JPH03114462A - 角膜形状測定装置 - 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］ 本発明は、眼の角膜形状を自動的に測定する角膜形状測
定装置、殊に手術顕微鏡用に取り付けるのに好適な角膜
形状測定装置に関する。

［従来技術とその問題点コ 白内障治療において、近年眼内レンズを移植して治療す
ることが増加している。この手術は、角膜周辺部を切開
し白濁した水晶体を摘出し、代りに眼内レンズを移植し
た後、切開部分を縫合して行うが、この縫合のための糸
の引っ張り加減によって、角膜乱視が発生することが知
られている。

このため手術中に角膜形状を測定しながら縫合の加減を
コントロールすることが行われている。

このための装置として手動の通称ケラトメータが手術顕
微鏡に組込まれたものが知られているが、操作が傾雑で
、しかも術者の指先が汚染される危険がある等の問題が
あった。

また近年角膜の曲率を自動的に測定する通称オートケラ
トメータが普及するに至っており、これらの基本的動作
原理を示す特許も数多く出願されている。例えば、特開
昭５８−５４９２７号公報、特開昭６１−８５９２０号
公報等である。

これらの方式の１つの問題点は、測定のためのアライメ
ントの許容範囲が狭いことである。角膜上にできる指標
の大きさが約３ｍｍであるので、受光素子にこの指標を
結像させるには、アライメントの許容範囲を指標の大き
さよりも大きくとることができない。ところが、手術中
に於けるアライメントは手術顕微鏡に取り付けられた測
定部を手術顕微鏡と一体で動かす必要があること、手術
中の被検者に意識的に一定の位置を固視させることがで
きないことから、これらのオートケラトメータを手術顕
微鏡に取り付ける場合は、アライメントが極めて難しい
。

２つ目の問題点として角膜に指標を投影し、投影像の大
きさから角膜形状を測定するオフサルモメータに於いて
は、被検眼角膜と指標及び結像系（受光系）対物レンズ
との距離が測定精度に影響を及ぼすため、この距離を正
確に合せて測定する必要がある点である。

被検眼角膜と指標との距離によって投影像の大きさが変
化するが、この点については投影光学系をコリメータ光
学系とし投影レンズからの出射光束を平行光束とする技
術が公知であるが、投影部が大きくなる欠点がある。

また、投影像を受光素子上に結像させる光学系に於いて
も対物レンズと被検眼角膜との距離によって光学系倍率
が変化し測定誤差の要因となることが知られている。こ
れも前記同様に代物レンズの像側焦点位置にテレセント
リック絞りを配置することによりある程度改善が行い得
る。しかしながら手術顕微鏡に取り付けて使用するオフ
サルモメータにおいて操作性を良くするためには、手術
顕微鏡の観察系を用いてアライメントをすることが望ま
しいが、前記の角膜までの距離合わせを観察系のピント
合わせによって行った場合、手術顕微鏡で一般に用いら
れる対物レンズの焦点距離は、ｆ＝１７５〜２００ｍｍ
と長いために焦点深度が深く、また空中像での観察のた
め測定者の視度変化によってもピント位置が異なってし
まい、測定誤差が生ずる。

３つ目の問題として特開昭５６−６６２３５号公報や特
開昭５８−５８０２５号公報等では、二次元位置検出素
子や撮像素子を用いての角膜形状測定器への応用が示さ
れているが、手術顕微鏡に取り付けて使用した場合、観
察系の照明光が、角膜に投光され、このために角膜上に
明るい照明光像ができ、指標像と照明光像とを誤認し測
定誤差を生ずる原因となる。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、アライメントが
容易で、測定精度のよい角膜形状測定装置、殊に手術顕
微鏡に好適な角膜形状測定装置を提供することにある。

［解決すべき手段］ 上記目的を達するために本発明の角膜形状測定装置は、
被検眼の角膜上に同一経線上の２つの点指標を含む少な
くとも３つの同一円周上の点指標を投影する指標投影手
段と、該指標の角膜反射像を撮像素子上に結像するため
の撮像光学系と、前記撮像素子からの映像信号を画像メ
モリに記憶する画像記憶手段と、該画像記憶手段に記憶
された画像情報から各角膜反射像の中心座標を抽出する
処理手段と、抽出された角膜反射像の座標位置から角膜
形状を演算する手段とからなることを特徴としている。

上記発明の角膜形状測定装置の位置合せは手術用顕微鏡
の観察系の位置合せと共用させたものであることを特徴
としている。

更に第２の発明の角膜形状測定装置は、被検眼の角膜上
に所定指標を投影する指標投影手段と、該指標の角膜反
射像を撮像素子上に結像するための撮像光学系と、前記
指標投影手段の投影用光源を点灯しない状態での映像信
号を画像メモリに記憶する画像記憶手段と、測定時にお
ける前記撮像素子からの映像信号から点灯しない状態で
の映像信号を減算し、角膜反射像を抽出する処理手段と
、抽出された角膜反射像から角膜形状を演算する手段と
からなることを特徴としている。

第２発明の投影手段は同−経線上の２つの点指標を含む
少なくとも３つの同一円周上の点指標を投影する手段で
あることを特徴としている。。

また、第２発明の位置合せは手術用顕微鏡の観察系の位
置合せと共用させたものであることを特徴としている。

［本発明の実施例コ まず、本実施例の前提となる測定原理を説明する。なお
、理解が容易なように対物レンズの像側焦点位置にテレ
セントリック絞りが配置され、光軸に平行な光束を取り
出す場合で説明する。

第５図は、本発明の実施例の測定原理を説明する図で、
所定の距離から円環状の指標を角膜上に投影したときに
、角膜上にできる角膜反射像を表しているものとする。

図示なき円環状の指標を角膜上に投影した際、角膜が球
面の場合は、半径ａの円ができる。角膜がトーリック面
の場合長径線ｂ１、短径線ｂ２の楕円ができる。ここで
、円上の点（Ａ）（Ｂ）が楕円状の（Ａ’　）　　（Ｂ
’　）に対応しているものとする。さらに、楕円は原点
を中心にＸ軸より（θ）だけ傾いているものとする。

ここで、（Ａ）から（Ａ′）への変化量の（ｘ。

ｙ）成分をそれぞれ（ΔＡｘ）（ΔＡｙ）、（Ｂ）から
（Ｂ′）への変化量の（ｘ、　　ｙ）成分をそれツレ（
ΔＢｘ）（ΔＢｙ）とすると、以下の関係が成立する。

ΔＡｘ＝ｂ、ＣＯ３θ＋ｂ２Ｓｌｌｌθ−ａ−（１）Δ
ＡＶ＝　（ｂｌ−ｂ２）ｓｉｎθ−ＣＯＳθ・　（２）
ΔＢｘ＝　（ｂ、−ｂ２）ｓｉｎθ’　　ｃｏｓθ・　
（３）ΔＢｙ＝ｂ、ｓ＋ｎ　θ＋ｔ）２ｃＯ５θ−ａ　
・・・（４）これより、ｂｌ　＋　　ｂ２　＋　　θは
次の式で表わすこ・・・　（５） ｂ２＝Δａｙ＋ΔＡｘ＋２ａ　　ｂｌ　　　　　　−（
６）２（９＝ｓｉｎ　　２ΔＢｘ　　　　　　　−（７
）ｂｌ　　　ｂ２ さらに（Ａ′）と対称な点（Ｃ′）の位置を検出し、（
Ａ′）と（Ｃ′）の２点間の中心を求めることにより原
点０の位置を求める。

以上、基準円内の点（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の各（ｘ、ｙ）
座標をあらかじめ記憶させるとともに、形状が未知の角
膜によりできる点（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の各（ｘ、　　ｙ
）座標を検出することにより、角膜形状の測定が可能と
なる。

次に楕円形状と角膜トーリック面形状との関係について
、第６図により説明する。

光軸０に対しαの角度をもってコリメイトされた点光源
を角膜上に投影する。このときできる像の光軸からの距
離をす、とすると、この断面における角膜曲率半径Ｒｈ
　＋は次式により表すことができる。

ｓｉｎα 同様に光軸Ｏからの距離ｂ２の像ができるときの角膜曲
率半径Ｒｂ　２は次式により表すことができる。

Ｒｂ、＝＝　　ｂ２　　　　　　　・・・（９）Ｓｌｎ
　　α （８）、（９）式に（５）、（６）式を代入することに
より、長径のＲｂ１、短径のＲｂ２を求めることができ
る。

なお、検出光学系にテレセントリック光学系を用いない
場合は角膜反射像からの主光線は被検眼の光軸と平行で
はないから検出像の位置と求める角膜上での像の位置と
は異なるので、正確を期すためにはこれを補正すること
が必要である。尤も、開口の位置を調整すればその誤差
は非常に小さくなるので、これを無視しても実用上問題
は小さい。

因みに、角膜反射像からの主光線と光軸となす角をΔθ
とすると角膜曲率半径Ｒは、 となることは容易に算出できる。

第１図は上記の測定原理と基本的には同一な原理に基づ
く１実施例の光学系の配置図である。

発光ダイオード等の点光源（１ａ）、（１ｂ）より出射
した光はコリメーティングレンズ（２ａ）（２ｂ）によ
り平行光束となり、被検眼角膜に光軸と（α）の角度を
もって投影され、点光源像（３ａ）　　（３ｂ）ができ
る。

同様に点光源を光軸に９０°回転させた位置にある図示
なき点光源１ｃより出射した光は図示なき点光源像（３
Ｃ）をつくる。

結像レンズ４は撮像素子７の撮像面と点光源像（３ａ）
　　（３ｂ）　　（３ｃ）が共役となる位置に配置され
、撮像素子の撮像面上に点光源像が結像する。光路はロ
ータリーソレノイド６で回転駆動される開口マスク５に
より変更される。

第４図は、開口マスクの形状例を示す。

９は開いている開口部で、８は閉じている開口部である
。

第７図は、本発明の実施例の電気系のブロック回路図で
ある。

撮像素子７は、ＣＣＤを使用したＴＶ左カメラ１である
。このＴＶ左カメラ標準ＴＶ信号を出力するものであれ
ばとくに問題はないが、小型で撮像歪のない等の特徴が
あるＣＣＤＴＶカメラが有利である。ＴＶ左カメラらの
信号は、同期信号を含んだコンポジットビデオ信号であ
るが、後に水平垂直の同期信号を分離しなければならな
いことを考えると外部同期式のセパレートタイプの出力
を持つＴＶ左カメラよい。

ＴＶ左カメラ１からの映像信号は、コンポジットビデオ
信号の場合同期分離回路２２を必要とする。ここでビデ
オ信号と同期信号が分離される。

分離された同期信号は、水平・垂直同期分離回路２８に
よって水平同期信号と垂直同期信号に分離される。これ
らの同期信号はフレームメモリ２６にビデオ信号を書込
むときのフレームメモリアドレスを生成するのに使う。

またビデオ信号は増幅器２３により、適当な振幅に増幅
した後、Ａ／Ｄコンバータ２４に入力されデジタイズさ
れる。デジタイズされた画像データは、同期信号に基づ
きフレームアドレスジェネレータ２９によって生成され
たフレームメモリアドレスの番地のメモリに記憶される
。

またＡ／Ｄコンバータを通した後の画像データ信号ライ
ンの画像データバスと画像メモリの読み出しデータバス
は理論演算ユニット３２にそれぞれ接続され、画像間演
算が可能である。この画像間演算機能により始めに測定
用の点光源が消灯時の画像を記憶した後、点光源が点灯
している画像データから引き算することにより手術顕微
鏡の観察照明による影響を除去できる。画像間演算され
た画像データはコンパレータ３３によって予め設定され
た輝度レベルと比較され、画像データの明るい部分のデ
ータのみを取りだす。ここで取りだされるデータは、２
種類あり、１つは輝度値、もう１つがフレームメモリア
ドレスで、撮像素子上の位置を示す。この２つのデータ
はデータメモリ３６に記憶される。この処理により点光
源像を取り出すことが可能となる。データメモリ３６か
ら周知の画像処理により各点光源像の中心座標が求めら
れ、マイクロコンピュータ回路３７により前記した測定
原理に基づく計算処理が行なわれ被検眼の角膜形状が求
められる。

次に装置と被検眼との位置が所定の位置にない場合の測
定値の誤差の補正を第２図、第３図に従って説明する。

作動距離の変化による測定値の誤差の補正の基本的な考
え方は開口マスクの２つの位置における画像から得られ
た各点光源像の位置変化量を求め、この値と２つの開口
マスク間距離の変化量、結像レンズの焦点距離、結像レ
ンズと撮像面までの距離等の値から作動距離の変化量を
求めて補正する。

第２図は測定時の作動距離を求める具体的な考え方を示
す。

ｌは基準作動距離、ビ　は測定時作動距離、Ｈは開口マ
スク間距離、ｈは測定時光束円の大きさ、ｆは結像レン
ズの焦点距離、ｍは結像レンズと撮像面までの距離、ｍ
′は測定時結像レンズと結像点までの距離を示す。

測定時作動距離は次のようにして求める。

１’　＝ｍ”　　ｆ　　　　　　・　（１０）−ｆ ｈ＝（ｍ′−ｍ）×Ｈ・・・（１１） （１１）より ｍ・　Ｈ （Ｈ−ｈ） （１２） （１２）式を（１０）へ代入し、 ｍ＠Ｈｘｆ １’＝　　（Ｈ−ｈ）　　　　　　　・・・−Ｈ−ｆ （Ｈ−ｈ） （１３） となる。

また前述したように、第６図における角膜反射像からの
光の主光線が光軸となす角Δθが作動距離によって変化
するため角膜曲率半径Ｒの計算においては、 Δθをその都度計算して利用する。

また、作動距離の変化に伴う結像光学系の倍率変化によ
る測定誤差の補正は、結像レンズと角膜までの距離と、
結像レンズと撮像面までの距離によって求める。

第３図はこの補正の基本的な考え方を示す図である。

ｈは基準作動距離での撮像面上での点光源像の高さを示
す。ｌから１′へ作動距離が移動することにより撮像面
上の像高さはｈからり、１〜ｈ２となる。なお、Ｈは開
口マスクと光軸との間距離とする。このときの結像点に
おける像の高さをｇとすると、次式が成立つ。

ｂ　　　ｉ　　　ｂ　　　ｉ、　　　　　　ビ　　　　
　　ビ　ｍＨ＋ｇ　　：ｍ Ｈ±ｈ’　　　　ｍ 、’、　　ｈ＝”　ｈ’±￥−’Ｈ（１−−）１　　　
　　　１　　　　　　　　ｍ’よって、ｈ＝ビ　　（ｈ
＋＋ｈ２） ２ 故に、撮像面上の測定時の点光源像高さｈを基準作動距
離ｌと測定時の作動距離ビによって補正することにより
正しい点光源像高さｈを求めることができる。

ＩＦＩド咥φ−士社１−　）ｈｈ番り正―を清く免ｔ「
−ブナ、相「１定誤差をなくすことができる。

以上のようにして、演算された角膜曲率半径はデイスプ
レィ３８、プリンタ３９によって表示される他、他の機
器にデータとして通信４０される。

なお、実施例中において投影手段としてコリメータ光学
系を使っているが、作動距離の違いによる測定誤差を補
正できるので、とくにコリメータ光学系を採用する必要
はない。

一般に手術用顕微鏡には観察用のテレビカメラが設けら
れているので、本発明を手術用顕微鏡に応用するときは
このまま利用することができるので特に観察用の光学系
を配置する必要がない。

また、点光源数を多くすることにより、測定精度が向上
するほかに、被検眼角膜表面が凸凹なイレギュラー面の
場合に点光源像の数が減少しても残りの点光源数によっ
て計算を行うことが可能となる。

なお、本発明は検出系にテレセントリック光学系を用い
た角膜形状測定装置にも使用することが−に士　１　簀
　Ｌｒ斗＋１Ｒ内１慴士、１［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、少なくても角膜に
投影された３点の点光源像があれば、測定可能で、撮像
素子を使用することによりアライメントが容易となり、
また作動距離の違いによる測定誤差もなくすことが可能
となる。

また、撮像素子とフレームメモリを用いたことにより画
像間演算処理を含めフレキシブルな処理が可能となった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の光学系の配置図、第２図、
第３図は測定値の誤差の補正を説明する説明図、第４図
は開口マスクの形状例を示す図、第５図は本発明の実施
例の測定原理を説明する説明図、第６図は角膜投影像と
角度トーリック面形状との関係を説明する説明図、第７
図は本発明の実施例の電気系のブロック回路図である。 ４・・・・・・対物レンズ　　　５・・・・・・開口マ
スク７・・・・・・撮像素子　　　２１・・・・・・Ｔ
Ｖカメラ２２・・・・・・同期分離回路 ６・・・・・・フレームメモリ ２・・・・・・論理演算ユニット ３・・・・・・コンパレータ回路 ６・・・・・・データメモリ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検眼の角膜上に同一経線上の２つの点指標を含
   む少なくとも３つの同一円周上の点指標を投影する指標
   投影手段と、 該指標の角膜反射像を撮像素子上に結像するための撮像
   光学系と、 前記撮像素子からの映像信号を画像メモリに記憶する画
   像記憶手段と、 該画像記憶手段に記憶された画像情報から各角膜反射像
   の中心座標を抽出する処理手段と、抽出された角膜反射
   像の座標位置から角膜形状を演算する手段と、 からなることを特徴とする角膜形状測定装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項の角膜形状測定装置の位置
   合せは手術用顕微鏡の観察系の位置合せと共用させたも
   のであることを特徴とする角膜形状測定装置。
3. （３）被検眼の角膜上に所定指標を投影する指標投影手
   段と、 該指標の角膜反射像を撮像素子上に結像するための撮像
   光学系と、 前記指標投影手段の投影用光源を点灯しない状態での映
   像信号を画像メモリに記憶する画像記憶手段と、 測定時における前記撮像素子からの映像信号から点灯し
   ない状態での映像信号を減算し、角膜反射像を抽出する
   処理手段と、 抽出された角膜反射像から角膜形状を演算する手段と、 からなることを特徴とする角膜形状測定装置。
4. （４）特許請求の範囲第３項の投影手段は同一経線上の
   ２つの点指標を含む少なくとも３つの同一円周上の点指
   標を投影する手段であることを特徴とする角膜形状測定
   装置。
5. （５）特許請求の範囲第３項の角膜形状測定装置の位置
   合せは手術用顕微鏡の観察系の位置合せと共用させたも
   のであることを特徴とする角膜形状測定装置。