JPH09507392A - 掌寸大自動屈折率測定器およびその眼底の位相幾何学的写像装置 - Google Patents

掌寸大自動屈折率測定器およびその眼底の位相幾何学的写像装置

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JPH09507392A JP6500558A JP50055894A JPH09507392A JP H09507392 A JPH09507392 A JP H09507392A JP 6500558 A JP6500558 A JP 6500558A JP 50055894 A JP50055894 A JP 50055894A JP H09507392 A JPH09507392 A JP H09507392A
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Abstract

(57)【要約】 眼球における対物レンズの屈折率測定用の手持ち式装置に適合するコンパクトな光学経路(14)を備える光学装置を開示する。特に、眼球の位置合わせ後に、検査員(18)と患者との間の照準経路と従来のプルキンエ画像による位置合わせの自動指示手段とを用いることにより、第1および第2光源(52、62)が患者の大略球体形状の眼球を挟んで電子的に画像形成する。その後、決定した大略球体形状の一面または反対面上の光源アレイ(M)を記録して非点収差を解析する。この結果、迅速な対物レンズの屈折率測定が可能となり、特に、従来の自動視力測定装置では困難であった測定時間に制限のある児童に対して有効な視力測定が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】 掌寸大自動屈折率測定器およびその眼底の位相幾何学的写像装置 眼球における対物レンズの屈折率測定のための掌寸大(palm-size)装置に適合 するコンパクトな光学経路を備える光学装置を開示する。特に、眼球の位置合わ せ後において、決定した大略球体形状の一面またはその反対面上の光源画像アレ イを記録して、その屈折率誤差を解析する。この結果、迅速な対物レンズの屈折 率測定が可能になり、特に、従来の自動視力測定装置では困難であった測定時間 に制限のある児童に対して有効な装置が実現できる。而して、この装置により、 眼球の凝視状態並びに眼球の位相幾何学的写像が精度良く決定できる。 発明の背景 眼球の屈折率測定は対象物が生体組織であることや常に変化しかつ移動するた めに困難である。また、仮に理解を有しかつ協力的である患者が対象物を意識的 に凝視しようとしても、眼球は微小眼振(micronystagmus)等のために不随意的に 移動する。逆に、このような一定の動作を伴わなければ、眼球は正常に機能しな い。すなわち、眼球は示差的な感知機構であり、画像がいったん網膜上に完全固 定されると、画像を視覚から消失させるように脳が作用する。つまり、このよう な視覚機能を実行 するために、眼球は常に移動することが必要である。 さらに、このような屈折率測定の多くの場合において位置合わせが重要である 。つまり、眼球の光軸を測定装置の光軸に一致させる必要があり、これまでに、 このような位置合わせ技法が幾つか用いられている。 例えば、適正な眼球位置の決定を補助する方法の一例としてテレビ画像処理が 挙げられる。テレビ画像処理法では、試験者による眼球の適正な凝視および望ま しい位置合せの決定を可能にするために眼球を何倍にも拡大することが一般であ る。 また、第二の方法では、眼球移動を追跡するためのアイトラッカーが用いられ る。しかしながら、大半の装置におけるいわゆるダブルピンホール原理のために 、位置合わせが臨界的になる。 さらに、このような位置合わせの問題を回避するために、このような位置合わ せを臨界的にしないような瞳孔全体に及ぶ測定ビームを用いる方法が知られてい る。しかしながら、このような装置の主たる不都合点として、各々の眼球検査に 冗長な計測時間(20秒程度)が必要であった。 また、眼球が常に変化するために、異なる時間における測定が無作為的作用に より異なる値を示すことがある。したがって、測定に要する時間間隔が長くなる ほど既に得られた値に対する測定の完全性が高まるために、このような無作為的 作用を平均化してシグナル−ノイズ比を 改善することができ、これによって、その測定精度を高めることができる。他方 、このような移動誤差を回避する方法として極めて短い測定時間、例えば1ミリ 秒を採用する方法もあるが、このような短時間測定は無作為的誤差を必然に伴う 。 さらに、上述のような屈折率測定の問題は子供の場合に複合的に見られる。す なわち、子供の対物レンズにおける屈折率については多くの問題が常に存在して きた。子供は広い遠近調節力を有しており、従来の試験では多様な屈折率を読み 取るおそれがあった。さらに、子供は長時間にわたり同一の場所に留まることが ないために、自動的な屈折率測定のための特別な方法が必要である。また、大型 の光学装置、例えば、通常の従来式自動屈折率測定器はこのような幼い被検体を 興奮させたり脅えさせたりしやすい。このことは、特に子供の患者の近くに親密 なオペレータの存在を要する場合に言える。つまり、興奮していたり脅えている 幼い被検体は固有の遠近調節をしないために、このような屈折率測定はエラーに なる。 このような遠近調節に起因する誤差が正確で再現性有る測定を行う上での最大 問題である。例えば、近くの対象物を見るために、眼球のレンズは変形して「よ り厚く」なり、網膜上にその対象物を明画に集光しようとする。また、箱や他の 形の装置の中を覗いて光学的に無限遠にある対象物を見ようとする時にも遠近調 節が作用する。なお、このような現象は心理的なものであり、例えば、 小さな穴から対象物を見ると遠近調節が緩和されることが知られている(隣の部 屋にある対象物を壁の穴から覗くと対象物が近くに見えるような気がする)。 また、成長した子供、すなわち、幾分の知識を備えかつ意識的に協力しようと する子供の場合でも、あご/ひたいの位置決め、対象物の適正な凝視、および、 必要な計測時間での静止が困難である。それゆえ、幼児や幼い子供の場合は、こ のような視力測定はさらに困難となる。 例えば、子供の眼球に器具を近付けると、子供は目を閉じて検査を拒む。この ような場合は、計測を離れた位置から行う必要がある。そこで、約1メートルの 距離からの測定方法の一例として写真視力検査技法がある。なお、今日の装置で は、読出操作を速めるために写真フィルムの代わりにCCDを用いている。 しかしながら、遠近調節の問題は何ら「解消」されていない。 このような遠近調節を緩和する(視力計測を光学的無限遠において行い、眼球 を光学的無限遠に在る目的物を見るように「変化」させる)ために以下のような 3種の方法がある。すなわち、(1)患者に5メートル以上離れた対象物を凝視 させる、(2)一点の光または「無特徴」のパタンを凝視させる、あるいは、( 3)凸レンズで眼球を「ぼかして(fog)」凝視している対象物がぼやけるよ うにすることにより、遠近調節機構を緩和する。 この内、遠近調節緩和に通常用いられているのはぼかし法である。この場合、 凸レンズにより眼球は初期的な読み込みの際に屈折作用を受けている。次いで、 海洋上の帆船、広野にあるトラクター、あるいは、空中の風船と言った遠方の対 象物が患者に呈示される。この際、呈示物がぼかされているために、遠近調節が 緩和された状態で患者の視力を読み取ることができる。 なお、特定の子供における潜伏遠視の場合にはこのようなぼかし法は効果的で なく、遠近調節作用を緩和するために適当な毛様体筋麻痺が必要となる。 さらに、視力を正確かつ再現性良く得るための他の問題として、視力の基本メ リジオナル法がその初期測定において高い精度を必要とすることが挙げられる。 すなわち、1/4ジオプトリー程のメリジオナル誤差が全体に及ぶ誤差を生ずる ことが数学的に証明できる。 また、このようなメリジオナル視力測定法は最低3回の計測を必要とし、これ らのデータをLawrenceの式に代入して平均の球、円柱および軸を計算す る。この場合、これらの計測が上述のように不正確であったり、不規則乱視であ ると、その測定は事実上誤りとなる。このような問題の一解法としては、乱視の 主軸を探索して精度を高める手法がある。 以下に開示する装置は子供に対して特に有用であるが、このような装置が眼球 患者集団のすべてに対して利用可能であることが理解されると考える。 発明の概要 子供の迅速な視力測定に適する簡単な掌寸大自動視力測定装置のための光学経 路を開示する。装置は初期の概略的位置合わせのための患者の目視経路に対する オペレータを含む。概略的な装置の位置合わせが終わると、第1および第2の画 像が眼底上に打診用の光軸に沿って投影される。これらの第1および第2画像は 固定したジオプトリ条件(例えば、−20ジオプトリ画像および+20ジオプト リ画像により確定される)によって正常視の従来規定を確定する。次いで、これ らの画像からの反射光を各投影画像について別々の検出器で受け取り、示差的に 比較して大まかな球体状態を決定する。また、開示の回路は瞳孔の拡張が記載の 測定により干渉しないように構成されている。その後、対応するマイクロレンズ アレイを備えるエミッタアレイが眼球、好ましくは、決定した大まかな球体状態 において同定可能な一面上に投影して角膜の中央部を好ましくは規則的な画像ア レイで被覆する。さらに、対応するマイクロレンズアレイを備える対応するディ テクタアレイが眼球の対応する組織に投影して、投影したエミッタアレイの画像 が検出器に中継される。この検出器には、受け取られた打診用画像マトリクスの 強度が送られて比較される。而して、軸および強度を含むレンズの乱視状態のど の主軸についても入射するディテクタアレイの軸方向信号パタンが得られる。 また、精度の良い装置位置合わせプロトコルを開示す る。この場合、分離色彩波長(例:緑色)において動作可能なビームスプリッタ を含むプルキンエ(Purkinje)画像処理システムがこの装置の打診用光 軸に沿って画像を投影する。その後、投影画像は角膜と眼球レンズの前後面の光 インターフェイスにおける反射プルキンエ画像間の一致が検出器により検査され る。さらに、それぞれのプルキンエ画像の画像強度比較を行うためにログアンプ リファイアに連結するモニタ用検出器において画像登録する手段により、装置の 位置合わせについての迅速な指示が通知される。 さらに、眼底における網膜写像の態様を開示する。すなわち、より高い写像解 像度を得るための上記エミッタアレイおよびディテクタアレイの眼底への集中処 理方法を提供する。この場合、唯一の移動部分を伴って動作可能な画像処理シス テムが迅速な写像式自動視力測定を実行可能にする。 他の目的、特徴および利点 本発明の目的は球面の直接測定を可能にすることである。このような測定は線 の広がりまたはぼやけの精度良い測定により行われる。すなわち、眼球の球面測 定におけるプラスまたはマイナスジオプトリの形式で被計測眼球の状態を直接知 ることができる。 このシステムの利点は移動部分を全く含まないことである。すなわち、このシ ステムは臨界的な光学要素を全く含まない。 本発明の他の目的は眼球の位相幾何学的プロフィルを計測できる装置を開示す ることである。このような装置によれば、この装置の位相幾何学的写像手段が1 個のステップ移動部分を備えており、この部分が、通常、移動光アレイまたはレ ンズを構成している。而して、装置が位相幾何学的写像モードで動作する場合に 、小孔が眼球網膜上への小円形の投射を可能にして、その微細な反射により、眼 底上のすべての分離位置についてのトポロジーを計測する。 また、別の利点として、分離レンズを備えたフォトディテクタを用いる1個の 移動部分が代わりにCCDを構成して眼底上の高解像度画像を与えるようにする こともできる。 さらに、本発明の別の利点として、計測ビームが瞳孔の全体に及ぶため、患者 が対象物を凝視している場合は、眼球が比較的大きな限界範囲に対して自動的に 位置合わせできる。 さらに、開示の光学系における別の利点として、上記の屈折率計測装置が発光 ダイオード(LED)を通常に使用することができる。 また、本発明のさらに別の利点として、瞳孔におけるレンズの全領域が投射ビ ームの一部分のみによって屈折率測定できる。このため、開示の装置では、小さ な瞳孔を介して屈折率測定が可能である。 また、本発明の目的は開示の光学系に適合する乱視状 態検出用のプロトコルを開示することである。これにより、乱視による投影円形 画像が「楕円」変形により決定できる。この場合、軸および円柱はLawren ceの式または曲線の照合または乱視による円形画像のぼやけの方向と簡単なル ックアップテーブルを用いての長さ対幅の比率計算によって求めることができる 。なお、第3の方法はマイナスジオプトリおよびプラスジオプトリ式のフォトダ イオードの代わりにCCDを用いる装置に特に好適である。 而して、固定したフォトディテクタアレイを用いることにより、アレイのメリ ジアンは非点収差に相関する。また、ステップ式可動レンズまたはエミッタ/フ ォトディテクタアレイの場合には、位相幾何学的写像のメリジアンは計測される 非点収差に相当する。 したがって、アレイはコンパクトであり種々の信号レベルを記録するに足る感 度を備えるものであればよい。また、エミッタ/フォトディテクタはマイクロレ ンズアレイ(UV技法を用いて1枚の光感ガラスシートから製造できる)から成 るレンズ機構を備えており、エミッタは低強度マイクロレーザとすることができ る。 本発明のさらに他の利点は極めて広いジオプトリ領域、すなわち、−20ない し+20ジオプトリの範囲が測定可能である。 また、本発明のさらに別の目的は移動部分を備えずにパルス動作式光源を備え る屈折率測定装置を開示する。 すなわち、パルス動作式LEDが用いられる。これにより、1秒当たりに多数回 (100pps以上)の測定が可能となり、パルス技法によって低平均パワーの 微小化成分での高ピーク光出力を得ることができる。 開示の電子プロトコルのさらなる利点は所望の光学測定を映し出すためにプル キンエ画像処理システムを利用できることである。すなわち、プルキンエシステ ムによって、この装置が正確な屈折率測定を行う位置にあるか否かが分かる。こ のようにして位置合わせが確認できると、得られた屈折率測定値の信号処理によ り不要な測定結果が除去でき、患者の位置合わせした眼球での正確な凝視と遠近 調節作用の無い所望の計測状態で抽出された測定データのみから最終的な測定結 果が平均化できる。 また、本発明の他の目的は眼球の配置、位置合わせおよび遠近調節作用の無い ことを示すための電子装置および光学装置の組み合わせを開示することである。 さらに、本発明の他の目的は眼球を規格化しかつ正確で再現性有る視力測定を 保証するために眼球の状態変化(瞳孔径の変化等)を補正するための技法並びに 回路機構を開示することである。 さらに、本発明の他の目的は極端な線形性や長期のゼロードリフト的安定性の 場合における装置による自動キャリブレーションのためのプロトコルを開示する ことである。 さらに、本発明の他の利点は弱視検出のためにデータ を抽出することのできる電子回路を開示することである。 図面の簡単な説明 第1図は小児患者の処方規定に従う自動視力測定の場合における本発明の手持 式装置を持つ検査員と子供の斜視図である。 第2図は本発明の自動視力測定装置の概略的光学系を示している。 第3A図、第3C図および第3E図は人間の眼球の断面図で、正常視、遠視お よび近視の網膜表面に対する光の焦点をそれぞれ示しており、また、第3B図、 第3D図および第3F図はそれぞれの対象物についての本発明の対物レンズ測定 装置の動作を示す概略的な信号強度プロットである。 第4図は被試験眼球の拡張に無関係に信号の一定比により球体全体の決定を行 うに有用な差動回路の概略図である。 第5A図は眼球に対して記録される画像の投射を概略的に示す図である。 第5B図は90°軸に沿う乱視患者の眼球における強度図であり、非点収差は 1ジオプトリの+1/2の範囲に示されている。 第6A図は本発明の頂点センサーの光学系を示しており、また、第6B図は電 気系統を示している。 第7A図は患者の右目の検査をする間に患者の顔面をサンプリングする左右の 眼球センサーを使用している状 態の平面図である。 第7B図は光源とセンサーの拡大側断面図である。 第7C図は患者の特定の眼球と患者への装置の一般的な近接とを示すために患 者の顔面表情をそれぞれ比較するための回路である。 好ましい実施態様の説明 第1図において、検査員Dは患者Pの眼球Eに向けて本発明の装置Iを保持し ている。図示の如く、装置Iは手持式であり、対物レンズの測定の間中、検査員 Dの手Hの中に保持されている。 さらに、第2図の概略図により、この装置Iの光学経路が容易に理解できる。 装置Iにおいては、以下に説明するように種々の光学経路が用いられる。 第1に、装置Iでは打診用の眼球経路14が含まれる。この眼球経路は患者P の眼球Eに対して出し入れされる(第2図の眼球Eにおける場合を除いて図示さ れない)。打診用眼球経路14は装置Iと患者の眼球Eとの間でこの装置に対し てすべての光路がこれに沿う経路である。 第2に、眼球検査員Eの目18からの視線は患者の眼球Eに対して光学経路2 2を介して連絡している。この眼球経路は装置Iの眼球Eに対して必要な全体的 位置合わせを行う機能を果たす。 なお、開示の光学系および記録用電子機構は眼球が大まかに位置合わせされた 時に動作可能になる。しかしながら、本発明の好ましい実施態様においては、高 精度の 眼球の位置合わせが可能である。而して、このような位置合わせにより、光源3 0に連携する光学系が利用可能となる。 この場合、従来のプルキンエ画像のための光源30がスライド32において形 成される。一般に、光源30は分離した色帯域(例えば緑色)のものであり、ビ ームスプリッタ34およびレンズ35を通過してビームスプリッタ36により偏 向した後、打診用光経路14に至る。なお、レンズ35はプルキンエ画像を眼球 Eの角膜CとレンズLとに集光するべく作用する。また、第1プルキンエ画像は 眼球検査員に可視であり、装置と被検査眼球との大まかな位置合わせを補助する 。 なお、プルキンエ画像の発生方法は従来的である。具体的には、これらの画像 はそれぞれ、角膜Cの表面から発生するもの(最も強い画像)、眼球レンズLの 前面からのもの(実質的に弱められた画像)および眼球レンズLの後面からのも の(極端に弱い画像)である。さらに、それぞれのプルキンエ画像からの光りは 可視光に対して透明であるホットミラー40を介して逆反射され、さらに、ビー ムスプリッタ36および34で転換されて検出器38に至る。検出器38はログ 回路39(または類似の圧縮回路)に出力して最終的に出力42が得られる。 ログ回路39の使用は理解できることと思うが、特に、種々の画像間の差が幾 つかの強度で表され、ログ回路39はこの示差情報を伝達する。さらに、すべて の信号の 位置合わせが終わると、ログ回路39は42における出力機構に最大の信号を供 給し、信号は視力測定において装置Iが打診用光学経路14に沿って眼球Eに正 しく位置合わせされていることを示す。 この機構は補助的なプルキンエ装置であり、特に必要とするものではない。な お、このような機構は眼球に近接(約2cmないし6cmの範囲)している場合 にのみ用いられる。 最も重要なことは、「大まかな位置合わせ」あるいは「中心化」においては高 精度の位置合わせを必要としないことである。測定ビームが瞳孔全体に及ぶため 、眼球が完全に「中心化」されていなくても患者は対象物を完全に見ることがで き、患者が対象物を見ると、装置の光軸と患者の眼球の光軸とが「完全に」一致 する。 さらに必要なことは患者の眼球が検査員の視野に(装置のアイピースを介して )現出することである。この場合、1秒当たりの測定パルスが多数であるために 、測定データを得るには患者は対象物を瞬間に凝視すればよい。このようにして 、瞬時ではあれ、眼球が位置合わせされたことの指示が第4図に示すようにRli m 123からの出力および+ジオプトリおよび−ジオプトリバックグラウンド( 散乱光)の増幅器102および103により通知される。さらに、これらの出力 は各測定パルスについて記憶され比較される。すなわち、これら出力間の相対差 は眼球の遠近調節の有無(遠近調節状態においては瞳 孔が収縮して眼球からの散乱光が変化する)を示し、かつ、眼球が対象物を最も 直接に凝視しているか(最適な位置合わせは画像の逆反射が最も強くなることで 分かり、この場合、エミッタ電流およびRlimを介する出力が最小になる)を示 す。なお、投影される像が点光源ではなく円形であるために、この実施態様にお いては、反射光を減ずるいわゆるブリュックナー(Bruckner)作用が影響しない。 上述のことから、プルキンエ画像センサーは眼球動作に追随せず、眼球の光軸 が(対象物の凝視時において)装置の光学系と一致またはほとんど一致している ことを示すのみであることがわかる。 また、プルキンエ装置は眼球から反射する幾つかの画像を見い出す。すなわち 、角膜からの画像(極めて強く完全明瞭な画像)、レンズ前面(先端面)からの 第2画像およびレンズ後面からの第3画像である。なお、第2および第3画像は 極めて弱く、従来技術においては、電機的なアイトラッカーを形成する場合にこ れらの画像を利用することができなかった。 しかしながら、上記のプルキンエ画像センサーはこれらの強い画像と弱い画像 をほとんど同等にするためのログ回路を使用しているため、付随の電子機構を備 える多セグメント化したフォトディテクタアレイにより単一セグメント(3種の 画像の一致を示す)が単一信号を有しているか、あるいは、2個以上のセグメン ト(不一致お よび位置合わせ無しを示す)が複数の信号を有しているかを決定することができ る。 さらに、プルキンエ画像センサーは患者の眼球が測定距離内の適正な位置に存 在しているかを決定する。而して、眼球がこのような距離内にない場合、あるい は、適正に配置されていない場合は、帰還信号が存在しない。逆に、帰還信号が 存在する(帰還信号は発信とほぼ同時に生じる)場合は、簡単なAND論理によ り、眼球が装置の適用範囲および光学経路内に存することが示される。 このような第3の作用、すなわち、頂点域センサーとしての作用は位置合わせ や緑色凝視対象物について赤色凝視対象物の適用性や羞明症を回避するために近 赤外光を使用する可能性を付加的に検知する。すなわち、Rlim123を介す る出力が頂点域センサーとしても利用でき、その出力は眼球が配置域外またはそ の頂点が測定領域外にある時に最大となり、かつ、Rlimの出力は頂点距離の 減少と共に小さくなる。 第2図に戻り、第1の信号Dがエミッタ52から眼球Eに対して対象物画像の 形態で発せられる。この信号は負レンズ56を通過してビームスプリッタ58で 反射した後、ホットミラー40で反射して視力測定レンズ「A」を通過し、打診 用眼球経路14に至る。正常視の場合、負像(negative image) 69が網膜面Rを越えた位置にできる。この場合、レンズ「A」は従来の視力測 定レンズとして作用し、画像源が視力測定レン ズの焦点距離よりも長い位置にある時は光線を集中させ、また、画像源が視力測 定レンズの焦点距離よりも短い位置にある時は光線を分散させる。而して、「負 」および「正」のレンズは単に光学経路を短縮するためのものである。 帰還光学経路も同様である。すなわち、(網膜面R上の)画像69からの光は ホットミラー40およびビームスプリッタ58による反射を経て帰還し、ビーム スプリッタ54を通過した後に検出器60に至る。 さらに第2図において、第2の信号D+がエミッタ62から眼球Eに対して対 象物画像の形態で発せられる。この信号はビームスプリッタ64で反射し正レン ズ56を経た後、ミラー68に至る。その後、さらにビームスプリッタ80、5 8を経てホットミラー40で反射した後、打診用眼球経路14に至る。なお、正 常視の場合は、負の画像59は網膜面Rよりも短い位置に形成される。 ここでも、帰還光学経路は同様である。つまり、(網膜面R上の)画像59か らの光は視力測定レンズ「A」を通過し、ホットミラー40で反射して帰還する 。その後、帰還光はビームスプリッタ58、80を経てミラー68で反射し、ビ ームスプリッタ64を通過した後に検出器70に至る。 以上のような光学経路において眼球Eの瞳孔が拡張しないと仮定した場合、第 3A図ないし第3F図に示されるような信号強度がそれぞれ観察できる。 第3A図および第3B図は正常視の場合を示している。ここで、それぞれの光 源が正常視の眼球E上に20ジオプトリの差で集光して網膜面Rに画像を形成す ると仮定すると、第3B図から、光源59からの信号79と光源69からの信号 89がほぼ同等になることがわかる。つまり、網膜面Rに対して画像59および 69がほぼ同等に焦点から外れているためである。 第3C図および第3D図は遠視の場合を示している。ここでも、それぞれの光 源は網膜面Rにおける画像作成において遠視の眼球Eについて20ジオプトリの 差で集光している。第3D図からわかるように、光源59からの各信号79’の 強度が高い。一方、光源69からの信号89’は消失しかけている。これは、網 膜面Rに対して画像69が焦点から外れており、また、画像59が網膜面R上に あるためと考えられる。このような例を一般に遠視と称する。 さらに、第3E図および第3F図は近視の例を示している。この場合も、それ ぞれの光源は網膜面Rにおける画像形成において近視の眼球Eについて20ジオ プトリの差で集光している。また、第3D図からわかるように、光源59からの 各信号79”が消失しかけている一方、光源69からの信号89”の強度が高い 。これは、網膜面Rに対して画像59が焦点から外れており、また、画像69が 網膜面R上にあるためと考えられる。このような例を一般に近視と称する。 以上の第3A図ないし第3F図の動作例から、球体全体に比例する電圧出力に ついて説明できる。各信号間の比率を示す上での主たる問題は試験下の眼球が拡 張可能であることである。すなわち、このような拡張状態においては、それぞれ の画像79、89の間の比率が変化する。そこで、このような比率の変化を防ぐ ために、第4図の回路が利用される。 第4図においては、回路の第1部分は従来のものである。検出器60および7 0からの各バックグラウンド信号と画像59、69からの各画像信号は増幅器1 01ないし104を経て加算増幅器105、106に至る。次いで、増幅器10 5、106の各出力は作動増幅器110に送られる。さらに、作動増幅器110 は画像の強度差に直接比例する電圧を出力する。この場合、例えば、負電圧が近 視を示し、正電圧が遠視を示す。 さらに、拡張状態にある患者Pの眼球Eの場合が図示の補助回路において示さ れる。具体的には、比較増幅器110に対する全信号が配線111、112によ ってそれぞれモニターされている。これらは加算増幅器118の一方の入力に接 続する加算抵抗器115、116に連結しており、さらに、加算増幅器118の 出力は電流制御増幅器124の入力に接続している。また、電流制御増幅器12 4の他の一方の入力は基準電圧入力117から延びている。なお、図示の電流制 御(クランピング)回路は基準電圧を除去する比率計測回路若しくは同一目 的を実行するための類似回路により置き換えることができる。 これまで、正常視の網膜焦点面を挟む2種の検出信号の「強度」比率について 考察してきたが、分離したフォトディテクタの代わりに無孔のCCDアレイを用 いることによって、検出したプラスジオプトリ画像およびマイナスジオプトリ画 像の直径比を視力測定への相関検出に用いることができる。この場合、「規格化 」回路を用いることができる。 また、CCDアレイの使用は投影した円形(または他形状の画像)の変形を計 測してこのような変形の軸およびその量の検出を可能にし、かつ、経験的および ルックアップテーブルを用いて眼球の円柱および軸(乱視軸)を決定することを 可能にする。 その後、両画像から受けた信号の全強度にしたがって、電流制御増幅器124 からの信号出力がトランジスタ120のベースに送られる。トランジスタ120 は電流供給源121からの電流を制御するべく作用する。この電流は光源62、 52をそれぞれ通過して制限抵抗器123を経た後に接地する。 このような回路の拡張状態にある眼球についての動作は理解できる。眼球Eの 瞳孔が収縮すると、増幅器124における信号が基準電圧117に比して減少す る。これにより、トランジスタ120のベースが開放して光源52、62を流れ る電流の量を増大させる。さらに、各 光源52、62を流れる電流が増大すると、増幅器124における信号強度が平 衡状態になるまで増加する。一方、増幅器110における各出力信号は基本的に 同一比率に保たれ、眼球拡張の影響を受けない。 なお、瞳孔収縮の場合は反対であると理解されると思うが、各光源52、62 を流れる全電流量が減少することを除いて同一の結果になる。また、眼球拡張の 場合において必要な信号比率の規格化は他の多数の態様によっても可能であるこ とが理解されると考える。 眼底の位相幾何学的写像 掌寸大自動視力測定器においてより有意義なことは網膜の位相幾何学的写像が 可能であることである。つまり、このような位相幾何学的写像は、網膜上の異な る点についての屈折率測定が可能であり、かつ、その測定値が眼球の光学系との 距離に相関するために、可能となる。すなわち、2種類の波長、例えば、緑色( 無赤色光)および赤色(近赤外光)を用いることにより、網膜の表面および表面 化の形状が写像できる。さらに、このデータは対物レンズに対応する神経系統並 びに種々の眼球症状の自動検出に対して適用できる。 例えば、斑状水腫域を示す外科的用途に直接適用でき、網膜下ドレナージへの 展開が進められている。 而して、位相幾何学写像装置は眼球のより詳細な把握を助けて、目に関する外 科的処置をさらに進展させることを可能にする。加えて、明らかに無関係な一連 のデー タであっても、神経系統に供給することによって、初期の緑内障の診断に適用で きる可能性もある。 さらに、第2図において、本発明の位相幾何学的写像機能を説明する。すなわ ち、写像処理の場合には、眼底に投影した画像は高精度に位置合わせした状態に 保たれる必要がある。それゆえ、上記のプルキンエ画像処理システムの使用が好 適となる。 特に、第2図において光源のマトリクスMはビームスプリッタ82において反 射した後、ビームスプリッタ80で反射して打診用光学経路14に至る。さらに 、打診用光学経路14において、マトリクスMの画像調節が眼球Eに対するレン ズ91の経路92に沿う遠近移動によって行われる。可動レンズの目的は単に解 像度を高めるためであり、多数の分離点の写像を実行することである。すなわち 、マトリクスMは網膜上においてぼやけやすい分離した円形画像を投影するが、 投影画像の網膜上におけるぼやけはそれほど目立たない。つまり、この場合の位 相幾何学的プロフィルはフォトディテクタアレイN上における光検出測定に対応 している。したがって、CCDにより眼底画像を得る場合は、レンズの移動によ って眼底の解像度が高められる。 なお、本発明の好ましい実施態様においては、測定孔が眼球の瞳孔全体に及ん でいる。また、正確な計測を行うためには、比較的大まかな制約において、眼球 を装置の領域内に配置すればよい。さらに、大まかな制約は頂 点域センサーにより決定することができる。 頂点域センサー 第6A図において、単一エミッタ200(IR)が眼球の角膜210上にビー ムを投射している。なお、この作用は距離を検知するための他の類似装置を用い ても同様である。つまり、構成の主たる差異は第6B図の電子機構で決まり、こ の場合、機構においては、2個の入力値220、222(フォトディテクタ信号 )が増幅器230において合算され、さらに、エミッタ電流240が加減されて 2個の入力値の合計を一定にする。このことは、検出器の電子機構から生じる電 圧が頂点距離に比例することを意味する。なお、電圧は、必要に応じて、装置の 視力測定レンズからの眼球の距離の変化により生じるジオプトリの計測における 補正に用いることができる。 しかしながら、眼球における+Dおよび−Dの信号は眼球の計測における頂点 距離の変化について感度がかなり低いと考えられる。 而して、眼球Eに対する打診用光学経路14に沿って装置Iの位置を補正する ことにより、自動的な視力測定が可能になる。そこで、このような自動視力測定 を説明するために、正常視の場合をまず考察する。その後、第3A図ないし第3 F図に基づいて眼球からの信号について説明する。さらに、第4図に基づいて、 眼球Eの状態に対応する電圧を出力するための回路について言及する。 また、第5A図において、画像マトリクスを説明する。 図示のように、マトリクスMは対応する各マイクロレンズ134をそれぞれ通過 する低強度マイクロレーザ132等から成る8×8の光源アレイを含む。これら の光源132およびレンズ134はそれぞれの焦点距離を有して光源マトリクス を眼球Eの網膜面R上に投射する。 さらに、形成される画像は類似しており、それぞれの検出セグメント142が 対応するマイクロレンズ144を介して眼球Eの網膜面Rからの画像を受け取る 。而して、マトリクスMと受像アレイAとがそれぞれ対応して記録される。この 結果、受像アレイPの各要素が投射マトリクスMの各要素に対応して形成される 。 次いで、第5B図において、上記画像のそれぞれの結果が投影されている。な お、本発明による球状部分は大まかな球体を示すのみであり、大きく外れている 非点収差を無視している。 また、第5B図はアレイAにおいて受け取られた画像を従来のCRT方式のよ うな表示方式で示している。つまり、各マトリクスの位置における大きさは各マ トリクス位置で図形的に増加して示している。なお、この場合、患者Pは図示の 90°軸に沿う正の球体を有して示されている。 この結果、主ジオプトリ測定回路から平均の球体誤差および+/−ジオプトリ 誤差が決定でき、また、円柱および軸が以下の3方法の一によって得られる。 すなわち、第1の方法は固定のディテクタアレイ(マ イクロレンズおよびフォトディテクタ)を用いてメリジオナル測定(光軸回りの 点検出)を行い、これらの測定結果をLawrenceの式(この場合、+/− ジオプトリ球体は既に与えられており、=\−ジオプトリ球体が従来のメリジオ ナル測定法に比して速やかに有意差を示す)に代入するか、曲線の照合プログラ ムを用いることによって、乱視を補正するための最適曲線を見い出す。理論的に 、この方法は、結果として生じる補正レンズがコンピュータ処理によってマイク ロレンズディテクタアレイ上の種々のメリジオナル計測値のすべてに完全に適応 できるために、不規則な乱視であってもこれを完全に補正することができる。 第2の方法は投影した円形画像の楕円変形を計測することである。すなわち、 楕円変形の大きさおよび方向はメリジオナル測定値に相関してLawrence の式に代入できる少なくとも3種の軸を与え、さらに、+/−ジオプトリ球体が 既に与えられている場合は、曲線照合プログラムによって円柱および軸が決定で きる。 さらに、第3の方法は逆反射円形パターンの変形を検出して変形方向を計測す ることによりその軸を見い出し、かつ、その長さと幅との比率を計測して簡単な ルックアップテーブルを用いることにより円柱を決定することである。 なお、ここでは、本発明者はマトリクスの照射パタンのみを示しているが、明 らかに他の技法を利用すること も可能である。例えば、楕円変形は−Dのフォトディテクタ位置に存するメリジ オナルフォトディテクタのアレイにより検出することができる。しかしながら、 本発明による好ましい測定装置の実施態様における動作においては、大まかな球 体をまず決定し、球体全体の検知後に、円柱と軸とを検出することが重要と考え ている。 以上、本発明の好ましい実施例を説明してきたが、パルス技法、光学系および 計測プロトコル等について多大な利点が実現できることがわかる。具体的には、 これらの利点は以下の通りである。 1.パルス技法 (a)極めて短いパルスで、1ミリ秒より短く、眼球移動を停止する。 (b)多数の測定値で、毎秒100以上であり、「有効な」測定値を平均化し て最終的な視力を決定する一方で、一致性や有意性を欠く測定値を除去する。 (c)不規則雑音が有効測定値数の平方根にしたがって減少し、仮に49個の 測定値があれば、その信号/雑音の比率は7倍改善される。 (d)平均電力は低いが高ピークの光出力であり、例えば、1ミリワットで2 0%のデューティサイクルを有する成分でもそのピーク電力は5倍の5ミリワッ トになる。 (e)低平均電力で高ピーク出力のために、微小成分を装置に使用できる。ま た、出力を増加し寿命を延ばす ために、冷却機構を用いることができる。いずれの場合においても、それぞれの 患者に対応して装置は数秒程度のみ使用される。 (f)低電力消費によって完全内蔵式のバッテリー型装置が実現できる。 (g)装置の小型化により掌寸大で完全内蔵型にできる。装置のケーシングを 射出成型して二つの半体とすることができ、その光学および電子成分を内部に予 め嵌め込み式に取り付けることが可能である。また、製造コストの低下(小型化 および成分数の減少)、頒布コストの低下(郵送による配達)、およびサービス コストの低下(急行便による装置の交換)も重要である。 2.非臨界的光学系 (a)計測ビームが瞳孔全体に及ぶ。 (b)固定式光学系であり、移動部分を含まない。 (c)単一計測パルスにより完全な視力測定が行える。 (d)フォトディテクタが高い量子効率を有しており、高感度レンズ機構を備 えている。 (e)光学および電子フィルタが周囲光を抑制する。 (f)二色のビームスプリッタが光学経路の作用効率を増加する。 (g)LED計測ビームの比較的高い光出力が信号波長を増加する(ただし、 完全な安全使用のために標準的な検眼鏡よりも短い)。 (h)約1pA以下の入力バイアスによる極めて高感 度なフォトディテクタ増幅器と、マイクロボルト域における安定性。 (g)光学的かつ電子的手段による装置の内部光(「グレア」)の抑制。 3.広範囲な信号処理 (a)信号強度の変化時(瞳孔の拡張/収縮、網膜への色付け等)において、 2種の主ジオプトリ計測信号の比率が屈折率測定に相関するため、これらを一定 にする必要がある。(CCDフォトディテクタの場合は、ぼやけた円形画像の比 率が上述の如く用いられる。) (1)(+Dエミッタ信号)+(−Dエミッタ信号)=一定(固定)電圧、あ るいは、 (2)(+Dエミッタ信号)=(−Dエミッタ信号)および(+D信号)+( −D信号)=固定V 「一定(固定)電圧」は、例えば5Vのような、このような回路機構および上 式(1)または(2)を満足する任意の電圧に設定できる。 (b)バックグラウンドノイズ(散乱光)が主ジオプトリ信号から差し引かれ る。 (1)オフアクシス型フォトダイオードが散乱光を検出する。 (2)散乱光が眼球の内部反射および虹彩から得られ、一定の散乱光により瞳 孔の状態変化(遠近調節)を知ることができる。 (3)装置のグレアが光学的に抑制できるが、さらに、 ダイオードのRリミッタを介する出力によりグレアを主ジオプトリ信号から差し 引く(除去)することができる。すなわち、信号出力が高く(低く)なってグレ アが多く(少なく)なると、Rリミッタの電圧が高く(低く)なる。 (c)頂点域は近接(または1メートルの)測定用の自動装置を可能にする。 この装置は適当な頂点距離内に入るまで計測パルスの生成を開始しない。つまり 、このような回路により生成される頂点距離に相当する電圧が視力の読み取りに おける補助的な補正に使用できるため、この回路は他の類似回路とは異なる。 (e)散乱光のレベルが変化して虹彩の最大開閉を示すことにより最小の遠近 調節状態(遠近調節により瞳孔が小さくなる)がわかる。 (f)プルキンエ画像センサーが第1および第2画像(分離可視緑色LEDか ら生成)の一致を検出する。これは近接視力測定用の補助センサーであり、必要 な場合に使用することができる。 (h)データ記憶装置がすべての「有効な」測定値を記録する。 (i)上記(1)のエミッタのRlimおよび上記(2)のバックグラウンド( 散乱)光検出器を介して生じる信号を用いることにより、位置合わせ/最小の遠 近調節が決定できる。すなわち、眼球が非遠近調節状態である時に(毛様態がレ ンズに作用してレンズの焦点距離が短く なると遠近調節によって眼球の瞳孔が収縮する)、(1)のRlimを介する電圧 が最小になる。 第7A図ないし第7C図は視力測定装置の一実施例を示しており、この実施例 においては、患者Pの検査の間に患者の眼球が−右または左−のように示される 。このような装置は特定の測定を検査を受ける眼球に相関させることができ、ま た、他の眼球の対応する測定との比較を可能にする。このような測定方法は弱視 の同定に有用である。 第7A図において、エミッタ/リセプタ対300は患者Pの眼球検査の間に反 射しない信号を送り出す。他方、エミッタ/リセプタ対302は患者Pの眼球の 検査の間に反射する信号を送り出す。 第7B図は上記のエミッタ/リセプタ対300、302のいずれかを示してお り、エミッタ310が患者Pの鼻の上にビーム311を照射すると帰還信号がリ セプタ312において記録される。 さらに、第7C図は左の眼球に対応するフォトセンサー312と右の眼球に対 応するフォトセンサー312’とを示している。すなわち、出力324、326 が合算抵抗器316に送られた後に増幅器320に至る。さらに、受け取った信 号の強度にしたがって、トランジスタ322が右の眼球に対応する光源310と 左の眼球に対応する310’とをそれぞれ介して電流を流す。この場合に信号が 弱いと、それぞれの光源310、310’は 最大強度で動作する。逆に、信号が強いと、増幅器320を介する出力が低下し てそれぞれの光源310、310’を介する電流が減少する。 さらに、検査を受けている特定眼球の決定は比較増幅器327を介して行うこ とができる。ここで、左眼センサー312が支配的な信号を有しているとすると 、正の電圧が増幅器327、330を介して出力される。また、右眼センサー3 12が支配的な信号を有している場合は、負の電圧が増幅器327、330から 出力される。而して、信号の正負によって検査を受けている特定眼球の決定が行 える。そこで、信号の正負と測定操作とを連結させることによって、各眼球の計 測に弱視を示す不均衡性の検査を付加することが可能になる。 なお、回路は比較機能を有するので、検査を受ける人についての有色人種また は白色人種の区別は問題が無い。この場合、それぞれの検出器が患者の適応範囲 内にあり、かつ、増幅器320、330の所定の閾値をそれぞれ与えると仮定す ると、左眼または右眼の検査を示す信号が増幅器330から発せられる。 次に、視力測定が右眼および左眼について分類される。この時、視力の読取値 が実質的に異なるか、あるいは、両方の読取値によって弱視が示される場合は、 装置が眼球の検査員に陽性弱視の患者をさらに検査させるように通知する。 さらに、各一連の計測操作の始めにこの装置の自動キ ャリブレーションを行って極端な線形性やゼロドリフトの長期安定性を確認する ことができる。なお、自動キャリブレーションの手法は包括的ではなくあくまで も例示的なものであり、種々の方法により実行可能である。 すなわち、第2図において、フォトディテクタ401が−ジオプトリエミッタ 52および+ジオプトリエミッタ62の経路に配置されている。装置401の位 置はビームスプリッタ58の位置でもよく、また、他の同様な配置でもよい。ホ ットミラー40が「漏れ」を生じるか、あるいは、エミッタビームの約1%を漏 らすように構成できるため、フォトディテクタ401は−ジオプトリおよび+ジ オプトリエミッタからの光出力を計測できる。 要するに、各エミッタを介して一連の校正パルスが交互に与えられ、これによ って、供給される校正エミッタ電流に相当する光出力を供給するように一方また は両方のエミッタに補正係数が与えられるか、あるいは、検出される逆反射信号 の処理において補正係数が組み込まれる。而して、このような方法の特有の利点 −極端な直線性やゼロドリフト安定性を可能にすることに優る利点−は極端なジ オプトリ領域における「キャリブレーション標識」をさらに加えて精度をより高 めることができることである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.正常視の規定から視力検査を受ける患者の大まかな眼球形状における反射点 を決定する眼球の自動屈折率測定装置において、 前記規定に従って眼球を打診するための光学経路と、 前記正常視の規定に対して所定の正のジオプトリ値を有する大略球体形状を有 する患者の眼球網膜に前記光学経路に沿って第1画像を投射する第1手段と、 前記患者の眼球網膜から前記光学経路に沿って前記第1画像を受け取り、前記 画像の強度に比例する信号を出力する第1検出器手段と、 前記正常視の規定に対して所定の負のジオプトリ値を有する大略球体形状を有 する患者の眼球網膜に前記光学経路に沿って第2画像を投射する第2手段と、 前記患者の眼球網膜から前記光学経路に沿って前記第2画像を受け取り、前記 画像の強度に比例する信号を出力する第2検出器手段と、 前記第1および第2検出器手段に対応して備えられ、前記第1および第2検出 器手段からの出力信号を受け取って、前記第1および第2検出器の信号の相対強 度を示し、かつ、前記眼球の大略球体形状に比例する信号を出力する比較手段と の組み合わせから成ることを特徴とする自動屈折率測定装置。 2.前記正常視の規定に対して所定のジオプトリ値を有 する患者の眼球網膜に前記光学経路に沿って所定の画像アレイを投射する手段と 、 前記患者の眼球網膜から前記光学経路に沿って前記画像アレイを受け取る手段 と、 前記画像の相対強度を表示して前記患者の乱視強度の軸を決定する手段とを含 むことを特徴とする請求項1に記載の自動屈折率測定装置。 3.前記患者の眼球拡張に対して前記第1および第2検出器手段を規格化する手 段を含むことを特徴とする請求項1に記載の自動屈折率測定装置。 4.前記患者の眼球に対して前記検出器を大まかに位置合わせするために前記光 学経路に対して位置合わせされた光学照準経路を含むことを特徴とする請求項1 に記載の自動屈折率測定装置。 5.前記患者の角膜近傍に集光する前記光学経路に沿ってプルキンエ画像を投射 する手段と、 少なくとも前記患者の眼球角膜から前記プルキンエ画像を受け取って前記患者 の眼球レンズの表面屈折を測定する検出器手段と、 前記画像の最大強度をモニターする手段とを含み、これによって、前記装置と 眼球との位置合わせを通知することを特徴とする請求項4に記載の自動屈折率測 定装置。 6.前記画像の最大強度をモニターする手段が前記画像を比較するためのログ回 路を備えていることを特徴とする請求項5に記載の自動屈折率測定装置。 7.正常視の規定から視力検査を受ける患者の大まかな眼球形状における反射点 を決定する眼球の自動屈折率測定装置の動作方法において、 前記規定に従って眼球を打診するための光学経路を備える段階と、 前記正常視の規定に対して所定の正のジオプトリ値を有する大略球体形状を有 する患者の眼球網膜に前記光学経路に沿って第1画像を投射する段階と、 前記患者の眼球網膜から前記光学経路に沿って前記第1画像を検出し、前記画 像の強度に比例する信号を出力する段階と、 前記正常視の規定に対して所定の負のジオプトリ値を有する大略球体形状を有 する患者の眼球網膜に前記光学経路に沿って第2画像を投射する段階と、 前記患者の眼球網膜から前記光学経路に沿って前記第2画像を検出し、前記画 像の強度に比例する信号を出力する段階と、 前記第1および第2の検出信号を比較して、前記第1および第2検出器信号の 相対強度を示すことにより前記患者の大略球体形状の全体を決定する段階との組 み合わせから成ることを特徴とする方法。 8.前記正常視の規定に対して所定のジオプトリ値を有する患者の眼球網膜に前 記光学経路に沿って所定の画像アレイを投射する段階と、 前記患者の眼球網膜から前記光学経路に沿って前記画 像アレイによる画像を受け取る段階と、 前記画像の相対強度を表示して前記患者の乱視強度の軸を決定する段階とを含 むことを特徴とする請求項7に記載の自動屈折率測定方法。 9.前記患者の眼球に対して前記検出器を大まかに位置合わせするために前記光 学経路に対して位置合わせされた光学照準経路を備える段階と、 前記患者の眼球に対して前記装置を位置合わせする段階とを含むことを特徴と する請求項7に記載の自動屈折率測定方法。 10.前記患者の角膜近傍に集光する前記光学経路に沿ってプルキンエ画像を投 射する段階と、 少なくとも前記患者の眼球角膜から前記プルキンエ画像を受け取って前記患者 の眼球レンズの表面屈折を測定する段階と、 前記画像の最大強度をモニターする段階とを含み、これによって、前記装置と 眼球との位置合わせを行うことを特徴とする請求項9に記載の自動屈折率測定方 法。 11.前記画像の最大強度をモニターする段階が前記プルキンエ画像を対数比較 する段階を含むことを特徴とする請求項10に記載の自動屈折率測定方法。 12.前記患者の眼球拡張に対して前記第1および第2検出器手段を規格化する 段階を含むことを特徴とする請求項7に記載の自動屈折率測定装置。 13.2種類の光源を用いて+Dおよび−D画像を投射 し、CCDフォトディテクタを用いてぼやけた円形形状と前記円形の直径比およ びその変形を計測して屈折率測定の誤差を検出する方法を含むことを特徴とする 請求項1に記載の自動屈折率測定装置。 14.エミッタRlimを介する信号とバックグラウンド(散乱)光フォトディ テクタとを用いて最適な位置合わせと最小の遠近調節作用とを検出する方法を含 むことを特徴とする請求項1に記載の自動屈折率測定装置。
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