CN101718542B - 一种光学测距装置及其便携式验光仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于SHACK-HARTMANN波前测量原理的一种光学测距装置，包括：用于发出检测光的光源、用于将所述检测光射入待测眼球(109)的光源透镜组、用于放大由所述待测眼球(109)的角膜反射回的检测光的波前变化的测量臂透镜组、用于测量所述放大的波前变化的阵列光学元件，以及，包含有光电转换模块，用于对通过所述阵列光学元件的光进行分析处理，以获得相应的待测眼球(109)与测量臂透镜组之间距离的处理单元。与现有技术相比本发明的优点在于，在便携式验光仪进行测量的时候，能够准确确定其与被测眼球的距离，并进一步提高检测精度。

Description

一种光学测距装置及其便携式验光仪

技术领域

本发明涉及一种基于SHACK-HARTMANN波前测量原理的光学测距装置及其便携式验光仪。

背景技术

弱视是儿童常见眼病，根据国内外调查显示，其在儿童中的患病率是2～4％。以中国3亿儿童推算，患有弱视的儿童大约有1千万。弱视是相当严重的儿童健康问题，因为它不仅会导致单眼视力低下，而且戴上合适的矫正眼镜也不能使视力立即提高。由于立体视觉缺失，视力一旦被损害，每天面对的就是模糊的影像，使得大脑接受的信息有别于正常儿童，容易造成学习困难。同时他们还会从别人的评价中知道自己与众不同，小小年龄就承受很大的心理压力，从而导致孩子性格孤僻。此外，由于弱视，他们将来在报考大学的时候不能选择需要精细目力的专业，成年之后许多需要立体视觉的职业也无法胜任。弱视治疗效果与年龄有密切关系，年龄越小，疗效越好，如果能在早期及时发现矫治，就完全可以治愈。如错过了几个视觉发育的敏感期，12岁以后再治疗则基本无效。

传统的视力表测试人眼视力的设备简单，容易操作，准确性比较高，因此得到广泛的应用。但这种测试方法是一种主观测试方法，需要受检测者的配合。对于不能与外界进行语言或其他方法交流的婴幼儿而言，这种方法难以奏效。而电脑验光仪在检查视力的过程中，需要被检查者集中注意力注视视力仪器中的目标，并且持续一段时间。这些特点使得电脑验光仪也不能适用于婴幼儿视力的检查。可以说，婴幼儿视力测试是一个尚未解决且亟待解决的问题。

手持式自动验光仪可解决需通过视力筛查的问题，且可携带到医疗场所以外的任何地方进行筛查，由于在检查过程中需要最小的合作性，非常适用于婴幼儿或残障病人的视力筛查。同时，手持式验光以也可用于成年人的视力筛查。该仪器具有自动、无损伤性，准确检测出屈光度问题，无需病人作出反应，对婴幼儿、儿童及语言障碍的病人尤其适合。且该仪器设计简便易携。

在使用手持式自动验光仪时，需要测量或确定系统的工作距离。工作距离的变化，会引起人眼球镜度测量的准确度。工作距离的误差所引起人眼球镜度的误差值与球镜度的平方成正比。比如，当工作距离误差10mm时。近视300度(-3D)时误差约9度(0.09D)，正视眼误差可忽略，远视400度(4D)时误差约16度(0.16D)。现有其他验光仪中，有的采用超声测距，由于超声波束的截面较大，探测到反射超声波可能来自于人眼或者颧骨、面颊、鼻子等部位，且考虑到眼窝深度的个体差异。测量的准确度较差。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够测量其与被测眼球的距离的光学测距装置及其便携式验光仪。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种光学测距装置，包括：

用于发出检测光的光源、用于将所述检测光射入待测眼球的光源透镜组、用于放大由所述待测眼球的角膜反射回的检测光的波前变化的测量臂透镜组、用于测量所述测量臂透镜组汇聚的检测光的波前变化的阵列光学元件，以及，包含有光电转换模块，用于对通过所述阵列光学元件的检测光进行分析处理，以获得相应的待测眼球与测量臂透镜组之间距离的处理单元。

其中，所述测量臂透镜组和光源透镜组分别包含至少一块透镜。

优选的，所述的光学测距装置，还包括：

在所述光源透镜组和测量臂透镜组与所述待测眼球之间设置的，用于分别将射入所述待测眼球的检测光和由该待测眼球反射出的检测光分为两个不同光路的分光装置。

优选的，所述分光装置采用半透半反的分光镜；所述分光镜设置在所述光源发出的检测光能够透过该分光镜射入所述待测眼球，且所述待测眼球的角膜反射回的检测光能够由该分光镜反射到所述测量臂透镜组的位置。

优选的，所述分光镜与所述测量臂透镜组和所述光源透镜组的光学轴线分别成45度角设置，所述测量臂透镜组与所述光源透镜组的光学轴线成90度角设置。

另一优选实施例中，所述分光装置采用半透半反的分光镜；所述分光镜设置在所述光源发出的检测光能够由该分光镜反射入所述待测眼球，且所述待测眼球的角膜反射回的检测光能够透过该分光镜射入所述测量臂透镜组的位置。

优选的，所述测量臂透镜组包括：沿所述待测眼球的角膜反射回的检测光的光路依次共轭排列的第一透镜和第二透镜。

采用上述技术措施，可以对光源透镜组的焦距进行调节。

进一步，所述第一透镜和第二透镜之间的距离为该两透镜的焦距之和。

优选的，所述光电转换模块采用电荷耦合器件。

本发明还提供一种采用所述的光学测距装置的便携式验光仪。

与现有技术相比本发明的优点在于，在便携式验光仪进行测量的时候，能够确定其与被测眼球的距离，并进一步提高检测精度。

附图说明

图1是现有技术便携式验光仪一种实施例的结构示意图；

图2是本发明便携式验光仪一种实施例的部分结构示意图；

图3是本发明便携式验光仪一种实施例探测正视眼的波前时候，微透镜阵列成像示意图；

图4是本发明便携式验光仪一种实施例探测远视眼的波前时候，微透镜阵列成像示意图；

图5是本发明便携式验光仪一种实施例的结构示意图；

图6是为在不同工作距离下被测眼球的球镜度与像阵间距的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

首先，对便携式验光仪的测量精度与其与被测眼球的距离做如下说明。

如图1所示，一个便携式验光仪包括：波前像差传感系统100和观察系统200。

其中，波前像差传感器100发出一束探测光经过分光镜104射入到人眼视网膜上，该光束被反射回原来的装置中。反射光经过分光镜及一系列的透镜组.射向一个微透镜阵列，最后在CCD上成像，形成一系列的光斑。操作者通过观察系统200观看病人眼睛和校准方式来调整位置。

观察系统200的作用是：确保仪器正对着病人并与他的眼睛保持在水平。观察系统的照明光源可以采用如一个置于微型发光二极管，发出的光经过“十”字光阑，得到一个十字光标，再经过一个放大系统及反射镜，将十字光标投影检测者的眼睛中，根据光的成像原理，检测者会认为该十字光标是由病人发出的。这样，当操做者校准十字光标和病人眼睛的位置时，即校准检测光束与病人的位置。

如图2所示，眼轴长为L_n；工作距离L_wd，是指人眼与透镜105的距离，即人眼与仪器之间的距离；透镜105与透镜106之间的距离为d₁，则d₁等于两透镜焦距之和。透镜106与微透镜阵列107之间的距离为d₂；f_m为微透镜阵列107的焦距。

对于正视眼，眼底只照亮一个点，CCD接收的是一个理想的点阵，点阵间距等于微透镜阵列点阵间距P。对于非正视眼，眼底照亮的是一个光斑。

对于近视度为D_n的人(一般近视的球镜度用负数标示)，在

处的能够在视网膜上成清晰的图像。

对于透镜105的焦距为f₁，对于距人眼

处的物体，物距为到焦点的距离为

对于共轭透镜系统105和106，其轴向放大率为

通过透镜106后，则像到透镜106焦点的距离为

则对于透镜106的像方像距为

那么对于微透镜阵列107的物距

如图3所示，为探测正视眼的波前时候，微透镜阵列成像示意图。

如图4所示，为测量装置探测远视眼的波前，其中，虚线表示正视眼的情况。

该物距的倒数为微透镜阵列处的屈光度

由SHACK-HARTMANN波前测量装置，进行测量。其计算公式是：

$\frac{\mathrm{\Δ}}{f_m}=\frac{p}{1/D_m}=\frac{p+\mathrm{\Δ}}{f_m+1/D_m}$

式中P为透镜阵列元间距；Δ为像阵间距相对于正视眼的变化，f_m为微透镜阵列的焦距，则得到

则 $\frac{1}{D_m}=\frac{{\mathrm{pf}}_m}{\mathrm{\Δ}}=d_2-[f_2-\frac{f_2^2}{f_1^2}(L_{\mathrm{wd}}+\frac{1}{D_n}-f_1)].$

有上述公式可知，人眼屈光度D_n是L_wd的函数。因为在测量人眼屈光度前需测量人眼与仪器之间的工作距离L_wd。

如图5所示，一种采用本发明的光学测距装置的便携式验光仪的实施例，其中包括：作为光源的激光二极管101；之间的距离可移动的透镜102、103；采用850nm半透半反镜的反光镜104；105与106是相互共轭的透镜；微透镜阵列107，用于对所述微透镜阵列汇聚的检测光进行分析处理，采用了采用电荷耦合器件108以获得相应的待测眼球109与测量臂透镜组之间距离的处理单元。其中处理单元的运算部分可以选择采用PC或者单片机。

由激光二极管101发出一束检测光，经过透镜102、103，后变成一束平行光，最后透过分光镜104，聚焦到被测眼球109的眼底；携带了人眼的波前信息的被测眼球109的眼底反射光，经分光镜104、及一对共轭的透镜105和106，射向微透镜阵列107，入射光被微透镜阵列107分割成许多子孔径，每个微透镜把入射到它上面的平行光聚焦到电荷耦合器件108的探测平面上。

如果入射波前为理想平面波前，则个微透镜所形成的光斑将准确落在其焦点上，如果入射波前受到干扰，则每个微透镜所形成的光斑将在其焦平面上偏离其焦点，光斑的偏移量包含了入射波前的信息，测出每个光斑的偏移量，就可以通过专用算法重构出入射波前，最后在电荷耦合器件108上形成一系列的光斑。

其中，能够通过调节透镜102、103之间的距离来对被测量人眼的大部分离焦量，如远视和近视，进行补偿，使检测光在眼底视网膜能形成一小光斑，利于人眼像差高精度测量。

其中，正视眼与非正视眼的角膜曲率差异很小。被测眼球109的角膜的反射在光学上可等效为一个凸面镜反射。

若角膜半径Rc7.8mm，凸面镜焦距f为

角膜的差异对次的影响可以忽略不计。

对于平行光入射，角膜反射光可以认为是角膜凸面反射镜虚焦点发出的光。其对透镜105，物距为(是指角膜凸面反射镜虚焦点位置到105的距离)，像距设为x，则：

$\frac{1}{L_{\mathrm{wd}}+\frac{R_c}{2}}+\frac{1}{x}=\frac{1}{f_1}......$ ①

对透镜106，物距为d₁-x，像距设为y，则：

$\frac{1}{d_1-x}+\frac{1}{y}=\frac{1}{f_2}......$ ②

对微透镜阵列，物距为d₂-y，则物距的倒数为微透镜阵列处的屈光度为：

$\frac{1}{d_2-y}={D_m}^{\′}$

则像阵间距的变化为Δ′，服从：

${\mathrm{\Δ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{pf}}_m}{1/{D_m}^{\′}}.$

上述公式可求出L_wd的值。

如图6所示，为在不同工作距离下人眼球镜度下与像阵间距(P+Δ)的关系图。

其中，在某种参数设计，工作距离为40cm时，人眼球镜度与像阵间距呈线性关系，如图中的线条2所示。

图中线条1表示在工作距离小于40cm时，对远视眼的测量灵敏度高。

图中线条3表示在工作距离大于40cm时，对近视眼的测量灵敏度高。

为了更好的保证测量的准确性，我们可以采用下面的方式进行测量人眼球镜度。

第一步：先通过角膜反射光测出该仪器的工作距离L_wd，及此时人眼球镜度的大小；

第二步；对工作距离L_wd及球镜度大小进行判断；

当L_wd＜40cm，且球镜度为正(远视眼)，此时认为测量的结果是对的，且准确度高；

当L_wd＜40cm，且球镜度为负(近视眼)，此时认为测量的结果准确度不够高。需将工作距离调整到L_wd＜40cm，重新测量。

当L_wd＞40cm，且球镜度为正(远视眼)，此时认为测量的结果准确度不够高。需将工作距离调整到L_wd＞40cm，重新测量。

当L_wd＞40cm，且球镜度为负(近视眼)，此时认为测量的结果是对的，且准确度高。

上述利用角膜反射光进行测距，所需光源为平行光。在基于shack-Hartmann波前测量装置的验光仪中，为提高球镜度的测量精度，可在光源臂中加入变焦系统，此变焦系统可对人眼的屈光不正进行补偿，使得眼底被照亮的光斑直径达到最小，从而减小CCD点阵的像差，提高球镜度的测量准确度。扩大了人眼球镜度的测量范围。此变焦系统的引入会对利用角膜反射光进行测距产生影响，此影响可在计算时进行消除。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。例如，实施例中所采用的微透镜阵列也可用微棱镜阵列、或微棱镜阵列与透镜组合、或二维光栅、或二维光栅与透镜组合等，诸如此类，不再穷举。

Claims (10)

1.一种光学测距装置，其特征在于，包括：

用于发出检测光的光源、用于将所述检测光射入待测眼球(109)的光源透镜组、用于放大由所述待测眼球(109)的角膜反射回的检测光的波前变化的测量臂透镜组、用于测量所述测量臂透镜组汇聚的检测光的波前变化的阵列光学元件，以及，包含有光电转换模块，用于对通过所述阵列光学元件的检测光进行分析处理，以获得相应的待测眼球(109)与测量臂透镜组之间距离的处理单元。

2.如权利要求1所述的光学测距装置，其特征在于，还包括：

在所述光源透镜组和测量臂透镜组与所述待测眼球(109)之间设置的，用于分别将射入所述待测眼球(109)的检测光和由该待测眼球(109)反射出的检测光分为两个不同光路的分光装置。

3.如权利要求2所述的光学测距装置，其特征在于，所述分光装置采用半透半反的分光镜(104)；所述分光镜(104)设置在所述光源发出的检测光能够透过该分光镜(104)射入所述待测眼球(109)，且所述待测眼球(109)的角膜反射回的检测光能够由该分光镜(104)反射到所述测量臂透镜组的位置。

4.如权利要求2所述的光学测距装置，其特征在于，所述分光装置采用半透半反的分光镜(104)；所述分光镜(104)设置在所述光源发出的检测光能够由该分光镜(104)反射入所述待测眼球(109)，且所述待测眼球(109)的角膜反射回的检测光能够透过该分光镜(104)射入所述测量臂透镜组的位置。

5.如权利要求2或3所述的光学测距装置，其特征在于，所述分光镜(104)与所述测量臂透镜组和所述光源透镜组的光学轴线分别成45度角设置，所述测量臂透镜组与所述光源透镜组的光学轴线成90度角设置。

6.如权利要求1、2、3或4所述的光学测距装置，其特征在于，所述测量臂透镜组包括：沿所述待测眼球(109)的角膜反射回的检测光的光路依次共轭排列的第一透镜(105)和第二透镜(106)。

7.如权利要求6所述的光学测距装置，其特征在于，所述第一透镜(105)和第二透镜(106)之间的距离为该两透镜(105、106)的焦距之和。

8.如权利要求1所述的光学测距装置，其特征在于，所述光电转换模块采用电荷耦合器件(108)。

9.如权利要求1所述的光学测距装置，其特征在于，所述阵列光学元件为微透镜阵列、微棱镜阵列、微棱镜阵列与透镜组合、二维光栅或二维光栅与透镜组合。

10.一种采用如权利要求1、2、3或4所述的光学测距装置的便携式验光仪。

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