专利名称：用于眼科设备的对准系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于使操作者能够相对于病人眼睛而定位眼科设备的对准系统，并且更具体地涉及一种适用于在手持眼科设备中使用并作为定位帮助而向操作者提供对病人眼睛进行直接观察的对准系统。
授予Lava11ee等的U.S.专利No.3,56,073描述了具有目标投影系统的非接触眼压计，所述系统通过物镜沿对准轴线将目标图像投影到物镜的图像平面。作为结果，当物镜的图像平面与病人角膜的曲率中心一致时，角膜的目标虚像或镜像由对准轴线上圆标线(reticle)平面中的物镜和望远透镜再次成像。沿对准轴线通过目镜看向眼睛的操作者可看到叠加在圆标线上的回射目标图像，并通过使目标图像参照标线标记聚集于中心来横向并垂直地对准设备(X-Y对准)。依照这个系统，处于观察之下的角膜表面被局限于整个角膜表面的所需小部分。’073专利亦描述了被动、“go/no go”对准确定系统，包括与位于针孔之后的对准检测系统合作的红外线LED，由此检测器基于对准而产生触发信号。
在授予Luce等的U.S.专利No.4,881,807中讲了一种用于在相对于眼睛而定位眼科设备的过程中使用的较复杂的光电对准系统。依照这个系统和现有技术的其它系统，三角测量被用于计量眼睛相对于设备的三维位置。为了举例，上述U.S.专利No.4,881,807公开了一种系统，其中在眼睛相对侧安排的两个光源用发散光线来照射眼睛，并且每个都包括光敏像素的二维阵列的一对CCD区域检测器被安排在相关针孔之后以接收源自相应的一个光源的小束发射光线。通过识别登记峰值响应信号的像素来确定光照射到CCD阵列的本地x-y位置。光照射到每个CCD阵列的本地x-y位置和描述系统部件预定几何安排的规格被作为输入提供给微处理器，然后它计算实现对准所必要的总的(global)X、Y和Z方向的移动量。亦提供视频图像检测器以将眼睛的大图像(macro-image)供应给CRT显示器，并且将来自对准CCD电子设备的输出耦合到CRT显示器电子设备中以在显示器图像上提供对准照射光斑符号。
已知的对准系统不给操作者提供沿对准轴线或沿用于对准目的的设备的主光轴的对眼睛的直接观察。事实上，许多现有技术系统依赖于产生和显示眼睛的视频图像并在所显示的视频图像中叠加对准提示以便于移动设备而实现对准。这种途径需要附加于设备尺寸、重量和费用的手段。
发明简述因此，本发明的目的是提供用于眼科设备的对准系统，该系统给操作者提供沿设备光轴的对病人眼睛的直接观察。
本发明的另一目的是提供用于眼科设备的对准系统，该系统给操作者提供沿设备光轴的对病人眼睛的直接观察，而同时沿光轴向病人呈现固定目标。
本发明的另一目的是提供用于眼科设备的对准系统，该系统包括在操作者视野中用眼睛的直接被观察实像而叠加的指导性显示器图像。
本发明再另一个目的是提供制造相对不贵的用于眼科设备的对准系统。
在推进这些和其它目的的过程中，具有与病人角膜顶点对准的中心光轴的眼科设备包括沿光轴使操作者能直接观察病人眼睛以便于一般对准的目镜以及用于沿相同的光轴向病人呈现被亮背景围绕的暗的固定目标的装置，其中亮背景帮助照射眼睛以便于操作者观察。
依照优选实施例的对准系统进一步包括用于确定设备相对于病人眼的X-Y-Z对准状态的远焦(afocal)位置检测系统。该位置检测系统包括在设备中心光轴的相对侧的第一和第二光源，并且相应的第一和第二光敏区域检测器被定位以在来自相关光源的光被角膜反射之后接收它。检测器提供指示形成于其上的照射光斑的本地x-y位置的信号信息。在优选实施例中，第一和第二检测器为具有四个象限的四单元检测器，而照射光斑的尺寸为大约一个象限的尺寸，由此可基于由象限产生的四个信号电平来确定x-y位置。当它照射眼睛并且当它到达检测器时，每个光源之后和每个检测器之前的聚光透镜使光束中的聚散度最小。
然后来自每个检测器的本地x-y数据被作为输入提供给在设备校准期间确定的一系列所存储的几何关系，以便于给出设备相对于眼睛的X-Y-Z总的对准状态。几何关系为X、Y和Z的多重回归方程，其中通过从用于人工眼的检测器读取本地x-y数据来确定每个方程的回归系数，所述人工眼在校准期间被置于多个已知X-Y-Z位置。回归系数在校准期间被存储并在正常设备操作期间被使用以当操作者相对于病人眼睛而定位设备时基于来自检测器的本地x-y数据而快速计算X、Y和Z坐标。
优选地连接“提醒”(heads-up)显示器以接收X-Y-Z数据并给操作者提供指导标志，以便于移动设备以实现对准。在当前实施例中，“提醒”显示器包括被有选择地照射以指示所需X-Y移动方向的发光二级管的极性阵列和被有选择地照射以指示所需Z移动方向的发光二级管的线性阵列。通过使用分束器，沿设备光轴将“提醒”显示器的图像呈现给操作者，所述分束器允许亦沿所述光轴来传输病人眼睛的大图像，由此X-Y极性阵列被绕眼睛的直接被观察的大图像周围安排。
附图中几个视图的简述现在将在以下借助附图的发明详述中来较完整地描述本发明的操作特性和模式，在其中
图1为结合本发明对准系统的眼科设备的光学示意图；图2为图1中所示眼科设备的光学块部分的截面图；图3为示出位置检测系统单元的安排的示意透视图，所述系统形成依照本发明优选实施例的对准系统的部分；
图4为图2中所示位置检测系统的四单元检测器的详细视图；图5为涉及图4中所示四单元检测器的照射和取样的电子时序图；图6为图1中所示眼科设备的电子方块图；图7为遵循以校准图2中所示位置检测系统的步骤的流程图；以及图8为用于给操作者提供指导以便于相对待测试眼睛而对准设备、形成依照本发明优选实施例的对准系统部分的提醒显示器的放大视图。
发明详述在图1中，示意性地示出结合本发明对准系统的眼科设备并通过数字10来识别。设备10是一种非接触眼压计，用来通过流体排放管12排放流体脉冲以引起病人角膜可观察的变形以便于测量眼内压力的目的的来操作的。然而，本发明可能以其它类型的眼科设备来实施，在其中确定设备相对于眼睛的X-Y或X-Y-Z对准状态是有必要的。
设备10包括光轴14，沿其排放管12被对准；旋座(nosepiece)16，固定于设备前面部分的附近以便于安装如以下所述设备的各种光学和光电单元；固定目标投影系统18，与分束器20合作以沿光轴14向病人呈现可视固定目标；目镜22和微距镜头(macro-lens)23，用于使操作者0能够沿光轴14通过设备观察病人眼睛E；提醒显示器24；以及镜面26，与分束器28合作以沿光轴14向操作者呈现“提醒”显示器图像。微距透镜23优选为平面-平面透镜以使操作者以非放大状态看到眼睛，然而有可能使用具有光焦度的微距透镜以提供关于眼睛的一些其它所需视野。
图2较具体地示出优选的固定目标投影系统18。LED19发射经过精磨的漫射体元件21的光，所述元件具有被涂为半透明红色的中心目标点25。然后来自漫射体元件21的光在准直目标光被分束器20反射以沿光轴14前进之前经过准直透镜27。因为亮背景光帮助照射病人眼睛从而有助于操作者沿光轴14直接观察眼睛，所以使用相对于亮背景场为暗的目标点是优选的。可采用安装于旋座16中或附近的附加光源(未表示)以帮助照射眼睛E。
现在将注意力转到安装于旋座16上或内的元件。如以上所提，设备10被描述为非接触眼压计，并由此它包括用于在排放流体脉冲期间倾斜地(obliquely)照射眼睛的扁平发射器30、以及安排在眼睛相对侧用于接收从角膜反射的光并在角膜表面被流体脉冲弄平(“变平”)的时刻登记峰值信号的扁平检测器32。熟悉非接触眼压计的人们将认识到扁平发射器30和扁平检测器32是用于确定基于来自角膜表面的反射光而发生扁平作用的时刻的众所周知的现有技术装置的部分。
形成依照本发明实施例的对准系统的部分的位置检测系统的元件亦在旋座16中。更特别地，图1的示意性表示示出了被用于位置检测的在光轴14一侧的光源40A和在光轴14相对侧的检测器42A。在实际应用中，旋座16支持可在图3的视图中看到的第二光源40B和第二检测器42B。在当前描述的实施例中，光源40A和40B恰好位于包含光轴14的水平平面之下，而检测器42A和42B恰好位于包含光轴14的水平平面之上，由此在水平平面中留下用于扁平发射器30和扁平检测器32的空间。第一光源40A沿第一照射轴线41A引导第一光束以便于照射眼睛E，而第一检测器42A限定第一光检测区域以便于接收由来自眼睛的反射光所形成的第一光源40A的图像。沿第一照射轴线41A传播的光经过聚光透镜44A并倾斜地入射到角膜的通常的球形表面，在此它被反射向第一检测器42A。第一检测器42A之前的聚光透镜46A基本上准直了来自角膜通常球形表面的发散光束，由此在由第一检测器42A限定的光检测区域上接收照射光斑。实质上第一检测器42A检测位于角膜之后的视在源或虚源。第二光源40B、第二照射轴线41B、聚光透镜44B和46B以及第二检测器42B形成类似系统，并且优选地以关于包含光轴14的垂直平面的相反对称来安排。在优选构造中，位置光源40A和40B以及扁平发射器30为红外线发光二级管以使病人不能看到，并且在单个柔性电路板上安装或形成以允许较容易地装配设备。类似地，第一和第二检测器42A、42B优选地由柔性电路板来支撑以便于容易装配。
在图3的示例中，如由流体排放管12的出口端表示的设备和如由角膜顶点V表示的眼睛以三维(X-Y-Z)对准的状态来示出。在本实施例中，当光轴14与角膜顶点V相交并垂直以它、并且流体排放管12的出口端在Z轴方向上距角膜顶点V一预定发射距离D时，实现了对准。选择第一检测器42A和第二检测器42B的方位以使当存在对准时，相应的角膜反射的照射光束的中心光线垂直于相关检测器的光检测区域并且基本上到达光检测区域的中心点。
图4示出第一检测器42A的光检测区域48，应理解伴随的描述亦可应用于第二检测器42B。光源40A的图像在光检测区域48上作为光斑50而出现。在本实施例中，第一检测器42A为四单元检测器，包括四个象限Q1、Q2、Q3和Q4，每个都提供与由此所接收的光功率成比例的信号。每个象限的尺寸优选为大约1.3mm×1.3mm的量级，相邻象限的边缘之间有大约0.1mm的间隔距离。照射光斑50的尺寸应为一个象限尺寸的量级以用于有意义的x-y分辨率。在Z轴调节期间当设备10被移近或移远眼睛时，照射光斑50的尺寸将变化。而且，当设备移近眼睛时，光斑尺寸的变化速率增加。因此，为以预定发射距离D为中心的Z轴位置范围(即+/-2.00mm)而对系统进行最优化以使用于Z轴位置整个范围的光斑尺寸变化为最小是理想的。通过为聚光透镜46A、46B选择适当的前焦距可实现最优化，当设备经过Z轴位置范围而移向眼睛时，所述焦距导致照射到检测器42A、42B的光从略为收敛过渡为略为发散，其中当设备位于预定发射距离D时，照射到检测器42A、42B的光为近似准直。在实践中，已发现发射距离D应恰好超过聚光透镜46A、46B的前焦距。
如将要理解的，来自第一检测器42A的象限Q1-Q4的信号指示着光检测区域48中光斑图像50的形心的本地二维位置(x1，y1)，而来自第二检测器42B的象限Q1-Q4的信号指示着形成于第二检测器的光检测区域48上的类似光斑的本地二维位置(x2，y2)。本地x位置是通过如以下对来自每个象限的信号强度进行比较而给出的x＝(Q3+Q4-Q1-Q2)/(Q1+Q2+Q3+Q4)。类似地，本地y位置是通过如以下对来自每个象限的信号强度进行比较而给出的y＝(Q1+Q4-Q2-Q3)/(Q1+Q2+Q3+Q4)。
为了避免干扰、提供足够的照射强度并减少功率损耗，第一光源40A和第二光源40B是顺序照射的，并且第一检测器42A和第二检测器42B是顺序取样的。图5为时序图，示出一个光源脉动大约100μs的持续时间然后被取样，然后另一个光源脉动相同的持续时间并被取样。近似为每2ms重复一次该循环。
现在亦参考图6，来自检测器42A、42B的象限Q1-Q4的模拟信号被馈给放大器52然后被输入到和/差电路54。和/差电路54为每个位置检测器42A、42B提供三个输出。输出中的两个为以上方程中相应的x和y的分子，而第三个输出为两个方程公用的分母。该输出信号被复用器56复用然后被提供为到微处理器60的模拟输入，该微处理器提供信号的板上(on-board)模拟到数字转换。微处理器60被编程以计算最终光斑位置(x1，y1)和(x2，y2)。
尽管本实施例被描述为采用四单元检测器，但为了本发明的目的而替换其它检测器类型和配置是可能的。例如，可提供本地x-y信号信息的多种位置敏感装置(PSD)在商业上是可用的。还有，有可能在象限配置中安排四个分离的光敏检测器以模拟上述的四单元检测器。
然后通过将来自第一检测器42A的坐标x1、y1和来自第二检测器42B的坐标x2、y2输入到在设备10的校准期间存储于存储器62中的多个预定几何关系来计算眼科设备10相对于眼睛的总的X-Y-Z对准状态。更具体地，可如以下通过多重回归来确定给出总的位置坐标X、Y和Z的几何关系X＝R1x1+R2y1+R3x2+R4y2+R5，Y＝R6x1+R7y1+R8x2+R9y2+R10，和Z＝R11x1+R12y1+R13x2+R14y2+R15，其中回归系数R1-R15在使用人工眼的设备校准测量期间得到。
图7为示出为校准本发明位置检测系统所遵循步骤的流程图。第一，依照步骤70，将人工“测试”眼置于相对于设备10的一随机、已知的位置X、Y、Z。然后，如步骤72和74所指示的，从位置检测系统读取本地光斑位置(x1，y1)和(x2，y2)并将其与相应的已知总的坐标X、Y、Z存储于表中。如果已依照询问76测量了足够数量的数据点，则在步骤78中执行多重回归以得到回归系数R1-R15，然后按照步骤80将其存储于存储器中。如果依照询问76需要较多的数据点，该过程返回到步骤70并进行重复。优选使用人工眼的大量随机位置来校准位置检测系统，由于这将提供确定回归系数的较大精度，并且最终提供病人眼睛计算X、Y、Z位置的提高的精度。
主要是因为本发明的位置检测系统不需要扫描具有大量像素的CCD阵列，因此它以大大高于现有技术系统的重复速率来提供X-Y-Z对准状态信息。如以上所指出的，较快的系统对于手持设备的对准来说尤其有用，它可能一确定X-Y-Z对准就被激励以进行测量。这样，该系统减少了确定对准和测量之间的滞后时间，在该滞后时间内可发生设备和眼睛之间进一步的相对运动。而且，可由制造商的人员定期校准本发明的位置检测系统以确保对准精度。
图8示出当它呈现于沿光轴14通过目镜22观察的操作者时设备10的提醒显示器24的放大视图。显示器24通过以指导操作者考虑实现对准所必要的设备移动的格式来提供计算X-Y-Z对准状态，从而帮助操作者对准设备。提醒显示器24包括被透明片86掩盖的发光二极管84的极性阵列82，其具有用于给操作者提供X-Y对准指导的光传输方向指示器88。极性阵列82中的每个LED84都通过I2C导线61和串行到并行转换器(未表示)被连接到微处理器60，由此LED依据设备相对于眼睛的X-Y对准状态而有选择地照射。特别地，LED84相应于适当的方向指示器而照射，指导操作者移动设备的方向以将光轴14与角膜顶点V对准。当实现X-Y对准时，极性阵列中的所有LED84能以连续或脉冲的方式而照射以将X-Y对准状况传达给操作者。提醒显示器24进一步包括为了Z轴对准的目的而被定位以与透明片86中的光传输矩形94一致的发光二极管92的线性阵列90。线性阵列90中的每个LED92都通过I2C导线61和串行到并行转换器(未表示)被连接到微处理器60，由此LED依据设备相对于眼睛的Z对准状态而有选择地照射。更特别地，并为了举非局限性的实例，线性阵列90中的顶部和底部LED为相同颜色(即红色)，中部LED为另一种颜色(即绿色)，而顶部LED和中部LED之间以及底部LED和中部LED之间的LED为又另一种颜色(即黄色)。当设备过于接近眼睛时，两者的红色LED都作为警报而向操作者闪光。下部的红色和黄色LED指示应将设备移开眼睛，而上部的红色和黄色LED指示应将设备移向眼睛。绿色LED指示达到了Z轴对准。当前，在单个电路板上提供LED84和92并使用照相软片来形成透明片86，其可通过间隔物(未表示)与LED电路板隔离。
如在图1中可看到的，实际的提醒显示器位于设备中偏离光轴14的位置。“提醒”显示器24的图像是借助镜面26和分束器28沿光轴14呈现给操作者的。X-Y极性阵列82被环向安排在通过微距透镜23的病人眼睛的大图像周围，由此操作者可看到瞳孔和周围的虹膜连同由“提醒”显示器24所提供的叠加的指导性显示标志。例如，在图8中，操作者被指导为了X-Y对准而将设备移低并移向左，并且为了Z对准而移近。
权利要求
1.一种对准系统，用于相对病人眼睛而对准眼科设备，所述对准系统包括测量轴；用于沿所述测量轴来投影可视固定目标图像以便于由所述病人观察的装置；所述操作者沿其直接观察所述眼睛的光轴；以及用于提供关于所述眼科设备相对于所述眼睛的对准状态的信号信息的光电位置检测装置。
2.依照权利要求1的对准系统，进一步包括连接到所述光电位置检测装置的显示器，用于基于所述信号信息指导所述操作者实现所述眼科设备相对于所述眼睛的对准。
3.依照权利要求1的对准系统，其中所述光轴与所述测量轴重合。
4.依照权利要求1的对准系统，其中所述眼科设备为非接触眼压计，其包括流体排放管，该排放管具有与所述测量轴轴向对准的流体通道，用于沿所述测量轴将流体脉冲导向所述眼睛，并且所述固定目标图像通过所述流体排放管的所述流体通道而被投影。
5.依照权利要求4的对准系统，其中所述固定目标图像被亮背景围绕以便于照射所述眼睛以有助于所述操作者直接观察所述眼睛。
6.依照权利要求2的对准系统，进一步包括沿所述光轴将所述显示器的图像投影给所述操作者的装置，由此所述显示器的所述图像与所述眼睛的实像叠加。
7.依照权利要求6的对准系统，其中所述显示器包括发光二极管极性阵列，用于提供X-Y对准指导，并且当所述显示器的所述图像与所述眼睛的所述实像叠加时，所述极性阵列围绕所述眼睛的所述实像。
8.依照权利要求6的对准系统，其中用于投影所述可视固定目标图像的所述装置包括安排于所述光轴上的第一分束器，而用于投影所述显示器的图像的所述装置包括安排于所述光轴上的第二分束器。
9.依照权利要求8的对准系统，其中由所述第一分束器导致的光束位移通过由所述第二分束器导致的相反光束位移来补偿，用于沿所述光轴传输的光。
10.依照权利要求1的对准系统，其中所述光电位置检测装置包括用于沿第一照射轴线用第一光束来照射所述眼睛的第一光源，用于沿不同于所述第一照射轴线的第二照射轴线用第二光束来照射所述眼睛的第二光源，限定第一光检测区域以便于接收所述第一光源图像的第一四单元检测器，以及限定第二光检测区域以便于接收所述第二光源图像的第二四单元检测器。
11.在使得操作者能够测量病人眼睛参数的眼科设备中，所述眼科设备具有用于垂直于所述眼睛的角膜顶点的对准的测量轴和用于沿所述测量轴投影可视固定目标图像以便于由所述病人观察的装置，所述改进包括一种光轴，所述操作者沿其直接观察所述眼睛。
12.依照权利要求11的改进，其中所述光轴与所述测量轴一致。
13.依照权利要求11的改进，其中所述眼科设备为包括流体排放管的非接触眼压计，该排放管具有与所述测量轴轴向对准的流体通道，以便于沿所述测量轴将流体脉冲导向所述眼睛，并且所述固定目标图像通过所述流体排放管的所述流体通道而被投影。
14.依照权利要求13的改进，其中所述固定目标图像被亮背景围绕，以便于照射所述眼睛以帮助所述操作者直接观察所述眼睛。
全文摘要
一种用于眼科设备的对准系统，包括沿其操作者可直接观察病人眼睛而病人可注视被亮背景围绕的暗固定目标的光轴，所述亮背景帮助照射眼睛以便于操作者观察。基于来自一对横向检测器的本地x－y位置信息，利用在设备校准期间通过多重回归而确定的所存储几何关系的位置检测系统计算设备相对于病人眼睛的X－Y－Z对准状态，所述检测器接收来自相应的一对横向光源的角膜反射光。沿设备的光轴提供提醒显示器的图像以向操作者提供指导性标志，以便于在来自位置检测系统的信号信息的基础上移动设备以实现对准。该对准系统尤其适合于在手持眼科设备中使用。
文档编号A61B3/113GK1433735SQ0215025
公开日2003年8月6日 申请日期2002年11月6日 优先权日2001年11月6日
发明者C·珀西瓦, D·H·胡维 申请人:李克特有限公司