CN107788947A - 眼科检查设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及眼科检查设备和方法。根据本发明的眼科检查设备包括光源、光场相机和处理装置。所述光源能够被控制成产生期望的光场，所述光场用于照明待检查的眼球。所述光场相机构造成同时接收整个眼球被所述光场照明后的成像数据。所述处理装置构造成对所接收的成像数据进行处理。

Description

眼科检查设备和方法

技术领域

本发明涉及眼科检查设备和方法，更具体地涉及利用光场技术的眼科检查设备和方法。

背景技术

裂隙灯显微镜，是眼科检查必不可少的重要仪器。裂隙灯显微镜由照明系统和双目显微镜组成，它不仅能使表浅的病变观察得十分清楚，而且可以调节焦点和光源宽窄，做成“光学切面”，使深部组织的病变也能清楚地显现。

眼科疾病的检查需要有裂隙灯显微镜进行检查。医生需要使用光学切面来观察病人眼球表面和内部的正常与病变组织，以分辨出病变的位置与层次，从而确定病变的位置，而且在观察病人眼球时，还需要调整焦点或改变光照方向，以便更为清晰地观察病变结构。

裂隙灯显微镜的构造主要由两部分构成，即“裂隙灯”与“显微镜”。为了便于裂隙光源从不同的角度照射眼睛各部位，以及显微镜从不同的角度观察眼睛，要求裂隙灯与显微镜在机械上都具有足够的左右摆动角。裂隙灯的光源要求其裂隙边缘必须要非常平整，裂隙必须清晰的成像在左右摆动的圆心垂直面上，而显微镜也必须聚焦在这个圆心垂直面上。

裂隙照明光源必须具有：1. 裂隙的宽度在0至14mm范围内可调；2. 裂隙的长短在1至14mm范围内可调(当长宽都是14mm时裂隙灯光实际是一个圆形光斑)；3. 裂隙的方向可调。就是说裂隙光源可以是垂直的，也可以是水平的，还可以是斜的；4. 光源的亮度可调。

现有的裂隙灯显微镜包括可以移动的底座、裂隙灯和体视显微镜。裂隙灯的光源通常使用Köhler-type照明，将光源聚焦成狭窄的裂隙光会聚在裂隙灯显微镜的观察平面上，并且可以利用裂隙灯的机械结构旋转和移动裂隙光。现有的裂隙灯机械结构复杂，需要手工移动光源与观察方向，调节和操作都不方便，并且需要经过专业受训的医生进行操作，使用受限。

而且，目前的裂隙灯的机械结构移动速度慢，需要病人头颅固定在裂隙灯的颌架装置上，要求病人眼球尽量不移动，才能看清病变。由于人眼天然有扫视运动，容易移动位置，检查起来费时费力，因此在检查时需要病人与有经验的医生反复交流和配合才能完成检查，特别是对儿童和婴幼儿的检查更是不便，更不适合远程操作。

发明内容

针对目前裂隙灯使用中存在的明显不足，本发明提出一种眼科检查设备，其使用光场投影的方式作为照明光源，利用光场技术迅速切换照明光的形态与照明模式。本发明的眼科检查设备使用光场相机进行拍摄，将采集到的数据进行数据处理，还原出不同光照条件下眼球的光场图像，使得医生可以在后期根据需要选择照明方向和观察焦点位置，从各个角度和层次得到眼球的信息，检查眼球的疾病情况，从而使医生能够对病人的眼睛进行远程检查和分析。本发明的眼科检查设备可实现远程操作。本发明还提出了一种使用光场投影的方式进行眼科检查的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种眼科检查设备，其包括光源、光场相机和处理装置。所述光源能够被控制成产生期望的光场，所述光场用于照明待检查的眼球。所述光场相机构造成同时接收整个眼球被所述光场照明后的成像数据。所述处理装置构造成对所接收的成像数据进行处理。

在一个实施例中，所述光源包括发光体和至少两个空间光调制器。

在一个实施例中，所述光源构造成产生多个线性无关的光场。

在一个实施例中，所述光场相机包括微透镜阵列。

在一个实施例中，所述光场相机包括相机阵列。

在一个实施例中，所述眼科检查设备还包括被设置在所述光场中的第一镜片，所述第一镜片位于所述光源和所述眼球之间，所述第一镜片构造成使得所述光源发出的光线在经过所述第一镜片透射之后到达所述眼球，并且所述第一镜片构造成使得所述眼球对所述光场的响应在经过所述第一镜片反射之后被所述光场相机接收。

在一个实施例中，所述眼科检查设备还包括显示装置和被设置在所述光场中的第二镜片。所述显示装置构造成显示静态图像或动态图像。所述第二镜片位于所述光源和所述第一镜片之间，所述第二镜片构造成使得所述光源发出的光线在经过所述第二镜片透射之后到达所述第一镜片，并且所述第二镜片构造成使得所述显示装置的静态图像或动态图像在经过所述第二镜片反射之后到达所述第一镜片并在经过所述第一镜片透射之后到达所述眼球，从而被所述眼球观察到。

在一个实施例中，所述眼科检查设备还包括被设置在所述光场中的透镜系统，所述透镜系统构造成用于放大所述眼球被所述光场照明后的成像数据。

在一个实施例中，所述处理装置构造成对所接收的成像数据进行重聚焦计算，以还原不同光照条件下所述眼球的三维图像。

在一个实施例中，所述眼科检查设备被用作是裂隙灯检查设备或者角膜地形图测量设备。

在一个实施例中，所述眼科检查设备被用作是光照裂隙灯检查设备。

根据本发明的另一个方面，提供了一种眼科检查方法，其包括如下步骤：产生期望的光场；同时接收整个眼球被所述光场照明后的成像数据；以及对所接收的成像数据进行处理。

附图说明

图1是光场的四维参数化的示意图；

图2和图3示出了根据本发明的光源的一个实施例；

图4示出了根据本发明的光源的另一个实施例；

图5示出了根据本发明的光源的另一个实施例；

图6示出了通过多次光照结果的线性组合来产生特定角度的照明光；

图7示出了根据本发明的眼科检查装置的一个实施例；

图8示出了根据本发明的眼科检查装置的一个实施例；并且

图9示出了根据本发明的眼科检查装置的一个实施例。

具体实施方式

本发明的眼科检查设备包括光源100、光场相机200和处理装置300。光源100能够被控制成产生期望的光场，该光场用于照明待检查的眼球。光场相机200构造成同时接收整个眼球被光场照明后的成像数据。处理装置300构造成对所接收的成像数据进行处理。

本发明的眼科检查设备使用光源100来代替传统的裂隙灯，使用光场相机200来同时接收整个眼球被光场照明后的成像数据，并且使用处理装置300对所接收的成像数据进行处理，从而可以远程实现对所接收的成像数据的分析。

图1是光场的四维参数化的示意图。光场实质上就是空间中所有光线光辐射函数的总体。根据Levoy的光场渲染理论，空间中携带强度和方向信息的任意光线，都可以用2个平行平面来进行参数化表示，如图1所示。每条光线均与这2个平面相交于2个点，形成一个四维光场函数L_F(x，y，u，v)。对光场的不同理解可形成不同的光场获取方式。如果把光场看作是位置和角度信息的叠加，可以有比较简单的获取方式。

目前，获取光场的手段主要分为以下三种。

1) 微透镜阵列

这是最常用的光场获取方式，实现方式也最简单。在普通成像系统的一次像面处插入一个微透镜阵列，每个微透镜单元记录的光线对应相同位置不同视角的场景图像，从而得到一个四维光场。微透镜阵列所在平面可看作是图1中的u-v面，探测器所在的平面可看作是图1中的x-y面。关于这种获方式，可以参见文献Light Field Photography with aHand-Held Plenoptic Camera, by Ren Ng, Marc Levoy, Mathieu Bredif, GeneDuval, Mark Horowitz, Pat Hanrahan. Stanford University Computer Science TechReport CSTR 2005-02。

2) 相机阵列

这是指通过相机在空间的一定排布来同时抓取一系列视角略有差别的图像，从而重构出光场数据的方法。比如斯坦福大学的128相机阵列，采用不同空间排布，能够获得一些异于普通相机的特性，包括空间分辨率、动态范围、景深、帧速、光谱敏感性等。其中大尺度空间排布的相机阵列主要用于合成孔径成像实现“透视”监测，或通过拼接实现大视角全景成像，而紧密排布型则主要用于获取高性能的动态场景。

3) 掩膜及其他

其共同点在于都是对相机的孔径做相应处理，都能重构出光场数据。通过在普通相机光路中插入一个掩膜实现。其获取的图像看似与普通相机类似，但经过变换到频域后发现，其频域呈规律性分布，与光场数据的频域特性类似，也能处理得到四维光场信息。关于这种获方式，可以参见文献Compressive Light Field Photography. Kshitij Marwah,Gordon Wetzstein, Yosuke Bando, Ramesh Raskar. SIGGRAPH 2013. ACMTransactions on Graphics 32(4)。

在本发明的一个实施例中，光源包括发光体和至少两个空间光调制器（SLM）。发光体具有足够的亮度，例如可以是LED阵列，以使得经过至少两个空间光调制器的透射或者反射调制之后的亮度满足需要。空间光调制器可以是本领域技术人员知晓的任何空间光调制器，例如可以是DMD（Digital Micromirror Device 数码微镜器件），也可以是LCoS（LiquidCrystal on Silicon反射式液晶）或者LCD透射式液晶。

优选地，发光体发出散射光。

在本发明的一个实施例中，如图2和图3所示，光源100可包括发光体110、第一空间光调制器120和第二空间光调制器130。发光体110发出的光照射在第一空间光调制器120上，形成散射光。第一空间光调制器120上的每个像素发出的光可以向各个方向传播，并且各个方向的强度是已知的，优选是基本相同的。光线经过第一空间光调制器120的调制之后照射到第二空间光调制器130上，由第二空间光调制器130进行调制。

具体地，发光体110发出的光照射在第一空间光调制器120上。第一空间光调制器120上的选定位置的像素（在图2和图3中，即为第一空间光调制器120中的黑色方框所代表的像素）发出散射光，而其他位置的像素不发光。由第一空间光调制器120的该选定位置的像素发出的散射光照射在第二空间光调制器130上。第二空间光调制器130上的选定位置的像素（在图2和图3中，即为第二空间光调制器130中的白色方框所代表的像素）允许光线透过，而其他位置的像素不允许光线透过。这样，在经过第一和第二空间光调制器130的调制之后，所得到的光线是具有期望的二维位置信息(u，v)和期望的二维方向信息(θ，φ)的光线，并进而照射到眼球140。

优选地，第一和第二空间光调制器120、130调制后的照明光线可以经过反射或折射而照射到角度扩展反射面上，角度扩展反射面可以是凹面镜、光波导等，经过角度扩展反射面的照明光照射到眼球，进行照明。

通过调整第一和第二空间光调制器120、130的像素的透过率或者当第一和第二空间光调制器120、130是DMD时调整其反射时长，可以依时序快速产生各种期望的光场（例如，各种位置、强度和方向的照明）。

在本发明的另一个实施例中，如图4和图5所示，光源可包括发光体110以及多于两个空间光调制器。

如图4和图5所示，光源可包括发光体110、第一空间光调制器120、第二空间光调制器130和第三空间光调制器150。发光体110照射在第一空间光调制器120上，形成散射光。第一空间光调制器120上的每个像素发出的光可以向各个方向传播，并且各个方向的强度是已知的，优选是基本相同的。光线经过第一空间光调制器120的调制之后照射到第二空间光调制器130和第三空间光调制器150上，由第二空间光调制器130和第三空间光调制器150进行方向调制，并最终照射到眼球140。优选地，这些空间光调制器调制后的照明光线可以经过反射或折射而照射到角度扩展反射面上，角度扩展反射面可以是凹面镜、光波导等，经过角度扩展反射面的照明光照射到眼球，进行照明。

在图2和图3所示的实施例中，第一空间光调制器120和第二空间光调制器130均为透射式的液晶，其中，第一液晶显示器的背光装置充当发光体110，并且第一个液晶显示器的LCD面板充当第一空间光调制器120。第二液晶显示器的背光装置被剥除，从而第二液晶显示器的LCD面板充当第二空间光调制器130。

在图4所示的实施例中，第一空间光调制器120、第二空间光调制器130和第三空间光调制器150均为透射式的液晶，其中，第一液晶显示器的背光装置充当发光体110，并且第一液晶显示器的LCD面板充当第一空间光调制器120。第二和第三液晶显示器的背光装置被剥除，从而第二和第三液晶显示器的LCD面板分别充当第二空间光调制器130和第三空间光调制器150。

与图4不同的是，图5所示的第三空间光调制器150是DMD。DMD为二维振镜结构，可以选择性反射光线，能够充当空间光调制器参与光场调制。

在光路上的空间光调制器可以多于两个，多个空间光调制器能够产生的光场线数量与各空间光调制器中像素数量的乘积相关，每一个空间光调制器都可以通过其的光场进行更进一步的调制，因此能够产生更为丰富和复杂的光场。使照明光场更容易收敛于目标期望光场。

利用上述光源，能够快速产生各种期望的光场。光场中的光线的位置、方向和强度可以按照一定的规律依次给出，例如可以是小波变换基，傅立叶变换基，或者满足压缩感知Restricted isometry property(RIP)条件(https://en.wikipedia.org/wiki/Restricted_isometry_property)的随机方向和强度的光场照明。

在本发明的实施例中，照相部分使用一个或多个光场相机200。光场相机200可以使用现有技术，例如使用微透镜阵列的Lytro或Raytrix，也可以利用新一代的压缩光场技术，也可以在相机中添加掩膜，使常规相机也具有光场还原能力。关于该技术，可以参见如下网址的介绍：http://web.media.mit.edu/~gordonw/CompressiveLightFieldPhotography/。

光场相机200可以采集眼球被照明以后所反射光线的强度和方向。具体地，光场相机200构造成同时接收整个眼球被光源100所产生的光场照明后的成像数据。在这里，“同时”指的是光场相机对于整个眼球的成像数据的接收是同时完成的，而“整个眼球”指的是光场相机所接收的成像数据是关于整个眼球的成像数据，而不仅仅是眼球中的某一个或多个点或者某一个或多个切面的成像数据。

使用现有的技术，例如部分反射部分透射的镜片，可以将光场相机200置于光路中，而不遮挡光场照明。利用现有技术，可以将眼表的成像放大，消除一定的像差，使成像结果较清晰地被光场相机200采集到。

通过使用根据本发明的光源100和光场相机200，可以采集眼球上每个区域在不同的光照条件下的光场信息。例如：

1） 依次按给定顺序打开和关闭第一空间光调制器120和第二空间光调制器130上的像素，可以形成指向同一位置的不同角度的光场，如图2和图3所示。

2）使用多次光照结果的线性组合，可以产生特定角度的照明光，例如，如图6所示。

3）根据已知的小波变换、傅立叶变换或者压缩感知技术，能够利用较少次的光场光照，组合计算出期望的光场。

处理装置300用于对光场相机200接收到的成像数据进行处理。在一个实施例中，处理装置300用于对光场相机200接收到的成像数据进行重聚焦计算，以还原不同光照条件下所述眼球的三维图像，获得眼球的不同焦点位置的清晰图像，从而可以得到类似于裂隙灯显微镜下的不同光学切面的图像，为医生进行远程检查提供支持。

在一个实施例中，如图7所示，本发明的眼科检查设备10包括第一镜片160。第一镜片160设置在光源100和眼球之间。第一镜片160构造成使得光源100发出的光线在经过第一镜片160透射之后到达眼球140，并且第一镜片160构造成使得眼球140对光场的响应在经过第一镜片160反射之后被光场相机200接收。

在一个实施例中，如图8所示，本发明的眼科检查设备10还包括透镜系统170。透镜系统170被设置在光源100所产生的光场中，并且构造成用于放大眼球140被所述光场照明后的成像数据。

在一个实施例中，发光体110可以发射非可见光，从而形成非可见光的光场照明。优选地，发光体110可以发射红外光，从而形成红外光的光场照明。在这种情况下，可以在光场相机200前设置红外滤镜，仅透过红外光，或者也可以采用红外成像的光场相机。

在一个实施例中，如图9所示，本发明的眼科检查设备10还包括显示装置180和第二镜片190。显示装置180构造成显示静态图像或动态图像。第二镜片190被设置在光源100所产生的光场中。第二镜片190位于光源100和第一镜片160之间。第二镜片190构造成使得光源100发出的光线在经过第二镜片190透射之后到达第一镜片160，并且第二镜片190构造成使得显示装置180的静态图像或动态图像在经过第二镜片190反射之后到达第一镜片160并在经过第一镜片160透射之后到达眼球140，从而被眼球140观察到。在一个实施例中，显示装置180可以是常规的可见光显示器。可以利用该显示器播放视频或游戏画面，使被测人员能够在轻松舒适的状态下完成眼科检查。另外，也可以利用该显示器播放指示画面，引导被测人员向指定的方向进行观察。

本发明的眼科检查设备10可以用于多种眼科检查和测量的应用。在一个实施例中，本发明的眼科检查设备10的光源100可以被设置成发出与传统裂隙灯检查设备的光源相同的裂隙光，起到传统裂隙灯检查设备的功能和作用，从而被用作是裂隙灯检查设备。更特别地，本发明的眼科检查设备10的光源100可以被用作是光照裂隙灯检查设备。在一个实施例中，本发明的眼科检查设备10可以用于测量眼睛的角膜的地形图，起到角膜地形图测量设备的功能和作用，从而被用作是角膜地形图测量设备。

尽管已经参照（一个或多个）示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解的是，本发明不限于本文所描述的确切结构和组成部分，而且在不偏离如所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，从前面的描述可明白各种修改、变化和变形。本发明不受步骤的所示排序的限制，因为一些步骤可以按照不同的顺序和/或与其它步骤同时进行。因此，本发明不限于所公开的（一个或多个）具体实施例，而是将会包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种眼科检查设备，其包括：

光源，所述光源能够被控制成产生期望的光场，所述光场用于照明待检查的眼球；

光场相机，所述光场相机构造成同时接收整个眼球被所述光场照明后的成像数据；以及

处理装置，所述处理装置构造成对所接收的成像数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的眼科检查设备，其中，所述光源包括发光体和至少两个空间光调制器。

3.根据权利要求1所述的眼科检查设备，其中，所述光源构造成产生多个线性无关的光场。

4.根据权利要求1所述的眼科检查设备，其中，所述光场相机包括微透镜阵列。

5.根据权利要求1所述的眼科检查设备，其中，所述光场相机包括相机阵列。

6.根据权利要求1所述的眼科检查设备，还包括：

被设置在所述光场中的第一镜片，所述第一镜片位于所述光源和所述眼球之间，所述第一镜片构造成使得所述光源发出的光线在经过所述第一镜片透射之后到达所述眼球，并且所述第一镜片构造成使得所述眼球对所述光场的响应在经过所述第一镜片反射之后被所述光场相机接收。

7. 根据权利要求6所述的眼科检查设备，还包括：

显示装置，所述显示装置构造成显示静态图像或动态图像；和

被设置在所述光场中的第二镜片，所述第二镜片位于所述光源和所述第一镜片之间，所述第二镜片构造成使得所述光源发出的光线在经过所述第二镜片透射之后到达所述第一镜片，并且所述第二镜片构造成使得所述显示装置的静态图像或动态图像在经过所述第二镜片反射之后到达所述第一镜片并在经过所述第一镜片透射之后到达所述眼球，从而被所述眼球观察到。

8.根据权利要求1所述的眼科检查设备，还包括：

被设置在所述光场中的透镜系统，所述透镜系统构造成用于放大所述眼球被所述光场照明后的成像数据。

9.根据权利要求1所述的眼科检查设备，其中，所述处理装置构造成对所接收的成像数据进行重聚焦计算，以还原不同光照条件下所述眼球的三维图像。

10.根据权利要求1所述的眼科检查设备，其中，所述眼科检查设备被用作是裂隙灯检查设备或者角膜地形图测量设备。

11.根据权利要求1所述的眼科检查设备，其中，所述眼科检查设备被用作是光照裂隙灯检查设备。

12.一种眼科检查方法，其包括：

产生期望的光场；

同时接收整个眼球被所述光场照明后的成像数据；以及

对所接收的成像数据进行处理。