CN104706315A - 用于角膜测量的光学影像装置以及角膜测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的题目为一种用于角膜测量的光学影像装置以及角膜测量的方法，用于角膜测量的光学影像装置包括光源模块、第一光学元件组、第二光学元件组、分光器以及影像分析单元。第二光学元件组包括参考镜。通过分光器光源模块提供的光线分别传递至第一以及第二光学元件组。光源模块的光线经由分光器、第一光学元件组传递至角膜后形成第一光线。光源模块的光线经由分光器传递至第二光学元件组的参考镜后形成第二光线，第一及第二光线依序传递至分光器以及影像分析单元。参考镜可沿第一方向移动，当第一光线与第二光线产生干涉，得以获取相对的光学路径长。

Description

用于角膜测量的光学影像装置以及角膜测量的方法

技术领域

本发明涉及一种医学检测的装置以及方法，特别是涉及一种通过光学检测角膜的装置以及方法。

背景技术

角膜测量仪是一种用于测量角膜表面的光学仪器。而且，通过测量角膜表面的形貌图，可依据不同的对象设计不同的隐形眼镜。此外，角膜的形貌图也可彰显、判断某些眼科疾病。因此角膜形貌图可在RK、PK或LASIK的外科程序中应用于术前评估风险以及术后观察角膜复原程度等。因此，如何精确测量出正确的角膜的形貌图实为后续可提供适当的疗程的基石之一。

图1为已知角膜测量的光学影像装置的示意图。

图1的光学装置1包括图像投影器10、定位光源12、测量光源14以及影像处理单元16。而且图像投影器10得以提供图像给欲测量对象观看，并请欲测量者持续观看图像，以定位角膜18位置及避免测量过程因位移导致的测量误差等问题。接着，定位光源12可提供一光线传递至角膜18，且光线将可被反射并进入影像处理单元16的接收端，通过定位光源12反射的光线可调整影像处理单元16至较佳的侦测状态以增加测量的精度。

实际测量时，测量光源14则可提供多个环状同心源的光源给角膜，并通过这些光源反射后的光线偏折情况，判断角膜的表面的形貌图(亦即曲率)。

然而，此种光学装置仅能针对角膜的上表面产生形貌图，将无法精准地测量出角膜的整体厚度。若欲测量角膜的厚度，一般多采用增加、搭配侧向光源，由侧向光源提供一光线斜向入射角膜后，通过光线的反射以测量角膜侧面的形状，但此种作法仍无法精确地测量出角膜的下表面的真实型貌图。

因此，如何提供一种测量角膜上表面以及下表面，进而提供角膜立体图像的光学装置以及方法，乃为本领域急需解决的问题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种测量角膜上表面以及下表面，进而提供角膜立体图像的光学装置以及方法。

为达上述目的，依据本发明可提供一种用于角膜测量的光学影像装置，包括光源模块、第一光学元件组、第二光学元件组、分光器以及影像分析单元。第二光学元件组包括参考镜。

通过分光器，光源模块提供的光线分别传递至第一光学元件组以及第二光学元件组。

光源模块的光线经由分光器、第一光学元件组传递至角膜。光线被角膜反射后形成第一光线，第一光线再依序传递至分光器以及影像分析单元。

光源模块的光线经由分光器传递至第二光学元件组的参考镜，光线被参考镜反射后形成第二光线，第二光线再依序传递至分光器以及影像分析单元。

参考镜可沿第一方向移动，当第一光线与第二光线产生干涉，得以获取相对的光学路径长。

在本发明一个实施例中，影像分析单元包括摄影单元。其中，摄影单元为电耦合装置摄影机或是互补性金属物半导体摄影机。

在本发明一个实施例中，第一光学元件组包含反射镜以及透镜，通过分光器光源模块的光线依序传递至第一光学元件组的反射镜以及透镜。

在本发明一个实施例中，参考镜得以往复移动。

在本发明一个实施例中，参考镜为非球面镜或具有镀膜的透镜。

本发明进一步可提供一种角膜测量的方法，其步骤至少包括：首先，提供光线传递至第一光学元件组，提供又一光线传递至第二光学元件组。且第二光学元件组可包括参考镜。

接着，将角膜沿第二方向分成多个获取区域。再通过第一光学元件组将光线传递至角膜，并依序测量这些获取区域。

前述测量步骤包括：使光线汇聚于获取区域的第一表面。接着，光线被第一表面反射以形成第一光线。光线被参考镜反射以形成第二光线，耦合第一光线以及第二光线。

接着，沿第一方向移动参考镜，且第一方向与第二方向垂直。

当第一光线与第二光线产生干涉，停止移动参考镜，并获取第一光线与第二光线的相对的光学路径长，并定义相对的光学路径长为第一高度。

调整第一光学元件组，使光线汇聚于获取区域的第二表面。其中第一表面与第二表面沿第一方向设置。光线被第二表面反射后形成第三光线。沿第一方向移动该参考镜。

当第二光线与第三光线产生干涉，停止移动参考镜，并获取第二光线与第三光线的相对的光学路径长，并定义相对的光学路径长为第二高度。

测量完这些获取区域后，将这些获取区域获取的这些第一高度叠合形成第一表面，将这些获取区域获取的这些第二高度叠合形成第二表面。最后，叠合第一表面以及第二表面以形成角膜的立体图像。

在本发明一个实施例中，其中将这些获取区域获取的这些第一高度叠合形成第一表面的步骤进一步包括：提供内插法将这些第一高度叠合形成第一表面。

在本发明一个实施例中，其中将这些获取区域获取的这些第二高度叠合形成第二表面的步骤进一步包括：提供内插法将这些第二高度叠合形成第二表面。

在本发明一个实施例中，获取区域的宽度介于0.1μm至0.25μm之间。

在本发明一个实施例中，影像分析单元包括摄影单元。其中，摄影单元为电耦合装置摄影机或是互补性金属氧化物半导体摄影机。

在本发明一个实施例中，第一光学元件组包含反射镜以及透镜，通过分光器光源模块的光线依序传递至第一光学元件组的反射镜以及透镜。

在本发明一个实施例中，参考镜得以往复移动。

在本发明一个实施例中，参考镜为非球面镜或具有镀膜的透镜。

附图说明

图1为一种已知角膜测量的光学影像装置的示意图。

图2为本发明的光学影像装置的第一实施例配置示意图。

图3A为本发明角膜测量的方法的一种测量方式的步骤流程图。

图3B为图3A的步骤S3的详细步骤流程图。

图4为角膜侧面示意图。

[符号说明]

1：光学装置

10：图像投影器

12：定位光源

14：测量光源

16：影像处理单元

18、3：角膜

2：光学影像装置

20：光源模块

22：第一光学元件组

221、242：透镜

222：反射镜

24：第二光学元件组

241：参考镜

26：分光器

28：影像分析单元

A：第一表面

B：第二表面

X：第一方向

Y：第二方向

S1～S6、S301～S310：方法步骤

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依据本发明优选实施例的一种用于角膜测量的光学影像装置以及方法，其中相同的构件、步骤将以相同的参照符号加以说明。而且，以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的元件、步骤均已省略而未图示；且附图中各元件间的尺寸关系仅为求容易了解，并非用以限制实际比例。

人类的角膜主要是由三个层组成：最外层为角膜上皮，其由多层状非角质化上皮构成；中间层为基质，其为三个层中最宽的层；且最内层为单层状内皮，其由单层细胞组成。

其中，角膜上皮占角膜总厚度10％且由充当外部因素的防护障壁的若干层细胞组成。基质由约200至250片平行排列于角膜表面上的胶原纤维形成，且基层约占角膜总厚度的90％。单层状内皮为单层细胞层，且单层状内皮包括形成六角形嵌合体的单层立方形细胞且通过控制基质水合作用而维持组织透明度。

此外，大多数人的角膜表面拓朴(topography)为非球面体，角膜的表面的曲率无法预期且无一特定变化率的特性，使得如何精准地测量角膜并依据不同测量对象调整操作参数更添重要性。

以下将开始依序说明本发明的优选实施例的一种用于角膜测量的光学影像装置以及方法。

首先，请先参考图2，其为本发明的光学影像装置的第一实施例配置示意图。

本实施例的光学影像装置2，包括光源模块20、第一光学元件组22、第二光学元件组24、分光器26以及影像分析单元28。

本实施例的光源模块可提供光线，且本实施例的光源模块20可为宽带雷射光源(例如本实施例的中心光源的波长可介于1030nm，且频宽可为20至40nm，但不以不可见光为限制)。此宽带雷射光源可通过窄频雷射光源射入激发材料以提供，但不以此方法为限。

第一光学元件组22是用以将光源模块20所提供的光线汇聚于角膜3。而且，本实施例的第一光学元件组22可包含反射镜222以及透镜221。

第二光学元件组24是用以提供参考光线，详细而言，本实施例的第二光学元件组24包括参考镜241。而且，第二光学元件组24进一步包括透镜242，通过透镜242可使光源模块20的光线汇聚、聚焦于参考镜241。此外，本实施例的参考镜241得以往复移动(例如可通过传动平台移动)，特别是沿第一方向(X方向)移动。除了移动参考镜241以外，也可有一种实施方式为同时移动参考镜241以及透镜242，换言之，以第二光学元件组24整体一起移动的方式达到相似的效果。

另外，参考镜241可为非球面镜或具有镀膜的透镜，参考镜241的曲率须与角膜3的曲率搭配(但不一定完全相同)，故优选地，本实施例参考镜241的曲率半径可介于5毫米与10毫米之间。

影像分析单元28可用于分析并建构角膜的立体图像，且本实施例的影像分析单元28可包括摄影单元。且具体而言，摄影单元可为电耦合装置摄影机或是互补性金属氧化物半导体摄影机，因此，摄影单元可以获取眼球周围全景影像，此实施例的影像特别可为眼球的角膜影像。

本实施例的分光器26可用以将光源模块20的部分光线传递至第一光学元件组22，且另一部分的光线传递至第二光学元件组24。以本实施例为例，50％的光线将被反射进入第一光学元件组22，而其余50％的光线将穿透进入第二光学元件组24。

请继续参考图2，实际操作时，光源模块20的光线可经由分光器26、第一光学元件组22传递至角膜3后，光线将会被角膜3反射后形成第一光线。接着，第一光线将再依序传递至分光器26以及影像分析单元28。

详细而言，本实施例的分光器26将一半的光线反射传递至第一光学元件组22的反射镜222，光线再被反射镜222反射经由透镜221聚焦于角膜3。接着，光线被角膜3反射后，形成第一光线。第一光线再次依循同样的路径，从透镜221、反射镜222传递至分光器26，并经由分光器26传递至影像分析单元28。

光源模块20的光线除了会进入第一光学元件组22以外，另一部分的光线将会被传递至第二光学元件组24。光源模块20的光线经由分光器26传递至第二光学元件组24的参考镜241。

详细而言，没有被分光器26反射的剩余光线，将会穿透分光器26进入第二光学元件组24并通过透镜242汇聚、聚焦于参考镜241上，且这些光线被参考镜241反射后将会形成第二光线。第二光线将再次依循同样的路径，从透镜242传递至分光器26，并经由分光器26传递至影像分析单元28。

参考镜241可沿第一方向(X方向)移动(例如可通过传动平台移动)，当第一光线与第二光线产生干涉，可纪录此时第一光线与第二光线的获取该第一光线与该第二光线的相对的光学路径长(光程差，OPD)，再通过计算，将这些测量到的相对的光学路径长绘制、建构角膜3的立体图像。其绘制的方法可为通过干涉表面轮廓绘制(interferometric surface profiling)的计算方式，但不局限于此。

以下将详细地叙述测量方式以及将相对光学路径长叠合成角膜地图的方式，请一并参考图3A至4，图3A为本发明角膜测量的方法的一种测量方式的步骤流程图、图3B为图3A的步骤S3的详细步骤流程图、图4则为角膜侧面示意图。此处搭配本实施例的方法的光学装置可为图2的光学装置2，但不以图2的光学装置的配置为限制。

首先请先参考图3A，可先提供一光线，且光线可分别传递至第一光学元件组22以及第二光学元件组24，其中第二光学元件组24包括参考镜241(步骤S1)。第一光学元件组22以及第二光学元件组24的构件以及操作方式与前述实施例相似，故将不再赘述。

接着，将角膜3沿第二方向(Y方向)分成多个获取区域(步骤S2)，以本实施例为例可将第二方向(Y方向)分成多个获取区域，且每个获取区域的宽度介于0.1μm至0.25μm之间。此处获取区域的宽度可调整成光线波长的1/4以下，故若搭配1030nm波长的光线时，获取区域宽度应至少小于0.25μm。此外，获取区域的总测量时间为约为200ms至500ms之间。

且本实施例所提供的总获取张数将会依据不同的相机的帧率或画面更新率而定，基本上总获取张数将会是帧率或画面更新率与获取时间的乘积。以本实施例为例，总获取张数将会落在250张左右。

补充说明的是，图面仅以垂直虚线例示可能的获取方式，其比例以及区间都仅为示意。

接着，再通过第一光学元件组22将光线传递至角膜3，并依序测量这些获取区域(步骤S3)。

承前，再将步骤S3中取得的这些获取区域获取的这些第一高度叠合形成第一表面A(步骤S4)。且将步骤S3中取得的这些获取区域获取的这些第二高度叠合形成第二表面B(步骤S5)。最后，再叠合第一表面A以及第二表面B以形成角膜3的立体图像。(步骤S6)。

以下将特别针对步骤S3加以说明，本实施例的测量步骤可进一步包括：首先，使光线汇聚于获取区域的第一表面A(步骤S301)，以本实施例为例，可定义角膜3的角膜上皮的上表面为第一表面A。且每一获取区域都有一个第一表面A。

接着，光线被第一表面A反射以形成第一光线(步骤S302)。同时，传递至第二光学元件组24的光线将会被参考镜241反射后以形成第二光线(步骤S303)。

接着，耦合第一光线以及第二光线(步骤S304)，此步骤的耦合方式可为通过如前述分光器26或者其它等效合光元件。被耦合的第一光线以及第二光线将会进入影像分析单元28，以利后续的分析步骤。

接着，可沿第一方向(X方向)移动参考镜241，且第一方向(X方向)与第二方向(Y方向)垂直(步骤S305)，此步骤的目的在于通过移动参考镜241，使第一光线与第二光线的相位差为整数倍数时，可形成干涉。

当第一光线与第二光线产生干涉，停止移动参考镜241，并获取第一光线与第二光线的相对的光学路径长(光程差)，定义相对的光学路径长为第一高度(步骤S306)。且此处的第一高度可视为此获取区域处的角膜上皮的上表面距离假想参考面的高度(厚度)。此外，也可依据不同的获取标准、需求获取此区域的不同相对的光学路径长(光程差)，例如最大光程差、平均光程差或是最小光程差，作为此处的第一高度。以本实施例为例，此处获取第一光线与第二光线最大的相对光学路径长作为测量的依据。

接着，调整第一光学元件组22，使光线汇聚于获取区域的第二表面B(角膜上皮的下表面)，其中第一表面A与第二表面B沿第一方向(X方向)设置(步骤S307)。此处的光线约聚焦于角膜的单层状内皮处，因此处的第一表面A与第一表面A沿第一方向(X方向)，故也可称第一表面A与第二表面B具有纵向的关系。

相似地，光线将被第二表面B反射后形成第三光线(步骤S308)。

接着，沿第一方向(X方向)移动参考镜241(步骤S309)，此步骤的目的在于通过移动参考镜241，使第三光线与第二光线的相位差为整数倍数时，可形成干涉。

当第二光线与第三光线产生干涉，停止移动参考镜241，并获取第二光线与第三光线的相对的光学路径长，定义相对的光学路径长为第二高度(步骤S310)。且此处的第二高度可视为此获取区域处的角膜3上皮的下表面距离假想参考面的高度(厚度)。此外，也可依据不同的获取标准、需求获取此区域的不同相对的光学路径长(光程差)，例如最大光程差、平均光程差或是最小光程差，作为此处的第一高度。以本实施例为例，此处获取第二光线与第三光线最大的相对光学路径长作为测量的依据。

简言之，步骤S3可在各个获取区域重复上述步骤S301～S310以取得每一个获取区域的第一高度以及第二高度，接着再通过将这些获取区域获取的这些第一高度叠合形成第一表面A(步骤S4)、这些获取区域获取的这些第二高度叠合形成第二表面B(步骤S5)。最后，再叠合第一表面A以及第二表面B以形成角膜立体图像。(步骤S6)。

补充说明的是，本申请的步骤S4、S5可进一步包含通过内插法将这些第一高度、这些第二高度分别叠合形成第一表面A。例如，可通过内插法将这些第一高度(光程差的值)求得内插函数，接着再通过此内插函数计算出第一表面A的曲率，并绘制、叠合形成第一表面A。相似地，通过内插法将这些第二高度(光程差的值)求得另一内插函数，接着再通过此内插函数计算出第二表面B的曲率，并绘制、叠合形成第二表面B。

此种配置的优点在于，因获取区域配置的方式，角膜的立体图像的横向分辨率将不变，(角膜的中心区域与周围区域的分辨率将不变)可使得角膜地图整体的影像较佳。此外，也可克服已知通过环形光源测量时无法精准地测量角膜中心区域的缺点。

综上所述，本发明通过光源模块20、第一光学元件组22、第二光学元件组24、分光器26以及影像分析单元28的配置，辅以纵向的获取区间的测量方法，可达到提供一种测量角膜上皮的上表面以及下表面，进而提供角膜立体图像的光学装置以及方法。

此外，本发明的光学装置以及方法并非以获得疾病结果或健康状态为直接目的，仅通过上述配置测量角膜以形成角膜地图，并供后续研究以及诊断的判断依据。

以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本发明的精神与范围，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求中。

Claims (15)

1.一种用于角膜测量的光学影像装置，包括：

光源模块；

第一光学元件组；

第二光学元件组，包括参考镜；

分光器，通过该分光器所述光源模块提供的光线分别传递至所述第一光学元件组以及所述第二光学元件组；以及

影像分析单元；

其中，所述光源模块的所述光线经由所述分光器、所述第一光学元件组传递至角膜，所述光线被所述角膜反射后形成第一光线，所述第一光线再依序传递至所述分光器以及所述影像分析单元，所述光源模块的所述光线经由所述分光器传递至所述第二光学元件组的所述参考镜，所述光线被所述参考镜反射后形成第二光线，所述第二光线再依序传递至所述分光器以及所述影像分析单元，所述参考镜沿第一方向移动，当所述第一光线与所述第二光线产生干涉，得以获取相对的光学路径长。

2.如权利要求1所述的光学影像装置，其中所述影像分析单元包括摄影单元。

3.如权利要求2所述的光学影像装置，其中所述摄影单元为电耦合装置摄影机或是互补性金属氧化物半导体摄影机。

4.如权利要求1所述的光学影像装置，其中所述第一光学元件组包含反射镜以及透镜，通过所述分光器所述光源模块的所述光线依序传递至所述第一光学元件组的所述反射镜以及所述透镜。

5.如权利要求1所述的光学影像装置，其中所述参考镜得以往复移动。

6.如权利要求1所述的光学影像装置，其中所述参考镜为非球面镜或具有镀膜的透镜。

7.一种角膜测量的方法，其步骤包括：

提供一光线传递至第一光学元件组，提供又一光线传递至第二光学元件组，其中所述第二光学元件组包括参考镜；

将所述角膜沿第二方向分成多个获取区域；

通过所述第一光学元件组将所述光线传递至角膜，并依序测量所述获取区域，且所述测量步骤包括：

使所述光线汇聚于所述获取区域的第一表面；

所述光线被所述第一表面反射以形成第一光线；

所述光线被所述参考镜反射以形成第二光线；

耦合所述第一光线以及所述第二光线；

沿第一方向移动所述参考镜，且所述第一方向与所述第二方向垂直；

当所述第一光线与所述第二光线产生干涉，停止移动所述参考镜，并获取所述第一光线与所述第二光线的相对的光学路径长，定义所述相对的光学路径长为第一高度；

调整所述第一光学元件组，使所述光线汇聚于所述获取区域的第二表面，其中所述第一表面与所述第二表面沿所述第一方向设置；

所述光线被所述第二表面反射后形成第三光线；

沿第一方向移动所述参考镜；以及

当所述第二光线与所述第三光线产生干涉，停止移动所述参考镜，并获取所述第二光线与所述第三光线的相对的光学路径长，定义所述相对的光学路径长为第二高度；

将所述获取区域获取的所述第一高度叠合形成第一表面；

将所述获取区域获取的所述第二高度叠合形成第二表面；以及

叠合所述第一表面以及所述第二表面以形成角膜的立体图像。

8.如权利要求7所述的角膜测量的方法，其中将所述获取区域获取的所述第一高度叠合形成第一表面的步骤进一步包括：

通过内插法将所述第一高度叠合形成所述第一表面。

9.如权利要求7所述的角膜测量的方法，其中将所述获取区域获取的所述第二高度叠合形成第二表面的步骤进一步包括：

通过内插法将所述第二高度叠合形成所述第二表面。

10.如权利要求7所述的角膜测量的方法，其中所述获取区域的宽度介于0.1μm至0.25μm之间。

11.如权利要求7所述的角膜测量的方法，其中所述影像分析单元包括摄影单元。

12.如权利要求11所述的角膜测量的方法，其中所述摄影单元为电耦合装置摄影机或是互补性金属氧化物半导体摄影机。

13.如权利要求7所述的角膜测量的方法，其中所述第一光学元件组包含反射镜以及透镜，通过所述分光器所述光源模块的所述光线依序传递至所述第一光学元件组的所述反射镜以及所述透镜。

14.如权利要求7所述的角膜测量的方法，其中所述参考镜得以往复移动。

15.如权利要求7所述的角膜测量的方法，其中所述参考镜为非球面镜或具有镀膜的透镜。