利用對(duì)反射光的光譜波前分析的眼睛計(jì)量的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)反射和散射介質(zhì)的計(jì)量，并涉及高光譜成像和波前分析領(lǐng)域。本發(fā)明主要開(kāi)發(fā)用于人眼計(jì)量，且下文將參考該應(yīng)用來(lái)描述本發(fā)明。然而應(yīng)理解的是，本發(fā)明并不限于該特定使用領(lǐng)域。
[0002]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引證
[0003]本發(fā)明要求于2013年6月20日提交的澳大利亞臨時(shí)專利申請(qǐng)第2013902254號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過(guò)引證結(jié)合于此。
【背景技術(shù)】
[0004]在整個(gè)說(shuō)明書中，任何有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的討論都不應(yīng)該被認(rèn)為是承認(rèn)該現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)為公知常識(shí)或構(gòu)成本領(lǐng)域公知常識(shí)的一部分。
[0005]已通過(guò)一系列不同儀器解決了對(duì)光學(xué)部件(尤其是人眼)的測(cè)量，這些儀器能夠提供有關(guān)眼睛形態(tài)和功能的不同方面的信息并識(shí)別各種異常。測(cè)量眼睛表面的輪廓在需要裝配隱形眼鏡(contact lens，接觸鏡片)的應(yīng)用中受到特別關(guān)注，且隨著隱形眼鏡的范圍和功能的增加，精確測(cè)量較大區(qū)域的表面地形圖(topography)的需要變得越來(lái)越重要。可進(jìn)行的其他測(cè)量包括波前分析，波前分析為對(duì)眼睛的光學(xué)特性(即，眼睛功能)進(jìn)行的基于相位的測(cè)量。對(duì)眼睛前段各種特征的測(cè)量在外科應(yīng)用中可具有很大價(jià)值。在對(duì)眼睛視網(wǎng)膜進(jìn)行成像方面已取得了重大進(jìn)展，且光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)(OCT) (optical coherencetomography，光學(xué)相干層析成像技術(shù))已使得能夠通過(guò)使用反射光的強(qiáng)度和相位所包含的信息的掃描方法對(duì)多種眼睛結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維分析。
[0006]圖1示意性地示出了能夠計(jì)算活體人眼角膜的隆起度(elevat1n)和曲率的普氏盤(Placido disc，普拉西多氏角膜盤)地形圖儀。一系列被照射的同心環(huán)100從目標(biāo)角膜101被鏡面反射，且反射圖像被透鏡系統(tǒng)102投影到成像傳感器103上。使用軟件來(lái)處理捕獲的圖像以識(shí)別環(huán)反射和相應(yīng)的物理環(huán)。利用環(huán)100的已知幾何形狀和透鏡系統(tǒng)102，在每一個(gè)環(huán)圖像與相應(yīng)的物理環(huán)之間進(jìn)行反向光線追蹤104以確定角膜表面從角膜頂點(diǎn)105處開(kāi)始在每一個(gè)反射點(diǎn)的斜率。使用“弧階(arc step)”算法來(lái)計(jì)算下一個(gè)環(huán)反射點(diǎn)沿每一條射線的斜率、曲率和軸向深度。
[0007]圖2示意性地示出了能夠沿狹縫孔徑222在許多點(diǎn)處對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行光譜分析的“推掃式”高光譜成像儀(‘push broom’hyperspectral imager)。狹縫孔徑222用于分析樣本221 (例如，由遠(yuǎn)視成像系統(tǒng)或其他成像系統(tǒng)形成的圖像)的線性部分。準(zhǔn)直透鏡223將通過(guò)狹縫孔徑收集的光引導(dǎo)至分散元件(例如，光柵225)，其有角度地使光的波長(zhǎng)分量分散，且聚焦透鏡224將每一個(gè)波長(zhǎng)分量聚焦到沿焦平面陣列226的波長(zhǎng)軸線的分離位置上，信息在此處被收集和分析。通過(guò)相對(duì)于狹縫孔徑222來(lái)掃描樣本221可獲得完整的高光譜圖像。高光譜成像還延伸至二維“單拍(single shot) ”應(yīng)用，其中對(duì)穿過(guò)一區(qū)域的不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)度進(jìn)行“單拍”測(cè)量，而非以掃描方式進(jìn)行測(cè)量。
[0008]高光譜成像僅收集與強(qiáng)度有關(guān)的信息，因此會(huì)丟失任何相位信息。其對(duì)眼睛計(jì)量的價(jià)值有限，且生物學(xué)應(yīng)用通常局限于理解光譜特征，例如血液的氧化，這些光譜特征通過(guò)吸收性或熒光性來(lái)顯示。
[0009]圖3示意性地示出了用于確定眼睛波前像差(aberrat1n)的波前分析儀。輸入的已知光束或波前321 (通常為單色但并不一定為單色)通過(guò)分束器322傳播至待測(cè)眼睛324，在此處，理想的是光束因眼睛的屈光力(optical power) 323被聚焦到視網(wǎng)膜325上，或接近視網(wǎng)膜325。然后，一小部分反射分量因眼睛的屈光力被準(zhǔn)直，并通過(guò)分束器322與輸入光束321分離以形成輸出波前326，其含有關(guān)于眼睛324的剩余屈光力和像差的信息。
[0010]利用夏克-哈特曼分析儀(Shack-Hartmann analyser) 327來(lái)分析輸出波前326，如圖3a中的放大圖所示，分析儀327由微透鏡陣列331組成，微透鏡陣列對(duì)預(yù)定網(wǎng)格的波前進(jìn)行采樣并將其聚焦到焦平面陣列333上。由每一個(gè)微透鏡形成的圖像斑點(diǎn)334的位置可用于估計(jì)波前326在每一個(gè)采樣點(diǎn)的斜率335，且如果可足夠準(zhǔn)確地確定斜率且如果采樣點(diǎn)之間的變化并不大，則有可能重構(gòu)波前在采樣點(diǎn)的實(shí)際相位328。已建議利用多光譜波前分析儀來(lái)確定光學(xué)部件的分散性能，例如眼睛的縱向色差，例如在P.珍妮和J.施魏因格林的“RGB夏克-哈特曼波前傳感器”，現(xiàn)代光學(xué)雜志2008年第55卷第737-748頁(yè)(P.Jain and J.Schwiegerling ‘RGB Shack-Hartmann wavefront sensor’，J.ModernOptics 55(2008)737-748)以及S.曼扎羅拉等人的“用于人眼的波長(zhǎng)可調(diào)波前傳感器”，光學(xué)快遞 2008 年第 16 卷第 7748-7755 頁(yè)(S.Manzanera et al ‘A wavelength tunablewavefront sensor for the human eye，，Optics Express 16 (2008) 7748-7755)中討論的那樣。然而，未獲得不同波長(zhǎng)之間的相對(duì)相位信息。
[0011]許多分析眼睛的方法依賴于被稱為光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)(0CT)的各種變型，該技術(shù)能夠提供關(guān)于眼睛結(jié)構(gòu)的斷層掃描數(shù)據(jù)并結(jié)合入許多眼睛儀器?？衫玫姆椒ㄖ饕袃煞N，即時(shí)域 0CT 和譜域 OCT (time domain OCT and spectral domain OCT)。在時(shí)域 OCT中，通過(guò)對(duì)從樣本反射的光進(jìn)行成像并利用由相同源提供的但具有時(shí)變路徑長(zhǎng)度的參考光束干涉圖像或圖像內(nèi)的單個(gè)點(diǎn)，可利用相干長(zhǎng)度為幾微米的部分相干源(例如，超輻射發(fā)光二極管(SLED))的相干特性。在樣本中與路徑長(zhǎng)度延遲對(duì)應(yīng)的特定深度，將在組合的反射回信號(hào)中檢測(cè)到干涉條紋包絡(luò)，從而允許重構(gòu)在深度維度的反射剖面。通常，一次僅對(duì)單個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行處理，且相應(yīng)的深度掃描被稱為“A掃描”。該技術(shù)的變型(被稱為線性0CT)通過(guò)使參考光束和樣本光束適當(dāng)?shù)爻山嵌纫詥闻姆绞讲东@A掃描，并沿焦平面陣列檢測(cè)條紋。在每種情況下，可在正交維數(shù)上掃描采樣點(diǎn)以提供二維“B掃描”或甚至完整的三維掃描。
[0012]譜域0CT技術(shù)不再掃描延遲線，而是通過(guò)利用參考光束干涉反射光來(lái)分析反射光，作為波長(zhǎng)(掃頻源0CT)的時(shí)變函數(shù)，或通過(guò)利用光柵或其他光譜多路復(fù)用器(spectraldemultiplexer)使不同的波長(zhǎng)分散并同時(shí)沿檢測(cè)器陣列檢測(cè)。譜域信息為空間(深度)反射剖面的傅里葉變換，因此空間剖面可通過(guò)快速傅里葉變換恢復(fù)(在技術(shù)的限制范圍內(nèi))。現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)使得能夠利用例如諧振掃描鏡快速地進(jìn)行可在兩個(gè)軸線上掃描的A掃描，以便以作為臨床可允許的屈光力、分辨率與信噪要求之間的折衷的刷新速率給出高分辨率完全掃描。眾所周知，在利用0CT的掃描系統(tǒng)中，由于掃描期間活體人眼會(huì)發(fā)生微米級(jí)運(yùn)動(dòng)(通常為一秒的量級(jí))，因此很難在不同采樣點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)測(cè)量。
[0013]阮(Nguyen)等人(光學(xué)快遞2013 年第 21 卷第 13758-13772 頁(yè)(Optics Express21 (2013) 13758-13772))已提出了基于將干涉儀與經(jīng)修改的能夠在圖像平面測(cè)量多個(gè)A掃描的高光譜成像系統(tǒng)結(jié)合的OCT系統(tǒng)。然而，由于無(wú)校準(zhǔn)或無(wú)指定用于保證相位關(guān)系的方法，因此該系統(tǒng)似乎無(wú)法保持采樣點(diǎn)或波長(zhǎng)之間的相對(duì)相位信息。
[0014]發(fā)明目的
[0015]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一個(gè)局限性。本發(fā)明的優(yōu)選形式的目的是提供依賴活體生物樣本(尤其是可易于產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影的樣本，例如眼睛)中的光學(xué)相位進(jìn)行精確測(cè)量的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于分析波前的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于在該波前的多個(gè)采樣點(diǎn)提取光學(xué)相位和光譜信息的光譜波前分析儀，其中，該多個(gè)采樣點(diǎn)之間的相對(duì)相位信息得以保持，且其中該多個(gè)采樣點(diǎn)形成二維采樣陣列。
[0017]二維采樣陣列優(yōu)選包括多個(gè)由微透鏡陣列形成的細(xì)光束。
[0018]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，波前通過(guò)探測(cè)光束從樣本反射或投射穿過(guò)樣本的獲得。
[0019]系統(tǒng)優(yōu)選適于在單次采集中從多個(gè)采樣點(diǎn)提取光學(xué)相位和光譜信息，以減少樣本運(yùn)動(dòng)造成的偽影。
[0020]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，系統(tǒng)包括處理器，該處理器適于處理光學(xué)相