CN109691972A - 角膜表面光程差测量装置及测量角膜厚度和折射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用时域光学相干层析成像技术(TD‑OCT)对人眼的角膜进行高分辨率成像，运用快速变焦透镜能够准确测量出人眼角膜的厚度，通过参考臂移动的距离能够计算出角膜前表面和后表面的光程差，进而在ZEMAX光学仿真软件里模拟计算出角膜的折射率，是一种非接触性的角膜厚度和折射率测量的方法。此方法能够实现人眼角膜厚度和折射率的在体、非接触、高精度、无损伤测量，能够为角膜手术后患者进行角膜厚度和折射率的追踪观察，同时也可以为屈光手术提供一种术前检测装置和方法。

Description

角膜表面光程差测量装置及测量角膜厚度和折射率的方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体地说，涉及角膜表面光程差测量装置及测量角膜厚度和折射率的方法。

背景技术

角膜是眼睛最前面的透明部分，覆盖虹膜、瞳孔及前房，并为眼睛提供70％的屈光力，角膜的微小改变即可引起屈光状态的较大改变，因此，人们一直致力于研究角膜的形状和光学特性。准确测量角膜曲率和角膜中央厚度(CCT)为角膜疾病的早期诊断、角膜屈光手术术前筛查和术后随访、人工晶体度数计算等提供重要的依据，对矫正眼压、排查青光眼等方面也具有重要意义。

与本发明创造中所设计的技术方案最接近的现有技术方案是专利《一种角膜测量方法及系统》(CN108634928A)中采用的角膜厚度和折射率测量的方法。它利用光学相干层析成像系统测量获得角膜前表面到后表面的光程L0；其次，移动聚焦透镜，当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，然后获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，透镜对应的两个位置的间距L1；最后，利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。

上述专利中运用到的利用光学相干层析成像获得角膜前表面到后表面的光程差，采用的方法是聚焦透镜焦点在角膜前表面和后表面之间时的图像，得到前表面和后表面对应的频率，然后计算得到的光程差为比例系数k乘以频率差，这种计算方法比例系数k难以准确测量，存在一定误差；其次是计算聚焦透镜焦点改变的距离也存在一定误差，在移动透镜时有可能会改变测量位置，导致测量的角膜前后表面不在同一竖直线上。

发明内容

为了实现人眼角膜厚度和折射率的准确测量，本发明提供了角膜表面光程差测量装置及测量角膜厚度和折射率的方法，解决了两大问题：第一个问题是如何实现角膜前后表面光程差的在体测量；第二个问题是如何改变透镜焦距而不改变测量位置。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

角膜表面光程差测量装置，包括探测光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪，所述参考臂包括第一准直镜、中性密度滤光片和第一反射镜，所述样品臂包括第二准直镜、第二反射镜和液体透镜，所述探测光源发出的光经过光纤耦合器后将光分成两路，一路光经过第二准直镜后到达第二反射镜，经第二反射镜反射的光经过液体透镜聚焦后到达人眼角膜测量区域；另一路光首先经过第一准直镜准直，然后经过中性密度滤光片直射到第一反射镜，第一反射镜安装在微调平移台上，经第一反射镜反射回来的光在光纤耦合器中发生干涉，然后进入光谱仪。

进一步，所述光谱仪包括光依次进入的第三准直镜、光栅、聚焦透镜和e2v线阵相机。

进一步，所述探测光源为中心波长为840nm，带宽为49nm的超辐射发光二极管。

进一步，所述液体透镜的孔径是2.5mm，屈光度为-5到13，聚焦范围从5cm到无穷远。

进一步，所述光纤耦合器为50/50的光纤耦合器，其将光分成强度相等的两路。

进一步，所述微调平移台为一维手动微调平移台。

一种测量角膜厚度和折射率的方法，包括以下步骤：

1)改变聚焦透镜的焦距，使其聚焦在角膜前表面；

2)移动参考臂中的微调平移台，当参考臂与样品臂的光程相等时，此时角膜前表面光强最大，图像上角膜前表面最明亮，记录此时样品臂的位置L1；

3)改变聚焦透镜的焦距，使其聚焦在角膜后表面，然后移动参考臂中的微调平移台，当参考臂与样品臂的光程相等时，此时角膜后表面光强最大，图像上角膜后表面最明亮，记录此时样品臂的位置L2；

4)L2与L1的差L即为角膜后表面到前表面的光程差；由于光经过角膜前表面折射后到后表面，假设角膜厚度为d，根据光的折射特性，折射率n＝L/d，依据光程差L以及折射率与角膜厚度的关系，在ZEMAX软件里进行仿真，观察模拟出的角膜厚度和折射率是否可以让焦点聚焦到角膜后表面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用时域光学相干层析成像技术(TD-OCT)对人眼的角膜进行高分辨率成像，运用快速变焦透镜能够准确测量出人眼角膜的厚度，通过参考臂移动的距离能够计算出角膜前表面和后表面的光程差，进而在ZEMAX光学仿真软件里模拟计算出角膜的折射率，是一种非接触性的测量角膜厚度和折射率的方法。此方法能够实现人眼角膜厚度和折射率的在体、非接触、高精度、无损伤测量，能够为角膜手术后患者进行角膜厚度和折射率的追踪观察，同时也可以为屈光手术提供一种术前检测装置和方法。

本发明主要有两大优势：第一个优势是不用移动聚焦透镜，用快速变焦透镜改变焦距，保证了改变焦距时不改变人眼角膜的测量位置；第二个优势是角膜前表面到后表面的光程差可以直接测量得到，不用转到频域，避免了由于转换频域时必须经过插值和色散补偿带来的误差。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1是本发明的系统原理图；

图2是本发明所述方法的流程图；

图3是液体透镜焦距改变示意图。

图中：

1——探测光源； 2——光纤耦合器；

3——第一准直镜； 4——中性密度滤光片；

5——第一反射镜； 6——第二准直镜；

7——第二反射镜； 8——液体透镜；

9——眼睛； 10——第三准直镜；

11——光栅； 12——聚焦透镜；

13——e2v线阵相机； 14——电脑；

15——经第二反射镜反射的光； 16——聚焦角膜前表面的光线；

17——聚焦角膜后表面的光线； 18——人眼角膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至3所示，本发明所述角膜表面光程差测量装置，包括中心波长为840nm，带宽为49nm的超辐射发光二极管作为探测光源1、50/50的光纤耦合器2、参考臂、样品臂和光谱仪，参考臂包括第一准直镜3、中性密度滤光片4和第一反射镜5，样品臂包括第二准直镜6、第二反射镜7和液体透镜8，探测光源1发出的光经过光纤耦合器2后将光分成强度相等的两路，一路光经过第二准直镜6后到达第二反射镜7，经第二反射镜反射的光15经过液体透镜8聚焦后到达人眼睛9角膜测量区域；另一路光首先经过第一准直镜3准直，然后经过中性密度滤光片4直射到第一反射镜5，第一反射镜5安装在一维手动微调平移台上，经第一反射镜5反射回来的光在光纤耦合器2中发生干涉，然后进入光谱仪，光谱仪包括光依次进入的第三准直镜10、光栅11、聚焦透镜12和e2v线阵相机13，采用Cobra-S 800光谱仪(这款光谱仪具有非常好的信号衰减性能和更高的相机灵敏度)接收反射回来的干涉信号。

液体透镜8是brilliantoptics公司生产的D-A-25H液体透镜8，它的孔径是2.5mm，屈光度为-5到13，聚焦范围从5cm到无穷远。

一种测量角膜厚度和折射率的方法，包括以下步骤：

1)改变聚焦透镜12的焦距，使其聚焦在角膜前表面；

2)移动参考臂中的微调平移台，当参考臂与样品臂的光程相等时，此时聚焦角膜前表面的光线16光强最大，图像上角膜前表面最明亮，记录此时样品臂的位置L1；

3)改变聚焦透镜12的焦距，使其聚焦在角膜后表面，然后移动参考臂中的微调平移台，当参考臂与样品臂的光程相等时，此时聚焦角膜后表面的光线17光强最大，图像上角膜后表面最明亮，记录此时样品臂的位置L2；

4)L2与L1的差L即为人眼角膜18后表面到前表面的光程差；由于光经过角膜前表面折射后到后表面，假设角膜厚度为d，根据光的折射特性，折射率n＝L/d，依据光程差L以及折射率与人眼角膜18厚度的关系，处理模块则包括电脑14、电脑14内部的控制相机的软件以及ZEMAX软件仿真模型的建立，在ZEMAX软件(一种光学设计软件)里进行仿真，观察模拟出的角膜厚度和折射率是否可以让焦点聚焦到角膜后表面。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.角膜表面光程差测量装置，其特征在于，包括探测光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和光谱仪，所述参考臂包括第一准直镜、中性密度滤光片和第一反射镜，所述样品臂包括第二准直镜、第二反射镜和液体透镜，所述探测光源发出的光经过光纤耦合器后将光分成两路，一路光经过第二准直镜后到达第二反射镜，经第二反射镜反射的光经过液体透镜聚焦后到达人眼角膜测量区域；另一路光首先经过第一准直镜准直，然后经过中性密度滤光片直射到第一反射镜，第一反射镜安装在微调平移台上，经第一反射镜反射回来的光在光纤耦合器中发生干涉，然后进入光谱仪。

2.根据权利要求1所述角膜表面光程差测量装置，其特征在于，所述光谱仪包括光依次进入的第三准直镜、光栅、聚焦透镜和e2v线阵相机。

3.根据权利要求1所述角膜表面光程差测量装置，其特征在于，所述探测光源为中心波长为840nm，带宽为49nm的超辐射发光二极管。

4.根据权利要求1所述角膜表面光程差测量装置，其特征在于，所述液体透镜的孔径是2.5mm，屈光度为-5到13，聚焦范围从5cm到无穷远。

5.根据权利要求1所述角膜表面光程差测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器为50/50的光纤耦合器，其将光分成强度相等的两路。

6.根据权利要求1所述角膜表面光程差测量装置，其特征在于，所述微调平移台为一维手动微调平移台。

7.根据权利要求1至6任一项所述一种测量角膜厚度和折射率的方法，其特征在于，

包括以下步骤：

1)改变聚焦透镜的焦距，使其聚焦在角膜前表面；

2)移动参考臂中的微调平移台，当参考臂与样品臂的光程相等时，此时角膜前表面光强最大，图像上角膜前表面最明亮，记录此时样品臂的位置L1；

3)改变聚焦透镜的焦距，使其聚焦在角膜后表面，然后移动参考臂中的微调平移台，当参考臂与样品臂的光程相等时，此时角膜后表面光强最大，图像上角膜后表面最明亮，记录此时样品臂的位置L2；

4)L2与L1的差L即为角膜后表面到前表面的光程差；由于光经过角膜前表面折射后到后表面，假设角膜厚度为d，根据光的折射特性，折射率n＝L/d，依据光程差L以及折射率与角膜厚度的关系，在ZEMAX软件里进行仿真，观察模拟出的角膜厚度和折射率是否可以让焦点聚焦到角膜后表面。