KR20040002945A

KR20040002945A - 웨이브프론트 수차 측정방법 및 장치

Info

Publication number: KR20040002945A
Application number: KR10-2003-7014536A
Authority: KR
Inventors: 래리지. 존스; 덴우드 로스
Original assignee: 존슨 앤드 존슨 비젼 케어, 인코포레이티드
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2004-01-07
Also published as: CN1526067A; CA2446651A1; AU2002314771B2; WO2002090905A2; AR033630A1; WO2002090905A3; US20020167642A1; US6598974B2; CA2446651C; HK1064148A1; KR100901277B1; JP2004528910A; JP4197124B2; DE60231036D1; EP1395799A2; BR0209534A; TW553732B; BRPI0209534B1; EP1395799B1; CN100374833C

Abstract

웨이브프론트 수차를 측정하는 방법 및 장치를 공개한다. 빔 스플리터는 탈선한 웨이브프론트를 2개의 성분으로 분리하며, 미러 어레이는 각각의 성분을 다수의 불연속선으로 집속하며, 상기 한 성분의 불연속선이 다른 성분의 불연속선과 다른 방위를 가지며, 영상장치는 불연속선을 검출하여 웨이브프론트 수차들을 측정한다. 이 방법은 웨이브프론트를 2개의 성분으로 분리하고, 각각의 성분을 다수의 불연속선으로 집속하며 한 성분의 불연속선이 다른 성분의 불연속선과 다른 방위를 가지게 하고, 상기 불연속선들과 관련된 정보를 검출하는 단계를 포함한다.

Description

웨이브프론트 수차 측정방법 및 장치{Method and apparatus for measuring wavefront aberrations}

사람의 눈은 눈 안의 망막에 영상을 나타내는 광선을 집속하기 위해 여러 개의 렌즈 성분들을 이용하는 광학계이다. 망막에 생성된 영상들의 선명도(sharpness)는 눈의 시각적 예민함을 결정하는 인자이다. 그러나, 렌즈내의 결함과 눈 속의 다른 성분들 및 물질은 광선이 필요한 경로에서 이탈하게 만드는 원인이 된다. 이러한 이탈은 수차(aberration)라고 부르며, 흐릿한 영상을 만들며 시각적 예민함을 감소시킨다. 따라서, 그러한 문제의 교정에 도움을 주기 위해 수차 측정 방법 및 장치가 필요하다.

눈에 의해 도입된 수차들을 검출하는 한가지 방법은 눈속에서 나오는 광선의 수차들을 측정하는 것이다. 망막의 한 지점으로서 눈으로 향한 광선은 웨이브프론트로서 눈에서 반사 또는 산란되며, 이 웨이브프론트는 눈에 의해 도입된 수차를 포함한다. 웨이브프론트의 별개의 부분들(즉, 샘플들)의 전파 방향(propagation direction)을 측정함으로써 눈에 의해 도입된 수차들이 측정되어 교정될 수 있다. 이러한 방식의 시스템에서, 샘플들의 크기를 감소시킴으로써 수차를 측정하는 정확도의 증가가 달성될 수 있다.

웨이브프론트 발생의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 눈(16)의 망막(14)에서 레이저 빔(12)이 반사되어 발생된 웨이브프론트(10)의 개략도이다. 레이저 빔(12)은 망막(14)에 작은 스폿(18)을 집속시킨다. 망막(14)은 확산 반사기로서 작용하며 레이저 빔(12)을 반사하여 점원(point source) 웨이브프론트(10)를 만든다. 웨이브프론트(10)가 구형 또는 평면형 웨이브프론트(20)로 나타나는 것이 이상적이다. 하지만, 웨이브프론트(10)가 눈에서 통과될 때 눈에 의해 도입된 수차들은 웨이브프론트(10)로 도시된 바와 같이 불완전 웨이브프론트를 발생한다. 웨이브프론트(10)는 초점을 흐리게 하는 수차, 비점수차(astigmatism), 구형 수차, 코마(comma) 및 다른 불규칙성을 나타낸다. 이러한 수차들을 측정 및 교정하면 눈(16)이 그 완전한 위치(full potential) 즉, 시각적 해상도의 한계에 도달하도록 허용한다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같이 웨이브프론트(10)를 측정하는 종래 기술의장치를 도시한다. 수차들을 측정함으로써, 교정용 렌즈가 제조될 수 있고 및/또는 교정 수술이 시력을 개선하기 위해 실행될 수 있다. 도 2에서, 레이저(22)가 빔 스플리터(24)에 의해 눈(16)으로 향하는 레이저 빔(12)을 발생한다. 레이저 빔(12)은 눈(16)의 망막(14)에 스폿(18)을 형성한다. 망막(14)은 스폿(18)에서 빛을 반사하여 점원 웨이브프론트(10)를 만들며, 이 점원 웨이브프론트가 렌즈와 눈(16) 속의 다른 성분 및 물질을 통과할 때 수차를 일으키게 된다. 다음에 웨이브프론트(10)가 빔 스플리터(24)를 지나 웨이브프론트 센서(26)로 향한다.

통상적인 종래 기술의 웨이브프론트 센서(26)는 도 3에 도시된 바와 같이, 아베러스코프(aberroscope:28) 및 영상면(30)을 포함하거나, 또는 도 4에 도시된 바와 같이 하트만-샤크(Hartman-Shack) 센서(32) 및 영상면(30)을 포함한다. 웨이브프론트 센서(32)는 웨이브프론트(10)를 아베러스코프(28) 또는 하트만-샤크 센서(32)로 통과시켜 웨이브프론트(10)를 샘플링하여, 웨이브프론트(10)가 영상면(30)에 스폿 배열을 이루게 한다. 영상면(30)의 각각의 스폿은 웨이브프론트(10)의 한 부분을 나타내며, 더 작은 부분이 수차를 더 높은 정확도로 측정할 수 있게 한다. 대체로, 영상면(30)은 전하결합소자(CCD) 카메라이다. 웨이브프론트(10)에 의해 영상면(30)에 생성된 스폿 배열을, 이상적인 눈의 웨이브프론트와 일치하는 기준 스폿 배열과 비교함으로써, 눈(16)에 의해 도입된 수차를 계산할 수 있다.

윌리암스(Williams) 등이 1999년 7월 2일자 출원한, 발명의 명칭이 "망막 영상의 시각 및 해상도를 개선하는 방법 및 장치"인 미국특허 제6,095,651호에 설명된 하트만-샤크 시스템의 실예를 본원에서 참고로 하고 있다.

그러나, 그러한 종래 기술에서 수차들의 해상도는 아베러스코프(28)(도 3참조)에서는 서브-어퍼추어(sub-aperture) 간격(34) 및 서브-어퍼추어 치수(36)에 의해 제한되고, 또한 하트만-샤크 센서(32)(도 4 참조)에서는 렌슬렛(lenslet) 서브-어퍼추어 간격(38) 및 초점 길이에 의해 제한된다. 추가로, 각각의 영역이 단일 스폿에 의해 표시되기 때문에, 각각의 영역을 위해 포획된 정보량이 제한된다. 또한, 폴드오버(foldover)와, 서브-어퍼추어 간격(34) 및 치수(36)의 축소와, 렌슬렛 서브-어퍼추어(38) 때문에, 더욱 상세한 정보를 얻는 능력이 제한된다.

폴드오버는 아베러스코프 센서(28)에서, 예를 들어 영상면(30)에서의 2개 이상의 스폿(40A, 40B, 40C)이 중첩될 때 발생되며, 따라서 인접한 서브-어퍼추어 스폿들 사이의 혼란을 초래한다. 유사하게, 폴드오버는 하트만-샤크 센서(32)에서 영상면(30)에서의 2개 이상의 스폿(42A, 42B, 42C, 42D)이 중첩될 때 발생된다. 폴드오버는 서브-어퍼추어 간격(34), 서브-어퍼추어 치수(36), 또는 너무 작은 렌슬렛 간격(38): 고도의 수차; 또는 이들 상태의 조합들로부터 발생될 수 있다. 따라서, 아베러스코프(28)에서 서브-어퍼추어 간격(34) 및 서브-어퍼추어 치수(36)와, 하트만-샤크 센서(32)에서 서브-어퍼추어 간격(38) 및 초점 길이는, 양호한 공간 해상도를 달성하면서 큰 수차 측정을 가능하게 하도록 선택되어야 한다. 따라서, 고도의 수차를 측정하는 능력은 공간 해상도 및/또는 동적 범위를 희생시키게 되며, 그 반대로 하여도 동일하다.

아베러스코프 및 하트만-샤크 접근법에 의해 제안된 제한사항은 수차들을 고도의 정확도로 측정하는 시스템들의 유효성을 제한한다. 이들 제한은 광학계가 이들의 완전한 위치를 달성하지 못하게 방해한다. 따라서, 수차들을 고도의 정확도로 측정할 수 있는 안과 장치 및 방법이 유용할 것이다.

본 발명은 대체로 광학기계에 관한 것으로서, 특히 웨이브프론트 수차를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 안과 분야 예를 들어 눈의 수차 측정에서 광학 웨이브프론트를 측정하며, 렌즈(예로서, 콘택트렌즈, 스펙터클렌즈, 인공수정체)와 같은 교정장치를 개발하며, 시력을 개선하기 위한 굴절 수술 전에, 수술 중에, 및 수술 후에 눈의 수차를 평가하는데 유용하며, 그러나 이에 제한하지 않는다.

도 1은 눈의 망막에서 반사된 레이저 빔에 의해 생성된 파(wave)의 개략도.

도 2는 눈에 의해 도입된 수차들을 측정하는 종래 기술의 장치의 개략도.

도 3은 수차들을 측정하는 종래 기술의 장치에 사용하기 위한 아베러스코프의 개략도.

도 4는 수차들을 측정하는 종래 기술의 장치에 사용하기 위한 하트만-샤크 렌슬렛 어레이의 개략도.

도 5는 본 발명에 의한 광학시스템에 의해 도입된 웨이브프론트에서 수차들을 측정하는 장치의 개략도.

도 6은 본 발명에 의한 도 5의 장치에서 사용하기 위한 웨이브프론트를 반사 및 집속하는 미러 어레이의 개략도.

도 6a는 도 5의 한 미러 어레이에서 초래되는 영상면에 나타난 한 방위의 다수의 불연속선을 도시하는 개략도.

도 6b는 도 5의 다른 미러 어레이에서 초래되는 영상면에 나타난 다른 방위의 다수의 불연속선을 도시하는 개략도.

도 6c는 도 6a의 다수의 불연속선과 도 6b의 다수의 불연속선과의 조합을 도시하는 개략도.

본 발명은 웨이브프론트의 수차들을 고도의 정확도로 측정하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 장치는 웨이브프론트를 2개의 성분으로 분리하는 빔 스플리터와, 각각의 성분을 다수의 불연속선(discrete line)으로 집속하며 한 성분의 불연속선이 다른 성분의 불연속선과 다른 방위를 가지게 하는 미러 어레이(mirror arrays)와, 웨이브프론트 수차를 측정하기 위해 불연속선들을 검출하는 영상장치를 포함한다. 본 방법은 웨이브프론트를 2개의 성분으로 분리하고, 각각의 성분을 다수의 불연속선으로 집속하며 한 성분의 불연속선이 다른 성분의 불연속선과 다른 방위를 가지게 하며, 불연속선들과 관련된 정보를 검출하는 단계를 포함한다.

웨이브프론트를 나타내는 불연속선들을 발생시킴으로써, 본 발명의 장치 및 방법은 웨이브프론트를 고도의 정확도로 측정할 수 있다. 다수의 불연속선중 각각은 다른 방위를 가지기 때문에, 다수의 불연속선은 반드시 웨이브프론트를 그리드(grid)로서 나타낸다. 본 발명의 그리드 선이 동등한 영역들을 나타내기 위해 종래 기술의 시스템에 의해 발생되는 스폿들 보다 그리드의 각 섹션에 대해 보다 많은 정보를 제공하기 때문에 본 발명은 종래 기술의 시스템 보다 더 정확한 정보를 제공할 수 있다.

눈의 웨이브프론트를 측정하는 시스템에서, 웨이브프론트는 눈 안에서 점원으로서 시작한다. 상기 점원은 방사선(예로서 레이저)의 빔을 눈으로 향하게 하고 상기 빔을 산란 또는 반사시킴으로써 발생된다. 레이저 빔의 경로에 배치된 빔 스플리터는 레이저 빔을 눈으로 지향시킨다. 눈의 망막은 빔을 반사 또는 산란하는 확산 반사기로서 기능한다. 점원에서 초래되는 웨이브프론트는 눈에서 나와 빔 스플리터를 통과하여 본 발명의 웨이브프론트 센서로 향한다. 웨이브프론트 센서는 눈에 의해 도입된 웨이브프론트의 수차들을 측정한다. 다음에, 수차들은 웨이브프론트 센서에 연결된 프로세서에 의해 계산된다.

도 5에는 여기서 눈(104)인 광학계(102)의 수차들을 측정하기 위한 본 발명에 의한 웨이브프론트 측정장치(100)의 양호한 실시예가 도시되어 있다. 대략적으로 보면, 빔(106)이 발생되어 눈(104)으로 지향된다. 빔(106)이 눈(104)에서 나오는 웨이브프론트(108)로서 반사되며, 다음에 웨이브프론트(108)내의 수차들을 검출하기 위한 웨이브프론트 검출(WD) 장치(110)를 향하여 진행된다. 상기 WD 장치(110)에서, 웨이브프론트(108)가 WD 빔 스플리터(112)를 향하여 진행되며, 상기 빔 스플리터에서 웨이브프론트(108)가 2개의 성분으로 분리된다. 웨이브프론트의 한 성분은 제1 미러 어레이(114A)를 향해 반사되며, 다른 성분은 빔 스플리터(114)를 통과하여 제2 미러 어레이(114B)를 향해 진행된다. 상기 미러 어레이(114A,114B)는 각각의 표면에 입사된 웨이브프론트 성분을 다수의 불연속선으로 분할, 반사 및 집속하며, 상기 불연속선들은 영상장치(116)에 의해 최종적으로 검출된다. WD 장치(110)내의 다른 성분들은 2개의 웨이브프론트 성분을 인도하는데사용된다. 이제 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

양호한 실시예에서, 증명하기 위해, 방사원(118)이 빔(106)을 발생하고, 웨이브프론트 발생(WG) 빔 스플리터(120)가 상기 빔(106)을 눈(104)을 향해 지향시키고, 그 후 눈(104)에서 생성된 웨이브프론트(108)를 WD 장치(110)를 향해 지향시킨다. 양호한 실시예에서, 웨이브프론트(108)는 직선형으로 편광된다. 대안으로서, 웨이브프론트(108)가 편광되지 않거나 또는 원형 편광이 될 수 있다.

도시된 광학계(102)는 눈(104)이다. 대안으로서, 광학계(102)는 반사면과 콘택트렌즈 또는 안경을 포함하거나, 눈과 콘택트렌즈 또는 안경을 포함하거나, 망원경, 현미경, 또는 분석해야 할 다른 형식의 광학시스템을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 방사원(108)에서 나온 빔(106)이 눈(104)의 망막(124)에 스폿(122)으로 집속한다. 집속 렌즈들 또는 렌즈들의 시스템이 눈(104)의 초점의 흐려짐 및/또는 난시를 밝히기 위해 빔(106)의 경로에 사용될 수 있다. 망막(124)은 확산 반사기로서 작용하며 실제로 눈(104)에서 떠나는 빛을 위한 소스가 되며, 따라서 웨이브프론트(108)를 만들어낸다. 눈(104) 속의 결함으로 인한 수차들이 웨이브프론트(108)에 영향을 미친다.

방사원(110)은 광자의 초점 빔을 발생시킬 수 있는 장치이며, 양호하게는, 레이저이다. 다른 방사원(110)은 레이저 다이오드, 슈퍼-발광 다이오드(super-luminescent diode:SLD) 또는 본질적으로는 당기술에 공지된 바와 같이, 초점 빔을 발생시킬 수 있는 어떤 방사 장치이다. 또한, 방사원(110)은 이 방사원(110)과 연관된 노이즈를 교정하기 위한 공간 필터를 포함할 수 있다. 양호한 실시예에서,방사원(110)에 의해서 발생된 빔(106)은 편광된다.

WG 빔 스플리터(120)는 빔을 선택적으로 통과시켜 지향할 수 있다. 여기서, WG 빔 스플리터(120)는 광학계(102)를 향하여 빔(106)을 반사시키며 광학계로부터 투사되는 웨이브프론트(108)를 변경되지 않은 WD 장치(110)를 향하여 통과시키도록 구성된다. 양호한 실시예에서, WG 빔 스플리터(120)는 편광 라이트를 일방향으로 통과하고 편광 라이트를 타방향으로 반사시키는 편광 빔 스플리터이다. 공통 명칭 약정은 "p" 편광 라이트로써 일방향으로 편광된 라이트와 "s" 편광 라이트로써 "p" 편광 라이트에 대하여 90도로 편광된 라이트를 지칭한다. 일단, WG 빔 스플리터(120)가 정렬되면, "p" 편광 라이트를 통과하는 축선은 "p"축선으로 칭한다. 양호한 실시예에서 적절하게 사용하기 위해 WG 빔 스플리터(120)가 라이트를 지향시킬 수 있게 하는 상세한 구성에 대해서는 하기에 설명한다.

사분의일 파장판(quarter-wave plate:126)은 본원에 설명한 유형의 시스템(100) 즉, 눈(104)에 들어오는 빔과 눈을 떠나는 빔 사이를 구분하기 위하여, 빔을 루틴시키기 위하여 편광을 사용하는 시스템을 보조하는 광학 성분이다. 파장판(126)에 도달하기 전에, 빔(106)은 선형으로 (즉, "s" 방향으로) 편광된다. 파장판(126)을 통과한 후에, 빔(106)은 일방향으로 원형으로 편광된다. 원형으로 편광된 빔(106)은 눈(104)의 망막(124) 상의 스폿(122)에 집속된다. 웨이브프론트(108)는 원형 편광된 빔(106)을 망막(124)에서 반사시킴으로써 생성된다. 당업자는 웨이브프론트(108)가 망막(124)에 의한 반사로 인하여 빔(106)의 방향과 반대 방향으로 원형으로 편광될 것임을 이해할 것이다. 웨이브프론트(108)가눈(104)으로부터 발산한 이후에, 사분의일 파장판(126)은 눈(104)으로 들어오는 빔(106)의 직선형 편광과 90도의 다른 방위를 가지는 직선형 편광된 웨이브프론트(108)(즉, "p" 방향으로)를 생성하기 위하여, 원형 편광된 웨이브프론트(108)를 직선형으로 편광시킨다.

다른 실시예에서, WG 빔 스플리터(120)는 직선형으로 "s" 편광된 빔(106)(즉, WG 빔 스플리터(120)의 p 축선에 대하여 90도로 편광된)을 눈(104)을 향하여 반사시킨다. 눈(104)에서 나오는 직선형 편광된 웨이브프론트(108)는 사분의일 파장판(126)과 눈(104) 안에서 반사로 인하여 (WG 빔 스플리터(120)의 p 축선을 갖는 축선에 편광된) "p" 편광된다. 웨이브프론트(108)의 편광이 WG 빔 스플리터(120)의 p 축선과 동축 상에 있으므로, WG 빔 스플리터(120)는 웨이브프론트(108)가 WD 장치(110)를 향하여 변경없이 통과할 수 있게 한다.

렌즈(128)와 같은, 하나 이상의 광학 장치는 눈(104)과 웨이브프론트 검출 장치(110) 사이로 웨이브프론트(108)를 지향시키기 위하여 웨이브프론트 측정 장치 내에 배치된다. 상기 광학 장치들은 눈(104)으로부터 WD 장치(110)로 통과할 때, 웨이브프론트(108)를 만드는 파들의 전파 방향을 유지한다. 상기 장치들은 당기술에서 공지되어 있다.

양호한 실시예에서, 웨이브프론트 검출(WD) 장치(110)는 WD 빔 스플리터(112), 두 미러 어레이(114A,B), 두 사분의일 파장판(130A,B), 반파장판(132), 영상장치(116) 등을 포함한다. WD 빔 스플리터(112)는 들어오는 웨이브프론트(108)를 각각의 성분이 전체 웨이브프론트(108)를 나타내는 두성분(108A,B)으로 분리한다. WD 빔 스플리터(112)는 웨이브프론트(108A)로서("s" 방향으로 편광된 라이트로써) 웨이브프론트(108)의 강도의 약 절반을 미러 어레이(114A)를 향하여 반사시키고, 웨이브프론트(108)의 다른 절반 강도를 웨이브프론트(108B)로서 미러 어레이(114B)를 향하여 통과시킨다.

당업자는 주어진 방향으로 편광된 라이트가 편광 빔 스플리터의 축선과 편광 라이트의 편광 축선을 서로에 대해서 45도의 각도로 지향시킴으로써, 두 성분으로 분리될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 방위에서, 편광 빔 스플리터는 편광 라이트의 강도 절반을 투과하고 편광 라이트의 강도 절반을 반사시킨다. 예를 들어, 웨이브프론트(108)는 WD 빔 스플리터(112)가 웨이브프론트(108A)로 "s" 편광 라이트를 반사시키고, "p" 편광 라이트를 웨이브프론트(108B)로 반사시키도록, WD 빔 스플리터(112)의 축선과 웨이브프론트(108)의 편광을 서로에 대해서 지향시킴으로써 두 편광 성분(즉, "s" 및 "p" 편광 라이트)으로 분리된다.

WD 빔 스플리터(112)의 축선과 웨이브프론트(108)의 편광을 서로에 대한 45도의 각도로 지향시키기 위하여, 웨이브프론트(108)의 편광은 WD 빔 스플리터(112)의 축선에 대해서 회전할 수 있거나, 및/또는 WD 빔 스플리터(112)의 축선이 웨이브프론트(108)의 편광에 대해서 회전할 수 있다. 양호한 실시예에서, 공지된 반파장판(132)은 "p" 편광 라이트를 얻기 위하여, 45도 만큼 웨이브프론트(108)의 편광 축선을 변경하는데 사용된다. 만약, WD 빔 스플리터(112)의 축선이 "p" 편광 라이트를 통과하고 "s" 편광 라이트를 반사시키도록 정렬되면, "P" 편광된 웨이브프론트(108)가 WD 빔 스플리터(112)의 "p" 편광 축선에 대해서 45도로 지향되므로, "p"편광 라이트는 두 성분으로 분리될 수 있다. 다른 실시예에서, WD 빔 스플리터의 축선이 웨이브프론트(108)에 대해서 WD 장치(100) 내의 다른 성분과 함께 45도 만큼 회전되고, 그에 의해서 반파장판(132)에 대한 필요성을 제거한다. 이러한 배치에서, WD 빔 스플리터(112)는 "p" 편광 라이트의 강도의 일부를 "p" 편광 라이트로서 통과하고 "p" 편광 라이트의 잔여 강도는 "s" 편광 라이트로서 반사시킬 것이다.

또한, 만약 웨이브프론트(108)가 원형 편광된 라이트 또는 비편광 라이트로 구성된다면, WD 빔 스플리터(112)의 방위는 원형으로 편광된 라이트로서 부적절하고 비편광 라이트는 WD 빔 스플리터(112)의 축선의 방위와 무관하게 개념적으로 두 성분으로 각각 분리될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 원형 편광된 라이트 및 비편광 라이트는, 서로에 대해서 직각으로 두 동일 성분으로 분할될 수 있게 허용하는 라이트의 동일 분포를 각각 수용하므로, WD 빔 스플리터(112)의 방위와는 무관하게 각각 두 성분으로 분리될 수 있다. 따라서, 원형 편광된 라이트 또는 비편광 라이트에 대해서, WD 빔 스플리터(112)는 미러 어레이(114A)를 향하여 "s" 편광 라이트로서 라이트의 절반을 반사시키고, 반파장판(132)를 사용하지 않고 WD 빔 스플리터(112)의 방위와는 무관하게 라이트의 절반을 "p" 편광 라이트로서 미러 어레이(114B)를 향하여 통과시킨다.

도 5에 있어서, 미러 어레이(114A,B)는 그 표면 상의 입사 라이트를 복수의 불연속선으로 분할, 반사 및 집속시킨다. 미러 어레이(114A,B)의 각각은 복수의 원통형 미러(134)로 구성되고, 각 원통형 미러(134)는 웨이브프론트(108)의 직사각형 부분에 대응한다. 양호하게는, 원통형 미러(134)는 복수의 반사 평행 홈으로 형성된다. 미러 어레이(114A,B)는, 하나의 미러 어레이(114A)에 의해서 직사각형 부분으로부터 생성된 불연속선과 직사각형 부분이, 다른 미러 어레이(114B)에 의해서 직사각형 부분으로부터 생성된 불연속선 및 직사각형 부분과 구별되게 하는 방향으로 서로에 대해서 지향되어있다.

도 6은 미러 어레이(114A)중 하나의 작동 및 다른 미러 어레이(114B)의 유사 방식의 동작을 도시하고 있다. 미러 어레이(114A)를 향하여 이동하는 웨이브프론트(108A)에 대해서, 원통형 미러(134)는 그들의 각 표면에 입사하는 웨이브프론트(108A)를 웨이브프론트 부분(136)들로 분할한다. 원통형 미러 어레이(114A)는 웨이브프론트 부분(136)들을 반사시켜서 복수의 불연속선(138A)[영상장치(116) 상의 스폿으로 나타나는]으로 집속한다.

도 6A 및 도 6B에 도시된 양호한 실시예에서, 미러 어레이(114A,B)는 미러 어레이(114A)중 하나가 웨이브프론트(108A)를 복수의 수직 직사각형 부분으로 분리하고, 다른 미러 어레이(114B)가 웨이브프론트(108B)를 복수의 수평 직사각형 부분으로 분리하도록 방위되고, 상기 복수의 수직 직사각형 부분은 반사되어서 영상면(116A) 상의 복수의 수직 불연속선(138A)(도 6A)으로 집속되고, 상기 복수의 수평 직사각형 부분은 반사되어서 영상면(116A) 상의 복수의 수평 수직선(138B)(도 6b)으로 집속된다. 양호하게는, 불연속선(138A)을 발생시키는 라이트는 하기에 상세하게 기술하는 WD 빔 스플리터(112)에 의해서 영상면(116A)을 향하여 지향된다. 양호한 실시예에서, 복수의 수직 불연속선(138A)과 복수의 수평 불연속선(138B)은도 6c에 도시된 바와 같이, 웨이브프론트(108)를 나타내는 그리드를 형성하기 위하여 동일 영상면(116A) 상에 집속된다. 다른 실시예에서, 각 복수의 불연속선은 다른 영상장치로 집속될 수 있다.

영상장치(116)(도 5)는 영상면(116A)에 입사되는 에너지의 위치를 정확하게 검출할 수 있다. 양호하게는, 영상장치(116)는 영상면에 입사되는 에너지를 디지털 표현으로 전환할 수 있는 전하결합소자(CCD) 카메라이다. 전하결합소자는 널리 공지되어 있으며 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 장치는 당기술에 숙련된 기술자가 명백히 용이하게 알 수 있다.

광학계(102)에 의해서 도입되는 수차는 불연속선(138A,B)에 영향을 미친다. 수차 없는 광학계(102)에 대하여, 불연속선(138A,B)은 실질적으로 직선이다. 그러나, 광학계(102) 내의 수차는 불연속선(138A,B)이 실질적인 직선으로부터 벗어나게 하는 원인이 된다. 광학계(102)의 수차는, 광학계(102)로부터 생성된 불연속선(138A,B) 상의 개별 지점들과, 수차 없는 광학계(102)를 위한 실질적인 직선의 불연속선(138A,B) 상의 대응 지점들 사이의 위치 차이를 측정하고, 각 지점에 대해 측정된 차이를 나타내는 수차를 계산함으로써 결정될 수 있다. 다음에, 개별 지점들에 대해서 결정된 수차들은 광학계(102)의 수차를 결정하기 위하여 조합된다.

광학계(102)에 의해서 생성된 불연속선(138A,B)과 수차 없는 광학계(102)에 의해서 생성된 거의 직선의 불연속선(138A,B) 사이의 차이에 기초하는 수차를 계산하기 위한 방법에 대해서는 당기술에 숙련된 기술자는 용이하게 알 수 있다. 웨이브프론트(108)를 나타내기 위하여 사용된 불연속선(138A,B)은, 계산을 실행하기 위해서 더욱 많은 기준 위치들이 사용될 수 있으므로, 웨이브프론트(108)를 나타내는 정해진 수의 스폿을 발생시키는 종래 기술의 시스템 보다 웨이브프론트(108)가 상세하게 분석될 수 있게 허용한다.

사분의일 파장판(140A,B)은 단일 영상장치(116)에 의해서 측정하기 위하여 WD 빔 스플리터(112)에서 재조합될 수 있도록, 각 웨이브프론트 성분(108A,B)들을 수정한다. 도 5에 있어서, 편광 WD 빔 스플리터(112)는 이것을 설명하기 위해 사용된다. 이미 전술한 바와 같이, 눈(104)으로부터 나오는 웨이브프론트(108)는 WD 빔 스플리터(112)에 의해서 성분 웨이브(108A,B)들로 분할되고, 웨이브프론트 성분(108A)은 "s" 방향으로 편광되고, 따라서 미러 어레이(114A)를 향하여 아래로 반사되며, 웨이브프론트(108B)는 "p" 방향으로 편광되고, 따라서 WD 빔 스플리터(112)를 통과하여 미러 어레이(114B)를 향한다. WD 빔 스플리터(112)로부터 반사된 이후에, 웨이브프론트 성분(108A)은 "p" 직선형 편광된 웨이브프론트 성분(108A)을 원형 편광된 웨이브프론트(108A)로 변화시키는 사분의일 파장판(140A)을 통과한다. 원형 편광된 웨이브프론트(108A)가 미러 어레이(114A)에 의해서 반사될 때, 원형 편광이 역전된다. WD 빔 스플리터(112)를 향하여 사분의일 파장판(140A)을 뒤로 돌아가서 통과하면, 역전된 원형 편광된 웨이브프론트(108A)는 역전된 원형 편광으로 인하여, "s" 방향과 반대로 "p" 방향의 직선형 편광 웨이브프론트 성분(108A)으로 변경된다. 지금, "p" 방향의 직선형 편광일 때, 웨이브프론트 성분(108A)은 WD 빔 스플리터(112)를 통과하여 영상장치(116)를 향한다.

유사한 방법에서, 미러 어레이(114B)를 향하여 WD 빔 스플리터(112)를 통과하는 "p" 직선형 편광된 웨이브프론트 성분(108B)은 "p" 직선형 편광된 웨이브프론트 성분(108B)을 원형 편광된 웨이브프론트(126B)로 변경하는 사분의일 파장판(140B)을 통과한다. 미러 어레이(114B)에 의한 이러한 웨이브프론트(108B)의 반사는 그때 원형 편광으로 역전되고, WD 빔 스플리터(112)를 향하여 사분의일 파장판(140B)을 뒤로 돌아가서 통과할 때, WD 빔 스플리터(112)에 의해서 반사되어 영상면(116)으로 향하는 "s" 직선형 편광된 웨이브프론트 성분(108B)으로 변경되고, 그에 의해서 웨이브프론트 성분(108A)과 재조합된다.

다른 실시예(도시생략)에 있어서, 다중 영상장치(116)가 사용될 수 있고, 그에 의해서 웨이브프론트 성분(108A,B)들을 재조합시킬 필요성을 제거한다. 따라서, 본 실시예에 따라, 사분의일 파장판은 본 발명의 정신 및 범주를 이탈하지 않고 제거될 수 있다.

프로세서(142)는 수차를 계산하기 위해 영상 장치(116)로부터 정보를 수신하고, 이 정보를 분석한다. 정보는 프로세서(142)에 의해 처리되기 전에 저장 레지스터(storage register)에 저장되거나, 또는 즉시 처리될 수 있다. 영상 장치(116)로부터의 정보의 수신 및 정보의 처리는 단일 프로세서에 의해 또는 다수의 프로세서에 분할되어 수행될 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수차 교정 장치(144)가 프로세서(142)에 연결된다. 다르게는, 프로세서(142)에 의해 계산된 정보는 하드 드라이브, 디스켓, 서버, CD, DVD, 또는 정보를 저장할 수 있는 실질적으로 모든 장치에 저장될 수 있다. 그 다음에, 저장된 정보는 수차 교정 장치(144)에 넘겨진다. 수차 교정 장치(144)는 공지된 렌즈 연마기, 콘택트 렌즈 제조 시스템, 외과용 레이저 시스템, 또는 다른 광학계(optical system) 교정 장치를 포함한다. 외과용 레이저 시스템에서, 레이저는 레이저 절단 빔을 안과 수술을 하기 위해 당업계에 공지된 방식으로 눈(104)의 각막을 향해 안내하도록 WG 빔 스플리터에 대해 광학적으로 배치될 수 있다.

예시를 위해, 본 발명은 인체의 눈에 의해 발생하는 웨이브프론트 수차를 측정하는 것에 관하여 설명되었다. 그러나, 본 발명이 다른 광학계, 예를 들어 안경, 망원경, 쌍안경, 단안경(monocular), 콘택트 렌즈, 사람 이외의 눈, 또는 이들 광학계의 조합에 의해 발생되는 수차를 측정하는 데에도 사용될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.

본 발명의 몇몇 특정 실시예가 설명되었지만, 다양한 변경, 수정, 개선이 당업자에게 쉽게 떠오를 것이다. 본원에 의해 명백해지는 이러한 변경, 수정, 개선은 본원에 명시적으로 진술된 상세한 설명의 일부이며, 본 발명의 진의 및 범위 내에 있다고 생각한다. 따라서, 상술한 설명은 예시만을 위한 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명은 하기의 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 한정된다.

Claims

광학계로부터 방출된 웨이브프론트(wavefront)의 수차를 검출하기 위한 센서에 있어서,

웨이브프론트를 수신하고, 웨이브프론트를 제 1 편광을 갖는 제 1 성분 및, 상기 제 1 편광과 구별될 수 있는 제 2 편광을 갖는 제 2 성분으로 분리하는 빔 스플리터와;

상기 제 1 성분을 제 1 방위를 갖는 다수의 제 1 불연속선으로 반사 및 집속하는 제 1 미러 어레이(mirror array)와;

상기 제 2 성분을 상기 제 1 방위와는 상이한 제 2 방위를 갖는 다수의 제 2 불연속선으로 반사 및 집속하는 제 2 미러 어레이와;

상기 다수의 제 1 불연속선과 상기 다수의 제 2 불연속선을 검출하기 위한 영상장치를 포함하는 수차 검출용 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 미러 어레이와 상기 제 2 미러 어레이는 상기 다수의 제 1 불연속선을 상기 다수의 제 2 불연속선에 대해 실질적으로 직각인 방위로 지향시키도록 구성된 수차 검출용 센서.
제 2 항에 있어서, 상기 영상 장치는 전하결합 소자(CCD)인 수차 검출용 센서.
제 3 항에 있어서, 상기 CCD에서 생성된 상기 제 1 및 상기 제 2 다수의 불연속선들을 분석하기 위한 프로세서를 추가로 포함하는 수차 검출용 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 빔 스플리터와 상기 제 1 미러 어레이 사이에 광학적으로 배치되어 제 1 성분이 제 1 사분의일 파장판을 지나 상기 제 1 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 1 성분을 제 1 전파 방향(propagation direction)의 직선형 편광으로부터 원형 편광(circular polarization)으로 변환하고, 제 1 성분이 상기 제 1 사분의일 파장판을 지나 상기 제 1 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 1 성분을 원형 편광으로부터 제 2 전파 방향의 직선형 편광으로 변환하는 제 1 사분의일 파장판과;

상기 빔 스플리터와 상기 제 2 미러 어레이 사이에 광학적으로 배치되어 제 2 성분이 제 2 사분의일 파장판을 지나 상기 제 2 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 2 성분을 제 3 전파 방향의 직선형 편광으로부터 원형 편광으로 변환하고, 상기 제 2 성분이 상기 제 2 사분의일 파장판을 지나 상기 제 2 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 2 성분을 원형 편광으로부터 제 4 전파 방향의 직선형 편광으로 변환하는 제 2 사분의일 파장판을 추가로 포함하는 수차 검출용 센서.
제 5 항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 상기 제 1 및 제 2 미러 어레이에 의한 각각의 반사 후에 상기 제 1 및 제 2 성분을 조합하도록 구성된 수차 검출용 센서.
제 6 항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 상기 제 1 전파 방향으로 직선형 편광된 상기 제 1 성분과 상기 제 4 전파 방향으로 직선형 편광된 상기 제 2 성분을 통과시키고, 상기 제 2 전파 방향으로 직선형 편광된 상기 제 1 성분과 상기 제 3 전파 방향으로 직선형 편광된 상기 제 2 성분은 반사시키도록 구성된 편광 빔 스플리터인 수차 검출용 센서.
제 7 항에 있어서, 상기 제 1 전파 방향 및 상기 제 4 전파 방향은 동일하고, 상기 제 2 전파 방향 및 상기 제 3 전파 방향은 동일한, 수차 검출용 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 영상 장치는 상기 다수의 제 1 불연속선과 상기 다수의 제 1 불연속선을 모두 검출하기 위해 단일의 영상 장치를 포함하는 수차 검출용 센서.
광학계로부터 방출된 웨이브프론트의 수차를 측정하는 장치에 있어서,

웨이브프론트를 수신하고, 웨이브프론트를 제 1 편광을 갖는 제 1 성분 및, 상기 제 1 편광과 구별될 수 있는 제 2 편광을 갖는 제 2 성분으로 분리하는 빔 스플리터와;

상기 제 1 성분을 제 1 방위를 갖는 다수의 제 1 불연속선으로 반사 및 집속하는 제 1 미러 어레이와;

상기 제 2 성분을 상기 제 1 방위와는 상이한 제 2 방위를 갖는 다수의 제 2 불연속선으로 반사 및 집속하는 제 2 미러 어레이와;

상기 다수의 제 1 불연속선과 상기 다수의 제 2 불연속선을 검출하기 위한 영상 장치와;

상기 영상 장치로부터 수신된 검출된 정보로부터 웨이브프론트 수차를 계산하기 위한 프로세서를 포함하는 수차 측정 장치.
제 10 항에 있어서, 웨이브프론트를 만들기 위해 광학계로 지향되는 빔을 생성하기 위한 방사원(radiation source)을 추가로 포함하는 수차 측정 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 빔 스플리터와 상기 제 1 미러 어레이 사이에 광학적으로 배치되어 제 1 성분이 제1 사분의일 파장판을 지나 상기 제 1 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 1 성분을 직선형 편광으로부터 원형 편광으로 변환하고, 제 1 성분이 상기 제1 사분의일 파장판을 지나 상기 제 1 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 1 성분을 원형 편광으로부터 직선형 편광으로 변환하는 제 1 사분의일 파장판과;

상기 빔 스플리터와 상기 제 2 미러 어레이 사이에 광학적으로 배치되어 제 2 성분이 제2 사분의일 파장판을 지나 상기 제 2 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 2 성분을 직선형 편광으로부터 원형 편광으로 변환하고, 상기 제 2 성분이 상기 제2 사분의일 파장판을 지나 상기 제 2 미러 어레이를 통과할 때 상기 제 2 성분을 원형 편광으로부터 직선형 편광으로 변환하는 제 2 사분의일 파장판을 추가로 포함하는 수차 측정 장치.
제 10 항에 있어서, 웨이브프론트가 직선형 편광되는 수차 측정 장치.
제 13 항에 있어서, 웨이브프론트의 직선형 편광축을 바꾸기 위해 웨이브프론트와 상기 빔 스플리터 사이에 배치되는 반파장판을 추가로 포함하는 수차 측정 장치.
제 10 항에 있어서, 웨이브프론트는 편광되지 않는 수차 측정 장치.
제 10 항에 있어서, 웨이브프론트는 원형 편광되는 수차 측정 장치.
눈으로부터 방출된 웨이브프론트를 측정하는 방법에 있어서,

(a) 웨이브프론트를 제 1 성분과 제 2 성분으로 분리하는 단계와;

(b) 상기 제 1 성분을 제 1 방위를 갖는 제 1 렬의 불연속선(first series of discrete lines)들로 집속시키고, 상기 제 2 성분을 상기 제 1 방위와는 상이한 제 2 방위를 갖는 제 2 렬의 불연속선들로 집속시키는 단계와;

(c) 웨이브프론트의 수차를 측정하기 위해 상기 제 1 렬의 불연속선들과 상기 제 2 렬의 불연속선들에 관한 정보를 검출하는 단계를 포함하는 웨이브프론트 측정 방법.
제 17 항에 있어서, 단계 (a)는 웨이브프론트를 상이한 편광을 갖는 두 개의 편광된 웨이브프론트로 분리하는 단계를 포함하는 웨이브프론트 측정 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 집속 단계는 상기 편광된 웨이브프론트 중의 하나를 상기 제 1 렬의 불연속선들로 집속하고, 상기 편광된 웨이브프론트 중의 다른 하나를 상기 제 2 렬의 불연속선들로 집속하는 단계를 포함하고, 상기 편광된 웨이브프론트 중의 하나에 대한 상기 불연속선들은 다른 편광된 웨이브프론트의 불연속선들에 대해 실질적으로 직각인 웨이브프론트 측정 방법.
제 19 항에 있어서, 단계 (b)는 상기 제 1 성분과 상기 제 2 성분을 조합하는 단계를 추가로 포함하는 웨이브프론트 측정 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 분리 및 조합 단계들은 빔 스플리터에 의해 수행되는 웨이브프론트 측정 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 분리 단계는 웨이브프론트를 상기 제 1 성분을 생성하기 위한 제 1 직선형 편광을 갖는 제 1 중간 웨이브프론트와, 상기 제 2 성분을 생성하기 위해 제 1 직선형 편광과는 상이한 제 2 직선형 편광을 갖는 제 1 중간 웨이브프론트로 분리하고;

상기 분리 단계(a)와 상기 집중 단계(b) 사이에 상기 제 1 직선형 편광을 제 1 원형 편광으로 및 상기 제 2 직선형 편광을 제 2 원형 편광으로 변환하는 단계(a1)를 추가로 포함하고;

단계(b)는 상기 제 1 성분과 상기 제 2 성분을 반사하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 반사 단계는 상기 제 1 원형 편광을 상기 제 1 원형 편광의 반대방향인 제 3 원형 편광으로 변환하고 상기 제 2 원형 편광을 상기 제 2 원형 편광의 반대방향인 제 4 원형 편광으로 변환하고;

단계(b)의 상기 반사 및 조합 사이에 상기 제 3 원형 편광을 제 3 직선형 편광으로 변환하고 상기 제 4 원형 편광을 제 4 직선형 편광으로 변환하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제 3 직선형 편광은 상기 제 2 직선형 편광과 실질적으로 동일하고, 상기 제 4 직선형 편광은 상기 제 1 직선형 편광과 실질적으로 동일하고;

상기 조합 단계는 상기 제 3 직선형 편광을 갖는 상기 제 1 성분과 상기 제 4 직선형 편광을 갖는 상기 제 2 성분을 조합하는 단계를 포함하는 웨이브프론트 측정 방법.
제 17 항에 있어서, 웨이브프론트 수차를 정하기 위해 검출된 정보를 분석하는 단계를 추가로 포함하는 웨이브프론트 측정 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 분석 단계는 수차를 갖지 않는 웨이브프론트(aberration free wavefront)에 대해 알고 있는 값들과 상기 검출 단계 중에 얻어진 정보를 비교하고;

웨이브프론트의 수차를 계산하는 것을 포함하는 웨이브프론트 측정 방법.