Последовательный датчик волнового фронта с большим диоптрийным диапазоном, предоставляющий информацию в реальном времени
Последовательный датчик волнового фронта большого диоптрийного диапазона для коррекции зрения или выполнения оценочных процедур включает в себя устройство для сдвига волнового фронта и выборки волнового фронта. Устройство выборки включает в себя систему передачи, которая представляет собой 4-F систему передачи. Особенность устройства заключается в расположении сдвигающего элемента - зеркала перед апертурой в пространстве изображения волнового фронта. Технический результат заключается в обеспечении возможности расположения устройства сдвига пучка волнового фронта так, чтобы оно осуществляло полный захват и сдвиг всего пучка для поперечного сдвига передаваемого волнового фронта. 8 н. и 44 з.п. ф-лы, 19 ил.
Перекрестные ссылки на родственные заявки
Эта заявка является частично продолжающейся заявкой №12/790301 под названием «Adaptive sequential wavefront sensor with programmed control», поданной 28 мая 2010 года, выделенной из заявки № 11/761890 под названием «Adaptive sequential wavefront sensor and its applications», поданной 12 июня 2007 года, сейчас это патент США № 7815310, выданный 19 октября 2010 года, которая является частично продолжающейся заявкой № 11/335980 под названием «Sequential wavefront sensor», поданной 20 января 2006 года, сейчас это патент США № 7445335, выданный 4 ноября 2008 года, все патентные документы включены в эту заявку путем ссылки для любого применения.
Область техники, к которой относится изобретение
В общем, один или более вариантов осуществления настоящего изобретения относятся к офтальмологическим датчикам волнового фронта, а в частности, относятся к модулям датчиков волнового фронта и присоединению их к офтальмологическому инструменту или объединению с ним для выполнения операций по коррекции зрения или объединению с офтальмологическими инструментами для оценивания и/или коррекции зрения во время хирургических операций.
Уровень техники
Объект изобретения, рассматриваемый в этом разделе, не следует полагать известным из предшествующего уровня техники только по причине упоминания в этом разделе. Аналогичным образом, проблему, упоминаемую в этом разделе или связанную с объектом изобретения из этого раздела, не следует полагать уже осознанной в предшествующем уровне техники. Объектом изобретения в этом разделе представлены различные способы, которые и сами также могут быть изобретениями.
Датчики волнового фронта для офтальмологических применений обычно представляют собой большие и автономные настольные инструменты. Хотя были попытки объединить датчик волнового фронта с офтальмологическим инструментом, таким как система для лазерного кератомилеза (см., например, патент США № 6685319), фундус-камера (см., например, патент США № 6572230) и конфокальный сканирующий лазерный офтальмоскоп (см., например, патент США № 7057806), эти объединения обычно не были рассчитаны на сохранение исходных характеристик офтальмологического инструмента при использовании с датчиком волнового фронта в виде отдельного компактного модуля, прикрепляемого к офтальмологическому инструменту или объединяемого с ним.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение включает в себя новые устройства и новые способы. Работа изобретения основана на оптической передаче волнового фронта из плоскости зрачка или роговицы глаза пациента к плоскости выборки волнового фронта. Где-либо в процессе передачи пучку волнового фронта от глаза в большом диоптрийном диапазоне глаза придают заданный физический размер в пределах определенного диапазона осевых расстояний в пространстве изображения волнового фронта и/или пространстве преобразования Фурье, чтобы устройство сканирования волнового пучка могло полностью захватывать и, следовательно, сканировать весь пучок для поперечного сдвига передаваемого волнового фронта. Настоящее изобретение может функционировать как последовательный датчик волнового фронта, обеспечивающий информацию в реальном времени, имеющий большой динамический диапазон. По сравнению с уже раскрытым последовательным датчиком волнового фронта (из патента США № 7445335, переуступленного правопреемнику этой заявки), в настоящем раскрытии устройство сканирования волнового фронта не расположено в первом пространстве преобразования Фурье системы передачи волнового фронта. Вместо этого, оно расположено в пространстве изображения волнового фронта и/или другом пространстве преобразования Фурье. Такое расположение необходимо, поскольку большая часть промышленных устройств сканирования волнового фронта рассчитана на сканирование лазерного пучка, который имеет относительно небольшую ширину пучка.
Для обеспечения возможности полного взаимодействия устройства сканирования волнового фронта с пучком волнового фронта в большом диоптрийном диапазоне глаза предпочтительно, чтобы в системе передачи волнового фронта происходило уменьшение латерального или поперечного размера пучка волнового фронта в пределах диапазона осевых расстояний в пространстве изображения волнового фронта и/или пространстве преобразования Фурье. В результате промышленный сканер лазерного пучка, который имеет относительно небольшое окно отражения или пропускания пучка, можно непосредственно использовать для полного захвата и, следовательно, сканирования всего пучка волнового фронта, даже если волновой фронт, падающий от глаза, изменяется в большом диоптрийном диапазоне. Далее сдвинутый волновой фронт может быть выбран в плоскости выборки изображения волнового фронта.
Одна задача настоящего изобретения заключается в создании рабочего расстояния при офтальмологической операции или исследовании глаза (например, от 150 мм до 200 мм для большей части офтальмологических операционных микроскопов), подходящего для каждого клинициста или хирурга, с гарантией того, что оптическая энергия, приходящая от глаза пациента с типичным размером зрачка, будет полностью собираться оптическими элементами, и следовательно отношение сигнала к шуму будет сохраняться во всем заданном диоптрийном диапазоне глаза.
Наряду с основной оптической схемой также раскрыты различные варианты схемы. Одна задача изобретения заключается в грамотном выборе предметной плоскости каскада (каскадов) передачи волнового фронта, чтобы датчик волнового фронта мог работать в заданном диапазоне рабочих расстояний с монотонным выходным сигналом, даже когда глаз не расположен точно (латерально и/или по оси) в предметной плоскости.
Еще одна задача изобретения заключается в использовании последовательного датчика волнового фронта для измерения аберрации волнового фронта глаза пациента в большом диоптрийном диапазоне (например, ±30 дптр или большем), задаваемом при офтальмологической операции по удалению катаракты, и/или имплантации интраокулярной линзы, и/или выполнении других процедур исследования глаза или коррекции зрения. Частично этого достигают путем надлежащего выбора размеров и размещения оптических элементов. Вместе с тем, оптическая схема также позволяет использовать промышленный сканер оптического пучка в качестве устройства сканирования волнового фронта в полном диоптрийном диапазоне, несмотря на то, что сканер рассчитан на сканирование относительно узкого светового пучка в ограниченном угловом диапазоне и/или диапазоне смещений.
Еще одна задача изобретения заключается в по меньшей мере частичной коррекции или снижении собственной аберрации (аберраций) оптического каскада (каскадов) передачи волнового фронта при использовании аппаратных и/или программных средств. При использовании аппаратных средств для коррекции оптические элементы, подлежащие использованию для передачи и/или сдвига волнового фронта, соответствующим образом рассчитывают и выбирают. В качестве варианта корректирующий аберрацию волнового фронта элемент (элементы) может быть введен на пути пучка волнового фронта. Примеры таких компенсирующих волновой фронт элементов включают в себя сферические компенсирующие волновой фронт пластинки, устройства компенсации наклона волнового фронта, деформируемые зеркала, матрицы зеркал на основе микроэлектромеханической системы (MEMS) и пропускающие жидкокристаллические компенсаторы волнового фронта. При использовании программных средств для коррекции собственную аберрацию (аберрации) оптической системы сначала можно измерять в продолжение процесса калибровки и вычитать из измеренной общей аберрации (аберраций).
Еще одна задача изобретения заключается в выполнении последовательного датчика волнового фронта с большим динамическим диапазоном физически компактным путем размещения совместно используемой линзы на месте нахождения первого оптического входного порта датчика волнового фронта, то есть ближе всего к глазу, при этом все же оставляют достаточное рабочее расстояние для хирурга или клинициста, и путем излома пути светового пучка, чтобы не было значительной потери оптической энергии, чтобы модуль датчика волнового фронта можно было делать компактным для объединения с офтальмологическим инструментом или встраивания в него, таким как операционный микроскоп, без физического влияния на обычное исследование глаза врачом-офтальмологом и/или хирургическую операцию относительно пациента. Между тем, осветительный пучок от операционного микроскопа надлежащим образом изгибают, используя линзу (линзы), и/или призму (призмы), и/или зеркало (зеркала), чтобы никакое потенциальное зеркальное отражение не направлялось на путь визуального изображения в операционном микроскопе с образованием отблеска на изображении в микроскопе.
Еще одна задача изобретения заключается в создании средства для образования эталонного волнового фронта в модуле последовательного датчика волнового фронта с большим динамическим диапазоном, чтобы могла выполняться самокалибровка. В свою очередь, самокалибровку можно использовать для решения нескольких задач. Одна заключается в проверке, что световой пучок, направляемый в глаз пациента для образования волнового фронта от глаза, достаточно хорошо юстирован относительно оптической системы датчика волнового фронта. Другая задача заключается в мониторинге оптической юстировки оптических элементов в модуле датчика волнового фронта для получения уверенности в том, что юстировка находится в пределах области допустимых значений. Еще одна задача заключается в определении опорных положений пятна изображения на регистрирующем положение устройстве/детекторе (РПД), чтобы собственные аберрации оптической системы вследствие небольшой разъюстировки оптических элементов (в пределах допуска) в результате действия, например факторов окружающей среды, таких как изменения температуры, могли быть учтены при анализе/вычислении волнового фронта. Еще одна задача, не менее важная, заключается в подтверждении или проверке характеристик до приведения в действие и/или получения ответной реакции.
Еще одна задача изобретения заключается в использовании возможности постоянного смещения сканера оптического пучка для компенсации небольшой разъюстировки или перемещения оптических компонентов, привносимого факторами окружающей среды и другими факторами, и тем самым минимизации собственных погрешностей оптики и схемы.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в использовании линзы с переменным фокусом в качестве фокусирующей частичный волновой фронт линзы для динамического регулирования фокусного расстояния на основе замкнутого контура регулирования, чтобы пятно изображения, формируемое фокусирующей частичный волновой фронт линзой, можно было фокусировать с более высокой верностью и точностью на регистрирующее положение устройство (РПУ), используемое для определения поперечного перемещения пятна изображения. В случае использования квадрантного детектора в качестве регистрирующего положение устройства предпочтительно, чтобы размер пятна изображения, попадающего на квадрантный детектор, сохранялся неизменным, и для этого можно использовать линзу с переменным фокусом.
Еще одна задача изобретения заключается в использовании линзы-аксикона в качестве фокусирующей частичный волновой фронт линзы, когда квадрантный детектор используется в качестве регистрирующего положение устройства, для поддержания размера пятна изображения в заданном диапазоне размеров, чтобы квадрантный детектор мог соответствовать большому динамическому диапазону волнового фронта.
Еще одна задача изобретения заключается в дальнейшем увеличении диапазона рабочих расстояний датчика волнового фронта путем введения дополнительного оптического элемента (элементов) на существующий оптический путь стандартной схемы для минимизации повышения стоимости готовых изделий в части, касающейся производства изделий, и чтобы не иметь многочисленных компоновочных схем для операционного микроскопа, или биомикроскопа с щелевой лампой или настольного аберрометра.
Еще одна задача изобретения заключается в создании оптического средства измерения расстояния до глаза от модуля датчика волнового фронта с большим динамическим диапазоном, чтобы точная калибровочная кривая, применимая к измеряемому осевому расстоянию до глаза, могла быть использована для получения скорректированной характеристики аберрации волнового фронта от глаза пациента.
Еще одна задача изобретения заключается в сканировании или поперечном смещении пучка сверхлюминесцентного диода (SLD) по небольшому участку сетчатки для удаления спеклов, выполнения усреднения и также потенциального повышения оптической мощности, которую можно подводить к глазу, благодаря чему повышается отношение сигнала к шуму.
Еще одна задача изобретения заключается в динамической фокусировке или регулировании расходимости/сходимости пучка сверхлюминесцентного диода, чтобы пятном изображения на сетчатке можно было управлять для обеспечения более состоятельного измерения волнового фронта от глаза.
Еще одна задача изобретения заключается в использовании средства, такого как датчик изображения глаза на устройствах с зарядовой связью/на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник, для идентификации перемещения глаза и сканирования или смещения пучка сверхлюминесцентного диода для отслеживания перемещения глаза в ограниченном диапазоне и также в использовании информации для коррекции данных о волновом фронте, чтобы получать высокоточное измерение волнового фронта даже в случае, когда глаз недостаточно выровнен и перемещается. Кроме того, устройства с зарядовой связью/комплементарные структуры металл-оксид-полупроводник могут регистрировать/обнаруживать и отслеживать падающий пучок сверхлюминесцентного диода, и соотносить его с заданным местом на глазу, роговице или зрачке. И в этом случае затраты могут быть минимизированы, если не иметь многочисленных схем, а использовать подход «подключи и работай».
Еще одна задача изобретения заключается в использовании изображения на устройствах с зарядовой связью/комплементарных структурах металл-оксид-полупроводник и распознавании образов в сочетании с обнаружением сигнала волнового фронта для интеллектуального включения и выключения сверхлюминесцентного диода, чтобы сокращать время воздействия, вследствие чего более высокую мощность сверхлюминесцентного диода можно будет подводить к глазу для повышения отношения сигнала к шуму.
Еще одна задача изобретения заключается в использовании лазера в качестве хирургического источника света, который можно объединять с пучком сверхлюминесцентного диода с помощью одного и того же оптического волокна или иного устройства объединения пучков света в свободном пространстве, чтобы использовать тот же самый сканер (сканеры) для пучка сверхлюминесцентного диода, чтобы также сканировать хирургический лазерный пучок для выполнения рефракционной коррекции глаза. Кроме того, пучок того же самого лазера или другого лазера с длиной волны в видимой области спектра можно использовать для «маркировки» глаза или «направления» хирурга, то есть, «наложения» на глаз, чтобы хирург мог видеть лазерную отметку (отметки) через операционный микроскоп.
Еще одна задача изобретения заключается во введении оптического низкокогерентного интерферометра или оптического когерентного томографа (ОКТ) в модуль датчика волнового фронта для измерения осевого расстояния до глаза или для выполнения биометрического измерения, чтобы рефракционную силу роговицы или хрусталика глаза можно было представлять последовательно или независимо, как в случае афакического состояния.
Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными для специалистов в данной области техники при ознакомлении со следующим подробным описанием предпочтительных вариантов осуществления во взаимосвязи с сопровождающими чертежами.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - последовательный датчик волнового фронта;
фиг.2А - один вариант осуществления, в котором однокаскадная система 4-F передачи волнового фронта объединена с пропускающим устройством сдвига волнового фронта, которое сканирует волновой фронт в поперечном направлении, для обеспечения прохождения через апертуру выборки и фокусирования на регистрирующее положение устройство только участка сдвигаемого волнового фронта;
фиг.2В - увеличенная схема области в пространстве изображения волнового фронта из фиг.2А, которая соответствует осевому участку, на котором пучок является относительно узким;
фиг.3 - пример пропускающего углового сканера пучка, используемого в пространстве изображения волнового фронта, показанном на фиг.2А и 2В, для выполнения сканирования пучка волнового фронта;
фиг.4 - другой пример пропускающего сканера пучка, используемого в пространстве изображения волнового фронта, показанном на фиг.2А и 2В, для реализации смещения пучка волнового фронта путем введения наклонного стеклянного блока на оптический путь или путем поворота такого стеклянного блока вокруг оси пучка;
фиг.5 - пример отражающего сканера пучка, используемого в пространстве изображения волнового фронта до плоскости изображения волнового фронта, для отражения в сторону пучка волнового фронта и в то же время углового сканирования пучка;
фиг.6 - другой пример отражающего сканера пучка, используемого в пространстве изображения волнового фронта до плоскости изображения волнового фронта, для отражения назад светового пучка волнового фронта и для более симметричного сканирования пучка в зависимости от поперечного сдвига волнового фронта;
фиг.7 - вариант осуществления двух последовательных каскадов 4-F передачи волнового фронта или 8-F передачи волнового фронта, используемых в модуле датчика волнового фронта согласно настоящему изобретению, без излома пути пучка;
фиг.8 - один вариант осуществления второго каскада 4-F передачи из фиг.7, в котором одна линза используется дважды и сочетается с отражающим сканером пучка, поляризационным делителем пучка (PBS) и четвертьволновой пластинкой (пластинкой 1/4λ), для реализации поперечного сдвига волнового фронта во второй плоскости изображения волнового фронта;
фиг.9 - сканирование или угловое качание сканирующего зеркала на основе микроэлектромеханической системы из фиг.8 и поперечный сдвиг без какого-либо постоянного смещения наклона волнового фронта передаваемого изображения волнового фронта во второй плоскости изображения волнового фронта;
фиг.10 - альтернативный вариант осуществления второго каскада 4-F передачи волнового фронта из фиг.7, в котором пучок волнового фронта отражается и сканируется наклонно в сторону;
фиг.11 - один каскад 4-F передачи из варианта осуществления модуля датчика волнового фронта с изломанным путем пучка волнового фронта; кроме того, показан один пример оптики для подачи пучка сверхлюминесцентного диода, оптики для построения изображения передней поверхности глаза и оптики для фиксации глаза;
фиг.12 - другой вариант осуществления модуля датчика волнового фронта с двумя каскадами 4-F передачи; в этом варианте осуществления одно зеркало, используемое для изгибания пучка волнового фронта (зеркало 1), показанное на фиг.11, удалено и заменено поляризационным делителем пучка большого размера (PBS 1), при этом пучок сверхлюминесцентного диода попадает на этот поляризационный делитель пучка с задней стороны; кроме того, пучок сверхлюминесцентного диода сканируется или смещается для отслеживания небольшого перемещения глаза и/или для попадания на небольшой сканируемый участок сетчатки;
фиг.13 - другой вариант осуществления двух каскадов 4-F передачи волнового фронта, в котором возвращающиеся от глаза световые волны с исходной поляризацией подобно пучку сверхлюминесцентного диода используются для измерения расстояния до глаза от модуля датчика волнового фронта, положения хрусталика (естественного или имплантированного) в глазу, глубины передней камеры, длины глаза и, возможно, других анатомических параметров глаза, таких как кривизна передней и задней поверхностей роговицы и/или хрусталика;
фиг.14 - один вариант осуществления объединения уже раскрытого модуля датчика волнового фронта с щелевой лампой или операционным микроскопом, в котором первая линза первой 4-F передачи расположена в самом первом оптическом входном порту модуля датчика волнового фронта и также используется в микроскопе;
фиг.15 - другой вариант осуществления, аналогичный варианту осуществления из фиг.14, но с дополнительными призмами, добавленными к совместно используемой линзе, и с компенсирующей линзой, чтобы осветительный пучок из операционного микроскопа мог направляться к глазу пациента, но не создавал отблеска на изображении в микроскопе;
фиг.16 - другой вариант осуществления объединения модуля датчика волнового фронта с микроскопом, в котором линза объектива микроскопа удалена и ее функция фокусировки частично или полностью выполняется совместно используемой линзой во входном порту модуля датчика волнового фронта;
фиг.17 - еще один вариант осуществления объединения модуля датчика волнового фронта с микроскопом, в котором дихроичный или небольшой пропускающий делитель пучка, показанный на фиг.14, 15 и 16, заменен специально изготовленным, наклоненным под углом 45° фокусирующим в ближней инфракрасной области спектра зеркалом (покрытым для отражения только спектра сверхлюминесцентного диода), которое действует как первая линза передачи волнового фронта и также как прозрачная пластинка для видимого спектра операционного микроскопа; и
фиг.18 - еще один вариант осуществления объединения уже раскрытого модуля датчика волнового фронта с операционным микроскопом, в котором дихроичный или небольшой пропускающий делитель пучка используется для направления пучка волнового фронта ближней инфракрасной области спектра к модулю датчика волнового фронта и для пропускания света видимого спектра для операционного микроскопа.
Осуществление изобретения
Теперь будет сделано детальное обращение к различным вариантам осуществления изобретения. Примеры этих вариантов осуществления показаны на сопровождающих чертежах. Хотя изобретение будет описываться применительно к этим вариантам осуществления, должно быть понятно, что оно не предполагается ограниченным каким-либо вариантом осуществления. Напротив, оно предполагается охватывающим варианты, модификации и эквиваленты, которые могут находиться в рамках сущности и в объеме изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения. В нижеследующем описании многочисленные конкретные подробности излагаются для обеспечения полного понимания различных вариантов осуществления. Однако настоящее изобретение можно применять на практике без некоторых или всех этих конкретных подробностей. В других случаях хорошо известные технологические операции не описываются подробно, чтобы без надобности не затруднять понимание настоящего изобретения. Кроме того, фраза «пример варианта осуществления» при каждом появлении в различных местах описания необязательно относится к одному и тому же примеру варианта осуществления.
В типичном датчике волнового фронта, используемом при измерении аберрации волнового фронта от глаза человека, волновой фронт от зрачка глаза или плоскости роговицы обычно передается один раз или несколько раз к плоскости измерения волнового фронта или плоскости выборки с использованием хорошо известного принципа 4-F передачи (см., например, J. Liang, et al. (1994), «Objective measurement of the wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor», J. Opt. Soc. Am., A 11, 1949-1957; J. J. Widiker, et al. (2006), «High-speed Shack-Hartmann wavefront sensor design with commercial off-the-shelf optics», Applied Optics, 45(2), 383-395; патент США № 7654672). В такой системе 4-F передачи сохраняется фазовая информация падающего волнового фронта и в то же время обеспечивается передача его без неблагоприятных явлений распространения. Кроме того, при использовании в схеме афокальной системы формирования изображения двух линз с различными фокусными расстояниями для реализации 4-F передачи можно обеспечивать передачу с увеличением или уменьшением падающего волнового фронта при соответствующем уменьшении или увеличении расходимости или сходимости падающего волнового фронта (см., например, J. W. Goodman, Introduction to Fourier-Optics, 2nd ed., McGraw-Hill, 1996).
На фиг.1 показан пример схемы последовательного датчика 100 волнового фронта согласно варианту осуществления, в котором использована система 4-F передачи. Линейно поляризованный входной пучок света, имеющий волновой фронт 102, фокусируется первой линзой 104. Фокусируемый пучок проходит через поляризационный делитель пучка (PBS) 106, который расположен таким образом, что пропускное направление поляризации согласовано с направлением поляризации падающего пучка. В результате линейно поляризованный сходящийся пучок будет проходить через поляризационный делитель 106 пучка. Четвертьволновая пластинка 108 помещена позади поляризационного делителя 106 пучка, при этом быстрая ось ее ориентирована таким образом, что циркулярно поляризованный пучок появляется после прохождения через четвертьволновую пластинку 108.
В нижеследующем описании термин «сдвиг волнового фронта» используется для описания двумерного поперечного сдвига волнового фронта в конечной плоскости изображения волнового фронта, и термин «сканирование волнового фронта» используется для описания сдвига волнового фронта, достигаемого путем использования сканера или устройства смещения оптического пучка.
Входной сходящийся пучок фокусируется на отражающую поверхность наклонного сканирующего зеркала 112, которое установлено на валу двигателя 114. Световой поток, отражаемый зеркалом, является расходящимся, при этом направление центрального основного луча пучка изменяется в зависимости от угла наклона сканирующего зеркала 112 и углового положения вала двигателя 114. Предполагается, что отраженный пучок все еще является циркулярно поляризованным, но направление поворота циркулярной поляризации изменяется от левой к правой или от правой к левой. Следовательно, при прохождении через четвертьволновую пластинку 108 во второй раз на обратном пути пучок опять становится циркулярно поляризованным, но при этом направление его поляризации повернуто до ортогонального направления относительно направления поляризации исходного приходящего пучка. Поэтому на поляризационном делителе 106 пучка обратный пучок будет большей частью отражаться налево, как показано пунктирными световыми лучами на фиг.1.
Вторая линза 116 помещена слева после поляризационного делителя 106 пучка для коллимирования отраженного расходящегося пучка и для создания реплики исходного входного волнового фронта 124. Вследствие наклона сканирующего зеркала реплицированный волновой фронт 124 сдвинут в поперечном направлении. Апертура 118 помещена позади второй линзы 116 и прямо перед фокусирующей частичный волновой фронт линзой 120 для выбора небольшого участка реплицированного волнового фронта 124. Фокусирующая частичный волновой фронт линза 120 фокусирует выбранный частичный волновой фронт на регистрирующее положение устройство 122, которое используется для определения центроида сфокусированного светового пятна, образуемого из последовательно выбираемых частичных волновых фронтов. При пошаговом вращении вала двигателя 114 и изменении угла наклона сканирующего зеркала 112 величину радиального и азимутального сдвига реплицированного волнового фронта можно регулировать таким образом, чтобы любые участки реплицированного волнового фронта можно было выбирать для последовательного пропускания через апертуру 118. В результате, как и в случае стандартного датчика волнового фронта Гартмана-Шэка, можно получать характеристику полного волнового фронта исходного приходящего пучка за исключением того, что теперь центроид каждого частичного волнового фронта получают последовательно, а не параллельно.
Первая и вторая линзы 104 и 116 из примера, показанного на фиг.1, выполняют функцию системы 4-F передачи. Сканер 112 пучка расположен в задней фокальной плоскости или плоскости преобразования Фурье первой линзы 104 и также расположен в передней фокальной плоскости второй линзы 116.
Однако, когда систему 4-F передачи используют в последовательном датчике волнового фронта, показанном на фиг.1, в котором используют угловой сканер пучка в или вблизи плоскости преобразования Фурье для сдвига волнового фронта, то, если абсолютное диоптрийное значение исходного волнового фронта от глаза является большим (положительным или отрицательным), ширина пучка в плоскости преобразования Фурье может быть слишком большой, так что он не будет полностью захватываться сканером пучка. Для охвата широкого диоптрийного диапазона глаза необходимо, чтобы сканер пучка имел большое окно взаимодействия с пучком для гарантии, что оптическая энергия, приходящая от зрачка глаза, не будет теряться. К сожалению, сканер пучка с окном такого большого размера обычно трудно приобрести, а если и можно его приобрести, то он будет очень большим и дорогим, особенно в случае, если необходима высокая скорость сканирования. Поэтому имеется необходимость в оптической схеме, которая позволит использовать относительно недорогой и доступный для приобретения сканер пучка в последовательном датчике волнового фронта для охвата большого диоптрийного диапазона глаза.
На фиг.2А показан пример варианта осуществления, в котором однокаскадная система 4-F передачи волнового фронта объединена с пропускающим устройством сдвига волнового фронта, которое сканирует волновой фронт в поперечном направлении, чтобы только участок сдвинутого волнового фронта мог пройти через апертуру выборки волнового фронта и сфокусироваться на регистрирующем положение устройстве. Согласно этому варианту осуществления путь светового пучка не изломан. Следует отметить, что световой путь не изломан ради облегчения пояснения технических подробностей. В реальном устройстве световой путь может быть изломан различным образом. Например, световой путь может быть изломанным или изогнутым, чтобы устройство было физически компактным для облегчения объединения датчика волнового фронта с биомикроскопом с щелевой лампой или операционным микроскопом.
В примере из фиг.2А первая линза 204 системы 4-F передачи имеет диаметр 40 мм и эффективное фокусное расстояние 200 мм, которое представляет собой типичное фокусное расстояние (приблизительно равное рабочему расстоянию) офтальмологического операционного микроскопа. Предпочтительно, чтобы глаз был расположен в или вблизи передней фокальной плоскости первой линзы 204 системы 4-F передачи. Как показано вертикальной пунктирной линией, обозначенной прописной буквой А, плоскость А преобразования Фурье системы 4-F передачи находится в задней фокальной плоскости первой линзы 204 и передней фокальной плоскости второй линзы 216 системы 4-F передачи. В этом примере вторая линза 216 системы 4-F передачи имеет диаметр 40 мм и эффективное фокусное расстояние 80 мм. Как показано вертикальной пунктирной линией, обозначенной прописной буквой В, плоскость изображения передаваемого волнового фронта системы 4-F передачи находится в задней фокальной плоскости второй линзы 216. Вследствие различия между эффективными фокусными расстояниями двух линз, используемых в системе 4-F передачи, поперечный размер реплики или изображения волнового фронта, падающего от глаза, оптически уменьшается в 200/80=2,5 раза, что хорошо известно специалистам в данной области техники.
Как можно видеть из фиг.2А, когда глаз является эмметропическим и, следовательно, волновой фронт от глаза близок к плоскому, световой пучок от глаза представляет собой относительно узкий и параллельный пучок, представленный сплошными линиями световых лучей. Например, если зрачок глаза имеет диаметр 5 мм, диаметр пучка будет около 5 мм. Кроме того, точная форма пучка зависит от размера рассеивающего свет пятна на сетчатке, который является функцией светового пучка (не показанного на фиг.2А), подводимого к глазу для образования волнового фронта.
После прохождения через первую линзу 204 системы 4-F передачи пучок от глаза фокусируется на оптической оси в плоскости А преобразования Фурье, где он преобразуется из сходящегося пучка в расходящийся пучок. Пучок повторно коллимируется второй линзой 216 системы 4-F передачи, и диаметр пучка уменьшается до 2 мм вследствие различия между эффективными фокусными расстояниями двух линз, используемых в системе 4-F передачи. Если в этом эмметропическом случае сканер пучка с относительно небольшим окном расположить где-либо в первой плоскости А преобразования Фурье, как, например, показано на фиг.1, то пучок будет полностью захватываться сканером пучка, расположенным в этом месте. Между тем, как хорошо известно специалистам в данной области техники, угловое сканирование в плоскости А преобразования Фурье будет транслироваться в поперечное перемещение пучка после второй линзы 216 системы 4-F передачи.
Однако, если глаз является афакичным или сильно гиперметропическим или сильно миопическим, волновой фронт от глаза больше не будет плоским, а будет сильно расходящимся или сходящимся. Иначе говоря, пучок от глаза больше не будет относительно параллельным пучком; вместо этого он будет расходящимся или сходящимся пучком. Более короткими пунктирными линиями световых лучей на фиг.1 показан случай расходящегося волнового фронта с диоптрийным значением +30 дптр (расходящийся волновой фронт от глаза определяется как имеющий положительное диоптрийное значение, и сходящийся волновой фронт от глаза - как имеющий отрицательное диоптрийное значение). +30 дптр характеризуют нормальную афакию (с типичным гиперметропическим диоптрийным значением +20 дптр) плюс дополнительную, вносимую роговицей гиперметропию +10 дптр. Как можно видеть, когда расходящийся пучок, представленный более короткими пунктирными линиями световых лучей, распространяется к плоскости А преобразования Фурье, ширина пучка является очень большой. Фактически, если диаметр зрачка глаза составляет 5 мм и волновой фронт от глаза имеет гиперметропическое диоптрийное значение +30 дптр, это эквивалентно расходящемуся пучку в свободном пространстве, приходящему от точечного источника, расположенного на расстоянии 33,3 мм позади плоскости зрачка глаза или на расстоянии 233,3 мм от первой линзы системы 4-F передачи. Для образования конуса расходящегося пучка этот расходящийся пучок ограничен 5-миллиметровым зрачком глаза, находящимся на расстоянии 33,3 мм от места нахождения точечного источника.
С учетом сделанных предположений можно определить, что этот пучок по достижении места нахождения первой линзы системы 4-F передачи будет иметь диаметр 35 мм, а по достижении плоскости А преобразования Фурье будет иметь диаметр 30 мм. Таким образом, при использовании сканера пучка в плоскости А преобразования Фурье, как в примере, показанном на фиг.1, для сдвига волнового фронта необходимый размер окна должен соответствовать диаметру по меньшей мере 30 мм при 5-миллиметровом зрачке глаза. Такой сканер с большим размером окна не является идеальным в части стоимости, размера и рентабельности.
Более длинными пунктирными линиями световых лучей на фиг.2А показан случай сильной миопии, -20 дптр, в соответствии с которой сходящийся пучок от глаза сходится в точку после выхода из глаза на расстоянии 50 мм и преобразуется в расходящийся пучок, представленный более длинными пунктирными линиями световых лучей. Хотя этот пучок с -20 дптр более узкий, чем пучок с +30 дптр в пространстве преобразования Фурье между двумя линзами, он все же намного шире, чем эмметропический пучок. Эти рассмотрения показывают, что такая схема сканирования, как в примере, показанном на фиг.1, может работать только в ограниченном диоптрийном диапазоне, который зависит от ограничения, накладываемого на размер окна взаимодействия со световым пучком сканера, расположенного где-либо вблизи плоскости преобразования Фурье.
В настоящем раскрытии предложено располагать устройство сдвига волнового фронта, такое как сканер пучка, не в пространстве преобразования Фурье между первой линзой и второй линзой, а в пространстве изображения волнового фронта или в пространстве преобразования Фурье последующего каскада.
Как можно видеть из фиг.2В, на которой представлена увеличенная схема области в пространстве изображения волнового фронта из фиг.2А, которая соответствует осевому участку, на протяжении которого пучок является относительно узким, когда пучки, представленные короткими и длинными пунктирными линиями световых лучей, достигают плоскости В изображения волнового фронта, они уменьшаются до пучка диаметром 2 мм, как в случае эмметропии. Однако пучок, представленный короткими пунктирными линиями световых лучей, будет трансформироваться из сильно сходящегося пучка в сильно расходящийся пучок в пространстве изображения волнового фронта до передачи в плоскость В изображения волнового фронта, а пучок, представленный длинными пунктирными линиями световых лучей, будет трансформироваться из относительно сильно сходящегося пучка в относительно сильно расходящийся пучок в пространстве изображения волнового фронта после передачи в плоскость В изображения волнового фронта. Иначе говоря, волновой фронт от зрачка глаза передается в плоскость В изображения волнового фронта пучком с +30 дптр, являющимся сильно расходящимся в плоскости В изображения волнового фронта, и пучком с -20 дптр, являющимся относительно сильно сходящимся в плоскости В изображения волнового фронта.
Оптическое уменьшение поперечного размера передаваемого волнового фронта связано с повышением расходимости (или сходимости) конуса пучка по сравнению с расходимостью (сходимостью) в предметном пространстве. Его можно вычислять при использовании формулы формирования изображения тонкой линзой, в соответствии с которой в случае расходящегося волнового фронта с +30 дптр от глаза передаваемое изображение точечного источника располагается перед плоскостью В на расстоянии 5,33 мм, тогда как в случае сходящего волнового фронта с -20 дптр от глаза передаваемое изображение располагается позади плоскости В на расстоянии 8,0 мм.
С учетом того, что на предметной стороне или стороне глаза пациента расходимость конуса пучка с +30 дптр (определяемая как отношение ширины пучков при осевом положении на протяжении расстояния между местоположением точечного источника и плоскостью измерения ширины пучка) была 5 мм/33,33 мм = 0,15, теперь расходимость конуса передаваемого пучка составляет 2 мм/5,33 мм = 0,375, так что расходимость конуса пучка увеличивается в 0,375/0,15=2,5 раза. Аналогично, сходимость конуса пучка с -20 дптр была 5 мм/50 мм = 0,1, а теперь она составляет 2 мм/8 мм = 0,25, так что сходимость конуса пучка также увеличивается в 0,25/0,1=2,5 раза.
Следовательно, в пределах диоптрийного диапазона волнового фронта от глаза, от +30 дптр до -20 дптр, в случае 5-миллиметрового зрачка глаза имеется осевая область в пространстве изображения волнового фронта, на протяжении которой пучок будет относительно узким. Вопрос заключается в том, где расположить устройство сдвига волнового фронта (такое как сканер оптического пучка) в этой осевой области, чтобы пучок мог полностью захватываться сканером пучка и при этом также имелся поперечный сдвиг передаваемого волнового фронта при распространении сканируемого пучка к плоскости В передачи волнового фронта.
Заметим, что, поскольку диапазон ширины пучка волнового фронта является функцией размера зрачка глаза, диоптрийный диапазон измерений волнового фронта от глаза при определенном размере окна сканера пучка можно регулировать путем сканирования меньшего участка передаваемого волнового фронта. Поэтому можно использовать это свойство для выборки меньшего участка в пределах размера зрачка глаза, чтобы получать различные калибровочные кривые и, следовательно, охватывать даже большой диоптрийный диапазон глазных измерений.
При идеальной системе передачи волнового фронта диаметр пучка в плоскости В передачи волнового фронта должен быть 2 мм. В пределах диоптрийного диапазона глаза от +30 дптр до -20 дптр в случае 5-миллиметрового зрачка глаза ширина пучка вдоль оптической оси будет изменяться в пространстве изображения волнового фронта в зависимости от диоптрийного значения волнового фронта от глаза, но будет сужаться в определенном пространственном объеме, как показано короткими пунктирными линиями световых лучей справа от плоскости В передачи волнового фронта и длинными пунктирными линиями световых лучей слева от плоскости В передачи волнового фронта. В случаях, показанных на фиг.2А и 2В, наилучшее место расположения пропускающего сканера или устройства 212 смещения оптического пучка будет находиться где-нибудь слева от плоскости В передачи волнового фронта, поскольку окно сканера больше, чем ширина пучка в пределах всего предполагаемого диоптрийного диапазона глаза.
Например, если пропускающий сканер 212 оптического пучка имеет окно взаимодействия с пучком диаметром около 4 мм, его можно располагать слева от плоскости В передачи волнового фронта, как это показано пунктирными линиями блока на фиг.2В. Пропускающий сканер 212 пучка может быть электрооптическим, магнитооптическим, акустооптическим, жидкокристаллическим или механическим сканером. Следует заметить, что в общем случае пропускающий сканер пучка выполняют из оптического материала, имеющего больший показатель преломления по сравнению с показателем преломления воздуха, и в соответствии с этим плоскость В передачи волнового фронта сдвигается дальше вправо, что может быть выгодно для поперечного сдвига волнового фронта в плоскости В изображения волнового фронта, если сканер представляет собой угловой сканер.
Иначе говоря, в случае углового сканера пучка на расстояние между передней поверхностью сканера пучка и плоскостью В передачи волнового фронта влияет диапазон углов сканирования, необходимый для выборки всего волнового фронта. Если окно взаимодействия с пучком сканера большое, сканер можно располагать левее, чтобы снизить требование к диапазону углов сканирования. В качестве варианта, если диапазон углов сканирования в соответствии с техническими характеристиками сканера ниже требуемого, можно выполнить оптимизацию оптической схемы, чтобы выбрать линзу с меньшим эффективным фокусным расстоянием в качестве второй линзы однокаскадной 4-F передачи волнового фронта для гарантии нахождения требования к результирующему диапазону углов сканирования сканера пучка в рамках технических характеристик устройства.
Следует заметить, что при наличии углового сканера пучка волновой фронт, когда он передается к плоскости В изображения волнового фронта, может смещаться на постоянный угол или отклоняться, а также подвергаться воздействию некоторых других дополнительных аберраций, таких как астигматизм и/или кома. Однако, как хорошо известно специалистам в данной области техники, эти постоянные смещения и/или дополнительные собственные аберрации можно учитывать в процессе калибровки и программной обработкой данных, выполняемой таким образом, чтобы их можно было вычитать из полных измеряемых аберраций.
На фиг.3 показан пример пропускающего углового сканера 312 пучка, используемого для выполнения сканирования. В этом примере предполагается, что сканер 312 пучка имеет оптическую среду такой длины, что плоскость В изображения волнового фронта находится несколько позади выходной плоскости среды сканера. Как можно видеть, когда коллимированный эмметропический пучок от глаза сканируется по углу, то, когда пучок достигает плоскости В изображения волнового фронта, в дополнение к поперечному сдвигу всего волнового фронта также имеется постоянное смещение наклона волнового фронта. В результате, когда эмметропический волновой фронт выбирается апертурой 318 выборки волнового фронта и далее фокусируется с помощью фокусирующей частичный волновой фронт линзы 320 на регистрирующее положение устройство (РПУ) 322, которое может быть расположено в фокальной плоскости фокусирующей частичный волновой фронт линзы 318, или перед фокальной плоскостью, или позади фокальной плоскости, пятно изображения не будет находиться на осевом центральном месте регистрирующего положение устройства 322. Вместо этого будет постоянное смещение в результате наклона волнового фронта.
Кроме того, на фиг.3 положения пятен изображения пучка с +30 дптр и пучка с -20 дптр показаны короткими и длинными пунктирными линиями, соответственно. Они не являются хорошо сфокусированными в фокальной плоскости, поскольку пучки являются расходящимися или сходящимися до попадания на фокусирующую частичный волновой фронт линзу, и находятся на местах, отличающихся от места нахождения эталонного изображения в эмметропическом случае. Однако пятно изображения все же можно использовать для показа положения центроида пятна изображения и калибровки, которую можно использовать для сопоставления положения пятна с действительной аберрацией волнового фронта.
В этом случае следует отметить, что, если регистрирующее положение устройство 322 представляет собой двумерный (2D) детектор бокового эффекта или двумерную детекторную матрицу, такую как датчик изображения на устройствах с зарядовой связью или на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник, положение центроида можно оценивать путем программной обработки данных. Однако, если регистрирующее положение устройство 322 представляет собой квадрантный детектор, пятно изображения можно направлять только на один из 4 квадрантов, если пятно изображения очень небольшое, что делает невозможным оценивание положения центроида пятна изображения. С другой стороны, если пятно изображения очень большое, оно может попадать за пределы квадрантного детектора, что делает отсчет неточным. Кроме того, в отличие от плоского частичного волнового фронта в случае сходящегося или расходящегося выбранного частичного волнового фронта размер пятна изображения на квадрантном детекторе также может изменяться, и в результате другой угол наклона может приводить к одному и тому же отношению оптических энергий, попадающих на 4 квадранта.
Для исключения этих ограничений осевое положение и/или фокусное расстояние фокусирующей частичный волновой фронт линзы 320 можно изменять или делать динамически переменным, чтобы с гарантией делать пятно изображения достаточно большим или находящимся в заданном диапазоне размеров (например, с размером или диаметром, приблизительно равным размеру одного квадранта), вследствие чего пятно изображения можно совместно использовать в 4 квадрантах. В качестве варианта фокусное расстояние фокусирующей частичный волновой фронт линзы 318 можно выбирать надлежащим образом, и положение квадрантного детектора также можно выбирать надлежащим образом для гарантии, что в заданном измерительном диоптрийном диапазоне глаза пятно изображения всегда будет распределяться по 4 квадрантам и не будет перемещаться за пределы фоточувствительной области квадрантного детектора. В качестве другой альтернативы положение квадрантного детектора также можно делать динамически меняющимся, особенно в осевом направлении, для обеспечения изменения размера пятна изображения выбранного частичного волнового фронта. В качестве еще одной альтернативы линзу-аксикон можно использовать в качестве фокусирующей частичный волновой фронт линзы для поддержания размера пятна изображения в заданном диапазоне размеров. В качестве еще одной альтернативы рассеиватель можно расположить перед квадрантным детектором для преднамеренного рассеяния относительно хорошо сфокусированного и небольшого пятна изображения, чтобы после прохождения определенного расстояния от рассеивателя пятно изображения распределялось по 4 квадрантам.
На фиг.4 показан другой пример пропускающего сканера 412 пучка, реализованного введением наклоненного стеклянного блока на оптический путь или поворотом такого стеклянного блока вокруг оси пучка и изменением угла наклона. Сканер 412 представляет собой сканер смещения оптического пучка. Когда стеклянный блок имеет более высокий показатель преломления, чем показатель преломления воздуха, плоскость В изображения волнового фронта продвигается дальше вправо. Углом наклона и/или толщиной стеклянного блока определяется величина смещения пучка. И в этом случае могут быть дополнительные аберрации (такие как астигматизм), вносимые в волновой фронт в результате смещающего сканирования пучка, но эти дополнительные аберрации опять можно учесть с помощью калибровки и программной обработки данных.
На фиг.5 показан пример отражающего сканера 512 пучка, используемого для отражения в сторону пучка волнового фронта и в то же время для сканирования пучка. Следует заметить, что хотя на фиг.5 пучок волнового фронта показан отклоненным в сторону, при этом пучок повернут приблизительно на 90° относительно падающего пучка, это не должно быть ограничением, а пучок может быть отклонен на любой угол. Одна проблема, связанная с отклонением пучка на приблизительно 90°, заключается в том, что форма пучка на отражающем сканирующем зеркале обычно является эллиптической, и это может накладывать более строгое требование на форму и/или размер отражающего сканирующего зеркала. Другая проблема заключается в том, что поскольку угловое сканирование является симметричным только относительно нормали к поверхности зеркала, которая проходит через точку поворота, поперечный сдвиг волнового фронта не будет точно симметричным, и тем самым будет накладываться дополнительное бремя на сигнал возбуждения для сканирующего зеркала или на алгоритм и программное обеспечение обработки данных, предназначенные для оценивания точной аберрации волнового фронта.
На фиг.6 показан вариант осуществления, который обеспечивает большую симметрию в части поперечного сдвига волнового фронта. В этом варианте осуществления сканирующее оптический пучок зеркало 612 используется совместно со схемой эффективного отражения оптической энергии, которая является по существу версией с изломанным оптическим путем из фиг.3. В этом варианте осуществления приходящий волновой фронт предполагается имеющим линейную поляризацию, параллельную плоскости падения пучка, а поляризационный делитель пучка (PBS) 606 сочетается с четвертьволновой пластинкой 608 или фарадеевским вращателем для работы в качестве изолятора. Когда пучок волнового фронта отражается обратно отражающим сканером 612 пучка и проходит через волновую пластинку 608 или фарадеевский вращатель второй раз, направление поляризации пучка будет поворачиваться в ортогональном направлении или в направлении поляризации, перпендикулярной к плоскости падения пучка, и в результате пучок будет отражаться поляризационным делителем 606 пучка в сторону или вниз к апертуре 618 выборки волнового фронта, от которой выбранный частичный волновой фронт фокусируется с помощью фокусирующей частичный волновой фронт линзы 620, чтобы он попадал на регистрирующий положение детектор (РПД) 622. Вследствие необходимости охвата большого диоптрийного диапазона глаза поляризационный делитель 606 пучка должен функционировать в пределах относительно большого диапазона углов падения, и хорошим выбором для поляризационного делителя 606 пучка может быть поляризационная пластинка делителя пучка на основе проволочной сетки, предназначенная для работы в заданном инфракрасном диапазоне длин волн, хотя также можно использовать кубический или пластинчатый поляризационный делитель пучка.
В этом месте следует заметить, что в дополнение к однократной передаче волнового фронта можно передавать волновой фронт два раза или много раз, что будет приводить к получению ряда предпочтительных вариантов или возможностей сдвига волнового фронта. Например, можно уменьшать в поперечном направлении волновой фронт в промежуточной плоскости передачи волнового фронта до меньшего размера и помещать сканер пучка даже позади промежуточной плоскости передачи волнового фронта, чтобы все же реализовывать поперечное сканирование и в таком случае увеличивать волновой фронт в следующем каскаде передачи волнового фронта до размера, необходимого для выборки волнового фронта.
Более важно то, что можно выбирать фокусное расстояние линз, используемых для второго каскада передачи волнового фронта, таким образом, чтобы при большом измерительном диоптрийном диапазоне глаза во второй плоскости преобразования Фурье ширина пучка волнового фронта была достаточно малой для осуществления полного захвата устройством сдвига по углу волнового фронта или сканером пучка. В результате угловое сканирование во второй или последующей плоскости преобразования Фурье будет приводить к поперечному сдвигу волнового фронта в конечной плоскости изображения волнового фронта, и проблема постоянного наклона волнового фронта будет разрешаться.
На фиг.7 показан вариант осуществления двух последовательных каскадов 4-F передачи волнового фронта или 8-F передачи волнового фронта с изломанным путем пучка для использования в примере модуля датчика волнового фронта. Согласно этому варианту осуществления последовательный поперечный сдвиг волнового фронта достигается угловым сканированием пучка волнового фронта на или вблизи второй плоскости С преобразования Фурье, где ширина пучка волнового фронта (во всем заданном измерительном диоптрийном диапазоне глаза) сохраняется в пределах диапазона, полностью захватываемого сканером 712 пучка.
Заметим, что первый каскад 4-F передачи волнового фронта является таким же, как каскад 4-F передачи волнового фронта на фиг.1. В примере из фиг.7 второй каскад 4-F передачи волнового фронта реализован с использованием первой и второй линз 740 и 742 с одинаковым фокусным расстоянием 8 мм и одинаковым диаметром 8 мм. Заметим, что, как будет показано ниже, для второго каскада также можно использовать линзы с различными фокусными расстояниями. В примере из фиг.7 определенным образом расположены два последовательных каскада передачи волнового фронта, но это не означает, что требуется точно такое расположение каскадов.
Как показано на фиг.7, после первой передачи волнового фронта в плоскости В изображения волнового фронта ширина пучка волнового фронта уменьшается в 2,5 раза, но, как рассматривалось ранее, диапазон расходимости и/или сходимости пучка будет увеличиваться в 2,5 раза. Вследствие использования первой линзы второго каскада 4-F передачи, имеющей небольшое фокусное расстояние (8 мм) и относительно большую числовую апертуру (ЧА), ширина пучка волнового фронта во второй плоскости С преобразования Фурье теперь намного меньше, чем ширина пучка волнового фронта в первой плоскости А преобразования Фурье. Поэтому пропускающий угловой сканер 712 пучка может быть расположен во второй плоскости С преобразования Фурье с обеспечением полного захвата пучка волнового фронта. При угловом сканировании пучка волнового фронта во второй плоскости С преобразования Фурье изображение волнового фронта во второй плоскости D изображения волнового фронта будет сдвигаться в поперечном направлении без какого-либо внесения постоянного наклона волнового фронта. Во второй плоскости D изображения волнового фронта поперечно сдвинутый волновой фронт может выбираться апертурой 718 выборки волнового фронта и фокусироваться с помощью фокусирующей частичный волновой фронт линзы 720 на регистрирующее положение устройство (РПУ) 722, рассмотренное ранее.
Как хорошо известно специалистам в данной области техники, для гарантии небольшой ширины пучка волнового фронта во второй плоскости преобразования Фурье необходимо, чтобы линза, используемая в качестве первой линзы 740 второй 4-F передачи, имела относительно небольшое фокусное расстояние и относительно большую числовую апертуру (ЧА), или был приемлемый угол конуса пучка.
На фиг.8 показан один вариант осуществления второго каскада 4-F передачи волнового фронта, в котором единственная линза 840 используется дважды и сочетается с отражающим сканером 812 пучка, поляризационным делителем (PBS) 806 пучка и четвертьволновой пластинкой (пластинкой 1/4λ) 808 для реализации поперечного сдвига волнового фронта во второй плоскости D изображения волнового фронта. Как можно видеть на фиг.8, если на первом изображении волнового фронта в плоскости В диаметр пучка волнового фронта составляет 2,0 мм, то при использовании для второго каскада 4-F передачи волнового фронта линзы 840 с фокусным расстоянием 8 мм можно найти, если использовать формулу тонкой линзы, что в случае пучка волнового фронта с +30 дптр от глаза ширина пучка волнового фронта во второй плоскости С преобразования Фурье будет 3,0 мм. В действительности, даже если волновой фронт от глаза является сильно миопическим с диоптрийным значением -30 дптр, ширина пучка во второй плоскости преобразования Фурье все же будет составлять 3,0 мм просто потому, что ширина пучка во второй плоскости С преобразования Фурье непосредственно зависит от углового распределения наклона волнового фронта в первой плоскости В изображения волнового фронта, и когда волновые фронты с +30 дптр и -30 дптр отображаются в первую плоскость В изображения волнового фронта, они имеют одинаковое угловое распределение, хотя один является сходящимся, а другой является расходящимся. Таким образом, схемой, показанной на фиг.8, может охватываться измерительный диоптрийный диапазон глаза от +30 дптр до -30 дптр.
Этот пучок диаметром 3,0 мм в плоскости С (второй плоскости преобразования Фурье) может отражаться, например, угловым сканером 812 пучка на основе микроэлектромеханической системы (MEMS) и возвращаться для повторного прохождения через ту же самую линзу 840 с фокусным расстоянием 8 мм. Вследствие использования четвертьволновой пластинки 808 и поляризационного делителя 806 пучка поляризация пучка волнового фронта, когда он достигает поляризационного делителя 806 пучка на обратном пути, будет поворачиваться на 90° и становиться перпендикулярной к исходному направлению поляризации, и по этой причине пучок будет отклоняться в сторону (вниз на фиг.8). Апертура 818 выборки волнового фронта может быть помещена во второй плоскости D изображения волнового фронта (которая может быть продвинута дальше, если поляризационный делитель пучка представляет собой стеклянный куб) для выборки заданного частичного волнового фронта. Как рассматривалось ранее, выбранный частичный волновой фронт может проходить через фокусирующую частичный волновой фронт линзу 820 и попадать на регистрирующий положение детектор (РПД) 822.
Следует заметить, что на фиг.8 отражающая поверхность сканера на основе микроэлектромеханической системы показана расположенной по нормали к оптической оси падающего пучка волнового фронта, так что только центральный участок волнового фронта выбирается через апертуру 818 выборки волнового фронта. Поскольку выбирается центральный участок, то в случаях эмметропического волнового фронта, гиперметропического волнового фронта и миопического волнового фронта средний наклон выбираемого частичного волнового фронта направлен под прямым углом к оптической оси фокусирующей частичный волновой фронт линзы 820, и поэтому пятно изображения, попадающее на регистрирующий положение детектор 822, будет хорошо центрированным, хотя размеры пятен изображения будут различными в каждом из трех случаев. Иначе говоря, положение центроида на регистрирующем положение детекторе 822 будет одним и тем же в трех случаях при выборке только центрального участка волнового фронта от глаза.
Сканер на основе микроэлектромеханической системы следует интерпретировать как способный сканировать по углу падающий пучок волнового фронта, так что передаваемое изображение волнового фронта в плоскости D может быть сдвинуто в поперечном направления без всякого постоянного смещения наклона волнового фронта, и на фиг.9 показан такой случай. Заметим, что в этом случае эмметропический волновой фронт, выбранный апертурой 918 выборки, все же центрирован относительно регистрирующего положения детектора (РПД) 922, но теперь гиперметропический и миопический волновые фронты отдалены от центра и находятся на противоположных сторонах. Конечный результат по существу такой же, как при угловом сканировании пучка волнового фронта в первой плоскости А преобразования Фурье с использованием сканера, имеющего большое окно взаимодействия с пучком, которое приводит к поперечному сдвигу волнового фронта в первой плоскости В изображения передаваемого волнового фронта. Различие заключается в том, что теперь можно использовать сканер с намного меньшим окном взаимодействия с пучком.
Проблема, связанная с оптической схемой из фиг.8 и 9, заключается в том, что поляризационный делитель пучка и четвертьволновая пластинка могут создавать дополнительные нежелательные отражения, а также вносить потери оптической энергии. Кроме того, необходимо, чтобы поляризационный делитель пучка имел большой допустимый диапазон углов падения, и это означает, что, скорее всего, следует использовать поляризационный делитель пучка типа проволочной сетки (который является более эффективным в части потерь оптической энергии, чем стандартный поляризационный делитель пучка). Кроме того, четвертьволновая пластинка также, скорее всего, необходима, чтобы иметь нулевой порядок для охвата более широкого диапазона углов падения пучка и также более широкого диапазона спектральной ширины пучка волнового фронта, какой должен быть в случае источника со сверхлюминесцентным диодом (SLD).
На фиг.10 показан альтернативный вариант осуществления второго каскада 4-F передачи волнового фронта. Согласно этому варианту осуществления пучок волнового фронта не отражается и не сканируется в обратном направлении. Вместо этого пучок волнового фронта отражается и сканируется наклонно в сторону, поскольку отраженный пучок волнового фронта не попадает на первую линзу 1040 второй 4-F передачи. Между тем, угол между отраженным пучком волнового фронта и падающим пучком волнового фронта может сохраняться относительно небольшим для снижения требований к площади поверхности сканера 1012 на основе микроэлектромеханической системы, хотя также можно использовать другой угол, такой как 45°. Кроме того, теперь фокусное расстояние второй линзы 1042 второй 4-F передачи больше, чем фокусное расстояние первой линзы 1040 второй 4-F передачи.
Эта схема имеет ряд преимуществ. Первое преимущество заключается в том, что, по сравнению с фиг.8 и 9, поляризационный делитель пучка и четвертьволновая пластинка больше не требуются, и в результате решается проблема, связанная с потерей оптической энергии и нежелательными отражениями. На первую и вторую линзы 1040 и 1042, используемые для второй 4-F передачи, можно наносить оптическое просветляющее покрытие для выделения относительно узкого спектрального диапазона источника со сверхлюминесцентным диодом. Это также будет приводить к значительному снижению стоимости компонентов. Второе преимущество заключается в том, что фокусное расстояние второй линзы 1042 из второй 4-F передачи можно выбирать, отдавая предпочтение получению передаваемого изображения волнового фронта с заданной шириной пучка во второй плоскости D передачи изображения волнового фронта.
По существу, могут существовать дополнительные возможности оптимизации при выборе фокусного расстояния второй линзы первой 4-F передачи и фокусного расстояния первой линзы 1040 второй 4-F передачи в части регулирования и/или получения заданного диапазона ширины пучка волнового фронта в соответствии с измерительным диоптрийным диапазоном глаза и также в части юстировки и/или точности узла, необходимых при изготовлении модуля датчика волнового фронта. Третье преимущество заключается в том, что при поддержании угла между отраженным пучком волнового фронта и падающим волновым фронтом относительно небольшим размер пучка волнового фронта, попадающего на отражающую поверхность сканирующего зеркала, может сохраняться небольшим. Четвертое преимущество заключается в том, что, поскольку угловое сканирование выполняется еще раз во второй плоскости преобразования Фурье, не будет постоянного смещения наклона волнового фронта, рассмотренного ранее. Пятое преимущество по сравнению с вариантами осуществления из фиг.8 и 9 заключается в том, что оптические элементы/компоненты не располагаются очень близко друг к другу, и в результате механическая конструкция для размещения их будет намного легче и менее несвободной.
Как можно видеть на фиг.10, в трех случаях эмметропии, гиперметропии и миопии при наличии волнового фронта, сдвинутого во второй плоскости D изображения волнового фронта, выбранный волновой фронт после фокусирования на регистрирующий положение детектор 1022 будет вести себя почти точно так же, как в случае из фиг.9. Иначе говоря, эмметропический волновой фронт, выбираемый апертурой выборки, все еще будет центрированным относительно регистрирующего положение детектора, но теперь гиперметропический и миопический волновые фронты будут отдалены от центра и будут находиться на противоположных сторонах.
Один недостаток варианта осуществления из фиг.10 заключается в том, что схема сканирования для сканера 1012 на основе микроэлектромеханической системы может быть несколько более сложной по сравнению с вариантом осуществления из фиг.9. Поперечный сдвиг волнового фронта в ответ на сканирование зеркала микроэлектромеханической системы может быть различным. Когда диапазон углов сканирования небольшой, реакция может быть приблизительно линейной, но эллиптический сигнал возбуждения вместо кругового сигнала возбуждения может потребоваться для получения кругового сканирования. С другой стороны, если диапазон углового сканирования большой, реакция может быть нелинейной, и может потребоваться изменение сигнала возбуждения, чтобы конечным результатом было хорошее круговое сканирование. В качестве варианта можно использовать другую схему сканирования и можно использовать программную обработку данных для извлечения информации о волновом фронте.
Следует заметить, что при выполнении сканирования во второй или последующей плоскости преобразования Фурье ширину пучка волнового фронта можно делать намного меньшей по сравнению с шириной пучка волнового фронта в первой плоскости преобразования Фурье. Поэтому в дополнение к показанному на фиг.7-10 устройству, описанному выше, также целесообразно использовать другое средство углового сканирования пучка для осуществления сдвига волнового фронта в конечной плоскости изображения волнового фронта. Хорошим примером будет использование небольшого вращающегося оптического клина во второй плоскости С преобразования Фурье для реализации выборки кольца волнового фронта.
В этом месте следует заметить, что при использовании двух или большего количества каскадов передачи волнового фронта каскады передачи можно делать тесно взаимосвязанными друг с другом, или несколько перекрывающими друг друга, или несколько отделенными друг от друга. Система все же будет работать, поскольку, даже если волновой фронт передается неточно, калибровкой можно устранять различия. Кроме того, поскольку при наличии многочисленных каскадов передачи волнового фронта имеется одна или более незанятых плоскостей изображения волнового фронта, линзу с переменным фокусным расстоянием можно также помещать в промежуточную плоскость передачи волнового фронта, чтобы динамически изменять сферодиоптрийное значение волнового фронта для компенсации большого постоянного смещения сферодиоптрийного значения и/или для дальнейшего расширения динамического измерительного диоптрийного диапазона датчика волнового фронта. В качестве варианта, относительно небольшие линзы с различными фокусирующими силами (обе положительные или отрицательные) можно также вводить в одну или более плоскостей изображения волнового фронта, чтобы получать сферодиоптрийную компенсацию или увеличивать динамический измерительный диоптрийный диапазон датчика волнового фронта.
Следует отметить, что помимо устройства сдвига волнового фронта и сканера пучка также имеются предпочтительные выборы других оптических элементов. Например, упоминалось, что в случае, когда пучок волнового фронта от глаза пациента является сильно расходящимся или сходящимся, то, как показано на фиг.2 и фиг.7, ширина пучка будет большой при попадании пучка на первую и вторую линзы первого каскада 4-F передачи. В этом случае при использовании сферических линз в качестве первой и второй линз первого каскада 4-F передачи сферические аберрации могут вноситься этими линзами, особенно второй линзой, поскольку она имеет относительно меньшее фокусное расстояние. В качестве одной особенности настоящего раскрытия в оптической системе передачи волнового фронта можно использовать асферическую линзу (линзы) и/или компенсирующую сферическую аберрацию пластинку (пластинки), так что сферическая аберрация, которая будет вноситься при использовании сферической линзы (линз), может быть значительно снижена. В частности, если вторая линза первого каскада 4-F передачи представляет собой плосковыпуклую асферическую линзу, то предпочтительно, чтобы ее передняя сторона, которая обращена к первой линзе первого каскада 4-F передачи, была выпуклой, тогда как обратная сторона была плоской. Причина состоит в том, что только когда пучок волнового фронта от глаза пациента является сильно расходящимся или сходящимся, пучок волнового фронта по достижении двух линз первого каскада 4-F передачи будет широким с периферийными световыми лучами, проходящими через две линзы, которые необходимо корректировать для снижения сферической аберрации. С другой стороны, когда пучок от глаза пациента близок к эмметропическому, пучок будет узким и, следовательно, будет взаимодействовать только с центральными или параксиальными участками двух линз, которые не будут создавать значительных сферических аберраций. Тот же самый аргумент можно применить к второму каскаду.
Следует также заметить, что система передачи волнового фронта, показанная на фиг.2 и фиг.7, может работать в случае, когда глаз пациента не расположен точно на расчетном расстоянии. При условии, что глаз находится в определенной области и положение его известно, например, в результате выполнения измерения, основанного на интерференции волн с низкой когерентностью, а выходная характеристика системы как функция диоптрийного значения глаза является монотонной, можно использовать калибровочное соотношение для действительного положения глаза, чтобы оценивать аберрацию волнового фронта от глаза. Иначе говоря, допустимый диапазон положений глаза должен быть таким, чтобы в пределах предполагаемого диоптрийного диапазона рефракции глаза эффективный волновой фронт при расчетном рабочем расстоянии не пересекался ни с какой точкой сингулярности.
Для иллюстрации этого момента рассмотрим случай, когда глаз пациента расположен на расстоянии 150 мм от первой линзы, а не на расстоянии 200 мм, и если глаз пациента является гиперметропическим с диоптрийным значением +20 дптр, то по существу это эквивалентно точечному источнику, расположенному позади плоскости зрачка глаза на расстоянии 50 мм, или точечному источнику, расположенному на расстоянии 200 мм от первой линзы первой 4-F передачи, и это место является предметной плоскостью этой первой линзы. По существу, этот точечный источник будет передаваться в плоскость изображения волнового фронта, также как точечный источник, который больше нельзя выбирать надлежащим образом. Проходящий эту точку сингулярности расходящийся волновой фронт от глаза (для примера, с гиперметропическим диоптрийным значением +25 дптр) будет по существу соответствовать точечному источнику, расположенному на осевом участке между предметной плоскостью первой линзы первой 4-F передачи и этой первой линзой, и это означает, что эффективный волновой фронт в предполагаемом осевом положении в предметной плоскости на расстоянии 200 мм от этой первой линзы теперь является сходящимся. Это будет приводить к тому, что выходная характеристика системы больше не будет монотонной. В качестве варианта решения этой проблемы дополнительную линзу или комбинацию линз можно вводить в систему 4-F передачи, когда расстояние до глаза находится за пределами границы области положения глаза, чтобы делать характеристику системы монотонной в пределах расчетного диоптрийного диапазона глаза. Кроме того, этот способ выгоден для производства, поскольку введение линзы или линз в существующий модуль будет намного менее дорогим, чем расчет и изготовление другого модуля.
Следует также заметить, что апертура выборки волнового фронта не расположена точно в конечной плоскости изображения волнового фронта. Если имеется небольшое смещение осевого положения апертуры выборки волнового фронта, то вследствие расходимости или сходимости волнового фронта от глаза при одном и том же размере апертуры выборки будет выбираться волновой фронт от глаза с несколько иным пространственным размером по сравнению с эмметропическим случаем. Если необходимо определять только сферические и цилиндрические ошибки в результате неадекватной рефракции, проблема несогласованности размера пространственной выборки может быть решена калибровкой. С другой стороны, апертуру выборки можно сознательно делать динамически подвижной в осевом направлении, чтобы не только гарантировать нахождение апертуры выборки в плоскости изображения волнового фронта, когда глаз расположен в расчетной предметной плоскости, но также для приспособления к ситуации, в которой глаз не расположен в расчетной предметной плоскости, и для регулировки осевого положения апертуры выборки, чтобы при одном и том же размере апертуры выбирался частичный волновой фронт одного и того же размера.
На фиг.11 показан вариант осуществления однокаскадной 4-F передачи с изломанным путем пучка волнового фронта в модуле датчика волнового фронта. Согласно этому варианту осуществления излом пути пучка волнового фронта производится первым и вторым зеркалами 1150 и 1152 (зеркалом 1 и зеркалом 2), что делает модуль компактным, а сканирующее зеркало 1112 на основе микроэлектромеханической системы сочетается с небольшим поляризационным делителем 1106 пучка (PBS 2) и четвертьволновой пластинкой 1108 для сдвига волнового фронта, рассмотренными применительно к фиг.6.
Следует заметить, что при использовании сканирующего зеркала 1112 на основе микроэлектромеханической системы для отражения пучка волнового фронта в обратном направлении и сканирования пучка вокруг оптической оси (а не для непосредственного отклонения пучка в сторону и сканирования пучка) сканирование является вращательно-симметричным, и, как результат, когда поперечно сдвинутый волновой фронт выбирается апертурой 1118 выборки волнового фронта и фокусируется с помощью фокусирующей частичный волновой фронт линзы 1120 на регистрирующий положение детектор 1122, алгоритм и программное обеспечение для обработки данных, необходимые для оценивания аберрации волнового фронта, особенно сферических и цилиндрических диоптрийных значений и оси цилиндра, будут очень простыми и быстродействующими.
В дополнение к изломанному пути пучка волнового фронта на фиг.11 показаны три дополнительных пути пучка, первый путь 1154 пучка для построения изображения передней камеры глаза, второй путь 1156 пучка для направления метки фиксации к глазу и третий путь 1158 пучка для подачи пучка сверхлюминесцентного диода (SLD) к глазу, чтобы создавать пучок волнового фронта от глаза.
Как можно видеть на фиг.11, дихроичный или пропускающий волны большой длины делитель 1160 пучка может использоваться для отражения по меньшей мере части, а более предпочтительно - большей части видимого (и, возможно, также части в ближней инфракрасной области спектра) света и для значительной или, что более предпочтительно, полной передачи света сверхлюминесцентного диода в спектральном диапазоне ближней инфракрасной области. Дихроичный или пропускающий волны большой длины делитель 1160 пучка должен иметь достаточно большое окно взаимодействия со светом, чтобы гарантировался полный захват волнового фронта от глаза в пределах заданного измерительного диоптрийного диапазона глаза без возмущений на краях окна. Отражение от дихроичного или пропускающего волны большой длины делителя пучка необходимо для выполнения двух функций; одной является направление видимой спектральной части света от глаза, создаваемого осветительным источником света, таким как источник света из операционного микроскопа, или комнатного освещения, или другого дополнительного освещения, направляемого к датчику 1162 изображения, так что изображение зрачка глаза в реальном времени можно отображать для использования в различных целях, таких как помощь клиницисту при выравнивании глаза относительно модуля датчика волнового фронта. Другая функция заключается в направлении изображения метки 1164 фиксации к глазу, чтобы при необходимости для глаза имелась метка фиксации.
Еще дальше вниз на этом пути отраженного светового пучка в модуле датчика волнового фронта находится небольшой делитель 1166 пучка, который выполняет функцию расщепления/объединения светового пучка, связанного с меткой фиксации, и светового пучка, связанного с датчиком изображения. Этот небольшой делитель 1166 пучка может иметь разнообразные спектральные свойства. Например, он может быть простым широкополосным делителем пучка 50:50, предназначенным для работы в диапазоне видимого спектра. Однако, если источник света для метки 1164 фиксации имеет относительно узкую спектральную ширину, спектр отражения этого небольшого делителя 1166 пучка может быть сделан согласованным со спектром источника для метки фиксации, что позволит иметь хорошее отражение света для метки фиксации и передавать остальную часть спектра к датчику 1162 изображения. Но можно менять местами метку 1164 фиксации и датчик 1162 изображения (как показано на фиг.12), и соответственно спектральные свойства небольшого делителя 1166 пучка при отражении и пропускании также будут меняться.
Линза 1168 перед датчиком изображения (линза 1) может быть рассчитана из условия обеспечения заданного оптического увеличения на дисплее (непоказанном) изображения передней камеры глаза пациента в реальном времени. Она может быть динамической линзой, используемой для регулирования, при необходимости, фокусировки, чтобы гарантировалось сопряжение плоскости датчика изображения с плоскостью зрачка глаза, вследствие чего можно будет получать ясное изображения зрачка глаза. Кроме того, она может представлять собой объектив с переменным фокусным расстоянием, чтобы клиницист/хирург при желании мог использовать его для изменения увеличения. Линза 1170 перед меткой фиксации (линза 2) может быть рассчитана из условия обеспечения для глаза пациента комфортной метки фиксации с нужными размером и яркостью. Кроме того, она может использоваться для регулирования фокусировки, чтобы гарантировалось сопряжение метки фиксации с сетчаткой глаза, или для фиксации глаза на различных расстояниях или, при необходимости, даже для затемнения глаза клинициста/хирурга. Свет от источника для метки 1164 фиксации можно делать вспыхивающим, или мигающим, или меняющим цвет с частотой, заданной из условия отличия его от, например, света операционного микроскопа. Цвет света источника света для метки фиксации также может быть меняющимся. Метка 1164 фиксации может быть изображением, таким как воздушный шар, освещаемый сзади источником света, или микродисплей с отображаемыми на нем картинами или пятнами, изменяемыми по желанию клинициста/хирурга. Кроме того, метку фиксации на основе микродисплея можно также использовать для ориентирования взгляда пациента по различным направлениям, чтобы можно было создавать двумерный массив данных карты аберрации глаза, которую можно использовать для оценивания остроты нецентрального или периферического зрения пациента.
Кроме того, метку фиксации, изображение передней камеры глаза и/или другие данные можно передавать обратно к микроскопу и делать видимыми через окуляры (это не показано ни на одной из оптических схем). Эта информация будет проецироваться на общей оси с визирной линией наблюдателя дихроичным делителем пучка на протяжении ряда линз или физических расстояний, которые должны находиться в одной плоскости с рабочим расстоянием микроскопа или биомикроскопа.
Датчик 1162 изображения может быть черно-белым или цветным датчиком изображения на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник или устройств с зарядовой связью, а источник света для метки фиксации может быть красным или зеленым светоизлучающим диодом (СИД) с динамически или вручную регулируемой выходной оптической мощностью в зависимости от различных условий фонового освещения. Например, при относительно сильной подсветке от операционного микроскопа яркость источника света для метки фиксации можно повышать, чтобы иметь возможность легко находить метку фиксации на пациенте и фиксировать на нем. Регулируемую диафрагму или апертуру (не показанную на фиг.11) можно также располагать перед линзой 1168 или позади нее для регулирования глубины поля изображения передней камеры глаза в реальном времени. Динамическим изменением размера апертуры можно регулировать степень размытости изображения, когда глаз перемещается в осевом направлении на расчетное расстояние, а соотношение между размытостью изображения и осевым положением глаза как функцию значения апертуры или размера апертуры можно использовать в качестве сигнала для определения осевого расстояния до глаза. В качестве альтернативы расстояние до глаза можно также измерять хорошо известными способами, такими как триангуляция с использованием отражаемых роговицей пятен изображений в ближней инфракрасной области двух или большего количества источников освещения в ближней инфракрасной области, низкокогерентная интерферометрия, основанная на измерении расстояния до глаза, и, кроме того, можно использовать способы, раскрытые ниже.
В дополнение к получению изображения зрачка глаза при прямой передаче сигнал датчика изображения также можно использовать для других целей. Например, изображение в реальном времени можно отображать на головном дисплее или отображать на полупрозрачном микродисплее, встроенном в окуляр щелевой лампы или операционного микроскопа.
Изображение в реальном времени можно использовать для обнаружения размера и поперечного положения зрачка глаза. При обнаружении небольшого размера зрачка соответственно можно уменьшать площадь выборки волнового фронта. Иначе говоря, информацию о размере зрачка можно использовать в замкнутом контуре для автоматического и/или динамического регулирования или масштабирования площади восприятия волнового фронта на основании размера зрачка или для расширения/сужения или регулирования динамического измерительного диоптрийного диапазона глаза.
Когда обнаруживают, что зрачок не центрирован достаточно хорошо, величину поперечного смещения зрачка глаза можно использовать для компенсации погрешности измерения волнового фронта, которая вносится таким смещением положения зрачка. В дополнение к этому световой пучок сверхлюминесцентного диода можно сканировать по зрачку глаза, чтобы световой пучок сверхлюминесцентного диода всегда входил в роговицу на одном и том же месте роговицы, определенном из условия исключения попадания зеркально отраженного светового пучка сверхлюминесцентного диода, возвращаемого роговицей, на регистрирующее положение устройство/детектор (РПД) датчика волнового фронта. Падающий световой пучок сверхлюминесцентного диода может отображаться датчиком изображения, а также использоваться для центрирования глаза или умышленного смещения светового пучка сверхлюминесцентного диода с центра зрачка, или для обеспечения обратной связи/наведения, чтобы определять положение глаза относительно светового пучка сверхлюминесцентного диода. Устройство сдвига/сканер пучка волнового фронта для выборки волнового фронта также можно настраивать так, чтобы смещением отслеживалось перемещение зрачка глаза. Кроме того, когда обнаруживается, что глаз промывается водой, или имеются оптические пузырьки, или веко глаза находится на оптическом пути, или кожа лица, или рука хирурга, или хирургическое приспособление или инструмент находится в поле зрения датчика изображения и блокирует путь пучка волнового фронта, данные о волновом фронте могут отбрасываться для исключения «темных» или «светлых» данных, и в это же время сверхлюминесцентный диод 1172 может выключаться.
Датчик изображения также можно сочетать с меткой фиксации, и они будут действовать последовательно при определении расстояния глаза от модуля датчика волнового фронта. Образы Пуркинье, захватываемые датчиком изображения, также можно использовать для определения эффективного положения линзы (ЭПЛ) на основе принципа отражения. Кроме того, датчик изображения может работать в сочетании с датчиком волнового фронта в качестве устройства отслеживания направления взгляда при использовании рефракционного сдвига энергии волнового фронта в зависимости от калибровки/выравнивания.
Кроме того, датчик волнового фронта можно использовать для принятия решения, если глаз является сухим, и напоминание в виде видеосигнала или звукового сигнала может быть послано хирургу или клиницисту, чтобы напомнить ему/ей о необходимости промывки глаза. Кроме того, сигнал с датчика изображения также можно использовать для идентификации, в каком состоянии находится глаз, факическом, или афакическом или псевдофакическом, и, соответственно, импульсы сверхлюминесцентного диода могут включаться только на необходимый период времени, или могут быть реализованы другие переменные, управляющие воздействия или метрики. Этими способами можно снижать общее время воздействия на пациента световым пучком сверхлюминесцентного диода и поэтому можно использовать импульсы сверхлюминесцентного диода с более высокой пиковой мощностью, чтобы повышать отношение сигнала к шуму при измерениях волнового фронта, улучшать метрики обратной связи или осуществлять ввод пользователем характеристик поля через пользовательский интерфейс/дисплей.
На фиг.11 поляризационный делитель 1174 пучка (PBS 1) большого размера использован для подачи пучка сверхлюминесцентного диода (SLD) к глазу пациента. Причина использования окна большого размера заключается в том, что необходимо гарантировать не только частичный захват поляризационным делителем пучка волнового фронта от глаза в пределах заданного большого диоптрийного диапазона, но и полный захват. Согласно этому варианту осуществления пучок от сверхлюминесцентного диода 1172 имеет поляризацию, перпендикулярную к плоскости падения пучка, так что пучок по существу полностью отражается поляризационным делителем 1174 пучка и подводится к глазу для образования волнового фронта от глаза.
Пучок сверхлюминесцентного диода можно предварительно формировать или регулировать, чтобы при входе в глаз в плоскости роговицы он был коллимированным, или фокусированным, или частично фокусированным (расходящимся или сходящимся) в плоскости роговицы. При попадании на сетчатку в виде небольшого пятна изображения пучок сверхлюминесцентного диода отражается и/или рассеивается; и если пучок имеет заданную форму, можно оценивать геометрию или изменение геометрии отражения. Согласно одному аспекту настоящего раскрытия пучок от сверхлюминесцентного диода можно также непосредственно использовать для пациента в качестве метки фиксации. Образованный таким образом обратный пучок волнового фронта будет иметь исходную поляризацию и ортогональную поляризацию. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, при офтальмологических применениях датчика волнового фронта для измерения волнового фронта обычно используют только ортогональную поляризацию волнового фронта. Причина заключается в том, что в направлении исходной поляризации имеются относительно большие отраженные световые волны сверхлюминесцентного диода от роговицы и искусственного хрусталика/интраокулярной линзы, которые могут вносить значительные погрешности в измерение волнового фронта. Поэтому еще одна функция поляризационного делителя 1174 пучка большого размера заключается не только в обеспечении возможности прохождения через него ортогонально поляризованного пучка волнового фронта, но и в направлении обратного пучка волнового фронта, поляризованного в исходном направлении, в сторону для поглощения или использования в других целях, что будет рассмотрено ниже, чтобы осуществлять мониторинг наличия зеркального отражения пучка сверхлюминесцентного диода роговицей или хрусталиком глаза обратно в модуль датчика волнового фронта.
На фиг.11 полосовой фильтр 1176 расположен после поляризационного делителя 1174 пучка большого размера для исключения любого видимого света и/или окружающего фонового света и для того, чтобы давать возможность оставшейся части светового пучка волнового фронта с заданным относительно узким спектром, который создает сверхлюминесцентный диод 1172, входить в модуль датчика волнового фронта.
Следует заметить, что дихроичный или пропускающий волны большой длины делитель 1160 пучка, поляризационный делитель 1174 пучка (PBS 1) большого размера и полосовой фильтр 1176 могут быть расположены в других местах вдоль пути пучка волнового фронта. Однако при расположении дихроичного или пропускающего волны большой длины делителя пучка до поляризационного делителя пучка (PBS 1) большого размера можно исключать формирование на изображении зрачка глаза в реальном времени изображения рассеянного света сверхлюминесцентного диода, которое может быть результатом отражения пучка сверхлюминесцентного диода поляризационным делителем 1174 пучка, особенно если он представляет собой кубический поляризационный делитель пучка. Кроме того, при расположении дихроичного или пропускающего волны большой длины делителя 1160 пучка, поляризационного делителя 1174 пучка большого размера и полосового фильтра 1176 между первой линзой 1104 передачи волнового фронта и второй линзой 1116 передачи волнового фронта угол падения пучка волнового фронта на протяжении заданного диоптрийного диапазона будет находиться в пределах небольшого диапазона, так что все эти оптические компоненты могут лучше функционировать со стандартным покрытием и обеспечивать заданные характеристики.
Могут быть варианты оптической схемы модуля датчика волнового фронта. На фиг.11 показано, что пучок сверхлюминесцентного диода является неподвижным. Однако пучок сверхлюминесцентного диода также можно сканировать, чтобы получать дополнительные преимущества. На фиг.12 показан еще один вариант осуществления модуля датчика волнового фронта с двумя каскадами 4-F передачи волнового фронта. Заметим, что согласно этому варианту осуществления одно зеркало, используемое для изгибания пучка волнового фронта (зеркало 1, то есть 1150), показанное на фиг.11, удалено и заменено поляризационным делителем 1274 пучка (PBS 1) большого размера, при этом пучок сверхлюминесцентного диода попадает на поляризационный делитель 1274 пучка с задней стороны. В дополнение к этому пучок сверхлюминесцентного диода сканируется для отслеживания небольших перемещений глаза и/или для того, чтобы он попадал на различные места роговицы и/или чтобы попадал на небольшой сканируемый участок на сетчатке. Также заметим, что узкополосный полосовой фильтр 1276 теперь расположен между поляризационным делителем 1274 пучка (PBS 1) большого размера и следующим, изламывающим путь пучка зеркалом (зеркалом 2) 1252. Следует заметить, что любой из вторых каскадов 4-F передачи волнового фронта, показанных на фиг.7, 8, 9 и 10, может быть использован на фиг.12, хотя на ней показан только один.
Как показано на фиг.12, поскольку пучок сверхлюминесцентного диода попадает на поляризационный делитель 1274 пучка (PBS 1) с задней стороны, выходящий пучок сверхлюминесцентного диода, распространяющийся к глазу, имеет поляризацию, параллельную плоскости падения пучка относительно поляризационного делителя 1274 пучка; в результате пучок волнового фронта с ортогональной поляризацией, предназначенный для измерения волнового фронта от глаза, имеет поляризацию, перпендикулярную к плоскости падения пучка относительно поляризационного делителя 1274 пучка, и этот пучок будет отражаться поляризационным делителем 1274 пучка (PBS 1) большого размера. Соответственно, необходимо соответствующее изменение ориентации и/или положения небольшого поляризационного делителя 1206 (PBS 1), связанных с ним четвертьволновой пластинки 1208, апертуры 1218 выборки волнового фронта, фокусирующей частичный волновой фронт линзы 1220 и положения регистрирующего положение детектора (РПД) 1222, показанных на фиг.12.
Согласно одному примеру работы, для гарантии, что пучок сверхлюминесцентного диода всегда будет входить в глаз на заданном месте роговицы и будет задерживаться частично или полностью радужной оболочкой глаза при перемещении глаза (в пределах определенного диапазона перемещения глаза), зеркало 1180 сканирования роговицы, предназначенное для сканирования пучка сверхлюминесцентного диода, показанное на фиг.12, может быть расположено в задней фокальной плоскости первой линзы 1204 первой 4-F передачи, чтобы положение сканера было сопряжено с сетчаткой эмметропического глаза. В этом случае угловое сканирование зеркала 1280 сканирования роговицы будет создавать поперечное сканирование пучка сверхлюминесцентного диода относительно роговицы, но пучок сверхлюминесцентного диода все же будет иметь возможность попадать на одно и то же место сетчатки. Изображение зрачка глаза в реальном времени, захватываемое датчиком изображения, можно использовать для оценивания поперечного положения зрачка глаза и для получения сигнала обратной связи, предназначенного для приведения в движение зеркала 1280 сканирования роговицы, что позволяет пучку сверхлюминесцентного диода отслеживать перемещение глаза.
Согласно другому примеру работы, для обеспечения возможности попадания пучка сверхлюминесцентного диода на небольшой участок сетчатки и сканирования зеркало 1282 сканирования сетчатки, показанное на фиг.12, может быть расположено в сопряжении с плоскостью роговицы в задней фокальной плоскости линзы (линзы 3) 1284, преобразующей форму пучка сверхлюминесцентного диода. Другая линза 1286 (линза 4) может использоваться для фокусировки, или коллимирования, или формирования пучка сверхлюминесцентного диода с выхода, например, одномодового оптического волокна (такого как сохраняющее поляризацию (СП) одномодовое волокно) 1288 на зеркало 1282 сканирования сетчатки. Кроме того, эта линза (линза 4) 1286 может быть динамически фокусируемой или подвижной в осевом направлении линзой для реализации динамического управления размером пятна пучка сверхлюминесцентного диода на роговице или сетчатке с учетом состояния глаза (например, факического, афакического или псевдофакического).
Сканирование пучка сверхлюминесцентного диода по небольшому участку сетчатки может дать несколько преимуществ. Одно заключается в ослаблении эффекта образования спекл-структуры, возникающей вследствие попадания пучка сверхлюминесцентного диода всегда на один и тот же участок слепого пятна сетчатки, особенно если размер пятна очень небольшой. Другое преимущество заключается в отклонении оптической энергии по несколько большему участку сетчатки, так что более высокую пиковую мощность импульсного пучка сверхлюминесцентного диода можно подводить к глазу для повышения отношения сигнала к шуму при оптическом измерении волнового фронта. Еще одно преимущество заключается в возможности усреднения измерения волнового фронта по относительно небольшому, но по одному и тому же участку сетчатки, так что погрешности измерения волнового фронта, являющиеся результатом топографической неоднородности сетчатки, могут усредняться. Еще одно преимущество заключается в возможности определения неоднородности сетчатки, например, путем измерения характеристики волнового фронта при сканировании пучка сверхлюминесцентного диода по сетчатке.
Следует заметить, что сканирование пучка сверхлюминесцентного диода по роговице или сетчатке можно выполнять независимо, но одновременно. Иначе говоря, два сканера пучка сверхлюминесцентного диода могут приводиться в действие независимо друг от друга, но в одно и то же время, синхронно или асинхронно.
В дополнение к этому следует заметить, что терапевтический лазерный пучок (не показанный на фиг.12) можно сочетать в качестве офтальмологического хирургического источника света с пучком сверхлюминесцентного диода и подводить к глазу по одному и тому же оптическому волокну или через другой объединитель пучков в свободном пространстве и можно подводить к тому же сканеру (сканерам) пучка сверхлюминесцентного диода или другим сканерам, так что лазерный пучок для офтальмологической операции можно будет сканировать для выполнения операции по коррекции рефракции или операции на сетчатке глаза. Пучок сверхлюминесцентного диода и лазерный пучок для офтальмологической операции могут иметь разные длины волн, и их можно объединять при использовании волоконно-оптических устройств ввода-вывода с мультиплексированием по длинам волн или дихроичных объединителей в свободном пространстве. Кроме того, пучок того же самого лазера или другого лазера с длиной волны в видимой области спектра можно использовать для «маркировки» глаза или «направления» хирурга, то есть, «наложения» на глаз, чтобы хирург мог видеть лазерную отметку (отметки) через операционный микроскоп.
Хотя для измерения волнового фронта от глаза используют только пучок, возвращающийся от сетчатки с ортогональной поляризацией, это не означает, что пучки, возвращающиеся от роговицы, искусственного хрусталика глаза (или интраокулярной линзы) и сетчатки с исходной поляризацией, являются бесполезными. Напротив, эти обратные пучки с исходной поляризацией могут давать очень полезную информацию. На фиг.13 показан еще один вариант осуществления двухкаскадной 4-F передачи волнового фронта, в котором второй каскад 4-F передачи аналогичен второму каскаду, показанному на фиг.10. Заметим, что в соответствии с фиг.13 световые волны, возвращающиеся от глаза с исходной поляризацией, используются для измерения расстояния до глаза от модуля датчика волнового фронта, положения хрусталика (естественного или имплантированного) в глазу, глубины передней камеры, длины глаза и, возможно, других анатомических параметров глаза.
Как можно видеть на фиг.13, обратные световые волны, которые проходят через поляризационный делитель 1374 пучка (PBS 1) большого размера, собираются схемой низкокогерентного волоконно-оптического интерферометра, которую обычно используют при измерениях на основе оптической низкокогерентной томографии (ОНКТ) или оптической когерентной томографии (ОКТ). Волокно 1388 на выходе сверхлюминесцентного диода может быть одномодовым (ОМ) волокном (и при необходимости сохраняющим поляризацию (СП)) и может быть соединено с обычным волоконно-оптическим ответвителем 1390 на основе одномодового (ОМ) волокна (или при необходимости на основе сохраняющего поляризацию одномодового оптического волокна), так что одна часть света сверхлюминесцентного диода передается к модулю датчика волнового фронта, а другая часть света сверхлюминесцентного диода передается к опорному плечу 1392. Длину оптического пути в опорном плече 1392 можно опрашивать, или изменять, или даже переключать для приближенного согласования с длиной оптического пути света, возвращающегося от одной или нескольких оптических границ раздела в глазу. Световые волны, возвращающиеся от различных частей глаза, воссоединяются с опорной световой волной, возвращающейся через опорное волоконное плечо 1392 в волоконно-оптическом ответвителе 1390, следствием чего является оптическая низкокогерентная интерференция. Сигнал этой интерференции может обнаруживаться модулем 1394 обнаружения, показанным на фиг.13.
Можно использовать различные схемы измерений на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии и схемы обнаружения, охватывающие спектральную область, перестраиваемый источник, временную область, балансное обнаружение и др. Чтобы иметь модуль датчика волнового фронта (прикрепленный, например, к операционному микроскопу или биомикроскопу с щелевой лампой) компактным, модуль обнаружения, опорное плечо (включая волоконную петлю и опорное зеркало, которое может сканировать и перемещаться в осевом направлении) и даже сверхлюминесцентный диод и волоконно-оптический ответвитель можно располагать вне корпуса модуля датчика волнового фронта. Это обусловлено тем, что в зависимости от схемы, используемой для измерений на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии, модуль обнаружения, и/или опорное плечо, и/или источник со сверхлюминесцентным диодом могут быть объемистыми. Например, когда используют схему балансного обнаружения, рассмотренную в патенте США № 7815310, возможно, потребуется волоконно-оптический циркулятор включать в волоконное плечо сверхлюминесцентного диода. Когда используют обнаружение во временной области, возможно, потребуется, чтобы опорное плечо включало в себя сканер оптической длины пути или оптическую линию задержки с быстрым сканированием. Когда используют схему обнаружения в спектральной области, возможно, потребуется, чтобы модуль обнаружения включал в себя оптический спектрометр или камеру с однострочной разверткой. Когда используют схему обнаружения с перестраиваемым источником, возможно, потребуется, чтобы источник со сверхлюминесцентным диодом включал в себя сканер по длинам волн.
Согласно одному примеру работы для гарантии, что относительно сильный сигнал измерений на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии может быть получен, зеркалом сканирования роговицы и/или зеркалом сканирования сетчатки можно управлять, чтобы специально получать относительно сильные зеркальные отражения от, например, роговицы, хрусталика (естественного или искусственного) и сетчатки для возвращения к волоконно-оптическому интерферометру, чтобы можно было измерять осевое расстояние между оптическими границами раздела этих компонентов глаза. Эта операция может быть отделена во времени от измерения волнового фронта от глаза, поскольку в последнем случае зеркальное отражение следует исключать. В качестве варианта можно использовать два различных диапазона длин волн и можно использовать спектральное разделение/объединение. С другой стороны, интенсивность сигнала при измерениях на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии можно использовать в качестве показателя получения зеркального отражения модулем датчика волнового фронта, и в случае подтверждения получения данные датчика волнового фронта могут быть отброшены.
Согласно другому примеру работы пучком сверхлюминесцентного диода можно сканировать по сегменту передней камеры глаза или по определенному объему сетчатки и можно делать измерения анатомической структуры различных частей глаза. В частности, можно делать, чтобы пучок сверхлюминесцентного диода в виде небольшого количества точек сканирования попадал в центр или вблизи него одного или нескольких колец (или других рисунков, таких как радиус, спираль, звезда) на роговице для гарантии определения или измерения рефракционной силы роговицы и/или рефракционной силы хрусталика (естественного или искусственного).
В этом месте следует заметить, что сканеры пучка, используемые для сдвига волнового фронта и для сканирования пучка сверхлюминесцентного диода, также могут иметь динамическое постоянное смещение, что дает дополнительные преимущества настоящему раскрытию. Согласно одному аспекту изобретения сканер, используемый для сдвига и/или сканирования волнового фронта, можно использовать для компенсации потенциальной разъюстировки оптических элементов в результате изменения окружающих условий, таких как температура или механическая вибрация, чтобы делать сканируемый пучок волнового фронта по-прежнему вращательно симметричным относительно апертуры выборки волнового фронта.
Между тем, при необходимости, путем калибровки также можно корректировать положение опорной точки на регистрирующем положение детекторе (РПД) для каждого компенсируемого положения пятна изображения. Любое угловое постоянное смещение выбираемых пучков пятна изображения относительно регистрирующего положение устройства/детектора (РПД) можно исключать путем калибровки и обработки данных.
Уже упоминалось, что сканер, используемый для сканирования пучка сверхлюминесцентного диода, можно использовать для отслеживания перемещения зрачка глаза в определенном диапазоне с помощью сигнала обратной связи с датчика изображения. Даже если сделать, чтобы пучок сверхлюминесцентного диода входил в глаз на одном и том же месте роговицы глаза под одним и тем углом, что можно делать, когда глаз хорошо центрирован относительно модуля датчика волнового фронта, то в случае перемещения глаза относительно модуля датчика волнового фронта пучок волнового фронта, возвращающийся от глаза, будет смещенным в поперечном направлении относительно оптической оси модуля датчика волнового фронта. В результате передаваемый волновой фронт также будет смещенным в поперечном направлении. В этом случае постоянное смещение сканера, используемого для сдвига волнового фронта, можно использовать для компенсации этого смещения и делать сканируемый пучок волнового фронта по-прежнему вращательно симметричным относительно апертуры выборки волнового фронта. В этом случае может быть угловое постоянное смещение выбираемых пучков пятна изображения относительно регистрирующего положение устройства/детектора (РПД) для каждого поперечного положения зрачка глаза, и опять его можно исключать путем калибровки и обработки данных.
Всю информацию, получаемую датчиком изображения, датчиком волнового фронта, детектором зеркального отражения и/или низкокогерентным интерферометром, можно объединять для реализации автоматического выбора калибровочной кривой и/или алгоритма обработки данных. Между тем, индикатор целостности данных, или индикатор доверия, или индикатор степени помутнения хрусталика, или индикатор присутствия оптических пузырьков могут быть представлены хирургу или клиницисту с помощью звуковых или изобразительных или других средств. Кроме того, объединенную информацию можно использовать для обнаружения, измерения и/или калибровки внутриглазного давления (ВГД). Объединенную информацию также можно использовать для обнаружения и/или поддержания центрирования и/или наклона имплантируемой интраокулярной линзы (ИОЛ), такой как мультифокальная линза. Объединенную информацию также можно использовать для обнаружения состояния глаза, включая факическое, афакическое и псевдофакическое. Сигнал датчика волнового фронта можно объединять с сигналом схемы измерений на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии для отображения степени оптического рассеяния и/или непрозрачности хрусталика глаза или оптических сред окулярной системы.
И в этом случае лазер в качестве офтальмологического хирургического источника света (не показанный на фиг.13) можно сочетать со сверхлюминесцентным диодом и подводить к глазу по одному и тому же оптическому волокну или через другой объединитель пучков в свободном пространстве и можно подводить к тому же сканеру (сканерам) пучка сверхлюминесцентного диода или другим сканерам, так что лазерный пучок для офтальмологической операции можно будет сканировать для выполнения операции по коррекции рефракции и/или операции на сетчатке глаза, а также для точной подстройки рефракции интраокулярной линзы, регулируемой светом, или для выполнения или коррекции Т-разрезов, которые можно делать фемтосекундным лазером, или для наблюдения с использованием биомикроскопа с щелевой лампой после выполнения лимбальных послабляющих надрезов/астигматической кератотомии. Кроме того, пучок от того же лазера или другого лазера с длиной волны в видимой области спектра можно использовать для «маркировки» глаза или «направления» хирурга, то есть, «наложения» на глаз или изображение глаза, чтобы хирург мог видеть лазерную отметку (отметки) на экране дисплея или через операционный микроскоп.
В этом месте можно констатировать, что в настоящем раскрытии представлен последовательный датчик волнового фронта с большим диоптрийным диапазоном, особенно пригодный для выполнения процедур коррекции зрения. Он содержит оптическую систему передачи волнового фронта, которая может включать в себя один, или два, или большее количество каскадов передачи волнового фронта, апертуру выборки волнового фронта, расположенную в или вблизи конечной плоскости изображения передачи волнового фронта, фокусирующую частичный волновой фронт линзу до или после апертуры, регистрирующее положение пятна изображения устройство, расположенное позади фокусирующей частичный волновой фронт линзы, и устройство сдвига волнового фронта (такое как сканер оптического пучка), расположенное где-либо в пространстве изображения волнового фронта или в пространстве преобразования Фурье, для сдвига волнового фронта в поперечном направлении в конечной плоскости изображения волнового фронта. Один аспект настоящего раскрытия заключается в том, что устройство сдвига волнового фронта выбирают и располагают так, чтобы во всем большом диоптрийном диапазоне падающего волнового фронта гарантировался полный захват пучка волнового фронта устройством сдвига волнового фронта. Предпочтительно, чтобы поперечный размер передаваемого пучка волнового фронта уменьшался на участке устройства сдвига волнового фронта с тем, чтобы в пределах определенного диапазона осевого расстояния в пространстве устройства сдвига волнового фронта ширина пучка волнового фронта могла сохраняться относительно небольшой (даже при изменении в большом диоптрийном диапазоне падающего пучка волнового фронта, исходящего от глаза), чтобы пучок полностью сдвигался, например, компактным сканером пучка.
Однако следует заметить, что система передачи волнового фронта не ограничена хорошо известной схемой 4-F передачи волнового фронта. Она может быть любой оптической схемой при условии, что она выполняет функцию передачи оптического волнового фронта из предметной плоскости в плоскость изображения. Например, в заявке № 20100208203 на патент США раскрыта схема передачи волнового фронта, которая содержит три линзы, при этом отрицательная линза, расположенная между двумя положительными линзами, может использоваться в представленном изобретении один раз или много раз.
Пучок волнового фронта не должен уменьшаться в пространстве устройства сдвига волнового фронта. Система передачи волнового фронта может иметь отношение передачи 1:1 или даже может быть системой передачи волнового фронта с увеличением.
Пространство устройства сдвига волнового фронта следует интерпретировать как объем, в котором устройство сдвига волнового фронта расположено, и это может быть пространство изображения волнового фронта или пространство преобразования Фурье. Устройство сдвига волнового фронта следует интерпретировать как любое устройство, которое может выполнять функцию эффективного последовательного сдвига волнового фронта, включая сканеры оптического пучка и устройства смещения всех видов. Устройство сдвига волнового фронта может быть расположено в пространстве изображения волнового фронта одного или нескольких каскадов передачи волнового фронта или пространстве преобразования Фурье одного или нескольких каскадов передачи волнового фронта при условии, что оно может эффективно создавать сдвиг волнового фронта в поперечном направлении. Главное, чтобы пучок волнового фронта в заданном диоптрийном диапазоне мог обязательно полностью захватываться устройством сдвига волнового фронта. Заметим, что сдвиг волнового фронта можно получать изменением направления распространения пучка или смещением пучка в поперечном направлении, или тем и другим в сочетании, или другими способами постепенного изгибания волнового фронта. Сканер пучка может быть по свойствам пропускающим или отражающим, и сканер пучка может быть угловым сканером светового пучка или сканером поперечного смещения светового пучка, или тем и другим.
Апертура выборки волнового фронта может иметь апертуру фиксированного размера или переменную апертуру с регулируемыми размером и формой, например от 0 мм до 6 мм, и может быть вставной апертурой, имеющей различные размеры, формы или диаметры апертуры. Апертуру не следует располагать перед фокусирующей частичный волновой фронт линзой и можно располагать где-нибудь после устройства сдвига волнового фронта, если только она сможет выполнять функцию выборки волнового фронта.
Фокусирующая частичный волновой фронт линза не является абсолютно обязательной или может использоваться по желанию. Она может быть линзой с переменным фокусом (или фокусным расстоянием) или даже может быть динамической вставной линзой с особым фокусным расстоянием для каждого состояния глаза (факического, афакического или псевдофакического). Нет необходимости помещать ее сразу после апертуры и можно помещать на расстоянии от апертуры, перед или после апертуры, для, например, передачи волнового фронта, выбираемого на апертуре, к плоскости в пространстве до или после регистрирующего положение устройства/детектора (РПД). Здесь следует отметить, что без фокусирующей частичный волновой фронт линзы система все же будет работать, как в случае датчика волнового фронта Гартмана, в отличие от датчика волнового фронта Гартмана-Шэка. Если необходимо, фокус фокусирующей частичный волновой фронт линзы можно делать динамически переменным, и при этом можно регулировать фокусное расстояние в реальном времени в соответствии с размером апертуры выборки волнового фронта, чтобы пятно изображения, попадающее на регистрирующее положение устройство/детектор, можно было регулировать до желаемого размера для получения более точного измерения падающего волнового фронта.
Регистрирующий положение детектор может быть квадрантным детектором, регистрирующим боковое положение детектором, двумерной детекторной матрицей, двумя ортогональными линейными детекторными матрицами или любым устройством, которое может регистрировать положение светового пучка.
Заметим, что оптические схемы и связанные с ними параметры, рассмотренные в упомянутых выше вариантах осуществления, являются только примерами. В действительности, когда модуль датчика волнового фронта будет объединен с операционным микроскопом или биомикроскопом с щелевой лампой, оптическая схема и изломанные пути оптического пучка могут быть иными в зависимости от различных факторов.
На фиг.14 показан один вариант осуществления объединения уже раскрытого модуля датчика волнового фронта с операционным микроскопом 14100. Согласно этому варианту осуществления первая линза 1404 первой 4-F передачи расположена в самом первом оптическом входном порту модуля датчика волнового фронта. Первая линза 1404 совместно используется для операционного микроскопа 14100 (или биомикроскопа с щелевой лампой) и модуля датчика волнового фронта. Преимущество от расположения этой первой линзы 1404 первой 4-F передачи как можно ближе к глазу пациента заключается в том, что расчетное фокусное расстояние этой первой линзы 1404 может быть меньше с учетом требований к 4-F передаче волнового фронта, и соответственно общая длина оптического пути может быть сделана меньшей. Благодаря этому объединению, наряду с дополнительным изломом пути пучка волнового фронта, модуль датчика волнового фронта может быть сделан компактным. Кроме того, больший диоптрийный диапазон волнового фронта от глаза может быть охвачен в отличие от случая, когда линза того же диаметра расположена дальше вниз по потоку на оптическом пути пучка волнового фронта. Кроме того, поскольку всегда необходимо, чтобы датчик волнового фронта имел оптическое окно на этом месте, эта первая линза 1404 тем самым может иметь двойное назначение и использоваться как окно и первая линза первого каскада передачи волнового фронта.
Дихроичный или небольшой пропускающий делитель 1461 пучка, показанный на фиг.14, используется для высокоэффективного отклонения пучка волнового фронта в ближней инфракрасной области спектра к остальной части модуля датчика волнового фронта, что позволяет пропускать большую часть видимого света к операционному микроскопу. Кроме того, дихроичный или небольшой пропускающий делитель 1461 пучка может быть рассчитан на отклонение небольшой части видимого света от глаза (или даже большей части света ближней инфракрасной области спектра вне спектрального диапазона сверхлюминесцентного диода, если такая область имеется) к модулю датчика волнового фронта, чтобы, как рассматривалось ранее, ясное изображение передней камеры глаза пациента в реальном времени могло быть захвачено датчиком изображения. Следует заметить, что остальная часть модуля датчика волнового фронта, показанная на фиг.14, является только одним представлением из ряда возможных оптических схем, которые можно использовать. Поэтому интерпретацией модуля датчика волнового фронта охватываются все возможные схемы, рассмотренные ранее.
Компенсирующая линза 14102 над дихроичным или небольшим пропускающим делителем 1461 пучка используется для выполнения нескольких функций. Во-первых, для гарантии, что операционное поле, формируемое и представляемое хирургу с помощью операционного микроскопа, не будет искажаться вследствие использования первой линзы 1404 первой 4-F передачи, при этом эту компенсирующую линзу 14102 необходимо рассчитывать для компенсации действия совместно используемой линзы (первой линзы 1404 первой 4-F передачи). Во-вторых, компенсирующую линзу 14102 можно также использовать в качестве верхнего оптического окна, которое может потребоваться для предотвращения попадания пыли или влаги в модуль датчика волнового фронта. Третья функция компенсирующей линзы 14102 заключается в направлении осветительного пучка из операционного микроскопа 14100 на расстояние от оптической оси, чтобы, когда осветительный пучок попадает на совместно используемую линзу (первую линзу 1404 первой 4-F передачи), зеркальные отражения из совместно используемой линзы не направлялись обратно к двум стереоскопическим изображениям операционного микроскопа для взаимодействия с операционным полем операционной картины. Наконец, на компенсирующую линзу 14102 также может быть нанесено покрытие для пропускания через нее света только видимого спектра. Таким образом, часть ультрафиолетовой или ближней инфракрасной области спектра осветительного света, которая соответствует спектру сверхлюминесцентного диода из источника освещения, не будет попадать на глаз с образованием какого-либо возвращаемого фонового света ближней инфракрасной области спектра, который может входить в модуль датчика волнового фронта, приводя к насыщению регистрирующего положение устройства/детектора или к образованию фонового шума.
Заметим, что компенсирующую линзу 14102 можно специально рассчитывать или призму/зеркало 15104 можно добавлять, чтобы участок компенсирующей линзы чуть ниже выходного порта осветительного пучка операционного микроскопа мог еще больше изгибать осветительный пучок, и, как показано на фиг.15, другую призму 15105 или зеркало можно добавлять после нижней линзы для перенаправления осветительного пучка обратно на глаз пациента.
Следует заметить, что в варианте осуществления, показанном на фиг.14 и фиг.15, исходная линза 14101 или 15101 объектива операционного микроскопа сохранена и не удалена. Однако, в качестве варианта, линза 14101 или 15101 объектива операционного микроскопа может быть удалена, а ее функцию фокусировки может частично или полностью выполнять совместно используемая линза 1604 во входном порту модуля датчика волнового фронта, показанного на фиг.16, который имеет только один каскад 4-F передачи. В этом случае при условии, что совместно используемая линза 1604 надлежащим образом рассчитана, компенсирующую линзу 14102 и 15102, показанную на фиг.14 и фиг.15, можно заменять простым оптическим окном 16106, хотя все же может возникать необходимость в призменном участке или отдельной призме 16104 для рассмотренного ранее направления осветительного пучка. Поэтому определение компенсирующей линзы 14102/15102 должно включать в себя оптическое окно с участком изгиба осветительного пучка, в то время как концепция компенсации должна также включать в себя оптическую функцию, предусматриваемую для оптического пучка. В дополнение к этому на верхнее оптическое окно также может быть нанесено покрытие для обеспечения пропускания через него только видимого спектра света. Таким образом, свет из участка ближней инфракрасной области спектра не будет попадать на глаз пациента с образованием возвращаемого от глаза фонового света ближней инфракрасной области спектра, который может проходить к регистрирующему волновой фронт детектору, приводя к насыщению детектора или образованию фонового шума.
В этом месте следует заметить, что, поскольку согласно вариантам осуществления из фиг.14, 15 и 16 первая линза во входном порту модуля датчика волнового фронта используется совместно, необходимо пропускать свет видимой и ближней инфракрасной области спектра, и, кроме того, предпочтительно, чтобы вносилась минимальная дополнительная аберрация. Хорошим выбором для этой линзы является ахроматическая линза, которая рассчитана на работу при свете видимой и ближней инфракрасной области спектра. При необходимости можно использовать асферическую ахроматическую линзу. Поскольку узкополосный полосовой фильтр можно использовать перед второй линзой первого каскада 4-F передачи, вторую линзу и последующие линзы, если они имеются, можно рассчитывать на работу только в ближней инфракрасной области спектра источника со сверхлюминесцентным диодом. Линзы могут быть асферическими линзами.
В качестве еще одного альтернативного варианта осуществления дихроичный или небольшой пропускающий делитель 1461, 1561 и 1661 пучка, показанный на фиг.14, 15 и 16, может быть заменен специально изготовленным, расположенным под углом 45° зеркалом 17108, фокусирующим свет в ближней инфракрасной области спектра (с покрытием, нанесенным для отражения света со спектром только сверхлюминесцентного диода), предназначенным для работы в качестве первой линзы каскада 4-F передачи, показанного на фиг.17. В то же время оно действует как прозрачная пластинка относительно видимого спектра для операционного микроскопа. В этом случае исходный объектив операционного микроскопа 17101 остается, а верхнее и нижнее оптические окна 17110 и 17112 могут быть выполнены в виде двух стеклянных пластинок, при этом нижняя пластинка наклонена для направления зеркального отражения осветительного света от микроскопа. Поскольку установленное под углом 45° зеркало 17108, фокусирующее свет ближней инфракрасной области спектра, теперь функционирует в качестве первой линзы 4-F передачи, а его осевое положение сдвинуто дополнительно назад от глаза пациента, вторую линзу 1716 из 4-F передачи и остальную часть оптики датчика волнового фронта необходимо юстировать соответствующим образом. Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что изображение в микроскопе будет искажаться в минимальной степени.
На фиг.18 показан еще один вариант осуществления объединения уже раскрытого модуля датчика волнового фронта с операционным микроскопом 18100. Согласно этому варианту осуществления дихроичный или небольшой пропускающий делитель 1861 пучка используется для направления пучка волнового фронта в ближней инфракрасной области спектра сверхлюминесцентного диода к модулю датчика волнового фронта и для пропускания видимого спектра света к операционному микроскопу. Нижнее оптическое окно 18112 и в этом случае может быть наклонено для исключения проникновения зеркально отраженного видимого света в стереоскопическое изображение микроскопа. И в этом случае на верхнее оптическое окно 18110 может быть нанесено покрытие для обеспечения пропускания через него света видимого спектра. Первая линза 1804 из 4-F передачи может быть расположена настолько близко к глазу, насколько это возможно механически, лишь бы она не влияла на освещение операционного микроскопа и путь визирования. При повышенном расстоянии между глазом и первой линзой 1804 из 4-F передачи вторую линзу 1816 из 4-F передачи и остальную часть оптики датчика волнового фронта необходимо продвигать назад еще дальше по сравнению с предшествующими случаями. Это может сделать модуль датчика волнового фронта объемным, а диаметр первой линзы 4-F передачи, необходимый для охвата такого же диоптрийного диапазона волнового фронта от глаза, должен быть больше. Но преимущество заключается в том, что изображение в микроскопе будет искажено в минимальной степени по сравнению с другими вариантами осуществления.
В качестве дополнительного аспекта настоящего изобретения в реальном раскрытии диффузно отражающая поверхность, такая как пластинка из спектралона, может быть помещена на оптический путь для диффузного отражения пучка сверхлюминесцентного диода, чтобы создавать калибровочный волновой фронт, который в модуле датчика волнового фронта может использоваться для контроля оптической юстировки пучка сверхлюминесцентного диода и оптической юстировки оптических элементов, а также оптической мощности пучка сверхлюминесцентного диода.
Следует заметить, что при описании всех вариантов осуществления упоминалось о нахождении спектра сверхлюминесцентного диода в ближней инфракрасной области. Однако это не следует считать ограничением, поскольку можно использовать другие спектральные диапазоны. Хотя источник света в ближней инфракрасной области спектра является удобным для измерения волнового фронта, поскольку он невидим глазу человека, источник видимого света также пригоден для измерения волнового фронта в том смысле, что пучок сверхлюминесцентного диода можно непосредственно использовать в качестве источника света или метки фиксации, а измерение волнового фронта будет более точным, поскольку глаз воспринимает только видимый свет.
Следует заметить, что длину волны, используемую при измерении волнового фронта и/или измерениях на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии, можно сканировать или перестраивать. Одно преимущество от перестройки или сканирования длины волны заключается в том, что также можно измерять хроматическую аберрацию глаза. Другое преимущество заключается в том, что при перестройке длины волны можно выполнять спектроскопическое измерение характеристик тканей глаза, в том числе роговицы, хрусталика глаза, стекловидного тела и даже сетчатки или сосудистой оболочки глаза. Еще одно преимущество заключается в том, что можно непосредственно использовать схему обнаружения с перестраиваемым источником на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии. Перестройка длины волны может охватывать большой спектральный диапазон, включая весь диапазон видимого спектра, а при необходимости также весь спектральный диапазон ближней инфракрасной области.
Уже раскрытый модуль датчика волнового фронта можно объединять с рядом других офтальмологических инструментов для обеспечения широкого диапазона применений. Например, его можно объединять с фемтосекундным лазером или эксимерным лазером, который используют для лазерного кератомилеза или разрывания хрусталика глаза, а также надрезания/разрезания роговицы. Изображение в реальном времени, измерение на основе оптической низкокогерентной/когерентной томографии и сигнал волнового фронта можно сочетать, чтобы выявлять до, во время и после офтальмологической операции присутствие оптического пузырька (пузырьков) или иной оптической неоднородности в хрусталике глаза или передней камере. Кроме того, информацию о волновом фронте можно использовать для непосредственного управления процедурой лазерного кератомилеза способом с обратной связью.
Кроме того, настоящее изобретение можно объединять или сочетать с адаптивной оптической системой. Деформируемое зеркало или жидкокристаллический (ЖК) пропускающий компенсатор волнового фронта можно использовать для управления волновым фронтом в реальном времени, чтобы компенсировать погрешности волнового фронта.
Кроме того, эти осуществления можно использовать для измерения оптики, очков/стекол, интраокулярной линзы и/или управления режущими/обрабатывающими устройствами, которые применяют при изготовлении оптических компонентов.
Кроме того, эти осуществления можно приспосабливать к микроскопам для клеточного и/или молекулярного анализа и других метрологических применений.
Кроме того, настоящее изобретение можно использовать при изготовлении хрусталика, подтверждении пригодности очков, в области микробиологии и т.д.
Хотя в этом документе были показаны и подробно отписаны различные варианты осуществления, которые охватывают идеи настоящего изобретения, специалисты в данной области техники могут без труда разработать многочисленные другие разнообразные варианты осуществления, которые также будут включать в себя эти идеи.
1. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта, содержащее:
оптическую систему передачи, выполненную с возможностью направления распространения пучка волнового фронта и передачи волнового фронта из предметной плоскости волнового фронта в предметном пространстве волнового фронта к плоскости изображения волнового фронта в пространстве изображения волнового фронта; апертуру выборки, расположенную по существу в плоскости изображения волнового фронта; и сдвигающий пучок элемент, расположенный перед апертурой в пространстве изображения волнового фронта и выполненный с возможностью захвата по существу всего пучка волнового фронта в пространстве изображения волнового фронта.
2. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 1, в котором оптическая система передачи представляет собой систему 4-F передачи, содержащую первую и вторую линзы.
3. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 1, в котором сдвигающий пучок элемент содержит подвижную пропускающую среду, выполненную с возможностью сдвига передаваемого пучка волнового фронта относительно апертуры выборки.
4. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 1, в котором сдвигающий пучок элемент содержит подвижную отражающую поверхность, выполненную с возможностью сдвига передаваемого пучка волнового фронта относительно апертуры выборки.
5. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 1, в котором сдвигающий пучок элемент представляет собой электрооптический или магнитооптический, или акустооптический сдвигающий пучок элемент.
6. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта, содержащее:
оптическую систему передачи, содержащую по меньшей мере два каскада передачи волнового фронта, выполненные с возможностью направления распространения пучка волнового фронта и передачи волнового фронта из предметной плоскости волнового фронта в предметном пространстве волнового фронта через по меньшей мере одну плоскость преобразования Фурье в по меньшей мере одном пространстве преобразования Фурье к плоскости изображения волнового фронта в пространстве изображения волнового фронта, при этом по меньшей мере одно пространство преобразования Фурье находится во втором или последующем каскаде передачи волнового фронта; апертуру выборки, расположенную по существу в плоскости изображения волнового фронта; и сдвигающий пучок элемент, расположенный по существу в по меньшей мере одной плоскости преобразования Фурье в пространстве преобразования Фурье и выполненный с возможностью захвата по существу всего пучка волнового фронта в пространстве преобразования Фурье.
7. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 6, в котором два каскада передачи волнового фронта представляют собой два последовательных каскада 4-F передачи волнового фронта, содержащие первую, вторую, третью и четвертую линзы, а плоскость преобразования Фурье находится между третьей линзой и четвертой линзой.
8. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 6, в котором два каскада передачи волнового фронта содержат первый каскад передачи волнового фронта, содержащий три линзы, при этом отрицательная линза расположена между двумя положительными линзами, и второй каскад 4-F передачи волнового фронта, содержащий две линзы, и плоскость преобразования Фурье находится между двумя линзами второго каскада 4-F передачи волнового фронта.
9. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 6, в котором сдвигающий пучок элемент содержит подвижную пропускающую среду, выполненную с возможностью сдвига передаваемого пучка волнового фронта относительно апертуры выборки.
10. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 6, в котором сдвигающий пучок элемент содержит подвижную отражающую поверхность, выполненную с возможностью сдвига передаваемого пучка волнового фронта относительно апертуры выборки.
11. Устройство для сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 6, в котором сдвигающий пучок элемент представляет собой электрооптический или магнитооптический, или акустооптический сдвигающий пучок элемент.
12. Последовательный датчик волнового фронта, содержащий:
оптическую систему передачи волнового фронта, включающую в себя первую и вторую линзы, причем каждая линза имеет диаметр, фокусное расстояние и оптическую ось, при этом оптическая система передачи волнового фронта выполнена с возможностью передачи падающего волнового фронта из предметной плоскости в предметном пространстве к плоскости изображения волнового фронта в пространстве изображения волнового фронта по пути пучка, при этом фокусные расстояния и диаметры первой и второй линз выбраны так, чтобы направлять падающий пучок волнового фронта, имеющий диоптрийный диапазон в предметной плоскости, к плоскости изображения волнового фронта; отражающий, сдвигающий пучок элемент, расположенный в пространстве изображения волнового фронта между второй линзой и плоскостью изображения волнового фронта и выполненный с возможностью захвата по существу всего пучка волнового фронта в пространстве изображения волнового фронта; поляризационный делитель пучка (PBS), расположенный для захвата по существу всего пучка волнового фронта до того, как он отразится отражающим, сдвигающим пучок элементом, и выполненный с возможностью передачи света в первом состоянии поляризации и отражения света во втором состоянии поляризации, и ориентированный под углом по существу 45° к первой оптической оси; поворачивающий плоскость поляризации элемент, расположенный между поляризационным делителем пучка и отражающим, сдвигающим пучок элементом, выполненный с возможностью изменения состояния поляризации пучка волнового фронта, чтобы пучок волнового фронта, отражаемый отражающим, сдвигающим пучок элементом, отражался поляризационным делителем пучка; апертуру выборки, расположенную по существу в плоскости изображения волнового фронта, выполненную с возможностью выборки пучка волнового фронта, отражаемого поляризационным делителем пучка; фокусирующую частичный волновой фронт линзу, расположенную до или после апертуры; и регистрирующее положение пятна изображения устройство, расположенное позади фокусирующей частичный волновой фронт линзы и апертуры выборки.
13. Последовательный датчик волнового фронта по п. 12, в котором отражающий, сдвигающий пучок элемент дополнительно выполнен с возможностью динамического постоянного смещения в ответ на любое поперечное перемещение глаза пациента, чтобы, даже когда обратный пучок волнового фронта из глаза поперечно смещается относительно апертуры выборки, отражающий, сдвигающий пучок элемент мог компенсировать смещение, чтобы обеспечивать возможность выборки тех же самых намеченных участков волнового фронта от глаза независимо от поперечного перемещения глаза.
14. Последовательный датчик волнового фронта по п. 12, дополнительно содержащий: источник света, выполненный с возможностью излучения образующего волновой фронт пучка; сдвигающее пучок зеркало, расположенное в задней фокальной плоскости первой линзы и выполненное с возможностью направления образующего волновой фронт пучка к глазу пациента и сканирования пучка для отслеживания относительного поперечного перемещения глаза.
15. Последовательный датчик волнового фронта по п. 12, дополнительно содержащий устройство измерения осевого расстояния, выполненное с возможностью измерения осевого расстояния между предметной плоскостью и глазом пациента, чтобы корректируемая калибровочная кривая, применимая к измеряемому осевому расстоянию до глаза, могла быть использована для получения скорректированной характеристики волнового фронта от глаза.
16. Последовательный датчик волнового фронта п. 12, в котором фокусное расстояние первой линзы больше, чем фокусное расстояние второй линзы, для уменьшения изображения волнового фронта в плоскости изображения волнового фронта.
17. Последовательный датчик волнового фронта по п. 16, в котором диаметры первой и второй линз составляют 40 мм, фокусное расстояние первой линзы составляет 200 мм, и фокусное расстояние второй линзы составляет 80 мм.
18. Последовательный датчик волнового фронта, содержащий:
первую оптическую систему передачи волнового фронта, включающую в себя первую и вторую линзы, причем каждая линза имеет диаметр, фокусное расстояние и оптическую ось, при этом первая оптическая система передачи волнового фронта выполнена с возможностью передачи падающего волнового фронта из первой предметной плоскости в первом предметном пространстве к первой плоскости изображения волнового фронта в первом пространстве изображения волнового фронта по первому пути пучка, при этом фокусные расстояния и диаметры первой и второй линз выбраны так, чтобы направлять падающий пучок волнового фронта, имеющий диоптрийный диапазон в первой предметной плоскости, к первой плоскости изображения волнового фронта; вторую оптическую систему передачи волнового фронта, включающую в себя третью и четвертую линзы, причем каждая линза имеет диаметр, фокусное расстояние и оптическую ось, при этом вторая оптическая система передачи волнового фронта имеет вторую предметную плоскость во втором предметном пространстве, которая находится по существу в первой плоскости изображения волнового фронта, и выполнена с возможностью дальнейшей передачи падающего волнового фронта из первой плоскости изображения волнового фронта ко второй плоскости изображения волнового фронта во втором пространстве изображения волнового фронта по второму оптическому пути, при этом третья линза выполнена с возможностью направления пучка волнового фронта к плоскости преобразования Фурье, расположенной между третьей и четвертой линзами; отражающий, сдвигающий пучок элемент, расположенный по существу в плоскости преобразования Фурье, расположенной между третьей и четвертой линзами, установленный вдоль оптической оси третьей линзы для захвата по существу всего пучка волнового фронта в пределах заданного диоптрийного диапазона и ориентированный на излом второго оптического пути; апертуру выборки волнового фронта, расположенную в или вблизи второй плоскости изображения волнового фронта; фокусирующую частичный волновой фронт линзу, расположенную до или после апертуры; и регистрирующее положение пятна изображения устройство, расположенное позади фокусирующей частичный волновой фронт линзы и апертуры выборки.
19. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, в котором отражающий, сдвигающий пучок элемент дополнительно выполнен с возможностью динамического постоянного смещения в ответ на любое поперечное перемещение глаза пациента, чтобы, даже когда обратный пучок волнового фронта из глаза поперечно смещается относительно апертуры выборки, отражающий, сдвигающий пучок элемент мог компенсировать смещение, чтобы обеспечивать возможность выборки тех же самых намеченных участков волнового фронта от глаза независимо от поперечного перемещения глаза.
20. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, дополнительно содержащий устройство измерения осевого расстояния, выполненное с возможностью измерения осевого расстояния между предметной плоскостью и глазом пациента, чтобы корректируемая калибровочная кривая, применимая к измеряемому осевому расстоянию до глаза, могла быть использована для получения скорректированной характеристики волнового фронта от глаза.
21. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, в котором отражающий, сдвигающий пучок элемент содержит зеркало на основе микроэлектромеханической системы (MEMS), выполненное с возможностью управляемого сдвига пучка волнового фронта вокруг оптической оси четвертой линзы.
22. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, в котором фокусное расстояние первой линзы больше, чем фокусное расстояние второй линзы, для уменьшения изображения волнового фронта в первой плоскости изображения волнового фронта.
23. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, в котором диаметры первой и второй линз составляют 40 мм, фокусное расстояние первой линзы составляет 200 мм, и фокусное расстояние второй линзы составляет 80 мм.
24. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, в котором фокусное расстояние третьей линзы меньше, чем фокусное расстояние четвертой линзы, для увеличения изображения волнового фронта при переходе от первой плоскости изображения волнового фронта ко второй плоскости изображения волнового фронта.
25. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, включающий в себя по меньшей мере один отражающий элемент для излома пути пучка между первой и второй линзами.
26. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, дополнительно содержащий первый и второй отражающие элементы, расположенные между первой линзой и второй линзой и ориентированные на излом первого пути пучка.
27. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, дополнительно содержащий: источник света, выполненный с возможностью излучения образующего волновой фронт пучка; сдвигающее на сетчатке пучок зеркало и/или сдвигающее на роговице пучок зеркало, выполненные с возможностью направления образующего волновой фронт пучка вдоль первой оптической оси к первой линзе для обеспечения сдвига образующего волновой фронт пучка по сетчатке и/или роговице глаза пациента или для отслеживания относительного перемещения глаза.
28. Последовательный датчик волнового фронта по п. 27, дополнительно содержащий: оптическое волокно, связанное с источником света, для направления образующего волновой фронт пучка к сдвигающему на сетчатке пучок зеркалу и/или сдвигающему на роговице пучок зеркалу; и волоконно-оптический интерферометр, включающий в себя по меньшей мере один волоконно-оптический соединитель, выполненный с возможностью ввода света из оптического волокна.
29. Последовательный датчик волнового фронта по п. 18, дополнительно содержащий: датчик изображения, выполненный с возможностью получения находящегося в одной плоскости видеоизображения или статического изображения глаза пациента; и первый делитель пучка/объединитель пучков для формирования изображения, расположенный между первой линзой и второй линзой, выполненный с возможностью направления по меньшей мере части света, отражаемого делителем пучка/объединителем пучков, к датчику изображения.
30. Последовательный датчик волнового фронта, содержащий:
первую оптическую систему передачи волнового фронта, включающую в себя первую и вторую линзы, причем каждая линза имеет диаметр, фокусное расстояние и оптическую ось, при этом первая оптическая система передачи волнового фронта выполнена с возможностью передачи падающего волнового фронта из первой предметной плоскости в первом предметном пространстве к первой плоскости изображения волнового фронта в первом пространстве изображения волнового фронта по первому пути пучка, при этом фокусные расстояния и диаметры первой и второй линз выбраны так, чтобы направить падающий пучок волнового фронта, имеющий диоптрийный диапазон в первой предметной плоскости, к первой плоскости изображения волнового фронта; третью линзу, имеющую диаметр, фокусное расстояние и оптическую ось, и вторую предметную плоскость во втором предметном пространстве, которая расположена по существу в первой плоскости изображения волнового фронта, при этом третья линза выполнена с возможностью направления пучка волнового фронта к плоскости преобразования Фурье; отражающий, сдвигающий пучок элемент, расположенный по существу в плоскости преобразования Фурье, установленный вдоль и ориентированный по существу перпендикулярно к оптической оси третьей линзы, для захвата по существу всего пучка волнового фронта в пределах заданного диоптрийного диапазона, и ориентированный на отражение пучка волнового фронта для формирования отраженного пучка волнового фронта, который проходит обратно через третью линзу, так что третья линза функционирует как две линзы второй системы передачи волнового фронта и направляет отражаемый пучок волнового фронта ко второй плоскости изображения волнового фронта во втором пространстве изображения волнового фронта; поляризационный делитель пучка (PBS), расположенный для захвата пучка волнового фронта до того, как он передается третьей линзой, выполненный с возможностью передачи света в первом состоянии поляризации и отражения света во втором состоянии поляризации и ориентированный под углом по существу 45° к оптической оси третьей линзы; поворачивающий плоскость поляризации элемент, расположенный между третьей линзой и отражающим, сдвигающим пучок элементом или между поляризационным делителем пучка и третьей линзой и выполненный с возможностью изменения состояния поляризации пучка волнового фронта, так что поляризационный делитель пучка отражает отражаемый пучок волнового фронта по существу перпендикулярно к оптической оси третьей линзы; апертуру выборки волнового фронта, расположенную в или вблизи второй плоскости изображения волнового фронта, для захвата отраженного пучка волнового фронта, отражаемого поляризационным делителем пучка; фокусирующую частичный волновой фронт линзу, расположенную до или после апертуры; и регистрирующее положение пятна изображения устройство, расположенное позади фокусирующей частичный волновой фронт линзы и апертуры выборки.
31. Последовательный датчик волнового фронта по п. 30, в котором отражающий, сдвигающий пучок элемент дополнительно выполнен с возможностью динамического постоянного смещения в ответ на любое поперечное перемещение глаза пациента, чтобы, даже когда обратный пучок волнового фронта из глаза поперечно смещается относительно апертуры выборки, отражающий, сдвигающий пучок элемент мог компенсировать смещение, чтобы обеспечивать возможность выборки тех же самых намеченных участков волнового фронта от глаза независимо от поперечного перемещения глаза.
32. Последовательный датчик волнового фронта по п. 30, дополнительно содержащий устройство измерения осевого расстояния, выполненное с возможностью измерения осевого расстояния между первой предметной плоскостью и глазом пациента, чтобы корректируемая калибровочная кривая, применимая к измеряемому осевому расстоянию до глаза, могла быть использована для получения скорректированной характеристики волнового фронта от глаза.
33. Последовательный датчик волнового фронта по п. 30, в котором фокусное расстояние первой линзы больше, чем фокусное расстояние второй линзы, для уменьшения изображения волнового фронта в первой плоскости изображения волнового фронта.
34. Последовательный датчик волнового фронта по п. 33, в котором диаметры первой и второй линз составляют 40 мм, фокусное расстояние первой линзы составляет 200 мм, и фокусное расстояние второй линзы составляет 80 мм.
35. Последовательный датчик волнового фронта по п. 30, дополнительно содержащий: датчик изображения, выполненный с возможностью получения находящегося в одной плоскости видеоизображения или статического изображения глаза субъекта; и первый делитель пучка/объединитель пучков для формирования изображения, расположенный между первой линзой и второй линзой первой оптической системы передачи волнового фронта, выполненный с возможностью направления по меньшей мере части света, отражаемого делителем пучка/объединителем пучков, к датчику изображения.
36. Последовательный датчик волнового фронта по п. 35, дополнительно содержащий: первый и второй отражающие элементы, расположенные между первой линзой и второй линзой и ориентированные на излом первого пути пучка.
37. Последовательный датчик волнового фронта по п. 30, дополнительно содержащий: источник света, выполненный с возможностью излучения образующего волновой фронт пучка; сдвигающее на сетчатке пучок зеркало и/или сдвигающее на роговице пучок зеркало, выполненные с возможностью направления образующего волновой фронт пучка вдоль первой оптической оси к первой линзе для обеспечения сдвига образующего волновой фронт пучка по сетчатке и/или роговице глаза пациента или для отслеживания относительного поперечного перемещения глаза.
38. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта, содержащий этапы, на которых:
направляют распространение пучка волнового фронта и передают волновой фронт из предметной плоскости в предметном пространстве к плоскости изображения волнового фронта в пространстве изображения волнового фронта; осуществляют выборку передаваемого волнового фронта апертурой выборки, расположенной по существу в плоскости изображения волнового фронта; и захватывают по существу весь пучок волнового фронта и сдвигают передаваемый волновой фронт сдвигающим пучок элементом, расположенным до апертуры в пространстве изображения волнового фронта.
39. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 38, дополнительно содержащий этап, на котором измеряют осевое расстояние до предмета между предметной плоскостью и предметом, который излучает волновой фронт, чтобы корректируемую калибровочную кривую, применимую к измеряемому осевому расстоянию до предмета, можно было использовать для получения скорректированной характеристики волнового фронта от предмета.
40. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 38, дополнительно содержащий этап, на котором захватывают/регистрируют видеоизображение в реальном времени или статическое изображение предмета, который излучает волновой фронт.
41. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 40, дополнительно содержащий этап, на котором направляют образующий волновой фронт пучок к предмету и сканируют пучок в соответствии с изображением предмета в реальном времени для отслеживания относительного поперечного перемещения предмета.
42. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 40, дополнительно содержащий этап, на котором осуществляют динамическое постоянное смещение сдвигающего пучок элемента в соответствии с изображением предмета в реальном времени, так что, даже когда пучок волнового фронта от предмета поперечно смещается относительно апертуры выборки, сдвигающий пучок элемент может компенсировать смещение, чтобы обеспечивать возможность выборки тех же самых намеченных участков волнового фронта от предмета независимо от поперечного перемещения предмета.
43. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта, содержащий этапы, на которых:
направляют распространение пучка волнового фронта и передают волновой фронт из предметной плоскости в предметном пространстве через по меньшей мере одну плоскость преобразования Фурье в по меньшей мере одном пространстве преобразования Фурье к плоскости изображения волнового фронта в пространстве изображения волнового фронта, при этом по меньшей мере одно пространство преобразования Фурье находится во втором или последующем каскаде передачи волнового фронта; осуществляют выборку передаваемого волнового фронта апертурой выборки, расположенной по существу в плоскости изображения волнового фронта; и захватывают по существу весь пучок волнового фронта и сдвигают передаваемый волновой фронт сдвигающим пучок элементом, расположенным по существу в по меньшей мере одной плоскости преобразования Фурье в по меньшей мере одном пространстве преобразования Фурье.
44. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 43, дополнительно содержащий этап, на котором измеряют осевое расстояние до предмета между предметной плоскостью и предметом, который излучает волновой фронт, чтобы корректируемую калибровочную кривую, применимую к измеряемому осевому расстоянию до предмета, можно было использовать для получения скорректированной характеристики волнового фронта от предмета.
45. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 43, дополнительно содержащий этап, на котором захватывают/регистрируют видеоизображение в реальном времени или статическое изображение предмета, который излучает волновой фронт.
46. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 45, дополнительно содержащий этап, на котором направляют образующий волновой фронт пучок к предмету и сканируют пучок в соответствии с изображением предмета в реальном времени для отслеживания относительного поперечного перемещения предмета.
47. Способ сдвига пучка волнового фронта и выборки волнового фронта по п. 45, дополнительно содержащий этап, на котором осуществляют динамическое постоянное смещение сдвигающего пучок элемента в соответствии с изображением предмета в реальном времени, так что, даже когда пучок волнового фронта от предмета поперечно смещается относительно апертуры выборки, сдвигающий пучок элемент может компенсировать смещение, чтобы обеспечивать возможность выборки тех же самых намеченных участков волнового фронта от предмета независимо от поперечного перемещения предмета.
48. Способ последовательного измерения волнового фронта, содержащий этапы, на которых:
передают падающий волновой фронт из первой предметной плоскости в первом предметном пространстве к первой плоскости изображения волнового фронта в первом пространстве изображения волнового фронта по первому пути пучка посредством первой оптической системы передачи волнового фронта, включающей в себя первую и вторую линзы, причем каждая линза имеет диаметр, фокусное расстояние и оптическую ось, при этом фокусные расстояния и диаметры первой и второй линз выбирают так, чтобы направить падающий пучок волнового фронта, имеющий диоптрийный диапазон в первой предметной плоскости, к первой плоскости изображения волнового фронта; далее передают падающий волновой фронт из первой плоскости изображения волнового фронта ко второй плоскости изображения волнового фронта во втором пространстве изображения волнового фронта по второму оптическому пути посредством второй оптической системы передачи волнового фронта, включающей в себя третью и четвертую линзы, причем каждая линза имеет диаметр, фокусное расстояние и оптическую ось, при этом вторая оптическая система передачи волнового фронта имеет вторую предметную плоскость во втором предметном пространстве, которая находится по существу в первой плоскости изображения волнового фронта, при этом третья линза выполнена с возможностью направления пучка волнового фронта к плоскости преобразования Фурье, расположенной между третьей и четвертой линзами; захватывают по существу весь пучок волнового фронта и сдвигают передаваемый волновой фронт во второй плоскости изображения волнового фронта сдвигающим пучок элементом, расположенным по существу в плоскости преобразования Фурье, расположенной между третьей и четвертой линзами; осуществляют выборку передаваемого волнового фронта апертурой выборки, расположенной по существу во второй плоскости изображения волнового фронта; фокусируют выбранные участки волнового фронта фокусирующей частичный волновой фронт линзой, расположенной до или после апертуры; и измеряют положение пятна изображения, формируемого выбираемыми участками волнового фронта, измеряющими положение пятна изображения устройством, расположенным позади фокусирующей частичный волновой фронт линзы и апертуры выборки.
49. Способ последовательного измерения волнового фронта по п. 48, дополнительно содержащий этап, на котором измеряют осевое расстояние между первой предметной плоскостью и глазом пациента, который излучает волновой фронт, чтобы корректируемую калибровочную кривую, применимую к измеряемому осевому расстоянию до глаза, можно было использовать для получения скорректированной характеристики волнового фронта от глаза.
50. Способ последовательного измерения волнового фронта по п. 48, дополнительно содержащий этап, на котором захватывают/регистрируют видеоизображение в реальном времени или статическое изображение глаза пациента.
51. Способ последовательного измерения волнового фронта по п. 50, дополнительно содержащий этап, на котором направляют образующий волновой фронт пучок к глазу и сканируют пучок в соответствии с изображением глаза в реальном времени для отслеживания относительного поперечного перемещения глаза.
52. Способ последовательного измерения волнового фронта по п. 50, дополнительно содержащий этап, на котором осуществляют динамическое постоянное смещение сдвигающего пучок элемента в соответствии с изображением глаза в реальном времени, так что, даже когда пучок волнового фронта от глаза поперечно смещается относительно апертуры выборки, сдвигающий пучок элемент может компенсировать смещение, чтобы обеспечивать возможность выборки тех же самых намеченных участков волнового фронта от глаза независимо от поперечного перемещения глаза.
