KR101648974B1 - 병렬 샘플링 및 로크인 탐지 모드에서 동작하는 안과 웨이브프론트 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 눈의 굴절 상태의 연속적인 측정들을 제공하기 위해서 안과 현미경과 함께 사용하기 위한 안과 웨이브프론트 센서이다. 상기 웨이브프론트 센서는 광원의 펄싱을 샘플링된 서브-웨이브프론트들의 중심 위치를 탐지하기 위해서 사용된 다중 개수의 위치 감지 디바이스들/탐지기들과 동기시킴으로써 병렬 샘플링 모드 및 로크인 탐지 모드 둘 모두에서 작동한다. 다른 실시예들은 웨이브프론트의 선택된 부분들을 샘플링하기 위한 빔 스캐너 그리고 라이브 이미지 센서 및 추적 편향기를 포함한다.

Description

병렬 샘플링 및 로크인 탐지 모드에서 동작하는 안과 웨이브프론트 센서{Ophthalmic wavefront sensor operating in parallel sampling and lock-in detection mode}

관련된 출원들

본원은 2012년 4월 30일에 출원된 제목 Ophthalmic Wavefront Sensor Operating in Parallel Sampling and Lock-In Detection Mode인 미국 특허 출원 13/459,914에 대한 우선권을 향유하며, 이 특허 출원은 2011년 8월 4일에 출원된 제목 A Large Diopter Range Real Time Wavefront Sensor인 미국 특허 출원 13/198,442의 CIP (continuation-in-part) 출원이며, 이 출원은 2010년 5월 28일에 출원된 제목 Adaptive Sequential Wavefront Sensor With Programmed Control인 일련번호 12/790,301의 CIP 출원이며, 이 출원은 이제는 2010년 10월 19일에 발행된 미국 특허 No. 7,815,310인 2007년 6월 12일에 출원된 제목 Adaptive Sequential Wavefront Sensor and its Applications의 일련번호 11/761,890의 분할출원이며, 이 분할출원은 이제는 2008년 11월 4일에 발행된 미국 특허 No. 7,445,335인 2006년 1월 20일에 출원된 제목 Sequential Wavefront Sensor인 일련 번호 11/335,980 출원의 CIP 출원이며 그리고 본원은 2011년 6월 6일에 출원된 제목 A Compact Wavefront Sensor Module and Its Attachment to or Integration with an Ophthalmic Instrument인 일련번호 13/154,293 출원의 CIP 출원이기도 하며, 상기 출원들 모두는 모든 목적들을 위해서 참조로 편입된다.

기술분야

본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들은 눈의 굴절 상태 그리고 웨이브프론트 수차 (wavefront aberration)들을 결정하기 위한 웨이브프론트 (wavefront; 파면) 센서들에 일반적으로 관련된다. 더 상세하게는, 본 발명은 안과 수술 동안에 눈의 굴절 상태 및 웨이브프론트 수차들을 결정하기 위한 장치이다.

웨이브프론트 센서들은 광의 웨이브프론트의 형상을 측정하기 위해서 사용된다 (예를 들면, US4141652 및 US5164578 참조). 대개의 경우에, 웨이브프론트 센서는 웨이브프론트의 레퍼런스 웨이브프론트 또는 평면 웨이브프론트와 같은 이상적인 웨이브프론트로부터의 이탈을 측정한다. 웨이브프론트 센서는 인간 눈과 같은 다양한 광학 이미징 시스템들의 낮은 차수 및 높은 차수 수차들 둘 모두를 측정하기 위해서 사용될 수 있다 (예를 들면, 다음 문헌 참조, US6595642; 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 11, 1949-1957; T. Dave (2004) "Wavefront aberrometry Part 1: Current theories and concepts" Optometry Today, 2004 Nov. 19, page 41-45). 또한, 왜곡된 웨이브프론트가, 예를 들면, 변형 가능한 거울과 같은 광학 웨이브프론트 보상 기기를 이용하여 실시간으로 측정되고 보상될 수 있는 적응적인 광학분야에서 웨이브프론트 센서가 또한 사용될 수 있다 (예를 들면, 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, US6910770 그리고 US6964480 참조). 그런 보상의 결과, 선명한 이미지가 획득될 수 있다 (예를 들면, US5777719 참조).

"패킥 눈 (phakic eye)"의 용어는 눈의 본래의 렌즈를 포함하는 눈을 언급하는 것이며, "무수정체 눈 (aphakic eye)"의 용어는 논의 본래의 렌즈가 제고된 눈을 언급하는 것이며 그리고 "의사-패킥 눈 (pseudo-phakic eye)"의 용어는 이식된 인공 렌즈를 구비한 눈을 언급하는 것이다. 현재, 사람의 눈의 수차를 측정하기 위한 대부분의 웨이브프론트 센서들은 패킷 눈 또는 의사-패킥 눈에 대해서 약 -20D 내지 +20D의 제한된 디옵터 범위만을 커버하도록 설계된다. 추가로, 그 센서들은 눈 웨이브프론트가 측정되려고 할 때에 상대적으로 어두운 환경에서 동작하도록 또한 설계된다.

굴절에 영향을 주는 안과 수술들 동안에, 연속적인 피드백이 외과의에게 제공될 있도록 하기 위해서 수술이 진행될 때에 눈의 굴절 상태를 아는 것이 바람직하다 (예를 들면, US6793654, US7883505 그리고 US7988291 참조). 이것은 눈의 본래의 렌즈가 합성 렌즈에 의해서 교체되는 백내장 수술에서 특히 그렇다. 그런 경우에, 외과의는 합성 렌즈를 선택하고, 그 합성 렌즈의 굴절률이 본래의 렌즈가 제거된 이후에 올바른가의 여부를 확인하고, 그리고 그 합성 렌즈가 이식된 이후에 정시안 (emmetropia) 또는 다른 의도된 디옵터를 또한 확인하기 위해서 패킷, 무수정체 및 의사-패킥 단계에서 눈의 굴절 상태를 아는 것을 선호한다. 그러므로, 패킥 및 의사-패킥 상태에서만이 아니라 무수정체 상태에서도 특별한 정도의 정밀도로 웨이브프론트 센서가 더 큰 (large) 디옵터 측정 범위를 커버하고 그리고 외과의가 눈의 굴절 상태를 측정하는 것을 가능하게 할 필요성이 존재한다.

또한 안과 수술 동안에, 눈은 수술 현미경으로부터의 편광되지 않은 광대역 (백색) 광을 이용하여 조명을 받으며, 그래서 외과의가 그 현미경을 통해서 환자의 눈을 볼 수 있도록 한다. 이 조명 광은 환자의 눈으로 또한 향하며, 망막으로부터 산란되며, 그리고 그 수술 현미경으로 돌아간다. 상기 수술 현미경에 연결된 웨이브프론트 센서는 자신의 의도된 돌아온 웨이브프론트 측정 광 그리고 수술 현미경으로부터의 상기 광대역 조명 둘 모두를 수신한다. 일반적으로 상기 현미경 조명 광원은 환자의 굴절률 상태를 드러내는 웨이브프론트를 생성하도록 요청된 충분하게 작은 유효 광원을 망막에서 산출하도록 설계되지 않는다. 이것 때문에, 상기 웨이브프론트 센서에 의해서 받아들여진 수술 현미경으로부터의 어떤 조명 광은 환자의 굴절 상태에 관한 올바르지 않은 정보로 이끌 수 있다. 그러므로, 수술 현미경으로부터의 조명 광의 영향에 면역된 안과 웨이브프론트 센서에 대한 필요성이 또한 존재한다.

WaveTec Vision으로부터의 ORange 수술 웨이브프론트 수차계 (예를 들면, US6736510 참조)와 같이, 백내장 수술을 위한 상업적으로 이용 가능한 웨이브프론트 센서들은 연속적인 피드백을 제공하지 않으며, 굴절률 디옵터 범위 커버리지 내에 제한되며 그리고 또한 수술 현미경의 조명 광으로부터의 간섭에 면역되지 않는다. 실제로, 상기 ORange 웨이브프론트 센서를 이용하여 충분하게 정밀하며 정확한 굴절 측정을 얻기 위해서, 외과의는 수술 절차를 잠시 멈추고, 수술 현미경의 조명 광을 꺼야만 하고, 그리고 데이터의 다중 프레임들을 캡쳐해야만 하며, 이는 백내장 굴절 수술 시간에 수 분까지의 추가적인 시간이 추가되도록 한다.

US 4141652 A US 5164578 A US 6595642 A US 6910770 A US 6964480 A US 5777719 A US 6199986 A US 6530917 A US 6781681 A US 6736510 A US 7554672 A US 20090185132 A US 6409345 A US 6932475 A

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 11, 1949-1957 T. Dave (2004) "Wavefront aberrometry Part 1: Current theories and concepts" Optometry Today, 2004 Nov. 19, page 41-45 Mrochen et al., "Principles of Tscherning Aberrometry," J of Refractive Surgery, Vol. 16, September/October 2000

본 발명의 상기의 문제점들 중 적어도 일부를 해결하기 위한 안과 웨이브프론트 센서를 제공하려고 한다.

본 발명의 일 실시예는 안과 웨이브프론트 센서에 관한 것으로, 상기 안과 웨이브프론트 센서는 레퍼런스 주파수에서 발진하고/펄싱하는 레퍼런스 신호를 수신하고 상기 레퍼런스 주파수에서 광의 펄스들에 의해 형성된 광의 빔을 생성하도록 구성된 광원, 상기 광 빔을 상기 광원으로부터 환자의 눈으로 진행하도록 구성되며 그리고 환자의 눈으로부터 돌아온 광 빔의 일부가 상기 레퍼런스 주파수에서 광 펄스들의 모습으로 오브젝트 웨이브프론트가 형성되는 빔 방향지시 요소, 오브젝트 웨이브프론트를 환자의 눈의 전방 부 (anterior portion)에 위치한 오브젝트 평면으로부터, 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도할 수 있는 빔 경로를 따라서 웨이브프론트 이미지 평면으로 중계 (relay)하도록 구성된 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템, 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이로, 각 위치 감지 디바이스는 레퍼런스 위치로부터 이미지 스폿 (spot) 중심의 편향 (deflection)의 양을 탐지하고 그리고 그 편향의 양을 표시하는 측정 신호를 출력하도록 구성된, 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이, 상기 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이 앞에 그리고 실질적으로 상기 웨이브프론트 이미지 평면에 배치된 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이로, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이 내 각 샘플링 요소는 중계된 웨이브프론트의 서브-웨이브프론트를 샘플링하고 그리고 샘플링된 서브-웨이브프론트를 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이 내 대응하는 고주파수 응답 위치 감지 디바이스 상으로 초점을 맞추도록 구성되며, 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은 서로에게 물리적으로 이격하여 위치하여, 고 디옵터 범위 오브젝트 웨이브프론트의 각 샘플링된 서브-웨이브프론트가, 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소에 대응하는 상기 대응 고 주파수 응답 위치 감지 디바이스 위에만 초점이 맞추어지도록 하는, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이 그리고 상기 레퍼런스 신호 및 상기 측정 신호를 수신하도록 결합되며, 그리고 대략 상기 레퍼런스 주파수에서 상기 측정 신호의 주파수 성분의 크기만을 표시하도록 구성되어, 상기 레퍼런스 주파수와는 상이한 주파수들에서, 1/f 잡음과 같은 모든 잡음 신호들이 실질적으로 억제될 수 있도록 하는, 전자 주파수-감지 탐지 시스템을 포함하다.

한 가지 특징은 눈으로부터의 웨이브프론트가 큰 디옵터 범위에 걸쳐서 변할 때에 특정 공간 크기 내에 상주하도록 만들어진 푸리에 변환 평면을 구비한 제2 릴레이를 이용한 두 개의 계단식 웨이브프론트 릴레이들을 사용하는 것이다. 스캐너/편형기는 상기 빔을 각도를 주어 스캔하기 위해서 상기 제2 릴레이의 푸리에 변환 평면에 배치되어, 최종 웨이브프론트 이미지 평면에서 상기 중계된 웨이브프론트가 여러 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이에 대해서 가로질러 시프트될 수 있도록 한다. 대응하는 개수의 PSD들이 웨이브프론트 샘플링 요소들 뒤에 배치되어, 눈으로부터의 웨이브프론트를 생성하는 펄스화된 광원과 동기하여 로크인 탐지 모드에서 동작한다. 횡단 웨이브프론트 시프팅을 이용하여, 중계된 웨이브프론트 중 어떤 부분도 샘플링될 수 있으며 그리고 웨이브프론트 샘플링의 공간적인 해상도는 또한 유연하게 제어될 수 있다.

안과 수술 동안에 사용하기 위한 다른 특징은 측정 광이 아닌 광으로부터의 신호들의 반사를 거절하는 것을 가능하게 하기 위해서, "밝은" 상태 그리고 "어두운" 상태 각각에서 도시된 환자의 눈으로부터 돌아오는 웨이브프론트와 함께 적어도 두 상태들 사이에서 출력에서 변하는 웨이브프론트를 생성하기 위한 광원이다.

다른 특징은 1/f 잡음 범위 위에서의 주파수에서 상기 광원과 동기하여 로크인 탐지 모드에서 모두 동작할 수 있는 여러 고속 PSD들을 이용하여 웨이브프론트의 일부들을 병렬로 탐지하는 것이며, 그래서 DC 및 저주파수 배역 잡음들이 효과적인 걸러질 있도록 한다.

다른 특징은 능동적인 병렬 웨이브프론트 샘플링을 수행하는 것이다. 능동적인, 병렬의 웨이브프론트 샘플링 요소들은 자신들의 위치, 서브-웨이브프론트 샘플링 개구 크기, 초점 형성 전력, 그리고 온/오프 상태의 면에서 제어될 수 있다.

또한 다른 특징은 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들을 충분하게 넓게 이격하여 위치하도록 함으로써 디옵터 커버리지 범위를 향상시키는 것이며, 그래서 큰 굴절 오류 측정 디옵터 범위에 걸친 웨이브프론트 샘플링 요소들 사이에서 어떤 크로스토크도 존재하지 않도록 한다. 다른 에에서, 서로에게 잘 분리된 특정 개수의 서브-웨이브프론트들만이, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 서브세트를 활성화시킴으로써 그리고 대응하는 개수의 위치 감지 디바이스들/탐지기들 (PSDs)만이 크로스토크를 회피하는 것을 가능하게 함으로써 샘플링된다. 또 다른 에에서, PSD들 그리고 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은 환자의 굴절 상태에 응답하여 자신들의 길이 방향 및/또는 자신들의 초점 전력을 각각 변경하도록 활성화될 수 있으며, 그래서 각 PSD에 대한 서브-웨이브프론트 경사 민감도가 동적으로 조절될 수 있도록 한다. 추가로, 상기 PSD들의 가로지르는 (횡단) 위치는 환자의 굴절 상태에 응답하여 또한 조절될 수 있으며, 그래서 각 PSD가 최적화된 중심 위치 응답을 제공하기 위해서 최선의 횡단 위치에 위치하도록 한다.

또 다른 특징은 전체 웨이브프론트를 순차적으로 스캐닝하거나 또는 시프트하는 것을 활용하여, 이 병렬 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들 및 위치 감지 디바이스들/탐지기들 (PSDs)이 공간 내에서 고정되도록 하면서, 입사 웨이브프론트의 임의 부분이 샘플링될 수 있도록 한다. 다른 모습에서, 상기 스캐너/편향기는 눈을 추적하고 그리고 환자의 눈으로부터 돌아오는 웨이브프론트를 자동 조절 시프트를 이용하여 시프트하여, 동공 크기, 위치, 그리고 눈으로부터의 웨이브프론트의 디옵터 값에 따라서, 중심의 직경 3 ~ 4mm 직경 영역과 같이 환자의 동공 내에 있는 웨이브프론트의 특정의 원하는 부분들만이 샘플링되도록 한다.

또 다른 특징은 굴절 상태에서의 어떤 변화 그리고 도구에 의한 그것의 보고 사이에 낮은 지연이 존재하도록, 상기 측정된 눈 굴절의 시기 적절한 보고를 활용하는 것이다. 이것은 탐지된 웨이브프론트 수차 데이터를 원하는 구간에 걸쳐서 평균화하고 그리고 라이브 눈 이미지에 올려놓은 정성적인 그리고/또는 정량적인 측정 결과들을 원하는 업데이트 속도로 업데이트함으로써 달성된다.

또 다른 특징은 안과 수술 동안에 발생하는 굴절 오류들, 예를 들면, 인공 렌즈로 대체되기 이전에 눈의 원래의 렌즈가 제거되었을 때에 발행하는 그런 오류들에 대해 큰 디옵터 범위에 걸쳐서 정확한 측정들을 제공하는 것이다. 이 정확한 측정들은 여러 방식들로 달성될 수 있다. 하나의 예는 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들과 위치 감지 디바이스들/탐지기들 사이의 거리를 능동적으로 변경함으로써, 또는 서브-웨이브프론트 초점 렌즈들의 초점 거리를 능동적으로 변경함으로써 서브-웨이브프론트 경사 응답 커브의 기울기 또는 상기 민감도를 동적으로 조절하도록 광학 제품들을 설계하는 것이다. 다른 예는 초점 길이 가변 렌즈와 같은 구형 디옵터 값을 오프세트하는 요소를 이용하여 중간의 공액 (conjugate) 웨이브프론트 이미지 평면에서 웨이브프론트의 구형 굴절 디옵터 값을 동적으로 오프셋하는 것이다.

예시 실시예들의 이런 그리고 다른 특징들 및 유리함들은 첨부된 도면들과 결합하여 취해진 바람직한 실시예들의 이어지는 상세한 설명을 리뷰한 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에게는 더욱 쉽게 명백하게 될 것이다. 이런 특징들 각각은 단일로 또는 결합하여 그리고 여기에서 설명된 실시예들 중 어느 것과도 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

도 1은 동일 출원인의 US7445335에서 개시된 연속적인 웨이브프론트 센서의 개략적인 도면을 보여준다.
도 2는 동일 출원인의 US20120026466에서 개시된 개선된 광학적 구성을 보여준다.
도 3a는 예시적인 웨이브프론트 센서의 일 실시예를 보여주며, 이 경우에 펄스 광원이 위치 감지 디바이스들/탐지기들의 어레이와 동기되어, 상기 센서가 병렬 샘플링 그리고 또한 로크인 (lock-in) 탐지 모드 둘 모두에서 동작하는 것을 가능하게 한다.
도 3b는 위치 감지 디바이스들/탐지기들의 대응 어레이 그리고 크로스토크 없이 달성될 수 있는 최대 디옵터 측정 범위를 구비한 전형적인 샤크-하트만 (Shack-Hartmann) 웨이브프론트 센서의 렌즈릿 (lenslet) 어레이를 보여준다.
도 3c는 위치 감지 디바이스들/탐지기들의 대응 어레이 그리고 크로스토크 없이 달성될 수 있는 최대 디옵터 측정 범위를 구비한 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 예시적인 배치를 보여준다.
도 4는 로크인 탐지 증폭기의 하나의 예시적인 실시예를 보여주는 블록 도면이다.
도 5는 도 3a의 광학적인 구성에 적용된 연속적인 횡단 웨이브프론트 시프팅 또는 스캐닝의 일 예를 보여준다.
도 6은 도 3a의 웨이브프론트 센서의 다른 실시예를 보여주며, 이 경우에 8-f 웨이브프론트 릴레이 구성이 작은 빔 스캐너와 결합되어, 병렬 웨이브프론트 샘플링 및 로크인 탐지에 추가로 실제의 연속적인 웨이브프론트 스캐닝을 가능하게 한다.
도 7은 도 6의 광학적인 구성에 적용된 연속적인 횡단 웨이브프론트 시프팅 또는 스캐닝의 예를 보여준다.
도 8은 응시 (fixation) 광원 그리고 눈 이미지 센서를 도 6의 구성으로 편입하는 예를 보여준다.
도 9는 본원에서 개시된 웨이브프론트 센서를 수술 현미경과 통합하는 예를 보여준다.
도 10은 본원에서 개시된 웨이브프론트 센서를 슬릿-램프 바이오-현미경과 통합하는 예를 보여준다.

첨부된 도면들에 도시된 다양한 예시의 실시예들이 이제 상세하게 참조될 것이다. 본 발명이 이 실시예들과 결합하여 설명될 것이지만, 이는 본 발명을 어떤 실시예로 한정하려고 의도된 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 반대로, 그것은 대안들, 수정들 및 동등한 것들이 첨부된 청구항들에 의해서 정의된 것과 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 것으로 의도된 것이다. 다음의 설명에서, 다양한 실시예들에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해서 여러 특수한 상세 내용들이 제시된다. 그러나, 본 발명은 이런 특수한 상세 내용들 중 일부 또는 모두가 없어도 수행될 수 있을 것이다. 다른 예들에서, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 프로세스 동작들은 상세하게 설명되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 다양한 장소들에서 "예시적인 실시예"의 문구의 출현은 동일한 예시적인 실시예를 반드시 언급하는 것은 아니다.

사람의 눈 웨이브프론트 측정을 위한 대부분의 종래 기술의 안과 웨이브프론트 센서들은 웨이브프론트 정보 수집을 위해서 2차원 CCD 또는 CMOS 이미지 센서를 사용한다. 예를 들면, 전형적인 하트만-샤크 (Hartmann-Shack) 웨이브프론트 센서 (예를 들면, US5777719, 6199986 및 6530917 참조)는 2차원 렌즈릿 어레이 및 2차원 CCD 또는 CMOS 이미지 센서를 이용한다. 체르닝 (Tscherning) 웨이브프론트 센서 (예를 들면, Mrochen et al., "Principles of Tscherning Aberrometry," J of Refractive Surgery, Vol. 16, September/October 2000 참조)는 2차원 도트 어레이 패턴을 망막 상으로 투사하고 그리고 웨이브프론트 정보를 추출하기 위해서 눈으로부터 돌아온 상기 2차원 도트 패턴의 이미지를 획득하기 위해 2차원 CCD 또는 CMOS 이미지 센서를 이용한다. 탤벗 (Talbot) 웨이브프론트 센서는 웨이브프론트 정보를 추출하기 위해서 십자형 격자 그리고 그 십자 격자의 자체-이미지화 평면에 위치한 CCD 또는 CMOS 이미지 센서를 이용한다 (예를 들면, US6781681 참조). 탈봇 모아 (Talbot Moir

) 웨이브프론트 센서 (예를 들면, US6736510 참조)는 웨이브프론트 정보를 추출하기 위해서 모아 패턴의 이미지를 획득하기 위해 상호 회전 각도 오프셋을 가진 십자형 격자들의 쌍 그리고 CCD 또는 CMOS 이미지 센서를 이용한다. 위상 다이버시티 웨이브프론트 센서 (예를 들면, US7554672 및 US20090185132 참조)는 웨이브프론트 정보를 추출하기 위해서 상이한 회절 차수들과 연관된 이미지들을 획득하기 위해 회절 렌즈 요소 그리고 2차원 CCD 또는 CMOS를 이용한다.

2차원 이미지 센서에 의해서 수집될 것이 필요한 데이터의 많은 양으로 인해서 그리고 USB 케이블과 같은 전자적인 데이터 전송 라인을 통한 데이터 전송 속도 및/또는 클록 속도로 인해서, 이런 모든 종래 기술에서의 웨이브프론트 센서 디바이스들에서 사용되는 이미지 센서들은 상대적으로 낮은 이미지 레이트 (보통은 초당 25 내지 30 프레임)로 동작할 수 있을 뿐이며 그래서 DC 또는 저주파수 배경 잡음에 민감하다. 그 결과, 이런 종래 기술의 웨이브프론트 센서들은 DC 또는 저주파수 배경/환경 광으로부터의 잡음을 줄이기 위해서 보통은 상대적으로 어두운 환경에서만 기능할 수 있다.

추가로, 이런 안과 웨이브프론트 센서들의 디옵터 측정 범위는 ±20D 이내로 한정되며, 이는 웨이브프론트 경사 민감도, 웨이브프론트 디옵터 측정 범위, 그리고 웨이브프론트 측정 공간 해상도를 결정하는 고정 격자 웨이브프론트 샘플링 요소들의 피치 또는 간격에서의 타협으로 인한 것이 대부분이다.

레이저 빔 레이 추적을 기반으로 하는 다른 웨이브프론트 센서 기술 (예를 들면, US6409345 및 US6932475 참조)은 웨이브프론트 정보 추출을 위해 2차원 CCD 또는 CMOS 이미지 센서를 사용하는 것을 절대적으로 필요로 하지는 않는다. 그러나, 상업적인 제품 (Tracey Technologies로부터의 iTrace)은 오직 ±15D의 제한된 측정 범위를 가지며, 그리고 웨이브프론트 측정을 위해서 어두운 환경을 여전히 필요로 한다.

동일 출원인의 US7445335는 웨이브프론트의 원하는 부분만이 웨이브프론트 샘플링 개구 (aperture)를 통해서 지나가는 것을 허용하기 위해서 전체 웨이브프론트를 순차적으로 시프트하는 순차적인 웨이브프론트 센서를 개시한다. 이 웨이브프론트 센서는, 눈으로부터 웨이브프론트를 생성하기 위해서 사용된 광원을 펄스로 만들고 그리고 그것을 (4분할-탐지기와 같은) 고주파수 응답 위치 감지 디바이스/탐지기와 동기시키는 것에 의해서 배경 광 또는 전자적인 간섭들로부터와 같은 DC 또는 저주파수 광학적인 또는 전자적인 잡음을 거부하기 위해서 로크인 (lock-in) 탐지를 채택한다. 그러므로, 이 웨이브프론트 센서는 웨이브프론트 측정을 위해서 어두운 환경을 필요로 하지 않으며, 그리고 외과 수술 현미경의 조명 광을 항상 "온 (on)" 상태로 유지하면서 연속적인 실시간 수술 중의 굴절성 수술들을 하기에 매우 적합하다. 웨이브프론트를 순차적으로 샘플링하는 것은 어떤 잠재적인 크로스토크 문제도 완전하게 제거하며, 그러므로 이는 큰 웨이브프론트 측정 동적 범위의 가능성을 제공한다. 그러나, US7445335의 광학적인 구성은 상대적으로 큰 빔 차단 (interception) 영역을 가진 빔 스캐너를 필요로 하기 때문에, 큰 디옵터 범위를 커버하기에는 이상적이지 않다. 동일 출원인의 다른 출원인 미국 특허 출원 (US20120026466)은 US7445335를 능가하는 개선된 광학적 구성들을 개시한다. 이 개선된 구성들은 (30D까지의) 큰 디옵터 범위에 걸쳐서 눈으로부터의 모든 오브젝트 빔 (object beam)을 스캔하기 위해서 (MEMS 스캐너와 같이) 상대적으로 작으며 상업적으로 이용 가능한 광 빔 스캐너를 사용하는 것을 가능하게 할 수 있으며, 그리고 결과적으로는, 심지어는 무수정체 상태에 있는 눈의 굴절이 적절하게 커버될 수 있도록 한다. 상기 웨이브프론트를 유연하게 시프트함으로써, 웨이브프론트의 어떤 부분도 샘플링될 수 있으며, 그래서 높은 공간적 해상도가 또한 달성될 수 있다.

그러나, 눈의 안전 요구사항으로 인해서, 주어진 시간 내에 환자의 눈으로 배달될 수 있는 광학적 에너지에 대한 제한이 있다. 그러므로, 심지어 신호 대 잡음 비율을 올리기 위해서 광원 펄스화 그리고 로크인 탐지를 구비하더라도, 눈으로부터 돌아오는 웨이브프론트의 많은 양의 공간적인 부분들을 샘플링하기를 원한다면, 웨이브프론트 측정 업데이트 레이트는 제한될 수 있다. 반면에, 높은 웨이브프론트 업데이트 레이트를 원한다면, 공간적인 샘플링 포인트들의 최대 개수가 제한될 수 있다. 그래서 로크인 탐지 모드에서 동작하는 그런 웨이브프론트 센서의 성능을 더 개선하기 위한 필요성이 존재한다.

본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따라, 여러 병렬 웨이브프론트 샘플링 요소들이 대응 개수의 이미지 또는 광 스폿 감지 디바이스들/탐지기들 (position sensing devices/detectors (PSDs))과 결합되며, 이것들 모두는 1/f 잡음 주파수 범위 위의 주파수에서 광원의 펄스화와 동기하여 로크인 탐지 모드에서 작동한다. 각 PSD는 충분하게 높은 주파수 응답을 구비하며, 그래서 DC 또는 저주파수 배경 광 생성 잡음이 실질적으로 걸러질 수 있도록 하며 그리고 신호 대 잡음 비율이 증폭될 수 있도록 한다.

웨이브프론트를 병렬로 샘플링하는 것에 추가로, 상기 병렬 웨이브프론트 샘플링 요소들의 물리적인 간격은 원하는 눈 굴절 오류 디옵터 커버리지 범위 내에 어떤 크로스토크도 존재하지 않도록 설계된다. 또한, 웨이브프론트의 어떤 부분 또는 세그먼트를 샘플링하기 위해서, 상기 웨이브프론트는 동일 출원인의 특허 US7445335 및 특허 출원 US20120026466에서 개시된 것과 유사한 접근방식들을 이용하여 웨이브프론트 샘플링 요소들에 대해서 또한 순차적으로 시프트될 수 있다.

도 1은 동일 출원인의 US7445335에서 개시된 적인 웨이브프론트 센서의 개략적인 도면을 보여준다. 광원 (134)으로부터의 광의 좁은 빔은 빔 스플리터와 같은 빔-방향지시 (beam-directing) 요소 (136)을 통해서 눈의 망막 (138)으로 향한다. 눈의 망막으로부터 시작된 광의 오브젝트 빔 (object beam)은 눈을 떠날 때에 웨이브프론트 (102)를 구비하며, 제1 렌즈 (104)에 의해서 초점이 맞추어진다. 오브젝트 웨이브프론트 빔은 편광 빔 스플리터 (polarization beam splitter (PBS)) (106)를 통해서 이동하며, 그 편광 빔 스플리터는 스플리터를 통해서 지나가는 편광 방향이 상기 오브젝트 광 빔의 소망되는 편광 방향과 정렬되도록 하는 방식으로 배치된다. 그 결과, 선형으로 편광된 오브젝트 빔이 PBS (106)를 통해서 지나갈 것이다. 4분할-파형 플레이트 (108) 상기 PBS (106) 뒤에 빠른 축 (fast axis)으로 향하게 위치하여, 상기 빔이 상기 4분할-파형 플레이트 (108)를 통해서 지나간 이후에 원형으로 편광된 광 빔이 나타날 수 있도록 한다.

눈으로부터 웨이브프론트 정보를 운반하는 상기 오브젝트 광 빔은 경사진 스캐닝 거울 (112)의 반사 표면 상에 초점이 맞추어지며, 이 경사진 스캐닝 거울은 모터 샤프트 (114) 상에 설치된다. 상기 거울에 의해 반사된 상기 오브젝트 광 빔은 상기 스캔 거울 (112)의 경사 각도 그리고 상기 모터 (114)의 회전 위치에 종속하는 방향으로 변한다. 반사된 빔은 여전히 원형으로 편광되어 있지만, 원형 편광 회전 방향은 왼쪽 손 방향으로부터 오른손 방향으로 또는 오른손 방향으로부터 왼손 방향으로 변경될 것이다. 그래서, 상기 빔의 돌아오는 경로 상에서 제2 시간 동안 상기 4분할-파형 플레이트 (108)를 통해서 지나갈 때에, 그 빔은 다시 선형으로 편광되지만, 그 편광 방향은 원래의 들어왔던 오브젝트 빔의 방향에 대해서는 직각의 방향으로 회전된다. 그러므로, 편광 빔 스플리터 (106)에서, 상기 돌아온 오브젝트 빔은 도 1에서 점선 광선들에 의해서 보이는 것처럼 대개는 왼쪽으로 반사될 것이다.

제2 렌즈 (116)가 상기 PBD (106) 다음에 왼쪽에 위치하여, 상기 반사된 빔을 평행으로 하고 그리고 웨이브프론트 샘플링 개구 (118)의 평면에서 원래의 입력 파형 (124)의 복제를 산출한다. 상기 스캐너 거울의 경사로 인해서, 상기 복제된 웨이브프론트 (124)는 가로질러 시프트된다. 개구 (118)는 서브-웨이브프론트 초점 렌즈 (120)의 전면에 위치하여, 상기 복제된 웨이브프론트 (124)의 작은 부분을 선택하도록 한다. 상기 서브-웨이브프론트 초점 렌즈 (120)는 상기 선택된 서브-웨이브프론트를 위치 감지 디바이스/탐지기 (122) 상으로 초점을 맞추며, 위치 감지 디바이스/탐지기는 순차적으로 선택된 서브-웨이브프론트들로부터 생성된 초점 맞추어진 광 스폿의 중심을 판별하기 위해서 사용된다. 상기 모터 (114)를 회전시키고 그리고 상기 스캔 거울 (112)의 경사 각도를 변경함으로써, 상기 복제된 웨이브프론트의 방사성 및 방위각 시프트의 양은 제어될 수 있어서, 상기 복제된 웨이브프론트의 어떤 부분도 순차적인 방식으로 상기 개구 (118)를 통해서 지나가도록 선택될 수 있도록 한다. 결과적으로, 원래의 인입 빔의 전체적인 웨이브프론트는 표준의 하트만-샤크 웨이브프론트 센서의 경우에 각 서브-웨이브프론트의 중심은 이제는 병렬의 방식이 아니라 순차적인 방식으로 획득된다는 예외를 가진다는 특징을 가진다.

도 1에서 볼 수 있는 것처럼, 상기 스캔 거울의 경사 각도 그리고 광원의 펄스화의 레이트를 제어함으로써, 상기 웨이브프론트의 어떤 부분이 샘플링될 수 있다. 추가로, 전자적인 제어 및 탐지 시스템은 로크인 탐지를 가능하게 하기 위해서 상기 광원 (134), 상기 모터 (114), 상기 웨이브프론트 샘플링 개구 (118) [이 샘플링 개구가 또한 활성인 경우임], 그리고 상기 위치 감지 탐지기 (122)의 작동을 동기화할 수 있다. 그러므로, 신호 대 잡음 비율은 증폭될 수 있으며 그리고 DC 또는 저주파수 배경 광 생성 잡음이 걸러질 수 있다.

그러나, 웨이브프론트를 시프트하는 것이 4-f 광학적 웨이브프론트 릴레이 (relay) 시스템의 광학적 푸리에 변환 평면에서 빔 스캐너에 의해서 수행되기 때문에, 환자 눈의 굴절 오류 디옵터 값이 클 때에, 상기 푸레이 변환 평면에서 상기 오브젝트 빔의 치수는 또한 상대적으로 클 것이다. 이것은 큰 디옵터 범위를 커버하기 위해서, 상기 빔 스캐너는 상대적으로 큰 빔 차단 영역을 필요로 한다. 눈과 입력 포트 사이의 운전 거리가 큰 경우인 백내장 수술의 경우에, 필요한 빔 스캐너의 크기는 비용 및 상업적인 가용성의 관점에서는 실용적이지 않을 것이다.

도 2는 각각 제1 및 제2 푸리에 변환 평면들인 A 및 C 그리고 각각 제1 및 제2 이미지 평면들인 B 및 D를 구비한 두 개의 계단식 (cascaded) 4-f를 이용하는 동일 출원인의 미국 특허 출원 US20120026466에서 개시된 다른 광학적인 구성을 보여준다. 두 개의 계단식 4-f 웨이브프론트 릴레이들 또는 8-f 웨이브프론트 릴레이를 이용하는 덕분에, 순차적인 횡단 (transverse) 웨이브프론트 시프팅이 상기 제2 푸리에 변환 평면 C에서 또는 그 주변에서 상기 웨이브프론트 빔을 각도를 주어 (angular) 스캐닝함으로써 달성될 수 있으며, 이 경우 (원하는 큰 굴절 오류 디옵터 측정 범위에 걸친) 상기 웨이브프론트 빔 폭은 특정의 물리적 치수 내에서 유지될 수 있으며, 그래서 상기 오브젝트 빔이 상대적으로 작은 빔 스캐너 (212)에 의해서 완전하게 가로채어질 수 있도록 한다.

도 2에서 보이는 것처럼, 비록 상기 빔 발산 또는 수렴은 증가되지만 상기 제1 렌즈 (204) 그리고 상기 제2 렌즈 (216) 사이의 초점 길이의 차이 때문에, 웨이브프론트 이미지 평면 B에서 상기 제1 웨이브프론트 릴레이 이후에, 상기 오브젝트 빔 폭은 감소된다. 상기 제2 4-f 웨이브프론트 릴레이는 제3 렌즈 (240) 그리고 제4 렌즈 (2420를 포함하며, 이 렌즈들 각각은 상대적으로 큰 초점 전력 또는 짧은 초점 길이 그리고 상대적으로 큰 수의 개구 (numerical aperture (NA)) 또는 빔 허용 콘 각도 (beam acceptance cone angle)를 구비한다. 상기 제2 푸리에 변환 평면 C에서 상기 빔 폭은 이제는 상대적으로 작다. 상기 제3 푸리에 변환 평면 C에서 상기 빔을 각도를 주어 스캐닝함으로써, 상기 제2 웨이브프론트 이미지 평면 D에서의 웨이브프론트 이미지는 횡단하여 시프트될 수 있다. 그 횡단하여 시프트된 웨이브프론트는 웨이브프론트 샘플링 개구 (218)에 의해서 상기 제2 웨이브프론트 이미지평면 D에서 샘플링될 수 있으며 그리고 서브-웨이브프론트 초점 렌즈 (220)에 의해서 위치 감지 디바이스/탐지기 (PSD) (222) 상으로 초점이 맞추어질 수 있다.

도 1에서 도시된 실시예와 유사하게, 상기 제2 푸리에 편환 평면 C에서 상기 빔 스캐너 (212)를 제어하고 그리고 상기 광원의 펄스화를 시간적 조절함 (timing)으로써 , 상기 웨이브프론트의 어떤 부분도 샘플링될 수 있다. 또 다시, 상기 전자 제어 및 탐지 시스템은 DC 또는 저주파수 배경 광에 의해 생성된 잡음을 걸러내고 그리고 신호 대 잡음 비율을 증폭시키기 위해 로크인 탐지를 가능하게 하기 위해서 상기 PSD (222), 상기 개구 (218) [이 개구가 가변 개구인 경우임], 상기 스캐너 (212) 그리고 상기 광원 (234)의 작동을 동기화할 수 있다.

사용자 제어 인터페이스 (238)를 구비한 전자 제어 시스템 (236)은 빔 스캐너 (212) 그리고 가변 개구에 연결되어, 이 요소들의 제어가 스캐닝 패턴이나 개구 크기를 변하게 하는 것을 가능하게 한다. 다른 실시예들에서 상기 전자 제어 시스템 (236)은 다른 제어가능 요소들에 연결될 수 있을 것이며, 이는 아래에서 더욱 완전하게 설명될 것이다. 상기 사용자 인터페이스 (238)는 기구 위의 버튼들의 모습, 기구 위의 또는 상기 전자 제어 시스템 (236)에 연결된 컴퓨터 위의 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)의 형상일 수 있다.

도 1 및 도 2에서, 단 하나의 웨이브프론트 샘플링 요소 및 단 하나의 위치 감지 디바이스만이 존재하며, 그리고 웨이브프론트 샘플링은 순수한 순차적인 방식으로 수행되는 것에 주목한다. 이 경우에 전체 웨이브프론트의 단 하나의 부분만이 샘플링되며, 그러므로 눈으로부터 돌아오는 광학적인 에너지는 효율적으로 사용되지 않는다.

도 3a는 펄스 모드 그리고/또는 버스트 모드에서 동작하는 (초발광 다이오드 (SuperLuminescent diod) 또는 SLD와 같은) 광원이 (편광 빔 스플리터 (PBS)와 같은) 빔 방향지시 요소 (306)를 경유하여 환자의 눈으로 발사되어, 그 눈으로부터 돌아오는 웨이브프론트의 생성을 위해서 망막 상으로 상대적으로 작은 이미지 스폿을 형성하는 예를 보여준다. 상기 빔 방향지시 요소 (306)는 소망되는 눈 디옵터 측정 범위에 걸쳐서 눈으로부터의 웨이브프론트 정보를 운반하는 상기 오브젝트 빔이 상기 빔 방향지시 요소의 가장자리에 의해서 방해받지 않으면서 완전하게 가로채어지는 것을 확실하게 하기 위해서 충분하게 큰 광 빔 가로채기 크기를 가져야만 한다.

PBS를 사용하는 것은 각막 또는 눈 렌즈와 같이 눈의 다른 바람직하지 않은 광학적인 인터페이스들로부터 반사되거나 산란된 광으로부터의 간섭을 억제하는 것을 도울 수 있다. 이는 상대적으로 좁은 입력 SLD 광 빔이 제1 편광 방향으로 선형으로 편광되며 그리고 각막 및 눈 렌즈로부터 반사되거나 산란된 광은 대개는 상기 제1 편광 방향에서 선형으로 또한 편광되지만, 반면에 망막에서 산란된 광은 상기 제1 편광 방향에 수직으로 편광된 큰 성분을 가지기 때문이다. 그래서, 빔 방향지시 요소 (306)로서의 상기 PBS는 눈을 향하여 전파하는 SLD 빔을 위한 편광기 그리고 제2 직교 편광 방향에서 상기 망막으로부터 돌아오는 오브젝트 빔만을 지나가게 하는 분석기, 두 가지 모두로서 서비스한다.

어떤 편광 성분을 걸러내기 위한 필요성에 추가로, 눈을 떠나는 웨이브프론트는 웨이브프론트 샘플링 이미지 평면으로 중계 (relay)될 것을 또한 필요로 한다. 도 3a에서, 이것은 제1 렌즈 (304) 및 제2 렌즈 (316)를 포함하는 4-f 웨이브프론트 릴레이 광학적 구성을 이용하여 달성된다. 웨이브프론트 이미지 평면 B에서, 예를 들면, 서브-프론트 샘플링 개구 (318)의 원형 어레이 그리고 서브-웨이브프론트 초점 렌즈 (320)의 대응하는 환상 (annular) 어레이를 포함하는 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이는 웨이브프론트 이미지 평면 B에서 상기 중계된 웨이브프론트의 일부들 여러 개를 병렬로 샘플링하고 초점을 맞춘다. (측면 효과 위치 감지 탐지기들 또는 4분할 탐지기들의 환상 어레이와 같은) 위치 감지 디바이스들/탐지기들 (PSDs) (322)의 대응 어레이는 각 샘플링된 서브-웨이브프론트의 이미지 스폿 중심 위치를 탐지하기 위해서 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이 뒤에 배치된다.

서브-웨이브프론트 샘플링 요소들 및 위치 감지 디바이스들/탐지기들 (PSDs)의 상세한 사항들을 보여주기 위해서, 상기 웨이브프론트 샘플링 및 중심 탐지 스테이지 광학 요소들을, 서브-웨이브프론트 초점 렌즈들 (320)의 환상 어레이로부터 신중하게 분리된 서브-웨이브프론트 샘플링 개구 (318)의 환상 어레이와 함께 확대하여 삽입한 것을 도 3a에 포함시켰다. 하지만, 실제로는 상기 서브-웨이브프론트 초점 렌즈들 (320)의 환상 어레이와 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 개구 (318)의 환상 어레이는 서로에게 접촉하거나 또는 가깝게 근접할 것이다. 확대된 도면에서, PSD들 (322)의 환상 어레이는 상기 서브-프론트웨이브 초점 렌즈들 (320)의 후면 초점 평면 주위에 배치되어, 상기 웨이브프론트가 평평할 때에 상기 PSD들 상의 상대적으로 선명한 초점 이미지 스폿의 결과가 되지만, 그러나, PSD들 (322)의 환상 어레이가 상기 서브-웨이브프론트 초점 렌즈들 (320)의 초점 평면 이전에 또는 이후에 배치될 수 있기 때문, 이것은 일반적인 경우는 아니어야만 한다. 예시의 실시예에서, 눈으로부터의 웨이브프론트의 환상 링 주변을 샘플링함으로써, 눈의 구면 (sphere) 및 원주 (cylinder) 굴절 오류 그리고 그 원주의 축이 결정될 수 있다. 그러나, 상기 병렬 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 패턴은 스포크 (spoke) 패턴 또는 2차원 선형 어레이 형상과 같은 다른 모습들일 수 있다.

도 3a는 잡음 억제를 위해 PSD들 (322)의 상기 어레이로부터의 출력 신호들을 수신하기 위해서 연결된 로크인 증폭기 (343)를 도시한다. 상기 로크인 증폭기 (343)의 출력을 수신하는 전자 시스템 (336)에 디스플레이 (345)가 연결될 수 있다. 상기 로크인 증폭기 (343)의 작동은 도 4를 참조하여 아래에서 설명된다. 상기 전자 시스템 (336)은 상기 로크인 증폭기 (343)의 출력을 처리하기 위한, 굴절, 수차 및 다른 진단 또는 임상적 요소들을 결정하기 위한 알고리즘들을 적용하는 것을 포함하는 능력들을 구비한다. 상기 디스플레이 (345)는 수술 현미경과 연관된 헤드-업 디스플레이, 큰 스크린 디스플레이 또는 백 프로젝션 디스플레이로서 또는 개인용 컴퓨터나 워크스테이션의 일부로서 구현될 수 있을 것이다.

종래 기술의 웨이브프론트 센서 시스템들과 비교하면, 지금 설명된 예시의 실시예는 하나의 방식 또는 다른 방식과 결합될 때에 눈 굴절 수술을 위해서 유리하게 만드는 여러 특징들을 구비한다. 첫 번째로, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은 물리적으로 분리되어, 밀도가 전형적인 샤크-하트만 웨이브프론트 센서에서 사용되는 표준의 렌즈릿 어레이의 밀도보다 보통은 더 낮도록 한다. 이것은 렌즈릿-대-렌즈릿 거리 또는 렌즈릿 피치가 전형적인 샤크-하트만 웨이브프론트 센서에서 사용되는 렌슬릿의 렌즈릿-대-렌즈릿 거리 또는 렌즈릿 피치보다 더 크게 만들거나 또는 각 렌즈릿의 직경을 전형적인 샤크-하트만 웨이브프론트 센서에서 사용되는 렌슬릿의 직경보다 더 크게 만들어서 달성된다. 대안으로, 상기 렌즈릿 어레이의 렌즈릿들의 초점 길이는 전형적인 샤크-하트만 웨이브프론트 센서에서 사용되는 렌즈릿들의 초점 길이들보다 더 짧게 만들어질 수 있다. 그 결과, 충분하게 큰 디옵터 측정 범위가 크로스토크 없이, 즉, 샘플링된 서브-웨이브프론트 이미지 스폿을 비-대응 PSD 상으로 안착시키지 않으면서 커버될 수 있다

이 포인트를 도시하기 위해서, 도 3b는 전형적인 샤크-하트만 웨이브프론트 센서의 렌즈릿 어레이를 위치 감지 디바이스들/탐지기들의 대응하는 어레이와 함께 보여주며 그리고 크로스토크 없는 최대의 디옵터 측정 범위에 무엇이 발생하는가를 보여준다. 본 발명의 설명에서, "크로스토크 (cross talk)"의 용어는 대응하는 탐지기 상 렌즈릿에 의해 초점이 맞추어지도록 의도된 광 빔의 일부 또는 전체가 이웃하는 탐지기 상에 초점이 맞추어지는 상태를 언급하는 것이다.

전형적인 샤크-하트만 웨이브프론트 센서의 렌즈릿 어레이 (342)는 서로에게 다음에 배치된 렌즈릿들로 어떤 간극도 없이 빽빽하게 채워진다. 이 경우에, 유닛 당 많은 개수의 렌즈릿들이 존재하며 그리고 웨이브프론트를 측정하기 위한 샘플링 밀도는 높다. 측정될 웨이브프론트가 도시된 것처럼 구형으로 수렴하는 웨이브프론트 (344)라고 하면, 크로스토크 없이 측정될 수 있는 최대의 평균 서브-웨이브프론트 경사 θ_m 은 각 렌즈릿의 초점 거리 f 및 반지름 r에 의해서 제한될 것이며, 이 경우에 θ_m = tan^-1[r/f] 이다. 도 2는 상기 웨이브프론트의 곡률이 큰 양의 또는 음의 디옵터 값들에 대해서 증가하는 것을 도시한다. 그러므로, θ_m 은 최대 디옵터 측정 범위 값을 표시한다.

도 3b에서, 서브-웨이브프론트 경사 각도의 각도를 이룬 확산이 존재하며 그리고 왼쪽으로 멀리에 있는 렌즈릿에 의해서 샘플링된 서브-웨이브프론트는 이 왼쪽으로 멀리에 있는 렌즈릿에 의해서 초점이 맞추어져서 PSD1 및 PSD2 사이의 PSD1의 오른쪽 경계에 안착하는 광 스폿을 형성하도록 할 것이다. 볼 수 있는 것처럼, 상기 수렴에서의 어떤 추가의 증가 또는 상기 수렴 구형 웨이브프론트의 디옵터 절대 값은 상기 경사 각도가 θ_m을 초과하도록 할 것이며 그리고 상기 왼쪽 멀리에 있는 렌즈릿에 의해서 샘플링된 광 스폿이 PSD1 및 PSD2 사이의 경계를 넘어서 PSD2로 안착하도록 할 것이며, 그럼으로써 크로스토크를 초래한다. 실제로, 상기 샘플링된 서브-웨이브프론트가 수렴이기 때문에, 상기 초점이 맞추어진 스폿은 실제로는 상기 초점 평면 (346) 앞에 있으며, 따라서 그 초점 평면 (346) 상의 대응 이미지 스폿은 선명한 초점에서의 이미지 스폿보다 오히려 더 넓을 것이며, 그래서 상기 서브-웨이브프론트 경사 측정 범위는 θ_m 보다 약간 더 작다. 오른쪽 멀리에 있는 렌즈릿 그리고 두 개의 위치 감지 디바이스들/탐지기들 PSD8 및 PSD7에 대해서 유사한 상황이 존재한다.

반면에, 웨이브프론트가 구형 발산 웨이브프론트라면, 선명하게 초점이 맞추어진 이미지 스폿은 일반적으로 실제로 초점 평면 (346) 뒤에 있을 것이며, 그래서 초점 평면 (346) 상의 광 스폿은 선명한 초점에서의 광 스폿보다 오히려 더 넓을 것이며, 따라서 상기 서브-웨이브프론트 경사 측정 범위는 다시 θ_m보다 약간 더 작을 것이다. 웨이브프론트가 구형이 아니라 프리즘 경사 및/또는 비점수차 및/또는 심지어는 다른 고 차수의 수차들이라면, 상기 렌즈릿들 중 어느 것에 의해서 샘플링된 로컬 서브-웨이브프론트 경사는 상기 경사 각도 측정 범위 한계 θ_m 을 초과할 수 있다.

그러나, 상기 병렬 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들이 빽빽하게 채워지는 것이 아니라 두 요소들 사이의 중심-대-중심 거리가 적당히 제어되도록 지능적으로 분산된다면, 그러면 신중하게 크로스토크를 회피하는 것이 불가능하며 그리고 어떤 바라는 충분하게 큰 디옵터 측정 범위를 달성하는 것이 불가능하다.

도 3c는 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들을 위치 감지 디바이스들/탐지긷르의 대응 어레이와 함께 배치한 예시의 실시예를 보여주며 그리고 크로스토크 없는 최대 디옵터 측정 범위가 증가될 수 있다는 것을 도시한다. 이 도시된 예에서, 각 서브-웨이브프론트 샘플링 요소는 렌즈릿 (352) 그리고 대응하는 렌즈릿의 전면에 있는 개구 (359)를 포함한다. 다른 말로 하면, 패턴이 형성된 개구 어레이 마스크 (358)는 대응하는 렌즈릿 어레이 (352)와 결합되어, 병렬 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이로서 행동한다. 각 렌즈릿의 초점 길이가 도 3b에서 보이는 초점 길이와 같으며 동일한 f로 표현되며, 하나의 렌즈릿의 중심으로부터 두 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들 사이의 경계 또는 중간-포인트까지의 거리는 도시된 것처럼 d라고 하면, 크로스토크 없이 측정될 수 있는 최대의 평균 서브-웨이브프론트 경사는 이제

일 것이다. d는 r보다 더 크기 때문에, 로컬 서브-웨이브프론트 경사 측정 범위는 그래서 증가한다. 실제로, 도 3c는

로 부과된 한계를 가진 도 3b에서 도시된 웨이브프론트보다 더 수렴하는 구형 웨이브프론트 (354)를 보여준다. 분명히, 크로스토크 없이 샘플링될 수 있는 도 3c에서의 수렴 구형 웨이브프론트 (354)의 디옵터 절대값은 도 3b의 웨이브프론트 (344)의 디옵터 절대값보다 더 높다.

도 3c에서, PSD들의 폭들은 도 3b에서의 PSD들의 폭에 비해서 증가되며, 즉, d 는 r보다 더 크다. 좁은 PSD들 대신에 PSD들 사이의 간격들이 더 큰 더 넓은 PSD들을 사용하는 것은, 서브-웨이브프론트 경사에서의 증가를 이용하여, 대응 PSD 상의 광 스폿 안착 (landing)이 그 대응하는 PSD에 의해서 캡쳐될 수 있다는 것을 확실하게 하기 위한 것이다. 그렇지 않고, PSD가 도 3b에서 보이는 것과 동일한 더 작은 크기를 가지지만 이격하여 위치한다면, 서브-프론트웨이브 경사에서의 증가는 상기 서브-웨이브프론트 광 스폿이 PSD들의 빛-민감 영역 사이의 공간에 안착하도록 한다. 다른 말로 하면, 전기적인 신호를 산출하기 위해 상기 광 스폿은 상기 PSD에 의해서 캡쳐되지 않을 것이다.

또한 도 3c에서, 렌즈릿들은 도 3b에서의 렌즈릿들의 직경에 비하면 더 큰 직경을 가지지만, 동일한 초점 거리를 가진다. 동일한 초점 거리를 가진 더 큰 렌즈릿을 설계하는 것은 그런 렌즈릿이 가변 개구와 결합될 때에 그 개구의 크기를 변경하는 것은 더 큰 샘플링 크기 범위에 걸쳐서 샘플링될 서브-웨이브프론트의 크기를 제어하는데 있어서 유연함을 제공할 수 있다. 예를 들면, 구형 및 원통형 디옵터 값들 및 원통 축의 결정하는 것에만 결부된 굴절 오류 측정에 대해서, 더 큰 서브-웨이브프론트 샘플링 크기는 평균화의 이점은 물론이며 데이터 프로세싱의 부담을 줄어들게 하는 이점을 제공할 수 있다. 다른 말로 하면, 표준의 샤크-하트만 웨이브프론트 센서에 의해서 보통은 제공될 수 있는 더 높은 공간적 웨이브프론트 샘플링 밀도는 굴절 측정의 유형에 대해서는 과잉일 수 있으며 그리고 데이터 캡쳐, 전송 및 프로세싱 시간을 실질적으로 증가시킬 수 있으며, 그래서, 웨이브프론트 센서의 작동을 느리게 하고 그리고 실시간 굴절 수술 절차 적용용으로는 너무 느리게 만든다.

반면에, 각막의 작은 영역만이 예를 들면 라식 (LASIK) 시스템을 이용하여 수술될 필요가 있다면, 그 각막 상의 레이저 절제 스폿 크기는 샤크-하트만 웨이브프론트 센서의 전형적인 렌슬릿의 크기보다 아주 더 작은 것이 보통이다. 그런 경우에, 도 3c에 도시된 개구는 대응하여 충분히 작게 만들어질 수 있으며 그리고 작은 각막 영역에 걸쳐 비-평균화된 웨이브프론트 감지를 허용하기 위해서 아래에서 설명될 웨이브프론스 스캐닝이 사용될 수 있으며, 그래서 높은 차수 웨이브프론트 수차 측정의 면에서 매우 높은 측정 정밀도가 달성될 수 있도록 한다. 실제로, 몇몇의 예시의 실시예들에서, 상기 개구 어레이는 개구 크기가 능동적으로 제어될 수 있다는 점에서 능동이다. 패턴 형성된 개구 어레이는 상기 패턴 형성된 렌즈릿 어레이 이후에 또한 배치될 수 있으며 그리고 그것의 기능이 그 렌즈릿의 직경에 의해서 서비스받을 수 있기 때문에 절대적으로 필요한 것은 아닐 수 있을 것이라는 것에 주목해야 한다.

또한, θ_m 을 계산하기 위한 공식을 고려하면, 크로스토크 없는 서브-웨이브프론트 경사 측정 범위 θ_m 은 더 작은 초점 거리 값 f를 선택함으로써 또한 증가될 수 있다는 것이 보인다. 그런 경우에, 서브-웨이브프론트 경사 측정 범위를 여전히 제공하기 위해서 각 PSD의 크기는 더 작을 수 있다. 그러나, 서브-웨이브프론트 경사에서의 변화의 동일한 양에 대해서 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에게 잘 알려진 것처럼 상기 PSD 상의 광 스폿의 더 작은 변위가 존재할 것이기 때문에 경사 측정 민감도를 또한 경험할 것이다.

심지어 더 큰 유연성을 제공하기 위해서, 몇몇의 예시의 실시예들은 가변 초점 길이를 구비한 렌즈릿 어레이를 이용하거나 또는 상이한 초점 거리들을 구비한 렌즈릿 어레이의 특정 서브-그룹들을 가진 렌즈릿 어레이를 이용한다. 렌즈릿들의 더 긴 초점 거리 서브-그룹은 더 양호한 민감도를 제공할 수 있으며, 반면에 렌즈릿들의 더 짧은 초점 거리 서브-그룹은 더 큰 서브-웨이브프론트 경사 측정 동적 범위를 제공할 수 있다. 렌즈릿들의 둘 또는 셋 또는 그 이상의 서브-그룹들이 존재할 수 있으며, 따라서 그 렌즈릿들로부터 상이한 거리에 배치된 위치 감지 탐지기들의 둘 또는 셋 또는 그 이상의 세트들이 존재할 수 있다.

시력 교정 절차에서 사용되는 현존의 웨이브프론트 센서들의 큰 문제점은 눈으로부터 돌아오는 웨이브프론트를 배경의 광학적인 또는 전자적인 잡음이 존재하는 곳에서 탐지하고 있다는 것이다. 문제의 배경 잡음 성분들의 예들은 탐지기 상으로 입사하는 주변 광 및 탐지기 그 자체에 의해서 생성된 1/f 잡음, 그리고 다른 방사된 또는 인도된 전자적인 잡음들이다. 이런 배경 잡음 성분들 두 가지 모두는 표준의 2차원 CCD/CMOS 이미지 센서들의 프레임 레이트에서 상당한 진폭들을 가진다.

몇몇의 예시의 실시예들에서 눈으로부터의 오브젝트 웨이브프론트를 생성하기 위해서 사용된 광원은 펄스 모드 및/또는 버스트 모드에서 작동된다. 펄스 반복 레이트 또는 주파수는 표준의 2차원 CCD/CMOS 이미지 센서의 전형적인 프레임 레이트보다 더 높다. 예를 들면, 이 예시의 실시예에서 광원의 펄스 레이트는 kHz 범위 또는 그 보다 클 수 있다. CCD/CMOS 이미지 센서에 대해서 프레임 레이트는 초당 약 25 내지 30 프레임인 것이 보통이다. 본 발명 개시의 PSD들은 2차원 위치 감지 디바이스들/탐지기들 (PSDs)이며, 이것들 모두는 높은 시간적 주파수 응답을 구비하여, 상기 펄스화된 광원과 1/f 잡음 주파수 범위 위의 주파수에서 동기하여 로크인 탐지 모드에서 동작될 수 있도록 한다. 상기 전자적 제어 및 탐지 시스템은 적어도 광원 그리고 PSD들의 어레이에 연결되며 그리고 상기 광원 및 상기 병렬 PSD들의 작동을 위상 잠금 (phase lock)하도록 구성된다. 상기 전자적 제어 및 탐지 시스템은 가변의 서브-웨이브프론트 샘플링 개구들의 어레이에 또한 연결될 수 있어서, 그 샘플링 개구들이 능동적이라면 그 샘플링 개구 크기를 더 제어하도록 한다.

도 4는 로크인 탐지 증폭기 (400)의 하나의 예시의 실시예를 보여주는 블록 도면이다. 위상 감지 로크인 탐지는 관심 대상의 신호보다 매우 더 큰 잡음에 의해서 가려질 수 있는 작은 신호들의 복구 (recovery)를 위해서 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에게 잘 알려진 강력한 동기화 탐지 기술이라는 것에 유의한다. 믹서 (496)는 전치증폭기 (495)의 출력에 연결된 제1 입력을 가지며, 그 전치증폭기는 자신의 입력에 연결된 PSD A.C.로부터의 신호를 구비한다. 믹서 (496)는 위상-고정 루프 (497)의 출력에 연결된 제2 입력을 구비하며, 위상 고정 루프 (497)는 SLD를 구동하고 펄스화하는 레퍼런스 신호에 잠겨있다. 상기 입력 신호들은 믹서 (496)에 의해서 믹스되어 (다중화된다) 믹서 출력 신호를 형성한다. 믹서 (496)의 출력은 저역통과 필터 (498)를 통해서 지나가서 출력 증폭기 (499)에 의해 증폭되어 상기 로크인 탐지 증폭기 (400)의 출력을 형성한다.

상기 로크인 탐지 증폭기의 작동이 이제 설명될 것이다. 상기 PSD로부터 상기 전치증폭기 (495)로의 입력 신호는 위치-센서 탐지기에 의해서 측정된 서브-웨이브프론트의 편향 (deflection)을 표시하는 레퍼런스 주파수에서의 성분을 포함한다. 이 성분의 진폭은 상기 로크인 탐지 증폭기의 원하는 출력이다. 상기 PSD로부터의 입력 신호는 주변 광의 주파수 그리고 탐지기로부터의 1/f 잡음과 같은 저주파수에서의 잡음 신호들을 또한 포함한다.

상기 위상-고정 루프 (phase-locked loop (PLL))로의 입력은 상기 레퍼런스 주파수에서만 실질적인 진폭을 가지는 신호이다.

상기 믹서로의 입력 신호들의 진폭들은 증가된다. 이 증폭된 PSD 신호의 각 주파수 성분은, PSD 주파수 성분의 주파수 그리고 상기 레퍼런스 주파수의 합과 동일한 주파수에서의 제1 믹서 출력 성분 그리고 상기 PSD 주파수 성분과 상기 레퍼런스 주파수의 주파수 차이와 동일한 주파수에서의 제2 믹서 출력 성분으로 변환된다.

상기 저역통과 필터 (498)는 0에 가까운 주파수를 가진 신호들 (D.C. 신호)을 통과시키며 그리고 그 0에 가까운 것보다 더 큰 주파수들을 가진 신호들 (A.C. 신호들)은 차단한다. 상기 잡음 신호와 상기 레퍼런스 신호의 합과 차이 둘 모두가 0과 같지 않으며, 그래서 믹서 출력 성분들 모두는 A.C. 신호들이며 그리고 상기 저역통과 필터에 의해서 차단되기 때문에 상기 레퍼런스 주파수가 아닌 주파수들에서의 모든 잡음 성분들은 차단된다.

레퍼런스 주파수에서 PSD 신호의 주파수 성분에 대한 제1 믹서 출력 신호의 주파수는 상기 레퍼런스 주파수 그리고 상기 레퍼런스 주파수의 두 배인 그 자체의 합과 동일하며 그래서 A.C. 신호이어서, 상기 저역통과 필터에 의해서 차단된다. 그러나, 상기 레퍼런스 주파수에서 상기 PSD의 주파수 성분에 대한 제2 믹서 출력 신호의 주파수는 상기 레퍼런스 주파수 그리고 0인 그 자체의 차이와 동일하다. 이것은 상기 저역통과 필터에 의해서 통과되는 D.C. 신호이다.

따라서, 상기 로크인 증폭기의 출력은 상기 레퍼런스 주파수에서 상기 PSD 신호의 주파수 성분만을 측정한 것이다. 상이한 주파수들에서의 모든 잡음 신호들은 상기 저역통과 필터에 의해서 차단된다. 저역통과 필터링된 신호는 신호 경로를 더 다운시키는 아날로그-디지털 (A/D) 변환을 위해서 다른 증폭기 (499)에 의해서 더 증폭될 수 있다

각 PSD는 하나를 넘는 포토다이오드들 또는 포토-탐지기들에 대응하는 하나를 넘는 감광성 영역 (4분할 탐지기의 경우에는 예를 들면 4개)을 가질 수 있다는 것에 유의해야만 한다. 병렬 로크인 탐지를 구현할 때에, 필요한 채널들의 개수는 병렬 PSD들의 개수에 각 PSD의 포토-탐지 신호 라인들의 개수를 곱한 것이다. 병렬 샘플링을 이용하여, 우리는 여러 서브-웨이브프론트 샘플들을 웨이브프론트를 가로질러 동시에 수집할 수 있다.

도 4에서 A/D 컨버터 그리고 전자적 탐지 및 제어 모듈의 나머지는 도시되지 않는다. 상기 SLD를 펄스화하는 신호와 동일한 주파수에서 상기 A/D 컨버터를 활성화시키는 것은 SLD 펄스 이전에 또는 그 동안에 암 (dark) 샘플 및 광 샘플 두 가지 모두를 수집하는 것을 또한 가능하게 하여, 전자기 간섭의 영향들 그리고 주변 광을 룸 (room) 또는 상기 디바이스가 설치될 수 있을 현미경으로부터 더 제거하도록 한다.

우주에서 먼 거리의 별과 같은 천문학에서 사용되는 웨이브프론트 센서들을 위한 광원이 제어 불가능함 (예를 들면, US6784408 참조) 또는 전형적인 CCD/CMOS 이미지 센서들은 1/f 잡음 주파수 범위 위에서 동작되기에 충분하게 높은 프레임을 가지지 않기 때문에 광원을 펄스 모드 또는 버스트 모드에서 작동시키는 것에는 유리함이 없음 중 어느 하나 때문에 종래 기술의 웨이브프론트 센서들은 일반적으로 (적어도 1/f 잡음 구역 위의 주파수 범위에서, 즉, kHz 범위 주변 그리고 그 범위를 넘어서서) 펄스 모드 및/또는 버스트 모드에서 광원을 작동시키지 않는다는 것에 유의한다.

큰 디옵터 측정 범위를 커버하기 위해서 하트만-샤크 렌즈릿 어레이의 몇몇의 렌즈릿들을 선택적으로 차단함으로써 (예를 들면, US7414712 참조) 하트만-샤크 웨이브 프론트 센서는 동작될 수 있다. 그러나, 이런 접근은 비용이 많이 들며 그리고 사용된 이미지 센서가 낮은 프레임 레이트에서 스캔된다는 동일한 한계를 여전히 겪는다.

본원에서 설명된 예시의 실시예들에서, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은 도 3a에서 확대된 삽입 도면에서 보이는 것처럼 웨이브프론트 이미지 평면 B에서 서로에게 물리적으로 분리되는 것이 바람직하다. 도 3a의 예시적인 실시에에서, 각 서브-웨이브프론트 샘플링 요소는 개구 및 초점 렌즈릿을 포함한다는 것에 유의한다. 그러나, 상기 초점 렌즈릿은 개구로서 동작하기 위해서 직접적으로 사용될 수 있거나 또는 심지어는 제거될 수 있다. 후자의 경우에, 샘플링된 서브-웨이브프론트 빔은 초점이 맞추어지지 않을 것이지만, 그러나 비록 상기 개구 크기는 크로스토크를 피하기 위해서 상기 PSD 크기보다 전반적으로 더 작을 필요가 있지만, 그 샘플링된 서브-웨이브프론트 빔은 상이한 서브-웨이브프론트 경사에 대해 상이한 중심 위치를 가진 대응 PSD 상에 광 스폿으로서 여전히 안착할 것이다.

또한 서브-웨이브프론트 샘플링 개수들의 어레이 그리고 서브-웨이브프론트 초점 렌즈들의 어레이를 분리하여 보여주기 위해서, 도 3a에서의 삽입 도면은 상기 두 가지를 서로에게로부터 신중하게 분리시킨다. 실제로, 그것들은 근접하여 가깝게 배치될 것 같다. 설계된 큰 디옵터 커버리지 범위 내에서 어떤 샘플링된 서브-웨이브프론트의 경사도 자신의 이웃 PSD 상에 안착하게 초점이 맺히지 않도록 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 간격을 물리적으로 설계함으로써 큰 도플러 측정 범위가 보증된다.

예시의 실시예들에서, 더 높은 에너지 효율이 달성될 수 있으며, 동시에 1/f 잡음이 실질적으로 축소될 수 있으며, 그럼으로써 수술 현미경의 조명 광에 의해서 생성된 잡음과 같은 DC 또는 저주파수 배경 잡음이 효과적으로 걸러지는 것을 가능하게 한다.

이 특징들은 본원에서 설명된 예시의 웨이브프론트 센서가 안과 수술 현미경과 통합되거나 또는 그 현미경에 부착될 때에, 백내장 수술과 같은 시력 교정 수술 절차를 위해 극히 적합하도록 만든다. 백내장 수술 의사는 수술 현미경의 조명 광을 끄기 위해서 중간에 중단하지 않고 그리고 데이터의 멀티-프레임들을 캡쳐하기 위해서 그리고 굴절 측정을 얻기 위해서 상기 데이터의 처리를 위해서 대기하지 않고 수술을 수행할 수 있다.

본 발명의 예시의 실시예들에서, 디옵터 측정 동적 범위는 심지어는 무수정체 눈의 굴절 상태가 충분하게 커버되기에 충분하게 크게 만들어질 수 있다 (예를 들면, 30D까지). 또한, 환자의 눈으로부터의 웨이브프론트의 환상 링 주변에서 적절하게 선택된 개수의 서브-웨이브프론트들만을 샘플링함으로써, 구형 및 원통형 디옵터 값들을 얻는 것은 물론이며 안구내 렌즈 (intra-ocular lens (IOL))의 선택을 위한 그리고 예를 들면 정시안 (emmetropia) 또는 의사-패킥 눈의 의도된 스피로 (sphero) 디옵터 값의 확인을 위해 필요한 원통 축을 얻을 수 있다. 각 환상 어레이 주변의 웨이브프론트 샘플링 수를 적절하게 선택함으로써, 필요한 데이터 전달 레이트 그리고 데이터 프로세싱 리소스들은 실질적으로 줄어들 수 있다.

비록 백내장 수술을 위해서 절대적으로 필요하지는 않을 수 있을 것이지만, 예시의 실시예들이 종래 기술의 안과 웨이브 프론트 센서들에 의해서 보통 제공될 수 있는 것보다 더 많은 공간적 샘플링 포인트들 그리고/또는 더 높은 공간적 해상도를 제공하는 것이 이제 설명될 것이다. 이 실시예들은 더 높은 차수의 수차들을 또한 측정할 수 있는 것은 물론이며 2차원 웨이브프론트 지도를 될 수 있는 한 제공할 수 있다. 이 실시예들은 웨이브프론트 이미지 평면 B에서 웨이브프론트를 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이에 대해서 가로질러 시프트하거나 또는 스캔하기 위해서 도 3a에서 보이는 것처럼 4-f 릴레이의 푸리에 변환 평면 A에 배치될 수 있는 (전송 전기-광 또는 자기-광 빔 편향기 (deflector)와 같은) 각도 (angular) 광 빔 스캐너 (312)를 포함한다. 그렇게 하는데 있어서, US6376819에서 개시된 것과 같은 서브-개구 공간 해상도를 달성할 수 있으며 그리고 중계된 웨이브프론트가 정적 (static)이라면 샘플링 개구들 사에서의 중계된 웨이브프론트의 일부를 또한 샘플링할 수 있다.

도 5는 도 3a의 광학적 구성에 적용된 순차적인 횡단 웨이브프론트 시프팅 또는 스캐닝의 일 예를 보여준다. 이 예에서, 8개 서브-웨이브프론트 샘플링 렌즈릿들 (501)은 웨이브프론트 이미지 평면 B에서 환상 어레이의 모습으로 배치되며, 이때에 어떤 두 개의 이웃하는 렌즈릿들 사이에도 충분한 간격이 있어서, 의도된 굴절 오류 디옵터 측정 범위에 걸쳐서 어떤 크로스토크도 존재하지 않도록 한다. 중계된 웨이브프론트는 상기 중계된 웨이브프론트의 8개 부분들을 샘플링하는 8개 렌즈릿들 (501)을 가진 원형 디스크 (502)로 도시된다. 어떤 웨이브프론트 시프팅 또는 스캐닝 없이, 상기 8개의 샘플링된 서브-웨이브프론트들은 상기 웨이브프론트 이미지 (502)에 대해서 회전성 대칭이다.

참조번호 502 내지 520의 원들은 렌즈릿들의 어레이 상으로 입사하는 중계된 웨이브프론트의 첫 번째 부분을 나타낸다. 상기 원의 위치, 즉 상기 웨이브프론트의 첫 번째 부분은 상기 첫 번째 부분의 부분적 일부 (sub-portion)들이 샘플링되는 것을 가능하게 하는 다양한 도면들에서 보이는 것처럼 상이한 위치들로 스캔된다.

도 5의 오른쪽 부분 상에 보이는 4개 로우 (row)들 중에서, 제일 위의 두 개 로우들 (503 내지 510)은 중계된 웨이브프론트를 상기 8개의 렌즈릿들에 대해서 순차적으로 가로질러 시프트하는 것의 효과의 일 예를 보여준다. 참조번호 503부터 참조번호 510까지, 상기 중계된 웨이브프론트는 각각 오른쪽, 오른쪽-바닥, 바닥, 바닥-왼쪽, 왼쪽, 왼쪽-제일 위, 제일 위 그리고 제일 위-오른쪽 방향으로 동일한 거리만큼 순차적으로 시프트된 것이 도시된다.

바닥의 두 개 로우들 (513 내지 520)은 웨이브프론트를 렌즈릿 어레이에 대해서 이동시키는 것 대신에 상기 렌즈릿 어레이를 상기 웨이브프론트에 대해서 이동시킨 동등한 결과를 보여준다. 참조번호 513 내지 520까지의 각 경우에 8개의 점선 원들은 상기 중계된 웨이브프론트의 시프트되지 않은 첫 번째 부분에 대한 상기 8개의 렌즈릿들의 원래의 샘플링 위치를 보여준다. 참조번호 513 내지 520까지에 대해서, 8개의 실선 원들은 상기 중계된 웨이브프론트의 상기 첫 번째 부분이 고정된 것으로 취급된다면 상기 원래의 렌즈릿 위치들에 대한 상기 8개 렌즈릿들의 동등한 상대적인 이동을 보여준다. 상기 제일 위의 두 개 로우들에서 도시된 시프팅의 결과인 전체 샘플링 패턴 (512)은 누적하는 샘플링 효과를 보여준다.

상기 전체 샘플링 패턴 (512)으로부터, 웨이브프론트 시프팅이 없으면 웨이브프론트의 원래의 8개 환상 어레이 부분적 일부들만이 샘플링될 것이며 그리고 웨이브프론트 시프팅이 있으면 상기 웨이브프론트의 다른 부분적 일부들이 샘플링될 수 있다는 것을 알 수 있다.

도시된 예에서, 샘플링 겹침들은 전체 샘플링 패턴 (512)에서 볼 수 있는 것처럼 도시된다. 이것은 샘플링 개구 크기 (이 도시된 예에서는 이것은 상기 렌슬릿 직경이다)보다 더 작은 공간적인 샘플링 해상도가 달성될 수 있다는 것을 표시한다. 실제로, 빔 스캐너가 실제적으로 달성 가능한 원하는 각도 정밀도로 제어되는 한은 어떤 원하는 샘플링 해상도를 달성하기 위해서 상기 스캐너 (312)의 스캐닝 각도를 제어할 수 있다. 추가로, 상기 전체 샘플링 패턴 (512)은 상기 중계된 웨이브프론트를 가로질러 시프트한 것의 결과로서, 어떤 두 이웃하는 렌즈릿들 사이의 시프트되지 않은 웨이브프론트의 부분들이 샘플링되는 것만이 아니라, 중심을 향하는 그리고 시프트되지 않은 웨이브프론트의 중심으로부터 멀어지는 상기 웨이브프론트의 부분들 또한 샘플링될 수 있다는 것을 또한 보여준다. 전체 샘플링 패턴 (512)에서, 필요하다면 세 개의 환상 링들이 샘플링될 수 있다는 것을 이미 알 수 있다. 상기 웨이브프론트의 어떤 부분도 상기 빔 시프터 (312)를 제어함으로써 샘플링될 수 있다.

상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들이 도 3a에서 도시된 것과 같은 환형 어레이의 형상일 필요는 없다는 것에 유의해야만 한다. 예를 들면, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은, 충분하게 큰 굴절 오류 디옵터 측정 동적 범위가 크로스토크 없이 커버될 수 있는 것을 확실하게 하기 위해서 서로로부터 물리적으로 잘 분리되어 있는 한은 직사각형 어레이의 형상일 수 있다. 대안으로, 그것들은, 각 서브-웨이브프론트 샘플링 개구 뒤의 렌즈릿의 초점 거리가 대응하여 더 짧고 그리고 상기 렌즈릿들과 상기 PSD들 사이의 거리가 대응하여 축소되는 한은 더 가깝게 위치할 수 있다. 렌즈릿들의 개수는 8개로 제한될 필요는 없으며, 임의 형상으로 배치된 임의 개수일 수 있다는 것에 또한 유의해야 한다.

도 1의 구성을 도 2의 구성과 비교하는데 있어서 이전에 설명된 것처럼, 스캐닝이 4-f 릴레이를 이용하여 구현될 것이라면, 상기 빔 스캐너 (312)는 큰 빔 차단 윈도우 크기를 가질 필요가 있을 것이다. 이 제한을 극복하고 그리고 다른 다양한 개선들을 또한 제공하기 위해서, 도 6은 다른 예시의 실시예를 보여준다. 도 6으로부터 볼 수 있는 것처럼, 광학적 구성은 몇몇의 모습들에서 도 2에서의 모습과 유사하다, 그러나, 개별적으로 또는 다른 것들과 결합하여 구현될 수 있는 몇몇의 새로운 특징들이 존재한다.

도 6의 예시의 구현에서, 펄스 모드 및/또는 버스트 모드로 작동하는 (초발광 다이오드 (SLD)와 같은) 광원 (634)으로부터의 광의 상대적으로 좁은 빔은 초점 조절가능 렌즈 (638)를 통해서 시작되며 그리고 환자의 눈으로부터 돌아오는 웨이브프론트 생성을 위해서 (편광 빔 스플리터 또는 PBS와 같은) 빔 방향지시 요소 (606)에 의해서 상기 환자의 눈으로 방향이 정해진다. 망막 상에 안착할 때에 광 빔의 스폿 크기가 눈의 다양한 굴절 상태들에 대해서 상대적으로 작다는 것을 확실하게 하기 위해서 렌즈 (637)로부터의 초점 변경이 활용될 수 있다. 추가로, SLD 빔을 스캔하기 위한 스캔 거울 (680)은 제1 렌즈 (604)의 후면 초점 길이 거리에 배치될 수 있으며, 그래서 상기 SLD 빔 스캐너 위치가 정시안 (emmetropic)의 눈의 망막에 공액 (conjugate)이다. 이 방식에서, SLD 빔 스캐너 (680)의 각도성 스캔은 각막 평면에 대한 상기 SLD 빔의 횡단 스캔을 초래할 것이지만, 그러나 상기 눈이 정시안이라면 상기 SLD 빔이 동일한 망막 위치 상에 안착하는 것을 여전히 가능하게 한다. 이 스캐너는 어떤 눈의 움직임도 따라가기 위해서 SLD 빔을 스캔하기 위해서 사용될 수 있으며, 그래서 SLD 빔이 항상 동일한 망막 위치로부터 눈으로 진입할 수 있도록 한다.

도 3a에 보이는 것과 같은 4-f 웨이브프론트 릴레이를 사용하는 것 대신에, 중간 웨이브프론트 이미지 평면 B를 통해서 동공 또는 각막 평면으로부터 최종 웨이브프론트 이미지 샘플링 평면 D까지 웨이브프론트를 중계하기 위해서 제1 렌즈 (604), 제2 렌즈 (616), 제3 렌즈 (640) 그리고 제4 렌즈 (642)를 포함한 8-f 웨이브프론트 릴레이 시스템이 사용된다. 그런 8-f 웨이브프론트 릴레이는 두 개의 계단식 4-f 릴레이들을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 제1 릴레이는 상기 웨이브프론트 릴레이 빔을 푸리에 변환 평면 A를 통해서 중간 웨이브프론트 이미지 평면 B로 인도하는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함한다. 제2 릴레이는 상기 웨이브프론트를 푸리에 변환 평면 C를 통해서 상기 중간 웨이브프론트 이미지 평면 B로부터 최종의 웨이브프론트 이미지 평면 D로 더 중계하는 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함한다. 그런 하나의 8-f 웨이브프론트 릴레이 광학적 구성의 이점은 도 2를 참조하여 설명되었으며, 더 상세한 설명들은 동일 출원인의 특허 출원 US20120026466에서 발견할 수 있다.

도 2에서 보이는 것과 같이 단 하나의 서브-웨이브프론트 샘플링 요소 그리고 하나의 PSD를 이용하는 것 대신에, 예를 들면, 개구들의 직사각형 어레이 (618) 그리고 서브-웨이브프론트 초점 렌즈릿들 (620)의 대응 직사각형 어레이를 포함하는 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이는 서브-웨이브프론트들의 원하는 어레이를 샘플링하고 초점을 맞추기 위해서 실질적으로 상기 최종 웨이브프론트 이미지 평면 D에 배치될 수 있다. 다시, 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은 서로에게로부터 물리적으로 분리될 수 있으며 그리고/또는 큰 굴절 오류 디옵터 측정 범위가 크로스토크 없이 커버될 있도록 하는 방식으로 상기 렌즈릿 어레이의 초점 길이가 적절하게 선택될 수 있다.

이 요소들은, 서브-웨이브프론트들의 상기 샘플링된 어레이의 이미지스폿 중심 위치들을 탐지하기 위해서 그리고 상기 탐지기들을 상기 펄스화된 광원과 동기시킴으로써 로크인 탐지로 병렬 웨이브프론트 샘플링을 얻기 위해서, 병렬 PSD들의 대응 어레이와 함께 결합될 수 있다

서브-웨이브프론트 샘플링 요소들 뒤의 상기 렌즈릿들의 후면 초점 평면에 실질적으로 상기 PSD들을 직접적으로 배치하는 것에 대한 대안으로, 도 6에서의 삽입 도면에서 보이는 것처럼, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에게 잘 알려진 것처럼 (예를 들면, US6595642 참조) 가상의 이미지 스폿 평면 (622a)에서 형성된 가상 이미지 스폿들을 실제의 PSD들의 새로운 평면 (622)으로 중계하고 그리고 바람직하게는 또한 광학적으로 확대하기 위해서 렌즈 (621)가 사용될 수 있다.

원하는 큰 디옵터 범위를 커버하기 위해서 더 짧은 초점 길이를 가진 상대적으로 높은 밀도의 렌즈릿 어레이가 사용된다면 이 렌즈 (621)는 특히 유용하다. 전형적으로, 그런 렌즈릿 어레이는, 예를 들면, 0.5 mm 내지 1.0mm의 상대적으로 작은 피치, 즉, 그 어레이 내의 렌즈릿들의 중심들 사이의 간격인 작은 피치를 가지며, 반면에 각 PSD는 상대적으로 클 수 있다 (예를 들면, 4분할 탐지기인 경우에, 약 5 mm의 직경). 그러므로, 일대일 대응을 달성하기 위해서, 상기 렌즈릿 어레이에 의해서 형성된 이미지 스폿들은 상기 렌즈 (621)에 의해서 더 큰 피치 어레이로 광학적으로 확대되고 그리고 중계되어, 두 이웃하는 PSD들 사이의 거리를 증가시키도록 하며, 그래서 상기 PSD들이 기판 상에 물리적으로 들어맞게 배치되도록 할 수 있다.

도 2의 경우에서처럼, 작은 크기의 빔 스캐너 또는 편향기 (612)는 원하는 큰 굴절 오류 디옵터 범위에 걸쳐서 눈 웨이브프론트 정보를 운반하는 전체 오브젝트 빔을 완전하게 가로채고 그리고 각도를 주어 스캔하기 위해서 제2 푸리에 변환 평면 C에 배치될 수 있다. 그러나, 도 2와 비교하면, 필요한 빔 각도성 스캔 또는 편향 범위는 이제 실질적으로 줄어들 수 있다. 이것은 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이를 사용하여 각도 범위 내에서 오브젝트 빔을 스캔하는 것만이 필요할 뿐이며, 그래서 상기 최종 웨이브프론트 이미지 평면 D에서의 가로지르는 웨이브프론트 시프트는 상기 피치, 즉, x 방향 및 y 방향 모두에서 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소 어레이에서 인접한 PSD들의 중심들 사이의 거리와 동일하기 때문이다. 이 방식에서, 상기 중계된 웨이브프론트가 스캔되지 않는다면, 어떤 두 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들 사이의 입사하는 모든 웨이브프론트 부분들은 샘플링될 수 있다. 이것은 상이한 유형의 빔 스캐너들이, 예를 들면, 상대적으로 작은 각도 스캐닝 범위만을 보통은 커버할 수 있는 전송 전기-옵틱 또는 전기-자기 스캐너와 같은 반사성 MEMS 스캐너에 추가로 사용되는 것을 가능하게 할 것이다

도 3a의 경우와 유사하게, 잡음 억제를 위해 PSD들의 어레이 (622)로부터의 출력 신호들을 수신하기 위해서 로크인 증폭기 (643)가 연결될 수 있다. 상기 로크인 증폭기 (643)의 출력을 수신하는 전자 시스템 (636)에 디스플레이 (645)가 연결될 수 있다. 상기 전자 시스템 (636)은 상기 로크인 증폭기 (643)의 출력을 처리하기 위한, 굴절, 수차들 및 다른 진단 또는 임상적 요소들을 결정하기 위한 알고리즘들을 적용하는 것을 포함하는 능력들을 구비한다. 상기 디스플레이 (345)는 수술 현미경과 연관된 헤드-업 디스플레이, 큰 스크린 디스플레이 또는 백 프로젝션 디스플레이로서 또는 개인용 컴퓨터나 워크스테이션의 일부로서 구현될 수 있을 것이다.

도 7은 도 6의 광학적 구성에 적용된 순차적인 횡단 웨이브프론트 시프팅 또는 스캐닝의 일 예를 보여준다. 이 예에서, 21개 서브-웨이브프론트 샘플링 렌즈릿들 (701)은 웨이브프론트 이미지 평면 D에서 2차원의 선형 어레이의 포맷으로 배치되며, 이때에 어떤 두 개의 이웃하는 렌즈릿들 사이에도 충분한 간격이 있어서, 의도된 굴절 오류 디옵터 측정 범위에 걸쳐서 어떤 크로스토크도 존재하지 않도록 한다. 도 5에서처럼, 중계된 웨이브프론트의 첫 번째 부분은 중계된 웨이브프론트의 상기 첫 번째 부분 21개 부분적 일부들을 샘플링하는 21개 렌즈릿들 (701)을 가진 렌즈릿 어레이 상에 입사된 원형 디스크 (702)로서 도시된다. 어떤 웨이브프론트 시프팅 또는 스캐닝 없이, 상기 중계된 웨이브프론트들의 상기 첫 번째 부분의 21개의 샘플링된 부분적인 일부들은 상기 중계된 웨이브프론트 (702)에 대해서 2차원 어레이 포맷으로 균일하게 분포된다.

도 7에 도시된 4개 로우들 중에서, 제일 위의 두 개 로우들 (703 내지 710)은 중계된 웨이브프론트가 상기 21개의 렌즈릿들에 대해서 순차적으로 가로질러 시프트할 때에 어떤 것이 발생하는가의 일 예를 보여준다. 참조번호 7503부터 참조번호 7510까지, 상기 중계된 웨이브프론트의 상기 첫 번째 부분은 각각 오른쪽, 오른쪽-바닥, 바닥, 바닥-왼쪽, 왼쪽, 왼쪽-제일 위, 제일 위 그리고 제일 위-오른쪽 방향으로 수평 방향 및/또는 수직 방향 중 어느 하나로 동일한 거리만큼 순차적으로 시프트되었다.

바닥의 두 개 로우들 (713 내지 720)은 웨이브프론트를 렌즈릿 어레이에 대해서 이동시키는 것 대신에 상기 렌즈릿 어레이를 상기 웨이브프론트에 대해서 이동시킨 동등한 결과를 보여준다. 참조번호 713 내지 720까지의 각 경우에 21개의 점선 원들은 상기 중계된 웨이브프론트의 시프트되지 않은 첫 번째 부분에 대한 상기 21개의 렌즈릿들의 원래의 샘플링 위치를 보여준다. 참조번호 713 내지 720까지에 대해서, 21개의 실선 원들은 상기 중계된 웨이브프론트의 상기 첫 번째 부분이 고정된 것으로 취급될 때에 상기 원래의 렌즈릿 위치들에 대한 상기 21개 렌즈릿들의 동등한 상대적인 이동을 보여준다. 전체 샘플링 패턴 (712)은 누적적인 샘플링 효과를 보여준다. 상기 전체 샘플링 패턴 (712)으로부터, 웨이브프론트 시프팅이 없으면 상기 중계된 웨이브프론트의 원래의 21개 렌즈릿 부분들이 샘플링될 것이며 그리고 웨이브프론트 시프팅이 있으며, 상기 원래의 21개 렌즈릿들 주변의 구역들이 샘플링될 수 있다는 것을 볼 수 있다.

실제로, 상기 도시된 예는 수평 방향 그리고/또는 수직 방향 중 어느 하나의 방향으로 각 렌즈릿의 직경과 동일한 거리만큼 가로질러 시프트하는 것을 보여주며 그리고 원래의 피치 또는 두 개의 수평의 렌즈릿들 또는 수직의 렌즈릿들 사이의 간격은 각 렌즈릿 직경의 세 배와 동일하도록 만들어진다는 것을 보여준다. 다른 말로 하면, 상기 간격 거리는 각 렌즈릿의 직영의 두 배와 동일하다, 결과로, 도시된 스캐닝은 상기 중계된 웨이브프론트의 샘플링을, 마치 상기 웨이브프론트가 전형적인 하트만-샤크 웨이브프론트 센서의 경우에서와 같이 빽빽하게 채워진 2차원 선형 렌즈릿 어레이에 의해서 샘플링되는 것처럼 얻는 것을 가능하게 한다.

더 작은 횡단 웨이브프론트 시프트 거리에서의 샘플링을 실현하고, 그래서 어떤 원하는 공간적 샘플링 해상도를 달성하기 위해서 빔 스캐너 (612)의 스캔 각도 그리고 SLD의 펄스화를 제어할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 추가로, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 2차원의 선형 어레이를 이용하여 상기 빔 스캐너 (612)가 상기 중계된 웨이브프론트의 모든 부분들이 샘플링되는 것을 가능하게 하기 위해서 수평 방향 및 수직 방향에서 작은 각도 범위를 스캔하는 것만을 필요로 한다는 것을 상기 도시된 예는 또한 보여준다.

PSD들 그리고/또는 웨이브프론트 샘플링 개구들의 어레이는 또한 능동적이도록 만들어질 수 있다는 것에 유의한다. 상기 서브-웨이브프론트들의 샘플링을 위한 개구 크기는 예를 들면 가변 조리개 어레이들 또는 액정 기반의 개구 크기 가변 어레이를 활용하여 동적으로 조절될 수 있다. 상기 개구는 상기 중계된 웨이브프론트 이미지의 상이한 부분들이 US6880933에서 개시된 것과 같은 MEMS 거울 어레이를 이용하여 상이한 PSD들로 향할 수 있다는 점에서 또한 능동적일 수 있다. 상기 서브-웨이브프론트 초점 렌즈의 초점 거리는, 예를 들면, 액정 마이크로렌즈 어레이들 및 유연한 멤브레인 기반의 액정 렌즈 어레이들을 포함한 것을 이용하여 또한 바뀔 수 있다. 추가로, 상기 PSD들의 위치 또는 상기 서브-웨이브프론트 초점 렌즈릿 어레이의 위치는 길이방향으로 또한 제거될 수 있다.

도 3a 및 도 6 둘 모두의 예시적인 실시예들에서, 적어도 광원 및 PSD들에 연결되어 1/f 잡음 주파수 범위 위에서의 주파수에서 상기 광원 및 PSD들의 작동을 위상 잠금하는 전자 시스템이 존재하여, DC 또는 저주파수 배경 잡음들이 실질적으로 걸러질 수 있도록 한다. 추가로, 상기 전자 시스템은 SLD 빔의 초점을 제어하기 위해서 초점 가변 렌즈 (637)에, SLD 빔 스캐너 (680)에, 웨이브프론트 오브젝트 빔 스캐너/편향기 (612)에, 개구 어레이 (618)에, 렌즈릿 어레이 (620)에, 그리고 렌즈 (621)에 또한 연결된다. 이 전자 연결들은 상기 연결된 요소들 또는 디바이스들의 작동을 제어하는 것을 의미한다.

또한, 비록 도 3a 및 도 6에서 상기 SLD 빔이 상기 제1 렌즈 뒤로부터 시작되지만, 상기 SLD 빔은 (상기 제1 렌즈의 앞 또는 심지어는 상기 제2 렌즈 뒤와 같이) 눈 그리고 최종 웨이브프론트 이미지 평면 D 사이의 어느 곳에서도 시작될 수 있으며 그리고 그것의 빔 발산 또는 수렴은 원하는 광 스폿이 다양한 눈들의 망막 상에 형성되는 것을 확실하게 하기 위해서 (보조의 움직일 수 있는 렌즈를 이용하는 것과 같은) 초점 가변 렌즈 (637)에 추가로 다른 수단에 의해서 또한 조절될 수 있다.

상기 광원을 펄스화하는 것은 상기 광원의 모든 유형의 시간적인 변조를 망라하는 것으로 해석될 것이다. 예를 들면, 상기 SLD는 온/오프 또는 어두운/밝은 상태들 사이에서 변조될 수 있다; 그것은 제1 광 레벨 상태와 제2 광 레벨 상태 사이에서 또한 변조될 수 있다; 상기 SLD는 사인파 방식으로 또한 변조될 수 있다. 다른 예들이 광 펄스들의 스트림을 생성하기 위해서 버스트 모드로 동작되는 광원을 구비하며, 이 경우에 각 펄스는 반송파 또는 변조 주파수에 의해서 또한 변조된다. 따라서, 로크인 탐지 또는 동기화된 탐지는 어떤 위상 잠금 또는 간섭 탐지 수단으로서 해석되어야만 한다. 상기 로크인 탐지는 높은 반송파 주파수 그리고/또는 펄스 반복 레이트/주파수 둘 모두에서 존재할 수 있다.

상기 SLD 빔을 시작시키기 위한 그리고 상기 돌아온 오브젝트 빔을 인도하기 위한 광학 경로는 공간을 절약하고 그리고 웨이브프론트 센서 모듈을 컴팩트하게 만들기 위해서 다양한 방식들로 접어질 수 있다. 이것은 상기 다양한 광학 경로들을 접기 위해서 사용되는 거울들 또는 다른 광학 빔 폴딩 요소들이 존재할 수 있다는 것을 의미한다. 상기 빔 스캐너는 전도성 또는 반사성 중 어느 하나일 수 있다. 1:1 비율 웨이브프론트 릴리이에 추가로, 눈으로부터 중간 웨이브프론트 이미지 평면으로 그리고 최종 웨이브프론트 샘플링 이미지 평면으로의 상기 웨이브프론트의 광학적인 확대 또는 축소가 존재할 수 있다. 이것은 상기 웨이브프론트를 중계하기 위해서 사용되는 모든 렌즈들의 초점 길이가 상이한 값들일 수 있다는 것을 의미한다. 두 개의 계단식 4-f 웨이브프론트 릴레이들에 추가하여, 더 많은 계단식 4-f 도는 다른 웨이브프론트 릴레이들이 존재할 수 있다.

도 6의 중간 웨이브프론트 이미지 평면 B가 오브젝트 웨이브프론트 평면 그리고 최종 웨이브프론트 이미지 평면 D에 공액이라는 사실로 인해서, 웨이브프론트 보상기 또는 초점 흐림 (defocus) 오프세팅 요소 (689)가 평면 B에 위치할 수 있으며 그리고 상기 전자 시스템에 의해서 제어될 수 있다. 그렇게 하는데 있어서, 상기 웨이브프론트 센서 시스템은 다양한 다른 애플리케이션들을 위해서 적응적인 광학 시스템으로 변환될 수 있다. 전반적인 웨이브프론트 수차를 단순히 완전하게 보상하는 것에 추가로, 그런 것은 적응적인 광학 시스템에서는 보통 수행되는 것이기 때문에, 웨이브프론트 수차들 중 하나 또는 몇몇만을 또한 부분적으로 또는 완전히 보상할 수 있으며, 그래서 나머지 교정되지 않은 웨이브프론트 수차들이 스스로를 더 뚜렷하게 드러내고 그래서 더욱 정밀하게 측정되는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 구면 초점 흐림의 정도가 상기 탐지된 웨이브프론트의 발산 또는 수렴에 영향을 미치는 보상기 또는 오프세팅 요소 (689)로 피드백 될 수 있다. 이 피드백은 측정된 초점 흐림을 변경할 수 있으며, 그래서 그것이 폐-루프 시스템을 형성하도록 하며 그리고 폐-루프 제어 기술들이 사용되어, 상기 측정된 웨이브프론트의 발산 또는 수렴을 어떤 원하는 값으로 가져가도록 할 수 있으며, 이것은 대개는 0에 가까운 값으로 가져가는 것이며, 그래서 상기 웨이브프론트가 실질적으로 평면이도록 한다. 추가로, 초점 흐림의 부호 및 정도에 관한 정보는 개방-루프 제어 시스템을 형성하기 위해서 SLD 빔의 발산 또는 수렴만에 영향을 주는 가변 초점 렌즈 (637)를 조절하기 위해서 사용될 수 있다.

상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들 그리고 연관된 PSD들의 공간적인 배치는 규칙적인 일정한 피치로 또는 환상 어레이 또는 직사각형 어레이 포맷으로 배치될 필요는 없으며, 어떤 포맷으로도 배치될 수 있다. 예를 들면, 내부의 환상 어레이(들)의 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들보다 더 멀리 이격된 외부의 환상 어레이 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들을 구비한 둘 또는 그 이상의 환상 링 어레이들이 존재할 수 있다.

더욱이, 상기 PSD들의 가로지르는 (transverse) 위치는 환자 눈의 굴절 상태에 응답하여 또한 능동적으로 변경될 수 있다. 예를 들면, 상기 눈이 무수정체일 대에, 각막 평면에서 그 눈으로부터의 웨이브프론트는 보통은 상대적으로 높게 발산하며 그리고 이 웨이브프론트는 상기 최종 웨이브프론트 이미지 평면으로 중계될 때에 또한 고도로 발산할 것이다. 이 경우에, 상기 중계된 웨이브프론트를 샘플링하기 위해서 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 환상 링 어레이가 사용된다면, PSD들의 대응 환상 어레이는 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 환상 링 어레이에 대해서 밖으로 향하여 급격하게 이동될 수 있으며, 그래서 상기 중계된 웨이브프론트가 완전하게 구형으로 발산하는 웨이브프론트라면, 각 샘플링된 서브-웨이브프론트의 이미지 또는 광 스폿 중심이 각 대응 PSD의 중심에 있거나 또는 그 중심 가까이에 있도록 한다. 이 방식에서, 중심 탐지를 위해서 각 PSD의 중심 위치만이 사용되기 때문에, 상기 상상된 완전한 구형으로 발산하는 웨이브프론트로부터의 어떤 추가적인 웨이브프론트 경사의 편향은 높은 정밀도로 탐지될 수 있다. 추가로, 홀들의 하트만 어레이가 또한 동작할 것이기 때문에 렌즈릿 어레이 (320 또는 620) (도 3a 및 도 6)는 하트만 샤크 웨이브프론트 센서 대 하트만 웨이브프론트 센서의 경우에서처럼 절대적으로 필요하지 않을 수 있다는 것에 유의해야만 한다.

추가로, 공간적 광 변조기 (spatial light modulator (SLM)) 또한 고밀도 렌즈릿 어레이와 결합될 수 있으며 그리고 상기 SLM은 상기 광원 그리고 또한 상기 PSD 어레이와 동기하여 동작될 수 있으며, 그래서 선택된 개수의 개구들만이 선택된 개수의 렌즈릿들에 걸쳐서 광원이 온 (on)인 기간 동안에 열리도록 한다. 예를 들면, 렌즈릿(들)의 하나 또는 그 이상의 환성 어레이(들)는 열릴 수 있으며 그리고 어느 환상 어레이가 열리는가에 관한 결정은 상기 오브젝트 웨이브프론트의 구형 또는 초점 흐림 값에 종속하여 만들어질 수 있다. 따라서, 웨이브프론트 샘플 데이터의 원하는 환상 어레이가 수집될 것이다. 단 하나의 환상 어레이 주변에서의 샘플링은 높은 차수의 수차들이 아니라 단지 굴절 오류들만을 줄 것이며, 이는 백내장 수술 응용분야들에서는 충분할 것이다. 상이한 렌즈릿들의 순차적인 스캐닝 또는 개방을 이용하여, 높은 차수의 수차들이 측정될 수 있다.

측면-효과 위치 감지 탐지기들 및 4분할 탐지기들/센서들에 추가로, 충분하게 높은 주파수에서 동작하고 그리고 샘플링된 서브-웨이브프론트 이미지 스폿의 중심 포인트를 결정하는 다른 유형의 PSD들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 각 PSD는 3개 또는 그 이상의 포토다이오드들의 클러스터일 수 있다. 상기 PSD 어레이의 각 PSD는 높은 프레임 프레임 레이트를 가진 고속의 2차원 이미지 센서의 몇몇의 클러스터링된 픽셀들일 수도 있으며, 그런 이미지 센서는 아마도 비쌀 것이다. 상기 PSD 어레이의 각 PSD는 전역적인 셔터 노출 동작을 하는 프로그램된 흥미대상 구역 (region of interest (ROI))의 특정 개수의 픽셀들로부터의 데이터를 출력만 하도록 프로그램된 CMOS 이미지 센서일 수도 있다. 현재, 통상적인 큰 픽셀 카운트 이미지 센서는 하나의 ROI로부터 데이터를 출력하도록만 프로그램된 것이 일반적일 수 있다. 그러나, 이것은 전역적인 노출 제어로 충분하게 높은 프레임 레이트로 다중의 ROI들의 데이터를 동시에 출력하기 위한 미래의 가능성이 전혀 존재하지 않는다는 것을 의미하지는 않는다. 이 가능성이 실제가 될 때에, ROI들의 대응 어레이가 마치 충분하게 높은 시간적 주파수 응답으로 로크인 탐지 모드에서 동작하는 PSD들의 어레이인 것처럼 ROI들의 그 대응 어레이를 할당하기 위해서 단일의 2차원 이미지 센서를 직접 사용할 수 있다. 펄스 턴-온 시간은 카메라 노출과 동기될 수 있다. 다른 말로 하면, 광원은 상기 카메라가 광을 수집하고 있는 시간 내의 짧은 지속시간 동안에 켜질 (turned on) 수 있다. 대안으로, 상기 SLD 소스는 카메라 노출 시간보다 아주 약간 더 긴 시간동안 켜질 수 있으며, 그래서 유효 펄스 지속시간이 카메라 노출 시간에 의해서 결정되도록 한다.

표준의 로크인 탐지에 추가로, 잡음을 더 줄어들게 하기 위해서 이중의 샘플링이 또한 채택될 수 있다. 예를 들면, 상기 광원은 밝은 상태 및 어두운 상태 사이에서 변조될 수 있다. 상기 PSD 어레이는 상기 밝은 상태 동안에 서브-웨이브프론트들을 초점을 맞춤으로써 형성된 이미지 스폿들의 신호를 기록할 수 있으며 그리고 상기 어두운 상태 동안에는 배경의 신호를 또한 기록할 수 있다. 배경 신호가 상기 밝은 상태 동안에 기록된 상기 신호로부터 감해질 때에, 그 결과는 이미지 스폿들의 원하는 중심에 대한 개선된 추정이다. 일 예에서, CCD/CMOS 이미지 센서의 픽셀들의 클러스터 또는 여러 클러스터들은 PSD들의 어레이로서의 행동에서 하나 또는 그 이상의 흥미대상 구역들 (ROIs)로서 프로그램될 수 있으며 그리고 각 ROI는 밝은 상태 서브-로우들 및 서브-컬럼들 그리고 어두운 상태 서브-로우들 및 서브-컬럼들로 더 분할될 수 있다. 모든 다른 서브-로우 및 서브-컬럼 (column)이 모든 다른 밝은 주기 및 어두운 구간에서 샘플링될 수 있다. 이 방식에서, 더 작은 픽셀들이 프레임 당 사용되기 때문에, 밝은 그리고 어두운 샘플링은 더 높은 프레임 레이트에서 동일한 ROI 또는 PSD에 의해서 달성될 수 있다. 각 ROI에서 픽셀들의 반은 SLD 광의 펄스 "온 (on)"에 동기될 수 있으며 그리고 나머지 반은 SLD 광의 펄스 "오프 (off)"에 동기될 수 있다.

대안으로, 상기 PSD 어레이로부터의 전자 신호는 상기 광원 펄스화 주파수보다 10배 또는 그보다 더 높은 주파수에서 샘플링되고, 디지털 신호로 변환되고 그리고 그 후 디지털 필터링될 수 있다. 일단 디지털 신호로 변환되면, 칼만 (Kalman) 필터링과 같은 다른 디지털 신호 추출 알고리즘들이 또한 채택될 수 있다.

또한, 도 3a 및 도 7에 도시된 통상적인 4-f 또는 8-f 웨이브프론트 릴레이 구성에 추가로, US20100208203에서 개시된 것과 같은 어떤 광학적 웨이브프론트 릴레이 구성이 사용될 수 있다.

다른 기능들 또한 상기 설명된 예시의 실시예들에 추가될 수 있다. 도 8은 일반적인 눈 이미지화 및 눈 응시를 위해 광의 적어도 일부를 반사하기 위해서 그리고 웨이브프론트 감지를 위해 적외선 광에 가까운 SLD 스펙트럼 범위를 실질적으로 전송하기 위해서 다이크로믹 (dichroic) 또는 장-파장-통과 빔 스플리터 (860)가 채택되는 실시에를 보여준다. 상기 다이크로믹 또는 장-파장-통과 빔 스플리터 (860)는 원하는 눈 디옵터 측정 범위에 걸친 눈으로부터의 웨이브프론트가 빔 스플리터 윈도우의 에지에 의한 방해를 받지 않으면서 완전하게 가로채어지는 것을 확실하게 하기 위해서 충분하게 큰 광 차단 윈도우를 가져야만 한다.

상기 다이크로믹 또는 장-파장-통과 빔 스플리터의 반사는 두 가지 기능들을 서비스할 수 있다. 첫 번째는 눈으로부터 돌아온 광의 시각적인 또는 거의 적외선 스펙트럼인 부분이 이미지 센서 (862)로 향하게 하여, 그래서 웨이브프론트 센서에 대해서 눈을 정렬시키는데 있어서 임상의를 돕는 것과 같은 다양한 목적을 서빙하기 위해서 라이브 (live) 눈 동공 이미지가 처리되고 디스플레이될 수 있도록 하는 것이다. 상기 눈으로부터 돌아온 광의 소스는, 예를 들면, 수술 현미경에서 사용된 조명 광원, 주변 실내 광 또는 웨이브프론트 센서 모듈로부터 직접 방사된 광이다. 두 번째 기능은 가시 (visible) 응시 타겟 (864)의 이미지를 환자의 눈으로 향하게 하여, 그런 응시가 필요하다면 그 위에 응시하기 위한 타겟을 상기 눈이 가질 수 있도록 하는 것이다.

이 반사된 광 빔 경로를 더 다운시키는 것은 상기 응시 타겟 광 빔 그리고 상기 이미지 센서 광 빔을 분리시키고/결합시키는 작은 빔 스플리터 (866)이다. 이 작은 빔 스플리터 (866)는 다양한 스펙트럼 특성들을 가질 수 있다. 예를 들면, 그것은 가시 그리고/또는 근 적외선 (near infrared) 스펙트럼 범위에서 작동하도록 설계된 간단한 50:50 브로드밴드 빔 스플리터일 수 있다. 그러나, 상기 고정 광원 (864)이 상대적으로 좁은 스펙트럼 폭을 가진다면, 그러면, 더 나은 광학적 효율을 위해서, 이 스몰 빔 스플리터 (866)의 반사 스펙트럼은 상기 응시 광의 양호한 반사를 허용하기 위해 그리고 그 스펙트럼의 나머지를 상기 이미지 센서 (862)로 전송하기 위해서 상기 응시 소스 스펙트럼에 매치되도록 만들어질 수 있다.

상기 이미지 센서 (862)의 앞에 있는 렌즈 (868)는 환자의 눈의 동공 또는 홍채 또는 전방 (anterior)의 라이브 이미지를 위한 원하는 광학적 확대를 디스플레이 상에 제공하기 위해서 설계될 수 있다. 그것은 이미지 센서 평면이 상기 눈 동공 평면과 공액인 것을 확실하게 하기 위해서 필요하다면 초검 거리를 조절하여, 그래서 분명한 눈 동공 이미지가 얻어질 수 있도록 하는 동적인 렌즈일 수도 있다. 그것은 줌 렌즈일 수 있어서, 임상의/외과의가 각막이나 망막 중 어느 하나에 초점을 맞추기 위해서 그리고 원하는 대로 배율을 변경하기 위해서 그 렌즈를 사용할 수 있도록 한다. 디지털 줌 또한 여기에서 채택될 수 있다.

응시 타겟 (864) 전면의 렌즈 (870)는 환자의 눈에 원하는 크기 및 밝기의 편안한 응시 타겟을 제공하도록 설계될 수 있다. 그것은 상기 응시 타겟이 눈의 망막과 공액이라는 것을 확실하게 하기 위해, 또는 눈을 상이한 거리들에 응시하도록 하기 위해 또는 심지어는 임상의/외과의의 필요에 따라 눈을 흐릿하게 하기 위해, 초점 거리를 조절하기 위해서 또한 사용될 수 있다. 상기 응시 광원 (864)은 자신을 예를 들면 수술 현미경의 조명 광과 구분하기 위해서 원하는 레이트로 번쩍이거나 또는 깜박이거나 또는 색상들을 변경할 수 있다. 응시 타겟 (864)은 광원에 의해서 거꾸로 조명을 받는 뜨거운 공기 풍선과 같은 이미지일 수 있으며 또는 임상의/외과의의 제어 하에서 도트들의 어레이들을 포함하는 원하는 패턴들을 디스플레이할 수 있는 마이크로-디스플레이일 수 있다. 추가로, 상기 마이크로-디스플레이 기반의 응시 타겟은 환자가 다른 방향들로 응시하도록 인도하기 위해서 또한 사용될 수있어서, 눈의 2D 어레이 수차 지도가 생성되어, 환자의 비-중심의 또는 주변 시야의 시각적인 예민함에 접근하기 위해 사용될 수 있도록 한다.

상기 응시 타겟, 눈 전방 이미지, 그리고/또는 다른 정보는 상기 현미경으로 또한 거꾸로 전송될 수 있을 것이며 그리고 접안 렌즈 (도시되지 않음)들을 통해서 볼 수 있도록 만들 수 있을 것이다. 이 정보는 현미경이나 바이오-현미경들의 동작 거리에 동일 평면일 수 있을 물리적인 거리 또는 일련의 렌즈들을 통해서 다이크로믹 또는 빔 스플리터에 의해서 관찰자의 시선과 같은 축으로 투사될 것이다.

이미지 센서 (862)는 흑색/백색 또는 컬러 CMOS/CCD 이미지 센서일 수 있으며 그리고 상기 응시 광원은 상이한 배경 조명 조건들을 기반으로 하여 자신의 출력 광 파워가 동적으로 그리고/또는 수동으로 제어가능한 적색 또는 녹색 또는 다른 색상의 발광 다이오드 (light emitting diode (LED))일 수 있다. 예를 들면, 수술 현미경으로부터의 상대적으로 강한 조명 빔이 턴 온될 때에, 상기 응시 광원의 밝기는 증가되어 환자가 상기 응시 타겟을 쉽게 찾고 그리고 그것에 응시하는 것을 가능하게 한다.

라이브 눈 동공 이미지를 제공하는 것에 추가로, 상기 이미지 센서 신호는 다른 목적들을 위해서 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 라이브 이미지는 또한 헤드-업 디스플레이 상에 디스플레이될 수 있으며 또는 수술 현미경의 접안 렌즈에 통합된 반-투명 마이크로-디스플레이 상에 디스플레이될 수 있다.

상기 라이브 이미지는 눈 동공의 크기 및 횡단 위치를 탐지하기 위해서 사용될 수 있다. 동공의 크기가 작고 그리고/또는 웨이브프론트 센서에 대해서 이동되었다는 것이 발견될 때에, 웨이브프론트를 선택하고 그리고/또는 샘플링하고 그리고/또는 시프트하기 위한 메커니즘이 환자의 동공 상에 중심을 둔 웨이브프론트의 구역만을 샘플링하기 위해서 상기 이미지 센서로부터의 정보를 이용하여 구동될 수 있다. 다른 말로 하면, 동공 크기 및 위치 정보는 웨이브프론트 샘플링의 자동적인 그리고/또는 동적인 조절 그리고 스케일링을 위해서 폐쇄 루프 방식으로 이용될 수 있다. 그래서, 능동 웨이브프론트 샘플링 개구 및/또는 스캐너는 눈 추척을 구현할 수 있다. 내부 조절을 이용하고 웨이브프론트 센서 그리고/또는 웨이브프론트 센서가 부착된 수술 현미경을 이동시키지 않으면서 또는 그렇지 않다면 그것의 이용과의 간섭 없이 동공을 계속해서 추적하는 이 능력은 수술 과정을 통해서 환자의 웨이브프론트 오류에 대한 연속적인 측정을 가능하게 한다.

샘플링된 웨이브프론트에서의 광의 강도가 환자 동공의 가장자리에서 떨어지기 때문에, 즉, 망막으로부터 돌아온 광을 홍채가 차단하기 시작하기 때문에, 웨이브프론트 센서 그 자체는 동공 추적을 위한 정보를 또한 제공할 수 있다. 그래서, 상기 웨이브프론트 센서에 의해서 탐지된 강도는 환자의 동공의 지도를 제공할 수 있으며, 이것은 상기 웨이브프론트 샘플링이 환자의 동공 상에 더욱 정밀하게 중심을 받을 수 있도록 하기 위해서 사용될 수 있다.

추가로, 상기 이미지 센서 또는 상기 웨이브프론트 센서 유도 눈 동공 위치 정보 중 어느 하나는 상기 SLD 빔이 눈 움직임을 따라가는 것을 가능하게 하기 위해 스캔 거울 (880)을 구동하기 위한 피드백 신호를 생성하기 위해서 사용될 수 있으며, 그래서, 예를 들면, 각막에 의해 돌아온 거울처럼 반사된 SLD 빔이 웨이브프론트 센서의 PSD들에 진입하는 것을 방지하기 위해서 상기 SLD 빔이 계획된 것과 같이 동일한 각막 위치로부터 각막에 항상 진입할 수 있도록 한다. 상기 SLD 빔은 눈의 중심을 잡기 위해 또는 동공의 중심으로부터 상기 SLD 빔을 의도적으로 오프셋시키기 위해서 또는 SLD 빔에 상대적으로 눈의 위치를 결정하기 위해 피드백/안내를 제공하기 위해서 이미지 센서에 의해서 또한 상을 비출 수 있다. 오브젝트 빔 스캐너 (812)는 눈 동공 움직임을 따라가기 위해 적절한 오프셋을 이용하여 또한 조정될 수 있다.

또한, 눈에 눈물이 공급될 때에, 또는 광학적 기포가 존재할 때, 또는 눈까풀, 얼굴 피부, 외과의의 손, 또는 수술 도구나 장비가 이미지 센서의 뷰 필드에 있으며 그리고 웨이브프론트 릴레이 빔 경로를 차단하고 있을 때와 같이 광학 경로에 장애들이 존재한다는 것이 발견될 때에, "어두운" 또는 "밝은" 데이터를 배제하기 위해서 웨이브프론트 데이터는 버려질 수 있으며, 그리고 동시에 상기 SLD (834)는 꺼질 수 있다.

몇몇의 예시의 실시예들에서, 정성적인 그리고/또는 정량적인 웨이브프론트 측정 결과가 상기 이미지 센서 (862)에 의해서 캡쳐된 라이브 눈 동공 이미지의 디스플레이 상으로 놓여질 수 있다. 또한, 라이브 눈 동공 이미지에 놓여진 상기 웨이브프론트 측정 결과는, 굴절 상태에서의 어떤 변화 그리고 웨이브프론트 센서에 의한 상기 변경된 굴절 상태의 보고 사이에 낮은 지연이 존재하도록 하는 속도로 업데이트될 수 있다. 이 업데이트는 탐지된 웨이브프론트 데이터를 원하는 구간에 걸쳐서 평균화하고 그리고 상기 라이브 눈 이미지를 덮은 상기 정성적인 그리고/또는 정량적인 측정 결과를 의사가 선호하는 원하는 업데이트 속도로 업데이트하여 달성될 수 있다.

상기 이미지 센서는 응시 타겟에 독립적으로 작동하기 위해서 도 3a 또는 도 6 중 어느 하나의 구성에 개별적으로 통합될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 한편, 상기 응시 타겟은 상기 이미지 센서에 독립적으로 작동하기 위해서 도 3a 또는 도 6 중 어느 하나의 구성에 또한 개별적으로 통합될 수 있다

상기 예시의 실시예들의 웨이브프론트 센서는 눈 웨이브프론트 측정들을 위해서 다양한 안과 도구들에 통합될 수 있다는 것에 또한 유의한다. 도 9는 웨이브프론트 센서가 수술 현미경과 통합된 일 예를 보여주며, 이것은 눈 웨이브프론트가 연속으로 측정되는 동안에도 환자의 눈을 보는 것을 가능하게 한다. 이 통합에서, 빔-스플리터 (915)는 시선 (903)을 따라서 현미경 사용자의 눈으로부터 환자의 눈으로 삽입되어, 웨이브프론트-측정 시스템 (900)과 환자의 눈 (938)을 연결시키는 제2 광학 경로를 생성한다. 바람직하게는 상기 빔-스플리터 (915)는 가시 스펙트럼의 대부분은 현미경의 사용자에게로 통과하도록 허용하면서도 근적외선 광 (near infrared light)은 반사하는 다이크로믹 빔-스플리터이다.

이 구성을 이용하여, 상기 웨이브프론트 측정 시스템 (900)은 광을, 바람직하게는 근적외선 광을 환자의 눈 (938)의 망막을 향하여 방사할 수 있으며, 일부 산란된 광이 그 망막으로부터 웨이브프론트 센서로 돌아올 것이다. 망막 상의 산란 포인트는, 상기 웨이브프론트 측정 시스템 (900)의 웨이브프론트 샘플링 평면으로 중계되는 웨이브프론트 (901) 그리고 평면으로부터의 또는 환자의 눈의 굴절 또는 수차들을 드러내는 원래의 웨이브프론트 수차가 존재한다면 상기 웨이브프론트 센서 모듈의 고유의 수차가 있는 웨이브프론트로부터의 편차들과 함께, 일부 광을 돌려보낸다.

도 10은 본원에서 개시된 웨이브프론트 센서의 슬릿-램프 바이오-현미경과의 통합을 보여준다. 다시, 빔-스플리터 (1015)는 시선 (1003)을 따라서 슬릿-램프 바이오-현미경 사용자의 눈으로부터 환자의 눈으로 삽입될 수 있으며, 웨이브프론트-측정 시스템 (1000)과 환자의 눈 (1038)을 연결시키는 제2 광학 경로를 생성한다. 비록 상이한 동작 거리 및 연관된 변화들을 구비한 상이한 설계는 특별한 안과 도구에 대한 요구사항에 따른 옵션이지만, 동일한 설계의 웨이브프론트 센서가 각 응용에서 사용될 수 있다는 것에 유의한다.

실제로, 바람직하게는 동일한 설계의 웨이브프론트 센서는 수술 이전과 이후에는 환자 검사를 위해서 슬릿-램프 바이오-현미경과 함께 그리고 굴절 수술 동안에는 수술 현미경과 함께 사용된다. 여기에서 '안과 도구 (ophthalmic instrument)'의 용어는 안과 현미경의 유형 그리고/또는 기저부 (fundus) 카메라와 같은 다른 안과 도구의 유형 중 어느 하나를 언급하기 위해서 사용한다. 바람직하게는, 상기 웨이브프론트 센서는 현미경의 특별한 정렬 또는 초점맞춤을 필요로 하지 않아야 하며 또는 그렇지 않다면 안과 도구를 보통으로 사용하는 것과 간섭하지 않아야 한다.

추가로, 웨이브프론트 센서의 예시의 실시예들은 라식 또는 자연산 눈 렌즈 파쇄 그리고 각막 절개/절단을 위해서 사용되는 펨토-초 레이저 또는 엑시머 (excimer) 레이저에 또한 통합될 수 있다. 상기 라이브 눈 이미지 그리고 웨이브프론트 신호는 눈 외과 수술 이전에, 동안에 그리고 이후에 눈이나 전방 (anterior chamber)에 광학적 기포(들) 또는 다른 광학적 비-균일체가 존재하는지를 표시하기 위해서 결합될 수 있다. 웨이브프론트 정보는 폐 루프 방식에서 라식 절차를 직접 인도하기 위해서 또한 사용될 수 있다.

이 실시예들은 광학 렌즈, 안경들, IOL을 측정하기 위해서 그리고/또는 광학렌즈들을 만드는 절단/머시닝 디바이스들을 인도하기 위해서 또한 배치될 수 있다.

이 실시예들은 세포 그리고/또는 분자 분석 또는 다른 계측 애플리케이션들을 위한 현미경들에 또한 적응될 수 있다. 상기 예시의 실시예들은 렌즈 가공, 검안, 마이크로-생물학 응용분야들 등을 위해서 또한 사용될 수 있다.

비록 본 발명의 교시들을 통합하는 다양한 예시의 실시예들이 여기에서 보여지고 상세하게 설명되었지만, 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들은 이 교시들을 여전히 통합하는 많은 다른 변형된 실시예들을 쉽게 고안할 수 있다.

Claims (43)

1. 안과 웨이브프론트 센서로서:
   레퍼런스 주파수에서 발진하고 또는 펄싱하는 레퍼런스 신호를 수신하고 상기 레퍼런스 주파수에서 광의 펄스들에 의해 형성된 광의 빔을 생성하도록 구성된 광원;
   상기 광 빔을 상기 광원으로부터 환자의 눈으로 진행하도록 구성되며 그리고 환자의 눈으로부터 돌아온 광 빔의 일부가 상기 레퍼런스 주파수에서 광 펄스들의 모습으로 오브젝트 웨이브프론트가 형성되는 제1 빔 방향지시 요소;
   오브젝트 웨이브프론트를 환자의 눈의 전방 부 (anterior portion)에 위치한 제1 오브젝트 평면으로부터, 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도할 수 있는 제1 빔 경로를 따라서 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 중계 (relay)하도록 구성된 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템;
   고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이로, 각 위치 감지 디바이스는 레퍼런스 위치로부터 이미지 스폿 (spot) 중심의 편향 (deflection)의 양을 탐지하고 그리고 그 편향의 양을 표시하는 측정 신호를 출력하도록 구성된, 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이;
   상기 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이 앞에 배치된 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이로, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이 내 각 샘플링 요소는 중계된 웨이브프론트의 서브-웨이브프론트를 샘플링하고 그리고 샘플링된 서브-웨이브프론트를 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이 내 대응 고주파수 응답 위치 감지 디바이스 상으로 초점을 맞추도록 구성되며, 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은 서로에게 물리적으로 이격하여 위치하여, 고 디옵터 범위 오브젝트 웨이브프론트의 각 샘플링된 서브-웨이브프론트가, 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소에 대응하는 상기 대응 고주파수 응답 위치 감지 디바이스 상에만 초점이 맞추어지도록 하는, 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이; 그리고
   상기 레퍼런스 신호 및 상기 측정 신호를 수신하도록 결합되며, 그리고 상기 레퍼런스 주파수에서 상기 측정 신호의 주파수 성분의 크기만을 표시하도록 구성되어, 1/f 잡음을 포함하는 모든 잡음 신호들이 억제될 수 있도록 하는, 전자 주파수-감지 탐지 시스템을 포함하며,
   f는 DC 그리고 상기 레퍼런스 주파수보다 더 낮은 주파수들을 나타내는,
   안과 웨이브프론트 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템은 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하며,
   각 렌즈는 직경, 초점 거리 및 광학 축을 구비하며,
   상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 상기 초점 거리들 및 직경들은 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 상기 웨이브프론트 릴레이 빔을 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도하도록 선택된, 안과 웨이브프론트 센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템은 상기 오브젝트 웨이브프론트를 상기 환자 눈의 상기 전방 부 (anterior portion)에 위치한 오브젝트 평면으로부터 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 사이에 위치한 제1 푸리에 변환 평면으로 그리고 상기 제1 빔 경로를 따라 상기 웨이브프론트 이미지 평면으로 중계하도록 구성된, 안과 웨이브프론트 센서.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 사이에 위치한 상기 제1 푸리에 변환 평면에 배치되며 그리고 상기 중계된 웨이브프론트를 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이에 대하여 시프트하도록 구성된 제1 빔 스캐너를 더 포함하며,
   서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이는 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면에 배치된, 안과 웨이브프론트 센서.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광원의 레퍼런스 주파수는 1/f 잡음 주파수 범위 위에 있는, 안과 웨이브프론트 센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 안과 웨이브프론트 센서는,
   상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면에 위치한 제2 오브젝트 평면을 구비하며, 상기 오브젝트 웨이브프론트를 상기 제2 오브젝트 평면으로부터 제2 웨이브프론트 이미지 평면으로, 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 제2 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도할 수 있는 제2 빔 경로를 따라서 중계하도록 구성된 제2 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템을 더 포함하며, 그리고
   서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이는 상기 제2 웨이브프론트 이미지 평면에 배치된, 안과 웨이브프론트 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템은 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하며, 각 렌즈는 직경, 초점 거리 및 광학 축을 구비하며, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 상기 초점 거리들 및 직경들은 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 상기 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도하도록 선택되며; 그리고
   상기 제2 광학 웨이브 프론트 릴레이 시스템은 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며, 각 렌즈는 직경, 초점 거리 및 광학 축을 구비하며, 상기 제3 렌즈 및 제4 렌즈의 상기 초점 거리들 및 직경들은 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 상기 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 상기 제2 웨이브프론트 이미지 평면으로 더 인도하도록 선택된, 안과 웨이브프론트 센서.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제3 렌즈는 상기 오브젝트 웨이브프론트를 상기 제3 렌즈 및 제4 렌즈 사이에 위치한 제2 푸리에 변환 평면으로 인도하도록 구성된, 안과 웨이브프론트 센서.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제3 렌즈 및 제4 렌즈 사이의 상기 제2 푸리에 변환 평면에 배치되며 그리고 상기 중계된 웨이브프론트를 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이에 대하여 시프트하도록 구성된 제1 빔 스캐너를 더 포함하는, 안과 웨이브프론트 센서.
10. 제4항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 빔 스캐너는 눈을 추적하도록 구성되어,
    상기 눈이 움직일 때에도 상기 눈으로부터 상기 웨이브프론트의 원하는 부분(들)만이 항상 샘플링되도록 하는, 안과 웨이브프론트 센서.
11. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    눈을 따르기 위해서 상기 오브젝트 웨이브프론트를 생성할 용도로 상기 광 빔을 방향지시 (direct)함으로써 눈을 추적하도록 구성된 제2 빔 스캐너를 더 포함하는, 안과 웨이브프론트 센서.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 빔 스캐너는 상기 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템의 상기 제1 렌즈의 후방 초점 평면에 배치된, 안과 웨이브프론트 센서.
13. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 웨이브프론트 평면에 배치되며, 하나 이상의 웨이브프론트 수차 성분(들)을 부분적으로 또는 완전하게 보상하도록 구성되어, 남아있는 웨이브프론트 수차 성분(들)이 더욱 정밀하게 측정될 수 있도록 하는 웨이브프론트 보상기를 더 포함하는, 안과 웨이브프론트 센서.
14. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안과 웨이브프론트 센서는 안과 현미경에 결합하도록 구성된, 안과 웨이브프론트 센서.
15. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    라이브 (live) 눈 전방 이미지를 제공하도록 구성된 눈 이미지 센서 그리고
    눈 이미지화 (eye imaging)를 위한 광학 경로를 제공하도록 구성된 제2 방향지시 요소를 더 포함하는, 안과 웨이브프론트 센서.
16. 제15항에 있어서,
    상기 웨이브프론트 측정의 정성적인 그리고/또는 정량적인 결과의 오버레이와 함께 라이브 눈 전방 이미지를 디스플레이하도록 구성된 디스플레이를 더 포함하는, 안과 웨이브프론트 센서.
17. 제15항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 눈 동공 위치에 관한 정보를 제공하도록 더 구성된, 안과 웨이브프론트 센서.
18. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이 그리고 상기 고주파수 응답 위치 감지 디바이스들의 어레이 사이에 배치되며, 이미지 스폿 평면에서 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이에 의해서 형성된 이미지 스폿들 사이의 간격을 상기 위치 감지 디바이스들의 어레이가 배치된 평면으로 중계하고 그리고 광학적으로 확대하도록 구성된 렌즈를 더 포함하는, 안과 웨이브프론트 센서.
19. 삭제
20. 안과 웨이브프론트 센서로서:
    오브젝트 웨이브프론트를 환자의 눈의 전방 부 (anterior portion)에 위치한 제1 오브젝트 평면으로부터, 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도할 수 있는 제1 빔 경로를 따라서 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 중계하도록 구성된 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템;
    상기 빔 경로를 따라서 배치되며, 상기 웨이브프론트 릴레이 빔을 완전히 가로채거나 또는 스캔하도록 구성된 빔 스캐너/편향기 (deflector);
    레퍼런스 위치로부터 이미지 스폿 중심의 2차원의 편향의 양을 탐지하고 그리고 상기 2차원의 편향의 양을 표시하는 측정 신호를 출력하도록 구성된, 2차원 위치 감지 디바이스들의 어레이; 그리고
    상기 위치 감지 디바이스들의 어레이 앞에 배치된 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이;를 포함하며,
    서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이 내 각 샘플링 요소는 중계된 웨이브프론트의 서브-웨이브프론트를 샘플링하고 그리고 샘플링된 서브-웨이브프론트를 상기 위치 감지 디바이스들의 어레이 내 대응 위치 감지 디바이스 상으로 초점을 맞추도록 구성되며,
    상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들은 서로에게 물리적으로 이격하여 위치하여, 고 디옵터 범위 오브젝트 웨이브프론트의 각 샘플링된 서브-웨이브프론트가, 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소에 대응하는 상기 대응 위치 감지 디바이스 상에만 초점이 맞추어지도록 하는, 안과 웨이브프론트 센서.
21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면에 위치한 제2 오브젝트 평면을 구비하며, 상기 오브젝트 웨이브프론트를 상기 제2 오브젝트 평면으로부터 제2 푸리에 변환 평면으로 더 중계하고, 그리고 상기 오브젝트 웨이브프론트를, 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 상기 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 제2 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도할 수 있는 제2 빔 경로를 따라서 상기 제2 웨이브프론트 이미지 평면으로 더 중계하도록 구성된 제2 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템;을 더 포함하며,
    서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이는 상기 제2 웨이브프론트 이미지 평면에 배치되며;
    상기 빔 스캐너/편향기는 상기 제2 푸리에 변환 평면에 배치되며, 그리고 2차원에서 상기 웨이브프론트 릴레이 빔을 완전히 가로채고 스캔하도록 구성되며;
    각 위치 감지 디바이스는 상기 이미지 스폿 중심의 상기 레퍼런스 위치로부터의 2차원 편향의 양을 탐지하고 그리고 2차원 편향의 상기 양을 나타내는 측정 신호를 출력하도록 구성되며; 그리고
    서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이는 상기 제2 웨이브프론트 이미지 평면에 배치되는, 안과 웨이브프론트 센서.
22. 제20항에 있어서,
    상기 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템은 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하며, 각 렌즈는 직경, 초점 거리 및 광학 축을 구비하며,
    상기 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템은 오브젝트 웨이브프론트를 환자의 눈의 전방 부 (anterior portion)에 위치한 제1 오브젝트 평면으로부터 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 사이에 위치한 제1 푸리에 변환 평면으로 그리고 상기 제1 빔 경로를 따라서 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 중계하도록 구성되며, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 상기 초점 거리들 및 직경들은 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 상기 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도하도록 선택되며 그리고 상기 빔 스캐너/편향기는 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 사이에 배치된 상기 제1 푸리에 변환 평면에 배치되며; 그리고
    서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 상기 어레이는 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면에 배치되는, 안과 웨이브프론트 센서.
23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 광학 웨이브프론트 릴레이 시스템은 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 포함하며, 각 렌즈는 직경, 초점 거리 및 광학 축을 구비하며, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈의 상기 초점 거리들 및 직경들은 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 상기 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 상기 제1 웨이브프론트 이미지 평면으로 인도하도록 선택되며; 그리고
    상기 제2 광학 웨이브 프론트 릴레이 시스템은 제3 렌즈 및 제4 렌즈를 포함하며, 각 렌즈는 직경, 초점 거리 및 광학 축을 구비하며, 상기 제3 렌즈 및 제4 렌즈의 상기 초점 거리들 및 직경들은 상기 제1 오브젝트 평면에서 큰 디옵터 범위를 구비한 상기 입사 웨이브프론트 릴레이 빔을 상기 제2 웨이브프론트 이미지 평면으로 더 인도하도록 선택된, 안과 웨이브프론트 센서.
24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이 그리고 상기 위치 감지 디바이스들의 어레이 사이에 배치되며, 이미지 스폿 평면에서 상기 서브-웨이브프론트 샘플링 요소들의 어레이에 의해서 형성된 이미지 스폿들 사이의 간격을 상기 위치 감지 디바이스들의 어레이가 배치된 평면으로 중계하고 광학적으로 확대하도록 구성된 렌즈를 더 포함하는, 안과 웨이브프론트 센서.
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