Ch.9 Optical Instruments 光學儀器

一、本章重點與術語（Highlights／Glossary）

Highlights

• 協助驗光與地形量測的光學儀器包括 lensmeter（鏡片驗度儀）、autorefractor（自動驗光儀）、keratometer（角膜弧度儀）、corneal topographer（角膜地形儀）與 wavefront aberrometer（波前像差儀）。p.301
• Slit-lamp biomicroscope（裂隙燈生物顯微鏡）與 ophthalmoscope（眼底鏡）是日常臨床的重要儀器；裂隙燈藉多種附件與輔助鏡片，可對前段與後段進行多種檢查（包括 applanation tonometry（壓平式眼壓測量））。p.301
• Scanning laser ophthalmoscopy（掃描雷射檢眼鏡）與 optical coherence tomography（光學同調斷層掃描）的技術進展，特別是 adaptive optics（適應性光學）的發展，使眼部解剖構造能被更細緻地描繪。p.301

Glossary（術語）

• Adaptive optics（AO，適應性光學）：眼底成像時，補償眼介質（特別是角膜與水晶體）的缺陷（光學像差）所造成之不規則（wavefront distortions，波前扭曲）的技術。p.301
• Autorefractor：利用自視網膜反射回來的光源，顯示眼睛屈光特性的自動系統。p.301
• Corneal topography system（角膜地形系統）：產生角膜表面詳細地圖的自動系統；最有用於評估角膜散光、屈光手術術前評估、角膜移植術後評估，以及已知或疑似 keratoconus（圓錐角膜）病人的評估。p.301
• Direct ophthalmoscope（直接眼底鏡）：手持儀器，用來檢查後段（以病人眼睛的光學當作 simple magnifier（簡單放大鏡））及評估 red reflex（紅反射）。p.301
• Indirect ophthalmoscope（間接眼底鏡）：戴在頭上的裝置，配合手持診斷用 condensing lens（集光鏡）檢查後段。p.301
• Instrument myopia（儀器性近視）：人看向儀器時，眼睛傾向調節的現象。p.301
• Keratometer：藉測定中央角膜前表面的曲率來估計角膜屈光力；典型用於配隱形眼鏡，以及診斷 keratoconus 等疾病。p.302
• Lensmeter：量眼鏡或隱形眼鏡度數的裝置。p.302
• Optical coherence tomography（OCT）：以 low-coherence interferometry（低同調干涉）為基礎，利用寬頻或可調式同調光的干涉，提供視網膜或角膜高解析度橫切面影像的系統。p.302
• Ray-deflection principle（光線偏折原理）：autorefractor 與 aberrometer 用來推得屈光不正的方法；固定光源「flood（灌滿）」照射眼睛，自眼睛出射的光再被分成多道光束，比較每道光束的偏折與其理想參考位置。p.302
• Scanning laser ophthalmoscope（SLO）：兼具 ophthalmoscope 與 fundus camera（眼底攝影機）的功能，但所需光量明顯少於傳統 flood-illumination（泛光照明）系統，原因是使用高度集中、快速掃過視網膜、一次只照亮一小點的雷射光束。p.302
• Scheimpflug camera：基於 Scheimpflug principle、拍攝前段的裝置；相機垂直於照明光源（例如照在角膜上的裂隙光）旋轉，此配置校正角膜的非平面形狀，因而得到無變形的橫切面。p.302
• Scheiner principle：以置於眼前的雙針孔孔徑偵測屈光不正；經此孔徑，正視眼對遠處點光源在視網膜上形成單點像，ametropic eye（非正視眼）在視網膜上形成雙像。p.302
• Slit-lamp biomicroscope：立體顯微鏡與可調裂隙照明器裝在共同樞軸上，通稱 slit lamp；可用各種照明放大檢查眼睛，主要用於前段檢查；多種附件（例如檢查視網膜用的輔助鏡片）使其用途超出這些檢查技巧。p.302
• Specular microscope（鏡面顯微鏡）：觀察並評估角膜內皮的裝置；contact specular microscopy 的放大倍率高於裂隙燈生物顯微鏡，可呈現細胞形態並計算內皮細胞密度。p.302
• Tonometer（眼壓計）：量眼壓的裝置；Goldmann applanation tonometry 以裂隙燈附件進行，由壓平角膜上直徑 3.06 mm 圓形區域所需的力推得眼壓。p.302

二、Lensmeter（鏡片驗度儀）

Manual lensmeter（手動式）

• Lensmeter 量眼鏡或隱形眼鏡的度數：使用一個固定鏡片，放在距 nose cone（鼻錐）尖端 spectacle plane（眼鏡平面）一個焦距處，使眼鏡平面上產生的 vergence（聚散度）與標靶的移動呈線性關係⁠^Q241。p.303
• 發光標靶被移動，改變 nose cone 尖端的 vergence，直到標靶對焦在望遠鏡的 reticle（分劃板）上；只有平行光（zero vergence）進入望遠鏡時標靶才對焦，表示「未知」鏡片恰好中和自 nose cone 出射的 vergence。p.303
• 鏡片度數由 dioptric scale（屈光度刻度）讀出，此刻度值與自 nose cone 出射的度數相反。p.303
• 加入望遠鏡有助偵測 zero vergence：望遠鏡把 vergence 放大為望遠鏡功率的平方，使檢查者能偵測極小的偏離 zero vergence，而不致讓檢查者未矯正的屈光不正造成顯著測量誤差⁠^Q1665。p.303–304
• （Fig 9-1 圖說）中和時光線自眼鏡鏡片以 zero vergence（collimated，準直）出射，觀察者看到清晰的標靶；望遠鏡提高量測精確度，並減少觀察者調節或屈光不正的影響。p.303
• 為求最佳準確度，可事先調整目鏡、對焦在望遠鏡內部的 reticle，消除檢查者屈光不正的殘留影響。p.304
• Lensmeter 無法量鏡片的 true power（真實屈光力），因為那需要從鏡片的 principal planes（主平面）而非鏡片表面量起。p.304
• 量遠用度數：眼鏡放在 nose cone 上、鏡腳轉離檢查者，使 nose cone 貼著鏡片後表面，因為眼鏡鏡片以 back vertex power（後頂點屈光力，即後焦距的倒數）標示⁠^Q1665。p.304

柱鏡與稜鏡

• 標靶通常有一組線條（例如 American cross-line target（美式十字線標靶）），可讓觀察者判斷鏡片是否有柱鏡度數。p.304
• 量柱鏡：十字線標靶先旋轉並前後移動，直到一組線清晰；再前後移動，直到與之垂直的另一組線清晰；兩次標靶設定的差 = 柱鏡度數；柱鏡軸由標示十字線標靶方向（度數）的刻度讀出。p.305
• （Fig 9-2A 圖說）經 axis wheel（軸向轉輪）旋轉標靶，使線條連續、不呈「斷開」；連續的線表示柱鏡軸正確。p.304
• 稜鏡：鏡片無稜鏡時，十字標靶中心出現在 reticule 中心；若線的交點偏離中心，且須把鏡片移離病人正常注視位置才能重新置中，表示鏡片有稜鏡。p.305
• 交點水平偏移 = 有水平稜鏡；垂直偏移 = 有垂直稜鏡，偏移方向即稜鏡基底方向；Fig 9-2B 標靶線自中心向上偏移，即有 base-up（基底朝上）垂直稜鏡⁠^Q1665。p.304–305

量 reading add（近用加入度）

• 量 reading add 時，檢查者把眼鏡鏡腳轉向檢查者放在 nose cone 上，使眼鏡前面靠在 nose cone；先量遠用部分的 front vertex power（前頂點屈光力），再量近用部分的 front vertex power，兩者的度數差即 reading-add 度數⁠^Q1665。p.305
• 遠用部分的 front vertex power 在 high-plus（高正度數）鏡片會與 back vertex power 顯著不同；遠用鏡片不是強正度數時，兩種量法通常沒有或只有很小的臨床顯著差異。p.305

Automatic lensmeter（自動式）

• 原理不同於手動式：不中和未知鏡片，而是量光線通過鏡片各部位時的偏折（類似自動驗光儀），計算鏡片度數與稜鏡效應。p.305

三、Autorefractor 與 Scheiner principle

• Autorefractor 經 beam splitter（分光鏡）把近紅外或紅外光投入眼內，運用多種光學原理，由測得的眼底反射光顯示眼睛的屈光特性⁠^Q241。p.305
• 現代 autorefractor（包括 automated lensmeter）與 aberrometer 所用的大部分光學原理，由 Christopher Scheiner 於近 400 年前奠定：他以打了 2 個針孔的不透明圓盤（Scheiner disk）證明眼睛的球面誤差可以被量測⁠^{Q213 Q232}。p.305
• Scheiner principle：看小而遠的光源時，正視眼不論眼前有無雙針孔都看到單一光點；近視或遠視眼在放上雙針孔時看到 2 個分開的光點。p.305
• 以近視眼為例，雙針孔產生的 2 束光聚焦在玻璃體內、交叉後在視網膜上形成 2 個分開光點；遠視眼的 2 束光聚焦在視網膜後方，同樣在視網膜上留下 2 個光點。p.305–306
• 可在眼前放置不同鏡片，或沿軸向移動點光源，直到視網膜上得到單一光點，以此驗光⁠^Q241。p.306
• 此原理的改良客觀形式至今仍用於多數 autorefractor：例如某些儀器以 2 個成像於瞳孔平面的 LED（發光二極體）取代針孔，由在相機上得到單一影像所需的 LED 軸向位置決定病人的屈光不正；可在不同子午線重複，以求得屈光不正的散光成分⁠^{Q241 Q258}。p.306
• （Fig 9-3 圖說）置於瞳孔前的雙針孔分出 2 小束光；與視網膜不共軛的物體看起來成雙。p.306
• 許多近期儀器以固定光源「flood」眼睛，再把自眼出射的光分成多道光束（例如經 Hartmann screen——本質上是多孔的 Scheiner disk——或 Shack 所描述的 multilenslet array（多微透鏡陣列）），量出射光線相對理想參考位置的偏折以推得屈光不正，常稱 ray-deflection principle。p.306
• Ray-deflection principle 不只能量球柱面誤差；若像 aberrometer 那樣分析瞳孔的多個部位，也能量 higher-order aberrations（高階像差）。p.306
• Autorefractor 的主要困難來自人為因素：固視不良與調節波動，包括 instrument myopia（看向儀器時傾向調節）；已發展多種 fogging（霧視）與自動追蹤方法克服調節波動，有部分成效。p.306

四、Keratometer（角膜弧度儀）

• Keratometer 藉測定中央角膜前表面的曲率來估計角膜屈光力：量反射 mire（標記圖案）在各 principal meridian（主子午線）上的影像大小，做法是在由對焦清晰度調控的距離下，對齊經稜鏡加倍的影像。p.307
• 影像加倍（產生兩個錯開的影像）是為了避免不自主眼動造成的問題與誤差。p.307
• （Fig 9-4 圖說）量測的是直徑約 3 mm 的角膜環帶（annulus）的曲率；由檢查者對齊稜鏡加倍的影像完成。p.307
• 對齊加倍 mire 影像有 2 種基本方法：Javal-Schiotz keratometer（Haag-Streit USA）為影像加倍固定、mire 間距可調；Bausch + Lomb keratometer 為mire 位置固定、影像加倍可調（Fig 9-4 圖說：前者為 fixed-image doubling device，後者為 variable-image doubling device、mire 尺寸固定）。p.307–308
• 由算出的曲率半徑，以 surface power（表面屈光力）公式 D = (n − 1)/r 推得角膜屈光力（D 為屈光度，r 為角膜曲率半徑，單位公尺）。p.307–308
• 實務上把角膜後表面小的屈光效應（負度數）的校正併入角膜折射率，得到「keratometric（角膜計）」折射率 n = 1.3375；Fig 9-4 圖說稱其為經驗推得、已把角膜後表面負度數考慮在內的「標準化」角膜折射率⁠^Q246。p.307–308
• 一般角膜地形儀與 keratometer 不評估角膜後表面，而是假設前後表面有固定關係，以 keratometric index 1.3375 取代角膜的實際折射率 1.376⁠^Q246。BCSC 3 p.288

章末 Exercise（p.331–333）

• Exercise 9.2 解說：keratometer 量中央角膜的曲率半徑並假設角膜為 convex mirror（凸面鏡），再以 D = (n − 1)/r 把曲率半徑換算為近似屈光力（r 為反射角膜的曲率半徑，n 為 keratometric index 1.3375）；此題列出「直接量角膜屈光力」為不符合 keratometer 運作方式的敘述。p.331–332
• Exercise 9.3 解說（近視雷射屈光手術後，以 manual keratometer 決定人工水晶體（IOL）計算所用角膜屈光力的誤差）：1.3375 是為補償 keratometer 量不到的負度數角膜後表面而算出；近視 keratorefractive surgery 主要使前表面變平，故假設的折射率不再正確（選項敘述：前後表面的假設關係不再準確）。p.332
• Exercise 9.3 解說（第二個問題）：近視 keratorefractive surgery 術後，角膜最中央通常比 manual keratometer 所量的環帶（約 3 mm）變平得多；兩種誤差都會高估角膜屈光力，若計算時未校正，術後結果會偏 hyperopic（遠視）。p.333

五、Corneal topography（角膜地形）

• 不同於 keratometry 儀器，角膜地形儀產生整個角膜表面的詳細地圖。p.308
• 角膜地形原本只分析角膜前表面，主要技術以 Placido-disk principle 為基礎；電腦化 Placido 地形儀評估由同心發光環構成之圓形 mire 的反射。p.308
• 理想的球面角膜會產生環距相等的 Placido 影像；較陡的角膜環距較近、較平的角膜環距較遠。地形儀藉量環間距估計角膜高度，以多種角膜表面地圖提供量化資訊（例如 axial curvature、tangential curvature、elevation）。p.308–309
• （Fig 9-6B 圖說）keratoconus 角膜上的 mire 扭曲。p.308
• Axial map（軸向圖）：假設所有光線（經角膜前表面）折射到光軸上同一焦點而計算，提供角膜前表面曲率的 global（整體）呈現。p.309
• Tangential map（切線圖）：基於並非所有折射光線都聚焦在中央參考軸上而計算，提供前表面曲率的 local（局部）呈現，資料平滑化比 axial map 少。p.309
• 技術進展使角膜前、後表面都能被描述：這些替代技術其實以 tomography（斷層）為基礎（因此也適用於 corneal pachymetry（角膜厚度測量）），由攝影取得的角膜橫切面做 elevation 量測，得出地形資訊。p.309
• 做法是投射掃描角膜的裂隙光，並使用 stereo-triangulation（立體三角測量）方法（slit-scanning technique），或使用垂直於裂隙光旋轉、拍攝被照亮之角膜橫切面的相機；後者即 Scheimpflug camera，可校正角膜的非平面形狀，達到無變形成像，建立 3D 地圖時更準確。p.309

六、Wavefront aberrometer（波前像差儀）

• 角膜地形可量不規則角膜表面的形狀，但無法量整個水晶體–角膜光學系統的實際屈光地形。p.309
• Wavefront aberrometer 本質上是 ray-deflection autorefractor，其原型為 Scheiner disk；autorefractor 量光線通過瞳孔少數幾個位置的偏折（足以決定球柱面誤差），aberrometer 則量通過瞳孔許多位置的光線偏折。p.309
• 眼科應用中最普遍採用的 wavefront aberrometry 方法為 Hartmann-Shack aberrometry，1994 年由 Josef Bille 等人首次展示。p.309
• Wavefront（波前）代表波峰，即某一時刻波為最大值的位置；一般而言 wavefront 垂直於光線方向，連接光束中（來自同一光源、以相同速度行進的）各點。p.309
• （Fig 9-7 圖說）以水波說明：A 為完美、規則的 wavefront；B 為原本規則、被漂浮樹枝扭曲而成的不規則 wavefront。p.310
• Hartmann-Shack wavefront sensor 由 microlenslet array（微透鏡陣列）與 charge-coupled device（CCD）camera 組成；microlenslet array 是微小鏡片構成的格陣，可想成像昆蟲眼一樣的多面鏡，物體經它成像會得到排成陣列的多個相同影像⁠^Q1764。p.309
• Aberrometry 中，自眼反射出的光被 microlenslet array 分成多道光束，在 CCD 上形成同一個視網膜光點的多個影像。p.311
• 理想眼產生完美的出射 wavefront → 規則排列的光點影像，每個都落在各 facet（小鏡面）光學中心所形成的格點上；有像差的眼產生不規則 wavefront → 不規則排列的光點影像，偏離原本應落的格點位置。p.311
• 由每個光點的位移重建 wavefront 形狀，以 2D wavefront map（波前圖）呈現⁠^Q1764。p.311

七、Slit-lamp biomicroscope（裂隙燈生物顯微鏡）與檢查技巧

照明系統與觀看系統

• 如同許多眼科儀器，宜把裂隙燈的照明系統與觀看系統分開考量。p.312
• 照明系統：由可調光圈限制的光源，發出高度、寬度與方向可變的裂隙光，產生穿過眼睛的 optical section（光學切面）。p.312
• 觀看系統：雙眼立體顯微鏡，各目鏡可個別對焦。p.312
• 觀看系統改變放大率的方式之一是 Galilean magnification changer（可旋轉、裝有正負鏡片的鼓輪）：minus–plus 鏡片組合朝前（負鏡朝向檢查者）形成 Galilean telescope，提供較高放大；朝後（正鏡朝向檢查者）形成 reverse Galilean telescope，提供較低放大⁠^Q289。p.312
• 其他改變放大率的方式：2 組目鏡或物鏡，或前後移動鏡片的 zoom 系統。p.312
• Galilean telescope 由低度數正鏡（物鏡）與高度數負鏡（目鏡）組成，成正立像；Keplerian telescope 由低度數正物鏡與高度數正目鏡組成，成倒立像，鏡內加稜鏡可得正立像，多數雙筒望遠鏡為加倒像稜鏡的 Keplerian telescope⁠^Q289。BCSC 3 p.102
• 照明系統與觀看系統（含其各種放大方式）裝在不同的臂上；一般使用時兩臂繞同一垂直軸旋轉，呈 parfocal（同焦）配置，兩者都精確對焦在共同樞軸點上，讓檢查者以 direct illumination（直接照明）檢查眼睛。p.312
• 刻意讓照明臂與觀看臂脫離耦合對位，以水平及／或垂直方式偏移光束，可做 indirect illumination（間接照明）。p.312–313

檢查技巧（Fig 9-12）

• Direct focal illumination（直接焦點照明）：最常用的檢查技巧，檢查者對焦在裂隙直接照亮的區域。p.313
• Retroillumination（後照法）：光束可偏移，例如照在虹膜上而檢查者對焦於角膜，可看到被虹膜反射光照亮、襯在黑色瞳孔前的角膜混濁（iris retroillumination）；另一例是讓光束照過瞳孔邊緣，可觀察被眼底反射光逆照的角膜、虹膜、水晶體混濁（fundus retroillumination）。p.313
• Sclerotic scatter（鞏膜散射法）：裂隙光偏移照在鞏膜與角膜交界處，使光像光纖導光管一樣全內反射；光因此在角膜內走最長的可能路徑，使雲霧狀（nebular）混濁在暗瞳孔背景下更明顯。p.313
• Specular reflection（鏡面反射法）：在高倍下直接看裂隙光的明亮反射，檢查者可觀察角膜表面的不規則並看到內皮細胞排列；此即 specular microscopy 的原理。p.313
• 裂隙燈有多種附件，使其用途超出上述檢查技巧（見以下各節）。p.313

章末 Exercise（p.331–332）

• Exercise 9.1 解說：一般裂隙燈下，個別內皮細胞的輪廓以高倍觀看窄裂隙光的 specular reflection 最能看清；具 contact optical system（接觸式光學系統）以減少表面反射的 specular microscope 可看較寬的視野。p.332

八、Applanation tonometry（壓平式眼壓測量）

• Goldmann applanation tonometry 以裂隙燈附件進行，由壓平角膜上直徑 3.06 mm 圓形區域所需的力推得 IOP（眼壓）⁠^Q241。p.313
• 依據 Newton 第三運動定律：眼球內的壓力（單位面積的力）等於施於其表面的力除以接觸面積；此假設眼球為無限薄壁、完全彈性且乾燥，但三者都不成立。p.313
• 因此產生兩個干擾力：(1) corneal rigidity（角膜硬度）產生的力（因眼球並非無限薄壁或完全彈性），方向遠離眼球；(2) 淚膜 surface tension（表面張力）產生的力（因眼睛並不乾燥），方向朝向眼球⁠^Q1664。p.313
• Hans Goldmann 經驗上發現：施加足夠的力，壓出直徑 3.06 mm 的圓形壓平區時，角膜硬度與表面張力造成的相反力互相抵銷，便可由施加的力推得眼壓⁠^Q1664。p.313
• （Fig 9-13 圖說）選擇 3.06 mm 是為了約略平衡淚膜表面張力與角膜硬度⁠^Q1664。p.315
• 壓平頭貼在病人角膜上形成淚膜 meniscus（新月面）；頭內的 split-field prisms（分視野稜鏡）把放大的淚膜 meniscus 影像分成 2 半（類似 keratometry 的影像加倍），兩者錯開恰好 3.06 mm。p.313–314
• 淚膜常以 fluorescein（螢光素）染色、在 cobalt blue（鈷藍）光下觀察，以增加黃綠色淚環的可見度。p.314
• 檢查者調整壓平壓力，直到兩個半圓的內緣剛好相觸；此時圓直徑恰為 3.06 mm，眼壓計讀數乘以 10（因以 dynes 為力的單位）即為以 mm Hg 表示的 IOP。p.314
• （Fig 9-13 圖說）壓平面積小於 3.06 mm：半圓內臂仍分開一段距離；大於 3.06 mm：內臂重疊；恰為 3.06 mm：內臂剛好相觸，為量測眼壓的終點。p.315
• 數個因素，特別是 central corneal thickness（中央角膜厚度），可大幅影響 applanation tonometry 的準確度：中央厚度較小或較大的角膜，可分別造成假性偏低或偏高的 IOP 讀數⁠^Q1664。p.314

九、Surgical microscope 與 Specular microscopy

Surgical microscope（手術顯微鏡）

• 手術顯微鏡的原理與裂隙燈相似；不同處是其照明光源不是裂隙狀，且工作距離較長，以符合眼科手術的特定需求。p.314
• 照明雖稱「coaxial（同軸）」，技術上是 paraxial（旁軸），因為現代手術顯微鏡的觀看孔與照明路徑是分開的（Fig 9-14）。p.314–315
• 工作距離可由物鏡的選擇決定，但一旦選定就不易調整。p.315
• 特別是較矮的術者（手術台底部到目鏡的距離可能超過其腰部到眼睛的距離），可能難以「舒適」地操作手術顯微鏡；坐直在凳子邊緣、讓大腿向下傾斜，可能是補償的方法之一。p.315

Specular microscopy（鏡面顯微術）

• 檢查內皮細胞的方式，利用內皮細胞與房水交界面的 specular（鏡面般）反射；可用接觸或非接觸方式進行⁠^Q241。p.315
• 兩種方式的儀器都設計成分開照明路徑與觀看路徑，使角膜前表面的反射不會遮蓋內皮細胞表面產生的微弱反射。p.316
• 裂隙燈也可看內皮細胞：照明軸與觀看軸對稱地分在角膜法線兩側（Fig 9-12D）；必須使用窄的照明裂隙，因此視野窄；使用高倍目鏡或最大放大設定可能有助看清內皮細胞輪廓。p.316
• Contact specular microscopy 的放大倍率高於裂隙燈，使細胞細節與內皮異常更易辨識，並可計數細胞及研究形態。p.316

十、裂隙燈檢查視網膜用的輔助鏡片

• 角膜與水晶體合起來提供很大的會聚力，平常無法用裂隙燈看到視網膜；裂隙燈最多約可看到從水晶體往視網膜一半的距離，通常不超過三分之一。p.316
• 可在眼前放置輔助鏡片克服此問題（常用鏡片見 Table 9-1）。p.316

Goldmann 3-mirror contact lens（三面鏡）

• Goldmann 3-mirror contact gonioscopy lens 是廣泛用於裂隙燈的特殊觀察鏡：度數約 −64.00 D，基本上抵銷眼睛的屈光力（眼睛本身約有 +60.00 D），提供後極部的正立（upright）影像⁠^Q213。p.316
• 接觸鏡內的鏡面可看眼睛較周邊與較不周邊的部位，甚至前房角（gonioscopy，前房角鏡檢查）。p.316
• 主要缺點是視野有限，需旋轉鏡片才能看到眼底一小塊以外的範圍；各鏡面中的影像左右相反。p.316
• （Fig 9-16 圖說）平面前表面的接觸鏡基本上抵銷眼睛屈光力，提供後極部（圖中 1）的正立影像；內部不同角度的鏡面提供視網膜不同部位（圖中 2 = equator（赤道部）、3 = anterior retina（前部視網膜））與前房角（圖中 4）的另一種（inverted，倒轉）影像。p.317

其他接觸鏡與手持非接觸鏡

• 其他裂隙燈用眼底接觸鏡（Volk、Ocular Instruments 等廠牌）：看中央眼底者如 Area Centralis（Volk）、Mainster Focal Grid（Ocular Instruments）；提供周邊廣角視網膜影像者如 QuadrAspheric、TransEquator（Volk）與 Mainster PRP 165、Mainster Wide Field（Ocular Instruments）。p.317
• 在眼前手持高度數正鏡（例如 60.00 D、78.00 D 或 90.00 D 眼底鏡片），產生視網膜的倒立 aerial image（空中像），以類似 indirect ophthalmoscopy 的方式用裂隙燈觀看。p.317
• （Fig 9-17 圖說）此倒立 aerial image 位於裂隙燈生物顯微鏡的對焦範圍內。p.318

Table 9-1 裂隙燈檢查視網膜用的輔助鏡片

出處 Table 9-1 p.317

十一、Direct ophthalmoscope（直接眼底鏡）

觀看路徑與共軛

• 直接眼底鏡檢查時，檢查者以病人眼睛的光學當作 simple magnifier 來看視網膜。p.317
• 若檢查者與病人都是正視眼且都不調節：自病人視網膜一點發出的光線平行出射（zero vergence），穿過直接眼底鏡空的窺孔，再聚焦在檢查者的視網膜上；因此檢查者的視網膜與病人的視網膜共軛。p.317

照明路徑與所見影像

• 照明路徑：直接眼底鏡內有一面反射鏡，把光反射入病人眼內；照明光幾乎與檢查者的視線同軸（almost coaxial）。p.318
• 觀看路徑：檢查者在未放鏡片時經窺孔觀看，視線恰好通過該反射鏡的邊緣（或鏡上的孔）；所見為正立（upright）、虛像（virtual）、放大的視網膜影像⁠^Q266。p.318

放大率與視野

• 正視眼的光學約 +60.00 D，依 simple magnifier 公式 Mag = D/4，放大率為 60/4 = 15×：病人視網膜看起來比把視網膜取出眼外、放在 25 cm 處時大 15 倍（Fig 9-18）⁠^Q266。p.318
• 直接眼底鏡只看到小視野（約 7°）：即使檢查者盡量靠近病人，來自病人周邊視網膜的周邊光線無法進入檢查者瞳孔，因而無法被捕捉（Fig 9-19）⁠^Q266。p.318

屈光不正的補償

• 病人或檢查者有未矯正的球面屈光不正時，可把一系列輔助鏡片轉入直接眼底鏡的光路加以補償。p.319
• 病人眼為近視：轉入負鏡以抵銷病人眼內多出的正度數「error lens（誤差鏡片）」；這 2 個鏡片形成 Galilean telescope 效應，放大率增加、視野縮小。p.319
• 病人眼為遠視：病人眼內負度數的 error lens 與直接眼底鏡的正鏡形成 reverse Galilean telescope，視網膜的放大率小於 15×⁠^Q266。p.319
• 散瞳下以直接眼底鏡看眼底的清晰程度，在術前評估白內障的光學嚴重度上也有重要用途。p.319

章末 Exercise（p.332–333）

• Exercise 9.5 解說：直接眼底鏡下，視盤在近視眼看起來比在遠視眼或正常眼大（原文強調是較大、不是較小），理由即病人近視時的 Galilean telescope 效應與遠視時的 reverse Galilean telescope 效應⁠^Q266。p.333

十二、Indirect ophthalmoscope（間接眼底鏡）與放大率

視野

• Indirect ophthalmoscopy 使用眼科「condensing（集光）」鏡片，捕捉直接眼底鏡會失去的周邊光線並帶進檢查者瞳孔，以增加視野；例如一般 20.00 D 集光鏡約 25°（Fig 9-20）。p.319

觀看路徑：aerial image 與三個共軛面

• 假設病人眼為正視：自病人視網膜一點發出的光線以 zero vergence 出眼，被集光鏡收集並聚焦成 intermediate aerial image（中間空中像），即病人視網膜在空間中的像。p.319
• 20.00 D 集光鏡時，此像位於距鏡片 1/20 m 處（靠檢查者一側）；檢查者看到的是病人視網膜光學上真實（real）、倒立的像，看起來比 20.00 D 鏡片更靠近檢查者眼睛 5 cm⁠^Q221。p.319
• （Fig 9-21 圖說）病人為正視時，aerial image 形成於集光鏡的焦平面；一般 20.00 D 集光鏡時位於距鏡片 1/20 m = 0.05 m = 5 cm 處。p.320
• 檢查者看著此 aerial image 時，影像聚焦在檢查者視網膜上；因此病人視網膜、aerial image、檢查者視網膜三者彼此共軛。p.319

照明路徑：faceplate 與角膜共軛

• 同樣重要的共軛面是病人角膜與間接眼底鏡的 faceplate（面板）。集光鏡除形成 aerial image 外，主要目的是使 faceplate 與病人角膜共軛，讓明亮的照明光通過角膜的位置，與檢查者瞳孔觀看的位置錯開，以免角膜把光反射回檢查者眼中⁠^Q241。p.319–320
• 理由：角膜反射約 2% 的光，而所觀察的視網膜像只有 0.1% 的光；只要有角膜反射光進入觀察路徑，就看不到視網膜。故以集光鏡把 faceplate 成像在角膜上，使照明光路與觀察路徑分開，才能看到視網膜的 aerial image。p.320

觀看路徑：虛擬針孔

• 觀察者瞳孔在角膜平面上的像是很小的圓（約為觀察者瞳孔直徑的 10%），形成 virtual pinholes（虛擬針孔）；這些微小的 entrance pupils（入射瞳）限制觀察者看眼底可用的光，但也使人在有白內障或玻璃體混濁等不完美介質時仍能看到很清楚的影像。p.320–321
• 這是利弊參半：在許多情況下可比直接眼底鏡或裂隙燈看得更好，卻使觀察者無法體會介質不完美所造成的視覺障礙。p.321

雙眼觀看與瞳距

• 間接眼底鏡的雙眼目鏡經反射鏡及／或稜鏡，把瞳距由約 60 mm 縮為 15 mm，使檢查者瞳孔的像連同光源都能放進病人瞳孔內，以便雙眼觀看。p.321
• 病人瞳孔小時，可改變目鏡內反射鏡或稜鏡的位置，使照明路徑與觀察路徑更靠近。p.321
• 瞳距縮小使檢查者的立體視降低 60/15（原瞳距 ÷ 縮小後瞳距）= 4×，此損失由 aerial image 的軸向放大補償⁠^Q221。p.321

放大率（原文以正視眼為例）

• Aerial image 的 transverse magnification（橫向放大率）= 眼屈光力 ÷ 集光鏡度數：正視眼配 20.00 D 集光鏡為 60/20 = 3×；因此 aerial image 比視網膜上實際影像寬⁠^{Q221 Q253 Q271}。p.321
• （Fig 9-23 圖說）正視眼以相似三角形可得：橫向放大率 = 集光鏡焦距 ÷ 眼睛在空氣中的焦距，亦即眼屈光力 ÷ 集光鏡度數⁠^{Q253 Q271}。p.321
• Axial magnification（軸向放大率）= 橫向（lateral 或 linear）放大率的平方；正視眼配 20.00 D 鏡（原文「in our case」）為 9×。所見影像在深度上大幅變形，有助彌補瞳距縮小造成的 stereoacuity（立體視敏度）損失⁠^{Q221 Q253}。p.321
• 目鏡使深度減為 1/4，故（正視眼配 20.00 D 鏡）整體軸向放大 = 9/4 = 2.25×：物體看起來寬 3 倍、深度增加 2.25 倍⁠^Q221。p.321
• 其他集光鏡度數會得到不同的放大比例（原文：different ratios of transverse and lateral magnification）。p.321
• Aerial image 的 3× 橫向放大不是 indirect ophthalmoscopy 的整體橫向放大；整體橫向放大取決於觀察 aerial image 的距離：一般約自 40 cm 處觀察，20.00 D 集光鏡的整體橫向放大約 3 × 25/40 = 1.87×，遠小於直接眼底鏡的 15×。p.321
• 因此，直接眼底鏡可看到間接眼底鏡看不到的小細節。p.321

Fig 9-24 不同集光鏡的放大率（病人為正視眼）

出處 Fig 9-24（圖中標示 Overall defined magnification of indirect ophthalmoscopy；圖說：整體放大取決於觀察 aerial image 的距離，一般約自 40 cm 觀察，20.00 D 鏡約 1.87×）p.322

• Fig 9-24（正視眼）：30.00 D 集光鏡的 aerial image 橫向放大為 2×，自 aerial image 25 cm 處觀察時（圖示距離）整體放大亦為 2×；15.00 D 鏡的 aerial image 橫向放大為 4×⁠^{Q271 Q253}。p.322

直接與間接眼底鏡比較（整理自內文）

出處 p.317–321

章末 Exercise（p.332–333）

• Exercise 9.4 解說（間接眼底鏡為何需要很亮的光源）：集光鏡把觀察者的 entrance pupils 成像為 2 個很小的圓盤，落在病人的 entrance pupil 內；眼底鏡燈泡燈絲的像也落在其中，但不可與觀察者瞳孔的像重疊，以免病人角膜的反光遮蔽眼底。p.333
• Exercise 9.4 解說（續）：眼底鏡照入病人眼內的光，只有通過這些瞳孔像的出射光會進入觀察者眼睛、供看眼底；這些像盤只占病人 entrance pupil 面積的遠小於 1%，且眼底只反射約 0.1% 的光，因此形成影像時「浪費」了進入病人眼睛的光的 99% 以上，需要很亮的光源。p.333
• Exercise 9.6 解說（病人瞳孔小時改善雙眼觀看）：觀察者可縮窄其有效瞳距；方法之一是把眼底鏡的反射鏡或稜鏡移近觀察者（部分眼底鏡的「small-pupil feature」），縮短通往觀察者左、右眼兩條光路的間距，有效縮窄瞳距。p.333
• Exercise 9.6 解說（續）：把眼底鏡的目鏡移得更開，同樣縮短通往觀察者兩眼光路的間距，同樣縮窄有效瞳距。p.333
• Exercise 9.6 解說（續）：另一方法是增加觀察者與病人之間的距離，縮小觀察者兩眼與病人眼所成的角度，使來自觀察者兩眼的光路能「擠過」較小的瞳孔；原書列出的各選項都可改善（all of the above）。p.333

十三、Fundus camera 與 Scanning laser ophthalmoscope（SLO）

Fundus camera（眼底攝影機）

• 眼底攝影機使用 indirect ophthalmoscopy 的光學原理：本質上是以 perforated mirror（有孔反射鏡）取代間接眼底鏡 faceplate 的間接眼底鏡（原文 that separates the observation and illumination pathways：分開觀察與照明路徑），aerial image 再成像到相機的底片或感測器陣列上。p.322
• 加上不同濾鏡可做 fluorescein angiography（螢光素血管攝影）：fluorescein 吸收峰約 490 nm（藍光），發射峰約 530 nm（綠光）。p.322
• 照明路徑：excitation filter（激發濾鏡）讓藍光通過以激發 fluorescein；回程路徑：barrier filter（屏障濾鏡）讓綠光通過、擋掉背景藍光，以高解析度單色底片或感測器陣列記錄螢光影像。p.322
• 多數間接眼底鏡提供藍色濾鏡，可「即時」觀看螢光型態。p.322

SLO 的照明與觀看

• SLO 兼具 ophthalmoscope 與 fundus camera 的功能，但所需光量明顯少於傳統 flood illumination 系統。p.322
• 照明：窄而高度集中（collimated）的雷射光束（例如 670-nm diode laser）經掃描鏡以格狀（raster）快速掃過視網膜，一次只照亮一小點，因此瞳孔用於觀看的部分可以多於用於照明的部分。p.322
• 偵測：每一點回來的光經偵測並同步解碼，產生眼底影像。p.322
• 瞳孔面積分配：ophthalmoscope 或 fundus camera 的照明使用大部分瞳孔面積，另留小區域觀看；SLO 則以較大面積收光（「viewing」）、較小面積照明（Fig 9-25）。p.322–323

Confocal SLO（共軛焦掃描雷射檢眼鏡）

• Confocal scanning laser ophthalmoscopy 是現代臨床 SLO（例如 Heidelberg Engineering、Optos）的基礎：在偵測器前放一個 pinhole（針孔），擋掉來自照明點或關注點以外、否則會使影像模糊的散射或失焦光，得到位於焦平面之單一組織層的清晰、高對比影像。p.323
• Confocal aperture 的位置決定從眼底哪一層收集反射光，可擷取 tomographic（斷層）資訊；移動 pinhole 的平面，可取得穿過目標組織的多個光學切面。p.323
• 這系列光學切面形成分層的 3D 影像，可用來建立眼底的 topography 與 reflectance 影像：topography 影像取每個 pixel 位置沿 z 軸所有切面的峰值強度（反射）；reflectance 影像為每個 pixel 位置沿 z 軸所有切面強度的加總。p.323
• 利用輔助光學可得不同視野：例如 Optos 使用寬的 ellipsoidal mirror（橢圓面鏡），單張影像最多可看 200° 眼底；使用 532 nm（綠）與 633 nm（紅）兩種雷射，光經眼底不同深度反射（紅光波長穿透較深），再分成綠、紅成分並重組為 false-color（偽色）影像。p.324
• 分別顯示紅、綠通道有助看不同構造：紅通道看脈絡膜血管型態，綠通道看視網膜神經纖維層；（Fig 9-27 圖說）紅光穿透組織較深，綠光較能被神經纖維層散射。p.324–325
• Confocal scanning laser microscope：使用通常與病人角膜表面接觸的物鏡，confocal SLO 可變成 confocal scanning laser microscope，以細胞解析度對角膜不同深度做斷層。p.324

以 confocal SLO 做血管攝影與自發螢光

• SLO 的 fluorescein angiography：以 488 nm 藍色 argon laser 激發染劑，以約 500-nm edge wavelength 的 barrier filter 分開激發光與螢光。p.324
• 同一雷射利用視網膜各層的天然螢光（例如累積在 RPE 的 lipofuscin（脂褐質））產生 fundus autofluorescence（眼底自發螢光）影像；也可產生（但不使用 barrier filter）「red-free」或 blue-reflectance 影像，可有助看與紅色對比低的病灶。p.324
• Indocyanine green angiography（ICGA）：以 790-nm diode laser 激發染劑，以 810-nm edge wavelength 的 barrier filter 分開激發光與螢光。p.324

十四、Optical coherence tomography（OCT）

原理

• OCT 是超音波成像的光學類比，可產生視網膜與前段的高解析度橫切面影像。p.324
• 由於光速遠高於聲速，無法以電子方式直接量測光自眼內不同軸向距離的結構回來的較短「echo」時間；interferometry（干涉術）可克服此困難。p.324
• 光被分成 2 束；自樣本（例如眼組織）背向散射的光，與自參考鏡走過已知距離的光干涉；當光程差（樣本臂與參考臂兩束光的光學距離差）小於或等於光的 coherence length（同調長度）時，可觀察到干涉圖樣。p.324
• OCT 使用寬頻（即低同調）光源（例如發出長〔紅〕波長的 superluminescent diode（SLD，超發光二極體）；選紅光是因其在組織中的散射比藍光少），而非雷射等窄頻（高同調）光源，因為寬頻光源使儀器對兩束光光程差的差異更敏感。p.324–326
• 換言之，即使光穿過樣本中不同結構，其低同調性有助分離出來自光路中不同軸向距離、各結構的個別反射。p.326

Time-domain OCT（TD-OCT）

• TD-OCT：調整參考鏡位置，每當來自組織層間界面的反射光，與參考鏡的反射光走過幾乎相同的時間時，干涉圖樣即隨時間出現；即以軸向移動參考鏡改變與樣本臂的光程差，基本上掃過眼組織的深度。p.326
• 偵測到干涉時的參考鏡位置指示反射界面的深度，干涉條紋的振幅（visibility）與其反射率成正比。p.326–327
• 樣本的反射率剖面（類似超音波 A-scan）由干涉條紋的包絡得出，實務上經濾波與解調；在視網膜或角膜不同橫向位置做連續 A-scan，得到 2D 結果（類似超音波 B-scan）；取得連續橫切面則得 3D 容積結果。p.327

Fourier-domain OCT（FD-OCT）

• FD-OCT（亦稱 spectral-domain OCT〔SD-OCT〕或 frequency-domain OCT）：參考鏡固定在約對應樣本位置的一處；不做軸向掃描（只橫向掃過樣本），參考臂長度維持不變。p.327
• 在某一橫向位置，來自不同深度組織界面的所有光 echo 同時被偵測；混在一起的複合條紋經頻譜（Fourier）分析分別辨識，不需移動參考鏡即可取得 A-scan。p.327–328
• 關鍵是量測 spectrally resolved interferograms（頻譜分解干涉圖，即以波長的函數取得複合干涉條紋）：來自較淺界面的 echo 跨波長的強度變化較慢（較低頻率調變），來自較深界面者變化較快（較高頻率調變）；即深度以頻率編碼，反射面越深，頻率調變越大。p.328–329
• 頻譜調變的振幅（spectral fringes 的 visibility）與該反射面的反射量成正比：條紋間距告訴我們來自多深，振幅告訴我們反射多少，經 Fourier transform 取出。p.329
• FD-OCT 比 TD-OCT 有效率得多：速度更快、signal-to-noise ratio（訊雜比）更高，因此影像解析度更高。p.329

SD-OCT 與 SS-OCT

• FD-OCT 有 2 種實作，差別在如何取得頻譜分解干涉圖，即分別在偵測路徑或照明路徑把光分成光譜成分。p.329
• Spectrometer-based FD-OCT（常稱 SD-OCT）：在偵測器前以稜鏡或光柵，在光譜儀輸出端把光分成光譜成分（偵測路徑）。p.329
• Swept-source FD-OCT（常稱 SS-OCT）：以 tunable laser（可調式雷射）取代 SLD 的頻帶，在干涉儀輸入端依序一次掃一個頻率（照明路徑），在每一橫向位置對每一頻率做 A-scan。p.329
• 不同於 SD-OCT，SS-OCT 不受光譜儀解析度限制，因此支援較大的軸向深度量測範圍。p.329
• 常見 swept source 的中心波長約 1 μm（而非約 800 nm），可成像到組織較深處：單張影像較易同時看到 vitreous、retina、choroid；同樣，SS-OCT 單張影像可看到 cornea、iris、crystalline lens。p.329

出處 p.326–329

十五、Adaptive optics（AO，適應性光學）

• AO 是補償相機（或成像系統）與被攝物之間介質的光學像差所造成扭曲的技術；原為天文望遠鏡開發，用以補償地球大氣不均勻造成的光學扭曲，之後發展為眼科有力的臨床工具。p.329
• 眼科 AO 系統中，wavefront sensor（例如 Hartmann-Shack wavefront sensor）量測自眼睛出射、被角膜與水晶體像差弄得不規則的扭曲 wavefront⁠^Q1764。p.329
• 即使是正常眼，隨瞳孔放大，前段周邊區域的光學像差也會起作用，可能使視網膜影像大幅扭曲；例如在低光照下瞳孔放大到直徑約 5–7 mm，高階像差變得顯著，使 point spread function（PSF，點擴散函數，即點光源的像）變寬⁠^Q1764。p.330
• 量出視網膜反射光的扭曲後，AO 系統以 deformable mirror（可變形鏡）反射，把光束「解除扭曲」；此鏡具柔性表面與多個電動 actuators（致動器），可快速變形鏡面，相應修改入射的像差 wavefront，有效移除扭曲。p.330
• （Fig 9-31 圖說）wavefront sensor 讀取每個小影像（由 microlenslet array 產生）的位移，據以計算柔性鏡面應如何變形，使扭曲的 wavefront 反射後變為無扭曲。p.330
• AO 使人類視網膜成像達到前所未有的解析度，例如顯示個別感光細胞或血管壁。p.330
• AO 本身不產生影像，而是以子系統經 beam splitter 併入現有的成像裝置；目前已成功整合進 3 種眼科成像裝置：fundus camera、SLO、OCT。p.330