CN101721196A - 基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置，它是由激光器、扩束准直系统、分光平板、光束扩束系统、会聚透镜系统、环路径向剪切干涉系统和图像采集及计算机处理系统组成。本发明采用共光路形式的环路径向剪切干涉方法，使测量系统处于一个闭环的工作状态，径向剪切比由无焦透镜组的放大倍率决定，无需参考光路，对眼球的转动或振动不敏感，光路简洁、容易实现等光程干涉，方法简单，测量精度高，实现了高精度光学干涉的动态测量在视光学领域中的应用。

Description

基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置

技术领域

本发明涉及一种径向剪切光学干涉系统，特别是一种用于人眼角膜地形测量的光学径向剪切干涉测量装置。

背景技术

医学研究中对角膜形态信息是以不同特征的伪彩色图来表示的，因其貌似地理学中地形表面高低起伏的状态，故称为角膜地形图。获取角膜地形图，了解和评估角膜形态分布，在医学领域具有重要意义。

目前，角膜地形的测量方法，主要有Placido盘法、裂隙扫描法和干涉测量法。其中已商品化成型的角膜地形仪，主要是基于镜面反射原理的Placido盘系统和基于散射原理的裂隙扫描系统，但它们仍存在一定的局限性，例如，Placido盘系统精度难以达到波长量级，对角膜表面微小的变化难于发现；裂隙扫描系统的测量精度与角膜雾状混浊及其混浊程度有关，系统误差的影响给临床工作带来的问题不容忽视。而且，目前国内的这类测量仪器都从国外进口，价格昂贵。而光学测试技术中的干涉测量法以高精度著称，基于干涉法的角膜地形测量系统也具有优于其他角膜测量法的精确性。1995年波兰弗罗茨瓦夫(Wroclaw)科技大学的Kasprzak等人提出了用泰曼-格林干涉仪来进行角膜测量的方法(Interferometric measurements of fine corneal topography.SPIE，1995，2329：32-39)，这种泰曼-格林干涉仪为双光路系统结构，具有较高灵敏性，这种高灵敏性在测量时造成的缺陷是对眼球的转动非常敏感，当眼球不自觉的转动或倾斜时就会引起被测波面的倾斜而看不到干涉条纹，从而无法得到角膜地形信息，因此该设备很难应用到角膜地形的实际测量中去。2002年他们在期刊Optik上发表的文章中又提出了基于马赫-曾德尔径向剪切干涉仪的方法，以克服泰曼-格林干涉系统对活体眼球测量敏感的不足(Corneal topography measurement by means of radial shearinginterference：Part II-experiment results.Optik，2002，113(1)：46-50)，该系统采用的径向剪切元件主要由两个梯形分光棱镜、一块玻璃砖和两个楔形平板组成的马赫-曾德尔系统构成，其中梯形棱镜是由一个直角棱镜和一个斜方棱镜胶合而成，而且，玻璃砖和两个平行放置的楔形平板又需分别位于产生干涉的两个光路中，与剪切比有关的光束放大率由玻璃砖引入，所以，剪切干涉系统结构复杂，成本较高，测量光路不易调整，因此不利于实验研究与实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能适用于角膜地形测量，尤其是人眼角膜地形测量，且测量精度高、结构简单、系统调整方便和成本低的基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置，它包括沿光路方向依次设置的激光器、激光扩束准直系统、分光平板、光束扩束系统、会聚透镜系统，被测角膜位于会聚透镜系统的出射光路上，会聚透镜系统的焦点与被测角膜前表面的曲率中心重合，本发明的特征是在分光平板的反射光路上设置由另一分光平板和两个平面反射镜、一个无焦透镜组构成的环路径向剪切干涉系统，其中两个平面反射镜位于经分光平板后的反射和透射光路上，并与分光平板构成环形光路，无焦透镜组设在两个平面反射镜之间的光路上，在环路径向剪切干涉系统的出射光路上设置用于获取和处理图像的图像采集及计算机处理系统。

本发明采用共光路形式的环路径向剪切干涉方法，使测量系统处于一个闭环的工作状态，无需参考光路、对振动不敏感，其具体工作原理为：激光器发出的光束经扩束准直系统后成为具有一定口径的平行光束，该平行光束经分光平板和为了增大测量范围的光束扩束系统，再经会聚透镜系统后成为光瞳直径和会聚角大的会聚光束，由于该会聚透镜系统的焦点与被测角膜前表面的曲率中心重合，所以会聚光束正入射至被测角膜，并在角膜前表面反射，返回含有角膜地形信息的被测波面，依次经会聚透镜系统和光束扩束系统后，由分光平板反射至环路径向剪切干涉系统，进入环路径向剪切干涉系统中含有角膜地形信息的被测波面首先被分光平板一部分反射，一部分透射，其中反射光束依次经反射光路平面反射镜、无焦透镜组和透射光路平面反射镜形成缩束波面，再由分光平板反射至图像采集及计算机处理系统；经分光平板透射的光束，依次经透射光路平面反射镜、无焦透镜组和反射光路平面反射镜形成扩束波面，再由分光平板透射至图像采集及计算机处理系统；经分光平板后的这两束缩束波面与扩束波面的中心部分重叠发生径向剪切干涉，产生干涉条纹图像，通过图像采集及计算机处理系统对干涉图像的获取和分析处理，如可以采用单幅干涉图的快速傅立叶分析方法，最后得到被测波面的三维图、被测角膜的地形图。

本发明与现有技术相比其显著的优点是：(1)系统环路径向剪切干涉采用共光路干涉，对眼球的转动不敏感，光路简洁、容易实现等光程干涉，测量精度高，精确性优于现有角膜测量法；(2)本发明环路径向剪切干涉系统的径向剪切比由无焦透镜组的放大倍率决定，无焦透镜组是一个由一正一负透镜构成的简单的伽利略式望远系统，只要根据被测波面的质量和测量灵敏度，确定了剪切比，就可选取合适的透镜组成放大倍率一定的无焦透镜组，结构简单、成本低，克服了上述的基于马赫-曾德尔径向剪切干涉测量法的缺点；(3)本发明方法简单，系统中的各部件加工或购买方便，整个系统结构紧凑，具备小型化、易于使用的特点，能广泛应用于视光学领域中高精度光学干涉的动态的测量。

本发明的具体系统结构由以下的附图和实施例给出。

附图说明

附图是根据本发明所述基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以测量人眼角膜地形为例，对本发明作进一步详细描述。

参见附图，根据本发明制作的基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置，它主要由激光器1、激光扩束准直系统2、分光平板3、光束扩束系统4、会聚透镜系统5、环路径向剪切干涉系统7和图像采集及计算机处理系统8组成。激光器1采用对人眼安全的近红外半导体激光器，发出的光束经扩束准直系统2成为一定口径的平行光束，分光平板3为半透半反的平行平板，它是以45°角设置在扩束准直系统2后的光路上，为了增大角膜测量范围，光束扩束系统4采用伽利略式望远系统，接收经分光平板3的透射光，会聚透镜系统5是光学成像质量高的系统，采用3～5片透镜组成，光束经会聚透镜系统5后成为光瞳直径和会聚角大的会聚光束正入射至被测眼角膜6，会聚透镜系统5的焦点与被测角膜前表面的曲率中心应重合，这样光束在眼角膜前表面反射后按原路返回含有角膜地形信息的被测波面，依次再经会聚透镜系统5和光束扩束系统4后，由分光平板3反射至环路径向剪切干涉系统7。环路径向剪切干涉系统7是由分光平板9、平面反射镜10、平面反射镜11和无焦透镜组12构成；其中分光平板9位于分光平板3的反射光路上，接收由分光平板3反射的含有角膜地形信息的被测波面，平面反射镜10和平面反射镜11分别位于分光平板9的反射和透射光路上，并与分光平板9构成环形光路，无焦透镜组12是一个由一正一负透镜构成的简单的伽利略式望远系统，设在平面反射镜10和平面反射镜11之间的光路上；在环路径向剪切干涉系统7的出射光路即分光平板9的出射光路上设置用于获取和处理图像的图像采集及计算机处理系统8。含有角膜地形信息的被测波面经分光平板9一部分反射，一部分透射，反射光依次经第一平面反射镜10、无焦透镜组12和第二平面反射镜11形成缩束波面，再由分光平板9反射；经分光平板9透射的光束，依次经第二平面反射镜11、无焦透镜组12和第一平面反射镜10形成扩束波面，再由分光平板9透射；经分光平板9后缩束波面与扩束波面的中心部分重叠干涉，产生干涉条纹图像。干涉图由图像采集及计算机处理系统8获得和处理，可采用单幅干涉图的快速傅立叶分析方法，最后得到被测波面的三维图、被测角膜的地形图。

本发明在测量时，会聚透镜系统5的相对孔径大小和光束扩束系统4的扩束比决定被测角膜的测量范围，可根据不同的测量范围要求，对这两个参数进行不同的匹配选取。

Claims (4)

1.一种基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置，它包括沿光路方向依次设置的激光器[1]、激光扩束准直系统[2]、分光平板[3]、光束扩束系统[4]、会聚透镜系统[5]，被测角膜[6]位于会聚透镜系统[5]的出射光路上，会聚透镜系统[5]的焦点与被测角膜[6]前表面的曲率中心重合，本发明的特征是在分光平板[3]的反射光路上设置由另一分光平板[9]和平面反射镜[10]、平面反射镜[11]以及一个无焦透镜组[12]构成的环路径向剪切干涉系统[7]，其中分光平板[9]位于分光平板[3]的反射光路上，平面反射镜[10]和平面反射镜[11]分别位于经分光平板[9]后的反射和透射光路上，并与分光平板[9]构成环形光路，无焦透镜组[12]设在平面反射镜[10]和平面反射镜[11]之间的光路上，在环路径向剪切干涉系统[7]的出射光路设置用于获取和处理图像的图像采集及计算机处理系统[8]。

2.根据权利要求1所述基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置，其特征是光束扩束系统[4]采用伽利略式望远系统。

3.根据权利要求1所述基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置，其特征是环路径向剪切干涉系统[7]中的无焦透镜组[12]是一个由一正一负透镜构成的伽利略式望远系统。

4.根据权利要求1所述基于径向剪切干涉的角膜地形光学测量装置，其特征是会聚透镜系统[5]由3～5片的透镜组成，以达到光学成像质量的高要求。

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