JPH10267630A - 光学系の表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検角膜等の被検対象となる光学系の各部お
よび全体の形状を、精度よくかつ連続的に判定でき、し
かも視覚的にも比較的容易に判定可能にする。 【解決手段】 被検光学系２２に投影する明暗の縞を有
する第１グリッド２１と、被検光学系２２に投影された
第１グリッド２１の反射像２３を結像させるための光学
系２４，２５，２６とを設けて、光学系２４，２５，２
６により第１グリッド２１の反射像２３が結像される共
役面２８の近くに、第１グリッド２１との間でモアレ縞
を生じさせる、等間隔の明暗の縞を有する第２グリッド
２７を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、角膜等の複雑な
形状を有する光学系の表面形状を測定する光学系の表面
形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、角膜形状の測定装置として、
例えば、オフサルモメータやホトケラトスコープなどが
提案されている。これらのうち、オフサルモメータは角
膜の中心付近の一点の曲率半径しか計測できず、従っ
て、角膜の広い領域に被うコンタクトレンズのフィッテ
ィング用データとして利用するには、不十分である。

【０００３】一方、これに対して、角膜の全体形状の測
定データが得られる前記のようなホトケラトスコープが
提案されるようになった。図１１はかかる従来のホトケ
ラトスコープを示す概念図であり、同図において、１１
は測定対象である被検角膜、１４は被検角膜１１の前方
に配置されたプラチッドリングと呼ばれる同心円状の明
暗のリングで、矢印Ｂ方向から見た正面形状は図１２に
示すように、径の異なる所定幅のリングを一定の間隔を
おいて同心配置したような形状をなす。

【０００４】また、１２は被検角膜１１により反射され
るプラチッドリング１４の反対像、１３はこの反対像１
２を結像させるための光学系としてのレンズ、１５は反
対像１２との共役な結像面であり、これらの被検角膜１
１，レンズ１３および結像面１５は同一の光軸上に配置
されている。

【０００５】そして、このような光学配置からなる表面
形状測定装置により、前記結像面１５において、被検角
膜１１から反射されたプラチッドリング１４の像を観察
することによって、被検角膜１１の形状を測定すること
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来の表面形状測定装置にあっては、結像面１５上で観
察されるプラチッドリング１４が同心円であるため、目
視では、その結像されたプラチッドリング１４の像か
ら、被検角膜１１の形状を判定することは極めて困難で
あり、特に、プラチッドリング１４の像の中心部と周辺
部との曲率半径の違いは微妙であり、従って観察するプ
ラチッドリングの像も被検角膜１１の形状の違いに対し
てわずかしか変化しないことから、測定精度が悪いとい
う課題があった。

【０００７】また、前記被検角膜１１の形状は、同心円
の明暗の境界でしか判断することができず、不連続的に
しか被検角膜１１の形状を認識することができないとい
う課題があった。

【０００８】この発明は前記のような課題を解決するも
のであり、被検角膜等の被検対象となる光学系の各部お
よび全体の形状を、精度よくかつ連続的に測定でき、し
かも視覚的にも比較的容易に判定することができる光学
系の表面形状測定装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的達成のために、
請求項１の発明にかかる光学系の表面形状測定装置は、
被検光学系に投影する明暗の縞を有する第１グリッド
と、前記被検光学系に投影された前記第１グリッドの反
射像を結像させるための光学系とを設けて、該光学系に
より前記第１グリッドの反射像が結像される共役面の近
くに、前記第１グリッドとの間でモアレ縞を生じさせ
る、等間隔の明暗の縞を有する第２グリッドを配置した
ものである。

【００１０】請求項２の発明にかかる光学系の表面形状
測定装置は、前記被検光学系により反射された前記第１
グリッドの反射像を結像させる前記光学系において、主
光線を光軸とほぼ平行にするようにしたものである。

【００１１】また、請求項３の発明にかかる光学系の表
面形状測定装置は、曲率半径一定の前記被検光学系によ
って反射された第１グリッドの反射像がほぼ等間隔なグ
リッドになるように、前記第１グリッドのピッチ間隔を
設定するようにしたものである。

【００１２】また、請求項４の発明にかかる光学系の表
面形状測定装置は、前記第１グリッドと前記第２グリッ
ドとの交差角を可変にしたものである。

【００１３】また、請求項５の発明にかかる光学系の表
面形状測定装置は、前記第２グリッドをグリッド間隔の
異る他のグリッドに交換できるようにしたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
図について説明する。この発明の光学系の表面形状測定
装置は、モアレ縞を利用して被検角膜などの被検光学系
の形状を測定するものである。まず、このモアレ縞と被
検光学系の曲率との関係について説明する。

【００１５】前記モアレ縞は、図８に示すような、ピッ
チＰ_０ の等間隔の明暗の縞を有するグリッド１７と、
図９に示すようなピッチＰの等間隔の明暗の縞を有する
グリッド１８と用意し、これらを図１０に示すように、
交差用αで重ね合わせることによって生じる。

【００１６】このモアレ縞の角度ωは、ｔａｎω＝（１
／ｔａｎα）−（１／ｓｉｎα）（Ｐ／Ｐ_０ ）とな
る。すなわち、モアレ縞の角度ωは、２つのグリッドの
交差角αと２つのグリッド１７，１８の各ピッチの比率
で決まる。そして、このモアレ縞の角度ωの大きさや違
いから、被検光学系である被検角膜などの曲率、つまり
形状を認識することができる。

【００１７】なお、かかるモアレ縞にもとづいて被検光
学系の形状測定を行えるものとして、被検光学系の結像
部付近に近接して１つのグリッドを配置し、点光源を用
いてモアレ縞を観測するものなどが、例えば米国特許第
５３５５２１０号に提案されているものの、角膜などの
動きのある被検体の形状測定が行えない。このため、こ
の発明では、２つのグリッドを結像のための光学系を介
して対向配置して、被検光学系の全体形状（曲率）を測
定できるようにしている。

【００１８】図１はこの発明の光学系の表面形状測定装
置を示す概念図であり、同図において、２１は明暗の縞
を有する被検光学系としての第１グリッドであり、これ
の矢印Ａ方向から見るた正面形状は、図２に示すような
縞状パターンをなす。この縞状パターンは直線状をなさ
ず、かつその各ピッチは等間隔となっていない。なお、
この縞状パターンについては後に詳しく説明する。

【００１９】また、２２は第１グリッド２１からの入射
像を反射する測定対象であるところの被検角膜、２３は
この被検角膜２２にて反射される第１のグリッド２１の
反射像、２４，２５，２６は反射像２３を結像させるた
めの光学系で、２４，２６はレンズ、２５は各レンズ２
４，２６の焦点位置に配置された絞りである。この絞り
２５とレンズ２４，２６とによって主光線が光軸と完全
に平行となるテレセントリック光学系を構成している。

【００２０】なお、この発明においては、反射像２３を
結像させる光学系の主光線は完全に光軸に平行とする必
要がなく、近似的に光軸に略平行であればよい。

【００２１】さらに、２８は反射像２３が結像される共
役面、２７はこの共役面２８の近辺に配置される第２グ
リッドであり、これの矢印Ｃ方向から見た正面形状は、
図３に示すような縞状パターンを有する。この縞状パタ
ーンは、グリッドのピッチが等間隔で平行な直線状をな
す。そして、前記第１グリッド２１は第１グリッド２７
に対して既知の角度αだけ傾くように配置されている。

【００２２】次に、前記縞状パターンを持った第１グリ
ッドの形状について、図４を参照しながら説明する。図
４において、２２Ａは曲率半径ｒの球面体であり、この
球面体２２Ａに向けて、第１グリッド２１Ａ上の光軸Ｌ
からの高さＨｉ位置より発した光線は、その球面体２２
Ａの表面で反射されて、光軸Ｌに平行でこれより高さｈ
ｉを通過する光線である。

【００２３】ここで、球面体２２Ａの中心Ｏと球面体２
２Ａ上の前記光線の反射点Ｇとを結ぶ直線の、前記光軸
Ｌに対する角度をθ、前記球面体２２Ａから光軸Ｌに沿
った第１グリッド２１Ａまでの距離をｄ_０ とすると、
ｈｉ＝（ＣＯＳ２θ／ｃｏｓθ）（ｒ／２ｄ_０ ）×Ｈ
ｉとなる。ここで、２ｄ_０ 》ｒである。

【００２４】前記角度θはｈｉによって決まる値である
ため、ここで、ある特定の曲率半径ｒ_０ について、こ
のときの第１グリッド２１Ａ上の光の位置、つまりグリ
ッドパターンの高さ位置Ｈｉ_０ を逆算すると、Ｈｉ_０
＝（ｃｏｓθ／ｃｏｓ２θ）（２ｄ_０ ／ｒ_０ ）×
ｈｉ_０ となる。ここで、（ｃｏｓθ／ｃｏｓ２θ）は
歪曲収差を示しており、従って、Ｈｉ_０ とｈｉ_０ は
比例関係にない。このようにして、図７に示すような縞
状パターンを持った第１グリッド２１を形成できる。

【００２５】次に、このような第１グリッド２１上の高
さＨｉ_０ 位置より発した任意の曲率半径ｒ（人間の角
膜の曲率半径は６〜１０ｍｍ程度）に対する反射光の高
さｈｉは、前記式より、ｈｉ＝（ｃｏｓ２θ’／ｃｏｓ
θ’）（ｒ／２ｄ_０ ）×ｈｉ_０ であり、しかもｄ_０
》ｒであるところから、θ≒θ’としても実用上問題
はない。ここで、ｈｉ／ｈｉ_０ は、前記式のピッチの
比Ｐ／Ｐ_０ と同じであるから、このＰ／Ｐ_０ はｒ／
ｒ_０ と同じことになる。すなわち、ｈｉ／ｈｉ_０ や
ｒ／ｒ_０ からモアレ縞の角度ωを知ることができ、こ
の結果、被検角膜２２などの曲率半径を知ることができ
ることとなる。

【００２６】例えば、被検角膜２２の曲率半径ｒ１のモ
アレ縞Ｍ１の角度が、図５に示すようにω１であれば、
異なる被検角膜２２の曲率半径ｒ２のモアレ縞Ｍ２の角
度が、図６に示すようにω２となることによって、曲率
半径の違いを容易に目視で判別することができる。な
お、前記モアレ縞の傾き角ωの感度は、第１グリッド２
１および第２グリッド２７の交差角αを調節することに
よって、容易に変更することができる。

【００２７】図７は被検角膜２２によるモアレ縞Ｍ３の
一例を示す。角膜は曲率半径が一定の球面体でないた
め、被検角膜２２の形状に応じて、モアレ縞の角度が図
７に示すように変化する。このため、被検角膜２２各部
の、すなわち、被検角膜２２全体の形状を正確に判別す
ることができる。

【００２８】なお、第１グリッド２１と第２グリッド２
７との交差角αを変えることにより測定感度を上げるこ
とができ、この場合には測定範囲が小さくなる。従っ
て、この場合には、第２グリッド２７のピッチを、既知
の別の曲率半径のピッチに変更すればよい。

【００２９】この実施の形態によれば測定感度を変えた
り、測定基準を変えたりすることができるとともに、連
続的に変化する形状を確実に認識でき、例えば角膜に対
するコンタクトレンズ成形時のフィッティングデータと
してその測定データを使用できることとなる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、被検光学系に投影する明暗の縞を有する第１グリッ
ドと、前記被検光学系に投影された前記第１グリッドの
反射像を結像させるための光学系とを設けて、該光学系
により前記第１グリッドの反射像が結像される共役面の
近くに、前記第１グリッドとの間でモアレ縞を生じさせ
る、等間隔の明暗の縞を有する第２グリッドを配置する
ように構成したので、被検角膜等の被検対象となる光学
系の各部および全体の形状を、精度よくかつ連続的に測
定でき、しかも視覚的にも比較的容易に判定することが
できるという効果が得られる。

【００３１】また、請求項２の発明によれば、前記被検
光学系により反射された前記第１グリッドの反射像を結
像させる前記光学系において、主光線を光軸とほぼ平行
にするように構成したので、光軸を中心として、これの
上下部に第１グリッドの反射像を乱さずに正確に第２グ
リッド側へ導くことができ、従って、被検光学系の正確
な形状測定を実現できるという効果が得られる。

【００３２】また、請求項３の発明によれば、曲率半径
一定の前記被検光学系によって反射された第１グリッド
の反射像がほぼ等間隔なグリッドになるように、前記第
１グリッドのピッチ間隔を設定するように構成したの
で、縞状パターンが直線状でなく、しかもピッチ間隔が
異なる第１グリッドの、被検光学系からの反射像を、第
２グリッドに正しく重ね合わせることができ、従来の２
枚の直線形グリッドによる場合と同様のモアレ縞の観測
を行うことができる。

【００３３】また、請求項４の発明によれば、第１グリ
ッドと前記第２グリッドとの交差角を可変にしたり、前
記第２グリッドをグリッド間隔の異る他のグリッドに交
換するようにしたことで、モアレの傾き角の感度、すな
わち、測定感度を任意に変更できるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の一形態による光学系の表面形
状測定装置を示す概念図である。

【図２】図１における第１グリッドを示す正面図であ
る。

【図３】図１における第２のグリッドを示す正面図であ
る。

【図４】この発明における第１グリッドの形成方法を概
念的に示す説明図である。

【図５】この発明により得られるモアレ縞を示す説明図
である。

【図６】この発明により得られるモアレ縞を示す説明図
である。

【図７】この発明により得られる被検角膜によるモアレ
縞を示す説明図である。

【図８】一般的なモアレ縞の発生に用いるグリッドを示
す説明図である。

【図９】一般的なモアレ縞の発生に用いる他のグリッド
を示す説明図である。

【図１０】図８および図９における各グリッドを重ね合
わせた状態を示す説明図である。

【図１１】従来のホトケラトスコープを示す概念図であ
る。

【図１２】図１１におけるプラチッドリングを示す正面
図である。

【符号の説明】

２１ 第１グリッド ２２ 被検角膜（被検光学系） ２３ 反対像 ２４ レンズ（光学系） ２５ 絞り（光学系） ２６ レンズ（光学系） ２７ 第２グリッド ２８ 共役面 Ｌ 光軸

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検光学系に投影する明暗の縞を有する
   第１グリッドと、前記被検光学系に投影された前記第１
   グリッドの反射像を結像させるための光学系と、該光学
   系により前記第１グリッドの反射像が結像される共役面
   の近くに配置され、前記第１グリッドとの間でモアレ縞
   を生じさせる、等間隔の明暗の縞を有する第２グリッド
   とを備えたことを特徴とする光学系の表面形状測定装
   置。
2. 【請求項２】 前記被検光学系により反射された前記第
   １グリッドの反射像を結像させる前記光学系において、
   主光線を光軸とほぼ平行にしたことを特徴とする請求項
   １に記載の光学系の表面形状測定装置。
3. 【請求項３】 曲率半径一定の前記被検光学系によって
   反射された第１グリッドの反射像がほぼ等間隔なグリッ
   ドになるように、前記第１グリッドのピッチ間隔が設定
   されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系の
   表面形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記第１グリッドと前記第２グリッドと
   の交差角を可変にしたことを特徴とする請求項１に記載
   の光学系の表面形状測定装置。
5. 【請求項５】 前記第２グリッドをグリッド間隔の異る
   他のグリッドに交換できるようにしたことを特徴とする
   請求項１に記載の光学系の表面形状測定装置。