JP2019528835A - 眼の角膜の形状を特定するための照明システム - Google Patents

Abstract

本発明は、眼の角膜を測定するため、及び眼の角膜の形状を特定するための照明パターンを生成する照明システムに関する。そうする中で、解決策は距離に依存しない測定を容易にすべきである。眼の角膜の形状を特定するための本発明による照明システムは、照明ユニットと照明パターンを生成するためのユニットと、からなり、照明ユニットはこの場合、複数の照明モジュールからなる。空間的に分散されたコリメート照明パターンを生成するレンズアレイが、照明パターンを生成するためのユニットとして使用される。照明システムは、それによって眼の角膜の形状を特定できる照明パターンを生成する役割を果たす。ここで、照明システムは小型モジュールとして構成されて、他の測定システムと、その光路を妨害せずに容易に組み合わせることができる。

Description

本発明は、眼の角膜を測定するため、特に、眼の角膜の形状を特定するための照明パターンを生成する照明システムに関する。そうする中で、解決策は距離に依存しない測定を容易にすべきである。

角膜曲率測定法という用語は、眼の角膜の形状と形態を測定することを意味すると理解すべきであるが、角膜の中央及び周辺曲率半径は、特殊な形式の角膜曲率測定法として、トポグラフィの範囲内での特定の方法により数学的に測定され、評価される。

人の眼の角膜表面を測定することは、角膜が透明であり、可視光が注目すべき程度までには散乱して戻らないという点で困難であることがわかっている。
いわゆる角膜測定器又はケラトグラフを用いて角膜表面形状を測定する方法は、先行技術によりずっと以前から知られている。角膜上に結像される、いわゆるプラチドディスクの同心円状のリングが角膜の涙液層により反射され、カメラを使って評価される。カメラにより検出された反射したリングのパターンは、角膜の曲率に応じて歪められる。

プラチドディスクは照明されたディスクであり、その上に丸い円が規則的な間隔で設けられている。すると、診断は角膜表面での円の反射の観察に基づいて行われ、角膜表面上には円が同様に規則的に結像されるはずである。そうする中で、角膜表面上に見えるべきものは、同心円状のプラチド円の対称の反射だけである。それに対して、非対称の形の円が見られた場合、これらは角膜表面が基準面から逸脱していることを示すものである。角膜表面の不規則性は例えば乱視の場合に見られるが、角膜の機械的又は化学的損傷の場合にも見られる。

市販のトポグラフィシステムは、眼の正面の近い距離にある実際のプラチドリングが角膜内に投射され、そこから反射されてカメラで撮影される。角膜再建は、入射角と角膜により反射された投射プラチドリングの反射角に基づく。ここで、既知の基準試験体のリング位置に関する角膜上のリング位置のずれは、角膜再建のための基礎の役割を果たす。このような解決策の第二の欠点は、測定の精度が角度の関係に、したがって測定距離に強く依存することという点に見ることができる。

正しい測定距離を特定又はチェックするために様々な方法が使用される。例えば、測定は、正しい動作距離に到達すると自動的に測定をトリガできる。第一に、これは距離又は位置を光電子バリア、コンタクト、又は追加の測定システムを用いて特定し、必要に応じて補正することにより毎回の測定前に不正確な距離を補正することによって実行できる。

これに対して、先行技術から知られているその他の解決策は、距離に依存しない測定と眼の角膜の形状を特定するためのテレセントリック検出に基づく。
特許文献１には、光源の光が非球面によりコリメートされ、その全面積にわたり照明されるフレネルアキシコンを介して眼に向けられるトポグラフィのためのシステムが記載されている。さらに、この解決策は、光軸上の光源と、測定放射を結合する出力のための要素を含む。この解決策では、屈折面上の小さい偏向角により小さい照明角度が生成されるが、大きい偏向角を追加の反射面により実現しなければならない。

この解決策の欠点は、材料中の反射面を使用することにあり、それは、この場合の表面欠陥が反射光のコリメーションに対し、屈折面の場合より実質的に強い影響を有するからである。さらに、ビームは光源とコリメーション光学ユニットとの間で発散するように延び、したがって、この装置空間内で他の構成要素のために利用可能な自由直径は、コリメーション光学ユニットとフレネルアキシコンとの間より小さい。

角膜曲率の測定を目的として、角膜からの戻り反射は照明に加えて結像システムに結合される出力でなければならない。しかしながら、装置空間が照明コーンによりブロックされると、出力結合はさらに下流又は側部でしか実現できず、複雑さ、装置の大きさ、及び装置全体のコストが増大する。

装置空間内にある自由直径がより小さいことにより、例えば生体測定装置と共に、モジュール式に使用する解決策は、同軸照明が他のビーム経路と衝突する可能性があることからより困難となるか、さらには不可能ともなる。

さらに、比較的大きい偏向角には、特に反射面の場合に、低い製造公差が必要であることは不利であるとわかる。さらに、均一な照明はほぼ実現できない。
特許文献２に記載されている眼の角膜の表面形状を特定するためのシステムは、特定のプラチドディスクを用いるテレセントリック画像評価に基づく。プラチドディスクは半円形の断面を持つ２つ割りの環状要素を含み、これらは異なる半径を有し、その球面又は非球面の前面が眼の角膜に向けられる。プラチドディスクはＬＥＤにより照明され、これらはそれぞれ２つ割りの環状要素の焦点に配置されて、眼の角膜の方向の無限遠へのプラチドディスクのリングの投射を実現する。これはプラチドディスク上に直接配置されたＬＥＤによって自由直径がより小さいという問題を解決しているが、製造と調整がきわめて複雑で困難であることがわかった。

独国特許公開第１０ ２０１１ １０２ ３５５ 号明細書 独国特許公開第１０ ２０１１ １０２ ３５４ 号明細書

本発明は、距離に依存しない測定を容易にする、眼の角膜の形状を測定するための照明パターンを生成する照明システムを開発するという目的に基づく。この照明システムにおいて、システムの光軸周囲の領域には他のシステム構成要素がないように保たれるべきである。さらに、この照明システムは、その誤差と製造公差が全体としてのシステムにほとんど影響を与えず、容易に製造可能な個々の構成要素からなるべきである。

この目的は、照明ユニットと、照明パターンを生成するためのユニットと、からなる、眼の角膜の形状を特定するための照明システムによって、照明ユニットが複数の照明モジュールからなり、照明パターンを生成するためのユニットが空間的に分散されたコリメート照明パターンを生成することにより達成される。

本発明によれば、目的は特許請求の範囲の独立項の特徴により達成される。好ましい実施形態と構成は、従属項の主旨である。
照明システムは、それによって眼の角膜の形状を特定できる照明パターンを生成する役割を果たす。ここで、照明システムは小型モジュールとして構成されて、他の測定システムと、そのビーム経路を妨害せずに容易に組み合わせることができる。

本発明を例示的実施形態に基づいて以下にさらに詳しく説明する。

光源を眼内に結像させるビーム経路を示す。 非球面を用いる照明モジュールにおけるビーム経路を示す。 フレネルレンズを用いる照明モジュールにおけるビーム経路を示す。 楕円面反射板を用いる照明モジュールにおけるビーム経路を示す。 楕円面反射板及び別のプラナレンズアレイを用いる照明モジュールを示す。 楕円面反射板及び別の同心円状のレンズアレイを用いる照明モジュールを示す。 個々のレンズが眼とは反対側に配置されるレンズアレイを有する、６つの照明モジュールからなる照明システムを示す。 図７ａの照明システムの断面図を示す。

提案中の眼の角膜の形状を特定するための照明システムは、照明ユニットと、照明パターンを生成するためのユニットと、からなる。ここで、照明ユニットは複数の照明モジュールからなる。空間的に分散されたコリメート照明パターンを生成するレンズアレイは、照明パターンを生成するためのユニットとして使用される。

文献から一般に知られている、プラスの焦点距離を有する収束レンズからなるレンズアレイとは異なり、ここで用いられるレンズアレイは、マイナスの焦点距離を有する発散レンズからなる。

本発明によれば、照明ユニットは少なくとも２つの照明モジュール、好ましくは４つの照明モジュール、特に好ましくは６つ又はそれ以上の照明モジュールからなり、それによって照明パターンを生成するためのユニットの全面積照明が確実となる。このために、照明モジュールは、各照明モジュールの照明光が照明パターンを生成するためのユニットの一部を照明するように配置される。

光源のほかに、各照明モジュールは、光源を眼の中に結像するための少なくとも１つの反射又は屈折光学要素を含む。
本発明による解決策の各種の変形型について、図式的例示に基づいて以下にさらに詳しく説明する。

第一の構成によれば、各照明モジュールは、光源のほかに結像光学要素を含み、光源をレンズアレイを介して眼の中に結像させる。非球面のほかに、フレネルレンズ又は凹面鏡も結像光学要素として使用できる。このために、図１は、本発明によるレンズアレイを使用せずに、光源を眼の中に結像させるためのビームプロファイルを示している。ＬＥＤ１は、非球面２により、平面４内にある眼の中に結像される。照明モジュールの光軸は５により示される。破線６は結果として得られるビームプロファイルを示す。

ＬＥＤは、その小さい寸法により、光源としてますます使用されている。大きい発散角の点から、光は光源から発せられ、眼の像点において集光され、それがすべての照明モジュールの対称点を形成する。

このために、図２は非球面を用いた照明モジュールにおけるビームプロファイルを示す。
ＬＥＤ１は、非球面２により平面４内にある眼の中に結像される。照明モジュールの光軸は５により示される。破線６は、ビーム経路内に配置されるレンズアレイ３を考慮しないビームプロファイルを示し、実線７は前記レンズアレイが考慮されたときのビーム経路を示す。図１からわかることは、光線６が、眼のある平面４内のある点で交差し、線７に沿った光線はレンズアレイ３の１つのレンズにより偏向され、平面４内で眼に平行に入射することである。レンズアレイ３の異なるレンズからのコリメートビームは、この場合、平面４へのそれらの入射角の点で異なる。１つの非球面の代わりに、光軸５上の複数のレンズもこの結像のために使用できる。

第二の構成によれば、各照明モジュールは、光源をレンズアレイを介して眼の中に結像するために、光源のほかにフレネルレンズを含む。
図３は、フレネルレンズを用いる照明モジュールにおけるビーム経路を示す。

ＬＥＤ１は、フレネルレンズ８により平面４内にある眼の中に結像される。再び、破線６は、ビーム経路内に配置されたレンズアレイを考慮しないビームプロファイルを示し、実線７は、前記レンズアレイが考慮されたときのビームプロファイルを示す。

フレネルレンズの使用は、フレネルレンズとレンズアレイからなる構造全体の重量が実質的に軽減されるという点で特に有利であろう。両方の構成要素が平坦で薄い要素として具体化でき、その結果、これらは容易に据え付けることができ、さらに、射出成形部品として製造できる。

第三の構成によれば、各照明モジュールは、光源をレンズアレイを介して眼の中に結像するために、光源のほかに楕円面反射板を含む。ここで、光源は楕円面反射板の第一の焦点にあり、眼はその第二の焦点にある。

このために、図４は、楕円面反射板を用いる照明モジュールにおけるビームプロファイルを示す。
ＬＥＤ１は、レンズアレイ３を介して楕円面反射板９により平面４内にある眼の中に結像される。ここでも、破線６は、ビーム経路内に配置されたレンズアレイ３を考慮しないビームプロファイルを示し、実線７は、前記レンズアレイが考慮されたときのビームプロファイルを示す。

この変形型はさらに、ＬＥＤをレンズアレイの、反射板と対向する表面上に配置でき、反射板が楕円面、非球面、球面、又は同様の実施形態を有することができるという点で有利である。

別の構成によれば、各照明モジュールは別のレンズアレイを含んでいてもよい。
図５及び６は、楕円面反射板と別のレンズアレイを用いる照明モジュールを示す。
図５の照明モジュールは平面レンズアレイを含み、図６は楕円面反射板及び同心円状のレンズアレイを用いる照明モジュールを示す。

図５に示される、楕円面反射板を用いる照明モジュールの特に有利な実施形態によれば、レンズアレイは平面キャリア上に同一の個別レンズを有し、その軸は相互に平行に、基板に垂直に延びる。その結果、このような照明モジュールは特に容易に製造できる。

図６による解決策の有利な構成は同様に、同じ焦点距離又は外半径を有する同一の個別レンズを使用することができる。しかしながら、この場合、球面キャリアが使用される。すべての個別レンズの光軸は、キャリアに垂直に、したがって眼に対して同心円状に延びる。

本発明によれば、レンズアレイの個別レンズは、眼に対して同心円状の平坦な又は球面の表面上に長方形の、半径方向に対称の、又は六角形のグリッドに配置され、生成されるべき空間的に分散された照明パターンが、照明光を屈折させることによって生成されるように構成される。そうする中で、各個別レンズについてコリメート部分ビームが生じ、前記部分ビームはマイクロレンズアレイの直径を有する。

ここで、複数のマイクロレンズによって複数の部分ビームが生じ、前記部分ビームは各々、コリメートされた状態で延びる。各部分ビームは異なる角度から眼を照明するため、所望の照明パターンが生じる。

図５に示されるように、平面レンズアレイの場合、すべての個別レンズは同じ焦点距離と、平坦な表面に垂直に配置された光軸を有する。その結果、レンズアレイ内の個別レンズは、同じ外形輪郭と、焦点距離、曲率半径、屈折率、及び光軸等の同じ光学特性を有するが、結像要素内で生成される異なる角度で照明される。すると、構成全体で、眼に当たる複数のコリメートビームが生じる。

図６による同心円状のレンズアレイを使用すると、レンズアレイの個別レンズは、それらの光軸が眼の共通の中心で交差するように配列される。したがって、レンズアレイ内のレンズは、共通の交差点の周囲で中心対称となるように配置される。これらは、両凹の実施形態を有するか、又は図のように共通の同心円状ベース部分を有することも、内面又は外面に凹んだ実施形態を有することもできる。

眼へのすべてのビームの共通の交差点を得るために、すでに図２〜５に示したように、同心円状のレンズの配置と共にその他の結像要素も使用してよい。
本発明によれば、レンズアレイの個別レンズは、大きさの点で眼までの距離から１５％未満、好ましくは１０％未満、特に好ましくは５％未満だけずれているマイナスの焦点距離を有する。

別の構成によれば、個別レンズはレンズアレイの眼と反対側に配置でき、アレイの基本的な形態は光軸の周囲で同心円状に配置される。
前述のように、レンズアレイは球面又はその他の平坦な基本形態を有することができ、これは眼と照明システムの光軸に対して同心円状に配置される。さらに、レンズアレイはまた、複数の平面部分に対応することもできる。

レンズアレイは射出成形部品として製造できることは特に有利である。平坦な基本形態は単にその簡単な製造可能性によって区別される。
このために、図７ａは、６つの照明モジュールを用いた照明システムを、目から見える状態で示す。レンズアレイ３は、眼と対向する同心円面上にある。この場合は非球面２として実施される６つの照明モジュールがレンズアレイの背後に配置される。

図７ｂは、図７ａの照明システムの断面図を示す。その個別レンズ（すでに図５に示されている）が眼と反対側に配置されたレンズアレイ３は、眼との同心円状の配置を有する。これは、照明システムの前面が容易にクリーニングできる平滑面を有するという点で有利である。その結果、追加のカバーパネルをなくすことができる。レンズアレイ３は、テレセントリック検出ビーム経路及び／又は、ＯＣＴ若しくは網膜スキャン等のその他のタスク用のビーム経路のための中央開口部１０を含み、前記中央開口部は照明システム１１の対称軸上にある。光軸５を持つ複数の照明モジュールは、この対称軸１１の周囲に配置される。

図７ｂによる解決策の考えうる構成のために、照明モジュールは、台形の外形輪郭と約５×５ｍｍの面積を有する４７２個のマイクロレンズのレンズアレイ３に基づく。例えば、利用されるレンズアレイは、プラスチックあるいはガラスからなっていてもよく、眼と対向する半径は８０ｍｍである。すると、マイクロレンズの凹部半径も同様に８０ｍｍであり、したがって−８０ｍｍのマイクロレンズの焦点距離が得られる。有利な点として、眼と対向する半径は４０ｍｍより大きいが、特に有利には８０〜１５０ｍｍである。図７ｂのモジュールは、眼上の約９０°＋／−１５％のフルアングルを照明するが、３０〜７０度というより小さいフルアングルを選択することもできる。さらに、レンズアレイはまた、各々が光軸５に垂直な複数の平面部分上に配置されてもよい。

照明ユニットを複数の照明モジュールに分けることによって、照明システムの光軸の周囲の中央領域はその他のビーム経路のために空けられたままとなり、さらに、それによってレンズへの入射角が常に小さくなる。

本発明による解決策では、眼の角膜の形状を特定するための照明システムが提供され、それによって距離に依存しない測定が可能となる。システムの光軸の周囲の領域は空いたままとされるため、軸対称のテレセントリック検出が可能である。さらに、コリメート式の眼への部分ビーム入射によって、距離に依存しない照明が確実となる。

さらに、照明パターンの均一な明るさは、多数の同一の照明モジュールを使用することによって確実にされ得る。
照明ユニットの分散はさらに、照明モジュールの焦点距離を短くできることにもつながり、したがって装置の奥行きを縮小できる。

眼の角膜の形状を特定するための本発明による照明システムはさらに、以下の利点に関連付けられる：
・装置空間が、角膜で反射される光のテレセントリック結像と光軸内の別のシステム構成要素のために空いたままとされる。
・アレイ内の屈折面のみを使用することによって、製造コストが削減される。
・より小さい寸法であることから、厚さの差を小さくすることにより製造が最適化される。
・照明モジュールのエタンデュが縮小される。
・公差感度を低くすることができる。
・照明及び測定ビーム経路を分離又は重畳するための光学要素が不要である。
・基本的精度のより低い技術、例えばホットスタンピング、射出成形、鋳造、又はその他が利用可能である。

Claims (15)

1. 眼の角膜の形状を特定するための照明システムであって、
   照明ユニットと、照明パターンを生成するためのユニットと、を備え、
   前記照明ユニットが、複数の照明モジュールを含み、前記照明パターンを生成するためのユニットが、空間的に分散されたコリメート照明パターンを生成するレンズアレイであることを特徴とする照明システム。
2. 前記レンズアレイは、マイナスの焦点距離を有する発散レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
3. 前記照明ユニットは、少なくとも２つの照明モジュール、好ましくは４つの照明モジュール、特に好ましくは６つ又はそれ以上の照明モジュールからなることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
4. 前記照明モジュールは、各照明モジュールの照明光が前記照明パターンを生成するためのユニットの一部を照明するように配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明システム。
5. 各照明モジュールは、光源のほかに、前記レンズアレイによって前記眼の中に前記光源を結像させるために、少なくとも１つの反射又は屈折光学要素を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明システム。
6. 各照明モジュールは、前記レンズアレイによって前記眼の中に光源を結像させるために、屈折光学要素として非球面を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明システム。
7. 各照明モジュールは、前記レンズアレイによって前記眼の中に光源を結像させるために、屈折光学要素としてフレネルレンズを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明システム。
8. 各照明モジュールは、前記レンズアレイによって前記眼の中に光源を結像させるために、反射光学要素として反射板を含み、前記光源は、前記反射板の第一の焦点にあり、前記眼は、前記反射板の第二の焦点にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明システム。
9. 各照明モジュールは、別のレンズアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
10. 前記レンズアレイの個別レンズは、前記眼と同心円状の球面の表面上に長方形のグリッド、半径方向に対称のグリッド、又は六角形のグリッドに配置されることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
11. 前記レンズアレイの個別レンズは、平坦な表面上に長方形のグリッド、半径方向に対称のグリッド、又は六角形のグリッドに配置されることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
12. 前記レンズアレイの個別レンズは、その光軸が前記眼の共通の中心で交差するように配列されることを特徴とする請求項１０に記載の照明システム。
13. 前記レンズアレイの個別レンズは、大きさの点で眼までの距離から１５％未満、好ましくは１０％未満、特に好ましくは５％未満だけずれているマイナスの焦点距離を有することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の照明システム。
14. 個別レンズは、前記レンズアレイの眼とは反対側に配置され、前記アレイの基本形態は、光軸の周囲で同心円状に配置されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の照明システム。
15. 前記レンズアレイは、射出成形部品として製造されることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明システム。