CN1764411A - 莫尔像差计 - Google Patents

Abstract

一种改进的测量光学系统(110)的波前像差的莫尔弯度计设备(100)，包括用于照明所述光学系统的表面区域(112)的光源(120)，用于将散射光线引导到将波前转换为莫尔条纹图案的弯度计部件(150)的光学中继系统(140)，用于对所述光学系统的出瞳(114)和所述莫尔条纹图案进行成像和显示的传感器/照相机部件(160)，以及用于计算所述光学系统的波前像差的条纹图案分析器，其改进之处在于对光学系统的出瞳(114)进行照明的照明源(130)；以及与所述照明源按照将所述设备的测量轴一致并准确对齐到所述光学系统的方式而协同工作的对齐系统(180)。相关方法也在此公开。

Description

莫尔像差计

发明领域

本发明主要涉及一种人眼波前传感设备和方法，并且尤其涉及一种基于莫尔弯度测量原理的波前传感设备和方法。

技术背景

高达第十阶的Zernike多项式的人眼波前像差的测量在眼科领域中获得不断增长的应用，尤其是涉及例如LASIK、LASEK、PRK等折射外科手术的应用。仅仅测量角膜解剖结构不再能够满足确定如何对人的角膜进行最佳整形以校正视力。并且尽管角膜解剖结构测量系统与厚度测量(pachymetry)设备和光线追踪技术结合在一起使用可以提供大量关于人眼睛和视力问题的信息，像差测量自身即可提供关于人眼的整个光学系统的视觉缺陷的独特信息。波前传感在从针对传统的散焦和散光校正的客观屈光测量直到辅助设计定制眼科镜片(例如隐形眼睛、IOL等)和定制激光切除处理等领域具有广泛应用，所述激光切除处理能够提供达到人类肉眼的理论极限的视觉改善。

像差计及其工作原理可以大致分为四种类型：(1)外向型(例如Hartmann-Shack)；(2)双通型(例如缝隙测眼术)；(3)内向可调整型(例如空间分辨折射计)；以及(4)视网膜成像像差计(例如Tscherning、Tracey)。在当前商业环境中，基于Hartmann-Shack波前传感器的像差计最为流行。然而，Hartmann-Shack以及各种商业可用的设备中实施的其他波前测量原理均具有各自可以识别出的优点和缺陷。感兴趣的读者可以参考“Journal of Refractive Surgery，Vol.16，No.5(9/102000)”，其中在第一届波前传感和无像差屈光校正国际会议(“the FirstInternational Congress of Wavefront Sensing and Aberration-FreeRefractive Correction”)的会议记录的基础上提供了对眼科像差测量的全面论述。

眼科波前传感和分析绝非限制于上述范围。精神物理学领域的学者，以其中几个为例，例如20世纪60年代的Smirnov，80年代中期的Howland，以及80年代晚期直到90年代中期的Liang和Williams，采用了各种光学原理以获取并分析视觉像差数据。同样的，大量眼科应用知识是从天文学、战略防御主动权以及光学镜片测试中转换而来的。

在国际专利申请公开WO92/01417中，Horwitz讨论了依赖于莫尔条纹产生和分析即通常所知的莫尔弯度测量(deflectometry)的自动双眼视觉测量和校正。所述公开描述了声称具有测量高达256种人眼像差的能力的双眼设备，以及设计和制造定制眼科镜片和激光屈光手术的技术的应用。在1999年，Horwitz美国专利5,963,300公开了一种部分基于莫尔弯度测量的眼睛生物计，并且包括对用于提供波前像差信息的傅立叶分析的有限论述。尽管发表了300项专利，但是该项眼睛波前传感的技术应用还需要进一步完善，这些完善工作至少部分地由Quiroga等人完成，参见“Fourier transform method for automaticprocessing of moirédeflectograms，Opt.Eng.38(6)974-982(June 1999)”。

Hartmann-Shack型像差计的测量限制以及其尺寸、成本和复杂度是本领域技术人员清楚明白的问题。本发明人认识到对莫尔弯度测量设备和方法的改进能够有利的解决与当前像差计技术相关的多种问题。因此，本说明书公开了改进的莫尔弯度测量设备和方法，本发明者认为该改进与Hartmann-Shack和其他商业可用的眼睛像差测量系统相比能够提供具有更高分辨率、更高可靠度和精确分析能力的波前测量，并且更简单，成本更低，以及更具有鲁棒性。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种测量光学系统的波前像差的设备，所述光学系统优选的为人体肉眼和为了校正目的设置的测试目标。本发明实施的设备基于莫尔弯度测量原理。莫尔弯度计包括用于照明测试中的光学系统的选定表面区域的光源，用于将从所述光学系统的表面区域散射的光源照明引导到弯度计的光学中继系统，所述弯度计将从光学系统出射的波前转换为莫尔条纹图案，用于感测所述莫尔条纹图案的传感器/照相机部件，以及用于计算所述光学系统的波前像差的条纹图案分析器，其中该设备的改进的特征在于照明所述光学系统的出瞳的照明源，以及能够将测试中的光学系统一致并精确的对齐到所述设备限定的测量轴的对齐系统。本实施例包括以下优选方面：所述光源以准直光束形式发出相干光束，所述准直光束在所述光学系统的前表面(例如泪液膜(tear film)/角膜)处具有大于衍射限度尺寸约1mm的横截面直径。所述准直光束在前表面处的传播轴相对于所述光学系统的光轴大约平行偏移1mm。优选波长为大约780nm。所述弯度计包括具有互相正交、周期性的格线的第一方形栅格以及优选为相同的第二方形栅格。所述两个方形栅格位于所述光轴上，使得第一方形栅格的格线与所述传感器/照相机部件中的感测器对齐相对应的笛卡尔坐标系统的x-y平面中的x轴和y轴对齐。所述第二方形栅格位于所述第一方形栅格下游一个或多个Talbot距离处，并且相对于第一方形栅格在x-y平面内旋转θ角度，所述θ角度在0°和90°之间(不包括0°和90°)。所述传感器/照相机部件优选为CCD感测器照相机，具有将莫尔条纹图案聚焦到所述感测器上的相关联的透镜。所述照明源优选的为可控的远IR源，在波前测量的对齐阶段期间提供对所述光学系统的出瞳的均匀照明，并且能够在波前测量的采集阶段期间不对所述光学系统的出瞳进行照明。所述设备进一步包括对齐系统，所述对齐系统优选的具有软件产生的所述照相机显示屏中的十字准线(cross-hair)标记，用于提供沿着所述设备的测量轴的出瞳的中心位置的标识。

本发明通过下面的详细描述可以更加容易理解。然而，应当理解，这些阐述本发明优选实施例的详细描述和特定例子仅作为示例方式给出，对于本领域技术人员在此处的描述和附图以及所附权利要求书的基础上，在本发明实质和范围内的各种变化和改动都是显而易见的。

附图简述

图1是根据本发明一个实施例的莫尔弯度计的示意图；

图2显示了周期性目标的无像差Talbot成像原理；

图3显示了周期性目标的有像差Talbot成像；

图4显示了交叉方形栅格周期性目标的有像差Talbot成像；

图5显示了由于第一周期性目标和第二周期性目标之间的相对旋转引起的莫尔效应；

图6显示了由于扭曲Talbot图像和第二周期性目标的重叠引起的莫尔效应；

图7是根据本发明一个实施例的x-y平面中的两个交叉方形栅格之间的相对旋转的示意图；以及

图8是根据本发明一个实施例的与交叉准线对齐的测试中的光学系统的出瞳的照相机图像的示意图。

具体实施方式

图1中显示了根据本发明的莫尔波前传感器设备100的实施例。所述设备本质上为莫尔弯度计，对光学系统110的波前像差进行测量和分析。所讨论的光学系统包括人体肉眼和为了校正目标而设置的测试目标，然而本发明并不限于这些目标的测量。系统110作为单通道波前测量系统而工作，该术语在本领域中是公知的。也就是说，在光学系统的后部散射表面112即视网膜上创建具有适当点直径的点光源。后部表面112以波前125的形式漫反射和散射通过并离开光学系统110的小光斑。

在此公开的设备的基本工作原理是基于Talbot成像的。Talbot成像是通过周期性目标例如透射光栅产生的衍射现象。在平面波的适当照射下，所述目标的完美复现出现在固定距离处的所谓的Talbot平面上，如图2所示。Talbot平面的位置Z_j依赖于所述目标的周期p和光线的波长λ，满足关系Z_j＝p²j/λ。如果所述照明波前有像差，则Talbot图像被扭曲，如图3所示。扭曲量依赖于垂直于所述目标的栅格取向的方向上的波前倾斜。图4所示并在下面详细描述的交叉光栅可以用于恢复两个正交方向上的波前倾斜。对于很大的光栅周期，扭曲的Talbot图像可以被捕捉并且方便的分析。然而为了增加分辨率，可以通过在随后的一个Talbot平面处放置第二光栅，并且将其在第一光栅目标的平面内进行旋转，从而使用更小的光栅周期。这样使得莫尔效应得以增强，如图5所示。扭曲的Talbot图像和第二光栅的重叠产生了莫尔条纹图案。所述莫尔图案的形状与波前倾斜有关，如图6所示。

设备100包括适合于照明光学系统110的选定表面区域112的光源120，将从光学系统的表面区域散射的光线引导到弯度计150的光学中继系统140，所述弯度计150通过外向波前125产生莫尔条纹图案500。传感器/照相机部件160通过某种方式设置并对齐以捕捉所述莫尔条纹图案，所捕捉的莫尔条纹图案可以通过条纹图案分析器170(例如编程的个人计算机)进行分析，从而为与视觉测量和校正的方法以及设备相关的各种有利目的提供波前像差信息。设备100进一步包括用于提供光学系统的出瞳114的成像照明的照明源130，以及用于提供相对于与所示设备相关的坐标系统190的一致对齐和测量的对齐系统180。所述设备具有相对于图1所示的笛卡尔坐标系统的定向，即z轴185表示所述设备的测量轴，并且各个透镜、光栅以及感测器/照相机位于x-y平面中与x轴和y轴对齐。

在根据本发明的优选实施例中，光学系统110为人体肉眼并且后部表面112的表面区域为肉眼的视网膜表面的中央凹部区域(fovealarea)。光源120以基本为点光源的形式发出光线以照明光学系统的选定表面区域。光源120可以为本领域技术人员公知的任何适当的光源，能够发出具有优选的在近IR光谱范围中的波长的相干光束。波长范围优选的在大约770nm至790nm之间，并且最优选的为大约780nm。照明121通过公知手段限制于光源120内部或外部，使其具有准直光束的形式，该准直光束在光学系统的前部表面116或邻近处具有略微大于衍射限度量直到大约1mm的横截波束直径。在一个优选的眼科实施例中，输入眼睛的准直光束在眼睛的角膜/泪液膜表面处具有大约300微米至1000微米之间的波束直径，并且更优选的为在大约600至1000微米之间。准直输入光束121具有传播轴线118，所述轴线118优选的相对于系统z轴185平行位移大约1mm的距离。内向波束的位移减少了镜面反射，例如，来自角膜表面的第一Purkinje图像和来自所述光学系统的其他表面的反射可能模糊包含待测量波前信息的微弱视网膜反射。本领域技术人员可以理解，角膜表面处的很小的位移和很小的波束直径可以减小角膜引发的内向波束的像差。

众所周知，在正视眼中，输入到眼睛的平面波前会聚焦在视网膜平面上的某点。然而近视眼或者远视眼则会分别将相同的输入波前聚焦在视网膜前面或后面的某点，从而视网膜上的光点不再是具有适当尺寸的点光源，从而不能适当测量甚至不可能测量波前误差。在此公开的小直径输入波束由于不需要在光源和目标之间的波束路径上提供任何折射部件而称为直接入射，这种小直径输入波束已经验证能够消除近视或远视的失焦问题而不需使用外部的聚焦和偏振光器件或者波束路径长度调整。优选的屈光测量范围在-12至+6屈光度之间，并且更加优选的在±20D之间。照明光的直接入射在2001年12月21日提交的共同未决的名称为“像差计照明设备和方法”(“ABERROMETER ILLUMINATION APPARATUS ANDMETHOD”)专利申请号No.10/027377中进行了描述，该申请同样转让给本申请人。感兴趣的读者也可以参考Williams等人的U.S.6,264,328以获得对离轴照明的波前传感器的详细论述。两个参考文献均在可应用的专利法规允许的范围内作为参考而完整结合于此。

眼睛的视网膜表面或者光学系统的后部表面漫反射并散射所述点光源，形成传播离开所述光学系统的有像差的波前125。对于本领域技术人员公知的中继系统140将波前125的传播引导到弯度计150，如下所述。

弯度计150包括两个部件151、151’。每个部件具有栅格，所述栅格具有相同的周期性的正交的栅格线152、152’，例如每个部件为交叉方形刻线光栅，如图7所示(在此称为第一和第二方形栅格151、151’)。格线152(152’)优选通过激光蚀刻玻璃基底而形成，但是并不限于根据本发明的这种构造。方形栅格151、151’优选的为相同的。第一方形栅格151沿着测量轴185定位以截取如图1所示的从左至右传播的波前125。如图4的更加详细的显示，第一方形栅格151在x-y平面中对齐使得水平栅格线平行于设备坐标系统的x轴并且垂直栅格线平行于y轴。最为优选的是使得传感器/照相机部件160的感测器部分也在x-y平面中与第一方形栅格151基本上相同的对齐。耦合这些对齐的失败使得对所测量的沿着x轴和y轴的像差进行解耦很困难甚至不可能，而所述解耦对于眼科波前传感应用是优选的。上面描述的即时对齐可以是所述设备的固定结构特性。第二方形栅格151’如图1所示沿着z轴设置在在第一方形栅格下游偏移距离nT，其中T为Talbot距离并且n为整数。在优选实施例中，n＝1。在所述设备中，第二方形栅格151’可有选择的并且固定的在x-y平面内相对于第一部件倾斜角度θ，其中0°＜θ＜90°。如同在此按照所允许的最大限度作为参考而完整结合于此的Quiroga等人的“Fourier transformmethod for automatic processing of moirédeflectograms，Opt.Eng.38(6)974-982(June 1999)”所述，将光栅相对于参考轴对称旋转θ/2和-θ/2的典型设置并不非常适合于完全分离波前梯度的x和y分量。对于偏转获得的结果为：

和

这些公式表明对于栅格的标准对称设置，并不能获得x和y方向上偏转的完全解耦。当θ＝0，所述偏转被解耦，但是没有需要空间载波以进行条纹输出的傅立叶分析。尽可能最大的空间载波是优选的。因此，θ应该足够大以使得 $\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}\≠0,$ θ_max依赖于CCD阵列的尺寸并且由于放大因子P’＝P/θ所以还依赖于栅格间距尺寸P。如果θ过大，可能很难在CCD阵列上对所述条纹进行成像。如果θ太小，则会损害空间载波。对莫尔弯度计的更详细讨论和分析感兴趣的读者可以参考Kafri和Glatt的文章“The Physics of Moire Metrology，JohnWiley & Sons，New York(1990)”，其以所允许的最大限度作为引用而完整结合于此。

条纹图案传感器/照相机部件160优选的包括CCD感测器，并且设置照相机以部分的检测莫尔条纹并且将该数据发送到条纹分析器170。传感器/照相机部件160也用于对所述光学系统的出瞳即眼瞳孔进行成像和显示。在此方面，设备100进一步包括照明源130和协同接合的对齐系统180。照明源130发出的光线应该均匀照明出瞳平面。优选的波长范围内的远IR光谱不会引起由于光反应的瞳孔尺寸改变，但同时可以被照相机检测以对出瞳进行成像。大约880nm的波长被显示为有效的，但是本领域技术人员可以理解，其他波长也是可以使用的。在工作中，照明源在人的眼睛对齐期间处于照明模式(开启)。在进行波前测量时(称为测量模式)，照明源将处于非照明模式(关闭，或者被阻挡以不对眼睛进行照明)。在示例实施例中，照明源是完整的或部分的LED环的形式，适当的定位以均匀照明出瞳平面。

为了准确而一致的测量波前像差，在设备100的测量轴185和正在测量的眼睛之间必须进行准确而一致的对齐。如果所述光学系统的出瞳没有适当的中心定位和对齐，则出瞳的图像可能呈现为正常的环形图像，但是由于没有对齐它可能不可知的出现晕光。对该设备一致中心定位和对齐设备的失败可能导致每次获得的测量结果得到正在测量的眼睛的不同并且错误的波前测量。作为对齐系统180和相关程序的一部分，提供图8所示的叉丝标记315以辅助将出瞳114中心定位到设备的测量轴185。瞳孔可以通过照相机160直接察看。在优选实施拉中，叉丝标记通过软件实现并且随同眼睛的瞳孔成像一起显示，允许用户反复聚焦于瞳孔中心。其他对齐方法也是可能的。例如所述视轴可以不用于对齐瞳孔中心。重要的是在每次测量时一致对齐出瞳。

所述设备的光学器件(十字线、透镜、感测器等)应该能够足以优选的测量具有高达8mm直径的出瞳。这个尺寸表示通过定制镜片或者屈光手术(例如定制LASIK、LASEK、PRK等)的更高阶的像差测量和校正的大致瞳孔直径。可能还需要更大的直径测量能力。±20屈光度的动态测量范围是优选的。

条纹图案分析器170协同接合到传感器160并且编程为基于对所检测到的莫尔条纹的分析而计算波前像差。Horwitz U.S.5,963,300中提出了用于波前像差计算的莫尔条纹图案(Talbot干涉图、光影图案)分析程序的概要，其完整内容以所允许的最大限度作为引用而结合于此。本质上，所述分析包括步骤：检测条纹(莫尔、Talbot、Fresnel、光影等)图案并将其数字化；将所述数字图像从空域转换到空间频率域；确定主要谐波；将所述主要谐波关联到预定轴上的波前图案；计算三维光域内的波前图案；以及分析测量结果。Quiroga等人提出了对弯沉图案(deflectogram)分析技术的详细描述。本领域技术人员可以利用Quiroga等人的指导开发出适当软件以从所述弯沉图案中的相位信息中提取出波前信息。

波前像差分析可以用Zernike多项式形式来表达，所述Zernike多项式可以用于对车床或其他设备进行编程以设计和制造定制隐形眼镜、定制IOL等，并且开发激光屈光手术中使用的切除图案，如同本领域技术人员所公知的。

由于在此描述的设备可以测量从失焦(二阶)提高到超过第五阶解耦的波前，所述设备还可以有利的应用于目标综合屈光检查仪。还可以基于在此公开的原理而实现双眼设备。双眼瞳孔计是测量瞳孔直径的优选方式，因为其中两个瞳孔的行为是相联系的。

尽管选择了各种优选实施例来示例本发明，但是本领域技术人员能够理解，可以对其进行各种变化和修改而不背离所附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (32)

1.一种测量光学系统的波前像差的设备，所述设备包括用于照明所述光学系统的选定表面区域的光源，用于将从所述光学系统的表面区域散射的光源照明引导到弯度计部件的光学中继系统，其中所述弯度计部件将来自所述光学系统的波前转换为莫尔条纹图案，用于对所述光学系统的出瞳和所述莫尔条纹图案进行成像和显示的传感器/照相机部件，以及用于计算所述光学系统的波前像差的条纹图案分析器，

其特征在于：

照明所述光学系统的出瞳的照明源；以及

与所述照明源以这样一种方式协同工作的对齐系统，使得将所述设备的测量轴始终对齐到所述光学系统。

2.根据权利要求1所述的设备，其中来自所述光源的光为相干光。

3.根据权利要求1所述的设备，其中来自所述光源的光具有准直光束的形式，且在照明所述光学系统的选定表面区域之前具有大于衍射限度量约1mm的横截面直径。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述横截面直径在大约300μ至600μ之间。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源照明具有偏移于所述光学系统的中心光轴的入射传播轴。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述偏移大约为1mm。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源照明具有近IR光谱内的波长。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述波长在大约770nm至790nm之间的范围内。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述波长大约为780nm。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述弯度计包括第一方形栅格，其具有在正交方向上等周期性的栅格线，所述栅格与所述传感器固定对齐，从而使得所述正交格线和所述传感器的水平轴和垂直轴对齐于所述设备的参考坐标系统的x轴和y轴，并且进一步包括与所述第一方形栅格基本相同的第二方形栅格，其中所述第一和第二栅格以间隔距离nT沿着所述参考坐标系统的z轴设置，其中n为大于或等于1的整数，并且T为Talbot距离，进一步其中所述第二栅格在x-y平面内相对于所述第一栅格旋转角度θ，其中0°＜θ＜90°。

11.根据权利要求10所述的设备，其中1°≤θ≤10°。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述弯度计为具有激光蚀刻的栅格线的玻璃材料。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器包括CCD照相机。

14.根据权利要求1所述的设备，其中照明所述光学系统的出瞳的照明源具有远IR光谱中的波长。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述波长在大约800nm至900nm之间的范围内。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述波长大约为880nm。

17.根据权利要求1所述的设备，其中所述照明源具有照明模式和非照明模式。

18.根据权利要求1所述的设备，其中所述照明源具有环形发光设备的形式，适当的定位以均匀地照明所述出瞳。

19.根据权利要求1所述的设备，其中所述对齐系统包括叉丝标记，以在该叉丝上标识所述出瞳的中心位置。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述叉丝标记为软件实现的标记。

21.根据权利要求1所述的设备，其中所述条纹图案分析器为用于实现软件驱动的所述莫尔条纹图案的傅立叶变换分析的部件。

22.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学系统为检测透镜，其中所述选定的表面区域为所述检测透镜的漫反射后部表面的区域。

23.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学系统为眼睛，其中所述选定的表面区域为所述眼睛的视网膜表面的中央凹部区域。

24.根据权利要求10所述的设备，其中所述第一和第二透射材料包含在正交方向上等周期性的方形栅格线为相同的交叉Ronchi刻线对。

25.一种使用莫尔弯度计设备测量光学系统的波前像差的方法，包括步骤：

提供包括光源、传感器/照相机部件、条纹图案分析器、照明源、对齐系统以及包含第一和第二方形栅格的弯度计部件的所述设备，其中所述第一方形栅格具有在正交方向上等周期性的栅格线，所述第一方形栅格与所述传感器固定对齐，从而使得所述正交栅格线和所述传感器的水平轴和垂直轴与所述设备的参考坐标系统的x轴和y轴对齐，并且进一步其中所述第二栅格以距离nT设置在所述第一方形栅格的下游，其中n为大于或等于1的整数，并且T为Talbot距离，所述第二栅格在x-y平面内相对于所述第一栅格以角度θ固定地旋转，其中0°＜θ＜90°；

通过来自所述照明源的光均匀照明所述光学系统的出瞳；

获取包含对齐标记的所述出瞳的图像；

每次进行波前测量时，将所述出瞳相对于所述对齐标记始终对齐；

通过所述光源提供的适当尺寸的光点照明所述光学系统的选定漫反射表面区域；以及

获取波前像差数据。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述均匀照明所述出瞳的步骤包括使用环形或者至少部分环形发光源。

27.根据权利要求25所述的方法，其中所述均匀照明所述出瞳的步骤包括使用具有800-900nm范围内波长的光。

28.根据权利要求25所述的方法，其中所述均匀照明所述出瞳的步骤包括使用波长大约为880nm的光。

29.根据权利要求25所述的方法，其中所述始终对齐所述出瞳的步骤包括将所述出瞳的中心对齐到所述设备的测量轴。

30.根据权利要求25所述的方法，其中所述始终对齐所述出瞳的步骤包括将通过所述出瞳的视轴对齐到所述设备的测量轴。

31.根据权利要求25所述的方法，其中所述照明选定的漫反射表面区域的步骤包括直接将准直的相干波束入射到所述光学系统内。

32.根据权利要求25所述的方法，其中所述波束具有大约600至1000μm之间的直径。

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