专利名称：角膜地形图仪的制作方法
技术领域：
角膜地形图学通常是ー种用于测量角膜前表面形状的诊断技木。此类测量对于屈光手术中确定人眼的屈光光学特性以及人工晶状体(IOL)的设计而言较为重要。装配隐形眼镜也需要提供角膜形状的角膜地形图。本文件中说明了ー种新型的角膜地形图仪的概念。本文件所述的角膜地形图仪优选地是一种无移动部件的紧凑型设备，其包括标准成像光学器件与至少ー个手性光掩模、光传感器、数字处理装置和，可选地，显示装置的组合。该角膜地形图仪通过分析来自角膜表面的普肯野(Purkinje)反射(该反射因规则或不规则的光图案投射在眼睛上而产生)的空间谱来提供角膜表面的散焦图和深度图。该地形图仪和处理方法是新颖的。
背景技术：
目前的角膜地形图仪通常将ー组同心环投射在前部角膜上，然后分析反射(即，普拉西多(Placido)盘)来获得相对于參考图像的形状变化。可以根据反射图像的几何畸变来重新计算角膜形状的不规则性。其他角膜地形图仪使用波前感测(例如，夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)方法)来获得角膜表面特征。本发明是基于通过分析反射光的空间谱来测量与角膜子区的绝对距离。术语解释手性光掩模一种产生对透射光束或反射光束相位的手性或螺旋形调节的光学元件。散焦图一种描绘在本发明背景下相对于角膜表面上选定子区的位置的散焦变化图。散焦图可以是地形图仪的最终输出，或者可替代地是构造深度图的中间物。深度图ー种提供对于角膜的选定子区的绝对深度或距离的图。对焦像平面光学上与无聚焦误差的物平面共轭的平面。图案光由光源投射在角膜上的具有多个对比特征的光，例如规则的点格或线格或由漫射器散射的激光束产生的不规则的斑纹图案。线形图案由具有半孔径棱形光学组件的手性光掩模产生的谱域中的周期图案。该图案可以用光学传递函数(OTF)的模数来表示，并且可根据该光掩模的振幅和相位函数来计算。物平面/像平面物体(在本发明的背景下是被图案光照射的角膜表面)被定位在物平面中，并且相应的图像被定位在像平面中。术语“物体”和“图像”分别指物平面和像平面中的光分布。角膜图像由角膜平面反射、由成像光学器件透射并由手性光掩模调节的光产生的光传感器上(即，像平面中)的图像。频谱响应/频谱分解频谱响应一般是通过傅里叶变换或另ー种适当的变换，或更一般地，通过频谱分解为一整组函数而获得的。在实践中，频谱响应是以使用光掩模振幅和相位函数来计算的非相干OTF来表示。
发明内容
—般性描述
本发明描述了ー种角膜地形图仪装置和用于角膜形状测量的方法。该地形图仪提供(I)角膜图像的散焦度，即，相对于对焦平面而言在先前未知与角膜距离的情况下被图案光照射在光传感器上的角膜表面的图像；(2)从角膜到明确定义的平面(优选地为成像光学器件的第一主平面)的距离；(3)角膜图像上的多个子区相对于对焦平面的散焦度，这些子区与被图案光照射的角膜平面上的子区相对应。(4)从角膜的多个子区到角膜地形图仪的距离；(5)将角膜表面表示为采样的三维表面的深度图的构造，对该表面的空间采样由照射角膜的图案光的结构来限定。
具体实施例方式地形图仪的描述在优选实施例中，角膜地形图仪由用于将图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学器件、手性光掩模和将光转化成数字电子信号的光传感器组成。手性光掩模调节透射光或反射光，使得由物平面与光学上共轭于光传感器平面的平面之间的失配造成的聚焦误差引起已配准图像的空间谱的位移。通过将图像频谱与例如由 无散焦系统的OTF模数表示的參考频谱相比较来估计位移度，进而可将聚焦误差转化为与角膜表面的绝对距离,该信息可以是角膜地形图的基础。通过将角膜表面分割成多个子区并单独分析这些子区可获得多个散焦值或距离值。散焦值表示对于角膜选定子区的散焦度或距离。照射角膜的图案光的强度分布自然地限定了待处理的角膜图像上的子区的间隔、几何结构和数量。例如，每个子区可以是包含光点格被投射在角膜上时的ー个单一光点的小矩形区。角膜地形图仪的数据处理包括若干种方式(I)将光传感器上的光图像转换成数字电子信号并对其进行基本标准数字处理，(2)对角膜图像的子区进行频谱分解，(3)相对于參考图像对角膜图像子区的空间谱的位移度进行估计，所述位移度被转换成相应的散焦度，(4)合成散焦图(构造深度图的中间物)，以及(5)将角膜图像多个子区的散焦度转换成深度图。应注意的是，成像光学器件可以具有包括至少ー个屈光或反光光学器件的任何设计，它与光掩模相结合提供接近衍射极限的性能。成像光学器件通常可以被设计为，使得它包括所述至少ー个手性光掩模作为集成元件。可替代地，手性光掩模可以与光传感器相整合或者被实现为独立的光学元件。在该优选实施例中，ー个独立的单ー棱形屈光手性光掩模被定位在出射光瞳中。该光掩模覆盖一部分孔径，并且ー个扁平的屈光元件覆盖剩余部分。因此，该光掩模包括至少ー个手性光学元件，该元件包括至少ー个覆盖仅一部分光掩模孔径的棱形表面。所述棱形表面的配置可以被进一步调节以优化光掩模的光功能。光掩模调节光束，使得图像的空间谱随着散焦的变化而改变位置。这种位置的变化(位移)可以是图像空间谱的转动、移动或按比例缩放或所述各位移的组合。所述位移的程度对散焦度的依赖性应该是例如根据光掩模的理论分析或根据エ厂校准而推理得知的。因此，可以根据位移度来估计散焦度。数字处理装置包括基本成像装置，例如用于通过光传感器将图像转换成数字电子信号以及对图像进行其他标准的电子处理，以及(如果需要的话)最终显示方式，一次处理装置，第一用于例如通过傅里叶变换对角膜图像的子区执行频谱分解，第二用于提供相对于參考频谱的角膜图像子区的空间谱的位移度，二次处理装置，第一用于将所述位移度转换成角膜的相应子区的相应散焦度，以及第二用于构成散焦图。散焦图由来自光传感器上角膜图像的多个选定部分(即，子区)的散焦数据构成。这种散焦图可以是最終的输出，或者是通过三次图像处理装置来构造深度图的中间步骤，该处理装置首先将角膜表面子区的散焦度转换成相对于例如成像光学器件的第一主表面的距离(绝对距离)，然后构成包含角膜子区之间的相对距离的深度图。散焦和深度的信息可以用于构成角膜地形图，该地形图根据要求可以为各种形式。应注意的是，角膜地形图仪可以提供各种类型的角膜地形图。所述散焦图和深度图是由上述角膜地形图仪提供的基本角膜地形图。然而，该地形图仪还可以被扩展和适配为提供例如具有相差系数优选地作为泽尼克(Zernike)系数的波前图形式的角膜地形图。而且，通过必要的适配，还可以提供角膜表面的多谱波前图，该图将角膜屈光与波长相比较。在该情况下，几个波前图(每个波前图是以不同波长获得的)被组合成多谱波前图。因此，本文件中使用的术语“角膜地形图”覆盖如上所述的各种地形图。 该地形图仪还可以包括其他単元，例如用于将深度图呈现在计算机显示器上；以及其他装置，用于例如将数据直接传输到屈光手术设备或者传输到例如隐形眼镜制造设备上。投射在角膜上的图案光必须包含使该装置和方法工作的多个高对比度光特性。例如，间隔相等的光点格可以被投射在角膜的至少ー个表面上。在该优选实施例中，激光光源与漫射器或图案掩模以及辅助光学器件相结合在角膜表面上提供了随机的光斑纹图案或规则的光图案。图案光中的高对比度特征引起角膜图像中的高对比度特征，这些特征可以用本文件所述的处理装置和方法进行处理。将角膜图像分割成多个子区应该为角膜图像的每个子区提供至少ー个高对比度特征。清楚的是，激光器的光必须具有例如远红外或红外域中的波长，并且具有不致于损伤眼睛特别是眼睛视网膜的強度。地形图仪被适配为，第一提供角膜表面的散焦图，第二提供角膜平面的深度图；第三提供角膜地形图。应注意的是，不排除人眼的其他表面，例如晶状体的表面或者甚至视网膜表面的图的构造。应清楚的是，光源、图案光的结构和频谱以及成像光学器件必须被适配为提供相关表面的适当图像。而且，数字处理步骤必须根据地形图仪的配置被适配为，随着眼睛的深度增大而保持测量的精确性。用于角膜地形图测量的方法包括将图案光投射在角膜的至少ー个表面上，收集由角膜表面反射的光并通过成像光学器件将反射的光投射到光传感器上，通过至少一个光掩模来调节光，使得聚光误差引起角膜图像的空间谱相对于參考频谱的位移，基本处理，以将光传感器上的图像转换成数字电子信号，进行其他标准数字图像处理，以及(如果需要的话)进行图像显示，一次处理，以通过频谱分解将已配准的图像分解为空间谱，并提供相对于參考图像的角膜图像子区的空间谱的位移度，二次处理，适于将所述位移度转换成角膜相应子区的多个相应散焦度并且构成散焦图，以及三次处理，适于将角膜表面的子区的多个散焦度转换成绝对距离并构成包含角膜的子区之间的相对距离的深度图。在实践中，一次处理步骤可以例如通过傅里叶或小波，将已配准的图像的子区分解，然后估计图像子区的频谱与先前已知的參考频谱(例如，OTF的模数)之间的相关程度来执行。在二次处理步骤中，可以通过使用先前已知的例如OTF的模数对散焦的的依赖性将相关程度重新计算为相应的散焦度。三次处理步骤所执行的将散焦度转换成与角膜子区的绝对距离是例如 Nayar 等人(Proc. of Fifth Intl. Conf. on Computer Vision,995-1001，Cambridge, MA, USA, 1995)所述的直接计算。数学背景和光掩模设计所述用于角膜地形图测量的方法需要至少ー个光掩模，该光掩模被定位在ー个成像系统的内部或外部，优选地定位在出射光瞳的平面中，以调节入射光的相位和振幅。以下分析被直接应用于与角膜的单一子区相对应的单一子图像中。多个子图像的一般化是直接的。在笛卡尔坐标中,其中Z轴沿着成像系统的光轴定向，并且X轴和Y轴垂直于该光轴且位于出射光瞳的平面中，光掩模的复透射可以表示为
权利要求
1.ー种角膜地形图仪，包括至少ー个光源，用于将图案光投射在至少ー个角膜表面上；成像光学器件，用于收集由角膜表面反射的光并将该光投射到光传感器上；至少ー个光掩模，用于调节光使得相对于对焦平面的所述光传感器上的角膜图像的散焦度引起图像空间谱相对于參考频谱的位移；基本处理装置，用于将所述光传感器上的图像转换成数字电子信号、执行其他标准的数字图像处理、以及图像显示，如果需要的话；一次处理装置，适于执行所述角膜图像的子区的频谱分解，并测量所述角膜图像的子区的空间谱相对于參考频谱的位移度；二次处理装置和三次处理装置，其特征在于所述二次处理装置适于将所述位移度转换成所述角膜的多个相应子区的相应散焦度，所述三次处理装置适于将所述多个散焦度转换成相对于成像光学器件的绝对距离。
2.根据权利要求I所述的角膜地形图仪，其特征在于，所述地形图仪适于将所述角膜的多个相应的子区的散焦度组合成所述角膜的散焦图。
3.根据权利要求I所述的角膜地形图仪，其特征在于，所述地形图仪适于将所述角膜的多个相应子区之间的相对距离组合成所述角膜的深度图。
4.根据权利要求2-3所述的角膜地形图仪，其特征在于，所述地形图仪适于将关于散焦和深度的信息进行组合以提供角膜地形图。
5.根据权利要求I所述的角膜地形图仪，其特征在于，所述光源是激光器，所述激光器适于使得图案光被投射在至少ー个角膜表面上。
6.一种用于角膜地形图的方法，包括将图案光投射在角膜的至少ー个表面上；收集由所述角膜表面反射的光并通过成像光学器件将反射的光投射到光传感器上；通过至少ー个光掩模来调节光，使得聚光误差引起角膜图像的空间谱相对于參考频谱的位移；基本处理，以将光传感器上的图像转换成数字电子信号、执行其他标准数字图像处理以及图像显示；一次处理，以通过频谱分解将已配准的图像分解为空间谱，并提供相对于參考图像的角膜图像子区的空间谱的位移度；二次处理和三次处理，其特征在于所述二次处理适于将所述位移度转换成角膜相应子区的多个相应散焦度并且构成散焦图；并且所述三次处理适于将角膜表面的子区的所述多个散焦度转换成绝对距离并构成包含所述角膜的子区之间相对距离的深度图。
全文摘要
本发明说明了一种角膜地形图仪，该角膜地形图仪包括光源，用于将图案光投射在角膜上；成像光学器件，用于从角膜收集反射并将其投射在光传感器上；光掩模，用于调节光束使得角膜图像的聚焦误差引起其空间谱相对于参考频谱的位移。通过测量和处理角膜的相应不同子区的频谱位移来构造散焦图、深度图和角膜地形图。该角膜地形图仪为紧凑型且价格较低。该角膜地形图测量可用于屈光眼睛手术和隐形眼镜装配。
文档编号A61B3/107GK102869299SQ201180022118
公开日2013年1月9日 申请日期2011年5月2日 优先权日2010年5月4日
发明者A·N·西蒙诺夫, M·C·罗姆巴赫 申请人:爱克透镜国际公司