Офтальмологический датчик волнового фронта, действующий в режиме параллельного отбора и синхронного детектирования

Офтальмологический датчик волнового фронта, действующий в режиме параллельного отбора и синхронного детектирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по патентной заявке США 13/459,914 под названием «Ophthalmic Wavefront Sensor Operating in Parallel Sampling and Lock-In Detection Mode», поданной 30 апреля 2012 г., которая является частичным продолжением патентной заявки США 13/198,442 под названием «A Large Diopter Range Real Time Wavefront Sensor», поданной 4 августа 2011 г., которая является частичным продолжением заявки № 12/790,301 под названием «Adaptive Sequential Wavefront Sensor With Programmed Control», поданной 28 мая 2010 г., которая является заявкой, выделенной из заявки № 11/761,890 под названием «Adaptive Sequential Wavefront Sensor and its Applications», поданной 12 июня 2007 г., ныне патент США № 7,815,310, выданный 19 октября 2010 г., которая является частичным продолжением заявки № 11/335,980 под названием «Sequential Wavefront Sensor», поданной 20 января 2006 г., ныне патент США № 7,445,335, выданный 4 ноября 2008 г., и эта заявка также является частичным продолжением заявки № 13/154,293 под названием «A Compact Wavefront Sensor Module and Its Attachment to or Integration with an Ophthalmic Instrument», поданной 6 июня 2011 г., которые все включены в настоящее описание посредством ссылки для всех целей.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Один или более вариантов осуществления настоящего изобретения относятся, в целом, к датчикам волнового фронта для определения рефракционного состояния и аберраций волнового фронта глаза. В частности, изобретение предусматривает устройство для определения рефракционного состояния и аберраций волнового фронта глаза в ходе офтальмологической операции.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Датчики волнового фронта представляют собой устройства, используемые для измерения формы волнового фронта света (см., например, US4141652 и US5164578). В большинстве случаев, датчик волнового фронта измеряет отклонение волнового фронта от опорного волнового фронта или идеального волнового фронта, например, плоского волнового фронта. Датчик волнового фронта можно использовать для измерения аберраций как низких порядков, так и высоких порядков различных оптических систем формирования изображений, например, человеческого глаза (см. например, US6595642; J. Liang, и др (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; T. Dave (2004) “Wavefront aberrometry Part 1: Current theories and concepts” Optometry Today, 2004 Nov. 19, с. 41-45). Кроме того, датчик волнового фронта также можно использовать в адаптивной оптике, в которой искаженный волновой фронт можно измерять и компенсировать в реальном времени, с использованием, например, оптического устройства компенсации волнового фронта, например, деформируемого зеркала (см. например US6890076, US6910770 и US6964480 http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=6890076.PN.&OS=PN/6890076&RS=PN/6890076-h0#h0http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=6890076.PN.&OS=PN/6890076&RS=PN/6890076-h2#h2). В результате такой компенсации можно получить резкое изображение (см., например, US5777719).

[0004] Термин “факичный глаз” означает глаз, включающий в себя его естественный хрусталик, термин “афакичный глаз” означает глаз, где его естественный хрусталик удален, и термин “псевдофакичный глаз” означает глаз с имплантированным искусственным хрусталиком. В настоящее время, большинство датчиков волнового фронта для измерения аберрации человеческого глаза позволяют охватывать лишь ограниченный диапазон оптической силы от около -20 дптр до +20 дптр для факичного или псевдофакичного глаза. Кроме того, они также предназначены для работы в относительно темном окружении, когда требуется измерить волновой фронт глаза.

[0005] В ходе офтальмологических операций, которые влияют на рефракцию, желательно знать рефракционное состояние глаза на протяжении всей операции для обеспечения непрерывной обратной связи с хирургом (см. например, US6793654, US7883505 и US7988291). Это особенно важно в случае операции по поводу катаракты, в которой естественный хрусталик глаза заменяется синтетическим хрусталиком. В таком случае, хирург предпочитает знать рефракционное состояние глаза на факичной, афакичной и псевдофакичной стадии для выбора синтетического хрусталика, для подтверждения, что его рефракционная способность соответствует требованиям после удаления естественного хрусталика, и также для подтверждения эмметропии или других намеченных значений оптической силы после имплантации синтетического хрусталика. Таким образом, существует потребность в датчике волнового фронта, способном охватывать более широкий диапазон измерения оптической силы и также позволяющем хирургу измерять рефракционное состояние глаза с заданной степенью точности, не только в факичном и псевдофакичном состоянии, но и в афакичном состоянии.

[0006] Кроме того, в ходе офтальмологической операции, глаз освещается неполяризованным широкополосным (белым) светом из хирургического микроскопа, чтобы хирург мог видеть глаз пациента через микроскоп. Этот освещающий свет также направляется в глаз пациента, рассеивается на сетчатке и возвращается в хирургический микроскоп. Датчик волнового фронта, подключенный к хирургическому микроскопу, принимает как предназначенный для него возвращенный свет измерения волнового фронта, так и широкополосное освещение из хирургического микроскопа. Источник света освещения микроскопа, в общем случае, не предназначен для создания на сетчатке достаточно малого эффективного источника света, который требуется для генерации волнового фронта, который выявляет рефракционное состояние пациента. По этой причине, любой свет освещения из хирургического микроскопа, воспринимаемый датчиком волнового фронта, может приводить к неверной информации о рефракционном состоянии пациента. Таким образом, существует также необходимость в офтальмологическом датчике волнового фронта, который не подвержен влиянию света освещения из хирургического микроскопа.

[0007] Коммерчески доступные датчики волнового фронта для хирургии катаракты, например, интраоперационный аберрометр волнового фронта ORange от WaveTec Vision (см. например, US6736510), не обеспечивают непрерывную обратную связь, имеют ограниченный диапазон рефракционной оптической силы и также подвержены помехе в виде света освещения хирургического микроскопа. Фактически, чтобы получить достаточно точное и достоверное измерение рефракции с использованием датчика волнового фронта ORange, хирург должен приостановить хирургическую операцию, выключить свет освещения хирургического микроскопа и захватить множественные кадры данных, что приводит к дополнительному увеличению времени рефракционной хирургии катаракты на несколько минут.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Один вариант осуществления изобретения предусматривает офтальмологический датчик волнового фронта, содержащий источник света, выполненный с возможностью приема опорного сигнала, осциллирующего/пульсирующего на опорной частоте, и генерации пучка света, образованного импульсами света на опорной частоте, светонаправляющий элемент, выполненный с возможностью запуска пучка света от источника света в глаз пациента, и где часть пучка света, возвращающаяся из глаза пациента, образует объектный волновой фронт в форме импульсов света на опорной частоте, оптическую систему ретрансляции волнового фронта, выполненную с возможностью ретрансляции объектного волнового фронта из объектной плоскости, находящейся в передней части глаза пациента, в плоскость изображения волнового фронта вдоль пути пучка, которая может направлять пучок ретрансляции падающего волнового фронта, имеющего большой диапазон оптической силы на объектной плоскости, к плоскости изображения волнового фронта, матрицу устройств регистрации положения с высокочастотной характеристикой, причем каждое устройство регистрации положения, выполнено с возможностью детектирования величины отклонения центроида пятна изображения от опорного положения и вывода сигнала измерения, указывающего величину отклонения, матрицу элементов отбора частичного волнового фронта, расположенную до матрицы устройств регистрации положения с высокочастотной характеристикой и, по существу, в плоскости изображения волнового фронта, причем каждый элемент отбора в матрице элементов отбора частичного волнового фронта выполнен с возможностью отбора частичного волнового фронта ретранслированного волнового фронта и фокусировки отобранного частичного волнового фронта на соответствующее устройство регистрации положения с высокочастотной характеристикой в матрице устройств регистрации положения с высокочастотной характеристикой, где элементы отбора частичного волнового фронта физически разнесены друг от друга таким образом, что каждый отобранный частичный волновой фронт объектного волнового фронта с высоким диапазоном оптической силы фокусируется только на соответствующее устройство регистрации положения с высокочастотной характеристикой, соответствующее элементу отбора частичного волнового фронта, и электронную систему частотно-чувствительного детектирования, подключенную для приема опорного сигнала и сигнала измерения, причем электронная система частотно-чувствительного детектирования выполнена с возможностью указания только величины частотной составляющей сигнала измерения, близкой к опорной частоте, что позволяет, по существу, подавлять все шумовые сигналы, например, 1/f шум, на частотах, отличающихся от опорной частоты.

[0009] Один признак состоит в использовании двух каскадно соединенных ретрансляторов волнового фронта, причем второй ретранслятор имеет плоскость преобразования Фурье, где пучок ретрансляции волнового фронта ограничен определенным объемом пространства, когда волновой фронт из глаза изменяется в пределах большого диапазона оптической силы. Сканер/дефлектор пучка располагается в плоскости преобразования Фурье второго ретранслятора для осуществления углового сканирования пучка, чтобы ретранслированный волновой фронт в плоскости изображения окончательного волнового фронта мог поперечно сдвигаться относительно матрицы, содержащей некоторое количество элементов отбора частичного волнового фронта. Соответствующее количество PSD располагается позади элементов отбора волнового фронта для работы в режиме синхронного детектирования синхронно с импульсным источником света, которые генерируют волновой фронт из глаза. Поперечный сдвиг волнового фронта позволяет отбирать любую часть ретранслированного волнового фронта и также позволяет гибко управлять пространственным разрешением отбора волнового фронта.

[0010] Еще одним признаком для использования в ходе офтальмологической операции является источник света для генерации волнового фронта, выход которого изменяется между, по меньшей мере, двумя состояниями, причем волновой фронт, возвращающийся из глаза пациента, детектируется в каждом из “яркого” состояния и “темного” состояния, чтобы можно было отфильтровывать сигналы из света, отличного от измерительного света.

[0011] Еще одним признаком является параллельное детектирование частей волнового фронта с использованием некоторого количества быстродействующих PSD, которые все могут работать в режиме синхронного детектирования синхронно с источником света на частоте выше диапазона 1/f шума, чтобы можно было эффективно отфильтровывать фоновые шумы нулевой и низких частот.

[0012] Еще один признак состоит в осуществлении активного параллельного отбора волнового фронта. Элементами активного, параллельного отбора волнового фронта можно управлять в отношении их положения, размера апертуры отбора частичного волнового фронта, фокусирующей силы и состояния включения/отключения.

[0013] Еще один признак расширяет диапазон оптической силы за счет наличия элементов отбора частичного волнового фронта, разнесенных достаточно широко, чтобы исключить взаимные помехи между элементами отбора волнового фронта в большом диапазоне оптической силы измерения рефракционного нарушения. В другом примере, лишь определенное количество частичных волновых фронтов, достаточно отделенных друг от друга, отбираются путем активации поднабора элементов отбора частичного волнового фронта, и также благодаря тому, что лишь соответствующее количество устройств/детекторов регистрации положения (PSD) могут избегать взаимных помех. В еще одном примере, PSD и элементы отбора частичного волнового фронта можно активировать, чтобы соответственно изменять их продольную позицию и/или их фокусирующую силу в соответствии с рефракционным состоянием пациента, что позволяет динамически регулировать чувствительность каждого PSD к наклону частичного волнового фронта. Кроме того, можно регулировать поперечную позицию PSD в соответствии с рефракционным состоянием пациента, благодаря чему каждый PSD располагается в наилучшем поперечном положении для обеспечения оптимизированной характеристики положения центроида.

[0014] Еще одним признаком является использование последовательного сканирования или сдвига волнового фронта как целого, чтобы можно было отбирать любую часть падающего волнового фронта, притом что элементы параллельного отбора частичного волнового фронта и устройства/детекторы регистрации положения (PSD) имеют фиксированное положение в пространстве. В другом аспекте, сканер/дефлектор отслеживает глаз и сдвигает волновой фронт, возвращающийся из глаза пациента, автоматически регулируя сдвиг таким образом, чтобы, в зависимости от размера зрачка, положения и значения оптической силы волнового фронта из глаза, отбирать лишь определенные желаемые части волнового фронта в зрачке пациента, например, в центральной области диаметром 3~4 мм.

[0015] Еще одним признаком является использование регулярного предоставления отчета об измеренной рефракции глаза в том смысле, что существует малая задержка между любым изменением рефракционного состояния и отчетом о ней, предоставленным прибором. Это достигается путем усреднения данных детектированной аберрации волнового фронта по желаемому периоду и обновления результата качественного и/или количественного измерения, накладывающегося на оперативное изображение глаза с желаемой частотой обновления.

[0016] Еще один признак обеспечивает точные измерения в пределах большого диапазона оптической силы рефракционных нарушений, которые возникают в ходе офтальмологической операции, например, нарушений, которые возникают после удаления естественного хрусталика глаза, но до его замены искусственным хрусталиком. Этих точных измерений можно добиться различными способами. Одним примером является конструирование оптики для динамической регулировки чувствительности или наклона кривой характеристики наклона частичного волнового фронта путем активного изменения расстояния между элементами отбора частичного волнового фронта и устройствами/детекторами регистрации положения или путем активного изменения фокусного расстояния линз фокусировки частичного волнового фронта. Другим примером является динамическое смещение значения сферической рефракционной силы волнового фронта на сопряженной плоскости изображения промежуточного волнового фронта с использованием элемента смещения значения сферической оптической силы, например, линзы с переменным фокусным расстоянием.

[0017] Эти и другие признаки и преимущества иллюстративных вариантов осуществления станут более понятны специалистам в данной области техники по ознакомлении с нижеследующим подробным описанием предпочтительных вариантов осуществления, приведенным совместно с прилагаемыми чертежами. Каждый из этих признаков можно использовать по отдельности или совместно и с любым из описанных здесь вариантов осуществления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] Фиг. 1 - схема последовательного датчика волнового фронта, раскрытого в принадлежащем тому же правообладателю патенте US7445335.

[0019] Фиг. 2 - усовершенствованная оптическая конфигурация, раскрытая в принадлежащей тому же правообладателю заявке US20120026466.

[0020] Фиг. 3a - один вариант осуществления иллюстративного датчика волнового фронта, в котором импульсный источник света синхронизирован с матрицей устройств/детекторов регистрации положения, чтобы датчик мог работать как в режиме параллельного отбора, так и в режиме синхронного детектирования.

[0021] Фиг. 3b - матрица элементарных линз типичного датчика волнового фронта Шака-Хартмана с соответствующей матрицей устройств/детекторов регистрации положения и максимальным диапазоном измерения оптической силы, которого можно добиться без взаимных помех.

[0022] Фиг. 3c - иллюстративная конфигурация элементов отбора частичного волнового фронта с соответствующей матрицей устройств/детекторов регистрации положения и максимальным диапазоном измерения оптической силы, которого можно добиться без взаимных помех.

[0023] Фиг. 4 - блок-схема, демонстрирующая один иллюстративный вариант осуществления усилителя синхронного детектирования.

[0024] Фиг. 5 - один пример последовательного поперечного сдвига или сканирования волнового фронта применительно к оптической конфигурации, показанной на фиг. 3a.

[0025] Фиг. 6 - другой вариант осуществления датчика волнового фронта, показанного на фиг. 3a, в котором конфигурация 8-f ретранслятора волнового фронта объединена с малым сканером пучка для обеспечения практического последовательного сканирования волнового фронта помимо параллельного отбора волнового фронта и синхронного детектирования.

[0026] Фиг. 7 - один пример последовательного поперечного сдвига или сканирования волнового фронта применительно к оптической конфигурации, показанной на фиг. 6.

[0027] Фиг. 8 - пример включения источника света фиксации и датчика изображения глаза в конфигурацию, показанную на фиг. 6.

[0028] Фиг. 9 - пример интеграции раскрытого здесь датчика волнового фронта с хирургическим микроскопом.

[0029] Фиг. 10 - пример интеграции раскрытого здесь датчика волнового фронта с биомикроскопом со щелевой лампой.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0030] Перейдем к рассмотрению различных иллюстративных вариантов осуществления, представленных в прилагаемых чертежах. Хотя нижеследующее описание приведено в связи с этими вариантами осуществления, следует понимать, что оно не призвано ограничивать изобретение каким-либо вариантом осуществления. Напротив, оно призвано охватывать альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем изобретения, заданные нижеследующей формулой изобретения. В нижеследующем описании, многочисленные конкретные детали изложены для обеспечения полного понимания различных вариантов осуществления. Однако настоящее изобретение можно осуществлять на практике без некоторых или всех этих конкретных деталей. В других случаях, общеизвестные операции процесса подробно не описаны во избежание затруднения понимания настоящего изобретения из-за ненужных деталей. Кроме того, каждое появление выражения “иллюстративный вариант осуществления” в различных местах описания изобретения не обязательно относится к одному и тому же иллюстративному варианту осуществления.

[0031] Большинство традиционных офтальмологических датчиков волнового фронта для измерений волнового фронта человеческого глаза используют двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для сбора информации волнового фронта. Например, типичный датчик волнового фронта Хартмана-Шака (см. например, US5777719, 6199986 и 6530917) использует двухмерную матрицу элементарных линз и двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП. Датчик волнового фронта Тшернинга (см. например, Mrochen et al., "Principles of Tscherning Aberrometry," J of Refractive Surgery, Vol. 16, September/October 2000) проецирует рисунок двухмерной точечной матрицы на сетчатку и использует двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для получения изображения двухмерного точечного рисунка, возвращаемого из глаза, для извлечения информации волнового фронта. Датчик волнового фронта Талбота использует кроссрешетку и датчик изображения на основе ПЗС или КМОП, расположенный на плоскости самоотображения кроссрешетки (см., например US6781681) для извлечения информации волнового фронта. Муаровый датчик волнового фронта Талбота (см., например, US6736510) использует пару кроссрешеток, повернутых относительно друг друга на некоторый угол, и датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для получения изображения муаровой картины для извлечения информации волнового фронта. Датчик волнового фронта на основе разнесения по фазе (см., например US7554672 и US20090185132) использует элемент дифракционной линзы и двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для получения изображений, связанных с разными дифракционными порядками, для извлечения информации волнового фронта.

[0032] В силу большого объема данных, которые должен собирать двухмерный датчик изображения, и ограничения по частоте кадров, обусловленного тактовой частотой и/или скоростью переноса данных по линии электронного переноса данных, например, кабелю USB, датчики изображения, используемые во всех этих традиционных устройствах датчика волнового фронта, могут работать только на сравнительно низкой частоте кадров (обычно от 25 до 30 кадров в секунду) и, следовательно, чувствительны к фоновому шуму нулевой или низкой частоты. В результате, эти традиционные датчики волнового фронта, в общем случае, могут функционировать только в относительно темном окружении для снижения шума от фонового/окружающего света нулевой или низкой частоты.

[0033] Кроме того, диапазон измерения оптической силы этих офтальмологических датчиков волнового фронта, в целом, ограничен ±20 дптр, по большей части, в силу компромисса в разнесении или шаге фиксированной сетки элементов отбора волнового фронта, который определяет чувствительность к наклону волнового фронта, диапазон измерения оптической силы волнового фронта и пространственное разрешение измерения волнового фронта.

[0034] Другая технология датчиков волнового фронта на основе трассировки лучей лазерного пучка (см., например US6409345 и US6932475) не требует непременно использовать двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для извлечения информации волнового фронта. Однако коммерческий продукт (iTrace от Tracey Technologies) имеет ограниченный диапазон измерения только ±15 дптр и по-прежнему требует темного окружения для измерения волнового фронта.

[0035] В принадлежащем тому же заявителю документе US7445335 раскрыт последовательный датчик волнового фронта, который последовательно сдвигает весь волновой фронт, чтобы только желаемая часть волнового фронта могла проходить через апертуру отбора волнового фронта. Этот датчик волнового фронта применяет синхронное детектирование для удаления оптического или электронного шума нулевой или низкой частоты, например, из фонового света или электронных помех, обусловленных пульсацией источника света, используемого для генерации волнового фронта из глаза, и его синхронизации с устройством/детектором регистрации положения с высокочастотной характеристикой (например, квадратным детектором). Таким образом, этот датчик волнового фронта не требует темного окружения для измерения волнового фронта и весьма пригоден для непрерывной интраоперационной рефракционной хирургии в реальном времени, где свет освещения хирургического микроскопа всегда остается в состоянии “включено”. Последовательный отбор волнового фронта полностью снимает любые потенциальные проблемы взаимных помех, что, таким образом, обеспечивает возможность большого динамического диапазона измерения волнового фронта. Однако оптическая конфигурация, представленная в US7445335, не идеальна для охвата большого диапазона оптической силы, поскольку нуждается в сканере пучка с сравнительно большой областью перехвата пучка. В другой принадлежащей тому же заявителю патентной заявке США (US20120026466) раскрыты оптические конфигурации, усовершенствованные по сравнению с US7445335. Эти усовершенствованные конфигурации позволяют использовать сравнительно малый и коммерчески доступный световой сканер пучка (например, сканер на основе MEMS) для сканирования всего объектного пучка из глаза в пределах большого диапазона оптической силы (до ±30 дптр), и, следовательно, можно адекватно охватывать рефракцию глаза даже в афакичном состоянии. Благодаря гибкому сдвигу волнового фронта, можно отбирать любую часть волнового фронта и, таким образом, добиваться высокого пространственного разрешения.

[0036] Однако, в силу требований к безопасности глаза, может быть установлен предел оптической энергии, которую можно доставлять за данное время в глаз пациента. Таким образом, даже при наличии пульсирующего источника света и использовании подхода синхронного детектирования для повышения отношения сигнал-шум, если требуется отбор большого количества пространственных частей волнового фронта, возвращаемого из глаза, частота обновления измерения волнового фронта может быть ограничена. С другой стороны, если требуется обеспечить высокую частоту обновления измерения волнового фронта, максимальное количество точек пространственного отбора может быть ограничено. Таким образом, необходимо дополнительно повысить производительность такого датчика волнового фронта, действующего в режиме синхронного детектирования.

[0037] В соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, некоторое количество элементов параллельного отбора волнового фронта объединяются с соответствующим количеством устройств/детекторов регистрации положения (PSD) изображения или светового пятна, которые все работают в режиме синхронного детектирования синхронно с пульсацией источника света на частоте выше диапазона частот 1/f шума. Каждый PSD имеет достаточно высокочастотную характеристику, чтобы шум, сгенерированный фоновым светом нулевой или низкой частоты, можно было, по существу, отфильтровывать и повышать отношение сигнал-шум.

[0038] Помимо параллельного отбора волнового фронта, физическое разнесение элементов параллельного отбора волнового фронта задается таким образом, чтобы в желаемом диапазоне оптической силы рефракционного нарушения глаза не было взаимных помех. Кроме того, для отбора любой части или сегмента волнового фронта, волновой фронт также можно последовательно сдвигать относительно элементов отбора волнового фронта с использованием подходов, аналогичных раскрытым в принадлежащим тому же заявителю патенте US7445335 и патентной заявке US20120026466.

[0039] На фиг. 1 показана схема последовательного датчика волнового фронта, раскрытого в принадлежащем тому же заявителю документе US7445335. Узкий пучок света от источника 134 света направляется на сетчатку глаза 138 через светонаправляющий элемент 136, например светоделитель. Объектный пучок света, исходящий от сетчатки глаза, имеющий волновой фронт 102 при выходе из глаза, фокусируется первой линзой 104. Объектный пучок волнового фронта распространяется через поляризационный светоделитель (PBS) 106 размещенный таким образом, что его направление поляризации пропускания выровнено с желаемым направлением поляризации объектного светового пучка. В результате, линейно поляризованный объектный пучок будет проходить через PBS 106. Четвертьволновая пластинка 108 располагается позади PBS 106, причем ее ось наибольшей скорости распространения света ориентирована таким образом, чтобы после прохождения пучка через четвертьволновую пластинку 108 получался световой пучок круговой поляризации.

[0040] Объектный световой пучок, который несет информацию волнового фронта из глаза, фокусируется на отражающей поверхности наклонного сканирующего зеркала 112, которое установлено на шпинделе 114 электродвигателя. Объектный световой пучок, отраженный зеркалом, приобретает направление, которое зависит от угла наклона сканирующего зеркала 112 и поворотного положения электродвигателя 114. Отраженный пучок все еще имеет круговую поляризацию, но круговая поляризация направление вращения изменяется с левостороннего на правостороннее или с правостороннего на левостороннее. Следовательно, вторично пройдя через четвертьволновую пластинку 108 на своем обратном пути, пучок снова становится линейно поляризованным, но его направление поляризации поворачивается на 90 градусов относительно направления исходного входящего объектного пучка. Таким образом, на поляризационном светоделителе 106, возвращаемый объектный пучок будет, по большей части, отражаться влево, как показано пунктирными световыми лучами на фиг. 1.

[0041] Вторая линза 116 располагается слева от PBS 106 для коллимации отраженного объектного пучка и для создания копии исходного входного волнового фронта (124) в плоскости апертуры 118 отбора волнового фронта. Вследствие наклона сканирующего зеркала, дублированный волновой фронт 124 сдвигается в поперечном направлении. Апертура 118 располагается перед линзой 120 фокусировки частичного волнового фронта для выбора малой части дублированного волнового фронта 124. Линза 120 фокусировки частичного волнового фронта фокусирует выбранный частичный волновой фронт на устройство/детектор 122 регистрации положения, которое используется для определения центроида сфокусированного светового пятна, сгенерированного из последовательно выбранных частичных волновых фронтов. Благодаря вращению электродвигателя 114 и изменению угла наклона сканирующего зеркала 112, величиной радиального и азимутального сдвига дублированного волнового фронта можно управлять таким образом, чтобы можно было выбрать любую часть дублированного волнового фронта для последовательного пропускания через апертуру 118. В результате, весь волновой фронт исходного входящего пучка можно характеризовать как в случае стандартного датчика волнового фронта Хратмана-Шака, за исключением того, что центроид каждого частичного волновоого фронта теперь получается последовательно, а не параллельно.

[0042] Как можно видеть на фиг. 1, управляя углом наклона сканирующего зеркала и частотой пульсации источника света, можно отбирать любую часть волнового фронта. Кроме того, электронная система управления и детектирования может синхронизировать работу источника 134 света, электродвигателя 114, апертуры 118 отбора волнового фронта, если она также активна, и детектора 122 регистрации положения для обеспечения синхронного детектирования. Таким образом, можно повысить отношение сигнал-шум и отфильтровать шум, сгенерированный фоновым светом нулевой или низкой частоты.

[0043] Однако, когда сдвиг волнового фронта осуществляется сканером пучка на оптической плоскости преобразования Фурье оптической системы 4-f ретрансляции волнового фронта, когда значение нарушения рефракционной оптической силы глаза пациента велико, размер объектного пучка в плоскости преобразования Фурье также будет сравнительно большим. Это означает, что для охвата большого диапазона оптической силы, сканеру пучка требуется относительно большая область перехвата пучка. В случае хирургии катаракты, где рабочее расстояние между глазом и входным портом велико, необходимый размер сканера пучка будет непрактичен в отношении стоимости и коммерческой доступности.

[0044] На фиг. 2 показана другая оптическая конфигурация, раскрытая в принадлежащей тому же заявителю патентной заявке США US20120026466, которая использует два каскадно соединенных 4-f ретранслятора имеющие первую и вторую плоскости преобразования Фурье, A и C соответственно, и первую и вторую плоскости изображения, B и D соответственно. Благодаря использованию двух каскадно соединенных 4-f ретрансляторов волнового фронта или 8-f ретранслятора волнового фронта, последовательного поперечного сдвига волнового фронта можно добиться угловым сканированием пучка волнового фронта на или вокруг второй плоскости C преобразования Фурье, где ширина пучка волнового фронта (по желаемому большому диапазону измерения нарушения рефракционной оптической силы) могут поддерживаться в определенном диапазоне физических размеров таким образом, чтобы сравнительно малый сканер 212 пучка мог полностью перехватывать объектный пучок.

[0045] Как показано на фиг. 2, после первого ретранслятора волнового фронта в плоскости B изображения волнового фронта, ширина объектного пучка уменьшается вследствие различия в фокусном расстоянии между первой линзой 204 и второй линзой 216, хотя расхождение или схождение пучка увеличивается. Второй 4-f ретранслятор волнового фронта содержит третью линзу 240 и четвертую линзу 242, каждая из которых имеет сравнительно большую фокусирующую силу или малое фокусное расстояние и сравнительно большую числовую апертуру (NA) или угол конуса приема пучка. Ширина пучка на второй плоскости C преобразования Фурье теперь сравнительно мала. Угловое сканирование пучка на второй плоскости C преобразования Фурье позволяет поперечно сдвигать изображение волнового фронта на второй плоскости D изображения волнового фронта. Поперечно сдвинутый волновой фронт можно отбирать на второй плоскости D изображения волнового фронта с помощью апертуры 218 отбора волнового фронта и фокусировать с помощью линзы 220 фокусировки частичного волнового фронта на устройство/детектор 222 регистрации положения (PSD).

[0046] Аналогично варианту осуществления, изображенному на фиг. 1, управляя сканером 212 пучка на второй плоскости C преобразования Фурье и регулируя временной режим пульсации источника света, можно отбирать любую часть волнового фронта. Опять же, электронная система управления и детектирования может синхронизировать работу источника 234 света, сканера 212, апертуры 218 (если это переменная апертура) и PSD 222 для обеспечения синхронного детектирования для повышения отношения сигнал-шум и отфильтровывания шума, генерируемого фоновым светом нулевой или низкой частоты.

[0047] Электронная система 236 управления, имеющая пользовательский интерфейс 238 управления, подключена к сканеру 212 пучка и переменной апертуре, позволяя управлять этими элементами для изменения шаблона сканирования или размера апертуры. В других вариантах осуществления электронная система 236 управления может быть подключена к другим управляемым элементам, что будет более подробно описано ниже. Пользовательский интерфейс 238 может быть выполнен в виде кнопок на приборе, графического пользовательского интерфейса (ГИП) на приборе или на компьютере, присоединенном к электронной системе 236 управления.

[0048] Заметим, что на фиг. 1 и 2 показан только один элемент отбора волнового фронта и только одно устройство регистрации положения, и отбор волнового фронта осуществляется только последовательно. В этом случае отбирается только одна часть всего волнового фронта, что не позволяет эффективно использовать оптическую энергию, возвращаемую из глаза.

[0049] На фиг. 3a показан пример, где пучок света от источника света 334 (например, суперлюминесцентного диода или СЛД), действующего в импульсном и/или пакетном режиме, запускается через светонаправляющий элемент 306 (например, поляризационный светоделитель (PBS)) в глаз пациента для формирования сравнительно малого пятна изображения на сетчатке для генерации волнового фронта, который возвращается из глаза. Светонаправляющий элемент 306 должен иметь достаточно большой размер перехвата светового пучка чтобы гарантировать, что объектный пучок, несущий информацию волнового фронта из глаза в пределах желаемого диапазона измерения оптической силы глаза, полностью перехватывается, не испытывая возмущений на краю светонаправляющего элемента.

[0050] Использование PBS может способствовать подавлению помехи в виде света, отраженного или рассеянного от других нежелательных оптических границ раздела глаза, например, роговицы и хрусталика. Дело в том, что относительно узкий входной световой пучок СЛД линейно поляризован в первом направлении поляризации, и свет, отраженный или рассеянный от роговицы и хрусталика, также, по большей части, линейно поляризован в первом направлении поляризации, тогда как свет, рассеянный на сетчатке, имеет большую составляющую, поляризованную перпендикулярно первому направлению поляризации. Таким образом, PBS, в качестве светонаправляющего элемента 306, выступает в роли как поляризатора для пучка СЛД, распространяющегося к глазу, так и анализатора, предназначенного для пропускания только о