專利名稱：用于校正波前傳感器的設(shè)備及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及眼睛波前(ophthalmic wavefront)傳感領(lǐng)域，并特別涉及用于像差儀校正的設(shè)備及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
波前傳感器，通常稱為像差儀(這個術(shù)語在此將互換使用)，是一種測量在光束的光徑中畸變的波前與理想的或參考的波前之間差異的設(shè)備。所述測量在適當處理時，可以產(chǎn)生光束傳播通過的光學系統(tǒng)的各種像差值，這些光學系統(tǒng)使得波前產(chǎn)生畸變。盡管高能激光和天文成像是波前傳感前發(fā)展的主要動力(其中大氣自身是導致像差的光學系統(tǒng))，近來更多的注意力集中在測量眼睛的像差，以達到改善視覺質(zhì)量的目的。感興趣的讀者可以參考Geary，JM，Introduction toWavefront Sensors，SPIE Optical Engineering Press(1995)(波前傳感器導論，SPIE光學工程出版社(1995))；以及Williams的美國專利5,777,719以獲得更多信息。這些參考以可以應用的專利條款和法律所允許的程度而作為參考完整的結(jié)合于此。
上述的Williams的專利描述了沙克—哈特曼(Shack-Hartmann)型波前傳感儀器，可以用于測量在其它參數(shù)之中的高階眼睛像差。很多商業(yè)的像差儀包含微透鏡(小型透鏡)陣列并以沙克—哈特曼原理工作。其他類型的像差儀包括空間解析的基于Scheiner視力計的屈光度計，以及基于Tscheming原理的該類系統(tǒng)，視網(wǎng)膜檢影系統(tǒng)，Tracey技術(shù)型的掃描系統(tǒng)，光束跟蹤設(shè)備，以及其他等等。所有這些像差儀類型在眼睛波前傳感領(lǐng)域是公知的，因此對于理解本發(fā)明并不需要對這些設(shè)備的詳細描述。對這些設(shè)備的描述，舉例來說，可以在2000年9月/10月的J. Refractive Surg.16(5)中找到。
眼睛的波前數(shù)據(jù)越來越多的用于配置屈光度外科(如PRK，LASIK，以及LASEK)的切除算法，以及用于隱形眼鏡的定制成形，IOL，貼膜(onlay)以及其他視覺校正單元。這些應用的成功效果依賴于所獲取的像差測量的有效性，而該像差測量的有效性依賴于像差儀的正確的初始校正，以及在像差儀用于獲取診斷/治療的波前像差測量時對其的正確校準。因此，本發(fā)明人認識到需要一種方法和設(shè)備，以解決這些問題以及其他與波前測量和像差檢測操作的精確性和可再現(xiàn)性相關(guān)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例涉及一種改進的波前傳感設(shè)備。一個像差儀，不管其工作原理，需要一個光頭，一個數(shù)據(jù)采集、存儲和處理系統(tǒng)，以用于檢測、測量和顯示波前像差數(shù)據(jù)，并使得電子設(shè)備和軟件結(jié)合起來。根據(jù)本發(fā)明的改進的總的特征在于位于波前傳感器光徑中的像差儀校正元件，以及所述校正元件的存檔的校正測量，該校正測量精確表示該校正元件所需的測量參數(shù)。該校正元件優(yōu)選地包括特性優(yōu)良的測試光學部件或眼球模型。用于波前測量校正的該實施例的一種優(yōu)選方式中，校正元件是具有已知波前像差的眼球模型，并且所需測量參數(shù)是用于波前測量校正的Zemike像差系數(shù)。在另一種涉及像差儀屈光聚焦校正的方式中，校正元件是具有已知的正的或負的屈光能力的測試光學部件，并且所需的測量參數(shù)是屈光度校正或像差儀聚焦校正。這些校正元件可以單獨使用或組合起來使用。一個或多個可控的透光元件，如快門或光圈，設(shè)置在光徑中以選擇性的傳送到達或來自所述校正元件的光束，從而可以分別獲得校正和診斷/治療測量。除所述校正元件之外，還在像差儀的視網(wǎng)膜照射源和病人眼睛之間設(shè)置光強或功率計，以提供安全功能而防止危險的過高(或過低不足)程度的視網(wǎng)膜照射。任何一個或所有的前述元件可以與交互連接的像差儀處理和控制中心協(xié)同工作，以在像差儀沒有校正或使用不適合或不安全時停止該像差儀的診斷和/或治療操作。
本發(fā)明進一步考慮了操作相關(guān)的校正和監(jiān)視方法。
本發(fā)明的這些和其它目標通過下面的詳細描述可以變得更容易明白。然而，應該理解，所述的詳細描述和特定例子，盡管說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但僅僅是作為示例而給出，因為在此處的描述和附圖以及所附權(quán)利要求書的基礎(chǔ)上，在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的多種改變和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是很明顯的。


圖1是一般的沙克—哈特曼像差儀的光學示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的沙克—哈特曼像差儀的光學示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的沙克—哈特曼像差儀的光學示意圖；圖4(a-d)是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多種校正方式的光學路線圖示；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的另一種校正方式的光學示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例眼球模型的前表面的光學干涉圖的復制圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的眼球模型的例子的線條圖。
具體實施例方式
圖1顯示了一般的沙克—哈特曼像差儀10的光學圖。可以理解，本發(fā)明并不限于沙克—哈特曼像差儀，而實際上可以應用于所有像差儀和波前傳感方法，并可以經(jīng)受所述像差儀測量路徑中的測試目標以及所存儲的校正測量與所述測試光學部件的校正測量之間的對比分析的檢驗。此處所用的術(shù)語“屈光能力”指以屈光度(D)測量的(±)球體散焦(spherical dfocus)，由球形凹透鏡或凸透鏡或眼睛產(chǎn)生。
以一般文字描述波前傳感器操作，病人眼睛正確地與像差儀的測量軸對齊。眼睛的視網(wǎng)膜被光源照射，該光源例如為激光二極管，或者其他適當?shù)南喔苫虬胂喔晒庠矗⑶夜馐幌癫顑x中的光學系統(tǒng)聚焦在視網(wǎng)膜上。來自視網(wǎng)膜的反射光束通過眼睛的光學系統(tǒng)并射到探測器上。在沙克—哈特曼系統(tǒng)(這是當前用于診斷性波前測量的主要眼科設(shè)備方法)中，反射光束被微透鏡陣列聚焦為探測器上的虛像。計算圖像的中心并通過圖像偏移信息獲得波前傾斜數(shù)據(jù)。該信息被處理并通常用Zemike多項式擬合以輸出像差系數(shù)測量值。然后這些系數(shù)可以用于校正透鏡，切除算法，以及其他本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的眼科應用的設(shè)計。
參考圖1，像差儀10一般地需要一個光頭，一個數(shù)據(jù)采集、存儲和處理系統(tǒng)，以用于檢測、測量和顯示波前像差數(shù)據(jù)，并使得電子設(shè)備和軟件結(jié)合起來。所述光頭優(yōu)選的包括激光二極管照射源12，工作在780nm(本領(lǐng)域公知的其他波長也是合適的)；成像透鏡14和分光器16，用于處理來自照射源12的發(fā)射和反射光束；微透鏡陣列18，用于將反射自眼睛視網(wǎng)膜的光束成像到探測器或傳感器20上；與所述傳感器結(jié)合在一起的波前照相機22，以及用于觀察成像點的顯示監(jiān)視器(未示出)；處理系統(tǒng)24包括P.C.和適當?shù)能浖?，用于計算像差?shù)據(jù)、對像差儀元件的指令和控制、數(shù)據(jù)傳輸和使用波前信息的各種計算；以及用于輔助眼睛定位的共軸調(diào)整照相機26。固定目標28通常輔助病人眼睛50的對準和測量。優(yōu)選地，該固定目標由發(fā)射綠光的LED從背后照亮，因為綠光比紅光提供更好的適應性。波前傳感設(shè)備10包括U型導光系統(tǒng)(optical trombone system)30用于補償病人眼睛引入的屈光折射(散焦)。換句話說，所述U型導光系統(tǒng)(或本領(lǐng)域公知的替換的光學聚焦系統(tǒng))用于補償通常的眼睛近視和遠視，并銳化探測器上形成的圖像點的聚焦，產(chǎn)生更精確的波前測量。感興趣的讀者可以參考國際公開WO 01/28408以獲得所述U型導光系統(tǒng)的詳細描述。以可適用的專利條款和法律所允許的程度該公開通過參考而完整結(jié)合于此。
根據(jù)圖2所示的本發(fā)明的一個實施例，改進的波前傳感器10′包括定位于光學測量路徑40中的波前校正測試透鏡32(下面將詳細描述)。優(yōu)選地，測試透鏡32精密制造并具有精確特性而作為校正元件。反射表面或介質(zhì)33優(yōu)選地設(shè)置在所述測試透鏡32的后表面，以模擬視網(wǎng)膜的漫散射。表面33的位置不一定與所述測試透鏡表面結(jié)合在一起或緊緊相鄰，而可以如本領(lǐng)域技術(shù)人員所希望的那樣位于適當?shù)奈恢?。在如圖7所示并在下面描述的一種測試光學部件是眼球模型的方式中，反射表面33位于離開眼球模型前表面72一定距離處，以模擬人眼中的距離。在一種優(yōu)選方式中，可控的透光元件(LTE)34，例如(但不限于)機械、電子或光學控制的快門或光圈34，位于沿光軸40的照射源12和測試光學部件32之間。該LTE 34打開以允許來自光源12的光束傳播經(jīng)過測試透鏡32以進行校正，否則就關(guān)閉。該LTE定向為相對于光軸40有一個很小的角度，從而從該LTE表面反射的任何光束不會傳播回探測器20和/或波前照相機22。另外，類似于LTE 34的可選擇的LTE 36設(shè)置在光源12和眼睛50之間，以在診斷性或治療性波前測量期間允許光束傳播到達眼睛，并在校正測量期間阻斷到達眼睛的光束。
在該實施例的一種優(yōu)選方式中，如圖7所示測試光學部件32是眼球模型。該眼球模型32是單塊的平凸的光學部件，其中，根據(jù)待模擬的像差，該凸出(前部)表面72可以為球面、軸對稱非球面或非軸對稱非球面。眼球模型32的凸的和平的表面均可以通過傳統(tǒng)的制造技術(shù)形成，包括研磨和拋光，金剛石切削，激光加工，蝕刻，模塑等等。所述眼球模型的材料可以是對所用的照射波長透明的任何光學材料，包括玻璃(如BK7)，塑料(如PMMA)，晶體，以及多晶材料(如ZnS)。在一個示例的實施例中，眼球模型32為金剛石切削的PMMA平凸柱面。軸長d為23.647mm，外徑為12.7mm。對凸表面的指定如下頂點半徑，R＝7.8mm；圓錐常數(shù)，k＝0；Zemike第11項系數(shù)，Z330＝0.008652619mm；正交半徑，NR＝4mm；表面垂度方程Z＝(x^2/R)/[1+sqrt(1-(1+k)*(x/R)^2]+Z330*(x/NR)^3*cos(3q)其中x為以毫米為單位的徑向坐標，q為以度或弧度為單位的方位角坐標。眼球模型32在波長780nm下孔徑為5.7mm時顯現(xiàn)1.89微米的三葉形圖案。眼球模型前表面的干涉圖77，78顯示在圖6中。
在圖3中示意性地示出的另一個實施例中，校正元件優(yōu)選為正的球面透鏡44或負的球面透鏡46，通過轉(zhuǎn)臺組件、V形凹槽或其它公知的插入/支撐裝置沿光軸40設(shè)置。所需的校正參數(shù)是所述U型導光系統(tǒng)30的屈光聚焦設(shè)置。透鏡44(46)具有已知的優(yōu)選為±10D范圍內(nèi)的屈光聚焦能力。當透鏡44位于如圖所示的系統(tǒng)中的位置時，U型導光系統(tǒng)30被調(diào)整以補償透鏡的特定屈光能力。初始校正聚焦設(shè)置存儲在像差儀的處理中心24的存儲介質(zhì)中。在以后的某個時間，測試透鏡44(46)可以再次精確定位于像差儀的測量路徑中，并且U型導光系統(tǒng)的聚焦設(shè)置可以與所存儲的測量數(shù)據(jù)進行比較。如果像差儀在合適的聚焦校正范圍內(nèi)，優(yōu)選地在大約±0.25D之內(nèi)，那么像差儀的聚焦能力被校正；否則，建議進行重新校正。在像差儀的控制系統(tǒng)24中可以采用安全互鎖系統(tǒng)，以在像差儀并不處于校正范圍內(nèi)時阻止該像差儀的診斷性/治療性操作。
在一種優(yōu)選的方式中，波前校正元件32和聚焦校正元件44(46)均可以用于像差儀的校正。圖4(a-d)顯示了根據(jù)本發(fā)明的四種校正測量情況。圖4a顯示了診斷性/治療性的眼睛測量方式，其中波前校正透鏡32固定地定位于光軸40上，然而快門34關(guān)閉，從而阻斷光束傳播到測試光學部件。來自激光器12的光束從分光器16反射到眼睛50中，以進行眼睛的波前測量。在圖4b中，快門36關(guān)閉以阻斷光束傳播到眼睛中，而快門34打開以將光束從光源12傳播到波前校正透鏡32。所測量的像差與先前獲得并存儲的波前校正數(shù)據(jù)作比較，從而像差儀校正被檢驗。圖4c顯示了具有負屈光能力的透鏡46，與波前校正透鏡32一起位于光軸40上。同樣的，在圖4d中，正透鏡44位于校正測量位置，同時快門34打開，快門36關(guān)閉。所存儲的U型導光系統(tǒng)位置和通過4c或4d的系統(tǒng)獲得的測量之間的比較測量提供了對像差儀的聚焦校正。
在根據(jù)圖5的另一個實施例中，視網(wǎng)膜照射度測量設(shè)備66設(shè)置在光徑64上，與光源12成一直線。優(yōu)選地，照射源為發(fā)射780nm光束的激光器，并且測量設(shè)備66是激光功率計。為了連續(xù)監(jiān)視激光功率，功率計66固定定位于由分光器16′提供的光束路徑64上。分光器16′的合適的透射/反射比由可用的激光功率決定。處理器24中的像差儀控制軟件被編程，舉例來說可以編程為在激光射入眼睛50之前立即自動對其進行脈沖調(diào)節(jié)，眼睛50由可控的快門36保護。如果測量到的功率過高(或過低)，像差儀的互鎖系統(tǒng)可以警告操作者或撤銷像差儀操作直到所有問題解決。本發(fā)明的這種方式優(yōu)選的為此處所參考的其他校正測量的附加功能。
根據(jù)本發(fā)明另一個實施例，用于校正像差儀的方法包括以下步驟具有已知特性的測試元件設(shè)置在設(shè)備的測量路徑上，所述特性例如為(但不限于)，波前畸變和/或屈光能力。使用所述測試元件進行像差儀的初始校正，以提供所需性質(zhì)的精確測量校正數(shù)據(jù)。該測量校正數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備的存儲介質(zhì)中，如P.C.。然后在選定時間進行該測試元件的測試測量。這應該在每次診斷性波前測量之前，以預設(shè)的時間間隔或者手動進行。然后所述測試測量與所存儲的校正測量數(shù)據(jù)進行比較，從而當比較結(jié)果落入預定的校正容差范圍內(nèi)時波前傳感器的校正得到驗證。例如，如果需要在±.25個波(wave)以內(nèi)測量各個Zemike系數(shù)，那么校正容差應被設(shè)為大約±.1個波。U型導光聚焦系統(tǒng)的聚焦容差范圍優(yōu)選的大約為±0.25D。如果沒有得到驗證，波前傳感器可以通過適當人員重新校正。
示例性地，波前校正測量優(yōu)選地包括步驟從測試光學部件獲取一組初始的已知為精確的波前數(shù)據(jù)，計算所測量的像差的Zernike系數(shù)并在設(shè)備的存儲介質(zhì)/區(qū)域中存儲所述Zernike系數(shù)，在其后一定時間，從所述測試光學部件獲取另一組波前數(shù)據(jù)并再次計算相關(guān)的Zernike系數(shù)，并比較這兩組系數(shù)數(shù)據(jù)以驗證像差儀校正。其他的校正步驟和校正容差很明顯地可以根據(jù)特定應用所需而而選用，但均在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
盡管選擇了多種有益的實施例來說明本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，其中可以做各種變更和修改而不背離所附權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于測量眼睛像差的改進波前傳感器設(shè)備，所述波前傳感器包括光頭，數(shù)據(jù)采集、存儲和處理系統(tǒng)，并連接一體化的電子設(shè)備，從而通過反射自眼睛視網(wǎng)膜的光束探測、測量和顯示眼睛像差信息，該改進的特征在于與波前傳感器協(xié)同工作的波前傳感器校正元件；以及精確表示所述校正元件的所需測量參數(shù)的存檔的校正測量數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中校正元件為具有所需測量參數(shù)的測試光學部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中校正元件包括具有所需測量參數(shù)的測試光學元件；還包括至少一個裝置，用于向所述測試光學部件可控地傳送光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，包括用于控制傳送到被測試眼睛的光束的另一裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中光束傳送裝置以這樣一種方式相對于所述設(shè)備的光軸定向，即，使得反射自該光束傳送裝置的光束不會沿所述設(shè)備的光軸而傳播。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中至少一個光束傳送裝置與所述設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、存儲和處理系統(tǒng)協(xié)同工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其進一步包括互鎖提供元件，該元件在所述設(shè)備超出預定校正范圍時阻止像差儀的診斷性/治療性操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述波前傳感器設(shè)備為沙克-哈特曼型波前傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中波前傳感器設(shè)備為Tscherning像差儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中波前傳感器設(shè)備為光束跟蹤像差儀。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中波前傳感器設(shè)備為視網(wǎng)膜檢影像差儀。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其進一步包括與所述校正元件關(guān)聯(lián)的用于模擬眼睛視網(wǎng)膜的光散射的散射介質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所需的測量參數(shù)為已知的波前畸變和已知的光功率中的至少一個。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中校正元件包括像差儀的光徑上的第一元件，用于提供波前校正測量，以及在所述第一元件和波前傳感器元件之間的第二元件，用于提供屈光能力校正測量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中第二元件包括具有在大約±10D范圍內(nèi)的屈光能力的光學元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述第二元件可以選擇性地位于光徑之內(nèi)或之外。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其進一步包括設(shè)置在視網(wǎng)膜照射源和眼睛之間的視網(wǎng)膜照射度測量設(shè)備。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中視網(wǎng)膜照射源為部分相干或相干發(fā)光源中的至少一個。
19.一種用于校正像差儀的方法，包括在所述像差儀的光徑上設(shè)置具有已知測量參數(shù)的測試元件；使用所述像差儀進行所述已知測量參數(shù)的初始測量，獲得像差儀校正數(shù)據(jù)；在像差儀的存儲介質(zhì)中存儲該校正數(shù)據(jù)；在選定時間進行測試元件的測試測量；比較所述測試測量和所存儲的校正數(shù)據(jù)；以及驗證所述像差儀的校正是否在預定的校正范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中已知測量參數(shù)為波前畸變。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中已知測量參數(shù)為屈光能力。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中定位測試元件包括在像差儀光徑上定位第一元件，該第一元件提供波前校正測量，以及在所述第一元件和波前傳感器元件之間定位第二元件，該第二元件提供屈光能力校正測量。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進一步包括如果所述像差儀超出預設(shè)的校正范圍則重新校正該像差儀。
24.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中在選定時間進行測試測量包括對所述波前傳感設(shè)備編程以使其以設(shè)定的時間頻率或事件自動進行所述測試測量。
全文摘要
一種用于測量眼睛像差的波前傳感器，包括校正測試元件(32)和存儲在設(shè)備中用作比較的校正測量信息，以確保該設(shè)備被正確地校正而用于可靠的像差測量。波前校正、聚焦校正以及視網(wǎng)膜照射度監(jiān)視均為所考慮的校正測量?？蛇x擇的互鎖功能在像差儀超出校正范圍或使用不安全時阻止該像差儀的診斷性/治療性操作。還描述了一種用于校正像差儀的方法。
文檔編號A61B3/103GK1604754SQ02824909
公開日2005年4月6日 申請日期2002年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者羅納德·J·馬蒂諾 申請人:博士倫公司