CN112274104A - 用于屈光和视觉测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

例如屈光测量设备的消费产品可用于获得屈光测量结果，允许消费者无需拜访验光师或眼科医生即可跟踪其视力。这种消费产品可以与智能电话或具有触摸屏的其他产品协同工作，该触摸屏向屈光测量设备呈现图像。智能电话可能具有分辨率比率，有时以用户和/或屈光测量设备未知的PPI或每英寸像素数来测量。本发明的一方面在于提供一种光学接口，供用户手动地匹配智能电话的观察端口边界以与屈光测量设备的观察端口边界一致。本发明的另一方面是在呈现给用户的图像中预畸变的使用。通过注意用户施加在屈光测量设备上的校正动作，可以得出用户自己的屈光误差。

Description

用于屈光和视觉测量的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请是以下专利申请的延续或部分延续，其内容通过引用合并于此。

于2019年11月15日提交的美国专利申请16/685,017，发明名称为AutomatedPersonal Vision Tracker，其是于2019年2月14日提交美国专利申请16/276,302，发明名称为Optical Method to Assess the Refractive Properties of an Optical System的部分延续案，美国专利申请16/276,302现在是美国专利10,488,507，它是于2017年4月19日提交的美国专利申请15491557的部分延续案，而不是要求2016年10月17日提交的临时专利申请62409276的优先权的专利10,206,566。

本申请是2018年10月31日提交的美国专利申请16/176,631，发明名称为SmartPhone Based Virtual Visual Charts for Measuring Visual Acuity的部分延续案，该申请要求临时专利申请62/579,558的优先权日为2017年10月31日的优先权。

本申请要求于2019年7月22日提交的临时专利申请62/876,889的优先权。

不适用版权和商标声明

本申请包括受或可能受版权保护和/或商标保护的材料。当专利发明出现在专利商标局文件或记载中，版权和商标所有者不反对任何专利发明的传真复制，但如果不是，则无论如何保留所有版权和商标权。这些商标可能包括“EyeQue”、“PVT”、“Personal VisionTracker”、“Insight”、“VisionCheck”和其它。

技术领域

本发明通常涉及视觉测试和屈光测量系统，该系统附接到显示器，例如个人视力追踪系统、视野校核系统和洞察力系统。更具体地，本发明涉及在上述系统中显示器的测量特征并校正光学像差的装置和方法。任何旨在测量视力和眼部特征(例如，屈光)的系统(其中该系统包括显示器)，由屈光元件和/或反射元件(例如，透镜和/或镜子)组成的光学系统都可能遇到两个主要问题：显示器的特征可能未知(例如，显示器可能是智能电话的一部分，并且电话分辨率没有得到很好的报告)，且光学系统为显示的图像创建像差。所提出的发明描述了用于克服这些问题的方法和装置。

背景技术

视觉可以说是最重要的感官。人眼和其与人脑的直接连接是一个非常先进的光学系统。来自环境的光穿过由角膜、瞳孔和晶状体组成的眼睛光学系统并聚焦以在视网膜上产生图像。与所有光学系统一样，通过眼睛光学器件的光线传播会受像差的影响。眼睛中最常见的像差的形式是散焦和散光。这些低阶像差是最常见的眼睛屈光状况，近视(眼科近视)和远视(眼科远视)的原因。高阶像差同样存在，并且可以通过Zernike多项式最方便地描述。这些通常对视觉功能的影响较小。眼睛，与人体的任何其他器官一样，可能患有各种疾病和病症，目前最突出的是：白内障、老年黄斑变性(AMD)、青光眼、糖尿病视网膜病变和干眼症。其他情况也存在，并且在本申请的范围内也应考虑它们。

眼科测量对于眼睛健康和适当的视力至关重要。可将那些眼科测量划分为客观和主观类型。客观类型的测量可提供生理、物理(例如机械或光学)、生物学或功能的度量标准，而不需要来自被测个体(患者、实验对象、使用者或消费者)的输入。客观测试的示例包括但不限于OCT(用于对眼睛的三维和横截面成像的光学相干断层扫描)、扫描激光检眼镜(SLO，用于视网膜光谱成像)、眼底图像(用于展示视网膜图像)、自动屈光仪(用于屈光测量)、角膜曲率计(用于提供角膜轮廓)、眼压计(用于测量IOP—眼内压)。主观测量给出了与个体输入有关的度量标准。即它们提供还考虑个体的大脑功能、知觉和认知能力的参数。主观测试的示例包括但不限于视敏度测试、反差敏感度测试、综合屈光检查仪屈光测试、色觉测试、视野测试以及个人视力追踪系统(EyeQuePVT)和洞察力(Insight)。

目前，客观和主观的眼睛检查(测量)都由眼科医生或验光师完成。该过程通常包括患者需要安排预约、等待预约、前往预约地点(例如办公室或诊所)、排队等候、使用各种工具进行多种测试以及可能在不同技术人员和不同眼科医生之间移动。预约以及在预约地点排队的等待时间延长，以及与不同专业人员进行测试的麻烦和这些测试的持续时间似乎令许多患者怯步。此外，与该过程相关的分开的结果，甚至是记住开始该过程的要求都可能使患者打消进行该过程的念头。

此外，目前约有25亿人完全无法获得眼睛和视力保健。尤其是在世界上某些地方，眼科检查的费用可能被认为是相当高昂。例如，这对第三世界国家的眼保健服务造成了阻碍。成本、时间消耗和感知上的麻烦也使得有时无法进行重复的眼科检查，尤其是在所需频率下。在特殊情况下(例如屈光手术或白内障手术后)，可能需要进行重复测量以跟踪患者状况随时间的进展以及手术的成功程度。此外，即使在正常情况下，在医生办公室进行的测量也仅代表一个时间点。进行测量的情况可能不是最佳的，或者不能完全代表患者的特征。患者可能已经疲倦、紧张或烦躁(医生的诊治可能会给自己带来很大压力，但其间进行的一次又一次地测试和提出的问题和选择同样能够提高患者的压力水平)，或者只是心情不好。甚至医生本身的心理状态也可能影响进行测量的方式。除此之外，当日时刻和其他环境条件(无论是直接的，例如光照条件，还是间接的，例如温度)可能影响测量并提供不完整或错误的信息。

互联网上信息(尤其是包括医疗信息)的可用性、人们对预防医学的增强的意识以及远程医疗的出现使得许多人控制了自己的健康。在当今世界，用于筛查、监测和跟踪医疗状况的设备非常普遍，例如血压测量设备和血糖监测仪。技术进步允许人们在诊断、预防和跟踪各种健康状况方面更加独立。此外，许多人更喜欢在家中舒适地进行这些活动，而无需预约或其他费时的活动。如果出现异常情况，他们将向他们的内科医生致电或发送电子邮件以咨询适当的行动步骤。

技术的进步有效地使带有屏幕和摄像头的计算机以笔记本电脑、平板电脑和智能电话的形式普遍存在。因此，使许多人拥有已经能够处理显示和记录信息的设备。

所有这些都带来了对一系列设备的需求，这些设备将使用户能够由自己在家中及时、划算地进行眼科测量。应该清楚的是，这些测量的质量及其准确性和精确度应达到或超过目前测量方法的标准。

通过使用能完整访问患者检查、测试和测量的整个历史的云端(cloud-based)数据和分析学，可进一步增强这个愿景。此外，人工智能(AI)的使用将使基于机器学习和大数据的诊断成为可能。这可以通过数据挖掘、神经网络决策以及模式检测和识别(作为AI功能的一些示例)的方式来完成。

总而言之，在不久的将来，眼部保健的愿景将看起来像：面向消费者和医生的眼部和视力保健的完整解决方案；面对疾病和功能的一组远程、自我管理测试；通过技术和设备实现测量，将AI用于分析、跟踪和报告。通过大数据统计和洞察力(insight)来增强。

简单来说，例如：一个人在家中舒适地坐在沙发上，使用设备进行各种测量，然后将数据上传到AI用于分析。AI将让患者知道结果并通知医生。AI将在必要的情况下为此人和医生发起警报。除非发生严重问题(例如外科手术)，否则此人无需起床。所有其他问题将被远程处理(例如与医生进行电子邮件/电话/视频会议、订购眼镜、将其递送到家中和医生处方药物的直接递送)。

尽管明显接近“指向消费者”，但对于更多企业仍可像模型一样容易地实施这些方法。这种实施方式的一个示例将具有一种分层结构，在分层结构中诸如医院、协会或医疗保险公司的实体使医生具备向他们的患者提供这种设备和功能的能力。通过用户帐户将这些设备都连接到云端，并且测量直接地流动(stremed)到用户的帐户(可能还有他们的病历)中。这些帐户可以连接到一位或多位医生，也可以转移和共享。

已知的现有技术未能预期或公开本发明的原理。

在现有技术中，视场(FoV)和图像尺寸(尤其是在个人视图追踪系统中)的最小化提供了一种克服系统中畸变像差的方法，该畸变像差导致尽管在显示器上具有直线，但是向用户呈现的图像形成弯曲的线条。视野校核系统包含一个非球面透镜以克服呈现给用户的线条扭曲。这种硬件解决方案的类型使系统更加复杂和昂贵。

显示器的像素密度(PPI)属性对于确定显示的图像尺寸至关重要。需要在不同的显示器之间进行缩放，以允许图像的正确显示。当前系统依靠来自电话固件的输入，从而以PPI的形式指示正确的分辨率。目前的某些电话无法正确地报告该值。因此对于这些电话显示器，必须在软件的后端手动地输入正确的PPI。

因此，在本领域中长期需要本发明。

发明内容

本发明通过提供方法和组件的不明显且独特的组合和配置来校准系统中的光学像差并允许一种自校正方法来测量显示分辨率，克服了现有技术中的不足。

本发明通过使用校准过程来测量显示分辨率并创建畸变像差的校正映射来克服现有技术的不足。

在本发明的某实施例中，显示器是智能电话的一部分。显示给用户的是如附接设备一样的纵横比恰当的矩形。附接设备规格众所周知。然后，用户调整并对齐屏幕上的矩形以匹配设备的附件轮廓。然后可以使用设备的已知规格和以像素为单位的输入矩形尺寸，来计算电话分辨率或更具体地计算它的PPI。然后可以将其用于显示器上图像的对齐和缩放。反过来，可以将其用于进行视力和屈光度测量。

在本发明的另一实施例中，分辨率测量基于使用外部传感器输入。可使用智能电话作为显示设备来实施该实施例的示例。然后附接的系统可以具有已知的接触点和界定的距离。当附接的系统物理连接到电话时，触摸点会指示这些触摸点的像素位置，这些像素点转而与点之间的已知距离结合使用，以计算显示分辨率和PPI。

在发明的另一实施例中，光学系统附接到显示器。该显示器向用户呈现图像。这些图像可用于视力测试或用作测量光学系统屈光的手段。例如，光学系统可以是用户的眼睛，而屈光测量可以是眼睛需要的屈光校正。光学系统向用户引入像差，特别是畸变像差。这导致图像看起来不清晰且畸形(malformed)。在本发明中提出了一种通过显示器上图像的预畸变的手段来解决图像畸变的方法。用与光学系统引入的畸变相反的畸变来对图像预畸变，使得如果直接在显示器上观察会看起来变形，而通过具有固有畸变的光学系统观察会导致图像看起来锐利而没有变形。预畸变的主要原理是基于原始系统畸变映射而校准的空间相关图像弯曲。

当结合附图考虑以下详细说明时，这些和其他目的和优点将变得显而易见。

附图说明

图1当前获取眼镜的过程；

图2用于获得眼镜的过程的建议的示例；

图3建议的企业模型示例；

图4A实施显示分辨率测量的某示例；

图4B实施显示分辨率测量的另一示例；

图4C实施显示分辨率测量的另一示例；

图5实施显示分辨率测量的示例；

图6A图像畸变校正的某示例；

图6B图像畸变校正的另一示例；

图6C图像畸变校正的另一示例。

附图标记

100 目前获得眼镜的步骤列表；

200 获得眼镜的建议步骤；

300 附接设备，例如个人视图追踪；

400 显示器设备，例如智能电话；

430 用户调整以适应所附接设备的标记；

500 可替代的附接设备，例如洞察力设备；

540 附接设备的输入区域。

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，能够以权利要求书及其等同物所限定和覆盖的多种不同方式来体现本发明。在说明书中，对附图做出标记，其中相同的部件始终用相同的数字符号标出。

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向这些术语赋予的含义。

除非上下文清楚地要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”和类似语应解释为包括性含义，而不是排他性或穷举性含义；也就是说，从某种意义上说，“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。

在本发明的实施例中，在显示器(例如，智能电话的显示器)上进行分辨率测量。要求用户连接到屈光或视力测试中使用的设备。然后，在显示器上向用户呈现与附接设备的形状和纵横比相同的形状。然后，用户调整显示形状的尺寸和位置，直到与所连接设备的底座轮廓相匹配为止。图4A-C示出了此方法的实施方式的示例。图4A示出了附接到智能电话显示器的设备，与附接设备的底座相比，智能电话显示器呈现给用户的轮廓形状太大。图4C示出了附接到智能电话显示器的设备，与附接设备的底座相比，智能电话显示器呈现给用户的轮廓形状太小。图4B示出了附接到智能电话显示器的设备，智能电话显示器呈现给用户的轮廓形状是附接设备的底座的恰当尺寸。在那时，用户可以指示匹配，然后以像素为单位测量形状的尺寸。由于设备的规格众所周知，因此可以如下公式计算显示分辨率(PPI–像素密度)：

其中d_p是显示形状的最终匹配尺寸(以像素为单位)，该尺寸取自显示器上绘制的形状，而D_D是众所周知的设备的底座的形状尺寸(以英寸为单位)。

在本发明的另一个实施例中，可通过使用传感器而不是通过用户输入来进行分辨率测量。在建议的实施方式中，可以将测量设备安装在包括至少两个触摸点的框架上，或者该设备本身已经在其自身上嵌入了至少两个触摸点。这些接触点由允许与触摸屏交互的材料制成。一个示例是将橡胶圆顶附接到略微导电的塑料框架上。然后将触摸点连接到包括触摸屏的显示器(例如，像在智能电话上一样)。然后，显示器检测到两个触摸点，并记录每个点的像素值。然后可以计算点之间的距离，根据以下公式：

其中(x_1、2，y_1、2)是屏幕上检测到的触摸点1和2的坐标。然后可以使用与上面相同的公式来计算PPI，其中D_D是设备上触摸点之间的距离(以英寸为单位)。在本发明的另一实施例中，可以实施三个或更多个触摸点，使得可以沿一个以上的方向测量分辨率。

图5示出了所提出的实施例的示例实施方式。在该图中，将附接设备保持在具有两个接触点的框架中。其间的距离是众所周知的。然后将具有框架和触摸点的设备连接到可触摸的显示器。然后，显示器检测触摸点并可以确定触摸像素。然后可以遵循上述用于计算PPI的过程。

在本发明的另一实施例中，提出了一种用于像差校正的方法。特别是畸变型像差。畸变在空间上映射，并将畸变映射用于创建预畸变的图像，当通过扭曲的光学器件观察时，该预畸变的图像向用户呈现清晰的图像。畸变映射可以通过仿真或经验地获得。可以通过射线追踪或其他计算方法(解析或数值)来实现畸变映射的仿真。例如，可通过光学设备观察、显示不同距离的线条和当通过光学系统观察时，为获得直线，以距中心的距离的函数的方式为每个线条分配曲率，来完成经验地映射。在其他实施例中，可以将栅格或点而不是线条用于映射，在这种情况下，曲率分别用于拉直栅格或创建等距点阵列。在示例实施方式中，曲率将与圆的半径匹配。在另一实施方式中，曲线将与函数的多项式展开匹配。以到中心的距离的函数的方式可以进行最佳拟合以匹配曲率。这转而可以用于通过光学设备向用户校正呈现的图像。在示例实施方式中，对于中心对称的图像，距离的测量可以是双向的(在两条同轴线之间)而不是到中心的单个距离。在简化的实施方式中，在所呈现的图像旨在为线状条形物(bar)的情况下，可以基于例如条形物的中心的曲率将对于整个条形物的曲率视为一致。对于条形物的侧面，这样做可以简化必须创建不同曲率。如果条形物厚度相对于曲率半径较小，则此近似法效果很好。

图6A-C展示了畸变校正的示例实施方式的说明。该图使用两个颜色条形物作为显示的图像。该图像可用于展示畸变校正，以及在[PVT专利]的屈光测量设备中使用。该图在第一行示出了显示器上的图像展示。第二行和第三行显示了通过沿显示器上条形物的两个不同位置的附接设备可以看到的两个条形物。最后一行示出了通过附接设备，线条似乎重叠的情况。例如，0D屈光就是这种情况。它示出了在[PVT专利]的屈光测量中所需的重叠情况的可能的歧义。图6A示出了设备中存在的畸变，其中通过系统没有任何校正预期得到显示器上的图像。该图示出了通过设备光学器件显示器上的直线相当于曲线的事实。在用户观察图像和进行屈光测试时，那么这将给用户带来错误和歧义。图6B展示了一种控制图像中畸变的现有技术形式。所使用的解决方案是减小条形物的长度以使因光学系统的扭曲而引起的线条的曲率的影响最小。这种方法的缺点很明显，因为曲率并未减小，而仅只是不那么明显。线条的较短长度导致许多用户在观察线条和进行测试(对齐条形物)时遇到问题。图6C提出了本发明解决方案的一种实施方式，其中通过光学器件将显示器上的线条预畸变以产生清晰的图像。当通过附接设备的光学器件观察直线时，将至今所描述的过程用来以条形物之间的距离的函数的方式构建条形物的曲率的映射，来产生直线(图中的第2行-第4行)。

上述对本发明的实施例的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，尽管以给定的顺序呈现步骤，但是替代实施例可以以不同顺序执行具有步骤的例程。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。可以结合本文描述的各种实施例以提供更多实施例。鉴于详细描述，可以对本发明进行这些和其他改变。

上面的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，以提供本发明的更多实施例。

Claims (9)

1.一种测量光学系统的屈光误差的方法，所述方法包括以下步骤：

a)使用用于缩小的第一透镜；

b)使用第二和第三透镜，第二和第三透镜各自限定一个狭缝；并且其中与第三透镜相比，第二透镜具有的颜色不同；

c)使用观察屏幕穿过第一和第二透镜来投影第一线条，并且使用观察屏幕穿过第一和第三透镜来投影第二线条，其中将第一和第二线条预畸变从而投射出由用户感知的相对的直线；

d)使用子午线角度旋转由观察屏幕投影的第一和第二线条；

e)使用第一子午线角度初始地放置由观察屏幕投影的第一和第二线条，并使用正测试的光学系统调整第一和第二线条以对齐，以得出对于第一子午线角度的线条移动的第一距离；

f)使用第二子午线角度，第二子午线角度与第一子午线角度成预定角度差；如正测试的光学系统感知的那样，调节第一和第二线条，使得第一和第二线条对齐以得出对于第二子午线角度的线条移动的第二距离；

g)结合第一和第二子午线角度，使用线条移动的第一和第二距离，以得出光学系统的屈光误差。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述观察屏幕上投影观察端口标记(430)的步骤；用户调整观察端口屏幕以与第一和第二透镜线条的观察端口一致。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括通过使用由用户调节的观察端口屏幕规格的尺寸，来计算显示器屏幕的显示分辨率的步骤。

4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括通过如下公式计算显示分辨率：

5.一种测量光学系统的屈光误差的系统，所述系统包括：

a)第一透镜，其用于缩小；

b)第二和第三透镜，其中第二和第三透镜各自限定一个狭缝；并且其中与第三透镜相比，第二透镜具有的颜色不同；

c)观察屏幕，其用来穿过第一和第二透镜来投影第一线条，并且使用观察屏幕穿过第一和第三透镜来投影第二线条，其中将第一和第二线条预畸变从而投射出由用户感知的相对的直线；

d)使用子午线角度旋转由观察屏幕投影的第一和第二线条；

e)第一子午线角度，将其用于初始地放置由观察屏幕投影的第一和第二线条，并使用正测试的光学系统调整第一和第二线条以对齐，以得出对于第一子午线角度的线条移动的第一距离；

f)第二子午线角度，将其与第一子午线角度成预定角度差；如正测试的光学系统感知的那样，调节第一和第二线条，使得第一和第二线条对齐以得出对于第二子午线角度的线条移动的第二距离；

g)结合第一和第二子午线角度，使用线条移动的第一和第二距离，以得出光学系统的屈光误差。

6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括在所述观察屏幕上放置的观察端口标记(430)；调整观察端口屏幕以与第一和第二透镜线条的观察端口一致。

7.根据权利要求5所述的系统，其中通过使用观察端口屏幕规格的尺寸来得出显示分辨率。

8.根据权利要求6所述的系统，其中通过如下公式得出显示分辨率：

9.根据权利要求5所述的系统，其中第二透镜与第三透镜的颜色相同。

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