CN113679337A - 一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置及方法，该装置包括计算机、红外显示设备、红外相机。所述红外显示设备用于向角膜投射条纹结构光；所述红外相机用于采集经角膜反射调制后的条纹结构光信息；所述计算机、分别与红外显示设备、红外相机连接，用于红外显示设备及红外相机，并进行计算以获得测量结果。本发明利用红外显示设备像元间距已知的特性，能够更加方便、准确的利用红外显示设备投影出准确的条纹图像信息，进一步地保证了后续测量结果地准确性。

Description

一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置及方法
技术领域
本发明涉及镜面以及反光物体三维面形测量领域，尤其是一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置及方法。
背景技术
眼科分析及隐形眼镜、人工晶状体的验配，都需要对眼角膜面形的测量。通过对角膜形态精确测量，可以个性化地设计与角膜形态匹配一致的镜片或人工晶状体，最终获得更好的中心定位和光学矫正效果。
张承芬，徐国祥在《激光眼科学》(广州:广东科技出版社,1994.39)一书中表明，透明角膜几乎完全吸收波长小于380nm与波长大于1400nm的光。即在波长小于380nm或波长大于1400nm的光线下，透镜角膜会类似于镜面，仅在角膜上表面对光进行反射。而由于角膜对光线的吸收作用，不会有光线从角膜下表面反射出来。小于380nm的紫外光对眼睛极易造成伤害，因此，选用波长大于1400nm的红外波段对角膜表面按照镜面进行测量是安全可行的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置及方法，利用红外显示设备像元间距已知的特性，能够更加方便、准确的利用红外显示设备投影出准确的条纹图像信息，进一步地保证了后续测量结果地准确性。
实现本发明目的的技术方案为：
一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置，该装置包括：
红外显示设备、用于向角膜投射条纹结构光；
红外相机、用于采集经角膜反射调制后的条纹结构光信息；
计算机、分别与红外显示设备、红外相机连接，用于控制红外显示设备及红外相机，并进行计算以获得测量结果。
所述红外显示设备与红外相机架设至面向待测角膜的方向。
进一步的，所述红外显示设备波长介于760nm～1mm。属角膜能将此波段的红外光几乎完全吸收的波段。
进一步的，所述红外显示设备，可以采用红外发光二极管(LED)作为背光的液晶显示器、或采用作为红外发光灯珠(LED)作为背光的液晶显示器、或采用红外投影仪(DLP)作为背光的液晶显示器、或采用红外有机发光二极管(OLED)自发光的液晶显示器、或直接由红外发光二极管/红外发光灯珠阵列组成的显示设备、或红外等离子体显示器。
进一步的，红外显示设备不仅可以被认为是一个绝对平面结构，而且可以被考虑为一个具有面形的立体结构。
进一步的，红外显示设备数量可大于等于一台。红外相机的数量可大于等于一台。
本发明还提供一种基于红外显示设备的角膜面形测量方法，该方法包括以下步骤：
初步搭建测量装置：将红外显示设备与红外相机摆放至面向待测角膜的方向，使红外相机能够观测到红外显示设备上显示的结构光信息经过角膜反射调制后进入红外相机的结构光信息。
对搭建的测量装置进行标定：为了实现角膜面形测量，需要对红外相机与红外显示设备进行标定。包括通过靶标标定红外相机的成像模型参数。包括利用标准镜面反射物体成像反求参数、或利用三坐标测量机直接测量位置关系完成红外相机与红外显示设备相对位置关系以及红外显示设备面形的标定。
完成测量装置的搭建：将标定好的红外相机与红外显示设备固定，形成测量装置。
将测量装置放置于可对角膜进行测量的位置：调整测量装置位置，使红外相机能够通过角膜反射观测到红外显示设备上显示的结构光信息。
利用红外相机采集经角膜调制后的红外显示设备显示的结构光信息：在红外显示设备上显示已知间距的条纹结构光信息，利用红外相机采集经角膜表面反射调制后的结构光信息，通过条纹相位解算得到的绝对相位，获得红外相机每个像素拍摄到的光线对应于红外显示设备的像元位置，根据像元位置获得红外显示设备上光线出射点的二维尺寸物理坐标。
求解角膜三维形貌信息：利用红外显示设备相对于红外相机的位置以及红外显示设备面形的标定结果，获得红外显示设备上光线出射点的三维尺寸物理坐标，利用红外相机成像参数标定结果、以及光线反射定律，通过计算最终恢复角膜表面三维形貌。
本发明采用红外显示设备作为结构光投影设备，不仅可以在排除角膜下表面反射光的影响后对角膜表面进行准确测量，而且红外显示设备由于其像素间距是已知的，不需要进行复杂的图像畸变矫正或标定。同时，该方法中考虑了红外显示设备的三维形貌，因此其对角膜表面的测量结果也更加准确。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、本发明引入红外光对角膜进行测量。充分利用角膜对红外光的吸收特性，利用红外光照排除了角膜底面反射的杂散光，实现角膜上表面的准确测量。不仅能够对角膜进行测量，同时可应用于其它反光体面形的测量。
2、本发明利用红外显示设备像元间距已知的特性，能够更加方便、准确的利用红外显示设备投影出准确的条纹图像信息，进一步地保证了后续测量结果地准确性。
附图说明
图1为本发明基于红外显示设备的角膜面形测量装置的结构示意图；
图2为本发明基于红外显示设备的角膜面形测量方法的原理示意图；
图3为实施例两台红外相机与红外液晶显示器相对位置关系标定结果示意图；
图4为实施例红外液晶显示器面形的标定结果示意图；
图5为实施例角膜表面面形测量结果示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置(如图1)。该装置包括计算机及分别与计算机连接的红外液晶显示器、两红外相机。
所述红外液晶显示器作为红外显示设备，用于向角膜投射条纹结构光；
所述两红外相机用于采集经角膜反射调制后的条纹结构光信息。
所述计算机用于控制红外液晶显示器及两个红外相机，并进行计算以获得测量结果。
优选的，所述红外液晶显示器采用波长为2000nm的红外LED作为背光，分辨率为1920×1080。所述红外相机波段覆盖2000nm。
所述红外液晶显示器与两台红外相机架设至面向待测角膜的方向，使两台红外相机都能够观测到红外液晶显示器上显示的结构光信息经过角膜反射调制后进入红外相机的条纹结构光信息。
本发明同时提供了一种基于红外液晶显示器的角膜面形测量方法，包括以下步骤：
1)对搭建的测量装置进行标定：
为了实现角膜面形测量，需要对两台红外相机与红外液晶显示器进行标定。首先通过张正友标定，完成两台红外相机小孔成像模型的内参标定。两台红外相机的成像参数标定结果如表1。通过三坐标测量机中的点光源显微镜测头，完成两台红外相机与红外液晶显示器相对位置关系的测量以及红外液晶显示器面形的标定。两台红外相机与红外液晶显示器相对位置关系标定结果如图3。红外液晶显示器面形的标定结果如图4。
表1相机成像参数
Figure BDA0003186544230000041
2)完成测量装置的调试：
将标定好的两台红外相机与红外液晶显示器固定并封装，形成测量装置。
3)将测量装置放置于可对角膜进行测量的位置：
调整测量装置位置，使两台红外相机能够通过角膜反射观测到红外液晶显示器上显示的条纹结构光信息。
4)利用红外相机采集经角膜调制后的红外液晶显示器显示的结构光信息：
使用本领域公知方法《Huntley J M,Saldner H.Temporal phase-unwrappingalgorithm for automated interferogram analysis[J].Applied Optics,1993,32(17):3047-3052.》中的时间相位解包裹算法，获得相机每个像素x对应拍摄到的红外光液晶屏幕像元X的位置。本实施例根据该时间相位解包裹算法，在红外光液晶屏幕上投影1至10共10组单频率条纹。其中每组条纹通过如公式(1)中的四步相移法求解包裹在[-π,+π)之间的包裹相位φ(x)。
Figure BDA0003186544230000042
相机每个像素x对应拍摄到的屏幕像元X的位置关系可在对包裹相位φ(x)进行解包裹后的绝对相位
Figure BDA0003186544230000056
中获得。绝对相位
Figure BDA0003186544230000057
与包裹相位φ(x)的关系如公式(2)
Figure BDA0003186544230000051
本实施例时间相位解包裹算法为了获得公式(2)中的系数k(x)，利用了不同组频率条纹之间的相位关系。定义频率t下绝对相位
Figure BDA0003186544230000052
与包裹相位φ(x,t)的关系如公式(3)
Figure BDA0003186544230000053
则第10组频率下屏幕像元X的位置与其对应的相机每个像素x的关系f(x)可由公式(4)计算得到。
Figure BDA0003186544230000054
其中，系数ν(x,10)可由公式(5)计算，其中round(·)表示对小数进行四舍五入取整。
Figure BDA0003186544230000055
5)求解角膜三维形貌信息：
以获取图2中红外相机1中像素x1对应的角膜高度Z为例。通过相机内参标定，可获得像素x1对应的射线l1。在射线l1上搜索高度Z，使此高度下两个相机对应接收到的入射光线与红外液晶显示器的出射光线满足反射定律，并满足在两个相机下该点Z的法矢一致。最终通过测量获取的角膜表面面形S(x)结果如图5所示。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于红外显示设备的角膜面形测量装置，其特征在于：该装置包括：
红外显示设备、用于向角膜投射条纹结构光；
红外相机、用于采集经角膜反射调制后的条纹结构光信息；
计算机、分别与红外显示设备、红外相机连接，用于控制红外显示设备及红外相机，并进行计算以获得测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于红外显示设备的角膜面形测量装置，其特征在于：所述红外显示设备波长介于760nm～1mm。
3.根据权利要求1所述的基于红外显示设备的角膜面形测量装置，其特征在于：所述红外显示设备采用红外发光二极管/红外发光灯珠/红外投影仪作为背光的液晶显示器、或采用红外有机发光二极管自发光的液晶显示器、或直接由红外发光二极管/红外发光灯珠阵列组成的显示设备、或红外等离子体显示器。
4.根据权利要求1所述的基于红外显示设备的角膜面形测量装置，其特征在于：所述红外显示设备为平面结构或具有面形的立体结构。
5.根据权利要求1所述的基于红外显示设备的角膜面形测量装置，其特征在于：所述红外显示设备为一台以上，所述红外相机为一台以上。
6.根据权利要求1所述的基于红外显示设备的角膜面形测量装置，其特征在于：所述红外显示设备与红外相机架设至面向待测角膜的方向。
7.一种基于红外显示设备的角膜面形测量方法，包括以下步骤：
将红外显示设备与红外相机架设至面向待测角膜的方向，使红外相机能够观测到红外显示设备上显示的经过角膜反射调制后的结构光信息；
标定红外相机与红外显示设备；
在红外显示设备上显示条纹结构光信息，利用红外相机采集经角膜表面反射调制后的结构光信息，通过条纹相位解算得到的绝对相位，获得红外相机每个像素拍摄到的光线对应于红外显示设备的像元位置，根据像元位置获得红外显示设备上光线出射点的二维尺寸物理坐标，利用红外显示设备相对于红外相机的位置以及红外屏幕面形的标定结果，获得红外显示设备上光线出射点的三维尺寸物理坐标，利用红外相机成像参数标定结果、以及光线反射定律，通过计算最终恢复角膜表面三维形貌。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述标定通过靶标标定红外相机的成像模型参数，利用标准镜面反射物体成像反求参数，或利用三坐标测量机直接测量位置关系完成红外相机与红外显示设备相对位置关系以及红外显示设备面形的标定。
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