TWI450705B - Three - axis positioning device and method for ophthalmic detection instrument - Google Patents

Three - axis positioning device and method for ophthalmic detection instrument Download PDF

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TWI450705B
TWI450705B TW100139263A TW100139263A TWI450705B TW I450705 B TWI450705 B TW I450705B TW 100139263 A TW100139263 A TW 100139263A TW 100139263 A TW100139263 A TW 100139263A TW I450705 B TWI450705 B TW I450705B
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Chung Ping Chuang
Che Liang Tsai
Kun Cheng Hsieh
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Description

眼科檢測儀器的三軸定位裝置與方法
本發明有關一種針對受測者眼睛之瞳孔作精準定位之儀器與方法，特別是指一種於眼科檢測儀器中應用純軟體對位模組而無須額外定位光路進行X、Y、Z軸定位的裝置與方法。
傳統眼底照相機於使用時都須先對受測者的瞳孔做精準的X、Y、Z軸的三軸定位，否則大部分的照明光線將無法進入瞳孔到達眼底，除此之外，部分照明光線還會反射到成像的CCD(Charge Coupled Device，電荷偶合原件影像感測器)上。
請參閱第1圖所示，若三軸定位有不良誤差，則CCD上的眼底影像將產生很強的反射照明光線，如圖所示，該影像係於外周側產生強反射照明光線，反之，請參第2圖所示，若三軸定位正確，則CCD上的眼底影像色彩將整個呈現一均勻狀態，不致有第1圖外周側產生的反射照明光線。
傳統的眼底照相機係利用額外的定位光路系統來達成受測者瞳孔與儀器的X、Y、Z三軸定位，請參第3圖所示，傳統眼底照相機是針對眼睛10的瞳孔11進行眼底12的拍攝，其主要包含一組投射光源系統20、一組光學攝像系統21、一組顯像監控系統22以及一組定位光路系統23。
其中，上述投射光源系統20具有一攝像光源200、一監控光源201、一聚光鏡202、203、一分光鏡204、一環形狹縫板205以及一中繼透鏡206；上述光學攝像系統21具有一接物鏡210、一穿孔鏡211、一顯影鏡212、一底片213、一轉向鏡214、一場鏡215、一反射鏡216、一中繼透鏡217、一顯像管218；上述顯像監控系統22具有一與上述顯像管連接的監控器220；而上述定位光路系統23具有一半透鏡230、一中繼透鏡231、一反射鏡232、一導光件233、一光源234以及一對焦鏡235。
然而，在傳統眼底照相機中的投射光源系統20與光學攝像系統21中加入一定位光路系統23將會增加檢測儀器整體光路系統設計的複雜度，除了將使得眼底照相機需要額外空間設置上述定位光路系統23，另將額外衍生出其他設計成本增加之問題。
有鑑於傳統眼科檢測儀器的眼底照相機利用定位光路系統來調整定位三軸相對位置將會造成設計整個檢測儀器的成本增加，因此，傳統使用定位光路的眼科檢測方法實有改良創新的必要。
爰是，本發明之主要目的，旨在提供一種眼科檢測儀器的三軸定位裝置，於檢測裝置中加入一純軟體設計的對位模組，由對位模組運算成像時的眼角膜和水晶體之反射光位置及大小以判斷X、Y、Z軸是否精準定位，使檢測裝置內部無須額外裝設一硬體裝置的定位光路系統，減少檢測儀器的設計、製造及成品的成本。
為達上揭目的，本發明眼科檢測儀器的三軸定位裝置包含：一照明光路、一成像光路、一顯像裝置以及一純軟體的對位模組；其中，上述照明光路用以投射照明光線來照亮受測者的眼底；上述成像光路連接於照明光路，具有一接物鏡來接收受測者的眼底影像以及眼角膜和水晶體之反射光；上述顯像裝置連接於上述成像光路，用以顯示上述眼底影像及眼角膜和水晶體之反射光；而上述對位模組連接於顯像裝置，用以判斷眼角膜和水晶體之反射光的強度與位置，以取得受測者瞳孔與接物鏡的相對位置，並產生一輔助用的X軸定位資訊、Y軸定位資訊以及Z軸定位資訊，由上述顯像裝置顯示出三軸定位資訊顯示，供檢測者進行對齊調整。
於一較佳實施例中，上述顯像裝置顯示的X軸、Y軸定位資訊包含一座標軸、一偏移容許範圍以及一位置顯示點；而上述顯像裝置顯示的Z軸定位資訊是透過上述位置顯示點的直經大小變化表示。
於另一較佳實施例中，上述顯像裝置顯示的Z軸定位資訊包含一顯示文字及/或一顯示燈號。
此外，當上述瞳孔與接物鏡於對齊狀態時，上述眼角膜和水晶體之反射光將呈現一設定厚度範圍的第一環圈，而當上述瞳孔與接物鏡於偏移狀態時，上述眼角膜和水晶體之反射光呈現一彎月形或是一異於上述第一環圈厚度範圍的第二環圈。
本發明另揭露一種眼科檢測儀器的三軸定位方法，透過運算眼角膜和水晶體之反射光的強度、位置及區域大小，提供檢測者一三軸相對位置的輔助對位資訊，使得檢測者可依據顯示的對位資訊，調整眼睛瞳孔與儀器之間的相對位置，達到精準對位瞳孔之功效。
為達上揭目的，本發明的三軸定位方法包含以下步驟：投射照明光線來照亮受測者的眼底；接收由受測者的眼角膜和水晶體之反射光線以及眼底影像；依據眼角膜和水晶體之反射光的強度與位置，測得眼睛瞳孔與儀器的X、Y、Z三軸相對位置；以及依據三軸相對位置資訊調整眼睛瞳孔與儀器之位置，直到眼睛瞳孔與儀器的偏移量達到容許誤差範圍內。
於一較佳實施例中，上述X軸及Y軸相對位置檢測方法包含：將眼底影像依據中心點的水平線及垂直線分隔為第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限；依據設定的第一及第二半徑分別於第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限位置界定出一第一區塊、第二區塊、第三區塊以及第四區塊；以垂直線左、右兩側區塊之亮度總和相減取得X軸相對位置，另以水平線上、下兩端分別的亮度總和相減取得Y軸相對位置；以及顯示X軸、Y軸的相對位置，並判斷結果是否落入容許誤差範圍。
於一可行實施例中，上述X軸、Y軸的容許誤差範圍判斷方式包含：將X軸、Y軸相對位置座標化形成一座標軸；於座標軸上設定一由偏移容許範圍構成的精準圈；依據X軸及Y軸的相對位置於座標軸上表示一位置顯示點；以及確認位置顯示點是否位於座標軸的精準圈內。
於另一較佳實施例中，上述Z軸相對位置檢測方法包含：依據照明光線的門檻值，設定上述眼底影像外周於偏移容許範圍內的反射光圈厚度；拍攝取得實際眼底影像，並擷取實際眼底影像外周的實際反射光圈厚度；以及判斷實際反射光圈厚度是否介於容許範圍的反射光圈厚度，並顯示判斷結果。
於一可行實施例中，上述Z軸的容許誤差範圍判斷方式包含：將Z軸相對位置數據化形成一顯示區塊；於顯示區塊上設定一由偏移容許範圍構成的顯示文字及/或顯示燈號；以及由顯示區塊直接表示Z軸是否位於偏移容許誤差內。
其中，上述顯示文字透過文義變化來顯示Z軸相對位置的遠近，而上述顯示燈號可透過燈號顏色變化來顯示Z軸相對位置的遠近，當然上述顯示燈號亦可透過燈號直徑大小變化來顯示Z軸相對位置的遠近。
由此可知，本發明的特點在於檢測裝置中加入一純軟體設計的對位模組，由對位模組運算成像時的眼角膜和水晶體之反射光的強度、位置及區域大小，提供檢測者一三軸相對位置的輔助對位資訊，以判斷X、Y、Z軸是否精準定位，讓檢測者可依據顯示的對位資訊，調整眼睛瞳孔與儀器之間的相對位置，達到精準對位瞳孔之功效，藉使檢測裝置內部無須額外裝設一硬體裝置的定位光路系統，達到減少檢測儀器設計、製造及成品成本之功效。
茲為便於更進一步對本發明之構造、使用及其特徵有更深一層明確、詳實的認識與瞭解，爰舉出較佳實施例，配合圖式詳細說明如下：請參閱第4圖所示，本發明眼科檢測儀器的三軸定位裝置同樣係針對眼睛30瞳孔31進行眼底32拍攝，但是本發明的特點在於透過眼睛中的眼角膜33和水晶體34之反射光進行瞳孔31位置的判斷，上述三軸定位裝置包含：一照明光路40、一成像光路41、一顯像裝置42以及一純軟體設計的對位模組43。
於一較佳實施例中，上述照明光路40可包含一照明光源400、一聚光鏡401、一中繼透鏡402、一水晶體遮板403、一中繼透鏡404、一反射鏡405以及一中繼透鏡406。
上述照明光路40主要透過上述照明光源400投射至聚光鏡401及中繼透鏡402後，再由上述水晶體遮板403經另一中繼透鏡404投射至上述反射鏡405，最後以上述反射鏡405改變光源方向，並由上述中繼透鏡406將光源打入上述成像光路41中，用以投射照明光線來照亮受測者眼睛30的眼底32。
上述成像光路41可包含一接物鏡410、一穿孔鏡411、一聚焦鏡412；上述成像光路41由接物鏡410來接收受測者眼底影像以及眼角膜33和水晶體34之反射光，透過穿孔鏡411及聚焦鏡412的作用下，可於顯像裝置42上形成一眼底影像以眼角膜33和水晶體34之反射光影像。
又上述顯像裝置42包含一與上述聚焦鏡412對齊設置的監控器420，其中，上述監控器420可為一電荷偶合原件影像感測器(CCD)。
而上述對位模組43為一程式模組，連接於上述顯像裝置42，用以判斷眼底影像中眼角膜33和水晶體34之反射光的強度與位置，以取得受測者瞳孔31與接物鏡401的相對位置，並產生一輔助用的X軸定位資訊、Y軸定位資訊以及Z軸定位資訊，傳輸至上述顯像裝置42顯示，如此即可由上述監控器420同時顯示出眼底影像、眼角膜33和水晶體34之反射光以及輔助對位資訊。
本發明透過對位模組43的設計，讓檢測儀器在無設計任何定位光路系統的情況下，可直接藉由顯示裝置42上的資訊調整瞳孔31與接物鏡401的相對位置，供檢測者可直覺地調整對齊瞳孔31與接物鏡401之間的相對位置。
由前述說明可知，本發明的特點在於上述成像光路41中加入一純軟體設計的對位模組43，由上述對位模組43直接擷取瞳孔31與接物鏡401之間的相對偏移關係，並顯示於上述顯像裝置42上；因此，上述照明光路40、成像光路41、顯像裝置42的其他硬體構件僅用為方便舉例說明，並非加以限制，亦即，各光路的硬體設計皆可依據需求自行調整。
請參閱第5圖所示，當眼底影像精準拍攝時，將使得眼底影像外周具有一設定厚度的眼角膜33和水晶體34之反射光圈。另請參第5A圖至第5F圖，然而，若受測者瞳孔31與接物鏡410具有左、右方向的橫向位移時，上述反射光將會在眼底影像的相對右方或左方形成強反光區域，如第5A圖因瞳孔31在中心偏右，致使強反光區域在左，或如第5B圖因瞳孔31在中心偏左，致使強反光區域在右。
而若受測者瞳孔31與接物鏡410具有上、下方向的縱向位移時，上述反射光將會在眼底影像的相對下方或上方形成強反光區域(如第5C圖及第5D圖)。
但若受測者瞳孔31與接物鏡410具有前、後方向的遠近位移時，上述反射光將會在眼底影像的外周側形成一較設定厚度寬大的反光區塊或是一較設定厚度窄小的反光區塊(如第5E圖及第5F圖)。
由前述說明可知，上述反射光區塊於對齊狀態時呈現一設定厚度範圍的第一環圈，而上述反射光區塊於偏移狀態時呈現一彎月形或是一異於上述第一環圈厚度範圍的第二環圈。
請參閱第6圖所示，於一較佳實施例中，本發明於顯像裝置42中之眼底影像左下角位置具有X軸、Y軸、Z軸定位資訊，上述X軸、Y軸定位資訊包含一座標軸、一偏移容許範圍以及一位置顯示點，而上述Z軸定位資訊包含一顯示文字及/或一顯示燈號。
於另一較佳實施例中，上顯像裝置42的Z軸定位資訊是透過上述位置顯示點的大小變化顯示。
請參閱第7圖所示，本發明另揭示一種眼科檢測儀器的三軸定位方法，其包含以下步驟：投射照明光線來照亮受測者的眼底；接收由受測者的眼角膜和水晶體之反射光以及眼底影像；依據眼角膜和水晶體之反射光的強度與位置，測得眼睛瞳孔與儀器的X、Y、Z三軸相對位置；以及依據三軸相對位置資訊調整眼睛瞳孔與儀器之位置，直到眼睛瞳孔與儀器的偏移量達到容許誤差範圍內。
於一較佳實施例中，請參閱第8圖及第9圖所示，上述X軸及Y軸相對位置檢測方法包含：將眼底影像依據中心點的水平線及垂直線分隔為第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限。
依據設定的第一及第二半徑分別於第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限位置界定出一第一區塊、第二區塊、第三區塊以及第四區塊；如圖所示，於此一實施例中，上述四象限之分隔是採用r1、r2與水平線、垂直線將眼底影像分成A、B、C、D四區。
以垂直線左、右兩側區塊之亮度總和相減取得X軸相對位置，另以水平線上、下兩端分別的亮度總和相減取得Y軸相對位置；其中，A區亮度和定義為La，B區亮度和定義為Lb，C區亮度和定義為Lc，而D區亮度和定義為Ld，又上述X軸相對位置=[(La+Ld)-(Lb+Lc)]/Sum，而上述Y軸相對位置=[(La+Lb)-(Lc+Ld)]/Sum，Sum=La+Ld+Lb+Lc。
顯示X軸、Y軸的相對位置，並判斷結果是否落入容許誤差範圍。
請參閱第10圖所示，於一可行實施例中，上述X軸、Y軸的容許誤差範圍判斷方式包含：將X軸、Y軸相對位置座標化形成一座標軸；於座標軸上設定一由偏移容許範圍構成的精準圈；依據X軸及Y軸的相對位置於座標軸上表示一位置顯示點；以及確認位置顯示點是否位於座標軸的精準圈內。
當上述顯示單元42於操作介面上顯示如第10圖紅點坐落在偏移容許範圍的精準圈內，即完成了X、Y兩軸的定位。
此外，請參閱第11圖所示，上述Z軸相對位置檢測方法包含：依據照明光線的門檻值，設定上述眼底影像外周於偏移容許範圍內的反射光圈厚度；於一可行實施例中，將光的門檻值設定為150灰階，則可在水平位置上取得大於門檻值厚度的T1、T2(如第9圖所示)拍攝取得實際眼底影像，並擷取實際眼底影像外周的實際反射光圈厚度。
判斷實際反射光圈厚度是否介於容許範圍的反射光圈厚度，並顯示判斷結果。
請參閱第12A圖至第12C圖所示，於一可行實施例中，上述Z軸的容許誤差範圍判斷方式包含：將Z軸相對位置數據化形成一顯示區塊。於顯示區塊上設定一由偏移容許範圍構成的顯示文字及/或顯示燈號。由顯示區塊直接表示Z軸是否位於偏移容許誤差內。
如圖示下方所表，上述顯示文字透過文義變化來顯示Z軸相對位置的遠近，於一可行實施例中，上述顯示文字可顯示出正確(RIGHT)、太近(TOO CLOSE)或太遠(TOO FAR)三者擇一之狀態提醒檢測者。而上述顯示燈號可透過燈號顏色變化來顯示Z軸相對位置的遠近。
請參閱第13A圖及第13B圖所示，於另一較佳實施例中，Z軸是否為位於偏移容許誤差內可直接使用上述顯示燈號直徑大小變化加以改變判斷。
綜上所述，檢測裝置中加入一純軟體設計的對位模組，由對位模組運算成像時的眼角膜和水晶體之反射光的強度、位置及區域大小，提供檢測者一三軸相對位置的輔助對位資訊，以判斷X、Y、Z軸是否精準定位，讓檢測者可依據顯示的對位資訊，調整眼睛瞳孔與儀器之間的相對位置，達到精準對位瞳孔之功效，藉使檢測裝置內部無須額外裝設一硬體裝置的定位光路系統，達到減少檢測儀器設計、製造及成品成本之功效。
以上所舉實施例，僅用為方便說明本發明並非加以限制，在不離本發明精神範疇，熟悉此一行業技藝人士依本發明申請專利範圍及發明說明所作之各種簡易變形與修飾，均仍應含括於以下申請專利範圍中。
10．．．眼睛
11．．．瞳孔
12．．．眼底
20．．．投射光源系統
200．．．攝像光源
201．．．監控光源
202、203．．．聚光鏡
204．．．分光鏡
205．．．環形狹縫板
206．．．中繼透鏡
21．．．光學攝像系統
210．．．接物鏡
211．．．穿孔鏡
212．．．顯影鏡
213．．．底片
214．．．轉向鏡
215．．．場鏡
216．．．反射鏡
217．．．中繼透鏡
218．．．顯像管
22．．．顯像監控系統
220．．．監控器
23．．．定位光路系統
230．．．半透鏡
231．．．中繼透鏡
232．．．反射鏡
233．．．導光件
234．．．光源
235．．．對焦鏡
30．．．眼睛
31．．．瞳孔
32．．．眼底
33．．．眼角膜
34．．．水晶體
40．．．照明光路
400．．．照明光源
401．．．聚光鏡
402．．．中繼透鏡
403．．．水晶體遮板
404．．．中繼透鏡
405．．．反射鏡
406．．．中繼透鏡
41．．．成像光路
410．．．接物鏡
411．．．穿孔鏡
412．．．聚焦鏡
42．．．顯像裝置
420．．．監控器
43．．．對位模組
第1圖係傳統檢測儀器檢測受測者瞳孔位置偏移之成像示意圖；
第2圖係傳統檢測儀器檢測受測者瞳孔位置正確之成像示意圖；
第3圖係傳統檢測儀器整體光路之結構示意圖；
第4圖係本發明眼科檢測儀器三軸定位裝置之結構示意圖；
第5圖、第5A圖至第5F圖係拍攝眼底影像於各種狀態之示意圖；
第6圖係採用本發明拍攝眼底影像具有三軸輔助定位資訊之示意圖；
第7圖係本發明眼科檢測儀器三軸定位方法之流程圖；
第8圖係本發明X軸及Y軸相對位置檢測之流程圖；
第9圖係本發明輔助定位模組運算反射光線強度及位置之示意圖；
第10圖係本發明採用座標方式顯示X、Y軸輔助資訊之示意圖；
第11圖係本發明Z軸相對位置檢測之流程圖；
第12A圖至第12C圖係本發明採用文字及燈號顯示Z軸輔助資訊之示意圖；以及
第13A圖至第13B圖係本發明採用燈號直徑大小變化顯示Z軸輔助資訊之示意圖。

Claims (13)

  1. 一種眼科檢測儀器的三軸定位裝置，包含：一照明光路，投射照明光線來照亮受測者眼睛的眼底；一成像光路，具有一接物鏡來接收受測者的眼角膜和水晶體之反射光及眼底影像；一顯像裝置，連接於上述成像光路，顯示上述眼底影像、眼角膜和水晶體之反射光；以及一對位模組，電性連接於上述顯像裝置，判斷上述眼底影像中眼角膜和水晶體之反射光的強度與位置，以取得受測者瞳孔與接物鏡的相對位置；其中，上述對位模組產生一輔助用的X軸定位資訊、Y軸定位資訊以及Z軸定位資訊顯示，並由上述顯像裝置顯示出三軸定位資訊顯示，供檢測者進行對齊調整。
  2. 如申請專利範圍第1項所述眼科檢測儀器的三軸定位裝置，其中，上述顯像裝置顯示的X軸、Y軸定位資訊包含一座標軸、一偏移容許範圍以及一位置顯示點。
  3. 如申請專利範圍第2項所述眼科檢測儀器的三軸定位裝置，其中，上述顯像裝置顯示的Z軸定位資訊是透過上述位置顯示點的直徑大小變化顯示。
  4. 如申請專利範圍第1項所述眼科檢測儀器的三軸定位裝置，其中，上述顯像裝置顯示的Z軸定位資訊包含一顯示文字及/或一顯示燈號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述眼科檢測儀器的三軸定位裝置，其中，上述瞳孔與接物鏡於對齊狀態時，上述眼角膜和水晶體之反射光呈現一設定厚度範圍的第一環圈，而上述瞳孔與接物鏡於偏移狀態時，上述眼角膜和水晶體之反射光呈現一彎月形或是一異於上述第一環圈厚度範圍的第二環圈。
  6. 一種眼科檢測儀器的三軸定位方法，包含以下步驟：投射照明光線來照亮受測者的眼底；接收由受測者的眼角膜和水晶體之反射光線以及眼底影像；依據眼角膜和水晶體之反射光的強度與位置，測得眼睛瞳孔與儀器的X、Y、Z三軸相對位置；以及依據三軸相對位置資訊調整眼睛瞳孔與儀器之位置，直到眼睛瞳孔與儀器的偏移量達到容許誤差範圍內。
  7. 如申請專利範圍第6項所述眼科檢測儀器的三軸定位方法，其中，上述X軸及Y軸相對位置檢測方法包含：將眼底影像依據中心點的水平線及垂直線分隔為第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限；依據設定的第一及第二半徑分別於第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限位置界定出一第一區塊、第二區塊、第三區塊以及第四區塊；以垂直線左、右兩側區塊之亮度總和相減取得X軸相對位置，另以水平線上、下兩端分別的亮度總和相減取得Y軸相對位置；以及顯示X軸、Y軸的相對位置，並判斷結果是否落入容許誤差範圍。
  8. 如申請專利範圍第7項所述眼科檢測儀器的三軸定位方法，其中，上述X軸、Y軸的容許誤差範圍判斷方式包含：將X軸、Y軸相對位置座標化形成一座標軸；於座標軸上設定一由偏移容許範圍構成的精準圈；依據X軸及Y軸的相對位置於上述座標軸上表示一位置顯示點；以及確認上述位置顯示點是否位於上述座標軸的精準圈內。
  9. 如申請專利範圍第6項所述眼科檢測儀器的三軸定位方法，其中，上述Z軸相對位置檢測方法包含：依據照明光線的門檻值，設定上述眼底影像外周於偏移容許範圍內的反射光圈厚度；拍攝取得實際眼底影像，並擷取實際眼底影像外周的實際反射光圈厚度；以及判斷實際反射光圈厚度是否介於容許範圍的反射光圈厚度，並顯示判斷結果。
  10. 如申請專利範圍第9項所述眼科檢測儀器的三軸定位方法，其中，上述Z軸的容許誤差範圍判斷方式包含：將Z軸相對位置數據化形成一顯示區塊；於顯示區塊上設定一由偏移容許範圍構成的顯示文字及/或顯示燈號；以及由顯示區塊直接表示Z軸是否位於偏移容許誤差內。
  11. 如申請專利範圍第10項所述眼科檢測儀器的三軸定位方法，其中，上述顯示文字透過文義變化來顯示Z軸相對位置的遠近。
  12. 如申請專利範圍第10項所述眼科檢測儀器的三軸定位方法，其中，上述顯示燈號透過燈號顏色變化來顯示Z軸相對位置的遠近。
  13. 如申請專利範圍第10項所述眼科檢測儀器的三軸定位方法，其中，上述顯示燈號透過燈號直徑大小變化來顯示Z軸相對位置的遠近。
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