CN110974643A - 智能眼镜及其算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能眼镜及其算法包括镜框、安装于镜框中的两组镜片，两组镜片分别对应左眼与右眼，每组镜片包括内镜片与外镜片，每个镜片都具有渐进多焦点，内镜片与外镜片在水平方向上度数逐渐变化，内镜片与外镜片相互叠加形成视光度数，内镜片相对于外镜片的位置不同形成的叠加视光度数也不同，通过内镜片相对外镜片在水平方向上做相对匀速运动，内镜片与外镜片相互叠加产生连续不同的视光度数，使得成像的视光焦点动态变化，本发明方案中的智能眼镜及其算法通过两组渐进多焦点透镜镜片的相对位移产生不同的戴镜度数，可在左右眼视网膜上、眼视网膜前后位置分别产生不同的视光焦点，通过动态变焦，达到训练和提升视力的目的。

Description

智能眼镜及其算法

【技术领域】

本发明涉及视觉训练领域，特别涉及一种智能眼镜及其算法。

【背景技术】

随着中小学生课业负担加重，电子产品普及，用眼疲劳，缺乏户外锻炼等 原因，我国青少年近视率不断攀升，居高不下，近视趋势低龄化、高度化。

因此，需要提供一种解决以上问题的方案。

【发明内容】

本发明针对上述问题，提供一种智能眼镜及其算法，通过动态变焦，达到 训练与矫正视力的效果。智能眼镜算法依据正离焦和负离焦区间连续反复运动 控制左右眼的两组渐进多焦点透镜镜片做相对匀速位移运动，产生连续的不同 戴镜度数变化的效果。

为了解决上述问题，本发明提供一种智能眼镜，包括镜框、安装于镜框中 的两组镜片，两组镜片分别对应使用者的左眼与右眼，每组镜片包括内镜片与 外镜片，每个镜片都具有渐进多焦点，内镜片与外镜片在水平方向上度数逐渐 变化，内镜片与外镜片度数变化递增方向相反，若内镜片从左至右度数逐渐递 增变化，则外镜片从右至左度数逐渐递增变化；若内镜片从右至左度数逐渐递 增变化，则外镜片从左至右度数逐渐递增变化，内镜片与外镜片相互叠加形成 视光度数，内镜片相对于外镜片的位置不同形成的叠加视光度数也不同，通过 内镜片相对外镜片在水平方向上做相对匀速运动，内镜片与外镜片相互叠加产 生连续不同的视光度数，使得成像的视光焦点动态变化，在视网膜上的正离 焦、正焦、负离焦位置之间依次产生连续反复的匀速变化，其中在正焦的位 置，前后镜片叠加的视光度数正好为使用者对应测量的戴镜视力度数。

进一步的，内镜片与外镜片度数在左右方向呈递增或者递减分布，内镜片 与外镜片度数在上下方向上相同。

进一步的，两组镜片中左侧外镜片的度数与右侧外镜片的度数是对称均匀 分布的，左侧内镜片的度数与右侧内镜片的度数是对称均匀分布的。

进一步的，在内镜片匀速变化过程中，正离焦到正焦之间的距离与正焦 与负离焦的距离相同。

进一步的，镜片为凸透镜与凹透镜的复合体。

为了解决上述问题，本发明还提供一种智能眼镜算法，包括以下步骤：

(1)依据Zernike多项式计算出智能眼镜镜片的度数，使得镜片设计成渐 进多焦点透镜镜片。

(2)根据镜片的度数范围和控制精度(即最小度数间隔)制作镜片，可 以得到镜片的每个刻度位置，每相邻刻度的度数变化相同。

(3)在每次使用前，内镜片需要复位，复位后，内镜片再进行位移，直 到内镜片与外镜片叠加后的视光度数为使用者对应测量的戴镜视力 度数，此时，成像焦点在正焦的位置。

(4)内镜片以步骤(3)中位移找到的正焦位置为中心轴，在水平方向相 对外镜片做匀速位移运动，使得成像焦点在正离焦、正焦和负离焦 位置之间形成连续反复的匀速变化，产生连续的不同戴镜度数效 果。

进一步的，步骤(1)中Zernike多项式计算方法为

其中Bnm是近似Zernike多项式系数 θ为方位角，0≤ρ≤1为径向距离Zernike多项式的项数至少为16项进行计算。

进一步的，步骤(4)中内镜片位移的具体距离依据f(x)计算，f(x)＝(1- n)/r(x)，其中r(x)为在镜片不同位置的曲率半径，n为内镜片的刻度，n＝1时为 内镜片复位的位置，根据制作镜片时设定的镜片刻度，n的值不同，内镜片位 移到不同的刻度。

进一步的，步骤(2)中，智能眼镜的两组镜片分别对应使用者的左眼与 右眼，每组镜片包括内镜片与外镜片，内镜片与外镜片在水平方向上度数逐渐 变化，内镜片与外镜片度数变化递增方向相反，内镜片与外镜片相互叠加形成 视光度数，内镜片相对于外镜片的位置不同形成的叠加视光度数也不同，若内 镜片从左至右度数逐渐递增变化，则外镜片从右至左度数逐渐递增变化；若 内镜片从右至左度数逐渐递增变化，则外镜片从左至右度数逐渐递增变化。

进一步的，每矫正视力±3.0D度数时，正离焦位置与正焦位置或负离焦与 正焦位置变化的距离为±1mm，矫正视力度数与离焦变化距离成正比。

再者，本发明方案中的智能眼镜及其算法通过两组渐进多焦点透镜镜片的 相对位移产生不同的戴镜度数，可在左右眼视网膜上、眼视网膜前后位置分别 产生不同的视光焦点，通过动态变焦，达到训练和提升视力的目的。

【附图说明】

图1(a)是现有技术中矫正视力-3.0D的光学实视路正焦示意图；图1(b)是现 有技术中矫正视力-3.0D的光学实视路正离焦(正失焦)示意图；图1(c)是现有 技术中正视力-3.0D的光学实视路负离焦(负失焦)示意图。

图2(a)是本发明中智能眼镜算法控制渐进多焦点镜片组在正焦位置的示 意图，图2(b)是本发明中智能眼镜算法控制渐进多焦点镜片组在正离焦(正 失焦)位置的示意图，图2(c)是本发明中智能眼镜算法控制渐进多焦点镜片 组在负离焦(负失焦)位置的示意图。

【具体实施方式】

参见图2(a)、图2(b)、图2(c)，给出了本发明中智能眼镜及其算 法。智能眼镜包括两组镜片，两组镜片分别对应使用者的左眼和右眼。每组镜 片包括内镜片与外镜片，每个镜片都具有渐进多焦点，内镜片与外镜片在水平 方向度数逐渐变化，并且度数变化区间相同，度数范围为+15.0D到-15.0D。在 水平方向上，内镜片与外镜片度数变化递增方向相反，若内镜片从左至右度数 逐渐递增变化，则外镜片从右至左度数逐渐递增变化；若内镜片从右至左度数 逐渐递增变化，则外镜片从左至右度数逐渐递增变化。内镜片与外镜片在水平方向的光轴相同。镜片度数在左右方向呈递增或者递减分布，镜片度数在上下 方向上相同。两组镜片中左侧外镜片的度数与右侧外镜片的度数是对称均匀分 布的，左侧内镜片的度数与右侧内镜片的度数是对称均匀分布的。智能眼镜 还包括左镜框、右镜框，两组镜片分别安装于左镜框、右镜框中，内镜片相 对于外镜片做匀速位移运动。

内镜片和外镜片相互叠加形成一组镜片，可以有效修正镜片产生的像差。 在叠加的有效度数区间上，由于内镜片和外镜片的相对位置不同，叠加产生的 视光度数也不同，从而达到不同的度数变化。通过内镜片相对于外镜片的相对 位移产生不同的视光度数，可分别在眼睛视网膜上、视网膜前、视网膜后产生 不同的视光焦点。通过动态变焦，达到训练和提升视力的目的。位于视网膜上 的视光焦点被称为正焦，位于视网膜乳头前的视光焦点被称为负离焦，位于视 网膜乳头后的视光焦点被称为正离焦。通过内镜片相对外镜片做相对匀速运 动，产生连续不同的视光度数，使得成像的视光焦点分别落在视网膜乳头的前后区间里，在正离焦、正焦、负离焦产生连续反复的匀速变化，达到训练和提 升视力的目的。

镜片为凸透镜与凹透镜的复合体，使用者根据测量后得到的戴镜视力度 数，调整前镜片与后镜片叠加后产生的视光度数，将镜片调整到一定位置后， 使得视光焦点位于正焦的位置，在正焦的位置，前后镜片叠加的视光度数正好 是对应测量的戴镜视力度数，并通过匀速位移内镜片，使得视光焦点在正离 焦、负离焦之间匀速移动。每矫正视力±3.0D度数，正离焦位置与正焦位置或 负离焦与正焦位置变化的距离为±1mm，矫正视力度数与离焦变化距离成正 比，也就是，若测得使用者矫正眼镜度数-3.0D，为了使得正离焦d⁺＝1mm，负 离焦d^-＝1mm，即在视网膜(正焦的位置)前后±1mm范围均匀连续移动焦 点，相当于±3.0D视光度数的变化，即眼镜视光度数变化的范围为-6.0D～

0.0D。若测得矫正视力度数为-4.0D，为了使得正离焦d⁺＝1mm，负离焦d^-

＝1mm，即在视网膜(正焦的位置)前后±1mm范围均匀连续移动焦点，相当 于±3.0D视光度数的变化，即眼镜视光度数变化的范围为-7.0D～-1.0D。

渐进多焦点透镜镜片组依据Zernike多项式设计而成的。标准Zernike多项 式：

其中Anm是标准Zernike多项式系数 θ为方位角，0≤ρ≤1为径向距离

由于Zernike多项式圆域上的正交性具有反变换和描述的图像具有最少的信 息冗余度的特点，并且各阶模式与光学设计中的Seidel像差(如：离焦、像散、 慧差等)系数相对应，为有选择的处理各种像差和优化系统提供了有效途径，所 以在圆瞳孔径上常作为正交基进行波前重构。

为了简化标准Zernike多项式的项数，本发明采用简化Zernike多项式计算 方法：

其中Bnm是近似Zernike多项式系数 θ为方位角，0≤ρ≤1为径向距离

在几何光学领域，透镜可以被假设为任何的折射率，且可以被假设为无厚 度、无色散的理想条件。所以成像自然是完美的。但是实际情况却不是完美 的，而是遵循物理光学的众多限制。例如镜片不可能没有厚度，折射率是取决 于镜片材料，不同材料的镜片针对不同波长的折射率不一定满足线性变化，因 而视光通过镜片后会出现一定的像差。像差是光学系统所成的像与物之间的差 异，根据差异的类型分为初级像差和高阶像差。其中近视、远视、散光则为初 级像差的一种表现，高阶像差则是相对影响成像更细微的一些像差。所谓高阶 是指在Zernike多项式第5项之后的每一项所描述的像差。对于普通单焦点眼镜来说，通常只使用凹凸球面透镜或者柱面镜来修复Zernike多项式中的前两项像 差，但在本智能眼镜的渐进多焦点透镜镜片精密光学系统中，仅修复前两项像 差是远远不够的，所以在设计时须使用镜片组来对每一级像差进行修正，同时 需要通过改变两镜片的间距来进行调节，使得仅通过改变对焦镜片组就可以完 成对焦动作。本发明中设计镜片组时采用的Zernike多项式的项数应大于16项 才可保证渐进多焦点透镜镜片组的像差。以下是Zernike多项式的项数为16时 各系数列表：

智能眼镜算法将依据镜片组Zernike多项式计算叠加产生的视光度数值，调 整视光焦点在眼底视网膜前后的焦距范围。

本发明的智能眼镜算法依据透镜成像公式

1/u(物距)+1/v(像距)＝1/f(透镜焦距)

其中物距u是指视远距离，像距v是指视光成像在眼底视网膜前后时的距 离，透镜焦距f是指透镜镜片组和眼球的组合具有的合成焦距。

本智能眼镜算法在计算时以物距u为5m，像距v(眼轴)为正常眼轴距离(约为24mm)与屈光不正偏移距离之和为中心前后变化(±1mm)来计算透镜 焦距f，用透镜焦距f换算成透镜镜片组应有的视光度数，用透镜镜片组的视光 度数依据Zernike多项式计算透镜镜片组中两个渐进多焦点透镜镜片的相对位 移。

透镜镜片是采用对称性设计，注重视野的有效区增大和像差的减少。本发 明专利中透镜镜片组叠加后在每个叠加产生的视光度数点上的视野有效区间至 少要有±10mm的相同视光度数，以保证视野有效区间。视光度数点位于眼球平 视的光学通路与镜片的交点上。视野有效区间是指以视光度数点为中心，半径 至少为10mm的区间，在视野有效区间内视光度数基本均匀分布，不应有较大 的像差现象。

渐进多焦点透镜镜片中心子午线(水平方向)上各点光焦度随坐标轴变化 函数f(x)为f(x)＝(1-n)/r(x)，其中r(x)为在镜片不同位置的曲率半径，n 表示度数的刻度位置。下面举例说明：

例如内镜片的光学有效区间是【-15D:+15D】，那么复位的位置上内镜片 (即n＝1)的度数是-15D，也是复位时的度数。此时，f(x)＝(1-1)/r(x)＝0， 即复位位置。n＝2，是第二个度数，位置f(x)＝(1-2)/r(x)为内镜片从复位位置移动 了一个度数。以此类推。也就是说内镜片的度数范围是+15D到-15D时，且n的 间隔是0.02D(制作镜片时设计的精度，是已知的数值)，也就是说最多移动 1500次。根据函数f(x)为f(x)＝(1-n)/r(x)，n的数值最大为1501，内镜片 移动的最大距离是f(x)＝(1-1501)/r(x)。以测量后得到的戴镜视力度数为200度 为例，内镜片的光学有效区间是【-15D:+15D】，那么复位的位置上(n＝1)内 镜片的度数是-15D。由于n的间隔是2度，我们要移动到度数200度(-2D)的 位置时，计算公式得移动格数(1500-200)/2＝650。所以f(x)＝(1-651)/r(x)是从复位 位置要移动的距离。移动了这个f(x)距离后，内外镜片的合成度数就是200度 了，也就是正焦的位置。n＝1时，即内镜片移动到离鼻子最近的位置。在这个位 置上有一个复位开关，内镜片会触发这个复位开关，我们就认为这个位置是复 位位置，其中n＝1。为了使得内外镜片合成度数为200度，可以计算出移动格数 650，此时是正焦位置。训练模式是以此时的度数(也就是n＝651)为中心轴进 行训练。在中心轴为中心进行训练时，也是以f(x)公式计算位移距离的。如果训 练位移的度数范围是【+200度到-200度】的话，200度的移动格数为200度/2 度＝100，所以n的取值范围是【751：651：551】即以n＝651为中心轴移动。

右眼、左眼的智能眼睛算法、视光度数的算法相同。近视、远视的智能眼 镜算法、视光度数的算法相同。

使用者的视光基础数据存储在远端服务器上，在使用者通过移动智能终端 设备连接远端服务器后，远端服务器会将使用者视光基础数据，已训练使用时 长和当前使用效果等控制数据通过移动终端设备传输至智能眼镜上。智能眼镜 依据收到的数据进行计算。

智能眼镜算法对近视度数或是远视度数的使用者同样有效。

本发明中的智能眼镜算法具有以下几个步骤。

1)先根据Zernike公式计算多焦点的数值。

2)根据镜片的度数范围需求和控制精度(即最小度数间隔)制作镜片， 可以得到n值(即有多少个刻度)，每个刻度间隔的度数相同，但由 于镜片的曲率半径不同，每个刻度在水平方向上的间隔距离不同。

3)根据镜片上度数的分布，f(x)的计算可以得出。

4)在每次使用前，内镜片需要复位，复位后，根据使用者的基础数据， 让内镜片回到初始位置为，初始位置时n＝1。

5)根据使用者的基础数据，依据f(x)公式可以将内镜片位移到需要矫正 的度数位置。

6)以此度数为中心轴，在云端服务器上计算出的训练模式数据(位移速 度，位移范围等)通过智能设备(手机等)推送到眼镜上。

7)眼镜根据推送来的训练模式数据进行动作。

8)一般眼镜的使用时间在2个小时左右。

9)训练完成后，眼镜会通过智能设备将使用数据回传到云端服务器上，为 下次计算做准备，下次训练时，根据使用者的视光基础数据、历史训练模式数 据进行计算训练模式。

调整内镜片的位移速度是根据临床的数据得到的。调整内镜片位移速度越 快，内镜片位移的范围越宽，矫正的效果越好。但是位移速度太快，位移范围 太宽会造成使用者出现晕眩，所以内镜片位移速度，位移范围是根据临床数据 优化而来的。

我们会收集使用者体验的结果，根据使用者基础数据(裸眼视力，戴镜视 力等)和当前训练模式数据，在云端服务器上为每位使用者进行最优训练模式 数据的计算，然后将新的训练模式数据通过智能设备(手机等)推送到眼镜 上。

由于内外镜片的度数范围是在+15D到-15D，且根据内镜片移动的最小间隔 (例如最小间隔是0.02D，即2度)，就可以设定n的取值范围了。(n＝ ＝1501)，度数与n的关系是通过我们在制作镜片时就这样设计的，所以度数与 n的关系是事先确定的关系。内外镜片的度数范围和控制精度(即最小度数间 隔)可以根据实际情况来定。

智能眼镜适用人群为8-18周岁，近视600度以内，散光150度以下的无眼 疾人群。下表中为5个使用者在戴镜3天前后的数据对比表：

患者A 12岁

患者B 15岁

患者C 14岁

患者D 11岁

患者E 11岁

5个患者每天戴镜训练2小时，智能眼镜动态变焦，在使用一段时间之后， 裸眼视力得到有效提升。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施 方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经 适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种智能眼镜，包括镜框、安装于镜框中的两组镜片，两组镜片分别对应使用者的左眼与右眼，每组镜片包括内镜片与外镜片，其特征在于，每个镜片都具有渐进多焦点，内镜片与外镜片在水平方向上度数逐渐变化，内镜片与外镜片度数变化递增方向相反，若内镜片从左至右度数逐渐递增变化，则外镜片从右至左度数逐渐递增变化；若内镜片从右至左度数逐渐递增变化，则外镜片从左至右度数逐渐递增变化，内镜片与外镜片相互叠加形成视光度数，内镜片相对于外镜片的位置不同形成的叠加视光度数也不同，通过内镜片相对外镜片在水平方向上做相对匀速运动，内镜片与外镜片相互叠加产生连续不同的视光度数，使得成像的视光焦点动态变化，在视网膜上的正离焦、正焦、负离焦位置之间依次产生连续反复的匀速变化，其中在正焦的位置，前后镜片叠加的视光度数正好为使用者对应测量的戴镜视力度数。

2.根据权利要求1所述的智能眼镜算法，其特征在于，内镜片与外镜片度数在左右方向呈递增或者递减分布，内镜片与外镜片度数在上下方向上相同。

3.根据权利要求1至2任意所述的智能眼镜，其特征在于，两组镜片中左侧外镜片的度数与右侧外镜片的度数是对称均匀分布的，左侧内镜片的度数与右侧内镜片的度数是对称均匀分布的。

4.根据权利要求1或3任意所述的智能眼镜，其特征在于，在内镜片匀速变化过程中，正离焦到正焦之间的距离与正焦与负离焦的距离相同。

5.根据权利要求1所述的智能眼镜，其特征在于，镜片为凸透镜与凹透镜的复合体。

6.一种智能眼镜算法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)依据Zernike多项式计算出智能眼镜镜片的度数，使得镜片设计成渐进多焦点透镜镜片。

(2)根据镜片的度数范围和控制精度(即最小度数间隔)制作镜片，可以得到镜片的每个刻度位置，每相邻刻度的度数变化相同。

(3)在每次使用前，内镜片需要复位，复位后，内镜片再进行位移，直到内镜片与外镜片叠加后的视光度数为使用者对应测量的戴镜视力度数，此时，成像焦点在正焦的位置。

(4)内镜片以步骤(3)中位移找到的正焦位置为中心轴，在水平方向相对外镜片做匀速位移运动，使得成像焦点在正离焦、正焦和负离焦位置之间形成连续反复的匀速变化，产生连续的不同戴镜度数效果。

7.权利要求6所述的智能眼镜算法，其特征在于，步骤(1)中Zernike多项式计算方法为

其中Bnm是近似Zernike多项式系数θ为方位角，0≤ρ≤1为径向距离Zernike多项式的项数至少为16项进行计算。

8.根据权利要求6所述的智能眼镜算法，其特征在于，步骤(4)中内镜片位移的具体距离依据f(x)计算，f(x)＝(1-n)/r(x)，其中r(x)为在镜片不同位置的曲率半径，n为内镜片的刻度，n＝1时为内镜片复位的位置，根据制作镜片时设定的镜片刻度，n的值不同，内镜片位移到不同的刻度，内镜片位移到正焦、正离焦、负离焦的位置都通过f(x)计算。

9.根据权利要求6所述的智能眼镜算法，其特征在于，步骤(2)中，智能眼镜的两组镜片分别对应使用者的左眼与右眼，每组镜片包括内镜片与外镜片，内镜片与外镜片在水平方向上度数逐渐变化，内镜片与外镜片度数变化递增方向相反，内镜片与外镜片相互叠加形成视光度数，内镜片相对于外镜片的位置不同形成的叠加视光度数也不同，若内镜片从左至右度数逐渐递增变化，则外镜片从右至左度数逐渐递增变化；若内镜片从右至左度数逐渐递增变化，则外镜片从左至右度数逐渐递增变化。

10.根据权利要求6至9中任意所述的智能眼镜算法，其特征在于，每矫正视力±3.0D度数时，正离焦位置与正焦位置或负离焦与正焦位置变化的距离为±1mm，矫正视力度数与离焦变化距离成正比。

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