專利名稱：角膜地形圖儀的制作方法
技術領域：
角膜地形圖學通常是ー種用于測量角膜前表面形狀的診斷技木。此類測量對于屈光手術中確定人眼的屈光光學特性以及人工晶狀體(IOL)的設計而言較為重要。裝配隱形眼鏡也需要提供角膜形狀的角膜地形圖。本文件中說明了ー種新型的角膜地形圖儀的概念。本文件所述的角膜地形圖儀優(yōu)選地是一種無移動部件的緊湊型設備，其包括標準成像光學器件與至少ー個手性光掩模、光傳感器、數字處理裝置和，可選地，顯示裝置的組合。該角膜地形圖儀通過分析來自角膜表面的普肯野(Purkinje)反射(該反射因規(guī)則或不規(guī)則的光圖案投射在眼睛上而產生)的空間譜來提供角膜表面的散焦圖和深度圖。該地形圖儀和處理方法是新穎的。
背景技術：
目前的角膜地形圖儀通常將ー組同心環(huán)投射在前部角膜上，然后分析反射(即，普拉西多(Placido)盤)來獲得相對于參考圖像的形狀變化。可以根據反射圖像的幾何畸變來重新計算角膜形狀的不規(guī)則性。其他角膜地形圖儀使用波前感測(例如，夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)方法)來獲得角膜表面特征。本發(fā)明是基于通過分析反射光的空間譜來測量與角膜子區(qū)的絕對距離。術語解釋手性光掩模一種產生對透射光束或反射光束相位的手性或螺旋形調節(jié)的光學元件。散焦圖一種描繪在本發(fā)明背景下相對于角膜表面上選定子區(qū)的位置的散焦變化圖。散焦圖可以是地形圖儀的最終輸出，或者可替代地是構造深度圖的中間物。深度圖ー種提供對于角膜的選定子區(qū)的絕對深度或距離的圖。對焦像平面光學上與無聚焦誤差的物平面共軛的平面。圖案光由光源投射在角膜上的具有多個對比特征的光，例如規(guī)則的點格或線格或由漫射器散射的激光束產生的不規(guī)則的斑紋圖案。線形圖案由具有半孔徑棱形光學組件的手性光掩模產生的譜域中的周期圖案。該圖案可以用光學傳遞函數(OTF)的模數來表示，并且可根據該光掩模的振幅和相位函數來計算。物平面/像平面物體(在本發(fā)明的背景下是被圖案光照射的角膜表面)被定位在物平面中，并且相應的圖像被定位在像平面中。術語“物體”和“圖像”分別指物平面和像平面中的光分布。角膜圖像由角膜平面反射、由成像光學器件透射并由手性光掩模調節(jié)的光產生的光傳感器上(即，像平面中)的圖像。頻譜響應/頻譜分解頻譜響應一般是通過傅里葉變換或另ー種適當的變換，或更一般地，通過頻譜分解為一整組函數而獲得的。在實踐中，頻譜響應是以使用光掩模振幅和相位函數來計算的非相干OTF來表示。

發(fā)明內容
—般性描述
本發(fā)明描述了ー種角膜地形圖儀裝置和用于角膜形狀測量的方法。該地形圖儀提供(I)角膜圖像的散焦度，即，相對于對焦平面而言在先前未知與角膜距離的情況下被圖案光照射在光傳感器上的角膜表面的圖像；(2)從角膜到明確定義的平面(優(yōu)選地為成像光學器件的第一主平面)的距離；(3)角膜圖像上的多個子區(qū)相對于對焦平面的散焦度，這些子區(qū)與被圖案光照射的角膜平面上的子區(qū)相對應。(4)從角膜的多個子區(qū)到角膜地形圖儀的距離；(5)將角膜表面表示為采樣的三維表面的深度圖的構造，對該表面的空間采樣由照射角膜的圖案光的結構來限定。
具體實施例方式地形圖儀的描述在優(yōu)選實施例中，角膜地形圖儀由用于將圖案光投射在角膜表面上的光源、用于收集由角膜反射的光的成像光學器件、手性光掩模和將光轉化成數字電子信號的光傳感器組成。手性光掩模調節(jié)透射光或反射光，使得由物平面與光學上共軛于光傳感器平面的平面之間的失配造成的聚焦誤差引起已配準圖像的空間譜的位移。通過將圖像頻譜與例如由 無散焦系統(tǒng)的OTF模數表示的參考頻譜相比較來估計位移度，進而可將聚焦誤差轉化為與角膜表面的絕對距離,該信息可以是角膜地形圖的基礎。通過將角膜表面分割成多個子區(qū)并單獨分析這些子區(qū)可獲得多個散焦值或距離值。散焦值表示對于角膜選定子區(qū)的散焦度或距離。照射角膜的圖案光的強度分布自然地限定了待處理的角膜圖像上的子區(qū)的間隔、幾何結構和數量。例如，每個子區(qū)可以是包含光點格被投射在角膜上時的ー個單一光點的小矩形區(qū)。角膜地形圖儀的數據處理包括若干種方式(I)將光傳感器上的光圖像轉換成數字電子信號并對其進行基本標準數字處理，(2)對角膜圖像的子區(qū)進行頻譜分解，(3)相對于參考圖像對角膜圖像子區(qū)的空間譜的位移度進行估計，所述位移度被轉換成相應的散焦度，(4)合成散焦圖(構造深度圖的中間物)，以及(5)將角膜圖像多個子區(qū)的散焦度轉換成深度圖。應注意的是，成像光學器件可以具有包括至少ー個屈光或反光光學器件的任何設計，它與光掩模相結合提供接近衍射極限的性能。成像光學器件通常可以被設計為，使得它包括所述至少ー個手性光掩模作為集成元件?？商娲兀中怨庋谀？梢耘c光傳感器相整合或者被實現為獨立的光學元件。在該優(yōu)選實施例中，ー個獨立的單ー棱形屈光手性光掩模被定位在出射光瞳中。該光掩模覆蓋一部分孔徑，并且ー個扁平的屈光元件覆蓋剩余部分。因此，該光掩模包括至少ー個手性光學元件，該元件包括至少ー個覆蓋僅一部分光掩模孔徑的棱形表面。所述棱形表面的配置可以被進一步調節(jié)以優(yōu)化光掩模的光功能。光掩模調節(jié)光束，使得圖像的空間譜隨著散焦的變化而改變位置。這種位置的變化(位移)可以是圖像空間譜的轉動、移動或按比例縮放或所述各位移的組合。所述位移的程度對散焦度的依賴性應該是例如根據光掩模的理論分析或根據エ廠校準而推理得知的。因此，可以根據位移度來估計散焦度。數字處理裝置包括基本成像裝置，例如用于通過光傳感器將圖像轉換成數字電子信號以及對圖像進行其他標準的電子處理，以及(如果需要的話)最終顯示方式，一次處理裝置，第一用于例如通過傅里葉變換對角膜圖像的子區(qū)執(zhí)行頻譜分解，第二用于提供相對于參考頻譜的角膜圖像子區(qū)的空間譜的位移度，二次處理裝置，第一用于將所述位移度轉換成角膜的相應子區(qū)的相應散焦度，以及第二用于構成散焦圖。散焦圖由來自光傳感器上角膜圖像的多個選定部分(即，子區(qū))的散焦數據構成。這種散焦圖可以是最終的輸出，或者是通過三次圖像處理裝置來構造深度圖的中間步驟，該處理裝置首先將角膜表面子區(qū)的散焦度轉換成相對于例如成像光學器件的第一主表面的距離(絕對距離)，然后構成包含角膜子區(qū)之間的相對距離的深度圖。散焦和深度的信息可以用于構成角膜地形圖，該地形圖根據要求可以為各種形式。應注意的是，角膜地形圖儀可以提供各種類型的角膜地形圖。所述散焦圖和深度圖是由上述角膜地形圖儀提供的基本角膜地形圖。然而，該地形圖儀還可以被擴展和適配為提供例如具有相差系數優(yōu)選地作為澤尼克(Zernike)系數的波前圖形式的角膜地形圖。而且，通過必要的適配，還可以提供角膜表面的多譜波前圖，該圖將角膜屈光與波長相比較。在該情況下，幾個波前圖(每個波前圖是以不同波長獲得的)被組合成多譜波前圖。因此，本文件中使用的術語“角膜地形圖”覆蓋如上所述的各種地形圖。 該地形圖儀還可以包括其他単元，例如用于將深度圖呈現在計算機顯示器上；以及其他裝置，用于例如將數據直接傳輸到屈光手術設備或者傳輸到例如隱形眼鏡制造設備上。投射在角膜上的圖案光必須包含使該裝置和方法工作的多個高對比度光特性。例如，間隔相等的光點格可以被投射在角膜的至少ー個表面上。在該優(yōu)選實施例中，激光光源與漫射器或圖案掩模以及輔助光學器件相結合在角膜表面上提供了隨機的光斑紋圖案或規(guī)則的光圖案。圖案光中的高對比度特征引起角膜圖像中的高對比度特征，這些特征可以用本文件所述的處理裝置和方法進行處理。將角膜圖像分割成多個子區(qū)應該為角膜圖像的每個子區(qū)提供至少ー個高對比度特征。清楚的是，激光器的光必須具有例如遠紅外或紅外域中的波長，并且具有不致于損傷眼睛特別是眼睛視網膜的強度。地形圖儀被適配為，第一提供角膜表面的散焦圖，第二提供角膜平面的深度圖；第三提供角膜地形圖。應注意的是，不排除人眼的其他表面，例如晶狀體的表面或者甚至視網膜表面的圖的構造。應清楚的是，光源、圖案光的結構和頻譜以及成像光學器件必須被適配為提供相關表面的適當圖像。而且，數字處理步驟必須根據地形圖儀的配置被適配為，隨著眼睛的深度增大而保持測量的精確性。用于角膜地形圖測量的方法包括將圖案光投射在角膜的至少ー個表面上，收集由角膜表面反射的光并通過成像光學器件將反射的光投射到光傳感器上，通過至少一個光掩模來調節(jié)光，使得聚光誤差引起角膜圖像的空間譜相對于參考頻譜的位移，基本處理，以將光傳感器上的圖像轉換成數字電子信號，進行其他標準數字圖像處理，以及(如果需要的話)進行圖像顯示，一次處理，以通過頻譜分解將已配準的圖像分解為空間譜，并提供相對于參考圖像的角膜圖像子區(qū)的空間譜的位移度，二次處理，適于將所述位移度轉換成角膜相應子區(qū)的多個相應散焦度并且構成散焦圖，以及三次處理，適于將角膜表面的子區(qū)的多個散焦度轉換成絕對距離并構成包含角膜的子區(qū)之間的相對距離的深度圖。在實踐中，一次處理步驟可以例如通過傅里葉或小波，將已配準的圖像的子區(qū)分解，然后估計圖像子區(qū)的頻譜與先前已知的參考頻譜(例如，OTF的模數)之間的相關程度來執(zhí)行。在二次處理步驟中，可以通過使用先前已知的例如OTF的模數對散焦的的依賴性將相關程度重新計算為相應的散焦度。三次處理步驟所執(zhí)行的將散焦度轉換成與角膜子區(qū)的絕對距離是例如 Nayar 等人(Proc. of Fifth Intl. Conf. on Computer Vision,995-1001，Cambridge, MA, USA, 1995)所述的直接計算。數學背景和光掩模設計所述用于角膜地形圖測量的方法需要至少ー個光掩模，該光掩模被定位在ー個成像系統(tǒng)的內部或外部，優(yōu)選地定位在出射光瞳的平面中，以調節(jié)入射光的相位和振幅。以下分析被直接應用于與角膜的單一子區(qū)相對應的單一子圖像中。多個子圖像的一般化是直接的。在笛卡爾坐標中,其中Z軸沿著成像系統(tǒng)的光軸定向，并且X軸和Y軸垂直于該光軸且位于出射光瞳的平面中，光掩模的復透射可以表示為
權利要求
1.ー種角膜地形圖儀，包括至少ー個光源，用于將圖案光投射在至少ー個角膜表面上；成像光學器件，用于收集由角膜表面反射的光并將該光投射到光傳感器上；至少ー個光掩模，用于調節(jié)光使得相對于對焦平面的所述光傳感器上的角膜圖像的散焦度引起圖像空間譜相對于參考頻譜的位移；基本處理裝置，用于將所述光傳感器上的圖像轉換成數字電子信號、執(zhí)行其他標準的數字圖像處理、以及圖像顯示，如果需要的話；一次處理裝置，適于執(zhí)行所述角膜圖像的子區(qū)的頻譜分解，并測量所述角膜圖像的子區(qū)的空間譜相對于參考頻譜的位移度；二次處理裝置和三次處理裝置，其特征在于所述二次處理裝置適于將所述位移度轉換成所述角膜的多個相應子區(qū)的相應散焦度，所述三次處理裝置適于將所述多個散焦度轉換成相對于成像光學器件的絕對距離。
2.根據權利要求I所述的角膜地形圖儀，其特征在于，所述地形圖儀適于將所述角膜的多個相應的子區(qū)的散焦度組合成所述角膜的散焦圖。
3.根據權利要求I所述的角膜地形圖儀，其特征在于，所述地形圖儀適于將所述角膜的多個相應子區(qū)之間的相對距離組合成所述角膜的深度圖。
4.根據權利要求2-3所述的角膜地形圖儀，其特征在于，所述地形圖儀適于將關于散焦和深度的信息進行組合以提供角膜地形圖。
5.根據權利要求I所述的角膜地形圖儀，其特征在于，所述光源是激光器，所述激光器適于使得圖案光被投射在至少ー個角膜表面上。
6.一種用于角膜地形圖的方法，包括將圖案光投射在角膜的至少ー個表面上；收集由所述角膜表面反射的光并通過成像光學器件將反射的光投射到光傳感器上；通過至少ー個光掩模來調節(jié)光，使得聚光誤差引起角膜圖像的空間譜相對于參考頻譜的位移；基本處理，以將光傳感器上的圖像轉換成數字電子信號、執(zhí)行其他標準數字圖像處理以及圖像顯示；一次處理，以通過頻譜分解將已配準的圖像分解為空間譜，并提供相對于參考圖像的角膜圖像子區(qū)的空間譜的位移度；二次處理和三次處理，其特征在于所述二次處理適于將所述位移度轉換成角膜相應子區(qū)的多個相應散焦度并且構成散焦圖；并且所述三次處理適于將角膜表面的子區(qū)的所述多個散焦度轉換成絕對距離并構成包含所述角膜的子區(qū)之間相對距離的深度圖。
全文摘要
本發(fā)明說明了一種角膜地形圖儀，該角膜地形圖儀包括光源，用于將圖案光投射在角膜上；成像光學器件，用于從角膜收集反射并將其投射在光傳感器上；光掩模，用于調節(jié)光束使得角膜圖像的聚焦誤差引起其空間譜相對于參考頻譜的位移。通過測量和處理角膜的相應不同子區(qū)的頻譜位移來構造散焦圖、深度圖和角膜地形圖。該角膜地形圖儀為緊湊型且價格較低。該角膜地形圖測量可用于屈光眼睛手術和隱形眼鏡裝配。
文檔編號A61B3/107GK102869299SQ201180022118
公開日2013年1月9日 申請日期2011年5月2日 優(yōu)先權日2010年5月4日
發(fā)明者A·N·西蒙諾夫, M·C·羅姆巴赫 申請人:愛克透鏡國際公司