CN1367663A - 眼睛生物计 - Google Patents

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Abstract

一种利用发光源(7)和相应的光学装置照射眼睛区域以分析反射光波前的眼睛生物计。使用孔径共用元件,如“红外高反射率反射镜”(4)允许眼睛(1)注视外界,眼睛生物计在任意时刻并且连续地测量眼睛的各种特性如屈光(即调节)状态,视角和瞳孔直径。使用光波前调节和波前探测技术确定眼睛的屈光度,以及瞬时调节状态。反射光通过一个分划板(26)或多个分划板(26,28)被投影。所产生的阴影图案的空间特性惟一地确定了眼睛特性。可以直接或者通过使用适当地设置在第一分划板与成象平面之间的第二个相同的分划板对线进行调制而测量这些阴影图案。可以使用明亮的瞳孔和Purkinje图象计算视角(或视线)。暗背景上明亮的瞳孔将提供对瞳孔直径的测量。可以将该眼睛生物计设计成双目方式,以便对双眼同时研究斜视、立体观测和聚散度测量。受调制的阴影图案的调制深度可提供眼睛介质和视网膜表面的敏锐度表示,从而提供一种筛选医学异常如糖尿病视网膜病、青光眼和白内障的方法。

Description

眼睛生物计

技术领域

本发明涉及人眼各种参数的测量领域。

背景技术

改善视力是非常重要的。为了开出视力矫正处方,精确地测量眼睛的物理特性,如眼睛屈光度,包括眼睛特征在内的表面数据,也是非常重要的。

自从周朝(公元前大约479-381年)人尝试矫正他们的视力以来,人们知道要求进行多大校正量的测量是该问题的主要部分。一般说来,在当代人的实践中,与综合屈光检查仪一起使用Snellen的图表来实用地主观地量化视力校正。该方法依赖患者的响应来量化该测量。已经发明了使用刀口检查(knife edge test)、迈尔比(myer)和其它光学原理的自动折光器,通过从视网膜反射或成象到视网膜上的光来量化视觉敏锐度。通过特定象差来考核(qualify)眼睛的光学特性。

当前,患者屈光度测量要求来自患者的口头反馈,以便量化屈光度测量。因此,为了同时对双眼进行测量,同一指示器中的独立变量的数量允许具有很大的自由度,从而不能精确得到双眼的屈光度。因此,每次仅能测量一个眼睛。本发明的一个能够使用的技术是测量屈光状态的能力,从而以双目操作模式即同时对双眼进行所需的矫正。

本发明的技术是将眼睛视做一个光学系统的成果。可以用与复杂光学系统相同的基本技术来分析从角膜顶点到视网膜焦平面的光学路径,也就是,分析穿过系统的光波前。在本发明中披露了一种用于分析这种光波前的方法。

为了跟踪眼睛的运动和进行斜视测量,需要眼睛的特性。已经使用了划伤角膜并跟踪该伤痕的方法。跟踪虹膜的内缘是另一种已经被使用的技术,不过虹膜直径随环境光和所关心视场而改变。从而,作为虹膜跟踪的结果所产生的误差大于所测量运动的幅值,使之成为一种无用的技术。本发明通过使用整个瞳孔的几何特性和角膜反光来跟踪眼睛,使眼睛跟踪成为可能。

用于测量光学装置或光学设计性能的传统技术不适用于测量眼睛的光学性能。入射光束与反射光束之间的关系给出了有关眼睛特性的信息。

通过允许由系统发出的光投射-分划板(reticle)的阴影,而得到一种不同于使用干涉测量术测量光学特性的方法。如果该阴影图案的物理特性改变不同于所期望的,可以分析该偏差,并且可以考核此异常。本发明尤其涉及从眼睛凹处反射后从眼睛发出的光的分析。由于视网膜的反射特性,必须适当地调节该反射光,使其可能具有足够的空间相干性以提供形成阴影的条件。

本发明的产生和分析顶点或角膜处光波前的方法是本发明的基本特征。目前尚没有装置可以用连续、实时和双目(如果需要的话)的方式精确地确定眼睛的光学特性。而且,申请人不知道有任何技术,使用这些技术可以得到来自视网膜的反射,并且使该反射具有可操作性,从而进行更加特殊的测量,如可以确定眼睛的特征特性(即屈光度状态,角膜外形,角膜厚度,视网膜分辨能力,眼睛敏锐度,瞳孔测量等)。更特别地是,申请人不知道有任何已知的对来自波前探测器的数据进行测量和分析的技能。该用途将包括对于视力所需的矫正透镜的自动测定,眼睛运动的特性化和分辨能力的筛分。

处理光波前以提供对眼睛光学特性的测量是有用的。本发明还涉及处理和分析光波前数据。更具体地说,本发明涉及的光波前,其包含与从视网膜表面或角膜表面反射的波前有关的特性的信息。以单独和集成形式使用光学和软件装置来分析光波前。当光波前在其传播路径上被诸如Rouchi划线的分划板图案遮蔽时,产生阴影图案。还可以通过将这些阴影图案投影到第二个分划板上使这些阴影图案产生更低的空间图案。所产生的图案是频率接近相同的两个图案的相互作用,是具有不同频率的两个简谐函数的叠加、相互作用或干涉,它们可以是声音或空间中的电磁波。在传统光学中这些图案被称为Talbot干涉图,菲涅尔图样或莫尔条纹。用这种信息,可以测量眼睛的有价值的屈光特性。

干涉条纹图案由波动光学干涉测量方法产生。在该过程的一种形式中,一准直光束被分束,使得部分光束引导到参考物,另一部分引导到目标。来自参考物和目标的反射光相干涉,提供一干涉测量的图案。分析该图案可以提供有关目标的测量特性。这种技术不适用于来自活体眼睛的视网膜反射波前,因为必须保持两个光程之间几何关系恒定,并且必须保持空间相干性。对于经常运动的视网膜来说这是不可能的。

在本发明中,通过两个均具有相同或相似规则图案的透明片(例如光栅状)重叠时所形成的干涉,产生另一种形式的干涉测量图案。通过每个透明片透过的光产生阴影。干涉条纹图案是通过两个分开的透明片的阴影的叠加所产生的阴影。分析该图案可以得到有关从不同眼睛界面所反射的光波前的几何特性的有用信息。这与来自视网膜、角膜和内皮细胞的反射有关。

产生图案的系统中的噪音可以使干涉条纹变形。该噪音可以是电子产生的,由测量中所使用的摄象机和光学系统所导致,或者由背景或杂散光干扰所致。另外,与所进行测量无关的表面的不同反射特性也可能影响精确测量。例如,当存在表面的不同对比度特性时,可能出现反射性问题。或者,可能由一种与光学测量系统相关的光无关的方式引导到表面上的不同的背景源所导致。在该系统中提供了一种消除噪音的方法。

本发明的一个目的在于提供一种用于光波前探测器的改进的技术和装置。

在一个实施例中,使用光照射眼睛视网膜。所反射的光穿过眼睛介质、晶状体和角膜传播。在角膜外部分析该光波前,提供眼睛的屈光度,从而提供眼睛聚焦的距离。

本发明的另一个目的是对于在三维空间中观看的眼睛提供屈光度、斜视和聚散度的测量。

本发明的又一个目的在于提供对于视力矫正需要施加给眼睛的屈光校正值;一种折射器,屈光度计或自动折射器。

本发明的另一个目的在于提供双目操作,从而对于双目屈光度计,双目自动折射器或双目折射器提供双目视力矫正或视力固定。

在一个实施例中,如测瞳器、瞳孔计或瞳孔显示器那样利用光照射眼睛介质。视网膜反射的光受到眼睛瞳孔的采样。当用成象传感器如CCD(电荷耦合器件)摄象机记录瞳孔时,与其余图象相比瞳孔显得很亮。通过测量明亮瞳孔的面积,可以推导出瞳孔的直径。

在本发明的另一个实施例中,在一维、二维或三维空间中跟踪眼睛。眼睛的入射光照具有经过校正的光波前,最好是平面的,从而在成象系统的物平面处由角膜产生反光的第一Purkinje图象。该第一Purkinje图象与瞳孔的质量中心之间的几何关系在一个或两个正切的空间/角度维度中提供了眼睛关于脸的视角。第三跟踪维度是距离脸的距离。

本发明的再一个目的是提供对眼睛的斜视测量。斜视仪测量眼睛的视角,并且将该视角与眼睛观看目标的各个角度进行比较。

如果按双目模式对两个眼睛测量视角,这两个测量能够提供眼睛的会聚度(“聚散度”)测量。这是两眼的视线相遇的位置。这种功能提供了眼睛的立体或三维观看能力。

因此,本发明的另一个目的在于提供一种用于测量有视力的生物的会聚度(或聚散度)的改进的技术和装置。

如果为眼睛设置一装置(如红外高反射率反射镜、孔径共用元件,光束组合器),以便眼睛观看景物(人工的,地面的,虚拟的或真实的),可以将本发明的三维空间/角度测量功能用做控制环功能,以便对于眼睛在适当的远景处提供图象。还可以将眼睛跟踪功能用做一种监视技术,观察或记录眼睛的视觉或神经—眼科响应。

因而,本发明的另一个目的是对眼睛的监视。

对于会聚或聚焦在角膜内部位置的光照,该光照从角膜上皮和内皮表面反射。设置在照明光路中的光学透镜提供这种聚焦效果。内皮反射在光谱或光偏振特性上不同于角膜上皮反射。

可以将角膜前面的反射引至波前探测器,分析波前,并且分析角膜的外形。从而,本发明的另一个目的在于提供角膜表面的外形;一种角膜外形测量仪。

可以将从角膜内皮表面反射的光照引导到波前探测器,并且可以测量角膜内皮表面的外形。因此,本发明的另一个目的在于提供角膜内皮表面的外形;一种角膜内皮表面外形测量仪。

通过比较前面和后面的角膜表面,可以确定角膜的厚度。从而,可以对角膜进行厚度测量。因此,本发明的另一个目的在于提供角膜的厚度;一种角膜测厚计或角膜厚度测量仪。

发明内容

本发明提供一种用于眼睛参数改进测量的系统、装置和方法。尤其是,本发明提供一种用于眼睛视力分析的系统,从而以单目或双目模式测量眼睛的屈光状态,以及每个眼睛的视线和瞳孔响应。可以使用该信息确定在三维空间中眼睛所注视的位置,用于视力矫正分析,或者用于要求该信息的任何系统中的研究或反馈回路。

眼睛参数的测量包括产生一光束,并将该光束射向眼睛。该光束从眼睛的视网膜或角膜反射,并且被引导通过单个分划板(光栅)或分隔一预定距离的多个分划板(光栅),以产生一阴影图案。分析该阴影图案,以提供眼睛参数的测量数据,尤其是,屈光状态或角膜形状。

待测量的要素是眼睛中的解剖表面或界面。可供选择地是,这可以是视网膜表面,该分析可提供眼睛的屈光数据和/或视网膜的视觉敏锐度。当该表面是上皮表面时,该分析可提供角膜的外形数据,即角膜散光测量法或角膜散光摄影术。当该表面为内皮表面时,该分析可提供上皮数据,以及角膜的厚度测量,即厚度测量法(pachyimetry)。

按照本发明的一种优选形式,使用该数据得出眼睛的屈光状态。

按照本发明的另一种优选形式,在角膜整个表面上得到数据,以便在整个表面上得出角膜形状或角膜厚度。

按照本发明的一种优选形式,分析该数据以便确定眼睛或角膜的解剖特征的运动(旋转或平移)。

按照本发明的另一种优选形式,选定波长的准直光束被射到不同的眼睛表面。获得并分析相应的干涉条纹图案。最好是,共同分析每个表面的数据。这就给出特定眼睛表面的信息和全部参数,以及该表面所限定的生理学特性。

而且根据本发明,提供用于接收代表预定的干涉条纹图案的数据,其中该图案表示应用于图案数据处理中相关技术的测量特性。

按照本发明的一个优选形式,测量特性是眼睛的视网膜表面特性和角膜的上皮表面与内皮表面的形状。使用这些信息,可以获得眼睛的折射和衍射特性。这将允许通过修复装置,如眼镜或接触透镜,或者用定向引导的激光功率对眼睛治疗而进行矫正。

按照本发明的另一种优选形式,干涉条纹图案是Talbot干涉图案或阴影图案,且被进行分析以便抽取出与物体测量(the metrology ofobject)有关的数据。该分析方法是一种此处所公开的技术。该阴影图案是一组在空间频域中具有单值特性的曲线。可以特别地使用该特征来分析电磁波前。通过确定该图案中中心频率和垂直空间中更高级次频率的位置,得到对眼睛的屈光度、角膜形状和角膜内皮表面的形状的分析。空间频率成分的幅值和相位提供了空间模式的幅值和取向,即光波前或多调表面中存在的聚焦,散光,第三和更高级次。

本发明中使用的阴影投影技术允许测量具有可调节的灵敏度,以及对眼睛运动的不敏感性,从而允许高质量、定量地测量眼睛象差,而患者不必作答。780至900纳米光谱范围内的近红外光能在视网膜的脉络膜血管层和色素上皮中具有高反射系数。如果当激光束进入眼睛时进行适当的调节,则可以分析反射的波前,以测量眼睛的多种象差。

按照本发明的一种优选形式,用斜视计(也称为眼转动计或斜视计)测量并量化眼睛的斜视特性。确定眼睛的光轴,测量并量化聚散度状态。

现在参照附图和详细说明进一步描述本发明的其它特征。

图3为用于分析从各个眼睛表面反射的波前的光波前探测器技术简图;图4为光谱生物计中眼睛表面的光谱反射特性简图;图5为眼睛生物计的折射器操作中的光路图;图6为示意图,表示在角膜形状和外形测量中零透镜的使用;图7为角膜形状和外形测量中波前探测器的光学示意图;图8为用于角膜厚度测量的测厚计的光学示意图;图9为用于波前探测器数据分析算法的逻辑流程图;图10为用于瞳孔测量法分析的逻辑流程图;图11为用于眼睛跟踪分析的逻辑流程图;图12为与眼睛生物计和现实世界的人机界面结构。

实施本发明的方式当患者通过观察口注视实物时同时测量患者两眼的屈光。随着屈光状态的改变,本发明的眼睛生物计可提供实时测量,使得可以观察到调节机能的生理瞬变。同时,观察瞳孔尺寸,并且观察视线的方向(即眼睛跟踪)。使用相同的技术,沿着角膜的整个尺寸连续地测量角膜的形状和厚度。以系统中摄象机的帧速度进行这些测量。使用所披露的技术,通过屈光、斜视或神经响应可以确定必需的视力矫正。

在一段时间的测量之后,对数据进行处理,就可以知道双眼的完全的光学特性。同时进行远场和近场最优化,以便在两个场中和所有中间点处优化光学能力。

眼睛生物计测量从视网膜和角膜表面反射的光波前(使用辅助光学装置)。这些表面的光谱反射特性允许将波前分开,从而可以测量所有光学特性。

光谱反射峰如下:角膜上皮表面:近红外、可见和紫外光谱;视网膜表面:780至900nm。

将红外(780至900纳米)光束射到眼睛中。该光束被角膜介质和晶状体聚焦,从视网膜光学散射,然后通过晶状体和角膜从眼睛出射。通过使该光波前通过一光学中继系统,然后通过一或多个平行设置的分划板来实现波前分析,该分划板设置在与传播方向垂直的平面内,并且在那些平面内彼此旋转。将所产生的阴影图案成象在无光泽银幕上,然后用摄象机记录下来。通过空间频率域特征技术处理所记录的图象,以便得出从眼睛出射的波前的形状。该波前包含关于眼睛光学系统中象差的所有信息。使用已知的空间特征,该波前适于很好地了解象差,例如聚焦和散光。现在就精确地确定出眼睛的光学象差。

通过将眼睛的注视固定在一个方向,并且移动该生物计到离轴位置,不过仍然朝着角膜和瞳孔的方向,可以确定出眼睛的空间分辨屈光(SRR)。因此,该眼睛生物计能够提供沿视线方向和与视线垂直的方向的眼睛的屈光。

由于所产生的阴影图案随着眼睛而运动,故可以跟踪该阴影图案以考核和量化眼睛的运动。通过跟踪横截面和跟踪沿轴方向的区域,可以表征简单的眼睛运动。通过本技术,与阴影图案的实际分析结合起来,可以得到详细的眼睛运动跟踪。使用这种眼睛动态探测器来跟踪单目或双目方式中整个过程期间眼睛的运动。可以将双目模式中本发明的子系统用做斜视计,也称为眼转动计和斜视计,用于测量眼睛的聚散视轴;在用于精确瞄准和跟踪机构的安装有机罩(Helmet)的显示(HMD)系统中;作为精神警觉状态指示器,其特征在于用眼睛运动(偶尔发生的或蓄意的)探测进入睡眠,毒品的使用或酒精的使用,即清醒;视频游戏,其中眼睛运动是与游戏的交互作用;以及在眼睛运动为参数的研究中。

图1和2示意性地表示出本发明的眼睛生物计。可以将双目结构分成两个单目系统,从而一次记录一只眼睛。实验对象的眼睛1经过“红外高反射率反射镜”4通过该系统观看,红外高反射率反射镜也被称为孔径共用元件。它允许可见光谱透过元件4,并且反射红外光谱[780至900纳米(nm)]中的特殊辐射。告诉该实验对象观察景象中的运动物体,从而该实验对象在宽范围内调节他或她的聚焦场。对于眼睛生物计的特定应用设置图1中的元件3a到13,例如安装有机罩或安全罩的手持式仪器,安装有实验台的系统等。元件4a也是一个孔径共用元件,它与照明源7一起共用眼睛折射的波前的光路。元件4a是分束器,它允许一部分光穿过,其余来自照明源7的光被反射。元件3a,5,11和13包括中继透镜装置。这种特殊的设计可能要求该结构从物平面3a到13处的数据象平面产生放大。可以根据所需结果而改变该结构。

在图1中,元件6,8,10和12为光学转向镜或分束器(即孔径共用元件),可能存在于特定设计中,或者可能不存在于特定设计中。它们用于根据结构要求改变特定设计,不过对波前探测现象不产生影响,而是对辐射光能分布产生影响。通过照明源7照射眼睛1,照明源7可以是激光器、发光二极管或任何其光谱在红外、可见和紫外中的光源。

7,6,5,4到3a内光学系统的目的在于在3a位置产生校准的、最好是平面的光波前。如果眼睛生物计具有跟踪眼睛的功能,必须适当地调节该波前。重要的是角膜3位于物平面3a附近。受该波前照射的角膜3的弯曲表面产生反射,反射光被波前探测器13成象,后者是眼睛生物计的眼睛跟踪功能的一个关键性部件。

不过在生物计的屈光状态测量中,最好是不必要用平面波前照射在眼睛上。光能被角膜3和晶状体2折射,然后入射在视网膜1上。视网膜中的每个视网膜杆和视网膜锥体当反射入射的红外(IR)光照时成为一个点光源。所反射的光被瞳孔2a采样。包含在波前探测器13中的IR摄象机/探测器,如图3中更特别地表示成元件32,在暗背景上探测到明亮的瞳孔。瞳孔2a的几何中心是第二数据点,其提供眼睛跟踪算法。所反射的光被晶状体2和角膜3折射,使得光轴角膜顶点处(平面3a)的波前包含眼睛屈光特性的完整状态。然后由中继透镜系统将该波前传输到波前探测器13,如图3所示。不过,平面3a处的波前是所有从每个视网膜反射的波前的累积。每个都具有关于眼睛的所有屈光信息。遗憾的是,当在角膜顶点处将它们叠加在一起时,就不再有可识别的信息。因此,在到达波前探测器之前需要调节波前。点源被空间设置。从而,在中继组件的傅里叶平面9中,每个点源的点扩展函数被空间地设置。因此,在傅里叶平面(即从3a到5的距离与从9到5的距离为透镜5的焦距)中设置一波前修整挡光组件9。最终,在波前探测器13处分析波前,以提供眼睛的屈光状态。该信息单独来说是有用的。不过,如果与眼睛试图适应的参考距离进行比较,可以确定视力矫正。在波前探测器13中由计算机求出眼睛跟踪,屈光和瞳孔尺寸数据,参见图3更详细地描述,通过通信14传送到输出装置15。所有这些参数均与眼睛生物计的性能有关,用于精确地确定实验对象眼睛的屈光状态,瞳孔测量法和斜视测量法,在输出装置15处显示出。

图2中说明了图1的光学示意图的特殊单目结构的例子。照明在照明源7中被准直。其被传播给孔径共用元件4a并被部分地反射(余下的光通过该元件)。当眼睛1通过孔径共用元件4注视时,该照明从该孔径共用元件反射,入射并传送到眼睛1中。从角膜3散射的光被波前探测器13中的摄象机成象。进入眼睛的光从视网膜1反射。该反射光穿过晶状体2传播而被眼睛瞳孔2a遮阑,并且通过角膜3传播。从孔径共用元件4反射的光波前,部分地通过孔径共用元件4a并聚焦在空间挡光板9的区域中。挡光板9消除了不需要的数据,于是透镜11在分析仪13处再次成象该波前。所需要的数据通过链接14到达输出装置15。

图3中更详细地示意表示出波前探测器13。待测量的波前16进入探测器,并穿过焦距f10的透镜18,且被聚焦在空间挡光片20的区域中。没有消除的波前在平面22中被焦距为f12的透镜24再现。在平面22处,有一个分划板26或者两个分划板26与28。将单个分划板26设置在距无光泽银幕30距离为d处。

将一对分划板26与28设置在平行的平面中,方位角彼此旋转θ角,并且两个分划板的轴向位移为距离d。在单分划板系统中,通过波前将分划板26的阴影投射在无光泽银幕30上而产生阴影图案。通过比较阴影图案与分划板的空间频率,可以确定该波前的特征,从而确定眼睛的屈光状态。

对于双分划板系统,其光栅最好相同,不过光栅不必要相同。由波前16产生的来自分划板26的阴影图案被投射到分划板28上而产生阴影图案30,代表波前的一阶导数。由对IR范围光照敏感的图象记录装置32,如CCD(电荷耦合器件)摄象机,记录该阴影图案30。如果入射波前在16处是标准的并且未受到干扰(平面波前)(虚线),结果将产生周期性亮和暗直线干涉条纹的阴影图案。当在16处波前中存在象差(虚线)时,与平面波前所产生的阴影图案相比,所产生的阴影图案将发生扰动。将在干涉条纹的角向和/或空间弯曲中产生扰动。然后使用计算机34分析该波前。

在图4中说明了眼睛40的光谱反射特性。假设一宽光谱带白光源42照射眼睛40,则主要光谱范围的光将从眼睛40的每个表面反射。角膜3具有两个感兴趣的表面,视网膜46对光学系统采样波前提供反射。虽然在每个表面处存在镜面反射,但在每个反射中存在光谱响应。从而,在每个表面处有不同“颜色”被反射。来自上皮角膜前表面50的光谱反射48是非常宽的光谱,从IR、可见光谱到紫外。在角膜44的后表面52处为Descemet’s薄膜和内皮。名义上在525纳米区域中发生来自该表面52的峰值光谱镜面反射54。透镜56具有能够在黄光谱区域内反射能量62的两个表面58和60。最后,视网膜46在780至900纳米光波长范围内极强地反射64。

图5中表示出测量眼睛光焦度的适应测量装置或折射器的光路。准直光束66从孔径共用元件68反射,并且穿过角膜72、晶状体74被射到眼睛70中,入射在视网膜76上。然后该光束被视网膜结构散射,所产生的波前传播到眼睛70之外,此时穿过其路径78上的孔径共用元件68,到达波前探测器。

为了提供眼睛角膜的外形测量,需要能以宽光谱带宽产生辐射的光源。在图6中,光80来自一辐射源。光束80被准直,使得当该光束通过零透镜82被折射时,光80被朝向和近似垂直于角膜表面84引导。使用支架86,如配置在眼睛上的眼睛罩或目镜,使零透镜82的焦点非常接近于角膜84的曲率中心88。然后会聚光90被角膜84反射。从角膜上皮表面反射的光通过零透镜82向回引导,产生一波前92,可以分析该波前,结果对整个表面进行精确测量。

图7中表示角膜测绘仪或角膜外形仪的光路。一准直光束94从孔径共用元件96反射,并朝向零透镜98引导,入射在眼睛100和角膜102上。然后该光束被角膜结构反射,并产生向回通过零透镜98传播的波前,此时该波前穿过其路径104上的孔径共用元件96,到达波前探测器。

图8中说明使用角膜的光谱反射特性。眼睛生物计可以同时测量两个表面,从而在这种情形中可以测量所有位置处的角膜厚度或深度。图8中表示测厚计的示意性光学结构。两个不同光谱区域或偏振态的光照106从左边入射在零透镜108上。它们会聚在角膜表面110上,从而其中一个光谱或偏振态的入射光分量被反射。另一个光谱或偏振态的入射光分量将从内皮角膜表面112反射。表示为114的两个反射波前被零透镜108折射,成为被波前探测器分析的波前116。零透镜108最左边的顶点是图3中对波前116进行分析的点。然后所产生的测量值为曲率118的上皮半径r1和曲率120的内皮表面半径r2。两者均相对曲率的同一中心进行测量。从而,通过在任何轴向或径向位置处进行相减确定角膜的厚度。

图9中表示出进行波前分析的算法。输入系统中的参数为拟沿其分析波前的轴的数量125,126以及它们的取向(定义),需要收集数据的数据收集机构(即焦平面124)的数量。由焦平面收集该阴影图案并对其进行数字化128。在某些应用中可以将若干图案累积成单个域,同时进行分析129。在其它应用中一次仅能分析一个图案或一组图案。因而具有分支130。然后使用数学方法,如傅里叶变换,将图案的空间域转换成空间频率域131。然后从该数据中滤除频率域中的主要谐波132。这些表示所限定的轴中该波前的外形(形状)。该“外形”是从阴影图案中得出的任何空间形态(例如球形,彗形,……到球面的第n级133)。现在在空间域中,可以从这些分量得到波前。然后将该波前解释成光学序列如眼睛的光焦度,或者诸如角膜的表面形状134。然后将该数据发送给其各个系统元件,图10或11,或者作为数据被输出135。

眼睛生物计的功能之一是测量眼睛瞳孔的尺寸。在图10中用图表表示的算法对于双眼是相同的,因而仅表示一个眼睛。如图9中的数据被收集并数字化141。在该分析中空间坐标非常重要,从而必须定义参考坐标142。然后使用数据阈值对该数据进行调整143。也就是说,规定值以下的所有数据被给定为固定的值,如“0”(零),并且另一阈值以上的所有数据被给定为另一个固定值,如“1”。现在将瞳孔函数设置成,不是“0”就是“1”144。然后将所有象素(或数据单元)叠加在一起,并用上限值(即在本例中为1)进行归一化。已知象素的物空间尺寸,现在就可以知道瞳孔的面积145。可以用两种方法确定其直径。如果只知道所需的平均直径,那么使用圆的面积推导出直径146。如果需要某些轴的尺寸,那么使用求质量中心147和力矩技术148。

可以使用眼睛生物计跟踪眼睛,并确定双眼的聚散度(即双眼会聚的视线)。图11用图表表示用于该分析的算法。图中的OS和OD分别为左眼和右眼。因此,使用“OS和OD”表示同时或者相继在来自双眼的数据上执行该函数。然后在最后一个函数上组合该数据,以获得眼睛的聚散度。再次收集数据151,数字化并提供参考坐标152。现在需要两组数据点:(1)波前探测器(WFS)所看到的瞳孔的质量中心(几何中心),以及(2)WFS成象时角膜反射的位置153。每次反射与质量中心之间的距离154提供了眼睛光轴相对WFS光轴的视角155。然后由于眼睛光轴与视轴之间的差别必须调节这些视角156。于是这些就成为眼睛的视角。正角度为鼻子方向,负角度为瞬时方向。现在聚散度为两个角度之和的幅值157。

眼睛生物计的一般应用为监视“生命”情况中眼睛的响应,如汽车、卡车、飞机、航天器、工作环境等。眼睛生物计,即照明源和波前探测器,必须集成在该环境中。不过,图1和图2中的孔径共用元件4必须允许实验对象观看该环境。在图12中表示出一般结构,其中4为孔径共用元件。

当对双眼进行跟踪时,可以确定眼睛的聚散度。从而,可以使用本应用中所包含的机构的子系统:作为斜视计,也称为眼转动计和斜视计,用于测量眼睛的聚散度视轴;在安装有机罩的显示(HMD)系统中用于精确瞄准和跟踪机构;作为精神警惕性指示器,其特征在于使用眼睛运动(偶尔发生的或蓄意发生的)探测进入睡眠,毒品的使用或酒精的使用;视频游戏,其中眼睛运动与游戏的交互作用;以及在眼睛运动为参数的研究中。

所描述的系统工作在封闭环中,影响光学测量,并且确定对光学元件必须进行的校正处理的程度。当光学处理受到影响时,封闭环可以提供不同的折射信号,并可以对其进行调节以便最终校正该光学状态。

此处所描述的眼睛生物计系统不要求患者有意识的反馈。从而,可以进行客观的双目屈光。角膜外形测量不要求患者反馈。从而,在双目模式中可以同时测量患者视觉特性的所有参数。

角膜整体外形是一种需要对角膜的整个表面进行采样(即从中进行测量)的机制。通过结合眼睛光谱反射信息与波前探测技术,可以精确、连续地测量角膜表面外形。这种测量将提供精确的生物测定,以便安装接触透镜,并分析角膜用于屈光外科或治疗过程。

角膜测量方法中所使用的技术允许动态跟踪眼睛,即眼睛跟踪探测器,并提供斜视测量。这可以考核眼睛运动或将眼睛运动量化到200微弧度(或0.01度)。

该技术在眼外科、屈光外科和治疗过程、在安装有机罩的显示系统中进行描准和跟踪、视觉现实系统、确定人是否入睡的探测器(例如汽车睡眠报警)、精神敏锐度测试(例如酒精和毒品测试)和视频游戏中很有用,在视频游戏中将把眼睛跟踪用做与游戏的交互作用。工业实用性可能进行实验患者的视力的自动的双目或单目屈光测量,不会导致眼睛疲劳,或者不要求口头响应。将自动地提供接触透镜或眼镜透镜质量要求,以及指示屈光外科或组织治疗过程。

角膜表面的精确外形被用在接触透镜安装中,完成角膜划痕和损伤的分析,眼科研究和屈光外科和组织治疗过程。

本发明存在更多的例子和应用,每个仅在细节上彼此不同。本发明仅由下面的权利要求限定。

Claims (42)

1.用于测量眼睛特性的设备,包括:(a)用于产生光波前的装置;(b)将该光波前传送到眼睛的装置,该光波前从眼睛的各个表面反射;(c)用于消除光波前噪音的挡光装置;(d)一或多个分划板装置,被反射的光波前通过该分划板装置,以投射一阴影图案;(e)用于朝着一屏幕引导该阴影图案的装置;以及(f)用于分析屏幕上该阴影图案的装置,以便产生波前特性的测量数据,从而提供眼睛的测量特性。
2.如权利要求1所述的设备,其中该分析装置包括用于去除数据处理噪音的计算装置。
3.如权利要求1所述的设备,还包括用于产生预定波长的准直光束,以便产生光波前的装置。
4.如权利要求3所述的设备,还包括用于产生从780到900纳米波长的准直光束的装置。
5.如权利要求4所述的设备,还包括用于产生大约840纳米波长的准直光束的装置,以及将该光束引导到眼睛的视网膜表面上的装置。
6.如权利要求1所述的设备,其中该产生光波前的装置是波长从780到900纳米的光源。
7.如权利要求1所述的设备,还包括用于按任一维或所有三维跟踪眼睛相对运动的装置。
8.用于测量眼睛特性的设备,包括:(a)一产生光波前的照明源;(b)一或多个孔径共用元件,用于将该光波前传送给眼睛,该光波前从眼睛的各个表面反射;(c)一中继透镜装置,用于聚焦从眼睛反射的该波前;(d)一消除噪音的挡光板;(e)一或多个分划板,被反射的光波前通过该分划板以投射一阴影图案;(f)一屏幕,该阴影图案被引导到该屏幕上;(g)一摄象机,用于将该阴影图案成象在该屏幕上;(h)一计算机,用于分析该阴影图案所产生的信息。
9.如权利要求8所述的设备,还包括用于产生预定波长的准直光束,以便产生光波前的装置。
10.如权利要求9所述的设备,还包括用于产生780至900纳米波长的准直光束的装置。
11.如权利要求10所述的设备,还包括用于产生波长大约为840纳米的准直光束的装置,以及将该光束引导到眼睛的视网膜表面上的装置。
12.如权利要求8所述的设备,其中该产生光波前的装置是波长从780到900纳米的光源。
13.如权利要求8所述的设备,还包括用于按任一维或所有三维跟踪眼睛相对运动的装置。
14.一种用于测量眼睛特性的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)将该光波前传送给眼睛,该光波前从眼睛的各个表面反射;(c)将该光波前通过一用于消除光波前噪音的挡光板;(d)使所反射的光波前通过一或多个分划板,以投射一阴影图案;(e)将该阴影图案朝向一屏幕引导;以及(f)分析屏幕上的该阴影图案,以产生波前特性的测量数据,从而提供眼睛的测量特性。
15.如权利要求14所述的方法,包括消除分析中的数据处理噪音。
16.如权利要求14所述的方法,包括产生一预定波长的准直光束,以便产生光波前。
17.如权利要求16所述的方法,包括产生波长从780到900纳米的准直光束。
18.如权利要求17所述的方法,包括产生波长大约为840纳米的准直光束,并且将该光束引导到眼睛的视网膜表面上。
19.如权利要求14所述的方法,包括使用波长从780到900纳米的光源产生该光波前。
20.如权利要求14所述的方法,包括按任一维或所有三维跟踪眼睛的相对运动。
21.一种用于测量眼睛特性的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该光波前通过一或多个孔径共用元件;(c)使该波前通过一用于消除光波前噪音的挡光板;(d)将该光波前传送给眼睛,该光波前从眼睛的各个表面反射;(e)聚焦从眼睛反射的波前;(f)使该波前通过一或多个分划板,以投射一阴影图案;(g)将该阴影图案引导到一屏幕上;(h)用与计算装置相连的摄象机将该阴影图案成象在屏幕上;(i)分析成象在摄象机上的信息。
22.如权利要求21所述的方法,包括使用分析装置去除数据处理噪音。
23.如权利要求21所述的方法,包括产生一预定波长的准直光束,以便产生该光波前。
24.如权利要求23所述的方法,包括产生波长从780到900纳米的准直光束。
25.如权利要求24所述的方法,包括产生波长大约为840纳米的准直光束,并将该光束引导到眼睛的视网膜表面上。
26.如权利要求21所述的方法,包括使用波长从780到900纳米的光源产生该光波前。
27.如权利要求21所述的方法,包括按任一维或所有三维跟踪眼睛的相对运动。
28.一种用于测量眼睛的预定特性的方法,包括:(a)产生一准直光束;(b)将该光束引导到眼睛中,其中该光束从眼睛反射;(c)引导该反射光束通过一第一分划板,以产生一阴影图案;(d)引导该阴影图案通过一第二分划板,以产生一莫尔条纹图案;以及(e)分析该莫尔条纹图案,以产生眼睛的测量数据。
29.如权利要求28所述的方法,包括去除噪音并产生一基本上无噪音的莫尔条纹图案,从而提供眼睛的测量数据。
30.一种用于测量眼睛屈光特性的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)引导该光波前到达眼睛的视网膜表面,该波前从眼睛的视网膜表面反射;(d)聚焦从眼睛反射的波前;(e)使该波前通过一用于去除光波前噪音的挡光板;(f)再现该波前;(g)使该波前通过一或多个分划板以投射一阴影图案;(h)将该阴影图案引导到一屏幕上;(i)使用与计算装置相连的摄象机将该阴影图案成象在该屏幕上;(j)分析该摄象机所记录的信息。
31.一种用于测量眼睛的角膜部分的外形特性的方法,包括(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)使该光波前通过一零透镜,使得焦点接近角膜的曲率中心;(d)将该光波前引导到眼睛的上皮表面,此波前从眼睛的该上皮表面反射;(e)使该波前通过一或多个分划板以投射一阴影图案;(f)将该阴影图案引导到一屏幕上;(g)使用与计算装置相连的摄象机将该阴影图案成象在该屏幕上;(h)分析该摄象机所记录的信息。
32.一种用于测量眼睛的内皮表面的形状的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该光波前通过一或多个孔径共用元件;(c)将该光波前全部引导到眼睛的内皮表面,该波前从眼睛的内皮表面反射;(d)聚焦从眼睛反射的波前;(e)对该聚焦的波前进行空间滤波;(f)再现该波前;(g)使波前通过一或多个分划板以投射一阴影图案;(h)将该阴影图案引导到一屏幕上;(i)使用与计算装置相连的摄象机将该阴影图案成象在该屏幕上;(j)分析该摄象机所记录的信息。
33.一种用于测量眼睛的角膜厚度的方法,包括:(a)产生一或多个光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)将该光波前引导到眼睛的上皮和内皮表面,该波前从所述两个表面反射;(d)通过光谱或偏振特性区分所反射的波前;(e)使波前通过一或多个分划板以投射一阴影图案;(f)将该阴影图案引导到一屏幕上;(g)使用一与计算装置连接的摄象机记录该阴影图案;(h)分析由摄象机所记录的信息。
34.一种用于测量眼睛瞳孔的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)引导该光波前通过眼睛瞳孔到达视网膜,该波前从眼睛的视网膜反射;(d)将该光照引导到一屏幕上;(e)用一与计算装置连接的摄象机将该阴影图案成象在该屏幕上;(f)分析摄象机所记录的信息。
35.一种用于测量眼睛的光学屈光度的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)引导该光波前到达眼睛的视网膜,该波前从眼睛的视网膜反射;(d)聚焦从眼睛的视网膜反射的波前;(e)对所聚焦的波前进行空间滤波;(f)再现该波前;(g)使该波前通过一或多个分划板以投射一阴影图案;(h)将该阴影图案引导到一屏幕上;(i)使用一与计算装置相连的摄象机将该阴影图案成象在该屏幕上;(j)分析成象在摄象机上的信息,以获得眼睛的光学屈光度。
36.一种用于测量眼睛的空间分辨的屈光的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)将该光波前引导到眼睛的视网膜,该波前从眼睛的视网膜反射;(d)聚焦从眼睛反射的波前;(e)对聚焦的波前进行空间滤波;(f)再现该波前;(g)使该波前通过一或多个分划板以投射一阴影图案;(h)将该阴影图案引导到一屏幕上;(i)使用一与计算装置连接的摄象机将该阴影图案记录在该屏幕上;(j)从记录在摄象机上的信息分析眼睛视场的预先确定的特殊空间或角度部分。
37.一种用于测量眼睛的视线方向的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)将该光波前引导到眼睛;(d)成象在角膜的顶点处从眼睛反射的光;(e)测量眼睛反光的位置;(f)测量眼睛瞳孔的质量中心的位置;(g)分析测量信息。
38.一种用于测量眼睛的聚散度的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)将该光波前引导向双眼;(d)成象在角膜的顶点处从眼睛反射的光;(e)测量双眼反光的位置;(f)测量双眼瞳孔的质量中心的位置;(g)通过比较双眼的视线,分析测量信息。
39.如权利要求30,31,32,33,34,35,36或37所述的方法,其中在双眼中同时以双目方式进行该测量。
40.一种用于分析光波前的方法,包括:(a)从该光波前产生一阴影图案;(b)采集所产生的阴影图案;(c)数字化该阴影图案;(d)将数字图象累积成单一空间域;(e)将该空间域转换成空间频率域;(f)确定该频率域中主要的谐波;(g)在限定的轴上使该主要谐波与波前形状相关;(h)计算从所限定的轴得出的三维光学域波前形状;(i)分析该波前形状的测量值。
41.如权利要求30,31,32,33,34,35,36,37,38或40所述的方法,其中该分析包括:(a)数字化该阴影图案;(b)将数字图象累积成单一空间域;(c)将该空间域转换成空间频率域;(d)确定该频率域中主要的谐波;(e)在所限定的轴上使该主要谐波与波前形状相关;(f)计算从所限定的轴得出的三维光学域波前形状;(g)分析波前形状的测量值。
42.一种用于测量眼睛的屈光特性的方法,包括:(a)产生一光波前;(b)使该波前通过一或多个孔径共用元件;(c)将该光波前向眼睛引导,该波前从眼睛的各个表面反射;(d)聚焦从眼睛反射的波前;(e)使波前通过一挡光板以消除噪音;(f)再现该波前;(g)使波前通过一或多个分划板以投射一阴影图案;(h)将该阴影图案引导到一屏幕上;(i)使用摄象机将该阴影图案记录在该屏幕上,以将该屏幕图象转换成空间数字数据;(j)将该空间数字数据转换成空间频率数据;(k)确定主要的空间频率;(l)使该主要空间频率与沿波前相应轴的球面分量相关;(m)利用分量轴的数据确定整个波前的形状。
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