專利名稱：一種電腦驗(yàn)光儀的光學(xué)系統(tǒng)及驗(yàn)光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視光學(xué)成像測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種電腦驗(yàn)光儀的光學(xué)系統(tǒng)及驗(yàn)光方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，中國學(xué)生近視發(fā)病率居高不下，同時(shí)中國也是僅次于日本的“近視第二大國”。為了防止近視的發(fā)生和有效測(cè)量近視的屈光程度，驗(yàn)光技術(shù)順應(yīng)時(shí)代需要成為了視光學(xué)技術(shù)發(fā)展的ー個(gè)重要分支。其中，能否準(zhǔn)確測(cè)定人眼的屈光不正的程度，是為患者配制矯正眼鏡的關(guān)鍵所在，同時(shí)這也成為當(dāng)前視光學(xué)技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一。驗(yàn)光是檢查光線入射眼球后的聚焦情況，它以正視眼狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)出受檢眼與正視眼間的聚散差異程度，即檢測(cè)眼的屈光狀態(tài)的過程。驗(yàn)光儀作為初始階段的驗(yàn)光設(shè)備， 是測(cè)量眼睛屈光狀態(tài)的儀器，其測(cè)量精度對(duì)后階段驗(yàn)光有著重要的參考價(jià)值，因而備受醫(yī)務(wù)人員和光學(xué)工作者們所重視。目前，應(yīng)用于臨床驗(yàn)光較多的是電腦驗(yàn)光儀。電腦驗(yàn)光儀自1759年出現(xiàn)以來，近年來不斷推陳出新，然而隨著電腦驗(yàn)光儀的大量普及和視光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電腦驗(yàn)光儀在檢測(cè)之中出現(xiàn)了ー些問題，主要是，位置固定的視標(biāo)和封閉式的視窗容易導(dǎo)致被檢者產(chǎn)生緊張的情緒，從而刺激人眼在測(cè)量時(shí)不斷調(diào)節(jié)，這種處于非松弛狀態(tài)時(shí)測(cè)量出的視カ 往往不準(zhǔn)確，容易造成對(duì)視カ度數(shù)誤判，影響配鏡或者眼睛參數(shù)檢查。因此，設(shè)計(jì)和發(fā)明一種能讓人眼處于自然松弛狀態(tài)，向被測(cè)試者提供一片自然舒適的視覺環(huán)境且能快速準(zhǔn)確驗(yàn)光的驗(yàn)光儀器，成為了目前視光學(xué)領(lǐng)域的重要課題之一。申請(qǐng)人:在文獻(xiàn)《自動(dòng)驗(yàn)光儀中調(diào)教光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究》中公開了ー種調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)，該調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)包括前固定組、變焦組和后固定組，該調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)能準(zhǔn)確快速的將眼底像聚焦到圖像采集元件上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種敞開視窗型的電腦驗(yàn)光儀的光學(xué)系統(tǒng)及驗(yàn)光方法，精確測(cè)量人眼處于松弛狀態(tài)下的屈光程度。一種電腦驗(yàn)光儀的驗(yàn)光方法，包括利用光源射出平行的準(zhǔn)直光線，該準(zhǔn)直光線經(jīng)過環(huán)狀光闌處理形成準(zhǔn)直光圏，所述的準(zhǔn)直光圈投入人眼后再由人眼反射回環(huán)形的反射像，在相對(duì)人眼的不同距離上檢測(cè)該反射像的環(huán)厚，確定在環(huán)厚最窄時(shí)對(duì)應(yīng)的成像位置，該成像位置相對(duì)人眼的距離即為反射像距，通過公式(1)將該反射像距換算成人眼的屈光度，S = -1/d(1)其中，S為屈光度，d為反射像距。所述的準(zhǔn)直光線為圓形準(zhǔn)直紅外光，其波長為800 1200nm，優(yōu)選為900 980nm,光強(qiáng)為0. 04 0. 05畫，發(fā)散角不大于0. Imrad0選擇800 1200nm的紅外光源都是可行的，因?yàn)槿搜鄄⒉荒芎芎玫酶兄t外光，使用紅外光將能達(dá)到放松人眼的目的。但是考慮到大多數(shù)相機(jī)的敏感波段有限，因此800 1200nm的紅外光較為合適，在本發(fā)明中所述的準(zhǔn)直光源的波長優(yōu)選為900 980nm?？紤]到保持人眼不受損傷，這里選擇光強(qiáng)為 0. 04 0. 05mw。發(fā)散角是影響測(cè)量結(jié)果的重要參數(shù)，因此必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此不得大于0. Imrado一種實(shí)現(xiàn)如所述的驗(yàn)光方法的光學(xué)系統(tǒng)，包括準(zhǔn)直光源和調(diào)焦透鏡組，還包括位于準(zhǔn)直光源前方的環(huán)狀光闌、用于將環(huán)狀光闌透射的光環(huán)折反射進(jìn)人眼并將來自人眼的反射像折反射到調(diào)焦透鏡組的半透半反鏡組和用于采集來自調(diào)焦透鏡組的反射像的圖像采集益。所述的半透半反鏡組包括兩相互平行的半透半反鏡，所述的兩半透半反鏡相對(duì)的一面為反射面；所述的兩半透半反鏡的分光比均為1 1。準(zhǔn)直光源發(fā)出的準(zhǔn)直紅外光透過環(huán)狀光闌形成一準(zhǔn)直光圈，該準(zhǔn)直光圈由一定夾角投射到其中一個(gè)半透半反鏡的透射面， 透過該半透半反鏡的準(zhǔn)直光圈投射到另一半透半反鏡的反射面，準(zhǔn)確的反射進(jìn)人眼的瞳孔中，人眼的光學(xué)系統(tǒng)使該準(zhǔn)直光圈在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)彌散環(huán)，該彌散環(huán)通過人眼的光學(xué)系統(tǒng)反射到將準(zhǔn)直光圈反射進(jìn)人眼的半透半反鏡的反射面，再反射到另一透射準(zhǔn)直光圈的半透半反鏡的反射面，然后反射進(jìn)調(diào)焦透鏡組中，調(diào)節(jié)調(diào)焦透鏡組使從人眼反射回來的反射像環(huán)聚焦到圖像采集器上。所述的調(diào)焦透鏡組由一組透鏡組成，分別為前固定組、變焦組和后固定組。所述的圖像采集器為感光敏感元件；所述的感光敏感元件為電荷耦合元件(CCD) 或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。所述的環(huán)狀光闌2為允許透過直徑為3-4mm，優(yōu)選為3mm，環(huán)厚為0. 2 0. 5mm環(huán)帶的鍍膜玻璃。因?yàn)槿搜弁字睆郊s為2 6mm，在驗(yàn)光時(shí)可以通過控制環(huán)境光亮度來影響瞳孔的收縮，即將測(cè)試環(huán)境的燈光打暗，此時(shí)瞳孔的直徑可保持在4 6mm，之所以優(yōu)選3mm的直徑正是因?yàn)榧瓤梢暂p松射入瞳孔又能保證光圈的可觀測(cè)性。環(huán)厚要求可以放寬至0.2 0. 5mm，相對(duì)來說環(huán)帶越窄精度越高，但是又要考慮到過于窄的話將不利于光的透過，因此本發(fā)明選擇0. 2 0. 5mm為佳。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在快捷測(cè)量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了更加人性化的敞開式窗ロ，檢測(cè)過程中，人眼的正前方除了半透半反鏡外沒有其他物體，人眼能夠透過半透半反鏡來眺望遠(yuǎn)方，能夠有效得減緩測(cè)試中人眼的不適感，使人眼在測(cè)試過程始終處于自然松弛狀態(tài)，從而提高測(cè)試的精確性和可靠性。


圖1是發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是人眼遠(yuǎn)點(diǎn)與視網(wǎng)膜共軛示意圖；圖3是環(huán)厚法測(cè)定反射像距的光路分析圖；圖4是調(diào)焦透鏡組的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；圖 5a-圖 5i 分別是九種模擬眼(_20D，-15D, -10D, _5D，0D，5D，10D, 15D，20D)驗(yàn)
光時(shí)采集的對(duì)比圖6是-5D模擬眼驗(yàn)光的數(shù)據(jù)曲線擬合圖；圖 7a-圖 7h 分別是八種模擬眼(-20D, -15D, -10D, -5D, 5D, 10D, 15D 和 20D)驗(yàn)光
的數(shù)據(jù)曲線擬合對(duì)比圖，其中橫坐標(biāo)均為屈光度，縱坐標(biāo)均為歸ー化環(huán)厚。
具體實(shí)施例方式一種電腦驗(yàn)光儀的光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，包括準(zhǔn)直光源1，該準(zhǔn)直光源1采用波長為900-980nm的準(zhǔn)直激光器，發(fā)出圓形的準(zhǔn)直紅外光，準(zhǔn)直光源1的前方設(shè)有ー個(gè)環(huán)狀光闌 2，該環(huán)狀光闌2為一允許透過直徑為3mm環(huán)帶的鍍膜玻璃，在環(huán)狀光闌2的前方設(shè)置一組半透半反鏡組。該半透半反鏡組包括兩相互平行的半透半反鏡3、4(第一半透半反鏡3和第二半透半反鏡4)，第一半透半反鏡3靠近環(huán)狀光闌2，第一半透半反鏡3和第二半透半反鏡4相對(duì)的一面為反射面，半透半反鏡3、4與準(zhǔn)直光源1發(fā)出的準(zhǔn)直光之間成一定的夾角，使半透半反鏡3、4能準(zhǔn)確的將來自準(zhǔn)直光源1的準(zhǔn)直光圈射入待檢測(cè)人眼7的瞳孔中。在第一半透半反鏡3的反射面一側(cè)設(shè)置ー調(diào)焦透鏡組5，該調(diào)焦透鏡組5由一系列相互平行的透鏡組成，包括前固定組51 (兩個(gè)透鏡)、變焦組52 ( 一個(gè)透鏡)和后固定組 53 (兩個(gè)透鏡)。在調(diào)焦透鏡組5與第一半透半反鏡3之間設(shè)置一濾光片11，在調(diào)焦透鏡組5的后方設(shè)置ー圖像采集器6，該圖像采集器選用CMOS，后固定組53與圖像采集器6之間的距離為后固定組透鏡的焦距ち。本系統(tǒng)的使用方法如下準(zhǔn)直光源1平行射出的圓形準(zhǔn)直紅外光透過環(huán)狀光闌2形成直徑為3mm的準(zhǔn)直光圈，該準(zhǔn)直光圈通過第一半透半反鏡3透射后射入第二半透半反鏡4的反射面，由第二半透半反鏡4準(zhǔn)確反射進(jìn)待檢測(cè)人眼的瞳孔中，由人眼的光學(xué)系統(tǒng)將該入射準(zhǔn)直光圈投影在視網(wǎng)膜上，在視網(wǎng)膜上形成ー個(gè)彌散環(huán)8，該彌散環(huán)8由人眼光學(xué)系統(tǒng)反射到第二半透半反鏡 4的反射面，由第二半透半反鏡4反射到第一半透半反鏡3的反射面，再由第一半透半反鏡 3反射后由濾光片10濾去可見光，形成ー個(gè)反射像環(huán)9，反射像環(huán)9射入調(diào)焦透鏡組5，調(diào)節(jié)調(diào)焦透鏡組5使反射像環(huán)9聚焦到CMOS上，移動(dòng)變焦組52，CMOS采集到一系列相對(duì)人眼距離不同距離處的反射像環(huán)9，分析反射像環(huán)9的環(huán)厚，確定環(huán)厚最窄處相對(duì)人眼的距離即反射像距離，然后通過該反射像距離與人眼屈光度的關(guān)系來計(jì)算人眼屈光度，其計(jì)算公式為S =-Ι/d，其中，S為屈光度，d為反射像距。上述光學(xué)系統(tǒng)及其參數(shù)的建立，包括如下內(nèi)容(以近視測(cè)量為例)(1)確定屈光度與反射像距的關(guān)系。視カ檢測(cè)報(bào)告中的人眼度數(shù)并非是人眼自身的靜態(tài)屈光度，而是指配鏡處方中的眼鏡度數(shù)，是屈光度的100倍。如圖2所示，設(shè)人眼屈光度為S，則由屈光度定義可知，配戴上光焦度為-S的凹透鏡即可矯正視力。因此，距離人眼長度為P' 0'的點(diǎn)P'可以成像在視網(wǎng)膜上A'點(diǎn)，根據(jù)物像共軛的原理可得，視網(wǎng)膜上的點(diǎn)將成像于P'點(diǎn)，即人眼的遠(yuǎn)點(diǎn)， 因此遠(yuǎn)點(diǎn)距即是反射像距。從而屈光度S與反射像距d存在以下關(guān)系S = -1/d(2)利用環(huán)厚法測(cè)定反射像距，證實(shí)成像后環(huán)帶最窄的位置即是反射像所在的位置。在圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)中，出光孔徑為2m，焦點(diǎn)為F。分別取內(nèi)外環(huán)上點(diǎn)A與E，離光軸的高度為h與H，成像于J與P點(diǎn)。作物平面的邊界光線AB，再通過0點(diǎn)作AB的平行線OF1,使其與焦平面相交于F1點(diǎn)，從而得到像平面的邊界光線BJ。同理可作邊界光線AGJ， EBP與EGP。ABJ與EGC相交于C點(diǎn)，EBP與AGJ相交于K點(diǎn)。由上圖分析可得，A點(diǎn)成像于J處，在BG與JP之間任取一點(diǎn)M作截平面，截得AE 的彌散像M1M2,M1與M2為截平面與BJ和GP的交點(diǎn)。由兩三角形相似(Δ CJP Δ CM1M2)可得，MiM2>JP。同理可證在JP右側(cè)的任意空間內(nèi)的彌散像N1N2必定大于JP。因此，環(huán)帶最窄的位置即是像所在的位置，從而可測(cè)得反射像距。(3) Zemax建模設(shè)計(jì)光路參數(shù)Lii, Hwey-Lan Lion %= ^iL Anatomically accurate, finite model eye for optical modeling(Hwey-Lan Liou, Noel A.Brennan. J. Opt. Soc. Am. A, Vol.14, No. 8, 1997，1684 1695.)中提出的人眼模型為基礎(chǔ)，通過改變角膜前表面曲率半徑來得到屈光度-20D, -10D, -5D，-1D，0D, 1D，5D，10D, 20D。運(yùn)用Zemax中光線追跡模式和多重結(jié)構(gòu)功能
來建立光路模型。其中，調(diào)焦透鏡組的光學(xué)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4所示，主要由前固定組、變焦組和后固定組三部分組成。因?yàn)檎{(diào)焦光路檢測(cè)的對(duì)象是紅外光，因此，在前固定組與人眼之間設(shè)置ー塊濾光片，主要用于過濾可見光。眼底反射的紅外光通過濾光片后經(jīng)由前固定組聚焦到眼前有限距離QQ'平面上，與此同吋，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)變焦組在位置I與位置II之間作軸向位移，使變焦組的焦平面與QQ'重合。此后，光線平行出射，經(jīng)后固定組聚焦到CMOS上進(jìn)行圖像采集與分析。表1為調(diào)焦透鏡組的鏡頭參數(shù)表。表1調(diào)焦透鏡組鏡頭參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種電腦驗(yàn)光儀的驗(yàn)光方法，其特征在干，包括利用光源射出平行的準(zhǔn)直光線，該準(zhǔn)直光線經(jīng)過環(huán)狀光闌處理形成準(zhǔn)直光圏，所述的準(zhǔn)直光圈投入人眼后再由人眼反射回環(huán)形的反射像，在相對(duì)人眼的不同距離上檢測(cè)該反射像的環(huán)厚，確定在環(huán)厚最窄時(shí)對(duì)應(yīng)的成像位置，該成像位置相對(duì)人眼的距離即為反射像距，通過公式(1)將該反射像距換算成人眼的屈光度，S = -1/d(1)其中，S為屈光度，d為反射像距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驗(yàn)光方法，其特征在干，所述的準(zhǔn)直光線為圓形準(zhǔn)直紅外光， 其波長為800 1200nm，光強(qiáng)為0. 04 0. 05mw，發(fā)散角不大于0. Imrad0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驗(yàn)光方法，其特征在干，所述的準(zhǔn)直光圈的直徑為3-4mm，環(huán)厚為0. 2 0. 5_。
4.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的驗(yàn)光方法的光學(xué)系統(tǒng)，包括準(zhǔn)直光源(1)和調(diào)焦透鏡組(5)，其特征在于，還包括位于準(zhǔn)直光源(1)前方的環(huán)狀光闌O)、用于將環(huán)狀光闌(2)透射的光環(huán)折反射進(jìn)人眼并將來自人眼的反射像折反射到調(diào)焦透鏡組(5)的半透半反鏡組和用于采集來自調(diào)焦透鏡組的反射像的圖像采集器(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在干，所述的半透半反鏡組包括兩相互平行的半透半反鏡(3，4)，所述的兩半透半反鏡(3，4)相対的一面為反射面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在干，所述的兩半透半反鏡(3，4)的分光比均為1:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在干，所述的調(diào)焦透鏡組(5)由一組透鏡組成，分別為前固定組、變焦組和后固定組。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在干，所述的圖像采集器(6)為感光敏感元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在干，所述的感光敏感元件為電荷耦合元件或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。10、根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在干，所述的環(huán)狀光闌(2)為允許透過直徑為3-4mm環(huán)帶的鍍膜玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電腦驗(yàn)光儀的光學(xué)系統(tǒng)及驗(yàn)光方法，屬于視光學(xué)成像測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。利用光源射出平行的準(zhǔn)直光線，該準(zhǔn)直光線經(jīng)過環(huán)狀光闌處理形成準(zhǔn)直光圈，準(zhǔn)直光圈投入人眼后再由人眼反射回環(huán)形的反射像，在相對(duì)人眼的不同距離上檢測(cè)該反射像的環(huán)厚，確定在環(huán)厚最窄時(shí)對(duì)應(yīng)的成像位置，將該成像位置相對(duì)人眼的距離換算成人眼的屈光度；實(shí)現(xiàn)該方法的體統(tǒng)包括準(zhǔn)直光源和調(diào)焦透鏡組，位于準(zhǔn)直光源前方的環(huán)狀光闌、用于將環(huán)狀光闌透射的光環(huán)折反射進(jìn)人眼并將來自人眼的反射像折反射到調(diào)焦透鏡組的半透半反鏡組和用于采集來自調(diào)焦透鏡組的反射像的圖像采集器。本發(fā)明用于測(cè)試人眼的屈光不正，使人眼在測(cè)試過程始終處于自然松弛狀態(tài)，提高測(cè)試的精確性。
文檔編號(hào)A61B3/103GK102525402SQ20121005178
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者姚晨, 汪超, 王河林, 石文淵, 隋成華, 魏高堯 申請(qǐng)人:杭州精飛光學(xué)儀器制造有限公司, 浙江工業(yè)大學(xué)