CN103767675A - 成像角膜曲率计光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种成像角膜曲率计光学系统。目的是准确地测量人眼角膜前表面的曲率半径和散光。光学系统包含环形光标，一次成像系统，半透半反镜，二次成像系统,CCD接收器。其特点是环形光标经过一次成像系统成像、角膜前表面反射、二次成像系统成像，最终在CCD接收器上成环形像。利用现代图像处理技术分析所成环形像，计算得到被测角膜的曲率半径和散光值。测量范围是5.5mm-11mm，测量精度是：在角膜曲率半径为7.8mm时达到0.072D。对于不同曲率半径的被测角膜，新型成像角膜曲率计采用外调焦的测量方式进行测量。此外，角膜曲率计还包括校准系统以提高精度。本发明具有测量范围广，测试精度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学测试仪器领域，涉及一种新型成像角膜曲率计的光学系统。
背景技术
角膜是人眼最重要的屈光介质，约占人眼总屈光力的2/3，准确测量角膜的屈光状态，对于指导角膜接触镜的佩戴，角膜屈光手术以及人工晶体的植入具有重要的意义。
人类对于人眼角膜曲率的测量由来已久。最早，人们曾利用直尺和圆规对人眼角膜的曲率半径进行粗略的测量。直到十八世纪下半叶，科学家们为了研究人眼视物过程中的调节机制开始提出一些精确测量角膜曲率的方法。但是由于时代的限制，这些方法的测量精度有限。
1853年，Hermann Von Helmholtz 设计了一款双像角膜曲率计，较为准确的测量了人眼角膜的曲率。时至今日，已经出现了多种类型的角膜曲率计，但是其基本原理都是源自于Helmholtz 角膜曲率计。根据获得双像对准方法的不同，传统的角膜曲率计分为可变双像法角膜曲率计和固定双像法角膜曲率计。Bausch & Lomb 角膜曲率计是目前应用较为广泛的角膜曲率计，是一种典型的可变双像系统的手动角膜曲率计，其测量精度一般认为是0.25D。此外，手动操作不可避免的引入了主观测量误差，并且对于测试者的操作熟练度要求较高。Orbscan 角膜地形图仪是一款基于光学裂隙扫描原理对角膜进行测量的仪器，其对于角膜曲率的测量精度为0.25D。Pentacam是目前最为先进的测量角膜面型的眼科测量仪器。其实质是：仪器带有的Scheimpflug摄像机围绕角膜中心点旋转拍摄，旋转一周可以得到25000个高度点数据，通过计算机对这些高度点数据进行模拟重建，得到精确的眼前节形态，其测量角膜曲率的精度为0.2D。
上世纪末，随着客观测量人眼波前像差成为可能，波前像差技术成功地应用于眼科临床及其他相关学科、领域，人眼像差的测量精度得到了大幅的提高。2004年，Thibos等人的研究表明，客观方法测量人眼波前像差的精度可以达到0.125D。但，以上各种现有方法的测量精度仍然不能满足对于指导角膜接触镜的佩戴、角膜屈光手术以及人工晶体植入的精度要求。因此，提高角膜曲率的测量精度具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提高角膜曲率的测量精度，提出一种新型成像角膜曲率计光学系统，以便快速、准确的测量角膜前表面的曲率和散光。
本发明提供的新型成像角膜曲率计光学系统包括：环形光标，一次成像系统，半透半反镜，二次成像系统，CCD接收器；此外角膜曲率计还包括校准系统。
所述一次成像系统的光轴与环形光标的光路方向重合，半透半反镜位于一次成像系统的出射光路上且与光路方向成45度角，半透半反镜的反射面朝向被测试者角膜方向，二次成像系统设置在半透半反镜的透射光路上，CCD接收器位于二次成像系统的相面上。
所述校准系统包括角膜曲率计光学系统中的一次成像系统和半透半反镜组，此外在一次成像系统与环形光标之间，靠近一次成像系统的第一片镜处增加另一组半透半反镜组，波长650nm的发光靶标和平凹镜设计而成，校准系统出射平行光，进入眼底，测试过程中，被试者始终注视发光靶标，以避免眼球的晃动造成误差。校准系统独立于角膜曲率计的光学系统，不参与成像。
环形光标经过一次成像系统成像、角膜前表面反射、二次成像系统成像，最终在CCD接收器上成环形像。利用现代图像处理技术分析所成环形像，计算得到被测角膜的曲率半径和散光值。
所述的一次成像系统基于六片式双高斯镜组设计而成，有效焦距为70mm，后工作距为80mm，物像放大率为0.566。一次成像系统的倒数第二面设置为环曲面，用以矫正系统本身的像散；一次成像系统的最后一面设置为非球面，用以矫正系统的球差及其他像差。
所述的二次成像系统基于七片式双高斯镜组设计而成，有效焦距为84mm，物像放大率为0.566；二次成像系统的像距和放大率随着被测角膜曲率的变化而变化，也即光学系统采用外调焦方式进行测量。
对于不同曲率半径的被测角膜，新型成像角膜曲率计采用外调焦的测量方式进行测量。校准系统出射平行光，使测量过程中，光学系统的光轴与被试眼的视轴重合。
设计目标为模拟结果达到：测试范围：5.5mm-11mm，测量精度：在人眼角膜曲率半径平均值7.8mm时达到0.08D。工作波长：850nm，输出功率5mW。环形光标内径4.6mm，外径5mm。角膜前表面测试范围：以角膜顶点为中心的半径1mm~2mm的区域内。像分辨率 
： 133lp/mm。
本发明的优点和有益效果：
一、测量范围较大，达到5.5mm-11mm。测试精度较高，在角膜曲率半径7.8mm时的模拟结果达到0.072D, 优于传统的采用双像系统的角膜曲率计。
二、采用现代成像技术和现代图像处理技术对所成像进行分析，得到角膜曲率和散光，避免了手动操作带来的主观误差。
三、新型成像角膜曲率计光学系统采用外调焦方式进行测量，以针对不同曲率半径的被试角膜进行测量，使得对于不同曲率半径的被试角膜，在CCD接收面上均能成清晰的像。
四、新型成像角膜曲率计光学系统的成像质量较高，充分满足CCD像面分辨率要求。
五、校准系统使得在测量过程中光学系统的光轴与被试眼的视轴重合，避免了测量过程中眼球晃动的情况。
附图说明
图1是本发明新型成像角膜曲率计光学系统结构示意图。
图2是校准系统的结构示意图。
图3是测量三个特定曲率的角膜时光学系统的调制传递函数（MTF）曲线图。其中，（a）（b）（c）分别对应于被测角膜曲率半径为5.5mm，7.8mm，11mm的情况。
图4是CCD像面照度模拟图。
图5是被测角膜曲率半径和环形像半径的关系曲线。
图6是曲率半径为7.8mm的角膜存在0.75D散光的情况下的像面照度模拟图。（a），（b）分别为测量过程中两个不同像面位置处的模拟图，其中，图6（a）水平方向聚焦良好，竖直方向失焦，图6（b）竖直方向聚焦良好，水平方向失焦。
其中，1-1是环形光标，1-2是一次成像系统，1-3是角膜，，1-4是半透半反镜组，1-5是二次成像系统，1-6是CCD接受器。2-1是发光靶标，2-2是平凹镜，2-3是一次成像系统，2-4和2-5是半透半反镜组。
具体的实施方式
如图1所示，本发明涉及的新型成像角膜曲率计光学系统的结构，包含环形光标1-1，一次成像系统1-2，半透半反镜组1-4，二次成像系统1-5,CCD接收器1-6。一次成像系统的光轴与环形光标的光路方向重合，半透半反镜位于一次成像系统的出射光路上且与光路方向成45度角，半透半反镜的反射面朝向被测试者角膜1-3所在方向，二次成像系统设置在半透半反镜的透射光路上，CCD接收器位于二次成像系统的像面上。
此外角膜曲率计还包括校准系统，校准系统结构示意图见图2，校准系统包括角膜曲率计光学系统中的一次成像系统和半透半反镜组，另外在一次成像系统与环形光标之间，靠近一次成像系统的第一片镜处增加另一组半透半反镜组，波长650nm的发光靶标和平凹镜设计而成，校准系统出射平行光，进入眼底。测试过程中，被试者始终注视发光靶标，以避免眼球的晃动造成误差。校准系统独立于角膜曲率计的光学系统，不参与成像。校准系统包括，2-1发光靶标，2-2平凹镜，2-3一次成像系统，2-4、2-5半透半反镜组。
环形光标经过一次成像系统成像、角膜前表面反射、二次成像系统成像，最终在CCD接收器上成环形像。利用现代图像处理技术分析所成环形像，计算得到被测角膜的曲率半径和散光值。对于不同曲率半径的被测角膜，新型成像角膜曲率计采用外调焦的测量方式进行测量。校准系统出射平行光，测量过程中，人眼始终注视发光靶标，使得光学系统的光轴与被试眼的视轴重合，避免测试过程中眼球的晃动。
本发明中，环形光标确定为外环半径5mm，内环半径4.6mm的发光圆环，工作波长为850nm，输出功率为5mW。
一次成像系统的作用是将环形光标发出的光线投射于被试角膜表面，（一次成像系统是基于六片式双高斯镜组设计而成，）（一次成像系统是基于镜头库中的六片式双高斯镜组，在zemax软件中对其中的部分镜片的曲率及厚度进行优化使其达到：）有效焦距为70mm，后工作距为80mm，方便后接半透半反镜组，物像放大率为0.566。结构参数见表1。
表1
二次成像系统的作用是将角膜反射所成的中间像二次成像于CCD接收面上，（二次成像系统是基于七片式双高斯镜组设计而成），（二次成像系统是基于镜头库中的七片式双高斯镜组，在zemax软件中对其中的部分镜片的曲率及厚度进行优化使其达到：）有效焦距为84mm，物像放大率为1.66。由于光学系统采用外调焦的测量方式，因此对于不同曲率半径的被试角膜，二次成像系统的像面位置（即CCD位置）和物像放大率是变化的。其结构参数见表2。
表2
一次成像系统和二次成像系统通过半透半反镜组连接，组成成像角膜曲率计的光学成像系统。成像角膜曲率计要求系统成像质量较高，像差较小，特别需要系统的像散较小以便准确测量角膜表面的散光，因此，本发明将一次成像系统的倒数第二面设置为环曲面，用以矫正系统本身的像散，同时将一次成像系统的最后一面设置为非球面，用以矫正系统的球差及其他像差。
被试角膜曲率半径随个体存在差异。角膜曲率半径的变化会对整个光学系统的成像造成影响，针对于此，为了使环形光标在不同角膜曲率半径的情况下都能清晰成像，本发明对光学系统进行多重结构的优化设计，分别对应于5.5mm~11mm之间的不同的角膜曲率半径设置十二重结构，然后对多重结构进行整体的优化设计，使得不同角膜曲率半径的被试角膜对应于不同的CCD接收面位置，同时对应不同大小的清晰像，也即采用外调焦的工作方式。
新型成像角膜曲率计光学系统的成像质量良好，图3为对三个特定曲率半径的角膜（5.5mm，7.8mm，11mm）测量时，光学系统的调制传递函数（MTF）曲线图，如图3所示，光学成像系统在不同的角膜曲率半径时对应的MTF曲线在空间频率133lp/mm处的值基本大于0.2，满足了分辨率的要求，说明对于不同的角膜曲率半径，光学成像系统均能在CCD接收面上清晰成像。
图4是在TracePro软件中模拟得到的CCD像面照度图，本发明通过质心计算法来计算环形像的质心半径。计算公式为：
其中，为环形像在
径向的质心半径，
，
为环形像在
径向的质心坐标，为
方向上第
点的坐标，
为此点的照度值。则整个环形像的半径
为：
公式（5）
其中为计算过程中选取的不同方向的个数。以上计算过程在Matlab环境中完成。表3列出了利用质心计算方法得到的光学成像系统在不同角膜曲率半径的情况下所得环形像的半径。此外，利用质心算法计算所得的环形像的各个方向半径的方差较小，在角膜曲率半径为5.5mm，7.8mm，11mm时，所得环形像沿径向的标准差分别为2.07μm，1.95μm 和1.52μm。
表3
图5是被测角膜曲率半径和环形像半径的关系曲线，二者具有良好的线性关系，这条曲线可以当做定标曲线用来通过环形像的半径计算被测角膜的曲率半径。本发明中，2.1μm (0.56 像素)被当做可被识别的最小环形像变化量，根据定标曲线即可计算出角膜曲率计在不同曲率半径情况下的测量精度。计算结果见表4。
表4
图6是曲率半径为7.8mm的角膜存在0.75D散光的情况下的像面模拟照度图，由于角膜在两个方向的屈光度不同，光学系统在成像的过程中存在两个像面位置分别对应于两个方向的光线良好聚焦。通过基于图像处理的自动调焦原理可以确定上述像面位置。图6a中，环形像水平方向聚焦良好，竖直方向失焦，图6b与之相反。取6a环形像的水平方向半径和6b环形像的竖直方向半径作为像高，计算得到角膜最大与最小的屈光度分别为43.279D和42.578D，则散光为 0.70D, 误差为0.05D。所得结果较为精确。
Claims (9)
1.一种成像角膜曲率计光学系统，其特征在于所述的光学系统包括：环形光标，一次成像系统，半透半反镜，二次成像系统，CCD接收器；
所述一次成像系统的光轴与环形光标的光路方向重合，半透半反镜位于一次成像系统的出射光路上且与光路方向成45度角，半透半反镜的反射面朝向被测试者角膜方向，二次成像系统设置在半透半反镜的透射光路上，CCD接收器位于二次成像系统的像面上。
2.根据权利要求1所述的成像角膜曲率计光学系统，其特征在于环形光标的尺寸为外环半径5mm，内环半径4.6mm，工作波长850nm，输出功率5mW。
3.根据权利要求1所述的成像角膜曲率计光学系统，其特征在于所述的一次成像系统基于六片式双高斯镜组设计而成，有效焦距为70mm，后工作距为80mm，物像放大率为0.566。
4.根据权利要求1所述的成像角膜曲率计光学系统，其特征在于所述的二次成像系统基于七片式双高斯镜组设计而成，有效焦距为84mm，物像放大率为0.566；二次成像系统的像距和放大率随着被测角膜曲率的变化而变化，也即光学系统采用外调焦方式进行测量。
5.根据权利要求1所述的成像角膜曲率计光学系统，其特征在于角膜的测量范围在以角膜顶点为中心的半径1mm~2mm的区域内，对此区域的角膜部分进行测量所得结果更为准确，更能反映角膜整体的特性。
6.根据权利要求3所述的成像角膜曲率计光学系统，其特征在于所述一次成像系统的倒数第二面设置为环曲面，用以矫正系统本身的像散；一次成像系统的最后一面设置为非球面，用以矫正系统的球差及其他像差。
7.根据权利要求1至6任一项所述的成像角膜曲率计光学系统，其特征在于所述CCD接收器选用1/3英寸、120万像素CCD，像元尺寸为3.75μm×3.75μm，靶面区域大小为4.8mm×3.6mm，像面分辨率由CCD的奈奎斯特频率决定：
其中为奈奎斯特频率，即像面分辨率，
为像元尺寸；计算得
=133lp/mm。
8.根据权利要求1至6任一项所述的成像角膜曲率计光学系统，其特征在于将角膜表面视作光学系统的一部分参与成像，针对不同角膜曲率的变化，对于5.5mm~11mm之间的不同的角膜曲率半径设置十二重结构，然后对多重结构进行整体的优化设计，使得不同角膜曲率半径的被测角膜对应于不同的CCD接收面位置，同时对应不同大小的清晰像，也即采用外调焦的工作方式。
9.一种成像角膜曲率计的校准系统，其特征在于所设计的校准系统的作用是使测量过程中，光学系统的光轴与被试眼的视轴重合；校准系统包括角膜曲率计光学系统中的一次成像系统和半透半反镜组，此外在一次成像系统与环形光标之间，靠近一次成像系统的第一片镜处增加另一组半透半反镜组，波长650nm的发光靶标和平凹镜设计而成，校准系统出射平行光，进入眼底，测试过程中，被试者始终注视发光靶标，以避免眼球的晃动造成误差；校准系统独立于角膜曲率计的光学系统，不参与成像。
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