基於影像分析建立手持式角膜地形儀系統之研究

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研究生：	張維勳 Wei-Hsun Chang
論文名稱：	基於影像分析建立手持式角膜地形儀系統之研究 Study of Handheld Corneal Topographer by Image Analysis Method
指導教授：	張榮森
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 光電科學與工程學系 Department of Optics and Photonics
論文出版年：	2019
畢業學年度：	107
語文別：	中文
論文頁數：	54
中文關鍵詞：	角膜地形儀
外文關鍵詞：	Placido disc
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本研究主要目的為設計一款輕型的眼角膜表面曲率檢測系統，透過光學檢測與軟體運算，得知眼角膜表面的曲率變化。此系統包含前段特殊照明燈罩、相機，及後段電腦與MATLAB。
本研究設計之角膜地形儀主要是使用Placido disc非等間距同心圓照明投影並拍攝影像，搭配MATLAB軟體運算得出計算結果，以同心圓紋路投影於角膜，並透過成像鏡頭由CMOS Sensor觀察紋路投影於角膜的狀態，藉由分析影像紋路的密度得知角膜各處的曲率分佈。透過特定形狀的照明燈罩以及簡化的光源優化元件，結合適當成像鏡頭以及感測元件取得影像，藉由軟體模擬以及演算設計，製成手持式角膜地形儀，改善目前角膜地形儀體積大，設備成本高的缺點。
目前市面體積最小的角膜地形儀以手持測試模組連接電腦呈現，手持部分尺寸約為25x12x12cm、3600cm³，而本研究鏡頭尺寸為9x6.5x6.5cm、主機為20x9x4cm，總體積約1100cm³，為市售產品體積的30%，而跟一般桌上型角膜地形儀(30x30x50cm)相比更是只有3%的體積，更加適合攜帶及手持使用。初步模擬驗證辨識精度為±0.5D，
距離±0.1D的目標尚有一段距離。

The main purpose of this paper is to design a lightweight corneal surface curvature detection system to detect the curvature change of the corneal surface through optical detection and software calculation. The system includes a special lighting cover, camera, and computer with MATLAB.
The corneal topographer designed in this paper uses Placido disc illumination to project and record images, and uses MATLAB software to calculation the results. The concentric circle is projected onto the cornea, The pixel projection state of the CMOS sensor on the cornea is observed through an imaging lens. By analyzing the density of the image texture, that we can know the curvature distribution of the entire cornea.
Use the simplified design illumination, lens modules, and calculation. A cheaper, effective, handheld corneal topographer will be achieve.
Special design make the size is 30% of similar products. And 3% of general products.

目錄
中文摘要    i
Abstract    iii
致謝    iv
圖目錄    viii
表目錄    x
第一章    緒論    1
1-1 研究背景    1
1-2 研究目的及貢獻    2
1-3 文獻回顧    3
1-3.1 角膜地形儀簡介    3
1-3.2 觀察角膜表面的演進    4
1-3.3 角膜地形儀的演進    4
1-3.4 代表產品    6
1-4 論文架構    7
第二章 研究方法    8
2-1 認識角膜    8
2-1.1 角膜簡介    8
2-1.2 角膜散光    9
2-1.3 角膜散光與全眼散光的關係    9
2-2    照明設計原理    10
2-2.1 費馬原理    10
2-2.2 反射定律與折射定律    10
2-3    影像處理    11
2-3.1    數位影像的構成    11
2-3.2    影像處理步驟    12
第三章 系統模擬設計與曲率模擬    14
3-1 Placido disc燈罩設計    14
3-1.1燈罩形狀設計    14
3-1.2 LED 透鏡設計    16
3-1.3 燈罩與眼睛定位設計    18
3-2 曲率計算方式    19
3-2.1 由模擬建立曲率資料庫    19
3-2.2 影像前處理    22
3-3 分析及顯示    23
3-3.1分析方式    23
3-3.2結果顯示    24
3-4 以模擬驗證演算法    28


第四章 角膜地形儀設計驗證與量測結果    30
4-1 實驗架設    30
4-1.1 硬體介紹    30
4-1.2 實驗步驟    31
4-2 光害法規及測試結果    31
4-2.1 光害法規    31
4-2.2 光害測試結果    33
4-3驗證硬體設計    33
4-3.1 驗證工作距離及角膜覆蓋範圍    33
4-3.2 驗證LED Lens效果    35
4-3.3 驗證光纖定位點效果    35
4-4 程式運算分析結果    36
4-4.1 標準鋼珠拍攝及運算    37
4-4.2 人眼拍攝及運算    38
4-5 以標準鋼珠分析位移誤差    39
第五章 研究結論與未來展望    42
參考文獻    43
                                

參考文獻
[1] 褚仁遠、謝培英，「現代角膜塑形學」，北京大學醫學出版社授權-宏欣文化事業有限公司出版,2008年。
[2] 王寧利、汪東生，「眼科設備原理與應用」，人民衛生出版社，2010年。
[3] HIS 國際標準協會，ISO-15004-2。
[4] 劉震昌，「數位影像處理」，新加坡商聖智學習亞洲司然有限公司台灣分公司，2010年。
[5] Linkedin Corporation，LinkedIn SlideShare網路開放資源平台，https://www.slideshare.net/。
[6]晉弘科技，MiiS官方網站，http://www.miis.com.tw/tw/。

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