TW202103629A - 用於屈光和視覺測量的方法和裝置 - Google Patents

Abstract

例如屈光測量設備的消費產品可用於獲得屈光測量結果，允許消費者無需拜訪驗光師或眼科醫生即可跟踪其視力。這種消費產品可以與智能電話或具有觸摸屏的其他產品協同工作，該觸摸屏向屈光測量設備呈現圖像。智能電話可能具有分辨率比率，有時以用戶和/或屈光測量設備未知的PPI或每英寸像素數來測量。本發明的一方面在於提供一種光學介面，供用戶手動地匹配智能電話的觀察端口邊界以與屈光測量設備的觀察端口邊界一致。本發明的另一方面是在呈現給用戶的圖像中預畸變的使用。通過注意用戶施加在屈光測量設備上的校正動作，可以得出用戶自己的屈光誤差。

Description

用於屈光和視覺測量的方法和裝置

本發明通常涉及視覺測試和屈光測量系統，該系統附接到顯示器，例如個人視力追踪系統、視野校核系統和洞察力系統。更具體地，本發明涉及在上述系統中顯示器的測量特徵並校正光學像差的裝置和方法。任何旨在測量視力和眼部特徵（例如，屈光）的系統（其中該系統包括顯示器），由屈光元件和/或反射元件（例如，透鏡和/或鏡子）組成的光學系統都可能遇到兩個主要問題：顯示器的特徵可能未知（例如，顯示器可能是智能電話的一部分，並且電話分辨率沒有得到很好的報告），且光學系統為顯示的圖像創建像差。所提出的發明描述了用於克服這些問題的方法和裝置。

相關申請的交叉引用:

本申請是以下專利申請的延續或部分延續，其內容通過引用合併於此。

於2019年11月15日提交的美國專利申請16/685,017，發明名稱為Automated Personal Vision Tracker，其是於2019年2月14日提交美國專利申請16/276,302，發明名稱為Optical Method to Assess the Refractive Properties of an Optical System的部分延續案，美國專利申請16/276,302現在是美國專利10,488,507，它是於2017年4月19日提交的美國專利申請15491557的部分延續案，而不是要求2016年10月17日提交的臨時專利申請62409276的優先權的專利10,206,566。

本申請是2018年10月31日提交的美國專利申請16/176,631，發明名稱為Smart Phone Based Virtual Visual Charts for Measuring Visual Acuity的部分延續案，該申請要求臨時專利申請62/579,558的優先權日為2017年10月31日的優先權。

本申請要求於2019年7月22日提交的臨時專利申請62/876,889的優先權。

不適用版權和商標聲明:

本申請包括受或可能受版權保護和/或商標保護的材料。當專利發明出現在專利商標局文件或記載中，版權和商標所有者不反對任何專利發明的傳真複製，但如果不是，則無論如何保留所有版權和商標權。這些商標可能包括“EyeQue”、“PVT”、“Personal Vision Tracker”、“Insight”、“VisionCheck”和其它。

視覺可以說是最重要的感官。人眼和其與人腦的直接連接是一個非常先進的光學系統。來自環境的光穿過由角膜、瞳孔和晶狀體組成的眼睛光學系統並聚焦以在視網膜上產生圖像。與所有光學系統一樣，通過眼睛光學器件的光線傳播會受像差的影響。眼睛中最常見的像差的形式是散焦和散光。這些低階像差是最常見的眼睛屈光狀況，近視（眼科近視）和遠視（眼科遠視）的原因。高階像差同樣存在，並且可以通過Zernike多項式最方便地描述。這些通常對視覺功能的影響較小。眼睛，與人體的任何其他器官一樣，可能患有各種疾病和病症，目前最突出的是：白內障、老年黃斑變性（AMD）、青光眼、糖尿病視網膜病變和乾眼症。其他情況也存在，並且在本申請的範圍內也應考慮它們。

眼科測量對於眼睛健康和適當的視力至關重要。可將那些眼科測量劃分為客觀和主觀類型。客觀類型的測量可提供生理、物理（例如機械或光學）、生物學或功能的度量標準，而不需要來自被測個體（患者、實驗對象、使用者或消費者）的輸入。客觀測試的示例包括但不限於OCT（用於對眼睛的三維和橫截面成像的光學相干斷層掃描）、掃描雷射檢眼鏡（SLO，用於視網膜光譜成像）、眼底圖像（用於展示視網膜圖像）、自動屈光儀（用於屈光測量）、角膜曲率計（用於提供角膜輪廓）、眼壓計（用於測量IOP—眼內壓）。主觀測量給出了與個體輸入有關的度量標準。即它們提供還考慮個體的大腦功能、知覺和認知能力的參數。主觀測試的示例包括但不限於視敏度測試、反差敏感度測試、綜合屈光檢查儀屈光測試、色覺測試、視野測試以及個人視力追踪系統（EyeQuePVT）和洞察力（Insight）。

目前，客觀和主觀的眼睛檢查（測量）都由眼科醫生或驗光師完成。該過程通常包括患者需要安排預約、等待預約、前往預約地點（例如辦公室或診所）、排隊等候、使用各種工具進行多種測試以及可能在不同技術人員和不同眼科醫生之間移動。預約以及在預約地點排隊的等待時間延長，以及與不同專業人員進行測試的麻煩和這些測試的持續時間似乎令許多患者怯步。此外，與該過程相關的分開的結果，甚至是記住開始該過程的要求都可能使患者打消進行該過程的念頭。

此外，目前約有25億人完全無法獲得眼睛和視力保健。尤其是在世界上某些地方，眼科檢查的費用可能被認為是相當高昂。例如，這對第三世界國家的眼保健服務造成了阻礙。成本、時間消耗和感知上的麻煩也使得有時無法進行重複的眼科檢查，尤其是在所需頻率下。在特殊情況下（例如屈光手術或白內障手術後），可能需要進行重複測量以跟踪患者狀況隨時間的進展以及手術的成功程度。此外，即使在正常情況下，在醫生辦公室進行的測量也僅代表一個時間點。進行測量的情況可能不是最佳的，或者不能完全代表患者的特徵。患者可能已經疲倦、緊張或煩躁（醫生的診治可能會給自己帶來很大壓力，但其間進行的一次又一次地測試和提出的問題和選擇同樣能夠提高患者的壓力水平），或者只是心情不好。甚至醫生本身的心理狀態也可能影響進行測量的方式。除此之外，當日時刻和其他環境條件（無論是直接的，例如光照條件，還是間接的，例如溫度）可能影響測量並提供不完整或錯誤的信息。

互聯網上信息（尤其是包括醫療信息）的可用性、人們對預防醫學的增強的意識以及遠程醫療的出現使得許多人控制了自己的健康。在當今世界，用於篩查、監測和跟踪醫療狀況的設備非常普遍，例如血壓測量設備和血糖監測儀。技術進步允許人們在診斷、預防和跟踪各種健康狀況方面更加獨立。此外，許多人更喜歡在家中舒適地進行這些活動，而無需預約或其他費時的活動。如果出現異常情況，他們將向他們的內科醫生致電或發送電子郵件以諮詢適當的行動步驟。

技術的進步有效地使帶有螢幕和攝像頭的計算機以筆記本電腦、平板電腦和智能電話的形式普遍存在。因此，使許多人擁有已經能夠處理顯示和記錄信息的設備。

所有這些都帶來了對一系列設備的需求，這些設備將使用戶能夠由自己在家中及時、划算地進行眼科測量。應該清楚的是，這些測量的品質及其準確性和精確度應達到或超過目前測量方法的標準。

通過使用能完整訪問患者檢查、測試和測量的整個歷史的雲端（cloud-based）數據和分析學，可進一步增強這個願景。此外，人工智能（AI）的使用將使基於機器學習和大數據的診斷成為可能。這可以通過數據挖掘、神經網絡決策以及模式檢測和識別（作為AI功能的一些示例）的方式來完成。

總而言之，在不久的將來，眼部保健的願景將看起來像：面向消費者和醫生的眼部和視力保健的完整解決方案；面對疾病和功能的一組遠程、自我管理測試；通過技術和設備實現測量，將AI用於分析、跟踪和報告。通過大數據統計和洞察力（insight）來增強。

簡單來說，例如：一個人在家中舒適地坐在沙發上，使用設備進行各種測量，然後將數據上傳到AI用於分析。 AI將讓患者知道結果並通知醫生。 AI將在必要的情況下為此人和醫生發起警報。除非發生嚴重問題（例如外科手術），否則此人無需起床。所有其他問題將被遠程處理（例如與醫生進行電子郵件/電話/視頻會議、訂購眼鏡、將其遞送到家中和醫生處方藥物的直接遞送）。

儘管明顯接近“指向消費者”，但對於更多企業仍可像模型一樣容易地實施這些方法。這種實施方式的一個示例將具有一種分層結構，在分層結構中諸如醫院、協會或醫療保險公司的實體使醫生具備向他們的患者提供這種設備和功能的能力。通過用戶帳戶將這些設備都連接到雲端，並且測量直接地流動（streamed）到用戶的帳戶（可能還有他們的病歷）中。這些帳戶可以連接到一位或多位醫生，也可以轉移和共享。

已知的現有技術未能預期或公開本發明的原理。

在現有技術中，視場（FoV）和圖像尺寸（尤其是在個人視圖追踪系統中）的最小化提供了一種克服系統中畸變像差的方法，該畸變像差導致儘管在顯示器上具有直線，但是向用戶呈現的圖像形成彎曲的線條。視野校核系統包含一個非球面透鏡以克服呈現給用戶的線條扭曲。這種硬件解決方案的類型使系統更加複雜和昂貴。

顯示器的像素密度（PPI）屬性對於確定顯示的圖像尺寸至關重要。需要在不同的顯示器之間進行縮放，以允許圖像的正確顯示。當前系統依靠來自電話韌體的輸入，從而以PPI的形式指示正確的分辨率。目前的某些電話無法正確地報告該值。因此對於這些電話顯示器，必須在軟件的後端手動地輸入正確的PPI。

因此，在本領域中長期需要本發明。

本發明通過提供方法和組件的不明顯且獨特的組合和配置來校準系統中的光學像差並允許一種自校正方法來測量顯示分辨率，克服了現有技術中的不足。

本發明通過使用校準過程來測量顯示分辨率並創建畸變像差的校正映射來克服現有技術的不足。

在本發明的某實施例中，顯示器是智能電話的一部分。顯示給用戶的是如附接設備一樣的縱橫比恰當的矩形。附接設備規格眾所周知。然後，用戶調整並對齊螢幕上的矩形以匹配設備的附件輪廓。然後可以使用設備的已知規格和以像素為單位的輸入矩形尺寸，來計算電話分辨率或更具體地計算它的PPI。然後可以將其用於顯示器上圖像的對齊和縮放。反過來，可以將其用於進行視力和屈光度測量。

在本發明的另一實施例中，分辨率測量基於使用外部傳感器輸入。可使用智能電話作為顯示設備來實施該實施例的示例。然後附接的系統可以具有已知的接觸點和界定的距離。當附接的系統物理連接到電話時，觸摸點會指示這些觸摸點的像素位置，這些像素點轉而與點之間的已知距離結合使用，以計算顯示分辨率和PPI。

在發明的另一實施例中，光學系統附接到顯示器。該顯示器向用戶呈現圖像。這些圖像可用於視力測試或用作測量光學系統屈光的手段。例如，光學系統可以是用戶的眼睛，而屈光測量可以是眼睛需要的屈光校正。光學系統向用戶引入像差，特別是畸變像差。這導致圖像看起來不清晰且畸形（malformed）。在本發明中提出了一種通過顯示器上圖像的預畸變的手段來解決圖像畸變的方法。用與光學系統引入的畸變相反的畸變來對圖像預畸變，使得如果直接在顯示器上觀察會看起來變形，而通過具有固有畸變的光學系統觀察會導致圖像看起來銳利而沒有變形。預畸變的主要原理是基於原始系統畸變映射而校準的空間相關圖像彎曲。

當結合附圖考慮以下詳細說明時，這些和其他目的和優點將變得顯而易見。

以下詳細描述針對本發明的某些特定實施例。然而，能夠以申請專利範圍書及其等同物所限定和覆蓋的多種不同方式來體現本發明。在說明書中，對附圖做出標記，其中相同的部件始終用相同的數字符號標出。

除非在本說明書或權利要求書中另有說明，否則說明書和權利要求書中使用的所有術語將具有本領域技術人員通常向這些術語賦予的含義。

除非上下文清楚地要求，否則在整個說明書和權利要求書中，詞語“包括”、“包含”和類似語應解釋為包括性含義，而不是排他性或窮舉性含義；也就是說，從某種意義上說，“包括但不限於”。使用單數或複數的詞也分別包括複數或單數。另外，當在本申請中使用時，詞語“在此”、“上方”、“下方”和類似含義的詞語應整體上指本申請，而不是本申請的任何特定部分。

在本發明的實施例中，在顯示器（例如，智能電話的顯示器）上進行分辨率測量。要求用戶連接到屈光或視力測試中使用的設備。然後，在顯示器上向用戶呈現與附接設備的形狀和縱橫比相同的形狀。然後，用戶調整顯示形狀的尺寸和位置，直到與所連接設備的底座輪廓相匹配為止。圖4A-C示出了此方法的實施方式的示例。圖4A示出了附接到智能電話顯示器的設備，與附接設備的底座相比，智能電話顯示器呈現給用戶的輪廓形狀太大。圖4C示出了附接到智能電話顯示器的設備，與附接設備的底座相比，智能電話顯示器呈現給用戶的輪廓形狀太小。圖4B示出了附接到智能電話顯示器的設備，智能電話顯示器呈現給用戶的輪廓形狀是附接設備的底座的恰當尺寸。在那時，用戶可以指示匹配，然後以像素為單位測量形狀的尺寸。由於設備的規格眾所周知，因此可以如下公式計算顯示分辨率（PPI–像素密度）：

其中d_p 是顯示形狀的最終匹配尺寸（以像素為單位），該尺寸取自顯示器上繪製的形狀，而D_D 是眾所周知的設備的底座的形狀尺寸（以英寸為單位）。

在本發明的另一個實施例中，可通過使用傳感器而不是通過用戶輸入來進行分辨率測量。在建議的實施方式中，可以將測量設備安裝在包括至少兩個觸摸點的框架上，或者該設備本身已經在其自身上嵌入了至少兩個觸摸點。這些接觸點由允許與觸摸屏交互的材料製成。一個示例是將橡膠圓頂附接到略微導電的塑料框架上。然後將觸摸點連接到包括觸摸屏的顯示器（例如，像在智能電話上一樣）。然後，顯示器檢測到兩個觸摸點，並記錄每個點的像素值。然後可以計算點之間的距離，根據以下公式：

其中（x₁ 、x₂ 、y₁ 、y₂ ）是螢幕上檢測到的觸摸點1和2的坐標。然後可以使用與上面相同的公式來計算PPI，其中D_D 是設備上觸摸點之間的距離（以英寸為單位）。在本發明的另一實施例中，可以實施三個或更多個觸摸點，使得可以沿一個以上的方向測量分辨率。

圖5示出了所提出的實施例的示例實施方式。在該圖中，將附接設備保持在具有兩個接觸點的框架中。其間的距離是眾所周知的。然後將具有框架和觸摸點的設備連接到可觸摸的顯示器。然後，顯示器檢測觸摸點並可以確定觸摸像素。然後可以遵循上述用於計算PPI的過程。

在本發明的另一實施例中，提出了一種用於像差校正的方法。特別是畸變型像差。畸變在空間上映射，並將畸變映射用於創建預畸變的圖像，當通過扭曲的光學器件觀察時，該預畸變的圖像向用戶呈現清晰的圖像。畸變映射可以通過仿真或經驗地獲得。可以通過射線追踪或其他計算方法（解析或數值）來實現畸變映射的仿真。例如，可通過光學設備觀察、顯示不同距離的線條和當通過光學系統觀察時，為獲得直線，以距中心的距離的函數的方式為每個線條分配曲率，來完成經驗地映射。在其他實施例中，可以將柵格或點而不是線條用於映射，在這種情況下，曲率分別用於拉直柵格或創建等距點陣列。在示例實施方式中，曲率將與圓的半徑匹配。在另一實施方式中，曲線將與函數的多項式展開匹配。以到中心的距離的函數的方式可以進行最佳擬合以匹配曲率。這轉而可以用於通過光學設備向用戶校正呈現的圖像。在示例實施方式中，對於中心對稱的圖像，距離的測量可以是雙向的（在兩條同軸線之間）而不是到中心的單個距離。在簡化的實施方式中，在所呈現的圖像旨在為線狀條形物（bar）的情況下，可以基於例如條形物的中心的曲率將對於整個條形物的曲率視為一致。對於條形物的側面，這樣做可以簡化必須創建不同曲率。如果條形物厚度相對於曲率半徑較小，則此近似法效果很好。

圖6A-C展示了畸變校正的示例實施方式的說明。該圖使用兩個顏色條形物作為顯示的圖像。該圖像可用於展示畸變校正，以及在[PVT專利]的屈光測量設備中使用。該圖在第一行示出了顯示器上的圖像展示。第二行和第三行顯示了通過沿顯示器上條形物的兩個不同位置的附接設備可以看到的兩個條形物。最後一行示出了通過附接設備，線條似乎重疊的情況。例如，0D屈光就是這種情況。它示出了在[PVT專利]的屈光測量中所需的重疊情況的可能的歧義。圖6A示出了設備中存在的畸變，其中通過系統沒有任何校正預期得到顯示器上的圖像。該圖示出了通過設備光學器件顯示器上的直線相當於曲線的事實。在用戶觀察圖像和進行屈光測試時，那麼這將給用戶帶來錯誤和歧義。圖6B展示了一種控製圖像中畸變的現有技術形式。所使用的解決方案是減小條形物的長度以使因光學系統的扭曲而引起的線條的曲率的影響最小。這種方法的缺點很明顯，因為曲率並未減小，而僅只是不那麼明顯。線條的較短長度導致許多用戶在觀察線條和進行測試（對齊條形物）時遇到問題。圖6C提出了本發明解決方案的一種實施方式，其中通過光學器件將顯示器上的線條預畸變以產生清晰的圖像。當通過附接設備的光學器件觀察直線時，將至今所描述的過程用來以條形物之間的距離的函數的方式構建條形物的曲率的映射，來產生直線（圖中的第2行-第4行）。

上述對本發明的實施例的詳細描述並非旨在窮舉或將本發明限制為以上公開的精確形式。儘管以上出於說明性目的描述了本發明的特定實施例和示例，但是如相關領域的技術人員將認識到的，在本發明的範圍內可以進行各種等效修改。例如，儘管以給定的順序呈現步驟，但是替代實施例可以以不同順序執行具有步驟的例程。本文提供的本發明的教導可以應用於其他系統，而不僅是本文描述的系統。可以結合本文描述的各種實施例以提供更多實施例。鑑於詳細描述，可以對本發明進行這些和其他改變。

上面的所有參考文獻以及美國專利和申請均通過引用併入本文。如果需要，可以修改本發明的各方面，以採用上述各種專利和申請的系統、功能和概念，以提供本發明的更多實施例。

100:目前獲得眼鏡的步驟列表 200:獲得眼鏡的建議步驟 300:附接設備，例如個人視圖追踪 400:顯示器設備，例如智能電話 430:用戶調整以適應所附接設備的標記 500:可替代的附接設備，例如洞察力設備 540:附接設備的輸入區域

圖1 當前獲取眼鏡的過程； 圖2 用於獲得眼鏡的過程的建議的示例； 圖3 建議的企業模型示例； 圖4A 實施顯示分辨率測量的某示例； 圖4B 實施顯示分辨率測量的另一示例； 圖4C 實施顯示分辨率測量的另一示例； 圖5 實施顯示分辨率測量的示例； 圖6A 圖像畸變校正的某示例； 圖6B 圖像畸變校正的另一示例； 圖6C 圖像畸變校正的另一示例。

200:獲得眼鏡的建議步驟

Claims (9)

1. 一種測量光學系統的屈光誤差的方法，該方法包括以下步驟： a）使用用於縮小的第一透鏡； b）使用第二和第三透鏡，第二和第三透鏡各自限定一個狹縫，並且其中與第三透鏡相比，第二透鏡具有的顏色不同； c）使用觀察螢幕穿過第一和第二透鏡來投影第一線條，並且使用觀察螢幕穿過第一和第三透鏡來投影第二線條，其中將第一和第二線條預畸變從而投射出由用戶感知的相對的直線； d) 使用子午線角度旋轉由觀察螢幕投影的第一和第二線條； e) 使用第一子午線角度初始地放置由觀察螢幕投影的第一和第二線條，並使用正在測試的光學系統調整第一和第二線條以對齊，以得出對於第一子午線角度的線條移動的第一距離； f）使用第二子午線角度，第二子午線角度與第一子午線角度成預定角度差，如正在測試的光學系統感知的那樣，調節第一和第二線條，使得第一和第二線條對齊以得出對於第二子午線角度的線條移動的第二距離；以及 g）結合第一和第二子午線角度，使用線條移動的第一和第二距離，以得出光學系統的屈光誤差。
2. 如請求項1所述的方法，進一步包括在所述觀察螢幕上投影觀察端口標記（430）的步驟；用戶調整觀察端口螢幕以與第一和第二透鏡線條的觀察端口一致。
3. 如請求項2所述的方法，進一步包括通過使用由用戶調節的觀察端口螢幕規格的尺寸，來計算顯示器螢幕的顯示分辨率的步驟。
4. 如請求項2所述的方法，進一步包括通過如下公式計算顯示分辨率：

   
5. 一種測量光學系統的屈光誤差的系統，該系統包括： a）第一透鏡，其用於縮小； b）第二和第三透鏡，其中第二和第三透鏡各自限定一個狹縫，並且其中與第三透鏡相比，第二透鏡具有的顏色不同； c）觀察螢幕，其用來穿過第一和第二透鏡來投影第一線條，並且使用觀察螢幕穿過第一和第三透鏡來投影第二線條，其中將第一和第二線條預畸變從而投射出由用戶感知的相對的直線； d) 使用子午線角度旋轉由觀察螢幕投影的第一和第二線條； e) 第一子午線角度，將其用於初始地放置由觀察螢幕投影的第一和第二線條，並使用正在測試的光學系統調整第一和第二線條以對齊，以得出對於第一子午線角度的線條移動的第一距離； f）第二子午線角度，將其與第一子午線角度成預定角度差，如正在測試的光學系統感知的那樣，調節第一和第二線條，使得第一和第二線條對齊以得出對於第二子午線角度的線條移動的第二距離；以及 g）結合第一和第二子午線角度，使用線條移動的第一和第二距離，以得出光學系統的屈光誤差。
6. 如請求項5所述的系統，進一步包括在該觀察螢幕上放置的觀察端口標記（430）；調整觀察端口螢幕以與第一和第二透鏡線條的觀察端口一致。
7. 如請求項5所述的系統，其中通過使用觀察端口螢幕規格的尺寸來得出顯示分辨率。
8. 如請求項6所述的系統，其中通過如下公式得出顯示分辨率：

   
9. 如請求項6所述的系統，其中第二透鏡與第三透鏡的顏色相同。

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