(57)【要約】  対象物（１２）からの戻りビームの経路内にレチクル（２０）を設置するステップと、レチクル（２０）に対して回折パターン自己画像形成面のところに、検出器（２２）を設置するステップとを含む、測定する対象物で反射し、透過し、内部反射する波面内の位相収差を検出するための波面測定システムおよび方法。対象物内の収差を表す多項式の係数を入手するために、一組の既知の多項式が波面位相勾配にあてはめられる。
2005513425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波面の形を決定するためのシステムであって、
分析する波面の経路内に位置する少なくとも１つのレチクルと、
前記レチクルを通過する前記波面を検出するために、前記レチクルに対して回折パターン自己画像形成面のところに実質的に位置する少なくとも１つの検出器と、
前記光検出器から出力信号を受信し、それに基づいて前記波面の形を計算する少なくとも１つのプロセッサとを備えるシステム。
【請求項２】
前記自己画像形成面の位置が、前記波面の波長および前記レチクルの空間周期の関数である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記レチクルが、格子間隔がｐの格子を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記回折パターン自己画像形成面が、前記レチクルからほぼ
【数１】
2005513425.tif 000014
の縦方向の距離のところの近視野内に位置し、ここで、ｐは前記格子の格子間隔であり、λは前記波面のスペクトル波長であり、ｎは整数である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記レチクルが、グリッド状のパターンを有する格子を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記プロセッサが、方法ステップ実行するためのロジックを実行し、
前記磁気波面の方向導関数を決定するステップを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記方法が、係数を決定する前に前記検出器のところで、前記波面の回折パターンを空間画像領域から空間周波数領域に変換するステップをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記空間周波数領域内の選択した部分が、前記係数を決定するために使用される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記方法が、前記波面の位相前面の少なくとも１つの勾配に基づいて、多項式の係数を決定するステップを含み、前記係数が前記波面の形を表す、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記係数が、一組の既知の多項式の導関数を決定ステップ中に入手した導関数にあてはめることにより決定される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
方向導関数が、少なくとも２つの方向で決定される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記方法が、ノイズをフィルタリングするための計算による艶消しスクリーンを実施するステップをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項１３】
少なくとも１つの光学素子を備える光学システム内の収差を測定するための方法であって、
試験ビームにより照射されるように、前記試験ビームの前記経路内を前記光学システムにより前記経路に沿って前記試験ビームを伝搬するステップと、
前記光学システムから前記レチクルを通して伝搬する光を受光するように、前記光学システムに対してある位置の前記試験ビームの前記経路内にレチクルを挿入するステップと、
前記レチクルを通過した後で、前記光に関連する方向導関数を決定するステップと、
前記収差の測定値を出力するために前記導関数を使用するステップとを含む方法。
【請求項１４】
前記レチクルを通過する前記光による回折パターンを空間画像から空間周波数分布に変換するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方向導関数に基づいて多項式の係数を決定するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記係数が、一組の既知の多項式の導関数を前記決定ステップ中に入手したデータにあてはめることにより決定される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも２つの方向で方向導関数を決定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記レチクルの自己画像を受信するために、前記経路内のある位置に光検出器を設置するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
計算による艶消しスクリーンをフィルタとして実施するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
コンピュータ・プログラム製品であって、
デジタル処理装置に波面内の収差を決定するための方法ステップを実行させるために、その上に記憶している命令のプログラムを有するコンピュータ可読媒体を備え、該コンピュータ可読媒体が、
前記波面が形成する画像の少なくとも一部を表示するステップと、
前記表示の方向導関数を決定するステップと、
多項式の係数を入手するために、既知の多項式またはその導関数に前記方向導関数をあてはめるステップと、
少なくとも一部は前記係数に基づいて、前記波面内の収差を表す波面の特徴を供給するステップとを含むプログラム製品。
【請求項２１】
前記波面の周波数領域の表示を生成するステップを含む、請求項２０に記載のプログラム製品。
【請求項２２】
前記方向導関数が２つの方向で決定される、請求項２１に記載のプログラム製品。
【請求項２３】
前記対象物からの波面により前記対象物の特徴を表示するための装置であって、
前記波面の経路内に位置する少なくとも１つのレチクルと、
前記波面が形成する前記レチクルの自己画像回折パターンを受信するために、前記レチクルに対して位置する少なくとも１つの光検出器と、
前記自己画像回折パターンを表す前記光検出器からの信号を受信し、それに関連する導関数を入手する少なくとも１つのプロセッサとを備え、該プロセッサが前記対象物の特徴を表示する前記導関数を使用する装置。
【請求項２４】
前記対象物が目である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記レチクルの位置が、前記レチクルの前記波面の波長および空間周波数に関連する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記プロセッサが、周波数空間内に分布させるために前記波面の周波数変換を行い、周波数空間内の分布から前記波面の位相の導関数を導く、請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
前記プロセッサが、２つの方向で位相の導関数を決定する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
前記プロセッサが、前記収差を表す多項式の係数を入手するために、一組の既知の導関数を前記プロセッサが決定した前記導関数にあてはめる、請求項２３に記載の装置。
【請求項２９】
反射または内反射対象物システム内の収差を決定するための方法であって、
前記対象物システムからの光ビームをレチクルを通して通過させるステップであって、前記光ビームが前記タルボット面のところに近視野回折パターンを形成するステップと、
前記タルボット面のところに前記近視野回折パターンを画像形成するステップと、
前記光ビーム内の収差の測定値を出力するために、前記近視野回折パターンを使用するステップとを含む方法。
【請求項３０】
前記対象物システムが目であり、前記方法が前記目内の収差を決定するためのものである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記光ビームに関連する波面を、空間画像領域から空間周波数領域に変換するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記空間周波数領域内の選択した部分だけが、係数を決定するために使用される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記近視野回折パターンを検出するために、前記タルボット面のところに光検出器を設置するステップを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記収差を低減するために、前記光ビーム内の収差の前記測定値に基づいて、修正光学系を設計するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、電磁波面の位相特性を測定するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波面が完全に回折を制限されている状態からどのように偏向するのかを測定する方法は多くの用途で使用されている。本発明を制限するものではない幾つかの例の場合、望遠鏡のような光学システムが作り出す波面において「収差」とも呼ばれる偏差の測定は、システムの製造の際の欠陥を示すことができる。何故なら、多くの光学システムは、その最高の性能で機能するためには、好適には、回折が制限された波面を形成することが好ましいからである。システムに測定した偏差の共役である波面を形成する構成要素を追加することにより、システムをもっと回折が制限された波面、およびそれ故、回折が制限された性能（すなわち、可能な限り最高の性能）を形成するようにすることができる。
【０００３】
波面内の収差が分かっている用途のもう１つの例は、人間の視界を修正する際に役に立つ。例えば、米国特許第５，９６３，３００号に開示されているように、患者の目からレーザ光線が反射する際に、完全な球形からの偏差を測定することにより、目の収差を測定することができ、それ故、補正することができる。上記’３００特許の場合には、患者の目から反射する光は２つのレチクルを通過し、結果として得られるモアレの影のパターンがスクリーン上に映し出される。画像形成システムは、スクリーン上の影をカメラ上に画像形成し、その後で画像形成された影の分析が行われる。上記’３００特許の技術は、幾何学的または光線追跡分析をベースとしている。この分析は、本明細書で認識されているように、測定することができる収差の振幅を制限し、それにより収差を測定することができる精度を制限する幾何学的分析を行うための理論的仮定を必要とする。
【特許文献１】米国特許第５，９６３，３００号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以下に説明する技術の幾つかの実施形態は、これら欠陥のうちの１つまたはそれ以上を解決することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
コヒーレントな電磁波の波面内の収差を測定するためのシステムは、波面の経路内に位置するレチクル、および同様に上記経路内に位置する検出器を含む。この点からいって、光検出器は、レチクルに対して回折パターン自己画像形成面またはタルボット面のところに位置する。
【０００６】
プロセッサは、光検出器から出力信号を受信することができ、それに基づいてビーム内の収差を決定することができる。ビーム内の収差は、波面が通過する媒体、または波面がそこから反射する対象物、または波面自身の発生源による波面内の収差を表すことができる。
【０００７】
好適で本発明を制限するものではない実施形態の場合には、プロセッサは、波面位相前面の位相勾配の決定、および収差の大きさを測定する位相前面勾配に基づく多項式の係数の決定を含むロジックを実行する。上記係数は収差を表す。好適には、上記勾配は、ビームの周波数領域変換から入手することが好ましい。この場合、勾配は、レチクルの向きが確立した方向内の波面の位相の導関数である。特に好適な本発明を制限するものではない実施形態の場合には、導関数は、少なくとも２つの方向で決定され、係数は一組の既知の多項式（例えば、ゼルニケの多項式など）の導関数を、測定した勾配にあてはめることにより決定される。
【０００８】
他の態様においては、対象物内の収差を決定するための方法は、対象物からの光ビームをレチクルを通して通過させるステップと、光ビームがレチクルを通過した後で、光ビームと関連する導関数を決定するステップを含む。導関数を使用して、対象物内の収差の測定値を出力することができる。
【０００９】
さらに他の態様においては、コンピュータ・プログラム製品は、デジタル処理装置に波面内の収差を決定するための方法ステップを実行させるために、その上に記憶している命令のプログラムを有するコンピュータ可読媒体を含む。これらの方法ステップは、波面が形成した回折パターンを表示するステップと、上記表示の方向導関数を決定するステップとを含む。導関数は、多項式の係数を入手するために、既知の多項式またはその導関数にあてはめられる。波面の特徴表示は、少なくとも一部は、係数に基づいて供給され、この場合、波面の特徴表示は波面内の収差を表す。波面が形成した画像の周波数領域表示も生成することができる。さらに、方向導関数を２つの方向で決定することができる。
【００１０】
さらに他の態様においては、波面内に表示される対象物内の収差を検出するための装置は、波面の経路内に位置するレチクルと、波面と関連する回折した自己画像を受信するために、レチクルに対して設置されている光検出器とを含む。自己画像形成距離は、
【００１１】
【数１】
2005513425.tif 000003
の整数倍であるレチクルからの離散的距離である。
【００１２】
ここで、ｐはレチクルの周期であり、λは波面のスペクトル波長である。プロセッサは、光検出器から自己画像を表す信号を受信する。プロセッサは、波面に関連する波面位相勾配を入手し、波面の収差を決定するために波面を定義する多項式の導関数の係数を使用する。
【００１３】
もう１つの態様においては、本発明は、電磁波面の形を決定するためのシステムを備える。このシステムは、分析対象の波面の経路内に位置する少なくとも１つのレチクルと、レチクルを通過する波面を検出するために設置されている少なくとも１つの検出器を含む。検出器は、レチクルに対して回折パターン自己画像形成面のところに実質的に位置する。システムは、さらに、光検出器から出力信号を受信し、それに基づいて波面の形を計算する少なくとも１つのプロセッサを備える。
【００１４】
さらに他の態様においては、本発明は、少なくとも１つの光学素子を備える光学システム内の収差を決定するための方法を含む。この方法の場合には、試験ビームが、試験ビームで照射されるように、試験ビームの経路内の光学システムにより、経路に沿って伝搬する。レチクルは、光学システムから光を受光するために、光学システムに対してある位置のところの試験ビームの経路内に挿入される。光はレチクル内を伝搬する。光に関連する方向導関数は、レチクルを通過した後で決定される。さらに、導関数は、収差の測定値を出力するために使用される。
【００１５】
さらに他の態様においては、本発明は、デジタル処理装置に波面内の収差を決定するための方法ステップを実行させるために、その上に記憶している命令のプログラムを有するコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータ・プログラム製品を備える。これらの方法ステップは、波面が形成する画像の少なくとも一部を表示するステップと、上記表示の方向導関数を決定するステップとを含む。さらに、方向導関数は、多項式の係数を入手するために、既知の多項式またはその導関数にあてはめられる。さらに、波面の特徴表示は、少なくとも一部が係数に基づいて供給され、波面の特徴表示は波面内の収差を表す。
【００１６】
さらに他の態様においては、本発明は、対象物からの波面によりその対象物の特徴を表示するための装置を備える。上記装置は、波面の経路内に位置する少なくとも１つのレチクルと、波面が形成するレチクルの自己画像回折パターンを受信するために、レチクルに対して位置する少なくとも１つの光検出器を含む。装置は、さらに、光検出器から自己画像回折パターンを表す信号を受信し、それに関連する導関数を入手する少なくとも１つのプロセッサを含む。プロセッサは、対象物の特徴を表示するために導関数を使用する。
【００１７】
もう１つの態様においては、本発明は、反射または内反射対象物システム内の収差を決定するための方法を含む。この方法の場合には、対象物システムからの光ビームはレチクルを通過する。光ビームは、タルボット面のところに近視野回折パターンを形成する。この方法は、さらに、タルボット面のところに近視野回折パターンを画像形成するステップと、光ビーム内の収差の測定値を出力するために、近視野回折パターンを使用するステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
類似の参照符号が類似の部材を示す、添付の図面を参照すれば、種々の好ましい実施形態の構造および動作の両方の詳細を最もよく理解することができるだろう。
【００１９】
最初に図１を参照すると、この図は全体を参照符号１０で示す波面センサである。図１に示すように、基準波面１１は、（光学的または他の）システムまたは素子１２を通過する（または反射する）ことができる。システムまたは素子１２として、望遠鏡システムのような光学系システムを使用することができるし、またはシステムまたは素子は、人間の目、または例えば、測定対象の収差または曲率のような特性を有する他の対象物であってもよい。
【００２０】
図１に示すように、転送された（transferred）波面１８、すなわち、システムまたは素子１２を通過または反射した後の波面１１は、レチクル２０を通過する。例えば、このレチクル２０は、無制限に、回折格子、ロンチ罫線（Ｒｏｎｃｈｉ  ｒｕｌｉｎｇ）、またはグリッド・パターンを備えることができる。レチクル２０は、波面１８を回折し、回折した波面は、ＣＣＤまたは他の検出器アレイのような、しかし、これらに限定されない、光センサ２２が配置されているレチクル２０から「ｄ」だけ離れている自己画像形成距離のセンサ面上に自己の画像を形成する。自己画像形成距離「ｄ」は、コヒーレントな波面のスペクトル波長、およびレチクルの空間周波数により変化する。好適には、ＣＣＤは、近視野回折領域内の自己画像形成面のうちの１つの約±１０％または約±２０％内に位置することが好ましい。
【００２１】
本発明を制限するものではない例示としての実施形態の場合には、画像形成検出器上に入射した波面は、下記の回折式で表すことができる。
【００２２】
【数２】
2005513425.tif 000004
【００２３】
ここで、λは、コヒーレント波面の波長であり、ｚは、伝搬方向内の関連ベクトル
【００２４】
【数３】
2005513425.tif 000005
を含む伝搬距離であり、ｐは、レチクルの周期（あるグリッド・ラインの始めから次のグリッド・ラインまでの距離）であり、ｒは、その関連（associated）ベクトル
【００２５】
【数４】
2005513425.tif 000006
を含む検出器の面内の空間的寸法であり、
【００２６】
【数５】
2005513425.tif 000007
は、レチクルの向きを表す対応する単位ベクトル
【００２７】
【数６】
2005513425.tif 000008
であり、▽は、測定中の波面位相「ｗ」の方向導関数（または勾配）である。自己画像形成距離は、コヒーレント波面のスペクトル波長およびレチクルの空間周波数により変化し、下式により表される。
【００２８】
【数７】
2005513425.tif 000009
【００２９】
ここで、ｎは、自己画像が形成される距離の整数倍である。例えば、５０マイクロメートル（μｍ）の格子間隔ｐを有するレチクルの場合には、この距離ｄは、約２．９〜３．０ミリメートル（ｍｍ）の間か、または８５０ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する光に対してはこれに近い距離である。この距離の整数倍は、適当なものであってもよい。
【００３０】
以下に説明するように、このレチクル２０は、ほぼ同じ周期ｐを有する直交するｘおよびｙ方向に罫線を含むことができる。他の実施形態の場合には、直交する罫線の間隔ｐｘおよびｐｙは、ｘおよびｙ方向において異なっていてもよい。異なる方向を向いている罫線に対する距離ｄｘおよびｄｙのところに対応する自己画像面を形成することができる。同様に、同じまたは異なる周期を有するもう１つの上に重畳している２つまたは３つ以上のレチクル・パターンを使用することも可能であると思われる。
【００３１】
自己画像面のところに位置する光センサまたは検出器２２上の自己画像形成したレチクルは、コヒーレント波面の位相特性に関する所望の情報を含む。この情報は、センサ２２のところで収集した空間信号から抽出され、データ・プロセッサ（すなわち、コンピュータ）２４に送られ、以下に説明するように処理される。ロジックを実行するために、プロセッサ２４は、好適にはソフトウェアが実装されたモジュール２６にアクセスし、波面（またはその共役）を表す信号を、プリンタ、モニタ、コンピュータ、ネットワークまたは他の適当なデバイスのような、しかしこれらに限定されない出力装置２８に出力する。
【００３２】
種々の実施形態の場合には、レチクル２０からのビームが、回折パターンを確立する。しかし、このパターンは、すでに説明したように、レチクル２０からの距離「ｄ」の整数倍だけ離れている自己画像面のところを除いては、ほとんど識別することができない。それ故、自己画像回折パターンを、ある好ましい実施形態の場合には、図１に示すように、第１の（ｎ＝１）自己画像面のところに位置する光センサまたは検出器２２により検出することができる。しかし、センサまたは検出器２２は、距離「ｄ」の整数倍だけレチクル２０から離れている自己画像面の中の任意のもののところに位置させることができることを理解されたい。
【００３３】
ロジックは、本明細書に記載し図示するプロセスおよび方法により、図１のアーキテクチャ上で実行することができる。これらの方法およびプロセスは、図２のフローチャート、および図３ａ〜図３ｃの略図および図４および図５のフローチャートのブロックの少なくとも幾つかに示す方法およびプロセスを含むが、含むことができるものはこれらに限定されない。本明細書に記載する方法およびプロセスのこれらおよび他の図面は、コンピュータ・プログラム・ソフトウェアで実行することができる、本発明の種々の実施形態のロジックの構造を示す。さらに、当業者であれば、本明細書に記載するフローチャートおよび説明は、コンピュータ・プログラム・コード素子または電子論理回路のような論理素子の構造を示すことを理解することができるだろう。はっきりと言えることは、種々の実施形態は、デジタル処理装置（すなわち、コンピュータ、コントローラ、プロセッサ等）に命令する形の論理素子に、図に示すこれらに対応する一連の機能ステップを実行させる機械構成要素を含む。
【００３４】
すなわち、ロジックは、一連のコンピュータ素子または制御素子が実行することができる命令として、プロセッサ２４が実行するコンピュータ・プログラムにより実施することができる。これらの命令は、例えば、ＲＡＭ内またはハード・ドライブまたはオプティカル・ドライブ上に常駐することができ、または命令を磁気テープ、電子読出し専用メモリ、または動的に変更または更新することができる適当なデータ記憶デバイス上に記憶することができる。
【００３５】
図１ａは、電磁エネルギーが、対象物から反射する、または対象物の内部から反射するシステム１０の特定の本発明を制限するものではない実施形態を示す。用途の幾つかの例としては、電磁エネルギーはマイクロ波であり、対象物は測定対象の表面である広い表面を有するマイクロ波トポグラフィ、電磁エネルギーはレーザ光線である反射表面の光学的トポグラフィ、目の収差を測定するための目の内部の網膜反射、および機械的または光学的特性の特徴を表示するための非常に小さい対象物内のガンマ線の反射等がある。
【００３６】
それ故、図１ａは、説明のために、基準波面１１が、伝搬経路１３に沿ったビーム・スプリッタのような、しかしこれに限定されない転送（光学的または他の）システムまたは素子１５を通過する（または反射する）様子を示す。波面１１は、人間の目のような対象物１２上に入射する。この場合、波面１１は外部に反射するか、対象物１２内に透過して内部で反射する。戻りの波面は、戻り経路１７を通り、転送システムまたは素子１５から反射するか、転送システムまたは素子１５を透過する。波面は、次に、光学中継システム１９を通過する。転送された波面１８は、レチクル２０を通過し、図１のところですでに説明したように処理される。
【００３７】
図２を見れば、プロセッサ２４のロジックを理解することができる。図２のブロック３０からスタートして、ビームの波面１８は、レチクル２０を通過する。回折効果により、レチクルの自己画像が、検出器２２が位置するレチクル２０から距離「ｄ」だけ離れて位置する第１の面を含む上記自己画像面のところに現れる。検出器２２の位置として選択したこの特定の面は、好適には、回折パターンを分解するための十分な分解セルを有することが好ましい。
【００３８】
レチクル２０を通過するビーム１８による自己画像回折パターンは、センサまたは検出器２２によりブロック３３のところで捕捉され、プロセッサ２４により受信された、光検出器２２が出力した信号により表される。ブロック３４においては、空間画像領域内の信号は、空間周波数領域に変換される。本発明を制限するものではないある実施形態の場合には、信号に対する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の実行が上記変換を行う。しかし、他の数学的変換も使用することができることを理解されたい。図２は、ソフトウェアでＦＦＴが実施される様子を示すが、当業者であれば、別の方法としてプロセッサ２４に送られる前に、戻りビームの光学的ＦＦＴを、当業者であれば周知の光学系により行うことができることを理解することができるだろう。
【００３９】
ブロック３６においては、周波数領域内の当該領域を、レチクル周期、照明（すなわち、波長）、および以下にさらに詳細に説明する他の要因に基づいて選択することができる。この選択は、先験的なものであってもよく、測定中に行う必要はない。本質的には、ブロック３６においては、波面の勾配（方向導関数）を決定する当該領域が、空間周波数領域内で検出され、分離される。
【００４０】
種々の好ましい実施形態の場合には、勾配情報を含んでいて、その後で分離される空間周波数領域の幾つかの部分は、レチクル２２の構成により変化し、例えば、周波数空間内の直交する軸上の異なる場所上にマッピングした分布により表すことができる。適当な空間周波数領域操作を、図３にさらに示し、以下に説明する。
【００４１】
ブロック３８においては、レチクルの線形またはセグメント分割した線形次元に直交する方向であることが好ましい波面の勾配を空間的に表示するために、信号の分離した周波数空間領域だけに逆変換が適用される。それ故、レチクルが一組の線形格子ラインを含んでいる場合には、所望の情報を含んでいる空間周波数領域は２つになる。レチクル内に重畳している線形格子が二組ある場合には、空間周波数領域は、当該４つの領域を含む。線形格子の追加の各組は、波面勾配に関するより多くの情報を与える。制限内において、円形格子レチクルは、相互に重畳している無数のセグメント分割された線形格子を表す。好適には、レチクルは、２つの直交する重畳線形格子パターンを含むことが好ましい。本発明を制限するものでない好ましい実施形態の場合には、波面勾配は、２つの方向の分離した領域内で決定される。本発明を制限するものでない実施形態の場合、対象物１２が人間の目である場合には、２つの方向は相互に直交し、患者の目の前面および接線が形成する面内に位置する。この場合、患者が立っていてまっすぐ前を見ている場合、上記２つの方向のうちの一方は、目の中心から目に対する水平方向および接線方向に対して４５度の方向に延びる。
【００４２】
そうしたい場合には、本発明を制限するものでない実施形態の場合、それにより自己画像の空間的特徴が強化され、バックグラウンド・ノイズが空間周波数領域内の非常に低い（例えば、ほぼゼロ）周波数成分になる、「計算により実施した」艶消しスクリーン（ｍａｔｔｅ  ｓｃｒｅｅｎ）を使用することにより、ランダム・バックグラウンド・ノイズのフィルタリングをさらに行うことができる。この原理については、図５のところでさらに詳細に説明する。
【００４３】
ブロック４０においては、多項式（およびその導関数）のような一組の既知の関数が定義され、そうでない場合には、上記２つの方向に対してアクセスされる。これらの多項式は、波面をモデル化するために使用することができる。本発明を制限するものでないある好ましい実施形態の場合には、一組の３６ゼルニケ多項式が使用される。次に、ブロック４２においては、既知の多項式の導関数が、例えば、最小二乗あてはめまたは他のフィッティング・アルゴリズムにより、ブロック３８で決定した導関数（すなわち、勾配）にあてはめられる。
【００４４】
ブロック４２におけるフィッティング・ステップの結果は、各多項式は、多項式の「振幅」とも呼ばれる随伴係数を有するというものである。各係数は、戻りビーム１８内の完全な球形からの収差、それ故、対象物１２内の収差を表す。それ故、ブロック４４において、ブロック４２のところでのフィッティング・ステップで入手した係数を含む、一組の既知の多項式である再構成された波面式を出力することができる（例えば、出力装置２８に）。ブロック４６においては、出力、特に再構成された波面式内の係数を、元の波面内、それ故、対象物１２内の収差を示すために使用することができる。さらに、出力は、対象物１２の収差を低減またはゼロにするために、本質的には多項式および／または係数の共役を表すシステム１２のための修正光学系を実施するための基礎として使用することができる。
【００４５】
図３ａ〜図３ｃは、波面勾配の特徴を示すための例示としてのプロセスの略図である。自己画像面内に位置する検出器のところのレチクルの空間画像１００は、ブロック１０２が表すフーリエ変換により空間周波数データ１０４に変換される。その結果、周波数空間内の一組の一次成分に対応することができる当該４つの領域１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃおよび１０６ｄを含む空間周波数パターンが得られる。これらの４つの領域は、±ｆｘおよび±ｆｙに対応する方向に、空間周波数マップの原点からずれている点広がり関数（ＰＳＦ）を含む。ブロック１０８に示すように、これら４つの領域のうちの１つが選択される。図３ｂの場合には、（＋ｆｘ０，０）点の点広がり関数が選択され、ブロック１１０で示すように、逆フーリエ変換がこの空間周波数分布に対して行われる。このようにして、自己画像面のところの波面のｘ方向に沿った勾配を、ブロック１１２で示すように入手することができる。同様に、図３ｃは、ブロック１１４内の（０，＋ｆｙ０）位置における点広がり関数を示す。ブロック１１８内に示すｙ方向の波面の勾配を入手するために、ブロック１１６が示すように、この点広がり関数に対してフーリエ変換が行われる。
【００４６】
図４は、図２のブロック３４、３６および３８のところで説明したこのプロセスの詳細を示す。図４のブロック５０においては、レチクルの自己画像が、ソフトウェアによりまたは光学的に、空間データから空間周波数データに変換される。すでに説明したように、この変換は、好適にはフーリエ変換アルゴリズムで、また好適には高速フーリエ変換コンピュータ・ソフトウェア・アルゴリズム（ＦＦＴ）で行うことが好ましい。ブロック５２においては、システム１０の構成の先験的知識から、空間周波数領域内の当該領域が選択される。先験的な情報は、以下に説明するようにブロック５４のところで与えられる。レチクル２０は、既知の方向に（ａ）周期パターンを有する。これらの領域を発見するために、レチクルのこの周期、重畳しているレチクルの数、および伝搬の波面経路に対するレチクルの空間的方向を使用することができる。当該個々の領域内の勾配データにブロック５６においてアクセスが行われ、ブロック５８において分離が行われる。このデータは、空間周波数領域内において対称である。それ故、ブロック６０において、そうしたい場合には、対称のデータセットのうちの１つだけを選択しさえすればよい。次に、ブロック６２において、各セットが元の空間領域に変換される。当該「一次」領域の周波数空間内の位置のオフセットは、勾配情報を校正するために使用することができる。波面位相勾配情報を入手するこのプロセスを、図２のブロック３８に示す。
【００４７】
任意の特定の科学的理論によらなくても、式（１）から波面を抽出する上記演算を下記の分析の形で表すことができる。最初に、図４のブロック５０で実行した波面に関する非制限フーリエ変換は、下式により表すことができる。
【００４８】
【数８】
2005513425.tif 000010
【００４９】
ここで、ｆ１ｘ，ｙ、ｆ２ｘ，ｙ、ｆ３ｘ，ｙ、ｆ４ｘ，ｙは、図３ａ〜図３ｃに示すような上記幾つかの実施形態の場合には、フーリエ変換により入手した関連周波数情報は、周波数空間内の４つのセクター内に位置する４つの一次分布または点広がり関数１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄに含まれていることを示す。同様に、２つの空間周波数領域ｆ１ｘ，ｙからｆ２ｘ，ｙまでおよびｆ３ｘ，ｙからｆ４ｘ，ｙまでは、関連データを含む周波数領域内の二次元エリアであり、Ｆ（▽ｗ）は受信した波面を表す。点広がり関数の位置は、それぞれの実施形態で変化する場合がある。
【００５０】
次に、波面の勾配（▽ｗ）が、下記のように式（３）に対して逆フーリエ変換（Ｆ−１）を実行することにより決定される。
【００５１】
【数９】
2005513425.tif 000011
【００５２】
次に、例えば、ゼルニケの多項式（▽Ｚ、またはＺｘおよびＺｙ）のような選択した一組の多項式の一組の偏導関数、または勾配が、例えば、最小二乗アルゴリズムのような１つまたはそれ以上のフィッティング・アルゴリズムにより、位相の前面の勾配（▽ｗ）を最も正確に近似するために修正される。すなわち、下式のようになる。
【００５３】
【数１０】
2005513425.tif 000012
【００５４】
ここで、ｎは、波面位相勾配を最も正確に近似するために選択した多項式の数であり、Ａｉは、多項式Ｚｉの係数または振幅である。ここで波面位相「ｗ」を下式のように表すことができる。
【００５５】
【数１１】
2005513425.tif 000013
【００５６】
波面内の収差は、係数Ａｉの値で表すことができる。
【００５７】
図５のフローチャートは、図２のところですでに説明した「計算により実施した」艶消しスクリーンのプロセスを示す。モノクロ・システムの場合には、信号ノイズを除去するために高域スペクトル・フィルタを使用することができる。ある例示としての実施形態の場合には、このフィルタは、艶消しスクリーンと呼ばれるハードウェアの１つである。多くの用途の場合、艶消しスクリーンをシステムに内蔵させるのは簡単ではない。それ故、艶消しスクリーンは、自己画像に対して計算により実施することができる。
【００５８】
画像と自己画像基本空間周波数のコントラストは、それぞれブロック７０および７１から受信し、ブロック７２に入力され、ここで自己画像信号を区別するために２つの入力が比較される。ブロック７０からのコントラストがブロック７１からの基本空間周波数より低い場合には、艶消しスクリーンが図２のブロック３４で実施される。この場合、ブロック３８内の当該領域内のピーク値の位置が、自己画像信号内の基本（優勢な）周波数を供給する。このピーク値から、ブロック７４において、空間周波数データの高域フィルタとして機能する、有限インパルス応答（ＦＩＲ）のカーネルが入手される。設計制限より高い周波数だけが、信号内に残り、他のすべての周波数は、自己画像信号によるカーネルの数学的畳込みにより、ブロック７６において除去される。
【００５９】
上記のような方法を使用することにより、波面および収差を数学的に表すことができる。さらに、波面内の収差を実質的に相殺または打ち消すために、例えば、共役光学系のような共役構造を生成することができる。例えば、目内の波面を測定する場合には、例えば、これらの共役光学系は、修正レンズの形をとることができ、このようなレンズの適当な処方を決定するために、上記波面の測定方法を使用することができる。
【００６０】
当業者であれば、上記方法および設計を他の用途にも使用できること、および関連する用途は上記用途に限定されないことを理解することができるだろう。また、本発明は、本明細書に記載する本質的な特徴から逸脱することなしに、他の特定の形でも実施することができる。上記実施形態は、すべての点で例示としてのものであり、本発明をいかなる点でも制限するものではないと見なすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】波面を測定し、特徴を表示するためのシステム・アーキテクチャのある好ましい実施形態のブロック図である。
【図１ａ】図１のシステムのもう１つの実施形態のブロック図である。
【図２】パターンを通して波面を伝搬し、自己画像面のところにパターンを画像形成することにより、波面の特徴を表示するための好適な方法のフローチャートである。
【図３ａ】自己画像面のところに形成された画像を、自己画像面のところの波面に対応する勾配情報に変換するための方法を示す略図である。
【図３ｂ】自己画像面のところに形成された画像を、自己画像面のところの波面に対応する勾配情報に変換するための方法を示す略図である。
【図３ｃ】自己画像面のところに形成された画像を、自己画像面のところの波面に対応する勾配情報に変換するための方法を示す略図である。
【図４】空間周波数領域内でのデータ抽出のための好適なロジックのフローチャートである。
【図５】空間周波数データから所望のデータを抽出するためのもう１つのロジックのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１０  波面センサ
１１、１８  波面
１２  システムまたは素子
２０  レチクル
２２  光センサまたは検出器
２４  データ・プロセッサ
２６  ソフトウェアが実装されたモジュール
２８  出力装置
【図１】
2005513425.tif 000015
【図１ａ】
2005513425.tif 000016
【図２】
2005513425.tif 000017
【図３ａ】
2005513425.tif 000018
【図３ｂ】
2005513425.tif 000019
【図３ｃ】
2005513425.tif 000020
【図４】
2005513425.tif 000021
【図５】
2005513425.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月22日(2003.10.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
少なくとも１つの光学素子を備える光学システム内の収差を測定するための方法であって、
試験ビームにより照射されるように、前記試験ビームの前記経路内を前記光学システムにより前記経路に沿って前記試験ビームを伝搬するステップと、
前記光学システムから前記レチクルを通して伝搬する光を受光するように、前記光学システムに対してある位置の前記試験ビームの前記経路内にレチクルを挿入するステップと、
自己画像面のところで前記レチクルの自己画像を検出するステップと、
前記レチクルの前記自己画像から方向導関数を決定するステップと、
前記収差の測定値を出力するために前記導関数を使用するステップとを含む方法。
【国際調査報告】
2005513425.tif 000023