CN110346946B - 一种基于眼镜佩戴者个性化特征检测眼镜片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于眼镜佩戴者个性化特征检测眼镜片的方法。由眼镜佩戴者裸眼远点和近点位置构建具有有限调节能力的眼睛模型，依据佩镜者视物习惯的若干个关键位置建立视觉参考面，物点位于视线与视觉参考面的交点处；在光线追迹软件中，由符合眼镜装配参数的镜片和眼睛模型，结合视觉参考面构建一个视觉参考面‑镜片‑人眼光学系统，采用光线追迹方法进行成像分析，以点列图均方根半径和调制传递函数作为佩镜者视力的评价指标。本发明提供的眼镜片评价方法十分贴近人眼佩戴眼镜视物的实际情况，适用于对远、近视球面镜非球面镜和渐进多焦点眼镜的评价，可大大提高眼镜佩戴者的视物清晰度和舒适度，降低制作成本。

Description

一种基于眼镜佩戴者个性化特征检测眼镜片的方法

技术领域

本发明涉及一种对眼用镜片的评价方法，包括渐进多焦点眼镜的仿真评价方法。

背景技术

眼睛调节能力有缺陷的人，包括近视眼患者、远视眼患者和老视眼患者等，裸眼观察某个距离的物体时，无法在视网膜上呈现清晰的像。市场上能够矫正视力的眼镜片有单光镜片、双光镜片、三光镜片和渐进多焦点眼用镜片等，镜片的设计方法多样，光学性能各有优缺点。如何评价一个眼用镜片对镜片佩戴者的影响变得越来越重要，需要提供一种能够根据镜片佩戴者的生理特征，视物习惯，对眼用镜片进行评价的方法。

现有眼用镜片的评价方法主要有：微分几何方法、自动焦度计、哈特曼-夏克波前传感法(例如VISIONIX公司的VM面新测量仪)、基于莫尔偏折技术(例如以色列Roltex公司的FFV面型仪)、朗奇光栅测量法等。这些方法都是计算镜片光焦度、散光和散光轴向，没有给出其它成像指标。

在本发明作出之前，中国发明专利(CN106932921A)公开了一种评价眼镜片的方法，其提出的渐进多焦点自由曲面镜片性能评价方法只是给出在多视轴情况下镜片不同点处的光焦度、散光和轴向与处方的符合度及归一化评价函数；中国发明专利(CN106872145A)采用建立镜片-人眼联合光学系统模拟仿真渐进多焦点镜片成像质量与MTF之间的关系，再搭建实际镜片-人眼联合光学系统，用MTF测量仪对光学系统进行MTF实验测量分析的方法。上述技术方案中，对镜片仿真成像分析中没有涉及仿真过程中物距计算方法，也没有实现对人眼屈光力调节能力限制的仿真。文献“Optical performance ofthe eye with progressive addition lens correction”(A.Barcik,and D.Siedlecki,OPTIK 121,1937-1940(2010).)报道了一种主要针对视近、视远等少数几个物距进行仿真的方法，然而，镜片佩戴者视线透过渐进多焦点眼用镜片观察到的物距随视线角度而变化，且不能局限于少数几个物距。综上所述，现有技术均未涉及镜片佩戴者头部偏转对视线方向和物点位置的影响。

眼用镜片设计的主要目的为矫正具有调节能力缺陷的人眼视力，佩镜者的视线通过镜片上不同区域观察不同物距的物体，会得出不同的视觉感受，通常只能由佩镜者的主观感受来评定眼镜是否适用和质量的优劣。尤其对设计制造成本昂贵的渐进多焦点眼镜而言，镜片上的不同区域提供不同光焦度用以观察不同物距的物体，合理的评价方法尤为重要。如果建立一个合理的评价体系，在渐进多焦点眼用镜片设计阶段就能评价眼镜佩戴者视线通过镜片不同区域的视力，进而针对佩镜者的个人特征进行改进优化，将会大大提高渐进多焦点眼镜适用舒适度，降低制作成本。

发明内容

本发明针对佩戴眼镜后视力的评价方法现有技术中存在的不足，提供一种构建的仿真模型接近眼镜佩戴者实际观察物体情形的基于眼镜佩戴者个性化特征评价眼镜片的方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种基于眼镜佩戴者个性化特征检测眼镜片的方法，包括如下步骤：

(1)获取眼镜佩戴者的个性化特征参数，包括眼睛生理学参数、视物习惯姿态参数、眼镜架和与之相匹配的脸部特征几何参数、眼镜镜片参数；

所述眼睛生理学参数包括裸眼远点距离s_far、近点距离s_near和瞳高；

所述视物习惯姿态参数包括观察近距离、中距离和远距离物体时习惯性注视位置；眼睛与头部偏转的寰枕关节相对位置，眼睛旋转的垂直偏转角α_e和水平偏转角β_e，头部转动的垂直偏转角α_h和水平偏转角β_h，垂直方向头部偏转角与眼睛偏转角度的比例系数κ_α和水平方向头部偏转角与眼睛偏转角度的比例系数κ_β；

所述眼镜架和与之相匹配的脸部特征几何参数包括眼镜架镜面角和由镜架鼻托及鼻梁高度确定的镜片外倾角、镜片后表面中心到眼睛之距离；

所述眼镜镜片参数包括眼镜片的折射率，眼镜片前、后表面的面形矢高，镜片中心厚度；

(2)建立基于眼镜佩戴者个性化特征的视觉参考面-镜片-人眼光学系统模型；

所述视觉参考面的构建方法为：视觉参考面垂直于眼镜佩戴者身体与正视方向确定的平面，视觉参考面与正视方向相交的曲线为分段三阶贝塞尔曲线，各段之间一阶导数连续，视觉参考面方程为式(I)所示：

其中，u∈[0,1]为贝塞尔曲线参数，c为参数u的系数，n为曲线段的序号，系数c依据眼镜佩戴者的视物习惯姿态参数中所述的近距离、中距离和远距离习惯性注视位置点拟合得到；

所述的镜片包括镜片参数、眼镜架和与之相匹配的脸部特征几何参数；

所述的人眼为基于Liou-Brennan眼睛模型在光学追迹软件中构建的人眼模型，构建方法为：以点列图均方根半径为优化函数，以晶状体后表面到视网膜的距离l_r为变量，分别以镜片佩戴者的远点距离s_far和近点距离s_near为物距，优化搜索得到对应的l_{r_min}和l_{r_max}；

(3)在视觉参考面-镜片-人眼光学系统中，依据头部偏转角度与眼睛旋转角度的式(Ⅱ)关系：

采用光线追迹方法，计算佩镜者视线通过镜片前表面的位置和方位角，眼镜佩戴者的目标视点位于视线与视觉参考面的交点处；以l_r为变量，l_{r_min}≤l_r≤l_{r_max}为约束条件，对点列图均方根半径进行优化；以得到的点列图均方根半径和调制传递函数，表征镜片佩戴者的视线通过镜片上各点时在视网膜上的成像质量，用于评价眼镜片。

本发明技术方案依据的原理如下：

物点位置是评价镜片佩戴者视物成像质量的重要参数。由于人靠旋转眼睛和头部观察不同方向的物体，一般情况下，观察远距离物时眼睛向上旋转，阅读时低头同时眼睛向下旋转，观察中距离物时处于两者之间，所以有必要建立一个适合于镜片佩戴者视觉习惯的视觉参考面。

对于不同的观察距离，每个人都有一个偏好的头部偏转角度和眼睛旋转角度。由于每个个体的差异比较大，本发明依据镜片佩戴者的视物习惯，在一定的工作或生活场景中测量其远距离、中距离、近距离等关键注视点位置来拟合一个空间固定不动的视觉参考面。

参见附图2，建立一个相对于地面不动的空间坐标系O'-x'y'z'，坐标原点位于人眼的旋转中心，x轴垂直指向镜片佩戴者的右方，y轴竖直向上，z轴平行于地面指向镜片佩戴者的后方。视觉参考面垂直于坐标平面y'O'z'，无限宽且向前方无限延伸，所有观察的物点P(x',y',z')位于该面上。视觉参考面与坐标平面y'O'z'相交的曲线用分段三阶贝塞尔曲线插值拟合(M.P.B.Donald Hearn,Computer Graphincs,Second Edition(PEARSONEDUCATION NORTH ASIA LIMITED and Publishing House of Electronics Industry,Beijing China,2002).)，(T.Birdal,"Bezier Curves Made Simple,"(2008),p.A simpleimplementation of the famous Bezier curves in C#.Easy to understand.)，各段之间保持一阶导数连续，整理后视觉参考面参数方程为：

其中u∈[0,1]为贝塞尔曲线参数，c为拟合并且整理化简后参数u的系数，n＝0,1,2,3,…为曲线段的序号，曲线段的数量由拟合点的数量决定。

采用Liou-Brennan眼睛模型，设置人眼入射光线视场为零。人眼的调节能力有限，而且随着年龄的增长逐渐下降。设眼睛的物方主面p到裸眼远点Q_far的距离为远点距离s_far，远点调节屈光力A_far＝1/s_far，眼睛物方主面p到裸眼近点Q_near的距离为近点距离s_near。近点调节屈光力A_near＝1/s_near，人眼的调节能力在A_far到A_near之间。以晶状体后表面到视网膜的距离l_r表征人眼的调节能力。

在光学追迹软件中构建人眼模型，设置优化函数为点列图均方根半径，以晶状体后表面到视网膜的距离l_r为变量，分别以验配镜测得的远点距离s_far和近点距离s_near为物距，优化搜索对应的l_{r_min}和l_{r_max}，得到镜片佩戴者的眼屈光调节能力约束条件：在该眼睛模型中，晶状体后表面到视网膜的距离l_r限制在l_{r_min}和l_{r_max}之间，即该人眼模型只能对物距在s_near到s_far之间的物体清晰成像，从而模拟了屈光度调节能力在一定范围内的人眼。

在光学追迹软件中采用点阵、多项式或者泽尼克多项式拟合渐进多焦点眼用镜片的两个表面，插入到人眼模型前，构成视觉参考面-镜片-人眼光学系统。插入的镜片根据眼镜架和镜片佩戴者的瞳高等个人特点作垂直方向和水平方向上的偏移倾斜,人眼正视时的光轴通过镜片的装配点O_L0到人眼旋转中心O点距离q。

参见附图4，建立与头部固连的镜片-人眼坐标系O-xyz，人眼旋转中心位于坐标系原点O，Z轴通过镜片的装配中心O_LO并与眼睛正视光轴一致，y轴为朝向头顶的竖直方向。当镜片佩戴者正视前方时，镜片-人眼坐标系O-xyz与固定坐标系O'-x'y'z'重合。当头部转动时镜片-人眼坐标系O-xyz也随着发生偏转。模型中镜片前后表面每一点的坐标经坐标变换到O-xyz坐标系中表示，坐标变换考虑到镜片装配在眼镜架上左右两个镜片的镜面角，镜片装配中心位置偏移，佩戴眼镜后镜片垂直方向外倾角以及镜片到眼睛旋转中心的距离。镜片上点P_b在坐标系O-xyz中坐标为(x_b,y_b,z_b)。视线透过P_b点视物时，人眼光轴垂直偏转角α_e和水平偏转角β_e由下式确定

根据文献(K.Rifai,and S.Wahl,"Specific eye-head coordination enhancesvision in progressive lens wearers,"J VISION 16,5(2016).)，(N.Hutchings,E.L.Irving,N.Jung,L.M.Dowling,K.A.Wells,and L.Lillakas,"Eye and head movementalterations in naive progressive addition lens wearers,"Ophthalmic PhysiolOpt 27,142-153(2007).)设头部偏转角度与眼睛旋转角度的关系为：

其中α_h和β_h分别为头部转动的垂直偏转角和水平偏转角；κ_α和κ_β分别为垂直方向和水平方向头部偏转角与眼睛偏转角度的比例系数(0＜κ_α＜1，0＜κ_β＜1)，对于不同个体该比例系数有差异。

在镜片-人眼坐标系O-xyz中，按照公式(2)计算出眼睛旋转通过镜片上某点P_b的垂直偏转角和水平偏转角α_e和β_e，再根据镜片前后表面的矢高数据输入光线追迹软件后，采用光线追迹方法计算出对应视线于镜片前表面的位置P_g，其位置矢量r_g＝{x_g,y_g,z_g}和方向余弦矢量

视线的垂直偏转角α_g和水平偏转角β_g。

由于头部的偏转，镜片-人眼坐标系O-xyz发生偏转，P_g点的位置和视线的方向在空间也随之偏转。由头部旋转中心寰枕关节位置，以及头部的水平旋转和垂直旋转角度，经矢量旋转和坐标变换可得出P_g点旋转后为P'_g点，P'_g点在固定坐标系O'-x'y'z'中的位置矢量r'_g＝{x'_g,y'_g,z'_g}。

偏转后的视线方位角为

偏转后视线的方向余弦矢量

其中

此视线与视觉参考面的交点即为物点P。设P点在固定坐标系的位置矢量为r'＝{x',y',z'}，则有：

r'＝r'_g+se'_g (6)

其中s为从P'_g点量起光线长度。

P点在视觉参考面上，坐标满足(1)式，有

整理方程(7)可得一个关于参数u的一元三次方程，考虑到u∈[0,1]，可解得u的唯一值，而光线长度

进而得到物点P在镜片-人眼坐标系O-xyz中的位置矢量r＝{x,y,z}，

r＝r_g+se_g (9)

根据物坐标可以得到物距的倒数P_od

在得到的视觉参考面-镜片-人眼光学系统中,根据镜片-人眼坐标系O-xyz中物点矢量r＝{x,y,z}，设置物点位置；以晶状体后表面到视网膜的距离l_r为变量、约束条件为l_{r_min}≤l_r≤l_{r_max}，优化函数为点列图均方根半径，进行光线追迹和优化。此过程模拟镜片佩戴者在本人眼睛屈光调节能力范围内，调节眼睛屈光力，在视网膜上得到视物的最佳像。

本发明以眼镜片后表面上一点的坐标、视轴方位角、头部偏转角度、眼镜片前表面上视线的位置和方位角、上头部偏转对视线的影响等因素，由镜片佩戴者的关键注视点位置坐标拟合一个视觉参考面，计算视线与视觉参考面的交点作为光线追迹的物点坐标；以视网膜上点列图均方根半径为优化函数，并且将根据裸眼远点和近点位置，搜索晶状体后表面到视网膜的距离的范围，作为优化函数的约束条件，进行光线追迹并优化，分析视网膜上成像质量。将镜片后表面上每一个点都进行上述评价，统计绘制整个镜片上点列图均方根半径和调整传递函数(MTF)等成像质量指标的等值线图进行分析。本发明采用光线追迹方法分析计算在视觉参考面-镜片-人眼光学系统中视线通过镜片上各点时，镜片的光焦度和像散分布以及物点在视网膜上的成像质量，得出镜片佩戴者通过镜片观看各个不同位置物体成像的点列图均方根半径和调制传递函数(MTF)平均值。点列图均方根半径是指在实际光学系统中点物的像呈现为一个弥散斑，弥散斑的均方根半径，均方根半径越小表明成像质量越好；调制传递函数是反映图像调制度与每毫米线对数之间关系的函数，调制度为经成像后图像的对比度与物图像的对比度之比，界于0和1之间，调制度越高，说明系统成像的细节损失少，意味着成像质量高。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：由于引入了人眼的调节能力限制，结合眼镜镜片的倾斜和头部偏转对视线的影响，建立了基于眼镜佩戴者个性化特征的视觉参考面-镜片-人眼光学系统模型，计算得到视线不同方向对应的物距；采用光线追迹方法，以点列图均方根半径和调制传递函数为指标，分析视线通过镜片上各点在视网膜上的成像质量作为佩镜者视力的评价依据，具有接近眼镜佩戴者实际观察物体情形的效果；尤其是在渐进多焦点眼用镜片设计阶段，采用本发明技术方案评价眼镜佩戴者视线通过镜片不同区域的视力，进而针对佩镜者的个人特征进行改进优化，将会大大提高渐进多焦点眼镜适用舒适度，降低制作成本。

附图说明

图1本发明提供的一种基于眼镜佩戴者个性化特征评价眼镜片的方法的流程图；

图2本发明提供的一种基于眼镜佩戴者个性化特征评价眼镜片的方法中构建的视觉参考面示意图；

图3本发明提供的眼睛模型示意图；

图4本发明提供的镜片-人眼坐标系及眼轴方位角示意图；

图5本发明实施例1中上视觉参考面与yOz截面相交曲线图；

图6本发明实施例1中渐进多焦点镜片表面视线位置和方向图；

图7本发明实施例1中点列图均方根半径分布等值线图；

图8本发明实施例1中空间频率为10线对/毫米子午和弧矢方向调制传递函数(MTF)平均值分布等值线图；

图9本发明实施例2中点列图均方根半径分布等值线图；

图10本发明实施例2中空间频率为10线对/毫米子午和弧矢方向调制传递函数(MTF)平均值分布等值线图；

图11本发明实施例3中点列图均方根半径分布等值线图；

图12本发明实施例3中空间频率为10线对/毫米子午和弧矢方向调制传递函数(MTF)平均值分布等值线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步描述。

实施例1

参见附图1，它是本发明提供的一种基于眼镜佩戴者个性化特征评价眼镜片的方法的流程图；

具体步骤如下：

(1)建立视觉参考面

物点位置是评价镜片佩戴者视物成像质量的重要参数。由于人靠旋转眼睛和头部观察不同方向的物体，一般情况下，观察远距离物时眼睛向上旋转，阅读时低头同时眼睛向下旋转，观察中距离物时处于两者之间，所以有必要建立一个适合于镜片佩戴者视觉习惯的视觉参考面。

对于不同的观察距离，每个人都有一个偏好的头部偏转角度和眼睛旋转角度。由于每个个体的差异比较大，本发明根据镜片佩戴者的视物习惯，在一定的工作或生活场景中测量其远距离、中距离、近距离等关键注视点位置来拟合一个空间固定不动的视觉参考面，如图2所示。

视觉参考面的构建方法为：建立一个相对于地面不动的空间坐标系O'-x'y'z'，坐标原点位于人眼的旋转中心，x轴垂直指向镜片佩戴者的右方，y轴竖直向上，z轴平行于地面指向镜片佩戴者的后方。如图1所示，视觉参考面垂直于坐标平面y'O'z'，无限宽且向前方无限延伸，所有观察的物点P(x',y',z')位于该面上。视觉参考面与坐标平面y'O'z'相交的曲线用分段三阶贝塞尔曲线插值拟合(参见文献M.P.B.Donald Hearn,ComputerGraphincs,Second Edition(PEARSON EDUCATION NORTH ASIA LIMITED and PublishingHouse of Electronics Industry,Beijing China,2002).)，(T.Birdal,"Bezier CurvesMade Simple,"(2008),p.A simple implementation of the famous Bezier curves inC#.Easy to understand.)，各段之间保持一阶导数连续，整理后视觉参考面参数方程组为如下式(1)：

其中，u∈[0,1]为贝塞尔曲线参数，c为拟合并且整理化简后参数u的系数，n＝0,1,2,3,…为曲线段的序号，曲线段的数量由拟合点的数量决定，n的数量相同于注视位置点数目。

(2)构建人眼模型

参见附图3，为本实施例提供的眼睛模型示意图，采用Liou-Brennan眼睛模型，设置人眼入射光线视场为零。人眼的调节能力有限，而且随着年龄的增长逐渐下降。设眼睛的物方主面p到裸眼远点Q_far的距离为远点距离s_far，远点调节屈光力A_far＝1/s_far，眼睛物方主面p到裸眼近点Q_near的距离为近点距离s_near。近点调节屈光力A_near＝1/s_near，人眼的调节能力在A_far到A_near之间。以晶状体后表面到视网膜的距离l_r表征人眼的调节能力。

在光学追迹软件中构建人眼模型，设置优化函数为点列图均方根半径，以晶状体后表面到视网膜的距离l_r为变量，分别以验配镜测得的远点距离s_far和近点距离s_near为物距，优化搜索对应的l_{r_min}和l_{r_max}，得到镜片佩戴者的眼屈光调节能力约束条件：在该眼睛模型中，晶状体后表面到视网膜的距离l_r限制在l_{r_min}和l_{r_max}之间，即该人眼模型只能对物距在s_near到s_far之间的物体清晰成像，从而模拟了屈光度调节能力在一定范围内的人眼。

(3)构建视觉参考面-镜片-人眼光学系统

在光学追迹软件中采用点阵、多项式或者泽尼克多项式拟合渐进多焦点眼用镜片的两个表面，插入到人眼模型前，构成视觉参考面-镜片-人眼光学系统。插入的镜片根据眼镜架和镜片佩戴者的瞳高等个人特点作垂直方向和水平方向上的偏移倾斜,人眼正视时的光轴通过镜片的装配点O_L0到人眼旋转中心O点距离q。

(4)建立与头部固连的镜片-人眼坐标系O-xyz

参见附图4，它是本实施例提供的镜片-人眼坐标系及眼轴方位角示意图；人眼旋转中心位于坐标系原点O，Z轴通过镜片的装配中心O_LO并与眼睛正视光轴一致，y轴为朝向头顶的竖直方向。当镜片佩戴者正视前方时，镜片-人眼坐标系O-xyz与固定坐标系O'-x'y'z'重合。当头部转动时镜片-人眼坐标系O-xyz也随着发生偏转。模型中镜片前后表面每一点的坐标经坐标变换到O-xyz坐标系中表示，坐标变换考虑到镜片装配在眼镜架上左右两个镜片的镜面角，镜片装配中心位置偏移，佩戴眼镜后镜片垂直方向外倾角以及镜片到眼睛旋转中心的距离。镜片上点P_b在坐标系O-xyz中坐标为(x_b,y_b,z_b)。视线透过P_b点视物时，人眼光轴垂直偏转角α_e和水平偏转角β_e由下式(2)确定

按文献(K.Rifai,and S.Wahl,"Specific eye-head coordination enhancesvision in progressive lens wearers,"J VISION 16,5(2016).)，(N.Hutchings,E.L.Irving,N.Jung,L.M.Dowling,K.A.Wells,and L.Lillakas,"Eye and head movementalterations in naive progressive addition lens wearers,"Ophthalmic PhysiolOpt 27,142-153(2007).)提供的方法，设头部偏转角度与眼睛旋转角度的关系为如下式(3)：

其中α_h和β_h分别为头部转动的垂直偏转角和水平偏转角；κ_α和κ_β分别为垂直方向和水平方向头部偏转角与眼睛偏转角度的比例系数(0＜κ_α＜1，0＜κ_β＜1)，对于不同个体该比例系数有差异。

在镜片-人眼坐标系O-xyz中，按照公式(2)计算出眼睛旋转通过镜片上某点P_b的垂直偏转角和水平偏转角α_e和β_e，再根据镜片前后表面的矢高数据输入光线追迹软件后，采用光线追迹方法计算出对应视线于镜片前表面的位置P_g，其位置矢量r_g＝{x_g,y_g,z_g}和方向余弦矢量e_g＝{e_gx,e_gy,e_gz}，视线的垂直偏转角α_g和水平偏转角β_g。

由于头部的偏转，镜片-人眼坐标系O-xyz发生偏转，P_g点的位置和视线的方向在空间也随之偏转。由头部旋转中心寰枕关节位置，以及头部的水平旋转和垂直旋转角度，经矢量旋转和坐标变换可得出P_g点旋转后为P'_g点，P'_g点在固定坐标系O'-x'y'z'中的位置矢量r'_g＝{x'_g,y'_g,z'_g}。

偏转后的视线方位角为式(4)

偏转后视线的方向余弦矢量

其中

如式(5)所示。此视线与视觉参考面的交点即为物点P。设P点在固定坐标系的位置矢量为r'＝{x',y',z'}，则有式(6)如下：

r'＝r'_g+se'_g (6)

其中s为从P'_g点量起光线长度。

P点在视觉参考面上，坐标满足(1)式，有式(7)如下：

整理方程(7)可得一个关于参数u的一元三次方程，考虑到u∈[0,1]，可解得u的唯一值，而光线长度如式(8)：

进而得到物点P在镜片-人眼坐标系O-xyz中的位置矢量r＝{x,y,z}如式(9)：

r＝r_g+se_g (9)

根据物坐标可以得到物距的倒数P_od如式(10)：

(5)在步骤(3)的视觉参考面-镜片-人眼光学系统中,根据镜片-人眼坐标系O-xyz中物点矢量r＝{x,y,z}，设置物点位置；以晶状体后表面到视网膜的距离l_r为变量、约束条件为l_{r_min}≤l_r≤l_{r_max}，优化函数为点列图均方根半径，进行光线追迹和优化。本步骤过程模拟镜片佩戴者在本人眼睛屈光调节能力范围内，调节眼睛屈光力，在视网膜上得到视物的最佳像。

(6)用光线追迹方法分析计算在上述视觉参考面-镜片-人眼光学系统中，视线通过镜片上各点时，镜片的光焦度和像散分布以及物点在视网膜上的成像质量，得出镜片佩戴者通过镜片观看各个不同位置物体成像的点列图均方根半径和调制传递函数(MTF)平均值。点列图均方根半径是指在实际光学系统中点物的像呈现为一个弥散斑，弥散斑的均方根半径，均方根半径越小表明成像质量越好；调制传递函数是反映图像调制度与每毫米线对数之间关系的函数，调制度为经成像后图像的对比度与物图像的对比度之比，界于0和1之间，调制度越高，说明系统成像的细节损失少，意味着成像质量高。

在本实施例中，在坐标系O'-x'y'z'中，长度单位为米(简称m)或毫米(简称mm)，光焦度单位为屈光度(简称D)。

本实施例提供的具体参数为：镜片佩戴者视物关键点阅读写字时纸面中心P1，电脑键盘中心点P2和显示器屏幕中心点P3，紧贴患者身体与阅读纸面同高的视点P0，距佩戴者5m处点P4，大于5m距离处视觉参考面的高度均为零。各关键点的坐标如表1所示，用三阶贝塞尔曲线拟合后的系数如表2所示。根据上述镜片佩戴者视物关键点的位置建立视觉参考面，视觉参考面与坐标平面x'O'z'相交的曲线如图5所示。

表1 镜片佩戴者关键注视点的位置坐标

表2 视觉参考面与坐标平面x'O'z'相交的曲线拟合系数

镜片佩戴者裸眼远点距离和近点距离分别为-0.5m和-0.2m，对应的远点光焦度-2.0D，屈光调节能力为3.0D。设置裸眼物距分别为远点距离和近点距离，优化搜索眼睛模型中晶状体后表面到视网膜的距离最小和最大值l_{r_min}和l_{r_max}分别为17.007mm和18.354mm。

佩戴前后表面均为球面镜片的眼镜，其前表面的曲率半径为292.5mm，后表面曲率半径为146.25mm，镜片中心厚度为1mm，折射率为1.585，光焦度为-2.0屈光度。

根据眼镜佩戴者的瞳孔直径2.5mm、瞳高3mm、镜架镜面角10°、外倾角5°、镜片离人眼旋转中心距离25mm等个人特征参数和人眼参数模型，在光学追迹软件中建立镜片-人眼系统。在眼用镜片后表面直径48mm区域内，点距为3mm的网格点上逆向追迹得到对应视线的位置和方向如图6所示。

头部偏转角与眼睛偏转角度的比例系数κ_α和κ_β取值为0.20，眼睛旋转中心到头部旋转的寰枕关节水平距离为80mm、垂直距离为40mm。

在镜片直径48mm区域内，进行光线追迹计算视线通过镜片各点对应的物点坐标，并以l_r为变量，约束条件为17.007<l_r<18.354，优化函数为点列图均方根半径，通过光线追迹和优化评价物点在视网膜上的成像质量。优化的点列图均方根半径等值线图和10cycles/mm的调制传递函数MTF分别参见附图7和8所示。

图7显示，视线通过镜片半径17mm的范围内，点列图均方根半径即视网膜上像的半径均在4微米之内，小于人眼的极限分辨率，说明该近视患者佩戴具有-2.0屈光度球面镜片，与他眼睛的远点屈光度相匹配，视物清晰，不但有效矫正了近视眼的视远屈光能力缺陷，而且也能满足书写时视近的需要。图8显示的10线对/毫米处的MTF等值线图，半径10毫米以内区域MTF值大于0.95，半径17毫米以内区域MTF值大于0.925，同样表明佩戴该眼镜能同时满足视远和视近的需要。这是由于该患者眼睛近点屈光度为-5.0屈光度，佩戴屈光度为-2.0的球面镜片后，有效近点为-3.0屈光度，满足阅读书写要求的-2.98D。从图7和8中可以看出，成像质量指标均方根半径和MTF值基本呈圆形分布，但上下、左右不完全对称，在镜片的边缘更为明显，这是由于戴上眼镜后镜片上部向外倾斜、水平方向向颞侧倾斜的缘故，图中也可以看出这种不对称不很明显，说明镜片的轻微倾斜对成像质量影响不大。从图7和8中还可以看出，视线通过镜片周边部分成像质量变差，这是由于眼睛斜视，对镜片而言视线以大的视场角通过镜片，像差增大，所以成像质量下降。此类成像质量下降在视线通过镜片下方斜视时更为明显，所幸的是视近阅读写字时通常都为正视状态，对佩镜者阅读书写没有影响。

实施例2

本实施例提供的配镜者裸眼近点距离-0.3m，对应的裸眼屈光调节能力为1.3D。裸眼模型优化搜索得出晶状体后表面到视网膜的距离最小值l_{r_min}和最大值l_{r_max}分别为17.007mm和17.757mm。其它参数与实施例1相同，配镜者佩戴同样的-2.0D的球面眼镜片眼镜，以17.007<l_r<17.757为约束条件进行光线追迹和优化，得到点列图均方根半径和10线对/毫米处的MTF等值线分布分别参见附图9和10所示。

由图9和10可见，眼睛视线通过镜片的视远区和渐变区，点列图均方根半径小于4微米，10线对/毫米处的MTF值大于0.9，说明佩镜者远距离视物清晰，中距离视物清晰度尚可。但是当视线通过镜片下半部9毫米以下，均方根半径快速增大，10线对/毫米处的MTF值下降，到其视线通过镜片下半部17毫米处时，均方根半径达16微米，10线对/毫米处的MTF值下降到0.75。这是由于该患者眼睛近点屈光度为-3.3屈光度，佩戴屈光度为-2.0的单光镜片后，有效近点为-1.3屈光度，有效近点距离0.77m，能基本看清中距离物体，但不能满足阅读书写要求的-2.98D。说明由于该佩镜者的眼睛调节能力过低，近距离不能看清视物，该眼镜不能满足佩镜者阅读书写的需求。

实施例3

本实施例提供的配镜者佩戴的眼镜镜片为渐进多焦点眼用镜片，镜片中心厚度为1.2mm，折射率为1.585，远用区光焦度为-2.0D，加光度2.0D，即近用区光焦度0D。其它参数与实施例2相同。

渐进多焦点眼用镜片矢高数据拟合成泽尼克标准系数后导入光线追迹软件。得到点列图均方根半径和10线对/毫米处的MTF等值线分布分别参见附图11和12所示。

由图11和12可见，视线通过渐进多焦点眼用镜片的视远区、渐变通道和视近区，均方根半径值保持在5微米左右，MTF值大于0.9，说明该患者佩戴此渐进多焦点眼镜后，无论看远距离物还是阅读书写都能得到清晰的视觉。这是由于渐进多焦点眼用镜片的视远区光焦度为-2D，能矫正患者裸眼远点距离-0.5m的屈光不正；渐进多焦点眼用镜片的视近区为0D屈光度，而患者裸眼近点距离为-0.3m，在验配测得的阅读书写距离约-0.335m。所以该渐进多焦点眼用镜片能同时满足镜片佩戴者视远和视近的需求。

本发明提出建立镜片佩戴者的视觉参考面，解决了渐进多焦点眼用镜片评价时无法确定物距的难题。在该视物情景模型中，加入了镜片佩戴者的视觉习惯、眼睛的调节能力范围和眼用镜片的佩戴方式等条件，给出了眼用镜片与眼睛构成的光学系统成像指标的定量数据。根据这些数据来评价眼用镜片更具有客观性，而且更接近镜片佩戴者的实际感受。

Claims (1)

1.一种基于眼镜佩戴者个性化特征检测眼镜片的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)获取眼镜佩戴者的个性化特征参数，包括眼睛生理学参数、视物习惯姿态参数、眼镜架和与之相匹配的脸部特征几何参数、眼镜镜片参数；

所述眼睛生理学参数包括裸眼远点距离s_far、近点距离s_near和瞳高；

所述视物习惯姿态参数包括观察近距离、中距离和远距离物体时习惯性注视位置；眼睛与头部偏转的寰枕关节相对位置，眼睛旋转的垂直偏转角α_e和水平偏转角β_e，头部转动的垂直偏转角α_h和水平偏转角β_h，垂直方向头部偏转角与眼睛偏转角度的比例系数κ_α和水平方向头部偏转角与眼睛偏转角度的比例系数κ_β；

所述眼镜架和与之相匹配的脸部特征几何参数包括眼镜架镜面角和由镜架鼻托及鼻梁高度确定的镜片外倾角、镜片后表面中心到眼睛之距离；

所述眼镜镜片参数包括眼镜片的折射率，眼镜片前、后表面的面形矢高，镜片中心厚度；

(2)建立基于眼镜佩戴者个性化特征的视觉参考面-镜片-人眼光学系统模型；

所述视觉参考面的构建方法为：视觉参考面垂直于眼镜佩戴者身体与正视方向确定的平面，视觉参考面与正视方向相交的曲线为分段三阶贝塞尔曲线，各段之间一阶导数连续，视觉参考面方程为式(I)所示：

其中，u∈[0,1]为贝塞尔曲线参数，c为参数u的系数，n为曲线段的序号，系数c依据眼镜佩戴者的视物习惯姿态参数中所述的近距离、中距离和远距离习惯性注视位置点拟合得到；

所述的镜片包括镜片参数、眼镜架和与之相匹配的脸部特征几何参数；

所述的人眼为基于Liou-Brennan眼睛模型在光学追迹软件中构建的人眼模型，构建方法为：以点列图均方根半径为优化函数，以晶状体后表面到视网膜的距离l_r为变量，分别以镜片佩戴者的远点距离s_far和近点距离s_near为物距，优化搜索得到对应的l_{r_min}和l_{r_max}；

(3)在视觉参考面-镜片-人眼光学系统中，依据头部偏转角度与眼睛旋转角度的式(Ⅱ)关系：

采用光线追迹方法，计算佩镜者视线通过镜片前表面的位置和方位角，眼镜佩戴者的目标视点位于视线与视觉参考面的交点处；以l_r为变量，l_{r_min}≤l_r≤l_{r_max}为约束条件，对点列图均方根半径进行优化；以得到的点列图均方根半径和调制传递函数，表征镜片佩戴者的视线通过镜片上各点时在视网膜上的成像质量，用于评价眼镜片。

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