CN101057170A - 一种考虑到个体头部及眼睛活动的眼镜片设计方法 - Google Patents

一种考虑到个体头部及眼睛活动的眼镜片设计方法 Download PDF

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Abstract

提供一种包括渐变镜片的眼镜片设计方法以及由该方法制作的镜片。所述方法允许个体对于镜片性能的主观评定与相对于该个体的镜片性能的客观检测直接相互关联。本方法允许基于该个体的头部及眼睛活动的镜片设计的产生以及用户化镜片的设计。

Description

一种考虑到个体头部及眼睛活动的眼镜片设计方法
技术领域
本发明涉及光学镜片的设计方法。特别地，本发明提供一种通过考虑个体的头部及眼睛活动，设计眼镜片的方法。本发明还提供一种为佩带者个体定制的镜片的设计方法。
背景技术
众所周知，眼镜片用于屈光异常的校正。例如，多焦镜片，如渐变镜片(progressive addition lens，PAL)用于治疗远视眼。一个渐变镜片的渐变表面从远焦点到近焦点逐渐连续渐进地增加屈光度来提供远、中、近视力。
现已有许多眼镜片的设计方法。其中有代表性的方法，包括：一个或者多个以已知设计为基准，开发控制光学参数的理论上的目标值，获得患者主观的反馈，以及用客观的试验方法来产生一种镜片设计。这些设计方法的一个缺点是他们没有使患者的反馈和客观的试验相互关联以使镜片上的定位精确。因此，当佩带者个体进行一项给定的任务时，该个体的视线与镜片的表面相交的视点常常不同于由镜片设计者考虑的视点。这会导致镜片的佩带者，特别是渐变镜片的佩带者不得不活动眼睛或者头部以保持通过该镜片的足够的视觉分辨率。
另外，我们知道，某些参数控制着镜片佩带者最佳的视觉舒适度。这些参数包括，但不限于，视觉清晰度、持久使用时的舒适度、变换焦点的容易性，以及镜片佩带者需要的头部和眼睛的活动度。传统的设计方法没有精确地考虑这些参数，并且很少甚至没有提供设计方法优化过程的指导，该优化过程需要定义结合一个或者多个所述参数的优值函数(meritfunctions)。因此，需要一种能够克服上述缺点的镜片设计方法。
发明内容
本发明提供包括渐变镜片的一种眼镜片设计方法以及由该方法制造的镜片。本发明方法允许个体对于镜片性能的主观评定与相对于该个体的镜片性能的客观检测直接相互关联。本方法允许基于该个体的头部和眼睛活动的镜片设计的产生以及用户化镜片的设计。
传统的镜片设计方法不允许控制光学参数以具有任意精度地进行设计。例如，对于渐变镜片，控制参数包括，但不限于，远距离视觉宽度、中间视觉或者通道的宽度、近距离视觉宽度、通道(channel)长度、最大有害像散的大小、焦度梯度(power gradient)，以及从设计的光学中心至最大有害像散的距离。对于单光镜片，控制的参数是小于或等于所述标称球面度(nominal sphere power)的屈光度0.25的该球形度(spherical power)轮廓的半径，像散小于或者等于屈光度0.25的有害像散的轮廓的半径，视觉灵敏度轮廓的半径，所述的视觉灵敏度小于镜片光学中心处的目标值-0.2个单位。
在一个实施方式中，本发明提供一种眼镜片的设计方法，包括，基本包括，a)提供具有初始设计的初始镜片；b)确定所述镜片的至少一个视点；c)利用至少一个视点获得关于该镜片性能的信息；d)利用步骤c获得的信息修改初始设计，以提供具有二次设计的二次镜片。
为了实现本发明的目的，所述的“视点”或者“POR”是指在镜片前表面或在物体一侧表面上的一个点，在该点个体的视轴线与镜片相交。所述的“视轴线”是指在被观察物与观察者视网膜的中央凹之间，通过眼睛节点的视线。理论上，节点在其所在的光学系统中为成对的点，例如眼睛。如果轴外光线直射到成对节点中的一点上，则该光线以与轴外光线相同的方向离开该光学系统，而且似乎是从该成对节点的另一节点发射的。
本发明可以用在单光或多焦点的眼镜片设计上，但在渐变镜片的设计上最有效果。所述的“渐变多焦镜片”或者“渐变镜片”是指一种镜片具有至少一个渐变表面。所述的“渐变多焦表面”或者“渐变表面”是指一连续非球面性表面，该表面只具有远视区和近视区，或者只具有中间视区和近视区，再或者具有远视区、中间视区和近视区，其中中间视区为一种连接该远视区和该近视区的屈光度增加或者降低的视区。
在本发明方法的第一步中，初始镜片可以通过任何常规可得到的方法来提供。所述的镜片可以通过使用一些商业上可得到的软件来设计，所述的软件包括但不限于，ZEMAXTM，CODEVTM，OSLOTM等。有代表性的，镜片是通过描述该镜片的各个表面来设计的。例如，镜片的渐变表面或者表面可以被描述或表示为连续、微分连续、两次微分连续。被描述的表面的可采用的形状仅受限于元件的密度或用于描述镜片的系数。优选的，初始镜片的前表面或物体一侧表面，与其后表面或眼睛一侧表面，都为渐变表面。
一旦初始镜片的设计完成，则按照初始设计通过常规的方法将镜片生产出来。生产这类镜片的方法包括但不限于，加工玻璃或者聚合品，如半成品毛坯；成型，如通过注射或模铸成型的方式；或者加工与成型相结合的方式。
在本发明的第二步中，所述镜片用于确定一个或多个个体的至少一个，优选多个视点。多个个体的一个或者多个视点的确定允许确定各个视点的一个平均位置。设计者可以运用视点信息来确定镜片在进行工作时所使用的区域。优选地，通过或者设置棱镜参考点，或者优选是设置配合点(fitting point)，使镜片的整个轮廓与视点在远视点的中心相匹配。对于渐变镜片，近视区的中心设置在近视点的中心上，所述的近视区中心确定通道长度和镜片的插入物。可选地和优选地，光学中心可以位于特定个体的视点上。优选地，当物体由该个体在至少两个距离中被观察时，测绘出多个视点。更优选，当物体在远处、近处和中间位置被观察时，进行测绘。
所述的“远处”是指距离眼睛超过约80厘米的位置。所述的“中间位置”是指距离眼睛约45至约80厘米的位置。所述的“近处”是指距离眼睛约5至约45厘米的位置。
在本发明的方法中，视点的测量可以通过使用改进的商业上可得到的测量头部和眼睛活动的装置来实现。任何适宜的商业上可得到的测量眼睛活动的装置都可以被使用和改进，这些装置包括但不限于，ISCANTM、ETL-400、RK-726PCT等。可以被使用和改进的任何适宜的商业上可获得的测量头部活动的装置包括，但不限于，Polhemus INSIDETRAKTM，Ascension Magnetic Head Tracking System等。有代表性的，适合在本发明中使用的测量眼睛和头部活动的装置包括：一种安装在头部的记录仪、眼睛和场景影像装置、以及电脑。
为了在本发明中使用，改进商业上可获得的系统以提供一个或多个场景摄像机，并且该摄像机指向镜片佩带者的眼镜片。所述的场景摄像机可以是任何商业上可获得的小型CCD装置，如一种Elmo MN30 LIPSTICKTM摄像机。
另外，必须改进用于头部和眼睛活动系统的校准技术，以允许校准视点到眼睛的活动。校准技术的改进可以通过任何便利的方式完成。在一种校准的方法中，调整摄像机以产生一种没有阴影和反射的红外图象，并且调整瞳孔和角膜映像的对比。当软件自动记录角膜映像的水平(x)和垂直(y)像素位置值或者如从角膜表面反射的光源图象，以及相应于已知的眼睛活动的瞳孔中心时，该佩带者个体的眼睛活动通过启动眼睛活动装置的校准程序以及通过使佩带者个体注视被注视的目标物上五个点中的每个点来校准。该已知的眼睛活动通过使佩带者个体注视精确位置已知的固定点的方法来确定。有代表性的，使用一个中心点和从中心点分别向上、向下、向左、向右5度的四个点。该软件利用这些值来将瞳孔和角膜映像的像素位置转化为注视角度。
为了校准视点，本发明使用一种遮光板。所述的遮光板可以由任何适宜的材料制造，如，一块具有五个小孔图案的NO.88 Kodak Wratten凝胶滤光片。小孔的尺寸和布局不必要提供它们的位置是已知的。可以方便地利用在具有一个设置在固定点上的中心小孔的5毫米乘5毫米正方形布局中的0.6毫米小孔。遮光板被设置在单焦或渐变镜片上，遮光板的中心孔位于镜片的光学中心或者位于棱镜参考点。佩带者个体经由每个小孔注视小型LED屏。注视的顺序并不重要，但利用中心、上左、上右、下左和下右可以是方便的。每个孔的位置的x、y象素值由显示在屏幕上的位置被观察者记录以及在每个孔可视的有角度注视位置被该装置的软件记录，以使该注视位置与该视点相互关联。可选择地，可以包括一个第三板，以捕捉关于眼睛的框架和顶端位置，进而允许对框架和顶端或两者中的一个进行补偿。
图1描述了在实施本发明中有用的装置的一个实施方式。如图所示，一个Polhemus INSIDETRAK头部活动传感器12设置在佩带者的头部，并且眼镜片13设置在佩带者眼睛前适当的位置。传感器12的前端连接一场景摄像机14和一个眼睛摄像机16。设置一个分光装置11，以便传输可见光并反射红外光。任何一个合宜的分光装置都可以被使用，例如一个双色向热镜(dichroic hot mirror)。如图所示，透镜13的前表面有一块遮光板19。一个红外线光源15提供系统的照明。已知合适的红外线光源可以是峰值大约为850纳米的发光二极管，但不限于此。来自场景摄像机和眼睛摄像机的图像被分别传输到场景监视器17和眼睛监视器18。还使用一台个人电脑20，所述的电脑装载了专用的硬件和软件，例如，具有ISCAN-620-PC校准器卡和ISCAN RK-464-PC捕捉卡的PolhemusINSKDETRAK软件。
本发明方法使用的软件为分析和图解软件，例如ISCAN’S DAQTM。该软件定义场景元件或者像素，以及使像素与眼睛注视关联，因此眼睛的活动可以被眼睛活动摄像机记录下来。眼睛的活动由一相配的监视器上的指针活动而被描绘出来，所述的监视器可以是，但不限于，Sony SSM930TM监视器等。其提供了设置有镜片的佩带者的occulomotor路径的一个可视轨迹。所述系统运用眼睛/眼镜片光学系统的瞳孔入口的中心来追踪眼睛的活动。
每一个视点用常规的方法进行分析，这些方法包括但不限于，MATLABTM，MATHCADTM，EXCELTM，QUATTROTM，ORIGINTM，SPSSTM等。例如，可以确定佩带者的头部必须移动以保持眼睛的视线进入渐进透镜的中间视区的视点。
在一个实施方式中，在一特定的距离上确定一个视点，然后表征该视点的一个或多个光学控制参数。可选择的，在要求眼睛看各种距离物体的过程中，确定各种距离的视点。这样的方法允许确定佩带者所见的各种视区的宽度。
可以进行一个二维的视点绘图。例如，ISCAN可以将如下表1所示的包括水平和垂直视点值的参数储存于文本文件中。然后将所述的文本文件输入EXCEL，并在EXCEL中分类。利用在校准步骤中获得的值将视点象素值转化为镜片上的位置后，水平和垂直视点数据可以被输出到ORIGIN、SPSS或其它类似的用于统计分析和绘图的软件。
                    表1
  PUP H1   基于瞳孔的眼睛水平位置
  PUP V1   基于瞳孔的眼睛垂直位置
  P-CR H1   基于瞳孔和角膜反射的水平位置
  P-CR V1   基于瞳孔和角膜反映的垂直位置
  POR H1   水平视点
  POR V1   垂直视点
  POR D1   瞳孔直径
  Head Az   头部方位旋转
  Head E1   头部仰角旋转
  Head RI   头部摆动旋转
  Head X   头部的X方向位置
  Head Y   头部的Y方向位置
  Head Z   头部的Z方向位置
在本发明方法的第四步中，利用获得的信息，修改初始镜片的设计以设计具有二次设计的二次镜片。当确定渐变镜片上的多个视点时，实际使用的各种视区的宽度可以与镜片视区宽度的定界进行比较。上述操作通过确定最大有害像散、或者由一个或多个镜片表面引入或引起的最大像散、以及引起眼睛和头部活动的球形散焦来完成，因此这一信息可以用来调整设计的镜片的各种视区宽度。另外，近视区的插入角度、通道长度和位置、有害象素分布及轴、棱镜的轮廓、双目设计特征、非球面性和像差的修正等可以根据佩带者个体的要求或者从多个取样个体的平均值来修改。
修改可以通过在本领域中已知的任意的方法进行。例如，适宜的光学设计运算或者软件可以用于进行构建以提供一个光学特性的全面检测的优值函数或者费用函数的修改。一个优值函数可以用来描述在透镜表面选择的点上有害像散值的总合。在优值函数的构建中，使用一种重量列表来提供光学区域元件中每个区域的期望重量。然后，对重量列表或者将这些重量作为x、y坐标的函数描述的函数进行修改。另外，光线追踪软件或类似工具用于分析由镜片表面所提供的图像的质量，并且必要时，可以进一步修改重量或者函数。
本发明可以用于根据来自对统计上有效数量的佩带者个体的测量的平均视点值进行镜片设计。可选地和优选地，本发明可以用来研究一个佩带者个体的头部和眼睛的活动，并直接利用这些收集到的信息设计符合佩带者个体视觉习惯的镜片。
附图说明
图1所示为本发明的一种头部和眼睛活动装置。
具体实施方式
通过下面的实施例进一步说明本发明，但不限于这些实施例。
对于每个受试者，当其完成三个视觉动作时，对用于单光镜片和渐变镜片的视点的二维记录、眼睛的活动和头部的活动进行相互比较。所使用的镜片是SOLA VIPTM和SILOR SUPER NO-LINETM的渐变多焦镜片。通过常规的方式对每个将被测试的镜片的光学中心在适合的交叉处确定和标记出来。将一个具有排列为中心、上左、上右、下左、下右的五个0.6毫米孔方式的凝胶滤光器(Kodak Wratten No.87C)居中连接到在左眼上的镜片的前方。所述的中心孔位于所述镜片的适合的交叉处，或者位于居中于瞳孔上的镜片的视点处。所述的滤光器遮挡了可见光并允许红外光通过，以便记录头部和眼睛的活动。佩带者的另一个眼睛在校准时被遮蔽，但在测量时没有遮蔽。
受试者通过滤光器上的中心孔注视目标物，并将注视点的象素值输入电脑。通过旋转受试者的头部，受试者通过其余的四个孔注视同一目标物，并由ISCAN程序中的视点校准程序捕捉注视点值。所述的软件利用眼睛移动的校准将水平和垂直方向眼睛位置的图像转化为度数。于是所述的视点校准使这些值与眼睛视线所通过的镜片上的位置(POR)值关联起来。由此所述软件同时记录了眼睛的活动情况和视点。
每一个受试者沿着中线注视距离眼睛325、64、40厘米处的一个字母15到20秒。另外，每个受试者在64厘米处以17度的角度阅读30度宽的一个文本。进一步的，保持每个受试者的头部固定，同时水平向左和向右移动他们的视线直到通过镜片看到的在65和325厘米处的字母变得模糊。
选择三个受试者，其视力为20/25或更好，没有病状或双目功能障碍。每个受试者戴着眼睛及头部活动装置坐着，同时在双目条件下测量左眼。每个受试者佩戴表2中列出的三个镜片中的每一个，所述的镜片对于受试者折射误差进行了完全修正。其结果，表2显示了三个受试者的相对于配合点和所计算的单光镜片的眼的路径长度较好的远距离和近距离视点的数据。所述的数据表明了，在渐变镜片中提供的通常为15毫米或者更长的通道长度，长于受试者佩带单光镜片工作时较好的长度。
                            表2
  受试者1   受试者2   受试者3
  远距离视点   0毫米   +2毫米   -4毫米
  近距离视点   -7毫米   -6毫米   -11毫米
  计算的通道长度(远视点到近视点)   7毫米   8毫米   7毫米
在表2中，正值是指视点在所期望位置的上方。
在表3中，概述了用于两个不同工作的中间视区的视点结果，并且该视点结果如测试镜片的试验台测试确定的结果。该数据表明，与单光镜片相比，渐变镜片在中间距离限制了期望区域的宽度，不同的工作导致不同的有效宽度并且渐变镜片中间区域的宽度所采用的确定标准与得自受试者的测试数据不符。
                                  表3
  单光镜   PAL A   PAL B
  视觉敏锐时的视点   23.9毫米   10.1毫米   7.9毫米
  阅读时的视点   11.9毫米   5.2毫米   4.4毫米
  试验台测试   29.0毫米   8.3毫米   7.7毫米
如表4所示的对一厂商的渐变镜片的另外测试确定远距离、中间距离和近距离工作时的视点与期望的或者定义的位置不符(例如，适合于在远距离的适宜十字线和中间区域的近参考圆和近距离的近参考圆之间的远距离、远距离的一半的十字线)。这些结果表明受试者可能会不情愿地改变他们的视觉习惯以适应渐变镜片显示的光学设计特性。
                                 表4
  受试者1   受试者2   受试者3
  远距离视点位置   +2毫米   +2毫米   +6毫米
  中间距离视点位置   +4毫米   -5毫米   -2毫米
  近距离视点位置   +7毫米   -1毫米   +10毫米

Claims (14)

1.一种眼镜片的设计方法，包括：a)提供具有初始设计的初始镜片；b)确定至少一个关于初始镜片的视点；c)利用所述至少一个视点获得关于镜片性能的信息；d)利用步骤c)获得的信息修改所述初始设计，以提供一个具有二次设计的二次镜片。
2.如权利要求1所述的镜片，其特征在于，所述镜片为单光镜片。
3.如权利要求1所述的镜片，其特征在于，所述镜片为渐变镜片。
4.如权利要求4所述的镜片，其特征在于，所述镜片的前表面和后表面是渐变表面。
5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，当佩带者个体在至少两个不同距离处观察一目标物时，步骤b)进一步包括确定多个视点。
6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，目标物在远距离、近距离和中间距离被观察。
7.如权利要求1所述的镜片，其特征在于，步骤b)进一步包括：确定所述至少一个视点的总体的平均位置。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d)进一步包括：修改一个或者多个视区的宽度、近视区的插入角度、通道长度、通道位置、有害像散的分布、有害像散的轴、棱镜轮廓、双目设计特征、非球面性、或像差修正。
9.如权利要求1所述的方法而设计的一种镜片。
10.如权利要求3所述的方法而设计的一种方法。
11.如权利要求4所述的方法而设计的一种镜片。
12.一种测量头部和眼睛活动的装置，包括：一个头部活动传感器、一个场景摄影机、一个眼睛摄影机、一个场景监视器、一个眼睛监视器、一个红外线光源和一个能传输可见光与反射红外光的分光器。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，进一步包括一个眼镜片和一个位于所述眼镜片的光学中心上的遮光板。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，进一步包括一个眼镜片和一个位于所述眼镜片的棱镜参考点上的遮光板。
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