CN1106821C - 人眼象差测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人眼象差测量仪及测量方法。其人眼象差测量仪主要包括光源、光路系统、入射光入射位置改变装置、入射光入射角变化装置和计算机控制装置。其测量方法是利用主观光线追踪原理测量人眼象差，在人眼观察条件下追踪经不同眼瞳位置的光线在眼底相对于理想象点的偏离，并通过改变入射角使光线与理想点重合，进而对入射改变量作最小平方差分析，以获得二维波象差大小。本发明的优点是能同时测出人眼总体象差分布及多种分立象差，其测量仪结构简单、稳定性好，且造价低。

Description

人眼象差测量仪及测量方法

本发明涉及一种医学中用于检查眼睛的仪器，更确切地说是涉及一种人眼象差测量仪。

人眼是一光学成像系统，将外界物体成像在眼底视网膜上，供神经系统处理以获得视觉信息。理想的眼睛能将物体清晰地成像在视网膜上，让物体表面光分布的对比在视网膜上保持不变，这时，从物体表面某一点发出(或反射)并通过人眼瞳孔后的所有光线将完全汇聚在视网膜上的某一相应点上。但实际上人眼并不理想，通过瞳孔的所有光线并不汇聚于一点，而是形成一个光斑，其中有些达到理想点，大部分则偏离理想点，这种因眼睛光学系统质量引起的光线偏离在技术上称为象差，象差导致了成像模糊及使视力变差。

描述象差特征大致有两种方法，一种是采用两维象差分布图即波象差图，是以人眼瞳孔面建一坐标，以中心为原点，将通过瞳孔面上所有光线所对应的象差按一特定比例以其入射点的位置记录下来，该方法的优点是可详细记录象差分布，其缺点是由于复杂、毫无规律而难以描述；另一种方法是将一系列有规律的简单分立象差按特定的权重组合成总体象差，在任何象差分立成份的大小确定后，其总体分布便唯一确定。在常规验光中所测得的近视或远视(技术上称为离焦)与散光就是两种分立象差。

象差使视力减弱，改善视力就必须校正象差，由于现行的验光技术仅能测得近视或远视及散光这两种象差，因此常规的配眼镜或作激光手术的校正方法也只局限于对离焦及散光的校正，而另一方面，近视或远视或散光病人通常具有比正常眼更为严重的其它象差，由于这些象差的成份及大小不能完整地测出也就无法校正，因此即使配镜或作了激光手术仍不能大幅度改善视力。

迄今为止，能给出波象差分布图并同时分析出多种分立象差成份及大小的测象差技术仅局限于实验室，在此之前所使用的象差测量装置往往不能同时给出波象差分布图和分立象差成份大小。如根据美国5258791专利技术实现的一种屈光仪(发表于美国应用光学杂志1992年第31期3678至3686页)，由于仪器仅能测出总体屈光特性，没有完成从屈光特性到波象差分布的技术转换，因而既不能给出象差总体分布图更不能给出分立象差成份的大小，导致设计不能形成产品。在该屈光仪技术基础上经改进而形成的测象差仪，在不用扩瞳的条件下同时给出波象差分布图及7级以内的象差分立成份(发表于美国应用光学杂志1998年A15卷第9期2449至2456页)。该仪器比另一种也能同时给出波象差分布图及分立成份的海门夏克仪(发表于美国应用光学杂志1997年A14期2873至2883页，可测9级以内象差成份)更易于应用于临床上作常规测量。但该测象差装置，入射光角度的改变由高精度反射镜控制系统完成，价格十分昂贵且稳定性能不佳，另外反射镜角度改变有限，只能测得400度动态范围内的象差变化，存在结构复杂、稳定性差、部件精密度要求高、造价昂贵、不适用于常规仪器等缺陷。

现有实验装置所采用的象差测量原理是将一束很细的测量平行光(如直径0.5毫米)从人眼瞳孔的某一位置射入眼睛，在眼底形成一小光点，使人看到一小亮点。当改变其在眼瞳上的射入位置时，在没有任何象差的情况下，眼底小光点像将稳定于理想点位置，此时人应感觉不到小亮点变化。但是当人眼存在多种象差时，该小亮点则会随着平行测量光入射位置的改变而偏离理想点位置，其偏离的方向及幅度直接取决于象差的特性及大小。此时若在平行测量光路中加入另一参考光路并使之在眼底形成一个十字象，十字象的中心与平行测量光路理想光点像的位置重合，于是，测量光路中因象差引起的相对于理想点的位移量就可从测量光点像偏离十字中心的变化量测得，从而将对象差的测量转换为对位移的测量。

但眼底像的位移量是难以直接测得的，必须采用间接的方法获得。如固定入射光在瞳孔面上的射入位置时改变其射入角度，小亮点将随入射角的变化而位移。若通过控制装置将小亮点移至十字中心，这时，入射角的变化值将与光线通过眼瞳处的象差成正比。通过在眼瞳的其它位置处作同样的测量，便可获得象差在眼瞳孔面上的入射角改变量分布图，即总体屈光图，再根据总体屈光图，采用最小平方差分析法就可求得总体波象差分布图以及各分立象差的成份大小。

目前利用上述测量原理所作的象差测量实验中，入射光在瞳孔面上的射入位置及改变入射光的射入角度是采用机械控制装置完成的，如利用步进马达带动滑动部件和与之相连接的限瞳装置来选择入瞳位置，其移动精度完全取决于步进马达及滑动部件的精度，高精度的控制就需有高精度的部件，因而使造价增大。此外，精密部件的抗振、耐温性能一般不佳，不宜作成常规测量仪器。

本发明的目的是设计一种人眼象差测量仪及测量方法，能同时测出人眼总体象差分布及多种分立象差，测量仪还具有结构简单、稳定性好、造价低廉的特点。

本发明的目的是这样实现的：一种人眼象差测量仪，包括光源、光路系统、入射光入射位置改变装置、入射光入射角变化装置和计算机控制装置，其特征在于：所述的光源包括测量光源和照明光源，测量光源是发光二极管组，各发光二极管端面成整齐排列形成两维平面阵列面；所述的光路系统包括测量光路、参考光路和总和光路，测量光路包括依序位于发光二极管阵列面后的第一透镜、第一反射镜、液晶显示屏上的透光视标、第一分光镜和第二反射镜，参考光路包括依序位于照明光源与第一分光镜间的第三透镜及固定视标，总和光路包括依序位于第二反射镜与人眼瞳孔面间的第二分光镜、第二透镜和第三反射镜；所述的入射光入射位置改变装置包括选择点亮测量光源发光二极管阵列中任一发光二极管的发光二极管驱动电路；所述的入射光入射角变化装置包括控制所述液晶显示屏上的透光视标在垂直于光线传播方向的两维平面上作移动的鼠标器；所述的计算机控制装置分别连接发光二极管驱动电路、鼠标器和液晶显示屏。

所述的光路系统还包括有瞳孔监视光路，由位于人眼瞳孔处的红外光源、所述的总和光路及依序位于总和光路中第二分光镜另一侧的第四透镜、CCD相机和与CCD相机连接的监视器组成。

所述参考光路中的固定视标是具有十字像的透光底片。

所述的第二分光镜是一全反可见光、全透红外光的选择性分光镜。

所述测量光源中的发光二极管组由37个发光二极管组成，37个发光二极管的端面形成规则八边形阵列。

还包括有由一维微型移动台及控制该移动台沿光线方向移动的手动调节机构组成的屈光调节装置，所述的第二反射镜及第二分光镜设置在该一维微型移动台上，

利用本发明的人眼象差测量仪作人眼象差测量的测量方法，其特征在于包括：

1)由计算机控制装置连接发光二极管组驱动电路及整齐排列的发光二极管阵列构成入射光入射位置改变装置，选择性地点亮任一二极管，在测量光路中逐点改变入射光在瞳孔面上的射入位置；

2)用计算机控制装置连接鼠标器及液晶显示屏构成入射光入射角变化装置，将测量光路中的透光视标与液晶显示屏联系在一起，移动鼠标器改变液晶显示屏上透光视标位置，将透光视标上的透光孔移至参考光路中十字像中心，改变入射光在瞳孔面上的射入角度；

3)用计算机控制装置记录透光视标的位移量，计算出入射角的改变量，并通过最小平方差分析法获得总体波象差图及一项以上的分立象差大小。

本发明人眼象差测量仪及测量方法的重点技术是实现入射光在瞳孔面上射入位置的采样选择以及改变入射光射入角并取得其改变量。本发明采用光源照明、电路控制采样的一体化方案，在该方案中，用发光二极管形成整齐排列的两维平面阵列，此阵列平面由透镜成像后与人眼瞳孔面共轭。在上述设置下，当计算机控制发光二极管驱动电路点亮某一发光二极管时，光线便从特定的眼瞳位置进入人眼，从而达到用计算机电路控制选择入射光瞳孔位置的目的。

该项设计的优点是：1)瞳孔面上采样位置的精度完全取决于加工发光二极管阵列的精度，而这种加工精度是很容易达到高标准要求的；2)一旦加工完成，其位置选择精度便永久固定下来，没有机械部件老化后的精度下降问题，且防震性及耐温性俱佳，因而有很好的稳定性；3)光路设计满足成熟的麦克斯韦设计，从而最大限度地利用了光源；4)使用发光二极管而不是激光光源或其它强光源，使光源部分结构简单、经济耐用；5)电路控制速度快，便于计算机处理；6)由控制电路、发光二极管组成的一体化整机容易实现标准化；7)采用鼠标器移动来控制液晶显示屏上透光视标，从而达到在不改变入射位置的条件下改变入射角的目的，结构简单、经济耐用，可在保证同样精度的前提下使测量范围加大到动态范围1000度；8)本测量仪中采用四透镜的光路系统，分别用于测量光路、参考光路、瞳孔监视光路及由此三光路汇聚后的总和光路中，测量光路及其控制部分是本测量仪的核心，参考光路则提供一固定的十字像并以其中心作为理想光点像，瞳孔监视光路则用于随时监视眼瞳位置，以达到精确测量，本发明的光路设计比以往的象差测量装置更优化也更简单。

本发明的人眼象差测量仪及测量方法，利用光线追踪的测量原理在人眼瞳孔面上逐点改变光线入射位置和采用主观瞄准的方法改变入射角来测量象差。所提供的测量结果包括在人眼瞳孔面上的二维波象差分布图及包含离焦、散光在内的30种以上的分立象差。

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。

图1是人眼象差测量仪的总体结构示意图。

图2是图1发光二极管阵列排列位置示意图。

参见图1，人眼象差测量仪主要包括发光二极管组驱动电路1、发光二极管阵列2、第一透镜3、第一反射镜4、透光视标5、液晶显示屏6、第一分光镜7、第二反射镜8、第二分光镜9、第二透镜10、第三反射镜11、目镜架12、照明光源14、第三透镜15、固定视标16、第四透镜17、CCD相机18、监视器19、红外光源20、计算机控制装置21和鼠标器22。图中13是被测人眼。

发光二极管驱动电路1用于向测量光路提供光源，并选择性地控制点亮发光二极管阵列2中的某一发光二极管。

测量光路起源于发光二极管阵列2，经第一透镜3、第一反射镜4、透光视标5的透光孔、第一分光镜7、第二反射镜8、第二分光镜9、第二透镜10、第三反射镜11及目镜架12后进入人眼13。由于发光二极管阵列2的端表面位于第一透镜3的前焦面上，因此，每个发光二极管射出的光经第一透镜3后转变为平行光。被测人眼13的瞳孔面则位于透镜10的后焦面上，于是透镜10又将平行测量光汇聚于瞳孔面上，实现发光二极管阵列2的端平面与人眼瞳孔面共轭的目的。当选择性地点亮某一发光二极管时，光线将从某一特定的瞳孔位置进入人眼，从而实现了光线射入位置的改变。

发光二极管阵列2中的每个发光二极管的直径以0.5mm为宜，而发光二极管的数目可由测量精度决定，以37个为宜，可以再多或少些。第一透镜3与第二透镜10的焦距可以相同也可以不同，但发光二极管阵列2的端面在人眼13瞳孔面上成像的直径应保持在6至8mm之间。测量光路中透光视标5上透光孔的直径可为0.5mm，且位于透镜10的前焦面上，因而可与人眼13的眼底共轭。

透光视标5位于液晶显示屏6上，该透光视标5与测量光线传播方向相垂直且可在两维平面上移动，可由人工操作鼠标器22并通过计算机控制装置21控制透光视标5的移动，同时，计算机控制装置21还获得了透光视标5的位移量。当被测者移动鼠标器22时，透光视标5被驱动作两维方向的移动，即改变某一位置入射光的入射角，而使被测者看到由透光视标5的圆孔所形成的小亮点像的位移，该小亮点像相对于理想光点像的位移量就是对象差的测量。计算机控制装置21所记录的位移量经转换成入射角的改变量后，再经最小平方差分析求出总体象差分布图以及不少于30项的分立象差成分。

参考光路起源于照明光源14，经第三透镜15转变为平行光后照射固定视标16。固定视标16是一具有十字像的透光底片，视标16的位置固定不变，由该十字像的中心提供出理想光像点，用于测量象差。被测者只要利用鼠标器22来移动透光视标5，以改变某一位置入射光的入射角，将小亮点移至十字中心处即可。

参考光路及测量光路经分光镜7后合并。

瞳孔监视光路包括红外光源20、第四透镜17、CCD相机18和监视器19。红外光源20设置在目镜架12上。红外光源20照明人眼13的瞳孔，经测量光路的反射镜11反射和经第二透镜10和第四透镜17成像在CCD照相机18的感光面上，监视器19的显示屏上将显示出瞳孔像。瞳孔监视光路从分光镜9处进入总和光路，分光镜9采用全反可见光、全透红外光的选择性分光镜，分光镜与瞳孔监视光路中的CCD照相机形成调焦与监视一体化的组合结构。

实施时，为使视标清晰可将反射镜8及分光镜9固定在一个一维微型移动台上(图中未示出)，使它们可沿光线方向同时平行移动，由被测者利用旋钮手动控制其移动，改变系统的离焦状态，使之在400度范围内连续可调。此外，还可在目镜架12上增加具有不同焦距的测试镜片进行视标清晰性补偿，达到大范围调节离焦的目的。

参见图2，图中示出由37个发光二极管端面整齐排列成的两维平面阵列，该平面成规则的八边形，此阵列平面将由透镜成像后与人眼瞳孔面共轭，是在一个7×7的点阵中去掉四角各3个点共12个点后形成的。由计算机控制装置21通过发光二极管驱动电路1选择各发光二极管点亮。

本发明的象差测量仪及测量方法，可用于激光视力矫正手术、近视眼形成的科学研究以及常规验光，有望成为新一代的常规验光方法及验光仪器。

Claims (7)

1.一种人眼象差测量仪，包括光源、光路系统、入射光入射位置改变装置、入射光入射角变化装置和计算机控制装置，其特征在于：所述的光源包括测量光源和照明光源，测量光源是发光二极管组，各发光二极管端面成整齐排列形成两维平面阵列面；所述的光路系统包括测量光路、参考光路和总和光路，测量光路包括依序位于发光二极管阵列面后的第一透镜、第一反射镜、液晶显示屏上的透光视标、第一分光镜和第二反射镜，参考光路包括依序位于照明光源与第一分光镜间的第三透镜及固定视标，总和光路包括依序位于第二反射镜与人眼瞳孔面间的第二分光镜、第二透镜和第三反射镜；所述的入射光入射位置改变装置包括选择点亮测量光源发光二极管阵列中任一发光二极管的发光二极管驱动电路；所述的入射光入射角变化装置包括控制所述液晶显示屏上的透光视标在垂直于光线传播方向的两维平面上作移动的鼠标器；所述的计算机控制装置分别连接发光二极管驱动电路、鼠标器和液晶显示屏。

2.根据权利要求1所述的人眼象差测量仪，其特征在于：所述的光路系统还包括有瞳孔监视光路，由位于人眼瞳孔处的红外光源、所述的总和光路及依序位于总和光路中第二分光镜另一侧的第四透镜、CCD相机和与CCD相机连接的监视器组成。

3.根据权利要求1所述的人眼象差测量仪，其特征在于：所述参考光路中的固定视标是具有十字像的透光底片。

4.根据权利要求1所述的人眼象差测量仪，其特征在于：所述的第二分光镜是一全反可见光、全透红外光的选择性分光镜。

5.根据权利要求1所述的人眼象差测量仪，其特征在于：所述测量光源中的发光二极管组由37个发光二极管组成，37个发光二极管的端面形成规则八边形阵列。

6.根据权利要求1所述的人眼象差测量仪，其特征在于：还包括有由一维微型移动台及控制该移动台沿光线方向移动的手动调节机构组成的屈光调节装置，所述的第二反射镜及第二分光镜设置在该一维微型移动台上，

7.一种用权利要求1的人眼象差测量仪作人眼象差测量的人眼象差测量方法，其特征在于包括：

1)由计算机控制装置连接发光二极管组驱动电路及整齐排列的发光二极管阵列构成入射光入射位置改变装置，选择性地点亮任一二极管，在测量光路中逐点改变入射光在瞳孔面上的射入位置；

2)用计算机控制装置连接鼠标器及液晶显示屏构成入射光入射角变化装置，将测量光路中的透光视标与液晶显示屏联系在一起，移动鼠标器改变液晶显示屏上透光视标位置，将透光视标上的透光孔移至参考光路中十字像中心，改变入射光在瞳孔面上的射入角度；

3)用计算机控制装置记录透光视标的位移量，计算出入射角的改变量，并通过最小平方差分析法获得总体波象差图及一项以上的分立象差大小。

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