KR20150084915A

KR20150084915A - 실시간 고디옵터 범위 순차 파면 센서를 작동하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150084915A
Application number: KR1020157015107A
Authority: KR
Inventors: 옌 조우; 브래드포드 츄; 윌리엄 시어
Original assignee: 클레러티 메디칼 시스템즈 인코포레이티드
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2015-07-22
Also published as: RU2015121705A; TWI538656B; WO2014074573A1; KR20150083902A; CN104883959B; KR20150084914A; JP2016502425A; AU2013341281A1; TWI520712B; CN104883960A; RU2015121378A; CN104883957A; TW201422197A; AU2013341243A1; CN104883958B; WO2014074636A1; CA2890616A1; TWI520711B; EP2903502A1; EP2903503A1

Abstract

대상 눈을 조사하는 광원(172), 디텍터(122), 상기 대상 눈의 이미지를 출력하도록 된 이미지 센서(162), 상기 대상 눈이 상기 광원에 의해 조사될 때 대상 눈으로부터 되돌아오는 파면 빔을 인터셉트하며 디텍터를 향하여 어퍼쳐를 통하여 상기 대상 눈으로부터의 파면의 일부를 배향하도록 된 제 1 빔 변형 부재(112), 및 상기 광원, 상기 이미지 센서 및 상기 빔 변형 부재에 연결되며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 결정하도록 상기 이미지를 처리하며, 상기 파면의 환형 링 부분의 일부를 어퍼쳐를 통하여 투영하고 변형하는 상기 빔 변형 부재를 제어하며, 상기 디텍터에서 상기 환형 링의 선택된 부분을 샘플링하도록 개시 속도에서 광원을 펄싱하며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 계산하도록 상기 대상 눈의 이미지를 처리하며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 보상하도록 DC 오프셋 각도로 상기 빔 변형 부재를 배향시키는, 제어부를 포함하는 파면 센서를 구비하는 장치.

Description

실시간 고디옵터 범위 순차 파면 센서를 작동하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING A REAL TIME LARGE DIOPTER RANGE SEQUENTIAL WAVEFRONT SENSOR}

본 발명은 '실시간 고디옵터 범위 순차 파면 센서를 작동하는 장치 및 방법'의 명칭으로 2012년 11월 7일자로 미국 가출원된 미국 출원번호 61/723,531호에 대하여 우선권을 주장하는 출원이다.

본 발명의 하나 이상의 실시예는 시력 교정 과정에서 사용되는 파면 센서에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 실시간 순차 파면 센서의 데이터 및 파면 센서에 관련된 다른 조립체의 데이터를 처리하고 구동하며 제어하는 전자장치와 알고리즘에 대한 것이다.

인간의 눈 파면 특징에 대한 통상의 파면 센서는 꺼지거나 점멸되는 실내 조명으로써 환자의 눈 파면의 스냅샷이나 다수의 스냅샷을 취하는 것으로 설계된다. 이러한 파면 센서는 파면 데이터를 캡쳐하는 CCD 센서 또는 CMOS 센서를 일반적으로 사용하며 파면 수차를 파악하는 비교적 복잡한 데이터 처리 알고리즘을 사용할 필요가 있다. CCD 또는 CMOS 이미지 센서는 일반적으로 제한된 수치의 그레이 스케일을 갖게 되고 1/f 노이즈 범위를 초과하는 프레임 레이트에서 작동될 수 없다는 사실 때문에 이러한 파면 센서는 높은 수준의 노이즈 대비 신호 비율을 제공하는 록-인(lock-in) 탐지 설계의 장점을 충분히 누릴 수 없다. 이들은 파면 수차를 신속하게 유도하는 간단한 알고리즘을 채용할 수 없다. 그 결과, 이러한 파면 센서들이 수술용 현미경과 같은 안과 장비에 일체로 될 때, 이들은 특히 현미경 조명이 켜진 상태에서 정확하고 반복재현가능한 실시간 파면 수차 측정을 제공하지 않는다.

실시간 파면 측정을 구현할 뿐만 아니라 전술한 사항들을 포함하는 다양한 이슈들을 나타내는 장치와 방법에 대한 필요가 있어왔다.

하나 이상의 실시예는 당해 기술분야의 전술한 하나 이상의 필요성을 만족한다. 특히, 일실시예는 다양한 기능을 달성하도록 실시간 순차 파면 센서의 데이터를 구동, 제어 처리하는 소프트웨어 및 관련된 알고리즘을 가진 전자 제어 및 구동 회로에 대한 것이다.

상기 회로는 쿼드런트 광다이오드/디텍터/셀/셀서 또는 측방향 효과 위치 센싱 디텍터와 같은 광전 위치 센싱 디텍터/장치 (PSD), 트랜스임피던스 증폭기, 아날로그 디지털(A/D) 컨버터, 프로그램가능한 게인 제어부를 가진 디지털 증폭기, 고휘도 다이오드 (SLD 또는 SLED) 및 그 구동회로, 파면 스캐닝/시프팅 장치 및 그 구동 회로, 전단 데이터 처리 유닛(예를 들어 프로세서, 마이크로제어기, PGA, 프로그램가능한 장치)를 포함한다. 또한, 카메라는 파면이 측정되는 눈의 실시간 비디오 이미지를 제공하는데 사용된다. 또한, 후단 데이터 처리 유닛은 환자의 눈의 실시간 이미지로 그 위에 또는 나란하게 겹쳐지는 안과 의료 정보를 표시하도록 전단 처리 유닛으로부터 순차 파면 데이터를 변환하도록 채용된다. 상기 회로(전단 및/또는 후단)는 예를 들어 눈의 횡방향 위치 측정 장치, 눈 거리 측정 장치, 수용가능한 눈 고정 타겟, 데이터 저장 장치, 레이저 기반 수술 삭제 장치 및 디스플레이 장치를 포함하는 각각의 장치의 조정된 작동을 위한 한가지 방식 또는 다른 방식으로 하나 이상의 장치들에 전기적으로 연결된다.

다른 실시예는 실시간 순차 샘플링된 파면의 고정밀 측정을 달성한다. 상기 제어기는 펄싱하는 SLD에 위상 로크된 위치 센싱 장치/디텍터를 사용하여 순차 샘플링된 서브 파면 경사를 탐지하는 동안에, 시프트 파면에 동기화되어 SLD 를 개시하도록 구성된다. 파면 시프팅 주파수의 정수배가 되는 주파수에서 SLD 를 개시함으로써, 상기 파면의 각 스캔을 가로지르는 구별되는 동일한 정수배의 서브 파면의 샘플이 수집된다. SLD를 펄싱하는 것과 동일한 주파수로 A/D 변환기를 동기화함으로써, 전자기 간업의 영향과 본원에서 설명되는 장치가 장착되는 방이나 현미경으로부터의 대기 광을 제거하도록 SLD 펄스시와 그 전후에 암(SLD 오프) 상태이고 명(SLD 온) 상태인 샘플을 수집되게 된다.

다른 실시예에서, 파면 시프터/스캐너의 DC 오프셋 성능은 주변 환경 또는 다른 인자에 의해 도입되는 광학적 요소의 마이너한 오정렬 또는 움직임에 대한 보상을 하고 눈의 움직임에 대하 s보상을 하거나 파면 측정시의 내재적인 오류를 최소화하도록 사용된다.

다른 실시예는 대상 눈을 조사하는 광원, 디텍터, 대상 눈의 이미지를 출력하는 이미지 센서, 상기 대상 눈이 상기 광원에 의해 조사될 때 대상 눈으로부터 되돌아오는 파면 빔을 인터셉트하며 디텍터를 향하여 어퍼쳐를 통하여 상기 대상 눈으로부터의 파면의 일부를 배향하도록 된 제 1 빔 변형 부재, 및 상기 광원, 상기 이미지 센서 및 상기 빔 변형 부재에 연결되며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 결정하도록 상기 이미지를 처리하며, 상기 파면의 환형 링 부분의 일부를 어퍼쳐를 통하여 투영하고 변형하는 상기 빔 변형 부재를 제어하며, 상기 디텍터에서 상기 환형 링의 선택된 부분을 샘플링하도록 개시 속도에서 광원을 펄싱하며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 계산하도록 상기 대상 눈의 이미지를 처리하며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 보상하도록 DC 오프셋 각도로 상기 빔 변형 부재를 배향시키는, 제어부를 포함한다.

본 발명의 이러한 구성 및 다른 구성은 첨부한 도면을 참고하는 바람직한 실시예에 대한 아래의 설명을 검토함으로써 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있다.

본 발명에 의하면 실시간 고디옵터 범위 순차 파면 센서를 작동하는 장치 및 방법을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 수술용 현미경에 일체로 된 높은 수준의 디옵터 범위의 실시간 순차 파면 센서의 광학적 구조에 대한 일실시예를 도시한다.
도 2는 이러한 잠재적으로 액티브한 장치가 전자 제어 회로에 연결된 도 1의 파면 센서의 광학계에 인터페이싱되는 전자 장치의 일례를 도시한다.
도 3은 파면 샘플링 설계에 대하여 형성된 어떠한 대응 변화도 존재하지 않으며 눈이 횡방향으로 이동시에 각막 표면상에서 파면 샘플링 구간에 발생하는 것을 도시한다.
도 4는 파면 빔 스캐너를 DC 오프셋함으로써 눈의 횡방향 운동을 어떻게 보상하고 눈이 횡방향으로 이동하는 경우에 동일한 적절하게 중심이 맞춰진 환형 링을 스캔하는지를 도시한다.
도 5는 눈이 설계된 위치로부터 축방향으로 이동하게 된 경우에 굴절 오류 또는 파면 오류에 측정되는 것이 무엇인지를 도시한다.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 관련 장치 및 순차 파면 센서를 제어하고 구동하는 전자 시스템의 예시적인 일싱시예의 전체 블록 다이아그램을 도시한다.
도 7은 순차 파면 센서 모듈 내에 장착되는 실시간 이미지 카메라 및 전단 전자 처리 시스템과 도 6에 도시된 호스트 컴퓨터 및 디스플레이 모듈에 장착되는 후단 전자 처리 시스템의 예시적인 실시예에 대한 블록다이아그램이다.
도 8은 내부 캘리브레이션 및/또는 확인을 위한 하나 이상의 기준 파면을 생성하도록 파면 릴레이 빔 경로로 이동하게 되는 예시적인 내부 캘리브레이션 타겟을 도시한다.
도 9a는 노이즈 대비 신호비를 최적화하도록 디지털 게인 제어 및 자동 SLD 인덱스의 과업을 달성하는 전자적인 블록 다이아그램의 예를 도시한다.
도 9b는 첫번째로 중심에 광 이미지 스팟이 안착되며 두번째로 중심으로부터 약간 떨어져서 안착되는 쿼드런트 디텍터를 도시한다.
도 9c는 평면 파면, 디포커스 파면, 난시 파면의 경우에 대한 다수의 사례에서 관련된 이미지 스팟이 서브 파면 포커스 렌즈의 뒤의 쿼드-디텍터상에 위치하고 모니터 상에서 2D 데이터 포인트 패턴으로서 표시될 때 대응하는 중앙 위치의 순차적인 운동을 보여주는 그림이다.
도 10은 가변식 게인 증폭기의 게인 및 및 SLD 출력을 변화시킴으로써 노이즈 대비 신호비를 최적화하는 일례의 처리 블로우 블록 다이아그램을 나타낸다.
도 11은 도 9의 위치 센싱 디텍터 회로에서 사용되는 바와 같은, 4개의 쿼드런트 광다이오드들 중 하나로부터 신호를 증폭하는데 사용될 수 있는 록-인 탐지부를 가진 복합 트랜스임피던스 증폭기의 일례를 도시한다.
도 12는 록-인 탐지 회로를 구비한 일반적인 트랜스임피던스 증폭기의 복합체의 일례를 도시한다.
도 13a는 SLD 펄스가 개시될 때 전체 파면이 하측으로 시프트되도록 MEMS 스캔 미러가 배향될 때를 도시하는데, 이 경우 상기 어퍼쳐는 원형 파면 섹션의 상부에서의 일부를 샘플링한다.
도 13b는 원형 파면 섹션의 우측에서 어퍼쳐가 일부를 샘플링하도록 SLD 펄스가 개시될 때 파면이 아래로 시프트될 때의 경우를 도시한다.
도 13c는 SLD 펄스가 개시되면 파면이 상측으로 시프트될 때 상기 어퍼쳐는 원형 파면 섹션의 저부에서 일부를 샘플링하는 것을 도시한다.
도 13d는 SLD 펄스가 개시되면 파면이 우측으로 시프트될 때 상기 어퍼쳐가 원형 파면 섹션의 좌측에서 일부를 샘플링하는 것을 도시한다.
도 13e는 링 형태로 배열된 4개의 디텍터로써 파면 섹션을 샘플링하도록 싸이클마다의 4개의 펄스의 순차적인 스캔 순서의 등가적인 것을 도시한다.
도 13f는 MEMS 스캐너의 X 및 Y 축에 대하여 개시되는 8개의 SLD 펄스의 위치를 도시하는데, 8개 펄스 중 4개의 짝수 또는 홀수 펄스는 MEMS 스캐너의 X 및 Y 축에 정렬되며, 나머지 4개의 펄스는 X 및 Y 축 사이에서 링 상에서 중간에 배치되는 것을 도시한다.
도 14는 도 13f에 도시된 바와 같은 파면 스캐너의 X, Y 축에 초기에 정렬된 4개의 SLD 펄스 개시 위치가 SLD 펄스를 약간 딜레이시킴으로써 X, Y 축으로부터 15도 시프트되는 것을 도시한다.
도 15는 제 1 프레임에서 0도, 제 2 프레임에서 15도, 제3 프레임에서 30도의 오프셋 각으로 파면을 샘플링하는 축적된 효과를 도시한다.
도 16은 X 축이나 Y 축을 따라 PSD 비율적 예상 중심 변위 또는 위치와 실제 중심 변위 또는 위치 사이의 이론적으로 결정된 관계의 일례를 도시한다.
도 17은 수정된 관계를 달성하고 보다 정확한 파면 수차 측정을 가능하게 하는데 있어서 캘리브레이션이 어떻게 수행되어야 하는지를 나타내는 예시적인 플로우 다이아그램이다.
도 18은 삼각법을 사용하여 순차적인 타원의 그래픽을 나타낸 것으로서, 여기서 U(t) = a·cos(t) 및 V(t) = b·sin(t), a>b>0 이며, 그 결과 타원은 U-V 카테션 좌표의 제1사분면에서 지점(U(t0), V(t0))에서 반시계방향으로 회전하게 되는 것을 도시한다.
도 19는 삼각법을 사용하여 유사한 순차 타원의 대응하는 그래픽을 나타낸 것으로서, 여기서 U(t) = -a·cos(t), V(t) = -b·sin(t), a>b>0 이며, 그 결과 타원은 U-V 카테션 좌표의 제3사분면에서 지점(U(t0), V(t0))에서 반시계방향으로 회전하게 되는 것을 도시한다.
도 20은 삼각법을 사용하여 유사한 순차 타원의 대응하는 그래픽을 나타낸 것으로서, 여기서 U(t) = a·cos(t), V(t) = -b·sin(t), a>b>0 이며, 그 결과 타원은 U-V 카테션 좌표의 제4사분면에서 지점(U(t0), V(t0))에서 반시계방향으로 회전하게 되는 것을 도시한다.
도 21은 삼각법을 사용하여 유사한 순차 타원의 대응하는 그래픽을 나타낸 것으로서, 여기서 U(t) = -a·cos(t), V(t) = b·sin(t), a>b>0 이며, 그 결과 타원은 U-V 카테션 좌표의 제2사분면에서 지점(U(t0), V(t0))에서 반시계방향으로 회전하게 되는 것을 도시한다.
도 22는 발산하는 구형 파면 및 그 결과로서 데이터 포인트 위치와 극성으로부터 예상되는 순차적인 중앙 데이터 포인트의 예를 도시한다.
도 23은 수렴하는 구형 파면 및 그 결과로서 데이터 포인트 위치와 극성으로부터 예상되는 순차적인 중앙 데이터 포인트의 다른 예를 도시한다.
도 24는 원래의 X-Y 좌표에서 병진 운동된 Xtr-Ytr 좌표로 병진 운동되고 회전되며 그리고 추가적으로 순차적인 타원에 맞게되는 8개의 순차적으로 샘플링된 중앙 데이터 포인트의 U-V 좌표로 회전된 카테션 좌표계를 도시한다.
도 25는 좌측은 양의 주축과 부축을 가지는 발산하는 구형 파면에 대응하며 우측은 음의 주축과 부축을 가지는 수렴하는 구형 파면에 대응하게 되는, U-V 좌표계 상의 8개의 중앙 데이터 포인트 및 좌표 회전 변환의 결과를 도시하는 도면이다.
도 26은 구형 디옵터 및 원통형 디홉터와 원통축각을 디코딩하는 일실시예의 처리 플로우 다이아그램을 도시한다.
도 27은 눈 추적 알고리즘의 예시적인 처리 플로우 다이아그램을 도시한다.
도 28은 환형의 링 직경을 샘플링하는 최대 파면을 결정하고 수도-무수정체 측정에 대한 보다 향상된 디옵터 해상도를 달성하는 실시간 눈 이미지를 사용하는 컨셉을 보여주는 예시적인 처리 플로우 다이아그램을 도시한다.
도 29는 SLD가 꺼지고 오류 '명' 또는 '암' 파면 데이터가 포기될 수 있도록 원하는 위치 범위로부터 눈의 이동 및 파면 릴레이 빔 경로에서 의도하지 않은 목적물의 존재를 탐지하는 파면 센서 신호 및/또는 실시간 눈 이미지를 사용하는 컨셉을 나타내는 예시적인 처리 플로우 다이아그램을 도시한다.

본 발명의 다양한 실시예가 참고될 것이다. 이러한 실시예의 예들은 첨부된 도면을 참고하여 도시된다. 본 발명은 이러한 실시예를 참고하여 설명되지만, 임의의 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 반대로, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 정의된 발명의 사상과 범위내에 포함되는 선택적인 예, 수정예, 등가예를 포함한다. 아래의 설명에서, 특정 수치 사항은 다양한 실시예를 이해하기 위하여 제공되는 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 사항 중 일부 또는 전부 없이도 실행될 수 있다. 다른 경우에서, 주지의 처리 과정은 본 발명에 불필요한 제한을 가하지 않도록 하는 범위에서 자세하게 설명되지는 않는다. 또한, 명세서의 곳곳에서 '예시적인 실시예'의 용어는 동일한 예시적인 실시예를 언급하는 것으로 볼 것은 아니다.

인간의 눈의 파면 수차 측정에 사용되는 일반적인 파면 센서에서, 눈 동공 또는 각막 평면으로부터의 파면은 기 공지된 4-F 릴레이 원리를 이용하여 한번 또는 여러 번 평면을 감지하거나 샘플링하는 파면으로 릴레이된다(예를 들어, 1949-1957, J. Opt. Soc. Am A11, "하트만-색 파면 센서를 사용한 인간 눈의 파면 수차의 측정" (1994). 제이. 리앙 제이.제이. 위디커 등 (2006) "상업적 오프 더 쉘프 옵틱을 이용한 고속 색-하트만 파면 센서 설계", 어플라이드 옵틱스, 45(2), 383-395; 미국 특허 제7654672호 참고). 이러한 단일 또는 다중 4-F 릴레이 시스템은 입사 파면의 상 정보를 보전하면서 그것이 유해한 전파 효과 없이 릴레이될 수 있게 한다. 또한, 4-F릴레이를 구현하기 위하여 서로 다른 초점 길이의 2개의 렌즈를 사용하여 무한초점 이미지 시스템을 구성함으로써, 이러한 릴레이는 관련 입사 파면의 발산 또는 수렴의 관련된 축소 또는 확대를 수반한 입사 파면의 확대 또는 축소를 가능하게 한다 (예를 들어, 제이. 더블유. 굿맨, 퓨리에 옵틱스 개론, 2판, 맥그로우힐, 1996).

최근에, LRI/AK 교정, 레이저 증진 및 백내장/굴절 수술과 같은 다양한 시력 교정 방법에 대한 생생한 피드백을 제공하는 실시간 파면 센서에 대한 필요성이 존재하는 것이 인식되고 있다. 이러한 과정에서, 일반적인 수술에 대한 임의의 간섭은 바람직하지 않은데, 특히 수술용 현미경 조명을 끄고 파면 데이터 캡쳐와 처리를 기다리는 시간에 바람직하지 않다. 의료진은 시력 교정 수술이 행해지는 동안에 그들에게 실시간 피드백이 제공되기를 희망한다. 또한 대부분의 의료진은 연속적으로 보여지는 실시간 파면 측정 결과가 눈의 실시간 디스플레이/동영상에 바로 이어서 동기화되고 중첩되는 것을 선호하는데, 중첩되거나 나란하게 보여지는 파면 측정 결과는 양적으로 또는 질적으로 또는 양적이고 질적인 방식이 결합되어 보여지게 되는 것이 선호된다. 또다른 주요 이슈는 파면이 실시간으로 측정되면서 시력 고정 수술 동안에 파면 센서에 대한 눈의 움직임이다. 이전의 파면 센서는 눈의 움직임을 보상하는 수단을 제공하지 않았고, 대신에, 의미있는 파면 측정을 위하여 눈은 파면 센서에 재정렬될 필요가 있었다.

본 출원의 출원인과 동일한 출원인에게 양도된 계류중인 특허출원(미국 특허출원 제20120026466호)에서, 시력 교정 과정에서 접하게 되는 문제들을 보여주기에 특히 적절한 큰 디옵터 범위의 순차 파면 센서가 설명되고 있다. 비록 다양한 광학적 설계/구조 가능성이 함께 계류중인 위 출원에 설명되었지만, 이러한 큰 디옵터 범위의 순차 파면 센서를 작동시키는 상세한 전자적 제어 및 데이터 처리 관련 사항은 설명되지 않았다. 다른 서브 조립체의 추가적인 측정 성능은 자세하게 설명되지는 않았다. 본 출원에서, 다양한 특징을 가진 전자 제어 구동 특징 및 다양한 기능을 수행하는 관련된 알고리즘이 설명된다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 높은 수준의 정밀도를 가진 파면 측정을 위한 관련 알고리즘에 관련된 록-인 탐지 전자 시스템이 설명되고 있다. 전자 시스템은 광전자적 위치 센싱 장치/디텍터로부터 전자 신호를 얻게 되며, 복합 트랜스-임피던스 증폭기로써 아날로그 신호를 증폭하며, A/D 컨버터를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 디지털 증폭기를 이용하여 디지털 신호를 증폭하며, 데이터 처리 유닛을 이용하여 데이터를 처리하게 된다. 전자 시스템은 상이한 기능을 달성하도록 파면 센서 모듈의 이러한 전자 작동 장치의 일부 또는 전부에 연결된다. 이러한 작동하는 장치의 예는 측정되어진 목적 파면을 생성하는 고휘도 다이오드(superluminescent diode: SLD)와 같은 광원, SLD 빔 포커싱 및/또는 조종 모듈, MEMS 스캔 미러와 같은 파면 스캐닝/시프팅 장치, 눈 동공 횡 위치 및 거리 센싱/측정 장치, 눈 고정 타겟, 다양한 가변 초점 활성 렌즈, 하나 이상의 데이터 처리 및 저장 장치, 엔드 유저가 사용가능한 입력 장치 및 디스플레이 장치를 포함한다.

도 1은 수술용 현미경에 일체로 되는 큰 디옵터 범위의 실시간 순차 파면 센서의 광학적 구조의 일실시예를 도시하며, 도 2는 전자 시스템에 연결되는 이러한 활성 가능한 장치를 구비한 전자 장치 연결 시력 파면 센서 구조를 도시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 8-F 파면 릴레이의 제 1 렌즈(104/204)는 파면 센서 모듈의 최일선의 광입력 포트에 배치된다. 상기 제 1 렌즈(104/204)는 수술용 현미경 및 파면 센서 모듈에 의해 공유된다. 환자의 눈에 가급적 가깝게 8-F 파면 릴레이의 제 1 렌즈(104/204)를 배치하는 장점은 이러한 제 1 렌즈의 설계된 초점 거리가 8-f 파면 릴레이의 요구사항마다 가장 짧게 할 수 있고 따라서 파면 센서의 전체적 광학 경로 길이가 최단거리로 만들어질 수 있게 된다는 것이다. 이러한 결합된 파면 릴레이 빔 경로를 꺾어지게 하면 파면 센서 모듈을 콤팩트하게 된다. 또한, 눈으로부터의 파면의 큰 디옵터의 측정 범위가 광학 빔 경로의 추가적인 하류에 배치되는 동일한 디옵터의 렌즈에 비교하여 달성될 수 있다. 또한, 이러한 위치에서 광학 윈도우를 가지는 파면 센서에 대한 필요가 항상 존재하였으므로, 렌즈는 파면 릴레이 시스템 및 현미경에 대한 윈도우와 제 1 렌즈 이중 목적을 수행하게 된다. 그러나, 제 1 렌즈(104/204)는 다이크로익 또는 짧은 단경로의 빔스플리터(161/261) 다음에 배치될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 다이크로익 또는 단경로 빔스플리터(161/261)는 나머지 파면 센서 모듈에 근적외선 파면 릴레이 빔(고휘도 다이오드 또는 SLD (172/272)의 광학적 스펙트럼 범위를 적어도 커버함)을 높은 효율로 반사/굴절 시키는데 사용되며, 가시광의 대부분(예를 들어 85%)가 통과하게 된다. 상기 다이크로익 또는 단경로 빔스플리터(161/261)는 SLD 스펙트럼 범위 밖의 가시광 및/또는 근적외선의 일부가 반사/굴절되도록 하여, 환자의 눈의 내부의 선명한 실시간 이미지는 이미지 센서(162/262)에 캡쳐되게 된다.

상기 다이크로익 또는 단경로 빔스플리터(161/261) 위의 상기 보상 렌즈(102/202)는 몇가지 기능을 충족시키는데 사용된다. 첫번째로, 수술용 현미경에 의해 수술 광경이 의료진에 보여지게 되는 것이 8-F 릴레이 의 제 1 렌즈(104/204)의 사용을 이유로 영향을 받지 않게 하기 위하여, 이러한 보상 렌즈(102/202)는 현미경의 시각부에 대하여 제 1 렌즈(104/204)의 영향을 보상하도록 설계될 수 있다. 다음으로, 상기 보상 렌즈(102/202)는 파면 센서 모듈을 밀봉하는데 필요할 수 있는 상부 광 윈도우로서 기능하게 된다. 상기 보상 렌즈(102/202)의 제 3 기능은 광축으로부터 수술현미경으로부터의 조사 빔을 배향하여 조사 빔이 렌즈(104/204)를 비추게 될 때 렌즈(104/204)로부터의 정반사가 수술 광경에 대한 의료진의 시각을 방해하는 수술 현미경의 2개의 쌍시야각 경로로 다시 되돌아 진행하지 않게 된다. 마지막으로, 상기 보상 렌즈(102/202)는 광의 근적외선 및 자외선 스펙트럼을 반사 및/또는 흡수하고 광이 가시광만이 투과하는 것을 허용하도록 코팅처리될 수 있다. 이러한 방식으로, 현미경 광원으로부터의 SLD 스펙트럼에 대응하는 광의 근적외선 부분은 위치 센싱 장치를 새추레이션(saturation)시키거나 배경 노이즈를 생성하도록 파면 센서 모듈에 진입할 수 있는 눈으로 되돌아오는 근적외선의 배경광을 형성하도록 환자 눈에 비춰지지 않는다. 반면, 이러한 코팅은 현미경의 광원으로부터 자외선을 방출하거나 흡수할 수 있다. 그러나, 상기 제 1 렌즈가 다이크로익 또는 단경로 빔스플리터(161/261) 뒤에 배치된다면 보상 렌즈에 대한 필요성이 없어지게 되어 어떤 파장 필터링 기능을 가진 윈도우만으로도 충분하게 된다.

도 1 및 도 2에서, 눈으로부터의 파면은 파면 샘플링 어퍼쳐(118/218)가 배치되는 파면 샘플링 이미지 평면 8-F 하류로 릴레이된다. 상기 파면 릴레이는 제 1 렌즈(104/204)에 추가하여, 제 2 렌즈(116/216), 제3렌즈(140/240), 제4렌즈(142/242)를 포함하는 2개의 캐스케이드된 8-F 파면 릴레이 또는 4-F 릴레이 스테이지를 사용하여 달성된다. 상기 파면 릴레이 빔 경로는 편광 빔 스플리터(PBS: 174/274), 미러(152/252), MEMS 빔 스캐닝/시프팅/굴절 미러(112/212)에 의해 꺾여지게 되어, 파면 센서 모듈을 콤팩트하게 만들게 된다. 파면 릴레이 빔 경로를 따라, 밴드 패스 필터(176/276)는 상기 다이크로익 또는 단경로 빔스플리터(161/261) 및 쿼드런트 디텍터(122/222) 사이의 임의의 곳에 배치될 수 있게 되어 배경 노이즈를 감소시키도록 SLD 스펙트럼 외부의 광을 필터링하게 된다. 또한, 어퍼쳐(177/277)는 눈으로부터의 광선의 원뿔각을 제한하여 제2 퓨리에 변환 평면에서 배치되는 MEMS 스캐너(112/212)의 미러 표면 영역 외부에 빛이 안착되는 것을 방지하고 눈으로부터의 파면의 디옵터 측정 범위가 원하는 범위가 되도록 하는 기능을 수행하기 위하여 PBS(174/274) 및 미러(152/252) 사이의 제 1 퓨리에 변환 평면에 배치될 수 있다.

상기 MEMS 스캔 미러(112/212)는 최종 파면 이미지 평면에서 릴레이된 파면이 파면 샘플링 어퍼쳐(118/218)에 대하여 횡방향으로 시프트될 수 있도록 목적 빔을 각지게 스캔하도록 8-F 파면 릴레이의 제 2 퓨리에 변환 평면에 배치된다. 상기 파면 샘플링 어퍼쳐(118/218)는 고정된 크기의 어퍼쳐이거나 가변적인 어퍼쳐일 수 있다. 상기 어퍼쳐(118/218) 뒤의 서브-파면 포커싱 렌즈(120/220)는 위치 센싱 장치/디텍터(PSD: 122/222: 쿼드런드 디텍터/센서 또는 측방향 효과 위치 센싱 디텍터) 상에 순차적으로 샘플링된 서브-파면을 포커싱하게 된다. 전자 시스템은 SLD 를 펄싱하기 위하여 SLD(172/272), 파면 시프팅 MEMS 스캔 미러(112/212), PSD(122/222) 에 적어도 연결될 수 있으며, 상기 MEMS 미러를 스캔하며, 록-인 탐지가 구현되도록 동기화되어 상기 PSD 로부터 신호를 수집하게 된다.

이 지점에서, 도 1 및 도 2에도 불구하고 파면 릴레이의 제 1 렌즈는 파면 센서 모듈 또는 엔클로져(enclosure)의 입력 포트 위치에 배치되어서, 케이스가 될 필요가 없게 된다. 상기 제 1 렌즈(104/204)는 상기 다이크로익 또는 단경로 빔스플리터(161/261) 뒤에 배치될 수 있으며, 글래스 윈도우는 입력 포트 위치에 배치될 수 있게 된다. 따라서, 파면 릴레이의 나머지는 재설계되어, 보상 렌즈 또는 윈도우(102/202)의 광학적 기능은 현미경 이미지가 의료진에게 양호하게 보이도록 수정될 수 있게 된다.

꺾여진 파면 릴레이 빔 경로에 추가하여, 도 1 및 도 2에는 추가로 3개의 광학적 빔 경로가 도시되는데, 하나는 눈을 이미징하는 것이며, 다른 하나는 눈에 대하여 고정 타겟의 방향을 정하는 것이며, 또다른 하나는 눈 파면 정보를 가지는 눈으로부터의 파면 릴레이 빔의 생성을 위하여 고휘도 다이오드(SLD) 빔을 눈으로 조사하는 것이다.

이미지 빔스플리터(160/260)는 다이크로익 또는 단경로 빔스플리터(161/261)에 의해 반사되거나 눈으로부터 되돌아오는 이미지 광의 적어도 일부를 렌즈 또는 렌즈(168/268) 세트를 경유하여 2D-픽셀 어레이 CCD/CMOS 센서와 같은 이미지 센서(162/262)로 배향하게 된다. 상기 이미지 센서(162/262)는 상기 전자 시스템에 연결되는 흑백 또는 컬러 CMOS/CCD 이미지 센서일 수 있다. 상기 이미지 센서(162/262)는 대상 눈의 공평면(coplanar) 동영상 또는 정지 이미지를 제공하게 되며 눈의 후방 또는 전방에서 이미지로 포커싱되게 된다. 또한, 고정/이미지 빔스플리터(166/266)는 환자 눈에 대하여 역경로를 따라 제 1 렌즈(104/204)와 함께 렌즈 또는 렌즈(170/270) 세트에 의해 형성되는 고정 타겟(164/264) 이미지를 배향하게 된다. 상기 이미지 센서(162/262)의 전방의 렌즈(168/268)는 제 1 렌즈(104/204)와 함께 작동하도록 설계되어 디스플레이(도 1 및 도 2에 미도시) 상에 환자의 눈의 전후방의 실시간 이미지에 대한 원하는 수준의 광학적 확대를 제공하게 되며, 선명한 눈 동공 이미지가 얻어질 수 있도록 예를 들어 눈 동공 평면에 대하여 이미지 센서 평면이 콘주케이트(conjugate)되는 것을 보장할 필요가 있다면 자동 또는 수동으로 포커싱을 조절하는데 사용될 수 있다. 자동 포커싱의 경우, 상기 렌즈(168/268)는 전자 시스템에 연결될 필요가 있다.

고정 타겟(164/264) 전방의 렌즈(170/270)는 올바른 크기와 밝기의 편안한 고정 타겟을 환자의 눈에 제공하도록 설계될 수 있다. 눈의 망막에 고정 타겟이 콘주게이트되게 하는 것을 보장하도록 포커싱을 조절하고, 눈을 서로 다른 거리, 방향에 고정시키며 심지어 눈을 흐리게 하는데 사용될 수 있다. 이를 통하여, 상기 렌즈(170/270)는 활성화되고 전자 시스템에 연결될 필요가 있다. 고정광원(164/264)은 예를 들어 수술 현미경의 조사광으로부터 광원을 구별시키도록 하기 위하여 원하는 비율로 플래시 또는 깜박임을 주기 위하여 전자 시스템에 의해 구동될 수 있다. 상기 고정 광원(164/264)의 색상은 가변적일 수 있다. 상기 고정 타겟은 의료진의 희망에 대하여 가변적으로 보여지는 패턴 또는 스팟을 가진 마이크로 디스플레이일 수 있다. 또한, 고정 타겟에 기초한 마이크로 디스플레이는 서로 다른 방향으로 환자들이 보도록 안내하는데 사용될 수 있어서, 눈 수차 맵의 2D 어레이가 측정되고 생성되어 환자의 주변 시각의 시각적 예민성을 측정하는데 사용될 수 있다.

상기 고정 타겟(164/264)는 서로 다른 배경 광 조건에 기초한 전자 시스템에 의해 동적으로 제어가능한 출력 광 전원으로써 적색 또는 녹색 또는 황색(또는 임의의 색상) 발광 다이오드(LED)일 수 있다. 예를 들어, 수술 현미경으로부터의 비교적 강한 조사광이 켜져 있을 때, 고정 광원(164/264)의 밝기는 증가되어 완자는 쉽게 고정 타겟을 찾을 수 있게 되고 그것에 고정시킬 수 있게 된다. 가변식 다이아프램 또는 어퍼쳐(도 1 및 도 2에 미도시)는 이미지 센서 이전의 렌즈(168/268) 전방에 배치되어 눈의 전후방의 실시간 이미지의 필드 깊이를 제어하도록 전자 시스템에 연결된다. 어퍼쳐 크기를 동적으로 가변시킴으로써, 눈이 설계된 거리로부터 축방향으로 물러나게 될 때 눈 이미지의 흐림 정도는 제어될 수 있게 되며, 다이아프램과 어퍼쳐 크기의 함수로서 눈 이미지의 흐림 정도와 눈 축방향 위치간의 관계는 눈의 축방향 거리를 결정하도록 신호로서 사용될 수 있다. 선택적인 예로서, 눈 거리는 하나 이상의 근적외선 조사 광원의 각막 산란되고 반사된 이미지 스팟 위치에 기초하여 삼각법과 같은 공지의 수단으로 측정될 수 있다. 아래에서 설명될 논 거리 측정에 기초한 낮은 코히런스(coherence) 간섭측정계(interferometry)가 채용될 수 있다.

LED(또는 어레이)(135/235)의 링 또는 다중 링은 다중 기능을 수행하도록 파면 엔클로져의 입력 포트 주위에 원을 그리면서 배치될 수 있다. 하나의 기능은 파장 스펙트럼 범위 내에서 넘치는 조명광을 간단히 제공하여서 이러한 스펙트럼 내에서의 눈으로 복귀된 광은 이미지 센서(162/262)에 도달할 수 있게 된다. 이러한 방식에서, 수술 현미경으로부터의 조명이 없다거나 수술 현미경으로부터의 조명광이 있는 경우에 가시광은 눈에 도달하도록 필터링될 수 있게 되며, 이미지 센서(162/262)에 의해 포착된 눈 이미지의 콘트라스트는 원하는 범위 이내로 유지될 수 있다. 일례로서, 상기 이미지 센서는 1.3 메가픽셀 해상도(1280X1024 픽셀)를 가지는 극히 콤팩트한 보드 수준의 카메라인 모노크롬 UI-1542LE-M 일 수 있다. NIR 밴드 패스 필터는 상기 플러드 조사광(flood illumination light)만이 이미지 센서에 도달하여 실시간 눈 이미지의 비교적 일정한 콘트라스트가 유지되도록 이미지 경로를 따라 배치될 수 있다.

상기 LED(135/235)의 제 2 기능은 각막 및/또는 눈 렌즈(자연적인 것이거나 인공적인 것)의 광학적 인터페이스로부터 되돌아온 정반사 이미지 스팟을 형성하여 상기 LED(135/235)의 퍼킨제 이미지(Purkinje image)는 상기 이미지 센서(162/262)에 의해 포착될 수 있게 되도록 하는 것이다. 이러한 퍼킨제 이미지의 이미지 처리를 통하여, 환자의 눈의 횡방향 위치가 결정되게 된다. 추가하여, 상기 각막 및/또는 눈 렌즈(자연적이거나 인공적인 것)의 상부 및/또는 저부 표면 프로파일 또는 토포그래프는 각막 토포그래퍼 및/또는 케라토미터/케라토스코프가 그러한 것과 같은 방식으로 이해될 수 있다. 이러한 얻어진 정보는 각막 형상 또는 심지어 몇가지 다른 눈 생체/해부학적 파라미터에서의 변화를 결정하는데 사용될 수 있다. 측정된 변화는 굴절 수술 동안 또는 굴절 직후에 타게팅되거나 예상되는 굴절을 설정하는데 사용되어 눈의 각막에 형성된 침습 또는 상처가 완전히 치료될 때 눈의 최종 굴절이 원하는 대로 되도록 할 수 있다.

상기 LED(135/235)의 제 3 기능은 광학적 삼각법의 원리를 이용하여 눈 거리 측정을 구현하도록 상기 이미지 센서(162/262)에 의해 캡쳐될 수 있는 광 스팟을 형성하도록 눈의 백색부 상에 투영되고 선택적으로 일부가 켜질 수 있도록 하는 것이다. 이미징된 광 스팟의 중심 위치의 변화는 눈 거리를 판독하도록 처리될 수 있다.

실제 눈 동공/홍채 또는 각막 이미지를 제공하고 플러드 조사 효과를 이미징하는 것에 추가하여, 상기 이미지 센서 신호는 다른 목적을 위하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 상기 실시간 이미지는 제 1 렌즈(104/204)로부터의 크기, 거리 및 눈 동공의 횡방향 위치를 탐지하는데 사용될 수 있다. 상기 동공의 크기가 작다는 것을 알게될 때, 파면 샘플링 영역은 대응하여 감소될 수 있다. 환언하면, 상기 동공 크기 정보는 동공 크기마다의 파면 센싱 영역의 스케일링 및/또는 자동 조절 및/또는 수동 조절을 위하여 폐쇄 루프에서 사용될 수 있다.

이와 같은 개시 사항의 일실시예는 임의의 위치 범위 내에서 눈 위치 변화의 결과로서 파면 측정 오차를 교정하는 것이다. 상기 교정은 눈 축방향 위치 변화 및 눈 횡방향 위치 변화에 적용될 수 있다. 일실시예에서, 눈 또는 동공이 충분히 적절하게 중심 맞추어져 있지 않다면, 즉 파면 센서의 광학축에 대하여 충분히 적절하게 정렬되어 있지 않다면, 상기 파면 센서 모듈에 대한 눈 또는 동공의 횡방향 움직임의 양은 이러한 눈이나 동공의 횡방향 위치 움직임에 의해 도입되게 되는 측정된 파면 오차에 대한 교정을 하는 것이나 파면 샘플링 스캐너의 구동 신호를 조절하는 것에 사용되어 결정되게 되어서, 상기 각막 상의 동일한 영역은 항상 샘플링되게 된다.

상기 눈 또는 동공의 횡방향 위치는 실시간 눈 이미지 또는 다른 수단을 이용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 가장자리는 눈이 있는 곳에 대한 기준을 제공 할 수 있게 되는데, 즉 동공과 홍채 사이의 경계는 눈이 있는 곳에 대한 기준을 제공할 수 있게 된다. 또한, 밝은 광 스팟으로서 실시간 눈 카메라에 의해 캡쳐되거나 추가적인 위치 센싱 디텍터에 의해 감지된 각막 전방 표면으로부터의 정반사된 플러드 조사 광은 눈의 횡방향 위치 상에서의 정보를 제공하는데 사용될 수 있다. 또한, 상기 각막 전방 표면으로부터의 정반사된 SLD 광은 밝은 광 스팟으로서 실시간 눈 카메라에 의해 캡쳐되거나 눈의 횡방향 위치를 결정하는 추가적인 위치 센싱 디텍터에 의해 탐지될 수 있다. 상기 SLD 빔은 가장 강한 각막 정점의 정반사를 찾고 눈 횡방향 위치를 결정하는 두가지 크기로 스캔될 수 있다.

도 3은 눈이 횡방향으로 이동되고 파면 샘플링 설계에 어떠한 대응하는 변화도 생기지 않는다면 각막 평면 상의 파면 샘플링 영역에 무엇이 발생하게 될 것인지를 도시한다. SLD 빔은 파면 센서 광축에 대하여 동축 방향이며 고정되고, 상기 파면 센서는 각막 평면 상의 파면 센서의 광축에 대하여 방사상 또는 회전 대칭인 환형 링 주위에서 샘플링된다. 상기 눈이 적절하게 정렬될 때, 상기 SLD 빔(302)은 상기 동공의 중심 및 각막의 정점을 통하여 눈으로 들어오게 되며, 중심와(fovea) 근처의 망막에 맺히게 된다. 되돌아온 파면은 우측상의 단면 각막 평면에서 도시된 바와 같이 눈 동공의 중심 도는 각막의 정점에 대하여 중심이 맞춰진 방사상 또는 회전 대칭 환형 링 내에서 샘플링되게 된다. 만약 눈이 SLD 빔 및 파면 센서에 대하여 하향 횡방향으로 움직이게 되는지를 고려해보자. 상기 SLD 빔(312)은 중심에서 어긋하게 눈으로 들어오게 되고 정확한 위치가 눈의 수차에 따라 약간 다르게 되더라도 중심와 근처의 망막 상에 맺히게 된다. 상기 파면 샘플링 영역은 상기 SLD 빔에 대하여 고정되므로, 각막 평면상에서, 샘플링된 환형 링은 우측상에서 단면 각막 평면의 환형 링(314)에 의해 도시된 바와 같이 눈 동공의 중심 또는 각막의 정점에 대하여 상측으로 시프팅된다. 이러한 비-방사상 또는 비회전 대칭 파면 샘플은 파면 측정에 오류를 일으키게 된다. 본 발명의 일실시예에서, 눈 또는 동공의 횡방향 위치 상의 정보로써, 파면 측정 오차는 소프트웨어 및 데이터 처리에 의해 교정될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 눈 또는 동공의 횡방향 위치 상의 정보로써, 상기 SLD 빔은 눈 또는 동공을 따르거나 추적하도록 스캔되어, 상기 SLD 빔은 예를 들어 각막에 의해 되돌아온 정반사된 SLD 빔이 파면 센서의 PSD 로 진입하는 것을 방지하도록 설계되듯이(각막의 정점에서 약간 벗어난 위치)동일한 각막으로부터 각막에 항상 진입하게 된다. 상기 실시간 눈 이미지는 눈의 존재를 결정하고 이에 따라 SLD/파면 탐지 시스템을 켜고 끄는데 사용될 수도 있다. 상기 SLD 빔은 원하는 각막 위치에서 눈에 항상 진입하게하고 눈의 횡방향 운동(임의의 눈 움직임 범위 이내)의 결과로서 홍채에 의해 부분적으로 또는 완전히 차단되지 않도록 하기 위하여, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 SLD 빔을 스캐닝하는 스캔 미러(180/280)는 제 1 파면 릴레이 렌즈(104/204)의 후방 초점 평면에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 스캔 미러(180/280)를 각지게 스캔함으로써 각막 평면에 대하여 SLD 빔을 횡방향으로 스캔할 수 있게 된다. 눈의 실시간 이미지를 캡쳐하는 이미지 센서 또는 다른 눈 횡방향 위치 탐지 수단은 눈 중심의 횡방향 위치를 판독하고 스캔 미러(180/280)를 구동하기 위한 피드백 신호를 제공하는데 사용될 수 있게 되어, SLD 빔은 눈 움직임 또는 눈을 추적할 수 있게 된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 파면 빔 스캐너(112/212)는 눈 횡방향 움직임을 따르게 하거나 눈을 추적하게 하도록 적절한 DC 오프셋으로써 구동되어, 상기 파면 샘플링은 눈 동공의 동일한 영역에서 항상 수행된다. 예를 들어, 상기 샘플링은 눈 동공의 중심에 대하여 방사상으로 또는 회전 대칭인 환형 링 상에서 구행될 수 있다. 이것이 어떻게 가능한지 확인하기 위하여, 파면 빔 스캐너는 8-F 파면 릴레이 구조의 제2 퓨리에 변환면에 배치되는 것을 기억하자. 눈이 횡방향으로 이동할 때, 4-F 파면 이미지 평면에서, 상기 파면의 이미지는 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈의 초점 길이 비율에 따라 비례하여 광학적으로 확대 또는 축소되어 횡방향으로 이동될 수 있다. 상기 파면 빔 스캐너는 어떠한 스캐닝도 수행하지 않고 DC 오프셋도 없다면, 중간 파면 이미지 평면에서 횡방향으로 이동하는 파면이 최종 파면 샘플링 이미지 평면으로 추가적으로 릴레이될 때, 그것은 상기 샘플링 어퍼쳐에 대하여 횡방향으로 변위되게 될 것이다. 그 결과, 상기 파면 빔 스캐너는 각 회전 스캔을 수행한다. 각막 평면 상에서 효과적으로 스캔된 환형 링 영역은 도 3의 하부에 도시된 바와 같이 중심이 어긋나게 된다.

도 4는 파면 빔 스캐너를 DC 오프셋함으로써 어떻게 눈의 횡방향 이동을 보상할 수 있고 눈이 횡방향으로 움직이더라도 동일하게 적절하게 중심이 맞춰진 환형 링을 스캔하는 것을 계속할 수 있게 되는지를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 눈의 횡방향 움직임이 있을 때, SLD 빔(448)은 중심이 어긋난 눈에 진입하게 되고, 8-F 릴레이에 의해 릴레이 되게 되는 목적물로서의 각막 평면에서의 파면 역시 축에서 벗어나게 된다. 따라서 상기 중간 파면 이미지(402)는 횡방향으로 변위되게 되는데, 만약 파면 빔 스캐너의 DC 오프셋이 없다면 제 2 퓨리에 변환 이미지 평면에서 파면 빔의 스캐닝 없이 중간 파면 이미지는 횡방향으로 변위된 파면 이미지(432)처럼 최종 파면 샘플링 표면으로 릴레이될 것이다. 이 경우, 상기 파면 빔 스캐너는 0 도의 DC 오프셋 각도에 대하여 원형 각 회전의 형태로 스캔하게 된다면, 샘플링된 파면은 환형 링(444)에 의해 도시된 바와 같이 눈의 중심에 대하여 비-방사상 또는 비-회전 대칭 환형 링이 될 것이다. 그러나, 도 4의 우측에 도시된 바와 같은 파면 빔 스캐너(462)가 눈의 횡방향 변위 및 그 다음의 최종 파면 이미지(482)에 기초하여 적절히 결정된 임의의 DC 오프셋을 가진다면, 최종 파면 샘플링 이미지 평면에 대하여 릴레이될 때, 파면 샘플링 어퍼쳐(458)에 대하여 다시 중심이 맞추어지도록 횡방향으로 변위될 수 있다. 이 경우, 상기 SLD 빔(498)은 중심이 벗어난 눈에 진입하게 되어, 8-F 릴레이에 의해 릴레이되는 목적물로서 각막 평면에서의 파면은 제1, 2, 3 렌즈를 통하여 통과시에 오프-축(off-axis) 상태가 되지만, 파면 스캐너 이후에, 상기 릴레이는 파면 스캐너에 의해 교정되어 현재에는 온-축(on-axis) 상태로 된다. 따라서, 이러한 DC 오프셋에 대한 파면 빔 스캐너의 추가적인 각회전 스캐닝으로 인하여 눈의 중심에 대하여 방사상 또는 회전 대칭된 환형 링(494)을 샘플링하게 된다.

본 발명의 일실시예는 따라서 실시간 눈 카메라 또는 다른 수단에 의해 결정될 수 있는 눈의 횡방향 움직임에 응답하여 파면 스캐너의 DC 오프셋을 제어하게 된다. 파면 릴레이 경로를 따라 파면 이미지는 이미지 경로의 일부를 따라 온-축은 아니지만 오프-축으로 행해지므로, 따라서 예를 들어 코마 또는 프리즘 경사를 포함하는 다른 광학적으로 도입되는 수차가 될 수 있다. 오프-축 파면 릴레이의 결과로서 도입되는 추가적인 수차는 캘리브레이션을 통하여 관리될 수 있으며 광학적 이미지 또는 릴레이 시스템의 내재된 수차가 있어서 캘리브레이션 및 데이터 처리를 이용하여 제외될 수 있는 것으로 처리될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 눈은 파면 센서의 대물 평면으로부터 예정된 거리에 축방향으로 배치되지는 않는 것으로 알려진다면, 예정된 축방향 위치에 대하여 눈의 축방향 변위량이 결정되며 그 정보는 이러한 눈 축방향 움직임에 의해 도입되는 측정된 파면 오차를 교정하는데 사용된다. 도 5는 만약 눈이 예정된 위치로부터 축방향으로 이동되었을 때 측정된 파면 또는 굴절 오차에 무엇이 발생하는지를 보여준다.

도 5의 좌측 칼럼에서, 3개의 정시안이 파면 센서로부터 추가적으로 이동된 상부(504) 및 파면 센서를 향하여 이동된 저부(508) 및 파면 센서의 예정된 축방향 위치에 배치된 중간부(506)으로써 도시된다. 도시된 바와 같이, 이러한 정시안으로부터 나타나는 파면은 평평하므로, 파면이 최종 파면 샘플링 표면으로 릴레이되는 예정된 대물 평면(502)에서, 파면(514, 516, 518)은 3가지 경우에 있어서 모두 평평하다. 따라서, 눈이 정시안일 경우, 눈이 예정된 위치로부터 축방향으로 약간 변위되어 있다면, 파면 측정은 영향을 받지 않게 된다.

그러나, 만약 눈의 수정체 렌즈(525, 527, 529)가 두껍게 도시되어 있고 눈(524, 526, 528)이 상대적으로 긴 것으로 도시된 도 5의 중간 칼럼에 도시된 바와 같이 눈이 근시안이라면, 눈으로부터 나타나는 파면은 지점(535, 537, 539)으로 수렴하게 되며, 각막 평면에서의 파면의 디옵터 값은 눈의 각막 평면으로부터 수렴 지점으로까지의 거리에 의해 결정되게 된다. 이 경우, 만약 눈이 중간 칼럼의 상부 예시에 도시된 바와 같이 파면 센서로부터 추가로 약간 더 이동하게 된다면, 파면 센서의 대물 표면(522)에서의 파면은 눈의 각막 평면에서의 파면과 동일하지 않게된다. 실제로, 파면 센서의 대물 평면에서의 파면의 수렴 곡률 반경은 각막 평면에서의 것보다 작다. 따라서, 상기 파면 센서의 대물 평면에서의 파면(534)이 파면 센서에 의해 측정될 때, 측정 결과는 파면(534)의 곡률 반경이 파면(536)의 곡률 반경보다 작으므로 각막 평면에서의 파면(536)과는 구별된다. 한편, 상기 눈은 상기 중간 칼럼의 하부 예시에 도시된 바와 같이 파면 센서를 향하여 눈이 더 가깝게 이동하게 된다면, 상기 파면 센서의 대물 평면(5232)에서의 파면(538)은 눈의 각막 평면에서의 파면(536)과 다시 동일하지는 않게 된다. 실제로, 파면 센서의 대물 평면에서의 파면(538)의 곡률 반경이 각막 평면에서의 파면(536)보다 크다. 그 결과, 파면 대물 평면에서의 측정된 파면 결과는 눈의 각막 평면에서의 것과 다시 달라지게 된다.

눈의 결정체 렌즈가 제거되어 있고 눈(544, 546, 548)이 짧은 무수정체 눈을 시뮬레이션하는 일반적인 것보다 짧은 것으로 도시된 도 5의 우측 칼럼에 도시된 바와 같이 눈이 원시안이라면, 상기 눈으로부터 나타나는 파면은 발산하는 광선 후단에 의해 발산하게 될 것이며, 광선이 기원하는 수직 포커스 지점(555, 557, 559)를 찾을 수 있게 된다. 각막 표면에서의 파면의 원시 디옵터 값은 눈의 각막 평면으로부터 가상 포커스 지점까지의 거리에 의해 결정된다. 이 경우, 상기 눈은 우측 칼럼의 상부 예시에 의해 도시된 바와 같이 파면 센서로부터 눈이 추가로 더 이동된다면, 파면 센서의 대물 평면(542)파면(554)는 눈의 각막 평면에서 파면(556)과 동일하지 않게 된다. 파면 센서의 대물 평면에서의 파면(554)의 발산 곡률 반경은 각막 평면에서의 파면(556)의 발산 곡률반경보다 크다. 따라서, 파면 센서의 대물 평면에서의 이러한 파면(554)이 파면 센서에 의해 측정될 때, 측정된 결과는 각막 평면에서의 파면(556)과는 다르단다. 한편, 상기 눈이 우측 칼럼의 하부 예에 의해 도시된 바와 같이 파면 센서를 향하여 보다 가깝게 이동하게 된다면, 파면 센서의 대물 평면(542)에서의 파면(558)눈의 각막 평면에서의 파면(556)과는 다르게 될 것이다. 파면 센서의 대물 평면에서의 발산 파면(558)의 곡률 반경은 각막 평면에서의 파면(556)보다는 작다. 그 결과, 파면 대물 평면에서의 측정된 파면 결과는 눈의 각막 평면에서의 것과는 다시 다르게 될 것이다.

본 발명의 일실시예에서, 테스트되는 눈의 축방향 위치를 탐지하는 실시간 수단이 장착되어, 실시간으로 파면 센서 모듈의 대물 평면에 대한 눈의 축방향 움직임량에 대한 정보는 눈의 축방향 움직임에 의해 도입되는 측정된 파면 오차를 교정하는데 사용되게 된다. 후에 논의되는 바와 같이, 상기 눈 축방향 위치 측정 수단은 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이 광학적으로 낮은 코히런스의 간섭측정(interferometry)과 광학적 삼각 측량을 포함한다. 캘리브레이션은 상기 눈의 축방향 위치와 상기 파면 센서에 의해 측정된 바와 같은 파면 센서의 대물 평면에서의 파면 수차에 대한 눈의 진정 파면 수차 간의 관계를 결정하는데 이용될 수 있다. 참고표가 파면 측정 오차를 실시간으로 교정하기 위하여 사용될 수 있다. 백내장 수술의 경우에, 수술현미경은 완전히 줌 아웃될 때 약 +-2.5mm의 수준의 축방향 범위 내에서 환자의 눈의 비교적 날카롭게 포커싱된 시야를 의료진에게 나타내게 된다. 따라서, 의료진이 수술현미경 아래에서 환자 눈을 포커싱할 때, 환자 눈의 축방향 위치에서의 변화는 약 +-2.5mm 범위 이내가 되어야 한다. 따라서, 캘리브레이션은 이러한 범위에서 이루어질 수 있으며, 참고표는 이러한 범위에서 만들어지게 된다.

본 발명의 일실시예에서, 눈이 물/용액으로 보습되거나 광학적 기포가 존재하거나 눈의 덮개가 광학적 경로에 있거나 얼글 피부 또는 의료진의 손 또는 의료진의 도구가 이미지 센서의 시야에 있고, 파면 릴레이 빔 경로를 부분적으로나 전체적으로 차단하고 있다는 것을 알게되었을 때, 상기 파면 데이터는 "명" 또는 "암" 데이터를 배제하도록 포기되거나 필터링될 수 있으며, 동시에, SLD(172/272)는 꺼지게 될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 파면 센서는 눈이 건조한 상태인지 아닌지를 확인하는데 사용될 수 있으며, 비디오 또는 오디오 신호로서의 리마인더는 눈에 보습이 될 때 의료진에게 알리도록 의료진에게 보내지게 된다. 또한, 상기 이미지 센서(162/262)로부터의 신호는 환자 눈이 유수정체인지, 무수정체인지, 반수정체 상태인지를 확인하는데 사용될 수 있으며, 따라서, 상기 SLD 펄스는 필요한 시기에만 켜질 수 있게 된다. 이러한 접근법은 SLD 빔에 환자가 노출되는 전체 시간을 감소시킬 수 있게 되며, 노이즈 대비 파면 측정 신호비를 증가시키는데 있어서 높은 피크 전력 또는 긴 주기의 SLD 펄스를 허용하는 것이 가능하게 된다. 추가적으로, 알고리즘은 결과적인 이미지의 유효한 흐림을 통하여 및/또는 삼각측정 기준과 나란히 눈에 대한 최적 거리를 측정하도록 적용될 수 있다.

도 1 및 도 2에서, 대형 사이즈의 편광 빔스플리터(PBS)(174/274)는 환자의 눈에 SLD 빔을 조사하는데 사용된다. 크기가 큰 윈도우 사이즈를 사용하는 이유는 원하는 큰 디옵터 측정 범위에서 눈으로부터의 파면 릴레이 빔이PSB(174.274)에 의해 부분적으로는 아니고 전체적으로 인터셉트되는 것을 보장하기 위함이다. 일례에서, SLD(172/272)로부터의 빔은 바람직하게는 p-편광되어서, 상기 빔은 PBS(174/274)를 통하여 투과되며 눈의 파면을 생성하도록 눈에 도달하게 된다. 상기 SLD 빔은 미리 만들어지거나 (manipulation)조작되어져서, 상기 빔이 각막 평면에서 눈에 진입하게 될 때, 빔은 각막 평면에서 부분적으로 디포커싱되거나 콜리메이팅될 수 있다(발산 또는 수렴하는 방식으로). 상기 SLD 빔이 상대적으로 작은 광 스팟 또는 다소 신장된 광 스팟으로서 망막에 맺힐 때, 그것은 비교적 큰 각도 범위로 산란될 것이며, 발생되어 되돌아온 빔은 원래 편광 및 직각 편광을 가지게 될 것이다. 통상의 기술자들에게 알려진 바와 같이, 안과적 파면 센서 적용례에서, 파면 릴레이 빔의 수직 편광 요소만이 눈 파면 측정을 위하여 사용된다. 그 이유는 파면 측정에 오류를 가져오게 되는 눈 렌즈 및 각막으로부터의 비교적 강하게 반사된 SLD 광파장이 존재하기 때문이다. 큰 PBS(174/274)의 다른 기능은 각막 또는 눈 렌즈에 의해 SLD 빔의 파면 센서 모듈로의 정반사가 존재한다면 수직하게 편광된 파면 릴레이 빔이 PBS(174/274)에 의해 반사되게 하고 PBS(174/274)를 통하여 투과되어 흡수되며 모니터링을 위한 다른 목적을 위하여 사용되는 원래 방향으로 되돌아오는 편광된 광 파장을 배향하도록 하는 것이다.

도 1 및 도 2에서, 밴드 패스 필터(176/276)는 임의의 가시 광선 및/또는 주변의 백그라운드 광을 배제하고 SLD 가 발생시키는 파면 릴레이 빔 광의 원하는 수준의 비교적 폭이 좁은 스펙트럼이 파면 센서 모듈의 나머지에 진입하게 하는 파면 릴레이 빔 경로에 배치된다.

SLD 빔이 눈의 횡방향 움직임을 따르도록 스캔되는 점에 추가하여, 상기 SLD 빔은 전단 전자 프로세서 및 호스트 컴퓨터를 포함하는 전자 시스템으로부터의 제어에 의해 망막 상의 작은 스캔된 영역에 맞히도록 스캔될 수 있다. 일례에서, SLD 빔은 원하는 각막 위치에서 눈에 항상 진입하게 되고 눈의 움직임의 결과로서 홍채에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 차단되지 않을 것(임의의 눈 움직임의 범위 내에서)을 보장하기 위하여, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 SLD 빔을 스캔하는 스캔 미러(180/280)는 제 1 파면 릴레이 렌즈(104/204)의 후방 초점 평면에 배치될 수 있다. 이 경우, 스캔 미러(180/280)의 각도 스캔은 각막 평면에 대하여 SLD 빔의 횡방향 스캔을 일으키게 되지만 눈이 정시안이라면 SLD 빔은 동일한 망각 위치에 맺히게 된다. 눈 동공의 이미지 센서 포착된 실시간 이미지는 눈 동공 중심의 횡방향 위치를 파악하고 스캔 미러(180/280)를 구동하는 피드백 신호를 제공하며 SLD 빔이 눈의 움직임을 따르거나 추적하게 하는데 사용된다.

일실시예에서, 상기 SLD 빔이 망막상의 작은 영역 주위에 맺히고 그 주위를 스캔할 수 있게 하도록, 도 1 및도 2에 도시된 다른 스캔 미러(182/282)는 SLD 빔 형상 작동 렌즈(184/284)의 후방 초점 평면에서 각막 평면에 콘쥬게이트되도록 배치될 수 있다. 다른 렌즈(186/286)는 예를 들어 편광 유지 단일 모드 섬유와 같은 단일 모드 광섬유의 출력 포트로부터 SLD 빔을 스캔 미러(182/282) 상에 포커싱, 콜리메이팅 또는 형상화시키는데 사용될 수 있다. 망막 상의 작은 영역에 대한 상기 SLD 빔의 스캐닝은 몇가지 잇점을 제공하는데, 그중 하나는 특히 스팟 사이즈가 매우 작은 경우에 동일한 망막 스팟 영역 상에 항상 맺히는 SLD 빔을 가지게 되는 스페클 효과를 감소시키는 것이며 다른 잇점은 약간 큰 망막 영역에 대하여 광학적 에너지를 분기시켜서 높은 피크의 전원 또는 장시간 펄싱되는 SLD 빔이 눈에 맺혀서 광학적 파면 측정에 대한 노이즈 대비 신호비를 증가시키도록 하는 것이며 또다른 하나는 약간 큰 망막 영역에 대하여 파면 측정이 평균화될 수 있도록 하여 망막의 지형적 불균일성으로부터 나타나게 되는 파면 측정 오차가 평균화되거나 탐지되거나 정량화되는 것이다. 선택적으로, 렌즈(186/286 또는 184/284)를 사용하여 SLD 빔의 포커싱 및 디포커싱을 제어함으로써, 망막 상의 SLD 빔 스팟 사이즈는 유사한 목적을 달성하도록 제어될 수 있다.

망막 또는 각막에 대한 SLD 빔의 스캐닝은 독립적으로, 동시에 그리고 동기화되어 수행될 수 있다. 환언하면, 2개의 SLD 빔 스캐너(180/280)(182/282)는 서로 독립적으로 작동될 수 있지만 동시에 작동될 수도 있다. 또한, 눈수술 광선(도 1 및 도 2에 미도시)인 레이저 빔은 SLD 빔과 결합될 수 있고 동일한 광섬유 또는 다른 자유 공간 광선빔 결합기를 통하여 눈으로 전달되거나 SLD 빔에 대한 동일한 스캐너로 전달되거나 다른 스캐너로 전달되게 되어서, 눈 수술 레이저 빔은 림발 릴렉싱 절개(LRI) 또는 그밖의 각막 조작과 같은 눈에 대한 굴절 수술을 수행하기 위하여 스캔될 수 있다. SLD 및 눈수술 레이저는 다양한 파장을 가질 수 있으며, 광섬유 기반 파장 분할 멀티플렉싱 커플러 또는 자유 공간 다이크로익 컴바이너를 시용하여 결합될 수 있다.

내부적인 캘리브레이션 타겟(199/299)는 캘리브레이션/확인이 행해질 때 파면 릴레이 빔 경로로 이동될 수 있다. SLD 빔은 내부적인 캘리브레이션 타겟이 일정 장소로 움직였을 때 파면 릴레이 광 빔 경로 축과 동축 관계로 배향될 수 있다. 상기 캘리브레이션 타겟은 일정 수준의 완화가 가능한 눈의 망막에 매우 유사한 방식으로 광을 산란시키게 되는 물질로 이루어질 수 있어서, 기준 파면은 캘리브레이션/확인을 위한 목적으로 순차 파면 센서에 의해 생성되고 측정될 수 있다. 생성된 기준 파면은 거의 평평한 파면이거나 전형적인 무수정체 파면이거나, 임의의 수준의 발산도/수렴도를 가진 발산 또는 수렴 파면일 수 있다.

비록 눈 파면 측정에 있어서, 수직 평광으로써 망막으로부터 되돌아온 빔만이 사용되지만, 이것은 각막, 눈의 렌즈 및 원편광부를 구비한 망막으로부터 이러한 복귀된 광파장이 쓸모가 없다는 것을 의미하는 것은 아니다. 반대로, 원편광으로써 이러한 복귀된 광파장은 매우 유용한 정보를 제공할 수 있다. 도 1 및 도 2는 원편광으로써 복귀된 광파장이 파면 센서 모듈로부터의 눈 거리, 눈에서(즉 유효 렌즈 위치)의 눈 렌즈(인공적이거나 자연적인 것)의 위치, 전방 챔버 깊이, 눈 길이 및 다른 눈 전방 및/또는 후방 생체 또는 해부학적 파라미터를 측정하는데 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 도 1 및 도 2에서, PBS(174/274)를 통과하는 복귀된 광파장은 광학적으로 낮은 코히런스의 간섭 측정계(OLCI) 또는 광학적 코히런스 토모그래피(OCT) 측정을 위하여 일반적으로 채용되는 바와 같은 낮은 코히런스의 광섬유 간섭측정계로써 수집된다. 상기 SLD 출력 섬유(188/288)는 단일 모두(SM) 일 수 있으며(필요하다면 편광 유지(PM)) 일반적인 단일 모드 (SM) 섬유(또는 편광 유지 단일 모드 광섬유) 커플러에 연결될 수 있어서, SLD 광의 일부는 파면 센서로 보내지게 되고 SLD 광의 다른 일부는 기준 아암(192/292)으로 보내지게 된다. 기준아암의 광경로 길이는 눈으로부터 되돌아온 광파장의 광경로 길이에 대응하도록 개략적으로 매칭된다. 눈의 다른 부분으로부터 복귀된 광파장은 광학적으로 낮은 코히런스 간섭으로 나타나게 되는 광커플러(190/290)에서 기준 섬유 아암(192/292)을 통하여 복귀되는 기준 광 파장과 재결합되게 된다. 상기 간섭 신호는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 디텍터(194/294)에 의해 탐지될 수 있다. 비록 도 1 및 도 2에서 동일한 섬유 커플러(190/290)가 광학적 간섭 측정계 구조의 미켈슨 타입에서 광파장을 스플리팅하고 재결합시키는데 사용되며, 다른 공지의 섬유 광 간섭측정계 구조로서 예를 들어 섬유커플러를 재결합하는 샘플링 아암 복귀 광파장을 효과적으로 배향하도록 샘플 아암에서 섬유 순환기를 구비한 2개의 섬유 커플러를 사용하는 마하-젠더 타입 구조가 사용될 수도 있다.

스펙트럼 도메임, 스위핑 소스, 시간 도메인, 및 밸런싱된 탐지를 포함하는 다양한 OLCI/OCT 구조 및 탐지 설계가 채용될 수 있다. 파면 센서 모듈(예를 들어 수술 현미경 또는 슬릿 램프 생체현미경에 부착됨)을 콤팩트하게 유지하기 위하여, 탐지 모듈(194/294), 기준 아암(192/292)(기준 미러와 섬유 루프를 포함), 심지어 SLD(172/272) 및 섬유 커플러(190/290)는 파면 센서 엔클로져 외측에 배치될 수 있다. 이를 수행하는 이유는 탐지 모듈(194/294) 및/또는 기준 아암(192/292) 및/또는 SLD 소스(172/272)가 OLCI/OCT 작업에 사용되는 설계에 따라 벌키하게 될 수 있다. OLCI/OCT 서브 조립체를 작동시키는 전자 장치는 파면 센서 엔클로져 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 밸런싱된 탐지 설계는 미국 특허 제7815310호에 설명된 바와 같이 채용된다면, 섬유 광 순환기(미도시)는 SLD 섬유 아암에 장착될 필요가 있다. 시간 도메인 탐지가 채용된다면, 기준 아암(192/292)은 전자장치에 의해 제어될 필요가 있는 신속 스캐닝 광 딜레이 라인(미도시) 또는 광 경로 길이 스캐너를 포함할 필요가 있다. 스펙트럼 도메인 탐지 설계가 채용된다면, 탐지 모듈은 전자 장치에 의해 제어될 필요가 있는 라인 스캔 카메라(미도시) 및 광 스펙트로미터를 포함할 필요가 있다. 스위핑 소스 탐지 설계가 채용된다면, 광원은 전자 장치에 의해 제어될 필요가 있는 파장 스캐너(미도시)를 포함할 필요가 있다.

일실시예에서, 비교적 강한 OLCI/OCT 신호가 수집되도록 하기 위하여, 상기 스캔 미러(180/280)(및/또는 182/282)는 전자 시스템에 의해 제어되어서, 예를 들어 각막, 눈의 렌지(자연적이거나 인공적인 것) 및 망막으로부터의 비교적 강한 정반사를 허용하여 광섬유 간섭 측정계로 복귀되게 되어, 이러한 파면 센서 모듈 또는 서로에 대한 이러한 눈 구성요소들의 광 인터페이스의 축방향 거리는 측정될 수 있게 된다. 이러한 작업은 후자의 경우처럼 눈 파면 측정으로부터 순차적으로 분리될 수 있고 정반사는 회피되어야 한다. 선택적으로, 2개의 서로 다른 파장 밴드가 사용될 수 있으며 스펙트럼 분리가 채용될 수도 있다. 한편, OLCI/OCT 신호 강도는 정반사가 파면 센서 모듈에 의해 수집되었는지에 대한 표시로서 사용될 수 있으며, 만약 그렇다면 파면 센서 데이터는 포기될 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 SLD 빔은 눈의 전방 세그먼트를 가로질러 스캐닝되거나 망막의 임의의 공간을 가로질러 스캐닝될 수 있으며, 눈의 다양한 부분에 대한 생체 측정 또는 해부학적 수조 측정이 행해질 수 있다. 특별히 유용한 하나의 측정은 각막 표면 및 두께 프로파일에 대한 것이다.

일실시예에서, 파면을 시프팅하고 스캐닝하기 위하여 사용되는 빔 스캐너(112/212) 및 SLD 빔을 스캐닝하기 위하여 사용되는 것들은 본 발명에 대하여 추가적인 잇점을 제공하는 동적 DC 오프셋을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 파면을 시프팅 및/또는 스캐닝하기 위하여 사용되는 상기 스캐너(112/212)는 파면 샘플링이 눈의 동공의 중심에 대하여 회전 대칭이 되도록 온도와 같은 환경적 변화의 결과로서 광학 요소의 잠재적인 오정렬에 대한 보상을 제공하는데 사용될 수 있다. 반면에, 위치 센싱 장치/디텍터(PSD) 상의 기준 지점은 캘리브레이션을 통하여 보상된 이미지 스팟마다 필요하다면 조절될 수 있다. PSD 기준 지점에 대하여 샘플링된 이미지 스팟의 임의의 각을 이루는 DC 오프셋이 존재한다면, 이것은 캘리브레이션 및 데이터 처리에 의해 관리될 수 있다. SLD 빔을 스캐닝하기 위한 스캐너(180/280)가 이미지 센서(162/262)로부터의 피드백 신호를 통하여 임의의 범위 내에서 눈의 횡방향 움직임을 추적하도록 채용될 수 있다. 파면 센서 모듈에 대하여 눈이 이동되면, SLD 빔은 눈이 파면 센서 모듈에 대하여 중심이 잘 맞추어질 때 그렇듯이 동일한 각으로 동일한 각막 위치를 통하여 눈으로 진입하도록 되더라도, 눈으로부터의 되돌아온 파면 빔은 파면 센서 모듈의 광축에 대하여 횡방향으로 변위될 것이다. 그 결과, 파면 샘플링 이미지 평면에서의 릴레이된 파면은 횡방향으로 변위된다. 이 경우, 파면을 시프팅하는데 사용되는 스캐너(112/212)의 DC 오프셋은 이러한 변위를 보상하는데 채용될 수 있으며 스캔된 파면 빔이 파면 샘플링 어퍼쳐(118/218)에 대하여 회전 대칭이 되도록 한다. 이 경우, 코마, 또는 프리즘 경사 또는 다른 추가적으로 도입되는 수차가 있게 되는데, 이러한 것들은 캘리브레이션 및 데이터 처리에 의해 처리될 수 있다. 이렇게 함으로써, 눈 위치/배치에서의 변화에 의해 나타나게 되는 임의의 파면 측정 오차는 교정되어 보상되게 된다.

상기 이미지 센서, 파면 센서, 정반사 디텍터 및/또는 낮은 코히런스 간섭측정계에 의해 제공되는 정보를 결합함으로써, 교정 캘리브레이션 곡선 및/또는 교정 데이터 처리 알고리즘의 자동 선택을 구현하기 위한 일부 정보 또는 전체 정보를 결합하는 것이 가능하게 된다. 한편, 데이터 통합 표시자, 또는 신뢰 표시자, 또는 녹내장 불투명도 표시자, 또는 광학적 기포의 존재에 대한 표시자가 비디오 또는 오디오 또는 다른 수단을 통하여 의료진에게 전달되거나 피드백을 제공하는 다른 수단에 연결될 수 있다. 결합된 정보는 안구내 압력(IOP) 탐지, 측정 및/또는 캘리브레이션을 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 환자의 심장 박동 발생 도는 외부 음향파 발생된 눈의 전방 챔버의 압력 변화는 환자 심장 박동 신호를 모니터링하는 산소측정계와 동기화된 낮은 코히런스 간섭 측정계 및/또는 파면 센서에 의해 탐지될 수 있다. 압력 게이지가 설치되어 있는 주사기는 눈을 팽창시키기 위하여 눈에 점탄성 겔을 주입하고 안구내 압력을 측정하는데 사용된다. 결합된 정보는 다초점 안구내 렌즈와 같은 이식된 안구내 렌즈(IOL)의 중심 맞춤 및/또는 경사를 탐지 및/또는 확인하는데 사용될 수 있다. 결합된 정보는 무수정체, 유수정체, 반수정체를 포함하는 눈 상태를 탐지하는데 사용될 수도 있다. 파면 센서 신호는 광산란도 및/또는 눈 렌즈 또는 안과 시스템의 광매체의 불투명도를 나타내고 측정하는 OLCI/OCT 신호에 결합될 수 있다. 파면 센서 신호는 환자 눈의 각막 상에서 티어 필름(tear film) 분포를 측정하도록 OLCI/OCT 신호와 결합될 수 있다.

실시간 안과 파면 센서에 대한 한가지 요건은 자연적인 눈 렌즈가 제거되고 눈이 무수정체일 때 녹내장 수술 공안에 만나게 되는 큰 디옵터 측정 다이나믹 범위이다. 비록 광학적 파면 릴레이 구조는 큰 디옵터 측정 다이나믹 범위를 커버하도록 설계되어 있기는 하지만, 그 순차적 특성은 크로스 토크 문제를 제거하게 되며, 록-인 탐지 기술은 DC 및 낮은 주파수 1/f 노이즈를 걸러내어버리게 되며, 이러한 다이나믹 범위는 위치 센싱 장치/디텍터(PSD)에 의해 제한을 받을 수 있다는 것이다. 일실시예에서, 광학계는 최적 설계되어서, 원하는 디옵터 커버리지 범위에서, PSD 상의 이미지/광 스팟 크기는 항상 일정 범위 이내에 들어오게 되어, 그 중심은 PSD 에 의해 센싱되게 된다. 다른 실시예에서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 다이나믹 파면/디포커스 오프셋 장치(178/278)는 중간 파면 이미지 평면, 즉 각막 평면 및 파면 샘플링 평면에 콘쥬게이트되는 4-F 평면에 배치된다. 다이나믹 파면/디포커스 오프셋 장치(178/278)는 드롭-인 렌즈, 포커스 가변 렌즈, 액정기반 투과성 파면 매니풀레이터, 또는 가변형성 기반 파면 매니풀레이터일 수 있다. PSD 가 큰 디옵터 값(양의 값 또는 음의 값)을 측정하는 제한 요인이 되는 경우, 전자 시스템은 파면 수차의 일부 또는 전부를 부분적/전체적으로 보상하거나 오프셋하도록 파면/디포커스 오프셋 장치를 작동시키게 된다. 예를 들어, 무수정체 상태에서, 환자의 눈으로부터의 파면은 비교적 발산하여서, 포지티브 렌즈는 파면의 구형 디포커스 요소를 오프셋하여 이미지/광 스팟을 범위 이내에서 PSD 상에 맺히게 하도록 4-F 파면 이미지 평면의 파면 릴레이 빔 경로에 놓이게 되어, PSD 는 순차적으로 샘플링된 서브-파면의 중심을 센싱/측정하게 된다.

고도 근시, 고도 원시, 비교적 큰 난시 또는 구형 수차와 같은 다른 경우에, 파면/디포커스 오프셋 장치(178/278)는 스캐닝될 수 있으며, 신중한 오프셋이 다이나믹한 방식으로 하나 이상의 특정 수차 요소에 적용될 수 있다. 이러한 방식으로, 몇가지 낮은 차수의 수차는 오프셋될 수 있으며, 다른 특정한 높은 차수의 파면 수차에 대한 정보는 추가적으로 교정될 필요가 있는 남아 있는 파면 수차의 중요한 의학적 특성을 나타내도록 하일라이트 표시될 수 있다. 이렇게 함으로써, 시력 교정 전문가 또는 의료진은 시력 교정 과정을 튜닝할 수 있게 되며, 실시간으로 잔존 파면 수차를 최소화할 수 있게 된다.

도 6은 순차 파면 센서 및 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 다른 관련 작동 장치를 제어하고 구동하는 전자 시스템(600)에 대한 일례의 전체적인 블록 다이아그램을 보여준다. 이 실시예에서, 전원 모듈(605)는 AC 전원을 전체 전자 시스템(600)을 위한 DC 전원으로 변환하게 된다. 파면 데이터 및 눈의 이미지/영상은 스트림 방식으로 동기화되어 캡쳐되거나 저장되게 된다. 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610)은 파면 측정 결과를 실시간 눈 이미지와 동기화하는 것을 포함하는 후단 처리 작업과 겹쳐진 파면 정보를 사용자에게 시각적으로 표시하거나 환자의 눈 이미지를 나란하게 표시하게 된다. 상기 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610)은 복합적인 영상을 형성하도록 눈의 디지털 이미지/용상과 섞여 있으며 동기화되어 있는 컴퓨터 그래픽으로 파면 데이터를 변환하고 시력 교정 과정 동안에 수행되는 실시간 활동에 동기화되는 디스플레이 상의 복합적인 영상을 보여주게 된다.

상기 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610)은 직렬 또는 병렬 데이터 링크(620)를 통하여 순차적인 파면 센서 모듈(615)과 통신하여 전원을 공급하게 된다. 도 1 및 도 2에 도시된 광학계는 순차 파면 모듈(615)의 몇가지 전단 전자장치와 함께 설치된다. 본 발명의 일실시예에서, 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610) 및 순차 파면 센서 모듈(615)은 usb 연결부(620)를 통하여 통신하게 된다. 그러나, 다른 일반적인 직렬, 병렬 또는 무선 데이터 통신 프로토콜도 작동하게 된다. 상기 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610)은 추후의 데이터 분석 및 플레이백과 같은 다른 목적을 위하여 파면, 비디오, 및 다른 처리된 데이터 또는 처리되지 않은 원 데이터를 외부 네트워크(미도시) 상에 다운로드하는 것을 허용하도록 이더넷과 같은 선택적인 연결부(625)를 포함할 수 있다.

상기 디스플레이는 호스트 컴퓨터에 결합되어 도시된 것과 같은 단일 디스플레이에 한정되지 않는다. 이러한 디스플레이는 빌트인-헤드업 디스플레이, 수술 현미경의 눈 경로의 반투명 마이크로디스플레이, 의료진에 의해 보여지는 실시간 마이크로한 광경 상에 겹쳐 보이는 정보를 투영할 수 있는 후단-투영 디스플레이 또는 다른 것들과 상호 연결된 다수의 모니터일 수 있다. 파면 측정 데이터를 환자 눈의 이미지에 겹쳐지도록 하는 것에 추가하여, 파면 측정 결과(또는 이미지 센서 및 낮은 코히런스 간섭 측정계로부터의 다른 측정 결과)는 동일한 스크린의 서로 다른 표시 윈도우 상에서 인접하게 표시되거나 서로 다른 디스플레이/모니터상에서 분리되어 표시될 수 있다.

종래의 파면 센서 전자 시스템에 비교하여, 본 발명의 전자 시스템은 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610)이 실시간 눈 이미지를 순차적인 파면 측정 데이터와 동기화하는 작업을 포함하는 후단 처리를 제공하도록 되며 동시에 실시간 눈 이미지에 파면 정보를 겹쳐지게 하거나 실시간 눈 이미지에 인접하게 나란하게 파면 정보를 표시하여 동기화된 정보를 표시하게 된다는 점에서 구별된다. 또한, 순차 파면 센서 모듈(615) 내부의 전단 전자 장치(간단하게 설명될 것임)는 록-인 모드에서 순차적인 실시간 안과 파면 센서를 작동하게 되며 실시간 눈 이미지 데이터를 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610)에 동기화된 전단 처리된 파면 데이터를 송신하도록 구성된다.

도 7은 도 6에 도시된 파면 센서 모듈(615) 내에 장착되는 전단 전자 처리 시스템(700)의 일실시예에 대한 블록다이아그램을 도시한다. 이러한 실시예에서, 실시간 이미지 카메라 모듈(705)(CCD 또는 CMOS 이미지 센서/카메라)는 환자의 눈에 실시간 이미지를 제공하게 되며, 그 데이터는 도 6에 도시된 바와 같이 호스트 컴퓨터 & 디스플레이 모듈(610)에 전달되어서, 파면 데이터는 환자의 눈의 실시간 이미지 상에 겹쳐 보이게 된다. 전단 처리 시스템(710)은 (SLD 를 펄싱하는 것에 추가하여, 도 1 및 도 2에 대하여 전술한 바와 같이 SLD 빔 포커싱 및 SLD 빔 조정을 수행하는) SLD 구동 및 제어 회로(715), 파면 스캐너 구동 회로(720) 및 위치 센싱 디텍터 회로(725)에 전자적으로 연결된다. 종래의 파면 센서 전자 시스템에 비교하여, 본 출원에서 설명되는 전단 전자 처리 시스템은 한가지 방식 또는 다른 것과 결합될 때 구별되면서 실시간 안과 파면 측정 및 디스플레이에 유용하며 특히 눈의 굴절 녹내장 수술시에 유용한 다수의 특징을 가지고 있다. 눈으로부터의 파면을 생성하는데 사용되는 광원은 펄스 및/또는 버스트(burst) 모드에서 사용된다. 펄스 반복 속도 또는 주파수는 표준적인 2차원 CCD/CMOS 이미지 센서(일반적으로 약 25 내지 30Hz(초당 프레임))의 일반적인 프레임 속도보다 높다(kHz 범위 수준). 또한, 위치 센싱 디텍터는 충분히 높은 응답 속도를 가진 2차원의 것으로서 1/f 의 노이즈 주파수 범위를 초과하는 주파수에서 펄싱된 광원과 동기화되는 록-인 탐지 모드에서 작동될 수 있게 된다. 상기 전단 처리 시스템(710)은 SLD 구동 및 제어 회로(715), 파면 스캐너 구동 회로(720), 위치 센싱 디텍터 회로(725)에 적어도 전기적으로 연결된다. 전단 전자 장치는 광원, 파면 스캐너, 및 위치 센싱 디텍터의 작업을 위상-로크(phase-lock)하도록 된다.

또한, 전단 처리 시스템(710)은 내부 고정 및 LED 구동 회로(730)과 내부 캘리브레이션 타겟 위치 회로(735)에 전기적으로 연결된다. 도 1 및 도 2를 참고하여 앞서 설명한 내부 고정부를 구동하는 것에 추가하여, 상기 LED 구동 회로(730)는 다중 LED 드라이버를 구비할 수 있으며, 표시 LED, 눈의 실시간 이미지 카메라를 위한 플러드 조사 LED 및 눈의 거리 범위에 기초한 삼각측정을 위한 LED 를 포함하는 다른 LED 를 구동하는데 사용될 수 있다. 내부 캘리브레이션 타겟 위치 회로(735)는 캘리브레이션/확인 목적을 위한 순차 파면 센서에 의해 측정되는 기준 파면을 생성시키는데 사용될 수 있다.

전단 및 후단 전자 처리 시스템은 하나 이상의 디지털 프로세서 및 실행가능한 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 비-임시적인 컴퓨터 판독가능한 메모리를 포함한다. 다양한 제어 및 구동 회로(715-735)는 알려진 바와 같이 하드-배선 회로, 디지털 처리 시스템 또는 그 조합으로서 실행된다.

도 8은 내부 캘리브레이션 및/또는 확인을 위한 하나 이상의 기준 파면을 생성하도록 파면 릴레이 빔 경로로 움직이게 되는 예시적인 내부 캘리브레이션 및/또는 확인 타겟(802/832/852)를 도시한다. 다른 실시예에서, 상기 내부 캘리브레이션 및/또는 확인 타겟은 (비구면 렌즈와 같은) 렌즈(804)를 포함하며, 스펙트라론(spectralon: 806)의 일부와 같은 분산된 반사성 또는 산란성 물질을 포함한다. 스펙트라론(806)은 비구면 렌즈(804)의 후단 포커싱 평면의 전후방에서 단거리에 배치될 수 있다. 비구면 렌즈(804)는 렌즈 자체로부터의 정반사를 실질적으로 감소시키도록 반사-방지 코팅될 수 있다.

내부 캘리브레이션 및/또는 확인 타겟(802)가 파면 릴레이 빔 경로로 이동하게 될 때, 그것은 예를 들어 자석 스토퍼(미도시)에 의해 정지될 수 있어서, 비구면 렌즈(804)는 중심이 맞춰지고 파면 릴레이 광축과 동축 관계로 된다. SLD 빔은 최소 정반사성을 가진 비구면 렌즈에 의해 인터셉트되며, SLD 빔은 광 스팟으로서 스펙트라론(806) 상에 맺히도록 비구면 렌즈에 의해 적어도 어느정도 포커싱된다. 스펙트라론은 높은 수준으로 반사 및/또는 산란되도록 설계되었으므로, 스펙트라론으로부터 되돌아온 광은 발산 원뿔(812) 형태로 되며, 비구면 렌즈를 통하여 후방으로 진행된 후에, 그것은 약간 발산 또는 수렴하는 광선 빔(814)이 된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 내부 캘리브레이션 타겟의 위치는 제 1 렌즈(104/204) 및 편광 빔스플리터(174/274) 사이의 어느 곳이 되며, 따라서 후방으로 전파되는 약간 발산 또는 수렴하는 빔은 제 1 렌즈(104/204)의 대물 평면 전후의 지점 소스로부터 나오는 빔에 등가의 것이 된다. 환언하면, 내부 캘리브레이션 및/또는 확인 타겟 생성 기준 파면은 실험하의 눈으로부터 나오는 수렴 또는 발산하는 파면에 등가의 것이 된다.

일실시예에서, 비구면 렌즈에 대한 스펙트라론의 실제 축방향 위치는 기준 파면이 비구면 렌즈의 그것을 닮도록 만들어지도록 설계된다. 다른 실시예에서, 스펙트라론의 실제 축방향 위치는 생성되는 기준 파면이 정시안 또는 근시안의 그것과 닮은 것으로 만들어지도록 설계된다.

비록 본출원에서 비구면 렌즈가 사용되지만, 구형 렌즈 또는 원통형이면서 구형인 렌즈 또는 구형 경사진 구형 렌즈를 포함하는 다른 타입의 렌즈도 캘리브레이션 및/또는 확인을 위한 어떤 의도한 파면 수차를 가진 기준 파면을 생성하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 비구면 렌즈에 대한 스펙트라론의 위치는 연속적으로 가변되도록 될 수 있어서, 내부적으로 생성된 파면은 연속적인 가변 디옵터 변수를 가지게 되어 설계된 디옵터 측정 범위에서 파면 센서의 완전한 캘리브레이션을 가능하게 한다.

다른 실시예에서, 내부 캘리브레이션 타겟은 노출된 스펙트라론 부재(836)일 수 있다. 이 경우, 스펙트라론 부재(836)의 정지 위치 상의 조건은 파면 릴레이 빔 경로로 움직일 때, 평평한 스펙트라론 표면의 임의의 일부가 SLD 빔을 인터셉트하여 스펙트라론 표면의 지형적 특징이 실질적으로 같게 되는 것을 가정하여 실질적으로 동일한 기준 파면을 생성하게 되면 완화될 수 있다. 이 경우, 스펙트라론의 노출된 부재로부터의 발광된 빔은 발산 빔(838)이 될 것이다.

다른 실시예에서, 내부 캘리브레이션 및/도는 확인 타겟은 노출된 스펙트라론 부재(866)와 비구면 렌즈(854) 및 스펙트라론 부재(856)로 된 구조를 포함하되, 여기서 스펙트라론(866, 856)은 단일 부재일 수 있다. 파면 빔 경로로 내부 캘리브레이션 및/또는 확인 타겟(852)를 이동시키는 메커니즘은 2가지 정지부를 가지는데, 그 중 중간 정지부는 매우 반복적일 필요는 없으며 최종 자성 정지 위치는 매우 반복적이다. 중간 정지 위치는 노출된 스펙트라론 부재가 SLD 빔을 인터셉트하게 하는데 사용될 수 있으며, 매우 반복적인 정지부 위치는 비구면 렌즈와 스펙트라론 구조의 위치를 정하는데 사용되어, 비구면 렌즈는 파면 릴레이 빔 광축에 대하여 중심이 맞춰지고 동축 관계로 된다. 이러한 방식으로, 2개의 기준 파면(864, 868)이 얻어지게 되며, 따라서 시스템 전달 기능은 설계된 대로 거동하는지 아니면 파면 릴레이 광 시스템의 오정렬을 보상할 필요가 있는지를 체크하기 위하여 내부 캘리브레이션 타겟을 사용하게 된다.

실제 눈으로부터 되돌아온 광량 대비 스펙트라론 부재로부터 되돌아온 광량의 차이에 기인하여, 중립 밀도 필터 및/또는 편광기와 같은 광학적 완화 수단은 내부 캘리브레이션 및/또는 확인 타겟에 포함되며 광을 완화시키도록 비구면 렌즈 전후에 배치됨으로써, 실제 눈으로부터의 경우와 거의 동일하게 된다. 선택적으로, 스펙트라론의 두께는 원하는 광량이 환산적으로 되어 산란되거나 반사될 수 있게 되도록 적절하게 선택될 수 있으며, 투과된 광은 광 흡수 물질(도 8에 도시)에 의해 흡수될 수 있다.

본 발명의 일실시예는 전단 처리 시스템(710)을 위치 센싱 디텍터 회로(725), SLD 드라이버 및 제어 회로(715)에 인터페이싱하는 것이다. 위치 센서 디텍터는 충분히 높은 임시 주파수 반응을 가지도록 하기 위하여 나란한 다중 채널인 것으로 되기 때문에, 이것은 쿼드런트 디텍터/센서, 측방 효과 위치 센싱 디텍터, 나란하며 작은 2D 배열의 광다이오드, 또는 다른 것일 수 있다. 쿼드런트 디텍터/센서 또는 측방 효과 위치 센싱 디텍터의 경우에, 나란한 4개의 신호 채널이 존재한다. 상기 전단 처리 시스템은 아래에서 설명하는 바와 같이 각각의 4개의 채널(A, B, C, D)로부터의 신호 진폭에 기초하여 X, Y 비율척도를 계산하게 된다. 표준적인 경우에 추가하여, 상기 전단 처리 시스템은 (사용자의 판단에 따라) 각각의 채널 또는 전체 채널에 독립적으로 SLD 출력 및 가변 게인 증폭기의 게인값을 자동적으로 조절하게 되어, 위치 센싱 디텍터 상에 맺히는 순차적으로 샘플링된 모든 서브-파면 이미지 스팟에 대한 최종 증폭된 A, B, C, D의 출력값은 노이즈대비 최적의 신호비로 최적화된다. 환자의 눈으로부터 되돌아오는 광 신호는 굴절 상태(근시, 정시안, 원시)에 따라 변화하게 되며, 수술 상태(유수정체, 무수정체, 반수정체) 및 눈의 녹내장의 정도에 따라서도 변화하게 된다.

도 9a 및 9b는 노이즈 대비 신호비를 최적화하기 위하여 서보 메커니즘을 통하여 디지털 게인 제어와 자동 SLD 인덱스의 임무를 달성하는 전자적인 블록 다이아그램의 일실시예는 도시하며, 도 10은 처리 과정 블록 다이아그램의 형태에서의 실시예를 도시한다.

도 9a를 참조하면, 마이크로프로세서(901)는 그 내부에 저장된 코드와 데이터를 가지는 메모리 유닛(905)에 연결된다. 상기 마이크로프로세서(901)는 디지털 아날로그 변환기(915)를 구비한 SLD 드라이버 및 제어 회로를 통하여 SLD(911)에 연결되고, 디지털 아날로그 변환기(925)를 구비한 MEMS 스캐너 구동 회로를 통하여 MEMS 스캐너(921)에 연결되며, 복합 트랜스임피던스 증폭기(933), 아날로그 디지털 변환기(935) 및 가변 게인 디지털 증폭기(937)를 통하여 PSD(931)에 연결된다.

이러한 예에서 PSD는 4개의 최종 증촉된 디지털 출력(A, B, C, D)으로 유도되는 4개의 채널을 가진 쿼드런트 디텍터이어서, 따라서 도 9a에는 각각 한개만이 도시되고 있지만, 4개의 복합 트랜스임피던스 증폭기, 4개의 아날로그 디지털 변환기 및 4개의 가변 게인 디지털 증폭기가 존재한다.

미국 특허 7445335호에서 설명된 사항으로서 도 9b 를 참고하여 이러한 사항을 설명한다. 순차 파면 센서는 파면 샘플링을 위하여 사용되며, 4개의 광반응 영역(A, B, C, D)을 가진 PSD 쿼드-디텍터(931)는 도 9b 에 도시된 바와 같은 샘플링된 서브 파면 이미지 스팟의 중심 위치와 관련하여 국부적인 경사를 나타내는데 사용된다. 만약 서브-파면이 쿼드 디텍터(931)의 전방의 서브 파면 포커싱 렌즈에 대하여 수직하게 입사한다면, 쿼드-디텍터(931)상의 이미지 스팟(934)은 중심에 배치될 것이며, 4개의 광반응 영역은 동일한 강도를 가지는 신호를 생성하는 각 영역으로써 동일한 광량을 받게 될 것이다. 한편, 서브-파면이 경사각을 가지고서(즉, 우상측 방향을 나타냄) 수직 입사로부터 벗어나게 된다면, 쿼드 디텍터 상의 이미지 스팟은 중심으로부터 멀리 형성되게 될 것이다(이미지 스팟(938)에 의해 도시된 바와 같이 우상측 분면을 향하여 이동).

중심(x=0, y=0)으로부터 중심점의 변위(x, y)는 다음의 수식으로 1차로 근사화될 수 있다.

(1)

여기서, A, B, C, D는 쿼드 디텍터의 각각의 대응하는 광감지 영역의 신호 세기를 나타내며, 분모(A+B+C+D)는 측정치를 정규화하는데 사용되어, 광 소스 강도 편차의 효과는 소거될 수 있다. 등식(1)은 중심점 위치와 관련하여 국부적인 경사를 완벽하게 정확히 계산하지는 않지만, 양호한 근사화 도구이다. 실제로, 몇가지 수학적 알고리즘 및 빌트인 알고리즘을 시용한 등식에 의해 도입될 수 있는 이미지 스팟 위치 오류를 추가적으로 교정하기 위한 필요성이 존재한다.

도 10을 참고하면, 시작 단계(1002)에서, 전단 마이크로프로세서(901)는 눈 안전 문서 요건이 허용하는 한 많이 출력 수준으로 SLD 를 처음에 설정하는 것이 바람직하다. 이 순간에 가변 게인 디지털 증폭기(937)의 게인은 최종 세션에서 결정된 값으로 또는 일반적으로 선택되는 바와 같은 중간 값에서 초기에 설정될 수 있다.

다음 단계(1004)는 가별 게인 디지털 증폭기 최종 출력(A, B, C, D)을 체크하는 것이다. A, B, C, D값의 증폭된 최종 출력이 원하는 신호 강도범위 이내인 것으로 확인이 된다면, 그 범위는 각각의 채널에 대하여 동일할 수 있는데, 처리 플로우는 가변 게인 디지털 증폭기의 게인이 설정값으로 유지되는 단계(1006)으로 이동하게 된다. 최종 출력의 임의의 것 또는 그 전체가 원하는 신호 강도 범위 미만이라면, 상기 게인은 단계(1008)에 도시된 바와 같이 증가될 수 있으며, 최종 출력은 단계(1010)에 의해 도시된 바와 같이 체크된다. 상기 최종 출력이 원하는 범위 이내에 있다면, 상기 게인은 최종 출력이 원하는 범위 밖으로 다시 벗어나게 하는 신호 변화가 유발된 변동을 극복하도록 현재 값보다 약간 높은 값에서 단계(1012)에 의해 도시된 바와 같이 설정될 수 있다. 만약 최종 출력이 원하는 신호 강도 범위 미만이라면, 상기 게인은 단계(1014)에 의해 체크되도록 도시된 바와 같이 그 최대값에 도달하지 못하며, 단계(1008)마다의 게인을 증가시키는 단계 및 단계(1010)마다 최종 출력을 체크하는 단계는 최종 출력이 범위 이내에 오게 되고 게인이 단계(1012)에 도시된 바와 같이 설정될 때까지 반복될 수 있다. 하나의 가능한 예외적인 시나리오에 의하면, 상기 최종 출력은 게인이 단계(1014)에 의해 도시된 바와 같은 그 최대값으로 증가되었을 때 원하는 범위 미만으로 되는 것이다. 이 경우, 상기 게인은 단계(1016)에 도시된 바와 같은 최대값으로 설정되며, 처리될 수 있지만, 파면 신호가 너무 약해서 데이터는 단계(1018)에 도시된 바와 같이 무효로 된다는 것을 최종 사용자에게 알리도록 최종 사용자에게 진술이 전달된다.

한편, A, B, C, D 의 최종 출력 중 어느 것이 원하는 신호 강도 범위를 능가한다면, 가변 게인 디지털 증폭기의 게인은 단계(1020)에 도시된 바와 같이 감소될 수 있으며, 최종 출력은 단계(1022)에 의해 도시된 바와 같이 체크될 수 있다. 만약 모든 최종 출력이 원하는 범위 이내에 있게 된다면, 상기 게인은 최종 출력이 원하는 범위를 벗어나게 할 수 있는 신호 변화에 의해 도입되는 변동을 극복하기 위하여 현재값보다 약간 낮은 값에서 단계(1024)에 의해 도시된 바와 같이 설정될 수 있다. 만약 최종 출력 중 어느 것이 원하는 신호 강도 범위를 초과한다면, 게인은 단계(1026)에서 체크되는 바와 같은 최소값에 도달하지 못하였으며, 단계(1020)마다의 게인을 감소시키고 단계(1022) 마다의 최종 출력을 체크하는 과정은 단계(1024)에 의해 도시된 바와 같이 게인이 설정되고 최종 출력이 범위 이내로 될 때까지 반복될 수 있다.

그러나, 단계(1026)에서 체크되어 최종 출력(A, B, C, D) 중 하나 이상이 원하는 신호 강도 범위를 초과할 때 상기 게인은 그 최소값에 도달했을 가능성이 있다. 이 경우, 상기 게인은 단계(1028)에서 도시된 바와 같은 최소값으로 유지되며, SLD 출력은 단계(1030)에 의해 도시된 바와 같이 감소하게 된다. 최종 출력(A, B, C, D)은 SLD 출력이 감소한 후에 단계(1032)에서 체크되며, 최종 출력(A, B, C, D)이 원하는 범위에 오게 된다면, SLD 출력은 최종 출력이 원하는 범위를 벗어나게 하는 신호 변화에서 유발된 변동을 극복하도록 현재 수준보다 약간 낮은 수준에서 단계(1034)에 도시된 바와 같이 설정된다. 만약 최종 출력(A, B, C, D) 중 하나 이상이 원하는 범위를 초과하고, SLD 출력이 단계(1036)를 체크할 때마다 0에 도달하지 않는다면, 단계(1030)에 도시된 바와 같은 SLD 출력을 감소시키고 단계(1032)에 의해 도시된 바와 같은 최종 출력(A, B, C, D) 을 체크하는 과정은 그것이 원하는 범위에 도달하고 SLD 출력이 단계(1034)에 도시된 바와 같이 설정될 때까지 반복될 수 있다. 유일한 예외는, SLD 출력이 0 에 도달하고 최종 출력(A, B, C, D) 중 하나 이상이 원하는 범위를 초과하는 것이다. 이것이 의미하는 바는 SLD 출력이 없다 하더라도 강한 파면 신호가 있다는 것이다. 이것은 전자적 간섭 또는 광학적 간섭 또는 크로스 토크가 존재할 때에만 발생할 수 있다. 단계(1038)에 도시된 바와 같이 SLD 출력을 0 으로 유지할 수 있으며, 강한 간섭 신호가 존재하여 단계(1040)에 도시된 바와 같이 데이터가 무효라는 메시지를 최종 사용자에게 보낼 수 있게 된다.

전술한 사항에 추가하여, 선택적인 사항으로서, 최종 사용자는 실제 파면 측정값이 만족스러울 때까지 가변 게인 디지털 증폭기의 게인 및 SLD 출력을 수동으로 제어할 수 있다.

도 9a 및 도 9b 그리고 도 10에 도시된 실시예는 노이즈 대비 신호 비를 향상시키는 동일한 목적을 달성하기 위하여 여러 가능한 방법들 중 하나에 대한 것인데, 이는 그러한 컨셉을 나타내는 것으로 고려되어야 한다. 예를 들어, 시작 단계에서, 눈의 안전 조건마다 가능한 한 많은 수준으로 SLD 출력을 설정할 필요는 절대 다. SLD 출력은 임의의 수준으로 초기에 설정되어, 최종 출력(A, B, C, D)이 원하는 범위에 올때까지 증폭기 게인과 함께 조절된다. SLD 출력을 초기에 비교적 높은 수준으로 설정하는 장점은 광전 변환 이전에 광학계, 광자 도메인, 노이즈 대비 신호비가 최대화된다는 점이다. 그러나, 이것은 다른 선택 사항이 작용하지 않는다는 것을 의미하는 것은 아니다. 실제로, SLD 출력은 초기에 0으로 설정되며 최종 출력(A, B, C, D)이 원하는 범위에 들어올 때까지 증폭기 게인의 조절과 함께 점진적으로 증가된다. 이 경우, 순서 및 흐름의 자세한 사항에 대응하는 변화가 존재한다. 이러한 변화는 본 발명이 범위와 사상에 속한다.

본 발명의 다른 실시예는 순차 안과 파면 센서의 위치 신호를 증폭하도록 복합 트랜스임피던스 증폭기를 사용한다. 도 11은 쿼드런트 디텍터의 4개의 쿼드런트 광다이오드 중 임의의 하나의 쿼드런트(예를 들어 D1)로부터의 신호를 증폭하는데 사용될 수 있는 복합 트랜스임피던스 증폭기의 일예를 도시한다. 상기 회로는 도 9a에 도시된 바와 같은 위치 센싱 디텍터 회로에 사용된다. 복합 트랜스임피던스 증폭기에서, 전류-대 전압 변환비는 피드백 저항(R1)(이것은 예를 들어 22메가옴일 수 있다)값에 의해 결정되며 op-amp (U1A)의 입력을 밸런싱하도록 저항(R2)에 의해 매칭된다. 분권 캐피시터(C1, C2)는 저항(R1, R2)의 보조 캐패시터이거나 피드백 루프에 추가되는 작은 캐패시터일 수 있다 트랜스임피던스 증폭기의 내구성 및 고주파 노이즈 감소는 상기 피드백 루프(1150) 내부의 저항(R3), 캐패시터(C3) 및 op-amp(U2A)에 의해 형성된 로우패스 필터로부터 나오게 된다. 이러한 회로에서, +Vref 는 그라운드 및 +Vcc 사이의 포지티브 기준 전압이 된다. 출력 신호(출력A)는 R1 에 비례하게 되지만, 노이즈는 R1의 제곱근에 비례하게 되며, 따라서 노이즈대비 신호는 R1의 제곱근에 비례하여 증가하게 된다(왜냐하면 그것은 R1의 존선 노이즈에 의해 지배되기 때문이다).

종래의 높은 밴드위스 파면 센서는 복합 트랜스임피던스 증폭기 보다는 표준 트랜스임피던스 증폭기를 사용하였다(예를 들어 S. 아바도 등 "2차원 고밴드위스 색하트만 파면 센서: 설계 가이드라인 및 평가 테스트", 옵티칼 엔지니어링, 49(6), 064403, 2010년 6월 참고). 또한, 종래의 파면 센서는 단순하게 순차적이지는 않지만 하나의 방향이나 다른 방향에서는 나란하다. 또한, 동일한 약점을 만나지 않지만, 현재의 순차 안과 파면 센서가 향하는 광 신호 변화를 동기화하고 펄싱하게 된다. 하나의 방향으로 또는 다른 방향으로 결합될 때 순차 안과 파면 센서에서 광 신호의 증폭에 적용하는 설명된 복합 트랜스임피던스 증폭기는 다음의 구성을 포함한다. (1) 전류 대 전합 변환 정밀도를 향상시키기 위하여, 저항(R2)에 의해 실질적으로 매칭되는 선택된 피드백 저항값(R1)은 매우 높다. (2) 적절한 신호 밴드위치를 유지하면서도 큰 저항값(R1, R2)로부터의 노이즈 기여를 감소시키기 위하여, 2개의 분권 캐피시터(C1, C2)는 매우 낮은 캐패시터 값을 가진다. (3) 피드백 루프 내부에서 R3, C3, U2A에 의해 형성된 로우패스필터는 실질적으로 안정성을 증가시키고 트랜스임피던스 증폭기의 고주파 노이즈를 실질적으로 감소시키게 된다. (4) 록-인 탐지를 달성하기 위하여, 포지티브 기준 전압(+Vref)는 SLD의 구동 신호 및 MEMS 스캐너에 대하여 적절히 스케일링된 DC 신호 위상-로크되며, 그것은 그라운드 및 +Vcc 사이에 있게 된다. 또한, 노이즈에 대한 최적 신호비를 달성하기 위하여, 최소 터미널 캐패시턴스를 가진 쿼드런트 센서가 선택되는 것이 바람직한데, 4개의 쿼드런트 중 임의의 2개 사이에 분권 전도성을 회피하기 위하여, 쿼드런트들 간의 양호한 채널 격리가 선호된다.

전술한 회로에 추가하여, 위치 센싱 디텍터에 의해 아날로그 전류 신호로 변환된 광신호는 AC 커플링될 수 있으며 일반적인 트랜스임피던스 증폭기에 의해 증폭되며, 관심있는 신호보다는 더 크게 되는 노이즈에 의해 그렇지 않으면 알려지지 않은 작은 신호를 회복하도록 표준 록-인 탐지 회로와 결합된다. 도 12는 이러한 결합의 일례를 도시한다. 트랜스임피던스 증폭기(1295)로부터의 출력 신호는 SLD 를 구동하고 펄싱하는 기준 신호에 로크되는 위상-로크 루프(1297)의 출력으로써 (즉 배가되어) 믹서(1296)에서 믹싱된다. 상기 믹서(1296)의 출력은 픽싱된 신호의 합주파수를 제거하기 위하여 로우패스필터(1298)를 통하여 통과되며, 시간이 일정한 로우패스필터는 균등한 노이즈 밴드위스를 감소시키기 위하여 선택된다. 로우패스필터링된 신호는 신호 경로를 추가로 내리게 되는 아날로그 디지털 변환(AD 변환)을 위하여 다른 증폭기(1299)에 의해 추가로 증폭된다.

전술한 로크-인 탐지에 대한 선택적인 사항은 SLD 가 '암' 수준을 기록하도록 조사되기 직전에A/D 변환을 작동하고 SLD 가 '명' 수준을 기록하도록 조사되기 직전에 A/D 변환을 작동시키는 것이다. 그 차이점은 간섭 효과를 제거하도록 계산된다. 다른 실시예는 간섭 효과가 최소로 될 경우 '암 수준을 무시하면서 SLD 가 '명' 수준을 기록하거나 조사하기 직전에 A/D 변환을 작동시키는 것이다.

광신호 탐지 회로에 추가하여, 다음의 임계적인 전자 제어 요소는 파면 스캐너/시프터이다. 일실시예에서, 파면 스캐너/시프터는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 4개의 D/A 변환기에 의해 구동되는 전자기 MEMS(마이크로-전자-기계 시스템)아날로그 조정 미러이다. 일실시예에서, D/A 변환기의 2개의 채널은 위상에서 출력 사인 곡선으로 90도 변환하며, 다른 2개의 채널 출력(X, Y) dc-오프셋 전압은 파면 샘플링 환형 링의 중심을 조절하게 된다. 사인 및 코사인 전자 파면의 진폭은 다양한 눈 동공 직경 뿐만 아니라 군 동공 영역 내에서 원하는 직경의 파면의 하나 이상의 환형 링 주변을 신중하게 샘플링하고 다양한 눈 동공 직경을 수용하도록 가변될 수 있는 파면 샘플링 환형 링의 직경을 결정하게 된다. X, Y 진폭의 세장비는 미러가 파면 빔 측면을 반사할 때 원형 스캐닝이 행해지는 것을 보장하도록 제어될 수 있다.

도 13a 내지 도 13f는 파면이 링으로 배열된 다중 디텍터에 의해 샘플링된 것처럼 MEMS 스캐너를 어떻게 동기화하고SLD 펄스가 동일한 결과를 나타내는지를 도시한다.

도 13a에서, MEMS(1312)는 SLD 펄스가 개시될 때 전체 파면이 하향 시프트되도록 배향된다. 이 경우, 어퍼쳐(1332)는 원형 파면 섹션의 상부에서 일부를 샘플링한다.

도 13b에서, 파면은 하향 시프트되어, 어퍼쳐는 원형 파면 섹션의 우측에서 일부를 샘플링하며, 도 13c에서, 파면은 상향 시프트되어, 어펴쳐는 원형 파면 섹션의 저부에서 일부를 샘플링하며, 도 13d에서, 파면은 우측으로 시프트되어, 어펴쳐는 원형 파면 섹션의 좌측에서 일부를 샘플링한다.

도 13e는 링 형상으로 배열된 4개의 디텍터로써 파면 섹션을 샘플링하도록 싸이클마다의 4개의 펄스의 순서를 순차적으로 스캐닝하는 등가 구조를 도시한다.

다른 실시예에서, SLD 는 MEMS 스캐너와 동기화될 수 있으며, 8개의 SLD 펄스가 개시됨으로써 8개의 서브 파면은 각 MEMS 스캔 회전 그리고 각 파면 샘플링 환형 링 회전시마다 샘플링된다. SLD 펄스 개시는 시간이 맞추어져서 진행되어서, 8개의 펄스 중 4개의 홀수 또는 짝수 펄스는 MEMS 스캐너의 X, Y 축에 정렬되며, 다른 4개의 펄스는 X, Y 축 사이의 링 상에서 중간에 배치된다. 도 13f는 MEMS 스캔 회전 및 이에 대한 SLD 개시 위치의 패턴의 결과를 도시한다. SLD 펄스의 숫자는 8에 한정되지 않으며 다양한 숫자일 수 있는데, SLD 펄스는 시간에 따라 균등하게 이격될 필요는 없으며 MEMS 스캐너의 X, Y 축에 정렬될 필요도 없다.

선택적인 예로서, 예를 들어,MEMS 스캐너의 구동 신호에 대한 SLD 개시의 펄스 숫자 및/또는 상대적인 타이밍을 변화시킴으로써, 샘플링되는 파면의 일부를 선택하고 파면을 샘플링하는데 있어서 높은 공간 해상도를 달성하도록 파면 샘플링 환형 링을 따라 파면 샘플링 위치를 시프트하게 된다. 도 14는 SLD 펄스를 약간 딜레이시킴으로써 8개의 파면 샘플링 위치가 도 13f에 도시된 것과는 15도 시프트되어 이격되는 예를 도시한다.

또다른 선택적인 예에서, 제 1 프레임상에서 0도의 오프셋 각으로 파면을 샘플링하고, 제 2 프레임에서 15도의 각으로 샘플링하고, 제3프레임상에서 30도의 각으로 샘플링하고 이러한 패턴을 반복한다면, 다중 프레임으로부터의 데이터가 수집되어 처리될 때 증가된 공간 해상도로써 파면을 샘플링할 수 있게 된다. 도 15는 이러한 패턴을 도시한다. SLD의 초기 개시 시간에서의 프레임간 점진적인 증가는 임의의 환형 파면 샘플링 링을 따라 임의의 원하는 공간 해상도를 달성하기 위하여 실질적인 타이밍 정밀도로 원하는 식으로 수행될 수 있다. 추가하여, MEMS 스캐너의 사인곡선 및 코-사인 곡선의 구동 신호의 진폭에서 변화를 결합함으로써, 서로 다른 직경의 서로 다른 환형 링을 샘플링할 수 있게 된다. 이러한 방식으로, 전체 파면의 순차 샘플링은 극좌표 시스템의 방사상 크기 및 각도 크기에서 원하는 공간 해상도로써 달성될 수 있다. 이것은 다양한 가능한 순차 파면 스캐닝/샘플링 설계의 일례이다. 예를 들어, 유사한 접근이 래스터 스캐닝의 경우에도 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 도 9b를 참고하면, 위치 센싱 장치/디텍터(PSD) 상에서 맺히는 서로 다르게 순차적으로 샘플링된 서브 파면 이미지 스팟의 중심 위치를 해석하는 것과 관련하여 공지의 표준 비율 척도 등식은 PSD 로서 사용될 수 있으며, 구 X-Y 축은MEMS 스캐너의 그것에 배향되어 정렬되어, 비록 이것이 절대적으로 요구되는 것은 아니지만, 그들은 동일한 X, Y 축을 가지게 된다. 예를 들어, 쿼드런트 디텍터의 경우에, 순차 샘플링된 서브 파면 이미지 스팟의 비율 척도 X, Y 값은 4개의 쿼드런트(A, B, C, D) 각각으로부터의 신호 강도에 기초하여 다음과 같이 표현될 수 있다.

X = (A + B C D) / (A + B + C + D)

Y = (A + D B C) / (A + B + C + D)

일반적으로, 이러한 X, Y의 비율 척도값은 직접적으로 매우 정확한 횡방향 변위 또는 중심 위치를 주지는 못하는데, 그 이유는 예를 들어 쿼드런트 디텍터의 응답은 갭 거리의 함수이며, 이미지 스팟의 크기는 국부적인 평균 경사 및 샘플링된 서브 파면의 국부적인 발산/수렴 그리고 서브 파면 샘플링된 어퍼쳐 형상과 크기를 포함하는 다수의 요인에 의존하게 된다. 본 발명의 일실시예는 이러한 관계 또는 등식을 수정하는 것이어서, 샘플링된 서브 파면 경사는 보다 정확하게 결정될 수 있다.

일실시예에서, 비율 척도 측정 결과 및 실제 중심 변위 사이의 관계는 이론적으로 및/또는 실험적으로 결정되며, 비율 척도 관련한 표현은 중심 위치를 더욱 정확하게 반사하도록 수정된다. 도 16은 X, Y 축을 따라 실제 중심 변위 도는 위치와 비율 척도 예상치 간의 이론적으로 결정된 관계의 일례를 도시한다.

이러한 비선형성으로 인하여, 효과의 역 예상은 비율 척도(X, Y)와 실제 중심 위치(X', Y') 간의 수정된 관계로 나타나게 되는 원 등식에 적용될 수 있다. 아래는 이러한 역관계의 일례이다.

여기서, PrimeA 와 PrimeB 는 상수이다.

앞에서 보여진 관계 또는 등식은 예시적인 것이며, 동일한 목적을 달성하기 위하여 사용될 수 있는 다양한 접근 방식에 한계를 두는 것을 의도한 것은 아니다. 실제로, 전술한 수정은 이미지 스팟이 X, Y 축을 따라서 변위될 때 임의의 강도 프로파일의 샘플링된 서브 파면의 중심 위치에 대한 것이다. 상기 이미지 스팟이 X, Y 방향으로 변위되면, 추가적인 수정이 필요하게 되는데, 특히 높은 정밀도의 측정이 요구된다면 그러하다. 일실시예에서, (X, Y)와 관련하여 표현되게 되는 쿼드런트 디텍터 보고되는 비율척도 및 실제 중심 위치(X', Y') 사이의 데이터 매트릭스의 형태의 실질적으로 결정되는 관계가 설정될 수 있으며, 역으로 된 관계는 각각의 (X, Y) 데이터 지점을 새로운 중심의 (X', Y') 데이터 지점으로 변환하도록 설정될 수 있다.

도 17은 수정된 관계를 도출하고 보다 정확한 파면 수차 측정이 되게 되도록 수행될 수 있도록 어떻게 캘리브레이션이 행해지는지를 도시하는 예시적인 블록다이아그램이다. 단계(1705)에서, 파면은 눈 모델로부터 또는 서로 다른 발산 및 수렴 또는 서로 다른 파면 수차를 가진 것과 같은 서로 다른 파면을 생성하는 변형가능한 미러와 같은 파면 매니풀레이터로부터 다양한 수단을 이용하여 생성될 수 있다. 제2 단계(1710)에서, 서로 다르게 샘플링된 서브 파면의 실제 중심 위치(X', Y')는 (X', Y') 와 (X, Y) 사이의 관계를 획득하기 위하여 실험적으로 측정된 비율척도 값(X, Y)에 대비된다. 그러나, 캘리브레이싱된 파면 경사 및 그에 따른 중심 데이터 지점 위치에 대한 디옵터값이 얻어진다. 제 3 단계(1715)에서, 측정은 실제 눈으로 이루어지며, 얻어진 관계는 중심 위치 및 이에 따른 실제 눈으로부터의 샘플링된 서브 파면을 결정하는데 사용될 수 있다. 제 4 단계(1720)에서, 결정된 중심 위치 또는 샘플링된 서브 파면의 경사는 파면 수차 또는 실제 눈의 굴절 오류를 결정하는데 사용될 수 있다.

제 1 및 제 2 캘리브레이션 관련 단계는 각각 형성된 파면 센서 시스템에 대하여 일단 실행될 수 있으며, 제 3 및 제 4 단계는 하나의 경우처럼 다수의 실제 눈 측정을 위하여 반복될 수 있다. 그러나, 이것은 캘리브레이션 단계가 한번만 행해진다는 것을 의미하는 것은 아니다. 실제로, 캘리브레이션 단계를 주기적으로 반복하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 캘리브레이션 단계 또는 부분 캘리브레이션 단계는 도 9a에 도시된 바와 같은 마이크로프로세서에 의해 구동되는 내부 캘리브레이션 타겟을 이용하여 제조자 또는 최종 사용자가 원하는 한 자주 반복될 수 있다. 예를 들어, 내부 캘리브레이션 타겟은 일시적으로 매번 광 파면 릴레이 빔 경로로 이동될 수 있으며, 상기 시스템은 각각의 실제 눈 측정이 최종 사용자에 의해 원하는 바에 따라 자동적으로 또는 수동으로 행해지거나 그 전에도 전원을 받게 된다. 상기 내부 캘리브레이션은 실질적으로 보다 보편적인 캘리브레이션이 제공할 수 있는 수준으로 모든 데이터 지점을 제공할 필요는 없다. 대신에, 상기 내부 캘리브레이션 타겟은 몇가지 데이터 지점을 제공할 필요는 있다. 이러한 데이터 지점으로써, 파면 센서의 광학적 정렬이 온전한 것인지 아니면 온도 변화 및/또는 기계적 충격과 같은 주변 환경 요인이 파면 센서의 광학적 정렬을 방해하는지 실험적으로 확인할 수 있게 된다. 따라서, 완전히 새로운 보편적인 캘리브레이션이 수행될 필요가 있는지 아니면 약간 마이너한 소프트웨어 기반의 교정도 정확한 실제 눈 측정을 위하여 충분한지 확인할 수 있게 된다. 선택적으로, 내부 캘리브레이션 타겟을 사용하는 측정된 기준 파면 수차는 파면 센서 광 시스템이 가지는 내재된 광 시스템 수차를 파악하게 하며, 실제 눈 파면 수차는 측정된 전체 파면 수차로부터 도출되는 광 시스템 파면 수차를 제거함으로써 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 캘리브레이션 타겟(내부 또는 외부)은 SLD 개시 펄스 및 MEMS 미러 스캐닝 위치 간의 초기 시간 딜레이 또는 서브 파면 샘플링 위치와 임의의 파면 샘플링 환형 링을 따른 MEMS 미러 스캐닝 위치 간의 오프셋 각을 결정하는데 사용될 수 있다. SLD 개시 시간이 MEMS 스캔 미러 위치에 대하여 충분히 정확한지 그리고 임의의 원하는 정밀도로부터 어떠한 차이가 있는지 결정하는데에도 동일한 캘리브레이션 단계가 사용될 수 있으며, 전자 하드웨어 기반 교정 또는 순수 소프트웨어 기반 교정은 SLD 개시 시간 또는 MEMS 스매닝 구동 신호를 미세 튜닝하는데 실행될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 캘리브레이션(내부 또는 외부)이 광학적 정렬이 오프 상태인 것을 탐지한다면, 또는 눈이 최적 위치에 배치되어 있지 않지만 파면 측정이 소프트웨어 교정으로 행해질 수 있는 실제 눈 측정의 경우에, 이러한 소프트웨어 기반 조정은 도 4를 참조하여 설명되는 바와 같은 오정렬에 대한 공급을 위하여 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 8개의 서브 파면이 캘리브레이션 타겟 또는 실제 눈으로부터 생성되는 파면의 환형 링 주위에서 샘플링된다면, 예를 들어 PSD 황빙향 시프트 또는 환자 눈(X'(i), Y'(i))으로부터의 파면의 프리즘 파면 경사의 결과로서 8개의 측정된 서브 파면 경사의 중심 추적 중심 오프셋이 존재하게 되는데, 여기서 i = 0 1, 2, ..., 7 이며, (X', Y') 카테션 좌표의 병진 운동은 8개의 데이터 지점이 새로운 카테션 좌표(Xtr, Ytr)로 주어지고 데이터 지점(Xtr(i), Ytr(i))의 세트로 표현되도록 행해지는데, 여기서, i = 0, 1, 2, ..., 7 이며, 새로운 오리진(Xtr=0, Ytr=0)에서 중심 데이터 지점의 클러스터 중심이 맞춰지게 된다. 이러한 방식으로, 예를 들어 서브 파면 샘플링 어퍼쳐 및 위치 센싱 디텍터/장치 사이의 오정렬로부터 나타나게 되는 전체 프리즘 파면 경사의 형상으로 유도되는 임의의 효과는 측정된 파면으로부터 필터링되게 된다. 그 결과, 데이터 처리의 나머지는 굴절 오류 및/또는 파면의 높은 수차를 파악하는데 사용될 수 있게 된다.

순차 파면 샘플링은 내재된 장점을 가지는데, 그 장점은 각각 개별적으로 샘플링된 서브 파면 중심 위치의 변위에 대하여 환형 링 상에서 샘플링하는 것을 관계 지을 수 있다는 것이다.

전술한 바와 같이, 샘플링된 파면 부분의 중심의 변위는 PSD 에 의해 생성되는 출력 신호로부터 계산되는 비율 척도 X, Y 를 사용하여 결정된다. 이러한 출력값의 위치는 대상 눈의 안과적 특징을 결정하는 전단 또는 후단 전자 처리 시스템에 의해 분석될 수 있는 위치 패턴을 형성한다. 이러한 패턴의 형성과 분석은 도 9c에 도시된다. 도 9c에서, 변위는 디스플레이되거나 모니터링되는 것처럼 묘사되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 이러한 변위는 전단 처리 시스템에 의해 소프트웨어로서 실행되는 알고리즘에 의해 처리되며 사용자에게 반드시 보여지는 것은 아니다.

도 9c는 평면 파면, 디포커스, 난시, 서브 파면 포커스 렌즈 뒤의 쿼드런트 디텍터 상의 관련 이미지 스팟 위치, 모니터 상의 2D 데이터 지점 패턴으로서 표시될 때 대응하는 중심 위치의 순차 이동에 대한 다수의 대표적인 사례를 도시한다. 도면 대신에, 다수의 시프트된 파면이 샘플링되며 동일한 서브 파면 포커스 렌즈 및 쿼드 디텍터 상으로의 서로 다른 서브 파면으로서 투영되며, 도 13a-e 를 참고하면 전술한 것에 균등한 것이 도시되는데, 다수의 서브 파면은 동일한 환상 링 주위에 도시되어, 따라서, 다수의 쿼드-디텍터는 단일 서브 파면 포커스 렌즈 및 단일 쿼드 디텍터에 대하여 파면의 서로 다른 부분을 스캔한 경우를 나타내도록 동일한 환형 링 주위에 도시된다.

상부 서브 파면으로부터의 파면 황형 링 주위를 스캔하기 시작하고 화살표(9009)에 의해 표시된 바와 같은 우측 등에서 제 2 서브 파면에 대하여 시계 방향으로 이동하는 것을 고려해보자. 도 9c로부터 볼 때, 파면이 평면 파(9001)일때, 모든 서브 파면(예를 들어 9002)은 쿼드-디텍터(9004)의 중심에서 이미지 스팟(9003)을 형성하며, 그 결과, 모니터(9006) 상의 중심 궤적(9005)은 x-y 좌표계의 원점에 항상 존재하게 된다.

상기 입력 파면이 9011로 도시된 바와 같이 발산하게 될 때, 각 서브 파면(9012)의 이미지 스팟(9013)의 중심은 쿼드-디텍터(9014)의 중심으로부터 벗어나는 동일한 양으로써 파면 중심으로부터 방사상 외측 방향에 놓이게 되며, 그 결과 모니터(9016) 상의 궤적(9015)은 상부 위치(9017)로부터 시작하는 화살표(9018)에 의해 표시된 바와 같은 시계방향 원이 된다. 한편, 입력 파면이 9021로 도시된 것처럼 수렴한다면, 각각의 서브 파면(9022)의 이미지 스팟(9023)의 중심은 쿼드 디텍터(9024)의 중심으로부터 벗어나는 동일한 양으로써 파면의 중심에 대하여 방사상 내측에 놓이게 된다. 그 결과, 상기 모니터(9026) 상의 중심 궤적(9025)은 원이 되지만 저부 위치(9027)로부터 시작하게 되며 화살표(9028)에 의해 표시된 바와 같이 시계방향으로 된다. X 축 중심위치와 y 축 중심 위치에 대한 사인 변화가 탐지되면, 그 변화는 입력 파면이 발산 빔으로부터 수렴 빔 또는 그 주변으로 변화하는 것을 나타내는 것이다. 또한, 중심 궤적의 시작 지점은 입력 파면이 발산 또는 수렴하는지를 나타내는 기준으로서 사용될 수 있다.

도 9c를 참조하면, 입력 파면이 난시인 경우, 파면은 9031a로 도시된 바와 같이 수직 방향에서 발산하며 9031b로 도시된 바와 같이 수평 방향에서 수렴하게 된다. 그 결과, 수직 서브 파면(9033a)의 중심 위치는 입력 파면의 중심에 대하여 방사상 외측을 향하게 배치되며, 수평 서브 파면(9033b)의 중심 위치는 입력 파면의 중심에 대하여 방사상 내측 방향으로 배치된다. 그 결과, 상기 모니터(9036) 상의 중심 궤적(9035)은 상부 위치(9037)로부터 시작하여 화살표(9038)에 의해 표시된 반시계방향으로 이동하게 되고, 중심 궤적 회전은 다시 역전된다.

유사한 설명을 이용한다면, 입력 파면이 난시인지 아니면 서브 파면이 전체적으로 발산 또는 전체적으로 수렴하는지 파악하는 것은 어렵지 않으며, 중심 궤적의 회전은 시계방향(역전되지 않음)으로 될 것이지만, 난시의 경우, 모니터상의 중심의 궤적은 원보다는 타원으로 되는데 그 이유는 하나의 난시 축을 따른 서브 파면은 다른 축을 따르는 것보다 더 발산 형태로 되거나 수렴 형태로 되기 때문이다.

보다 일반적인 난시 파면의 경우에, 중심 궤적은 원형이거나 타원인 궤적으로 역방향으로 회전하게 되거나, 중심 궤적은 궤적이 타원이 되지만 일반적인 시계방향으로 회전하게 된다. 타원의 축은 중심에 대하여 방사상 방향으로 놓이게 되는데, 중심은 난시축을 나타내게 된다. 이 경우, 황형 링 주변의 4개의 서브 파면은 난시축 및 더 많은 서브 파면(4개가 아닌 8, 16, 32개)을 정확하게 결정하기에는 충분하지 않다.

정리하면, 인간의 눈으로부터 나오는 수렴하는 구형 파면 대비 발산 파면의 경우, 눈 동공의 환형 링 주변의 순차적으로 샘플링된 서브 파면은 원 주위에 배치되는 순차 중심 데이터 지점으로 나타나게 되지만, 각각의 데이터 지점은 파면이 발산이냐 수렴이냐에 따라 서로 다른 반대 위치에서 맺히게 된다. 환언하면, 예를 들어 발산의 경우, 임의의 데이터 지점(예를 들어i=0)이 임의의 위치(예를 들어 (Xtr(0), Ytr(0)) = (0, 0.5)에 있는 것을 기대한다면, 동일한 구형 반경이지만 부호가 다른 수렴 파면의 경우, 동일한 데이터 지점은 반대위치(예를들어 (Xtr(0), Ytr(0)) = (0, -0.5))에 놓이게 되는 것을 예상할 수 있다. 한편, 원래 파면이 구형 및 원통형 요소를 가진다면, 중심 데이터 지점은 일반적인 회전 타원, 직선, 비정상적이거나 역회전 타원, 비정상적이거나 역회전 원이 될 수 있는 타원을 추적하게 된다. 이러한 시나리오는 함께 양도된 미국 특허 제7445335호 및 미국 특허 8100530호에서도 설명된 바 있다.

본 발명의 일실시예는 균등한 타원으로서 중심 데이터 지점을 설명하는 주축과 부축의 양과 음의 값을 사용한다. 예를 들어, 전체 발산 파면은 양의 주축과 부축을 가지는 것으로 정의되며, 정체적으로 수렴하는 파면은 음의 주축과 부축을 생성하는 것으로 정의된다.

도 18은 삼각함수 표현을 이용한 순차 타원의 그래픽을 나타내는데, 여기서 U(t) = a·cos(t), V(t) = b·sin(t) 이며, a 는 큰 원의 반경이며, b는 작원 원의 반경이다. 여기서, a>b>0 이며, a 와 b는 양의 값이며, 타원은 반시계방향으로 회전한다. 따라서, 타원 상의 지점은 발산도가 수평 방향과 수직 방향에서 서로 다른 수형 및 원통형 굴π절 오류 요소를 가진 전체 발산 파면의 순차 계산된 중심 변위를 나타낸다. 만약 a=b 라면, 타원은 발산도가 수평 방향과 수직 방향에서 동일한 발산 구형 파면을 나타내게 된다. t0 값이 0 < t0 < π/2이라면, 지점 (U(t0), V(t0))는 U-V 카테션 좌표계의 제 1 쿼드런트에 놓이게 된다.

도 18의 실시예와 도 19, 20, 21의 실시예에서, 카테션 좌표축 U, V 는 쿼드런트 디텍터 축 x, y에 정렬되는 것을 가정할 수 있으며, 동시에 난시축이 x, y 축을 따르게 되는 것도 가정할 수 있다. 따라서 도 18 내지 도 21에 도시된 타원은 수평 도는 수직방향 배향된다.

주축과 부축이 모두 음의 값이라면, 이들은 a, -b 로 표현될 수 있다. 도 19에 도시된 경우, 대응하는 순차 타원은 U(t) = -a·cos(t), V(t) = -b·sin(t) 이고, a>b>0 이며, -a 와 -b 는 음의 값으로 표현된다. 그 결과 타원은 반시계방향으로 회전하게 된다. 이것은 수렴도가 수평과 수직 방향에서 서로 다른 구형 및 원통형 굴절 오차 요소를 가진 전체적으로 수렴하는 파면을 나타내는 것으로 볼 수 있다. 만약 a=b 라면, 그것은 수렴도가 수평과 수직 방향에서 동일한 수혐하는 구형 파면을 나타내게 된다. t0 값이 0 < t0 < π/2이면, 지점(U(t0), V(t0))는 도 18에 비교하여 좌표계 원점에 대하여 반대편측 상에서 U-V 카테션 좌표의 제 3 쿼드런트에 놓이게 된다.

주축이 양의 값이고 부축이 음의 값이라면, 이들은 a, -b 로 표현될 수 있다. 도 20에 도시된 경우 처럼, 대응하는 순차 타원은 U(t) = a·cos(t), V(t) = -b·sin(t) 이고, a>b>0 이며, a 는 양 그리고, -b 는 음의 값으로 표현된다. 그 결과 타원은 제4쿼드런트로부터 출발하여 시계방향으로 회전하게 된다. 이것은 발산도가 수평과 수직 방향에서 서로 다른 구형 및 원통형 굴절 오차 요소를 가진 수평 발산 파면 및 수직 수렴 파면을 나타내는 것으로 볼 수 있다. 만약 a=b 라면, 그것은 수평 발산도와 수직 수렴도가 동일하며 수평하게는 발산되며 수직하게는 수렴하는 원통형 파면을 나타내게 된다. t0 값이 0 < t0 < π/2이면, 지점(U(t0), V(t0))는 U-V 카테션 좌표의 제 4 쿼드런트에 놓이게 된다.

주축이 음의 값이고 부축이 양의 값이라면, 이들은 a, b 로 표현될 수 있다. 도 21에 도시된 경우에서, 대응하는 순차 타원은 U(t) = -a·cos(t), V(t) = b·sin(t) 이고, a>b>0 이며, -a 는 음의 값, b 는 양의 값으로 표현된다. 그 결과 타원은 제2쿼드런트로부터 출발하여 시계방향으로 회전하게 된다. 이것은 수평 수렴도와 수직 발산도가 서로 다른 구형 및 원통형 굴정 오차 요소를 가진 수평하게는 수렴하고 수직하게는 발산하는 파면을 나타내는 것으로 볼 수 있다. 만약 a=b 라면, 그것은 수평수렴도와 수직 발산도가 동일하며 수평하게는 수렴하고 수직하게는 발산하는 원통형 파면을 나타내게 된다. t0 값이 0 < t0 < π/2이면, 지점(U(t0), V(t0))는 도 20에 비교하여 좌표계 원점에 대하여 반대편측 상에서 U-V 카테션 좌표의 제 2쿼드런트에 놓이게 된다.

발산 파면에 '양'의 축과 '음'의 축이 부여되는 것은 임의적인 것이며 구별할 수 있다면 반대로 될 수 있다. 축의 양의 방향은 바뀌어질 수 있다. 예를 들어 U 축은 우측을 향하는 대신에 상측을 가리킬 수 있으며, V 축은 상측을 가리키는 대신에 우측을 가리킬 수 있다. 이 경우, 도 22에 도시된 바와 같이, 파선으로 표시된 평면에서 샘플링된 발산하는 구형 파면으로부터 예상되는 순차 중심 데이터 지점들은 시계방향 원이 되어서 도 22에서 숫자와 화살표로 표시된 데이터 지점 위치와 극성을 나타내게 된다. 순차 회전 방향은 축 극성을 서로 다르게 부여하는 것에 기인하여 도 18에 비교하여 변화될 수 있다. 유사하게, 동일한 경우에서, 도 23에 도시된 파선에 의해 나타내어지는 평면에서 샘플링된 수렴하는 구형 파면으로부터 예상되는 순차 중심 데이터 지점은 시계방향 원이 되어, 그 결과 도 23에서 숫자와 화살표로 나타내어진 데이터 지점 위치와 극성이 된다. 샘플링된 파면이 발산하는 것으로부터 수렴하는 것으로 변화될 때, 도 22의 원래 위치로부터 숫자가 부여된 데이터 지점은 도 23의 반대 위치로 교체될 수 있다.

본 발명의 일실시예는 Xtr 축 또는 Ytr축에 대하여 데이터 지점 벡터의 초기 오프셋 각도를 결정하도록 캘리브레이션(내부 또는 외부)을 사용한다. 본 발명의 다른 실시예는 오프셋 각도에 의해 카테션 좌표계(Xtr, Ytr)를 다른 카테션 좌표계(U, V)로 회전하게 되는데, 캘리브레이션 중심 데이터 지점 들 중 적어도 하나, 예를 들어,i=0 이며 데이터 지점(U(0), V(0))는 새로운 카테션 좌표계 U-V 의 U, V 축 상에서 정렬된다. 이러한 방식으로, 측정된 서브 파면 경사는 (U(i), V(i)), i = 0, 1, 2,..., 7로 표현되며, 데이터 지점 중 적어도 하나는 U, V 축 상에서 정렬되며, 연계된 타원 상에 존재한다면 타원에 용이하게 연계되고 평균화되며, 타원 파라미터는 샘플링된 파면의 구형 및 원통형 디옵터 값에 연결되며, 주축과 부축 방향은 샘플링된 파면의 원통형 축에 연계된다.

도 24는 원래 X-Y 좌표계로부터 병진된 Xtr-Ytr 로 병진되고 순차 타원에 맞추어진 8개의 순차 샘플링된 중심 데이터 지점의 U-V 좌표계로 추가로 회전된 카테션 좌표 병진 운동 및 회전 운동을 도시한다. 전체 발산 파면 및 도시된 좌표축 선택에 있어서, 순차 회전 방향은 시계 방향이다. 이러한 예에서, 8개의 순차적으로 얻어진 데이터 지점의 중심이 우선 결정되고 X-Y 좌표계는 Xtr-Ytr 좌표계의 원점이 8개의 순차적으로 얻어진 데이터 지점이 되는 Xtr-Ytr 좌표계로 병진된다. 맞추어진 타원(대응하는 축 극성은 이미 설명되었음)의 주축과 부축은 디지털 데이터 처리에 의해 얻어지며, 좌표계 회전은 맞춰진 타원의 주축 또는 부축을 Xtr-Ytr 좌표계로서 동일한 원점을 가지는 U-V 좌표계의 U, V 축에 정렬함으로써 수행된다. 이러한 실시예에서, 제 1 데이터 지점(지점 0)은 U 축 에 이미 정렬되거나 축상에 위치된다. 보다 일반적인 경우에서는 그렇지 않을 수 있다. 그러나, 제 1 데이터 지점(지점 0)과 U 축을 정렬하는 것이 데이터 처리에 도움이 된다면, MEMS 스캐너의 구동 신호에 대하여 SLD의 개시 시간은 이러한 정렬이 가능하게 되도록 조정될 수 있으며, 2개의 신호들간의 위상 딜레이는 데이터 처리를 단순화하는데 사용될 수 있다.

환형링, 좌표계 변환 및 관련 데이터 처리에 대하여 본 출원에서 설명되는 파면 샘플링 예는 장점을 가지는데, 구형-원통 디옵터값은 (U(i), V(i))데이터 지점값의 함수로서 분석적으로 간단히 표현될 수 있으며 이 경우, 데이터 처리는 간단하며 극히 신속하게 행해질 수 있다. 환언하면, 데이터 지점(U(i), V(i))은 표준 위치의 타원에 용이하게 맞추어지며(원점에 중심, U 축을 따라 주축), U(t) = a cos(t), V(t) = b sin(t)로 표현되며, 여기서 a와 b는 각각 주축과 부축을 나타내며 양의 값 또는 음의 값을 가진다.

이러한 알고리즘은 큰 동적 범위에서 눈 파면을 높은 정밀도로 실시간 측정하는 것을 가능하게 한다. U, V 축이 표준 위치로 타원을 맞추도록 회전하게 될 때, 타원의 방향은 난시축을 나타낸다. 또한, a 와 b의 합은 발산하고 수렴하는 난시 성분의 상대적인 합을 나타내며, 회전 방향은 어떠한 성분이 발산이며 어떠한 성분이 수렴하는지 확인하는데 도움을 주게 된다. 그 결과, 수술적 시력 교정 과정의 실시간 적정량이 수행될 수 있게 된다. 특히, 실시간 파면 측정 결과는 림발 완화 절개(LRI), 및/또는 난시성 각막 절개(AK) 및, IOL(안과 렌즈) 회전 적정량의 수술을 배향하고 정렬하며 가이드하는데 사용될 수 있다.

도 25는 도 24의 특수한 경우로서, 좌표계 회전 변환 및 U-V 좌표계 상의 8개의 중심 데이터 지점을 도시하는데, 여기서 좌측은 동일하게 양의 주축과 부축을 가지는 발산하는 구형 파면에 대응하며, 우측은 동일하게 음의 주축과 부축을 가지는 수렴하는 구형 파면에 대응된다. 발산하는 것으로부터 수렴하는 것으로 샘플링 파면이 변화할 때 원래 위치에서 반대 위치로 번호가 부여된 데이터 지점을 교체할 수 있다.

구형 성분 상에 중첩된 난시 성분이 존재할 때, 다수의 중심 데이터 지점 궤적 시나리오는 함께 양도된 미국 특허 7445335 및 미국 특허 8100530호에 설명된 바와 같은 구형 파면 경사의 것에 비교하여 난시 파면 경사의 정도에 따라 발생하게 된다. 전술한 바와 같이 카테션 좌표계를 변환함으로써, 중심 데이터 지점은 U 축 또는V 축에 정렬되지만 서로 다른 타원 형상과 방향을 가지는 데이터 지점들 중 하나를 가진U-V 좌표계의 원점에 대하여 중심이 맞춰진 패턴을 추적할 수 있다. 상기 패턴의 모든 형상은 양의 주축과 양의 부축을 가진 일반적인 회전 타원을 포함하며, 양이나 음의 주축 또는 양이나 음의 부축을 가지는 직선, 음의 주축 및 양의 부축 또는 양의 주축 및 음의 부축을 가지는 비정상적 또는 역회전 타원, 양의 주축 및 음의 부축 또는 음의 주축 및 양의 부축을 가지는 비정상 또는 역회전원을 포함한다.

순차 파면을 측정하는 것이기 때문에, 원형의 궤적의 경우에, 3개의 서로 다른 원형 궤적 패턴(발산하는 구형 원, 수렴하는 구형 원, 난시성의 역회전 원)을 서로 구별하는 것이 가능한데 그 이유는 축 극성은 파면 샘플이 수집되는 순서에 의해 결정되기 때문이다. 실제로, 난시성 역회전 원은 타원에 효과적으로 연계되는데 그 이유는 하나의 축(주축 또는 부축)은 다른 축(부축 또는 주축)과 다른 부호와 극성을 가지기 때문이다. 타원의 방향 또는 직선 또는 역회전 원은 주축 또는 부축 방향으로부터 결정될 수 있으며, 안경사 또는 안과 의사에 의해 받아들여지는 바와 같은 0 내지 180도의 각에 놓이게 된다. 주축 및/또는 부축의 부여는 임의적인 것이어서, 주축의 절대 길이가 부축의 길이보다 길게 될 필요가 없다. 이러한 부여는 눈으로부터 파면과 관련된 굴절 오차의 계산을 용이하게 하는 의미만이 있다.

하나의 환형 링 주위에서 파면을 샘플링하는 것에 추가하여, 파면의 다중 중심 황형 원 또는 서로 다른 직경의 다중 환형 링이 샘플링될 수 있다. 이렇게 함으로써, 2D 파면 맵이 얻어지게 되며, 최종 사용자에게 보여지게 된다. 파면 센서의 환형 링 샘플링 크기를 다이나믹하게 변화시킴으로써, 전체 각막 시각계를 통하여 대상의 무수정체 조건을 확인할 수 있게 된다.

다른 실시예에서, MEMS 스캐닝 미러는 가변 반경의 동심 링 또는 나선 패턴에서 서브 파면을 샘플링하도록 작동될 수 있으며, 이를 통하여 높은 차수의 수차를 탐지할 수 있게 된다. 제르니케 분해는 트레호일(trefoil), 코마, 구형 수차와 같은 높은 차수의 수차를 포함하는 파면 수차 계수를 추출하도록 수행될 수 있다. 예를 들어, 코마는 스캔 반경이 증가하거나 감소할 때 파면의 측방향 시프트를 탐지함으로써 결정될 수 있다. 환형 링 마다의 샘플의 숫자는 균일하게 3으로 나누어지며, 트레호일은 스캔 반경이 증가하거나 감소할 때 도트가 반전된 삼각형 패턴을 형성할 때 탐지될 수 있다.

임의의 2개의 파면 샘플링 지점들간의 효과적인 이격은 MEMS 스캔 미러의 구동 신호 진폭 및 SLD 개시 시간을 제어함으로써 제어될 수 있다. 전단 처리 시스템에 의해 서브 파면 샘플링 어퍼쳐의 크기를 감소시키는 것에 추가하여 어퍼쳐가 전기적으로 가변적이라면, 파면의 높은 공간 정밀/해상도 샘플링은 SLD 개시 시간을 정밀하게 제어하고 SLD 펄스 폭을 감소시키며 MEMS 스캔 미러 진폭 또는 위치의 제어에서 정밀도를 증가시킴으로써 달성된다. 이와 관련하여, MEMS 스캔 미러는 보다 양호한 스캔 각도 제어 정밀도를 달성하기 위하여 스캔 각도 구동 신호를 제어하는 전자 제어 시스템 및/또는 마이크로프로세서로 MEMS 미러 스캔 각도 모니터 신호가 피드백됨으로써 폐쇄 루프 서보 모드에서도 작동하게 된다. 한편, 보다 잇점이 되는 것은 서브 파면 샘플링 어퍼쳐를 증가시키고 또는 SLD 의 펄스 폭을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예는 공간 파면 샘플링에서 보다 높은 정밀도/해상도를 달성하거나 공간 파면 샘플링에서 보다 평균화를 달성하도록 파면 시프터/스캐너 및 SLD 를 제어하는 전자 장치를 사용한다. 높은 정밀도/해상도의 공간 파면 샘플링은 높은 차수의 수차 측정에 필요하며, 보다 평균화된 공간 파면 샘플링은 원통형 축 또는 난시축과 구형 및 원통형 디옵터 값에 대한 파면의 굴절 오차를 측정하는데 필요하다.

전술한 카테션 좌표계 병진 운동과 회전 운동은 굴절 오차 및 파면 수차 계산을 용이하게 하도록 채용될 수 있는 다양한 많은 좌표계 시스템 변환 중 하나이다. 예를 들어, 극좌표 또는 비-수직 축 기반 좌표 변환과 같은 비-카테션 좌표계가 사용될 수 있다. 따라서, 파면 수차 및 굴절 오차 계산을 촉진하기 위한 좌표계 변환을 사용하는 컨셉의 범위는 카테션 좌표계에 한정되지 않아야 한다. 이러한 변환은 카테션 좌표계 및 극 좌표계 간에도 가능하다.

실제로, 환자의 눈으로부터의 파면은 구형 및 원통형 굴절 오차에 추가하여 더 높은 차수의 수차를 가질 수 있다. 그러나, 녹내장 굴절 수술과 같은 대부분의 시력 교정 과정에서, 단지 구형 및 원통형 굴절 오차만이 교정된다. 따라서, 평균화에 대한 요청이 있어서, 가장 우수한 구형 및 원통형 교정 디옵터 값 및 원통 축 각도는 발견될 있고 처리될 수 있다. 본 발명은 중심 데이터 지점을 타원에 연계할 때 고려되는 주축과 부축의 극성과 함께 하나 이상의 환형 링에 대한 하나 이상의 타원에 중심 궤적을 연계하고 평균화함으로써 이러한 응용례에 특히 적합하며, 구형 및 원통형 디옵터 값과 함께 원통형 축에 관련하여 주어지는 결과적인 해결책은 높은 차수의 수차의 효과를 평균화하는 것을 이미 포함한다. 한편, 알고리즘 및 데이터 처리는 최종 사용자에게 중심 데이터 지점을 타원에 얼마다 가깝게 연계시키는지를 계산함으로써 파면에 얼마나 높은 수준의 수차가 존재하는지를 최종 사용자에게 알려준다.

도 26은 구형 및 원통 디옵터 값과 원통형 축 각도를 디코팅할 때의 일실시예의 처리 흐름 다이아그램이다. 시스템을 캘리브레이션하고 오프셋 각도를 얻기 위하여 내부 캘리브레이션 타겟을 파면 릴레이 경로로 이동시키는 단계(2605), SLD 펄스 딜레이 및 오프셋 각도값 사이의 관계를 얻는 단계(2610), 파면 릴레이 빔 경로로부터 내부 캘리브레이션 타겟일 이동시키는 단계(2615)를 포함하는 캘리브레이션 단계는 전술한 바와 같이 각각의 눈 측정 이전에 한번과 같이 임의의 측정 또는 다수번 이전에 매일 한번과 같이 다수의 실시간 눈 측정을 위하여 한번 수행될 수 있다.

일단 오프셋 각도 정보가 획득되면, SLD 펄스 딜레이 또는 MEMS 스캔 미러에 보내진 사인 및 코사인 구동 신호의 초기 위상을 변화시킴으로써 얻어지는 오프셋 각도를 변화시키거나 조절하는 선택적인 단계(2620)가 존재한다. 예를 들어, 구형 기준 파면으로써,, 오프셋 각도는 조절될 수 있어서, 중심 데이터 지점 중 하나는 X 축 또는 Y 축에 정렬되며, 이 경우, 좌표계 회전 변환을 추가적으로 수행할 필요는 없다. 이것은 데이터 처리에서 부담을 감소시킨다.

그 다음 단계(2625)에서, 중심 데이터 지점 위치는 전술한 바와 같이 A, B, C, D 값으로부터 비율 축적(X, Y) 값, 수정된 중심 위치 값(X', Y') 및 병진된 중심 위치 값(Xtr, Ytr)으로 계산될 수 있다. 그 다음의 단계(2630)는 (Xtr, Ytr)로부터 (U, V)로의 좌표계 회전 변환을 수반하여 만약MEMS 미러 스캔에 대하여 SLD 펄스 딜레이가 제어될 수 있어서 중심 데이터 지점 중 하나는 Xtr축 또는 Ytr 축 상에 이미 놓여있다.

파면이 구형인지 결정하는 다음 단계(2635)에서, 서로 다른 방식의(Xtr=0, Ytr=0) 또는 (U=0, V=0) 원점에 대하여 중심 데이터 지점 벡터 전체 또는 일부(수직한 쌍)의 총합 또는 길이가 비교될 수 있다. 예를 들어, 모든 벡터 통합 또는 길이의 표준 편차는 소정의 기준값(예를 들어, 0.25D 원통 보다 작게 대응되는 값) 미만일 때, 파면은 구형으로 취급될 수 있다. 선택적으로, 데이터 지점 벡터의 일부 또는 전체의 벡터 합이 비교될 수 있고, 그 총합이 실질적으로 동일하고 그 차이점은 예정된 기준값 미만이므로 파면은 구형으로 판단될 수 있다.

구형 파면의 경우, 도 26에 도시된 바와 같이 후속 단계(2640)로서, 실질적으로 등가인 주축길이와 부축 길이를 계산하는 것에 추가하여 타원에 데이터 지점을 연계할 수 있으며, 양이거나 음의 값일 수 있는 주축과 부축의 부호와 극성, 평균의 양 또는 음의 구형 디옵터값 출력에 따라 주축 및 부축 길이가 평균 계산될 수 있다. 디옵터 값 및 주축 또는 부축 길이간의 관계는 전술한 바와 같이 보편적인 캘리브레이션 단계 동안에 획득될 수 있거나 획득되어야 한다.

선택적인 후속 단계(2645)는 수치로서 양적으로 계산된 구형 디옵터값 및/또는 원으로서 질적으로 계산된 구형 디옵터값을 표시하는데, 원 직경 또는 반경은 절대 구형 디옵터값을 나타내며, 구의 부호는 서로 다른 색상 또는 원에 대한 줄 패턴을 예시적으로 사용하는 것으로 도시된다.

한편, 파면이 구형이 아니라면, 난시 성분이 존재한다는 것을 예상할 수 있다. 후속 단계(2650)에서, 데이터 지점을 타원에 연계할 수 있으며 값이 양이냐 음이냐 그리고 타원각이 주축각이거나 부축각이면 극성을 가진 주축 길이 및 부축 길이를 계산할 수 있다. 타원 각도, 주축 및 부축 길이를 계산하면, 실험적으로 얻어진 캘리브레이션 관계 또는 참조표를 시용하여 구형 및 원통형 디옵터 값을 계산할 수 있게 된다. 디옵터 값이 주축 길이와 부축 길이에 대하여 일정하여(극성 또는 부호 정보가 포함) 임의의 타원에 대한 유니크한 방법만이 존재하는 것이 바람직하다. 구형 파면의 경우에서처럼, 선택적인 후속 단계(2655)는 계산된 구형 및 원통형 디옵터 값과 숫자의 집합으로서 양적인 원통형 축 및/또는 원과 직선으로서 질적으로 표시하는데, 여기서 원 직경은 구형 디옵터 값을 나타내며, 직선 길이는 원통형 디옵터 값을 나타내며, 길고 가늘거나 파선으로 되거나 화살표로 되는 직선 방향 각도는 원통형축 각도를 나타낸다. 선택적으로, 질적 표시는 타원의 형태로 되는데 여기서 주축과 부축길이는 구형 디옵터값을 나타내며, 주축과 부축 길이의 차이(극성 고려)는 원통형 디옵터값을 나타내며, 타원의 방향각은 원통형축 각도를 나타낸다. 구형 및 원통형 디옵터 값의 부호는 예를 들어 원과 직선 표시에 대한 또는 타원 표시에 대한 서로 다른 선 패턴이나 서로 다른 색상을 사용하여 도시될 수 있다. 본 발명의 일실시예는 환자 눈의 굴절 오차를 나타내도록 원과 직선 또는 타원을 사용자가 선택하도록 허용한다.

굴절 오차를 질적으로 표시하는 많은 다른 방법이 존재한다. 전술한 질적 표시는 보편적인 것이 아니라 예시적인 것일 뿐이다. 예를 들어, 이러한 표시는 그 주축이 하나의 독립된 원통형 디옵터값에 비례하고 그 부축이 다른 독립적 수직 원통 디옵터값에 비례하는 타원일 수 있다. 또한, 축각도는 하나의 원통을 나타내며, 다른 원통각은 원래각도이거나 90도 시프트된 각일 수 있는데, 원통축 각은 최종 사용자가 양이나 음의 원통 조건을 선호하는지에 따라 주축각이거나 부축각일 수 있기 때문에 그러하다. 선택적으로, 표시는 하나의 독립적 원통 디옵터값에 비례하는 하나의 직선 길이와 다른 독립적이며 수직한 원통 디옵터값에 비례하는 다른 수직 직선 길이로 된 2개의 수직 직선 길이일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예는 질적이거나 양적인 방식이 되는 파면 측정의, 환자 눈의 실시간 비디오 이미지 상에서, 겹침에 대한 것이다. 디스플레이된 타원 또는 직선은 환자 눈에 대하여 의료진의 방향에 의존하게 되며(우수하거나 임시적임), 임시적이라면, 그 환자의 눈이 우측이나 좌측으로 이미지 표시된다. 녹내장 수술에서, 녹내장 수술에 나타나는 원통축은 각막의 급격한 축에 정렬되어서 의료진은 표시된 축 방향에 기초하여 LRI(림발 완화 절개)를 시행하게 되는 것이 선호된다.

실시간 눈 이미지는 환자의 반듯이 누운 위치 또는 수직 위치에 대한 눈의 등록을 달성하기 위하여 또는 비밀과 같은 홍채 표시에 관련된 이식된 원환체 IOL의 축을 결정하기 위하여 패턴 인식 알고리즘으로써 처리될 수 있다. 또한, 실시간 이미지는 정렬에 대한 특정 렌즈(자연적이거나 인공적인 것)의 등록 및/또는 눈 렌즈 또는 홍채의 물리적 특징에 대한 광학적 신호(예를 들어 파면 및/또는 OLCI/OCT 측정으로부터의 신호)의 비교를 확인하는데 사용될 수 있다.

디옵터값에 연계된 타원 주축 및 부축 길이로부터의 변환은 최종 사용자의 선호에 따라 다양한 방식으로 행해질 수 있다. 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 동일한 굴절 오차 조건을 나타내는 3가지 방법이 존재한다. 첫번째 것은 2개의 독립적인 수직 원통으로서 나타내는 것이고, 두번째 것은 구형 및 양의 원통형으로서 나타내는 것이며, 세번째 것은 구형 및 음의 원통형으로 나타내는 것이다. 또한, 이러한 표시는 조건 또는 실제 파면에 대한 것이다. 연계된 타원은 실제로 2개의 독립적인 수직 원통형의 디옵터값을 직접 제공한다. 한가지 표시로부터 다른 것으로의 변환과 관련하여, 이것은 통상의 기술자에게 알려져 있다. 강조될 필요가 있는 사항은 본 발명의 일실시예는 연계된 타원의 주축과 부축을 나타내는 양의 값과 음의 값을 사용하고 양의 값이나 음의 값일 수 있는 2개의 독립적이며 수직한 원통형 디옵터값에 주축 길이와 부축 길이를 연계시키는 캘리브레이션 방식을 시용하는 것이다.

안경사, 안과 의사, 안과적 엔지니어는 다양한 방법을 사용하여 환자의 눈의 각막 또는 동공 평면에 동일한 파면을 나타낸다. 예를 들어, 안경사는 그것을 평면이 되게 하거나 평평하게 하도록 만곡된 파면을 제거하는데 사용되는 렌즈인 조건의 표시를 선호하는 것이 일반적이며, 안과의사는 구형 및 원통 디옵터값 및 원통형 축과 관련하여 눈 각막 평면에서의 파면이 되는 것이 무엇인지에 대한 직접적인 표시를 선호한다. 반면에 광학 엔지니어는 디옵터 값을 사용하지 않고 제르니케 다항식 계수를 사용하는 표시 또는 완전히 평평하거나 평면이 파면으로부터의 실제 파면의 2D 오차를 보여주는 파면 맵을 사용한다. 본 발명의 실시예는 이러한 변환을 하기 위한 장치에 알고리즘이 설치되므로 최종 사용자에 의해 행해질 수 있는 서로 다른 표시들간의 상호 변환에 대한 것인데, 그것은 이러한 표시에 대한 형식을 선택하는 것에 달려있다.

노이즈 대비 신호비를 추가적으로 향상시키고 측정 정확도 및/또는 정밀도를 향상시키는 것과 관련하여, 타원 또는 원과 직선의 연계는 데이터 지점의 하나의 프레임(또는 세트) 또는 데이터 지점의 다중 프레임(또는 세트들)에 대하여 행해질 수 있다. 선택적으로, 얻어진 구형 및 원통형 디옵터값과 원통형 축 각도는 다중 캡쳐를 통하여 평균화된다. 예를 들어, 평균은 다중 측정의 주어진 개수의 구와 원통형 디옵터 값을 각각 추가하고 주어진 수를 나눔으로써 간편하게 달성될 수 있다. 유사하게, 원통형 각은 비록 그것이 더 관련될 수 있더라도 평균될 수 있는데 그 이유는 0도 내지 180도의 각을 보고하는 동안의 0도에 가까운 랩-어라운드 문제 때문이다. 하나의 접근방식으로서, 이러한 랩-어라운드 문제를 해결하는 삼각함수를 사용할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같은 전단 처리 시스템은 다른 LED 에 추가하여 내부적 고정 타겟을 제어한다. 그러나, 내부 고정 타겟은 하나의 LED 에 제한될 필요가 없으며 후단 조명된 열기구와 같은 단일 이미지에 제한될 필요도 없다. 대신에, 내부 고정 타겟은 포커스 가변 렌즈와 같은 광학 요소를 가능하게 하는 눈 수용부와 결합된 마이크로-디스플레이일 수 있다. 환자의 눈은 마이크로-디스플레이의 서로 다른 픽셀을 밝힘으로서 서로 다른 방향에서 고정을 이루게 되어, 2D 배열의 파면 맵과 같은 주변 시야 파면 정보가 얻어질 수 있게 된다. 또한, 환자의 눈은 수용 범위 또는 진폭의 측정을 가능하게 하는 서로 다른 거리에서 고정될 수 있다. 또한, 고정 마이크로-디스플레이 타겟은 다양한 속도와 듀티 싸이클로써 켜지거나 깜빡거리도록 제어될 수 있으며, 마이크로-디스플레이는 고정 타겟이 패턴 또는 스팟을 밝게 하고 색상을 가변시킬 수 있도록 채색된 것일 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예는 눈을 추적하는 것이다. 도 27은 눈 추적 알고리즘의 예시적인 처리 흐름 다이아그램을 도시한다. 관련된 단계는 실시간 눈 동공 또는 홍채 이미지 또는 2차원으로 SLD 빔을 스캐닝함으로서 각막 정점으로부터 정반사를 탐지하는 것과 같은 다른 수단으로부터의 눈 동공 위치 정보를 사용하여 눈 공동의 위치를 예상하는 단계(2705); 눈 움직임을 추적하도록 SLD 빔 스캐너를 조절하는 단계(2710); 눈으로부터의 파면의 동일한 의도된 부분이 눈 움직임과는 무관하게 항상 샘플링되도록 눈 동공의 움직임을 보상하도록 SLD 빔 조절에 비례하여 파면 스캐너/시프터의 DC 구동 요소를 오프셋하는 단계(2715) 및 선택적인 단계로서, 파면 수차의 측정을 교정하는 단계(2720)를 포함한다. 실시간 이미지 카메라는 홍채의 중심 또는 각막 림버스의 중심의 시각적 예상을 제공한다. SLD 빔 (X, Y) 위치를 시야에 연계시킴으로써, SLD 는 각막 상의 동일한 위치로 배향될 수 있다. 파면 센싱을 위하여, 이러한 위치는 약간 축에서 어긋나거나 이 경우에 각막의 정점에서 약간 어긋나게 되며, SLD 빔의 정반사는 파면 센서의 위치 센싱 디텍터/장치로 직접 되돌아가지 않는다. 림버스의 중심 또는 홍채의 중심은 SLD 빔을 배향하는 기준 지점으로서 사용될 수 있다.

본 출원에 설명된 알고리즘의 독특한 특징은 SLD 빔 조정에 비례하여 파면 스캐너/시프터의 DC 구동 성분을 오프셋하는 단계이다. 이것은 의미있는 단계인데, 그 이유는 이 단계로 인하여 눈으로부터의 파면의 동일한 부분(파면의 동일한 환형링)이 샘플링되는 것이 보장되기 때문이다. 이러한 단계가 없다면, 눈은 횡방향으로 움직일 때, 눈으로부터의 파면의 다른 부분들이 샘플링될 것이며, 이것은 현저한 파면 측정 오차를 야기하게 될 것이다. 파면 수차 측정을 교정하는 마지막 단계가 선택적인 이유는SLD 빔조절에 비례하여 파면 스캐너/시프터에 의해 제공될 수 있는 보상으로써, 파면 측정에 대한 결과는 미리 결정되거나 고려될 수 있는 파면의 샘플링된 부분 전체에 대한 다른 공지된 수차 요소 및/또는 프리즘 경사 및/또는 추가된 난시가 존재할 것이기 때문이다. 굴절 오차 디코딩 알고리즘은 절충된 구형 및 원통형을 파악하고 좌표계 병진 이동을 통하여 프리즘 경사를 필터링하도록 자동적으로 수차를 평균화하게 된다는 것이 보여졌으며, 이러한 굴절 오차 측정에서, 프리즘 경사 교정에 대한 추가적인 필요성은 없다. 좌표계 병진량은 이미 눈으로부터의 파면의 프리즘 경사에 대한 표시이며, 프리즘 경사를 포함해야 하는 완전한 파면 측정을 위해서 눈 추적에 의해 야기되는 다른 공지의 수차 성부 및/또는 프리즘 경사 및/또는 추가적인 난시는 제거되어야 하며, 그래서 마지막 교정 단계는 여전히 필요하다.

본 발명의 다른 실시예는 파면 샘플링 환형 링의 직경을 선택하는 것이며, 이를 통하여 파면 샘플링이 눈 동공 영역에서만 행해지는 동안 환형 링 직경의 함수로서 반응 곡선의 경사 민감도는 보다 높은 측정 민감도 및/또는 해상도를 제공하도록 개발될 수 있다. 일반적으로, 구형, 원통형 및 트레호일과 같은 서로 다른 파면 수차의 디업터 값 전체에서, 구형 디옵터 값은 가장 큰 커버리지 범위를 요구하는데, 그 이유는 그것은 서로 다른 눈들 사이에서 많이 변화하게 되며 자연 눈이 제거될 때(즉 눈이 무수정체임) 녹내장 수술시에도 많이 변화하기 때문이다. 한편, 녹내장 수술이 완료되거나 눈에 이식된 IOL(안구내 렌즈)로써 거의 끝날 때, 눈으로부터의 파면은 반수정체 눈이 정시안에 가까워야 하는 것처럼 평면에 가까워야 한다. 전형적인 자동-굴절 측정에 있어서, 눈 동공의 3mm 직경 중심 영역으로부터의 파면은 일반적으로 샘플링된다. 따라서, 파면 센서는 충분한 디옵터 측정 해상도(예를 들어 0.1D) 및 충분한 디업터 커버리지 범위(예를들어 -30D 내지 +30D)를 예를 들어 1mm 내지 3mm 직경 범위를 커버하는 효과적인 파면 샘플링 환형 링 영역에 제공하도록 설계될 수 있다. 반면에, 높은 민감도 및/E는 파면 측정 해상도로써 정시안을 확인하기 위하여, 동공 크기가 반수정체 눈의 굴절 오차 또는 파면을 보다 더 정확하게 측정하기에 충분히 크게 되는 한 녹내장 굴절 수술의 끝부분에 인접해서는 예를 들어 5mm 의 직경으로 파면 샘플링 환형 링을 확장할 수 있다.

도 28은 이러한 컨셉을 실행할 수 있는 알고리즘의 흐름 다이아그램의 실시예를 도시한다. 눈 동공 크기를 예상하도록 실시간 눈 이미지로부터 얻어지는 눈 동공 정보를 사용하는 단계(2805); 파면 샘플링 환형 링의 최대 직경을 결정하는 눈 동공 크기 정보를 사용하는 단계(2810); 보다 양호한 디옵터 해상도를 달성하도록 반수정체 측정을 위한 단계(2810)에 의해 결정되는 최대 직경까지 황형 링의 최대 직경을 증가시키는 단계(2815)를 포함한다. 이러한 "줌-인" 특징은 사용자가 선택할 수 있도록 하거나 자동화되도록 한다. 또한, 최적의 디옵터 해상도 및 다이나믹 범위 커버리지에 대한 환형 링 직경을 적응적으로 조절하도록 PSD 비율 척도 출력을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 특징은 눈썹/속눈썹, 홍채, 얼굴 피부, 수술 도구, 의료진의 손, 보습수의 존재를 탐지할 수 있도록 파면 측정 데이터로써 패턴 인식 알고리즘이 있거나 없는 상태로 실시간 눈 이미지를 결합하고 원하는 범위로부터 눈을 멀리 이동시키는 것이다. 이렇게 함으로써, "명" 또는 "암" 데이터는 배제되고, SLD 는 스마트하게 켜지거나 꺼져서 노출 시간을 절감하고, 여기서 노출 시간은 높은 SLD 전원이 눈에 전달될 수있도록 하여 노이즈 내비 광학적 신호비를 증가시키는 것이 가능하게 된다. 도 29는 이러한 컨셉을 나타내는 예시적인 처리 흐름 다이아그램을 도시한다. 관련된 단계는 실시간 눈 이미지 및/또는 원하는 위치 및/또는 범위로부터 눈을 멀리 떨이지게 하거나 파면 릴레이 빔 경로에서 의도하지 않은 물체의 존재를 탐지하도록 파면 센서 신호 를 이용하는 단계(2905); 오류로서 "명" 또는 "암" 파면 데이터를 포기하는 단계(2910); 상기 파면 데이터가 오류일 때 SLD 를 꺼지게 하는 단계(2915), 상기 파면 데이터가 오류가 있거나 무효일 때 최종 사용자에게 통보하는 선택적인 단계(2920)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 노이즈 대비 광학적 신호비를 증가시킬 수 있는 눈으로 도입될 수 있는 안전 제약 내에서 광학적 전원의 증가를 허용하고 평균화를 수행하며 반점을 제거하도록 망막 상의 작은 영역을 지나서 입사 SLD를 스캐닝 및/또는 제어한다. 또한, SLD 빔 발산/수렴 및 망막상의 SLD 빔 스팟 크기는 축방향 이동가능한 렌즈 또는 포커싱 가변 렌즈 또는 가변형 렌즈를 예를 들어 사용하여 다이나믹하게 조절되되, 망막 상의 SLD 스팟 크기는 눈으로부터 파면의 더 일정하고 캘리브레이션된 측정을 가능하게 하도록 제어될 수 있다. 한편, 상기 SLD 빔 스팟 크기 및 망막상의 형상은 눈의 망막상의 SLD 빔 스팟을 모니터링하는 것에 단독으로 기여하는 서로 다른 이미지 센서 또는 초점을 조정함으로써 동일한 실시간 눈 이미지 센서를 예를 들어 사용하여 모니터링 될 수 있다. 폐쇄된 루프 서보 전자 시스템의 이러한 피드백 및 설치로써, 망막 상의 SLD 스팟의 정적이거나 스캔된 패턴이 제거될 수 있게 된다.

본 발명의 다른 실시예는 LRI(림발 완화 절개)와 같은 눈의 굴절성 교정을 수행하기 위한 수술 레이저 빔을 스캔하는 서로 다른 스캐너 또는 동일한 SLD 빔 스캐너를 사용할 수 있는 다른 자유 공간 광선빔 컴바이너 또는 동일한 광섬유를 통하여 설치되는 SLD 빔과 결합되게 되는 수술 광원으로서 레이저를 포함하는 것이다. 동일한 레이저 또는 서로 다른 레이저는 의료진이 수술현미경을 통하여 레이저 마크를 볼 수 있도록 눈에 "가로놓이"면서 의료진을 "가이드"하고 눈을 "표시"하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예는 눈 파면이 측정되는 동안에 눈 거리를 측정하며, 눈 거리가 변화될 때 눈으로부터 파면의 측정을 교정하는 것이다. 파면 센서 모듈로부터의 눈 거리에 대한 정보는 녹내장 굴절 수술에 특히 중요한데, 그 이유는 눈의 천연 렌즈가 제거되면, 즉 눈이 무수정체가 되고 눈으로부터의 파면은 심하게 발산되고, 그 결과, 파면 센서 모듈에 대한 눈의 작은 축방향 움직임은 굴절 오차 또는 파면 수차 측정에 있어서 비교적 큰 변화를 도출하기 때문이다. 파면에 대한 교정이 설계된 위치로부터 눈이 횡방향으로 이동되었을 때 어떻게 행해지는지에 대하여 이미 설명하였다. 비슷한 교정은 눈이 그 설계 위치로부터 축방향으로 이동하게 될 때 이루어진다. 이와 같이 축방향으로 교정함으로써, 낮은 광학적 코히런스 간섭 측정계(LOCI) 또는 광학적 코히런스 단층촬영기(OCT)는 파면 센서 모듈에 포함될 수 있으며 눈의 축방향 거리를 측정하는데 사용된다. 선택적으로, 눈의 거리를 측정하기 위한 광학적 삼각법을 사용하는 보다 간단한 기술이 채용될 수 있다. LOCI 및 OCT 는 눈의 거리에 추가하여 생체학/해부학적 눈 측정을 할 수 있다는 점에서 선호된다. 이러한 측정은 렌즈에 경사, 전방 챔버 깊이, 각막의 두께 및 렌즈의 두께 그리고 눈의 길이가 존재한다면, 유효한 렌즈(천연 또는 인공) 위치를 나타내는 동안 눈 굴절 수술에는 특히 가치가 있다. OCT 시스템에 의해 달성될 수 있는 횡방향 스캐닝을 통하여, 각막 및/또는 눈 렌즈(천연 또는 인공) 굴절 전원은 협력하여 또는 독립적으로, 특히 무수정체 눈의 경우에, 도출될 수 있다.

또다른 실시예는 다른 목적을 위하여 LOCI/OCT 및 눈 이미지 카메라, 파면 센서에 의해 얻어지는 측정 결과의 두가지 이상을 결합하는 것이다. 일실시예에서, 결합된 정보는 녹내장 불투명성 및 눈의 광학적 기포의 존재와 같은 안구 시스템의 매체 내에서 광학적 산란 및/또는 불투명성을 탐지하는데 펨토-초 레이저에 의해 천연 눈 렌즈가 파손된 후에 사용될 수 있다. 결합된 정보는 IOL 이 시술되기 직전 또는 요구에 의해 수술실(OR)에서 실시간 타겟 굴절에 대한 IOL 조건을 계산하고 눈의 무수정체 상태를 탐지하고 굴절을 확인하고, IOL 이 이식된 후에 효과적인 렌즈 위치를 찾아내는데 사용될 수 있다. 또한, 결합된 정보는 환자 머리를 정렬하는 것을 결정하는데 사용될 수 있으며, 환자의 눈이 파면 센서 모듈의 광축에 수직인 경우 결정을 하는데 사용될 수 있다. 또한, 결합된 정보는 건조한 눈을 탐지하고 보습을 할 필요가 있는 경우 의료진에게 알리는데 사용될 수 있다. 또한, 결합된 정보는 예를 들어 타겟된 눈 굴절이 수술의 단부에 도달하였는지 또는 다중 초점 IOL 이 현저한 경사 없이 적절히 중심이 맞춰지는지 또는 언제 토릭 IOL 이 이식되는지, 교정축에 대하여 중심이 맞춰져서 회전하였는지를 나타내기 위하여 수술전의 눈 굴절 오차, 무수정체 상태에서의 IOL 조건, 및 마지막 지점 표시기와 같은 원하는 정보만을 의료진에게 알리도록 의료진에 의해 개인화되어 표시될 수 있다. 상기 디스플레이는 데이터 통합 표시 또는 비밀 표시를 보여줄 수 있다.

결합된 정보는 눈이 잘 정렬되었는지, 그렇지 않은지 환자의 눈을 어느 방향으로 움직여야 하는지 또는 양호한 정렬을 위하여 현미경을 어느 방향으로 움직여야 하는지 의료진에게 말하도록 디스플레이에서 방향 안내를 포함하여 결정하는데 추가적으로 사용될 수 있다. 이러한 정보는 눈꺼풀이 닫혀있는지 또는 광학적 기포가 존재하는지, 굴절되고/파손된 눈 렌즈 물질이 파면 측정 결과에 영향을 주게 되는 안구체 내에 남아 있는지, 파면 측정이 자격이 있는지 나타내도록 디스플레이에 신뢰 표시를 포함하여 나타내도록 하는데 사용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 서브 파면 포커스 렌즈(220)는 전자 시스템에 의해 제어될 수 있다. 이러한 렌즈는 가변 초점 렌즈 또는 축방향 이동식 렌즈 또는 가변형 미러일 수 있다. 이러한 렌즈가 작동하도록 하는 목적은 개방 루트 또는 폐쇄 제어 루프에서 초점 거리를 다이나믹하게 조절하여, 상기 서브 파면 포커스 렌즈에 의해 형성되는 이미지/광 스팟 크기는 순차 샘플링된 서브 파면의 국부적인 발산 또는 수렴에 기초하여 제어될 수 있다. 이것은 파면 샘플링이 환형 링 주위에서 행해질 때 특히 사실이 된다. 예를 들어, 정확성 및/또는 정밀성을 가지고서 양호한 파면 경사에 대한 양호한 응답 경사 민감도를 달성하기 위하여, 상기 이미지 스팟은 이미지 스팟의 욍방향 운동을 결정하는데 사용되는 PSD(쿼드런트 디텍터 또는 측방향 효과 위치 센싱 디텍터)에서 양호하게 포커싱될 수 있다. 선택적으로, PSD(쿼드런트 디텍터 또는 측방 효과 위치 센싱 디텍터) 에 맺히는 샘플링된 서브 파면의 이미지 스팟은 임의의 원하는 크기로 제어될 수 있다. 예를 들어, 스팟 크기에 대한 하나의 선택은 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이 쿼드런트 디텍터의 하나의 쿼드런트에 대한 것이다. 다른 가능한 선택은 절충된 높은 민감도 및 큰 다이나믹 응답 범위를 생성하는 크기이다. 또다른 선택 사항은 쿼드런트 디텍터의 갭 크기 두배의 이미지 스팟 크기이다. 서로 다른 이미지 스팟 크기는 순차적으로 샘플링된 서브 파면의 평균적인 국부적 수렴 또는 발산에 따라 다이나믹하게 변화할 수 있다.

파면의 디포커스를 DC 오프셋하거나 파면을 다이나믹하게 보상함으로써, 이미지 스팟은 쿼드런트 디텍터의 중앙이나 그 근처에 항상 맺히도록 만들어진다. 이러한 방식으로, 가장 높은 민감도가 달성되도록 하는 크기와 위치에서 각 샘플링된 서브 파면의 이미지 스팟을 로크(lock)하고 널(null)할 수 있어야 한다. 파면 보상 또는 디포커스 오프셋 장치에 대한 구동 신호, 파면 시프터 및 서브-파면 포커스 렌즈는 각각의 샘플링된 서브 파면의 파면 경사를 정확하게 결정하는데 사용될 수 있다.

본 출원에서 설명되는 장치는 파면 데이터, 눈 이미지 데이터, 눈 거리 데이터, 낮은 코히런스 간섭측정계 데이터 등을 처리하는 호스트 컴퓨터의 구조에 따라 추가적인 다수의 임무를 달성할 수 있다. 예를 들어, 호스트 컴퓨터는 굴절 오차와 같은 척도를 얻고, 디스플레이 상에서 양적이거나 질적인 척도를 표시하고, 의료진으로 하여금 어떠한 양적이거나 질적인 척도가 표시되도록 하는 방식을 선택하게 하여 파면 데이터를 분석하도록 된다. 어떻게 파면 측정이 표시되는지와 관련하여, 최종 사용자는 파면 수차 대 굴절 대 조건 및/또는 양의 원통 대 음의 원통 및/또는 정시안과 같은 미자막 지점 표시를 선택할 수 있게 된다.

상기 호스트 컴퓨터는 의료진이 환자 눈의 실시간 이미지/비디오를 원하는 방향으로 회전시키거나 돌리도록 구성된다. 또한, 의료진은 논 이미지, 파면 측정 결과 및 심지어 수술이나 그 후에 요청에 의해 낮은 코히런스 간섭 측정계 측정 결과를 되돌려볼 수 있다.

가장 중요하게는, 본 발명은 시력 교정 과정 결과물을 최적화하기 위하여 실시간으로 시력 교정 과정을 적정하는 의료진은 가이드한다. 예를들어, 중심, 경사, 원주방향 각도 배향 위치를 측정이 IOL 의 최적 배치를 확인할 때까지 눈에서 IOL 의 위치를 조정하도록 의료진을 가이드한다. 또한, 그것은 난시를 교정/중화하도록 이식된 토릭 안구 렌즈(IOL)를 의료진이 회전시키는 것을 가이드한다. 또한 본 발명은 난시를 적정하고 중화하도록 림발/각막 완화 절개 또는 기질내 렌티큘 레이저(Flexi)를 의료진이 수행하는 것을 가이드한다.

본 출원에서 설명된 장치는 이식된 다중 초점 IOL 이 그 위치를 최적화하는 것에 추가하여 원하는 포커스 범위를 가지는지 나타내는데 사용된다. 본 발명의 장치는 이식된AIOL(수용적인 IOL)이 원하는 수용 범위를 제공하는지를 측정하는데 사용될 수 있다.

디스플레이 상에서, 실시간 가이드는 시력 교정 과정이 나머지 수차의 제거를 촉진하도록 어떻게 진행하고 결과를 확인하며 수치를 문서화하고 수차를 감지하는지에 대하여 제공된다. 표시된 실시간 정보는 시력 교정 과정이 좋은 방향으로 가고 있는지 나쁜 방향으로 가고 있는지를 의료진이나 시력교정사에게 디지털화되어 자동으로 "줌인" 또는 "줌아웃" 경고하게 된다. 임의의 수준의 교정에 도달할 때, 표시된 정보는 정시안과 같은 관자의 굴절 엔드포인트 목표에 도달했다는 것을 내부적으로 작동하여 확인하도록 예를 들어 폰트 크기, 진하기, 스타일 또는 색상면에서 하일라이트된다.

시각적 피드백에 추가하여 음성적 피드백도 시각적 피드백과 함께 또는 독립적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 오디오 정보는 적절한 정렬을 위하여 IOL 을 어떠한 방향으로 움직여야 하는지 또는 난시를 교정/중화하기 위하여 토릭 렌즈를 어떠한 방향으로 회전시켜야 하는지 보여주는 비디오/그래픽 정보가 제공되거나 이러한 정보 없이 제공될 수 있다. 실시간 오디오 신호는 굴절 오류의 종류, 오차의 합, 오차의 변화를 나타내도록 생성될 수 있다. 실시간 오디오 신호의 피치, 톤 및 크기는 시력 교정 과정 동안에 적용되는 교정의 향상이나 잘못되어 가고 있는 사항을 나타내도록 변화된다. 실시간 오디오 신호의 특정 피치는 원통형 오류의 총합을 나타내는 톤으로 원통에 대하여 오류가 있음을 확인하도록 생성될 수 있다.

본 발명의 가장 중요한 적용사례 중 하나는 수술전 선택된 IOL 파워가 맞는지 아닌지 환자의 눈의 무수정체 상태에서 결정하도록 녹내장 수술을 도와 주게 된다는 점이다. 실시간 무수정체 파면 측정(빌트인 된 낮은 코히런스 간섭측정계에 의해 제공되는 바와 같은 눈의 생체 측정와 함께 하는 것이 바람직하다)은 필요한 IOL 파워를 정확하게 결정하고 수술전 미리 선택된IOL 파워가 특히 수술전 IOL 선택 공식이 일정한 결과를 가져다 주지 않는 사람에게 회복 각막 굴절 과정의 환자에게 옳은지 아닌지 확인할 수 있다.

본 발명의 다른 중요한 적용례는 환자의 눈으로부터의 파면이 측정되는 동안에 녹내장 수술의 전체 세션 동안에 각막 형상 및 다른 눈 생체/해부적 파라미터에서의 변화를 모니터링하고 저장하는 것이다. 이러한 변화는 수술실(OR)에서의 녹내장 수술 이전, 수술 시간 동안, 그 이후에 측정될 수 있으며, 환자의 눈으로부터 파면에서의 변화를 야기시키는 다양한 요인의 결과로서 각막 계측 및 파치메트리, 전방 챔버 깊이, 렌즈 위치 및 두께로써 측정되는 바와 같인 각막 형상 및 두께에서의 변화일 수 있다. 예를 들어 이러한 인자는 국부 마취, 눈썹 검경, 각막에 형성되는 절개/상처, 전방 챔버 충진 물질, 안구내 압력, 각막에 대한 물/용액 공급, 상처 봉합, 상처 치료 효과, 의료진에 의해 야기되며 특정 녹내장 수술 의료진으로부터 나타나는 파면 변화 효과를 포함한다.

눈의 생체/해부 파라미터에서의 변화에 대한 데이터는 다양한 인자에 의해 야기되는 효과를 보상하는데 사용될 수 있다. 절개/상처의 치료 후의 파면 결과물은 예상될 수 있으며, 녹내장 수술에 대한 임의의 원하는 목적 눈 굴절을 설정하는데 사용될 수 있다. 수술직전 및 수술 직후의 각막 형상 및 다른 눈의 생체적/해부학적 파라미터는 빌트인 OCT 및 눈 카메라. 그리고 수술 현미경에 부착되거나 본 발명에서 설명된 장치에 부착되어 빌트인 되어 있거나 외부의 각막 형상측정계/각막계측계를 사용하여 측정될 수 있다. 수술 직후 측정은 국부 마취가 가해지기 전이나 후, 눈썹 검경이 눈썹이 개방된 상태로 있는 전후에 바르게 누운 자세에 환자가 있을 때 수술실에서 행해진다. 수술시의 측정은 각막에 대한 절개 이후, 녹내장 렌즈가 제거되고 인공 안구내 렌즈가 이식되기 이전에 전방 챔버가 임의의 겔(OVC, 안과적점성 수술 장치)로 충진된 이후, IOL 이 이식되고 절개부가 봉합되기 이전에 수술실에서 행해진다. 수술 직후 측정은 수술실에서 행해지거나 눈썹 검경이 제거되기 전에 의료진이 절개부/상처를 치료한 직후 환자가 바로 누운 위치에 있을 때, 그리고 눈썹 검경이 제거된 이후에 행해진다.

따라서, 각막 형상이나 다른 눈의 생체적/해부학적 파라미터의 변화에 의해 얻어진 데이터는 안구 파면 측정 데이터와 결합되거나 데이터베이스에 저장된다. 또다른 측정은 수술 이후 몇주 또는 몇 달이 지나서 절개부/상처가 완전히 치유된 후에 행해질 수 있으며, 안구내 파면, 각막 형상 및/또는 눈의 생체적 파라미터들의 변화 또는 차이점이 수집될 수 있다. 명목상의 데이터베이스가 생성되어 상처가 완전히 치유된 이후에 최종적으로 원하는 시력 교정 결과가 나오도록 하기 위하여 설정될 필요가 있는 녹내장 수술 직후의 타겟 굴절을 파악하도록 처리된다. 이러한 방식으로, 예를 들어 특정 개인적인 각막 절개 습관으로부터 나타내는 난시와 같은 의료진에 의해 야기되는 수차를 포함하는 모든 효과가 고려될 수 있다.

본 출원에서 개시된 파면 센서는 폭넓은 범위에서 다양한 다른 안과적 기구와 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 파면 센서는 라식용 또는 눈 렌즈 골절용 또는 "절개"에 대한 정렬 및/또는 가이드용, 또는 눈 조직의 폐쇄 루프 제거를 위한 펨토-초 레이저 또는 엑시머 레이저에 장착될 수 있다. 실시간 눈 이미지, OLCI/OCT 데이터, 및 파면 데이터는 눈 수술 전후와 수술시에 눈 렌즈 또는 전방 챔버에 광학적 기포가 존재하는지를 나타내도록 결합될 수 있다. 선택적으로, 파면 센서는 슬릿 램프 생체 현미경에 장착되거나 맞추어질 수 있다.

본 발명은 적응적인 광학 시스템에 장착되거나 결합될 수 있다. 가변형적 미러 또는 액정 기반의 투과형 파면 보상기가 파면 오류를 부분적으로 또는 전체적으로 일부 또는 완전히 보상하도록 실시간 파면 조작을 하는데 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 설명된 파면 센서는 다른 타입의 안구내 압력(IOP) 측정 수단과 결합될 수 있다. 일실시예에서, 환자의 심장 박동의 함수로서 눈 파면 변화를 측정함으로써 IOP 를 탐지하는데 직접 사용될 수도 있다. 상기 센서는 IOP 를 캘리브레이션 하는데 직접 사용될 수 있다.

이러한 실시예들은 광학계, 스펙타클 및/또는 안경, IOL 을 측정 또는 광학계를 생성하는 절개/가공 장치를 가이드하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예는 세포에 대한 현미경 및/또는 분자 분석 또는 다른 계측 장비에 적용될 수 있다. 본 발명은 렌즈 가공, 스펙타클 확인, 마이크로 생리 분야 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 교시 사항으로서 다양한 실시예가 설명되고 있지만, 통상의 기술자는 이러한 교시 내용이 이루는 다른 많은 변형례를 도출할 수 있다.

104/204: 제 1 렌즈
116/216: 제 2 렌즈
140/240: 제 3 렌즈
142/242: 제 4 렌즈
118/218 : 파면 샘플링 어퍼쳐

Claims

대상 눈을 조사하는 광원(172);
디텍터(122);
상기 대상 눈의 이미지를 출력하도록 된 이미지 센서(162);
상기 대상 눈이 상기 광원에 의해 조사될 때 대상 눈으로부터 되돌아오는 파면 빔을 인터셉트하며 디텍터를 향하여 어퍼쳐를 통하여 상기 대상 눈으로부터의 파면의 일부를 배향하도록 된 제 1 빔 변형 부재(112); 및
상기 광원, 상기 이미지 센서 및 상기 빔 변형 부재에 연결되며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 결정하도록 상기 이미지를 처리하며, 상기 파면의 환형 링 부분의 일부를 어퍼쳐를 통하여 투영하고 변형하는 상기 빔 변형 부재를 제어하며, 상기 디텍터에서 상기 환형 링의 선택된 부분을 샘플링하도록 개시 속도에서 광원을 펄싱하며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 계산하도록 상기 대상 눈의 이미지를 처리하며, 상기 대상 눈의 횡방향 운동을 보상하도록 DC 오프셋 각도로 상기 빔 변형 부재를 배향시키는, 제어부;를 포함하는 파면 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 환형 링 부분의 샘플링 밀도를 증가시키도록 펄싱 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 파면 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 디텍터에 의해 샘플링된 부분의 꺾인 시프트 위치로 개시 시간을 위상-시프트하는 것을 특징으로 하는 파면 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 서로 다른 반경의 환형 링 세트가 상기 디텍터에 의해 샘플링되는 상기 파면의 샘플링된 환형 링 부분의 반경을 변화시키도록 상기 빔 변형 부재를 제어하는 것을 특징으로 하는 파면 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 대상 눈의 동공의 직경에 따라 반경 크기를 제한하도록 상기 빔 변형 부재를 제어하는 것을 특징으로 하는 파면 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 파면의 나선 부분의 일부를 어퍼쳐를 통하여 상기 디텍터로 변형하고 투영하도록 상기 빔 변형 부재를 제어하는 것을 특징으로 하는 파면 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 빔 변형 부재는 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 반사기인 것을 특징으로 하는 파면 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 빔 변형 부재는 회전가능한 반사 부재인 것을 특징으로 하는 파면 센서.