CN108634928B - 一种角膜测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种角膜测量方法及系统，所述方法包括：首先，采用光学相干层析法测量获得角膜前表面到后表面的光程L0；移动聚焦透镜，当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜所处的对应的两个位置的间距L1；其次，利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。本发明实现了非接触的在体角膜折射率及角膜厚度的准确测量，可以作为人眼进行屈光手术的参考，为眼睛参数计算提供可靠依据，从而使得人眼在术后获得更为理想的屈光效果。

Description

一种角膜测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种角膜测量方法及系统，属于光学干涉测量技术领域。
背景技术
眼角膜是人眼屈光系统的重要组成部分，它的屈光力占人眼总屈光力的74％左右。在对人眼进行屈光手术之前，如角膜屈光手术或者人工晶体植入术，只有对角膜屈光度进行准确有效的测量，才可能在术后获得较为理想的屈光效果。角膜曲率、折射率及厚度，是表征角膜屈光能力(屈光度)的主要参数。角膜位于人眼的最前端，借助角膜曲率计或者基于频域光学层析成像技术(Fourier-domain Optical Coherence Tomography，FD-OCT)的眼前节测量仪，能很方便地测得角膜前、后表面的曲率。目前，在使用光学干涉方法测量角膜的厚度及折射率时，还存在一定的问题，光学干涉方法具有高分辨率及非接触的优点，但是使用光学干涉方法测量的是角膜前后表面间的光程，即厚度和折射率的乘积，无法直接得到厚度和折射率。由于目前角膜的折射率还无法实现在体测量，只能通过离体方法测量，所以通常情况下人眼角膜折射率用离体的实验值代替，但是，随着年龄的不同，对应的角膜折射率也会存在一定的个体差异，使用固定的角膜折射率，导致厚度及折射率的测量误差，导致术后屈光效果的偏差。因此对不同个体而言，亟需一种检测系统和方法来准确测量角膜折射率及厚度。
专利号为201410653561.1的发明专利公开了一种“透镜折射率干涉测量方法”，其通过移动被测透镜，使干涉仪射出的平行光束经过标准镜头后会聚在被测透镜表面，然后采用双路测距干涉仪进行距离测量及面形误差补偿，获取被测透镜前后表面顶点处两次定位的位置坐标，利用光线追迹公式计算透镜折射率。但是该方法在测量的过程中需要知道被测凹透镜的中心厚度，也就是说，将该技术应用于角膜测量上时，还需要知道角膜的厚度，而根据前面的陈述，角膜厚度是无法获得的，因此该技术并不能用于进行角膜折射率的测量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种角膜测量方法及系统，它可以有效解决现有技术中存在的问题，准确测得人眼角膜的折射率和厚度，作为人眼进行屈光手术的参考，从而使得人眼在术后获得较为理想的屈光效果。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种角膜测量方法，首先，采用光学相干层析法测量获得角膜前表面到后表面的光程L0；其次，移动聚焦透镜，当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜对应的两个位置的间距L1；最后，利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。
优选的，所述的利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度，具体包括以下步骤：
a.按照探测臂光路，利用光线追迹技术建立角膜及检测系统模型，其中，角膜模型所需参数包括：角膜曲率半径(利用现有计算测量得到)、角膜厚度(待测)和角膜折射率(待测)；检测系统模型参数包括：探测光束的宽度，探测光波长，聚焦透镜的厚度、折射率和曲率；(光线追迹可以使用现有的软件，例如ZEMAX等)
b.使聚焦透镜的焦点位于角膜前表面，此时角膜前表面反射的探测光光强为极大值时，将聚焦透镜向角膜方向移动L1；
c.假定角膜的折射率为nx，角膜的厚度D则为L0/nx；将nx和D带入角膜模型，确定聚焦透镜的焦点是否位于角膜后表面；
d.如果聚焦透镜的焦点位于角膜后表面，则所取的nx和D分别为角膜的折射率和厚度，测量结束；否则改变nx，并重复步骤c、d，直至使得聚焦透镜的焦点位于角膜后表面，获得角膜的折射率和角膜厚度。
本发明以光线追迹的方式能够很容易确定焦点位置，避开了繁琐的计算公式和假设，可以保证角膜折射率及角膜厚度较高精度。
所述的前表面到后表面的光程L0，以及当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜所处的对应的两个位置的间距L1，通过以下方法获得：
S1，干涉数据采集：将聚焦透镜从左向右平移，聚焦透镜每移动一步，则采集一个经参考臂中反射镜反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直至聚焦透镜停止移动，数据采集过程结束；
S2，对所有采集到的干涉光谱分别计算由角膜反射的探测光光强，并获得聚焦透镜的移动位置n和由角膜反射的探测光光强的曲线；
S3，当聚焦透镜的焦点位于角膜的前、后表面时，由角膜反射的探测光光强为极大值；结合所述的聚焦透镜的移动位置n和由角膜反射的探测光光强的曲线，得到聚焦透镜的焦点位于角膜的前后表面时，聚焦透镜对应的位置nq和nh，nq和nh的差即为L1；
S4，选取聚焦透镜位于nq和nh之间时采集的干涉光谱，对所述的干涉光谱进行高通滤波，滤掉干涉光谱的低频部分，再经傅里叶变换；两个信号幅度极大值分别表示由角膜前表面和后表面反射的探测光与参考光分别进行干涉的结果；假定傅里叶变换幅度谱中幅度极大值对应的频率分别为f1和f2，则角膜前表面到后表面的光程L0为：
L0＝K*(f2-f1)；
其中，K为比例系数(可以通过使用同样方法测定一个光程已知的样品来标定)。
实现前述方法的一种角膜测量系统，包括：低相干光干涉和信号处理装置A、参考臂B和探测臂C，所述的低相干光干涉和信号处理装置A包括：低相干光源、第一光纤、分光器、第二光纤、第一光纤准直器、第三光纤、第二光纤准直器、第四光纤、第四透镜、光栅、第三透镜、线阵CCD、电缆线和计算机；所述的参考臂B包括：第一透镜和反射镜，所述的低相干光源通过第一光纤与分光器连接，分光器通过第二光纤与第一光纤准直器连接，分光器通过第三光纤与第二光纤准直器连接，分光器通过连接第四光纤，使得探测光和参考光依次经过第四透镜、光栅、第三透镜，成像于线阵CCD；线阵CCD、电缆线和计算机电串联连接；第一光纤准直器依次与第一透镜和反射镜光连接；所述的探测臂C包括：第二透镜(即聚焦透镜)、支架和电动平移台，所述第二光纤准直器与第二透镜光连接；所述的第二透镜通过支架固定在电动平移台上，所述电动平移台通过数据线与计算机电连接，控制电动平移台使得第二透镜左右移动。
前述的角膜测量系统，干涉数据采集时，通过计算机控制电动平移台将第二透镜从左向右移动，采集每一个经参考臂B中反射镜反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直至第二透镜停止移动，数据采集过程结束；当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，第二透镜所对应的两个位置的间距L1；再利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
实现了非接触的在体角膜折射率及角膜厚度的准确测量，可以作为人眼进行屈光手术的参考，为眼睛参数计算提供可靠依据，从而使得人眼在术后获得更为理想的屈光效果。
附图说明
图1是本发明实施例2的系统结构示意图；
图2是获得的干涉光谱示意图；
图3是图2所示干涉光谱经傅里叶变换的幅度谱示意图；
图4是由角膜前后表面反射的探测光和参考光分别干涉得到干涉光谱经傅里叶变换后的结果示意图；
图5是经角膜反射的探测光光强随着第二透镜移动的变化示意图；
图6是在ZEMAX仿真软件中设置相关参数后，第二透镜聚焦在角膜前表面22上时的仿真示意图；
图7是在ZEMAX仿真软件中改变第二透镜与角膜前表面的距离后，第二透镜17聚焦在角膜后表面的仿真示意图；
图8是获得角膜前表面到后表面的光程L0以及当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜所处的对应的两个位置的间距L1的方法流程图；
图9是本发明的角膜测量方法流程图；
图10是本发明实施例3中的系统结构示意图。
附图标记：A-低相干光干涉和信号处理装置，B-参考臂，C-探测臂，1-低相干光源，2-第一光纤，3-分光器，4-第二光纤，5-第一光纤准直器，6-第三光纤，7-第二光纤准直器，8-第四光纤，9-第四透镜，10-光栅，11-第三透镜，12-线阵CCD，13-电缆线，14-计算机，15-第一透镜，16-反射镜，17-第二透镜，18-支架，19-电动平移台，20-数据线，21-角膜，22-角膜前表面，23-角膜后表面。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：一种角膜测量方法，如图9所示，首先，采用光学相干层析法测量获得角膜前表面到后表面的光程L0；其次，移动聚焦透镜，当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜对应的两个位置的间距L1；最后，利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。
所述的利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度，具体可以包括以下步骤：
a.按照探测臂光路，利用光线追迹技术(现有技术)建立角膜及检测系统模型，其中，角膜模型所需参数包括：角膜曲率半径(利用现有计算测量得到)、角膜厚度(待测)和角膜折射率(待测)；检测系统模型参数包括：探测光束的宽度，探测光波长，聚焦透镜的厚度、折射率和曲率；(光线追迹可以使用现有的软件，例如ZEMAX等)
b.使聚焦透镜的焦点位于角膜前表面，此时角膜前表面反射的探测光光强为极大值时，将聚焦透镜向角膜方向移动L1；
c.假定角膜的折射率为nx，角膜的厚度D则为L0/nx；将nx和D带入角膜模型，确定聚焦透镜的焦点是否位于角膜后表面；
d.如果聚焦透镜的焦点位于角膜后表面(即角膜的前表面首先位于透镜的焦点，然后使透镜向角膜方向移动，移动距离L1，此时，如果nx和D分别为角膜的折射率和厚度，则探测光正好位于角膜的后表面。因为，L1为探测光焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜的间距)，则所取的nx和D分别为角膜的折射率和厚度，测量结束；否则改变nx，并重复步骤c、d，直至使得聚焦透镜的焦点位于角膜后表面，获得角膜的折射率和角膜厚度。
所述的前表面到后表面的光程L0，以及当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜所处的对应的两个位置的间距L1，通过以下方法获得(如图8所示)：
S1，干涉数据采集：将聚焦透镜从左向右平移，聚焦透镜每移动一步，则采集一个经参考臂中反射镜反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直至聚焦透镜停止移动，数据采集过程结束；
S2，对所有采集到的干涉光谱分别计算由角膜反射的探测光光强，并获得聚焦透镜的移动位置n和由角膜反射的探测光光强的曲线；
S3，当聚焦透镜的焦点位于角膜的前、后表面时，由角膜反射的探测光光强为极大值；结合所述的聚焦透镜的移动位置n和由角膜反射的探测光光强的曲线，得到聚焦透镜的焦点位于角膜的前后表面时，聚焦透镜对应的位置nq和nh，nq和nh的差即为L1；
S4，选取聚焦透镜位于nq和nh之间时采集的干涉光谱(在这个范围，前后表面的信号的信噪比比较高，可以都检测到，如图4所示，如果在这个范围之外，则一般只会检测到前表面或后表面)，对所述的干涉光谱进行高通滤波，滤掉干涉光谱的低频部分，再经傅里叶变换；两个信号幅度极大值分别表示由角膜前表面和后表面反射的探测光与参考光分别进行干涉的结果；假定傅里叶变换幅度谱中幅度极大值对应的频率分别为f1和f2，则角膜前表面到后表面的光程L0为：
L0＝K*(f2-f1)；
其中，K为比例系数(可以通过使用同样方法测定一个光程已知的样品来标定)。
实施例2：实现实施例1所述方法的一种角膜测量系统，如图1所示，包括：低相干光干涉和信号处理装置A、参考臂B和探测臂C，所述的低相干光干涉和信号处理装置A包括：低相干光源1、第一光纤2、分光器3、第二光纤4、第一光纤准直器5、第三光纤6、第二光纤准直器7、第四光纤8、第四透镜9、光栅10、第三透镜11、线阵CCD 12、电缆线13和计算机14；所述的参考臂B包括：第一透镜15和反射镜16，所述的低相干光源1通过第一光纤2与分光器3连接，分光器3通过第二光纤4与第一光纤准直器5连接，分光器3通过第三光纤6与第二光纤准直器7连接，分光器3通过连接第四光纤8，使得探测光和参考光依次经过第四透镜9、光栅10、第三透镜11，成像于线阵CCD 12；线阵CCD12、电缆线13和计算机14电串联连接；第一光纤准直器5依次与第一透镜15和反射镜16光连接；所述的探测臂C包括：第二透镜17(即聚焦透镜)、支架18和电动平移台19，所述第二光纤准直器7与第二透镜17光连接；所述的第二透镜17通过支架18固定在电动平移台19上，所述电动平移台19通过数据线20与计算机14电连接，控制电动平移台19使得第二透镜17左右移动。
干涉数据采集时，通过计算机14控制电动平移台19将第二透镜17从左向右移动，采集每一个经参考臂B中反射镜16反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直至第二透镜17停止移动，数据采集过程结束；当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，第二透镜17所对应的两个位置的间距L1；再利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。
实施例3：实现实施例1所述方法的一种角膜测量系统，如图10所示，包括：低相干光干涉和信号处理装置A、参考臂B和探测臂C，所述的低相干光干涉和信号处理装置A包括：低相干光源1、分光器3、第一光纤准直器5、第二光纤准直器7、第四透镜9、光栅10、第三透镜11、线阵CCD 12、电缆线13和计算机14；所述的参考臂B包括：第一透镜15和反射镜16，所述的低相干光源1与分光器3连接，分光器3与第一光纤准直器5连接，分光器3与第二光纤准直器7连接，分光器3使得探测光和参考光依次经过第四透镜9、光栅10、第三透镜11，成像于线阵CCD 12；线阵CCD 12、电缆线13和计算机14电串联连接；第一光纤准直器5依次与第一透镜15和反射镜16光连接；所述的探测臂C包括：第二透镜17(即聚焦透镜)、支架18和电动平移台19，所述第二光纤准直器7与第二透镜17光连接；所述的第二透镜17通过支架18固定在电动平移台19上，所述电动平移台19通过数据线20与计算机14电连接，控制电动平移台19使得第二透镜17左右移动。
干涉数据采集时，通过计算机14控制电动平移台19将第二透镜17从左向右移动，采集每一个经参考臂B中反射镜16反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直至第二透镜17停止移动，数据采集过程结束；当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，第二透镜17所对应的两个位置的间距L1；再利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。
本发明测量原理：
(1)测量光程：假定相对于某一待测面，在线阵CCD 12上接收到的波数空间的干涉光谱如图2所示，对其进行傅立叶变换，幅度谱如图3所示，待测面相对于参考面的光程差L与幅度极大值对应频率f0和成正比，即：
L＝K*f0 (1)
其中K为比例系数，它可以通过使用同样方法测定一个光程已知的样品来标定；
测量由角膜反射的探测光光强：在线阵CCD 12上接收到的波数空间的干涉光谱如图2所示，对其进行傅立叶变换，幅度谱如图3所示，频率f0对应的幅度值和由角膜反射的探测光光强成正比，因此，以此幅度值作为由角膜反射的探测光光强。
(2)测量时，在电动平移台19的带动下，第二透镜17从左向右平移，电动平移台19每移动一步，线阵CCD 12采集一个经反射镜16反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直到电动平移台19停止工作，数据采集过程结束；
(3)由采集的每一个光谱，计算由角膜反射的探测光的强度，假定在线阵CCD 12上接收到的第n0个由角膜反射的探测光和参考光的干涉光谱如图2所示，n0表示电动平移台19移动到的第n0个位置，对其进行傅立叶变换，其幅度谱如图3所示，其极大值幅度表示为P(n0)，P(n0)即为当聚焦透镜处于此位置时，由角膜反射的探测光光强。对采集到的所有干涉光谱进行同样的处理，得到电动平移台19移动位置n和由角膜反射的探测光光强的曲线，如图5所示。依据现有知识可以得出，当第二透镜17的焦点位于角膜的前后表面时，由角膜反射的探测光光强为极大值。令nq和nh分别为角膜前、后表面22和23信号幅度值取得极大值时，第二透镜17对应的位置；nq和nh的差即为L1；
(4)计算角膜前后表面的光程，选取第二透镜17对应的位置位于nq和nh之间时采集的光谱，对采集的光谱进行高通滤波器，滤掉干涉光谱的低频部分，再经傅里叶变换得到变换结果如图4所示，两个极大值表示由角膜前表面和后表面反射的探测光和参考光分别干涉的结果，假定幅度极大值对应频率设为f1和f2，根据公式(1)可得，角膜前表面到后表面的光程L0为：
L0＝K*(f2-f1) (2)
据光程的定义，角膜前表面13到后表面14的光程L0可表示为
L0＝n0*d0 (3)
其中n0表示角膜折射率，d0为角膜前表面到后表面的几何距离，即角膜厚度。
(5)应用光线追迹软件(如ZEMAX等)确定n0和d0的过程如下：
a.按照探测臂光路，利用光线追迹技术建立角膜及检测系统模型，其中，角膜模型所需参数包括：角膜曲率半径(利用现有计算测量得到)、角膜厚度(待测)和角膜折射率(待测)；检测系统模型参数包括：探测光束的宽度，探测光波长，第二透镜17的厚度、折射率和曲率；(光线追迹可以使用现有的软件，例如ZEMAX等)
b.使聚焦透镜的焦点位于角膜前表面(如图6所示)，此时角膜前表面反射的探测光光强为极大值时，将聚焦透镜向角膜方向移动L1(L1＝nh-nq)；
c.假定角膜的折射率为nx，角膜的厚度D则为L0/nx；将nx和D带入角膜模型，确定聚焦透镜的焦点是否位于角膜后表面；
d.如果聚焦透镜的焦点位于角膜后表面(如图7所示)，则所取的nx和D分别为角膜的折射率和厚度，测量结束；否则改变nx，并重复步骤c、d，直至使得聚焦透镜的焦点位于角膜后表面，获得角膜的折射率和角膜厚度。

Claims (4)

1.一种角膜测量方法，其特征在于，首先，采用光学相干层析法测量获得角膜前表面到后表面的光程L0；其次，移动聚焦透镜，当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜对应的两个位置的间距L1；最后，利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度；
所述的利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度，具体包括以下步骤：
a.按照探测臂光路，利用光线追迹技术建立角膜及检测系统模型，其中，角膜模型所需参数包括：角膜曲率半径、角膜厚度和角膜折射率；检测系统模型参数包括：探测光束的宽度，探测光波长，聚焦透镜的厚度、折射率和曲率；
b.使聚焦透镜的焦点位于角膜前表面，此时角膜前表面反射的探测光光强为极大值时，将聚焦透镜向角膜方向移动L1；
c.假定角膜的折射率为nx，角膜的厚度D则为L0/nx；将nx和D带入角膜模型，确定聚焦透镜的焦点是否位于角膜后表面；
d.如果聚焦透镜的焦点位于角膜后表面，则所取的nx和D分别为角膜的折射率和厚度，测量结束；否则改变nx，并重复步骤c、d，直至使得聚焦透镜的焦点位于角膜后表面，获得角膜的折射率和角膜厚度。
2.根据权利要求1所述的角膜测量方法，其特征在于，所述的前表面到后表面的光程L0，以及当探测光的焦点位于角膜前后表面时，聚焦透镜所处的对应的两个位置的间距L1，通过以下方法获得：
S1，干涉数据采集：将聚焦透镜从左向右平移，聚焦透镜每移动一步，则采集一个经参考臂中反射镜反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直至聚焦透镜停止移动，数据采集过程结束；
S2，对所有采集到的干涉光谱分别计算由角膜反射的探测光光强，并获得聚焦透镜的移动位置n和由角膜反射的探测光光强的曲线；
S3，当聚焦透镜的焦点位于角膜的前、后表面时，由角膜反射的探测光光强为极大值；结合所述的聚焦透镜的移动位置n和由角膜反射的探测光光强的曲线，得到聚焦透镜的焦点位于角膜的前后表面时，聚焦透镜对应的位置nq和nh，nq和nh的差即为L1；
S4，选取聚焦透镜位于nq和nh之间时采集的干涉光谱，对所述的干涉光谱进行高通滤波，滤掉干涉光谱的低频部分，再经傅里叶变换；两个信号幅度极大值分别表示由角膜前表面和后表面反射的探测光与参考光分别进行干涉的结果；假定傅里叶变换幅度谱中幅度极大值对应的频率分别为f1和f2，则角膜前表面到后表面的光程L0为：
L0＝K*(f2-f1)；
其中，K为比例系数。
3.实现权利要求1～2任一项所述方法的一种角膜测量系统，包括：低相干光干涉和信号处理装置A、参考臂B和探测臂C，所述的低相干光干涉和信号处理装置A包括：低相干光源(1)、分光器(3)、第一光纤准直器(5)、第二光纤准直器(7)、第四透镜(9)、光栅(10)、第三透镜(11)、线阵CCD(12)、电缆线(13)和计算机(14)；所述的参考臂B包括：第一透镜(15)和反射镜(16)，所述的低相干光源(1)与分光器(3)连接，分光器(3)与第一光纤准直器(5)连接，分光器(3)与第二光纤准直器(7)连接，分光器(3)，使得探测光和参考光依次经过第四透镜(9)、光栅(10)、第三透镜(11)，成像于线阵CCD(12)；线阵CCD(12)、电缆线(13)和计算机(14)电串联连接；第一光纤准直器(5)依次与第一透镜(15)和反射镜(16)光连接；其特征在于，所述的探测臂C包括：第二透镜(17)、支架(18)和电动平移台(19)，所述第二光纤准直器(7)与第二透镜(17)光连接；所述的第二透镜(17)通过支架(18)固定在电动平移台(19)上，所述电动平移台(19)通过数据线(20)与计算机(14)电连接，控制电动平移台(19)使得第二透镜(17)左右移动。
4.根据权利要求3所述的角膜测量系统，其特征在于，干涉数据采集时，通过计算机(14)控制电动平移台(19)将第二透镜(17)从左向右移动，采集每一个经参考臂B中反射镜(16)反射的参考光和经角膜反射的探测光所形成的干涉光谱，直至第二透镜(17)停止移动，数据采集过程结束；当探测光的焦点位于角膜前后表面时，信号强度为极大值，获得当探测光的焦点位于角膜前后表面时，第二透镜(17)所对应的两个位置的间距L1；再利用光线追迹技术获得角膜的折射率和角膜厚度。
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