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技術 広いレンジの焦点位置に亘るデータを用いた自動オプトメータ評価方法

出願人 ライカマイクロシステムズインク.
発明者 デイビッドエー.ルースマシューサバーンズ
出願日 2000年1月20日 (21年0ヶ月経過) 出願番号 2000-011187
公開日 2000年8月29日 (20年5ヶ月経過) 公開番号 2000-232960
状態 特許登録済
技術分野 眼の診断装置
主要キーワード シリンダ要素 誘導関数 はめ込みの 測定データポイント 感光性ピクセル 可動キャリア 球面モータ 関数的関係
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

屈折光学系屈折特性測定を高精度で行えるようにする。

解決手段

各測定データポイントは特定のオプトメータ10の位置における照明された屈折光学系からの光を受ける面状検出器アレイ上の複数のピクセルを1回スキャンすることによって抽出されたピーク信号振幅を示す。誘導関数はピクセルのピーク信号と共焦配置における屈折光学系の像平面における、合焦状態に対応する検出器アレイにおける光の変化する合焦状態に基づくオプトメータ位置との関係を定める。広く、かつ高精度の範囲にわたる高速および低速球面オプトメータスイープの間、第1の誘導関数が適用される。この第1の誘導関数は眼の球面の度およびシリンダの度の大きさを示すよう、第1および第2非点収差焦点において、一対の極(ピーク)を含む。照明光に導入された非ゼロシリンダ成分の軸線を変える、シリンダスイープの間、第2の誘導関数が適用される。

概要

背景

眼の屈折特性を対物的に測定するための自動屈折計およびレンズの屈折特性を測定するための自動レンズ計は、測定すべき特定の屈折光学系ビーム光照射し、屈折によるビームへの影響を検出することにより作動することが知られている。対物レンズオプトメータとも称される対物レンズ屈折計の場合、眼球への照明光路画定する光源および複数の光学要素と、眼球から検出器への検出光路を画定する複数の整合した光学的要素とを設け、網膜に形成される光源の像のすべてまたは一部を、検出器へのレトロ再帰反射によって検出することが知られている。眼球による網膜に対する異なる位置で光源を合焦させるよう、ある範囲の位置にわたってオプトメータのうちの光学的要素の所定要素を移動させ、よって網膜で最良の合焦状態が生じるオプトメータ位置を発見できるように、照明ビーム輻輳(ないし収束性vergence)を変える。当業者であれば理解できるように、これら光学的要素はバダール(Badal)系を構成する。照明ビームの輻輳(収束)の度合ジオプトリジオプター)という用語で表現される。このように、球面屈折誤差量が測定される。照明光路および検出光路を中心として、逆の度を有する円柱レンズの対を回転することにより、シリンドリカル屈折誤差量およびその回転角方向の配向または軸線を決定するために、同様な「最良合焦」方法が続けて行われる。

これまで自動対物レンズオプトメータ(objective optmeter)は一般に測定を反復する原理に依存してきたので、同じ眼に関し、測定装置測定サイクルを何度も繰り返すことにより、最大検出信号が受信されるオプトメータ位置を記録し、オプトメータの最良の合焦位置が得られる1つの総合値に達するよう、測定結果の統計的な評価を行っていた。

概要

屈折光学系の屈折特性測定を高精度で行えるようにする。

各測定データポイントは特定のオプトメータ10の位置における照明された屈折光学系からの光を受ける面状検出器アレイ上の複数のピクセルを1回スキャンすることによって抽出されたピーク信号振幅を示す。誘導関数はピクセルのピーク信号と共焦配置における屈折光学系の像平面における、合焦状態に対応する検出器アレイにおける光の変化する合焦状態に基づくオプトメータ位置との関係を定める。広く、かつ高精度の範囲にわたる高速および低速球面オプトメータスイープの間、第1の誘導関数が適用される。この第1の誘導関数は眼の球面の度およびシリンダの度の大きさを示すよう、第1および第2非点収差焦点において、一対の極(ピーク)を含む。照明光に導入された非ゼロシリンダ成分の軸線を変える、シリンダスイープの間、第2の誘導関数が適用される。

目的

従って、本発明の主たる課題は屈折光学系の屈折特性、例えば眼の屈折特性を測定するのに使用するためのこのような方法を使用する、改良された評価ないし測定方法および装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
0件

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請求項1

屈折光学系屈折特性を測定するための方法であって、A)光源からの光線により前記屈折光学系を照明し、前記屈折光学系の像平面における光の強度分布を変えるよう、ある範囲にわたって前記光線の輻輳を徐々に変える工程と、B)前記像平面における光の、前記変化する強度分布を示す信号情報を発生するよう、前記屈折光学系によって形成される前記光源の像を検出する工程と、C)複数のデータポイントを提供するよう、前記光線の輻輳の変化する度合いに対応する、検出された強度信号情報を抽出する工程と、D)誘導関数に前記データポイントをはめ込むことにより、前記屈折光学系の前記屈折特性を評価する工程と、E)前記屈折特性をレポートする工程とを備えた、屈折特性を測定する方法。

請求項2

感光性ピクセルアレイを有する二次元の面状検出器によって前記光源の前記像を検出し、前記強度信号情報が輻輳の各対応する度合いに対して抽出されたピクセルピーク信号を含む、請求項1記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項3

前記工程(B)が前記光源のレトロ反射された像を検出することを含む、請求項1記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項4

前記屈折光学系が人の眼の屈折光学系であり、前記像平面が前記眼の網膜によって規定されている、請求項3記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項5

感光性ピクセルのアレイを有する二次元の面状検出器によって前記光源の前記像を検出し、前記強度信号情報が輻輳の各対応する度合いに対して抽出されたピクセルピーク信号を含む、請求項4記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項6

前記屈折光学系の球面の度およびシリンダの度を測定する、請求項1記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項7

屈折光学系の屈折特性を測定するための方法であって、A)光源からの、非ゼロシリンダ成分を有する光線により、前記屈折光学系を照明する工程と、B)前記屈折光学系の像平面における光の強度分布を変えるよう、ある範囲にわたって前記シリンダ成分の回転角方向の配置を徐々に変える工程と、C)前記像平面における光の、前記変化する強度分布を示す信号情報を発生するよう、前記屈折光学系によって形成される前記光源の像を検出する工程と、D)複数のデータポイントを発生するよう、前記シリンダ成分の、変化する配向角度に対応する、検出された強度信号情報を抽出する工程と、E)誘導関数に前記データポイントをはめ込むことにより、前記屈折光学系の前記屈折特性を評価する工程と、F)前記屈折特性をレポートする工程とを備えた、屈折特性を測定する方法。

請求項8

感光性ピクセルのアレイを有する二次元の面状検出器によって前記光源の前記像を検出し、前記強度信号情報が前記シリンダ成分の各対応する配向角度に対して抽出されたピクセルピーク信号を含む、請求項7記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項9

前記工程(C)が前記光源のレトロ反射された像を検出することを含む、請求項7記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項10

前記屈折光学系が人の眼の屈折光学系であり、前記像平面が前記眼の網膜によって規定されている、請求項9記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項11

感光性ピクセルのアレイを有する二次元の面状検出器によって前記光源の前記像を検出し、前記強度信号情報が前記シリンダ成分の各対応する配向角度に対して抽出されたピクセルピーク信号を含む、請求項10記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項12

前記屈折光学系のシリンダの度およびシリンダ軸線を測定する、請求項7記載の、屈折特性を測定する方法。

請求項13

光源と、受信した光の強度を示す信号を発生するための感光性検出器と、前記光源から前記屈折光学系を光線を送るよう、前記光源から前記屈折光学系まで設けられた照明光路と、前記屈折光学系から前記検出器へ光線を送るよう、前記屈折光学系から前記検出器まで設けられた検出光路と、前記屈折光学系に入射する前記光線の輻輳を変えるよう、前記屈折光学系に対する前記光源の光学的位置を変える手段と、複数のデータポイントを発生するよう、前記光源の複数の対応する光学的位置の各々に対し、前記検出器によって発生される前記信号を抽出すると共に、前記データポイントを誘導関数にはめ込み、前記屈折特性を推定するための処理手段と、前記屈折特性をレポートするための手段とを備えた、屈折光学系の屈折特性を測定するための装置。

請求項14

前記検出器が感光性ピクセルのアレイを有する二次元の面状検出器であり、前記処理手段が前記光源の対応する各光学的位置に対するピクセルピーク信号を抽出するためのピーク検出手段を含む、請求項13記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項15

前記光源の光学的位置を変えるための前記手段が、前記光源を離散的ステップで移動するよう、前記光源に駆動自在に接続されたステップモータを含む、請求項13記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項16

前記屈折光学系からレトロ反射された光が前記検出光路に従う(導かれる)、請求項13記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項17

前記屈折光学系が人の眼の屈折光学系であり、前記像平面が前記眼の網膜によって規定されている、請求項16記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項18

前記検出器が感光性ピクセルのアレイを有する二次元の面状検出器であり、前記処理手段が前記光源の対応する各光学的位置に対するピクセルピーク信号を抽出するためのピーク検出手段を含む、請求項17記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項19

前記レポート手段が、前記屈折光学系の球面の度およびシリンダの度をレポートする、請求項13記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項20

光源と、受信した光の強度を示す信号を発生するための感光性検出器と、前記光源から前記屈折光学系を光線を送るよう、前記光源から前記屈折光学系まで設けられた照明光路と、前記屈折光学系から前記検出器へ光線を送るよう、前記屈折光学系から前記検出器まで設けられた検出光路と、前記屈折光学系に入射する前記光線に、非ゼロシリンダ成分を導入するための手段と、前記屈折光学系の像平面における光の強度分布を変えるよう、ある範囲にわたって前記シリンダ成分の回転角方向の配向を変えるための手段と、複数のデータポイントを発生するよう、前記シリンダ成分の複数の対応する回転角方向の配向に対し、前記検出器によって発生される前記信号を抽出すると共に、前記データポイントを誘導関数にはめ込み、前記屈折特性を推定するための処理手段と、前記屈折特性をレポートするための手段とを備えた、屈折光学系の屈折特性を測定するための装置。

請求項21

前記検出器が感光性ピクセルのアレイを有する二次元の面状検出器であり、前記処理手段が前記シリンダ成分の対応する各回転角方向の配向に対するピクセルピーク信号を抽出するためのピーク検出手段を含む、請求項20記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項22

シリンダ成分を導入するための前記手段が、前記照明光路上に設けられた一対の対向する円柱レンズを含む、請求項20記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項23

前記シリンダ成分の回転角方向の配向を変えるための前記手段が、前記照明光路を中心として離散的回転角方向のステップで前記円柱レンズを回転するよう、円柱レンズの前記対の各々に1つずつ接続された一対のステップモータを含む、請求項22記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項24

前記屈折光学系からレトロ反射された光が前記検出光路に導かれる、請求項20記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項25

前記屈折光学系が人の眼の屈折光学系であり、前記像平面が前記眼の網膜によって構成されている、請求項24記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項26

前記検出器が感光性ピクセルのアレイを有する二次元の面状検出器であり、前記処理手段が前記シリンダ成分の対応する各回転角方向の配向に対するピクセルピーク信号を抽出するためのピーク検出手段を含む、請求項25記載の、屈折特性を測定するための装置。

請求項27

前記レポート手段が、前記屈折光学系のシリンダの度およびシリンダ軸線をレポートする、請求項20記載の、屈折特性を測定するための装置。

技術分野

0001

本発明は、一般的には眼科学の分野に関し、より詳細には、屈折光学系屈折特性を測定するための自動式オプトメータおよびレンズメータの分野に関する。

背景技術

0002

眼の屈折特性を対物的に測定するための自動屈折計およびレンズの屈折特性を測定するための自動レンズ計は、測定すべき特定の屈折光学系へビーム光照射し、屈折によるビームへの影響を検出することにより作動することが知られている。対物レンズオプトメータとも称される対物レンズ屈折計の場合、眼球への照明光路画定する光源および複数の光学要素と、眼球から検出器への検出光路を画定する複数の整合した光学的要素とを設け、網膜に形成される光源の像のすべてまたは一部を、検出器へのレトロ再帰反射によって検出することが知られている。眼球による網膜に対する異なる位置で光源を合焦させるよう、ある範囲の位置にわたってオプトメータのうちの光学的要素の所定要素を移動させ、よって網膜で最良の合焦状態が生じるオプトメータ位置を発見できるように、照明ビーム輻輳(ないし収束性vergence)を変える。当業者であれば理解できるように、これら光学的要素はバダール(Badal)系を構成する。照明ビームの輻輳(収束)の度合ジオプトリジオプター)という用語で表現される。このように、球面屈折誤差量が測定される。照明光路および検出光路を中心として、逆の度を有する円柱レンズの対を回転することにより、シリンドリカル屈折誤差量およびその回転角方向の配向または軸線を決定するために、同様な「最良合焦」方法が続けて行われる。

0003

これまで自動対物レンズオプトメータ(objective optmeter)は一般に測定を反復する原理に依存してきたので、同じ眼に関し、測定装置測定サイクルを何度も繰り返すことにより、最大検出信号が受信されるオプトメータ位置を記録し、オプトメータの最良の合焦位置が得られる1つの総合値に達するよう、測定結果の統計的な評価を行っていた。

発明が解決しようとする課題

0004

このような方法はかなり複雑であり、フルレンジのオプトメータ位置にわたって利用できる信号情報およびオプトメータ位置の予想される挙動を無視していた。更に、検出器の要素(ピクセル)の個々の感度に起因する変調ノイズ測定値に影響する要因となり続けている。

0005

従って、本発明の主たる課題は屈折光学系の屈折特性、例えば眼の屈折特性を測定するのに使用するためのこのような方法を使用する、改良された評価ないし測定方法および装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

本発明の第1の視点における屈折光学系の屈折特性を測定するための方法は、
A)光源からの光線により前記屈折光学系を照明し、前記屈折光学系の像平面における光の強度分布を変えるよう、ある範囲にわたって前記光線の輻輳を徐々に変える工程と、
B)前記像平面における光の、前記変化する強度分布を示す信号情報を発生するよう、前記屈折光学系によって形成される前記光源の像を検出する工程と、
C)複数のデータポイントを提供するよう、前記光線の輻輳の変化する度合いに対応する、検出された強度信号情報を抽出する工程と、
D)誘導関数に前記データポイントをはめ込むことにより、前記屈折光学系の前記屈折特性を評価する工程と、
E)前記屈折特性をレポートする工程とを、含むことを特徴とする。

0007

本発明の第2の視点における屈折光学系の屈折特性を測定するための方法は、
A)光源からの、非ゼロシリンダ成分を有する光線により、前記屈折光学系を照明する工程と、
B)前記屈折光学系の像平面における光の強度分布を変えるよう、ある範囲にわたって前記シリンダ成分の回転角方向の配置を徐々に変える工程と、
C)前記像平面における光の、前記変化する強度分布を示す信号情報を発生するよう、前記屈折光学系によって形成される前記光源の像を検出する工程と、
D)複数のデータポイントを発生するよう、前記シリンダ成分の、変化する配向角度に対応する、検出された強度信号情報を抽出する工程と、
E)誘導関数に前記データポイントをはめ込むことにより、前記屈折光学系の前記屈折特性を評価する工程と、
F)前記屈折特性をレポートする工程とを、含むことを特徴とする。

0008

本発明の第3の視点によれば、屈折光学系の屈折特性を測定するための装置は、光源と、受信した光の強度を示す信号を発生するための感光性検出器と、前記光源から前記屈折光学系を光線を送るよう、前記光源から前記屈折光学系まで設けられた照明光路と、前記屈折光学系から前記検出器へ光線を送るよう、前記屈折光学系から前記検出器まで設けられた検出光路と、前記屈折光学系に入射する前記光線の輻輳を変えるよう、前記屈折光学系に対する前記光源の光学的位置を変える手段と、複数のデータポイントを発生するよう、前記光源の複数の対応する光学的位置の各々に対し、前記検出器によって発生される前記信号を抽出すると共に、前記データポイントを誘導関数にはめ込み、前記屈折特性を推定するための処理手段と、前記屈折特性をレポートするための手段とを備えた、ことを特徴とする。

0009

本発明の第4の視点によれば、屈折光学系の屈折特性を測定するための装置は、光源と、受信した光の強度を示す信号を発生するための感光性検出器と、前記光源から前記屈折光学系を光線を送るよう、前記光源から前記屈折光学系まで設けられた照明光路と、前記屈折光学系から前記検出器へ光線を送るよう、前記屈折光学系から前記検出器まで設けられた検出光路と、前記屈折光学系に入射する前記光線に、非ゼロシリンダ成分を導入するための手段と、前記屈折光学系の像平面における光の強度分布を変えるよう、ある範囲にわたって前記シリンダ成分の回転角方向の配向を変えるための手段と、複数のデータポイントを発生するよう、前記シリンダ成分の複数の対応する回転角方向の配向に対し、前記検出器によって発生される前記信号を抽出すると共に、前記データポイントを誘導関数にはめ込み、前記屈折特性を推定するための処理手段と、前記屈折特性をレポートするための手段とを備えた、ことを特徴とする。

0010

本発明のさらなる展開特徴は、各従属請求項に記載したとおりであり、必要に応じ、ここに引照をもって組込むことができるものとする。

発明を実施するための最良の形態

0011

簡単に説明すれば、本発明は、測定データポイントを誘導関数にはめ込むことにより、屈折光学系の屈折特性を測定するための方法および装置に関する。自動対物レンズオプトメータに関連する好ましい実施例では、各データポイントはオプトメータの特定の位置における照明された屈折光学系からの光を受ける面状(エリア検出器アレイ上の複数のピクセルを1回スキャンすることによって抽出されたピーク信号振幅を示す。誘導された関数は、ピクセルのピーク信号と共焦配置における屈折光学系の像平面における、合焦状態に対応する検出器アレイにおける光の変化する合焦状態に基づくオプトメータ位置との関係を定める。広く、かつ高精度の範囲にわたる高速および低速球面オプトメータスイープの間、第1の誘導関数が適用される。この第1の誘導関数は眼の球面の度およびシリンダ(円柱レンズ系)の度の大きさを示すよう、第1および第2非点収差焦点において、一対の極を含む。そして、照明光に導入された非ゼロシリンダ軸線を変える、シリンダスイープの間、第2の誘導関数が適用される。この第2の誘導関数はシリンダ軸線を定める単一の極を含む。

0012

さらに本発明の展開実施形態は、各従属項に記載されており、必要に応じて、ここに参照するものとする。

0013

[実施例]次に、添付図面を参照した次の好ましい実施例の詳細な説明に、本発明の性質および作動の態様をより詳細に説明する。

0014

まず最初に、添付図面のうちの図1を参照する。図1には、本発明の好ましい実施例に従って形成された装置が番号10で総称されている。好ましい実施例のこの装置10は角膜3と、水晶体4と、ガラス体5と、網膜6とを含むように示された眼2の屈折光学系の屈折誤差を測定するための対物レンズオプトメータである。このオプトメータ10はある範囲の異なる球面及びシリンダにわたる眼の眼底からレトロ反射される光源の光および円筒合焦状態をモニタし、網膜に「最良の合焦像」が生じる球面およびシリンダの特定の合焦状態を測定するタイプのものである。本発明の好ましい実施例は、レトロ反射による眼内の屈折誤差を測定するための対物レンズオプトメータに関連して説明するが、この説明から本発明はレトロ反射を使用しないで、レンズ、特に眼科用矯正レンズの屈折特性を測定するためのレンズメータにも適用できることが容易に理解できよう。

0015

図1に略図で示された好ましい実施例のオプトメータ10は、眼2を照明するための照明光学系12と、眼からレトロ反射された光を検出するための検出光学系14を概略含む。

0016

照明光学系12は、点光源16、好ましくは近赤外線スペクトル領域内の光を放出する超輝度ダイオードSLD)を含み、このダイオードは両凸シングレットの両側に設けられた一対の両凸正ダブレットから成る主オプトメータレンズ20へ向けて光源16からの光を反射するように傾斜したビームスプリッタ18に向くように配置されている。ビームスプリッタ18の光透過方向に沿って位置する非球面レンズ26の前方で、目標ターゲットレチクル24を照明し、よって光源16からの照明光線と一致する被検体固定目標(ターゲット)を提示できるように、目標照明光源22が配置されていることが好ましい。オプトメータレンズ20を光が出て、逆のシリンダの度を有する一対の協働する円柱レンズ28a、28bおよび制限アパーチュア30を通過し、その後、反射ミラー32によって向きが変えられるようになっている。このような向きを変えられた光はビームスプリッタ34を通過し、次に眼2の方向のオプトメータのテスト軸線Aに沿って進むよう、別のビームスプリッタ36によって反射される。この照明光はリレーレンズ系38を通過するように、テスト軸線Aに沿って進む。このリレーレンズ系38は角膜3の表面において制限アパーチュア30を合焦し、下記に説明する球面オプトメータ位置に応じてミラー(ビームスプリッタ)36によって反射される常時正の輻輳(収束)光を正または負の輻輳(発散)光に変換する。この照明光は次にレンズ系38を通過し、眼2に到達する。従って、光源16から網膜6までの照明光路40が画定される。好ましい実施例のために示された照明光路40の一部は、本発明に関連しない理由からオプトメータのテスト軸線A(眼2がテスト軸線に沿って整合される)から離間するようになっている。

0017

検出光学系14は網膜6からビームスプリッタ34への逆方向において、照明光学系12と物理的に一致している。ビームスプリッタ34において制限アパーチュア44と、逆のシリンダの度を有する一対の協働する円柱レンズ46b、46aと、公称的にオプトメータレンズ20と同一のオプトメータレンズ48と、リレーレンズ50と、赤外線通過フィルタ52とによってレトロ反射光の向きが再び定められ、感光性検出器54に達する。従って、網膜6から検出器54への検出光学系光路56が画定されている。感光性検出器54は複数の感光性ピクセルを有する二次元の面状の(エリア)検出器であることが好ましく、ピクセルの各々はピクセルが受信した光エネルギーの強度を示す出力電圧信号を発生する。検出器54は眼2からレトロ反射された光が、光源が眼を照明したのと逆の同じ光学的経路構成(コンフィギュレーション)を通過するように、光源16に対して光学的に相補的な位置に位置している。従って、光源16の像が網膜6に良好に合焦されると、このような共焦配置で検出器54にレトロ反射された光が良好に合焦される。

0018

オプトメータ10は更に負のシリンダ成分可変モータ(シリンダモータ)58aと、正のシリンダ成分可変モータ58b(シリンダモータ)と、球面成分可変モータ(球面モータ)60とを含む。負のシリンダ成分可変モータ58aは照明光路60および検出光路56を中心に、負の円柱レンズ28aおよび46aをそれぞれ同期した状態でステップ状に駆動回転するよう、これら負の円柱レンズに作動的に結合されたステップモータである。同様に、正のシリンダ可成分変モータ58bも、照明光路40および検出光路56を中心にして、同期した状態でステップ状に、正のレンズ28bおよび46bをそれぞれ回転駆動するように、これら正の円柱レンズに作動的に結合されたステップモータとなっている。従って、負の円柱レンズ28aと正の円柱レンズ28bとは、0でないシリンダの輻輳(non−zero cylinder vergence)、すなわち度を生じるように、それぞれのシリンダ軸線が平行とならないように互いに回転でき、これら双方の円柱レンズ28aと28bとは、この結果生じる、0でないシリンダの度の全体のシリンダ軸線を変えるように、1つの対として共に回転できる。このように、眼2に入射する照明光にシリンダ成分を導入することができ、180度の範囲にわたってこのシリンダ成分の回転角方向の配置(軸線)を変えることができる。共焦光学系を維持するために、照明光路40を中心とする円柱レンズ28a、28bの回転と同期して、検出光路56を中心にシリンダ成分可変モータ48a、48bにより、円柱レンズ46a、46bを回転するようになっている。

0019

球面成分可変モータ60はキャリア62に作動的に結合されており、このキャリアは光源16と、ビームスプリッタ18と、目標(ターゲット)照明光源22と、目標レチクル24と、非球面レンズ26と、リレーレンズ50と、フィルタ52と、検出器54とを支持している。この球面成分可変モータ60は、照明光路40および検出光路56のそれぞれの部分に平行な光路に沿って、ある範囲の直線位置を通過するよう、キャリア62を直線状に前後に駆動する。光路40および56に対し、オプトメータレンズ20と48とが夫々整合している。光源16とビームスプリッタ18とは、リレーレンズ50、フィルタ52および検出器54がオプトメータレンズ48に対して移動するのと同じ距離だけ、主オプトメータレンズ20に対して移動するので、キャリア62のその直線状移動範囲内の位置に拘わらず、光源16と検出器54との間には相補的な光学的関係が維持される。当業者であれば理解できるように、キャリア62の移動はバダール(Badal)光学空間における、移動する光源16と等価的である。好ましい実施例では、この直線状のオプトメータ位置を「ジオプター」なる用語で表現する。

0020

概観すると眼の球面屈折誤差は上記共焦系の下で網膜6および検出器54に最良の合焦像(焦点)を発生する正常な基準位置に対する光源16および検出器54の直線状位置を探すことにより決定する。網膜6で最良の合焦像を発生するオプトメータのリニアな位置は大きさが眼の球面屈折誤差に対応しており、ジオプターで表現される。正常な基準位置はゼロジオプターにあり、好ましい実施例では−20〜+20のジオプターの最大テスト範囲が得られる。乱視では、直線運動の範囲にわたってオプトメータを調節する際に、第2の焦点と第1の焦点とを区別でき、オプトメータの線形位置の差は、眼の円筒面屈折誤差の大きさに対応する。乱視のない眼では、すなわちシリンダの度(cylinder power)のない眼では、上記2つの焦点は大きさが球面屈折誤差に対応する単一の焦点に縮退(collapse)する。負および正の円柱レンズ28a、28bを相互の対応するような回転位置に調節し、双方の円柱レンズ28a、28bを夫々180度だけ回転して入射光のシリンダ軸線を変え、最良の焦点が生じる回転角位置を探すことにより、非ゼロのシリンダの度を示す所定の輻輳点(ないし度)で光を導入することによって、眼のシリンダ軸線を決定できる。本発明によれば、球面およびシリンダの度を計算するよう、直線状にオプトメータをスイープする間発生するピークピクセルデータポイントを評価し、シリンダ軸線を計算するように回転スイープする間に発生されるピークピクセルデータを評価し、シリンダの度の第2の独立した測定を行うように、数値曲線のはめ込みないし適合(fit)を実行する。性質上、直線状または回転運動である、上記のようなスイープを使用する他に、照明光の輻輳の度合を変えることも可能であるので、以下、照明ビームの球面の輻輳の度合を変えるのに実行されるスイープをその運動が直線状であるか否かに拘わらず、以下、「球面スイープ」なる用語を使用し、非ゼロシリンダ成分ないし要素(non−zero cylinder component)の軸線を変えるスイープを意味するのに、以下、「シリンダスイープ」なる用語を使用する。

0021

図2は、対物レンズオプトメータ10の電気ブロック図である。パワー入出力回路64と、主制御回路66とはデータバス68によって接続されている。全体が破線で示されている光学的ヘッドアセンブリ70は、接続されている一対の整合カメラ74および76からのビデオ情報を処理するための整合/ビデオ制御回路72を含む。これら整合カメラ74および76は本願出願人が特許権者となっている米国特許第4,881,807号が教示するように、測定装置と眼とを整合させるために一対の整合照明光源78および80と協働する。光学的ヘッドアセンブリ70は更に光源16と、検出器(アレイ)54と、目標(ターゲット)照明光源22とを更に含む。これらはすべて整合/ビデオ制御回路72に接続されている。入出力回路64からライン84に沿って整合/ビデオ制御回路72に電力が供給されるが、整合/ビデオ制御回路72と主制御回路66との間の制御および測定データの転送はライン86に沿って行われる。光学的ヘッドアセンブリ70は、負のシリンダ可変モータ58a、正のシリンダ可変モータ58bおよび球面成分可変モータ60のみならず、円柱レンズの対28a、28bおよび46aおよび46bのうちの1つに対する基準を設定するためのシリンダ成分リミットスイッチ88およびキャリア62の直線状の移動を制限するための球面成分シリンダリミットスイッチ90も含む。負のシリンダ成分(要素)可変モータ58a、正のシリンダ成分(要素)可変モータ58b、球面成分(要素)モータ60、シリンダ成分リミットスイッチ88および球面成分リミットスイッチ90の各々は、モータ制御回路92に接続されている。ステップモータ58a、58bおよび60を駆動するための合成された直交正弦波を発生し、各モータの精密なステップ位置をそれぞれトラッキングするために、モータ制御回路92の一部として3つの電界プログラマブルゲートアレイFPGA)94、96および98が設けられている。図2から判るように、X軸線モータ100と、Y軸線モータ102と、Z軸線モータ104も、テスト軸線Aと眼2とを整合させるよう、Xリミットスイッチ106、Yリミットスイッチ108およびZリミットスイッチ110によって決まる範囲内で、モータ制御回路92によって駆動される。

0022

本発明による測定データの抽出と処理とは、主制御回路66内の中央処理ユニット(CPU)118の制御により、A/Dコンバータ112、FPGA114、デジタル信号プロセッサ(DSP)116およびプログラマブルメモリEPROM)117(MEM)によって実行される。FPGA114はA/Dコンバータ112からのデジタル化されたピクセル信号を受信し、シリアルに受信された各ピクセル信号の振幅と、そのスキャンの間に先に保持されていたピークピクセル振幅とを比較し、比較が認める場合に、新しいピークピクセル振幅を登録し、これによりリアルタイムで検出器アレイ54をスキャンするごとに、ピークピクセル信号を抽出する。各スキャンの間の、この結果生じるピークピクセル振幅は、単一のデータポイントを生じるよう、対応するオプトメータの位置と整合(一部)するように保持される。オプトメータの各スイープの間で複数のデータポイントが抽出され、DSP116はプログラマブルメモリ117に記憶されたルーチンに従って、抽出されたデータポイントの誘導関数へのシンプレックス曲線はめ込みないし適合(fit)を実行する。後に説明するように、球面オプトメータスイープからのデータの曲線へのはめ込みにより、球面およびシリンダの度を計算することが可能となり、オプトメータのシリンダスイープからのデータの曲線へのはめ込みにより、シリンダ軸線の計算だけでなく、シリンダの度の第2の独立した決定が可能となる。

0023

図2回路図には、オプトメータ10をオペレータが制御するためのキーパッド入力装置120、ディスプレイデバイス122、例えばオペレータに向くように配置された一体型液晶ディスプレイおよび測定結果のハードコピー出力を発生するためのプリンタ124も略図で示されている。次にオプトメータ10の作動およびその屈折特性の計算について説明する。テスト軸線Aが眼2に整合するようにいったん位置すると、整合システムにより自動的に、またはオペレータによってマニュアルで、オプトメータの測定サイクルが開始される。オプトメータの測定サイクルの間、下記のような所定の作動シーケンスでモータ58a、58bおよび60が駆動され、球面およびシリンダの度、およびシリンダ軸線の計算が可能となる。

0024

オプトメータの測定サイクルの最初の部分は、高速の球面スイープである。この球面スイープでは、負の円柱レンズ28aと正の円柱レンズ28bとが全体でゼロのシリンダに対して互いにキャンセルし合うようにセットされ、球面成分可変モータ60が所定の比較的広い範囲、例えば−10〜+10ジオプターまでの範囲にわたる一連の等間隔の直線状位置を通過するように、可動キャリア62を駆動する。検出器アレイ54は固定されたフレームレート、例えば50Hzでスキャンされ、A/Dコンバータ112により0〜255の範囲のデジタル化された値に変換されるピークピクセル振幅がFPGA114によって抽出される。このピークピクセル情報は対応するオプトメータの球面位置情報と共に、非同期的にDSP116へ与えられ、本明細書で説明する多次元数値曲線はめ込み(numerical curve fit)に従って処理される。好ましい高速測定サイクルでは、球面成分可変モータ60はステップごとに0.0635ジオプターの均等値だけ移動する。高速スイープでは、球面成分可変モータ60はスキャンごとに約12回のステップで移動し、範囲に沿った約0.76ジオプターごとに1つのデータポイントが発生されるよう、各検出器のスキャンの終了時にモータ中断信号が送られる。

0025

オプトメータの球面スイープ中は、レトロ反射ビームによって照明される検出器54上の面積(エリア)は、網膜6に対する異なる位置で、変化する輻輳光が眼によって合焦される際に変化する。直感的にはレトロ反射ビームによって照明される検出器65上の面積が不良な合焦状態により大きくなるにつれて、検出器により受信される光の総エネルギーは多数のピクセルの間に広がって分布するので、ピクセルのピーク振幅は低下する。これと逆に、合焦状態が良好になることにより、検出器54上の照明面積がより狭くなるにつれ、検出器が受信する総光エネルギー量はより少数のピクセルに制限されるので、ピクセルのピーク振幅は増大する。特定のオプトメータ位置におけるピクセルのピーク振幅は、検出器54上の総照明面積の逆数に比例するので、次の式により球面オプトメータ位置(z)の関数としてのピクセルのピーク振幅を極めて良好な近似式に表現できる。

0026

ID=000003HE=020 WI=080 LX=1100 LY=2300
ID=000004 HE=020 WI=080 LX=1100 LY=2500
ID=000005 HE=020 WI=082 LX=0640 LY=0300

0027

ここで、PPは0〜255の範囲のデジタル化されたピクセルのピーク振幅であり、zはジオプターで示したオプトメータの位置であり、f1はジオプターで示した第1の非点焦点の位置であり、f2はジオプターで示した第2の非点焦点の位置であり、Mは任意のスキャンの間、振幅スケーリングファクタがとる定数であり、Aは1未満の無次元の有効光源サイズパラメータであり、Oは任意のスキャンの間に系(システムオフセット値がとる比較的小さい定数である。上記の式において、f1およびf2は球面およびシリンダ(要素)の屈折誤差の大きさを示す。より詳細には、「正のシリンダ要素可変モード」(シリンダモード)では、眼はf1ジオプターの球面の度を有し、(f2−f1)ジオプターのシリンダの度を有し、「負のシリンダ要素可変モード」では、f2ジオプターの球面の度を有し、(f1−f2)ジオプターのシリンダの度を有すると称すことができる。オフセットOに対する初期値は0とすることができる。より高い振幅データポイントクラスター化し、MおよびAについて解くことにより、f1およびf2に対し大まかな値を割り当てることにより、MおよびAに対するスタート値を決定できる。次の説明から理解できるように、上記関数の結果、f1およびf2において一対の極(ピーク)が生じる。

0028

焦点f1およびf2に対する値に達するよう、プログラマブルメモリ117内に記憶されたシンプレックス数値曲線はめ込みソフトウェアルーチンを使ってDSP116により、上記誘導関数にピクセルのピーク信号データポイントをはめ込む。好ましい曲線はめ込みアルゴリズムとしては、J.A.ネルダー(Nelder)およびR.ミード(Mead)両氏により、「コンピュータジャーナル」第7巻、308〜313ページ(1965年)で発表されたダウンヒルシンプレックス法が挙げられる。このアルゴリズムおよびC言語によるソフトウェアコードの例の説明はC言語による数値レシピ:科学的計算の技術(NumericalRecipes in C:The Art of ScientificComputing)、第2版、1992年著作権ケンブリッジ大学出版、408〜412ページに記載されている。

0029

このような初期の高速球面スイープの結果として、焦点f1およびf2の値を探すことにより、球面およびシリンダの度の粗い値を決定する。次に、これら球面およびシリンダの度の粗い値を使って、例えば最初の焦点f1からの−3ジオプターでスタートし、第2焦点f2から+3ジオプターだけ移動することにより、関心のある当該領域内の、より狭い範囲を選択する。オプトメータの測定サイクルの第2部分において、狭い範囲にわたって低速でより細かく球面スイープするために、キャリア62を駆動するに球面成分可変モータ60に命令する。好ましい実施例のこの低速スイープでは、球面成分可変モータ60は1回のスキャンにつき約3ステップだけ移動し、当該範囲に沿って約0.19ジオプターごとに1つのデーアポイントが発生されるよう、各検出器の終了時にモータ中断信号が送られる。細かいスイープからのピクセルピークデータポイントには初期の高速スイープに関してこれまで述べたのと同じシンプレックス曲線はめ込み法を施し、眼の屈折光学系の球面およびシリンダの度を最終決定する。

0030

高速および低速球面スイープが一旦実行されると、球面オプトメータ位置は焦点f1とf2との間の中間の眼の球面等価的位置に調節され、負の円柱レンズ28aと正の円柱レンズ28bとの間での相対的回転により、照明光、例えばシリンダの2つのジオプターに非ゼロシリンダ成分(要素)を導入する。オプトメータの測定サイクルの第3部分は非ゼロシリンダ成分(要素)の有効角度を0度から180度に変えるよう、照明光軸40を中心として円柱レンズ28aと28bの対をシリンダスイープすることである。現在のところ好ましい測定サイクルでは、シリンダ成分可変モータ58a、58bは円柱レンズ28a、28bだけでなく、対応する円柱レンズ46a、46bも、0.76度に等しい離散的ステップで回転する。直感的には、測定装置のシリンダの回転角の回転角方向の配置は眼のシリンダ軸線と同じ回転角方向の配置に接近するにつれ、レトロ反射されたビームによって照明される検出器54上の面積は合焦が改善されることにより、より小さくなる。この結果、検出器によって受信される総光エネルギーはより少ない数のピクセルだけに限定されるので、ピクセルのピーク振幅は最大値に接近する。オプトメータのシリンダの成分の特定の角度におけるピクセルのピーク振幅は、検出器54上の証明される総面積の逆数に比例するので、オプトメータのシリンダの角度(Θ)の関数としてのピクセルのピーク振幅は、次の式により極めて良好に近似的に示される。

0031

0032

ここで、PPは0〜255の範囲のデジタル化されたピクセルピーク振幅であり、Θはオプトメータのシリンダの角度であり、Tは眼のシリンダの角度であり、CRは眼のシリンダの度/測定器のシリンダの度で定義される「シリンダ比」であり、Mは任意のスケーリング定数である。シリンダのスイープにおいて、シリンダ成分可変モータ58a、58bは、1回回転角の範囲をほぼ5度回転するごとに1つのデータポイントが発生されるよう、1回の検出器にスキャンにつき、約7ステップだけ移動する。

0033

球面スイープと同じように、眼のシリンダ軸線Tだけでなく、シリンダ比CRに対する値に達するよう、プログラマブルメモリ117に記憶された同様なシンプレックス数値曲線はめ込みソフトウェアルーチンを使ってDSP116により誘導された回転角方向の強度関数(angular intensity function)に、シリンダスイープからのピクセルのピーク信号データがはめ込まれる。シリンダ比CRの分母は非ゼロ測定値の円筒成分に対応する既知の値であるので、読者は多次元曲線のはめ込みによるシリンダ比CRの決定により、シリンダスイープおよびこれに関連するデータ曲線のはめ込みによって、この特性の計算と独立して、眼のシリンダの度の大きさを別個に計算することが可能となることが理解できよう。

0034

次に、報告手段、例えばディスプレイ装置122およびプリンタ124により、眼の特性として、または眼に対する矯正レンズの処方の度として、これら球面およびシリンダの度、およびシリンダ軸線を報告する。

0035

図3〜5に示されたグラフとして、これら測定および曲線のはめ込みの結果例が示されている。図3は、正視眼、すなわち正常なシリンダの度を有しない眼を測定する球面スイープに対するオプトメータの位置の関数としてのピクセルのピーク信号のプロット図である。曲線はめ込みルーチンによって発生された、その結果生じる曲線も示されている。眼は実質的に乱視がないので、単一焦点に対応する曲線内の1つの極(ピーク)が容易に認められる。換言すれば、焦点f1とf2の双方はほぼ同じ位置にある。+3ジオプターの球面の度にわたって極(ピーク)が生じている。図4プロットは乱視を有する眼を測定した結果得られたものである。理解できるように、データポイントをはめ込んだ曲線は焦点f1およびf2に対応する一対の分離した極(ピーク)を含む。測定された眼は正のシリンダ成分可変モードでは、−2.134ジオプターの球面の度および+2.822ジオプターのシリンダの度を有する。最後に、図5は、乱視の眼を円筒面(シリンダ)スイープした間にプロットされたデータポイントおよびその結果はめ込まれた曲線を示す。この分析は、シリンダ軸線が約72度にあることを示す。

発明の効果

0036

本発明は、従来の技術で可能であったよりも、より短い時間で、より正確な測定値を発生するよう、1回の球面またはシリンダスイープで収集される多数のデータポイントを利用するものである。データを決定する包括的な形態の関数的関係は既知であるので、元のデータポイントの間隔よりもより高い精度で、焦点およびシリンダ軸線の位置を測定できる。更に、本発明の曲線はめ込み方法は、任意の系のオフセットおよびスケーリングファクタを自動的に決定し、これを補償する。眼から反射されたラジオメトリック情報の決定は、焦点近くでは本来的に不安定である。その理由は、網膜からの散乱反射の面積は極めて狭く、局所的な網膜の形態に極めて影響されやすいからであり、この曲線はめ込みルーチンは一般的ないし包括的なデータ関係の知識に基づきこの効果を最適の仕方で平均化する。

図面の簡単な説明

0037

図1本発明の好ましい実施例に従って形成された対物レンズオプトメータの光学略図である。
図2図1に示された対物レンズオプトメータの電子ブロック図である。
図3正常視眼に対する測定データの球面スイープ曲線のはめ込み(fit)を示すグラフである。
図4乱視の眼に対する測定データの球面スイープ曲線のはめ込みを示すグラフである。
図5乱視の眼に対する測定データのシリンダスイープ曲線のはめ込みを示すグラフである。

--

0038

2 眼
3角膜
レンズ体
5ガラス体
6網膜
10オプトメータ
12照明光学系
14検出光学系
16光源
18ビームスプリッタ
20 オプトメータレンズ
22目標(ターゲット)照明光源
26非球面レンズ
28a、28b円柱レンズ
30アパーチャー
32反射ミラー
34、36 ビームスプリッタ
38リレーレンズ
40照明光路
58a 負のシリンダ成分(要素)可変モータ(シリンダモータ)
58b 正のシリンダ成分(要素)可変モータ(シリンダモータ)
60球面成分可変モータ
70光学的ヘッドアセンブリ
78、80整合照明光源
88 シリンダリミットスイッチ
90 球面成分リミットスイッチ
94、96、98プログラマブルゲートアレイ(FPGA)
100 X軸線モータ
102 Y軸線モータ
104 Z軸線モータ

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