CN109688897B - 用于确定眼角膜地形图的照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生空间分布照明图案的照明系统，该照明图案用于测量眼角膜，特别是用于确定所述眼角膜的地形图。该解决方案应实现与距离无关的测量。本发明的用于确定眼角膜地形图的照明系统由照明单元、用于准直照明光的光学元件和用于产生空间分布照明图案的菲涅耳轴棱锥形式的单元组成。特别地，照明单元由多个照明模块组成，这些照明模块被布置成使得每个照明模块照亮菲涅耳轴棱锥的一部分，从而确保整个表面上的照明。该用于产生空间分布照明图案的系统用于确定眼角膜的地形图。该系统被设计成一个紧凑的模块，从而可以很容易地与其他测量系统结合，而不与它们的光束路径发生重合。

Description

用于确定眼角膜地形图的照明系统

技术领域

本发明涉及一种用于产生空间分布照明图案的照明系统，该照明图案用于测量眼角膜，特别是用于确定其地形图。如此，该解决方案会有助于与距离无关的测量。

背景技术

虽然术语角膜曲率测量应该理解为测量眼角膜的形状和形态，但是角膜的中心和周边曲率半径是通过地形图范畴内的特定方法作为角膜曲率测量的特殊形式来测量和数学评估的。

测量人眼的角膜表面很难，因角膜是透明的，对可见光几乎不产生散射。

根据现有技术，借助所谓的角膜曲率仪或角膜图测量角膜表面形状的方法早已为人所知。成像在角膜上的所谓普拉西多盘(Placido Disk)的同心环被角膜的泪膜反射，并通过相机记录和评估。相机检测到的反射环图案根据角膜的曲率而变形。

普拉西多盘是受照盘，在其上以规则的间隔设置有圆圈。然后，诊断是以观察到的角膜表面上的圆圈的反射为基础的，这些圆圈同样应该以规则的方式成像在该角膜表面上。

这样，现在在角膜表面应该看到的是同心普拉西多环的对称反射。相比之下，如果发现不对称形式的圆圈，则表示角膜表面偏离参考表面。角膜表面的不规则性可以在例如散光的情况下发现，也可以在角膜的机械或化学损伤的情况下发现。

市场上可买到的地形图系统是将眼睛前方一小段距离处的真实普拉西多环投影到角膜上，并从此处相机反射和捕捉真实普拉西多环。角膜重建基于由角膜反射的投影普拉西多环的入射角和反射角的角度评估。这里，角膜上的圆圈位置相对于已知参考测试体的圆圈位置的偏差作为角膜重建的基础。这种解决方案的第二个缺点是，测量的精度很大程度上取决于角度关系，因此也取决于测量距离。

非常不同的多种方法被用于确定或检测正确的测量距离。举例来说，当达到正确的工作距离时，可以自动触发测量。首先，这可以通过在每次测量之前校正错误的距离来实现，即借助光电屏障、触点或附加测量系统确定距离或位置，并在必要时对其校正。

相比之下，现有技术中已知的其他解决方案基于与距离无关的测量和远心检测来确定眼角膜的地形。

DE 10 2011 102 355A1描述了一种地形图系统，其中光源的光通过非球面被准直，并通过菲涅耳轴棱锥被照射到眼睛的整个区域上。此外，该解决方案包含光轴上的光源和用于输出耦合测量辐射的元件。在该解决方案中，小的照明角度由折射表面上的小的偏角产生，而大的偏角必须通过附加的反射表面实现。

该解决方案的缺点在于在材料中使用反射表面，因为在这种情况下，表面缺陷对准直入射光的影响比使用折射表面大得多。此外，光束以发散的方式在光源和准直光学单元之间延伸，因此该安装空间中的自由直径小于准直光学单元与菲涅耳轴棱锥(Fresnelaxicon，之后简写为fraxicon)之间的自由直径。

此外，仅使用一个光源照射菲涅耳轴棱锥导致在短焦距的情况下出现大的入射角，这又导致菲涅耳结构的外部区域中的反射损失。虽然该问题可以通过增加焦距来解决，但又会导致自由安装空间的进一步减小。

为了测量角膜曲率，除了照明之外，自角膜的反射必须输出耦合到成像系统上。然而，如果安装空间被照明锥阻挡，则输出耦合只能在更下游或侧面实现，从而增加整个设备的复杂性、安装尺寸和成本。

安装空间较小的自由直径也导致该解决方案的模块化使用，例如与生物学测量装置结合使用，而由于同轴照明与其它光束路径的可能碰撞，这种使用就更难甚至无法实现。

此外，另一缺点是相对大的偏角需要较低的制造公差，特别是对于反射面来说。而且很难实现均匀照明。

DE 10 2011 102 354 A1中描述的用于确定眼角膜表面形状的系统以具有远心图像评估的特定普拉西多盘为基础。该普拉西多盘包括具有半圆形横截面的对半的环形元件，其具有不同的半径，其前表面、球面或非球面指向眼角膜。普拉西多盘通过LED照明，LED分别布置在对半的环形元件的焦点上，以实现普拉西多盘的环在眼角膜方向上的无限投影。尽管通过将LED直接布置在普拉西多盘上解决了自由直径较小的问题，但制造和调整却极其复杂和困难。

发明内容

本发明的目的在于开发一种照明系统，该照明系统用于产生空间分布照明图案，以测量眼角膜的地形图，其有利于与距离无关的测量和远心检测。在安装深度尽可能小的同时，该系统应该确保照明图案的亮度一致，且容易制造。

该目的通过用于确定眼角膜地形图的照明系统实现，该照明系统由照明单元、用于准直照明光的光学元件和用于借助于由多个照明模块组成的照明单元产生空间分布照明图案的菲涅耳轴棱锥形式的单元组成，这些照明模块被布置成使得每个照明模块照亮菲涅耳轴棱锥的一部分，从而确保全区域照明。

根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征来实现。优选的改进和结构是从属权利要求的主题。

用于产生空间分布照明图案的系统用于确定眼角膜的地形。这里，该系统被设计成紧凑的模块，从而易于与其他测量系统结合，而不会与其光路发生碰撞。

下面基于示例性实施例更详细地描述本发明。为了简单起见，下面将用于产生确定眼角膜地形图的空间分布照明图案的系统简称为“地形图照明”。在附图中，

图1示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个平面镜；

图2示出了根据图1的解决方案的第一结构；

图3示出了根据图1的解决方案的第二结构；

图4示出了基于四个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个平面镜；

图5示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有两个平面镜；

图6示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个凹面镜；

图7示出了基于四个照明模块的地形图照明的侧视图和从眼睛的角度出发的视图；

图8示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个准直透镜和一个平面镜；

图9示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块只具有一个准直透镜；

图10示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个多面凹面镜；以及

图11示出了地形图照明，其中菲涅耳轴棱锥面向照明源的一侧被实施为简单的凹面镜。

所提出的用于确定眼角膜地形图的照明系统由照明单元、用于准直照明光的光学元件和用于产生菲涅耳轴棱锥形式的空间分布照明图案的单元组成。

这里，空间分布照明图案应该被理解为表示数量为n的准直的单个光束，这些光束在方位角和辐射率不同的入射角下指向眼睛。

照明单元由多个照明模块组成，这些照明模块被布置为，使得每个照明模块照亮菲涅耳轴棱锥的一部分，从而确保全区域照明。

根据本发明，照明单元由两个或多个照明模块组成，优选由四个照明模块组成，特别优选地由六个照明模块组成。这里，照明模块被布置为，使得每个照明模块的照明光照亮菲涅耳轴棱锥的一部分。

仅具有两个照明模块的照明单元具有最小的调节耗费，因其具有最少数量的待对准的光学元件。

由于尺寸小，LED越来越多地被用作光源。

在每种情况下，在专用的光学偏轴上对各个照明模块的光进行准直，并且将其引导至菲涅耳轴棱锥的需要被照明的部分上。

根据第一有利结构，各个照明模块可以这样布置，即其光学偏轴与系统的光轴成20-40°的角度，优选为20-30°的角度。

所提出的用于确定眼角膜地形图的照明系统包括用于准直照明光的光学元件。为此，使用了非球面形式的准直透镜，或者具有非球面效果的菲涅耳透镜。

根据本发明，准直透镜布置在照明模块的光学偏轴上或者集成在照明模块的光源中。

根据第二有利结构，如果面向照明模块的菲涅耳轴棱锥的表面具有准直作用，则可以省去用于准直照明光的光学元件。

菲涅耳轴棱锥包括如下结构，在其中布置有具有不同切面角的切面。除了环形或网状结构之外，其他结构也是可能的。

根据本发明，在照明模块中使用一个或多个反射光学元件，例如平面镜、凹面镜或多面凹面镜。

根据第三有利结构，切面仅存在于菲涅耳轴棱锥的面向角膜的表面上，其中切面角度被设计成使得空间分布照明图案仅通过照明光的折射产生。

然而，只有照明模块的光学偏轴相对于系统的光轴形成角度时才如此。

根据第四有利结构，相对于系统的光轴成角度布置的照明模块包括单独的、调整得当的和对准的菲涅耳轴棱锥。

这里，切面角度也可以被设计为，使得空间分布照明图案仅通过照明光的折射产生。

特别有利的是，一个或多个菲涅耳轴棱锥能够被制造成注塑部件。

根据另一有利结构，由光源、可选存在的反射光学元件、可选存在的用于准直照明光的光学元件和单独的菲涅耳轴棱锥组成的照明模块可以被制造成一个单元。

下面，基于图示更详细地解释本发明的不同变体，其中所使用的菲涅耳轴棱锥具有环形结构。

为此，图1示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个平面镜。

从左图中可以看出，照明源1和1'的照明光经由平面镜7和7'被引导至菲涅耳轴棱锥2。沿着之后的光束路径(未示出)，照明光在其切面处折射，产生了空间分布照明图案，该空间分布照明图案在眼睛上成像(未示出)。地形图照明的光轴由4表示。

从右图可以看出，平面镜7和7'各有一个用于远心检测光束路径8的切口。

在该解决方案中，在弯曲处接触的平面镜的边缘不能无限小，这就是为什么在该接触边缘处会出现强度损失。然而，由此得出以下不同的结构变体。

根据该照明变体的第一结构，如图2所示，平面镜7和7'的接触边缘直接置于切面区域2.2上，因此沿着该区域不照明整个径向部件。这里，切面区域2.2是具有不同半径的环形切面2.1的一部分。因此“被省略的”测量点可以由周围的被照明的测量点较好地插补。

在图3所示的该照明变体的结构中，平面镜7和7'的接触边缘直接位于切面区域2.2的公共边缘上。为此，平面镜7和7'的接触边缘一方面必须非常窄。另一方面，菲涅耳轴棱锥2必须被设计为，使得每个环的切面2.3数量是2的倍数，因为否则就没有共同的(连续的)边缘。在这个变体中，所有测量点都被照明，因此插补变得多余。

图4示出了基于四个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个平面镜。

左图与图1相同；从右图可以看出，平面镜7至7”'各有一个用于远心检测光束路径8的切口。该解决方案也存在平面镜接触边缘处可能出现强度损失的问题。这里，“被省略的”测量点也可以由周围的被照明的测量点较好地插补(以类似于图3的方式)。

图5示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有两个平面镜。这里，照明源1和1'的照明光分别经由两个平面镜7.1和7.2以及7.1'和7.2'被引导至菲涅耳轴棱锥2。沿着之后的光束路径，照明光在菲涅耳轴棱锥2的背面被准直，该照明光在菲涅耳轴棱锥的切面处被折射，产生空间分布照明图案，该空间分布照明图案在眼睛12上成像。

从图5中可以看出，平面镜7.2和7.2'的接触边缘不在光轴上。根据图3中描述的解决方案，这确保了接触边缘直接位于切面区域的公共边缘上，因此，产生了完整的空间分布照明图案。

对于根据图5的解决方案的可能结构，两个照明模块中的每一个都基于LED形式的照明源和两个平面镜。采用的菲涅耳轴棱锥具有以下尺寸：

准直透镜的焦距：f＝140mm

轴棱锥的直径：d＝142mm

平面镜2相对于光轴的角度：45°

平面镜2和平面镜1之间的角度：2.5°

结果是，照明单元的安装长度为76mm，总宽度为188mm。照明单元可以由塑料和玻璃制成。

图6示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个凹面镜。这里，照明源1和1'的照明光经由凹面镜11和11'被引导至菲涅耳轴棱锥2。沿着之后的光束路径，照明光在菲涅耳轴棱锥的背面被准直，所述照明光在菲涅耳轴棱锥的切面处被折射，产生了空间分布照明图案，所述空间分布照明图案在眼睛12上成像。

对于根据图6的解决方案的可能结构，两个照明模块中的每一个都基于LED形式的照明源1，在LED前方布置有准直透镜(未示出)。在这种情况下，尺寸如下：

对于根据图6的解决方案的可能结构，两个照明模块中的每一个都基于LED形式的照明源和凹面镜。采用的菲涅耳轴棱锥具有以下尺寸：

准直透镜的标称焦距：f＝140mm

轴棱锥的直径：d＝142mm

在该解决方案中，通过使用凹面镜，焦距可以减小到73mm。

总宽度为142mm的照明单元，安装长度仅为40mm，所含光学元件更少。然而，凹面镜的生产很复杂，因此只有在使用可模制塑料时才是有利的。

在具有两个照明模块的变体中，如图5和图6所示，照明在中心实现，即沿着菲涅耳轴棱锥的光轴实现。然而，根据一个有利结构，也可以侧向实现，即相对于照明系统的光轴倾斜地照明菲涅耳轴棱锥。原则上，这在前面描述的所有变体中以及在下面描述的变体中都是可能的。然而，为此目的，有必要适当地调整菲涅耳轴棱锥，即其具有准直作用的背面，以及其正面上的切面。

图7示出了基于四个照明模块的地形图照明的侧视图。

从侧视图(左图)可以看出，照明光源1和1'的照明光被引导至菲涅耳轴棱锥2，菲涅耳轴棱锥2的背面(面向照明光源)被实施为准直透镜9和9'。沿着之后的光束路径，照明光在菲涅耳轴棱锥的切面2.4处被折射，产生了空间分布照明图案，所述空间分布照明图案在位于平面3中的眼睛上成像。地形图照明的光轴被记为4；各个照明模块的光学偏轴由5和5'表示。

各个照明模块1和1'的光学偏轴5和5'相对于系统的光轴4形成20-40°的角度β，优选为20°和30°之间的角度。

通过这些解决方案变体，已经可以实现安装深度的大幅降低。虽然单个照明单元(从现有技术中已知)为了产生空间分布的、与距离无关的照明图案，必须照明该单元的全区域照明的大约+/-38°的角度范围，但是为了产生空间分布的、与距离无关的照明图案，该单元的扇形部分照明的角度范围仅为大约+/-10°。焦距现在可以减小，可选地，可以达到大约+/-38°的角度范围，这会使各个照明模块的安装长度显著缩短。

根据本发明，通过除光源之外还包括透镜和/或反射镜的单独照明模块以确保菲涅耳轴棱锥部分的全区域照明，实现了安装深度的进一步减小。

虽然已经通过将照明单元分成多个照明模块以及减少由与其相连的照明源照明的面积实现了更均匀的照明，但是透镜和/或反射镜的使用甚至可以使其获得进一步的改善。

下面，基于图示更详细地解释本发明的不同变体，其中菲涅耳轴棱锥只被描述为盒子。

为了更好地理解，参考DE 10 2011 102 355 A1的解决方案，其中通过菲涅耳轴棱锥中的中心开口与眼睛的顶点同轴地检测眼睛。下面将只讨论不同的照明变体。

图8示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个准直透镜和一个平面镜。

在左图中，照明源1和1'的照明光经由平面镜7和7'以及准直透镜9和9'被引导至菲涅耳轴棱锥2。在该变体中，照明在中心实现，即，沿着菲涅耳轴棱锥2的光轴4实现。

与左图对照，右图中照明源1和1'的照明光首先经由准直透镜9和9'然后通过平面镜7和7'被引导至菲涅耳轴棱锥2上。这里，菲涅耳轴棱锥2以相对于其光轴4倾斜的角度被照明。如前所述，这需要根据倾斜照明调整菲涅耳轴棱锥的切面。

图9示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个准直透镜。在该变体中，照明模块的对齐方式使得可以省去反射镜。照明源1和1'的照明光经由准直透镜9和9'被引导至菲涅耳轴棱锥2上。

图10示出了基于两个照明模块的地形图照明，每个照明模块具有一个多面凹面镜。与图9不同，这里使用两个多面凹面镜12和12'，其利用了照明光的偏转和准直。因此，在该实施例变体中，可以省去菲涅耳轴棱锥2(用虚线示出)。

图11示出了一种特别有利的结构。此处示出的地形图照明中，菲涅耳轴棱锥2的背面，即面向照明源1和1'的一面被实施为凹面镜11。举例来说，如果菲涅耳轴棱锥2由塑料制造，这是可能的。原则上，凹面镜也可以被实施为多面凹面镜。如果使用多面凹面镜，则这些凹面镜可以优选地利用菲涅耳轴棱锥2的准直作用和/或其至少一些效果。

这两种变体的优点在于，由于侧向照明，整个装置的安装深度可以减小。

虽然本发明的地形图照明的上述变体总是仅展示两个照明模块，原则上也可以存在多个照明模块。此外，各个照明模块还可以包含多于一个的反射镜和/或多于一个的准直透镜。特别地，准直透镜不仅可以实现为非球面，还可以实现为具有非球面光焦度的菲涅耳透镜。

菲涅耳透镜(具有准直作用)的使用将特别有助于使由菲涅耳透镜和菲涅耳轴棱锥组成的整个结构的重量显著降低。

将照明单元划分成多个照明模块和使用反射镜元件来偏转(弯曲)各个照明光束路径使得地形图照明的安装长度减少，结果，也为其他眼科单元的光束路径留出了空间。将照明辐射分成多个单独的照明光束路径进一步导致菲涅耳轴棱锥上的照明入射角变小。

这减少了由于反射的杂散光成分导致的强度降低的问题。然而，相反地，这也意味着照明模块的照明源距菲涅耳轴棱锥的距离可以减小。这还可以有助于减小安装空间。

本发明的解决方案提供了一种系统，该系统用于产生空间分布照明图案，以测量眼角膜的地形图，其有利于与距离无关的测量和远心检测。该系统安装深度小，并且确保照明图案的亮度一致。

通过将照明单元分成多个照明模块，可以大大减小安装深度。此外，对照明光束产生了较小的入射角，从而避免了用于产生空间分布照明图案的单元的边缘区域中的功率损失。在菲涅耳轴棱锥的情况下，空间分布照明图案只能通过折射产生。

因此，可以省去在任何情况下对公差都更加敏感的折射有效表面的制造，其结果是减少了在这些表面上必然出现的杂散光。

由于入射角较小，菲涅耳轴棱锥的切面也出现较小的角度，因此，制造，特别是注塑部件的制造，大大简化。

将照明单元分成多个照明模块进一步使得照明模块的焦距能够减小，因此安装深度能够进一步减小。

此外，根据本发明的用于产生测量眼角膜地形图的空间分布照明图案的系统具有以下优点：

安装空间可以用来对角膜反射的光和光轴上的其他系统部件进行远心成像；

避免了大照明角度的所谓菲涅耳损耗；

仅使用折射表面可降低制造成本；

由于尺寸较小，通过减小厚度差异，优化了注塑零件的制造；

省去了用于分离或叠加照明和测量光束路径的光学元件。

Claims (19)

1.一种用于确定眼角膜地形图的照明系统，由照明单元、用于准直照明光的光学元件和用于产生空间分布照明图案的菲涅耳轴棱锥形式的单元组成，其特征在于，所述照明单元由多个照明模块组成，所述照明模块被布置为使得每个所述照明模块照亮所述菲涅耳轴棱锥的一部分，从而确保全区域照明。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明单元由两个或多个照明模块组成。

3.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，各个所述照明模块被布置为，使得所述照明模块的光学偏轴与所述菲涅耳轴棱锥的光轴成20°至40°的角度。

4.根据权利要求3所述的照明系统，其特征在于，使用准直透镜作为用于准直照明光的光学元件，所述准直透镜被布置在所述照明模块的所述光学偏轴上或者被集成在所述照明模块的光源中。

5.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，如果面向所述照明模块的所述菲涅耳轴棱锥的表面具有准直作用，则省去所述用于准直照明光的光学元件。

6.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，在所述照明模块中使用一个或多个反射光学元件。

7.根据权利要求1或6所述的照明系统，其特征在于，所述照明单元由两个所述照明模块组成，每个所述照明模块除了光源之外还具有两个平面镜。

8.根据权利要求1或6所述的照明系统，其特征在于，所述照明单元由两个所述照明模块组成，每个所述照明模块除了光源之外还具有凹面镜。

9.根据权利要求1或6所述的照明系统，其特征在于，在所述照明单元由两个所述照明模块组成、并且每个所述照明模块除了光源之外还具有多面凹面镜的情况下，可以省去所述菲涅耳轴棱锥。

10.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，与所述系统的光轴成一角度地布置的所述照明模块包括单独的、调整得当的且对准的菲涅耳轴棱锥。

11.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述菲涅耳轴棱锥的面向所述照明模块的一面被实施为凹面镜。

12.根据权利要求1或11所述的照明系统，其特征在于，一个或多个所述菲涅耳轴棱锥被制造成注塑部件。

13.根据权利要求1或11所述的照明系统，其特征在于，由光源以及单独的所述菲涅耳轴棱锥组成的所述照明模块被制造成一个单元。

14.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明单元由四个照明模块组成。

15.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明单元由六个照明模块组成。

16.根据权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，各个所述照明模块被布置为，使得所述照明模块的光学偏轴与所述菲涅耳轴棱锥的光轴成20°至30°的角度。

17.根据权利要求6所述的照明系统，其特征在于，所述反射光学元件为平面镜或凹面镜。

18.根据权利要求6所述的照明系统，其特征在于，所述反射光学元件为多面凹面镜。

19.根据权利要求1或11所述的照明系统，其特征在于，由光源、反射光学元件、所述用于准直照明光的光学元件以及单独的所述菲涅耳轴棱锥组成的所述照明模块被制造成一个单元。

Images