面まで、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該波面結像面までガイドすることができるビーム路に沿ってリレーするように構成された、光学波面リレーシステム；
各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、高周波応答位置感知デバイスのアレイ；ならびに
該高周波応答位置感知デバイスのアレイの前かつ実質的に該波面結像面に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該高周波応答位置感知デバイスのアレイにおける対応する高周波応答位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する高周波応答位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ
を備える、眼科用波面センサ。
[本発明1042]
光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、該物体面で広いジオプトリー範囲を有する波面リレービームを該波面結像面までガイドするように選択された、本発明1041の眼科用波面センサ。
[本発明1043]
サブ波面サンプリング要素のアレイおよび高周波応答位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
をさらに備える、本発明1041の眼科用波面センサ。

共同譲渡されたUS7445335に開示された逐次波面センサの概略図を示す。 共同譲渡されたUS20120026466に開示されたような改善された光学的配置を示す。 パルス発生光源が位置感知デバイス／検出器のアレイと同期されて、センサが並行サンプリングおよびまたロックイン検出モードの両方で働くことを可能にする、例示的波面センサの一態様を示す。 位置感知デバイス／検出器の対応するアレイ、およびクロストークすることなく達成されうる最大ジオプトリー測定範囲と共に、典型的なシャック-ハルトマン波面センサの小型レンズのアレイを示す。 位置感知デバイス／検出器の対応するアレイ、およびクロストークすることなく達成されうる最大ジオプトリー測定範囲と共に、サブ波面サンプリング要素の例示的配列を示す。 ロックイン検出増幅器の一例示的態様を示すブロック図である。 図3aの光学的配置に適用された場合の、逐次横方向波面シフトまたはスキャニングの一例を示す。 8-f波面リレー構成が小さいビームスキャナーと組み合わされて、並行波面サンプリングおよびロックイン検出に加えて実際的な逐次波面スキャニングを可能にする、図3aの波面センサの別の態様を示す。 図6の光学的配置に適用された場合の、逐次横方向波面シフトまたはスキャニングの一例を示す。 図6の構成への固定光源および眼画像センサの組み込みの例を示す。 現在開示されている波面センサの手術用顕微鏡との統合の例を示す。 現在開示されている波面センサの細隙灯生体顕微鏡との統合の例を示す。

詳細な説明
ここで、添付の図面に図示された種々の例示的態様を詳細に参照する。本発明は、これらの態様と共に説明されるが、本発明をいずれの態様にも限定することが意図されないと理解されるであろう。それどころか、添付の特許請求の範囲によって定義されるとおりの本発明の精神および範囲の範囲内に含まれ得るような代替物、変更物および同等物を網羅することが意図される。以下の説明において、多数の具体的詳細が、種々の態様の深い理解を提供するために、述べられる。しかしながら、本発明は、これらの具体的詳細の幾つかまたは全てを行わずに実践され得る。他の例では、周知のプロセス作業は、本発明を不必要に不明瞭にしないために、詳細に説明されていない。さらに、明細書中の種々の場所での語句「例示的態様」の各出現は、必ずしも同じ例示的態様を指さない。

ヒト眼波面測定のための大多数の先行技術の眼科用波面センサは、波面情報収集のために2次元CCDまたはCMOSイメージセンサを使用する。例えば、典型的なハルトマン-シャック波面センサ（例えば、US5777719、6199986および6530917を参照のこと）は、2次元小型レンズアレイおよび2次元CCDまたはCMOSイメージセンサを使用する。Tscherning波面センサ（例えば、Mrochen et al., "Principles of Tscherning Aberrometry," J of Refractive Surgery, Vol.16, September/October 2000を参照のこと）は、2次元ドットアレイパターンを網膜上に投影し、そして2次元CCDまたはCMOSイメージセンサを使用して、眼から戻された2次元ドットパターンの画像を得て、波面情報を引き出す。Talbot波面センサは、交差格子および交差格子の自己結像面に置かれたCCDまたはCMOSイメージセンサを使用して（例えば、US6781681を参照のこと）、波面情報を引き出す。Talbotモアレ波面センサ（例えば、US6736510を参照のこと）は、相互回転角オフセットを有する一対の交差格子およびCCDまたはCMOSイメージセンサを使用して、モアレパターンの画像を得て、波面情報を引き出す。位相ダイバーシティ波面センサ（例えば、US7554672およびUS20090185132を参照のこと）は、回折レンズ素子および2次元CCDまたはCMOSイメージセンサを使用して、異なる回折次数と関連がある画像を得て、波面情報を引き出す。

2次元画像センサによって収集される必要がある大量のデータ、ならびにクロックレートおよび/またはUSBケーブルのような電子データ転送ラインにわたるデータ転送率から生じるフレーム率における限界に起因して、これら全ての先行技術の波面センサデバイスにおいて使用される画像センサは、比較的低フレーム率で（典型的には、25〜30フレーム／秒）作動することができるのみであり、したがってDCまたは低周波バックグラウンドノイズに対して高感度である。結果として、これらの先行技術の波面センサは、一般的に、DCまたは低周波バックグラウンド/環境光からのノイズを減少するために比較的暗環境において機能することができるのみである。

加えて、これらの眼科用波面センサのジオプトリー測定範囲は、一般的に、波面傾斜感度、波面ジオプトリー測定範囲および波面測定空間分解能を決定する、固定された格子波面サンプリング要素のスペーシングまたはピッチの障害に主に起因して、±20D以内に限定される。

レーザー光線追跡に基づく別の波面センサ技術（例えば、US6409345およびUS6932475を参照のこと）は、波面情報引き出しのために2次元CCDまたはCMOSイメージセンサの使用を絶対的に必要とするとは限らない。しかしながら、市販品（Tracey TechnologiesからのiTrace）は、たった±15Dの限定された測定範囲しか有さず、かつ依然として波面測定のための暗環境を必要とする。

共同譲渡されたUS7445335は、波面全体を逐次シフトさせて、波面の所望の部分のみが波面サンプリング孔を通過することを可能にする逐次波面センサを開示する。この波面センサは、ロックイン検出を使用して、眼からの波面を発生させるために使用される光源にパルスを発生させること、およびそれを高周波応答位置感知デバイス／検出器（象限検出器のような）と同期させることによって、例えばバックグラウンド光または電子干渉からのDCまたは低周波光学もしくは電子ノイズを拒絶する。したがって、この波面センサは、波面測定のために暗環境を必要とせず、かつ手術用顕微鏡の照明光がつねに「オン」状態のままでの連続リアルタイム術中屈折矯正手術に極めて適する。波面を逐次サンプリングすることは、いかなる潜在的なクロストーク問題も完全に取り除き、したがってそれは、広い波面測定ダイナミックレンジの可能性を与える。しかしながら、US7445335の光学的配置は、比較的広いビーム遮断面積を有するビームスキャナーを必要とするので、広いジオプトリー範囲を網羅するためには理想的でない。別の共同譲渡された米国特許出願（US20120026466）は、US7445335よりも改善された光学的配置を開示する。これらの改善された配置は、比較的小さい市販の光ビームスキャナー（MEMSスキャナーのような）の使用を可能にして、広いジオプトリー範囲（最大±30Dまで）にわたる眼からの物体波全体をスキャンすることができ、その結果として、眼の屈折は、無水晶体状態でも、適切に網羅され得る。波面を柔軟にシフトすることによって、波面の任意の部分がサンプリング可能であり、したがって高空間分解能もまた、達成され得る。

しかしながら、眼安全要求事項に起因して、所与の時間内に患者の眼に送達され得る光エネルギーには制限がある。したがって、信号対ノイズ比を押し上げるために光源のパルス発生およびロックイン検出アプローチを用いたとしても、眼から戻された波面の多くの空間部分をサンプリングすることが望まれる場合、波面測定更新率は限定される可能性がある。一方で、高波面測定更新率を有することが望まれる場合、最大数の空間サンプリング点は、限定される可能性がある。したがって、ロックイン検出モードで作動するそのような波面センサの性能をさらに改善する必要がある。

本発明の1つまたは複数の態様によれば、多数の並行波面サンプリング要素は、対応する数の、全て1/fノイズ周波数範囲を超える周波数での光源のパルス発生と同期してロックイン検出モードで作動する、画像または光点位置感知デバイス／検出器（PSD）と組合わされる。各PSDは、DCまたは低周波バックグラウンド光により発生されたノイズが実質的に除去され得、かつ信号対ノイズ比が押し上げられることができるように、十分高い周波数応答を有する。

波面を並行してサンプリングすることに加えて、並行波面サンプリング要素の物理的なスペーシングは、所望の眼屈折異常ジオプトリー適用範囲内でクロストークがないように設計される。さらに、波面の任意の部分または区域をサンプリングするために、波面はまた、共同譲渡された特許US7445335および特許出願US20120026466に開示されたものと同様のアプローチを使用して、波面サンプリング要素に対して逐次シフトされ得る。

図1は、共同譲渡されたUS7445335に開示された逐次波面センサの概略図を示す。光源134からの光の細いビームは、ビームスプリッターのようなビーム配向要素136を介して眼の網膜138へと向けられる。眼から離れるときに波面102を有する、眼の網膜から生ずる光の物体波は、第一レンズ104によって集束される。物体波面ビームは、その通過する偏光方向が物体光ビームの所望の偏光方向と一直線に合わされるような方法で配列された、偏光ビームスプリッター（PBS）106を通って進む。結果として、直線的に偏光された物体波は、PBS106を通過することになる。四分の一波長板108は、ビームが四分の一波長板108を通過した後、円偏光した光ビームが現れるように、速軸が方向付けられた状態で、PBS106の後ろに置かれる。

眼からの波面情報を運ぶ物体光ビームは、モーター軸114上に据え付けられた、傾斜されたスキャニング鏡112の反射面上に集束される。鏡によって反射された物体光ビームは、スキャン鏡112の傾斜角およびモーター114の回転位置に依存する方向に変えられる。反射されたビームは、依然として円偏光されているが、円偏光回転方向は、左方向から右方向へ、または右方向から左方向へ変えられるだろう。したがって、その復路で2回目に四分の一波長板108を通過すると、ビームは、再び直線偏光となるが、その偏光方向は、もともとの入射物体波の方向に対して直交方向に回転される。したがって、偏光ビームスプリッター106において、戻された物体波は、大部分は、図1において一点鎖線の光線によって示されるように、左側に反射されるであろう。

第二レンズ116は、PBS106の左隣りに置かれて、反射された物体波を平行にし、かつ波面サンプリング孔118の面において、もともとの入力波面（124）の複製物を生成する。スキャン鏡の傾斜に起因して、複製された波面124は、横方向にシフトされる。孔118は、サブ波面集束レンズ120の前に置かれて、複製された波面124のごく一部を選択する。サブ波面集束レンズ120は、逐次選択されたサブ波面から発生された集束光点の中心を決定するために使用される位置感知デバイス／検出器122上に選択されたサブ波面を集束する。モーター114を回転させ、スキャン鏡112の傾斜角を変えることによって、複製された波面の半径方向および方位角のシフト量は、複製された波面のいかなる部分も逐次的に孔118を通過するように選択され得るように、制御され得る。結果として、もともとの入射ビームの全波面は、各サブ波面の中心が今では並行方法でなくむしろ逐次方法で得られることを除いて、標準ハルトマン-シャック波面センサの場合のように特徴付けられることができる。

図1に見られるように、スキャン鏡の傾斜角および光源にパルスを発生させる率を制御することによって、波面の任意の部分をサンプリングすることができる。加えて、電子制御および検出システムは、ロックイン検出を可能とするために、光源134、モーター114、波面サンプリング孔118（これもアクティブである場合）および位置感知検出器122の作動を同期させることができる。したがって、信号対ノイズ比は、押し上げられることができ、そしてDCまたは低周波バックグラウンド光により発生されたノイズは、除去され得る。

しかしながら、波面シフトが、4-f光学波面リレーシステムの光学フーリエ変換面でビームスキャナーによって行われるとき、患者の眼の屈折異常ジオプトリー値が大きい場合、フーリエ変換面での物体波の寸法も、比較的大きくなるであろう。これは、広いジオプトリー範囲を網羅するために、ビームスキャナーは、比較的広いビーム遮断面積を必要とすることを意味する。白内障手術の場合において、眼と入力ポートとの間の作動距離が広い場合、必要とされるビームスキャナーサイズは、費用および商業的入手性の観点から実際的ではないだろう。

図2は、第一および第二フーリエ変換面、それぞれAおよびC、ならびに第一および第二結像面、それぞれBおよびDを有する2つの縦続4-fリレーを使用する共同譲渡された米国特許出願US20120026466に開示されるような別の光学的配置を示す。2つの縦続4-f波面リレーまたは8-f波面リレーの使用のため、逐次横方向波面シフトは、物体波が比較的小さいビームスキャナー212によって完全に遮断され得るように波面ビーム幅（所望の広い屈折異常ジオプトリー測定範囲にわたる）がある特定の物理的寸法範囲内に維持され得る第二フーリエ変換面Cで、またはその周辺で波面ビームを角度スキャンすることによって達成され得る。

図2に示されるように、波面結像面Bでの第一波面リレー後、物体波幅は、第一レンズ204および第二レンズ216の焦点距離の相違のために、減少されるが、ビーム発散または収斂は増大される。第二4-f波面リレーは、第三レンズ240および第四レンズ242を含み、各々、比較的大きい集束能力または短い焦点距離および比較的大きい開口数（NA）またはビーム受容円錐角を有する。第二フーリエ変換面Cでのビーム幅は今や、比較的小さい。第二フーリエ変換面Cでビームを角度スキャンすることによって、第二波面結像面Dでの波面像は、横方向にシフトされ得る。横方向にシフトされた波面は、波面サンプリング孔218によって第二波面結像面Dでサンプリングされ、かつサブ波面集束レンズ220によって位置感知デバイス／検出器（PSD）222上に集束され得る。

図1に描写された態様と同様に、第二フーリエ変換面Cでビームスキャナー212を制御すること、および光源のパルス発生のタイミングを計ることによって、波面の任意の部分が、サンプリングされ得る。ここでもまた、電子制御および検出システムは、ロックイン検出が信号対ノイズ比を押し上げ、かつDCまたは低周波バックグラウンド光によって発生されたノイズを除去することを可能にするために、光源234、スキャナー212、孔218（それが可変孔である場合）およびPSD222の作動を同期させることができる。

ユーザー制御インターフェース238を有する電子制御システム236は、ビームスキャナー212および可変孔に連結されて、これらの要素の制御がスキャニングパターンまたは孔サイズを変えることを可能にする。他の態様において、電子制御システム236は、以下でより完全に説明されるような他の制御可能要素に連結され得る。ユーザーインターフェース238は、器具上のボタン、器具上または電子制御システム236に連結されたコンピューター上のグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）の形態であり得る。

図1および図2において、たった1つの波面サンプリング要素およびたった1つの位置感知デバイスがあり、波面サンプリングは、純粋な逐次的方法で行われることに留意されたい。この場合において、波面全体のたった一部分がサンプリングされ、したがって眼から戻された光エネルギーは、効率的に使用されない。

図3aは、パルスおよび/またはバーストモードにおいて作動している光源334（スーパールミネッセントダイオードすなわちSLDのような）からの光のビームが、ビーム配向要素306（偏光ビームスプリッター（PBS）のような）を介して患者の眼内へと放たれて、眼から戻る波面の生成のために網膜上に比較的小さい像点を形成する、例を示す。ビーム配向要素306は、所望の眼ジオプトリー測定範囲にわたる眼からの波面情報を運ぶ物体波が、ビーム配向要素の縁によって妨害されることなく、完全に遮断されることを確実にするのに十分に大きい光ビーム遮断サイズを有するべきである。

PBSを使用することは、他の不所望の眼の光インターフェース（角膜および眼水晶体のような）から反射されるか、または散乱される光からの干渉の抑制を助けることができる。これは、比較的細い入力SLD光ビームが、第一偏光方向に直線的に偏光され、そして角膜および眼水晶体から反射されるか、または散乱される光もまた、大部分が第一偏光方向に直線的に偏光されるが、一方で、網膜により散乱された光は、第一偏光方向に直交に偏光される大きな成分を有するからである。そのようにビーム配向要素306としてのPBSは、眼に向かって伝搬するSLDビームのための偏光子、およびまた網膜から戻される物体波のみを第二直交偏光方向に通すための検光子の両方として役立つ。

ある特定の偏光成分を除去する必要に加えて、眼から離れる波面はまた、波面サンプリング結像面へとリレーされる必要がある。図3aにおいて、これは、第一レンズ304および第二レンズ316を含む4-f波面リレー光学的配置を用いて達成される。波面結像面Bで、例えばサブ波面サンプリング孔の環状アレイ318および対応するサブ波面集束レンズの環状アレイ320を備える、サブ波面サンプリング要素のアレイは、波面結像面Bでリレーされた波面の多数の部分を並行してサンプリングし、かつ集束させる。位置感知デバイス／検出器（PSD）の対応するアレイ322（側面効果位置感知検出器または象限検出器の環状アレイのような）は、各サンプリングされたサブ波面の像点中心位置を検出するためにサブ波面サンプリング要素のアレイの後ろに配列される。

サブ波面サンプリング要素および位置感知デバイス／検出器（PSD）の詳細を示すために、本発明者らは、図3aに、波面サンプリングおよび中心検出段階の光学素子の拡大された挿入図を含めた。サブ波面サンプリング孔の環状アレイ318は、サブ波面集束レンズの環状アレイ320から意図的に分離されているが、実際にはそれらはむしろ、互いに接触しているか、ごく接近している。拡大図において、PSDの環状アレイ322は、波面がより平坦である場合、PSD上に比較的鮮明な集束像点をもたらすようにサブ波面集束レンズ320の後焦平面の周辺に配列されるが、しかしながらこれは、PSDの環状アレイ322が、サブ波面集束レンズ320の焦平面の前または後ろに配列され得るならば、この状況である必要はない。例示的態様において、眼からの波面の環状リング周辺でサンプリングすることによって、眼の球面および円柱屈折異常ならびにその円柱軸が、決定され得る。しかしながら、並行サブ波面サンプリング要素のパターンは、スポークパターンまたは2次元線形アレイ形態のような他の形態であることができる。

図3aは、ノイズ抑制のために、PSDのアレイ322から出力信号を受け取るために連結されたロックイン増幅器343を示す。ディスプレイ345は、ロックイン増幅器343の出力を受け取る電子システム336に連結され得る。ロックイン増幅器343の作動は、以下で図4を参照して説明される。電子システム336は、屈折、収差および他の診断または臨床的因子を決定するためのアルゴリズムを適用することを含む、ロックイン増幅器343の出力を処理するための処理能力を有する。ディスプレイ345は、手術用顕微鏡と関係するヘッドアップディスプレイもしくは大型スクリーンディスプレイもしくは逆投影ディスプレイとして、またはパーソナルコンピューターもしくはワークステーションの一部として実行されることもできる。

先行技術の波面センサシステムと比較すると、今説明されている例示的態様は、様々な方法で組合わされた場合、それを眼屈折矯正手術に有益にする多数の特徴部を有することに留意されたい。第一に、サブ波面サンプリング要素は、物理的に分離されており、そのため、密度が概して、典型的なシャック-ハルトマン波面センサで使用される標準的な小型レンズアレイの密度よりも小さい。これは、小型レンズと小型レンズの間の距離または小型レンズピッチをより大きくすることによるか、あるいは典型的なシャック-ハルトマン波面センサで使用される小型レンズの直径よりも各小型レンズの直径をより大きくすることによって達成される。代替的に、小型レンズアレイの小型レンズの焦点距離は、典型的なシャック-ハルトマン波面センサで使用される小型レンズの焦点距離よりも短く作製され得る。結果として、十分に大きいジオプトリー測定範囲は、クロストークなく、すなわち、サンプリングされたサブ波面像点が非対応PSD上に着地することなく、網羅され得る。

この点を図示するために、図3bは、位置感知デバイス／検出器の対応するアレイを備えた典型的なシャック-ハルトマン波面センサの小型レンズアレイを示し、そしてクロストークなく最大ジオプトリー測定範囲に起こることを示す。本記載において、用語「クロストーク」は、対応する検出器上に小型レンズによって集束されることを意図される光ビームの一部分または全体が、隣接する検出器上に集束される状況を指す。

典型的なシャック-ハルトマン波面センサの小型レンズアレイ342は、いかなる間隙もなく隣同士に配列された小型レンズで密集されている。この場合において、単位面積当たり多数の小型レンズがあり、そして波面を測定するためのサンプリング密度が、高い。測定されるべき波面が、示されているように球面収斂波面344であると仮定すると、クロストークなく測定され得る最大平均サブ波面傾斜θ_mは、各小型レンズの半径rおよび焦点距離fによって限定されるだろう。ここで、θ_m=tan^-1[r/f]。図2は、波面の曲率が、大きい正または負のジオプトリー値について増加することを図示する。したがってθ_mは、最大ジオプトリー測定範囲値を示す。

図3bにおいて、サブ波面傾斜角の角度の広がりがあり、左端の小型レンズによってサンプリングされたサブ波面は、この左端の小型レンズによって集束されて、PSD1とPSD2の間のPSD1の境界で着地する光点を形成するであろう。見て分かるように、収斂または収斂性球状波面の絶対ジオプトリー値における任意のさらなる増加は、傾斜角がθ_mを超え、かつ左端の小型レンズによってサンプリングされた光点がPSD1とPSD2の間の境界を超えてPSD2へ着地することを引き起こし、それによってクロストークの原因となるであろう。実際のところ、サンプリングされたサブ波面は収斂性であるので、集束された点は、実際には焦平面346の前にあり、したがって焦平面346上の対応する像点は、鮮明な焦点での像点よりもむしろ幅広であろうし、そのためサブ波面傾斜測定範囲は、θ_mよりもわずかに小さい。同様の状況が、右端の小型レンズおよび2つの位置感知デバイス／検出器PSD8およびPSD7に関して存在する。

一方で、波面が球状発散波面である場合、鮮明に集束された像点は、一般に、実際には焦平面346の後ろにあるであろうし、そのため焦平面346上の光点もまた、鮮明な焦点における光点よりむしろ幅広であろうし、したがってここでもまた、サブ波面傾斜測定範囲は、θ_mよりもわずかに小さいであろう。波面が、球状でなく、プリズム傾斜および／または非点収差および／またはさらに他の高次収差を有する場合、小型レンズのいずれかによってサンプリングされた局所的サブ波面傾斜は、傾斜角測定範囲限度θ_mを超えることができる。

しかしながら、並行サブ波面サンプリング要素が、密集しておらず、適切に制御された2つの要素の間の中心間距離を用いて知的に分散されている場合、意図的にクロストークを避けること、およびある特定の望ましい十分な広さのジオプトリー測定範囲を達成することも可能である。

図3cは、サブ波面サンプリング要素の位置感知デバイス／検出器の対応するアレイとの配列の例示的態様を示し、クロストークがない最大ジオプトリー測定範囲が増加され得ることを図示する。図示された例において、各サブ波面サンプリング要素は、小型レンズ352、および対応する小型レンズの前の孔359を備える。言い換えれば、パターン化された孔アレイマスク358は、対応する小型レンズアレイ352と組合わされて、並行サブ波面サンプリング要素のアレイとして働く。各小型レンズの焦点距離が、図3bに示されたものと同じであり、かつ同じｆで表されるのに対して、ここでは、1個の小型レンズの中心から2個のサブ波面サンプリング要素の間の境界または中間点までの距離が、示されているようにdであると仮定すると、クロストークなく測定され得る最大平均サブ波面傾斜は今度は、β_m=tan^-1[d/f]となるであろう。dは、rよりも大きいので、局所的サブ波面傾斜測定範囲はしたがって増加される。実際のところ、図3cは、図3bに描写された波面よりもより収斂性のサンプリングされている球状波面354を示し、β_m=tan^-1[d/f]によって制限が課されている。明らかに、クロストークなくサンプリングされ得る、図3cにおける収斂性球状波面354の絶対ジオプトリー値は、図3bの波面344の絶対ジオプトリー値よりも高い。

図3cにおいて、PSDの幅は、図3bにおけるPSDの幅と比較すると、増加されている、すなわち、dは、rよりも大きい。細いPSDの代わりにより幅広いPSDを、それらの間の間隔をより広くして使用することにより、サブ波面傾斜の増加を用いて、対応するPSD上に着地する光点を、その対応するPSDによって捕捉できることを確実にする。さもなければ、もしPSDが、図3bに示されたものと同様のより小さいサイズを有するが、離間している場合、サブ波面傾斜の増加は、サブ波面光点がPSDの感光性領域の間の空間に着地することを引き起こすこともできる。言い換えれば、光点は、電気信号を生成するためにPSDによって捕捉されないであろう。

また、図3cにおいて、小型レンズは、図3bにおける小型レンズの直径と比較すると、より大きな直径を有するが、同じ焦点距離を有する。同じ焦点距離を有する、より大きな小型レンズを設計することは、そのような小型レンズが可変孔と組合わされる場合、孔のサイズを変更することが、サブ波面のサイズを制御することにおいて柔軟性を与えて、より広いサンプリングサイズ範囲にわたってサンプリングされ得るという利点を有する。例えば、球面および円柱ジオプトリー値および円柱軸の決定を含むのみである屈折異常測定について、より大きいサブ波面サンプリングサイズは、データ処理の負担を減ずるだけでなく平均するという利益を提供することができる。言い換えれば、通常、標準シャック-ハルトマン波面センサによって提供されうるような高空間波面サンプリング密度は、係る種類の屈折測定には過剰となる可能性があり、かつ実質的にデータ収集、転送および処理時間を増し、したがって波面センサの作動の速度を落として、それをリアルタイム屈折外科的手技適用には緩慢すぎるものにする可能性がある。

一方では、角膜の小領域のみが、例えばLASIKシステムを使用して手術される必要がある場合、角膜上のレーザーアブレーションスポットサイズは一般的に、シャック-ハルトマン波面センサの典型的な小型レンズのサイズよりもはるかに小さい。そのような場合、図3cに描写された孔は、対応して十分に小さく作製され得、以下で論じられるような波面スキャニングは、小さい角膜領域にわたって非平均波面感知を可能にするために利用され得、そのため非常に高い測定精度が、高次波面収差測定の点から達成され得る。実際のところ、幾つかの例示的態様において、孔アレイは、孔サイズが能動的に制御され得るという意味で、能動的に作製される。パターン化された孔アレイもまた、パターン化された小型レンズアレイの後ろに配列されることができ、かつこれらは、それらの機能が小型レンズの直径によって果たされ得る限り、絶対に必要とされるわけでもないということが留意されるべきである。

さらに、θ_mを計算するための式の観点から、クロストークがないサブ波面傾斜測定範囲θ_mは、より小さい焦点距離値fを選ぶことによって増加されることもできるということが理解される。そのような場合には、各PSDのサイズは、サブ波面傾斜測定範囲を依然として提供するために、より小さくあることができる。しかしながら、傾斜測定感度も、サブ波面傾斜における変化量が同じである場合、当業者に周知であるようにPSD上の光点の変位がより小さくなると考えられるので、悪くなるであろう。

さらにより一層の柔軟性を提供するために、いくつかの例示的態様は、可変焦点距離を有する小型レンズアレイ、または異なる焦点距離を有する小型レンズアレイのある特定のサブグループを備えた小型レンズアレイを使用する。より長い焦点距離の小型レンズのサブグループは、より良好な感度を提供することができ、一方でより短い焦点距離の小型レンズのサブグループは、より大きいサブ波面傾斜測定ダイナミックレンジを提供することができる。2個または3個またはそれ以上の小型レンズのサブグループと、したがって、小型レンズから異なる距離に配列された2個または3個またはそれ以上の組の位置感知検出器とが、存在することができる。

視力矯正手技において使用される既存の波面センサに関する重大な問題は、バックグラウンド光学ノイズまたは電子ノイズの存在下で、眼から戻された波面を検出するということである。問題のバックグラウンドノイズ成分の例は、検出器に入射する環境光および検出器それ自体によって発生される1/fノイズ、ならびに他の放射または伝導された電子ノイズである。これらのバックグラウンドノイズ成分の両方は、標準2次元CCD/CMOS画像センサのフレーム率で、かなりの振幅を有する。

例示的態様の幾つかにおいて、眼からの物体波面を作り出すために使用される光源は、パルスおよび/またはバーストモードで作動される。パルス繰返し率または周波数は、標準2次元CCD/CMOS画像センサの典型的なフレーム率よりも高い。例えば、この例示的態様での光源のパルス繰返し数は、kHz範囲内またはそれを超えることができる。CCD/CMOS画像センサについて、フレーム率は、典型的には1秒当たり約25〜30フレームである。本開示のPSDは、2次元位置感知デバイス／検出器（PSD）であり、全て十分に高い時間周波数応答を有し、そのため、それらは、1/fノイズ周波数範囲を超える周波数で、パルス光源と同期して、ロックイン検出モードで作動できる。電子制御および検出システムは、少なくとも光源およびPSDのアレイに連結され、かつ光源および並行PSDの作動を位相ロックするように構成される。電子制御および検出システムはまた、サンプリング孔が能動的である場合にサンプリング孔サイズをさらに制御するために、可変サブ波面サンプリング孔のアレイに連結され得る。

図4は、ロックイン検出増幅器400の一例示的態様を示すブロック図である。位相敏感ロックイン検出は、目的の信号よりはるかに大きいノイズによって不明瞭にされうる小信号の回復のための、当業者に周知の強力な同期検波技術であることに留意されたい。ミクサー496は、第一入力を有し、第一入力は、該入力に交流接続される、PSDからの信号を有する前置増幅器495の出力に接続される。ミクサー496は、SLDを駆動し、かつSLDにパルスを発生させる基準信号にロックされる位相ロックループ497の出力に接続された第二入力を有する。入力信号は、ミクサー496によって混合されて（掛け合わされて）、ミクサー出力信号を形成する。ミクサー496の出力は、低域フィルター498を通過させられ、出力増幅器499によって増幅されて、ロックイン検出増幅器400の出力を形成する。

ここで、ロックイン検出増幅器の作動が説明される。PSDから前置増幅器495への入力信号は、位置センサ検出器によって測定されるサブ波面の偏向を示す基準周波数での成分を含む。この成分の振幅は、ロックイン検出増幅器の所望の出力である。PSDからの入力信号はまた、環境光の周波数のような低周波でのノイズ信号、および検出器からの1/fノイズを含む。

位相ロックループ（PLL）への入力は、基準周波数でのみ実質的な振幅を有する信号である。

ミクサーへの入力信号の振幅が、掛け合わされる。増幅されたPSD信号の各周波数成分は、PSD周波数成分の周波数と基準周波数の和に等しい周波数での第一ミクサー出力成分、およびPSD周波数成分の周波数と基準周波数の差に等しい周波数での第二ミクサー出力成分に変換される。

低域フィルター498は、ゼロ近くの周波数を有する信号（直流信号）を通過させ、ゼロ近くの周波数よりも大きい周波数を有する信号（交流信号）をブロックする。基準周波数以外の周波数での全てのノイズ成分は、ブロックされる。これは、ノイズ周波数と基準信号の和および差の両方は、ゼロに等しくないので、両方のミクサー出力成分は交流信号であり、かつ低域フィルターによってブロックされるからである。

基準周波数でのPSD信号の周波数成分のための第一ミクサー出力信号の周波数は、基準周波数とそれ自体の和（基準周波数の２倍である）に等しく、したがって低域フィルターによってブロックされる交流信号である。しかしながら、基準周波数でのPSDの周波数成分のための第二ミクサー出力信号の周波数は、基準周波数とそれ自体の差（ゼロである）に等しい。これは、低域フィルターによって通過させられる直流信号である。

したがって、ロックイン増幅器の出力は、基準周波数でのPSD信号の周波数成分だけの尺度となる。異なる周波数でのすべてのノイズ信号は、低域フィルターによってブロックされる。低域フィルター処理された信号は、さらに下の信号経路でアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換するための別の増幅器499によって、さらに増幅され得る。

各PSDは、1より多いフォトダイオードまたは光検出器に対応する、1より多い感光性領域（例えば、象限検出器の場合には4個）を有することができることが留意されるべきである。並行ロックイン検出を実行するとき、必要とされるチャネルの数は、並行PSDの数×各PSDの光検出信号線の数である。本発明者らは、並行サンプリングを用いて、波面にわたる多数のサブ波面サンプルを同時に収集することができる。

図4には、A/D変換器ならびに残りの電子検出および制御モジュールは示されていない。SLDにパルス発生をさせる信号と同じ周波数でA/D変換器を始動させることは、SLDパルスの前およびその最中の暗および明のサンプル両方の収集を可能にして、電磁干渉および部屋またはデバイスが据え付けられ得る顕微鏡からの環境光の影響をさらに除去することもできる。

天文学で使用される波面センサ用のいずれの光源（例えば宇宙における遠くの星）も制御不能であるので、先行技術の波面センサは通常、パルスおよび/またはバーストモードで（少なくとも1/fノイズ領域を超える、すなわちkHz範囲の圏内の周波数範囲で）光源を作動させることはない（例えば、US6784408を参照のこと）ということ、あるいは、典型的なCCD/CMOS画像センサは、1/fノイズを超えた周波数範囲で作動させるのに十分な高さのフレーム率を有しないので、パルスまたはバーストモードで光源を作動させる利点はないということに留意されたい。

ハルトマン-シャック波面センサは、広いジオプトリー測定範囲を網羅するために、ハルトマン-シャック小型レンズアレイの小型レンズのいくつかを選択的にブロックすることによって作動できる（例えば、US7414712を参照のこと）。しかしながら、このアプローチは、費用がかかり、使用される画像センサが低フレーム率でスキャンされるという同じ制限を受けたままである。

本明細書で説明された例示的態様において、サブ波面サンプリング要素は好ましくは、図3aにおける拡大挿入図によって示されるように、波面結像面Bで互いに物理的に分離される。図3aの例示的態様において、各サブ波面サンプリング要素は、孔および集束用小型レンズを備えることに留意されたい。しかしながら、集束用小型レンズは、孔として機能するために直接使用されてもよく、またはさらに除去までされてもよい。後者の場合において、サンプリングされたサブ波面ビームは集束されることはなく、引き続き、異なるサブ波面傾斜に対する異なる中心位置で対応するPSD上の光点として着地することになるが、孔サイズは、クロストークを避けるために、PSDサイズよりも全体的に小さいことが必要である。

また、サブ波面サンプリング孔のアレイおよびサブ波面集束レンズのアレイを別個に示すために、図3aの挿入図は意図的に、二つを互いから分離した。実際には、それらはむしろ、ごく接近して配列される可能性が高い。設計された広いジオプトリー適用範囲内で、任意のサンプリングされたサブ波面の傾斜が集束されてその隣接したPSD上に着地することのないように、サブ波面サンプリング要素のスペーシングを物理的に設計することによって、広いジオプトリー測定範囲を確保する。

例示的態様において、より高いエネルギー効率を達成できる一方で、同時に1/fノイズを実質的に減少させることができ、それによって、DCまたは低周波数バックグラウンドノイズ、例えば手術用顕微鏡の照明光によって発生されるノイズを効果的に除去することを可能にすることができる。

これらの特徴により、本明細書で説明される例示的波面センサは、眼科用手術用顕微鏡と一体化されるかまたはそれに取り付けられた場合、白内障手術のような視力矯正外科的手技に対して極めて適したものとなる。白内障執刀医は、途中で中断して手術用顕微鏡の照明光を消したり、データのマルチフレームの捕捉および屈折測定を得るためのデータ処理を待ったりすることなく、手術を実施することができる。

この例示的態様を用いて、ジオプトリー測定ダイナミックレンジは、無水晶体眼でさえその屈折状態が完全に網羅されるように十分に大きく（例えば、最大±30D）作製され得る。さらに、患者の眼からの波面の環状リング周辺のまさに適切に選択された数のサブ波面をサンプリングすることによって、眼内レンズ（IOL）の選択のため、および例えば正常視または意図された偽水晶体眼の球面ジオプトリー値の確認のために必要に応じて、円柱軸だけでなく球面および円柱ジオプトリー値をも得ることができる。各環状アレイ周辺の波面サンプリング数を適切に選択することによって、必要とされるデータ転送率およびデータ処理源は、大幅に減じられることができる。

本明細書において、通常、先行技術の眼科用波面センサによって提供され得るような、より空間的なサンプリング点および/またはより高い空間分解能を提供する例示的態様が記載されるが、これは、白内障手術のために絶対に必要とされるとも限らない。これらの態様はまた、より高次の収差を測定することができ、ならびに、場合により2次元波面マップを提供することもできる。これらの例示的態様は、サブ波面サンプリング要素のアレイに対して波面を波面結像面Bで横方向にシフトまたはスキャンするために、図3aに示されるような4-fリレーのフーリエ変換面Aで配列され得る、角度光ビームスキャナー312（透過型電気光学または磁気光学ビームデフレクターのような）を含む。そうすることにおいて、US6376819に開示されたようなサブ孔空間分解能を達成することができ、そうでなければ、リレーされた波面が静的である場合、サンプリング孔の間のリレーされた波面のこれらの部分をサンプリングすることもできる。

図5は、図3aの光学的配置に適用された、逐次横断波面シフトまたはスキャニングの一例を示す。この例において、8個のサブ波面サンプリング小型レンズ501が、意図される屈折ジオプトリー測定範囲にわたってクロストークがないように任意の2個の隣接した小型レンズの間に十分なスペーシングを持って、波面結像面Bで環状アレイの形態で配列される。リレーされた波面は、リレーされた波面の8個の部分をサンプリングする8個の小型レンズ501を有する円形ディスク502として示される。いかなる波面シフトまたはスキャニングも無ければ、8個のサンプリングされたサブ波面は、波面像502に対して回転対称である。

円502〜520は、小型レンズのアレイ上に入射するリレーされた波面の第一部分を表す。円、すなわち波面の第一部分の場所は、第一部分のサブ部分がサンプリングされることを可能にする種々の図面に示されるとおりの異なる位置にスキャンされる。

図5の右部に示された4列のうち、上の2列は（503〜510）は、8個の小型レンズに対してリレーされた波面を逐次横方向にシフトすることの影響の一例を示す。503〜510において、リレーされた波面は、それぞれ右、右下、下、左下、左、左上、上および右上の方向に同じ距離だけ逐次シフトされたことが示されている。

下の2列（513〜520）は、波面を小型レンズアレイに対して動かすことの代わりに、小型レンズアレイを波面に対して動かす同等の結果を示す。513〜520の各状況における8個の点線円は、リレーされた波面のシフトされない第一部分に対する8個の小型レンズのもともとのサンプリング位置を示す。513〜520において、8個の実線円は、リレーされた波面の第一部分が動かないものとして扱われる場合、もともとの小型レンズ位置に対する8個の小型レンズの同等相対運動を示す。上の2列に描写されたシフトの結果として生じる全サンプリングパターン512は、累積サンプリング結果を示す。

全サンプリングパターン512から、波面がシフトしなければ、波面のもともとの8個の環状アレイサブ部分のみがサンプリングされるであろうし、かつ、波面がシフトしたら、波面の他のサブ部分がサンプリングされ得ることが分かる。

図示された例において、全サンプリングパターン512で見られるように、サンプリング重複が示される。これは、サンプリング孔サイズ（これは、この図示された例において、小型レンズ直径である）よりも小さい空間サンプリング分解能が達成され得ることを示す。実際のところ、ビームスキャナーがいかなる所望の実際的に達成可能な角度精度にも制御され得る限り、任意の所望の空間サンプリング分解能を達成するためにスキャナー312のスキャニング角を制御することができる。加えて、全サンプリングパターン512はまた、リレーされた波面を横方向にシフトする結果として、任意の2個の隣接した小型レンズの間のシフトされなかった波面の部分が、サンプリングされ得るだけでなく、中心に向かう、およびシフトされなかった波面の中心から離れる波面の部分も、サンプリングされ得ることを示す。全サンプリングパターン512においてすでに見ることができるが、必要に応じて3個の環状リングが、サンプリングされ得る。波面の任意の部分は、ビームシフター312を制御することによってサンプリングされ得る。

サブ波面サンプリング要素のアレイは、図3aに図示されるような環状アレイの形態である必要はないことが留意されるべきである。例えば、それらは、十分に広い屈折異常ジオプトリー測定ダイナミックレンジが、クロストークなく網羅され得ることを確実にするよう、それらが互いから物理的に十分に離間している限り、矩形アレイの形態であることができる。代替的に、それらは、各サブ波面サンプリング孔の後ろの小型レンズの焦点距離が対応してより短く、小型レンズとPSDの間の距離が対応して減少される限り、より密接した間隔を置かれることができる。小型レンズの数は、8個に制限される必要はなく、任意の形態に配列される任意の数であることができることも、留意されるべきである。

先で論じたように、図1の配置と図2の配置を比較すると、スキャニングが4-fリレーで実行される場合、ビームスキャナー312は、大きいビーム遮断窓サイズを有する必要があるであろう。この限定を克服し、かつ他の種々の改良点も提供するために、図6は、別の例示的態様を示す。図6から分かるように、光学的配置は、いくつかの局面において、図2に示されるものと同様である。しかしながら、個々または他のものとの組み合わせのいずれかで実行され得る、多数の新しい特徴が存在する。

図6の例示的態様において、パルスおよび/またはバーストモードで作動する光源634（スーパールミネッセントダイオード（SLD）のような）からの光の比較的細いビームは、焦点調節可能レンズ637を通して放たれ、そして眼から戻された波面を発生させるためにビーム配向要素606（偏光ビームスプリッターすなわちPBSのような）によって患者の眼へ向けられる。レンズ637からの焦点変更は、光ビームのスポットサイズが網膜上に着地するとき、眼の種々の屈折状態のために比較的小さいことを確実にするために利用され得る。加えて、SLDビームをスキャニングするためのスキャン鏡680は、SLDビームスキャナー位置が正視眼の網膜と共役関係にあるように、第一レンズ604の後焦点距離で配列され得る。この方法では、SLDビームスキャナー680の角度スキャンは、角膜面に対してSLDビームの横断スキャンを引き起こすが、眼が正視眼である場合、依然としてSLDビームが同じ網膜場所上に着地することを可能にするであろう。このスキャナーが使用されて、SLDビームが常に同じ角膜場所から眼に入ることができるように、いかなる眼の運動にも追従するようSLDビームをスキャンすることができる。

図3aに示されるとおりの4-f波面リレーを使用する代わりに、第一レンズ604、第二レンズ616、第三レンズ640および第四レンズ642を備える8-f波面リレーシステムが、瞳孔または角膜面からの波面を、中間波面結像面Bを通し、最終波面像サンプリング面Dへリレーするために使用される。そのような8-f波面リレーは、2つの縦続4-fリレーを含むと見なすことができる。第一リレーは、波面リレービームをフーリエ変換面Aを通して中間波面結像面Bまでガイドする、第一および第二レンズを含む。第二リレーは、波面をさらに中間波面結像面Bからフーリエ変換面Cを通して最終波面結像面Dへとリレーする、第三および第四レンズを含む。そのような8-f波面リレー光学的配置の利点は、図2を参照して論じられ、そしてより詳細が、共同譲渡された特許出願US20120026466から見出されることができる。

図2に示されるような1個のサブ波面サンプリング要素および1個のPSDのみを使用することの代わりに、例えば孔の矩形アレイ618およびサブ波面集束用小型レンズの対応する矩形アレイ620を含むサブ波面サンプリング要素のアレイは、サブ波面の所望のアレイをサンプリングし、かつ集束するために、実質的に最終波面結像面Dに配され得る。ここでもまた、サブ波面サンプリング要素は、互いから物理的に離間され得る、および/または小型レンズアレイの焦点距離は、広い屈折異常ジオプトリー測定範囲がクロストークなく網羅され得るような方法で適切に選択され得る。

これらの要素は、サブ波面のサンプリングされたアレイの像点中心位置を検出し、検出器をパルス光源と同期させることによってロックイン検出を用いて並行波面サンプリングを達成するために、並行PSDの対応するアレイと組合わされ得る。

サブ波面サンプリング要素の後ろの小型レンズの後焦平面で実質的にPSDを直接配列することの代替案として、図6の挿入図に示されるように、レンズ621は、当業者に周知のような実在のPSDの新しい面622に、仮想像点面622aで形成される仮想像点をリレーし、また好ましくは光学的に拡大するために使用され得る（例えば、US6595642を参照のこと）。

このレンズ621は、より短い焦点距離を有する比較的高密度の小型レンズアレイが所望の広いジオプトリー範囲を網羅するために使用される場合、特に有用である。典型的には、そのような小型レンズアレイは、例えば0.5mm〜1.0mmの比較的小さいピッチ、すなわち、そのアレイにおける小型レンズの中心の間の間隔を有するが、一方で、各PSDは、比較的大きいことができる（例えば、象限検出器の場合では、直径約5mm）。したがって、1対1対応を達成するために、小型レンズアレイによって形成された像点は、PSDが基板上に物理的に適合するように配列され得るように、2つの隣接したPSDの間の距離を増すためのより大きいピッチアレイに、レンズ621によって光学的に拡大され、かつリレーされ得る。

図2の場合のように、小さいサイズのビームスキャナーまたはデフレクター612は、所望の広い屈折異常ジオプトリー範囲にわたって眼波面情報を運ぶ物体波全体を完全に遮断し、そして角度スキャンするために、第二フーリエ変換面Cに配列され得る。しかしながら、図2と比較すると、必要とされるビーム角度スキャンまたは偏向範囲は、ここでは、実質的に小さくすることができる。これは、サブ波面サンプリング要素のアレイの使用により、最終波面結像面Dでの横方向波面シフトがピッチ（すなわち、xおよびyの両方向でサブ波面サンプリング要素アレイにおいて隣接するPSDの中心間の距離）に等しくなるような角度範囲内で、物体波をスキャンさえすればよいからである。このような方法で、任意の2個のサブ波面サンプリング要素の間に入射する全ての波面部分は、リレーされた波面が別のやり方ではスキャンされない場合、サンプリングされ得る。これは、例えば一般に比較的小さい角度スキャニング範囲を網羅することしかできない透過型電気光学または電磁スキャナーのような反射MEMSスキャナーに加えて、異なる種類のビームスキャナーが使用されることを可能にするであろう。

図3aの場合と同様に、ロックイン増幅器643が、ノイズ抑制のために、PSD622のアレイから出力信号を受け取るために連結され得る。ディスプレイ645は、ロックイン増幅器643の出力を受け取る電子機器システム636に連結され得る。電子機器システム636は、屈折、収差および他の診断または臨床的因子を決定するためのアルゴリズムを適用することを含む、ロックイン増幅器643の出力を処理するための処理能力を有する。ディスプレイ645は、手術用顕微鏡と関係するヘッドアップディスプレイもしくは大型スクリーンディスプレイもしくは逆投影ディスプレイとして、またはパーソナルコンピューターもしくはワークステーションの一部として、実行されることもできる。

図7は、図6の光学的配置に適用された、逐次横方向波面シフトまたはスキャニングの一例を示す。この例において、21個のサブ波面サンプリング小型レンズ701が、意図される屈折異常ジオプトリー測定範囲にわたってクロストークがないように任意の2つの隣接した小型レンズの間に十分な間隔を持って、波面結像面Dで2次元線形アレイの形式で配列される。図5でのように、リレーされた波面の第一部分は、リレーされた波面の第一部分の21個のサブ部分をサンプリングする21個の小型レンズ701を有する小型レンズアレイに入射する円形ディスク702として示される。いかなる波面シフトまたはスキャニングも無ければ、リレーされた波面の第一部分の21個のサンプリングされたサブ部分は、リレーされた波面702に対して2次元アレイ形式で規則正しく分配される。

図7に示された4列のうち、上の2列（703〜710）は、リレーされた波面が21個の小型レンズに対して逐次横方向にシフトされたときに何が起こるかの一例を示す。703〜710において、リレーされた波面の第一部分は、水平および/または垂直方向のいずれかに、それぞれ右、右下、下、左下、左、左上、上および右上の方向に、同じ距離だけ逐次シフトされたことが示されている。

下の2列は（713〜720）は、波面を小型レンズアレイに対して動かすことの代わりに、小型レンズアレイを波面に対して動かす同等の結果を示す。713〜720の各状況における2次元線形アレイ形式に配列された21個の点線円は、リレーされた波面のシフトされない第一部分に対する21個の小型レンズのもともとのサンプリング位置を示す。713〜720において、21個の実線円は、リレーされた波面の第一部分が動かないものとして扱われる場合、もともとの小型レンズ位置に対する21個の小型レンズの同等相対運動を示す。全サンプリングパターン712は、累積サンプリング結果を示す。全サンプリングパターン712から、波面がシフトしなければ、リレーされた波面のもともとの21個の小型レンズ部分が、サンプリングされるであろうし、かつ、波面がシフトしたら、もともとの21個の小型レンズ周辺の領域がサンプリングされ得ることが分かる。

実際のところ、図示された例は、各小型レンズの直径と等しい距離だけ水平および／または垂直のいずれかの方向への横方向シフトを示し、もともとのピッチまたは2個の水平または垂直の小型レンズの間のスペーシングは、各小型レンズの直径の3倍に等しいように作製される。言い換えれば、間隙距離は、各小型レンズの直径の2倍に等しい。結果として、図示されたスキャニングは、あたかも波面が、典型的なハルトマン-シャック波面センサの場合のように密集された2次元線形小型レンズアレイによってサンプリングされたかのように、リレーされた波面のサンプリングを達成することを可能にする。

より短い横方向波面シフト距離でのサンプリングを実現するため、ひいては任意の所望の空間サンプリング分解能を達成するために、ビームスキャナー612のスキャニング角およびSLDのパルス発生を制御することができることが留意されるべきである。加えて、図示された例はまた、サブ波面サンプリング要素の2次元線形アレイの使用によって、ビームスキャナー612が、リレーされた波面の全ての部分がサンプリングされることを可能にするために、水平および垂直方向において小さい角度範囲をスキャンさえすればよいことを示す。

波面サンプリング孔のアレイおよび/またはPSDはまた、アクティブに作製されることもできることに留意されたい。サブ波面をサンプリングするための孔サイズは、例えば、可変絞りアレイまたは液晶ベースの孔サイズ可変アレイを利用して、動的に調節され得る。孔はまた、リレーされた波面像の異なる部分が、US6880933に開示されているようなMEMS鏡アレイを使用して、異なるPSDに向けられることができるという意味で、アクティブであることができる。サブ波面集束レンズの焦点距離はまた、例えば、液晶マイクロレンズアレイおよび可撓性膜ベースの液体レンズアレイを使用して変化させることができる。加えて、PSDの位置またはサブ波面集束小型レンズアレイの位置はまた、長手方向に動かされ得る。

図3aおよび図6の両方の例示的態様において、DCまたは低周波バックグラウンドノイズを実質的に除去できるような1/fノイズ周波数範囲を超える周波数で光源およびPSDの作動を位相ロックするための、少なくとも光源およびPSDに連結された、電子システムが存在する。加えて、電子システムはまた、SLDビームの焦点を制御するための焦点可変レンズ637に、SLDビームスキャナー680に、波面物体波スキャナー/デフレクター612に、孔アレイ618に、小型レンズアレイ620に、およびレンズ621に、連結され得る。これらの電子的連結は、連結された要素またはデバイスの作動を制御することを意図される。

さらに、図3aおよび図6において、SLDビームは、第一レンズの後ろから放たれるが、SLDビームは、眼と最終波面結像面Dの間のどこからでも（例えば、第一レンズの前または第二レンズの後ろでも）放たれることができ、そのビーム発散または収斂も、所望の光点が種々の眼の網膜上に形成されることを確実にするために、焦点可変レンズ637に加えて他の手段によって（例えば、軸方向可動レンズを使用して）調節され得る。

光源のパルス発生は、光源の全ての種類の時間変調を包含するよう解釈されるべきである。例えば、SLDは、オン/オフまたは暗/明状態の間で変調され得；それはまた、第一光レベル状態と第二光レベル状態の間で変調され得；SLDはまた、正弦波的に変調され得る。別の例は、光パルスの流れを作り出すためにバーストモードで作動される光源を有するものであり、そこで各パルスはまた、搬送または変調周波数によって変調される。それに応じて、ロックイン検出または同期検出は、任意の位相ロックまたはコヒーレント検波手段として解釈されるべきである。ロックイン検出は、高搬送周波数および/またはパルス繰返し率/周波数の両方で行われることができる。

SLDビームを放つため、および戻された物体波をガイドするための光路は、スペースを節約し、波面センサモジュールをコンパクトにするために種々の方法で折り畳まれることができる。これは、種々の光路を折り畳むために使用される鏡または他の光学ビーム折畳要素が存在し得ることを意味する。ビームスキャナーは、透過型または反射型のいずれかであることができる。1:1比の波面リレーに加えて、眼から中間波面結像面までおよび最終波面サンプリング結像面までの波面を光学的拡大または縮小させることができる。これは、波面をリレーするために使用される全てのレンズの焦点距離が異なる値であることができることを意味する。2個の縦続4-f波面リレーに加えて、より多くの縦続4-fまたは他の波面リレーが存在できる。

図6の中間波面結像面Bが、物体波面面および最終波面結像面Dと共役関係にある事実に起因して、波面補償板または焦点ぼけオフセット用要素689が、面Bに位置し、かつ電子機器システムによって制御され得る。そうすることで、波面センサシステムは、種々の他の適用のために適応制御光学システムへと転換され得る。また、適応制御光学システムのために通常行われるような全波面収差を単に完全に補償することに加えて、波面収差の1つまたは幾つかのみを部分的または完全に補償して、残りの補正されていない波面収差がそれら自体をより明白に見せ、したがってより精密に測定されることを可能にすることができる。例えば、球面焦点ぼけの程度が、検出された波面の発散または収斂に影響を与える補償板またはオフセット用要素689にフィードバックされ得る。このフィードバックは、測定された焦点ぼけを変えることができ、そうして、それは閉ループ系を形成し、閉ループ制御技術は、波面が実質的に平坦になるよう、測定された波面の発散または収斂を任意の所望値にするため、最も可能性が高いのは、その値をゼロに近づけるために、使用され得る。加えて、焦点ぼけの徴候および程度についての情報は、SLDビームの発散または収斂にのみ影響を与えて開ループ制御システムを形成する可変焦点レンズ637を調節するために、使用できる。

サブ波面サンプリング要素および関連PSDの空間的配列は、規則的な一定のピッチでも、環状アレイや矩形アレイ形式でも、配列される必要はなく、任意の形式であることができる。例えば、（1個または複数の）内側環状アレイのサブ波面サンプリング要素よりも遠く離れて置かれた、外側環状アレイサブ波面サンプリング要素を有する、2個またはそれ以上の環状リングアレイがあることができる。

さらに、PSDの横方向の位置はまた、患者の眼の屈折状態に応答して能動的に変化させることができる。例えば、眼が無水晶体であるとき、角膜面での眼からの波面は通常、比較的発散性が高く、この波面は、最終波面結像面までリレーされた時にも発散性が高くなる。この場合において、サブ波面サンプリング要素の環状リングアレイが、リレーされた波面をサンプリングするために使用される場合、PSDの対応する環状アレイは、サブ波面サンプリング要素の環状リングアレイに対して半径方向外側に動かされ得、そのため、リレーされた波面が完全な球状発散波面である場合、サンプリングされた各サブ波面の像または光点中心は、対応する各PSDの中心にあるか、又はその中心近くにある。このように、推測される完全な球状発散波面からの任意の追加的波面傾斜偏向は、各PSDの中心部分のみが中心検出のために使用されるので、高精度で検出され得る。加えて、ハルトマンアレイの孔も役立つことになるので、小型レンズアレイ320または620（図3aおよび図6）が、ハルトマン・シャック波面センサ対ハルトマン波面センサの場合のように、絶対的に必要とされない場合もあることが留意されるべきである。

よりさらに、空間光変調器（SLM）を、高密度小型レンズアレイと組み合わせることもでき、かつそのため選択された数の孔のみが、光源がオンである期間の間、選択された数の小型レンズにわたって開放されるように、SLMは、光源と、およびPDSアレイとも同期して作動できる。例えば、小型レンズの1個または複数の環状アレイが開放され得、環状アレイが開放されることに関する決定は、物体波面の球面または焦点ぼけジオプトリー値に応じてなされ得る。したがって、所望の環状アレイの波面サンプルデータが、収集されるであろう。たった1個の環状アレイ周辺のサンプリングは、屈折異常のみを提供し、白内障手術適用に十分であろう高次収差は提供しないだろう。逐次スキャニングまたは異なる小型レンズの開放により、高次収差が、測定され得る。

側面効果位置感知検出器および象限検出器/センサに加えて、十分に高い周波数で作動し、かつサンプリングされたサブ波面像スポットの中心位置を決定する、他の種類のPSDが、使用され得る。例えば、各PSDは、3個またはそれ以上のフォトダイオードの集合であることができる。PSDアレイの各PDSはまた、高フレーム率を有する高速2次元画像センサの幾つかの集合画素であることができるが、そのような画像センサは、費用がかかる可能性が高い。PSDアレイの各PSDはまた、グローバルシャッター露出操作を用いて、ある特定の画素数のプログラムされた関心領域（ROI）からデータを出力するようにだけプログラムされたCMOS画像センサであることができる。現在、従来の大型画素カウント画像センサは一般に、1つのROIからデータを出力するようプログラムされることしかできない。しかしこれは、将来、グローバル露出制御を用いて十分に高いフレーム率で複数のROIのデータを同時に出力する可能性がない、ということを意味するものではない。この可能性が現実となったとき、単一2次元画像センサを直接使用して、ROIの対応するアレイを、あたかもそれらが十分に高い時間周波数応答でロックイン検出モードにおいて作動するPSDのアレイであるかのように、割り当てることができる。パルスをオンにする時間は、カメラ露出と同期され得る。言い換えれば、光源は、カメラが光を収集している時間以内の短い持続時間の間、オンにされ得る。代替的に、SLD源は、効果的なパルス持続時間がカメラ露出時間によって決定されるように、カメラ露出時間よりもわずかに長い時間の間、オンにされ得る。

標準的なロックイン検出に加えて、二重サンプリングもまた、ノイズをさらに減らすために使用され得る。例えば、光源は、明状態と暗状態の間で変調され得る。PSDアレイは、明状態の間、サブ波面を集束することによって形成された像点の信号を記録することができ、暗状態の間、バックグラウンド信号を記録することもできる。バックグラウンド信号が、明状態の間に記録された信号から差し引かれると、得られるのは、像点の所望の中心の改善された推定値である。一例では、CCD/CMOS画像センサの画素の一集合または多数の集合は、1つまたは複数の関心領域（ROI）がPSDのアレイとして働くようにプログラムされ得、各ROIは、明状態のサブ行およびサブ列と暗状態のサブ行およびサブ列に、さらに分割され得る。1つおきのサブ行およびサブ列が、1つおきの明および暗期でサンプリングされ得る。このように、明および暗サンプリングは、フレーム毎に使用される画素が少なくなるにつれて、より高いフレーム率で同じROIまたはPSDによって達成され得る。各ROIにおける画素の半分を、SLD光のパルスの「オン」と同期させることができ、もう一方の半分を、SLD光のパルスの「オフ」と同期させることができる。

代替的に、PSDアレイからの電子信号は、光源パルス周波数よりも10倍以上高い周波数でサンプリングされ、デジタル信号に変換され、その後デジタルフィルター処理され得る。ひとたびデジタル信号に変換されると、他のデジタル信号抽出アルゴリズム、例えばカルマンフィルタリングも、使用され得る。

よりさらに、図3aおよび図6に示される従来の4-fまたは8-f波面リレー構成に加えて、US20100208203に開示されたもののような、任意の光学波面リレー構成が、使用され得る。

他の機能もまた、記載された例示的態様に加えられることができる。図8は、二色性または長波長パスビームスプリッター860が、一般的な眼の結像および眼の固定のために光の少なくとも一部分を反射するため、および波面感知のためにSLDスペクトル領域近赤外線を実質的に透過させるために使用される、一態様を示す。二色性または長波長パスビームスプリッター860は、所望の眼ジオプトリー測定範囲にわたる眼からの波面が、ビームスプリッター窓の縁によって妨害されずに、完全に遮断されることを確実にするために、十分に大きい光遮断窓を有するべきである。

二色性または長波長パスビームスプリッターの反射は、2つの機能を果たすことができる。第一は、ライブの眼瞳孔像が、臨床医が眼を波面センサと一直線に並べるのを助けるような種々の目的を果たすために処理され、かつディスプレイされ得るように、眼から戻された光の可視または近赤外スペクトル部分を画像センサ862に向けることである。眼から戻される光の源は、例えば手術用顕微鏡に使用される照明光源、周囲室内光、または波面センサモジュールから直接発せられる光である。第二の機能は、眼が標的を捉えて、それを凝視する（そのような凝視が必要とされる場合）ことができるように、可視固定標的864の像を患者の眼に向けることである。

この反射された光ビーム路のさらに下には、固定標的光ビームおよび画像センサ光ビームを分割する／合わせる、小ビームスプリッター866が存在する。この小ビームスプリッター866は、種々のスペクトル特性を有することができる。例えばそれは、可視および/または近赤外スペクトル領域において作動するように設計された、単純な50:50広帯域ビームスプリッターであることができる。しかしながら、固定光源864が、比較的細いスペクトル幅を有する場合、より良好な光学効率のために、この小ビームスプリッター866の反射スペクトルは、固定光の良好な反射を可能にするために固定源スペクトルと一致させて、残りのスペクトルを画像センサ862へ送るように、作製され得る。

画像センサ862の前のレンズ868は、ディスプレイ上の患者の眼の前方または虹彩または瞳孔のライブ画像に、所望の光学倍率を提供するように設計され得る。それは、画像センサ面が鮮明な眼瞳孔画像を得ることができるように眼瞳孔面と共役関係にあることを確実にするために、必要に応じて焦点距離を調節するために使用される動的レンズであることもできる。それはまた、臨床医/執刀医がそれを使用して、角膜または網膜のいずれかに集束させ、所望なように倍率を変えることができるように、ズームレンズであることができる。デジタルズーミングもまた、本明細書で使用され得る。

固定標的864の前のレンズ870は、患者の眼に、所望のサイズおよび明るさの快適な固定標的を提供するように設計され得る。それはまた、固定標的が眼の網膜と共役関係にあることを確実にするため、または眼を異なる距離で固定するため、または臨床医/執刀医の必要によって眼を曇らすためにさえ、焦点距離を調節するために使用され得る。固定光源864は、それを例えば手術用顕微鏡の照明光と区別するために所望される速度で、閃光を発するか、または明滅するか、または色を変えることができる。固定標的864は、光源によって後面照明された熱気球のような画像、または臨床医/執刀医の制御のもと、点の列を含む所望のパターンを表示することができるマイクロディスプレイであることができる。加えて、マイクロディスプレイに基づく固定標的はまた、患者の非中心または周辺視野の視力を評価するために使用され得る眼の2Dアレイ収差マップを描くことができるように、異なる方向に注視するよう患者を導くために使用され得る。

固定標的、眼前方像および/または他の情報はまた、顕微鏡に戻し伝えられ、接眼レンズ（不図示）を介して可視にされることもできる。この情報は、顕微鏡または生体顕微鏡の作動距離と同一平面上にあるであろう一連のレンズまたは物理的距離を介し二色性またはビームスプリッターを経由して、観察者の視線と同軸に投影されるだろう。

画像センサ862は、白黒またはカラーのCMOS/CCD画像センサであることができ、固定光源は、赤色または緑色または他の色の発光ダイオード（LED）であることができ、異なるバックグラウンド照明条件に基づいて、その出力光強度は動的および/または手動で制御可能である。例えば、手術用顕微鏡からの比較的強い照明ビームがオンにされると、固定光源の明るさは増され、患者が固定標的を容易に見つけて、それを凝視することを可能にすることができる。

ライブの眼瞳孔画像を提供することに加えて、画像センサ信号はまた、他の目的に使用できる。例えば、ライブ画像は、ヘッドアップディスプレイ上に表示されるか、または手術用顕微鏡の接眼部と合体された半透明マイクロディスプレイ上に表示され得る。

ライブ画像は、眼の瞳孔のサイズおよび横方向の位置を検出するために使用できる。瞳孔のサイズが小さいこと、および/または波面センサに対して動くことが認められた場合、波面を選択するおよび/またはサンプリングするおよび/またはシフトするための機構が、画像センサからの情報を使用して駆動されて、患者の瞳孔を中心とする波面の領域のみをサンプリングすることができる。言い換えれば、瞳孔サイズおよび場所情報は、自動および/もしくは動的な調節ならびに/または波面サンプリングのスケーリングのために、閉ループ方法で使用できる。したがって、アクティブ波面サンプリング孔および/またはスキャナーは、視標追跡を実行することができる。内部調節を使用し、かつ波面センサおよび/または波面センサが取り付けられた手術用顕微鏡を動かさずに、あるいは別の方法でその使用を妨げずに、瞳孔を連続的に追跡するこの能力は、外科的手技による患者の波面誤差の連続測定を可能にする。

サンプリングされた波面内の光の強度は、患者の瞳孔の縁で低下する、すなわち虹彩が網膜から戻る光をブロックし始めるので、波面センサそれ自体はまた、瞳孔追跡のための情報を提供することができる。したがって、波面センサによって検出される強度は、波面サンプリングをより正確に患者の瞳孔に集中するために使用できる、患者の瞳孔のマップを提供することができる。

加えて、画像センサまたは波面センサのいずれかにより導き出された眼瞳孔位置情報が使用されて、フィードバック信号を提供して、スキャン鏡880を駆動し、SLDビームが常に、意図されたとおりの同じ角膜場所から角膜に入り、例えば角膜によって戻された、鏡面反射されたSLDビームが波面センサのPSDに入るのを防ぐように、SLDビームが眼の動きを追うことを可能にすることができる。SLDビームはまた、眼の中心合わせのため、またはSLDビームを瞳孔の中心から意図的にオフセットするため、またはSLDビームに対する眼の位置を決定するためにフィードバック/ガイダンスを提供するために、画像センサによって撮像され得る。物体波スキャナー812はまた、眼瞳孔の動きを追うために、適切なオフセットで調整され得る。

さらに、光路内に障害物があることが見出された場合、例えば、眼が水で洗浄されている場合、あるいは光学バブルが存在する場合、あるいはまぶた、顔面皮膚、執刀医の手または手術道具もしくは器具が、画像センサの視界内にあり、波面リレービーム路をブロックしている場合、波面データは、「暗」または「明」データを排除するために捨てられることができ、同時に、SLD834は、オフにされ得る。

いくつかの例示的態様において、定性的および/または定量的波面測定結果は、画像センサ862によって捕捉されたライブの眼瞳孔画像の表示上に重ねられることができる。さらに、波面測定結果を重ねたライブの眼瞳孔画像は、屈折状態の任意の変化と波面センサによる変化した屈折状態の報告との間に低遅延があるような速度で更新され得る。この更新は、所望の期間にわたって検出された波面データを平均すること、および執刀医によって好まれる所望の更新速度で定性的および/または定量的測定結果を重ねたライブの眼画像を更新することによって、達成され得る。

画像センサは、図3aまたは図6のいずれかの構成に個別に組み込まれて、固定標的とは無関係に作動することができるということが留意されるべきである。一方で、固定標的もまた、図3aまたは図6のいずれかの構成に個別に組み込まれて、画像センサとは無関係に作動することができる。

例示的態様の波面センサは、眼波面測定のための種々の眼科用器具と一体化され得ることも留意されるべきである。図9は、眼波面が連続的に測定されている間、患者の眼を見ることを可能にする手術用顕微鏡910とのその一体化の一例を示す。この一体化において、ビームスプリッター915は、顕微鏡使用者の眼から患者の眼までの視線903に沿って挿入され、波面測定システム900および患者の眼938をつなげる第二光路を作り出す。好ましくは、ビームスプリッター915は、近赤外線を反射し、同時に可視スペクトルの大部分が顕微鏡の使用者へと通過することを可能にする、二色性ビームスプリッターである。

この構成では、波面測定システム900は、光、好ましくは近赤外線を患者の眼の網膜938に向けて発することができ、それから一部の散乱光が、網膜から波面センサへ戻されるであろう。網膜上の散乱点は、波面901を有するいくらかの光を戻し、それは、波面測定システム900の波面サンプリング面へとリレーされ、面からまたは波面センサモジュールの本質的に収差されている波面から（本質的な波面収差がある場合）のその偏向が、患者の眼の収差または屈折を明らかにする。

図10は、本明細書で開示されている波面センサと細隙灯生体顕微鏡の一体化を示す。ここでもまた、ビームスプリッター1015が、細隙灯生体顕微鏡使用者の眼から患者の眼までの視線1003に沿って挿入されて、波面測定システム1000および患者の眼1038をつなげる第二光路を作り出すことができる。波面センサの同じ設計が、各適用において使用され得るが、異なる作動距離および付随した変化を有する異なる設計もまた、特定の眼科用器具の必要性に応じて、一選択肢であることに留意されたい。

実際には、好ましくは同じ設計の波面センサが、手術前および後の患者検査のための細隙灯生体顕微鏡、および屈折矯正手術の間の手術用顕微鏡の両方と共に使用される。本発明者らは、「眼科用器具」という用語をいずれかの種類の眼科用顕微鏡および/または他の眼底カメラのような他の眼科用器具を指すために使用する。好ましくは、波面センサは、特別のアラインメントまたは顕微鏡の焦点調節を必要とすべきではなく、あるいは別の方法で眼科用器具の通常使用に干渉するべきではない。

加えて、波面センサの例示的態様はまた、LASIKまたは天然の眼水晶体破砕および角膜切開/カッティングに使用されるフェムト秒レーザーまたはエキシマーレーザーと一体化され得る。ライブの眼画像および波面信号は、組合わされて、光学バブルまたは他の光学不均一性が、眼外科手術の前、最中および後に、眼または前房に存在するかどうかを示すことができる。波面情報はまた、閉ループ方法でLASIK手技を直接導くために使用できる。

これらの態様はまた、光学素子、眼鏡またはメガネ、IOLを測定するため、および/または光学素子を作り出すカッティング/機械加工デバイスをガイドするために、配備され得る。

これらの態様はまた、細胞および/もしくは分子解析のための顕微鏡または他の計測学適用に適合させることができる。例示的態様はまた、レンズの技術、眼鏡確認、微生物学適用などに使用できる。

本発明の教示を組み込む種々の例示的態様が、本明細書において示され、詳細が記載されたが、当業者は、依然としてこれらの教示を組み込む多くの他の変更された態様を容易に考案することができる。

Claims (23)

1. 基準周波数で振動する／パルス発生する基準信号を受け取るように、および該基準周波数での光のパルスによって形成される光のビームを発生するように構成された、光源；
   該光源からの該光のビームを患者の眼内へ放つように構成され、該患者の眼から戻された該光のビームの一部分が、該基準周波数で光パルスの形態で物体波面を形成する、第一ビーム配向要素；
   物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する第一物体面から第一波面結像面まで、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第一波面結像面までガイドすることができる第一ビーム路に沿ってリレーするように構成された、第一光学波面リレーシステム；
   各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、高周波応答位置感知デバイスのアレイ；
   該高周波応答位置感知デバイスのアレイの前に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該高周波応答位置感知デバイスのアレイにおける対応する高周波応答位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する高周波応答位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ；ならびに
   基準信号および測定信号を受け取るために連結された電子周波数高感度検出システムであって、1/fノイズを含む全てのノイズ信号を抑制できるように、およそ該基準周波数で該測定信号の周波数成分の大きさのみを示すように構成され、fが、DCおよび該基準周波数を下回る周波数を表す、電子周波数高感度検出システム
   を備える、眼科用波面センサ。
2. 第一光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する波面リレービームを第一波面結像面までガイドするように選択された、請求項1記載の眼科用波面センサ。
3. 第一光学波面リレーシステムが、物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する第一物体面から、第一および第二レンズの間に位置する第一フーリエ変換面まで、ならびに第一波面結像面まで、第一ビーム路に沿ってリレーするように構成されている、請求項2記載の眼科用波面センサ。
4. 第一および第二レンズの間に位置する第一フーリエ変換面に配され、かつリレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトするように構成された第一ビームスキャナーをさらに備え；該サブ波面サンプリング要素のアレイが、実質的に第一波面結像面に配されている、請求項3記載の眼科用波面センサ。
5. 光源の基準周波数が、1/fノイズ周波数範囲を上回る、請求項1〜4のいずれか一項記載の眼科用波面センサ。
6. 第一波面結像面に実質的に位置する第二物体面を有し、物体波面を、該第二物体面から第二波面結像面まで、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第二波面結像面までガイドすることができる第二ビーム路に沿ってさらにリレーするように構成された第二光学波面リレーシステムをさらに備え；サブ波面サンプリング要素のアレイが、実質的に該第二波面結像面に配されている、請求項1記載の眼科用波面センサ。
7. 第一光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する波面リレービームを第一波面結像面までガイドするように選択され；かつ
   第二光学波面リレーシステムが、第三および第四レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第三および第四レンズの該焦点距離および該直径が、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを第二波面結像面までさらにガイドするように選択される、
   請求項6記載の眼科用波面センサ。
8. 第三レンズが、物体波面を、該第三および第四レンズの間に位置する第二フーリエ変換面までガイドするように構成されている、請求項7記載の眼科用波面センサ。
9. 第三レンズおよび第四レンズの間の第二フーリエ変換面に配され、リレーされた波面をサブ波面サンプリング要素のアレイに対してシフトするように構成された第一ビームスキャナーをさらに備える、請求項8記載の眼科用波面センサ。
10. 第一ビームスキャナーが、たとえ眼が動いているときでも該眼からの波面の所望の部分のみが常にサンプリングされるように該眼を追跡するように、構成されている、請求項4または9記載の眼科用波面センサ。
11. 眼を追うために物体波面を発生させるための光ビームを配向することによって該眼を追跡するように構成された第二ビームスキャナーをさらに備える、請求項1〜10のいずれか一項記載の眼科用波面センサ。
12. 第二ビームスキャナーが、第一光学波面リレーシステムの第一レンズの後焦平面に配される、請求項11記載の眼科用波面センサ。
13. 第一波面結像面に配され、1つまたは複数の波面収差成分を部分的または完全に補償してそれにより残りの波面収差成分をより精密に測定できるように構成された波面補償板をさらに備える、請求項1〜12のいずれか一項記載の眼科用波面センサ。
14. 眼科用顕微鏡に連結するよう適合された、請求項1〜13のいずれか一項記載の眼科用波面センサ。
15. ライブの眼前方像を提供するように構成された眼画像センサ、および、眼の結像のための光路を提供するように構成された第二ビーム配向要素をさらに備える、請求項1〜14のいずれか一項記載の眼科用波面センサ。
16. ライブの眼前方像を波面測定の定性的および/または定量的結果と重ねて表示するように構成されたディスプレイをさらに備える、請求項15記載の眼科用波面センサ。
17. 画像センサが、眼の瞳孔位置についての情報を提供するようにさらに構成されている、請求項15記載の眼科用波面センサ。
18. サブ波面サンプリング要素のアレイおよび高周波応答位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
    をさらに備える、請求項1〜17のいずれか一項記載の眼科用波面センサ。
19. 物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する第一物体面から第一波面結像面まで、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第一波面結像面までガイドすることができる第一ビーム路に沿ってリレーするように構成された、第一光学波面リレーシステム；
    該ビーム路に沿って配され、波面リレービームを完全に遮断するようにおよびスキャンするように構成された、ビームスキャナー/デフレクター；
    各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の偏向の量を検出するように、および該偏向の量を示す測定信号を出力するように構成されている、位置感知デバイスのアレイ；ならびに
    該位置感知デバイスのアレイの前に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイにおける各サンプリング要素が、リレーされた波面のサブ波面をサンプリングするように、およびサンプリングされたサブ波面を該位置感知デバイスのアレイにおける対応する位置感知デバイス上に集束させるように構成され、該サブ波面サンプリング要素が、高ジオプトリー範囲の物体波面の各サンプリングされたサブ波面が、該サブ波面サンプリング要素に対応する該対応する位置感知デバイス上にのみ集束されるように、互いから物理的に離間される、サブ波面サンプリング要素のアレイ
    を備える、眼科用波面センサ。
20. 第一波面結像面に実質的に位置する第二物体面を有し、物体波面を、該第二物体面から第二フーリエ変換面まで、および第二波面結像面まで、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第二波面結像面までガイドすることができる第二ビーム路に沿ってさらにリレーするように構成された、第二光学波面リレーシステム
    をさらに備え；
    サブ波面サンプリング要素のアレイが、実質的に該第二波面結像面に配され；
    ビームスキャナー/デフレクターが、第二フーリエ変換面に実質的に配され、波面リレービームを完全に遮断するようにおよび2次元でスキャンするように構成され；
    各位置感知デバイスが、基準位置からの像点中心の2次元偏向の量を検出するように、および該2次元偏向の量を示す測定信号を出力するように構成され；かつ
    該サブ波面サンプリング要素のアレイが、実質的に該第二波面結像面に配される、
    請求項19記載の眼科用波面センサ。
21. 第一光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一光学波面リレーシステムが、物体波面を、患者の眼の前方部分に位置する第一物体面から、該第一および第二レンズの間に位置する第一フーリエ変換面まで、ならびに第一波面結像面まで、第一ビーム路に沿ってリレーするように構成され、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを該第一波面結像面までガイドするように選択され、ビームスキャナー/デフレクターが、該第一および第二レンズの間に位置する該第一フーリエ変換面に実質的に配され、サブ波面サンプリング要素のアレイが、実質的に該第一波面結像面に配される、請求項19記載の眼科用波面センサ。
22. 第一光学波面リレーシステムが、第一および第二レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第一および第二レンズの該焦点距離および該直径が、第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを第一波面結像面までガイドするように選択され；かつ
    第二光学波面リレーシステムが、第三および第四レンズを備え、各レンズが、直径、焦点距離および光軸を有し、該第三および第四レンズの該焦点距離および該直径が、該第一物体面で広いジオプトリー範囲を有する入射波面リレービームを第二波面結像面までさらにガイドするように選択される、
    請求項20記載の眼科用波面センサ。
23. サブ波面サンプリング要素のアレイおよび位置感知デバイスのアレイの間に配され、像点面で該サブ波面サンプリング要素のアレイによって形成された像点の間のスペーシングを該位置感知デバイスのアレイが配された面にリレーしかつ光学的に拡大するように構成された、レンズ
    をさらに備える、請求項19〜22のいずれか一項記載の眼科用波面センサ。

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