CN103340596B - 一种测量角膜曲率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量角膜曲率的装置，包括：双环型测量光源，它包括内环点状光源，向被测眼睛的角膜发射点状聚焦光斑；外环测量光源，向被测眼睛的角膜发射环形测量光；图像采集系统，采集并检测从所述角膜反射的点状聚焦光斑图像和环形图像，图像处理及控制系统，从所述图像采集系统处检测到的点状聚焦光斑图像得到不同点状光斑的灰度变化率K，确定被测眼睛是否在允许的测量范围内，对不在允许测量范围内进行补偿并给出补偿方向的指引，并根据补偿后的环形图像的半径R计算出被测眼睛的角膜曲率；同时本发明还提供了一种利用本装置测量角膜曲率的方法。本发明使用方法非常简单，操作人员只需根据仪器输出装置的指引，便能迅速找到最佳测量位置。

Description

一种测量角膜曲率的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量角膜曲率的装置和方法，更具体的涉及这样一种测量角膜曲率的装置和方法，它是基于图像三维空间灰度变化进行判断被测眼睛的测量位置，并能根据图像输出装置所显示的图像特征给出方向指引，便于快速准确的找到最佳测量位置，实现角膜曲率的自动测量。

背景技术

角膜曲率仪用来测定角膜前表面曲率，其测量原理为在角膜前的一特定位置放置特定大小的物体，该物体经角膜前表面反射后产生一个正立的虚像，测量此像的大小即可计算出角膜前表面的曲率半径。如果一个人配戴了具有错误角膜曲率值的隐形眼镜，会引起隐形眼镜脱落，有异物感或者角膜的擦伤或发炎。因此, 准确测量出被测患者的眼角膜前表面的曲率值十分重要。

角膜曲率测量装置的图像采集系统被设计为当角膜前表面与成像光学系统之间的距离达到物像共轭关系时，图像传感器采集到清晰的角膜反射图像。基于最清晰的角膜反射图像可计算出最精确的角膜曲率值。目前角膜曲率测量装置存在的主要问题是：一是验光师需要根据图像输出装置所显示的图像来判断被测眼睛的测量位置，角膜曲率测量的精度取决于操作人员的操作技巧；二是部分角膜测量装置，如CN101732030B公开的一种测量角膜曲率的装置和方法，它是基于采集图像的二维坐标的变化进行聚焦误差的判断是否在其误差允许的范围内，如不在时，能够进行补偿，但是不能根据图像给出操作者方向上的指引，导致不能快速找到最佳测量位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量角膜曲率的装置和方法，可根据测量装置的图像处理及控制系统根据采集到图像迅速找到最佳测量位置，实现了角膜曲率的自动测量。

本发明的另一个目的是提供一种测量角膜曲率的装置和方法，它能够根据采集到的图像特征给出方向指引，便于操作者快速准确的找到最佳测量位置。

为了达到本发明的目的，本发明提供一种测量角膜曲率的装置，包括：双环型测量光源，它包括内环点状光源，向被测眼睛的角膜发射点状聚焦光斑；外环测量光源，向被测眼睛的角膜发射环形测量光；图像采集系统，采集并检测从所述角膜反射的点状聚焦光斑图像和环形图像；图像处理及控制系统，从所述图像采集系统处检测到的点状聚焦光斑图像得到不同点状光斑的灰度变化率K，确定被测眼睛是否在允许的测量范围内，对不在允许测量范围内进行补偿并给出补偿方向的指引，并根据补偿后的环形图像的半径R计算出被测眼睛的角膜曲率；其中，所述的图像处理及控制系统包含表示被测人眼位于不同测量距离位置获得的灰度变化值而生成的图像灰度变化率K与测量距离之间的关系曲线C_2。

本发明还提供了测量角膜曲率的方法，包括以下步骤： a）根据图像采集系统处检测到的点状图像计算出不同点状光斑的灰度变化率K；b）通过曲线C_2得到测量距离D及距离误差ΔD，ΔD=D-D₀，其中D₀为被测角膜前表面与成像光学系统之间的距离满足物像共轭关系时的距离；c）根据距离误差ΔD确定当前测量位置是否在允许的测量范围内；d）当所述距离误差ΔD不在允许的测量范围内时，对点状光斑图像进行补偿并给出补偿方向指引；e）当所述距离误差ΔD在允许的测量范围内时，关闭内环点状光源，点亮外环测量光源，根据环形图像的半径R值测量所述被测眼睛的角膜曲率。

其中步骤d）包括：d-1）计算出点状聚焦光斑图像中不同点状光斑的形状特征E，计算方法如下：

其中：R_a 为点状光斑图像中点状光斑的水平方向的点径, R_b为垂直方向的点径；

d-2）根据E值判断被测眼睛与成像光学系统之间的距离，并给出补偿以及补偿方向的指引；当D= D₀时，E=1；当D＜D₀时，E＞1，对点状光斑图像给出向后方向的指引；当D＞D₀时，E＜1，对点状光斑图像给出向前方向的指引；d-3）根据所述的指引方向参照曲线C_2得出当前图像的测量距离D，计算距离误差ΔD；d-4）重复步骤b）至步骤d）以及步骤d-1）至d-3），直至所述的距离误差ΔD在允许的测量范围内。

本发明设计的测量角膜曲率的装置和方法，不需要单独的设备和装置来检测测量位置，它是一种基于图像三维空间灰度变化进行判断被测眼睛的测量位置，使用方法非常简单，操作人员只需可根据仪器输出装置的指引，便能迅速找到最佳测量位置，实现了角膜曲率的自动测量。

附图说明

图1是图示了根据本发明的实施例的角膜曲率测量装置图；

图2是图示了根据本发明的实施例的角膜曲率测量装置中双环型测量光源前面的孔型光阑与环形光阑组成的双环型光阑结构的的正视图；

图3a是图示了根据本发明的实施例的角膜曲率测量装置中，当被测眼睛与成像光学系统的距离为D₀时，内环点状光源点亮入射到角膜上的情况的图；

图3b是图示了根据本发明的实施例的角膜曲率测量装置中，当被测眼睛与成像光学系统的距离大于D₀时，内环点状光源点亮入射到角膜上的情况的图；

图3c是图示了根据本发明的实施例的角膜曲率测量装置中，当被测眼睛与成像光学系统的距离小于D₀时，内环点状光源点亮入射到角膜上的情况的图；

图4是图示了根据本发明的实施例的角膜曲率测量装置中，当被测眼睛位于最佳测量位置时，外环测量光源点亮入射到角膜上的情况的图；

图5是图示了根据本发明的角膜曲率测量装置中，当被测眼睛在不同测量距离时点状聚焦光斑图像的灰度变化率K的轨迹曲线图；

图6是图示了根据本发明的角膜曲率测量装置中外环环形图像的半径R值与测量距离D的关系曲线图；

图7是图示了根据本发明的角膜曲率测量装置中的灰度变化率K与测量距离D的关系曲线图。

具体实施方式

通过结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细说明：

如图1所述，一种测量角膜曲率的装置包括双环型测量光源7，图像采集系统8以及图像处理及控制系统13。

双环型测量光源7包括内环点状光源、外环测量光源以及分别设置在所述内环点状光源与外环测量光源前面的孔形光阑4与环形光阑3。

孔形光阑4与环形光阑3组成的双环型光阑结构见图2所示。

内环点状光源是由8个共圆LED光源6组成，用于向被测眼睛1的角膜2发射点状聚焦光斑，因此，如图3a-3c所示，从内环点状光源发出的点状光斑在被测眼睛1的角膜2上形成点状聚焦光斑图像14；外环测量光源是由24个LED光源5组成，用于向被测眼睛1的角膜2发射环形测量光，因此，如图4所示，从外环测量光源发出的环形测量光在被测眼睛1的角膜2上形成环形图像15。

图像采集系统8采集并检测从所述角膜2反射的点状聚焦光斑图像14和环形图像15。图像采集系统8包括：成像光学系统16与图像传感器12，成像光学系统16包括目镜9、析光镜10、监视透镜组11，目镜9、析光镜10、监视透镜组11顺序排列，用于接收从被测眼睛1的角膜2反射回来的点状聚焦光斑及环形测量光；图像传感器12，用于形成点状聚焦光斑图像14和环形图像15，然后将点状聚焦光斑图像14和环形图像15的光信号转换成电信号。图像传感器12连接到图像处理及控制系统13，成像的点状聚焦光斑图像14和环形图像15被传输到图像处理及控制系统13。这样，图像处理及控制系统13根据采集的到点状聚焦光斑图像14判断测量距离，当测量距离在允许范围内，图像处理及控制系统13向双环型光源7发出指令，点亮外环测量光源，关闭内环点状光源，并根据环形图像15的半径R计算被测眼睛1的角膜曲率值。

与图像采集系统8连接的图像处理及控制系统13对不在允许测量范围内的点状聚焦光斑图像14进行补偿并给出补偿方向的指引，直至被测眼睛1处于允许的范围内，并根据补偿后的环形图像15的半径R计算出被测眼睛1的角膜曲率值。

下面参考图3a、3b、3c、4、5、6和7详细描述图像处理及控制系统13对补偿方向的指引和对角膜曲率的精确计算。

在图3a中，当被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离等于D₀，即角膜2前表面与成像光学系统16之间的距离满足物像共轭关系时，图像采集系统8得到最清晰的点状聚焦光斑图像14。如果被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离大于或小于D₀时，点状聚焦光斑图像14的外周变模糊且图像的亮度和清晰度会减弱，如图3b和图3c所示。

下面介绍基于点状聚焦光斑图像14的灰度变化率K的计算方法。如图5所示，L_0表示当测量距离D等于D₀时，点状聚焦光斑图像14取不同灰度阈值T时，满足各阈值的点的个数P_num的关系曲线。当测量距离D大于或小于D₀，分别得到对应的灰度变化曲线L_1和L_2。当T∈[T1,T2]时，曲线L_0、L_1和L_2近似于线性变化。设T=T1时，对应的点的个数为P_num_T1;T=T2时，对应的点个数为P_num_T2，灰度变化率为K,则有：

(1)

(2)

(3)

根据公式（1）至（3）可计算出在不同测量距离D时，点状光斑图像14的灰度变化率K，图中，表示曲线L_1的灰度变化率K为K₁，表示曲线L_2的灰度变化率K为K₂，表示曲线L_0的灰度变化率K为K₀。

图6表示了本发明的测量角膜曲率装置中，环形测量图像15的半径R与测量距离D的关系曲线C_1。当被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离等于D₀时得到的环形图像的半径R₀是标准的，如图4所示；当被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离小于D₀时，得到的环形图像15的半径R< R₀;而当被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离大于D₀时，得到的环形图像15的半径R>R₀。另一方面，当D∈[D1,D2]时, 环形图像15的半径R值的测量误差ΔR(ΔR=|R-R₀|)在允许的误差范围内，即ΔR≦0.02mm。因此只要根据灰度变化率K值求出D值，就可实现测量距离D的自动判定。

当被测眼睛1在允许的误差范围内时，根据环形图像15的半径R计算被测眼睛1的角膜2的曲率值，如果被测眼睛1不在允许的误差范围内时，进行以下的步骤：

如图7图示了基于本发明的角膜曲率测量装置中，点状聚焦光斑图像14的灰度变化率K与测量距离D的关系曲线C_2。设曲线C_2的表达式如下：

(4)

式中E值为点状聚焦光斑图像14中点状光斑形状特征E，具体计算方法如下：如图3a-3c所示，设点状光斑的水平方向的点径为R_a,垂直方向的点径为R_b, 点状光斑形状特征E的计算公式如下：

(5)

当被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离等于D₀（如图3a所示），E定于1；当被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离小于D₀（如图3b所示），E大于1,图像处理及控制系统13向图像采集系统8输出向后的方向指引；当被测眼睛1与成像光学系统16之间的距离大于D₀，图像处理及控制系统13向图像采集系统8输出向前的方向指引。

根据公式（4）可计算出当前图像的测量位置D，计算ΔD的值（ΔD=|D-D₀|），若ΔD≦(D2-D1)，图像处理及控制系统13向双环型光源7发出指令，点亮外环测量光源，关闭内环点状光源，并根据环形图像15的半径R计算被测眼睛1的角膜2的曲率值，当得到角膜曲率值时，角膜曲率的测量结束。

Claims (2)

1.一种测量角膜曲率的装置，包括：

双环型测量光源，它包括内环点状光源，向被测眼睛的角膜发射点状聚焦光斑；外环测量光源，向被测眼睛的角膜发射环形测量光；

图像采集系统，采集并检测从所述角膜反射的点状聚焦光斑图像和环形图像，它包括成像光学系统，用于接收从角膜反射回来的点状聚焦光斑及环形测量光，以及图像传感器，用于形成点状聚焦光斑图像和环形图像；

其特征在于，该装置还包括：

图像处理及控制系统，从所述图像采集系统处检测到的点状聚焦光斑图像得到不同点状光斑的灰度变化率K，确定被测眼睛是否在允许的测量范围内，对不在允许测量范围内进行补偿并给出补偿方向的指引，并根据补偿后的环形图像的半径R计算出被测眼睛的角膜曲率；

其中，所述的图像处理及控制系统包含表示被测人眼位于不同测量距离位置获得的灰度变化值而生成的图像灰度变化率K与测量距离之间的关系曲线C_2。

2.一种如权利要求1所述的测量角膜曲率的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）根据图像采集系统处检测到的点状聚焦光斑图像计算出不同点状光斑的灰度变化率K；

b）通过曲线C_2得到测量距离D及距离误差ΔD，ΔD=D-D0，其中D0为被测角膜前表面与成像光学系统之间的距离满足物像共轭关系时的距离；

c）根据距离误差ΔD确定当前测量位置是否在允许的测量范围内；

d）当所述距离误差ΔD不在允许的测量范围内时，对点状聚焦光斑图像进行补偿并给出补偿方向指引；

e）当所述距离误差ΔD在允许的测量范围内时，关闭内环点状光源，点亮外环测量光源，根据环形图像的半径R值测量所述被测眼睛的角膜曲率；

其中步骤d）包括：

d-1）计算出点状聚焦光斑图像中不同点状光斑的形状特征E，计算方法如下：

其中：Ra 为点状光斑图像中点状光斑的水平方向的点径, Rb为垂直方向的点径；

d-2）根据E值判断被测眼睛与成像光学系统之间的距离，并给出补偿以及补偿方向的指引；

当D= D0时，E=1；

当D＜D0时，E＞1，对点状光斑图像给出向后方向的指引；

当D＞D0时，E＜1，对点状光斑图像给出向前方向的指引；

d-3）根据所述的指引方向参照曲线C_2得出当前图像的测量距离D，计算距离误差ΔD；

d-4）重复步骤b）至步骤d）以及步骤d-1）至d-3），直至所述的距离误差ΔD在允许的测量范围内。