CN113164039A - 补偿用于确定眼睛地形图的多棱面透镜的温度相关性装置和方法 - Google Patents

补偿用于确定眼睛地形图的多棱面透镜的温度相关性装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于补偿多棱面透镜的温度相关性的解决方案，该多棱面透镜用于确定眼睛的地形图。本解决方案由照射单元、多棱面透镜、图像记录单元、用于分离照射光路和探测光路的光学元件以及控制和评估单元组成。根据本发明，还存在用于确定多棱面透镜的温度的温度传感器。另外，在控制和评估单元中存储有光束的发射角的温度相关性，在评估图像记录单元的记录时，控制和评估单元除了考虑多棱面透镜的由温度传感器传输的温度外，还考虑该温度相关性。所提出的解决方案尤其用于多棱面透镜，该多棱面透镜用于确定眼睛的地形图的。但是，原则上提出的解决方案能够广泛用于需要补偿存在的温度相关性、特别是光学构件的地方。

Description

补偿用于确定眼睛地形图的多棱面透镜的温度相关性装置和 方法
技术领域
本发明涉及一种用于补偿多棱面透镜的温度相关性的解决方案，该多棱面透镜用于确定眼睛地形图。
背景技术
术语“角膜测量学”是对眼睛角膜形状和构型的测量。利用检眼计(也称为角膜曲率计)得出中心的和外围的角膜的曲率半径。角膜测量学的一种特殊形式是地形图，其中，角膜的中心的和外围的曲率半径是利用特殊方法测量和数学评估的。
根据现有技术很早就已知一种借助于所谓的角膜曲率计或角膜制图计来测量角膜表面的形状的方法。在此，成像在角膜上的优选同心图案通过角膜的泪膜被反射，并且利用照相机被记录并被评估。根据角膜的曲率，由相机探测到的反射的图案变形。为了从这些反射信号获得曲率，必须将图案的变形与已知的形状进行比较，该已知的形状通常被选择为半径为7.8mm的球体。
在DE 10 201 1 102 355 A1中描述了一种用于确定眼睛的角膜地形图的优选的系统。这种地形图测量的优点是，测量系统关于患者眼睛的位移在测量数据中仅表示为散焦(轴向位移)和整个点阵图像在摄像机图像中的平移(横向位移)。
由于仅光点之间的相对距离携带有用的信息，因此测量与这种偏移无关。然而，实际上，这仅在一定的界限中适用，即只要每个光束射中角膜表面的适用根据DE 10 2014207 058 A1所需要的角度关系的一部分。前述情形适用于图案的所有光点的空间元素被称为地形图测量的“校正范围”。由于空间元素是穷尽的，因此设备软件针对每个单独的测量检查，测量系统相对于患者眼睛的定位是否在校正范围内。该检查称为“校正检查”。
但是，光束的角度取决于多棱面透镜的温度。一方面，虽然用塑料制造多棱面透镜是有利的，另一方面，温度对塑料的影响比对玻璃的影响更强烈。在此，通过改变塑料的几何形状和/或折射率引起的多棱面透镜的光学作用的变化导致光束角度与温度相关的变化。
在没有温度补偿的情况下，在由塑料制造时所提出的解决方案仅在大约(20±5)℃的温度范围中工作。对于实际使用而言，这种非常窄的公差范围使该解决方案不切实际。
发明内容
本发明的目的是开发一种解决方案，该解决方案用于基于多棱面透镜来不依赖于温度确定眼睛的地形图。多棱面透镜应易于制造，最好由塑料制成，并且可以在10℃到40℃的温度范围内使用。
补偿用于确定眼睛的地形图的多棱面透镜(该多棱面透镜由照射单元，多棱面透镜，图像记录单元，用于分离照射光路和探测光路的光学元件以及控制和评估单元构成)的温度相关性的目的，根据本发明，通过以下方式来实现，即，还存在用于确定多棱面透镜的温度的温度传感器，在控制和评估单元中存储光束的发射角的温度相关性，并且将控制和评估单元设计为，在评估图像记录单元的记录时，考虑由温度传感器传输的多棱面透镜的温度以及光束的发射角的所存储的温度相关性。
优选的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
所提出的用于补偿塑料透镜的温度相关性的解决方案尤其提供用于确定眼睛的地形图的多棱面透镜。然而，原则上，所提出的解决方案可以在必须补偿特别是光学部件的现有的温度相关性的任何地方使用。
附图说明
下面根据实施例更详细地描述本发明。在此示出：
图1：多棱面透镜的8个环的射线方向与温度的相关性，
图2：折射率n与温度T的相关性，
图3：焦距f与温度T的相关性，
图4：在三种不同温度下，多个光束的重力和边界射线(Schwer-undGrenzstrahlen)的比较。
具体实施方式
所提出的解决方案基于多棱面透镜的使用，例如在DE 10 2011 102 355 A1中所述。在此，该系统由以下构成：多棱面透镜，该多棱面透镜由具有平面波的照射单元照射；图像记录单元；以及控制和评估单元。在此，图像记录单元设计用于远心、与距离无关的图像检测。如已经提到的，这种类型的地形图测量具有以下优点，即测量系统关于患者眼睛的位移在测量数据中仅表示为整个点图案在相机图像中的轴向或横向位移。这是产生于：根据测量原理，角膜表面处对于每个光点的法向量在几何上是已知的与具体测量无关，并且为了重建表面能够通过确定相关的参考点分配给相应的光点。根据测量系统的制造公差，假定法向量已知或者针对每个单独的设备进行了校准。
所提出的用于补偿用于确定眼睛的地形图的多棱面透镜的温度相关性的装置包括照射单元、多棱面透镜、图像记录单元、用于分离照射光路和探测光路的光学元件以及控制和评估单元。
根据本发明，还存在用于确定多棱面透镜的温度的温度传感器。此外，用于多棱面透镜的光束的发射角的温度相关性以及因此在角膜表面处的法向量被存储在控制和评估单元中。特别地，控制和评估单元被设计成，在评估图像记录单元的记录时考虑多棱面透镜的由温度传感器传输的温度以及光束的发射角的所存储的温度相关性。为此，将温度传感器布置在小透紧邻处、其处或其中，并且在测量之后补充于图像记录单元还读取并或者存储。
为此，在图1中作为示例示出了多棱面透镜的8个环的射线方向与温度的相关性。该图显示了射线方向偏差的线性相关性。在25℃的温度的情况下，多棱面透镜各个环的光束的辐射角没有偏差。
对于多棱面透镜设计，必须预先得出待存储在控制和评估单元中的多棱面透镜的光束的发射角的温度相关性。
只要多棱面透镜的设计保持相同，就足以使用一个样品来确定温度相关性。
光束的发射角的温度相关性的得出从光学模拟和/或从借助于参考体的测量产生。
根据第一设计方案，参考样品被用作多棱面透镜以确定光束的发射角的温度相关性，其中，参考体是具有已知半径的精确制造的玻璃球。
光束的角度可以从记录的点图案与预期点图案的偏差中反算出来。在此，涵盖了最大可能的温度范围，以便也考虑到测量设备的升高的内部温度。
为此，在图4中示出了在三个不同温度下的多个光束的重力和边界光线的比较。垂直的虚线辅助线插入到插图中，以便更清楚地计算出多棱面透镜各个环的光束的不同的发射角。光束的3维截面描述了相应的对齐范围。
在所提出的用于补偿用于确定眼睛的地形图的多棱面透镜的温度相关性的方法中，通过照射单元对多棱面透镜照射，由图像记录单元记录由眼睛反射的图案，并将其转发给控制和评估单位。借助于光学元件实现照射光路和探测光路的分离。
根据本发明，还借助于温度传感器来确定多棱面透镜的温度，光束的发射角的温度相关性存储在控制和评估单元中，并且控制和评估单元在评估图像记录单元的记录时还考虑多棱面透镜的由温度传感器传递的温度和光束的发射角的存储的温度相关性。为此，紧邻多棱面透镜、在多棱面透镜处或在多棱面透镜中测量温度，其中，在图像记录单元记录之前、之中和/或之后测量温度，并将该温度转发给控制和评估单元并存储。
关于在控制和评估单元中待存储的光束的发射角的温度相关性，参考图1，其以示例的方式示出了多棱面透镜的8个环的射线方向与温度的相关性。该图示出了射线方向偏差的线性相关性。在25℃的温度的情况下，多棱面透镜各个环的光束的发射角不出现偏差。
通过光学模拟和/或通过借助于参考体的测量，预先得出每个多棱面透镜的光束的发射角的温度相关性。
在此，能够通过利用数学函数进行的描述来得出温度相关性，其中，该数学函数优选地是线性的。
由于我们的多棱面透镜的使用的材料的折射率Δn/ΔT的变化在所使用的温度范围中是大致线性的，因此能够通过线性函数进行描述。
在此，图2示出了折射率n与温度T的相关性，其中，温度T具有线性变化。
假设热膨胀是线性的，则透镜半径R的膨胀也具有线性相关性
R(ΔT)：＝R0+αtherm·R0·ΔT
其中，R0是半径，
αtherm是线性膨胀系数，并且
ΔT是多棱面透镜的温度变化。
根据利用简单的薄透镜进行的估算，因此全局作用、即焦距作用也是线性的。从折射率Δn的变化
n(ΔT)：＝Δn·ΔT+n25
得出作为温度的函数的多棱面透镜的焦距f：
Figure BDA0003076317520000071
其中，R0是半径，
αtherm是线性膨胀系数，并且
ΔT是多棱面透镜的温度变化。
在此，图3示出了焦距f与温度T的相关性，该温度同样具有线性变化。
转移到各个小面角的角度意味着作用始终是线性的。但是，这种作用的大小是不同的，并且取决于相应的主光束角。
实际上对尽可能好地准直的光束发散的影响(平面波前)等局部影响以及因此测量的距离独立性无法进行温度校准，但可能会小得多并且可忽略。
通过利用数学函数的描述来得出温度相关性，其中，数学函数优选是对数的。这种替代的选择是可行的，因为实际上存在对数温度相关性。
根据该方法的第一设计方案，使用参考多棱面透镜和作为参考体的精确制造的具有已知的半径的玻璃球，以确定光束的发射角的温度相关性。
光束的角度能够从记录的点图案与预期点图案的偏差中反算出来。
为了考虑到测量设备升高的内部温度，在允许的温度范围为10℃至40℃的情况下确定温度相关性。
为此，图4示出了在三个不同温度下的多个光束的重力和边界光线的比较。垂直的虚线辅助线插入到插图中，以便更清楚地突出多棱面透镜各个环的光束的不同的发射角。光束的3维截面描述了相应的对齐范围。此外，由此使温度相关性更容易看清。
该方法的第二有利设计方案涉及温度相关性的确定。由于多棱面透镜在很大程度上具有旋转对称性，因此能够简化确定过程，使得对于小面环仅进行一次确定。
但是，能够通过多次得出每个小面环的温度相关性并平均测量值来提高精度。
该方法的第三有利设计方案涉及在制造期间将每个多棱面透镜校准到25℃的常温。在无论如何都需要利用参考球体进行的校准中，对650个或更多个单独的棱面中的每个棱面进行校准，其中，为每个棱面存储各自的法向量的入射角。然后针对基本温度制定温度补偿的函数。
然后，通过光学模拟和/或通过借助于参考体的测量确定的每个多棱面透镜处的光束的发射角的温度相关性在校准期间匹配每个单独的多棱面透镜。
在最简单的情况下，能够线性地进行结算，其中，常数分量来自单个设备的校准，并且直线的斜率则来自根据光学计算或参考测量得出的已知的温度相关性。由此，产生了地形的用于温度补偿的重建的法向量。
但是，也能够允许其他功能。对此，例如提供对数或指数函数，因为通常在温度影响下期待这些函数。
取决于温度的校正范围能够得出作为具有取决于温度的角度的多个光束的3维截面(见图4)，或者能够在参考球处通过实验得出。
优选使用每个单独设备的角度校准来切割光束。以简化的方式，能够替代地确定和结算单个设备的理想的校正点与根据模型或参考设备的理想校正点之间的差别。
根据该方法的第四有利设计方案，如果生产公差低，则能够省去生产期间对每个多棱面透镜的校准。
利用本发明提供了基于多棱面透镜的与温度无关地确定眼睛的地形图的解决方案，该解决方案尽管简单地由塑料制成，但仍能够在10℃至40℃的宽温度范围中使用。
能够有意义的是，当通过硬件措施纠正了温度相关性，然后也使用在此描述的措施。这是有意义的，借助于软件能够单独地精确地校准每个小面，而硬件措施更容易解决全局影响。
根据硬件措施的设计，能够利用在此描述的解决方案来补偿剩余的错误。该组合还具有以下优点，通过温度变化而较少地减少了校正范围。
本发明提供了一种用于确定眼睛的地形图的解决方案，其中，以简单和方便的方式和方法实现了对多棱面透镜的温度相关性的补偿。
多棱面透镜的主动调温原则上是可能的，但会更昂贵和/或不实际。由温度稳定的材料制造多棱面透镜也是如此。在无温度补偿的情况下使用具有多棱面透镜的设备也没有意义，因为这些设备只能在严格的温度控制的空间中使用。

Claims (20)

1.一种用于补偿多棱面透镜的温度相关性的装置，所述多棱面透镜用于确定眼睛地形图，所述装置由照射单元、多棱面透镜、图像记录单元、用于分离照射光路和探测光路的光学元件以及控制和评估单元构成，其特征在于，还存在用于确定所述多棱面透镜的温度的温度传感器，在所述控制和评估单元中存储有光束的发射角的温度相关性，并且所述控制和评估单元被设计为，在评估所述图像记录单元的记录时考虑由所述温度传感器传输的所述多棱面透镜的温度和光束的发射角的所存储的温度相关性。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器紧邻所述多棱面透镜布置、布置在所述多棱面透镜处或布置在所述多棱面透镜中。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束的发射角的温度相关性的确定是从光学模拟和/或从借助于参考体的测量得出的。
4.根据权利要求1和3所述的装置，其特征在于，为了确定光束的发射角的温度相关性，使用参考样本作为多棱面透镜。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述参考体是具有已知半径的精确制造的玻璃球。
6.一种用于补偿多棱面透镜的温度相关性的方法，所述多棱面透镜用于确定眼睛的地形图，其中，所述多棱面透镜由照射单元照射，由眼睛反射的图案被图像记录单元记录并被转发至控制和评估单元，其中，借助于光学元件实现照射光路和探测光路的分离，其特征在于，还借助于温度传感器确定所述多棱面透镜的温度，在所述控制和评估单元中存储有光束的发射角的温度相关性，并且所述控制和评估单元在评估所述图像记录单元的记录时考虑由所述温度传感器传输的所述多棱面透镜的温度以及所述光束的发射角的所存储的所述温度相关性。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，紧邻所述多棱面透镜、在所述多棱面透镜处或在所述多棱面透镜中测量温度。
8.根据权利要求6和7所述的方法，其特征在于，在所述图像记录单元的记录之前、期间和/或之后测量温度，并且温度被转发至所述控制和评估单元并被存储。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过光学模拟和/或通过借助于参考体的测量来确定光束的发射角的所述温度相关性。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过利用数学函数的描述来确定所述温度相关性。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述数学函数是线性的。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述数学函数是对数的。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将具有已知半径的精确制造的玻璃球用作为参考体。
14.根据权利要求6和9所述的方法，其特征在于，为了确定光束的发射角的所述温度相关性，使用参考样本作为多棱面透镜。
15.根据权利要求6和9所述的方法，其特征在于，针对10℃至40℃的允许温度范围确定所述温度相关性。
16.根据权利要求6和12所述的方法，其特征在于，一次地确定多棱面环的温度相关性。
17.根据权利要求6和12所述的方法，其特征在于，多次地确定多棱面环的温度相关性，并且平均测量值。
18.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在制造期间将每个所述多棱面透镜校准到25℃的常温。
19.根据权利要求6和15所述的方法，其特征在于，通过光学模拟和/或借助于参考体的测量来确定的、光束的发射角的温度相关性与在制造期间被校准到25℃的常温的每个多棱面透镜进行匹配。
20.根据权利要求6和16所述的方法，其特征在于，当制造公差小时，则能够在制造期间省去每个多棱面透镜的校准。
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