CN117320615A - 非接触式眼球物理性质测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的非接触式眼球物理性质测量装置1具备：激励部102，使用照射波激励眼球上的至少一个以上的激励点，以在作为被检测眼睛的眼球表面上产生表面波；检测部103，在与激励点不同的眼球上的至少一个以上的检测点上，检测激励部102中产生的表面波；表面波处理部208，解析由检测部103检测到的表面波；以及眼球物理性质计算部209，基于表面波处理部208中的解析结果，计算眼球的物理性质。根据该结构，在本发明所涉及的眼球物理性质测量装置1中，能够通过由激励部102有意产生的眼球上的表面波来测量眼压等，而不会使眼球本身或角膜本身产生振动位移，从而在测量眼压、眼球组织的杨氏模量、剪切弹性模量和粘性系数时，被试验者不会感到不适。

Description

非接触式眼球物理性质测量装置
技术领域
本发明涉及一种以非接触方式测量眼球的物理性质的眼球物理性质测量装置，尤其涉及一种能够测量眼球的眼压、眼球表层组织的材料力学特性等来作为该物理性质的眼球物理性质测量装置。
背景技术
以往，作为眼压的非接触式测量装置，已知一种非接触式眼压计，该非接触式眼压计向眼球吹空气流，使角膜以非接触的方式变形，同时对吹出(吹气，Air Puff)空气流的喷出压进行绘制，并根据角膜变得扁平时的空气喷出压，计算与使用被用作标准眼压测量的接触式压平眼压计测量出的比较测量值之间的相关性，由此得到眼压值。
例如，作为被检测眼睛的角膜的力学特性测量及眼压测量，通过吹气来向内推压角膜使角膜变形，由此角膜形成暂时的扁平形状，将该扁平点称为检测第一压平点。角膜进一步凹陷并达到最大变形后，在恢复到原来的形状的过程中，再次通过扁平面，将其称为第二压平点。
在专利文献1中，提出了一种眼压测量，该眼压测量在该角膜形状变化过程中随着时间变化对空气喷出压进行绘制，测量压平点处的空气喷出压，并根据第一压平点和第二压平点处的空气喷出压求出眼压，由此减小角膜的刚性对测量值的影响。
在专利文献2中，还提出了一种眼压测量及解析角膜的力学材料特性的系统，该系统利用基于沙姆排列的照明和拍摄照相机，对角膜的扁平过程进行摄影来作为角膜断层图像，测量角膜的压平半径和自由振动，由此减少角膜的刚性对测量值的影响。
另外，作为非接触式眼压计的方法，已提出了几种方法来作为超声波式(声音辐射压力式)的非接触式眼压计，该超声波式(声音辐射压力式)的非接触式眼压计将超声波照射到角膜上，通过超声波的声压来使角膜变形或使角膜振动，从而测量眼压。例如，专利文献3提出了一种系统，该系统通过由超声波照射产生的声音辐射压力来使角膜变形，并检测其变形量来测量眼压。在专利文献4中，提出了一种系统，该系统向眼球照射由参量扬声器产生的强力超声波，对眼球施加振动，通过对已照射的超声波的振动频率进行调制来检测眼球的固有振动，以测量眼压。在专利文献5中，提出了一种系统，该系统检测照射在眼球上的超声波从眼球表面反射的反射波，并根据反射波相对于照射波的相移量，以求出眼压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利公报第7909765号
专利文献2：日本专利第5314090号公报
专利文献3：特开2020-5679号公报
专利文献4：第6289040号公报
专利文献5：日本专利第5505684号公报
专利文献6：特开昭61-8592号公报
专利文献7：特开平3-60629号公报
专利文献8：特表平8-507463号公报
专利文献9：特开2000-60801号公报
专利文献10：特公平6-59272号公报
专利文献11：特开2011-50445号公报
专利文献12：特开2012-5835号公报
非专利文献
非专利文献1：Direct Experimental Observation of the Crossover fromCapillary to Elastic Surface Wave on Soft Gels，October 1998Physical ReviewLetters，Volume 81Number 15，Francisco Monroy and Dominique Langevin
非专利文献2：Surface-wave modes on soft gels，The Journal of theAcoustical Society of America，December 1998，Y.Onodera and P.K Choi
非专利文献3：利用表面波调查柔软物质日本音响学会志56卷6号(2000)pp.445-450，崔博坤
非专利文献4：Optical coherence elastgraphy assesment of cornealviscoelasticity with amodified Rayleigh-Lamb wave model，Jounal of theMechanical Behavior of Biomedical Materials，66(2017)87-94，Zhaolong Han等
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1及专利文献2这样的利用吹气使角膜变形以进行测量的系统中，无法避免因吹气射出时产生声音或因吹出空气而对被检测者造成的不适感。另外，由于吹气，使得泪液等位于眼表面上的附着物飞散，从而具有成为周围的感染源的危险性。
进而，在为上述超声波激振类型的情况下，为了检测角膜的变形或振动，激励眼球振动所需的超声波输出较大。因此，作为激振用超声波振荡装置，在专利文献3的实施例中，使用郎之万(Langevin)型的强力振子来提高超声波的声压。在专利文献4中，需要使用具有非常多的超声波振子阵列的参量扬声器来获得强力的超声波功率。在专利文献5中，需要通过声透镜高效地对超声波进行照射。为了获得强力的超声波功率，激振用的超声波振荡装置变大，在被检测眼睛的前方且附近需要比较大的配置空间，在专利文献3、4、5中的任一示例中，均对实现测量时针对被检测眼睛的对准检测机构与用于拍摄眼球图像的拍摄装置的并存等装置带来了很多限制。
另外，在这些超声波激振类型的非接触眼压计中，向眼球照射激振用超声波的焦点位置与眼球振动或角膜变形量的检测位置在眼球上大致一致。其原因在于，由于对由于眼球的变形或振动而产生的位移或振幅的大小、或者激振超声波的反射波由于眼球振动而发生了相位位移的位移量均进行了测量，因此，在激振用超声波照射位置与振动或位移的检测位置为相同位置的情况下，检测灵敏度最高，检测精度被最优化。
因此，为了使激振用超声波照射的焦点位置与检测装置的检测位置大致一致，优选配置为将激振用超声波的照射轴与检测的检测轴为同轴。或者，在不能为同轴的情况下，由于使激振用超声波相对于眼球表面倾斜地射入，因此激振效率变低。由此，需要通过以更强力输出激振用超声波，来弥补测量灵敏度的降低。
另外，所述超声波照射的焦点位置与所述检测位置大致一致会导致装置相对于被检测眼睛的对准偏差和被检测眼睛的固视偏差，这些偏差与所述激振用超声波照射位置与检测位置的不一致有关，测量值容易产生偏差。由于所述激振用超声波未照射到眼球上的适当位置，因此眼球振动的振幅和眼球变形的位移变得较小且不稳定，并且由于检测用信号也会变弱且不稳定，因此测量变得不稳定，不能得到可靠性高的测量值，如测量值出现偏差等。
而且，在专利文献3和专利文献4中，由于根据位移的大小和共振点的振幅的大小来检测眼压，因此若振动和位移的检测装置也未对准在适当的位置上，则检测灵敏度下降，不能稳定地得到检测信号，因而不能得到准确的振幅和位移量。这在测量振幅和位移量的情况下是致命的因素，降低了测量结果的可靠性。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种非接触式眼球物理性质测量装置，该非接触式眼球物理性质测量装置不是现有的基于眼球或角膜本身的振动或位移、或者基于由振动引起的相位的变化的装置，而是能够使用以非接触的方式在眼球表面上的规定位置处产生的表面波来测量眼压及眼球表层组织的材料力学特性的物理性质(眼组织的杨氏模量和剪切弹性模量、粘性系数等)的装置。
解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明是一种非接触式眼球物理性质测量装置，其特征在于，具备：激励单元，所述激励单元使用照射波激励眼球上的至少一个以上的激励点，以在作为被检测眼睛的眼球表面上产生表面波；检测单元，所述检测单元在与所述激励点不同的眼球上的至少一个以上的检测点上，检测所述激励单元中产生的表面波；表面波处理单元，所述表面波处理单元解析由所述检测单元检测到的表面波；以及眼球物理性质计算单元，所述眼球物理性质计算单元基于所述表面波处理单元中的解析结果，计算眼球的物理性质。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，所述表面波处理单元确定表面波的相位变化和延迟时间中的至少一方；所述眼球物理性质计算单元基于该表面波的相位变化和延迟时间中的至少一方，确定该表面波的相位速度及群速度中的至少一方，并且基于该表面波的相位速度和群速度中的至少一方，计算眼球的物理性质。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，由所述激励单元发出的照射波是基本频率为20KHz以上且200KHz以下的空中超声波的连续波、或该空中超声波的10波以上的突发波。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，还具备调制单元。所述调制单元利用200Hz以上且100KHz以下的调制频率对所述空中超声波进行振幅调制，所述调制频率低于所述空中超声波的基本频率。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，所述激励单元发出的照射波是由基本频率为50KHz以上且50MHz以下的相干光或非相干光的光源产生的连续脉冲光，所述眼球物理性质测量装置还具备调制单元，所述调制单元利用200Hz以上且100KHz以下的调制频率对所述脉冲光进行振幅调制；所述调制频率低于所述脉冲光的基本频率；所述激励单元连续照射经所述调制单元以低于所述脉冲光的基本频率的频率进行振幅调制后的振幅调制连续脉冲光，或者照射该振幅调制连续脉冲光的10个周期以上的突发波。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，所述激励单元产生经所述调制单元进行振幅调制后的频率为20KHz以上且50KHz以下的表面张力波或泄漏表面张力波作为表面波，所述眼球物理性质计算单元基于该表面张力波或泄漏表面张力波的相位速度、在一体化形成或分体形成的测量装置中测量出的被检测眼角膜的曲率、以及下述(计算公式1)或(计算公式2)，求出作为所述物理性质的表面张力，并且，基于下述(计算公式3)计算眼球的眼内压。
[计算公式1]
其中，cc为表面张力波的相位速度，γ为表面张力，ρ为密度，ω为表面波的角频率。
[计算公式2]
其中，Clc为泄漏表面张力波的相位速度，γ为表面张力，ρ为密度，μ为剪切弹性模量。
[计算公式3]
其中，Pi：内压(眼内压)，Po：外压(大气压)，γ：表面张力，R：表面曲率(角膜曲率)。
优选的是，所述激励单元产生经所述调制单元进行振幅调制后的频率为200Hz以上且5KHz以下的瑞利波或瑞利-兰姆波作为表面波，所述眼球物理性质计算单元基于该瑞利波或瑞利-兰姆波的相位速度以及下述(计算公式4)至(计算公式6)，计算作为所述物理性质的剪切弹性模量、杨氏模量或粘性系数。
[计算公式4]
E＝2μ(1+v)
其中，μ为剪切弹性模量，E为杨氏模量，ν为泊松比。
[计算公式5]
其中，Cr为瑞利波的相位速度，μ为剪切弹性模量，ρ为密度，ν为泊松比。
[计算公式6]
μ*＝μ+iωη
其中，Cp：瑞利-兰姆波的相位速度，ρ：角膜的密度，ρF：水的密度，d：角膜厚度×1/2，k：表面波的波数，ω：表面波的角频率，μ：剪切弹性模量，η：粘性系数，cF：水的声速。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，所述检测单元使用基于超声波反射法、光学三角法、光学多波长同轴光线的共焦点方式、光外差方式的傅里叶域光干涉仪进行的相位检测、或基于激光多普勒干涉仪进行的振动检测，来检测表面波。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，以使所述激励单元的照射轴与所述检测单元的检测轴的交点同角膜的曲率中心一致的方式配置所述激励单元和所述检测单元。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，还具备角膜曲率测量功能，所述角膜曲率测量功能测量沿着从所述激励单元中的激励点至所述检测单元中的检测点的角膜前表面曲率。
在该眼球物理性质测量装置中，优选的是，还具备测量功能，所述测量功能通过光切断法，测量沿着从所述激励单元中的激励点至所述检测单元中的检测点的角膜前表面曲率及角膜厚度。
为了达成上述目的，本发明是一种非接触式眼球物理性质测量方法，其特征在于，包括：激励步骤，所述激励步骤使用照射波激励眼球上的至少一个以上的激励点，以在作为被检测眼睛的眼球表面上产生表面波；检测步骤，所述检测步骤在与所述激励点不同的眼球上的至少一个以上的检测点上，检测所述激励步骤中产生的表面波；表面波处理步骤，所述表面波处理步骤解析通过所述检测步骤检测到的表面波；以及眼球物理性质计算步骤，所述眼球物理性质计算步骤基于所述表面波处理步骤中的解析结果，计算眼球的物理性质。
发明效果
本发明所涉及的非接触式眼球物理性质测量装置具备：激励部，所述激励部使用照射波激励眼球上的至少一个以上的激励点，以在作为被检测眼睛的眼球表面上产生表面波；检测部，所述检测部在与激励点不同的眼球上的至少一个以上的检测点上，检测激励部中产生的表面波；表面波处理部，所述表面波处理部解析由检测部检测到的表面波；以及眼球物理性质计算部，所述眼球物理性质计算部基于表面波处理部中的解析结果，计算眼球的物理性质。根据该结构，在本发明中，能够在不使眼球本身或角膜本身产生振动位移的情况下，通过由激励部有意产生的眼球上的表面波来测量眼压等。试验对象在眼压等的测量中不会产生不适感，并且能够不受波形的振幅的影响而进行稳定的测量。另外，通过将激励点与检测点分开，能够简单地配置观察光学系统和对准光学系统。
附图说明
图1是示出本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置所具备的、针对被检测眼角膜的表面波的激励部与检测部的基本结构的图。
图2是本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置的功能框图。
图3是示出使用本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置所具备的调制部对表面波的激励用超声波进行振幅调制而得到的波形的一个示例的图。
图4是说明将本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置所具备的表面波的激励用超声波换能器设为由多个构成的换能器并以参量扬声器方式产生的低频声压的图。
图5是在本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置所具备的激励部中由脉冲光的光声效应产生的被检测眼表面上的表面波的情况的说明图。
图6是示出本实施方式所涉及的经调制部调制后的用于通过脉冲光产生表面波的调制脉冲光的产生模式的一个示例的图。
图7是示出在本实施方式所涉及的调制部中使用激光脉冲光的外部调制法的情况的一个示例的图。
图8是示出在本实施方式所涉及的调制部中使用激光二极管的直接调制法的情况的一个示例的图。
图9是示出在本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置所具备的检测部中利用超声波反射法进行表面波检测的一个示例的图。
图10是示出在本实施方式所涉及的检测部中利用光学三角法进行表面波检测的一个示例的图。
图11是示出在本实施方式所涉及的检测部中利用光学多波长同轴光线的共焦点方式进行表面波检测的一个示例的图。
图12是示出在本实施方式所涉及的检测部中利用光外差方式的傅里叶域光干涉仪的相位检测进行表面波检测的一个示例的图。
图13是示出在本实施方式所涉及的检测部中利用光外差方式的激光多普勒测量进行表面波检测的一个示例的图。
图14是示出本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置所具备的表面波的激励部以及检测部的配置例的图。
图15是示出在本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置中附带的角膜曲率测量功能的一个示例的图。
图16是示出在本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置中用于测量被检测眼睛的角膜曲率的点状视标的成像的情况与测量的曲率线的关系的一个示例的图。
图17是示出本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置中的利用光切断法进行被检测眼角膜厚度以及角膜曲率测量的一个示例的图。
图18是示出本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置中的利用光切断法的角膜曲率和角膜厚度测量系统、以及基于表面波的眼压测量系统的配置的一个示例的图。
图19是示出本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置的动作顺序的一个示例的流程图。
具体实施方式
(实施方式)
在此，按照下述顺序，对本发明的实施方式进行说明。
(1)测量方法的基本结构
(2)在眼表面上产生的表面波
(3)用于产生表面波的激励单元的结构
(4)用于检测表面波的检测单元的结构
(5)激励单元和检测单元的配置形式
(6)获取数据的处理
(7)角膜前表面曲率测量功能的实施方式例
(8)利用光切断法测量角膜曲率以及角膜厚度的实施方式例
(1)测量方法的基本结构
本发明利用被检测眼睛的眼球表面波，通过求出其相位速度，来求出被检测眼睛的眼压和被检测眼组织的材料特性，因此在激励点和检测点的位置分别为一处的情况下，检测点只有测量与激励点不同的位置，才能测量表面波的传播。但是，在激励点或检测点为多个的情况下并不限于此。
图1表示在本实施方式所涉及的非接触式眼球物理性质测量装置中激励点104和检测点105分别为一处的最简单的结构的情况。相对于眼球表面101，在激励点104和检测点105各自的法线上，以使激励照射轴107与检测轴108分别大致同轴的方式配置激励部102和检测部103。激励照射轴107和检测轴108的延长线上的交点与角膜曲率中心大致一致。通过这样配置的激励部102，照射到眼球表面的超声波或脉冲光(优选使用相干光或非相干光的光源产生的连续脉冲光)在与眼球表面垂直的方向上激励具有振幅的表面波106。表面波106如同向水面投掷石块时在水面上产生细波那样，以激励点为中心并以由激励单元确定的频率和相位速度，在眼表面进行传播，因此能够通过在规定位置处检测该波，以求出表面波的频率和相位速度。
在此，对表面波进行说明。在软组织中传播的波包括：在组织中传播的实体波、以及沿着组织的表面传播的表面波和导向波。在此，将表面波或导向波统称为在组织表面出现的波的传播，来作为表面波。
在实体波中，存在纵波的弹性波和横波的剪切弹性波，在生物体组织中，也被应用于利用作为纵波弹性波的超声波的图像诊断装置、以及利用横波剪切弹性波进行测量(作为组织的硬度诊断)的超声波弹性图等中。
在表面波中，存在瑞利波、源于表面张力的恢复力的表面张力波、和泄漏表面张力波，瑞利波作为源于剪切弹性产生的恢复力进行作用的表面弹性波，泄漏表面张力波通过剪切弹性与表面张力混合后的作用而进行传播。关于这些表面波，已知一种凝胶状物质的硬度测量等测量示例。
作为在板状介质中传播的波，还已知兰姆波。兰姆波与在半无限介质中传播的瑞利波不同，兰姆波以板的两个边界面的外侧满足如空气或真空状态那样的力学上自由的边界条件的方式在板状介质中传播。
然而，角膜、结膜、巩膜等眼球组织呈层状结构，例如，角膜的外侧表面与空气接触，内侧的边界面为与前房水接触的薄层结构。各个边界面的边界条件不同，并且需要考虑其中一个边界面与液体物质接触的情况。在这种情况下，作为考虑到与在边界相接触的其他物质之间的边界条件的导向波，已知瑞利-兰姆的模型。
从瑞利波或瑞利-兰姆波中，能够根据其相位速度Cr和密度ρ，求出介质的剪切弹性模量G和粘性系数η。另外，从表面张力波中，能够根据其相位速度cc、密度ρ和角频率ω，求出介质的表面张力γ。此外，从泄漏表面张力波中，能够根据其相位速度Cl、剪切弹性模量G、密度ρ和角频率ω，求出表面张力γ。
根据以上所述，能够通过测量组织表面的瑞利-兰姆波的相位速度，求出剪切弹性模量G和粘性系数η，通过测量表面张力波或泄漏表面张力波的相位速度，求出表面张力γ，通过拉普拉斯定律，根据表面曲率半径和表面张力，求出内压，即若是眼球，则求出眼压。
在此，在眼球表面上传播的表面波不是眼球或角膜本身的振动，而是仅局限于该组织的表面附近而传递的波，与使角膜或眼球本身振动的功率相比，用于产生该表面波的功率能够以更小的功率产生表面波。另外，由于检测出的是表面波的传播速度、相位或频谱，因此源于表面波的振幅变化的影响较小，相对于临床上的各种外部影响，能够进行稳定的测量。
接着，参照图2，对本实施方式所涉及的非接触式眼球物理性质测量装置1的功能结构进行说明。图2是眼球物理性质测量装置1的一个示例，通过对眼球表面进行激励的激励单元201，来对眼球表面进行激励以产生表面波，通过检测单元202来检测表面波。激励单元201被驱动电路203驱动，驱动电路203被控制单元211的发送控制部210控制。激励单元201具备调制部201a，调制部201a用于利用低于超声波或脉冲光的振荡频率的调制频率，对超声波或脉冲光进行振幅调制。检测单元202与检测用的发送部和接收部成为一体，被检测用发送电路204驱动的发送部向眼表面发送检测用发送信号。接收部接收从眼表面反射回来的信号，并向检测用接收电路205发送检测信号。在检测用接收电路205中，例如经放大后的接收波被A/D转换器207转换为数字信号，并向控制单元211侧发送。通过控制单元211中的表面波处理部208处理接收波，在接收波中确定表面波的分量，并测量表面波的相位和延迟时间。眼球物理性质计算部209根据表面波的相位和延迟时间计算相位速度，并计算眼压或眼组织的材料特性。
作为激励表面波的激励单元201，存在利用超声波的激励方法和利用脉冲光的激励方法。利用超声波的方法是通过照射到眼表面的规定位置的超声波的声压，使眼表面振动而产生表面波。利用光学能量的方法是通过将短脉冲光照射眼表面，使位于照射了脉冲光的焦点位置处的组织吸收光能，导致温度上升，瞬间热膨胀，由此在组织中产生超声波。产生的超声波在组织表面传播并激励表面波。
需要说明的是，如下所述，作为检测表面波的方法，存在基于超声波反射法的检测法、基于光学三角法的微小位移检测法、多波长同轴共焦点法、光外差法。超声波反射法是通过使用比已产生的表面波的频率高几倍以上的频率的超声波，来向表面波的检测点发送或从表面波的检测点接收，并对返回的反射波进行解调和检测，由此检测眼表面的表面波。光学三角法是将光束照射到检测点上，通过多个光接收元件或一维拍摄元件、二维拍摄元件，检测从检测点反射的光，并根据由表面振动引起的反射角的周期性变化产生的光接收元件的输出变化、以及拍摄元件的亮点位置变化，来检测表面波。多波长光束的差分检测法是将波长不同的多个光束同轴地照射在眼表面上，各个波长的光束以其焦点位置逐渐偏移的方式进行光学设计，当以角膜表面进入焦点位置区域的方式进行对准时，各个波长的反射光强度由于眼表面的振动而摆动，从而对各个波长的反射光强度进行差分放大，以检测表面波。基于光外差法的方法包括：测量由于通过傅里叶域光干涉仪检测出的眼表面的微小变动而引起的相位变化的方法、以及通过激光多普勒振动仪检测眼表面的微小振动来检测表面波的方法。
在表面波的相位速度检测中，可以对检测出的表面波信号与激励单元驱动电路203的驱动信号之间的相位差进行测量，并且根据该相位差和从激励点到检测点之间的距离，计算相位速度。在具有多个检测点的情况下，可以检测各检测点的表面波的相位，并且根据它们的相位差和检测点之间的距离，计算相位速度。
如果要求出瑞利波或瑞利-兰姆波的相位速度，则可以根据后述的计算公式，计算组织的剪切弹性模量、杨氏模量和粘性系数。
如果要求出角膜表面的表面张力波或泄漏表面张力波的相位速度，则可以根据后述的计算公式，求出角膜表面的张力，并可以根据眼表面的平均曲率和表面张力，通过拉普拉斯定律，计算内压即眼压。
(2)在眼表面产生的表面波
在生物体组织等的表面上产生的表面波作为弹性波，存在剪切弹性或粘性作为传播过程中的恢复力而进行作用的瑞利波或瑞利-兰姆波、表面张力作为恢复力而进行作用的表面张力波、以及作为将剪切弹性或粘性与表面张力混合成的恢复力而进行作用的泄漏表面张力波等。例如，在角膜表面上产生的是瑞利-兰姆波的情况下，可以观察到零阶反对称模式。零阶的相位速度相对较慢，约为1～5m/sec，并具有频率分散，因此相位速度随频率而不同。频率为200Hz到5KHz之间是可检测的，如果从该频率范围偏离，则衰减变大，检测变得困难。该可测量的频率随眼组织的杨氏模量和组织层的厚度而变化，因此需要以多个频率进行测量。
在产生的是表面张力波或泄漏表面张力波的情况下，为了使表面张力作为恢复力而具有支配性，该波的波长短且波局限于生物体表面，具有相对较高的频率，并可利用比瑞利波或瑞利-兰姆波更高的频率进行检测。关于表面张力波的频率，在为角膜的情况下波长比角膜的厚度短，并且可利用瑞利-兰姆波的影响较小的20KHz以上的频率(例如20～50KHz)来检测。
(3)用于产生表面波的激励单元的结构
作为表面波的激励单元，可以考虑源于超声波的激励单元和源于光学能量的激励单元。
在为空中超声波的情况下，频率可以约为20KHz到1MHz，但为了得到激励用的有效功率，频率约为20KHz到100KHz比较合适。在100KHz以上的空中超声波用换能器中，不仅放射声压较低，而且由于空中的传播，因此衰减也变大。在超声波的频率为f的情况下，超声波在空中传播时的衰减系数为1×10-11×f2(m-1)，与频率的平方成比例，在超声波的频率为100KHz的情况下，超声波在空中传播时的衰减系数为0.1(m-1)，衰减呈指数函数变大。
通常，用作超声波传感器的空中超声波换能器，有时在一个换能器中没有足够的声压。在这种情况下，也可以驱动多个超声波换能器以获得足够的超声波输出。此外，还可以通过对多个超声波换能器各自的驱动信号进行相位控制，来控制超声波的相位，还可以构成用于将眼表面上的焦点位置控制在任意位置的相控阵换能器，来控制焦点位置。即使在使用多个超声波换能器的情况下，由于超声波的声压与基于角膜振动的振动检测相比不高，因此构成超声波换能器阵列时的换能器的数量不多，且是有限的。
另外，为了使瑞利波或瑞利-兰姆波激励眼表面，必须以低于超声波的可听区域的频率局部地激励眼表面。因此，通过以较低频率使较高频率的超声波进行振幅调制，能够在焦点位置附近产生与振幅调制频率相同的较低频率的声压波。图3示出了如下的内容：使用调制部201a，在超声波换能器的振荡频率上叠加较低频率的调制信号，并进行振幅调制以产生振幅调制超声波。此外，还可以通过使用多个超声波换能器进行相控阵(Phrasedarray)控制和频率的振幅调制，使其具有灵敏的指向性，并且仅在焦点位置附近产生低频的声波，并以振幅调制频率选择性地激励眼表面的规定位置。作为参量扬声器，这是众所周知的原理。图4示出了通过参量扬声器结构在超声波束的焦点附近产生低频声压。例如，表示从换能器阵列401发送经调制后的调制超声波Mw，该换能器阵列401位于激励单元201且由多个超声波换能器构成，超声波在焦点位置F处聚焦，且局部产生作为低频的调制频率分量的声波Mc。另外，也可以分别改变换能器阵列401内的各个换能器的驱动信号相位，以向前后控制焦点位置，从而实现焦点位置控制。
在激励单元为光能的情况下，可以通过短脉冲光进行激励。图5示出了利用脉冲光激励表面波。从光源501向眼表面照射脉冲光来作为连续脉冲，照射的脉冲光能被位于焦点位置处的加热点Hp附近的分子吸收，使得组织瞬间热膨胀和收缩，由此在眼表面正下方的眼内组织中产生超声波。该超声波到达表面并激励表面波。作为光声效应，利用光在生物体内产生超声波的方法是已知的，基于使用该原理的光声成像的图像诊断装置是已知的。
用作光声效应的脉冲光非常短，使用纳秒量级的短脉冲光。作为基于脉冲光的光声效应，生物体内产生的超声波的频率约为1MHz至10MHz。因此，用简单的连续脉冲产生的超声波无法激励KHz量级的较低频率的表面波。为了解决这个问题，脉冲光使用100KHz以上的连续脉冲，通过以与产生的表面波的频率相同的较低的振动频率对该连续脉冲光进行强度调制，来叠加较低频率的声压变化，激励表面波。图6示出了通过调制频率信号对基本脉冲频率的连续脉冲光进行调制来作为调制脉冲光。即，需要连续地照射经调制单元对光脉冲的功率强度进行振幅调制后的振幅调制连续脉冲光，或者需要照射该振幅调制连续脉冲光的10个周期以上的突发波。
作为光强度调制法，图7示出了外部直接调制法，在该外部直接调制法中，接收到来自控制器201c的电气调整信号的控制器201a使激励单元201所具备的CW激光器201b直接开启/关闭。图8示出了直接调制法，在该直接调制法中，在激励单元201中，利用电流控制部201e对半导体光源LD(半导体激光器、超辐射发光二极管(Super Luminescent Diode，SLD)、发光二极管等)201d的驱动电流进行调制。
作为脉冲光的光源，存在发光二极管、半导体激光器、光纤激光器、超辐射发光二极管等。光源的波长优选眼表面组织的光吸收率较高的波长。但是，角膜是透明的组织，且在380nm到1400nm的区域的光吸收率较低，而在该区域以外的波长下吸收率变高，因此紫外线或近红外线为候补光源，但考虑到生物体安全性，紫外线区域对生物体的侵袭较大，光的功率不会提高，因此优选波长在1400nm附近的近红外线区域到3000nm附近的红外线区域。如果是角膜以外的不透明组织，则在400nm以上的可见光区域到近红外区域的光的吸收率较高，特别是血液中的血红蛋白在600nm以下的波长下，光的吸收率急剧上升，因此，当以眼表面的毛细血管为加热点且使用400nm至600nm的脉冲光时，能够高效率地激励。在将结膜等角膜以外的表面组织作为激励点的情况下，将结膜的毛细血管作为加热点Hp照射脉冲光，并通过在结膜表面激励表面波，在角膜上检测传播到角膜的表面波，从而能够进行高效率的测量。
关于用于产生表面波的激励方法，主要示出了基于连续波的激励，但也可以是基于突发波的激励。但是，在突发波的情况下，为了使激励单元的输出稳定，还为了使表面波的振幅稳定，需要输出固定波数的连续波。其原因在于，例如，在基于超声波的激励的情况下，超声波换能器的声压达到峰值为止需要固定的时间，在基于脉冲光的激励的情况下，表面波的升高也需要时间。因此，在基于突发波或突发脉冲激励表面波的情况下，根据至少可检测的表面波为10波以上(10个周期以上)的程度的发送时间，发送超声波、调制超声波或调制脉冲光。由于突发波的发送时间取决于超声波换能器和脉冲光光源等的特性，因此根据其特性来决定突发波的发送时间。
(4)用于检测表面波的检测单元的结构
作为表面波检测用的检测单元，存在超声波反射法、光学三角法、光学多波长同轴共焦点方式和光外差方式等。
在将检测单元设为超声波反射法的情况下，利用连续超声波或100波以上的突发超声波进行检测。从发送超声波换能器发送的超声波在到达眼表面之后会发生反射和散射而返回。超声波在眼表面发生反射时，被表面波振动调制，使表面波振动的分量叠加，并返回到接收超声波换能器。通过该解调和检测，能够解调经眼表面的表面波振动调制后的振动频率分量。通过测量该解调波的频率和相位，能够计算表面波的相位和频率。
图9是利用超声波进行表面波检测的实施例之一。在该实施例中，分别具备发送用超声波振子901和接收用超声波振子902。通过将超声波振子分为发送用和接收用，能够将连续超声波用于检测，具有始终能够检测表面波的优点。由控制CPU 903向D/A转换器904输出用于控制电压可变振荡器905的振荡频率的数字值，从D/A转换器904向电压可变振荡器905输出与该数字值对应的控制电压。电压可变振荡器以与该电压对应的频率振荡。振荡得到的信号由发送放大器906放大，驱动发送超声波换能器901，向眼表面发送检测用超声波。从眼表面反射回来的超声波通过眼表面的表面波振动，以表面波的频率进行调制。接收超声波换能器902接收返回的超声波，经接收放大器907放大后的接收信号被输入到乘法器908。从电压可变振荡器905输出的发送信号，作为参照信号，也用于接收信号的解调，因此，产生经仅使发送频带通过的参考信号带通滤波器909过滤后的参照信号，通过乘法器908将该参照信号与接收信号相乘，以对接收信号进行解调，由此包含在接收信号中的表面波分量被解调。通过解调信号带通滤波器910除去表面波以外的频率分量，通过A/D转换器911转换为数字值，输入到控制/运算CPU 903进行计算处理。此时，控制/运算CPU 903配置在图2所示的控制单元211内，在此，基于表面张力等表面波的物理性质值和这些物理性质值，计算眼球的眼压等。
如果将检测用超声波设为突发波，则超声波换能器可以同时发送和接收，并且可以由一个换能器来检测表面波振动。另外，也可以不对返回的接收信号进行解调/检测，而是直接通过A/D转换器进行数字转换，并输入到运算CPU，通过傅里叶转换计算表面波分量的频谱和相位变化。
在此，检测用超声波的频率优选为经激励单元激励后的表面波的频率的至少10倍左右。对于在进行解调/检测和傅里叶转换处理的基础上将超声波的基本频率与表面波的频率分量完全分离以准确地检测表面波，这是必要的。因此，将检测用突发波设为100波以上的原因在于，为了提高表面波的相位检测精度，要检测和解析至少10波以上的表面波分量，因此检测用超声波作为表面波频率的约10倍左右，则为100波。
接着，参照图10，对利用光学三角法检测表面波检测用的检测单元的情况进行说明。在这种情况下，将检测用光束照射到检测点，利用多个光接收元件或光学位置传感器、光学线路传感器等来检测从检测点反射/散射而返回的光。当检测点表面因表面波振动而振动时，从检测点返回的光的角度和强度分布也发生变化，光接收侧成像面的成像位置也发生变化，因此，在多个光接收元件的情况下，可以对各个光接收元件的输出变化进行差分放大来检测振动，在光学位置传感器和光学线路传感器的情况下，可以检测成像位置的变化本身，因此可以将该位置变化作为表面波振动进行检测。图10是利用光学三角法的检测单元的示例。从表面波检测光源1001照射的光经由物镜1002到达眼表面，在检测点反射的光经由成像透镜1003射入光接收元件A 1004和光接收元件B 1005。当检测点由于表面波而振动时，由于在检测点反射的光的光轴角度根据振动而变化，因此分别射入光接收元件A1004和光接收元件B 1005上的光量也会相对变化。通过差分放大器1006对从光接收元件A1004和光接收元件B1005输出的电气信号进行差分放大，由此检测检测点的表面波振动。
接着，参照图11，对检测单元利用光学多波长同轴光线的共焦点方式进行检测的情况进行说明。在这种情况下，将测量光线设为如下的光学系统，该光学系统通过多个波长或白色光的光源照射光线，并且具有焦点位置根据波长逐渐偏移的色像差焦点。当眼表面的检测点产生基于表面波的微小振动时，焦点位置稍有不同的各波长的反射光量也随着振动而变化，接近焦点位置的波长的反射光较强，远离焦点位置的波长的反射光较弱。此外，由于通过共焦点光学系统，可以在各波长的焦点位置附近得到更灵敏的反射峰，因此如果将反射回来的光线分成多个波长，并由光接收元件检测，则射入各波长的光接收元件的光量即使是微小振动，也会发生显著变化。通过对来自各波长的光接收元件的电气信号进行差分放大，能够检测基于表面波的检测点的振动。图11示出了多波长同轴共焦点方式的实施例。从光源1101照射的光线经由光纤准直器1102、光纤耦合器1103、光纤准直器1104，由色像差聚焦透镜1105将各波长的焦点分别稍微错开，并照射到眼表面的检测点。在该示例中，示出了当通过波长A、波长B和波长C的焦点相对于检测点分别稍微偏移来使各波长的检测峰值偏移并且使眼表面的检测点位置偏移时，各波长的反射光量会发生变化。在检测点反射的光线经由色像差透镜1105、光纤准直器1104、光纤准直器1106射入分光检测单元1107。射入分光检测单元的光线被热镜1107a和热镜1107b分成波长A、波长B和波长C，并经由与各自的波长对应地呈共焦点的成像透镜A、成像透镜B和成像透镜C，射入光检测器1107c、光检测器1107d和光检测器1107e。通过对从各个光检测器输出的电气信号进行差分放大，来检测表面波的振动。
接着，参照图12，对将检测单元设为利用光外差方式的傅里叶域光干涉仪的相位检测的情况进行说明。在这种情况下，从超辐射发光二极管或波长扫描激光光源等低相干光源射出的光线，在光干涉仪内被分为照射到测量对象上的光线和作为参照光的光线。照射到测量对象上的光线从干涉仪照射到眼表面，由眼表面反射并再次射入光学干涉仪。射入光干涉仪上的光线与干涉仪内的参照光发生干涉，并作为具有干涉光谱分布的光谱分布波形和具有差拍(beat)频率的差拍信号进行检测。通过对这些光谱分布波形和差拍信号进行傅里叶转换，计算从眼表面反射回来的光线的干涉峰值和相位。基于表面波的微小变动作为相位的变化被检测，并且能够检测表面波。
图12示出了傅里叶域干涉仪的基于谱域方式的实施例。从超辐射发光二极管(SLD)光源射出的光线是低相干且宽波段的光线。该光线经由光纤射入光纤耦合器1202，并分成两个光路。其中一个光路经由光纤准直器1203和消色差透镜1204投射到参照镜1205上进行反射，并再次经由消色差透镜1204和光纤准直器1203返回到光纤耦合器1202。另一个光路从光纤耦合器经由光纤准直器1206和光圈1207，通过用于对光线进行振动并扫描的振镜1108来使光线振动或将光线设定为规定角度，并经由物镜1209投射到眼表面上。从眼表面反射回来的光线再次经由物镜1209、振镜1208、光圈1207和光纤准直器1206返回到光纤耦合器1202。在光纤耦合器中，所述参照光与从眼表面返回的反射光叠加而形成干涉光，干涉光经由光纤连接器1210、中继透镜1211、衍射光栅1212和消色差透镜1213投影到CCD1214上。CCD 1214输出经衍射光栅1212分光后的光谱分布数据。该光谱数据由运算电路进行傅里叶转换，并计算干涉峰值和相位，检测基于表面波的微小振动。
接着，参照图13，对将检测单元设为利用基于光外差的激光多普勒干涉仪进行检测的情况进行说明。在这种情况下，从激光光源射出的光线被分成两路光线，将其中一路光线照射在眼表面上，另一路光线由声光调制器以固定的载波频率fm被调制。由眼表面反射的光线由于眼表面的表面波振动，经频率为fd的多普勒频移后的光线再次返回干涉仪，并与经声光调制器调制后的光发生干涉，产生fm±fd的差拍频率。由于该差拍频率中的fm是固定的频率，因此只有多普勒频移频率fd会因表面波振动而发生变化。如果对该频率变化进行FM解调，则能够检测表面波振动。
图13示出了激光多普勒干涉仪的实施例。从光频率为fo的激光光源1301射出的光线由偏振射束分裂器1302分成S偏振光和P偏振光两种光线。S偏振光的光线由偏振射束分裂器1302反射，并经由反射镜1304射入声光调制器(AOM)1305。频率由声光调制器调制为fo+fm，并经由反射镜1307由偏振射束分裂器1303以及偏振射束分裂器1308反射，经由1/4波长板1309由参考镜1310反射回来。再次通过1/4波长板1309成为P偏振光，并射入偏振射束分裂器1308。另一方面，透过偏振射束分裂器1302的P偏振光的光线并进一步透过偏振射束分裂器1303、1308，由反射镜1311反射，并经由1/4波长板1312照射到眼表面上。被照射的光线由眼表面反射，并由于表面波振动而通过多普勒频移频率fd以fo+fd的频率返回。通过1/4波长板1312变成S偏振光，并由偏振射束分裂器1308反射。来自参照镜1310的光线与来自眼表面的光线发生干涉，并射入光检测器1313。从光检测器1313输出频率为fm+fd的信号，对随振动而变化的多普勒频移频率fd的调制分量进行FM解调，由此得到相位调制分量和频率调制分量，从而能够检测基于表面波的表面振动。
(5)激励单元和检测单元的配置形式
当激励单元的照射轴与激励点相对于角膜曲面的法线一致时，能够高效地激励。另外，当检测单元的检测轴也同样地与相对于角膜曲面的法线一致时，检测灵敏度高。图14示出了激励部102和检测部103的配置结构，以从激励部102照射的激励能量的照射轴与检测部103的检测轴的交点、同角膜曲率中心大致一致的方式进行对准。当该照射轴与检测轴的交点同角膜曲率中心一致时，照射轴和检测轴也与激励点和检测点上的法线一致。在测量过程中进行对准时，激励部102和检测部103被控制为形成该配置。
(6)获取数据的处理
由本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置1的检测部103获取的数据从检测部103分别作为相位、频率、振幅等参数输出到表面波处理部208。表面波处理部208根据这些数据计算表面波的检测点处的相位和延迟时间。接着，相位和延迟时间在检测点为一处位置的情况下，眼球物理性质计算部209以激励部102的激励信号为基准，求出相位的变化。在存在多个检测点的情况下，根据各个检测点得到的振动波形求出相位差。根据该相位差、频率、以及从激励点到检测点的距离，来计算相位速度。
另外，眼球物理性质计算部209基于下述计算公式求出眼球的物理性质(表面张力、偏移弹性模量、杨氏模量或粘性系数)。具体而言，下述计算公式(1)及计算公式(2)表示杨氏模量E与剪切弹性模量μ的关系。因此，如果根据表面波的相位速度求出剪切弹性模量，则也能够求出杨氏模量。
E＝2μ(1+v)…(2)
其中，μ：剪切弹性模量，E：杨氏模量，ν：泊松比。
关于根据波的相位速度求出眼压和剪切弹性率等眼球的物里性质的计算公式，根据各个表面波的种类(瑞利波、瑞利-兰姆波、表面张力波、泄漏表面张力波)如下记载的计算公式，是已知的。例如，根据专利文献2等，在组织的泊松比为0.49的情况下，瑞利波的相位速度Cr由计算公式(3)表示。由于眼表面组织的密度ρ是已知的，因此如果通过本测量法测量Cr，则可以求出剪切弹性率μ。
其中，Cr：瑞利波的相位速度，μ：剪切弹性模量，ρ：密度，ν：泊松比。
根据非专利文献4等，作为针对角膜的瑞利-兰姆波的计算公式，已知有以下的计算公式(4)、(5)、(6)和(7)。由于角膜的厚度d、角膜的密度ρ、水的密度ρF、表面波的角频率ω等是已知的，因此根据通过本测量法测量的瑞利兰姆波的相位速度，能够计算剪切弹性率μ和粘性系数η。
μ*＝μ+iωη…(5)
其中，Cp：瑞利兰姆波的相位速度，ρ：角膜密度，ρF：水密度，d：角膜厚度×1/2，k：表面波的波数，ω：表面波的角频率，μ：剪切弹性模量，η：粘性系数，cF：水的声速。
根据非专利文献1等，计算公式(8)示出了表面张力波的相位速度cc与表面张力γ的关系。由于眼表面组织的密度ρ和表面波的角频率是已知的，因此能够通过本测量法进行测量，根据表面张力波的相位速度，来测量表面张力。计算公式(10)是用拉普拉斯定律公式测量表面张力和表面曲率，以求出内压Pi-外压Po。在此，表面曲率是角膜的曲率，由于外压为大气压，因此能够根据本测量法计算出的表面张力，来测量内压即眼压。
其中，cc：表面张力波的相位速度，γ：表面张力，ρ：密度，ω：表面波的角频率。
根据非专利文献2和非专利文献3等，计算公式(9)示出了泄漏表面张力波的相位速度Clc与表面张力γ及剪切弹性率μ的关系。表面张力γ可以由密度ρ、剪切弹性模量μ和泄漏表面张力波的相位速度Clc求出，根据拉普拉斯定律公式(10)求出眼压。
其中，Clc：泄漏表面张力波的相位速度，γ：表面张力，ρ：密度，μ：剪切弹性模量。
其中，Pi：内压(眼内压)，Po：外压(大气压)，γ：表面张力，R：表面曲率(角膜曲率)。
需要说明的是，除了这些计算公式以外，还发表了柔性粘弹性物质中的表面波的关系式，也可以采用上述计算公式(1)～(10)以外的计算公式，根据采用的计算公式的不同，计算精度也不同。实际上，由于受到生物体的不均一性、激励点和检测点的尺寸等各自固有条件的影响，因此在以这些计算公式为基础的同时，也有必要求出基于临床数据的近似式。例如，在测量眼压的情况下，在临床上测量眼压时，被认为精度比较高的精密测量是接触式的压平眼压计，这种眼压计通过压平固定面积时的压力，来求出眼压。也可以通过近似地计算利用这些压平眼压计进行的眼压测量与表面张力波的相位速度之间的关系，来校正上述理论式。
在实际的装置结构中，需要将基于表面波测量的数据与临床数据之间的相关关系的校正式进行整理(arrange)，并装载到装置的运算部中。而且，通过临床数据的积累，使用人工智能(AI)、机器学习等方法，能够在不使用计算式的情况下计算出眼压和眼组织的材料力学特性。
(7)角膜前表面曲率功能的实施方式例
当根据基于表面波的相位速度计算出的表面张力来计算被检测眼睛眼压时，需要被检测眼角膜的曲率。在测量眼压时，在预先被一体化形成或分体形成的测量装置中，通过测量被检测眼角膜曲率值，并输入该测量值，由此能够计算被检测眼睛眼压值。但是，角膜曲率的测量截面是沿着包含激励点和检测点的角膜截面进行测量的，由此实现提高精度，因此优选在眼球物理性质测量装置1中附带角膜曲率的测量功能，在测量表面波的同时也测量角膜曲率。作为此时的测量方法，可以应用以下的图15和图16所示的方法。
关于被检测眼睛角膜曲率的测量，如专利文献6及专利文献7所示，已知如下的方法：利用成像光学系统拍摄点状视标，通过多个点状指标在拍摄元件的图像接收面上成像而得到的坐标，来计算角膜曲率，该成像光学系统用于在被检测眼角膜表面投影多个点状视标，并拍摄在被检测眼角膜上投影的多个点状视标。
在通过在被检测眼角膜上投影的多个点状视标和成像光学系统在二维拍摄元件上成像的情况下，在被检测眼角膜上投影的多个点状视标中的一个点状视标在与用于拍摄点状视标的成像光学系统的光轴同轴上投影到被检测眼角膜上，并将该点状视标设为第一视标。将其他的多个点状视标在拍摄光学系统的光轴的周围以同心圆配置，且将它们投影到被检测眼角膜上，将它们设为第二指标。当对成像光学系统进行对准并拍摄以将第一视标成像在拍摄光学系统的二维拍摄元件的光轴位置时，可以根据第一视标与第二视标在二维拍摄元件上成像而得到的坐标的位置关系，来计算被检测眼睛的角膜曲率。如果第二视标为三个以上，则以第一视标为椭圆中心，对第二视标的成像位置进行椭圆近似计算，由此，能够根据计算出的椭圆形状来测量包含被检测眼角膜的散光分量在内的曲率。
在第二视标为两个的情况下，被检测眼角膜的散光分量无法被测量，但通过在包含激励轴和检测轴的同一截面内的被检测眼角膜上使两个第二视标一致，能够测量所述截面内的角膜曲率。由于眼压测量所需的被检测眼角膜曲率可以仅通过包含激励轴和检测轴的截面中的曲率来计算，因此第二视标可以为两个。
图15示出了第二视标为四个的情况下的实施例。
与拍摄光轴同轴的测量光源1502以及拍摄光轴周围的准直光源1507a～1507d，是用于将点状视标投影到角膜表面的光源。从光源1502发出的光经由中继透镜1503被半反射镜1504反射，并经由分色镜1505、物镜1506投影到被检测眼睛1501的被检测眼角膜1501a上。另外，从在光轴周围以同心圆配置的准直测量光源1507a～1507d发出的并行光束的光，被投影到被检测眼角膜1501a上。从被检测眼角膜1501a反射而得到的各光源的反射像，经由物镜1506、分色镜1505、半反射镜1504、中继透镜1515、分色镜1520、光圈1516、分色镜1513，作为点状视标成像在二维拍摄元件1514上。
图16示出了光源1502及1507a～1507d的角膜反射像作为点状视标成像在二维拍摄元件成像面1601上的情况。反射像1602、1603a～1603d分别与图15的光源1502、1507a～1507d对应。光源1502总是与拍摄光学系统的光轴同轴地射出，因此如果光源1503a～1503d对称地配置在光轴中心，则由于1602被认为是近似椭圆1604的几何学的中心，因此只要求出反射像1602及反射像1603a～1603d中的3点以上的指标的坐标，就能够确定近似椭圆1604。如果将与由激励单元的照射轴和检测单元的检测轴形成的截面对应的二维拍摄元件光接收面上的线作为检测线1605，则可以根据检测线1605和椭圆1604相交的两点1606a与1606b的坐标间距，来计算检测线上的曲率。以上的计算处理由处理部1519处理。
另外，如果成像光学系统周围的光源中的光源1507a和光源1507c的光线照射光轴配置成与由激励单元1523的照射轴和检测单元1524的检测轴形成的截面在同一平面内，则可以根据由光源1502、光源1507a和光源1507c成像在二维拍摄元件上的各个反射像1602、1603a和1603c的位置坐标，求出与激励单元的照射轴和检测单元的检测轴形成的截面相同的面的角膜曲率，而不计算近似椭圆。
在图15的实施例中，除了测量角膜曲率的测量光学系统之外，还设置有前眼部观察光学系统来作为用于前眼部观察的光学系统，在该前眼部观察光学系统中，来自前眼部(被用于前眼部照明的照明用光源1518、1519照明后)的反射和散射光被分色镜1505反射，经由中继透镜1508、反射镜1509、中继透镜1510、反射镜1511、光圈1512，由分色镜1513反射并在二维拍摄元件1514上成像。此外，还设置有固视灯光学系统，该固视灯光学系统由在测量中用于使被检测眼睛1501固视的固视用光源1522、中继透镜1521、分色镜1520构成。
(8)利用光切断法测量角膜曲率以及角膜厚度的实施方式例
根据专利文献8和专利文献9等，已知一种根据被检测眼睛的角膜的厚度来对现有的吹气型眼压计中测量的被检测眼睛眼压值进行校正的方法。在根据基于被检测眼角膜表面上产生的表面波的相位速度计算出的表面张力来计算被检测眼睛眼压时，为了更高精度地计算眼压值，也优选考虑角膜厚度的影响来进行校正。在此，在预先一体化形成或分体形成的测量装置中，通过测量被检测眼角膜厚度，并输入该测量值，能够进行被检测眼睛眼压值的校正计算。但是，角膜厚度的测量截面是沿着包含激励点和检测点的角膜截面进行测量的，由此实现提高精度，因此优选在眼球物理性质测量装置1中附带角膜曲率的测量功能，在测量表面波的同时也测量角膜厚度和角膜曲率。作为此时的测量方法，可以应用以下的图17和图18所示的方法。
关于利用光切断法测量角膜截面形状的方法，根据专利文献10、专利文献11、专利文献12等是已知的。如果采用光切断法，不仅能够测量角膜厚度，还能够同时测量角膜的曲率。
本实施例是在测量被检测眼睛中产生的表面波的眼压计中，通过基于光切断法的角膜形状测量，测量被检测眼角膜的厚度和曲率的实施方式例。在测量被检测眼睛的角膜曲率和角膜厚度时，通过沿着包含激励点和检测点的角膜截面，测量角膜曲率的测量截面，能够提高精度，因此本实施例是也考虑了这一点的结构。光切断法由狭缝投影光学系统和截面摄影光学系统构成，该狭缝投影光学系统将狭缝光投影到被检测眼角膜上，该截面摄影光学系统对由狭缝光射入而形成的从被检测眼角膜的狭缝投影截面反射和散射的光相对于狭缝投影截面倾斜地进行拍摄。此时，狭缝投影光学系统、截面摄影光学系统以及记录图像的二维拍摄元件是基于沙姆定律(Scheimpflug Principle)而构成的。通过沙姆光学系统，根据由沙姆光学系统引起的相对于位置的倍率变化，来对拍摄的被检测眼角膜的截面图像进行校正，基于角膜的折射来校正角膜后表面的折射失真，进一步基于斯涅尔定律(Snell’s Law)来对上述校正进行校正，之后，计算角膜前表面以及后表面的轮廓，由此能够计算角膜的曲率和角膜厚度。
图17是用于根据光切断方式的沙姆摄影原理对被检测眼角膜的截面进行拍摄的实施方式例。被检测眼睛1701是被检测眼睛的垂直剖视图，1701a、1701b、1701c分别表示被检测眼角膜、被检测眼上睑、被检测眼下眼睑。1702是整个利用光切断法的被检测眼角膜的沙姆摄影光学系统。截面摄影用光源1703是用于向被检测眼睛投影狭缝光的光源，由聚光透镜1704和狭缝1705形成狭缝光，经由偏振滤光器、狭缝光投影透镜、矩形孔径光圈1708、偏振射束分裂器，将狭缝光水平地投影到被检测眼睛上。利用偏振滤光器1706和偏振射束分裂器1709来避免狭缝光的角膜投影图像射入用于前眼部观察和对准的二维拍摄元件上，从而避免对前眼部观察图像和后述的对准用视标1713的拍摄产生影响。
由截面摄影用透镜1710和截面摄影用二维拍摄元件1711构成截面摄影光学系统，在本实施例中，摄影光轴相对于狭缝光的投影光轴，以45度的角度配置在比被检测眼睛靠下方的位置处。狭缝投影光截面、截面摄影用成像透镜1710的主平面及二维拍摄元件1711的光接收面的延长面以1条交线相交的方式配置，从而形成沙姆光学系统。
作为用于被检测眼睛的固视及装置的对准的光学系统，配置有固视及对准用光源1712、固视及对准用视标1713、视标投影透镜1714，并且经由半反射镜1715、偏振射束分裂器1709投影到被检测眼睛上。投影到前眼部和被检测眼睛上的对准用视标经由偏振射束分裂器1709、半反射镜1715、成像透镜1716成像在用于前眼部观察和对准的二维拍摄元件1717上。
图18示出了图17所示的被检测眼截面摄影光学系统与表面波激励单元以及表面波检测单元的配置。
图18示出了测量左眼的情况，对被检测眼睛1801、被检者鼻子1802配置激励单元1803和检测单元1804，在被检测眼角膜表面激励表面波，在检测单元进行检测的同时，通过截面摄影光学系统1805拍摄被检测眼睛的截面，测量角膜的厚度和曲率。投影狭缝光的狭缝面1806如图所示形成，激励单元1808的激励轴及检测单元1804的检测轴与狭缝面1806为同一平面。
通过这个配置，能够测量沿着从激励点到检测的位置处的被检测眼角膜厚度及被检测眼角膜曲率。
接着，参照图19所示的流程图，对本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置1的典型的动作顺序进行说明。本动作顺序是将激励点和检测点作为角膜表面并且角膜曲率检测装置预先与眼球物理性质测量装置1一体化形成的情况的一个示例。首先，如上所述，实施激励部102和检测部103的对准，以使从激励部102照射的激励能量的照射轴107与检测部103的检测轴108的交点同角膜曲率的中心大致一致(S1901)。在对准中，为了测量角膜曲率，可以将投影到角膜上的指标兼用作对准指标。然后，使用与眼球物理性质测量装置1预先一体化形成的角膜曲率检测装置，来确定被检测眼睛的角膜曲率(S1902)。
接下来，确定被检测眼睛的检测对象是否为眼压(主要是表面张力为表面波的恢复力的情况)(S1903)，若是眼压(S1903中为“是(Yes)”)，则从激励部102向眼球上的激励点104发送照射波。此时的照射波需要在眼球上产生作为表面波的表面张力波或泄漏表面张力波。在此，在激励单元是超声波的情况下，由于能够以与表面张力波和泄漏表面张力波的产生频率相同、即20KHz～50KHz发送超声波，因此直接照射而不进行调制。在激励单元是光脉冲的情况下，对高频的光脉冲使用调制部201a，将通过比其振荡频率低的20～50KHz的调制频率进行振幅调制后的照射波照射到眼球上的激励点104(S1904)。
接着，检测部103在检测点105检测眼球上的表面波(S1905)。需要说明的是，此时的表面波的检测方法例如使用超声波反射法。然后，表面波处理部208对由检测部103检测出的表面波(在该情况下为表面张力波或泄漏表面张力波)进行解调，眼球物理性质计算部209确定该表面波的相位速度，根据该相位速度使用上述(计算公式8)或(计算公式9)求出表面张力，进而，根据所确定的表面张力，使用上述(计算公式10)计算眼压(S1906)。在计算中，使用临床上确定的校正式进行校正。
另一方面，在被检测眼睛的测量对象为杨氏模量、剪切弹性模量/粘性系数的情况下(主要是剪切弹性为表面波的恢复力的情况)(S1903中为“否(No)”)，从激励部102向眼球上的激励点104发送照射波。此时的照射波需要在眼球上产生作为表面波的瑞利波或瑞利-兰姆波。在此，对高频的超声波或光脉冲使用调制部201a，将通过比其振荡频率低的200Hz～5KHz的调制频率进行振幅调制后的照射波照射到眼球上的激励点104(S1907)。
接着，检测部103在检测点105检测眼球上的表面波(S1908)。然后，表面波处理部208对由检测部103检测出的表面波(在该情况下为瑞利波或瑞利-兰姆波)进行解调，眼球物理性质计算部209确定该表面波的相位速度，根据该相位速度使用上述(计算公式3)～(计算公式7)求出剪切弹性模量μ和粘性系数η，进而，根据确定的剪切弹性模量μ，使用已知的运算式计算杨氏模量(S1909)。
如上所述，本实施方式所涉及的非接触眼球物理性质测量装置1具备激励部102、检测部103、表面波处理部208以及眼球物理性质计算部209，激励部102使用照射波激励眼球上的至少一个以上的激励点104，以在作为被检测眼睛的眼球表面上产生表面波，检测部103在与激励点104不同的眼球上的至少一个以上的检测点105上，检测激励部102中产生的表面波，表面波处理部208解析由检测部103检测到的表面波，眼球物理性质计算部209基于表面波处理部208的解析结果，计算眼球的物理性质。在此，表面波处理部208确定表面波的相位变化及延迟时间中的至少一方，眼球物理性质计算部209基于表面波的相位变化及延迟时间中的至少一方，确定表面波的相位速度及群速度中的至少一方，并且基于表面波的相位速度和群速度中的至少一方，计算眼球的物理性质。
根据该结构，在本实施方式所涉及的眼球物理性质测量装置1中，不是基于以往那样的眼球或角膜本身的振动或位移、或基于由振动引起的相位的变化的装置，而是能够使用以非接触方式在眼球表面上的规定位置产生的表面波来测量眼球的物理性质(眼压、眼球组织的力学材料特性等)的装置。即，由于能够通过由激励部102有意地在眼球上产生的表面波来进行眼压等的测量，因此不需要使眼球本身或角膜本身产生振动位移，其结果是，能够测量眼压、眼球组织的杨氏模量、剪切弹性模量、粘性系数等，而被试验者几乎不会感到不适。
需要说明的是，本发明不限于上述实施方式的结构，在不变更发明宗旨的范围内可以进行各种变形。另外，为了达成本发明的目的，本发明也可以采用将眼球物理性质测量装置中包含的特征性结构单元作为步骤的眼球物理性质测量方法，或者作为包含这些特征性步骤的程序来实现。而且，该程序不仅可以存储在只读存储器(Read-Only Memory，ROM)等中，还可以通过通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)存储器等记录介质或通信网络流通。
符号说明
1 眼球物理性质测量装置
101 眼球表面
102激励部(激励单元)
103检测部(检测单元)
104 激励点
105 检测点
106 表面波
107 照射轴
108 检测轴
201 激励单元
201a调制部(调制单元)
202检测单元
208表面波处理部(表面波处理单元)
209眼球物理性质计算部(眼球物理性质计算单元)
210 发送控制部
211 控制单元

Claims (12)

1.一种眼球物理性质测量装置，其特征在于，为非接触式眼球物理性质测量装置，具备：
激励单元，所述激励单元使用照射波激励眼球上的至少一个以上的激励点，以在作为被检测眼睛的眼球表面上产生表面波；
检测单元，所述检测单元在与所述激励点不同的眼球上的至少一个以上的检测点上，检测所述激励单元中产生的表面波；
表面波处理单元，所述表面波处理单元解析由所述检测单元检测到的表面波；以及
眼球物理性质计算单元，所述眼球物理性质计算单元基于所述表面波处理单元中的解析结果，计算眼球的物理性质。
2.根据权利要求1所述的眼球物理性质测量装置，其中，
所述表面波处理单元确定表面波的相位变化和延迟时间中的至少一方，
所述眼球物理性质计算单元基于该表面波的相位变化和延迟时间中的至少一方，确定该表面波的相位速度及群速度中的至少一方，并且基于该表面波的相位速度及群速度中的至少一方，计算眼球的物理性质。
3.根据权利要求1或2所述的眼球物理性质测量装置，其中，
由所述激励单元发出的照射波是基本频率为20KHz以上且200KHz以下的空中超声波的连续波、或该空中超声波的10波以上的突发波。
4.根据权利要求3所述的眼球物理性质测量装置，其中，所述眼球物理性质测量装置还具备调制单元，所述调制单元利用200Hz以上且100KHz以下的调制频率对所述空中超声波进行振幅调制，所述调制频率低于所述空中超声波的基本频率。
5.根据权利要求1或2所述的眼球物理性质测量装置，其中，
由所述激励单元发出的照射波是由基本频率为50KHz以上且50MHz以下的相干光或非相干光的光源产生的连续脉冲光，
所述眼球物理性质测量装置还具备调制单元，所述调制单元利用200Hz以上且100KHz以下的调制频率对脉冲光进行振幅调制；所述调制频率低于所述脉冲光的基本频率，
所述激励单元连续照射经所述调制单元以低于所述脉冲光的基本频率的频率进行振幅调制后的振幅调制连续脉冲光，或者照射该振幅调制连续脉冲光的10个周期以上的突发波。
6.根据权利要求4或5所述的眼球物理性质测量装置，其中，
所述激励单元产生经所述调制单元进行振幅调制后的频率为20KHz以上且50KHz以下的表面张力波或泄漏表面张力波作为表面波，
所述眼球物理性质计算单元基于该表面张力波或泄漏表面张力波的相位速度、在一体化形成或分体形成的测量装置中测量出的被检测眼角膜的曲率、以及下述(计算公式1)或(计算公式2)，求出作为所述物理性质的表面张力，并且，基于下述(计算公式3)计算眼球的眼内压，
[计算公式1]
其中，cc：表面张力波的相位速度，γ：表面张力，ρ：密度，ω：表面波的角频率，[计算公式2]
其中，Clc：泄漏表面张力波的相位速度，γ：表面张力，ρ：密度，μ：剪切弹性模量，
[计算公式3]
其中，Pi：内压(眼内压)，Po：外压(大气压)，γ：表面张力，R：表面曲率(角膜曲率)。
7.根据权利要求4或5所述的眼球物理性质测量装置，其中，
所述激励单元产生经所述调制单元进行振幅调制后的频率为200Hz以上且5KHz以下的瑞利波或瑞利-兰姆波作为表面波，
所述眼球物理性质计算单元基于该瑞利波或瑞利-兰姆波的相位速度以及下述(计算公式4)至(计算公式6)，计算作为所述物理性质的剪切弹性模量、杨氏模量或粘性系数，[计算公式4]
E＝22u(1+v)
其中，μ：剪切弹性模量，E：杨氏模量，ν：泊松比，
[计算公式5]
其中，Cr：瑞利波的相位速度，μ：剪切弹性模量，ρ：密度，ν：泊松比，
[计算公式6]
μ*＝μ+iωη
其中，Cp：瑞利-兰姆波的相位速度，ρ：角膜密度，ρF：水密度，d：角膜厚度×1/2，k：表面波的波数，ω：表面波的角频率，μ：剪切弹性模量，η：粘性系数，cF：水的声速。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的眼球物理性质测量装置，其中，
所述检测单元使用基于超声波反射法、光学三角法、光学多波长同轴光线的共焦点方式、光外差方式的傅里叶域光干涉仪进行的相位检测、或基于激光多普勒干涉仪进行的振动检测，来检测表面波。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的眼球物理性质测量装置，其中，
以使所述激励单元的照射轴及所述检测单元的检测轴的交点同角膜的曲率中心一致的方式配置所述激励单元和所述检测单元。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的眼球物理性质测量装置，其中，所述的眼球物理性质测量装置还具备角膜曲率测量功能，所述角膜曲率测量功能测量沿着从所述激励单元中的激励点至所述检测单元中的检测点的角膜前表面曲率。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的眼球物理性质测量装置，其中，所述的眼球物理性质测量装置还具备测量功能，所述测量功能通过光切断法，测量沿着从所述激励单元中的激励点至所述检测单元中的检测点的角膜曲率及角膜厚度。
12.一种眼球物理性质测量方法，其特征在于，为非接触式眼球物理性质测量方法，包括：
激励步骤，所述激励步骤使用照射波激励眼球上的至少一个以上的激励点，以在作为被检测眼睛的眼球表面上产生表面波；
检测步骤，所述检测步骤在与所述激励点不同的眼球上的至少一个以上的检测点上，检测所述激励步骤中产生的表面波；
表面波处理步骤，所述表面波处理步骤解析通过所述检测步骤检测到的表面波；以及
眼球物理性质计算步骤，所述眼球物理性质计算步骤基于所述表面波处理步骤中的解析结果，计算眼球的物理性质。
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