(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の実時間波面センシングのための方法において、
(ａ)第１の心点像を取り込む工程及び第１の心点決定アルゴリズムを用いて前記第１の心点像内の心点の位置を決定する工程、
(ｂ)次の心点像を取り込む工程及び第２の心点決定アルゴリズムを用いて前記次の心点像内の心点の位置を決定する工程、
を含み、
前記第２の心点決定アルゴリズムが前記第１の心点像内の前記心点のそれぞれの前記位置を基準にして前記次の心点像内の前記心点のそれぞれの前記位置を決定することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第２の心点決定アルゴリズムが前記第１の心点像内の前記それぞれの心点の前記位置に隣接する領域内を探索することによって前記次の心点像内の前記心点位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の心点像内の前記心点位置に隣接する前記領域が偏差ｄｘ及びｄｙによって決定される直近領域として定められることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の心点像内の前記心点位置の前記直近領域を決定する前記偏差ｄｘ、ｄｙがそれぞれ、ｘ方向における２つの隣り合う心点の距離Ｘ及びｙ方向における２つの隣り合う心点の距離Ｙの０.１％から１０％に等しいことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
(ｃ)さらなる心点像を取り込む工程及び前記第２の心点決定アルゴリズムを用いて前記さらなる心点像内の心点の位置を決定する工程、
をさらに含み、
前記さらなる心点像の前記心点位置が前記第１の心点像および前記次の心点像内の前記それぞれの心点の前記位置に関して決定される、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記さらなる心点像に後続する心点像内の心点の位置を前記第１の心点像内の前記それぞれの心点の前記位置と比較する工程及び、前記後続する心点像内の前記の心点のそれぞれの前記位置の偏差があらかじめ与えられた許容値より大きいかまたはいくつかの心点が欠けていれば、次に後続する心点像を用いる工程をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
与えられた時間内に前記さらなる心点像に後続する心点像に後続する心点像のいずれかが前記与えられた許容値より大きく偏るか否かを決定する工程及び、別の後続する心点像の全てが前記与えられた許容値より大きく偏っていれば、前記第１の心点決定アルゴリズムを用いて前記次の心点像を評価する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
以降の心点像のそれぞれについて、前記心点位置の変化に基づいて、波面の変化ΔＷ(ｘ,ｙ)を決定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の心点決定アルゴリズムが１Ｈｚ〜２Ｈｚベースで動作することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の心点決定アルゴリズムが１０Ｈｚ〜１５Ｈｚベースで動作することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
光学系の実時間波面センシングのための装置において、
(ａ)心点像を取り込むための取込み手段、
(ｂ)第１の心点決定アルゴリズムを用いて第１の心点像内の心点の位置を決定するための第１の決定する手段、及び
(ｃ)第２の心点決定アルゴリズムを用いて次の心点像内の心点の位置を決定するための第２の決定する手段、
を備え、
前記第２の心点決定アルゴリズムが前記第１の心点像内の前記心点のそれぞれの前記位置を基準にして前記次の心点像内の前記心点のそれぞれの前記位置を決定することを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記第２の決定する手段が前記第１の心点像および前記次の心点像内の前記それぞれの心点の前記位置に関してさらなる心点像内の心点の位置を決定するように適合されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の決定する手段が１Ｈｚ〜２Ｈｚベースで動作することを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の決定する手段が１０Ｈｚ〜１５Ｈｚベースで動作することを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には画像処理の分野に向けられ、さらに詳しくは、物体、特に人間の眼の光学特性を決定するための方法及び装置に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
ハルトマン−シャック(Hartmann-Shack)波面センサは現在、トレイシー(Tracy)波面センサのようないくつかの他の概念は異なる原理、例えばチャーニング(Tscherning)原理に基づいているにしても、物体、特に人間の眼の波面を決定するための最高の技術であると認識されている。ハルトマン−シャック波面センサは一般に、眼に存在する、歪んでいないかまたは歪んでいる波面の部分部分をＣＣＤ検出器／カメラ上に結像させるマイクロレンズアレイを備える。マイクロレンズアレイによってつくられた画像には、図１に例として示されるように、あらかじめ定められた位置上の、心点と呼ばれる小光点のアレイがある。波面に異常がある場合、少なくともいくつかの心点は基準光点像位置から変位する。心点の変位は眼のひとみに存在する波面局所勾配に関係付けられる。心点のあらかじめ定められた位置からのそのような変位から眼の異常パラメータを導出するために、ゼルニケ(Zernike)多項式またはその他の数学ツールが用いられる。さらに高い解像レベルを与えるためのこれまでの波面センサの開発によって、さらに正確な波面誤差を決定するために心点数が増加してきた。
【０００３】
大体において、波面異常データを取り込み、表示するために、以下の工程が行われる。初めに、カメラによって画像が取り込まれ、得られたデータが解析される。すなわち、心点の位置が決定される。この心点像の解析から、すなわち心点の配置(変位)から、波面マップを計算して、表示することができる。この一連の工程におけるタイミングに関して肝要な工程は、心点像の解析である。個々の心点のそれぞれの位置が決定される必要があり、特に眼科分野においては通常、健全性検査が行われる。これらの工程、すなわち心点位置の決定及び健全性検査における計算時間に関する性能レベルは解析されるべき心点の数に直接に依存する。
【０００４】
そのような波面異常の１回毎の測定は眼の実際の異常形状のスナップショットであり、眼の異常に動的成分があることは周知である。この動的成分は、進行中のレンズの微細調節、眼の微小運動、さらには心周期のような、様々な要因に基づく。したがって、ある時間範囲にかけて波面データを平均するための基礎を与えるため、あるいは健全性検査を適用して以降のいずれかの処置に用いられる最終異常データが検査された眼の総合的状態を表すことを保証するために、実波面誤差が取り込まれ、解析されて、最終的に実時間で表示される、実時間波面センシングを行うことを意味する、「流動波面」概念を有することが望ましい。しかし、増加する心点数により、処理作業量が多大になり、したがって処理時間が延びる。すなわち、上述した理由により、実時間波面、したがって最小限に抑えられた処理量を有する概念が肝要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、装置の特定の技術的詳細にかかわらず、処理量を低減して心点像から得られる波面を決定するための方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は請求項の特徴によって達成される。
【０００７】
本発明は、心点を検出するために少なくとも２つの異なるアルゴリズムを利用する、光学系の実時間波面センシングのための方法及び装置を開示する。本発明の一態様にしたがえば、第１のアルゴリズムが全ての心点の初期位置を検出し、第２のアルゴリズムが第１のアルゴリズムによって検出された心点の増分変化を検出する。
【０００８】
第１の心点決定アルゴリズムを用いて好ましくは全ての心点の位置を決定するために、第１の心点像が取り込まれ、解析される。後続して取り込まれる心点像から第２の心点決定アルゴリズムを用いて心点の位置が決定され、第２の心点決定アルゴリズムは第１及び／または先行の取り込まれた心点像におけるそれぞれの心点の位置を基準にしてそれぞれの心点の位置を決定する。第２の心点決定アルゴリズムは、あり得る心点位置に対して画像全体が解析される必要はないから、第１の心点決定アルゴリズムより高速である。第２の心点決定アルゴリズムでは先に決定された心点の近傍のあらかじめ定められた領域だけが探索されることが好ましい。
【０００９】
本発明の一態様にしたがえば、第１の心点決定アルゴリズムを用いる、時間のかかる心点位置検出は流動波面取込みの開始時に一回適用される。一度位置が検出された後は、以降の画像における位置変化だけが追跡されて、心点位置が決定されて、波面が得られる。第２の心点決定アルゴリズムによって達成される位置変化の決定の結果、データ処理量が低減され、したがって計算時間が短縮される。
【００１０】
本発明の特徴により、波面決定の信頼性を大きく向上させ、測定値の処理速度を高めることが可能である。本発明の別の態様にしたがえば、２つないしさらに多くの測定値、さらには数１００もの測定値を平均することができる。したがって、測定値には統計的調節によって生じる補償がなされ得る。すなわち、等値球面度数において最大値を示す測定値が評価される。あるいはまたはさらに、眼球揺動及びサッカードを決定し、排除することができる。本発明の一態様にしたがえば、波面マップをオンラインで見ることができ、これにより、例えば攪乱効果を排除する位置に注入レーザを調節することが可能になる。一例として、円錐角膜の最も異常な角膜領域に注入レーザを当てる場合に波面は乱され得るであろう。
【００１１】
本発明は、基本心点位置の検出に用いられる基礎アルゴリズムに無関係であり、したがって様々な既存の波面センサに適用することができる、一般概念を説明する。アルゴリズムは焦点距離が短い、例えば１０ｍｍ以下の、小型レンズに適用されることが好ましい。この場合、画像間の心点位置の変化は通常大きくはない。
【００１２】
本発明の上記及びその他の目的は以下の詳細な説明から一層容易に明らかになるであろう。しかし、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、説明及び添付図面並びに出願中の特許請求の範囲に基づいて本発明の範囲内の様々な変更及び改変が当業者には明らかになるであろうから、説明として与えられるに過ぎないことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１はハルトマン−シャックセンサの心点像の一例を示す。
【図２ａ】図２ａは、格子点上に置かれた、図１による心点像を示す。
【図２ｂ】図２ｂは、心点が大局的に運動している、図２ａによる心点像を示す。
【図３ａ】図３ａは決定された心点位置上に置かれた十字線を示す。
【図３ｂ】図３ｂは図３ａに示された十字線を示す。
【図３ｃ】図３ｃは図３ｃに示された十字線及び新しく取り込まれたそれぞれの心点を示す。
【図４ａ】図４ａは図３ｃによる十字線及び心点並びにそれぞれの十字線の解析領域を示す。
【図４ｂ】図４ｂは図４ａに示される心点上に置かれた十字線を示す。
【図４ｃ】図４ｃは図４ｂに示される心点位置に関する十字線を示す。
【図５】図５は、本発明にしたがう、第２の高速アルゴリズムのための基準を提供する第１の低速アルゴリズムを利用する基本概念を示す。
【図６】図６は本発明にしたがう方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に、カメラで取り込まれた、ハルトマン−シャック波面センサの心点像の一例が示される。図１の場合の測定物体は、隣り合う心点１がｘ方向及びｙ方向のそれぞれにおいて一定の距離を有しているから、異常がない基準物体とするか、あるいは異常のない波面検査体に対してあらかじめ最適化計算された位置を占めている心点と見なすことができる。本例は、説明される本発明の概念に対する出発点としての説明のために用いられた。本発明にしたがえば、出発画像は異常のある波面検査体とすることもできる。
【００１５】
図２ａは心点像をｘ方向及びｙ方向の格子線２と共に示し、図１に示されるような心点は格子線２の交点上に置かれている。図２ｂは図２ａに示されるような心点１の、矢印Ｄで示される特定の方向の向かう大局的運動を示す。心点１のそのような大局的運動は眼球内部の力動(水晶体清浄化、眼内圧変動、等)にかかわる固有揺動に、また変動して揺動を生じさせ得る、涙液膜変動にもよることができる。本発明の好ましい実施形態にしたがえば、そのような揺動を補償して波面読み値の信頼性を向上させるために、一連の画像の平均値が提供される、
本発明はある種の調節刺激への光学系の調節反応のモニタリングに適用することもできる。
【００１６】
本発明は、心点１が先に取り込まれた画像における心点１の位置から続いて取り込まれた画像における心点１の位置への位置偏差を示すであろうが、実際の移動はある範囲内にあるという事実を用いる。実際の移動は基本的にセンサの焦点距離及び予想される波面の変化によって与えられる。第１の心点決定アルゴリズムによる心点１の位置が初めに決定されると、第１の心点位置に対して認識された場所の直近に関するあらかじめ定められた領域だけが第２の心点決定アルゴリズムによって探索される。後続する次の心点像はいずれも第２の心点決定アルゴリズムによって同様の態様で扱われることが好ましい。
【００１７】
図３ａは解析されるべき眼に対応する心点像の心点１のサブセットを示す。以下の方法は心点像の全ての心点１に適用され、参照は本発明の説明を単純にするためだけに心点のサブセットに対してなされることに注意されたい。第１の心点決定アルゴリズムによって決定される初期心点位置が、それぞれの十字線３によってマークされる。図３ｂに単に十字線３として示される心点１の位置は、ソフトウエアアプリケーションによって割り当てられたメモリとすることができる、記憶媒体に格納されることが好ましい。図３ｃに示されるような、続いて取り込まれる心点像の心点の同じサブセットの心点位置は、格納された心点位置と異なるであろうが、心点１は大きな変位を示さないであろう。この差は解析されるべき眼のいずれかの変化、例えば眼の異なる調節状態の結果であり得る。
【００１８】
したがって、いずれかの心点像から心点位置を決定する探索アルゴリズムは、初期決定を除き、新しい心点位置を検出するため探索に対して第１及び／または先行の位置の周りの領域に限定することができる。探索されるべき領域のこの限定により、処理量が低減されるから、新しい位置を識別するに必要な総時間が短縮される。
【００１９】
図４ａにおいて十字線３及び心点１の位置は図３ｃにおける十字線３及び心点１の位置と同じである。さらに、それぞれの心点の近傍内の領域４を定めるあらかじめ定められた探索領域がそれぞれの十字線を囲む円形領域として示される。近傍領域４は別の形状及び／または大きさを有することができる。次／後続の心点像に関する心点１は近傍領域４内にあり、したがって第２の心点決定アルゴリズムを用いて検出することができる。図４ｂに示される別の工程において、図４ａに示される心点１の決定された心点位置上に十字線３'が置かれる。新しく識別された位置は新しい波面異常マップを作成するために用いられるであろう。その後、図４ｃに示されるような十字線３'の位置が次の心点位置の決定のための出発点として用いられ、図３ｂ〜４ｃを参照して説明した前述の工程が反復される。その時には、解析されるべき眼の別の変化、例えば眼の別の調節の結果であり得る、心点位置の別の差が存在し得る。
【００２０】
１つないしさらに多く、例えばあらかじめ定められたパーセンテージの心点１が近傍領域４の外側に置かれれば、すなわち第２の心点決定アルゴリズムで位置を特定できなければ、新しい心点像が取り込まれて第２の心点決定アルゴリズムで解析されることが好ましい。あらかじめ定められた数の連続する心点像を第２の心点決定アルゴリズムで解析することができない場合、第１の心点決定アルゴリズムが心点像の解析に適用され、よって以降の心点像を解析するときに第２の心点決定アルゴリズムを用いるための新しい基準を与えることが好ましい。
【００２１】
第１及び／または先行の心点像における心点の位置に隣接する領域に関する近傍領域４は、偏差ｄｘ及びｄｙによって決定されることが好ましい、直近領域である。第１及び／または先行の心点像における心点の位置の近傍を決定する偏差ｄｘ，ｄｙはそれぞれ、ｘ方向における２つの隣り合う心点の距離Ｘ及びｙ方向における２つの隣り合う心点の距離Ｙの０.１％から１０％に等しいことが好ましい。この近傍領域は円形、長方形または心点の近傍のその他の適する図形の形状を有することができる。
【００２２】
図５に本発明の全般的概念が示される。第１の工程Ｓ１において、上で論じた第１の心点決定アルゴリズムに対応する低速アルゴリズムが心点像の全ての心点の初期位置を検出する。この初期決定においてはカメラによって提供されたままの心点像全体が解析され、これは処理量が大きいことを意味する。第１の心点決定アルゴリズムの処理サイクルは１Ｈｚ〜２Ｈｚの範囲とすることができ、これは実時間波面サンプリングには低速すぎる。全心点の初期位置の検出後、全ての心点位置の初期心点位置に関する増分変化を検出するために、工程Ｓ２において、上で論じた第２の心点決定アルゴリズムに相当する高速アルゴリズムが後続の心点像に適用される。第２の心点決定アルゴリズムの処理サイクルは、第１の処理サイクルよりかなり高速の、１０Ｈｚ〜１５Ｈｚの範囲にあり得る。前述の処理サイクルは例であり、システムパラメータ、特に低速アルゴリズム及び高速アルゴリズムを実施するための計算時間に依存して変わり得る。次いで、いくつかのパラメータに基づいて高速アルゴリズムがまた適用可能であるか否か、例えば、新しく取り込まれた心点１が先行して取り込まれた心点像におけるそれぞれの心点１の近傍領域４内にあるか否かのチェックが工程Ｓ３において実施される。肯定時(Ｓ３-イエス経路)には、新しい心点像が取り込まれ、高速アルゴリズムによって解析される。高速アルゴリズムがもはや適用できない場合(Ｓ３-ノー経路)、全心点の初期位置を再び検出するために低速アルゴリズムが適用される。
【００２３】
図６は本発明の一態様のさらに詳細なフローチャートを提供し、以下で論じられるであろう。方法は工程Ｓ１１で開始される。工程Ｓ１２において心点像を取り込んだ後、全ての心点１の初期位置を検出するために工程Ｓ１３において第１の心点決定アルゴリズムが適用される。第１の心点決定アルゴリズムは心点像全体を解析する。次いで、工程Ｓ１４において心点チェックが適用され、取り込まれた心点像の基本品質が評価される。一般的な許容規準は検査されるべき眼に基づき、例えば検査される瞳の大きさが３.０ｍｍより大きい及び／または心点群内部に生じ得る心点間隙の大きさが直径で０.５ｍｍより小さいとすることができる。追加の規準は、像雑音、バックグラウンドレベル、または検出可能な心点の絶対数とすることができる。心点チェックが不合格の場合(Ｓ１４-非ＯＫ経路)、方法は工程Ｓ１２に戻り、新しい心点像が取り込まれるであろう。さらに、工程Ｓ１３において第１の心点決定アルゴリズムが適用されるであろう。そうでなければ(Ｓ１４-ＯＫ経路)、決定された心点位置Ｚ(ｘｉ,ｙｉ)が原心点位置として工程Ｓ１５において格納されるであろう。工程Ｓ１６において先に決定された心点位置Ｚ(ｘｉ,ｙｉ)に対応する取込み時間ｔ１が格納されるであろう。
【００２４】
図６にブロックとして示される後続工程Ｓ１７〜Ｓ２２は、第１の心点決定アルゴリズムが適用される必要がない場合に実行される工程サイクルに関する。工程１７において別の心点像が取り込まれ、工程１８において第２の心点決定アルゴリズムによって解析される。工程Ｓ１８においては、工程Ｓ１３で決定された心点のそれぞれの新しい位置が決定されることが好ましい。第２の心点決定アルゴリズムが、第１及び／または先行の心点像におけるそれぞれの心点の位置に隣接する領域内、すなわち近傍領域４内の探索によって、工程Ｓ１７で取り込まれた、次の心点像内の心点の位置を決定することが好ましい。先述したように、第２の心点決定アルゴリズムの処理サイクルは１０Ｈｚ〜１５Ｈｚの範囲内にあるとすることができ、これは第１の心点決定アルゴリズムより約１０倍高速である。一般に、異なる計算時間の間の係数は２〜１００，好ましくは５〜２０の範囲内とすることができる。
【００２５】
工程Ｓ１８において先に決定された心点に関する取込時間ｔ２を格納する工程Ｓ１９の後、第２の心点決定アルゴリズムによって決定された心点の位置が、工程２０において、格納されている原心点位置及び／または格納されている先行の心点位置と比較される。偏差があらかじめ定められた値をこえない、すなわち、例えば図４ａを参照して論じられたように、先に決定された心点の近傍領域４内に心点がある場合(Ｓ２０-ＯＫ経路)、第２の心点決定アルゴリズムによって決定された心点位置が工程Ｓ２２において格納される。次いで、心点及び波面の差が工程Ｓ２３において評価される。工程Ｓ２３においては、心点及び波面の差が評価される。すなわち、後続心点像のそれぞれについての心点位置の変化に基づいて波面の変化Δ(ｘ,ｙ)が決定される。判定工程Ｓ２４において、方法を終結させるべきであって工程Ｓ２５で終わらせるか、工程Ｓ１６に戻らせるべきであるかが判定される。次いで工程Ｓ２２で格納された心点位置に関する取込み時間ｔ１が工程Ｓ１６で格納される。
【００２６】
工程Ｓ２０における第２の心点決定アルゴリズムで決定された心点位置と原心点位置の比較が、偏差があらかじめ定められた値をこえることを示した場合(Ｓ２０-非ＯＬ経路)には工程Ｓ２１が続く。工程Ｓ２１において、あらかじめ与えられた時間内にさらに後続する心点像のいずれもがあらかじめ与えられた許容値より大きく偏るか否か、すなわち、ｔ２−ｔ１＞ｔ(最大)であるか否かが決定される。ここでｔ(最大)はあらかじめ与えられた最大時間である。この時間限界をこえなければ(Ｓ３１-ノー経路)、方法は工程Ｓ２１に戻り、第２の心点決定アルゴリズムで解析される別の心点像を取り込むであろう。工程Ｓ２１において、最大時間を超過すると決定された場合(Ｓ２１-イエス経路)、方法は工程Ｓ１２に戻り、第１の心点決定アルゴリズムで解析される新しい心点像を取り込むであろう。図４ａを参照して上述したように、第２の心点決定アルゴリズムで解析することができない後続心点像のあらかじめ定められた数を別の規準とすることができる。すなわち、工程Ｓ２１において、後続する心点像の第２の心点決定アルゴリズムを用いる解析試行回数があらかじめ定められた数ｎ最大に等しいか否かをチェックすることができる。ここで、ｎ最大は２〜５０，好ましくは４〜２５の範囲内、最も好ましくは約１０とすることができる。
【００２７】
本発明を説明するためにいくつかの実施形態が選ばれたが、添付される特許請求の範囲で定められるような本発明の範囲を逸脱せずに変更及び改変がなされ得ることが当業者には当然であろう。
【符号の説明】
【００２８】
１    心点
２    格子線
３    十字線
４    近傍領域
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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