JP4546209B2

JP4546209B2 - 眼科装置

Info

Publication number: JP4546209B2
Application number: JP2004289077A
Authority: JP
Inventors: 登輝夫上野; 昌明羽根渕
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: US7768651B2; DE102005046690A1; US20060066869A1; JP2006101927A

Description

本発明は光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Optical coherence tomography）を用いて被検眼の光学断面像撮影や光学表面プロファイルを測定する装置に関する。

従来、スペクトル干渉を用いた光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Optical coherence tomography）にて被検眼の光学断面像撮影や光学表面プロファイルを測定する装置が知られている。このような装置は参照ミラーを駆動させないため、スペクトル干渉を用いない通常のＯＣＴ装置に比べて高速測定が可能である（特許文献１参照）。
特開平１１−３２５８４９号公報

しかしながら、スペクトル干渉を用いたＯＣＴ装置では、高速測定が可能である反面、通常のＯＣＴ装置に比べて奥行方向の測定範囲が狭くなるという問題がある。また、スペクトル干渉を用いたＯＣＴ装置に対して参照ミラーを駆動させることにより奥行方向の測定範囲を広くする方法も考えられるが、これでは高速測定を犠牲にすることとなってしまう。
上記従来技術の問題点に鑑み、高速測定を維持しつつ奥行方向の測定範囲を拡大することのできるスペクトル干渉ＯＣＴを用いた眼科装置を提供することを技術課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）被検眼の特性を測定又は撮影する眼科装置において、低コヒーレント長の光の一部を被検眼に照射する測定光光学系と、前記低コヒーレント長の光の一部を参照光とする参照光光学系と、前記参照光と前記被検眼からの反射光とを合成して干渉させ，得られた干渉光を所定の周波数成分に分光する干渉光学系と、該干渉光学系にて前記周波数成分に分光する際における分光特性を変化させる分光特性変更手段と、前記周波数成分に分光された光を受光する受光手段と、該受光手段による受光信号に基づいて被検眼の特性を測定又は撮影する制御手段と、を備えることを特徴とする。
（２）（１）の眼科装置において、前記分光特性変更手段は前記レンズの変倍機構によって前記分光特性を変化させることを特徴とする。
（３）（１）の眼科装置において、前記干渉光学系は前記参照光と被検眼からの反射光の合成光を前記周波数成分に分光するための回折格子を有し、前記分光特性変更手段は前記合成光の回折格子への入射角度を変更させる手段であることを特徴とする。
（４）（２）または（３）の眼科装置において、前記分光特性変更手段は第１の分光特性と第２の分光特性とを切り換えるための切換え手段を有していることを特徴とする。
（５）（４）の眼科装置は、前記被検眼に照射する低コヒーレント長の光を少なくとも一軸方向に走査する走査手段を備える。

本発明によれば、スペクトル干渉ＯＣＴを用いても高速測定を維持しつつ奥行方向の測定範囲を拡大することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態で用いるスペクトル干渉ＯＣＴを用いた眼科装置の光学系の概略構成を示す図である。なお、本実施形態の眼科装置は前眼部断面を撮影する眼科撮影装置を用いている。図１に示す光学系は、測定光投光光学系、参照光光学系、干渉信号検出光学系、、観察光学系からなる。なお、本実施形態の眼科測定装置は被検眼に対して装置を所定の関係に位置させるためのアライメント光学系も有している。従来、他覚的眼屈折力装置等に用いられている既知のアライメント光学系と同様の光学系を用いればよいため、その説明は割愛する。

＜測定光投光光学系＞
図１に示す測定光投光光学系１００は、光源１、コリメーターレンズ２、ビームスプリッタ３、ガルバノミラー４、対物レンズ５、ビームスプリッタ６にて構成されている。
光源１は、ＳＬＤ（Super luminescent Diode）等の低コヒーレント長の近赤外光を発する光源である。光源１から出射された低コヒーレント光は、コリメーターレンズ２にて平行光束とされた後、ビームスプリッタ３を透過する。ビームスプリッタ３を透過した光束は、ガルバノミラー４にて反射した後、対物レンズ５、ビームスプリッタ６を経て、被検眼Ｅの角膜頂点付近に集光する。ガルバノミラー４は所定の方向（本実施形態では被検眼に対して光束を上下方向に走査する方向）に回転駆動可能となっている。また、ガルバノミラー４の反射面は、対物レンズ５の後ろ側焦点位置に配置されており、駆動によって光路長が変化しないようになっている。

＜参照光光学系＞
図１に示す参照光光学系２００は、光源側から、光源１、コリメーターレンズ２、ビームスプリッタ３、ミラー７〜９、集光レンズ１０、参照ミラー１１にて構成されている。なお、測定光投光光学系１００とは、光源１からビームスプリッタ３までを共有する。
光源１から出射した低コヒーレント光は、コリメーターレンズ２を通過した後、ビームスプリッタ３にて一部の光束が反射し、ミラー７に向かう。ミラー７にて反射した光束は、さらにミラー８及び９にて折り返された後、集光レンズ１０により、参照ミラー１１に集光する。

＜干渉信号検出光学系＞
図１に示す干渉信号検出光学系３００は、被検眼Ｅからの反射光（測定光）を受光するための光学系と参照ミラー１１からの反射光（参照光）を受光するための光学系とから構成される。
被検眼からの反射光を受光する光学系は、被検眼Ｅの前方からビームスプリッタ６、対物レンズ５、ガルバノミラー４、ビームスプリッタ３、集光レンズ１３、エキスパンダレンズ１４、グレーティングミラー（回折格子）１５、変倍レンズ群１６、円柱レンズ１７、受光素子１８にて構成されている。なお、グレーティングミラー１５は変倍レンズ群１６の前側焦点位置に、受光素子１８は後側焦点位置に置かれている。
本実施形態で用いる受光素子１８は、赤外域に感度を有する一次元素子を用いている。また、測定光投光光学系１００とは、ビームスプリッタ３からビームスプリッタ６までを共有する。

測定光投光光学系１００によって被検眼Ｅの角膜付近に集光された光束の反射光は、再び測定光投光光学系１００の各種光学部材を経た後、ビームスプリッタ３によって、一部の反射光が反射する。ビームスプリッタ３を反射した反射光は、集光レンズ１３経て一旦集光する。集光レンズ１３にて集光した反射光は、エキスパンダレンズ１４にて光束径を広げられた後、グレーティングミラー１５にて周波数成分に分光される。周波数成分に分光された反射光は、変倍レンズ群１６、円柱レンズ１７を経て、受光素子１８の受光面に集光する。なお、エキスパンダレンズ１４通過後の光束径、グレーティングミラーの格子間隔、変倍レンズ群１６、受光素子１８は、被検眼光軸方向の測定範囲と分解能を考慮して最適化されている。なお、変倍レンズ群１６は少なくとも２種類の焦点距離が得られるように切換え可能であり、焦点距離の変更によって各周波数成分に分光される光の分光特性を変化させることができるようになっている。
また、参照ミラー１１にて反射した反射光（参照光）を受光するための光学系は、参照ミラー１１、集光レンズ１０、ミラー７〜９、ビームスプリッタ３、集光レンズ１３、エキスパンダレンズ１４、グレーティングミラー１５、変倍レンズ群１６、円柱レンズ１７、受光素子１８にて構成されている。

参照ミラー１１にて反射した参照光は、集光レンズ１０を経た後、ミラー９、ミラー８、ミラー７を順に戻り、ビームスプリッタ３を透過して、被検眼からの反射光と合成される。被検眼からの反射光と合成された参照光は、集光レンズ１３、エキスパンダレンズ１４を経た後、グレーティングミラー１５により周波数成分に分光され、変倍レンズ群１６、円柱レンズ１７を経て受光素子１８に集光する。このようにグレーティングミラー１５、変倍レンズ群１６、円柱レンズ１７、受光素子１８にて、スペクトロメータ部を形成する。なお、受光素子１８の受光面は、被検眼角膜に共役な関係となっている。なお、円柱レンズ１７は受光素子１８の幅方向に光束径を広げる役目を果たし、受光素子１８の設置誤差によらず、光束を受光面に受光させるために用いられる。

＜観察光学系＞
図１に示す観察光学系４００は、被検眼Ｅ前方から、ビームスプリッタ６、対物レンズ１９、結像レンズ２０、赤外域に感度を有する受光素子２１から構成される。なお、被検眼Ｅの瞳位置と受光素子２１とはレンズを介して共役な位置関係となっている。なお、２２は被検眼Ｅを照明するための赤外ＬＥＤである。

図２は本実施形態で用いる眼科測定装置における制御系を示したブロック図である。
４０は本実施形態の装置の駆動制御を行う制御部である。制御部４０には、ガルバノミラー４、受光素子１８，受光素子２１、モニタ４１、演算処理部４２、駆動手段４３〜４５、コントロール部４６、記憶部４７等が接続される。なお、駆動手段４３はパルスモータ等を用いており、図１に示した変倍レンズ群１６の各レンズを光軸方向に移動させ焦点距離を変更させるために用いられる。駆動手段４４はパルスモータ等を用いており、円柱レンズ１７及び受光素子１８を光軸方向に移動させるために用いられる。また、駆動手段４５はパルスモータ等を用いており、図１に示す光学系全体を被検眼Ｅに対して前後方向に駆動させるために用いられる。

演算処理部４２は、受光素子によって得られた情報を基に、被検眼の断面画像を形成するために用いられる。また、コントロール部４６には、駆動手段４５を用いて図１に示した光学系全体を被検眼Ｅに対して前後方向に駆動させるための駆動スイッチ４６ａ、焦点距離を変更させるための焦点距離スイッチ４６ｂ、撮影スイッチ４６ｃ等が用意される。また、記憶部４７には撮影された被検眼Ｅの断面画像が記憶される。

本実施形態の眼科装置はグレーティングミラーによって周波数成分に分光された光束を受光素子上に集光させるためのレンズ群の焦点距離を変えることにより、スペクトロメーター部の分光特性を変え、奥行方向に対して長い距離を低解像度で、短い距離を高解像度で撮影（測定）することを可能としている。以下にその原理を説明する。なお、以下では、Δは受光素子（ＣＣＤ）全体を、δは受光素子上の１ピクセルに対応する量，数値を示すものとする。
スペクトロメータ部のレンズの焦点距離をｆ、グレーティングミラーのグレーティング本数をＮ（本/ｍｍ）、回折次数をｍ、回折角をβ、波長λとすると、ＣＣＤ上の座標ｘについて、

が成り立つ。グレーティングミラーで分光される方向のＣＣＤの有効画素数及びその幅を順に、Ｎ_CCD、Ｘ_CCDとし、ＣＣＤ上へ分光する波長幅をΔλ_CCDとすると、

となる。
ＣＣＤ上の干渉像を離散フーリエ変換、または離散逆フーリエ変換して得られる信号のスケールについては式３のように導くことができる、なおωは角周波数、ｃは光速である。

これにより、離散フーリエ変換、または離散逆フーリエ変換後の１ピクセルは、

よって、

に相当する。また離散フーリエ変換の特徴から、最大深さはＮＣＣＤ／２に表れるので、奥行方向の測定範囲ｚ_Maxは、

となる。したがって、奥行方向の測定範囲は、レンズ焦点距離ｆに比例し、回折角βに反比例することとなる。その結果、スペクトロメータ部のレンズの焦点距離ｆを長くすれば解像度は低くなるが、奥行方向の撮影範囲（測定範囲）は長くなることとなり、焦点距離ｆを短くすれば奥行方向の撮影範囲は短くなるが、解像度が高くなることとなる。

以上のような、構成を備える装置について、以下にその動作を説明する。
検者は、図１に示すモニタ４１を見ながら、図示なきジョイスティック等の操作手段を用いて、装置を上下左右及び前後方向に移動させ、装置を被検眼Ｅに対して所定の位置関係に置く。なお、本実施形態では、受光素子２１の受光面と被検眼Ｅの瞳位置とが共役な関係になるようにしている。被検眼Ｅに対して装置が所定の位置関係になったら、検者はコントロール部４６の撮影スイッチ４６ｃを使用し、被検眼Ｅの前眼部断面像をモニター４１に表示させる。検者はコントロール部４６の焦点距離スイッチ４６ｂを使用して、図１に示すスペクトロメータ部の変倍レンズ群１６の焦点距離を適宜切換え、所望する前眼部断面像をモニタ４１に表示させる。

撮影スイッチ４６ｃが押されると、制御部４０は光源１から赤外光の光を出射させるとともにガルバノミラー４を駆動させて被検眼Ｅに対して赤外光を走査させる。
測定光投光光学系１００によって被検眼Ｅの角膜付近に集光された光束の反射光（測定光）は、再び測定光投光光学系１００の各種光学部材を経た後、ビームスプリッタ３によって、一部の反射光が反射する。ビームスプリッタ３を反射した反射光は参照光投光光学系を通る参照光と合成された後、集光レンズ１３経て一旦集光する。集光レンズ１３にて集光した光束は、エキスパンダレンズ１４にてその光束径を広げられた後、グレーティングミラー１５にて周波数成分に分光される。周波数成分に分光された光束は、変倍レンズ群１６、円柱レンズ１７を経て、受光素子１８の受光面に集光する。

受光素子１８は、各周波数成分に分光された光を受光し、周波数成分毎の干渉強度を出力する。演算処理部４２は、受光素子１８にて受光される測定光と参照光とによって得られる干渉強度をモニタする。なお、受光素子１８に受光される光には、角膜表面の反射光以外にも、角膜裏面や水晶体前後面等からの反射光も含まれる。したがって、受光素子１８が受光する干渉信号は、これらの反射光と参照光との干渉が周波数の関数として受光されることとなる。

演算処理部４２は、干渉信号の強度が最も強くなったときの受光素子１８から出力される検出信号をフーリエ変換を用いて解析する。干渉光には被検眼Ｅにおける各位相物体（例えば、角膜前後面、水晶体前後面等）からの反射光を含んでいるため、検出信号をフーリエ変換することによって、被検眼Ｅにおける角膜、水晶体等の各位相物体の深さ情報を得ることができる。演算処理部４２は演算によって求められたこれらの深さ情報を基にモニター４１に前眼部断面像を表示する。

変倍レンズ群の焦点距離が長い場合には、奥行方向対して撮影距離を長くすることができるため、図３（ａ）に示すようにモニター４１上に前眼部全体の断面像を表示することができる。次に、検者はコントロール部４６の駆動スイッチ４６ａを使用して図１に示した光学系を被検眼Ｅに対して前後方向に微動させていき、さらに注目したい部分の箇所がモニター４１の画面中央に来るようにする。このような状態にて焦点距離スイッチ４６ｂを使用すると、制御部４０は駆動手段４３を用いて焦点距離が短くなるように変倍レンズ群１６の各レンズを光軸方向に移動させる。このとき変倍レンズ群１６は、グレーティングミラー１５が置かれている位置を変倍レンズ群１６の前側焦点位置とした状態で焦点距離が短くなるように移動する。また、変倍レンズ群１６の焦点距離が短くなるのに応じて、制御部４０は駆動手段４４を用いて受光素子１８及び円柱レンズ１７を光軸方向に移動させ、変倍レンズ群１６の後側焦点位置に受光素子１８の受光面を位置させる。変倍レンズ群１６の焦点距離が短くなると、焦点距離が長い場合に比べ、スペクトロメータ部における周波数範囲が広くなり、図３（ｂ）に示すような注目したい部分を画面中央に置いた解像度の高い拡大断面像が得られることとなる。得られた前眼部断面像は図示せぬ保存スイッチを用いることにより、記憶部４７に記憶される。

このように、本実施形態の眼科装置では、変倍レンズ群１６の焦点距離を長くしてスペクトロメータ部の周波数範囲を狭くすることにより、従来のスペクトル干渉を用いたＯＣＴの撮影範囲より広い範囲での光学的断面像を得ることができる。また、注目したい部分については、変倍レンズ群１６の焦点距離を短くしてスペクトロメータ部の周波数範囲を長くすることにより、所定部分を高解像で観察することが可能となる。
なお、本実施の形態では、２つの焦点距離として切り換えるものとしているが、これに限るものではなく、段階的に２つ以上の焦点距離に切り換えても良いし、連続的に切り換えることも可能である。

また、本実施形態では、焦点距離を変えることにより、スペクトロメータ部の分光特性を変化させるものとしているが、これに限るものではなく、他の方法によって分光特性を変化させることができればよい。前述した式６で示したように、奥行方向の測定範囲ｚ_Maxは、レンズの焦点距離の他にグレーティングミラーの回折角βによっても変更させることが可能である。したがって、測定範囲（撮影範囲）を長くしたい場合にはcosβが小さくなるようにグレーティングミラーの設置角度を変え、測定範囲を短くし、その分解像度の高い画像を得たい場合には、cosβが大きくなるようにグレーティングミラーの設置角度を変更すればよい。なお、グレーティングミラーの設置角度を変更する場合には、その後に配置されている光学部材（集光レンズや受光素子等）の設置位置をグレーティングミラーの設置角度の変更に応じて移動させる必要がある。

なお、本実施形態の眼科装置ではメカニカルな機構を用いて測定範囲を広くするものとしているが、これに限るものではない。例えば、被検眼Ｅに対して装置を移動させながら狭い範囲にて高解像度の被検眼断面像を順次得ておき、画像処理によってこれらの断面像を繋ぎ合せることにより、奥行方向分解能を高解像度に保ったまま広い範囲の断面像を得ることもできる。

さらに、本実施の形態では、アライメント時には測定光を角膜表面付近に集光させるものとしているが、これに限るものではなく、被検眼内の位相物体（角膜、水晶体等）からの反射光が各周波数成分に分光された状態で受光素子に受光されていればよい。例えば、測定光の集光位置を被検眼Ｅの瞳位置とすることもできる。さらにまた、本実施形態では測定光と参照光との合成光を各周波数成分に分光するための分光手段としてグレーティングミラー（回折格子）を用いるものとしているが、これに限るものではなく、プリズムや音響光学素子等の他の分光手段を用いることもできる。
また、本実施形態の眼科装置では前眼部断面像を撮影する装置としているが、これに限るものではなく、本発明を眼軸長等の生体寸法の測定や光学表面プロファイル測定に用いたり、眼科分野以外の医療分野、及び他の分野における光断面撮影、光学表面プロファイル測定等に用いることもできる。

本実施形態における光学系を示した図である。本実施形態における制御系を示したブロック図である。分光特性を変化させることにより得られる画像の違いを示した図である。

符号の説明

１光源
２コリメータレンズ
３ビームスプリッタ
４ガルバノミラー
５対物レンズ
６ビームスプリッタ
１５グレーティングミラー
１６変倍レンズ群
１８受光素子
４０制御部
４１モニタ
４２演算処理部
１００測定光投光光学系
２００参照光光学系
３００干渉信号検出光学系

Claims

被検眼の特性を測定又は撮影する眼科装置において、低コヒーレント長の光の一部を被検眼に照射する測定光光学系と、前記低コヒーレント長の光の一部を参照光とする参照光光学系と、前記参照光と前記被検眼からの反射光とを合成して干渉させ，得られた干渉光を所定の周波数成分に分光する干渉光学系と、該干渉光学系にて前記周波数成分に分光する際における分光特性を変化させる分光特性変更手段と、前記周波数成分に分光された光を受光する受光手段と、該受光手段による受光信号に基づいて被検眼の特性を測定又は撮影する制御手段と、を備えることを特徴とする眼科装置。
請求項１の眼科装置において、前記分光特性変更手段は前記レンズの変倍機構によって前記分光特性を変化させることを特徴とする眼科装置。
請求項１の眼科装置において、前記干渉光学系は前記参照光と被検眼からの反射光の合成光を前記周波数成分に分光するための回折格子を有し、前記分光特性変更手段は前記合成光の回折格子への入射角度を変更させる手段であることを特徴とする眼科装置。
請求項２または請求項３の眼科装置において、前記分光特性変更手段は第１の分光特性と第２の分光特性とを切り換えるための切換え手段を有していることを特徴とする眼科装置。
請求項４の眼科装置は、前記被検眼に照射する低コヒーレント長の光を少なくとも一軸方向に走査する走査手段を備えることを特徴とする眼科装置。