专利名称：一种电脑验光仪的光学系统及验光方法
技术领域：
本发明涉及视光学成像測量技术领域，具体涉及ー种电脑验光仪的光学系统及验光方法。
背景技术：
众所周知，中国学生近视发病率居高不下，同时中国也是仅次于日本的“近视第二大国”。为了防止近视的发生和有效测量近视的屈光程度，验光技术顺应时代需要成为了视光学技术发展的ー个重要分支。其中，能否准确测定人眼的屈光不正的程度，是为患者配制矫正眼镜的关键所在，同时这也成为当前视光学技术研究的热点问题之一。验光是检查光线入射眼球后的聚焦情况，它以正视眼状态为标准，测出受检眼与正视眼间的聚散差异程度，即检测眼的屈光状态的过程。验光仪作为初始阶段的验光设备， 是测量眼睛屈光状态的仪器，其測量精度对后阶段验光有着重要的參考价值，因而备受医务人员和光学工作者们所重视。目前，应用于临床验光较多的是电脑验光仪。电脑验光仪自1759年出现以来，近年来不断推陈出新，然而随着电脑验光仪的大量普及和视光学技术的快速发展，电脑验光仪在检测之中出现了ー些问题，主要是，位置固定的视标和封闭式的视窗容易导致被检者产生紧张的情緒，从而刺激人眼在测量时不断调节，这种处于非松弛状态时测量出的视カ 往往不准确，容易造成对视カ度数误判，影响配镜或者眼睛參数检查。因此，设计和发明一种能让人眼处于自然松弛状态，向被测试者提供一片自然舒适的视觉环境且能快速准确验光的验光仪器，成为了目前视光学领域的重要课题之一。申请人:在文献《自动验光仪中调教光学系统的设计与研究》中公开了ー种调焦光学系统，该调焦光学系统包括前固定組、变焦组和后固定組，该调焦光学系统能准确快速的将眼底像聚焦到图像采集元件上。
发明内容
本发明提供了一种敞开视窗型的电脑验光仪的光学系统及验光方法，精确测量人眼处于松弛状态下的屈光程度。一种电脑验光仪的验光方法，包括利用光源射出平行的准直光线，该准直光线经过环状光阑处理形成准直光圏，所述的准直光圈投入人眼后再由人眼反射回环形的反射像，在相对人眼的不同距离上检测该反射像的环厚，确定在环厚最窄时对应的成像位置，该成像位置相对人眼的距离即为反射像距，通过公式(1)将该反射像距換算成人眼的屈光度，S = -1/d(1)其中，S为屈光度，d为反射像距。所述的准直光线为圆形准直红外光，其波长为800 1200nm，优选为900 980nm,光强为0. 04 0. 05画，发散角不大于0. Imrad0选择800 1200nm的红外光源都是可行的，因为人眼并不能很好得感知红外光，使用红外光将能达到放松人眼的目的。但是考虑到大多数相机的敏感波段有限，因此800 1200nm的红外光较为合适，在本发明中所述的准直光源的波长优选为900 980nm。考虑到保持人眼不受损伤，这里选择光强为 0. 04 0. 05mw。发散角是影响測量结果的重要參数，因此必须对其进行严格控制，因此不得大于0. Imrado一种实现如所述的验光方法的光学系统，包括准直光源和调焦透镜组，还包括位于准直光源前方的环状光阑、用于将环状光阑透射的光环折反射进人眼并将来自人眼的反射像折反射到调焦透镜组的半透半反镜组和用于采集来自调焦透镜组的反射像的图像采集益。所述的半透半反镜组包括两相互平行的半透半反镜，所述的两半透半反镜相对的一面为反射面；所述的两半透半反镜的分光比均为1 1。准直光源发出的准直红外光透过环状光阑形成一准直光圈，该准直光圈由一定夹角投射到其中一个半透半反镜的透射面， 透过该半透半反镜的准直光圈投射到另一半透半反镜的反射面，准确的反射进人眼的瞳孔中，人眼的光学系统使该准直光圈在视网膜上形成一个弥散环，该弥散环通过人眼的光学系统反射到将准直光圈反射进人眼的半透半反镜的反射面，再反射到另一透射准直光圈的半透半反镜的反射面，然后反射进调焦透镜组中，调节调焦透镜组使从人眼反射回来的反射像环聚焦到图像采集器上。所述的调焦透镜组由一組透镜组成，分别为前固定組、变焦组和后固定組。所述的图像采集器为感光敏感元件；所述的感光敏感元件为电荷耦合元件(CCD) 或互补金属氧化物半导体(CMOS)。所述的环状光阑2为允许透过直径为3-4mm，优选为3mm，环厚为0. 2 0. 5mm环带的镀膜玻璃。因为人眼瞳孔直径约为2 6mm，在验光时可以通过控制环境光亮度来影响瞳孔的收縮，即将测试环境的灯光打暗，此时瞳孔的直径可保持在4 6mm，之所以优选3mm的直径正是因为既可以轻松射入瞳孔又能保证光圈的可观测性。环厚要求可以放宽至0.2 0. 5mm，相对来说环带越窄精度越高，但是又要考虑到过于窄的话将不利于光的透过，因此本发明选择0. 2 0. 5mm为佳。本发明的有益效果本发明的光学系统结构简单，在快捷测量的基础上，设计了更加人性化的敞开式窗ロ，检测过程中，人眼的正前方除了半透半反镜外没有其他物体，人眼能够透过半透半反镜来眺望远方，能够有效得减缓测试中人眼的不适感，使人眼在测试过程始终处于自然松弛状态，从而提高测试的精确性和可靠性。
图1是发明的光学系统结构示意图；图2是人眼远点与视网膜共轭示意图；图3是环厚法測定反射像距的光路分析图；图4是调焦透镜组的光学结构图；图 5a-图 5i 分别是九种模拟眼(_20D，-15D, -10D, _5D，0D，5D，10D, 15D，20D)验
光时采集的对比图6是-5D模拟眼验光的数据曲线拟合图；图 7a-图 7h 分别是八种模拟眼(-20D, -15D, -10D, -5D, 5D, 10D, 15D 和 20D)验光
的数据曲线拟合对比图，其中横坐标均为屈光度，纵坐标均为归ー化环厚。
具体实施例方式一种电脑验光仪的光学系统，如图1所示，包括准直光源1，该准直光源1采用波长为900-980nm的准直激光器，发出圆形的准直红外光，准直光源1的前方设有ー个环状光阑 2，该环状光阑2为一允许透过直径为3mm环带的镀膜玻璃，在环状光阑2的前方设置一組半透半反镜组。该半透半反镜组包括两相互平行的半透半反镜3、4(第一半透半反镜3和第二半透半反镜4)，第一半透半反镜3靠近环状光阑2，第一半透半反镜3和第二半透半反镜4相对的一面为反射面，半透半反镜3、4与准直光源1发出的准直光之间成一定的夹角，使半透半反镜3、4能准确的将来自准直光源1的准直光圈射入待检测人眼7的瞳孔中。在第一半透半反镜3的反射面一侧设置ー调焦透镜组5，该调焦透镜组5由一系列相互平行的透镜组成，包括前固定组51 (两个透镜)、变焦组52 ( 一个透镜)和后固定组 53 (两个透镜)。在调焦透镜组5与第一半透半反镜3之间设置一滤光片11，在调焦透镜组5的后方设置ー图像采集器6，该图像采集器选用CMOS，后固定组53与图像采集器6之间的距离为后固定组透镜的焦距ち。本系统的使用方法如下准直光源1平行射出的圆形准直红外光透过环状光阑2形成直径为3mm的准直光圈，该准直光圈通过第一半透半反镜3透射后射入第二半透半反镜4的反射面，由第二半透半反镜4准确反射进待检测人眼的瞳孔中，由人眼的光学系统将该入射准直光圈投影在视网膜上，在视网膜上形成ー个弥散环8，该弥散环8由人眼光学系统反射到第二半透半反镜 4的反射面，由第二半透半反镜4反射到第一半透半反镜3的反射面，再由第一半透半反镜 3反射后由滤光片10滤去可见光，形成ー个反射像环9，反射像环9射入调焦透镜组5，调节调焦透镜组5使反射像环9聚焦到CMOS上，移动变焦组52，CMOS采集到一系列相对人眼距离不同距离处的反射像环9，分析反射像环9的环厚，确定环厚最窄处相对人眼的距离即反射像距离，然后通过该反射像距离与人眼屈光度的关系来计算人眼屈光度，其计算公式为S =-Ι/d，其中，S为屈光度，d为反射像距。上述光学系统及其參数的建立，包括如下内容(以近视测量为例)(1)确定屈光度与反射像距的关系。视カ检测报告中的人眼度数并非是人眼自身的静态屈光度，而是指配镜处方中的眼镜度数，是屈光度的100倍。如图2所示，设人眼屈光度为S，则由屈光度定义可知，配戴上光焦度为-S的凹透镜即可矫正视力。因此，距离人眼长度为P' 0'的点P'可以成像在视网膜上A'点，根据物像共轭的原理可得，视网膜上的点将成像于P'点，即人眼的远点， 因此远点距即是反射像距。从而屈光度S与反射像距d存在以下关系S = -1/d(2)利用环厚法測定反射像距，证实成像后环带最窄的位置即是反射像所在的位置。在图3所示的光学系统中，出光孔径为2m，焦点为F。分別取内外环上点A与E，离光轴的高度为h与H，成像于J与P点。作物平面的边界光线AB，再通过0点作AB的平行线OF1,使其与焦平面相交于F1点，从而得到像平面的边界光线BJ。同理可作边界光线AGJ， EBP与EGP。ABJ与EGC相交于C点，EBP与AGJ相交于K点。由上图分析可得，A点成像于J处，在BG与JP之间任取一点M作截平面，截得AE 的弥散像M1M2,M1与M2为截平面与BJ和GP的交点。由两三角形相似(Δ CJP Δ CM1M2)可得，MiM2>JP。同理可证在JP右侧的任意空间内的弥散像N1N2必定大于JP。因此，环带最窄的位置即是像所在的位置，从而可测得反射像距。(3) Zemax建模设计光路參数Lii, Hwey-Lan Lion %= ^iL Anatomically accurate, finite model eye for optical modeling(Hwey-Lan Liou, Noel A.Brennan. J. Opt. Soc. Am. A, Vol.14, No. 8, 1997，1684 1695.)中提出的人眼模型为基础，通过改变角膜前表面曲率半径来得到屈光度-20D, -10D, -5D，-1D，0D, 1D，5D，10D, 20D。运用Zemax中光线追迹模式和多重结构功能
来建立光路模型。其中，调焦透镜组的光学结构及工作原理如图4所示，主要由前固定組、变焦组和后固定组三部分組成。因为调焦光路检测的对象是红外光，因此，在前固定组与人眼之间设置ー块滤光片，主要用于过滤可见光。眼底反射的红外光通过滤光片后经由前固定组聚焦到眼前有限距离QQ'平面上，与此同吋，步进电机带动变焦组在位置I与位置II之间作轴向位移，使变焦组的焦平面与QQ'重合。此后，光线平行出射，经后固定组聚焦到CMOS上进行图像采集与分析。表1为调焦透镜组的镜头參数表。表1调焦透镜组镜头參数表
权利要求
1.一种电脑验光仪的验光方法，其特征在干，包括利用光源射出平行的准直光线，该准直光线经过环状光阑处理形成准直光圏，所述的准直光圈投入人眼后再由人眼反射回环形的反射像，在相对人眼的不同距离上检测该反射像的环厚，确定在环厚最窄时对应的成像位置，该成像位置相对人眼的距离即为反射像距，通过公式(1)将该反射像距換算成人眼的屈光度，S = -1/d(1)其中，S为屈光度，d为反射像距。
2.根据权利要求1所述的验光方法，其特征在干，所述的准直光线为圆形准直红外光， 其波长为800 1200nm，光强为0. 04 0. 05mw，发散角不大于0. Imrad0
3.根据权利要求1所述的验光方法，其特征在干，所述的准直光圈的直径为3-4mm，环厚为0. 2 0. 5_。
4.一种实现如权利要求1所述的验光方法的光学系统，包括准直光源(1)和调焦透镜组(5)，其特征在于，还包括位于准直光源(1)前方的环状光阑O)、用于将环状光阑(2)透射的光环折反射进人眼并将来自人眼的反射像折反射到调焦透镜组(5)的半透半反镜组和用于采集来自调焦透镜组的反射像的图像采集器(6)。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在干，所述的半透半反镜组包括两相互平行的半透半反镜(3，4)，所述的两半透半反镜(3，4)相対的一面为反射面。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在干，所述的两半透半反镜(3，4)的分光比均为1:1。
7.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在干，所述的调焦透镜组(5)由一組透镜组成，分别为前固定組、变焦组和后固定組。
8.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在干，所述的图像采集器(6)为感光敏感元件。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在干，所述的感光敏感元件为电荷耦合元件或互补金属氧化物半导体。10、根据权利要求4所述的光学系统，其特征在干，所述的环状光阑(2)为允许透过直径为3-4mm环带的镀膜玻璃。
全文摘要
本发明公开了一种电脑验光仪的光学系统及验光方法，属于视光学成像测量技术领域。利用光源射出平行的准直光线，该准直光线经过环状光阑处理形成准直光圈，准直光圈投入人眼后再由人眼反射回环形的反射像，在相对人眼的不同距离上检测该反射像的环厚，确定在环厚最窄时对应的成像位置，将该成像位置相对人眼的距离换算成人眼的屈光度；实现该方法的体统包括准直光源和调焦透镜组，位于准直光源前方的环状光阑、用于将环状光阑透射的光环折反射进人眼并将来自人眼的反射像折反射到调焦透镜组的半透半反镜组和用于采集来自调焦透镜组的反射像的图像采集器。本发明用于测试人眼的屈光不正，使人眼在测试过程始终处于自然松弛状态，提高测试的精确性。
文档编号A61B3/103GK102525402SQ20121005178
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者姚晨, 汪超, 王河林, 石文渊, 隋成华, 魏高尧 申请人:杭州精飞光学仪器制造有限公司, 浙江工业大学