DE69919249T2

DE69919249T2 - System zum künstlichen Sehen

Info

Publication number: DE69919249T2
Application number: DE69919249T
Authority: DE
Inventors: Atsuo Shinjuku-ku Tokyo Minato
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: EP0940118A3; JPH11249085A; EP0940118A2; EP0940118B1; US6039447A; DE69919249D1; JP3322625B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein künstliches Sehsystem zum Simulieren eines Netzhautbilds nach Anspruch 1. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Simulieren eines Netzhautbilds nach Anspruch 11.
HINTERGRUND UND EINSCHLÄGIGER STAND DER TECHNIK
Aus der EP-A-0 810 427 ist eine Simulationsvorrichtung eines okular-optischen Systems zum Simulieren eines Netzhautbildes bekannt, das erhalten wird, wenn bei einem menschlichen Auge eine Linse verwendet wird. Diese bekannte Vorrichtung kann intraokuläre Linsen, Kontaktlinsen oder Brillenglaslinsen simulieren. Bei der Simulation von intraokulären Linsen weist ein Linsensystem photographische Linsen und einen Befestigungsbereich für eine intraokuläre Linse auf. Die intraokuläre Linse wird in ein oder mehreren flüssigkeitshaltigen Bereichen gehalten, die in dem Befestigungsbereich der intraokulären Linse vorgesehen sind. Die relative Position der photographischen Linsen und der intraokulären Linse wird eingestellt, indem man den paraxialen Objekt-Punkt-Abstand von einer vorderen Brechungsfläche der intraokulären Linse im wesentlichen dem Objekt-Punkt-Abstand gleichmacht, der errechnet wird, wenn eine Kristallinse des Okularmodells von Gullstrand durch die intraokuläre Linse ersetzt wird. Beim Simulieren eines Kontakts von Brillenglaslinsen weist eine Vorderfläche einer Linse, die in dem Linsensystem am nächsten zum Objekt angeordnet ist, im wesentlichen den selben Krümmungsradius auf wie die Hornhaut des menschlichen Auges, und eine Kontaktlinsen-Trägerbasis weist eine der Bindehaut des Auges entsprechende Form auf. Ein Bild des Objekts, das durch das so bezeichnete Linsensystem gebildet wird, wird durch eine CCD-Kamera erfaßt, und das Bild wird dann auf einer Anzeigeeinheit angezeigt.
Bei dieser bekannten Simulationsvorrichtung eines optischen Systems können sowohl der Winkel als auch die Position der intraokulären Linse variiert werden.
Aus der US-A-5,677,750 ist eine Vorrichtung zum Simulieren eines okular-optischen Systems bekannt, die ein durch ein menschliches Auge erzeugtes Netzhautbild durch eine optische Linse simuliert. Daten eines optischen Systems werden von einem optischen System, das eine Hornhaut, eine Pupille, eine intraokuläre Linse, eine Netzhaut etc. aufweist, erzeugt. Basierend auf den Daten des optischen Systems werden Punktstreufunktionen, die jeweils für eine Verteilung auf einer Bildebene eines Lichts, das von einem bestimmten Punkt emittiert wird, stehen, durch eine Punktstreufunktions-Berechnungseinrichtung berechnet. Die Bilddaten werden einer Faltintegration mit den Punktstreufunktionen unterzogen, wobei die Netzhautbilddaten bestimmt werden. Die Netzhautbilddaten werden in Anzeigedaten konvertiert, die an eine Anzeigeeinheit geliefert werden, um darauf ein Netzhautbild anzuzeigen. Das auf der Anzeigeeinheit angezeigte Netzhautbild ist ein Bild, das eigentlich durch das menschliche Auge auf der Netzhaut gebildet werden würde, und liefert einen exakten objektiven Hinweis darüber, wie das Bild durch den Patienten gesehen wird.
Da ein okular-optisches Bild sehr kompliziert ist und ein echtes Auges sehr schwierig zu handhaben ist, sind für ein optisches Standardmodell eines Augapfels verschiedene Vorschläge für Augensimulationen gemacht worden. Über die optischen Eigenschaften eines Augapfels (z. B. Veränderungen verschiedener optischer Bildern, wenn eine intraokuläre Linse implantiert wird) sind unter Verwendung derart simulierter Augen oder mittels Computersimulation unter Verwendung von optischen Konstanten, die anhand derart simulierter Augen berechnet wurden, Studien durchgeführt worden.
Auf dem Gebiet der Brillenglaslinsen werden derzeit verschiedene neue Typen von Linsen, wie z. B. eine progressive Multifokallinse, entwickelt. Bisher stellte es sich jedoch immer als ein Problem dar, daß eine objektive Betrachtung der Sehempfindung einer Versuchsperson, die diese Brillenglaslinsen trägt, nicht möglich war. Dieses Problem bildete bisher ein großes Hindernis bei der Erforschung und Entwicklung von Brillenglaslinsen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein okular-optisches Simulationssystem (japanische Patentanmeldung Nr. Hei. 301887) zum Simulieren eines Netzhautbildes entwickelt, das man erhält, wenn eine Versuchsperson eine Brillenglaslinse trägt. Dieses System verfügt über eine ein Auge simulierende Linse und weist ein Linsensystem zum Simulieren eines optischen Systems eines menschlichen Auges, wenn eine Versuchsperson eine Brillenglaslinse trägt, bei der die ein Auge simulierende Linse verwendet wird, eine Brillenglaslinse, die simuliert werden soll, und eine Bildaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines durch das Linsensystem gebildeten Bildes auf, um ein Netzhautbild einer Versuchsperson zu simulieren, die die Brillenglaslinse trägt.
Es ist notwendig, beim Simulieren der Optik einer Brillenglaslinse und eines Augapfels die Unterschiede zwischen gewöhnlichen optischen Systemen (Kamera, Teleskop und dergleichen) zu berücksichtigen. Das heißt, obwohl im Falle des gewöhnlichen optischen Systems, z. B. einer Kamera, wie sie in 14A gezeigt ist, ein Objekt in einem Weitbereich zeitgleich auf die Fläche eines Films abgebildet werden kann, empfängt ein Augapfel ein Bild in einem Weitbereich, während er sich dreht und dabei um einen Drehpunkt zentriert, wie in 14b gezeigt. Dies ist darin begründet, daß nicht alle Bilder, die auf der Netzhaut des Auges abgebildet werden, als klare Bilder empfunden werden, und nur ein Bild in einem schmalen Bereich des Fovea-Teils, der eine hohe Auflösung aufweist, als ein klares Bild gesehen wird. Dementsprechend ist es notwendig, die Drehbewegung (Okularbewegung), die sich auf den Drehpunkt des Augapfels zentriert, beim Simulieren der Brillenglaslinse und des Augapfels als ein optisches System zu berücksichtigen.
Ferner ist ein solides (dreidimensionales) Standardmeßobjekt (z. B. eine Tafel), das für den Verwendungszweck der Brillenglaslinse (z. B. Weitsicht, Nahsicht und dergleichen) geeignet ist, aus vorstehendem Grund zur Beurteilung der Leistung der Brillenglaslinse erforderlich. Dabei ist es jedoch schwierig, das Meßobjekt (Tafel) in einem dreidimensionalen Raum weitläufig anzuordnen, weil beispielsweise ein angemessener Installationsraum sichergestellt sein muß.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein künstliches Sehsystem zu schaffen, das ein Netzhautbild an jeder Augenposition simulieren kann, wenn eine Versuchsperson ein Standardobjekt betrachtet, indem sie ihren Augapfel in bezug auf die Brillenglaslinse dreht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein künstliches Sehsystem zu schaffen, das die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse, dem Augapfel und dem Standardobjekt an jeder Augenposition simulieren kann, wenn eine Versuchsperson das Standardobjekt durch die Brillenglaslinse betrachtet, indem sie ihren Augapfel zu dem an einer vorbestimmten Position aufgestellten Standardobjekt dreht, und das ein Netzhautbild an jeder Position des Augapfels simulieren kann.
Im Zusammenhang mit dem künstlichen Sehsystem der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch die Merkmale nach Anspruch 1 gelöst.
Verbesserte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen künstlichen Sehsystems resultieren aus den Unteransprüchen 2 bis 10.
Im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Simulieren eines Netzhautbildes werden die vorstehenden Aufgaben durch die Merkmale nach Anspruch 11 gelöst.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung der vorstehenden Aufgaben sieht die vorliegende Erfindung ein künstliches Sehsystem zum Simulieren eines Netzhautbildes an jeder Position vor, wenn eine Versuchsperson eine Brillenglaslinse aufsetzt und ein Standardmeßobjekt durch Drehen des Augapfels betrachtet.
Das System weist eine künstliche Sehkamera auf, die ein künstliches Sehlinsensystem, das einem okular-optischen System entspricht, und eine planare Bildaufnahme, die einer Netzhaut entspricht, aufweist. Ein Drehmechanismus ist zum relativen Drehen der künstlichen Sehkamera in bezug auf die Brillenglaslinse um einen Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems vorgesehen, um eine Okularbewegung zu simulieren, durch die sich der Augapfel dreht, wobei er sich auf seinen Drehpunkt in bezug auf die Brillenglaslinse zentriert.
Weil die künstliche Sehkamera in bezug auf die Brillenglaslinse um einen Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems relativ gedreht wird, kann die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem Augapfel beim Drehen des Augapfels simuliert werden. Dementsprechend ermöglicht das erfindungsgemäße System die Betrachtung von Veränderungen im Netzhautbild, wenn eine Versuchsperson ein Standardmeßobjekt durch unterschiedliche Positionen der Brillenglaslinse betrachtet, indem sie die Richtung der Blicklinie ändert.
Das Drehen des künstlichen Sehlinsensystems um den Drehpunkt kann dadurch realisiert werden, daß die künstliche Sehkamera in bezug auf die Brillenglaslinse um zwei Achsen (z. B. eine Achse in vertikaler und eine horizontaler Richtung) relativ gedreht wird, wobei diese durch den Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems und orthogonal zueinander verlaufen. In diesem Fall kann die künstliche Sehkamera, die dem Augapfel entspricht, um die vertikale und horizontale Achse in bezug auf die Brillenglaslinse gedreht werden, indem die Brillenglaslinse identisch mit der tatsächlichen Beziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem Augapfel befestigt wird, oder entweder die künstliche Sehkamera oder die Brillenglaslinse können jeweils um die vertikale Achse und die andere um die horizontale Achse gedreht werden.
Eine zweite Ausführungsform des künstlichen Sehsystems zum Simulieren eines Netzhautbilds an jeder Position, wenn eine Versuchsperson eine Brillenglaslinse aufsetzt und ein Standardmeßobjekt betrachtet, indem sie ihren Augapfel dreht, weist folgende Merkmale auf: eine künstliche Sehkamera mit einem künstlichen Sehlinsensystem, das einem okular-optischen System entspricht, und einer planaren Bildaufnahme, die einer Netzhaut entspricht; und einen Mechanismus zum Ausüben einer Parallelbewegung und Drehung auf die Brillenglaslinse und die künstliche Sehkamera, so daß die künstliche Sehkamera in Richtung des Standardmeßobjekts an einer vorbestimmten Position durch die Brillenglaslinse gerichtet ist, während die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem Augapfel in jeder Position simuliert wird.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die Parallelbewegung und die Drehung auf die Brillenglaslinse und die künstliche Sehkamera ausgeübt, um die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem Augapfel zu simulieren, wenn der Augapfel ähnlich der ersten Ausführungsform gedreht wird, so daß die künstliche Sehkamera an einer vorbestimmten Position durch die Brillenglaslinse stets zum Standardmeßobjekt gerichtet ist
Da eine Brillenglaslinse wie ein Prisma Licht bricht, wird die Sehachse (optische Achse), die durch die Brillenglaslinse gelangt, durch die Brillenglaslinse gebrochen. Somit kann die Positionsbeziehung zwischen dem Augapfel, der Brillenglaslinse und dem Standardmeßobjekt nicht exakt simuliert werden, indem lediglich die Brillenglaslinse und die künstliche Sehkamera relativ gedreht werden. Gemäß der zweiten Ausführungsform werden daher die Parallelbewegung und die Drehung auf die Brillenglaslinse und die künstliche Sehkamera ausgeübt, so daß die Sehachse (optische Achse) der künstlichen Sehkamera auf die Vorderseite des Meßobjekts gerichtet ist und so daß die Sehachse (optische Achse) der künstlichen Sehkamera mit dem Mittelpunkt des Meßobjekts an jeder Meßposition zusammentrifft, wenn eine Versuchsperson das Standardmeßobjekt durch die Brillenglaslinse durch Drehen ihres Augapfels betrachtet.
Dementsprechend kann das Netzhautbild, das bei Betrachten des Meßobjekts durch unterschiedliche Bereiche einer Brillenglaslinse durch Drehen des Augapfels erhalten wird, simuliert werden, indem die künstliche Sehkamera, das Standardmeßobjekt etc. erfindungsgemäß eindimensional angeordnet werden, so daß die Simulation in einem kleinen Raum mit einfachen Mitteln ausgeführt werden kann.
Eine dritte Ausführungsform des künstlichen Sehsystems zum Simulieren eines Netzhautbildes an jeder Drehposition, wenn eine Versuchsperson eine Brillenglaslinse aufsetzt und ein Standardmeßobjekt betrachtet, indem sie ihren Augapfel dreht, weist folgende Merkmale auf: eine künstliche Sehkamera mit einem künstlichen Sehlinsensystem, das einem okular-optischen System entspricht, und einer planaren Bildaufnahme, die einer Netzhaut entspricht, und einen Drehmechanismus zum relativen Drehen der künstlichen Sehkamera in bezug auf die Brillenglaslinse um einen Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems zum Simulieren eine Okularbewegung, durch die der Augapfel sich auf seinen Drehpunkt in bezug auf die Brillenglaslinse zentriert; und einen Mechanismus zum Ausüben einer dreidimensionalen Drehung auf Stufen, auf denen die Brillenglaslinse, die künstliche Sehkamera und der Drehmechanismus plaziert sind, so daß die künstliche Sehkamera in Richtung des Standardmeßobjekts gerichtet ist, das an einer vorbestimmten Position durch die Brillenglaslinse angeordnet ist.
Erfindungsgemäß kann die Sehachse (optische Achse) der künstlichen Sehkamera so eingestellt werden, daß sie stets zur Vorderseite des Standardmeßobjekts gerichtet ist, indem ein Mechanismus zum Ausüben einer dreidimensionalen Drehung auf die Stufen bereitgestellt wird, auf denen die Brillenglaslinse, die künstliche Sehkamera und der vorstehend erwähnte Drehmechanismus befestigt sind.
Eine vierte Ausführungsform des künstlichen Sehsystems zum Simulieren eines Netzhautbildes an jeder Drehposition, wenn jemand eine Brillenglaslinse aufsetzt und ein Standardmeßobjekt durch Drehen seines Augapfels betrachtet, weist folgende Merkmale auf: eine künstliche Sehkamera mit einem künstliches Sehlinsensystem, das einem okular-optischen System entspricht, und einer planaren Bildaufnahme, die einer Netzhaut entspricht; einen Drehmechanismus zum Drehen der künstlichen Sehkamera in bezug auf die Brillenglaslinse um einen Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems zum Simulieren einer Okularbewegung, durch die sich der Augapfel zentrierend auf seinen Drehpunkt in bezug auf die Brillenglaslinse dreht; und Mechanismen zum Ausüben einer dreidimensionalen Drehung und Parallelbewegung auf Stufen, auf denen die Brillenglaslinse, die künstliche Sehkamera und der Drehmechanismus plaziert sind, so daß die künstliche Sehkamera in Richtung des Standardmeßobjekts an einer vorbestimmten Position durch die Brillenglaslinse gerichtet ist.
Diese vierte Ausführungsform realisiert die selbe Bewegung wie die zweite Ausführungsform in bezug auf die Brillenglaslinse und die künstliche Sehkamera. Zu diesem Zweck werden die dreidimensionale Parallelbewegung und die Drehung auf die Stufen ausgeübt. Auf diese Weise ist die Sehachse (optische Achse) der künstlichen Sehkamera zur Vorderseite des Standardmeßobjekts gerichtet. Somit trifft die Sehachse (optische Achse) der künstlichen Sehkamera mit dem Mittelpunkt des Meßobjekts an jeder Meßposition zusammen, wenn ein Betrachter das Standardmeßobjekt durch die Brillenglaslinse durch Drehung seines Augapfels betrachtet. Gleichzeitig wird die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem Augapfel an jeder Drehposition unverändert beibehalten, während die Okularbewegung in bezug auf die Brillenglaslinse durch relatives Drehen der künstlichen Sehkamera in bezug auf die Brillenglaslinse simuliert wird, indem der Drehmechanismus auf der Stufe ähnlich zur ersten Ausführungsform verwendet wird.
Bei der ersten bis fünften Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, ist das künstliches Sehlinsensystem bevorzugt auf Grundlage von optischen Konstanten eines paraxialen Bereiches entworfen worden, die anhand des simulierten Auges berechnet worden sind, so daß die Positionsbeziehung zwischen einer Brillenglaslinse und einem objektseitigen Hauptpunkt eines Augapfels simuliert werden kann.
Die Verwendung dieses künstlichen Sehlinsensystems ermöglicht der Brillenglaslinse, an einer gewünschten Position auf der Objektseite von der Vorderseite des künstlichen Sehlinsensystems (entspricht der Vorderfläche der Hornhaut) angeordnet zu werden, dem Drehpunkt, an einer gewünschten Position auf der Bildseite von der Vorderfläche des künstlichen Sehlinsensystems angeordnet zu werden, und ermöglicht der Positionierung der Brillenglaslinse und des Augapfels, korrekt simuliert zu werden. Obgleich nur ein schmales Netzhautbild am Fovea-Teil durch das menschliche Auge scharf wahrgenommen wird, kann das Bild in diesem schmalen Sehbereich voll simuliert werden, indem das künstliches Sehlinsensystem auf Grundlage eines simulierten Auges entworfen wird, wie z. B. das präzisionssimulierte Gullstrand-Auge, dessen optische Konstanten, d. h. Brennweite, Position des Pupilleneingangs etc., im paraxialen Bereich sich nicht so stark von denen des menschlichen Auges unterscheiden. Zudem ist das künstliche Sehlinsensystem relativ einfach herzustellen.
Das optische System des künstlichen Sehlinsensystems weist bevorzugt, in Reihenfolge von der Objektseite, eine vordere Linsengruppe mit einer negativen Brechkraft, einen Anschlag und eine hintere Linsengruppe mit einer positiven Brechkraft auf, und das optische System ist so angeordnet, daß die Fokalposition durch Bewegen der hinteren Linsengruppe gesteuert werden kann. Indem das System wie vorstehend beschrieben konstruiert wird, kann die Fokalposition ohne Ändern der Position des Pupilleneingangs des künstlichen Sehlinsensystems gesteuert werden.
Eigenschaften, die dem menschlichen Sehvermögen etc. gleichkommen, können realisiert werden, und die künstliche Sehkamera kann unter Verwendung von CCDs als die in den vorstehenden Ausführungsformen genannte, planare Bildaufnahme kompakt konstruiert werden. Zudem kann das Netzhautbild, das erhalten wird, wenn man die Brillenglaslinse aufsetzt, in Echtzeit betrachtet werden, indem man eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen des Bildes bereitstellt, das durch die künstliche Sehkamera aufgenommen wird.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein künstliches Sehsystem zum Simulieren eines Netzhautbilds vorgesehen, das erhalten wird, wenn ein Betrachter ein Objekt durch eine Linse durch Drehen seines Augapfels betrachtet. Das System weist folgende Merkmale auf: eine künstliche Sehkamera mit einem künstlichen okular-optischen System mit einem simulierten Drehpunkt und einer planaren Bildaufnahme; eine Linsenhalterung; und einen Mechanismus, der mit der künstlichen Sehkamera betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera um den simulierten Drehpunkt relativ zu einer Linse, die in der Linsenhalterung gehalten wird, zu drehen. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein sich zu letzterer Ausführungsform unterscheidendes System mit einem ersten Mechanismus vorgesehen, der mit der künstlichen Sehkamera betrieblich verbun den ist, um die künstliche Sehkamera um den simulierten Drehpunkt relativ zu einer Linse, die in der Linsenhalterung gehalten wird, zu drehen; und einem zweiten Mechanismus, der mit der Halterung betrieblich verbunden ist, um eine in der Linsenhalterung gehaltene Linse relativ zur künstliche Sehkamera zu positionieren.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist das System mit einem ersten Mechanismus versehen, der mit der künstlichen Sehkamera betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera um den simulierten Drehpunkt relativ zu einer in der Linsenhalterung gehaltenen Linse zu drehen; einem zweiten Mechanismus, der mit der Linsenhalterung betrieblich verbunden ist, um eine in der Halterung gehaltene Linse relativ zur künstliche Sehkamera zu positionieren; und einem Standardobjekt; wobei die ersten und zweiten Mechanismen betrieblich verbunden sind, um die künstliche Sehkamera so zu positionieren, daß sie durch eine Brillenglaslinse, die in der Linsenhalterung gehalten wird, auf eine vorbestimmte Position auf dem Standardobjekt gerichtet ist.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist das System mit einem ersten Mechanismus versehen, der mit der künstlichen Sehkamera betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera um den simulierten Drehpunkt relativ zu einer in der Linsenhalterung gehaltenen Linse zu drehen; einem zweiten Mechanismus, der mit der Linsenhalterung betrieblich verbunden ist, um eine in der Halterung gehaltene Linse relativ zur künstlichen Sehkamera zu positionieren; einem dritten Mechanismus, der mit den ersten und zweiten Mechanismen betrieblich verbunden ist, um auf die Linsenhalterung und die künstliche Sehkamera eine Drehung und Parallelbewegung auszuüben; und einem Standardobjekt, wobei die ersten und zweiten Mechanismen betrieblich verbunden sind, um die künstliche Sehkamera so zu positionieren, daß sie durch eine Brillenglaslinse, die in der Linsenhalterung gehalten wird, auf eine vorbestimmte Position auf dem Standardobjekt gerichtet ist.
In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Simulieren eines Netzhautbildes vorgesehen, das erhalten wird, wenn ein Betrachter ein Objekt durch eine Linse durch Drehen seines Augapfels betrachtet. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Bereitstellen einer künstlichen Sehkamera, die ein künstliches okular-optisches System mit einem simulierten Drehpunkt und eine planare Bildaufnahme aufweist; Bereitstellen einer Linsenhalterung zum Halten einer Linse, Bereitstellen einer Linse; und Bewegen der Linse und der künstlichen Sehkamera zum Simulieren einer Bewegung der künstlichen Sehkamera um den Drehpunkt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführurugsform eines künstlichen Sehsystems der vorliegenden Erfindung darstellt.
2a bis 2c sind erläuternde Diagramme zur Erörterung der Drehung der künstlichen Sehkamera und einer Brillenglaslinse, die in 1 gezeigt sind.
3 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und einem künstliches Sehlinsensystem innerhalb der künstlichen Sehkamera darstellt.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand darstellt, in dem die künstliche Sehkamera ein Standardmeßobjekt durch einen Nahsichtbereich der Brillenglaslinse betrachtet.
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Entstehung eines Bildes durch die Brillenglaslinse und ein simuliertes Auge, das einen Augapfel ersetzt, darstellt.
6 ist ein Diagramm, das die Anordnung des künstlichen Sehlinsensystems, eines Verschlusses und von CCDs einer CCD-Kamera darstellt, die in einer künstlichen Sehkamera vorgesehen sind.
7a bis 7c sind Diagramme, die die Akkommodation der Fokalposition des künstlichen Sehlinsensystems veranschaulichen.
8 ist eine Tabelle, die veranschaulichende numerische Daten, wie z. B. Krümmungsradius einer jeden Linsenfläche des künstlichen Sehlinsensystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist eine Tabelle, die veranschaulichende optische Konstanten wie die Brennweite des künstliches Sehlinsensystem der vorliegenden Erfindung darstellt.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau des Systems zur Beurteilung der Leistung einer Brillenglaslinse durch Betrachten eines Standardmeßobjekts (z. B. einer Tafel) aus der Entfernung und aus der Nähe durch Verwendung des künstlichen Sehsystems, das in 1 gezeigt ist, darstellt.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Anordnung zum Messen von Weitsichtigkeit durch Verwendung des in 10 gezeigten Systems darstellt.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Anordnung beim Messen von Kurzsichtigkeit durch Verwendung des in 10 gezeigten Systems darstellt.
13-1(a)–13-3(c) sind Diagramme zum Erörtern von Dreh- und Parallelbewegungen der künstlichen Sehkamera und der Brillenglaslinse zum Simulieren der Positionsbeziehung zwischen einem Augapfel, der Brillenglaslinse und dem Meßobjekt, wenn der Augapfel gedreht wird.
14a u. 14b sind erläuternde Diagramme zur Veranschaulichung von Unterschieden zwischen einem gewöhnlichen optischen System und einem optischen Brillenglassystem.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es folgt nun eine Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen sowie unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen sind.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines künstlichen Sehsystems gemäß der vorliegenden Erfindung. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen (1) eine künstliche Sehkamera. Ein künstliches Sehlinsensystem, das einem okular-optischen System entspricht, und eine CCD-Kamera mit CCDs, die als planare Bildaufnahme funktionieren, die einer Netzhaut entspricht, sind in der künstlichen Sehkamera 1 vorgesehen. Eine Brillenglaslinse 2 ist vor der künstlichen Sehkamera 1 vorgesehen, so daß sie zu einem künstlichen Sehlinsensystem 3, das in 1 bis 3 gezeigt ist, gerichtet ist. Benötigt wird ein Systemaufbau, der ermöglicht, daß (1) eine optische Achse oder Blicklinie und eine Bildoberfläche kontinuierlich beurteilt werden können, und (2) die Position der Brillenglaslinse, durch die der Lichtstrom hindurch gelangt, entsprechend der Drehung des Augapfels geändert werden kann. Dieser Aufbau simuliert den Effekt der Drehbewegung des Augapfels, der sich auf seinen Drehpunkt in bezug auf die Brillenglaslinse zentriert.
Die Drehbewegung, d. h. Okularbewegung, des Augapfels um den Drehpunkt kann durch Kombinieren einer Drehung in horizontaler Richtung, d. h. Drehung um eine Z-Achse, die durch den Drehpunkt des Augapfels verläuft, und einer Drehung in vertikaler Richtung, d. h. Drehung um eine Y-Achse, die durch den Drehpunkt des Augapfels verläuft, wie in 2 gezeigt ist, realisiert werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Drehbewegung des Augapfels derart simuliert, daß die Drehung in horizontaler Richtung, d. h. eine Drehung um eine Z-Achse, die durch einen Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems verläuft, durch die künstliche Sehkamera 1 ausgeführt wird, und eine Drehung in vertikaler Richtung, d. h. eine Drehung um eine Y-Achse, die durch den Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems verläuft, durch die Brillenglaslinse 2 ausgeführt wird.
Das heißt, daß eine Drehung in horizontaler Richtung, beispielsweise nach rechts und links in 1, durch Plazieren der künstlichen Sehkamera 1, d. h. des künstlichen Sehlinsensystems und der CCD-Kamera, auf einer Befestigung 6 auf einer Drehstufe 7, wie in 1 und 2a gezeigt ist, ermöglicht wird. Ferner ist die künstliche Sehkamera 1 so angeordnet, daß ihre Position auf den Drehpunkt der Drehstufe 7 eingestellt werden kann, so daß die Position des Drehpunkts der Drehstufe 7 mit der Position des Drehpunkts des künstlichen Sehlinsensystems übereinstimmt. Bei dieser Konfiguration wird der gleiche Effekt wie bei der Drehbewegung des Augapfels in horizontaler Richtung um den Drehpunkt erzielt.
Die Brillenglaslinse 2 ist an einer Drehstufe 9 über einen Tragestab 8 angebracht, wie in 1 und 2b gezeigt ist, so daß die Brillenglaslinse 2 in vertikaler Richtung gedreht werden kann, z. B. in Aufwärts- und Abwärtsrichtung in 1, indem die Drehstufe 9 gedreht wird. Das System ist so angeordnet, daß ein Abstand S von der hinteren Fläche der Brillenglaslinse 2 zur ersten Fläche des künstlichen Sehlinsensystems 3, wie in 3 gezeigt ist, d. h. entsprechend dem Scheitelpunkt der Hornhaut eines Augapfels, eingestellt werden kann, so daß die Position des Drehpunkts der Drehstufe 9 mit der Position des Drehpunkts des künstlichen Sehlinsensystems 3 zusammentrifft. Auf diese Weise kann der selbe Effekt wie bei der Drehbewegung eines sich auf den Drehpunkt zentrierenden Augapfels in vertikaler Richtung erzielt werden.
Der selbe Effekt wie bei der Drehbewegung, d. h. Okularbewegung, eines Augapfels, der sich auf seinen Drehpunkt zentriert, kann durch entsprechendes Kombinieren dieser beiden Drehbewegungen in die horizontale und vertikale Richtung erreicht werden. 4 zeigt ein Beispiel der Betrachtung eines Standardmeßobjekts durch Verwendung der künstlichen Sehkamera 1, wobei die künstliche Sehkamera 1 ein in der Nähe befindliches Standardmeßobjekt 18, wie z. B. eine Zeitung oder eine optische Tafel, durch einen Nahsichtbereich der Brillenglaslinse 2, z. B. eine Multifokallinse, betrachtet.
Die Drehstufe 7 zum Drehen der künstlichen Sehkamera 1 und ein Tragebereich 10 zum Tragen einer Drehstufe 9 zum Drehen der Brillenglaslinse 2 sind auf einer Stufe 11 vorgesehen. Die Brillenglaslinse 2 und die künstliche Sehkamera 1 sind so angeordnet, daß sie jeweils um 30 Grad und in Aufwärts- und Abwärtsrichtung sowie nach rechts und links gedreht werden können.
Beim Beurteilen der Leistung der Brillenglaslinse durch das Standardobjekt oder eine Tafel ist es erforderlich, ein Netzhautbild an jeder Position zu betrachten, wenn sich die Position des Lichtstroms, der vom Standardobjekt (Tafel) auf der Außenseite durch die Brillenglaslinse übertragen wird, mit der Drehung des Augapfels ändert. Die Umsetzung dieses Ziels ist sehr schwierig, weil eine große Anzahl von Standardobjekten oder Tafeln in einem dreidimensionalen Raum oder Sehbereich aufgestellt werden müssen, beispielsweise in einem weiten Bereich in vielen verschiedenen Positionen in Aufwärts- und Abwärtsrichtung und nach rechts und links und von Nah- zu Fernpositionen, der durch Verändern der Blicklinie sichtbar ist, wenn die künstliche Sehkamera, die einem Augapfel entspricht, um den Drehpunkt gedreht wird, beispielsweise nach oben und unten oder nach rechts und links.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Tafel oder ein anderes Standardmeßobjekt in einer Richtung befestigt, und eine dreidimensionale Drehung und eine Parallelbewegung werden durch die künstliche Sehkamera 1 und die Brillenglaslinse 2 zum Simulieren der Positionsbeziehung zwischen dem Augapfel, der Brillenglaslinse und der Tafel oder dem Standardobjekt erreicht, wenn sich der Augapfel dreht. Ein Dreh- und Parallelbewegungsmechanismus ist unter der Stufe 11, auf der die Brillenglaslinse 2 und die künstliche Sehkamera 1 befestigt sind, vorgesehen. Der Mechanismus ist so angeordnet, daß die optische Achse (Sehachse) der künstlichen Sehkamera 1 stets zur Tafel oder einem anderen Standardmeßobjekt in einer vorbestimmten Richtung gerichtet ist, während die Drehbewegungen eines Augapfels simuliert werden, der sich auf den Drehpunkt in bezug auf die Brillenglaslinse zentriert. Dies wird durch Drehen der künstlichen Sehkamera 1 mittels der Drehstufe 7 in die horizontale Richtung und Drehen der Brillenglaslinse 2 mittels der Drehstufe 9 in die vertikale Richtung, wie vorstehend beschrieben, erreicht.
Die vorstehenden Bewegungen können konkret erörtert werden, indem die Richtung der optischen Achse (Sehachse) der künstlichen Sehkamera 1 als X-Richtung eingestellt wird, die Richtung nach rechts und links in bezug auf die Brillenglaslinse 2 als die Y-Richtung eingestellt wird, und die Richtung nach oben und unten in bezug auf die Brillenglaslinse 2 als die Z-Richtung eingestellt wird, wie in 1 gezeigt ist. Direkt unter der Stufe 11, auf der die Brillenglaslinse 2 und die künstliche Sehkamera 1 befestigt sind, befindet sich eine Drehstufe 12, die sich um die Z-Achse dreht, eine Goniostufe 13, die sich um die Y-Achse dreht, eine XY-Stufe 14, die sich parallel zur X- und Y-Richtung dreht, und eine Z-Stufe 16 an der Unterseite der Figur, die sich parallel zur Z-Richtung bewegt. Die Anordnung ist zudem so angeordnet, daß die Drehung um die X-Achse durch Verarbeitung eines Bildes erreicht wird, das in die künstliche Sehkamera 1 aufgenommen wurde. Es ist zu beachten, daß das Bezugszeichen (15) eine Befestigungsplatte der XY-Stufe 14 und das Bezugszeichen (17) eine Unterlage bezeichnet.
Dadurch kann die optische Achse (Sehachse) der künstlichen Sehkamera 1 so eingestellt werden, daß sie stets zur Tafel oder dem Standardmeßobjekt in einer feststehenden Richtung durch die Brillenglaslinse 2 gerichtet ist. Das heißt, daß die Positionsbeziehung zwischen dem Augapfel, der Brillenglaslinse und dem Meßobjekt, wenn der Augapfel gedreht wird, sogar mit dem Standardmeßobjekt an einer feststehenden Position simuliert werden können, indem dreidimensionale Dreh- und Linearbewegungen auf die künstliche Sehkamera 1 und die Brillenglaslinse 2 ausgeübt werden. Diese Beziehung wird nachstehend genauer erörtert.
13-1(a) zeigt einen Fall, in dem eine Versuchsperson, die eine Brillenglaslinse 2, wie z. B. eine progressive Multifokallinse, trägt, ein Standardmeßobjekt O durch einen Weitsichtbereich der Brillenglaslinse 2 betrachtet, während sie in gerader Körperhaltung und in horizontaler Blicklinie dasteht. In diesem Zustand ist eine Sehachse (optische Achse) A eines Augapfels E eine gerade Linie, die durch die Brillenglaslinse 2 verläuft. Die Beziehung zwischen dem Augapfel E, der Brillenglaslinse 2 und dem Meßobjekt O kann zu diesem Zeitpunkt simuliert werden, indem eine Sehachse (optische Achse) A der künstlichen Sehkamera 1 horizontal gehalten wird, wie in 13-1(b) gezeigt ist, da die Sehachse (optische Achse) A durch den Weitsichtbereich linear verläuft und zur Vorderseite des Meßobjekts O gerichtet ist. 13-2 zeigt einen Fall, in dem die Versuchsperson ihren Hals (Kopf) nach unten neigt, ohne den Augapfel E aus dem in 13-1(a) gezeigten Zustand zu bewegen, wobei die Beziehung zwischen dem Augapfel E, der Brillenglaslinse 2 und dem Meßobjekt O mit der in 13-1(a) gezeigten Beziehung identisch ist und auch wie in 13-1(b) gezeigt simuliert werden kann.
Wenn die Versuchsperson jedoch das unter ihr befindliche Standardmeßobjekt O durch den Nachsichtbereich der Brillenglaslinse 2 durch Bewegen von nur dem Augapfel E betrachtet, wie in 13-3(a) gezeigt ist, trifft die Sehachse (optische Achse) A des Augapfels E nicht mit einer geraden Linie A' zusammen, die linear verläuft und sich durch die Brillenglaslinse 2 erstreckt, wie in 13-1(a) gezeigt ist. Dies ist darin begründet, daß die Brillenglaslinse 2 wie ein Prisma funktioniert und die Sehachse (optische Achse) A durch die Brillenglaslinse 2 abgelenkt wird und der Augapfel E nicht in die A'-Richtung sondern in die A-Richtung blickt.
Wenn folglich nur die Brillenglaslinse 2 nach oben, um den Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems gedreht wird, wie in 13-3(b) gezeigt ist, um die Abwärtsdrehung des Augapfels E zu simulieren, ohne die Positionsbeziehung zwischen der künstlichen Sehkamera 1 und dem Meßobjekt O zu ändern, während der gleiche Zustand wie in 13-1(b) gezeigt beibehalten wird, verläuft z. B. die Sehachse A der künstlichen Sehkamera 1, also die Aufnahmerichtung der künstlichen Sehkamera 1, nicht linear durch die Brillenglaslinse 2 wie eine gerade Linie A', sondern wird durch die Brillenglaslinse 2 abgelenkt und ist nicht zur Vorderseite des Meßobjekts O gerichtet, das eventuell befestigt sein könnte. Die Leistung der Brillenglaslinse 2 kann in so einem Fall nicht korrekt beurteilt werden.
Die Goniostufe 13 unter der Stufe 11 wird daher gedreht, während die Positionsbeziehung (Zustand in 13-3(b) zwischen der künstlichen Sehkamera 1 und der Brillenglaslinse 2 auf der Stufe 11, wie in 13(3)c gezeigt ist, so daß die Sehachse (optische Achse) A der künstlichen Sehkamera 1 zur Vorderseite des Meßobjekts O (feststehend) gerichtet ist) beibehalten wird. Ferner werden die künstliche Sehkamera 1 und die Brillenglaslinse 2 durch die Z-Stufe 16 unter der Stufe 11 auf- und abwärtsbewegt, um die Anordnung einzustellen, so daß die Sehachse (optische Achse) A der künstlichen Sehkamera 1 am Mittelpunkt C des Meßobjekts O an jeder Meßposition positioniert ist, um den Fall zu simulieren, wenn das Meßobjekt O durch die Brillenglaslinse 2 betrachtet wird, indem der Augapfel E gedreht wird.
Das Verfahren zum Korrigieren der Ablenkung der Sehachse (optischen Achse) A der künstlichen Sehkamera 1 ist soeben der Einfachheit halber und unter Bezugnahme auf 13 nur im Hinblick auf eine Ablenkung in vertikaler Richtung beschrieben wor den, die durch die Brillenglaslinse 2 bewirkt wird, wenn der Augapfel E gedreht wird. Die Sehachse (optische Achse) A der künstlichen Sehkamera 1 kann tatsächlich durch die Brillenglaslinse 2 abgelenkt werden, und zwar nicht nur in die vertikale Richtung, sondern auch in die horizontale Richtung, wenn der Augapfel E in die vertikale und horizontale Richtung gedreht wird.
Dementsprechend wird die Positionsbeziehung zwischen dem Augapfel E und der Brillenglaslinse 2 und dem Meßobjekt O durch einen dreidimensionalen Dreh- und Parallelbewegungs-Mechanismus simuliert, einschließlich des Falls einer Bildverarbeitung, wobei z. B. die Drehstufe 12, die Goniostufe 13, die XY-Stufe 14 und die Z-Stufe 14 unter der Stufe 11 vorgesehen sind; während die vertikale Drehung des Augapfels E an sich durch die vertikale Drehung der Brillenglaslinse 2 simuliert wird und die horizontale Drehung des Augapfels E an sich durch die horizontale Drehung der künstlichen Sehkamera 1 simuliert wird, um die Positionsbeziehung zwischen dem Augapfel E, der Brillenglaslinse 2 und dem Meßobjekt O zu simulieren.
Der Aufbau unter der Stufe 11 zum Simulieren der Okularbewegung durch Drehung der künstlichen Sehkamera 1 und der Brillenglaslinse 2 kann durch eine beliebige geeignete Anordnung mit einem Parallelbewegungs- und Drehmechanismus in Richtung von jeweils der X-, Y- und Z-Achsen realisiert werden. Zum Beispiel ist es möglich, die Anordnung so anzuordnen, daß eine Goniostufe, die sich um die Y-Achse gleich unter der Stufe 11 dreht, und dann eine Drehstufe, die sich um die Z-Achse dreht, eine Z-Stufe, die sich parallel in Z-Richtung dreht, und eine XY-Stufe, die sich parallel zur X- und Y-Richtung an der Unterseite bewegt, befestigt wird. Eine Drehung um die X-Achse kann durch Verarbeitung von Bildern, die aufgenommen worden sind, realisiert werden.
Das künstliche Sehlinsensystem 3, das in der künstlichen Sehkamera 1 verwendet wird, wird anschließend beschrieben.
Während sich Licht, das durch die Brillenglaslinse gelangt ist, zu einer Pupille (Eingang zur Pupille) des Auges fortbewegt, ändern sich die Helligkeit eines Bildes und die Größe eines Sehbereichs, wenn sich ein Abstand zwischen den Scheitelpunkten der hinteren Fläche der Brillenglaslinse und der Hornhaut und die Position der Pupille (Position des Eingangs zur Pupille) verschieben, wenn das das Auge ersetzende optische System, wie in 5 gezeigt, verwendet wird. Somit ist es notwendig, den vorstehend erwähnten Abstand und die Position gebührend zu berücksichtigen, so daß sie korrekt eingestellt werden können. Die Brillenglaslinse und der Zustand des Augapfels können jedoch nicht durch Fertigbilder und industriell gefertigte Linsen simuliert werden, weil die Position des objektseitigen Hauptpunkts und der Eingang zur Pupille sich im Vergleich zum Augapfel auf einer hinteren Seite befinden, und der Abstand zwischen den Scheitelpunkten nicht korrekt eingestellt werden kann. Das heißt, da sich die Helligkeit des Bildes und die Größe des Sehbereichs beim Simulieren des Netzhautbildes durch Verwendung einer Brillenglaslinse und eines optischen Systems, wie z. B. Fertigphotolinsen, weitgehend ändern, kann die Linse auf diese Weise nicht korrekt beurteilt werden. Daher besteht Bedarf an einem optischen System, das es ermöglicht, daß der Abstand zwischen den Scheitelpunkten und der Position des Eingangs zur Pupille korrekt eingestellt werden können.
Das künstliche Sehlinsensystem 3 gemäß der vorliegenden Erfindung ist unter Bezugnahme auf optische Konstanten eines paraxialen Bereichs konzipiert und gefertigt worden, die anhand eines präzisionsimulierten Gullstrand-Auges berechnet wurde, so daß die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und der Position des objektseitigen Hauptpunkts des Augapfels korrekt simuliert werden können.
Eine Anzahl von simulierten Augen, deren okulare Bilderzeugungseigenschaften auf die tatsächlichen Messungen eingestellt sind, sind in jüngster Zeit vorgeschlagen worden, so z. B. eines, das eine asphärische Linse (R. Navarro, 1985) verwendet, eines, bei dem eine Kristallinse mehrfach beschichtet wird (O. Pomerantzeff 1984), und eines, das eine Linse mit verteiltem Index verwendet (J. Warren Blaker, 1980). Bei der Herstellung dieser simulierten Augen gab es jedoch technische Probleme. Daher sind die optischen Konstanten im paraxialen Bereich des präzisionssimulierten Gullstrand-Auges übernommen worden, weil die optischen Konstanten (Brennweite, Position des Pupilleneingangs und andere) des menschlichen Auges sich nicht so stark von denen im paraxialen Bereich unterscheiden.
6 zeigt die Anordnung des künstlichen Sehlinsensystems 3, eines Verschlusses 4 der CCD-Kamera und der CCDs (CCD-Oberfläche) 5. Wie in 6 gezeigt, weist das künstliche Sehlinsensystem 3, in Reihenfolge von der Objektseite, eine vordere Linsengruppe 31, die aus Linsen L₁ und L₂ besteht und die über eine negative Brechkraft verfügt, einen Anschlag 32 und eine hintere Linsengruppe 33 auf, die aus Linsen L₃ bis L₆ besteht und die über eine positive Brechkraft verfügt. Der objektseitige Hauptpunkt des gesamten Systems und der Drehpunkt (oder der Pupilleneingang) sind an Positionen angeordnet, die zum Simulieren der Brillenglaslinse geeignet sind.
Die Fokalposition des künstlichen Sehlinsensystems 3 kann mit einer Akkommodationsfähigkeit von ±3,0 D (Dioptrie) akkommodiert werden, indem die hintere Linsengruppe 33 hinter den Anschlag 32 des optischen Systems bewegt wird, wie in 7 gezeigt ist. 7b zeigt die Referenzposition bei 0,0 D. 7a zeigt einen Zustand, in dem die hintere Linsengruppe 33 aus dem Zustand in 7b nach vorne bewegt wird, um die Brechkraft um +3,0 D zu erhöhen, und 7c zeigt einen Zustand, in dem die hintere Linsengruppe 33 aus dem in 7b gezeigten Zustand nach hinten bewegt wird, um die Brechkraft um –3,0 D zu reduzieren. Somit kann die Brechkraft durch Bewegen der hinteren Linsengruppe 33 hinter den Anschlag 32 gesteuert werden, so daß die Position des Pupilleneingangs sich selbst dann nicht ändert, wenn die Fokalposition des künstlichen Sehlinsensystems 3 geändert wird. Weil die Brechkraft des künstlichen Sehlinsensystems 3 geändert werden kann, kann ferner simuliert werden, wie Dinge entsprechend einer Akkommodationsfähigkeit der Augen von jeweiligen Personen gesehen werden, bei denen ein normales Sehvermögen, Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit, Alterssichtigkeit und der gleichen vorliegt.
8 zeigt numerische Daten der Linsen L₁ bis L₆. In 8 bezeichnen die jeweiligen Symbole r₁, r₂, ... einen Krümmungsradius einer jeden Linsenfläche einschließlich des Anschlags (siehe 6), und r₁ bis r₂, r₂ bis r₃, ... bezeichnen Zwischenräume, d. h. einen Abstand auf der optischen Achse, zwischen den jeweiligen Linsenflächen (einschließlich des Anschlags). Bei r₁ bis r₂ handelt es sich beispielsweise um einen Abstand zwischen der vorderen Fläche r₁ und der hinteren Fläche r₂ der Linse L₁ (Dicke der Linse L₁ auf der optischen Achse). Ferner bezeichnen n1, n2, ... einen Brechungsindex der jeweiligen Linsen L₁, L₂, ... (auf einer d-Linie), und v1, v2, ... bezeichnen die Abbe-Zahl der jeweiligen Linsen L₁, L₂, ... (auf der d-Linie). Es wird darauf hingewiesen, daß die vordere Fläche der Linse L₂ und die hintere Fläche r der Linse L₁ den gleichen Krümmungsradius r₂ aufweisen, und daß die Linsen L₁ und L₂ ganz nah kontaktiert werden. Der Zwischenraum r₄ bis r₅ zwischen dem Anschlag 32 und der vorderen Fläche des Linse L₃ ändert sich, wenn die hintere Linsengruppe 33 bewegt wird, um die Akkommodationsfähigkeit des vorstehenden künstlichen Sehlinsensystems 3 zu ändern. Bei dem Wert 1,95 mm des Zwischenraums r₄ bis r₅ in 8 handelt es sich um den Wert in dem Fall von 7b, und die Werte des Zwischenraums r₄ bis r₅ im Fall der 7a und 7c betragen 0,95 mm bzw. 2,95 mm. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei dem Anschlag 32 um einen ortsfesten Anschlag, der ∅ 8,5 mm im Durchmesser mißt. Der Durchmesser des Anschlags kann jedoch auf ∅ 8,5, 6,0, 4,0 oder 2,0 mm geändert werden.
9 zeigt die optischen Konstanten des künstlichen Sehlinsensystems 3 gemäß der vorstehenden Ausführungsform. Dabei kann die Brillenglaslinse 2 an einer willkürlichen Position zwischen 10 und 20 mm zur Objektseite von der Vorderfläche des künstlichen Sehlinsensystems 3 angeordnet sein, und der Drehpunkt kann an einer willkürlichen Position zwischen 10 und 22 mm zur Bildseite von der Vorderfläche des künstlichen Sehlinsensystems 3 angeordnet sein.
Da die Einstellungsposition wie vorstehend beschrieben gesteuert werden kann, kann die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem objektseitigen Hauptpunkt und dem Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems 3 in 6 genauso wie die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem objektseitigen Hauptpunkt und dem Drehpunkt des Augapfels in 5 eingestellt werden. Es ist zu beachten, daß die Position des Pupilleneingangs, nicht aber die Position des Drehpunkts von der hinteren Fläche der Brillenglaslinse oder des objektseitigen Hauptpunkts des künstlichen Sehlinsensystems 3 eingestellt werden kann.
Der der Netzhaut des menschlichen Auges entsprechende Teil der vorliegenden Erfindung ist die CCD 5. Da die Bildoberfläche planar ist, ist die beste Bildoberfläche des künstlichen Sehlinsensystems so angeordnet, daß sie entsprechend der CCD-Oberfläche planar ist. Eine Hochauflösungs-CCD-Kamera (Kodak-Mega-Plus 1,4 i), die von Eastman Kodak Co. hergestellt wird, wird als CCD-Kamera verwendet. Ein effektiver Photoempfangsbereich der CCD 5 beträgt 100%, und dessen Pixelgröße beträgt 6,8 μm × 6,8 μm. Dies entspricht etwa 150 Zeilen/mm in bezug auf eine Raumfrequenz und entspricht einer Sehschärfe von etwa 1,5.
Durch Reduzieren von einer Sehschärfe von 1,5 beträgt die MTF (MTF = Modulation Transfer Function = Modulationsübertragungsfunktion) schließlich 20 bis 25% oder mehr, wenn die Raumfrequenz 150 (Zeilen/mm) beim Menschen beträgt. Das menschliche Auge stellt bekanntermaßen einen Wert dar, der mehr oder weniger höher als die MTF des präzisionssimulierten Gullstrand-Auges ist, da er nicht nur die optischen Leistungen des Augapfels (Netzhaut, Kristallinse und andere), sondern auch die MTF in der Netzhaut, Eigenschaften des visuellen Informationsverarbeitungsmechanismus im neuronalen Netz und dem Großhirn und dergleichen umfaßt (H Ohzu et al., „Optical Modulation by the Isolated Human Fovea", Vision Res 12, 231 bis 251 (1972)). Von diesem Standpunkt aus gesehen, ist das künstliche Sehlinsensystem so entworfen worden, daß die Hochfrequenzseite bei einem geringfügig höheren Wert eingestellt ist. Ist bestätigt, daß das so entworfene künstliche Sehlinsensystem nach exakten Vorgaben gefertigt worden ist, kann die relative Beurteilung und Betrachtung der Brillenglaslinse vorteilhaft ausgeführt werden, ohne durch das hergestellte künstliches Sehlinsensystem allzu stark beeinflußt zu werden.
Obgleich es möglich ist, den Abstand zwischen dem Standardmeßobjekt (z. B. Tafel) und der Brillenglaslinse 2 durch Bewegen in die X-Richtung mittels der XY-Stufe 14, die in 1 beschrieben ist, zu ändern, ist die Bewegung nur dadurch eingeschränkt, daß die XY-Stufe 14 bewegt wird, und der Abstand nicht von einem entfernten Standardmeßobjekt zu einem näher angeordneten willkürlich geändert werden kann. Das Meßobjekt ist auf der X-Achse befestigt und ist, während der Abstand zwischen der Brillenglaslinse 2 in die X-Achsenrichtung geändert wird, so angeordnet, daß der Abstand zwischen dem Meßobjekt und der Brillenglaslinse willkürlich geändert werden kann. 10 zeigt ein System zum Betrachten eines Standardmeßobjekts (z. B. Tafel) aus einiger Entfernung und aus der Nähe, um die Leistung der Brillenglaslinse 2 (Beurteilung durch die Tafel) durch Verwendung des vorstehend erwähnten künstlichen Sehsystems, das in 1 gezeigt ist, zu beurteilen.
Wie in 10 gezeigt ist, wird das künstliche Sehsystem in 10 auf einer Befestigung 10 auf einer Basis 20 angeordnet. Eine X-Schiene 22 ist auf der Basis 20 entlang der X-Achsenrichtung angeordnet, bei der es sich um die Richtung der optischen Achse (Sehachse) der künstlichen Sehkamera 1 handelt. Die Tafel, ein optisches Beleuchtungssystem zum Beleuchten der Tafel etc. sind auf der X-Schiene 22 angeordnet. Insbesondere sind auf der X-Schiene 22 ein Kollimatorkasten 23, an dem die Tafel befestigt ist, eine Diffusorplatte 24, eine Kollimatorlinse 25, ein Illuminator 26 und dergleichen angeordnet. Ein Monitor 27 zum Anzeigen eines Bildes der Tafel, das durch die künstliche Sehkamera aufgenommen wurde, ist auf der Basis 20 vorgesehen. Ebenso vorgesehen ist ein Personal-Computer (nicht gezeigt) für eine automatische Stufensteuerung zum Steuern der Dreh- und Parallelbewegung der Drehstufe 7, der XY-Stufe 14 etc. des künstlichen Sehsystems und zum Ausgeben der Bilder an den Monitor 27.
Anschließend wird ein Fall unter Bezugnahme auf 11 erläutert, in dem Weitsichtigkeit durch Verwendung des Systems in 10 gemessen wird. Wie in der Figur gezeigt, sind der Kollimatorkasten 23, die Diffusorplatte 24, die Kollimatorlinse 25 und der Illuminator 26 der Reihe nach von der Seite der künstlichen Sehkamera 1 auf der X-Schiene 22 angeordnet. Eine dreidimensionale Parallelbewegung und Drehung wird auf die Brillenglaslinse 2 und die künstliche Sehkamera 1 durch den vorstehend erwähnten Dreh- und Parallelbewegungsmechanismus ausgeübt, um sicherzustellen, daß die Richtung der optischen Achse (Sehachse) der künstlichen Sehkamera 1 durch die Brillenglaslinse 2 stets zur Tafel gerichtet ist. Das Licht von dem Illuminator 26 wird durch die Kollimatorlinse 25 kollimiert und dann auf die Diffusorplatte 24 gestrahlt. Das illuminierende Licht, das durch Diffundierung der Diffusorplatte 24 homogen gemacht worden ist, wird auf die Tafel auf dem Kollimatorkasten 23 illuminiert, und das Licht (ein Bild), das durch die Tafel übertragen worden ist, wird durch eine Kollimatorlinse des Kollimatorkastens 23 kollimiert, um in die künstliche Sehkamera 1 eingegeben zu werden.
Anschließend wird unter Bezugnahme auf 12 ein Fall erläutert, in dem Kurzsichtigkeit durch Verwendung des Systems in 10 gemessen wird. Die Diffusorplatte 24, die Kollimatorlinse 25 und der Illuminator 26 sind der Reihe nach von der Seite der künstlichen Sehkamera 1 auf der X-Schiene 22 angeordnet. Die Tafel ist an der Diffusorplatte 24 befestigt. Das Licht von dem Illuminator 26 wird durch die Kollimatorlinse 25 kollimiert und auf die Diffusorplatte 24 gestrahlt. Das homogene illuminierende Licht, das durch die Diffusorplatte 24 diffundiert worden ist, wird auf die Tafel gestrahlt, die an der Diffusorplatte 24 angebracht ist, und das Licht (ein Bild), das durch die Tafel übertragen worden ist, tritt in die künstliche Sehkamera 1 ein.
Es besteht zudem die Möglichkeit, die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung so anzuordnen, daß ein Bild durch den Weitsichtbereich oder den Nahsichtbereich einer Brillenglaslinse betrachtet werden kann, indem eine Sehschärfetafel vor die künstliche Sehkamera 1 des künstlichen Sehsystems in 1 gestellt wird, ohne das in 10 gezeigte System zu verwenden.
Das künstliche Sehlinsensystem 3 der vorliegenden Ausführungsform ist auf die optischen Konstanten des paraxialen Bereichs des präzisionssimulierten Gullstrand-Auges eingestellt und ist nicht unter Berücksichtigung der Bilderzeugungseigenschaften entworfen worden. Ganz im Gegenteil wird das Bild bei der Simulation von Bildern von einem neu entwickelten Computersehsystem als Netzhautbild des simulierten Auges berechnet, das durch die Brillenglaslinse in den jeweiligen Blicklinienrichtungen gelangt ist, und soll die Bilderzeugungsleistung auf der Netzhaut darstellen. Das von dem künstlichen Sehsystem der vorliegenden Erfindung erhaltene Bild ist hingegen ein Bild, das in einem kleinen Blickwinkel (um die Fovea der Netzhaut; etwa 5 Grad) aufgenommen wurde, und das erhaltene Bild stellt keine Bilderzeugungsleistung dar. Bei der Beurteilung durch Betrachten des erfindungsgemäßen Bildes handelt es sich um eine äußerst relative Beurteilung.
Obwohl es unmöglich ist, mit einem Computer eine Simulation vorzunehmen, wenn die Form der Brillenglaslinse nicht im voraus bekannt ist, z. B. eine Brillenglaslinse mit einem Fertigungsfehler und eine Brillenglaslinse, deren Entwurfswerte unbekannt sind, ermöglicht es das vorliegende künstliche Sehsystem jedoch, daß ein Bild in Echtzeit beobachtet werden kann, indem das Standardmeßobjekt (z. B. Tafel) und die optische Achse (Sehachse) der künstlichen Sehkamera, die durch die Brillenglaslinse verläuft, eingestellt werden.
Während es sich zudem bei progressiven Multifokallinsen und dergleichen um Brillenglaslinsen handelt, bei deren optischem Entwurf menschlich-technologische Überlegungen berücksichtigt werden, gibt es bis jetzt keine Linsenmeßeinrichtung oder dergleichen für eine Beurteilung solcher Linsen. Das vorliegende künstliche Sehsystem ist bei der Beurteilung derartiger Linsen in Verbindung mit einer Netzhautbildsimulation, die durch einen Computer erhalten wird, von Nutzen.
Wie vorstehend ausführlich beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem Augapfel, wenn derselbe gedreht wird, simuliert werden, da die künstliche Sehkamera in bezug auf die Brillenglaslinse um den Drehpunkt des künstlichen Sehlinsensystems relativ gedreht wird, und das Netzhautbild kann durch Ändern der Blicklinienrichtung erhalten werden, wenn das Standardmeßobjekt durch unterschiedliche Bereiche der Brillenglaslinse betrachtet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ferner eine Parallelbewegung und Drehung auf die Brillenglaslinse und die künstliche Sehkamera ausgeübt, um die Positionsbeziehung zwischen der Brillenglaslinse und dem Augapfel zu simulieren, wenn der Augapfel gedreht wird. Somit richtet sich die künstliche Sehkamera an einer vorbestimmten Position durch die Brillenglaslinse zum Meßobjekt hin, und ein Netzhautbild, das erhalten wird, wenn eine Versuchsperson das Meßobjekt durch unterschiedliche Bereiche der Brillenglaslinse durch Drehen ihres Augapfels betrachtet, kann in einem relativ kleinen Raum mit einfachen Einrichtungen und Geräten simuliert werden.
Obgleich die vorliegende Erfindung mittels bestimmter bevorzugter Ausführungsformen veranschaulicht worden ist, erkennt ein Fachmann, daß Hinzufügungen, Streichungen, Ersetzungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, während diese gleichzeitig in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Künstliches Sehsystem zum Simulieren eines Netzhautbildes, das folgende Merkmale aufweist: eine künstliche Sehkamera (1), die ein künstliches okular-optisches System (3) mit einem simulierten Drehpunkt und einer planaren Bilderfassung aufweist; eine Linsenhalterung (8); erste Mechanismen (7), die mit der künstlichen Sehkamera (1) betrieblich verbunden sind, um die künstliche Sehkamera (1) um den simulierten Drehpunkt relativ zu einer Linse (2), die in der Linsenhalterung (8) gehalten wird, zu drehen; zweite Mechanismen (9), die mit der Halterung (8) betrieblich verbunden sind, um eine Linse (2), die in der Linsenhalterung (8) gehalten wird, relativ zur künstlichen Sehkamera (1) zu positionieren; ein Standardobjekt (18); wobei die ersten und die zweiten Mechanismen (7, 9) betrieblich verbunden sind, um die künstliche Sehkamera (1) zu positionieren, so daß sie durch eine Brillenglaslinse (2), die in der Linsenhalterung (8) gehalten wird, auf eine vorbestimmte Position auf dem Standardobjekt (18) zeigt, gekennzeichnet durch dritte Mechanismen (12, 13, 14, 15), die mit den ersten Mechanismen (7) und den zweiten Mechanismen (9) betrieblich verbunden sind, um eine Dreh- und Parallelbewegung auf die Linsenhalterung (8) und die künstliche Sehkamera (1) auszuüben.
System nach Anspruch 1, bei dem es sich bei den ersten Mechanismen (7) um einen ersten Drehmechanismus handelt, der betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera (1) um eine erste vertikale z-Achse, die durch den simulierten Drehpunkt verläuft, zu drehen; bei dem es sich bei den zweiten Mechanismen (9) um einen zweiten Drehmechanismus handelt, der mit der Linsenhalterung (8) betrieblich verbunden ist, um eine Linse (2), die in der Halterung (8) gehalten wird, zu drehen, um eine Drehung der künstlichen Sehkamera (1) um eine zweite, horizontale y-Achse, die durch den simulierten Drehpunkt und normal zur z-Achse verläuft, zu simulieren; und bei dem es sich bei den dritten Mechanismen (12, 13, 14, 16) um einen dritten Positionierungsmechanismus handelt, der betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera (1) und die Linsenhalterung (8) in einer x-y-Ebene normal zur z-Achse zu positionieren, und um die künstliche Sehkamera (1) und die Linsenhalterung (8) um die y-Achse zu drehen.
System nach Anspruch 2, bei dem die dritten Mechanismen (12, 13, 14, 16) ferner eine Drehstufe (12), die betrieblich verbunden ist, um sowohl die künstliche Sehkamera (1) als auch die Linsenhalterung (8) um die z-Achse zu drehen, eine Gonio-Stufe (13), die betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera (1) und die Linsenhalterung (8) um die y-Achse zu drehen, eine xy-Stufe (14), die betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera (1) und die Linsenhalterung (8) parallel zur x- und y-Achse zu bewegen, und eine z-Stufe (16) aufweisen, die betrieblich verbunden ist, um die künstliche Sehkamera (1) und die Linsenhalterung (8) parallel zur z-Achse zu bewegen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das künstliche Seh-Linsensystem (3) optische Konstanten eines paraxialen Bereichs aufweist, der für ein simuliertes Auge berechnet wird, wobei das künstliche Linsensystem (3) die Positionsbeziehung zwischen einer Linse (2) und einem objektseitigen Hauptpunkt eines Augapfels (E) simuliert.
System nach Anspruch 4, bei dem es sich bei dem simulierten Auge um ein präzisionssimuliertes Gullstrand-Auge handelt.
System nach Anspruch 2, bei dem das künstliche Seh-Linsensystem (3), der Reihe nach von einer Objektseite der künstlichen Sehkamera (1), eine vordere Linsengruppe (31) mit einer negativen Brechkraft, einen Anschlag (32) und eine hintere Linsengruppe (33) mit einer positiven Brechkraft aufweist, wobei das System einen Fokalpunkt aufweist, der durch eine Bewegung der hinteren Linsengruppe (33) steuerbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die künstliche Sehkamera (1) eine planare Bildaufnahme aufweist, die eine CCD (5) aufweist.
System nach Anspruch 7, das ferner eine Anzeige (27) aufweist, die verbunden ist, um ein Bild anzuzeigen, das durch die künstliche Sehkamera (1) aufgenommen wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner der Reihe nach angeordnet, von einer Position, die sich relativ näher zur künstlichen Sehkamera (1) befindet, einen ersten Kollimator (23), einen Diffusor (24), einen zweiten Kollimator (25) und einen Illuminator (26) aufweist, und ferner eine Schiene (22) aufweist, die betrieblich verbunden ist, um die der Reihe nach angeordneten Elemente beweglich zu lagern.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner der Reihe nach angeordnet, von einer Position, die sich relativ näher zur künstlichen Sehkamera (1) befindet, einen Diffusor (24), einen Kollimator (25) und einen Illuminator (26) sowie eine Schiene (22) aufweist, die betrieblich verbunden ist, um die der Reihe nach angeordneten Elemente beweglich zu lagern.
Verfahren zum Simulieren eines Netzhautbildes, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer künstlichen Sehkamera (1), die ein künstliches okular-optisches System (3) mit einem simulierten Drehpunkt und einer planaren Bildaufnahme aufweist; Bereitstellen einer Linsenhalterung (8) zum Halten einer Linse (2); Bereitstellen einer Linse (2); Bewegen der Linse (2) und der künstlichen Sehkamera (1), um eine Bewegung der künstlichen Sehkamera (1) um den Drehpunkt zu simulieren; Bereitstellen eines Standardobjekts (18) und Steuern der Bewegung der künstlichen Kamera (1) und der Linse (2), so daß die Kamera (1) auf eine vorbestimmte Position auf dem Objekt (18) zeigt; wobei der Schritt des Bewegens ferner folgende Schritte umfaßt: Drehen der künstlichen Sehkamera (1) um eine erste vertikale z-Achse, die durch den simulierten Drehpunkt verläuft; Drehen einer Linse (2), die in der Halterung (8) gehalten wird, um eine Drehung der künstlichen Sehkamera (1) um eine zweite horizontale y-Achse, die durch den simulierten Drehpunkt und normal zur z-Achse verläuft, zu simulieren; Drehen der künstlichen Sehkamera (1) und der Linse (2) um die y-Achse, Bewegen der künstlichen Sehkamera (1) und der Linse (2) in einer x-y-Ebene normal zur z-Achse und Bewegen der künstlichen Sehkamera (1) und der Linse (2) in einer Richtung parallel zur z-Achse.