[發明專利]用于優化人的視覺功能的高階像差校正

有效

• 申請號: 200780017851.5
• 申請日: 2007-05-16
• 公開（公告）號: CN102119355A
• 公開（公告）日: 2011-07-06
• 發明（設計）人: J·杰斯馬拉尼;A·W·德瑞赫;L·H·斯弗德魯普
• 申請（專利權）人: 歐弗搜尼克斯股份有限公司
• 主分類號: G02C7/06
• 分類號: G02C7/06;G02C7/10
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 李玲

相關申請的交叉引用

本申請依據美國專利法第119條第(e)項要求美國臨時專利申請S/N.60/800,988的優先權。該文件的內容通過引用結合于此。

發明領域

本發明涉及通過校正和/或優化高階光學像差來優化人的視覺功能。該優化特別是在低光照條件下對高性能活動尤其有用。

發明背景

人眼的波前誤差類似于鼓的表面。鼓的直徑代表眼睛瞳孔的直徑。如果沒有像差，則鼓的表面會是平坦的。然而，幾乎在任何正常的眼睛里都存在由波前中的超前(lead)或者滯后(lag)表示的光學誤差，在模擬中即為鼓表面中的山和谷。圓孔上的任意平滑表面可被描述為各系數乘以Zernike多項式之和。人眼中的光學像差現在幾乎全部用這種方式描述。圖1示出了最低階的Zernike像差。在“Zernike金字塔”中未示出的是包括Zernike活塞、偏斜(tip)和傾斜(tilt)的最先兩行(徑向次序)。常規眼鏡包括棱鏡、球面和柱面校正。棱鏡僅僅是偏斜和傾斜，而球面和柱面是散焦和散光的線性組合。

圖1所示的是二階到四階的Zernike項¹。散光、球面、偏斜和傾斜被認為是低階像差。更高徑向次序的所有其它像差被統稱為高階像差。常規眼鏡試圖提供可能的最佳低階校正。

隨著年齡的增加平均的瞳孔大小明顯減小。通常在陰天晚間的光照條件(44cd/m²)下，年齡在18歲到40歲之間的人的瞳孔直徑在6.5mm的鄰域內。^2.3在6.5mm瞳孔中平均高階均方根(RMS)波前誤差具有0.38微米的數量級。⁴很多人有更高級別的高階像差。為了作比較，要在日間3mm瞳孔中達到相似的RMS波前誤差需要屈光度1.2的球面誤差，這被認為是較大的。盡管球面殘差可在調節的過程中經由透鏡的可變聚焦能力變為零，但是眼睛沒有用于改變高階像差的量的機制。

視敏度表征解析小物體的能力。敏銳度僅僅量度一部分視覺能力。然而，它是較為公知的視力量度之一。圖2總結了正常健康眼睛的視敏度對年齡的群體平均，其示出年齡從18到80歲的223位受試者的logMAR?VA。示出了與數據一致的最佳線性和雙線性。⁵為了進行測量，受試者使用了可能的最佳常規低階校正。

在圖2的曲線圖中，6/6相當于20/20的公制。6/3相當于20/10的公制并且近似地表示由于人視網膜的中央凹中的視錐細胞密度而導致的預測的Nyquist分辨率限度。理論上，如果沒有光學像差，那么人眼應當能夠大約看見20/10，盡管其精確值可能因人而異。直到最近，世界紀錄是20/8。25到29歲的年輕人通常具有最佳的敏銳度，約30歲之后隨著年齡的增長視力通常變差。隨著年齡增長視力衰退的原因是爭論的一個話題。主要的三個理論包括高階像差的增加及瞳孔大小的隨之減小、眼內散射的增加及傳輸損耗、和視錐細胞和/或神經節細胞的損耗。發布的報告對于正常健康的眼睛傾向于支持前兩種理論。

任何給定年齡的數據中的散射的原因，尤其對于較年輕者的眼睛，大概主要是由于高階像差的存在。一種理論指出，如果人在年輕時從未有過良好視力，神經系統的生長可能阻止他以后看到Nyquist分辨率限度或者其鄰近，這種情況被稱為屈光性弱視。然而，當使用自適應光學器件校正高階像差時，所有受試者的視敏度都明顯提高了。⁸在一項最近的研究中，一半經高階校正的受試者始終展示了超過20/8的敏銳度。⁹因此，視力受益于高階像差的校正并不僅僅是理論上的。

高階像差校正的一個最大預期好處是對比靈敏度的提高。在低光照條件下，當瞳孔直徑和高階像差級別均增大時，對比靈敏度開始降低。這有兩個有害效應。一是它可能不再有可能探測某些在例如駕駛、打獵和軍事應用中重要的低對比度物體。偽裝的真正定義就是通過更好地匹配周圍環境來減小對比度。另一問題是即使物體可被探測到，探測和識別過程也將花費更多時間。各項研究一直指出，當對比靈敏度降低時反應時間就增加了。^10，11

影響典型的人的三個主要的更高階像差包括慧形像差、三葉形像差和球面像差。彗形像差是能夠引起對比靈敏度明顯損耗的非對稱像差。圖3示出對在6.0mm瞳孔中具有0.19微米RMS彗形像差的受試者的高對比度視力表光學模擬。¹²這在平均值的標準差之內。¹³該模擬假設所有其它的像差都被完全校正。最頂端的一行是20/100。