眼底光学扫描的装置和方法 本发明涉及光学扫描装置，更具体地说，涉及眼底扫描的装置和方法，用以通过眼的反射取得一个人特有的检验图象。
目前已有通过对视网膜脉管组织扫描所得图象进行检验的和方法。1978年8月22日发布的美国专利4,109,287、1983年7月12日发布的美国专利4,393,366公开了一种通过旋转光学扫描光束从眼底取得检验图象的方法。早期的扫描器采用绿光作为扫描光束，最近改进的扫描器采用红外线检测眼的脉络膜脉管组织口脉络膜脉管组织在视网膜后面形成一种包括黄斑中央凹区在内的网状组织，在该区内视网膜血管极细甚或看不出来。脉络膜的血管如同视网膜的血管较为稳定，因此可用以取得个人性质地。信息。由于扫描器从一个以光感神经为中心的环形区获取信息得出的检验图象对头部的倾侧十分敏感。
1986年10月28归布的美国专利4,620,318公开了一种改进的通过从眼底反射的眼内光图象进行检验的装置和方法。沿视轴放射一定位光束，就可使一扫描器从大体上以中央凹为中心的环形扫描中取得一检验图象。如上所述，用红外线扫描可从脉络膜的脉管组织和视网膜的脉管组织上取得反射光。以视轴为中心，也就是以中央凹为中心的环形扫描可从一个人不论其头部相对于视轴的倾侧情况如何，都可取得大体上相同的检验图象。
图1和图2示出将定位光束和扫描光束投射在眼5中的情况。眼5以视轴10为中心，视轴与眼底12相交于中央凹14。一光感神经16的位置偏离视轴10约15.5度的角度17。眼底12上具有视网膜18和脉络膜20。
图2示出从光感神经区16向外延伸的示例用视网膜脉管组织22的分支。通过目视或红外线都可看出视网膜脉管组织22。但，在红外线的照亮下还可看出脉络膜20的脉管组织，这表现为脉络膜脉管24的编织体。在中央凹14的区域内显出了脉络膜的脉管24。
如图1和图2所示，准直的红外扫描光束26从视网膜脉管组织22、脉络膜脉管组织24以及各种其他组织和色素淀积物上反射出来。红外扫描光束26进入眼S的瞳孔28并通过晶体30在眼底12上聚焦。红外扫描光束26在以中央凹14为中心的点32的圆形轨迹上扫描。
现有的扫描装置为取得以上结果所采用的结构如图3所示。一定位目标33使眼5作正确聚焦并使其视轴10与扫描装置的光轴34对准。定位目标33具有可见光放射二极管35，二极管装在带针孔37的安装结构36上。放光二极管35照亮定位标线38，标线是通过带有多个同心圆板片形成的，眼5就在其上聚焦。
红外光源39放射红外光束以便对眼底12进行扫描。红外光源39为一钨丝白炽灯泡40，其放出的光透过一空间滤光片42，由透镜44折射。红外滤光片46仅使光束的红外波长部分从中透过，光束然后穿过针孔48。光束再由反射镜50反射到分离器52，分离器的轴线在安装上应与定位目标各镜片的轴线和光轴34相重。
从红外光源39放射出来的一部分射线透过光束分离器52而为光阱54所吸收。剩下的射线受反射沿光轴34到达物镜56，物镜使光束准直而沿光轴34放射。
扫描器用以从很多连续的成角度散布的位置上将光束射入经定位的眼中。扫描器具有旋转的箱体57和随箱体旋转的扫描器镜片如图中环形箭头58所示。
扫描器镜片包括热镜59(发射红外线而透过可见光的镜片)，热镜位于光源光束和定位光束的路线中。可见波长定位光束透过热镜59而红外光源光束则受反射而离开光轴34。扫描器反射镜60在箱体57内位于脱离光轴34的一点上，其朝向使红外光束透过红外滤光片62而在箱体57旋转下射入眼5中。热镜59使定位光束移位，所以设置偏移板64以抵销位移。
物镜66装在目镜68内使光束准直而射入眼5。在这里设置物镜66可简化装置对视力不同于20/20的眼所进行的聚焦。
在箱体57旋转时，射入眼5的红外光束以中央凹为中心作环形扫描如点32的圆形轨迹所示(图2)。从眼底12反射出来的光的强度随扫描到的组织而变。反射的光经眼5晶体30的准直从瞳孔2 8射出，反向透过物镜66和红外滤光片62并从扫描镜和热镜59反射出来。反射的光束于是通过物镜56聚焦到光束分离器52上，分离器使一部分反射扫描光束透过而到达热镜70，热镜使光束反射而透过空间滤光片72。光束再经反射镜74反射，经透镜76折射而透过另一空间滤光片78到达检测器80。
定位目标33、红外光源39、检测器80和与其相关的光学构件装在一支架82上。上述光束以相重的路线进出支架82并以与眼5相同的光学距离聚焦。支架82的纵向移位用以使装置对具有不同于20/20视力的人进行聚焦。因此，在纵向移动支架82而在定位目标33上进行聚焦的同时，也对红外光源39和检测器80的相关镜片进行聚焦。定位安装结构36和针孔37可在支架82上进行调位以使定位目标33和定位标线38与光轴34作微调对准。
红外光源39具有恒定的强度，但定位目标33具有可调的强度，因而可使定位目标33透过定位标线38具有最强的能见度。但，改变定位目标33的强度会改变瞳孔28的直径，从而会引起检测器80接收信号的变化。此外，通过定位目标33和定位标线38产生的图象会模糊不清，从而不能使视轴10与光轴34作正确的调准。
图3所示现有装置中存在的其他问题是：很难调准众多的光学构件，手动聚焦和模糊不清的定位目标使检测的再现性较差以及较复杂的光学结构使费用加大。
因此，很有必要尽量简化光学扫描装置，使其本身具有光学调准作用而不需手动聚焦，并使其具有改进的定位目标。
因此，本发明的目的是提供一种眼底扫描的装置和方法，使镜片本身具有调准作用而不需手动聚焦，从而适作于很宽的视觉敏锐度。
本发明眼底扫描装置和方法的一个优点是显著地降低了光学上的复杂性。
本发明眼底扫描装置和方法的另一优点是显著地改进了信息的再现性。
因此，本发明简化和改进的光学扫描装置具有一单一的红外扫描光源；一光束分离器；一检测器；一旋转扫描盘，此盘将一多焦点定位透镜、一光学扫描器和一角度位置编码器连成一体而成为一单个的自身调准的模制构件。
受验人通过多焦点弗瑞奈定位透镜观察一定位光源针孔的图象。多焦点透镜置于盘的中心而产生定位目标在焦点上和在焦点以外的若干图象。图象综合地形成一组圆，其中一个落在焦点上。这些图象在眼与盘和相关镜片对准时是同心的。
一消球差弗瑞奈透镜和一弗瑞奈棱构成光学扫描器，位于盘上靠近周边的地方。光学扫描器从光源接收红外线而在盘旋转时产生红外扫描光束。由眼底反射的红外线沿相反的路线返回而透过光束分离器并射进检测器。检测器对应于反射红外线强度的变化产生图象信息，这种变化是由眼底上受扫描的环形区内脉管组织造成的。一模制在盘内的位置编码器将图象信息与弗瑞奈棱镜的角度位置连系起来。
盘将多个光学元件在单个模制构件内连成一体而具有自身对准的作用，从而使现有扫描器一般的光学构件数减少了60％。大多数留下的光学构件具有较现有扫描器更为简单的结构，从而取得显著地更简单、更稳定和再现性更高的光学检验扫描器。
本发明的另外一些目的和优点可通过以下按附图对其优选实施例所作说明显现出来。
图1为眼的侧向剖面图，示出眼的基本构造和体现现有技术中眼底扫描光束所循路线的光迹线。
图2为图1中沿2-2线的剖面图。
图3为现有眼底扫描装置的平面图，示出其主要的光学构件和相关的光迹线。
图4为本发明眼底扫描装置的平面图，示出其主要的光学构件和相关的光迹线。
图5为本发明扫描盘的放大正视图，示出定位透镜、光学扫描器、盘的旋转马达、盘的安装轴承和盘的角度位置编码器。
图6为图5中沿6-6线的剖面图，示出扫描盘、多焦点定位透镜、弗瑞奈棱镜和消球差弗瑞奈透镜。
图7为局部放大图，示出图6中的弗瑞奈棱镜和消球差弗瑞奈透镜。
图8为局部放大图，示出构成图6中定位透镜的多焦点弗瑞奈透镜。
图9A为光迹图，示出图8的多焦点定位透镜在与视轴对准时的聚焦特性。
图9B示出投射在眼内焦面上的图象，焦面位于图9A中9B-9B剖面线上。
图10A为光迹图，示出图8的多焦点定位透镜在与视轴未对准的聚焦特性。
图10B示出投射在眼内焦面上的图象，焦面位于图10A中10B-10B剖面线上。
图10C为定位目标优选实施例的放大图。
图4示出本发明光学扫描装置100的优选实施例。定位目标(总的示为102)具有照明光源104、散射体105、聚光透镜106和直径为1.6mm针孔108。作为光源104的3.5w中心灯丝氪灯，作为散射体105的麻粒双凸“蝇眼”透镜以及聚光透镜106使针孔108具有足够的照明。光源104的辐射光谱和强度足以同时用于定位目标102的照明和用作红外扫描光源，因而免去了现有技术中单独的红外光源39(图3)及其相关的光学构件40、42、44、46、48、50和52。
可见光从定位目标102大体上沿一光轴110放射，经光束分离器112反射，透过一装在扫描盘116中心的多焦点定位透镜114(以下将作具体说明)。多焦点定位透镜114大体上准直定位光线118，定位光线起自照亮的针孔108，终止于受扫描的眼。
红外线从定位目标102大体上沿光轴110放射，经光束分离器112反射而透过红外滤光片120，弗瑞奈棱镜122和消球差弗瑞奈透镜124(以下将作具体说明)。红外滤光片120、弗瑞奈棱镜122和弗瑞奈透镜124共一轴线，此轴线偏离扫描盘116的中心。弗瑞奈棱镜122和消球差弗瑞奈透镜124大体上折射和准直红外扫描射线126，此射线来自照明针孔108经上述路线从受扫描人的眼底反射出来。扫描射线126相对于光轴110偏离约10度的角度127；在扫描盘116通过马达128旋转时，扫描射线126扫描出以受扫描人眼底中央凹为中心的宽约0.39mm的环形路线。
反射的红外扫描射线126沿相反路线返回光学扫描装置100，透过弗瑞奈棱镜122、消球差弗瑞奈透镜124和红外滤光片120到达光束分离器112。通过光束分离器112将一部分经折回的红外扫描射线126传送到具有2.5mm针孔130、聚光透镜132和光电二极管134的红外检测器。红外检器较简单的光程免去了现有检测器80(图3)中的光学构件74和78。
图5示出扫描盘116及其多焦点定位透镜114、弗瑞奈棱镜122和消球差弗瑞奈透镜124的正视图。弗瑞奈棱镜122和消球差透镜124与扫描盘116连成一体，以其基面作彼此相对的平面平行布置。扫描盘116最好具有约40.7mm的直径，约3.18mm的厚度，用透明的丙烯酸塑料作压力模制，丙烯酸塑料的折射率在辐射波长为900nm下为1.484。其他的模制方法如喷射模制法也可采用。
在扫描盘116的周边以内还模制有96-1个等距间隔的编码凸体140。扫描盘116的转位角通过一个凸体140的空缺位置142予以标示。一反射光感光学照相传感器144靠近扫描盘116设置，用以检测编码器凸体140。扫描盘116的表面反射来自该传感器144的光线；编码器凸体140则用作散射光线的透镜。在扫描盘116旋转时，交替的光线反射和散射由光学照相传感器144检测而通过一般的方法转换成扫描盘116旋转角度的信息。
图6示出一O型环146，环装在扫描盘116周边上模制成的深1.35mm的凹缘148内。如图5所示，O型环146与马达128上带槽的主动轮150作摩擦接触，主动轮使扫描盘116作每秒约6周的旋转。扫描盘116悬置于带槽主动轮150和带槽支承152和154之间，带槽支承如图所示一般绕扫描盘116的周边作间隔设置。
带槽支承154通过标称力为440g的弹簧156压靠在扫描盘116上。将带槽支承154移离扫描盘116就可很简单地将扫描盘116装上光学扫描装置100和将其卸下。
图6为图5中扫描盘116沿6-6线的剖面图，示出消球差弗瑞奈透镜124、弗瑞奈棱镜122和多焦点定位透镜114的相对位置，这些镜片最好都用弗瑞奈技术制成。
普通的弗瑞奈透镜可以描述为单焦距透镜，在使其作径向分段的各增量具有能产生所需焦距的外形下尽量减小其厚度。各增量的径向宽度恒定不变，但在各增量的厚度上沿透镜面部的径向存在着一定量的差异以取得所需焦距。
消球差弗瑞奈透镜124为一有效焦距为72mm的普通弗瑞奈透镜。消球差弗瑞奈透镜124和弗瑞奈棱镜122彼此相对设置，其直径约为9mm，其中心偏离扫描盘116光轴110一个11.2mm的距离158。
弗瑞奈棱镜可以描述为一种厚度按分段增量减薄的棱镜，在使其作线性分段的增量具有所需棱镜角下尽量减小其厚度。各线性增量的宽度恒定不变，而所需棱镜角沿弗瑞奈棱镜面部的径向是重复的。
弗瑞奈棱镜122和消球差弗瑞奈透镜124的剖面情况示于放大图7。0.125mm的线性增量160和70.238度的棱镜角162沿弗瑞奈棱镜122面部的径向是重复的。消球差弗瑞奈透镜124具有34.6mm的基本曲率、-1.6698的圆锥常数、0.125mm的径向增量和约1.17mm从扫描盘116面部凹下的深度。
多焦点定位透镜114的剖面示于放大图8。多焦点定位透镜114与普通弗瑞奈透镜不同之处在于各连续的径向分段具有焦距不同的外形。所用不同焦距的数量和所得焦距径向排列的型式相对地并不重要。
最好采用具有四个焦距不同的周线型式以适应范围较宽的视觉敏锐度。在多焦点定位透镜114上，从光轴110起依次径向向外，第一周线170的有效焦距为70.5mm，第二周线172的有效焦距为72mm，第三周线174的有效焦距为74.4mm，第四周线176的有效焦距为78.5mm。每周线的径向宽度178为0.125mm。上述周线在多焦点定位透镜114整个9mm的径向距离上重复18次。为减少不必要的反射，多焦点定位透镜114的轴线179相对于光轴110倾侧约2度的角度。多焦距定位透镜114的厚度最好约为1.8mm。
每周线的有效焦距f′可用下式计算：
f′＝(f标称(f校正－d))/(f校正－f标称)其中：f标称为多焦距定位透镜114和针孔108之间的距离，f校正为使用人为，充分校正视力所需校正透镜的焦距，d为使用瞳孔28和多焦点透镜114之间的距离。
将多焦点定位透镜114、消球差弗瑞奈透镜124和弗瑞奈棱镜122与扫描盘116连成一体可消除图3中现有扫描器所需的大部分光学构件。由于扫描盘116的光学构件是用仔细加工的压模模制成的，这些构件自身已经过对准，无需事后的调整。
多焦点定位透镜114的聚焦功能可按图9A、9B进行说明。一般来说，为调整光学仪器的焦距必须设法适应范围很广的视觉敏锐度。一个从标称+3个屈光率单位到标称-6个屈光率单位的焦距范围一般可以满足要求。没有必要采用连续的调焦范围，因为大多数人具有约1.5屈光率单位的焦距调整机能。因此，一个较适用的光学装置采用具四个焦距等级的多焦点定位透镜114，即：标称+3个屈光率单位、标称、标称-3个屈光率单位、标称-6个屈光率单位四个等级。
径向宽度178最好等于或小于最小瞳孔28直径的1/8，使眼5(图1)同时可对多焦点定位透镜114的全部四个焦距进行取样检验。最小瞳孔28的直径约为2mm；因此，最大径向宽度178约为0.25mm。0.125mm的优选径向宽度为最大宽度之半。当然更小的径向宽度更好，但这受到弗瑞奈透镜模制能力上的限制。
如图9所示，定位目标102的针孔108产生一“单一标线”(照亮的针孔)。多焦点定位透镜114产生一系列针孔108的虚象180、182、184和186，其中一个通过眼5的晶体30不论其具体视觉敏锐度为何聚焦在焦面188上。虚象184对应于一在标称视觉敏锐度下焦点上的象。但，在所示实例中，眼5稍有近视，以致虚象182实际上聚焦在焦面188上的一点190上。虚象180、184和186分别在焦面188上的位置192、194和196上成象。
图9B示出对通过多焦点定位透镜114观察定位目标102的眼来说，虚象180、182、184和186和186是如何产生的。眼5趋向于在最接近焦点的虚象182上聚焦。在黑点上出现的是点190而不是作为背景的几个连续的在焦点以外产生的针孔108象。在焦点以外的几个象成为与焦面188相交的几个模糊的圆192、194和196。在眼5的视轴10与光轴110对准的情况下，点190和几个模糊的圆是同心的，因而形成所熟悉的“牛眼”状定位目标象，这与现有技术中定位目标采用多个标线或多个部分反射镜来产生不同焦距上的多个虚象相比简单而清晰得多了。
多焦点定位透镜114的对准作用可按图10A、10B和10C进行说明。在图10A示例中，眼5的视轴10未与光轴110对准，因此，虚象182在焦面188的点200上聚焦。虚象180、184和186依次在焦面188上的位置202、204和206上成象。
图10B示出通过多焦点定位透镜114在轴线错位下观察定位目标102时虚象180、182、184和186是如何产生的。在焦点上出现的是点200而不是作为背景的几个连续的在焦点以外产生的针孔108象。在焦点以外的几个象仍成为模糊的圆，但，这时与焦面188相交于位置202、204和206上，因此，形成非同心的“牛眼”状定位目标象，这显然是错了位。只须相对于多焦点定位透镜114移动眼体直至出现同心的“牛眼”状图象，从而使视轴10与光轴110对准如图9A所示。
图10C示出定位目标102的优选实施例，这进一步使视轴10与光轴110对准的性能。在此实施例中，四个狭缝208相对于针孔108作径向对准而在靠近针孔108周边作90度均匀间隔的布置。每狭缝208的净空面积约等于或小于针孔108的净空面积的10％。
两个狭缝208作水平布置，另外两个作垂直布置，从而形成定位目标102的十字线部分，这在与已有的“牛眼”状图象相结合时可提高视轴10与光轴110对准的性能。
熟悉本专业的人懂得，本发明的某些部分可以具有不同的实施例，在所有的实施例中都可采用摄象机或其他成象装置而不用人眼来观察图象。特别是，多焦点定位透镜114是装在扫描盘116上而随之转动的。但，多焦点定位透镜114或红外过滤片120不一定要装在扫描盘116上而可装在扫描光束路线上的任一位置上。多焦点定位透镜114可以具有不同于以上所述的径向宽度和周线形状而可具有焦距数不同和(或)径向宽度不同的各种不同的重复排列。多焦点定位透镜114也可不采用弗瑞奈透镜，如可以是一旋转透镜而具有多个焦距不同的楔状部分。
对熟悉本专业的人都懂得，对本发明上述实施例的细节可以作出很多变动而不脱离本发明根本的精神实质。因此，可以理解，本发明也可在眼底扫描器以外的其他光学扫描上应用。因此，本发明的范围只应由以下权利要求书来确定。