JP2823660B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、測長装置に関し、殊に角膜頂点位置を幾何
光学的原理を利用した光学系を用いて求め、眼底位置を
物理光学的原理を利用した光学系としての干渉光学系を
用いて求めて、眼底から角膜頂点までの眼軸長を測定す
るのに好適の測長装置に関する。

（従来の技術） 従来から、レーザーダイオードLDからの光束を被検眼
に照射し、眼底から反射した平面波と角膜から反射した
球面波とを干渉させ、その干渉信号を用いて眼底と角膜
との間の距離（眼軸長）を測定する測長装置、たとえ
ば、眼軸長測定装置が知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この従来の測長装置では、眼底からの
反射平面波と角膜からの反射球面波を干渉させるとき、
被検眼に対しての測定装置のアライメントについて、厳
しいアライメント精度が要求され、殊に絶えず動く眼球
の測定においては、致命的ともいえる欠点である。ま
た、被検眼に対して測定装置のアライメントが若干でも
ずれると干渉縞の位置が大きくずれて今まで観察してい
た場所では、干渉縞の本数が急激に増え干渉が起こって
いるのかを見きわめるのが困難であった。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その
請求項１に記載の測長装置の構成は、 波長変化が可能なレーザ光を発するレーザー光源と、 測定対象物により反射されたレーザー光と測定対象物
対応参照面により反射されたレーザー光とを干渉させる
測定干渉光路と該測定干渉光路より長い光路長を有して
基準対象物により反射されたレーザー光と基準対象物対
応参照面により反射されたレーザー光とを干渉させる基
準干渉光路とを形成し、前記レーザー光源からのレーザ
ー光を前記測定干渉光路と前記基準干渉光路とに導くビ
ームスプリッタと、 前記測定干渉光路を経由して干渉光として導かれた光
を受光する第１受光部と、 前記基準干渉光路を経由して干渉光として導かれた光
を受光する第２受光部と、 前記レーザ光源の発光波長を変化させるレーザー駆動
部と、 前記第２受光部の出力信号をタイミング信号として用
いて前記第１受光部の出力信号をサンプリングし、周期
波信号を形成する周期波信号形成部と、 前記基準干渉光路の光路長と前記周期波信号の周期と
に基づき測定対象物までの距離を求める演算部と、 とからなることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の発明は、 波長変化が可能なレーザ光を発するレーザー光源と、 被検眼眼底により反射されたレーザー光と眼底対応参
照面により反射されたレーザー光とを干渉させる測定干
渉光路と該測定干渉光路より長い光路長を有して基準対
象物により反射されたレーザー光と基準対象物対応参照
面により反射されたレーザー光とを干渉させる基準干渉
光路とを形成し、前記レーザー光源からのレーザー光を
前記測定干渉光路と前記基準干渉光路とに導くビームス
プリッタと、 前記測定干渉光路を経由して干渉光として導かれた光
を受光する第１受光部と、 前記基準干渉光路を経由して干渉光として導かれた光
を受光する第２受光部と、 前記レーザ光源の発光波長を変化させるレーザー駆動
部と、 前記第２受光部の出力信号をタイミング信号として用
いて前記第１受光部の出力信号をサンプリングし、周期
波信号を形成する周期波信号形成部と、 前記基準干渉光路の光路長と前記周期波信号の周期と
に基づき眼底までの距離を求める眼底位置測定部と、 前記被検眼の角膜に光束を照射する照射光学系と、 前記角膜からの反射光を第３受光部に導く受光光学系
と、 前記第３受光部の出力に基づき前記被検眼の角膜位置
を求める角膜位置測定部とを有し、 前記被検眼の眼軸長を測定することを特徴とする。

（作用） 本発明の請求項１に記載の測長装置によれば、基準干
渉光路の距離と周期波信号形成部により得られた周期波
信号とに基づき演算を行えば、測定対象物までの距離を
求めることができる。

本発明の請求項３に記載の測長装置によれば、角膜頂
点位置は幾何光学的原理を利用した照射光学系及び受光
光学系を用いて測定され、眼底位置は、物理光学的原理
を利用した干渉光学系を用いて測定され、これによって
眼軸長が求められることになる。

（実施例１） 第１図は、角膜距離測定系として角膜にリング像を投
影して角膜頂点位置を求める実施例を示すものである。

第１図において、100は角膜距離測定系、101は干渉光
学系、102は被検眼角膜に光束を照射する照射光学系と
してのリング状光源投影部、103は被検眼、104は対物レ
ンズである。角膜距離測定系100は第１光路105、第２光
路106を有している。第１光路105は第３受光部としての
二次元イメージセンサ107、結像レンズ108、ハーフミラ
ー109、絞り110、レンズ111、全反射ミラー112、レンズ
113、ハーフミラー114、ダイクロイックミラー115、対
物レンズ104から大略構成されている。第２光路106はレ
ンズ117、全反射ミラー116、118、119、絞り124から大
略構成されている。

リング状光源投影部102は、リング状光源とパターン
板（図示を略す）とからなり、ここでは、メリジオナル
断面光線が平行であるような照明光を被検眼に投影する
ものとなっているが、放射照明光を投影してもよい。こ
の照明光を被検眼103に向かって照射すると、被検眼103
の角膜120にはリング状の虚像121が形成される。ここ
で、リング状光源投影部102の照明光の波長は900nm〜10
00nmである。ダイクロイックミラー115は、その照明光
を透過し、後述するレーザー光を反射する役割を果た
す。

角膜120による反射光は、対物レンズ104、ダイクロイ
ックミラー115を介してハーフミラー114に導かれ、第１
光路105と第２光路106とに分岐される。第１光路105に
導かれた反射光はレンズ113に基づき一旦リング状の空
中像122として結像され、さらに、全反射ミラー112、レ
ンズ111、絞り110、ハーフミラー109、結像レンズ108を
経由して二次元イメージセンサ107にリング像i₂（第２
図参照）として結像される。なお、このリング像i₂の結
像倍率は、ここでは、0.5倍とする。第２光路106に導か
れた反射光は全反射ミラー119により反射され、対物レ
ンズ104に基づき一旦空中像123として結像され、全反射
ミラー118、レンズ117、全反射ミラー116、絞り124、ハ
ーフミラー109、結像レンズ108を経由して、二次元イメ
ージセンサ107にリング像i₁として結像される。なお、
このリング像i₁の結像倍率は、リング像i₂の結像倍率よ
りも大きく設定されている。

絞り110は、第２絞りとしての役割を果たし、レンズ1
11、レンズ113によって対物レンズ104の後方焦点位置に
リレーされ、共役像125がその対物レンズ104の後方焦点
位置に形成され、第１光路105の光学系は物側にテレセ
ントリックである。絞り124は、第１絞りとしての役割
を果たし、レンズ117によって被検眼103の前方（対物レ
ンズ104の前方）にリレーされ、ここでは、共役像（実
像）126が被検眼の前方25mm〜50mmの箇所に形成され
る。

ここで、対物レンズ104と絞り110、124との関係を模
式的に示す第３図、第４図を参照しつつ説明する。い
ま、絞り124の共役像126が形成される光軸Ｏ上での位置
を原点Ｇとして、原点Ｇから光軸方向に距離L₁だけ離れ
た箇所に基準位置Ｙを定める。この基準位置Ｙはリング
像i₁、i₂がピンボケしない程度に決める。そして、この
基準位置Ｙに物体高がｈの物体（リング像ｉの半径に相
当する）を置く。このとき、第２光路106によって観察
面127（二次元イメージセンサ107の位置）に形成される
像高をy₁、第１光路105によって観察面127に形成される
像高をy₂とする。次に、この既知の物体を距離X₀だけ移
動させ、このときの像高y₁′、y₂′とする。また、観察
面127から点Ｚまでの距離をL₁′とし、基準位置Ｙから
点Ｚ′までの距離をL₂、絞り110から観察面127までの距
離をL₂′とする。さらに、角倍率をβ_１、β_２とする。

すると、以下の式が得られる。

h/L₁＝y₁・β₁/L₁′ h/（L₁＋X₀）＝（y₁′・β_１）/L₁′ h/L₂＝y₂/（β_２・L₂′） h/（L₂＋X₀）＝y₂′／（β_２・L₂′） 式、式において角倍率β_１、距離L₁、L₁′が定数
であるとし、 K₁＝（β_１・L₁）/L₁′ K₂＝β₁/L₁′ と置くと、 式、式は、以下の式に変形される。

ｈ＝K₁・y₁ ｈ＝K₁・y₁′＋K₂・y₁′・X₀ また、式、式において角倍率β_２、距離L₂、L₂′
が定数であるとし、 K₃＝L₂/（L₂′・β_２） K₄＝1/（L₂′・β_２） と置くと、 式、式は、以下の式に変形される。

ｈ＝K₃・y₂ ｈ＝K₃・y₂′＋K₄・y₂′・X₂ ここで、定数K₁、K₂、K₃、K₄は、物体高ｈ、像高ｙを
実測することにより、決定可能である。

すなわち、、式を変形することにより、下記の式
が得られる。

K₁＝h/y₁ K₂＝（h/y₁）・（y₁−y₁′）／（y₁′・X₀） K₃＝h/y₂ K₄＝（h/y₂）・（y₂−y₂′）／（y₂′・X₀） よって、既知の物体の物体高ｈとその像高とを実測す
ることによって、定数K₁、K₂、K₃、K₄が求められる。

次に、像高ｈ、基準位置Ｙからの距離Ｘが未知の場合
の測定について説明する。

この場合には、式、式において、距離X₀の代わり
に距離Ｘとおく。また、y₁′、y₂′をy₁、y₂と置き換え
る。

すると、下記の式が得られる。

ｈ＝K₁・y₁＋K₂・y₁・Ｘ ｈ＝K₃・y₂＋K₄・y₂・Ｘ 上記の連立方程式を、距離Ｘ、物体高ｈについて解く
と、 Ｘ＝（K₃・y₂−K₁・y₁）／（K₂・y₁−K₄・y₂） ｈ＝K₁・y₁＋K₂・y₁・Ｘ ＝（K₂・K₃−K₁・K₄）y₁・y₂/（K₂・y₁−K₄・y₂） 従って、像高y₁、y₂を測定することによって、基準位
置Ｙから物体までの距離を測定できることになる。

次に、角膜曲率半径Ｒとその頂点位置の測定について
第５図を参照しつつ説明する。

第５図において、リング像ｉの半径（楕円近似した場
合の楕円の長径又は短径）を物体高ｈとする。このと
き、物体高ｈはメリジオナル光線によって決定される。
リング像の直径が3mm程度であるとすると、角度φは20
゜程度となり、下記に記載する近軸計算式を用いること
ができない。

ｈ＝（Ｒ・sinφ）/2 そこで、距離L₂を充分に大きくとって、角度φが常に
一定となるようにし、物体高ｈとして絞り124を通る第
２光路106で測定されたものを使用すれば、下記の反射
法則に基づく式を用いることができる。

ｈ＝Ｒ・sin（φ/2） 上記式を変形すれば、 Ｒ＝h/sin（φ/2） 絞り110を通る光線と絞り124を通る光線とが為す角度
が大きくならない程度に距離L₁を設定すれば、によっ
て得られた物体高ｈを上記式に用いても大きな誤差は
ないと考えられるから、角膜頂点120Pの位置は基準位置
Ｙからの距離 P_Xとして、P_X＝Ｘ−（Ｒ−h/tanφ） この角膜頂点位置の計算式は、球面の光軸上にリン
グ像が乗っていることが前提であるから、球面収差の影
響を受けるが、その量はそれほど大きいとは考えられ
ず、実験値に基づき補正することも可能である。なお、
第５図において、Ｏ′は角膜曲率中心、A₁は法線、A₂は
角膜120を球面とみなした場合の球面光軸、A₃は角膜120
への入射光線である。

次に、第１図、第６図を参照しつつ干渉光学系につい
て説明する。

干渉光学系101は、レーザー光源としてのレーザーダ
イオード130、コリメートレンズ131、ビームスプリッタ
132、レンズ133、ピンホール板134、ビームスプリッタ1
35、コリメートレンズ136、合焦レンズ137、コリメート
レンズ138、参照ミラー139、ピンホール板140、レンズ1
41、ホトダイオード142、ビームスプリッタ143、基準ミ
ラー144、参照ミラー145、ホトダイオード146を有す
る。レーザーダイオード130にはコヒーレント長が長い
もので、波長変化が可能なもの（たとえば、単一モード
のもの）を用いる。レーザーダイオード130を出射され
たレーザー光はコリメートレンズ131によって平行光束
とされ、ビームスプリッタ132に導かれる。ビームスプ
リッタ132は平行レーザー光をレンズ133に向かう光束と
ハーフミラー143に向かう光束とに分割する機能を有す
る。

ハーフミラー143は基準ミラー144、参照ミラー145と
共に、トワイマンタイプの基準干渉光路147を構成して
いる。ここで、ハーフミラー143の点Q₁から基準ミラー1
44の点Q₂までの距離をD₁、点Q₁から参照ミラーの点Q₃ま
での距離をD₂とし、D₁−D₂＝Ｄを基準光路長と定義す
る。基準ミラー144は基準対象物としての役割を果た
し、参照ミラー145は基準対象物対応参照面としての役
割を果たし、各ミラー144、145により反射された反射レ
ーザー光はビームスプリッタ143で合成され、干渉光と
してビームスプリッタ132を介して第２受光部としての
ホトセンサ146に導かれる。ホトセンサ146はその干渉光
に基づき干渉信号を出力し、その干渉信号は増幅器148
を介して信号処理回路149に入力される。この信号処理
回路149の構成については後述する。

ハーフミラー132を通過した平行レーザー光は、レン
ズ133によってピンホール板134に収束される。ピンホー
ル板134は準点光源としての役割を果たす。ピンホール
板134を通過したレーザー光は測定光束としてビームス
プリッタ135に導かれる。ビームスプリッタ135は測定光
束を分割し、一部をコリメートレンズ136に導き、残り
をコリメートレンズ138に導く機能を有する。

コリメートレンズ138に導かれた測定光束は平行光束
とされ、参照ミラー139により反射されてビームスプリ
ッタに戻る。コリメートレンズ136に導かれた測定光束
は合焦レンズ137に導かれ、ダイクロイックミラー115、
対物レンズ104を経由して平行光束として被検眼103に導
かれ、眼底160に収束される。眼底160からの反射光束は
同一光路をたどって再びビームスプリッタ135に戻り、
参照ミラー139からの反射光束と合成され、絞り140に導
かれる。絞り140は眼底160と共役位置に配置され、角膜
120からの反射光、水晶体からの反射光を除去する役割
を果たす。また、絞り140は絞り134とも共役となってい
るので、被検眼に対する測長装置のアライメントが多少
ずれても支障なく測定が可能である。

そして、その絞り140を通過した光束はレンズ141によ
り干渉平行光束とされ、第１受光部としてのホトセンサ
142に導かれる。ホトセンサ142はその干渉光束に基づき
干渉信号を出力する。その干渉信号は増幅器150を介し
て信号処理回路149に入力される。ここに、ビームスプ
リッタ135、コリメートレンズ136、合焦レンズ137、ダ
イクロイックミラー115、対物レンズ104、コリメートレ
ンズ138、参照ミラー139は測定対象物としての眼底160
からの反射光束と測定対象物対応参照面としての参照ミ
ラー139からの反射光束とを干渉させる測定干渉光路151
を構成している。

ここで、ビームスプリッタ135の点Q₄から参照ミラー1
39の点Q₅までの距離をL_rとし、点Q₄から眼底160までの
光軸距離をL_tとする。このとき、参照ミラー139が仮想
的に光軸Ｏ上の位置に参照ミラー139′があるものとし
て、この参照ミラー139′の反射光と眼底160からの反射
光とが干渉したものとみることができ、L_t−L_rは眼底16
0から参照ミラー139′までの空気換算した光路差であ
る。

次に、測定装置から眼底までの測定原理について説明
する。

レーザダイオード130の波長λを変化させた場合、ホ
トダイオード146に入射する干渉光の強度は基準ミラー1
44で反射される反射光と参照ミラー145で反射される反
射光との光路差２（D₁−D₂）に対応する位相差によって
決定され、ホトダイオード142に形成される干渉縞の強
度は、参照ミラー139で反射される反射光と眼底160で反
射される反射光との光路差２（L_t−L_r）に対応する位相
差によって決定される。レーザーダイオード130から出
射されるレーザー光の波長が一定であれば、ホトダイオ
ード142、146の干渉縞の強度は一定の値を示す。

ここで、仮想的な参照ミラー139′と角膜頂点120Pと
の光軸Ｏ上での距離を第７図に示すようにP_Xとすると、
このP_Xは角膜距離検出系を用いて角膜頂点120Pを検出す
ることによって求めることができる。というのは、基準
位置Ｙから角膜頂点位置120Pまでの距離を測定すれば、
基準位置Ｙから角膜頂点120Pまでの距離が測定され、基
準位置Ｙと仮想的な参照ミラー139′との関係はあらか
じめ設計によって決めることができるからである。従っ
て、L_t−L_rを得ることができれば、空気換算した眼軸長
ALを求めることができ、眼軸長ALは平均屈折率をn_Aと
し、 AL＝（L_t−L_r−P_X）/n_A として求めることができる。

L_t−L_rは、以下に説明する原理に基づく測定を行うこ
とによって得ることができる。

レーザー光の波長をλとし、このレーザー光の波長λ
を後述するレーザー駆動部によって変化させる。その波
長変化量をΔλとすると、基準干渉光路のホトセンサ14
6における波長変化前のレーザー光束の位相差は２π・
２（D₁−D₂）／λである。波長をΔλ変化させた後の位
相差は、 ２π・２（D₁−D₂）／（λ＋Δλ）である。

従って、波長をΔλだけ変化させると、位相差が２π
／λから２π・２（D₁−D₂）／（λ＋Δλ）だけ変化す
ることになる。ここで、波長λに対してその波長変化量
Δλが極めて小さいとすると、波長変化後の位相差は、
級数展開によって、２π・２（D₁−D₂）・（1/λ−Δλ
／λ^２）と近似でき、その位相差の変化量は、 ２π・２（D₁−D₂）・Δλ／λ^２となる。

同様に、測定干渉光路151のホトセンサ142における位
相差の変化量は、 ２π・２（L_t−L_r）・Δλ／λ^２となる。

今、ホトセンサ142における位相差の変化をΨ_１、ホ
トセンサ146における位相差の変化をΨ_２とすると、 Ψ_１＝４π（D₁−D₂）・Δλ／λ^２ （１） Ψ_２＝４π（L_t−L_r）・Δλ／λ^２ （２） となり、 Δλ／λ^２を上記の式から消去すると、 L_t−L_r＝Ψ₁/Ψ_２ と表現できる。 （３） この式は、干渉光の位相差の変化量を求めれば、仮想
的な参照面139′から眼底160までの距離（L_t−L_r）を測
定できることを意味している。ここで、波長変化Δλが
連続的であるとして、一般的な干渉の式について考察す
る。

一般的な干渉の式は、 Ｉ＝I₁＋1₂＋２（I₁・1₂）^1/2・COSδ （４） と表現される。

ここで、Ｉは、ホトダイオード142、146上での干渉光
の強度、I₁、1₂は互いに干渉する光束の強度、δは互い
に干渉する光束の位相差であり、 たとえば、 δは４π（D₁−D₂）（1/λ−Δλ／λ^２）である。

（４）式に着目すると、波長λを連続的に変化させる
と、位相差δが２π変化するたびに、（４）式の第３項
の値が周期的に変化するので、干渉縞の強度Ｉが周期的
に変化することがわかる。

ここで、強度変化の周期数は位相差の変化を２πで割
った値であり、（３）式によって得られるΨ₁/Ψ_２はホ
トセンサ142、146により得られる干渉縞の強度変化の周
期数の比を示している。よって、ホトセンサ142、146に
よって得られる干渉縞の強度変化の周期数の比を示して
いる。

よって、ホトセンサ142、146により得られる干渉縞の
強度変化周期数を測定すれば、（L_t−L_r）が求められ、
眼底までの距離が既述の通りに求まることになる。

なお、波長変化に基づく干渉縞の強度変化は、言葉を
代えて言うと、ホトセンサ142、146の特定箇所における
干渉縞そのものの位置変化ともみることができる。

次に、レーザーダイオードの波長変調について説明す
る。

ところで、被検眼103の眼球は拍動により拡大、収縮
している。すなわち、眼球は１分間に60〜80回の拡大収
縮を繰り返し、その変動量は３μｍ程度である。従っ
て、干渉縞の本数に換算すると約８本程度となり、往復
16本程度の干渉縞の動きが観測されるため、拍動の一周
期を80回/60秒＝1.33Hzとすると、21.33Hzの周期で干渉
縞の出力が変化する。

従って、レーザーダイオード130を高速波長変調して
拍動の周期に較べて充分短い間隔で測定を行う手段を採
用した。

レーザーダイオード130は、第６図、第８図に示すよ
うに、レーザー駆動部152によって制御される。このレ
ーザー駆動部152は、第９図（イ）に示すパルス電流を
レーザーダイオード130に向かって出力する。レーザー
ダイオード130の温度は、このパルス電流によって温度
変化（上昇）し、第９図（ロ）に示す温度変化曲線Ｔを
描くことになる。この温度変化は安定するのに数ms程度
を要する。

レーザーダイオード130は温度変化と発光波長とが、
一対一の対応関係がある領域で使用する。ただし、温度
変化が時間に対して非線形であるため、その発光波長も
非線形で変化することになる。従って、ホトセンサ14
2、146に受光される干渉縞の位相変化もこの温度変化の
非線形性に基づく影響を受けることになる。

すなわち、第９図（ハ）に示すようにホトダイオード
142から出力される干渉信号の干渉波形C₀は、温度上昇
変化が急激な初期の段階で周期が短く、温度変化が緩や
かな後期の段階で周期が長くなる。ホトダイオード146
から出力される干渉信号の干渉波形C₁についても同様で
ある。ここで、干渉波形C₁の周波数が干渉波形C₀の周波
数よりも高いのは、基準干渉光路147での光路差（D₁−D
₂）を測定干渉路147での光路差（L_t−L_r）よりも充分に
大きく設計しているからである。ここでは、基準光路差
（D₁−D₂）は（L_t−L_r）の約６倍に設定されている。な
お、基準干渉光路147の設計に当たっては、その光学距
離を長く延ばすために光ファイバーを用いることができ
る。

基準干渉光路147と測定干渉光路151とは、同一レーザ
ー光をビームスプリッタ132で分割しているので、レー
ザー光の波長変化の仕方と同じである。従って、ホトダ
イオード142の干渉信号の周期とホトダイオード146の干
渉信号の周期との比は、測定光路差（L_t−L_r）と基準光
路差（D₁−D₂）との比、（D₁−D₂）／（L_t−L_r）によっ
てのみ決まる。この比をＫとする。

この比Ｋを求めるために、信号処理回路149はホトセ
ンサ146の干渉信号に基づいてホトセンサ142の干渉信号
をサンプリングする構成とされている。すなわち、信号
処理回路149は、トリガー回路153を有している。このト
リガー回路153はレーザー駆動部152によって同期制御さ
れ、第９図（ニ）に示すスライスレベルＶにより干渉波
形C₁をスライスし、干渉波形C₁の一周期毎に、第９図
（ホ）に示すタイミングクロック信号C₂を生成する機能
を有する。ホトダイオード142の干渉信号は信号処理回
路149のA/Dコンバータ154に入力される。A/Dコンバータ
154はトリガー回路153のタイミングクロック信号C₂に基
づき、干渉波形C₂の出力値をA/D変換してメモリー155に
向かって出力する。これによって、干渉波形C₀がいくつ
かのサンプリング個数で一周期を構成しているかがわか
ることになる。すなわち、ホトダイオード142の一周期
がホトダイオード146の何周期に相当するかがわかるこ
とになる。第９図（ヘ）はそのメモリ155に記憶された
サンプリング値を用いて干渉波形C₀を等間隔に表わした
図である。従って、信号処理回路149は、第２受光部の
出力信号をタイミング信号として用いて、第１受光部の
出力信号をサンプリングし、周期波信号を形成する周期
波信号形成部として機能する。

ここでは、６個のサンプリング値で一周期が構成され
ているので、Ｋ＝６である。従って、このＫを演算回路
156により演算し、 Ｋ＝（L_t−L_r）／（D₁−D₂） の式を変形した（L_t−L_r）＝（D₁−D₂）/Kを計算すれ
ば、（D₁−D₂）が既知であるので、（L_t−L_r）を求める
ことができる。よって、演算回路156は、基準干渉光路
の光路差と周期波信号とに基づき、測定対象物までの距
離を演算する演算部として機能し、また眼軸長を求める
場合には眼底位置測定部として機能することになる。

なお、一般には、比Ｋは端数となる。この場合には、
ホトダイオード142の干渉信号の一周期分のデータをた
とえば内挿法によって求め、ホトダイオード142の干渉
信号の一周期に含まれるホトダイオード146の干渉信号
の一周期の個数を求めればよい。

以上、第１実施例について説明したが、干渉光学系10
1の適宜箇所にNDフィルターを設けて光量調整を行うこ
とにすれば、測定干渉光路151における干渉信号を適正
に取り出すことができる。

この第１実施例によれば、二重リング像を用いて角膜
頂点の位置を測定するものであるので、式に示す如
く、もともと、角膜の曲率半径を測定でき、従って、角
膜形状測定装置（ケラト装置）に兼用できるという効果
を奏する。

（実施例２） 第10図は角膜距離測定系としてアライメント光学系用
いて角膜頂点位置を求める光学系を示すものである。

第10図において、アライメント光学系200は第１光学
系201と第２光学系202とからなっている。第１光学系20
1と第２光学系202とは光軸O₁を境に対称形である。光軸
O₁上には、対物レンズ203、ミラー204、結像レンズ205
が設けられている。対物レンズ203、結像レンズ205は被
検眼103の前眼部観察の際に用いられる。ミラー204には
ハーフミラー又はバンドパスミラーが用いられ、ミラー
204は第11図に示す干渉光学系を用いての測定の際にレ
ーザー光を反射する機能を有する。この干渉光学系の構
成については後述する。

第１光学系201は照射光学系としての点光源206、ハー
フミラー207、レンズ208を有し、第２光学系202は、照
射光学系としての点光源209、ハーフミラー210、レンズ
211を有する。点光源206はハーフミラー207を介してレ
ンズ208の焦点位置に設置され、点光源209はハーフミラ
ー210を介してレンズ211の焦点位置に設置されている。
点光源206からの光はレンズ208によって平行光束として
被検眼103の角膜120に投影され、点光源209からの光は
レンズ211によって平行光束として角膜120に投影され
る。

レンズ211による平行光束は角膜120の表面によって反
射され、その反射光束はレンズ208、ハーフミラー207を
通過して全反射ミラー212に導かれ、この全反射ミラー2
12によって反射される。一方、レンズ208による平行光
束は角膜120の表面によってその角膜の焦点位置からの
発散光として反射され、その反射光束はレンズ211、ハ
ーフミラー210を通過して全反射ミラー213に導かれ、こ
の全反射ミラー213によって反射される。この角膜鏡面
反射によって角膜120には、点光源206、209に基づく輝
点像214、215が形成される。

全反射ミラー212の反射方向前方には物側にテレセン
トリックの絞り216が設置され、全反射ミラー213の反射
方向前方には物側にテレセントリックの絞り217が設置
され、テレセントリック絞り216、217はレンズ208、211
の後方焦点に位置している。ここに、レンズ208、全反
射ミラー212、絞り216（レンズ211、全反射ミラー213、
絞り217）は受光光学系を構成している。全反射ミラー2
12、213により反射された反射光は、絞り216、217を通
過してレンズ218、219にそれぞれ導かれる。絞り216、2
17は各レンズ218、219に関し、イメージセンサ221と共
役であり、絞り216、217はその各レンズ218、219の焦点
位置にある。レンズ218、219は像側にテレセントリック
に設置されており、レンズ218、219に導かれた反射光は
第３受光部としての二次元イメージセンサ221にそれぞ
れ結像される。

このアライメント光学系200によれば、第12図に示す
ように、被検眼103に対して光軸方向に測定装置の作動
距離がずれた場合でも、物側においてのアライメント光
学系200の光軸O₁と主光線との為す角度θ_１が作動距離
がずれていない場合のアライメント光学系200の光軸O₁
と主光線との為す角度θ_１と等しく、また、像側におい
てのアライメント光学系200の光軸O₁と主光線との為す
角度θ_２が作動距離がずれていない場合のアライメント
光学系200の光軸O₁と主光線との為す角度θ_２と等し
い。また、二次元イメージセンサ221には各点光源206、
209に基づく輝点像i₁′、i₂′が第14図に示すように中
心O₂を境に対称位置にスプリットして形成される。一
方、作動距離は角膜頂点120Pに一致しているが、被検眼
103に対して左右方向に測定装置のアライメントがずれ
た場合には、第13図に示すように、物側においてのアラ
イメント光学系200の光軸O₁と主光線との為す角度θ_１
が作動距離がずれていない場合のアライメント光学系20
0の光軸O₁と主光線との為す角度θ_１と等しく、また、
像側においてのアライメント光学系200の光軸O₁と主光
線との為す角度θ_２が作動距離がずれていない場合のア
ライメント光学系200の光軸O₁と主光線との為す角度θ
_２と等しい。この場合には、輝点像i₁、i₂は分離せず
に、二次元イメージセンサ221の原点O₂からの位置がず
れる。

ここで、レンズ208の焦点距離をf₁、レンズ218の焦点
距離をf₂とし、絞り216を基準にして考える。第12図に
おいて、作動距離がΔＺだけずれると、作動距離がずれ
ていない場合に較べて主光線の位置が、ΔＺ・sinθ_１
だけずれる。

また、レンズ208、絞り216、及びレンズ218が形成す
る光学系は第16図に示すように物側及び像側にテレセン
トリックになっているため作動距離のずれΔＺと二次元
イメージセンサ221上での中心O₂から輝点i₁′又はi₂′
までの距離ΔＸは比例関係にある。

従って、この光学系の倍率をβとすると、 ΔZsinθ_１＝β・ΔXcosθ_２ の関係がある。

よって、作動距離のずれΔＺは、 と表わされる。

なお、輝点像i₁が輝点像i₂の右側にあるときを、ΔＸ
が正、その逆の場合をΔＸが負であると決めるものとす
る。

ところで、輝点像i₁′、i₂′は特に区別できるもので
はないので、同時に二次元イメージセンサ221に形成さ
れている場合には、その区別を行うことができない。ま
た、仮に区別できるようになっているとしても、互いに
重なりあってくると、その位置を正確に求めることがで
きないことになる。従って、輝点像i₁′に対応する点光
源206を発光させ、その輝点像i₁′の二次元イメージセ
ンサ221の画像データをフレームメモリに蓄積させ、次
に、輝点像i₂′に対応する点光源209を発光させ、その
輝点像i₂′の画像データをフレームメモリに蓄積させ、
この画像データに基づき輝点像i₁′、i₂′の距離を求め
る。二次元イメージセンサ221の輝点像の間隔２ΔＸを
測定すれば、f₁、f₂、θ_１、θ_２が既知であるので、作
動距離のずれΔＺが求められ、角膜頂点120Pから測定装
置の基準位置までの距離が得られる。

なお、レンズ218を紙面垂直方向に上側に少しずら
し、レンズ219を紙面垂直方向に下側にずらすことにす
ると、第15図に示すように、作動距離が所定のときに、
輝点像i₁′、i₂′が上下方向にスプリットした状態で二
次元イメージセンサ221上に形成されるため、点光源20
6、209を同時に点灯させたままでも測定を行うことがで
きる。ただし、厳密に考えると、輝点像i₁′、i₂′の主
光線が二次元イメージセンサ221の観察面の垂直面内か
らずれるので、ΔＸとΔＺとの関係が少しずれるが、そ
の影響に基づく誤差は無視できる程度に小さい。

干渉光学系101は、第１実施例に用いたものと大略同
一であるので、同一構成要素に同一符号を付してその詳
細な説明は省略する。

（実施例３） 第16図は角膜距離測定系としてコンフォーカル光学系
を用いた実施例を示すものである。

角膜距離測定系は、光源300、集光レンズ301、第１絞
りとしてのピンホール板302、リレーレンズとしてのコ
リメートレンズ303、ビームスプリッタ304、対物レンズ
305、レンズ306、スペーシャルフィルタ307、受光器308
からなっている。光源300を出射した光は集光レンズ301
により集光され、ピンホール板302に収束される。ピン
ホール板302は二次点光源としての役割を果たし、ピン
ホール板302のピンホールを通過した光はビームスプリ
ッタ304により反射され、コリメートレンズ303により平
行光束とされる。

この平行光束はレンズ306を介して対物レンズ305に向
けて反射され、収束光束として被検眼103に導かれる。
対物レンズ305はその平行光束を幾何光学的に集光点309
に集光させる役割を果たす。ピンホール板302と集光点3
09とはコリメートレンズ303、対物レンズ305に関して共
役であり、集光点309とスペーシャルフィルタ307とは対
物レンズ305、レンズ306に関して共役である。すなわ
ち、集光点309は共焦点（コンフォーカル）となってお
り、角膜距離測定系は、共焦点光学系を構成している。
この共焦点光学系は、共焦点近傍以外の点から発した光
はスペーシャルフィルタ307を通過できないという光学
的性質を有する。なお、対物レンズ305は、集光点309の
位置を変更する対物レンズ部として機能する。

レンズ306は、ここでは、光軸O₃方向に前後動可能で
あり、レンズ306には位置検出機構としてのリニアエン
コーダ310が臨んでおり、リニアエンコーダ310の出力は
位置検出回路311に入力されている。リニアエンコーダ3
10と位置検出回路311とはレンズ306の位置を検出する役
割を果たす。受光器308の出力は、増幅器312を介して信
号処理回路313に入力されている。信号処理回路313はト
リガー信号、タイミング信号を出力する機能を有する。
トリガー信号は干渉光学系のレーザーダイオード130の
駆動開始の際に用いられ、タイミング信号は位置検出回
路311によるレンズ位置特定の際に用いられる。位置検
出回路311はレンズ位置検出信号を演算回路156に向かっ
て出力する。演算回路156は、あらかじめ対応関係が付
けられているレンズ位置と装置・焦光点309間との距離
関係に基づき、測定装置の基準位置から角膜頂点120Pま
での距離を演算する機能を有する。

今、集光点309が第17図（ａ）に示す位置にあると
き、眼球の各反射面からの反射光はスペーシャルフィル
タ307を通過できず、受光器308にほとんど入射しない。
レンズ306を第17図（ｂ）、（ｃ）に示すように光軸O₃
方向に被検眼103に向かって近付けると、集光点309が角
膜120の表面にほぼ一致する状態の時から、その角膜120
の表面からの反射光がスペーシャルフィルタ307を通過
し始めることになる。従って、受光器308の出力は徐々
に増大し始め、集光点309が角膜120の表面に一致した時
最大となる。すなわち、角膜120の表面に集光点309が一
致する状態のときに、まず、最初のピークが現われる。
そして、更に、レンズ306を被検眼103に近付けて行く
と、受光器308からの出力には角膜120の裏面、水晶体31
5の表面等の反射光に基づくピークが現われる。

従って、信号処理回路313に最初のピークに基づきト
リガー信号とタイミング信号とを出力させることにすれ
ば、位置検出回路311は集光点309が角膜120の表面にあ
るときのレンズ306の位置を検出し、演算回路156はその
レンズ306の位置に基づき基準位置から角膜頂点120Pま
での距離を演算することになる。同時に、トリガー信号
に基づき眼底までの距離測定が開始される。

この共焦点光学系によれば、対物レンズ305の開口数
（N.A）を充分に大きく設計しておけば、第18図に示す
ように、集光点309が光軸O₃に対して直交方向に角膜頂
点120Pから若干はずれたとしても、角膜120の表面と集
光点309とが一致している限り、受光器308が角膜120の
表面からの反射光をほとんど全て受光でき、従って、角
膜120に対する測定装置のアライメント誤差を許容でき
ることになる。

たとえば、角膜120の曲率半径Ｒを7.7mmとし、全く対
物レンズ305に反射光が入射しなくなる開口数NAを0.25
とすると、光軸O₃に対して直交方向の角膜頂点120Pに対
する集光点309のずれ量Δは1.93mmとなる。ただし、光
軸O₃に対して直交方向に角膜頂点120Pに対して集光点30
9が1.93mmずれると、第19図に示すように、光軸O₃方向
に実際の角膜頂点120Pに対して集光点309の位置が0.25m
mずれるので、ずれ量Δを1.93mm程度に大きく設計する
ことはできないが、ずれ量Δを0.5mm程度に設計してお
けば、光軸方向における実際の角膜頂点120Pに対する集
光点309の位置ずれは0.016mm程度であり、光軸方向への
集光点309の位置ずれを無視できる。なお、第18図にお
いて、斜線で示す部分は角膜からの反射光を示してい
る。

干渉光学系101の構成は、第１実施例、第２実施例と
大略同一であるので、同一構成要素に同一符号を付して
示す。なお、その第16図において、314はダイクロイッ
クミラー、レンズ306は第１実施例のレンズ137に相当
し、レンズ303は第１実施例のコリメートレンズ136に相
当している。

以上の実施例において、模型眼ユニット141を角膜と
眼底の２面により形成し、眼軸長の計測について説明を
行ったが、これを水晶体の各面又は角膜内面等に設定す
ることにより各面間の眼内長さの測定を行うべく本発明
を適用できる。

（効果） 本発明に係わる請求項１に記載の測長装置は、以上説
明したように構成したので、光学部品を可動させなくと
も測定対象物までの距離を正確に測定できる効果があ
る。

本発明に係わる請求項３に記載の測長装置は、以上説
明したように、角膜頂点は幾何光学的光学系を用いて測
定し、眼底位置は干渉光学系を用いて測定することにし
たので、アライメント精度に厳格さを要求されなくと
も、眼軸長を正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第９図は本発明に係わる測長装置の第１実
施例を説明するための説明図であって、 第１図は本発明に係わる測長装置の光学系を示す図、 第２図は第１図に示す二次元イメージセンサに形成され
るリング像を示す図、 第３図、第４図は第１図に示す角膜距離測定光学系の作
用を模式的に説明するための説明図、 第５図は角膜頂点位置検出を説明するための説明図、 第６図は干渉光学系の作用を説明するための光学図、 第７は角膜頂点位置と眼底位置とに基づき眼軸長を求め
るための説明図、 第８図は信号処理回路のブロック図、 第９図はその信号処理回路の作用を説明するためのタイ
ミングチャート、 第10図ないし第15図は本発明に係わる測長装置の第２実
施例を示す図であって、 第10図はその角膜距離測定系を示す光学図、 第11図はその干渉光学系を示す図、 第12図、第13図はその角膜距離測定系の作用を示す光学
模式図、 第14図、第15図は二次元イメージセンサに形成された輝
点像を示す図、 第16図ないし第19図は本発明に係わる測長装置の第３実
施例を示す図であって、 第16図はその光学図、 第17図はその角膜距離測定系の集光点の位置の変化を示
す説明図、 第18図、第19図はアライメントずれの説明図、 である。 100……角膜距離測定系、101……干渉光学系 102……リング状光源投影部（照射光学系） 103……被検眼、104……対物レンズ 107、221、308……二次元イメージセンサ（第３受光
部） 110……絞り（第２絞り）、124……絞り（第１絞り） 120……角膜、120P……角膜頂点 130……レーザーダイオード 132……ビームスプリッタ 139……参照ミラー（測定対象物対応面） 144……基準ミラー（基準対象物） 142……ホトセンサ（第１受光部） 146……ホトセンサ（第２受光部） 145……参照ミラー（基準対象物対応面） 147……基準干渉光路 160……眼底 149……信号処理回路（周期波信号形成部） 151……測定干渉光路 156……演算部（眼底位置測定部、角膜位置測定部） 206、209……光源 216、217、301、302……絞り 303……コリメートレンズ（リレーレンズ部） 304……ビームスプリッタ、305……対物レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 昭浩 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社 トプコン内 (72)発明者 畑中 英樹 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社 トプコン内 (56)参考文献 特開 平２−4310（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−22502（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−269302（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 9/00 - 9/10 G01B 11/00 - 11/30 A61B 3/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波長変化が可能なレーザ光を発するレーザ
   ー光源と、 測定対象物により反射されたレーザー光と測定対象物対
   応参照面により反射されたレーザー光とを干渉させる測
   定干渉光路と該測定干渉光路より長い光路長を有して基
   準対象物により反射されたレーザー光と基準対象物対応
   参照面により反射されたレーザー光とを干渉させる基準
   干渉光路とを形成し、前記レーザー光源からのレーザー
   光を前記測定干渉光路と前記基準干渉光路とに導くビー
   ムスプリッタと、 前記測定干渉光路を経由して干渉光として導かれた光を
   受光する第１受光部と、 前記基準干渉光路を経由して干渉光として導かれた光を
   受光する第２受光部と、 前記レーザー光源の発光波長を変化させるレーザー駆動
   部と、 前記第２受光部の出力信号をタイミング信号として用い
   て前記第１受光部の出力信号をサンプリングし、周期波
   信号を形成する周期波信号形成部と、 前記基準干渉光路の光路長と前記周期波信号の周期とに
   基づき測定対象物までの距離を求める演算部と、 を有することを特徴とする測長装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の測長装置に
   おいて、レーザー駆動部は、レーザ光源をパルス点灯さ
   せることにより前記レーザー光源の温度を変化させ、該
   レーザー光源の発光波長が温度変化に基づき変化される
   構成であることを特徴とする測長装置。
3. 【請求項３】波長変化が可能なレーザ光を発するレーザ
   ー光源と、 被検眼眼底により反射されたレーザー光と眼底対応参照
   面により反射されたレーザー光とを干渉させる測定干渉
   光路と該測定干渉光路より長い光路長を有して基準対象
   物により反射されたレーザー光と基準対象物対応参照面
   により反射されたレーザー光とを干渉させる基準干渉光
   路とを形成し、前記レーザー光源からのレーザー光を前
   記測定干渉光路と前記基準干渉光路とに導くビームスプ
   リッタと、 前記測定干渉光路を経由して干渉光として導かれた光を
   受光する第１受光部と、 前記基準干渉光路を経由して干渉光として導かれた光を
   受光する第２受光部と、 前記レーザ光源の発光波長を変化させるレーザー駆動部
   と、 前記第２受光部の出力信号をタイミング信号として用い
   て前記第１受光部の出力信号をサンプリングし、周期波
   信号を形成する周期波信号形成部と、 前記基準干渉光路の光路長と前記周期波信号の周期とに
   基づき眼底までの距離を求める眼底位置測定部と、 前記被検眼の角膜に光束を照射する照射光学系と、 前記角膜からの反射光を第３受光部に導く受光光学系
   と、 前記第３受光部の出力に基づき前記被検眼の角膜位置を
   求める角膜位置測定部とを有し、 前記角膜位置と眼底位置とから前記被検眼の眼軸長を測
   定することを特徴とする測長装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項に記載の測長装置に
   おいて、 前記受光光学系は、被検眼角膜からの反射光を対物レン
   ズの前方と共役位置に配置した第１絞りを介して第３受
   光部に導く第１受光系及び被検眼角膜からの反射光を対
   物レンズの後方と共役位置に配置した第２絞りを介して
   第３受光部に導く第２受光系とから形成され、 前記角膜位置測定部は、前記第１絞りと前記第２絞りと
   を通過した被検眼角膜からの反射光束の前記第３受光部
   での位置から角膜位置を求める構成とされていることを
   特徴とする測長装置
5. 【請求項５】特許請求の範囲第３項に記載の測長装置に
   おいて、 前記照射光学系は、被検眼角膜へ斜めに平行光束を照射
   する構成とされ、 前記受光光学系は、被検眼角膜からの斜めへの反射光を
   受け取る対物レンズ部と、その後方焦点位置に配置した
   絞りとから構成され、 前記第３受光部は、前記対物レンズ部及び前記第３絞り
   を介して受光する構成とされ、 前記角膜位置測定部は、前記第３受光部での受光位置か
   ら角膜位置を求める構成とされていることを特徴とする
   測長装置。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第３項記載の測長装置にお
   いて、 前記照射光学系は、被検眼角膜を照射するための点光源
   と、 該点光源の像を前記被検眼角膜近傍にその位置を変更可
   能に形成する対物レンズとから形成され、 前記受光光学系は、被検眼角膜からの反射光を前記対物
   レンズを通過した後に前記照射光学系から分離するビー
   ムスプリッターと、前記対物レンズ部に対し前記点光源
   の像と共役位置の第２絞りとから形成され、 前記第２受光部は、被検眼角膜からの反射光のうち前記
   第２絞りを介して受光するように構成され、 前記角膜位置測定部は、前期対物レンズ部によって形成
   される点光源の像位置の変化に応じた前記第２受光部の
   信号の強度から被検眼角膜位置を求めるものであり、 前記眼底位置測定部と角膜測定部から眼軸長を求めるこ
   とを特徴とする測長装置。