ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ВОЛНОВОГО ФРОНТА, ДЕЙСТВУЮЩИЙ В РЕЖИМЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ОТБОРА И СИНХРОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
OPHTHALMIC WAVE FRONT SENSOR, OPERATING IN PARALLEL SAMPLING AND SYNCHRONOUS DETECTION MODE

РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по патентной заявке США 13/459,914 под названием «Ophthalmic Wavefront Sensor Operating in Parallel Sampling and Lock-In Detection Mode», поданной 30 апреля 2012 г., которая является частичным продолжением патентной заявки США 13/198,442 под названием «A Large Diopter Range Real Time Wavefront Sensor», поданной 4 августа 2011 г., которая является частичным продолжением заявки № 12/790,301 под названием «Adaptive Sequential Wavefront Sensor With Programmed Control», поданной 28 мая 2010 г., которая является заявкой, выделенной из заявки № 11/761,890 под названием «Adaptive Sequential Wavefront Sensor and its Applications», поданной 12 июня 2007 г., ныне патент США № 7,815,310, выданный 19 октября 2010 г., которая является частичным продолжением заявки № 11/335,980 под названием «Sequential Wavefront Sensor», поданной 20 января 2006 г., ныне патент США № 7,445,335, выданный 4 ноября 2008 г., и эта заявка также является частичным продолжением заявки № 13/154,293 под названием «A Compact Wavefront Sensor Module and Its Attachment to or Integration with an Ophthalmic Instrument», поданной 6 июня 2011 г., которые все включены в настоящее описание посредством ссылки для всех целей.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Один или более вариантов осуществления настоящего изобретения относятся, в целом, к датчикам волнового фронта для определения рефракционного состояния и аберраций волнового фронта глаза. В частности, изобретение предусматривает устройство для определения рефракционного состояния и аберраций волнового фронта глаза в ходе офтальмологической операции.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Датчики волнового фронта представляют собой устройства, используемые для измерения формы волнового фронта света (см., например, US4141652 и US5164578). 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 аберраций как низких порядков, так и высоких порядков различных оптических систем формирования изображений, например, человеческого глаза (см. например, US6595642; J. Liang, и др (1994) "Objective measurement of the wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor," J. Opt. Soc. Am. A 11, 1949-1957; T. Dave (2004) “Wavefront aberrometry Part 1: Current theories and concepts” Optometry Today, 2004 Nov. 19, с. 41-45). Кроме того, датчик волнового фронта также можно использовать в адаптивной оптике, в которой искаженный волновой фронт можно измерять и компенсировать в реальном времени, с использованием, например, оптического устройства компенсации волнового фронта, например, деформируемого зеркала (см. например US6890076, US6910770 и US6964480 http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=6890076.PN.&OS=PN/6890076&RS=PN/6890076-h0#h0http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=6890076.PN.&OS=PN/6890076&RS=PN/6890076-h2#h2). В результате такой компенсации можно получить резкое изображение (см., например, US5777719).
[0004] Термин “факичный глаз” означает глаз, включающий в себя его естественный хрусталик, термин “афакичный глаз” означает глаз, где его естественный хрусталик удален, и термин “псевдофакичный глаз” означает глаз с имплантированным искусственным хрусталиком. В настоящее время, большинство датчиков волнового фронта для измерения аберрации человеческого глаза позволяют охватывать лишь ограниченный диапазон оптической силы от около -20 дптр до +20 дптр для факичного или псевдофакичного глаза. Кроме того, они также предназначены для работы в относительно темном окружении, когда требуется измерить волновой фронт глаза.
[0005] В ходе офтальмологических операций, которые влияют на рефракцию, желательно знать рефракционное состояние глаза на протяжении всей операции для обеспечения непрерывной обратной связи с хирургом (см. например, US6793654, US7883505 и US7988291). Это особенно важно в случае операции по поводу катаракты, в которой естественный хрусталик глаза заменяется синтетическим хрусталиком. В таком случае, хирург предпочитает знать рефракционное состояние глаза на факичной, афакичной и псевдофакичной стадии для выбора синтетического хрусталика, для подтверждения, что его рефракционная способность соответствует требованиям после удаления естественного хрусталика, и также для подтверждения эмметропии или других намеченных значений оптической силы после имплантации синтетического хрусталика. Таким образом, существует потребность в датчике волнового фронта, способном охватывать более широкий диапазон измерения оптической силы и также позволяющем хирургу измерять рефракционное состояние глаза с заданной степенью точности, не только в факичном и псевдофакичном состоянии, но и в афакичном состоянии.
[0006] Кроме того, в ходе офтальмологической операции, глаз освещается неполяризованным широкополосным (белым) светом из хирургического микроскопа, чтобы хирург мог видеть глаз пациента через микроскоп. Этот освещающий свет также направляется в глаз пациента, рассеивается на сетчатке и возвращается в хирургический микроскоп. Датчик волнового фронта, подключенный к хирургическому микроскопу, принимает как предназначенный для него возвращенный свет измерения волнового фронта, так и широкополосное освещение из хирургического микроскопа. Источник света освещения микроскопа, в общем случае, не предназначен для создания на сетчатке достаточно малого эффективного источника света, который требуется для генерации волнового фронта, который выявляет рефракционное состояние пациента. По этой причине, любой свет освещения из хирургического микроскопа, воспринимаемый датчиком волнового фронта, может приводить к неверной информации о рефракционном состоянии пациента. Таким образом, существует также необходимость в офтальмологическом датчике волнового фронта, который не подвержен влиянию света освещения из хирургического микроскопа.
[0007] Коммерчески доступные датчики волнового фронта для хирургии катаракты, например, интраоперационный аберрометр волнового фронта ORange от WaveTec Vision (см. например, US6736510), не обеспечивают непрерывную обратную связь, имеют ограниченный диапазон рефракционной оптической силы и также подвержены помехе в виде света освещения хирургического микроскопа. Фактически, чтобы получить достаточно точное и достоверное измерение рефракции с использованием датчика волнового фронта ORange, хирург должен приостановить хирургическую операцию, выключить свет освещения хирургического микроскопа и захватить множественные кадры данных, что приводит к дополнительному увеличению времени рефракционной хирургии катаракты на несколько минут.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Один вариант осуществления изобретения предусматривает офтальмологический датчик волнового фронта, содержащий источник света, выполненный с возможностью приема опорного сигнала, осциллирующего/пульсирующего на опорной частоте, и генерации пучка света, образованного импульсами света на опорной частоте, светонаправляющий элемент, выполненный с возможностью запуска пучка света от источника света в глаз пациента, и где часть пучка света, возвращающаяся из глаза пациента, образует объектный волновой фронт в форме импульсов света на опорной частоте, оптическую систему ретрансляции волнового фронта, выполненную с возможностью ретрансляции объектного волнового фронта из объектной плоскости, находящейся в передней части глаза пациента, в плоскость изображения волнового фронта вдоль пути пучка, которая может направлять пучок ретрансляции падающего волнового фронта, имеющего большой диапазон оптической силы на объектной плоскости, к плоскости изображения волнового фронта, матрицу устройств регистрации положения с высокочастотной характеристикой, причем каждое устройство регистрации положения, выполнено с возможностью детектирования величины отклонения центроида пятна изображения от опорного положения и вывода сигнала измерения, указывающего величину отклонения, матрицу элементов отбора частичного волнового фронта, расположенную до матрицы устройств регистрации положения с высокочастотной характеристикой и, по существу, в плоскости изображения волнового фронта, причем каждый элемент отбора в матрице элементов отбора частичного волнового фронта выполнен с возможностью отбора частичного волнового фронта ретранслированного волнового фронта и фокусировки отобранного частичного волнового фронта на соответствующее устройство регистрации положения с высокочастотной характеристикой в матрице устройств регистрации положения с высокочастотной характеристикой, где элементы отбора частичного волнового фронта физически разнесены друг от друга таким образом, что каждый отобранный частичный волновой фронт объектного волнового фронта с высоким диапазоном оптической силы фокусируется только на соответствующее устройство регистрации положения с высокочастотной характеристикой, соответствующее элементу отбора частичного волнового фронта, и электронную систему частотно-чувствительного детектирования, подключенную для приема опорного сигнала и сигнала измерения, причем электронная система частотно-чувствительного детектирования выполнена с возможностью указания только величины частотной составляющей сигнала измерения, близкой к опорной частоте, что позволяет, по существу, подавлять все шумовые сигналы, например, 1/f шум, на частотах, отличающихся от опорной частоты.
[0009] Один признак состоит в использовании двух каскадно соединенных ретрансляторов волнового фронта, причем второй ретранслятор имеет плоскость преобразования Фурье, где пучок ретрансляции волнового фронта ограничен определенным объемом пространства, когда волновой фронт из глаза изменяется в пределах большого диапазона оптической силы. Сканер/дефлектор пучка располагается в плоскости преобразования Фурье второго ретранслятора для осуществления углового сканирования пучка, чтобы ретранслированный волновой фронт в плоскости изображения окончательного волнового фронта мог поперечно сдвигаться относительно матрицы, содержащей некоторое количество элементов отбора частичного волнового фронта. Соответствующее количество PSD располагается позади элементов отбора волнового фронта для работы в режиме синхронного детектирования синхронно с импульсным источником света, которые генерируют волновой фронт из глаза. Поперечный сдвиг волнового фронта позволяет отбирать любую часть ретранслированного волнового фронта и также позволяет гибко управлять пространственным разрешением отбора волнового фронта.
[0010] Еще одним признаком для использования в ходе офтальмологической операции является источник света для генерации волнового фронта, выход которого изменяется между, по меньшей мере, двумя состояниями, причем волновой фронт, возвращающийся из глаза пациента, детектируется в каждом из “яркого” состояния и “темного” состояния, чтобы можно было отфильтровывать сигналы из света, отличного от измерительного света.
[0011] Еще одним признаком является параллельное детектирование частей волнового фронта с использованием некоторого количества быстродействующих PSD, которые все могут работать в режиме синхронного детектирования синхронно с источником света на частоте выше диапазона 1/f шума, чтобы можно было эффективно отфильтровывать фоновые шумы нулевой и низких частот.
[0012] Еще один признак состоит в осуществлении активного параллельного отбора волнового фронта. Элементами активного, параллельного отбора волнового фронта можно управлять в отношении их положения, размера апертуры отбора частичного волнового фронта, фокусирующей силы и состояния включения/отключения.
[0013] Еще один признак расширяет диапазон оптической силы за счет наличия элементов отбора частичного волнового фронта, разнесенных достаточно широко, чтобы исключить взаимные помехи между элементами отбора волнового фронта в большом диапазоне оптической силы измерения рефракционного нарушения. В другом примере, лишь определенное количество частичных волновых фронтов, достаточно отделенных друг от друга, отбираются путем активации поднабора элементов отбора частичного волнового фронта, и также благодаря тому, что лишь соответствующее количество устройств/детекторов регистрации положения (PSD) могут избегать взаимных помех. В еще одном примере, PSD и элементы отбора частичного волнового фронта можно активировать, чтобы соответственно изменять их продольную позицию и/или их фокусирующую силу в соответствии с рефракционным состоянием пациента, что позволяет динамически регулировать чувствительность каждого PSD к наклону частичного волнового фронта. Кроме того, можно регулировать поперечную позицию PSD в соответствии с рефракционным состоянием пациента, благодаря чему каждый PSD располагается в наилучшем поперечном положении для обеспечения оптимизированной характеристики положения центроида.
[0014] Еще одним признаком является использование последовательного сканирования или сдвига волнового фронта как целого, чтобы можно было отбирать любую часть падающего волнового фронта, притом что элементы параллельного отбора частичного волнового фронта и устройства/детекторы регистрации положения (PSD) имеют фиксированное положение в пространстве. В другом аспекте, сканер/дефлектор отслеживает глаз и сдвигает волновой фронт, возвращающийся из глаза пациента, автоматически регулируя сдвиг таким образом, чтобы, в зависимости от размера зрачка, положения и значения оптической силы волнового фронта из глаза, отбирать лишь определенные желаемые части волнового фронта в зрачке пациента, например, в центральной области диаметром 3~4 мм.
[0015] Еще одним признаком является использование регулярного предоставления отчета об измеренной рефракции глаза в том смысле, что существует малая задержка между любым изменением рефракционного состояния и отчетом о ней, предоставленным прибором. Это достигается путем усреднения данных детектированной аберрации волнового фронта по желаемому периоду и обновления результата качественного и/или количественного измерения, накладывающегося на оперативное изображение глаза с желаемой частотой обновления.
[0016] Еще один признак обеспечивает точные измерения в пределах большого диапазона оптической силы рефракционных нарушений, которые возникают в ходе офтальмологической операции, например, нарушений, которые возникают после удаления естественного хрусталика глаза, но до его замены искусственным хрусталиком. Этих точных измерений можно добиться различными способами. Одним примером является конструирование оптики для динамической регулировки чувствительности или наклона кривой характеристики наклона частичного волнового фронта путем активного изменения расстояния между элементами отбора частичного волнового фронта и устройствами/детекторами регистрации положения или путем активного изменения фокусного расстояния линз фокусировки частичного волнового фронта. Другим примером является динамическое смещение значения сферической рефракционной силы волнового фронта на сопряженной плоскости изображения промежуточного волнового фронта с использованием элемента смещения значения сферической оптической силы, например, линзы с переменным фокусным расстоянием.
[0017] Эти и другие признаки и преимущества иллюстративных вариантов осуществления станут более понятны специалистам в данной области техники по ознакомлении с нижеследующим подробным описанием предпочтительных вариантов осуществления, приведенным совместно с прилагаемыми чертежами. Каждый из этих признаков можно использовать по отдельности или совместно и с любым из описанных здесь вариантов осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0018] Фиг. 1 - схема последовательного датчика волнового фронта, раскрытого в принадлежащем тому же правообладателю патенте US7445335.
[0019] Фиг. 2 - усовершенствованная оптическая конфигурация, раскрытая в принадлежащей тому же правообладателю заявке US20120026466.
[0020] Фиг. 3a - один вариант осуществления иллюстративного датчика волнового фронта, в котором импульсный источник света синхронизирован с матрицей устройств/детекторов регистрации положения, чтобы датчик мог работать как в режиме параллельного отбора, так и в режиме синхронного детектирования.
[0021] Фиг. 3b - матрица элементарных линз типичного датчика волнового фронта Шака-Хартмана с соответствующей матрицей устройств/детекторов регистрации положения и максимальным диапазоном измерения оптической силы, которого можно добиться без взаимных помех.
[0022] Фиг. 3c - иллюстративная конфигурация элементов отбора частичного волнового фронта с соответствующей матрицей устройств/детекторов регистрации положения и максимальным диапазоном измерения оптической силы, которого можно добиться без взаимных помех.
[0023] Фиг. 4 - блок-схема, демонстрирующая один иллюстративный вариант осуществления усилителя синхронного детектирования.
[0024] Фиг. 5 - один пример последовательного поперечного сдвига или сканирования волнового фронта применительно к оптической конфигурации, показанной на фиг. 3a.
[0025] Фиг. 6 - другой вариант осуществления датчика волнового фронта, показанного на фиг. 3a, в котором конфигурация 8-f ретранслятора волнового фронта объединена с малым сканером пучка для обеспечения практического последовательного сканирования волнового фронта помимо параллельного отбора волнового фронта и синхронного детектирования.
[0026] Фиг. 7 - один пример последовательного поперечного сдвига или сканирования волнового фронта применительно к оптической конфигурации, показанной на фиг. 6.
[0027] Фиг. 8 - пример включения источника света фиксации и датчика изображения глаза в конфигурацию, показанную на фиг. 6.
[0028] Фиг. 9 - пример интеграции раскрытого здесь датчика волнового фронта с хирургическим микроскопом.
[0029] Фиг. 10 - пример интеграции раскрытого здесь датчика волнового фронта с биомикроскопом со щелевой лампой.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0030] Перейдем к рассмотрению различных иллюстративных вариантов осуществления, представленных в прилагаемых чертежах. Хотя нижеследующее описание приведено в связи с этими вариантами осуществления, следует понимать, что оно не призвано ограничивать изобретение каким-либо вариантом осуществления. Напротив, оно призвано охватывать альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем изобретения, заданные нижеследующей формулой изобретения. В нижеследующем описании, многочисленные конкретные детали изложены для обеспечения полного понимания различных вариантов осуществления. Однако настоящее изобретение можно осуществлять на практике без некоторых или всех этих конкретных деталей. В других случаях, общеизвестные операции процесса подробно не описаны во избежание затруднения понимания настоящего изобретения из-за ненужных деталей. Кроме того, каждое появление выражения “иллюстративный вариант осуществления” в различных местах описания изобретения не обязательно относится к одному и тому же иллюстративному варианту осуществления.
[0031] Большинство традиционных офтальмологических датчиков волнового фронта для измерений волнового фронта человеческого глаза используют двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для сбора информации волнового фронта. Например, типичный датчик волнового фронта Хартмана-Шака (см. например, US5777719, 6199986 и 6530917) использует двухмерную матрицу элементарных линз и двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП. Датчик волнового фронта Тшернинга (см. например, Mrochen et al., "Principles of Tscherning Aberrometry," J of Refractive Surgery, Vol. 16, September/October 2000) проецирует рисунок двухмерной точечной матрицы на сетчатку и использует двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для получения изображения двухмерного точечного рисунка, возвращаемого из глаза, для извлечения информации волнового фронта. Датчик волнового фронта Талбота использует кроссрешетку и датчик изображения на основе ПЗС или КМОП, расположенный на плоскости самоотображения кроссрешетки (см., например US6781681) для извлечения информации волнового фронта. Муаровый датчик волнового фронта Талбота (см., например, US6736510) использует пару кроссрешеток, повернутых относительно друг друга на некоторый угол, и датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для получения изображения муаровой картины для извлечения информации волнового фронта. Датчик волнового фронта на основе разнесения по фазе (см., например US7554672 и US20090185132) использует элемент дифракционной линзы и двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для получения изображений, связанных с разными дифракционными порядками, для извлечения информации волнового фронта.
[0032] В силу большого объема данных, которые должен собирать двухмерный датчик изображения, и ограничения по частоте кадров, обусловленного тактовой частотой и/или скоростью переноса данных по линии электронного переноса данных, например, кабелю USB, датчики изображения, используемые во всех этих традиционных устройствах датчика волнового фронта, могут работать только на сравнительно низкой частоте кадров (обычно от 25 до 30 кадров в секунду) и, следовательно, чувствительны к фоновому шуму нулевой или низкой частоты. В результате, эти традиционные датчики волнового фронта, в общем случае, могут функционировать только в относительно темном окружении для снижения шума от фонового/окружающего света нулевой или низкой частоты.
[0033] Кроме того, диапазон измерения оптической силы этих офтальмологических датчиков волнового фронта, в целом, ограничен ±20 дптр, по большей части, в силу компромисса в разнесении или шаге фиксированной сетки элементов отбора волнового фронта, который определяет чувствительность к наклону волнового фронта, диапазон измерения оптической силы волнового фронта и пространственное разрешение измерения волнового фронта.
[0034] Другая технология датчиков волнового фронта на основе трассировки лучей лазерного пучка (см., например US6409345 и US6932475) не требует непременно использовать двухмерный датчик изображения на основе ПЗС или КМОП для извлечения информации волнового фронта. Однако коммерческий продукт (iTrace от Tracey Technologies) имеет ограниченный диапазон измерения только ±15 дптр и по-прежнему требует темного окружения для измерения волнового фронта.
[0035] В принадлежащем тому же заявителю документе US7445335 раскрыт последовательный датчик волнового фронта, который последовательно сдвигает весь волновой фронт, чтобы только желаемая часть волнового фронта могла проходить через апертуру отбора волнового фронта. Этот датчик волнового фронта применяет синхронное детектирование для удаления оптического или электронного шума нулевой или низкой частоты, например, из фонового света или электронных помех, обусловленных пульсацией источника света, используемого для генерации волнового фронта из глаза, и его синхронизации с устройством/детектором регистрации положения с высокочастотной характеристикой (например, квадратным детектором). Таким образом, этот датчик волнового фронта не требует темного окружения для измерения волнового фронта и весьма пригоден для непрерывной интраоперационной рефракционной хирургии в реальном времени, где свет освещения хирургического микроскопа всегда остается в состоянии “включено”. Последовательный отбор волнового фронта полностью снимает любые потенциальные проблемы взаимных помех, что, таким образом, обеспечивает возможность большого динамического диапазона измерения волнового фронта. Однако оптическая конфигурация, представленная в US7445335, не идеальна для охвата большого диапазона оптической силы, поскольку нуждается в сканере пучка с сравнительно большой областью перехвата пучка. В другой принадлежащей тому же заявителю патентной заявке США (US20120026466) раскрыты оптические конфигурации, усовершенствованные по сравнению с US7445335. Эти усовершенствованные конфигурации позволяют использовать сравнительно малый и коммерчески доступный световой сканер пучка (например, сканер на основе MEMS) для сканирования всего объектного пучка из глаза в пределах большого диапазона оптической силы (до ±30 дптр), и, следовательно, можно адекватно охватывать рефракцию глаза даже в афакичном состоянии. Благодаря гибкому сдвигу волнового фронта, можно отбирать любую часть волнового фронта и, таким образом, добиваться высокого пространственного разрешения.
[0036] Однако, в силу требований к безопасности глаза, может быть установлен предел оптической энергии, которую можно доставлять за данное время в глаз пациента. Таким образом, даже при наличии пульсирующего источника света и использовании подхода синхронного детектирования для повышения отношения сигнал-шум, если требуется отбор большого количества пространственных частей волнового фронта, возвращаемого из глаза, частота обновления измерения волнового фронта может быть ограничена. С другой стороны, если требуется обеспечить высокую частоту обновления измерения волнового фронта, максимальное количество точек пространственного отбора может быть ограничено. Таким образом, необходимо дополнительно повысить производительность такого датчика волнового фронта, действующего в режиме синхронного детектирования.
[0037] В соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, некоторое количество элементов параллельного отбора волнового фронта объединяются с соответствующим количеством устройств/детекторов регистрации положения (PSD) изображения или светового пятна, которые все работают в режиме синхронного детектирования синхронно с пульсацией источника света на частоте выше диапазона частот 1/f шума. Каждый PSD имеет достаточно высокочастотную характеристику, чтобы шум, сгенерированный фоновым светом нулевой или низкой частоты, можно было, по существу, отфильтровывать и повышать отношение сигнал-шум.
[0038] Помимо параллельного отбора волнового фронта, физическое разнесение элементов параллельного отбора волнового фронта задается таким образом, чтобы в желаемом диапазоне оптической силы рефракционного нарушения глаза не было взаимных помех. Кроме того, для отбора любой части или сегмента волнового фронта, волновой фронт также можно последовательно сдвигать относительно элементов отбора волнового фронта с использованием подходов, аналогичных раскрытым в принадлежащим тому же заявителю патенте US7445335 и патентной заявке US20120026466.
[0039] На фиг. 1 показана схема последовательного датчика волнового фронта, раскрытого в принадлежащем тому же заявителю документе US7445335. Узкий пучок света от источника 134 света направляется на сетчатку глаза 138 через светонаправляющий элемент 136, например светоделитель. Объектный пучок света, исходящий от сетчатки глаза, имеющий волновой фронт 102 при выходе из глаза, фокусируется первой линзой 104. Объектный пучок волнового фронта распространяется через поляризационный светоделитель (PBS) 106 размещенный таким образом, что его направление поляризации пропускания выровнено с желаемым направлением поляризации объектного светового пучка. В результате, линейно поляризованный объектный пучок будет проходить через PBS 106. Четвертьволновая пластинка 108 располагается позади PBS 106, причем ее ось наибольшей скорости распространения света ориентирована таким образом, чтобы после прохождения пучка через четвертьволновую пластинку 108 получался световой пучок круговой поляризации.
[0040] Объектный световой пучок, который несет информацию волнового фронта из глаза, фокусируется на отражающей поверхности наклонного сканирующего зеркала 112, которое установлено на шпинделе 114 электродвигателя. Объектный световой пучок, отраженный зеркалом, приобретает направление, которое зависит от угла наклона сканирующего зеркала 112 и поворотного положения электродвигателя 114. Отраженный пучок все еще имеет круговую поляризацию, но круговая поляризация направление вращения изменяется с левостороннего на правостороннее или с правостороннего на левостороннее. Следовательно, вторично пройдя через четвертьволновую пластинку 108 на своем обратном пути, пучок снова становится линейно поляризованным, но его направление поляризации поворачивается на 90 градусов относительно направления исходного входящего объектного пучка. Таким образом, на поляризационном светоделителе 106, возвращаемый объектный пучок будет, по большей части, отражаться влево, как показано пунктирными световыми лучами на фиг. 1.
[0041] Вторая линза 116 располагается слева от PBS 106 для коллимации отраженного объектного пучка и для создания копии исходного входного волнового фронта (124) в плоскости апертуры 118 отбора волнового фронта. Вследствие наклона сканирующего зеркала, дублированный волновой фронт 124 сдвигается в поперечном направлении. Апертура 118 располагается перед линзой 120 фокусировки частичного волнового фронта для выбора малой части дублированного волнового фронта 124. Линза 120 фокусировки частичного волнового фронта фокусирует выбранный частичный волновой фронт на устройство/детектор 122 регистрации положения, которое используется для определения центроида сфокусированного светового пятна, сгенерированного из последовательно выбранных частичных волновых фронтов. Благодаря вращению электродвигателя 114 и изменению угла наклона сканирующего зеркала 112, величиной радиального и азимутального сдвига дублированного волнового фронта можно управлять таким образом, чтобы можно было выбрать любую часть дублированного волнового фронта для последовательного пропускания через апертуру 118. В результате, весь волновой фронт исходного входящего пучка можно характеризовать как в случае стандартного датчика волнового фронта Хратмана-Шака, за исключением того, что центроид каждого частичного волновоого фронта теперь получается последовательно, а не параллельно.
[0042] Как можно видеть на фиг. 1, управляя углом наклона сканирующего зеркала и частотой пульсации источника света, можно отбирать любую часть волнового фронта. Кроме того, электронная система управления и детектирования может синхронизировать работу источника 134 света, электродвигателя 114, апертуры 118 отбора волнового фронта, если она также активна, и детектора 122 регистрации положения для обеспечения синхронного детектирования. Таким образом, можно повысить отношение сигнал-шум и отфильтровать шум, сгенерированный фоновым светом нулевой или низкой частоты.
[0043] Однако, когда сдвиг волнового фронта осуществляется сканером пучка на оптической плоскости преобразования Фурье оптической системы 4-f ретрансляции волнового фронта, когда значение нарушения рефракционной оптической силы глаза пациента велико, размер объектного пучка в плоскости преобразования Фурье также будет сравнительно большим. Это означает, что для охвата большого диапазона оптической силы, сканеру пучка требуется относительно большая область перехвата пучка. В случае хирургии катаракты, где рабочее расстояние между глазом и входным портом велико, необходимый размер сканера пучка будет непрактичен в отношении стоимости и коммерческой доступности.
[0044] На фиг. 2 показана другая оптическая конфигурация, раскрытая в принадлежащей тому же заявителю патентной заявке США US20120026466, которая использует два каскадно соединенных 4-f ретранслятора имеющие первую и вторую плоскости преобразования Фурье, A и C соответственно, и первую и вторую плоскости изображения, B и D соответственно. Благодаря использованию двух каскадно соединенных 4-f ретрансляторов волнового фронта или 8-f ретранслятора волнового фронта, последовательного поперечного сдвига волнового фронта можно добиться угловым сканированием пучка волнового фронта на или вокруг второй плоскости C преобразования Фурье, где ширина пучка волнового фронта (по желаемому большому диапазону измерения нарушения рефракционной оптической силы) могут поддерживаться в определенном диапазоне физических размеров таким образом, чтобы сравнительно малый сканер 212 пучка мог полностью перехватывать объектный пучок.
[0045] Как показано на фиг. 2, после первого ретранслятора волнового фронта в плоскости B изображения волнового фронта, ширина объектного пучка уменьшается вследствие различия в фокусном расстоянии между первой линзой 204 и второй линзой 216, хотя расхождение или схождение пучка увеличивается. Второй 4-f ретранслятор волнового фронта содержит третью линзу 240 и четвертую линзу 242, каждая из которых имеет сравнительно большую фокусирующую силу или малое фокусное расстояние и сравнительно большую числовую апертуру (NA) или угол конуса приема пучка. Ширина пучка на второй плоскости C преобразования Фурье теперь сравнительно мала. Угловое сканирование пучка на второй плоскости C преобразования Фурье позволяет поперечно сдвигать изображение волнового фронта на второй плоскости D изображения волнового фронта. Поперечно сдвинутый волновой фронт можно отбирать на второй плоскости D изображения волнового фронта с помощью апертуры 218 отбора волнового фронта и фокусировать с помощью линзы 220 фокусировки частичного волнового фронта на устройство/детектор 222 регистрации положения (PSD).
[0046] Аналогично варианту осуществления, изображенному на фиг. 1, управляя сканером 212 пучка на второй плоскости C преобразования Фурье и регулируя временной режим пульсации источника света, можно отбирать любую часть волнового фронта. Опять же, электронная система управления и детектирования может синхронизировать работу источника 234 света, сканера 212, апертуры 218 (если это переменная апертура) и PSD 222 для обеспечения синхронного детектирования для повышения отношения сигнал-шум и отфильтровывания шума, генерируемого фоновым светом нулевой или низкой частоты.
[0047] Электронная система 236 управления, имеющая пользовательский интерфейс 238 управления, подключена к сканеру 212 пучка и переменной апертуре, позволяя управлять этими элементами для изменения шаблона сканирования или размера апертуры. В других вариантах осуществления электронная система 236 управления может быть подключена к другим управляемым элементам, что будет более подробно описано ниже. Пользовательский интерфейс 238 может быть выполнен в виде кнопок на приборе, графического пользовательского интерфейса (ГИП) на приборе или на компьютере, присоединенном к электронной системе 236 управления.
[0048] Заметим, что на фиг. 1 и 2 показан только один элемент отбора волнового фронта и только одно устройство регистрации положения, и отбор волнового фронта осуществляется только последовательно. В этом случае отбирается только одна часть всего волнового фронта, что не позволяет эффективно использовать оптическую энергию, возвращаемую из глаза.
[0049] На фиг. 3a показан пример, где пучок света от источника света 334 (например, суперлюминесцентного диода или СЛД), действующего в импульсном и/или пакетном режиме, запускается через светонаправляющий элемент 306 (например, поляризационный светоделитель (PBS)) в глаз пациента для формирования сравнительно малого пятна изображения на сетчатке для генерации волнового фронта, который возвращается из глаза. Светонаправляющий элемент 306 должен иметь достаточно большой размер перехвата светового пучка чтобы гарантировать, что объектный пучок, несущий информацию волнового фронта из глаза в пределах желаемого диапазона измерения оптической силы глаза, полностью перехватывается, не испытывая возмущений на краю светонаправляющего элемента.
[0050] Использование PBS может способствовать подавлению помехи в виде света, отраженного или рассеянного от других нежелательных оптических границ раздела глаза, например, роговицы и хрусталика. Дело в том, что относительно узкий входной световой пучок СЛД линейно поляризован в первом направлении поляризации, и свет, отраженный или рассеянный от роговицы и хрусталика, также, по большей части, линейно поляризован в первом направлении поляризации, тогда как свет, рассеянный на сетчатке, имеет большую составляющую, поляризованную перпендикулярно первому направлению поляризации. Таким образом, PBS, в качестве светонаправляющего элемента 306, выступает в роли как поляризатора для пучка СЛД, распространяющегося к глазу, так и анализатора, предназначенного для пропускания только объектного пучка, возвращаемого от сетчатки во втором ортогональном направлении поляризации.
[0051] Помимо необходимости отфильтровывать составляющую с определенной поляризацией, волновой фронт, покидающий глаз, также необходимо ретранслировать в плоскость отбора изображения волнового фронта. На фиг. 3a, это достигается с помощью оптической конфигурации 4-f ретранслятора волнового фронта, содержащей первую линзу 304 и вторую линзу 316. В плоскости B изображения волнового фронта, матрица элементов отбора частичного волнового фронта, содержащая, например, кольцевую матрицу апертур 318 отбора частичного волнового фронта и соответствующую кольцевую матрицу линз 320 фокусировки частичного волнового фронта, параллельно отбирает и фокусирует некоторое количество частей ретранслированного волнового фронта на плоскости B изображения волнового фронта. Соответствующая матрица устройств/детекторов 322 регистрации положения (PSD) (например, кольцевая матрица детекторов регистрации положения поперечного действия или квадрантных детекторов) размещена позади матрицы элементов отбора частичного волнового фронта для детектирования положения центроида пятна изображения каждого отобранного частичного волнового фронта.
[0052] Что подробно показать элементы отбора частичного волнового фронта и устройства/детекторы регистрации положения (PSD), на фиг. 3a в увеличенном виде показаны оптические элементы каскада отбора волнового фронта и детектирования центроида, причем кольцевая матрица апертур 318 отбора частичного волнового фронта умышленно отделена от кольцевой матрицы линз 320 фокусировки частичного волнового фронта, хотя на практике они обычно контактируют или располагаются в непосредственной близости друг от друга. В увеличенном чертеже, кольцевая матрица PSD 322 размещена вблизи задней фокальной плоскости линз 320 фокусировки частичного волнового фронта, чтобы обеспечивать сравнительно резко сфокусированное пятно изображения на PSD в случае плоского волнового фронта, однако, это не всегда имеет место, поскольку кольцевая матрица PSD 322 может размещаться до или после фокальной плоскости линз 320 фокусировки частичного волнового фронта. В иллюстративном варианте осуществления, благодаря отбору вокруг кольцевого кольца волнового фронта из глаза, можно определить сферическое и цилиндрическое рефракционное нарушение глаза и ось цилиндра. Однако шаблон элементов параллельного отбора частичного волнового фронта может принимать другие формы, например, шаблон спицы или форму двухмерной линейной матрицы.
[0053] На фиг. 3a показан синхронный усилитель 343, подключенный для приема выходных сигналов от матрицы PSD 322, для шумоподавления. Дисплей 345 может быть подключен к электронной системе 336, которая принимает выходной сигнал синхронного усилителя 343. Работа синхронного усилителя 343 описана ниже со ссылкой на фиг. 4. Электронная система 336 имеет возможности обработки для обработки выходного сигнала синхронного усилителя 343, включающие в себя применение алгоритмов для определения рефракции, аберраций и других диагностических или клинических факторов. Дисплей 345 можно реализовать как индикатор текущих показаний, связанный с хирургическим микроскопом, или дисплей с большим экраном или дисплей задней проекции или как часть персонального компьютера или рабочей станции.
[0054] Заметим, что по сравнению с традиционными системами датчика волнового фронта, описанный здесь иллюстративный вариант осуществления имеет ряд признаков, которые, в той или иной комбинации, обеспечивают его преимущество для рефракционной хирургии глаза. Во-первых, элементы отбора частичного волнового фронта физически отделены друг от друга, благодаря чему, их плотность, в целом, меньше, чем плотность стандартной матрицы элементарных линз, используемой в типичном датчике волнового фронта Шака-Хартмана. Это достигается за счет увеличения расстояния между элементарными линзами или шага элементарных линз или увеличения диаметра каждой элементарной линзы по сравнению с диаметром элементарной линзы, используемой в типичном датчике волнового фронта Шака-Хартмана. Альтернативно, фокусное расстояние элементарных линз матрицы элементарных линз можно уменьшить по сравнению с фокусными расстояниями элементарных линз, используемых в типичном датчике волнового фронта Шака-Хартмана. В результате, можно охватить достаточно большой диапазон измерения оптической силы без взаимных помех, т.е. попадания пятна изображения отобранного частичного волнового фронта на несоответствующий PSD.
[0055] Чтобы проиллюстрировать это, на фиг. 3b показана матрица элементарных линз типичного датчика волнового фронта Шака-Хартмана с соответствующей матрицей устройств/детекторов регистрации положения и как достигается максимальный диапазон измерения оптической силы без взаимных помех. В настоящем описании, термин “взаимные помехи” означает условие, когда весь световой пучок или его часть, подлежащая фокусировке элементарной линзой на соответствующий детектор, фокусируется на соседний детектор.
m
m
m
-1
[0056] Матрица 342 элементарных линз типичного датчика волнового фронта Шака-Хартмана плотно упакована, то есть элементарные линзы размещены рядом друг с другом без каких-либо зазоров. В этом случае на единицу площади приходится большое количество элементарных линз, и плотность отбора для измерения волнового фронта высока. Исходя из того, что волновой фронт, подлежащий измерению, является, как показано, сферическим сходящимся волновым фронтом 344, максимальный средний наклон частичного волнового фронта, θ, который можно измерять без взаимных помех, будет ограничен радиусом r и фокусным расстоянием f каждой элементарной линзы, где θ=tan[r/f]. Фиг. 2 иллюстрирует, что кривизна волнового фронта возрастает для больших положительных или отрицательных значений оптической силы. Таким образом θ указывает максимальное значение диапазона измерения оптической силы.
m
m
[0057] На фиг. 3b показано, что существует угловое распределение угла наклона частичного волнового фронта, и частичный волновой фронт, отобранный крайней слева элементарной линзой, будет фокусироваться этой крайней слева элементарной линзой для формирования светового пятна, которое попадает на правой границе PSD1 между PSD1 и PSD2. Как можно видеть, любое дополнительное увеличение схождения или абсолютного значения оптической силы сходящегося сферического волнового фронта приведет к тому, что угол наклона превысит θ, и к тому, что световое пятно, отобранное крайней слева элементарной линзой, выйдет за пределы границы между PSD1 и PSD2, в PSD2, тем самым, вызывая взаимных помех. Фактически, поскольку отобранный частичный волновой фронт является сходящимся, сфокусированное пятно фактически находится перед фокальной плоскостью 346, и, соответственно, соответствующее пятно изображения на фокальной плоскости 346 будет шире, чем пятно изображения в резком фокусе, поэтому диапазон измерения наклона частичного волнового фронта немного меньше θ. Аналогичная ситуация существует для крайней справа элементарной линзы и двух устройств/детекторов PSD8 и PSD7 регистрации положения.
m
m
[0058] С другой стороны, если волновой фронт является сферическим расходящимся волновым фронтом, резко сфокусированные пятна изображения, в общем случае, фактически будут располагаться позади фокальной плоскости 346, поэтому световое пятно на фокальной плоскости 346 также будет шире, чем пятно изображения в резком фокусе, и, соответственно, диапазон измерения наклона частичного волнового фронта снова будет немного меньше θ. Если волновой фронт не является сферическим, но имеет призматический наклон и/или астигматизм и/или даже другие аберрации высоких порядков, локальный наклон частичного волнового фронта, отобранного любой из элементарных линз, может превышать предельный угол наклона диапазон измерения θ.
[0059] Если же элементы параллельного отбора частичного волнового фронта не являются плотно упакованными, но разумно распределены, с надлежащим управлением межцентровым расстоянием между двумя элементами, то можно умышленно избегать взаимных помех и также достигать определенного желаемого достаточно большого диапазона измерения оптической силы.
m
m
-1
-1
[0060] На фиг. 3c показан иллюстративный вариант осуществления конфигурации элементов отбора частичного волнового фронта с соответствующей матрицей устройств/детекторов регистрации положения и иллюстрирует, что можно увеличить максимальный диапазон измерения оптической силы без взаимных помех. В иллюстрируемом примере, каждый элемент отбора частичного волнового фронта содержит элементарную линзу 352 и апертуру 359 перед соответствующей элементарной линзой. Другими словами, маска 358 шаблонированной матрицы апертур объединена с соответствующей матрицей 352 элементарных линз, чтобы действовать как матрица элементов параллельного отбора частичного волнового фронта. Исходя из того, что фокусное расстояние каждой элементарной линзы такое же, как показано на фиг. 3b, и представлено одним и тем же f, тогда как теперь расстояние от центра одной элементарной линзы до границы или средней точкой между двумя элементами отбора частичного волнового фронта равно d, как показано, максимальный средний наклон частичного волнового фронта, который можно измерять без взаимных помех, теперь будет β=tan[d/f]. Поскольку d больше r, диапазон измерения локального наклона частичного волнового фронта, таким образом, увеличивается. Фактически, на фиг. 3c показан более сходящийся сферический волновой фронт 354, который отбирается, чем волновой фронт, изображенный на фиг. 3b, с ограничением, наложенным условием β=tan[d/f]. Очевидно, абсолютное значение оптической силы сходящегося сферического волнового фронта 354, показанного на фиг. 3c, который может быть отобран без взаимных помех, выше, чем у волнового фронта 344, показанного фиг. 3b.
[0061] На фиг. 3c значения ширины PSD увеличиваются по сравнению с шириной PSD на фиг. 3b, т.е. d больше r. Использование более широких PSD вместо узких PSD с увеличенными промежутками между ними позволяет гарантировать, что с увеличением наклона частичного волнового фронта световое пятно, попадающее на соответствующий PSD, может захватываться соответствующим PSD. В противном случае, если PSD имеет такой же меньший размер, как показанный на фиг. 3b, но с разнесением, то увеличение наклона частичного волнового фронта приведет к тому, что световое пятно частичного волнового фронта попадает в пространство между фоточувствительной областью PSD. Другими словами, световое пятно не будет захвачен PSD для выработки электрического сигнала.
[0062] Кроме того, на фиг. 3c элементарные линзы имеют увеличенный диаметр по сравнению с диаметром элементарных линз на фиг. 3b, но имеют одинаковое фокусное расстояние. Проектирование более крупной элементарной линзы с таким же фокусным расстоянием имеет преимущество в том, что при объединении такой элементарной линзы с переменной апертурой, изменение размера апертуры может обеспечивать гибкость в управлении размером частичного волнового фронта, подлежащего отбору, в увеличенном диапазоне размера отбора. Например, для измерения рефракционного нарушения, которое предусматривает только определение значений сферической и цилиндрической оптической силы и оси цилиндра, увеличенный размер отбора частичного волнового фронта может обеспечивать преимущество усреднения, а также снижения нагрузки обработки данных. Другими словами, высокая пространственная плотность отбора волнового фронта, которая нормально обеспечивалась бы стандартным датчиком волнового фронта Шака-Хартмана, может быть излишней для этого типа рефракционного измерения и может существенно увеличить время захвата, переноса и обработки данных, таким образом, замедляя работу датчика волнового фронта и делая ее слишком медленной для применений рефракционной хирургической операции в реальном времени.
[0063] С другой стороны, если необходимо оперировать лишь малую область роговицы с использованием, например, системы LASIK, размер пятна лазерной абляции на роговице, в целом, гораздо меньше, чем размер типичной элементарной линзы датчика волнового фронта Шака-Хартмана. В таком случае, апертуру, изображенную на фиг. 3c, можно сделать, соответственно, достаточно малой, и сканирование волнового фронта, как будет рассмотрено ниже, можно применять для обеспечения регистрации неусредненного волнового фронта на протяжении малой области роговицы таким образом, чтобы можно было добиться очень высокой точности измерения в отношении измерения аберрации волнового фронта высокого порядка. Фактически, в некоторых иллюстративных вариантах осуществления матрица апертур активируется в том смысле, что размером апертуры можно активно управлять. Следует отметить, что шаблонированная матрица апертур также может размещаться после шаблонированной матрицы элементарных линз и может не быть абсолютно необходимой, поскольку их функция может обслуживаться диаметром элементарной линзы.
m
m
[0064] Кроме того, из формулы для вычисления θ следует, что диапазон измерения наклона частичного волнового фронта без взаимных помех, θ, также можно увеличить, выбирая меньшее значение фокусного расстояния f. В таком случае, размер каждого PSD можно уменьшить, по-прежнему обеспечивая диапазон измерения наклона частичного волнового фронта. Однако чувствительность измерения наклона также будет снижаться, поскольку для той же величины изменения наклона частичного волнового фронта перемещение светового пятна на PSD будет меньше, что хорошо известно специалистам в данной области техники.
[0065] Для обеспечения еще большей гибкости, некоторые иллюстративные варианты осуществления используют матрицу элементарных линз, имеющую переменное фокусное расстояние или матрицу элементарных линз с определенными подгруппами матрицы элементарных линз, имеющими разные фокусные расстояния. Подгруппа элементарных линз с увеличенным фокусным расстоянием может обеспечивать лучшую чувствительность, тогда как подгруппа элементарных линз с уменьшенным фокусным расстоянием может обеспечивать увеличенный динамический диапазон измерения наклона частичного волнового фронта. Может существовать две или три или более подгрупп элементарных линз и, соответственно, два или три или более наборов детекторов регистрации положения, размещенных на разных расстояниях от элементарных линз.
[0066] Значительная проблема с существующими датчиками волнового фронта, используемыми в операциях по коррекции зрения, состоит в том, что детектирование волнового фронта, возвращаемого из глаза осуществляется в присутствие оптического или электронного фонового шума. Примерами проблемных фоновых шумовых составляющих являются окружающий свет, падающий на детектор и 1/f шум, генерируемый самим детектором, и другие излученные или проведенные электронные шумы. Обе эти фоновые шумовые составляющие имеют значительные амплитуды на частоте кадров стандартных двухмерных датчиков изображения на основе ПЗС/КМОП.
[0067] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления источник света, используемый для создания объектного волнового фронта из глаза, работает в импульсном и/или пакетном режиме. Частота повторения импульсов или частота, превышающая типичную частоту кадров стандартного двухмерного датчика изображения на основе ПЗС/КМОП. Например, частота импульсов источника света в этом иллюстративном варианте осуществления может находиться в килогерцевом диапазоне или выше. Для датчика изображения на основе ПЗС/КМОП частота кадров обычно составляет от около 25 до около 30 кадров в секунду. PSD настоящего раскрытия являются двухмерными устройствами/детекторами регистрации положения (PSD), которые все имеют достаточно высокую временно-частотную характеристику, что позволяет им работать в режиме синхронного детектирования синхронно с импульсным источником света на частоте выше диапазона частот 1/f шума. Электронная система управления и детектирования подключена к, по меньшей мере, источнику света и матрице PSD и выполнена с возможностью синхронизации работы источника света и параллельных PSD. Электронная система управления и детектирования также может быть подключена к матрице переменных апертур отбора частичного волнового фронта для дополнительного управления размером апертуры отбора, если апертуры отбора активны.
[0068] На фиг. 4 показана блок-схема, демонстрирующая один иллюстративный вариант осуществления усилителя 400 синхронного детектирования. Заметим, что синхронное детектирование, чувствительное к фазе, является мощным методом синхронного детектирования, хорошо известным специалистам в данной области техники для выявления слабых сигналов, которые могут маскироваться шумом, который гораздо сильнее сигнала, представляющего интерес. Смеситель 496 имеет первый вход, подключенный к выходу предусилителя 495, на вход которого поступает переменный сигнал от PSD. Смеситель 496 имеет второй вход, подключенный к выходу цепи 497 фазовой синхронизации, которая синхронизирована с опорным сигналом, который возбуждает и тактирует СЛД. Входные сигналы смешиваются (умножаются) смесителем 496 для формирования выходного сигнала смесителя. Выходной сигнал смесителя 496 проходит через фильтр 498 низких частот и усиливается выходным усилителем 499 для формирования выходного сигнала усилителя 400 синхронного детектирования.
[0069] Теперь опишем работу усилителя синхронного детектирования. Сигнал от PSD, поступающий на предусилитель 495, включает в себя составляющую на опорной частоте, которая указывает отклонение частичного волнового фронта, измеренное детектором регистрации положения. Амплитуда этой составляющей является желаемым выходом усилителя синхронного детектирования. Входной сигнал от PSD также включает в себя шумовые сигналы на низкой частоте, например, частоте окружающего света и 1/f шума от детектора.
[0070] На вход цепи фазовой синхронизации (PLL) поступает сигнал, имеющий существенную амплитуду только на опорной частоте.
[0071] Амплитуды сигналов, поступающих на смеситель, перемножаются. Каждая частотная составляющая усиленного сигнала PSD преобразуется в первую выходную составляющую смесителя на частоте, равной сумме частоты частотной составляющей PSD и опорной частоты и вторую выходную составляющую смесителя на частоте, равной разности частоты частотной составляющей PSD и опорной частоты.
[0072] Фильтр 498 низких частот пропускает сигналы, имеющие частоту, близкую к нулю (постоянные сигнал) и блокирует сигналы, имеющие частоты, заметно отличающиеся от нуля (переменные сигналы). Все шумовые составляющие на частотах, отличных от опорной частоты, блокируются, поскольку сумма и разность частот шума и опорного сигнала не равны нулю, поэтому обе выходные составляющие смесителя являются переменными сигналами и блокируются фильтром низких частот.
[0073] Частота первого выходного сигнала смесителя для частотной составляющей сигнала PSD на опорной частоте равна сумме опорной частоты с самой собой, которая вдвое больше опорной частоты и, таким образом, является переменным сигналом, который блокируется фильтром низких частот. Однако частота второго выходного сигнала смесителя для частотной составляющей PSD на опорной частоте равна разности опорной частоты и ее самой, которая равна нулю. Это постоянный сигнал, который пропускается фильтром низких частот.
[0074] Соответственно, выходной сигнал синхронного усилителя является мерой только частотной составляющей сигнала PSD на опорной частоте. Все шумовые сигналы на разных частотах блокируются фильтром низких частот. Сигнал, прошедший через фильтр низких частот, может дополнительно усиливаться другим усилителем 499 для дальнейшего аналогово-цифрового (А/Ц) преобразования по пути сигнала.
[0075] Следует отметить, что каждый PSD может иметь более чем одну фоточувствительную область (например, 4, как в случае квадратного детектора), соответствующую более чем одному фотодиоду или фотодетектору. При реализации параллельного синхронного детектирования необходимое количество каналов равно количеству параллельных PSD, умноженному на количество линий сигнала фотодетектирования каждого PSD. Благодаря параллельному отбору можно одновременно собирать некоторое количество выборок частичного волнового фронта на протяжении волнового фронта.
[0076] На фиг. 4 не показан А/Ц преобразователь и остальные части электронного модуля детектирования и управления. Активация А/Ц преобразователя на той же частоте, как у сигнала, тактирующего СЛД, также может позволять сбор как темной, так и светлой выборок до и в ходе импульса СЛД для дополнительного устранения эффектов электромагнитной помехи, а также окружающего света из комнаты или микроскопа, на котором может быть смонтировано устройство.
[0077] Заметим, что традиционные датчики волнового фронта в целом не используют источник света в импульсном и/или пакетном режиме (по меньшей мере, в диапазоне частот выше области 1/f шума, т.е. вокруг и за пределами килогерцевого диапазона), поскольку, либо источник света для датчиков волнового фронта, используемых в астрономии, например, отдаленная звезда в пространстве, выходит из-под контроля (см., например, US6784408), либо отсутствует преимущество работы источника света в импульсном или пакетном режиме, поскольку типичный датчик изображения на основе ПЗС/КМОП не имеет достаточно высокой частоты кадров, чтобы работать в вышеупомянутом диапазоне частот 1/f шума.
[0078] Датчик волнового фронта Хартмана-Шака может работать, избирательно блокируя некоторые из элементарных линз из матрицы элементарных линз Хартмана-Шака (см., например, US7414712) для охвата большого диапазона измерения оптической силы. Однако этот подход затратен и, тем не менее, страдает тем же ограничением, что используемый датчик изображения сканируется на низкой частоте кадров.
[0079] Здесь описаны иллюстративные варианты осуществления, где элементы отбора частичного волнового фронта, предпочтительно, физически отделены друг от друга в плоскости B изображения волнового фронта, как показано в увеличенном виде на фиг. 3a. Заметим, что в иллюстративном варианте осуществления, представленном на фиг. 3a, каждый элемент отбора частичного волнового фронта содержит апертуру и фокусирующую элементарную линзу. Однако фокусирующую элементарную линзу можно либо непосредственно использовать в качестве апертуры или даже удалить. В последнем случае, пучок отобранного частичного волнового фронта не будет фокусироваться, но все же будет попадать в качестве светового пятна на соответствующий PSD с разными позициями центроида для разных наклонов частичного волнового фронта, хотя, в целом, размер апертуры должен быть меньше, чем размер PSD во избежание взаимных помех.
[0080] Чтобы отдельно показать матрицу апертур отбора частичного волнового фронта и матрица линз фокусировки частичного волнового фронта, на увеличенном чертеже фиг. 3a они умышленно отделены друг от друга. На практике, они обычно размещены в непосредственной близости друг к другу. Большой диапазон измерения оптической силы гарантируется путем физического проектирования разнесения элементов отбора частичного волнового фронта таким образом, что в спроектированном большом диапазоне оптической силы наклон любого отобранного частичного волнового фронта не будет фокусироваться, чтобы попадать на соседний PSD.
[0081] В иллюстративных вариантах осуществления, можно добиться более высокого энергетического выхода, хотя, в то же время, 1/f шум можно существенно снижать, что позволяет эффективно отфильтровывать фоновый шум нулевой или низкой частоты, например, шум, генерируемый светом освещения хирургического микроскопа.
[0082] Эти признаки делают описанный здесь иллюстративный датчик волнового фронта, когда он объединен с офтальмологическим хирургическим микроскопом или присоединен к нему, весьма пригоден для хирургической операции коррекции зрения, например, операции по поводу катаракты. Хирург, оперирующий катаракту, может проводить операцию, не останавливаясь на полпути, чтобы отключить свет освещения хирургического микроскопа и ждать захвата множественных кадров данных и обрабатывать данные для получения измерения рефракции.
[0083] Согласно настоящим иллюстративным вариантам осуществления, динамический диапазон измерения оптической силы можно сделать достаточно большим (например, до ±30 дптр), чтобы полностью охватить рефракционное состояние даже афакичного глаза. Кроме того, благодаря отбору лишь правильно выбранного количества частичных волновых фронтов вокруг кольцевого кольца волнового фронта из глаза пациента, можно получить значения сферической и цилиндрической оптической силы, а также ось цилиндра, которые необходимы для выбора интраокулярной линзы (ИОЛ) и для подтверждения, например, эмметропии или назначенного значения сферической оптической силы псевдофакичного глаза. Правильно выбирая количество выборок волнового фронта вокруг каждой кольцевой матрицы, можно существенно снизить необходимые скорость переноса данных и ресурсы обработки данных.
[0084] Теперь опишем иллюстративные варианты осуществления, которые обеспечивают больше точек пространственного отбора и/или более высокое пространственное разрешение, чем обычно могут обеспечивать традиционные офтальмологические датчики волнового фронта, хотя это может абсолютно не требоваться для хирургии катаракты. Эти варианты осуществления также могут измерять аберрации более высокого порядка, а также, возможно, обеспечивать двухмерную карту волнового фронта. Эти иллюстративные варианты осуществления включают в себя устройство 312 углового сканирования светового пучка (например, пропускающий электрооптический или магнитооптический дефлектор пучка), который может размещаться в плоскости A преобразования Фурье 4-f ретранслятора, как показано на фиг. 3a, для поперечного сдвига или сканирования волнового фронта в плоскости B изображения волнового фронта относительно матрицы элементов отбора частичного волнового фронта. Таким образом, можно добиться субапертурного пространственного разрешения, что раскрыто в US6376819, и также отбирать эти части ретранслированного волнового фронта между апертурами отбора, если ретранслированный волновой фронт, напротив, статичен.
[0085] На фиг. 5 показан один пример последовательного поперечного сдвига или сканирования волнового фронта применительно к оптической конфигурации, показанной на фиг. 3a. В этом примере, 8 элементарных линз 501 отбора частичного волнового фронта размещены в форме кольцевой матрицы в плоскости B изображения волнового фронта с достаточным разнесением между любыми двумя соседними элементарными линзами таким образом, чтобы не существовало взаимных помех в пределах назначенного диапазона измерения рефракционной оптической силы. Ретранслированный волновой фронт показан в виде круглого диска 502, причем 8 элементарных линз 501 отбирают 8 частей ретранслированного волнового фронта. В отсутствие какого-либо сдвига или сканирования волнового фронта, 8 отобранных частичных волновых фронтов обладают поворотной симметрией относительно изображения 502 волнового фронта.
[0086] Круги 502-520 представляют первую часть ретранслированного волнового фронта, которая падает на матрицу элементарных линз. Местоположение круга, т.е. первой части волнового фронта, сканируется в разные положения, как показано на различных чертежах, которые позволяют осуществлять отбор в подчасти первой части.
[0087] Из 4 рядов, показанных в правой части фиг. 5, два верхних ряда (503-510) демонстрируют один пример эффекта последовательного поперечного сдвига ретранслированного волнового фронта относительно 8 элементарных линз. Круги 503 - 510 демонстрируют, что ретранслированный волновой фронт последовательно сдвинут на одно и то же расстояние соответственно в направлениях вправо, вправо и вниз, вниз, вниз и влево, влево, влево и вверх, вверх и вверх и вправо.
[0088] Два нижних ряда (513-520) демонстрируют эквивалентный результат перемещения матрицы элементарных линз относительно волнового фронта вместо перемещения волнового фронта относительно матрицы элементарных линз. 8 кругов, выполненных пунктирной линией, в каждом случае от 513 до 520, демонстрируют исходное положение отбора 8 элементарных линз относительно не сдвинутой первой части ретранслированного волнового фронта. 8 кругов, выполненных сплошной линией, от 513 до 520, демонстрируют эквивалентное относительное перемещение 8 элементарных линз относительно исходных положений элементарной линзы, если первая часть ретранслированного волнового фронта рассматривается как неподвижный. Полный шаблон 512 отбора, обусловленный сдвигом, изображенным в двух верхних рядах, показывает накопленный эффект отбора.
[0089] Из полного шаблона 512 отбора, можно видеть, что в отсутствие сдвига волнового фронта будет отобрано лишь 8 исходных подчастей кольцевой матрицы волнового фронта, и что при наличии сдвига волнового фронта могут быть отобраны другие подчасти волнового фронта.
[0090] В иллюстрируемом примере, показаны перекрытия отбора, как можно видеть в полном шаблоне 512 отбора. Это указывает, что можно добиться пространственного разрешения отбора, которое меньше, чем размер апертуры отбора (который в этом проиллюстрированном примере равен диаметру элементарная линза). Фактически, можно управлять углом сканирования сканера 312 для достижения любого желаемого пространственного разрешения отбора при условии, что сканером пучка можно управлять с любой желаемой практически достижимой угловой точностью. Кроме того, полный шаблон 512 отбора также демонстрирует, что в результате поперечного сдвига ретранслированного волнового фронта можно отбирать не только части не сдвинутого волнового фронта между любыми двумя соседними элементарными линзами, но и части волнового фронта к центру и от центра не сдвинутого волнового фронта. В полном шаблоне 512 отбора уже можно видеть, что, при необходимости, можно отобрать три кольцевых кольца. Любую часть волнового фронта можно отбирать, управляя сдвигателем 312 пучка.
[0091] Следует отметить, что матрица элементов отбора частичного волнового фронта не обязана иметь форму кольцевой матрицы, как показано на фиг. 3a. Например, она может иметь форму прямоугольной матрицы при условии, что ее элементы в достаточной степени физически отделены друг от друга, чтобы гарантировать охват достаточно большого динамического диапазона измерения нарушения рефракционной оптической силы без взаимных помех. Альтернативно, они могут располагаться более плотно при условии, что фокусное расстояние элементарной линзы позади каждой апертуры отбора частичного волнового фронта, соответственно, меньше, и что расстояние между элементарными линзами и PSD соответственно сокращено. Следует также заметить, что количество элементарных линз не обязано ограничиваться 8, и что они могут размещаться в любой форме и в любом количестве.
[0092] Как рассмотрено выше, сравнивая конфигурации, показанные на фиг. 1 и фиг. 2, если сканирование осуществляется с помощью 4-f ретранслятора, то сканеру 312 пучка нужно иметь большой размер окна перехвата пучка. Чтобы преодолеть это ограничение и также обеспечить различные другие усовершенствования, на фиг. 6 показан другой иллюстративный вариант осуществления. Как можно видеть из фиг. 6, оптическая конфигурация, в некоторых аспектах, аналогична показанной на фиг. 2. Однако присутствует ряд новых признаков, которые можно реализовать либо по отдельности, либо совместно с другими.
[0093] В иллюстративном варианте осуществления, представленном на фиг. 6, относительно узкий пучок света от источника 634 света (например, суперлюминесцентного диода (СЛД)), действующего в импульсном и/или пакетном режиме, запускается через линзу 637 с регулируемым фокусом и направляется светонаправляющим элементом 606 (например, поляризационным светоделителем или PBS) в глаз пациента для генерации волнового фронта, возвращаемого из глаза. Изменение фокусировки от линзы 637 можно использовать, чтобы гарантировать, что размер пятна светового пучка при попадании на сетчатку сравнительно мал для различных рефракционных состояний глаза. Кроме того, сканирующее зеркало 680 для сканирования пучка СЛД может размещаться в заднем фокусе первой линзы 604 таким образом, чтобы сканер пучка СЛД располагался в положения, сопряженной с положением сетчатки эмметропического глаза. Таким образом, устройство 680 углового сканирования пучка СЛД будет вызывать поперечное сканирование пучка СЛД относительно плоскости роговицы, в то же время позволяя пучку СЛД попадать в одно и то же место сетчатки, если глаз является эмметропическим. Этот сканер можно использовать для сканирования пучка СЛД для сопровождения любого перемещения глаза, таким образом, чтобы пучок СЛД всегда мог входить в глаз из одного и того же места роговицы.
[0094] Вместо того, чтобы использовать 4-f ретранслятор волнового фронта, как показано на фиг. 3a, система 8-f ретранслятора волнового фронта, содержащая первую линзу 604, вторую линзу 616, третью линзу 640 и четвертую линзу 642, используется для ретрансляции волнового фронта из плоскости зрачка или роговицы через плоскость B изображения промежуточного волнового фронта в плоскость отбора изображения окончательного волнового фронта D. Такой 8-f ретранслятор волнового фронта можно рассматривать как содержащий два каскадно соединенных 4-f ретранслятора. Первый ретранслятор включает в себя первую и вторую линзы, которые направляют пучок ретрансляции волнового фронта через плоскость A преобразования Фурье к плоскости B изображения промежуточного волнового фронта. Второй ретранслятор включает в себя третью и четвертую линзы, которые далее ретранслируют волновой фронт из плоскости B изображения промежуточного волнового фронта через плоскость C преобразования Фурье в плоскость D изображения окончательного волнового фронта. Преимущество такой оптической конфигурации 8-f ретранслятора волнового фронта было рассмотрено со ссылкой на фиг. 2, и дополнительные детали можно найти в принадлежащей тому же заявителю патентной заявке US20120026466.
[0095] Вместо того, чтобы использовать только один элемент отбора частичного волнового фронта и один PSD, как показано на фиг. 2, матрица элементов отбора частичного волнового фронта, содержащая, например, прямоугольную матрицу 618 апертур и соответствующую прямоугольную матрицу 620 элементарных линз фокусировки частичного волнового фронта, может располагаться, по существу, в плоскости D изображения окончательного волнового фронта для отбора и фокусировки желаемой матрицы частичных волновых фронтов. Опять же, элементы отбора частичного волнового фронта могут быть физически отделены друг от друга и/или фокусное расстояние матрицы элементарных линз можно надлежащим образом выбирать таким образом, чтобы большой диапазон измерения нарушения рефракционной оптической силы можно было охватить без взаимных помех.
[0096] Эти элементы могут быть объединены с соответствующей матрицей параллельных PSD для детектирования положений центроида пятна изображения отобранной матрицы частичных волновых фронтов и для достижения параллельного отбора волнового фронта с синхронным детектированием посредством синхронизации детекторов с импульсным источником света.
[0097] В порядке альтернативы непосредственному размещению PSD, по существу, на задней фокальной плоскости элементарных линз позади элементов отбора частичного волнового фронта, линзу 621 можно использовать для ретрансляции и также, предпочтительно, оптического увеличения пятен мнимого изображения, формируемых на мнимой плоскости 622a пятна изображения, как показано в увеличенном виде на фиг. 6, в новую плоскость действительных PSD 622, что хорошо известно специалистам в данной области техники (см., например, US6595642).
[0098] Эта линза 621 особенно полезна, если для охвата желаемого большого диапазона оптической силы используется матрица элементарных линз относительно высокой плотности с уменьшенным фокусным расстоянием. Обычно такая матрица элементарных линз имеет сравнительно малый шаг, т.е. разнесение между центрами элементарных линз в этой матрице составляет, например, от 0,5 мм до 1,0 мм, тогда как каждый PSD может быть сравнительно большим (например, в случае квадратного детектора, около 5 мм в диаметре). Таким образом, для достижения взаимно-однозначного соответствия, пятна изображения, образованные матрицей элементарных линз, можно оптически увеличивать и ретранслировать с помощью линзы 621 в матрицу с увеличенным шагом для увеличения расстояния между двумя соседними PSD таким образом, чтобы PSD могли физически поместиться на подложке.
[0099] Как в случае фиг. 2, компактный сканер или дефлектор 612 пучка может размещаться на второй плоскости C преобразования Фурье, чтобы полностью осуществлять перехват и угловое сканирование всего объектного пучка, который несет информацию волнового фронта глаза, по желаемому большому диапазону нарушения рефракционной оптической силы. Однако, по сравнению с фиг. 2, необходимый диапазон углового сканирования или отклонения пучка теперь можно существенно уменьшить. Дело в том, что, благодаря использованию матрицы элементов отбора частичного волнового фронта, объектный пучок нужно сканировать только в таком угловом диапазоне, в котором поперечный сдвиг волнового фронта в плоскости D изображения окончательного волнового фронта равен шагу, т.е. расстоянию между центрами соседних PSD в матрице элементов отбора частичного волнового фронта в направлениях x и y. Таким образом, отбор можно проводить во всех частях волнового фронта, падающих между любыми двумя элементами отбора частичного волнового фронта, если ретранслированный волновой фронт иным образом не сканируется. Это позволяет использовать сканеры пучка различных типов помимо отражающего сканера на основе MEMS, например, пропускающего электрооптического или электромагнитного сканера, который, в целом, может охватывать лишь сравнительно малый угловой диапазон сканирования.
[00100] По аналогии со случаем, показанным на фиг. 3a, синхронный усилитель 643 может быть подключен для приема выходных сигналов от матрицы PSD 622 для шумоподавления. Дисплей 645 может быть подключен к электронной системе 636, которая принимает выходной сигнал синхронного усилителя 643. Электронная система 636 имеет возможности обработки для обработки выходного сигнала синхронного усилителя 643, включающие в себя применение алгоритмов для определения рефракции, аберраций и других диагностических или клинических факторов. Дисплей 645 можно реализовать как индикатор текущих показаний, связанный с хирургическим микроскопом, или дисплей с большим экраном или дисплей задней проекции или как часть персонального компьютера или рабочей станции.
[00101] На фиг. 7 показан один пример последовательного поперечного сдвига или сканирования волнового фронта применительно к оптической конфигурации, показанной на фиг. 6. В этом примере, 21 элементарная линза отбора частичного волнового фронта 701 размещены в формате двухмерной линейной матрицы в плоскости D изображения волнового фронта с достаточным разнесением между любыми двумя соседними элементарными линзами таким образом, чтобы не существовало взаимных помех в пределах назначенного диапазона измерения нарушения рефракционной оптической силы. Как и на фиг. 5, первый часть ретранслированного волнового фронта показана в виде круглого диска 702, падающего на матрицу элементарных линз, причем 21 элементарная линза 701 отбирает 21 подчасть первой части ретранслированного волнового фронта. В отсутствие какого-либо сдвига или сканирования волнового фронта, 21 отобранная подчасть первой части ретранслированных волновых фронтов регулярно распределена в формате двухмерной матрицы относительно ретранслированного волнового фронта 702.
[00102] Из 4 рядов, показанных на фиг. 7, два верхних ряда (703-710) демонстрируют один пример того, что происходит, когда ретранслированный волновой фронт последовательно подвергается поперечному сдвигу относительно 21 элементарной линзы. Круги 703-710 показывают, что первая часть ретранслированного волнового фронта последовательно сдвигается на одно и то же расстояние в горизонтальном и/или вертикальном направлении, соответственно в направлениях вправо, вправо и вниз, вниз, вниз и влево, влево, влево и вверх, вверх и вверх и вправо.
[00103] Два нижних ряда (713-720) демонстрируют эквивалентный результат перемещения матрицы элементарных линз относительно волнового фронта вместо перемещения волнового фронта относительно матрицы элементарных линз. 21 круг, выполненный пунктирной линией, размещенные в формате двухмерной линейной матрицы в каждом случае от 713 до 720 демонстрируют исходное положение отбора 21 элементарной линзы относительно не сдвинутой первой части ретранслированного волнового фронта. В кругах 713-720, 21 круг, выполненный сплошной линией, демонстрируют эквивалентное относительное перемещение 21 элементарной линзы относительно исходных положений элементарной линзы, когда первая часть ретранслированного волнового фронта рассматривается как неподвижный. Полный шаблон 712 отбора показывает накопленный эффект отбора. Из полного шаблона 712 отбора, можно видеть, что в отсутствие сдвига волнового фронта будет отбираться 21 исходная часть элементарной линзы ретранслированного волнового фронта, и при наличии сдвига волнового фронта, могут быть отобраны области вокруг 21 исходной элементарной линзы.
[00104] Фактически, в проиллюстрированном примере показан поперечный сдвиг в горизонтальном и/или вертикальном направлении на расстояние, равное диаметру каждой элементарной линзы, и исходный шаг или разнесение между двумя горизонтальными или вертикальными элементарными линзами установлен(о) втрое превышающим диаметр каждой элементарной линзы. Другими словами, ширина зазора вдвое превышает диаметр каждой элементарной линзы. В результате, проиллюстрированное сканирование позволяет добиться отбора ретранслированного волнового фронта, как если бы волновой фронт отбирался плотно упакованной двухмерной линейной матрицей элементарных линз, как в случае типичного датчика волнового фронта Хартмана-Шака.
[00105] Следует отметить, что можно управлять углом сканирования сканера 612 пучка и пульсацией СЛД для реализации отбора на меньших расстояниях поперечного сдвига волнового фронта и, следовательно, для достижения любого желаемого пространственного разрешения отбора. Кроме того, проиллюстрированный пример также демонстрирует, что, благодаря использованию двухмерной линейной матрицы элементов отбора частичного волнового фронта, сканеру 612 пучка нужно сканировать лишь малый угловой диапазон в горизонтальном и вертикальном направлениях, чтобы можно было отбирать все части ретранслированного волнового фронта.
[00106] Заметим, что матрица апертур отбора волнового фронта и/или PSD также может активироваться. Размер апертуры для отбора частичных волновых фронтов можно динамически регулировать с использованием, например, матриц с переменной диафрагмой или матрицы с переменным размером апертуры на жидкокристаллической основе. Апертуры также могут быть активными в том смысле, что разные части изображения ретранслированного волнового фронта можно направлять на разные PSD с использованием матрицы зеркал MEMS, как раскрыто в US6880933. Фокусное расстояние линзы фокусировки частичного волнового фронта также можно изменять с использованием, например, жидкокристаллических микролинзовых матриц и матриц жидких линз на основе гибкой мембраны. Кроме того, положение PSD или положение матрицы элементарных линз для фокусировки частичного волнового фронта также может перемещаться в продольном направлении.
[00107] В иллюстративных вариантах осуществления, представленных на фиг. 3a и фиг. 6, предусмотрена электронная система, присоединенная к, по меньшей мере, источнику света и PSD для синхронизации работы источника света и PSD на частоте выше диапазона частот 1/f шума таким образом, чтобы можно было, по существу, отфильтровать фоновые шумы нулевой или низкой частоты. Кроме того, электронная система также может быть подсоединена к линзе 637 с переменным фокусом для управления фокусировкой пучка СЛД, к сканеру 680 пучка СЛД, к сканеру/дефлектору 612 пучка объектного волнового фронта, к матрице 618 апертур, к матрице 620 элементарных линз и к линзе 621. Эти электронные соединения служат для управления работой присоединенных элементов или устройств.
[00108] Кроме того, хотя согласно фиг. 3a и 6, пучок СЛД запускается сзади первой линзы, пучок СЛД можно запускать из любого места между глазом и плоскостью D изображения окончательного волнового фронта (например, перед первой линзой или даже позади второй линзы), и его расхождение или схождение пучка также можно регулировать другими средствами помимо линзы 637 с переменным фокусом (например, с использованием аксиально подвижной линзы), чтобы гарантировать, что желаемое световое пятно формируется на сетчатке разных глаз.
[00109] Под пульсацией источника света следует понимать любого рода временную модуляцию источника света. Например, СЛД можно модулировать между состояниями включен/выключен или темным/ярким состояниями; его также можно модулировать между состоянием первого уровня света и состоянием второго уровня света; СЛД также можно модулировать по синусоидальному закону. Согласно другому примеру, источник света работает в пакетном режиме для создания потока импульсов света, в котором каждый импульс также модулируется частотой несущей или частотой модуляции. Соответственно, под синхронным детектированием или синхронизированным детектированием следует понимать любое средство синхронного или когерентного детектирования. Синхронное детектирование может осуществляться на высокой частоте несущей и/или на частоте повторения импульсов.
[00110] Оптический путь для запуска пучка СЛД и также для направления возвращаемого объектного пучка можно складывать тем или иным способом для экономии места, чтобы сделать модуль датчика волнового фронта компактным. Это означает, что может существовать зеркала или другие элементы складывания оптического пучка, используемые для складывания различных оптических путей. Сканер пучка может быть пропускающим или отражающим. Помимо ретранслятора волнового фронта в отношении 1:1, может существовать оптическое увеличение или уменьшение волнового фронта из глаза к плоскости изображения промежуточного волнового фронта и к плоскости отбора изображения окончательного волнового фронта. Это означает, что фокусное расстояние всех линз, используемых для ретрансляции волнового фронта, могут иметь разные значения. Помимо двух каскадно соединенных 4-f ретрансляторов волнового фронта, может существовать больше каскадно соединенных 4-f или других ретрансляторов волнового фронта.
[00111] Благодаря тому, что плоскость B изображения промежуточного волнового фронта, показанная на фиг. 6, сопряжена с плоскостью объектного волнового фронта и плоскостью D изображения окончательного волнового фронта, компенсатор или элемент 689 смещения расфокусировки волнового фронта может располагаться на плоскости B и управляться электронной системой. Таким образом, систему датчика волнового фронта можно преобразовывать в адаптивную оптическую систему для различных других применений. Помимо просто полной компенсации общей аберрации волнового фронта, что обычно делается для адаптивной оптической системы, можно также частично или полностью компенсировать только одну или несколько из аберраций волнового фронта, чтобы оставшиеся нескорректированными аберрации волнового фронта могли проявлять себя более выразительно и, следовательно, чтобы их можно было точнее измерять. Например, степень сферической расфокусировки может возвращаться на компенсатор или элемент 689 смещения, который влияет на расхождение или схождение детектированного волнового фронта. Эта обратная связь может изменять измеренную расфокусировку таким образом, что образуется система замкнутого цикла, и методы управления замкнутого цикла могут использоваться для приведения расхождения или схождения измеренного волнового фронта к любому желаемому значению, наиболее вероятно, для приведения к значению, близкому к нулю, таким образом, чтобы волновой фронт был, по существу, плоским. Кроме того, информацию о знаке и степени расфокусировки можно использовать для регулировки линзы 637 с переменным фокусом, которая влияет только на расхождение или схождение пучка СЛД, для формирования системы управления открытого цикла.
[00112] Пространственная конфигурация элементов отбора частичного волнового фронта и соответствующих PSD не обязана размещаться с регулярным постоянным шагом или в формате кольцевой матрицы или прямоугольной матрицы, но может быть в любом формате. Например, может существовать две или более матрицы в виде кольцевого кольца, где элементы отбора частичного волнового фронта внешней кольцевой матрицы разнесены дальше, чем во внутренней(их) кольцевой(ых) матрице(ах).
[00113] Кроме того, поперечное положение PSD также может активно изменяться в соответствии с рефракционным состоянием глаза пациента. Например, в случае афакичного глаза, волновой фронт из глаза на плоскости роговицы является, в целом, относительно сильно расходящимся, и этот волновой фронт, будучи ретранслирован в плоскость изображения окончательного волнового фронта, также будет сильно расходящимся. В этом случае, если матрица элементов отбора частичного волнового фронта в виде кольцевого кольца используется для отбора ретранслированного волнового фронта, соответствующую кольцевую матрицу PSD можно перемещать в радиальном направлении наружу относительно матрицы элементов отбора частичного волнового фронта в виде кольцевого кольца таким образом, что, если ретранслированный волновой фронт является идеальным сферически расходящимся волновым фронтом, центроид изображения или светового пятна каждого отобранного частичного волнового фронта находится в центре или вблизи центра каждого соответствующего PSD. Таким образом, любое дополнительное отклонение наклона волнового фронта от воображаемого идеального сферически расходящегося волнового фронта можно детектировать с высокой точностью, поскольку для детектирования центроида используется только центральная часть каждого PSD. Кроме того, следует отметить, что матрица 320 или 620 элементарных линз (фиг. 3a и 6) может не быть абсолютно необходимой, как в случае датчика волнового фронта Хартмана-Шака в отличие от датчика волнового фронта Хартмана, поскольку матрица отверстий Хартмана также будет работать.
[00114] Кроме того, пространственный модулятор света (SLM) также может быть объединен с матрицей элементарных линз высокой плотности, и SLM может работать синхронно с источником света и также с матрицей PSD таким образом, что только выбранное количество апертур открывается поверх выбранного количества элементарных линз в течение периода работы источника света. Например, может открываться одна или более кольцевых матриц элементарных линз, и решение, какую кольцевую матрицу открывать, можно принимать в зависимости от значения сферической или расфокусирующей оптической силы объектного волнового фронта. Соответственно, будет собираться желаемая кольцевая матрица выборочных данных волнового фронта. Отбор вокруг только одной кольцевой матрицы даст только рефракционные нарушения, но не аберрации высоких порядков, которых будет достаточно для применений хирургии катаракты. Благодаря последовательному сканированию или открыванию разных элементарных линз, можно измерять аберрации высоких порядков.
[00115] Помимо детекторов регистрации положения поперечного действия и квадрантных детекторов/датчиков, можно использовать другие типы PSD, которые работают на достаточно высокой частоте и определяют положение центроида пятна изображения отобранного частичного волнового фронта. Например, каждый PSD может представлять собой кластер из 3 или более фотодиодов. Каждый PSD матрицы PSD также может представлять собой несколько кластеризованных пикселей высокоскоростного двухмерного датчика изображения, который имеет высокую частоту кадров, хотя такой датчик изображения, вероятно, будет дорогостоящим. Каждый PSD матрицы PSD также может представлять собой датчик изображения на основе КМОП, запрограммированный выводить только данные из определенного количества пикселей запрограммированной области, представляющей интерес (ROI), когда затвор работает в режиме глобальной экспозиции. В настоящее время, традиционный датчик изображения с большим количеством пикселей, в целом, может быть запрограммирован для вывода данных только из одной ROI. Однако это не означает, что в будущем не появится возможность одновременно выводить данные множественных ROI на достаточно высоких частотах кадров с глобальным управлением экспозицией. Когда эта возможность станет реальностью, можно будет непосредственно использовать единственный двухмерный датчик изображения для выделения соответствующей матрицы ROI, как если бы она была матрицей PSD действующий в режиме синхронного детектирования с достаточно высокой временно-частотной характеристикой. Время включения импульса можно синхронизировать с экспозицией камеры. Другими словами, источник света можно включать на короткое время, пока камера собирает свет. Альтернативно, источник на основе СЛД можно включать на немного большее время, чем время экспозиции камеры, чтобы эффективная длительность импульса определялась временем экспозиции камеры.
[00116] Помимо стандартного синхронного детектирования, для дополнительного снижения шума также можно применять двойной отбор. Например, источник света можно модулировать между ярким состоянием и темным состоянием. Матрица PSD может записывать сигнал пятен изображения, образованных путем фокусировки частичных волновых фронтов в ярком состоянии и также записывать фоновый сигнал в темном состоянии. Когда фоновый сигнал вычитается из сигнала, записанного в ярком состоянии, получается улучшенная оценка желаемого центроида пятен изображения. В одном примере, кластер или несколько кластеров пикселей датчика изображения на основе ПЗС/КМОП можно запрограммировать как одну или более областей, представляющих интерес (ROI), выступающих в роли матрицы PSD, и каждую ROI можно дополнительно разделить на подстроки и подстолбцы яркого состояния и подстроки и подстолбцы темного состояния. Каждую(ый) вторую(ой) подстроку и подстолбец можно отбирать в каждый второй яркий и темный период. Таким образом, яркого и темного отбора можно добиться с помощью одной и той же ROI или PSD на более высокой частоте кадров, поскольку для каждого кадра используется меньше пикселей. Одну половину пикселей в каждой ROI можно синхронизировать с импульсом “включения” света СЛД, и другую половину можно синхронизировать с импульсом “отключения” света СЛД.
[00117] Альтернативно, электронный сигнал от матрицы PSD можно отбирать на частоте, в десять или более раз превышающей частоту пульсации источника света, преобразовывать в цифровой сигнал и затем фильтровать цифровыми средствами. После преобразования в цифровой сигнал, также можно применять другие алгоритмы извлечения цифрового сигнала, например, фильтрацию по Калману.
[00118] Кроме того, помимо традиционной конфигурации 4-f или 8-f ретранслятора волнового фронта, показанной на фиг. 3a и 6, можно использовать любую оптическую конфигурацию ретранслятора волнового фронта, например, раскрытую в US20100208203.
[00119] К описанным иллюстративным вариантам осуществления также можно добавить другие функции. На Фиг. 8 демонстрирует вариант осуществления, в котором дихроичный или пропускающий длинные волны светоделитель 860 применяется для отражения, по меньшей мере, части света для формирования общего изображения глаза и фиксации глаза и для, по существу, пропускания инфракрасного света СЛД в ближнем спектральном диапазоне для регистрации волнового фронта. Дихроичный или пропускающий длинные волны светоделитель 860 должен иметь достаточно большое окно перехвата света, чтобы гарантировать, что волновой фронт из глаза в пределах желаемого диапазона измерения оптической силы глаза, полностью перехватывается, не испытывая возмущений на краю окна светоделителя.
[00120] Отражение дихроичного или пропускающего длинные волны светоделителя может выполнять две функции. Первой является направление света в видимом или ближнем инфракрасном участке спектра, возвращаемого из глаза, на датчик 862 изображения таким образом, чтобы оперативное изображение зрачка глаза можно было обрабатывать и отображать в различных целях, например, для помощи клиницисту в выравнивании глаза относительно датчика волнового фронта. Источником света, возвращаемого из глаза является источник света освещения, используемый, например, в хирургическом микроскопе, внешний свет в комнате или свет, излучаемый непосредственно из модуля датчика волнового фронта. Второй функцией является направление изображения видимой цели 864 фиксации в глаз пациента таким образом, чтобы глаз мог иметь цель, на которой фиксироваться, если такая фиксация необходима.
[00121] Кроме того, вдоль этого пути пучка отраженного света установлен малый светоделитель 866, который разделяет/объединяет световой пучок цели фиксации и световой пучок датчика изображения. Этот малый светоделитель 866 может иметь различные спектральные свойства. Например, он может быть простым широкополосным светоделителем 50:50, предназначенным для работы в видимом и/или ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Если же источник 864 света фиксации имеет относительно узкий спектр, то, для повышения оптической эффективности, спектр отражения этого малого светоделителя 866 можно согласовать со спектром фиксирующего источника для обеспечения хорошего отражения света фиксации и для пропускания остального спектра на датчик 862 изображения.
[00122] Линза 868 перед датчиком 862 изображения может быть предназначена для обеспечения желаемого оптического увеличения оперативного изображения передней части или радужной оболочки или зрачка глаза пациента на дисплее. Она также может быть динамической линзой, используемой, при необходимости, для регулировки фокусного расстояния, чтобы гарантировать, что плоскость датчика изображения сопряжена с плоскостью зрачка глаза, что позволяет получить отчетливое изображение зрачка глаза. Она также может быть линзой трансфокации, что позволяет клиницисту/хирургу использовать ее для фокусировки либо на роговицу, либо на сетчатку и, при желании, для изменения увеличения. Здесь также можно применять цифровую трансфокацию.
[00123] Линза 870 перед целью 864 фиксации может быть предназначена для снабжения глаза пациента комфортабельной целью фиксации желаемых размера и яркости. Ее также можно использовать для регулировки фокусного расстояния, чтобы гарантировать, что цель фиксации сопряжена с сетчаткой глаза, или для фиксации глаза на разных расстояниях или даже для затуманивания глаза, если это необходимо клиницисту/хирургу. Источник 864 света фиксации может вспыхивать или мигать или менять цвета с частотой, необходимой для отличения его, например, от света освещения хирургического микроскопа. Целью 864 фиксации может быть изображение, например, воздушный шар, освещенный сзади источником света, или микродисплей, который может отображать желаемые рисунки, включающие в себя матрицы точек, под управлением клинициста/хирурга. Кроме того, цель фиксации на основе микродисплея также можно использовать для предписания пациенту смотреть в разных направлениях, чтобы можно было генерировать карту аберраций глаза в виде 2D матрицы, которую можно использовать для оценивания зрительной активности нецентрального или периферического зрения пациента.
[00124] Цель фиксации, изображение передней части глаза, и/или другая информация также могут передаваться обратно в микроскоп и наблюдаться через окуляры (не показаны). Эта информация будет проецируемый коаксиально с линией наблюдения наблюдателя посредством дихроичного или светоделителя через ряд линз или физическое расстояние, которое будет компланарным рабочему расстоянию микроскопа или щелевых ламп.
[00125] Датчик 862 изображения может представлять собой черно-белый или цветной датчик изображения на основе КМОП/ПЗС, и источник света фиксации может представлять собой светодиод (СИД) красного или зеленого или другого свечения, выходная оптическая мощность которого динамически и/или вручную регулируется, на основании разных условий фонового освещения. Например, когда включен относительно сильный пучок освещение из хирургического микроскопа, яркость источника света фиксации можно увеличить, чтобы пациенту легче было найти цель фиксации и сосредоточиться на ней.
[00126] Помимо обеспечения оперативного изображения зрачка глаза, сигнал датчика изображения также можно использовать в других целях. Например, оперативное изображение может отображаться на индикаторе текущих показаний или отображаться на полупрозрачном микродисплее, встроенном в окуляр хирургического микроскопа.
[00127] Оперативное изображение можно использовать для детектирования размера и поперечной положения зрачка глаза. Когда установлено, что размер зрачка мал и/или переместился относительно датчика волнового фронт, механизм для выбора и/или отбора и/или сдвига волнового фронта может быть запущен с использованием информации от датчика изображения для отбора только области волнового фронта, центрированной на зрачке пациента. Другими словами, информацию о размере и местоположении зрачка можно использовать в режиме замкнутого цикла для автоматической и/или динамической регулировки и/или масштабирования отбора волнового фронта. Таким образом, активные апертуры отбора волнового фронта и/или сканер могут реализовать отслеживание направления взгляда. Эта способность непрерывно отслеживать зрачок с использованием внутренних регулировок и без перемещения датчика волнового фронта и/или хирургического микроскопа, к которому датчик волнового фронта присоединен или иным образом вмешивается в его использование, позволяет непрерывно измерять нарушение волнового фронта пациента посредством хирургической операции.
[00128] Сам датчик волнового фронта также может обеспечивают информацию для отслеживания зрачка, поскольку интенсивность света в отобранном волновом фронте падает на краю зрачка пациента, т.е. где радужная оболочка начинает блокировать свет возвращающийся от сетчатки. Таким образом, интенсивность, детектированная датчиком волнового фронта, может обеспечивать карту зрачка пациента, которую можно использовать для более точной центровки отбора волнового фронта на зрачке пациента.
[00129] Кроме того, информацию положения зрачка глаза, полученную либо от датчика изображения, либо от датчика волнового фронта, можно использовать для обеспечения сигнала обратной связи для приведения в действие сканирующего зеркала 880 для обеспечения пучка СЛД для сопровождения перемещения глаза таким образом, чтобы пучок СЛД всегда входил в роговицу из одного и того же назначенного местоположения роговицы, чтобы, например, зеркально отраженный пучок СЛД, возвращаемый роговицей, не попадал на PSD датчика волнового фронта. Пучок СЛД также может изображаться датчиком изображения для центрирования глаза или для намеренного смещения пучка СЛД от центра зрачка или для обеспечения обратной связи/наведения для определения положения глаза относительно пучка СЛД. Сканер 812 объектного пучка также можно настраивать, задавая правильное смещение для сопровождения перемещения зрачка глаза.
[00130] Кроме того, когда установлено, что на оптическом присутствуют препятствия пути, например, когда глаз промывается водой, или присутствуют оптические пузырьки, или веко, лицевая кожа, рука хирурга или хирургический инструмент или прибор находится в поле зрения датчика изображения и блокирует путь пучка ретрансляции волнового фронта, то данные волнового фронта можно отбрасывать для исключения “темных” или “ярких” данных и одновременно СЛД 834 можно отключать.
[00131] В некоторых иллюстративных вариантах осуществления, результат качественного и/или количественного измерения волнового фронта может накладываться на отображение оперативного изображения зрачка глаза, захваченного датчиком 862 изображения. Кроме того, результат измерения волнового фронта, накладывающийся на оперативное изображение зрачка глаза может обновляться с такой частотой, при которой существует малая задержка между любым изменением рефракционного состояния и отчетом об изменении рефракционного состояния, предоставленным датчиком волнового фронта. Этого обновления можно добиться путем усреднения детектированных данных волнового фронта по желаемому периоду и обновления результата качественного и/или количественного измерения, накладывающегося на оперативное изображение глаза, с желаемой частотой обновления, предпочтительной для хирурга.
[00132] Следует отметить, что датчик изображения может быть индивидуально встроен в конфигурацию, показанную на фиг. 3a или фиг. 6, чтобы работать независимо от цели фиксации. При этом, цель фиксации также может быть индивидуально встроена в конфигурацию, показанную на фиг. 3a или фиг. 6, чтобы работать независимо от датчика изображения.
[00133] Также следует отметить, что датчик волнового фронта иллюстративных вариантов осуществления может быть объединен с различными офтальмологическими приборами для измерений волнового фронта глаза. На Фиг. 9 показан один пример его интеграции с хирургическим микроскопом 910, что позволяет наблюдать глаза пациента, в то же время, непрерывно измеряя волновой фронт глаза. В этой интеграции, светоделитель 915 вставляется вдоль линии 903 наблюдения, от глаза пользователя микроскопа к глазу пациента, для создания второго оптического пути, связывающего систему 900 измерения волнового фронта и глаз 938 пациента. Предпочтительно, светоделитель 915 представляет собой дихроичный светоделитель отражающий ближний инфракрасный свет, в то же время, пропускающий основную часть видимого спектра к пользователю микроскопа.
[00134] Благодаря этой конфигурации, система 900 измерения волнового фронта может излучать свет, предпочтительно ближний инфракрасный свет, к сетчатке глаза 938 пациента, причем часть рассеянного света будет возвращаться от сетчатки к датчику волнового фронта. Точка рассеяния на сетчатке возвращает некоторый свет, с волновым фронтом 901, который ретранслируется в плоскость отбора волнового фронта системы 900 измерения волнового фронта, и его отклонения от плоскости или от внутренне искаженного волнового фронта модуля датчика волнового фронта, при наличии внутренней аберрации волнового фронта, свидетельствуют об аберрациях или рефракции глаза пациента.
[00135] На фиг. 10 показана интеграция раскрытого здесь датчика волнового фронта со щелевой лампой. Опять же, светоделитель 1015 может быть вставлен вдоль линии наблюдения 1003 от глаза пользователя щелевой лампы к глазу пациента, для создания второго оптического пути, связывающего систему 1000 измерения волнового фронта и глаз 1038 пациента. Заметим, что одну и ту же конструкцию датчика волнового фронта можно использовать в каждом применении, хотя другая конструкция с другим рабочим расстоянием и соответствующими изменениями также возможна в зависимости от требований конкретного офтальмологического прибора.
[00136] На практике предпочтительно использовать одну и ту же конструкцию датчика волнового фронта как со щелевой лампой для обследования пациента до и после операции, так и с хирургическим микроскопом в ходе рефракционной операции. Используемый здесь термин 'офтальмологический прибор' относятся к любому типу офтальмологического микроскопа и/или другого офтальмологического прибора, например, фундус-камеры. Предпочтительно, датчик волнового фронта не должен требовать особого выравнивание или фокусировки микроскопа или иного вмешательства в нормальное использование офтальмологического прибора.
[00137] Кроме того, иллюстративные варианты осуществления датчика волнового фронта также может быть объединен с фемтосекундным лазером или эксимерным лазером, который используется для LASIK или растрескивания естественного хрусталика а также рассечения/резания роговицы. Оперативное изображение глаза и сигнал волновой фронт можно объединять для указания, присутствует/ют ли в глазу или передней камере оптический(е) пузырек(и) или другая оптическая неоднородность, до, в ходе или после хирургической операции на глазу. Информацию волнового фронта также можно использовать для непосредственного управления процедурой LASIK в режиме замкнутого цикла.
[00138] Эти варианты осуществления также могут быть развернуты для измерения оптики, глазных очков или стекол, ИОЛ и/или управления устройствами резания/механической обработки, которые создают оптику.
[00139] Эти варианты осуществления также могут быть адаптированы к микроскопам для клеточного и/или молекулярного анализа или других метрологических применений. Иллюстративные варианты осуществления также можно использовать для ручного изготовления линз, выписывания очков, микробиологических применений и т.д.
[00140] Хотя различные иллюстративные варианты осуществления, которые опираются на принципы настоящего изобретения показаны и подробно описаны здесь, специалисты в данной области техники могут легко вывести различные другие варианты осуществления, также отвечающие этим принципам.