JP5340955B2 - 眼科用装置を対象とする眼底画像の品質を向上させるための光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、眼科用装置を対象とする、特に妨害反射がゼロとなるように眼底画像の品質を向上させて、各画像の影のない一様な照射とならび、それらの色に忠実な描画を保証するための光学装置に関する。

網膜を描画するために、例えば検眼鏡、スキャナ、またはほかにも眼底カメラといった様々な眼科用診断装置が企図されている。眼底カメラにおいては、網膜が大抵は非球面である１つのフロント・エンド光学系を介して１つの中間像平面に投影されて、１つの主対物レンズおよび後続の光学系により様々な角解像度で接眼レンズを介して観察される、ないしは写真カメラまたはＣＣＤカメラを利用して撮影されるようになっている。

そこでは眼底の照明が、装置の内部に配置された１つの照射ユニットにより行われるが、これは、瞳孔の周縁部に１つの環状瞳を発生させ、その際に網膜を一様に照射するようになっている。瞳を照射から幾何学的に分離して瞳孔内を観察することにより、角膜のところでそれぞれのビーム・パスを実質的に非干渉化して、反射光ないしは迷光のない投影を達成することに成功している。

しかしながらこの光学装置においては、検眼鏡対物レンズのところで光線が共軸式に案内される結果、像の中心には強い中央反射が必然的にもたらされることになる。この反射を抑止するための措置は、設計構造が複雑で極めてコスト高となっている。したがってこれらの措置の成果は、今日の眼底カメラの品質上の重要特徴の１つとなっている。

反射を抑止するために広く一般に行われている方策の中には、光学系の光軸上に位置する１つの光学面の中央領域を、例えば１つの黒く塗ったスポットにより適切に遮光するようにしたものがある。しかしながらそこでは、遮光板として機能するこのスポットのサイズおよび位置に関して正確な較正を不可欠とする点が短所となっている。さらにもう１つの短所は、このスポットのシャドウイング効果にあり、状況によってはこのシャドウイング効果が網膜上にはっきりと視認できることになる。その原因は、この黒色スポットに対する光源の広がりが有限である点（ランプ・フィラメントのサイズ、フラッシュ・ランプのプラズマ雲）、また黒色スポットが照明視野絞りの近傍に位置する点にある。

反射の発生を未然に防止するさらにもう１つの可能性は、フロント・エンド光学系にクアンター（Ｑｕａｎｔａｒ）原理（（米国特許第４７３０９１０号明細書））に基づき斜めに傾斜させた複数の光学面を備えることにある。この場合は中央反射光が、観察用開口絞りの内部にもはや到達し得なくなるまで、側方に偏向されることになる。しかしながら、一方では、フロント・エンド光学系のそれぞれの光学面の傾斜によって反射光が偏向されることになるために、他方では、ほかにもさらに新たな像収差を生じることになり、光学系の光学的な性能をそのまま維持するためには、これらの像収差についても何としてでも補正しなければならないために、そのような光学装置の光学デザインは非常に複雑でコスト高なものとなっている。

補正を行う場合は、光学くさびまたはトリック・レンズなど、複数の補助的な光学構成要素の追加、およびそれ以外の光学構成要素を含めた極めて特殊な補償計算の少なくとも１方が必要となる。それにより光学デザインは非常に複雑でコスト高なものとなる。そのような光学装置の１例は、（ドイツ国特許第１０３１４１６号明細書）に説明されている。そこには、照射光学系の内部における光成分の所定比率の遮断を放棄した光学系についても説明されている。検眼鏡レンズの代わりに、１つの複合型対物レンズが使用され、そのそれぞれのレンズは、光学的境界面における直接反射光が観察部の開口絞りの内部に到達することがないように、互いに対して傾斜されている。この光学系においては、縦色収差と横色収差が発生するが、これらは手間隙をかけて補正されなければならない。例えばレーザ適用時などのように、極小のビーム径が使用される適用例においては、光学的境界面の数の多さも、また対物レンズ内のガラス経路が長い点も、不利に作用する。それぞれの境界面のところの不純物により、輝度が大幅に低下すると同時に、妨害迷光が発生することもある。

ほかにも光学系、例えば望遠鏡に、正に様々な妨害または高次の収差を含めて像収差が存在するという条件下において、光学的な性能および像品質を向上させるために、いわゆるアダプティブ光学系を備えることが知られている。例えば像収差および妨害が既知である場合は、いずれか１つの調節可能な光学構成要素、例えば個別に調節可能な多数の小型素子からなる１つのミラーを使用して、波面を適切に修正することができる。それによりほぼ理想的な投影条件を実現することができる。

アダプティブ光学系の適用には、何よりも特に次の長所がある：時間の経過に伴い変化する収差についても、任意の、または極めて独特で複雑な像収差についても、補正を実行することができる。

網膜像の分解能を向上するためにアダプティブ光学系を導入することについては、既に（欧州特許第１４０１３２６号明細書）、（米国特許第６５８２０７９号明細書）および（特開２００３−１１６７９２号明細書）に説明されている。これらの適用例は、わけても特に古典的な装置光学系の像収差、および場合によっては診断確定後の患者眼球の像収差についても補正を行うことによって、眼底カメラにおいて達成可能な眼底の限界分解能を向上することを目指したものである。それにより、さもなければ視認できない錐状体および桿状体などの細部を、網膜の中で可視化できるようになる。しかしながらそこでは視野が極めて限定される点、ならびに常に存在する患者の眼球運動を補償するためにアイ・トラッカを使用しなければならないという必要性が短所となっている。

それ以外にも（Ｌａｓｅｒ Ｆｏｃｕｓ Ｗｏｒｌｄ，Ａｕｇｕｓｔ １９９８，ｐ．１８−２２）から、医学的な調査目的で高分解能の網膜像を得るために、アダプティブ光学系を使用して人間の眼球の収差を補正することが知られている。

以上のような背景から、本発明が解決しようとする課題は、影のない一様な照射が保証され、かつ妨害反射が回避されると同時に、投影光学系の傾動収差の補正が簡素化され、高性能を維持した上で眼底カメラのコスト的に有利な構造が達成されるようにする、眼底画像の品質を向上させるための光学装置を得ることにある。

この課題は、本発明により、第１の請求項の前段部分に従って構成された光学装置においては、その特徴部分に開示される手段により解決されるようになっている。従属クレームには、本発明の細部構造およびさらに別の構成例とならび適用例が説明されている。

そこでは、それにさらに追加して患者眼球の像収差を補正するための手段が備えられるようにすると有利である。
有利には、光学系の少なくとも１つの素子が、自由曲面として構成されるようにしてもよい。

ミラーのそれぞれのアダプティブ素子を制御するための制御信号を発生する手段として、光学デザインの内部に波面を決定するための少なくとも１つの波面センサが備えられると有利である。

ほかにも、波面をリアル・タイムで決定するための少なくとも１つの波面センサが備えられる有利である。
ソフトウェアにより像の演算処理を行うための手段が１つのイメージ・センサのところに備えられ、これらを利用して少なくとも１つのミラーのアダプティブ素子を制御するための制御信号を獲得するようにした場合は、本発明の有利な実施形態がもたらされる。

照射源として、連続動作方式およびパルス動作方式の少なくとも１方で作動する１つまたは複数のＬＥＤが備えられると有利である。
それ以外にも、シーケンシャル光パルスを様々なスペクトル域で発生して、１つのイメージ・センサを利用して同期化された像を獲得し、１つのカラー像、または別の任意の組み合わせ、ならびに複数のモノクロ個別像を描画して記憶するために像を適切に処理するための手段が備えられると有利である。

ほかにも、それぞれの光パルスと同期で位置が変化するようになっている少なくとも１つの調節可能な光学素子（例えばシフト・レンズ）により色収差を選択的に補正するための手段が存在すると有利である。

また、有利には、少なくとも１つのアダプティブ光学構成要素の、光パルスと同期で調節される複数の素子により色収差を選択的に補正するための手段が備えられてもよい。
ほかにも、少なくとも１つの光学素子がスペクトラル・カラー・スプリッタとして構成されると有利である。

投影用ビーム・パスおよび照射用ビーム・パスの少なくとも１方が屈折している場合は、空間的に有利な光学装置がもたらされることになる。
本発明は、様々な波長における網膜レーザ凝固用の、特にマルチ・カラー・レーザ凝固用の各種装置、ならびに光干渉断層画像診断法（ＯＣＴ）を実行するための各種装置において、有利に適用することができる。

ほかにも、超短パルス・レーザを利用した、特にフェムト秒域のパルスを使用した眼球の診断および治療を実行するための各種装置において、ならびにハイパー・スペクトラル・イメージング用の各種装置において、ないしは網膜の機能診断のためのマルチ・スペクトラル撮像の際に、適用されると有利である。

眼底反射光の測定用の各種装置において、および、網膜の診断および治療の少なくとも１方のための各種スポット・スキャナまたはライン・スキャナにおいて、適用されると有利である。

それ以外にも、共焦点方式に基づき作動する各種装置において、特にレーザ共焦点スキャナにおいて適用されると有利である。
眼球の所見を記録する際には、鮮明でしかも非常に精緻な高コントラストの像が達成されなければならない。その妨げとなるものは、観察用光学系ならびに眼球の内部像を撮影する場合は眼球光学系（眼球レンズ、硝子体、眼底）の欠損および投影収差、ならびに眼球の随意および不随意運動であるが、これらは最終的には像の不鮮明さおよびコントラストの悪化をもたらすことになる。観察用光学系ないしは眼球光学系の欠損、例えば投影収差については、ここに提案される方策により、観察用光学系の適切な仕様およびレイアウトを通じて補償することができる。眼球運動は、像ブレを来たすが、それにより、撮像の間の露出時間が長過ぎる場合には、撮影時に行われる光学補正がことごとく無為に帰すことになる。この像ブレを抑止するためには、十分にエネルギーに富んだ１つの光源を利用して、例えば適切な１つのフラッシュ・ランプにより、短時間（数ミリ秒程度）の露出を行わなければならない。この解決策は、公知である眼底カメラの大半で導入されている。カラー撮影のためには、このフラッシュ光の昼光に類似したスペクトルが、１つのカラー用イメージ・センサ、例えば複数のカラー・フィルタを装着した１つのエリア・センサと組み合わせて利用されるようになっている。この解決策では、これらの固定式に装着されるカラー・フィルタのスペクトル特性が、十分正確には解明されていないほか、わけても特に事後の変更が不可能である点が短所となっている。したがって、個々の色にとり最適な露出制御、および測定対象に対して適合化されたカラー・マネージメントについては、大きな制約を伴わない限り、これらを実行するのは不可能となっている。

モノクロ技術では、白色フラッシュ光から所望のスペクトル成分がカラー・フィルタを利用してフィルタリングされるようになっている。この解決策は、エネルギー的には非効率的である。これについては、連続動作方式であれ、パルス動作方式であれ、ＬＥＤを採用した解決策の方が優れている。カラー撮影のためには、ＬＥＤの様々な放出波長、例えば赤、緑、および青が利用される。モノクロ技術では、適切な波長を有する１つまたは複数のＬＥＤが使用される。ＬＥＤが遅延時間をほとんど伴わずにオン・オフされることにより、十分に短い露出時間を達成することができる。ＬＥＤのスペクトル特性は、十分に正確に知られていると同時に、これにはフィルタによりエネルギー的に効率的に影響を与えることが可能であり、それにより最適カラー・マネージメントをより簡単に実現することができる。カラー画像を撮影する際には、赤、緑および青の画像の取り込みが有意なように逐次方式で行われる、すなわち、録画装置として高感度のＢ／Ｗ録画装置（白黒録画装置）が使用され、パルス駆動されるＬＥＤを利用してその時々のカラー部分画像が順次取り込まれるようになっている。パルス長ないしはパルス幅の選択を通じて、カラー部分画像の最適調節を達成することができる。調査対象に合わせた調節を行う目的で連続照射を行う際には、使用されるＬＥＤの輝度の適切な選択を通じて、対象に対して適合化された有意なスペクトル混合光を達成することができる。

このシーケンシャル動作により、それ以外にもさらに色収差に、その時々のスペクトル光パルスと同期で、選択により影響を与えることができる。例えば使用されるいずれか１つのアダプティブ素子の独自の調節を、これに対して割り当てられているカラー光パルスの間に行うことによって、最適補正を達成することができる。例えばシフト・レンズの形態をとる、ビーム・パスの内部で位置が適切に変化されるようになっている１つの光学素子によっても、同様の効果を達成することができる。そうすることによって、すべての補正対策を同時に適用する必要がないために、光学デザインを色補正に関して簡素化することができる。

マルチ・カラー・レーザ凝固の場合は、異なる波長によって適用平面内に偏差が生じることは許されないために、色収差ゼロでありかつ反射ゼロであることが非常に重要である。投影収差を除去することにより、登録されている位置精度に優れた凝固が可能となる。光学面の数が減少することにより、それ以外にもさらに透過面での長所がもたらされる。

光干渉断層画像診断法においても同様に、これが１つの眼底カメラと組み合わされる場合は、色収差ゼロおよび反射ゼロによって、それぞれの光源（ＩＲおよびＶＩＳ）の拡張された使用波長域を対象として行われる補助的な補正がなくなるために、明確な効果があらわれることになる。多重反射による望まざる干渉および迷光は回避される。

超短時間域レーザ・システム（フェムト秒レーザ）と組み合わされる場合は、パルス幅を短縮するために行われる補助的な補正を省略できることから、色収差ゼロが非常に有利である。

ハイパー・スペクトラル・イメージング、ないしは網膜のスペクトラル撮像の場合は、拡張されたスペクトル帯域幅を補正するための補助的な素子を省略できることから、光学系の色収差がゼロであると有利である。

眼底反射光測定法では、迷光を回避することによって、人為構造のない像が達成されるようになる。

本発明による光学装置の実施例のブロック図。

以下では本発明を実施例に基づき詳しく説明する。図面には、本発明による光学装置の実施例のブロック図が示されている。
眼科用各種装置を対象とする、眼底画像、特に網膜像の品質を向上させるための本発明に従った光学装置は、１つのケーシングの内部に１つの照射ユニット１と、網膜を実質的に収差なしで１つのＣＣＤカメラの１つのイメージ・センサ上に投影するための１つの投影光学系とを有している。

調査対象である患者の眼球２の照射は、この光学装置においては、照射ユニット１を利用して、１つの適切な光源３から、１つの環状絞り５を一様に照射するようになっている１つの集光器４を通して行われるようになっている。この環状絞り５は、照射光学系６を使用することによって、１つの中央開口部または孔が備えられた１つの円環状ミラー７、およびここでは複数の傾斜および偏心を有するレンズからなる１つの検眼鏡対物レンズ８を介して、眼球２の瞳孔に環状の光照射野として投影され、眼球２の網膜は、この光照射野により一様に照射されるようになっている。照射光学系６は、非傾斜および偏心の１つの光学系が使用される場合は、この非傾斜または偏心の検眼鏡レンズで反射されてしまうような照射光の一部の遮断をもたらし、またそれにより検眼鏡対物レンズ８における妨害反射の実質的な抑止を実現するようになっている、１つのいわゆる黒色スポット９を有している。照射用ビーム・パスの中央部分のこの遮断は、環状絞りおよび穴あきミラー（穴は観察用の光を一切反射しない）の幾何レイアウトにより行われるようになっている。観察用または投影用ビーム・パスは、この観察用の瞳を通り延びている。複数の傾斜および偏心されたフロント・レンズを使用する場合、黒色スポットは不要であり、デザインの簡素化のためにこれを省略することができる。

照射された網膜は、傾斜および偏を有して配置された１つまたは複数のレンズからなる検眼鏡対物レンズ８により、ミラー７の手前の第１の像平面１０内に投影される。網膜のこの中間像は続いて、何度も屈折されていると有利であるビーム・パスに沿って、１つの投影ミラー１１、および複数のアダプティブ素子１２ａを有する１つのアダプティブ・ミラー１２を介して第２の中間像平面１３に投影される。調査対象である眼球の非正視に基づいて引き起こされる位置差は、投影用ビーム・パスに沿って第２の中間像平面１３に後置される１つの集光光学系１４を利用して、予備補正ないしは補償できるようになっている。１つの適切なカメラ１６、好ましくは１つのＣＣＤカメラの１つのカメラ対物レンズ１５により、網膜はカメラの像平面内の１つのセンサ１７上に投影される。

図から明らかであるように、投影用ビーム・パスの投影ミラー１１とアダプティブ・ミラー１２との間には、さらにもう１つのミラー１８が配置されているが、これは、この光学装置の投影用ビーム・パス内の変形後の波面の、理想波面または所望される波面からの偏差を決定する波面検査を実行できるようにするために、測定用ビーム・パス１９の１つの波面センサ２０への偏向を実現するためのものである。

この波面センサ２０は、１つのコンピュータ２１に接続されており、これが、眼球および投影用ビーム・パスによりもたらされた収差を補正する目的でアダプティブ・ミラー１２のアダプティブ素子１２ａの相応の調節を行うための制御信号を発生することによって、カメラ１６のセンサ１７上に実質的に像収差のない網膜像が生じるようにしているが、この網膜像は、続いて医者により評価され、さらに演算処理されるようにするとよい。

そのように構造化されたミラー、すなわちアダプティブ・ミラー１２により、例えば照射用ビーム・パスの内部で非対称性が持続されるようにするとよく、その結果、反射ゼロの眼底検査のための投影光学系に対する要求項目が減少され、当該光学デザインのより簡単な製作が達成されるようになる。そのようなミラーを使用することにより、ほかにも様々な適用課題に対する視野サイズおよび瞳の適合化も可能となる。

アダプティブ・ミラーは、特により高次の装置固有の収差やほかにも眼球の非正視を補償するためにも使用することができるが、それにより眼底画像の最適補正が可能となり、例えば医者には診断に際して様々なメリットがもたらされることになる。そのようなケースにおいては、アダプティブ素子が装置の瞳の近傍に配置されると有利である。

提案されるのは、複数のアダプティブ構成要素を使用して、装置の光学デザインの内部で像収差が補正されるようにした、網膜の光学像の品質を向上させるための光学装置である。この方策は、複数の偏心および傾斜された光学作用面をベースとする特殊なデザイン・バリエーションと組み合わされると、非常に効果的である。

１ 照射ユニット
２ 眼球
３ 光源
４ 集光器
５ 環状絞り
６ 照射光学系
７ 円環状ミラー
８ 検眼鏡対物レンズ
９ 黒色スポット
１０ 第１の像平面
１１ 投影ミラー
１２ アダプティブ・ミラー
１２ａ アダプティブ素子
１３ 中間像平面
１４ 集光光学系
１５ カメラ対物レンズ
１６ カメラ
１７ センサ
１８ ミラー
１９ 測定用ビーム・パス
２０ 波面センサ
２１ コンピュータ

Claims (12)

1. 眼科用装置を対象とする、眼底画像の品質を向上させるための光学装置であって、妨害反射を抑止するために、
   １つのケーシングの内部の照射及び投影光学系であって、
   黒色スポット・デザインを有することなく対物レンズを含み、傾斜および偏心のうちの少なくとも一方を有する複数の屈折面および反射面のうちの少なくとも一方を備えるか、または、
   照射光学系の内部に黒色スポット・デザインを具備した非傾斜及び非偏心のうちの少なくとも一方を有する複数の光学面を有する複数の装置を有している
   前記照射及び投影光学系を備える光学装置において、
   １つの投影用ビーム・パスに、少なくとも１つの投影ミラー（１１；１２）を有する１つの投影光学系が備えられ、該投影光学系の像収差を補正するために、複数の調節可能なアダプティブ素子（１２ａ）を有する少なくとも１つの反射光学素子、屈折光学素子、電子的に構造化可能な光学素子、またはアダプティブ光学素子（１２）が備えられること、
   該少なくとも１つの光学素子（１２）の該各アダプティブ素子（１２ａ）を制御するための制御信号を発生する手段が備えられること、
   照射源として、連続動作方式およびパルス動作方式のうちの少なくとも一方で作動する１つまたは複数のＬＥＤが備えられること、
   シーケンシャル光パルスを様々なスペクトル域で発生して、１つのイメージ・センサを利用して同期化された像を獲得し、１つのカラー像、または別の任意の組み合わせ、ならびに複数のモノクロ個別像を描画して記憶するために像を処理するための手段が備えられること
   を特徴とする、光学装置。
2. 前記各アダプティブ素子（１２ａ）を制御するための制御信号を発生する手段として、光学デザインの内部に波面を決定するための少なくとも１つの波面センサが備えられることを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
3. ソフトウェアにより像の演算処理を行うための手段が１つのイメージ・センサに備えられ、該手段を利用して、少なくとも１つのミラー（１２）の前記各アダプティブ素子（１２ａ）を制御するための制御信号を獲得することを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
4. 各光パルスと同期で位置が変化するようになっている少なくとも１つの調節可能な光学素子を備える、請求項１に記載の光学装置。
5. 少なくとも１つのアダプティブ光学構成要素の各光パルスと同期で調節される複数の素子を備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 様々な波長における網膜レーザ凝固用の装置において適用されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。
7. ハイパー・スペクトラル・イメージング用の装置において、および網膜の機能診断のためのマルチ・スペクトラル撮像の際のうちの少なくとも一方に適用されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 眼底反射光の測定用の装置において適用されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。
9. マルチ・カラー・レーザ凝固用の装置において適用されることを特徴とする、請求項６に記載の光学装置。
10. 前記少なくとも１つの調節可能な光学素子がシフト・レンズを含むことを特徴とする、請求項４に記載の光学装置。
11. 前記少なくとも１つの反射光学素子、屈折光学素子、電子的に構造化可能な光学素子、またはアダプティブ光学素子（１２）がミラーを含むことを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置。
12. 前記眼科用装置が網膜を撮像するためのものであることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学装置。

Images