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交互顯示主觀測量屈光度


更新日期:2019-10-08 07:40:20來源:網絡點擊:1489727
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麻省理工與巴西南大河州立大學的研究團隊9年前在美國計算機協會計算機圖形專業組組織的計算機圖形學頂級年度會議上發表的一份文獻公布其開發一種基于顯示器結合廉價光學元件在交互式圖形用戶界面和計算重建下主觀測量人眼屈光度,焦距,聚焦速度以及晶狀體透明度,并提出了幾個簡單的光學設置方案驗證其準確性和精度。

研究團隊將微透鏡陣列或針孔鏡頭陣列放置在可控制的高分辨率平板顯示器上。觀察者將該設置保持在被測試的眼睛旁邊。在觀看者視網膜上形成的圖像取決于被測試眼睛的屈光度特性。使用一種簡單的交互方案方便用戶自行改變顯示狀態,直到感知到的圖像與指定的結果非常匹配。基于這種相互作用可以估計觀察者的主觀屈光度狀態,




圖(b)顯示了正視眼在有兩個針孔的簡化光路圖。實驗中實際使用了8個針孔或8個微透鏡(位于以3乘3網格為中心單元的8個相鄰點上),在每個針孔(A點和B點)的正下方照亮一個點時,兩條平行光線以無窮遠的距離模擬虛擬聚焦點進入眼睛,眼睛理論上可以聚焦在無窮遠處,光線在視網膜點P相遇。而近視眼將這些入射光線會聚在視網膜前,產生兩個不同的斑點(PA和PB),如圖(c)所示。

更改點A(或B)的位置會更改針孔產生的光線的位置。例如在顯示平面上將點a和b彼此移近會導致相應的光線發散從而使虛擬點逐漸移近。同樣將兩點分開會導致關聯的光線聚焦從而使虛擬點遠離近視眼視網膜。對于近視眼將點A和B移動得更近時可以使兩個成像點在視網膜上重疊在P點,如圖(c)所示。A和B的偏移量可以用來計算觀察者眼睛的屈光度。遠視眼的情況也類似。

偏移量c由公式c = f(a/2)/(d-t)計算,其中t是從針孔鏡頭陣列到眼睛的距離,a是針孔之間的間距,f是針孔鏡頭陣列與顯示平面之間的距離。f也是基于微透鏡陣列設置的小透鏡的焦距。使用可編程的液晶顯示器可以任意改變虛擬場景點和眼睛之間的距離,但不需要任何移動部件。這種設計等效于改變置于眼前的鏡片的光焦度。根據等式1,通過D =(1/d)= 1000 /(f(a /2)/ c + t)給出修正近視度數所需的屈光度。所有距離均以毫米為單位,c和D正值代表近視,而負值代表遠視。

在微透鏡鏡頭的設置中將微透鏡陣列放置在距顯示器等于鏡頭焦距的距離處。如圖4(d)所示,得到了一束平行的光線而不是從一個方向的每個針孔發出單個光線,這里存在焦點模糊性因素:眼睛可以聚焦(或調節)距離d或無限遠處的虛擬點來將平行光線聚焦在視網膜上。在無限遠處強制聚焦是測量近視的理想選擇,而準確測量遠視則需要眼睛調節。

微透鏡或針孔之間的串擾可能發生在一個小透鏡的圖案通過相鄰的小透鏡可見時,這會在操作者的視網膜上產生令人困惑的重疊圖案的額外圖像,這通過忽略每個備份透鏡來解決這個問題,在針孔的設置中眼睛和微透鏡中的色差可能在不同深度產生虛擬點,使得彩色圖案的使用變得棘手。然而在一個原型中使用顏色模式(單色)來提高有效的顯示分辨率,并取得了合理的成功。瞳孔尺寸限制了透鏡組之間的最大間距(圖b中的a),這會影響校正屈光度的可實現范圍。此外微透鏡陣列的密度影響柱鏡的精度(有散光的情況下)。設置的屈光度分辨率受眼睛視錐細胞大小,PE(視網膜的像素大小)=4微米和眼睛焦距FE=17毫米的限制。研究假設人類用戶可以解決單個像素或視錐單元的偏心對準問題。如果顯示器的像素大小是Pd,那么最小移位C=Pd,設置的最大分辨率(屈光度)從等式1和假設t~ 0是Dmin = 2000 max(pd/fa,pe/fea)。

當針孔間距a=3毫米時,將得到0.15屈光度作為視網膜像素大小設置的上限。眼睛和光學系統中的衍射會進一步減少這一點。利用光學產生虛擬點的類比是直觀的,并且在球面透鏡上也能很好地工作,但是對于非徑向對稱如散光或高階像差來說并不充分的。



散光是由于角膜和/或晶狀體形狀不規則造成的一種常見的屈光不正。移動虛擬點的類比雖然有用但并不對散光有效。這里需要看看廣義光線空間是如何在眼睛內外變換的。散光眼通常被建模為一個復曲面(球面柱形)面片,其沿子午線θ方向的屈光度p(θ)表達如下:p(θ)=S+C sin2(θ);其中S是球鏡,C是柱鏡,θ是柱鏡角度。因此最小p(θ)=S,最大p(θ)=S+C。不幸的是由于如圖(中間)所示的柱鏡像差,在存在散光的情況下,對齊任何圖案(如十字)并不容易。不像球鏡的情況下只需要簡單地沿徑向移動兩個點即可。由于散光軸是未知的先驗的,因此要設計出最佳的對準策略是很有挑戰性的。允許二維擾動對齊兩個點是可行的,但這個過程緩慢、乏味,而且容易出錯。研究團隊的解決方案包括以一定的角度θ一次曝光兩個小透鏡(圖底部)。當在前焦平面中距鏡頭1 /(S+C sin2(α-θ))的位置創建虛像時,只有位于方向(θ+π/2)的線段會變成共線。可以通過計算這兩個平行線段彼此垂直移動時所需的步數來計算此子午線上的屈光度。



研究團隊當時總結認為提出了一種基于新型近眼光學和高分辨率顯示器的交互技術,這是唯一的沒有運動部件或視網膜照明的波前像差測量方法。用數字屏幕上的運動模式替換機械運動部件并考慮非對稱像差(如散光)的影響,研究已經表明,信號處理方法提供了更大的自由來創建視圖掩碼和模式。這類設計還可以估計調節范圍和速度,這在其他設備中很少可用。

如果空間和角度分辨率足夠高,可以創建內置光學校正的顯示器,一個有屈光不正的人可以不用佩戴眼鏡就可以看電子屏幕。當時的方法強調調節但集合度量是未來探索的另一個方向。




聲明:本文并非醫學診斷建議也非眼部健康信息建議


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