特徵化眼睛相關的光學系統的製作方法

2023-07-05 15:04:51 1

專利名稱：特徵化眼睛相關的光學系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於光學地，尤其在大的觀看角度上，特徵化眼睛相關的 光學系統的方法、設備和裝置。眼睛相關的光學系統包括自然動物眼睛，
其單獨或與Ait晶狀體相結合併且具有或不具有外科或其他改變。它們還 包括具有或不具有改變的物理眼睛模型或仿真眼睛以仿真光學紊亂和/或 校正措施。
光學特性通常涉及折射計；即，例如確定由詢問光線傳播的部分或整 個光路光能包括映射(或空間分解)眼睛相關系統的區域或表面上的屈光 力，其有時候被稱為波前^象差儀。光學特性還可包括確定眼睛相關的系統 的長度，例如從角膜的前表面到視網膜的前表面的距離。諸如角膜的輪廓 和厚度、瞳孔大小和前房的深度的自然眼睛的其他特性對於特定外科過程 (例如，晶狀體置換或者燒蝕雷射治療)來說也可以是重要的，但其不是 本發明的主要關注點。
具體但不排它地，所感興趣的是適合為了指定防近視治療而確定人眼 的外圍折射(優選為長度)的驗光師使用的方法和設備。在這方面，對相 對於光軸為20 ~30度的外圍角尤其感興趣，而達到約40度的角也^|_相關 聯的。甚至更大的外圍角專家也有研究的興趣。
背景技術：
已經使用多種方法和設備來測量眼睛的中心折射誤差和像差。折射誤 差是眼睛的總像差的子集，通常用球形和沿圓柱軸定向的圓柱部件來表 示。儘管可以從總像差的測量值中提取折射誤差，也被稱為低階像差，但 用在臨床實踐中的設備通常專用於折射誤差或總4象差的測量。雖然沒有針 對外圍折射或像差的測量來設計設備，但商業設備被更改以獲得對適應和 不適應眼睛的外圍折射的測量。修改包括需要頭或眼睛移動的情況下偏心 注視的一些形式。
Atchinson [ Atchinson DA. "Comparison of peripheral refractions determined by different instruments". Optom Vis Sci 2003;80:655-60 ]描
7述了兩個自動折射計(Canon AutorefR-l和Shin-Nippon SRW-5000 )和 一種Hartmann-Shack波前像差計的一種比較。利用所有三種i殳備，外圍 折射或總像差通過旋轉眼睛或使眼睛注視沿著鼻和太陽穴呈大至40。的 水平子午線的一系列注視目標上來測量。所有測量被順序進行，病人被指
示注視於特定目標上，然後相對於光軸回到瞳孔位置的中心。儘管Canon 結果更易於變化，但總的來說，三種設備產生類似結果。公布了使用類似 方法和設備並獲得類似結果的若干類似研究。[Gwiazda J， Weber C. Comparison of spherical equivalent refraction of astigmatism measured with three different model of autorefractors. Optom Vis Sci 2004;81:56-61 和 Gustafsson J, Terenius E， Buchheister J, Unsbo P. Peripheral astigmatism in emmetropic eyes. Ophthalmic Physiol Opt 2001;21:393-400 ]。
已經利用了許多不同的光學方法來自動地確定生物眼睛的折射狀態。 所採用的基本原理是將光學圖案或光束投影到視網膜上並分析>^射圖案。 在[Atchinson DA. "Recent advances in measurement of monochromatic aberrations of human eyes". Clin Exp Optom 2005;88:l:5-27 ]中給出這些 方法的綜述。最常用的原理之一在Shin-Nippon SRW-5000設備中得到使 用，其中，紅外環狀目標被投影在視網膜上，並利用CCD相機捕M射 圖像。透鏡中繼系統快速移動，掃描整個聚焦範圍，並且分析多條子午線 中的圖像大小以提供從中可以推導出像差(包括折射)的數據。這些技術 中的一些具有"開放視場"的優點，其中，可通過玻璃窗和半^U1射鏡，見 看在距離內的對象，因此防止了設備近視，而且還允許以偏軸角注視。典 型地，角度注視範圍被限制為在水平方向上小於30。且在垂直子午線中 為其一半。該技術不足以利用或不利用視覺校正設備來特徵化外圍像差。
類似的設備被描述並在Artal等人的實驗室設置中被使用[Artal P， Derrington AM, Colombo E. "Refraction, aliasing, and the absence of motion reversals in peripheral vision". Vision Res 1995;35:939-47〗。點圖 ^^L投影在視網膜上。在軸向移動"聚焦塊"的同時用CCD相機觀察反 射圖像，直到找到具有最小模糊圏的最佳聚焦位置。為了評估散光，還確 定用於最清楚的水平和垂直輪廓的位置。注視目標在水平子午線中15。、 20。和40°的視網膜偏心的位置處被置於舒適的視角距離。
Webb等人描述了修改的Scheiner系統，從而對象IMt—個Scheiner 光束的入射角，直到視網膜上的兩點合併為一個。[Webb RH, Penney CM,
8Thompson KP. "Measurement of ocular local wavefront distortion with a spatially resolved refractometer，，. Appl Opt 1992;31:3678-3686 ]。儘管測 量光束不平行於光軸地進入瞳孔，但角度偏差非常小，並且僅補償眼睛的 近軸波前誤差。非外圍折射測量用該系統看起來是可能的。
在2003， Schmid根據利用光學低相干反射計開發的設備得到外圍軸 長度領情的結果。[Schmid GF. "Axial and peripheral eye length measured with optical low coherence reflectometry，，. J. Biomed. Opt 2003 8(4):655隱662，還參見Schmid等人"Measurement of eye length and eye shape by optical low coherence reflectometry，,， Intnl. Opth. 2001-23(4-6)]。固定LED耦合到中心光路中，以保持眼睛與設備的光軸 對準。光束調整鏡將測量光束大至15。的角度水平和垂直地>^射，用於 偏軸測量。測量原理要求入射光束在相交點處角與角膜垂直地對準。由於 角膜的非球形形狀，對於每個新入射角需要設備的小橫向重新定位。該手 動處理妨礙了角度範圍上的快速測量。
在美國專利6439720中，Graves等人公開了用於測量人眼的較低和 較高階像差的設備。所描述的方法是雙光路技術的若干變化中的一種，從 而探測光束照射視網膜上的點，並在進入眼睛之後分析反射波前。在該專 利中， 一對Littrow稜鏡用於將進入的光束分為兩條平行光束，這兩條平 行光束穿過可移動校準透鏡以在CCD檢測器上生成兩個輕微散焦的圖 像。根據兩個計算機分析的圖像，可以確定目鏡像差。該專利僅描述了較 低和較高階像差的軸測量。
Wd等人[美國專利20052034]公開了一種多功能設備以測量眼軸 長度和角膜地形圖。儘管沒有直接用於獲得像差和折射結果，但該設備是 像差計中使用的若干子部件的特徵，並且軸長參數和角膜散光計lt據的組 合允許折射狀態的一些估計。此外，該設^f5l被設計用於軸測量。但注視 目標僅可以沿光軸移動，以仿真不同的適應響應。
由Molebny等人[US6409345 ]公開了在多個位置處測量眼睛像差的 設備。通iW目對於光軸平行偏移探測光束來實現多個位置。由此，像差映 射被限制為近軸掃描以獲得進入瞳孔的屈光力圖。通過Molebny等人[如 上]，添加注視目標以對準光軸並控制調節。
上述技術通常不令人滿意，這是因為病人不能正確地凝視所需的時 間，並且因為進行測量的外圍角度難以精確或可靠地測量。試圖將幾個點 上的外圍能力映射到眼睛上的 一個位置中都是不實際的，並且不同位置之間的可重複性通常較差。
Neal等人[美國專利6,634,750 ] 7>開了 "tomographic wavefront analysis system and method of mapping an optical system"，其中，詢問光 束在眼睛內的多個位置中進行掃描，從其中反向散射的光被檢測並使用計 算機層析X射線攝影機將其處理為眼睛的三維結構的l象差圖或表示。雖 然避免了外圍凝視的難度，但該系統高度複雜，不適於用在普通的驗光實 踐中，並且看起來不能在相對於光軸大於約10~15度的外圍角度處詢問 眼睛。此外，所公開的技術僅適於使用點光束，並且沒有設想或允許使用 具有諸如正方形、圓形、橢圓形或環形的各種截面形狀的詢問光束，其幫 助自動聚焦/測距和加速波前分析。
需要能夠在寬的外圍角度上更加精確地進行外圍折射測量的方法和 設備，以提供用於確定目鏡形狀、眼睛長度或視網膜輪廓的重要輸入。這 種輸入現在是諸如進行性近視的眼睛病理的研究和治療的重要興趣點。

發明內容
本發明涉及離散光束偏轉器元件陣列的使用，其從眼睛相關的系統的 光軸開始橫向延伸，並且通過該陣列可以在寬範圍的外圍角上將元件詢問 光束導向眼睛相關的系統。這些詢問光束又生成來自眼睛相關的系統中的 返回光束，其經由相似的光束偏轉器元件傳輸至偏轉器裝置。可通過照射 光束或可在陣列上掃描的光束來照射陣列的元件來生成詢問光束。優選 地，從公共點進行掃描，使得所有返回光束被返回到用單個檢測器進行檢 測的源。可以確定眼睛相關的系統的折射誤差和其他像差，並且如果期望，
和其他像差映射到系統表面。這可以通過波前、相對位移、角度、位置或
截面形狀的比較來實現。由於源、照射和詢問光束會具有基;M目同的光學 特性，所以在該比較中將源光束用作詢問光束的代理是方便的。實際上， 通常將會充分存儲關於源光束的數據作為這種比較的基礎。因此，應該考 慮到返回光束與詢問光束的關聯。
光束偏轉器陣列可以在光軸的一側或兩側延/f申，可以為直線或彎曲、 十字、星、圓、盤或線狀。為了簡化和方l更，優選在軸的每一側均等延伸 的線或線性陣列(直線或彎曲)，這是因為這使得將利用陣列的一個設置 來評估眼睛的全部子午線。無論延伸到軸的一側還是兩側，線性陣列都可以旋轉以覆蓋所有子午線和極角。
陣列的每個偏轉器元件都用於(i)偏轉來自光源的照射光束作為進 入眼睛相關的系統的詢問光束，以及(ii)將偏轉或反向散射的返回光束 偏轉至檢測器裝置。詢問光J^目對於光軸的角度通過光束偏轉器元件(例 如，固定或易操作的稜鏡或反射鏡)的特性及其在陣列中的橫向位置來確 定。較遠的偏轉器元件通常會產生較大的詢問角度。以這種方式，利用通 常足以特徵化近視眼以進行校正治療的20和30度之間的角度，可以容易 地掃描達到或超過40度的外圍角。偏轉器元件將可以在陣列內移動位置 以覆蓋多個角度，但增加的複雜度和誤差卻可能不值得這麼做。因此，優 選地，光束偏轉器元件佔用陣列中的固定位置，儘管可以想像各個元件可 以在處理器的控制下傾斜，以調整它們的詢問光束的角度。然而，優選地， 在偏轉器元件上從7>共點開始順序掃描源光束，並且隨著其掃描至y〉共點 每條返回光束經由每個元件返回。
優選地， 一次生成一條詢問光束，使得在任何情況下檢查的i^VA眼 的光的總強度最小。這還增加了檢測器裝置辨別返回光束的能力。然而， 由於可以以其他方式來實現詢問光束的順序形成，例如通過在陣列前和/ 或後使用電子快門或者通過使用可移動光束偏轉器元件，因此，從一個陣 列元件到下一個陣列元件掃描照射光束不是重要的。通過這些方式中的任 意一種，可以在寬範圍的詢問角度上生成快速的詢問光束序列，在很大程 度上通過可檢測返回光束以及記錄相關數據的速率來確定掃描速度。優選 地,通過PC或其他數字處理器/控制器或在它們的控制下自動進行掃描和 檢測。
高度期望快速掃描以允許生物自然眼睛在整個過程中進行良好的注 視，優選地，整個詢問和檢測序列發生在幾秒的周期內。優選地，要求對 象凝視軸上的目標，當確認凝視時，自動啟動掃描序列。優選地，該技術 使得眼睛相關系統的光學特性基本上實時被計算和映射。
在考慮掃描^1度限制的情況下， 一些光束偏轉器元件可以被立即照 射以生成需JHt對單獨的檢測進行區分的多條同步返回光束。這可以通過 使用前面提到的電子快門來實現以分割或脈衝編碼一條或多條返回光束。 還可以採用選擇偏振來區分返回光束，這還可以通過用作選擇偏振器的合 適電子快門來實現。
因為詢問光束隨著其進入眼睛相關的系統會遇到在不同光學特性的 材料之間的多個界面，所以各個返回光束會由一組合成返回光束組成。通常最感興趣的合成返回光束是從視網膜(眼睛相關的系統的最後界面)返 回的光束，這是因為其提供了眼睛中的最長光束路徑。幸運的是，從角膜 和視網膜返回的合成光束還經常是最亮和最清楚的。雖然從眼睛相關的系 統內的其他表面返回的合成光束更加難以檢測以及難以彼此區分，但本發 明的技術使得這種合成返回光束被選擇用於分析。與角膜和視網膜相關的 返回光束分量的選擇和比較將允許使用幹涉方法來確定眼睛長度，眼睛長 度被嚴格關注用於監控近視的選艮。
眼睛長度的幹涉測量可以與眼睛的折射像差的映射相結合，具有隨著 通過使用移動反射鏡掃描器，由源光束在單個或公共點處生成掃描照射光 束的特定優勢。這使得具有其視網膜和角膜分量的每條返回光束將返回到 對於每條返回光束可以確定像差和角膜-視網膜距離的公共位置。公共位 置是在掃描點之前的源光束，其中，返回光束可以使用光束分裂器耦合到 檢測器光束路徑和幹涉計光束路徑中。為了測量視網膜-角膜距離，參考 光束(源光束的一部分)也被耦合到幹涉計光J^徑中，使得其可以以可 被檢測到的方式來幹涉返回光束分量，通過以改變幹涉光^目對於在該路
徑中的返回光束的長度的方式來改變幹涉光;^徑的方式來產生幹涉。雖 然不相同，但可通過移動反射鏡和監控幹涉，反射鏡相對於視網膜-角膜 距離移動的距離來影響長度的變化。為了以這種方式實現幹涉，參考光束 (由此，源光束)優選具有低相干性、基本單色以及優選在近紅外範圍內。
才艮據一個方面，本發明關於用於光學地特徵化眼睛相關的光學系統的 方法，包括照射從光軸開始橫向延伸的陣列中的光束偏轉器元件，來生 成以相關的預定角度導向眼睛相關的系統的詢問光束；檢測經由照射的光 束偏轉器元件從眼睛相關的系統返回的反射或反向散射的返回光束；以及 將返回光束與詢問、照射或源光束進行比較，從而確定呈預定角度的表示 眼睛相關光學系統的4象差的波前差。
根據另一方面，本發明關於基於上述方法的設備，包括光束偏轉器 元件的陣列，從光軸開始延伸；用於照射陣列以生成詢問光束的裝置；用 於檢測返回光束並將它們與未失真詢問、照射或源光束進行比較的裝置， 可以假設所有這些裝置都沒有像差或者至少具有經校準的像差。通常，源 光束(由此，照射光束、詢問光束和返回光束)具有可見或紅外區域內的 窄光譜寬度，如上所述，近紅外為優選的。
根據另 一方面，本發明的方法可採用橫向延伸的光束偏轉器元件的陣 列，以生成以外圍角度被順序導入對象眼睛的詢問光束，使用陣列的偏轉器元件以將根據每條詢問光束從眼睛返回的光導向公共檢測裝置作為返 回光束的序列，區分每條詢問光束與其各自返回光束的波前，以確定沿著 詢問光束和眼睛內返回光束的路徑的眼睛的屈光力。
術語"前"和"後"以及"向前"和"向後"用於表示相對於眼睛相 關的系統的相對位置。因此，(所採用的)光束偏轉器元件的陣列將位於 眼睛相關的系統的前面，詢問光束將從陣列向後行進到眼睛相關的系統 中，以及返回光束將向前行進到陣列。
具體實施例方式
描述了本發明的特性，現在將參照附圖描述具體實例。然而，本領域 的技術人員應該理解，在不背離上述本發明的範圍的情況下，可以對實例 做出許多變化和修改。


在附圖中
圖1是根據本發明形成的設備的第一實例的基本光學布局的基本示 意性平面圖，其中，偏轉器裝置包括稜鏡陣列。
圖2示出了對圖1實例的一種可能的修改，其中，包括偏轉器陣列的 稜鏡以弧形傾斜和配置。
圖3是圖1的設備的光學布局的放大且更詳細的示意性側視圖。
圖4是示出一些附加特徵或改進的圖3設備的放大的部分細節。
圖5是包括第二實例的設備的示意性側視圖，該第二實例與圖1至圖 4的第一實例具有用於光束操作的不同光學配置。
圖6是包括用於測量眼睛長度和/或其元件之間距離的圖3設備的示 意性側視圖。
在圖1中示意性示出了笫一實例的設備10的基本布局。在這種情況 下，偏轉器元件14的陣列12是在所研究的眼睛相關光學系統18的光軸 16的每一側對稱橫向延伸的線性行。假設系統18是具有或不具有附加人 造晶狀體或其他更改的病人的眼睛。照射光源、控制處理器和返回光M
13測器由配置在軸16上的單個無差別單元20表示，將參照圖3對其進行詳 細描述。單元20將由箭頭22表示的照射光束導向陣列元件14，以生成 由箭頭24表示的對應詢問光束組，該詢問光束組以相對於軸16的不同外 圍角被導入眼睛系統18。通過每條詢問光束24生成由箭頭23表示的返 回光束，並經由各個元件14將它們導回到單元20用於檢測。將照射光束 22順序地從一個元件14導向下一元件，從而順序地生成詢問光束24和 返回光束23是方便的。
在該實例中，由箭頭25、 27和29表示中心照射光束、對應的中心詢 問光束和對應的中心返回光束。此外，在該實例中，每個偏轉器元件都是 具有頂角使得每條詢問光束24都被導向眼睛18，以及每條返回光束23 被導向單元20的稜鏡(除中心元件14c之外)。事實上，中心元件14c是 不偏轉照射光束的無效元件，其可以是如所示出的平行側面的平面玻璃， 但其甚至是不必要的。此外，在該實例中，陣列l基本上為線性，使得詢 問光束24和27基本共面，使系統18的一條子午線(在本實例中為水平 子午線)祐卩研究。系統的非水平子午線可通it^目對於眼睛18繞光軸16 簡單旋轉設備IO來研究。
可以以各種方式來實現每次將一條詢問光束24和27傳輸進入眼睛 18並且生成對應的返回光束23和29的序列。首先(如將在下面描述的)， 單元20可包括將單個窄照射光束從一個元件14導向另 一元件的光束掃描 器。第二，多個元件14可以被一次照射，並且詢問光束24和27可以被 傳送(gate )，來實現眼睛18的掃描和返回光束23和25的序列的生成。 例如，這可以通過在陣列12和眼睛18之間插入電可控LCD快門26並將 其用作允許來自稜鏡14的詢問光束24 —次進入眼睛18 —條光束的掃描 裝置來實現。第三，可以在陣列12和單元20之間插入類似的快門28, 以傳送照射光束22和25，從而一次照射一個或多個元件14。因此，對單 元20來說，並不是必須包括掃描裝置，並且可以在單元20中的掃描裝置 與諸如表示為26和/或28的快門之間分配掃描功能。
以這種方式，連續的詢問/返回光束隨著它們進入和離開眼睛18而以相對於軸16的連續較;^/較小角度成對地發勿匯聚。從一個角度到下一相 鄰角度的順序掃描可能會是最方便的，但可以使用許多其他掃描序列來使 可能由固定順序掃描引起的偏差最小化。可通過在單元20中4吏用掃描器 容易地實現一次照射多於一個的光束偏轉器元件14，然後，需要將產生 的多個同步返回光束區分開來。這可以通過使用快門26或28作為光束斬 波器或選擇偏振器來進行，從而在檢測器中對需要彼此區分的每條返回光 束有差別地編碼。
在圖2中示出了圖1的設備10的第二變更例，並且該i殳備M示為 10a。在該變更例中，包括陣列12的偏轉器元件的稜鏡14a以彎曲或弧形 (而不是共面)進行配置並JU目對於圖1的對應稜鏡傾斜，使得光束的入 射角和出射角相等。根據陣列的橫向尺寸和其中偏轉器元件的個數，這種 配置可以提供改進的性能。
圖3是圖1的設備10或圖2的變更例10a的更加詳細的側視圖，其 中，分別示出了單元20的主要部件。光源30經由光束分裂器34將準直 源光束32導向振蕩>^射鏡掃描器36，其通過致動器37移動以生成從陣 列12的一個偏轉器到下一偏轉器掃描的照射光束22，從而生成在期望範
因此，掃描反射鏡36形成對於光束24的點光源或公共點以及對於所有返 回光束的公共點9 (用X來表示)。因此，從視網膜38返回的每條返回光 束23都經由偏轉器陣列12和掃描^Jt鏡36回到光束分裂器34,該返回 光束通過光束分裂器34經由聚焦系統42被轉移到光電檢測器44。系統 42包括可移動透鏡組件43,其可以如箭頭46表示在整個聚焦範圍內軸向 的前後方向移動。雖然源光束32(由此，照射、詢問和返回光束22、 24 和23)可具有任何期望的光斑，但優選盤狀或期望的環形截面、通常如 在已知自動折射器(如上面提到的Shin-Nippon SRW-5000 )中使用的環 形截面，因此其可以以基本標準的方式被分析和處理。
因此，每條返回光束23 (或者更正確的，其在檢測器44處的圖像48 ) 都包含^L檢測器44 (優選為光電傳感器的二維陣列)捕獲或量化的眼睛系統的折射狀態的信息。
最後，單元20包括中央處理器和控制器49，其可以方l更地包括專用 PC並被連接以接收和分析檢測器44的輸出，並在伺服控制下驅動透鏡組 件43。處理器49還連接至控制掃描驅動器37，並確保照射和返回信號檢 測的正確定時。還示出了光源30和處理器49之間的連接，其將容易確保 源光束32被正確配置以及當前源光束截面圖案的表示被存儲用於與圖像 48的比較。
在接收每條返回光束23的同時，沿著光軸的方向移動聚焦透鏡組件 42以改變圖像48的焦點尺寸和形狀。通常，對三個返回光束圖像形狀的 每一個記錄聚焦組件42的三個位置 一個位置為圖像(點或環)看起來 最小且最清晰聚焦的位置；第二個位置為圖像在一個子午線中看起來被最 大拉長的位置；以及第三個位置為圖^象在不同子午線(通常為與第一子午 線正交的子午線)中被最大拉長的位置。透鏡組件42的這三個位置分別 表示眼睛的球形等值屈光能力、折射的矢狀像散分量和切向像散分量。可 以下面的基本方式來理解與眼睛18的球形等值屈光能力相關的點/圖像大 小的意義。由於使進入眼睛18的詢問光束24成為平行的，所以正常或正 常眼會返回平行的準直光束，近視眼會返回匯聚光束，而遠視眼會返回發 散光束，這兩種情況都會導致較大的圖像尺寸。
圖4示出了可以增加以提高圖1和圖2的設備10或變更例10a的性 能的一些部件。可移動的注視目標50位於凝視光^^徑52上，其通過第 一附加光束分裂器54光學耦合至返回光J^徑23中和光軸16上。注視 目標50將眼睛的凝視軸與系統的光軸16對準並控制眼調節。凝*徑 52中的第二附加光束分裂器56將眼睛18的圖像導向CCD檢測器58上， 使得由於CCD檢測器58接收到經由光束分裂器54和56的目鏡圖像而 監控凝視方向和眼睛對準。光學或聲學距離傳感器60可用於(可選或附 加地)表示何時眼睛18似乎被軸向對準。傳感器60，如果期望則與檢測 器58 —起，可連接至處理器49 (圖3 )(由標誌為P的箭頭表示)，使得 可以自動進4亍測量周期的啟動。圖5示出了包括本發明第二實例的i殳備60的光學布局，其具有不同 於第一實例的偏轉器陣列62，但其他都基; M目同。因此，相同的參考標 號用於設備60與第一實例的圖1或圖2基;^目同的元件。圖5是如圖3 或圖4的平面圖。
如在第一實例中，設備60的陣列62包括光束偏轉器元件63的行， 但是在這種情況下，每個偏轉器元件63都包括可通過致動器66傾斜的反 射鏡(或可選地為稜鏡)64。應該理解，如果反射鏡64被固定，則設備 60與第一實例的設備10基^目同，其中，通過光源和檢測器單元20中 的掃描裝置和/或通過LCD快門26或LCD快門28 (參見圖1 )執行掃描 功能。致動器66可以是諸如鈦酸鋇壓電致動器的已知固態器件。這使得 第二實例的設備60起到與第一實例的設備完全不同地作用，這是因為每 個元件63都可以被用作快門或掃描器。設想大量不同的運行模式。
首先，可以在陣列62中使用許多偏轉器元件63,因為它們的合成反 射鏡64和致動器66可以做的非常小並被非常精確地安裝。與第一實例中 陣列12的稜鏡14相比，至少對於尤其感興趣的眼睛的部分，它們可以更 緊密地配置在一起。雖然可以參照圖3描述的類似方式操作光源、檢測器 和處理器單元20以沿著陣列63掃描照射光束22,但其將難以確保掃描 光束22不會一次照射多於一個的緊密隔開的偏轉器及^射鏡。因此，致動 器66可被操作，以(i)僅"正確地"移動反射鏡64的角度以將其詢問 光束24導向眼睛18,以及(ii)"不正確地"移動附近的反射鏡64的角 度，以確保它們生成的任何光束都不被導向眼睛18。這使得圖3的掃描 器36/37實現粗掃描，留下細掃描祐^Jt鏡64執行。如將從第一實例的 描述理解的，被正確移動一定角度以將詢問光束22導向眼睛18的反射鏡 還將被正確移動一定角度，以將來自視網膜38的返回光束23導向單元 20的檢測器。因此，在剛剛描述的操作模式下，可類似於圖1的快門26 (或28 )來操作光束偏轉器元件63(包括反射鏡64和它們的致動器66 )。
第二，多元件陣列62的光束偏轉器元件63可以被^^作以執行第一實 例的掃描^^射鏡36的一部分或所有掃描功能。例如，代替將小反射鏡緊密地安^L一起以精確地詢問特別感興趣的眼睛區域， 一系列較大的反射 鏡64可以被採用單元20中粗掃描器的照射光束22的粗掃描連續地照射 (類似於第一實例中描述的反射鏡36)，並且每個被照射的反射鏡64可 以被其致動器66移動，以實現在小範圍角度上的詢問光束24的細掃描。
圖6示出了形成本發明第三示例性實施例並能夠測量眼睛長度以及 波前像差和外圍折射的設備80和方法。設備80結合了圖3和圖4的設備 用於測量波前〗象差和外圍折射，並將其添加到幹涉計光M徑82中用於 測量眼睛長度。相同的參考標號將用於具有與設備10基^目同功能的設 備80的那些部分，並且這裡將不對其進行詳細描述。
幹涉計光束路徑82 ^皮配置為相對於光源30發射的源光束32a基本呈 直角。其包括(i)配置在掃描^Jt鏡36之前的光束32中的附加光束分 裂器84， (ii)離散補償元件86， (iii)附加可移動反射鏡88，以及(iv) 附加光電檢測器卯。如箭頭92所示，反射鏡88可在處理器49 (圖3 ) 的控制下通過致動器93沿著光束路徑82朝向或遠離光電檢測器90移動。 優選地，致動器93被操作以使反射鏡88前後往復運動。
下文中假設眼睛系統18的軸長M感興趣的對象，所以應該考慮軸 向照射、詢問和返回光束25、 27和29。在使用中，源光束32a經過附加 光束分裂器84，並在點A處被分裂為兩個新光束部分光束32，繼續掃 描反射鏡36 (如前所述)；以及參考光束94，被分裂器84反射到光M 徑82中以使反射鏡88往復運動，使其從反射鏡88經由點A返射回檢測 器卯。由於通過分裂器84反射到檢測器90的返回光束部分29a和29b 也經過點A與檢測器卯之間的千涉路徑82的一部分，所以幹涉光束94 會與返回光束部分29a和29b幹涉或相遇。當然需要的是，往復運動期間 反射鏡88的行進足以引起兩個返回光束部分29a和29b之間的幹涉。這 些幹涉被檢測器90檢測並與反射鏡88的精確位置一起被傳輸至處理器 49(如具有字母P的箭頭所表示的)。為了方4更，假設當反射鏡88處於點 Dl時發生與返回光束部分29a的幹涉，以及當反射鏡88處於點D2時發 生與返回光束部分29b的幹涉。更具體地，如果光學距離[A， B， C1] + [A， D2]和[A, B， C2 ] + [A, D2]相等，則會發生幹涉。由於D1和D2之間的相對距離根據反 射鏡位置而精確已知，所以點C1和C2之間的光學距離也已知。然後， 可通過使用目鏡介質的已知組折射率值來計算角膜和視網膜表面之間的 物理距離，以將光學距離轉換成物理距離。可通過將離散補償元件86用
在光束路徑82中來改進測量精度，這種裝置在本領^m公知的。應該理
解，雖然在附加光束路徑82中採用的表示眼睛長度的一般光學技術不是 新技術(例如，參見上述Schmid的參考文件)，但與設備10的具體結合 是非常有用的、優良且新穎的。然而，還應該理解，光學表示眼睛長度的 其他已知技M可以被分別使用或與本文公開的光學特性系統結^^吏用。
雖然已經描述了本發明的多個實例及多個變更例，但應該理解，在不 不背離由以下權利要求所定義的本發明範圍的情況下，可進^i午多其他l務 改。在實例中使用的具體術語和配置僅是為了示意而不是為了限制本發 明。
權利要求
1.一種光學地特徵化眼睛相關的光學系統的方法，所述眼睛相關的光學系統具有縱向光軸，所述方法包括以下步驟從離散光束偏轉器元件的陣列的每個元件中生成詢問光束，所述陣列從所述光軸橫向延伸，將所述光束以相對於所述光軸的角度導向所述眼睛相關的光學系統，所述角度至少部分地通過所述陣列內的元件的橫向位置來確定，檢測來自所述眼睛相關的光學系統的返回光束，所述返回光束由所述詢問光束生成並以所述角度經由所述光束偏轉器元件返回到檢測裝置，以及將所檢測的返回光束與所述詢問光束和圖像進行比較，以確定在所述角度處所述眼睛相關的光學系統的像差。
2. 根據權利要求l所述的方法，包括以下步驟通過用從公共點發射的照射光束照射所述光束偏轉器元件來生成所 述詢問光束，所述照射光束被所述光束偏轉器元件偏轉以形成所述詢問光 束，以及將所述返回光束返回到所述公共點用於檢測，使得所述陣列的每個光 束偏轉器元件都能被各自的照射光束所照射，以生成呈各個角度的各個詢 問光束，以及使得由此生成的每條返回光束被返回到所述公共點用於檢 測。
3. 根據權利要求2所述的方法，包括以下步驟 從光源生成窄源光束以形成所述7〉共點， 引導每條返回光束以沿著所述源光束逸回，以及從所述源光束轉移每條返回光束的至少一部分用於檢測。
4. 根據權利要求3所述的方法，包括以下步驟在所述光束偏轉器元件的陣列上移動所述照射光束，從而以順序方式 生成所述詢問光束和各自的返回光束。
5. 棉4t權利要求3所述的方法，包括以下步驟在所述陣列的光束偏轉器元件上順序掃描所述照射光束，以順序生成所述詢問光束和所述返回光束，以及順序檢測由此生成的所述返回光束。
6. 根據權利要求4或5所述的方法，包括以下步驟 採用包括移動反射鏡的掃描裝置，利用所述源光束照射所述移動反射鏡以在所述反射鏡上形成所述公 共點，使得所述照射光束被形成並從其中被掃描，沿著每條被掃描的照射光束將每條返回光束導回到所述反射鏡，使得 由所述反射鏡沿著所述源光束《1導每條返回光束用於檢測。
7. 根據權利要求3至6中任一項所述的方法，包括以下步驟從所述源光束分離之後通過對每條返回光束進行聚焦以在光電檢測 器上形成圖像，從而由所述光電檢測器生成對應輸出信號，來檢測所述每 條返回光束，在焦距範圍內改變所述圖像的焦點，以及記錄所述輸出信號，用於與表示各個詢問光束的對應記錄圖l象進行比較。
8. 根據權利要求2至7中任一項所述的方法，包括以下步驟 同時照射多個光束偏轉器元件，以同時生成對應的多條返回光束， 有差別地編碼所述多條返回光束，以及使用所述編碼分別檢測每條返回光束。
9. 根據權利要求2至8中任一項所述的方法，包括以下步驟 同時照射多個光束偏轉器元件，以同時生成對應的多條詢問光束，以及選擇性地傳送所述多條詢問光束，以允許少數詢問光束通向所述眼睛 相關的系統。
10. 根據權利要求2至9中任一項所述的方法，包括以下步驟 同時在多個光束偏轉器元件處引導多條照射光束，以及選擇性地傳送所述多條照射光束，以選擇性地照射所述多個光束偏轉 器元件。
11. 根據權利要求2至10中任一項所述的方法，包括以下步驟移動所述光束偏轉器元件中的至少一個，以改變由所述元件的至少一 個生成的所述詢問光束的角度。
12. 根據權利要求3至11中任一項所述的方法，其中，所述眼睛相 關的光學系統是自然人眼或其模型，其具有角膜表面和視網膜表面，使得 每條返回光束都具有表示來自所述角膜的反射的第一分量和表示來自所 述視網膜的反射的第二分量，所述方法包括以下附加步驟將來自所述源光束的每條返回光束的一部分轉入在一端具有幹涉檢 測器以及在另 一端具有^Jt器的幹涉計光M徑中，所述反射器能往復運 動以縮短或加長所述幹涉計光M徑，將所述源光束的 一部分轉入所述幹涉光M徑以形成參考光束，使所述反射器往復運動以改變所述幹涉計光^J^徑的長度，以在所述 反射器的第 一位置處產生所述參考光束與所述路徑中所述返回光束的第 一分量之間的第 一幹涉，所述第 一幹涉被所述幹涉檢測器檢測，使所述反射器往復運動以改變所述幹涉計光A^徑的長度，以在所述 反射器的第二位置處產生所述參考光束與所述路徑中所述返回光束的第 二分量之間的第二幹涉，所述第二幹涉被所述幹涉檢測器檢測，以及確定所述第一位置與所述第二位置之間的距離，所iU巨離表示眼睛的 角膜和視網膜之間沿各個返回光^5M^的物理距離。
13. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述眼睛相關的 系統是近視患者的眼睛，其中所述方法包括以下步驟確定所述眼睛與所述光軸對準，以及然後執行在前述權利要求中任一項所述的步驟，以在短到足以避免明顯無 意的眼睛移動的時間段內確定在相對於所述光軸至少30度的角度處的外 圍眼睛4象差。
14. 一種用於相對於光軸光學地特徵化眼睛相關的光學系統的i更備， 所迷設備其中離散光束偏轉器元件的陣列，相對於所述光軸橫向延伸，提供以相對於所述光軸的角度由所述眼睛相關的光學系統中所述元 件的每一個生成詢問光束的裝置，所述角度至少部分地由所述陣列內的陣列元件的位置來確定，該配置使得在使用所述設備時，經由各個光束偏轉而生成的返回光束，檢測器，被提供用於檢測每條返回光束，所述檢測器裝置具有用於發 &示每條所檢測的返回光束的輸出信號的檢測器輸出，以及處理器，連接到所述檢測器輸出以接收所述輸出信號，並適於將所述 輸出信號與表示所述詢問光束或照射光束的信號進行比較，並且適於生成表示所述返回光束通過的所述眼睛相關的系統內的路徑的像差的處理器輸出。
15. 根據權利要求14所述的設備，包括 光源，適於沿源光束路徑生成並傳播源光束，照射裝置，光學地連接至所述源光J^徑，並適於在所述陣列處生成 並引導照射光束以照射所述光束偏轉器元件，從而從所述元件生成所述詢 問光束，該配置使得當使用所述設備時每條返回光束經由所述照射光束返 回到所述源光束，光束分裂器，在所述源光^M聖內，適於將所述源路徑中的每條返回 光束的至少 一部分轉向所述檢測器。
16. 根據權利要求15所述的設備，其中，所述照射裝置包括光束掃描器，適於在所述陣列的光束偏轉器元件上 掃描所述照射光束，以生成一系列詢問光束和返回光束。
17. 根據權利要求15或16所述的設備，其中，所述照射裝置，適於一次照射多於一個的光束偏轉器元件，電子快門，設置並定位在所述陣列之前，所述快門適於控制哪個光束 偏轉器元件被所述照射裝置照射。
18. 根據權利要求15至16中任一項所述的設備，其中，所述照射裝置，適於一次照射多於一個的光束偏轉器元件，電子快門，i殳置在所述陣列之後，所述快門適於確定能夠進入所述眼 睛相關的系統的所述詢問光束。
19. 根據權利要求15至18中任一項所述的設備，包括 編碼裝置，適於有差別地編碼多條返回光束，以利於通過所述檢測器裝置對其進行分別檢測。
20. 根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，可移動光束偏轉器元件，被安裝以相對於所述陣列移動，致動器，,皮^接至所述可移動光束偏轉器元件用於移動所述元件，所述致動器連接至所述處理器從而進行操作，以選擇性地改變由所述 可移動元件生成的返回光束的角度。
21. 根據權利要求14或15所述的設備，其中，所述眼睛相關的光學 系統為自然人眼及其模型，所述眼睛具有角膜表面和視網膜表面，使得每 條返回光束都具有表示來自所述角膜的反射的第一分量和表示來自所述 視網膜的^^射的第二分量，其中，所述設備具有與所述源光M徑交叉的幹涉計光^徑，笫二光束分裂器，位於所述源路徑與所述幹涉計光束路徑的交叉點 處，並適於將所述源光束的一部分轉入所述幹涉計光M徑中作為參考光 束，並將在所述源光M徑中通過的返回光束的一部分轉到所述幹涉計光 束絲中，幹涉檢測器，配置在所述幹涉計光A^徑的一端，並連接至所述處理 器以當檢測到所述參考光束與所述源路徑中的所述返回光束之間的幹涉 時向所述處理器發送信號，>^射器，配置在所述幹涉計光M徑的另一端，反射器致動器，連接至所迷反射器和所述處理器，用於使所述反射器 在所述處理器的控制下沿著所述幹涉計光束路逕往復運動，以改變所述幹 涉計光M徑的有效長度，以及在^作期間，所述返回光束的所述第一分量與所述參考光束之間的幹 涉與所述>^射器致動器的第 一位置一起被以信號形式發送到所述處理器， 以及所述返回光束的所述第二分量與所述參考光束之間的千涉與所述反 射器致動器的笫二位置一起被以信號形式發送到所述處理器，從而使所述 處理器能夠計算所述眼睛的角膜和視網膜之間沿著所述眼睛內的返回光 束的路徑的距離。
全文摘要
用於特徵化眼睛相關光學系統的設備和方法，包括人眼(18)，涉及從在眼睛(18)的光軸(16)上橫向延伸的元件14的光束反射器陣列12的一個元件到另一元件掃描來自光源和光檢測器單元(20)的照射光束(22)。在每個連續元件(14)處，照射光束(22)被偏轉，來形成以取決於偏轉器元件的橫向位置的外圍角度導向眼睛(18)的詢問光束(24)。返回光束(23)從視網膜(38)反射或反向散射，並經由同一反射器元件返回到光源和檢測單元(20)。這使得詢問光束被充分快速地在眼睛中掃描，以大大減少眼睛注視和凝視的變化，與測量自然人眼的外圍折射或像差的其他方法相結合。此外或者替代在陣列(12)的每個元件(14)上掃描照射光束(22)，陣列(12)的所有或多個元件(14)可以被同時照射，並且由此生成的多個詢問光束(24)可以通過使用LCD光圈板(26)隔斷。可選地，LCD光圈擋板(28)可以設置在寬照射光束(22)之間，並被操作以選擇性地照射光束偏轉器。
文檔編號A61B3/103GK101668475SQ200880013957
公開日2010年3月10日 申請日期2008年3月28日 優先權日2007年3月28日
發明者亞瑟·霍, 克勞斯·埃爾曼, 布裡安·安託尼·霍爾登 申請人:眼科研究所有限公司