CN111649913A - 用于测量光学系统的特性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开的实施例可以包括用于提供低成本设备的设备、系统和方法，该设备可以通过附接到智能手机非常精确地测量屈光不正。所公开的设备可以通过利用逆Shack‑Hartman技术在模拟视光师使用的十字柱镜过程中使用环境光或光源。光学装置可包括小透镜和小孔的阵列，其将迫使用户有效地聚焦在不同深度。使用光学设备并结合智能手机，用户首先改变轴的角度，直到他/她看到十字图案(垂直线和水平线等距隔开)为止。用户通常使用智能手机上的控件来调整显示，以使线汇合并重叠，这相当于使视图成为清晰的焦点，从而为用户确定适当的光学处方。

Description

用于测量光学系统的特性的方法和装置

相关专利申请和通过引用的并入

这是基于2019年2月14日提交的美国专利申请16/276,302的部分延续案(CIP)发明专利申请，并要求美国专利申请16/276,302的优先权，该申请是要求2016年10月17日提交的临时专利申请62/409,276的优先权的2017年4月19日提交的美国专利申请15/491,557的CIP。本申请还要求2019年3月4日提交的临时专利申请62/813,488的权益和优先权。相关申请通过引用并入本文，并成为本申请的一部分。

如果本发明专利申请中的发明公开与相关申请中的公开之间发生任何冲突，则以本发明专利中的公开为准。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

本申请包括受版权保护和/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传真公开的传真复制，但在其他方面保留所有版权和商标权。

技术领域

本发明总体上涉及验光仪和人眼屈光不正的评估。更具体地，本发明涉及用于自折射的手持消费设备的用途。

背景技术

所公开的实施例可以通过模拟验光师在临床环境中使用的十字柱镜过程来测量光学系统的折射特性。本文所定义的光学系统可包括但不限于人眼和机械系统，其中折射测量可确定屈光不正。公开的实施例可以包括对在Pamplona等人的公开专利申请US2013/0027668A1中描述的方法的扩展和改进，该专利申请公开了可以使用智能手机作为光源来测量屈光不正的低成本设备的创建。然而，现有技术中描述的方法和设备限于由单个多透镜阵列或针孔阵列组成的光学系统，其既不像本文描述的实施例那样精确且易于使用，也不经济。因此，在本领域中需要使用可以测量光学系统的折射特性的普遍存在的智能手机的新系统和方法。

发明内容

公开的系统和方法包括利用逆Shack-Hartmann技术模拟或复制验光师的十字柱镜检查的方法。公开的系统和方法包括各种改进，例如逆Shack-Hartmann技术的准确性和可用性。所公开的设备的光输入可以源自智能手机、个人电子设备或其他光学系统，其中用户将透过设备的另一末端看到两条分开特定距离d(见图1)的平行线(例如，一条绿色和一条红色)。这些线可以从智能手机的屏幕生成。当今智能手机提供的高分辨率(例如，iPhone6具有326dpi的屏幕分辨率，对应于约78微米的像素间隔)，如果引用诸如焦平面或人视网膜的实体，则可以对光学位移或误差进行高分辨率测量。在光通过光学系统后，在成像平面上形成两条线(请参见图1和图2)，以及在一个特定的实施例中，由于所描述的系统中的预期慧差，如图3所示，两条线带有“尾巴”。光学系统中的彗差或彗形像差，是某些光学设计固有的像差，或者是由于透镜或其他部件的瑕疵(导致诸如形成线的像素之类的离轴点源)出现扭曲，导致具有像彗星一样的尾巴(慧差)。具体地，慧差可以定义为在入射光瞳上的放大率的变化。在折射或衍射光学系统中，尤其是在宽光谱范围内成像的光学系统中，彗差可以是波长的函数，在这种情况下，它是色差的一种形式。

如图4所示，如果成像系统或眼睛被测试出有屈光不正，则这些线将无法聚焦并分开。成像平面可以是眼睛视网膜或CCD照相机的传感器。通过改变智能手机上的两条线之间的距离d(见图1)，直到用户感知到零的距离或接近零的距离(参见图3、4的“对齐的线”)，可以评估屈光不正。

小透镜与智能手机屏幕的距离为D，该距离等于每个小透镜的焦距。因此，在入射光通过小透镜之后，其变得准直并且聚焦在被测试透镜的透镜的焦平面上。如果存在屈光不正，则如图4A所示，红线和绿线在成像平面上分开。如果通过改变距离d在屏幕上移动这些线，则两条线在成像平面上的位置也会改变。当两条线在成像平面上重叠时，可以通过距离d的变化量来评估屈光不正。

附图说明

专利或申请文件包含至少一张有色附图。专利局将根据要求和必要的费用提供带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。

图1描绘了所公开的系统的整体配置的示意图，其中光源是智能手机屏幕，还描绘了将线移动尺寸为c的一个像素的效果。

图2描绘了用户使用无慧差的线操作公开的设备时可能看到的内容。

图3描绘了由于光学系统中蓄意的慧差使用不均匀加宽的粗线，用户在操作所公开的设备时可能看到的内容。蓄意的慧差可以帮助用户看到图案并有助于用户把线对齐。

图4A描绘了在初始位置的逆Shack Hartmann技术的实施方式。

图4B描绘了逆Shack Hartmann技术的实施方式，其中像素已经移动了一个像素。

图5A描绘了具有图案的显示器，该显示器用作光学系统的输入，使用围绕线的中心的线的旋转来测不同的子午线。

图5B描绘了具有图案的显示器，该显示器用作光学系统的输入，使用围绕屏幕中心的线的旋转来测不同的子午线。

图6描绘了使用图8所示的复杂透镜以逆Shack-Hartmann技术在成像平面处的模拟的串扰。

图7描绘了缩小阶段。

图8示出了透镜阵列，其中可以添加可选的透镜，并且其中透镜阵列可以使得能够使用其他信息、指示和图案。

图9描绘了逆Shack-Hartmann方法用于验证处方和结果说明的用法。

图10描绘了出射光瞳缩小系统，以使出射光瞳小于成像系统的入射光瞳。

图11基于图4、7、8和10的内容描绘了总体公开的实施例。

图12A描绘了逆Shack-Hartmann技术的使用的图形表示，其中公开的实施例可以模拟用于精确估计屈光不正和透镜特性的十字柱镜过程。

图12B在图12A所示的五个点处描绘了用户感知的图形表示以及手机屏幕上的状态。

图13描绘了在附图中使用的凹透镜和凸透镜的绘制惯例。

图14描绘了第二公开的实施例。

图15描绘了公开的实施例。

图16描绘了公开的实施例的测量概念。

图17描绘了用于图像修改的基于线性平移机制的公开的实施例。

图18描绘了校正光焦度[D]相对于标称[mm]的平移偏移量的曲线图。

图19示出了替代实施例，其中第一透镜被可变焦距透镜代替。

图20A、20B和20C描绘了公开的实施例，其中平移元件沿光轴移动显示器。

附图中的附图标记

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。

L1 缩小透镜

L2 有色透镜或第二透镜

L3 有色透镜或另一个第二透镜

100 智能手机

110 智能手机屏幕

112 显示器

200 光学系统

210 焦平面

220 成像平面

230 凸透镜

240 凹透镜

300 眼睛/成像系统

400 光轴

500 小透镜

600 复杂透镜

具体实施方式

以下详细说明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许多不同方式来实现。在该说明中，参考附图，其中，相同的部分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。

除非上下文清楚地另外要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应理解为包括性含义，而不是排他性或穷举性含义。也就是说，在某种意义上为“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“在此”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应整体上指本申请，而不是本申请的任何特定部分。

公开的实施例可以使用逆Shack-Hartmann方法以及模拟十字柱镜过程的过程，许多验光师使用该过程来高精度地确定屈光不正。

验光师用来准确测量患者屈光不正的方法包括：最初，验光师会对患者的屈光不正进行粗略估计，并且使用十字柱镜或等效地使用杰克逊十字柱镜(Jackson’s crosscylinder)可以准确地确定轴和散光的幅度。使用这种方法，验光师首先使用其他屈光方法(例如自动屈光测量或检影眼光)估算处方。然后，验光师使用该处方作为基线，并添加具有零等效球镜和2C柱镜度数的纯柱面透镜。因此，透镜在一个轴上的光焦度(the power ofthe lens透镜的光焦度)为+C，而在垂直于第一个轴的另一轴上的光焦度为-C。验光师首先将处方估计的轴与具有0光焦度的子午线对齐。然后，验光师翻转透镜，在每个子午线上改变透镜的极性，或等效地将柱镜的轴改变90度。如果初始的轴正确，则患者将不会注意到任何差异，模糊程度将是相同的。如果患者注意到差异，则患者会选择看到最佳图像的位置(轴)。然后，验光师将校正透镜朝向提供最佳质量图像的轴旋转5度。重复该过程，直到患者注意不到任何差异为止。这就是高精度确定轴的方式。然后，验光师会微调散光的光焦度。验光师使用新的轴来设置透镜组，使用的十字柱镜与以前相同，但是现在，散光轴与十字柱镜的主子午线平行。验光师然后翻转十字柱镜，并根据患者的方向(该位置的模糊程度最小)改变校正柱镜的光焦度，直到患者注意不到任何差异为止，并且对十字柱镜的两个位置都感觉到相同的模糊程度。

在公开的实施例中，使用简单的逆Shack-Hartmann实现来测量屈光不正，用户通过如图1所示的光学系统观察诸如智能手机的屏幕之类的屏幕上的两条线。然后，用户通过折射设备观察，改变屏幕上两条线之间的距离，直到看到两条线重叠为止。然后，用户移动或调整设备以继续前进到下一个子午线，其中再向用户显示两条线。此过程模拟在眼睛和/或照相机前面添加矫正透镜，直到形成清晰的图像。

根据常规的逆Shack-Hartmann方法，光学系统可以是微透镜阵列和/或针孔阵列。光学系统到手机屏幕的距离定义为D。

图2使用两条线(一条红色和一条绿色)的屏幕图案描绘了用户在操作所公开的设备时可能看到的内容。通过公开的设备看到的将线放在一起的操作或功能将称为或定义为“对齐”，并且在该过程结束时，当线出现在一起和/或重叠时，将称为或定义为“对齐”。用户可以移动线的最小距离受手机分辨率(即像素距离c)和屏幕与光学系统D之间的距离的限制。当用户改变手机上的距离时，它会改变入射光进入成像系统的角度(见图4)。可以根据以下公式计算出到成像系统的入射角的最小变化θmin：

通过知道手机屏幕上两条线的距离d和距离D，可以计算出入射角。从入射角θ可以以屈光度(m^-1)(diopter)计算屈光不正的度P。因此，可以使用以下等式计算所需的校正屈光度P：

其中，d’是成像系统的透镜上两束光的距离或出射光瞳的大小，如图4B所示。

因此，可以在如图4B所示的系统中检测到的屈光不正的分辨率为：

该公式假定这些线在成像平面的中心正好重叠。例如，如果像素距离c为0.78μm，则成像系统的入射光瞳大小d’为1.5mm，焦距为10cm，则可以检测到的最小屈光不正约为1屈光度。

通过使用一对平行线，所描述的测量一次发生一个子午线。为了通过照相机或人眼测量不同的子午线，平行线的角度必须相对于人眼的方向改变。在不同的子午线上，需要对齐的手机屏幕上的线之间的空间可能会有所不同，因为每个子午线上的光焦度都会由于散光而改变。可以通过围绕每条线的中心或围绕图案的中心旋转线来改变线的角度，从而改变被测的子午线的角度(请参见图5A和图5B)。请参见图5B，为了在所有子午线上都具有代表点，至少需要围绕图案中心旋转一圈，否则无法测量与初始的子午线加90度相对应的子午线。当线绕图案的中心旋转时，光学元件也应跟随线的旋转。这可以通过旋转光学元件以匹配图案的旋转或通过旋转整个显示器(手机)来完成。另一种方法是使用更多的光学元件(微透镜、针孔等)。在这种情况下，图案会在手机上旋转，并使用不同的小透镜或针孔来准直光线。在这种情况下，存在串扰可能会使用户感到困惑。

利用本文描述的技术，使用逆Shack-Hartmann技术的公开实施例模拟了验光师所使用的十字柱镜过程。通过本文公开的逆Shack-Hartmann方法的一些公开的改进，部分地使得公开的实施例成为可能。如上文讨论的Shack-Hartmann技术中那样，所公开的光学设备可以包括与光源一起使用的小透镜和/或针孔的阵列。使用此公开的光学设备，结合智能手机，可以模拟上述的十字柱镜过程。

在一个公开的实施例中，如图9所示，智能手机的屏幕同时显示四条线、两对平行线。两对平行线彼此垂直，并且每对线的间距始终相同。当用户通过光学设备查看智能手机的屏幕时，他会看到两对平行线，总共四条线。用户感知的一对线中的线的距离取决于他的眼睛在垂直于线的子午线上的屈光度以及手机上的线的距离。如果用户有像散误差，则除非测量的子午线与像散误差的轴相差45度，否则每对线的距离都将不同(图12中的绿色圆圈表示被测量的两个子午线)。当每对线的间距不同时，用户旋转屏幕上的图案，因此被测量的子午线的角度不断改变，直到用户看到两个交叉十字，图9(每对线均为等距)。用户通常使用智能手机上的控件来调整每对线之间的线距，以使线汇合并重叠，这实际上相当于使视图成为清晰的焦点。

该过程与用户在每个步骤中观察到的情况一起在图12A中以图形方式显示。蓝线表示每个子午线(x轴)处的屈光不正(y轴)的度。在该特定示例中，使用了轴为25的0球镜-2柱镜的屈光不正。当用户旋转手机屏幕上的图案时，它会有效地水平移动图12A中的红色圆圈，该红色圆圈与正在测试的子午线相对应。如图12B中所见，在屏幕上，线围绕它们的中心旋转，但是用户看到线的距离改变。红色方块始终相隔90度。当两个被测试的子午线具有相同的光焦度(它们与图12A中的绿色圆圈处于相同的角度)时，可以定义轴。当他或她看到每对线的等距间距时，用户知道被测量的两个子午线具有相同的光焦度(图12B)。值得一提的是，在此过程中，每对线之间的距离相等。在这一点上测量的子午线与轴成±45度，并因此确定了轴。

然后，用户改变等效球镜的光焦度，直到每对线重叠，并且用户看到每对线重叠，并且如果每对上有一条红线和一条绿线，则用户会看到黄色的十字。等效球镜的变化会同时改变每一对的分离距离。当线重叠时，可以通过知道屏幕上的线距来推断等效球镜。如果用户看不到十字，则可以重复执行此步骤和上一步骤，直到用户看到黄色的十字(即红线和绿线重叠)。在该测量结束时，已经确定了散光轴和等效球镜。

下一步骤是确定像散误差的轴(即柱筒)的光焦度。与上一步骤的旋转相比，在此阶段开始时，应用程序或用户将手机上的图案旋转45度，因此，其中一对平行于散光轴，第二对垂直于散光轴。现在，用户通过改变每对线的间距来改变柱镜的光焦度，直到像以前一样形成黄色的十字，或者等效地，直到图12A中的灰色圆圈与黑色圆圈重合。根据最后一次测量，可以确定柱镜的光焦度。

总而言之，以下步骤有时会用于使用本公开内容测量用户的屈光不正：

1.用户通过查看智能手机屏幕的设备来查看手机屏幕上的四条线，图9；

2.旋转设备上的十字图案，直到每对线(红色和绿色)的两条线之间的距离相同；

3.通过改变线之间的距离来改变等效球镜光焦度，直到用户看到黄色的十字或尽可能靠近为止。

4.重复执行步骤2和步骤3，直到用户在视野中间看到黄色的十字为止；

5.将图案旋转45度，以测量具有最小和最大光焦度的子午线的光焦度；

6.更改柱镜光焦度，即图12A中正弦波的振幅，直到用户看到黄色的十字为止。

该公开的方法的优点在于，测量是同时在相距90度的两个子午线上进行的。因此，在两个子午线上都进行测量时，眼睛处于同一状态。因此，由于对柱镜和轴的估计将具有较小的误差，因此期望可以更准确地测量屈光不正或至少可以产生更好的视敏度的测量。这是正确的，因为该方法避免了由于适应性波动(例如暗焦点变化、仪器近视等)引起的像散误差，因为估计像差的幅度和轴所需的测量是同时进行的。

为了实现这种十字柱镜方法，与现有技术相比，如图4A和4B所示并且如上所述的逆Shack-Hartmann设备需要一些改进。首先，该设备应能够同时处理多个子午线。因此，至少需要两对小透镜(总共四个小透镜)。在这种情况下，原本应该通过特定小透镜的光会通过另一个小透镜，并通过创建多个图像而使用户感到困惑。图6示出这种效果，从现在开始我们将其称为串扰。减少串扰的一种方法是增加两个小透镜之间的距离，如图8，或者在两个小透镜之间包括一个挡板。这样可以提高分辨率(较大的d’)，但出射光瞳也会变大。就人眼而言，这会减少视野，使对齐非常敏感，因为在我们的条件下，人的瞳孔通常为3到6mm(在非常明亮的环境中为1.5mm，而在很少光的环境中为8mm)。此外，通过同时移动一排像素，使重叠围绕中心而不是精确位于中心，可以将设备的分辨率提高2倍。这更像现实，因为仅当设备的分辨率与用户的屈光不正准确匹配时，线才能在成像平面的中心重叠。最后，我们故意在我们的系统中引入慧差(coma/comma)，以帮助用户做出决策。在这种情况下，当两条线在成像平面上稍微触碰时，它们会对齐-用户看不到绿线和红线之间的黑线，和/或这两条线稍微触碰就形成一条黄线(红线和绿线重叠)，如图3。

因此，当使用主观测试方法时，对于理想的设备，需要具有小出射光瞳/大视野、低串扰以及用户易于确定线对齐的方式的高分辨率。

子系统的定义

要解决上述问题，可以使用以下子系统：

包括单个凹透镜的缩倍(demagnification)子系统。这个阶段大大提高了分辨率，如图7；

四个透镜，厚2mm，相距6mm(中心距中心)，以减少串扰(用于一个透镜的较少的光穿过第二透镜，并且所产生的图像相对较远)和散焦问题(小孔厚2mm)。可以在透镜中使用狭缝形式的额外快门，以进一步提高具有较高屈光不正的光学系统的可用性。这些尺寸是作为示例提供的，但是本发明不限于这些参数；

放大阶段减少出射光瞳并改善视野，进一步减少串扰并引入慧差以改善用户体验。

最后，可以在被测试的光学系统的透镜之前使用狭缝形式的快门，以增加景深。这样，由于在一个方向上的小孔，具有高度屈光不正的人所观察到的模糊得以最小化，并且同时，与针孔相比，光的衰减要少得多。

图7示出缩倍的概念，它可以提高手机屏幕的有效分辨率。为了提高分辨率，引入了由一个凹透镜组成的子系统。凹透镜创建比原始图像小的新虚像。如果焦距为f的凹透镜距图像的距离为L，则距光轴距离的变化h将转换为距离h'，因此有效像素密度会增加。提高线性像素密度的量，缩倍倍数DM＝h/h'，由以下给出：

因此，通过增加距屏幕的距离或减小透镜的焦距，可以提高缩倍倍数。这可以提高有效分辨率，并且可以具有不限于此设备的其他应用程序，例如它可用于提高VR头戴式耳机的分辨率。虚像在凹透镜后面(朝向屏幕)以距离L/DM形成。这具有将线性像素密度增加DM倍的效果，或等效地将最小像素距离减少DM倍的效果。

图8示出了透镜阵列，其中可以添加可选的透镜，以允许传输其他信息、指示和图案。在该设置中，使用四个小透镜来避免旋转/串扰/散焦(四个小透镜处于相对较远的距离)，而在阵列的中心具有第五个可选的小透镜，以允许将其他光学图像呈现给用户。其他光学图像可用于控制调节或发送用户视觉信息和/或指示。四个小透镜的尺寸可以为2x4mm，以充当小型快门并减少串扰。打算通过一个透镜的光与垂直于初始透镜定向的透镜耦合不良。如本文开头所述，成对使用小透镜(图8中的1、2和3、4)，即产生两个准直光束。因为引导通过透镜1和2的光由于其形状而不能很好地耦合到透镜3和4，减少了串扰，反之亦然。小透镜相距6mm，以减少串扰。

图9示出了透镜的用法和检查结果。为了检查测试结果的有效性，即，如果系统正确估计了用户的眼睛或被测设备的屈光特性，则可以同时使用全部四个小透镜，如在十字柱镜方法中一样。屏幕上的线距是根据结果和被测量的子午线设置的。如果结果正确，则用户将看到十字。例如，如果结果显示柱镜处于θ度，并且我们要检查该柱镜，则将一对透镜设置为在θ度进行测量，而第二对设置为在θ+90处以180度为模。

如果需要测量等效球镜，则可以进行在θ+45处以180度为模和在θ-45处以180度为模的测量。在这两个子午线上，如果屈光不正的估计是正确的，则被测试的透镜的光焦度应等于等效球镜。如果用户看到4条线，则测试结果不正确(图9中指示了错误的结果)。如果用户看到十字，则该结果是有效的(图9中指示了正确结果)。这样，可以通过同时测量两个子午线来对结果进行实验验证。

使用四个彼此相对较远的小透镜和可选的第5透镜，可以减少串扰，并避免任何机械旋转，而任何子午线都可以进行测量。同时，第五透镜可用于提供必要的刺激，以控制用户的适应并向用户投射其他有用的信息。不利之处是出射光瞳很大、视野很小。下一个子系统将解决此问题。

图10示出了出射光瞳的减小、串扰的减小和彗形感应器光学系统。引入的慧差有助于提高可用性。该子系统具有三个目的。主要目的是减少出射光瞳，从而增加视野。其次，由于串扰图像在用户视野之外，因此可以进一步减少用户感知到的串扰。最后，这种设置会引入慧差，使线更易于查看和对齐(图2所示的粗线效果)。

该设置或公开的配置包括具有焦距f₁的凸透镜和具有焦距f₂的凹透镜。两个镜头共享相同的焦平面。该系统中的输入是小透镜阵列的输出，因此它是两个准直光束。为了便于分析该子系统，应假定两个光束平行于光轴。凸透镜聚焦两个平行光束。这使两个光束更靠近，从而减小了出射光瞳。在它们到达焦点之前，凹透镜进行干预，两束光束再次变得平行，但现在更近了。出射光瞳的缩小量(d/d’)等于两个透镜的焦距之比(f₁/f₂)。这具有减小串扰的效果(凹透镜起扩束器的作用，并增加了主光束和由于串扰引起的光束之间的角度间隔)。该系统的第二个肯定副作用是慧差感应。因为使用了球面透镜的边缘并进行了转换，所以会产生对准直光束的引入的慧差。如图3所示，这导致了一条带有渐弱尾部的尖线。这使对齐过程更客观，并且更容易找到线。理想情况下，用户将两条线非常靠近放置，以便看到一条淡黄色的线且没有缝隙(见图3)。该系统的缺点是分辨率大大降低。两种现象导致分辨率降低：(1)平行光束的距离减小，这直接影响分辨率；(2)对于相同的像素移动，眼睛的入射角会有较大的变化，从而导致较低的分辨率。

图11示出了整体公开的系统，包括整体系统和光学部件的描述。先前的子系统将图7、8、10实现为一个完整的光学系统，其可以包括：

凹透镜可减少最小屈光不正；

透镜阵列，用于将来自使用凹透镜和第三子系统的凸透镜创建的虚像的光准直。与使用单独的光学元件相比，这种定制/复杂的光学元件可将透射率提高大约8.6％，并显著降低制造成本；并且

第二凹透镜为成像系统准备光。

因此，来自手机显示屏的光首先穿过第一凹透镜，以提高有效分辨率。然后通过与整个系统偏轴的凸小透镜使光准直平行，然后通过另一个凸透镜，然后是凹透镜以减少出射光瞳并减少串扰。为了进行校准的测量，设备应进行初始校准。可以使用聚焦在无限远处的相机(模拟正视眼)来完成此操作。然后，通过从相机前面的试镜套件中添加一个处方镜片来创建人为错误。然后，将线移动到它们接触为止，并且将位移量记录在感应屈光不正中。这样，可以通过知道位移来确定屈光不正。

在本发明的另一个实施例中，如图14所示，可以用一对有色透镜和安装在旋转安装件上的用于每个透镜的狭缝代替复杂透镜和缩倍阶段。有色镜片充当滤镜以消除串扰。一个镜头可以染成红色，第二个镜头染成绿色。因此，从绿线发出的光不能穿过红色透镜，反之亦然。每个镜头之后都有一个狭缝，可充当快门并增加景深。同样，狭缝的使用并不会大大降低透射强度。在该实施例中，不需要放大级，因为出射光瞳仅由两个狭缝之间的距离确定，并且通过使用有色透镜消除了串扰。为了测量在不同角度的子午线，镜片和狭缝一起使用旋转安装件旋转，并跟随屏幕上的旋转。旋转既可以由用户手动进行，也可以使用电动机进行。当用户进入下一个子午线时，应用程序可以自动旋转旋转的安装件。

机械公差分析。

如果整个系统以一阶近似平行于屏幕平移，则屈光误差评估中的误差将最小。唯一的效果是，用户将不会在其视场中心周围看到对称的线，并且强度会降低。接下来，将分别分析每个子系统，重点放在侧向位移上。通过将侧向公差转换为角度(在本节末尾所示)，可以轻松计算出倾斜度。

a.缩倍

缩倍由以下得出：

虚拟图像的位置和大小分别是

因此ΔL的变化将导致虚拟图像的位置

中的缩倍

以及虚拟图像的大小

发生变化。

虚拟图像大小的变化将直接引起校准的偏移，缩倍的变化将直接影响系统的分辨率，位置的变化会影响以下子系统的性能。在DM上，分辨率受c(像素间隔)的限制，因此：

因此，如果缩倍倍率为3，则设备的灵敏度降低9倍。因此，就公差而言，高缩倍是有益的。拥有长焦距甚至更好。因此，优选使用更长的长度来实现大的放大倍率。

b。平行光束创建

如果光源不完全位于小透镜的焦点上，则小透镜之后的光束将发散或会聚。因此，它将产生偏差，改变我们的测量结果。因此，将通过

改变我们对光焦度的测量

根据该公式，可以将由于缩倍引起的光焦度变化计算为：

这种变化加上由于缩倍的变化而产生的偏差，并降低了总效果。

C。放大阶段

此阶段不依赖于上一个阶段。它仅减小了两个光束之间的距离。如果两个透镜之间的距离不正确，则会在折射测量中产生偏差。再次以一阶近似为

主导因素是缩倍阶段的横向变化，主要是两线(2h’)之间的距离变化。高度的这种变化会引起测量光焦度的偏差。对于低分辨率，由于缩倍的变化而导致的分辨率变化非常重要，尤其是对于屈光不正的人。例如，对于缩倍倍率等于3，线之间的距离等于18mm，凹透镜距屏幕的距离等于30mm的设计。

倾斜可以转换为横向位移(至少在一阶近似中)。如果透镜围绕中心倾斜，则仅聚焦于缩倍阶段(这是公差最严格的阶段)，透镜的一侧靠近屏幕，另一侧更远。因此，净效应为零。如果将镜头倾斜在角上，则只有一侧移动，并且长度变化为ΔL≈2hΔθ。角度将转换为光焦度偏差，如下所示：

ΔP＝-14.4Δθ(弧度)＝-0.25Δθ(角度)

进一步的实施方案包括

一些当前的装置和方法包括基于透镜的屈光仪，该屈光仪连接到智能手机并与智能手机应用程序一起使用，从而允许精确测量光学系统的屈光不正。在所测量的光学系统是人眼的情况下，这种设备的示例是EyeQue Corp的Personal Vision Tracker(PVT)(专利公开US20170215724A1，以引用的方式全文并入本文)。

PVT的工作原理是将定义的几何图案的图像投影到用户的视网膜上，允许用户控制图像属性的一个方面以实现明确的目标，然后测量图像的参数以推断出所需的用户光学系统(例如他们的眼睛)的校正。例如，图像可以在光学设备所附接的智能手机的屏幕上。此外，图像的示例可以是一组不同颜色(例如红色和绿色)的平行线。当图像通过光学设备传输时，用户调整屏幕上线之间的感知距离，以使它们到达最终位置，例如它们以明确定义的关系(例如重叠)出现。线之间的距离和感知到的重叠之间的关系对应于用户的屈光不正。图15中示出了该实施方式的示例。

如图15所示，该方法和装置的测量精度受到手机分辨率的限制。在当今的智能手机中，像素密度(分辨率以每英寸像素为单位测量，ppi)约为326。有分辨率更高的手机(最常见的是570ppi左右)和分辨率较低的手机(低到250ppi以下)。326ppi手机允许在-10D和+8D范围内0.25D程度的精度。在大多数情况下，此精度级别是足够的，但可能会有所限制(尤其是对于较低分辨率的手机)。此外，该方法需要有源显示器来控制线之间的距离。

作为该装置和方法的替代，本发明提出了测量屈光的以下实施方式。通过光学系统(例如，图15所示的系统)向用户呈现示出几何图像(例如，平行线，一个绿色和一个红色)的显示器。然后，用户通过测量的光学系统控制图像的几何表示。在本发明的实施例中，通过修改显示器与第一透镜的距离来完成控制。在本发明的另一个实施例中，通过修改设备光学系统末端的透镜的焦距来完成控制，例如通过使用可变焦距透镜、变焦透镜或液体透镜。用户通过测量的光学系统对图像进行修改，以实现特定的几何目标，例如线重叠。然后记录系统参数(无论是距离偏移还是透镜的调整焦距)，并与所测系统的所需光学校正相关联。所测系统的例子可以是用户的眼睛。可以例如通过校准、拟合曲线/函数、分析或数值计算，由人工智能(例如神经网络)来完成关联。

参照图16，给出了对公开的测量原理的解释。在距设备的第一透镜的显示器的标称位置处，显示器上呈现的线看起来重叠在所测光学系统(例如，眼睛的视网膜)的焦平面上。当显示器平移远离所测的光学系统时，随着焦点(这些线相交的点)远离设备，这些线似乎在一个方向上彼此越来越远。当显示器朝着第一透镜平移时，线分开到另一个方向，焦点移向设备。

参照图17，给出了基于线性平移机构的用于图像修改的本发明的实施例。

光学折射器可以包括一缩倍透镜L1和两个有色透镜L2(绿色)和L3(红色)。与L2和L3相邻的是分别允许红色和绿色光通过的狭缝。可以通过两线的主光线以从第一透镜距屏幕的增量距离来确定设备的分辨率。

参考18，示出了所公开的实施例中的光焦度-距离关系。应当注意，依存关系不是预期的线性关系。曲线的斜率决定分辨率。在当前情况下，预期的平均分辨率约为2.5D/mm(100μm对应于0.25D)。当两线的角度判定(angular sentence)Ψ减小时，可以通过改变线之间的标称距离或通过增加第一透镜的焦距来提高设备的分辨率。设备的分辨率与1/tan(Ψ)成正比。

图19表示本发明的另一实施例，其中第一透镜由可变焦距透镜代替。在该实施例中，改变第一透镜的焦距以实现显示器上的线之间在所测光学系统(例如，人眼的视网膜)的焦平面中的重叠。图19还显示了标称透镜光焦度以及其他两个可能的光焦度的光线跟踪，第一个透镜的较高光焦度(较短的绝对焦距，在示例中为正光焦度)将与远离设备相交的两条线的焦点相对应，而较低的光焦度(更长的绝对焦距，在本例中为更负的光焦度)对应于更靠近设备相交的线。

由于修改机制与线之间的实际距离无关，因此显示器可以有多种选项，例如包括：屏幕(包括智能手机屏幕)、LED灯带(包括线由漫射器和彩色滤光片组成的那种)、带背光的半透明板、照亮透射所需图案的遮罩的灯箱。

为了测量所测光学系统(例如眼睛)的像散方面，可以旋转设备通过不同的子午线，并且所需矫正光焦度的结果数据可以用于计算所测光学系统在焦点(球体)和像散(柱和轴)的屈光不正。

可选地，如图20A，20B和20C所示，显示器、有色透镜和狭缝可以相应地旋转，而不是整个设备。

在本发明的实施例中，平移元件沿着光轴移动显示器，并且单个旋转元件允许目镜上的狭缝和有色透镜以及显示器通过不同的子午线串联旋转(图20A)。在本发明的另一个提出的实施例中，通过实施两个旋转元件来实现旋转，一个旋转元件在显示器上，另一个旋转元件用于狭缝和有色透镜(图20B)。在该实施例中，需要特别注意旋转元件之间的同步。在本发明的又一实施方式中，显示器的旋转通过数字装置来完成，其中显示器是电子屏幕。在这种情况下，狭缝和有色透镜的旋转由旋转元件完成(图20C)。

线性平移元件和旋转元件都可以具有各种表现形式，包括例如完全手动控制、完全自动或电子控制及其任意组合。所提出的实施例可以以单眼或双眼形式实施。在本发明的实施例中，该设备将连接到智能手机或其他启用了蓝牙的计算设备以传输数据以在该计算设备上执行计算和分析，或者使该数据能够传输到云以在那里执行计算和分析。该连接也可以用于控制设备的不同方面，例如，相应元件的旋转和平移。

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以上公开的精确形式。尽管以上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其他实施例。根据详细描述，可以对本发明进行这些和其他改变。

以上所有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，以提供本发明的又一实施例。

根据以上详细描述，可以对本发明进行这些和其他改变。一般而言，除非以上详细描述明确定义了术语，否则不应将以下权利要求中使用的这些术语理解为将本发明限制为说明书中公开的特定实施例。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。

虽然下面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想了本发明的各个方面。

公开的实施例可以包括以下项目：

1.使用第一透镜(200)，第二透镜和显示器(112)测量光学系统(300)中屈光不正的的方法，该方法包括以下步骤：

将第二透镜布置在光学系统附近；

将第一透镜布置在第二透镜的视线内；

将显示器布置在第一透镜的视线内；

改变从第一透镜到显示器的距离，直到如光学系统观察到的显示器上的标记对准为止；

利用改变的显示器的距离得出光学系统的球面误差。

2.项目1的方法，其中第一透镜包括缩倍透镜。

3.项目2的方法，其中第二透镜包括第一有色透镜和第二有色透镜。

4.项目3的方法，其中第二透镜限定两条狭缝。

5.项目4的方法，其中从第二透镜传输到光学系统的标记包括第一颜色和第二颜色。

6.项目1的方法，其中显示器上的标记包括第一符号和第二符号。

7.项目6的方法，其中第一和第二符号分别是垂直和水平有色线。

8.项目7的方法，其中有色线是红色和绿色。

9.项目1的方法，其中，显示器包括选自以下组中的一种：(屏幕(包括智能手机屏幕))、LED灯带(包括线由漫射器和彩色滤光片组成的那种)、带背光的半透明板、照亮透射该标记的遮罩的灯箱。

10.项目1的方法，还包括以下步骤：响应于在屏幕上变化的投影并使用测得的第二透镜的距离，沿着光轴使第二透镜旋转通过不同的子午线，并测量第二透镜在每个子午线上的移动距离，以得出光学系统进一步的屈光不正。

11.项目1的方法，还包括以下步骤：与第二透镜沿光轴通过不同的子午线的旋转同步地旋转显示器，并测量第二透镜在每个子午线上的移动距离，并使用测得的第二透镜的距离以得出光学系统进一步的屈光不正。

12.使用第一透镜，第二透镜和显示器(112)测量光学系统(300)中屈光不正的的方法，该方法包括以下步骤：

将第二透镜布置在光学系统附近；

将第一透镜布置在第二透镜的视线内；其中第一透镜是变焦透镜；

将显示器布置在第一透镜的视线内；

改变从第一透镜的焦距，直到如光学系统观察到的显示器上的标记对准为止；

利用第一透镜的改变的焦距得出光学系统的球面误差。

13.测量光学系统(300)中屈光不正的的系统，包括第一透镜，第二透镜和显示器，该系统包括：

布置在光学系统附近位置的第二透镜；

布置在第二透镜的视线内的第一透镜；

布置在第一透镜的视线内的显示器；

该显示器具有从第一透镜起的可调节连接件，该可调节连接件具有调节长度的装置，直到如光学系统观察到的显示器上的标记对准为止；

显示器的变化的距离用作变量，以得出光学系统的球面误差。

14.测量光学系统(300)中屈光不正的的系统，包括第一透镜，第二透镜和显示器(112)，该系统包括：

布置在光学系统附近的第二透镜；

布置在第二透镜的视线内的第一透镜；其中第一透镜是变焦透镜；

布置在第一透镜的视线内的显示器；

测量第一透镜的焦距变化的装置，用于对准如光学系统观察到的显示器上的标记；

第一透镜的焦距的变化距离用作变量，以得出光学系统的球面误差。

Claims (14)

1.使用第一透镜，第二透镜和显示器测量光学系统中屈光不正的方法，所述方法包括以下步骤：

a.将第二透镜布置在光学系统附近；

b.将第一透镜布置在第二透镜的视线内；

c.将显示器布置在第一透镜的视线内；

d.改变从第一透镜到显示器的距离，直到如光学系统观察到的显示器上的标记对准为止；

e.利用改变的显示器的距离得出光学系统的球面误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一透镜包括缩倍透镜。

3.根据权利要求2所述的方法，其中第二透镜包括第一有色透镜和第二有色透镜。

4.根据权利要求3所述的方法，其中第二透镜限定两条狭缝。

5.根据权利要求4所述的方法，其中从第二透镜传输到光学系统的标记包括第一颜色和第二颜色。

6.根据权利要求1所述的方法，其中显示器上的标记包括第一符号和第二符号。

7.根据权利要求6所述的方法，其中第一和第二符号分别是垂直和水平有色线。

8.根据权利要求7所述的方法，其中有色线是红色的和绿色的。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，显示器包括选自以下组中的一种：(屏幕(包括智能手机屏幕))、LED灯带(包括线由漫射器和彩色滤光片组成的那种)、带背光的半透明板、照亮透射所述标记的遮罩的灯箱。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：响应于在屏幕上变化的投影并使用测得的第二透镜的距离，沿着光轴使第二透镜旋转通过不同的子午线，并测量第二透镜在每个子午线上的移动距离，以得出光学系统进一步的屈光不正。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：与第二透镜沿光轴通过不同的子午线的旋转同步地旋转显示器，测量第二透镜在每个子午线上的移动距离，并使用测得的第二透镜的距离以得出光学系统进一步的屈光不正。

12.使用第一透镜，第二透镜和显示器测量光学系统中屈光不正的的方法，所述方法包括以下步骤：

a.将第二透镜布置在光学系统附近；

b.将第一透镜布置在第二透镜的视线内；其中第一透镜是变焦透镜；

c.将显示器布置在第一透镜的视线内；

d.改变从第一透镜的焦距，直到如光学系统观察到的显示器上的标记对准为止；

e.利用第一透镜的改变的焦距得出光学系统的球面误差。

13.测量光学系统中屈光不正的的系统，包括第一透镜，第二透镜和显示器，该系统包括：

a.布置在光学系统附近位置的第二透镜；

b.布置在第二透镜的视线内的第一透镜；

c.布置在第一透镜的视线内的显示器；

d.该显示器具有从第一透镜起的可调节连接件，该可调节连接件具有调节长度的装置，直到如光学系统观察到的显示器上的标记对准为止；

e.显示器的变化的距离用作变量，以得出光学系统的球面误差。

14.测量光学系统中屈光不正的的系统，包括第一透镜，第二透镜和显示器，该系统包括：

a.布置在光学系统附近的第二透镜；

b.布置在第二透镜的视线内的第一透镜；其中第一透镜是变焦透镜；

c.布置在第一透镜的视线内的显示器；

d.测量第一透镜的焦距变化的装置，用于对准如光学系统观察到的显示器上的标记；

e.第一透镜的焦距的变化距离用作变量，以得出光学系统的球面误差。

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