CN102138775A - 弥散斑验光仪以及近视、远视、散光度数的测验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弥散斑验光仪以及近视、远视、散光度数的测验方法，包括有激光器、半反半透棱镜、可绕水平旋转轴和竖直旋转轴转动的二维旋转反射镜和散射屏，所述的半反半透棱镜和散射屏沿光路依次位于激光器的激光出射方向上，且该二维旋转反射镜位于半反半透棱镜的反射光出射方向上，所述的散射屏和被测人体的眼球之间还设置有圆形的瞳孔片，该瞳孔片的透光直径为4±0.5mm之间，距离角膜的距离小于6mm。本发明的优点是成本经济、操作实用性好，测验近视、远视、散光度数等参数精度较为可靠，且有助于对患者眼镜情况进行推论分析。

Description

弥散斑验光仪以及近视、远视、散光度数的测验方法

技术领域

本发明属于眼视光技术领域，具体是指一种弥散斑验光仪，以利用该弥散斑验光仪测验人体的近视、远视、散光度数的测验方法。

背景技术

我们知道，远处物点通过非正视眼（如散光眼或近视眼）成像，其聚焦点会偏离视网膜位置，于是视网膜上产生模糊的离焦弥散圆（blur-circle），据此，人们已经认识到屈光不正会导致眼底弥散斑的形态改变，并由简化眼推导出计算公式[参见 Obstfeld H. Optics in vision[M].Vol 1st ed. London: Butterwortth &Co Ltd ,1978. 58-99.]。在90年代，我国学者也曾提出利用弥散斑进行验光的设想[参见李欣茹，黄学平，陶育华等[J]. 屈光不正眼弥散斑变化的实验研究. 眼科研究，1992年01期：30.]。但由于其采用的简化模型眼精度有限，而复杂的眼模型又需要测量大量的个体参数，因此传统研究还停留在研究阶段，无法满足验光应用的精度要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种成本经济、操作实用性好，测验近视、远视、散光度数等参数精度较为可靠，且有助于对患者眼镜情况进行推论分析的一种弥散斑验光仪。

本发明的另一个目的是提供一种利用弥散斑验光仪进行的近视、远视、散光度数的测验方法。

为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是包括有激光器、半反半透棱镜、可绕水平旋转轴和竖直旋转轴转动的二维旋转反射镜和散射屏，所述的半反半透棱镜和散射屏沿光路依次位于激光器的激光出射方向上，且该二维旋转反射镜位于半反半透棱镜的反射光出射方向上，所述的散射屏和被测人体的眼球之间还设置有圆形的瞳孔片，该瞳孔片的透光直径为4±0.5mm之间，距离角膜的距离小于6mm。

进一步设置是所述的二维旋转反射镜包括有旋转支架，该旋转支架上设置有相互垂直的水平旋转轴和竖直旋转轴，且所述的二维旋转反射镜以水平旋转轴和竖直旋转轴可转动地设置在旋转支架上。所述的旋转支架上设置有圆形外框和圆形内框，所述的二维旋转反射镜固定在圆形内框内，且该圆形内框上设置有竖直旋转轴，且该圆形内框以该竖直旋转轴可转动地设置在圆形外框内，所述的圆形外框上设置有水平旋转轴，且该圆形外框以该水平旋转轴可转动地设置在旋转支架上。通过本设置可使二维旋转反射镜绕水平旋转轴和竖直旋转轴旋转，从而实现反射光斑在屏幕上的二维移动。这样可以实现弥散斑的二维测量，从而可以测量患者的散光度数和轴向。

进一步设置是还包括有光能/位置传感器和光能/位置传感器的辅助电路，所述的光能/位置传感器位于散射屏后的光路上。通过本设置光能/位置传感器（亦称PSD）及辅助电路，包括放大电路，AD转换，单片机，液晶显示屏，可以直接根据PSD显示的光斑位置，实现了自动测量和计算，有效提高了测量速度和精度，显示出患者的近视度数，散光度数和轴向。另外PSD电路费用相对便宜，性价比高，便于推广应用。

进一步设置是所述的半反半透棱镜和散射屏之间的光路上还设置有两片偏振镜。通过本设置，偏振镜用于调节入射光的亮度，使两个光斑光强度相同。因为人眼会认为越亮的物体越大，一亮一暗的光斑会影响患者相切的判断。

进一步设置是所述的散射屏和光能/位置传感器之间的光路上还依次有投影物镜和远心光阑，所述的远心光阑位于投影物镜的像方焦点上。由于散射屏的长度为较长，一般为200mm，而PSD难以买到如此大的尺寸。而利用投影物镜缩小10倍投影到PSD上，节约了成本，另外，设置远心光阑可以确保主光线的位置，减少相差带来的测量误差。

进一步设置是所述的散射屏之后的光路上设置有平面反射镜，且所述的瞳孔片与散射屏构成镜面反射配合。由于本发明在验光操作时，患者角膜前顶点平面和屏幕的光学距离要保持在5m，利用平面反射镜可以将测量距离减半，有利于空间的节约。

进一步设置是所述的激光器为HE-NE激光器，激光波长为632.8nm。本设置利用HE-NE激光器作为光源，有助于提高精度。

为实现本发明的第二个目的，本发明的技术方案是（1）将患者角膜前顶点平面和散射屏幕的光学距离保持在5m，并且让角膜距离瞳孔片的距离小于6mm，并开启打开激光器，该瞳孔片的透光直径为4±0.5mm之间；

（2）验光师或者患者通过操作二维旋转反射镜，并通过患者观察弥散斑，直到患者确认两个弥散斑相切；

（3）测量患者所见屏上光斑的大小j_h，并根据

当近视：

当远视：

即可获得患者的K，即屈光度数；

上述式中：

j为视网膜上弥散斑大小；

j_a为散射屏上激光光斑直径为0时散射屏平面上两光斑距离；

h为散射屏上激光光斑直径，取2mm；

j_h为激光光斑大小为h时散射屏平面上两光斑距离；

g为瞳孔大小，取4±0.5mm；

NO'为节点到视网膜的距离，取20±2mm；

K为近（远）点屈光度；K'=F_e+K；F_e=1000/f_e≈1000/NO'，由Zemax模型眼计算得NO' =16.58mm，f_e=16.56mm；f_e为眼球前焦距；

-l为物距，即角膜前顶点表面到散射屏幕的光学距离，定为5米；

r为角膜曲率半径，相对于-l为5米，近似为0；

h为散射屏幕上光斑的直径；

（4）利用“顺动”还是“逆动”来确定患者的是远视还是近视，这一步骤可以让医生判断，也可以患者自己判断。

眼科医生利用剪影原理验光。当眼底反光和直射光运动方向相反，称为逆动，说明患者近视；当运动方向相同，称为顺动，说明患者远视。我们发现，弥散斑验光仪中，近视患者看到激光弥散斑和其中的黑色阴影运动方向相反，称为“逆动”；而远视患者看到的运动方向相同，称为“顺动”。因此近视和远视可以通过医生或患者来确定。

本发明的的原理和实验数据：

1. 1弥散斑的计算原理

1. 1. 1我们利用emsley标准简化眼来进行理论分析

根据简单的三角形相似和公式L'-L=F_e（L' 为像方屈光度，L为物方屈光度，F_e为眼屈光度)，可得

                             （1）

如图1所示，j为视网膜上弥散斑大小，g为瞳孔大小，K为近（远）点屈光度，K'=F_e+K。由Zemax模型眼计算得NO' =16.58mm，f_e=16.56mm，因此F_e=1000/f_e≈1000/NO'，其中NO'为节点到视网膜的距离，f_e为眼球前焦距。

把该视网膜上的弥散圆直径换算到5米远处相应的光斑直径j_a，如图2所示，即有

                             （2）

式中，-l为物距，r为角膜曲率半径，NO' 为结点到视网膜的距离。

当物是一定大小的物体时，则应将ja值再加上该物体的高度h， 即

                                （3）

这里j_h即为患者所见屏上光斑的大小^【2】，我们通过测量j_h，可获得患者的K，即屈光度数。

光学设计软件仿真

由于上述的（1）～（3）式由简化模型眼推导而来，未必符合复杂的人眼。因此，利用Liou & Brennan 1997 eye model进行Zemax计算机仿真^【3】，以验证公式的合理性。

在此，我们主要关注视网膜弥散斑的大小是否符合公式（1）的推导结果。由于患者所见为周边有毛刺干扰的弥散斑，而在实际测量中我们让患者忽略毛刺的影响；因此，在zemax中我们选择RMS RADIUS，而非GEO RADIUS来代表人眼视网膜上的弥散斑大小。利用轴性近视的原理，通过改变视网膜的前后位置来模拟不同的屈光度。如图4所示，低度近、远视患者的眼底弥散斑很不规则；而随着屈光不正程度的上升，弥散斑能量分布越来越均匀。这和我们临床试用时的结果一致，即低度近视患者看到的毛刺很长，很明显，而高度近视患者的毛刺不太明显。

将公式（1）和zemax中RMS进行比较（如图5），结果比较接近。而在高屈光不正区，两者差别相对比较大，这和RMS（均方差）的原理有关。当数据分布均匀，如呈正弦函数分布，则RMS=A/1.414（A为振幅），比实际的振幅A小。由于高度近、远视所看到的弥散斑更均匀，因此RMS比实际尺寸小。

由此可知，公式（1）虽然是由简化眼模型推导而来，但具有较高的准确性。下文中的临床测试结果也证实了这一点。

弥散斑验光仪的结构

如图6所示，HE-NE激光发出波长632.8nm光束，经过半反半透镜分为两束，透射的光束经过两面偏振片打到散射屏上，反射的光束经过平面反光镜达到散射屏上，形成两个光点。偏振片的作用是调节投射光的光强，使屏幕上的两个光点亮度相同。

被测者距离散射屏5m远，前置直径4mm瞳孔片，看到的光点为弥散斑。由上述理论推导可知，近、远视患者看到圆形弥散斑，散光患者看到椭圆。通过控制反射镜的上下左右摆动，被测者可以二维移动反射的光点，直至其认为两个弥散斑相切。此时测量两个光点的距离，两点连线和水平线的夹角，就可以通过公式来计算患者的屈光度数。如图7，对于散光患者，两个椭圆弥散斑短轴相切的结果为球镜度数，长轴、短轴相切结果之差为散光度数，长轴的夹角经过互补、转90^o两步换算即为散光轴向。（说明：患者所见和验光师所见为镜面对称，验光处方中的轴向以验光师的角度为准，因此需要互补；对于柱镜来说，轴向和有屈光力的方向成90⁰，因此需要转90⁰）

1. 3弥散斑验光仪的参数设计

由于个体差异，每个人的瞳孔大小，节点位置等参数与模型眼有所不同。为了验光的准确，我们需要设计这些参数，减少个体差异带来的验光误差。

瞳孔直径的设计

瞳孔大小是影响弥散斑的重要因素，我们将其设为4mm，理由如下：当瞳孔太大，球差增大，即患者所见毛刺增多，影响判断；当瞳孔太小，屏上点距离j_h的测量误差造成的验光误差增大，节点位置的不同（个体差异）造成的系统误差也增大。

像差分析：对于无散光患者，由Zemax--Prescription分析得（表一所示），像差主要为球差和位置色差（无散光患者）。由于采用HE-NE激光，消除色差。对于散光患者，本质是不同子午线的屈光程度不同，像散的结果已经在测量长、短轴之差中反映，从而不再赘述。

表1 无散光患者的像差分析

Table 1:The aberration analysis of patients without Astigmatism.

Surf	SPHA S1	COMA S2	ASTI S3	FCUR S4	DIST S5	CLA(CL)	CTR(CT)
								TOT	0.004677	-0.000000	0.000000	0.000000	-0.000000	0.000730	0.000000

图8为zemax中视网膜面Fan像差分析，x轴为相对瞳孔直径。Px 和Py分别为水平和垂直方向的瞳孔直径。由图可得，瞳孔增大，像差（球差）显著增大。由于球差大，患者所见的弥散斑毛刺增多，影响判断，从而不宜选用大瞳孔。

图9为不同屈光度下，瞳孔改变0.1mm对验光结果的影响。由图9可得，验光结果对瞳孔的变化比较敏感，并且近视度数越大，对瞳孔变化越敏感：如近视-8D，瞳孔改变0.1mm，造成0.25D的验光误差。因此患者需要前置光阑来控制瞳孔直径。

图10为屏上两光斑距离j_h的测量误差敏感性分析。可知：瞳孔直径越大，测量误差造成的验光结果改变越小。如瞳孔直径取2.5mm，则1mm测量误差造成0.1D的验光误差，而若瞳孔直径取5.0mm，则1mm测量误差只导致0.05D的测量误差。这体现了大孔径的优势图11-1和11-2为孔径取4mm时的误差敏感性分析。由图可得，当瞳孔取4mm，节点位置的改变或测量误差对验光结果影响相对小，并且屈光不正度数越低，验光误差越小。如近视-8D，测量误差或节点改变3mm，验光结果变化小于0.25D。

综上所述，瞳孔取4mm，不仅有利于改善弥散斑像质，而且能允许较大的个体参数差异和测量误差。

长度的选择

Gullstand模型眼中眼轴长度为23.89mm，节点大致位于晶状体后表面，NO'为16.53mm。但不同个体眼轴长度不同，节点位置也不同。国内大多数据表明^{【4】【5】【6】}，成人眼轴长度在22～28mm之间，按比例计算，NO'大致在15.2～19.4mm之间。在计算中，统一取NO'=20mm，接近高度近视患者的NO'。因为由图11-1可知，近视程度越高，节点位置变化越敏感。当患者为近视-9D，节点变化3mm造成0.25D的验光误差；而当患者为近视-3D，节点变化3mm造成0.03D的验光误差。因此NO'=20mm可以有效地减少个体节点位置不同造成的测量误差。

仪器初步临床应用和评价

2. 1 对象

近视数据21眼（42例），为在校学生和教师，矫正视力大于0.8；散光数据35眼（59例），轴向数据26例，均为温州眼视光医院视光部就诊患者，矫正视力大于0.6，散光度数大于0.75D，年龄12～38岁，有认知能力，能判断椭圆相切。

方法

在室内光照度小于20lx下，利用自行搭建的仪器进行测量，并将结果和医院的综合验光处方进行比较。

统计学方法

采用spss13.0 ，wps office 2005统计软件。将近视、远视、散光度数、轴向数据和医院验光处方进行对照t检验，令P<0.05为具有统计学差异；将散光度数和医院验光处方差值按<0.25D、<0.5D、<0.75D、>0.75D共4组进行百分比分析。

结果

近视组和轴向组t检验结果阴性（P=0.33；P=0.086），无统计学差异；散光组对照t检验有统计学差异（P=0.041）。散光度数组比率如图12所示,<0.75D组为80%。散光组数据和医院结果偏离较大，可能和年幼患者配合有关。表2为对照t检验结果。

表2  对照t检验分析

	弥散斑验光仪结果/D	医院验光结果/D	P
				近视度数	3.14±2.13	3.06±2.11	0.33
散光度数	1.89±1.18	1.72±1.08	0.041
				散光轴向	88.54±79.0	85.81±78.27	0.086

3. 1误差分析和改进措施

系统误差源于简化模型眼和个体眼轴、节点参数的差异。在上述分析中，选用4mm瞳孔直径和20mmNO' 长度使理论精度相对于前人的研究^[7]有了较大的改进。后续的改进包括收集临床屈光不正患者的个体化参数，利用多因素线性回归修正表达式，提高验光准确度并扩大适用人群范围。

患者的主观判断误差也不可避免。由于球差的存在，弥散斑周围有毛刺存在，这在一定程度上干扰了两个弥散斑相切的判断。瞳孔直径的选择是解决这个问题的关键：4mm瞳孔直径，有效地减少、缩短毛刺；同时又能提供较大的误差允许范围，每3mm判断误差只影响0.25D。

本发明的应用前景

国内目前的验光设备绝大多数是进口产品，动辄十来万元，需要高精度的机械传动和精密的光电转换系统，这使得专业的验光流程在我国很难普及。弥散斑验光仪的主要构建只包括一个激光光源和控制反射镜二维移动的传动系统，在成本上很有优势。此外，由于原理简单，验光师只引导患者判断相切即可，不需要专业的培训，这一点在普通眼镜店尤为方便。综上所述，由于经济性和简便性，弥散斑验光仪十分适用于初级验光，为后续的验配提供可靠的依据。

对于弱视患者，弥散斑验光仪还有独特的优势。主觉验光中，验光师根据患者对精细视标的判断来进行下一步的验配。如果患者为弱视，主觉验光就比较难进行下去，需要额外的专业知识或设备，如检影、照相等。而弥散斑验光仪由于采用激光光源，即使是高度屈光不正患者也可以在视网膜上获得较大的光照度。理论上，患者此时只需要局部视野具有一定的空间分辨力即可判断相切。

由于不同屈光介质的不同程度的损害，患者眼底的弥散斑会呈现各种形态。我们可以尝试通过绘制患者眼底的弥散斑的具体形态来分析其哪个部分出现了损伤。

由于患者需要主观判断眼底弥散斑，我们还可以利用弥散斑验光仪对患者进行视觉分辨功能的分析和测定，如分析患者的视觉系统对模糊像的判断能力，从而得出患者潜在的最佳视力。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。

附图说明

图 1简化眼模型示意图；

图 2简化眼光路示意图；

图 3 Zemax 人眼模型；

图 4 Zemax软件中不同屈光度下弥散斑的形态；

图 5简化眼和Zemax模型眼的视网膜弥散斑直径比较；

图6  弥散斑验光仪结构图；

图 7散光患者所见的椭圆弥散斑长、短轴相切；

图8   Zemax-fan 像面垂轴像差分析；

图9  近视程度越深，0.1mm的瞳孔直径变化对验光结果的影响越大；

图10  瞳孔直径越大，1mm测量误差造成的验光误差越小；

图11-1 瞳孔取4mm时，1mm节点位置变化对不同屈光度的验光结果的影响；

图11-2 瞳孔取4mm时1mm测量误差对验光结果的影响；

图12 散光测量结果；

图13 二维旋转反射镜。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

如图6、13所示，包括有激光器1、半反半透棱镜2、可绕水平旋转轴和竖直旋转轴转动的二维旋转反射镜3和散射屏5，本实施例所述的激光器1优选为为HE-NE激光器，激光波长为632.8nm，所述的半反半透棱镜2和散射屏5沿光路依次位于激光器的激光出射方向上，且该二维旋转反射镜3位于半反半透棱镜2的反射光出射方向上，所述的散射屏5和被测人体的眼球11之间还设置有圆形的瞳孔片10，该瞳孔片10的透光直径为4±0.5mm之间，距离角膜的距离小于6mm。此外，本实施例所述的二维旋转反射镜3包括有旋转支架31，该旋转支架31上设置有相互垂直的水平旋转轴32和竖直旋转轴33，且所述的二维旋转反射镜3以水平旋转轴和竖直旋转轴可转动地设置在旋转支架31上。本实施例所述的旋转支架31的具体设置是该旋转支架上设置有圆形外框34和圆形内框35，所述的二维旋转反射镜3固定在圆形内框35内，且该圆形内框35上设置有竖直旋转轴33，且该圆形内框35以该竖直旋转轴32可转动地设置在圆形外框34内，所述的圆形外框34上设置有水平旋转轴32，且该圆形外框34以该水平旋转轴32可转动地设置在旋转支架31上。

此外，还包括有光能/位置传感器8和光能/位置传感器的辅助电路，所述的光能/位置传感器8位于散射屏后的光路上。光能/位置传感器为本领域成熟技术，可直接应用于本申请，根据公式（1）（2）（3）即可实现了自动测量和计算。

另外，本实施例是所述的半反半透棱镜2和散射屏5之间的光路上还设置有两片偏振镜4。所述的散射屏5和光能/位置传感器8之间的光路上还依次有投影物镜6和远心光阑7，所述的远心光阑7位于投影物镜的像方焦点上。所述的散射屏之后的光路上设置有平面反射镜9，且所述的瞳孔片与散射屏构成镜面反射配合。

Claims (9)

1.一种弥散斑验光仪，其特征在于：包括有激光器、半反半透棱镜、可绕水平旋转轴和竖直旋转轴转动的二维旋转反射镜和散射屏，所述的半反半透棱镜和散射屏沿光路依次位于激光器的激光出射方向上，且该二维旋转反射镜位于半反半透棱镜的反射光出射方向上，所述的散射屏和被测人体的眼球之间还设置有圆形的瞳孔片，该瞳孔片的透光直径为4±0.5mm之间，距离角膜的距离小于6mm。

2.根据权利要求1所述的一种弥散斑验光仪，其特征在于：所述的二维旋转反射镜包括有旋转支架，该旋转支架上设置有相互垂直的水平旋转轴和竖直旋转轴，且所述的二维旋转反射镜以水平旋转轴和竖直旋转轴可转动地设置在旋转支架上。

3.根据权利要求2所述的一种弥散斑验光仪，其特征在于：所述的旋转支架上设置有圆形外框和圆形内框，所述的二维旋转反射镜固定在圆形内框内，且该圆形内框上设置有竖直旋转轴，且该圆形内框以该竖直旋转轴可转动地设置在圆形外框内，所述的圆形外框上设置有水平旋转轴，且该圆形外框以该水平旋转轴可转动地设置在旋转支架上。

4.根据权利要求1所述的一种弥散斑验光仪，其特征在于：还包括有光能/位置传感器和光能/位置传感器的辅助电路，所述的光能/位置传感器位于散射屏后的光路上。

5.根据权利要求1所述的一种弥散斑验光仪，其特征在于：所述的半反半透棱镜和散射屏之间的光路上还设置有两片偏振镜。

6.根据权利要求1所述的一种弥散斑验光仪，其特征在于：所述的散射屏和光能/位置传感器之间的光路上还依次有投影物镜和远心光阑，所述的远心光阑位于投影物镜的像方焦点上。

7.根据权利要求1所述的一种弥散斑验光仪，其特征在于：所述的散射屏之后的光路上设置有平面反射镜，且所述的瞳孔片与散射屏构成镜面反射配合。

8.根据权利要求1所述的一种弥散斑验光仪，其特征在于：所述的激光器为HE-NE激光器，激光波长为632.8nm。

9.一种利用弥散斑验光仪的近视、远视、散光度数的测验方法，其特征在于包括以下步骤

   （1）将患者角膜前顶点平面和散射屏幕的光学距离保持在5m，并且让角膜距离瞳孔片的距离小于6mm，并开启打开激光器，该瞳孔片的透光直径为4±0.5mm之间；

   （2）验光师或者患者通过操作二维旋转反射镜，并通过患者观察弥散斑，直到患者确认两个弥散斑相切；

   （3）测量患者所见屏上光斑的大小j_h，并根据

当近视：

当远视：

即可获得患者的K，即屈光度数；

上述式中：

j为视网膜上弥散斑大小；

j_a为散射屏上激光光斑直径为0时散射屏平面上两光斑距离；

h为散射屏上激光光斑直径，取2mm；

j_h为激光光斑大小为h时散射屏平面上两光斑距离；

g为瞳孔大小，取4±0.5mm；

NO'为节点到视网膜的距离，取20±2mm；

K为近（远）点屈光度；K'=F_e+K；F_e=1000/f_e≈1000/NO'，由Zemax模型眼计算得NO' =16.58mm，f_e=16.56mm；f_e为眼球前焦距；

-l为物距，即角膜前顶点表面到散射屏幕的光学距离，定为5米；

r为角膜曲率半径，相对于-l为5米，近似为0；

   h为散射屏幕上光斑的直径；

   （4）利用“顺动”还是“逆动”来确定患者的是远视还是近视。

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