一种仿真光学眼功能模型的制作方法

本发明教学用仿真眼部模型技术领域，具体涉及一种仿真光学眼功能模型。

背景技术：

人眼在光学上通常等同于照相机。虹膜与快门相比较，瞳孔与光圈相比较，晶体与镜头相比较，视网膜与胶片相比较，并且两者都具有透镜系统以聚焦光线。尽管存在许多相似之处，但这两个系统之间的主要区别在于聚焦对象的机制。在照相机中，每个镜头的焦距是固定的，并且焦点的改变是由镜头的移动引起的。然而，在人眼中，是通过改变晶体的曲率来改变晶体的光焦度，从而引起焦点的改变。

目前眼球的物理模型主要是解决了解眼球的解剖结构、简单的透镜成像原理模型。这些解剖结构模型主要用于医学的解剖知识学习和教育培训，一些模型试图结合透镜或其他方法来模拟自然眼睛的特定的光学特性。

申请人从眼光学结构入手，仔细研究如何将眼光学结构及功能转换成通俗易懂的实物模型，通过设计一种仿真光学眼功能模型，用于演示人眼的光学功能，模拟眼睛各光学结构的生物特征变化，从而理解光学结构对光线折射和像差的影响，用于视光学的计算方法来计算和矫正屈光问题，将眼光学不易理解的问题形象化、可视化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种仿真光学眼功能模型，能够用于演示人眼的光学功能，模拟眼睛各光学结构的生物特征变化，从而理解光学结构对光线折射和像差的影响，用于视光学的计算方法来计算和矫正屈光问题，将眼光学不易理解的问题形象化、可视化。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种仿真光学眼功能模型，其特征在于：包括光具座、光源组件、角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件，所述光具座包括第一座板、第二座板、第一导轨和第二导轨，在第一座板和第二座板上分别开设导轨插孔，所述第一导轨和第二导轨的两端通过导轨插孔平行穿装设置在第一座板和第二座板之间；所述光源组件、角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件均包括底座滑块，所述底座滑块上设置第一滑孔和第二滑孔，底座滑块通过第一滑孔和第二滑孔安装在第一导轨和第二导轨上并能沿轨滑动；在第一导轨和第二导轨上沿轴向标识长度刻度；在第一座板和第二座板上均开设能够联通导轨插孔的导轨定位调节螺纹孔，并在导轨定位调节螺纹孔内通过螺纹设置导轨定位螺栓；在各个底座滑块上分别开设能够联通第一滑孔和第二滑孔的滑块定位螺栓孔，并在滑块定位螺栓孔内设置滑块定位螺栓。

所述光源组件包括发光源框板，在发光源框板内安装“f”形发光二极管，所述发光二极管连接蓄电池和电源开关，所述电源开关能够控制发光二极管的启闭；发光源框板通过阻尼伸缩杆安装在光源组件的底座滑块上。所述的发光二极管具有散射小，成像清晰的优势。

所述角膜组件包括角膜透镜和角膜透镜安装框，所述角膜透镜嵌装在角膜透镜安装框内；所述角膜透镜安装框通过阻尼伸缩杆安装在角膜组件的底座滑块上。

优选的，所述虹膜组件包括机械虹膜结构体，所述机械虹膜结构体通过阻尼伸缩杆安装在虹膜组件的底座滑块上。

优选的，所述晶状体组件包括晶状体透镜和晶状体透镜安装框，所述晶状体透镜安装在晶状体透镜安装框内；所述晶状体透镜安装框通过阻尼伸缩杆安装在晶状体组件的底座滑块上。

优选的，所述晶状体透镜为固态透镜或可变透镜；所述可变透镜包括前薄膜和后薄膜，所述前薄膜和后薄膜分别安装在晶状体透镜安装框的前侧面和后侧面，所述前薄膜、后薄膜和晶状体安装框围合形成密闭的注水空间，在晶状体透镜安装框上开设注液孔，所述注液孔与注水空间相连通，在注液孔上插入能够拆卸的硅胶塞；当拆下硅胶塞后，注液孔内能够插入注液管并通过注液管连接注射器。

优选的，所述视网膜组件包括成像板，所述成像板为球弧面结构或平面结构，在成像板的外周设置角度刻度盘。

优选的，还包括屈光调节组件，屈光调节组件设置在光源组件和角膜组件之间；所述屈光调节组件包括屈光调节镜架，所述屈光调节镜架的前侧设置屈光片弹卡，在屈光片弹卡内能够固定两个以上的屈光镜片；所述屈光调节镜架通过阻尼伸缩杆安装在屈光调节组件的底座滑块上。

优选的，还包括仿生眼球壳，所述仿生眼球壳包括上球壳、下左球壳和下右球壳，所述上球壳、下左球壳和下右球壳能够通过磁吸或粘合或螺栓固定的方式围合成一体形成仿生眼球状；上球壳、下左球壳和下右球壳能够将角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件包裹在内。

优选的，在仿生眼球壳上绘制或雕刻眼球的肌肉和血管分布图像及结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的仿真光学眼功能模型，在仿真学基础上3d建模，依据人眼结构1：6放大制作，应用相关组件模拟眼睛各光学结构的生物特征变化，从而理解光学结构对光线折射和像差的影响，用于视光学的计算方法来计算和矫正屈光问题，将眼光学不易理解的问题形象化、可视化。

2.为模拟不同的光学眼功能，本模型设计了许多具有不同解剖学特性的光学模型组件，包括具有移动可变焦透镜功能的角膜透镜、具有可变瞳孔功能的机械虹膜结构体、弧度可调式晶状体透镜和屈光调节组件等功能性模型。

3.结合模型理解人眼光学刺激信息反馈的三大机制：（1）晶状体的快速调节机制；（2）中效的脉络膜机制；（3）不可逆的长效巩膜机制；了解形觉剥夺、离焦刺激、视网膜的追像生长等抽象概念。

4.为了得到完美演示效果，需考虑像差对图像质量的影响，要理解近轴、非球面、偏心、视网膜弯曲等特征的“有限模型”眼，应将光学模型用于特定目的，在遵循最佳模型适应最适合任务的原则并在这一原则指导下设计开发的整体结构。

附图说明

图1是实施例一的立体结构示意图（不含仿生眼球壳）；

图2是实施例二的立体结构示意图（含仿生眼球壳）；

图3是光源组件的结构示意图；

图4是角膜组件的结构示意图；

图5是虹膜组件的结构示意图；

图6是晶状体组件的结构示意图；

图7是晶状体组件为可变透镜结构的工作原理示意图；

图8是视网膜组件的结构示意图；

图9是实施例三的立体结构示意图；

图10是屈光调节组件的立体结构示意图；

图中：1、发光源框板；2、发光二极管；3、角膜透镜；4、角膜透镜安装框；5、机械虹膜结构体；6、晶状体透镜；7、晶状体透镜安装框；8、注液孔；9、角度刻度盘；10、成像板；11、第一导轨；12、第二座板；13、第二导轨；14、滑块定位螺栓；15、滑块定位螺栓孔；16、第二滑孔；17、阻尼伸缩杆；18、底座滑块；19、第一座板；20、导轨定位螺栓；21、下左球壳；22、上球壳；23、下右球壳；24、电源开关；25、第一滑孔；26、拨杆；27、叶片；28、注液管；29、注射器；30、后薄膜；31、前薄膜；32、屈光片弹卡；33、屈光调节镜架；34、屈光镜片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明所述的一种仿真光学眼功能模型，包括光具座、光源组件、角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件，所述光具座包括第一座板19、第二座板12、第一导轨11和第二导轨13，在第一座板19和第二座板12上分别开设导轨插孔，所述第一导轨11和第二导轨13的两端通过导轨插孔平行穿装设置在第一座板19和第二座板12之间；所述光源组件、角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件均包括底座滑块18，所述底座滑块18上设置第一滑孔25和第二滑孔16，底座滑块18通过第一滑孔25和第二滑孔16安装在第一导轨11和第二导轨13上并能沿轨滑动；在第一导轨11和第二导轨13上沿轴向标识长度刻度。在第一座板19和第二座板12上均开设能够联通导轨插孔的导轨定位调节螺纹孔，并在导轨定位调节螺纹孔内通过螺纹设置导轨定位螺栓20；在各个底座滑块18上分别开设能够联通第一滑孔25和第二滑孔16的滑块定位螺栓孔15，并在滑块定位螺栓孔15内设置滑块定位螺栓14。

通过适度松开导轨定位螺栓20，能够调节第一座板19和第二座板12之间的两条平行设置的第一导轨11和第二导轨13的有效使用长度，待上述长度调节好后，再拧紧导轨定位螺栓20即可完成导轨长度的调节设置。

通过适度松开滑块定位螺栓14，能够调节各个功能体的底座滑块18在第一导轨11和第二导轨13上的位置；待上述位置调节好后，再拧紧滑块定位螺栓14，即可实现底座滑块18的位置定位设置。

如图3所示，所述光源组件包括发光源框板1，在发光源框板1内安装“f”形发光二极管2，所述发光二极管2连接蓄电池和电源开关24，所述电源开关24能够控制发光二极管2的启闭；发光源框板1通过阻尼伸缩杆17安装在光源组件的底座滑块上。所述的发光二极管2具有散射小，成像清晰的优势。

如图4所示，所述角膜组件包括角膜透镜3和角膜透镜安装框4，所述角膜透镜3嵌装在角膜透镜安装框4内；所述角膜透镜3安装框通过阻尼伸缩杆安装在角膜组件的底座滑块上。本专利所述的角膜组件，用1：6放大的角膜透镜模型模拟正常的角膜屈光状态。

如图5所示，所述虹膜组件包括机械虹膜结构体5，所述机械虹膜结构体5通过阻尼伸缩杆安装在虹膜组件的底座滑块上。所述机械虹膜结构的具体结构，同专利号为201910914925.x、名称为《一种多驱动式可控火旋风实验模拟演示装置》中的“机械虹膜叶片”的结构。在该专利中，记载了一种机械虹膜叶片，结构如该专利的说明书附图4、5和6所示，其包括叶片基座、叶片27、摇杆、拨盘和拨杆26，拨盘的叶片基座为圆环形，在拨盘内圆与外圆之间均匀地分布斜向的摇杆滑动槽，在拨盘一侧固定设有拨杆26；在叶片基座的外圆与内圆之间通过螺钉活动连接有摇杆，摇杆上固定有独立的扇形叶片27相连，各扇形叶片27交错分布在叶片基座的内圆中，形成叶片内孔；在拨盘上还设有环形盖板。由于上述机械虹膜结构已被该专利公开并记述其机构，在此不再赘述。

所述的虹膜组件可已模拟瞳孔的调节动作，演示瞳孔对光学特性的改变，如瞳孔大小对图像明暗度、瞳孔大小对景深的影响及对像差的影响等。

如图6所示，所述晶状体组件包括晶状体透镜6和晶状体透镜安装框7，所述晶状体透镜6安装在晶状体透镜安装框7内；所述晶状体透镜安装框7通过阻尼伸缩杆安装在晶状体组件的底座滑块上。

如图7所示，所述晶状体透镜6为固态透镜或可变透镜；所述可变透镜包括前薄膜31和后薄膜30，所述前薄膜31和后薄膜30分别安装在晶状体透镜安装框7的前侧面和后侧面，所述前薄膜31、后薄膜30和晶状体安装框围合形成密闭的注水空间，在晶状体透镜安装框7上开设注液孔8，所述注液孔8与注水空间相连通，在注液孔8上插入能够拆卸的硅胶塞；当拆下硅胶塞后，注液孔8内能够插入注液管28并通过注液管28连接注射器29。

晶状体组件通过模拟柔韧、可调节、焦点可变的人眼晶状体，充分反映人眼的复杂性。晶状体组件的前薄膜31和后薄膜30均可用医用生物膜设计而成。晶状体透镜6的内部为流体，外部为弹性结构，通过注入不同容量流体，改变晶状体组件的曲率，实现焦距的改变（增加流体容量增加屈光力，减少容量减小屈光力），模拟人眼晶状体的适应调节机制。通过本组件功能演示，可以对诸如焦距，焦点和曲率半径之类的概念有更进一步的了解，这种设计方案主要用于理解屈光调节时使用。同时晶状体组件还配备有由固定焦距的玻璃透镜模拟的晶状体，操作简便，主要用于屈光的轴向调节及各种屈光不正的理解。

如图8所示，所述视网膜组件包括成像板10，所述成像板10为球弧面结构或平面结构，在成像板10的外周设置标识有360°刻度的角度刻度盘9。所述成像板10可采用白色毛玻璃面或投影用带有防反射涂层的幕布面作为成像面，在提升成像清晰度的同时，还能显示各种屈光不正在不同轴位、不同屈光度在视网膜上的成像情况。

本实施例中所述的结构可用于演示人眼的光学功能，具体可演示如下内容：

1、人眼的视觉功能：正常角膜及晶状体屈光，晶状体曲率的变化。

2、视网膜上物体的成像。

3、近视和远视。

4、瞳孔的调节。

演示过程如下：

1、使用选取选焦距f=30mm的透镜作为晶状体透镜6。

2、在光具座上从左往右依次放置光源组件，晶状体组件和视网膜组件，并调节晶状体组件和视网膜组件的高度，使晶状体组件和视网膜组件的中心与光源的中心大致在同一高度。(使像成在视网膜组件的中央)。

3、固定晶状体组件于刻度第一导轨11和第二导轨13的15cm处的位置，使光源组件位于晶状体组件的晶状体透镜6的2f以外>6cm），移动视网膜组件找像，在移动的过程中，眼睛要注意观察视网膜组件上的成像情况，直到视网膜组件上出现一个最清晰的像为止。此时像的情况是一个倒立、缩小的实像。测量并记录此时的物距和像距，再把像距、物距与凸透镜的f、2f相比较。（例如：u=15cm，v=10.5cm）。

4.使光源组件位于晶状体组件1透镜f、2f之间(f<u<2f)。

5.使光源组件位于晶状体组件1透镜f以内(u<f)。

实施例二

如图2所示，在本实施例中，还包括仿生眼球壳，所述仿生眼球壳包括上球壳22、下左球壳21和下右球壳23，所述上球壳22、下左球壳21和下右球壳23能够通过磁吸或粘合或螺栓固定的方式围合成一体形成仿生眼球状；上球壳22、下左球壳21和下右球壳23能够将角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件包裹在内。在仿生眼球壳上绘制或雕刻眼球的肌肉和血管分布图像及结构。

本实施例中设计的仿生眼球壳，在仿真学基础上3d建模，1：6放大建模，尽量保持眼球的实际外形及其解剖结构，如眼球的肌肉、血管分布，在仿生眼球壳内顺序演示角膜、虹膜、晶状体、视网膜的位置，能够基本满足临床眼球解剖结构教学需求。

一、演示正常人眼结构的步骤：

1、在光具座上从左往右依次放置角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件，并调节所有组件的高度，使它们的中心大致在同一高度。将仿生眼球壳的上球壳22、下左球壳21和下右球壳23经强磁粘合。

2、观察眼球外形，6条眼外肌的分布，大体起止点位置、走向，同时了解其功能，观察眼球壁的层次结构，了解视网膜、脉络膜、巩膜的结构与功能，观察视神经、中央动静脉的位置及眼表主要血管分布。

3、去上球壳22，观察角膜、虹膜、晶状体在眼球内的位置关系，了解各部分的结构、功能及屈光特性。

二、演示人眼正常成像规律

1、演示人眼看近时操作步骤：

1.1使用选焦距f=30mm的透镜作为晶状体透镜6，因为人在看近物时，需要增大晶状体的屈光力。

1.2在光具座上从左往右依次放置光源组件、角膜组件、虹膜组件、晶状体组件和视网膜组件，并调节所有组件的高度，使它们的中心与光源的中心大致在同一高度。

1.3将仿生眼球壳固定在25cm处，光源固定在10cm处（相当于人眼看近物时），这时可显示光源在视网膜组件1上成清晰的缩小的倒像。

2、演示人眼看远时操作步骤：

2.1选焦距f=80mm的透镜作为晶状体透镜6，因为人在看远物时，需要减小晶状体的屈光力。

2.2在光具座上从左往右依次放置光源组件，角膜组件、虹膜组件、晶状体组件、仿生眼球壳和视网膜组件，并调节所有组件的高度，使它们的中心与光源的中心大致在同一高度。

2.3将仿生眼球壳固定在25cm处，光源固定在2cm处（相当于增大角膜组件与光源的距离，人眼看远物时），这时可显示光源在视网膜组件上成清晰的缩小的倒像。

3、演示瞳孔调节功能操作步骤：

3.1同本实施例中的步骤2.1。

3.2同本实施例中的步骤2.1。

3.3同本实施例中的步骤2.3。

3.4调节虹膜组件的拨杆26，观察视网膜组件模仿瞳孔大小的调节，像的明暗度、像周围光晕的变化。（理解瞳孔对光学特性的改变，通过瞳孔大小调节进光量、明亮的环境中瞳孔缩小，暗环境中瞳孔扩大、瞳孔变小景深变长，像差小，瞳孔变大景深变短，像差变大等，进一步了解人眼在白天和夜晚视觉的差异。）

4、演示视网膜周边成像离焦操作步骤：

4.1同本实施例中的步骤1.1。

4.2同本实施例中的步骤1.2。

4.3同本实施例中的步骤1.3。

4.4视网膜组件中的成像板10换成弧面成像板，观察像的变化，中心部位像较清晰，周边像较模糊，了解视网膜周边成像离焦，结合视网膜追像生长机制，理解视网膜周边后离焦（即近视化离焦）是促进近视眼度数不断增加的主要原因的机理。

本实施例的其余结构和使用方式同实施例一，不再赘述。

实施例三

如图9所示，在本实施例中，还包括屈光调节组件，屈光调节组件设置在光源组件和角膜组件之间。如图10所示，所述屈光调节组件包括屈光调节镜架33，所述屈光调节镜架33的前侧设置屈光片弹卡32，在屈光片弹卡32内能够固定两个以上的屈光镜片34；所述屈光调节镜架33通过阻尼伸缩杆安装在屈光调节组件的底座滑块上。

本实施例中所述的屈光调节组件为成熟的现有技术，已被广泛的应用在配镜专用的试镜架结构中，其具体结构形式已被详细记载在专利号为：201610534320.4、专利名称为《一种可测量调节身腿倾斜角的试镜架》，及专利号为201611139583.1、专利名称为《试镜架》等多篇专利中，此外试镜架也有对应的国家标准，在此不再赘述其结构。

一、演示轴性近视、近视与眼轴长度关系及矫正的操作步骤：

1.同实施例二中的步骤2.1。

2.同实施例二中的步骤2.2。

3.同实施例二中的步骤2.3。

4.将屈光调节组件设置在光源组件和角膜组件之间，固定在16cm处，将视网膜组件向右移动1cm至32cm处（原位31cm），观察像由清晰变得模糊。演示眼轴变长，导致轴性近视，视物模糊，用-3.0d屈光镜片34插入屈光调节组件的屈光片弹卡32中，观察像变得清晰。

二、演示散光的轴向，各种类型散光及散光矫正的操作步骤：

1.同实施例二中的步骤2.1。

2.同实施例二中的步骤2.2。

3.同实施例二中的步骤2.3。

4.将+5.0散光柱镜片插入屈光调节组件的屈光片弹卡32中，将散光轴调至垂直方向，演示正柱镜顺规散光（垂直轴最陡），观察到像“f”的垂直线条变模糊，呈现双影，由于是正柱镜，垂直轴屈光力更大，所以将视网膜组件1向左移动2cm，观察到像“f”的垂直线条由模糊变清晰。同样可用相同轴的负柱镜来矫正，获得清晰的像，将-5.0散光柱镜片插入屈光调节组件的屈光片弹卡32中，将散光轴调至垂直方向，观察到像“f”的垂直线条由模糊变清晰。从而理解正柱镜顺轨散光的矫正，即患者的眼睛在垂直轴上比水平轴上会聚光线能力更强，所以用相同度数的负柱镜将使此垂直光束在到达眼睛之前垂直发散，经此矫正后，眼睛将所有光线聚焦在视网膜的同一位置上，这样患者视力模糊问题得以减轻。

5.将+5.0散光柱镜片的散光轴调至水平方向，演示正柱镜逆规散光（水平轴最陡）。

本实施例的其余结构和使用方式同实施例一或二，不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。