(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射を所定の光路長差があるアームを有するマイケルソン干渉計に結合する短コヒーレンス放射源と、干渉計から出力される放射を眼球に結合するインジェクタと、眼球から出力される放射を分光計に結合するリレー・システムとを備え、分光計が、放射の変位を測定することにより屈折異常を測定し、かつ縞の密度を測定することにより長さを測定する、眼球の長さおよび屈折異常を測定する装置。
【請求項２】
所定の光路長差が所定の屈折率と所定の長さの積に実質的に等しい請求項１に記載の装置。
【請求項３】
分光計がコンピュータおよび縞検出器を備え、コンピュータが縞検出器から出力された縞の密度を測定する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
コンピュータが縞検出器からの出力を区分的にフーリェ変換することによって縞の密度を測定する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
縞検出器がＣＣＤ検知器を備える請求項４に記載の装置。
【請求項６】
分光計がグレーティングと、転送レンズと、縞検出器とを備える請求項１に記載の装置。
【請求項７】
分光計が縞検出器からの出力に結合されたコンピュータを備える請求項６に記載の装置。
【請求項８】
コンピュータが縞検出器からの出力を分析して所定位置からの放射の変位を測定する請求項７に記載の装置。
【請求項９】
コンピュータが所定数の縞検出器からの出力を分析して屈折異常を測定する請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
縞検出器がＣＣＤ検知器である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
放射を所定の光路長差のあるアームを有するマイケルソン干渉計に結合する短コヒーレンス放射源と、干渉計から出力される放射を眼球に結合するインジェクタと、屈折異常矯正装置と、眼球から出力される放射を分光計に結合するリレー・レンズ・システムと、分光計および屈折異常矯正装置に連結されたコンピュータとを備え、コンピュータが、屈折異常矯正装置と相互作用して分光計からの出力によって示される放射の変位に応答して屈折異常を測定し、かつ分光計からの出力によって示される縞の密度を測定して長さを測定する、眼球の長さおよび屈折異常を測定する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、眼球の長さと屈折異常を同時に非接触モードで測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
白内障のケースにおいて患者の眼の水晶体を交換するには、眼内レンズが使用される。その場合には、患者の眼球の長さおよび屈折異常を測定することが水晶体の適切な交換を行うために重要である。しかしながら、この種の多くのケースでは、白内障の眼球の混濁した水晶体からは眼底が見えないため、標準の光学的屈折率測定を用いることができない。さらに、標準の光学的屈折率測定は患者の眼球の長さを測定しないという欠点がある。
【０００３】
患者の眼球の長さの測定には、超音波生体測定法（ultrasound biometry）が用いられている。超音波生物測定法では、超音波トランスデューサを患者の眼の角膜上に置く。次いで、トランスデューサにより超音波パルスが放出され、眼底から反射される。周知の通り、パルスの飛翔時間は、患者の眼球の長さと眼球内における超音波パルスの屈折率とによって決まる。その情報を用いて、患者の眼球の長さを測定することができる。しかし、超音波生物測定法を用いることにも欠点がある。特に、適切なＳＮ比で測定を行うのに十分な強さのエコーを受けるためには、超音波トランスデューサを患者の眼に接触させなければならず、かつ特殊なコンタクト・ゼリーを使用しなければならない。この方法は侵襲性であること、および多くの国でメディカル・ドクターしかこの方法の使用を許されないことが問題である。
【０００４】
これに代わる患者の眼球の長さの測定に用いる方法は、短コヒーレンス干渉法を利用することであり、これには前述の欠点はない。この代替の方法は、Ａ．Ｆｅｒｃｈｅｒ「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．２，Ａｐｒｉｌ，１９９６，ｐｐ．１５７〜１７３（「Ｆｅｒｃｈｅｒ論文」）に記載されている。しかし、この代替方法では患者の眼球の長さしか測定されず、屈折異常は測定されない点で制限されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上に鑑み、眼球の長さと屈折異常とを同時に、望ましくは非接触モードで測定する方法と装置が必要である。本発明はそれを実現することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、眼球の長さと屈折異常とを同時に非接触モードで測定する方法および装置であることをその長所とする。特に、本発明は、（ａ）所定の光路差のあるアームを有するマイケルソン干渉計に放射を結合する短コヒーレンス放射源と、（ｂ）干渉計から出力される放射を眼球に結合するインジェクタと、（ｃ）眼球から出力される放射を分光計に結合するリレー・システムとを備え、分光計によって放射の変位を測定して屈折異常を測定しかつ分光計によって縞の密度を測定して眼球の長さを測定する眼球の長さおよび屈折異常を測定する装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、眼球の長さと屈折異常とを同時に非接触モードで測定するのに用いる本発明の実施形態１００の模式図である。図１に示すように、本発明の実施形態１００は、短コヒーレンス光源１１０を備える。本発明の好ましい実施形態においては、短コヒーレンス光源１１０は超光発光ダイオード（superliminescent diode: ＳＬＤ）である。他のコヒーレンス光源を使用できることはいうまでもない。ＳＬＤ１１０から出力される放射１２０はレンズ・システム１３０によってコリメートされ、コリメート・ビーム１４０となる。コリメート・ビーム１４０は、ビーム・スプリッタ１５０に入射し、ビーム１６０および１７０に分割される。
【０００８】
さらに図１に示すように、ビーム・スプリッタ１５０から出力されるビーム１６０および１７０は、ミラー１８０および１９０等のリトロレフレクタ１８０および１９０にそれぞれ入射する。当分野の技術者ならよく分かるように、ＳＬＤ１１０、レンズ・システム１３０、ビーム・スプリッタ１５０、リトロレフレクタ１８０および１９０は当技術分野ではマイケルソン干渉計（以下、「マイケルソン干渉計１８７」）として良く知られている。本発明によれば、マイケルソン干渉計１８７のアーム２００および２１０に沿って進む放射の光路長差ｄはｄ＝ｎｌ（ただし、ｎは基準または標準のヒトの眼の屈折率、ｌは基準または標準のヒトの眼球の長さとする）となるように選択される。代表的なヒトの眼の屈折率と長さは当分野の技術者に周知である。たとえば、その屈折率は１．３３６とし、眼球の長さｌは２４ミリメートルとすることができる。
【０００９】
反射ビームは、ビーム・スプリッタ１５０により結合され、ビーム・スプリッタ２２０に入射する。ビーム・スプリッタ２２０は、入射する放射の一部を眼球２４０の水晶体２３０に向けるインジェクタとして働く。眼の水晶体２３０は、多かれ少なかれ入射する放射を眼球２４０の眼底２５０に集束し、それによって二次光源が眼底に生じる。この眼底２５０の二次光源から発する放射は、正視眼球の場合には水晶体２３０によって実質的に平行なビームにコリメートされる。図では正視眼球から出力される放射を実線で示す。コリメートされた放射は、ビーム・スプリッタ２２０を通過し、リレー・レンズ・システム２７０および２８０を含むリレー・レンズ・システムに入射する。リレー・レンズ・システム２８０から出力される放射２９０はグレーティング３００に入射し、グレーティング３００から出力される放射は絞り３０５に入射する。絞り３０５は、リレー・レンズ・システムの光軸から軸方向に変位した少なくとも３つの偏心孔を備えるが、図１では本発明を理解しやすくするために２つの孔３１０および３２０のみ示す。
【００１０】
グレーティング３００に入射する放射は放射の一次束と放射のゼロ次束とに分割される。当分野の技術者に周知の方法によれば、グレーティング３００はブレーズされているため、放射の一次束には回析放射の大部分が含まれる。次いで、実線３６０および３７０で示す一次束の放射は集束レンズ・システム３８０および３９０により、それぞれ実線３８７および３９７として、ＣＣＤリニア検知器４００および４１０にそれぞれ集束される。最後に、ＣＣＤリニア検知器４００および４１０からの出力がコンピュータ５００に入力として供給される。
【００１１】
以下に、実施形態１００を使用した（ａ）眼球の屈折異常の測定方法および（ｂ）眼球の長さの測定方法について説明する。
【００１２】
眼球の屈折異常の測定
正視眼球の場合は、水晶体２３０から発する放射は、実線４２５および４３５により示すように、実質的に平行なビームから成る。しかるに、非正視眼球の場合は、水晶体２３０から発する放射は、点線４２０および４３０により示すように、平行でないビームから成る。図１に示すように、点線３８５および３９５は、非正視眼球から発してＣＣＤリニア検知器４００および４１０にそれぞれ入射する放射を示し、実線３８７および３９７は、正視眼球から発してＣＣＤリニア検知器４００および４１０にそれぞれ入射する放射を示す。非正視眼球から発してＣＣＤリニア検知器４００および４１０にそれぞれ入射する放射は、正視眼球から発してＣＣＤリニア検知器４００および４１０にそれぞれ入射する放射から平行に変位していることに留意されたい。さらに、本発明によれば、各ＣＣＤリニア検知器への放射の上記変位は、点線４２０および４３０（非正視眼球から発する放射を表す）と実線４２５および４３５（正視眼球から発する放射を表す）それぞれとの間の水晶体２３０における角度に比例する。以下、この角度を発散角と称する。
【００１３】
図１には示してないが、当分野の技術者に周知の通り、グレーティング３００は分散によって一次放射の角拡散を生じさせ、この角分散によってＣＣＤリニア検知器上のスポットの焦点の横方向拡散が生じる。同じく当分野の技術者に周知の通り、ＣＣＤリニア検知器４００および４１０によって（コンピュータ５００への出力として）検知器に入射する放射の強度分布をピクセル数の関数として表すデータ・ベクトル（data vector）が得られる。
【００１４】
本発明によれば、強度分布の包絡関数（envelope function）はマラー縞（Muller fringes）によって調節されたガウスの分布関数であり、マラー縞の形成については、実施形態１００を用いて眼球２４０の長さを測定する方法の説明に関連してさらに詳細に説明する。本発明によれば、ＣＣＤリニア検知器４００および４１０それぞれからのデータ・ベクトル出力は、ガウスのテンプレート関数がコンピュータ５００に（メモリ等に）記憶された状態で当分野の技術者に周知のいくつかの相関技術のいずれか１つを用いて当分野の技術者に周知の形式でコンピュータ５００において相関される。次いで、データ・ベクトルに直近の相関を与えるテンプレート関数に対応する位置がコンピュータ５００で（記憶装置またはディスク等のストレージに）各ＣＣＤリニア検知器上の放射のスポットの位置座標として記憶される。本発明の特定の実施形態に関する発散角θと各ＣＣＤリニア検知器上の放射のスポットの位置座標との間の関係は以下の校正手順にしたがって決められる。
【００１５】
校正手順にしたがって「模擬」の眼球が形成されるが、この模擬眼球はＳＬＤ１１０から入射する放射を眼底２５０の位置に置かれた紙等の散乱ターゲットに集束するレンズで形成される。次いで、各ＣＣＤリニア検知器上のスポットの位置が散乱ターゲットの位置ｘの関数として決められる。位置ｘ＝０は放射が散乱ターゲットに集束される位置であり（これが正視眼球をエミュレートする）、位置ｘ≠０は放射が散乱ターゲットにデフォーカスされる位置である（これが非正視眼球をエミュレートする）。次いで、各ＣＣＤリニア検知器上のスポットの位置が位置ｘの関数として記憶される。最後に、散乱ターゲットの測定された変位ｘが式θ＝ｘ／ｆ（ただしｆは模擬眼球の焦点距離）により発散角θに関係する事実を用いて発散角θが決定される。
【００１６】
次いで、以上に説明した情報が、１９９８年ドイツ、Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ  Ｖｅｒｌａｇ  ＧｍｂＨ，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ刊行のＨ．Ｂａｌｔｅｓ、Ｗ．Ｇｏｅｐｅｌ、およびＪ．Ｈｅｓｓｅ編「Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｕｐｄａｔｅ」２９０〜３２３ページにあるＴ．Ｈｅｌｌｍｕｔｈの論文「Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｉｎ  Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｙ」（「Ｈｅｌｌｍｕｔｈ論文」）に記載された分析にしたがって使用される。特に、Ｈｅｌｌｍｕｔｈ論文に記載されているように、ｘ−およびｙ−方向の発散角（θxおよびθy）および２つのビームの位置があれば、眼球２４０の半球および円筒屈折異常を求めるのに十分である。眼球２４０の水晶体２３０のＯＰＤ（光路偏差）は、デフォーカシングおよび非点収差に対する以下の３つのゼルニケの多項式（Zernike polynomials ）に展開することができる。
0004181690.tif 000002
ここで「半球」ゼルニケ多項式は次式で定義される。
Ｚsph（ρ，φ）＝２ρ2−１                                    （２）
ここで２つの「円筒」ゼルニケ多項式は次式で定義される。
Ｚcyl1（ρ，φ）＝ρ2ｃｏｓ（２φ）                          （３）
Ｚcyl2（ρ，φ）＝ρ2ｓｉｎ（２φ）                          （４）
ここで（ρ，φ）は眼球２４０の瞳孔におけるビームの極座標である。
【００１７】
眼球２４０の瞳孔におけるビームの角度はＯＰＤの勾配の向きに等しい。したがって、既知の座標ρi、φi（ｉ＝１，２）を持つ瞳孔の２点におけるビームの角度θxiおよびθyiを知れば、膨張係数α、β、γを次の一次方程式（ｉ＝１，２）を解くことによって計算することができる。
▽xＯＰＤ（ρi，φi）／｜▽ＯＰＤ（ρi，φi）｜＝ｃｏｓ（θxi）  （５）
▽yＯＰＤ（ρi，φi）／｜▽ＯＰＤ（ρi，φi）｜＝ｃｏｓ（θyi）  （６）
【００１８】
次いで、膨張係数α、β、γを用いて眼球２４０の半球屈折異常（Ｓ）、円筒屈折異常（Ｃ）、および円筒屈折異常の角度の向き（angular orientation）Φを次式で表す。
Ｃ＝（β2＋γ2）1/2                                           （７）
Φ＝１／２ａｒｃｔａｎ（γ／β）−４５°                      （８）
Ｓ＝α−Ｃ／２                                                （９）
【００１９】
ρi、φi（ｉ＝１，２）、眼球２４０の瞳孔における２つのビームの既知の座標を求めるには、ρi、φiが眼球２４０の瞳孔における絞り３０５の偏心孔（絞り３０５の孔３１０および３２０等）の像の極座標である事実を用いる。図１に示す本発明の実施形態においては、倍率が１であり、したがって、ρi、φiはそれぞれの孔の座標に等しい。特に、ρiは孔の中心の光軸（リレー・レンズ・システム２７０および２８０の光軸等）からの半径方向距離であり、φiはたとえば垂直な軸に対する方位角である。
【００２０】
本発明の代替実施形態においては、たとえば、眼球２４０とリレー・レンズ・システム２７０との間に補償光学機器を置いて眼球２４０の屈折異常を補償することができる。適切な補償光学機器は、たとえば、米国特許第３８２２９３２号および米国特許第４６５０３０１号に記載されている。その場合、本発明の実施形態は零位調整装置（nulling device）となる。その場合は、補償光学機器は、たとえば、ＣＣＤアレー４００および４１０のビーム３８５および３９５の変位がそれぞれゼロになるまで調整される。好ましい実施形態においては、その調整はコンピュータ５００の指示により自動的に行われる。
【００２１】
眼球の長さの測定
本発明によれば、かつＦｅｒｃｈｅｒ論文においてその図６に関して記載のように、実施形態１００はデュアル・ビーム・マイケル干渉計を備える。Ｆｅｒｃｈｅｒ論文に開示のように、デュアル・ビーム干渉計は眼球２４０の並進運動が整合条件に相反せず、かつ距離測定に誤差を生じない点で有利である。
【００２２】
本発明によれば、ビーム・スプリッタ２２０により眼球２４０に向けられ、眼底２５０により反射される放射は、ビーム・スプリッタ２２０により眼球２４０に向けられて角膜２３５で反射した放射に重ね合わされる。発光部位、即ち、眼底２５０および角膜２３５間の距離がマイケルソン干渉計１８７の光路長差ｄと整合されていれば、対応するビーム成分間に干渉が生じるであろう。本発明によれば、前述のデュアル・ビーム干渉計を励起する放射電磁界のコヒーレンス関数は可動部なく分光計を用いて測定し、マラー縞で構成される放射源のスペクトルを得ることができる。さらに、本発明によれば、マラー縞の密度は真の眼球長さおよび標準眼球長さｌとの間の不整合に比例する。
【００２３】
Ｆｅｒｃｈｅｒ論文において、特に図１７とそれに関する論考に記載のように、本発明の図１に示す実施形態１００における分光計は、グレーティング３００、集束レンズ・システム３８０および３９０、およびＣＣＤリニア検知器４００および４１０から成る。
【００２４】
実施形態１００の作動理論は次のように理解することができる。説明の便宜上、ＳＬＤ１１０をある波長に対して調整できる単色源として考えれば、マイケルソン干渉計１８７は破壊的な干渉のためにその出力に強度を示さないであろう。それは、マイケルソン干渉計１８７が共鳴を伴った空胴のように作用するからである。重ならないスペクトル範囲はδν＝ｃ／（２ｄ）であり、ここでｄはマイケルソン干渉計１８７の２つのアームを通る放射の光路長差である。ＳＬＤ１１０をその広いスペクトルでマイケルソン干渉計に対して使用するならば、マイケルソン干渉計１８７の出力のスペクトルは、マラー縞として知られる「黒い」線を示す。しかし、マイケルソン干渉計からの出力におけるその線の密度自体はきわめて高い。
【００２５】
眼球２４０自体がファブリ−ペロ干渉計となり、そのアーム長差２ｎｌにより外部マイケルソン干渉計１８７の密度と同等の密度のあるマラー縞が得られる。このいわば眼球干渉計の重ならないスペクトル範囲はδν＝ｃ／（４ｎｌ）である。マラー縞はこの場合はグレーティング３００では分解できないほど高い密度でも生成される。しかし、本発明によれば、眼球アーム長差２ｎｌがマイケルソン干渉計１８７の２つのアームを通る放射の光路長差ｄに近ければ、このデュアル干渉計（マイケルソン干渉計１８７と眼球２４０の組合せ）は、実施形態１００の格子分光計により分解可能な重ならないスペクトル範囲δν＝ｃ／（２（ｄ−２ｎｌ））のある共鳴を有する。
【００２６】
特に、このことはさらに以下のように理解することができる。ＳＬＤ１１０から出力される放射の各波長成分は、ビーム・スプリッタ１５０により、アーム２００（マイケルソン干渉計１８７の短いアーム）を進む部分ビームａおよびアーム２１０（マイケルソン干渉計１８７の長いアーム）を進む部分ビームｂに分割される。アーム２００とアーム２１０との間の光路長差はｄである。次いで、部分ビームａは眼球２４０の角膜２３５によりビームａ１およびビームａ２に分割される。ビームａ１は眼底２５０により反射され、ビームａ２は角膜２３５により反射される。ビームａ１とビームａ２との間の光路長差は２ｎｌである。部分ビームｂもまた角膜２３５においてビームｂ１およびｂ２に分割される。この４つの部分ビームａ１、ａ２、ｂ１およびｂ２は、検知器において重ね合わされ、あり得るすべての組合せに関して干渉項が可能である。しかし、部分ビームａ１およびｂ２の重ね合わせに限り、実施形態１００の格子分光計により分解されるのに十分に分離される波長の関数として干渉極大が得られる。極大間の分離はδλ＝δνλ2／ｃ＝λ2／（２（ｄ−２ｎｌ））により与えられる。分光計の所要の分解能はδλ／λ＝λ（２（ｄ−２ｎｌ））である。たとえば、１ミリメートルの孔内にＮ＝１００ラインのグレーティングであれば、分解能δλ／λ＝１／Ｎ＝０．０１が達成可能である。その場合は、ｄ−２ｎｌ＜Ｎλ／２＝５０μｍが実施形態１００の眼球長さ部分のキャプチャレンジ（capture range）である。それはまたＳＬＤ１１０のスペクトル幅のオーダー内にある。ヒトの眼の眼球長さの偏差は５０μｍよりずっと大きい。数ミリメートルはあるであろう。この偏差範囲をカバーするために、リトロレフレクタ１９０を可動ステージ（図示せず）に取り付ける。可動ステージは、ステップモータ（図示せず）により、分光計の分解能およびＳＬＤ１１０のコヒーレンス長により求められた実施形態１００のキャプチャレンジより高い正確さで並進する。ステップモータはコンピュータ５００により、当分野の技術者に周知の形式で制御される。本発明によれば、可動ステージはマラー縞が縞検出器、即ちＣＣＤリニア検知器４００および４１０で検出されるまで並進する。可動ステージの位置によって、アーム長差ｄが決まる。
【００２７】
マラー縞によって、ＣＣＤリニア検知器４００および４１０における放射強度分布の調整が可能となる。マラー縞の密度を得るため、ＣＣＤデータ出力ベクトルの区分的フーリェ変換がコンピュータ５００において当分野の技術者に周知の方法にしたがって行われる。それによって生じる局所空間変調周波数（local spatial modulation frequency）を用いて差ｄ−２ｎｌが求められ、かつこれから眼球２４０の長さが求められる。
【００２８】
以上から当分野の技術者ならすぐに分かるように、本発明により、グレーティング３００を用いてＣＣＤリニア検知器４００および４１０への放射を変位させることによて非正視に関する情報が与えられ、かつマラー縞のスペクトル分析によって眼球２４０の真の長さおよび標準眼球の長さｌの間の差に関する情報が得られるのが本発明の長所である。
【００２９】
最後に、本発明はＣＣＤリニア検知器に関して説明してきたが、ディファレンシャル・ダイオードも使用可能であることは当分野の技術者ならすぐに分かるであろう。ディファレンシャル・ダイオードは、幅１０ミクロン・オーダーの狭いバーによって分離された２つのダイオードから成る。そのバーの幅よりずっと大径の放射のビームがダイオードに対称的に入射するとき、双方のダイオードとも同じ光電流を発生する。しかし、放射のビームが横方向に変位するときは、２つのダイオードの光電流間の差がゼロに等しくならず、放射のビームの変位に比例する。カドラント・ダイオード（quadrant daiode）はやはり１０ミクロン・オーダーのバーの幅を有する十字形により分離された４つのダイオードから成る。当分野の技術者に周知の通り、４つのダイオードにより生じる光電流を所定の方法によって加減し、放射のビームのｘおよびｙ変位に比例する２つの信号が得られる。
【００３０】
当分野の技術者ならば、以上の記述はあくまでも説明のためにすぎないことを認識するであろう。したがって、本発明はこれですべてを網羅するものではなく、また開示された厳密な形式に限定されるものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】眼球の長さおよび屈折異常を同時に非接触モードで測定するための本発明の実施形態の模式図である。
【符号の説明】
１００  実施形態
１１０  短コヒーレンス光源
１２０  放射
１３０  レンズ・システム
１４０  コリメート・ビーム
１５０  ビーム・スプリッタ
１６０、１７０  ビーム
１８０、１９０  リトロレフレクタ
１８７  マイケルソン干渉計
２００、２１０  アーム
２２０  ビーム・スプリッタ
２３０  水晶体
２３５  角膜
２４０  眼球
２５０  眼底
２７０、２８０  レンズ・システム
３００  グレーティング
３０５  絞り
３１０、３２０  偏心孔
３６０、３７０  一次放射束
３８０、３９０  集束レンズ・システム
３８５、３９５  ビーム
３８７、３９７  放射
４００、４１０  ＣＣＤリニア検知器
４２０、４２５、４３０、４３５  放射
５００  コンピュータ
【図１】
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