JP2794698B2 - 立体形状測定装置 - Google Patents

立体形状測定装置

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JP2794698B2
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幸治 小林
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    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/12Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for looking at the eye fundus, e.g. ophthalmoscopes

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は立体形状測定装置、特に対象物に光を照射
し、その反射光を受光して光電変換した後、信号処理を
行なうことにより対象物の3次元情報を得る立体形状測
定装置に関するものである。 [従来の技術] 従来より、対象物の立体的な形状を非接触で測定する
ために、光学的な測定方法が数多く存在する。そのよう
な光学的3次元計測法の医療分野への応用例として、最
近特に注目されているものの一つは、人間の眼底の3次
元情報を取得するための装置である。 すなわち、眼底の検査は眼科においては勿論のこと、
内科においても高血圧症や糖尿病、脳神経疾患等の診断
のために有用とされ、従来より眼底カメラ等を使って眼
底を撮影検査する方法が広く普及している。しかし眼底
の特に乳頭部の陥没状態を定量的に計測することが緑内
障の早期発見に有効であり失明予防にも直結することか
ら、近年通常の眼底カメラ等による2次元情報とは別
に、眼底の立体的な3次元情報を取得しようとする試み
がなされるようになった。 このような眼底立体計測法の1つはある一定の格子パ
ターンを眼底に投影し、それを所定の角度離れた方向か
ら観測することにより、格子像の直線からのずれを測定
する。このずれ量を三角測量法の原理によって深さ方向
に換算することにより眼底の陥没状態を定量的に評価す
るものである。 眼底立体計測法のもう1つは、立体写真の原理に基づ
くもので、例えば眼底カメラにより入射瞳を異ならせて
角度を違えて眼底を2回写真撮影する。その2枚の眼底
写真を画像解析することにより深さ情報を抽出して定量
化する。また眼底カメラの写真フィルムの代りに観測角
度の異なる2台のテレビカメラを配置し、コンピュータ
ーと連動して立体的な情報を自動的に採取するような装
置の開発も行なわれている。 [発明が解決しようとする問題点] しかし、このようないずれの方法も現状においてはま
だ空間分解能が低く、また精度や再現性の高さという点
でも難があり、必ずしも臨床用として実用になるには至
っていない。その原因の一つは人間の眼底では小さな瞳
という限られた窓を通して、比較的に大きな球状物体の
内面を観測するという物理的な制約があるからであり、
三角測量の原理によっても、立体写真の原理によっても
観測のための角度差を大きく取ることはできないためで
ある。もう一つの原因は眼底の反射率とコントラストは
極めて低く、その一方で眼底の乳頭部は反射強度の変化
が激しいという対象物の特異な反射特性によるもので、
主にこのような2つの原因から立体形状を測定する場合
の空間分解能や精度及び再現性の向上は困難になてい
る。 従来装置による計測法の別の問題点は、いずれの原理
によっても深さ情報を直接測定する方法ではないため
に、演算処理に時間がかかるということである。すなわ
ち三角測量の原理によるものでは格子像のずれ量を深さ
情報に換算するための演算時間、また立体写真によるも
のでは2枚の画像情報から深さ情報を算出するまでの解
析時間を必要とし、これら処理時間の短縮は空間分解能
の向上と相反する関係にもある。このような演算処理に
要する時間はコンピュータの進歩によってかなり短縮化
させることは可能であるが、まだ臨床用として必ずしも
十分なものではない。 一方、人間の眼底の検査を行なうための装置の1つと
して米国の眼科研究機関:レティナ・ファウンデーショ
ン(Retina Foundation)において開発されたレーザー
走査による電子的な検眼装置が知られている。(参照:
米国特許USP−4213678及び特開昭62−117524)この装置
では、低照度の照明によって高コントラストの眼底像を
リアルタイムでTVモニター上に映し出せること等の多く
の優れた特徴を有し非常に注目される。このレーザー走
査法によっても眼底の立体形状を捉えられる可能性があ
ることを、同研究機関では、論文、アプライド・オプテ
ィクス(Applied Optics)Vol.19(1980)p2997に述べ
ている。しかし、それはあくまでも、先に説明した入射
瞳を異ならせる立体写真法と同じ原理に基づくもので、
分解能や精度等の問題があり、眼底の立体形状を直接的
に捉えるという点で実用化されるには到っていない。 [発明の目的] 本発明の目的は上記問題点を解決するためになされた
もので、人間の眼底のように、例えば三角測量法で必要
とするような観測のための角度差を大きく取ることがで
きず、反射率の変化が激しいような対象物に対しても適
用可能で、空間分解能や精度及び再現性が高く、測定処
理時間も短くて済む新しい実用的な立体形状測定装置を
提供することにある。 [問題点を解決するための手段] 本発明においては、上述した問題点を解決するため
に、 被検眼眼底に光を照射し、その反射光を受光して光電
変換した後信号処理を行うことにより被検眼眼底の3次
元情報を得る立体形状測定装置において、 レーザー光源からの光ビームを第1の方向及びそれと
直交する第2と方向にそれぞれ所定周波数で2次元的に
走査するレーザー光走査手段と、 前記レーザー光走査手段で2次元的に走査された光ビ
ームを被検眼の瞳孔中心部を通過させて眼底に照射する
ための光学系と、 前記光学系を介した眼底からの反射光を走査して、少
なくとも前記第2の方向に対しては走査が固定するよう
に導く光学的手段と、 眼底からの反射光の焦点位置の変位に基づいて、前記
第1と第2の方向とは直交する光軸方向に沿った眼底の
凹凸情報を検出するための第1と第2の検出開口と、 前記第1と第2の検出開口を介して眼底からの反射光
をそれぞれ受光する第1と第2の受光素子と、 前記第1と第2の受光素子の出力信号から眼底におけ
る光学的な反射特性の影響を除去することによって眼底
の凹凸情報を演算するための信号処理手段と、 を有する構成を採用した。 [作用] このような構成では、レーザー光源からの光ビーム
は、被検眼の瞳の中心部を通過して眼底を2次元的に走
査し照射するので、光ビームを走査しても、光ビームが
被検眼から逸脱してしまうことがなく、効率のよい眼底
走査が可能になる。従って、眼底における反射特性の影
響も除去が容易となり、S/N比が高く、精度、再現性に
優れた眼底の立体形状の測定が可能になる。また、眼底
の走査によって光軸方向の情報を直接的に検出している
ので、測定処理に要する時間も比較的短くすませること
ができる。 [実施例] 以下、本発明の実施例を第1図〜第5図に従って詳細
に説明する。 第1図には本発明による立体形状測定装置の光学系の
概略構成で示されており、被測定物として人間の眼底を
対象にしている。第1図において符号1で示すものはヘ
リウム・ネオン(He−Ne)またはアルゴン(Ar+)等の
レーザー光源である。レーザー光源1から発っせられた
レーザー光束2はビームエキスパンダー3を通って所定
の大きさにまで拡大された後、ミラー4によって折り返
され、レンズ5に入射する。レンズ5はそれに続く符号
6で示される音響光学偏向素子(Acousto−Optic Defle
ctor:AOD、以下AODと略記する)の矩形状開口にレーザ
ービームを整形して入射するためのものであり複数の円
筒レンズの組み合せを含んでいる。AOD6の前後にはレー
ザービームに対するAODの入射角及び出射角の光波長依
存性を補正するためにプリズム7,8が配置される。AODに
よって1次元方向(水平方向)の偏向を受けたレーザー
光はレンズ5と類似の構成を有するレンズ9によってAO
Dの開口に適した矩形状光束から本来の円形光束に整形
された後、レンズ10とスリット11を通過する。スリット
11はAOD6の0次光(図示せず)を遮断して1次回折光の
みを利用するためのものである。スリット11を通過した
1次回折光12はレンズ13によって被検眼14の瞳と光学的
な共役な位置に置かれたミラー15の中心部を旋回中心と
して1次元的に走査するように導かれる。 AOD6によるレーザー光の走査周波数は通常のNTSC方式
のテレビの水平走査に対応して15.75KHzに選ばれる。ま
たAOD6の前後に配置されるプリズム7、8についてはレ
ーザー光として単一波長のものしか使用しないのであれ
ば必ずしも必要ではない。 ミラー15によって反射されたレーザー光束はレンズ作
用を有する凹面ミラー16によって反射されミラー17に導
かれる。ミラー17はガルバノメータ18に取り付けられレ
ーザー光束を垂直方向に走査するためのものである。ミ
ラー17は振動ミラーまたはガルバノミラーとも呼ばれ
る。ミラー17によって2次元的に走査されたレーザービ
ームは対物レンズ19を通過してそれによって被検眼14の
瞳孔中心部を通り眼底に照射される。眼底からの反射光
(第1図において点線で図示)は再び対物レンズ19を通
り振動ミラー17に導かれて反射し、更に凹面ミラー16に
よって反射する。眼底からの反射光は2次元的に走査さ
れる状態にあるが、振動ミラー17で反射され、凹面ミラ
ー16の側に導かれた後は、振動ミラー17の偏向作用によ
って垂直方向の走査が固定された状態、すなわち1次元
方向のみに走査される反射光となっている。 振動ミラー17によるレーザー光の走査周波数は通常の
テレビの垂直走査に対応して60Hzに選ばれる。 凹面ミラー16によって反射された眼底からの反射光は
ミラー15の周辺部を通過して、ここで照射レーザー光と
分離される。ミラー15の周辺部を通過した1次元的に走
査される眼底からの反射光はレンズ20を通って、その
後、半分がミラー(ハーフミラー)21によって反射さ
れ、検出スリット22とレンズ23を通過して受光素子24に
より検出される。受光素子24の前面にはレーザー光の波
長に対応したフィルター25が配置される。また、レンズ
20とハーフミラー21との間には対物レンズ19の表面から
の反射光の影響を除去するための黒点26が置かれてい
る。 一方眼底からの反射光のもう半分はハーフミラー21を
通過しミラー21の反射光と同様に検出スリット27、レン
ズ28、フィルター29を通って受光素子30により検出され
る。フィルター29はレーザー光の波長に対応したフィル
ター25と全く同じ特性を有するものである。 第1図から明らかなように2つの検出スリット22、27
は被検眼14の眼底と光学的に共役な位置22a、27aよりも
少しずらして配置される。しかも、そのずらし方の方向
は光軸に沿って被検眼に向い、それぞれ眼底と光学的に
共役な位置よりも僅かに前方、及び僅かに後方に設定さ
れている。 第2図はすでに第1図において示した光学系の特に眼
底からの反射光を導く部分について、より現実の配置に
近い形で再現した光学系の構成図である。第2図におい
てAOD6によって1次元方向(水平方向)に偏向されたレ
ーザー光(1次回折光)12はレンズ13によって被検眼瞳
と光学的に共役な位置に置かれたミラー15を旋回中心と
して走査するように導かれる。第2図では1次回折光12
の走査方向な紙面と垂直な方向であり、従って光束は光
学系の中心軸に沿った形で描かれている。ミラー15で反
射された水平方向(第2図の紙面と垂直方向)に走査さ
れるレーザー光は凹面ミラー16で反射され、更にガルバ
ノメータ18に取り付けられたミラー(振動ミラー)17に
よって反射されると共に、垂直方向(紙面と水平方向)
に走査される。振動ミラー17によって2次元方向(水平
及び垂直方向)に走査されたレーザービームは対物レン
ズ19によって被検眼14の眼底に照射され、眼底からの反
射光(第2図において点線で示す)は入射光と同じ光学
系19、17、16を通って返って来る。 ミラー15の部分で入射光と分離された眼底からの反射
光はレンズ20を通過した後ハーフミラー21で反射光と通
過光とにそれぞれ光量が半分ずつにされ、光路が分岐す
る。ミラー21の反射光は検出スリット22、レンズ23、フ
ィルター25を通って受光素子24により検出され、一方ミ
ラー21の通過光は検出スリット27、レンズ28、フィルタ
ー29を通って受光素子30により検出される。第2図にお
いて振動ミラー17より受光素子24、30までの点線で示さ
れた眼底からの反射光は水平方向(第2図の紙面と垂直
方向)のみに走査される状態にあり、従って光束は光学
系の中心軸に沿った形で、あたかも走査はされていない
ような状態に描かれている。この図から明らかなように
2つの検出スリットはその間隙と平行な方向には反射光
が走査され、間隙と垂直な方向には走査が固定するよう
な向きに置かれ、かつ光軸に沿って被検眼に向かい、眼
底と共役な位置27a,22aよりも少し前方及び少し後方に
それぞれずらして配置されている。 受光素子24、30により検出され光電変換された結果得
られる電気信号は被検眼14の眼底の反射特性を反映した
ものである。しかもAOD6と振動ミラー17によるレーザー
光の水平及び垂直走査周波数は通常のTVスキャンに対応
しているから、受光素子24及び30の出力信号を適度に増
幅してTVモニターに供給すれば、そのいずれによっても
モニター上には被検眼の通常の2次元的な眼底画像を映
しだすことができる。要するにモニター上には使用する
レーザー光の波長に対応した眼底の組織層の光学的な反
射特性に依存した画像が得られる。 ただし、この場合2つの検出スリット22、27が眼底と
光学的に共役な位置よりも少しずれて配置されているた
めに、それら2つのスリットを通して眼底からの反射光
を受光する2つの受光素子の出力信号は検出スリットと
眼底との光学的な共役関係のある状態によってはお互い
の信号強度が異なって来る。すなわち2つの検出スリッ
トの間隙がそれぞれ等しいとして、眼底と光学的に共役
な位置、つまり眼底の焦点位置が2つの検出スリット2
2、27に対して等距離にある状態では、2つの受光素子
の出力信号はほぼ同じ強度となるが、レーザー光の走査
に伴なって、対象物眼底の場所による凹凸により眼底の
共役位置が僅かにずれたような場合には、2つの受光素
子の出力信号は強度差を生じるようになる。 第3図はこのような2つの受光素子24、30の出力信号
の特性を模式的に示した図である。第3図の横軸はレー
ザー光が走査される水平:x,垂直:y両方向に垂直な光軸
方向の距離:Zを、また縦軸は受光素子の出力信号強度:I
を表わす。2つの波形I1,I2は例えば眼底の陥没等によ
って眼底と光学的に共役な位置が光軸方向:Zに対して移
動した場合に受光素子24及び受光素子30の出力信号がそ
れぞれどのように変化するかを示している。第2図を参
照すれば明らかなように、眼底と光学的に共役な位置22
aが検出スリット22の位置に一致した場合(第3図の
点)、受光素子24の出力信号の強度:I1は最大となりそ
の前後においてI1はなだらかに減衰する。一方受光素子
30の出力信号の強度I2は眼底と光学的に共役な位置27a
が検出スリット27の位置に一致した場合(第3図の
点)に最大となり、その前後においてはI1の場合と同様
に減衰する。ただし気付かねばならないことはこれらの
信号強度は対象物眼底の反射率に完全に依存していると
いうことである。すなわち眼底の反射率が大きい部分を
レーザー光が走査した場合は、第3図の波形はそれに比
例して大きくなり反射率が小さい場合は反対に小さくな
る。 第4図は第3図のような特性を有する受光素子24、30
の出力信号を演算した結果得られる特性の模式図であ
る。横軸は第3図と同じ光軸方向の距離:Zを、また縦軸
は演算結果の信号強度:I′を表わしている。2つの波形
はそれぞれI1−I2及びI2/I1を演算した結果を示す。こ
の2つの波形の内I1−I2のような差動型の特性について
はその強度値が零になる点がありZと部分的に比例する
という特徴を有することから、しばしば光学式ビデオデ
ィスク等においてZ方向の焦点位置検出のために使用さ
れる。しかしこのI1−I2の値についてはすでに述べたこ
とから明らかなように、それが眼底の反射率に完全に依
存しているために、眼底からの反射光強度が分らない
と、I1−I2の値からZ方向の値を決定することはできな
い。一方I2/I1についてはI1及びI2の強度が眼底の反射
率に依存していても、それぞれが分母、分子で打ち消し
合って、その値が眼底の反射率とは無関係なものとな
り、従ってI2/I1の値からZ方向の値を決定することが
できる。これを数学的に表現すれば、I0(x,y)を眼底
からの反射光強度として、 I1=f1(Z)・I0(x,y) I2=f2(Z)・I0(x,y) としたときに、I2/I1=f2(Z)/f1(Z)であるから、
I2/I1の値は反射率によらずZの値のみに依存した所定
の関数となり、I2/I1の値からZの値が求められること
は明らかである。すなわちI2/I1の値を演算して求める
ことにより、眼底と光学的に共役な位置が光軸方向:Zに
対してどれだけ変位しているか、つまりレーザー光のx,
y方向の走査に伴ない、対象物眼底が場所によってどれ
だけZ方向に変位しているかという3次元的な凹凸の程
度を定量化することができる。 このような特性を利用してZ方向の値を決定できる範
囲は第4図に示したような点と点よりも内側にある
一定の測定範囲となる。またI2/I1の値はZの値と比例
関係にはなく相当な非線形性を有していることから、実
際の測定装置に利用する場合は、その非線形性の補正手
段が必要となる。 第5図は本発明による立体形状測定装置の電気系の構
成を示すブロック図である。レーザー光源1からのレー
ザー光はAOD6及び振動ミラー17により水平方向及び垂直
方向に偏向走査された後、被検眼14に照射される。AOD6
には対応したドライバー31が接続され、ドライバー31は
鋸歯状波生成器32で生成されたのこぎり波信号により制
御される。一方ミラー17を振動させるガルバノメータ18
には対応したドライバー33が接続され、ドライバー33は
鋸歯状波生成器34により生成されたとこぎり波信号によ
り制御される。 被検眼14からの反射光は受光素子24、30によって検出
され、その出力信号は符号35、36で示される増幅器によ
り所定のレベルにまで増幅される。2つの増幅器からの
出力信号I1、I2は割算器37に入力されてI2/I1の演算が
なされた後、その結果は関数発生器38に入力される。す
でに説明したように受光素子24及び30からの出力信号の
演算結果は第4図に示すような強度特性を有しており、
関数発生器38はその第4図におけるI2/I1の非線形性を
打ち消すためのものである。関数発生器の出力信号はそ
の強度が対象物眼底における光軸:Z方向の変位、すなわ
ち眼底の凹凸の程度に比例したものとなる。割算器37と
関数発生器38はすべてアナログICを用いて構成すること
もできるし、またA/D・D/A変換器とディジタル演算回路
等によって構成することも可能である。 関数発生器38の出力信号及び増幅器35、36の出力信号
は信号処理装置39に入力して情報の選択と所定の処理が
なされた後、TVモニター等の出力装置40に送られ出力画
像の表示が行なわれる。すなわち増幅器35または36から
の信号が選択された場合は、出力画像は通常の2次元の
対象物眼底の反射特性を表したものとなり、一方関数発
生器38からの信号が選択された場合は対象物眼底におけ
る凹凸の程度を場所による濃度の違い、あるいは色の違
いとして表示した画像となる。また、信号処理装置39に
おいてはその内部に設けられたマイクロプロセッサーと
ソフトウエアによる処理によって関数発生器38の出力信
号を元に3次元のグラフィックパターンを生成し、たと
えば眼底を斜めから観測した場合の立体鳥瞰図としてそ
の画像を出力装置40に表示することも可能である。 レーザー光の2次元的な偏向走査を行なう制御系と、
眼底からの反射光の受光・処理を行なう出力系とは同期
信号発生器41からの水平同期信号41a及び垂直同期信号4
1bとによって同期が取られ、システムの全体的な時間的
制御が可能になる。 なお本実施例においては対象物(眼底)からの反射光
を振動ミラーによる垂直方向のみに走査して、その走査
を固定しているので、反射光の焦点位置の変位の検出の
ために2つの検出スリットを使用したが、仮に水平方向
の光偏向器として回転多面鏡等を採用して反射光の走査
を行ない、水平方向の走査も固定した場合は検出スリッ
トは円形開口に置き換えられることはいうまでもない。
すなわち、対象物からの反射光を2つの光偏向器の1方
向に対して走査してその走査を1方向にのみ固定するも
のは勿論、両方向に対して走査を行ない、反射光の走査
を両方向に完全に固定するものでも、対象物からの反射
光の焦点位置の変位に基づいて、2つの光偏向器の走査
方向とは直交する光軸方向の対象物における形状特性に
関連した情報を検出するものであれば本発明に含まれ
る。 [効 果] 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、レ
ーザー光源からの2次元的に走査された光ビームは、被
検眼の瞳の中心部を通過するので、瞳を中心に旋回して
眼底を2次元的に照射するようになり、光ビームを走査
しても、光ビームは被検眼から逸脱してしまうことがな
く、眼底を効率良く照射し走査することが可能になる。
このように、走査時に効率良く照射された眼底からの反
射光を第1と第2の検出開口を介して2つの受光素子を
用いて効率的に受光するので、眼底における反射特性の
影響も除去しやすくなり、S/N比が高く、空間分解能や
精度再現性に優れた眼底の立体形状測定が可能になり、
また凹凸情報を得るための信号処理が簡単になる、とい
う優れた作用効果が得られる。

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明装置の光学系全体の構成を示す構成図、
第2図は第1図光学系の一部を詳細に示した部分構成
図、第3図は第2図の受光素子の出力信号の特性を示し
た特性図、第4図は受光素子の出力信号の演算結果を示
した特性図、第5図は本発明装置の電気系の構成を示す
構成図である。 6……音響光学偏向素子(AOD) 17……振動ミラー 22,27……検出スリット 24,30……受光素子

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.被検眼眼底に光を照射し、その反射光を受光して光
    電変換した後信号処理を行うことにより被検眼眼底の3
    次元情報を得る立体形状測定装置において、 レーザー光源からの光ビームを第1の方向及びそれと直
    交する第2と方向にそれぞれ所定周波数で2次元的に走
    査するレーザー光走査手段と、 前記レーザー光走査手段で2次元的に走査された光ビー
    ムを被検眼の瞳孔中心部を通過させて眼底に照射するた
    めの光学系と、 前記光学系を介した眼底からの反射光を走査して、少な
    くとも前記第2の方向に対しては走査が固定するように
    導く光学的手段と、 眼底からの反射光の焦点位置の変位に基づいて、前記第
    1と第2の方向とは直交する光軸方向に沿った眼底の凹
    凸情報を検出するための第1と第2の検出開口と、 前記第1と第2の検出開口を介して眼底からの反射光を
    それぞれ受光する第1と第2の受光素子と、 前記第1と第2の受光素子の出力信号から眼底における
    光学的な反射特性の影響を除去することによって眼底の
    凹凸情報を演算するための信号処理手段と、 を有することを特徴とする立体形状測定装置。 2.前記第1と第2の受光素子からの出力信号あるいは
    演算された凹凸情報を選択して表示装置に出力する手段
    を設け、該出力信号あるいは凹凸情報を前記第1と第2
    の方向の走査と同期して表示装置に表示することを特徴
    とする特許請求の範囲第1項に記載の立体形状測定装
    置。
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