专利名称：用于屈光评估的近眼工具的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及视力计和屈光失调的评估。
背景技术：
眼睛的屈光失调包括近视(差的远视)、远视(差的近似)、散光以及老花。在近视中，眼睛能够聚焦于较短距离(例如，小于30cm至小于无限远)，但是不能聚焦于无限远处。在远视中，眼睛能够聚焦于或通过无限远处，但是不能聚焦于一些较短的距离(例如于30cm)。当晶状体完全放松时(a)完美的眼睛将平行光线聚焦于视网膜上的单个点；(b)近视眼将平行光线聚焦于视网膜前面的点；以及(c)远视眼将平行光线聚焦于视网膜后面的点。散光是由角膜中或晶状体中的环面曲率引起的屈光状况。在此情况下，眼睛沿两个垂直的子午线具有不同曲率；从而，不能将图像锐利地聚焦于视网膜上。不同地，散光眼以径向不对称方式屈折光。适应性调节是眼睛的晶状体的形状的调节，以聚焦在物体上。在适应性调节期间，晶状体的形状从更平坦的(当眼睛聚焦于远的场景时)改变至更球形的(当聚焦于近的物体上时)。老花眼是大多数个体在40岁的年龄开始经历的眼睛执行适应性调节的能力的降低。同样，其被视为眼睛老化过程的自然阶段。能够使用矫正透镜来实现用于近视、远视、和散光的屈光矫正。透镜的屈光力以屈光度表示，屈光度定义为以米表示的透镜的焦距的倒数。发散透镜(负屈光度)可以用于矫正近视。汇聚透镜(正屈光度)可以用于矫正远视。眼睛的屈光失调在全世界是失明的第二主要原因。[世界卫生组织，视觉影响和失明，字幕新闻，2010 (World Health Organization, Visual impairment andblindness, Factsheet, 2010)]在全世界超过153百万人受到未矫正的屈光视力问题的影
响，并且他们中87%-133. 11百万-居住在发展中国家。[B. Holden, Uncorrected
refractive error: the major and most easily avoidable cause of visionloss, Community Eye Health, Vol. 20 (63), pp. 37-39, 2007]许多这些受害者没有机会进行合适的诊断和治疗选择，这是由于成本——因为他们每天以少于一元生活——并且还由于没有足够数量的验光师。他们中的许多人甚至不知道视力困难或头疼归因于屈光不正。对于许多孩子，未诊断远视，因为他们能够清楚地观看到物体。然而，因为他们进行了额外的努力来聚焦于无限远处，所以随着时间，这增加了压力和头疼。所有这些问题导致发展中国家中生产力的极大的损失，估计的损失在从88. 74至133十亿美元的范围。
具有用于评估屈光失调，特别是用于一些发展中国家中，的低成本、精确的工具将是高度期望的，在这些发展中国家中，验光师短缺或患者负担不起验光师的花费。如果该工具能够用于筛选和诊断，并用于确定矫正屈光失调所需的镜片处方的球面焦度(sphericalpower)、柱面焦度(cylindrical power)和柱轴(cylindrical axis),则将是非常有帮助的。
发明内容
在此发明的范例实施方式中，能够实现这些目标。在范例实施方式中，此发明是用于人眼的视觉敏锐度的主观评估的工具。微透镜或针孔阵列放置在高分辨率显示器之上。使眼睛非常接近所述装置。图案显示在一些小透镜或针孔之下的屏幕上。使用互动软件，用户使眼镜观看到的图案呈现为对准(交叠)。软件容许用户移动图案的视位置。通过预先偏离离开小透镜或针孔的光线束的位置和角度来 实现此视运动(apparent motion)。在用户对准图案的视位置时,预偏离的量变更。使用户所观看呈现为单个对准图案的东西所需的预偏离的量指示眼睛的透镜像差。这与评估屈光失调的常规方法不同，常规方法中，模糊为散焦的指示器。在常规方法中，观察者确定一个图像是否比另一个图像模糊可能是困难的。在此发明的范例实施例中，对准的问题替代模糊估计。用户说出两个图像是否变得更对准(例如，两个线是否移动得彼此更靠近)是容易的。在此发明的范例实施例中，对于具有径向对称视力(即不散光)并且不具有较高阶像差的眼睛，可以使用简单的一步方法来评估近视或远视程度。IXD显示图案。用户采用互动软件来改变图案的虚距离(更远离或靠近小透镜)。例如，LCD能够初始地在眼睛能够锐利地聚焦的虚距离处显示图案。用户能够增大虚距离，直至他开始观看到多个交叠图像，并且然后能够减小虚距离，直至他又仅看到单个图像。通过这样做，可以确定远焦距。根据远焦距，能够确定情况可能是的近视或远视的程度。(对于近视眼，远焦距小于无限远；对于远视眼，其大于无限远)。远焦距将等于1/S，其中，S是镜片处方的球面焦度。然而，如果被测试的眼睛是散光的，则此一步方法将不起作用。在散光中，眼睛以径向不对称方式屈折光。结果，用户将不能将图案对准为锐利的单个图像。为解决此问题，在此发明的范例实施方式中，可以使用两步方法来评估眼睛，该眼睛为或可以为散光的。在这两步的第一步中，可以根据沿不同子午线的小数量的测量来容易地确定镜片处方的参数(眼睛的球面焦度、柱面焦度以及柱轴)。例如，在第一测量中，可以采用角度Θ的两个小透镜。(“角度Θ ”意指与两个小透镜的中心相交的线相对于某一参考具有角度Θ )。在两个小透镜的每一个之下，IXD显示取向(ji + Θ)的线。使用互动软件，用户在ID中移动两个显示的线的视位置(彼此更靠近或远离)。当从小透镜至虚物的距离等于I/(S +Csin2(a-0))时，两个线对用户将呈现对准，其中S是眼睛的球面焦度，C是所述眼睛的柱面焦度，且a是柱轴的角度。沿不同子午线重复测量，其中Θ e
图12是同时显示背景图像和测试图像，以在评估眼睛的屈光力时迫使眼睛聚焦于背景图像的视距(apparent distance)处的分束器装置的图；图13是放置在头戴式显示器的显示屏幕之上的小透镜阵列的图；图14A是示出了用于在小透镜阵列的焦平面上创建计算机监视器的显示器上的缩小的图像的中继光学器件的图；图14B是小透镜阵列和中继光学器件的顶视图；图15列出了可以由用户结合此发明采用的输入装置的范例。上述图示例了此发明的一些示例性实施方式，或提供了与那些实施方式相关的信息。然而，此发明可以以许多其它方式来实施。上述图未示出此发明的所有细节。
具体实施方式
图I示出了在此发明的范例实施方式中，将智能电话保持到其一个眼睛的用户。智能电话的IXD显示器由微透镜阵列105覆盖。IXD显示一绿色线101和一红色线102。如此显示的线的位置被预偏离(pre-warp)，以矫正(至少部分)眼睛的透镜像差。对于该用户，线101和102分别呈现为绿色线104和红色线103。图2示出了在此发明的范例实施方式中，显示视觉敏锐度的评估的结果的智能电话屏幕。显示的结果是用于镜片处方的标准参数，即(从显示器的顶部至底部)球面焦度、柱面焦度以及柱轴。可以显示其它结果。例如，屏幕也可以显示用于老花眼的结果，诸如“老花眼+ 3. 00”。图3是示出了在此发明的范例实施方式中，放置在可控制高分辨率显示屏幕之上的微透镜阵列的图。例如，显示屏幕可以包括LCD屏幕。观察者将此装备保持靠近被测试的眼睛。形成于观察者的视网膜上的图像取决于被测试的眼睛的屈光性质。使用简单的互动方案，用户修改显示的图案，直至感知的图像严密匹配规定的结果。基于此互动，可以估计观察者的屈光状况，诸如近视、远视和散光。在图3中(以及图4和5中)，为简单起见，单个透镜表示角膜和水晶体的复合屈光力。在此发明的范例实施方式中，针孔阵列放置在可控制高分辨率LCD显示器之上。阵列包括八个针孔，以3X3规则格栅排列。图4是该装备的简化的光线图，示出了平地中的两个针孔。因为直接在每个针孔下的点(点A和B)被照明，所以两个平行光线进入模拟无限远处的虚点的眼睛。能够聚焦于无限远处的眼睛汇聚这些光线，这些光线在视网膜上的单个斑P处相遇。图5示出了与图4相同的装备(具有针孔阵列的显示屏幕)。然而，在图5中，眼睛是近视眼，而不是完美的。结果，平行光线A和B由近视眼汇聚至视网膜前面的单个点，并且然后再次发散，分别在点PA和PB撞击视网膜。如图5中所示，改变点A (或B)的位置改变针孔产生的光线的聚散度。例如，将点A和B在显示平面上更靠近彼此移动使得对应的光线发散，逐渐将虚点更靠近观察者移动。同样，将这些点移动分开使得关联的光线汇聚，将虚点远离观察者移动。对于近视眼，随点A和B移动得更靠近，两个成像的斑在视网膜上在P处交叠。施加于A和B的移位量指示观察者的眼睛的屈光不正。远视的情况(差的近视)类似随点A和B在显示平面上移动得更分开，得到的光线汇聚，创建“无限远以夕卜”的虚点。
在距眼睛距离d处创建虚源所需的移位量c为C= (f/a)/ (d-t)(等式 I)其中，t是从针孔阵列至眼睛的距离，a是针孔之间的间隔，且f是针孔阵列与显示平面之间的距离。(在图4和5中所示的距离a、c、f和t的程度上，他们具有如先前句子中定义的相同意义。)使用可编程LCD，虚场景点与眼睛之间的距离可以变更，而无需任何移动光学元件。这与变更放置在眼睛前面的透镜的焦度是等效的。根据等式1，修正近视所需的发散透镜的焦度由D = (1/d) = 1000/(f (a/2)/c +t)给出(以屈光度)，其中，所有距离以mm给出。c和D的正值表示近视，而负值表示远视。如果眼睛-小透镜距离t与眼睛-虚源距离d相比非常小，则对于实际目的，对于5屈光度(d = 200mm)或以下，t能够被忽略。在此情况下，发散透镜的焦度能够近似为D = 2000c/fa。能够以类似方式计算对于远视的矫正。
与实点不同，虚点投射不连续的光线组到眼睛中。从虚点到达的光线的数量限制于针孔的数量。这对于失焦的点产生不连续的弥散圆(cycle of confusion)。在两个针孔的情况下，当虚点失焦时，我们在视网膜上获得两个点(而不是连续的弥散圆)。此差异容许我们将模糊估计问题转换为较容易的对准问题。图5示出了在此发明的范例实施方式中，用于放置在LCD屏幕之上的微透镜阵列的平地中的简化的光线图。小透镜容许比针孔更大的光吞吐量。在此基于透镜的装备中，微透镜阵列放置在等于微透镜的焦距的距离(距LCD显示屏幕)处。代替在一个方向上来自每个针孔的单个光线，我们得到了平行光线束，如图5中所示。这引起了焦点不定性眼睛能够聚焦(或适应性调节)于距离d或无限远的虚点处，以将平行光线束聚焦于视网膜上。如以下讨论的，通过变更显示的图案，能够作出一个比另一个更强的聚焦线索(focus cue)。瞳孔尺寸限制小透镜之间的最大间隔，这影响可实现的矫正焦度的范围。还有，微透镜阵列的粒度影响用于柱轴的分辨率(在散光的情况下)。我们的装备的屈光度分辨率受到眼睛的圆锥细胞的尺寸(有效地视网膜的像素尺寸)ρε 4μπι和眼睛的焦距 17mm的限制。我们假设人用户能够解决单个像素或圆锥细胞的未对准(misalignment)。如果t 0，则应用等式1，我们的装备的最大分辨率(以屈光度)为
「00711 D = 2000max(—zpf· η )
L0071」min/'a ^其中，a是针孔或使用的小透镜之间的间隔(间距)，f是显示屏面与针孔或小透镜平面之间的距离，Pe是等效于视网膜处的“像素尺寸”，fe是眼睛的焦距，且Pd是显示器的像素尺寸(并且等于最小的移位C)。例如，对于针孔间隔a = 3mm，这得到O. 15屈光度作为P。设定的上限。这由眼睛和此发明的光学器件中的衍射进一步减小。在此发明的范例实施方式中，可以容易地测量近视。例如，考虑使用微透镜阵列的实施方式。观察者经微透镜阵列观看并观看到多个部分交叠的图案(从每个小透镜看到一个，如图7中所示，顶部)。观察者进行ID搜索并通过在小透镜下面对图案进行移位(或将图案移动得更靠近或移动得更分开)来尽力对准图案。当图案呈现为对准时(由用户通过小透镜观看到)，图案之间的间隔(LCD上)给出近视的测量。遍及此处理，归因于从每个小透镜到达的平行光线束，观察者的眼睛聚焦为靠近其能够实现的无限远处(完全放松状态)。为测量远视，使虚点远离眼睛移动，使得眼睛进行适应性调节，直至晶状体完全放松，但是图像仍然锐利地聚焦。进一步移动虚点导致多个交叠图像。眼睛不再能够用以聚焦于图案上的距离给出了远视程度的测量。图3和4中示出的简化的光线图对球透镜工作良好(并且评估诸如近视和远视的径向对称失调)，但是不足以描述非径向对称或更高阶像差。散光是归因于角膜和/或眼睛晶状体的不规则形状的公共屈光不正。其使得眼睛以径向不对称方式屈折光。不能仅以球透镜矫正散光。以径向对称方式移动虚点不导致散光的矫正评估。对于散光，我们需要观看生成的光线空间是如何变换到眼睛外和内的。散光眼通常建模为环面(球柱(sphero-cylindrical))补丁(patch),并且其沿方向Θ的子午线的屈·光力Ρ(θ)特征化为P ( Θ ) =S + Csin2 ( α - Θ )其中，S是眼睛的球面焦度，C是其柱面焦度，且α是柱轴的角度。其满足min (P ( Θ )) = S，且 max (P ( Θ )) = S +C。遗憾的是，在存在归因于柱面像差的散光时，对准大多数图案(诸如十字)不是容易的(如图7中所示，中间)。与球情况不同，沿径向方向移动两点在它们的观察的位置产生螺旋线，并且它们可以从不交叠。单个虚点构图为两个不同图像点。与柱轴(图7中的竖直轴)对准的线是共线的，但是任何其它取向的线不变得共线。因为散光轴不是先验已知的，所以设计用于最佳对准策略的图案和它们的移动是挑战性的。容许2D扰动来对准两个点起作用，但是处理慢、乏味并且易于出错(2D搜索)。在此发明的范例实施方式中，通过每次将两个小透镜暴露为以角度Θ取向(如图7中所示，底部)，解决了此问题。我们注意到，当在距透镜距离I/(S +C sin2(a-0))的前焦平面中创建虚像时，仅以取向(Θ + π/2)放置的线段将变为共线的。通过计算彼此垂直地移动这两个平行线段时所需的步骤的数量来计算此子午线处的屈光度。注意对于散光眼(1) ( Θ + /2)外的所有线段取向可以导致不正确的结果；并且(2) (1/(S +Csin2 (α-Θ))外的)所有距离可以导致不正确的结果。通过估计沿Θ e
如果使用小透镜阵列，可以通过每隔一个小透镜进行跳读来减小从各小透镜离开的光线束之间的串扰。如果使用针孔，则来自各针孔的光线束之间的串扰也是问题。为解决该问题，可以放松对常规间隔的针孔的约束。替代地，每个针孔可以抖动小的量(如图9A中所示)。还有，可以对应地抖动显示掩膜或LCD中的每隔针孔后的图案(也示于图9B中)。抖动图案将针孔之间的串扰转换为随机噪声。在针孔间隔小(更大的光吞吐量)或掩膜至针孔的距离大(增大的焦度分辨率)且构造的串扰可以混淆观察者时，这是有用的。归因于不规则的布置，这些图案难以与微透镜阵列一起使用。给出期望的图案g以及距图案P距离f放置的抖动针孔阵列h，通过卷积P = IWg可以获得图案P。当聚焦于无限远处时，眼睛将所有平行光线整合到单个斑中，并且角度方向β上的平行光线强度由h(x)p(x-fi3)给出。从而，形成的眼睛图像由
1(灼例) = / *;；给出，其中*暗示互相关。从而，I=h*h g。清楚地，为了将
图像g呈现给人眼，我们必需使用抖动针孔图案h，其自相关是德尔塔函数。这意指h应当是针孔(平凡解)或具有宽带频率响应的伪随机图案。通过从针孔的均匀格栅位置抖动针孔来创建h。印刷的图案是与针孔阵列图案P进行卷积的信号S的卷积。当眼睛通过针孔阵列P观看时，其执行去卷积以重新得到S。这指示对P的约束。其不应当是频率抑制，相反应当是宽带。图9A示出了抖动针孔图案(h)。图9B示出了对于O屈光度的对应的显示掩膜(p)。当观看此抖动针孔装备时，完美的眼睛在中间观看到区别的图案(g)(如图9C中所示)，而近视眼观看到模糊的图像(如图9D中所示)。通过缩放g，能够将虚点移动得更靠近远离其移动的小透镜。可以以各种不同形式的因素容纳LCD显示屏幕。例如，其可以包括蜂窝电话、智能电话、或头戴式显示器(HMD)的显示屏幕。或者，例如，LCD显示屏幕可以包括计算机监视器。在该情况下，可以使用中继光学器件来在小透镜阵列的焦平面处创建计算机监视器上的图像的缩小的显示。此系统不需要LCD。可以使用任何种类的电子视觉显示器，包括基于DMD的、基于DLP的、OLED、等离子体、或CRT显示器。
小透镜或针孔阵列可以附接于显示屏幕之上。替代地，小透镜或针孔阵列可以容纳于保持于显示屏幕上的分开的手持式工具中。图IOA是此发明的范例实施方式中，该手持式装置1000的横截面视图。小透镜或针孔阵列1002容纳于刚性外壳1004中。用户将待测试眼睛保持在取景接目罩(eyecup) 1006上。在另一版本中，IXD可以在针孔附件内，形成用于测量屈光不正的完整封装，无需用于另一显示器的搭锁(snap-on)。图IOB示出了手持式装置1000保持在蜂窝电话1020的显示屏幕1018上的情况。蜂窝电话按钮1022、1024、1028由用户采用以控制互动软件。除其它事情外，此软件容许用户对准显示的图像并输入用户的主观经验的指示(诸如用户观看到对准的图像)。耳机1030、1032可以由用户采用以听声音指令，诸如关于如何进行视觉敏锐度测试的指令。小的输入装置1026容纳用于控制声音输出的音量、播放、和暂停按钮1028。缆线1025连接输入装置1026和蜂窝电话1020。图IOC示出了蜂窝电话1020中的处理器1021。该处理器可以用于运行软件(除其它事情外)以接受用户输入、控制屏幕上的测试图像的显示、经由图形用户接口的互动、以 及计算眼睛参数。替代地，可以使用一个以上的处理器，并且所有这些处理器或其中一些可以与显示屏幕分开容纳，包括在远程位置。远程设置的处理器可以通过有线或无线连接彼此连接或连接至LCD显示装置。在此发明的一些实施例中，图像通过掩膜(mask)或幻灯片显示，而不是通过动态IXD屏幕显示。在该情况下，为了改变帧，可以与小透镜或针孔阵列相关地调换一组不同的掩膜或幻灯片，使得照明掩膜或幻灯片中的不同的掩膜或幻灯片。此处理可以重复，使得显示一系列不同的掩膜或幻灯片。宽种类的材料可以用于幻灯片或掩膜。例如，在此发明的原型中，显示掩膜包括透明膜，其部分通过激光印刷机染黑。图IlAUlB和IlC分别是在此发明的范例实施方式中，其中能够通过在针孔阵列之下平移掩膜而改变显示的装备的横截面、透视和顶视图。在这些图中，具有刚性壁1102的手持式装置1100容纳针孔阵列1105。用户能够使其眼睛倚靠目镜1104。一组显示掩膜1108设置在可移动臂1110中。为改变帧，用户能够手动滑动可移动臂1110，直至显示新的掩膜。当被针对视觉敏锐度进行测试时，用户可以滑动可移动臂至图像出现的点。在该点，用户可以观看装置的底部以观看以屈光度为单位的印刷值。例如，每个图像可以比先前的大或小O. 5屈光度。掩膜可以由环境光或诸如LED、手电筒或灯泡的任何其它光源照明。针孔的问题是眼睛的焦点往往漂移。为解决此问题，当期望被测试的眼睛聚焦于无限远处时，可以指令用户以另一个眼睛观看远的场景。解决(采用针孔时眼睛的焦距漂移的)此问题的另一方式是使用分束器来在相同时间给被测试的眼睛显示两个图像。一个图像是背景图像，另一个是测试图像(其投射到背景图像的中间的黑色圆中)。眼睛往往在其观看测试图像的同时聚焦于背景图像的视距处。图12示例此发明的范例实施方式中，分束器的使用。蜂窝电话1200的LCD屏幕的部分显示测试图案1202。来自这些测试图案1202的光通过针孔阵列1204，针孔阵列1204包括围绕圆相等间隔的八个针孔1209。蜂窝电话上的LCD屏幕的另一部分显示亮度可调节均匀正方形1206。来自此照明的正方形的光给可移动背景图像1208提供背光。此背景图像具有两部分。较大的部分1210可以例如是森林的照片。较小的部分1212是测试图像将投射入的黑孔。来自可移动背景图像1208的光通过自正面镜1214弹开、通过透镜1216、并自分束器1218弹开而传播到用户的眼睛1220。来自针孔阵列1204的光通过分束器1218并且然后到达受试者的眼睛1220。用户可以将其眼睛1220保持至取景接目罩1222。用户将观看到图像1226，包括背景图像1224和其内具有测试图像的黑环1226。在此范例中，眼睛往往聚焦于背景图像1224的视深(apparent depth)0从透镜1228至可移动背景图像1208的默认距离等于透镜1216的焦距1228。在此距离，图像将投射在无限远处。用户能够以比如说I屈光度的步长手动调节可移动背景1208的物理位置。背景图像1208的移动能够模拟比如说+ 6至-3屈光度的范围。背景图像用于迫使眼睛聚焦于特定距离处。当眼睛如此聚焦时，用户能够对准测试图像(用户在黑内环1226中看到的)中的图案以测量透镜像差。图13示出了此发明的范例实施方式中，头戴式显示器1200 (HMD)的使用。在图13中，小透镜或针孔阵列1210和1212 (容纳在框架1206、1208中放置在HMD的LCD显示器之上(该IXD显示器设置在外壳1202、1204内)。 替代地，IXD显示屏幕可以包括计算机监视器。在任何情况下，可以使用中继光学器件来在小透镜阵列的焦平面处创建计算机监视器上的图像的缩小的显示。图14A示出了该装备的范例。计算机监视器1302的屏幕显示测试图案。中继光学器件1304用于在小透镜阵列的焦平面处创建这些测试图案的缩小的显示。用户可以通过观看目镜1306里面来观看测试图案。用户可以输入指令，并通过使用鼠标1310或键盘1312利用监视器1302上的图形用户接口互动。除其它事情外，计算机1308中的处理器可以用于执行软件指令用于(除其它事情外)接受用户输入、控制监视器屏幕上的测试图像的显示、经由图形用户接口与用户互动、以及计算眼睛参数。替代地，一个或更多处理器可以执行这些功能，并且这些处理器中的至少一些可以分开容纳，包括在诸如网络服务器的远程位置处。远程设置的处理器可以通过有线或无线连接彼此连接或连接到电子视觉显示器。图14B示出了中继光学器件的顶视图。用户可以使其眼睛倚靠取景接目罩1306放置，以观看小透镜或针孔阵列1314里面。图15是示出了此发明的范例实施方式中，可以使用的输入装置的范例的图。例如，用户可以采用键盘1403、鼠标1405、按钮1407、拨号盘1409、或蜂窝电话键1411以输入指令或其它数据给计算机处理器1401。处理器1401可以接受该输入。根据此输入，除其它事情外，处理器1401可以控制电子视觉显示器1402 (诸如IXD)来使得眼睛观看到的显示图案的视位置(apparent position)移动得更靠近一起或分开更远。或者如果输入数据指示显示的图案呈现为对准，则处理器可以基于该输入确定被测试的眼睛的至少一个屈光参数。取决于实施方式，输入可以来自各种源。在此发明的一些实施方式中，指令或数据由眼睛被测试的人以外的人输入。替代地，输入可以来自计算机。例如，来自眼睛被测试的人、或来自另一人、或来自计算机的输入可以用于变更图案(如眼睛或被测试的其它光学系统观看到的)。同样，该输入可以用于指示该图案(如眼睛或被测试的其它光学系统观看到的)呈现为形成了期望的图像。在此发明的一个原型中，采用类似于图14A和14B中所示的装备。此原型使用与光学缩小系统(1/35. 8的因子)耦合的24” Dell 2407WFP IXD显示器(1920X 1200像素)以及焦距12. 5mm的500微米小透镜的20X20的阵列(EdmundOptics' 部件号NT64-479)。缩小系统在微透镜的焦平面上创建3320DPI的虚显示，其等效于7. 5 μ m的像素间距显示。对于每个等式I，我们具有a = 3. 5mm,且c = O. 0075X显示像素的数量。目镜确保t =15mm，对于IXD上的每个移位的像素给出约±0. 16屈光度。对于每个等式2，此装备接近由眼睛中的圆锥细胞的尺寸所限制。在此发明的另一原型中，使用尺寸、接口以及屏幕分辨率(每英寸的像素)变更的其它高分辨率屏幕。在蜂窝电话装备中，我们使用Samsung BehoId I，其有具有180DPI的显示(或540DPI，ID中具有三色通道);和Google Nexus 0ne电话，其有具有250DPI的显示(或750DPI，ID中具有三色通道)。使用具有3mm孔间距的针孔掩膜和距离f = 20mm,这些原型提供每移位的像素分别约O. 71屈光度和O. 4屈光度。针孔阵列图案是规则的3X3格栅，其中，每个方形的针孔具有O. 5mm的宽度。我们也使用Vuzix iWear VR920头戴式显示器(1806DPI)和500微米的焦距12. 5mm的小透镜(Edmund Optics 部件号NT64-479)，这在a = 3. 5mm时导致每移位的像素±0. 35屈光度。在范例实施方式中，此发明具有时间维度并且对于估计适应性调节的速度是有用的。此途径适合于探测睫状肌的健康状况、暂时疲劳、或兴奋。视觉图案示于一定深度并且 在相邻帧中其改变为不同深度。年轻健康的受试者以约350ms来重新适应性调节。替代地，可以以此方式检查消费者摄像机聚焦的速度。例如，可以将无限远处的虚物示于像机，并且在正好相邻的帧中，可以将虚物示于20cm处。眼睛和微透镜中的色差可以在不同深度产生虚点，使得彩色图案的使用不易处理。然而，彩色图案用于四个原型之一中，以合适的成功增大有效显示分辨率。在范例实施方式中，能够通过对现存高分辨率显示器，诸如移动电话，进行改型来构建此发明。该改型可以通过简单且便宜的硬件和软件修改来完成。在该改型途径中，小透镜或针孔阵列可以容纳于分开的手持式装置中，诸如图IOA和IOB中所示的那种。在此发明的范例实施方式中，估计和验证组合在单个步骤中并且采用对准任务来代替模糊测试。这与今天的验光中的最通常的实践形成对比。在范例实施方式中，在距观察者不同的距离处投射虚图案的能力容许测量适应性调节的范围和速度。此发明不限于作为散焦的指示的对准。替代地，聚焦或散焦可以由图像中的任何改变来指示，如由眼睛或其它被测试的光学系统所看到的，诸如(a)颜色的时间或空间变更；(b)移动，包括至少一个图案的移动；(c)至少一个图案的形状的改变；(d)图案相对于彼此的相对位置的改变。为清楚起见，一些定义术语“观看”和“呈现”应当宽泛地适用于有生命的和无生命的光学系统。例如，如果一些东西能够被像机“观看”，则其意指其从像机的角度是可见的。还有，例如，如果一些东西“呈现”于像机，则这意指其从像机的角度呈现。术语“期望的图像”应当宽泛地视为包括满足该图像的选择的至少一个标准的任何图像，不管该选择是由有生命的还是无生命的决定作出者作出，诸如人或计算机。术语“在…之上”和“在…之下”不限于竖直背景，而是应当宽泛地解释。例如，不管显示屏幕的取向，如果垂直于屏幕的线与图案和小透镜均相交，则显示在屏幕上的图案“在小透镜之下”。还有，例如，如果装置包括彼此平行的显示屏幕和相邻阵列，则阵列“在显示屏幕之上”，而不管该装置的取向。术语“包括”(以及其语法上的变化)应当宽泛地解释为好像由词语“无限制”跟随。此发明可以以许多不同方式来实施。这里是一些范例此发明可以实施为一种用于评估光学系统的过程，所述过程包括以下的组合
(a)控制电子视觉显示器在小透镜或针孔阵列中的至少一些小透镜或针孔之下显示图案，所述阵列安置为使得来自所述电子视觉显示器的光通过所述阵列并到达所述光学系统； (b)根据控制输入来控制所述电子视觉显示器改变所述光学系统观看到的所述图案；(c)接受指示对于所述光学系统，所述图案呈现为形成期望的图像的输入；以及(d)基于关于所述期望的图像的视形成(apparent formation)的所述输入来确定所述光学系统的至少一个屈光参数。此发明可以实施为一种设备，所述设备包括以下的组合(a)小透镜或针孔的阵列，安置于或适于安置于电子视觉显示器之上，使得来自所述电子视觉显示器的光能够通过所述阵列并到达光学系统；以及(b)至少一个处理器，用于(I)控制所述电子视觉显示器来在所述阵列中的至少一些小透镜或针孔之下显示图案；(II)根据控制输入来控制所述电子视觉显示器，以使得由所述光学系统观看到的所述图案的视位置移动得更靠近一起或分开更远；(III)接受指示对于所述光学系统，所述图案呈现为对准而形成单个图像的输入；以及(IV)基于关于视对准的所述输入来确定所述光学系统的至少一个屈光参数。该设备还可以包括电子视觉显示器。此发明可以实施为一种设备，所述设备包括以下的组合(a)小透镜或针孔的阵列，安置于或适于安置于电子视觉显示器之上，使得来自所述电子视觉显示器的光能够通过所述阵列并到达光学系统；以及(b)至少一个处理器，用于(I)控制所述电子视觉显示器来在所述阵列中的至少一些小透镜或针孔之下显示图案；(II)根据控制输入来控制所述电子视觉显示器改变由所述光学系统观看到的所述图案；(III)接受指示对于所述光学系统，所述图案呈现为形成期望的图像的输入；以及(IV)基于关于视对准的所述输入来确定所述光学系统的至少一个屈光参数。所述设备还可以还包括以下至少之一 (I)电子视觉显示器；以及(2)分束器，用于向所述眼睛同时呈现第一图像和第二图像，所述第一图像用于给所述眼睛提供用于聚焦于所述第一图像的视深的线索，且所述第二图像是在所述眼睛聚焦于该视距时，用于评估所述至少一个屈光参数的测试图像。所述设备的所述至少一个处理器可以包括多个处理器，并且所述多个处理器中的至少一个可以远离所述阵列。此外，在此发明的一些实施方式中，包括三个紧跟在前的段落中描述的那些(I)所述电子视觉显示器可以包括液晶显示器；(2)所述光学系统可以包括人用户的眼睛；(3)所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入可以来自所述人用户；(4)所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入可以来自另一人用户；(5)所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入可以来自计算机；(5)所述至少一个屈光参数可以是所述眼睛的球面焦度；(6)所述至少一个屈光参数可以是以下之一 (i)所述眼睛的柱面焦度；以及(ii )所述眼睛的柱轴；(7)所述至少一个屈光参数可以是以下之一 (i )所述眼睛的短焦距；以及(ii)所述眼睛的远焦距；(8)由所述光学系统观看到的至少一个所述图案可以具有改变的形状相对于彼此的视位置，并且至少一些所述视位置可以改变；(9)由所述光学系统观看到的至少一个所述图案可以具有改变的形状；(10)由所述光学系统观看到的所述图案的颜色空间上或时间上可以变更；(11)由所述光学系统观看到的至少一个所述图案可以移动；(12)当从所述小透镜至由所述图案构成的虚物的距离等于1/S时，所述图案对所述眼镜呈现为对准的，其中，S是所述眼睛的以屈光度计的球面焦度；(13)如果所述眼睛的屈光是径向不对称的，并且如果显示的所述图案仅在由取向Θ的直线对开的小透镜之下，并且如果所述图案由以角度(η/2+ Θ)取向的直线段构成，则当从所述小透镜至由所述图案构成的虚物的距离等于1/(S +Csin2(Ci-Q))时，对于所述眼睛，所述图案可以呈现为对准的，其中，S是所述眼睛的以屈光度计的球面焦度，C是所述眼睛的以屈光度计的柱面焦度，且α是所述眼睛的柱轴；(14)可以沿所述眼睛的柱轴投射对称适应性调节图案；(15)可以基于从所述小透镜至所述虚物的最长和最短距离来确定所述眼睛的适应性调节的范围，所述最长和最短距离是所述对称适应性调节图案对所述眼睛呈现为对准的距离；(16)可以通过控制所述电子视觉显示器将由所述图案构成的虚物的深度从一个深度改变为新的深度，并测量所述光学系统适应性调节至所述新的深度所需的时间来确定所述光学系统的适应性调节的速度；以及(17)分束器可以用于向所述眼睛同时呈现第一图像和第二图像，所述第一图像用于给所述眼睛提供用于聚焦于所述第一图像的视深的 线索，且所述第二图像是在所述眼睛聚焦于该视距时，用于评估所述至少一个屈光参数的测试图像。结论应当理解，以上描述的方法和设备仅是本发明的原理的示例性应用。本领域技术人员可以不脱离本发明的范围进行许多修改。本发明的范围仅由以下权利要求限定。
权利要求
1.一种用于评估光学系统的过程，所述过程包括以下的组合 控制电子视觉显示器在小透镜或针孔阵列中的至少一些小透镜或针孔之下显示图案，所述阵列安置为使得来自所述电子视觉显示器的光通过所述阵列并到达所述光学系统； 根据控制输入来控制所述电子视觉显示器改变所述光学系统观看到的所述图案； 接受指示对于所述光学系统，所述图案呈现为形成期望的图像的输入；以及 基于关于所述期望的图像的视形成的所述输入来确定所述光学系统的至少一个屈光参数。
2.如权利要求I所述的过程，其中，所述电子视觉显示器包括液晶显示器。
3.如权利要求I所述的过程，其中，所述光学系统包括人用户的眼睛。
4.如权利要求3所述的过程，其中，所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入来自所述人用户。
5.如权利要求3所述的过程，其中，所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入来自另一人用户。
6.如权利要求I所述的过程，其中，所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入来自计算机。
7.如权利要求3所述的过程，其中，所述至少一个屈光参数是所述眼睛的球面焦度。
8.如权利要求3所述的过程，其中，所述至少一个屈光参数是以下之一(i)所述眼睛的柱面焦度；以及(ii)所述眼睛的柱轴。
9.如权利要求3所述的过程，其中，所述至少一个屈光参数是以下之一(i)所述眼睛的短焦距；以及(ii )所述眼睛的远焦距。
10.如权利要求I所述的过程，其中，所述图案具有由所述光学系统观看到的相对于彼此的视位置，并且至少一些所述视位置改变。
11.如权利要求I所述的过程，其中，由所述光学系统观看到的至少一个所述图案具有改变的形状。
12.如权利要求I所述的过程，其中，由所述光学系统观看到的所述图案的颜色空间上或时间上变更。
13.如权利要求I所述的过程，其中，由所述光学系统观看到的至少一个所述图案移动。
14.如权利要求3所述的过程，其中， 所述眼睛的屈光是径向对称的； 当从所述小透镜至由所述图案构成的虚物的距离等于1/S时，对于所述眼睛，所述图案呈现为对准的，其中，S是所述眼睛的以屈光度计的球面焦度。
15.如权利要求3所述的过程，其中， 所述眼睛的屈光是径向不对称的； 所述图案仅显示于由取向Θ的直线对开的小透镜之下； 所述图案由以角度U/2+θ)取向的直线段构成； 当从所述小透镜至由所述图案构成的虚物的距离等于1/(S+Csin2(a - Θ ))时，对于所述眼睛，所述图案呈现为对准的，其中，S是所述眼睛的以屈光度计的球面焦度，C是所述眼睛的以屈光度计的柱面焦度，且α是所述眼睛的柱轴。
16.如权利要求15所述的过程，还包括以下步骤 沿所述眼睛的柱轴投射对称适应性调节图案；以及 基于从所述小透镜至所述虚物的最长和最短距离来确定所述眼睛的适应性调节的范围，所述最长和最短距离是所述对称适应性调节图案对所述眼睛呈现为对准的距离。
17.如权利要求I所述的过程，其中，通过控制所述电子视觉显示器将由所述图案构成的虚物的深度从一个深度改变为新的深度，并测量所述光学系统适应性调节至所述新的深度所需的时间来确定所述光学系统的适应性调节的速度。
18.如权利要求3所述的过程，还包括使用分束器来向所述眼睛同时呈现第一图像和第二图像，所述第一图像用于给所述眼睛提供用于聚焦于所述第一图像的视深的线索，且所述第二图像是在所述眼睛聚焦于该视距时，用于评估所述至少一个屈光参数的测试图像。
19.一种设备，包括以下的组合 小透镜或针孔的阵列，安置于或适于安置于电子视觉显示器之上，使得来自所述电子视觉显示器的光能够通过所述阵列并到达光学系统；以及至少一个处理器，用于 控制所述电子视觉显示器来在所述阵列中的至少一些小透镜或针孔之下显示图案；根据控制输入来控制所述电子视觉显示器，以使得由所述光学系统观看到的所述图案的视位置移动得更靠近一起或分开更远； 接受指示对于所述光学系统，所述图案呈现为对准而形成单个图像的输入；以及 基于关于视对准的所述输入来确定所述光学系统的至少一个屈光参数。
20.如权利要求19所述的设备，还包括所述电子视觉显示器。
21.一种设备，包括以下的组合 小透镜或针孔的阵列，安置于或适于安置于电子视觉显示器之上，使得来自所述电子视觉显示器的光能够通过所述阵列并到达光学系统；以及至少一个处理器，用于 控制所述电子视觉显示器来在所述阵列中的至少一些小透镜或针孔之下显示图案； 根据控制输入来控制所述电子视觉显示器改变由所述光学系统观看到的所述图案； 接受指示对于所述光学系统，所述图案呈现为形成期望的图像的输入；以及 基于关于视对准的所述输入来确定所述光学系统的至少一个屈光参数。
22.如权利要求21所述的设备，其中，所述电子视觉显示器包括液晶显示器。
23.如权利要求21所述的设备，其中，所述光学系统包括人用户的眼睛。
24.如权利要求23所述的设备，其中，所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入来自所述人用户。
25.如权利要求23所述的设备，其中，所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入来自另一人用户。
26.如权利要求21所述的设备，其中，所述控制输入和关于期望的图像的视形成的所述输入来自计算机。
27.如权利要求23所述的设备，其中，所述至少一个屈光参数是所述眼睛的球面焦度。
28.如权利要求23所述的设备，其中，所述至少一个屈光参数是以下之一(i )所述眼睛的柱面焦度；以及(ii)所述眼睛的柱轴。
29.如权利要求23所述的设备，其中，所述至少一个屈光参数是以下之一(i)所述眼睛的短焦距；以及(ii)所述眼睛的远焦距。
30.如权利要求21所述的设备，其中，所述图案具有由所述光学系统观看到的相对于彼此的视位置，并且至少一些所述视位置改变。
31.如权利要求21所述的设备，其中，由所述光学系统观看到的至少一个所述图案具有改变的形状。
32.如权利要求21所述的设备，其中，由所述光学系统观看到的所述图案的颜色空间上或时间上变更。
33.如权利要求21所述的设备，其中，由所述光学系统观看到的至少一个所述图案移动。
34.如权利要求23所述的设备，其中，所述至少一个处理器也用于执行包括以下的步骤控制所述电子视觉显示器来显示所述图案，使得在所述眼睛具有径向对称的屈光时，当从所述小透镜至由所述图案构成的虚物的距离等于1/S时，所述图案呈现为对准的，其中，S是所述眼睛的以屈光度计的球面焦度。
35.如权利要求23所述的设备，其中，所述至少一个处理器也用于执行包括以下的步骤控制所述电子视觉显示器来将所述图案显示为以角度(n/2+θ)取向的直线段，所述图案仅在由取向Θ的直线对开的小透镜之下，并且当从所述小透镜至由所述图案构成的虚物的距离等于l/(S+Csin2(a-0))时，对于所述眼睛，所述图案呈现为对准的，其中，S是所述眼睛的以屈光度计的球面焦度，C是所述眼睛的以屈光度计的柱面焦度，且α是所述眼睛的柱轴。
36.如权利要求23所述的设备，其中，所述至少一个处理器也用于执行包括以下的步骤沿所述眼睛的柱轴投射对称适应性调节图案；以及基于从所述小透镜至所述虚物的最长和最短距离来确定所述眼睛的适应性调节的范围，所述最长和最短距离是所述对称适应性调节图案对所述眼睛呈现为对准的距离。
37.如权利要求23所述的设备，其中，所述至少一个处理器也用于执行包括以下的步骤通过控制所述电子视觉显示器将由所述图案构成的虚物的深度从一个深度改变为新的深度，并测量所述光学系统适应性调节至所述新的深度所需的时间来确定所述光学系统的适应性调节的速度。
38.如权利要求23所述的设备，还包括分束器，用于向所述眼睛同时呈现第一图像和第二图像，所述第一图像用于给所述眼睛提供用于聚焦于所述第一图像的视深的线索，且所述第二图像是在所述眼睛聚焦于该视距时，用于评估所述至少一个屈光参数的测试图像。
39.如权利要求21所述的设备，其中，所述至少一个处理器包括多个处理器，并且所述多个处理器中的至少一个远离所述阵列。
40.如权利要求21所述的设备，还包括所述电子视觉显示器。
全文摘要
在范例实施方式中，此发明是用于人眼的视觉敏锐度的主观评估的工具。微透镜或针孔阵列放置在高分辨率显示器之上。使眼睛非常接近该装置。图案显示在一些小透镜或针孔之下的屏幕上。使用互动软件，用户使得眼睛看到的图案呈现为对准的。软件容许用户移动图案的视位置。通过预偏离离开小透镜显示器的光线束的位置和角度来实现此视运动。随着用户对准图案的视位置，预偏离的量变更。为使用户所看到的东西呈现为单个对准图案所需的预偏离的量指示眼睛的透镜像差。
文档编号A61B3/032GK102946790SQ201180020115
公开日2013年2月27日 申请日期2011年4月22日 优先权日2010年4月22日
发明者V·潘普洛纳, M·M·德奥利维拉内托, A·莫汉, R·莱斯卡 申请人:麻省理工学院