JP2005312974A - 光学波面検知システム及びその検知方法、並びに眼の屈折収差測定システム及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 眼の屈折収差測定に好適な波面検知システム及び波面検知方法を提供する。
【解決手段】 光学波面検知システム１０、３０は、波面を受光するために配置される微小レンズアレイを有する。微小レンズアレイの下流側にはイメージ変換手段１６、３６が配置され、そのイメージ変換手段１６、３６は微小レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換する。イメージ検知手段２２、４２がその変換されたイメージを検知するために最終結像面に配置される。このセンサは、ＣＣＤカメラを有してもよい。また、光学波面検知方法は、微小レンズアレイを用いて入射波面を受光するステップと、微小レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換するステップを含む。そして、最終結像面に位置するその変換イメージは検知され、好ましくは波面の歪みを測定するために解析される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光学計測システム及び方法に関するものであり、さらに詳しくは、波面検知システム及び波面計測方法に関する。

完全で理想的な眼は、水晶体及び角膜を含む眼の光学系を通じて、網膜で侵襲光を広範囲に反射する。リラックスした状態、即ち、近くに焦点を合わせない状態において、そのような理想的な眼については、反射光は一連の平面波として眼を出射する。しかしながら、眼には一般的に収差があり、その収差が眼を出射する反射光波の歪みやゆがみを生じさせる。収差のある眼は、水晶体及び角膜を通じて一連の歪んだ波面として網膜で侵襲光を広範囲に反射する。

患者の視力を向上させるために、多くの技術が試みられている。そのような技術の例には、レーザ屈折矯正手術や眼内レンズを用いた角膜の形状修正や、眼内レンズ及び精密な眼鏡を用いた光学系に対する人工レンズの付加がある。それぞれの場合において、矯正治療する量は、一般的に眼鏡平面（spectacle plane、角膜前方約１．０〜１．５ｃｍの位置）に既知の屈折力を有する球面レンズ又は／及びシリンドリカルレンズを配置し、患者にレンズ若しくはレンズの組み合わせが最もはっきりとした視野を提供するのはどれかを尋ねることで決定される。これは反射波面について真の歪みを正確に計測するものではない。何故なら、（１）単一の球面・円柱の補償は波面全体に対して適用されるものであり、（２）視野は屈折力補正の離散的な間隔（即ち、ディオプター単位）でテストされ、（３）患者の主観的な決定が光学補正を決定するために用いられるからである。このように、眼の屈折異常を測定するための従来の計測法は、実質的に眼の収差を補正するために現在利用可能な技術よりも正確でない。

眼の屈折異常を計測する一つの方法は、ペニー等によって開示されており、それは、角膜表面の全域にわたって多数の離散した位置で眼の屈折を計測する自動屈折測定器の使用を教示する（特許文献１参照）。さらに、特許文献１は、平行光束または光線が網膜上に完全にフォーカスされ、視野が完全になる場合に、正視、つまり通常の眼の状態となるように、適切な角膜表面の形状変更を決定する際に自動屈折測定器の使用を教示する。

例として、公知である一つの方法及びシステムが、ライアン等によって開示されている（非特許文献１参照）。ライアン等は、網膜の中心窩上にフォーカスされたレーザ光のスポットの網膜反射で眼から出ずる波面を測定することによって眼の収差を計測するためにハルトマン・シャック波面センサを使用することについて教示する。実際の波面は、ツェルニケ多項式を用いた波面推定を使用して再構成される。レーザ光の平行光束は、ビームスプリッタとレンズの組を透過し、眼の光学系によって網膜上に焦点を結ぶ。テストされる眼の近視又は遠視は、レンズの組の内部でのレンズ移動によって好適に補正される。そして、中心窩にフォーカスされた光は広範囲に反射されるとみなすと、網膜上に位置する点光源として機能する。反射光は眼を透過し、眼の前面において眼の収差によって生ずる歪んだ波面を形成する。そして、その収差のある波面は波面センサへと向けられる。

さらにビル等によって開示されるように、ライアン等によって開示されたハルトマン・シャック波面センサは、シリンドリカルレンズの２つの同一レイヤを含み、各レイヤ内のレンズが互いに直交するようにそのレイヤが配置される（特許文献２参照）。この方法にでは、２つのレイヤは、サブ開口へ入射光波を分割する２次元微小レンズアレイとして動作する。各サブ開口を通過した光は、チャージ・カップルド・デバイス（ＣＣＤ）イメージモジュールが存在するレンズアレイの焦点面にフォーカスされる。

ライアン等のシステムは、焦点スポットの参照若しくは較正パターンがＣＣＤ上に結像されるように、微小レンズアレイ上に理想的な平面光波を入射することで較正される。理想波面は平面波であるため、その理想波面に関する各スポットは対応する微小レンズの光軸上に位置する。歪みのある波面が微小レンズアレイを透過する場合、ＣＣＤ上のイメージスポットは、理想波面で生成される参照パターンに対してシフトしたものとなる。それぞれのシフトは局所的な傾斜、即ち歪みのある波面の偏導関数に比例し、そして偏導関数は、ツェルニケ多項式を用いた波面推定モデルを用いてその歪みのある波面を再構成するために使用される。

波面解析による光学系の収差の客観的な収差計測方法及びシステムの様々な実施態様が、本件出願人による米国特許出願第０９／５６６４０９号（米国特許第６４６０９９７号）明細書（特許文献３）及びその一部継続出願である米国特許出願第１０／０９１６１６号（米国特許第６４９７４８３号）明細書（特許文献４）で開示されており、それらはここに参照として組み込まれる。

一つの実施態様では、放射が光学放射であって、波面センサはプレート及び光検知セルの平面アレイを用いて実現される。プレートは一般的に不透明であるが、光を選択的に入射させる透明な開口のアレイを備える。プレートは、波面の一部が透明な開口を透過するように、波面の光路中に配置される。光検知セルの平面アレイは選択された距離でプレートから離し、且つプレートに対して平行に配置される。透明な開口の一つを透過した波面のそれぞれは、独立した複数のセルをカバーする幾何図形を照射する。

別の実施態様では、図１に示すように、波面の光路は角膜面からの再放射波面９０をハルトマン・シャック波面センサへ伝える。波面９０はセンサへ入射し、微小レンズ９３のアレイ９２を有する光学プレートの上流側の面９１で受光される。アレイ９２の下流側の面９４から現れるイメージは、高感度なチャージ・カップルド・デバイス（ＣＣＤ）カメラ９５へ通過する。微小レンズアレイ９２はＣＣＤディテクタ９５の検出面に対して平行であり、レンズアレイ９２とＣＣＤディテクタ９５の検出面とは、レンズアレイ９２の各微小レンズ９３の焦点距離とほぼ等しい距離だけ離れている。レンズアレイ９２は、入射波面９０をウェーブレット９６のアレイに一致するように分割し、ウェーブレット９６のそれぞれは、ＣＣＤディテクタ９５の上流側に縮小化のために用いることも可能なリレーレンズ系９７を通過した後にＣＣＤディテクタ９５の検出面に小さなスポットを結像する。ＣＣＤディテクタ９５でのウェーブレットスポットの一群は、プロセッサ９８で入射波面９０の形状を再構成するために使用される。法線（垂直）入射で微小レンズ９３を貫くコリメート光は、その微小レンズの光軸と交差するＣＣＤディテクタ９５の検出面でスポットを結像する。その光学系は、較正用光路を用いてコリメート光を波面センサへ供給する。

図１に示されるシステムでの根本的な難点は、入射面における位置の関数として縮小比の非線形性を含むことにある。もう一つは、微小レンズからの入射波の傾斜を正確に考慮することの難しさにある。そのため、少ない誤差で一定の縮小比率を有するリレー系を得ることが望ましい。

また、望ましい高感度性と安定性を維持しつつ、システムのコストを低下させるため、ＣＣＤのサイズを小さくすることが望ましい。

米国特許第５２５８７９１号明細書 米国特許第５０６２７０２号明細書 米国特許第６４６０９９７号明細書 米国特許第６４９７４８３号明細書 ヤンホン・ライアン他、"ハルトマン・シャック波面センサを用いた人の眼の波面収差の客観的測定"、１９９４年７月、ジャーナルソサエティオブアメリカ１１（７）、Ｐ．１９４９−５７

本発明の１つの目的は、波面解析器を用いて眼の収差を客観的に計測するシステム及び方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、センサへ入射するスポットパターンの質を向上するためのシステム及び方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、センサの上流でイメージを縮小するシステム及び方法を提供することにある。

また本発明の目的は、より小さなセンサアレイを使用可能とするシステム及び方法を提供することにもある。

本発明のさらに別の目的は、そのようなシステムを構築するための方法を提供することにある。

上記及び他の目的は、眼の網膜で反射された入射波面を検知するシステム及び方法である、本発明によって達成される。その光学波面検知システムは、入射波面を受光するために配置される微小レンズ（ｌｅｎｓｌｅｔ）アレイを有する。微小レンズアレイの下流側には、微小レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換する手段が配置される。その変換されたイメージを検知する手段が最終的な結像面に配置される。このセンサはチャージ・カップルド・デバイス（ＣＣＤ）カメラを有してもよく、さらに、そのカメラは小アクティブエリアカメラであってもよい。しかしこれに限定されるものではない。

また本発明に係る眼の屈折収差測定システムは、眼の角膜上へ光束を向ける手段と、眼の網膜で反射された波面を受光するために配置される微小レンズアレイと、レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換する手段と、最終結像面において実像を縮小する手段と、反射波面の平面性から収差を求めるために、縮小イメージを検知し、解析する手段とを有することを特徴とする。

本発明の光学波面を検知する方法は、微小レンズアレイを用いて入射波面を受光するステップと、微小レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換するステップとを有する。そして、最終結像面に位置する変換イメージが検知され、好ましい実施態様では、波面の歪みを求めるために解析される。

また本発明に係る眼の屈折収差測定方法は、眼の角膜上へ光束を向けるステップと、微小レンズアレイを用いて眼の網膜で反射された波面を受光するステップと、レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換するステップと、最終結像面で実像を縮小するステップと、反射波面の平面性から収差を求めるために、縮小イメージを検知し、解析するステップとを有することを特徴とする。

本発明の特徴は、構成及び操作の方法の両方について、またそのさらなる目的及び利点とともに、添付の図面を併せて用いられる以下の説明から、よりよく理解されるであろう。図面は、説明及び描写を目的とするものであり、本発明の限定の定義を示すものではないことは、明確に理解されるべきである。

本発明によって達成されるこれら及び他の目的、及び提供される利点は、添付図面とともに以下の説明を読むうちに次第に明らかとなるであろう。

本発明の好ましい実施態様を、図２及び図３を参照しつつ説明する。

図２に本発明の第１の実施態様に係る光学波面検知システム１０の概略構成図を示す。光学波面検知システム１０は微小レンズアレイ１１を有し、微小レンズアレイ１１は、上流側の面１４上で眼１３から反射された入射波面１２を受光するように配置される。上述した、本件出願人による米国特許第６４９７４８３号及び米国特許第６４６０９９７号明細書で開示されたように、微小レンズアレイ１１は、微小レンズ１５を保持する光学プレートを有する。ファイバオプティックフェースプレート１６は、微小レンズアレイ１１の下流側の面１８から現れるイメージ１７を上流側の面２０で受光するように配置される。フェースプレート１６は、微小レンズアレイ１１から現れるイメージをその焦点面上で実像に変換する。

フェースプレート１６は、それ自身を通してイメージを正確に伝送するために、そのフェースプレート１６の上流側の面２０から下流側の面２１へと個々に伸張されたオプティカルファイバ１９の束を有する。そのようなフェースプレート１６は公知であり、様々な製造業者からの様々なサイズのものが利用可能である。

上記のように、既知のハルトマン・シャック波面センサでは、ＣＣＤカメラ２２のような、変換されたイメージを検知するために備えられる手段は、最終結像面に配置される。また上述したように、検知されたイメージについて波面の歪みを解析するための手段がさらに備えられ、ここでは検知されたイメージのデータを受信し、そのデータに対して所望の解析を行うソフトウェアを有するプロセッサ２３として示される。

フェースプレート１６を用いたことの利点の一つは、微小レンズアレイ１１からの入射波面の傾斜が伝わらないことである。つまり、光線が”真っ直ぐにされ”、それはＣＣＤカメラ２２へ入射するスポットパターンの質を向上させる。場合によっては、フェースプレート１６とＣＣＤカメラ２２の間に、縮小レンズ２４を含むことが好ましい。しかし、これは発明の限定を示すものではない。

図２に、本発明の第２の実施態様に係る光学波面検知システム３０の概略構成図を示す。第２の実施態様に係る光学波面検知システム３０は微小レンズアレイ３１を有し、上記の第１の実施態様１０のように、微小レンズアレイ３１は上流側の面３４で眼３３で反射された入射波面３２を受光するように配置される。上記のように、微小レンズアレイ３１は微小レンズ３５のアレイを保持する光学プレートを有する。ここでは、テーパファイバオプティック縮小リレー（ｔａｐｅｒｅｄ−ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｄｅｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｌａｙ）３６が、微小レンズアレイ３１の下流側の面３８から現れるイメージ３７を上流側の面４０で受光するように配置される。リレー３６はまた微小レンズアレイ３１から現れるイメージをその焦点面上で実像に変換し、しかもその入射イメージのサイズを縮小する。

リレー３６は、それ自身を通してイメージを正確に伝送し、且つ非常に小さな誤差でほぼ一定の比率でイメージを縮小するために、そのリレー３６の上流側の面４０から下流側の面４１へと個々に伸張されたオプティカルファイバ３９の束を有する。リレー３６は、微小レンズアレイ３１の焦点面上でのイメージを、入射波面３２の大きさよりも小さく縮小するように適用される。そのようなリレー３６は既知であり、様々な製造業者から様々なサイズのものが利用可能なように提供されている。縮小リレー３６は多数のファイバオプティック３９を有し、そのファイバオプティック３９は上流側の面４０での第１の直径よりも下流側の面４１での第２の直径の方が小さい。代表的には、ファイバオプティック３９は、略円錐形状をしている。

上記のように、既知のハルトマン・シャック波面センサでは、ＣＣＤカメラ４２のような、変換されたイメージを検知するための手段を備え、そしてそれは最終結像面に配置される。また上述したように、検知されたイメージについて波面の歪みを解析するための手段が備えられ、ここでは検知されたイメージのデータを受信し、それに対して所望の解析を行うソフトウェアを有するプロセッサ４３として示される。

第１の実施態様に係る波面検知システム１０でのように、リレー３６を用いたことの利点の一つは、微小レンズアレイ３１からの入射波面の傾斜が伝わらないことである。つまり、光線が”真っ直ぐにされ”、そのことはＣＣＤカメラ４２へ入射するスポットパターンの質を向上させる。この実施態様では、リレー３６は、リレー３６の上流側の面４０とＣＣＤカメラ４２間の変換と縮小の両方を実行する。

同様の機能を実現する代わりの光学素子を有する、追加の実施態様が可能ということを、当業者は認識するかもしれない。先の説明において、用語は簡潔さ、明瞭さ、及び理解のために用いられ、先行技術における要件を超えて不必要な限定がそれらから示されるものではない。そのような用語はここでは説明の目的に使用され、広く解釈されるべきだからである。さらに、ここで描写し、説明した実施態様は単なる例であり、本発明の範囲をその構成の厳密な詳細に限定するものではない。

ここで説明された発明、構成、操作、及び好ましい実施態様自身の使用を備え、新規な利点やそれらによって得られる有用な結果、新しく、且つ有用な構成、及び当業者にとって明白な、その妥当な機械的均等物は、添付の特許請求の範囲に規定される。

従来技術である波面検知システムの概略構成図である。 本発明の第１の実施態様に係る波面検知システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施態様に係る波面検知システムの概略構成図である。

符号の説明

１０，３０ 波面検知システム
１１、３１ 微小レンズアレイ
１６ ファイバオプティックフェースプレート
３６ テーパファイバオプティック縮小リレー
１９、３９ オプティカルファイバ
２４ 縮小レンズ
２２、４２ イメージ検知手段
２３、４３ プロセッサ

Claims (42)

1. 入射波面を受光するために配置される微小レンズアレイと、
   前記微小レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換する手段と、
   最終結像面に配置され、前記変換されたイメージを検知する手段と、
   を有することを特徴とする光学波面検知システム。
2. 前記イメージ変換手段は、前記微小レンズアレイから現れるイメージを上流側の面で受光し、且つ下流側の面へそれ自身を通して前記イメージを伝送するように配置されるファイバオプティックフェースプレートを有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記イメージ変換手段と前記検知手段の間に配置される縮小リレーをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記縮小リレーは、前記微小レンズアレイの焦点面でのイメージを前記入射波面の大きさよりも小さく縮小するように適用される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記縮小リレーはレンズを有する、請求項３に記載のシステム。
6. 前記縮小リレーは、上流側の面における第１の直径よりも下流側の面における第２の直径の方が小さい複数のファイバオプティクスを有するテーパファイバオプティックデバイスを有する、請求項３に記載のシステム。
7. 前記ファイバオプティクスは、略円錐形である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記検知されたイメージについて波面の歪みを解析する手段をさらに有する、請求項１に記載のシステム。
9. 前記検知手段は、チャージ・カップルド・デバイスカメラを有する、請求項１に記載のシステム。
10. 入射波面を受光するために配置される微小レンズアレイと、
    前記レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換し且つ縮小する手段と、
    最終結像面に配置され、前記変換されたイメージを検知する手段と、
    を有することを特徴とする光学波面検知システム。
11. 前記イメージ変換手段は、前記レンズアレイから現れるイメージを上流側の面で受光し且つ下流側の面へそれ自身を通して前記イメージを伝送するように配置されるファイバオプティックプレートを有する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記変換縮小手段は、前記レンズアレイの焦点面でのイメージを前記入射波面の大きさよりも小さく縮小するように適用される、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記変換縮小手段は、リレーレンズを有する、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記変換縮小手段は、上流側の面における第１の直径よりも下流側の面における第２の直径の方が小さい複数のファイバオプティクスを有するテーパファイバオプティックデバイスを有する、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記ファイバオプティクスは、略円錐形である、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記検知されたイメージについて波面の歪みを解析する手段をさらに有する、請求項１０に記載のシステム。
17. 前記検知手段は、チャージ・カップルド・デバイスカメラを有する、請求項１０に記載のシステム。
18. 眼の角膜上へ光束を向ける手段と、
    前記眼の網膜で反射された波面を受光するために配置される微小レンズアレイと、
    前記レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換する手段と、
    最終結像面において前記実像を縮小する手段と、
    前記反射波面の平面性から収差を求めるために、前記縮小イメージを検知し、解析する手段と、
    を有することを特徴とする、眼の屈折収差測定システム。
19. 前記縮小手段は、前記レンズアレイの焦点面でのイメージを前記レンズアレイから現れるイメージの大きさよりも小さく縮小するように適用される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記検知解析手段は、チャージ・カップルド・デバイスカメラを有する、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記カメラは、小アクティブエリアカメラである、請求項２０に記載のシステム。
22. 微小レンズアレイを用いて入射波面を受光するステップと、
    前記レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換するステップと、
    最終結像面に配置され、前記変換イメージを検知するステップと、
    を含むことを特徴とする、光学波面検知方法。
23. 前記イメージ変換ステップは、ファイバオプティックフェースプレートを用いて前記レンズアレイから現れるイメージを上流側の面で受光し、その後下流側の面へそれ自身を通して前記イメージを伝送することを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記検知ステップの前に、前記変換イメージを縮小するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
25. 前記縮小ステップは、前記レンズアレイの焦点面のイメージを前記入射波面の大きさよりも小さく縮小することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記縮小ステップでは、レンズを用いる、請求項２４に記載の方法。
27. 前記縮小ステップでは、上流側の面における第１の直径よりも下流側の面における第２の直径の方が小さい複数のファイバオプティクスを有するテーパファイバオプティックデバイスを用いる、請求項２４に記載の方法。
28. 前記ファイバオプティクスは、略円錐形である、請求項２７に記載の方法。
29. 前記検知されたイメージについて波面の歪みを解析するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
30. 前記検知ステップでは、チャージ・カップルド・デバイスカメラを用いる、請求項２２に記載の方法。
31. 微小レンズアレイを用いて入射波面を受光するステップと、
    前記レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換し、且つ縮小するステップと、
    最終結像面に配置され、前記変換イメージを検知するステップと、
    を含むことを特徴とする、光学波面検知方法。
32. 前記イメージ変換ステップは、ファイバオプティックフェースプレートを用いて前記レンズアレイから現れるイメージを上流側の面で受光し、その後下流側の面へそれ自身を通して前記イメージを伝送することを含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記変換縮小ステップは、前記レンズアレイの焦点面のイメージを前記入射波面の大きさよりも小さく縮小することを含む、請求項３１に記載の方法。
34. 前記変換縮小ステップでは、リレーレンズを用いる、請求項３１に記載の方法。
35. 前記変換縮小ステップでは、上流側の面における第１の直径よりも下流側の面における第２の直径の方が小さい複数のファイバオプティクスを有するテーパファイバオプティックデバイスを用いる、請求項３１に記載の方法。
36. 前記ファイバオプティクスは、略円錐形である、請求項３５に記載の方法。
37. 前記検知されたイメージについて波面の歪みを解析するステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
38. 前記検知ステップでは、チャージ・カップルド・デバイスカメラを用いる、請求項３１に記載の方法。
39. 眼の角膜上へ光束を向けるステップと、
    微小レンズアレイを用いて前記の眼の網膜で反射された波面を受光するステップと、
    前記レンズアレイから現れるイメージをその焦点面上で実像に変換するステップと、
    最終結像面で前記実像を縮小するステップと、
    前記反射波面の平面性から収差を求めるために、前記縮小イメージを検知し、解析するステップと、
    を有することを特徴とする、眼の屈折収差測定方法。
40. 前記縮小ステップは、前記レンズアレイの焦点面のイメージを前記レンズアレイから現れるイメージの大きさよりも小さく縮小することを含む、請求項３９に記載の方法。
41. 前記検知解析ステップでは、チャージ・カップルド・デバイスカメラを用いる、請求項３９に記載の方法。
42. 前記カメラは、小アクティブエリアカメラである、請求項４１に記載の方法。

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