CN1050746C - 用于确定反射表面形貌的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定反射表面形貌的方法，其中在该表面上投射投影图形并对由此形成的反射图形进行检测和分析。为了使反射图形的条纹与投影图形的条纹更好地对应，在投影图形上设置了识别标记，这些标记分成连续的黑/白或亮/暗区。优选的是彩色标记或阴影。为了使投影图形在眼睛角膜(3)上叠置，而将投影体(17)制成例如在侧壁(18)上带有透明的环(19)的空心锥体。一个环形光源(20)围绕在投影体周围。用彩色摄像机(26)作为探测器。

Description

用于确定反射表面形貌的方法和装置

本发明涉及一种用于确定反射表面形貌的方法和装置。这方法在该表面上投射一个投影图形并对由表面反射而形成的反射图形进行检测和分析；该装置具有用于在表面上投射投影图形的投影单元，用于处理由表面反射构成的反射图形的图象检测单元，和用于将反射图形与测量标准进行比较的计算单元。

这种方法特别是在用识别式角膜曲率计根据莫尔图形投影法测量眼睛角膜的领域中是公知的。利用角膜曲率计人们可以观察到所谓的角膜盘的投影，即出现在人的眼睛角膜上的由同心黑白交替的环构成的图形。从角膜表面上反射的光由带计算处理机构的摄像机接收。在此特别令人感兴趣的问题是与测量标准相比反射图形的条纹间隔或变形。

在测量眼睛角膜时，使测量标准形成在对正确估计/评价角膜表面所必需的已知表面上。通过对相对于测量标准的偏移量进行分析即可提供当表面出现散光时有关角膜曲率半径和球状表面偏移的信息。

有关这种方法的公知出版物有例如US4,978,213，US4,863,260，和US4,772,115。

在这些方法中通常很难辩认反射条纹相对于淡入投影环的分布并且常常出错。如果由于角膜有缺损，而使原来投影到角膜上的环的封闭反射图形出现缺口，这时辨认其对应关系的难度就特别大。由于错识的对应关系不能用于判定与确定的淡入投影环相应的反射图形条纹，因此据此进行判断会产生很大的结果误差，例如会导致角膜曲率半径的错误判断或角膜表面相对理想球形表面的偏移量的错误判断。

除了淡入环形投影图形之外，使用栅形线性图形也是公知的。线性图形也不能克服上述缺陷。

迄今为止所使用的方法都致力于最大限度地克服眼睛在Z轴上，也就是说在角膜顶点和图象检测单元之间的连接轴上的失调。

本发明的目的是提供一种用于确定反射表面，特别是眼晴角膜形貌的方法，该方法能确保从表面反射的反射图形的条纹相对于淡入的投影图形的条纹有清楚的和准确的分布。

此外，还提供一种用于完成该方法的合适装置。

该目的是以上述方法和装置为出发点，通过权利要求1和13的特征部分实现的。通过从属权利要求所述的措施能够进一步体现本发明的优点和使本发明更完善。

根据本发明，在投影表面上的投影图形中至少使用三种可区分的识别标记以便标明投影图形的条纹。这可以通过由黑/白或亮/暗标记构成的不同附加识别标记来实现。使用这种投影图形内的特殊特征区可以在例如亮暗结合区上提供一种附加的与投影表面上的投影图形相应的由反射表面反射的图形构成的条纹分布标准。很显然，通过使用多个这种识别标记可以增加条纹分布标准的数目并由此进一步改善条纹分布。在使用其颜色可相互不同的至少三种标记时，可以不再使用黑白标记。

在一个优选实施例中，使用至少一种彩色标记作为识别标记。根据这种彩色标记可以毫无问题地使反射图形的条纹与相应的投影图形相对应。尤其是，既使两个识别标记重叠，也可以通过出现的相应混合色进行识别。

可以想象的出，很明晃也可以使用其它的识别标记，例如阴影线。原则是应该注意，在同样由透过的黑/白或亮/暗标记构成的投影图形中，该识别标记，也就是说在其为阴影情况下的阴影条纹应是可识别的。

本发明所述的用于确定反射表面形貌的方法可用于各种，几乎是任何技术领域，例如球形体检测。作为一种特殊的应用可以将该方法用于测量眼睛角膜的表面形貌。

在优选的方式中，这可以通过一个由白光光源照射的投影体来实现，该投影体上具有透光的、最好是环形结构的区域，这些区域上有不同的颜色。然而，很容易想到也可以使用一个由不同颜色的光源例如二极管排构成的装置。

在一种优选的结构中，投影体使用的是空心锥体形状或空心椭圆体形状，这些空心体的侧壁上具有透光环，最好是彩色环。通过使用这种其凹形侧面对着眼睛设置的空心体，可以使直径较小的投影体对准Z轴。Z轴是通过将图象检测单元的轴线延长至测量表面而形成的。

优选使用彩色摄像机形式的图象检测器。然而也可以考虑使用具有相应的滤色器的黑/白相机。在这种情况下，对各彩色环的测量依次借助相应的滤色转换来完成。

优选的方式是关于信号强度进行积分来测量角膜表面的反射信号。这有利于对随机分布的环境照明的变化进行补偿和以这种方式使所述变化抵销。

特别值得推荐的是，用一个带有输出监视器的处理控制计算单元自动地完成信号处理。在一个特别优选的实施例中，将所得结果以等折射线的形式给出。借此来表示在上述测量过程中具有，等折射率的表面区域。这样就可以直接得出相对于测量标准的偏移量而不需再对测量数据进行进一步判读。为了直接区分例如借助于内插法用测得值算出的象点，可以选择不同的方法，例如与不透明相反的透明法。

借助于这样一个自动计算单元可以实现对投影单元的控制。这意味着，考虑到要使表面形貌在最大限度上实现单元值性，应该对计算单元每个结果所代表的投影单元的所有参数进行自动的或相互的优化。

在上述方法中，尤其重要的是用图象检测单元在Z轴方向上对表面，例如角膜表面进行很好的调整。整个装置的成像特性与其距离有大小有关。Z轴方向的调整最好是通过在投影图形中淡入至少两个中心体来完成。两个中心体的淡入轴之间具有一定的角度。在此，两个淡入轴的交点代表理想的精确Z位置。在所述的这种装置中，两个相互有关的中心体的反射图象之间的相对位移反映了上述位置在Z方向上的位移。很显然，也可以用彩色来标记中心体，同时，最好是使两个中心体的重叠处形成混合色。

在此，中心体可由激光束形成，激光束与Z轴成一定角度发射而且两者在理想的位置上相交。

即使是Z位置调整的不正确，也可以借助于在分析过程中用给定位置算出的确定的偏移量对因调整不正确而引起的误差进行修正。

在医学应用中，特别是在确定眼睛角膜表面的表面形貌时，可以将一个按照上述方法工作的测量装置直接装到手术显微镜上，这样，手术医生可直接在该位置上检查角膜区相对于理想几何结构的偏离和直接进行相应的治疗。

通过使用具有相应的连续变焦镜头的高分辨率相机，该技术还可以完成微米级分辨率的测量。因此可以对角膜的小表面区中粗糙度的微小变化进行测量。

可以考虑用不同的方法来生产与采用静态投影体时相应的空心椭圆体。

由此提供了一种使用例如薄膜技术的可能性。首先制作一个具有多个彩色圆环的彩色薄膜，接着将其装配到空心椭圆形的投影体上，最后进行焊接。

另一种可能性是使用夹层结构技术和多层结构技术。在此，用车床或切削装置从多彩的有机玻璃体上切下具有相应厚度和颜色的环。将其固定在底衬上并相互粘接。这种复合结构也可以通过多层浇注不同颜色的塑料来完成。最后可以在例如车床上将该复合结构制成所需要的几何形状。

在第三个实施例中，在透明有机玻璃坯件上设有与最后的彩色环位置相应的细的刻环。将整个坯件染成黑色。在刻成槽纹形的环中可以紧接着除去黑色而换之以相应的透明彩色。

下面将根据附图详细地说明本发明的一个实施例和在将投影图形的反射图形进行对应判断时所需克服的困难。

图1是在健康情况下，即角膜为球形表面的情况下由多个同心环构成的投影图形的反射图形；

图2是角膜球形形状有偏差情况下，一个可比较的反射图形的例子；

图3是表示用静态投影体完成本发明所述方法的结构示意图；

图4表示相对于图象探测器的Z轴方向在不同的角膜位置上两个中心体的图象。

图1表示具有扁桃形轮廓的眼睛1的图象，它由上述类型的图象检测系统进行检测。在轮廓线2的内侧绘有角膜3的轮廓。用以Z轴(摄像机-角膜顶点)为中心的同心环表示不同的反射环4-10。在这些环的内侧有两个叠在一起的中心体。环4-10的距离以及同心和圆形分布与具有球形表面的健康角膜的反射图象相对应。

与之相反，图2表示角膜变形时的相应图象，即在出现散光情况时的图象。条纹4′-8′，同样表示绝对同心和环形投影环的反射图象。该图象由于角膜表面为非球形而出现变形。相应的和原来封闭的投影环图象的局部上出现了腔隙13、14或13′，14′，同时其它条纹7′，8′上显出了严重的凹陷。在一个图中未示的普通黑白照片中，条纹7的区域15并不唯一地与相应的投影环相对应。该区域15可能对应于那些在健康角膜中形成反射环5，6和7的投影环。由于这种不确定的对应关系，会使得通过判读数据得出的表面形貌出现误差。

根据本发明，通过对投影图形进行相应的染色而使环4-10或条纹4′-8′带有颜色。这样，即使在反射图象(图2)出现严重变形时，也可以得到唯一的对应关系。

图3表示完成本发明所述测量方法所使用的装置的示意性结构剖视图。在具有拱形角膜3的眼睛1的前面设置投影体17。

投影体17由一个锥形空心体构成，空心体的侧壁18上设有环形的，透光的和染有不同颜色的透光带19。一个环形氖灯20从外部照射锥形投影体17。借助于从两个染有不同颜色的环形透光带21、22上射过的光并通过线23，24象征性表示的光束可以清楚地看到投影在角膜上的环形条纹。从角膜3上反射的光束23′和24′通过针孔光阑进入锥形投影体17的窄端并且投射到图象探测器26中。

用于形成图4-6中的图象的中心体11、12以彼此之间的淡入轴在Z轴所在的平面内呈一定角度的方式淡入，在与淡入轴交点有关的Z轴上，角膜的相应位置有不同的取向。图4-6表示中心体的图象，其中角膜表面3一次位于交点前面，一次位于交点上，一次位于交点后面。通过该中心体11、12的图象分布可以确定出角膜3在Z轴上的位置并对其进行分析。

从图3中可以看出，可以通过从激光器27发出的激光束28来形成图象淡入轴。激光束28在例如角膜上形成中心体11。因此可以将激光器27设置在投影体外部。由此在投影体的壁上设置了一个可使激光束28穿过的小孔，该小孔是在Z轴上的理想点上形成的。通过Z向调整可使激光器断开。

使用标号一览表1、眼睛  2、轮廓线  3、角膜表面   4-10、环11-12、中心体       13-14、腔隙   15-16、凹形区域17、投影体          18、侧壁      19、透光带20、氖灯            21-22透光带   23-24、线25、光阑            26图象探测器  27激光器28、激光束

Claims (14)

1.一种用于根据莫尔图形投影工艺以确定眼睛角膜形貌的方法，其中，投影图形被反射到角膜的表面，对由所述反射而在表面上形成的一个反射图形进行检测及评估，使用至少三个可分区别的用于鉴别投影图形结构的识别标记以改善所述反射图形的结构配置(4-10)为授射图形的结构配置，其特征在于，至少一个所述识别标记为彩色标记，其颜色不同于黑和白。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用投影图形相应区的阴影作为至少一个识别标记。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，投影图形是由投影体(17)形成的，投影体上具有透明的，至少局部上染有至少一种颜色的透光体(19，21，22)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，用侧壁(18)上带有透明环(19，21，22)的空心锥形体或空心椭圆体作为投影体(17)。

5.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，用彩色摄象机(26)检测所述形成在表面上的图形。

6.如权利要求1至4的其中一项所述的方法，其特征在于，使用与一个或多个相应的滤色镜相结合的黑/白相机检测所述形成于表面上的图形。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，测量反射结构的总强度以补偿环境照明的变化。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，用处理控制计算单元自动地对图象探测器(26)的输出信号进行信号处理，同时在输出监视器上显示测量表面的等折射线。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，考虑到表面形貌的单值性，借助于计算单元对投影图形进行优化控制。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过淡入至少两个其淡入轴之间相互成一定角度的中心体(11，12)来控制测量表面在Z轴，即图象探测器的延长轴上的位置，其中两个淡入轴的交点确定了正确的Z位置。

11.一种用于根据莫尔图形投影工艺以确定眼睛角膜形貌的装置，具有：一个投影单元，用于将一个投影图形投影到眼睛角膜上；一个图象获得单元，用于获得投影图形的一个镜象；和一个计算单元，用于将所述镜象与一个测量标准进行比较，所述投影单元由至少三个可区别的用于识别投影图形的识别标记，其特征在于，至少一个所述识别标记为彩色识别标记，其颜色不同于黑和白。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，投影单元包括由空心锥体或空心椭圆体构成的投影体(17)，投影体的壁上带有透明环，其外部设有照明单元(20)。

13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，投影单元设有一个用于淡入中心体(11)的激光装置(27)。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，投影体(17)的壁上有一个可使来自激光器(27)的激光束穿过的孔。

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