一种眼睛生物参数的非接触测量设备及方法与流程

本发明涉及一种眼睛生物参数的非接触测量设备及方法，尤其涉及的是一种通过弱相干光干涉技术测量眼轴参数，同时采集数字图像信号眼睛生物参数的非接触测量设备及方法。

背景技术：

目前专门测量角膜曲率的仪器（角膜曲率计），它需要人工调整，人工判断位置，然后读取仪器上面刻度盘上面的结果，虽然这种方法可以测量角膜曲率半径，但是在测量的时候，引入了人为的因素，会导致测量的误差会偏大，同时测量的时候，需要被测者长时间盯着发光物体，眼睛会有不适感。

也有非接触测量手段，光学相干层析成像（OCT，opticalCoherence Tomograph），这是一种高精度的光学探测技术，是非接触高精度成像的新型手段，其优点在于非接触，无伤害探测，可穿透到其内部观测内部情况，其探测精度非常高。但是其探测的深度非常有限，仅有几毫米，不能满足全眼轴测量需要。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种眼睛生物参数的非接触测量设备及方法，旨在解决现有技术中角膜曲率计需要人工调整，而导致测量误差偏大，舒适性低；以及光学相干析成像探测深度不足，无法满足全眼轴测量需要的问题。

本发明的技术方案如下：

一种眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述眼睛生物参数的非接触测量设备包括：

用于通过弱相干光干涉技术、测量眼轴参数的眼轴参数测量装置，以及用于采集数字图像信号的图像信号采集装置；

所述眼轴参数测量装置包括：用于产生弱相干光、以作为非接触探测光的弱相干光源；

以及用于把弱相干光源所产生弱相干光分为两路、并分别于参考臂组件及探测臂组件内进行处理；以及将由参考臂组件反射回来的光线进行光学外差调制后，输出至光电转换装置的光纤耦合器；

以及用于对来自于光纤耦合器的另一路弱相干光进行准直后，反射回光纤耦合器的参考臂组件；

以及用于对来自于光纤耦合器的另一路弱相干光进行准直后，输出至生物体眼睛的探测臂组件；

以及用于将来自于光纤耦合器的光信号转换为数字信号输出至计算机，以进行处理的信号采集组件；

所述图像信号采集装置包括：用于获取生物体眼睛的数字图像信号，并输出至计算机进行处理的高速相机；

以及用于为高速相机采集数字图像信号提供照明的照明组件。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述参考臂组件包括：

用于将来自于光纤耦合器的一路弱相干光进行准直的第一准直器；

以及用于将经第一准直器准直后的弱相干光，进行旋转光程扫描后输入至第一反射镜的旋转式光程扫描部件；

以及用于将来自于旋转式光程扫描部件的光线反射的第一反射镜。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述旋转式光程扫描部件包括：

旋转本体，以及连接于所述旋转本体、与所述旋转本体同步旋转的四个直角反射三棱镜；四个所述直角反射三棱镜的直角边上皆镀有高反射介质膜，斜边上镀有增透膜。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，四个所述直角反射三棱镜装配后形成一横截面呈正方形的整体。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述探测臂组件包括：

用于将来自于光纤耦合器的另一路弱相干光进行准直的第二准直器；

以及用于将经第二准直器准直后的光线进行会聚、平穿或发散处理的液体光学透镜。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述信号采集组件包括：

用于将将来自于光纤耦合器的光信号转换为电信号的光电转换部件；

以及用于将经光电转换部件转换后的电信号，转换为计算机可处理的数字信号的数模转换器。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述弱相干光源及光纤耦合器之间设置有一第一偏振控制器。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述光纤耦合器及第一准直器之间设置有一第二偏振控制器。

优选方案中，所述的眼睛生物参数的非接触测量设备，其中，所述光纤耦合器及第二准直器之间设置有一第三偏振控制器。

一种通过如上中任意一项所述眼睛生物参数的非接触测量设备实现的眼睛生物参数的非接触测量方法，其中，所述眼睛生物参数的非接触测量方法包括：

弱相干光源产生并发射弱相干光，以作为非接触探测光；

光纤耦合器把弱相干光源所产生弱相干光分为两路、并分别于参考臂组件及探测臂组件内进行处理；

参考臂组件对来自于光纤耦合器的一路弱相干光进行准直后，反射回光纤耦合器，同时探测臂组件对来自于光纤耦合器的一路弱相干光进行准直后，输出至生物体眼睛；

光纤耦合器将由参考臂组件反射回来的光线进行光学外差调制后，输出至光电转换装置；

信号采集组件将来自于光纤耦合器的光信号转换为数字信号输出至计算机，以进行处理；

照明组件为高速相机采集数字图像信号提供照明，高速相机获取生物体眼睛的数字图像信号，并输出至计算机进行处理。

与现有技术相比，本发明所提供的眼睛生物参数的非接触测量设备，由于采用了用于通过弱相干光干涉技术、测量眼轴参数的眼轴参数测量装置，以及用于采集数字图像信号的图像信号采集装置；所述眼轴参数测量装置包括：用于产生弱相干光、以作为非接触探测光的弱相干光源；以及用于把弱相干光源所产生弱相干光分为两路、并分别于参考臂组件及探测臂组件内进行处理；以及将由参考臂组件反射回来的光线进行光学外差调制后，输出至光电转换装置的光纤耦合器；以及用于对来自于光纤耦合器的另一路弱相干光进行准直后，反射回光纤耦合器的参考臂组件；以及用于对来自于光纤耦合器的另一路弱相干光进行准直后，输出至生物体眼睛的探测臂组件；以及用于将来自于光纤耦合器的光信号转换为数字信号输出至计算机，以进行处理的信号采集组件；所述图像信号采集装置包括：用于获取生物体眼睛的数字图像信号，并输出至计算机进行处理的高速相机；以及用于为高速相机采集数字图像信号提供照明的照明组件。使得眼轴参数的测量过程无需进行人工调整，且使用弱相干光经过参考臂组件校准，测量精度高，而通过探测臂组件准直后直射生物体眼睛，利用弱相干光的性质降低被测量者不适感的同时，提高其探测深度、实现全眼轴测量。解决了现有技术中角膜曲率计需要人工调整，而导致测量误差偏大，舒适性低；以及光学相干析成像探测深度不足，无法满足全眼轴测量需要的问题。

附图说明

图1是本发明中眼睛生物参数的非接触测量设备较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明中眼睛生物参数的非接触测量设备较佳实施例的光路图。

图3是本发明中眼睛生物参数的非接触测量设备较佳实施例的旋转式光程扫描部件原理示意图。

图4是本发明中眼睛生物参数的非接触测量设备较佳实施例的液体光学透镜原理示意图。

图5是本发明中眼睛生物参数的非接触测量设备较佳实施例的照明组件成像原理示意图。

具体实施方式

本发明提供一种眼睛生物参数的非接触测量设备及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

治疗白内障目前最成熟也最常用的方法为白内障超声乳化技术，即将病变的白内障组织通过超声乳化后重新植入人工晶体。而为了提高手术成功率及手术效果，在手术之前需要对生物体眼轴参数进行高精度测量。

目前国内主要的测量技术是采用A超测量，也就是通过超声回波测量视轴参数，这种方法需要将人眼局部麻醉，用A超探测压在角膜表面进行测量，由于超声的精度和操作者的熟练程度，会导致测量至少有0.15mm以上的误差，这是高精度白内障手术的最大障碍。

白内障手术不仅需要眼轴测量结果，也要求角膜屈光度，也就是角膜曲率半径。而由于现有技术眼轴参数尤其是角膜曲率半径测量的缺陷，使得手术成功率尚存在缺陷。为了解决现有技术的不足，本发明提供技术方案如下：

如图1及图2所示，本发明提供了一种眼睛生物参数的非接触测量设备，其包括：用于通过弱相干光干涉技术、测量眼轴参数的眼轴参数测量装置，以及用于采集数字图像信号的图像信号采集装置；

所述眼轴参数测量装置包括：用于产生弱相干光、以作为非接触探测光的弱相干光源1；以及用于把弱相干光源1所产生弱相干光分为两路、并分别于参考臂组件及探测臂组件内进行处理；以及将由参考臂组件反射回来的光线进行光学外差调制后，输出至光电转换装置17的光纤耦合器3；以及用于对来自于光纤耦合器3的另一路弱相干光进行准直后，反射至光纤耦合器3的参考臂组件；以及用于对来自于光纤耦合器3的另一路弱相干光进行准直后，输出至生物体眼睛15的探测臂组件；以及用于将来自于光纤耦合器3的光信号转换为数字信号输出至计算机19，以进行处理的信号采集组件；

所述图像信号采集装置包括：用于获取生物体眼睛15的数字图像信号，并输出至计算机19进行处理的高速相机12；

以及用于为高速相机12采集数字图像信号提供照明的照明组件13。

频率相同，且振动方向相同的光可称为相干光(即相干光必是线偏振光)，两束满足相干条件的光也可称为相干光；弱相干光就是相干性非常弱的光。

光纤耦合器3通过其四个连接端35分别连接弱相干光源1、光电探测器（未图示）、参考臂组件及探测臂组件；四个连接端35包括两个输入端、两个输出端，两个输入端分别连接弱相干光源1及光电探测器，两个输出端则分别连接参考臂组件及探测臂组件。探测臂组件对来自于光纤耦合器3的一路弱相干光即第二路弱相干光（为了区分于参考臂组件内的一路弱相干光，探测臂组件内的弱相干光可称为第二路弱相干光，而参考臂组件内的一路弱相干光则可称为第一路弱相干光），进行准直后输出至生物体眼睛15。

本发明较佳实施例中，所述眼睛生物参数的非接触测量设备还包括：计算机19，所述计算机19用于处理数字信号及数字图像信号，在捕捉被测眼轴时，当在计算机19可以看到眼轴信号时，则可以认定捕捉眼轴成功。

本发明所述眼轴参数测量装置为迈克尔干涉仪系统，其主要由弱相干光源1、位于弱相干光源1靠近被测量者一侧的第一偏振控制器2、位于第一偏振控制器2靠近被测量者一侧的光纤耦合器3、位于光纤耦合器3靠近被测量者一侧的参考臂组件及探测臂组件，所述参考臂组件及探测臂组件也可称为参考臂光路及探测臂光路，以及信号采集组件，与信号采集组件进行数据交换的计算机19信号处理单元。

简单介绍各组成部分如下：所述参考臂组件包括第一准直器5、旋转式光程扫描部件7和第一反射镜9。

所述探测臂组件包括第二准直器11和液体光学透镜13，如图4所示，所述液体光学透镜13是光学透镜和液体透镜组合，液体透镜可实现从凹面到凸面转变，凹面时呈现为凹透镜作用，把入射光束发散；平面时，呈现为平面玻璃；凸面时呈现为凸透镜，把光束会聚。液体透镜在通以0V-70V电压，可实现焦距从-80mm至无穷，无穷至8mm连续变化。

所述信号采集组件包括光电转换装置17和AD转换装置18即数模转换装置。

眼轴参数测量装置的工作原理如下：弱相干光源1在通电后，发出用于探测的弱相干光光束；光束入射经过第一偏振控制器2传输到光纤耦合器3，光纤耦合器3把弱相干光分为两路，分别进入参考臂光路和探测臂光路。

从参考臂光路输出的弱相干光经过第二偏振控制器4由第一准直器5准直后输出，输出的光束经过旋转式光程扫描部件7后出射，出射光束垂直入射到第一反射镜9表面，然后经第一反射镜9反射沿途返回。

而从探测臂光路输出的弱相干光束经过第三偏振控制器10由第二准直器11准直后输出，输出的光束经过液体光学透镜13后，聚焦在被测量者眼睛的角膜、晶状体和视网膜上，而后聚焦的光线经被测量者眼睛的反射，将极少一部分的光线反射回光纤耦合器3，其光路与来时反向。

从参考臂光路和探测臂光路反射回来光线，在光纤耦合器3内部发生光学外差调制，产生干涉信号，该干涉信号可以经光纤耦合器3的光纤跳线端输出，输出的光信号经过光电转换装置17转换成电信号，电信号经过AD转换装置18转换编码成PC处理单元可以获取的数字信号；最后在PC处理单元上把所获取的数字信号经过处理后显示在屏幕上。

而本发明中图像信号采集装置包括高速相机12、第二反射镜22、二色镜20及照明组件13，其中照明组件13为若干个环绕成内外两圈的LED组成，用于提供可靠的照明光亮度，同时也作为一套几何成像装置的目标靶，照明组件13在眼睛角膜上成像，有几何成像的特性，会成一个照明组件13的虚像，照明组件13虚像可以由高速相机12捕获。照明组件13所采用光源优选为940nm辐射照明光源，该光源可以将瞳孔与角膜明显的区分开来，利用其特性及现有的图像处理技术，可以很容易获取瞳孔参数及角膜参数，如瞳孔直径及角膜直径。

图像信号采集装置的工作原理如下：眼睛呈像经二色镜20、反射镜至高速相机12后，高速相机12将图像信息转换为数字信号后传输至计算机19，通过计算机19对图像数字信号进行处理并计算结果后显示于屏幕上即可查看眼睛图像。

对眼轴参数测量装置及图像信号采集装置的设置进行详细介绍如下：

具体实施时，所述参考臂组件包括：用于将来自于光纤耦合器3的一路弱相干光进行准直的第一准直器5；以及用于将经第一准直器5准直后的弱相干光，进行旋转光程扫描后输入至第一反射镜9的旋转式光程扫描部件7；以及用于将来自于旋转式光程扫描部件7的光线反射的第一反射镜9。

准直器属于光纤通信光器件中、用于输入输出的一个光学元件，其设置目的是将光纤传出的发散光通过前置的类似凸透镜变成平行光(高斯光束)。

所述旋转式光程扫描部件7包括：旋转本体，以及连接于所述旋转本体、与所述旋转本体同步旋转的四个直角反射三棱镜（分别为24、25、26及27），如图3所示；四个所述直角反射三棱镜的直角边上皆镀有高反射介质膜，斜边上镀有增透膜。

四个所述直角反射三棱镜装配后形成一横截面呈正方形的整体。

所述旋转式光程扫描部件7的工作原理为：通过伺服电机带动旋转本体及四个直角反射三棱镜进行旋转的同时，实现光程扫描。旋转原理为现有技术，不再进行赘述。而光程扫描方式为：光束从其中一个直角三棱镜的斜边入射，在入射面上折射后，会落在该直角三棱镜的直角边上，然后直角边上是镀有高反射介质膜，把光反射到该直角三棱镜的另一条直角边上，然后再反射回斜边上，最后出射。由光学几何可以知道，出射光束和入射光束是平行的，基于这样的光学几何特性，反射镜9则可以一直保持垂直反射光束。

在不停旋转的过程中，利用相互拼接的四个直角三棱镜不断循环执行上述扫描过程。

四个直角三棱镜优先选择使用不同的光电材料制作而成，由光程的计算方法可知，光电材料的折射率越大，对应光程也越大。因此4种光电材料对应的扫描深度递增，这样四个面扫描的光程都不一样，那么就可以实现四个面的光程分别扫描纵向上连续的深度，也就是可以实现四个直角三棱镜的扫描深度之和，完全可以满足眼轴长度的扫描需要。

所述探测臂组件包括：用于将来自于光纤耦合器3的另一路弱相干光进行准直的第二准直器11；以及用于将经第二准直器11准直后的光线进行会聚、平穿或发散处理的液体光学透镜13。

所述信号采集组件包括：用于将将来自于光纤耦合器3的光信号转换为电信号的光电转换部件；以及用于将经光电转换部件转换后的电信号，转换为计算机19可处理的数字信号的数模转换器。

本发明进一步地较佳实施例中，所述弱相干光源1及光纤耦合器3之间设置有一第一偏振控制器2。而所述光纤耦合器3及第一准直器5之间设置有一第二偏振控制器4。而所述光纤耦合器3及第二准直器11之间设置有一第三偏振控制器10。

图2为本发明较佳实施例的光路图，首先由弱相干光源1发出弱相干光，经第一偏振控制器2调整光线位置传输至光线耦合器，光纤耦合器3所输出光线第一路弱相干光及第二路弱相干光、分别经第二偏振控制器4及第三偏振控制器10传输至第一准直器5及第二准直器11，其中，第一准直器5将第一路弱相干光准直后变换为第一准直光束6，并发送至旋转式光程扫描部件7，经旋转式光程扫描部件7反射光线至第一反射镜9，然后按原路返回至光线耦合器，以作为参考光线校准探测臂组件内的光线准确度；而第二准直器11将第二路弱相干光准直后变换为第二准直光束12，并发送至液体光学透镜13，所述液体光学透镜13根据情况将第二准直光束12进行会聚、发散或平穿后、转换为激光光束14，并输出所述激光光束14经二色镜20、照明组件13中间的通孔，照射至生物体眼睛15。如图5所示，此时，照明组件13所提供照明光线在眼角膜32上成像，形成一虚影33，虚影33由高速相机12捕获，然后由计算机19呈现出来，计算机19根据虚影33呈像位置及相机成像原理，可计算出虚影33的实际大小，而因为虚影33是经过生物体眼睛15成像，因此，利用几何成像关系即可推算出眼镜角膜的曲率半径，即角膜曲率参数。由生物体眼睛15及第一反射镜9分别返回光纤耦合器的光线的处理方法已在前文叙述过，在此不再赘述。

本发明的优点和效果是：

1、本发明是非接触光学弱相干测量技术，不需要对眼睛麻醉，更加不需要压着眼睛，整个测量过程不会对眼睛造成伤害。

2、本发明采用了独特光程扫描方法，可以自由设计光程扫描，提供符合眼轴长度的光程扫描，且该光程扫描方法很稳定，不存在回归误差、机械衔接误差等。

3、本发明基于弱相干光探测技术，可以精确定位眼睛的位置，在测量眼睛非眼轴参数时候，起到关键作用，这方法比通过相机成像的数字图像能量梯度来定位眼睛要准确得多，且速度快很多。

4、本发明采用了眼睛照明使用多点照明，巧妙的设计了照明与目标靶，使设备更加简单，成本更低。

5、本发明方法，非接触快速测量眼睛生物参数，可以获得多种眼睛生物参数，包括眼睛参数（角膜厚度、前房深度、晶状体厚度、眼轴长度等）和非眼轴参数（瞳孔直径、角膜直径、角膜曲率等），给白内障手术提供更加全面的信息技术支持。

本发明还提供了一种通过如上技术方案中任意一项所述眼睛生物参数的非接触测量设备实现的眼睛生物参数的非接触测量方法，其包括：

弱相干光源产生并发射弱相干光，以作为非接触探测光，具体如上述装置实施例所述；

光纤耦合器把弱相干光源所产生弱相干光分为两路、并分别于参考臂组件及探测臂组件内进行处理，具体如上述装置实施例所述；

参考臂组件对来自于光纤耦合器的一路弱相干光进行准直后，反射回光纤耦合器，同时探测臂组件对来自于光纤耦合器的一路弱相干光进行准直后，输出至生物体眼睛，具体如上述装置实施例所述；

光纤耦合器将由参考臂组件反射回来的光线进行光学外差调制后，输出至光电转换装置，具体如上述装置实施例所述；

信号采集组件将来自于光纤耦合器的光信号转换为数字信号输出至计算机，以进行处理，具体如上述装置实施例所述；

照明组件为高速相机采集数字图像信号提供照明，高速相机获取生物体眼睛的数字图像信号，并输出至计算机进行处理，具体如上述装置实施例所述。

其具体测量方法为：

（1）启动系统：开启系统电源，点亮弱相干光源，开启参考臂光程扫描装置，开启信号采集组件的光电转换和AD转换装置，开启PC处理单元，让系统进入准备测量状态；

（2）捕捉被测物：移动该装置，对准眼睛，使探测臂输出的光从眼睛中间通过，最后落在视网膜上，当在PC处理单元上可以看到眼轴信号，则说明已经捕捉被测物成功；

（3）获取眼睛生物参数：捕捉被测物成功后，按下装置上的采集计算按钮，装置把光电转换的信号和高清数字图像信号保存到PC处理单元，经过PC处理单元计算处理，呈现出测量的结果在屏幕上；

（4）数次采样：安装步骤（2）和步骤（3）连续操作多次，从PC处理单元计算得到的眼睛参数结果作均值计算，以获取更加准确更加稳定的测量结果。

其他可能情况：对于测量过程中，由于眼睛不自觉的移动，可能影响到测量结果，如果多次测量发现测量的结果偏差较大，这是眼睛不自觉移动产生的，那么重新测量，以获取真实的眼睛参数结果。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。