[发明专利]用于优化人的视觉功能的高阶像差校正

说明书

相关申请的交叉引用

本申请依据美国专利法第119条第(e)项要求美国临时专利申请S/N.60/800,988的优先权。该文件的内容通过引用结合于此。

发明领域

本发明涉及通过校正和/或优化高阶光学像差来优化人的视觉功能。该优化特别是在低光照条件下对高性能活动尤其有用。

发明背景

人眼的波前误差类似于鼓的表面。鼓的直径代表眼睛瞳孔的直径。如果没有像差，则鼓的表面会是平坦的。然而，几乎在任何正常的眼睛里都存在由波前中的超前(lead)或者滞后(lag)表示的光学误差，在模拟中即为鼓表面中的山和谷。圆孔上的任意平滑表面可被描述为各系数乘以Zernike多项式之和。人眼中的光学像差现在几乎全部用这种方式描述。图1示出了最低阶的Zernike像差。在“Zernike金字塔”中未示出的是包括Zernike活塞、偏斜(tip)和倾斜(tilt)的最先两行(径向次序)。常规眼镜包括棱镜、球面和柱面校正。棱镜仅仅是偏斜和倾斜，而球面和柱面是散焦和散光的线性组合。

图1所示的是二阶到四阶的Zernike项¹。散光、球面、偏斜和倾斜被认为是低阶像差。更高径向次序的所有其它像差被统称为高阶像差。常规眼镜试图提供可能的最佳低阶校正。

随着年龄的增加平均的瞳孔大小明显减小。通常在阴天晚间的光照条件(44cd/m²)下，年龄在18岁到40岁之间的人的瞳孔直径在6.5mm的邻域内。^2.3在6.5mm瞳孔中平均高阶均方根(RMS)波前误差具有0.38微米的数量级。⁴很多人有更高级别的高阶像差。为了作比较，要在日间3mm瞳孔中达到相似的RMS波前误差需要屈光度1.2的球面误差，这被认为是较大的。尽管球面残差可在调节的过程中经由透镜的可变聚焦能力变为零，但是眼睛没有用于改变高阶像差的量的机制。

视敏度表征解析小物体的能力。敏锐度仅仅量度一部分视觉能力。然而，它是较为公知的视力量度之一。图2总结了正常健康眼睛的视敏度对年龄的群体平均，其示出年龄从18到80岁的223位受试者的logMAR VA。示出了与数据一致的最佳线性和双线性。⁵为了进行测量，受试者使用了可能的最佳常规低阶校正。

在图2的曲线图中，6/6相当于20/20的公制。6/3相当于20/10的公制并且近似地表示由于人视网膜的中央凹中的视锥细胞密度而导致的预测的Nyquist分辨率限度。理论上，如果没有光学像差，那么人眼应当能够大约看见20/10，尽管其精确值可能因人而异。直到最近，世界纪录是20/8。25到29岁的年轻人通常具有最佳的敏锐度，约30岁之后随着年龄的增长视力通常变差。随着年龄增长视力衰退的原因是争论的一个话题。主要的三个理论包括高阶像差的增加及瞳孔大小的随之减小、眼内散射的增加及传输损耗、和视锥细胞和/或神经节细胞的损耗。发布的报告对于正常健康的眼睛倾向于支持前两种理论。

任何给定年龄的数据中的散射的原因，尤其对于较年轻者的眼睛，大概主要是由于高阶像差的存在。一种理论指出，如果人在年轻时从未有过良好视力，神经系统的生长可能阻止他以后看到Nyquist分辨率限度或者其邻近，这种情况被称为屈光性弱视。然而，当使用自适应光学器件校正高阶像差时，所有受试者的视敏度都明显提高了。⁸在一项最近的研究中，一半经高阶校正的受试者始终展示了超过20/8的敏锐度。⁹因此，视力受益于高阶像差的校正并不仅仅是理论上的。

高阶像差校正的一个最大预期好处是对比灵敏度的提高。在低光照条件下，当瞳孔直径和高阶像差级别均增大时，对比灵敏度开始降低。这有两个有害效应。一是它可能不再有可能探测某些在例如驾驶、打猎和军事应用中重要的低对比度物体。伪装的真正定义就是通过更好地匹配周围环境来减小对比度。另一问题是即使物体可被探测到，探测和识别过程也将花费更多时间。各项研究一直指出，当对比灵敏度降低时反应时间就增加了。^10，11

影响典型的人的三个主要的更高阶像差包括慧形像差、三叶形像差和球面像差。彗形像差是能够引起对比灵敏度明显损耗的非对称像差。图3示出对在6.0mm瞳孔中具有0.19微米RMS彗形像差的受试者的高对比度视力表光学模拟。¹²这在平均值的标准差之内。¹³该模拟假设所有其它的像差都被完全校正。最顶端的一行是20/100。