CN102657512B - 一种应用于角膜地形图仪中的图像采集设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于角膜地形图仪中的图像采集设备，包括设有通光孔的设备外壳、位于该设备外壳内的图像采集系统和安装所述图像采集系统的三维移动平台，所述图像采集系统包括带有CCD相机的CCD图像成像系统、透镜系统和光学投射装置，所述的三维移动平台通过步进电机驱动，该步进电机和CCD相机均受控于带有图像显示装置的上位机。通过上位机的图像采集软件窗口即可调节图像采集系统与人眼角膜之间的最佳位置。本发明的图像采集设备可以代替人手来精确调节图像采集系统与人眼角膜之间的相对位置，并应用俯视式定位采集方法来代替传统的正视式定位采集方法来采集人眼角膜的图像，操作简单方便，准确度高。

Description

一种应用于角膜地形图仪中的图像采集设备

技术领域

本发明涉及一种角膜图像采集设备，尤其涉及一种具有自动定位功能的角膜图像采集设备。

背景技术

目前市场上具有基于不同测量原理的多种角膜地形图仪产品，常用的测量方法有Placido盘法、裂隙扫描法、立体三角光栅网格投影法、干涉测量法等。其中基于Placido盘法的角膜地形图仪最为应用最为广泛，Placido盘是一黑白相间的同心圆环。用Placido盘检查时，检查者通过盘中的小孔观察被检者角膜上的同心环的像，来了解角膜的弯曲度。正常的角膜像应该是规则的同心圆，规则散光为不同形状的椭圆，不规则散光则是不规则的角膜像。

包括美国EyeSys公司生产的EyeSys2000型角膜地形图仪，日本多美（TOMEY）公司生产的TMS-4型角膜地形图仪，德国OCULUS公司生产的Keratograph角膜地形图仪，意大利CSO公司生产的ModiEYETOP2005角膜地形图仪等，这些都是基于Placido盘原理生产的。这些角膜地形图仪都是通过将placido盘上的同心圆环像投射到角膜表面进行反射后，由CCD将角膜表面的反射虚像采集下来输入电脑进行处理。

角膜地形图仪的图像采集设备由图像采集系统、三维位移系统和设备外壳组成。现有技术中通过三维位移系统的对焦方式均采用手动操纵杆来调节被拍摄角膜与图像采集系统的相对位置，从而完成准确定位。如SergioMura等人申请的美国专利US20030231283A1中公开了一种角膜地形图仪结构，调节时使用操纵杆，依上下、左右、前后方向来手动调整图像采集系统的位置。其中上下移动，是通过旋转操纵杆来完成，而左右前后移动要靠手动推移操纵杆来完成。

以上的角膜地形图仪在测量上存在以下缺点：

1、由于对角膜图像的准确采集是基于placido盘、CCD相机与人眼角膜在（X,Y，Z）三维方向上的准确定位。前后移动（Y维度）是用来将角膜表面顶点位置调整在最佳的采集系统焦距位置，操纵时会不自觉地影响到左右位置（X维度）的定位，使采集的角膜图像偏离角膜中心。

2、在眼科医生或检查者对角膜图像采集时，需通过眼睛观察电脑屏幕上的图像判断是否对准的情况下，用手调整设备的位置使对焦对准，这种设计方式的可操作性差，手动调整起来不够方便。

3、这种角膜地形图仪的结构设计采用正面观察结构，即在进行角膜图像采集过程中，被检测者需要坐正身体，正视前方的placido盘，并将额头紧贴额头接触部位，下颚放在颚台上，以保证面部正对placido盘，这种情况下，被检测者很容易造成不适感，并且头部容易发生侧转，造成测量误差。

发明内容

本发明提供了一种角膜图像采集设备，该设备可以代替人手来精确调节图像采集系统与人眼角膜之间的相对位置，并应用俯视式定位采集方法来代替传统的正视式定位采集方法来采集人眼角膜的图像。

一种用于角膜地形图仪中的图像采集设备，包括设有通光孔的设备外壳、位于该设备外壳内的图像采集系统和安装所述图像采集系统的三维移动平台，所述图像采集系统包括带有CCD相机的CCD图像成像系统、透镜系统和光学投射装置，所述的三维移动平台通过步进电机驱动，该步进电机和CCD相机均受控于带有图像显示装置的上位机。

所述的图像显示装置通过图形界面显示所述步进电机和CCD相机控制信号的改变幅度。在被检者的面部朝下眼睛通过通光孔向下看时，操作者在上位机的图像采集软件窗口观察CCD相机所在的位置，并通过对图像采集软件窗口中的滚动条进行移动产生步进电机的工作信号,步进电机带动三维位移平台移动,使图像采集系统与被检者的眼角处于最佳的采集位置。

所述的三维移动平台包括：与所述设备外壳沿X轴滑动配合的第一位移平台；与所述第一位移平台沿Y轴滑动配合的第二位移平台；固定在所述第二位移平台上的托举臂，与所述托举臂沿Z轴滑动配合的用于安装所述图像采集系统的支撑平台，所述X轴、Y轴和Z轴在空间上两两垂直。图像采集系统安装在三维移动平台上，通过调节三维移动平台，即可使图像采集系统处于最佳的采集位置；X轴、Y轴和Z轴分别为第一位移平台、第二位移平台和支撑平台的滑动方向，即第一位移平台、第二位移平台和支撑平台在滑动方向两两相互垂直。

所述的步进电机为分别用于驱动第一位移平台、第二位移平台和支撑平台的第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机。第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机通过滚珠螺杆／螺母分别驱动第一位移平台、第二位移平台和支撑平台，从而带动三维移动平台在X轴、Y轴和Z轴上滑动，以调整图像采集系统和人眼角膜之间的位置。

所述的第一位移平台、第二位移平台和支撑平台分别通过对应的交叉滚柱导轨与所述的设备外壳、第一位移平台和托举臂滑动配合。交叉滚柱导轨是一种精密的直线滚动导轨，具有较高的承载能力和较高的刚性，对反复动作、起动、停止往复运动频率较高情况下可减少整机重量和传动机构动力。采用交叉滚柱导轨可获得较高的灵敏度和高性能的平面直线运，滚动摩擦力低，稳定性能好，安装使用方便，能提高设备的定位精度。

所述的上位机通过运动控制卡控制所述步进电机。运动控制卡通过USB连接线与上位机连接，是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个步进电机的多轴协调控制的一种高性能的步进电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括单脉冲模式和双脉冲模式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。运功控制卡将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有步进电机控制所需的各种速度、位置控制功能，这些功能能通过计算机方便地调用。

所述通光孔位于所述设备外壳的顶部。现有技术中，角膜图像采集设备采用正面观察的方式，应用此方式被检测者很容易造成不适感，并且头部容易发生侧转，造成测量误差。采用通光孔位于设备外壳顶部的设计，保证被测者在测量过程中面部始终正对下方，从而避免在测试时因被测者的头部转动而造成测试误差。

所述设备外壳的顶部设有能够调节位置的挡板和支撑被测者下巴的移动的托盘。根据人脸部形状的不同，可调解的挡板和可移动的托盘，保证人眼的位置与通光孔相适应。观察时，使被测者的头抵住挡板，托盘托着被测者的下巴，实现对人头部的固定，避免在测试时因被测者的头部转动而造成测试误差。

所述设备外壳顶部的内壁上设有指向通光孔位置的条纹。方向指示条纹的各白色小箭头的方向所指的即是通光孔的位置，这样可以在对被检者进行测试过程中，通过上位机调节图像采集系统与被检者眼角膜的相对位置时，在上位机的图像显示装置中显示出白色箭头，操作者只需要将图像采集系统按箭头所指的方向进行移动，既可以实现图像采集系统与被检者眼角膜的对准。

本发明的图像采集设备能够自动调节图像采集系统与人眼角膜之间的相对位置，操作简单方便，准确度高，拍摄的眼角膜图像更精确，方便数据信息处理。

附图说明

图1为本发明的用于角膜地形图仪中的图像采集设备的结构示意图。

图2为本发明的图像采集设备的设备外壳的结构示意图。

图3为本发明的透镜系统构造示意图。

图4为本发明的图像采集系统和三维移动平台的工作原理图。

图5为本发明的图像显示装置中的图像采集软件窗口的工作图。

图6为本发明的设备外壳顶部的内表面上的方向指示条纹示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种应用于角膜地形图仪中的图像采集设备，该角膜图像采集设备包括：设有通光孔12的设备外壳1，位于该设备外1壳内的图像采集系统2和安装图像采集系统2的三维移动平台3。

图像采集系统2由CCD图像成像系统21、光学投射装置和透镜系统23构成。CCD图像成像系统21由CCD相机、驱动电路、1394连接线及1394卡构成。光学投射装置由LED背光源和placido盘22构成。透镜系统23由档光圈231、透镜组232、针孔光阑233、半反半透镜234、LED灯235和镜筒结构236构成。

三维移动平台3包括：与设备外壳1沿X轴滑动配合的第一位移平台33，与第一位移平台33沿Y轴滑动配合的第二位移平台37，固定在第二位移平台37上的托举臂32，与托举臂32沿Z轴滑动配合的用于安装图像采集系统2的支撑平台31，步进电机为分别用于驱动第一位移平台33、第二位移平台37和支撑平台31的第一步进电机34、第二步进电机35和第三步进电机36，X轴、Y轴和Z轴在空间上两两垂直。第一位移平台33、第二位移平台37和支撑平台31均通过交叉滚柱导轨分别与所述的设备外壳1、第一位移平台33和托举臂34滑动配合。

如图2所示，设备外壳1的顶部设有挡板11、通光孔12、托盘13和固定托盘14。

角膜图像采集时，人眼角膜置于角膜图像采集设备的通光孔12之上，三维移动平台3通过第一步进电机34、第二步进电机35和第三步进电机36可进行X轴、Y轴、Z轴三维方向上自由移动调整，使图像采集系统2与拍摄的人眼角膜对准，图像采集系统2在移动到距离人眼角膜的最佳距离时，自动对人眼角膜图像进行拍摄。

图像采集系统2中，从上至下依次有placido盘22，LED背光源，透镜系统23，CCD图像成像系统21。如图3所示，其中透镜系统23中的档光圈231位于placido盘22的正中心开孔处，半反半透镜234呈45°置于档光圈231之下，针孔光阑233与半反半透镜234在同一水平上的一定距离处放置，LED灯235置于针孔光阑233之后，LED灯235发出的光经过于针孔光阑233后变成一个光点照射在半反半透镜234上，光点被半反半透镜234反射后照在人眼角膜表面上，照在人眼角膜表面上的光点用于准直作用。透镜组232置于半反半透镜234正下方一定距离处，透镜组232之下是CCD图像成像系统21中的CCD相机。人眼角膜反射的placido盘22的虚像，经过半反半透镜234成像在CCD相机上。

其中placido盘22为黑白相间的24个同心圆环构成的大placido盘,其基底面型为一种自由二次曲面结构,该自由二次曲面结构能够在半径为8mm的球面镜上成的虚像基本在一个平面上，placido盘22的主体构成采用一种均匀透光的有机玻璃，placido盘22的主体背面采用磨砂处理,以提高placido盘22整体的透光均匀性。Placido盘22的主体中心开有通光小孔。Placido盘22的主体正面从中心开孔处向外依次排列有12条挡光的暗环，暗环为有机油墨形成，与12条透光的明环交叉排列，在具有LED背光源照明的情况下，明环很好的均匀透光，暗环能将光线阻挡从而形成黑白相间的24个同心圆环。

其中LED背光源由线路板、LED灯阵列、驱动电路构成。其中LED灯阵列是由LED灯珠在线路板上排列构成的环形光源，其中驱动电路用于为LED灯阵列提供恒压驱动电源。

其中CCD图像成像系统21由CCD相机、驱动电路、1394连接线和1394卡构成。CCD相机采用一种黑白面阵CCD芯片，CCD相机由驱动电路提供驱动脉冲，1394卡用于CCD相机与上位机的连接。CCD图像成像系统21主要是采集到角膜的图像并传送到的上位机软件中以供分析。

在三维移动平台3中，支撑平台31位于三维移动平台3的最上部位，位于图像采集系统2之下，支撑平台31与托举臂32相连接，托举臂32垂直固定在第二位移平台37上，托举臂32上端一侧为第三步进电机36，托举臂32下面为第二位移平台37，第二位移平台37下面为第一位移平台33，第一步进电机34和第二步进电机35分别通过传动丝杆与第一位移平台33和第二位移平台37连接。

支撑平台31通过螺丝与图像采集系统2的外壳固定在一起，支撑平台31的一边与托举臂32连接，并保证支撑平台31与托举臂32保持垂直。通过支撑平台31与图像采集系统2外壳的连接，使图像采集系统2中placido盘22保持水平放置，CCD相机、透镜组232的光轴以及placido盘22中心孔的轴心同在一条垂直线上。第三步进电机36与托举臂32固定在一起，第三步进电机36通过传动齿轮与托举臂32连接，执行角膜图像采集系统2在Z轴方向的移动。第一步进电机34、第二步进电机35通过滑动丝杆分别连接着第一位移平台33和第二位移平台37，分别执行角膜图像采集2系统在X轴方向和Y轴方向的移动。第一步进电机34、第二步进电机35和第三步进电机36的转速通过运动控制卡的控制可实现速度调控。在步进电机的带动下，三维移动平台3的最高位移精度为0.2mm，第一位移平台33和第二位移平台37在X轴、Y轴方向上的最大位移范围为100mm，支撑平台31在Z轴方向上的最大位移范围为30mm。

如图4所示，图像采集系统2和三维移动平台3的工作原理图。三维移动平台3由3个步进电机（第一步进电机34、第二步进电机35和第三步进电机36）分别连接进行控制。运动控制卡通过导线与第一步进电机34、第二步进电机35和第三步进电机36分别连接，运动控制卡将上位机传来的控制信号，转换成为驱动脉冲方波，以此来分别控制各步进电机的转动方向，转动速度和转动状态。

设备外壳1的主体为长宽为40cm，高20cm的立方体结构，侧面具有1394连接线、USB连接线、电源线的连接接口，设备外壳1的顶部设有通光孔12，其上由滑动的挡板11，托盘13、固定托盘14以及设备外壳1的通光孔12组成，挡板11下装有滑动滚珠，可前后进行移动，可通过旋转固定扭对移动的挡板11进行固定和解除固定操作，托盘13下也装有滑动滚珠，可进行前后移动，并通过固定扭进行固定。设备外壳1的通光孔12是顶部中心部位开的两个椭圆形通光孔12，两椭圆形通光孔12的大小一致，各中心点距离为50mm。在测量过程中，被测者俯身面朝下通过通光孔12向内观察placido盘22，检查者通过前后调节挡板11的位置，使被测者的头抵住挡板11，固定托盘14支撑在被测者的鼻梁上，托盘13托着被测者的下巴，保证被测者在测量过程中面部始终正对下方，从而避免在测试时因被测者的头部转动而造成测试误差。

参照图5，该图像采集设备的工作过程如下：在被检者的面部朝下眼睛通过通光孔12向下看时，操作者在上位机的图像采集软件窗口上形成的图像观察CCD相机所在的位置，并通过对图像采集软件窗口中的滚动条4进行移动产生第一步进电机34和第二步进电机35的工作信号，第一步进电机34和第二步进电机35分别带动第一位移平台33和第二位移平台37移动，使图像采集系统2与被检者的眼角膜在X轴、Y轴方向对准后，再点击上下移动按钮5，使图像采集系统2向上或者向下按一定的速率进行距离调整，当使图像采集系统2与被测者眼角膜之间达到距离要求时，即图像采集系统2能够采集到最清晰的角膜图像时，点击图像采集按钮6，完成对角膜图像的采集。

如图6所示，设备外壳顶部的内壁上的通光孔12周围具有方向指示条纹，图中各白色小箭头的方向所指的即是通光孔12的方向，这样可以在对被检者进行测试过程中，通过上位机调节图像采集系统2与被检者眼角膜的相对位置时，在上位机的视频窗口中显示出白色箭头，操作者只需要将图像采集系统2按箭头所指的方向进行移动既可以实现图像采集系统2与被检者眼角膜的对准。

Claims (1)

1.一种用于角膜地形图仪中的图像采集设备，包括设有通光孔的设备外壳、位于该设备外壳内的图像采集系统和安装所述图像采集系统的三维移动平台，所述图像采集系统包括带有CCD相机的CCD图像成像系统、透镜系统和光学投射装置，其特征在于，所述的三维移动平台通过步进电机驱动，该步进电机和CCD相机均受控于带有图像显示装置的上位机；

所述通光孔位于所述设备外壳的顶部；

所述设备外壳的顶部设有能够调节位置的挡板和支撑被测者下巴的移动的托盘；

所述设备外壳顶部的内壁上设有指向通光孔位置的条纹；

所述的图像显示装置通过图形界面显示所述步进电机和CCD相机控制信号的改变幅度；

所述的三维移动平台包括：与所述设备外壳沿X轴滑动配合的第一位移平台；与所述第一位移平台沿Y轴滑动配合的第二位移平台；固定在所述第二位移平台上的托举臂，与所述托举臂沿Z轴滑动配合的用于安装所述图像采集系统的支撑平台，所述X轴、Y轴和Z轴在空间上两两垂直；

所述的步进电机为分别用于驱动第一位移平台、第二位移平台和支撑平台的第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机；

所述的第一位移平台、第二位移平台和支撑平台分别通过对应的交叉滚柱导轨与所述的设备外壳、第一位移平台和托举臂滑动配合；

所述的上位机通过运动控制卡控制所述步进电机。