(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
眼中の収差を測定するための波面分析システムであって、
眼（４０）の網膜上に供給される干渉性の光を生成する投影光学システム（１２，１４，１６，１８）と、
網膜によって散乱された光を集める結像システム（３０）と、
網膜によって戻された光を結像システムから受けて、受けた光の波面の振幅および位相を検出する波面センサ（５０）と、
投影光学システムと眼（４０）との間の光路中に位置決めされ、さらに眼（４０）と波面センサ（５０）との間の光路中に位置決めされた、眼（４０）の収差に関して眼（４０）の網膜上に供給される干渉性の光を補償する前補正システム（３０）と、
波面センサ（５０）が波面センサ（５０）の角度的なダイナミックレンジ内にある光のみを受けるように位置決めされたダイナミックレンジ制限絞り（３６）とを備えるシステム。
【請求項２】
波面センサ（５０）は、シャック−ハルトマン波面センサである請求項１のシステム。
【請求項３】
波面センサ（５０）は、シアリング干渉計である請求項１のシステム。
【請求項４】
波面センサ（５０）は、モアレ・デフレクトメータである請求項１のシステム。
【請求項５】
前補正システム（３０）は、少なくとも１つの固定レンズ（３４）と、該固定レンズ（３４）に対して位置調整可能であって、眼（４０）の網膜上に供給される光にデフォーカスを追加して、眼（４０）の球面等価デフォーカスを補償する少なくとも１つの可動レンズ（３２）とを有する調整可能望遠鏡を備える請求項１のシステム。
【請求項６】
前補正システム（３０）は、補償光学素子を備える請求項１のシステム。
【請求項７】
眼（４０）と波面センサ（５０）との間に偏光ビームスプリッタ（２２）をさらに備える請求項１のシステム。
【請求項８】
波面分析システムの適切な眼（４０）アライメントを決定するアライナーシステム（８０，８２，８４，８６）をさらに備える請求項１のシステム。
【請求項９】
投影光学システム（１２，１４，１６，１８）は、眼（４０）の中心軸に対してある角度で干渉性の光を眼中に供給するようにした請求項１のシステム。
【請求項１０】
波面センサと眼（４０）との間に追加の光学システム（５１）をさらに備える請求項１のシステム。
【請求項１１】
眼（４０）の網膜上に供給される干渉性の光のパワーを監視するパワーモニタ（４６）をさらに備える請求項１のシステム。
【請求項１２】
眼（４０）に投影されたターゲット（９０）と、眼（４０）を検知する位置検出器（８６）と、眼（４０）が波面センサ（５０）上で合焦となるまで、眼（４０）を基準として波面分析システムの位置を調整する調整システム（７２）とを含む眼位置検出システム（７２，８０，８２，８４，８６，９０，９２，９４）をさらに備える請求項１のシステム。
【請求項１３】
前補正システム（３０）は、シリンドリカル望遠鏡である請求項１のシステム。
【請求項１４】
前補正システム（３０）で用いられる構成部品は、結像システム（３０）でも用いられるようにした請求項１のシステム。
【請求項１５】
前補正システムは、前補正システム（３０）によって供給されるべき適切な前補正を決定するフィードバックループ（６０，６８，７２）を含む請求項１のシステム。
【請求項１６】
前記フィードバックループ（６０，６８，７２）は、網膜からの戻り光を受ける検出器（６０）と、検出光と所望な特性の光とを比較して、比較結果に従って前補正システムの少なくとも１つのパラメータを調整するプロセッサ（６８）とを含むようにした請求項１５のシステム。
【請求項１７】
前記フィードバックループは、網膜からの光を集めるための戻り光学システム（３０）をさらに含むようにした請求項１６のシステム。
【請求項１８】
前記戻り光学システム（３０）は、前記前補正システム（３０）を含むようにした請求項１７のシステム。
【請求項１９】
前記所望な特性は、網膜上で最小化されたスポットサイズである請求項１６のシステム。
【請求項２０】
前記調整可能望遠鏡（３０）は、調整可能望遠鏡の固定レンズ（３４）が眼（４０）から一方の焦点距離だけ離れるように配置されるようにした請求項５のシステム。
【請求項２１】
波面センサ（５０）は、調整可能望遠鏡の最適な調整を見つけるために用いるようにした請求項１８のシステム。
【請求項２２】
望遠鏡位置の収束を最適化するために、フィルタリングアルゴリズムが用いられる請求項１８のシステム。
【請求項２３】
眼（４０）の波面収差を決定するための波面分析システムであって、
眼（４０）の網膜上に供給される光を生成する投影光学システム（１２，１４，１６，１８）と、
眼（４０）の網膜上に投影光学システム（１２，１４，１６，１８）によって生成された光スポット像を受けるように構成され、光スポットの空中像を作成するための小型レンズアレイ（１１２）と、
小型レンズアレイ（１１２）から空中像を受けるように構成されたセンサ（１１６）と、
空中像に対応したセンサ（１１６）からの信号を受けて、該信号から波面収差を決定するように構成されたプロセッサ（６８）と、
小型レンズアレイ（１１２）からの空中像をセンサ（１１６）上で結像させるのを支援するように構成された調整カメラ（６０）と、
投影光学システム（１２，１４，１６，１８）と眼（４０）との間の光路中に位置決めされ、さらに眼（４０）と小型レンズアレイ（１１２）との間の光路中に位置決めされた、眼（４０）の収差に関して眼（４０）の網膜上に供給される光を補償する前補正システム（３０）と、
センサ（１１６）がセンサ（１１６）の角度的なダイナミックレンジ内にある小型レンズアレイ（１１２）からの空中像のみを受けるように位置決めされたダイナミックレンジ制限絞り（３６）とを備える波面分析システム。
【請求項２４】
空中像を結像させるのを支援するように構成された焦点調整レンズシステム（３０）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項２５】
波面センサの光路中に、波長板（２２）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項２６】
波長板（２２）は、４分の１波長板である請求項２５の波面分析システム。
【請求項２７】
波面センサの光路中に、偏光ビームスプリッタ（２２）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項２８】
調整カメラ（６０）が受けた光スポット像の全体像部分を反射するように構成された偏光ビームスプリッタ（６２）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項２９】
小型レンズアレイ（１１２）は、小型レンズカメラ（５０）と連結しており、調整カメラ（６０）は、小型レンズカメラ（５０）から分離している請求項２３の波面分析システム。
【請求項３０】
光源（１２）は、レーザを含む請求項２３の波面分析システム。
【請求項３１】
光源（１２）は、パルスレーザを含む請求項２３の波面分析システム。
【請求項３２】
波面センサ（５０）は、眼（４０）の波面収差を測定するように構成されている請求項２３の波面分析システム。
【請求項３３】
調整カメラ（６０）は、空中像を鮮鋭化するのを支援するように構成されている請求項２３の波面分析システム。
【請求項３４】
調整カメラ（６０）が空中像の合焦を支援する際に、患者が凝視して結像できるように構成された眼固定ターゲット（９０）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項３５】
光スポット像は、網膜から後方散乱した光の像を含む請求項２３の波面分析システム。
【請求項３６】
患者が遠近調節なしで凝視できるように構成された眼固定ターゲット（９０）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項３７】
患者が無限遠で結像できるように構成された眼固定ターゲット（９０）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項３８】
固定ターゲットは、眼に対して遠方に見える物体像を含む請求項２３の波面分析システム。
【請求項３９】
固定ターゲット（９０）は、眼の遠近調節なし状態を維持するように構成されている請求項２３の波面分析システム。
【請求項４０】
患者が遠近調節なしで無限遠で結像できるように構成された眼固定ターゲット（９０）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項４１】
患者が少ない遠近調節とともに無限遠で結像できるように構成された眼固定ターゲット（９０）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項４２】
空中像の合焦を支援するように構成された調整デバイス（７２）をさらに備える請求項２３の波面分析システム。
【請求項４３】
重心を形成する空中像を作成する波面分析システムを合焦させる方法であって、
眼（４０）の網膜上に供給される光を生成する投影光学システム（１２，１４，１６，１８）を採用するステップと、
波面分析システムの角度的なダイナミックレンジ内にあり、眼の網膜によって戻された光のみが空中像を形成するように位置決めされた、ダイナミックレンジ制限絞り（３６）を設けるステップと、
重心の間隔を監視するステップと、
投影光学システム（１２，１４，１６，１８）から眼（４０）までの光路中に位置決めされ、さらに眼（４０）から波面センサ（５０）までの間の光路中に位置決めされた、空中像を形成する合焦光学系（３０）によって、波面分析システムの合焦を調整するステップと、
平均重心間隔が、結像したセンサの重心間隔と等しくなる場合を決定することによって、波面分析システムが合焦状態にある場合を決定するステップと、を含む方法。
【請求項４４】
波面分析システムであって、
眼（４０）の網膜上に供給される光を生成する投影光学システム（１２，１４，１６，１８）と、
眼（４０）の網膜上で光スポット像を受けるように構成され、光スポットの空中像を作成するための小型レンズアレイ（１１２）と、
小型レンズアレイ（１１２）から空中像を受けるように構成されたセンサ（１１６）と、
センサ（１１６）がセンサ（１１６）の角度的なダイナミックレンジ内にある小型レンズアレイ（１１２）からの空中像のみを受けるように位置決めされたダイナミックレンジ制限絞り（３６）と、
波面分析システムの合焦を調整する合焦光学系（３０）であって、投影光学システム（１２，１４，１６，１８）と眼（４０）との間の光路中に位置決めされ、さらに眼（４０）から小型レンズアレイ（１１２）までの間の光路中に位置決めされた合焦光学系（３０）と、
空中像に対応したセンサ（１１６）からの信号を受けて、該信号から波面収差を決定するように構成されたプロセッサ（６８）と、
コンピュータ上で実行されるステップを実施することによって、波面センサの合焦を調整する合焦制御システム（６８，７２）とを備え、
前記ステップは、空中像の間隔を監視するステップと、
波面センサの合焦を調整するステップと、
空中像の平均間隔が、結像したセンサの空中像間隔と等しくなる場合を決定することによって、波面センサ（１１６）が合焦状態にある場合を決定するステップを含む波面分析システム。
【請求項４５】
合焦制御システムは、プロセッサ（６８）を使用する請求項４４の波面分析システム。
【請求項４６】
ダイナミックレンジ制限絞りは、前補正システム（３０）に含まれており、投影光学システム（１２，１４，１６，１８）から眼（４０）までの光路中に配置されている請求項１の波面分析システム。
【請求項４７】
ダイナミックレンジ制限絞りは、前補正システム（３０）において固定レンズ（３４）と１つの可動レンズ（３２）の間に配置されている請求項５の波面分析システム。
【請求項４８】
固定ターゲット（９０）と、波面センサ（５０）が搭載される可動ステージとをさらに備え、
固定ターゲット（９０）、可動レンズ（３２）および可動ステージは、固定レンズ（３４）および眼（４０）に対して移動可能である請求項４７の波面分析システム。
【請求項４９】
ダイナミックレンジ制限絞りは、前補正システム（３０）に含まれており、投影光学システム（１２，１４，１６，１８）から眼（４０）までの光路中に配置されている請求項２３の波面分析システム。
【請求項５０】
ダイナミックレンジ制限絞りは、前補正システム（３０）に含まれており、投影光学システム（１２，１４，１６，１８）から眼（４０）までの光路中に配置されている請求項４３の波面分析システム。
【請求項５１】
ダイナミックレンジ制限絞りは、前補正システム（３０）に含まれており、投影光学システム（１２，１４，１６，１８）から眼（４０）までの光路中に配置されている請求項４４の波面分析システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、眼の屈折誤差測定に関し、特に屈折誤差のトポグラフィ図作成を編集するための方法および技術に関する。
【０００２】
（発明の背景）
眼の収差(aberrations)測定は、視覚上の欠陥および視力評価の診断にとって重要である。これらの測定および精度は、収差を矯正できる外科的および非外科的な方法の数が増大するにつれて、ますます重要になる。これらの矯正は、視覚(ocular)システム全体の正確で精密な測定に依存しており、スクリーニング、治療、継続管理(follow-up)の好結果をもたらす。視覚測定の精度向上は、矯正が必要な患者の識別および矯正自体の性能を改善するのに役立つ。
【０００３】
多くの現行方法が視覚システムの性能を測定するのに使用されている。最も広く使用され、充分に定着したものは、精神物理学的(psycho-physical)方法、即ち、主観的な患者フィードバックに依存する方法である。精神物理学的方法の最も旧式のものは、フォアオプター(foreopter)、即ち、試しレンズ方法であり、必要な矯正を決定するための試行錯誤に頼るものである。視力(visual acuity)、視覚変調伝達関数(ocular modulation transfer function)、コントラスト感受性、その他の興味あるパラメータを測定するための精神物理学的方法がある。
【０００４】
これらの主観的方法に加えて、視覚システムの性能を評価するための客観的な方法もある。こうした客観的方法は、角膜トポグラフィ、波面収差測定法(aberrometry)、角膜干渉法、自動屈折法(auto-refraction)などである。これらの方法の多くは、全体の屈折誤差に対する特定要因の寄与を測定するに過ぎない。例えば、作業の大部分は、角膜のトポグラフィを測定したり、角膜層を特徴付けたりするものに関する。しかしながら、角膜の形状は、多くの場合、全体の屈折誤差のうちの約３０〜４０％しか寄与していない。屈折誤差の大部分を測定して、診断用および矯正用に完全な地図形成を用意するためには、追加の情報および測定が必要になる。
【０００５】
眼の屈折を決定する他の方法は自動屈折法であり、種々の技術を使用して、必要な矯正処方を自動的に決定する。これらの自動化技術は、１つ以上のスポット又はパターンを網膜(retina)上に投影して、所望の応答が得られるまで自動屈折器内の光学素子を自動的に調整して、この調整から必要な矯正を決定する。しかしながら、自動屈折法は格別に信頼性が高いわけではない。さらに、自動屈折法は収差の低次成分、例えば焦点や非点収差(astigmatic)誤差だけを測定するに過ぎない。
【０００６】
近年、眼が光学システムとして考えられるようになり、他の光学システム用に従前使用されていた方法が眼の測定へ応用されつつある。これらの方法は、干渉計と、シャック−ハルトマン(Shack-Hartmann)波面センシングとを含む。これらの技術は、眼の完全な収差を測定することから、特別な重要性がある。この追加情報によって、視力に影響を及ぼす不均一で非対称な誤差の測定が可能になる。さらに、この情報は、種々の矯正技術のいずれにも関係して、改善された視力を提供することができる。例えば、ウイリアムス(Williams)による米国特許第５７７７７１９号は、シャック−ハルトマン波面センシングの応用と、超分解能網膜スコープ(super-resolution retina-scope)を構成して、眼の収差を矯正するために適応した光学系とを記述している。ウイリアムス等による米国特許第５９４９５２１号は、この情報を用いてコンタクトレンズ、眼内レンズ、他の光学レンズ等を改善することについて記述している。
【０００７】
波面収差測定法は、眼の光学系全体を通じて、完全で、端から端までの(end-to-end)収差を測定する。これらの測定では、スポットが網膜上に投影され、結果としての戻り光が光学システムによって測定され、その結果、眼の収差についての完全で統一的な視野方向(line-of-sight)測定が得られる。これらの測定で用いられる機器の重要な限界は全分解能(total resolution)であり、これは究極的に機器の小型レンズアレイによって制限される。しかし、小型レンズアレイの選択は、それ自体幾つかの要因によって制限され、最も重要なものでは網膜上に投影されたスポットのサイズによって制限される。
【０００８】
シャック−ハルトマン波面センサの２次元的な具体例の基本的素子の概略図は、図２に示される。網膜から到来する波面１１０の一部が、２次元の小型レンズアレイ１１２に入射する。小型レンズアレイ１１２は、到来する波面１１０を数多くの小さなサンプルに切り刻む。小型レンズは小さいほど、センサの空間分解能が高くなる。しかしながら、小さな小型レンズによるスポットサイズは、回折効果に起因して、使用可能な焦点距離を制限するようになり、そしてより低い感度をもたらす。このようにこれら２つのパラメータは、所望の測定性能に従ってバランスさせる必要がある。
【０００９】
数学的には、検出面１１４での像は、図３に示すように、焦点距離ｆの小型レンズ１１２によって作られる規則的な間隔ｄを有する焦点スポット１１６のパターンで構成される。これらのスポットは明確で分離していなければならず、容易に識別可能である必要がある。そして、スポットサイズρは、スポット間隔の１／２を超えてはならない。スポット間隔パラメータＮＦＲは、小型レンズアレイ１１２を特徴付けるために用いることができ、次のように示される。
【００１０】
【数１】
0005191622.tif 000002
【００１１】
レンズサイズとこれによる焦点スポットとの関係は、λを光の波長として、次のように示され、丸レンズについては、
【００１２】
【数２】
0005191622.tif 000003
【００１３】
となり、角レンズについては、
【００１４】
【数３】
0005191622.tif 000004
【００１５】
となる。角レンズでは、間隔パラメータは次のように示される。
【００１６】
【数４】
0005191622.tif 000005
【００１７】
これは小型レンズのフレネル数としても知られている。焦点スポットの重なりを回避するためには、ＮＦＲ＞２となる。実際には機器のダイナミックレンジを考慮すると、フレネル数は２より少し大きい必要がある。シャック−ハルトマン波面センサのダイナミックレンジは、スポットエッジが投影した小型レンズ境界に接するようになる焦点スポットの限界道程(limiting travel)として定義することができ、次のように示される。
【００１８】
【数５】
0005191622.tif 000006
【００１９】
こうしてダイナミックレンジは、間隔パラメータおよび小型レンズのサイズに対して正比例する。
【００２０】
シャック−ハルトマン波面センサ眼科測定システムのための特に有用な配置は、像リレー光学システムにおいて瞳孔(pupil)または角膜表面に対して共役な面に小型レンズアレイを置くものである。この構成において、波面センサの検出器上でのスポットサイズは次のように示される。
【００２１】
【数６】
0005191622.tif 000007
【００２２】
ここで、Ｍは結像光学の倍率、ｆＬ  は小型レンズアレイの焦点距離、ｆｅ  は眼の焦点距離、ρ１  は網膜上のスポットサイズである。
【００２３】
式（５）と式（７）とを比べると、波面センサのダイナミックレンジが、網膜上に投影されたスポットサイズρ１  によって制限されることが明らかである。実際のシステムでは、ダイナミックレンジは光学システムでの誤差を解決できるものでなければならない。このようにダイナミックレンジは、システム全体設計の重要な制限パラメータとなる。眼科測定用に用いられるシャック−ハルトマン波面センサの従前の手法では、各小型レンズのサイズを増加させることによってダイナミックレンジを増加させていた。しかしながら、眼自体がかなりの収差を持つことがある。すると、眼の中に投影されるビームのいずれもが収差を持つようになり、焦点スポットを広げて、網膜上のスポットサイズρ１  を増加させてしまう。
【００２４】
この問題に対処するため、種々の技術が実施されている。入射ビームに関して全波面誤差が最小となるように、小さな直径のビームが使用される。他に提案された解法は、眼中の長焦点距離レンズの焦点に光を投影して、焦点スポットサイズが眼の収差による影響を受けないように、視野レンズとして機能させるものである。実際、これらの場合、ビームは少しだけ大きくなり、視覚システムの収差によってサイズが増加する。
【００２５】
システムのダイナミックレンジに関する他の制限は、サンプリングサイズである。網膜上の大きなスポットを用いると、波面センサのサンプリングサイズは増加してしまい、最小のダイナミックレンジでさえ実現してしまう。大きな乱視(astigmatism)を有する人々や近視レーザ治療(LASIK)を受けた人々に見られるような強い収差を伴う視覚システムに関して、各小型レンズでの収差は、小型レンズの焦点スポットを劣化させるのに充分である。システムは、焦点スポットの重なりによって制限されるのではなく、焦点スポット自体が消失したり、追跡困難になったりすることによって制限される。小さなサンプリングサイズを用いると、網膜によって光が散乱され、多数の焦点スポットになってしまうため、充分な光を集めることができなくなる。安全性に配慮すると、入力パワーを増加させて、この散乱を補償することはできない。
【００２６】
（発明の概要）
本発明は、関連先行技術での測定の制限および不具合による１つ以上の問題を実質的に克服するような眼の屈折誤差の測定に関するものである。
【００２７】
本発明の目的は、実際の手法において充分な精度およびダイナミックレンジで眼の端から端までの(end-to-end)収差を測定することである。
【００２８】
本発明の更なる目的は、網膜上の焦点スポットのサイズを最小化するように、光ビームを視覚システムの中に投影することである。
【００２９】
本発明の別の目的は、この小さな焦点スポットを用いて、視覚システムのサンプリング密度をより高くして、精度およびダイナミックレンジを向上させることである。
【００３０】
本発明の更に別の目的は、実用的で低コストで、臨床段階での使用が可能なシステムを構成することである。
【００３１】
上記および他の目的の少なくとも１つは、眼の誤差を測定するためのシステムを提供することによって達成され、該システムは、眼の網膜上に光を供給する投影光学システムと、投影光学システムと眼との間に位置決めされ、眼の収差に関して眼中に入る光ビームを補償する前補正(pre-correction)システムと、網膜によって散乱した光を集める結像システムと、結像システムによって集められた網膜からの光を受け取る検出器とを含む。
【００３２】
検出器は、シャック−ハルトマン波面センサ、シアリング(shearing)干渉計、モアレ・デフレクトメータ(Moire deflectometer)、又は他の受動的な位相測定システムなどが可能である。前補正システムは、少なくとも１つの可動レンズと、中間像面に挿入された固定レンズと、適合した光学素子とを有する望遠鏡、及び／又はシリンドリカル望遠鏡を含んでもよい。前補正システムは、眼の焦点誤差及び／又は非点収差について矯正してもよい。望遠鏡は、望遠鏡の固定レンズが眼から一方の焦点距離だけ離れるように配置してもよい。前補正システムで用いられる構成部品はまた結像システムでも使用してもよい。
【００３３】
前補正システムは、前補正システムによって供給されるべき適切な前補正を決定するフィードバックループを含んでもよい。フィードバックループは、網膜からの戻り光を受ける検出器と、検出光と所望な特性の光とを比較して、比較結果に従って前補正システムの少なくとも１つのパラメータを調整するプロセッサとを含んでもよい。フィードバックループは更に、網膜からの光を集めるための戻り光学システムを含んでもよい。戻り光学システムは、前補正システムを含んでもよい。所望な特性とは、網膜上で最小化されたスポットサイズでもよい。
【００３４】
システムは、システムの角度的なダイナミックレンジを制限する絞り(aperture)を含んでもよい。システムは更に、眼と波面センサとの間に偏光ビームスプリッタを含んでもよい。システムは、システムの適切な眼アライメントを決定するアライナー(aligner)を含んでもよい。投影光学システムは、眼の中心軸に対してある角度で光を眼中に供給してもよい。システムは、検出器と眼との間に追加の光学システムを含んでもよい。システムは、眼中に入る光ビームのパワーを監視するパワーモニタを含んでもよい。システムは、眼に投影されたターゲットと、眼を検知する位置検出器と、眼が検出器上で合焦となるまで、眼を基準としてシステムの位置を調整する調整システムとを含む眼位置検出システムを含んでもよい。
【００３５】
本発明のこれら及び他の目的は、後述する詳細な説明からより容易に明らかになるであろう。しかしながら、本発明の精神および範囲内での種々の変化や変形は、詳細な説明から当業者にとって明らかになることから、詳細な説明および具体例は発明の好ましい実施形態を示しつつ、図示だけで供与されると理解されるべきである。
【００３６】
前述および他の目的、態様および利点は、図面を参照しながら説明される。
【００３７】
（発明の詳細な説明）
上述のように、実用的な視覚波面センサシステムを設計するのに重要なことは、どのようにして光を眼の中に入射させるかである。視覚の屈折誤差は、例えば２０ジオプター(diopters)まで大きくなり得るものであり、入射ビームの劣化が重要になる。さらに、極度に大きな屈折誤差を直接に測定するのに充分な範囲を持つ波面センサを設計することは困難である。本発明に従えば、視覚システム上に投影されたスポットは、眼の基本的な収差を補償するようにして前歪み(predistort)を受ける。このことは、波面センサへ戻るスポットが良好に形成され、屈折誤差による影響を最小化するのを可能にする。小さなスポットサイズは、小さな小型レンズの使用を可能にし、一方、大きくて高次の収差でさえ測定できる充分なダイナミックレンジを維持する。光が網膜上にきちんと焦点を結ぶと、光は小さい領域から散乱するだけになる。この小さい領域が、波面センサの焦点面に結像すると、光は小さいグループの画素の上に集光される。すると、反射した光が多数の小型レンズ間で分割されても、各焦点スポットは従来の方法よりも明るくなる。さらに、サンプリング密度が高くなるほど、各小型レンズの開口についての波面収差がより小さくなる。
【００３８】
こうした前補正を採用した誤差測定のためのシステムは、図１に示される。ここで示した視覚波面測定システムは、一般に、眼中に光を投影する投影システムと、視覚収差のため入射光を前補正するためのシステムと、光を集めるためのシステムと、前補正を決定するためのシステムと、集められた光を測定するためのシステムとを含む。
【００３９】
図１に示した投影システムは、例えばレーザ、レーザダイオード、ＬＥＤ、スーパールミネセンスダイオードなどの光源１２を含み、光ファイバ１４が用意されている。安全性の理由から、光源は好ましくはパルス光源であり、小さいパワーに制限され、通常の視覚検知の範囲外のもの、例えば赤外線であり、及び／又は適切なレンズを用いて直接にコリメート（平行化）するものでもよい。光ファイバは、偏光保存ファイバでもよい。光ファイバ１４から出た光は、コリメートレンズ１６に供給される。光源１２からの光を配給するために光ファイバ１４を使用することは、ファイバの出口モードが回折限界の点光源として機能することから、コリメートレンズ１６を簡素化する。コリメートレンズ１６は、好ましくはファイバ１４に固定的に搭載される。コリメートされた光は、絞り１８によって所望のサイズに整形される。必要であれば、コリメート光を偏光するための偏光子２０を設けてもよい。偏光ビームスプリッタ２２は、投影システムからの光を視覚測定システムへ仕向ける。
【００４０】
代わりに、光源１２を単独で設けてもよく、即ち、ファイバ１４を使用しなくてもよい。光源１２からの光はそれ自体、コリメートレンズによってコリメートされる。眼科測定用に使用する光源は、ビームの一部のみ、例えば典型的にはビーム中心から１０〜２５％を使用することによって、典型的には高次の非点収差を有するが、ビームに関する波面誤差は、眼科測定システム中で横断する距離に渡ってビームサイズが実質的に安定する程度に小さいものとなる。言換えると、ビームが非点収差になったとしても、この非点収差に起因して眼科測定システムを横断する際にもビーム形状は変化しなくなり、非点収差は測定に影響を及ぼさない。光は必要に応じて偏光してもよい。
【００４１】
投影システムからの光は偏光ビームスプリッタ２２によって反射され、図１に望遠鏡３０として示すような前補正システムへ向けられる。望遠鏡３０は、レンズ３２，３４を含み、両者間の絞り３６を伴う。望遠鏡３０は、レンズを互いに移動させることによって調整可能になる。この調整は、測定される視覚システムの球面等価デフォーカス(spherical equivalent defocus)を補償するデフォーカスを追加することによって、入射ビームに対して所望の矯正を提供する。望遠鏡からの光は、ビームスプリッタ３８によって測定中の視覚システム４０へ向けられる。入射したビームは、視覚システム４０によって焦点を結び、視覚システム４０の網膜上での焦点スポット４２となる。焦点スポット４２からの光は、網膜によって散乱したり、あるいは反射する。
【００４２】
戻った光は、視覚システム４０の角膜およびレンズによって集められ、ほぼコリメートされる。ビームスプリッタ３８は、視覚システムからのビームを望遠鏡３０へ戻す。望遠鏡３０のレンズ３２，３４の同じ位置は、視覚システム４０のデフォーカス収差について矯正し、光は波面センサ５０に到達して、センサのダイナミックレンジの範囲内にコリメートされるようになる。絞り３６は、波面センサ５０の角度的なダイナミックレンジ外にある光線を阻止して、混合や測定混同が生じないようにする。波面センサ５０がシャック−ハルトマンセンサである場合、焦点スポットは、隣りのスポットとの衝突や干渉、混同は生じ得ない。望遠鏡からの光は、網膜との相互作用によって入力偏光から光の偏光が回転しているため、偏光ビームスプリッタ２２を通過する。波面センサ５０は、シャック−ハルトマン波面センサ、シアリング干渉計、モアレ・デフレクトメータ、又は他の受動的な位相測定センサでも構わない。波面センサ５０がシャック−ハルトマン波面センサである場合、波面センサ５０は、図２に示す素子を含んでいる。
【００４３】
望遠鏡３０のレンズ３２，３４の適切な位置は、多くの方法で決定できる。好ましい実施態様では、追加のセンサ６０がビームスプリッタ６２および焦点レンズ６４とともに用いられ、網膜上に入射した光の像を作成する。望遠鏡３０のレンズ３２，３４の適切な位置は、望遠鏡３０のレンズ３２，３４の異なる位置によるスポットサイズを比較することで、網膜の背面でのスポットサイズ４２を最小化することによって決定される。視覚システム４０が、対物レンズ３４の一方の焦点距離分だけレンズ３４から離れるように配置された場合は、望遠鏡３０は倍率変化や他の誤差に関して鈍感になるであろう。波面センサ５０は、視覚システム４０に対して共役像面に配置されるべきである。好ましくは、波面センサ５０、網膜撮像センサ６０、投影光学１６，１８，２０、偏光ビームスプリッタ２２、ビームスプリッタ６２および焦点レンズ６４は、移動ステージ７２内に搭載されたプラットホーム７０の上に搭載される。これによって望遠鏡レンズ３２，３４の相対位置が可変となり、一方、プラットホーム７０上の残りの光学素子の位置は固定される。光ファイバ１４の使用によって、光源をプラットホーム７０から取り外すことが可能になり、移転ステージ７２によって移動する光学素子の質量を最小化できる。プロセッサ６８は、移転ステージ７２の移動を制御したり、データ処理、解析及び／又は表示を可能にするために、設けてもよい。
【００４４】
追加の安全対策として、ビームスプリッタ３８に入射するビームの小さい部分は、パワーモニタ４６の上に焦点を結ぶレンズ４４に送られる。このパワーモニタ４６の出力は、もしパワーがシステムの安全限界を超えた場合にシステムを停止するため、あるいは光源１２に供給される電力を変更して周知の方法で光源によるパワー出力を減少させるために使用してもよい。
【００４５】
測定システムに対する適切な眼の相対位置を測定するために、追加の検出器８０が組み込まれる。結像光学素子８２は、虹彩(iris)または角膜が空間の狭い領域だけ合焦状態となるように設計される。ミラー８４は、光を虹彩検出器８０の上に向けるために使用してもよい。眼に対するシステムの相対的な位置は、虹彩または角膜が検出されるまで調整される。検出は、インジケータ８６上で使用者に表示してもよい。好ましくは、この検出は患者整列中に用いられ、そして例えば光の１０％未満という小さな割合だけを使用する。
【００４６】
患者が正しい視野方向を見るのを保証するため、ターゲット９０がビームスプリッタ９４を通して見えるようにする。ターゲット９０は、レンズ９２によって無限点に結像される。ターゲット位置は、ターゲットを合焦状態か、あるいは軽い焦点ずれ(out-of-focus)に位置させて、レンズ９２に対してターゲットを移動することによって変化させてもよく、患者の遠近調節(accommodation)を最小化している。ターゲット９０のレンズ９２に接近する移動は、近視野(near vision)の遠近調節を刺激して、近視野での視力測定を可能にしたり、あるいはターゲットを無限点を通り過ぎた像となるように配置して、遠視野を測定してもよい。患者は単にターゲット上に焦点を合わせようとする。ターゲットの背面にある光源は、ターゲットの明るさを調節するように電気的に制御され、ターゲットの位置もまた電気的に調節可能である。
【００４７】
こうして望遠鏡３０が、入射光を前補正するために使用され、戻り波面を補償して波面センサに入射する全波面誤差を最小化する。関連する技術では、望遠鏡は波面センサ上の光像を中継して、強度の球面収差およびシリンドリカル収差を補償するために使用されていたが、光は別々に入射していた。この別々の取扱いは、表面に反射防止コートを有するレンズでさえも発生する強い背面反射の要因となる。網膜からの戻り光はとても微弱であるため、レンズからの微小な反射ですら簡単に測定を優越して、波面センサ５０を飽和させてしまう。この問題を扱う方法は幾つかある。まず、図１に示すように、偏光した光および偏光ビームスプリッタを１／４波長板と共に使用することができる。光を望遠鏡へ向けるために軸外の放物ミラーや他の曲面ミラーを使用してもよい。光が軸外で入射すると、図５Ａと図５Ｂに示すように、角膜からの反射光のいずれもがシステムの絞りによって除外されてしまう。図５Ｂは、眼４０の角膜によって反射した光が波面センサに入って測定に影響を与えるのを絞り３６によってどのようにして阻止されるかを示している。これらの機構の１つ以上の使用は、本発明に従って入射ビームの前補正を行うのに足りるものであり、不要な反射を導入しなくなる。
【００４８】
代替として、第１の望遠鏡とともに第２の望遠鏡を使用してもよく、フィルタリング絞りを代わりの場所に設けることによって、ダイナミックレンジを増加させることができる。一方の望遠鏡は完全に固定することができ、他方は、２つの望遠鏡のレンズが接触するまで移動が可能な自由度を有する。こうした構成は、図６に示されており、レンズ５２，５４と絞り５６を有する固定望遠鏡５１は、波面センサ５０に光を供給するために使用される。これは、図１に関して上述した光学素子に関連している。簡潔さのため、光配給システム１４、コリメートレンズ１６、偏光ビームスプリッタ２２、調整可能な望遠鏡３０および眼４０という本質的な光学素子だけを示している。
【００４９】
視覚システム及び入射ビームの非点収差の補償は、次のようにして達成される。望遠鏡３０は、シリンドリカルレンズ望遠鏡、または一対の正レンズおよび負レンズでも構わない。こうしたシリンドリカルレンズ構成は、図８に示しており、一対のシリンドリカルレンズ１３２，１３４は、レンズ３２，３４の場所に用いられる。レンズ間隔ｓは、望遠鏡の屈折パワーを増加または減少させるために、調整してもよい。一対１２０，１２２の角度は、伝送パス軸に対して調整される。これは機器を複雑にするが、眼中に投影されるより良いビームのために設けられ、限定されたダイナミックレンジのみの波面センサを必要とする。球面収差およびシリンドリカル収差の両方とも波面から引き算されて、高次の項だけが残るようになるからである。
【００５０】
代わりに、高いダイナミックレンジの波面センサも使用できる。本発明に従えば、小さいビームだけが眼に入射すると、絞りを横切る小さな波面収差だけを取り上げるようになり、いくらかの収差を伴うものの眼の焦点スポットは極めて小さいままとなる。すると、シリンドリカル補償は、通常は必要としない。何らかの歪みが発生しても、サイズが限定され、充分に小さいスポットを実現できるようになる。高いダイナミックレンジの波面センサは、式（３）と式（７）で示したように、波面センサ小型レンズアレイに関してより小さい焦点距離の使用に対応する。球面レンズのみの使用は精度の損失という結果になるが、より小さな小型レンズアレイによって測定数がより多くなることは、この劣化について充分な補償を行う。
【００５１】
図１に示すように、可動レンズ付き望遠鏡を使用する代わりは、入射波面および反射波面における眼の基本的収差を矯正するため、眼の前に矯正レンズを配置することである。このレンズがコンタクトレンズでない場合は、実際の瞳孔面に配置できず、図９に示すように、矯正レンズ３５は眼４０に近接して配置される。こうして通常は、眼および矯正レンズの屈折誤差の組合せによって何らかの倍率が導入される。矯正レンズの頂点(vertex)距離を設定したり把握することが困難であるため、この倍率はせいぜい不完全に把握され、測定全体に誤差をもたらすことになろう。
【００５２】
他の代替は、固定式または可変式のレンズを使用することである。理想的には、これらのレンズは、眼の表面に対して共役な光学面に配置される。波面センサをこの面に置くことも望ましいが、第２の望遠鏡を第１の望遠鏡とともに直列的に使用することが必要になるであろう。さらに、全てのレンズが固定されていると、適切な結果を得るためには様々な前補正レンズを周知の方法で変化させるための手段が必要になるであろう。図７中のレンズ３７は、試しレンズキットからのものでもよく、例えば患者の顕在的屈折を測定するために広く用いられているものであるが、処方精度に限界がある。代わりに、図７中のレンズ３７は、例えば補償光学(adaptive optics)、液晶ディスプレイ、可変鏡(deformable mirrors)などの焦点距離可変レンズでもよい。これらの光学素子の焦点距離は、移動式ではなく、電気的に制御してもよく、例えば図１に示したプロセッサ６８による制御でもよい。これらの各構成は図７に示され、レンズ３７は試しレンズや焦点距離可変レンズであってもよい。これらの構成および望遠鏡の応用は図４Ａ〜図４Ｃに示されており、近視(myopic)眼単独のスポットサイズは図４Ａに示され、レンズ３７で矯正されたスポットサイズは図４Ｂに示され、調整可能な望遠鏡３０によるスポットサイズは図４Ｃに示されている。明らかなように、図４Ｂおよび図４Ｃの両構成は、本発明に係る所望の小さなスポットサイズが得られている。
【００５３】
本発明に従って入射ビームにおける眼の収差に関する前補償によって、小さい焦点スポットを網膜上に形成することができる。この小さい焦点スポットは光をより集光するようになり、光はより多数の焦点スポットに分割されるようになる。このことは、より高い空間分解能およびより低い入射光パワーの使用を可能にする。より高い空間分解能は、各小型レンズは傾き(tilt)だけを測定するという仮定がより広い範囲に渡って有効であることを意味する。より高いダイナミックレンジは、測定の大きな劣化なしで、収差の高次項の測定でさえ正確に達成可能であることを意味する。
【００５４】
本発明は、特定の応用に関する図示の実施形態を参照しながら説明したが、本発明はこれに限定されないと理解すべきである。当業者およびここで提供された教示へのアクセスは、追加の変形や応用、当該範囲内の実施形態、および本発明が過度の実験なしで大きな有用性をもつような追加的分野を認識するであろう。こうして発明の範囲は、供与された実施例だけでなく、添付したクレームおよびこれらの法的に等価なものによって決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の測定システムの概略的な上面図である。
【図２】  シャック−ハルトマン波面センサの基本的な構成部品の概略的な側面図である。
【図３】  レンズのサイズ、焦点距離およびスポットサイズの関係を概略的に示す図である。
【図４】  図４Ａ〜図４Ｃは、異なる構成についてスポットサイズを概略的に示す図である。
【図５】  図５Ａ、図５Ｂは、眼中への光の軸外(off-axis)入射と、反射光が波面センサに入るのを阻止する様子を概略的に示す図である。
【図６】  固定式望遠鏡および調整可能望遠鏡を用いた本発明の構成の概略図である。
【図７】  可変レンズを用いた本発明の構成の概略図である。
【図８】  本発明で使用するシリンドリカル望遠鏡の概略図である。
【図９】  矯正レンズを用いた本発明の構成の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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