用于角膜生物力学响应的体内测量的设备和方法

摘要

呈现了一种用于以空间分辨率非接触体内测量角膜或泪膜的一种或多种特性的设备和方法。在某些实施方式中，用来自多波长光源的子光束的会聚阵列以基本垂直入射探测角膜/泪膜，并以干涉测量分析反射光以产生测厚图的时间序列。测量和分析由外压和内眼压之间的差异引起的，例如来自眼脉动或外部施加的压力变化的厚度变化可以获得有关角膜的生物力学响应的信息。在优选的实施方式中，测量并减去泪膜厚度的时间变化以产生用于生物力学分析的归一化的测厚数据。在某些实施方式中，该设备配置为使用会聚的或基本平行的子光束阵列测量泪膜的动力学和分布。

说明书

技术领域

本发明涉及用于光学计量学的设备和方法，具体是用于体内测量人角膜的生物力学响应的设备和方法。然而，应当理解的是，本发明不限于该特定使用领域。

相关申请

本申请要求2018年6月5日提交的澳大利亚临时专利申请号2018902018的优先权，其内容通过引证结合于本文中。

背景技术

在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应该认为是承认这种现有技术是众所周知的或构成了本领域公知常识的部分。

圆锥形角膜(Keratoconus)是一种退行性疾病，其中局部变薄和刚度降低会导致角膜变形，从而直接损害视力质量。尽管可以通过角膜形貌图或测厚法容易地检测到进展更多的圆锥形角膜的角膜变形特征，但优选的是可以在较早阶段检测到该疾病。例如，这将允许筛查出发展圆锥形角膜风险的人，而使该病的管控策略可以在永久性损伤发生之前实施，并在屈光手术之前进行患者筛查。认为通过测量眼睛的生物力学特性，寻找角膜的局部弱化，可以有效实现圆锥形角膜和其他角膜疾病的早期检测。具体地，圆锥形角膜锥体的焦点区域被弱化并且具有与角膜的其他区域不同的生物力学特性。这种方法可以提供与其他角膜的扰动(perturbation)的区别，其可能使仅基于几何特征如角膜高程和厚度图的诊断复杂化。

一种用于测量如角膜的人体组织的力学响应的技术是光学相干弹性成像(OCE)，例如，描述于已公开的标题为“Optical coherence elastography to assessbiomechanics and detect progression of ocular and other tissues degenerativediseases”的美国专利申请号2017/0290503 A1中。通过例如吹气(air puff)、超声或机械接触激发组织中的振动，并通过光学相干断层扫描(OCT)测量机械响应。使用OCE进行角膜测量的困难在于需要将眼内压(IOP)变化的影响与角膜异常分开。

布里渊(Brillouin)显微镜已推荐作为用于映射至少体外的角膜内机械强度的技术。例如，如Scarcelli et al‘Biomechanical characterization of keratoconuscorneas ex vivo with Brillouin microscopy’,Investigative Ophthalmology&VisualScience 55(7),4490(2014)中描述的，布里渊位移测量可以提供有关角膜纵向模量的信息。然而，由于需要高分辨率光谱仪，该设备相对昂贵。此外，由于扫描要求，该技术很耗时，并且需要高眼内光强度，这对体内使用提出了挑战。

已知几种类型的用于测量角膜厚度的测厚仪，例如，基于超声技术如角膜波形或光学技术如OCT、狭缝扫描和Scheimpflug成像。然而，这些技术可能不具有足够的精度测量与角膜生物力学响应相关厚度的小空间或时间变化，对于许多市售仪器而言，据报道可重复性为约±5μm，参见，例如，McAlinden et aV“A comprehensive evaluation of theprecision(repeatability and reproducibility)of the Oculus Pentacam HR”,Investigative Ophthalmology&Visual Science 52(10),7731(2011)和Correa-Perez etal“Precision of high definition spectral-domain optical coherence tomographyfor measuring central corneal thickness”,Investigative Ophthalmology&VisualScience 53(4),1752(2012)。用于测量泪膜厚度的光学反射测量技术具有更高的精度，为纳米级，尤其是在大面积角膜内测量时，但不太适用于测量比泪膜厚度超过约两个数量级的角膜厚度。

对角膜压力诱导的变形的研究表明，由于IOP的变化约±3-6mm Hg，并伴有多种因素，包括心率，姿势变化，液体摄入，昼夜周期和某些药物，眼睛和角膜会出现形状的蠕变。这些形状变化可以用常规形貌学技术，如Placido盘式形貌学技术在数秒或更长的时间段内测量。还已知的是，IOP随着眼脉动而波动，如使用接触超声技术体外应用模拟搏动的公开的题为“Ophthalmic Elastography”美国专利申请号2015/0313573 A1中报道的。然而，这些与搏动有关的形状变化通常比前面提到的较渐进的眼压变化所引起的形状变化小一个数量级，并且难以以评价角膜实际生物力学所需的灵敏度水平进行角膜厚度无创体内测量。

角膜泪膜是光线进入眼睛时会遇到的第一个折射表面，因此其在眼睛健康以及视力中起着重要作用，其中异常泪膜破裂会导致干眼病和视力异常。如最近在King-Smith etal“Mechanisms,imaging and structure of tear film breakup”,The Ocular Surface16,4(2018)中的综述，多年来对泪膜破裂的动力学和原因已经进行了研究。泪膜的厚度和表面形状对于测定泪膜动力学是重要的，但当前的成像技术仅限于测量厚度或表面形状中的一种。光谱域OCT已用于测量泪膜厚度，例如，参见dos Santos et al‘In vivo tearfilm thickness measurement and tear film dynamics visualization usingspectral domain optical coherence tomography’,Optics Express 23(16),21043(2015)，但未提供有关表面形状的信息。因此，需要可以其中可以考虑眼睛的形状和位置的在扩展的区域内测量泪膜厚度和动力学的设备。

除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，“包括”、“包含”等词语应以包容性含义解释，而不是排他性或穷举性含义。也就是说，应以“包括，但不限于”的含义对其进行解释。

发明目的

本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个局限性，或提供一种有用的替代方案。本发明的目的是以优选的形式提供用于对角膜内的多个点处的一种或多种角膜特性进行快速体内测量的设备。本发明的另一个目的是以优选的形式提供用于体内测量角膜厚度或应变的时间变化的设备。本发明的另一个目的是以优选的形式提供用于在角膜扩展区域内测量泪膜动力学的方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量角膜的一种或多种特性的设备，所述设备包括：

第一光学系统，包括光源和空间采样元件，用于产生配置为同时入射角膜的前表面的至少一部分的子光束(beamlet)的会聚阵列；和

第二光学系统，用于：

捕获来自所述前表面的反射或散射光和来自所述角膜的第二表面或界面的反射或散射光；

测量所述子光束照射的所述角膜的部分中来自所述前表面的反射或散射光和来自所述第二表面或界面的反射或散射光之间的相对相位；和

随时间监测所述相对相位以获得关于照射部分内的所述角膜的一种或多种特性的信息。

该设备优选配置为使得在使用时子光束在前表面上的入射角处于垂直入射的3度以内。

优选地，空间采样元件包括小透镜阵列。在某些实施方式中，来自前表面和来自第二表面或界面的反射或散射光被空间采样元件捕获。在其他实施方式中，来自前表面和来自第二表面或界面的反射或散射光被第二空间采样元件捕获。

优选地，该设备包括处理器，用于：由相对相位测量生成角膜的照射部分的相对相位图；和随时间监测相对相位以确定图中的时间变化。

该设备优选包括干涉仪，用于干涉来自前表面和来自第二表面或与参考光束的界面的反射或散射光，以产生一个或多个干涉图。优选地，处理器配置为利用一个或多个干涉图跟踪子光束在前表面上的位置，以配准在不同时间获取的两个或更多个相对相位的图。

在优选的实施方式中，光源包括多波长光源，并且处理器优选配置为由相对相位图计算角膜的断层扫描分布。断层扫描分布可以包括前表面与第二表面或界面之间的振幅、相位或光路长度中的一个或多个。优选第二表面或界面包括角膜的后表面，使得光路长度包括角膜厚度的量度。

在优选的实施方式中，处理器配置为由光路长度的时间变化确定角膜对眼内压和角膜上的外压之间的相对差异的生物力学响应。在某些实施方式中，处理器配置为确定角膜对与眼脉动相关的周期性眼内压变化的生物力学响应。在其他实施方式中，该设备配置为改变角膜上的外压。在某些实施方式中，该设备配置为通过施加分布式声波的源或通过改变角膜处的环境压力而改变外压。

在某些实施方式中，处理器配置为由光路长度的时间变化确定角膜对以下一种或多种施加的扰动的生物力学响应：喷气源；超声源；或声辐射压力源。

在某些实施方式中，该设备配置为测量角膜上的泪膜厚度的时间变化。优选地该处理器配置为：测量角膜上的泪膜厚度的时间变化；和从光路长度中减去测量的泪膜厚度的时间变化，以提供角膜光路长度的归一化测量值。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量角膜的一个或多个特性的方法，所述方法包括以下步骤：

产生配置为同时入射角膜的前表面的至少一部分的子光束的会聚阵列；

捕获来自所述前表面的反射或散射光和来自所述角膜的第二表面或界面的反射或散射光；

测量所述角膜受所述子光束照射的部分中来自所述前表面的反射或散射光和来自所述第二表面或界面的反射或散射光之间的相对相位；和

随时间监测所述相对相位以获得关于所述角膜的照射部分中的一种或多种特性的信息。

优选该方法还包括以下步骤：由相对相位测量产生整个角膜的受照射部分中的相对相位图；和随时间监测相对相位以确定图中的时间变化。

优选该方法还包括以下步骤：采用参考光束干涉来自前表面和来自第二表面或界面的反射或散射光以生成一个或多个干涉图；和利用一个或多个干涉图追踪子光束在前表面上的位置，用于配准在不同时间获取的两个或更多个相对相位图。

在优选的实施方式中，子光束是由多波长光源产生的，并且相对相位图优选提供角膜的断层扫描分布。断层扫描分布可以包括在前表面与第二表面或界面之间的振幅、相位或光路长度中的一个或多个。优选该方法还包括由光路长度的时间变化确定角膜对眼内压和角膜上外压之间的相对差异的生物力学响应的步骤。在某些实施方式中，测定角膜对与眼脉动相关的周期性眼内压变化的生物力学响应。

在某些实施方式中，该方法还包括以下步骤：在角膜上施加一个扰动，包括吹气、超声或声辐射压力中的一种或多种；由光路长度的时间变化，确定角膜对扰动的生物力学响应。

在某些实施方式中，该方法还包括测量角膜上的泪膜厚度的时间变化的步骤。优选地从光路长度中减去测量的泪膜厚度的时间变化，以提供角膜光路长度的归一化测量。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于测量角膜的一个或多个特性的设备，所述设备包括光学系统，用于：

产生配置为同时入射角膜的第一表面或界面的至少一部分的子光束的会聚阵列；

捕获来自所述角膜的所述第一表面或界面的反射或散射光和来自第二表面或界面的反射或散射光；

测量所述角膜由所述子光束照射的部分上的第一和第二表面或界面之间的相对相位；和

随时间监测所述相对相位以获得关于所述角膜的照射部分中的一种或多种特性的信息。

在某些实施方式中，光学系统配置为测量第一表面和第二表面或界面相对于参考光束的相位。在其他实施方式中，光学系统配置为测量第一和第二表面或界面相对于来自角膜上的泪膜的反射的相位。第一表面或界面可以包括空气/泪膜界面。

优选该设备包括处理器，用于：由相对相位测量生成角膜的受照射部分中的相对相位图；和随时间监测相对相位以确定图中的时间变化。光学系统优选包括用于产生子光束的多波长源，并且处理器优选配置为由相对相位图计算角膜的断层扫描分布。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于测量角膜的一个或多个特性的方法，所述方法包括以下步骤：

产生配置为同时入射角膜的第一表面或界面的至少一部分的子光束的会聚阵列；

捕获来自所述第一表面或界面的反射或散射光和来自所述角膜的第二表面或界面的反射或散射光；

测量所述角膜由所述子光束照射的部分中的所述第一和第二表面或界面之间的相对相位；和

随时间监测所述相对相位以获得所述角膜的照射部分中的一种或多种特性的信息。

在某些实施方式中，第一和第二表面或界面的相位相对于参考光束测量。在其他实施方式中，第一和第二表面或界面的相位相对于来自角膜上的泪膜的反射测量。第一表面或界面可以包括空气/泪膜界面。

优选该方法还包括以下步骤：由相对相位测量生成角膜的受照射部分中的相对相位图；和随时间监测相对相位以确定图中的时间变化。优选子光束从多波长光源产生，并且相对相位图优选提供角膜的断层扫描分布。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于检查角膜上的泪膜的设备，所述设备包括：

照射系统，用于在多个点照射泪膜或角膜的前表面；和

捕获光学系统，用于捕获包括来自所述泪膜的超反射信号或来自所述前表面在所述多个点处的散射光的返回信号，所述捕获光学系统具有捕获角，

其中所述照射系统配置为，在使用中：

用足够接近垂直入射的入射角入射所述泪膜或所述前表面的光照射所述多个点的第一组，使得所述超反射信号处于所述捕获角内，产生一组更高强度的返回信号；和以与垂直入射足够远离的入射角入射所述泪膜或所述前表面的光照射所述多个点的第二组，使得所述超反射信号不处于所述捕获角内，形成一组较低强度的返回信号；

并且其中所述设备还包括处理器，用于：

处理较高强度和较低强度的返回信号组，以获得光学相干断层扫描测量；和

由选择的较高强度和较低强度的返回信号组的光学相干断层扫描测量计算与所述泪膜的厚度有关的测量。

在某些实施方式中，处理器配置为通过以下计算与泪膜厚度有关的度量：将表面拟合至较低强度的返回信号组的光学相干断层扫描测量；和计算较高强度返回信号的表面和选择的光学相干断层扫描测量之间的差异。在其他实施方式中，处理器配置为通过以下计算与泪膜厚度有关的度量：将第一表面拟合至较高强度返回信号的光学相干断层扫描测量；将第二表面拟合至较低强度返回信号的光学相干断层扫描测量；和计算第一和第二表面之间的偏差。处理器优选配置为监视与泪膜厚度有关的测量的时间变化。

在某些实施方式中，处理器配置为确定较高强度返回信号组与较低强度返回信号组之间的边界。处理器可以配置为由边界的尺寸或形状，或由其时间变化获得与泪膜的脂质层的厚度、质量或分布有关的信息。

优选照射系统配置为在多个点处同时照射泪膜或角膜的前表面。更优选照射系统配置为利用基本平行的子光束阵列照射泪膜或角膜的前表面。

在优选的实施方式中，照射系统配置为以小于15度，更优选地小于8度，并且最优选地小于4度的入射角照射在泪膜或前表面上的光照射第一组点。

在优选的实施方式中，照射系统配置为以大于4度，更优选大于8度，其最优选大于15度的入射角入射泪膜或前表面上的光照射第二组点。

根据本发明的第六方面，提供了一种用于检查角膜上的泪膜的方法，所述方法包括以下步骤：

在多个点处照射所述泪膜或所述角膜的前表面；

使用具有捕获角的捕获光学系统捕获返回信号，该返回信号包括来自所述泪膜的超反射信号或来自所述多个点处的所述前表面的散射光，其中所述多个点的第一组用足够接近垂直入射的入射角入射所述泪膜或所述前表面的光照射，使得所述超反射信号处于所述捕获角内，产生一组较高强度的返回信号，且所述多个点的第二组用与垂直入射足够远离的入射角入射所述泪膜或所述前表面的光照射，使得所述高反射信号不处于所述捕获角内，产生一组较低强度的返回信号；

处理较高强度和较低强度的返回信号组以获得光学相干断层扫描测量；和

由选择的较高强度和较低强度的返回信号组的光学相干断层扫描测量计算与泪膜厚度有关的测量。

在某些实施方式中，该计算步骤包括：将表面拟合至较低强度返回信号的光学相干断层扫描测量；和计算较高强度返回信号的表面和选择的光学相干断层扫描测量之间的差异。在其他实施方式中，该计算步骤包括：将第一表面拟合至较高强度返回信号的光学相干断层扫描测量；将第二表面拟合至较低强度返回信号的光学相干断层扫描测量；和计算第一和第二表面之间的偏差。优选该方法还包括监测与泪膜厚度有关的量度中的时间变化的步骤。

在某些实施方式中，该方法还包括确定较高强度返回信号组与较低强度返回信号组之间的边界的步骤。该方法可以还包括以下步骤：由边界的尺寸或形状，或由其时间变化，获得与泪膜的脂质层的厚度、质量或分布有关的信息。

优选在多个点处同时照射泪膜或角膜的前表面。更优选用基本平行的子光束阵列照射泪膜或角膜的前表面。

在优选的实施方式中，第一组点用以小于15度，更优选小于8度，最优选小于4度的入射角入射于泪膜或前表面上的光照射。

在优选的实施方式中，第二组点用以大于4度，更优选大于8度，最优选大于15度的入射角入射于泪膜或前表面上的光照射。

根据本发明的第七方面，提供了一种制造的制品，其包括具有配置为操作根据第一、第三或第五方面的设备，或实施根据第二、第四或第六方面的方法的计算机可读程序代码的非暂时性计算机可用介质。

附图说明

现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的优选实施方式，其中：

图1A以示意图的形式示出了根据本发明的实施方式用于在多个点上以相位精度，即nm级精度，体内测量角膜的一种或多种特性的光谱域OCT设备；

图1B以示意图的形式示出了图1A的OCT设备的样品臂光学器件的可替代配置。

图1C以示意图的形式示出了图1A的OCT设备的样品臂光学器件的可替代配置。

图1D以示意图形式示出了用于生成子光束阵列和收集的返回信号的可替代配置；

图2以示意图形式显示了泪膜和人角膜的结构。

图3示出了眼睛到设备轴向位置的变化对表观角膜厚度的影响。

图4A和4B示出了对于6μm至1μm的六种不同的起始泪膜厚度，在多个离散波长仓(wavelength bin)中反射的子光束功率的预期时间变化。

图5A和5B示出了对于角膜顶点的七个径向位置，在多个离散的波长仓中，从泪膜反射的子光束中的功率在六秒钟内的预期变化。

图6描绘了在眨眼后零至六秒的多个不同时间处泪膜厚度相对于角膜顶点的径向位置的绘图。

图7显示了用子光束阵列照射的角膜部分的体内反射率图像。

图8示意性地显示了用于使用图7的反射率图像中计算的OCT数据获得与泪膜厚度有关的量度的方法；

图9示意性地示出了与图7中所见的基本二元的强度分布一致的镜面反射和散射的模型；和

图10示意性地显示了泪膜或角膜上的多个点的照射。

具体实施方式

图1A以示意形式示出了根据本发明的实施方式的适合于以相位精度即纳米级精度在多个点进行角膜102的一种或多种特性的体内测量的光谱域光学相干断层扫描(OCT)设备100。来自宽带光源106，如中心波长840nm、带宽40nm的超发光二极管的光104通过如透镜或抛物面镜的准直元件108准直，通过偏振器110线性偏振，并随后由偏振分光立方体(PBS)112分为参考光束和采样光束114、116。参考臂117包括反射镜118、用于设备不使用参考光束运行时阻挡参考光束114的可移动快门120和用于偏振变换的四分之一波片122，使得从反射镜118反射的光穿过PBS112并进入检测臂121。参考臂117还可以包括中继元件以及用于补偿样品臂123中的光学器件的色散的色散匹配组件。反射镜118可以轴向移动以调节参考臂相对于样品臂的路径长度，例如，以匹配不同的眼睛位置或从眼睛不同深度的结构中获取信息。可替代地或另外地，整个设备100可以相对于角膜102轴向移动，以调节眼睛到设备的距离，并因此调节样品臂123的路径长度。

样品臂包括四分之一波片138，二维(2D)小透镜阵列124形式的空间采样元件，以从样品束116产生经由透镜系统128中继到角膜102的样品子光束126的2D阵列。在所示的实施方式中，透镜系统是非远心的，设计使得中继的子光束130的中心射线以接近垂直入射入射于角膜的前表面132，或更确切地，如下解释空气/泪膜界面上。中继的子光束130的会聚阵列的中心射线可以例如会聚于超过焦面135(即，超过子光束腰所在的表面)约8mm的点134处。在优选的实施方式中，透镜系统128设计为使焦面135如所示的基本呈球形，其中子光束130的会聚点134大约处于该表面的曲率中心处。在图1B所示的替代实施方式中，样品臂包括远心或4F透镜系统170，其设计成产生中继子光束172的阵列，其以基本平行的方式传播至角膜102，在这种情况下，子光束的焦面将基本是平面的。为了简化图示，将中继透镜系统128和170中的透镜描绘为简单的单元件透镜，但在优选的实施方式中，它们具有多个元件以减小信号带宽中的中继子光束的失真。在图1C所示的又一个实施方式中，样品臂包括透镜系统174，其包括常规透镜176和复合透镜178。复合透镜包括较短的焦距部分，其以垂直或接近垂直入射将子光束130的内部子集引导到角膜102上，和较长的焦距部分，其将子光束的外部子集180引导到前巩膜182或角膜缘184上。

来自前或后角膜表面132、136，或来自角膜102中的其他界面或来自较深的眼睛结构散射或反射的光，返回通过中继透镜系统128、170或174，然后由子透镜阵列124捕获并在四分之一波片138处经过偏振变换后被PBS 112反射到检测臂121。通常，可以中继到角膜102上的子光束126的数量取决于2D小透镜阵列124的设计，并且在某些实施方式中，在正方形或矩形图案中例如可以有约100或1000个子光束，在标称焦面135处，即在子光束130或172的腰部处，密度为4-100个子光束/平方毫米。如图1A所示，在使用中，优选设备定位为使得标称焦面135处于角膜102内或非常接近角膜102。为了增强来自后角膜表面136的相对弱的反射，可以进一步优选标称焦面135靠近后角膜表面136。

如果存在参考光束114，则其在PBS 112处与反射的样品子光束140和由偏振器142分析的得到的组合光束组合，以干涉来自样品和参考路径的光。如果参考光束114被快门120阻挡，则在从眼睛的两个或更多个表面或界面如空气/泪膜界面和角膜后表面136反射或散射的光之间会产生干扰信号。无论干涉信号的来源如何，所得干涉图样，包含关于来自眼睛中两个或更多个表面或界面反射或散射的光之间的相对相位的信息，由透镜系统144和消除杂散光的可选光圈146中继，以用于在光谱仪148中在由2D小透镜阵列150和相应的2D孔口阵列152形式的空间采样元素确定的空间位置网格处进行光谱分析。

光谱仪148可以同时或至少在2D传感器阵列154的单个帧内分析多个网格点、光束或子光束，以进行快照采集。在进入光谱仪148之后，干扰的子光束通过PBS 158重定向到透镜160，其使该子光束准直以通过光栅156进行色散，然后通过镜164的反射两次穿过四分之一波片162以将偏振态旋转90度。在穿过PBS 158之后，由透镜160将所色散的光谱分量成像到2D传感器阵列154如CMOS相机上，以提取或测量来自眼睛中的两个或更多个表面或界面，尤其是来自角膜或泪膜中的两个或更多个表面或界面反射或散射的光之间的相对相位。在优选的实施方式中，光栅156相对于由2D小透镜阵列150和相应的2D孔口阵列152确定的空间位置的网格进行定向，使得进入光谱仪148的每个组合子光束色散在2D传感器阵列154的单独的一组像素上，如标题“High resolution 3-D spectral domain optical imagingapparatus and method”的公开的美国专利申请号US 2016/0345820 A1中描述的，其内容通过引证结合于本文中。如以下更详细解释的，从角膜或泪膜中的两个或更多个表面或界面反射或散射的光之间的相对相位，或更简洁地，角膜或泪膜中的两个或个多个表面或界面之间的相对相位，可以在2D传感器阵列154的一系列快照测量中随时间监测，以获取有关角膜102的一个或多个特性的信息。

在某些实施方式中，样品臂中继系统128、170或174还包括扫描元件168，如MEMS镜，用于以一维或二维在角膜102上平移中继子光束130或172的阵列，例如通过“填充”子光束阵列的子光束之间的间隙而在角膜的大部分区域内创建密集的图。该密集的图优选在许多快照内时间平均，以平均对测量的厚度的时间依赖性贡献，如来自泪膜动态和与心跳有关的IOP波动，可以用作校正眼动伪影的参考或模板，如下所述。为了简化图示，将MEMS镜168显示为透射而非反射。

图1A所示的设备100的几种变型是可能的。例如，采用光纤耦合器或非偏振分光器可以实现样品光束和参考光束116、114的分离和重组，或样品子光束126的2D阵列可以以光圈掩模、MEMS反射镜阵列或衍射光学元件而不是小透镜阵列124的形式由空间采样元件产生。在又一变型中，可以使用1D小透镜阵列或类似的形式的空间采样元件生成样品子光束的1D阵列，但通常优选2D阵列，以在单个帧中获得角膜102的较大区域内的数据。应当理解的是，如图1D所示，样品子光束126的阵列可以可替代地由第一小透镜阵列124或放置于分光器112之前的其他空间采样元件形成，并且反射信号由第二小透镜阵列124-A捕获，或其他空间采样元件位于检测臂121中的分光器112之后。在又一变型中，省略了小透镜阵列124，而使角膜102由非结构化的波沿照射，但通常出于提高收集效率和降低多次散射产生的串扰，优选用多个离散的子光束照射角膜。

当体内测量眼睛时，角膜102总是被泪膜覆盖，在这种情况下，第一反射将来自空气/泪膜界面。如图2示意性所示，泪膜200具有多层，包括薄的外部脂质层202和经由粘液层(未显示)接触角膜102的前表面132的水性层204。应当注意的是，泪膜的厚度206相对于角膜的厚度208被放大。表1总结了角膜结构的主要反射表面，并由相关折射率计算垂直入射时的标称菲涅耳反射。实际上，空气/泪膜反射率由水性层决定，因为脂质层非常薄，并且在垂直入射时通常略高于2％，强度由脂质层202的结构和厚度调节。显然其仍然是最强烈的反射，但也可以从包括后角膜表面136的其他表面或界面以及可能从如鲍曼(Bowman)层214的角膜内结构中检测到反射。对于本说明书和所附权利要求书的目的，取决于是否存在泪膜200，该术语“角膜的前表面”是指空气/泪膜界面212或角膜102的实际前表面132。术语“角膜的前表面”专指角膜的物理前表面132，即泪膜/上皮界面。

表1

回顾来自角膜102的干扰信号包含有关从角膜102或泪膜200中的两个或更多个表面或界面反射或散射的光之间的相对相位的信息，如前所述，相对相位可以随时间在一系列测量中监测以获得关于角膜102的一种或多种特性的信息。在优选的实施方式中，由2D传感器阵列154检测到的干涉图在单个帧中读出，以由配备合适计算机可读程序代码的处理器166进行随后的分析，以获得角膜120由子光束130照射个部分内的空间解析测量，即图。通过在随时间的一系列帧或快照中读出传感器阵列154，处理器166可以随时间监测相对相位，以确定相对相位图中的时间变化，以获取有关角膜的一种或多种特性，如厚度或生物力学响应，例如应变。在某些实施方式中，处理器166采用众所周知的基于傅立叶变换的OCT技术而获得深度分解图像形式的角膜102的图，也称为断层扫描图或断层扫描分布。断层扫描图可以，例如，在由中继的子光束130在角膜102上的位置所确定的点的网格处包括在两个或更多个角膜或泪膜表面或界面之间的振幅、相位或光路长度中的一个或多个。应当理解的是，两个角膜或泪膜表面或界面之间的光路长度大约等于那些表面或界面之间的物理距离与有效折射率的乘积，通常由于与反射有关的相位变化而具有小的偏差。

在某些实施方式中，图1A所示的光谱域OCT设备100被用于快照多探针干涉测量技术中，用于体内确定角膜102内的多个点处角膜厚度的纳米尺度的极小时间变化，并用于配准角膜上的各测量的位置。然后，可以从测得的厚度变化中，通过有限元分析，获得关于角膜生物力学响应的空间分辨信息，如与杨氏模量有关的度量。尽管已经证实使用足够宽光谱的光源106采用OCT可以在一定厚度范围内解析泪膜200，参见例如dos Santos et alOptics Express 23(16),21043(2015)，但泪膜厚度206接近其～1μm的轴向分辨率极限，这对于测量空间或时间厚度变化并不理想。因此，在优选的实施方式中，我们相对于空气/泪膜界面212，即组合的泪膜+角膜厚度210测量了角膜/房水界面136，并在一系列帧内跟踪了该组合厚度随时间的变化。在没有外压变化或扰动的情况下，总的来说，组合厚度210相对于时间的绘图将显示出由于泪膜流动或蒸发而在眨眼之间的几秒钟内逐渐减小，其中由于角膜应变对眼脉动的反应，叠加的周期波动为～1秒的时间量级。这些时间变化的来源是不相关的，并且例如，可以使用标准曲线拟合和减法技术分离。

在优选的实施方式中，以适当的帧速率在几秒钟内获取多个测厚图，即在角膜内多个点处的泪膜+角膜厚度210的测量。在如下描述的数据分析中考虑了测厚图的眼上位置之后，泪膜变化与心跳相关的周期性波动分离，以提供可以与心跳相关的角膜变形相对于时间的图。在五秒钟内，泪膜厚度的典型变化率约为1μm，对应于在100Hz帧频下，每帧约1.7度的相位变化。因此，通常无需考虑相位包裹(phase wrapping)问题，并且可以通过随时间跟踪相位而保持测量的精度。因此，通过对由与心跳同步的血流引起的IOP波动的周期性角膜生物力学响应进行的超灵敏体内测量，我们可以检测角膜弹性的空间变化。

在其他实施方式中，该设备或方法可以用于提供关于对外部刺激如超声、吹气或声辐射压力的角膜生物力学响应的空间分辨信息。这种外部刺激通常是局部的。可替代地，该设备或方法可以用于提供关于角膜对分布的刺激如改变环境气压或分布的声波源的生物力学响应的空间分辨信息。角膜上的环境压力可以通过例如护目镜或放置于被测眼睛上方的类似物改变。设备或方法还可以应用于监测更长时间帧内，例如更长时间内的生物力学响应的变化，用于检测长期角膜退行或用于评价旨在提高角膜硬度的临床交联治疗的有效性。

在某些实施方式中，用作为标准迈克尔逊干涉仪操作的设备100生成测厚图，其中来自如空气/泪膜界面212和角膜后表面136的界面的反射以参考光束114为参考。然而，在优选的实施方式中，设备100用作共路径干涉仪，其中参考光束114被阻挡，而不是使用来自角膜前表面的反射，通常是空气/泪膜界面212的反射，作为来自其他界面或表面的反射或散射的参考，优选包括后角膜表面136。我们注意到，反射的“参考”光的相位和强度可能受到脂质层厚度及其变化的影响，如果有必要，可以模拟这种效果。由于薄脂质层202倾向于影响采用的波长带宽上的平均泪膜反射的强度，因此相对于已知反射的入射光束，反射强度相对于角膜的斜率的精确校准也可以提供有关脂质层厚度的信息。尽管共路径干涉仪的信噪比稍逊于标准干涉仪，但其具有优异的相位稳定性以及相位测定期间的低噪声，提供了高测量精度。此外，由于所有被测界面一起移动，共路径干涉仪的测量实际上不受轴向眼动的影响。

在优选的实施方式中，使用如图1A所示的会聚子光束130的阵列，即以基本垂直方向入射入射角膜102的前表面的子光束生成测厚图。即，子光束130的中心射线在角膜102的前表面上的入射角优选处于垂直入射的3度以内，更优选2度以内，最优选1度以内。这对于共路径干涉测量配置尤其重要，因为其在角膜的大部分区域提供了一致的镜面反射，藉此可以参考其他界面或表面的反射。从以其他角度入射于角膜上的子光束可以捕获镜面反射，但这将需要附加的光学器件来捕获反射的子光束。共路径干涉测量法和基本垂直入射的子光束的会聚阵列的优选组合使得可以以空间分辨的方式测量相解析的角膜厚度，具有足够的灵敏度才能检测非常小的角膜厚度变化，从而检测出角膜弹性的很小变化。

在替代实施方式中，使用如图1B所示的基本平行的子光束172的阵列生成测厚图，尽管由于没有捕获强的镜面反射，来自所关注的界面的信号强度通常被强烈衰减超过角膜的顶点，削弱了相位测量的准确性。当使用常规的OCT时，另一困难在于，在角膜顶点处的泪膜反射的强度通常与参考光束114的强度相当，可能导致多次幻影反射，这可以使散射分布的精确重建变得复杂。如果信号强度导致检测器饱和，则尤其如此。在传统的OCT中，通常优选将来自样品的微弱反射信号与较强的参考信号干涉，以在A扫描中提供来自每个散射点的相位和深度信息。然而，如下描述的，用基本上平行的子光束172的阵列探测眼睛可以提供关于泪膜的其他信息，包括脂质层的厚度和质量。

尽管在使用配置为共路径干涉测量的设备100测量角膜的测厚图时，眼动对相位稳定性的影响很小，但仍会影响测量精度。例如，眼睛相对于该设备的轴向位置的变化将影响角膜表面的表观曲率。此外，因为健康角膜的厚度从顶点到周围逐渐增加，通常在4mm半径内以～100μm变化，子光束位置例如从平移或旋转的横向变化为约40μm，将会引起～1μm的角膜厚度变化。这两种影响都必须得到补偿，才能确保所得到的干涉角膜测厚法的亚微米精度。在优选的实施方式中，通过引入用于一个或多个常规干涉测量的弱参考光束114以跟踪泪膜表面在一系列测厚图中的位置。这使得可以配准测厚图，从而允许校正与眼动有关的相位变化。相对于共路径干涉测量的频率，可以根据如眼动角度或需要的测量精度的情况选择获取这些常规干涉测量的频率。为了正确配准共路径测厚图，在大多数情况下，偶尔获取常规干涉测量值是足够的，例如每五、十或二十次测厚测量获取一次，可选地在连续配准测量之间的各个测厚测量中插入校正值。为了避免使传感器阵列154饱和，配准测量中的参考束114的强度优选弱于每个子光束的捕获的反射的强度，例如，与～2％的泪膜镜面反射相比，强度弱～1％。

参照图3中绘制的模拟干涉仪数据解释配准过程，该图显示了眼球到设备轴向位置的变化，例如由眼球运动引起的变化，如何影响各种角膜界面的表观曲率。在图3中，x轴表示以mm为单位的距角膜顶点的径向位置，且y轴表示以μm为单位的距前表面，通常是空气/泪膜界面212的位置300的光路长度。采用配置为共路径干涉测量的设备100，将角膜后表面136相对于前表面的位置测量为两个不同的眼睛至设备轴向位置的径向位置的函数，获得迹线302-A和302-B。由于前表面的位置300与x轴重合，因此迹线302-A和302-B代表了角膜的光路长度厚度304作为径向位置的函数的量度，这可以用子光束的一维阵列测量，尽管如前所述子光束的阵列优选是二维的。迹线306描绘了鲍曼层，其是可以用图1A所示的设备100测量的另一界面。

原理上，迹线如302-A或302-B的曲率表示远离顶点的角膜厚度逐渐增加，然而，从这两个迹线302-A和302-B之间略有差异的曲率，应该理解的是，眼至设备轴向位置的变化将影响角膜厚度的测量。当使用参考光束114将设备100重新配置为用于常规干涉测量时，对于两个眼睛至设备轴向位置中的每个测量角膜的前表面的位置，从而产生迹线308-A和308-B。重要的是，这些迹线308-A和308-B的曲率表示角膜的前表面相对于平面参考镜118的表观曲率，取决于参考和样品路径之间的光路长度差，并且因此对眼睛至设备轴向位置敏感。因此，这些迹线308-A和308-B之间的曲率差使得可以计算校正并将其应用于迹线302-A和302-B之间的表观曲率差。在图3中，为了便于显示，迹线308-A和308-B已经相对于其他迹线在y轴上移位，但实际上各个迹线之间的实际相对位置用于对校正进行计算。

尽管为简单，图3仅示出了眼对设备轴向位置的变化对角膜厚度测量的影响，但相同的原理适用于由眼睛相对该设备的平移或旋转引起的干涉迹线的曲率、形状或斜率的变化的校正。一旦使用通过常规干涉法获得的配准帧将眼睛的位置配准于该设备，可以校正由于眼睛运动引起的表观角膜厚度的微小变化。如有必要，可以使用几何和斯涅尔(Snell)定律解释由于子光束在角膜前表面的入射角的变化而导致的变形中的较小项。有利的是，使用例如图1C中所示的透镜系统174，配准帧至少包括来自前巩膜182或角膜缘184的数据以辅助解释位移和旋转，如题为“Optical coherence metrology and tomography withimproved registration”的公开的PCT专利申请号WO 2018/136993 A1中解释的。

如果使用常规干涉测量法而不是共路径干涉测量法获取角膜测量值，则尽管需要处理子光束在眼睛上的位置信息，也不需要基于使用参考光束114进行额外测量的上述配准程序。如果角膜可以配准至自身，例如，使用利用先前描述的MEMS反射镜168获取的现有精确测厚图，或如果眼睛运动可以使用相机和调节为锁定子光束130在眼睛上的位置的MEMS反射镜168跟踪以稳定各个测量，则也可以省略上述配准程序。

使用设备100进行角膜特性如厚度或生物力学响应的体内测量的优选方案可以总结如下：

a)遮挡参考光束114，优选使用如图1A或1C所示的会聚子光束130阵列生成干涉迹线302-A表示的组合泪膜+角膜厚度210的图，即测厚图，但也可以使用如图1B所示的基本平行的子光束172的阵列。

b)不遮挡参考光束114生成由干涉迹线308-A表示的泪膜位置相对于设备100的图。

c)对于每个随后的测厚图测量或测量组302-B，确定新的泪膜位置308-B。

d)基于泪膜位置的表观变化，即泪膜迹线308-A和308-B的比较，可以计算出对眼睛运动的校正并将其应用于后面的测厚图(或图的组)302-B。测厚图302-B和302-A之间的任何剩余差异都可以分配给角膜102或泪膜200中的实际变化。

e)通过获取其他测厚图并为眼睛运动对其进行校正，可以及时追踪整个角膜102内的多个点处的组合泪膜+角膜厚度210的变化。对于显著小于π的各测量之间的相位变化，如果以足够高的频率，例如，100Hz或更高的高频率获取测厚图，则可以跟踪从空气/泪膜界面212和角膜后表面136反射的光之间的相对相位，而无需考虑相位包裹。

f)对(i)泪膜流量或蒸发和(ii)对心跳相关IOP波动或外部刺激的应变响应的时间变化性测厚数据的贡献进行独立分析，以提供有关泪膜动力学和角膜生物力学响应的空间分辨信息。例如，从测厚数据中可以减去泪膜厚度206的逐渐变化，以提供角膜光路长度即厚度208和分析以提供角膜102上多个点处与杨氏模量或某些其他刚度或弹性相关参数有关的度量的应变响应的归一化测量。

由于角膜的曲率半径从顶点朝周边变化，可能无法在小透镜阵列124的数值口径内捕获与角膜的完整图相对应的光谱反射。焦面135的基于人群的校准可以设计于中继透镜中，例如，图1A中的透镜系统128中。可替换地，该设备可以相对于眼睛轴向移动，以优化对从不同曲率半径的区域反射或散射的光的捕获。以上实施方式已经针对设备100包括多波长光源，如在连续的波长带上发射光的宽带源106的情况进行了描述。这使得可以获取角膜102的断层扫描分布，优选包括角膜厚度的量度。然而，也可以通过用从单色光源产生的子光束阵列探测角膜而获得有关角膜的一个或多个特性的信息。单色光仅提供有关角膜102或泪膜200随时间或在子光束之间的相对光路长度变化的信息，并且可能需要定期监监测返回光以避免相位包裹伪影。然而，由此获得的关于相对光路长度变化的信息仍可以在一些低成本实施方式中推断角膜上多个点处的属性，如相对应变或泪膜厚度206的变化。

在本发明的其他实施方式中，其中高分辨率透镜中继128在角膜102的大面积上提供镜面反射的图1A的设备100用于确定泪膜厚度动力学，从而可以绝对测量泪膜厚度206，具有亚微米精度和nm级相对精度，显著优于常规OCT可获得的精度。在某些实施方式中，参考光束114优选用快门120遮挡，从2D传感器阵列154中由适当编程的处理器166从每个由角膜102上的照射点反射或散射的子光束140中读出的波长解析信号在多个连续帧内每个被分成例如六个或七个5nm宽的波长仓。优选在允许至少一个干涉测量周期的时间段内采集数据，这对应于大于λ/(2*n

然后，处理器166为每个波长仓计算积分功率的时间变化。既然由于返回子光束140已经从角膜102镜面反射，每个仓内的信号功率相对较高，可以利用高信噪比和泪膜200的结构知识实现更精确的相位测量。来自各个泪膜层的组合反射信号是不会在波长仓的波长范围内平均的主要信号，因此具有取决于泪膜厚度206的变化，如下所示。即使没有数值分析，我们也可以基于波长仓随时间变化的强度绘图的传播清楚地识别出微米级的变化。然而，为了测量角膜102内的泪膜200的分布，我们还可以通过跟踪空间采样点之间的相位变化使用相位信息。在一个具体实施例中，二维小透镜阵列124和中继光学器件128在标称焦面135(即，子光束130的腰部)的250μm间隔的正方形或矩形网格上提供采样点。

图4A和4B显示了对于6μm至1μm的六个初始泪膜厚度，在分别以0.82、0.825、0.83、0.835、0.84和0.845μm为中心的六个5nm宽波长仓中每一个的反射子光束中的功率的预期时间变化的绘图402、404、406、406、408、410和412，假设泪膜厚度206的变化速率恒定。每个图是在以10Hz帧频测量的35帧内(即3.5秒内)计算的，而在测量周期期间，六个波长仓中每个的功率变化会略微超过一个周期。

图5A和图5B显示了对于从角膜顶点测量的零到3.0mm的七个径向位置r，在分别以0.82、0.825、0.83、0.835、0.84、0.845和0.85μm为中心的七个5nm宽波长仓每一个中的六秒钟中反射的子光束中的功率的期望变化的绘图502、504、506、506、508、510、512和514。这些图是对于顶点处最初为5μm厚的泪膜200(眨眼后)生成的图，模型假设整个角膜的泪膜厚度206呈弱抛物线形状，并且损失率随离顶点的距离(r)而增加。这些选择的假设不一定是现实的，尽管泪液动力学的荧光素成像中有一些证据，泪膜破裂通常发生于远离顶点之处，这意味着初始厚度较小或厚度损失率较高。该假设的主要目的是显示如何在该波长分仓分析中可以揭示出参数的变化如厚度损失率。例如，对于r＝3.0mm曲线，每个波长仓中的时间功率变化可以看出比在顶点的曲线中循环更快。

有利的是，使用这种方法，一旦我们具有镜面回反射，可以随着时间可靠地分析角膜102上特定位置或区域的泪膜动力学。为了改善相位稳定性，优选遮挡参考光束114，即使用共路径干涉法进行测量，因为泪膜厚度206不太可能对由眼睛运动引起的位置的微小变化过于敏感。可替代地，可以采取存在弱参考光束114进行测量。考虑到功率、子光束腰的相对位置和泪膜200上的入射角以及光104的光谱分布，可以将接收到的信号归一化以提高耦合效率。也可以加以考虑脂质层202的影响，其大部分作为衰减项出现，因为其反射率分布的带宽通常将比光源106的带宽宽得多。

尽管取决于小透镜阵列124和透镜中继器128的设计，采用该设备100可以实现二维方向上以250μm或更小的间隔的一系列实验测量，但仅在角膜中的一个轴上以0.5mm间隔的径向位置上计算出图5A和5B中所示的七个图的系列。使用泪膜厚度206的假设的连续性作为时间和径向位置间隔内泪膜厚度的小变化的函数，采用样点之间小于π/2的相移可以选择下降轮廓的路径以消除任何相位歧义，使我们可以随时间获得明确的泪膜分布，分辨率仅受信噪比限制。给定来自每个光谱带或波长仓中的镜面反射的强信号，我们期望泪膜厚度206的时间演变可以在体内以几nm的精度测量。先前描述的模型或某些其他模型可以应用于数据，以确定不同时间点的泪膜200的径向分布。这如图6中所示，描绘了眨眼后t＝0、1、2、3、4、5和6秒的泪膜厚度(以μm为单位)相对于距离角膜顶点的径向位置(以mm为单位)的曲线，标记为602和604的绘图分别描绘了在0秒和6秒时的泪膜分布。

选择的模型的参数也可以调整为提供非恒定的泪膜动力学并识别泪膜破裂。选择的模型还可以包括考虑脂质层厚度的变化的因素，其如前所述通常会作用于随时间改变所有光谱分量的强度。

角膜前泪膜200的动力学和分布在提供关于泪膜质量和一致性对眼睛的屈光特性的影响的信息方面是令人感兴趣的。泪膜分布(即形状)通常不会在非镜面形貌的OCT图像中捕获，但对于确定眼睛的折射是重要的。因此，与仅从角膜形貌获得的折射信息相比，我们的分析提供的有关泪膜分布的其他信息可以导致折射估算的改善。

值得注意的是，使用常规OCT技术在处理器166中可以分析检测的返回子光束140，即无需上述波长并仓分析。例如，设备100可以配置为用于共路径干涉测量，其中空气/泪膜界面212提供共路径参考光束，并且角膜102的各个层，如前表面或后表面132、136，提供可以通过边缘检测的较小反射。然而，由于泪膜200通常具有仅几微米的厚度206，并且因为在破裂期间将泪膜厚度测量到亚微米水平可以是重要的，需要非常宽的光谱以分离来自空气/泪膜界面212和泪膜/角膜界面132的反射峰。所需的光谱宽度远超过设备100中例示的840nm光源106的40nm带宽。相反，波长分仓分析仅需要具有关于预期的泪膜结构和从泪膜/角膜界面132反射的光的相位的时间变化的先验信息的模型，可以使用具有窄得多的频谱，例如40nm带宽的仪器为泪膜厚度206提供亚微米精度。通过分析返回的子光束140的傅立叶分量的相位和强度的时间变化，尤其是最低的几个光谱傅立叶分量，也可以提供相同的信息。为简单起见，我们描述了关于波长依赖性条纹的模型的分析，其中对亚波长位移的灵敏度可以容易地可视化和绘制，但这并不是该方法的限制。

因为泪膜变化的动力学是几秒钟的量级，并且光谱仪148的帧频高达300Hz，可以通过将子光束阵列130的位置抖动成重复频率5Hz的图案而增加角膜上的采样密度。对于角膜102上250μm二维网格间距的情况，我们可以使用MEMS反射镜168，以角膜上连接网格点的轴上的峰-峰等效位移，如300μm，使子光束阵列抖动，以提供一系列带有某些过采样的“B-扫描”。这允许在空间点之间实现相位的完全连续，同时仍允许以5Hz捕获泪膜动力学。作为此方法的潜在有用的受益，可以推导出上皮粗糙度的度量或在泪膜厚度206在任何破裂发生之前是位置的平滑函数的合理假设下提供上皮分布，使得一系列B扫描中观察到的任何微观结构来自泪膜/上皮界面132的潜在粗糙度。该信息给出了纳米级解析的粗糙度，可以在屈光手术如光折射角膜切除术(PRK)中具有诊断价值，在这些手术中了解上皮的再生长以及这如何影响泪膜和眼球屈光是重要的。

为了恢复角膜前表面132的形貌，从每个波长仓的导出相位中减去泪膜厚度的时间平均衰减，注意对于几微米的泪膜厚度，至少一些波长仓图对于获取的大多数帧通常将在敏感区域(即远离转折点)中具有分量。因此，作为一系列紧密间隔的B扫描，可以与泪膜分布一起提供对角膜前表面132的表面粗糙度或甚至纳米形貌分布的度量。在例如King-Smith et al‘Tear film interferometry and corneal surface roughness’,Investigative Ophthalmology&Visual Science 55(4),2614(2014)中指出，角膜表面分布的可变性或粗糙度限制了干涉光谱测量，尤其是可见光至近红外内，获得高对比度水平的能力。值得注意的是，在本发明中使用小聚焦点，以及通过借助具有参考光束114的标准OCT相对于泪膜200准确定位设备100而确保点尺寸保持的能力，应该帮助克服此限制。在一些实施方式中，利用较长的波长带宽，例如约1550nm，或具有额外更长的波长带宽以增强接收信号的对比度，可能是有利的。

除了提供有关泪膜动力学的信息外，波长分仓方法还提供了一种先前描述的曲线拟合方法的替代方法，该曲线拟合方法用于从测厚图中减去泪膜厚度206的贡献，即角膜102中多个点处的组合的泪膜+角膜厚度210。这确保了测厚图的相位变化可以在每个时间点归一化，以计入泪膜厚度，从而确保角膜厚度208的纳米级精度，这对角膜的弹性成像测量是重要的。

如先前所解释的，为了测量角膜厚度，优选使用如图1A所示的会聚子光束130的阵列，即利用以基本垂直入射角入射于角膜102的前表面的子光束探查眼睛，以在大部分角膜上提供一致的镜面反射，藉此可以参考来自其他界面或表面的反射。出乎意料的是，我们发现采用如图1B所示的基本平行子光束172的阵列探测眼睛，其在角膜102上提供大范围的入射角，对于研究泪膜200尤其是脂质层202是有用的。图7显示了直径约2mm的一部分眼睛的角膜通过使用基本平行的子光束的12×24阵列照射多个点并将深度范围内的反射子光束功率积分的体内反射率图像700。子光束的阵列使用来自(840±15)nm超发光二极管的光采用2D小透镜阵列采样，并延伸到约11mm×14mm的区域而生成。图像700显示具有高反射率的中央区域702并且快速过渡到较低反射率的外部区域704的基本二元强度分布。在较高强度区域702正上方的小暗正方形是由有缺陷的相机像素引起的伪像。较高强度区域702的形状和尺寸在个体之间以及对于个体随时间而变化，这被认为是由于脂质层202的厚度、质量或分布的变化而引起的。

在某些实施方式中，对反射率图像700进行处理以描绘较高强度的内部区域702和较低强度的外部区域704，例如使用具有选定阈值的双峰分割算法产生边界706。如图8中所示，较高和较低强度区域702、704中的深度数据804-H、804-L使用标准光学相干断层扫描技术，由例如相对于参考光束114的相位测量计算，揭示出边界706周围高度的明显转变806，通常为1μm-6μm。该转变806的幅度，连同图7中所示的基本二元的强度分布在如模型眼睛的测试对象中并未见到的事实一起，强烈暗示该效果与泪膜有关。因此，在较高和较低强度区域702、704中的选择的深度数据804-H、804-L之间的差异测量提供与泪膜厚度有关的度量。我们注意到，尽管轴向成像分辨率约10μm，但通过使用子像素采样技术找到边缘并拟合允许对足够大量的数据点804-H或804-L平均的表面，可以获得好于1μm的高度精度。

在某些实施方式中，第一和第二表面800、802分别拟合于较高和较低强度区域702、704中的深度数据804-H、804-L，从而允许我们从第一和第二表面800、802之间的偏移808获得与泪膜厚度有关的量度。在其他实施方式中，表面802拟合于较低强度区域704中的深度数据804-L，并且该表面802与较高强度区域702中的选定深度数据804-H之间的差异提供与泪膜厚度有关的量度。

两个表面800、802之间或表面802与选定深度数据804-H之间的高度差或偏移量可以在多个位置处，例如在较高反射率区域702中或沿边界706计算，以提供该区域或边界上的泪膜厚度的空间解析测量，可以将其平均以提供单个泪膜厚度测量。然后，通过在内部区域702的测量点804-H与外部区域704的测量点804-L合并之前将内部区域702的测量点804-H以泪膜厚度偏置，并将表面拟合通过组合的点，可以使用平均的或另外的泪膜厚度测量计算校正的角膜形貌704。有利的是，我们的具有基本二元的强度分布的边缘查找方法，在典型的轴向分辨率为5-10μm的情况下，消除了以前提到的标准OCT图像分割技术在将空气/泪膜界面与泪膜/角膜界面分离时所遇到的困难。

在图7中观察到的基本二元强度分布可以参照图9解释，图9示例性示出了两个基本平行的子光束172-1、172-2(由它们的中心射线路径表示)与泪膜200的脂质202和水性层204和角膜102的前表面132的相互作用。如图9中示意性描述，脂质层202比水性层204具有更多的纹理。在优选的实施方式中，子光束172-1、172-2是如图1B所示的由2D小透镜阵列124和远心透镜中继170的组合产生的多个基本平行的子光束中的两个。代表性子光束172-1中的一个以接近于垂直入射的入射角900入射于泪膜200和角膜102，而另一个代表性子光束172-2以显著地偏离垂直入射的入射角902入射于泪膜200和角膜102。对于每个子光束，大部分的光将在很大程度上由脂质层202的纹理特性决定的锥角或角度范围906内经历来自泪膜200的主要镜面反射904。每个子光束中小得多的部分光在角膜前表面132处散射，而该散射908基本上是各向同性的。另外，将会存在来自脂质层202的少量各向同性散射和来自角膜前表面132的弱镜面反射。这些小的分量并未显示于图9中，因为它们不影响对图7中所见的基本二元的强度分布的解释。

参照图1A和1B，应该理解的是，2D传感器阵列154将仅检测来自角膜102或泪膜200的处于用于捕获返回信号的光学系统的捕获角内的返回光。是否检测到来自子光束172的反射904取决于角膜的曲率，即样品眼的尺寸，子光束172的数值口径和捕获光学系统的数值口径，该光学系统在图示的实施方式中包括透镜中继系统170和小透镜阵列124。对于如代表性子光束172-1的子光束，其以足够接近零(即接近垂直入射)的入射角900入射于泪膜200，检测的返回信号由角锥906内的镜面反射904主导，导致产生如图7中所见的明亮中央区域。702我们此后将来自泪膜表面结构和镜面反射的组合的这种较明亮的捕获光称为超反射信号910。另一方面，对于以显著大于零的入射角902(即远离垂直入射)入射于泪膜200的子光束如代表性子光束172-2，不会捕获高反射信号910，并且对检测的返回信号的主要贡献将是来自前角膜表面132的各向同性散射908，导致图7中所见的较低强度外部区域704。

在可替代实施方式中，利用具有两个阈值的分割算法处理反射率图像700。具有超过较高阈值的强度的数据点描绘的区域702中，返回信号由脂质层影响的超反射信号910主导，并且可以用于拟合对应于空气/泪膜界面的表面800。强度低于较低阈值的数据点描绘的外部区域704中，返回信号由来自前角膜表面132的散射908主导，并可以用于拟合与前角膜表面132对应的表面802。当拟合任一表面800、802时，并不使用通常落入区域702、704之间的窄带中的具有两个阈值之间的强度的数据点。然而，一旦确定了泪膜的厚度，这些中间点可以通过基于其相对于两个阈值的强度的偏移量进行插值而用作高度数据的部分。

在个体之间以及对于个体随时间的明亮中心区域702的形状和尺寸观察到的可变性是由于脂质层202的厚度、质量或分布的变化所致，这将影响镜面反射904的角度锥906，以及由此影响高反射信号910。因此，明亮中央区域702的形状或尺寸以及形状或大小随时间的变化可以是脂质层202的厚度、质量或分布的有用指示。连同泪膜厚度，这可能被证明可用于区分不同类型的干眼病如，例如，缺水型干眼和蒸发性干眼。

在某些实施方式中，泪膜破裂或健康通过在高反射率区域702中或高反射率区域702的得出的厚度和拓扑的动力学进行评价。例如，可以将如卷积神经网络的机器学习技术与眼睛的正常和患病状态的大数据集结合使用，以帮助诊断和治疗眼部疾病，特别是干眼病。一旦建立了足够大的与现有眼部健康指标相关的数据库，则图7中所见的强度分布(包括一方面来自泪膜的高反射信号，而另一方面，包括泪膜和脂质层健康状况)之间的关联预期将产生重要的相关性或预测值。

在某些实施方式中，并参考图8、9和10，通过以下实施用于获得与角膜102上的泪膜200的厚度有关的测量的方法：

(i)在多个点1000处照射泪膜或角膜的前表面；

(ii)在多个点1000处利用具有捕获角的捕获光学系统捕获返回信号，该返回信号包括来自泪膜200的超反射信号910或来自角膜102的前表面132的散射光908，其中多个点的第一组1002由以足够接近垂直入射的入射角900入射泪膜或角膜的前表面的光172-1照射而使超反射信号910处于捕获角内，导致产生一组较高强度的返回信号，而多个点的第二组1004由以足够远离垂直入射的入射角902入射泪膜或角膜前表面的光172-2照射，使得超反射信号910不处于捕获角内，从而导致产生一组较低强度的返回信号；

(iii)处理较高强度和较低强度组的返回信号以获得光学相干断层扫描测量804-H、804-L；和

(iv)由较高强度和较低强度组的返回信号的选择的光学相干断层扫描测量计算与泪膜200的厚度有关的测量808。

描绘第一和第二组点1002、1004的极限入射角，即超过该角将不会捕获超反射信号910的最大入射角，取决于许多因素。这些包括照射子光束172的数值口径和用于捕获来自泪膜200或角膜102的返回信号的光学系统的数值口径或捕获角。在任何情况下的数值口径越小，会导致限制角越小，或等效地，高强度中心区域702越小。重要的是，中心区域702的极限角或大小还取决于泪膜200的特性，从而产生诊断值。入射的极限角通常为4度至8度，但对于某些泪膜可能会达到15度。因此，应该产生子光束172的阵列并将其引导到样品角膜102上，使得至少一些子光束172-1具有小于15度，更优选8度并且最优选小于4度的入射角900。另外，至少一些子光束172-2应该具有大于4度，更优选大于8度，并且最优选大于15度的入射角902。

在上述实施方式中，图7的反射率图像700通过用子光束172的阵列同时在多个点1000处照射泪膜200或角膜102而获得。尽管这出于获取速度和最小化眼动伪像的目的是优选的，但也可以使用例如扫描束OCT设备依次在多个点照射泪膜或角膜，随后以同等方式对反射率图像700或返回信号进行后续分析。

尽管本发明已经参考具体实施例进行了描述，但本领域技术人员将会理解的是，本发明可以以许多其他形式进行实施。