KR20020086519A

KR20020086519A - 안과 측정에서의 사용을 포함하는 웨이브프론트 센서용다이내믹영역 확장 기법

Info

Publication number: KR20020086519A
Application number: KR1020027010362A
Authority: KR
Inventors: 다니엘알. 닐; 대럴제이. 암스트롱; 제임스케이. 그루츠너; 리차드제이. 코플랜드
Original assignee: 웨이브프론트 싸이언씨스 인코포레이티드
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-11-18
Also published as: KR100883739B1; US6550917B1; EP1255483B1; WO2001058339A9; EP2952954A1; JP5191622B2; JP2004500195A; WO2001058339A3; US20030193647A1; AU5168101A; KR20080069716A; EP1255483A2; WO2001058339A2

Abstract

안과 오차 측정 시스템은 광을 눈의 망막 위로 입사하는 투영 광학계와, 상기 투영 광학계와 눈 사이에 위치하면서, 광선을 눈 안에서의 수차만큼 보상하여 눈 안으로 입사되도록 하는 예비-보정 시스템과, 망막에 의해 산란되는 광을 집광하는 이미징 시스템과, 상기 망막에 의해 상기 이미징 시스템으로부터 되돌아오는 광을 수광하는 검출기를 포함한다. 예비-보정 시스템의 사용 때문에 안계의 끝에서 끝까지의 수차를 분석할 수 있게 된다. 예비-보정 시스템의 사용 때문에 또한 망막 위에 스폿 크기 최소화하여 이용할 수 있고 그에 따른 이점을 이용할 수 있게 된다.

Description

안과 측정에서의 사용을 포함하는 웨이브프론트 센서용 다이내믹영역 확장 기법{DYNAMIC RANGE EXTENSION TECHNIQUES FOR A WAVEFRONT SENSOR INCLUDING USE IN OPHTHALMIC MEASUREMENT}

눈에서 수차(收差: aberrations)를 측정하는 것은 시각 결함의 진단과 명료도의 평가시 중요하다. 이러한 측정과 그 정확성은, 수차가 보정될 수 있는 외과적 및 비외과적 방법이 점점 더 증가하고 있다는 점에서 점점 더 중요해져 왔다. 이러한 보정(correction)은 전체 안계(眼系: ocular system)의 정확하고 정밀한 측정에 의존해서, 성공적인 스크리닝, 처리 및 이어지는 작업을 가능하게 한다. 시각 측정의 정확성을 강화하는 것은 보정이 필요한 환자를 더욱 쉽게 찾아내는데 도움을 주고 그 보정 자체의 성능을 강화하는 데에도 도움을 준다.

현재 수많은 방법이 안계의 성능을 측정하는데 사용되고 있다. 가장 널리 사

용되고 잘 확립된 방법은 심리-물리학적 방법으로, 즉, 환자의 주관적인 피드백에 의존하는 방법이다. 심리-물리학적 방법의 가장 오래된 예는 포옵터(foreopter) 혹은 시험 렌즈법인데, 이것은 시행착오(trial and error)에 의존해서 필요한 보정을 결정짓는 것이다. 시각 명료도, 시각 조절 전이 기능, 콘트라스트 감도 및 다른 관심있는 파라미터를 측정하기 위한 심리-물리학적 방법이 있다.

이러한 주관적 방법 이외에, 안계의 성능을 평가하기 위한 객관적 방법도 역시 있다. 이러한 객관적 방법은 각막 지형도(corneal topography), 웨이브프론트 수차법(wavefront aberrometry), 각막 간섭측정법(corneal interferometry) 및 자체 굴절(auto-refraction)을 포함한다. 이러한 방법들 중 많은 것들이 단지 특정 요소들의 전체 굴절 오차에 대한 기여만을 측정할 뿐이다. 예를 들면, 많은 작업들이 각막의 형상을 측정하고 각막층의 특성을 나타내기 위한 것들이다. 그러나, 대부분의 경우 각막 형상은 단지 전체 굴절 오차의 약 30 - 40% 정도 기여할 뿐이다. 굴절 오차를 전체적으로 측정하고 진단 및 보정용으로 완벽한 맵핑(mapping)을 제공하기 위해서는, 추가적인 정보 및 측정이 필요하다.

눈의 굴절을 결정짓는 또 다른 방법은 자체-굴절로, 이것은 다양한 기법을 사용하여 자동적으로 필요한 보정 처방을 결정짓는다. 이러한 자동화된 기법은 하나 이상의 스폿 혹은 패턴을 망막 위에 투영하고, 바람직한 응답이 얻어질 때까지 자체-굴절기내에 광학 요소를 자동적으로 조절하고, 이러한 조절로부터 필요한 보정을 결정짓는 것이다. 그러나, 자체-굴절기는 특별히 신뢰할 만한 것으로 고려되지 않는다. 또한, 자체-굴절기는, 초점 및 비점수차 오차와 같은 낮은 차수(lowerorder)의 수차 구성요소만을 측정할 뿐이다.

최근, 눈은 하나의 광학계(光學系: optical system)로 고려되기 시작했으며, 전에는 다른 광학계에서 사용하였던 방법들을 눈의 측정에 적용하게 되었다. 이러한 방법들은 간섭측정법 및 샤크-하트만 웨이브프론트 센싱을 포함한다. 이러한 기법들은, 눈의 완전한 수차를 측정하기 때문에 특히 흥미롭다. 이러한 추가적인 정보는 시력에 영향을 줄 수 있는 비-균일 비대칭 오차의 측정을 가능하게 한다. 또한, 이러한 정보는 다양한 보정 기법 중 어느 것과도 연계되어 시력의 강화를 가져올 수 있게 된다. 예를 들어, 윌리엄 등에게 허여된 미국특허 제 5,777,719는 이러한 정보를 사용하여 콘택트 렌즈, 눈-안쪽(intra-ocular) 렌즈 및 다른 광학 요소를 만드는 것을 개시한다.

웨이브프론트 수차법은 끝에서 끝까지의 최대한의 수차를 눈의 전체 광학계를 통해 측정한다. 이러한 측정에서, 스폿이 망막 위에 투영되고 그 결과로 얻어지는 회귀 광이 광학계로 측정되므로, 눈의 수차의 최대한의 통합된 시선(line-of-sight) 측정을 얻을 수 있다. 이러한 측정에 사용되는 기구의 가장 큰 단점은, 이 기구의 렌즈릿 배열에 의해 극도로 제한되는 전체 해상도이다. 그러나, 렌즈릿 어레이의 선택 그 자체도 여러 인자에 의해 제한되는데, 그 중 가장 중요한 것은 망막 위에 투영되는 스폿의 크기이다.

도 2는 샤크-하트만 웨이브프론트 센서의 2차원적 실시예의 기본 구성요소를 개략적으로 보여준 도면이다. 망막으로부터의 입사 웨이브프론트 110의 일부가 2차원 렌즈릿 어레이 112 위에 입사된다. 렌즈릿 어레이 112는 입사 웨이브프론트 110을 쪼개서 여러 개의 작은 샘플로 만든다. 상기 렌즈릿이 작으면 작을수록 센서의 공간 해상도(spatial resolution)가 더욱 더 커진다. 그러나, 작은 렌즈릿으로부터의 스폿 크기는 회절 효과 때문에 사용될 수 있는 초점 길이를 제한하여, 이것이 반대로 낮은 감도로 이어진다. 따라서, 이 두 가지 파라미터가 바람직한 측정 성능을 이룰 수 있도록 균형 잡혀져야 한다.

수학적으로, 검출기 평면 114 상의 이미지는, 도 3에 보인 것처럼, 초점 거리 f의 렌즈릿 112에 의해 만들어지는 일정 간극 d를 갖는 초점 스폿 116의 패턴으로 구성된다. 이러한 스폿들은 뚜렷하고 이격되어 있어서, 서로 동일하다는 것을 쉽게 알아낼 수 있다. 따라서, 스폿 크기 ρ는 그 스폿들의 간격의 ½을 초과할 수 없다. 스폿 간격 파라미터 N_FR이 렌즈릿 배열 12를 특징짓는데 사용될 수 있고 다음과 같이 주어진다:

렌즈의 크기와 그것이 발생시키는 초점 스폿 사이의 관계식이, 광의 파장이 λ인 경우, 원형 렌즈의 경우 다음 식 (2)과 같이, 사각 렌즈의 경우 다음 식 (3)과 같이 주어진다:

따라서, 사각 렌즈에 대해서는, 간격 파라미터가 다음과 같다:

이는 렌즈릿의 프레스넬 수(Fresnel number)로도 역시 알려져 있다. 초점 스폿이 겹쳐지는 것을 피하기 위해 N_FR＞ 2 이어야 한다. 실제로, 상기 프레스넬 수는 2보다 다소 커야만 상기 기구가 어느 정도 다이내믹영역을 가질 수 있게 된다. 샤크-하트만 웨이브프론트 센서의 다이내믹영역은, 스폿의 가장자리가 투영된 렌즈릿 경계와 간신히 맞닿을 수 있도록, 다음과 같이 초점 스폿이 제한되게 이동하는 것으로 정의될 수 있다.

또는,

따라서, 다이내믹영역은 간격 파라미터 및 렌즈릿 크기에 직접적으로 비례한다.

샤크-하트만 웨이브프론트 센서 시각 측정 시스템용으로 특별히 유용한 배열은 동공 혹은 각막 표면과 접하고 있는 평면에 있는 이미지 릴레이 광학계 내에 렌즈릿 어레이를 위치시키는 것이다. 이러한 배열에서, 웨이브프론트 센서의 검출기 위의 스폿 크기는 다음과 같다:

여기서, M은 이미징 광학의 배율이고, f_L은 렌즈릿 어레이의 초점 거리이고, f_e는 눈의 초점 거리이고, ρ₁은 망막의 스폿 크기이다.

상기 식 (5) 및 (7)을 비교하는 경우, 웨이브프론트 센서의 다이내믹영역이 망막 위에 투영되는 스폿의 크기 ρ₁에 의해 제한된다는 것은 분명하다. 실제 시스템의 경우, 다이내믹영역이 광학계 내에 오차를 분석해낼 수 있어야만 한다. 따라서, 다이내믹영역이 전체 시스템 설계에 있어서 가장 중요하게 제한받는 파라미터이다. 시각 측정에 사용되는 샤크-하트만 웨이브프론트 센서의 과거의 적용시에는, 다이내믹영역이 각 렌즈릿의 크기를 증가시킴에 따라 증가하였다. 그러나, 눈 그 자체가 상당한 수차를 가질 수도 있다. 따라서, 눈 안으로 투영되는 어떤 빔도 어느 정도 벗어나서 초점 스폿을 퍼지게 해서 망막 위에서 스폿 크기 ρ₁을 증가시킬 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 기법이 실행되어 왔다. 전체 웨이브프론트 오차가 입사된 빔에 걸쳐 최소화될 수 있도록 소직경빔이 사용되어 왔다. 또 다른 해결책으로, 초점 스폿의 크기가 눈 수차에 의해 영향받지 않도록, 눈 안의, 시야렌즈(field lens)로 작용하는, 긴 초점 거리 렌즈의 초점에 광을 투영하는 것이 제안되었다. 실제로, 상기 경우 둘 다에 있어서, 빔은 여전히 크고 안계의 수차만큼 크기면에서 증가하였다.

시스템의 다이내믹영역에 대한 또 다른 한계는 샘플링할 수 있는 크기이다. 망막 위의 커다란 스폿만큼, 웨이브프론트 센서의 샘플 크기도, 최소 다이내믹영역정도는 실현될 수 있도록, 증가되어야 한다. 심한 비점수차를 겪고 있거나 라식(LASIK) 시술을 경험한 사람들에게서 발견할 수 있는, 격심한 수차를 갖는 안계에서는, 각 렌즈릿에 걸친 수차가 렌즈릿 초점 스폿을 퇴화시키기에 충분하다. 따라서, 상기 시스템의 한계는 초점 스폿 겹침이 아니라 초점 스폿 그 자체가 사라지거나 추적하기에 곤란해진다는 것이다. 광이 망막에 의해 수많은 초점 스폿으로 산란되기 때문에, 작은 샘플 크기를 사용하면 충분한 광이 모아지지 않는다. 안전을 고려해야 하기 때문에, 이러한 산란을 보상할 수 있을 정도로 입력 파워를 증가시킬 수는 없다.

본 발명은 눈에서의 굴절 오차 측정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이러한 굴절 오차의 지형도(topographic mapping)를 수집하는 방법 및 기법에 관한 것이다.

전술한 목적들 및 다른 목적들과 양상 및 이점들이 아래 도면을 참고로 설명될 것이다:

도 1은 본 발명에 따른 측정 시스템의 평면도이다.

도 2는 샤크-하트만 웨이브프론트 센서의 기본 구성요소를 개략적으로 보여주는 측면도이다.

도 3은 렌즈의 크기, 그 초점 기리 및 스폿 크기 사이의 관계를 개략적으로 보여준다.

도 4A 내지 4C는 다른 배열의 스폿 크기를 개략적으로 보여준다.

도 5A 내지 5B는 광이 축을 벗어나 눈으로 입사하여 반사된 광이 웨이브프론트 센서로 들어가는 것을 막는 것을 개략적으로 보여준다.

도 6은 고정 망원경 및 조정 가능한 망원경을 사용하는, 본 발명에 따른 배열을 개략적으로 보여준다.

도 7은 가변 렌즈를 사용하는, 본 발명에 따른 배열을 개략적으로 보여준다.

도 8은 본 발명과 함께 사용하기 위한 원통형 망원경의 개략적으로 보여준다.

도 9는 보정 렌즈를 사용하는, 본 발명에 따른 배열을 개략적으로 보여준다.

따라서, 본 발명은, 관련 기술이 갖는 측정상 한계 및 난점에 기인하는 하나 이상의 문제점을 실질적으로 극복할 수 있도록, 눈의 굴절 오차를 측정하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 눈의 끝에서 끝까지의 수차를 충분히 정확하게 측정하고 실제적인 방법으로 다이내믹영역을 측정하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 안계 내로 광선을 투영하여 망막 위에 초점 스폿의 크기를 최소화하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이렇게 작은 초점 스폿을 사용해서 안계의 샘플링 밀도를 점점 더 크게 해서, 정확성 및 다이내믹영역을 향상시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 실제적이고 저가의 시스템을 만들어서 임상에서의

사용에 이용하는 것이다.

광을 눈의 망막 위로 입사하는 투영 광학계(projecting optical system)와, 상기 투영 광학계와 눈 사이에 위치하면서, 광선을 눈 안에서의 수차만큼 보상하여 눈 안으로 입사되도록 하는 예비-보정 시스템(pre-correction system)과, 망막에 의해 산란되는 광을 집광하는 이미징 시스템(imaging system)과, 상기 망막에 의해 상기 이미징 시스템으로부터 되돌아오는 광을 수광하는 검출기(detector)로 이루어지는 눈에서의 오차 측정 시스템을 제공함으로써 상기 목적들 및 다른 목적들 중 적어도 하나 이상이 달성될 수 있다.

상기 검출기는 샤크-하트만(Shack-Hartmann) 웨이브프론트 센서, 층밀림 간섭계(shearing interferometer), 모와 디플렉토미터(Moire deflectometer), 또는 다른 수동 상태 측정 시스템일 수 있다. 상기 예비-보정 시스템은 적어도 하나의 가동 렌즈를 갖는 망원경, 중간 이미지 평면에 삽입되는 고정 렌즈, 적응 광학 요소(adaptive optical elements) 및/또는 원통형 망원경일 수 있다. 상기 예비-보정 시스템은 눈에서의 초점 및/또는 비점수차 오차를 보정할 수 있다. 상기 망원경은, 망원경의 고정 렌즈가 눈으로부터 한 초점 거리만큼 벗어나도록 배열될 수 있다. 상기 예비-보정 시스템 내에서 사용되는 구성요소들이 상기 이미징 시스템에서도 역시 사용될 수 있다.

상기 예비-보정 시스템은, 상기 예비-보정 시스템에 의해 공급될 적정 예비-보정을 결정짓는 피드백 루프(feedback loop)를 포함할 수 있다. 상기 피드백 루프는, 망막으로부터 되돌아오는 광을 수광하는 검출기와, 검출광을 광의 바람직한 특징과 비교하고 그 비교에 따라 예비-보정의 적어도 하나의 파라미터를 조정하는 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 피드백 루프는, 망막으로부터의 광을 수집하기 위한 복귀 광학계(return optical system)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 복귀 광학계는 상기 예비-보정 시스템을 포함할 수 있다. 상기 바람직한 특징은 망막 위의 최소 스폿 크기일 수 있다.

상기 시스템은 상기 시스템의 다이내믹 각도 영역(angular dynamic range)을 제한하는 구멍을 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 눈과 상기 웨이브프론트 센서 사이에 편광 빔 스플릿터(polarizing beam splitter)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 시스템에서 적정한 눈의 정렬을 결정짓는 정렬기(aligner)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 투영 광학계는 광을 눈의 중앙축에 대해 일정 각도로 눈으로 공급할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 검출기와 상기 눈 사이에 추가적 광학계를 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 눈으로 입사되는 광선의 파워를 모니터하는 파워 모니터를 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 눈 위에 투영되는 타겟과, 상기 눈을 감지하는 위치 검출기와, 상기 시스템의 위치를, 눈이 검출기 위에 초점 맞춰질 때까지, 눈에 대하여 조정하는 조정 시스템을 포함하는 눈 위치 검출 시스템을 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들이 이하에서 상세한 설명에 의해 훨씬 쉽게 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시를 위해 나타낼 뿐이므로, 이하의 상세한 설명으로부터 당업자가 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변화 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다.

상기한 바와 같이, 실질적인 시각 웨이브프론트 센서 시스템을 설계하는데

있어서 열쇠가 되는 것은 광이 눈으로 어떻게 입사하는가에 대한 것이다. 시각 굴절 오차가 예를 들면 20 디옵터 이하 정도까지 심각한 경우, 입사된 빔의 퇴화는 심각해질 수 있다. 또한, 지극히 큰 굴절 오차를 직접적으로 측정할 수 있을 정도로 충분한 범위를 갖는 웨이브프론트 센서를 설계하는 것도 어렵다. 본 발명에 따르면, 안계 위에 투영되는 스폿은 그 눈의 기본 수차를 보상하는 형태로 미리 일그러진다. 이것은 웨이브프론트 센서로 되돌아가는 스폿이 잘 형성되어 굴절 오차에 의해 최소한으로 영향받게 한다. 작은 크기의 스폿은 작은 렌즈릿이, 훨씬 크고, 높은 차수(high order)의 수차를 측정할 수 있을 정도로 충분한 다이내믹영역을 유지하면서 사용될 수 있도록 한다. 광이 망막 위로 치밀하게 초점 지어지므로 광이 좁은 영역으로부터 산란될 뿐이다. 웨이브프론트 센서의 초점 평면 위로 이렇게 좁은 영역의 상이 맺히게 되므로 광이 작은 그룹의 픽셀 위로 집중된다. 따라서, 반사된 광이 설사 수많은 렌즈릿으로 나누어져야 한다 할지라도, 각 초점 스폿은 종래의 방법과 비교할 때 밝다. 또한, 샘플링 밀도를 증가시킬수록 각 렌즈릿의 구멍에 걸쳐 웨이브프론트 수차는 점점 더 작아지게 된다.

예비-보상을 채용하는 이와 같은 오차 측정용 시스템이 도 1에 나타나 있다. 여기에 나타낸 시각 웨이브프론트 측정 시스템은 일반적으로 광을 눈 안으로 투영하기 위한 투영 시스템과, 입사광을 시각 수차만큼 예비-보정하는 시스템과, 광을 집속하기 위한 시스템과, 예비-보정을 결정짓는 시스템과, 집속된 광을 측정하는 시스템을 포함한다.

도 1에 보인 투영 시스템은, 예를 들면 레이저, 레이저 다이오드, LED 혹은초발광(super luminescent) 다이오드와 같은 광원 12를 포함하는데 이것이 광섬유 14로 공급된다. 안전상의 이유 때문에, 광원으로는 펄스 광원이 바람직하고 적은 전원으로 제한되며 예를 들면 적외선과 같이 통상의 가시광선 영역을 벗어나야 하고, 및/또는 적당한 렌즈와 직접적으로 조준되어야(collimated) 한다. 상기 광섬유는 편광 보유 섬유(polarization maintaining fiber)일 수 있다. 광섬유 14를 떠난 광은 조준 렌즈 16으로 공급된다. 광원 12로부터 광을 전달하는데 광섬유 14를 사용하기 때문에, 섬유 출구 모드가 회절이 제한된 점원(point source)으로 작용하므로 조준 렌즈 16을 단순화시킨다. 조준 렌즈 16은 광섬유 14에 견고하게 장착되는 것이 바람직하다. 조준된 빔은 그 후 구멍 18에 의해 바람직한 크기로 끝이 잘려진다. 필요한 경우, 조준된 빔을 편광시키기 위해 편광 프리즘 20이 사용될 수도 있다. 편광 빔 스플릿터 22가 광을 투영 시스템으로부터 시각 측정 시스템의 나머지 부분으로 향하게 한다.

또 다르게는, 광원 12가 상기 광섬유 14를 사용하지 않은 채로 단독으로 사용될 수도 있다. 광원 12 그 자체로부터의 광은 그 후 조준 렌즈에 의해 조준된다. 안과 측정용으로 사용되는 광원은, 대개 빔의 중심으로부터 예를 들면 10 ~ 25%와 같이 오로지 빔의 일부만을 이용할 만큼 대개 높은 정도의 비점수차를 갖는 반면에, 빔 전체에 걸친 웨이브프론트 오차는, 빔 크기가 안과 측정 시스템 내를 가로지르는 거리 전체에 걸쳐 실질적으로 안정적일 만큼 충분히 작다. 바꿔 말하면, 빔이 여전히 비점수차를 갖는다 할지라도, 빔 형상은 이 비점수차 때문에 안과 측정 시스템을 가로지르는 동안에 변하지 않아서, 이 비점수차가 측정에 영향을 주지는않는다. 광은 필요한 경우 편광될 수 있다.

투영 시스템으로부터의 광이 편광 빔 스플릿터 22에 의해 반사되어 도 1에 망원경 30으로 나타나 있는 예비-보상 시스템으로 향한다. 상기 망원경 30은 그 사이에 구멍 36을 갖는 렌즈 32, 34를 포함한다. 망원경 30은 상기 렌즈들을 서로에 대해 움직여서 조정될 수 있다. 이러한 조정은, 측정될 안계의 구면과 동등한 초점이탈(spherical equivalent defocus)을 보상하는 초점이탈을 가함으로써, 입사 빔에 바람직한 예비-보정을 제공한다. 망원경으로부터의 광은 빔 스플릿터 38에 의해 측정될 안계 40으로 향한다. 입사된 빔은 안계 40에 의해 안계 40의 망막 위의 초점 스폿 42로 집중된다. 이 초점 스폿 42로부터의 광은 망막에 의해 산란되거나 반사된다.

복귀 광은 안계 40의 각막 및 렌즈에 의해 집속되어 거의 조준된다. 빔 스플릿터 38은 안계로부터의 빔이 망원경 30으로 되돌아가게 한다. 망원경 30의 렌즈 32, 34의 동일한 위치가 안계 40의 초점이탈 수차를 보정해서 광이 센서의 다이내믹영역 내로 조준되어 있는 웨이브프론트 센서에 도달하도록 한다. 구멍 36이 광선을 웨이브프론트 센서 50의 다이내믹 각도 영역 밖으로 막아서 혼합이나 측정 혼동이 일어나지 않도록 한다. 웨이브프론트 센서 50이 샤크-하트만 센서인 경우, 초점 스폿이 인접 초점 스폿과 충돌하거나, 간섭되거나 혼동을 야기할 수 없다. 망막과의 상호작용 때문에 광의 편광이 입사된 편광으로부터 회전하므로, 이제 망원경으로부터의 광이 편광 빔 스플릿터 22를 통해 지나간다. 웨이브프론트 센서는 샤크-하트만 웨이브프론트 센서, 층밀림 간섭계, 모와 디플렉토미터 또는 다른 수동 상태 측정 시스템일 수 있다. 웨이브프론트 센서 50이 샤크-하트만 웨이브프론트 센서인 경우, 웨이브프론트 센서 50은 도 2에 보인 바와 같은 구성요소를 포함한다.

망원경 30의 렌즈 32, 34의 적정 위치는 수많은 방법에 의해 결정될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 추가적인 센서 60이 빔 스플릿터 62 및 초점 렌즈 64와 함께 사용되어 망막으로 입사되는 광의 이미지를 만들게 된다. 망원경 30 내의 렌즈 32, 34의 적정 위치는, 망원경 30 내의 렌즈 32, 34의 다른 위치들로부터의 스폿 크기들을 비교함으로써 얻어진, 망막 뒷부분에서의 스폿 크기 42를 최소화함으로써 결정된다. 안계 40이 대물렌즈 34의 한 초점 거리 되도록 렌즈 34로부터 떨어져 배열된다면, 망원경 30은 배율 또는 다른 오차의 변화에 둔감할 것이다. 웨이브프론트 센서 50은 안계 40과 접합된 이미지 평면에 놓이도록 배열되어야 한다. 바람직하게는, 웨이브프론트 센서 50, 망막 이미징 센서 60, 투영 광학계 16, 18, 20, 편광 빔 스플릿터 22, 빔 스플릿터 62 및 초점 렌즈 64가 이동 스테이지 72에 장착된 플랫폼 70 위에 장착되어 있다. 이것이 망원경 렌즈 32, 34의 상대 위치가 플랫폼 70 위의 나머지 구성요소의 위치를 고정시키면서 변화하도록 한다. 광섬유 14의 사용 때문에 광원이 플랫폼 70 밖에 설치되는 것이 가능해져서 이송 스테이지 72에 의해 이동되는 구성요소의 중량을 최소화한다. 프로세서 68이 포함되어 이송 스테이지 72의 운동을 제어하고 데이터 처리, 분석 및/또는 표시를 가능하게 한다.

추가적인 안전책으로, 빔 스플릿터 38 위로 입사하는 빔의 극히 일부가, 파워 모니터 46 위로 광을 집중하는, 렌즈 44로 투과된다. 이 파워 모니터 46의 출력은, 상기 파워가 시스템의 안전 한계치를 초과하는 경우 시스템을 닫거나, 광원 12로 공급되는 파워를 변경하여 공지의 방법으로 광원에 의해 출력되는 파워를 낮추는데 사용된다.

측정 시스템에 대한 적정한 눈 위치를 측정하기 위하여, 추가적인 검출기 80이 포함되어 있다. 이미징 광학계 82는 홍채 또는 각막이 단지 좁은 영역의 공간으로만 집중될 수 있도록 설계되어 있다. 거울 84가 광이 홍채 검출기 80으로 향하도록 하는데 사용될 수 있다. 눈에 대한 시스템의 상대 위치는 홍채 또는 각막이 검출될 때까지 조정된다. 이러한 검출이 표시기 86 위에 사용자를 위해 표시될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 표시는 단지 환자의 정렬 동안에만 사용되고 예를 들면 광의 10% 미만과 같이 단지 적은 퍼센트만 사용한다.

환자가 올바른 시선으로 바라보고 있다는 것을 담보하기 위하여, 타겟 90이 빔 스플릿터 94를 통해 눈에 보이게 만들어진다. 타겟 90은 렌즈 92를 통해 무한대에 상이 맺히게 된다. 타겟 위치는 렌즈 92에 대하여 타겟을 이동시킴으로써 변화되어 환자의 거리적응(accommodation)을 최소화할 수 있도록 초점 맞춰지거나 약간 초점이 맞춰지지 않은 타겟을 제공한다. 렌즈 92에 더욱 더 가깝게 타겟 90을 이동시키면 근거리시력 거리적응을 자극하여 근거리시력을 측정할 수 있거나 타겟이 원거리시력을 측정하기 위하여 무한대 밖에 맺히는 이미지와 함께 배열될 수 있다. 환자는 단순히 타겟에 집중하려고 시도한다. 타겟 뒤의 광원은 전자적으로 제어되어 타겟 밝기를 조절하고 타겟의 위치도 역시 전자적으로 조절 가능하다.

따라서, 망원경 30이 사용되어 입사된 광을 예비-보상하고 복귀된 웨이브프론트를 보상하여 웨이브프론트 센서로 입사되는 전체 웨이브프론트 오차를 최소화한다. 관련기술에서는 망원경이 사용되어 웨이브프론트 센서 위로 광의 이미지를 중계하고 강한 구면 수차 및 원통형 수차를 보상하였으나, 광이 분리되어 입사하였다. 이런 분리된 조작은 비-반사 코팅이 그 위에 입혀진 렌즈에서나 일어나는 강한 후면 반사 때문이다. 망막으로부터의 복귀 광이 매우 약하기 때문에, 렌즈로부터의 반사가 작더라도 빠른 시간 내에 측정이 이루어지지 않게 해서 웨이브프론트 센서 50이 작동하지 못하게 한다. 이 문제를 해결하기 위한 여러 가지 방법이 있다. 먼저, 도 1에 보인 바와 같이, 편광된 광 및 ¼파장(quarter-wave) 판과 결합되어 있는 편광 빔 스플릿터가 사용될 수 있다. 축 이탈 포물선 또는 다른 곡선의 거울이 사용되어 광이 망원경으로 향하게 할 수 있다. 도 5A 및 5B에 보인 바와 같이, 광은 축이 이탈된 채로 입사되어 각막으로부터 반사되는 어떠한 광도 시스템의 구멍에 의해 필터링되게 할 수도 있다. 도 5B는 눈 40의 각막에 의해 반사된 광이 구멍 36에 의해 웨이브프론트 센서로 입사되고 측정에 영향을 주는 것이 어떻게 막아지는지를 보여준다. 이러한 설계들을 하나 이상 사용하기 때문에 원치 않는 반사가 도입되는 것을 막으면서 본 발명에 따라 입사된 빔을 충분히 예비-보상할 수 있게 되었다.

하나의 대안으로써, 제 2 망원경이 제 1 망원경과 결합 사용되어, 필터링 구멍을 위한 대안적 위치를 제공함으로써 다이내믹영역을 향상시킬 수 있다. 따라서, 하나의 망원경이 완전히 고정되고 그 반면에 다른 것은, 두 망원경의 렌즈들이 서로 접촉할 때까지 이동이 가능할 정도로 자유도를 갖는다. 이러한 배치가 도 6에 나와 있는데, 렌즈 52, 54와 구멍 56을 갖는 고정 망원경 51이 사용되어 광을 웨이브프론트 센서 50으로 공급한다. 이것은 도 1과 관련하여 상술한 구성요소와 결합되어 있다. 단순화하면, 광 전달 시스템 14의 필수 구성요소들, 조준렌즈 16, 편광 빔 스플릿터 22, 조정 가능한 망원경 30과 눈 40이 나타나 있다.

안계 및 입사된 빔의 비점수차 보상이 다음 방법에 따라 얻어질 수 있다. 망원경 30은 원통형 렌즈 망원경 또는 한 쌍의 볼록 및 오목 렌즈일 수 있다. 이러한 원통형 렌즈 배열은 도 8에 잘 나타나 있는데, 한 쌍의 원통형 렌즈 132, 134가 렌즈 32, 34 대신에 사용된다. 렌즈들 사이의 간격 s가 조정되어 망원경의 파워를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 한 쌍 120, 122의 각도는 투과로의 축에 대하여 조정된다. 구면 및 원통형 수차가 웨이브프론트로부터 빼져서 단지 높은 차수의 것들만 남게되므로, 이것이 기구를 복잡하게 하지만 투영되는 더 나은 빔을 제공하여 단지 제한된 다이내믹영역의 웨이브프론트 센서를 필요로 하게 된다.

대안적으로, 높은 다이내믹영역 웨이브프론트 센서가 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 단지 작은 빔이 눈으로 입사하여 단지 작은 웨이브프론트 수차를 그 구멍에 걸쳐 선택할 뿐이므로, 눈 위에서의 초점 스폿도 역시 작은 비점수차를 가진 채로 여전히 매우 작다. 따라서, 원통형 보상이 대개 필요치 않다. 일부 일그러짐이 일어날 수 있는 반면에, 크기면에서 제한될 것이고 적당히 작은 스폿이 여전히 나타날 것이다. 높은 다이내믹영역 웨이브프론트 센서는, 수학식 (3) 및 (7)에 보인 바와 같이, 웨이브프론트 센서 렌즈릿 배열로 좀 더 작은 초점 거리를 사용하도록 한다. 단지 구명 렌즈만을 사용하는 것이 정확성을 떨어뜨리게 하는 반면에, 좀 더 작은 렌즈릿 어레이가 가져오는 수많은 측정이 이러한 퇴화를 충분히 보상할것이다.

도 1에 보인 바와 같이, 입사되고 반사된 웨이브프론트내에서 눈의 기저 수차를 보정하기 위해 가동 렌즈와 함께 망원경을 사용하는 대안은 눈앞에 보정 렌즈를 위치시키는 것을 포함한다. 이 렌즈가 콘택트 렌즈가 아니라면, 보정 렌즈 35가 눈 40에 인접하여 위치하고 있는 도 9에 보인 바와 같이, 그것은 눈의 실제 동공면에 위치할 수 없다. 따라서, 눈과 보정 렌즈의 굴절 오차의 조합에 의해 야기되는 약간의 확대가 언제나 있게 된다. 보정 렌즈의 정점 거리를 정하거나 아는 것이 어렵기 때문에, 이 확대는 기껏해야 불충분하게 알려져 있고 전체 측정에 오차를 가져온다.

다른 대안은 고정 렌즈 혹은 가변 렌즈를 사용하는 것을 포함한다. 이상적으로는, 이 렌즈들은 눈의 표면과 결합되어 있는 광학 평면에 위치한다. 웨이브프론트 센서가 이 평면에 위치하는 것이 역시 바람직하기 때문에, 제 2 망원경이 제 1 망원경과 함께 연속적으로 사용될 필요가 있다. 또한, 모든 렌즈들이 고정되어 있기 때문에, 다양한 예비-보정기 렌즈를 공지의 방법으로 변화시켜 적정한 결과를 얻을 수 있는 약간의 수단이 필요할 것이다. 도 7에서 렌즈 37은, 예를 들자면 환자의 명백한 굴절을 측정하는데 흔히 사용되나 처방 정확성에 한정되는, 시험 렌즈 키트로부터 나온 것이다. 대안적으로, 도 7의 렌즈 37은, 예를 들면 적응 광학(adaptive optics), 액정 디스플레이, 휨이 가능한 거울 등과 같이 가변 초점 거리 렌즈일 수 있다. 이러한 구성요소들의 초점 거리는, 운동에 의해서 보다는 예를 들면 도 1에 보인 프로세서 68 같은 것에 의해 전자적으로 제어될 수 있다. 이러한 배열 중 하나가 도 7에 나타나 있는데, 여기서 렌즈 37은 시험 렌즈 혹은 가변 초점 거리 렌즈일 수 있다. 이러한 배열 및 망원경 배열의 적용 가능성이 도 4A-4C에 나타나 있는데, 여기서 단 하나의 근시성 눈에서의 스폿 크기가 도 4A에 나타나 있고, 렌즈 37로 보정된 스폿 크기가 도 4B에 나타나 있고 조정 가능한 망원경 30을 갖는 스폿 크기가 도 4C에 나타나 있다. 나타나 있는 바와 같이, 도 4B 및 4C에서의 양 배열이 본 발명의 바람직한 작은 스폿 크기를 가져온다.

본 발명에 따라 입사된 빔내에 눈의 수차를 예비-보상함으로써, 망막 위에 작은 초점 스폿이 얻어질 수 있다. 이러한 작은 초점 스폿은 광을 좀 더 집중하여 광이 수많은 숫자의 초점 스폿으로 나누어지게끔 한다. 반대로, 이것은 더욱 더 높은 공간 해상도를 가져오고 입사 광 파워를 더 낮게 사용하는 것을 가능하게 한다. 공간 해상도가 더욱 더 높아진다는 것은 각 렌즈릿이 단지 틸트만을 특정한다는 가정이 훨씬 더 큰 범위 내에 걸쳐 유효하다는 것을 의미한다. 공간 해상도가 높아질 수록 다이내믹 영역과 정확성도 더 커지게 된다. 공간 해상도가 더욱 더 높아진다는 것은 심지어 고차항의 수차의 측정도 측정에 심각한 퇴화 없이 정확하게 얻어질 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명이 특정 적용예를 위한 예시적 실시예를 참조하여 여기에 설명되었지만, 본 발명이 여기에 한정되지는 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 당업계의 통상의 지식을 가진 자들과 여기에 개시된 가르침을 얻을 수 있는 자들이 과도한 실험 없이도 본 발명의 특별히 유용한 범위내에서와 그 부가되는 영역내에서 추가적인 수정, 적용 및 실시예를 인식해낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 주어진실시예에 의해서가 아니라 첨부되는 청구항 및 그 법적 균등물에 의해서 결정되어야 할 것이다.

Claims

광을 눈의 망막 위로 입사하는 투영 광학계와;

상기 투영 광학계와 눈 사이에 위치하면서, 광선을 눈 안에서의 수차만큼 보상하여 눈 안으로 입사되도록 하는 예비-보정 시스템과;

망막에 의해 산란되는 광을 집광하는 이미징 시스템과;

상기 망막에 의해 상기 이미징 시스템으로부터 되돌아오는 광을 수광하는 검출기;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 검출기는 샤크-하트만 웨이브프론트 센서인 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 검출기는 층밀림 간섭계인 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 검출기는 모와 디플렉토미터인 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템은 적어도 하나의 가동 렌즈를 갖는 망원경을 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템은 중간 이미지 평면에 삽입되는 고정 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템은 적응 광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템은 눈에서의 초점 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템은 초점 및 비점수차를 보정하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 시스템의 다이내믹 각도 영역을 제한하는 구멍을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 눈과 상기 웨이브프론트 센서 사이에 편광 빔 스플릿터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 시스템에서 적정한 눈의 정렬을 결정짓는 정렬기를추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 투영 광학계는 광을 눈의 중앙축에 대해 일정 각도로 눈으로 공급하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 검출기와 상기 눈 사이에 추가적 광학계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 눈으로 입사되는 광선의 파워를 모니터하는 파워 모니터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 눈 위에 투영되는 타겟과, 상기 눈을 감지하는 위치 검출기와, 상기 시스템의 위치를, 눈이 검출기 위에 초점 맞춰질 때까지, 눈에 대하여 조정하는 조정 시스템을 포함하는 눈 위치 검출 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템은 원통형 망원경인 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템 내에서 사용되는 구성요소들이 상기 이미징 시스템에서도 역시 사용되는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 예비-보정 시스템은, 상기 예비-보정 시스템에 의해 공급될 적정 예비-보정을 결정짓는 피드백 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 19 항에 있어서, 상기 피드백 루프는, 망막으로부터 되돌아오는 광을 수광하는 검출기와, 검출광을 광의 바람직한 특징과 비교하고 그 비교에 따라 예비-보정의 적어도 하나의 파라미터를 조정하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 20 항에 있어서, 상기 피드백 루프는, 망막으로부터의 광을 수집하기 위한 복귀 광학계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 21 항에 있어서, 상기 복귀 광학계는 상기 예비-보정 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 20 항에 있어서, 상기 바람직한 특징은 망막 위의 최소 스폿 크기인 것을특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 망원경은, 망원경의 고정 렌즈가 눈으로부터 한 초점 거리만큼 벗어나도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 눈에서의 오차 측정 시스템.