ДАТЧИК ВОЛНОВОГО ФРОНТА
WAVE FRONT TRANSDUCER

Предпосылки изобретения
Датчики волновых фронтов являются устройствами, применяемыми для оценки формы волнового фронта светового пучка (см., например, US 4141652). 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 как аберраций низшего порядка, так и аберраций высшего порядка различных оптических систем формирования изображения, таких как человеческий глаз (см., например, J.Liang и др. (1994) "Объективные измерения волновых аберраций человеческого глаза с помощью датчика волновых фронтов Гартмана-Шака", J.Opt.Soc.Am. A-11, 1949-1957; T.Dave (2004) "Измерение аберрации волнового фронта, часть 1: Современные теории и концепции", Оптометрия сегодня, 2004, 19 ноября, с.41-45). Кроме того, датчик волновых фронтов можно также использовать в адаптивной оптической системе, в которой искаженный волновой фронт можно измерить и скомпенсировать в реальном времени, используя, например, оптическое устройство компенсации волнового фронта, такое как деформируемое зеркало. В результате такой компенсации можно получить четкое изображение (см., например, US 5777719).
В настоящее время большинство датчиков волнового фронта, предназначенных для измерения аберрации человеческого глаза, являются датчиками типа Шака-Гартмана, в которых измеряемый волновой фронт одновременно разделяется в параллельном формате на множество фронтов парциальных волн. Существенные компоненты такого датчика включают источник света или падающий оптический пучок, решетку миниатюрных линз (называемую решеткой элементарных линз) и камеру или какое-нибудь иное средство для регистрации картины и местоположения (также называемого центроидом) изображения пятна, образованного решеткой элементарных линз.
На фиг.1 показан типичный датчик Шака-Гартмана предшествующей техники, применяемый для измерения аберрации глаза. В качестве источника света здесь обычно используется SLD (сверхлюминесцирующий диод) 102, а свет подают на относительно малый участок сетчатки 108 через оптическую систему глаза (включающую роговицу 104 и хрусталик 106). Рассеянный свет от сетчатки 108 проходит через оптическую изображающую систему глаза (включающую роговицу 104 и хрусталик 106) и выходит из зрачка в виде аберрационного волнового фронта 110. Для подавления интерференции от света, отражаемого роговицей 104 и другими оптическими поверхностями сопряжения, такими как элементы хрусталика 106, иными, чем сетчатка 108, падающий относительно узкий световой пучок обычно поляризуют с помощью первого поляризатора 112 в первом направлении. Исходя из того, что свет, рассеиваемый сетчаткой, является намного более деполяризованным, свет, рассеиваемый сетчаткой, обычно измеряют во втором ортогональном направлении поляризации с помощью второго ортогонального анализатора 114.
Чтобы увеличить или уменьшить или просто перенести аберрационный волновой фронт на решетку элементарных линз 118, можно использовать релейную оптическую систему, например, 116, состоящую из набора линз. Если решетка элементарных линз 118 находится в сопряженной плоскости зрачка (плоскость изображения зрачка), волновой фронт в плоскости элементарной линзы будет идентичным или будет увеличенной или уменьшенной модификацией формы волнового фронта в плоскости зрачка. Решетка элементарных линз 118 тогда образует решетку изображений пятен в камере 120 на ПЗС. Если глаз является совершенной оптической системой, волновой фронт в плоскости решетки элементарных линз должен быть совершенно плоским (как показано сплошной прямой линией 122), а равномерно распределенная решетка пятен изображения должна регистрироваться в камере 120 на ПЗС, расположенной в фокальной плоскости решетки элементарных линз.
С другой стороны, если глаз не обладает совершенством, волновой фронт 124 на решетке элементарных линз не должен быть длиннее совершенно плоского фронта и будет иметь неправильную искривленную форму. Следовательно, изображения пятен в камере 120 на ПЗС будут отклоняться от местоположений, соответствующих случаю отсутствия аберрации. Благодаря обработке данных о положении пятен изображения в камере 120 на ПЗС можно определить как аберрацию низшего порядка, так и аберрацию высшего порядка для глаза (см., например, J.Liang и др., 1994, "Объективные измерения волновых аберраций человеческого глаза с помощью датчика волновых фронтов Гартмана-Шака ", J.Opt.Soc.Am.A-11,1949-1957).
Хотя датчик волнового фронта может измерять аберрацию как низшего, так и высшего порядка в оптической системе формирования изображения, для нестатической изображающей системы, например, человеческого глаза, установлено, что только значения аберрации низшего порядка, соответствующие сфероцилиндрическому отклонению, измеренному для центральной части глаза, являются относительно приемлемыми (см., например, Ginis HS и др. "Непостоянство измерений аберрации волнового фронта при небольших размерах зрачка с использованием клинического измерителя аберрации Шака-Гартмана", ВМС Ophthalmol 2004 Feb. 11; 4:1).
На практике для большинства измерений и коррекции аберрации глаза, а также для большинства оптических изображающих систем глазного дна оптические аберрации, которые необходимо измерить и скорректировать, являются сфероцилиндрическими отклонениями (также называемыми дефокусированием или астигматизмом). Всем специалистам в данной области хорошо известно, что эти аберрации можно измерять, используя небольшое количество фронтов парциальных волн по эпициклу (annular ring) падающего волнового фронта. В этом случае значительная часть решеток детекторов ПЗС оказывается ненужной. Ради экономии некоторое количество (обычно 8 или 16) счетверенных детекторов может располагаться по эпициклу аберрационного волнового фронта для выполнения измерений только этих фронтов парциальных волн (см., например, US 4141652, который вместе со всеми другими материалами, использованными при экспертизе заявки, вводится сюда полностью в качестве ссылочного материала для данной патентной заявки).
Однако при таком расположении необходимо еще использовать большое количество счетверенных детекторов, которые, хотя и совокупно менее дороги, чем камера на ПЗС большой площади, но все еще более дороги, чем одиночный счетверенный детектор. Вдобавок юстировка большого количества счетверенных детекторов также намного более сложна, чем юстировка одиночного счетверенного детектора.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - образцовый датчик Шака-Гартмана предшествующей техники, применяемый для измерения аберрации глаза.
Фиг.2 - образцовая принципиальная схема примера осуществления датчика последовательности волновых фронтов.
Фиг.3 - относительное радиальное и азимутальное смещение реплицированного волнового фронта в 4 симметричных положениях, которые соответствуют 4 фронтам парциальных волн, выбранных апертурой по эпициклу первоначального волнового фронта.
Фиг.4 - альтернативный пример осуществления датчика последовательности волновых фронтов, в котором отраженный пучок направляют в сторону с помощью сканирующего зеркала вместо его первоначального направления обратно.
Фиг.5 - другой альтернативный пример осуществления датчика последовательных волновых фронтов, в котором применяется сканирующее устройство пропускаемого оптического пучка.
Фиг.6 - еще один альтернативный пример осуществления датчика последовательных волновых фронтов, в котором в траекторию оптического пучка может быть последовательно включено некоторое количество параллельных оптических блоков различной необходимой пространственной ориентации, чтобы смещать пучок в поперечном направлении.
Фиг.7 - фотоприемник с четырьмя светочувствительными участками А, В, С и D и пятно изображения на счетверенном детекторе для нормально падающего фронта парциальной волны и неперпендикулярно падающего волнового фронта.
Фиг.8 - типичные случаи удовлетворительного фокусирования, дефокусирования и астигматизма с соответствующей картиной пятна изображения на счетверенном детекторе после линзы фокусирования фронта парциальной волны, а также последовательное перемещение соответствующих позиций центроида при показе на мониторе.
Фиг.9 - система, в которой оптический элемент высокоскоростного регулирования фокуса приводится высокоскоростным двигателем в режиме регулирования с обратной связью, чтобы удержать оптическую систему в сфокусированном состоянии.
Фиг.10 - система, в которой условие вращения траектории центроида можно использовать как обратную связь в системе регулирования по замкнутому контуру для поворота двух цилиндрических линз с целью регулирования и корректирования астигматизма.
Подробное описание изобретения
Теперь обратимся к подробностям различных вариантов осуществления данного изобретения. Примеры этих вариантов осуществления показаны на прилагаемых чертежах. В то время как изобретение будет описано в связи с этими примерами, должно быть понятно, что нет намерения ограничивать объем изобретения какими-либо вариантами осуществления. Наоборот, предполагается охватить альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в пределы сущности и объема, определяемые прилагаемой формулой. В следующем описании с целью обеспечения полного понимания различных вариантов осуществления разъясняются многочисленные специфические подробности. Однако данное изобретение может быть осуществлено на практике без некоторых или даже без всех этих специфических подробностей. В других случаях хорошо известные технологические операции не описываются подробно, чтобы не затемнять сущность данного изобретения.
В данном изобретении предлагается датчик фронтов последовательных волн, содержащий модуль сканирования светового пучка, фокусирующую линзу фронта парциальной волны, детектор с несколькими светочувствительными участками и процессор для вычисления последовательно получаемых центроидов фокусируемого светового пятна от фронтов парциальных волн для определения аберрации падающего волнового фронта. В этом варианте осуществления изобретения фокусирующая линза фронта парциальной волны и детектор закреплены неподвижно, а падающий пучок подвергается сканированию модулем сканирования светового пучка, чтобы последовательно спроецировать различные части волнового фронта из падающего пучка или реплики волнового фронта на линзу фокусирования фронта парциальной волны и детектор. Процессор может быть компьютером или программируемой электронной платой, которую можно использовать для вычисления следа центроида или картины на плоскости х-у.
На фиг.2 показана образцовая принципиальная схема осуществления датчика 200 волнового фронта. Линейно поляризованный падающий пучок света, имеющий волновой фронт 202, фокусируется первой линзой 204. Сфокусированный пучок проходит через поляризационный светоделитель (PBS) 206, который располагается таким образом, что его угол поляризации при сквозном проходе совпадает с углом поляризации входящего пучка. В результате через светоделитель 206 будет проходить линейно поляризованный сходящийся пучок. За светоделителем 206 располагается четвертьволновая пластинка 208 с осью наибольшей скорости распространения света, ориентированной таким образом, что после прохождения через четвертьволновую пластинку 208 появляется пучок с круговой поляризацией. За четвертьволновой пластинкой 208 и непосредственно перед сканирующим зеркалом 212 располагается точечная диафрагма 210, которая служит для подавления света, не происходящего непосредственно от интересующего нас волнового фронта светового пучка.
Падающий сходящийся пучок после прохождения через точечную диафрагму 210 фокусируется на поверхности отражения наклонного сканирующего зеркала 212, которое установлено на валу двигателя 214. Световой пучок, отражаемый зеркалом, является расходящимся, причем его основной центральный луч изменяет направление, которое зависит от угла наклона сканирующего зеркала 212 и углового положения двигателя 214. Ожидается, что отраженный пучок дополнительно подвергается круговой поляризации, но направление вращения круговой поляризации будет изменяться от "слева направо" до "справа налево". Однако при прохождении через четвертьволновую пластинку 208 второй раз на своем обратном пути пучок снова становится линейно поляризованным, но направление его поляризации смещается перпендикулярно относительно первоначального входящего пучка. Следовательно, при поляризационном светоделителе 206 возвратный пучок будет преимущественно отражаться влево, как показано пунктирными линиями на фиг.2.
Вторая линза 216 располагается слева рядом со светоделителем 206, чтобы коллимировать отраженный расходящийся пучок и производить реплику первоначального входящего фронта волны. Вследствие наклона сканирующего зеркала реплицированный волновой фронт сдвигается в поперечном направлении. За второй линзой 216 и непосредственно перед фокусирующей линзой 220 фронта парциальной волны располагается апертура 218 для выбора небольшой части реплицированного волнового фронта. Линза 220 фокусирует выбранный фронт парциальной волны на позиционном чувствительном устройстве 222, которое используется для определения центроида сфокусированного светового пятна, происходящего от последовательно выбираемых фронтов парциальных волн. С помощью вращения двигателя 214 и изменения угла наклона сканирующего зеркала 212 в пошаговом режиме можно отрегулировать величину радиального и азимутального сдвига реплицированного фронта волны таким образом, что любая часть реплицированного фронта волны может быть выбрана для прохождения через апертуру 218 последовательно. В результате можно получить характеристику всего волнового фронта первоначального входящего пучка как в случае применения обычного датчика волнового фронта Гартмана-Шака с тем исключением, что центроид каждого фронта парциальной волны теперь получается последовательно, а не параллельно.
В другом примере осуществления угол наклона сканирующего зеркала является постоянным, а двигатель вращается в многоступенчатом режиме непрерывно. В результате будет выбрано и охарактеризовано только установленное количество фронтов парциальных волн по эпициклу волнового фронта. Этот режим сканирования чрезвычайно удобен для определения сфероцилиндрического отклонения или дефокусирования и астигматизма первоначального волнового фронта, как указывалось в предшествующем разделе. На фиг.3 показан радиальный и азимутальный сдвиг относительно апертуры 310 реплицированных волновых фронтов 302, 304, 306 и 308 в 4 симметричных позициях остановливаемого двигателя на каждом обороте, причем эти волновые фронты соответствуют 4 фронтам парциальных волн 312, 314, 316, 318, выбираемым с помощью апертуры 310 по эпициклу 320 первоначального волнового фронта.
Понятно, что без отступления от объема данного изобретения сюда можно внести многочисленные изменения, касающиеся применяемых компонентов. Например, четвертьволновая пластинка может быть четвертьволновой пластинкой ненулевого порядка и ее можно заменить ячейкой Фарадея, которая будет вращать угол поляризации возвратного пучка до прямого. Кроме того, входящий пучок может не быть линейно поляризованным, а тип светоделителя нет необходимости ограничивать поляризационным светоделителем. Может быть использован обычный оптический светоделитель, и в таком случае четвертьволновая пластинка или ячейка Фарадея может быть удалена. Хотя световой кпд на детекторе будет при этом понижаться, это необязательно повлияет на характеристику датчика волнового фронта, пока имеется достаточная мощность оптического излучения, передаваемая на детектор.
Позиционное чувствительное устройство (PSD) является датчиком, применяемым для определения местоположения центроида светового пятна. Позиционное чувствительное устройство может быть, но не ограничиваться счетверенным детектором, PSD-датчиком или детектором, имеющим многочисленные светочувствительные участки, например, решеткой детекторов 2D малой площади. Такие детекторы включают площадной индикатор на ПЗС и площадной индикатор КМОП. Применяемые линзы, включающие 204, 216, 220, не должны ограничиваться одиночной линзой каждая и могут быть комбинацией линз, что хорошо известно всем специалистам в данной области. Апертура перед фокусирующей линзой фронта парциальной волны может быть удалена, если эта фокусирующая линза является столь малой как одиночная элементарная линза. Иными словами, апертура предпочтительно необходима и целью апертуры является выбор малой части волнового фронта для фокусирования на детекторе, когда фокусирующая линза, применяемая позади апертуры, является относительно большой. Апертура необязательно ограничивается конфигурацией постоянного размера. Апертура переменного размера во время работы позволяет выбор чувствительности и разрешающей способности.
Вдобавок линзу фокусирования фронта парциальной волны можно заменить любым оптическим элементом, который способен выполнять функцию фокусирования, например, линзой с изменяющимся показателем преломления; может быть также использовано фокусирующее зеркало. Также количество остановок при каждом обороте двигателя нет необходимости ограничивать четырьмя, оно может быть любым количеством. Кроме того, двигатель может вращаться непрерывно, а источник света может быть короткоимпульсным с различной длительностью зажигания. Угол наклона сканирующей линзы также может динамически изменяться в реальном времени, так что могут выбираться различные части эпицикла волнового фронта. Фактически, хотя мы и применяем термин "наклонное зеркало ", следует заметить, что этот термин также включает и случай нулевого угла наклона зеркала, то есть падающий пучок может быть перпендикулярным к зеркалу, так что отраженный пучок будет соосным с пучком падающим при направлении центральной части первоначального волнового фронта на детектор.
Порядок последовательности поворота двигателя и наклона сканирующего зеркала может также быть обратным или смешанным, так что выбор фронтов парциальных волн может происходить в любой желаемой последовательности. Кроме того, сканирующее зеркало и двигатель могут быть заменены (но без ограничения такой заменой) зеркалом с микроэлектромеханической системой, которое в настоящее время предлагается рынком, или любым другим деформируемым зеркалом, которое способно изменять направление отражаемого светового пучка. Достоинством зеркала с микроэлектромеханической системой является то, что оно имеет относительно высокочастотную характеристику вследствие малой массы подвижных частей зеркала, в результате чего может быть достигнута высокая скорость обнаружения фронтов последовательных волн. Вдобавок угол наклона зеркала с микроэлектромеханической системой можно легко регулировать.
Понятно, что без отступления от объема данного изобретения возможны также многие изменения, касающиеся конфигурации системы. Например, нет никакой необходимости в отражении волнового фронта сначала в обратном направлении, а затем отклонении пучка в сторону.
В качестве альтернативы сканирующее зеркало можно также заменить многоэлементным фацетным барабанным зеркалом 412, каждая отражающая поверхность которого имеет желаемую пространственную ориентацию, так что, когда каждая отражающая поверхность поворачивается в определенное положение в пошаговом или непрерывном режиме, сходящийся падающий пучок отражается вместе с центральным основным лучом, располагаясь в виде конуса. На фиг.4 показан схематический вид поперечного сечения такой конфигурации 400, в которой отраженный пучок смещается в поперечном направлении вверх. Следует заметить, что отраженный пучок также может смещаться вниз, влево, вправо или в любом азимутальном направлении на любую величину радиального смещения. Это происходит потому, что многоэлементное фацетное барабанное зеркало 412 не является симметричным многогранником, и когда каждая поверхность перемещается в положение для отражения падающего сходящегося пучка, он будет отражать пучок под другим пространственным углом, так что необходимая часть реплицированного волнового фронта выбирается апертурой для фокусирования на детекторе.
Вдобавок на траектории входящего света перед многоэлементным фацетным зеркалом может опять-таки располагаться точечная диафрагма для отклонения света, приходящего не от падающего пучка желаемого направления или местоположения. Заметим, что та же самая конфигурация может быть осуществлена путем применения зеркала с микроэлектромеханической системой вместо многоэлементного фацетного зеркала, которое предоставит все преимущества, названные выше. Также следует заметить, что многоэлементное фацетное барабанное зеркало может иметь такую ориентацию фацетов, что при непрерывном вращении барабана в пошаговом режиме выбирается большое количество фронтов парциальных волн по эпициклу волнового фронта для фокусирования на детекторе.
В качестве другой альтернативы система также может быть полностью скомпонована для режима работы в пропускаемом свете вместо режима работы в отраженном свете. На фиг.5 показана конфигурация, в которой многоэлементное фацетное барабанное зеркало заменено устройством сканирования пропускаемого оптического пучка 512а и 512b. В продаже имеется большое количество различных сканирующих устройств пропускаемого пучка, например, акустооптический модулятор, электрооптическое или магнитооптическое устройство сканирования пучка и устройство сканирования пучка на жидких кристаллах, которые представлены под 512а. В этом случае сканирующее устройство должно обладать способностью сканирования пучка, сфокусированного или несфокусированного, в зависимости от размеров окна пропускающего сканирующего устройства, чтобы последовательно направлять определенное количество желаемых частей волнового фронта для характеризации.
В качестве альтернативы для этой цели можно также использовать многоэлементный клиновидный секторный диск 512b. Понятно, что, как это описывалось для многоэлементного фацетного барабанного зеркала в случае отражения, многоэлементный клиновидный секторный диск 512b для случая пропускания также должен быть несимметричным диском в том смысле, что при повороте одного из секторов клина в положение отражения пучка сфокусированного или несфокусированного, угол клина будет определять возникающее направление пучка и, следовательно, часть волнового фронта, которая будет выбрана апертурой 518b. Каждый сектор клина должен иметь различную ориентацию угла клина, чтобы дать возможность получения характеристики последовательности желаемых фронтов парциальных волн. Заметим, что при малых размерах окна пропускающего устройства сканирования падающий пучок должен быть сфокусирован на месте расположения пропускающего устройства сканирования, и в этом случае первая линза должна быть использована для фокусирования падающего оптического пучка, а вторая линза должна быть использована для коллимирования пропускаемого пучка, чтобы произвести реплику входящего волнового фронта, который смещается в пространстве в поперечном направлении.
В другом варианте осуществления данного изобретения концепция последовательно смещаемого в поперечном направлении волнового фронта падающего пучка дополнительно расширяется, включая случай поперечного смещения падающего пучка, в котором падающий пучок не фокусируют, а затем повторно коллимируют. Вместо этого падающий пучок подвергают поперечному смещению, чтобы направить желаемую часть волнового фронта на апертуру (618а, 618b). Преимуществом такой схемы является то, что требуется меньше оптических элементов и, следовательно, модуль сканирования света может быть значительно упрощен. На фиг.6 показан пример, в котором на траектории оптического пучка с целью поперечного смещения последнего может быть последовательно установлено некоторое количество параллельных оптических блоков (612а, 612b) с различной желаемой пространственной ориентацией.
В качестве альтернативы пропускающее сканирующее устройство оптического пучка может быть многоэлементным фацетным пропускающим многогранником, который вращается шаг за шагом, преграждая путь оптического пучка таким образом, чтобы последовательно смещать пучок в поперечном направлении. Заметим также, что поперечное смещение оптического пучка не обязательно должно выполняться механическими средствами. Например, для поперечного смещения пучка можно использовать жидкокристаллическую ячейку, электрооптическую ячейку или магнитнооптическую ячейку; в этих случаях изменение эффективного показателя преломления ячейки будет изменять величину поперечного смещения пучка. Как и в случае отражающего сканирующего устройства оптического пучка, пропускающее сканирующее устройство оптического пучка может обеспечивать возможность выбора определенного количества фронтов парциальных волн по эпициклу волнового фронта для фокусирования на детекторе с целью обнаружения аберрации -дефокусирования и астигматизма.
Вышеописанный датчик волнового фронта можно использовать для большого количества применений. Первым и главным применением является самонастраивающаяся оптика, в которой измеренный искаженный волновой фронт можно скомпенсировать в реальном времени, используя устройство для компенсации волнового фронта, например, решетку деформируемых зеркал. В этом случае скорость сканирования пучка должна быть относительно высока и, следовательно, предпочтительно использовать высокоскоростные устройства сканирования пучка или сдвигающие устройства, такие как зеркало с микроэлектромеханической системой и электрооптические или магнитооптические ячейки.
Вторым главным применением вышеописанного варианта осуществления является автофокусирование и/или коррекция астигматизма. Благодаря тому что для заключения о дефокусировании и астигматизме изображающей системы, такой как человеческий глаз, необходимо охарактеризовать только небольшое количество (например, 8) фронтов парциальных волн по эпициклу, нет необходимости применения модуля сканирования оптического пучка с высокочастотной характеристикой и соответственно будет достаточно сканирующего устройства с низкой стоимостью, например, наклонного зеркала, установленного на шаговом двигателе, как показано на фиг.4. Например, вышеописанный датчик волнового фронта может быть применен в фундус-камере для дефокусирования и/или коррекции астигматизма изображающей системы глаза в реальном времени, как описано в US 6361167 и US 6685317, так что может быть получено фундус-изображение с высокой разрешающей способностью.
Другой отличительной чертой вышеописанного датчика волнового фронта является то, что при использовании для характеризации только дефокусирования и/или астигматизма будет достаточно счетверенного детектора, а его выходной сигнал можно обработать для получения последовательной записи или картины, которая может быть показана на мониторе для выявления в реальном времени следующего: находится ли оптическая изображающая система перед датчиком волнового фронта в фокусе или нет; как далеко находится этот фокус; является ли дефокусирование конвергентным или дивергентным, какова величина астигматизма, а также оси астигматизма.
Предположим, что применяется счетверенный детектор 702 с четырьмя светочувствительными участками А, В, С и D, как показано на фиг.7. Если фронт парциальной волны падает под прямым углом относительно линзы фокусирования фронта парциальной волны, пятно 704 изображения на счетверенном детекторе будет находиться в центре и четыре светочувствительных участка будут получать одно и то же количество света, причем каждый участок будет вырабатывать сигнал одной и той же величины. С другой стороны, если фронт парциальной волны отклоняется от нормального падения на какой-то угол наклона (скажем, принимает правое верхнее направление), пятно изображения на счетверенном детекторе при этом будет образовываться в стороне от центра (перемещаясь в правый верхний квадрант, как показано пятном 706 изображения). Отклонение (х, у) центроида от центра (х=0, у=0) может быть выражено следующими уравнениями:
где А, В, С и D обозначают величину сигнала каждого соответствующего светочувствительного участка счетверенного детектора, а знаменатель (A+B+C+D) используется для нормализации измерения, так что может быть сведено на нет влияние изменений интенсивности оптического источника.
Когда определенное количество симметричных фронтов парциальных волн (например, 4, 8 или 16) по эпициклу оптического пучка последовательно проецируется (например, в направлении часовой стрелки) на фокусирующую линзу фронта парциальной волны и счетверенный детектор, отклонение центроида, как показано символами (х,у) уравнения (1), от центра счетверенного детектора будет создавать картину на плоскости х-у, которую можно показать на мониторе, а также обработать в цифровой форме, чтобы представить состояние дефокусирования и астигматизма.
На фиг.8 показаны типичные случаи удовлетворительного фокусирования, дефокусирования и астигматизма, соответствующие картины пятен изображения на счетверенном детекторе позади линзы фокусирования фронта парциальной волны, а также последовательное перемещение соответствующих положений центроида при показе на мониторе. Заметим, что вместо вытаскивания (drawing) некоторого количества подлежащих проецированию волновых фронтов с помощью различных фронтов парциальных волн на одни и те же линзы фокусирования фронтов парциальных волн и счетверенный детектор, мы взяли эквивалентное представление, показанное на фиг.3, в котором определенное количество фронтов парциальных волн выстраивается вдоль (are drawn around) того же самого эпицикла и соответственно определенное количество счетверенных детекторов выстраивается вдоль того же эпицикла, чтобы представить случай сканирования различных частей волнового фронта на линзу фокусирования фронтов парциальных волн и одиночный счетверенный детектор.
Предположим, что мы начинаем сканирование по эпициклу волнового фронта с фронта верхней парциальной волны и перемещаемся по часовой стрелке к фронту второй парциальной волны вправо и т.д., как показано стрелкой 809. На фиг.8 можно видеть, что, если фронт волны является плоской волной 801, означая тем самым, что оптическая система хорошо сфокусирована без какой-либо аберрации, фронты всех парциальных волн (например, 802) будут образовывать пятно 803 изображения в центре счетверенного детектора 804, в результате чего след 805 центроида на мониторе 806 также будет всегда в центре плоскости х-у. Следовательно, вся картина или след на плоскости х-у может быть использована для показа состояния фокусирования.
Однако в более обычном случае всегда может наблюдаться аберрация входящего фронта волны, причем центроид будет смещаться в сторону от центра плоскости х-у, как, например, в случае астигматизма, который кратко будет описан. Следовательно, при наличии других видов аберрации сведение к минимуму смещения центроидов от центра плоскости х-у может быть использовано в качестве критерия для автофокусирования или содействия фокусированию. В таком случае смещение центроидов может быть определено как сумма абсолютных расстояний каждого центроида от общего центра, и этот сигнал может быть использован в качестве сигнала обратной связи в системе регулирования по замкнутому контуру для автофокусирования.
Когда поступающий волновой фронт является дивергентным, как показано под 811, центр пятна 813 изображения каждого фронта 812 парциальной волны будет находиться на внешней по радиусу стороне от центра волнового фронта с равной величиной смещения от центра счетверенного детектора 814, в результате чего след 815 на мониторе 816 будет образовывать кольцо по часовой стрелке, как показано стрелкой 818, начиная с верхнего положения 817. С другой стороны, если поступающий волновой фронт является конвергентным, как показано под 821, центр пятна 823 изображения каждого фронта 822 парциальной волны на внутренней по радиусу стороне относительно центра волнового фронта с равной величиной смещения от центра счетверенного детектора 824, в результате чего след 825 центроида на мониторе 826 все еще будет кольцевым, но будет начинаться с нижнего положения 827 в направлении часовой стрелки, как показано стрелкой 828. Следовательно, когда обнаруживается изменение знака оси у, это является показателем того, что поступающий волновой фронт изменяется от дивергентного пучка до ковергентного пучка. Кроме того, начальная точка следа центроида может быть также использована в качестве критерия для указания, является ли поступающий фронт дивергентным или конвергентным.
Критерий изменения знака или изменения начальной точки, следовательно, может использоваться в качестве обратной связи для указания, удовлетворительно или нет сфокусирована оптическая система перед датчиком волнового фронта. На практике здесь могут присутствовать другие виды аберрации и, следовательно, изменение знака для всех положений центроида не может происходить в одно и то же время. Предпочтительным практическим мероприятием может быть определение критической величины регулирования фокуса в оптической системе перед датчиком волнового фронта, так что, если в предварительно заданном диапазоне регулирования фокуса знаки всех или большинства центроидов изменились, волновой фронт может считаться сфокусированным. В одном из примеров осуществления данного изобретения это изменение знака, следовательно, можно использовать в качестве критерия автофокусирования или вспомогательного фокусирования, при котором для постоянного удержания оптической системы в фокусе путем блокирования системы в точке изменения знака в оптической системе впереди датчика волнового фронта может располагаться оптический элемент или модуль высокоскоростного регулирования фокуса с подвижной в осевом направлении линзой, приводимой высокоскоростным двигателем в режиме регулирования по замкнутому контуру. Альтернативно возможно применение для той же цели линз регулирования фокуса других типов, например, линз жидкостного поверхностного натяжения, жидкокристаллических линз или акустооптических линз.
Для случая как дивергентного, так и сонвергентного сферического поступающего волнового фронта направление вращения следа центроида в плоскости х-у является тем же самым, что и направление сканирования фронтов парциальных волн вдоль эпицикла поступающего волнового фронта. В этом примере осуществления изобретения мы определяем такое направление вращения как нормальное. Для случая астигматического поступающего фронта, когда может оказаться, что направление вращения следа центроида в плоскости х-у является противоположным по сравнению с направлением сканирования фронтов парциальных волн вдоль эпицикла поступающего волнового фронта, мы определяем такое противоположное направление вращения как анормальное.
Для случаев нормального вращения следа центроида в плоскости х-у, если след является кольцевым, диаметр этого следа 815, 825 несомненно можно использовать для указания степени дефокусирования. На практике всегда могут присутствовать некоторые другие виды аберрации и, следовательно, след центроида может не быть идеально кольцевым. В этом случае хорошим практическим мероприятием может быть подгонка следа центроида под кольцевую форму с последующим установлением усредненного диаметра или радиуса следа. В одном из вариантов осуществления данного изобретения критерий достижения минимального усредненного диаметра или радиуса следа центроида используется для вспомогательного фокусирования или автофокусирования, при котором для постоянного удержания оптической системы в фокусе в этой системе впереди датчика волнового фронта может располагаться оптический элемент или модуль для высокоскоростного регулирования фокуса, например, подвижная в осевом направлении линза 930, приводимая высокоскоростным двигателем в режиме регулирования по замкнутому контуру, как показано на фиг.9. Альтернативно, для этой цели можно также использовать линзу жидкостного поверхностного натяжения, жидкокристаллическую линзу или акустооптическую линзу.
Из фиг.8 также можно видеть, что, когда поступающий волновой фронт является астигматическим, при жестком фокусировании поступающего фронта может случиться, что фронт является дивергентным в вертикальном направлении, как показано под 831а, и конвергентным в горизонтальном направлении, как показано под 83lb, в результате чего центроиды 833а вертикальных фронтов парциальных волн будут располагаться по радиусу снаружи относительно центра поступающего волнового фронта, а центроиды 833b горизонтальных фронтов парциальных волн будут располагаться по радиусу внутрь относительно центра поступающего волнового фронта. Следовательно, след 835 центроида на мониторе 836 будет начинаться с верхнего положения 837, но перемещаться против часовой стрелки, как показано стрелкой 838, и вращение следа центроида теперь является анормальным. Заметим, что, когда мы говорим: "астигматический волновой фронт жестко сфокусирован", мы имеем в виду, что вдоль одной из осей астигматического волнового фронта фронты парциальных волн являются дивергентными, а вдоль другой оси астигматического волнового фронта фронты парциальных волн являются конвергентными. В одном из вариантов осуществления данного изобретения анормальное направление вращения следа центроида может быть использовано, во-первых, для указания того, что поступающий фронт является астигматическим, а во-вторых, для указания того, что астигматический волновой фронт жестко сфокусирован. Кругообразность анормального следа центроида может быть также использована для указания того, удовлетворительно или нет сфокусирован астигматический поступающий волновой фронт.
С другой стороны, если поступающий волновой фронт является астигматическим, но все фронты парциальных волн являются либо полностью дивергентными, либо полностью конвергентными, вращение следа центроида будет происходить по часовой стрелке (то есть будет нормальным) на основе сходного довода, который приводился для дивергентного-конвергентного дефокусированного волнового фронта; однако для случая астигматизма след центроида на мониторе будет эллиптическим скорее, чем кольцевым, поскольку фронты парциальных волн вдоль одной из осей астигматизма будут более дивергентными или конвергентными, чем фронты вдоль другой оси. При более обычном астигматическом волновом фронте след центроида будет вращаться либо в анормальном направлении, причем сам след будет или эллиптическим, или кольцевым, либо след центроида будет вращаться в нормальном направлении, но сам след будет эллиптическим. Ось эллипса может располагаться в любом радиальном направлении относительно центра волнового фронта, что будет указывать на ось астигматизма. В этом случае 4 фронтов парциальных волн по эпициклу может оказаться недостаточно, и большее количество фронтов парциальных волн (например, 8 или 16 вместо 4) может проецироваться на линзу фокусирования фронтов парциальных волн и счетверенный детектор и быть охаратеризованным.
В одном из вариантов осуществления данного изобретения для указания степени астигматизма используется эллиптичность нормального следа центроида или относительная разность длины двух осей эллипса. В другом варианте осуществления данного изобретения для указания оси астигматизма используется ось нормального эллиптического следа центроида. В еще одном варианте осуществления данного изобретения датчик волнового фронта может быть использован для обеспечения сигнала обратной связи при корректировании астигматизма оптической системы впереди модуля датчика волнового фронта. В этом случае направление вращения, ось эллипса и эллиптичность следа центроида могут быть использованы для обратной связи в системе регулирования по замкнутому контуру для приведения в действие элемента коррекции астигматизма, например, поворота двух цилиндрических линз 1030, 1031 (как показано на фиг.10). В этом случае, если вращение следа центроида является нормальным, эллиптичность следа центроида может быть сведена к минимуму и, следовательно, кругообразность увеличена до максимума для выполнения автокоррекции астигматизма. С другой стороны, если вращение следа центроида является анормальным, хорошим условием для коррекции астигматизма является сначала укорочение одной из двух осей эллиптического следа, чтобы привести след центроида в нормальное вращение, а затем удлинение той же самой оси, чтобы сделать след центроида кольцевым. В результате также может быть достигнута автокоррекция астигматизма.
В другом варианте осуществления данного изобретения способ автофокусирования сочетается со способом автокоррекции астигматизма, так что в такой системе, как человеческий глаз, может быть достигнута коррекция в реальном времени как дефокусирования, так и астигматизма. Предпочтительно в практике сначала должна быть достигнута коррекция астигматизма, а затем коррекция дефокусирования. Однако это не значит, что последовательность действий не может быть обратной; фактически повторяющийся процесс может быть использован для переключения между двумя видами коррекции до тех пор, пока не будут достигнуты определенные условия. Как указывалось в предшествующем разделе этой заявки, дефокусирование и астигматизма являются двумя основными видами аберрации, которые могут существенно влиять на характеристику оптической изображающей системы. Следовательно, путем коррекции этих двух основных видов аберрации с использованием вышеописанного датчика волнового фронта может быть получено высококачественное изображение, например, изображение дна (fundus image) человеческого глаза.
Хотя в приведенном выше описании способов характеризации и коррекции дефокусирования и астигматизма мы использовали счетверенный детектор для иллюстрации принципа работы, другие детекторы также могут использоваться постольку, поскольку они смогут обеспечивать информацию о положении центроида. Мы уже упоминали, что детектор может быть площадным индикатором на ПЗС или площадным индикатором КМОП. Несомненно, эти детекторы также могут использоваться вместо счетверенного детектора для характеризации и коррекции дефокусирования и астигматизма, как указывалось выше.
В настоящее время вышеописанный датчик вдобавок к использованию его в фундус-камере в качестве усовершенствованного датчика для автофокусирования и коррекции астигматизма может использоваться в оптическом центрирующем инструменте, core-технология может также использоваться в качестве основы нового авторефрактора. Датчик может быть также использован в качестве обычного фокусирующего датчика в любых применениях.
Данное изобретение может быть осуществлено, в частности, в виде программного кода, сохраняемого в компьютерном программоносителе, то есть выполняемого цифровой ЭВМ. Компьютерный программоноситель может включать помимо иных вещей магнитный носитель, оптический носитель, электромагнитные поля, кодирующие цифровую информацию и т.д.
Понятно, что описание предпочтительных вариантов осуществления данного изобретения служит только для целей иллюстрации. Все специалисты в данной области могут выявить другие варианты, эквивалентные описанным здесь; эти эквиваленты могут охватываться формулой, прилагаемой здесь. Например, описание касается случая, в котором применяются одиночная линза фокусирования фронтов парциальных волн и одиночный счетверенный детектор, однако это не значит, что этот принцип сканирования волнового фронта с целью проецирования различных частей этого фронта не может быть применен в случае с двумя или более счетверенными детекторами или иными детектирующими модулями. Модуль сканирования света также может проецировать большое количество частей поступающего волнового фронта на ряд детектирующих модулей для сокращения времени выполнения характеризации последовательности фронтов парциальных волн. Например, принцип действия может быть распространен на случай, в котором линейная решетка элементарных линз располагается параллельно линейной решетке счетверенных детекторов, в результате чего последовательное сканирование поступающего волнового фронта может выполняться с помощью сканирования волнового фронта в направлении, перпендикулярном линейной решетке элементарных линз и счетверенных детекторов.