КОМПАКТНЫЙ МОДУЛЬ ДАТЧИКА ВОЛНОВОГО ФРОНТА И ЕГО КРЕПЛЕНИЕ ИЛИ ИНТЕГРАЦИЯ С ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКИМ ИНСТРУМЕНТОМ
WAVE FRONT SENSOR PACKAGE AND ATTACHING AND INTEGRATING IT WITH OPHTHALMIC INSTRUMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Один или более вариантов осуществления настоящего изобретения, в целом, относятся к офтальмологическим датчикам волнового фронта и, в частности, относятся к модулям датчиков волнового фронта и к их креплению или интеграции с офтальмологическим инструментом для хирургических операций по коррекции зрения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предмет, обсуждаемый в разделе, посвященном уровню техники, не должен предполагаться соответствующим предшествующему уровню техники просто из-за его упоминания в разделе, посвященном уровню техники. Аналогично, проблема, упомянутая в разделе, посвященном уровню техники, или связанная с предметом, упоминаемым в разделе, посвященном уровню техники, не должна предполагаться как ранее признанная в предшествующем уровне техники. Предмет, упоминаемый в разделе, посвященном уровню техники, просто представляет другие подходы, которые и сами по себе могут также быть изобретениями.
Датчики волнового фронта для офтальмологических применений обычно являются громоздкими и автономными настольными инструментами. Хотя были попытки объединить датчик волнового фронта с офтальмологическим инструментом, таким как система LASIK (см., например, US 6685319), офтальмологическая камера (см., например, US 6572230) и конфокальный сканирующий лазерный офтальмоскоп (см., например, US 7057806), для этих интегрированных систем, в целом, размеры были неважны. Поэтому не было необходимости делать модуль датчика волнового фронта предельно компактным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - типичная 4-F оптическая конфигурация реле (передачи) волнового фронта.
Фиг. 2 - оптическая конфигурация модуля датчика волнового фронта, соответствующая предшествующему уровню техники, когда модуль прикреплен к хирургическому микроскопу ниже окна объектива микроскопа.
Фиг. 3 - схема примерного варианта осуществления, в котором первая линза 4-F реле волнового фронта располагается в качестве передней линзы в оптическом входном порту модуля датчика волнового фронта и используется совместно с микроскопом.
Фиг. 4 - альтернативный примерный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором линза объектива микроскопа удалена и ее функция фокусировки полностью или частично выполняется совместно используемой передней линзой, расположенной во входном порту модуля датчика волнового фронта.
Фиг. 5 - другой альтернативный примерный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором модуль датчика волнового фронта содержится в корпусе микроскопа и путь прохождения при просмотре в микроскопе изменен.
Фиг. 6 - рабочий чертеж примерного варианта осуществления, показанного на фиг. 5.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ОБЗОР
Теперь будут подробно рассмотрены различные варианты осуществления изобретения. Примеры этих вариантов осуществления показаны на сопроводительных чертежах. Хотя настоящее изобретение будет описано на основе этих вариантов осуществления, следует понимать, что не предполагается ограничивать изобретение любым из этих вариантов осуществления. Напротив, оно предназначено охватывать альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут содержаться в рамках сущности и объема изобретения, как оно определено приложенной формулой изобретения. В последующем описании изложены многочисленные конкретные подробности, чтобы предоставить полное понимание различных вариантов осуществления. Однако настоящее изобретение на практике может быть реализовано без некоторых или без всех этих конкретных подробностей. В других случаях известные операции процесса не описываются подробно, чтобы они без надобности не заслоняли собой сущность настоящего изобретения. Дополнительно, каждое появление выражения "примерный вариант осуществления" в различных местах в описании не обязательно относится к одному и тому же примерному варианту осуществлению.
Одним из вариантов осуществления настоящего изобретения является компактный модуль датчика волнового фронта, который должен прикрепляться или объединяться с офтальмологическим инструментом, таким как хирургический микроскоп для обследования глаз и/или для операций по коррекции зрения, содержащий: переднюю линзу, являющейся первой линзой реле волнового фронта, расположенной в оптическом входном порту модуля датчика волнового фронта; дихроичный или с коротким путем прохождения разделитель/объединитель луча, выполненный с возможностью разрешения большей части света, предназначенного для офтальмологического инструмента, пропускать и отражать волновой фронт пучка обычно в ближней инфракрасной области на путь реле волнового фронта; и компенсирующую линзу, выполненную с возможностью передачи спектра света, предназначенного для офтальмологического инструмента, и/или компенсации влияния на оптический просмотр офтальмологического инструмента и/или на луч, введенный передней линзой; в котором передняя линза используется совместно модулем датчика волнового фронта и офтальмологическим инструментом.
Другим вариантом осуществления настоящего изобретения является офтальмологическое устройство для измерения оптических свойств глаза, содержащее: офтальмологический инструмент с его первоначальной линзой объектива и компактный датчик волнового фронта, выполненный с возможностью прикрепления или объединения с офтальмологическим инструментом, в котором датчик волнового фронта содержит переднюю линзу, являющуюся первой линзой реле волнового фронта, расположенного в оптическом входном порту модуля считывания волнового фронта; и разделитель луча, выполненный с возможностью разрешения большей части света, предназначенного для офтальмологического инструмента, проходить и отражать обычно волновой фронт луча в ближней инфракрасной области от глаза на путь прохождения к реле волнового фронта; в котором передняя линза используется совместно модулем датчика волнового фронта и офтальмологическим инструментом.
Одна из задач настоящего изобретения состоит в создании модуля датчика волнового фронта, более компактного, чем существующие конструкции. Другая задача настоящего изобретения заключается в перекрытии большого диапазона диоптрий для измерения волнового фронта, необходимого для офтальмологической операции, такой как рефракционная операция коррекции зрения при катаракте. Обе задачи решаются в варианте осуществления, приведенном в качестве примера, путем расположения первой линзы реле датчика волнового фронта настолько близко к глазу пациента, насколько это физически возможно, при этом все же позволяя хирургу выполнять офтальмологическую операцию, такую как коррекция зрения и/или рефракционная хирургическая операция, как она обычно делается, без какого-либо изменения в эргономике.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны специалистам в данной области техники после рассмотрения последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления вместе с сопроводительными чертежами.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним или более примерными вариантами осуществления, первая линза для переключения волнового фронта с глаза пациента на плоскость осуществления выборки волнового фронта располагается в качестве совместно используемой передней линзы в оптическом входном порту модуля датчика волнового фронта или офтальмологического инструмента. Эта конфигурация позволяет сделать общую длину оптического пути для переключения волнового фронта с глаза на плоскость осуществления выборки волнового фронта относительно короткой и диапазон изменения ширины волнового фронта луча для перекрытия желаемого диапазона диоптрий для измерения волнового фронта также относительно малым. Следовательно, физические размеры или конструктив модуля датчика волнового фронта могут быть сделаны очень компактными, сохраняя при этом перекрытие желаемого диапазона диоптрий для измерения волнового фронта.
В последние годы стало понятно, что существует необходимость в датчике волнового фронта, работающем в реальном времени, чтобы обеспечивать обратную связь в реальном времени для различных операций по коррекции зрения, таких как усовершенствование LRI/AK, Laser Enhancement, и рефрактивная хирургия и хирургия катаракты. Простой способ объединения датчика волнового фронта с существующим офтальмологическим инструментом, таким как хирургический микроскоп, состоит в прикреплении или интеграции модуля датчика волнового фронта рядом с объективом офтальмологического инструмента или введении датчика волнового фронта в офтальмологический инструмент. В целом, чтобы минимизировать влияние модуля датчика волнового фронта на оптическую траекторию просмотра офтальмологического инструмента и минимизировать сложность прикрепления/интеграции, такой модуль датчика волнового фронта конструируется без линзы, совместно используемой датчиком волнового фронта и офтальмологическим инструментом (см., например, US 7883505).
Однако такой модуль датчика волнового фронта может страдать ограниченным диапазоном диоптрий для измерений и/или потерей оптической энергии или ухудшением отношения "сигнал-шум". Дополнительно, если физический размер модуля датчика волнового фронта является слишком большим, он может влиять на технику обычного ведения операции хирургом по коррекции зрения.
В свете вышесказанного, в технике существует необходимость в компактном модуле датчика волнового фронта, который, когда прикреплен или интегрирован с офтальмологическим инструментом, таким как хирургический микроскоп, не будет влиять на обычную технику хирурга при операции по коррекции зрения или на эргономику, и одновременно обеспечит достаточно большой диапазон диоптрий для измерений, чтобы перекрыть потребности, требующиеся для операций по коррекции зрения, которые могут возникнуть в месте проведения операции или при обследовании глаз.
Чтобы оценить преимущества установки первой линзы реле (передачи) волнового фронта насколько близко к глазу пациента, насколько это физически возможно, рассмотрим сначала пример 4-F оптической конфигурации реле волнового фронта, показанной на фиг. 1, с траекторией луча волнового фронта, раскрытой для простоты объяснения.
В типичном датчике волнового фронта, используемом для измерения аберрации волнового фронта человеческого глаза, волновой фронт от плоскости зрачка глаза пациента или роговицы обычно передается в плоскость считывания или осуществления выборки волнового фронта, используя известный принцип 4-F передачи один раз, два раза или многократно (см., например, J. Liang, et al. (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; J.J. Widiker, et al. (2006) "High-speed Shack-Hartmann wavefront sensor design with commercial off-the-shelf optics," Applied Optics, 45(2), 383-395; US 7654672). Такая 4F релейная система будет сохранять информацию о фазе падающего волнового фронта, в то же время позволяя перемещать его без наносящих ущерб эффектов распространения. Кроме того, образуя афокальную систему получения изображения, использующую две линзы с различными фокусными расстояниями, чтобы реализовать 4-F реле, реле может позволить увеличение или уменьшение падающего волнового фронта с соответствующим уменьшением или увеличением схождения или расхождения падающего волнового фронта (см., например, J.W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, 2nd ed. McGraw-Hill, 1996).
В примере, показанном на фиг. 1, первая линза 4-F реле имеет диаметр 40 мм и эффективное фокусное расстояние 200 мм, что является типичным фокусным расстоянием (или рабочим расстоянием, т.е. расстоянием между окном входного светового потока и глазом пациента) стандартного офтальмологического хирургического микроскопа. Глаз располагается в передней фокальной плоскости первой линзы 4-F реле волнового фронта или около нее. Плоскость преобразования Фурье 4-F реле волнового фронта в задней фокальной плоскости первой линзы, и передняя фокальная плоскость второй линзы 4-F реле волнового фронта показаны вертикальной пунктирной линией, обозначенной заглавной буквой А. В этом примере вторая линза 4-F реле волнового фронта имеет диаметр 30 мм и эффективное фокусное расстояние 80 мм. Переключаемая плоскость изображения волнового фронта 4-F реле волнового фронта в задней фокальной плоскости второй линзы показана вертикальной пунктирной линией, обозначенной заглавной буквой В. Благодаря разности в эффективном фокусном расстоянии этих двух линз, используемых в конфигурации 4-F реле волнового фронта, реплика или изображение падающего волнового фронта со стороны глаза оптически уменьшается в поперечном размере в 200/80=2,5 раза, как это известно специалистам в данной области техники.
Как можно видеть на фиг. 1, когда глаз является эмметропическим и, следовательно, фронт волны со стороны глаза близок к тому, чтобы быть плоским, луч света от глаза является относительно узким и параллельным лучом как показано сплошными линиями лучей света. Если зрачок глаза имеет диаметр, например, 5 мм, то луч составит приблизительно 5 мм в диаметре. Точная форма луча также зависит от размера пятна рассеяния света на сетчатке, который является функцией луча света (как правило, луча света суперлюминесцентного диода (SLD), который не показан на фиг. 1), попадающего в глаз, чтобы создать волновой фронт. После прохождения через первую линзу 4-F реле волнового фронта, луч волнового фронта со стороны глаза будет фокусироваться на оптической оси в первой плоскости преобразования Фурье, где он будет преобразовываться из сходящегося луча в расходящийся луч. Луч повторно коллимируется второй линзой 4-F реле волнового фронта и диаметр луча снижается до 2 мм из-за разницы в эффективном фокусном расстоянии этих двух линз, используемых в 4-F реле волнового фронта.
Если глаз является афакическим или в высшей степени гипермитропическим или в высшей степени миопическим, то волновой фронт со стороны глаза далее будет не плоским, а сильно расходящимся или сходящимся. Другими словами, луч от глаза более не будет относительно параллельным лучом; вместо этого, он будет либо сильно расходящимся, либо сильно сходящимся коническим лучом. Для типичных применений при рефракционной хирургии катаракты желаемый диапазон диоптрий, который должен перекрываться интраоперационным датчиком волнового фронта, должна быть от гипермитропических +30D до миопических -20D (мы определяем расходящийся волновой фронт от глаза как имеющий положительное значение диоптрий и сходящийся волновой фронт от глаза как имеющий отрицательное значение диоптрий).
Более короткие пунктирные световые лучи на фиг. 1 показывают случай расходящегося волнового фронта со значением диоптрий +30D, представляющий нормальную афакию (с типичным значением гиперметропическим значением диоптрий +20D) плюс дополнительное значение +10D за счет дальнозоркости, связанной с роговицей. Как можно видеть, когда расходящийся конический луч от глаза, представленный световыми лучами, обозначенными пунктиром с более короткими штрихами, проходит к первой линзе, он будет попадать на первую линзу и изменяться с сильно расходящегося луча на слабо сходящийся луч. Фактически, если зрачок глаза составляет в диаметре 5 мм и волновой фронт от глаза имеет гиперметропическое диоптрийное значение +30D, это эквивалентно расходящемуся лучу в свободном пространстве, приходящему от точечного источника, расположенного на расстоянии 33,3 мм позади плоскости зрачка глаза или на расстоянии 233,3 мм от первой линзы 4-F реле волнового фронта. Этот сильно расходящийся конический луч ограничивается 5-миллиметровым зрачком глаза на расстоянии 33,3 мм от местоположения точечного источника, чтобы сформировать сильно расходящийся конический луч, достигающий местоположения первой линзы 4-F реле волнового фронта, и будет иметь в диаметре 35 мм. Когда луч достигнет плоскости А преобразования Фурье, ширина луча составит в диаметре 30 мм. Когда луч достигнет второй линзы, ширина луча составит 28 мм.
Световые лучи на фиг. 1, обозначенные пунктиром с более длинными линиями, показывают луч с сильно миопическим волновым фронтом -20D, то есть, сильно сходящийся конический луч от глаза, который будет сходиться в точку после прохождения глаза на расстоянии 50 мм и преобразовываться в сильно расходящийся конический луч, как показано световыми лучами, обозначенными пунктиром с более длинными штрихами. Поскольку этот луч с волновым фронтом, соответствующий -20D, является более узким, чем луч, соответствующий +30D, на большей части траектории луча реле волнового фронта, кроме как вблизи конца плоскости осуществления выборки волнового фронта, то этот луч, соответствующий +30D, определяет диаметр линзы, требующейся для установки на пути прохождения всего конуса света.
Следует отметить, что в дополнение к сферической рефракционной ошибке или расфокусировке, другие оптические аберрации глаза, такие как астигматизм, несимметричная аберрация и трилистник будут заставлять луч, приходящий от глаза, более не быть коническим, но максимальная ширина луча все равно будет определяться размером зрачка глаза и экстремальным(и) или кумулятивным(и) диоптрийным(и) значением(ями) на некоторой меридианной плоскости.
Из приведенного выше обсуждения можно видеть, что для данного размера зрачка глаза и диапазона диоптрий, который должен быть перекрыт, может быть определен диапазон изменений угла раствора конуса луча. Чтобы достигнуть высокой разрешающей способности при измерениях, желательно захватывать весь свет волнового фронта, возвращенный от глаза с помощью первой линзы. Соответственно, в зависимости от того, как далеко находится первая линза от глаза, этот диапазон изменений угла раствора конуса луча определит диаметр первой линзы. Кроме того, расстояние от глаза до первой линзы будет также определять фокусное расстояние первой линзы согласно требованию 4-F реле волнового фронта и, следовательно, в свою очередь, влиять на общую длину оптического пути 4-F реле волнового фронта.
На фиг. 2 показан пример оптической конфигурации модуля датчика волнового фронта, прикрепленного к хирургическому микроскопу (см., например, US 7883505). Источник видимого света, связанный с хирургическим микроскопом, излучает видимый свет, освещающий глаз пациента, и воспроизводящий луч микроскопа возвращается от глаза пациента к объективу хирургического микроскопа. Луч SLD также освещает глаз пациента светом в ближней инфракрасной (NIR) области и луч считывания волнового фронта возвращаются от глаза пациента на детектор датчика волнового фронта.
В этой конфигурации первая линза для передачи луча волнового фронта устанавливается после оптического входного окна и разделителя/объединителя луча, который передает луч просмотра микроскопа и отклоняет в сторону луч считывания волнового фронта, и поляризационного разделителя луча (PBS), используемого для отражения s-поляризованного луча суперлюминесцентного диода (SLD) луч к глазу и пропускания р-поляризованного луча волнового фронта от глаза к остальной части датчика волнового фронта. Первая линза 4-F реле ориентирована вертикально внутри корпуса датчика волнового фронта. Ориентация первой линзы требует, чтобы высота (толщина) корпуса датчика волнового фронта была больше, чем диаметр первой линзы.
Если рабочее расстояние офтальмологического хирургического микроскопа будет таким же, как фокусное расстояние объектива микроскопа и составлять приблизительно 200 мм, как мы обсудили со ссылкой на фиг. 1, то первая линза будет находиться на расстоянии приблизительно 250 мм от глаза (расстояние от глаза до разделителя/объединителя луча, добавленное к расстоянию от разделителя/объединителя луча до первой линзы), учитывая также существование PBS. Предполагая, что сохраняется то же самое отношение 2,5 между фокусным расстоянием первой линзы и фокусным расстоянием второй линзы 4-F реле волнового фронта, вторая линза должна иметь фокусное расстояние 100 мм. Следовательно, общая длина прохождения реле волнового фронта составит (250×2+100×2)=700 мм.
Кроме того, когда луч волнового фронта с гиперметропией +30D от 5-миллиметрового зрачка глаза достигает первой линзы, его ширина составит 42,5 мм, благодаря увеличенному расстоянию от глаза (250 мм вместо 200 мм), и поэтому требуется линза, имеющая диаметр по меньшей мере 42,5 мм, чтобы перекрыть весь конус света, излучаемого глазом. Учитывая тот факт, что первая линза расположена вертикально, что означает, что для установки этой линзы необходимо дополнительное вертикальное пространство и что, учитывая 85% открытой апертуры и коммерческую доступность имеющихся в наличии линз, наиболее вероятно должна использоваться линза диаметром 50 мм, высота модуля датчика волнового фронта в вертикальном местоположении первой линзы реле волнового фронта наиболее вероятно должна быть больше 50 мм.
Эта оптическая конфигурация не использовала совместно линзу между траекторией луча волнового фронта и траекторией луча просмотра микроскопа и, таким образом, имеет то преимущество, что модуль датчика волнового фронта минимально влияет на оптический луч просмотра микроскопа. Кроме того, при установке первой линзы 4-F реле волнового фронта после PBS для направления луча SLD к глазу первая линза также не влияет на луч SLD. Однако эти преимущества достигаются за счет увеличенного физического размера модуля датчика волнового фронта. Дополнительно, если для уменьшения высоты/толщины модуля датчика волнового фронта используется первая линза меньшего диаметра, то тогда диапазон диоптрий для измерения или отношение сигнал-шум уменьшается.
Вследствие того факта, что большинство хирургов катаракты предпочитают, привыкли и обучены действовать в большем рабочем пространстве между линзой объектива хирургического микроскопа и глазом пациента, то, таким образом, желательно поддерживать высоту датчика волнового фронта как можно меньшей, в то же время сохраняя возможность перекрытия достаточно большого диапазона диоптрий для измерений волнового фронта, и не изменять или не взаимодействовать с эргономикой хирурга или его персонала.
На фиг. 3 схематично показан пример одного из вариантов осуществления модуля датчика волнового фронта, который компактен и также имеет большой динамический диапазон с минимальной потерей оптической энергии луча волнового фронта от глаза.
На фиг. 3 модуль датчика волнового фронта содержит корпус 30, имеющий верхнюю и нижнюю поверхности 32 и 34 и внутреннюю часть 36, в которой располагаются первая и вторая линзы 38 и 40 4-F реле, дихроичный или с коротким путем прохождения разделитель 42, разделитель 43 поляризованного луча и детектор 44. Корпус 30 содержит первое оптическое окно 4 6 в нижней поверхности 34 и второе оптическое окно 48 в верхней поверхности 32. Первое и второе оптические окна выровнены так, что первая оптическая траектория 50 сформирована между первым и вторым окнами 46 и 48, что позволяет свету, возвращающемуся от глаза пациента проходить через корпус 30 к объективу хирургического микроскопа. Компенсационная линза 52 располагается во втором оптическом окне 48 и дихроичный или с коротким путем прохождения разделитель 42 располагается на первой оптической траектории 50.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, дихроичный или с коротким путем прохождения разделитель 42 отражает луч переднего фронта света в ближней инфракрасной области, а также некоторый свет для получения изображения, проходящий вдоль второй оптической траектории 54. 4-F реле пропускает фронт волны от глаза пациента к плоскости 56 осуществления выборки волнового фронта. Детектор 44 (вместе с некоторыми другими оптическими элементами, такими как элементарная линза или массив элементарных линз или решетка, которые не показаны) делает выборку и обнаруживает волновой фронт, передаваемый к плоскости 56 осуществления выборки волнового фронта.
В этом примерном варианте осуществления во вторую траекторию 54 также вставляется разделитель 60 луча для получения изображения. Разделитель 60 луча для получения изображения направляет по меньшей мере некоторую часть света для получения изображения, отраженного от дихроичного или с коротким путем прохождения разделителя 42 луча к датчику 64 изображения, такому как камера CCD/CMOS, через линзу или набор 66 линз. Датчик 64 изображения обеспечивает компланарное видеоизображение или статическое изображение глаза пациента. Дополнительно, разделитель 68 луча фиксации направляет изображение мишени 70 фиксации, сформированное линзой или набором 72 линз, вдоль обратной траектории к глазу пациента.
В этом примерном варианте осуществления линза объектива микроскопа установлена так, как если бы она находилась в корпусе микроскопа и первая линза 4-F реле волнового фронта помещается в самом первом оптическом входном порту модуля датчика волнового фронта. Первая линза совместно используется хирургическим микроскопом и модулем датчика волнового фронта.
Преимуществами установки этой первой линзы 4-F реле волнового фронта настолько близко, насколько возможно к глазу пациента, является то, что: (1) первая (передняя) линза 4-F реле волнового фронта имеет самое короткое фокусное расстояние, которое удовлетворяет требованиям 4-F реле волнового фронта, и (2) общая длина траектории прохождения луча волнового фронта внутри модуля волнового фронта сокращается.
Кроме того, для определенного диапазона диоптрий для измерения глаза, который должен перекрываться для определенного размер зрачка глаза, диапазон диаметра конуса луча волнового фронта, когда достигается эта передняя линза, уменьшается, потому что первая (передняя) линза 4-F реле находится ближе к глазу и поэтому высоту модуля волнового фронта можно уменьшить. Эти уменьшения физического размера, объединенные с дополнительным свертыванием траектории луча волнового фронта, могут сделать модуль датчика волнового фронта очень компактным. Дополнительно, поскольку всегда существует потребность в модуле датчика волнового фронта, чтобы иметь оптическое окно в этом месте, в некоторых примерных вариантах осуществления передняя, совместно используемая линза может служить двойной цели быть как окном, так и первой линзой 4-F реле волнового фронта.
Теперь можно приблизительно сравнить физические размеры модуля датчика волнового фронта, изображенного на фиг. 3, и модуля датчика волнового фронта, соответствующего предшествующему уровню техники, показанного на фиг. 2. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, если рабочее расстояние офтальмологического хирургического микроскопа остается тем же самым, что и фокусное расстояние объектива микроскопа и составляет приблизительно 200 мм, как описано для фиг. 1, то первая линза может теперь находиться на расстоянии приблизительно 170 мм от глаза. Вновь предположим, что между фокусным расстоянием первой линзы и фокусным расстоянием второй линзы должно поддерживаться то же самое отношение 2,5. Так как первая линза теперь имеет фокусное расстояние только 170 мм вместо 250 мм, как на фиг. 2, вторая линза теперь должна иметь фокусное расстояние 68 мм вместо 100 мм, как на фиг. 2. Поэтому полная длина пути прохождения реле волнового фронта будет (170×2+68×2)=476 мм вместо 700 мм в примере, показанном на фиг. 2, что является уменьшением физической длины 4-F реле волнового фронта, изображенного на фиг. 3, по сравнению с примером, показанным на фиг. 2 (700-476)/700=32%.
С точки зрения высоты модуля волнового фронта, с тем же самым гиперметропическим лучом +30D от 5-миллиметрового зрачка глаза, достигающим первой линзы, ширина луча на первой линзе в варианте осуществления, показанном на фиг. 3, составит 30 мм вместо 42,5 мм, как в примере на фиг. 2. Это подразумевает, что после того, как сильно расходящийся луч волнового фронта фокусируется совместно используемой передней линзой, чтобы стать немного сходящимся, и отклоняется вбок, его диаметр составит менее 30 мм. Заметим, что так как в варианте осуществления, показанном на фиг. 3, первая линза лежит горизонтально, ее диаметр не будет влиять на высоту модуля датчика волнового фронта. Даже, предполагая, что совместно используемая передняя линза и компенсирующая линза будут иметь некоторую толщину, эта толщина не будет существенно отличаться от конфигурации примера, показанного на фиг. 2. Если мы принимаем 5-миллиметровое дополнительное увеличение толщины совместно используемой линзы и верхней компенсационной линзы по сравнению с входным оптическим окном, показанным на фиг. 2, высота модуля датчика волнового фронта, показанного на фиг. 3, составит приблизительно 35 мм вместо 50 мм, как это имело бы место на фиг. 2. Поэтому возможная экономия с точки зрения высоты модуля датчика волнового фронта составит приблизительно (50-35)/50=30%.
Как и в примере, показанном на фиг. 2, дихроичный или с коротким путем прохождения разделитель/объединитель луча, как показано на фиг. 3, используется для отклонения с высокой эффективностью луча SLD с волновым фронтом, вызванного в ближней инфракрасной области, к остальной части модуля датчика волнового фронта, в то же время позволяя большей части видимого света проходить к хирургическому микроскопу. Следует заметить, что остальная часть модуля датчика волнового фронта, как показано на фиг. 3, является только лишь одним из представлений множества потенциальных оптических конфигураций, которые, возможно, могут использоваться. Таким образом, интерпретация модуля датчика волнового фронта должна охватывать все возможные конфигурации датчика волнового фронта, в том числе, например, трассировку Гартманна-Шейка, Тальбота-Море, Гартманна-Море, трассировку с фазовым разнообразием и трассировку с лазерным лучом. По существу, детектор должен также интерпретироваться в широком смысле, чтобы содержать все возможные средства обнаружения и осуществления выборки волнового фронта, пока детектор эффективно обнаруживает наклон(ы) волнового фронта в переключаемой плоскости изображения волнового фронта. Например, детектор может быть единым детектором бокового действия, квадрантным детектором или датчиком/камерой CCD/CMOS с установкой позади переменной апертуры, как раскрыто в US 7445335 и US 7815310.
Компенсационная линза над дихроичным или с коротким путем прохождения разделителем/объединителем используется для выполнения нескольких функций. Во-первых, чтобы гарантировать, что на хирургическое представление, которое должно быть сформировано и представлено хирургу хирургическим микроскопом, оказывается минимальное влияние из-за совместного использования передней линзы, эта компенсационная линза может быть спроектирована так, чтобы компенсировать эффект совместно используемой передней линзы (первой линзы 4-F реле волнового фронта), так чтобы, по существу, хирургу представлялось эквивалентное хирургическое микроскопное представление. Во-вторых, компенсационная линза может также служить в качестве верхнего оптического окна, чтобы физически герметизировать модуль датчика волнового фронта. Дополнительно, компенсационная линза может также быть оптически покрыта или обработана, чтобы позволить проходить только видимому спектру света. Таким образом, часть спектра освещающего света в ближней инфракрасной области и ультрафиолетовой области, идущая от микроскопа, не будет попадать на глаз пациента, чтобы создавать какой-либо световой шум за счет обратного фона для глаза в ближней инфракрасной области, который может попадать в модуль датчика волнового фронта, вводя его в насыщение или понижая динамический диапазон детектора датчика волнового фронта, или создавать фоновый шум. Кроме того, компенсационная линза также уменьшает экспозицию потенциально вредных спектральных компонент как для хирурга, так и для пациента. Дополнительно, компенсационная линза или оптическое окно могут также обслуживать функцию направления освещающего света от хирургического микроскопа к глазу пациента, если на траекторию освещающего луча влияет совместно используемая передняя линза.
Следует заметить, что в примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, первоначальная линза объектива хирургического микроскопа сохраняется в корпусе микроскопа и не удаляется. Как альтернатива, линза объектива хирургического микроскопа может быть удалена и ее фокусирующая функция может полностью или частично обслуживаться совместно используемой передней линзой во входном порту модуля датчика волнового фронта, как показано на фиг. 4. Компенсационная линза 52, как показано на фиг. 4, может быть разработана таким образом, чтобы обеспечивать желаемую компенсацию для предоставления хирургу, по существу, того же самого микроскопного хирургического представления, а также обслуживать другие функции, как обсуждалось выше. Более конкретно, компенсационная линза может быть оптическим окном только с участком окна, имеющим свойство изгиба света так, чтобы освещающий свет из офтальмологического инструмента мог быть перенаправлен к глазу пациента, если путь прохождения освещающего луча изменяется в результате удаления первоначальной линзы объектива микроскопа и установки совместно используемой передней линзы во входном порту модуля датчика волнового фронта.
В дополнение к креплению модуля датчика волнового фронта ниже микроскопа, та же самая концепция использования компенсационной линзы для компенсации влияния на путь микроскопного просмотра в результате совместного использования линзы может также быть распространена на случай, в котором датчик волнового фронта вводится в микроскоп, хотя при этом может появиться необходимость соответственно модифицировать или изменить путь микроскопного просмотра. На фиг. 5 показан такой альтернативный вариант осуществления модифицированного хирургического микроскопа, в котором первоначальная линза объектива микроскопа сохраняется как есть и используется в качестве совместно используемой передней линзы.
Рефракционная хирургия очень точна, и рефракционные хирурги потратили годы, развивая зрительно-моторную координацию, требующуюся для выполнения микроскопической хирургии глаза. Во время этого процесса операции положение рук хирурга относительно глаз хирурга обычно фиксируется или сохраняется в пределах предпочтительного диапазона. Важным аспектом конструкции дизайна хирургического микроскопа является то, что он не должен требовать, чтобы хирург изменял положение рук для приспосабливания к физическим размерам микроскопа.
В типичном стереоскопическом хирургическом микроскопе после линзы 38 объектива имеются два порта/пути стереоскопического просмотра со связанными с ними оптическими элементами. В стандартном стереоскопическом хирургическом микроскопе эти порты просмотра располагаются близко к линзе объектива и позади нее. В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 5, существующая конструкция стандартного хирургического микроскопа модифицирована, чтобы объединить хирургический микроскоп и датчик волнового фронта в едином корпусе. Как описано ниже, примерный вариант осуществления, показанный на фиг. 5, позволяет сохранить ранее разработанные оптические компоненты хирургического микроскопа, такие как объектив и порты стереопросмотра и связанные с ними оптические элементы, так чтобы эти компоненты не требовалось перепроектировать, когда датчик волнового фронта объединяется со стереоскопическим хирургическим микроскопом.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, датчик волнового фронта интегрируется в корпус стереоскопического хирургического микроскопа и высота стереоскопического хирургического микроскопа не увеличивается, так что установка датчика волнового фронта не влияет на расположение рук хирурга. Поскольку высота стереоскопического хирургического микроскопа не увеличивается, рабочее расстояние, например, 200 мм, не затрагивается, и первоначальная линза объектива стереоскопического хирургического микроскопа используется в качестве передней линзы 4-F реле. Поскольку в этом примере фокусное расстояние первой линзы в 4-F реле составляет 200 мм, 4-F реле формируется, как показано на фиг. 1.
На фиг. 5 датчик волнового фронта содержит первую и вторую линзы 38 и 40 4-F реле, дихроичный или с коротким путем прохождения разделитель 42 луча, поляризационный разделитель 43 луча и детектор 44. Корпус стереоскопического хирургического микроскопа содержит входное оптическое окно 461 и линзу объектива, которая функционирует так же, как и первая линза 38 4-F реле, и располагается во входном окне 461. Компенсационная линза 52 располагается так, чтобы компенсационная линза 52, дихроичный или с коротким путем прохождения разделитель 42 луча и первая линза 38 были выровнены, чтобы сформировать первую оптическую траекторию 50 между ними. Изогнутая оптическая траектория 53 проходит от пары портов 531 стереоскопического просмотра, которые были смещены относительно положения позади линзы объектива в положение позади компенсационной линзы к паре стереоскопических окуляров 541. Изогнутая оптическая траектория 53 содержит оптические элементы, содержащиеся в первоначальной оптической траектории стандартного немодифицированного стереоскопического хирургического микроскопа, и имеет ту же самую оптическую длину, так чтобы первоначальные оптические элементы могли быть сохранены.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, дихроичный или короткий разделитель 42 луча отражает луч волнового фронта вдоль второй оптической траектории 54. 4-F реле передает волновой фронт глаза к плоскости 56 осуществления выборки волнового фронта. Детектор 44 (вместе с некоторыми другими оптическими элементами, такими как элементарная линза или массив элементарных линз или решетка, которые не показаны) производит выборку и обнаруживает фронт волны, переданный в плоскость 56 осуществления выборки волнового фронта, чтобы позволить измерения волнового фронта.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, порты стереопросмотра были смещены относительно линзы объектива на расстояние, примерно равное длине первой оптической траектории 50. Компенсационная линза 52 функционирует, чтобы скомпенсировать эффект, вызванный этим смещением, так чтобы микроскопное представление, предоставленное хирургу, было, по существу, тем же самым, как если бы порты стереоскопического просмотра находились в их первоначальном положении позади линзы объектива. Использование компенсационной линзы 52 и изогнутой траектории 53 позволяет сохранить ранее разработанные компоненты стереоскопического хирургического микроскопа.
Альтернативно, хирургический микроскоп с интегрированным датчиком волнового фронта может иметь новую конструкцию с компенсационной линзой и другими оптическими компонентами, формирующими изогнутую оптическую траекторию, не основанную на существующей конструкции.
На фиг. 5 представлена схематическая диаграмма, вычерченная не в масштабе, служащая для иллюстрации работы примерного варианта осуществления. На фиг. 6 показан блочный чертеж, отображающий более реалистическое представление примерного варианта осуществления интегрированного хирургического микроскопа/датчика волнового фронта, использующего признаки, описанные выше со ссылкой на фиг. 5.
Здесь следует заметить, что для вариантов осуществления, показанных на фиг. 3, 4 и 5, поскольку передняя линза используется совместно, то, вообще говоря, она должна пропустить как видимый спектр света, так и спектр света в ближней инфракрасной области. Предпочтительно, она не должна вносить дополнительные оптические аберрации в луч волнового фронта. Хорошим выбором для этой линзы является ахроматическая линза, предназначенная для пропускания как видимого спектра, так и спектра в ближнем инфракрасном диапазоне. Как альтернатива, может также использоваться асферическая ахроматическая линза для желаемого диапазона длин волн.
Учитывая тот факт, что перед второй линзой 4-F реле может использоваться узкополосный фильтр, чтобы отфильтровать любой нежелательный свет вне спектра SLD, вторая линза может быть разработана для функционирования только выше диапазона спектра ближней инфракрасной области SLD и тоже может быть асферической линзой.
Следует также заметить, что поскольку передняя совместно используемая линза лежит горизонтально внутри модуля датчика волнового фронта или корпуса микроскопа, нет абсолютной необходимости использовать малый диаметр для этой совместно используемой передней линзы. Ее диаметр может быть больше, так чтобы только центральная часть линзы использовалась для траектории луча просмотра и траектории луча волнового фронта, в то время как внешняя часть может использоваться для должного направления освещающего луча от офтальмологического микроскопа к глазу пациента. Кроме того, PBS для направления луча SLD к глазу может быть установлена где угодно после дихроичного или с коротким путем прохождения разделителя/объединителя, хотя может быть необходимо соответственно формировать луч SLD. SLD не должен работать в ближнем инфракрасном диапазоне и, соответственно, разделитель/объединитель луча не должен быть дихроичным или с коротким путем прохождения или, альтернативно, он может быть типичным разделителем/объединителем луча типа узкополосного фильтра или другого типа.
Следует также заметить, что 4-F реле волнового фронта является только примером различных возможных оптических конфигураций реле волнового фронта. Могут использоваться и другие конфигурации, такие как раскрытая в US 20100208203, которая содержит три линзы, с рассеивающей линзой, расположенной между двумя собирательными линзами. Дополнительно, различные средства могут использоваться между переключаемой плоскостью осуществления выборки волнового фронта и детектором для обнаружения выбранных наклонов волнового фронта или других свойств, таких как интенсивность. Примеры содержат использование элементарной линзы, массива элементарных линз, решетки, реле для получения изображений и т.д. Детектор может быть любого типа, в том числе, одно- или двумерной детекторной матрицей, такой как датчики изображения CCD/CMOS, детекторы считывания положения с боковым эффектом, квадродетекторы и т.д.
Раскрытые здесь примерные варианты осуществления модуля датчика волнового фронта могут прикрепляться или интегрироваться или вводиться в состав множества других офтальмологических микроскопов для широкого диапазона применений. Например, модуль датчика волнового фронта может быть прикреплен к биомикроскопу со щелевой лампой для измерения волнового фронта глаза в дополнение к обследованию глаз, основанному на щелевой лампе. Он может также быть интегрирован с другими микроскопами для коррекции зрения, таких как система LASIK для хирургии глаза.
Хотя различные варианты осуществления, содержащие принципы настоящего изобретения, были здесь подробно показаны и описаны, специалисты в данной области техники могут легко разработать много других различных вариантов осуществления, которые все еще используют эти принципы. Соответственно, изобретение ограничивается только так, как предусмотрено в приложенной формуле изобретения.