便携式波前像差仪的制作方法

本申请要求于2013年12月31日提交的美国临时专利申请No.61/922,337的优先权。

技术领域

本公开的实现涉及用于检测和测量患者的眼睛的屈光误差的光学设备。

背景技术：

在美国，针对6岁以下的儿童并不常规地提供视力测试，其中6岁以下的儿童中仅14％曾经有过视力测试。另外，世界范围内超过5亿人遭受屈光误差的相关疾病，其中这些人中超过90％是在发展中国家。如果没有早期识别并矫正，那么这种状况有可能随时间更加恶化。

一些因素可能会阻止早期检测和一般检测。一个因素是交流，如可能是小孩不能清楚地表明他/她正在经受的疾病的情形或是在发展中国家中患者可能不能够有效地与医疗提供者进行交流的情形。另一个因素是成本，这在发展中国家中是特别限制的，这是因为用于检测屈光误差的设备可能是昂贵的以及用于操作设备并分析结果的经过良好训练的人员可能是难得到的或具有有限可用性。

附图说明

将在附图的各图中通过示例非限制性地进行示出本公开，其中相同附图标记指示类似的元件，并且其中：

图1描绘了眼睛、通过从眼睛视网膜反射的光生成的波前、以及将该光聚焦在移动设备照相机的光检测器上的透镜阵列；

图2示意了所公开的波前像差仪的设计；

图3示意了所公开的波前像差仪的替代的设计；

图4描绘了对应于正常眼睛和具有屈光误差的眼睛的夏克哈特曼(Shack-Hartmann)光斑的差异，以及表示散焦和散光的波前轮廓形状；

图5是模块和相关联移动设备的实现的示意；

图6A描绘了根据一个实现使用的示意性模块的视图；

图6B描绘了根据一个实现使用的示意性模块的另一视图；以及

图7是使用本文所公开的实现中的任意一个用于测量患者的眼睛的像差的示意性过程。

具体实施方式

本申请的主题涉及最典型地由眼科医师和验光师使用来检测并测量患者的眼睛的屈光误差的诊断设备。更特别地，本申请的主题涉及能够可逆地附接到便携式计算设备(诸如智能电话)从而创建功能波前像差仪的模块。本申请的主题利用诸如存在于模块上的激光的光源来生成要从眼睛反射的光。进一步地，所公开的设备利用便携式计算设备的照相机来捕获该反射光，其然后可以由便携式计算设备上的软件转换并被提供给医务专用人员及其他人使用。

本申请主题的一个目的是提供一种模块，其在可逆地耦接至便携式计算设备(诸如智能电话)时创建功能波前像差仪。进一步的目的是通过利用消费者可能已经拥有的便携式计算设备来提供较低成本的波前像差仪。另一目的是提供较低成本的波前像差仪模块，其可以由光学专业人员标注品牌并借给患者使用以便为光学专业人员提供跟踪患者的眼睛的屈光误差的变化的多个数据集。又一个目的是提供较低成本的波前像差仪模块，其可以由光学专业人员标注品牌并借给患者以允许该患者在无需探访光学专业人员的情况下获得屈光测量，并且可选地，可以将那些测量结果传送至光学专业人员以用于诊断或筛查目的，或制作或准备好要购买的矫正镜片。本文所公开的实现的性质可减少与波前像差仪相关联的成本，使得它成为一种用于家庭使用或在有限的医疗基础设施的区域诸如发展中国家中的可行设备。

这些目的可以通过波前像差仪模块(“模块”)来获得，其能够可逆地附接到移动计算设备(“移动设备”)，诸如智能电话、个人数字助理、膝上型电脑或掌上型电脑。智能电话是具有计算机、照明屏、以及照相机和其他特征的移动电话。根据本申请的主题可使用具有照相机的其他移动设备。例如，根据所公开的实现可使用的移动设备可以是装配有照相机的电话(或智能电话)，尽管也可使用诸如平板电脑、膝上型电脑、特定音频或视频播放器、以及电子书阅读器的其他设备，它们都可以包括光检测器(例如，照相机)，以及，中央处理单元或用于将由照相机捕获的信息传输至具有中央处理单元的另一设备的收发器。所述模块可包括用于将该模块定位或附接到移动设备的引导件，从而提供使得来自光源的光可朝着患者的眼睛被引导的光束路径，并提供使得来自光源的、被患者的眼睛反射离开的光行进穿过微透镜阵列并随后到达光检测器上的光束路径。

本申请的主题将波前像差仪的某些部件分离为可以接合在一起以形成功能单元的两个组件。一个组件，所述模块，包括将光聚焦并引导至患者的眼睛的系统，和将从患者的眼睛反射的光引导穿过透镜阵列并最终到达包括移动设备的部分的光检测器的系统。该分离允许本申请主题的主要优点，该主要优点是将波前像差仪的成本和复杂性分割成模块部分和移动设备部分，所述移动设备部分对于消费者可能是已经拥有的或可获得的。

在使用中，该模块能够可逆地附接到移动设备并保持就位使得来自模块的光源的光束被模块聚焦到穿戴者的眼睛上。在就位时，模块的光源被启动，引起穿戴者的视网膜的反射并在最终被移动设备的照相机检测到之前穿过微透镜阵列。由照相机收集的数据然后可通过本领域已知的算法由移动设备的微计算机进行处理，或数据可以由移动设备传送至不同的计算机进行处理。数据可以未处理形式被呈现至终端用户，或其可以处理后的格式呈现，诸如眼镜度数(eyeglasses prescription)或斯涅伦分数(Snellen fraction)。移动设备上的软件也可以限制呈现至终端用户的信息，并将未处理或已处理数据发送至光学专业人员用于诊断用途和/或准备矫正镜片。

本公开的某些实现涉及用于与移动设备一起使用以测量患者的眼睛的像差的模块。在一个方面，该模块包括具有近端和远端的光杆(light shaft)。该光杆可包括被布置为沿从远端至近端的第一光路引导光的第一多个光学组件，以及被布置为沿从近端至远端的第二光路引导光的第二多个光学组件。在一些实现中，第一和第二光路中的至少一部分是共同延伸的。该模块进一步可以包括光源和连接器。连接器可位于光杆的远端处。连接器可包括至少一个引导组件，用于将光杆的远端定位为邻近移动设备的光检测器。在一些实现中，在光杆的远端被定位为邻近移动设备的光检测器时，第一多个光学组件被配置为将来自光源的光沿第一光路引导至光杆的近端，并且第二多个光学组件被配置为将光沿第二光路从光杆的远端引导至移动设备的光检测器。

在一些实现中，第二多个光学组件包括微透镜阵列。

在一些实现中，光杆具有管状形状。

在一些实现中，连接器包括具有近侧表面和远侧表面的板，并且光杆是从该板的近侧表面向近侧延伸的连续延伸。光杆的远端限定穿过板的开口。

在一些实现中，所述至少一个引导组件沿板的外周设置。

在一些实现中，在光杆的远端被定位为邻近移动设备的光检测器时，所述板的远侧表面毗邻移动设备的至少部分表面。

在一些实现中，所述至少一个引导组件是用于接纳移动设备的槽。

在一些实现中，所述至少一个引导组件被配置为扣到移动设备的一部分上。

在一些实现中，所述至少一个引导组件被配置为将所述模块可拆卸地附接到所述移动设备。

在一些实现中，所述光源容纳在光杆内。

在一些实现中，所述光源是激光器。

在一些实现中，所述模块进一步包括用于将光源安装到所述模块的接收端口，其中光杆被配置为在光源处于接收端口中时引导来自光源的光。

在一些实现中，所述模块进一步包括用于容纳电池的电池端口。电池端口可以被配置为在电池处于电池端口中时将电池电气连接至光源。

在一些实现中，所述模块的光源被配置为响应于从移动设备接收的信号来生成光。

在另一个方面，一种用于测量患者的眼睛的像差的方法包括将模块定位为邻近移动设备以使得模块的光杆的远端邻近移动设备的光检测器。该方法进一步包括将模块定位为邻近患者的眼睛以使得光杆的近端邻近患者的眼睛。该方法进一步包括将来自模块的光源的光引导穿过光杆并朝向患者的眼睛。该方法进一步包括将从患者的眼睛反射的光引导穿过光杆至移动设备的光检测器。

在一些实现中，将光杆的远端定位为邻近移动设备的光检测器包括将所述模块可拆卸地附接到移动设备。

在一些实现中，该方法进一步包括处理响应于将从患者的眼睛反射的光引导穿过光杆至移动设备的光检测器而生成的数据。

在一些实现中，处理数据包括测量患者的视网膜像差。

在一些实现中，处理数据包括使用在移动设备上实现的应用来处理数据。

在一些实现中，该方法进一步包括将数据传送至分开的设备，并且处理数据包括使用所述分开的设备处理数据。

以下的描述和本文参照的附图示意了本申请主题的实现，并且不旨在限制范围。本领域普通技术人员将认识到的是所公开方法的其他实现是可能的。所有这些实现都应该认为处于权利要求书的范围之内。每个附图标记由三个数字组成。第一个数字对应首先示出该附图标记的附图编号。附图标记并非必须以它们在附图中的出现顺序进行讨论。

图1描绘了实现的方面的简单总体，其中，由光波前(103)表示的光反射离开患者的眼睛(101)的视网膜(102)。该光(103)由微透镜阵列(104)分离为光斑阵列并由微透镜阵列聚焦到二维光检测器(105)上。如该示意中所示，二维光检测器可以是移动设备(诸如智能电话)的照相机。应该理解的是，该实现中该模块与智能电话的组合不应当将权利要求书限制于使用智能电话，而是任意移动设备都可以与如本申请中公开的模块一起使用。

图2和3是所述模块内光学组件的图解并示出了从其起始处到其在二维光检测器(220)上正在被接收的光路，二维光检测器(220)诸如图1的光检测器(105)。

在某些实现中，模块的光源(213)，诸如激光，短暂地打开。在某些实现中，光可穿过孔径光阑(209)以减小光束的半径。如图3中所示，光路通过反射镜(210、205)引导并可选地根据需要通过穿过透镜(314、316)来聚焦。在某些实现中，可以省略一个或多个反射镜(205、210)，以及光源(213)可置于合适位置以引导光束朝向分束器(206)。

光源(213)可以具有充分低的能量，其长时间曝光不会损伤患者的眼睛。这会允许使用者在测量开始时打开光源(213)并在进行一个或多个测量时使其保持打开。可替代地，模块可包括开关，其会响应于从移动设备发送的信号(诸如，蓝牙或相似类型的信号)来切换光源(213)的电源，或可由移动设备的闪光的闪亮来触发。在某些实现中，可利用快门来阻挡来自光源(213)的光直至将进行测量为止。可由可逆地连接至模块的电池向光源(213)供给能量，或能量可从移动设备得到。

通过首先使用反光镜(210)沿第一光路引导光束并随后通过反射镜(205)引导光束至分束器(206)以将来自光源(213)的光束引导至患者的眼睛。可选的透镜(314、316)、反射镜(205、210)、孔径光阑(209)、分束器(206)、及光源(213)可共同地称作为“光学组件”或“第一多个光学组件”，其限定光束从光源(213)行进至患者的视网膜(201)的第一光路(211)。该多个光学组件不限制于所示出的那些，而根据需要可以包括附加的透镜、分束器、反射镜、和孔径。

可以选择分束器(206)的反射和透射率以允许足够量的光被输送到眼睛。用于确定输送至眼睛的光的充足性以及通过改变分束器的反射和透射率来改变光的量的技术在相关领域是已知的。

在分束器(206)之后，准直光被引导到患者的眼睛处，在这里其进入瞳孔(204)并通过角膜(202)和晶状体(203)聚焦到视网膜(201)上。准直光反射离开视网膜(201)并随着离开瞳孔(204)再次穿过晶状体(203)和角膜(202)。因此，视网膜后光沿光路(212)穿过分束器(206)并然后穿过微透镜阵列(214)，诸如图1的微透镜阵列(104)。微透镜阵列(214)包括多个透镜，其将光分割并转换为在微透镜阵列(214)的焦平面处各自聚焦的光斑的二维阵列(“光斑阵列”)。所产生的光斑阵列然后穿过透镜(207)和透镜(208)。这些透镜(207、208)在光检测器(220)上产生光斑阵列的共轭图像平面。在某些实现中，光检测器是互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合器件(CCD)。在某些实现中，透镜(208)和光检测器(220)是移动设备的组件。透镜(208)可以是相关联的移动设备的照相机镜头，并且还可以包括一系列透镜。

透镜(207、208)、微透镜阵列(214)、及分束器(206)也可以共同地被称作为“光学组件”或“第二多个光学组件”，其限定用于光束从患者的视网膜行进至光检测器(220)的第二光路。本领域普通技术人员应该理解的是第一和第二光路的至少一部分是共同延伸的。术语“共同延伸”意味着至少两个限定的体积可占据相同的空间。例如，两个路径在路径基本平行并重叠时被认为是共同延伸的。

尽管像差仪的精度随着微透镜阵列内透镜数量的增加而增加，而增加透镜的数量可能减少设备的动态范围(光学像差的幅度)。较低的动态范围可以阻止像差仪测量大的像差。像差仪透镜的数量可由每个微透镜的尺寸及进入微透镜阵列的光束的尺寸而进一步限制。在某些实现中，进入微透镜阵列(214)的光束的直径介于约2毫米和约5毫米之间，这对应于患者的未扩张瞳孔(204)的尺寸，并且微透镜阵列(214)可包括沿X轴的5至25个之间的透镜，以及沿Y轴的5至25个之间的透镜。在某些实现中，微透镜阵列(214)可包括沿X轴的5至20个之间的透镜，以及沿Y轴的5至20个之间的透镜。在某些实现中，沿阵列的X轴的透镜数量与沿Y轴的透镜数量相同。

图3示出了模块内光学组件的替代的设计。图3与图2不同之处在于包括光学透镜(314、316)。模块的许多实现不包括这些组件，部分地减少了制造成本，以及部分地最小化了模块的尺寸。

图2和3的光学设计将微透镜阵列(214)置于瞳孔(204)的数十毫米内，将该距离置于近场传播中所使用的瑞利距离(Rayleigh range)内，从而即使在微透镜阵列不处于瞳孔的共轭平面内时也提供像差的合理测量。这在Bauman，B.J.，&Eisenbies，S.K.(2006)，″Adaptive Optics System Assembly and Integration，″在Porter，J.，et al(Ed.)，Adaptive Optics for Vision Science：Principles，Practices，Design，and Applications，Wiley-Interscience，pp 155-187中进行了描述。如美国专利No.6,264,328中所述，替代的设计是在瞳孔(204)和微透镜阵列(214)之间增加透镜对。该透镜对在微透镜阵列(214)上形成瞳孔的共轭图像平面，这产生了由光检测器(220)对眼睛的光学像差的精确测量。

图4示意了从患者视网膜反射的光可如何被移动设备的照相机所捕获以及由数据转换所产生的轮廓图的示例。如所描述的那样，从视网膜反射的光随着其穿过微透镜阵列(410)(诸如本文所述的任意微透镜阵列)转换为光斑阵列(401、402)。如果眼睛没有像差(例如左眼(411))，由移动设备的照相机捕获的所产生的光斑阵列可由均匀分布的光斑(401)组成。如果相反，眼睛具有像差(例如，右眼(412))，所产生的获取的光斑阵列可具有扭曲的光斑分布。

光斑阵列的图像可以通过由移动设备自身上的计算机、或由能够从移动设备获得图像的计算机(共同地，“计算机”)来使用本领域已知的算法进行数学转换。一种这样的转换可以产生表示眼睛(403)像差的轮廓图。光斑阵列还可以通过计算机变换为可以用于创建针对患者的矫正镜片(404)的眼睛度数。

尽管反射离开患者的眼睛的光的主要来源是反射离开视网膜的光，而反射光的次要来源是可反射离开患者视网膜或晶状体的光。该角膜的或晶状体的反射光(“噪声”)可在处理期间由计算机减去或者另外通过使用相关领域已知的方法和技术来最小化。

图5是模块和相关联的移动设备的实现的示意。在某些实现中，壳体(即“光杆”)内包含模块的光学组件。在某些实现中，光杆可以是管状的(即“光管”)，诸如图5中描绘的光杆(501)。光杆(501)包括在一端(“患者端”或“近端”)(502)上的眼罩，以及在另一端(“设备端”或“远端”)(503)上的至少一个开口。设备端毗邻并通过连接器可逆地连接至移动设备(504)。在某些实现中，连接器包括具有至少一个引导组件(508)(例如，定位引导件)的背板(507)。例如，引导组件(508)可沿背板(507)的外周定位。在某些实现中，可包括至少两个或三个引导组件。同样如所描述的，在使用中，引导组件可逆地附接到移动设备，使得移动设备的光检测器或照相机(506)与光杆(501)内包含的光学组件对准，从而接收从患者视网膜反射的光。

在某些实现中，在光杆(501)内还包含模块的激光光源，尽管替代的设计可具有在光杆(501)外侧的激光器。例如，激光光源可以邻近光杆(501)，并且伴随的光学组件可将光从激光光源引导至光杆(501)。另外，光杆(501)还可以包括用户可访问的能够保持激光器的电源的电池隔室。在某些实现中，模块的光源可由移动设备供电，并可从移动设备接收信号(通过与移动设备的直接物理连接或无线接收器)以产生光。在某些实现中，光源可拆卸地附接到模块的接收端口。

在某些实现中，光杆(501)可以是背板(507)的连续延伸，其从背板(507)的近侧表面向近侧延伸。光杆(501)的设备端(503)可限定穿过背板(507)的开口，使得从患者的眼睛反射的光能够穿过。在某些实现中，在光杆(501)的远端被定位为邻近移动设备(504)的光检测器时，背板(507)的远侧表面可毗邻移动设备(504)的至少部分表面。

在某些实现中，引导组件(508)可允许背板(507)扣到移动设备上。在某些实现中，背板(507)可包括设置在相反的侧的两个引导组件(508)，其允许背板(507)滑动到移动设备(504)上。在该实现中，第三引导组件可位于背板(507)的顶边或底边处，其阻止进一步的滑动以将光杆(501)定位为邻近移动设备(504)的光检测器(506)。在某些实现中，可整体地省略背板(507)。例如，光杆(501)的一部分可直接扣到移动设备(504)上。在某些实现中，例如如图6A和6B所示，引导组件(508)可以是槽，该槽足够地宽以接收并保持移动设备(504)的一部分。在某些实现中，定位光杆(501)的连接器可以是引起光杆(501)粘附至移动设备(504)的胶粘材料。在这样的实现中，胶粘材料可以设置在背板(507)的远侧表面上。在某些实现中，连接器可包括从光杆(501)的远端延伸的多个段并被配置为啮合和/或缠绕移动设备(504)。在某些实现中，连接器可包括指示如何将光杆(501)关于光检测器(506)定位的对准标记。

应该理解的是，光杆(501)的管状形状仅是光杆的示意性示例，布置模块的光学组件的任意结构，诸如封闭式壳体、局部封闭式壳体(例如，如图6A中所描绘的)、板、或其任意合适的组合，都可被看做光杆。

容纳在光杆(501)内的光学组件的精确构造和尺寸能够通过使用本领域已知的方程式和技术来确定。在某些实现中，光学组件的定位和光杆(501)的设备端处的开口在制造期间被固定位置，使得开口对应于移动设备的照相机镜头的位置，从而使得向外的或反射的光路与移动设备的照相机镜头对准。

在使用中，光杆(501)的设备端能够可逆地连接至移动设备，并且光杆(501)的患者端被保持抵靠患者的眼窝。在模块的光源被致动时，来自光源的光如所公开的那样行进至患者的视网膜，并且该光同样以所公开的方式被反射至移动设备的照相机。由光检测器或照相机捕获的数据被移动设备(例如，通过移动设备上运行的应用)所处理，或被传送至另一计算机以供处理。以此方式，如果软件的实现允许，那么患者可监测他们自身的折射或斯涅伦分数。软件的其他实现可将数据传递至医疗提供者用于诊断或监视目的，或可以将数据传递至矫正镜片提供者用于为患者提供矫正镜片的目的。如本申请中所描述的波前像差仪模块进而允许患者获得视网膜像差的测量而无需去眼科学家或配镜师的办公室，这可能增加对于所建议的折射测量的依从性。

图7是使用本文公开的任意实现来测量患者的眼睛的像差的示意性过程。该过程(700)开始于步骤(702)。在步骤(704)，模块的光杆的远端被定位为邻近移动设备的光检测器。光杆可对应于本文公开的任意实现，诸如图5的光杆(501)或图6A的光杆。移动设备可以是本文描述的任意类型的移动设备，诸如图5的移动设备(504)。在某些实现中，可以通过由连接器可拆卸地将光杆附接到移动设备来将光杆设置为邻近移动设备的光检测器，连接器诸如为图5中的背板(507)和引导组件(508)。

在步骤(706)，光杆的近端被定位为邻近患者的眼睛。例如，近端可毗邻患者的眼睛或置于一定距离外以便不物理地接触患者。近端可类似于端(502)并可具有眼罩。

在步骤(708)，来自模块的光源的光被引导穿过光杆并朝向患者的眼睛。这例如可通过使用第一多个光学组件来完成，第一多个光学组件诸如图2和3的可选的透镜(314、316)、孔径光阑(209)、反射镜(205、210)、以及分束器(206)。

在步骤(710)，从患者的眼睛反射的光被引导通过光杆至移动设备的光检测器。这例如可通过使用第二多个光学组件来完成，第二多个光学组件诸如图3的透镜(207、208、214、314、316)、针孔光阑(315)、以及分束器(206)。

在某些实现中，例如可通过移动设备自身(使用移动设备的处理器)或分开的设备来处理响应于将从患者的眼睛反射的光引导至光检测器而生成的数据。数据处理可包括根据本文所述的方法测量患者的视网膜像差。在分开的设备处理数据的实现中，移动设备可被配置为传送(已处理的或未处理的)数据至分开的设备。

本文所使用的单词“示例”或“示例性”用于表示作为示例、实例、或示意。本文中描述为“示例”或“示例性”的任意方面或设计并非必须解释为相比其他方面或设计是优选的或有利的。而是，使用单词“示例”或“示例性”旨在以具体的形式介绍概念。如本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包容性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有指定，或从上下文清楚的，“X包括A或B”旨在为表示任意自然包括的排列。也就是说，如果X包括A、X包括B、或X包括A和B两者，那么在任意前述情形下满足了“X包括A或B”。另外，在本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一”和“一个”(“a”和“an”)应该通常解释为表示“一个或多个”，除非另有指定为或从上下文清楚为表示单数。整个说明书中对于“实现”或“一个实现”的提及表示结合该实现所描述的特定特征、结构、或特性包括在至少一个实现中。因此，在整个说明书中的各个地方中短语“实现”或“一个实现”的出现不必全部指代相同的实现。

应该理解为上述描述旨在为示意性的，而并非限制性的。在阅读和理解上述描述后，许多其他实现对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此本公开的范围应参照附加的权利要求连同这些权利要求所赋予权利的等同的完全范围来确定。