CN102119355B - 用于优化人的视觉功能的高阶像差校正 - Google Patents

用于优化人的视觉功能的高阶像差校正 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过校正和/或优化高性能光学设备中的高阶光学像差来优化人的视觉功能。该优化尤其可用于在低光照条件下使用的高性能设备，比如双筒望远镜、步枪瞄准镜、望远镜、显微镜、夜视镜以及激光眼睛保护设备。

Description

用于优化人的视觉功能的高阶像差校正
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。
在低对比度情况下，这些字母会更加难以识别，当然，除了慧形像差以外还有很多其它可能的像差。为了作比较，图4示出了基于6.0mm瞳孔的非异常(没有像差的)视力表模拟。
调制传递函数(MTF)表征光学系统多好地保持对比度对空间频率。图5示出了在瞳孔为6.0mm时没有像差的受衍射限制眼睛的MTF。
在图6中可以看到在6.0mm瞳孔中仅仅引入0.19微米慧形像差时的MTF曲线。
由于单一的慧形像差，MTF曲线在所有空间频率都被严重地压低。如果球面和柱面也没有得到最佳地校正，那么由于低阶像差另外将存在严重的对比度损耗。
发明内容
本发明提供在使用双筒望远镜、步枪瞄准镜、望远镜、显微镜、夜视镜以及激光眼睛保护设备时对人眼高阶像差的个性化校正和优化。本发明将明显提高这些设备中的对比灵敏度和低对比度视敏度。这些视力上的好处将在使用以上标识的设备提高军用和民用性能时被实现并且发挥重要作用。
技术目的
当使用外加个性化高阶像差校正和优化的双筒望远镜时，对比灵敏度和低对比度视敏度提高了。
当使用外加个性化高阶像差校正和优化的步枪瞄准镜时，对比灵敏度和低对比度视敏度和游标视敏度提高了。当使用高阶像差校正和优化时，射手能够更好地集聚他们的射击。
通过增加个性化高阶像差校正和优化并且利用MTF控制来限制IIT中的混叠提高了夜视镜中的对比灵敏度。
当使用外加个性化高阶像差校正和优化的激光眼睛保护设备时，对比灵敏度和低对比度视敏度提高了。
附图简述
图1示出二阶到四阶Zernike像差的图示。
图2是示出正常健康眼睛的视敏度对年龄的群体平均的曲线图。
图3是对在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。
图4是对具有无像差的6.0mm瞳孔的受试者的视力表的光学模拟。
图5是示出具有无像差的6.0mm瞳孔的受试者的MTF曲线图。
图6是示出具有0.19微米慧形像差的6.0mm瞳孔的受试者的MTF曲线图。
图7到图11示出用6.89版本的Visual Optics Lab VOL-CT软件画出的各种PSF和MTF曲线。
图12是总像差干涉图样(OD)。
图13是示出双筒望远镜效率对放大倍率的曲线图。
图14是示出人眼纵向色差的曲线图。
图15是示出利用自成像Talbot效应的衍射波前传感器的操作的示图。
图16到图18示出基于所设计的高阶透镜的理论和实际干涉图样。
发明的详细描述
当前，积极的高阶像差校正仅可在受限视场上实现。因此可用受限视场自然地操作的设备便成为这类光学校正的理想选择。期望高阶像差优化在其中发挥主要作用的另一种类涉及其中瞳孔大小明显增大的低光照条件。光学像差通常随着瞳孔直径的增大而显著地增大，因此可对视力具有更大的影响。本发明包括设备中的四种模式的高阶波前校正。它们如下所列：
双筒望远镜
步枪瞄准镜
夜视设备
激光眼睛保护眼镜/护目镜
前三种自然地利用受限视场。后两种模式固有地涉及进入眼睛的光的降低级别，从而使瞳孔大小在所有情况下增大。前两种模式常用于其中瞳孔大小增大的低光照条件。
使用诸如波前像差计(Ophthonix有限公司，美国加州圣地亚哥)之类的波前传感器测量受试者的高阶像差。随后利用公知技术制造高阶像差校正元件并将其作为可移动元件结合到感兴趣的设备中。该像差校正元件除了校正和优化用户眼睛的高阶像差以外，也校正设备自身中的高阶残差。例如，参见美国专利No.6,813,082、6,989,938、6,682,195、6,712,466、6,840,619、6,942,339、7,021,764、6,781,681、7,034,949、6,761,454、6,836,371、6,934,088以及6,976,641，其每一个均通过引用整体结合于此。
最佳高阶像差
因为视力有多个独立的方面和许多量度，表征视力的质量是一项复杂的任务。然而，广泛使用的两类量度是敏锐度和对比灵敏度。如果使人眼受衍射限制(指所有像差都被消除)以用于诸如5mm之类的大瞳孔直径，那么对比灵敏度和敏锐度与所可能的相比将降低到非最佳值。为了更好地理解为什么会这样并且为了预见什么对于最佳视力是必需的，将检验这两种观点的共有情况。
对比灵敏度
对比灵敏度涉及正弦光栅的探测。为了正确地标识在诸如视网膜之类的探测器上成像的光栅的方向和频率，Nyquist标准将每波长具有最少两个探测元件(例如视网膜中央凹视锥细胞)。视网膜中央凹中的视锥细胞的间距具有2.5微米的数量级，相当于约30角秒。这导致经常引用的约60周/度(cpd)的最大分辨率，相当于Snellen敏锐度20/10。14
使用两激光束的干涉有可能在视网膜上产生任何期望波长的正弦光栅，从而绕过眼睛光学系统。当完成这个时，受试者正确地识别60cpd以下的光栅的波长和定向。然而，当在视网膜上产生更短的波长时，受试者仍能看到图样，但是所报告的波长和定向是不正确的。当使Nyquist限度以上的光栅移动时，它们被察觉到是在错误的方向上移动。所发生的是60cpd以上的光强度与60cpd以下的空间频率混淆，因此造成噪声。15允许Nyquist限度以上的空间频率激活视网膜是起相反作用的并且阻碍对情景的正确识别，尽管它仍有助于指示某物存在的粗糙探测。探测敏锐度和分辨敏锐度之间存在区别。探测敏锐度是分辨某物是否在那或者是否已改变的能力。使人们正确地识别和标识物体并且确定它们的移动方向的是分辨敏锐度。探测敏锐度良好但分辨敏锐度不良的飞行员有可能能够看到空中很远距离外的另一飞机，但是他会由于对低空间频率的视网膜混叠而错误地断定该飞机在更近的位置并且错误判断其移动方向。为了使军事功能最佳化应当使分辨敏锐度最大化。
完全相同的现象发生在数字相机中。如果相机透镜的光学系统过于优良，那么当给包含足够高空间频率的景物摄影时，混叠将导致图像的劣化。这通常使用防混叠滤波器来进行补救。
调制传递函数或者MTF是通过光学系统从物体传递到图像的对比度的量的量度。通常将其规定为对空间频率的一个函数。它是光学器件的质量的一个量度。较高的MTF通常是好的，除非空间频率在探测元件的Nyquist限度以上。从MTF角度来讲，要做的最佳事情便是使MTF在Nyquist以下最大化，并且使其在Nyquist以上最小化。再一次，对于人眼，Nyquist约为60cpd。图7到图11绘制了瞳孔直径从2mm到8mm的受衍射限制的眼睛的MTF。直径在3mm以上，MTF在60cpd以上开始迅速增加。问题在于不希望受衍射限制的眼睛的瞳孔直径大于约3mm。因此，超过中心3mm直径的像差结构应当达到使MTF在Nyquist以下最大化，而使其在Nyquist以上最小化。这通过具有准确数量的对称高阶像差来完成。
敏锐度
可以想象敏锐度的情况是不同的。如果试图解析高对比度物体上的皱纹边缘，那么如何改善光学损伤？点扩展函数或者PSF是在看诸如恒星之类的点光源时光在视网膜上的分布。如果没有光学像差，那么PSF直径或者半峰值全带宽(FWHM)将随着瞳孔大小变大而变小。如果PSF变得比单个视锥细胞感光器小会不会有问题？
这种观点中的谬误源于未能认识到大脑如何使用视网膜的信息感知位置。众所周知，通常人在探测位置时可以达到次视网膜中央凹视锥细胞(sub-foveal-cone)的精确度。在游标视敏度测试中，通常人们可以将三个点排成一行使其小于2角秒。视网膜中央凹视锥细胞感光器的直径相当于35角秒。所发生的是PSF同时重叠若干视锥细胞，并且大脑将位置插值到次视锥细胞(sub-cone)精确度。16如果PSF变得如此狭窄以致于一次仅仅照亮单个视锥细胞，那么可能的精确度会降低到35角秒或者一个视锥细胞直径。
游标视敏度对于视力非常重要。它通过在两眼的视网膜上记录图像的稍微不同的位置而允许大脑非常精确地测量距离。
从敏锐度的角度来讲，要做的最佳事情是使PSF的直径包含若干视锥细胞感光器，最好是三个。对称的PSF比不对称的好，因此最佳的是所有方位角的非对称像差都应当被校正并且消除。视锥细胞感光器的直径约为30角秒或者约半角分。在图7到图11中曲线旁边的数据栏中列出了瞳孔直径从2mm到8mm的受衍射限制的眼睛的PSF的FWHM。PSF的直径随受衍射限制的瞳孔的直径的增大而减小。可以看出，对于直径大于约3mm的受衍射限制的瞳孔，多视锥细胞重叠标准开始失效。
MTF和PSF计算对瞳孔直径
图7到图11中示出的计算是使用6.89版本的Visual Optics Lab VOL-CT软件作出的(参见参考文献17)。它们示出，在不存在像差的情况下，接近人视网膜中央凹的Nyquist分辨率限度的60cpd以上的MTF在瞳孔直径增大到超过3mm直径时也增大。同时，PSF直径减小以使其不再重叠若干视锥细胞。视网膜中央凹视锥细胞直径约为0.5角分。
具有极好视力的眼睛的示例
一位临床试验受试者(受试者A)的右眼在不戴眼镜或者隐形眼镜的情况下被测量为具有20/12的敏锐度，其接近于与年轻人一样好。当时受试者A已46岁，从而使其敏锐度更加让人印象深刻。他声称自己可以利用瞄准具用粒丸枪击中60码处的1”目标，他将此描述为“令人可怕的好”。在4.5mm瞳孔上他的高阶RMS是0.66微米，低阶RMS是0.98微米，总体是1.2微米，这似乎并不是非常让人印象深刻。当时更令人费解的是，这表明良好的敏锐度可以来自于具有大量像差的眼睛。然而，当对他的整个眼睛绘制了干涉图样时，其示出他的波前的中心3mm直径特别地平坦，并且在更大的范围内像差被彻底排除在外。参见图12。这说明为了最佳视力而仅仅校正中心3mm的经验法则实际上有作用。在他的例子中，高阶散光和球面像差由中心3mm区域中的球面和散光补偿。
在3.0mm直径时受试者B每个眼睛中具有0.03微米的RMS高阶像差，这是非常低的。他几乎可以识别整个低对比灵敏度表。对于很多人来说，将一些测试图案直接放在面前他们也看不到。必须参考答案来看看他是否给出正确的回答。因为他瞳孔小，所以只可以在约3.0mm外时获得他的眼睛上的波前数据。他的眼睛说明完美的对比灵敏度对于完美的3mm瞳孔是可能的。非凡的对比灵敏度并不需要更大的瞳孔。
在近来使用自适应光学器件的实验中，三位受试者的视力均在3mm直径瞳孔上得到完全校正，然后在5.8mm直径瞳孔上被完全校正。人视网膜中央凹的Nyquist分辨率限度被预测为约20/10，目前测量的世界纪录是20/8。在所有三位受试者中用3mm校正的敏锐度被测量为20/7，基本上与世界纪录相匹配。然而，用5.8mm校正并没有进一步提高视力。摘要中提供的细节没有指示用5.8mm校正的视觉性能是否实际上劣化。这些结果证实了Nyquist分辨率限度的预测并且与分辨率限度以上的MTF对分辨视敏度没有用处的观点一致。
人眼的最佳光学校正并不是简单地校正大瞳孔直径的所有像差。这使很多人一开始难以理解。他们难以相信更好的光学器件有时可以降低视力。对此的解释在于视网膜的结构，而不是光学器件。
为了对于3mm直径或者更小的瞳孔直径优化视力，要做的最佳事情便是消除所有像差。可能令人惊讶的是，对于大于3mm直径的瞳孔直径情况是不同的。对于大于3mm直径的瞳孔，要做的最佳事情便是使MTF在Nyquist以下最大化，并且使其在Nyquist以上最小化。或者，应当使PSF对称并且使其具有在视网膜中央凹中重叠约3个感光器视锥细胞的直径。
高阶校正的实现
以实践方式来实现高阶校正当前正在开发中。使用诸如角膜手术之类的侵入过程来校正高阶的努力，以及眼内植入已因外科手术和恢复过程所产生的像差中的不确定和变化增加了困难。角膜激光手术有使高阶像差级别变得相当地恶化的很长历史。使用波前像差计可以容易地标识LASIK或者RK受试者，因为他们的高阶级别被相当地提高到了标准以上。少数受试者是幸运的，但是由于手术引起的高阶像差的增加使大多数人遭受对比灵敏度的降低。最近基于波前的校正技术的引入带来了希望，激光/角膜手术可能平均地避免使得高阶级别恶化。隐形眼镜是另一种可能，但是主要问题涉及稳定隐形眼镜的位置和旋转使其处于最佳位置。隐形眼镜自身改变了眼睛的像差，这必须可靠地预测并将其考虑在内。但是用隐形眼镜进行高阶校正必须得到论证。临床试验已证明用眼镜片中的高阶校正可以提高视觉性能。
在校正和优化高阶像差之前，必须校正低阶像差。由于难以精确测定受试者的屈光度，并不是总能获得最佳的低阶处方。波前像差计(可从Ophthonix有限公司，美国加州圣地亚哥购得)快速精确地测定人眼的屈光度并且确定最佳的低阶处方。它在没有向受试者进行个人输入的情况下将其完成，并且减少了人为误差的可能性。另外，它提供了对高阶像差的完整分析。波前制导透镜技术于是允许校正眼镜以及其它设备中的高阶像差。例如参见美国专利6,813,082、6,989,938、6,712,466、6,840,619、6,942,339、7,021,764以及美国专利公开2006/0052547，所有这些通过引用结合于此。
调节
视力涉及三个主要因素：眼睛的光学系统、视网膜和大脑。光学器件决定MTF和PSF。视网膜结构将约束条件施加于PSF和MTF，光学系统必须提供这些以获得最佳视力。最后，人实际上看到的是由大脑基于来自眼睛的信息而计算的某物。由于眼睛中的像差，视网膜上的直线的图像实际上是歪曲且模糊的。然而，我们仍然看到直线并且没有注意到模糊。这是由于大脑中的处理。
在涉及自适应光学的吸引人的实验中，受试者的像差被消除并且随后以循环的形式再造。令人感兴趣的是受试者随着循环的像差遭受显著降低的敏锐度和对比度。用新光学状态观看半小时后，大部分的视力丧失消失了。结论是大脑适应了眼睛中存在的像差，这一调节提高了视觉能力。然而，需要花时间去适应新的像差配置。并不知道实现最大好处需要多长的适应时间。然而，在很多情况下已显示三天就足够了。例如当佩戴将世界的图像上下颠倒的护目镜时，三天后此人又能够以完全正常的方式活动，比如签字以及握手等等。当随后去除护目镜时，正常功能被保留，因为大脑仍然具有先前使用过的软件，但是奇异的感觉会存在约一小时。激光损坏产生的小暗点将继续模糊一部分视场，但是几天后受试者不会继续注意到。这些以及其它示例表明几天足以允许重大级别的调节。
结果，当实现高阶像差校正时，个人不应当期望即时体验最大的视觉好处。应当允许相当几天的调节以允许大脑学习使用最佳方式中的新情形。
高阶校正在军事和运动设备中的应用
双筒望远镜
双筒望远镜是有着很长发展历史的高度发展的光学设备。双筒望远镜实质上是并排设置的两个望远镜以使双筒望远镜观看放大的图像。自从双筒望远镜扩展了人类的视力范围，双筒望远镜性能的优点的一个象征便是使用该双筒望远镜能够探测到的目标的最大距离。双筒望远镜效率被定义为：
E = R r
其中E是双筒望远镜的效率，R是利用该双筒望远镜可探测到的目标的距离，以及r是单独利用眼睛可探测到的目标的距离。实验示出双筒望远镜的效率随着放大倍率的增大而从理想值减小，对于手持式双筒望远镜更是如此，如图13所示。
对于手持式情况，简单模型指示随着放大倍率的增大所发生的减小主要由于用户引起的抖动或者摇动。一小部分效率损耗是由于双筒望远镜的光学系统中的光学缺陷，其随着透镜光学能力和放大倍率而增大。在给定时间内识别物体的同等大小的图像的概率降低了，并且识别时间随着放大倍率的增大而近似成比例地增加。观察时间并不是不受限制。集中全部注意力长时间使用10倍到15倍放大倍率双筒望远镜的大量个体的经验示出最大可能观察时间平均为2-3分钟。研究也已证明，低对比度探测任务与高对比度条形图表相比是双筒望远镜性能的灵敏得多的量度。
定义双筒望远镜效率的等式可改写为：
R＝E·r
为了增大可探测到物体的距离R，可以增大双筒望远镜效率E，或者增大在没有双筒望远镜时可探测到的物体的距离r，或者同时增大两者。通过校正双筒望远镜光学器件中的像差，少许提高E是可能的。通过校正用户眼睛中的像差，显著提高r应当是可能的，尤其在其中瞳孔直径增大的低光照条件下。可在单个像差校正光学元件中同时完成这两种校正。
理想地，基于在角膜位置处测量的像差的高阶像差校正元件可被放置在光学系统中与该角膜共轭的位置。从望远镜或者双筒望远镜的目镜出射的光是近似准直的，因此可将相位片从外部固定在目镜上。由于离角膜的有限距离而做出的校正可以计算并且结合到设计中。然而，这些校正可能比较小。已示出高阶校正对于轴向距离(离眼睛的距离)相对不敏感。在某项涉及三位人类受试者的相位片校正的研究中，当将相位片从最佳位置移开5个瞳孔半径时，三位受试者中的两位保持了95％的校正。第三个并且最坏的例子中的补偿度降到85％，不过这仍然是非常不错的校正级别。这意味着像望远镜和双筒望远镜这样的光学设备中的高阶校正易于测试，因为不需要侵入(hack)光学设备，只需要将相位片附着于目镜。这也意味着尽管光学校正被个性化，但是光学设备自身并没有被个性化。它可由任何人员使用。具有为其眼睛制造的个性化校正片的任何人都可以具有超级正常视力能力的增强模式使用该设备。对该观点的测试是简单的。在某项双重遮蔽(double-masked)的研究中将不带校正的无效(placebo)相位片和高阶校正相位片附着于目镜并且视力测试结果相当。
步枪瞄准镜
步枪瞄准镜中典型的任务是将标线与背景中的物体对直。这一任务的最佳化需要游标视敏度的最佳化。在其最简单的形式中，游标视敏度涉及何时两线对准的判断。人眼中的视网膜中央凹视锥细胞分隔开约35角秒，使得可能自然地假定可能最佳的对准是在约35角秒之内。然而，人通常可以对准这种线使其好于2角秒。这之所以可能仅仅是因为线在视网膜上的图像的宽度足够宽而包含若干视锥细胞，并且大脑学习将位置插值到次视锥细胞间距精确度。
高阶像差可以歪曲视网膜上的线的形状，较低的对比度使得线更加难以探测，并且过度地扩展了线的宽度，从而导致游标视敏度的降低。然而，如果要在比如典型弱光照中的5mm直径瞳孔上校正所有光学像差，那么细线在视网膜上的图像的宽度会比单个视锥细胞的宽度小。在这种情况下，游标视敏度实际上会降低到35角秒，因为不可能插值。这一示例说明，在大瞳孔上(大于3mm直径)自然地校正所有高阶像差实际上是起反作用的。它也证明遭受游标视敏度的降低有两种完全不同的方式，小瞳孔中过多的高阶像差，或者大瞳孔中过少的像差或更准确地是非最佳高阶像差结构。为此，将其称为高阶像差“最佳化”而不是仅仅“校正”可能更为恰当。
最终的测试是利用有经验的射手的双重遮蔽研究，其使用不含校正的平的光学元件或者使用附着于他们的瞄准镜的个性化高阶校正元件。该研究寻找在使用高阶校正的情况下目标中弹孔的统计上显著密集的集聚。然而，在测试之前，将寻找在使高阶校正的情况下对比灵敏度和敏锐度中的简单增大。
夜视设备
军事、警察和运动活动经常在诸如晚上的低光照条件下发生，因此现在使用夜视设备(NVD)特别是夜视镜(NVG)是很平常的。NVG的分辨率主要受图像增强管(IIT)的限制，具有在IIT外约为30线对每毫米的数量级，从而导致约20/40的视敏度限制。可设计波前光学器件可以使用NVG在两个分开的区域中提高视觉功能：
·通过控制物镜一侧的MTF使光阴极处产生的混叠噪声最小化
·将通常由于低光照水平具有散大瞳孔的用户的高阶像差最佳化，并且控制目镜一侧的MTF
物镜一侧—图像增强管(IIT)的极限分辨率约为30线对每毫米。由物镜传送的光的具有超过空间频率极限的空间频率含量的任何分量都将被图像增强管探测到，但是其将被混叠到较低空间频率并且作为噪声结束。理想地，物镜的调制传递函数或者MTF在空间频率极限以下将尽可能地大，而在该极限以上尽可能地小。然而，为了在这一方面非常成功，光学设计者需要有权使用可引入物镜的非常具体的方位角地对称像差的可变量。其它问题经常支配所用透镜的选择，这些透镜总是现成可购的光学器件。然而，通过使用此处描述的波前可设计透镜技术，可以容易地制造最佳高阶像差。该校正片将通过最小化主要的噪声源而提高对比灵敏度。
目镜一侧—因为图像增强管在空间分辨率上受限，所以目镜光学器件中在空间频率极限以上的任何MTF仅能向眼睛传递噪声。可通过控制目镜光学器件的方位角地对称像差使空间频率极限以上的MTF最小化。可以制作以期望方式控制MTF的目镜一侧的校正片。校正片还可以优化用户眼睛特定的高阶像差。使用波前像差计测量用户的像差。从呈现给眼睛的景物亮度可以估算瞳孔直径。这通常是2-4.5cd/m2，从而导致平均瞳孔直径比青壮年的5mm大。即使使用图像增强器，呈现给眼睛的光照水平仍远低于日间水平，因此瞳孔直径显著增大。高阶像差的级别随着瞳孔直径的增大而显著地增大，并且影响对比灵敏度。利用用户高阶像差的最佳化，对比灵敏度将被最佳化。
利用以上的增强，整个系统的敏锐度可以有微小的增大，但是由于IIT的限制其可能比较小。然而，敏锐度仅仅是视力的一个量度，它并不能完全描述视觉功能。对比灵敏度是视觉功能的较好量度。具有相同敏锐度的两人可以具有非常不同的对比灵敏度曲线。具有较好对比灵敏度的人将看得更好，并且识别和反应更快。敏锐度仅在可探测的最高空间频率作为对比灵敏度的量度。利用NVG的高阶校正所预期的显著的对比度提高和噪声降低应导致更好的视觉功能以及更短的识别和反应时间。在都有和都没有最佳个性化校正光学系统的双重遮蔽研究中可以测试NVG。无光学功能的无效校正片可用于无效的情况中。
激光眼睛保护眼镜/护目镜
随着技术的发展，对人眼非常危险的激光变得越来越可负担得起且普遍。以激光指示器形式组装的大量生产的激光器接近IV级激光安全规定(>0.5瓦平均功率)，这意味着它们可以相当容易地引起火灾。结果，在现代化战争中使用对眼睛不安全的激光器几乎是必然的。并且美国人所必须关注的并不仅仅是敌人。美国军方自身利用许多危险的激光器，并且已记录了许多事故。最近商业航线航路指南已报告瞄准飞行中的商业航线的激光束。结果，所部署的所有人员可能有时被要求佩戴激光眼睛保护(LEP)护目镜或者眼镜。LEP的缺点在于，为了保护眼睛使其免于最主要的有威胁波长，必须阻断可用光源的实质部分。因此激光眼睛保护设备经常与黑的太阳镜相似。在低光照条件下这种LEP设备严重地降低视力。佩戴LEP设备时可获得的任何视力增强因而需求量很大。
照明减少时瞳孔直径增大并且高阶像差级别显著地增大。这正是高阶像差优化和校正将提供最大可能好处的情况。除了高阶单色像差以外，人眼中还有严重的色像差。对高阶像差和色像差的同时校正将具有协同效应，因为这两类像差在一定程度上相互补偿。因此，如果除了单色高阶像差以外还校正了色像差，那么视觉提高将粗略地加倍。
在LEP情况下的色像差校正来自于由于滤波的频谱收缩。LEP设备的通频带是不断发展的实体，因为激光技术自身也在发展。然而，一些通则可以起杠杆作用。产生近红外和红波长的激光器比较短波长的激光器每瓦特更经济并且通常更紧凑和轻型，因此LEP设备倾向于阻断光谱的近红外线和红端。因为光适应灵敏度的峰值在绿带中，所以通过最大亮度时最宽的保护可能阻断光谱的红蓝两端。然而，在532nm操作的倍频激光器的有效性可能要求也在那个特定的绿波长处阻断。LEP滤波的净效应是一般地缩小进入人眼的光谱范围。这减少了进入眼睛的光的量，通常降低了视觉能力，这是问题所在。然而，它也有效地减小了色像差，其如果与高阶像差校正相结合将改善视觉功能，因此这是机会。
图14示出人眼的纵向色像差。
深蓝和深红之间存在2.5屈光度的差异，这是巨大的。这意味着，如果对于深蓝完美地聚焦，那么深红在焦点之外2.5屈光度。若干因素降低了该像差的严重程度。光适应响应曲线主要示出眼睛对绿光比对蓝光或红光更敏感。同样，单色高阶像差增大了眼睛的焦深，从而也防止色像差。通过频谱收缩单独校正色像差并没有很大程度地增强敏锐度或者对比度，这很可能是由于与单色像差的相互作用。但是同时校正色像差和单色像差将导致对比度的显著提高和敏锐度的提高。激光眼睛保护中固有的频谱收缩造成高阶像差校正的理想情形以相当大地提高视觉能力。
类似于眼镜或者护目镜的普通LEP设备与此处描述的其它应用的不同在于这些设备并未固有地限制于视场。眼镜通常设计成使其最小限度地限制视场。因此，自从积极的高阶校正区域自身具有受限视场，该高阶区域可表示LEP设备中的视力“最佳点(sweet spot)”。该情形类似于由约45岁以上的受试者为防止远视眼或者不能对近处聚焦而佩戴渐进增加透镜(PAL)的情形。近区特别是增加通道具有受限的视场。需要头部运动以将近区或者增加通道与感兴趣的物体对准，这需要几天来调节。但是实际上所有受试者都可以适应PAL，并且PAL代表所有配制的多焦点透镜的一半以上，从而证明关于受限视场的解决方案是可接受的。在PAL情况中所发生的是，大脑学习忽略功率通道周围的过渡区，并且仅注意有益的功率增大。眼睛和头部学习移动以从功率通道获得最佳好处。
在高阶校正的情况下，经校正的视场取决于校正的空间频率含量，并且对于较低的空间频率其含量更大。可以实现高阶校正以便以一些校正为代价增大视场。慧形像差是包含最低空间频率含量的高阶像差。这样，它是最容易校正的高阶像差而同时保持最大可能的视场。在视场和高阶优化及校正的程度之间存在权衡。
总之，LEP通常减小由于光谱过滤而导致的色像差。在这些情况下，归因于高阶像差的校正和优化的视力好处将粗略地加倍。在眼镜或者护目镜形式中，积极的高阶像差校正将产生用户必须适应且学习使用的视力最佳点。
在适当的适应期之后高阶像差校正的增加显著地提高了对比灵敏度和敏感度。
波前像差计
测定受试者的屈光度是耗费时间的，有时比较困难并且经常不准确。本发明的实践中所使用的较佳波前传感器是诸如例如像差计之类的自成像衍射像差计，其可以快速(差不多在眨眼的过程中)准确地测定受试者的屈光度。包括高阶像差的波前像差被自动记录。眼睛的这一酶解图谱(fingerprint)包含关于眼睛光学质量的完整信息。根据本发明，像差计的新颖设计使其具有正好相同的精确度但是其空间分辨率比基于Hartmann-Shack传感器的像差计更高，后者同样可购得并且同样可用于进行波前测量。
图15是示出基于被称为“自成像”或者Talbot效应的波动光学原理的自成像衍射像差计的功能的流程图。Talbot效应基于以下事实，当某些亮度调制图样被放置在系统的光学瞳孔处并且用平面波照亮时，图像在沿着传播路径(Talbot平面)的可预测位置再现。不需要额外的光学元件来形成这些图像。自成像的调制图样的子集包括诸如二维正弦光栅之类的所有周期性结构。调制图样可由放置在Talbot平面之一的位置处的成像探测器记录。如果光学系统包含波前像差，那么调制图样的图像相对于周期性调制元件将被歪曲。周期性“载波”亮度图样上的歪曲可通过应用于所记录亮度值的计算机算法提取。计算机算法基于所测量亮度的傅立叶变换以及后来从载波信号提取的像差信息。别处更详细地描述了衍射传感器。
典型的Hartmann-Shack系统利用7mm直径瞳孔内的50-200个测量点，并且甚至最新的“高分辨率”系统也使用约3,500个点。如果因为像差具有高空间频率或者因为像差具有低空间频率但是数量很大而使波前的曲率在子孔(sub-aperture)上显著地变化，那么结果在HS传感器中的所聚焦的斑点处变得模糊并且更加难以定位。自成像衍射WFS利用二维光栅并且在7mm瞳孔上具有多于17,000的有效元件。由于较大的波前曲率该较高空间分辨率使其不太可能失效。然而，如果斑点或者有效元件图像被移位使得它们在位置灵敏探测器上重叠，那么这两类传感器都会遇到困难。由于光栅和相机之间的较短距离，需要元件之间100屈光度的局部功率以造成自成像衍射传感器中的元件重叠。
光敏聚合物眼镜技术
常规眼镜为眼睛的像差提供柱面、球面和棱镜补偿。眼镜片技术包括可设计的光学层，即光敏聚合物层，其中高阶和低阶像差均可校正，并且其中衍射元件可按需被“写出”。屈光率可在光敏聚合物层中变化以产生可变的屈光率轮廓，该屈光率轮廓补偿眼睛的高阶像差或者透镜中的固有像差。可消除或者修正像差以产生最佳视觉内容。基本上任何可想象的光学设计可在透镜中以非常精确的水平设计。主要的高阶像差是慧形像差、三叶形像差和球面像差。在点扩展函数或者PSF上产生彗星状尾部的慧形像差显著地降低了对比灵敏度。球面像差可直接影响最小视网膜斑点大小从而影响敏锐度。因此，高阶像差优化和校正可对视力产生非常重要的影响。通过使用在光敏聚合物透镜中设计的衍射设计，可在更薄、更轻的眼镜中制造棱镜。衍射元件也可去除由常规棱镜和大处方引起的色像差，并且显著增大焦深。通过设计适合个体受试者的光学图样，受试者的视网膜图像可在功能障碍的视网膜组织周围扭曲，从而消除实质的盲点。通过将自由曲面生成元与可设计的光敏聚合物层相结合，实际上可产生任何可想象的光学元件。
光敏聚合物透镜由三层构成。外层由高屈光率眼科聚合物组成。中间层是薄的可设计的聚合物层，其中屈光率可被改变。利用紫外光的应用可设计该屈光率的变化，并且实际上可产生任何可想象到的图样。存在动态范围限制，并且通常写入聚合物层的梯度屈光率图案在一个或多个外层上与表面轮廓生成相结合以产生期望的光学设计。可固定梯度屈光率层以使其不受进一步的UV曝光。随后可将眼镜片直接暴露在日光中而不使光学轮廓退化。
使用基于激光的直接数字透镜记录器将期望图样设计到聚合物层中。位图或者Zernike值可用于指定所写图样。图16和图17示出直径为6mm的特定Zernike图样，其被设计到光敏聚合物透镜中。图16示出写入光敏聚合物透镜(0.20μm Z4，-4+0.29μm Z4，0)中的理论的和实际的条纹，而图17示出写入光敏聚合物透镜(0.21μm Z4，-2+0.29μm Z4，0)中的理论的和实际的条纹。
示出了理论干涉图样以及使用Zygo干涉仪记录的实际干涉图样。在图18中，镜片毛坯中的二阶像差首次在直径为8mm的圆中被消除，说明在常规制造过程中引入的像差可被校正。于是在该区域中写入了对受试者的眼睛像差的校正，从而说明利用该技术实现了高阶像差校正。与理论干涉图样的对比示出很好的一致。
公共用途
本发明涉及在使用军事中频繁使用的特定设备时提高人的视力。然而，很多相同或相似的设备被公众使用。猎人使用步枪瞄准镜并且在光照水平低的早晨或傍晚可受益于增强的视力。低视力的人经常使用小望远镜去看诸如路标之类的远距离目标。因为这些人大多数使用偏心观察，所以他们的高阶慧形像差级别显著地提高，从而他们可以大大得益于高阶像差校正和优化。很多人在各种情况下使用双筒望远镜，包括鸟类观察者、护林员、猎人以及野生生物爱好者，并且很多人在使用该设备时会得益于提高的视力。此处描述的技术被应用于显微镜和望远镜。例如，天文学家和病理学家可能更喜欢使他们能通过其设备看得更清楚的个性化目镜。随着与对比灵敏度水平的提高相关联的识别时间的减少，可以期望提高生产率。随着敏锐度的提高，在使用该设备时更多的信息将变得可用。如果利用色像差校正的LEP应用确实产生了双倍的视力好处，那么将开辟专用视力优化的全然一新的道路。具有超级正常视力最佳点的频谱收缩太阳镜将被公众中的很多人使用，也会被其它政府机关中的人使用。
示例方法
双筒望远镜
为临床试验征募了30位受试者。使用波前像差计测量研究受试者的高阶像差。使用干涉仪测量要在该研究中使用的双筒望远镜(典型的军事双筒望远镜)的像差。使基于受试者测量和设备测量相结合的高阶像差校正光学元件附着于双筒望远镜的目镜。如果该设备(双筒望远镜)光学误差潜在地相当大，那么制作仅仅基于受试者设备测量的高阶校正光学元件以便随后能够估算由设备光学误差引起的影响。也制作了不含高阶像差校正的无效光学校正元件，因此试验受试者和医疗人员都不知道试验过程中使用的是哪种校正元件。利用双重遮蔽临床试验，测量了在所记录的光照条件的范围内使用双筒望远镜的具有最小适应时间的对比灵敏度和低对比度视敏度。完成该临床试验的受试者接下来将被要求在接下来的数周中累计花费最少8小时的时间通过具有高阶像差校正的双筒望远镜观看以提供调节用时间。通过双筒望远镜观看的累计时间将被估计并记录。重复双重遮蔽临床试验(包括无效片)，测量在所记录的光照条件的范围内使用双筒望远镜对比灵敏度和低对比度视敏度。提供高阶校正的双筒望远镜将提供较好的视力。
步枪瞄准镜
为临床试验征募了30位受试者。这些受试者至少最低程度地经历过利用瞄准镜用步枪射击。使用波前像差计测量研究受试者的高阶像差。使用干涉仪测量要在该研究中使用的步枪瞄准镜的像差。使基于受试者测量和设备测量相结合的高阶像差校正光学元件附着于步枪瞄准镜的目镜端。如果该设备(步枪瞄准镜)光学误差潜在地相当大，那么制作仅仅基于受试者测量的高阶校正光学元件以便随后能够估算由设备光学误差引起的影响。也制作了不含高阶像差校正的无效光学校正元件，因此试验受试者和医疗人员都不知道试验过程中使用的是哪种校正元件。利用双重遮蔽临床试验，测量了在所记录的光照条件的范围内使用步枪瞄准镜的具有最小适应时间的对比灵敏度和低对比度视敏度。完成该临床试验的受试者接下来将被要求在接下来的数周中花费最少8小时的时间通过具有像差校正的步枪瞄准镜观看以提供调节用时间。通过瞄准镜观看的累计时间将被记录。重复双重遮蔽临床试验(包括无效片)，测量在所记录的光照条件的范围内使用步枪瞄准镜的对比灵敏度和低对比度视敏度。随后对于研究组中的试验受试者进行射程的临床试验。使用具有高阶校正附属装置的步枪瞄准镜的受试者将有较好的射击分数。
夜视镜(NVG)
为临床试验征募了30位受试者。使用波前像差计测量研究受试者的高阶像差。使用干涉仪测量要在该研究中使用的NVG(典型的军事NVG)的目镜和物镜光学系统的像差。使基于受试者测量和目镜的设备测量相结合的高阶像差优化光学元件附着于NVG的目镜。同样使基于物镜端的设备测量的高阶像差优化光学元件附着于NVG的物镜端。如果目镜端或者物镜端上的设备光学误差潜在地相当大，那么也制作仅仅基于受试者测量的高阶校正光学元件以便随后能够估算由设备光学误差引起的影响。也为两方制作了不含高阶像差校正的无效光学校正元件，因此试验受试者和医疗人员都不知道试验过程中使用的是哪种校正元件。利用双重遮蔽临床试验，测量了在所记录的光照条件的范围内使用NVG的具有最小适应时间的对比灵敏度和低对比度视敏度。完成该临床试验的受试者接下来将被要求在接下来的数周内花费最少8小时的时间通过具有像差校正的NVG观看以提供调节用时间。通过NVG观看的累计时间将被估计并记录。重复双重遮蔽临床试验(包括无效片)，测量在所记录的光照条件的范围内使用NVG的对比灵敏度和低对比度视敏度。包含高阶像差校正的NVG将提供较好的视力。
激光眼睛保护(LEP)
为临床试验征募了30位受试者。使用波前像差计测量研究受试者的高阶像差。选择LEP设备用于也具有显著频谱收缩的研究中。使用分光计和密度计测量频谱收缩。使可设计的光敏聚合物光学元件具有相同的光谱透射。存在两种可寻求的并行方法。一是使用从LEP制造商处获得的镜片毛坯来制造可设计的透镜或者修正实际完成的LEP设备自身。最简单的方法是从LEP制造商处获得原始着色和/或涂敷的镜片毛坯并且施加将高阶校正设计在光敏聚合物层中的光敏聚合物涂层。随后最好使用真空镀膜装置将光敏聚合物层硬镀膜。或者，通过减薄和分层过程将实际的LEP设备改造为可设计的透镜。另一方法将以足够的准确度模拟光密度对使用染料和涂料的光敏聚合物透镜中的LEP的波长性质。可用染料的示例包括Gentex公司的A-195，并且其它的可从Glendale Laser Eyewear和Specialty Filters获得。制作了基于受试者测量和设备测量相结合的高阶像差校正光学元件。也制作了不含高阶像差校正的无效光学校正元件，因此试验受试者和医疗人员都不知道试验过程中使用的是哪种校正元件。利用双重遮蔽临床试验，测量了在所记录光照条件的范围内使用LEP设备的具有最小适应时间的对比灵敏度和低对比度视敏度。完成该临床试验的受试者接下来将被要求在接下来的数周内花费最少8小时的时间通过具有高阶像差校正的LEP设备观看以提供调节用施加。通过LEP设备观看的累计时间将被估计并记录。重复双重遮蔽临床试验(包括无效片)，测量在所记录的光照条件的范围内使用LEP设备的对比灵敏度和低对比度视敏度。由研究参与者填写有关他们对视力“最佳点”的有效性的印象以及他们在使用LEP设备中的视力最佳点时的调节经验的问卷。提供高阶像差校正的LEP设备提供较好的视力。
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Claims (3)

1.一种可被固定在夜视设备的目镜上的可拆卸的光学元件，其包括固化聚合材料，所述固化聚合材料(a)具有可变屈光率并且(b)校正受试者的眼睛在3mm瞳孔直径内的一个或多个高阶像差而不校正3mm瞳孔直径以外的高阶像差，其中，超过3mm瞳孔直径的像差结构使调制传递函数在Nyquist分辨率限度以下最大化，以及使调制传递函数在Nyquist分辨率限度以上最小化，其中，Nyquist分辨率限度是由于人视网膜的中央凹中的视锥细胞密度而测得的最小视觉敏锐度。
2.一种可被固定在夜视设备的物镜端的可拆卸的光学元件，其包括固化聚合材料，所述固化聚合材料：(a)具有可变屈光率、(b)消除空间频率含量超出所述夜视设备的空间频率含量的光、以及(c)校正受试者眼睛在3mm瞳孔直径内的一个或多个高阶像差而不校正3mm瞳孔直径以外的高阶像差，其中，超过3mm直径瞳孔的像差结构使调制传递函数在Nyquist分辨率限度以下最大化，以及使调制传递函数在Nyquist分辨率限度以上最小化，其中，Nyquist分辨率限度是由于人视网膜的中央凹中的视锥细胞密度而测得的最小视觉敏锐度。
3.一种激光眼睛保护设备中的光学元件，其包括固化聚合材料，所述固化聚合材料(a)具有可变屈光率并且(b)校正受试者眼睛在3mm瞳孔直径内的单色像差而不校正3mm瞳孔直径以外的高阶像差，其中，超过3mm瞳孔直径的像差结构使调制传递函数在Nyquist分辨率限度以下最大化，以及使调制传递函数在Nyquist分辨率限度以上最小化，其中，Nyquist分辨率限度是由于人视网膜的中央凹中的视锥细胞密度而测得的最小视觉敏锐度。
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