CN112867432A - 具有轴向光焦度-距离模拟器的渐进式透镜模拟器 - Google Patents

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Abstract

一种渐进式透镜模拟器，包括：眼动仪，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；离轴渐进式透镜模拟器，用于生成离轴渐进式透镜模拟；以及轴向光焦度‑距离模拟器，用于模拟在眼轴方向上的渐进式透镜光焦度。渐进式透镜模拟器能够可替代地包括集成的渐进式透镜模拟器，用于创建综合渐进式透镜模拟。渐进式透镜模拟器能够是头戴式的。用于渐进式透镜模拟器的指导透镜设计探索系统能够包括渐进式透镜模拟器、反馈‑控制接口和渐进式透镜设计处理器，以在对渐进式透镜设计进行指导性修改之后为患者生成经修改的渐进式透镜模拟。用于人工智能引擎的深度学习方法能够被用于渐进式透镜设计处理器。实施例包括渐进式透镜模拟器的多站系统以及中央监督站。

Description

具有轴向光焦度-距离模拟器的渐进式透镜模拟器
技术领域
本发明一般而言涉及用于模拟渐进式透镜的方法和系统，更具体地涉及用指导透镜设计探索系统来模拟渐进式透镜的方法和系统。
背景技术
眼镜(eyeglasses或spectacles)的处方是由数十年前开发的设备和方法生成的，它们的基础可以追溯到更远的时间。虽然这些方法和技术已经成熟，并且很好地为患者服务，但它们确实不能从光电子学和计算方法的显著进步中受益，这种进步使电信、消费电子和交互功能的许多领域发生了革命性变化。从现代光电子学和计算机科学的有利视点来看，可以识别出几个需求和机遇领域。下面列出并审查了一些主要的挑战和机遇。
(1)在购买之前没有试验：今天，仅用单屈光力、非渐进式透镜(一个用于远视力，一个用于近视力)检查要求渐进式透镜处方的患者。因此，患者在购买处方透镜之前不会整体上体验这些处方透镜。由于患者不会“测试驱动”渐进式透镜处方，因此只有在提供眼镜之后才发现问题或不便之处太晚了。
(2)仅使用模拟验光设备：当今视光师使用的单屈光力透镜和其它光学系统很早已经就已经开发出来了。他们是模拟光学系统，并且没有适应并采用现代光电技术的许多进步。与此形成鲜明对比的是，光电技术非常成功地应用于眼科的其它领域，诸如通过光学相干断层扫描进行的视网膜成像、像差诊断设备以及用于白内障手术以确定合适的眼内透镜的光学诊断设备。
(3)仅测试了两个距离：这些模拟透镜系统仅在两个距离(近距和远距)测试患者的视力。相比之下，大多数患者具有独特的使用方式，并且经常需要针对其个人习惯对眼镜进行优化，以获得三个或更多个距离。
(4)仅单独测试眼睛：大多数诊断方法适用于单眼，而另一只眼则被遮挡。这样的方法无视眼睛在创造视觉体验时的协调性，以及对双眼视力敏锐度的完整评估非常重要的散光的各种效果。
(5)渐进式透镜的处方定义不足：渐进式透镜的设计是一个复杂的过程。不同的公司具有不同的专有优化算法，其中许多参数使用不同的搜索和优化策略。相比之下，验光师只能在一次就诊时确定2-3个关于患者视力的参数，这在数学意义上仅为渐进式透镜的设计提供了2-3个参数，对于定义透镜设计的优化算法严重不足。当设计优化算法没有足够的信息时，算法可以而且经常停留在并非真正最优的设计上，并且他们无法识别真正最优的设计。
(6)确定更多参数将增加每位患者的治疗时间：验光师可以运行更多的测试来确定更多参数。但是，这样做会延长对各个患者花费的时间。这将对验光师的经济模式产生负面影响。
(7)患者常常需要返还眼镜以进行调节：在统计学上相关的案例分数中，患者对他们的渐进式透镜不满意。因此，患者常常返回给验光师办公室请求进行调节。渐进式透镜必须重新调节3-4-5次并不罕见。与这些回诊相关联的时间和费用严重影响了患者的满意度，并破坏了验光师的经济模式。
(8)透镜设计核实小组小：透镜设计算法通常是与小测试小组(少于一百到数百名患者)交互进行优化的。仅使用如此小的测试组来优化这样的复杂问题会导致透镜设计算法不是最优。大量真实患者的后续投诉产生了来自更大群体的反馈，但是这种反馈是不完整的并且是单方面的。
(9)测试图像不反映患者的实际视觉需求：眼睛测试使用的标准化字母很少反映患者的实际需求。仅仅以上测试几乎从不涉及与个体患者相关的图像。
(10)外围视力很少测试：验光师很少测试外围视力，而对于某些专业而言，外围视力可能是整体视力的高价值组成部分。
(11)现代搜索算法尚未被利用：大大提高了搜索算法在复杂的品质景观上的效率的最近进步尚未适应渐进式透镜的设计。
(12)未使用人工智能：实现系统改进以实现人工智能的最近进步也尚未经进入验光领域。
至少以上十几个问题表明，以患者为中心的、定制的方式，验光可以以多种方式从现代调制解调器技术中受益，这也使用了现代计算机科学的进步。
发明内容
为了解决上述医学需求，本发明的一些实施例包括渐进式透镜模拟器，包括：眼动仪，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；离轴渐进式透镜模拟器，用于生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)；以及轴向光焦度-距离模拟器，用于模拟在眼轴方向上的渐进式透镜光焦度，从而根据离轴PLS创建综合渐进式透镜模拟。
实施例还包括一种操作渐进式透镜模拟器的方法，该方法包括：通过眼动仪跟踪眼轴方向以确定注视距离；通过离轴渐进式透镜模拟器生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)；并且通过轴向光焦度-距离模拟器通过模拟在眼轴方向上的渐进式透镜光焦度而根据离轴PLS创建综合渐进式透镜模拟。
实施例还包括渐进式透镜模拟器，包括：眼动仪，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；集成渐进式透镜模拟器，用于通过在眼轴方向上模拟渐进式透镜光焦度并生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)来创建综合渐进式透镜模拟(PLS)。
实施例还包括头戴式渐进式透镜模拟器，包括：眼动仪，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；集成渐进式透镜模拟器，用于通过在眼轴方向上模拟渐进式透镜光焦度并生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)来创建综合渐进式透镜模拟(PLS)；其中眼动仪和集成渐进式透镜模拟器在头戴式显示器中实现。
实施例还包括用于渐进式透镜模拟器的指导透镜设计探索系统，包括：渐进式透镜模拟器，用于用渐进式透镜设计为患者生成渐进式透镜模拟；反馈-控制接口，用于响应于渐进式透镜模拟而患者的控制和反馈中的至少一个；以及渐进式透镜设计处理器，其与反馈-控制接口耦合，用于从患者接收控制和反馈中的至少一个，并且响应于接收而修改渐进式透镜设计，其中渐进式透镜模拟器被配置为生成针对经修改的渐进式透镜设计而为患者生成经修改的渐进式透镜模拟。
实施例还包括渐进式透镜模拟的方法，包括：(a)用渐进式透镜设计处理器激活透镜设计；(b)由渐进式透镜模拟器的图像生成器生成图像；(c)利用透镜设计，由渐进式透镜模拟器生成从生成的图像模拟的综合PLS；(d)响应于用透镜设计生成综合PLS而经由反馈-控制接口获取视觉反馈；(e)由渐进式透镜设计处理器根据视觉反馈修改透镜设计；以及(f)由渐进式透镜模拟器用经修改的透镜设计重新生成综合PLS。
实施例还包括用于渐进式透镜设计处理器的人工智能引擎的深度学习方法，包括：激活用于渐进式透镜设计处理器的视觉反馈-设计因子神经网络；将视觉反馈向量作为输入接收到视觉反馈-设计因子神经网络中；响应于输入，用视觉反馈-设计因子神经网络输出设计因子向量；其中通过执行深度学习循环训练了渐进式透镜设计处理器的视觉反馈-设计因子神经网络的耦合矩阵。
实施例还包括渐进式透镜模拟器的监督式多站系统，包括：渐进式透镜模拟器的集合，各自包括眼动仪，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；离轴渐进式透镜模拟器，用于生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)；以及轴向光焦度-距离模拟器，用于在眼轴方向上模拟渐进式透镜屈光度，从而从离轴PLS创建综合渐进式透镜模拟；以及中央监督站，与渐进式透镜模拟器通信，以监督各个渐进式透镜模拟器的操作。
附图说明
图1图示了模拟渐进式透镜(GPS)的指导透镜设计探索系统。
图2更详细地图示了模拟渐进式透镜(GPS)的指导透镜设计探索系统。
图3图示了渐进式透镜模拟器的多级实施例。
图4A-B图示了离轴渐进式透镜模拟器OPS。
图5图示了具有聚散度(Vergence)-距离模拟器VDS和缩放-距离模拟器ZDS的渐进式透镜模拟器。
图6A-B图示了轴向光焦度-距离模拟器ADS的实施例。
图7图示了渐进式透镜模拟器的多级实施例。
图8图示了操作渐进式透镜模拟器的多级实施例的方法。
图9图示了集成渐进式透镜模拟器。
图10图示了MEMS激光扫描仪。
图11A-B图示了MEMS可变形镜和MEMS致动镜阵列。
图12A-D图示了微透镜阵列、MEMS曲面镜阵列、LED投影仪阵列以及IPLS的可变形显示实施例。
图13图示了操作集成渐进式透镜模拟器的方法。
图14图示了头戴式集成渐进式透镜模拟器。
图15A-B图示了头戴式集成渐进式透镜模拟器的实施例。
图16图示了具有透镜设计探索系统的渐进式透镜模拟器。
图17A-F图示了患者控制器的实施例。
图18A-B更详细地图示了渐进式透镜模拟的方法。
图19A-B更详细地图示了渐进式透镜模拟的方法。
图20A-B图示了设计因子。
图20C-D图示了视觉反馈。
图21图示了基于设计因子空间中的视觉反馈对设计因子的修改。
图22A-B图示了视觉反馈到透镜设计传递引擎的视觉反馈到设计因子矩阵。
图23A-B图示了具有交互方面的搜索管理方法。
图24A-B图示了透镜品质因数。
图25图示了在设计因子空间中基于视觉反馈和透镜品质因数对设计因子的修改。
图26图示了从视觉反馈到左的设计传递引擎的视觉反馈+透镜品质到透镜设计品质矩阵。
图27图示了一种用于局部修改设计因子的方法。
图28A-B图示了用于非局部修改设计因子的方法。
图29A-B图示了在一些情况下以交互方式执行搜索管理步骤。
图30图示了具有指导透镜设计探索系统以及人工智能引擎的渐进式透镜模拟器。
图31图示了视觉反馈-设计因子神经网络。
图32图示了用于渐进式透镜设计处理器的人工智能引擎。
图33图示了具有梯度下降的反向传播。
图34图示了用于渐进式透镜设计处理器的AI引擎的深度学习方法。
图35图示了用于搜索指导引擎的AI引擎的深度学习方法。
图36图示了渐进式透镜模拟器的监督式多站系统。
具体实施方式
本专利文档中描述的系统和方法至少在以下各方面中解决了上述彼此连贯的医疗需求。这些方面以与先前描述的现有技术挑战相反的格式组织。
(1)在购买之前没有试验：在实施例中，由渐进式透镜模拟器来模拟渐进式透镜的视觉体验。这个系统使患者能够主动和交互地实时地探索和体验具有不同设计的渐进式透镜。患者可以根据自己的意愿探索尽可能多的模拟渐进式透镜设计，然后再解决特定的设计问题。简而言之，患者可以在购买渐进式透镜之前进行探索、“测试驱动”和“试戴”渐进式透镜。
(2)仅使用模拟验光设备：实施例使用现代数字光电技术代替模拟光学技术。
(3)仅测试了两个距离：患者可以通过现代光电设计在任意距离探索各种渐进式透镜设计的性能。
(4)仅单独测试眼睛：患者可以同时用两只眼睛的渐进式模拟透镜探索视觉体验。这种方法允许透镜设计选择过程包括并优化患者对聚散度的效果的体验。
(5)渐进式透镜的处方定义不足：患者可以穷举地探索许多可能的渐进式透镜设计。搜索可以集中在透镜性能的许多特定方面。对于先进的透镜设计软件，详细地监视搜索过程提供了关于患者的视力的大量数据。大量数据的获取使透镜设计过程从数学上的欠定义转变为适当定义。探索过程可以继续进行，直到透镜设计软件得出结论，它拥有足够的数据以容纳最佳的透镜设计。
(6)确定更多参数将增加每位患者的治疗时间：利用这里描述的实施例的最佳渐进式透镜设计的选择过程所花费的时间可能比当今典型的办公室就诊的花费的时间更长，或甚至长得多。这可以被认为是对所述系统的经济“过高成本”争论，但是，大多数搜索是由智能软件指导的，因此不需要验光师的积极参与。相反，验光师起着监督作用，并且因此与传统方法相比，这些渐进式透镜模拟器每天可以监督更多的患者。
(7)患者常常需要返还眼镜以进行调节：由于患者实时地探索所有相关的和可能的渐进式透镜设计，因此，本文所述的渐进式透镜模拟器系统最大程度地减少了患者的抱怨和返还。这极大地提高了患者的满意度并大大地促进了裸眼验光师的经济模式。
(8)透镜设计核实小组小：搜索数据是从所有参与的验光师办公室收集的。因此，渐进式透镜设计软件将可以访问记录的搜索模式、患者行为以及数百万患者测试组中的最终患者选择。对如此庞大且快速增长的数据库的访问将被用于快速高效地改进渐进式透镜设计算法。
(9)测试图像不反映患者的实际视觉需求：渐进式透镜模拟器为患者提供他们在选择的任何图像上的视力测试。一种有前途的实施方式是呈现与用户相关的图像，并模拟患者的实际活动。
(10)外围视力很少测试：数字图像投影系统可以同时显示中央和外围图像，以全面表征患者的视力。
(11)现代搜索算法尚未被利用：在一些实施例中，用于患者探索的指导系统使用现代搜索技术，该技术被开发来探索复杂的、相互依存的和受约束的品质-景观。
(12)未使用人工智能：人工智能引擎被用于不断地逐块改进和升级系统的软件。
这里描述的系统只能产生积极的结果，因为它们可以首先用于通过传统规程确定传统的渐进式透镜处方。随后，渐进式透镜模拟器可以通过这里描述的实施例执行各种高级搜索，并且指导患者获得最适合他/她的高级渐进式透镜处方。最后，渐进式透镜模拟器可以模拟传统的渐进式透镜体验，然后模拟高级的渐进式透镜体验，并且前后交替，以便患者可以比较两种渐进式透镜的体验以做出最终选择。由于患者始终可以返回并选择传统的渐进式透镜设计，因此该过程的总体效果不会比传统过程差，只有更好，
本专利文档描述了许多实施例、技术和方法。它还描述了与现有传统系统相比的十多个优势。因此，所描述的优势并不限于所有实施例，实际上，仅具有一个或几个优势的实施例相对于现有系统已经是新颖的。而且，还存在其它几个尚未列出的优势，这些优势使系统变得新颖。而且，所描述的方面中的几个方面可以在各种实施例中组合以获得附加的协同优势。
图1和图2在高系统级别图示了模拟渐进式透镜(GPS)10的指导透镜设计探索系统。GPS 10的实施例拥有上述特征和优势中的一个或多个，如下。
(1)患者可以在选择购买前先探索并“试戴”许多不同的渐进式透镜设计。
(2)实施例使用现代数字光电技术。
(3)患者可以根据期望在多个距离处测试视力。
(4)可以对患者的两只眼睛进行同步测试，从而将他们的聚散度考虑到整体视觉体验中。
(5)因为确定了足够数量的参数，所以最终选择的渐进式透镜设计和处方是明确定义的。
(6)由于患者是在智能软件的指导下自行探索渐进式透镜的设计，因此相对于现有系统，对验光师的时间需求实际上减少了，因为期望验光师只监督患者的探索。
(7)由于患者选择自己的设计，因此调节之后返还眼镜的频率要低得多。
(8)透镜设计核实组大并且还在不断扩大。
(9)测试图像反映患者的实际视觉需求。
(10)对患者的外围视力进行了综合测试，以达到患者的期望。
(11)切割边缘搜索算法被用于指导患者的探索。
(12)人工智能被用于不断升级和改进患者的透镜设计和患者指导系统。
在图1-2中总体描述了GPS 10的这些系统级概念，随后在图3-36中进行了详细描述，特别地，图3-15描述了生成视患者希望探索的许多渐进式透镜设计而进行的逼真的综合渐进式透镜模拟的渐进式透镜模拟器的许多实施例。图16-29描述了指导患者探索渐进式透镜设计的指导系统和方法。图30-35描述了训练和改进渐进式透镜模拟器的人工智能系统和方法。最后，图36描述了受监管的多站GPS系统。
图1图示了模拟渐进式透镜的指导透镜设计探索系统(GPS)10可以包括渐进式透镜模拟器(PLS)100，用于模拟各种渐进式透镜设计；用于渐进式透镜模拟器的透镜设计探索系统(LDES)300，用于智能地指导患者探索患者可以进行许多可能的渐进式透镜设计；以及用于GPS的人工智能引擎(AI-GPS)500，用于监视患者的患者透镜设计探索过程，以便发现和提取患者GPS 10系统的可能改进，然后实际实现发现的改进。完全集成的GPS 10系统的这三个主要构建块可以全都彼此耦合，以进行高效的通信。[在本说明书的其余部分，为了参考和简洁，有时将仅使用缩写。]
图2详细图示了这三个主要构建块PLS 100、LDES 300和AI-GPS 500的元素。渐进式透镜模拟器PLS 100可以包括眼动仪(ET)110，用于跟踪患者眼睛的轴或注视方向以及眼睛移动。眼动仪110可以根据两只眼睛的轴的聚散度来确定患者正在看的目标的距离。几种眼动仪设计是众所周知的，并且可以在这个PLS 100中进行调节和实现。PLS 100还可以包括离轴渐进式透镜模拟器(OPS)120，用于模拟选定渐进式透镜设计的离轴视觉体验。这种体验相当复杂，因为渐进式透镜的有效光焦度会随着相对于光轴的角度而改变。
PLS 100还可以包括轴向光焦度-距离模拟器(ADS)130，其模拟看到的图像的距离和渐进式透镜的轴向光焦度的组合。由于患者PLS 100模拟渐进式透镜，因此光焦度在透镜表面上发生很大变化。在多级实施例中，PLS 100通过模拟ADS 130的最重要的轴向光焦度和独立的OPS 120的离轴屈光力进行模拟。在集成实施例中，PLS 100使用集渐进式透镜模拟器IPLS 200模拟在空间上变化的光焦度。
PLS 100还可以包括以不同方式模拟观看距离的聚散度-距离模拟器(VDS)140。VDS 140可以为两只眼睛呈现图像，这两个图像不是死在前面而是彼此更靠近，以便在更近的观看距离处产生目标图像的视觉体验。最后，缩放-距离模拟器(ZDS)150可以通过放大或缩小图像来模拟观看距离的改变(由PLS 100从第一距离改变为第二距离)。这样做可以进一步增加由PLS 100为患者生成的视觉体验的真实感。
GPS 10可以包括用于渐进式透镜模拟器的指导透镜设计探索系统(LDES)300，以高效且明智的策略来指导患者探索大量可能的渐进式透镜设计。LDES 300可以包括反馈-控制接口(FCI)310。患者可以使用这个FCI 310输入PLS 100的反馈和控制信号，以便表达喜好并提供关于模拟的渐进式透镜设计123的反馈。在一些实施例中，LDES 300可以包括渐进式透镜设计处理器(PLD)320。PLD 320可以基于患者眼睛的测量；基于患者的输入、反馈和控制信号以及基于透镜设计算法来创建特定的渐进式透镜设计。创建的特定渐进式透镜设计可以由PLD 320传送到PLS 100，以为患者创建对应的渐进式透镜。
LDES 300还可以包括搜索指导引擎(SGE)330。患者常常或者甚至通常可能不知道如何改变渐进式透镜的设计以改进其光学性能。患者通常仅感觉到设计的最后改变使视觉体验变得更好或更差。或者，患者可以明确表示自己正在寻求什么改进。但是，由于可以多种方式修改渐进式透镜的设计以实现这种改变，因此以有见识且有战略意义的方式实现期望改变的指导系统可以有用且实际上必不可少。提供这种指导是SGE 330的功能之一。SGE330可以从患者那里接收期望的改进或偏好，然后向患者建议如何将所请求的改进转化为透镜设计的改变。
LDES 300的一些实施例还可以包括同步眼睛探索控制器(SEC)340，其同步地监视和控制两只眼睛的视觉体验，并且在将两只眼睛的期望的设计改进进行集成中起着重要的作用。最后，LDES 300还可以包括外围视力探索器(PVE)350，其评估患者在外围区中的视力，并通过PLS 100将这个信息反馈到渐进式透镜的模拟中。
最后，用于GPS的人工智能引擎(AI-GPS)500可以包括在GPS 10的一些实施例中，用于监视PLS 100和LDES 300的组件的性能，以及用于开发建议的调节以改进GPS系统10的被管理组件的性能。更详细地，GPS 10可以包括用于渐进式透镜设计处理器(Al-PLD)510的人工智能(AI)引擎，以监视和改进PLD 320的性能。其它实施例可以包括用于搜索指导引擎的AI引擎(AI-SGE)520。最后，OPS 10的一些实施例可以包括用于渐进式透镜模拟器(AI-PLS)530的AI引擎。三个AI引擎510/520/530的每一个可以被配置为监视对应系统模块PLD320、SGE 330和PLS 100的功能，然后执行基于AI的训练周期以改进这些模块的性能。在一些实施例中，这些AI引擎通过神经网络来实现。
现在，利用许多具体实施例的详细描述来扩展GPS 10的以上系统级描述。为了清楚起见，这些实施例的呈现被组织为带标题的部分。
1.具有轴向光焦度-距离模拟器的渐进式透镜模拟器
图3图示了渐进式透镜模拟器PLS 100的多级实施例，包括：眼动仪(ET)110，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；离轴渐进式透镜模拟器(OPS)120，用于根据渐进式透镜设计123生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)50；以及轴向光焦度-距离模拟器(ADS)130，用于在眼轴方向上模拟渐进式透镜光焦度，从而从离轴PLS 50创建综合渐进式透镜模拟30。眼轴方向有时被称为视轴。
在一些实施例中，离轴渐进式透镜模拟器OPS 120可以包括图像生成器121，用于生成图像21；离轴渐进式透镜模拟器处理器，或OPS处理器，122，用于根据渐进式透镜设计123将生成的图像21变换为离轴PLS信号20-1和20-2；以及离轴渐进式透镜模拟器显示器124-1/124-2，用于根据离轴PLS信号20显示离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)50。在这里和下面，许多项X成对地包括在GPS 10中，每只眼睛一个。它们通常将被标记为项X-1和X-2。有时，为简便起见，将X-1和X-2的集合简称为X。
在一些PLS 100中，离轴渐进式透镜模拟器显示器124包括一对离轴渐进式透镜模拟器屏幕124-1和124-2，每个屏幕显示离轴PLS 50-1和50-2，这两个PLS一起为第一只/左眼1和第二只/右眼2提供立体离轴PLS 50。
在一些PLS 100中，患者离轴渐进式透镜模拟器显示器124包括用于交替地为第一只眼睛1显示离轴PLS 50-1，随后为第二只眼睛2显示PLS 50-2由图像转换器控制的单个立体交替离轴渐进式透镜模拟器屏幕124，具有合适的立体镜调节。这种在左眼/右眼图像上快速交替显示并具有同步的图像交替功能(即，遮挡非目标眼睛的图像)允许使用单个屏幕来生成立体图像和观看体验。这种图像交替技术具有涉及快门或旋转轮的机械实施例、涉及快速偏振变化的光电实施例以及遮挡图像的液晶实施例。这些实施例中的任何一个都可以在立体交替离轴渐进式透镜模拟器屏幕124中使用。
图4A图示了渐进式透镜设计123包括典型的渐进式透镜的特征区域。这些特征区域包括：在渐进式透镜的上部具有远视光焦度OPd的远视区域123d，在渐进式透镜的下部中通常向左移动、具有更强的近视光焦度OPn的近视区域123n，以及有时也称为通道的渐进区域123p(其中渐进的光焦度OPp逐渐平滑地内插在OPd和OPn之间)。渐进式透镜设计123还包括过渡区域123t，通常在通道/渐进区域123p的两侧，其中透镜的前表面和后表面被成形为最小化由在通道123p中进展的光焦度引起的光学失真。
图4A图示了，在渐进式透镜模拟器PLS 100中，离轴渐进式透镜模拟器处理器122可以被配置为(1)从图像生成器121接收生成的图像21；并且(2)通过引入局部变化的模糊120(代表渐进式透镜设计123)将生成的图像21变换为离轴PLS信号20。这种模糊126是由渐进式透镜设计的光焦度在过渡区域123t和通道或渐进区域I23p中局部变化而造成的，从而使得来自物体点的光线无法聚焦成单个清晰的图像点。
类似地，在PLS 100的一些实施例中，OPS处理器122可以被配置为(1)从图像生成器121接收生成的图像21；并且(2)通过引入局部变化的曲率或游动127(代表渐进式透镜设计123)将生成的图像21变换为离轴PLS信号20。
图4B图示了具有正方形网格作为成像物体的游动127。典型的渐进式透镜设计123将正方形网格的原始直线齿弯曲并弯成弯曲的游动网格128。在图4A中演示了这两个效果：常规图像的过渡区域通过典型的渐进式透镜设计123而形成模糊126，并且直线被游动127弯曲。
OPS处理器122可以对通过渐进式透镜设计123从生成的图像21发出的光进行详细的光线追踪计算，以定量地产生这种模糊126和游动127。在替代实施例中，波前传播方法可以被OPS处理器122使用。至少由于以下原因，生成正确的模糊126和游动127是OPS处理器122生成逼真的离轴渐进式透镜模拟(PLS)50的关键功能。当患者评估特定渐进式透镜设计123的视觉体验时，主要的正面体验是从远距离区域的OPd到附近区域的OPn的光焦度的定制增加，而主要的负面体验是“正值的价格”，由屈光力渐进引起的模糊126和游动127。GPS10为患者模拟不同的渐进式透镜设计123。搜索最优渐进式透镜设计G23是通过患者评估各个模拟设计123的综合渐进式透镜模拟30的正值与负值之间的平衡来执行的，最终识别出他/她最优选的设计123。OPS处理器122通过对设计123的模糊126和游动127进行最逼真的模拟来至关重要地帮助这个搜索过程。在一些PLS 100中，图像生成器121、离轴渐进式透镜模拟器处理器122和离轴渐进式透镜模拟器显示器124中的至少两个可以被集成。
图3和图5进一步图示了PLS 100可以包括聚散度-距离模拟器DS 140，用于为注视距离处所显示的离轴PLS 50模拟聚散度，如或者由眼动仪110确定的或者由操作者预期的。前面概述了VDS 140的实用程序。可以通过当眼睛注视更近的注视距离时移动离轴渐进式透镜模拟PLS 50-1和50-2并由此移动综合PLS 30-1和30-2彼此更靠近来进一步增强综合PLS 30的逼真的视觉体验。当患者决定降低并向内旋转她/他的视轴以透视模拟渐进式透镜设计123的近视区域123n时，会发生这种情况。另一种情况是，当操作者或GPS 10的计算机控制器决定呈现与更近的注视距离对应的综合PLS 30以测试患者的近视患者时。模拟与注视距离对应的聚散度将逼真的视觉体验正确地增强到显著的程度。
聚散度-距离模拟器VDS 140可以被配置为通过(1)主要侧向移动离轴渐进式透镜模拟器显示器124的屏幕，或通过(2)主要侧向移位离轴渐进式透镜模拟器显示器124上所显示的离轴PLS 50来模拟注视距离处显示的离轴PLS 50的聚散度。在后一个实施例中，离轴PLS 50通常仅显示在OPS显示器124的一部分上，因此留出空间以电子方式侧向移动离轴PLS 50的图像。一些PLS 100包括(1)和(2)的组合。也可以使用其它解决方案，诸如离轴PLS50的光路上的旋转的反射镜。
图5图示了在PLS 100的一些实施例中，VDS 140可以包括VDS处理器142，该VDS处理器142可选地耦合到OPS处理器122以接收聚散度信号40并控制聚散度模拟。VDS处理器142可以耦合到聚散度VDS致动器144-1和144-2。在一些实施例中，这些VDS致动器144-1和144-2可以使OPS显示器124-1和124-2侧向地机械移动。
图3和图5还图示了一些PLS 100可以包括缩放-距离模拟器ZDS 150，以通过根据注视距离的改变缩放综合PLS 30来进一步增加综合PLS 30的逼真的视觉体验。当患者决定相对于渐进式透镜设计123移动他/她的注视时，可以激活这个ZDS 150。例如，患者将他/她的注视从渐进式透镜设计的远视区域123d移至近视区域123n，以便看近处物体。ZDS 150可以通过放大近处物体来增加这种移动的逼真体验。如图5中所示，PLS 100可以包括ZDS处理器152，其耦合到OPS处理器122以接收或发送缩放信号50。在一些情况下，眼动仪110可以通知ZDS处理器152患者向下和向内转动他/她的注视方式，作为切换到看整个生成的图像21的附近部分(例如，看前景物体)的过程的一部分。作为响应，ZDS处理器152可以经由缩放信号50通知OPS处理器122来放大生成图像21的附近部分，例如，在前景物体上。
利用现代光电技术，上述模拟器可以不同程度地集成。在一些PLS 100中，轴外渐进式透镜模拟器处理器122、轴外渐进式透镜模拟器显示器124和轴向光焦度-距离模拟器ADS 130中的至少一个可以包括聚散度-距离模拟器140和缩放-距离模拟器150中的至少一个。在一些情况下，仅可以包括VDS处理器142或ZDS处理器152，
接下来，描述转向轴向光焦度-距离模拟器ADS 130的各种实施例。一般而言，ADS130可以是具有可调光学折光力的可调光学系统。ADS 130的这种可调光学折光力可以是可调节的，以与由眼动仪110确定的注视距离一致。在其它实施例中，可以将ADS 130的可调光学折光力调节到预期的注视距离，诸如当患者或GPS 10的操作者决定探索和测试不同距离的视觉时。
在一些实施例中，ADS 130使用光学元件，诸如透镜和反射镜，其光焦度是可调的，但是其位置是固定的。在其它实施例中，ADS 130可以使用其位置也可调的光学元件来模拟与眼轴方向或视轴对应的聚散度。ADS的简单实施例可以包括一对可侧向平移或旋转的可调透镜或反射镜，以增加模拟聚散度的逼真度。
图6A-B图示了ADS 130的具体实施例。图6A图示了包括Alvarez透镜系统132的ADS130。Alvarez透镜系统132可以包括每只眼睛至少两个(滑动)透镜134-1和134-2，两个透镜134中的至少一个具有侧向变化的曲率；以及一个或多个致动器135，用于使至少一个透镜134相对于其它透镜侧向滑动，从而改变Alvarez透镜系统132在中心区域的光学折光力。致动器135仅被示出一次以避免杂乱。在Alvarez透镜系统132的实施例中，在不引入实质像差的情况下，中心区域中的光学(折射)光焦度可以改变2屈光度(2D)或更多。中心区域的直径可以是2、2.5、3cm或大于3cm。向ADS130添加2D光焦度将感知到的图像距离从远处改变为1/2D＝50cm。因此，通常将光焦度改变2D能力足以将轴向光焦度从远视区域123d的OPd改变为近视区域123n的OPn，从而模拟整个感兴趣的范围。如前所述，ADS 130的一个功能是模拟到物体的注视距离，另一个功能是模拟渐进式透镜设计123的轴向光焦度。不同的ADS 130可以不同地集成和实现这两个功能。
图6B图示了ADS 130的另一个实施例：可调流体透镜系统136，其包括一对可调流体透镜138-1，其光学折光力由流体透镜138-1中的流体量来控制(仅示出一个透镜)；流体管理系统138-2，用于调节流体透镜138-1中的流体的量；以及透镜调节电子器件138-3，用于控制可调流体透镜138-1和流体管理系统138-2的对，以调节ADS130的光学折光力。如图所示，可调流体透镜138-1可以包括含有液体的可变形圆形聚合物蒙皮。流体管理系统138-2可以从透镜138-1注入或排出流体，这样做将中心高度从h1改变为h2。通过透镜的基本定律，这个高度变化将透镜1384的焦距从f1改变为f2，如图所示，从而调节其光学折光力。
存在ADS 130的许多其它实施例，包括形状改变的透镜、折射率改变的透镜、可变反射镜、可变形光学器件、具有可调孔径的非球面透镜、液晶光学元件、可调反射光学元件、可调光电元件，以及其光学组件具有可调的相对位置的光学系统。
图7更详细地图示了PLS 100的实施例。图7的PLS 100的大多数元件是图3的一般PLS 100的具体实施例，在此不再重复。接下来，图7的其它功能如下所示。
在图7的PLS 100中，眼动仪110可以包括红外发光二极管或IR LED，112-1和112-2，其位于PLS 100的前部附近，以将红外眼睛跟踪光束投射到第一只眼睛1和第二只眼睛2上；以及红外光源111-1和111-2，以便用红外成像光照亮第一只眼睛1和第二只眼睛2。红外眼睛跟踪光束和红外成像光都从眼睛1和2反射，作为反射的1R光束和IR成像光11-1和11-2。
眼动仪110还可以包括红外(IR)望远镜113-1和113-2，具有红外(IR)相机114-1和114-2，以检测从眼睛1和2反射的红外眼睛跟踪光束和红外成像光11-1和11-2。然后，IR相机114-1和114-2生成眼睛跟踪图像14-1和14-2，并将它们发送到眼睛跟踪处理器115。眼睛跟踪处理器115可以处理和分析这些眼睛跟踪图像，以生成眼睛跟踪图像/数据15-1和15-2，或统称为15。稍详细地，IR LED 112的IR光束作为Purkinje反射或Purkinje光斑被反射，其从眼睛的各个表面反射，从角膜开始。跟踪这些Purkinje光斑递送精确的信息，以跟踪眼睛位置和朝向，另一方面，IR光源111生成可以用于对角膜的整个额叶区域进行成像的生成广角IR光。眼动仪110既可以使用来自反射的Purkinje光斑的定位点信息，也可以使用来自反射成像光的广角图像(统称为11)以开发综合的眼睛跟踪图像/数据15。
在图3的实施例中，眼动仪110直接将眼睛跟踪图像/数据15发送到OPS处理器122中。在图7的实施例中，存在与OPS处理器122分开的中间眼睛跟踪处理器115。已经针对PLS100的各种实施例设想了几种类似的变型。
在操作中，OPS处理器122可以从图像生成器121接收生成的图像21，对其进行调节以生成离轴渐进式透镜模拟信号20-1和20-2，并向OPS显示器124-1和124-2发送这些离轴PLS信号20，以便OPS显示器124生成离轴PLS 50-1和50-2。
如图所示，在一些实施例中，VDS处理器142和ZDS处理器152可以被集成在OPS处理器122中。在这些实施例中，离轴PLS信号20还包括聚散度分量和缩放分量。聚散度分量可以指示VDS致动器144-1和144-2侧向移动或旋转OPS显示器124-1和124-2，以便模拟所需的聚散度。在这些实施例中，离轴PLS 50包括聚散度和缩放，如所指示的。
图7图示了PLS 100还可以包括红外透射可见反射镜146-1和146-2，每只眼睛一个，以从OPS显示器124-1和124-2向眼睛1和2重定向离轴PLS 50-1和50-2。利用这种反射，将轴外PLS 50-1和50-2在眼睛1和2的方向上重定向到PLS 100的主光路中。离轴PLS 50-1和50-2最后通过轴向光焦度-距离模拟器ADS 130-t和130-2。在这个PLS中，ADS 130-1和130-2包括可调光焦度系统131-1和131-2，该系统可以是Alvarez透镜系统132、可调流体透镜系统136或任何其它可调光学元件，如前所述。ADS 130将离轴PLS 50变换为针对患者眼睛的综合渐进式透镜模拟PLS 30。
注意的是，红外透射可见反射镜146-1和146-2反射可见光，同时透射红外光。因此，反射镜146被配置为在从眼睛透射反射的红外眼睛跟踪光束和红外成像光11-1和11-2的同时朝着眼睛反射离轴PLS 50。
在所描述的PLS 100的实施例中，OPS显示器屏幕124-1和124-2可以定位在PLS100的主光路的外围，而眼动仪110的红外望远镜113-1和113-2可以定位在主光路中。在其它实施例中，定位可以颠倒。反射镜146可以是1R反射和可见光透射，在这种情况下，可以将IR望远镜113定位在外围，而将OPS显示器124定位在主光路中，效果交换。
2.操作具有轴向光焦度-距离模拟器的渐进式透镜模拟器的方法
图8图示了操作渐进式透镜模拟器PLS 100的多级实施例的方法101m。在此标签“m”是指PLS 100的多级实施例。方法101m可以包括以下步骤。
(a)由眼动仪110跟踪102m眼轴方向以确定眼睛的注视距离；
(b)由离轴渐进式透镜模拟器OPS 120生成103m离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)50，包括根据渐进式透镜设计123的模糊和游动；
(c)通过由轴向光焦度-距离模拟器ADS 130在眼轴方向上模拟渐进式透镜光焦度，从离轴PLS 50创建104m综合渐进式透镜模拟(综合PLS)30；
(d)通过聚散度-距离模拟器VDS 140将离轴PLS 50移位105m到适于注视距离的聚散度；以及
(e)通过缩放-距离模拟器ZDS 150来缩放离轴PLS 50，以模拟注视距离的过渡。
之前已经相对于图1-7的PLS 100实施例描述了这些步骤的各个方面。
离轴PLS 50的生成103m可以包括以下内容。
(a)由图像生成器121生成图像21；
(b)由根据渐进式透镜设计123的离轴渐进式透镜模拟器处理器122将生成的图像21变换为离轴PLS信号20；以及
(c)由离轴渐进式透镜模拟器显示器124根据离轴PLS信号20显示离轴PLS 50。
之前已经相对于图1-7的PLS 100实施例描述了这些步骤的各个方面。
如前所述，显示可以包括由一对离轴渐进式透镜模拟器显示器或屏幕124-1和124-2为第一只眼睛1和第二只眼睛2提供立体离轴PLS 50-1和50-2。
在其它实施例中，显示可以包括由立体交替离轴渐进式透镜模拟器屏幕124利用合适的立体调节交替显示用于第一只眼睛1的离轴PLS 50-1和50-2，随后是第二只眼睛2，这由图像交替器控制。
在一些实施例中，如图4A-B中所示，变换可以包括由离轴渐进式透镜模拟器处理器122从图像生成器121接收生成的图像21；并且通过引入局部变化的模糊126来将生成的图像21变换为离轴PLS信号20，该模糊126代表渐进式透镜设计123。
在一些实施例中，如图4A-B中所示，变换可以包括由离轴渐进式透镜模拟器处理器122从图像生成器121接收生成的图像21；并且通过引入代表渐进式透镜设计123的局部变化的曲率或游动127将生成的图像21变换为离轴PLS信号20。
在一些实施例中，可以集成图像生成器121、离轴渐进式透镜模拟器处理器122和离轴渐进式透镜模拟器显示器124中的至少两个。
在一些实施例中，如图5中所示，方法101m还可以包括由聚散度-距离模拟器VDS140将离轴PLS 50移位105m到适合注视距离的聚散度。
在一些实施例中，模拟聚散度可以包括主要侧向移动离轴渐进式透镜模拟器显示器124的屏幕；然后主要侧向移位离轴渐进式透镜模拟器显示器124上所显示的离轴PLS50。
在一些实施例中，如图5中所示，方法101m还可以包括由缩放-距离模拟器150将离轴PLS 50缩放106m以模拟注视距离的过渡。
在一些实施例中，离轴渐进式透镜模拟器处理器122、离轴渐进式透镜模拟器显示器124和轴向光焦度-距离模拟器ADS 130中的至少一个可以包括聚散度-距离模拟器140和缩放-距离模拟器150中的至少一个。
在一些实施例中，模拟渐进式透镜光焦度(在创建104m内)可以包括调节轴向光焦度-距离模拟器ADS 130的可调光焦度系统131的光学折光力。
在一些实施例中，调节可以包括将轴向光焦度-距离模拟器ADS130的光学折光力调节为与确定的注视距离一致。在一些实施例中，调节可以包括调节轴向光焦度-距离模拟器130以模拟与眼轴方向对应的聚散度。
在一些实施例中，如图6A中所示，轴向光焦度-距离模拟器ADS 130的可调光焦度系统131可以包括Alvarez透镜系统132，该系统包括用于眼睛的至少两个透镜134-1和134-2，两个透镜中的至少一个具有横向变化的曲率，以及一个或多个致动器135。在这些实施例中，调节可以包括由一个或多个致动器135使透镜中的至少一个134-1侧向相对于另一个透镜134-2滑动，从而改变中心区域中的Alvarez透镜系统132的光焦度。
在一些实施例中，如图6B中所示，轴向光焦度-距离模拟器ADS 130的可调光焦度系统131可以包括可调流体透镜系统136，该系统包括一对可调流体透镜138-1，其折光力由流体透镜中的流体量来控制；流体管理系统138-2，用于调节流体透镜中的流体量；以及透镜调节电子器件138-3，用于控制可调流体透镜138-1和流体管理系统138-2的对。在这些实施例中，调节可以包括由流体管理系统138-2在透镜调节电子器件138-3的控制下调节流体透镜138-1中的流体量，从而改变可调光焦度系统131的光学折光力。在一些实施例中，可调光焦度系统131可以包括形状改变的透镜、折射率改变的透镜、可变反射镜、可变形光学器件、具有可调孔径的非球面透镜、液晶光学元件、可调反射光学元件、可调光电元件，以及其光学组件具有可调的相对位置的光学系统。如前所述，这个方法101m的各方面和元素已在前面结合图1-7进行了描述，
3.集成的渐进式透镜模拟器
在这部分中，将描述渐进式透镜模拟器100的另一个实施例。已经相对于图1-8描述了这个实施例的许多元件，并且将不再重复，仅在需要时提及。
图9图示了渐进式透镜模拟器100，其包括眼动仪110，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；集成的渐进式透镜模拟器(IPLS)200，用于通过模拟在眼轴方向上的渐进式透镜光焦度并结合生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)50来创建根据渐进式设计123的综合渐进式透镜模拟(综合PLS)30。总体上，IPLS 200的实施例可以执行先前描述的多级PLS 100的OPS 120、ADS 130、VDS 140和ZDS 150中的一些或全部的一些或全部功能，各自用代表性符号引用。
在一些实施例中，PLS 100可以包括图像生成器121，用于生成图像21；以及渐进式透镜模拟器处理器122，用于根据渐进式透镜设计123将生成的图像21变换为综合PLS信号20-1和20-2，并用于将生成的PLS信号20-1和20-2耦合到集成的渐进式透镜模拟器200中，用于创建综合PLS 30-1和30-2。在一些实施例中，可以将图像生成器121和渐进式透镜模拟器处理器122集成到IPLS 200中。
就像多级PLS 100可以包括单个OPS显示器124或一对OPS显示器124-1和124-2一样，图9的PLS 100也可以包括单个IPLS 200或一对IPLS 200-1和200-2，如图所示，用于为第一只眼睛1和第二只眼睛2提供立体综合PLS 30-1和30-2。
在单IPLS 200的实施例中，IPLS 200可以是由图像交替器控制的立体交替集成渐进式透镜模拟器200，用于交替生成用于第一只眼睛1的综合PLS 30-1，随后是用于第二只眼睛2的30-2，具有核实的立体调节。
在一些实施例中，类似于图4A-B，可以将渐进式透镜模拟器处理器122配置为从图像生成器121接收生成的图像21；并通过将代表渐进式透镜设计123的局部变化的模糊126引入到生成的图像21来创建综合PLS信号20的离轴PLS信号分量。
在一些实施例中，类似于图4A-B，可以将渐进式透镜模拟器处理器122配置为从图像生成器121接收生成的图像21；并通过将代表渐进式透镜设计123的局部变化的曲率或游动127引入到生成的图像21来创建综合PLS信号20的离轴PLS信号分量。
在一些实施例中，类似于图5，渐进式透镜模拟器PLS 100可以包括聚散度-距离模拟器VDS 140，用于模拟注视距离处所显示的综合PLS 30的聚散度。在一些实施例中，VDS140被集成到IPLS 200中。在一些情况下，可以将聚散度-距离模拟器VDS 140配置为通过以下方式中的至少一个在注视距离处模拟用于综合PLS 30的聚散度：主要侧向移动集成的渐进式透镜模拟器200-1和200-2，以及主要侧向移位在集成渐进式透镜模拟器200-1和200-2上所创建的综合PLS30。
在一些实施例中，类似于图5，渐进式透镜模拟器PLS 100可以包括缩放-距离模拟器150，用于缩放综合PLS 30以表示注视距离的变化。在一些实施例中，集成的渐进式透镜模拟器PLS 200可以包括聚散度-距离模拟器140和缩放-距离模拟器150中的至少一个。
集成的渐进式透镜模拟器200可以被配置为通过创建具有与注视距离相关的聚散度的光线的综合PLS 30来模拟ADS 130的主要功能：在眼轴方向上渐进式透镜设计123的光焦度。如前所述，可以通过将被查看物体的距离的模拟与渐进透镜设计123的轴向光焦度的模拟相结合来选择模拟的光焦度。
接下来将参考图10-13描述IPLS 200的各种实施例。这些实施例的共享方面是，它们模拟了综合PLS 30的另一方面：根据注视距离从被查看物体发出的光线的聚散度(发散度)。聚散度(发散度)常常被视为整体视觉体验的重要组成部分，被我们的大脑用来分析和感知被查看的图像。图1-8中的实施例的一方面是，通过OPS显示器124生成PLS 100的综合PLS 30，从而生成平坦的波前。这些波前没有完全表示真实的查看或注视距离。相比之下，图10-13图示了IPLS 200的实施例，它们至少具有生成具有非平坦波前的综合PLS30的能力，光线从每个图像点发散，从而更真实、更逼真地表示查看或注视距离。
图10图示了IPLS 200可以包括微电子机械系统(MEMS)激光扫描仪201，其包括用于生成和投射光的光源或激光源208；以及XY-扫描反射镜206，用于将投射的光反射并扫描为XY-扫描的光209。在这个IPLS 200中，光源208可以是LED、不同颜色的LED的集合、激光器、不同颜色的激光的集合，以及数字光投影仪。MEMS激光扫描仪201可以包括诸如框架之类的基座202，以及第一/Y-扫描仪铰链系统203h，以旋转Y-旋转框架203。Y-旋转框架203可以支撑通过控制线207被通电的驱动线圈204。当电流从控制线207流到Y-旋转框架203时，它在驱动线圈204中感应出磁场。定位在Y-旋转框架203下方的磁体205在通电的驱动线圈204上施加扭矩，从而旋转Y-旋转框架203。
IPLS 200还可以包括第二/X-扫描仪铰链系统206h，其可选地嵌入在第一/Y-扫描仪铰链系统203中，用于通过XY-扫描反射镜206在两个空间维度上反射和扫描投影的光，作为XY-扫描的光209。这个X-扫描仪铰链系统206h可以由机电致动器的各种实施例来驱动。MEMS激光扫描仪201的扫描速度可以足够高，使得其以患者认为逼真的足够高的刷新率投影综合PLS 30。有帮助的是，用于评估视觉的图像通常是静态的，或者只是缓慢移动，因此对患者的刷新率要求不高，因此扫描速率例如低于在快速动作视频游戏或直播电视中。
图11A图示了IPLS 200的另一个实施例。这个IPLS 200包括微电子机械系统(MEMS)可变形反射镜210，其包括光源/激光源215，用于生成和投影光；以及可变形反射镜214，用于将投影的光反射并扫描到XY-扫描的光216中。光/激光源215可以是LED、不同颜色的LED的集合、激光器、不同颜色的激光器的集合，或数字光投影仪。可变形反射镜214可以包括基座211、致动器电极212和致动器的阵列213，用于使可变形反射镜214以分段的方式变形。在所示的IPLS 200中，致动器213也可变形。当跨变形镜214扫描光时，可变形镜214的每一个片段可以重定向XY-扫描的光/激光216。
图11B图示了IPLS 200的另一个实施例，其包括微机电系统(MEMS)致动镜阵列220，其具有光/激光/数字光源225，用于生成和投影光。光源225可以包括LED、LED组、激光器、激光器组、扫描光源和数字光投影仪中的至少一个。MBMS致动的反射镜阵列220可以包括基座221，其支撑致动器阵列222；致动器电极223，以携带用于致动器222的控制信号；以及可致动反射镜224的阵列，用于可致动地将来自激光器/光源225的光反射到XY-扫描的光/激光226。
在图11A和11B的实施例中，可以以被扫描的方式或以同时方式提供光，基本上同时照亮图11A中的所有反射镜片段或图HB中的所有可致动反射镜。后面的实施例可以例如使用数字光投影仪225。
图12A示出了包括微透镜阵列光场系统230的IPLS 200，该微透镜阵列光场系统230包括离轴渐进透镜模拟器231，用于生成离轴PLS 50。这个离轴渐进式透镜模拟器231可以是图1-7的离轴PLS120。微透镜阵列光场系统230还可以包括微透镜阵列232，用于接收生成的离轴PLS 50，并且用于将其作为发散传播的光场233传输，以模拟在眼轴方向上的渐进式透镜光焦度、与注视距离相关的聚散度，或这两者的组合，如前所述。微透镜阵列在相关的光电系统(诸如虚拟现实护目镜)中受到青睐，以通过生成具有非平坦波前的光场来创建非常逼真的视觉体验。
图12B图示了IPLS 200的另一个实施例。这个IPLS 200类似于图11B中的IPLS200，但有一个区别：它使用弯曲反射镜代替图HB的IPLS 200的平面反射镜。照此，这个IPLS200包括微机电系统(MEMS)弯曲反射镜阵列240，包括用于生成和投影光的数字光投影仪或光源245，光源245包括LED、LED组、激光器、激光器组、扫描光源和数字光投影仪中的至少一个。IPLS 200还包括基座241、由致动器电极控制的致动器阵列242，以及可致动弯曲反射镜244的阵列，用于反射光以生成与注视距离相关的聚散度；其中弯曲反射镜244包括固定反射镜和可致动反射镜中的至少一个。从弯曲反射镜反射的光形成发散传播的光场246。在一些实施例中，可以根据注视距离来修改可致动弯曲反射镜244的曲率，以进一步增加波前的发散度。
图12C图示了LED投影仪阵列250的IPLS 200的又一个实施例，其包括基座251、由控制电极253控制的LED阵列252、用于创建具有发散传播的弯曲波前254的综合PLS 30，用于在眼轴方向上模拟渐进式透镜光焦度，并结合生成离轴渐进式透镜模拟。
图12D图示了IPLS 200的又一个实施例，其包括被致动的可变形显示器259。与其它实施例一样，这个实施例也可以在基座或基板256上形成。控制电极257的集合可以携带控制信号以控制致动器阵列258的致动器。可变形显示器259可以可变形地部署在致动器阵列258之上。可变形显示器259可以是OLED显示器，以及任何柔软、柔性或可变形的等同物。致动器258可以通过在垂直法线方向上伸缩来使显示器259变形。这个可变形显示器255的实施例的一方面在于它能够发射非平坦的波前，因此改进所发射的波前的逼真发散度。
图13图示了操作渐进式透镜模拟器100的方法101。在此标签“i”是指被集成的PLS100，诸如IPLS 200。方法101i可以包括以下步骤。
(a)由眼动仪ET 110跟踪102i眼轴方向以确定注视距离；
(b)通过模拟离轴渐进式透镜模拟器OPS 120的效果和轴向光焦度-距离模拟器ADS 130的效果，由集成的渐进式透镜模拟器IPLS200创建103i综合渐进式透镜模拟(PLS)；
(c)由聚散度-远距离模拟器VDS 140将综合PLS移位104i到适于注视距离的聚散度；以及
(d)由缩放-距离模拟器ZDS 150缩放105i综合PLS，以模拟注视距离的过渡。
4.头戴式渐进式透镜模拟器
图14-15图示了通过头部安装座262固定到患者头部的头戴式PLS 260。头戴式PLS260可以包括集成的渐进式透镜模拟器(IPLS)200和XYZ位置或运动传感器263。IPLS 200可以是关于图9-13描述的任何IPLS 200实施例。头戴式PLS 260的一些实施例可以包括PLS100的任何实施例。
稍详细地，PLS 100的实施例可以包括眼动仪110，用于跟踪眼睛轴方向以确定注视距离；以及集成的渐进式透镜模拟器200，用于通过在眼轴方向上模拟渐进式透镜光焦度并结合生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)50来创建综合渐进式透镜模拟(PLS)30。在这些实施例中，可以在头戴式显示器、虚拟现实观察器或护目镜中实现眼动仪110和集成的渐进式透镜模拟器200。接下来，更详细地描述头戴式PLS 260的两个具体实施例。
图15A图示了双LCD头戴式PLS 270，作为头戴式PLS 260的实施例。双LCD头戴式PLS 270可以包括背光271；第一液晶体显示器272，定位在背光271前面；第二液晶显示器273，通过间隔物274与第一液晶显示器271间隔开，用于通过创建光场效果来一起模拟渐进式透镜设计123，从而模拟综合PLS 30。双LCD头戴式PLS270还可以包括双目查看透镜275和可以是眼动仪110的实施例的眼动仪277。由于极端的空间约束，眼动仪277可以被配置为从高角度跟踪眼睛移动。在其它实施例中，类似于图7的实施例中的类似反射镜146，IR反射可见透射反射镜可以用作眼动仪277的一部分。最后，上述元件可以由驱动程序电子器件276供电和控制。元件271-276可以一起被认为形成了IPLS 200。
虚拟现实护目镜的应用领域正在迅速扩展。这些护目镜越来越能够生成逼真的视觉体验，因此，它们的技术可以有前途地实现并适用于头戴式PLS 260的实施例，以创建综合PLS 30。
特别地，由头戴式PLS 260生成的光场效果可以是三维的，或者是四维的。后者(4D)技术还表示焦点感知的深度，使得位于物体平面前后的物体变得模糊。这样做进一步增强了视觉感知的逼真度。
PLS 100的一些实施例不仅可以使用XYZ位置传感器，而且可以使用XYZ运动传感器263。不仅拾取头戴式PLS 260/270的位置和方向而且还感测头戴式PLS 260/270cad的穿戴者的运动可以被集成到在驱动程序电子器件276上运行的控制软件中，或者单独的计算机中。XYZ运动传感器263或运动传感器可以包括加速度计、陀螺仪和磁力计中的至少一个。这些都有助于感测用户注视的运动、位置和方向。
图15B图示了头戴式PLS 260的另一个相关实施例：微透镜阵列头戴式PLS 280。微透镜阵列头戴式PLS 280可以包括背光281；液晶显示器282，定位在背光281的前面；以及微透镜阵列283，通过间隔物284与液晶显示器282间隔开，用于通过创建光场效果来一起模拟渐进式透镜设计123，从而创建综合PLS 30。如先前在图12A的上下文中所讨论的，微透镜阵列可以特别有效地创建光场效果和非平坦的波前，从而增加了综合PLS 30的视觉体验的逼真性。光场效果可以是三维或四维的。
微透镜阵列头戴式PLS 280还可以包括双目查看透镜285；以及眼动仪287。如前所述，眼动仪287可以是眼动仪110的实施例。在一些情况下，眼动仪287必须能够以大角度工作，或者借助于IR反射、可见透射反射镜，类似于图7的反射镜146。最后，上述元件可以由驱动程序电子器件286通电和控制。可以将元件281-286一起视为形成IPLS 200。
这个实施例还可以包括至少一个XYZ位置、方向或运动传感器263，用于感测头戴式PLS 280的穿戴者的位置、方向或运动。这个传感器可以感测头戴式PLS 280的位置、方向或运动，从而有助于综合PLS 30的生成。
图14和15A-B的所有实施例还可以包括用于容纳眼动仪277/287的壳体278/288和集成的渐进式透镜模拟器200。而且，PLS100和IPLS 200中使用的一些计算机，诸如渐进式透镜模拟器处理器122，可以在与头部安装座分开的独立式计算机中实现。独立式计算机可以经由有线连接或经由蓝牙连接与头戴式PLS 260/270/280进行通信。
最后，在一些实施例中，头戴式FLS 260/270/280可以涉及增强现实眼镜，其中从经由增强现实眼镜观看的图像生成综合渐进式透镜模拟30。
5-6.用于渐进式透镜模拟器的指导的透镜设计探索系统和方法
如在引言部分中提到的，图3-15描述了渐进式透镜模拟器100，其生成综合渐进式透镜模拟30，以使患者能够经由高质量、逼真的视觉体验探索许多渐进式透镜设计123。这些PLS 100系统中的一类可以由验光师以传统方式操作，仅使用患者的口头反馈即可。在本节中，将描述附加的系统类，这些系统使患者能够在自己的控制下根据需要控制和管理尽可能多的渐进式透镜设计。
图16-29图示了在GPS 10的一些实施例中可以采用重要的附加系统来控制、管理和加速探索大量渐进式透镜设计。这些GPS 10系统可以由患者、由验光师或视觉技术人员管理和控制。在这些实施例中，患者可以响应于渐进式透镜设计123的综合渐进式透镜模拟30而提供反馈以及可选地控制信号。如前面部分中所述，至少出于列举的十几个原因，这个特征与现有的验光系统有很大的不同。
图16图示了在实施例中，PLS 100可以与用于渐进式透镜模拟器(LDES)300的透镜设计探索系统组合。这个组合的系统包括渐进式透镜模拟器100，用于为患者利用设计因子420使用渐进式透镜设计123生成综合渐进式透镜模拟30，并用于响应于综合渐进式透镜模拟(PLS)30而接收视觉反馈430。已经关于图3-15描述了PLS 100的几个实施例。那些实施例中的任何一个及其任何组合都可以在下面的描述中使用。
LDES 300还可以包括渐进式透镜设计处理器320，其耦合到渐进式透镜模拟器100，用于响应于视觉反馈430而修改渐进式透镜设计123，并且将经修改的渐进式透镜设计123传输到渐进式透镜模拟器100以便用经修改的渐进式透镜设计123为患者生成经修改的综合渐进式透镜模拟30。渐进式透镜设计处理器320可以是OPS 120的一部分，甚至可以集成到其中。
LDES 300还可以包括反馈-控制接口10，其耦合到渐进式透镜设计处理器320，用于从操作者接收视觉反馈430，该接口选自操纵杆、触摸板、鼠标、音频接口、外部平板GUI和内部视觉界面GUI，并且将接收到的反馈-控制信号311形式的视觉反馈转发给渐进式透镜设计处理器320。其它实施例可以包括眼动仪110，其耦合到渐进式透镜设计处理器320，用于接收客观患者视觉测量形式的视觉反馈430。在其它实施例中，其它系统可以提供客观反馈，包括基于Purkinje光斑的成像器、Scheimpflug系统和OCT系统。
而且，渐进式透镜设计处理器320可以将其眼睛建模的一些计算作为基础。这可以涉及对眼睛中的一些眼科层进行成像，然后像广泛使用的Holladay模型一样构建眼睛模型。
关于反馈，已经设想了LDES 300的实施例的几种操作模式。(1)一些LDES 300由患者自己操作。PLS 100为患者生成综合PLS 30，患者评估其视觉体验并将主观反馈直接输入到FCI 310中。
(2)在LDES 300的其它实施例中，视觉反馈可以仅仅是间接的。患者可以仅表达语言反馈，诸如最后一次修改使综合PLS 30的视觉体验更好或更差，并且经训练的操作者、技术人员或验光师本人可以经由FCI 310输入控制信号311。
(3)其它LDES 300可以基于客观的患者反馈，并且不要求积极的或主观的患者反馈。例如，眼动仪110可以监视患者的眼睛移动并从监视中得出结论。例如，如果患者眼球的抖动增加，或者患者响应于综合PLS 30的修改而难以聚焦，那么眼动仪110可以将此情况报告给LDES 300的渐进式透镜设计处理器320。作为响应，渐进式透镜设计处理器320的软件可以得出结论：修改是不期望的，并且撤消该修改，或者尝试不同的修改。
(4)最后，在LDES 300的一些实施例中，客观的患者反馈或客观的患者视觉测量(诸如患者的眼睛移动的速度快或无法聚焦)可以不是由计算机软件而是由LDES 300的操作者(诸如验光师本人)监视，而没有患者的表达或主观合作。在此类实施例中，监视操作者可以将其反馈或控制输入到FCI 310中，将其变换为反馈-控制信号311。
接下来描述的PLS 100和LDES 300的组合可以以上述四种模式中的任何一种或以这些模式的某种组合来操作。有时将提供反馈或控制输入的患者、技术人员、验光师或这些可能源中的多于一个的某种组合称为“操作者”。同样由于这个原因，进入FCI 310的输入以及由FC1 310输出的信号311可以是反馈、控制以及反馈和控制输入以及反馈和控制信号的任何组合。这些可能性和组合将被统称为反馈-控制输入和反馈-控制信号311。
图17A-F图示了反馈-控制接口FCI 310可以具有许多实施例，其中操作者可以输入反馈或控制输入。这些包括图17A中的(双)操纵杆FCI 310-1、图17B中的触摸板鼠标FCI310-2、图17C中的音频接口FCI 310-3、图17D中的外部平板GUI(图形用户界面)FCI 310-4，以及图17E中的可能覆盖有综合PLS 30的视觉体验的内部视觉接口GUI FCI 310-5。如在LDES 300的第二实施例中所提到的，在一些情况下，患者只能提供主观反馈，然后操作者或技术人员可以使用该主观反馈来将输入实际输入到间接FCI 310-6中。图17F象征性地图示了此类组合的操作者模式。在类似的实施例中，验光师可以将输入输入到LDES 300的平板电脑、iPad、固定终端或GUI中。
将反馈“翻译”成关于如何响应于反馈而修改渐进式透镜设计123的可动作的命令是一项非显而易见的挑战性工作。接下来将描述几个实施例来执行响应于反馈或“视觉反馈”的这种翻译。一般而言，响应于视觉反馈而探索和改变渐进式透镜设计的方法将被称为渐进式透镜模拟的方法400。接下来将描述这种方法的几个实施例。
图18A图示了渐进式透镜模拟的方法400，包括：
(a)由渐进式透镜设计处理器320激活401具有设计因子420的渐进式透镜设计123；
(b)由渐进式透镜模拟器100的图像生成器121生成402图像21；
(c)利用渐进式透镜设计123，生成403综合渐进式透镜模拟(PLS)30，这是由渐进式透镜模拟器100从生成的图像21模拟的；
(d)响应于具有渐进式透镜设计123的综合PLS 30的生成，获取404视觉反馈430；
(e)由渐进式透镜设计处理器320与视觉反馈430相关地修改405渐进式透镜设计123；以及
(f)由渐进式透镜模拟器100重新生成406具有经修改的渐进式透镜设计123的综合PLS 30。
方法400通常可以涉及重复步骤(d)-(e)-(f)，直到视觉反馈430指示该方法的令人满意的结果为止。
利用渐进式透镜设计处理器320来激活401渐进式透镜设计123可以响应于基于预备测量的渐进式透镜设计选择。由图像生成器121生成图像21可以响应于图像选择。激活401的实施例被广泛地理解。渐进式透镜设计123的激活401可以包括从存储器或从存储介质中调用渐进式透镜设计123。激活401还可以包括渐进式透镜设计处理器320从一些模型参数计算或建模渐进式透镜设计123。无论采用哪种方式激活渐进式透镜设计123，渐进式透镜模拟器100都可以通过利用激活的渐进式透镜设计123从生成的图像21生成403综合渐进式透镜模拟PLS 30。
方法400的上述步骤通常由PLS 100和LDES 300执行。图18B图示了操作者与LDES300交互以执行方法400的方法410的步骤。方法410可以包括以下步骤。
(a)基于预备测量，可选地用渐进式透镜设计处理器320选择411渐进式透镜设计123；
(b)用图像生成器121可选地选择412图像21；
(c)评估413生成的综合PLS 30的视觉体验，该综合PLS 30由渐进式透镜模拟器PLS 100从具有渐进式透镜设计的所选择的图像21模拟；
(d)评估可选地包括在检查方向上检查414生成综合PLS 30的图像区域；以及
(e)经由反馈-控制接口310，基于评估向渐进式透镜设计处理器320提供415视觉反馈430。
图19A-B图示了图18A-B中描述的方法步骤。图19A更详细地图示了关于图18A描述的方法400的步骤。对于激活步骤401，图示了渐进式透镜设计123，其具有由轮廓线定义的渐进式透镜设计123。为了生成图像步骤402，示出了生成的图像21。为了生成综合PLS步骤403，示出了从生成的图像21生成综合PLS 30可以涉及将模糊126引入图像21的外围区域中，并且通过弯曲图像21127的直线来引入游动127，都基于详细的光学计算。如图所示，获取步骤404可以涉及对眼睛的视轴的角度α的抖动的测量：过度抖动可以指示渐进式透镜设计123的综合PLS 30的过度不适。
图19B图示了方法410的步骤，该方法410由PLS 100-LDES300系统的操作者执行。方法410的步骤关于方法400的步骤示出，方法400的步骤由组合的PLS 100-LDES 300系统本身执行。这些步骤再次紧密地与图18B中描述的步骤对应。
图20A-B图示了设计因子420。可以使用大量的设计因子，并且不同的透镜制造商常常有自己专门的设计因子集。举例来说，设计因子420可以包括轮廓线421、瞳孔高度或光学中心422、廊道(corridor)或通道宽度423、廊道长度424、近视鼻偏移量425、渐进节距426、棱镜或棱镜角427、圆柱朝向428、渐进棱镜、Zernike系数，以及许多其它因子。借助施Schneider自由形式透镜制造技术的不断增强的影响，可以将透镜形貌、轮廓或高度图的任何编码用作设计因子。
验光师的预备测量可以补充一些设计因子。一个示例是验光师可以观察患者将眼镜戴在鼻子上时的眼镜定位高度。验光师可以移位光学中心422的高度。设计因子考虑了患者各自的眼镜定位高度。
图20B图示了可以将这些单独的设计因子DF1，DF2，...，DFk的集合一起定义为设计因子空间。在这个设计因子空间中，特定的渐进式透镜设计可以用设计因子向量DF表示。然后，可以将对渐进式透镜设计123的探索视为通过一系列迭代DF(1)，DF(2)，...直到到达最佳设计因子DF(final)对设计因子向量DF的指导漫游(wandering)。(为清楚起见，下标1，2，...，k是指作为DF向量的组成部分的各个设计因子，而括号中的索引1，2，...n是指渐进式透镜设计123的迭代探索过程中的迭代步骤的数量。)
图20C-D图示了视觉反馈430的类似组织。这些视觉反馈430可以具有不同的类型或类别，包括以下。
(a)经由反馈-控制接口的主观患者反馈；
(b)客观的患者视力测量；
(c)来自眼动仪的眼动仪图像/数据；
(d)直接患者反馈；
(e)间接患者反馈；
(f)操作者控制输入；
(g)操作者命令；
(h)操作者对提议的响应；以及
(i)操作者选择。
本文档中广泛使用了“视觉反馈”一词。它可以包括主观反馈，如患者表达视觉体验的主观评估。它可以是客观反馈，如对患者视轴抖动的测量。它可以是患者直接输入FCI310的直接反馈。它可以是间接反馈，患者可以口头陈述体验或偏好并且操作者可以将对应的反馈输入FCI 310。反馈可以来自单个操作者(诸如患者)，或者来自多于一个操作者(诸如输入部分视觉反馈的患者和输入另一个补充反馈的操作者)。而且，视觉反馈430可以仅仅是反馈、或控制或命令输入，其中操作者可以将视觉体验翻译成控制、命令、选择或响应。
在以上每个类中，可以存在大量具体的视觉反馈430。通过示例进行扩展，主观视觉反馈可以包括患者主观感知下鼻象限模糊，下颞象限的模糊、鼻部进展区域游动过多、进展廊道过长、进展廊道过宽。主观视觉反馈430可以包括请求、命令或其它控制输入，诸如患者请求旋转圆柱体朝向角、增加棱镜和减小棱镜进程。客观视觉反馈430可以包括验光师观察到患者的视觉检查方向或视轴太抖动，或者患者难以聚焦对所呈现的物体，并将对应的反馈-控制输入输入到FCI 310。这些可能性全都包括在“视觉反馈430”的范围内。
图20D图示了，类似于设计因子向量DF，可以将各个视觉反馈VF1，VF2，…，VFl视为形成视觉反馈向量VF 430。在各个实施例中，DF向量的长度可以不等于VF向量的长度。在这种方法中，在通过方法400进行的渐进式透镜探索的每次迭代中，从操作者、患者或测量系统(诸如眼动仪110)接收新的视觉反馈向量VF(n)，并且作为响应，组合的PLS 100-IDES300系统修改设计因子向量DF。
图16图示了在用于渐进式透镜模拟器100的透镜设计探索系统300的几个实施例中，渐进式透镜设计处理器320包括视觉反馈到透镜设计传递引擎FLE 325，其在响应于视觉反馈430而修改渐进式透镜设计123中起重要作用。
这种视觉反馈到透镜设计传递引擎FLE 325的重要作用是将接收到的视觉反馈430“翻译”成设计因子420的修改。在示例中，如果患者向反馈-控制接口310输入“下鼻梁区域太模糊”的视觉反馈430，那么将这个特定的视觉反馈430翻译成将哪些设计因子改变到什么程度以减少下鼻梁区域的模糊性是一项非显而易见的任务。需要进行大量的光学建模、光线跟踪、患者测试和优化，以确定需要将设计因子420的哪个集合修改到什么程度才能响应各种视觉反馈430。在视觉反馈到透镜设计传递引擎FLE 325中实施、管理和执行这种复杂的知识。
图21图示了以上介绍的向量概念的实用性，以可视化对渐进式透镜设计的探索。设计系数DF1，DF2，...，DFn定义了多维设计因子空间。在这个空间中，特定的渐进式透镜设计30由特定的设计因子向量DF＝(DF1，DF2，...，DFk)表示。PLS 100使用现在由设计因子向量DF(1)表示的特定渐进式透镜设计123为患者生成初始的综合PLS 30。然后，PLS 100响应于渐进式透镜DF(1)的综合模拟而获取视觉反馈向量VF(1)＝(VF1，VF2，...，VFl)。LDES 300系统响应于视觉反馈向量VF(1)而将设计因子向量DF(1)修改为DF(2)。图21经由第n次迭代图示了这个过程。LDES 300通过以下相加响应于视觉反馈向量VF(n)而将设计因子向量DF(n)修改为DF(n+1)：
ΔDF(n)＝DF(n+1)-DF(n). (1)
可见，ΔDF(n)增量向量在设计因子空间中形成搜索路径。当组合的PLS 100和LDES 300系统执行方法400时，与操作者、患者或验光师根据方法410进行交互，这条搜索路径收敛到最适合患者需求的定制的最优设计因子向量DF 420。
图22A-B图示了当视觉反馈向量VF 430与设计因子向量DF 420之间的关系近似局部线性时的情况。在此类情况下，视觉反馈到透镜设计转移引擎325可以利用视觉反馈到设计因子矩阵VFDF 326，以通过矩阵方法修改渐进式透镜设计(矩阵和向量以黑体字表示。)
图22A图示了VFDF矩阵326的4x4表示：以下等式是以上等式(1)的扩展形式。如前面所讨论的，一般而言DF向量420的长度“k”不等于VF向量430的长度“l”，因此VFDF矩阵326常常是非正方形的矩形矩阵。
VFDF矩阵326的元素表示如何将视觉反馈向量430的元素翻译成设计因子向量420的改变。通常，DF向量420的多于一个元素需要以相关的方式改变。将输入的视觉反馈向量VF 430翻译成设计因子向量DF 420的这些相关性构成了患者VFDF矩阵326的元素。
图22B通过示例图示了这种翻译。在这个实施例中，VFDF矩阵326是7x9矩阵。可见，视觉反馈向量VF 430包括主观患者反馈(如患者指示光学中心太高)以及客观反馈(如眼动仪110测量该患者的视觉检查方向或视轴太抖动)。作为示例，如果患者的视觉反馈是“下颞象限模糊”，那么可以将其表示为VF＝(0，1，0，0，0，0，0)的二进制视觉反馈向量430，或者具有表示图像如何模糊的定量表达式x，VF＝(0，x，0，0，0，0，0)，例如由观察的验光师确定的。如果VFDF矩阵326的第二列中的非零元素是VFDF32和VFDF72，那么这意味着对以上视觉反馈的最佳响应是用ΔDF＝VFDF*VF＝(0，0，VFDF32，0,0,0,VFDF72，0，0)修改设计因子向量DF420，即，取决于VFDF32的符号，将渐进式廊道宽度增加或减小VFDF32；并且取决于VFDF72的符号，将圆柱体顺时针或逆时针旋转VFDF72。存在相关和类似实施例的各种变化，包括VFDF矩阵326的尺寸，以及DF向量420和VF向量430中因子的选择。
图23A图示了，在许多情况下，渐进式透镜设计123的探索可以要求非局部和非线性步骤，因此，VFDF矩阵326不能很好地表示这些步骤。例如，患者的探索可以在设计因子空间的某个区域中终止，在该区域中，患者不断地给出任何改变都无法改进视觉体验的视觉反馈430。用简单的话来说，搜索进入了死胡同，并且最优解决方案可能是设计因子空间中遥远且不容易到达的截然不同的区域。在此类情况下，患者的搜索可以通过大幅度跳转到设计因子空间中的另一个区域或通过某个其它稳健的移动得到最好的帮助。一般而言，此类移动将被称为执行搜索管理步骤450。为了促进此类非局部和/或非线性移动，透镜设计探索系统300可以包括搜索指导引擎SGE 330，其耦合到渐进式透镜设计处理器320，用于执行搜索管理步骤450，包括以下至少一项
(a)逆转设计因子空间中的搜索路径；
(b)恢复到设计因子空间中搜索路径中的先前分叉；
(c)跳转到另一个设计因子向量；
(d)改变多个设计系数；
(e)固定设计系数；
(f)改变执行方法的速度；以及
(g)评估搜索是否成功。
图23B图示了在一些实施例中可以以交互方式执行这些搜索管理步骤450。在此类实施例中，搜索指导引擎330可以耦合到反馈-控制器接口310，用于通过以下交互地执行搜索管理步骤455。
(a)提议操作者选择搜索管理步骤450；
(b)接收操作者对搜索管理步骤450的选择，并且
(c)发起所选择的搜索管理步骤450的执行。发起455(c)可以涉及搜索指导引擎330指示渐进式透镜设计处理器320执行所选择的搜索管理步骤450。
在这些实施例中，搜索指导引擎SGE 330可以不简单地按照其自身的指令(诸如固定设计因子)执行搜索管理步骤450。代替地，它可以向患者交互式地提出设想的搜索管理步骤450，并且仅在接收到响应时才采取行动。举例来说，SGE 300可以在步骤455(a)中经由FCI 310提示患者：“我们应当固定光学中心的位置并将搜索限制在其余的设计因素吗？”，然后从操作者那里接收选择，例如在步骤455(b)中为“是”，并且发起执行选择，诸如将设计因子的数量减一，从而在步骤455(c)中将设计因子空间的维度减一。在一些实施例中，搜索指导引擎330可以提供替代方案：“我们应当回到设计因子空间中的搜索路径中的先前分叉，还是我们应当将搜索路径反过来？”，并执行患者或操作者的响应性愿望。
在一些实施例中，搜索管理方法455可以涉及
(d)患者存储所选择的第一透镜设计123；
(e)通过方法400的任何实施例继续透镜设计探索；例如，通过由步骤450(a)中反转搜索路径，或由步骤450(b)恢复到先前的分叉；
(f)选择后续的第二透镜设计123；以及
(g)将存储的第一透镜设计与第二透镜设计进行比较。
在一些实施例中，搜索指导引擎SGE 330可以与渐进式透镜设计处理器320集成。
所描述的实施例的依赖主观视觉反馈430的一方面在于，探索不受客观品质和测量的指导。实际上，这可以并且确实降低了探索的可重复性。当同一个患者在以后重复进行相同的透镜设计探索时，已经观察到她/他有时会到达不同的透镜设计：可能不令人满意的结果。
可以通过PLS 100系统获取并优先考虑客观视觉反馈430来增强透镜选择的可重复性和可靠性。已经通过测量视轴的抖动的眼动仪110描述了一种这样的客观视觉反馈430。通过将诊断系统集成到PLS 100中，可以生成另一类客观视觉反馈430。此类系统可以包括基于Purkinje光斑的成像系统、OCT系统、Scheimpflug成像系统、波前分析仪、彗星地形图仪、裂隙灯和相关的其它系统。
可以通过使用眼睛模型评估、组织和分析诊断测量来引入另一类改进。眼科中已知几种眼睛模型，常常用于白内障手术的准备中，诸如Holladay和Hoffer模型。
下一类实施例在这个方向上提供了改进。这些实施例定义了可以被证明对于使透镜设计探索更有效并导致可重复的结果非常有用的定量度量。
图24A-B介绍了客观、定量的测量和度量的概念，以帮助探索渐进式透镜设计123。此类客观测量已经被渐进式透镜的设计者使用。但是，目前，这些测量在患者访问验光师办公室很久之后由与患者的探索分开的计算机程序使用。通常，计算机代码执行与患者分开数百或数千英里和数百或数千小时的透镜设计搜索。在当今的典型情况下，验光师在她的办公室中确定几个视力校正参数，例如，近视力和远视力区域的光焦度，然后将这些参数发送给渐进式透镜设计者。几周后，渐进式透镜设计人员运行计算轮廓图的计算机代码，该轮廓图根据发送的光焦度优化透镜性能。这种优化使用一些量化测量来表征透镜的性能，通常是由透镜设计公司开发的。
但是，在如今的实践中，这种优化不是交互式的；只是为患者提供最终产品。在设计过程期间没有来自患者的视觉反馈，并且患者没有机会指示计算机设计的渐进式透镜对于患者的特定需求远不是最优的。因此，如果患者决定对渐进式透镜的视觉体验不令人满意，那么他将透镜退回，并且在透镜设计公司和患者之间开始耗时、效率低下的往复加工过程，通常往复运送眼镜，而且还涉及对透镜的附加打磨，这常常花费数周的时间，并且浪费所有相关人员的宝贵时间。
在此描述的实施例一般而言通过在步骤401-403中实时模拟渐进式透镜设计123、然后在步骤404中实时地从患者获取视觉反馈430并在步骤405中实时地修改渐进式样设计123(以迭代方式执行所有这些步骤)来提供对这种现有技术的实质性改进。现在描述的实施例通过引入物镜品质因数460并且将这些透镜品质因数460编织到修改方法400的渐进透镜设计步骤405中而提供进一步的改进。
这些透镜品质因数460可以包括：
(a)在近视和远视区域之一中改进的视敏度；
(b)在近视和远视区域之一中减少的散光；
(c)在近视和远视区域之一中减少的游动；
(d)在近视和远视区域之一中减少的模糊；
(e)合适的渐进区域；
(f)圆柱体的对准；
(g)合适的棱镜；以及
(h)合适的渐进棱镜。
可以开发出更多的透镜品质因数，包括更多的技术因子，诸如视力区域上的散光测量的积分，或者透镜的Zernike多项式的系数，可能缩小到某个区域。
图24B示出，与以前一样，可以将这些透镜品质因数460看作是透镜品质向量LM460，其分量LM＝(LM1，LM2，...，LMm)。在一些情况下，可以将这些单独的透镜品质因数与具有核实权重因子的单个全局透镜品质组合在一起。例如，这单个组合的透镜度量可以是|LM|、总长度或LM向量的量值，根据各个分量的平方和来组合而成：|LM|＝[∑iLMi 2]1/2。为了简化以下复杂讨论中的表示法，有时会针对DF、VF和LM向量抑制标签420、430和460。
图25图示了将透镜品质因数引入渐进式透镜设计中作为定量度量以帮助透镜设计的探索的影响。在实施例中，修改步骤440可以被扩展到修改一个或多个设计因子步骤465，修改步骤465基于视觉反馈430和一个或多个透镜品质因数460。在向量符号中，设计因子向量的第n次迭代DF(n)通过ΔDF(n)＝DF(n+1)-DF(n)来修改，其中ΔDF(n)是基于视觉反馈向量VF(n)430和透镜品质因数向量LM(n)计算的。
图26图示了当VF(n)和LM(n)近似线性地确定ΔDF(n)时，修改步骤465可以具体地涉及修改步骤470，该修改步骤470包括用视觉反馈+透镜品质到设计因子矩阵329通过相对于视觉反馈VF(n)430修改一个或多个设计因子DF(n)420并且对一个或多个透镜品质因数460执行品质矩阵方法步骤。如图所示，这个方法470不仅由视觉反馈VF 430驱动，而且由物镜品质LM 460驱动。这两个向量VF和LM可以组合成长度等于单独两个向量的长度的复合VF+LM向量。接下来，可以通过透镜品质设计因子矩阵LMDF 328扩展VFDF矩阵326，将两个矩阵的并置一起形成视觉反馈+透镜品质到设计因子矩阵329。在这些实施例中，将扩展的VF+LM向量与扩展的VFBF+LMDF矩阵相乘确定ΔDF(n)。
图27图示了此类透镜品质计算实施例的一些益处。对于由设计因子向量BF表示的特定渐进式透镜设计123，可以计算透镜品质向量LM的分量。图27仅仅示出了LM向量的一个分量。在某些情况下，这可以是前面提到的全局透镜品质|LM|。在其它实施例中，下面描述的方法475可以同时针对几个透镜品质分量来实践。举例来说，LM向量的所示分量LMj可以是近视力区域上的积分像散。LMj积分像散越低，渐进式透镜设计123越好。在图27的上下文中，这意味着最优渐进式透镜设计123与指向透镜品质函数的极值的DF＝(DF1，DF2)向量420对应。对于多分量透镜品质向量LM，可以将各个透镜品质因数LMi以成对、互连的方式最小化。下面将讨论具有多于一个极值的透镜品质函数的问题(如图27中所示)。
在一些现有系统中，其中渐进式透镜设计123是由没有视觉反馈430的透镜设计代码确定的，透镜设计代码仅通过修改设计因子DF1和DF2来优化透镜设计，使得设计因子向量DF指向透镜品质函数的局部最小值的位置，如图27中所示。这样的局部最小值指示设计因子DF1和DF2的对应组合根据光线跟踪、光学测量和大量收集的患者体验来优化视觉体验，但没有正在设计其渐进式透镜的特定患者的反馈。这种优化反映了不同设计目标之间的共同点。
通过基于视觉反馈430修改一个或多个设计因子420与一个或多个透镜品质因数460结合，方法465、470和475超越了先前描述的系统。因此，方法465/470/475超越了主要依赖视觉反馈430但不使用透镜品质460的方法440。这些方法还超越了仅依赖计算透镜品质460而不使用视觉反馈430的当前渐进式透镜设计代码。出于多种原因，将两个设计驱动程序VF 430和LM 460组合在一起是一项挑战。首先，为了能够组合这些设计驱动程序，要求对视觉反馈430进行量化，但是对各种主观视觉反馈430的量化远非显而易见。其次，需要选择组合VF和LM因子和分量的许多考虑周到的决定，以选择权重因子。另外，除其它以外，以相关方式将设想的透镜设计更新传达给患者也不是简单的任务。
通常，患者的视觉反馈VF 430可以请求或提示对不同于指向LM的局部最小值的设计因子向量DF 420的设计因子向量DF 420的修改。这可以由于多种原因而发生，包括以下。(a)透镜设计代码中LM的局部最小值是通过对来自大量患者的反馈求平均来确定的，因此对于任何特定患者可能都不是最优的。(b)搜索可以涉及同时优化几个LM组件。这些耦合的搜索之间的折衷可以使DF 420对于除针对患者耦合的搜索的最小值以外的向量而言是最优的。(c)探索使用VF 430和LM向量460的组合来修改DF向量420。主观VF430输入可能会引起对新设计目标折衷的探索。而且，在一些实施例中，可以向患者提供移位混合和加权参数，再次移动局部最小值。
在一些实施例中，修改步骤475可以包括通过利用梯度下降方法、共轭下降方法和爬山方法中的至少一种来在设计因子空间中局部修改设计因子。在图27中，这可以对任何DF(n)向量实现，例如，通过搜索局部最陡峭的下坡梯度，它有望以最快的方式将探测移向局部最小值。由于这些方法基于关于LMi分量如何依赖其DFj坐标的局部信息，因此方法475被表征为局部修改。
但是，图27还图示了，如果在设计因子空间中全局最小值与局部最小值相距一定距离，那么此类局部方法可能无法达到透镜品质函数LM 460的全局最小值。在这种典型情况下，局部最陡下降梯度方法常常仅将搜索指引到局部最小值中，其中该方法可能会卡住并且永远不会达到相距一定距离的全局最小值。
图28A-B图示了，在此类情况下，基于视觉反馈430和一个或多个透镜品质因数460修改480一个或多个设计因子420可以包括在设计因子空间中非局部地修改480设计因子420。这种非局部修改480可以利用模拟退火、遗传算法、平行回火、随机梯度下降、随机跳跃和顺序Monte-Carlo中的至少一种。
在所示的示例中，当仅使用局部搜索方法475时，透镜设计探索会暂时卡在局部最优482周围。要注意的是，最优值可以是或者最小值或者最大值。在图27中，期望的设计与LM函数的最小值对应，在图28A-B中，其与最大值对应。局部修改方法475可能卡在与全局最优值484截然不同的局部最优482中。方法480的实施例可以通过采用上面列出的非局部方法来释放被卡住的搜索。在本领域中还已知大量附加的非局部修改。一种这样的方法是实现大的随机跳跃，以便让卡住的搜索“松开”。图28A图示了仅使用局部技术的搜索可能卡在局部最优482周围，但是执行非局部方法480的随机跳转实施例可以使搜索松开，并且使它能够找到全局最优值484。图28B从透视图图示了方法480的相同的随机跳跃实施例。可见，随机跳跃将卡住的搜索从跳跃起点带到设计因子空间中分隔良好的跳跃终点，从而使其达到全局最优值484。
图29A图示了-与图23A中的方法450类似-基于视觉反馈430结合一个或多个透镜品质因数460修改一个或多个设计因子步骤的465-480实施例中的任何一个可以包括由搜索指导引擎530执行的搜索管理步骤490，其可以包括以下至少一项。
(a)逆转设计因子空间中的搜索路径；
(b)恢复到设计因子空间中搜索路径中的先前分叉；
(c)跳转到另一个设计因子向量；
(d)改变多个设计系数；
(e)固定设计系数；
(f)改变执行方法的速度；以及
(g)评估搜索是否成功。
如关于类似方法450所讨论的，当患者对透镜设计的探索变得迷失方向或卡住时，此类搜索管理方法或步骤490可以非常有帮助。在其它实施例中，它们的主要价值在于可以加快渐进式透镜设计的探索速度，使其效率更高。在这个方法490中，相对于方法450而言，增加的因子是以透镜品质460的形式涉及定量度量。这种量化度量的引入大大缩小了搜索范围。例如，通过将搜索范围缩小到透镜品质460识别为局部最优的路径，可以大大减少在实践方法440和450时需要评估的大量修改设计系数420的可能方法。在图29A的示例中，这由需要评估所有可能的设计因子修改的非品质指导搜索440-455证明，而透镜品质因数指导搜索465-490需要仅评估沿着透镜品质460优选的窄脊或这个脊附近的移动。
如前所述，为了清楚起见，图29A仅示出了用于一个LM分量在脊上的搜索路径。当搜索指导引擎330正在监视搜索并且感测到脊正在变低时(如图所示)，即，通过局部修改方法475进行的搜索距离可能找到透镜品质460的局部最大值越来越远，搜索指导引擎330可以激活方法490(a)并且执行搜索管理步骤以反转搜索路径。透镜品质460的定量度量在这里非常有用，因为设计因子空间中的反向搜索路径是透镜品质函数460的明确定义的脊。定义明确的反向路径的可用性可以大大提高探索和搜索的效率。
图29A还图示了方法490(b)的实施例，恢复到设计因子空间中的搜索路径中的先前分叉。在搜索或探索期间，在一些时候，两个选择似乎是相当值得的。在此类情况下，患者或渐进式透镜设计处理器320需要选择可能性之一。图29A图示了这种情况，当搜索路径遇到局部最优的脊拆分或分裂为两个可比较的脊时。搜索方法465，可能在其局部实施例475中，选择左分支并进行一段时间的探索。但是，在监视对左脊的探索一段时间之后，SGE 330决定是时候练习方法490(a)并逆转搜索。有利地，定量透镜品质函数460通过追溯LM 460的脊提供关于如何遵循反向路线的清楚指导。追溯脊使得搜索返回到分叉，在此之前搜索选择了左脊。在这个结点处，搜索指导引擎330现在可以代替地选择右脊，然后重新接合局部修改方法475以指导沿着另一个脊的搜索。贯穿方法475和490的这些步骤，定量的透镜品质函数460提供了清楚的指导并大大缩小了要进行的搜索的范围(从探测表面到探测脊)，从而提高了整体探测的效率和速度。
图29B图示了在一些实施例中，方法490可以被扩展为包括方法495，该方法495包括通过以下与搜索指导引擎330交互地执行搜索管理步骤：
(a)提议操作者选择搜索管理步骤；
(b)接收操作者对搜索管理步骤的选择；并且
(c)发起所选择的搜索管理步骤的执行。
与先前的交互式方法455一样，方法490也可以通过交互地执行来改进。代替LDES300的渐进式透镜设计处理器320和搜索指导引擎330通过某种算法进行选择，方法495提示患者或操作者提供视觉反馈420、命令或控制信号，并选择搜索管理步骤，从而经由执行步骤495(a)-(b)-(c)加快透镜设计探索。
在一些另外的实施例中，修改渐进式透镜设计可以包括由渐进式透镜设计处理器320利用非线性视觉反馈到设计因子函数关系或非线性视觉反馈+品质到设计因子函数关系来修改渐进式透镜设计。这些实施例可以是矩阵方法445和470的替代和补充，其中这些关系主要是线性的。
PLS 100+LDES 300系统及其操作方法400的一些实施例可以包括附加的元素和步骤，这使得基本上确定总体方法400相对于传统实践不会为患者提供更差的结果。这些附加步骤可以包括基于传统测量确定第二“传统”渐进式透镜设计，该传统测量不涉及为患者模拟第二渐进式透镜设计并要求其视觉反馈。这之后可以是用这第二种传统的渐进式透镜设计来生成综合PLS 30。在此类实施例中，患者可以体验传统方法提供的渐进式透镜设计，以及在PLS 100+LDES 300的帮助下由方法400识别出的透镜设计。生成两条设计不同的渐进式曲线，一个具有模拟和反馈，另一个具有传统测量，患者可以比较这两种设计的“综合PLS”，并选择他/她的喜好。通过方法400的这种扩展，患者不会获得比传统渐进式透镜更差的透镜，因为如果他/她对由方法400确定的透镜设计不满意，那么他/她可以随时选择传统渐进式透镜，即使在就诊结束时也可以选择。
在一些情况下，由图像生成器121生成402图像21可以响应于图像选择。这个附加步骤可以再次提高患者满意度，因为患者可以选择与他们的活动相关的图像，而不是不能捕获逼真的应用的众所周知的字母行。例如，团队运动的人可能需要特别强调外围视觉，因此可以选择在周围具有显著特征的图像21。长途卡车司机可以选择移动的图像，因为他/他可以优先优化自己对移动图像的视力。夜班警卫可以选择弱光条件下的图像，因为她/他可能需要优化弱光条件下的视力。提供用于测试患者视力的与使用相关的图像可以进一步改进定制，从而改进400方法的令人满意的结果。
7.具有人工智能引擎的渐进式透镜模拟器的深度学习方法
最有效地将视觉反馈430翻译成设计因子420是一项重大挑战。各种方法400-495提供了优选的实施例。为了使这些实施例最高效，需要优化它们的许多参数。这些包括视觉反馈到设计因子矩阵326的元素和视觉反馈+透镜品质到透镜设计矩阵329的元素。对于其它实施例，视觉反馈430与设计因子420之间可能的非线性连接需要被制表和参数化。而且，基于过去的经验对搜索指导引擎330进行最佳操作。通过从先前探索的课程中学习，也可以改进搜索管理方法450/455和490/495。最后，通过利用过去搜索的经验，可以最高效地执行局部修改步骤475和非局部修改步骤480。
最近，从过去的经验中学习的全新方式已经以非常有效的新方式被自动化。在各种技术论文中，这些方式称为人工智能、深度学习、机器学习或神经网络。其它名称也被用于捕获大致相同的学习方法。这一节中的实施例将基于人工智能的学习方法和系统集成到GPS 10中，以改进和优化矩阵326和329的许多参数、SGE 330的操作以及450/455和490/495的方法，以及其它可以从过去的经验中受益的领域。
图30图示了这种模拟渐进式透镜(GPS)10的指导透镜设计探索系统。GPS 10可以包括多级PLS 100、集成PLS 200或头戴式PLS 260的任何实施例。图30以多级PLS 100实施例为例图示了这些可能性。PLS 100可以与用于PLS LDES 300的透镜设计探索系统的任何先前描述的实施例组合。PLS 100和LDES 300的组合可以与用于GPS(AI-GPS)500的人工智能(Al)引擎集成。在这一节中，GPS 10将参考PLS 100的任何实施例与LDES 300和AI-GPS500的组合。
AI-GPS 500可以包括用于渐进式透镜设计处理器的AI引擎(AI-PLD)510，该AI引擎被集成到渐进式透镜设计处理器320中或至少与之耦合。AI-PLD 510可以执行视觉反馈到透镜设计传递引擎FLE 325的大多数功能，因此可以被看作是FLE 325的实施例。AI-PLD510的功能可以是执行许多已知的深度学习方法中的任何一种，以使得将视觉反馈430翻译成对设计因子420的修改更高效。如所指示的，这些深度学习方法可以重复地更新和改进视觉反馈到设计因子矩阵326的矩阵元素，以及视觉反馈+透镜品质到透镜设计矩阵320的矩阵元素。
在一些实施例中，GPS 10还可以包括用于搜索指导引擎的AI引擎(AI-SGE)530，其集成到搜索指导引擎SGE 330中或至少与之耦合。AI-SGE 530的功能可以是用SGE 330执行许多已知的深度学习方法中的任何一种，以便使其能够更高效地指导由所描述的任何一种对渐进式透镜设计123的探索方法。这些方法包括方法步骤450：利用SGE 330执行搜索管理步骤；方法步骤455：与患者交互地执行方法步骤450；执行方法步骤490：对涉及透镜品质460的SGE 330执行搜索管理步骤330；以及方法步骤495-与患者交互地执行方法步骤490。
最后，AI-GPS 500还可以包括AI引擎，用于渐进式透镜模拟器(AI-PLS)550，该AI引擎集成到或至少耦合到PLS 100，在一些情况下集成到其OPS处理器122中。AI-PLS 550的实施例可以利用OPS处理器122执行任何已知的AI深度学习方法，以更好地模拟渐进式透镜设计123，从患者的视觉反馈430中学习。
图31-33图示了AI-PLD 510的实施例。AI-SGE 530和AI-PLS 550可以具有非常相似的设计，为了避免重复，将不进行明确描述。
AI-PLD 510可以包括输入层515，被配置为接收视觉反馈VFi(n)作为输入。(在下文中，将不会总是为视觉反馈430明确显示标签430，并为设计因子420明确显示标签420，以避免杂乱)。患者、操作者或客观反馈生成系统(诸如眼动仪110)或任何其它眼睛成像系统都可以输入视觉反馈向量VF(n)的VFi元素。如前所述，“n”引用透镜设计探索方法400的第n次迭代。视觉反馈-设计因子VFDF神经网络520可以接收VFi(n)视觉反馈作为输入。这个VFDF神经网络520可以被配置为在输出层525处输出设计因子向量ΔDF(n)＝DF(n+1)-DF(n)的建议更新。从这个意义上说，VFDF神经网络520起到与视觉反馈到透镜设计因子引擎FLE 325类似的功能。
区别之一是输入VF向量430没有通过线性VFDF矩阵326连接到输出DF向量420。代替地，它是通过一系列变换生成的，变换由一系列隐藏层521、522、523执行，如图所示。每个隐藏层可以包括一组神经元。在所示的示例中，第一隐藏层521包括神经元N11，N12，... N16。在本描述中，隐藏层的特定数量以及每一层中的神经元数量都仅仅是为了说明目的。其它实施例可以包含任何其它数量的隐藏层和每层的神经元。
第一层中的神经元N1i可以以耦合强度C(1i-2j)耦合到第二层N2j的患者神经元。
图32图示了VFDF神经网络520的操作。隐藏层的神经元处理的视觉反馈向量元素VFi的效果是将VF向量与耦合矩阵CM相乘。此处使用的符号是CM(m)矩阵的患者(ij)元素是神经元Nmi与N(m+1)j之间的耦合常数，并且用这种表示法，以上引用的耦合常数C(1i-2j)是CM(1)ij，CM(1)矩阵的(ij)元素，因此，具有K个隐藏层的VFDF神经网络520的输出可以写为：
VF(n)T*CM(1)*CM(2)*...*CM(K)＝ΔDF(n)T， (2)
其中VF(n)T和ΔDF(n)T中的上标T指示向量转置。这是需要的，因为在图22A中，将向量与左侧的矩阵相乘，而在图32中，与右侧的矩阵相乘，以表示图31中视觉因子向量VF430的从左到右层到层处理。显然，这两个描述是等效的。
换句话说，输出向量ΔDF 420与输入向量VF 430不是通过单一的线性关系相关，如VFDF矩阵326那样容易，而是通过几个双线性关系的乘积来相关。注意的是，各个耦合矩阵的维度在耦合矩阵的这个或链中可以变化。明智地选择这些维度可以提高透镜设计探索的效率。例如，有些AI方法提倡首先缩小CM(i)矩阵的维度，然后再增大它们的维度，从而形成某种隧道或线轴。
可以将每一层中的神经元设置为以多种方式对其输入做出反应。一种简单而广泛使用的算法是尖锐的阈值输入-输出关系ouiput＝f(input)。从前一层i到第(i+1)层的特定神经元N(i+1)i的输入可以相加，并且如果总和超过阈值T，那么神经元N(i+1)i输出一个值，而如果总和不超过阈值T，那么输出将保持不同的较低数字，通常为零。在公式中，
N(i+1)i＝f(∑jNij CM(i)ji-T)， (3)
其中.f(x)是自变量x的尖锐开关函数，通常是以0为中心的阶跃函数，或稍微平滑的阶跃函数(诸如tanh(x))。这个开关函数f(x)的动力来自神经元的操作：来自以刺激的形式引入输入的几个树突的输入常常通过神经元的充电过程加起来。如由跨细胞膜的离子泵执行的。如果这些刺激的总和(常常以总电荷的形式)超过阈值，那么神经元的输出轴突会激发，如果电荷未达到阈值，那么神经元不会产生输出。
设置这种VFDF神经网络520的一种方式是Google的TensorFlow机器学习框架，这是方便的复杂框架，其可以通过有限的准备来设置。VFDF神经网络520的设计者可以简单地输入隐藏层的数量、每层中的神经元的数量以及开关函数f(x)，然后，可以输入或定义VFDF神经网络520的初始耦合常数。
在这种初始化之后，通过许多教导或学习循环来驱动VFDF神经网络520，以便VFDF神经网络520从不正确或低保真度的结果中学习，并且初始耦合常数“学习”并演变为减少不正确的输出并在大多数情况下产生正确的输出。
图33图示了一种这样的教导或学习方法，称为具有梯度下降的反向传播(BGD)510T。在这种监督式学习方法中，在监督者知道预期什么输出的情况下，输入视觉反馈向量VF 430。作为示例；如果视觉反馈430是在先前几个循环中下鼻象限的折光力已经增加之后，在这个象限中图像模糊，那么预期输出ΔDF在这个象限中将保持增加的折光力。有了这个已知期望，这个VF被输入到输入层515中，然后用VFDF神经网络520处理，从而在输出层525处产生输出。然后，输出评估器526可以将输出与目标输出进行比较，并通过相同的VFDF神经网络520将差异信号Δi(n+1)作为误差反馈527发送回去。在给定的示例中，VFDF神经网络520是否输出设计因子向量DF 420的“下鼻象限中进一步增加折光力”ΔDF(n)修改，并且具体输出了什么光焦度增加。当差异信号向后传播时，耦合训练器528可以修改各个耦合CM(i)ki以减小差异。用大量输入的视觉反馈向量VF 430执行这些训练循环多次训练耦合矩阵CM(1)，CM(2)，...CM(K)的元素，使得在训练之后，当输入输出未知的新视觉反馈VF时，VFDF神经网络520仍将输出具有高可靠性的最适当的ΔDF。
用这种具有梯度下降的反向传播(BCD)510T训练AT引擎AI-GPS 500是训练这个VFDF神经网络520的许多可能方法之一。而且，使用AI-GPS 500的这个特定神经网络实施方式只是利用人工智能系统和方法来改进GPS 10的基本思想的许多实施例之一。所有这些组合和替代方案共享以下两个基本设计原理，并且只要它们这样做，就可以视为GPS 10系统的实施例。这些设计原理包括以下。
(1)为了微调操作GPS 10系统所需的大量参数，诸如VFDF矩阵326或视觉反馈+透镜品质到设计因子矩阵329的元素，利用人工智能在任何合适的AI-GPS引擎500中的强大功能。
(2)随着全球范围内安装迅速增加数量的GPS 10，为了继续开发和改进这些GPS10系统。可以预想，在全球范围内，由迅速增加的患者每天进行的许多透镜设计探索中，集中式系统可以收集呈指数增长的数据量。可以由中央AI-GPS引擎500对呈指数增长的“大数据”进行分析，这种分析的结果可以以对板载搜索软件的更新的形式从中心系统推送到各个GPS 10系统，包括对矩阵326和329的元素的训练、对搜索管理450/455和490/495中可以涉及的各个步骤的训练，以及PLS 100对渐进式透镜设计123的模拟的训练。共享这两个基本驱动程序的任何实施例都是10英镑的实施例，
图34-35图示了AI-GPS引擎510和530的操作方法。图34图示了用人工智能引擎500来操作渐进式透镜模拟器100的方法610，该方法包括：
(a)基于由渐进式透镜设计处理器320生成的具有设计因子向量DF 420的渐进式透镜设计123，用渐进式透镜模拟器100为患者生成611综合渐进式透镜模拟(综合PLS)30；
(b)响应于综合PLS 30，将视觉反馈向量VF 430接收612到用于渐进式透镜设计处理器AI-PLD 510的人工智能引擎的视觉反馈-设计因子神经网络520中；以及
(c)响应于接收612，输出613具有视觉反馈-设计因子神经网络520的设计因子向量DF 420的修改ΔDF；其中
(d)通过执行614深度学习循环来训练视觉反馈-设计因子神经网络520的耦合矩阵CM(i)。
方法610还包括：
(e)由渐进式透镜设计处理器320使用经修改的设计因子向量DF 420来修改渐进式透镜设计123；以及
(f)使用经修改的渐进式透镜设计123，由渐进式透镜模拟器100生成经修改的综合PLS 30。
如关于方法400所描述的，重复的步骤(b)-(f)可以充当探索渐进式透镜设计的主干。
视觉反馈-设计因子神经网络520可以包括神经元Nij的层，包括输入层515、一个或多个隐藏层521/522/523以及输出层525。神经元Nij可以具有开关函数f(x)，而神经元Nij可以通过耦合矩阵CM(i)耦合。
执行学习循环步骤614可以包括通过具有梯度下降的反向传播(BGD)510T来执行深度学习循环。用BGD 510T执行深度学习循环可以微调耦合矩阵CM(i)k1的元素，以提供最可靠的视觉反馈430到设计因子向量420的翻译。
执行学习循环步骤614还可以包括使用615透镜品质函数LM460。使用透镜品质函数LM 460可以使AT-GPS引擎500，具体而言是AI-PLD 510，能够训练和改进基于透镜品质的方法465-495。
执行深度学习循环614还可以包括用与对应于所输入的视觉反馈向量VF 430的目标设计因子向量DF 420相关的输出评估器526来评估616输出的设计因子向量DF 420；并且根据用耦合训练器的评估来训练耦合矩阵CM(i)。
在一些实施例中，执行深度学习循环步骤614可以包括修改617渐进式透镜设计处理器320的软件。
图35图示了用人工智能引擎500操作渐进式透镜模拟器100的方法620，包括：
(a)基于由渐进式透镜设计处理器320生成的渐进式透镜设计123，用渐进式透镜模拟器100为患者生成621综合渐进式透镜模拟(综合PLS)30；
(b)响应于综合PLS 30，将视觉反馈向量VF 430接收622到用于搜索指导引擎AI-SGE 530的人工智能引擎的视觉反馈-搜索管理神经网络520-SGE中；以及
(c)响应于接收622，用视觉反馈-搜索管理神经网络520-SGE将搜索管理步骤450/455或490/495输出623到渐进式透镜设计处理器320；其中
(d)通过执行深度学习循环624来训练视觉反馈-搜索管理神经网络520-SGE的耦合矩阵CM(i)。
在此以及随后的内容中，将用与视觉反馈-设计因子神经网络520相同的附图标记来引用视觉反馈-搜索管理神经网络520-SGE，仅附加子标签“SGE”这样做是为了避免不必要的重复，因为实施例在很大程度上是相似的。
在一些实施例中，方法620还可以包括以下内容。
(e)在搜索管理步骤450/490的提示下，由渐进式透镜设计处理器320修改渐进式透镜设计123；以及
(f)使用经修改的渐进式透镜设计123，由渐进式透镜模拟器100生成经修改的综合PLS 30。
如关于方法40b所描述的，迭代地重复步骤(b)-(f)可以用作探索渐进式透镜设计的主干。
AI-SGE 530的视觉反馈-搜索管理神经网络520-SGE包括神经元Nij的层，包括输入层515-SGE、一个或多个隐藏层521/522/523-SGE，以及输出层525-SGE；具有开关函数f(x)的神经元Nij，以及通过耦合矩阵CM(i)耦合的神经元Nij。
在一些实施例中，执行深度学习循环624可以包括通过具有梯度下降BGD 510T-SGE的反向传播来执行深度学习循环。
在一些实施例中，执行深度学习循环624可以包括使用625透镜品质函数LM 460。
在一些实施例中，执行深度学习循环624可以包括相对于与输入的视觉反馈向量VF 430对应的目标搜索管理步骤使用输出评估器526来评估626输出的搜索管理步骤450/455或490/495；并且根据用耦合训练器528的评估来训练耦合矩阵CM(i)。
举例来说，搜索管理步骤可以是490(a)，即，使搜索路径反向。视觉反馈VF 430反转路径的决定可以是非常复杂的决定。例如，返回去参考图29A，它需要确定透镜品质函数LM 460的脊的高度必须从其先前的最大值降低多少，以使AI-SGE 530激活搜索管理步骤490(a)，可以通过许多深度学习循环来驱动AI-SGE 530，以查找并学习最优值以反转搜索路径。
参考图28A-B是另一个示例：当搜索开始示出越来越少的进度时，AI-SGE 530需要决定何时执行非局部跳转，以及跳转是应当完全随机还是应当由某种考虑(例如，搜索的较早部分的存储的存储器记住透镜品质函数LM 460的值)驱动。与以前一样，可以通过许多深度学习循环来驱动AI-SGE 530，以查找和学习何时发起跳转、要发起的跳转多大，以及如何关联从较早的搜索路径存储的数据的跳转。
在一些实施例中，执行深度学习循环624可以包括修改627搜索指导引擎330的软件。
在一些实施例中，AI-GPS 500系统可以包括使用眼睛模型的深度学习单元(诸如Holladay或Hofer眼睛模型)，其中AI-GPS 500可以训练基于眼睛模型的GPS 10的参数。
最后，可以实践非常类似的方法来训练然后操作用于渐进式透镜模拟器(AI-PLS)550的AI引擎。这个AI-PLS 550可以包括视觉反馈-透镜模拟神经网络520-PLS，具有与如图31-33中所示非常类似的组件和元素，并且与图34-35类似地操作。
如前面所提到的，人工智能引擎500可以使用任何已知的AI方法，并且不仅仅局限于神经网络。其它AI方法包括监督式学习方法、非监督式学习、基于回归分析的方法、聚类、降维、结构化预测、异常检测和强化训练。这些AI方法中的任何一种都可以在AI-GPS 500中实现。
8.用于渐进式透镜模拟器的中央监督站系统
GPS系统10的各种实施例(例如，PLS100、或与LDES 300组合的PLS 100，或与用于GPS的人工智能引擎(AI-GPS 500)组合的PLS 100和LDES 300(统称为GPS 10的100/300/500实施例))的实质性好处之一是以前由验光师执行的许多功能现在由GPS 10的自动化系统执行，因此，验光师不必不断参与渐进式透镜设计123的探索。患者本人可以与GPS 10的100/300/500实施例配合使用以执行任何版本的探索方法400，并花费他/她需要的所有时间。患者可以返回到先前识别出的透镜设计123并将它们与新设计进行比较；可以用图像生成器121选择不同的图像21；继续执行搜索管理步骤450/455或490/495，以追溯搜索路径、探索其它选择、修复设计系数420以使搜索变窄、在设计系数空间的某些区域中减慢搜索速度，等等。所有这些都可以在验光师没有积极参与的情况下进行。
从时间管理的角度来看，GPS 10系统的这一方面使验光师的工作能力提高到可以同时监督多于一个GPS系统10的程度，从而省去了每个验光站分别配有验光师的需要。这方面可以大大减少为给定数量的患者提供服务所需的人员数量，因此对于整个验光师办公室的业务模式非常有帮助。
图36更详细地图示了这个概念。图36图示了渐进式透镜模拟器100的监督式多站系统700，其包括中央监督站710；通过双向通信监督信道730-1，730-2，...，730-n(统称为730-i)与渐进式透镜模拟器的集合720-1、720-2，...720-n(统称为720-i)耦合起。图36图示了三站(n＝3)实施例。
个体站可以包括渐进式透镜模拟器720-i，其可以是本申请中较早描述的任何实施例，包括多级PLS 100、集成的IPLS 200、PLS100的台式实施例和头戴式PLS 260，后一个实施例在图36中示出。在所示的实施例中，PLS 720-i可以单独地包括眼动仪110，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；离轴渐进式透镜模拟器120，用于生成渐进式透镜设计123的离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS 20)；以及轴向光焦度-距离模拟器ADS 130，用于模拟在眼轴方向上的渐进式透镜光焦度，从而根据离轴PLS 20创建渐进式透镜设计123的综合渐进式透镜模拟(PLS)30。
PLS 720-i的一些元件可以在中央监督站710中实现。中央监督站710可以与渐进式透镜模拟器720-i通信，用于提供对各个渐进式透镜模拟器720-i的操作的监督。
这种通信可以经由各个渐进式透镜模拟器720-i与中央监督站710之间的双向通信信道730-i进行：渐进式透镜模拟器720-i可以将有关渐进式透镜设计123的模拟的信息通知给中央监督站710；并且中央监督站710监督由渐进式透镜模拟器720-i进行的模拟。通信信道730-i可以是有线通信信道或无线通信信道。
在一些实施例中，渐进式透镜模拟器720-i可以单独地包括透镜设计探索系统LDBS 300，用于指导对渐进式透镜设计123的探索。
在其它实施例中，中央监督站710可以包括集中式透镜设计探索系统LDES 300，用于指导对渐进式透镜设计的探索，并将对应的指导信号传送到各个渐进式透镜模拟器720-i。
在一些实施例中，各个渐进式透镜模拟器720-i可以包括专用个体人工智能(AI)引擎，用于对渐进式透镜模拟器720-i的渐进式透镜设计处理器320-i执行深度学习方法。这些AI引擎可以是用于渐进式透镜设计处理器(AI-PLD)510的AI引擎的实施例。
在其它实施例中，中央监督站710可以包括中央人工智能引擎500，用于对渐进式透镜模拟器720-i的渐进式透镜设计处理器320执行深度学习方法，并将对应的训练信号传送给各个渐进式透镜模拟器720-i。
在一些实施例中，渐进式透镜模拟器720-i可以单独地包括人工智能引擎，用于对渐进式透镜模拟器720-i的搜索指导引擎330执行深度学习方法。这些AI引擎可以是用于搜索指引引擎(AI-SGE)520的AI引擎的实施例。
在其它实施例中，中央监督站720-i可以包括中央人工智能引擎500，用于执行用于集中式搜索指导引擎的深度学习方法，并将对应的指导信号传送给各个渐进式透镜模拟器720-i。搜索指导引擎也可以是集中式的，或者可以作为单独的SGE 330-i驻留在个体PLS720-i中。
类似地，可以包括AI引擎，用于执行针对离轴PLS 120的深度学习方法。与以前一样，这种AI引擎可以是集中式的，或者可以与个体PLS 720-i驻留在一起。
虽然本文档包含许多细节，但是这些细节不应当被解释为对发明范围或可以要求保护的范围的限制，而应当被解释为对特定于本发明的特定实施例的特征的描述。在单独的实施例的上下文中在本文档中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。例如，为了更清楚地构造呈现，将实施例的描述组织为八个部分。但是，这些部分中任何一个的实施例的特征可以与其它七个部分的任何实施例的特征和限制相结合。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施例中或以任何合适的子组合来实现。而且，虽然以上可能将特征描述为以某些组合形式起作用，甚至最初就声称是这样，但在一些情况下，可以从组合中切除要求保护的组合中的一个或多个特征，并且要求保护的组合可以针对于子组合或子组合的变体。

Claims (17)

1.一种渐进式透镜模拟器，包括：
眼动仪，用于跟踪眼轴方向以确定注视距离；
离轴渐进式透镜模拟器，用于根据渐进式透镜设计来生成离轴渐进式透镜模拟(离轴PLS)；以及
轴向光焦度-距离模拟器，用于模拟在眼轴方向上的渐进式透镜设计的渐进式透镜光焦度，从而根据离轴PLS创建综合渐进式透镜模拟(综合PLS)。
2.如权利要求1所述的渐进式透镜模拟器，离轴渐进式透镜模拟器包括：
图像生成器，用于生成图像；
离轴渐进式透镜模拟器处理器，用于根据渐进式透镜设计将生成的图像变换为离轴PLS信号；以及
离轴渐进式透镜模拟器显示器，用于根据离轴PLS信号显示离轴PLS。
3.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，离轴渐进式透镜模拟器显示器包括：
一对离轴渐进式透镜模拟器屏幕，每个屏幕显示离轴PLS，用于为第一只眼睛和第二只眼睛提供立体的离轴PLS。
4.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，离轴渐进式透镜模拟器显示器包括：
立体交替离轴渐进式透镜模拟器屏幕，由图像交替器控制，用于以合适的立体调节交替显示用于第一只眼睛和随后用于第二只眼睛的离轴PLS。
5.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，其中：
离轴渐进式透镜模拟器处理器被配置为
从图像生成器接收生成的图像；并且
通过引入代表渐进式透镜设计的局部变化的模糊，将生成的图像变换为离轴PLS信号。
6.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，其中：
离轴渐进式透镜模拟器处理器被配置为
从图像生成器接收生成的图像；并且
通过引入代表渐进式透镜设计的局部变化的曲率，将生成的图像变换为离轴PLS信号。
7.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，其中：
集成图像生成器、离轴渐进式透镜模拟器处理器和离轴渐进式透镜模拟器显示器中的至少两个。
8.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，包括：
聚散度-距离模拟器，用于模拟所显示的离轴PLS在注视距离处的聚散度。
9.如权利要求8所述的渐进式透镜模拟器，其中：
聚散度-距离模拟器被配置为通过以下至少之一模拟所述距离处显示的离轴PLS的聚散度
主要侧向移动离轴渐进式透镜模拟器的屏幕，以及
主要侧向移位离轴渐进式透镜模拟器上显示的离轴PLS。
10.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，包括：
缩放-距离模拟器，用于缩放综合PLS以表示注视距离的变化。
11.如权利要求2所述的渐进式透镜模拟器，其中：
离轴渐进式透镜模拟器处理器、离轴渐进式透镜模拟器显示器和轴向光焦度-距离模拟器中的至少一个包括聚散度-距离模拟器和缩放-距离模拟器中的至少之一。
12.如权利要求1所述的渐进式透镜模拟器，轴向光焦度-距离模拟器包括：
具有可调光学折光力的可调光焦度系统。
13.如权利要求12所述的渐进式透镜模拟器，其中：
轴向光焦度-距离模拟器的光学折光力是能够调节的，以与确定的注视距离和预期的注视距离之一一致。
14.如权利要求12所述的渐进式透镜模拟器，其中：
轴向光焦度-距离模拟器是能够调节的，以模拟与眼轴方向对应的聚散度。
15.如权利要求12所述的渐进式透镜模拟器，可调光焦度系统包括：
AIvarez透镜系统，包括
用于眼睛的至少两个透镜，所述两个透镜中的至少一个透镜具有侧向变化的曲率；以及
一个或多个致动器，用于使所述透镜中的至少一个透镜相对于另一个透镜侧向滑动，从而在中心区域中改变AIvarez透镜系统的光学折光力。
16.如权利要求12所述的渐进式透镜模拟器，可调光焦度系统包括：
可调流体透镜系统，包括
一对可调流体透镜，其光学折光力由流体透镜中的流体量控制；
流体管理系统，用于调节流体透镜中的流体量；以及
透镜调节电子器件，用于控制所述一对可调流体透镜和流体管理系统，以调节可调光焦度系统的光学折光力。
17.如权利要求12所述的渐进式透镜模拟器，其中：
可调光焦度系统选自由以下组成的组
形状改变的透镜、折射率改变的透镜、可变反射镜、可变形光学器件、具有可调孔径的非球面透镜、液晶光学元件、可调反射光学元件、可调光电元件，以及其光学组件具有可调的相对位置的光学系统。
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