Последовательный датчик волнового фронта с большим диоптрийным диапазоном, предоставляющий информацию в реальном времени

Последовательный датчик волнового фронта с большим диоптрийным диапазоном, предоставляющий информацию в реальном времени

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 н