CN110833388A - 一种主观验光系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种主观验光系统，使用一个以上马达控制两个不同颜色线光源的直线距离，此两个线光源置于一旋转盘上可控制其旋转方向，这两个线光源经由使用者界面控制两光源的位置及旋转角，并经由观察筒由使用者目视观察，观察筒内光学机构包含两个以上针孔或微透镜的阵列及透镜组成，两个线光源经由针孔或微透镜，在投射到靠近眼睛透镜于眼睛视网模上成像，根据使用者眼内水晶体的焦距不同，使用者调整线光源的宽度，直到使用者于视网膜上的成像两条线光源重合成一直线，依据两线光源宽度及距透镜组的距离，及已知透镜的焦距，就可以计算出使用者眼睛的焦距。而变更两者线光源的旋转角度，可以得知使用者各方向散光的程度。本发明架构简单价格低廉。

Description

一种主观验光系统

技术领域

本发明涉及人眼验光技术，特别是涉及一种主观验光系统和验光方式。

背景技术

一般视力表来检查视力时，无法分辨眼睛的仔细度数，而专业验光设备价格又十分的昂贵，因此如中国专利CN103300813(发明人郭曙光等)及US2013/0027668 （Pamplona等）、US2017/0215724（Skolianos等）等验光方式，都是以较低廉的光学装置加上使用者主观判断的验光方式，因为价格低因此可以于家庭中使用。CN103300813揭露的方式需要使用者对于移动物于该发明的光学成像，回报清晰与否，这点容易让使用者难以判断到底于何处是最清晰的。因此US2013/0027668 Pamplona提出的令一个主动式验光方式中，用户不以判断影像清晰与否来回报系统，而是用两条直线让用户调整到影像重合为止，这样子使用者可以很明确的控制验光系统。为了分析眼睛于各个角度的屈光度，Pamplona的发明使用了不同针孔光罩来使用，因此使用上较不方便，且体积变大不适合随身携带。US2017/0215724 Skolianos的发明沿用了类似Pamplona的主观验光方式，也是以将两个直线影像调整成重合的一条直线方式，避免了影像清晰与否的主观判断问题，而针对Pamplona的发明使用了不同针孔光罩来检查不同角度屈光率，Skolianos的发明使用了可以旋转的光学机构，这样子只要顺时针旋转45度、90度、…等变化光学机构角度来观察眼睛的屈光率，就能观察到眼睛于0度/45度/…/315度等8个方位的屈光率资讯，而不必如Pamplona的发明要有8种针孔光罩。

然而Pamplona的发明与Skolianos的发明的精密度都受限于让使用者观察的两条直线都由显屏产生，因此当移动这两条直线以让使用者经由观察筒调整到重何时，最小的移动单位就是显屏的分辨率，若以手机为显屏，一般大概有300DPI(Dot Per Inch)左右，也因此以Pamplona的发明而言于量测两个针孔距离3mm时，误差为15度，而Skolianos的发明为了增加等效的DPI于观察筒最前端摆了个凹透镜，增加看得到的影像点数。因此使用了电子显示屏限制了Pamplona的发明与Skolianos的发明的精密度，此外两者对于各角度的屈光率观察都只限于固定的0度/45度…等8个方位，为了增加使用两线重合主观验光方式精度，及各角度量测不受限于固定的8个方位，即是本发明的创新之处。

发明内容

首先，先简略说明Pamplona的发明，图1为主要架构图，12为显示装置，于A跟B两个高度画出两条平行的直线经过A,B两点，显示于屏上。使用者经由观察筒靠近眼睛观察，13是一个针孔或焦距为f微透镜的阵列，A,B两点透过13上下间距为a的针孔(或微透镜)，投射到为透镜加上眼睛的等效透镜组14之上，于眼睛15内部的视网模16上，看到为上下P_BP_A两点。而原经过A,B两点的两条直线，也于视网模上形成两条直线。如果我们把A,B两点的距离各缩小c的距离，如图1所示即移动到A’B’位置并经过针孔（或微透镜）33投射到等效透镜组14，形成一个距离为d的虚拟点11，而此虚拟点于视网模1成像位置为P。而此时原来经过A’B’的两条平行直线，于视网模上观察到的就是经过P重合的一条直线。因此使用者经由界面调整c值，将原本视网模16上观察到的两条直线重合。

有了c的资讯，我们可以推算出虚拟点11到等效透镜14的距离d，由等比三角形c:f=g:t 且 g:t=(a/2+g):d，可以计算出

d=t+a*f/(2*c) -> 公式一

而有了d跟e(眼内晶体到视网模距离一般17mm), 由薄透镜公式：

1/D+1/d=1/f -> 公式二(D物距，d像距，f薄透镜焦距)

将d跟e带入我们可以得到等效透镜14的焦距f，而等效焦距是由透镜加上眼睛晶体的两个同光轴透镜组成，因为透镜到眼睛晶体的间距已知且很小，两个焦度p1,p2的组合焦度

P=p1+p2 -> 公式三

当组合的焦度P（1/焦距）已知，且我们使用的透镜焦度(p1)也已知，就能计算出眼睛晶体的焦度p2，而1/焦度就是焦距。因此，经由移动的距离c, 我们可以测得眼睛的焦距，得知是否正常（一般约17.05mm）近视（小于17.05mm）或远视（大于17.05mm）。为了因应不同角度屈光度的量测，Pamplona的发明13针孔或微透镜的阵列设计成可抽换的，这样针孔或微透镜有8种形式以适应8个方位的量测。

Skolianos的发明主要架构如图2，首先有显屏21产生两个距离为d的平行线，23一样是针孔或微透镜阵列，在进入针孔前，先经过23为一个凹透镜，而凹透镜的功能为将显屏21的虚像画面由d缩小成d’, 这样子来增加画面的等效像素也提升系统的精密度，而24为一个凸透镜，25即为眼睛的晶体，实际上这两者加起来就是图1中的等效透镜组14，26即眼内视网膜。Skolianos的发明跟Pamplona的发明的主要差异在于增加了22凹透镜来增加精密度，而于针孔或微透镜阵列23不采取不同检查角度时用不同阵列，而是只有一个阵列这样可以减少系统体积，取代的是将针孔或微透镜阵列23设计成可以转动式的，可以旋转8个方位定位点0度/45度/…/315度，这样就不必用8种针孔或微透镜阵列，只要一种但实际量测时可以旋转8个不同角度来量测。

本发明的主要架构图如图3，其中34和Skolianos的发明、Pamplona的发明一样都是透镜跟眼睛所形成的等效透镜组，35为眼睛内部，36为视网模。和Skolianos的发明、Pamplona的发明主要不同的差异在于32跟33部份，本发明不采取液晶显示屏，而用了一组用步进马达驱动的LED线光源组合32, 底部是一个步进马达控制的旋转盘325, 旋转盘325上有两个步进马达控制的滚珠丝杆组321、323，而丝杆上螺母座上各固定有两组不同颜色的线光源322、324，线光源322、324可以是LED背光或EL冷光片上套有直线缝隙的机构形成，而这两个线光源相互平行，控制滚珠丝杆组321、323就可以控制线光源322、324之间的宽度。而前两个发明使用的针孔或为透镜阵列，我们使用两个微透镜阵列并于微透镜前各加了一个分别与线光源322、324相同颜色的滤光片331、332，避免331处的微透镜观察到错误的324线光源影像，而此滤光微透镜组33于Skolianos的发明FIG.14也有相近装置，但是本发明滤光微透镜组33和Skolianos的发明的旋转安装方式不同，于Skolianos的发明中显屏不动，而此微透镜则是于观察筒上以可以旋转方式来安装；本发明则将滤光微透镜组33直接装置于旋转盘325上，因此要检测不同角度眼睛的屈光率时，由本发明的单片机控制旋转盘325即可，而滤光微透镜组33会随着盘面而旋转，如此本发明不用如Pamplona的发明多个角度用的针孔或为透镜阵列光罩，也不必如Skolianos的发明中手动旋转，更重要的是因为使用步进马达控制旋转盘，本发明不受限于只能量测8个方位。而且321，323使用步进马达加上滚珠丝杆，我们可以把原来前二发明线光源每次移动最少80um以上(300 DPI,25.4mm/300=0.0846mm)，下降到1.25um(丝杆步进马达转一圈前进8mm, 而一圈可以控制6400个脉冲, 8mm/6400=0.00125mm)，可以提升精密度将近百倍。

对于旋转盘325的控制，若需降低价格时也可以不用步进马达控制而以直流马达搭配角度编码器来降低价格，若是更低廉的要求，此旋转盘可以用手动控制即可。但即便是手动，本发明的旋转角依然不受限于固定的几个角度，可以更真实的量测使用者眼睛的屈光度。

本发明的外观如图7，由镜筒71跟机体72，操作区73组成。镜筒内的透镜与眼睛组成了图3中的等效透镜组34，机体72中有图3中的滤光微透镜组33

、宽度可控的线光源组32及单片机控制电路74。机体外另有使用者操作区73，用来让使用者控制两组线光源位置及旋转方向，另外量测结果也显示于本区。

用户首先从旋转角度0度位置开始量测，使用旋钮控制两个不同颜色的线光源322、324于眼中视网模看到的位置，直到两者重合，此时可以于操作区读出系统计算的近远视度数或正常，然后使用着可以自动（或手动若无旋转马达）控制旋转台旋转，直到重合影像不再重合之角度处，再重复移动线光源322、324至再度影像重合，此时纪录旋转角度及度数，重复此步骤直到360度区域屈光度都观察纪录到。如果只是定期的预防检查，使用者可以选定几个固定的旋转角量测纪录。

本发明相对于传统复杂光学验光设备，架构简单价格低廉，十分适合个人、家庭、学校使用，可以监控使用者的视力状况，若有变差时可以即时校正。相对Skolianos、Pamplona的发明，本发明提高了近百倍的精密度，而各角度的屈光率量测也不再受限于只能量测8个固定方向。

附图说明

图1为Pamplona的发明架构图

图2为Skolianos的发明架构图

图3为本发明的架构图

图4为旋转台实施例

图5为线光源实施例

图6为控制板实施例

图7为本发明的外观/内部实施例

图8为线光源上光点经微透镜阵列折射示意图

图9为具微步进驱动功能的步进马达驱动芯片

图10为微步进驱动的控制电流与步进数图。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例进一步说明本发明。

首先图3光学部份，等效透镜组34为人眼与一凸透镜之组合，凸透镜安装于图7中观察筒靠近眼睛部份，因为跟眼睛的距离不到0.01m，因此等效透镜组34的焦度可以视为该凸透镜焦度与眼睛焦度的和。

而微透镜阵列33，虽然可以使用针孔阵列，但是针孔阵列所透过的光量远不及于透镜，因此我们使用了两个微透镜的阵列，或者也可以使用两个透镜也能达到相同功能，但是以微透镜阵列一体成形的方式生产安装较为简便。如图3此微透镜的焦距为f, 即为微透镜阵列33到线光源322、324的距离，而可以将线光源上面的光点经由微透镜阵列33后得到平行的光线如图8所示，让使用者更容易观察。而此微透镜阵列33和旋转盘32之间系经由图7中支架75固定于旋转盘32之上随着旋转盘转动。

线光源组32包括了旋转盘325及盘上两组线光源322、324分别安装于直线丝杆321、323上。旋转盘325可以是自动或手动，手动仅需于盘面上有可以让使用者观察目线角度有刻度圆盘即可，或使用如图4之可程控转盘，此类转盘广泛用于自动控制，包括有步进马达41、控制输入42、马达转轴43、转盘及传动44，这类可程控转盘将步进马达跟控制板都整合到一体内，只要单片机下指令就能将转盘移动到某个角度，而定位精度可达0.01度，内部步进马达控制板与经由转轴连动到转盘及传动44，一般转盘及传动44内有限位开关及齿轮组，限位开关一般有起始位置及极限位置两个，控制角度只须先归位到起始位置后控制正反转及转动的微步进数即可精确控制旋转角，此均为一般习知技术不加详述。若要降低成本，改用直流马达控制亦可，只要简单的桥式正反转驱动电路，搭配电位器或光学编码作为角度回馈即可控制转盘转到某个角度亦可。转盘上有两组线光源，原理相同，均为步进马达加上丝杆传动如图5，有一步进马达51经由传动轴52转动丝杆轴53，而使螺母座54于图上作左右的直线运动，而线光源55则固定于螺母座54上移动。线光源移动的精度与丝杆螺母座的设计有关，依本发明采用的实例步进马达51旋转一圈360度由A点前进到A’的距离(即丝杆导程)为8mm,而一般常见的步进马达步进角1.8度，即一圈360度可分为360/1.8＝200步，如此8mm/200=0.04mm即40um已经比 Pamplona的发明中受限于显屏分辨率300DPI(84.6um)还好。而步进马达的驱动方式，有微步进方式，例如德州仪器的DRV8825芯片可以控制两相4线的步进马达如图9最多可以有32个微步进，及原来步进马达前进一步转轴旋转一个步进角1.8度，而微步进的驱动方式控制给步进马达A组B组两组线圈的电流比例如图10，产生1/32的微步进。因此只要使用DRV8825这类的步进马达驱动方式，我们线光源的移动最小单位可以是8mm/200再除以32个微步进即8mm/200/32=1.25um, 远远超过Pamplona的发明。限位开关56、57用来控制螺母座54回到起始位置，以及检测是否到达最终位置。系统起始时，单片机需控制螺母座54向限位开关56移动，直到限位开关56作动停止此时为起始位置。而使用DRV8825或类似的步进马达驱动电路，单片机只要送出方向及脉冲，DRV8825及产生驱动电流驱动移动到我们设定的位置。例如设定方向为高电位，送出32个脉冲，可以前进(8mm/200)=0.04mm。限位开关57用来防止螺母座一直往前而脱离丝杆。直线丝杆321、324系固定于旋转盘325之上，因此单片机可以控制两个线光源322、324彼此间的宽度与两平行线的旋转角度。

控制板74也在图7中的本体72内，本体外有使用者界面区73，为一般习见的旋钮、按键、点阵液晶或OLED显示，使用者界面用来让使用者控制直线丝杆321、324的直线位移与旋转盘325，按键用来让用户选择功能，点阵显示用来显示目前功能以及检测结果，此皆习见的技术。控制板74框图如图6，包括电源部份61， 61设计使用直流12V输入，因此本发明需要外接一个变压器把市电220V先转成12V直流，再由电源部份以DC-DC的电路产生系统所需要的5V及3.3V给其他系统。单片机62以一般8051或ARM M0系列的单片机即可，与输入输出界面66以I/O脚位及SPI(Serial Peripheral Interface Bus)脚位沟通，一般的旋钮及按键可以用输入脚，而显示部份可以选用有SPI界面的显示模块以简化设计。马达驱动1～3的部份63~64, 可以使用图9的设计，其中Step Size/Deca Mode为固定值,因此每个马达驱动需要三个I/O脚，两个输出DIR(方向)跟STEP（脉冲）、nFAULT（错误）即可控制线光源322，324的位置及旋转的角度。当要求的精度不高，马达驱动3(65)可以改用便宜的直流马达，而直流马达的控制芯片如L298也相对便宜，可以很方便控制马达正反转。至于角度的回馈，最简单方式就是在轴心上装上一个模拟电位器即可知道目前旋转的角度，也有些角度编码器可以用来反馈目前角度，但一般而言单价昂贵，成本会比使用步进马达还贵，不适合使用于低价产品。而若要最低成本，即旋转盘32使用手动方式，于控制板74即可省略马达驱动3(65)部份的电路。

当使用者选择好旋转盘32的角度，以及用使用者界面区73中的旋钮调整线光源322，324于视网模36上重合为一直线，因为线光源322，324的位置系由单片机62所控制，因此图3中c的位置我们知道，我们即可以依前述公式一～三计算出使用者眼睛的焦距是否正常或者有近/远视现象。使用者可以变更旋转盘32的角度，量测眼球不同角度下的屈光度。

以上内容为本发明的优选实施方式之一，不能认定本发明具体实施方式只局限于本说明，再不脱离本发明构思的前提下之简单替换，都应当视为属于本发明得保护范围。

Claims (1)

1.一种主观验光系统，其特征在于，包括光学系统和控制系统，光学系统：包括一个靠近眼睛的凸透镜；一个上有两个微透镜的微透镜阵列焦距为f，两个微透镜上各有一个不同颜色滤光片；一个可旋转角度及程控位置的两个不同颜色的线光源组，经由前述颜色滤光片分别只能透过一个微透镜折射至前述凸透镜，线光源位置距前述微透镜阵列距离为f，旋转盘角度旋转可为手动或电动，旋转电动控制方式可以为步进马达和限位开关开路控制或直流马达加上电位器或角度编码器回馈控制，若为手动时则盘上有刻度可以让使用者辨识目前旋转角度，微透镜阵列经由支架固定于旋转盘上，线光源组之两组线光源固定在两组步进马达的丝杆螺母座上，两组步进马达丝杆组固定于旋转盘上，丝杆两端各有两个限位开关可以侦测起始位置及远端极限位置，两线光源光线方向为平行的两线且移动时维持平行；控制系统包括：电源电路，用来将外部输入直流电压转换成单片机、马达驱动等部份需要的电源；单片机，经由马达驱动电路用来控制前述线光源的旋转角度（若手动时则由使用者手动旋转）及位置，当用户调整两个不同色的线光源于丝杆上移动，而于眼内视网模重合成一条直线时，计算并显示使用者眼睛于该旋转角的屈光度及当前旋转角（手动时直接观察转盘刻度）；马达驱动电路，用来将单片机的控制信号转化成各马达所需的控制信号；输入输出电路，用来输入使用者要求的线光源旋转值（电动时）及位置，及以按键选择各种功能选单，并显示选单或量测结果于显示器件上。

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