JP7416789B2 - 眼のトポグラフィーを決定するためのファセットレンズの温度依存性を補償するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、眼のトポグラフィーを決定するために使用されるファセットレンズの温度依存性を補償するための解決手段に関する。

ケラトメトリーという用語は、眼の角膜の形態および形状を測定することを意味していると理解すべきである。角膜曲率計（角膜計としても知られている）は、角膜の中心部と周辺部の両方の曲率半径を確認するために使用される。角膜の中心部および周辺部の曲率半径を特定の方法を使用して測定し、数学的に評価するトポグラフィーは、角膜曲率測定の特別な形態である。

いわゆる角膜計またはケラトグラフを用いて角膜表面形状を測定するための方法は、従来技術により長い間知られている。そのプロセスにおいて、角膜上に結像された好ましくは同心円状のパターンが、角膜の涙液膜によって反射され、カメラによって記録されて評価される。カメラで検出された反射パターンは、角膜の曲率に応じて歪んでいる。これらの反射信号から曲率を決定するためには、パターンの歪みを既知の形状と比較する必要がある。既知の形状は通常、半径７．８ｍｍの球体として選択される。

眼の角膜のトポグラフィーを決定するための好ましいシステムは、特許文献１に記載されている。このタイプのトポグラフィー測定は、患者の眼に対する測定システムの変位が、測定データにおいて、カメラ画像における点パターン全体のデフォーカス（軸方向変位）として、かつ遷移（横方向変位）としてのみ測定データにおいて表されるという点で有利である。

有用な情報は光ドットの相対的な間隔によってのみ伝達されるため、測定はそのような変位とは無関係である。しかしながら、実際には、これは、特定の境界内でのみ適用され、具体的には、特許文献２のように必要な角度関係が適用される角膜表面の一部に各光線が当たる場合に限り、適用される。これがパターンの全ての光ドットに適用される空間要素は、トポグラフィー測定の「アライメント範囲」と呼ばれる。後者は有限であるため、デバイスのソフトウェアは、各個々の測定ごとに、患者の眼に対する測定システムの位置がアライメント範囲内にあるかどうかをチェックする必要がある。このチェックは、「アライメントチェック」と呼ばれる。

しかしながら、ビームの角度はファセットレンズの温度に依存する。ファセットレンズをプラスチックから製造することは有利であるが、一方で、温度の影響はガラスよりもプラスチックの方が顕著に現れる。この場合、ビームの角度の温度依存性の変化は、プラスチックの形状および／または屈折率の変化の結果としてのファセットレンズの屈折力の変化から生じる。

温度補償を行わない場合、プラスチックから製造する場合に提案される解決策は、約（２０±５）℃の温度範囲でのみ機能する。この許容範囲は、実際の使用ではかなり狭いため、この解決策は実用的ではない。

独国特許出願公開第１０２０１１１０２３５５号明細書 独国特許出願公開第１０２０１４２０７０５８号明細書

本発明は、ファセットレンズに基づいて眼のトポグラフィーを温度に依存せずに決定するための解決手段を開発するという目的に基づいている。この場合、ファセットレンズは、製造が容易であり、好ましくは、プラスチックからなり、かつ１０℃～４０℃の温度範囲で使用可能である必要がある。

照明ユニット、ファセットレンズ、画像記録ユニット、照明ビーム経路と検出ビーム経路とを分離するための光学要素、および制御および評価ユニットからなる、眼のトポグラフィーを決定するためのファセットレンズの温度依存性を補償することの課題は、ファセットレンズの温度を決定するために追加的に設けられた温度センサによって、制御および評価ユニットに格納されているビームの放射角度の温度依存性によって、かつ画像記録ユニットの画像を評価するときに、温度センサから転送されたファセットレンズの温度および格納されたビームの放射角度の温度依存性を考慮するように設計された制御および評価ユニットによって、本発明に従って解決される。

好ましい展開および実施形態は、従属請求項の主題である。
プラスチックレンズの温度依存性を補償するために提案された解決手段は、特に、眼のトポグラフィーを決定するために使用されるファセットレンズに対して提供される。しかしながら、原理的には、既存の温度依存性、特に、光学部品の温度依存性を補償する必要がある場合は、提案された解決手段を使用することができる。

例示的な実施形態に基づいて本発明を以下により詳細に説明する。

ファセットレンズの８個のリングの温度に対するビーム方向の依存性を示す。 屈折率ｎの温度Ｔに対する依存性を示す。 焦点距離ｆの温度Ｔに対する依存性を示す。 ３つの異なる温度に対する複数のビームの重心光線と周辺光線の比較を示す。

提案された解決手段は、例えば、特許文献１に記載されているファセットレンズの使用に基づいている。この場合、システムは、照明ユニットによって平面波で照明されるファセットレンズ、画像記録ユニット、および制御および評価ユニットで構成される。この場合、画像記録ユニットは、テレセントリックで距離に依存しない画像キャプチャ用に設計されている。上述したように、このタイプのトポグラフィー測定は、患者の眼に対する測定システムの変位が、カメラ画像の点パターン全体の軸方向変位または横方向変位としてのみ測定データにおいて表されるという点で有利である。これは、測定原理に基づいて、角膜表面の各光ドットに対して法線ベクトルは、特定の測定とは無関係に幾何学的に既知であり、表面を再構築する目的で、関連する基準点を決定することによって、個々の光ドットに割り当てることができるという事実から生じる。測定システムの製造公差に応じて、法線ベクトルは、既知であると見なされるか、または個々のデバイスに応じて適宜較正される。

眼のトポグラフィーを決定するためのファセットレンズの温度依存性を補償するために提案された装置は、照明ユニット、ファセットレンズ、画像記録ユニット、照明ビーム経路と検出ビーム経路とを分離するための光学要素、および制御および評価ユニットから構成される。

本発明によれば、ファセットレンズの温度を決定する目的のために、温度センサが追加的に設けられる。さらに、ファセットレンズに対するビームの放射角度の温度依存性、従って角膜表面における法線ベクトルの温度依存性が、制御および評価ユニットに格納される。特に、制御および評価ユニットは、画像記録ユニットの画像を評価する際に、温度センサから転送されたファセットレンズの温度およびビームの放射角度の格納された温度依存性を考慮するように設計されている。そのために、温度センサはファセットレンズの極近傍、ファセットレンズ上、またはファセットレンズ内に配置され、測定後に、さらに画像記録ユニットに読み取られ、必要に応じて画像記録ユニットに格納される。

この点に関して、図１は、例示的な態様で、ファセットレンズの８個のリングの温度に対するビーム方向の依存性を示す。この図は、ビーム方向の偏差の線形依存性を示す。２５℃の温度で、ファセットレンズの個々のリングのビームの放射角度の偏差はない。

ファセットレンズの設計では、制御および評価ユニットに格納されるべき、ファセットレンズに対するビームの放射角度の温度依存性を事前に確認する必要がある。
ファセットレンズの設計が変更されていない限り、温度依存性を決定するために１つのサンプルを使用するだけで十分である。

ビームの放射角度の温度依存性の決定は、光学シミュレーションおよび／または基準体による測定によって行われる。
第１の実施形態では、基準試料は、ビームの放射角度の温度依存性を決定する目的でファセットレンズとして使用され、基準体は、既知の半径を有する精密に製造されたガラス球である。

ビームの角度は、記録された点パターンと期待される点パターンとの偏差から計算することができる。このプロセスでは、測定デバイス内の内部温度の上昇も考慮に入れるために、可能な限り広い温度範囲がカバーされる。

そのために、図４は、３つの異なる温度に関する複数のビームの重心光線と周辺光線の比較を示している。ファセットレンズの個々のリングのビームの異なる放射角度をより明確に強調するために、破線の垂直補助線が図面に挿入されている。ビームの三次元交差は、それぞれアライメント範囲を表す。

眼のトポグラフィーを決定するためのファセットレンズの温度依存性を補償するための提案された方法では、ファセットレンズが照明ユニットによって照明され、眼から反射したパターンが画像記録ユニットによって記録され、制御および評価ユニットに送信される。照明ビーム経路と検出ビーム経路とは、光学要素によって分離される。

本発明によれば、ファセットレンズの温度は、温度センサによって追加的に決定され、ビームの放射角度の温度依存性が制御および評価ユニットに格納され、制御および評価ユニットは、画像記録ユニットの画像を評価する際に、温度センサから転送されたファセットレンズの温度と、格納されたビームの放射角度の温度依存性とを考慮する。そのために、温度は、ファセットレンズの極近傍、ファセットレンズ上、またはファセットレンズ内で測定され、温度は、画像記録ユニットによって実行される記録の前、間、および／または後に測定され、かつ、制御および評価ユニットに送信され、格納される。

制御および評価ユニットに格納されるビームの放射角度の温度依存性について、ファセットレンズの８個のリングに関して温度に対するビーム方向の依存性を例示的に示す図１を参照する。この図は、ビーム方向の偏差の線形依存性を示す。２５℃の温度では、ファセットレンズの個々のリングのビームの放射角度の偏差はない。

ビームの放射角度の温度依存性の決定は、光学シミュレーションによって、および／または基準体による測定によって、各ファセットレンズに対して事前に実施される。
この場合、温度依存性は、数学関数を用いた記述によって決定することができ、数学関数は好ましくは線形である。

ファセットレンズに使用されている材料の屈折率Δｎ／ΔＴの曲線は、使用される温度範囲でほぼ線形であるため、線形関数による記述が可能である。
そのために、図２は、温度Ｔに対する屈折率ｎの依存性を示している。この依存性は、線形曲線を示している。

熱膨張が線形であるという仮定の下で、レンズ半径Ｒ

の膨張に対しても線形依存性が生じる。

ここで、Ｒ_０は半径を示す。
α_{ｔｈｅｒｍ}は線膨張係数を示し、
ΔＴはファセットレンズの温度変化を示す。

従って、簡単な薄いレンズを使用した推定に基づいて、全体的な効果、即ち、焦点距離効果も線形である。屈折率の変化Δｎ

は、温度に応じたファセットレンズの焦点距離ｆ

をもたらす。

ここで、Ｒは半径を示し、
ｎは屈折率を示し、
ΔＴはファセットレンズの温度変化を示す。

図３は、焦点距離ｆの温度Ｔに対する依存性を示している。この依存性は、同様に線形曲線を示している。
これを個々のファセット角の角度に置き換えた場合、これは効果が常に線形であることを意味する。しかしながら、この効果の大きさは、この場合異なり、かつ個々の主光線の角度に依存する。

実際に可能な限り最良の範囲でコリメートされたビーム（平面波面）の発散に対する影響、従って、測定の距離に依存しない影響などの局所的な影響は、温度に関して較正することはできないが、おそらく大幅に小さく、かつ無視できるものである。

温度依存性は、数学関数を使用した記述によって決定され、数学関数は、好ましくは対数である。対数温度依存性が実際に存在するため、このような代替手段も可能である。
この方法の第１の実施形態によれば、基準ファセットレンズと、基準体としての、既知の半径を有する精密に製造されたガラス球とが、ビームの放射角度の温度依存性を決定するために使用される。

ビームの角度は、記録された点パターンと期待される点パターンとの偏差から計算することができる。
測定デバイスの内部温度の上昇も考慮に入れるために、温度依存性は、１０℃から４０℃までの許容温度範囲に対して決定される。

そのために、図４は、３つの異なる温度に関する複数のビームの重心光線と周辺光線の比較を示している。ファセットレンズの個々のリングのビームの異なる放射角度をより明確に強調するために、破線の垂直補助線が図面に挿入されている。ビームの三次元交差は、それぞれアライメント範囲を表す。さらに、これは、温度依存性をよりよく視覚化する。

この方法の第２の有利な実施形態は、温度依存性の決定に関する。ファセットレンズは大部分が回転対称性を有しているので、決定は、ファセットのリングに対して一度だけ実行されるという効果に簡略化することができる。

しかしながら、ファセットのリングごとに温度依存性を複数回測定し、測定値を平均化することで、精度を向上させることができる。
この方法の第３の有利な実施形態は、製造中の各ファセットレンズの２５℃の常温への較正に関する。いずれの場合でも必要とされる基準球を用いた較正中に、６５０個以上の個々のファセットが較正されて、個々の法線ベクトルの入射角が各ファセットに対して格納される。次に、温度補償の関数がこの基準温度に対して定式化される。

次に、光学シミュレーションおよび／または基準体による測定によって決定された各ファセットレンズでのビームの放射角度の温度依存性が、この較正中に、個々のファセットレンズに適応される。

最も簡単なケースでは、計算による組み合わせは線形とすることができ、一定成分は個々のデバイスの較正に由来し、直線の勾配は光学計算または基準測定による既知の温度依存性に由来する。これから、トポグラフィーの温度補償された再構築のための法線ベクトルが得られる。

しかしながら、さらなる関数を追加することも可能である。例として、対数関数または指数関数は、温度効果の場合に往々にして期待されるため、この目的に適している。
温度依存のアライメント範囲は、温度依存の角度を有する複数のビームの三次元交差として（図４を参照）、または基準球での実験によって確認することができる。

好ましくは、ビームの交差は、個々のデバイスごとの角度較正を使用して実現される。あるいは、簡略化された態様で、個々のデバイスの理想的なアライメント点と、モデルデバイスまたは基準デバイスによる理想的なアライメント点との間の差を確認して計算することが可能である。

この方法の第４の有利な実施形態によれば、製造公差が小さい場合、製造中に全てのファセットレンズを較正することを省略することができる。
本発明は、プラスチックから簡単に製造することができるにもかかわらず、１０℃から４０℃までの広い温度範囲で使用可能であるファセットレンズに基づいて、眼のトポグラフィーを温度に依存せずに決定するための解決手段を提供する。

温度依存性がハードウェア手段によって補正されている場合であっても、本明細書で説明されている手段を使用することは有効であり得る。各ファセットをソフトウェアによって個別に精密に較正することができる一方で、ハードウェア手段は全体的な影響に対処する傾向があるため、これは、好都合である。

ハードウェア手段の構成によっては残留誤差が残るが、本明細書で説明する解決手段を使用して補償することができる。さらに、この組み合わせは、温度変化の結果としてアライメント範囲が減少することが少ないという点で有利である。

本発明は、ファセットレンズの温度依存性の補償が簡単かつ便利な方法で実現される、眼のトポグラフィーを決定するための解決手段を提供する。
原理的にはファセットレンズをアクティブに温度制御することは可能であるが、それはより高価であり、かつ／または非実用的である。同じことが、温度安定性のある材料からファセットレンズを製造する場合にも当てはまる。また、温度補償無しでファセットレンズを備えたデバイスを使用することは、これらのデバイスが厳密に温度制御された空間でしか使用できないため、意味がない。

Claims (20)

1. 眼のトポグラフィーを決定するためのファセットレンズの温度依存性を補償するための装置であって、照明ユニットと、ファセットレンズと、画像記録ユニットと、照明ビーム経路と検出ビーム経路とを分離するための光学要素と、制御および評価ユニットとを備えた装置において、前記ファセットレンズの温度を決定するために温度センサが追加的に設けられ、前記ファセットレンズから放射されるビームの放射角度の温度依存性が前記制御および評価ユニットに格納され、前記制御および評価ユニットは、前記画像記録ユニットの画像を評価するときに、前記温度センサから転送された前記ファセットレンズの温度および格納されたビームの放射角度の温度依存性を考慮するように構成されていることを特徴とする装置。
2. 前記温度センサが前記ファセットレンズの極近傍、前記ファセットレンズ上、または前記ファセットレンズ内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ビームの放射角度の温度依存性の決定が、光学シミュレーションおよび／または基準体による測定によって行われることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. ビームの放射角度の温度依存性を決定するために基準試料がファセットレンズとして使用されることを特徴とする請求項１または３に記載の装置。
5. 基準体が既知の半径を有する精密に製造されたガラス球であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 眼のトポグラフィーを決定するためのファセットレンズの温度依存性を補償するための方法であって、前記ファセットレンズが照明ユニットによって照明され、眼から反射したパターンが画像記録ユニットによって記録され、かつ制御および評価ユニットに送信され、照明ビーム経路と検出ビーム経路が光学要素によって分離される、方法において、前記ファセットレンズの温度が温度センサによって追加的に決定され、前記ファセットレンズから放射されるビームの放射角度の温度依存性が前記制御および評価ユニットに格納され、前記制御および評価ユニットは、前記画像記録ユニットの画像を評価するときに、前記温度センサから転送された前記ファセットレンズの温度および格納されたビームの放射角度の温度依存性を考慮することを特徴とする方法。
7. 温度が前記ファセットレンズの極近傍、前記ファセットレンズ上、または前記ファセットレンズ内で測定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 温度は、前記画像記録ユニットによって実行される記録の前、間、および／または後に測定され、かつ前記制御および評価ユニットに送信され、かつ格納されることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. ビームの放射角度の温度依存性の決定が、光学シミュレーションによって、および／または基準体による測定によって実施されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 温度依存性が、数学関数を使用した記述によって決定されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記数学関数が線形であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記数学関数が対数であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 既知の半径を有する精密に製造されたガラス球が基準体として使用されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 基準試料が、ビームの放射角度の温度依存性を決定するためのファセットレンズとして使用されることを特徴とする請求項６または９に記載の方法。
15. 温度依存性が１０℃から４０℃の許容温度範囲に対して決定されることを特徴とする請求項６または９に記載の方法。
16. ファセットのリングの温度依存性が１回で決定されることを特徴とする請求項６または１２に記載の方法。
17. ファセットのリングの温度依存性が複数回決定され、測定値が平均化されることを特徴とする請求項６または１２に記載の方法。
18. 前記ファセットレンズは複数のファセットレンズのうちの一つであり、前記複数のファセットレンズの各々が製造中に前記ファセットレンズのビームの放射角度の偏差がない２５℃の常温に較正されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
19. 前記ファセットレンズは複数のファセットレンズのうちの一つであり、光学シミュレーションおよび／または基準体による測定によって決定されたビームの放射角度の温度依存性が、製造中に前記ファセットレンズのビームの放射角度の偏差がない２５℃の常温に較正された前記複数のファセットレンズの各々に適応されることを特徴とする請求項６または１５に記載の方法。
20. 前記ファセットレンズは複数のファセットレンズのうちの一つであり、前記複数のファセットレンズの製造公差が小さい場合、製造中に前記複数のファセットレンズの各々の較正を省略することができることを特徴とする請求項６または１６に記載の方法。

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