专利名称：使用波前分析的光学系统的客观测量和校正的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光学象差测量和校正，更具体地说，涉及具有诸如人和动物眼睛之类的实象焦点的光学系统的客观测量和校正。
具有实象焦点的光学系统能接收准直光，并且把它聚焦在一点上。这样的光学系统能在自然界中发现，例如人和动物眼睛，或者能是人造的，例如实验室系统、导航系统等。在任一种情况下，在光学系统中的象差能影响系统的性能。通过例子，将使用人眼来解释该问题。
参照
图1A，表示一只完美或理想的眼睛100，它从其视网膜102后部(即中央凹103)经包括透镜104和角膜106的眼睛光学系统扩散地反射撞击光束(为了清楚起见没有表示)。对于在放松状态下，即不适于提供近场聚焦，的这样一种理想眼睛，反射光(由箭头108表示)按照平面波顺序离开眼睛100，其之一用直线110表示。然而，眼睛通常具有引起离开眼睛的波的畸变或失真的象差。这通过图1B中的例子表示，其中畸变眼睛120从中央凹123的其视网膜122的后部经透镜124和角膜126扩散地反射撞击光束(同样为了清楚起见没有表示)。对于畸变眼睛120，反射光128按失真波前的顺序离开眼睛120，其之一用波浪线130表示。
目前，有多种试图为病人提供改进视力的技术。这种技术的例子包括使用折射激光外科手术或内角膜植入重新塑造角膜126、和使用眼内透镜植入和精磨眼镜把合成透镜添加到光学系统上。在每一种情况下，校正处理量一般通过把已知折射能力的球形和／或圆柱形透镜放在眼镜平面处(在角膜126前约1．0-1．5厘米)并且问病人哪种透镜或透镜组合提供最清晰的视觉来确定。这显然是波前130真正失真的非常不精确测量，因为1)跨过整个波前施加单次球柱面补偿，2)在折射校正的分立间隔(即，屈光度单位)下测试视力，及3)需要通过病人的主观确定，以便确定光学校正。因而，用来确定眼睛折射误差的常规方法基本上没有现在可用来校正目镜象差的技术准确。
测量目镜折射误差的一种方法由Penney等在“空间分辨客观自动折光仪”，美国专利No．5，258，791，发布于1993年11月2日中公开。Penney等讲授了自动折光仪的使用，以在跨过角膜表面的多个分立位置处测量眼睛的折射。自动折光仪设计成把光学辐射的窄光束发送到眼睛表面、并且使用视网膜成象系统确定该光束撞击到视网膜的何处。光束传播方向相对于系统光轴的角度和光束撞击到眼睛角膜表面的近似位置都是可独立调节的。入射在角膜上的光束点位置的较小不确定性或误差由于弯曲角膜表面而存在。对跨过角膜表面入射的每个点，通过调节光束撞击角膜直到折射到虹膜上的光束撞击到中央凹的角度，能确定与该表面点对应的眼睛折射。传播光束角度的调节能由病人手动地实现，或者如果包括有涉及角膜成象元件的反馈回路则由自动折光仪自动地实现。
Penney等进一步讲授了在确定适当角膜表面重新成形以提供屈光正常时自动折光仪测量的使用。这通过首先得到角膜表面外形的精确测量而实现(使用分离的工业可用装置)。然后，使用在每个表面基准点处的初始角膜外形、在每个表面点处的测量折射、及斯涅耳折射定律进行数学分析，以确定在每个基准点处的表面轮廓的要求变化。然后把在各基准点处的轮廓变化相组合，以实现跨过全部角膜表面要施加的单次重新成形轮廓。
对由Penney等描述的方法的主要限制在于，角膜外形的单独测量要求进行需要折射变化的斯涅耳定律分析。该要求显著增加了完成诊断估计的时间和成本。而且，折射变化分析的精度将取决于外形测量的精度和自动折光仪测量的精度。另外，外形“图”相对于折射图的空间取向的任何误差将降低需要校正的外形的精度。
对由Penney等描述的方法的第二限制在于，顺序检查在角膜表面上的试验点。在检查期间有意或无意的眼睛运动能把显著的误差引入到折射测量中。Penney等试图通过故意包括在瞳孔外，即在重迭虹膜的角膜区域中，的测量点，提供这种眼睛运动的检测，其中在检查顺序的特定间隔处来自视网膜的返回显然是零。然而，该方法可能仍允许在这样的虹膜基准点之间的显著未检测眼睛运动误差。
当今，校正方法基于波前130完全失真的同时检查。人眼波象差即目镜象差的测量，已经研究了多年。一种先有技术的方法和系统由Liang等在“利用Hartmann-Shack波前传感器的人眼波象差的客观测量”Journal of the Optical Society of America，卷11，No．7，1994年7月，p．p．1949-1957中公开。Liang等讲授了使用Hartmann-Shack波前传感器，通过测量由在视网膜的中央凹上的聚焦激光点的视网膜反射从眼睛出现的波前，来测量目镜象差。使用具有Zernike多项式的波前估计重新建造实际波前。
由Liang等公开的Hartmann-Shack波前传感器包括圆透镜的两个相同层，使层如此布置，从而在每层中的透镜彼此垂直。以这种方式，两层起把入射光波划分成子孔径的两维阵列球形小透镜的作用。把穿过每个子孔径的光带到聚焦在其中一个电荷耦合器件(CCD)图象模块驻留的透镜阵列的焦平面中。
Liang等的系统通过把理想的光平面波撞击在光透镜阵列上校准，从而基准或校准聚焦斑点图案成象在CCD上。由于理想波前是平面的，所以把与理想波前相关的每个斑点定位在相应小透镜的光轴上。当失真波前通过小透镜阵列时，在CCD上的象点相对于由理想波前产生的基准图案移动。每次移动与失真波前的局部斜率即偏导数成比例，该失真波前借助于带有Zernike多项式的典型波前估计，能用来重新构成失真波前。
然而，由Liang等公开的系统仅对于具有较好视力的眼睛有效。呈现深度近视(近视)的眼睛引起聚焦斑点重迭在CCD上，由此对于具有这种状态的眼睛使得局部斜率确定是不可能的。类似地，呈现深度远视(远视)的眼睛反射聚焦斑点，从而他们不会撞击到CCD上，同样由此对于具有这种状态的眼睛使得局部斜率确定是不可能的。
Liang等的系统的另一种限制在于Hartmann-Shack传感器的配置透镜必须是均匀的，以便限定均匀的小透镜阵列，从而整个阵列分享一个公共焦平面，并且本身不会产生波前的失真。然而，与这样的限制有关的制造成本是相当大的。
因而，由于以上提到的所有限制，Liang等仅对于较小类别的病人能实现波前测量。这些病人能具有至多中度失真的视觉。
本发明的一个目的在于，提供一种通过波前分析用来客观测量光学系统的象差、和用来使用这种测量产生光学校正的方法和系统。
本发明的另一个目的在于，提供具有动态范围的目镜象差的客观测量，能处理大量的这种象差，以便用在实际用途中。
本发明的又一个目的在于，提供一种使用简单和便宜结构的波前分析器用来客观测量目镜象差的方法和系统。
本发明的其他目的和优点下面在说明书和附图中将变得更加明白。
按照本发明，能量源产生辐射光束。布置在光束通路中的光学系统，指引光束通过聚焦光学系统，例如其后部起扩散反射器作用的眼睛。光束作为通过聚焦光学系统的辐射的波前，从后部扩散地反射回，撞击在光学系统上。当波前从聚焦光学系统出现时，光学系统把波前以与波前的直接对应投射到一个波前分析器上。波前分析器布置在从光学系统投射的波前的通路中，并且计算波前的失真，作为聚焦光学系统的目镜象差的估计。波前分析器包括一个波前传感器，该传感器联接到一个分析传感器数据以重新构造包括其失真的波前的处理器上。
在一个实施例中，辐射是光学辐射，并且使用一块板和光敏元件的一个平面阵列实现波前传感器。该板一般是不透明的，但具有一个选择性让撞击光从中通过的光透射孔径阵列。该板布置在波前的通路中，从而波前部分通过光透射孔径。元件的平面阵列平行于该板排列，并且与板隔开选择的距离。穿过光透射孔径之一的波前的每一部分表明覆盖独特多个元件的几何形状。在另一个实施例中，波前传感器包括一个球形小透镜的两维阵列和一个元件的平面阵列。小透镜阵列定义离其一个焦距远的焦平面。小透镜阵列布置其中波前的部分从中穿过的波前通路中。元件的平面阵列平行于小透镜阵列排列，并且与小透镜阵列隔开一个独立于焦距的选择距离。类似于第一实施例波前传感器，波前的每一部分表明覆盖独特多个元件的几何形状。不顾使用哪种波前传感器，在元件平面阵列与不透明板、或小透镜阵列之间的距离能改变，以调节波前传感器的斜率测量增益，并且由此改进系统的动态范围。
动态范围提高的另一种措施由聚焦光学系统提供。聚焦光学系统包括以固定位置保持在光束和波前的通路中的第一和第二透镜。在光束和波前的通路中在透镜之间布置光学元件的排列。光学元件是可调节的，以改变在透镜之间的光程长度。
如果希望光学校正，则把失真转换成光学校正，该光学校正如果放置在波前的通路中，则引起波前近似以平面波出现。光学校正能具有透镜的形式或是从眼睛烧蚀角膜材料的量。
图1A是从其视网膜把光反射成平面波前的理想眼睛的示意图；图1B是从其视网膜把光反射成失真波前的有象差眼睛的示意图；图1C是相对于基准平面的失真波前的示意图，表示在传播方向作为横向距离的函数的波前误差或光程差；图1D是相对于与角膜平面相切的基准平面的失真波前的示意图；图2是按照本发明的基本特征用来确定目镜象差的系统的简化示意图；图3是在本发明中使用的Hartmann-Shack波前分析器的一个实施例的示意图；图4是包括来自图3实施例的波前传感器的针孔成象板和光敏元件平面阵列的一部分的立体图，其中表示与有象差眼睛有关的波前片的反射，同与校准有关的波前片或平面波前相比较；图5是在与对应孔有关的光敏元件平面阵列上的指示区域的平面图；图6是在本发明中使用的波前分析器的另一个实施例的示意图；图7是适于眼科使用的本发明的一个实施例的示意图；及图8是角膜的侧视图，表示作为由本发明产生的光学校正要烧蚀的角膜材料的厚度。
通过说性例子，相对于诊断和校正人眼描述本发明。然而，应该理解，本发明的技术可适用于具有实象焦点的任何光学系统，该焦点能(或能适于)从光学系统后部扩散地反射回辐射聚焦斑点通过光学系统作为辐射波前。因而，本发明能供可以是活的或死的患者的人或动物眼睛、或满足关于实象焦点的任何人造光学系统之用。
参照眼睛例子和借助于图1C中所示的示意图，将介绍使用波前分析确定适当光学校正的方法。为了方便起见，定义一个坐标系，其中正x在图面中向上，正y从图面向外，及正z向右沿传播方向。失真波前130能用数学方法描述为W(x，y)。
测量在波前130失真的一种方法是，确定在离眼睛已知距离z0处的一个基准平面131(类似于理想波前110)在当波前130的前沿横动距离z0时在失真波前130的每个(x，y)点处之间的空间间隔△z。这表明在图1C中，并且用数学方法描述成△z(x，y)=z0-w(x，y) (1)这些△z测量定义由测试眼睛的象差造成的不适当光程差。适当的校正包括除去这些光程差。理想地，在基准平面131处进行这种校正。
依据校正疗法(即，角膜组织烧蚀、合成透镜添加等)，如果讨论的材料的折射率是已知的，则能直接计算在每个(x，y)坐标处除去或添加的材料量。对于多种过程，如眼内透镜植入或径向角膜切开术，在过程期间能反复地进行这种有分析，以提供关于过程适当终点的反馈信息。
按照说明性例子，在失真与理想波前之间的差△z(x，y)是眼睛象差的结果。这些象差的理想校正包括引入负△z(x，y)在基准平面131处的光程差。如果治疗方法包括从角膜表面上通过激光烧蚀除去组织，那么对于基准平面131定位的逻辑选择是与角膜126的表面相切(即，z0=0)。这示意地表示在图1D中，其中角膜126的弯曲为了表明清楚起见被大大地放大。然后通过一个激光束输送和眼睛跟踪系统，如在美国专利申请序列号No．08／232，615中公开的那种，沿角膜在每个(x，y)坐标处能独立地执行烧蚀，该专利申请于1994年4月25日，由本发明的相同授予人所有，并且通过参考包括在这里。
在任何(x，y)横向坐标处的适当角膜烧蚀深度在小误差范围内由下式给出△z(x，y)／(nc-1)(2)其中nc是角膜组织的反射率或1．3775。下面详细描述的方法通过首先测量在波前130中的局部斜率，即在基准平面131中在横向x和y方向的多个点处的δW(x，y)／δx和δW(x，y)／δy；并且然后产生具有与实验确定值最可能一致的斜率的W(x，y)的数学描述，计算△z(x，y)。一种这样的斜率δW(x0，y0)／δx表示在图1D中。在这样做时，由于在基准平面131处测量失真波前130而波前130出自刚好在基准平面131之后的弯曲(角膜)表面的事实，引入较小误差。该误差类似于用以上讨论的Penney等的先有技术方法遇到的误差。误差Ex(x，y)是在测量平面(即，基准平面131)处在每个(x，y)位置在x方向上到弯曲角膜表面的侧向位移。类似误差对于涉及弯曲光学表面的任何校正是明白的。误差一般随离开切点的(x，y)位移和局部波前误差增大。
对于在任意坐标，例如(x0，y0)，处测量的每个测量位置(x，y)，通过把该位置投射回角膜126上的原点，能求出误差Ex(x，y)的数值。这能使用图1D能用数学方法解释。为了简单起见，解释假定误差仅在图面中，即由y=y0定义的平面，不过把分析扩展到包括y尺寸误差在数学上十分简单。在从角膜表面至基准平面的z0基准平面中在(x0，y0)处测量的跟踪波前元素传播的线L的量化是L(x)=z0-(x-x0)δW(x0,y0)/δx--(3)]]>如果由表达式S(x0，y0)描述的图的平面中的角膜表面，那么通过求出在L(x)与S(x0，y0)之间相交点，能找到用于波前元素的原点。在数学上，这要求求出满足L(x＇)=S(x0，y0)的值x＇。然后作为Ex(x0，y0)=x＇-x0给出误差Ex(x0，y0)。把分析扩展到考虑在y方向的误差将产生对于Ey的类似表达式，其中Ey(x0，y0)=y＇-y0。如果有影响，则通过把在每个(x，y)坐标处计算的象差校正侧向移动量Ex(x，y)和Ey(x，y)能补偿这些横向误差。
在人类角膜的情况下，在大多数情况下的横向误差是可忽略的。在其中角膜组织和基准平面131相切的原点处，误差是零。对于人类角膜，组织近似为球形，具有约7．5-8．0mm的弯曲半径。校正治疗半径一般不大于3mm，并且局部波前弯曲半径几乎总是超过50mm(20屈光度的折射误差)。对于50mm的局部波前弯曲半径在3mm治疗半径下的横向误差小40mm。
对于一定的眼科过程，在校正过程期间也能反复使用波前分析以提供有用的反馈信息。这种使用的一个例子是在白内障手术中，其中在眼内透镜植入(IOL)的放置之后能对眼睛进行波前分析。该分析有助于辨别是否已经插入适当折射能力的IOL，或者是否应该使用不同折射能力IOL。重复波前分析的另一个例子是在角膜成形期间，其中通过改变绕其边缘的机械张力故意扭曲眼睛的角膜。这里，重复波前分析能用来精选在绕角膜每点处产生的张力变化程度，由此提供得到用于最好视力的最佳表面弯曲的工具。
为了以与诸如上述那些之类的校正过程相容的方式进行波前分析，必须测量波前130的分量部分相对于平面或理想波前的相应分量部分的空间分离量。正是本发明的系统和方法，即使对于包括那些呈现诸如严重近视和远视之类的严重缺陷的那些显著有象差眼睛，也允许客观和准确地测量这种分离。
对于本发明的估计或测量部分，病人的瞳孔应该理想地扩散到近似6毫米或更大，即人类瞳孔在低照度下的典型尺寸。以这种方式，在使用角膜最大区域的同时估计眼睛，从而由这种测量产生的任何校正考虑到病人眼睛的最大可用角膜区域。(在目光中使用角膜的较小量，其中瞳孔显著较小，例如在3毫米的量级上。)通过在诸如暗室之类的低照度环境中实施本发明的测量部分，能自然地产生扩散。通过使用药剂也能产生扩散。
现在参照图2，表示描绘其基本元件的本发明的系统的简化示意图，并且一般用标号10指示。系统10包括用来产生光学辐射的激光器12，用来产生小直径激光束。激光器12一般是一个产生对眼睛安全的波长和功率的准直激光光(由虚线14表示)的激光器。对于眼科用途，适当的波长包括来自约400-710纳米整个可见光谱和来自约710-1000纳米的红外光谱。尽管在可见光谱中的操作一般是最好的(因为这些是其中眼睛工作的条件)，但靠近红外光谱可以提供在一定用途中的优点。例如，如果病人不知道正在进行测量，则病人的眼睛可能更放松。与光学辐射的波长无关，在眼科应用中应该把功率限制到眼睛安全的等级。对于激光辐射，适当的眼睛安全暴露等级能在用于激光产品的美国联邦性能标准中找到。如果分析是在光学系统上而不是在眼睛上进行，则检查波长范围逻辑上应该包括在系统的指示性能范围中。
为了选择激光光14的小直径准直心部，能使用一个可变光圈16来阻塞除由本发明使用希望尺寸的激光束18之外的所有激光光14。按照本发明，激光束18能具有在约0．5-4．5毫米的范围内、1-3毫米是典型的直径。严重象差的眼睛要求较小直径光束，而仅有轻微象差的眼睛能用较磊直径光束估计。依据激光器12的输出发散，能在光束通路中定位一个透镜(未表示)以优化准直。
激光束18是在途中穿过一个偏振敏感光束分光器20指向聚焦光学系统22的偏振光束。光学系统22操作以把激光束18经眼睛120的光学系统(例如，角膜126、瞳孔125和透镜124)聚焦到眼睛视网膜122的后部。(应该理解，对于已经进行白内障过程的病人透镜124可能是不存在的，然而，这不影响本发明)。在表明的例子中，光学系统22把激光束18在或靠近眼睛的中央凹123处成象为一个小光斑，在该处眼睛的视觉最灵敏。注意能反射小光斑离开视网膜122的另一部分，以便确定与人视觉另一方面有关的象差。例如，如果反射光斑离开视网膜122围绕中央凹123的区域，则能估计特别与人的边缘视觉有关的象差。在所有情况下，定光斑的尺寸，以在视网膜122上形成近衍射限制图象。因而，在中央凹123处由激光束18产生的光斑在直径上不超过约100微米，并且一般在10微米的量级上。
从视网膜122返回的激光束18的扩散反射用实线24表示在图2中，指示经眼睛120返回的辐射的波前。波前24撞击和穿过在途中的光学系统22到偏振敏感光束分光器20。当波前24离开视网膜122时，波前24由于反射和衍射相对于激光束18去偏。因而，波前24在偏振敏感光束分光器20处转向，并且指向一个波前分析器26，如Hartmann-Shack(H-S)波前分析器。一般地说，波前分析器26测量波前24的斜率，即在多个(x，y)横向坐标处相对x和y的偏导数。该偏导数信息用来借助于诸如Zernike多项式加权序列之类的数学表达式重新构造或近似原始波前。
用于入射激光束18和光束分光器20的以上规定偏振状态的目的在于，减小到达波前分析器26的传感器部分的杂散激光辐射量。在某些情况下，杂散辐射当与从希望目标(例如，视网膜122)返回的辐射相比时可能足够小，从而以上偏振规定是不必要的。
本发明能够适于宽范围的视觉缺陷，并且象这样按照测量目镜象差达到一个新动态范围等级。借助于现在将解释的光学系统22和／或波前分析器26的波前传感器部分实现动态范围提高。
在表明的实施例中，光学系统22包括一个第一透镜220、一个平面镜221、一个Porro镜222及一个第二透镜224，所有这些都沿激光束18和波前24的通路布置。第一透镜220和第二透镜224是保持在固定位置的相同透镜。Porro镜222能够如由箭头223所指示的那样线性运动，以改变在透镜220与224之间的光程长度。然而应该理解，本发明不限于平面镜221和Porro镜222的具体布置，并且其他的光学布置能用在透镜220与224之间，以改变其之间的光程长度。
通过用模拟完美平面波的准直光的宽束源(未表示)代替图2中的眼睛120，能辨别Porro镜222的“零位置”。通过用一个光束望远镜把激光束扩展到覆盖波前分析器26的成象平面的直径、和调节Porro镜222直到波前分析器26检测到准直的光，能实现这样一种源。注意由Porro镜222产生的光程长度的变化能以屈光度校准，以提供下面将进一步解释的近似球形屈光度校正。
通过利用包括一个改进波前传感器装置的最佳实施例的波前分析器，能进一步提高系统10的动态范围。借助于图3和4现在将解释一种这样的波前传感器装置。在图3中，波前分析器包括一块不透明成象板32，带有穿过其中的一个孔阵列34；一个光敏感元件的平面阵列36，如电荷耦合器件元件38；及一个处理器40，联接到元件38的平面阵列36上。板32和平面阵列36的组合包括该实施例的独特波前传感器。板32保持平行于平面阵列36，并且与其隔开一个分离距离F。如下面将进一步解释的那样，能改变分离距离F以调节传感器的增益。为了这样做，把平面阵列36联接到一个定位设备42上，例如，具有精确运动能力的常规机械化线性定位器，该定位设备42能调节平面阵列36相对于板32的位置，以如由箭头43指示的那样改变分离距离F。就孔阵列34而论，孔34的每一个都具有相同的尺寸和形状，由于制造容易一般是圆形的。在表明的例子中，正方形阵形几何形状用于孔阵列34，不过能使用其他阵列几何形状。
如图4中所示，当波前24撞击在板32上时，用箭头25指示的波前24的一片或一部分穿过孔34，以照亮平面阵列36。对于第一顺序，由每个这样的波前片25形成的生成图象是相应孔34的正阴影。然而，衍射不以由每个孔34的直径D、光源(即波前24)的波长λ及在板32与平面阵列36之间的分离距离F确定的方式发生。通过定位设备42改变值F，以根据具体病人调节增益，如下面进一步解释的那样。
注意使用由诸如光刻膜之类的光敏材料制成的固体板或膜，也能实现由带有孔34的板32提供的功能。在这样一种情况下，孔阵列34由当光撞击在其上时光穿过其的成形光透射孔径阵列代替。这样一种板或膜的其余部分是不透光的。由这样一个实施例实现的优点在于，能容易地制造光透射孔径，以与任何希望形状一致。
不管如何产生每个波前片25，本发明测量与由平面波前产生的波前片有关的每个波前片25的角偏转量。这在图4中看得最清楚，其中光的校准或平面波前生成由箭头112表示的波前片(正交于板32)，该波前片照亮在平面阵列36上的几何斑点114。相反，假定波前24表示上述的失真波前，波前片25将呈现与(校准)波前片112有关的角偏转量。角偏转引起波前片25把几何斑点27照在平面阵列36上，偏离(校准)斑点114。按照本发明，分别相对于斑点114和27的形心116和29测量偏离量。在两维平面阵列36中，形心29(一般)在阵列36的x和y方向上都偏转。因而，在x和y方向每一个上的角偏转分别由△x／F和△y／F给出。
在该最佳实施例中，如上述的那样透镜220和224是相同的。然而，在某些用途中，可能希望放大或减小在波前传感器处的波前。这能通过使用不同焦距的透镜220和224并因而调节设备尺寸而实现。对于眼睛估计，设备的物面应该理想地与能由各种装置实现的角膜平面相切。因而，在光学系统22的物面处的每个点非常接近对应于角膜上的相同点(不过由于角膜是弯曲的，有稍微的侧向位移)。波前分析器26的板32(或任何波前传感器部分的成象平面)定位在透镜220的焦平面上。以这种方式，物面总是在与从角膜126出现的波前图象相对应的方向上成象在板32上。这是真实的，与透镜220与224之间的光程长度无关。对于该结构有几个优点，其中一个是有可从市场买到的光敏元件的非常良好的平面阵列，以成象与角膜的6毫米中心圆形区域相对应的区域。现在将解释另外的优点。
板32(或任何波前传感器部分的成象平面)的目的在于把波前24打散成在平面阵列36处每个能独立(按照传播方向)测量的波前片。由于在最佳实施例中，光学系统22不放大或减小在物面中的图象，所以在物面处的点对应于在光学系统22的图象平面处的相同点。对于设置在其“零位置”的Porro镜222，波前24每一片在物面处行进的方向准确地复制在波前分析器26的图象平面处。例如，如果在物面中的一个位置处的波前片相对于与垂直于物面的光轴以20°的角度行进远离光轴，则在图象平面中在相同位置处的波前片也以20°的角度行进远离光轴。
注意近视的人将产生这样一种波前，从而由板32隔离的波前片将向阵列36的中心会聚。远视者将产生这样一种波前，从而由板32隔离的波前片发散。因而，具有显著视觉误差的人变得难以估计，因为波前片能重迭(近视)在平面阵列36处，或者溢出(远视)平面阵列36。
在本发明中，有三种用来补偿这种严重象差的方法。第一种方法是利用一种具有显著小的光敏元件38和显著大的孔34(或任何其他透射孔径)的波前传感器。在这种方法中，使用对于F的小值能进行至可接受的精度的每个波前片的测量。第二种方法是，沿光轴移动平面阵列36以改变对于板32的分离距离F。对于具有严重象差的人，靠近板32定位平面阵列36，以保持投射波前片良好地分离并且在平面阵列36上。对于中等象差，能移动平面阵列36，以增大对于板32的分离距离F，进行更准确的测量。移动平面阵列36改变对于板32的分离距离F的优点在于，对于任何位置容易地实现波前分析。在本发明中补偿严重象差的第三种方法是改变在透镜220与240之间的光程长度。移动Porro镜222将不影响波前击到板32的位置，但将改变投射波前片穿过板32的角度偏转，即△x／F和△y／F。减小在透镜220与240之间的光程长度趋于把波前片拉向平面阵列36的中心，由此补偿远视。增大在透镜220与240之间的光程长度将趋于把波前片向平面阵列36的边缘扩展，由此补偿近视。改变与每个波前片有关的角度偏转的程度，是其离开光轴的距离和Porro镜222离开其零位置的移动量的线性函数。
为了准确地确定撞击在阵列36上的光斑的形心，必须提供元件38相对于斑点尺寸的精细结构。换句话说，每个光点必须覆盖多个元件38。在该最佳实施例中，为了相对于由另外一个孔34引起的斑点清楚地确定每个斑点的形心，把独特数量的元件分配给每个孔34。在图5中由粗栅格线39指示“分配区域”。应该理解，栅格线39不是元件38之间的实际物理边界，而是简单地表示以表明包含多个元件38的独特指定区域。能利用不需要阵列36这样划分的其他形心对策。
由于本发明的波前传感器不在阵列36的表面处把每个波前片聚焦到最小，所以由每个几何斑点照亮较大数量的元件38，从而能以比以前可能的更高精度确定每个斑点的形心。
借助于用相同球形小透镜的一个两维阵列33代替板32(图3)的波前分析器，也能实施本发明，如图6中所示。为了实现本发明的优点，阵列33由定位设备42这样定位，从而分离距离F独立于定义由虚线35表示的阵列33的焦平面焦距F。换句话说，穿过阵列33的子孔径的每个波前片(例如波前片37)在尺寸(例如直径)上减小，但不必象如果分离距离F等于焦距f则会出现的那样，在阵列36处带到最小。因而，在实际中，把阵列33定位成为了在平面阵列36上的足够密度把每个波前片中的光集中在一个区域上，而仍然照亮很大数量的元件38(如上述那样)，以便以最高精度确定斑点形心的偏转。
与波前传感器的结构无关，处理器40计算由波前24产生的每个斑点的每个两维形心。把对于与相应孔34(或阵列33的子孔径)有关的每个指定区域的两维形心偏移量(相对于校准斑点的形心)除以分离距离F，产生波前的一个局部斜率矩阵，即在孔34中心的(x，y)坐标处的δW(x，y)／δx和δW(x，y)／δy。为了简单起见，这些分别由P(x，y)=δW(x，y)／δx和Q(x，y)=δW(x，y)／δy指示。
存在用来使用偏导数数据计算原始(失真)波前的多种方法。一种可接收的方法是由Liang等在上述论文中使用的方法，其中使用Zernike多项式近似波前。这是一种在多篇光学文章中描述的标准分析技术，如在M．Born和E．Wolf等的“光学原理”Pergamon Press，Oxford，England，1964中。通过例子，这里将讨论Zernike多项式方法。然而，应该理解，其他数学方法也能用在近似失真波前中。
简短地说，把波前W(x，y)表示成各个多项式的加权和W(x,y)=Σi=0nCiZi(x,y)--(4)]]>其中Ci是加权系数，而Zi(x，y)是高至某阶的Zernike多项式。关于求和的上限n是用来近似真实波前的Zernike多项式的数量，即最高阶，的函数。如果m是使用的最高阶，那么n=(m+1)(m+2)／2 (5)在多篇光学文章，如Born和Wolf的上述书籍，中描述了高至任意阶n的Zernike多项式的导出。
现在将解释确定斑点形心和Zernike加权系数计算的一种可能方法。在每个孔34中心处的单位法线的方向基于在元件38上的斑点的形心。由于每个斑点将以变化亮度照亮多个元件，所以能使用标准振幅加权形心计算来求出每个斑点的中心。每个形心必须测量两次，一次用于垂直的准直光，而再次用于要分析的波前。当然，在每次暴露期间同时成象所有斑点。
可以使用多次暴露来检查在各次暴露期间的不适当眼睛对准或眼睛运动。如果在暴露期间的眼睛运动不能通过获得多次暴露成功地分析，那么系统10能通过一个眼睛跟踪器25的添加而扩大。眼睛跟踪器25的一种可能放置表示在图2中。然而，应该理解，能把眼睛跟踪器25放置在系统10中的其他地方。一种这样的眼睛跟踪器在上述的美国专利申请序列号No．08／232，615中公开。以这种方式，即使在有限的眼睛运动量期间也能进行波前分析。
单次校准暴露也能用来确定各个元件的相对灵敏度。这借助于除去板32在均匀的准直光中进行。然后记录各个元件的响应。
对于每个光透射孔径(例如孔34)，在准直情况下的形心起用于具体孔的专用原点的作用。对于每个孔从“原点”至形心由波前24引起的偏移(如在该坐标系中观察到的那样)通过与该孔对应的波表面的方向确定。如果△x(m，n)是第(m，n)个形心的x分量，并且F是板分离，那么用于第(m，n)个形心的P值是P(m，n)=δx(m，n)／δz=△x(m，n)／F (6)用于Q的相应表达式是Q(m，n)=δy(m，n)／δz=△y(m，n)／F (7)因而，每个P(m，n)和Q(m，n)表示对于每个孔34的(x，y)坐标W(x，y)相对于x和y的偏导数。对于原始波前的m阶Zernike近似，然后在如下公式中使用实验确定的P和Q，以按如下计算适当的Ci加权系数P(m,n)=δW(x,y)δx=Σi=0nCiδZi(x,y)δx--(8)]]>Q(m,n)=δW(x,y)δy=Σi=0nCiδZi(x,y)δy--(9)]]>通过使用最小平方近似(m，n)／δzach使在以上公式中左手侧的实际波前斜率与右手侧的Zernike近似之间的误差最小，能得到用于加权系数的最佳值。
在一种计算形心(xc，yc)的可能方法中，每个孔34分配其阵列36的专用区域或(im，m±△i，jm，m±△j)。多个光敏元件的该正方形大得足以使相邻孔图象永远不会侵入，并且包含来自该孔的所有照明。该正方形包含4△i*△j个元件。
如果指定阵列36ck，l=(xc(i，j)，yc(i，j))，k，l=0…2△l，△j，并且关于中心的间隙是△x=△y=d，测量的元件响应是V(k，l)而相对响应性是R(k，1)，那么作为i，j函数的x分量xc是xc(i，j)=[Σk，lv(k，l)*R(k，l)*d*k]／[Σk，lv(k，l)*R(k，l)] (10)而作为i，j函数的y分量yc是yc(i，j)=[Σk，lv(k，l)*R(k，l)*d*l]／[Σk，lv(k，l)*R(k，l)] (11)然后，如果(xc0(i，j)，yc0(i，j))是对于(i，j)孔的“原点形心”，即在垂直的准直光中形成，并且(xcw(i，j)，ycw(i，j))是对于要测量的波前求出的相应形心，那么相对形心偏移(xcr(i，j)，ycr(i，j))按如下求出(xcr(i，j)=xcw(i，j)-xc0(i，j)(12)(ycr(i，j)=ycw(i，j)-yc0(i，j)(13)值P(i，j)和Q(i，j)由下式确定P(i，j)=xcr(i，j)／F (14)和Q(i，j)=ycr(i，j)／F (15)其次使用对于板32的孔中心阵列的表面偏导数P(i，j)和Q(i，j)来计算描述原始波前W(x，y)的适当Zernike多项式加权系数。这现在通过对于孔34的7×7正方形阵列的说明解释。然而，应该理解，能使用其他尺寸和形状的孔阵列。
首先，按如下形成一个1×98矩阵(即列矩阵)PQ(k)PQ(k)=P(7i+j)，j=0…6，i=0…6，k=0…48(16)PQ(k)=Q(7i+j)，j=0…6，i=0…6，k=49…98 (17)使j对于每个i循环，即PQ(18)=P(2，5)。
矩阵PQ从左边乘以转换矩阵TM以按如下得到矩阵Cc=TM*PQ (18)其中TM是98宽乘14高的矩阵，而C是1宽乘14高的矩阵或列向量。C是矩阵Ckk=1，…，14，从而对于最小平方误差，w(x，y)=ΣkCk*Zk(x，y) (19)并且对于给定孔径，例如6毫米的瞳孔孔径，计算TM。
在公式(19)中的函数Zk(x，y)是Zernike多项式。没有关于其序列的标准约定。因而，为了一致性，重要的是，使用相同序列产生为导出矩阵TM选择的集合Ck。他们在相同阶的组中出现，这是在组中的最高分量，在一阶中的项总数随阶数增大。例如，在四阶分析中，使用高达4且包括4的阶数(较小的Z0-阶0的单项，是常数1，描述在Z方向组的基准位置)。由于波前24沿Z(以光速)运动，所以该“活塞项”仅描述在Z中的任意偏移，并且可以忽略该项。最初的5阶(0，1，…，4)包含包括活塞项的15个函数。
因而，在表明的例子中，计算Ck的14个值作为14个Zernike多项式的系数。通过例子，一种用来计算TM的这种阶在表1中给出，它包括Zernike多项式和其偏导数。
表1通过阶4的Zernike(x，y)多项式扩展多项式阶0z(0) +1dz(0)／dx 0．0dz(0)／dy 0．0多项式阶1z(1) +ydz(1)／dx 0．0dz(1)／dy +1z(2) +xdz(2)／dx +1dz(2)／dy 0．0多项式阶2
z(3) -1+2y2+2x2dz(3)/dx +4xdz(3)/dy +4yz(4) +2xydz(4)/dx +2ydz(4)/dy +2xz(5) -y2+x2dz(5)/dx +2xdz(5)/dy -2y多项式阶3z(6) -2y+3y3+3x2ydz(6)/dx +6xydz(6)/dy -2+9y2+3x2z(7) -2x+3xy2+3x3dz(7)/dx -2+3y2+9x2dz(7)/dy +6xyz(8) -y3+3x2ydz(8)/dx +6xydz(8)/dy -3y2+3x2z(9) -3xy2+x3dz(9)/dx -3y2+3x2dz(9)/dy -6xy多项式阶4z(10)+1-6y2+6y4-6x2+12x2y2+6x4dz(10)/dx-12x+24xy2+24x3dz(10)/dy-12y+24y3+24x2yz(11)-6xy+8xy3+8x3ydz(11)/dx-6y+8y3+24x2ydz(11)/dy-6x+24xy2+8x3z(12)+3y2-4y4-3x2+4x4dz(12)/dx-6x+16x3dz(12)/dy+6y-16y3z(13)-4xy3+4x3ydz(13)/dx-4y3+12x2ydz(13)/dy-12xy2+4x3z(14)+y4-6x2y2+x4dz(14)/dx-12xy2+4x3dz(14)/dy+4y3-12x2y
排序Zernike多项式的选择规定公式(19)中的Ck的说明，并因此规定在TM矩阵中诸项的顺序。因此，必须在进行选择之后计算TM矩阵。下面将解释用于说明例子的TM矩阵的产生。
注意四阶分析只是一个例子，而不是唯一的可能性。能进行至任意阶的Zernike分析。一般地说，阶越高，在测试点上的结果越准确。然而，在测试点上的准确多项式拟合不一定是希望的。这种似合具有典型的干扰特性除非表面本身碰巧是不高于用于表面拟合阶的准确多项式，否则在分离诸点处的准确拟合引起在拟合点之间的猛烈摆动。就是说，在多项式表面拟合中，在有限数量点处的准确拟合对于通用函数能产生差的平均拟合。对于上述系统的眼科应用，计算机模拟提出六阶Zernike分析可以产生最好的结果。
通过从Zernike近似中减去一个常数，简单地实现从波前的Zernike重新构造计算△z(x，y)光学通路差信息。常数的值将取决于△z(x，y)的希望特性。依据校正象差选择的方法(例如，激光烧蚀、透镜添加等)，例如可以希望把△z(x，y)的最大、平均或最小值设置为等于零。
现在对于板32中的7×7阵列孔的说明例子解释转换矩阵TM的产生。在每个点(xi，yj)处，法线分量的正切是P(xi，yj)和Q(xi，yj)，其中P(xi，yj)=δW(xi，yj)／δx (20)和Q(xi，yj)=δW(xi，yj)／δy (21)把这些与公式(11)相结合，P(xi，yj)=∑kCkδW(xi，yj)／δx (22)和Q(xi，yj)=∑kCkδW(xi，yj)／δy (23)每个可应用于49种(i，j)组合。这些结合成是98个元素高的单列向量PQ，例如一个98×1矩阵。定义两个矩阵Ck(14高×1宽)和Mk，(ij)(14宽×98高)(Mk，(i，j))=δZk(xi，yj)／δx；δZk(xi，yj)／δy (24)其中x导数是最初49行而y导数是最后49行。然后，能把公式(19)重写成矩阵公式(PQ)=(M)(C)(25)其中M的顶部49行是δW(xi，yi)／δy。
按照用于由14个C的阵列描述的表面的Zernike系数，公式(25)中的表示给出正交分量。这些是准确的，但不保证实际整个表面能由这样一个系数阵列描述。因而，如果假定描述在可接收的容限内，即允许在最小平方误差确定之后剩余的误差，那么能考虑公式(26)，以便按照都已知的数学矩阵M和测量向量PQ隐含地定义列向量C。在最小条件下实现该方案的方法如下。
首先，公式(25)在左边乘以M的转置MT，从而(MT)(PQ)=(MT)(M)(C)=(S)(C) (26)其中S=MTM(27)是平方与对称矩阵，例如为维数14×14(对于每个元素，98个乘积之和)。这样一种矩阵具有逆矩阵，除非其系数行列式是零。由于这单独基于Zernike多项式，并且他们都是彼此独立的，所以行列式是非零的，从而定义一个逆矩阵S-1。其次，公式(25)在左边乘以S-1以产生(8-1)(MT)(PQ)=(s-1)(8)(C)=(I)(C)=C(28)然后，数学转换矩阵(独立于测量)是(TM)=C(S-1)(MT) (29)并且通过简单的矩阵相乘能产生来自测量的PQ的C的“最好拟合”阵列(c)=(TM)(PQ) (30)为了清楚地估计眼睛，由于波前24照亮平面阵列36的所有斑点必须同时入射在平面阵列36上。速通过脉动或开关激光源(即激光器12)实现，从而脉冲持续时间小于眼睛的眼急动间隔，即几毫秒。可选择的是，能保留激光源连续，而能开关波前24，显得象小于眼睛急动的持续时间的波前脉冲。因而，如图2中所示，快门50能定位在激光束18的通路中在眼睛120之前，或者在波前24的通路中在波前分析器26之前。
适于临床使用的本发明的实施示意表示在图7中，并且一般用标号11指示。类似的标号用来描述与相对于系统10在以上描述的那些相同的元件。因而，不进一步描述类似的元件和其功能。
一个双色光束分光器52插入在光束分光器20与光学系统22之间，以把由50／50光束分光器54彼此光学分离的固定目标光学系统60和观察光学系统70引入到系统11中。在功能上，固定目标光学系统为眼睛120提供目标形状的可见光。由固定目标光学系统60产生的可见光由双色光束分光器50反射，并且方向通过光学系统22。
应该理解，固定目标光学系统60能以各种方式实施。通过例子，表示一个这样的实施例，并且包括一个可见光源61、一个光漫射器62、目标63、视场光阑64、透镜65及光圈66。光源61和光漫射器62用来提供固定目标63的均匀照明。视场光阑64、透镜65、及光圈66联系光学系统22使用，以把固定目标的清晰图象呈现给(病人)眼睛120。
在功能上，观察光学系统70允许技术人员观察和确证眼睛估计过程。尽管观察光学系统70的各种实施是可能的，但通过例子表示一种这样的实施。在图7中，观察光学系统70包括视场透镜71、透镜72、光圈73、透镜74、及摄象机75。一个环形照明灯80放置在眼睛120的前面，以便为了观察和／或拍摄目的照亮眼睛。
来自波前分析器26的输出，例如公式(19)的Zernike展开，能以各种方式使用。例如，能使用输出来连续或周期地监视眼科过程的进行或效果。该输出也能用来产生对于眼睛120的光学校正。光学校正使得波前24显得近似为平面波。如上所述，光学校正能以各种方式实施。在每一种情况下，波前分析器26的输出输入到一个处理器90，处理器90把公式(19)的Zernike展开转换成适于作为可能光学校正之一实施的形式。(处理器90的功能也能在波前分析器26的处理器40处实施)。
处理器90能使用来自公式(19)的展开的Zernike系数的一些，来产生用于透镜磨床92的标准球柱面校正，以生产常规的光学透镜，例如用于眼镜的透镜、接触透镜等。处理器90也能把有象差波前的Zernike重新构造除以角膜126的折射率减1，以计算在角膜上在每个相应(x，y)位置处烧蚀的角膜材料量。角膜材料在每个位置处的量输入到一个激光束输送系统，该系统一般具有眼睛跟踪能力94，如在上述美国专利申请序列号No．08／232，615中描述的那样。激光束输送和眼睛跟踪器94放置成与系统11的光轴成一直线。该元件的眼睛跟踪器部分允许系统11响应多余的眼睛运动。激光束输送和眼睛跟踪器94一般把烧蚀激光光的短脉冲或“射击”聚焦在角膜126或眼睛120处，以在每个位置处除去规定厚度t的材料。这示意表示在图8中，其中角膜126的未校正表面用标号126A指示，而在烧蚀之后角膜126的校正表面由标号126B指示。
按照本发明，跨过被测角膜的孔径，例如在眼睛测量期间把眼睛的瞳孔扩散到的6毫米圆，规定烧蚀厚度t。在规定处理圆之外，可以添加部分烧蚀的减小混合区，以减小角膜弯曲的剧烈变化，并因此减轻衰退。激光束输送系统94除去厚度t，以实现光学校正，即校正的角膜表面126B。注意光学校正不是与最终角膜外形有关，而是除去角膜材料，以实现考虑到眼睛的所有目镜象差的光学校正。这是重要的，因为角膜的表面形状能独立于要求的校正，因为眼睛的视觉取决于除角膜弯曲之外的多个因素。因此，用于最佳视觉的最好角膜表面外形可以在如下方面远离规则它必须补偿眼睛其他表面的误差。因而，显然本发明能用来提供除常规球面和／或柱面校正之外的角膜表面校正。
本发明的优点有多个。给出一种用来测量目镜象差的完全客观的方法。该方法对于宽范围的视觉缺陷是有效的。因而，本发明在各种各样的临床用途中具有很大的实用性。例如，计算的Zernike系数能用来产生能借助于激光烧蚀实现的完全客观透镜方案或角膜校正。另外，波前传感器实施例的每一个相对于测量波前偏转提供优于先有技术的较高准确度。而且，简单地通过调节在传感器成象平面与光敏元件平面阵列之间的分离距离，能按照增益调节该波前传感器。
本发明的客观测量对于其中“病人”不能提供由常规眼睛诊断要求的反馈的大量用途，也将找到很大的实用性。例如，本发明能用来估计不拥有表现通信技能的任何病人的眼睛，如婴儿、动物、死标本、以及任何建造的光学系统，因为本发明是不需要来自“对象”的任何估计的客观分析。所有必需的是把对象眼睛适当定位，从而能得到对眼睛的适当光学访问。
本发明也能用在应该确定每只眼睛的Zernike系数是唯一的识别领域。那么，本发明在法律实施领域、信用卡／银行安全性、或肯定识别是有益的任何其他领域会发现很大的实用性。
尽管相对于其特定实施例已经描述了本发明，但按照本发明的讲述对于熟悉本技术的专业人员有多种显而易见的变更和修改。因此应该理解，在附属权利要求书的范围内，除具体描述的之外可以实施本发明。
作为新的和希望的要求由美国专利证书保护的是
权利要求
1．一种系统，包括一个能量源，用来产生辐射光束；光学系统，布置在所述光束的通路中，用来指引所述光束通过使其后部起扩散反射器作用的一个聚焦光学系统，其中所述光束作为通过所述聚焦光学系统的辐射波前，从所述后部扩散地反射回，以撞击在所述光学系统上，光学系统按与撞击在所述光学系统上的所述波前的直接对应投射所述波前；一个波前分析器，布置在从所述光学系统投射的所述波前的通路中，用来计算波前的失真，作为所述聚焦光学系统的象差估计。
2．根据权利要求1所述的系统，其中所述能量源包括一个准直激光器，用来产生准直激光光；及一个可变光圈，布置在所述准直激光光的通路中以投射所述准直激光光的准直心部，其中所述准直心部是具有直径在约0．5毫米至约4．5毫米范围内的所述辐射光束。
3．根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射是光学辐射，并且其中所述聚焦光学系统包括一个第一透镜，保持在所述光束和所述波前的通路中的一个第一固定位置中；一个第二透镜，保持在所述光束和所述波前的通路中的一个第二固定位置中；及一种光学元件的排列，布置在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透镜与所述第二透镜之间，光学元件的所述排列是可调节的，以便改变在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光程长度。
4．根据权利要求3所述的系统，其中所述波前分析器包括一个用来把所述波前划分成多个光学辐射光束的波前传感器，其中所述第一透镜的焦平面在所述波前传感器处，及其中所述第二透镜的一个焦平面在所述聚焦光学系统的物面处。
5．根据权利要求3所述的系统，其中所述聚焦光学系统是一只眼睛并且其中所述波前分析器包括一个用来把所述波前划分成多个光学辐射光束的波前传感器，其中所述第一透镜的焦平面在所述波前传感器处，及其中所述第二透镜的焦平面在所述眼睛的瞳孔处。
6．根据权利要求1所述的系统，其中所述波前分析器是Hartmann-Shack波前分析器。
7．根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射是光学辐射，并且其中所述波前分析器包括一块板，除允许撞击光从中穿过的光透射孔径的阵列之外是不透光的，所述板布置在所述波前的通路中，其中所述波前的诸部分穿过光透射孔径的所述阵列；光敏元件的一个平面阵列，平行于所述板布置并且与所述板隔开一个选择的距离，其中穿过光透射孔径所述阵列之一的所述波前的所述部分的每一个照亮覆盖来自元件的所述平面阵列的独特多个元件的几何形状；及一个处理器，联接到元件的所述平面阵列上，用来根据每个所述几何形状的形心计算所述失真。
8．根据权利要求7所述的系统，其中在光透射孔径的所述阵列中的每个光透射孔径具有等同的尺寸。
9．根据权利要求7所述的系统，其中在光透射孔径的所述阵列中的每个光透射孔径是圆形的。
10．根据权利要求7所述的系统，其中光透射孔径的所述阵列是一个正方形阵列。
11．根据权利要求7所述的系统，进一步包括用来调节在所述板与元件的所述平面阵列之间的所述选择距离的装置。
12．根据权利要求11所述的系统，其中所述辐射是光学辐射，并且其中所述聚焦光学系统包括一个第一透镜，保持在所述光束和所述波前的通路中的一个第一固定位置中；一个第二透镜，保持在所述光束和所述波前的通路中的一个第二固定位置中；及一种光学元件的排列，布置在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透镜与所述第二透镜之间，光学元件的所述排列是可调节的，以便改变在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光程长度。
13．根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射是光学辐射，并且其中所述波前分析器包括球形小透镜的一个两维阵列，限定一个焦平面，该焦平面远离球形小透镜的所述两维阵列一个焦距，球形小透镜的所述两维阵列布置在所述波前的通路中，其中所述波前的诸部分穿过球形小透镜的所述两维阵列；光敏元件的一个平面阵列，平行于球形小透镜的所述两维阵列布置并且与其隔开一个独立于所述焦距的选择距离，其中穿过球形小透镜的所述两维阵列的所述波前的所述部分的每一个照亮覆盖来自元件的所述平面阵列的独特多个元件的几何形状；及一个处理器，联接到CCD元件的所述平面阵列上，用来根据每个所述几何形状的形心计算所述失真。
14．根据权利要求13所述的系统，进一步包括用来调节在球形小透镜的所述两维阵列与元件的所述平面阵列之间的所述选择距离的装置。
15．根据权利要求14所述的系统，其中所述光学系统包括一个第一透镜，保持在所述光束和所述波前的通路中的一个第一固定位置中；一个第二透镜，保持在所述光束和所述波前的通路中的一个第二固定位置中；及一种光学元件的排列，布置在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透镜与所述第二透镜之间，光学元件的所述排列是可调节的，以便改变在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光程长度。
16．根据权利要求1所述的系统，其中所述聚焦光学系统是任何眼睛，并且进一步包括用来使所述光束作为比所述眼睛的急动间隔小的持续时间脉冲发生的装置。
17．根据权利要求1所述的系统，其中所述聚焦光学系统是任何眼睛，并且进一步包括用来使所述波前作为比所述眼睛的急动间隔小的持续时间脉冲向所述波前分析器显示的装置。
18．根据权利要求1所述的系统，其中所述聚焦光学系统是任何眼睛，并且进一步包括一个用来按目标的形状产生可见光的固定目标发生器，所述固定目标发生器如此布置，从而所述可见光经所述光学系统引导，其中所述可见光能由所述眼睛看到。
19．根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个用来把所述失真转换成光学校正的转换器，该转换器如果放置在所述波前的通路中，则使所述波前显得近似为平面波。
20．根据权利要求19所述的系统，其中所述转换器把所述失真转换到透镜方案上，并且其中根据所述透镜方案由透镜实现所述光学校正。
21．根据权利要求19所述的系统，其中所述光学系统是一只眼睛，及其中所述转换器把所述失真转换成要从所述眼睛烧蚀的复杂几何形状的角膜材料的量，所述系统进一步包括一个激光束输送系统，该激光束输送系统用来借助于烧蚀所述角膜材料的波长和功率的多个小直径激光束脉冲照射所述眼睛，其中通过除去所述量的角膜材料实现所述光学校正。
22．根据权利要求21所述的系统，其中所述激光束输送系统进一步包括一个用来监视所述眼睛运动和用来调节与所述运动相对应的所述多个小直径激光束脉冲的位置的眼睛跟踪器。
23．根据权利要求19所述的系统，其中所述光学系统是一只眼睛，并且其中所述转换器把所述失真转换成所述眼睛角膜表面弯曲的规定变化，及其中通过根据所述规定变化重新形成所述眼睛的所述角膜表面弯曲，实现所述光学校正。
24．根据权利要求1所述的系统，其中所述光学系统是一只眼睛，并且进一步包括一个用来监视所述眼睛的运动的眼睛跟踪器。
25．一种光学波前传感器，包括一块板，除允许撞击光从中穿过的光透射孔径的阵列之外是不透光的，所述板布置在所述波前的通路中，其中所述光学波前的诸部分穿过光透射孔径的所述阵列；及光敏元件的一个平面阵列，平行于所述板布置并且与所述板隔开一个选择的距离，其中穿过光透射孔径所述阵列之一的所述波前的所述部分的每一个照亮覆盖来自元件的所述平面阵列的独特多个元件的几何形状。
26．根据权利要求25所述的光学波前传感器，其中在光透射孔径的所述阵列中的每个光透射孔径具有等同的尺寸。
27．根据权利要求25所述的光学波前传感器，其中在光透射孔径的所述阵列中的每个光透射孔径是圆形的。
28．根据权利要求25所述的光学波前传感器，其中光透射孔径的所述阵列是一个正方形阵列。
29．根据权利要求25所述的光学波前传感器，进一步包括用来调节在所述板与元件的所述平面阵列之间的所述选择距离的装置。
30．根据权利要求25所述的光学波前传感器，进一步包括一个联接到元件的所述平面阵列上、用来确定每个所述几何形状的形心的处理器。
31．一种方法，包括步骤产生一个光学辐射光束；借助于聚焦光学系统把所述光束聚焦到一只眼睛中，以把所述光束成象为一个在所述眼睛视网膜后部处形成近衍射有限图象的聚焦斑点，其中所述光束扩散地从视网膜反射回，作为通过所述眼睛的辐射波前；允许所述波前撞击在所述聚焦光学系统上；借助于所述聚焦光学系统，按与撞击在所述聚焦光学系统上的所述波前的直接对应投射所述波前；及使用布置在从所述聚焦光学系统投射的所述波前的通路中的一个波前分析器，来计算与从所述聚焦光学系统投射的所述波前有关的失真。
32．根据权利要求31所述的方法，其中所述产生步骤包括产生准直激光光；及选择所述准直激光光的一个准直心部，作为具有直径在约0．5毫米至约4．5毫米范围内的所述光学辐射光束。
33．根据权利要求31所述的方法，其中所述聚焦步骤包括步骤把一个第一透镜固定在所述光束和所述波前的通路中的一个第一位置中；把一个第二透镜固定在所述光束和所述波前的通路中的一个第二位置中；及把一种光学元件的排列定位在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透镜与所述第二透镜之间；及调节光学元件的所述排列的位置，以便改变在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光程长度。
34．根据权利要求33所述的方法，其中所述波前分析器包括一个用来把所述波前划分成多个光学辐射光束的波前传感器，其中固定所述第一透镜的所述步骤包括把所述第一透镜的焦平面布置在所述波前传感器处的步骤，及其中固定所述第二透镜的所述步骤包括把所述第二透镜的焦平面布置在所述眼睛的瞳孔处的步骤。
35．根据权利要求31所述的方法，其中所述波前分析器包括一块板，除允许撞击光从中穿过的光透射孔径的阵列之外是不透光的，所述板布置在所述波前的通路中，其中所述波前的诸部分穿过光透射孔径的所述阵列；和光敏元件的一个平面阵列，平行于所述板布置并且与所述板隔开一个选择的距离，其中穿过光透射孔径所述阵列之一的所述波前的所述部分的每一个照亮覆盖来自元件的所述平面阵列的独特多个元件的几何形状，所述方法进一步包括调节所述选择距离以调节所述波前分析器的增益的步骤。
36．根据权利要求35所述的方法，其中所述聚焦步骤包括步骤把一个第一透镜固定在所述光束和所述波前的通路中的一个第一位置中；把一个第二透镜固定在所述光束和所述波前的通路中的一个第二位置中；及把一种光学元件的排列定位在所述激光束和所述波前的通路中在所述第一透镜与所述第二透镜之间；及调节光学元件的所述排列的位置，以便改变在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光程长度。
37．根据权利要求31所述的方法，其中所述波前分析器包括球形小透镜的一个两维阵列，限定一个焦平面，该焦平面远离球形小透镜的所述两维阵列一个焦距，球形小透镜的所述两维阵列布置在所述波前的通路中，其中所述波前的诸部分穿过球形小透镜的所述两维阵列；和光敏元件的一个平面阵列，平行于球形小透镜的所述两维阵列布置并且与其隔开一个不等于所述焦距的选择距离，其中穿过球形小透镜的所述两维阵列的所述波前的所述部分的每一个照亮覆盖来自元件的所述平面阵列的独特多个元件的几何形状，元件的所述平面阵列带有穿过其中的孔阵列，所述方法进一步包括调节所述选择距离以调节所述波前分析器的增益的步骤。
38．根据权利要求37所述的方法，其中所述聚焦步骤包括步骤把一个第一透镜固定在所述光束和所述波前的通路中的一个第一位置中；把一个第二透镜固定在所述光束和所述波前的通路中的一个第二位置中；及把一种光学元件的排列定位在所述光束和所述波前的通路中在所述第一透镜与所述第二透镜之间；及调节光学元件的所述排列的位置，以便改变在所述第一透镜与所述第二透镜之间的光程长度。
39．根据权利要求31所述的方法，进一步包括断路所述光束的步骤，从而引导脉冲通过所述聚焦光学系统，所述脉冲具有比所述眼睛的急动间隔小的持续时间。
40．根据权利要求31所述的方法，进一步包括断路所述波前的步骤，所述波前向所述波前分析器显示，作为比所述眼睛的急动间隔小的持续时间脉冲。
41．根据权利要求31所述的方法，进一步包括步骤按目标的形状产生可见光；和引导所述可见光通过所述聚焦光学系统，其中所述可见光能由所述眼睛看到。
42．根据权利要求31所述的方法，进一步包括把所述失真转换成光学校正的步骤，该光学校正如果放置在所述波前的通路中，则使所述波前显得近似为平面波。
43．根据权利要求42所述的方法，其中所述光学校正是以透镜方式。
44．根据权利要求42所述的方法，其中所述光学校正是以从所述眼睛烧蚀角膜材料量的方式。
45．根据权利要求42所述的方法，其中所述光学校正是以规定改变所述眼睛角膜表面弯曲的方式。
46．根据权利要求31所述的方法，进一步包括把所述眼睛的瞳孔扩散到在低照度环境下达到的尺寸的步骤，在所述聚焦、允许和投射步骤之前实现所述扩散步骤。
47．根据权利要求31所述的方法，进一步包括步骤在所述眼睛上进行眼科过程；及在所述眼科过程已经开始之后，进行所述产生、聚焦、允许、投射及计算的步骤至少一次，以监视所述眼科过程对所述眼睛的影响。
48．根据权利要求31所述的方法，其中所述计算步骤包括计算与所述失真有关的Zernike系数的步骤。
49．一种方法，包括步骤提供对不能明确通信的对象的眼睛的光学访问；产生一个光学辐射光束；借助于聚焦光学系统把所述光束聚焦到所述眼睛中，以把所述光束成象为一个在所述眼睛视网膜后部处形成近衍射有限图象的聚焦斑点，其中所述光束扩散地从视网膜反射回，作为通过所述眼睛的辐射波前；允许所述波前撞击在所述聚焦光学系统上；借助于所述聚焦光学系统，按与撞击在所述聚焦光学系统上的所述波前的直接对应投射所述波前；及使用布置在从所述聚焦光学系统投射的所述波前的通路中的一个波前分析器，来计算与从所述聚焦光学系统投射的所述波前有关的失真。
50．一种校正眼睛视觉缺陷的方法，包括步骤测量从所述眼睛视网膜上的一个定义原点扩散反射的光的波前的失真，所述失真指示在所述眼睛角膜表面上在精确位置处应该除去角膜材料的量，以近似地消除所述失真；及在所述精确位置处烧蚀所述眼睛角膜材料的所述量。
全文摘要
一种用于聚焦光学系统的客观测量和校正的系统和方法包括布置在光束(18)的通路中的光学系统,该光学系统引导光束通过聚焦光学系统,例如即眼睛(120),并且把光束聚焦在其后部(122)处。该光束扩散地反射回,并且一个波前分析器(26)布置在从光学系统投射的波前的通路中,并且计算失真作为聚焦光学系统的象差估计。
文档编号G01J1/00GK1291281SQ97182533
公开日2001年4月11日 申请日期1997年11月21日 优先权日1997年11月21日
发明者鲁道夫·W·弗雷, 詹姆斯·H·伯克哈尔特, 尼尔·泽浦金, 爱德华·帕博里尔斯, 约翰·A·坎宾 申请人:自控技术公司