CN111616672A - 测量视觉功能的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于复制标准化视力测试(例如20’Snellen测试)的系统可以包括附接到智能手机的双目观察器。双目观察器可以包括外壳，该外壳包括具有空隙的一对筒盖，该空隙允许通过一对透镜筒进行观察，并且每个透镜筒与第二透镜、第一透镜、孔和前盖视觉连通。光学系统使用了前后透镜表面、缩小和其他系统的巧妙结合，忠实地复制了传统20’测试用户所感知的视线。该系统还可以结合有使用两只眼睛进行的其他测试，包括色敏度和对比度，此外，还可以通过在第二透镜和眼睛之间放置可变形的可调透镜，该设备用作眼科折光仪，从而可以对每只眼睛估算出球面等效折光率。

Description

测量视觉功能的方法和设备

相关专利申请和通过引用并入

本申请要求2019年2月27日提交的美国申请62811492的权益和优先权，其内容合并于此。

本发明专利申请是2018年10月31日提交的美国申请16/176,631Smart PhoneBased Virtual Visual Charts for Measuring Visual Acuity的部分延续(CIP)案，其要求 2017年10月31日提交的临时专利申请62/579,558的权益和优先权日。

该发明专利申请是2019年2月14日提交的专利申请16/276,302的部分延续(CIP)案，该申请是2017年4月19日提交的申请15/491,557的CIP，现在是2019年2月 19日发布的专利10206566，其要求2016年10月17日提交的临时专利申请62/409,276 的权益。

如果本发明中的发明公开与相关申请中的公开之间发生任何冲突，则以本发明中的公开为准。此外，发明人通过引用将本申请中引用或提及的任何和所有专利、专利申请和其他文档的硬拷贝或电子文档并入本文。

版权和商标声明

本申请包括受版权和/或商标保护的材料。版权和商标所有者不反对任何在专利商标局文件或记录中出现的专利公开的拓制，但在其他方面保留所有版权和商标权。商标可能包括“VA101”和“Visual Acuity Tracker”、“Visual Acuity Screener”、“Insight”和/或“EyeQue Insight”。

技术领域

本发明总体上涉及视力测量系统。更具体地，本发明涉及透镜系统并接近用户光源以在双目观察者的范围内光学复制标准视觉测试的用途。公开的实施例包括高分辨率智能手机、通信系统、数据检索系统和其他组件的集成。

背景技术

在相关技术中，标准化的视力测试是众所周知的，并且通常要求测试受试者与视力表之间的距离为20英尺。这样的测试在专门的测试空间(例如眼科医生办公室或政府机动车辆设施)中效果很好。随着智能手机和其他电子设备的出现，以及在户外花费的时间越来越少，儿童近视的发展速度惊人。现有技术的不足之处在于，父母、老师或看护者可能希望快速且经济地测试孩子的视力，但既没有现有技术的超大纸质视力表，也没有清澈的、适当照明的20英尺空间。此外，儿童不太可能会站立不动以保持常规测试所要求的20英尺距离。

现有技术也充斥着成年人的视觉健康和测试方面的不足。由于眼科检查的高昂费用以及当前需要亲自前往去看眼科护理专家，许多成年人无法获得他们所需的眼科检查。近视是一个日益严重的问题，在低收入人群中尤为尖锐，在中低收入国家更加严重。

现有技术的确包括使用虚拟图像进行眼科检查，其中一种这样的系统有时被Welch Allyn称为SPOT Vision Screener。Welch Allyn设备非常昂贵，不适合消费者使用。Welch Allyn设备无法利用当今智能手机的高分辨率屏幕。Welch Allyn设备要求设备与测试受试者之间的距离为三英尺，这使得该设备不适合进行自我测试。因此，对于当前公开的实施例，相关技术和本领域存在严重的不足。

最近，有大量免费的移动应用程序(App)声称可以测量视力，但是要复制 20’Snellen测试，手机屏幕必须远离用户，这使得测试非常不便，并且在测试孩子的情况下几乎是不可能的。而且，考虑到在这些免费的应用程序中测试者到智能手机的距离没有限制的事实，与当前公开的实施例的强制距离限制相比，结果是非常不准确的。

发明内容

本发明通过提供一种公开的组件的不明显和独特的组合、构造克服了现有技术的不足，所述组件包括具有光学特性的两组透镜，非常适合在双目观察者的相对短的范围内光学地产生常规的视力测试。术语“视力”可以被定义为眼睛在预定距离处检测精细细节的能力。公开的实施例通过对高分辨率智能手机屏幕的巧妙使用和集成来克服本领域的不足，该高分辨率智能手机屏幕提供了微调的光源。高分辨率智能手机屏幕的集成还提供了用于视觉测试的视力表或符号显示的无限可能。此外，智能手机的集成有助于测试结果的即时分析以及测试结果的即时通信和电子存储。

本发明提供了自我管理的视觉测试解决方案，其产生的结果与在医生办公室中进行的现有技术的视觉测试相似。通过公开的双目观察器与运行特定应用程序的智能手机协同工作，用户无需额外帮助即可执行自我管理的远距离(或近距离)视觉测试。此外，由双目观察器和智能手机组成的系统还可以用于进行其他视觉测试，包括对比灵敏度、颜色灵敏度和屈光不正。本发明还提供了用于用户通过向眼保健专业人员提供推荐来管理其眼睛健康的方法。本发明还提供了用于用户和/或眼保健专业人员之间的电子通信的装置。

公开的实施例通过使用在包括凹面的第一透镜的背面上发生的缩小来克服现有技术中的缺点。

公开的实施例通过提供与许多人的有限手段相称的经济、紧凑和自我管理的视力测试来克服了本领域的缺点。常规的现场测试通常在20英尺(或6米)处进行，以复制现实生活中的视觉需求，其中20英尺处的对象具有实际意义。具有“正常”视觉的人可以说具有20/20视觉，这意味着测试受试者在20英尺的距离处可以看到视标的20/20线(字母、数字、翻滚的E等)。视觉“好于正常”的测试受试者将在20英尺的距离处看到视标的20/15线(尺寸小于20/20视线)，认为它们具有20/15视觉。相反，视觉明显低于“正常”(例如20/200)的测试受试者的视觉是正常视觉的人的1/10，或者需要对象近十倍才能看到视觉正常的人在20ft处看到的相同的20/20线。基于现实世界中需要在20英尺处清晰地看到对象，许多视力标准都是基于20英尺的基准。因此，虚拟复制20英尺基准测试非常有用，只要这种虚拟或光学复制测试出观察者分辨出20英尺角度范围的相对的对象的能力。当前公开的实施例不仅模拟20英尺测试的角度视线，而且通过使用随机旋转的视标、静态照明、即时测试结果报告、测试分析和电子存储来改进常规的20英尺测试。

此外，复制标准的20英尺测试可用于检测多种情况，例如包括屈光不正、散光、近视、远视、色盲、青光眼和黄斑变性。

通过在透镜(360)和用户之间插入可调透镜系统，该设备还可以用作便携式验光仪。用户调整透镜的屈光度以达到最佳视力。由于从代表屏幕的透镜(360)发出的光几乎平行，因此调整透镜系统将有助于将光聚焦在视网膜上。

通过使用可调stokes柱面透镜对和可调球面透镜来抵消可调透镜系统的散光和球面误差，可以实现准确的屈光值。屈光值用于确定由诸如处方眼镜之类的设备提供的屈光矫正。

特别是，近视是常见的视觉疾病的医学术语，称为近视眼，其中近处视觉清晰，但远处的对象却显得模糊。在过去的30年中，全球近视患病率迅速上升。与高度近视相关的视觉损害存在很大风险，包括视网膜损害、白内障和青光眼。据估计，2010 年，近视会影响世界27％(19亿)的人口。根据世界卫生组织(WHO)近视眼的报告，预计到2020年，近视将影响世界33％(26亿)的人口，到2050年将影响世界 50％(50亿)的人口。

所公开的实施例非常适合于测试儿童的视觉，因为所公开的双目观察器可以在较小的房间或拥挤的环境中使用，在这些环境中，将视力表固定在距测试受试者正好 20英尺的地方并且适当的照明是不切实际的。

目前，视觉问题影响了美国四分之一的学龄儿童，在韩国和中国等其他国家，该比率甚至更高。儿童视觉受损会导致终身学习、情绪和行为问题。美国验光协会建议每1-2年进行一次全面眼科检查。但是，由于儿童眼球的迅速发展，在这个时间范围内，近视情况可能要进展到明显程度后才能被发现。研究证明，儿童近视的进展可以减慢或停止，从而改善生活视觉。早期发现和干预对于减缓学龄儿童近视进展至关重要。因此，当前公开的实施例对于提供方便的、低成本的自我管理的并且易于访问的方法以监视视觉变化例如近视的发作是必要的。所公开的实施例具有全球实用性。在不发达国家，缺乏眼保健专业人员，这使得许多人无法进行视觉筛查。因此，作为朝向治疗的第一步，所公开的实施例对于提供、访问自我管理和易于访问的视觉筛查工具以测试视力至关重要。

目前，远距离视觉测试通常在医生办公室进行，作为评估视力的全面眼科检查的第一步。在现有技术中，测试受试者通常与视觉目标相距很大的距离，通常为20ft (或6米)。视觉目标包含不同大小的不同字母(Snellen表)，或不同朝向的大小不同的字母“E”(翻滚的E表)或不同朝向的不同大小的字母“C”(Landolt C表)。检查者要求测试受试者识别与表上给定线相对应的字母或字母的朝向，每一条下降的表线包含较小尺寸的字母。

本发明包括用于自我管理的视觉筛查的方法，该方法包括以下步骤：请求用户信息、在远距离或近距离进行视力测试、报告视力结果以及跟踪视力变化。测试后，结果会立即显示在智能手机上，并存储在安全的云服务器上。

智能手机用作显示器以创建视觉目标。在一个实施例中，将视觉目标选择为翻滚的E表，其中显示具有包括上、下、左和右的随机朝向的字母“E”。智能手机以与智能手机连接到虚拟现实头戴式耳机相似的方式连接到光学设备。该光学设备包括一个独特的透镜系统，该系统将智能手机上显示的E表投影到20英尺(6米)的虚拟距离(用于远距离视觉)和14英寸(35厘米)的虚拟距离(用于近距离视觉)。

智能手机会生成带有白色背景和黑色字母的视觉目标，外观类似于常规的实体视力表。然而，与现有技术测试的打印的、静态的和可预测的翻滚的E表不同，在本实施例中，字母E及其朝向是由智能手机在测试期间随机生成的。因此，每个测试的字母E朝向的顺序都不同，从而减少了可能使测试结果歪曲的记忆效应。

在一种预期的使用方法中，用户通过附接了智能手机的双目观察器进行观察，并且使用手指在智能手机的触摸屏上滑动以与IOS或Android应用程序交互。使用向上、下、左和右的滑动手势，智能手机应用程序会根据用户所感知的在智能手机上显示的当前E朝向来接收用户输入。测试后，智能手机应用程序将计算视力值并将结果显示在屏幕上。创建视觉记录并将其与时间戳一起存储在安全的云服务器上。随着时间的流逝，将创建视觉测试的历史记录，并可以用作监控视觉变化的参考。

对于已经是中度近视或远视的用户，不进行矫正而测量视力将不适用于测量用户当前矫正的功效。因此，所公开的实施例允许测试者配戴隐形眼镜或框架眼镜，以验证其当前的矫正眼镜处方是否合适，或者换句话说，由隐形眼镜或眼镜提供的矫正是否有助于改善视觉，20/20视觉是基准。

在公开的数据库系统中，可以通过电子邮件或警报以无线方式与父母或眼保健专业人员共享记录的视觉测试结果的历史记录，从而使通信成本和时间最小化。

公开的实施例包括使用智能手机应用程序确定测试受试者的瞳距或PD的装置和方法。

公开的实施例可以测量老花眼和/或充当验光仪，具有可调的球镜和柱镜值。

附图说明

专利或申请文件包含至少一张以彩色着色附图。专利局将根据要求和必要费用的支付来提供带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。

图1描绘了所公开的双目观察器实施例的前透视图。

图2描绘了所公开的实施例的后透视图。

图3描绘了所公开的实施例的俯视图。

图4描绘了所公开的实施例的仰视图。

图5描绘了所公开的实施例的左侧视图。

图6描绘了所公开的实施例的右侧视图。

图7描绘了所公开的实施例的后视图。

图8描绘了所公开的实施例的正视图。

图9描绘了带有附接的智能手机的公开实施例的后透视图。

图10描绘了所公开的实施例的分接图。

图11描绘了所公开的面板和其他组件。

图12描绘了所公开的外壳和其他组件。

图13描绘了布置在双目观察器中所公开的组件。

图14描绘了视射线的跟踪。

图15描绘了典型远距离测试。

图16描绘了与传统系统相比的公开的测试系统。

图17描绘了所公开的光学系统的截面图。

图18描绘了现有技术的模糊图像。

图19描绘了通过使用公开的实施例的清晰图像。

图20描绘了透镜表面性质的曲线图。

图21A描绘了第一透镜的正视图。

图21B描绘了第一透镜的侧视图。

图21C描绘了第一透镜的透视图。

图22A描绘了第二透镜的正视图。

图22B描绘了第二透镜的侧视图。

图22C描绘了第二透镜的透视图。

图23描绘了在智能手机屏幕上生成的视力表图像。

图24描绘了从公开的实施例获得的信息的流程图。

图25描绘了用于屈光矫正的可调透镜系统和其他组件。图26描绘了所公开的实施例。

图27描绘了所公开的透镜系统。

图28描绘了双眼视觉的表示。

图29描绘了视觉测量和记录系统。

图30描绘了视力表。

图31描绘了视力表。

图32A至32B描绘了视力表符号。

图33描绘了Pelli-Robson表。

图34A和34B描绘了Landot C或翻滚的E图。

图35描绘了正弦波光栅测试。

图36描绘了对比灵敏度和空间频率之间的比较。

图37A至37C描绘了Ishihara色觉测试。

图38A和38B描绘了视场。

图39A至39C描绘了公开的透镜系统。

图40描绘了所公开的方法的步骤。

图41描绘了Amsler网格。

图42描绘了立体视深度感知测试。

图43描绘了立体视深度感知测试。

图中的附图标记

100 总体上公开的实施例

200 外壳

205 窗口

210 泡沫垫

220 紧固件

222 面插入件

225 面筒

227 销导向件

240 PD轮

242 PD旋钮

245 筒盖

247 钩

250 透镜筒

253 小齿轮

254 PD传动装置

255 孔

257 齿轮盖

260 前盖

265 微吸带

300 总体透镜系统

310 视射线的近侧或近眼点

320 第一透镜

325 包括第一透镜320的非球面的第一表面或前表面

330 包括第一透镜320的凹面的第二表面或背表面

360 第二透镜或球面凸透镜

380 视射线的远侧或远眼点

400 智能手机或其他个人电子设备

405 智能手机的显示屏或屏幕表面

410 将智能手机固定到外壳的带

500 视力表

600 人眼

620 眼透镜

640 视网膜

700 云存储/通讯系统

720 用户信息数据库

740 眼保健专业人员数据库

760 眼镜生产数据库

800 用于屈光矫正和其他功能的可调透镜系统

通过结合附图阅读以下详细说明，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。

具体实施方式

以下详细描述针对本发明的某些特定实施例。然而，本发明可以以权利要求书及其等同物所定义和覆盖的多种不同方式来体现。在该描述中，参考附图，其中，相同的部件始终用相同的标号表示。

除非在本说明书或权利要求书中另有说明，否则说明书和权利要求书中使用的所有术语将具有本领域技术人员通常赋予这些术语的含义。

除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应理解为包含性含义，而不是排他性或穷举性含义；也就是说，在某种意义上“包括但不限于”。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。另外，当在本申请中使用时，词语“本文”、“上文”、“下文”和类似含义的词语应指本申请整体，而不是本申请的任何特定部分。

图1描绘了所公开的实施例100，有时被称为EyeQue Insight^TM、光学设备或双目观察器。通常，所公开的实施例提供了紧凑、便携和经济的方式来复制标准视觉测试。在标准视觉测试中，测试受试者位于距离视力表20英尺的位置。使用所公开的实施例，通过使用双目观察器和智能手机来复制相同的体验和测试结果。与现有技术不同，本公开的实施例与诸如云系统的电子存储介质无缝集成。通常，所公开的组件被封装在外壳200中。

图2描绘了透视图，其示出了前景中的泡沫垫210的条。

图3描绘了俯视图，其示出了PD旋钮242，其用于设置用户的估算的瞳距或PD。通过查看显示在智能手机上的标记，所公开的实施例允许用户旋转PD旋钮242，以将镜筒之间的间隔对准用户的PD。测得的PD显示在PD轮240上。

图4描绘了所公开的实施例的仰视图。

图5描绘了右侧视图，且6描绘了左侧视图。

图7描绘了正视图，且图8示出了后视图。

图9描绘了将智能手机400或其他个人电子设备附接到该设备的背侧的正和侧透视图。带410或其他紧固件可用于将手机固定到外壳。

图10描绘了所公开的实施例的分解图，其可以包括透镜系统300，该透镜系统 300包括第一透镜320或第一组透镜以及第二透镜360或第二组透镜。通常，透镜系统通过使用需要小于11英寸左右的系统来光学模拟需要20英尺空间的现有技术视觉测试。第一和第二组透镜固定在透镜筒250内，并且透镜筒沿水平面移动，以与用户的PD或估算的PD相称。用户的PD是通过在智能手机上呈现图像而获得的，并且筒之间的距离已根据用户的PD进行了调整。用户可以调节PD旋钮242，并且可以通过观看PD轮来观察导出的PD值或估算的PD值。

从用户的眼睛或在邻近位置开始，窗口205可以包括透明的平坦表面，该平坦表面将碎屑排除在系统之外。紧固件220可以将面插入物222附接在外壳200上。窗口 205可以布置在面插入物之上或之内，并且窗口可以与面筒225对中或对准，其中面筒与相应的透镜筒250对准。

销导向件227可以布置在面插入件222上，销导向件通过PD轮240和PD旋钮 242轴向连接。面筒的外端可以在筒盖245限定的空隙内对准。由筒盖245限定的空隙可以与第一组透镜对准或可以帮助保持第一组透镜。第二组透镜360可被保持在透镜筒250的近端中或与之对准。透镜筒的远端可保持第一组透镜320或与第一组透镜 320对准。孔片255可以限定孔空隙，其中孔空隙对准第一组透镜320。齿轮盖257 可以固定到筒的远端，并且前盖260可以固定在齿轮盖上以及外壳200内或外壳200 上。微吸带(Micro suction tape)265或其他类型的紧固件可以施加到前盖260的远侧，前盖的远侧具有平坦的精加工表面，以与智能手机或其他电子设备的屏幕的平坦表面相称。

图11描绘了面插入物222和相关组件的放大图。

图12描绘了外壳、泡沫垫210的条、PD旋钮242和PD轮240的放大图。PD 轮可包括标志或标记，其指示相应于用户对PD旋钮242的调整而获得的PD或估算的PD。

图13描绘了所公开的实施例的更远侧组件的放大图。

图14描绘了由公开的透镜系统获得的视线或视射线。视射线可以在智能手机的屏幕表面405上开始或由其生成。视线或智能手机图像可以进入第一透镜320的非球面325。然后，光将进入第一透镜的凹面330。由于第一透镜的作用，发生了缩小，从而能够生产光学呈现的视标，该视标与在20英尺处以实物纸形式呈现的视标具有相同的视线。

然后，图像或光进入第二透镜360，第二透镜包括球面凸透镜。然后，图像或光进入眼透镜620，然后进入视网膜640。

图15描绘了典型远距离视力测试，其中受试者和视力表距离20英尺。

图16描绘了在20英尺处的传统眼睛测试与所公开的实施例的光学器件的比较。第一透镜320与第二透镜360的巧妙组合产生了紧凑且便携的视力测试系统，其实现了与现有技术的20英尺测试相同的结果。因此，从公开的实施例观看的图像具有与在现有技术20英尺视觉测试中观看的图像相同的光学质量。

图17描绘了第一透镜320或靠近智能手机屏幕的透镜，其中第一透镜具有包括非球面的第一侧或前侧325。第一透镜320可以具有包括凹面的背侧。第二透镜360 可以包括球面凸透镜。

图18描绘了现有技术的桶形畸变。公开使用第一透镜的前非球面有助于减少现有技术的桶形畸变。

图19描绘了通过使用公开的实施例导出的更清晰的视图。

在公开的实施例中，第一透镜320具有包括非球面的前表面325，该非球面用于减少受试者使用公开的实施例100观察到的光学畸变，例如桶形效应(barrel effect)。光学畸变可以被认为是使视线变形和/或弯曲的光学像差，从而导致如图18例示的弯曲或模糊的图像。通过使用具有球面的透镜获得图18的图像，其中沿着图像的四个外部边缘特别明显地看到桶形畸变。四个外部笔直边缘看起来是弯曲的，好像被在桶中压缩一样。这种现象有时称为“桶形畸变(barrel distortion)”。所公开的实施例通过使用所公开的透镜系统300克服了现有技术的桶形畸变，其中获得了优异的结果，如图19例示。

通过使用所公开的实施例，克服了现有技术中的不足，例如，桶形畸变的不足和测试受试者与视力表之间需要20英尺距离的不足。如图19所示的公开的实施例的优异结果包括显著减少的桶形畸变，其中四个外部边缘看起来是笔直的或几乎是笔直的。

在现有技术中，传统的透镜被制成具有球面。已知球面透镜会引入光学像差，例如桶形畸变。与使用复杂的球面透镜组相比，非球面轮廓的单个表面可以大大减少像差。在一些当前公开的实施例中，第一透镜320的第一表面325被制成具有非球面轮廓，这意味着曲率半径在整个直径上不是恒定的。非球面的物质功能是减少光学畸变并再现如以20英尺的距离观看现有技术的视力表时相同的清晰图像。第一透镜320 的第二表面330具有凹球形轮廓。第一透镜320提供缩小的光焦度以产生比在智能手机的屏幕上显示的图像小约三倍的虚拟图像。

第二透镜360可以包括球面凸透镜。第二透镜360从由第一透镜320创建的第一虚拟图像或光学图像创建另一虚拟图像或光学图像，其在距眼睛20英尺的距离处。第二透镜360可以具有约100的放大光焦度。

总体而言，公开的光学系统可以具有约30的放大倍率。因此，与用于20英尺视觉测试的现有技术纸视力表的字母大小相比，在所附接的智能手机上和由其显示的字母大小约小30倍。

图20公开了迄今为止已知的用于实现第一透镜320的非球面325的最佳模式。曲线326描绘了非球面即第一表面325的曲率值。水平直线331描绘了第一透镜的球面或第二表面330的曲率值。水平x轴以毫米为单位测量距透镜中心的距离，而垂直 y轴以毫米为单位测量透镜的曲率。

图21A描绘了第一透镜的正视图。第一透镜可具有14mm的外径和12mm的内径。

图21B描绘了图21A的截面图。图21B示出了第一透镜的非球面325，并且还示出了第一透镜的凹背面330。外部距离可以是4.71mm，内部距离可以是2mm。

图21C描绘了第一透镜的透视图。

图22A描绘了第二透镜360的正视图，其可以具有12mm的外径和11mm的内径。

图22B描绘了第二透镜的侧视图，其中第二透镜可以具有2.8mm的宽度。

图22C描绘了第二透镜360的透视图。

图23描绘了在智能手机屏幕上显示的诸如“E”的图像。

图24描绘了从所公开的实施例100流到云存储700或通讯系统的信息的流程图，其中所收集的数据由多个数据库系统或外部系统存储或使用，该多个数据库系统或外部系统可以包括用户测量数据库720、眼保健专业人员数据库740和眼镜生产设施数据库740。

图25描绘了透镜和视线，其中增加了用于屈光矫正和其他功能的可调节透镜系统800。

参考图26，公开的实施例基于双目观察器设备，该双目观察器设备允许将测试图像投影到受试者的眼睛中。它可以将单个甚至可能不同的图像投影到受试者的每只眼睛。用于生成图像的显示器可以是附接设备的智能手机显示器，或者是设备内置的屏幕。例如，可以将液晶显示器(LCD)内置到在光学系统的对象平面中的设备中。可替代地，OLED、空间光调制器(SLM)或LED阵列可以用于投影图像。

在本发明的一个实施例中，该设备由如图26所示的两个光学器具构成，每只眼睛一个。

图27呈现了公开的光学器具。在本发明的该实施方式中，来自显示器的图像借助于双透镜组被投影到对象受试者视网膜上。透镜构造成使得与对象眼睛的光学系统一起，视网膜图像平面与用于生成测试图像的显示器结合。在本发明的一个示例实施例中，来自显示器的光进一步通过第一透镜发散，然后通过第二透镜会聚。该设置在对应于显示器上的不同场点的不同角度方向上产生平行光束。当这些光束入射到角膜上并穿过瞳孔时，它们会聚在视网膜上，从而在视网膜上形成显示器的缩小图像。

参见图28，该设备的双目构造允许深度感知和3D视觉。这可以通过利用感知和立体视觉以及聚散度之间的关系来“触发”人类视觉系统(大脑中的视觉皮层)以感知深度来实现。立体视(通过立体视觉获得的深度感知)是基于两只眼睛的图像之间在水平方向上的差异。当一个人聚焦在一个对象上时，眼睛会聚以将该对象放置在视场的中心。因此，左眼和右眼上的图像由于周围对象的角度视差而不同。由于此水平角度视差导致的接收场不同，因此视觉皮层中的双目细胞检测到这种差异，而大脑会将其与深度相关联。图28显示了每只眼睛看到的焦点对象和前面的另一对象的图像。

可以由97.5％的人口检测到的预期最小水平视差为2.3arcmin，而80％的人口甚至可以检测到低至30arcsec的视差。

立体视可以分为两个方面：粗略和精细。粗略的立体视通常与周围的视觉有关，并导致人普遍沉浸在环境中。它主要关注动态和低空间频率的对象。精细的立体视可以确定对象在中央视觉区域的深度。它可以实现两只眼睛的图像之间的视觉皮层图像融合，从而可以感知连贯的3维图像。

参考图29，为了防止复视，允许将大脑中每只眼睛的单独图像作为单个图像进行调和，并改善设备中的视觉质量；该设备可以对用户的瞳距进行机械调整。该机构可以是手动的(例如，转轮和齿轮、滑块)或自动的(例如，使用电动机)。显示器上的图像还需要针对该距离进行调整，以使FoV的中心与用户的瞳孔中心直接在一条直线上，如其光轴。到瞳距的输入可以是具有手动输入的外部测量或通过应用程序的自动测量(图29)。

测试要求用户以各种形式输入。这可以通过使用智能手机的触摸屏、或使用设备本身的控件或使用外部控制器来实现。

该设备还可以结合可变透镜系统以允许屈光矫正。在本发明的一个实施例中，该透镜可以代替最接近用户眼睛的透镜。在另一种实施方式中，可以将可变透镜添加到用户眼睛与设备的第一透镜之间的设备中。在设备的另一种实施方式中，可以在设备中的空间允许的情况下将透镜实施在另一位置。在这种情况下，光学设计和矫正将需要进行额外的校准或计算，以允许实际用户眼镜片数量或处方与可变透镜的焦度之间的差异。焦度取决于透镜位置。

可变透镜可以以多种方式构造。在本发明的实施例中，透镜可以是液体透镜。在设备的其他实施例中，透镜可以基于本文和已经通过引用并入本文的相关专利申请提出的可变透镜。在本发明的实施例中的可变透镜的另一实施方式可以是变焦透镜与 Stokes对的组合，以用于控制柱镜和轴位(散光)。

视觉测试和示例实施方式的描述：

视力

有多种可用于评估个人视力的VA测试。最普遍的是Snellen测试(图30)。

进一步参考图30，每行字母对应于标准健康视网膜上的5arcmin预期距离。每个字母的线宽设计为1arcmin。预期健康人眼分辨率在30arcsec和1arcmin之间。 Snellen表通常使用20分数表示法(也称为Snellen表示法)，其中20/20是正常视力，即具有正常视力的人在20英尺将看到的东西。类似地，例如20/50是有视力问题的人在20英尺处看到的东西等同于正常视力人员在50英尺处看到的东西。在这种情况下，该行中字母的大小将对应于50ft处5arcmin的大小。另外，符号包括公制版本，它是6个基本分数，表示6米而不是20ft；logMAR表示法是最小角度分辨率(MAR) 以10为底的对数，它对应于表上符号的实际角度实体。

Snellen表由于其固有的设计而具有明显的缺点。

每行有不同数量的字母，使得计分不规范。

字母具有多种可读性(例如，D、C、O比A、J、L更容易阅读)。

字母之间的距离不是标准化的，并且可能导致拥挤(字母之间的轮廓相互作用使得其更难以阅读)。

缺乏字体标准化–不同的制造商可以为表使用不同的字体。

参考图31，开发了一些替代方法，包括ETDRS早期治疗糖尿病性视网膜病变研究，目前已被FDA用作黄金标准(golden standard)，并且在许多研究中显示出更高准确性。但是，在比较ETDRS和Snellen结果时应格外小心，因为结果表明ETDRS 将VA提高0.2logMAR，对于视力更低下的甚至更高。

参考图32A和32B，Landolt C(图32A)测试和文盲/翻滚E(illiterate/tumblingE) (图32B)测试形成为VA测试的更标准化形式。

这些测试中的任何一种都可以在之前提出的用于VA测试的设备中使用。在本发明的实施例中，向用户呈现减小的翻滚E的大小，并要求用户指示字母的开口端朝向哪个方向。例如，可以通过在智能手机屏幕上在该方向滑动或通过使用带有适当按钮的单独控制器来进行指示。指示的另一种形式可以包括语音识别，其中应用程序通过解密用户的口头回答来获取输入。在这种类型的输入中，假设它足够可靠，则可以在患者阅读显示器上显示的字母时使用更常规的VA测试。

对比敏感度

对比敏感度是个人区分浅色和深色的能力。对比敏感度是视觉功能的非常重要的度量。它表示在各种条件下(例如，低光、雾、眩光)一个人区分对象的能力。夜间驾驶是一个突出的例子，其中对比敏感度是一个重要的度量。即使一个人的视力为 20/20，他们的眼睛或健康状况也可能会降低其对比敏感度，并使他们感到您的视力不佳。低对比度敏感度暗示各种眼部疾病，例如与黄斑色素光密度(MPOD)相关的白内障和视网膜病变。

对比灵敏度测试测量您区分亮与暗(对比)的渐进增量的能力。所利用的最常见的对比敏感度测试是Pelli-Robson表(图33)。与VA测试类似，要求受试者阅读表中的字母，其中不同行对应于越来越低的对比度。

该测试也可以使用Landot C或翻滚E来实施(图34A和34B)

示例实施方式将是这样的：向用户呈现字母一次(左眼一次，右眼一次，两只眼睛一起一次)。然后将要求用户指示字母的开口端的方向。然后，将以降低的对比度显示字母。本发明的实施方式具有最佳照明条件的优点，因为这些条件由显示器控制。

参照图35，对对比敏感度的更严格测试还取决于所呈现的刺激的空间频率。这种测试的例子是正弦波光栅测试(sine-wave grating test)，图35中向受试者呈现了一组具有不同空间频率和不同对比度的光栅。

然后例如要求受试者指示光栅的方向。可以结合空白图像以作进一步指示。然后将测试结果绘制为对比频率图，图36。

色觉

参照图37A至37C，如名称所示，色觉测试测量了个人看到和区分颜色的能力。最常用的色觉测试是Ishihara板测试。在该测试中，不同颜色的数字由圆圈组成，该圆圈绘制在背景颜色的其他圆圈中。圆圈的颜色不同以形成各种对比度(主要是红绿色，但可用其他组合)，而各次测试之间圆圈的亮度和对比度也有所不同，以便对测试进行微调。图37A至C示出了Ishihara色觉测试的一些示例。

可以通过改变字母的颜色和背景的颜色来测试各种类型的色盲。更深入的分析还可以包括颜色饱和度和对比度。本发明的实施方式具有最佳照明条件和精确颜色限定的优点，因为这些条件由显示器控制。

FoV

参照图38A和39B，FoV测试的示例基于自动视野检查测试，该测试要求所用设备的FoV非常大(>120deg，甚至>180deg)。该视场是基于对用户视场的理解，如图38A和38B所述。

在图39A中示出了本发明设计的建议实施例。

所提出的发明的另一种实施方式是基于图27的光学器具，其中在屏幕和第一透镜之间或在眼睛和第二透镜之间添加了一个透镜(图39B和39C)。最终视场可以是例如120度。

测试本身非常简单：在用户的FoV中的不同位置呈现照明符号形式的刺激，并要求用户指出他们是否可以看到它。该符号可以具有不同的形状、大小、颜色和亮度。测试特性应予以考虑，除了符号本身外，还应包括与背景的对比、刺激频率和持续时间。图40呈现了这种测试程序的实施方式。

所提出的发明的另一实施方式包括图27的光学系统，其具有相对有限的视场。然后测试构造成对用户的视场进行分段测试。通过对屏幕的不同位置处的注视点执行图40的程序来完成此操作。这将有效地使视场测量在任何方向上增加三倍。

参照41，FoV测试的另一种实施方式是测量中心视场缺陷，称为Amsler网格(Amsler Grid)(图40)。在此测试中，用户每只眼睛分别单独地聚焦在网格中间的点，并指出其周围任何畸变、褪色或部分缺失的线。

深度感知(立体视)

该测试的最简单形式是以菱形配置的四个相似符号的呈现(图42)。

其中一个图像呈现为与其他三个图像深度不同(使用上文针对3D视觉提出的方法)。然后，将要求用户指示哪个图像更近。将重复多组，各组的形状之间的距离对比不同(例如，不同的角度视差在30arcsec和1200arcsec之间)。

参照图43，深度感知测试的另一形式是随机点测试，其中将具有可以使用立体视检测的特征的随机点的图像呈现给用户(在图43中呈现H形的示例)。可以将测试设计为包括Landolt C或翻滚E，然后可以要求用户指示给定提示的方向。还可以实施其他测试，包括例如Titmus立体视测试。

频率测量

该测试允许指示潜在的神经损伤(包括例如早期青光眼)和其他视觉障碍。

在该测试的实施例中，向用户呈现两条棒。这些以不同的频率闪烁，要求用户指出他们看到多少条棒。在某些频率下，有视觉和神经问题的用户将看不到线条，或者看到的是四条线条而不是两条。

本发明的实施例的以上详细描述并非旨在穷举或将本发明限制为上文公开的精确形式。尽管上文出于说明性目的描述了本发明的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内可以进行各种等效修改。例如，虽然步骤以给定顺序呈现，但是替代实施例可以执行具有不同顺序的步骤的例程。本文提供的本发明的教导可以应用于其他系统，而不仅是本文描述的系统。本文描述的各种实施例可以组合以提供进一步的实施例。根据详细描述，可以对本发明进行这些和其他改变。

所有以上参考文献以及美国专利和申请均通过引用并入本文。如果需要，可以修改本发明的各方面以采用上述各种专利和申请的系统、功能和概念，以提供本发明的又进一步的实施例。

可以根据以上详细描述对本发明进行这些和其他改变。一般而言，不应将以下权利要求中使用的术语理解为将本发明限制为说明书中公开的特定实施例，除非以上详细描述明确定义了这些术语。因此，本发明的实际范围涵盖所公开的实施例以及在权利要求书下实践或实现本发明的所有等效方式。

虽然以下以某些权利要求的形式呈现了本发明的某些方面，但是发明人以任何数量的权利要求的形式构思了本发明的各个方面。

Claims (18)

1.用于向光学系统呈现视觉图像的系统，所述系统包括：

a)外壳(200)；

b)所述外壳含有一对透镜筒(250)

c)每个透镜筒与第二透镜(360)视觉连通；

d)与第二透镜视觉连通的第一透镜(320)，所述第一透镜包括前表面，并且所述第一透镜包括背表面；

e)前盖(260)，其配置为容纳电子设备的屏幕(405)，使得电子设备的屏幕是第一透镜的前表面的光学平面；

f)第一透镜筒的透镜配置为与第二透镜筒的透镜所呈现的图像相比，在呈现给光学系统的图像中产生水平角度视差。

2.用于向光学系统呈现视觉图像的系统，所述系统包括：

a)外壳(200)；

b)所述外壳含有一对透镜筒(250)；

c)每个透镜筒与第二透镜视觉连通，所述第二透镜包括可变透镜系统以允许屈光矫正；所述第二透镜邻近光学系统布置；

d)与第二透镜视觉连通的第一透镜，所述第一透镜包括前表面，并且所述第一透镜包括背表面；和

e)前盖(260)，其配置为容纳电子设备的屏幕(405)，使得电子设备的屏幕是第一透镜的前表面的光学平面。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二透镜包括液体透镜。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二透镜是符合Stokes方程的变焦透镜，以用于控制柱镜和柱面调整。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二透镜是弹性可变形透镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，在第一透镜与电子设备的屏幕之间布置视场调节透镜。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，在第二透镜与光学系统之间布置视场调节透镜。

8.根据权利要求6所述的系统，其用于测试光学系统的视场。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述屏幕包括内置在所述前盖中的液晶显示器。

10.根据权利要求1所述的系统，其具有与所述第一透镜相邻布置的对象平面，所述对象平面选自包括液晶显示器、有机发光二极管阵列和/或发光二极管阵列的组。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，将测试图呈现给所述光学系统，所述测试图旋转并以递减的尺寸呈现。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述第一透镜的前表面的光学平面内布置色觉测试图。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，在第一透镜的前表面的光学平面内布置对比敏感度图。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，在Amsler网格上布置注视点以测量光学系统的视场。

15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透镜系统适合于视场测试，所述测试选自包括对抗性视场测试、静态自动视野检查和动态视野检查的组。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，在第一透镜筒和第二透镜筒的光学平面内布置不同图像，以测试光学系统的深度感知。

17.根据权利要求1所述的系统，向第一透镜筒和第二透镜筒的光学平面呈现多个符号，每个符号以不同的频率闪烁。

18.向光学系统呈现视觉图像的方法，所述方法包括以下步骤：

a)使用外壳(200)；所述外壳含有一对透镜筒(250)

b)将每个透镜筒布置成与第二透镜(360)视觉连通；

c)将第一透镜(320)设置成与第二透镜视觉连通，所述第一透镜包括前表面，并且所述第一透镜包括背表面；

d)布置前盖(260)，所述前盖(260)构造成容纳电子设备的屏幕(405)，使得电子设备的屏幕是第一透镜的前表面的光学平面；

e)布置第一透镜筒的透镜，使得与第二透镜筒的透镜呈现的图像相比，在呈现给光学系统的图像中产生水平角度视差。

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