УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ, ИМЕЮЩЕЕ ОПТИЧЕСКИЙ АДАПТЕР, И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
OPTICAL IMAGE FORMING APPARATUS HAVING OPTICAL ADAPTER, AND DRIVING METHOD THEREFOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству получения оптического изображения, имеющему оптический адаптер, и способу управления им, и, в частности, к технологии, позволяющей получать за короткое время с высоким разрешением двухмерное или трехмерное оптическое изображение ткани в естественных условиях, включающей в себя сетчатку глаза, которая является объектом.
Уровень техники
Известное устройство получения оптического изображения для неинвазивного получения оптического изображения ткани в естественных условиях в качестве объекта, например, сетчатки глаза, включает в себя сканирующий лазерный офтальмоскоп (SLO), способный получать двухмерное изображение, и оптический когерентный томограф (OCT), способный строить томографическое изображение объекта.
Эти устройства строят и получают двухмерное или трехмерное оптическое изображение путем сканирования сетчатки световым пучком с использованием дефлектора и измерения отраженного или обратнорассеянного пучка. Система OCT включает в себя временной OCT (TD-OCT), спектральный OCT (SD-OCT), способный быстрее строить изображение, чем TD-OCT, и сканирующий OCT (SS-OCT).
Кроме того, в отношении технологии для оптического адаптера (AO) для получения изображения высокого разрешения, в выложенной патентной заявке Японии №2005-224328 раскрыта технология коррекции аберрации волнового фронта, возникающей в глазном яблоке, с использованием корректора аберрации волнового фронта. Это устройство получения изображения, имеющее функцию коррекции аберрации, в котором единичное деформируемое зеркало многократно действует на единичный пучок, приходящий от объекта, для обеспечения необходимой величины коррекции аберрации, что позволяет обеспечить величину коррекции.
Сущность изобретения
Однако в устройстве имеющем корректор аберрации волнового фронта через вышеописанный единичный пучок, даже при наличии возможности обеспечить изображение высокого разрешения, существует проблема сокращения времени получения изображения. То есть, если скорость сканирования увеличивается для ускорения, возникает необходимость в увеличении количества света для обеспечения отношения С/Ш.
При этом если объект является объектом наподобие сетчатки глаза, допустимая величина энергии облучения ограничивается стандартами безопасности и т.д., во избежание повреждения сетчатки глаза.
Ввиду такого ограничения допустимой величины энергии облучения, традиционный вариант осуществления через вышеописанный единичный пучок создает проблему для ускорения за счет увеличения количества света.
Задачей настоящего изобретения, в связи с вышеописанной проблемой, является обеспечение устройства получения оптического изображения, способного реализовать сокращение времени получения изображения с использованием простой конфигурации, в то же время регулируя количество света, используемого для сканирования, в пределах, предписанных стандартами безопасности и т.д., и обеспечивая высокое разрешение изображения с использованием оптического адаптера, и способа управления им.
Настоящее изобретение предусматривает устройство получения оптического изображения, имеющее оптический адаптер, имеющее следующую конфигурацию.
Устройство получения оптического изображения, отвечающее настоящему изобретению, представляет собой устройство получения оптического изображения, имеющее оптический адаптер, в котором отраженные или обратнорассеянные пучки, отраженные или обратнорассеянные поверхностью, подлежащей измерению, которая является объектом, когда измерительные пучки, включающие в себя совокупность пучков, сканируют поверхность, корректируются оптическим адаптером и получают оптическое изображение объекта, в котором:
оптический адаптер включает в себя:
детектор аберрации волнового фронта для обнаружения аберрации волнового фронта в отраженных или обратнорассеянных пучках, генерируемых объектом, когда измерительные пучки, включающие в себя совокупность пучков, сканируют поверхность, подлежащую измерению, и
единичный корректор аберрации волнового фронта для коррекции аберрации волнового фронта в каждом из совокупности пучков на основании аберрации волнового фронта, обнаруженной детектором аберрации волнового фронта, и
совокупность пучков входит в единичный корректор аберрации волнового фронта с разными углами падения и с перекрытием между собой, и аберрация волнового фронта в каждом из совокупности пучков корректируется.
Кроме того, способ управления, отвечающий настоящему изобретению, представляет собой способ управления для устройства получения оптического изображения, в котором волновой фронт отраженных или обратнорассеянных пучков, отраженных или обратнорассеянных поверхностью, подлежащей измерению, которая является объектом, когда измерительные пучки, включающие в себя совокупность пучков, сканируют поверхность, корректируется, и получающего оптическое изображение объекта, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых:
проецируют измерительные пучки, включающие в себя совокупность пучков, на единичный корректор аберрации волнового фронта с разными углами падения, соответственно,
сканируют поверхность, подлежащую измерению, измерительными пучками, отраженными единичным корректором аберрации волнового фронта, с использованием блока сканирования,
обнаруживают аберрацию волнового фронта в измерительных пучках, отраженных или обратнорассеянных поверхностью, подлежащей измерению, с использованием детектора аберрации волнового фронта, и
регулируют коррекцию единичного корректора аберрации волнового фронта на основании обнаруженной аберрации волнового фронта.
Настоящее изобретение позволяет реализовать устройство получения оптического изображения, способное обеспечить сокращение времени получения изображения с использованием простой конфигурации, в то же время обеспечивая высокое разрешение изображения с использованием оптического адаптера и регулируя количество света, используемого для сканирования, в пределах, предписанных стандартами безопасности и т.д., и способ управления им.
Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего описания иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1A - принципиальная схема, иллюстрирующая конфигурацию устройства получения оптического изображения, имеющего оптический адаптер и использующего совокупность пучков в иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1B - пример другой конфигурации.
Фиг.2A - механизм реализации высокого разрешения изображения, когда принцип оптического адаптера (AO) применяется к системе обследования глазного дна.
Фиг.2B - принципиальная схема, иллюстрирующая конструкцию датчика волнового фронта Хартмана-Шака.
Фиг.3A, 3B, 3C и 3D - волновой фронт и MTF после коррекции, для иллюстрации зависимости эффективности коррекции аберрации волнового фронта от угла падения на корректор аберрации волнового фронта в иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - ситуация, когда совокупность пучков входит в детектор аберрации волнового фронта, для демонстрации иллюстративного варианта осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5A - один пример измерения аберрации волнового фронта в иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5B - другой пример измерения аберрации волнового фронта, согласно временному разделению.
Фиг.6A и 6B - принцип трансфокации оптической системы окуляра.
Фиг.6C и 6D - пример конфигурации, в которой трансфокатор располагается между концом выхода пучка и дефлектором в иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 - пример конфигурации, в которой оптический адаптер, согласно первому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, применяется в OCT.
Фиг.8 - пример конфигурации, в которой оптический адаптер, согласно второму иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, применяется в SLO.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Ниже приведено описание устройства получения оптического изображения, имеющего оптический адаптер, в иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения.
Здесь подробное описание устройства согласно данному иллюстративному варианту осуществления предваряется, со ссылкой на фиг.2A, описанием механизма реализации высокого разрешения изображения, когда принцип вышеописанного традиционного оптического адаптера (AO) применяется к системе обследования глазного дна.
Для оптического получения информации о сетчатке 8 в глазном яблоке 7, осветительный пучок, идущий от источника света 15 направляется на сетчатку, и пучок, отраженный или обратнорассеянный в точке 81 на сетчатке, адаптируется для формирования изображения на светочувствительном датчике 41 посредством оптических элементов 101 и 910.
Этот светочувствительный датчик 41, будучи фундус-камерой, представляет собой устройство формирования изображения, в котором светочувствительные элементы образуют матрицу, и, в SLO или OCT, соответствует концу оптического волокна, ведущего к светочувствительному элементу.
Здесь, когда необходимо получать информацию с высоким разрешением, необходимо увеличивать входной зрачок оптических элементов 101, но, в таком случае, ввиду аберрации, присутствующей в глазном яблоке, волновой фронт пучка 80, излучаемого из глазного яблока, искажается. Поэтому, когда изображение из этого пучка формируется на светочувствительном датчике 41 посредством оптических элементов 101 и 910, эффективность формирования изображения, которую первоначально имеют эти оптические системы, может не позволить сфокусировать свет, в результате чего образуется искаженное или размытое пятно. Соответственно, невозможно обеспечить достаточную пространственную разрешающую способность в поперечном направлении, что не позволяет обеспечить желаемую информацию с высоким разрешением.
Эта аберрация включает в себя несколько разновидностей аберраций высшего порядка, например, аберрацию комы и сферическую аберрацию четвертого порядка, помимо нескольких разновидностей аберраций низшего порядка, которые можно скорректировать обычным оптическим устройством, например, цилиндрической линзой, в частности, астигматизм, дефокусировку и наклон.
Эти аберрации вызваны деформацией искривленной поверхности и/или неоднородностью показателя преломления, главным образом, в переднем глазном сегменте, например, роговице и хрусталике. Ввиду большого различия между индивидами и изменения состояния склеры с течением времени, время от времени возникает необходимость реагировать и проводить коррекцию.
Вышеописанный известный оптический адаптер (AO) измеряет сгенерированную аберрацию волнового фронта и создает аберрацию, имеющие противоположные характеристики, для ее компенсации, таким образом, осуществляя коррекцию.
Эта технология первоначально разрабатывалась как способ коррекции атмосферных флуктуаций в реальном времени для повышения разрешающей способности оптических телескопов и была применена в офтальмической оптике.
Способ, широко используемый для обнаружения аберрации волнового фронта (система Шака-Хартмана), предусматривает, что микролинзы, размещенные в правильном порядке в виде матрицы, располагают на удалении от светочувствительной поверхности устройства формирования двухмерного изображения, равном их фокусному расстоянию. Затем величину аберрации вычисляют из смещения пятна, сфокусированного на светочувствительной поверхности каждым из линзовых элементов.
Для осуществления способа коррекции волнового фронта используется система, в которой изменяется, в основном, форма отражающего зеркала. Согласно этому способу, на задней стороне тонкого, гибкого зеркала предусмотрена совокупность активаторов, и зеркало приобретает локальную выпуклость и вогнутость под действием электростатической силы, магнитной силы или пьезоэлемента для изменения формы зеркала в целом.
Кроме того, известна система, в которой отдельные микрозеркала перемещаются внутрь и наружу, в то же время изменяя свой угол наклона. Величина локального смещения, в общем случае, составляет от долей микрона до десятков микрон и не дает возможности значительно изменять фокусное расстояние оптической системы. Эти устройства располагаются в позиции, оптически сопряженной со зрачком 6 глазного яблока, и, на основании данных, полученных детектором аберрации волнового фронта, вычисляется и устанавливается величина коррекции корректора аберрации волнового фронта. Согласно сообщенным результатам, можно идентифицировать два небесных тела, изображения которых невозможно разрешить без коррекции, и можно обеспечить распределение зрительных клеток сетчатки.
В конфигурации, показанной на фиг.2A, в оптической системе окуляра 101, деформируемое зеркало 3 (далее обозначаемое "DM3"), в качестве корректора аберрации волнового фронта, располагается в позиции, сопряженной с входным зрачком оптической системы окуляра 101 (зрачком 6 глазного яблока).
Затем датчик 2 Шака-Хартмана (HS), в качестве детектора аберрации волнового фронта, располагается в аналогично сопряженной позиции, ответвленной разветвительным блоком 52.
Здесь предусмотрен источник 15 света для обнаружения аберрации волнового фронта, и пучок от источника света входит в глазное яблоко 7 через разветвительный блок 51 и фокусируется в точке 81 на сетчатке 8.
Пучок 80, отраженный или обратнорассеянный в точке 81, преобразуется оптикой переднего глазного сегмента, например роговицей, в приближенно коллимированный пучок, который проходит через разветвительный блок 51 и преобразуется оптическими элементами (оптика) 101 в пучок заранее определенной толщины, после чего отражается разветвительным блоком 52 и входит в датчик HS 2.
На фиг.2B показана конструкция датчика HS 2 в разрезе.
Каждый участок падающего пучка, входящего в датчик HS 2, проходит через субапертуру каждого из линзовых элементов 21 на участке микролинзовой матрицы, расположенной в позиции, оптически сопряженной со зрачком, и образует на устройстве 22 формирования двухмерного изображения пятно, соответствующее каждой из субапертур.
k
k
k
k
Изображение пятна формируется в позиции dy, сдвинутой относительно позиции оптической оси каждой из микролинз в устройстве формирования изображения (показанной пунктирной линией), в зависимости от наклона волнового фронта 85, входящего в каждую субапертуру. Пусть фокусное расстояние микролинз равно f, тогда наклон y волнового фронта вычисляется как y = dy/f. Теперь, пусть количество микролинз равно M, пусть количество активаторов в DM3 равно N, тогда вектор наклона волнового фронта y и вектор сигнала коррекции a в DM3 можно связать следующим соотношением:
y = [B]a (1)
где,
Матрица B выражает интерактивное соотношение между величиной наклона волнового фронта и каждым из значений сигнала коррекции активатора DM3 для формирования величины наклона волнового фронта.
Выражение (1), в итоге, выражает аберрацию волнового фронта, генерируемую при изменении формы DM3. Значение каждого из элементов матрицы определяется в зависимости от того, как изменяется форма DM3 согласно значениям сигнала коррекции, и оно оказывается различным в зависимости от типа DM3. DM3, форма которого изменяется отдельными зеркалами вышеописанным образом, не влияет на окружающую малую область при изменении какого-либо микрозеркала, но в зеркале, форма которого изменяется как непрерывная поверхность, окружающая малая область подвергается влиянию, и на основании этого определяется значение B.
-1
T
Напротив, для получения значения сигнала коррекции DM3 для коррекции аберрации волнового фронта, обнаруженной датчиком HS, выражение (1) можно преобразовать в обратное, но, в общем случае, матрицу, обратную B, получить нельзя, и, соответственно, здесь используется псевдообратная матрица [B]. Ее можно выразить через транспонированную матрицу [B] для B:
-1
T
-1
T
[B] = [BB]B
где,
Таким образом, когда измеренная аберрация волнового фронта (наклон волнового фронта на каждой из субапертур) равна y, значение сигнала коррекции a активатора DM3 можно вычислить следующим образом:
t
-1
T
a = [BB]By (2)
Выше приведена общая вычислительная процедура. Каждое из фактических значений будет определено на основании связи между субапертурой, где датчик HS обнаружил наклон волнового фронта, и позицией активаторов DM3.
Возвращаясь к системе, показанной на фиг.2A, на основании значения y, зарегистрированного датчиком HS 2 и вычисленного вычислительным блоком 30, и значения B, заранее заданного согласно характеристикам каждого из элементов, форма DM3 изменяется согласно значению a, полученному из выражения (2).
Если фиг.2A иллюстрирует фундус-камеру, то пучок, отраженный или обратнорассеянный в точке 81 на участке глазного дна, освещенном осветительным пучком от источника света 15, проходит через передний глазной сегмент и оптический элемент (оптика) 101, после чего его волновой фронт корректируется DM3, и затем фокусируется объективом 910, формируя изображение на светочувствительном датчике 41. В случае SLO или OCT, вышеописанный светочувствительный датчик 41 соответствует концу волокна, и пучок, выходящий из конца волокна 41, присоединенного к источнику света, распространяется через DM3 и через оптический прибор 101, чтобы попасть в глазное яблоко для облучения точки 81 на сетчатке.
При этом если DM3 не активируется, сфокусированное световое пятно на сетчатке искажается и размывается ввиду аберрации глазного яблока, но, здесь, благодаря коррекции с помощью DM3, пятно фокусируется согласно желаемой разрешающей способности.
Пучок, отраженный или обратнорассеянный в этой точке, распространяется обратно по траектории облучающего пучка и проходит через передний глазной сегмент, оптический элемент 101, DM3 и объектив 910, чтобы войти в вышеописанный конец волокна 41, и затем распространяется по волокну, направляясь к световому датчику (не показан).
Кроме того, здесь, благодаря коррекции с помощью DM3, повышается эффективность формирования изображения пятна на конце волокна 41, и можно обеспечить высокую эффективность подключения волокна, а также повысить отношение С/Ш полученного изображения.
Применение вышеописанной технологии для коррекции аберрации волнового фронта позволяет реализовать высокое разрешение изображения, но в случае единичного пучка, аналогичном традиционному примеру, возникает проблема с сокращением времени получения изображения, решение которой представляет цель настоящего изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение, описанное выше, призвано обеспечить высокую разрешающую способность и сокращение времени получения изображения.
Как описано выше, при повышении скорости сканирования пучком, для обеспечения отношения С/Ш необходимо увеличить количества света, но в случае устройства для обследования глазного дна, допустимая величина энергии облучения на единицу площади сетчатки ограничена во избежание повреждения глаза.
Авторы настоящего изобретения, для построения системы, в которой вышеописанное количество света регулируется в пределах вышеописанного максимально допустимого значения, предложили оптический адаптер, в котором на сетчатку направляется совокупность пучков, отстоящих друг от друга на определенное расстояние, и где используется совокупность пучков, изображенная на фиг.1A для одновременного сканирования каждой из отдельных областей. Оптический адаптер, использующий совокупность пучков, устроен так, что коррекция аберрации волнового фронта совокупности пучков осуществляется с помощью комплекта из единичного детектора аберрации волнового фронта и корректора аберрации волнового фронта.
Таким образом, поскольку аберрация офтальмологической оптики влияет на всю вышеописанную совокупность пучков, для обеспечения высокой разрешающей способности, когда используется пучок большого диаметра, возникает необходимость корректировать каждый из пучков.
При этом если на детектор аберрации волнового фронта и корректор аберрации волнового фронта поступает несколько проецируемых пучков, оптическая система увеличивается в размерах, а также сильно возрастает ее стоимость.
Однако согласно вышеописанной конфигурации настоящего изобретения, коррекция аберрации волнового фронта совокупности пучков осуществляется с помощью комплекта из единичного детектора аберрации волнового фронта и корректора аберрации волнового фронта, что позволяет уменьшить размер и стоимость оптической системы.
Таким образом, вышеописанная конфигурация настоящего изобретения позволяет реализовать устройство получения оптического изображения, имеющее оптический адаптер, обладающее меньшими размерами и стоимостью, без увеличения количества света, попадающего в глаз свыше уровня, необходимого для повышения скорости сканирования пучками.
Согласно фиг.1A, три конца оптического волокна 11-13 излучают расходящиеся пучки, соответственно, и выходящие из них пучки преобразуются коллиматором 91 в коллимированные пучки, соответственно, которые входят в корректор 3 аберрации волнового фронта через передаточную оптику 92.
При этом соответствующие пучки входят с разными углами падения и совмещаются друг с другом на поверхности корректора 3 аберрации волнового фронта, и здесь волновой фронт каждого из пучков регистрируется детектором аберрации волнового фронта (не показан), и одновременно корректируются единичным корректором 3 аберрации волнового фронта, на основании зарегистрированного значения. Затем каждый из пучков отклоняется передаточной оптикой 93 и дефлектором 5, например гальванозеркалом, и проецируется в зрачок 6 через оптическую систему 10 окуляра.
Проецируемые пучки проходят через передний глазной сегмент, например роговицу, и образуют пятна 81, 82 и 83 на сетчатке 8, которая является поверхностью, подлежащей измерению, соответственно, и сканируется ими в двух измерениях.
При этом в отсутствие коррекции, аберрация, присутствующая в офтальмологической оптике, искажает пятна 81, 82 и 83, но здесь корректор 3 аберрации волнового фронта позволяет хорошо формировать изображение, и, таким образом, пятна обеспечиваются с желаемым диаметром пятна.
Пучки, отраженные или обратнорассеянные на этих пятнах, идут обратно из зрачка 6 через передний глазной сегмент и входят в корректор 3 аберрации волнового фронта через оптическую систему 10 окуляра - передаточную оптику 93.
Эти отраженные или обратнорассеянные пучки также имеют аберрацию волнового фронта в результате приобретения эффекта аберрации, присутствующего в офтальмологической оптике, но аберрация волнового фронта снова и единовременно корректируется корректором 3 аберрации волнового фронта.
Таким образом, отраженные или обратнорассеянные пучки хорошо фокусируются на концах волокна 11, 12 и 13 с помощью передаточной оптики 92 и коллиматора (коллимационной оптики) 91, соответственно, и объединяются с волокнами с высокой эффективностью.
Здесь сканирование с использованием трех пучков позволяет производить измерение в три раза быстрее без увеличения количества света, попадающего в глаз.
При этом большое различие углов 20 падения для всех пучков, входящих в корректор 3 аберрации волнового фронта, может приводить к различным результатам коррекции для каждого из пучков, и в каком-то пучке может возникать явление, которое невозможно хорошо скорректировать.
Разность углов падения свыше около 5° может приводить к некоторому ухудшению в зависимости от условий.
Однако, например, когда глазное дно измеряется для получения изображения с высоким разрешением в несколько мкм, область на сетчатке, данные которой нужно единовременно получить, может представлять собой область со стороной от около 1 мм до около 2 мм.
Дело в том, что внимание уделяется узкой области при наблюдении изображения с высоким разрешением после получения изображения. Рассмотрим, например, случай, когда квадратная область со стороной 1,8 мм делится на три области в направлении, параллельном поверхности, показанной на фиг.1A (именуемом "направление y"), для измерения с использованием трех пучков, как показано на фиг.1A.
При этом область, соответствующая каждому из пучков в направлении y, имеет ширину 0,6 мм, соответственно, и соответствующий угол наблюдения равен около 2,08°.
Если предположить, что пучок, входящий в зрачок, имеют толщину 6 мм, и что эффективный диаметр корректора аберрации волнового фронта равен 10 мм, тогда разность углов падения между пучками, входящими в корректор аберрации волнового фронта, будет около 1,25° с учетом углового увеличения, т.е. достаточно небольшой.
На фиг.3A и 3C показана остаточная коррекция аберрации волнового фронта в двух пучках, входящих в корректор аберрации волнового фронта (DM) с разностью углов падения 1,3° (углами падения 3° и 4,3°, соответственно), и на фиг.3B и 3D показана MTF каждого из пучков.
Здесь зрачок обладает аберрацией на поверхности аберрации волнового фронта (включающей в себя аберрацию третьего порядка и четвертого порядка) со среднеквадратическим значением около 0,3 мкм, и аберрация корректируется путем изменения формы DM, на основании значения, полученного детектором аберрации волнового фронта в отношении одного из пучков (имеющего угол падения 3°).
Пучки, входящие в зрачок, имеют диаметр пучка 4 мм, и DM имеет непрерывную поверхность и эффективный диаметр 9 мм, и 37 активаторов располагаются в виде шестиугольной сетки.
Из этого результата можно видеть, что остаточная коррекция обоих мала, и разность результатов MTF (модуляционной передаточной функции) также находится на пренебрежимо низком уровне.
Кроме того, аберрация волнового фронта, создаваемая в офтальмологических оптических системах, генерируется, в основном, в переднем глазном сегменте, а также разность углов падения между пучками, входящими в зрачок, составляет лишь около 2°, и поэтому можно сделать вывод, что различие в аберрации волнового фронта, имеющем место в каждом из пучков, также находится на пренебрежимо низком уровне. Согласно вышеописанной конфигурации данного иллюстративного варианта осуществления, в которой производится сканирование совокупностью пучков, можно обеспечить хорошее изображение, имеющее высокое отношение С/Ш, за короткое время с использованием единичного корректора аберрации волнового фронта.
Конфигурация, в которой несколько пучков входят в единичный корректор аберрации волнового фронта с разными углами падения и совмещаются друг с другом, может быть следующей конфигурацией.
Например, конфигурацию можно приспособить так, чтобы концы выхода совокупности расходящихся пучков располагались в позиции переднего фокуса коллиматора 91 в плоскости, перпендикулярной оптической оси, и, таким образом, главный луч каждого из выходных пучков был параллелен оптической оси коллимационной оптики 91.
Эти пучки формируют выходной зрачок 61 в позиции заднего фокуса коллимационной оптики 91, поэтому корректор 3 аберрации волнового фронта может располагаться в позиции, оптически сопряженной с позицией выходного зрачка 61. Это позволяет совокупности коллимированных пучков входить под разными углами и достигать одной и той же позиции с использованием общей оптической системы.
Возможна и другая конфигурация, показанная на фиг.1B.
То есть совокупность коллимационной оптики (коллиматоров) 911, 912 и 913 установлена на концах выхода совокупности расходящихся пучков, соответствующих каждому из совокупности расходящихся пучков.
Пучки, коллимируемые посредством этой конфигурации, обладают свойством пересекаться друг с другом в единичной позиции 611 под заранее определенным углом, и корректор 3 аберрации волнового фронта располагается в позиции выходного зрачка 31, сформированного передаточной оптикой 922, входным зрачком которой является точка пересечения.
Корректор аберрации волнового фронта описан выше, а мы перейдем к описанию конфигурации детектора аберрации волнового фронта.
В общем случае, детектор аберрации волнового фронта и корректор аберрации волнового фронта располагаются в позиции, оптически сопряженной с позицией зрачка всей оптической системы.
Дело в том, что они оба выявляют и корректируют аберрацию волнового фронта в ситуации, эквивалентной ситуации на зрачке.
Если установлено, что разные пучки входят в корректор аберрации волнового фронта под разными углами, как описано выше, разные пучки аналогично будут входить под разными углами в детектор аберрации волнового фронта, расположенный в позиции, сопряженной с позицией корректора аберрации волнового фронта.
В таком случае совокупность пучков смешивается в датчике HS, что затрудняет верное распознавание аберрации волнового фронта в каждом из пучков.
Например, если детектор относится к типу HS, то наклон волнового фронта, входящего в каждую из субапертур, показанных на фиг.2B, различается между пучками, и соответственно, совокупность пучков, показанная на фиг.4, формируется в каждом из сегментов, и невозможно определить, какой из пучков в каждом сегменте соответствует какому из входящих пучков. На фиг.4 каждое пятно, сформированное на устройстве формирования двухмерного изображения отдельным пучком, обозначено отдельной меткой.
Кроме того, поскольку сигнал коррекции для аберрации волнового фронта в одном из совокупности пучков можно обеспечивать, как описано со ссылкой на корректор, конфигурацию можно применять для измерения аберрации волнового фронта в, по меньшей, мере, одном из пучков.
Первое решение для этой цели, представленное в принципиальной схеме на фиг.5A, имеет конфигурацию, приспособленную проецировать на детектор аберрации волнового фронта только пучки, подлежащие измерению, и блокировать другие пучки, чтобы они не входили в детектор.
Здесь между коллиматором 91 и передаточной оптикой 92 предусмотрен разветвительный блок 600 для света, и передаточная оптика 94 формирует выходной зрачок 62, сопряженный с выходным зрачком 61 коллиматора 91, и детектирующая поверхность детектора 2 аберрации волнового фронта располагается в позиции выходного зрачка 62.
Здесь пучки, отраженные или обратнорассеянные на пятнах 81, 82 и 83 на сетчатке (не показаны), отражаются разветвительным блоком 600 через оптические элементы 93 и 92 и направляются на детектор 2 аберрации волнового фронта оптическим элементом 94.
При этом, чтобы в детектор 2 входил только пучок из точки 81, как описано выше, экран 200 располагается в позиции, где пучки разделяются, перед, позади или внутри оптического элемента 94.
Таким образом, в детектор 2 входит только пучок, отраженный или обратнорассеянный, например, в точке 81 на сетчатке. Кроме того, полученное отсюда значение аберрации волнового фронта используется для формирования сигнала для корректора аберрации волнового фронта, что позволяет корректировать аберрацию волнового фронта во всех пучках.
Кроме того, если пучки невозможно разделить на компоненты вследствие проблемы, например, с углом между пучками, второе решение предусматривает применение способа, в котором пучки за исключением пучка, в котором обнаружена аберрация, периодически гасятся, и аберрация измеряется только в эти периоды времени.
Согласно принципиальной схеме, приведенной на фиг.5B, поверхность, подлежащая измерению, делится на совокупность малых областей, перекрывающихся друг с другом.
Таким образом, когда три отдельные области 811, 822 и 833 сканируются тремя пучками (пучками 81, 82 и 83), соответственно, на границе между соседними областями обеспечиваются участки 812 и 813 перекрытия.
Когда три пучка приходят к правому концу каждой из областей, пучок 81 существует в позиции 81R в участок 812 перекрытия областей, и пучок 82 существует в позиции 82R вне области 822, и пучок 83 существует в позиции 83R (позиции, совпадающей с позицией 81L) на участке 813 перекрытия. При этом пучки 82 и 83 гасятся, и только пучок 81 продолжает распространяться. Пока пучки 81 и 83 существуют на участках 812 и 813 перекрытия, соответственно, эта ситуация сохраняется, и аберрация волнового фронта измеряется детектором аберрации волнового фронта.
Напротив, когда три пучка приходят к левому концу каждой из областей, пучок 81 существует в позиции 81L на участке 813 перекрытия, и пучок 82 существует в позиции 82L (позиции, совпадающей с позицией 81R) на участке 812 перекрытия, и пучок 83 существует в позиции 83L вне участка 833 перекрытия.
При этом, аналогично, пучки 82 и 83 гасятся, и только пучок 81 продолжает распространяться. Пока пучки 81 и 82 существуют на участках 813 и 812 перекрытия, соответственно, эта ситуация сохраняется, и аберрация волнового фронта измеряется детектором аберрации волнового фронта.
Пока пучки существуют за исключением этих областей, все три пучка входят в детектор аберрации волнового фронта, но при этом аберрация волнового фронта не измеряется.
Таким образом, при сканировании совокупностью пучков, распространяется только один из совокупности пучков, а другие пучки гасятся только в течение периода сканирования участков перекрытия, и измерение производится в режиме временного разделения.
Эта конфигурация позволяет измерять аберрацию волнового фронта только в одном из совокупности пучков и корректировать аберрацию волнового фронта, запуская корректор аберрации волнового фронта на основании значения измерения.
С одной стороны, согласно способу регистрации волнового фронта без использования системы HS, например, коллимированные пучки, разветвляемые для регистрации волнового фронта, как есть, применяются для формирования изображения на устройстве формирования двухмерного изображения с помощью линзы.
Затем способ предусматривает получение функции распределения точек (PSF) на поверхности изображения и решение обратной задачи, и, таким образом, вычисление волнового фронта.
В таком случае, в случае регистрации совокупности пучков, каждый из пучков формирует изображение в конкретной позиции на удалении друг от друга, что позволяет определить, какому из наблюдаемых пучков соответствует изображение.
При большом угле падения на корректор аберрации волнового фронта или большой аберрации в оптической системе, измеряется волновой фронт единичного пучка, и, на основании полученных данных, коррекция осуществляется корректором аберрации волнового фронта, что позволяет минимизировать остаточную коррекцию измеренного пучка, но другая остаточная коррекция увеличивается. Напротив, как описано выше, регистрируются аберрации совокупности пучков, и волновой фронт вычисляется из PSF, которая усредняет эти аберрации, и формируется инициирующий сигнал корректора аберрации волнового фронта, в результате чего целевое значение коррекции волнового фронта становится средним волнового фронта каждого из пучков, и, таким образом, можно уменьшить различие в остаточной коррекции волнового фронта между пучками.
Выше был рассмотрен случай, когда широкий пучок диаметром от 3 до 7 мм проецировался на глазное яблоко для достижения высокой разрешающей способности примерно в несколько мкм.
Однако, в случае глазного яблока, страдающего заболеванием, например, катарактой, даже при проецировании широкого пучка, пучок блокируется пораженной частью, и, соответственно, можно обеспечить разрешающую способность, по существу, эквивалентную той, которая обеспечивается при проецировании узкого пучка.
Кроме того, проходить может только часть пучка, и величина падающего света, достигающего сетчатки, снижается, а также ослабевает отраженный или обратнорассеянный пучок, и, соответственно, в итоге, снижается отношение С/Ш изображения.
Во избежание этого, в настоящем изобретении, между совокупностью концов выхода света и дефлектором света предусмотрен механизм трансфокации для изменения диаметра пучка, входящего в глазное яблоко.
Затем, в зависимости от условий обследования глаза, значение диаметра пучка можно изменять и, согласно значению диаметра пучка, включать или выключать инициирование коррекции аберрации волнового фронта.
Например, когда область, через которую пучок может проходить без воздействия катаракты, мала, для измерения проецируется узкий пучок, имеющий входной диаметр пучка около 1 мм.
При этом, по причине узости пучка, влияние аберрации в офтальмологической оптике можно считать пренебрежимо малым, и, таким образом, коррекция аберрации волнового фронта не требуется, и функция коррекции отключается.
Таким образом, только, когда увеличение трансфокатора задано равным заранее определенному увеличению, коррекция аберрации волнового фронта может осуществляться корректором аберрации волнового фронта, и, таким образом, можно снизить вычислительную нагрузку на блок управления, благодаря чему можно ожидать, что обработка сигнала будет выполняться с высокой скоростью.
Ввиду малого диаметра пучка, результирующая разрешающая способность составляет около 20 мкм, что является традиционным уровнем, но разрешающую способность можно повысить, по существу, до дифракционного предела, и можно обеспечить хорошее отношение С/Ш сигнала, что также допускает применение в случае глаза, находящегося в плохом состоянии.
Кроме того, уменьшение диаметра пучка приводит к уменьшению поперечного увеличения, и угловое увеличение, как показано на фиг.6A, наоборот, увеличивается, что позволяет одновременно наблюдать широкую область 810 на сетчатке с широким углом наблюдения 710.
Здесь, для простоты, проиллюстрирован случай сканирования единичным пучком.
При этом, если оптическая система 10 окуляра на стороне дефлектора 5, обращенной к глазному яблоку, имеет функцию трансфокации, и, напротив, больший диаметр пучка, как показано на фиг.6B, снижает угловое увеличение, то угол 720 наблюдения оптической системы 10 окуляра ограничивается узким углом вблизи оптической оси.
Соответственно, область 820, которую можно наблюдать, также ограничивается узкой областью вблизи зрительной оси.
Если также нужно наблюдать область 821, отличную от области 820, угол 510 отклонения дефлектора нужно увеличить, но в высокочастотной области трудно обеспечить большой угол отклонения, используя компактное гальванозеркало, и, соответственно, требуется призменный сканер, и т.д., что приводит к увеличению размеров устройства.
Кроме того, угол 620 поля зрения на стороне дефлектора на фиг.6B также становится больше, чем угол 610 поля зрения на стороне дефлектора на фиг.6A, приводя к увеличению размеров оптической системы окуляра 10 и усложнению ее конструкции.
Однако, поскольку, таким образом, нельзя увеличить и наблюдать позицию с высоким разрешением, трансфокатор 92, как показано на фиг.6C, располагается между дефлектором 5 и концом выхода пучка (не показан), и оптическая система 10 окуляра является системой с фиксированным фокусом.
Соответственно, даже при возрастании поперечного увеличения оптического элемента 92 для увеличения диаметра пучка, можно указать нужную позицию, как показано на фиг.6D, для обеспечения увеличенного наблюдаемого изображения, если для этого расширенного пучка в оптической системе 10 окуляра обеспечен угол 620 поля зрения.
Однако в системе, где одновременно производится сканирование совокупностью пучков, когда поперечное увеличение системы трансфокации увеличивается для установления режима высокой разрешающей способности, пятно пучка на сетчатке уменьшается, и, в то же время, разнесение пучков уменьшается в том же отношении, и, таким образом, угол, под которым сканируется каждый из пучков, также уменьшается и ограничивается.
Дело в том, что область соседнего пучка сканируется дважды, если сканируется под углом за пределами этого угла.
Поэтому, фактически, область, которую можно наблюдать, ограничена уменьшенным, узким диапазоном 820, но угол 520 отклонения дефлектора, необходимый в этом случае, мал, и максимальный угол отклонения дефлектора и максимальный угол поля зрения оптической системы 10 окуляра больше по сравнению с их фактическими углами.
Поэтому, при сдвиге временного режима сканирования, можно наблюдать область 821 вне оптической оси.
В этой системе, если корректор аберрации волнового фронта располагается на дефлекторной стороне трансфокатора 92, и поперечное увеличение трансфокатора снижается для уменьшения диаметра пучка, то угловое увеличение возрастает, и разность углов падения между всеми пучками, входящими в корректор аберрации волнового фронта, увеличивается.
Это, как описано выше, препятствует хорошей коррекции аберрации волнового фронта в каждом из совокупности пучков одновременно. При этом, в режиме узкого пучка и широкого угла поля зрения, функцию коррекции аберрации волнового фронта желательно отключать.
Поэтому установлено, что при использовании пучка диаметром более 2,5-3,0 мм, на который оказывает влияние аберрация в офтальмологической оптике, осуществляется инициирование коррекции аберрации волнового фронта, но при меньшем диаметре пучка коррекция не производится.
Однако выражение "инициирование коррекции аберрации волнового фронта здесь не осуществляется" означает, что влияние, оказываемое на волновой фронт детектором аберрации волнового фронта, сокращается до нуля, и включает в себя случай, когда, например, в случае использования DM, коррекция аберрации волнового фронта запускается инициирующим сигналом, чтобы сделать поверхность DM плоской, если поверхность DM не становится плоской при нулевом инициирующем сигнале. Также, когда диаметр пучка изменяется посредством вышеописанной функции трансфокации, диаметр и/или угол падения пучка, входящего в детектор или корректор аберрации волнового фронта, изменяется в зависимости от настройки, и количество субапертур детектора и/или количество активаторов корректора нельзя использовать в достаточной степени, что не позволяет обеспечить необходимую точность коррекции.
Во избежание этого, трансфокатор устанавливается на стороне глазного яблока (на стороне объекта), а не детектора аберрации волнового фронта и корректора аберрации волнового фронта.
Таким образом, даже в случае применения трансфокации, пучок, входящий в оба из них, оказывается постоянным, что позволяет обеспечить всегда одинаковую точность коррекции.
Варианты осуществления
Ниже описаны варианты осуществления настоящего изобретения.
Иллюстративный вариант осуществления 1
Первый иллюстративный вариант осуществления описывает пример конфигурации со ссылкой на фиг.7, в которой вышеописанный оптический адаптер, отвечающий настоящему изобретению, применяется в OCT для получения трехмерного оптического томографического изображения.
Пучок, выходящий из низкокогерентного источника 100 света, распространяется по оптическому волокну и разветвляется в заранее определенном отношении волоконным соединителем, после чего излучается как расходящийся пучок (измерительный пучок) из выходных концов 11-13, соответственно, и затем коллимируется коллиматором.
Три коллимированных пучка проходят через выходной зрачок 61, проходят через передаточную оптику 92, включающую в себя искривленное зеркало, и затем входят, в состоянии коллимированных пучков с разными углами падения, в DM3, которое является поверхностью, оптически сопряженной со зрачком 6 обследуемого глаза и выходным зрачком 61, и затем перекрываются друг с другом на поверхности DM. При этом диаметр пучка каждого из пучков равен 10 мм и приближенно равен эффективному диаметру DM3. При этом сигнал коррекции не поступает на поверхность DM, и она является плоской.
Отраженный от нее пучок также коллимируется передаточной оптикой 93 и входит в дефлектор 5 (гальванозеркало) под разными углами.
Гальванозеркало 5 имеет зеркала с разными осями вращения, расположенные близко друг к другу. Отклоненный пучок проецируется на зрачок 6 в глазном яблоке 7 в виде коллимированного пучка оптической системой 10 окуляра и сканирует сетчатку 8 в двух измерениях. Поскольку при этом волновой фронт пучка искажен аберрациями, присутствующими в глазном яблоке, пятно пучка искажается и размывается.
Пучки, отраженные или обратнорассеянные на трех пятнах, сфокусированных на сетчатке, излучаются из зрачка 6 и распространяются обратно к оптической системе 10 окуляра - передаточной оптике 92, затем отражаются светоделительным блоком 600, после чего поступают на датчик HS 2.
При этом на датчике HS проецируется только пучок, отраженный или обратнорассеянный сетчаткой и образованный из пучка, выходящего из конца 12 выхода света, и затем отраженные или обратнорассеянные пучки, сформированные из других пучков, блокируются светозаграждающим блоком 200, препятствующим их входу в датчик HS.
На основании значения, измеренного датчиком HS, сигнал коррекции, поступающий на DM3, вычисляется компьютером 30 и подается на DM3. Форма DM3 изменяется согласно этому сигналу для коррекции аберрации волнового фронта.
Таким образом, волновой фронт каждого из пучков, выходящих из концов 11-13 выхода света, изменяется, и каждое из пятен на сетчатке корректируется и должно находиться в состоянии, близком к дифракционному пределу.
В этом варианте осуществления, диаметр пучков, входящих в зрачок 6, задается равным около 4 мм, и диаметр пятна на сетчатке оказывается равным около 5 мкм.
Кроме того, отраженный или обратнорассеянный пучок в каждом из пятен снова подвергается аберрации волнового фронта при прохождении через офтальмологическую оптику, но DM3 корректирует искаженный волновой фронт, и, таким образом, пучок формирует хорошее изображение на каждом из выходных концов 11-13 волокна через передаточную оптику 92 и коллиматор 91.
Затем пучок входит в каждое из волокон с высокой эффективностью подключения.
С одной стороны, аналогично, пучок, выходящий из источника 100 света, разветвляется волоконным соединителем в заранее определенном отношении и затем излучается из каждого из выходных концов 121-123 на стороне эталонного плеча.
Затем пучок коллимируется коллиматором, после чего входит в каждый из выходных концов 121-123, снова, через стекло 161 компенсации дисперсии и складное зеркало 160.
Эталонный пучок, распространяющийся по эталонному оптическому пути, и вышеописанный пучок, отраженный или обратнорассеянный глазным яблоком, объединяются друг с другом волоконным соединителем, образуя интерференционный пучок, который излучается из каждого из выходных концов 111-113 на стороне спектроскопа.
Выходящий оттуда расходящийся пучок коллимируется коллиматором 151 и затем поступает в дифракционный оптический элемент 150 для дифрагирования.
Здесь угол падения задается так, чтобы достичь максимальной дифракционной эффективности дифракционного пучка первого порядка.
Дифрагировавший здесь пучок разлагается на компоненты по длине волны, который фокусируются на детекторе 153 формирующей изображение оптикой 152, но на детекторе 153 изображение формируется в направлении, параллельном плоскости фиг.7 в разных позициях для разных длин волны.
На фиг.7 для наглядности показан световой поток только центральной длины волны.
Интерференционные полосы формируются вследствие распределения силы света в изображении, сформированным на детекторе 153 в разных позициях для разных длин волны, и регистрируются, и затем этот сигнал подвергается преобразованию Фурье для вывода соотношения между позицией в направлении глубины и коэффициентом отражения, после чего пучок выполняет сканирование по сетчатке в одном измерении, что позволяет обеспечить ее изображение в поперечном сечении. Кроме того, можно проводить сканирование в двух измерениях для получения трехмерного изображения.
Поскольку здесь используются три пучка, измерение можно проводить в три раза быстрее по сравнению со случаем использования одного пучка, и, в то же время, можно обеспечить оптическую разрешающую способность 5 мкм в горизонтальном направлении.
Иллюстративный вариант осуществления 2
Второй иллюстративный вариант осуществления описывает пример конфигурации, в которой вышеописанный оптический адаптер, отвечающий настоящему изобретению, применяется к SLO для получения двухмерного изображения, со ссылкой на фиг.8.
Поскольку SLO, в отличие от OCT, не включает в себя интерферометр, SLO представляет собой систему, в которой сила света пучка, отраженного или обратнорассеянного сетчаткой, непосредственно регистрируется детектором 160 силы света, и, таким образом, обеспечивается двухмерное изображение.
Конфигурация, включающая в себя выходные концы 11, 12 и 13 волокна, подключенные к оптической системе 10 окуляра, может быть, в основном, аналогичной конфигурации первого иллюстративного варианта осуществления.
Пример, приведенный на фиг.8, также имеет конфигурацию, сходную с примером на фиг.7, но перед датчиком HS блок блокировки светового пучка здесь отсутствует, и все пучки поступают на датчик.
Как описано со ссылкой на фиг.5B, разнесение пучков и угол инициирования отклонения дефлектора задаются так, чтобы диапазоны сканирования всех пучков перекрывались друг с другом, соответственно.
Когда пучки достигают этих участков перекрытия, пучки, выходящие из выходных концов 11 и 13 волокна, гасятся на источнике света 100, и измеряется только пучок, отраженный или обратнорассеянный через выходной конец 12 волокна.
Когда область 1,5 мм на сетчатке в горизонтальном направлении измеряется при входном диаметре пучка 7 мм, три пучка сканируют отдельные области, и, соответственно, каждая из отдельных областей имеет ширину 0,5 мм, и угол наблюдения, под которым сканируется область, составляет около 1,73°.
Если оптическая система окуляра имеет увеличение зрачка 1, то угол отклонения дефлектора равен 0,87°. При этом для образования участка перекрытия шириной 0,1 мм, соответственно, между тремя областями, показанными на фиг.5B, т.н. между областями 811 и 822 и между областью 811 и 833, угол отклонения дефлектора можно задать равным 1,21°.
Кроме того, для работы в случае глаза, подверженного заболеванию, между DM3 и дефлектором 5 предусмотрен трансфокатор 931 для изменения диаметра пучка.
Перемещая два из трех зеркал в направлении оптической оси, можно изменять диаметр пучка, входящего в дефлектор 5, от 1 мм до 7 мм.
С одной стороны, оптическая система окуляра обеспечивает характеристику, при которой угол наблюдения может достигать 30° на входном зрачке и выходном зрачке 7 мм. Поэтому при диаметре пучка 1 мм, область шириной 8,7 мм сканируется тремя пучками, ширина сканирования которых составляет 2,9 мм, соответственно.
При этом, если обеспечен участок перекрытия шириной 0,5 мм, то угол отклонения дефлектора равен 6,74°. При этом коррекция аберрации волнового фронта отключается для измерения.
Это позволяет измерять измеряемый объект за короткое время, отклоняя диаметр пучка, входящего в глазное яблоко, в зависимости от условий глазного яблока.
Другие варианты осуществления
Аспекты настоящего изобретения также можно реализовать посредством компьютера системы или устройства (или устройств, например, CPU или MPU), который считывает и выполняет программу, записанную в запоминающем устройстве, для осуществления функций вышеописанного(ых) варианта(ов) осуществления, и посредством способа, этапы которого осуществляются компьютером системы или устройства, например, путем считывания и выполнения программы, записанной в запоминающем устройстве для осуществления функций вышеописанного(ых) варианта(ов) осуществления. С этой целью программа передается на компьютер, например, по сети или с носителя записи того или иного типа, выступающего в роли запоминающего устройства (например, компьютерно-считываемого носителя).
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми иллюстративными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения соответствует наиболее широкой интерпретации и охватывает всевозможные модификации и эквивалентные структуры и формулы.
Данная заявка притязает на приоритет японской патентной заявки №2009-097375, поданной 13 апреля 2009 г., которая, таким образом, включена сюда в полном объеме в порядке ссылки.