CN101259009B - 一种角膜地形图测量仪 - Google Patents

Abstract

一种角膜地形图测量仪，它可以精确的测量角膜径向和切向的曲率变化。包括哈特曼传感器、聚焦物镜以及光源、扩束、缩束、点扩散函数监控、瞳孔成像、视目标等匹配光路。角膜外表面的反射光经过光学系统传播后被与角膜面共轭的哈特曼波前传感器采集，经波前处理得到波前像差并由此得到角膜地形图。匹配光路完成目标对准以及目标固定等辅助工作。本发明不但可以大面积测量角膜表面信息，而且具有较高的分辨率和测量精度。

Description

一种角膜地形图测量仪

技术领域

本发明涉及一种用于测量角膜地形图的医学测量系统，特别是一种角膜地形图测量仪。

背景技术

角膜地形图是眼科诊断和治疗中不可缺少的信息之一。近年来，随着哈特曼波前传感器在测量人眼整体像差上的成功应用，体现出了哈特曼波前传感器在人眼测量上应用的广阔前景。

通常的测量人眼像差的人眼像差仪，如图3所示，它由光源24、扩束系统、缩束系统、哈特曼传感器40、瞳孔成像通道、视目标匹配光路、波前处理机41组成，其工作原理是：光源24发出的光经过由第一透镜25、针孔26、第二透镜27组成的扩束系统后变成标准的平行光，经反射镜28反射后穿过第一分光镜29，第二分光镜34被第三分光镜35反射照射到人眼瞳孔36上，由于人眼对平行光的聚焦作用，平行光被聚焦到人眼视网膜上，视网膜的后向散射光经过第三分光镜35，而后被第五透镜37、光阑38和第六透镜39组成的平行光管缩束系统后进入哈特曼传感器40上，再通过波前处理机41处理从而测得平行光经由人眼后的畸变情况，这些畸变恰是由人眼像差造成的，由此人眼像差信息可以获得。第三透镜30和视目标光源31组成的视目标匹配光路，视目标光源31放在第三透镜30焦点上，使得出射光为平行光，这样视目标光源31将被成像在眼底，测量时用以防止由于被测量者视野中没有图像导致的眼球转动等问题；CCD32和第四透镜33组成的附属光路用于监视人眼瞳孔的位置，从而更容易对准。

这种结构的人眼像差仪能够很好的测量人眼整体的像差，但是人眼内各个器官(角膜，晶状体等)的独立的像差不能由像差仪的数据给出，而角膜面形的数据是人眼疾病诊断和眼外科手术中必不可少的。而目前普遍使用的基于Placido盘的角膜地形图测量系统有其自身的局限性：

(一)、由于原理问题测量面积有限；

(二)、近来的研究表明，其在圆锥角膜和植入人工晶体的测量中数据精度值得怀疑；

(三)、对于角膜径向的曲率变化该系统显得无能无力。

而通过研究和对比发现，在人眼像差仪的基础上，通过加入一个关键的聚焦物镜使得照射到人眼上的光线由平行光变为汇聚光就可以实现对角膜地形图的测量。由于角膜地形图测量中对人眼的对准要求更高，所以加入更严格的判别通道PSF通道，这是本发明与人眼像差仪另一个重要的不同之处。

因此，在人眼像差仪的基础上，探索开发一种基于哈特曼传感器的角膜地形图测量系统，为眼科诊断和治疗疾病提供精确可靠的角膜表面信息就成为开展哈特曼传感器的新应用研究的重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，以人眼像差仪的结构为基础，提供一种基于哈特曼传感器的角膜地形图测量仪，该测量仪不但可以大面积测量角膜表面信息，而且具有较高的分辨率和测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种角膜地形图测量仪，包括光源、扩束系统、聚焦透镜、缩束系统、哈特曼传感器、点扩散函数监控通道、瞳孔成像通道、视目标匹配光路、波前处理机；光源发出的光经过扩束系统形成平行光束，该平行光束经过反射镜转折后再依次经过第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜后到达聚焦透镜，经过聚焦透镜聚焦后照射到位于聚焦透镜的焦点以内的人眼角膜的外表面，人眼角膜的平均曲率中心与聚焦透镜的焦点重合，被角膜反射的光线反向经过聚焦透镜，并穿过第四分光镜分束后的第一路透射光经由缩束系统缩束后在与角膜外表面共轭的哈特曼波前传感器上得到畸变波前信息，并由哈特曼波前传感器采集，采集完成后将数据传输到波前处理机，经过波前处理复原出被测波前数据进而得到角膜地形图；同时经过第四分光镜分束后的第二路透射光依次经过第三分光镜后进入瞳孔成像通道，监视眼部位置和运动，入瞳孔成像通道采集输出的人眼瞳孔图像进入波前处理机，用以初步确定角膜测量区域；经过第四分光镜分束后的第四路透射光依次经过第三分光镜、第二分光镜、第一分光镜后进入点扩散函数PFS监视通道，由其中的PSF光斑作为精对准的标准，点扩散函数通道采集输出的远场光斑图像进入波前处理机中，从而完成精确的角膜对准；视目标匹配光路经过第二分光镜、第三分光镜和第四分光镜分束后通过聚焦透镜成为平行光进入人眼，经过人眼内部的光学系统将视目标光源成像在眼底。

本发明的原理：本发明与人眼像差仪的最大的不同是，加入了聚焦透镜和点扩散函数PSF的监视通道，其工作过程是：光源发出的光经过扩束系统后产生平行光，平行光被聚焦透镜会聚后照射到角膜的外表面，并且将角膜的平均曲率中心摆放到与聚焦透镜的焦点重合的位置(如图1)。由于角膜外表面的折射率是1.376，而空气的折射率约为1，光线入射到角膜表面由于折射率的差异将有部分光被反射。根据菲涅耳公式，

$r=\frac{\tan (i_1-i_2)}{\tan (i_1+i_2)}-\frac{\sin (i_1-i_2)}{\sin (i_1+i_2)}$

$t=\frac{2\cos i_1\sin i_2}{\sin (i_1+i_2)\cos (i_2-i_2)}+\frac{2{\cos i}_1{\sin i}_2}{\sin (i_1+i_2)}$

$R=\frac{E_1^{\′2}}{E_1^2}=r^2$

$T=\frac{n_2}{n_1}\frac{{\cos i}_2}{{\cos i}_1}{t}^2$

角膜的表面反射率R约为2.3％。通过使用哈特曼波前传感器测量角膜反射波前就可以得到角膜表面的面形信息。

如果角膜是一个标准的球面，那么根据反射定律，反射光线将按照入射光线的方向原路返回，忽略由于聚焦物镜和传播光路的产生的像差，哈特曼传感器上将得到一个排列规则的点阵。在实际测量过程中，由于角膜的形状并非标准球面，因此哈特曼上将得到一个有像差的波前产生的点阵。再利用波前处理机进行质心计算、波前重构可以复原出畸变的波前。而产生此畸变波前的原因恰恰是角膜表面的非球面形性质。

由以上可知，本发明测量角膜地形图是测量角膜面相对于标准球面的偏差，在球面面形的基础上叠加上实测得到的偏差便可得到角膜面形的绝对值。

除了上述的聚焦透镜的外，本发明中另一个设计是点扩散函数PSF的监视通道的加入。该通道的加入使得角膜对准的精度有了大的提高，对完全发挥哈特曼传感器的高精度特向提高角膜测量的精度提供了保证。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明由于采用了点扩散函数PSF的监视通道等技术，可以大面积测量角膜表面信息，而且具有较高的分辨率和测量精度；而且本发明还采用了哈特曼传感器，进一步实现了测量角膜的高分辨率，本发明分辨率达到了6～7l/mm。由于哈特曼本身的测量精度可以达到亚波长量级，本发明测量精度与哈特曼传感器的测量精度匹配可以达到亚微米量级。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为畸变波前在哈特曼传感器上的反映示意图；

图3为现有技术的人眼像差测量仪结构示意图；

图4为本发明测量方法的流程图。

图1中，1.光源，8.视目标光源，2.第一透镜，3.针孔，4.第二透镜，5.平面反射镜，6.第一分光镜，7.第三透镜，8.第三光电探测器，9.视目标光源，10.第四透镜，11.第二分光镜，12.第三分光镜，13.瞳孔成像透镜，14.第二光电探测器，15.第一光电探测器，16.微透镜阵列，17.第五透镜，18.光阑，19.第六透镜，20.第四分光镜，21.聚焦透镜，22.人眼，23.计算机。

图3中，24.照明光源，25.显微物镜，26.针孔，27、30、33、37、39.透镜，31.视目标光源，28.反射镜，29、34、35.分光镜，36.人眼，38.光阑，32.CCD相机，40.哈特曼传感器，41.计算机。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括光源1、扩束系统42、聚焦透镜21、缩束系统43、哈特曼传感器44、点扩散函数监控通道45、瞳孔成像通道46、视目标匹配光路47、波前处理机23；光源1发出的激光经过扩束系统42形成平行光束，该平行光束经过平面反射镜5转折后再依次经过第一分光镜6、第二分光镜11、第三分光镜12、第四分光镜20后到达聚焦物镜21，经过聚焦透镜21聚焦后照射到位于聚焦透镜21的焦点以内的人眼角膜22的外表面，人眼角膜22的平均曲率中心与聚焦透镜21的焦点重合，被角膜反射的光线反向经过聚焦透镜21，并穿过第四分光镜20分束后的第一路透射光经由缩束系统43缩束后在与角膜外表面共轭的哈特曼波前传感器44上得到畸变波前信息，并哈特曼波前传感器44采集，采集完成后将数据传输到波前处理机23，经过波前处理复原出被测波前数据进而得到角膜地形图；由外置光源(图1中未给出)发出的光照射瞳孔产生后向散射光经过第四分光镜20分束后的第二路透射光依次经过第三分光镜12后瞳孔成像通道46，该通道通过对入射的瞳孔后向散射光经过瞳孔成像透镜成像后被瞳孔成像CCD采集，采集后的图像瞳孔图像输出到波前处理机，波前处理机不对图像进行任何处理直接输出到显示终端显示，操作者通过对图像的观测初步确定角膜测量区域，并且可以初步确定人眼角膜的对准情况；角膜反射后的光大部分进入到波前传感器，另一部分经过第四分光镜20分束后形成第四路透射光依次经过第三分光镜12、第二分光镜11、第一分光镜6后进入点扩散函数监控通道45，PSF通道由第三透镜7和第三光电探测器8组成。进入PSF通道的光被透镜7聚焦，其远场焦斑由其后的第三光电探测器8采集，采集后的图像远场焦斑图像输出到波前处理机，波前处理机不对图像进行任何处理直接输出到显示终端显示，操作者通过对图像的观测确定人眼角膜的对准情况；视目标匹配光路47出射的光经过第二分光镜11、第三分光镜12和第四分光镜20分束后通过聚焦透镜21成为平行光进入人眼22，经过人眼内部的光学系统将视目标光源成像在眼底。

如图1所示，点扩散函数监控通道45由第三透镜7和第三光电探测器8构成，通过最优化第三光电探测器8上点扩散函数PSF光斑可以得到更为精确的角膜对准。其具体工作过程如下：在通过瞳孔监测和哈特曼光斑情况粗对准角膜以后，观测由PSF通道输出到波前处理机显示的PSF远场光斑，由于角膜横向和纵向的偏离最佳位置将分别导致PSF光斑的横向位移和光斑的大小改变，所以可以以此作为角膜精对准情况的判据。通过微调拖头架横向调节旋钮将光斑调节到显示区域中央，微调纵向调节旋钮使得PSF光斑最小、能量最集中，这样角膜的精确对准就完成了。

图1中的光源1使用的是功率为20μW-50μW、波长780nm的半导体激光器。

扩束系统42由第一透镜2、第二透镜4和位于第一透镜2和第二透镜4之间的针孔3构成。

缩束系统由第五透镜17、第六透镜19和位于第五透镜17、第六透镜19之间的光阑18组成，其中光阑18起使角膜粗对准和消除杂散光的影响中的作用。光阑18保证挡住杂散光而不挡住信号光，其厚度为0.5～1mm，中心通光圆直径1～3mm。

瞳孔成像通道46由第二光电探测器14和瞳孔成像透镜13组成，由外部光源(图1中未标出)照射到人眼上的光，由于瞳孔的散射会产生部分后向传输的光，这一部分光巾、经过第四分光镜20和第三分光镜12的作用后进入瞳孔成像通道，由于聚焦物镜和瞳孔成像透镜的共同作用，被照明的瞳孔被成像在第二光电探测器14上。

第四分光镜20的分光比保证大部分的光能够进入哈特曼波前传感器44，这样可以保证哈特曼传感器上的光信号足够强使得哈特曼传感器有足够的精度。

本发明中的第一光电探测器件15、第二光电探测器14和第三光电探测器8均采用CCD相机。

如图2所示，哈特曼波前传感器44为微透镜阵列的哈特曼波前传感器，它主要由微透镜阵列16和第一光电探测器件15组成，其中光电探测器件15位于微透镜阵列16的焦面上。哈特曼传感器44利用微透镜阵列对入射的信号波前进行子孔径分割，每个子孔径内光信号聚焦在其后的CCD上，利用CCD靶面能量的分布情况进行质心位置计算；

哈特曼波前传感器主要是根据下面的公式(1)计算光斑的位置(x_i，y_i)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$ $y_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$ (1)

式中，m＝1制，n＝1～N为子孔径映射到CCD光敏靶面上对应的像素区域，I_nm是CCD光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据下面的公式(2)计算入射波前的波前斜率g_xi，g_yi：

$g_{\mathrm{xi}}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_i-x_o}{\mathrm{\λf}}$ $g_{\mathrm{yi}}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_i-y_o}{\mathrm{\λf}}---\left(2\right)$

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，如图2所示(图中实线所示为畸变波前实际聚焦的位置，虚线所示为标准平面波前的光线聚焦情况)，光斑中心偏移到(x_i，y_i)，完成哈特曼传感器对信号的检测，再由波前处理机进行波前处理。

另外，实际的波前探测中，由于系统误差尤其是CCD光电探测器自身不可避免的噪声带来的误差原因，CCD所探测到的I_nm实际上并不全是目标信号的能量，还包括背景杂光和CCD器件的暗电平等噪声能量，即有：

I_nm＝S_nm+B_nm                      (3)

其中S_nm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号能量，B_nm为光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的背景噪声能量；

因此有：

$x_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{B}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{nm}}+\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{nm}}}=\frac{\mathrm{sbr}}{1+\mathrm{sbr}}{x}_S+\frac{1}{1+\mathrm{sbr}}{x}_B---\left(4\right)$

上述(4)式中的sbr定义为信号光能量和非信号光能量(包括杂光背景和CCD器件电平和读出噪声等背景能量的总和)的比值。

如图1所示，视目标匹配光路47由视目标光源9和第四透镜10组成，视目标光源9的位置及第四透镜10的保证由视目标光源9、第四透镜10和聚焦透镜21组成的光路出射光束的直径大于6mm，以保证入射人眼的光能够充满瞳孔。

视目标光源9使用的是功率小于10μW、波长635nm的发光二极管。

如图4所示，本发明测量方法步骤如下：

第一，开机，开启系统各光源及光电传感器，确认各硬件正常工作后启动测量仪的配套软件。

第二，将被测试者的头部固定于拖头架上，调节拖头架上的横向调节旋钮，直到被测者能够看到视目标像。而后调节位于市目标光源底部的调节旋钮调节视目标光源的位置直到被测者看到清晰的视目标像为止。

第三，观测由瞳孔成像CCD和哈特曼传感器CCD输出到波前处理机显示的图像，以此作为标准调节拖头架的调节旋钮。调节横向调节旋钮，使得瞳孔的像位于成像区域中间，同时观测哈特曼传感器输出显示的光斑点阵，调节的同时保证点阵不缺失且点阵各处照度均匀，调节完成后进入下一步。

第四，观测由点扩散函数监测通道输出到波前处理机显示的远场光斑图像，以此作为依据微调拖头架旋钮达到精确对准角膜的目的。先微调拖头架横向拖头架调节旋钮把PSF光斑调节到图像显示区域的中央，而后微调拖头架纵向调节旋钮使得PSF光斑的弥散斑最小。两者调节完成后，角膜对准的工作结束。

第五，角膜对准结束后，在被测者保持眼部稳定的前提下立即开启哈特曼传感器的控制开关，开启哈特曼采集程序采集图像。采集结束后解开被测者头部束缚，进行下一步的工作。

第六，用角膜地形图专用处理程序处理采集得到的数字图像，得到角膜地形图图形及对应数据。根据生理医学知识，分析得到的信息，如果数据不可信最大的可能就是由于对准及测量过程中眼部运动造成的。重复以上步骤继续测试。

Claims (11)

1.一种角膜地形图测量仪，其特征在于：包括光源(1)、扩束系统(42)、聚焦透镜(21)、缩束系统(43)、哈特曼波前传感器(44)、点扩散函数监控通道(45)、瞳孔成像通道(46)、视目标匹配光路(47)、波前处理机(23)；光源(1)发出的光经过扩束系统(42)形成平行光束，该平行光束经过反射镜(5)转折后再依次经过第一分光镜(6)、第二分光镜(11)、第三分光镜(12)、第四分光镜(20)后到达聚焦透镜(21)，经过聚焦透镜(21)聚焦后照射到位于聚焦透镜(21)的焦点以内的人眼角膜(22)的外表面，人眼角膜(22)的平均曲率中心与聚焦透镜(21)的焦点重合，被角膜反射的光线反向经过聚焦透镜(21)并被第四分光镜(20)分束，由此形成第一路透射光、第二路透射光、第四路透射光，第四分光镜(20)分束后的第一路透射光经由缩束系统(43)缩束后在与角膜外表面共轭的哈特曼波前传感器(44)上得到畸变波前信息，并由哈特曼波前传感器(44)采集，采集完成后将数据传输到波前处理机(23)，经过波前处理复原出被测波前数据进而得到角膜地形图；第四分光镜(20)分束后的第二路透射光依次经过第三分光镜(12)后进入瞳孔成像通道(46)，监视眼部位置和运动，瞳孔成像通道(46)采集输出的人眼瞳孔图像进入波前处理机(23)，用以初步确定角膜测量区域；第四分光镜(20)分束后的第四路透射光依次经过第三分光镜(12)、第二分光镜(11)、第一分光镜(6)后进入点扩散函数监控通道(45)，点扩散函数监控通道(45)采集输出的点扩散函数PSF光斑图像进入波前处理机(23)中，从而完成精确的角膜对准；视目标匹配光路(47)出射的光经过第二分光镜(11)、第三分光镜(12)和第四分光镜(20)分束后通过聚焦透镜(21)成为平行光进入人眼(22)，经过人眼内部的光学系统将视目标光源成像在眼底。

2.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的扩束系统(42)由第一透镜(2)、第二透镜(4)及位于第一透镜(2)和第二透镜(4)之间的针孔(3)构成。

3.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的缩束系统(43)由第五透镜(17)、第六透镜(19)及位于第五透镜(17)和第六透镜(19)之间的光阑(18)组成，其中光阑(18)起使角膜粗对准和消除杂散光影响的作用。

4.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的第四分光镜(20)的分光比保证大部分的光能够进入哈特曼波前传感器(44)。

5.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的哈特曼波前传感器(44)为微透镜阵列的哈特曼波前传感器，它主要由微透镜阵列(16)和第一光电探测器件(15)组成，其中第一光电探测器件(15)位于微透镜阵列(16)的焦面上。

6.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的光源(1)为功率在20μW-50μW之间的小功率、发出光波长为780nm的半导体激光器。

7.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的瞳孔成像通道(46)由第二光电探测器(14)和瞳孔成像透镜(13)组成。

8.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的视目标匹配光路(47)由视目标光源(9)和第四透镜(10)组成，视目标光源(9)和第四透镜(10)的位置保证由视目标光源(9)、第四透镜(10)和聚集透镜(21)组成的光路出射光束的直径大于6mm，以保证入射人眼的光能够充满瞳孔。

9.根据权利要求8所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的视目标光源(9)为小于10μW的小功率、发出波长为635nm的发光二极管。

10.根据权利要求3所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的光阑(18)保证挡住杂散光而不挡住信号光，其厚度为0.5～1mm，中心通光圆直径1～3mm。

11.根据权利要求1所述的角膜地形图测量仪，其特征在于：所述的点扩散函数监控通道(45)由第三透镜(7)和第三光电探测器(8)构成，通过最优化第三光电探测器(8)上点扩散函数PSF光斑可以得到更为精确的角膜对准。

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