JP3090699B2

JP3090699B2 - 眼軸長測定装置

Info

Publication number: JP3090699B2
Application number: JP03056668A
Authority: JP
Inventors: 関根明彦; 峯岸功; 大友文夫
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 2000-09-25
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JPH04292135A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速測定可能な眼軸長
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、干渉計測法を利用して非接触
で眼軸長を測定する眼軸長測定装置が知られている。こ
の種の眼軸長測定装置には、眼底及び角膜からの反射光
による干渉縞の位相変化を検出して眼軸長を測定するも
のがある。また、本件出願に係わる発明者自身も測定干
渉計による干渉信号と基準干渉計による干渉信号の位相
変化量から眼軸長を測定する眼軸長測定装置（特願平1-
167220号）を提案している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
眼軸長測定装置の場合、レーザー光源の波長、注入電流
に対する波長特性を線形とするか、又は事前に既知でな
ければならない問題点がある。

【０００４】一方、特願平1-167220号の場合、眼軸長を
位相差変化と基準干渉計の光路差との比例関係から求め
ることができるので、波長に依存せずかつその変化特性
にも依存しない利点があるが、測定干渉計の干渉信号及
び基準干渉信号についてそれぞれ位相変化量を求める必
要があり、信号処理が煩雑となる問題点がある。

【０００５】そこで、本発明の目的は、そのレーザー光
源の波長、温度変化に伴う波長変化特性、波長変化に伴
う出力変化特性に依存せずに、サンプリングされた一定
周期の周期波信号に基づき簡易な信号処理により、眼軸
長を測定できる眼軸長測定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の眼軸長
測定装置は、上記課題を解決するため、眼球に単波長か
つ波長変化が可能なコヒーレント光を照射するレーザー
光源と、該レーザー光源からの光束を角膜と眼底で反射
させ、その反射光によって干渉光を形成する測定干渉計
と、その干渉光の干渉縞強度を検出して出力信号を出力
する第一受光部と、前記レーザー光源の発光波長を変化
させるレーザー駆動部と、２枚の反射鏡によって、前記
角膜と眼底間の光学的な距離に比べ長い光路差を形成さ
れた基準干渉計と、前記レーザー光源からのコヒーレン
ト光が前記基準干渉計の光路差で形成された干渉縞強度
を検出して出力信号を出力する第二受光部と、前記第二
受光部の出力信号をタイミング信号として用いて前記第
一受光部の出力信号をサンプリングし周期波信号を形成
する周期波信号形成部と、前記基準干渉計の光路差と前
記周期波信号の周期とに基づき眼軸長を求める演算部と
を備えたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明に係わる眼軸長測定装置によれば、レー
ザー光源はパルス駆動されて、各パルス毎にその発振波
長が非線形に変化する。眼底からの反射光束と角膜から
の反射光束とに基づく干渉出力は、基準干渉計の干渉出
力により得られたタイミングパルスに基づきサンプリン
グされる。干渉出力同志はコヒーレント光の波長変化に
基づくその変化の仕方が同じなので、サンプリングされ
た波形は、理論的には周期波信号となる。判定部はその
周期波信号を判定し、演算部はその判定結果に基づき、
周期波信号を平均し、基準干渉計の光路差と周期波信号
の周期とに基づき眼軸長を演算する。

【０００８】好ましくは、演算部は平均化処理部を有
し、平均化処理部は各周期波信号の相関を求め、平均化
された周期波信号の周期を求め、この平均の周期に基づ
き眼軸長を演算する。

【０００９】

【実施例】第１図は本発明に係わる眼軸長測定装置の光
学系であって、第１図において、１はレーザー光源とし
ての半導体レーザーである。この半導体レーザー１は第
２図に示すＬＤ駆動回路２によって駆動制御される。半
導体レーザー１は単一波長のコヒーレント光を出射す
る。そのコヒーレント光はコリメートレンズ３によって
平行光束とされる。その平行光束は絞り４を通過してビ
ームスプリッタとしてのハーフミラー５に導かれる。平
行光束はそのハーフミラー５によって二分割される。一
方の分割平行光束は基準干渉計６に導かれる。他方の分
割平行光束は測定干渉計７に導かれる。基準干渉計６
は、ハーフミラー８、全反射ミラー９、10、受光器11か
ら大略構成されている。基準干渉計６に導かれた分割平
行光束の一部はハーフミラー８によって反射されて全反
射ミラー10に導かれる。残りはそのハーフミラー８を通
過して全反射ミラー９に導かれる。全反射ミラー９によ
り反射された平行光束と全反射ミラー10により反射され
た平行光束とは参照光としてハーフミラー８に導かれて
干渉光束となり、第２受光部としての受光器11に受光さ
れる。

【００１０】ここで、ハーフミラー８から全反射ミラー
９までの距離をＬ１、ハーフミラー８から全反射ミラー
10までの距離をＬ２とすると、その参照光の光路差Ｌ
は、Ｌ＝２（Ｌ１−Ｌ２）である。

【００１１】受光器11にはその光路差Ｌに基づく干渉強
度を有する干渉光束が受光され、半導体レーザー１の波
長を一定とすると、この受光器11の干渉信号の出力は一
定である。

【００１２】ハーフミラー５を透過した他方の分割平行
光束は、ビームスプリッタ12に導かれ、その反射面13で
反射され、生体眼14に導かれる。なお、第２図では、そ
の反射面13の代わりに反射面13と等価のハーフミラー1
3′が示されている。その生体眼14に導かれた分割平行
光束の一部は角膜Ｃによって反射され、球面反射光束に
なる。また、残りの分割平行光束は角膜Ｃを透過し、水
晶体15により眼底Ｒに結像され、その眼底Ｒで反射され
る。その眼底反射光束は角膜Ｃから平行光束として出射
される。

【００１３】角膜Ｃにより反射された球面反射光束と眼
底Ｒにより反射された平行光束とはビームスプリッタ12
を通過して対物レンズ16に導かれ、所定の位置で互いに
干渉する。その所定位置には第１受光部としての受光器
17が設けられている。干渉縞の強度はレーザー光の波長
が一定であれば理論的には一定値である。しかし、眼球
には拍動等があるので、眼軸長ＡＬ（角膜頂点ＣＭから
眼底Ｒまでの光軸間距離）の変動で僅かに変化し、干渉
縞の強度は事実上若干変動する。

【００１４】今、測定干渉計７に導かれた平行光束の光
路差(眼軸長を空気換算した値)２Ｌｅｙｅ、レーザー
光の波長をλ、波長変化量をΔλとする。

【００１５】受光器11における初期の位相差は2π(Ｌ/
λ)、波長を変化させた後の位相差は2π｛Ｌ/(λ＋Δ
λ)｝である。従って、波長を連続的に変化させること
により、位相差が2π(Ｌ/λ)から2π｛Ｌ/(λ＋Δλ)｝
へ連続的に変化する。ここで、λ》Δλとすると、波長
変化後の位相差は2π(Ｌ/λ-ＬΔλ/λ² )と表わせ、位
相差の変化は2π(ＬΔλ/λ² )と近似できる。従って、
レーザー光の波長を変化させることによって受光器11に
おいて観測される干渉縞の強度が変化することになる。

【００１６】同様に、受光器17においては、レーザー光
の波長の変化に伴って位相差は2π(２Ｌｅｙｅ/λ)から
2π(2Ｌｅｙｅ Δλ/λ² )に変化し、受光器17で観測さ
れる干渉縞の強度が変化する。これらの周期的に変化す
る干渉縞の強度を反映する出力信号から眼軸長を算出す
るのである。

【００１７】今、受光器17においての位相差の変化をψ
1 、受光器11においての位相差の変化をψ2 とすると、 ψ1 =2π(2Ｌｅｙｅ Δλ/λ² ) (1) ψ2 =2π(ＬΔλ/λ² ) (2) これらの式よりΔλ/λ² を消去すると、Ｌｅｙｅ =Ｌψ1 /2ψ2 (3) となり、受光器17、11から得られる出力信号の位相差の
変化量を求めることにより、光路差Ｌｅｙｅが算出さ
れる。光路差Ｌｅｙｅが求まれば、眼球内部の屈折率
をｎｅｙｅとして、眼軸長ＡＬが求められる。

【００１８】ＡＬ=Ｌｅｙｅ /ｎｅｙｅ (4) ここで、波長変化Δλが連続的であるとして、一般的な
干渉の式について考察する。

【００１９】一般的に干渉の式は、Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂＋２（Ｉ₁・Ｉ₂）^1/2・cosδ（5）と表現される。

【００２０】ここで、Ｉは受光器11、17における干渉光
の強度、Ｉ₁、Ｉ₂は互いに干渉する光束の強度、δは互
いに干渉する光束の位相差であり、δは、たとえば、４π（Ｌ１−Ｌ２）（１／λ−Δλ／λ²）である。

【００２１】この（5）式に着目して、波長λを連続的
に変化させることにすると、位相差δが２π変化する都
度、その第３項の値が周期的に変化することになるの
で、干渉縞の強度Ｉが周期的に変化することになる。

【００２２】ここで、強度変化の周期数は位相差の変化
を２πで割った値であり、（3）式において得られるψ1
/2ψ2は受光器11、17により得られる干渉縞の強度変化
の周期数の比を示している。

【００２３】従って、受光器11、17により得られる干渉
縞の周期数を測定すれば、光路差Ｌｅｙｅが求められ
る。なお、眼球内部の屈折率ｎｅｙｅの数値にはその
構造・組成を考慮して平均値を用いる。

【００２４】次に、上記原理に基づく測定回路について
説明する。

【００２５】受光器17の出力信号は、増幅器18、切替え
スイッチ18′を介してＡＤコンバータ19に入力されてい
る。切替えスイッチ18′は後述する電気フィルタとの切
換えのために用いる。受光器11の出力信号は、増幅器1
9′を介して信号処理回路21の一部を構成するトリガー
回路20に入力されている。ＬＤ駆動回路２は、第３図
（イ）に示す矩形波パルス電流ＰＣを半導体レーザー１
に向かって出力する。半導体レーザー１の温度は、この
矩形波パルス電流ＰＣによって温度上昇し、第３図
（ロ）に示す温度変化曲線Ｔを描くことになる。この半
導体レーザー１の温度は平衡に達するのに数msec程度を
要する。この矩形パルス電流ＰＣが発生している時間が
発振波長変化区間ＶＷである。半導体レーザー１は温度
変化に伴って発振波長が変化する。一方、半導体レーザ
ー１の発振出力の過渡期間は非常に短く、パルス駆動中
の出力変動は無視できる。

【００２６】半導体レーザー１の動作領域としては、温
度変化と発振波長とが、一対一の対応関係にある領域
（モードホップ領域以外の領域）を使用する。この温度
上昇は時間に対して非線形である。従って発振波長も非
線形で変化することになる。受光器11、17における干渉
縞の位相変化はこの温度変化の非線形に基づく影響を受
けることになる。

【００２７】すなわち、第３図（ハ）に示すようにホト
ダイオード17から出力される出力波形Ｃ０は、温度上昇
変化が急激な初期の段階で周期が短く、温度変化が緩や
かな後期の段階で周期が長くなる。発振波長変化は初期
の段階で大きく、後期の段階で小さいことによりこうな
る。受光器11から出力される出力波形Ｃ１についても同
様である。ここで、出力波形Ｃ１の周波数が出力波形Ｃ
１の周波数よりも高いのは、基準干渉計６での光路差Ｌ
を測定干渉計７での光路差Ｌｅｙｅよりも十分に大きく
設計しているからである。ここでは、基準干渉計６の光
路差Ｌは測定干渉計７の光路差Ｌｅｙｅの約６倍に設定
されている。なお、基準干渉計６の設計に際しては、そ
の光学距離を長く延ばすのに光ファイバーを用いること
ができる。

【００２８】基準干渉計６と測定干渉計７とは、同一の
レーザー光をハーフミラー５により分割しているので、
レーザー光の波長の変化は同一である。従って、受光器
17の出力波形Ｃ０は原理的には受光器11の出力波形Ｃ１
を引き延ばした形となり、受光器11の出力波形の周期と
受光器17の出力波形の周期との比は、測定光路差Ｌｅｙ
ｅと基準光路差Ｌとの比、Ｌｅｙｅ／Ｌによってのみ定
まる。この比をＫとする。

【００２９】この比Ｋを求めるために、信号処理回路21
は受光器11の出力波形Ｃ１に基づいて受光器17の出力波
形Ｃ０をサンプリングする構成としている。トリガー回
路20は、レーザー駆動回路２によって同期制御され、第
３図（ニ）に示すスライスレベルＶにより出力波形Ｃ１
をスライスし、出力波形Ｃ１の一周期毎に、第３図
（ホ）に示すタイミングクロック信号Ｃ２を生成する。

【００３０】Ａ／Ｄコンバータ19はトリガー回路20のタ
イミングクロック信号Ｃ２に基づき、出力波形Ｃ０の出
力値をＡ／Ｄ変換してメモリー22に向かって出力する。
これによって、出力波形Ｃ０が何個のサンプリング個数
で一周期を構成しているか求められることになる。すな
わち、受光器11から出力される出力信号の一周期が受光
器17から出力される出力信号の何周期に相当するかが求
められることになる。第３図（ヘ）はそのメモリに記憶
されたサンプリング波形Ｃ３を等間隔に表わした図であ
る。従って、信号処理回路21は第２受光部の出力信号を
タイミング信号として用いて、第１受光部の出力信号を
サンプリングし、サンプリング波を形成するサンプリン
グ波形成部として機能する。ここでは、６個のサンプリ
ング値で一周期が構成されているので、Ｋ＝１／６であ
る。そのサンプリング波は出力波形にノイズがないもの
とすると、周期波信号そのものである。

【００３１】従って、このＫを演算回路23により演算
し、Ｋ＝Ｌｅｙｅ／Ｌの式を変形したＬｅｙｅ＝Ｌ×Ｋ
を計算すれば、Ｌが既知であるので、Ｌｅｙｅを求める
ことができる。

【００３２】つまり、出力波形Ｃ１の一周期（一回帰）
毎に一個のトリガーを発生させ、このトリガーによって
出力波形Ｃ０をサンプリングし、メモリ22に書き込むこ
とは、不定周期のトリガーパルスを等間隔のメモリ22の
アドレスに置き換えることを意味する。出力波形Ｃ０の
周期とトリガーとの周期の比は一定であるから、メモリ
22に書込まれるサンプリング波形Ｃ３は等周期の波形を
形成することになる。このようにして、各パルス毎に信
号をメモリに記憶していく。

【００３３】次に、メモリ22に記憶されたサンプリング
波形Ｃ３のデータから周期解析を行うのであるが、受光
器17から出力される実際の出力波形Ｃ０には電気的ノイ
ズが乗っている。

【００３４】そこで、演算回路23は複数個の波長変化区
間ＶＷについて,例えば 128個の波長変化区間ＶＷ（半
導体レーザー１を128回パルス駆動する）について平均
してランダムノイズの除去を行い、周期解析を行うよう
にしている。

【００３５】まず、眼底Ｒは粗面であるため、被検眼14
が僅かでも動くと、干渉光の位相関係が変化し、波長変
化区間ＶＷにおいて出力波形Ｃ０が安定して得られず、
疑似ノイズが混入している。従って、単純に出力波形Ｃ
０の平均化するとノイズ成分が増加し、解析誤差が増加
する。すなわち、半導体レーザー１の波長変化区間ＶＷ
において、受光器17から出力される出力波形ＣＯに周期
波信号が常時含まれているとは限らない。

【００３６】そこで、演算回路23は半導体レーザー１の
波長変化区間ＶＷにおいて、出力波形Ｃ０に眼軸長測定
に有用な周期波信号が含まれているか否かを判定し、周
期波信号が含まれている出力波形についてのみ平均化す
ることにする。

【００３７】すなわち、受光器17から出力される出力波
形Ｃ０は、実際には第３図の（ハ）に示すような滑らか
でかつ理想的な波形ではなく、出力波形Ｃ０には第４図
に示すような電気的ノイズＮが含まれている。この電気
的ノイズＮは高周波である。そこで、演算回路23は切替
えスイッチ18′を切り換えて、半導体レーザー１の波長
変化区間ＶＷの後半で、電気的フィルターとしての高周
波カットフィルター24を介してサンプリングするので、
半導体レーザー１の波長変化区間ＶＷの少なくとも一部
について高周波ノイズＮが除去される。

【００３８】すると、電気的ノイズＮを含まない光学的
原因に基づく出力波形Ｃ０がＡ／Ｄ変換器19に入力され
る。この光学的原因に基づく出力波形Ｃ０には、受光器
17に入射する反射光のバランスの関係で極端に振幅の小
さな信号、反射光は受光器17に達しているが干渉光の位
相の関係で生じる疑似信号も含まれる。メモリ22にはそ
のサンプリング波形Ｃ３が第４図に示すように記憶され
る。

【００３９】ところで、測定の対象である眼軸長ＡＬ
は、所定範囲にあると仮定できるから、すなわち、人間
の眼軸長ＡＬには極端なものがないと考えられるから、
得られるべき周期波信号の周期も所定範囲に含まれると
考えてよい。

【００４０】そこで、演算回路23には判定部が設けられ
ている。この判定部はサンプリング波形Ｃ３が所定範囲
の振幅と所定範囲の周期にあるか否かを判定し、この条
件を満足するデータのみに基づいて眼軸長ＡＬを算出す
る。この判定は、高周波カットフィルター24を通した後
の出力波形Ｃ０を用いて行う。出力波形Ｃ０の振幅と周
期とが所定範囲に入るものがないときは、Ａに戻って測
定を再度繰り返す。第４図において、符号ＣＯ′は眼軸
長ＡＬの算出に用いない出力波形を示している。

【００４１】また、各サンプリング波形Ｃ３を比較する
と、心拍による眼球の拡大・収縮のため出力波形ＣＯの
位相が若干ずれている場合がある。ただし、その出力波
形ＣＯの周期はほとんど変わらない。そこで、平均化の
際に、各サンプリング波形Ｃ３の相関を後述の基準波形
に対して計算し、相関の最大になる位置にサンプリング
波形Ｃ３をずらして重ね合わせ、平均化する。

【００４２】ここで、基準波形としては、判定部でＯＫ
と判定されたサンプリング波形Ｃ３のうちの一つを選択
する。この基準波形は、たとえば図５の（イ）に示され
ている。この図５の（イ）に示す基準波形Ｃ３′に較べ
て、図５の（ロ）のサンプリング波形Ｃ３は周期は等し
いが位相がずれている。そこで、基準波形Ｃ３′とサン
プリング波形Ｃ３の相関係数R12(τ)=Σx(t)y(t＋τ)／
Σx(t)Σy(t)を計算する。この計算は、対応するアドレ
スからのずれ(時間ずれに相当)τを変化させて行う。こ
こで、Ｘ、Ｙは各々基準波形、サンプリング波形のデー
タである。

【００４３】Ｘ、Ｙデータによるサンプリング波形は周
期形なので、相関係数演算後の波形も図５の（ハ）に示
すように周期関数になる。波形の山と山、谷と谷が合う
時に、相関係数が極大になるから、その第一極大のτ0
を採用し、基準波形を図５の（ホ）、（ヘ）に示すよう
にτ0 だけずらして和をとる。この操作を、各波長変化
区間ＶＷにおいて得られたサンプリング波形Ｃ３につい
て実施する。これによって、電気的ランダムノイズ、疑
似信号の影響の少ない周期波信号ＣＳを最終的に第４図
に示すように得ることができる。そして、この周期波信
号ＣＳの周期を解析し、眼軸長ＡＬの測定を繰り返す場
合にはＢに戻って測定を続行する。

【００４４】つまり、演算回路23は、サンプリング波に
基づき周期波信号を形成すると共に、基準干渉計の光路
差と周期波信号とに基づき、眼軸長を求める演算部とし
て機能する。

【００４５】本発明の眼軸長測定装置は、電気的ノイズ
の周波数が出力波形ＣＯの周期に較べて十分に高いと
き、波長変化区間ＶＷの全区間にわたって高周波カット
フィルター24をかけることもできる。この場合には疑似
信号を除去できる。

【００４６】また、高周波カットフィルター24の特性を
波長変化区間ＶＷの初期から終点に至る間に段階的に変
化させ、電気的ノイズだけをカットするように構成して
も良い。このような周波数特性可変フィルター24は、例
えばフィルターを構成する素子を並列に接続し、基準干
渉計６の出力信号またはその分周信号をタイミング信号
としてアナログ的に切り替えることにより実現できる。
ただし、この場合はフィルター切り替え時の位相ずれが
起きないよう注意する必要がある。

【００４７】

【効果】本発明に係わる眼軸長測定装置は、以上説明し
たように構成したので、そのレーザー光源の波長、温度
変化に伴う波長変化特性、波長変化に伴う出力変化特性
に依存せずに、サンプリングされた一定周期の周期波信
号に基づき簡易な信号処理により眼軸長を測定できると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる眼軸長測定装置の光学図であ
る。

【図２】本発明に係わる眼軸長測定装置の制御ブロック
回路図である。

【図３】図２に示す制御ブロック回路により得られる波
形の説明図である。

【図４】本発明に係わる眼軸長測定装置の測定手順の説
明図である。

【図５】本発明に係わる相関係数の演算を説明するため
のグラフである。

【符号の説明】

１レーザー光源２レーザー駆動部６基準干渉計１１第１受光部２１周期波信号形成部２３演算部２４電気的フィルター

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−4310（ＪＰ，Ａ) 特開平３−30752（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 3/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】眼球に単波長かつ波長変化が可能なコヒー
レント光を照射するレーザー光源と、該レーザー光源からの光束を角膜と眼底で反射させ、そ
の反射光によって干渉光を形成する測定干渉計と、その干渉光の干渉縞強度を検出して出力信号を出力する
第一受光部と、前記レーザー光源の発光波長を変化させるレーザー駆動
部と、２枚の反射鏡によって、前記角膜と眼底間の光学的な距
離に比べ長い光路差を形成された基準干渉計と、前記レーザー光源からのコヒーレント光が前記基準干渉
計の光路差で形成された干渉縞強度を検出して出力信号
を出力する第二受光部と、前記第二受光部の出力信号をタイミング信号として用い
て前記第一受光部の出力信号をサンプリングし周期波信
号を形成する周期波信号形成部と、前記基準干渉計の光路差と前記周期波信号の周期とに基
づき眼軸長を求める演算部とを備えたことを特徴とする
眼軸長測定装置。
【請求項２】前記レーザー光源の波長変化動作に同期し
て前記周期波信号を複数回分記憶する周期波信号メモリ
を有し、前記演算部には、前記周期波信号メモリに記憶
された複数の周期波信号を重ね合わせて平均処理し平均
周期波信号を演算する周期波信号平均処理部が設けられ
ていることを特徴とする請求項１に記載の眼軸長測定装
置。
【請求項３】前記周期波信号平均処理部は、各周期波信
号の相関を計算し、相関が最大となるように各周期波信
号の位相をずらして周期波信号の和を取り、平均処理す
るようにしたことを特徴とする請求項２に記載の眼軸長
測定装置。
【請求項４】前記第一受光部と前記周期波信号形成部の
間に、前記レーザー光源の波長変化期間の少なくとも一
部期間について前記第一受光部の出力信号に含まれてい
る高周波成分をカットする電気フィルターを設け、前記
周期波信号が平均処理に採用できるかどうかを該高周波
成分をカットした期間の周期波信号に基づいて判定する
信号判定部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の
眼軸長測定装置。