TWI836024B - 用於測量光學系統的特性的方法和設備 - Google Patents

Abstract

公開的實施例包括用於提供低成本的設備、系統和方法，該設備可以通過附接到智慧手機非常精確地測量屈光不正。所公開的設備通過利用逆Shack-Hartman技術模擬視光師使用十字柱鏡過程中的環境光或光源。光學裝置包括小透鏡和小針孔的陣列，其將使用戶有效地聚焦在不同深度。使用光學設備並結合智慧手機，用戶首先改變軸的角度，直到看到十字圖案(垂直線和水準線等間距隔開)為止。使用者通常使用智慧手機上的控制項來調整顯示，以使線匯合並重疊，這相當於使視圖成為清晰的焦點，從而為使用者確定適當的光學處方。

Description

用於測量光學系統的特性的方法和設備

這是基於2019年2月14日提交的美國專利申請16/276,302的部分延續案(CIP)發明申請，並要求美國專利申請16/276,302的優先權，該申請是要求2016年10月17日提交的臨時專利申請62/409,276的優先權的2017年4月19日提交的美國專利申請15/491,557的CIP。本申請還要求2019年3月4日提交的臨時專利申請62/813,488的權益和優先權。相關申請通過引用併入本文，並成為本申請的一部分。

如果本發明申請中的發明公開與相關申請中的公開之間發生任何衝突，則以本發明中的公開為准。此外，發明人通過引用將本申請中引用或提及的任何和所有專利、專利申請和其他文檔的硬拷貝或電子文檔併入本文。

本申請包括受版權保護和/或商標保護的材料。版權和商標所有者不反對任何在專利商標局檔或記錄中出現的傳真公開的傳真複製，但在其他方面保留所有版權和商標權。

本發明總體上涉及驗光儀和人眼屈光不正的評估。更具體地，本發明涉及用於手持消費設備自折射的用途。

所公開的實施例可以通過模擬驗光師在臨床環境中使用的十字柱鏡過程來測量光學系統的折射特性。本文所定義的光學系統不限於人眼和機械系統，其中折射測量可確定屈光不正。公開的實施例可以包括對在Pamplona等人的公開專利申請US2013/0027668A1中描述的 方法擴展和改進，該專利公開了可以使用智慧手機作為光源來測量屈光不正的低成本設備。然而，現有技術中描述的方法和設備限於由單個多透鏡陣列或針孔陣列組成的光學系統，既不像本文描述的實施例那樣精確且易於使用，也不經濟。因此，在本領域中需要一種使用普遍存在的智慧手機可以測量光學系統的折射特性的新系統和方法。

本發明公開的系統和方法包括利用逆Shack-Hartmann技術模擬或複製驗光師的十字柱鏡檢查的方法。公開的系統和方法包括各種改進，例如逆Shack-Hartmann技術的準確性和可用性。所公開設備的光輸入可以源自智慧手機、個人電子設備或其他光學系統，其中使用者將透過設備的另一端看到兩條分開特定距離d(參見圖1)的平行線(例如一條綠色和一條紅色)。這些線可以從智慧手機的螢幕生成。當今智慧手機提供的高解析度(例如iPhone 6具有326dpi的螢幕解析度，對應於約78微米的圖元間隔)，如果引用如焦平面或人視網膜的實體，則可以對光學位移或誤差進行高解析度測量。在光通過光學系統後，在成像平面上形成兩條線(請參見圖1和圖2)，以及在一個特定的實施例中，由於所描述的系統中預期慧差，如圖3所示，兩條線帶有“尾巴”。光學系統中的彗差或彗形像差，是某些光學設計固有的像差，或者是由於透鏡或其他部件的瑕疵(導致諸如形成線的圖元之類的離軸點源)出現扭曲，導致具有像彗星一樣的尾巴(慧差)。具體地，慧差可以定義為在入射光瞳上的放大率的變化。在折射或衍射光學系統中，尤其是在寬光譜範圍內成像 的光學系統中，彗差可以是波長的函數，在這種情況下，它是色差的一種形式。

如圖4所示，如果成像系統或眼睛被測試出有屈光不正，則這些線將無法聚焦並分開。成像平面可以是眼睛視網膜或CCD照相機的感測器。通過改變智慧手機上兩條線之間的距離d(見圖1)，直到用戶感覺到零的距離或接近零的距離(參見圖3、4的“對齊的線”)，可以評估是否有屈光不正。

小透鏡與智慧手機螢幕的距離為D，該距離等於每個小透鏡的焦距。因此，在入射光通過小透鏡之後，其變得准直並且聚焦在被測試透鏡的焦平面上。如果有屈光不正，則如圖4A所示，紅線和綠線在成像平面上分開。如果通過在螢幕上移動這些線改變距離d，則兩條線在成像平面上的位置也會改變。當兩條線在成像平面上重疊時，可以通過距離d的變化量來評估屈光不正。

通過結合附圖閱讀以下詳細說明，本發明的這些和其他方面將變得顯而易見。

100:智慧手機

110:智慧手機螢幕

112:顯示器

200:光學系統

210:焦平面

220:成像平面

230:凸透鏡

240:凹透鏡

300:眼睛/成像系統

400:光軸

500:透鏡

600:複雜透鏡

L1:縮小透鏡

L2:有色透鏡或第二透鏡

L3:有色透鏡或另一個第二透鏡

專利或申請檔至少包含一張有色附圖。專利局將根據要求和必要的費用提供帶有彩色附圖的本專利或專利申請公開的副本。

圖1描繪了所公開的系統的整體配置的示意圖，其中光源是智慧手機螢幕，還描繪了將線移動尺寸為c的一個圖元的效果。

圖2描繪了用戶使用無慧差的線操作公開的設備時可能看到的內容示意圖。

圖3描繪了由於光學系統中蓄意的慧差使用不均勻加寬的粗線，用戶在操作所公開的設備時可能看到的內容示意圖。

圖4A描繪了在初始位置的逆Shack Hartmann技術的實施方式示意圖。

圖4B描繪了已經移動一個圖元的逆Shack Hartmann技術的實施方式示意圖。

圖5A描繪了具有圖案的顯示器用作光學系統的輸入，使用圍繞中心的線的旋轉來測不同的子午線示意圖。

圖5B描繪了具有圖案的顯示器用作光學系統的輸入，使用圍繞螢幕中心的線來旋轉測不同的子午線示意圖。

圖6描繪了使用圖8的複雜透鏡以逆Shack-Hartmann技術在成像平面處模擬串擾示意圖。

圖7描繪了縮小階段示意圖。

圖8描繪了透鏡陣列，其可以添加透鏡，並且其中透鏡陣列能夠使用其他資訊、指示和圖案示意圖。

圖9描繪了逆Shack-Hartmann方法用於驗證處方和結果說明的示意圖。

圖10描繪了出射光瞳縮小系統，使出射光瞳小於成像系統的入射光瞳示意圖。

圖11基於圖4、7、8和10的內容描繪了本發明公開的實施例示意圖。

圖12A描繪了逆Shack-Hartmann技術使用的圖形表示，其中公開的實施例可以模擬用於精確估計屈光不正和透鏡特性的十字柱鏡過程示意圖。

圖12B在圖12A所示的五個點處描繪了使用者感知的圖形表示以及手機螢幕上的狀態示意圖。

圖13描繪了在附圖中使用的凹透鏡和凸透鏡的繪製示意圖。

圖14描繪了第二公開的實施例示意圖。

圖15描繪了公開實施例的示意圖。

圖16描繪了公開實施例的測量概念示意圖。

圖17描繪了用基於圖像修改的線性平移機制的公開實施例示意圖。

圖18描繪了校正光焦度[D]相對於標稱[mm]平移偏移量的曲線示意圖。

圖19描繪了替代實施例，其中第一透鏡被可變焦距透鏡代替示意圖。

圖20A、20B和20C描繪了公開的實施例，其中平移元件沿光軸移動顯示器的示意圖。

以下詳細描述針對本發明的某些特定實施例。然而，本發明可以以權利範圍書及其等同物所定義和覆蓋的多種不同方式來體現。在該描述中，參考附圖，其中，相同的部件始終用相同的標號表示。

除非在本說明書或權利範圍書中另有說明，否則說明書和權利範圍書中使用的所有術語將具有本領域技術人員通常賦予這些術語的含義。

除非上下文另外明確要求，否則在整個說明書和權利範圍書中，詞語“包括”、“包含”等應理解為包含性含義，而不是排他性或窮舉性含義；也就是說，在某種意義上“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“本文”、“上文”、“下文”和類似含義的詞語應指本申請整體，而不是本申請的任何特定部分。

本發明公開的實施例可以使用逆Shack-Hartmann方法以及模擬十字柱鏡的過程，許多驗光師使用該過程來提高屈光不正的精確度。

驗光師用來準確測量患者屈光不正的方法包括：最初，驗光師會對患者的屈光不正進行粗略估計，並且使用十字柱鏡或等效地使用傑克遜十字柱鏡(Jackson’s cross cylinder)可以準確地確定軸和散光的幅度。使用這種方法，驗光師首先使用其他屈光方法(例如自動屈光測量或檢影眼光)估算處方。然後，驗光師使用該處方作為基線，並添加具有零等效球鏡和2C柱鏡度數的純柱面透鏡。因此，透鏡在一個軸上的光焦度(the power of the lens透鏡的光焦度)為+C， 而在垂直於第一個軸的另一軸上的光焦度為-C。驗光師首先將處方估計的軸與具有0光焦度的子午線對齊。然後，驗光師翻轉透鏡，在每個子午線上改變透鏡的極性，或等效地將柱鏡的軸改變90度。如果初始的軸正確，則患者將不會注意到任何差異，模糊程度將是相同的。如果患者注意到差異，則患者會選擇看到最佳圖像的位置(軸)。然後，驗光師將校正透鏡朝向提供最佳品質圖像的軸旋轉5度。重複該過程，直到患者注意不到任何差異為止。上述就是高精度確定軸的方式，然後，驗光師會微調散光的光焦度，並使用新的軸來設置透鏡組，使用的十字柱鏡與以前相同，但是現在，散光軸與十字柱鏡的主子午線平行，驗光師根據患者的方向(該位置的模糊程度最小)翻轉十字柱鏡，改變校正柱鏡的光焦度，直到患者注意不到任何差異為止，並且對十字柱鏡的兩個位置都感覺到相同的模糊程度。

在公開的實施例中，使用簡單的逆Shack-Hartmann實現來測量屈光不正，用戶通過如圖1所示的光學系統觀察諸如智慧手機的螢幕上的兩條線。接著，使用者通過折射設備觀察，並改變螢幕上兩條線之間的距離，直到看到兩條線重疊為止。然後，使用者移動或調整設備繼續前進到下一個子午線，再向使用者顯示兩條線。上述過程在模擬眼睛和/或照相機前面添加矯正透鏡，直到圖像形成清晰的。

根據常規的逆Shack-Hartmann方法，光學系統可以是微透鏡陣列和/或針孔陣列，光學系統到手機螢幕的距離定義為D。

如圖2所示，使用者在操作所公開的設備時會看到兩條線(一條紅色和一條綠色)的螢幕圖案。通過公開的設備操作將線放在一起的功能稱為或定義為“對齊”，並且在該過程結束時線出現在一起和/或重疊。使用者是否可以移動線的最小距離是受到手機解析度(即圖元距離c)和螢幕與光學系統D之間的 距離限制。當使用者改變手機上的距離時，它會改變入射光進入成像系統的角度(參見圖4)。可以根據以下公式計算出到成像系統入射角的最小變化θmin：

通過手機螢幕上瞭解兩條線的距離d和距離D，可以計算出入射角。從入射角θ以屈光度(m-1)(diopter)計算屈光不正度P。因此，可以使用以下等式計算所需的校正屈光度P：

其中，d’是成像系統的透鏡上兩束光的距離或出射光瞳的大小，參考圖4B所示。

因此，在圖4B所示的系統中檢測到屈光不正的解析度為：

該公式假定這些線在成像平面的中心正好重疊。例如，如果圖元距離c為0.78μm，則成像系統的入射光瞳大小d’為1.5mm，焦距為10cm，則可以檢測到最小屈光不正約為1屈光度。

通過使用一對平行線，所描述的測量一次發生一個子午線。為了通過照相機或人眼測量不同的子午線，平行線的角度必須相對於人眼的方向改變。在不同的子午線上，需要對齊手機螢幕上線之間的空間可能會有所不同，因為每個子午線上的光焦度都會由於散光而改變，可以通過圍繞每條線的中心或圍繞圖案的中心旋轉線來改變線的角度，從而改變被測子午線的角度(請參見圖5A和圖5B)。參見圖5B，為了在所有子午線上都具有代表點，至少需要圍繞圖案中心旋轉一圈，否則無法測量與初始的子午線加90度相對應的子午線。當線繞圖案的中心旋轉時，光學元件也應跟隨線的旋轉，這可以通過旋轉光學元件以匹配圖案的旋轉或通過旋轉整個顯示器(手機)來完成。另一種方法是使用更多的 光學元件(微透鏡、針孔等)，在這種情況下，圖案會在手機上旋轉，並使用不同的小透鏡或針孔來准直光線，可能會有串擾的發生讓使用者感到困惑。

利用本文描述的技術，使用逆Shack-Hartmann技術的公開實施例模擬了驗光師所使用的十字柱鏡過程。通過本文公開的逆Shack-Hartmann方法的改進，使得公開的實施例成為可能。如上文討論的Shack-Hartmann技術中那樣，所公開的光學設備可以包括與光源一起使用的小透鏡和/或針孔的陣列。使用此公開的光學設備結合智慧手機，可以模擬上述的十字柱鏡過程。

在一個公開的實施例中，如圖9所示，智慧手機的螢幕同時顯示四條線、兩對平行線。兩對平行線彼此垂直，並且每對線的間距始終相同。當使用者通過光學設備查看智慧手機的螢幕時，會看到兩對平行線，總共四條線。使用者感知一對線中的線距離取決於他的眼睛在垂直於線的子午線上的屈光度以及手機上的線距離。如果使用者有像散誤差，除非測量的子午線與像散誤差的軸相差45度，否則每對線的距離都將不同(圖12中的綠色圓圈表示被測量的兩個子午線)。當每對線的間距不同時，使用者旋轉螢幕上的圖案，使被測量的子午線角度不斷改變，直到用戶看到兩個交叉十字，如圖9所示(每對線均為等距)。使用者使用智慧手機上的控制項來調整每對線之間的線距，以使線匯合並重疊，使視圖的焦點為清晰。

如圖12A所示，為該過程與使用者在每個步驟中觀察到的情況以圖形方式顯示。藍線表示每個子午線(x軸)處的屈光不正(y軸)度。在該特定示例中，使用軸為25的0球鏡-2柱鏡的屈光不正。當使用者旋轉手機螢幕上的圖案時，它會有效地水準移動圖12A中的紅色圓圈，該紅色圓圈與正在測試的子午線相對應。如圖12B中所示，在螢幕上線圍繞它們的中心旋轉，但是用戶看到線的距離改變。紅色方塊始終相隔90度。當兩個被測試的子午線具有相同的光焦度(它們與圖12A中的綠色圓圈處於相同的角度)時，可以定義軸。當他或她看到 每對線的等間距時，用戶知道被測量的兩個子午線具有相同的光焦度(參見圖12B)。值得一提的是，在此過程中，每對線之間的距離相等，在這一點上因此確定了測量的子午線與軸成±45度。

然後，使用者改變等效球鏡的光焦度，直到看到的每對線重疊時，如果每對上有一條紅線和一條綠線，則使用者看到重疊的線則為黃色的十字。等效球鏡的變化會同時改變每一對線的距離。當線重疊時，可以通過螢幕上的線距來推斷等效球鏡。如果使用者看不到十字，則可以重複執行此步驟和上一步驟，直到看到黃色的十字(即紅線和綠線重疊)。在該測量結束時，也確定了散光軸和等效球鏡。

下一步驟是確定像散誤差的軸(即柱筒)的光焦度，與上一步驟的旋轉相比，在此階段開始時，應用程式或使用者將手機上的圖案旋轉45度，因此，其中一對平行於散光軸，第二對垂直於散光軸。使用者通過改變每對線的間距來改變柱鏡的光焦度，直到像先前一樣形成黃色的十字，或者等效地，直到如圖12A中的灰色圓圈與黑色圓圈重合，依據最後一次測量確定柱鏡的光焦度。

總而言之，以下步驟有時會用本發明公開內容以測量使用者的屈光不正：

1.使用者通過看智慧手機螢幕的設備來查看手機螢幕上的四條線，如圖9所示；

2.旋轉設備上的十字圖案，直到每對線(紅色和綠色)的兩條線之間的距離相同；

3.通過改變線之間的距離來改變等效球鏡光焦度，直到使用者看到黃色的十字或盡可能靠近為止。

4.重複執行步驟2和步驟3，直到使用者在視野中間看到黃色的十字為止；

5.將圖案旋轉45度，以測量具有最小和最大光焦度的子午線光焦度；

6.更改柱鏡光焦度，即圖12A中正弦波的振幅，直到使用者看到黃色的十字為止。

該公開的方法的優點在於，測量是同時在相距90度的兩個子午線上進行的。因此，在兩個子午線上都進行測量時，眼睛處於同一狀態。因此，由於對柱鏡和軸的估計將具有較小的誤差，因此期望可以更準確地測量屈光不正或至少可以產生更好的視敏度測量。因為該方法避免了由於適應性波動(例如暗焦點變化、儀器近視等)引起的像散誤差，因為估計像差的幅度和軸所需的測量是同時進行的。

為了實現這種十字柱鏡方法，與現有技術相比，如圖4A和4B所示逆Shack-Hartmann設備需要一些改進。首先，該設備應能同時處理多個子午線，因此，至少需要兩對小透鏡(總共四個小透鏡)，在這種情況下，原本應該通過特定小透鏡的光會通過另一個小透鏡，並通過創建多個圖像而讓使用者感到困惑，如圖6所示的這種效果，我們將其稱為串擾。為了減少串擾的一種方法是增加兩個小透鏡之間的距離，如圖8所示，或者在兩個小透鏡之間包括一個擋板可以提高解析度(較大的d’)，但出射光瞳也會變大。因為人的瞳孔通常為3到6mm(在非常明亮的環境中為1.5mm，而在很少光的環境中為8mm)，就人眼而言除了減少視野，也使看著設備對齊是非常敏感。此外，通過同時移動一排圖元，使重疊圍繞中心而不是精確位於中心，可以將設備的解析度提高2倍。因為當設備的解析度與使用者的屈光不正準確匹配時，線才能在成像平面的中心重疊。最後，我們故意在我們的系統中引入慧差(coma/comma)，以幫助使用者做出決策，在這種情況下，當兩條線在成像平面上稍微觸碰時，兩條線會對齊-讓使用者看不到綠線和紅線之間的黑線，和/或這兩條線稍微觸碰就形成一條黃線(紅線和綠線重疊)，如圖3所示。

因此，當使用者主觀測試方法時，對於理想的設備，需要具有小出射光瞳/大視野、低串擾以及讓使用者易於確定線對齊的方式的高解析度。

子系統的定義

要解決上述問題，可以使用以下子系統：包括單個凹透鏡的縮倍(demagnification)子系統，這能大大提高解析度，如圖7所示；四個透鏡厚2mm相距6mm(中心距中心)，以減少串擾(用於一個透鏡較少的光穿過第二透鏡，並且所產生的圖像相對較遠)和散焦問題(小孔厚2mm)。可以在透鏡中使用狹縫形式的快門，以進一步提高具有較高屈光不正的光學系統可用性。這些尺寸是作為示例，但本發明不限於這些參數；在放大階段減少出射光瞳並改善視野，進一步減少串擾並引入慧差以改善使用者體驗。

最後，可以在被測試的光學系統的透鏡之前使用狹縫形式的快門，以增加景深。這樣使具有高度屈光不正的人所觀察到的模糊得以最小化，由於在一個方向上的小孔，並且同時與針孔相比光的衰減要少得多。

如圖7所示，顯示出縮倍的概念，它可以提高手機螢幕的有效解析度。為了提高解析度，引入了由一個凹透鏡組成的子系統，由凹透鏡創造出比原始圖像小的新虛像。如果焦距為f的凹透鏡距圖像的距離為L，則距光軸距離的變化h將轉換為距離h'，因此有效圖元密度會增加，以提高線性圖元密度的量，縮倍倍數DM=h/h'，由以下公式給出：

因此，通過增加距螢幕的距離或減小透鏡的焦距，可以提高縮倍倍數。能提高螢幕的有效解析度，並且不限於此設備的其他應用程式，例如也可用於提高VR頭戴式耳機的解析度，虛像在凹透鏡後面(朝向螢幕)以距離L/DM形成，將線性圖元密度增加DM倍的效果，或等效地將最小圖元距離減少DM倍的效果。

如圖8所示，為所述透鏡陣列能添加可選的透鏡以允許傳輸其他資訊、指示和圖案。在該設置中，使用四個小透鏡來避免旋轉/串擾/散焦(四個小透鏡處於相對較遠的距離)，而在陣列的中心具有第五個可選的小透鏡，以允許將其它光學圖像呈現給使用者。其它光學圖像可用於控制調節或發送使用者視覺資訊和/或指示，四個小透鏡的尺寸可以為2x4mm，以充當小型快門並減少串擾。打算通過一個透鏡的光與垂直於初始透鏡定向的透鏡耦合不良。如本文開頭所述，成對使用小透鏡(參見圖8中的1、2、3和4)，即產生兩個准直光束。因為引導通過透鏡1和2的光由於其形狀而不能很好地耦合到透鏡3和4，減少了串擾，反之亦然。因此小透鏡相距6mm，以減少串擾。

如圖9所示，為所述透鏡的用法和檢查結果。為了檢查測試結果的有效性，如果系統正確估計了使用者的眼睛或被測設備的屈光特性，則可以同時使用全部四個小透鏡，如在十字柱鏡方法中一樣。螢幕上的線距是根據結果和被測量的子午線設置的。如結果正確，則用戶將看到十字。例如結果顯示柱鏡處於θ度，且要檢查該柱鏡，則將一對透鏡設置為在θ度進行測量，而第二對設置在θ+90處以180度為模數。

如果需要測量等效球鏡，則可以進行在θ+45處以180度為模數和在θ-45處以180度為模數的測量。在這兩個子午線上，如果屈光不正的估計是正確的，則被測試的透鏡的光焦度應等於等效球鏡。如果用戶看到4條線，則測試結果不正確(參見圖9中指示了錯誤的結果)。如果用戶看到十字，則該結果是有效的(參見圖9中指示了正確結果)。這樣可以通過同時測量兩個子午線來對結果進行實驗驗證。

使用四個彼此相對較遠的小透鏡和可選的第5透鏡，可以減少串擾，並避免任何機械旋轉，而任何子午線都可以進行測量。同時，第五透鏡可用 於提供必要的刺激，以控制使用者的適應並向其投射其它有用的資訊，缺點是出射光瞳很大、視野很小，下一個子系統將解決此問題。

如圖10所示，為出射光瞳的減小、串擾的減小和彗形感應器的光學系統。引入的慧差有助於提高光學系統的可用性，該子系統具有三個目的。主要目的是減少出射光瞳，從而增加視野。其次，由於串擾圖像在使用者視野之外，因此可以進一步減少使用者感知到的串擾。最後，這種設置會引入慧差，使線更易於查看和對齊(參見圖2所示的粗線效果)。

該設置或公開的配置包括具有焦距f1的凸透鏡和具有焦距f2的凹透鏡。兩個鏡頭共用相同的焦平面。該系統中的輸入是小透鏡陣列的輸出，因此是兩個准直光束。為了便於分析該子系統，應假定兩個光束平行於光軸。凸透鏡聚焦兩個平行光束。這使兩個光束更靠近，從而減小了出射光瞳。在它們到達焦點之前，凹透鏡進行幹預，兩束光束再次變得平行更近。出射光瞳的縮小量(d/d’)等於兩個透鏡的焦距之比(f1/f2)。這具有減小串擾的效果(凹透鏡起擴束器的作用，並增加了主光束和由於串擾引起光束之間的角度間隔)。該系統的第二個副作用是慧差感應，因為使用了球面透鏡的邊緣並進行了轉換，會產生對准直光束引入的慧差。如圖3所示，這導致了一條帶有漸弱尾部的尖線。使得更容易找到線，並且能客觀地對齊。理想情況下，使用者將兩條線非常靠近放置，以便看到一條淡黃色的線且沒有縫隙(參見圖3)。該系統的缺點是解析度大大降低。兩種現象導致解析度降低：(1)平行光束的距離減小直接影響解析度；(2)對於相同的圖元移動，眼睛的入射角會有較大的變化，導致較低的解析度。

如圖11所示，為整體公開的系統，包括整體系統和光學部件的描述。先前的子系統將圖7、8、10實現為一個完整的光學系統，其可以包括：凹透鏡可減少最小屈光不正；透鏡陣列用將來自使用凹透鏡和第三子系統的凸透鏡創建的虛像光准直。與使用單獨的光學元件相比，這種定制/複雜的光學元件可 將透射率提高大約8.6%，顯著降低製造成本；並且第二凹透鏡為成像系統準備光。

因此，來自手機顯示幕的光首先穿過第一凹透鏡，以提高有效解析度。然後通過與整個系統偏軸的凸小透鏡使光准直平行，然後通過另一個凸透鏡，然後是凹透鏡以減少出射光瞳並減少串擾。為了進行校準的測量，設備應進行初始校準。可以使用聚焦在無限遠處的相機(模擬正視眼)來完成此操作。然後，通過從相機前面的試鏡套件中添加一個處方鏡片來創建人為錯誤。然後，將線移動到它們接觸為止，並且將位移量記錄在感應屈光不正中。這樣可以通過位移來確定屈光不正。

在本發明的另一個實施例中，如圖14所示，可以用一對有色透鏡和安裝在旋轉安裝件上的每個透鏡的狹縫代替複雜透鏡和縮倍階段。有色鏡片充當濾鏡以消除串擾，一個鏡頭可以染成紅色，第二個鏡頭染成綠色。因此，從綠線發出的光不能穿過紅色透鏡，反之亦然。每個鏡頭後都有一個狹縫，可充當快門並增加景深。同樣，狹縫的使用並不會大大降低透射強度。在該實施例中，不需要放大級，因為出射光瞳僅由兩個狹縫之間的距離確定，並且通過使用有色透鏡消除串擾。為了測量在不同角度的子午線，鏡片和狹縫一起使用旋轉安裝件旋轉，並隨著螢幕旋轉，旋轉既可以由使用者手動進行，也可以使用電動機進行。當使用者進入下一個子午線時，應用程式能自動旋轉旋轉的安裝件。

機械公差分析

如果整個系統以一階近似平行於螢幕平移，則屈光誤差評估中的誤差將最小。唯一的效果是，用戶將不會在其視場中心周圍看到對稱的線，並且強度會降低。接下來，將分別分析每個子系統，重點放在側向位移上。通過將側向公差轉換為角度(在本節末尾所示)，可以輕鬆計算出傾斜度。

a.縮倍

縮倍由以下得出：

虛擬影像的位置和大小分別是

因此△L的變化將導致虛擬影像的位置

中的縮倍

以及虛擬影像的大小

發生變化。

虛擬影像大小的變化將直接引起校準的偏移，縮倍的變化將直接影響系統的解析度，位置的變化會影響以下子系統的性能。在DM上，解析度受c(圖元間隔)的限制：

因此，如果縮倍倍率為3，則設備的靈敏度降低9倍。就公差而言，高縮倍是有益的，擁有長焦距甚至更好，優選使用更長的長度來實現大的放大倍率。

b.平行光束創建

如果光源不完全位於小透鏡的焦點上，則小透鏡之後的光束將會發散或會聚，因此產生偏差，改變測量的結果。因此，將通過

改變我們對光焦度的測量。

根據該公式，可以將由於縮倍引起的光焦度變化計算為：

這種變化加上由於縮倍的變化而產生的偏差，並降低了總效果。

c.放大階段

此階段不依賴於上一個階段。它僅減小了兩個光束之間的距離。如果兩個透鏡之間的距離不正確，則會在折射測量中產生偏差。再次以一階近似為

主導因素是縮倍階段的橫向變化，主要是兩線(2h’)之間的距離變化。高度變化會引起測量光焦度的偏差。對於低解析度，由於縮倍的變化而導致的解 析度變化非常重要，尤其是對於屈光不正的人。例如縮倍倍率等於3，線之間的距離等於18mm，凹透鏡距螢幕的距離等於30mm的設計。

傾斜可以轉換為橫向位移(至少在一階近似中)。如果透鏡圍繞中心傾斜，則僅聚焦於縮倍階段(這是公差最嚴格的階段)，透鏡的一側靠近螢幕，另一側更遠，淨效應為零。如果將鏡頭傾斜在角上，則只有一側移動，並且長度變化為△L

2h△θ。角度將轉換為光焦度偏差，如下所示：△P=-14.4△θ(弧度)=-0.25△θ(角度)。

進一步的實施方案包括當前的裝置和方法包括基於透鏡的屈光儀，該屈光儀連接到智慧手機並與智慧手機應用程式一起使用，從而允許精確測量光學系統的屈光不正。在所測量的光學系統是人眼的情況下，這種設備的示例是EyeQue Corp的Personal Vision Tracker(PVT)(專利公開US20170215724A1，以引用的方式全文併入本文)。

PVT的工作原理是將定義的幾何圖案圖像投影到使用者的視網膜上，允許使用者控制圖像屬性的一面以實現明確的目標，然後測量圖像的參數以推斷出所需的使用者光學系統(例如他們的眼睛)的校正。例如圖像可以在光學設備所附接的智慧手機的螢幕上。此外，圖像的示例可以是一組不同顏色(例如紅色和綠色)的平行線，當圖像通過光學設備傳輸時，使用者調整螢幕上線之間的感知距離，以使它們到達最終位置，例如它們以明確定義的關係(例如重疊)出現。線之間的距離和感知到的重疊之間的關係對應於用戶的屈光不正。

如圖15所示，為該實施方式的示例。

如圖15所示，該方法和裝置的測量精度受到手機解析度的限制。在當今的智慧手機中，圖元密度(解析度以每英吋圖元為單位元測量，ppi)約為326。有解析度更高的手機(最常見的是570ppi左右)和解析度較低的手機(低到250ppi以下)。326ppi手機允許在-10D和+8D範圍內0.25D程度的精度。在大多 數情況下，此精度級別是足夠的，但可能會有所限制(尤其是對於較低解析度的手機)。此外，該方法需要有顯示器來控制線之間的距離。

作為該裝置和方法的替代，本發明提出了測量屈光的以下實施方式。通過光學系統(參見圖15所示的系統)向使用者呈現示出幾何圖像(例如平行線為一個綠色和一個紅色)的顯示器。然後，使用者通過測量的光學系統控制圖像的幾何表示。在本發明的實施例中，通過修改顯示器與第一透鏡的距離來完成控制。在本發明的另一個實施例中，通過修改設備光學系統末端的透鏡的焦距來完成控制，例如通過使用可變焦距透鏡、變焦透鏡或液體透鏡。使用者通過測量的光學系統對圖像進行修改，以實現特定的幾何目標，例如線重疊。然後記錄系統參數(無論是距離偏移還是透鏡的調整焦距)，並與所測系統的所需光學校正相關聯。所測系統的例子可以是使用者的眼睛。可以例如由人工智慧(例如神經網路)通過校準、擬合曲線/函數、分析或數值計算來完成關聯。

如圖16所示，為公開測量原理的解釋。在設備第一透鏡的顯示器標稱位置處，顯示器上呈現的線看起來重疊在所測光學系統(例如，眼睛的視網膜)的焦平面上。當顯示器平移遠離所測的光學系統時，隨著焦點(這些線相交的點)遠離設備，這些線似乎在同一個方向上彼此越來越遠。當顯示器朝第一透鏡平移時，線分開到另一個方向，而焦點移向設備。

如圖17所示，為本發明的實施例基於線性平移機構用圖像修改。

光學折射器可以包括一縮倍透鏡L1和兩個有色透鏡L2(綠色)和L3(紅色)。與L2和L3相鄰的是狹縫，能分別允許紅色和綠色光通過。可以通過狹縫的兩線主光線從第一透鏡距螢幕的增量距離來確定設備的解析度。

如18所示，為所公開的實施例中光焦度-距離關係。應當注意，依存關係不是預期的線性關係。曲線的斜率決定解析度。在當前情況下，預期的平均解析度約為2.5D/mm(100μm對應於0.25D)。當兩線的角度判定(angular sentence)Ψ減小時，可以通過改變線之間的標稱距離或通過增加第一透鏡的焦距來提高設備的解析度，設備的解析度與1/tan(Ψ)成正比。

如圖19所示，為本發明的另一實施例，其中第一透鏡由可變焦距透鏡代替。在該實施例中，改變第一透鏡的焦距使顯示器上的線之間在所測光學系統(例如，人眼的視網膜)的焦平面中重疊。圖19還顯示了標稱透鏡光焦度以及其他兩個可能光焦度的光線跟蹤，第一個透鏡的較高光焦度(較短的絕對焦距，在示例中為正光焦度)將與遠離設備相交的兩條線焦點相對應，而較低的光焦度(更長的絕對焦距，在本例中為更負的光焦度)對應於更靠近設備相交的線。

由於修改機制與線之間的實際距離無關，因此顯示器可以有多種選項，例如包括：螢幕(包括智慧手機螢幕)、LED燈帶(包括線由漫射器和彩色濾光片組成的那種)、帶背光的半透明板、照亮透射所需圖案的遮罩燈箱。

為了測量所測光學系統(例如眼睛)的像散方面，可以旋轉設備通過不同的子午線，並且所需矯正光焦度的結果資料可以用於計算所測光學系統在焦點(球體)和像散(柱和軸)的屈光不正。

可選地，如圖20A，20B和20C所示，顯示器、有色透鏡和狹縫能相對地旋轉，而不是整個設備。

在本發明的實施例中，平移元件沿著光軸移動顯示器，並且單個旋轉元件允許目鏡上的狹縫和有色透鏡以及顯示器通過不同的子午線串聯旋轉(圖20A)。在本發明的另一個提出的實施例中，通過實施兩個旋轉元件來實現旋轉，一個旋轉元件在顯示器上，另一個旋轉元件用於狹縫和有色透鏡(圖20B)。在該實施例中，需要特別注意旋轉元件之間的同步。在本發明的另一實施方式中，顯示器的旋轉通過數位裝置來完成，其中顯示器是電子螢幕。在這種情況下，狹縫和有色透鏡的旋轉由旋轉元件完成(參見圖20C)。

線性平移元件和旋轉元件都可以具有各種表現形式，包括例如完全手動控制、完全自動或電子控制及其任意組合。所提出的實施例能以單眼或雙眼形式實施。在本發明的實施例中，該設備將連接到智慧手機或其他啟用藍牙的計算設備以傳輸資料在該計算設備上執行計算和分析，或者使該資料能夠傳輸到雲端執行計算和分析。該連接也可以用於控制設備的不同方面，例如相應元件的旋轉和平移。

本發明實施例以上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。雖然步驟以給定順序呈現，但替代實施例可以執行不同順序的步驟常式。本文提供的本發明教導可以應用於其他系統，而不僅是本文描述的系統。本文描述的各種實施例可以組合以提供其他實施例。根據詳細描述，可以對本發明進行這些和其他改變。

以上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，以提供本發明的又一實施例。

根據以上詳細描述，可以對本發明進行這些和其他改變。一般而言，除非以上詳細描述明確定義了術語，否則不應將以下權利要求中使用的這些術語理解為將本發明限制為說明書中公開的特定實施例。因此，本發明的實際範圍涵蓋所公開的實施例以及在權利範圍書下實踐或實現本發明的所有等效方式。

雖然下面以某些權利要求的形式呈現了本發明的某些方面，但是發明人以任何數量的權利要求的形式構想了本發明的各個方面。

公開的實施例可以包括以下項目：

1.使用第一透鏡(200)，第二透鏡和顯示器(112)測量光學系統(300)中屈光不正的方法，該方法包括以下步驟：將第二透鏡設置在光學系統附近；將第一透鏡設置在第二透鏡的視線內；將顯示器設置在第一透鏡的視線內；改變第一透鏡到顯示器的距離，直到如光學系統觀察到的顯示器上的標記對準為止；利用改變顯示器的距離得出光學系統的球面誤差。

2.項目1的方法，其中第一透鏡包括縮倍透鏡。

3.項目2的方法，其中第二透鏡包括第一有色透鏡和第二有色透鏡。

4.項目3的方法，其中第二透鏡限定兩條狹縫。

5.項目4的方法，其中從第二透鏡傳輸到光學系統的標記包括第一顏色和第二顏色。

6.項目1的方法，其中顯示器上的標記包括第一符號和第二符號。

7.項目6的方法，其中第一和第二符號分別是垂直和水準有色線。

8.項目7的方法，其中有色線是紅色和綠色。

9.項目1的方法，其中，顯示器能包括選自以下組中的一種：(螢幕(包括智慧手機螢幕))、LED燈帶(包括線由漫射器和彩色濾光片組成的那種)、帶背光的半透明板、照亮透射該標記遮罩的燈箱。

10.項目1的方法，還包括以下步驟：回應於在螢幕上變化的投影並使用測得第二透鏡的距離，沿著光軸使第二透鏡旋轉通過不同的子午線，並測量第二透鏡在每個子午線上的移動距離，以得出光學系統進一步的屈光不正。

11.項目1的方法，還包括以下步驟：與第二透鏡沿光軸通過不同的子午線同步地旋轉顯示器，並測量第二透鏡在每個子午線上的移動距離，並使用測得的第二透鏡的距離以得出光學系統進一步的屈光不正。

12.使用第一透鏡、第二透鏡和顯示器(112)測量光學系統(300)中屈光不正的方法，該方法包括以下步驟：將第二透鏡設置在光學系統附近；將第一透鏡設置在第二透鏡的視線內；其中第一透鏡是變焦透鏡；將顯示器設置在第一透鏡的視線內；改變從第一透鏡的焦距，直到如光學系統觀察到顯示器上的標記對準為止；利用第一透鏡改變的焦距得出光學系統的球面誤差。

13.測量光學系統(300)中屈光不正的系統，包括第一透鏡、第二透鏡和顯示器，該系統包括：設置在光學系統附近位置的第二透鏡；設置在第二透鏡的視線內的第一透鏡；設置在第一透鏡的視線內的顯示器；該顯示器具有從第一透鏡的可調節連接件，該可調節連接件具有調節長度的裝置，直到如光學系統觀察到顯示器上的標記對準為止；顯示器的距離變化用作變數，以得出光學系統的球面誤差。

14.測量光學系統(300)中屈光不正的系統，包括第一透鏡、第二透鏡和顯示器(112)，該系統包括：設置在光學系統附近的第二透鏡；設置在第二透鏡的視線內的第一透鏡；其中第一透鏡是變焦透鏡；設置在第一透鏡視線內的顯示器；測量第一透鏡焦距變化的裝置，用於對準如光學系統觀察到顯示器上的標記；第一透鏡的焦距距離變化用作變數，以得出光學系統的球面誤差。

Claims (13)

1. 一種在光學系統中使用一第一透鏡、一第二透鏡和一顯示器測量屈光不正的方法，所述方法包括以下步驟：a.將所述第二透鏡設置在光學系統附近；b.將所述第一透鏡設置在所述第二透鏡的視線內；c.將所述顯示器設置在所述第一透鏡的視線內；d.改變從所述第一透鏡到所述顯示器的距離，直到光學系統觀察到所述顯示器上的標記對準為止；e.利用改變所述顯示器的距離得出光學系統的球面誤差；以及f.所述第二透鏡包括一第一有色透鏡和一第二有色透鏡。
2. 如請求項1所述的方法，其中所述第一透鏡包括縮倍透鏡。
3. 如請求項2所述的方法，其中所述第二透鏡限定兩條狹縫。
4. 如請求項3所述的方法，其中從所述第二透鏡傳輸到光學系統的標記包括第一顏色和第二顏色。
5. 如請求項1所述的方法，其中所述顯示器上的標記包括一第一符號和一第二符號。
6. 如請求項5所述的方法，其中所述第一和所述第二符號分別是垂直和水準的有色線。
7. 如請求項6所述的方法，其中有色線是紅色的和綠色的。
8. 如請求項1所述的方法，其中所述顯示器包括選自以下組中的一種：螢幕、LED燈帶、帶背光的半透明板、照亮標記遮罩的燈箱。
9. 如請求項1所述的方法進一步包括以下步驟：回應於在螢幕上變化的投影使用測得的所述第二透鏡的距離，沿著光軸使所述第二透鏡旋轉通過不同的子午線，並測量所述第二透鏡在每個子午線上的移動距離，以得出光學系統進一步的屈光不正。
10. 如請求項1所述的方法，進一步包括以下步驟：與所述第二透鏡沿著光軸通過不同的子午線旋轉同步地旋轉顯示器，測量所述第二透鏡在每個子午線上的移動距離，並測得所述第二透鏡的距離得出光學系統進一步的屈光不正。
11. 一種使用一第一透鏡、一第二透鏡和一顯示器測量光學系統中屈光不正的方法，所述方法包括以下步驟：a.將所述第二透鏡設置在光學系統附近；b.將所述第一透鏡設置在所述第二透鏡的視線內；其中所述第一透鏡是變焦透鏡；c.將所述顯示器設置在所述第一透鏡的視線內；d.改變所述第一透鏡的焦距，直到光學系統觀察到所述顯示器上的標記對準為止；e.利用所述第一透鏡改變的焦距得出光學系統的球面誤差。
12. 一種測量光學系統中屈光不正的系統，其包括一第一透鏡、一第二透鏡和一顯示器，該系統包括：a.設置在光學系統附近的所述第二透鏡；b.設置在所述第二透鏡視線內的所述第一透鏡； c.設置在所述第一透鏡視線內的所述顯示器；d.所述顯示器具有從所述第一透鏡的可調節連接件，該可調節連接件具有調節長度的裝置，直到光學系統觀察到所述顯示器上的標記對準為止；e.所述顯示器的變化的距離用作變數，以得出光學系統的球面誤差。
13. 一種測量光學系統中屈光不正的系統，包括一第一透鏡、一第二透鏡和一顯示器，該系統包括：a.設置在光學系統附近的所述第二透鏡；b.設置在所述第二透鏡視線內的所述第一透鏡；其中所述第一透鏡是變焦透鏡；c.設置在所述第一透鏡視線內的所述顯示器；d.測量所述第一透鏡焦距變化的裝置，用於對準光學系統觀察顯示器上的標記；e.所述第一透鏡的焦距變化距離當作變數，以得出光學系統的球面誤差。