JPH01166740A - 輪郭測定方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、表面の三次元輪郭を測定するための輪郭測
定装置とその方法に関するもので、特に眼球の角膜前面
の三次元輪郭の測定に関するもので、眼球の診断に使用
されるものである。すなわち、視力に対する有害な影響
をもつ角膜の異常を測定したり、あるいは、角膜外面の
基質への浸透および組織の容積上の除去に伴なうレーザ
ー利用の放射状角膜切開又はレーザーによる切開手術な
どの眼球手術の進展状況を測定する。それによって、角
膜外面は、改善された光学的特性をもって形象された新
たな湾曲をもつことができる。

［従来の技術］ 角１摸鏡あるいは角膜切開鏡と呼ばれる装置が角膜の局
部解析のために開発されてきている。これらの装置は、
視覚上の欠陥を矯正するため測定した角膜上につけたコ
ンタクトレンズを処方するため、あるいはその他の眼球
治療のため角膜湾曲を測定する手段として使用されてい
る。

従来技術としては、照射された対象の角膜反射像の写真
撮影による記録方式（米国特許第３，７９７゜９２１号
−Ｋｉｌｓｅｒ、　ｅｔ　ａｌ、　）又は電子光学記録
方式（米国特許第４，５７２，６２８号−Ｎｏｈｄａ）
がある。

これらの方式は、光学系軸に対し垂直な平面上又はその
軸に対し対称的に配設した凹面上に、同軸リング形式に
配設した幾つかの同軸リング又は複数分離光源を具えて
いる。もし角膜が球面であるならば、これらのリング状
対象の反射像は等しく離開し、連続的又は断続的な同心
リング状パターンである。もし角膜表面が循環的対称で
あり球面でないならば、その結果化じたリング像は平等
に離開しない、すなわち、間隔の不平等は角膜表面の非
球面性の測定である。もし角膜面が乱視面の場合（よく
あるケースである）、その角膜によって反射したリング
状の像は、楕円形となり、パターンの偏倚性は種々の断
面極点間の角膜面の湾曲の変化に関係する。この偏倚性
、すなわち、角膜面の非点収差（乱視）は、リングパタ
ーンの像の注意深い解析によって測定できる。楕円形パ
ターンの眼球に対する主・副軸の配向は、Ｕ察された乱
視の主要軸の配向を表わす、もし角膜か、傷、病気又は
以前の外科手術、例えば白内障の治療中放射状の角膜切
開や切開の不完全閉鎖等により。

屈折した場合、その角膜面の欠陥の度合いも測定できる
。

上述のそれぞれのケースの場合、望ましい最終結果は、 （１）視覚的に使用した角膜中央部（直径３〜７ｍｍ）
に対し種々の点での表面視力（ジオプターのユニット）
を表形式か又はグラフィック形式で表示する。

（２）関心の領域に対しては、これらのパラメータに対
する計算された平均値である。

眼球が乱視になったり、非回動性相称になる傾向の故に
１表面半径又は表面視力の比較は、視覚軸の種々の方位
角経線に対し、しばしば行なわれる。測定装置のエラー
と測定方法にともなう方式上のエラーや無作為エラーは
、全体の測定エラーを最小化するため最小限に押さえる
ことか好ましい、従来の測定装置では、精度、使用上の
安心度、表形式又はグラフィック形式の出力を得るに要
する時間等の点で多くの欠陥があった。いづれの従来装
置を使用しても、その場での利用に適せず、また、視力
を改善するため望ましい純湾曲変化をつくりだすだめの
角膜のレーザ一方式の外科的治療との共働作用を得るこ
とかできなかった。

［発明の目的］ この発明の目的は、角膜の前面を正確かつ迅速に測定で
きる輪郭測定方法とその装置を提供することにある。

この発明の他の目的は、測定エラーを最小限におさえる
自己校正能力をもつ輪郭測定方法とその装置を提供する
ことにある。

この発明の他の目的は、検査中の眼球の治療装置に対し
て適正な位置と方位を決定する手段を具えた輪郭測定装
置を提供することにある。

この発明の他の目的は、角膜の半径の測定および角膜表
面の個々の小さい局部での視力の測定を可能にする輪郭
測定方法とその装置を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、Ｌ’Ｅｓｐｅｒａｎｃｅ
。

Ｊｒ、名義の米国特許出願６９１，９２：１号、７４８
，３５８号、８９１，１６９号葛よび８９１．２８５号
に開示された外科的処置の前、中、後に、選択された回
数、眼球の外面を観察して、角膜表面の局部を測定する
輪郭測定方法とその装置を提供することにある。これは
、角膜の基質への浸透による切開手術並びに紫外線レー
ザーからの照射制御を通じて角膜組織の容積上の除去、
また、約２．９ミクロメータて作用する赤外線レーザー
のごとき長波長の照射を利用する操作を含むものである
。

さらに、この発明の上記薄目的は、測定される表面から
反射した光点のアレイの像（イメージ）パターンを分析
することによってなされるもので、測定される表面は、
診断目的のために測定される角膜により形成された凸面
、あるいは、校正目的のために使われる湾曲の周知半径
をもつ球体によって形成される。

さらに、この発明に係る装置は、Ｔｅ１ｆａｉｒ、　ｅ
ｔａｌ　　名義の特許出願９３８，６３３号および００
９，７２４号に開示された装置と直接インターフェース
することができ、視力特性を改善するためレーザー照射
による角膜の外科的形象にともなう角膜の診断を実現可
能とする。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を添付図面に基づき説明する。

第１図は、この発明に係る輪郭測定装置の光学、機械お
よび電気の各要素の機能上の相関関係を示すブロック図
で、輪郭測定装置９は、表面１３の三次元輪郭を測定す
る。この測定装Ｍ９は、複数の個々、の光束１０を表面
１３に投光するための複数の点光源１１をもつ、光検出
器１９は電子光学的に測定可能な光学像を発生させる。

レンズ１５が表面１３と光検出器１９の間に配設されて
おり、測定される表面１３から反射した光束を、光検出
器１９に焦点を合わせて、測定可能光学像を形成する。

信号スイッチ２１、フレームグラバ−（フレームの把持
部）２３、コンピュータ２４は、個々の光束の望ましい
入射点での表面１３の湾曲の局部半径ならびに表面１３
の三次元輪郭の双方を決定するため光検出器１９に電気
接続している。

校正装置７０は、測定装！！９の測定エラーを軽減する
ために設けられている。校正装置７０は、測定される表
面１３と代替して設けられる周知の輪郭をもつ校正面７
２をもつ、信号スイッチ２１とフレームグラバ−２３は
、各光点の各像の校正表面７１上の位置を決定して、記
憶装置に記憶する。さらに、コンピュータ２４は、周知
の輪郭をもつ校正表面７１から各光点像の反射と、測定
される表面１３から各光点像の反射の比較差から、測定
される表面１３の輪郭を決定する。

第１図は、検査表面から反射した像を生成かつ分析する
ための測定装置の校正を示すブロック図である。光源ア
レイ１１は、電源１２によって作動され、そして光源ア
レイ１１からの複数分岐光束１０は、検査中の輪郭表面
１３によって遮断される。すなわち、輪郭表面１３は光
線１４をレンズに反射させるミラーとして機能し、開口
部１７を介し光束１６を焦点に集める。開口部１７から
現われる光束１８は、この時光検出器１９の感光面に焦
点を形成する。光検出器１９によって発生した電気出力
信号２０は、レンズ１５によって形成した像のエネルギ
ーの空間分布を表わす時間シーケンスの電気信号を発生
させるフレームグラバ−２３に、信号スイッチ２１によ
り送られる。これらの電気信号は、表示装置２２内の実
時間ビデオ像として表示することができる。

あるいは、これらの電気信号は、コンピュータ２４によ
る一層の分析および／又は表示手段又はプリント手段へ
の処理のためフレームグラバ−２３によってデジタル形
式に記憶することもできる。コンピュータ２４によって
記憶された特別の演算方式は、一つの光源アレイ１１か
らの光束表面上の入射点での湾曲半径、視力、輪郭面１
３の計算を可能にする。アラインメント（心合せ）手段
２６は、レンズ１５の軸に対し測定される表面１３の光
学的心合せを可能とする。

この発明に係る光学系の機能は、第２図に詳しく図示さ
れている。光源アレイ１１は、光学系の光学軸２７上の
中心点ｃｌをもつ、周知の輪郭の球面１１Ａ上に配設し
た複数の発光ダイオード（ＬＥＤＳ）からなる０球面１
１Ａは、好ましくは、名目上球面であればよい、しかし
、球面１１Ａはそれに限定されることなく、その他の望
ましい形状でもよい、光源アレイ１１は発光ダイオード
に限定されることなく、複数の光ファイバーからなる光
源でもよい、第１図の表面１３に等しい凸面２８の中心
点Ｃ２は、検査中で、軸２７上に位置するが、中心点ｃ
ｌと必らずしも一致しなくてもよい、光束１０の一つは
、−発光ダイオード３０からの分岐光束２９で、凸面２
Ｂから反射して、さらにもう一つの分岐光束３１として
、レンズ３２の開口部へ再び投光される。レンズ３２は
。

中心が軸２７上に存在することが望ましく、凸面２８か
ら下方向の適正な距離に位置している。

レンズ３２の像形成特性によりて、発光ダイオード３０
の像は、ビディコン形のイメージ管である従来の光検出
器１９の光電陰極３３のいくつかの点で生成される。あ
るいは、光検出器１９は電荷結合素子（ＣＣＯ）のごと
き個々の検出器のアレイでもよい、望ましくは、かかる
イメージ管又はアレイの光電陰極は、約６．６　ｘ　８
．８　ｍ■の孔径な有し、光源１１によって発光された
視覚光に感光するようにする。軸２７のまわりで、種々
の光および電子・光学要素の固有の回動対象性の故に、
光源アレイ１１の全体像は、光電陰極の長方形開口部に
設けた円内に存在する。さらに、光検出器１９は、上述
の光源又は特定の寸法に限定されることなく、像のサイ
ズにより大小種々の校正とすることかできる。

この発明の特徴として、レンズ３２の後方焦点距離に実
質的に等しい距離でレンズ３２から相殺される軸２７上
に位置する絞り３４のごとき開口部を具えていることで
ある。絞り３４の開口部は、レンズ３２の開口部という
よりむしろ、光束１８の円錐状光束３１°の角状サイズ
を決定するとき常に十分小さくなるようにしておかねば
ならない、絞り３４は、この光学方式の開口絞りとして
機能し、個々の光束１４，１６，１８．３１’、３１と
２９の円錐角度および発光ダイオード３０から光検出器
１９の対応するイメージ点まて像を付与する検査面での
領域″ａ″のサイズを制御する。絞り３４はレンズ３２
の焦点に位置しているので、軸２７に対し角度′ｂ”で
絞りの中心を通過する光線３１゛Ａは、検査表面２８と
レンズ３２の間の空間の軸２７に平行に伝達しなければ
ならない、主要光線と呼ばれるこれらの光線３１′Ａは
、レンズ３２の物体空間内でテレセントリックであると
云われ、開口絞りすなわち絞り３４はテレセントリック
絞りである。絞り３４の開口部は、発光ダイオードか本
来非常に明るくかつ像センサーが入射光に対し極めて感
応しやすいので、小さく形成できる。所与の発光ダイオ
ードからの光束内の全ての光線は、それ故物理的に互い
に近く、かつ適正な主要光線の通路に極めて近似してい
る。

光源アレイ１１の全ての発光ダイオードからの主要光線
は、凸面２８からの反射後、軸２７に平行に走行すると
いう事実により、簡単な数学的処理を用いて、凸面２８
の主要光線の遮断点のまわりで中心をとる距ｆａａの小
局部領域の各々に対し凸面２８の平均半径を計算するこ
とかできる。

第３図は、第２図光学構成図の幾何学的相互関係の説明
図である０図において凸面２８は表面１１Ａから軸方向
の距ｆｉｄｌをおいて配設され、発光ダイオード３０か
らの主要光線２９（ここでは、Ｐ２でのポイント光源で
あると推定される）は、軸２７から高さＹｌで凸面２８
を遮断し、軸２７に平行な光線２９′としてレンズ３２
にすすむ。光線２９′はレンズ３２を通って光線２９″
となり、像センサ−１９内の像平面で２３点への途中焦
点Ｆを通過する。軸２７からＰ３の半径方向圧ｉ！ＩＩ
Ｙ３は、レンズ３２に固有の横倍率によりＹｌに合致す
る。この倍率を決定する方法は、追って説明する。

光学表面での反射の法則は、Ｐ２からＰｌまでの光２９
の通路を必要とし、（ａ）　　凸面２８を介して延長（
点線）と　（ｂ）　　反射光２９′の延長（点線）は、
凸面２８と同心に構成された円に対し共に接線（ｐｓ点
とＰ４°点それぞれにおいて）となるよう構成されてい
る。かくて、接線点Ｐ４から中心点Ｃ１までの垂直距離
は、接線点Ｐ、から中心点Ｃ８までの垂直距離に等しく
なる。

この垂直距離を今、”ｒ″とすると、次の方式％式％ 上式において、 Ａ＝　　Ｙ、　　−ｙ２’ Ｂ＝　　Ｘ２−　　Ｘ、・ Ｃ”　　Ｘ　ａ　Ｙ　Ｉ　　　　Ｘ　ｒ　Ｙ　ｔ　　で
ある。

また、ｘｅ・Ｙｅは表面１１Ａの原点″０”を介しＸ軸
、Ｙ軸から測定された中心点ｃ１の座標である、光線２
９°は第３図に示すとうり軸２７に平行しているので、
ｒはＹｌに等しいａｃＩはＸ軸上にあるので、Ｙ、＝　
０となる。

上述したとおり、光検出器１９上の像は、数学的に解析
できる。複数発光ダイオードの像のフレ°　−ムは、コ
ンピュータ２４と表示装ｇ１２２での分析のためフレー
ムグラバ−２３によりデジタル的に記憶することができ
る。解析の結果は１作表され、プリンター２５により印
刷された種々の表面輪郭を表わす０種々の点ての凸面２
Ｂの湾曲の半径を計算するために必要とした情報は、光
源アレイ１１の発光ダイオードの６像に対し半径方向の
距離Ｙ３を具える。レンズ３２の倍率は、決定できるの
で、対応する高さＹ、も計算できる。

ｐ２とＣＩの各座標およびＰＬのＹ座標は既知なので、
Ｘ、の値は次の二次方程式により計算てきる。

上式において、 Ｄ　　＝　　Ａ　（２Ｙ１−Ａ） Ｅ　　＝　　２　Ａ　（Ａ　Ｘ　ｃ−Ｘ　、Ｙ　ｌ−Ｘ
　＊　Ｙ　ｓ　）Ｇ　　＝　　Ａ”　（Ｙ、”　　−Ｘ
ｅ　”　）　＋２ＡＸ。

Ｘ　ｘ　Ｙ　ｓ ｘｌとＹ□が既知数となれば、２８点での半径Ｒ１は次
の方程式により計算される。

一般に１表面１１Ａと２８の間の軸距離ｄ。

は、通常の手段により測定できる。すなわち、Ｘ、　　
＝ｄ　　　ｌ　　　＋　　　Ｒｔ　　’　　＝・　　”
　　　　（４）半径Ｒ１は初めから未知数なので１反覆
処理を行ない、Ｒ，に対する適正な値が選択され、Ｘｃ
に対し第１近時値を与えるため方程式（４）に代入され
る。この時、係数Ａ、Ｄ、ＥおよびＧの値が決定され、
Ｒ１に対する第１近時値は、方程式（３）から計算され
る。連続計算はＲ，に対するより正確な値を順次提供す
る０反覆処理は、望ましい精度が得られると停止する。

この数学的処理は、各発光ダイオード像に対し反覆され
、角膜の局部半径は１個々の発光ダイオードからの狭小
は光束によって遮断された種々の位置の各々に対し計算
される０表面の平均半径、該表面の極長短半径、各半径
の屈折光学的同値。

主要非点収差の方向における平均光学能力の差は、解析
幾何学の手法を用いて決定することができる。

各発光点Ｐ２に対する位置は、後述の計算方法を使用す
るため既知でなければならない、これらの位置は、光源
アレイ１１の各発光ダイオードの座標軸を直接測定する
ことによりて決定できる。

また、この位置は構成装置７０によって決定することも
できる。

構成装置７０は、周知の輪郭の表面７１を具える。この
表面は球面であってもよい、測定装置３５の校正を実施
するための望ましい技術は、正確な周知の半径球面２８
°をもつ実質的な球面部材７２を調整装置３６に挿入す
ることによって行なわれる０球面部材７２は、第４図に
示すとうり、表面１１Ａから距離ｄ□をおいて軸２７中
心に配設されている０球面部材７２は、三次元変換段階
をもつ調整装置３６を用いて、測定装ａ１３５に対し軸
方向かつ二つの横断方向に位置することができる。適切
なセンタリングは、第４Ａ図の平面において、また、軸
２７をもち、かつ第４Ａ図に垂直な平面において、距＠
Ｓ、とＳ２の一致によって示される０球面発光ダイオー
ドの場所（表面１１Ａ）から特定の距離ｄ８で表面２８
′をつきとめる調整は、調整装置３６の線形調整手段に
よって実現できる。

初めに直線上に並ぶと、円錐着座部３７とスプリング荷
重締結手段３８は、校正が何時再チエツクされてもその
指示された位置に球面部材７２を再配置するための手段
を具えている。

反射球面部材７２を校正手段として使用したり、あるい
は、検査中の角膜の局部を決定するための角膜鎖式の測
定装置３５を使用するために、レンズ３２の倍率を知っ
ていなければならない。

このパラメータは、第４図に示すとおり測定回部であり
、基準目標部材３９は、表面１１Ａからの軸距Ｉａｄユ
で着座部３７に対し調節装ｇｉ３６の中に挿入される。

この時、決定は、光検出器１９の基準目標部材３９の表
面に対応する像のサイズによりおこなわれる。測定され
た像の寸法と実際の像の寸法の比は、レンズ３２の倍率
である。望ましくは、倍率の絶対値は約０．４乃至０．
６倍である。

ｄユの理想値は、目標表面４１が凸面２８から反射した
発光ダイオードの像と同じレンズからの距離をおいて配
設されるべきであるのでｄ□より僅かに大きい、後者の
像は、虚像で、凸面２８のうしろの距離に位置し、次の
式で表わされる。

ｄｉ　＝　（Ｒ＋　ｄ＋　）／　（２ｄ＋　＋Ｒ＋）・
・・　・・・（５） 上式において、ｄ、＝１０Ｏｍｍ。

Ｒ，＝　　８ｍｍ、ｄ、＝　　４．２ｍｍ。

ｄｚ　＝　　ｄ＋　　＋　　ｄ２＝　　１０４．２ｍｍ
の代表的な例をあげることができる。

基準目標表面４１のこの位置は、発光ダイオードと基準
目標のそれぞれの光検出器１９における像は、共に焦点
内にあることを保証するものである。

レンズ３２の像スペース内の光学系のテレセントリック
特性により、倍率は距ｇｌｄ□の僅かな変化（数ｍ　ｍ
　）に対しても一定である。光検出器１９の光電感表面
の所与の点の位置は、点の距離を、ある基準値（長方形
のラスターのコーナーのごとき）から水平方向画素幅の
単位で、また垂直方向画素高さの単位で測定することに
よって得られるものである。また、代表的な画素の寸法
は。

水平、垂直方向で異なるので、これら両方向の線形倍率
は、互いに異なる。測定値は、次の計算の間に所望回数
コンピュータの記憶装置に記憶される。

基準目標３９は、光を反射または吸収するように設計さ
れた２つあるいはそれ以上の個別のマーク（目じるし）
７３でよく、これにより目標基板の底面によって形成さ
れた背後に対するコントラストにより視覚可能となる０
倍率は光学系の軸２７のまわりで方位角的に変化できる
ので、少なくとも２つの互いに垂直に交叉する直径のそ
れぞれに２つの基準マークを付けるのが望ましい、簡単
な例としては、円形基準リング４０を基準目標基板３９
上に書いても、あるいはマークしてもよい０次に、第５
Ａ図および第５Ｂ図に示すとうり、円形基準リング４０
を軸２７と同心となるように配設する０円形基準ソング
４０は、球面目標体７２の平坦面４１、例えば、工具ボ
ール又はベアリングボール上で局部的に研削された平面
上で生成することもできる。この時、円形基準リング４
０は、第４Ｂ図の調整装Ｍ３６の円錐着座部３７に対し
簡単に着座可能で、これにより球面発光ダイオードの位
置１１に対し適正なセンタリングを保証する。基準目標
の平坦表面を、半径凡□の球面上に発生させるにあたり
除去された素材の奥行きは、上記寸法ｄ２に等しい。

第５図に示すとおり、球面反射校正面２８′と基準目標
３９それぞれの機濠は、球体を適切に切削することによ
つて３９Ｂで結合される。

校正を行なう場合、発光ダイオード源は照射され、かつ
像センサ−１９で像の対応位置は、上述の角膜の反射に
対し、同じように決定される。これらの像を、対応する
高さに変換後、全ての発光タイオードに対する光点Ｐ２
のＸおよびＹ座標は計算できる。これが、この発明の目
的の１っである自己校正処理の技術内容である。

この計算を行なうための方法は、表面２８の反射法則と
解析幾何学の数式に基づき、次のように行なわれる。

Ｙ２’　＋　Ｉ　Ｙ２３＋　Ｊ　Ｙ２２＋　、Ｌ　Ｙ２
　＋　Ｍ冨ｏｉ　　　　（６）すなわち、 Ｈ＝　４　Ｋ２２＋　Ｋ３２ Ｉ　＝　（４Ｋ２　Ｋ３　Ｒ２＋　２　Ｋ３　Ｋ４　＋
　８　ＫＩ　Ｋ２）　／　ＨＪ　−＋４　Ｋ１２＋　４
　ＫＩ　Ｋ３　Ｒ２＋　４　Ｋ２　Ｋ４　Ｒ２＋　２　
Ｋ３　Ｋ５　＋　Ｋ４２１　／　ＨＬ　＝　（４ＫＢ　
Ｋ４　Ｒ２＋　４　Ｋ２　Ｋ５　Ｒ２＋　２　Ｋ４　Ｋ
５）　／　ＨＨ冨（４ＫＩ　Ｒ５Ｒ２＋　Ｒ５２）　／
　ＨＫｌ　−（Ｘｏ−ＸＩ）　Ｙｌ２ に２　＝　（ＸＩ　−Ｘｃｌ　ＹＩ Ｋ３　”　ＹＩ　　　Ｘｃ、　＋　２　ＸｃＸｌ　−Ｘ
４２に４　＝　２　（Ｘｏ２Ｙ１−　ＸｃＸＩ　Ｙｌ　
−Ｙｌ３）Ｒ５＝　Ｙ１’　＋　Ｘ１２Ｙ１２゛−ＸＣ
２Ｙ１２Ｙ２の値が計算されると、次式から対応するＸ
２を計算することは簡単である。

上式において、Ｒ２は全ての発光ダイオード光源（すな
わち、光点ｐｇ）の球面軌跡の湾曲の周知半径である。

この発明の特徴によれば、測定装置のエラーを除去する
ため校正装置が設けられており、それによって角膜半径
を計算するために使用される発光ダイオード光源の位置
の不可避な製造上の不確定さに伴なう悪影響を解消する
ことができる。この校正を周期的に行うことによりて、
測定エラーな最小限にくいとめることができ、角膜の半
径と角膜の所与の点での屈折光学力を測定するときの精
度は、従来の測定装置とその方法に比べ極めて顕著に改
善することができる。

眼球診断目的用に（眼球の光学軸の中心にしめる５乃至
７ｍｍの）角膜の円形領域の所望数の地点で半径情報を
得るために、光源アレイ１１は、多くの個別光源からな
ることが望ましい、第６図は、１６の発光ダイオードが
４列校正の合計６４の発光ダイオードからなる光源プレ
イの配列を示すもので、各列は、方位角の４５度の間隔
で配向した経線に沿って光源アレイの開口部を横断する
。

発光ダイオードは、凹球面に配設されており。

装置の全体のサイズを最小化する一方で、個々の光源か
らシステム内の付属光学要素までの狭小光束の望ましい
角度傾斜をもつ構成としている。もし角膜輪郭について
更に情報を必要とする場合、追加光源を光源アレイの各
経線に沿って設けることもできるし、追加経線を全体的
にもしくは部分的に追加することもできる０反対に、少
ない情報で十分な場合は、光源の数を少なくすればよい
。

上述したとおり、テレセントリック絞り３４の物理的開
口部の直径は、小径でよく、光検出器１９に検出像を生
成させるため十分な光が装置に通過可能としている。

この発明の特別の実施に係る計算によれば、像の質向上
のため、像形成光束は、ｆ／１３より小さい（すなわち
遅い）効果的開口をもつべきである。

これは、像形成方式の性能におよぼす二次的影響て、発
光ダイオードに対する視界の奥行きを顕著に増大させ、
その鮮明像が視界内の全ての地点で形成可能となる。こ
の目的のために使用されてきた幾つかの先行方式では、
そのために使用する大きな効果的開口に関連した未修正
収差（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）により、視界の端部で像
が不鮮明てあった。

第６図の一発光ダイオードに対し示した半径距離Ｙ２は
、第３図の２２点のＹ座標に一致している。そして、経
線に沿った発光ダイオード間の半径方向離隔（Ｙ２）は
、一定ではない、この状況は１表面２８の主要光線に対
する隣接入射点Ｐｌの等半径方向離隔（Ｙ、）の好まし
い状態を反映している。もし表面２８が球面であるなら
ば、光検出器１９における像平面の像点の対応する半径
方向離隔は均等である。

像間隔の均等性は、測定装置の機能に木質的な要素では
ないが、全発光ダイオードアレイの複合像が第１図の表
示部２２に表示されたり、あるいはプリンター２５によ
りプリントされる場合は、非点収差を含む表面、２８の
不規則性を検出可能とする。

第７図は、米国特許出願第９３８，６３３号および００
９．７２４号において、発明者Ｔｅ１ｆａｉｒ、　ｅｔ
　ａｌが開示した一般型し−ザー形象装９６１と、この
発明の測定装置との折たたみ式ミラー４２を介してのイ
ンターフェースを示す簡略説明図である。

折たたみ式ミラー４２か光束から取り外されるとき、こ
の発明に係る角膜鏡型測定装置は、光源アレイ１１の近
くに位置する角［２８の輪郭を測定するために使用する
ことかできる。もしビームスプリッタ−がミラー４２の
代りに使用される場合、診断機能は、レーザーによる形
象処理と共にほぼリアルタイムで実現可能である。

いづれの場合にも、同調接続部５０が形象装置６１と測
定装置の光検出器１９の間に示されており、所与の外科
処理中に形象機能と測定機能を相互個別に実施させるこ
とができる。

光検出器１９のレンズ３２によって形成された像は、角
膜の診断評価において、前述した５〜７ｍｍの直径領域
に限定されない限り、前記形象装置６１は外科用顕微鏡
を用いて一定の倍率によって眼球外面を拡大するために
使用される。

第８図に示すとおり、光学方式の視界は、開口絞り３４
の中央から測定したとおり、光検出器１９の感光領域４
３の角膜によって決定される。

検査中の目の視界の程度４４は、直径１２〜１６ミリか
望ましいが、設計上の諸パラメータに左右される。

眼の像は、ビデオサブシステムを介し眼科医およびその
他の専門当事者にリアルタイムで表示される。なお、こ
のビデオサブシステムは、ビディコン又はＣＣＤアレイ
１９、信号スイッチ２１および表示部２２を具える。眼
に対する照射は、単一のランプ又は複数のランプ、例え
ば室内ライト等の光＠４５によって行なわれる。そして
、適当なビデオ装置を用いて、白黒あるいはカラーで表
示部に表示される。

光源１１と検査中の表面２８との間に適切な軸距離ｄ、
（第３図参照）を確定することは、この発明に係る装置
を成功裡に機能させる上で木質的な要素である。

数学的解析によれば、角膜の屈折力測定において、±１
／４ジオプター精度を得るため、軸距離ｄ１は、校正操
作巾約±０．２５ｍｍの設計値内て一定に保たれねばな
らない、この距離測定と制御のレベルは、いろいろな方
法で行なわれる０例えば、輪郭測定装置から、口径測定
された簡単な機械的な、プローブを延伸させて、適正位
置にある測定される表面２８に軸頂点で接触させること
かできる。検査表面をプローブで傷をつけてしまう可能
性は通常ではないが、皆無とは云えない。

非接触手段（光学的又は電子光学的手段）としては、焦
点を決めるためカメラ内の距離測定モードで機能する手
段又は、適正（校正前の）軸距離に位置する検査表面上
に入射瞳投光される傾斜光束を利用する手段又は反射鏡
又は拡散光による多重要素の検出奏アレイを照射する手
段を適用することかできる。

焦点感知用の望ましい非接触手段としては、長いワーク
距離、すなわち観察される対象と顕微鏡の最至近表面と
の距離をもつ光学顕微ｆｉａ（Ｉ！Ａ微鏡−テレマイク
ロスコープ）を利用する。

これにより、測定される表面２８は、測定装置の光学軸
に垂直な方向から輪郭となって観察することかてきる。

この顕微鏡を測定装置に接続することによって、視覚の
ラインは時間と共に位置を変更せず、焦点距離測定用の
固定基準値として利用することができる。顕微鏡はまた
、校正球体７０又は検査表面２８に対する適切な焦点距
離を決めるためにも使用でき、特定の検査表面の評価す
る時にも校正装置の適用を実現する。

第９図は、角膜の局部を測定する測定装ｆｆ１３５に一
体化されたｍｅ鏡５１すなわち焦点感知装置の一実施例
を示す、この実施例では、ビームスプリッタ−５２、レ
ンズ５４、ミラー５５Ａおよび接眼レンズ５６を介して
表面２８°からの発光ダイオード像の反射パターンの軸
２７に沿った視界（ｖｉｅｗ）を観察できるよう使用者
の目５３に対する観察手段を設けている。焦点合わせ基
準点は、発光ダイオードパターンの像に配設した十字線
５７によって達成される０校正操作中、この光学サブシ
ステムにより、表面２８′は調整手段３６の作用を介し
垂直かつ水平にセンター合わせすることができる。角膜
の測定中、この光学サブシステムは、検査を受ける人の
頭および／又は目の位置を調整する所望メカニズムの作
用を介し目の頂点の垂直かつ水平合わせ用の基準を設け
ている。

第９図装置の他の特徴は、顕微鏡の光学通路を示すもの
て、その光学通路から５５Ｂに示す位置へのミラー５５
Ａの運動により形成される。

表面２８°又は検査中の表面の側面像は、顕微鏡のミラ
ー５８およびレンズ５９によってとらえる。

第１Ｏ図は、校正中の焦点測定モードにおける顕微鏡で
ａ察された視界の外観図である。第１１図は、角膜と顕
微鏡の十字線の中心合わせを示す外観図である。なお、
操作者の目に写る像は、装置の使用を容易にする上で直
立していることが望ましいが１本質重要件ではない。

第１２図は、角膜の局部測定装置に設けたレーザー形象
装置６１に合体された顕微鏡６０の一実施例を示すもの
で、その顕微鏡は像を直立させ、かつ焦点合わせな行な
うものである。

以上、角膜の輪郭を測定する測定装置の実施例を中心に
説明してきたが、その他種々の規則正しい又は不規則は
表面の輪郭を測定する場合にも使用することができる０
例えば、光学レンズ、ミラー、ボールベアリング、精密
工作部品等の輪郭を測定することもできる。

なお、この発明の最も好ましい実施例について詳述した
が、その具体的構成は、この発明の精神と範囲に反しな
い限り、種々変更可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る輪郭測定装置の光学、機械、
電気の構成要素の相関関係を示すブロック図、第２図は
、複数の光源アレイをもつ第１図の主要光学構成要素の
説明図、第３図は、第２図光学構成に係る幾何学的相関
関係を示す説明図、第４Ａ図は、校正モードで構成した
第１図測定装置の光学説明図、第４Ｂ図は、同上測定装
置の他の実施例の説明図、第５Ａ図と第５Ｂ図は、第４
Ｂ図、の校正部材のそれぞれ荊端図と縦断面図、第５Ｃ
図は、変形した校正部材の断面図、第６図は、第２図複
数光源アレイの分布を示す放射状の平面図、第７図は、
角膜の外科的形象用にこの発明に係る装置を使用する場
合の説明図、第８図は、この発明の他の応用例の光学構
成図、第９図は、角膜の局部を測定する装置に一体化さ
れた顕微鏡の一実施例を示す説明図、第１０図は１校正
中の焦点測定モードにおける顕微鏡で観察された視界の
外観図、第１１図は、角膜と顕微鏡の十字線の中心合わ
せな示す外ａ図、第１２図は、レーザー形象装置に合体
された顕微鏡の一実施例の説明図である。 ９　・・・　・・・　輪郭測定装置 １１　　・・・　・・・　点光源（光源アレイ）１９　
・・・　・・・　光検出器 ２８　・・・　・・・　検査表面（角膜等）３２　・・
・　・・・　レンズ ５１．６０　　・・・　・・・　顕微鏡（テレマイクロ
スコープ） ６１　・・・　・・・　レーザー形象装置７０　・・・
　・・・　校正装置 ７１　・・・　・・・　校正表面 ７２　・・・　・・・　校正部材 出願人　タウントン　チクノロシーズ、インコーホレー
テッド 代理人　弁理士　大　内　康　− ＦＩ６．４Ｂ ＦＩＧ、　６ ０゜。 Ｑ　　　　　　　　　。 ０　　　　０　　　　　。 ｏ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｏｏ
　　　　　　　　　　　　ｏ　　　　　　　　　　　　
０ＦＩＧ、　９

Claims (36)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の個々の光束を、測定される表面に投光する
   ための複数の点光源と、 電子光学的に測定可能な光学像を発生させるための光検
   出器と、 測定される表面からの反射光束を光検出器に焦点を合わ
   せて、測定可能な光学像を形成するため、測定される表
   面と光検出器の間に配設したレンズ手段と、 個々の光束の各入射点での測定表面の湾曲の局部半径並
   びに該表面の三次元表面輪郭を決定するため、光検出器
   と電気的に接続した手段と、測定装置の測定エラーを減
   少させ、かつ測定される表面の代りに設けられる周知の
   校正表面をもつ校正手段と、 校正表面上での各光点像の位置を逐次決定してその位置
   を記憶装置内に記憶する手段と、測定される表面からの
   各光点像の反射と周知の輪郭をもつ校正表面からの各光
   点像の反射の比較差から、測定される表面の輪郭を決定
   する手段を具えた輪郭測定装置。
2. （２）前記レンズ手段は、光学軸を有し、前記光検出器
   は、反射した光束が焦点を形成する表面を有し、該表面
   は光学軸上に配設された請求項１記載の輪郭測定装置。
3. （３）各光点像の位置を逐次決定・記憶する前記手段は
   、フレームグラバー（ｆｒａｍｅ　ｇｒａｂｂｅｒ）を
   具えた請求項２記載の輪郭測定装置。
4. （４）測定される表面の輪郭を決定する前記手段は、コ
   ンピュータ手段を具えた請求項３記載の輪郭測定装置。
5. （５）前記レンズ手段の焦点で前記レンズ手段と前記光
   検出器の間にテレセントリック開口絞りが配設された請
   求項４記載の輪郭測定装置。
6. （６）前記テレセントリック開口絞りは、測定される表
   面から反射した光束のサイズを限定して、光検出器表面
   の反射光束の鮮鋭像を均一に発生させる僅少な光学開口
   部を具えた請求項５記載の輪郭測定装置。
7. （７）前記各光点は、個々の発光ダイオードのアレイか
   らなる請求項６記載の輪郭測定装置。
8. （８）前記校正表面は、実質的に球面である請求項７記
   載の輪郭測定装置。
9. （９）前記校正球面は光沢されてなる請求項８記載の輪
   郭測定装置。
10. （１０）前記校正手段は、輪郭測定装置の校正および輪
    郭測定校正要素の相互並列を実現するため、３つの直角
    変位軸の各々に校正表面の位置を個々に調整する手段を
    具えた請求項１記載の輪郭測定装置。
11. （１１）前記校正手段は、輪郭測定装置の校正および輪
    郭測定校正要素の相互並列を実現するため、３つの直角
    変位軸の各々に校正表面の位置を個々に調整する手段を
    具えた請求項８記載の輪郭測定装置。
12. （１２）請求項１１記載の輪郭測定装置において、球面
    を支持する手段を設けた輪郭測定装置。
13. （１３）請求項７記載の輪郭測定装置において、光検出
    器表面の他のグループの像を除外して分析・評価のため
    特別のグループの発光ダイオード像を選択するため、コ
    ンピュータ手段と結合した選択自在の操作手段を設けた
    輪郭測定装置。
14. （１４）請求項７記載の輪郭測定装置において、所与の
    測定に用いる個々の発光ダイオードの数を選択する手段
    を具え、それによって測定表面のデータの精度と空間分
    析のための特別の要件に合致した最小限の発光ダイオー
    ド数を選択し、データ分析に要する経過時間を減少させ
    るようにした輪郭測定装置。
15. （１５）請求項５記載の輪郭測定装置において、光検出
    器表面に像を表示するための光検出器に接続した像表示
    拡大手段をもつビデオモニターを設け、それにより測定
    表面の照射外面の拡大像をビデオモニターにより白黒又
    はカラーで表示できるようにした輪郭測定装置。
16. （１６）請求項１記載の輪郭測定装置において、測定さ
    れる表面の軸焦点位置をレンズ手段に対し設定するとき
    、測定可能基準値を設けた光学手段を具えた輪郭測定装
    置。
17. （１７）前記光学手段は、測定される表面の像を操作者
    の目に送るテレマイクロスコープである請求項１６記載
    の輪郭測定装置。
18. （１８）前記光学手段は、測定される表面の像を操作者
    が観察できるモニターに生成できるビデオカメラである
    請求項１６記載の輪郭測定装置。
19. （１９）前記テレマイクロスコープは、測定される表面
    の像を写す第１ミラー手段と測定される表面から反射し
    た光束の像を写す第２ミラー手段を具えた請求項１７記
    載の輪郭測定装置。
20. （２０）前記校正手段は、基準目標像として光検出器に
    反射される校正表面の基準目標手段を具え、それによっ
    て反射基準目標像のサイズと実際の基準目標像のサイズ
    を比較して前記レンズ手段の倍率を決定可能とする請求
    項２記載の輪郭測定装置。
21. （２１）前記基準校正手段は、少なくとも２つの分離マ
    ーク付きの平面をもつ球面校正手段からなる請求項２０
    記載の輪郭測定装置。
22. （２２）少なくとも２つの分離したマークは、少なくと
    も２つの相互に垂直な交差直径上に配置されてなる請求
    項２１記載の輪郭測定装置。
23. （２３）前記基準校正手段は、平坦な校正表面にマーク
    され、かつ光学軸に同心に配設された請求項２０記載の
    輪郭測定装置。
24. （２４）前記輪郭表面は、角膜の全面である請求項１記
    載の輪郭測定装置。
25. （２５）請求項２４記載の輪郭測定装置において、形象
    レーザービーム受信の軸をもつレーザー形象装置を具え
    、光学要素がレーザービーム受信の軸を輪郭測定装置の
    軸と一致して配設するとともに、さらに結合された個々
    のレーザー形象および角膜診断操作用に前記レーザー形
    象装置と輪郭測定装置を接続する同調手段を設けた輪郭
    測定装置。
26. （２６）前記光学要素は、ビームスプリッターであり、
    未知の角膜表面の分析とレーザー形象操作が略リアルタ
    イムで実現できるようにした請求項２５記載の輪郭測定
    装置。
27. （２７）請求項１６記載の輪郭測定装置において、形象
    レーザービーム受信の軸を有するレーザー形象装置を設
    け、光学要素がレーザービーム受信軸を輪郭測定装置の
    軸に一致させて配設するとともに、結合した個々のレー
    ザーによる形象および角膜評価処理のためレーザー形象
    装置と輪郭測定装置を接続するよう同調手段を設けた輪
    郭測定装置。
28. （２８）表面の三次元輪郭を測定する方法であつて、 複数の個々の光束を測定される表面に投光し、 測定可能光学像を形成させるため、測定表面から反射し
    た光束を光検出器に焦点を合わせ、個々の光束の望まし
    い入射点で測定表面の湾曲の局部半径並びに表面の三次
    元表面輪郭を共に決定し、 複数の個々の光束を投光する前に、下記手段を用いて測
    定装置のエラーを減少させるもので、下記手段とは 測定される表面を周知の輪郭をもつ校正表面と代替し、 校正表面に投光した複数の個々の光束から各光点の各像
    の校正表面の位置を決定して、それを記憶装置の中に記
    憶させ、 測定される表面から各光点像の反射と校正表面からの各
    光点像の反射を比較してその差から測定される表面の輪
    郭を決定する、 以上の手段よりなる輪郭測定方法。
29. （２９）反射した光束の焦点を合わせる手段は、測定さ
    れる表面から光検出器に延伸する光学軸上にレンズを配
    設し、 光束をレンズ内に投光するようにした請求項２８記載の
    輪郭測定方法。
30. （３０）請求項２９記載の輪郭測定方法において、光束
    を、レンズと該レンズの焦点である光検出器の間の光学
    軸に配設したテレセントリック開口絞りに投光させるよ
    うにした輪郭測定方法。
31. （３１）請求項３０記載の輪郭測定方法において、校正
    表面の位置を３つの直角変位軸の各々において個別に調
    整する手段を具えた輪郭測定方法。
32. （３２）請求項３１記載の輪郭測定方法において、測定
    される表面の軸方向焦点位置をレンズに対し設定するよ
    うにした輪郭測定方法。
33. （３３）請求項３２記載の輪郭測定方法において、レー
    ザービーム受信軸をもつレーザー形象装置を配設し、 レーザービーム受信軸を輪郭測定装置の光学軸と一致さ
    せて配設し、かつ 結合した個々のレーザーによる形象および角膜評価処理
    のためレーザー形象装置と輪郭測定装置を接続する、 以上の手段を具えた輪郭測定方法。
34. （３４）請求項２８記載の輪郭測定方法によって製造さ
    れた物品。
35. （３５）請求項３３記載の輪郭測定方法によって製造さ
    れた物品。
36. （３６）請求項２８記載の輪郭測定方法において、角膜
    、光学レンズ、ミラー、ボールベアリングおよび精密機
    械部品からなるグループから表面の輪郭を測定する手段
    を具えた輪郭測定方法。