用于测量波阵面像差的方法和装置 【技术领域】
本发明总体上涉及光学仪器，尤其涉及用于测量波阵面像差的方法和装置。本发明尤其适用于但不限于：在眼科应用中测量光波阵面，例如测量眼睛的像差；制造校正装置，例如透镜(例如隐形眼镜、眼镜、人工晶状体)；并用于在屈光矫正手术之前和手术期间估算眼睛的像差，以便改善视力。
背景技术
人的眼睛是一种光学系统，其中使用若干个透镜元件把代表图像的光线聚焦在眼睛内的视网膜上。在视网膜上产生的图像的锐度是决定眼睛的视觉灵敏的一个因素。不过，在眼睛内的透镜和其它部分和材料的缺陷可以使光线偏离所需地路径。这些偏差被称为像差，其引起模糊的图像和降低的视觉敏锐度。因而，需要一种用于测量像差的方法和装置，用于帮助校正这个问题。
用于检测眼睛引入的像差的一种方法涉及确定从眼睛内离开的光线的像差。作为视网膜上的一点被引入眼内的一束光线作为一个波阵面从眼睛被向回反射或散射，这个波阵面含有由眼睛引入的像差。借助于确定所述波阵面的离散部分(即采样)的传播方向，可以确定由眼睛引入的像差并进行校正。在这种类型的系统中，可以通过减小采样尺寸来提高在确定像差时的精度。
图1是关于产生波阵面的一般性说明。图1通过眼睛16的视网膜14反射激光束12而产生的波阵面10的示意图。激光束12聚焦在视网膜14上的一个小点18上。视网膜14作为扩散反射器以便反射激光束12，以产生点源波阵面10。在理想情况下，波阵面10应当用球形波阵面或平面波阵面20表示。不过，当波阵面10通过眼睛16时由眼睛16引入的像差导致有缺陷的波阵面，如波阵面10所示。波阵面10表示像差，其引起散焦、散光、球面像差、慧形像差和其它的不规则性。测量并且校正这些像差可以使眼睛16接近其全部的潜能，即视觉分辨率的极限。
图2表示用于测量图1所示的波阵面10的现有技术的装置。借助于测量像差，可以制造校正透镜与/或进行校正处理，以便改善视力。在图2中，激光器22产生激光束12，其借助于分束器24被引向眼睛16。激光束12在眼睛16的视网膜14上形成光点18。视网膜14反射来自光点18的光，产生点源波阵面10，当其通过眼睛16内的透镜和其它部分和材料时，便形成了像差。然后波阵面10通过分束器24，射向波阵面检测器26。
一般的现有技术的波阵面检测器26包括像差镜28和成像平面30，如图3所示，或者包括Hartman-Shack检测器32和成像平面30，如图4所示。波阵面检测器26借助于使波阵面通过像差镜28或Hartman-Shack检测器32采样波阵面10，得到在成像平面30上形成光点阵列的波阵面10。在成像平面30上的每个光点表示波阵面10的一部分，其中具有能够以较大的精度确定像差的较小的部分。一般地说，成像平面30是一种电荷耦合器件(CCD)照相机。通过比较由波阵面10在成像平面30上产生的光点阵列和相应于理想的眼睛的波阵面的光点的参考阵列，可以计算由眼睛16引入的像差。
在1999年7月2日申请的Williams等人的名称为Method andApparatus for Improving Vision and the Resolution of RetinalImages的美国专利6095651描述了Hartman-Shack系统的一个例子，该专利被包括在此作为参考。
不过，在这种现有技术的装置中的像差的分辨率受到像差镜28中的次孔间距34和次孔尺寸36的限制(图3)，并受到在Hartman-Shack检测器32中的小透镜的次孔间距38和焦矩的限制(图4)。此外，因为每个区域由一个光点表示，对于每个区域获取的信息量受到限制。此外，因为叠影、次孔间距34和尺寸36以及次孔间距38的减少，获得更详细的信息的能力受到限制。
例如，当两个或多个光点40A，40B和40C在成像平面30上重叠时，在像差镜检测器28中发生叠影，从而导致在相邻的次孔光点之间的模糊。类似地，在Hartman-Shack检测器32中，当两个或多个光点42A，42B，42C，42D在成像平面30上重叠时，发生叠影。叠影可以由以下条件引起：太小的小次孔间距34、次孔尺寸36、或者透镜间距38；高度的像差；或者这些条件的组合。因而，在像差镜28中的次孔间距34和次孔尺寸36，以及在Hartman-Shack检测器32中的小透镜次孔间距38和焦矩必须被选择，以便实现好的空间分辨率，同时能够测量大的像差。因而，测量高度像差的能力以空间分辨率与/或动态范围为代价，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以高的精度测量像差的效果。这些限制阻止光学系统实现其全部的潜能。因而，需要能够以高的精度测量像差的眼科的装置和方法。
【发明内容】
本发明提供一种以高的精度确定波阵面像差的装置和方法。所述装置包括分束器，其用于把波阵面分离成两个部分；反射镜阵列，其用于把所述每个部分聚焦而成为多个离散的线，使得一个部分的离散的线具有和另一个部分的离散线不同的方向；以及成像装置，其用于检测所述离散的线，从而确定波阵面像差。所述方法包括把所述波阵面分离成两个部分，把每个部分聚焦成为多个离散的线，使得一个部分的离散的线具有和另一个部分的离散线不同的方向，并检测关于所述离散线的信息。
借助于产生代表波阵面的离散线，本发明的装置和方法能够以高的精度测量波阵面。因为多个离散线的每一个具有不同的方向，多个离散线基本上作为一个栅格代表波阵面。本发明能够比现有技术的系统提供更精确的信息，因为本发明的栅格线对于栅格的每个部分比由现有技术的系统产生的用于表示等效区域的光点能够提供更精确的信息。
在用于测量眼睛的波阵面的系统中，波阵面作为眼睛内的一个点源发出。所述点源是通过把辐射束(例如激光)引导到眼睛，并且散射或反射所述的辐射束而产生的。设置在激光束通路中的分束器把激光束引入眼睛。眼睛的视网膜作为漫射反射器，以便反射或散射所述光束。由点源产生到的波阵面由眼睛发出，并通过分束器到达本发明的波阵面检测器。波阵面检测器测量由眼睛引入的波阵面像差。然后利用与波阵面检测器相连的处理器计算所述像差。
【附图说明】
图1是由眼睛的视网膜反射的激光束产生的波的示意图；
图2是用于测量由眼睛引入的像差的现有技术的装置的示意图；
图3是在现有技术的用于测量像差的装置中使用的像差镜的示意图；
图4是在用于测量像差的现有技术的装置中使用的Hartman-Shack小透镜阵列的示意图；
图5是用于测量由按照本发明的光学系统引入的波阵面中的像差的装置的示意图；
图6是在按照本发明的图5所示的装置中使用的用于反射和聚焦波阵面的反射镜阵列的示意图；
图6A是在由图5的一个反射镜阵列形成的成像表面上显示的一个方向的多个离散线的示意图；
图6B是在由图5的另一个反射镜阵列形成的成像表面上显示的另一个方向的多个离散线的示意图；以及
图6C是图6A的离散线和图6B的多个离散线的组合的示意图。
【具体实施方式】
图5所示是按照本发明的用于测量光学系统102的像差的波阵面测量装置100的优选实施例，此处的光学系统是眼睛104。概括地说，产生光束106，并将其引入眼睛104。光束106作为波阵面108被反射，其从眼睛104射出，然后把引向波阵面检测(WD)装置110，以便检测波阵面108内的像差。在WD装置110中，使波阵面108通过朝向WD分束器112，在其中波阵面108被分离成两个部分。波阵面的一个部分被反射朝向第一反射镜阵列114A，另一个部分则通过分束器114朝向第二反射镜阵列114B。反射镜阵列114A，114B使得入射到其各个表面上的所述波阵面部分分开、反射和聚焦，以形成多个最终由成像装置116检测的多个离散的线。在WD装置110内的其它元件用于确定两个波阵面部分的路径。下面更详细地说明本发明。
在优选实施例中，为了说明的目的，辐射源118产生束106，波阵面产生(WG)分束器120把光束106引向眼睛104，此后把从眼睛104射出的合成波阵面108引向WD装置110。在优选实施例中，波阵面108被线性地偏振。此外，波阵面108可以是非偏振的，或者是圆形偏振的。
所示的光学系统102是眼睛104。另外，光学系统102可以包括反射表面和隐形眼镜或眼镜，眼睛和隐形眼镜或眼镜，显微镜、望远镜、或者其它类型的要被分析的光学系统。在所示的实施例中，来自辐射源108的光束106在眼睛104的视网膜124上聚集成光点122。可以在束106的路径中使用聚焦透镜或透镜系统，以便计算眼睛104的散焦与/或散光。视网膜104作为漫射反射器有效地成为离开眼睛104的光的光源，从而产生波阵面108。
辐射源110是一种能够产生聚焦的光束的装置，最好是激光器。另一种辐射源110包括激光二极管，超发光二极管，或者是现有技术中已知的能够产生聚焦光束的基本上所有的辐射装置。此外，辐射源110可以包括空间滤光器，以用于校正与辐射源110有关的干扰。在优选实施例中，被辐射源110产生的光束106是偏振的。
WG分束器120能够选择地通过并引导光束。这里，WG分束器120被配置用于朝向光学系统102反射光束106，并使来自光学系统102的波阵面108朝向WD装置110通过而不改变。在优选实施例中，WG分束器120是一种偏振分束器，其通过沿一个方向偏振的光，并反射沿另一个方向偏振的光。通常的命名习惯是，把沿一个方向偏振的光称为“p”偏振光，而把和p偏振光成90度角偏振的光称为“s”偏振光。一旦WG分束器120被对准，通过p偏振光的轴线便被称为p轴。下面描述在优选实施例中使用的能够使WG分束器120正确地引导光。
四分之一波板126是一种光学元件，其协助此处所述的系统100，即，利用偏振来引导光束的系统，识别进入眼睛104的光束和离开眼睛104的光束。在到达板126之前，光束106被线性极化(例如沿s方向)。在通过板126之后，使光束106沿一个方向圆形偏振。使圆形偏振的光束106在眼睛104的视网膜124上聚焦成光点122。通过反射圆形偏振的光束106离开视网膜124而产生波阵面108。本领域技术人员能够理解，由于视网膜124的反射，波阵面108沿着与光束106的方向相反的方向圆形偏振。在波阵面108从眼睛104发出之后，四分之一波板126使得圆形偏振的波阵面108线性地偏振，从而产生线性偏振的波阵面108(例如沿p方向)，其具有与进入眼睛104的光束106的线性偏振相差90度的方向。
在所示的例子中，WG分束器120反射朝向眼睛104反射线性地“s”偏振的光束106(即，和WG分束器120的p轴成90度角偏振)。从眼睛104发出的线性偏振的波阵面108是“p”偏振的(即在WG分束器120的p轴的轴线上偏振)，这是由于四分之一波板126和眼睛104内的反射所致。因为波阵面108的偏振在沿着WG分束器120的p轴的轴线上，WG分束器120将允许波阵面108朝向WD装置110通过而不发生改变。
一个或几个光学器件，例如透镜128，被设置在波阵面测量装置100内，以用于在眼睛104和波阵面检测装置110之间引导波阵面108。当构成波阵面108的波从眼睛104通过到达WD装置110时，它们保持所述波的传播方向。这种装置在现有技术中是熟知的。
在优选实施例中，波阵面检测装置110包括WD分束器112，两个反射镜阵列114A，114B，半波板132，和成像装置116。WD分束器112把进入的波阵面108分成两个部分108A、108B，使得每个部分都代表整个波阵面108。WD分束器112朝向反射镜阵列114A反射波阵面108A，其强度大约是波阵面108的强度的一半(例如沿s方向偏振的光)，并朝向反射镜阵列114B通过波阵面108B，其强度是波阵面108的强度的另一半(例如沿p方向偏振的光)。
本领域技术人员能够理解，沿给定方向偏振的光可以借助于使偏振分束器的轴线和偏振光的偏振轴线彼此定向成45度角从而分成两个部分。在本发明中，偏振分束器反射偏振光的强度的一半，透射偏振光的强度的一半。例如，可以借助于使WD分束器112的轴线和波阵面108的偏振轴线相互成这样的关系，使得WD分束器112反射作为波阵面108A的s偏振光，而通过作为波阵面108B的p偏振光，把波阵面108分成两个偏振部分(例如s偏振光和p偏振光)。
为了使WD分束器112的轴线和波阵面108的偏振轴线相互成40度角，可以使波阵面108的偏振相对于WD分束器112的轴线转动，与/或使WD分束器112的轴线相对于波阵面108的偏振转动。在优选实施例中，已知的半波板132用于把波阵面108的偏振轴线改变45度，从而获得“p*”偏振光。如果WD分束器112的轴线被校准使得通过p偏振光并反射s偏振光，则p*偏振光可被分成两个部分(例如s和p)，因为p*偏振的波阵面108的方向和WD分束器112的p偏振轴线成45度角。在另一个实施例中，使WD分束器的轴线连同WD装置110内的其它部分一道相对于波阵面108转动45度，借以使得不需要半波板132。在这种结构中，WD分束器112将通过作为p*偏振光的p偏振光的强度的一部分，并反射作为s偏振光的p偏振光的强度的其余部分。
此外，可以理解，如果波阵面108由圆形偏振光或非偏振光构成，则WD分束器112的方向是不相关的，因为圆形偏振光和非偏振光都可以概念地被分成两个部分，而和WD分束器112的轴线的方向无关。圆形偏振光和非偏振光都可以被分成两个部分而与WD分束器112的方向无关，因为它们都含有使得它们能够被分成相互成直角的两个相等的分量的相等的光的分布。因此，对于圆形偏振光或非偏振光，WD分束器112将朝向反射镜阵列114A反射一半的光作为s偏振光，并朝向反射镜阵列114B通过一半的光作为p偏振光，而与WD分束器112的方向无关，因而不使用半波板132。
再次参见图5，反射镜阵列114A，114B使得入射到其表面上的光分开、反射并聚焦，以形成多个离散的线。每个反射镜阵列114A，114B由多个圆柱形反射镜134构成，每个圆柱形反射镜134相应于波阵面108的一个矩形部分。最好是，圆柱形反射镜134由多个平行的反射槽形成。反射镜阵列114A，114B相互的方位被这样设置，使得矩形部分和由一个反射镜阵列114A的矩形部分产生的离散的线可以与矩形部分以及由另一个反射镜阵列114B的矩形部分产生的离散的线区分开来。
图6表示一个反射镜阵列114A的操作，另一个反射镜阵列114B以类似的方式进行操作。对于朝向反射镜阵列114A行进的波阵面108A，圆柱形反射镜134将分割入射到其各个表面上的波阵面108A成为波阵面部分136。圆柱形反射镜阵列114A反射波阵面部分136，并将其聚焦而成为离散的线138A(由成像装置116上的光点表示)。最好是，圆柱形反射镜阵列114A在成像表面116A(由成像装置116的底部边沿表示)上聚焦多个离散的线。
在优选实施例中，如图6A和6B所示，反射镜阵列114A，114B被这样定向，使得反射镜114A中的一个把波阵面108A分割成多个垂直的矩形部分，它们被反射并被聚焦在成像表面116A上而成为多个垂直的离散线138A(图6A)，而另一个反射镜阵列114B分割波阵面108B成为多个水平的矩形部分，它们被反射并被聚焦在成像表面116A上成为多个水平的垂直线138B(图6B)。最好是，产生离散线138A，B的光借助于WD分束器112引向成像表面116A，这在下面将详细讨论。在优选实施例中，多个离散的垂直线138A和多个类似地水平线138B被聚焦到同一个成像表面116A上而形成代表波阵面108的栅格，如图6C所示。在另一个实施例中，多个离散线的每一个可被聚焦到不同的成像装置上。
成像装置116(图5)能够精确地检测入射到成像平面116A的能量的位置。最好是，成像装置116是一种电荷耦合器件(CCD)照相机，其能够把入射到成像平面上的能量成为一个数字表示。电荷耦合器件是熟知的，并且对于本领域技术人员容易想出用于本发明的合适的器件。
由光学系统102引入的像差影响离散的线138A，B。对于无像差光学系统102，离散的线138A，B应当基本上是直的。不过，光学系统102内的像差将使得离散的线138A，B偏离基本上是直的线。光学系统102的像差，可以通过测量由光学系统102产生的离散的线138A，B上的各个点与无像差光学系统102产生的基本上是直的离散线138A，B上的相应的点之间的位置差，并计算产生每个点的测量的差值的像差被确定。然后，把对各个点确定的像差进行组合，从而确定光学系统102的像差。
本领域技术人员容易理解根据由光学系统102产生的离散的线138A，B和由无像差系统102产生的基本上是直的离散线138A，B之间的差值计算像差的方法。用于表示波阵面108的离散的线138A，B使得波阵面108能够比在产生有限数量的点来表示波阵面108的现有技术的系统中更详细地被分析，因为可以利用较多的参考位置进行计算。
四分之一波板140A，B按照下述修改其各自的波阵面部分108A，B，使得它们可以在WD分束器112被重新组合，以便由一个成像装置116进行测量。参见图5，为了本说明的目的，使用偏振的WD分束器112。如前所述，从眼睛104进入的波阵面108被WD分束器112分成分量波108A，B，波阵面部分108A沿s方向偏振，因而向下朝向反射镜阵列114A反射。波阵面部分108B沿p方向偏振，因而通过WD分束器112朝向反射镜阵列114B。在从WD分束器112反射之后，波阵面部分108A通过四分之一波板140A，其把p线性偏振波阵面部分108A改变为圆形偏振的波阵面108A。当圆形偏振的波阵面108A被反射镜阵列114A反射时，圆形偏振被反向。在向回朝向WD分束器112通过四分之一波板140A时，由于反向的圆形偏振，反向的圆形偏振波阵面108A将被改变为沿与s方向相反的p方向的线性偏振波阵面部分108A。波阵面部分108A现在是沿p方向线性偏振的，其将通过分束器112且朝向成像装置116。
用类似方式，朝向反射镜阵列114B通过WD分束器112的p线性偏振波阵面部分108B通过四分之一波板140B，其把p线性偏振波阵面部分108B改变为圆形偏振波阵面126B。这个波阵面108B被反射镜阵列114B的反射使圆形偏振反向，并且在向回朝向WD分束器112通过四分之一波板140B后被改变为s线性偏振波阵面部分108B，其现在被WD分束器112朝向成像平面116反射，借以与波阵面部分108A重新组合。
在另一个实施例中(未示出)，可以使用多个成像装置116，借以使得不需要重新组合波阵面部分108A，108B。因此，按照这个实施例，四分之一波板可被取消，而不脱离本发明的范围和构思。
处理器142接收来自成像装置116的信息，并分析所述信息，以便计算像差。所述信息可在由处理器142处理之前被存储在存储器中，或者可以被立即处理。本领域技术人员应当理解，从成像装置116接收信息以及处理信息可以由一个处理器进行，或者被分配在几个处理器中进行。
按照本发明的实施例，像差校正装置144和处理器142相连。另外，由处理器142计算的信息可被存储在硬盘驱动器、磁盘、服务器、致密盘、数字通用盘、或者任何能够存储信息的装置中。像差校正装置144包括已知的透镜研磨机、隐形眼镜制造系统、手术激光系统或者其它光学系统校正装置。在激光手术系统中，可以用本领域熟知的方式，在光学上使激光器相对于WG分束器120定位，以便朝向眼睛104的视网膜引导激光切割光束，以便进行眼科手术。
为了说明的目的，已经根据测量由人的眼睛引入的波阵面像差说明了本发明。不过，本领域技术人员应当理解，本发明可用于测量由其它的光学系统例如眼镜、望远镜、双筒望远镜、单筒望远镜、隐形眼镜、非人的眼睛或者这些系统的组合产生的像差。
通过说明本发明的几个特定的实施例，本领域技术人员可以容易地对本发明作出各种改变和改型以及改进。根据本说明显然可以作出的这些改型、改变和改进都应当作为本说明书的一部分，尽管这里没有专门说明，并且被包括在本发明的构思和范围内。因而，上面的说明只是举例而已，而不是限制。本发明的范围只由下面的权利要求及其等同物限制。