JP4531950B2

JP4531950B2 - 眼科用測定装置

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Publication number: JP4531950B2
Application number: JP2000255339A
Authority: JP
Inventors: 紀子武田; 俊文三橋
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2020-08-25
Also published as: JP2002071312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照射位置測定装置に係り、特に、測定対象物の形状とその移動及び測定対象物に対する光束照射位置を非接触で測定する照射位置測定装置に関するものである。本発明は、例えば、レーシック手術等の眼科手術、その他の手術、また、生体以外の適宜の対象物について、照射位置を測定・制御することを対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、照射位置の測定に関し、測定対象物（例えば、眼球等の生体）の動きを測定する対象物にマーキングを施し、その動きを連続的にモニターすることで対象物の動きを測定する方法があった。また、マーキングを非接触で光学的に１次元測定する方法、あるいはそれらの方法を組み合わせることで３次元移動を測定する方法がとられてきた。また、一般に、対象物が光学的粗面をもつ物体である場合、非接触でその形状や変位を光学的測定する方法としてスペックル干渉測定やモアレ縞投影法などが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、生体などを対象物とした場合、マーキングは生体に少なからず影響する。また、従来、対象物に非接触で、簡単な構成で三次元計測を高速で行うことがむずかしかった。さらに、従来、反射率の異なる境界面では、位置測定の誤差が必ずしも小さくはなかった。
【０００４】
本発明は、以上の点に鑑み、測定対象物に変位測定用として新たにマーキングを施さずに、非接触で形状・変位・照射位置を測定することができる照射位置測定装置を提供することを目的とする。
本発明は、照射光を照射する測定対象物の形状・位置について、干渉光により反射率境界面での誤差を小さくして正確に測定することを目的とする。本発明は、対象物の形状を時間経過により測定することで、対象物の動き及び変位量を測定することを目的とする。また、本発明は、照射光の照射位置を測定して照射光の位置制御することを目的とする。さらに、本発明は、必要に応じて照射光を所定の同一位置に照射するように自動追尾制御することを目的とする。
【０００５】
また、対象物を光学的に測定する場合、その表面が光学的に粗面な場合と滑らかな場合で測定する方法が異なってくるが、本発明は、特に、表面が光学的粗面である物体又は生体に適する照射位置測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
第１波長の第１光束を発する第１光源部と、第２波長の第２光束を発する第２光源部とを有し、上記第１及び第２光束を出射する測定光源系と、
上記測定光源系からの上記第１及び第２光束それぞれを参照面に向かう参照光束と測定対象物に向かう測定光束とに分離するビームスプリッタと、上記参照光束を反射する参照反射鏡と、上記測定光束が測定対象物から反射された反射測定光束と上記参照光束が上記参照反射鏡で反射された参照反射光束とを干渉させた干渉光束を受光して第１受光信号を形成する第１受光部と、を有する測定光学系と、
上記第１光束により形成された上記第１受光信号と、上記第２光束により形成された上記第１受光信号との差分から測定対象物形状を示す濃淡パターンを抽出し、その濃淡パターンから測定対象物の形状及び位置変化を示す対象物信号を形成する画像処理及び制御部と、
上記測定対象物を部分的に照明する第３光束を発する第３光源を有する照明光学系と
を備え、
上記第３光束は手術用のガイド光束又は手術用のレーザ光束であり、
上記第１受光部は上記第３光束が測定対象物から反射された第３反射光束を受光し、
さらに、
上記第３光束が測定対象物から反射された第４反射光束を受光し、第４反射光束が含まれる測定対象物像を示す第２受光信号を形成する第２受光部を有する対象物モニタ系を備え、
上記画像処理及び制御系は、上記求めた測定対象物の位置変化に基づき、上記第２受光信号に形成された測定対象物像の表示位置を補正することを特徴とする眼科用測定装置を提供する。
【０００７】
また、本発明においては、さらに、第３光束が測定対象物から反射された第３反射光束を受光し、第３反射光束が含まれる測定対象物像を示す第２受光信号を形成する第２受光部を有する対象物モニタ系を備え、
【０００８】
上記画像処理及び制御系は、上記対象物モニタ系からの第２受光信号に基づき、求めた測定対象物の位置変化に応じて、測定対象物の表示位置を補正することをひとつの特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
図１は、本発明に関する照射位置測定装置の第１の実施の形態の構成図である。同図はスペックル干渉縞の変化より対象物の３次元的移動量を測定し出力する実施の形態を示している。以下に、本発明を眼科用のレーザ手術装置に適用した実施の形態について説明を行う。
【００１０】
この実施の形態では、変位・形状のための測定光源系１００、変位・形状のための測定光学系２００、照明光学系３００、対象物モニタ系４００、画像処理及び制御系６００を備える。図中、測定対象物５００は、一例として、眼球等の球状の生体が示される。
【００１１】
変位・形状のための測定光源系１００は、第１のＬＤ１、第１のレンズ２、第１の光スイッチ３、第１のファイバ４、第１の変調器５、第２のＬＤ６、第２のレンズ７、第２の光スイッチ８、第２のファイバ９、第２の変調器１０、ファイバカプラ１１、第３のファイバ１２、第３のレンズ１３を備える。
【００１２】
第１のＬＤ１は、波長λ１を出力する光源であり、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）等が用いられる。第１のレンズ２は、第１のＬＤ１の光を集光する。第１のファイバ４は、第１のレンズ２で集光された光が入射する。第１の光スイッチ３は、第１のレンズ２と第１のファイバ４の間に配置され、第１のＬＤ１の出力光を通過又は遮断する。第１の変調器５は、第１の光スイッチ３のドライバである。一方、第２のＬＤ６は、波長λ２を出力する。第２のレンズ７は、第２のＬＤ６の光を集光する。第２のファイバ９は、第２のレンズ７で集光された光が入射する。第２の光スイッチ８は、第２のレンズ７と第２のファイバ９の間に配置され、第２のＬＤ６の出力光を通過又は遮断する。第２の変調器１０は、第２の光スイッチ８を駆動する。なお、波長λ１とλ２は、例えば、やや異なる８００ｎｍ前後のもの等を用いることができる。ファイバカプラ１１は、第１のファイバ４と第２のファイバ９を結合し、第３のファイバ１２に導く。第３のレンズ１３は、第３のファイバ１２の出力光を平行光にする。
【００１３】
変位・形状のための測定光学系２００は、第１のビームスプリッタ１４、第１のミラー１５、バンドパスフィルタ１６、第４のレンズ１７、エリアセンサ１８を備える。
第１のビームスプリッタ１４には、測定光源系１００の第３のレンズ１３から出力された平行光が入射される。第１のミラー１５は、第１のビームスプリッタ１４で分けられた光を反射する。バンドパスフィルタ１６は、特定の波長を透過する。特定の波長の例については、後述する。第４のレンズ１７は、測定対象物５００及び第１のミラー１５から、第１のビームスプリッタ１４を経て入射された光を集光する。エリアセンサ１８は、第４のレンズ１７で集光された光を撮影する。
【００１４】
照明光学系３００は、手術用レーザ光源１９、第５のレンズ２０、第３のＬＤ２１、第３のＬＤ２１のドライバ２２、ガイド光を反射するミラー２３、ダイクロミラー２４、反射ミラー２５、凹面鏡２６、第２のビームスプリッタ２７を備える。
【００１５】
手術用レーザ光源１９は、例えば、紫外光（１９３ｎｍ）のエキシマレーザ等の適宜の高出力レーザである。第５のレンズ２０は、手術用レーザ光源１９から出射された手術用レーザ光を測定対象物５００の表面に集光し、画像処理及び制御系６００により集光位置を調整する機構を具備する。第３のＬＤ２１は、手術用レーザ光源１９の位置調整をするための第３の波長λ３のガイド光（例えば、近赤外光）を出射する。ダイクロミラー２４は、手術用レーザ光とガイド光を混合するもので、例えば、紫外光を透過し、近赤外光を反射する。反射ミラー２５は、画像処理及び制御系６００により反射方向を変化する機構を具備する。
【００１６】
具体的な波長例は次の通りとする。第１の波長λ１＝７９０ｎｍ、第２の波長λ２＝８１０ｎｍ、第３の波長λ３＝７８０ｎｍ、等高線間隔 λ１λ２／（λ２−λ１）＝３２μｍ、等。
対象物モニタ系４００は、第６のレンズ２８、ＣＣＤカメラ２９を備える。第６レンズ２８は、測定対象物５００上の光を集光する。ＣＣＤカメラ２９は、第６のレンズ２８で集光した光を撮影する。
【００１７】
画像処理及び制御系６００は、変位・形状測定系の画像処理装置３０、ＣＣＤ画像処理及び手術計画出力装置３１、画像表示ディスプレイ３２、レーザ（ガイド光及び手術用レーザ）の光軸・焦点制御駆動装置３３を備える。画像処理及び制御系６００の詳細は後述する。
【００１８】
以下に、測定光源系１００、測定光学系２００、照明光学系３００、対象物モニタ系４００、画像処理及び制御系６００の動作について説明する。
【００１９】
まず、測定光源系１００の動作を、以下に説明する。
第１の波長λ１の第１のＬＤ１は、第１のレンズ２で集光され、第１の光スイッチ３を通り第１のファイバ４へ入射する。同様に第２の波長λ２の第２のＬＤ６は、第２のレンズ７で集光され、第２の光スイッチ８を通り第２のファイバ９へ入射する。２つの光は、ファイバカップラ１１で第３のファイバ１２に導かれる。ここで、第１及び第２の光スイッチ３及び８は、第１及び第２の変調器５及び１０でＯＮ−ＯＦＦ制御される。これにより、一定周期又は、適宜のタイミングで波長λ１とλ２の光が交互に第３のファイバ１２から出力される。第３のファイバ１２の出力光は、第３のレンズ１３で平行光になる。この平行光が変位の形状測定のための測定光源となる。
【００２０】
つぎに、測定光学系２００の動作を以下に説明する。
変位・形状のための測定光源系１００の第３のレンズ１３から出射された測定用平行光は、第１のビームスプリッタ１４で分割され、一方は測定対象物５００入射する。測定対象物５００の表面は光学的な粗面であるため、その表面で光は散乱する（散乱光）。第１のビームスプリッタ１４で分割された平行光の他方は、第１のミラー１５へ入射し、そこで、反射する（反射光）。測定対象物５００による散乱光及び第１のミラー１５による反射光は、第１のビームスプリッタ１４を介しバンドパスフィルタ１６を透過し、レンズ１７で集光され、エリアセンサ１８上で干渉してスペックルパターンを形成する。エリアセンサ１８で検出された光は、電気信号に変換され、画像信号となる。ここで、バンドパスフィルタ１６は、例えば、波長λ１、λ２及びλ３を透過し、他の波長を透過しない又は透過しにくい特性とする。また、エリアセンサ１８の絞りは、光量が弱すぎない程度にできるだけ絞ってスペックルサイズを大きくしておくとよい。エリアセンサ１８で検出された画像信号は、画像処理及び制御系６００の画像処置システム３０で画像処理及び対象物の変位・形状が計算される。なお、実施の形態では、スペックル干渉について説明するが、これに限らず本発明は、ホログラフィ、モアレ干渉等の適宜の干渉を適用することができる。
【００２１】
つぎに、照明光学系３００の動作を以下に説明する。
照明光学系３００による照明光としては、手術用レーザ光源１９（例えば、紫外域）及びガイド用レーザ２１（例えば、近赤外域）がある。手術用レーザ光源１９の出力ビームは焦点距離微調整用の第５のレンズ２０を通り、ダイクロミラー２４へ入射する。ガイドレーザとしての第３のＬＤ２１の出力ビームは、ミラー２３で反射され、ダイクロミラー２４に入射する。ここで、ダイクロミラー２４は、一例として、紫外光は透過し近赤外光は反射する。ダイクロミラー２４により手術用レーザビームとガイド光は混合され、同軸方向に進行する。つぎに、照明光は反射ミラー２５、凹面鏡２６、第２のビームスプリッタ２７を反射し、測定対象物５００を照明する。ここで、反射ミラー２５はレーザスポット位置が凹面鏡の焦点となるように配置し、また、反射ミラー２５にはレーザスポット位置（凹面鏡焦点）を中心に傾けられるような調整機構がついている。なお、第５のレンズ２０及び反射ミラー２５は光軸・焦点制御駆動装置３３により調整・制御される。これにより、反射ミラー２５による反射方向の変化が、凹面鏡２６により平行シフトに変換され、測定対象物５００上の照明位置を制御できる。
【００２２】
つぎに、対象物モニタ系４００の動作を説明する。
照明光及び測定対象物５００上の散乱光は、第６のレンズ２８で集光され、ＣＣＤカメラ２９上に像を作り、広いエリアを２次元で撮影する。ＣＣＤカメラ２７による撮影画像は、画像処理及び制御系６００の画像処理部３１へ出力される。
【００２３】
つぎに、画像処理及び制御系６００の動作について説明する。画像処理及び制御系６００の動作としては、主に、信号・画像処理、画像表示位置制御、照明光の照射位置制御があり、以下順に説明する。
ここで、使用される記号について説明する。
Ｐ１は、第１のＬＤ１の点灯に同期して測定されたエリアセンサＡＳの画像である。
Ｐ２は、第２のＬＤ６の点灯に同期して測定されたエリアセンサＡＳの画像である。
Ｐ３は、第３のＬＤ２１の点灯に同期して測定されたエリアセンサＡＳの画像である。
Ｐは、連続する画像Ｐ１と画像Ｐ２との差分のスペックル画像である。
Ｑは、Ｐを空間ＬＰＦで変換したノイズの少ない等高線画像。
Ｍは、Ｑを手術計画マップと同じ座標に変換したデータ。
Ｍ＿ｎｏｍは、手術計画書の物体形状情報。
Ｒは、２枚の等高線画像Ｑの差分。
ΔＣＮは、干渉縞の中心あるいは物体の最も高い位置。
ΔＸは、物体のＸ方向変位。
ΔＹは、物体のＹ方向変位。
ΔＺは、物体のＺ方向変位。
ΔＸ‘は、物体のＸ‘方向（ＣＣＤ座標系）変位。
ΔＹ‘は、物体のＹ‘方向（ＣＣＤ座標系）変位。
ＬＤ３＿ＡＳは、ＡＳで測定した第３のＬＤ２１のビームスポット位置。
ＬＤ３＿ＡＳ‘は、ＬＤ３＿ＡＳを手術計画マップの座標系に変換したもの。
ＬＤ３＿ＡＳ“は、ＬＤ３＿ＡＳをＣＣＤ座標系に変換したもの。
ＬＤ３＿ＣＣＤは、ＣＣＤで測定した第３のＬＤ２１又は、手術用レーザ光源１９のビームスポット位置。
ＬＤ３＿ＣＣＤ‘は、ＬＤ３＿ＣＣＤを変位補正したもの。
ＬＤ３＿ｎｏｍは、手術計画で指定された第３のＬＤ２１又は、手術用レーザ光源１９のビームスポット位置。
Ｐ＿ＣＣＤは、ＣＣＤで撮影された画像
Ｐ＿ＣＣＤ‘は、Ｐ＿ＣＣＤを切りだし変位補正した画像。
Ｘ＿ｎｏｍは、ＬＤ３＿ｎｏｍのＸ座標をミラー駆動信号に変換した信号。
Ｙ＿ｎｏｍは、ＬＤ３＿ｎｏｍのＹ座標をミラー駆動信号に変換した信号。
Ｚ＿ｎｏｍは、ＬＤ３＿ｎｏｍのＺ座標をレンズ駆動信号に変換した信号。
ΔＸ＿ｅｙｅは、ΔＸをミラー駆動信号に変換した信号。
ΔＹ＿ｅｙｅは、ΔＹをミラー駆動信号に変換した信号。
ΔＺ＿ｅｙｅは、ΔＺをレンズ駆動信号に変換した信号。
ＳＴＯＰは、手術用レーザ光源１９をロックする信号。
ＯＮは、手術用レーザ光源１９が点灯していることを示す信号。
ＯＮ−ＯＦＦは、手術計画に基づく手術用レーザ光源１９の点灯制御信号。
ＴＲ＿１は、ＡＳ座標をＣＣＤ座標に変換するための変換関数。
ＴＲ＿２は、ＬＤ３＿ｎｏｍをレンズ、ミラー駆動信号に変換するための変換関数。
ＴＲ＿３は、ΔＸ、ΔＹ、ΔＺをレンズ、ミラー駆動信号に変換するための関数。
ＴＲ＿４は、ＡＳ座標を手術計画座標に変換するための変換関数。
ＥＲ１は、ＬＤ３＿ＡＳ“とＬＤ３＿ＣＣＤ‘の誤差を表すエラー信号で、これにより、主にＡＳ座標とＣＣＤ座標の変換の正誤が判断できる。
ＥＲ２は、ＬＤ３＿ｎｏｍとＬＤ３＿ＡＳの誤差を表すエラー信号で、これにより、第３のＬＤ２１又は、手術用レーザ光源１９の光の変位用ミラー駆動と実際の変位との一致度が判断できる。
ＥＲ３は、ＬＤ３＿ｎｏｍとＬＤ３＿ＡＳ‘の誤差を表すエラー信号で、これにより、物体の変位を補正して物体上の目的の位置に第３のＬＤ２１又は、手術用レーザ光源１９の光が照射されているかが判断できる。
ＥＲＭは、ＭとＭ＿ｎｏｍの誤差を表すエラー信号。
【００２４】
［信号・画像処理］
図２に、スペックル画像から移動量を抽出する画像処理の一例についてのフローチャートを示す。また、図３に、処理画像の説明図を示す。以下、これらの図を参照して説明する。
この処理は、主に、連続する波長λ１とλ２の２枚のスペックル画像より形状マップを求める処理（Ｓ１０）と、２枚の形状マップからその間の変位を計算する処理（Ｓ２０）を含む。
【００２５】
まず、初期設定・作業により、測定対象物５００の配置、各種パラメータの設定等を行う（Ｓ１０１）。つぎに、形状マップ（等高線）を作る形状測定処理（Ｓ１０）を説明する。エリアセンサで撮影された画像をλ１、λ２、λ３のＯＮ−ＯＦＦ信号に同期して読み込む（Ｓ１０３）。これらの画像をそれぞれ画像Ｐ１（Ｎ）、Ｐ２（Ｎ）、Ｐ３（Ｎ）とする。このときの画像Ｐ１（Ｎ）、Ｐ２（Ｎ）は図３ａのようなスペックルパターンである。画像Ｐ３（Ｎ）は、照明光λ３のスポット位置の画像である。この信号処理について詳細に説明すると、前述のように測定光源系１００から出射された測定光源は、周期的に波長λ１とλ２の光を放出している。また、同時に照明光学系３００からの波長λ３の照明光も周期的（或いは連続的）に対象物を照明している。エリアセンサ１８で検出された画像は画像処理システム３０に送信される。画像処置システム３０は波長λ１、λ２のＯＮ−ＯＦＦに同期して波長λ１のスペックル画像及び波長λ２のスペックル画像を交互に読み込む。ここで、読み込みのサイクルは測定対象物５００の変位が無視できるほど早い速度で繰り返され、連続したλ１とλ２のスペックル画像Ｐ１，Ｐ２の時間差は無視でき、両者は同時とみなすことができる。なお、スペックル干渉縞の測定を行う際、２つのスペックル画像は同時に撮影するか、あるいは２つの画像の測定時刻の差が対象物体の変化速度に比べ無視できるほど短い必要がある。つまり、測定対象物体の変位が早いほど高速処理が必要となる。
【００２６】
つぎに、この２枚のスペックル画像Ｐ１（Ｎ）、Ｐ２（Ｎ）の差分をとるとスペックル干渉縞が現れる（Ｓ１０５）。この縞は対象物体の等高線をあらわし、その間隔は、λ１λ２／（λ１−λ２）である。
これを画像Ｐ（Ｎ）とおく（Ｐ（Ｎ）＝Ｐ２（Ｎ）−Ｐ１（Ｎ））。画像Ｐ（Ｎ）は図３ｂのようなスペックル干渉縞である。つぎに、このスペックル干渉画像Ｐ（Ｎ）をローパスフィルタ（ＬＰＦ）で２階調あるいはそれ以上の濃淡エリアに分ける。この画像Ｑ（Ｎ）を、図３ｃに示す。この濃淡の縞が等高線を示している。また、同時に表面形状マップＭ＿ＡＳ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）も作成する。また、つぎに画像Ｐ３（Ｎ）よりガイド光のスポット位置ＬＤ３＿ＡＳ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求める（Ｓ１０７）。そして、画像Ｑ（Ｎ）の縞の中心点（或いは基準となる任意の点）ＣＮ（Ｘ、Ｙ）を決定する（Ｓ１０９）。
【００２７】
つぎに、対象物の移動方向・移動量（変位）の測定についての一例（Ｓ２０）を説明する。まず、スペックル干渉画像の差Ｑ（Ｎ）−Ｑ（Ｎ−１）を求め、これを画像Ｒ（Ｎ）とする（Ｓ１１１）。画像Ｒ（Ｎ）の例を図３ｄ、ｈ及びｆに示す。グレー部はプラス、黒部はマイナスである。画像Ｒ（Ｎ）のデータより干渉縞の中心を通る直線ｌｎを複数本取り出す。抜き出したｌｎ上のデータを図３ｅ、ｉ及びｇに示す。このデータより縞の動きがわかる。図３ｅは縞が左へシフトしていることを示し、図３ｉは上下運動していることを示す。また、図３ｇの場合、非対称性より上下移動と左右移動が重なっていることを示す。移動量はグレー及び黒の領域の大きさから求まり、縞の間隔が λ１λ２／（λ１−λ２）と決まっているため、移動量の絶対値が求まる（Ｓ１１３）。これを繰り返し行い比較することで、例えば、図の左右方向・上下方向・斜め方向（２通り）の４方向或いはそれ以上で行うことで、測定対象物５００の変位量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺに対する変位を求める。
【００２８】
つぎに、この変位量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ及びガイド光のスポット位置ＬＤ３＿ＡＳ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を出力する（Ｓ１１５）。変位量ΔＸ，ΔＹ，ΔＺは、手術用レーザ光のスポット位置の制御用及び対象物表示画像の位置補正用として用いられる。ガイド光のスポット位置ＬＤ３位置情報は、その制御状況のモニタ用として用いられる。以上の処理の結果、終了条件を満たしていれば、処理を終了し、満たしていなければ、ステップＳ１０３に戻り処理を繰り返す。
【００２９】
［画像表示位置制御］
まず、画像の表示位置制御について説明する。
画像の表示位置制御は、主に、ＣＣＤカメラ２９で撮影した動いている測定対象物５００の画像の一部を、あたかも静止しているかのようにモニター３２に表示する制御である。そのための構成は、特に、ＣＣＤカメラ２９、画像処理部３１、モニター３２を含む。
【００３０】
図４に、画像処理部３１における画像処理についてのフローチャートを示す。また、図５に、ＣＣＤ画像の説明図を示す。ＣＣＤカメラ２９は、図示のように測定対象物５００の画像を広範囲に撮影している。その画像データは、ＣＣＤカメラ２９から画像処理系３１へ送信される。送られてきた画像は、図５のエリア５１のように広範囲な画像である（Ｓ４０１）。ここで、ＣＣＤ画像から第３のＬＤ２１によるガイド光のスポット位置５３（ＬＤ３＿ＣＣＤ）を求める（Ｓ４０３）。つぎに、このガイド光スポット位置ＬＤ３＿ＣＣＤを含む任意の大きさのエリア５２を切り出す（Ｓ４０５）。つぎに、変位測定系で測定した変位信号ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ及びＬＤ３＿ＡＳ（Ｘ、Ｙ）を読み込む（Ｓ４０７）。そして、変位データより画像位置を補正する（Ｓ４０９）。このとき、補正画像Ｐ＿ＣＣＤ‘と同時にスポット位置ＬＤ３＿ＣＣＤも補正される。これをスポット位置ＬＤ３＿ＣＣＤ‘とする。この補正画像Ｐ＿ＣＣＤ‘及びスポット位置ＬＤ３＿ＡＳ“をモニター上に表示する。
【００３１】
以上のような、画像補正により、対象物の動きに伴う画像のぶれを抑制することができ、あたかも静止画像のように見える。
【００３２】
［照明光の照射位置制御］
つぎに、照明光学系３００の制御について説明する。
手術用レーザ光の照射位置は、測定対象物５００の形状を目的の形状にするための手術計画（ノモグラム）に基づきあらかじめプログラムされている。これに対し、測定対象物５００は常に動いているためこの変位を補正するように照射光の位置を調整する必要がある。前述のように照明光（第３の光源）としてはガイド照明光（第３のＬＤ２１）と手術用照明光（手術用レーザ光源１９）がある。ガイド光と手術用照明光との光軸は等しく調整されており、ガイド光の位置をモニタしながら手術用照明光の位置調整を行う。
【００３３】
以下に、照明光の位置制御について詳細に説明する。
図６に、照明光学系の制御システムの詳細な構成図を示す。制御システムは、大きく分けて、変位・形状測定系の画像処理装置３０、ＣＣＤ画像処理及び手術計画出力装置３１、レーザ（ガイド光及び手術用レーザ）の光軸・焦点制御駆動装置３３を備える。以下に、これら各装置について詳細に説明する。
【００３４】
まず、変位・形状測定系の画像処理装置３０について説明する。エリアセンサＡＳ１８で測定された画像データＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、画像処理及び制御系６００の画像処理装置３０に入力される。画像Ｐ１、Ｐ２は、等高線作成器３０−２で等高線Ｑに変換され記録される。つぎに変位計算器３０−３で連続するあるいは周期的にサンプルされた２つの等高線画像より、その間の物体の移動量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺを計算し出力する。一方、画像Ｐ３は、ＬＤ３位置抽出器３０−１で位置情報に変換される。変換器（３）３０−４は、等高線を形状変換し、それにガイド先の位置ＬＤ３＿ＡＳを重ねてＭ＿ＡＳを求め出力する装置である。
【００３５】
つぎに、ＣＣＤ画像処理及び手術計画出力装置３１について説明する。この系は大きく分けて画像処理系と手術計画系がある。ＣＣＤ画像は、画像補正器３１−４で、変位データΔＸ‘、ΔＹ‘をもとに静止画像Ｐ＿ＣＣＤ‘に変換される。変位データΔＸ‘、ΔＹ‘は、画像処理装置３０から出力されたデータを、座標変換器（ＴＲ＿１）３１−３で、ＡＳの座標からＣＣＤ座標に変換されたものである。また、座標変換器に関してのＴＲ＿１は、その変換関数を示し、比較器３１−５は、変換関数ＴＲ＿１を校正するための正誤判断器である。また、ノモグラム３１−１は、用意された手術計画を出力する装置である。比較器３１−２は、ガイド光位置が手術計画通りかどうか判断する装置である。
【００３６】
つぎに、照明光制御・駆動系３３について説明する。この装置は、手術計画で決められた測定対象物５００上の位置に照明光（手術用レーザ及びガイド光）を移動するための反射ミラー２５及びレンズ２０を移動するための装置である。変換器（ＴＲ＿２）３３−２は、ＣＣＤ画像処理及び手術計画出力装置３１から出力された手術計画ＬＤ３＿ｎｏｍを変換関数ＴＲ＿２によりミラーレンズ駆動信号Ｘ＿ｎｏｍ、Ｙ＿ｎｏｍ，Ｚ＿ｎｏｍに変換・出力する。変換器（ＴＲ＿３）３３−１は、変位計測装置３０で測定された対象物の変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺをミラー・レンズ位置補正信号ΔＸ＿ｅｙｅ、ΔＹ＿ｅｙｅ、ΔＺ＿ｅｙｅ変換・出力する装置で、ＴＲ＿３はその変換関数である。加算器３３−３は、変換器３３−１及び３３−２から出力された信号を重ね合わせ反射ミラー２５及びレンズ２０へ出力する装置である。
【００３７】
つぎに、制御動作の例についてフローチャートを用いて説明する。処理は、大きく分けて校正処理と制御処理があり、校正処理終了後、制御処理を開始し、制御処理が上手く行かない場合、再校正を行う流れになっている。図７に、校正処理についてのフローチャート、図８に、制御処理についてのフローチャートをそれぞれ示す。
【００３８】
（ＴＲ＿４校正）
変換関数ＴＲ＿４は、実測の物体形状と手術計画の座標を一致させるための変換関数であり、以下のように求められる。
初めに物体形状Ｍ＿ＡＳを測定する（Ｓ２０１）。物体形状Ｍ＿ＡＳと手術計画書Ｍ＿ｎｏｍと比較し形状サイズ、位置を比較する（Ｓ２０３）。物体形状Ｍ＿ＡＳと手術計画書Ｍ＿ｎｏｍのサイズ、位置が許容誤差σより大きい場合（Ｓ２０５）、物体形状Ｍ＿ＡＳ作成時の変換関数ＴＲ＿４の倍率、位置を修正する（Ｓ２０７）。この作業を何度か繰り返し物体形状Ｍ＿ＡＳと手術計画書Ｍ＿ｎｏｍの誤差ＥＲ＿Ｍが許容量σ以内になれば（Ｓ２０５）、変換関数ＴＲ＿４の校正を終了する。
【００３９】
（ＴＲ＿２校正）
変換関数ＴＲ＿２は、手術計画に基づいた照明光のスポット位置ＬＤ３＿ｎｏｍをミラーレンズ位置制御信号に変換する変換関数であり、以下のように求められる。
【００４０】
まず、第３ＬＤ２１によるガイド光ＬＤ３を点灯する（Ｓ２０９）。つぎに、手術計画に基づいた照明光のスポット位置ＬＤ３＿ｎｏｍ（ＴｅｓｔＮ）をミラーレンズ駆動信号に変換し、ＴｅｓｔＮ位置にレーザを照射する。
また、照射位置ＬＤ３＿ＡＳをエリアセンサＡＳで計測する（Ｓ２１１）。照射位置ＬＤ３＿ＡＳとスポット位置ＬＤ３＿ｎｏｍ（ＴｅｓｔＮ）を比較・記録する（Ｓ２１１）。比較一回目は変換関数ＴＲ＿２の原点調整を行い次の位置へ進む。比較Ｎ回目の場合は誤差ＥＲ＿２が許容誤差σより大きい場合（Ｓ２１３）、変換関数ＴＲ＿２の倍率などを校正する（Ｓ２１５）。この作業を複数回繰り返し、誤差ＥＲ＿２が許容誤差σ以下になれば変換関数ＴＲ＿２の校正を終了する。
【００４１】
（ＴＲ＿３校正）
変換関数ＴＲ＿３は、変位データに基づいて照明光のスポット位置を補正するためのミラーレンズ位置制御信号に変換する変換関数であり、以下のように求められる。
まず、位置データＬＤ３＿ｎｏｍを任意の点に固定し、照射位置の制御を開始する（Ｓ２１７）。変位データΔＸ、ΔＹ、ΔＺを変換関数ＴＲ＿３で補正信号ΔＸ＿ｅｙｅ、ΔＹ＿ｅｙｅ、ΔＺ＿ｅｙｅに変換し、ミラーレンズ位置を対象物の変動に応じて補正する（Ｓ２１９）。つぎに、照射位置ＬＤ３＿ＡＳをエリアセンサＡＳで測定し、変換関数ＴＲ＿４で物体上位置ＬＤ３＿ＡＳ‘に変換し、位置ＬＤ３＿ＡＳ‘とＬＤ３＿ｎｏｍを比較する（Ｓ２２１）。誤差ＥＲ＿３が、許容誤差σより大きい場合（Ｓ２２３）、変換関数ＴＲ＿３の倍率などを校正する（Ｓ２２５）。この作業を複数回繰り返し、誤差ＥＲ＿３が許容誤差σ以下になれば（Ｓ２２３）、変換関数ＴＲ＿３の校正を終了する。
【００４２】
（ＴＲ＿１の校正）
変換関数ＴＲ＿１は、任意のサイズに切りだされたＣＣＤ画像を物体の変位に追従して補正し、静止画像化する際の物体変位をＡＳ座標からＣＣＤ座標に変換するための変換関数であり、以下のように求められる。
【００４３】
まず、ＣＣＤ画像静止化制御が開始されると（Ｓ２２７）、物体変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺをＣＣＤ座標の変位ΔＸ‘、ΔＹ‘に変換する（Ｓ２２９）。ＣＣＤ２９で検出した前眼部画像をガイド光ＬＤ３のスポット位置を含む任意の表示範囲に切り出し、対象物変位ΔＸ‘、ΔＹ‘をもとに静止画像Ｐ＿ＣＣＤ‘に変換する。そして、画像上のガイド光ＬＤ３の照射位置ＬＤ３＿ＣＣＤ‘とＣＣＤ座標に変換された照射位置ＬＤ３＿ＡＳ“を比較する。誤差ＥＲ＿１が許容値σを超える場合（Ｓ２３３）、座標変換関数ＴＲ＿１を校正する。
【００４４】
以下のようにして、変換関数ＴＲ＿１、ＴＲ＿２、ＴＲ＿３、ＴＲ＿４の校正が実行される。
（制御）
つぎに、図８を参照して、手術計画に基づく測定対象物の加工処理について説明する。
ノモグラムに基づく手術が開始されると（Ｓ３０１）、ノモグラムに基づきプログラムされたｎ番目の工程の位置データＬＤ３＿ｎｏｍ（ｎ）、ｎ＝１~ｎ＿ｍａｘを変換器２（ＴＲ＿２）３３−２でミラー、レンズの駆動信号ΔＸ_ｎｏｍ、ΔＹ_ｎｏｍ、ΔＺ_ｎｏｍに変換する。一方、測定された対象物の変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺは、変換器１（ＴＲ＿３）３３−１で補正信号ΔＸ_ｅｙｅ、ΔＹ_ｅｙｅ、ΔＺ_ｅｙｅに変換される。手術予定の信号と補正信号は加算され反射ミラー２５及び／又はレンズ２０の駆動信号として出力される。これにより照明光は正しい手術位置に移動する（Ｓ３０３）。
【００４５】
物体上位置ＬＤ３＿ＡＳ‘（実測１）と位置データＬＤ３＿ｎｏｍ（予定）の誤差信号ＥＲ＿２が一定範囲以上なら（Ｓ３０５）、手術用レーザ光源１９をロックする（Ｓ３０９）。また、照射位置ＬＤ３＿ＣＣＤ‘（実測２）と位置データＬＤ３＿ｎｏｍ（予定）の誤差信号ＥＲ＿３が一定範囲以上なら（Ｓ３０７）、手術用レーザ光源１９をロックする（Ｓ３０９）。ステップＳ３０９で一定期間（t-max）ロックされている場合（Ｓ３１１）、ステップＳ１０２に戻り、再校正される。一方、ロックされている時間が一定時間以下の場合、ステップＳ３０３から処理を実行する。ステップＳ３０５及びＳ３０７による照射ロックが実行されないときのみ手術用レーザ光源１９は点灯する（Ｓ３１３）。手術用レーザ光源１９の点灯時には、ノモグラムへ点灯信号（照射完了信号）を出力し、次の手術工程へ移る（Ｓ３１５，Ｓ３１７）。予定の照射（ｎ＿ｍａｘ）が終了すると（Ｓ３１７）、手術が終了する。
【００４６】
図９は、本発明に照射位置測定装置の第２の実施の形態の構成図である。同図は、例えば、対象物体が球体である程度の凹凸を持ちそれが回転運動するような場合に用いられる実施の形態を示す。この場合、第１の実施の形態における参照光側のミラー１５を、測定対象物体の曲率に併せた球面ミラー３４に置換した。さらに、第１の実施の形態におけるレンズ１３を移動又は置換えることで、照射ビームを球面ミラー３４の球面上で波面が一致するように光を集光して入射する。このような測定光源系１００、測定光学系２００では、測定対象物５００の回転運動を平行移動のように捕らえることができ、より精密な形状測定や変位測定に適応できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によると、以上説明した通り、測定対象物にマーキングせずに、非接触で形状・変位・照射位置を測定することができる照射位置測定装置を提供することができる。
本発明によると、照射光を照射する測定対象物の形状・位置について、干渉光により反射率境界面での誤差を小さくして正確に測定することができる。本発明によると、対象物の形状を時間経過により測定することで、対象物の動き及び変位量を測定することができる。また、本発明によると、照射光の照射位置を測定して照射光の位置制御することができる。さらに、本発明によると、必要に応じて照射光を所定の同一位置に照射するように自動追尾制御することができる。
【００４８】
また、対象物を光学的に測定する場合、その表面が光学的に粗面な場合と滑らかな場合で測定する方法が異なってくるが、本発明によると、特に、表面が光学的粗面である物体又は生体に適する照射位置測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】照射位置測定装置の第１の実施の形態の構成図。
【図２】スペックル画像から移動量を抽出する画像処理の一例についてのフローチャート。
【図３】処理画像の説明図。
【図４】画像処理部３１における画像処理についてのフローチャート。
【図５】ＣＣＤ画像の説明図。
【図６】照明光学系の制御システムの詳細な構成図。
【図７】校正処理についてのフローチャート。
【図８】制御処理についてのフローチャート。
【図９】照射位置測定装置の第２の実施の形態の構成図。
【符号の説明】
１、６、２１ＬＤ
２、７、１３、１７、２０、２８レンズ
３、８光スイッチ
４、９、１２、ファイバ
５、１０変調器
１１ファイバカプラ
１４、２７ビームスプリッタ
１５、２３ミラー
１６バンドパスフィルタ
１８エリアセンサ
１９手術用レーザ光源
２２ドライバ
２４ダイクロミラー
２５反射ミラー
２６凹凸面鏡
２９ＣＣＤカメラ
３０画像処理装置
３１手術計画出力装置
３２画像表示ディスプレイ
３３レーザの光軸・焦点制御駆動装置
１００測定光源系
２００測定光学系
３００照明光源系
４００対象物モニタ
５００測定対象物
６００画像処理及び制御系

Claims

第１波長の第１光束を発する第１光源部と、第２波長の第２光束を発する第２光源部とを有し、上記第１及び第２光束を出射する測定光源系と、
上記測定光源系からの上記第１及び第２光束それぞれを参照面に向かう参照光束と測定対象物に向かう測定光束とに分離するビームスプリッタと、上記参照光束を反射する参照反射鏡と、上記測定光束が測定対象物から反射された反射測定光束と上記参照光束が上記参照反射鏡で反射された参照反射光束とを干渉させた干渉光束を受光して第１受光信号を形成する第１受光部と、を有する測定光学系と、
上記第１光束により形成された上記第１受光信号と、上記第２光束により形成された上記第１受光信号との差分から測定対象物形状を示す濃淡パターンを抽出し、その濃淡パターンから測定対象物の形状及び位置変化を示す対象物信号を形成する画像処理及び制御部と、
上記測定対象物を部分的に照明する第３光束を発する第３光源を有する照明光学系と
を備え、
上記第３光束は手術用のガイド光束又は手術用のレーザ光束であり、
上記第１受光部は上記第３光束が測定対象物から反射された第３反射光束を受光し、
さらに、
上記第３光束が測定対象物から反射された第４反射光束を受光し、第４反射光束が含まれる測定対象物像を示す第２受光信号を形成する第２受光部を有する対象物モニタ系を備え、
上記画像処理及び制御系は、上記求めた測定対象物の位置変化に基づき、上記第２受光信号に形成された測定対象物像の表示位置を補正することを特徴とする眼科用測定装置。
請求項１に記載の眼科用測定装置において、
上記画像処理及び制御系は、さらに、求めた測定対象物の位置変化に基づき、上記照明光学系による第３光束の照射位置を制御することを特徴とする眼科用測定装置。
請求項１又は２に記載の眼科用測定装置において、
上記測定光源系は、第１光束と第２光束を測定対象物へ交互に照射する様に出射することを特徴とする眼科用測定装置。
請求項１又は２に記載の眼科用測定装置において、
上記測定光源系は、上記第１光源部からの第１光束及び上記第２光源部からの第２光束を、それぞれ第１周波数と第２周波数により変調又はスイッチング制御し、
上記照明光学系は、上記第３光源部からの第３光束を、第１光束及び第２光束とは異なる第３周波数で変調又はスイッチング制御し、
上記画像処理及び制御系は、上記測定光学系の上記第１受光部の出力信号を周波数又は時間で弁別することにより、第１光束又は第２光束による濃淡パターンと、第３光束による照射光とに分離することを特徴とする眼科用測定装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の眼科用測定装置において、
上記画像処理及び制御系は、前記濃淡パターンの移動から測定対象物の位置変化を測定するようにしたことを特徴とする眼科用測定装置。
請求項１に記載の眼科用測定装置において、
上記画像処理及び制御系は、上記測定光学系からの第１受光信号に基づいて、物体形状と手術計画の座標とを一致するための校正、手術計画及び／又は測定対象物の変位に基づく上記第３光束のスポット位置の校正、測定対象物の変位に追従するための校正のいずれか又は複数の校正を実行し、その校正に従って上記照明光学系を制御することを特徴とする眼科用測定装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載の眼科用測定装置において、
上記測定光学系の参照反射鏡は、測定対象物の曲率に応じた球面又は略球面の反射面を有し、
上記測定光源系は、上記参照反射鏡の反射面に波面が略一致するように測定光源を照射することを特徴とする眼科用測定装置。