用于眼科設備的對準系統的制作方法

專利名稱：用于眼科設備的對準系統的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及用于使操作者能夠相對于病人眼睛而定位眼科設備的對準系統，并且更具體地涉及一種適用于在手持眼科設備中使用并作為定位幫助而向操作者提供對病人眼睛進行直接觀察的對準系統。
授予Lava11ee等的U.S.專利No.3,56,073描述了具有目標投影系統的非接觸眼壓計，所述系統通過物鏡沿對準軸線將目標圖像投影到物鏡的圖像平面。作為結果，當物鏡的圖像平面與病人角膜的曲率中心一致時，角膜的目標虛像或鏡像由對準軸線上圓標線(reticle)平面中的物鏡和望遠透鏡再次成像。沿對準軸線通過目鏡看向眼睛的操作者可看到疊加在圓標線上的回射目標圖像，并通過使目標圖像參照標線標記聚集于中心來橫向并垂直地對準設備(X-Y對準)。依照這個系統，處于觀察之下的角膜表面被局限于整個角膜表面的所需小部分。’073專利亦描述了被動、“go/no go”對準確定系統，包括與位于針孔之后的對準檢測系統合作的紅外線LED，由此檢測器基于對準而產生觸發信號。
在授予Luce等的U.S.專利No.4,881,807中講了一種用于在相對于眼睛而定位眼科設備的過程中使用的較復雜的光電對準系統。依照這個系統和現有技術的其它系統，三角測量被用于計量眼睛相對于設備的三維位置。為了舉例，上述U.S.專利No.4,881,807公開了一種系統，其中在眼睛相對側安排的兩個光源用發散光線來照射眼睛，并且每個都包括光敏像素的二維陣列的一對CCD區域檢測器被安排在相關針孔之后以接收源自相應的一個光源的小束發射光線。通過識別登記峰值響應信號的像素來確定光照射到CCD陣列的本地x-y位置。光照射到每個CCD陣列的本地x-y位置和描述系統部件預定幾何安排的規格被作為輸入提供給微處理器，然后它計算實現對準所必要的總的(global)X、Y和Z方向的移動量。亦提供視頻圖像檢測器以將眼睛的大圖像(macro-image)供應給CRT顯示器，并且將來自對準CCD電子設備的輸出耦合到CRT顯示器電子設備中以在顯示器圖像上提供對準照射光斑符號。
已知的對準系統不給操作者提供沿對準軸線或沿用于對準目的的設備的主光軸的對眼睛的直接觀察。事實上，許多現有技術系統依賴于產生和顯示眼睛的視頻圖像并在所顯示的視頻圖像中疊加對準提示以便于移動設備而實現對準。這種途徑需要附加于設備尺寸、重量和費用的手段。
發明簡述因此，本發明的目的是提供用于眼科設備的對準系統，該系統給操作者提供沿設備光軸的對病人眼睛的直接觀察。
本發明的另一目的是提供用于眼科設備的對準系統，該系統給操作者提供沿設備光軸的對病人眼睛的直接觀察，而同時沿光軸向病人呈現固定目標。
本發明的另一目的是提供用于眼科設備的對準系統，該系統包括在操作者視野中用眼睛的直接被觀察實像而疊加的指導性顯示器圖像。
本發明再另一個目的是提供制造相對不貴的用于眼科設備的對準系統。
在推進這些和其它目的的過程中，具有與病人角膜頂點對準的中心光軸的眼科設備包括沿光軸使操作者能直接觀察病人眼睛以便于一般對準的目鏡以及用于沿相同的光軸向病人呈現被亮背景圍繞的暗的固定目標的裝置，其中亮背景幫助照射眼睛以便于操作者觀察。
依照優選實施例的對準系統進一步包括用于確定設備相對于病人眼的X-Y-Z對準狀態的遠焦(afocal)位置檢測系統。該位置檢測系統包括在設備中心光軸的相對側的第一和第二光源，并且相應的第一和第二光敏區域檢測器被定位以在來自相關光源的光被角膜反射之后接收它。檢測器提供指示形成于其上的照射光斑的本地x-y位置的信號信息。在優選實施例中，第一和第二檢測器為具有四個象限的四單元檢測器，而照射光斑的尺寸為大約一個象限的尺寸，由此可基于由象限產生的四個信號電平來確定x-y位置。當它照射眼睛并且當它到達檢測器時，每個光源之后和每個檢測器之前的聚光透鏡使光束中的聚散度最小。
然后來自每個檢測器的本地x-y數據被作為輸入提供給在設備校準期間確定的一系列所存儲的幾何關系，以便于給出設備相對于眼睛的X-Y-Z總的對準狀態。幾何關系為X、Y和Z的多重回歸方程，其中通過從用于人工眼的檢測器讀取本地x-y數據來確定每個方程的回歸系數，所述人工眼在校準期間被置于多個已知X-Y-Z位置。回歸系數在校準期間被存儲并在正常設備操作期間被使用以當操作者相對于病人眼睛而定位設備時基于來自檢測器的本地x-y數據而快速計算X、Y和Z坐標。
優選地連接“提醒”(heads-up)顯示器以接收X-Y-Z數據并給操作者提供指導標志，以便于移動設備以實現對準。在當前實施例中，“提醒”顯示器包括被有選擇地照射以指示所需X-Y移動方向的發光二級管的極性陣列和被有選擇地照射以指示所需Z移動方向的發光二級管的線性陣列。通過使用分束器，沿設備光軸將“提醒”顯示器的圖像呈現給操作者，所述分束器允許亦沿所述光軸來傳輸病人眼睛的大圖像，由此X-Y極性陣列被繞眼睛的直接被觀察的大圖像周圍安排。
附圖中幾個視圖的簡述現在將在以下借助附圖的發明詳述中來較完整地描述本發明的操作特性和模式，在其中

圖1為結合本發明對準系統的眼科設備的光學示意圖；圖2為圖1中所示眼科設備的光學塊部分的截面圖；圖3為示出位置檢測系統單元的安排的示意透視圖，所述系統形成依照本發明優選實施例的對準系統的部分；
圖4為圖2中所示位置檢測系統的四單元檢測器的詳細視圖；圖5為涉及圖4中所示四單元檢測器的照射和取樣的電子時序圖；圖6為圖1中所示眼科設備的電子方塊圖；圖7為遵循以校準圖2中所示位置檢測系統的步驟的流程圖；以及圖8為用于給操作者提供指導以便于相對待測試眼睛而對準設備、形成依照本發明優選實施例的對準系統部分的提醒顯示器的放大視圖。
發明詳述在圖1中，示意性地示出結合本發明對準系統的眼科設備并通過數字10來識別。設備10是一種非接觸眼壓計，用來通過流體排放管12排放流體脈沖以引起病人角膜可觀察的變形以便于測量眼內壓力的目的的來操作的。然而，本發明可能以其它類型的眼科設備來實施，在其中確定設備相對于眼睛的X-Y或X-Y-Z對準狀態是有必要的。
設備10包括光軸14，沿其排放管12被對準；旋座(nosepiece)16，固定于設備前面部分的附近以便于安裝如以下所述設備的各種光學和光電單元；固定目標投影系統18，與分束器20合作以沿光軸14向病人呈現可視固定目標；目鏡22和微距鏡頭(macro-lens)23，用于使操作者0能夠沿光軸14通過設備觀察病人眼睛E；提醒顯示器24；以及鏡面26，與分束器28合作以沿光軸14向操作者呈現“提醒”顯示器圖像。微距透鏡23優選為平面-平面透鏡以使操作者以非放大狀態看到眼睛，然而有可能使用具有光焦度的微距透鏡以提供關于眼睛的一些其它所需視野。
圖2較具體地示出優選的固定目標投影系統18。LED19發射經過精磨的漫射體元件21的光，所述元件具有被涂為半透明紅色的中心目標點25。然后來自漫射體元件21的光在準直目標光被分束器20反射以沿光軸14前進之前經過準直透鏡27。因為亮背景光幫助照射病人眼睛從而有助于操作者沿光軸14直接觀察眼睛，所以使用相對于亮背景場為暗的目標點是優選的。可采用安裝于旋座16中或附近的附加光源(未表示)以幫助照射眼睛E。
現在將注意力轉到安裝于旋座16上或內的元件。如以上所提，設備10被描述為非接觸眼壓計，并由此它包括用于在排放流體脈沖期間傾斜地(obliquely)照射眼睛的扁平發射器30、以及安排在眼睛相對側用于接收從角膜反射的光并在角膜表面被流體脈沖弄平(“變平”)的時刻登記峰值信號的扁平檢測器32。熟悉非接觸眼壓計的人們將認識到扁平發射器30和扁平檢測器32是用于確定基于來自角膜表面的反射光而發生扁平作用的時刻的眾所周知的現有技術裝置的部分。
形成依照本發明實施例的對準系統的部分的位置檢測系統的元件亦在旋座16中。更特別地，圖1的示意性表示示出了被用于位置檢測的在光軸14一側的光源40A和在光軸14相對側的檢測器42A。在實際應用中，旋座16支持可在圖3的視圖中看到的第二光源40B和第二檢測器42B。在當前描述的實施例中，光源40A和40B恰好位于包含光軸14的水平平面之下，而檢測器42A和42B恰好位于包含光軸14的水平平面之上，由此在水平平面中留下用于扁平發射器30和扁平檢測器32的空間。第一光源40A沿第一照射軸線41A引導第一光束以便于照射眼睛E，而第一檢測器42A限定第一光檢測區域以便于接收由來自眼睛的反射光所形成的第一光源40A的圖像。沿第一照射軸線41A傳播的光經過聚光透鏡44A并傾斜地入射到角膜的通常的球形表面，在此它被反射向第一檢測器42A。第一檢測器42A之前的聚光透鏡46A基本上準直了來自角膜通常球形表面的發散光束，由此在由第一檢測器42A限定的光檢測區域上接收照射光斑。實質上第一檢測器42A檢測位于角膜之后的視在源或虛源。第二光源40B、第二照射軸線41B、聚光透鏡44B和46B以及第二檢測器42B形成類似系統，并且優選地以關于包含光軸14的垂直平面的相反對稱來安排。在優選構造中，位置光源40A和40B以及扁平發射器30為紅外線發光二級管以使病人不能看到，并且在單個柔性電路板上安裝或形成以允許較容易地裝配設備。類似地，第一和第二檢測器42A、42B優選地由柔性電路板來支撐以便于容易裝配。
在圖3的示例中，如由流體排放管12的出口端表示的設備和如由角膜頂點V表示的眼睛以三維(X-Y-Z)對準的狀態來示出。在本實施例中，當光軸14與角膜頂點V相交并垂直以它、并且流體排放管12的出口端在Z軸方向上距角膜頂點V一預定發射距離D時，實現了對準。選擇第一檢測器42A和第二檢測器42B的方位以使當存在對準時，相應的角膜反射的照射光束的中心光線垂直于相關檢測器的光檢測區域并且基本上到達光檢測區域的中心點。
圖4示出第一檢測器42A的光檢測區域48，應理解伴隨的描述亦可應用于第二檢測器42B。光源40A的圖像在光檢測區域48上作為光斑50而出現。在本實施例中，第一檢測器42A為四單元檢測器，包括四個象限Q1、Q2、Q3和Q4，每個都提供與由此所接收的光功率成比例的信號。每個象限的尺寸優選為大約1.3mm×1.3mm的量級，相鄰象限的邊緣之間有大約0.1mm的間隔距離。照射光斑50的尺寸應為一個象限尺寸的量級以用于有意義的x-y分辨率。在Z軸調節期間當設備10被移近或移遠眼睛時，照射光斑50的尺寸將變化。而且，當設備移近眼睛時，光斑尺寸的變化速率增加。因此，為以預定發射距離D為中心的Z軸位置范圍(即+/-2.00mm)而對系統進行最優化以使用于Z軸位置整個范圍的光斑尺寸變化為最小是理想的。通過為聚光透鏡46A、46B選擇適當的前焦距可實現最優化，當設備經過Z軸位置范圍而移向眼睛時，所述焦距導致照射到檢測器42A、42B的光從略為收斂過渡為略為發散，其中當設備位于預定發射距離D時，照射到檢測器42A、42B的光為近似準直。在實踐中，已發現發射距離D應恰好超過聚光透鏡46A、46B的前焦距。
如將要理解的，來自第一檢測器42A的象限Q1-Q4的信號指示著光檢測區域48中光斑圖像50的形心的本地二維位置(x1，y1)，而來自第二檢測器42B的象限Q1-Q4的信號指示著形成于第二檢測器的光檢測區域48上的類似光斑的本地二維位置(x2，y2)。本地x位置是通過如以下對來自每個象限的信號強度進行比較而給出的x＝(Q3+Q4-Q1-Q2)/(Q1+Q2+Q3+Q4)。類似地，本地y位置是通過如以下對來自每個象限的信號強度進行比較而給出的y＝(Q1+Q4-Q2-Q3)/(Q1+Q2+Q3+Q4)。
為了避免干擾、提供足夠的照射強度并減少功率損耗，第一光源40A和第二光源40B是順序照射的，并且第一檢測器42A和第二檢測器42B是順序取樣的。圖5為時序圖，示出一個光源脈動大約100μs的持續時間然后被取樣，然后另一個光源脈動相同的持續時間并被取樣。近似為每2ms重復一次該循環。
現在亦參考圖6，來自檢測器42A、42B的象限Q1-Q4的模擬信號被饋給放大器52然后被輸入到和/差電路54。和/差電路54為每個位置檢測器42A、42B提供三個輸出。輸出中的兩個為以上方程中相應的x和y的分子，而第三個輸出為兩個方程公用的分母。該輸出信號被復用器56復用然后被提供為到微處理器60的模擬輸入，該微處理器提供信號的板上(on-board)模擬到數字轉換。微處理器60被編程以計算最終光斑位置(x1，y1)和(x2，y2)。
盡管本實施例被描述為采用四單元檢測器，但為了本發明的目的而替換其它檢測器類型和配置是可能的。例如，可提供本地x-y信號信息的多種位置敏感裝置(PSD)在商業上是可用的。還有，有可能在象限配置中安排四個分離的光敏檢測器以模擬上述的四單元檢測器。
然后通過將來自第一檢測器42A的坐標x1、y1和來自第二檢測器42B的坐標x2、y2輸入到在設備10的校準期間存儲于存儲器62中的多個預定幾何關系來計算眼科設備10相對于眼睛的總的X-Y-Z對準狀態。更具體地，可如以下通過多重回歸來確定給出總的位置坐標X、Y和Z的幾何關系X＝R1x1+R2y1+R3x2+R4y2+R5，Y＝R6x1+R7y1+R8x2+R9y2+R10，和Z＝R11x1+R12y1+R13x2+R14y2+R15，其中回歸系數R1-R15在使用人工眼的設備校準測量期間得到。
圖7為示出為校準本發明位置檢測系統所遵循步驟的流程圖。第一，依照步驟70，將人工“測試”眼置于相對于設備10的一隨機、已知的位置X、Y、Z。然后，如步驟72和74所指示的，從位置檢測系統讀取本地光斑位置(x1，y1)和(x2，y2)并將其與相應的已知總的坐標X、Y、Z存儲于表中。如果已依照詢問76測量了足夠數量的數據點，則在步驟78中執行多重回歸以得到回歸系數R1-R15，然后按照步驟80將其存儲于存儲器中。如果依照詢問76需要較多的數據點，該過程返回到步驟70并進行重復。優選使用人工眼的大量隨機位置來校準位置檢測系統，由于這將提供確定回歸系數的較大精度，并且最終提供病人眼睛計算X、Y、Z位置的提高的精度。
主要是因為本發明的位置檢測系統不需要掃描具有大量像素的CCD陣列，因此它以大大高于現有技術系統的重復速率來提供X-Y-Z對準狀態信息。如以上所指出的，較快的系統對于手持設備的對準來說尤其有用，它可能一確定X-Y-Z對準就被激勵以進行測量。這樣，該系統減少了確定對準和測量之間的滯后時間，在該滯后時間內可發生設備和眼睛之間進一步的相對運動。而且，可由制造商的人員定期校準本發明的位置檢測系統以確保對準精度。
圖8示出當它呈現于沿光軸14通過目鏡22觀察的操作者時設備10的提醒顯示器24的放大視圖。顯示器24通過以指導操作者考慮實現對準所必要的設備移動的格式來提供計算X-Y-Z對準狀態，從而幫助操作者對準設備。提醒顯示器24包括被透明片86掩蓋的發光二極管84的極性陣列82，其具有用于給操作者提供X-Y對準指導的光傳輸方向指示器88。極性陣列82中的每個LED84都通過I2C導線61和串行到并行轉換器(未表示)被連接到微處理器60，由此LED依據設備相對于眼睛的X-Y對準狀態而有選擇地照射。特別地，LED84相應于適當的方向指示器而照射，指導操作者移動設備的方向以將光軸14與角膜頂點V對準。當實現X-Y對準時，極性陣列中的所有LED84能以連續或脈沖的方式而照射以將X-Y對準狀況傳達給操作者。提醒顯示器24進一步包括為了Z軸對準的目的而被定位以與透明片86中的光傳輸矩形94一致的發光二極管92的線性陣列90。線性陣列90中的每個LED92都通過I2C導線61和串行到并行轉換器(未表示)被連接到微處理器60，由此LED依據設備相對于眼睛的Z對準狀態而有選擇地照射。更特別地，并為了舉非局限性的實例，線性陣列90中的頂部和底部LED為相同顏色(即紅色)，中部LED為另一種顏色(即綠色)，而頂部LED和中部LED之間以及底部LED和中部LED之間的LED為又另一種顏色(即黃色)。當設備過于接近眼睛時，兩者的紅色LED都作為警報而向操作者閃光。下部的紅色和黃色LED指示應將設備移開眼睛，而上部的紅色和黃色LED指示應將設備移向眼睛。綠色LED指示達到了Z軸對準。當前，在單個電路板上提供LED84和92并使用照相軟片來形成透明片86，其可通過間隔物(未表示)與LED電路板隔離。
如在圖1中可看到的，實際的提醒顯示器位于設備中偏離光軸14的位置。“提醒”顯示器24的圖像是借助鏡面26和分束器28沿光軸14呈現給操作者的。X-Y極性陣列82被環向安排在通過微距透鏡23的病人眼睛的大圖像周圍，由此操作者可看到瞳孔和周圍的虹膜連同由“提醒”顯示器24所提供的疊加的指導性顯示標志。例如，在圖8中，操作者被指導為了X-Y對準而將設備移低并移向左，并且為了Z對準而移近。
權利要求
1.一種對準系統，用于相對病人眼睛而對準眼科設備，所述對準系統包括測量軸；用于沿所述測量軸來投影可視固定目標圖像以便于由所述病人觀察的裝置；所述操作者沿其直接觀察所述眼睛的光軸；以及用于提供關于所述眼科設備相對于所述眼睛的對準狀態的信號信息的光電位置檢測裝置。
2.依照權利要求1的對準系統，進一步包括連接到所述光電位置檢測裝置的顯示器，用于基于所述信號信息指導所述操作者實現所述眼科設備相對于所述眼睛的對準。
3.依照權利要求1的對準系統，其中所述光軸與所述測量軸重合。
4.依照權利要求1的對準系統，其中所述眼科設備為非接觸眼壓計，其包括流體排放管，該排放管具有與所述測量軸軸向對準的流體通道，用于沿所述測量軸將流體脈沖導向所述眼睛，并且所述固定目標圖像通過所述流體排放管的所述流體通道而被投影。
5.依照權利要求4的對準系統，其中所述固定目標圖像被亮背景圍繞以便于照射所述眼睛以有助于所述操作者直接觀察所述眼睛。
6.依照權利要求2的對準系統，進一步包括沿所述光軸將所述顯示器的圖像投影給所述操作者的裝置，由此所述顯示器的所述圖像與所述眼睛的實像疊加。
7.依照權利要求6的對準系統，其中所述顯示器包括發光二極管極性陣列，用于提供X-Y對準指導，并且當所述顯示器的所述圖像與所述眼睛的所述實像疊加時，所述極性陣列圍繞所述眼睛的所述實像。
8.依照權利要求6的對準系統，其中用于投影所述可視固定目標圖像的所述裝置包括安排于所述光軸上的第一分束器，而用于投影所述顯示器的圖像的所述裝置包括安排于所述光軸上的第二分束器。
9.依照權利要求8的對準系統，其中由所述第一分束器導致的光束位移通過由所述第二分束器導致的相反光束位移來補償，用于沿所述光軸傳輸的光。
10.依照權利要求1的對準系統，其中所述光電位置檢測裝置包括用于沿第一照射軸線用第一光束來照射所述眼睛的第一光源，用于沿不同于所述第一照射軸線的第二照射軸線用第二光束來照射所述眼睛的第二光源，限定第一光檢測區域以便于接收所述第一光源圖像的第一四單元檢測器，以及限定第二光檢測區域以便于接收所述第二光源圖像的第二四單元檢測器。
11.在使得操作者能夠測量病人眼睛參數的眼科設備中，所述眼科設備具有用于垂直于所述眼睛的角膜頂點的對準的測量軸和用于沿所述測量軸投影可視固定目標圖像以便于由所述病人觀察的裝置，所述改進包括一種光軸，所述操作者沿其直接觀察所述眼睛。
12.依照權利要求11的改進，其中所述光軸與所述測量軸一致。
13.依照權利要求11的改進，其中所述眼科設備為包括流體排放管的非接觸眼壓計，該排放管具有與所述測量軸軸向對準的流體通道，以便于沿所述測量軸將流體脈沖導向所述眼睛，并且所述固定目標圖像通過所述流體排放管的所述流體通道而被投影。
14.依照權利要求13的改進，其中所述固定目標圖像被亮背景圍繞，以便于照射所述眼睛以幫助所述操作者直接觀察所述眼睛。
全文摘要
一種用于眼科設備的對準系統，包括沿其操作者可直接觀察病人眼睛而病人可注視被亮背景圍繞的暗固定目標的光軸，所述亮背景幫助照射眼睛以便于操作者觀察。基于來自一對橫向檢測器的本地x－y位置信息，利用在設備校準期間通過多重回歸而確定的所存儲幾何關系的位置檢測系統計算設備相對于病人眼睛的X－Y－Z對準狀態，所述檢測器接收來自相應的一對橫向光源的角膜反射光。沿設備的光軸提供提醒顯示器的圖像以向操作者提供指導性標志，以便于在來自位置檢測系統的信號信息的基礎上移動設備以實現對準。該對準系統尤其適合于在手持眼科設備中使用。
文檔編號A61B3/113GK1433735SQ0215025
公開日2003年8月6日 申請日期2002年11月6日 優先權日2001年11月6日
發明者C·珀西瓦, D·H·胡維 申請人:李克特有限公司