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作者:   时间:2019-10-08 11:07   


麻省理工与巴西南大河州立大学的研究团队9年前在美国计算机协会计算机图形专业组组织的计算机图形学顶级年度会议上发表的一份文献公布其开发一种基于显示器结合廉价光学元件在交互式图形用户界面和计算重建下主观测量人眼屈光度,焦距,聚焦速度以及晶状体透明度,并提出了几个简单的光学设置方案验证其准确性和精度。

研究团队将微透镜阵列或针孔镜头阵列放置在可控制的高分辨率平板显示器上。观察者将该设置保持在被测试的眼睛旁边。在观看者视网膜上形成的图像取决于被测试眼睛的屈光度特性。使用一种简单的交互方案方便用户自行改变显示状态,直到感知到的图像与指定的结果非常匹配。基于这种相互作用可以估计观察者的主观屈光度状态,




图显示了正视眼在有两个针孔的简化光路图。实验中实际使用了8个针孔或8个微透镜,在每个针孔的正下方照亮一个点时,两条平行光线以无穷远的距离模拟虚拟聚焦点进入眼睛,眼睛理论上可以聚焦在无穷远处,光线在视网膜点P相遇。而近视眼将这些入射光线会聚在视网膜前,产生两个不同的斑点,如图所示。

更改点A的位置会更改针孔产生的光线的位置。例如在显示平面上将点a和b彼此移近会导致相应的光线发散从而使虚拟点逐渐移近。同样将两点分开会导致关联的光线聚焦从而使虚拟点远离近视眼视网膜。对于近视眼将点A和B移动得更近时可以使两个成像点在视网膜上重叠在P点,如图所示。A和B的偏移量可以用来计算观察者眼睛的屈光度。远视眼的情况也类似。

偏移量c由公式c = f/计算,其中t是从针孔镜头阵列到眼睛的距离,a是针孔之间的间距,f是针孔镜头阵列与显示平面之间的距离。f也是基于微透镜阵列设置的小透镜的焦距。使用可编程的液晶显示器可以任意改变虚拟场景点和眼睛之间的距离,但不需要任何移动部件。这种设计等效于改变置于眼前的镜片的光焦度。根据等式1,通过D == 1000 // c + t)给出修正近视度数所需的屈光度。所有距离均以毫米为单位,c和D正值代表近视,而负值代表远视。

在微透镜镜头的设置中将微透镜阵列放置在距显示器等于镜头焦距的距离处。如图4所示,得到了一束平行的光线而不是从一个方向的每个针孔发出单个光线,这里存在焦点模糊性因素:眼睛可以聚焦距离d或无限远处的虚拟点来将平行光线聚焦在视网膜上。在无限远处强制聚焦是测量近视的理想选择,而准确测量远视则需要眼睛调节。

微透镜或针孔之间的串扰可能发生在一个小透镜的图案通过相邻的小透镜可见时,这会在操作者的视网膜上产生令人困惑的重叠图案的额外图像,这通过忽略每个备份透镜来解决这个问题,在针孔的设置中眼睛和微透镜中的色差可能在不同深度产生虚拟点,使得彩色图案的使用变得棘手。然而在一个原型中使用颜色模式来提高有效的显示分辨率,并取得了合理的成功。瞳孔尺寸限制了透镜组之间的最大间距,这会影响校正屈光度的可实现范围。此外微透镜阵列的密度影响柱镜的精度。设置的屈光度分辨率受眼睛视锥细胞大小,PE=4微米和眼睛焦距FE=17毫米的限制。研究假设人类用户可以解决单个像素或视锥单元的偏心对准问题。如果显示器的像素大小是Pd,那么最小移位C=Pd,设置的最大分辨率从等式1和假设t~ 0是Dmin = 2000 max。

当针孔间距a=3毫米时,将得到0.15屈光度作为视网膜像素大小设置的上限。眼睛和光学系统中的衍射会进一步减少这一点。利用光学产生虚拟点的类比是直观的,并且在球面透镜上也能很好地工作,但是对于非径向对称如散光或高阶像差来说并不充分的。



散光是由于角膜和/或晶状体形状不规则造成的一种常见的屈光不正。移动虚拟点的类比虽然有用但并不对散光有效。这里需要看看广义光线空间是如何在眼睛内外变换的。散光眼通常被建模为一个复曲面面片,其沿子午线θ方向的屈光度p表达如下:p=S+C sin2;其中S是球镜,C是柱镜,θ是柱镜角度。因此最小p=S,最大p=S+C。不幸的是由于如图所示的柱镜像差,在存在散光的情况下,对齐任何图案并不容易。不像球镜的情况下只需要简单地沿径向移动两个点即可。由于散光轴是未知的先验的,因此要设计出最佳的对准策略是很有挑战性的。允许二维扰动对齐两个点是可行的,但这个过程缓慢、乏味,而且容易出错。研究团队的解决方案包括以一定的角度θ一次曝光两个小透镜。当在前焦平面中距镜头1 /)的位置创建虚像时,只有位于方向的线段会变成共线。可以通过计算这两个平行线段彼此垂直移动时所需的步数来计算此子午线上的屈光度。



研究团队当时总结认为提出了一种基于新型近眼光学和高分辨率显示器的交互技术,这是唯一的没有运动部件或视网膜照明的波前像差测量方法。用数字屏幕上的运动模式替换机械运动部件并考虑非对称像差的影响,研究已经表明,信号处理方法提供了更大的自由来创建视图掩码和模式。这类设计还可以估计调节范围和速度,这在其他设备中很少可用。

如果空间和角度分辨率足够高,可以创建内置光学校正的显示器,一个有屈光不正的人可以不用佩戴眼镜就可以看电子屏幕。当时的方法强调调节但集合度量是未来探索的另一个方向。




声明:本文并非医学诊断建议也非眼部健康信息建议


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