帶有離軸照明的波前傳感器的制作方法

專利名稱：帶有離軸照明的波前傳感器的制作方法
背景技術：
本發明涉及一種波前傳感器，如用于眼睛波前像差的傳感器，更具體地說，是一種沿著眼睛視軸外的光路照射視網膜時能夠避免角膜反射的傳感器。本發明進一步涉及一種用這種離軸照明感測波前的方法。
在現有技術中都知道為了眼內手術和接觸透鏡的加工這類目的去測定人眼的波前像差。這種測定公開于例如Liang等“對Hartmann-Shack波前傳感器用戶的人眼波像差的客觀評價”，《美國光學協會雜志》(Journal of the Optical Society of America)，第11卷，第7期，1994年7月7日第1-9頁。來自激光二極管或其他光源的光束直射進瞳孔并入射到視網膜上。由于視網膜的高度吸收，經視網膜反射并從瞳孔中出射回比初始光束暗約四個數量級的光束。一般，入射和出射光都走相同的光路；用光束分離器將入射光線引入相同光路中。
將出射光束作用到Hartmann-Shack檢測器上來測定像差。這種檢測器包括一排小透鏡，它們能夠將光線分解成一排光點并將這些光點聚焦在電荷偶合檢測器或其他二維空間的光線檢測器上。給每個光點定位，從而測定它離開無波前像差時所應占據位置的位移，并且這些光點的位移使波前重建，由此測定像差。
在J.Liang和D.R.Williams，“正常人眼的像差和視網膜圖像的質量”，《美國光學協會雜志》(Journal of the Optical Society ofAmerica)，第4卷，第11期，1997年11月11日第2873-2883頁和Williams等的美國專利US 5,777,719中教導了對Liang等的技術的改進。Williams等教導了測定像差和使用像差的技術，用該技術為眼科手術和眼內和接觸透鏡的制作進行測試。而且，與Liang等1994年的文章中的技術所不同的是這些參考文獻中的技術適合于自動化。
以上所描述的技術包括沿著眼睛視軸照明眼睛。結果，由視網膜反射回的光線與干擾測定的雜散反射混合在一起。更具體地說，雜散反射在Hartmann-Shack傳感器中所形成的一排亮點中顯示為假性亮點。
在波前傳感器中的這種雜散反射有多種來源。要特別注意的是來自視網膜和光束分離器之間的光學元件的反射。這類元件一般包括眼睛的光學結構和光束分離器和眼睛之間的一組透鏡。來自表面而不是視網膜的背射比照明光束弱，但卻比視網膜反射回的弱信號亮。
在眼睛的光學結構中，背射亮到足以形成問題的唯一表面是角膜的第一面(外面)。這種反射在能量上與來自視網膜的反射類似，所以對波前感測來說是相當有害的，尤其是如果檢測器中的光點矩心是自動計算的。
Liang與Williams和Williams等中所教導的除去角膜反射的一種公知方法是使用偏振光束分離器來除去來自光束分離器和視網膜之間各表面的反射光。因為這些表面保留了入射其上的光線的線性偏振，所以透鏡反射和角膜反射都被消除。但是，也丟失了從視網膜上反射回的很多光線。只有視網膜反射回的消偏振光線是可以用于測定波前像差的，而這些光線僅占視網膜反射回的總光線的30％左右。而且，消偏振后的光線含有很多的空間干擾。還有另外的問題是經過眼睛的光學結構，主要是角膜的雙折射進入光點陣列的強度是不均勻的。
除去來自光束分離器和眼睛之間的所有光學結構的反射并同時增加來自視網膜的信號的其他已知方法包括就在眼睛前方使用偏振的光束分離器，結合使用四分之一波長(λ/4)的平板。德國公布的專利申請DE4222 395A1教導了這種技術。該技術可以使視網膜反射回的絕大部分光線都能到達檢測器，由此提高了光點的質量，同時消除了由眼睛雙折射所引起的光點亮度的差異。它還消除了來自透鏡的背射。但是，不會除去角膜反射，所以就象沒有偏振透鏡一樣麻煩。
剛才描述的兩種技術的其他問題是偏振光束分離器和λ/4平板的成本。在價格敏感的經濟環境中，理想的是減去這些成本。
所以，本發明的目的是滿足這些需求。
為了實現上述目的和其他目的，本發明涉及一種能夠離軸照明眼睛的波前傳感器。沒有被角膜反射回的光線作用到視網膜上并且由視網膜反射回的光線通過透鏡和角膜返回。因此，光線聚焦在不同于角膜反射所經的光路上。全部的視網膜反射可以被使用，并用簡單、經濟、非偏振的光片如光闌能夠除去角膜反射。
用于照明眼睛的光束相當窄，例如直徑在1-1.5mm左右，并在角膜的小區域中交錯，這樣進一步減少了角膜反射到檢測器的回路上的可能性。另外，也能夠增加聚焦在視網膜上的小光點的折射范圍。一般，照明光束偏移眼睛視軸小于1mm就能夠完全除去角膜反射。
照明光束優選在可能的距眼前最近的位置引入光路例如在眼睛的正前方放置光束分離器。這樣，就避免了來自透鏡的背射，因為在光束分離器和視網膜之間唯一的元件是角膜。
即使在眼睛的正前方放置了光束分離器，也可能使用相同元件調整照明光束的焦距和出射光束的焦距。這樣做的一種方法是用安裝在滑動裝置上的反光鏡提供折疊光路。反光鏡放置在照明光束到達光束分離器前的照明光束的光路中和出射光束的光路中。這樣，移動滑動裝置可以將兩束光線聚焦。
當需要適應不同患者的眼睛時，在垂直(或，更一般地說，非平行的)于它的出射方向的方向移動光源。
本發明可以用于包括眼睛的波前測定或包括照明視網膜的任何步驟。這類步驟包括，但不限定為，自動折射、接觸透鏡或眼內透鏡的設計、屈光手術和適應性光學結構的視網膜成像。當想到本發明用于人眼的同時，也能夠開發與獸醫或與非眼有關的裝置。


圖1是顯示實施本發明的優選方案的基本光學概念的原理圖。
圖2-4是顯示優選方案的波前傳感器光學元件安置的原理圖；和圖5和6分別是按照優選方案和現有技術所得到的試驗結果。
優選方案的詳細描述圖1顯示了用來照明患者眼睛E的視網膜的基本系統100的概況，用于解釋優選方案中所涉及的光學原理。激光光源102如激光二極管向光束分離器104發射光束L1，光束分離器可以是平行的板狀光束分離器、厚板光束分離器、棱柱光束分離器、半鍍銀鏡或其他適當的光束分離器。光束分離器104優選是90％透射而反射10％，盡管需要時能夠用其他比率。放置激光光源102和光束分離器104，使光線L1偏離眼睛E的視軸A撞擊到眼睛E上。這樣，從眼睛E的角膜C反射回的光束L2是在視軸A外反射的。剩余的光線在眼睛E的視網膜R上形成了激光信標B。因為眼睛E的光學結構，從眼睛E的視網膜R反射回的光束L3從眼睛E中出射并通過光束分離器104。然后光束L3穿過透鏡106、光闌108和透鏡110到Hartmann-Shack檢測器112，其中的光闌108使經視網膜反射回的光束L3通過同時阻擋從角膜反射回的光束L2。正如本領域所公知的，檢測器112包括小透鏡的陣列114，在CCD上或其他適當的二維檢測器116上聚集光束L3作為一排光點L4。
圖2-4用剛剛參考圖1所解釋的光學原理顯示了第二代系統200。如上所示，圖2顯示了從上面觀察的系統200的下層202，而圖3顯示了從上面觀察的系統200的上層204，圖4顯示了從右側所見的系統200的202、204兩層。
如圖2所示，在下層202中，將激光二極管206安裝在水平位置的支架208上。這種位置的目的在下文加以解釋。從二極管206發射的光束沿著象L1一般所指定的下層的光路穿過透鏡210和212。光束用角鏡214反射并通過透鏡216到將光束向上反射的透鏡218。
如圖3所示，在上層204中，平行板狀光束分離器220接收透鏡218向上反射的光束并使光束沿著象L1一般所指定的上層光路直射。光路LU是以非常簡化的方式顯示的；圖1的上述討論將提供給本領域技術人員理解真實光路所需的條件。光束以參考圖1上述所解釋的方式照明眼睛E。由眼睛E的視網膜R所反射回的視網膜反射光束通過光束分離器220和透鏡222返回。然后視網膜反射光束由角鏡224反射，穿過透鏡226到包括小透鏡陣列230和CCD檢測器232的Hartmann-Shack檢測器228。當然，光闌也可以放置在光路LU的適當位置上，例如在透鏡222的焦距上。根據設置，可用單一透鏡取代反光鏡214和224。
入射光束的直徑是適當數值例如1.5mm。小直徑增加了視網膜上的焦距長度，這樣放松了把光線精確聚焦在患者上的要求。
小直徑也保證了視網膜上的光點衍射的限制。入射光束應當不小于小透鏡陣列的小透鏡直徑左右。否則，進入光束的衍射明顯使CCD上的光點模糊。
進入的光束在瞳孔中從角膜極偏離該光束直徑一半以上的距離，以分離角膜和視網膜反射，由此避免角膜反射的影響，優選偏移1mm左右。距離可以隨著對象的不同而變化，并因為進入光束直徑小，所以可以小于1mm。距離可以用支架208改變，支架208能夠稍微平移二極管206及其校準光學器件。平移二極管206及其校準光學器件高達1mm的能力是可以滿足的。由角膜的反射光線可以被透鏡222散射并校準，從而可用放置在透鏡222焦距處的光闌或其他適當光學元件將其阻擋。
在眼睛E前可能的最近位置放置光束分離器220能夠避免其他光學元件的背射。這樣安排使得照明光束避免了其他光學元件，因為在光束分離器220和視網膜R之間的唯一物體就是角膜C。
來自光束分離器的普通反射能夠用旋轉的光束分離器立方體或厚片狀的光束分離器避免。不必要從眼睛位置的圖像中減去沒有眼睛位置的圖像來除去分散光線，正如現有技術中經常所需要的那樣。
如圖4所示，將反光鏡214和224連接到滑動機械裝置234上，從而將反光鏡214和224作為一個剛體移動能夠改變系統200的光路長度。反光鏡214和224可相互軸向移動。滑動機械裝置234的移動x距離改變了各水平202、204光路長度2x的距離和作為整體的系統200的光路長度4x的距離。
滑動機械裝置的其他優點是它同時使進入光束聚焦在視網膜上并且使用相同裝置，使得出射光束聚焦在CCD陣列上，也就是說，滑動裝置234支承著反光鏡214和224。由于反光鏡214在光束到達光束分離器220前的照明光束的光路上而反光鏡224在出射光束的光路上，滑動裝置234的移動會改變兩種光束的光路長度，由此調節兩種光束的焦距。滑動裝置234就這樣提供著經濟和方便。
在系統200中能夠提供雙滑動裝置。例如，另一個反光鏡(沒有顯示)可以安裝在反光鏡214和224的對面，使光束有另外一種穿過系統的通路。帶有這樣的安排中，滑動裝置234移動x距離會改變總光路長度8x距離。
在圖5和6中顯示了試驗結果。圖5顯示了按照本發明離軸照明，沒有偏振光束分離器但有發射波長λ＝790mm的SLD的光源進行的試驗結果。圖6顯示了用常規軸上照明、帶有偏振的光束分離器但沒有λ/4平板并且使用發射波長λ＝633mm的He-Ne激光光源所進行的試驗結果。兩種結果都是在下列條件下得出的對6.7mm瞳孔直徑無力調整、500ms的照射時間、10μW的入射激光功率和1.5mm的入射光束直徑。
圖5和6的對比顯示出本發明在光通量和光點質量上提供了很大改善。在圖5中顯示的光點圖案比圖6的有更好的強度均勻性并且平均光點強度高于圖6的四倍。實際上，在這兩方面，圖5的光點圖案與用偏振光束分離器和λ/4平板所獲得的相當，沒有技術缺陷。單一非偏振的光束分離器220帶有或不帶λ/4板都比現有技術的偏振技術所需的光學元件的成本更低，它可以是平行的板狀光束分離器等。使用透射與反射比大于1的光束分離器可以進一步增加可利用的光線。
本發明表現出了許多優點。避免背射對眼睛和其他光學結構的有害作用，由此使得儀器更耐用并且操作軟件更容易。偏振作用不會降低光點圖像的質量，從而提高了精確度。通過率高于現有技術，從而在相同程度的照明能夠獲得更好的信號，這樣患者有相同程度的舒適和安全性。從另一方面看，降低照明光的強度也能夠獲得與現有技術相同的信號，這樣也改善了患者的舒適和安全性。帶有足夠亮度的二極管的板狀光束分離器可以選擇它的透射與反射的比率來幾乎把來自視網膜的全部光線透射到CCD陣列中。由于不需要偏振光片，所以降低了成本。
在上述闡述優選實施方案時，看過本發明說明書的本領域技術人員將會想到在不脫離本發明的范圍內實現其他技術方案。例如，為了改善光路長度和緊密性，光路可以增加另外的倍數并增加固定目標和瞳孔照相機。光源也能夠以空間上分離視網膜和角膜反射的任何方式放置，例如選擇適當的入射角。所以，本發明應當只用所附的權利要求作為限定性解釋。
權利要求
1.一種照射眼睛視網膜的方法，該方法包括相對于眼睛放置光源，使其發出的光線經眼角膜反射后沿著第一種光路傳播，并使得經視網膜反射后的來自光源的光線沿著第二種光路傳播，第二種光路與第一種光路在空間上是分離的；和用光源照射視網膜。
2.權利要求1的方法，進一步包括提供一種能夠使沿著第二種光路傳播的光線通過而阻擋沿著第一種光路傳播的光線的光闌。
3.權利要求1的方法，其中光源是激光二極管。
4.權利要求1的方法，其中光源發射光束；和所述的放置步驟包括放置光源，使其光束偏離眼睛視軸入射到眼睛上。
5.權利要求4的方法，其中把光源放置在視軸外足以使由角膜反射回的光線和由視網膜反射回的光線分開的距離。
6.權利要求1的方法，進一步包括用檢測器接收視網膜反射回的光線；和用檢測器測定眼睛的波前像差。
7.權利要求6的方法，其中檢測器是Hartmann-Shack檢測器。
8.權利要求1的方法，其中所述照明步驟包括用非偏振的光束分離器使來自光源的光線直射到眼睛中。
9.權利要求8的方法，其中非偏振光束分離器是立方體形狀的光束分離器。
10.權利要求8的方法，其中非偏振光束分離器是平板形狀的光束分離器。
11.一種照射眼睛視網膜的系統，該系統包括光源，相對于眼睛放置，使其所發出的光線經眼角膜反射后沿著第一種光路傳播，并使得經視網膜反射后的來自光源的光線沿著第二種光路傳播，第二種光路與第一種光路在空間上是分離的；和光學元件，能夠接收沿著第二種光路傳播的光線。
12.權利要求11的系統，其中光學元件包括能夠使沿著第二種光路傳播的光線通過而阻擋沿著第一種光路傳播的光線的光闌。
13.權利要求11的系統，其中光源是激光二極管。
14.權利要求11的系統，其中光源發射光束并且被放置在使其所發射的光束偏離眼睛視軸入射到眼睛中。
15.權利要求14的系統，其中光源被放置在視軸外足以使由角膜反射回的光線和由視網膜反射回的光線分開的距離。
16.權利要求11的系統，其中光學元件包括檢測器，放置在能夠接收視網膜反射回的光線的位置，用于測定眼睛的波前像差。
17.權利要求16的系統，其中檢測器是Hartmann-Shack檢測器。
18.權利要求11的系統，進一步包括能夠使來自光源的光線直射到眼睛中的非偏振光束分離器。
19.權利要求18的系統，其中非偏振光束分離器是立方體形狀的光束分離器。
20.權利要求18的方法，其中非偏振光束分離器是平板形狀的光束分離器。
21.一種測定光學元件的波前像差的方法，它包括相對于光學元件放置光源，使其發出的光線經光學元件反射后沿著第一種光路傳播，并使得經光學元件透射后的來自光源的光線沿著第二種光路傳播，第二種光路與第一種光路在空間上是分離的；用光源照射光學元件；用檢測器接收沿著第二種光路傳播的光線；和用檢測器測定波前像差。
22.一種測定光學元件波前像差的系統，該系統包括光源，相對于光學元件放置，使其所發出的光線經光學元件反射后沿著第一種光路傳播，并使得經光學元件透射后的來自光源的光線沿著第二種光路傳播，第二種光路與第一種光路在空間上是分離的；和檢測器，能夠接收沿著第二種光路傳播的光線并能夠測定波前像差。
全文摘要
照射視網膜,接收由視網膜反射回的光線,并用Hartman－Shack檢測器(112)或其他檢測器測定像差,以測定眼睛的波前像差。照明光線(102)是作用于眼睛(A)的視軸的眼睛上。由角膜反射回的光線和由視網膜反射回的光線是按不同方向傳播的。前一種光線用光闌(108)阻擋同時后一種光線通過光闌到檢測器。
文檔編號A61B3/10GK1384720SQ00814577
公開日2002年12月11日 申請日期2000年10月20日 優先權日1999年10月21日
發明者D·R·威廉姆斯, G·Y·永 申請人:羅切斯特大學