CN103732129B - 用于建模眼部结构的设备 - Google Patents

Abstract

用于光学元件的成像系统，该成像系统包括用来用至少一束入射光束照明目标光学元件的装置和将从光学元件的至少一个表面返回的至少两束光束引导到检测器上的装置；检测器适于测量至少两束返回光束的相对的光特性以及使用至少两束返回光束的测量的特性来计算光学元件的至少一个参数。

Description

用于建模眼部结构的设备

技术领域

本发明涉及眼部建模。

背景技术

眼部手术通常会修整一个或更多眼睛的结构，如角膜，晶体，或视网膜。一些手术包括移除或替换一个或更多眼睛结构，或增加一个移植物。例如，晶体替换手术包括移除病人现有的晶体并用新的晶体替换之。一些手术，如激光视力校正手术，不移除或替换病人现有的结构，或在眼睛里增加植入物，但会重塑现有的结构。无论做出的修整是何种(例如，移除，替换，插入，或改造)，眼睛的光学性能会通过做出的对眼睛结构的调整而改变。因此为了准确地为任何眼睛结构建模，确定眼睛的眼部参数是有必要的。这些参数包括形状，厚度，和眼部结构例如角膜，晶体，视网膜，或任何其他相关结构的折射率。

测量参数例如曲率，或表面形状，或病人眼睛组成的厚度传统上进行使用超声波变种光学相干性断层摄影术(OCT)干涉仪，浦肯野(Purkinje)或沙伊姆弗勒(Scheimpflug)系统。

典型沙伊姆弗勒系统便于诊断眼睛的前室。例如US6286958B1标题为“使用沙伊姆弗勒摄像机检查眼睛和用于给眼睛的狭缝图像照相的狭缝光投影仪的设备”公开了一个经典的单沙伊姆弗勒系统，其配置为每次只一个经线的对眼睛的检查。

US2009/0190093标题为“双重沙伊姆弗勒系统用于眼睛的三维分析”包含了位置上相互垂直的一对转动的沙伊姆弗勒照相机并在一个平台上是可转动的来生成和展示前角膜表面，后角膜表面，前虹膜表面和前晶体表面的三维图像。当这个系统提供双重系统时，它使用两个分离的照相机来实施系统且不可能提供允许同时获得角膜和晶状体晶体的两个横截面的可能性。

这些系统的缺点使得没有移动或重新定位设备的单次通过的情况下无法测量到眼睛的全部相关参数。这些系统在没有扩张瞳孔时不能够测量眼睛晶体前部的甚至扩张瞳孔后在多数情况下仍然不能测量晶体的后表面。应理解的是扩张影响任何做出的测量的准确性。

因此本发明的对象提供了一个在没有移动或重新定位图像系统任何部分的情况下单次通过能够测量到眼部建模所有必要的眼睛的相关参数的图像系统，即，测量汇编一个单独的光学模型所必要的眼睛的光学参数。此外本发明的对象通过增加了做出的测量的准确性增加了眼部模型的效率和准确性。

应到测量到的参数包括：

·角膜后和前曲率

·晶体后和前曲率

·角膜、眼房水、晶体、玻璃体折射率

·角膜和晶体的梯度折射率

·角膜和晶体的厚度

·前室内深度(眼房水厚度)

当前OCT和沙伊姆弗勒照相机测量病人眼睛里的曲率和厚度。然而，这些测量没有校正之前的准确光学表面的光学效应。

折射率是眼部建模需要的核心参数。所有现有技术忽略了物体间折射率的变化。解决折射率的失败会导致所有超出第一光学表面(角膜)测量的错误。

发明内容

本发明包括用于光学元件的成像系统，成像系统包括：

用至少一束入射光束照亮目标光学元件的装置；和

将从照亮的光学元件的至少一个表面返回的至少两束光束引导到检测器上的装置；检测器适于测量至少两束返回光束的相对光特性和计算用来测量至少两束返回光束特性的光学元件的至少一个参数。

光学元件可以是多个元件或系统。来自光学元件的反射光会通过反射、散射、折射、荧光或这些的组合返回。

照亮目标光学元件的装置右旋地包括至少一个光源和用于改变在目标光学元件上的至少一个入射光束的入射方向的装置。

系统还包括用于分割至少一束从光源发出的光束的装置，其中至少两束由此产生的分割光束相对于目标光学元件的光轴要具有不同的入射角度。

光学装置包含光束整形透镜、带有光功率的镜面、折叠镜面，光束分割器和/或棱镜中的一个或更多个。

系统还包括用于在检测器连续测量之间改变在目标光学元件上的至少一束入射光束的至少一个特征的装置。这些装置包括，例如，用于在检测器连续测量之间改变在目标光学元件上的至少一束入射光入射方向的装置。因此通过使用这个系统，在对单独一个眼睛的整个检查中系统的变化会一直出现在从测量到测量中。对单独眼睛的检查包括一个或更多的测量这里的测量其设备的状况是被冻结的，即光束角度处于一个特定的角度，然后之后检查的下一个测量会改变为另一个角度。对一个单独的眼睛的检查包括一个单独的测量而其他没有变化仍然可以得到眼睛参数的结果也是可能的。另外，检查可以有多于一个的测量而系统改变一个参数如光束角度而眼睛参数的结果仍可以获得。

光源的相对光特性包括，但不限制在，下列至少一个特性：空间和时间上的强度分布、位置、空间和时间上线性和/或圆偏振、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和/或g-各向异性因子。

同样的，照明和/或返回光线的测量特性包括至少一个空间和时间上的强度分布、位置、空间和时间上线性和/或圆偏振、偏振角度、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和g各向异性因子。

光学设备包括用于改变光学元件照明相对于光学元件轴的方向，适于控制至少一束入射光束的方向的装置。

镜面、透镜、棱镜、衍射光栅和/或连贯纤维束用来改变或控制光学元件照明相对于光学元件轴的方向。

需要提供选择不同光束照明光学元件的装置。通过应包括但不仅限于的变迹大型照明光束使用面具过滤轮和/或空间光调制器，通过时间/空间控制来选择各种更小的照明光束。

将从照亮的光学元件的至少一个表面返回的至少两束光束引导到检测器上的装置包括至少一个光学部件。

该光学部件包括一个或更多的下列的：镜面、透镜、棱镜、衍射光栅、相干光纤束、他们会在相对光学元件的轴的特定的角度和位置接收返回光线。

返回光束的相对光特性包括，但不仅限于，至少一个下列特性：空间和时间上的强度分布、位置、空间和时间上线性和/或圆偏振、偏振角度、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和/或g-各向异性因子。

这个或每个光学组件还适于控制至少一束入射光束的方向。这个或每个光学组件会部分用来引导返回光线到检测器中。

检测器优选是CCD、CMOS传感器、人眼、感光板、通道板阵列、雪崩光电二极管、闪烁检测器或光电倍增管。

这系统还包括用于改变检测器位置来聚焦任意或所有返回光线的装置。

照明和/或返回光的特性不限制在其本身特性内的单独参数。特性包括空间和时间上的强度分布、位置、空间和时间上线性和/或圆偏振、偏振角度、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和/或g-各向异性因子中的至少一个且可以依次或同时使用。不过其他特性也可以使用。

照明和/或反射光的特性优选包括空间和时间上的强度分布、位置、空间和时间上线性和/或圆偏振、偏振角度、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和/或g-各向异性因子中的至少一个。

系统还包括一个第二检测器。第一检测器和第二检测器会放在目标光学元件的光轴所在的不同的平面上。然而第一检测器和第二检测器放在目标光学元件光轴所在的平面上。

两个或更多的检测器会放在任意平面位置和方向比如满足沙伊姆弗勒条件。两个检测器可以正交放置。优选是，在这个实施例中，用于照明的方法包括一对交叉的光源适于生出两个光束在光学元件上进行投影。

本发明还提供了光学元件成像的方法，这方法包括的步骤是：

用至少一束入射光束照明目标光学元件；和

将从至少一个照明的光学目标表面返回的至少两束光束引导到检测器上；

测量至少两束返回光束的相对光特性和

使用测量的至少两束返回光束的特性计算光学元件的至少一个参数。

该方法还包括控制入射光束的方向。

该方法还包括改变或更改相对于光学元件的轴的对光学元件的照明的方向。

该方法还包括改变检测器位置来聚焦任何或所有返回光线。照明和/或返回光线的特性包括空间和时间上的强度分布、位置、空间和时间上线性和/或圆偏振、偏振角度、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和/或g-各向异性因子中的至少一个。

该方法还包括在连续测量之间改变至少一个在目标光学元件上的入射光束的入射方向。

如本发明此处所提供的提供了对实现射线追踪标准的光束的探测的控制和通过对一个眼睛的精确的模型远心成像而隔离开。为了实现这一目标，所有经线都在同时或尽可能接近同时被获得。在一个实施例中同时性被看作小于1.0秒并做好小于0.5秒。

本发明还允许通过一个固定目标眼跟踪来确定视觉轴的位置，或以其他方式，总之对射线追踪很关键。

通过提供入射光束小于40度的入射角，所有透镜的成像都可以获得，即使在更小的瞳孔里。舍弃的光束高度还允许额外的数据点使得射线追踪能够进行。

还描述了对于所有光学仪器都共同采用的迭代和反复的射线追踪计算，以为了准确得出眼表面曲率、厚度和折射率。特别地，这些计算顾及到仪器的光学设计并考虑到眼睛前表面的光学元件。

需要理解的是前述的概念的所有实施例和在下面更多细节描述中额外的概念(提供的这些概念不会相互不一致)会被看作此处本公开发明的主题的一部分。特别是，出现在本文最后的所有要求保护的主题的组合会被看作此处本公开发明的主题的一部分。还需要理解的是此处明确引用的术语和出现在任意纳入参考的主题应该给予本文特定的概念最一致的意思。

附图说明

此处描述的各种技术的非限制性的实施例会具体参考以下附图来描述。需要理解的是图片不必要按比例去画。

图1是眼睛的简化原理图

图2依据本发明的一个实施例描绘了成像的布局和浦肯野系统的探测部分。

图3是依据本发明的一个实施例的一个更多细节的用来控制照明和图2中返回光束的设备的图。

图4是依据本发明用于照明眼睛表面的准直光束的细节图。

图5是依据本发明的一个实施例的系统的表示图。

图6是依据本发明的一个实施例的沙伊姆弗勒系统的模型。

图7是依据本发明的一个实施例的沙伊姆弗勒系统的另一种视角图。

图8是依据本发明的一个实施例的沙伊姆弗勒系统的三维视图。

图9展示了依据本发明的一个实施例在浦肯野系统内的猫眼反射。

图10展示了依据本发明的一个实施例在浦肯野系统内的轴向反射。

图11展示了依据本发明的一个实施例在浦肯野系统内的复古(Retro)反射。

图12是在一个眼结构中用带参考的射线高度展示眼睛广义结构的细节。

图13展示了在检测器上看到的单一表面的浦肯野反射。

图14示范了射线高度测量到的光斑的形心。

图15展示了图3的射线追踪视角描绘了依据本发明的一个实施例的照明光束。

图16是一个垂直/水平沙依姆弗勒占相机的Zemax图。

图17展示了沙依姆弗勒照相机的CAD模型。

图18展示了依据本发明的一个实施例的沙依姆弗勒系统的CAD模型。

图19展示了另一个依据本发明的一个实施例的沙依姆弗勒系统的CAD模型。

图20是瞳孔照相的Zemax模型。

图21是分割放映机的Zemax模型。

具体实施方式

用于一个或更多眼睛结构建模的设备和方法被描述。建模会表明眼睛结构的形状和/或位置，这可以使用用来确定一个或更多感兴趣的眼部结构的光学方法来确定，以及感兴趣的眼部结构前的结构。这一个或更多参数包括形状，厚度，距离和折射率。

对感兴趣的眼部结构的形状，厚度，和/或折射率任意之一的测量会根据一些在当光通过任意感兴趣的结构前的眼部结构时通过经历过的测量技术使用光的定向改变上的范围。这样，根据技术，形状的测量，厚度，和/或眼部结构的折射率的一个方面会修正为作为测量这个结构其他参数，以及前面结构的任意参数的值的根据，以及前面结构的任意参数。

上面提到的技术的各方面，以及附加的方面，现在会在更详细地描述。这些方面可以单独，一起，或在两个或更多个任意组合使用，由于这些技术并不限制在这方面。

如提到过的，根据此处描述的技术的一方面，从做出的精确的眼睛模型中，眼部结构的形状和位置可以确定。这结构包括角膜，透镜，视网膜，或任何感兴趣的其他结构。结构的形状和结构可以通过直接测量包括形状，厚度，和折射率在内的一个或更多参数来确定，然后任意测量的修正会作为测量的结构的其他参数或这个操作中的眼睛的其他结构的任意参数的根据。一个例子现在在图1中描述。

图1提供了眼睛100的简要示意图，包括角膜102，晶状体104，和视网膜106。这些结构安排在光线进入的眼睛前侧108，和眼睛后侧110之间。在角膜102和晶状体104之间是一定体积的水111。在晶状体104和视网膜106之间是一定体积的水112。需要理解的是眼睛100为了说明的目的而简化了，典型的眼睛包括了比图1所展示了的特征更多的特征。

感兴趣的结构可以使一个完整的结构(即，一个晶状体)或一个表面(即，晶状体前部)且参数可以是感兴趣的结构的形状，厚度，或折射率。这三个参数的任何一个作为最终的结果或作为确定其它参数的办法，或两个目的都有，都是感兴趣的。例如，感兴趣的角膜的形状可以作为角膜建模最终的结果，但也可以便于确定角膜的折射率。

如提到过的，眼睛100的建模包括确定一个或更多感兴趣的表面，例如角膜前表面114a，角膜后表面114b，等等，的形状。拓扑，例如沙依姆弗勒拓扑，是一个可以用来确定这样表面形状的技术。然而，如前提到的其他方法，包括浦肯野成像，干涉，和/或光学相关断层摄影术都可以使用。

还是如提到过的，对眼睛100建模来提供眼部结构的位置包括确定眼睛里各种距离。如所示，角膜102有一个厚度T1，在角膜前表面114a和角膜后表面114b之间，和晶状体104有一个厚度T2，在晶状体前表面116a和晶状体后表面116b之间。角膜和晶状体被一个距离d1(即，从角膜后表面114b到晶状体前表面116a的距离)分开。视网膜与晶状体后表面116b被距离d2分开。这样的距离可以用OCT，或其他如本文描述的各种方面但不仅限于这些方面的技术测量得到。

然而，虽然标准拓扑和干涉计数可以用于测量眼部结构的形状和距离，单独使用这样的直接测量技术可能无法得到完全准确的结构。这些测量技术使用的光会经过由改变眼部结构折射指数(即，角膜的折射率n1，液体的折射率n2，晶状体折射率n3，和玻璃体折射率n4)促使的定向改变，这样如果没有算上定向改变那么结果就可能不准确了。

在本发明的一个实施例中，如图2所示的浦肯野成像仪被用来获得对眼部参数的测量值。如图2所示一个来自准直光源的光束射入系统照亮镜面，210位于光轴上。这些镜面210如图2所示是棒形反射器。然而，需要理解的是它们并不是严格地如包括任意折射棱镜包括具有或不具有镜面的棱镜(利用总共内部反射)的组合，或玻璃锥(旋转三棱镜)。然而，需要理解的是，折射棱镜和玻璃锥具有不必要的内在像差，而平面镜没有像差。通过使用光束分割器205可以获得对棒形反射器210的照明。

当射线从光源到达镜面210时，这些射线随后反射到例如射线被引导到经线平面镜209系统中。镜面的组合，209，210此处被称为“镜组”，206。镜组，206配置为既用离轴准直光束照亮眼睛又要为工作在与远心光学系统或臂200关联的浦肯野反射成像。镜组可以承载浦肯野反射到远心系统这样的话可以减少来自相反光束的浦肯野反射的角分离例如远心系统的内在像差会减少。

镜面209在角度方向上相对于镜面210处于光轴的另一侧。随后射线从镜面209定向反射到眼睛，208在一个选择的特定的反射角度这样浦肯野反射应该出现在图像中并通过足够的强度彼此分离开这样在拥挤的一组光中反射就是可解析的了。需要理解的是光束的离轴角的最优值还依据目标的眼生理测量值。光束角度的更多细节在图3中提供。

在照明光束射入镜组206后和从而进入眼睛208后，返回光线到达远心成像臂200。远心成像臂200包括四个主要组件，包括准直透镜204，成像透镜202远心光圈203，和检测器201，其可以是电荷耦合器件(CCD)或其他照相机。远心成像臂将浦肯野反射传递到检测器上。透镜的组合，202和204和远心光圈用来拦阻任何不是平行于系统的光轴的射线并将射线打到检测器201上。

镜组206的力学原理在图3中进一步描述。根据本发明镜组是浦肯野成像器的光束控制单元。无论是相干的激光还是非相干的LED光都可以从棒形反射器210的左侧或右侧进入。如图3所示，这些棒形反射器是45度的棒形反射器。缺口301存在于棒形反射器间允许一部分光直接从棒形反射器之间通过。反射光也是从棒形反射器210反射到经线光束控制镜209。这些光束控制镜随后改变反射光来产生一个入射光束角度302。这个入射光束角度可以在0到90度范围内并可以通过任何棒形反射器的组合来产生且光束控制角度在这个定义的范围内提供最终输入光束角度。棒形反射器210和经线光束控制镜安放在一起光轴的相反侧。

问题中对表面的照明可以由任意类型任意波长的光束完成，可以是相干的激光，部分相干的LED光或一个不相干的宽带光源。优选使用最窄的带宽这样介质的分散就不会在检测器上形成模糊的光谱光斑了。

对准直光束的操纵可以通过任何可能的办法，引导光束，由旋转三棱锥折射的光束或由排列的镜面折射的光束来完成。镜面解决方案特别的好处在于它不会引起分散或光学像差，如旋转三棱锥那样。它还允许更小直径的照明光束按光源强度储存并允许远心成像臂来使用更小的光学。

图15是一个使用镜面控制光束的代表图，这里命名为镜组。对于单独的经线，使用四个镜面1和2可以有任意角度配置但便于对齐。中心镜2可以是在10度到80度之间的棒形反射器而外镜1是控制镜用来产生必要的探测光束的角度7。这些镜面相互之间相对于光轴4有精确的和相反的角度。

在两个内镜之间的缺口5必须足够大使得能够允许一个轴向光束可以进入和返回，这当然是根据测量得到的光学系统3的安排。两个外镜之间的缺口6依据光学系统的距离和它们与其探测的表面的角度。然而，反过来也是如此而且缺口距离可以留在一个设定的距离且光学系统必须处在探测范围内。必须要注意的是缺口距离适于一个大的数值因为这会减少机械上或光学上部分的干扰。镜面的直径可以设计为必要的任何值然而，内镜的直径决定了探测光束的直径。在所有时刻镜面的位置和角度都必须绕光轴对称转动维持三种类型的反射状况正常。

在一个优选的实施例中，如图4所示，五个宽准直光束用于照明眼睛，亦即，B1和B3在垂直的经线(VM)，而B2和B4在水平的经线(HM)而B0在中心。这五个光束的作用使得同时确定需要的参数。被反射光是通过五个相同的通道而成像：在VM里的C1和C2；以及在HM的C3和C4；中心C0。

来自一个表面可以由多个反射，至少四个在下面描述了。这四个反射是背反射的主要类型，它们是：

复古(Retro)反射RET(光从相同通道返回)

猫眼反射CAT(光从相反通道返回)

内轴向反射AX(光从中心通道进入从外部通道返回)

斜反射OB(光从斜经线反射经过垂直通道进入水平通道之一以及相反过程)

需要理解的是不可能用二维图在图4中展示水平经线，然而这个图描绘了垂直经线和三个照明光束B0，B1和B2以及相应的三个成像通道C0，C1和C3。五个背反射(全部是AX)寄存在中心通道C0中，然而只有三个展示处如来自B1的0,1和来自B3的1’。通道C1也有五个反射然而为了照明的目的，只有四个展示出来了：来自B3的CAT，2，来自B0，3的AX，来自B1，4的RET，和来自B4,5的OB，其中光束B4沿通道C4通过，都在HM内。类似的，通道C3由五个反射，只有三个沿着垂直方向的展示出来了：来自B1，2’的CAT，来自B0，3’的AX和来自B3，4’的RET，剩下两个反射是来自B2和B4的OB类型的。然而通道C4和5的反射只有一个也就是来自B1，5”的OB展示出来了。所有五个通道每个都有五个反射，总共25个反射可用来测量。反射1和3可以分别区分为内部AX反射和外部AX反射。需要理解的是这些反射的一个组合会用在决定和测量光学表面性能。上面描述的结构的组合提供了测量不同类型反射的能力以及在一次单次通过不需要获得多次独立测量的情况下重建表面的能力。

图9-11展示了浦肯野系统内的三种类型的背反射，其中准直(可能是红外线)光源从1照亮棒形反射器2。之后射线被棒形反射器反射到镜组镜面3并再次以特定的角度反射到眼睛4。图9展示了猫眼反射，图10展示了内轴向反射，而图11展示了复古反射。

猫眼反射从表面顶点而通过相反侧镜面返回到最初照明处。猫眼反射服务的主要目的是锚定表面顶点的位置相对于镜组沿其光轴的特征。对于前角膜表面，猫眼反射给出了眼睛相对于镜组的位置，而猫眼反射对于下面表面给出了关于中心(轴向)与相应媒介折射率纠缠的厚度值的信息。

复古反射出现在表面对于光束出现正常的一个特殊的区域时且其通过与其照明相同的路线反射回来。轴向反射是当反射的角度是其返回到镜面平行于仪器的光轴，且通过棒形反射器之间的缺口的反射。需要理解的是内轴向反射也工作在反方向，即，问题中的表面通过棒形反射器之间的缺口照亮并通过与当它们从镜面中照亮时处在相同角度和位置的镜面返回。复古和轴向反射涉及的信息有曲率，折射率和眼睛表明的分割状况。

这些反射的主要原则是当射线打到眼睛表面，无论通过镜面还是直接建模，他们都可以通过镜面或直接返回并传达到图2中的远心臂200。

在图12中，描述了一个眼睛的一般性的结构和对用于确定其结构的光学参数的相关测量。这些是前角膜，1，后角膜，2，虹膜，3，前晶状体，4和后晶状体，5在图5中描绘出。为了有效地确定这些光学表明参数，前述赊销的高度是需要的。可以看到它们已经在图12中包括了。

H_ret复古反射高度，6，

H_axiout外轴向反射高度，7，

H_car猫眼反射高度，8

H_axiin内轴向反射高度，9

复古反射光束，10

轴向反射光束11

猫眼反射光束12

轴向反射光束13

仪器光轴，14

θ_beam入射光束角度15。

使用上面的系统和方法可以获得这些测量值和用来确定各种感兴趣的结构的参数。在确定任意眼部表面的关键，需要每个类型的反射的打到的平面，即，图12中的17。这之后与远心系统结合而需要一个合适的强度以便仪器方便使用且检测器的大小适于一个手。一个单独表面的样本图像在图13中展示还根据检测器可以测得的反射的相关高度指出了各种类型的浦肯野反射的位置。图14展示了这些浦肯野反射放大后的的图且用来精确确定高度的其中心需要找到。确定这些形心的方法可以使用阈值曲线拟合这个点或用重量方法。曲线拟合的阈值设定一个干扰第二表面反射可以被消除或最小化的亮度等级。随后形心就是这个点的圆周的中心。重量方法在这些种情况下不能使用因为第二交叉点会转移结合点重心的形心。当表面之间的厚度很小是出现交叉点。

在一个确定前角膜半径rc的示范性方法中，下面的等式会基于图12的测量6-15来实施决定使用例如图2-4所示的射线反射技术。需要理解的是另一个优化算法也可以用于顾及额外的经线。

第一步，计算前角膜的半径。光束高度可以通过检测器201成像的各个反射的反射形心之间分开的距离而获得，示例形心如图14所示。前角膜曲率可以由以下几步计算得到。

r_c＝tan(θ_beam)H_ret-Z 等式(1)

Z＝tan(θ_beam)H_cat 等式(2)

r_c＝tan(θ_beam)(H_ret-H_cat) 等式(3)

r_c＝H_{axi in}/sin((90-θ_beam)/2) 等式(4)

$r_c=\frac{Q_{axiout}}{sin\left(\right({\mathrm{\θ}}_{beam}-90)/2)+sin({\mathrm{\θ}}_{beam}-90)}$ 等式(5)

使用这些角膜的计算结果和上面列出的细节，之后射线追踪等式可以用来确定角膜中心厚度，CCT，

$CCT=(1-cos({\mathrm{\θ}}_i-U\left)\right)r_c+\frac{sin\left({\mathrm{\η}}_{beam}\right)sin(\mathrm{\θ}-U)r_c}{\sin (90-{\mathrm{\η}}_{beam})}$ 等式(6)

其中

η_beam＝θ_beam-θ_i+θ_r 等式(7)

U＝θ_beam-90 等式(8)

${\mathrm{\θ}}_i=\arcsin (\frac{Q_{catpostcorn}}{r_c}+sin(U\left)\right)$ 等式(9)

${\mathrm{\θ}}_r=\arcsin \left(\frac{n_{air}sin\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{n_{corn}}\right)$ 等式(10)

Q_(surface)＝H_(surface)cos(U)-z sin(U) 等式(11)

由于n_corn项是未知的所以有必要确定一个迭代求解来得到它以及CCT。

CCT的一个飞行测量时间(τ)从OCT获得，下面等式的一个接会得出CCT这样n_com可以由下面等式所确定

τ-n_cornCCT＝0 等式12

上面的等式解决了图12的惯例。需要理解的是射线从下侧进入，等式需要按照符号约定稍作修改。

在确定任意表面特征之后，每个逐次的表面都有必要用到前面的表面的特征用于其各自的指数，曲率，和与下一个表面的距离。距离可以由光束角度，计算得到的前角膜曲率，内部结构的反射高度和光束通过的介质的折射率之间的关系确定。折射率可以从飞行测量时间中获得。此外，反射的亮度差，表面晶状体之前和之后的介质(空气和液体)具有固定的折射率且在角膜和晶状体(液体)之间的折射率也是固定的，这会允许通过作为折射率的函数的菲涅尔等式方法导出折射率，入射光线的角度通过光线角度，光束高度和两个不同表面的曲率半径计算得到。

在确定下一个表面的曲率时，会实施下列步骤。需要理解的是这些等式在用给定的经线重建部分眼睛光学系统的射线追踪中是典型的。

1.识别下一个表面的浦肯野反射

2.测量复古反射的高度

3.找出y，z，θ_r，η_beam得到的r和n

4.用上面的等式1其中θ_beam现在是η_beam，H_ret现在是y而z是CCT-x

y＝sin(θ_i-U)r_c 等式13

x＝(1-cos(θ_i-U))r_c 等式14

$R=\frac{Q_{axiin}^{\′}+Q_{axiout}^{\′}}{\left(sin\right(U_{axiin}^{\′})+\sin (U_{axiout}^{\′}\left)\right)}$ 等式15

这个方法随后可以用来确定光学系统逐次的每个表面的半径，厚度和折射率。需要理解的是这些等式是用来描绘为选择的眼睛表面的未知形状参数(包括射线和可能非球面)提供解决的经线射线追踪的。此外，射线追踪可以用来重建测量过的眼睛参数。

为了确定问题中光学系统的其他经线的性能我们能做的是绕着最可能是仪器光轴的轴转动探测光束。另外，经线的最小数目决定了表面(圆柱体)的双锥值是3，垂直，水平和45度。这些也可以自传，于是检测器会看到三个光斑的转动线。同时探测经线的数量仅由与系统中与镜组有关的地方的机械状况限制。轴棱锥会产生一组光圈而非光斑且经线的数目随后由检测器的解决限制，如果不是非限制性的话。

为了确定问题中表面的非球面性，应该用到同一经线的不同角度的探测光束。这之后会依据沿着曲线的多个点给出局部半径之后给出更高的岁差q值。这并不是说一个单一角度的探测光束不能完成这个任务然而它不如多角度探测光束得出的具有更高准确性的结果可靠。沿着这一想法，有不同角度的组合的镜组与转动的镜组串联能够确定非球面和圆柱面的表面。

一个沙依姆弗勒系统还可以用于确定眼部参数。典型的，在一个标准配置沙依姆弗勒系统中允许对眼睛前室诊断并特别是角膜前表面使用大的入射光束角度来提供大的视野和大的曲率。依据沙依姆弗勒远离的沙依姆弗勒光学系统其中对象所在的平面，照相机透镜系统的主要平面和成像平面相交于一个共同的轴。为了获得多于一个的经线，传统仪器转动从而需要更多部分。大的入射光束角度和大曲率使得这个移动不会失去准确性。

如图6，7和8所示，一个依据本发明的沙依姆弗勒系统提供了为更小的入射光束角度以便在眼睛里渗透更深的深度。图6展示了一个依据本发明的双臂沙依姆弗勒系统的底视图(在左手侧)和顶视图(右手侧)。第一个臂，1为眼睛的垂直经线成像，而第二个臂，2提供眼睛水平经线的成像。两个臂将垂直和水平经线的成像传递到同一个检测器，3。图7展示了一个光电机械系统的详细视图，特别是照明单元，其包括一个光源单元，产生两束窄光光束的1。一个中继透镜单元2，与光束分割器3，4共同使用，它们将照明传递到眼睛用于垂直和水平的经线。目标的眼睛定位在光束分割器4前方由两束窄光束照亮。

作为对比传统的沙依姆弗勒系统使用一个单独窄光束，一个十字光源(构成两束光束)在单元1中实施，如图7所示。通过使用两个沙依姆弗勒臂将来自多于一个经线的射线汇聚到同一个检测器。通过将来自多于一个经线的射线汇聚到同一个检测器就不需要旋转仪器了。此外一个眼睛跟踪器在检测器轴(作为瞳孔照相机在图8中展示)上的积分，也消除了对多于一个照相机或检测器的需要，由于眼睛跟踪器帮助了相对于仪器的眼睛的中心定位。眼睛跟踪器获得的图像提供了关于两束窄光光束(在垂直和水平经线)相对于眼睛瞳孔中心的相对位置的信息。

如图8所示，十字光源可以通过将分别包含垂直缝隙和水平缝隙的两个通道2和3结合起来获得。这些缝隙帮助形成通过光电机械单元(在图7)投射到角膜上的非常窄的光束。光束分割器3是薄皮光束分割器或平行盘光束分割器，4，配置为分割瞳孔照相机(眼睛跟踪器)和照明(分割器3)光束和用于捆绑垂直与水平分割照明光束(光束分割器4)。使用分割照明光束，可以使在两个垂直方向上的一个细线可以在一个短时间内(或同时)由在图8中的通道(2)和(3)中的同步光源投影出去。光源可以是脉冲的这样眼睛内两个经线的成像可以同时获得或一先一后，如果需要的话。

依据本发明在这个系统中，

a)使用一个小于40度的入射光束角度。这个入射光束角度是在沙依姆弗勒光轴和眼睛的轴夹角的角度。这个窄角导致晶状体前表面和后表面变得可见和可测量了，即使对于非扩张的眼睛。需要理解的是入射光束的这个角度允许晶状体后部曲率可以被使用且这个数据之后通过考虑其组织的前部的光学特性用在使用上面概述的等式获得真正晶状体后部曲率的重复迭代方法中。

b)为了使穿过眼部组织的光路可以被研究，最终被截断的光束高度保证了光束边缘是可见的和可追踪的，并用作照明光束的边缘或带状射线的射线追踪的基础努力重建人眼结构。

c)为了b)的目的，一个缝隙光束包括断线上的多个缝隙(即，具有可调节的长度或分段结构的像虚线一样的缝隙)可用于配置。使用一个可见的或不可见的固定目标，包括一个眼睛可以聚焦的闪烁光，允许准确确定视轴，当图像进入眼睛中心时。这个固定目标可以合并到缝隙光源的实际设计中据此光束中心包括线中间的一个点(或断线，虚线)或使用光束分割器拼接成。

d)有图案的光源和一个从多个臂中捕捉到的单独的检测器(单独CCD)的组合导致没有重叠误差。

描述的本发明的配置使用了一个多或双臂沙依姆弗勒系统，其允许多个(例如，两个和垂直的)眼睛经线的图像在一个短时间内(或同时)在同一个传感器芯片或多个传感器芯片上获得。

这个系统的更多特征还包括：

·多个或两个沙依姆弗勒系统允许多个(例如，两个垂直的或小于90度或多于两个)眼睛经线的图像在一个短时间内(或同时)在同一个传感器芯片或多个传感器芯片上获得。

·浅沙依姆弗勒角度(沙依姆弗勒光轴和眼睛轴之间的夹角角度)小于40度。这样的结果是晶状体前表面和后表面变得可见和可测量了，即使对于非扩张的眼睛来说。

·缝隙照明项目允许在一个短时间内(或同时)投射一个细线在两个垂直或多于两个方向分开小于90度

·具有其自身照明系统的轴上眼追踪照相机。

·触发电路允许使用缝隙照明投影仪独立地和同时地触发所有三个通道(两个沙依姆弗勒和轴上眼追踪)。

图16和17展示了沙依姆弗勒照相机的不同模型。

图18展示了依据本发明的沙依姆弗勒系统的一个实施例。缝隙1由光学2投影到角膜上。光束分割器3用来分割瞳孔照相机和照明光学光束，光束分割器4用来捆绑垂直和水平的缝隙照明光束。

本申请公开了一个真实的双(两经线夹角为90度或更小)沙依姆弗勒系统带有单独CCD芯片允许同时获得角膜和晶状体的两个横截面。

在进一步细化的上面的系统中，A相OCT可以结合到单一的解决方案中来提高记录的测量值的准确度。需要理解的是A相OCT可以独立于上述的沙依姆弗勒系统或浦肯野系统来使用来获得用于上面计算的轴向长度。

作为对上述的沙依姆弗勒和浦肯野系统的替代，可以使用B相OCT来对眼睛的精确的三维模型作出相关的测量。

本文描述了软件和硬件方法来达到发明背景中所载的目的。一些其他光学技术也可以用来得到类似的结果，例如光学相干断层扫描，镜面干涉和第二谐波成像。折射率的数据代理也可以通过非光学方法例如高频超声波和各种放射性方法(计算机断层扫描和磁共振成像)获得。

本发明公开了一种普遍的允许捕捉和上面设备分析用的软件。这个软件的必要条件包括a)对前一个表面的光学失真进行校正b)当与相似波长的其他光学测量值对比时使用另一个波长的另一个光学测量值从眼部组织的色散曲线获得折射率或通过解决曲率或距离的差异来获得折射率c)取曲率性能的平均值d)计算内眼半径例如使用上面输出参数的有效透镜位置。

应该理解的是此处描述的各种技术因此被用于设计透镜，例如包括晶状体植入。这些技术可以用来设计各种类型的透镜，包括，但不仅限于，平，凸，凹，多焦点(屈光，衍射，等等)，换面的，可调节的，棱柱，多镜配置，可变曲率(例如，非球面的)，人工晶状体晶体眼，可调光透镜，或列出的那些的任意的组合。

此外，此处描述的一个或更多的技术可以用在计划或执行各种类型手术的范围中。这样的手术包括，但不仅限于，角膜/屈光手术，晶状体手术和视网膜手术。各种类型的屈光手术包括，但不仅限于，近视，远视和老花眼LASIK，LASEK，或PRK，传导性角膜形成术，径向角膜移植术，或上面的组合。

应该理解的是上面描述的各方面不仅限于人眼，而是可以应用到各种类型的眼睛，包括人眼或其他动物。此外，尽管描述的各方面与眼睛结构和眼移植有关，需要理解的是这些技术也可以应用到额外的元件上，例如眼镜，隐形眼镜，或其他用于眼部目的的元件。

如前面提到过的，应该理解的是上面的方法和设备用于构成任意意数量的眼内感兴趣的结构的模型。例如，根据一些实施例，可以构成一个眼睛完全的模型。在其他实施例中，可以构成单独结构(例如，晶状体，或晶状体表面)的模型。仍然是在其他实施例中，上面描述的方法和/或设备用于决定一个结构中感兴趣的单独的参数。

这样，上面描述的方法的个体行为可以用在一些应用中，无论其他行为是否也执行。

上面描述的本技术的实施例可以实施在很多方面中。例如，实施例可以使用硬件，软件或其组合来实施。当实施到软件，软件代码可以在任意合适的处理器或处理器集合中实施，无论是在单独的电脑中提供或是分配到多个电脑中。需要理解的是任何执行上述功能的元件或元件的集合可以一般性地看做一个或更多控制器控制上面讨论的功能。这一个或多个控制器可以以很多方法实施，例如用专用硬件，或通用硬件(即，一个或更多处理器)使用微码或软件来执行上面记载的功能。在这方面，应该理解的是本技术的实施例的一个实施包括至少一个计算机可读存储媒介(即，一个计算机内存，软盘，光盘，磁带，闪存驱动器，等等)用计算机程序编码，(例如，多个指令)，其当在处理器中执行时，实现上面讨论的本技术的实施例的功能。计算机可读存储媒介可以运输的这样存储在其中的程序可以在任意计算机资源上读取来实施此处讨论的本技术的各方面。此外，需要理解的是计算机程序的参考，当被执行时，实现上面讨论的功能，并不限制于一个运行在主机上的应用程序。而是，此处使用的长期电脑程序在一般意义上参考任意类型的可以用到对处理器编程来实施上面讨论的技术的各方面的电脑代码(例如，软件或微码)。

此处描述和说明了各种发明的实施例，那些本领域的一般技术人员会很快设想出各种各样的其他方法和/或用于完成功能的结构和/或货的结果和/或此处描述的一个或更多优点，而这些改变和/或修改中的每一个都被认为是在此处描述的发明的实施例的范围内。那些本领域的技术人员会认识到，或能够探明不使用多于常规实验的，此处描述的发明的特定实施例很多等价物。而且，需要理解的是前述的实施例仅通过例子来表达且在附加声明和那边的等价物范围内，发明的实施例可能被实施除非专门描述或声明。本技术发明的实施例被引导到每个独立的特性，系统，文章，材料，套件，和/或不是相互不一致的方法，都包括在本公开的发明范围内。所有的定义，如此处其定义和使用的那样，应该理解为控制词典的定义，包括参考中的文档中的定义和/或定义的术语的一般含义。在此处规范和声明中使用的，不定冠词“一”和“一个”，除非明确表示是相反的，否则应该理解为“至少一个”。

在此处规范和声明中使用的，短语“和/或”，应该理解为意思是“或或且”连体的元件，即，结合地出现在一些情况中和不结合地出现在一些情况中的元件。多个被列为“和/或”的元件应该被解释为在同一个方式下，即，一个或更多元件这样结合。其他元件可选择地出现以外元件由“和/或”短语特定地定义，无论是否与那些特定定义的元件相关。因此，作为一个非限制性的例子，一个对“A和/或B”的参考，当与开放性语言例如“包括”结合使用时可以提到，在一个实施例中，只对A(可选择地包括元件除了B)；在另一个实施例中，只对B(可选择地包括元件除了A)；而在另一个实施例中，对于A和B(可选择地包括其他元件)；等等。如在此处规范和声明中使用的，“或”应该理解为与之前定义的“和/或”具有相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或”或“和/或”应该解释得具有包容性，即，包容至少一个，但也包括多于一个，的数量或元件的列表，并且，可选择地，额外不在列的项目。只有术语清楚地表明与此相反，例如“只有一个”或“准确的一个”或，当在声明中使用时，“由”，会表明一定量或列表中元件中的准确的一个元件。大体上，此处使用的术语“或”只应该解释为表明独有替代(即，“一个或另一个但不是两个都”)当前面有独立的术语时，例如“或者”“之一”“只有之一”或“准确的之一”“其基本组成”，当在声明中使用时，应该有它普通的含义由于在专利法领域中使用。在此处规范和声明中使用的，短语“至少一个”，用于一个或更多元件的列表，应该理解为意味着至少一个元件从列表中元件中的任意一个或更多的元件被选择出，但不必包括每个中的至少一个且每个特别列出的元件都在列表元件中且不排除任何列表中元件的组合。这个定义还允许元件可以选择性地出现而不是词组“至少一个”所指的在列表范围内的元件。因此，作为一个非限制性的例子，“至少A和B”(或等价的“至少A或B”，等价的“至少A和/或B”)；在一个实施例中，对于至少一个，可选择地包括多于一个，A没有B出现(和可选择的包括元件而非B)；在另一个实施例中，对于至少一个，可选择地包括多于一个，B没有A出现(和可选择的包括元件而非A)；而在另一个实施例中，对于至少一个，可选择地包括了至少一个，A，和至少一个，可选择的包括了至少一个，B(可选择的包括了其他元件)；等等。应该理解的是，除非清楚表明相反，此处任何声明的方法包括多于一种步骤或行动，这方法的步骤或行动的指令不必要限制于这方法。在声明中，也在上面的规范中，所有过渡短语例如“包含”“包括”“携带”“具有”“含有”“涉及”“保持”“组成”，和类似的可以理解为开放式，即，意味着包括但不限制于。只有过渡短语“组成”和“其基本组成为”分别是关闭式或半关闭式过渡短语，如所美国专利检查过程专利办公室手册，2111.03部分中阐述。

此处使用的关于本发明的词语“包括/包含”和词语“具有/包括”用来指定陈述的特点，整数，步骤或组件的出现但不排除一个或更多额外的其他特点，整数，步骤或组件的出现，而这些，为了明晰，在分开的实施例范围中描述，也会在一个单独的实施例中提供组合。反之，发明的各种特点，为了简明，在一个单独的实施例范围内描述，也可以单独或在任何合适的子组合中提供。

Claims (22)

1.一个用于光学元件的成像系统，所述成像系统包括：

用至少一束准直入射光束照亮目标光学元件的装置；和

用于将从照亮的光学元件的至少一个表面以预定角度返回的至少两束光束引导到至少一个第一检测器上的装置；

其中所述用于引导的装置包括至少一个远心光学系统并且进一步包括两个镜面，其在光轴线的相对两侧上成角度地定向并经布置以设定所述预定角度；

所述至少一个第一检测器适于测量至少两束返回光束的相对光特性以及使用所述至少两束返回光束的所测量的特性来计算所述光学元件的至少一个参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中用于照亮所述目标光学元件的装置包括至少一个光源和用于改变在所述目标光学元件上的至少一束入射光束的入射方向的光学装置。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括用于分割从光源发射出的至少一束光束的装置，其中至少两束生成的分割光束具有相对于所述目标光学元件的光轴线的不同的入射角。

4.根据权利要求2所述的系统，还包括用于分割从所述至少一个光源发射出的至少一束光束的装置，其中至少两束生成的分割光束具有相对于所述目标光学元件的光轴线的不同的入射角。

5.根据权利要求2所述的系统，其中用于改变至少一束入射光束方向的光学装置包括光束整形透镜、带有光功率的镜面、折叠镜、光束分割器或棱镜中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括改变返回光束的方向的光学装置，所述光学装置包括光束整形透镜、带有光功率的镜面、折叠镜、光束分割器或棱镜中的至少一个。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，还包括用于在所述至少一个第一检测器连续测量之间改变在所述目标光学元件上的至少一束入射光束的至少一个特性的装置。

8.根据权利要求1所述的系统，其中将从所述照亮的光学元件的至少一个表面返回的至少两束光束引导到所述至少一个第一检测器上的装置包括至少一个光学元件。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述至少一个光学元件还适于控制至少一束入射光束的方向。

10.根据权利要求1-6、8和9中任一项所述的系统，其中所述至少一个第一检测器是CCD、CMOS传感器、人眼、感光板、通道板阵列、雪崩光电二极管、闪烁检测器或光电倍增管。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括用于改变所述至少一个第一检测器的位置来聚焦任意或所有的所述至少两束返回光束的装置。

12.根据权利要求1-6、8、9和11中任一项所述的系统，其中照明和/或返回光线的测量的特性包括空间和时间的强度分布、位置、空间和时间上线性和圆偏振、偏振角度、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和g各向异性因子中的至少一个。

13.根据权利要求1所述的系统，还包括第二检测器，其中所述至少一个第一检测器和所述第二检测器放置于相对于所述目标光学元件的光轴线的不同的平面内。

14.根据权利要求1所述的系统，还包括第二检测器，其中所述至少一个第一检测器和所述第二检测器放置于所述目标光学元件的光轴线的平面内。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其中用于照亮的装置包括十字光源，其适于产生用来投影在所述光学元件上的两束光束。

16.一种对光学元件成像的方法，所述方法包括的步骤有：

用至少一束准直入射光束照亮目标光学元件；和

使用至少一个远心光学系统将从照亮的光学元件的至少一个表面以预定角度返回的至少两束光束引导到至少一个检测器上，所述预定角度由在光轴线的相对两侧上成角度地定向的两个镜面设定；

测量至少两束返回光束的相对光特性；并且

使用所述至少两束返回光束的所测量的特性来计算所述光学元件的至少一个参数。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括控制所述入射光束的方向。

18.根据权利要求16或17所述的方法，还包括分割从光源发射出的至少一束光束，其中至少两束生成的分割光束相对于所述目标光学元件的光轴线具有不同的入射角。

19.根据权利要求16或17所述的方法，还包括改变相对于所述光学元件的轴线的光学元件的照明的方向。

20.根据权利要求16或17所述的方法，还包括改变检测器的位置来聚焦任意或所有的返回光线。

21.根据权利要求16或17所述的方法，还包括在连续测量之间改变在所述目标光学元件上的至少一束入射光束的至少一个特性。

22.根据权利要求16或17所述的方法，其中照明和/或返回光线的测量的特性包括空间和时间上的强度分布、位置、空间和时间上线性和圆偏振、偏振角度、相位、波长、时间和空间相关性、光斑结构、散射系数和g各向异性因子中的至少一个。