波前像差测量系统中散焦和散光的补偿 【发明领域】
本发明一般涉及一些光学装置，更具体地说，是涉及在波前像差测量系统中散焦和散光补偿的方法及装置。本发明对于眼科应用中的散焦和散光是特别有用的，但并不是只用于该方面。
【发明背景】
人类的眼睛是一光学系统，它利用几个透镜元件将代表图像的一些光线聚焦在该眼内的视网膜上。在视网膜上产生的图像的清晰度是决定眼睛视力敏锐度的一个因素。但是，透镜与其它部件内的不完整性和该眼内地物质可引起该光线与理想路径的偏离。这些偏离被叫做像差，它导致图像的模糊和视力敏锐度的下降。因此，为了有助于矫正这样的问题，测量像差的方法和设备都是令人想要的，
检测由眼睛引入的像差的一个方法涉及测定从眼睛出来的光线的像差。射进眼睛成为视网膜上的一点的光束从该眼睛被反射或散射回来成为波前，该波前包含着由该眼睛引入的像差。通过测定该波前的分离部分(即，样本)的传播方向的方法就可测定和矫正由该眼睛引入的像差。
波前产生的一般图解示于图1之中。图1是从眼睛16的视网膜14反射激光光束12所产生的波前10的示意图。该激光光束12在该视网膜14上聚焦成一小斑点18。该视网膜14充当一漫反射器，反射该激光光束12，因而导致该点源波前10。在观念上，该波前10总是用一平面波前20表示。但是，当该波前10经过眼睛16出来时由该眼睛16所引入的像差导致一不完美的波前，如该产生有像差的波前20A所示。该波前10代表导致散焦、散光、球面像差、彗形(coma)和其它不规则性的像差。测量和矫正这些像差就能使眼睛16接近它的全部潜力，即视力分辨率的极限。
图2是一用于测量如图1所示的波前10的现行技术的设备。通过测量像差，就能生产一些矫正透镜和/或执行一些矫正程序来改善视力。在图2中，激光器22产生激光光束12，该激光束通过一光束分束器24送往眼睛16。该激光光束12在该眼睛16的视网膜14上形成一斑点18。该视网膜14从该斑点18反射该光，以产生一点源波前10，当该点源波前通过该眼睛16内的透镜和其它部件及物质时，该波前就变成有像差了。该波前10然后通过第一透镜11和第二透镜13以便将该波前10聚焦，以便使该波前10成为准直的。该波前10然后通过光束分束器24到一波前传感器26。然后再通过处理器27对由该波前传感器26检测到的信息进行处理，以测定该波前10的像差。
图3图示出了使波前10聚焦来产生一平波前以便投射到该波前传感器26上的情形。如果该波前10包含发散光，则构成该波前10的光线将会继续发散直到它们不再包含在该系统内，因此会丢失有价值的波前10的信息。这对于具有高度散焦的眼睛16来说是特别有问题的。在图3中包含发散光线的弯曲波前10A通过第一透镜11，在这里它收敛成一交点15，然后再通过第二透镜13。当该交点15出现在第二透镜13前一个焦距处时，则所得到的波前10B将变成准直的(即平的)。对于不同的散焦程度来说，可使透镜11和13彼此相对移动，以便使透镜13的焦点匹配交点15。可惜的是，对于具有较大散焦的眼睛16来说，透镜11和13彼此间可能需要移动一相当大的距离，如果空间是有限的，这就可能有问题。此外，图3的散焦机制并不能矫正眼睛的其它像差，如散光，在散光眼睛中沿一个轴的光收敛/发散较沿另一轴的光迅速。因为透镜11和13使沿每个轴的光的收敛或发散都是相同的，所以这种安排并不能对散光进行补偿。
典型的波前传感器26包括一像差镜(aberroscope)28(图4)或Hartman-Shack小透镜阵列30(图5)，和一成像装置32。当一波前通过该像差镜28和Hartman-Shack小透镜阵列30时，它们每个都产生一斑点阵列。该成像装置32包含一成像平面34，用来捕捉由像差镜28或Hartman-Shack小透镜阵列30产生的斑点。一般来说，该成像装置32是一电荷耦合装置(CCD)的照相机。
用使波前10通过像差镜28或Hartman-Shack传感器30的方法对该波前10进行采样，在成像平面34上就产生一斑点阵列。该成像平面34上的每个斑点都代表该波前10的一部分，较小的部分能使像差的测量精度较高。通过将波前10在成像平面34上产生的斑点阵列与理想眼睛波前的相应的斑点基准阵列进行比较，就可计算出由该眼睛16所引入的像差。
Hartman-Shack系统的一例子被描述于Williams等人在1999年7月2日提出的专利U.S.Patent No 6,095,651中，其标题为：Methodand Apparatus for Improving Vision and the Resolution ofRetinal Images，在此已被引入作为参考。
但是，在这样的现行技术的装置中，像差的分辨率却受到像差镜的传感器中子孔径间距36与子孔径尺寸38(图4)和受到Hartman-Shack传感器中小透镜子孔径尺寸40与焦距(图5)的限制。此外，由过度的散焦或散光所引起的大像差还可产生迭影。例如，当该成像平面34上的两个或更多的斑点42A，42B和42C重叠时，在像差镜传感器内就出现迭影，因而导致相邻子孔径斑点之间的混淆。同样，当在该成像平面34上的两个或更多个斑点44A，44B，44C和44D重叠时在Hartman-Shack传感器内也发生迭影。典型系统被设计来适应一定程度的散焦和散光，但这些系统却不能处理具有大散光和/或大散焦的一些个别的散焦和散光。
迭影可由子孔径间距36，子孔径尺寸38，或太小的小透镜，高度的像差(例如，大的散焦和/或散光)；或这些条件的组合产生。因此，应该对该像差镜传感器中的子孔径间距36与子孔径尺寸38(图4)和Hartman-Shack传感器中小透镜子孔径间距40与焦距(图5)加以选择来获得好的空间分辨率，而且还能测量大的像差。因此，测量高度像差的能力是以牺牲空间分辨率和/或动态范围为代价获得的，反之亦然。
由像差镜和Hartman-Shack方法强加的约束限制了这些系统对于测量具有各式各样像差，如显示高度散焦和散光的像差，的波前的效力。这些限制妨碍了现存光学系统实现它们的全部潜力。因此，能以高精度测量具有散焦和/或散光的眼科装置将是有用的。
发明概述
本发明提供一种补偿波前中散焦和散光的方法和设备，以便用在测量眼睛像差的眼科系统中。通过对至少部分散焦和散光进行补偿，本发明的方法和设备就能高度精确地测量波前中的各式各样的像差。
在用来测量眼睛像差的眼科系统中具有分开一物理距离的第一和第二光学透镜，以便使波前聚焦，本发明包括调节两透镜间的光学距离而不改变两透镜间的物理距离的方法。本发明的方法包括：使波前通过在第一光程中的第一光学透镜；将来自第一光程的波前反射到第二光程；以及使该波前通过第二透镜。此外，该方法可包括在反射到第三光程之后和通过第二光学透镜之前将该波前反射到第四光程。这些反射允许第一和第二光学透镜之间的光学距离，因而散焦的补偿，被改变而并不改变透镜之间的物理距离。而且，这些反射允许某些部件中的逐渐增加的变化来产生透镜之间的光学距离的较大的逐渐增大的变化，因而能在一较小的物理区域内实现较大范围的散焦补偿。
本发明的另一方法包括：使波前通过一柱面透镜组件来从该波前中消除散光。该方法包括使该波前通过第一柱面透镜和第二柱面透镜；使第一柱面透镜和第二柱面透镜这样取向，以便使该柱面透镜组件的散光补偿位置与该波前的平分线位置一致；以及将第一和第二柱面透镜彼此相对取向，以调节该柱面透镜的散光补偿能力，以便补偿该波前中的散光。
本发明用来改变在一对透镜之间波前行进的光学距离而不改变透镜之间的物理距离的设备包括：第一反射器，它安置来将从第一透镜接收的沿第一光程的波前反射到第二光程，第二反射器，它安置来将来自第二光程的波前反射到第三光程，以及第三反射器，它安置来将来自第三光程的波前反射到第四光程，第四光程是通过第二光学透镜的。
本发明用来补偿散光的设备包括：第一柱面透镜，用于对波前引入第一柱面折射；第二柱面透镜，用于对该波前引入第二柱面折射，以及一支架，用于可转动地固定该第一和第二柱面透镜，该第一和第二柱面透镜可相对于该波前和彼此相对进行转动，因而该波前内的散光可通过调节第一柱面透镜和第二柱面透镜相对于波前和两者相互之间的取向来进行补偿。
附图简介
图1是一被眼睛的视网膜反射的由激光光束产生的波的示意图；
图2是一用来测量由眼睛引入的像差的现行技术设备的示意图；
图3是现行技术的部分散焦补偿装置的示意图；
图4是一用于测量像差的现行技术设备的像差镜系统的示意图；
图5是一用于测量像差的现行技术设备的Hartman-Shack小透镜阵列系统的示意图；
图6是一按照本发明用于测量由光学系统引入波前的像差的设备示意图；
图7是一按照本发明用于图6的设备中的用来从波前消除散焦成分的散焦补偿装置的图解示意；
图8A是一没有散光的波前图解；
图8B是一散光的波前图解；
图9是一按照本发明用于图6的设备的用来从波前消除散光成分的散光补偿装置的图解示意；
图10A是一用于本发明的凹柱面透镜的透视图；和
图10B是一用于本发明的凸柱面透镜的透视图。
发明详述
图6示出的是按照本发明用于测量眼睛16的像差的一波前测量设备100的优选实施例。在一般性概述中，束12是由激光器22产生的并由光束分束器24导向进入眼睛16中。该束12的直径是细小的，因此可将激光器22和眼睛16之间的光学部件对该束的影响减到最小。波前10被从眼睛16反射出来到一波前传感器26以便测量由眼睛16引入波前10的像差。
如果该波前10包含相当大程度的散焦或散光，则该波前10的一些部分就不可能到达波前传感器26，也就是可能超出该波前传感器26的测量范围。因此，使该波前10通过一新颖的散焦补偿装置102和通过一新颖的散光补偿装置104，以便分别对该波前10中的较大散焦和散光进行补偿。
该散焦补偿装置102将一散焦补偿成分添加到该波前10，而该散光补偿装置104则将一散光补偿成分添加到该波前10。在散焦和散光补偿后，再由该波前传感器26对该波前10中剩余的像差进行检测。然后该处理器27根据从波前传感器26获得的信息、由散焦补偿装置102加入的散焦补偿成分、以及由散光补偿装置104加入的散光补偿成分来确定该波前10的像差。
通过在用波前传感器26测量之前对散焦和散光进行补偿的方法，就可配置该波前传感器26来较精确地检测剩余的像差。此外，该波前测量设备100能够监测较大范围的像差，因为先前超出该波前传感器范围的散焦和散光像差都可由散焦补偿装置102和散光补偿装置104补偿，这些装置的补偿成分都作为因素计入波前10的像差测定中。
在本发明中，束12与波前10的产生，和用处理器27确定该波前10的像差，在本技术领域中都是已知的。此外，在确定波前10的像差时作为因素计入散焦补偿成分和散光补偿成分的对处理器27进行的一些改进在本技术中将是容易明白的。现在就来对本发明的散焦补偿和散光补偿进行较详细的描述。
散焦补偿
图7图示出按照本发明的一优选散焦补偿装置102。该散焦补偿装置102包括第一和第二透镜120和122，用来对波前中的散焦进行补偿(包含散焦的波前由曲面波前10A表示)和产生一用于波前传感器26(图6)测量的经散焦补偿的波前(由平面波前10B表示)。该散焦补偿装置102至少可消除该波前中的部分散焦，因而在该波前中剩余的散焦就可由该波前传感器26测量。那时就可配置该波前传感器来较精确地检测该剩余的散焦。然后该处理器27就可把由该散焦补偿装置102补偿的散焦量和由该波前传感器26测定的散焦结合起来确定由总的散焦所引起的眼睛16的像差(图6)。
该散焦补偿装置102的第一透镜120是一球面透镜用来使波前10聚焦(图6)。该波前10沿第一光程124A通过该透镜120。该透镜120将该曲面波前10A的发散光聚焦到交点125。
第一反射器126A将该波前10从第一光程124A反射到与第一光程124A不同的第二光程124B。在该优选实施例中该第一反射器126A是一棱镜的表面。也可使用其它的反射器，如反射镜。
第二反射器128将该波前反射到与第一光程124A和第二光程124B不同的第三光程124C上。第二反射器128最好是一后反射器。在后反射器中，入射光束，如第二光程124B上的波前，将平行于自身但在相反的传播方向上反射(例如，光程124C)，不管该波前10相对于该后反射器的取向如何。该后反射器可以是一个角隅棱镜或其它众所周知的后反射器。另外的实施例可以包括一波罗反射器(porroreflector)或至少两个反射表面。例如，该反射器128可以包括第一反射表面128A，例如反射镜，以便沿中间的光程将第二光程124B上的波前10反射到第二反射表面128B，例如另一反射镜。然后第二反射表面128B将沿第三光程124C反射沿中间光程接收到的波前。在优选实施例中，第二光程124B和第三光程124C是基本上相同的物理距离。
在所示的实施例中，第三反射器126B将该波前从第三光程124C反射到第四光程124D。第一光程124A和第四光程124D最好基本上是共线的，如图所示。在这里，第三反射器126B被形成为形成第一反射器126A的棱镜126的另一表面。另外，反射器126A和126B不一定是同一装置例如棱镜126的表面，而可以是独立的反射表面。
第二透镜122被沿着该波前通过的第四光程124D放置。如果第二透镜122的焦点与该交点125相同，则将产生一经散焦补偿的波前10B。
虽然不是优选的，但可以考虑，可将第二透镜122沿第三光程124C安置。因为该第二透镜122可被安置来直接接收沿第三光程124C的波前，所以第三反射器126B就可被减除。此外，虽然不是优选的，但还可进一步考虑，将第一透镜120沿第二光程124B安置。因为该第一透镜120可被安置来允许该波前沿第二光程124B通过，所以第一反射器126A就可被减除。
可以看出，虽然为了使波前10聚焦而将第一和第二透镜120和122分开一物理距离，但无需改变两透镜120和122之间的物理距离就可调节该两透镜120和122之间的光学距离。这可通过在该散焦补偿装置102内沿第二第三光程124B和124C改变反射器128和和其它反射器126A和126B之间的距离来实现。通过改变反射器128和和其它反射器126A和126B之间的距离，则在两透镜120和122之间波前必须行进的光学距离就被改变而该两透镜120和122之间的物理距离并不改变。此外，由于反射器128的反射，反射器128和其它反射器126A和126B之间距离上的递增变化导致两透镜120和122之间光学距离的变化，该光学距离的变化是该递增变化的两倍。该光学距离变化两倍递增变化是因为改变反射器128和第一与第二反射器126A与126B之间的距离将导致第二光程124B的递增变化和第三光程的递增变化。这就在一有限的区域内允许透镜120，122有一较大的散焦补偿范围。
该反射器128最好是能相对于在该散焦补偿装置中其它部件(例如反射器126A，反射器126B，透镜120和透镜122)移动的，以便改变一些光程的长度。在另一实施例中，第二反射器128保持静止不动，而使该散焦补偿装置内的其它部件移动来改变光程的长度。
散光补偿
图8A示出了一没有散光的眼睛所产生的波前的图案。该同心圆表示该眼睛对光的收敛沿每个轴都是相同的。没有散光的眼睛对于整个眼睛具有单一的矫正能力(例如，散焦)，它可用一具有单一散焦矫正能力的透镜来校正。
图8B示出了一具有散光的眼睛所产生的波前的图案。那些同心椭圆表示该眼睛沿一个轴，例如X轴收敛较快，而沿另一个轴，例如沿Y轴收敛较慢。在具有散光的眼睛中该眼睛基本上具有两种能力，散光能力就代表该两种能力之间的差异。为便于描述，两种能力之间的那条线将被叫做平分线位置146。该平分线位置146处于该眼睛的两种能力的中间。
图9描绘出了一优选散光补偿装置104，用于补偿波前10中的散光(图6)。该散光补偿装置104被用来将散光波前(由图8B的同心椭圆表示)转变成具有均匀能力的波前(由图8A的同心圆表示)。该散光补偿装置104包括一柱面透镜组件，该柱面透镜组件具有第一柱面透镜140A和第二柱面透镜140B，可转动地安装在一支架141上以便选择性地给波前增加曲率和从波前上消除曲率。在所示的散光补偿装置104中，该柱面透镜140A，140B分别被第一转动马达142A和第二转动马达142B可转动地安装在支架141上，以便使第一柱面透镜140A和第二柱面透镜140B相对于波前和彼此相对取向。用使柱面透镜140A和140B相对于波前和彼此相对地进行取向，就可通过从具有太大曲率的区域消除曲率(例如，沿具有太大曲率的轴使光发散)和使具有太小曲率区域增加曲率(例如，沿具有太小曲率的轴使光收敛)的方法来使波前10中的散光得到补偿。
散光补偿装置104可消除波前中的至少部分散光，因而就可用波前传感器26对该波前内的剩余散光进行测量。那时可配置波前传感器以便较精确地检测剩余的散光。然后可用处理器27将由该散光补偿装置104补偿的散光量和由该波前传感器26测定的散光组合起来，以确定由于总的散光所引起的眼睛16的像差(图6)。
在所示实施例中，该第一柱面透镜14 0A是一发散柱面透镜。最好是，该发散柱面透镜是一平凹柱面透镜(即一面是平的，而另一面是向内弯曲的，参看图10A)。平凹柱面透镜使沿一弯曲轴，例如，X’(图10A)的光发散，因而增加更多的发散，而并不影响沿另外的轴，例如Y’(图10A)的光。第一柱面透镜140A被用来从波前10的较为弯曲，例如，沿X轴，的区域消除曲率(图8B)。最好，平凹柱面透镜的平表面接收波前10，而弯曲表面通过该波前10。
在所示实施例中，该第二柱面透镜140A是一平凸柱面透镜(即一面是平的，而另一面是向外弯曲的，参看图10B)。平凸柱面透镜沿一个轴，例如X”的光收敛(图10B)，因此更增加收敛，而并不影响沿另外轴例如Y”的光(图10B)。平凸柱面透镜使通过它的光沿弯曲轴收敛。第二柱面透镜140B被用来增加波前10的较少弯曲的区域，例如沿Y轴(图8B)的曲率。最好，平凹柱面透镜的弯曲表面接收波前10，而平表面通过波前10。
转动马达142A，142B可操作地分别与柱面透镜140A，140B相联，以便使它相应的柱面透镜140A，140B绕该波前10的一光轴144转动(图6)。用于本发明的适当转动的马达是易于获得的，适当马达的选择和与柱面透镜140A与140B的连接对于本技术的普通人员都是明白的。
通过相对于波前10转动柱面透镜140A，140B，就可使散光补偿装置104的散光补偿位置与该波前的平分线位置146(图8B)对齐。散光补偿位置就是第一柱面透镜的平轴例如Y’和第二柱面透镜的平轴例如Y”之间的中间位置。
散光补偿能力可通过使柱面透镜140A，140B彼此相对转动来调节。当柱面透镜140A，140B的平轴相互垂直时散光补偿能力最大，而当柱面透镜140A，140B的平轴相互平行时散光补偿能力最小。如果该柱面透镜140A，140B具有符号相反的匹配的焦度，则当该柱面透镜的平直轴平行时，柱面透镜140A，140B对波前10将没有影响。
在使用时，所示实施例的散光补偿装置104接收沿光轴144的波前。波前10通过第一柱面透镜140A和第二柱面透镜140B。最初，柱面透镜140A，140B的平轴两者都是通过它们相应的转动马达142A，142B与波前的平分线位置146对准的。使平轴相互对准，以便对波前10不增加任何散光补偿。然后马达142A，142B使柱面透镜140A，140B的平轴从该平分线位置朝相反方向转动一相同的量，以便对波前10加入散光补偿。散光补偿位置和散光补偿能力将被作为因素计入由波前补偿装置100的处理器27对波前10的像差确定中。
像说明的例子那样，如果该平分线位置146是在45°处(图8B)，则柱面透镜140A，140B的平轴(即，示于图10A中的平凹透镜140A内的Y’和示于图10B中的平凸透镜140B内的Y”)最初被调节到45°，然后再将第一柱面透镜140A转动到60°和将第二柱面透镜140B转动到30°，以便加入散光补偿。为了在本例子中加入最大的散光补偿，第一柱面透镜140A被转动到90°，而第二柱面透镜140B被转动到0°，因而第一和第二柱面透镜140A和140B的平轴总是相互垂直的。
为了便于说明，已通过测量由人眼睛引入的波前像差对本发明进行了描述。但是对于本技术的普通人员都将容易明白，本发明还可被用来测量由其它光学系统，例如由眼镜，望远镜，双筒望远镜，单筒望远镜，隐形眼镜，非人眼睛，或这些系统的组合所产生的像差。
在这样描述了本发明的几个具体实施例后，对本技术的普通人员来说，各种改造，更改，和改进将是容易产生的。例如，在另一实施例中：第一柱面透镜140A是收敛透镜，而第二柱面透镜140B是发散透镜；平凹/平凸透镜的平表面彼此相对；附加的透镜也可用来微调散光补偿；首先使透镜彼此相对取向，然后使透镜相对于波前10取向；以及基本同时地使透镜相对于它们自身取向与相对于彼此进行取向。像本公开明显所做的那样，打算将这样的改造，更改，和改进作为本说明的一部分，但这里却未明白叙述而是打算放于本发明的精神和范围之内。因此，前面的说明仅仅是举例而并不受例子的限制。本发明只受下面的权利要求所规定的和与之等效的条款的限制。