JP2007252413A - Measuring instrument for ophthalmology - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、眼科用測定装置に係り、特に、短時間に波面測定を繰り返し行える眼科用測定装置に関する。 The present invention relates to an ophthalmic measuring apparatus, and more particularly to an ophthalmic measuring apparatus that can repeatedly perform wavefront measurement in a short time.
従来の眼科光学装置において、特許文献1、2には、2つのシャックハルトマン波面センサーを用いて眼の波面収差を測定するものが開示されている。
特許文献1では、その図12において、第1受光部と第3受光部がシャックハルトマン波面センサーに相当するが、第1受光部が角膜からの反射光束を受光して角膜形状を測定し、第3受光部は、網膜からの反射光束を受光して光学特性を測定するように対象が異なる。
特許文献2では、網膜からの反射光を低感度のシャックハルトマン波面センサーと高感度のシャックハルトマン波面センサーとで受光する構成が開示されている。ここでは、2台のシャックハルトマン波面センサーは、感度に差を持たせたものであり、高速撮影を意図したものではない。
また、特許文献3は、第一カメラの不感時間の開始時点と第二カメラの不感時間の終了時点とを同期させ、第一発光の発光開始時点を第一カメラの不感時間の開始直前とし、一方、第二発光の発光開始時点を第一カメラの不感時間内であって第二カメラの不感時間の終了後とする、高速度連続撮影システムが開示されている。
特許文献4は、複数の光ビームを発生させる光源と、対象となる光学システム内の異なる位置に光ビームを投射する光学イメージングシステムとこれらの異なる位置のそれぞれから散乱光を受け取り、散乱光の個々の波面を検出する波面センサーとを備えた、3次元構造の収差を測定するためのシステムが開示されている。
さらに、特許文献5は、投影光学システムと眼との間に位置決めされ、眼の収差に関して被測定眼に入射する光ビームを補償する前補正システムによって、視覚システムの端から端までの収差解析を可能とした、波面センサーのためのダイナミックレンジ拡大技術が開示されている。
In conventional ophthalmic optical devices,
In
Furthermore,
測定される眼の収差は、眼球運動により、変動する。また、角膜上の涙液も時間変化しており、これもまた収差の変化の原因となる。さらに、水晶体は、近くや遠くのものをみるときに、距離に応じて調節をしており、これによっても収差が変化する。 この変化にはいろいろな周波数成分があるが、おおむね最大周波数で20Hz程度であろうと考えられている。サンプリング定理を考えると、時間方向の測定回数としては、例えば、秒間40回以上測定することが必要になり眼の収差の高速測定の必要性が高まってきている。
シャックハルトマン波面センサーでは、画像を取り込むためにCCDを利用する。ここで使われるCCDは、弱い光を低ノイズで取り込むことのできる仕様が要求される。シャックハルトマン波面センサーは、例えば、2次元に配列されたレンズレットを持つレンズレットアレイ(レンズレットアレイは、たとえば0.2mm角程度の小レンズからなる)と、典型的には1000×1000ピクセルのディジタルCCDで構成されている。シャックハルトマン波面センサーを用いた波面収差測定では、1000×1000程度のノイズの少ないディジタルCCDで測定すると精度良く、測定することができる。
The measured eye aberration varies with eye movement. In addition, tears on the cornea also change over time, which also causes aberration changes. Further, the lens is adjusted according to the distance when looking at near or far away objects, and this also changes the aberration. Although this change has various frequency components, it is considered that the maximum frequency is about 20 Hz. Considering the sampling theorem, the number of measurements in the time direction needs to be measured, for example, 40 times or more per second, and the need for high-speed measurement of eye aberrations is increasing.
The Shack-Hartmann wavefront sensor uses a CCD to capture an image. The CCD used here is required to have a specification that can capture weak light with low noise. For example, the Shack-Hartmann wavefront sensor has a lenslet array having lenslets arranged in two dimensions (the lenslet array is composed of small lenses of about 0.2 mm square, for example), and typically has a size of 1000 × 1000 pixels. It consists of a digital CCD. Wavefront aberration measurement using a Shack-Hartmann wavefront sensor can be measured with high accuracy when measured with a digital CCD having a low noise of about 1000 × 1000.
しかしながら、このような仕様のCCDの場合、露光後にCCDに蓄えられた電荷を読み出す時間があまり高速にできない、という性能上の限界があることが考えられる。例えば、1000×1000程度のディジタルCCDの場合、現在繰り返し測定回数は秒間20回程度である。これは、露光時間と画像データの読み出し時間の合計で決まってしまっている。画像データの読み出しに必要な時間は下記のようにして決まる。1画素単位の読み出し速度は、測定用では、例えば、約66MHz程度が現在のところ典型的である。例えば、1000×1000のCCD、つまり100万画素CCDは本当の画素数は1280×1024であるので、次式のように、読み出し時間は、約20ms程度である。
(1画面を読み出すためにかかる時間)=1280×1024/66000000
=0.019859
つまり、20ms程度の露光を加えると、この読み出し時間との合計で40ms程度の時間が1画像あたりかかり、約25 frames per second(FPS)での情報の取り込みとなる。さらに、露光時間を減らす努力をして、ほとんど露光時間を0にしても、50FPS程度までしか取り込み回数が増加しないことが想定される。このように、露光時間にくらべてデータ転送時間が長いこのようなCCDでは、露光時間を短くしても、1秒当たりに得られる画像数あまり多くならない。
本発明は、以上の点に鑑み、測定エリアに対して要求される測定精度を満足する条件よりも小さな画素密度である複数の受光部を用いても、要求される測定精度を満足する測定を行う眼科用測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、特に、画像数を増やすために、複数、とくに4台のシャックハルトマン波面センサーを利用し、4台の画素数の少ないCCDを使うことにより、収差測定の性能を落とすことなく、読み込み時間を短縮し、より多くの画像を単位時間に取り込める眼科用測定装置を提供することを目的とする。
However, in the case of a CCD having such a specification, it is conceivable that there is a performance limitation that the time for reading out the electric charge stored in the CCD after exposure cannot be made very fast. For example, in the case of a digital CCD of about 1000 × 1000, the current number of repeated measurements is about 20 times per second. This is determined by the sum of the exposure time and the image data read time. The time required for reading the image data is determined as follows. The readout speed per pixel is typically about 66 MHz for measurement at present. For example, since the true pixel count of a 1000 × 1000 CCD, that is, a 1 million pixel CCD is 1280 × 1024, the readout time is about 20 ms as shown in the following equation.
(Time required to read one screen) = 1280 × 1024/66000000
= 0.019859
In other words, when an exposure of about 20 ms is applied, a total time of about 40 ms takes a total of about 40 ms per image, and information is captured at about 25 frames per second (FPS). Furthermore, even if the effort is made to reduce the exposure time so that the exposure time is almost zero, it is assumed that the number of captures only increases to about 50 FPS. Thus, in such a CCD in which the data transfer time is longer than the exposure time, the number of images obtained per second does not increase so much even if the exposure time is shortened.
In view of the above points, the present invention performs measurement that satisfies the required measurement accuracy even when a plurality of light receiving units having a smaller pixel density than the condition that satisfies the measurement accuracy required for the measurement area is used. It is an object of the present invention to provide an ophthalmic measurement apparatus to be performed. In addition, the present invention uses a plurality of, in particular, four Shack-Hartmann wavefront sensors to increase the number of images, and uses four CCDs with a small number of pixels without degrading the performance of aberration measurement. An object of the present invention is to provide an ophthalmic measurement apparatus that can shorten the reading time and capture more images per unit time.
本発明の第1の解決手段によると、
眼底を照明するための光束を発光する光源部と、
上記光源部からの光束を被測定眼の眼底上に略点像として照明する照明光学系と、
測定エリアに対して要求される測定精度を満足する画素数よりも小さな画素数である複数の受光部を有し、上記複数の受光部に測定対象エリアからの光束を分割して受光するようにした受光光学系と、
上記複数の受光部からの出力に基づき、測定エリア全体の被測定眼の波面収差を測定する測定部と、
を備えた眼科用測定装置が提供される。
According to the first solution of the present invention,
A light source unit that emits a light beam for illuminating the fundus;
An illumination optical system that illuminates the light flux from the light source unit as a substantially point image on the fundus of the eye to be measured;
It has a plurality of light receiving portions having a number of pixels smaller than the number of pixels satisfying the measurement accuracy required for the measurement area, and the light beams from the measurement target area are divided and received by the plurality of light receiving portions. Receiving optical system,
Based on outputs from the plurality of light receiving units, a measuring unit that measures the wavefront aberration of the eye under measurement in the entire measurement area;
An ophthalmic measurement apparatus is provided.
従来では、もともと必要なCCDの画素数が1000×1000画素程度だったが、本発明では、例えば、VGAレベルの640×480のCCD4台で、同等の精度で高速なセンサーが実現できる。さらに、本発明では、現状、CCDの画素数が1000×1000画素程度ではデータの読み出しに20ms程度かかっているところを、同じデータ量及びピクセルクロックで5ms程度で読み出すことが可能になる。 Conventionally, the number of required CCD pixels was originally about 1000 × 1000 pixels. However, in the present invention, for example, four VGA level 640 × 480 CCDs can realize a high-speed sensor with the same accuracy. Further, in the present invention, when the number of pixels of the CCD is about 1000 × 1000 pixels, data reading of about 20 ms can be read out in about 5 ms with the same data amount and pixel clock.
1.装置構成
1.1 光学系
1.1.1 第1の実施の形態(ハーフミラータイプ)
図1に、ミラーにハーフミラーを使うタイプの光学系の図を示す。
本装置は、第1光源部1と、第1照明光学系10と、第1受光光学系20と、前眼部観察部30と、前眼部照明部40と、視標光学部50とを備え、被測定眼100を測定する。
第1光源部1は、所定のタイミングで光を発光し、第1波長の光束を発する。第1光源部1は、空間コヒーレンスが高く、時間コヒーレンスは高くないものが望ましい。ここでは、一例として、第1光源部1には、SLD(スーパールミネセンスダイオード)が採用されており、輝度が高い点光源を得ることができる。なお、第1光源部1は、SLDに限られるものではなく、レーザーの様に空間、時間ともコヒーレンスが高いものでも、回転拡散板などを挿入することにより、適度に時間コヒーレンスを下げることで利用できる。そして、LEDの様に、空間、時間ともコヒーレンスが高くないものでも、光量さえ充分であれば、ピンホール等を光路の光源の位置に挿入することで、使用可能になる。また、照明用の第1光源部1の波長は、例えば、近赤外光(840nm程度)又は赤外域の波長(例、780nm)を使用することができる。
1. Apparatus Configuration 1.1 Optical System 1.1.1 First Embodiment (Half Mirror Type)
FIG. 1 shows a diagram of an optical system using a half mirror as a mirror.
This apparatus includes a first
The first
第1照明光学系10は、例えば、調節部11、ビームスプリッタ12、集光レンズ、対物レンズやシリンダーレンズ及び/又はリレーレンズ等のレンズを備える。第1照明光学系10は、第1光源1からの光束を被測定眼100の眼底上に略点像として照明する。調節部11は、被測定眼100の球面度に応じて、屋根状のミラーが移動して、第1受光部21−1〜第4受光部21−4に、焦点のあった点像ができるよう調節する。ビームスプリッター(B2)12は、可視光は反射であると同時に、波面測定の目的で、例えば810nmから870nm程度の領域でS偏光を反射、P偏光を透過する。
第1光源部1から被測定眼100への入射光は絞りを偏心させることで光束の入射位置を光軸に直交する方向に変更し、レンズや角膜の頂点反射を防いでノイズを押さえられる。絞りは、径が変換部材のハルトマン板の有効範囲より小さく、受光側だけに眼の収差が影響する、いわゆるシングルパスの収差計測が成り立つことができる様になっている。
なお、第1光源部1から出た入射光線は、眼底から拡散反射された測定光線と共通光路になった後は、近軸的には、眼底から拡散反射された測定光線と同じ進み方をする。但し、シングルパス測定のときは、それぞれの光線の径は違い、入射光線のビーム径は、測定光線に比べ、かなり細く設定される。具体的には、入射光線のビーム径は、例えば、被測定眼100の瞳位置で1mm程度、測定光線のビーム径は、7mm程度になることもある。なお、光学系を適宜配置することで、ダブルパス測定を行うこともできる。
The first illumination
Incident light from the first
In addition, after the incident light beam emitted from the first
第1受光光学系20は、第1受光部(ハルトマンセンサー1)21−1〜第4受光部(ハルトマンセンサー4)21−4、分離反射部(ハーフミラー)22〜24を備える。第1受光光学系20は、被測定眼100からの反射光を複数の光路に分岐し、第1受光部21−1〜第4受光部21−4に導くためのものである。分離反射部22〜24は、ハーフミラーであり、測定エリアからの光束を一部重複した状態で分割して受光できるように光束を分離する。第1受光部21−1〜第4受光部21−4は、各光路において、偏心して配置される。たとえば、第1受光部21−1と21−2は、紙面手前側、受光部21−3と21−4は紙面向こう側に概ね配置することが考えられる。第1受光部21−1〜第4受光部21−4は、光束を一部重複した状態で分割して受光できるように、各光軸をまたぐ形で配置されてもよい。
第1受光部21−1〜第4受光部21−4は、例えば、CCDと変換部材(例、ハルトマン板)を備える。変換部材は、反射光束を少なくとも17本の複数のビームに変換するためのレンズ部を有する波面変換部材である。変換部材には、光軸と直交する面内に配置された複数のマイクロフレネルレンズを用いることができる。眼底からの反射光は、変換部材を介してCCD上に集光する。
The first light receiving
The first light receiving unit 21-1 to the fourth light receiving unit 21-4 include, for example, a CCD and a conversion member (eg, Hartmann plate). The conversion member is a wavefront conversion member having a lens unit for converting the reflected light beam into at least 17 plural beams. As the conversion member, a plurality of micro Fresnel lenses arranged in a plane orthogonal to the optical axis can be used. The reflected light from the fundus is condensed on the CCD via the conversion member.
前眼部観察部30は、例えば、リレーレンズとCCDで構成される第5受光部31、反射鏡(B1)32を備え、例えば、プラチドリング、ケラトリング等の前眼部照明部40のパターンが、被測定眼100の前眼部から反射して戻ってくる光束を観察する。なお、テレセン絞りを設ければ、瞳孔径が正確に測定できる。反射鏡32は、例えば、900nm以上のみを反射するダイクロイックミラーである。
前眼部照明部40は、第2波長の光束を発する第2光源部を備え、第2光源部からの光束で、例えば、プラチドリング又はケラトリング等を用いて前眼部を所定パターンで照射する。ケラトリングの場合、ケラト像により角膜の曲率中心付近だけのパターンを得ることができる。なお、ここでは、第2光源部から発せられる光束の第2波長は、例えば、第1波長(ここでは、840nm程度)と異なると共に、長い波長の940nm程度の近赤外光を選択できる。
視標光学部50は、例えば、被測定眼100の風景チャート、固視や雲霧をさせる為の視標を投影する光路を含むものであって、固視標51、反射鏡52、リレーレンズを備える。第1光源部1からの光束で固視標51を眼底に照射することができ、被測定眼100にその像を観察させる。固視標51は、可視光で照らされている。反射鏡52は、可視反射、例えば、900nm以上透過のダイクロイックミラーである。
上述の光学系は、主に、入射光線が細いシングルパスとして説明したが、本発明は、入射光線が太いダブルパスとしての眼科用測定装置に適用することも可能である。その際、光学系がダブルパス用構成で配置されるが、演算部による測定・計算処理は同様である。
(共役関係)
被測定眼100の眼底、第1光源部1、第1受光部21−1〜第4受光部21−4のそれぞれのCCDが共役である。また、被測定眼100の眼の瞳(虹彩)、第1受光部21−1〜第4受光部21−4のそれぞれの変換部材、第1照明光学系10の測定光入射側の絞り、前眼部観察部30が共役である。
The anterior ocular
The anterior ocular segment illumination unit 40 includes a second light source unit that emits a light beam having a second wavelength, and irradiates the anterior eye segment with a predetermined pattern using, for example, platid ring or kerat ring, with the light beam from the second light source unit. To do. In the case of keratoling, a pattern only near the center of curvature of the cornea can be obtained from the kerato image. Here, for example, the second wavelength of the light beam emitted from the second light source unit is different from the first wavelength (here, about 840 nm), and near infrared light having a long wavelength of about 940 nm can be selected.
The target
Although the above-described optical system has been mainly described as a single path with a thin incident light beam, the present invention can also be applied to an ophthalmic measurement apparatus as a double path with a large incident light beam. At this time, the optical system is arranged in a double-pass configuration, but the measurement / calculation processing by the calculation unit is the same.
(Conjugate relationship)
The CCD of each of the fundus of the
1.1.2 第2の実施の形態(きりかきミラータイプ)
図2に、きりかいたミラーで構成される光学系の図を示す。
本装置は、第1光源部1と、第1照明光学系10と、第2受光光学系20’と、前眼部観察部30と、前眼部照明部40と、視標光学部50とを備え、被測定眼100を測定する。第2受光光学系20’のミラーがきりかいたミラーを用いていること以外は、図1に示すハーフミラータイプの光学系と同じである。
第2受光光学系20’は、第1受光部(ハルトマンセンサー1)21−1〜第4受光部(ハルトマンセンサー4)21−4、分割反射部(きりかきミラー)22−2、23−2、24−2を備える。分割反射部22−2〜24−2は、必要なところのみに存在し、被測定眼100からの反射光を部分的に反射する。分割反射部のきりかきかたは他の組み合わせもありうるが、ここでは1つの実現例について説明する。分割反射部22−2は紙面向こう側のみに存在する。分割反射部23−2は、図でわかるように光軸のはさんで片側のみにある。分割反射部24−2も同様である。図ではわかりにくいが、この分割反射部22−2,23−2,24−2は、の配置に対応して、第1受光部21−1と21−2は、紙面手前側に、受光部21−3と21−4は紙面向こう側に概ね配置することが考えられる。
1.1.2 Second Embodiment (Kirikaki Mirror Type)
FIG. 2 shows a diagram of an optical system composed of sharp mirrors.
The apparatus includes a first
The second light receiving
1.2 4台のCCDの配置
図3に、4台のCCDの配置についての説明図を示す。図3(a)にハーフミラーの場合、図3(b)にきりかきミラーの場合をそれぞれ示す。
第1の実施の形態の光学系のようにハーフミラーを用いた場合、図3(a)が示すように各CCDが取り込んだ画像が一部重複している。一方、第2の実施の形態の光学系のようにきりかきミラーを用いた場合、図3(b)が示すように取り込んだ画像は重複しない。
1.2 Arrangement of 4 CCDs FIG. 3 is an explanatory diagram showing the arrangement of 4 CCDs. FIG. 3A shows the case of a half mirror, and FIG. 3B shows the case of a scratched mirror.
When a half mirror is used as in the optical system of the first embodiment, the images captured by the CCDs partially overlap as shown in FIG. On the other hand, when a scratch mirror is used as in the optical system of the second embodiment, the captured images do not overlap as shown in FIG.
1.3 電気系
図4は、眼科用測定装置のブロック図である。
本実施の形態の電気系は、測定部600、制御部610、第1駆動部620、表示部700、メモリ800を備える。また、測定部600には、前眼部観察部30の第5受光部31からの信号(2)と、第1受光部21−1からの信号(4)と、第2受光部21−2からの信号(5)と、第3受光部21−3からの信号(6)と、第4受光部21−4からの信号(7)が入力される。
測定部600は、第1受光部21−1〜第4受光部21−4からの出力に基づき、被測定眼100の収差を短い間隔で測定する。測定部600は、第1受光部21−1からの信号(4)、第2受光部21−2からの信号(5)、第3受光部21−3からの信号(6)、第4受光部21−4からの信号(7)、前眼部観察部30の第5受光部31からの信号(2)を入力し、例えば、光束の傾き角に基づき被測定眼100の光学特性を求める。前眼部観察部30の第5受光部31からの信号は、眼と測定装置のアライメントずれ、偏心の補正、瞳中心での解析のための情報を得るために必要である。測定部600は、これら演算結果に応じた信号又は他の信号・データを、電気駆動系の制御を行う制御部610と、表示部700と、メモリ800とにそれぞれ適宜出力する。
制御部610は、測定部600からの制御信号に基づいて、第1光源部1、前眼部照明部40の第2光源部の点灯・消灯等を制御したり、第1受光部21−1〜第4受光部21−4のCCDの露光・読み出し等を制御するためのものである。制御部610は、測定部600での演算結果に応じた信号に基づいて、第1光源部1に対して信号(1)を出力し、前眼部照明部40に対して信号(3)を出力し、第1受光部21−1に対して信号(4)を出力し、第2受光部21−2に対して信号(5)を出力し、第3受光部21−3に対して信号(6)を出力し、第4受光部21−4に対して信号(7)を出力し、調整部11に対して信号(8)を出力する。
第1駆動部620は、測定部600及び制御部610により制御され、被測定眼100の球面度に応じて、屋根状のミラーを移動させて、各ハルトマンセンサーの第1受光部21−1〜第4受光部21−4に、それぞれ焦点のあった点像ができるよう調節する。
表示部700は、演算処理中又は、処理後の結果(収差解析等)を、図、表、データ、グラフィック、動画・静止画等として表示する。または、他装置へ出力する。
メモリ800は、測定されたデータ、中間データ、計算結果データ等の各種データ、予め設定した露光時間t、測定回数P等の設定値を必要に応じて適宜記憶する。測定部600は、メモリ800に適宜データを読み出し/書込みする。
1.3 Electrical System FIG. 4 is a block diagram of an ophthalmic measuring apparatus.
The electrical system of the present embodiment includes a
The
Based on the control signal from the
The
The
The
2.収差解析
2.1 読み込み時間の比較
図5は、CCDの読み込み時間が短縮されることによる効果を示す図である。図5(a)に、一例として、画素数が1000×1000程度のCCD1台の場合を示す。図5(b)に、一例として、VGAレベルの640×480のCCDの場合を示す。図5(b)が示すように、画素数が1000×1000程度のCCD1台と比較して、VGAレベルの640×480のCCD4台は、1回の露光に対しての読み出し時間が短いため、これを複数個用いてひとつの画像を形成することにより、一層多くの画像が取り込めることがわかる。
2. Aberration Analysis 2.1 Comparison of Reading Time FIG. 5 is a diagram showing the effect of shortening the reading time of the CCD. FIG. 5A shows an example of a single CCD having about 1000 × 1000 pixels. FIG. 5B shows an example of a VGA level 640 × 480 CCD. As shown in FIG. 5B, compared with one CCD having about 1000 × 1000 pixels, four 640 × 480 CCDs having a VGA level have a short readout time for one exposure. It can be seen that a larger number of images can be captured by forming a single image using a plurality of these.
2.2 フローチャート
図6は、波面収差測定のフローチャートである。
測定部600は、第5受光部31上で得られた前眼部像等により眼を測定位置でアライメントする(ステップS01)。次に、測定部600は、4台の受光部(ハルトマンセンサー)から画像を取り込む(ステップS03)。そのために、測定部600は、制御部610により第1受光部21−1〜第4受光部21−4が備える4台のCCDを制御し、露光させて画像を取り込む。次に、測定部600は、ステップS03で取り込んだ画像を画像処理し、点像位置をもとめる(ステップS05)。測定部600は、第1受光部21−1〜第4受光部21−4で取り込んだ画像を読み出し、その画像を画像処理して点像位置を求める。
次に、測定部600は、メモリ800に予め保存してある装置の校正用のパラメータを利用して、アフィン変換を行い、CCD上で得られた点像の位置を、瞳上の位置に変換する(ステップS07)。ここで、測定部600は、アフィン変換による校正としては、例えば、ハルトマン板のレンズレットアレイの校正と、CCDの配置誤差の校正の2通りの校正を実行することができる。本実施の形態では、2段階のアフィン変換により、各CCD上で得られた点像の位置が、瞳上の位置に変換することができる。なお、この例では、測定部600は、これら2段階のアフィン変換を実行しているが、いずれかひとつのみのアフィン変換を用いてもよい。アフィン変換による校正用パラメータについての詳細は後述する。つぎに、測定部600は、通常のシャックハルトマン波面センサーの手法で波面収差をもとめる(ステップS09)。つぎに、測定部600は、求めた波面収差の解析結果をメモリ(記憶部)800から読み出し、その解析結果に基づいて、例えば、眼の収差データ・マップ、角膜収差データ・マップ、俯瞰図、数値データ、ゼルニケ係数・多項式等を適宜表示するための処理を実行し、それを表示部700に表示し、メモリ800に保存する(ステップS10)。
以上のように、測定部600は、4台の受光部により得た複数画像を点像の位置校正をして1枚の画像に合成した後、合成された1枚の画像に基づき、波面収差を求めるようにしたが、測定部600は、4台の受光部により得た複数画像に基づき、複数画像に対する複数の波面収差を求めた後、複数の波面収差の位置校正をして、1枚の画像に合成することもできる。後者の場合、処理の順番としてステップS09の処理を行った後に、ステップS07の処理を行うように、図示のフローチャートのステップS07とステップS09とを入れかえればよい。
2.2 Flowchart FIG. 6 is a flowchart of wavefront aberration measurement.
The
Next, the
As described above, the measuring
2.3 波面収差の解析(ゼルニケ解析とRMS)
以下に、シャックハルトマン波面センサーで波面収差を求める手法の詳細を説明する。
図7は、波面を求めるためのフローチャートである。
測定部600は、ハルトマンイメージから点像の位置を得る(ステップS91)。測定部600は、それぞれの点像(位置)をメモリ800から読み出し、参照位置の対応を得る(ステップS93)。つぎに、測定部600は、点像位置と参照位置の対応より点像位置のずれΔx、Δyを得る(ステップS95)。つぎに、測定部600は、参照点の位置(X、Y)とずれΔx、Δyから、次に説明するように波面W(X、Y)を求めることで、波面収差を解析する(ステップS97)。
2.3 Wavefront aberration analysis (Zernike analysis and RMS)
The details of the method for obtaining the wavefront aberration with the Shack-Hartmann wavefront sensor will be described below.
FIG. 7 is a flowchart for obtaining the wavefront.
The measuring
つぎに、波面収差の解析について説明する。そこで、一般に知られているゼルニケ多項式からゼルニケ係数ci 2j−iを算出する方法について説明する。ゼルニケ係数ci 2j−iは、例えば、各受光部(ハルトマンセンサー)により、ハルトマン板を介してCCDで得られた光束の傾き角に基づいて被測定眼100の光学特性を把握するための重要なパラメータである。
被測定眼100の波面収差W(X,Y)は、ゼルニケ係数ci 2j−i、ゼルニケ多項式Zi 2j−iを用いて次式で表される。
Next, wavefront aberration analysis will be described. Therefore, a method for calculating the Zernike coefficient c i 2j-i from a generally known Zernike polynomial will be described. The Zernike coefficient c i 2j-i is important for grasping the optical characteristics of the
The wavefront aberration W (X, Y) of the
また、波面収差W(X,Y)は、CCDの縦横の座標を(x、y)、ハルトマン板とCCDの距離(ハルトマン板のマイクロレンズの焦点距離)をf、CCDで受光される点像の移動距離を(Δx、Δy)とすると、次式の関係が成り立つ。
The wavefront aberration W (X, Y) is expressed by (x, y) in the vertical and horizontal coordinates of the CCD, f in the distance between the Hartmann plate and the CCD (focal length of the micro lens on the Hartmann plate), and a point image received by the CCD. If the movement distance is (Δx, Δy), the following relationship is established.
具体的には、図11に、(r,t)座標のゼルニケ多項式の図、及び、図12に、(x,y)座標のゼルニケ多項式の図をそれぞれ示す。
Specifically, FIG. 11 shows a Zernike polynomial of (r, t) coordinates, and FIG. 12 shows a Zernike polynomial of (x, y) coordinates.
なお、ゼルニケ係数ci 2j−iは、次式で表される自乗誤差を最小にすることにより具体的な値を得ることができる。 The Zernike coefficients c i 2j−i can be obtained with specific values by minimizing the square error represented by the following equation.
ただし、W(X、Y):波面収差、(X、Y):ハルトマン板座標、(Δx、Δy):CCDで受光される点像の移動距離、f:ハルトマン板とCCDとの距離。 Where W (X, Y): wavefront aberration, (X, Y): Hartmann plate coordinates, (Δx, Δy): distance of movement of the point image received by the CCD, f: distance between the Hartmann plate and the CCD.
演算部600は、ゼルニケ係数ci 2j−iを算出し、これを用いて球面収差、コマ収差、非点収差等の眼光学特性を求める。また、演算部600は、ゼルニケ係数ci 2j−iを用いて次式により収差量RMSi 2j−iを算出する。
The
3.校正
3.1 ハルトマン板のレンズレットアレイの校正
図8に、レンズレットアレイの校正及び参照点の決め方についての説明図を示す。
強度センサー60−1は、瞳の位置に置いた強度測定用CCDを示す。瞳の位置に置く強度センサー60−1は、CCD61を備える。CCD61は、校正光源系60−2と対応して、小レンズの中心と光束の重心にあたるところが対応することになる。校正光源系60−2は、ハルトマンセンサー側に設置する光源系を示す。校正光源系60−2は、点光源62、ピンホール63を備える。なお、校正光源系60−2は、ハルトマンセンサーのCCDを取り外し、レンズレットアレイのみを残した状態で設置される。この測定では、光源1と同じ波長が選択されることが望ましい。点光源としては、ハロゲンランプと干渉フィルターとピンホールを組み合わせたものなどが使用できる。
3. Calibration 3.1 Calibration of the Hartmann Plate Lenslet Array FIG. 8 is an explanatory diagram showing how to calibrate the lenslet array and determine the reference points.
The intensity sensor 60-1 indicates an intensity measurement CCD placed at the position of the pupil. The intensity sensor 60-1 placed at the position of the pupil includes a
まず、瞳の位置に強度センサーとしてCCD61を置き、ハルトマンセンサー側に、校正光源系60−2を設置する。測定部600は、制御部610により光源62を制御して、CCD61に対して光束を照射し、CCD61において、光源62からの光の強度を測定する。これにより、ハルトマン板の小レンズと瞳上の位置の関係が得られる。つまり、ハルトマンセンサーの解析における、瞳上での参照点の絶対位置がもとまったことになる。
ハルトマン板を構成するレンズレットアレイの小レンズの数は、通常数十から数百個が考えられるが、実際の校正では、そのすべてを測定する必要はない。レンズレットアレイは、半導体製造技術を使って作られたBOEなど、位置精度は正確に作られているものが利用されるので、いくつかのレンズレットアレイで、校正用のデータをとり、アフィン変換などの変換処理のパラメータを最小二乗法等で決定する。
アフィン変換は、レンズレットアレイの位置と瞳の位置を関係付けるのに使われる。アフィン変換は、次式で示される。
x’=AL1x+BL1y+CL1
y’=AL2x+BL2y+CL2
次に示すレンズレットアレイ校正パラメータは、メモリ(記憶装置)に記憶される。
AL1、BL1、CL1
AL2、BL2、CL2
First, the
Although the number of small lenses of the lenslet array constituting the Hartmann plate is usually several tens to several hundreds, it is not necessary to measure all of them in actual calibration. Since the lenslet array is used with accurate position accuracy, such as BOE made using semiconductor manufacturing technology, calibration data is taken with several lenslet arrays and affine transformation is performed. The conversion process parameters such as are determined by the least square method or the like.
The affine transformation is used to relate the position of the lenslet array and the position of the pupil. The affine transformation is expressed by the following equation.
x ′ = A L1 x + B L1 y + C L1
y ′ = A L2 x + B L2 y + C L2
The following lenslet array calibration parameters are stored in a memory (storage device).
A L1 , B L1 , C L1
A L2 , B L2 , C L2
3.2 CCDの配置誤差の校正
図9に、各シャックハルトマンセンサーのCCDの配置誤差の校正についての説明図を示す。
図9(a)に、CCDでの無収差の模型眼を測定したときに得られた点像、図9(b)に、第1受光部21−1〜第4受光部21−4のCCDで得られる点像をそれぞれ示す。図9(b)は、4台のCCDでアフィン変換のパラメータをもとめる必要がある。さきに計測的に得た、参照点の絶対位置から、決まる点像位置を示す。図示のように整然とならんでいるとは限らないが、ここでは図化が簡単のためにこのように示した。
一般にCCDは光学器械として、良い精度で組み立てられる。しかし、わずかながら光軸を軸に回転したり、いわゆるあおりがあったり、光軸と垂直の面内で位置ずれしていたりする場合がある。これは、わずかな量であるが、図示のように(図は誇張してある)、無収差模型眼を測定したときの、それぞれのCCDで観察できる点像は、移動したりゆがんだりしている場合がある。例えば、図9(a)は、レンズレットアレイに起因するゆがみや位置移動のみ、図9(b)のCCD上ではCCD起因のゆがみや位置ずれが加わる。
3.2 Calibration of CCD placement error FIG. 9 is an explanatory diagram for calibration of CCD placement error of each Shack-Hartmann sensor.
FIG. 9 (a) shows a point image obtained when measuring a non-aberrated model eye with a CCD, and FIG. 9 (b) shows the CCD of the first light receiving unit 21-1 to the fourth light receiving unit 21-4. The point images obtained in are shown respectively. In FIG. 9B, it is necessary to obtain affine transformation parameters with four CCDs. The point image position determined from the absolute position of the reference point obtained previously is shown. Although it is not always in order as shown in the figure, it is shown in this way for simplicity of illustration.
In general, a CCD is assembled with good accuracy as an optical instrument. However, there are cases where the optical axis is slightly rotated, so-called tilting occurs, or the position is displaced in a plane perpendicular to the optical axis. This is a small amount, but as shown in the figure (the figure is exaggerated), the point images that can be observed with each CCD when the non-aberration model eye is measured are moved or distorted. There may be. For example, in FIG. 9A, only distortion and position movement due to the lenslet array are added, and distortion and positional deviation due to the CCD are added on the CCD in FIG. 9B.
図9(a)に示すCCD上での点像と、図9(b)に示す、先立った計測によって得られたCCDの位置、回転誤差がないときの点像の配置(参照点)との間には1対1対応がある。測定部600は、この対応をつけ、2つの点像のアレイ間での関係を、次式に示すアフィン変換によって近似する。
x’=AC1x+BC1y+DC1
y’=AC2x+BC2y+DC2
次に示すCCDに対する校正パラメータは、メモリ(記憶装置)800に記憶される。
AC1、BC1、DC1
AC2、BC2、DC2
つぎに、図10に、無収差の模型眼を用いた装置の位置校正を求めるフローチャートを示す。
測定部600は、被検眼100の位置に、収差が予め分かっている模型眼を配置し、測定する(ステップS71)。次に、測定部600は、第1受光部21−1〜第4受光部21−4の4台から無収差模型眼の画像を取り込む(ステップS73)。測定部600は、4台の受光部から取り込んだ画像を読み出し、取れた画像の重なっているところから、4台のCCDのピクセル間の位置関係の関係式を求める(ステップS75)。ここで、測定部600は、例えば、上述のようにアフィン変換によって2つの点像の位置関係を近似し、校正パラメータを求める。ステップS75で求めた関係式から校正用のパラメータを算出し、メモリ800に記憶する(ステップS77)。
The point image on the CCD shown in FIG. 9A and the position of the CCD obtained by the previous measurement shown in FIG. 9B and the arrangement of the point image when there is no rotation error (reference point). There is a one-to-one correspondence between them. The
x ′ = A C1 x + B C1 y + D C1
y ′ = A C2 x + B C2 y + D C2
The following calibration parameters for the CCD are stored in a memory (storage device) 800.
A C1 , B C1 , D C1
A C2 , B C2 , D C2
Next, FIG. 10 shows a flowchart for obtaining the position calibration of the apparatus using a model lens having no aberration.
The measuring
4.変形例
4.1 半画素分ずらす構成
図13は、複数の受光部(CCD)を半画素分ずらす構成を示す説明図である。この図の例では、いずれかの受光部のCCDaと他のいずれかの受光部のCCDbの配置を示す。
CCDの1画素の形状には、例えば、正方形と長方形がある。長方形の場合、長辺側の単位長さあたりの情報量は、短辺側のそれと比べて少なくなる。そこで、本変形例では、2台のCCDを、長辺側に半画素分ずれるようにして配置する。なお、短辺側に半画素分ずらしてもよい。これにより長辺側の情報量を増やすことができ、高精度な測定が可能となる。例えば、1台目の受光部のCCDaは、中心にある画素の中心と光軸が一致するように配置すると、2台目の受光部のCCDbは、中心にある画素とその隣の画素の境目に光軸が一致するように配置する。または、この逆に配置してもよい。
このように、CCDa及びCCDbは、互いに半画素分ずれて配置されており、測定部600は、CCDa及びCCDbからの出力に基づき、一つの受光部からの出力に基づくよりも高精度に収差測定を行うように構成することができる。
4). Modified Example 4.1 Configuration for Shifting by Half Pixel FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration for shifting a plurality of light receiving units (CCD) by half a pixel. In the example of this figure, the arrangement of the CCDa of any one light receiving unit and the CCDb of any other light receiving unit is shown.
Examples of the shape of one pixel of the CCD include a square and a rectangle. In the case of a rectangle, the amount of information per unit length on the long side is smaller than that on the short side. Therefore, in this modification, the two CCDs are arranged so as to be shifted by half a pixel on the long side. In addition, you may shift by a half pixel to the short side. As a result, the amount of information on the long side can be increased, and highly accurate measurement is possible. For example, if the CCDa of the first light receiving unit is arranged so that the optical axis coincides with the center of the pixel at the center, the CCDb of the second light receiving unit is the boundary between the pixel at the center and the adjacent pixel. So that the optical axes coincide with each other. Or you may arrange | position reversely.
As described above, the CCDa and the CCDb are arranged so as to be shifted from each other by half a pixel, and the
この発明は、眼科用の測定装置や手術装置等に、幅広く適用することができる。 The present invention can be widely applied to ophthalmic measuring devices, surgical devices, and the like.
1 第1光源部
10 第1照明光学系
11 調整部
12 ビームスプリッタ(B2)
20 第1受光光学系
20’ 第2受光光学系
21−1 第1受光部(ハルトマンセンサー1)
21−2 第2受光部(ハルトマンセンサー2)
21−3 第3受光部(ハルトマンセンサー3)
21−4 第4受光部(ハルトマンセンサー4)
22〜24 分離反射板(ハーフミラー)
22−2〜24−2 分離反射板(きりかきミラー)
30 前眼部観察部
31 第5受光部
32 反射鏡(B1)
40 前眼部照明部
50 視標光学部
51 固視標
52 反射鏡
60−1 強度センサー
60−2 校正光源系
61 強度測定用CCD
62 光源
63 ピンホール
DESCRIPTION OF
20 1st light reception optical system 20 '2nd light reception optical system 21-1 1st light-receiving part (Hartmann sensor 1)
21-2 2nd light-receiving part (Hartmann sensor 2)
21-3 3rd light-receiving part (Hartmann sensor 3)
21-4 4th light-receiving part (Hartmann sensor 4)
22-24 Separate reflector (half mirror)
22-2 to 24-2 Separating reflector (Kirikaki mirror)
30 Anterior
40 anterior
62
Claims (10)
上記光源部からの光束を被測定眼の眼底上に略点像として照明する照明光学系と、
測定エリアに対して要求される測定精度を満足する画素数よりも小さな画素数である複数の受光部を有し、上記複数の受光部に測定対象エリアからの光束を分割して受光するようにした受光光学系と、
上記複数の受光部からの出力に基づき、測定エリア全体の被測定眼の収差を測定する測定部と、
を備えた眼科用測定装置。 A light source unit that emits a light beam for illuminating the fundus;
An illumination optical system that illuminates the light flux from the light source unit as a substantially point image on the fundus of the eye to be measured;
It has a plurality of light receiving portions having a number of pixels smaller than the number of pixels satisfying the measurement accuracy required for the measurement area, and the light beams from the measurement target area are divided and received by the plurality of light receiving portions. Receiving optical system,
Based on the outputs from the plurality of light receiving units, a measuring unit that measures the aberration of the eye under measurement in the entire measurement area;
An ophthalmic measuring apparatus.
10. The position calibration includes one or both of calibration of a lenslet array of a plurality of Hartmann plates with respect to the plurality of light receiving units and calibration of an arrangement error of the CCD of the plurality of light receiving units. The ophthalmic measuring apparatus as described.
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