CN101365932A - 循序波前传感器 - Google Patents

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Abstract

一种循序波前传感器，其中含有一光束扫描模块、一子波前聚焦透镜、一具有一个以上的光敏(photosensitive)区域的侦测器，以及一处理器，其用以计算出距这些子波前的数个聚焦光点的经循序获得的中心点(centroids)，由此决定该输入波前的偏差(aberration)。一种循序波前感测方法，其中包含如下步骤：将数个子波前循序地投射(projecting)在一子波前聚焦透镜与一具有多于一光敏区域的侦测器上，计算该距各个子波前的聚焦光点的中心点，以及处理该中心点信息以决定该输入波前的偏差。特别是，一种用于自动对焦及/或自动散光校正作业的方法，其中包含如下步骤，即将数个绕于一波前的轮型环(annular ring)的子波前循序地投射在一子波前聚焦透镜及一侦测器上；计算该聚焦光点距各子波前的中心点，以算出该中心点迹线(trace)并因此产生失焦及/或散光性现象；调整位于该波前传感器之前的光学影像***的失焦及/或散光现象，因而将该所测得的失焦及/或散光现象最小化。

Description

循序波前传感器
背景技术
波前传感器是用于测量一光束的波前形状的装置(例如参见US4141652)。在多数情况下，一波前传感器可测量一波前自一参考波前或一理想波前，像是一平面波前，的离开情形。一波前传感器可用来测量各种光学成影***，像是人眼，的低阶与高阶偏差两者(参见J.Liang等人(1994)的「Objective measurement of the wave aberrations of the humaneye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor」，J.Opt.Soc.Am.A 11，1949年-1957年；T.Dave(2004)的「Wavefront aberrometryPart 1：Current theories and concepts」，Optometry Today，2004年11月19日，第41-45页)。此外，一波前传感器亦可运用于调适性光学，其中可测量出经扭曲的波前，并且利用例如一像是可变形反射镜的光学波前补偿装置而按实时方式予以补偿。而此补偿作业的结果即为能够获得一锐利影像(例如参见US5777719)。
目前，多数为测量因人眼的偏差所设计的波前传感器为Shack-Hartmann型式，其中会将所测得波前按一平行格式同时地分割成多个子波前。此一传感器的基本组件包含一光源或输入光束、一微小透镜数组(称为小透镜数组)，以及一相机或是一些其它用以记录该小透镜数组所构成的光点影像的样式及位置(又称为中心点)的装置。
图1显示一用于人眼偏差测量作业的示范性现有技术Shack-Hartmann传感器。一般说来是会使用一SLD(超亮度二极管)102作为光源，并且透过人眼光学组件(包含角膜104及水晶透镜106)，将光线递送至网膜108上的一相当微小的区域处。而来自于该网膜108的散射光线横向经过该眼部的光学成影***(包含该角膜104及该水晶透镜106)，并且自瞳孔浮现如一偏差波前110。为压制来自于该角膜104以及其它像是，除该网膜108以外，该水晶透镜106的光学接口的光线干扰，所输入的相当狭窄光束通常是被一第一偏光器112按一第一方向所偏光。给定经该网膜所散射的光线为远较去偏光，故通常是会以一第二正交分析器114按一第二正交偏光方向来测量该网膜散射光线。
可利用一其中含有一组透镜的中继光学***，即如该116者，以将该偏差波前放大或去放大或仅传透在一小透镜数组118上。若该小透镜数组118是在一瞳孔共轭平面(该瞳孔的一影像平面)内，则在该小透镜平面处的波前将与在眼睛瞳孔处的波前形状等同，或者将为其一经放大或去放大的版本。接着，该小透镜数组118在该CCD相机120上构成出一点状影像数组。若该眼睛确为一完美光学***，则在该小透镜数组平面处的波前会为完美平坦(即如由该虚线122所示者)，并且会由位于该小透镜数组的焦点平面处的CCD相机120记录下一均匀分布的影像点数组。
然另一方面，若该眼睛并非完美，则在该小透镜数组处的波前124将不再是完美地平坦，同时将具有不规则的弯曲形状。从而，该CCD相机120上的点状影像将会偏离于对应到无偏差情况下的位置。透过该CCD相机120上的影像点位置的数据处理，可决定出该眼睛的低阶及高阶偏差两者(例如参见J.Liang等人的「Objective measurement of the waveaberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shackwave-front sensor」，J.Opt.Soc.Am.A 11，1949-1957)。
波前传感器虽可测量出一光学成影***的低阶及高阶偏差两者，然对于像是人眼的非静态成影***而言，既已显示只有对应到自该眼睛的中央部分处所测量出的球形-圆柱误差的低阶偏差才会相当地一致(例如参见Ginis HS等人的「Variability of wavefront aberration measurements insmall pupil sizes using a clinical Shack-Hartmann aberrometer」，BMCOphthalmol，2004年2月，11；4：1)。
实作上，对于多数的眼睛偏差测量与校正作业，以及对于多数的眼底成影光学***而言，需要进行测量且校正的光学偏差即为球形-圆柱误差(又称为失焦和散光)。熟谙本项技术的人士众知可利用绕于该输入波前的一轮状环的微少数量子波前以测量出这些偏差。在此一情况下，将会废弃掉大部分的CCD相机读取值。而为要节省成本，可在绕于一偏差波前的轮状环处排置数个(通常是8或16个)四分侦测器，用以仅须对于这些子波前进行测量(例如参见US4141652，兹将该案，连同于其它所引述的参考文件，依其整体而按参考方式并入本专利申请案)。
不过，此种排置方式仍会需要使用多个四分侦测器，这些虽共集地比起大区域的CCD相机而较不昂贵，然其成本仍会较一单一四分侦测器为高。此外，数个四分侦测器的校齐作业比起一单一四分侦测器亦将是远较困难。
附图说明
图1显示一用于眼睛偏差测量作业的示范性现有技术Shack-Hartmann传感器。
图2显示一循序波前传感器的具体实施例的示范性略图。
图3显示一经复制波前在4个非对称位置处的相对放射及方位角平移，此者对应于4个由一绕于该原始波前的轮状环的孔径所选择的子波前。
图4显示该循序波前传感器的一替代性具体实施例，其中该反射光束被该扫描反射镜导引至侧边，而非初始地经导引至朝后。
图5显示该循序波前传感器的另一替代性具体实施例，其中使用一透光性的光束扫描仪。
图6显示该循序波前传感器的又另一替代性具体实施例，其中可循序地将数个具有不同所欲空间指向的平行光学区块切换至该光束路径内，用以按横向方式平移该光束。
图7显示一具有四个光敏区域A、B、C及D的四分侦测器，以及在该四分侦测器上对于一正常入射子波前与一非正常入射波前的影像点。
图8显示多项良好成焦、失焦及散光的代表性情况，在该四分侦测器上于一子波前聚焦透镜之后的相关影像点样式，以及当显示于一监视器上时相对应的中心点位置的循序移动。
图9描绘一***，其中一高速焦点调整光学组件或模块是按一封闭回路控制方式由一高速马达所驱动，由此将该光学***维持为成焦状态。
图10描绘一***，其中该中心点迹线的旋转条件可用来作为一封闭回路控制***中的反馈以旋转两个圆柱形透镜，由此控制并校正散光问题。
主要组件符号说明
102                   SLD(超亮度二极管)光源
104                   角膜
106                   水晶透镜
108                   网膜
110                   偏差波前
112                   第一偏光器
114                   第二正交分析器
116                   中继光学***
118                   小透镜数组
120                   CCD相机
122                   虚线(完美平坦性)
124                   波前
200                   循序波前传感器
202                   波前
204                   第一透镜
206                   偏光光束分割器(PBS)
208                   四分波平板
210                   针孔
212                   扫描反射镜
214                   马达轴
216                   第二透镜
218                   孔径
220                   子波前聚焦透镜
222                   位置感测装置
302                   复制波前
304                   复制波前
306                    复制波前
308                    复制波前
310                    孔径
312                    子波前
314                    子波前
316                    子波前
318                    子波前
320                    轮形环
400                    组态
412                    多面鼓状反射镜
512a                   透光性光束扫描仪
512b                   透光性光束扫描仪
518b                   孔径
612a                   光学区块
612b                   光学区块
618a                   孔径
618b                   孔径
702                    四分侦测器
704                    影像点
706                    影像点
801                    平面波
802                    子波前
803                    影像点
804                    四分侦测器
805                    中心点迹线
806                    监视器
809                    箭头
811                    发散输入波前
812                   子波前
813                   影像点
814                   四分侦测器
815                   中心点迹线
816                   监视器
817                   顶部位置
818                   箭头
821                   收敛输入波前
822                   子波前
823                   影像点
824                   四分侦测器
825                   中心点迹线
826                   监视器
827                   底部位置
828                   箭头
829                   箭头
831a                  垂直方向发散波前
831b                  水平方向收敛波前
833a                  垂直子波前
833b                  水平子波前
835                   中心点迹线
836                   监视器
837                   顶部位置
838                   箭头
1030                  圆柱形透镜
1031                  圆柱形透镜
具体实施方式
现将详细地参照于本发明的各式具体实施例。这些具体实施例的范例是于所附图式中所说明。本发明虽为经并同于这些具体实施例所描述，然应了解此非为以将本发明限制于任何具体实施例。相反地，目的是为以涵盖可经纳入于如权利要求中所定义的本发明精神与范围内的各种替代、修改及等同项目。在底下说明中列述出众多特定细节，由此供以通彻了解各种具体实施例。然而，无这些特定细节的部分或整体亦可实作本发明。在其它实例里，并未对众知的处理程序操作加以描述，由此避免非必要地模糊本发明。
本发明的一具体实施例即为一循序波前传感器，其中含有一光束扫描模块、一子波前聚焦透镜、一具有一个以上的光敏区域的侦测器，以及一处理器，其用以计算出距这些子波前而经循序获得的聚焦光点的中心点，由此决定该输入波前的偏差。在此本发明具体实施例里，该子波前聚焦透镜及该侦测器在空间上是经固定，并且以该光束扫描模块扫描一输入光束，用以将不同的波前部分从一输入光束或该波前的复制项，循序地投射至该子波前聚焦透镜及该侦测器。该处理器可为一计算机或一可程序化电子板，而能够用以计算出在一x-y平面上的中心点迹线或样式。
图2显示一该循序波前传感器200的具体实施例的示范性略图。一具有波前202的线性偏光输入光束被该第一透镜204所聚焦。该聚焦光束横向经过一偏光光束分割器(PBS)206，此者所经排置的方式是为使得其穿通偏光方向与该入方光束的偏光方向相对齐。因此，线性偏光敛聚光束将会通过该PBS 206。一四分波平板208是经放置在该PBS 206的后方而具快速轴向，因此在穿过该四分波平板208之后即出现一圆形偏光光束。一针孔210是经设置在该四分波平板208的后方而正对面着该扫描反射镜212，其目的是用以排除不是直接地来自于该光束的所欲波前的光线。
该输入敛聚光束在通过该针孔210之后，即被聚焦于一倾斜扫描反射镜212的反射表面上，此者是经架置于一马达轴214上。该反射镜所反射的光束为发散，而其光束中央主射线则被改变至一根据该扫描反射镜212的倾斜角以及该马达214的旋转位置而定的方向。可预期的是该反射光束仍为圆形偏光，然该圆形偏光的旋转方向则会被从左旋改变成右旋，或者是从右旋改变成左旋。从而，当在其回返路径上第二次通过该四分波平面208时，该光束会再度地成为线性偏光，然其偏光方法旋转至一相对于该原始入方光束为正交的方向上。因此，在该偏光光束分割器206处，该回返光束多数将会是反射回到左方，即如图2中的虚线光线射线所示者。
一第二透镜216经放置在次于该PBS 206的左方，用以平行校齐该反射发散光束，并以产生一该原始输入波前的复制项。由于该扫描反射镜的倾斜性之故，因此该复制波前会依横向方式而平移。一孔径218是经设置在该第二透镜216的后方，而正面对着该子波前聚焦透镜220，由此选择该复制波前的一微小部分。该子波前聚焦透镜220将所选定的子波前聚焦于一位置感测装置222上，此者是用来决定自这些经循序选定的子波前所产生的经聚焦光点的中心点。藉由按照步进方式以旋转该马达214并且改变该扫描反射镜212的倾斜角，即可控制该复制波前的放射及方位角平移的量值，使得能够选择该复制波前的任何部分而按一循序方式穿过该孔径218。因此，可将该原始入方光束的整体波前特征描述如对于一标准Hartmann-Shack波前传感器的情况，而除了现在是以一循序，而非平行，的方式来获取各个子波前的中心点以外。
在另一具体实施例里，该扫描反射镜的倾斜角为固定，并且该马达为连续地按多个步阶而旋转。因此，将仅会选择并特征描述绕于该波前的轮形环的选定数量个子波前。这种扫描模式对于决定出该原始波前的球形-圆柱误差，或是失焦及散光，极为有用，即如在「发明背景」一节所讨论者。图3显示这些复制波前(302、304、306及308)在各次旋转的4个对称性停止马达位置处而相对于该孔径310的放射及方位角平移，其中各者是对应于该孔径310绕于该原始波前的一轮形环320所选择的4个子波前(312、314、316、318)。
可了解到，即针对于所使用的组件而言，确可存在多项变化项目而不致悖离本发明范围。例如，四分波平板可为一非零阶的四分波平板，并且可将该者替换为一法拉第旋转器，而此装置可将一回返光束的偏光方向旋转至一正交方向。同时，该输入光束并非必须为经线性偏光，并且无需将该光束分割器限制为一偏光光束分割器。可使用一常用的光学术分割器，同时在此一情况下，可将该四分波平面或法拉第旋转器移除。虽对于该侦测器的光学功率效益会被降低，然此并不必然地会影响到该波前传感器的效能，只要是将足够的光学功率递送至该侦测器即可。
该位置感测装置(PSD)是一传感器，此者是用以测量一按各种尺寸的光点的中心点。该位置感测装置可为，然不限于此，一四分侦测器、PSD传感器，或是一具有多个光敏区域，像是一微小区域2D侦测器数组，的侦测器。此等侦测器包含该CCD区域侦测器以及该CMOS区域侦测器。这些所用透镜，包含204、216、220在内，各者并非必须受限于一单一透镜，并且可为一透镜组合，即如熟谙该项技术的人士所广知者。而若是该子波前聚焦透镜是如一单一小透镜般微小，则可将在该子波前聚焦透镜前方的孔径移除。否则，最好是需要一孔径，并且该孔径的目的是为以在当位于该孔径后方所使用的子波前聚焦透径为相对庞大时，可选择该波前的一微小部分以供聚焦在该侦测器上。该孔径并非必要地受限于此一具固定大小的组态。一可变大小孔径可供在其操作过程中选择敏感性及分辨率。
此外，可将该子波前聚焦透镜代换为任何可获致该聚焦功能的光学组件，例如亦可使用一光栅指数透镜或一聚焦反射镜。同时，用于各种马达分辨率的停阻数量并不需要受限于4个，而是可为任意数量。并且，该马达可连续地旋转，该光源可为短脉冲化而在不同时刻处开启。该扫描反射镜的倾斜角亦可按实时方式动态地改变，因此可选择该波前的不同轮状环部分。事实上，在此虽使用该词汇「倾斜反射镜」，然应了解该词汇亦包含零反射镜倾斜角的情况，亦即该输入光束是法向于该反射镜，因此该反射光束是与该输入光束同轴，因为会将该原始波前的中央部分导引至该侦测器。
亦可将马达旋转及扫描反射镜倾斜的序列顺序颠倒或混合，因此可按照任何所欲序列来选择子波前。此外，可将该扫描反射镜及该马达代换为，然非受限于此，一MEMS(微机电***)反射镜，此者目前正被引入市场，或是任何其它的可变形反射镜，只要该者能够改变该反射光束的方向即可。利用一MEMS反射镜的优点在于，由于该可移动反射镜质量的低重量之故，因此该者具有一相当高频率的响应，从而可达到高速循序波前感测处理。此外，可简易地控制该MEMS反射镜的倾斜角。
可了解到，针对于***组态，确亦存在多项变化项目而不致悖离本发明的范围。例如，并非绝对地需要先将该波前朝后反射，接着再将该光束偏折至侧边。
即如一替代项目，亦可将该扫描反射镜取代为一非传统的多面鼓型反射镜412，而各个反射表面具有一所欲空间指向，使得当在位置上按一步进或连续方式旋转各个反射表面时，会将该敛聚输入光束反射，而该中央主射线则迹行绕于一角锥。图4显示一此种组态400的截面外观略图，其中该反射光束是以横向方式朝上平移。应注意到该反射光束亦可为朝下、朝左或朝右平移，或是朝往任意方位角方向而按任意的放射平移量。这是因为该多面鼓状镜412并非一对称多角形，而当各个表面在位置上被移动以反射该输入敛聚光束时，该者会将该光束反射至不同的空间方向，使得能够通过该为以聚焦于该侦测器上的孔径，选择该复制波前的某一所欲部分。
此外，可在该多面反射镜之前沿该输入光线路径上再度地设置一针孔，用以排除并非来自于该输入光束的所欲方向或位置的光线。注意到可如前述般利用一MEMS反射镜以实作出相同的组态，由此取代该多面反射镜而提供所有的优点。同时注意到该多面鼓型反射镜可具有一种微面指向排置，即当该鼓型物连续地按多重步阶而旋转时，可选择数个绕于该波前的一轮形环的子波前以聚焦于该侦测器上。
即如另一替代方式，该***亦可经组态设定为一种完全透光模式，而非一反射模式。图5显示此一组态，其中该多面鼓型反射镜是由透光性光束扫描仪512a及512b所取代。目前在市场上可购得多款不同的透光性光束扫描仪，这些范例包含音响-光学调变器、电子-光学或磁性-光学光束扫描仪以及液晶光束扫描仪，这些是如512a表示。在此一情况下，一光束扫描仪应能够扫描该光束，而按二维方式依照该透光性扫描的窗口侧而定可为经聚焦或非经聚焦，由此循序地导引该波前的数个所欲部分以进行特征化。
或另者，亦可为此一目的使用一多楔区段盘片512b。应了解，即如对于在反射情况下的多面鼓型反射镜，用于透光情况下的多楔区段盘片512b亦应为一非对称盘片，而当一楔片区段在位置上旋转以偏折经聚焦或非经聚焦的光束时，该楔片角度将会决定此出现光束方向，并因而由该孔径518b所选定的波前部分。各个楔片区段应具有一不同的楔片角度指向，用以对一序列的所欲子波前加以特征化。注意到若该透光性扫描仪的窗口为微小，则需要将该输入光束聚焦在该透光性扫描仪的位置处，同时在此情况下，应使用一第一透镜以聚焦该输入光束，并且应使用一第二透镜以将该所传透光束平行校齐，由此产生该输入波前在空间上按横向方式而平移的复制项。
在本发明的另一具体实施例里，可将此一按横向方式循序平移该输入光束波前的概念进一步地扩展为包含该输入光束的导引横向平移的情况，而其中并未对该输入光束进行聚焦然后重新平行校齐。相反地，是对该输入光束进行导引横向方式平移，用以将该波前的一所欲部分导引至该孔径(618a，618b)。此一法则的优点在于将会需要较少的光学组件，并因此可更加简化该光线扫描模块。图6显示此一范例，其中可将数个具有不同所欲空间指向的平行光学区块(612a，612b)循序地切换至该光束路径内，用以按横向方式平移该光束。
或另者，该透光性光束扫描仪可为一多面透光性多边形，此者可经步进旋转以中截该光束路径，由此按横向方式平移该光束。同时注意到并不必然地需要由机械性装置来进行光束的横向平移。例如，可为此一光束横向平移的目的运用一液晶单元、一电子-光学单元及一磁性-光学单元，在此情况下，有效折射指数的变化就将会改变该横向光束的平移量。即如在反射光束扫描仪的情况下，可制作该透光性光束扫描仪，由此能够选择绕于该波前的一轮状环的数个子波前，而供聚焦于该侦测器上以进行失焦及散光偏差感测处理。
可将上述的波前传感器运用在大量的运用项目。第一种主要应用项目是调适性光学装置，其中可利用像是一可变形反射镜数组的波前补偿装置，按实时方式来补偿所测得的经扭曲波前。在此情况下，扫描该光束的速度需要相当地迅捷，并因此应该最好是使用高速度的光束扫描仪或平移器，像是MEMS反射镜及电子-光学或磁性-光学单元。
上述具体实施例的第二种主要应用项目是自动对焦及/或散光校正作业。由于仅仅需要将少量(例如8个)绕于一轮状环的子波前加以特征化，由此导算出一像是人眼的成影***的失焦及散光的事实，因此该光束扫描模块并不需要具有非常高的频率响应，并从而低成本的光束扫描仪，像是如图4中所显示一经架置于一步进马达上的倾斜反射镜，将为足够。例如，可将上述的波前传感器运用于一眼底相机，用以进行眼睛成影***的实时失焦及/或散光校正作业，即如在US6361167及US6685317中所描述者，因而可获得一高分辨率眼底影像。
上述波前传感器的另一特性在于，当将此者施用于仅失焦及/或散光的特征化作业时，一四分侦测器将即可足够，并对其输出进行处理以产生一循序树或样式，且将此显示在一监视器上，以利按实时方式来表示出位于该波前传感器正对面的光学成影像***是否确为成焦、距离该焦点多远、该失焦究是为收敛或发散、散光量以及散光轴线。
假设现有一如图7所示，具有四个光敏区域A、B、C及D的四分侦测器702。若该子波前是按一相对于在该四分侦测器面前的子波前聚焦透镜为法向角度而入射，则在该四分侦测器上的影像点704将会位于中央处，并且这些四个光敏区域将会收到相同的光线量，而各区域产生出具有相同强度的信号。另一方面，若是该子波前以一倾斜角而偏离于该法向入射(即如朝着右上方而指向)，则在该四分侦测器上的影像点将会构形在偏离于该中央处(朝着右上方象限而移动，即如由该影像点706所显示者)。可利用下列等式来特征描述该中心点距该中央处(x＝0，y＝0)的离出(x，y)：
x = ( B + C ) - ( A + D ) A + B + C + D
y = ( A + B ) - ( C + D ) A + B + C + D - - - ( 1 )
其中A、B、C及D代表该四分侦测器的各个相对应光敏区域的信号强度，而利用分母(A+B+C+D)将该测量结果正范化，从而抵销掉光学来源强度波动的影响。
当数个绕于一光束的轮形环的对称波前(例如4、8或16个)循序地(例如按一顺时针方向)投射在该子波前聚焦透镜及该四分侦测器上时，依等式(1)的(x，y)所表而距该四分侦测器的中心点离出将会在一x-y平面上迹画出一样式，可将该样式显示在一监视器上并按数字方式加以处理，用以表示出该失焦及散光状态。
图8显示多项良好成焦、失焦及散光的代表性情况，在该四分侦测器上于该子波前聚焦透镜之后的相关影像点样式，以及当显示于一监视器上时相对应的中心点位置的循序移动。注意到不是绘出投射数个波前而数个不同子波前在相同的子波前聚焦透镜及四分侦测器上，我们是采取如图3所显示的等同表示方式，其中数个子波前经绘示为绕于相同的轮状环，并因此数个四分侦测器经绘示为绕于相同的轮状环，用以表示出将一波前的不同部分扫描至一子波前聚焦透镜及一单一四分侦测器的情况。
假设我们是从顶部的子波前而绕于该波前轮状环开始扫描，并且按一顺时针方向移动至右方的第二子波前等等，即如箭头809所表示。可自图8中看出，当该波前是一平面波801时，这表示该光学***为良好成焦而无任何偏差，而所有的子波前(例如802)将会在该四分侦测器804的中央处构成一影像点803，并因此在一监视器806上的中心点迹线805亦将会总是位于该x-y平面的中央处。从而，可利用所有在该x-y平面中央的中心点样式或迹线来表示该良好成焦状态。
不过，对于较为广义的情况来说，可能总是会有一些输入波前偏差，这会将部分的中心点移离于该x-y平面中央处，像是即如后文中所随即讨论的散光情况。因此，当出现偏差时，即可利用将中心点自该x-y平面的散射的最小化处理作为自动对焦或辅助对焦的准则。在此一情况下，可将该中心点散射定义为一从各中心点至一共同中央的绝对距离的总和，并且可利用此信号作为一用于自动对焦的封闭回路控制中的反馈信号。
当该输入波前如811所示般为发散时，各个子波前812的影像点813的中央会在自该波前的中央的放射朝外侧上，而具有距该四分侦测器814的中央等量的离出，并因此该监视器816上的迹线815将为一顺时针圆形，即如箭头818所表示而自该顶部位置817开始。另一方面，若该输入波前如821所示般为收敛，则各个子波前822的影像点823的中央会在相对于该波前的中央的放射朝内侧上，而具有距该四分侦测器824的中央等量的离出，并因此该监视器826上的迹线825将仍为一圆形，但将自该底部位置827开始，并且仍为顺时针方向，即如箭头828所示。因此，当侦测到一对于该x轴中心点位置及该y轴中心点位置两者的符号变化时，此即表示该输入波前正在从一发散光束变化至一收敛光束或是相反方式。此外，亦可利用该中心点迹线的开始来作为一表示该输入波前究是为发散或收敛的准则。
此符号变化或开始点变化准则可因此用来作为一反馈，用以表示该波前传感器所面对的光学***是否确为良好成焦。在实作上，可能会出现其它的波前偏差，并因而所有中心点位置的符号变化可能不会同时地发生。一种较佳实作可为定义一面对该波前传感器的光学***中的焦点调整准则量，使得若确位于经预设的焦点调整范围之内，则所有或多数的中心点符号已改变，则可将该波前视为是成焦。在本发明的一具体实施例里，此符号变化可因此用来作为一项为以进行自动对焦或辅助对焦的准则，其中可将一高速焦点调整光学组件或模块，像是一由一高速马达按一封闭回路控制方式所轴向驱动的可移动透镜，设置在面对着该波前传感器的光学***之内，而藉由将该***锁定在该符号变化点处，以维持该光学***总是在成焦状态下。或另者，亦可为该相同目的而采用其它型态的焦点调整透镜，像是一液态表面张力透镜、一液晶透镜或一音响-光学透镜。
对于发散及收敛球形输入波前两者的情况，该循序中心点迹线在该x-y平面上的旋转方向是与该子波前绕于该输入波前的轮形环的扫描方向相同。在此一本发明具体实施例里，我们定义此相同旋转方向为正常。即如后文中所随即讨论者，对于一散光输入波前的情况，会发生，当相较于该子波前绕于该输入波前的轮状环的扫描方向时，该循序中心点迹线在该x-y平面上的旋转方向为相反，我们将此相反射旋转方向定义为异常。
对于在x-y平面上的正常中心点迹线旋转的情况，若该迹线为圆形，则很明显地可利用圆形迹线(815，825)的直径来表示失焦的程度。实作上，由于总是会有一些其它的偏差，并因此该中心点迹线可能不会是完美的圆形，所以一良好实作可为将该中心点迹线配合于一圆形，然后再导算出该迹线的平均直径或半径。在本发明的一具体实施例里，达到一中心点迹线的最小平均直径或半径的准则是用来辅助对焦或自动对焦处理，其中可将一高速焦点调整光学组件或模块，像是一由一高速马达按一封闭回路控制方式所轴向驱动的可移动透镜(930)，设置在面对着该波前传感器的光学***之内，用以维持该光学***总是在成焦状态下，即如图9所示。或另者，亦可为该相同目的而采用一焦点可调整透镜，像是一液态表面张力透镜、一液晶透镜或一音响-光学透镜。
亦可自图8中看出，当该输入波前为散光时，会发生当该输入波前是粗略地在成焦状态下时，该波前可为在垂直方向上发散，即如831a所示，并且在水平方向上为收敛，即如831b所示，因此该垂直子波前833a的中心点位置将为相对于该输入波前的中央而放射朝外定位，同时该水平子波前833b的中心点位置将为相对于该输入波前的中央而放射朝内定位。因此之故，在该监视器836上的中心点迹线835将会从该顶部位置837开始然为按逆时针方向移动，即如箭头838所示，从而该中心点迹线旋转现为异常。注意到当我们说该散光波前是粗略地在成焦状态下时，意思是沿着该散光波前的一轴线，子波前为发散，而沿着该散光波前的另一轴线，子波前则为收敛。在本发明的一具体实施例里，可利用这种中心点迹线的异常旋转方法来来首先表示该输入波前为散光，其次是表示该散光波前是粗略地在成焦状态下。而该异常中心点迹线的圆形性质亦可用来表示该散光输入波前是否确为相当地良好成焦。
另一方面，若该输入波前为散光，然而所有的子波前为完全地发散或完全地收敛，则依据对于发散及收敛失焦波前所提出的类似论点，该中心点迹线的旋转将为顺时针方向(亦即正常)，不过，对于散光的情况，该中心点在监视器上的迹线将为椭圆形而非圆形，这是由于沿一散光轴线上的子波前比起沿另一轴线者会较为发散或收敛。对于更一般性的散光波前，该中心点迹线将按一异常方向旋转，且该迹线会是椭圆形或圆形；或者该中心点迹线将按一正常方向旋转，然该迹线将为椭圆形。该椭圆形的轴线可为相对于该波形的中央而按任何放射方向，这会表示该散光轴线。在此情况下，4个绕于该轮状环的子波前或许并不足够，而是可将更多的子波前(像是8或16个，而非4个)投射在该子波前聚焦透镜及该四分侦测器上，并且可予特征描述。
在本发明的一具体实施例里，是利用一正常中心点迹线的椭圆形性，或是在两条椭圆轴线的长度上的相对差异，来表示该散光的程度。在本发明的另一具体实施例里，是利用一正常椭圆形中心点迹线的轴线来表示该散光轴线。又在本发明的另一具体实施例里，可利用该波前传感器来提供一项反馈信号，用以校正面对着该波前传感器模块的光学***的散光性。在此一情况下，该旋转方向、椭圆形轴线与该中心点迹线的椭圆形性皆可用来作为一封闭回线路控制***中的反馈，由此激活一散光校正组件，像是以供按一合并组件的方式旋转两个圆柱形透镜1030、1031(即如图10中所示)。在此一情况下，若该中心点迹线旋转为正常，则可将该中心点迹线的椭圆形性最小化，并因而将该迹线的圆形性最大化，以达到自动散光校正的功能。另一方面，若该中心点迹线旋转为异常，则一为以校正该散光性的良好准则即为，首先将两条椭圆形迹线轴线的其中一者缩短，以将该中心点迹线转成正常旋转，而然后再延长该相同轴线以将该中心点迹线圆形化。因此，亦可达到自动散光校正的功能。
在本发明的另一具体实施例里，该自动对焦的操作模式是经合并于该自动散光校正操作模式，因此可获致对于一光学成影***，像是人眼，的失焦与散光两者的实时性校正作业。一较佳实作会为首先进行散光校正，然后再校正失焦问题。然而，这并不意味着无法逆反该序列，事实上，可利用一迭代处理程序以于两项校正作业之间切换，一直到触抵某一准则为止。即如在本申请的背景说明一节中所述，失焦及散光为两个主要偏差，而这些会显著地影响到一光学成影***的品质。因此，通过利用上述的波前传感器来校正这两项主要偏差，即可获得一高品质影像，像是一人眼的眼底影像。
在前文中对于特征化及校正失焦与散光的讨论虽是利用一四分侦测器以说明该运作原理，然亦可利用其它的侦测器，只要这些确能提供中心点位置的信息即可。现有已提及该侦测器可为一区域CCD或一区域CMOS侦测器数组。显然地，亦可利用这些侦测器来取代该四分侦测器，用以特征描述并校正如前所讨论的失焦及散光问题。
除用来作为一眼底相机内以供自动对焦及散光校正的先进传感器的外，前文所述的传感器亦可具有许多其它的应用项目。例如，此者可运用于一光学校齐工具，而该核心技术亦可用来作为一新式自动折射器的基础。该传感器亦可在任何应用项目里用以作为一般性聚焦传感器。
本发明可部分地按如程序代码所实作，并经储存在一计算机可读取媒体上，而由一数字计算机加以执行。该计算机可读取媒体可包含，除其它项目的外，磁性媒体、光学媒体、电子-磁场编码数字信息等等。
可了解本发明较佳具体实施例的说明仅为示范的目的。熟谙本项技术的人士可认知到其它等同于本文所述者的具体实施例；而这些等同项目应经涵盖于权利要求范围内。例如，前文说明是针对于其中使用一单一子波前聚焦透镜及一单一四分侦测器的情况，然此并非意味着不可将对一波前进行扫描以投射出该波前的不同位置的相同原理施用于两个以上四分侦测器或其它侦测模块的情况。该光线扫描模块亦可将该输入波前的多个部分投射在数个侦测模块上，用以进一步缩短为以完成一系列子波前特征化作业的时间。例如，可将这些原理扩展至一种情况，即其中将一线性小透镜数组按与一线性四分侦测器数组相平行的方式加以排置，并因而可藉由依一垂直于该线性小透镜及四分侦测器数组的方向扫描该波前，以进行该输入波前的循序扫描处理。

Claims (24)

1.一种循序波前传感器，其中包含：
子波前聚焦透镜，其用以将波前的入射部分聚焦于位于焦点平面上的影像点处；
循序波前扫描装置，其用以将入射波前的不同部分循序地投射在该子波前感测透镜上；以及
位置感测装置，此者大致位于该子波前聚焦透镜的焦点平面处，用以表示该影像点在该焦点平面上的位置。
2.如权利要求1所述的循序波前传感器，其中该循序波前扫描装置进一步包含：
光学-机械波前扫描仪，其用以循序地平移一入波前的方向；以及
孔径，位于该光学-机械波前扫描仪与子波前聚焦透镜之间，可让一部分的经平移波前能够入射在该子波前聚焦透镜上。
3.如权利要求2所述的循序波前传感器，其中该光学-机械波前扫描仪包含：
电子马达，具有一轴(shaft)；以及
倾斜反射镜，位于该轴上。
4.如权利要求3所述的循序波前传感器，其中：
该马达是步进马达，并且该倾斜反射镜是按固定角度所架置，因此可对绕于该波前的轮状环的选定数量子波前进行扫描。
5.如权利要求2所述的循序波前传感器，其中该光学-机械波前扫描仪包含：
电子马达，具有一轴；以及
非对称多面鼓型反射镜，架置于该轴上。
6.如权利要求1所述的循序波前传感器，其中该位置感测装置是具有四个光敏区域的四分(quad)侦测器。
7.一种用于侦测入射波前的偏差的方法，该方法包含以下步骤：
将波前的多个部分如影像点般循序地投射在位置感测装置上；以及
决定各个所接收影像点距该位置感测装置上的参考点间的偏离。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包含以下步骤：
显示这些影像点的偏离，以在显示装置上构成样式(pattern)；以及
分析所显示的影像点，以特征化描述该入射波前的偏差。
9.如权利要求8所述的方法，其中该位置感测装置是具有参考点的四分侦测器，并且该决定该偏离的步骤进一步包含：
计算出经投射在该四分侦测器上的影像点的所决定坐标，以及
其中该显示该偏离的步骤进一步包含：
依据其所决定坐标，显示出各个所接收影像点位置。
10.如权利要求9所述的方法，其中该分析的步骤进一步包含：
决定该所显示的影像点距该参考点的散射(scattering)情况。
11.如权利要求9所述的方法，其中该分析的步骤进一步包含：
侦测影像点在所显示位置处的符号变化，以表示输入波形在收敛波形与发散波形之间的变化。
12.一种用于补偿入射波前的偏差的方法，该方法包含：
将该入射波前的多个部分如影像点般循序地投射在位置感测装置上；
测量各个所接收影像点距该位置感测装置上的参考点间的偏离，以决定该入射波前的偏差；以及
依据各个所收影像点的偏离构成反馈准则(feedback criteria)。
13.如权利要求12所述的方法，其中该构成一反馈准则的步骤进一步包含：
将偏离的散射最小化，而作为将该波前自动对焦的准则。
14.如权利要求12所述的方法，其中该构成一反馈准则的步骤进一步包含：
侦测该影像点的偏离的符号变化，而作为表示当面对着该波前的光学***在成焦(in focus)状态时的准则。
15.如权利要求12所述的方法，其中该构成一反馈准则的步骤进一步包含：
侦测该偏离距圆形的偏移，而作为将该波前聚焦的反馈准则。
16.如权利要求12所述的方法，其中该构成一反馈准则的步骤进一步包含：
侦测该偏离的异常旋转，而作为将散光波前聚焦的反馈准则。
17.如权利要求12所述的方法，其中该构成一反馈准则的步骤进一步包含：
侦测这些偏离的椭圆形性，而作为进行散光校正作业的反馈准则。
18.如权利要求2所述的循序波前传感器，其中该光学-机械波前扫描仪包含：
MEMS式扫描仪。
19.如权利要求2所述的循序波前传感器，其中该光学-机械波前扫描仪包含：
透光性光学光束扫描仪。
20.如权利要求7所述的方法，其中该循序地投射的步骤进一步包含：
显示该入射波前的多个部分，这些位于环型轮上。
21.如权利要求12所述的方法，进一步包含：
通过该反馈准则来控制光学波前补偿装置，以补偿该入射波前的偏差。
22.一种波前补偿***，其中包含：
子波前聚焦透镜，其用以将波前的入射部分聚焦于位于焦点平面上的影像点处；
循序波前扫描装置，其用以将入射波前的不同部分循序地投射在该子波前感测透镜上；
位置感测装置，此者大致位于该子波前聚焦透镜的焦点平面处，用以表示这些循序影像点在该焦点平面上的位置；
波前偏差侦测装置，此者可依据这些循序影像点的所侦得位置产生反馈信号；以及
波前补偿装置，其用以在封闭回路控制***中，运用该反馈信号以激活补偿作业，由此补偿该波前内的偏差。
23.如权利要求22所述而具有该波前补偿装置的***，进一步包含：
轴向地(axially)驱动光学透镜，是用于将该波前聚焦。
24.如权利要求22所述而具有该波前补偿装置的***，进一步包含：
旋转地(rotationally)驱动的散光校正组件。
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