TWI536958B - 用於角膜量測的光學影像裝置以及角膜量測的方法 - Google Patents

Description

用於角膜量測的光學影像裝置以及角膜量測的方法

本發明係關於一種醫學檢測的裝置以及方法，特別是關於一種透過光學檢測角膜的裝置以及方法。

角膜量測儀是一種用於量測角膜表面的光學儀器。且，透過量測角膜表面的形貌圖，可依據不同的對象設計不同的隱形眼鏡。此外，角膜的形貌圖亦可彰顯、判斷某些眼科疾病。故角膜形貌圖可於RK、PK、或LASIK的外科程序中可應用於術前評估風險、以及術後觀察角膜復原程度等等。故，如何精確量測出正確的角膜的形貌圖實為後續可提供適當的療程的基石之一。

圖1為習知角膜量測的光學影像裝置的示意圖。

圖1的光學裝置1包括圖像投影器10、定位光源12、量測光源14以及影像處理單元16。且圖像投影器10得以提供一圖像給欲量測對象觀看，並請欲量測者持續觀看圖像，以定位角膜18位置及避免量測過程因位移導致的量測誤差等問題。接著，定位光源12可提供一光線傳遞至角膜18，且光線將可被反射並進入影像處理單元16的接收端，透過定位光源12反射的光線可調整影像處理單元16於一較佳的偵測狀態以增加量測的精度。

實際量測時，量測光源14則可提供複數個環狀同心源的光源給角膜，並透過該些光源反射後的光線偏折情況，判斷角膜的表面的形貌圖(亦即曲率)。

然而，此種光學裝置僅能針對角膜的上表面產生形貌圖，將無法精準的量測出角膜的整體厚度。若欲量測角膜的厚度，一般多採增加、搭配一側向光源，由側向光源提供一光線斜向入射角膜後，藉由光線的反射以量測角膜側面的形狀，但此種作法仍無法精確地量測出角膜的下表面的真實型貌圖。

因此，如何提供一種量測角膜上表面以及下表面，進而提供一角膜立體圖像的光學裝置以及方法，乃為本領域亟需解決的問題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種量測角膜上表面以及下表面，進而提供一角膜立體圖像的光學裝置以及方法。

為達上述目的，依據本發明可提供一種用於角膜量測的光學影像裝置，包括光源模組、第一光學元件組、第二光學元件組、分光器以及影像分析單元。第二光學元件組包括參考鏡。

透過分光器，光源模組提供的光線分別傳遞至第一光學元件組以及第二光學元件組。

光源模組的光線係經由分光器、第一光學元件組傳遞至角膜。光線被角膜反射後形成第一光線，第一光線再依序傳遞至分光器以及影像分析單元。

光源模組的光線經由分光器傳遞至第二光學元件組的參考鏡，光線被參考鏡反射後形成第二光線，第二光線再依序傳遞至分光器以及影像分析單元。

參考鏡可沿第一方向移動，當第一光線與第二光線產生干涉，得以擷取一相對的光學路徑長。

在本發明一實施例中，影像分析單元包括一攝影單元。其中，攝影單元為電耦合裝置攝影機或是互補性氧化金屬半導體攝影機。

在本發明一實施例中，第一光學元件組包含反射鏡以及透鏡，透過分光器光源模組的光線依序傳遞至第一光學元件組的反射鏡以及透鏡。

在本發明一實施例中，參考鏡得以往復移動。

在本發明一實施例中，參考鏡為非球面鏡或具有鍍膜的透鏡。

本發明更可提供一種角膜量測的方法，其步驟至少包括：首先，提供光線傳遞至第一光學元件組，提供又一光線傳遞至第二光學元件組。且第二光學元件組可包括參考鏡。

接著，將角膜沿第二方向分成複數個擷取區域。再透過第一光學元件組將光線傳遞至角膜，並依序量測該些擷取區域。

前述量測步驟包括：使光線匯聚於擷取區域的第一表面。接著，光線被第一表面反射以形成第一光線。光線被參考鏡反射以形成第二光線，耦合第一光線以及第二光線。

接著，沿第一方向移動參考鏡，且第一方向與第二方向垂直。

當第一光線與第二光線產生干涉，停止移動參考鏡，並擷取第一光線與第二光線的相對的光學路徑長，並定義相對的光學路徑長為第一高度。

調整第一光學元件組，使光線匯聚於擷取區域的第二表面。其中第一表面與第二表面沿一第一方向設置。光線被第二表面反射後形成第三光線。沿一第一方向移動該參考鏡。

當第二光線與第三光線產生干涉，停止移動參考鏡，並擷取第二光線與第三光線的一相對的光學路徑長，並定義相對的光學路徑長為第二高度。

量測完該些擷取區域後，將該些擷取區域擷取的該些第一高度疊合形成第一表面，將該些擷取區域擷取的該些第二高度疊合形成第二表面。最後，疊合第一表面以及第二表面以形成角膜的立體圖像。

在本發明一實施例中，其中「將該些擷取區域擷取的該些第一高度疊合形成第一表面」的步驟更包括：透過內插法將該些第一高度疊合形成第一表面。

在本發明一實施例中，其中「將該些擷取區域擷取的該些第二高度疊合形成第二表面」的步驟更包括：透過內插法將該些第二高度疊合形成第二表面。

在本發明一實施例中，擷取區域的寬度介於0.1μm至0.25μm之間。

在本發明一實施例中，影像分析單元包括一攝影單元。其中，攝 影單元為電耦合裝置攝影機或是互補性氧化金屬半導體攝影機。

在本發明一實施例中，第一光學元件組包含反射鏡以及透鏡，透過分光器光源模組的光線依序傳遞至第一光學元件組的反射鏡以及透鏡。

在本發明一實施例中，參考鏡得以往復移動。

在本發明一實施例中，參考鏡為非球面鏡或具有鍍膜的透鏡。

1‧‧‧光學裝置

10‧‧‧圖像投影器

12‧‧‧定位光源

14‧‧‧量測光源

16‧‧‧影像處理單元

18、3‧‧‧角膜

2‧‧‧光學影像裝置

20‧‧‧光源模組

22‧‧‧第一光學元件組

221、242‧‧‧透鏡

222‧‧‧反射鏡

24‧‧‧第二光學元件組

241‧‧‧參考鏡

26‧‧‧分光器

28‧‧‧影像分析單元

A‧‧‧第一表面

B‧‧‧第二表面

X‧‧‧第一方向

Y‧‧‧第二方向

S1~S6、S301~S310‧‧‧方法步驟

圖1為一種習知角膜量測的光學影像裝置的示意圖。

圖2為本發明的光學影像裝置的第一實施例配置示意圖。

圖3A為本發明角膜量測的方法的其一量測方式的步驟流程圖。

圖3B為圖3A的步驟S3的詳細步驟流程圖。

圖4為角膜側面示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種用於角膜量測的光學影像裝置以及方法，其中相同的構件、步驟將以相同的參照符號加以說明。且，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件、步驟均已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。

人類的角膜主要是由三個層組成：最外層為角膜上皮，其由多層狀非角質化上皮構成；中間層為基質，其為三個層中最寬的層；且最內層為單層狀內皮，其由單層細胞組成。

其中，角膜上皮佔角膜總厚度10%且由充當外部因素之防護障壁 的若干層細胞組成。基質由約200至250片平行排列於角膜表面上之膠原纖維形成，且基層約佔角膜總厚度的90%。單層狀內皮為一單層細胞層，且單層狀內皮包括形成六角形嵌合體之單層立方形細胞且藉由控制基質水合作用而維持組織透明度。

此外，大多數人的角膜表面拓樸(topography)為非球面體，角膜的表面的曲率無法預期且無一特定變化率的特性，使得如何精準的量測角膜並依據不同量測對象調整操作參數更添重要性。

以下將開始依序說明本發明的較佳實施例之一種用於角膜量測的光學影像裝置以及方法。

首先，請先參考圖2，其為本發明的光學影像裝置的第一實施例配置示意圖。

本實施例的光學影像裝置2，包括光源模組20、第一光學元件組22、第二光學元件組24、分光器26以及影像分析單元28。

本實施例的光源模組可提供一光線，且本實施例的光源模組20可為一寬頻雷射光源(例如本實施例的中心光源的波長可介於1030nm，且頻寬可為20至40nm，但不以不可見光為限制)。此寬頻雷射光源可透過窄頻雷射光源射入激發材料以提供，但不以此方法為限。

第一光學元件組22是用以將光源模組20所提供的光線匯聚於角膜3。且，本實施例的第一光學元件組22可包含反射鏡222以及透鏡221。

第二光學元件組24是用以提供一參考光線，詳細而言，本實施例 的第二光學元件組24包括參考鏡241。且，第二光學元件組24更包括透鏡242，透過透鏡242可使光源模組20的光線匯聚、聚焦於參考鏡241。此外，本實施例的參考鏡241得以往復移動(例如可透過傳動平台移動)，特別是沿第一方向(X方向)移動。除了移動參考鏡241以外，亦可有一實施態樣為同時移動參考鏡241以及透鏡242，換言之，係以第二光學元件組24整體一起移動的方式達到相似的效果。

另外，參考鏡241可為非球面鏡或具有鍍膜的透鏡，參考鏡241的曲率須與角膜3的曲率搭配(但不一定須完全相同)，故較佳地，本實施例參考鏡241的曲率半徑可介於5公釐與10公釐之間。

影像分析單元28可用於分析並建構角膜的立體圖像，且本實施例的影像分析單元28可包括攝影單元。且具體而言，攝影單元可為電耦合裝置攝影機或是互補性氧化金屬半導體攝影機，因此，攝影單元可以擷取眼球周圍全景影像，此實施例的影像特別可為眼球的角膜影像。

本實施例的分光器26，可用以將光源模組20的部分光線傳遞至第一光學元件組22，且另一部分的光線傳遞至第二光學元件組24。以本實施例為例，50%的光線將被反射進入第一光學元件組22，而其餘50%的光線將穿透進入第二光學元件組24。

請繼續參考圖2，實際操作時，光源模組20的光線可經由分光器26、第一光學元件組22傳遞至角膜3後，光線將會被角膜3反射後形成第一光線。接著，第一光線將再依序傳遞至分光器26以及影像分析單元28。

詳細而言，本實施例的分光器26將一半的光線反射傳遞至第一光學元件組22的反射鏡222，光線再被反射鏡222反射經由透鏡221聚焦於角膜3。接著，光線被角膜3反射後，形成第一光線。第一光線再次依循同樣的路徑，從透鏡221、反射鏡222傳遞至分光器26，並經由分光器26傳遞至影像分析單元28。

光源模組20的光線除了會進入第一光學元件組22以外，另一部分的光線將會被傳遞至第二光學元件組24。光源模組20的光線經由分光器26傳遞至第二光學元件組24的參考鏡241。

詳細而言，沒有被分光器26反射的剩餘光線，將會穿透分光器26進入第二光學元件組24並透過透鏡242匯聚、聚焦於參考鏡241上，且此些光線被參考鏡241反射後將會形成第二光線。第二光線將再次依循同樣的路徑，從透鏡242傳遞至分光器26，並經由分光器26傳遞至影像分析單元28。

參考鏡241可沿第一方向(X方向)移動(例如可透過傳動平台移動)，當第一光線與第二光線產生干涉，可紀錄此時第一光線與第二光線的擷取該第一光線與該第二光線的一相對的光學路徑長(光程差，OPD)，再透過計算，將此些量測到的相對的光學路徑長繪製、建構角膜3的立體圖像。其繪製的方法可為透過干涉表面輪廓繪製(interferometric surface profiling)的計算方式，但不此為限。

以下將詳細的敘述量測方式以及將相對光學路徑長疊合成角膜地圖的方式，請一併參考圖3A至4，圖3A為本發明角膜量測的方法的其一量測方式的步驟流程圖、圖3B為圖3A的步驟S3的詳細步驟 流程圖、圖4則為角膜側面示意圖。此處搭配本實施例的方法的光學裝置可為圖2的光學裝置2，但不以圖2的光學裝置的配置為限制。

首先請先參考圖3A，可先提供一光線，且光線可分別傳遞至第一光學元件組22以及第二光學元件組24，其中第二光學元件組24包括參考鏡241(步驟S1)。第一光學元件組22以及第二光學元件組24的構件以及操作方式與前述實施例相似，故將不再贅述。

接著，將角膜3沿第二方向(Y方向)分成複數個擷取區域(步驟S2)，以本實施例為例可將第二方向(Y方向)分成複數個擷取區域，且每個擷取區域的寬度介於0.1μm至0.25μm之間。此處擷取區域的寬度可調整成光線波長的1/4以下，故若搭配1030nm波長的光線時，擷取區域寬度應至少小於0.25μm。此外，擷取區域的總量測時間為約為200ms至500ms之間。

且本實施例所提供的總擷取張數將會依據不同的相機的幀率或畫面更新率而定，基本上總擷取張數將會是幀率或畫面更新率與擷取時間的乘積。以本實施例為例，總擷取張數將會落在250張左右。

補充說明的是，圖面僅以垂直虛線例示可能的擷取方式，其比例以及區間都僅為示意。

接著，再透過第一光學元件組22將光線傳遞角膜3，並依序量測該些擷取區域(步驟S3)。

承前，再將步驟S3中取得的該些擷取區域擷取的該些第一高度疊合形成第一表面A(步驟S4)。且步驟S3中取得的將該些擷取區 域擷取的該些第二高度疊合形成第二表面B(步驟S5)。最後，再疊合第一表面A以及第二表面B以形成角膜3的立體圖像。(步驟S6)。

以下將特別針對步驟S3加以說明，本實施例的量測步驟更可包括：首先，使光線匯聚於擷取區域的第一表面A(步驟S301)，以本實施例為例，可定義角膜3的角膜上皮的上表面為第一表面A。且每一擷取區域的皆有一第一表面A。

接著，光線被第一表面A反射以形成第一光線(步驟S302)。同時，傳遞至第二光學元件組24的光線將會被參考鏡241反射後以形成第二光線(步驟S303)。

接著，耦合第一光線以及第二光線(步驟S304)，此步驟的耦合方式可為透過如前述分光器26或者其他等效合光元件。被耦合的第一光線以及第二光線將會進入影像分析單元28，以利後續的分析步驟。

接著，可沿第一方向(X方向)移動參考鏡241，且第一方向(X方向)與第二方向(Y方向)垂直(步驟S305)，此步驟的目的在於藉由移動參考鏡241，使第一光線與第二光線的相位差為整數倍數時，可形成干涉。

當第一光線與第二光線產生干涉，停止移動參考鏡241，並擷取第一光線與第二光線的一相對的光學路徑長(光程差)，定義相對的光學路徑長為第一高度(步驟S306)。且此處的第一高度可視為此擷取區域處的角膜上皮的上表面距離一假想參考面的一高度(厚度)。此外，亦可依據不同的擷取標準、需求擷取此區域 的不同相對的光學路徑長(光程差)，例如最大光程差、平均光程差或是最小光程差，作為此處的第一高度。以本實施例為例，此處係擷取第一光線與第二光線最大的相對光學路徑長作為量測的依據。

接著，調整第一光學元件組22，使光線匯聚於擷取區域的第二表面B(角膜上皮的下表面)，其中第一表面A與第二表面B沿一第一方向設置(X方向)設置(步驟S307)。此處的光線約聚焦於角膜的單層狀內皮處，因此處的第一表面A與第一表面A沿第一方向(X方向)，故亦可稱第一表面A與第二表面B具有縱向的關係。

相似地，光線將被第二表面B反射後形成第三光線(步驟S308)。

接著，沿第一方向(X方向)移動參考鏡241(步驟S309)，此步驟的目的在於藉由移動參考鏡241，使第三光線與第二光線的相位差為整數倍數時，可形成干涉。

當第二光線與第三光線產生干涉，停止移動參考鏡241，並擷取第二光線與第三光線的一相對的光學路徑長，定義相對的光學路徑長為第二高度(步驟S310)。且此處的第二高度可視為此擷取區域處的角膜3上皮的下表面距離一假想參考面的一高度(厚度)。此外，亦可依據不同的擷取標準、需求擷取此區域的不同相對的光學路徑長(光程差)，例如最大光程差、平均光程差或是最小光程差，作為此處的第一高度。以本實施例為例，此處係擷取第二光線與第三光線最大的相對光學路徑長作為量測的依據。

簡言之，步驟S3可於各個擷取區域重複上述的步驟S301~S310以取得每一個擷取區域的第一高度以及第二高度，接著再透過將該些擷取區域擷取的該些第一高度疊合形成第一表面A(步驟S4)、該些擷取區域擷取的該些第二高度疊合形成第二表面B(步驟S5)。最後，再疊合第一表面A以及第二表面B以形成角膜立體圖像。(步驟S6)。

補充說明的是，本案的步驟S4、S5更可包含透過內插法將該些第一高度、該些第二高度分別疊合形成第一表面A。例如，可透過內插法將該些第一高度(光程差的值)求得一內插函數，接著再透過此內插函數計算出第一表面A的曲率，並繪製、疊合形成第一表面A。相似地，透過內插法將該些第二高度(光程差的值)求得另一內插函數，接著再透過此內插函數計算出第二表面B的曲率，並繪製、疊合形成第二表面B。

此種配置的優點在於，因擷取區域配置的方式，角膜的立體圖像的橫向解析度將不變，(角膜的中心區域與周圍區域的解析度將不變)可使得角膜地圖整體的影像較佳。此外，亦可克服習知透過環形光源量測時，無法精準的量測角膜中心區域的缺點。

綜上所述，本發明係透過光源模組20、第一光學元件組22、第二光學元件組24、分光器26以及影像分析單元28的配置，輔以縱向的擷取區間的量測方法，可達到提供一種量測角膜上皮的上表面以及下表面，進而提供一角膜立體圖像的光學裝置以及方法。

此外，本發明的光學裝置以及方法並非以獲得疾病結果或健康狀態為直接目的，僅透過上述配置量測角膜以形成角膜地圖，並供 後續研究以及診斷的判斷依據。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

2‧‧‧光學影像裝置

20‧‧‧光源模組

22‧‧‧第一光學元件組

221、242‧‧‧透鏡

222‧‧‧反射鏡

24‧‧‧第二光學元件組

241‧‧‧參考鏡

26‧‧‧分光器

28‧‧‧影像分析單元

3‧‧‧角膜

X‧‧‧第一方向

Y‧‧‧第二方向

Claims (15)

1. 一種用於角膜量測的光學影像裝置，包括：一光源模組；一第一光學元件組；一第二光學元件組，包括一參考鏡，該參考鏡沿一第一方向移動；一分光器，透過該分光器該光源模組提供的一光線分別傳遞至該第一光學元件組以及該第二光學元件組；以及一影像分析單元，該光源模組的該光線係經由該分光器、該第一光學元件組傳遞至一角膜，該光線被該角膜反射後再依序傳遞至該分光器以及該影像分析單元，該光源模組的該光線經由該分光器傳遞至該第二光學元件組的該參考鏡，該光線被該參考鏡反射後再依序傳遞至該分光器以及該影像分析單元；其中，該角膜沿一第二方向分成複數個擷取區域，且該第一方向與該第二方向垂直，該光線匯聚於該擷取區域的一第一表面，且被該第一表面反射以形成一第一光線，該光線被該參考鏡反射以形成一第二光線，且當該第一光線與該第二光線產生一干涉時，該影像分析單元擷取該第一光線與該第二光線的一相對的光學路徑長，並定義該相對的光學路徑長為一第一高度，該光線匯聚於該擷取區域的一第二表面，且該第一表面與該第二表面沿該第一方向設置，該光線被該第二表面反射後形成一第三 光線，且當該第二光線與該第三光線產生一干涉時，該影像分析單元更擷取該第二光線與該第三光線的一相對的光學路徑長，並定義該相對的光學路徑長為一第二高度，且該影像分析單元更將該些擷取區域擷取的該些第一高度疊合形成一第一表面，並將該些擷取區域擷取的該些第二高度疊合形成一第二表面，且更疊合該第一表面以及該第二表面以形成一角膜的立體圖像。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學影像裝置，其中該影像分析單元包括一攝影單元。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光學影像裝置，其中該攝影單元為電耦合裝置攝影機或是互補性氧化金屬半導體攝影機。
4. 如申請專利範圍第1項所述的光學影像裝置，其中該第一光學元件組包含一反射鏡以及一透鏡，透過該分光器，該光源模組的該光線依序傳遞至該第一光學元件組的該反射鏡以及該透鏡。
5. 如申請專利範圍第1項所述的光學影像裝置，其中該參考鏡得以往復移動。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光學影像裝置，其中該參考鏡為一非球面鏡或具有鍍膜的透鏡。
7. 一種角膜量測的方法，其步驟更包括：提供一光線傳遞至一第一光學元件組，提供又一光線傳遞至一第二光學元件組，其中該第二光學元件組包括一參考鏡；將該角膜沿一第二方向分成複數個擷取區域；透過該第一光學元件組將該光線傳遞至一角膜，並依序量測該些擷取區域，且該量測步驟包括：使該光線匯聚於該擷取區域的一第一表面； 該光線被該第一表面反射以形成一第一光線；該光線被該參考鏡反射以形成一第二光線；耦合該第一光線以及該第二光線；沿一第一方向移動該參考鏡，且該第一方向與該第二方向垂直；當該第一光線與該第二光線產生一干涉，停止移動該參考鏡，並擷取該第一光線與該第二光線的一相對的光學路徑長，定義該相對的光學路徑長為一第一高度；調整該第一光學元件組，使該光線匯聚於該擷取區域的一第二表面，其中該第一表面與該第二表面沿該一第一方向設置；該光線被該第二表面反射後形成一第三光線；沿一第一方向移動該參考鏡；以及當該第二光線與該第三光線產生一干涉，停止移動該參考鏡，並擷取該第二光線與該第三光線的一相對的光學路徑長，定義該相對的光學路徑長為一第二高度；將該些擷取區域擷取的該些第一高度疊合形成一第一表面；將該些擷取區域擷取的該些第二高度疊合形成一第二表面；以及疊合該第一表面以及該第二表面以形成一角膜的立體圖像。
8. 如申請專利範圍第7項所述的角膜量測的方法，其中「將該些擷取區域擷取的該些第一高度疊合形成一第一表面」的步驟更包括：透過一內插法將該些第一高度疊合形成該第一表面。
9. 如申請專利範圍第7項所述的角膜量測的方法，其中「將該些擷取區域擷取的該些第二高度疊合形成一第二表面」的步驟更包括：透過一內插法將該些第二高度疊合形成該第二表面。
10. 如申請專利範圍第7項所述的角膜量測的方法，其中該擷取區域的寬度介於0.1μm至0.25μm之間。
11. 如申請專利範圍第7項所述的角膜量測的方法，其中該影像分析單元包括一攝影單元。
12. 如申請專利範圍第11項所述的角膜量測的方法，其中該攝影單元為電耦合裝置攝影機或是互補性氧化金屬半導體攝影機。
13. 如申請專利範圍第7項所述的角膜量測的方法，其中該第一光學元件組包含一反射鏡以及一透鏡，該光線由一光源模組提供，透過一分光器，該光源模組的該光線依序傳遞至該第一光學元件組的該反射鏡以及該透鏡。
14. 如申請專利範圍第7項所述的角膜量測的方法，其中該參考鏡得以往復移動。
15. 如申請專利範圍第7項所述的角膜量測的方法，其中該參考鏡為一非球面鏡或具有鍍膜的透鏡。