JP2005160694A

JP2005160694A - 多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置

Info

Publication number: JP2005160694A
Application number: JP2003402932A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Tanno; 直弘丹野
Original assignee: MICROTOMOGRAPHY KK; Tanno Naohiro
Current assignee: MICROTOMOGRAPHY KK; Tanno Naohiro
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】簡便で廉価な多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置を提供する。
【解決手段】眼球への照射光を多重波面発生・統合用屈折率光学素子９による平行光束と集光波面の２重波面を発生し、眼球の境界面からの反射信号光を同じく多重波面発生・統合用屈折率光学素子９で受光して統合し、回転プリズム３からの参照光とハーフミラー２を経て干渉させて光検出器１１で光ヘテロダイン検波できる、両凸レンズの一部に平面部を施し、前記２重波面を発生させる屈折光学素子を備え、眼軸長や屈折率と幾何学的距離の測定を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、低コヒーレンス光源と参照光路に回転反射遅延機構などを用いた干渉システムにおいて、屈折光学素子を具備し、多重波面を発生させて眼球内境界面間の距離を測定する多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置に関するものである。

従来の眼球内の距離測定装置としては、超音波エコー法と光干渉法とがあるが、ここでは光干渉法を対象とする。従来の光干渉法では、回折光学素子により物体光路を部分的に分割し、角膜に合焦するなどして境界面間の距離を測定する方法が知られている（下記特許文献１参照）。

図９は従来の眼球内の距離測定装置の概略構成図、図１０はその回折光学素子の断面図である。また、図１１はその干渉信号の検出態様の概略図である。

これらの図において、１０１は低コヒーレンス光源〔例えばＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）光源〕、１０２はキューブビームスプリッター、１０３はプリズム遅延反射体、１０４は固定プリズム反射体、１０５は偏光ビームスプリッター、１０６は４分の１波長板、１０７は回折光学素子、１０８は被測定眼球、１０９はハーフミラー、１１０は光検出器、１１１は像観測装置である。
特開平９−２１６１４号公報特開２００１−１４１６５２号公報丹野直弘著、「光コヒーレンス断層画像化法と生体映像への応用」、光学、２８巻３号、１１６−１２５頁（１９９９）

しかしながら、上記した回折光学素子による眼球内の測定装置では、下記のいくつかの問題点があった。

第一に、図１０に示す位相フレネルレンズである回折光学素子１０７においては、合焦のための波面と該素子に影響されない波面を同時に発生するための位相フレネル板の設計が困難で精密加工を要し高額なものとなった。また、合焦のための波面は、レンズによるもののように焦点径を極小化できず大きい広がりを示すため、眼軸の距離の算出に誤差が生じ易いものとなっていた。さらに、一般に位相フレネルレンズは透過特性が悪く挿入損失が大きい欠点がある。また、合焦波面と平行波面は基本的に空間分離できないため、屈折率や幾何学的実体距離の測定は不可能であった。

第二に、図９に示す遅延された参照光を眼球の他の境界面からの反射を利用し、観測したい境界面からの反射物体光と干渉させる方法では、図１１（ａ）に示すように、反射物体光と参照光は同一の反射パターンを示す。これらのパターンは例えば角膜（最高ピーク）と水晶体の表裏（第２、第３のピーク）の境界面からの反射光で生じる。その参照光を図９のプリズム遅延反射体１０３を走査し干渉させると、その物体光と参照光の相互相関波形が干渉信号として図１１（ｂ）のように観測される。その結果、眼軸方向に所在する境界面の情報が失われ、図に示すように相互相関のピークとして、およその角膜と水晶体の位置情報が検出されるのみとなる欠点があった。すなわち、水晶体に合焦した場合には、角膜表面の第１のピーク値と水晶体の第２、あるいは第３のピーク値が等しいか逆転しているときなどには、相互相関のピークは角膜と水晶体の中間の位置で生じ、角膜表面の位置は不明となり、眼軸長の測定に多大な誤差をもたらす欠点があった。

また、この方法では上記の理由により眼球内境界面間媒質の屈折率や幾何学的厚みの測定にはほとんど無力であった。

本発明は、上記状況に鑑み、合焦の焦点径を極小化し、微弱な反射光を挿入損失なく捕捉できる多重波面の発生と整合が可能な屈折光学素子を具備し、コヒーレンス長による数十μｍ以下の超短分解能で検出し、参照光の深長遅延により角膜−水晶体−眼底間の微細な境界面を捕捉し幾何学的距離と屈折率をも測定可能とする、簡便で廉価な多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、下記の手段を具備している。

〔１〕低コヒーレンス光源からの光を２分割用ハーフミラーで被検査物への物体光と参照光とに２分割し、前記参照光を光遅延機構を介して反射する干渉測定システムにおいて、物体光路を異なる境界面用の多重波面部分に分割するために、あるいは、眼の様々な境界面から生じる測定光部分の各波面を統合し、この各波面を前記参照光の波面に整合し干渉させるために少なくとも一つの屈折光学素子を備えることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置において、前記屈折光学素子は、少なくとも平行光束波面との収束あるいは発散波面を発生するために、光学レンズの曲面に部分的に平面部を設けたことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置において、多重波面の少なくとも一つを合焦波面とし、眼球内の各境界面からの合焦による反射強度の変化を参照し、この変化に要した距離と前記平行光束波面の反射距離を前記二重波面により同時に計測し、境界面間の媒質の屈折率と幾何学的距離を測定することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置において、眼球の照明装置を具備し、前記２分割用ハーフミラーと前記屈折光学素子を介して、観測面で結像されるように構成することを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）多重波面を同時的に発生し、例えば眼球の眼軸長測定において、角膜表面へは収束波面により合焦し、他方平行波面では眼内レンズで網膜に合焦してそれらの反射強度と位置を高いＳＮ比で検出することができる。
（Ｂ）一つの波面から空間分割によって、多重波面を発生するためそのコヒーレンスにおいて干渉信号を高効率でヘテロダイン検出することができる。
（Ｃ）空間分割による２重波面を用いて独立に屈折光路と平行光路を形成し、参照光と同期した一回の走査により深度反射信号をそれぞれ捕捉して、眼球などの揺動物体でも揺動の影響を受けずに、屈折率と幾何学的距離を直ちに測定することができる。
（Ｄ）屈折光学素子の導入と眼球の照明装置とハーフミラーを具備することにより、回折光学素子より解像度よく測定部位の位置決めと撮像を容易にすることができる。
（Ｅ）従来の眼軸距離測定法に比べ、相関による誤差の発生を無くし、高精度で境界面間の距離を想定可能とし、従来の超音波による方法と比較しても無接触、緩衝材の塗布不要など患者に負担を強いることなく、さらに感染症なども防ぐことができ、迅速に診察できて、白内障などによる眼内レンズの挿入に必要なデータを屈折率をも含めて提供することができる。

低コヒーレンス光源からの光を２分割用ハーフミラーで被検査物への物体光と参照光とに２分割し、この参照光を光遅延機構を介して反射する干渉測定システムにおいて、物体光路を異なる境界面用の多重波面部分に分割するために、あるいは、眼の様々な境界面から生じる測定光部分の各波面を統合し、この各波面を前記参照光の波面に整合し干渉させるために少なくとも一つの屈折光学素子を備える。よって、多重波面を同時的に発生し、例えば眼球の眼軸長測定において、角膜表面へは収束波面により合焦し、他方平行波面では眼内レンズで網膜に合焦してそれらの反射強度と位置を高いＳＮ比で検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置の構成図である。

この図において、１は低コヒーレンス光源〔例えばＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）光源〕、２はハーフミラー（キューブハーフミラー）、３はコーナーキューブプリズム（あるいは、コーナーキューブリフレクター）、４，４′は全反射ミラー、５は回転体、６はハーフミラー（キューブハーフミラー）、７は光束拡大・縮小レンズ系、８は偏光ビームスプリッター、９は多重波面発生・統合用屈折光学素子、１０８は眼球、１０は光学フィルター、１１は光検出器である。

このように、眼球１０８への照射光を多重波面発生・統合用屈折光学素子９により多重波面、この実施例では平行光束と集光波面の２重波面を発生させて作り、眼球１０８の境界面からの反射信号光を同じく多重波面発生・統合用屈折光学素子９で受光して統合し、回転プリズム３からの参照光とハーフミラー２を経て干渉させて、光検出器１１で光ヘテロダイン検波を行う。

多重波面発生・統合用屈折光学素子９は、例えば両凸レンズを基本として、図２、図３および図４に示すように、全体の光束直径φ₀に対し光の適度な強度と半径を考慮して中心部に直径φ₁の平面部を設ける。本構成により、平面部を透過する平行光束は平行性が保持され、他方周辺部の光束はレンズの屈折作用を受けて集光する波面となる。図３（ａ）は平面片凸レンズ９ａの中心部に平面部を設けた場合で、図３（ｂ）は２重収束波面を発生する両凸レンズ９ｂの片面にのみ平面部を設けた場合で、図３（ｃ）は発散波面と平行波面を発生する両凹レンズ９ｃの両面に平面部を設けた場合でいずれも異種の２重波面の発生が可能である。

各レンズにおける平面部は、図４に示すようにレンズ曲面の一部に、その用途に応じ中心位置に設けたり、複数個偏在して設けても良い。

本発明の屈折光学素子９の製作は、フレネル回折素子のような回折計算によることなく、安価に容易に製作可能である点も優れている。また、この屈折光学素子９ではレンズ透過による部分波面の合焦点における位相波面に位相差を発生するが、低コヒーレンス干渉計での眼球内距離測定に誤差を生じさせるほどの影響は少ない利点がある。したがって、眼球内各境界面からの部分波面をこの屈折光学素子９で統合し光ヘテロダイン検波を行うに際し参照光と合波干渉してヘテロダインビート信号の発生効率を高めることができる。あるいは、多重波面間の位相差が問題になるときには、位相差を補償する所定の厚みの透明板を平面部に外接してもよい。または、あらかじめ位相差が分かっている場合には、後述の測定距離Ｚｄをその位相差の分だけ補正すれば良い。

回転プリズム３の遅延走査距離が眼軸長をカバーするに十分な距離とすることで、例えば、図５に示すように、干渉信号として角膜表裏、水晶体表裏および眼底網膜の信号を時系列信号として検出できる。このとき、遅延参照光はデルタ関数的な役割を果たし、図５に示すように、それぞれの境界面からの反射信号を単方向への走査で相関を取り、光学距離に従ってそれらの分布位置情報を図５のように検出できる。例えば、図５では、基準反射光と角膜までの距離Ｌｓや角膜から網膜までの眼軸長Ｌｐが測定される。また、角膜の表裏間、水晶体の厚み、網膜内の多層膜などのそれぞれの境界間の距離を光源の光コヒーレンス長を最小距離分解能として測定可能とする。この光コヒーレンス長において、深層の境界層の構造を検出する方法については、上記非特許文献１にその詳細が明示されている。

図６は、合焦位置を角膜頂点より深部へ移動して測定する実施例図である。また、図７はその屈折率と厚みを測定する装置構成例を示す図である。

図７において、１５，１９，２１は凸レンズ、１６は可動参照光反射鏡、１７は被測定物体（角膜表裏など）、１８は平行光束と集光光の各反射光を分離する部分反射鏡、２０は合焦点位置からの反射光を検出する光検出器、２２は平行光束の反射光を検出する光検出器、２３は信号処理系を含むパーソナルコンピュータと表示器である。

例えば、図７の２重波面発生用の平面片凸レンズ９ａの焦点位置移動速度Ｖｚと参照光反射鏡１６の移動速度とを同じくし、さらに光学距離を低コヒーレンス長以内で一致して同期しつつ、被測定物体の表面から裏面などへ合焦して反射信号のピークを図７の表示器２３に示すように合焦点移動距離Ｚｒを検出する。他方、光検出器２２からの出力は表示器２３上で同時にその光学的距離Ｚｄが測定される。その結果、屈折率ｎと幾何学的距離Ｌは、その移動距離Ｚｒと同時に平行光束で検出した光学距離Ｚｄ＝ｎＬとレンズ開口数ＮＡを用いて算出することができて次式となる。

ｎ＝（１／√２）・｛ＮＡ²＋〔ＮＡ⁴＋４（Ｚｄ／Ｚｒ）²／（１＋ＮＡ²）〕^1/2｝^1/2
Ｌ＝Ｚｄ／ｎ
レンズ開口角を用い共焦点光学系を別途配置して計測する方法は、すでに上記した特許文献２に開示されているが、本発明では、共焦点光学系を構成することなく、同一の干渉計で光束の２分割によって同時に屈折光路時の移動距離と直進光路による物体間の光学的距離を図の実施例で示すように、参照光の反射鏡１６の一回の走査で同時に観測可能としている。

それにより、屈折率と幾何学的距離を算出して直ちに実体距離間を観測できる特徴を有するものである。

被測定物体をＸ−Ｚ軸稼働体に載せて測定できる場合には、反射鏡１６とレンズ９ａを移動する代わりに、Ｚ軸方向に被測定物体を移動して測定しても同じ結果となることは明白である。その場合には、両光検出器２０，２２におけるヘテロダインビート信号のビート周波数は、稼働体の移動速度に基づくドップラー変移周波数で決まる。これは物体反射信号光を変調することに該当し、参照光を変調する従来の方法と結果的には同じビート信号の発生となるものである。また、図７の実施例における可動反射鏡１６に図１に示す回転反射体３および反射鏡４に置き換えてもよい。

図８は眼球照明と撮像系を具備した実施例図である。多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置において、眼球１０８の照明装置１２を具備し、２分割用ハーフミラー（偏光ビームスプリッター）８と屈折光学素子９を介して、結像レンズ１３を具備して画像観測装置１４の観測面で結像されることを特徴とする。この結像した画像を用いて眼軸照射位置決めなどを簡便に行うことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明は、眼球内距離測定装置に利用可能である。

本発明の第１実施例を示す多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置の構成図である。本発明の多重波面を発生する屈折光学素子の具体例で、両凸レンズの中心部に平面部を設け、合焦波面と平行波面の同時発生例での眼球内収束波面の様子を示す図である。図３（ａ）は平面片凸レンズ９ａに平面部を設けた場合の屈折光学素子の具体例図、図３（ｂ）は両凸レンズ９ｂの片面に平面部を設け焦点距離の異なる収束波面の発生する屈折光学素子の具体例図、図３（ｃ）は、両凹レンズ９ｃの両面に平面部を設け発散波面と平行波面を発生させる屈折光学素子の具体例図である。本発明の屈折光学素子の実施例で、直径φ₁の平面部をレンズの中心部に設けた場合の具体例図である。本発明の図１の実施例における、多重波面による眼球の境界面間距離測定干渉信号の検出例図である。本発明の多重波面発生による合焦位置を角膜頂点より深部へ移動して測定する光線の説明図である。本発明の眼球などの屈折率と厚みを同時測定する装置構成例図である。本発明の実施例図１あるいは図７における眼球照明と撮像系を具備した実施例図である。従来の眼球内の距離測定装置の概略構成図である。回折光学素子の断面図である。従来の干渉信号検出態様の概略図である。

符号の説明

１低コヒーレンス光源
２，６ハーフミラー（キューブハーフミラー）
３コーナーキューブプリズム（コーナーキューブリフレクター）
４，４′ 全反射ミラー
５回転体
７光束拡大・縮小レンズ系
８偏光ビームスプリッター
９多重波面発生・統合用屈折光学素子
９ａ平面片凸レンズ
９ｂ両凸レンズ
９ｃ両凹レンズ
１０光学フィルター
１１，２０，２２光検出器
１２眼球照明装置
１３結像レンズ
１４画像観測装置
１５，１９，２１凸レンズ
１６可動参照光反射鏡
１７被測定物体
１８部分反射鏡
２３信号処理系を含むパーソナルコンピュータと表示器
１０８眼球

Claims

低コヒーレンス光源からの光を２分割用ハーフミラーで被検査物への物体光と参照光とに２分割し、該参照光を光遅延機構を介して反射する干渉測定システムにおいて、
物体光路を異なる境界面用の多重波面部分に分割するために、あるいは、眼の様々な境界面から生じる測定光部分の各波面を統合し、該各波面を前記参照光の波面に整合し干渉させるために少なくとも一つの屈折光学素子を備えることを特徴とする多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置。
請求項１記載の多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置において、前記屈折光学素子は、少なくとも平行光束波面との収束あるいは発散波面を発生するために、光学レンズの曲面に部分的に平面部を設けたことを特徴とする多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置。
請求項１又は２記載の多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置において、多重波面の少なくとも一つを合焦波面とし、眼球内の各境界面からの合焦による反射強度の変化を参照し、該変化に要した距離と前記平行光束波面の反射距離を該二重波面により同時に計測し、境界面間の媒質の屈折率と幾何学的距離を測定することを特徴とする多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置。
請求項１、２又は３記載の多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置において、眼球の照明装置を具備し、前記２分割用ハーフミラーと前記屈折光学素子を介して、観測面で結像されるように構成することを特徴とする多重波面光コヒーレンスによる眼球内距離測定装置。