JP5814345B2 - 屈折評価のための接眼ツール - Google Patents

Description

[関連出願]この出願は、２０１０年４月２２日に出願された米国仮出願シリアル番号61327083の恩恵を主張し、その開示全体がここに引用によって組み込まれる。

本発明は全体的に、オプトメーターと屈折異常の評価に関する。

目の屈折異常は、近視（悪い遠方視）、遠視（悪い近接視）、乱視、および老眼を含む。近視では、目はより短い距離（例えば、３０ｃｍより少ないから無限遠より少ない）にはフォーカスできるが、無限遠にはフォーカスできない。遠視では、目は無限遠においてかまたはそれを過ぎてフォーカスできるがいくらかのより短い距離（例えば３０ｃｍにおける）にはフォーカスできない。水晶体レンズが完全に弛緩された時には、(a)完璧な目は平行光線を網膜上の単一点にフォーカスする；（ｂ）近視をもった目は平行光線を網膜の前の点にフォーカスする；（ｃ）遠視をもった目は平行光線を網膜の後の点にフォーカスする。

乱視は、角膜中または水晶体レンズ中の円環状曲率によって引き起こされた屈折状態である。この場合、目は２つの垂直な子午線に沿って異なる曲率を有し、よって網膜上に画像をシャープにフォーカスできない。言い換えると、乱視眼は放射状に非対称的なやり方で光を屈折する。

調節は、物体上にフォーカスするための、目の水晶体レンズの形状の調整である。調節中には、レンズの形状がより平面状（目が遠景にフォーカスしている時）からより球面上（近接物体上にフォーカスしている時）に変化する。

老眼は、４０歳で始まり多くの個人によって経験される調節を行う目の能力の低下である。そのため、それは目の老化プロセスの自然なステージと考えられる。

近視、遠視および乱視についての屈折矯正は、矯正レンズの使用で達成されることができる。レンズの屈折パワーは、ジオプトリー、メートルで表現されたレンズの焦点距離の逆数として定義された単位、で表現される。発散レンズ（負のジオプトリー）が近視を矯正するのに使われ得る。収束レンズ（正のジオプトリー）が遠視を矯正するのに使われえ得る。

屈折眼異常は、世界的に盲目の２番目に多い原因である[世界保健機構、Visual impairment and blindness, Factsheet, 2010]。世界中の１．５３億人以上の人々が矯正されていない屈折視覚問題を患っており、その８７％、１．３３１１億人、は発展途上国に在住している[B. Holden, Uncorrected refractive error: the major and most easily avoidable cause of vision loss, Community Eye Health, Vol. 20(63), pp.37-39, 2007]。これらの患者の多くは、費用のため、彼らは１日当り１ドル未満で生活している、および検眼医の不十分な数のために、適切な診断および治療オプションにアクセスをもっていない。彼らの多くは、視覚困難や頭痛が屈折エラーのせいであることを知ってさえいない。多くの子供たちについては、彼らが物体をはっきりと見ることができるので、遠視は診断されない。しなしながら、彼らは無限遠にフォーカスするために余分な努力をしているので、時間が経つとそれはストレスと頭痛を追加した。これら全ての問題が、発展途上国における生産性のとてつもない損失に繋がっており、推定損失は８８７．４から１３３０億ＵＳドルに渡る。

特に検眼医が不足しているかまたは患者が検眼医に支払う余裕がないいくつかの発展途上国での使用のために、屈折異常を評価するための低コストで正確なツールを持つことが非常に望ましいであろう。もしそのようなツールがスクリーニングと診断、および屈折異常を矯正するのに必要な眼鏡処方の球面パワー、円柱パワー、および円柱軸を決定することのために使われることができれば、非常に助かるであろう。

この発明の例示的実装では、それらのゴールを達成することができる。

例示的実装では、この発明は、人間の目の視力の主観的評価のためのツールである。マイクロレンズまたはピンホールのアレイが、高解像度ディスプレイの上に置かれる。目が、デバイスの非常に近くに持ち込まれる。パターンが、小レンズまたはピンホールのいくつかの下でスクリーン上に表示される。インタラクティブなソフトウェアを使って、目に見えるパターンが揃えられている（重複する）ように現れることをユーザが引き起こす。ソフトウェアは、パターンの見掛けの位置を動かすことをユーザに許容する。この見掛けの動きは、小レンズまたはピンホールから出る光線束の位置と角度を予め湾曲することによって達成される。ユーザがパターンの見掛けの位置を揃えるにつれて、予め湾曲する量は変動する。ユーザが単一の揃えられたパターンのように現れるものを見るために要求される予め湾曲する量が、目のレンズ収差を指し示す。

これは、ぼやけがミスフォーカスの指標として使われる屈折異常を評価する従来の方法とは異なる。従来の方法では、１つの画像が別のものよりもぼやけているかを決定することはビューアにとって困難であり得る。この発明の例示的実施形態では、揃えの問題がぼやけ推定を置き換える。２つの画像がより揃うようになっているか（例えば、２つの線がお互いにより近づくように動いているか）を言うことはユーザによって容易である。

放射状に対称的な視覚（即ち、乱視ではない）を有し、高次の収差を有していない目については、この発明の例示的実施形態では、単純なワンステップ方法が近視または遠視の度合いを評価するのに使われ得る。ＬＣＤがパターンを表示する。ユーザは、そのパターンの仮想的距離を変更する（小レンズからもっと離れるかまたはもっと近づく）ためにインタラクティブなソフトウェアを採用する。例えば、ＬＣＤは、目がシャープにフォーカスできる仮想的距離においてパターンを最初表示することができる。ユーザは、複数の重複した画像を見始めるまで仮想的距離を増加させることができ、それから単一の画像のみを再度見るまで仮想的距離を減少させることができる。そうすることによって、遠焦点距離が決定され得る。遠焦点距離から、近視または遠視の度合いが、場合に応じて、決定されることができる。（近視眼については、遠焦点距離が無限遠より小さく、遠視眼については、それは無限遠より大きい）。遠焦点距離は１／Ｓに等しく、ここでＳは眼鏡処方の球面パワーである。

もしテストされている目が乱視であれば、しかし、このワンステップ方法は機能しない。乱視では、目は光を放射状に非対称的なやり方で屈折する。結果として、ユーザは、パターンをシャープな単一の画像に揃えることができない。

この問題を解決するために、この発明の例示的実装では、ツーステップ方法が乱視であるかまたはあり得る目を評価するために使われ得る。

それらのツーステップの１番目では、眼鏡処方のパラメータ（目の球面パワー、円柱パワーおよび円柱軸）が異なる子午線に沿った少数の測定から容易に決定され得る。例えば、第１の測定では、θの角度をもった２つの小レンズが採用されても良い。（「θの角度をもった」は、２つの小レンズの中心と交差するラインが何らかのリファレンスに対して角度θを有することを意味する）。２つの小レンズの各々の下で、ＬＣＤが（π＋θ）の向きをもったラインを表示する。インタラクティブなソフトウェアを使って、ユーザが１Ｄで２つの表示されたラインの見掛けの位置を動かす（お互いとより近づくかより離れる）。２つのラインは、小レンズから仮想オブジェクトまでの距離が１／（Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２(α−θ)）に等しい時に揃っているようにユーザには現れ、ここでＳは目の球面パワー、Ｃはその円柱パワー、αは円柱軸の角度である。測定が異なる子午線に沿って繰り返され、ここでθ∈[０、π]である。例えば、測定は、等しく間隔を空けられた子午線に沿って８回まで繰り返されても良い。但し、サンプルの数は８よりも多くても少なくても良く、子午線は等しく間隔を空けられている必要はない。それらのサンプルは、目のパラメータの（最小二乗のセンスで）最適な推定を見つけるのに使われる。

それらの測定は、目が近視なのか、遠視なのか、または乱視なのかを指し示す。球面パワー（Ｓ）から、目が近視なのか遠視なのかを決定することができる。円柱パワーと円柱軸（Ｃとα）から、目が乱視なのかどうかとどのように乱視であるのかを決定することができる。

それらのツーステップの２番目では、ユーザの調節のレンジも決定されることができる。ユーザの「調節のレンジ」は、そこで矯正されていない目がオブジェクト上にシャープにフォーカスし得るところの距離のレンジを意味する。レンジの最大は、遠焦点距離（そこで矯正されていない目がシャープにフォーカスできる最も遠い距離）であり、レンジの最小は、短焦点距離（そこで矯正されていない目がシャープにフォーカスできる最も短い距離）である。

ツーステップ方法のこの第２のステップでは、以下のように、円柱軸に沿った対称的投射が、ユーザの調節のレンジを決定するのに使われても良い。（もし第1のステップが目は乱視を持っていないことを示せば、即ちもし目が放射状に対照的な視覚を持っていれば、あらゆる円柱軸が使われても良い）。ＬＣＤは。テストされている目に１Ｄ正弦波パターンを表示する。ユーザは、その正弦波パターンの仮想的距離を変更する（小レンズからより離れるかより近づく）ためにインタラクティブなソフトウェアを採用する。仮想的距離が目の調節のレンジ内である時には、ユーザは正弦波の単一の変化しない画像だけを見る。しかしながら、仮想的距離が調節のレンジの外になる（遠焦点距離よりもっと遠くか短焦点距離よりもっと短い）時には、ユーザは正弦波の複数の（この場合には部分的に重複した）画像を見る。このやり方で、遠焦点距離と短焦点距離（およびよって調節のレンジ）を決定することができる。

これらのテストの間、最適焦点は変動する。時々、（近視、遠視および乱視を測定するために）無限遠にフォーカスすることが目にとって望ましい。他の時には、（老眼を測定するために）仮想的距離にフォーカスすることが目にとって望ましい。例えば、上述したツーステップ方法の第１のステップでは（乱視についてテストしている時）、無限遠にフォーカスすることが目にとって望ましい。対照的に、上述したツーステップ方法の第２のステップでは（乱視の目における調節のレンジについてテストしている時）、仮想的距離にフォーカスすることが目にとって望ましい。

各小レンズそれぞれからの光線はコリメートされる。このキューは目が無限遠にフォーカスしようとすることを引き起こそうとする。直線はこのキューを圧倒しない。よって、（上述したツーステップ方法の第１のステップのような）無限遠における焦点が望まれる測定については、直線を使うことが好ましい。対照的に、正弦波形状は目が仮想的距離にフォーカスすることを強制する。よって、（上述したツーステップ方法の第２のステップのような）仮想的距離における焦点が望まれるテストについては、正弦波形状を使うことが好ましい。

例示的実装では、光学システムの調節の速度も評価されても良い。例えば、画像が、１つのフレーム中では１つの仮想的深度において、次のフレーム中では別の仮想的深度において表示されても良い。光学的システムが新たな深度に調節する速度は、ソフトウェアを使って測定されても良い。

ＬＣＤディスプレイスクリーンと小レンズアレイをもった例示的実装では、物理的に動いている光学的エレメントは無い。例えば、どのピンホールまたはミラーもその物理的な位置は変えない。代りに、ＬＣＤスクリーン上に表示された画像が変化する。

またそれらの例示的発明では、仮想的光源が目の中に作り出されない。例えば、（従来のShack-Hartmann技術においてなされるように）それが目から出るにつれて光の測定を行うために、目の内側に仮想的光源を作り出すように目の中にレーザー光が照射されることはない。

ディスプレイスクリーンは、様々な形態ファクター中に収容されても良い。例えば、それは、携帯電話、スマートフォン、またはヘッド搭載ディスプレイ（ＨＭＤ）のディスプレイスクリーンからなっていても良い。あるいは、例えば、ディスプレイスクリーンは、コンピューターモニターからなっていても良い。その場合には、コンピューターモニター上の画像の縮小ディスプレイを小レンズアレイの焦点面上に作り出すために、リレー光学系が使われても良い。同じやり方で、あらゆる種類の電子視覚ディスプレイが使われることができる。このシステムはＬＣＤを要求はしない。それは、なかんずくＤＭＤベースの、ＤＬＰベースの、ＯＬＥＤの、プラズマの、ＣＲＴのディスプレイと共に働くことができる。

いくつかの実装では、小レンズアレイではなくピンホールの規則正しいアレイが使われても良い。ピンホールは小レンズアレイよりも少ない光スループットを有する。補償するために、より明るいディスプレイが採用されても良い。

もし小レンズアレイが使われれば、それぞれの小レンズから出る光線束の間のクロストークが、一つ置きの小レンズをスキップすることによって削減されても良い。

もしピンホールが使われれば、特に（光スループットを増加するために）ピンホールの間のスペースが削減されたかまたは（パワー解像度を増加するために）マスク−ピンホール間距離が増加された時に、それぞれのピンホールからの光線束の間のクロストークがまた問題となる。

その問題を解決するために、ジッターされたピンホールが使われても良い。「ジッターされた」とは、ピンホールが規則正しいグリッドパターンからランダムにずらされていることを意味する。ジッターされたピンホールパターンでは、クロストーク（ノイズ）はぼやけとしてビューアに現れる。表示されたオブジェクトが、そこでは目がシャープにフォーカスできない仮想的距離にある時には、ユーザはぼやけだけを見る。スクリーン上の描画の縮尺を変えることによって、ユーザは仮想的距離を変動させても良い（例えば、ＬＣＤディスプレイを変更するためのインタラクティブなソフトウェアを使うことによって）。仮想的距離が目の調節のレンジ内に来る時に、オブジェクトは、クロストークによって作り出された視覚的ぼやけに対して浮かび上がるように現れる。

ピンホールでの別の問題は、目の焦点が浮動しようとすることである。この問題を解決するために、テストされている目が無限遠にフォーカスするべきであることが望ましい時には、ユーザが別の目で遠景を見るように指導されても良い。

この（ピンホールが採用された時に目の焦点距離が浮動するという）問題を解決する別のやり方は、テストされている目に２つの画像を同時に表示するようにビームスプリッターを使うことである。第１の画像は背景画像であり、第２はビューアが揃えようと試みるパターンをもったテスト画像である。テスト画像は、ピンホールアレイによって作り出される。ユーザには、テスト画像は背景画像の中央に位置しているように現れる。背景画像は、目の視力がテスト画像を使って評価されている間、目が背景画像の見掛けの距離にフォーカスするようにさせようとする視覚的キューである。

本発明の上の記載は単なる概要である。それはこの発明のいくつかの描写的実装への全般的導入を与えることのみを意図している。それはこの発明の詳細の全てを記載していない。この発明は、多くのその他のやり方で実装され得る。

図１は、視力をテストするために、近い距離で携帯電話スクリーンを見ているユーザを示す。 図２は、目の屈折パワーの評価の結果を表示している携帯電話スクリーンを示す。 図３は、小レンズアレイによって覆われたＬＣＤを示している図である。 図４は、ピンホールアレイを通して通過し、網膜平面上の単一点にフォーカスされている仮想無限遠点からの２つの平行な光線を示している図である。 図５は、仮想点までの距離に依存して、網膜平面上の異なる点で近視眼によってフォーカスされている仮想点からの光を示す。 図６は、それがマイクロレンズ平面のそれぞれの小レンズを通して通過するにつれてコリメートされる光を示す。 図７は、様々なシナリオにおいて、ディスプレイ平面において表示された画像とユーザによって見られた画像を示している図である。 図８Ａは、ＬＣＤスクリーンによって表示された別々の画像を上に、仮想点までの距離が目の調節のレンジ内である時にどのようにそれらが単一の揃えられた画像としてビューアに現れるかを下に、示す。 図８Ｂは、ＬＣＤスクリーンによって表示された別々の画像を上に、仮想点までの距離が目の調節のレンジ内である時にどのようにそれらが単一の揃えられた画像としてビューアに現れるかを下に、示す。 図８Ｃは、ＬＣＤスクリーンによって表示された別々の画像を上に、仮想点までの距離が目の調節のレンジ内である時にどのようにそれらが単一の揃えられた画像としてビューアに現れるかを下に、示す。 図８Ｄは、ＬＣＤスクリーンによって表示された別々の画像を上に、仮想点までの距離が目の調節のレンジ内である時にどのようにそれらが単一の揃えられた画像としてビューアに現れるかを下に、示す。 図８Ｅは、ＬＣＤスクリーンによって表示された別々の画像を上に、仮想点までの距離が目の調節のレンジ内である時にどのようにそれらが単一の揃えられた画像としてビューアに現れるかを下に、示す。 図９Ａは、ジッターされたピンホールパターンを示す。 図９Ｂは、対応してジッターされたディスプレイマスクパターンを示す。 図９Ｃは、仮想点が目の調節のレンジ内である時に、ぼやけた背景に対してくっきりと浮かび上がる形状を示す。 図９Ｄは、仮想点が目の調節のレンジ内でない時に、ぼやけた背景に対してくっきりと浮かび上がらない形状を示す。 図１０Ａは、スマートフォンのＬＣＤスクリーンにまで持ち上げられ得る小レンズアレイをもったデバイスを示す。 図１０Ｂは、スマートフォンに隣接して配置されたそのようなデバイスを示す。 図１０Ｃは、そのようなスマートフォンの内部のプロセッサを示す。 図１１Ａは、ピンホールアレイを収容し、ディスプレイマスクの可動なセットを含むデバイスの断面図を示す図である。 図１１Ｂは、ピンホールアレイを収容し、ディスプレイマスクの可動なセットを含むデバイスの斜視図を示す図である。 図１１Ｃは、ピンホールアレイを収容し、ディスプレイマスクの可動なセットを含むデバイスの上面図を示す図である。 図１２は、その屈折パワーが評価される間に背景画像の見掛けの距離にフォーカスすることを目に強制するために、背景画像とテスト画像の両方を同時に表示するビームスプリッターデバイスの図である。 図１３は、ヘッド搭載ディスプレイのディスプレイスクリーンの上に置かれた小レンズアレイの図である。 図１４Ａは、コンピューターモニター上のディスプレイの縮小画像を小レンズアレイの焦点面上に作り出すためのリレー光学系を示す図である。 図１４Ｂは、小レンズアレイとリレー光学系の上面図である。 図１５は、この発明との関係でユーザによって採用され得る入力デバイスの例を列挙する。

上の図面は、この発明のいくつかの描写的実装を描くか、またはそれらの実装に関する情報を提供する。但し、この発明は、多くのその他のやり方で実装され得る。上の図面はこの発明の詳細の全てを示していない。

図１は、この発明の例示的実装における、自分の目の１つにまでスマートフォンを持ち上げているユーザを示す。スマートフォンのＬＣＤディスプレイは、マイクロレンズアレイ１０５で覆われている。ＬＣＤは、１つの緑のライン１０１と１つの赤のライン１０２を表示する。そのように表示されたラインの位置は、目のレンズ収差を（少なくとも部分的に）矯正するように予め彎曲されている。ユーザには、ライン１０１と１０２は、それぞれ緑のライン１０４と赤のライン１０３のように現れる。

図２は、この発明の例示的実装における、視力の評価の結果を表示しているスマートフォンスクリーンを示す。表示された結果は、眼鏡処方のための標準的なパラメータ、即ち（ディスプレイの上から下に）球面パワー、円柱パワー、および円柱軸、である。その他の結果が表示されても良い。例えば、スクリーンはまた、「老眼：＋３．００」のような老眼についての結果を表示しても良い。

図３は、この発明の例示的実装における、制御可能な高解像度ディスプレイスクリーンの上に置かれたマイクロレンズアレイを示している図である。例えば、ディスプレイスクリーンは、ＬＣＤスクリーンからなっていても良い。ビューアはこのセットアップをテストされている目の隣りに持ち上げる。ビューアの網膜上に形成された画像は、テストされた目の屈折特性に依存する。単純な相互作用方式を使って、ユーザは、知覚された画像が指定された結果と緊密にマッチするまで表示されたパターンを変更する。この相互作用に基づいて、近視、遠視、および乱視のような、ビューアの屈折状態が推定されても良い。図３（および図４と５）では、簡単のために、単一のレンズが、角膜と水晶体の組み合わされた屈折パワーを表す。

この発明の例示的実装では、ピンホールアレイが、制御可能な高解像度ＬＣＤディスプレイの上に置かれる。アレイは、３×３の規則正しいグリッドに配列された８個のピンホールからなる。図４は、２次元平面で２つのピンホールを示している、そのようなセットアップについての簡略化された光線図である。各ピンホールの直ぐ下の点（点ＡとＢ）が照射されるにつれて、２つの平行光線が目に入り、無限遠での仮想点をシミュレートする。無限遠にフォーカスできる目は、それらの光線を収束し、それらは網膜上の単一のスポットＰで出会う。

図５は、図４と同じセットアップ（ピンホールアレイをもったディスプレイスクリーン）を示す。但し、図５では、目は完璧ではなく近視である。結果として、平行光線ＡとＢは、近視の目によって網膜の前の単一の点に収束され、それから再度発散してそれぞれ点Ｐ_ＡとＰ_Ｂにおいて網膜をたたく。

図５に示されたように、点Ａ（またはＢ）の位置を変更することは、ピンホールによって作成された光線の収束を変更する。例えば、点ＡとＢをディスプレイ平面上でお互いとより近くに動かすことは、対応する光線が発散することを引き起こし、仮想点をビューアのより近くに漸次動かす。同様に、それらの点を離すように動かすことは、関連付けられた光線が収束することを引き起こし、仮想点を観察者から遠ざけるように動かす。近視の目にとっては、点ＡとＢがより近くに動くにつれて、２つの撮像されたスポットが網膜上でＰにおいて重複する。ＡとＢに適用されたシフト量は、ビューアの目における屈折エラーを指し示す。遠視（悪い近接視）についての場合も同様であり、点ＡとＢがディスプレイ平面上でもっと離れるように動かされるにつれて、結果としてい得られる光線は収束し、「無限遠を越えた」仮想点を作り出す。

目から距離ｄにおける仮想ソースを作り出すのに要求されるシフト量ｃは、
ｃ＝（ｆ／ａ）／（ｄ−ｔ） （式１）
であり、ここでｔはピンホールアレイから目までの距離、ａはピンホール間の間隔、ｆはピンホールアレイとディスプレイ平面の間の距離である。（距離ａ、ｃ、ｆおよびｔが図４と５に示されている範囲においては、それらは前の一文で定義されたのと同じ意味を有する。）プログラム可能なＬＣＤを使って、仮想シーン点と目の間の距離は、いかなる動いている光学的エレメントも無しに変動し得る。これは、目の前に置かれたレンズのパワーを変動することと同等である。

式１から、近視を直すのに要求される発散レンズのパワーは（ジオプトリーで）、Ｄ＝（１／ｄ）＝１０００／（ｆ（ａ／２）／ｃ＋ｔ）で与えられ、ここで全ての距離はｍｍである。ｃとＤについての正の値は近視を表す一方、負の値は遠視を表す。もし目−小レンズ間の距離ｔが目−仮想ソース間の距離ｄと比較して非常に小さければ、実用上５ジオプトリー（ｄ＝２００ｍｍ）以下についてｔは無視されることができる。この場合には、発散レンズのパワーは、Ｄ＝２０００ｃ／ｆａとして近似されることができる。遠視のための矯正も同様のやり方で計算されることができる。

現実の点と異なり、仮想点は光線の非連続的なセットを目の中に投射する。仮想点から到着する光線の数は、ピンホールの数に制限される。これは、フォーカスを外れた点についての非連続的な錯乱円を作成する。２つのピンホールの場合には、仮想点がフォーカスを外れている時、網膜上に（連続的な錯乱円ではなく）２つの点を得る。この違いは、ぼやけ推定問題をより容易な揃え問題に変換することを許容する。

図６は、この発明の例示的実装における、ＬＣＤスクリーンの上に置かれたマイクロレンズアレイについての２次元平面中の簡略化された光線図を示す。小レンズはピンホールよりも大きい光スループットを許容する。このレンズベースのセットアップでは、マイクロレンズアレイが、マイクロレンズの焦点距離に等しい（ＬＣＤディスプレイスクリーンからの）距離に置かれる。一方向に各ピンホールから来る単一の光線の代わりに、図５に示されたような平行光線の束が得られる。これは、焦点曖昧性を導入し、目は、距離ｄにおける仮想点か、または光線の平行な束を網膜上にフォーカスするように無限遠のどちらかにフォーカス（または調節）できる。以下で説明されるように、表示されたパターンを変動することによって、１つの焦点キューが他のものよりも強くされることができる。

瞳孔サイズが小レンズ間の最小間隔を制限し、それは矯正パワーの達成可能なレンジに影響を与える。また、マイクロレンズアレイの粒状度が、（乱視の場合の）円柱軸についての解像度に影響を与える。

我々のセットアップのジオプトリー解像度は、目の円錐細胞のサイズ（実効的に網膜のピクセルサイズ）、Ｐ_ｅ〜４μｍと、目の焦点距離、ｆ_ｅ〜１７ｍｍによって制限される。我々は、人間のユーザが、単一のピクセルまたは円錐細胞の不揃いを解消できることを仮定する。

もしｔ〜０であれば、式１を適用して、我々のセットアップの（ジオプトリーでの）最大解像度は、

（式２）

であり、ここでａはピンホールまたは使われた小レンズ間の間隔（ピッチ）、ｆはディスプレイ平面とピンホールまたは小レンズ平面の間の距離、Ｐ_ｅは網膜における「ピクセルサイズ」等価物、ｆ_ｅは目の焦点距離、Ｐ_ｄはディスプレイのピクセルサイズ（それは最小シフトｃに等しい）である。

例えば、ピンホール間隔ｄ＝３ｍｍでは、これは、Ｐ_ｃによって設定された上限として０．１５ジオプトリーになる。これは、目における回折とこの発明の光学系によって更に削減される。

この発明の例示的実装では、近視は容易に測定され得る。例えば、マイクロレンズアレイを使う実装を考える。ビューアはマイクロレンズアレイを通して覗いて、複数の部分的に重複したパターン（図７の上に示されたように、各小レンズから１つ）を見る。ビューアは１Ｄサーチを進めて、小レンズの下でそれらをシフトすること（それらをより近くに動かすかそれらを離すように動かすかのどちらか）によってパターンを揃えようと試みる。（小レンズを通してユーザによって見られた通りに）それらが揃えられたように現れる時の（ＬＣＤ上の）パターン間の間隔が、近視の測度を与える。このプロセス全体を通して、ビューアの目は、各小レンズから到着する平行光線の束のために、可能な限り無限遠の近くにフォーカスされている（完全に弛緩した状態）。

遠視を計測するためには、仮想点が目から離れるように動かされ、レンズが完全に弛緩されるまで目を調節することを引き起こすが、画像は未だにシャープにフォーカスされている。仮想点を更に遠くに動かすことは、複数の重複する画像に結果としてなる。目がもはやパターン上にフォーカスできなくなる距離が、遠視の度合いの測度を与える。

図３と４に示された簡略化された光線図は、球面レンズ（と近視および遠視のような放射状に対称的な異常を評価すること）ではうまく機能するが、非放射に状対称的なまたは高次の収差を記述するのには不十分である。

乱視は、角膜および／または目のレンズの不規則な形状による一般的な屈折エラーである。それは目が放射状に非対称的なやり方で光を屈折することを引き起こす。乱視は球面レンズだけでは矯正できない。仮想点を放射状に対称的なやり方で動かすことは、乱視の正しい評価に繋がらない。

乱視については、目の外側と内側でどのように一般化された光線空間が変換されるかを見る必要がある。乱視眼はしばしば円環状（球面−円柱）パッチとしてモデル化され、方向θをもった子午線に沿ったその屈折パワーＰ（θ）は、
Ｐ（θ）＝Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２(α−θ)
で特徴付けられ、ここでＳは目の球面パワー、Ｃはその円柱パワー、αは円柱軸の角度である。ｍｉｎ（Ｐ（θ））＝Ｓおよびｍａｘ（Ｐ（θ））＝Ｓ＋Ｃであることが分かる。

残念なことに、（図７の中央に示されたような）円柱収差のために、（十字のような）多くのパターンを揃えることは、乱視の存在する中では容易ではない。球面の場合と異なり、放射状方向に沿って２つのドットを動かすことは、それらの観察された位置に螺旋を作成し、それらは決して重複しなくても良い。単一の仮想点は、２つの異なる画像点にマッピングされる。円柱軸（図７での垂直軸）と揃えられたラインは、共線的であるがあらゆるその他の向きのラインは共線的にはならない。乱視軸は事前に知られてはいないので、最適な揃え戦略のためにパターンとそれらの動きを設計することは挑戦的である。２つの点を揃えるために２Ｄ摂動を許容することは機能するが、プロセスは遅く、煩雑で、エラーに陥りやすい（２Ｄサーチ）。

この発明の例示的実装では、この問題は、（図７の下に示されたような）角度θで向き付けられた小レンズを一度に２つ露出することによって解決される。我々は、仮想画像がレンズから距離１／（Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２(α−θ)）において前方焦点面中に作り出された時に、向き（θ＋π／２）に置かれたラインセグメントのみが共線的になることに気付く。この子午線におけるジオプトリーは、これら２つの平行なラインセグメントをお互いと垂直に動かす間に要求されるステップ数を算出することによって計算される。乱視眼については、（１）（θ＋π／２）以外の全てのラインセグメントの向きは誤った結果に繋がり得る、および（２）１／（Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２(α−θ)）以外の全ての距離は誤った結果に繋がり得る、ことに注意。

θ∈[０、π]に沿って目の屈折エラーを評価することにより、目のＳ、Ｃおよびαパラメータの値を決定することができる。少数のそのような測定が異なる子午線に沿って収集され、目のパラメータの（最小二乗のセンスで）最適な推定を見つけるのに使われる。サンプリングされた子午線は、等しく間隔を空けられていても良いが、そのような等間隔は必要ではない。

図７は、乱視の文脈での揃えの挑戦と、どのようにそれらの挑戦が解決されるかを描いている。図７は３つの場合を示す：（１）（上）目が球面収差のみを有し、乱視が無く、ユーザが十字形のパターンを揃えることができる場合；（２）(中央)目が乱視を有し、ユーザが２つの十字形を揃えることができない場合；および（３）(下)目が乱視を有し、もしそれらが（θ＋π／２）で向きつけられていれば、ユーザが２つの直線セグメントを揃えることができる場合。

図７に描かれた各場合（上、下、中央）について、左の画像はスクリーン上に表示されたパターンを示す。グリッドの各セルは、ピンホール／小レンズの下のディスプレイを表す。右の画像は、ユーザが見るであろうものを示す。図７は、ユーザがパターンをお互いにより近くに動かす時に何が起こるかを示す。各場合について、左には十字形画像の３つのグリッドのシーケンスがあり、お互いにより近くに動いている表示された形状を（上から下に）示しており、右には３つの写真のシーケンスがあり、どのようにユーザによって見られた画像がより揃えられたようになるかを（上から下に）示している。右の写真の各シーケンスは、シミュレートされた近視をもったカメラによって撮像された。

図７の上部分に示された場合は、球面収差のみをもった目である。その場合には、球面パワーＳは、２つの小レンズ（例えば、それぞれがグリッドの右上セル７０５と左下セル７０７の上にある小レンズ７０１と小レンズ７０３）の下で十字パターン（またはあらゆるその他のパターン）を表示することによって測定されても良い。ユーザはそれから、それらが網膜上で揃うまでパターンを動かす。この揃いは、仮想十字Ａがレンズから距離１／Ｓにある時に起こる。

図７の中央および下部分に示された場合は、乱視の目、即ち円柱収差をもった目についてのものである。

図７の中央の場合は、乱視収差の存在する中で十字のような一般的な形状を揃えることを試みる際に生じ得る困難を示す。残念なことに、１／（Ｓ＋Ｃ）における球面−円柱レンズの焦点面中に仮想点を作り出すことは、円柱収差の存在する中での揃えを援助しない。球面の場合と異なり、十字印中心は、もしそれらを単純に中心に向けてかまたは中心から離れるように動かせば、必ずしも出会わない。

図７の下の場合は、この発明の例示的実装における、この問題への解決策を示す。解決策は、２つの小レンズを繋ぐラインと垂直に向き付けられた（即ち、（θ＋π／２）で向き付けられた）ラインセグメントを動かすことが関与する。それらのラインがユーザによって重複しているとして知覚される間隔が、上で説明したように、対応する子午線に沿ったパワーを与える。図７の下に示された例では、円柱は、αが９０°に等しくなるように向き付けられている。よって、その特定の例では、公式は１／（Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２θ）に還元される。

調節レンジを測定するためには、遠焦点距離をテストすることに加えて、目がそれにフォーカスするのを止めるまで仮想点をより近くに動かすことによって近焦点距離もテストする。これはまた、レンズが削減された調節レンジを有する老眼（加齢による悪い近接視）の測度も与える。

この発明の例示的実装では、ツーステッププロセスが採用される。第１に、乱視が測定され、上述したように、目の球面パワー、円柱パワーおよび円柱軸の推定を生み出す。第２に、調節レンジをテストするために対称的調節パターンが円柱軸に沿って投射される。

図８Ａから８Ｅは、この発明の原型においてテストされた異なる視覚パターンのいくつかを示す。これらの図の各々について、上部分は揃えのために使われた形状のペアを示し、下部分は形状が揃えられた後に得られたパターンを示す。

小レンズアレイをもったこの発明の例示的実装では、２つの区別された焦点キューがビューアのために提供され、（各小レンズを出る光はそれぞれコリメートされているという事実のために）一つは無限遠にあり、（異なる小レンズのビューの中での重複、仮想オブジェクトの位置のために）もう一つは有限の深度にある。一つの焦点キューは、各小レンズの下に表示されたパターンに依存して、もう一つよりも強化されていても良い。２つの間で切り替える能力が、屈折エラーと調節レンジを測定する際により大きな柔軟性を提供する。

従来の評価方法では、目が無限遠にフォーカスされたままにする（即ち、調節をやめさせようとする）ために、遠景または調節麻痺剤点眼薬が使われる。

対照的に、小レンズアレイをもったこの発明の例示的実装では、目が無限遠にフォーカスされたままにする（即ち、調節をやめさせようとする）ことが望ましい時に、目のフォーカスを（完璧な目について）無限遠にかまたは（近視の目について）無限遠の近くに固定するために、各小レンズから来る平行光線の束が使われる。また、２つの極限の小レンズが、ばらばらになったぼやけを生成して調節をやめさせようとするために使われる。（３×３グリッドにおける「極限の小レンズ」の例は、右上と左下の小レンズ、または右中央と左中央の小レンズであろう。）図８Ａに示されたもののような直線セグメントは、それらが平行光線によって提供された焦点キューを圧倒しないので、乱視を測定するために役に立つ。

この発明の例示的実装では、目を仮想点にフォーカスしたままにすることが望ましい時に、図８Ｂと８Ｄに示されたような、円滑な正弦波パターンが使われても良い。（目が仮想点にフォーカスするように）調節をさせようとするために、同一のパターンが小レンズの下で使われても良い。

（図８Ｄに示されたもののような）同一の正弦波パターンは、調節レンジおよび速度と老眼を測定するために有用である。例えば、調節レンジのテストにおいて、図８Ｄに示された１Ｄ正弦波が、円柱パワーの軸に沿って対称的に投射されても良い。

代替的に、ハイブリッドパターンが、調節と揃えの両方を許容しても良い。パターン中の円滑な遷移が調節をさせようとする一方で、シャープな部分は、いつ画像が不揃いであるか、またはフォーカスから外れているかを容易に判断することをユーザに許容する。例は、正弦波パターンのラインパターンとの組み合わせである。このパターンは、ユーザが無限遠にフォーカスしているかどうかをテストするためと、調節レンジを測定するために使われても良い。正弦波パターンは、いくつかの小レンズの下に表示され、ラインは、極限の小レンズの下だけに表示され、ラインは、画像がフォーカスされている時には重複し、パターンが不揃いの時には分岐する。

いくつかの実装では、小レンズアレイではなくピンホールの規則正しいアレイが使われても良い。ピンホールは小レンズアレイよりも少ない光スループットを有する。補償するために、より明るいディスプレイが採用されても良い。

もし小レンズアレイが使われれば、それぞれの小レンズから出る光線束の間のクロストークが、一つ置きの小レンズをスキップすることによって削減されても良い。

もしピンホールが使われれば、それぞれのピンホールからの光線束の間のクロストークがまた問題となる。その問題を解決するために、規則正しく間隔を空けられたピンホールの制約が緩和されても良い。代わりに、（図９Ａに示されるように）各ピンホールが小さな量によってジッターされても良い。また、（図９Ｂに示されるように）ディスプレイマスクまたはＬＣＤ中の各ピンホールの背後のパターンが対応してジッターされても良い。ジッターされたパターンはピンホール間のクロストークをランダムノイズに変換する。これは、ピンホール間隔が小さい（より多い光スループット）かまたはマスク−ピンホール距離が大きく（増加されたパワー解像度）、構造化されたクロストークがビューアを混乱させ得る時に有用である。不規則な配置のために、これらのパターンはマイクロレンズアレイと共に使うのがより困難である。

パターンｐから距離ｆに置かれた、所望のパターンｇとジッターされたピンホールアレイｈが与えられると、パターンｐは、畳み込み

によって得られても良い。無限遠にフォーカスされた時の目は全ての平行光線を単一のスポットに積分し、角方向βでの平行光線強度はｈ（ｘ）ｐ（ｘ−ｆβ）によって与えられる。よって、形成された目の画像は、

によって与えられ、ここで★は相互相関を意味する。よって、

である。画像ｇを人間の目に提示するためには、その自己相関がデルタ関数であるジッターされたピンホールパターンｈを使わなければならないことは明らかである。これは、ｈが広帯域周波数応答をもったピンホール（自明な解）または擬似ランダムパターンであるべきであることを意味する。ｈはピンホールをそれらの均等なグリッド位置からジッターすることによって作り出される。印刷されたパターンは、ピンホールアレイパターンＰと畳み込まれた信号Ｓの畳み込みである。目がピンホールアレイＰを通して見る時、それはＳを取り戻すために逆畳み込みを行う。これは、Ｐ上への制約を指し示す。それは周波数抑制されるべきではなく、代わりにそれは広帯域であるべきである。

図９Ａは、ジッターされたピンホールパターン（ｈ）を示す。図９Ｂは、０ジオプトリーについての対応するディスプレイマスク（ｐ）を示す。このジッターされたピンホールセットアップを見る時、完璧な目は（図９Ｃに示されたように）中央にくっきりしたパターン（ｇ）を見る一方、近視の目は（図９Ｄに示されたように）ぼやけた画像を見る。ｇの縮尺を変えることによって、仮想点を、それから離れて動いている小レンズにより近くに動かすことができる。

ＬＣＤディスプレイスクリーンは、様々な異なる形態ファクター中に収容されても良い。例えば、それは、携帯電話、スマートフォン、またはヘッド搭載ディスプレイ（ＨＭＤ）のディスプレイスクリーンからなっていても良い。あるいは、例えば、ＬＣＤディスプレイスクリーンは、コンピューターモニターからなっていても良い。その場合には、コンピューターモニター上の画像の縮小ディスプレイを小レンズアレイの焦点面上に作り出すために、リレー光学系が使われても良い。このシステムはＬＣＤを要求はしない。ＤＭＤベースの、ＤＬＰベースの、ＯＬＥＤの、プラズマの、またはＣＲＴのディスプレイを含んだあらゆる種類の電子視覚ディスプレイが使われても良い。

小レンズまたはピンホールアレイは、ディスプレイスクリーンの上に固定されても良い。代替的に、小レンズまたはピンホールアレイは、ディスプレイスクリーンにまで持ち上げられた別の手持ちツール中に収容されても良い。図１０Ａは、この発明の例示的実装における、そのような手持ちデバイス１０００の断面図である。小レンズまたはピンホールアレイ１００２が堅いハウジング１００４中に収容される。ユーザはテストされるべき目をアイカップ１００６にまで上げる。別のバージョンでは、ＬＣＤがピンホール取り付け具の内側にあって、別のディスプレイのためのスナップオンである必要無しに、それを屈折エラーを測定するための完全なパッケージとしても良い。

図１０Ｂは、それが携帯電話１０２０のディスプレイスクリーン１０１８にまで持ち上げられたときの手持ちデバイス１０００を示す。携帯電話ボタン１０２２、１０２４、１０２８が、インタラクティブなソフトウェアを制御するためにユーザによって採用される。このソフトウェアは、なかんずく、表示された画像を揃え、（ユーザが揃えられた画像を見ることのような）ユーザの主観的体験の指標を入力すること、をユーザに許容する。イヤホン１０３０、１０３２が、どのようにして視力テストを受けるかについての指示のようなオーディオ指示を聞くためにユーザによって採用されても良い。小さな入力デバイス１０２６は、オーディオ出力を制御するための音量、プレイおよびポーズボタン１０２８を収容する。ケーブル１０２５は、入力デバイス１０２６と携帯電話１０２０を接続する。

図１０Ｃは、携帯電話１０２０中のプロセッサ１０２１を示す。そのようなプロセッサが、（なかんずく）ユーザ入力を受け付け、スクリーン上のテスト画像の表示を制御し、グラフィカルユーザインターフェースを介して相互作用し、目のパラメータを計算するためのソフトウェアを実行するために使われても良い。代替的に、１つより多くのプロセッサが使われても良く、そのようなプロセッサの全てかまたはいくつかは、遠隔位置においてを含んで、ディスプレイスクリーンとは別に収容されても良い。遠隔に位置するプロセッサは、お互いとかまたはＬＣＤディスプレイデバイスと、有線または無線接続のどちらかによって、接続されても良い。

この発明のいくつかの実施形態では、画像は動的なＬＣＤスクリーンではなくマスクまたはスライドによって表示される。その場合には、フレームを変更するために、異なるマスクまたはスライドのセットが小レンズまたはピンホールアレイに対して転置されて、マスクまたはスライドの異なる１つが照射されるようにしても良い。このプロセスは繰り返されて、異なるマスクまたはスライドのシーケンスが表示されるようにしても良い。幅広い種類の材料がスライドまたはマスクのために使われても良い。例えば、この発明の原型では、ディスプレイマスクは、その一部がレーザープリンターによって黒く塗られた透明フィルムからなる。

図１１Ａ、１１Ｂおよび１１Ｃは、この発明の例示的実装における、ピンホールアレイの下でマスクを平行移動することによってディスプレイが変更されることができるセットアップの、それぞれ断面図、斜視図および上面図である。これらの図では、堅い壁１１０２をもった手持ちデバイス１１００がピンホールアレイ１１０５を収容する。ユーザは、アイピース１１０４に対して目を置くことができる。ディスプレイマスク１１０８のセットが、可動アーム１１１０中に位置する。フレームを変更するために、ユーザは、新たなマスクが表示されるまで可動アーム１１１０を手動でスライドすることができる。視力についてテストされている時には、ユーザは画像が現れるポイントまで可動アームをスライドしても良い。そのポイントにおいて、ユーザはジオプトリーでの印刷された値を見るためにデバイスの底部を見ても良い。例えば、各画像は、以前のものよりも０．５ジオプトリー大きいか小さくても良い。マスクは、周囲光によってかまたはＬＥＤ，フラッシュライトまたは電球のようなあらゆるその他の光源によって照射されても良い。

ピンホールでの問題は、目の焦点が浮動しようとすることである。この問題を解決するために、テストされている目が無限遠にフォーカスするべきであることが望ましい時には、ユーザが別の目で遠景を見るように指導されても良い。

この（ピンホールが採用された時に目の焦点距離が浮動するという）問題を解決する別のやり方は、テストされている目に２つの画像を同時に表示するようにビームスプリッターを使うことである。１つの画像は背景画像であり、もう１つは（背景画像の中央の黒い円中に投射される）テスト画像である。目は、それがテスト画像を見るのと同時に、背景画像の見掛けの距離にフォーカスしようとする。

図１２は、この発明の例示的実装における、ビームスプリッターの使用を描く。携帯電話１２００のＬＣＤスクリーンの一部は、テストパターン１２０２を表示する。それらのテストパターン１２０２からの光は、円の周りに等しく間隔を空けられた８個のピンホール１２０９からなるピンホールアレイ１２０４を通して通過する。携帯電話上のＬＣＤスクリーンの別の部分は、明るさが調整可能な一様な正方形１２０６を表示する。この照射された正方形からの光が可動な背景画像１２０８をバックライトで照らす。この背景画像は２つの部分を有する。より大きな部分１２１０は、例えば、森林の写真であっても良い。より小さな部分１２１２は、その中にテスト画像が投射されるブラックホールである。可動な背景画像１２０８からの光は、前面ミラー１２１４から跳ね返り、レンズ１２１６を通して通過し、ビームスプリッター１２１８から跳ね返ることによってユーザの目１２２０まで伝わる。ピンホールアレイ１２０４からの光は、ビームスプリッターを通して通過し、それから被験者の目１２２０に到達する。ユーザは、アイカップ１２２２にまで自分の目１２２０を上げても良い。ユーザは、背景画像１２２４とその内側にテスト画像をもった黒い円の両方からなる画像１２２６を見る。

この例では、目は背景画像１２２４の見掛けの深度にフォーカスしようとする。レンズ１２２８から可動な背景画像１２０８までのデフォルトの距離は、レンズ１２１６の焦点距離１２２８に等しい。この距離において、画像は無限遠に投射される。ユーザは、可動な背景画像１２０８の物理的位置を、たとえば１ジオプトリーのステップで、手動で調整することができる。背景画像１２０８の動きは、たとえば＋６からー３ジオプトリーのレンジをシミュレートすることができる。

背景画像は、特定の距離にフォーカスすることを目に強制するのに使われる。目がそのようにフォーカスされている間に、ユーザは、レンズ収差を測定するために（ユーザが黒い内円１２２６中に見る）テスト画像中のパターンを揃えることができる。

図１３は、この発明の例示的実装における、ヘッド搭載ディスプレイ（ＨＭＤ）１２００の使用を示す。図１３では、（フレーム１２０６、１２０８に収容された）小レンズまたはピンホールアレイ１２１０と１２１２が、ＨＭＤのＬＣＤディスプレイ（そのＬＣＤディスプレイはハウジング１２０２、１２０４内に位置している）の上に置かれる。

代替的に、ＬＣＤディスプレイスクリーンは、コンピューターモニターからなっていても良い。いすれにせよ、コンピューターモニター上の画像の縮小ディスプレイを小レンズアレイの焦点面上に作り出すために、リレー光学系が使われても良い。図１４Ａは、そのようなセットアップの例を示す。コンピューターモニター１３０２のスクリーンが、テストパターンを表示する。リレー光学系１３０４が、小レンズアレイの焦点面において、それらのテストパターンの縮小ディスプレイを作り出すのに使われる。ユーザは、アイピース１３０６中を覗くことによって、テストパターンを見ても良い。ユーザは、マウス１３１０またはキーボード１３１２を使うことによって、命令を入力し、モニター１３０２上のグラフィカルユーザインターフェースと相互作用しても良い。コンピューター１３０８中のプロセッサは、なかんずく、ユーザ入力を受け付け、モニタースクリーン上のテスト画像の表示を制御し、グラフィカルユーザインターフェースを介してユーザと相互作用し、目のパラメータを計算するためのソフトウェア命令を実行するために使われても良い。代替的に、１つ以上のプロセッサがそれらの機能を行っても良く、そのようなプロセッサの少なくともいくつかは、ウェブサーバーのような遠隔位置においてを含んで、別に収容されても良い。遠隔に位置するプロセッサは、お互いとかまたは電子視覚ディスプレイと、有線または無線接続のどちらかによって、接続されても良い。

図１４Ｂは、リレー光学系の上面図を示す。ユーザは、小レンズまたはピンホールアレイ１３１４中を覗くために、アイカップ１３０６に対して目を置いても良い。

図１５は、この発明の例示的実装において、使われ得る入力デバイスの例を示す図である。例えば、ユーザは、命令またはその他のデータをコンピュータープロセッサ１４０１に入力するために、キーボード１４０３、マウス１４０５、ボタン１４０７、ダイアル１４０９、または携帯電話キー１４１１を採用しても良い。プロセッサ１４０１は、そのような入力を受け付けても良い。この入力に従って、プロセッサ１４０１は、なかんずく、目によって見られた通りの表示されたパターンの見掛けの位置がお互いとより近くにかまたは離れて動くことを引き起こすように（ＬＣＤのような）電子視覚ディスプレイ１４０２を制御しても良い。あるいは、もし入力されたデータが表示されたパターンは揃えられているように現れることを指し示せば、プロセッサは、その入力に基づいて、テストされている目の少なくとも１つの屈折パラメータを決定しても良い。

実装によっては、入力は様々なソースから来ても良い。この発明のいくつかの実装では、命令またはデータは、目がテストされている人以外の人間によって入力される。代替的に、入力はコンピューターから来ても良い。例えば、目がテストされている人間からの、または別の人間からの、またはコンピューターからの入力は、（テストされている目またはその他の光学システムによって見られた通りの）パターンを変動するために使われても良い。同様に、そのような入力は、（テストされている目またはその他の光学システムによって見られた通りの）パターンが所望の画像を形成するように現れることを指し示すために使われても良い。

この発明の原型の１つでは、図１４Ａと１４Ｂに示されたものと同様のセットアップが採用される。この原型は、光学縮小システム（１／３５．８のファクター）と結合された２４”Dell(登録商標)2407WFP ＬＣＤディスプレイ（１９２０×１２００ピクセル）と、１２．５ｍｍの焦点距離をもった５００ミクロンの小レンズの２０×２０のアレイ（Edmund Optics(登録商標)part number NT64-479）を使う。縮小システムは、７．５μｍピクセルピッチディスプレイと同等な、マイクロレンズの焦点面上の３，３２０ＤＰＩの仮想ディスプレイを作り出す。式１により、我々は、ａ＝３．５ｍｍとｃ＝０．００７５×表示されたピクセル数を有する。アイピースは、ｔ＝１５ｍｍであることを保証し、ＬＣＤ上の表示されたピクセル当り約±０．１６ジオプトリーを与える。式２により、このセットアップは、目の中の円錐細胞のサイズによって制限されているのに近い。

この発明のその他の原型では、サイズ、インターフェース、およびスクリーン解像度（インチ当りのピクセル）が変動したその他の高解像度スクリーンが使われた。携帯電話セットアップでは、１８０ＤＰＩ（または１Ｄに３色のチャネルをもった５４０ＤＰＩ）をもったディスプレイを有するSamsung(登録商標)Behold Iと、２５０ＤＰＩ（または１Ｄに３色のチャネルをもった７５０ＤＰＩ）をもったディスプレイを有するGoogle(登録商標)Nexas(登録商標)One phone、が使われた。３ｍｍのホールピッチと距離ｆ＝２０ｍｍをもったピンホールマスクを使って、それらの原型は、表示されたピクセル当り約０．７１ジオプトリーと０．４ジオプトリーをそれぞれ提供する。ピンホールアレイパターンは、各正方形のピンホールが０．５ｍｍの幅を有する規則正しい３×３グリッドである。我々はまた、Vuzix(登録商標)iWear(登録商標)VR 920ヘッド搭載ディスプレイ（１８０６ＤＰＩ）と、１２．５ｍｍの焦点距離をもった５００ミクロンの小レンズ（Edmund Optics(登録商標)part number NT64-479）を使った。それは、ａ＝３．５ｍｍの時に表示されたピクセル当り±０．３５ジオプトリーに結果としてなる。

例示的実装では、この発明は、時間次元を有し、調節の速度を推定するために有用である。このアプローチは、毛様体筋の健康状態、一時的疲労、または中毒を検出するのに好適である。仮想パターンがある深度で示され、次のフレームではそれが異なる深度に変更される。若い、健康な被験者は、再調節するのに約３５０ｍｓを要する。代替的に、消費者ビデオカメラのフォーカシングの速度がこのやり方でチェックされても良い。例えば、無限遠における仮想オブジェクトがカメラに示されても良く、直ぐ次のフレームで、仮想オブジェクトが２０ｃｍにおいて示されても良い。

目とマイクロレンズ中の色収差は、異なる深度で仮想点を作成し得て、色付きパターンの使用をトリッキーにする。しかしながら、理に適った成功の元で実効的ディスプレイ解像度を増加するために、色パターンが我々の原型の１つで使われた。

例示的実装では、この発明は、移動電話のような既存の高解像度ディスプレイを改造することによって構築されることができる。そのような改造は、単純で安価なハードウェアとソフトウェアの改変によって達成されても良い。そのような改造アプローチでは、小レンズまたはピンホールアレイは、図１０Ａと１０Ｂに示されたもののような、別の手持ちデバイス中に収納されても良い。

この発明の例示的実装では、推定と検証は単一のステップに組み合わされ、ぼやけテストの代りに揃えタスクを採用する。これは、今日の検眼における最も一般的な慣行と対照的である。

例示的実装では、ビューアから異なる距離において仮想パターンを投射する能力が、調節のレンジと速度が測定されることを許容する。

この発明は、ミスフォーカスの指標としての揃えには限定されない。代りに、フォーカスまたはミスフォーカスは、（ａ）色の時間的または空間的変動、（ｂ）少なくとも１つのパターンの動きを含んだ動き、（ｃ）少なくとも１つのパターンの形状の変化、（ｄ）お互いに対するパターンの相対的位置の変化のような、テストされている目またはその他の光学システムによって見られた通りの画像中のあらゆる変化によって指し示されても良い。

明確さのための、いくつかの定義：
「見られる」と「現れる」という用語は、生物的及び無生物的な光学システムの両方に適用されるように広く解釈されるべきである。例えば、もし何かがカメラによって「見られる」ことができるならば、それはそれがカメラの視点から視認可能であることを意味する。また、例えば、もし何かがカメラに対して「現れる」ならば、これはカメラの視点からそれが現れることを意味する。

「所望の画像」という用語は、選択が、人間またはコンピューターのような、生物的または無生物的な決定者によってなされているかどうかに関わらず、その画像の選択のための少なくとも１つの判断基準に合ったあらゆる画像を含むように広く解釈されるべきである。

「の上」と「の下」という用語は、垂直の文脈に限定されず、広く解釈されるべきである。例えば、ディスプレイスクリーンの向きに関わらず、スクリーン上に表示されたパターンは、もしスクリーンと垂直なラインがパターンと小レンズの両方と交差すれば、小レンズ「の下」である。また、例えば、もしデバイスがお互いと平行であるディスプレイスクリーンと隣接するアレイの両方からなっていれば、そのデバイスの向きに関わらず、アレイはディスプレイスクリーン「の上」である。

「含んだ」という用語（およびその文法的変形）は、あたかもそれが「限定無しで」という言葉によって続かれるかのように広く解釈されるべきである。

この発明は、多くの異なるやり方で実装され得る。ここにいくつかの例を挙げる。

この発明は、光学システムを評価するためのプロセスであって、（ａ）小レンズまたはピンホールのアレイ中の少なくともいくつかの小レンズまたはピンホールの下でパターンを表示するように電子視覚ディスプレイを制御することであって、アレイは、電子視覚ディスプレイからの光がアレイを通して通過し光学システムに達するように配置されていることと、（ｂ）制御入力に従って、光学システムによって見られた通りのパターンを変更するように電子視覚ディスプレイを制御することと、（ｃ）所望の画像を形成するように、パターンが現れることを指し示す入力を光学システムに受け付けることと、（ｄ）所望の画像の見掛けの形成に関する入力に基づいて、光学システムの少なくとも１つの屈折パラメータを決定することと、の組み合わせからなるプロセスとして実装されても良い。

この発明は、（ａ）電子視覚ディスプレイからの光がアレイを通して通過し光学システムに達することができるように電子視覚ディスプレイの上に配置されたかまたは配置されるように適応された小レンズまたはピンホールのアレイと、（ｂ）（Ｉ）アレイ中の少なくともいくつかの小レンズまたはピンホールの下でパターンを表示するように電子視覚ディスプレイを制御し、（ＩＩ）制御入力に従って、光学システムによって見られた通りのパターンの見掛けの位置がより近くになるかまたは更に離れるように動くことを引き起こすように電子視覚ディスプレイを制御し、（ＩＩＩ）単一の画像を形成するように揃えるために、パターンが現れることを指し示す入力を光学システムに受け付け、（ＩＶ）見掛けの揃えに関する前記入力に基づいて、光学システムの少なくとも１つの屈折パラメータを決定する、ための少なくとも１つのプロセッサと、の組み合わせからなる装置として実装されても良い。そのような装置は更に、電子視覚ディスプレイからなっていても良い。

この発明は、（ａ）電子視覚ディスプレイからの光がアレイを通して通過し光学システムに達することができるように電子視覚ディスプレイの上に配置されたかまたは配置されるように適応された小レンズまたはピンホールのアレイと、（ｂ）（Ｉ）アレイ中の少なくともいくつかの小レンズまたはピンホールの下でパターンを表示するように電子視覚ディスプレイを制御し、（ＩＩ）制御入力に従って、光学システムによって見られた通りのパターンを変更するように電子視覚ディスプレイを制御し、（ＩＩＩ）所望の画像を形成するように、パターンが現れることを指し示す入力を光学システムに受け付け、（ＩＶ）見掛けの揃えに関する前記入力に基づいて、光学システムの少なくとも１つの屈折パラメータを決定する、ための少なくとも１つのプロセッサと、の組み合わせからなる装置として実装されても良い。装置はまた、（１）電子視覚ディスプレイと、（２）第１の画像と第２の画像の両方を目に同時に提示するためのビームスプリッターであって、第１の画像は、目が第１の画像の見掛けの深度にフォーカスするためのキューを提供するためのものであり、第２の画像は、目がその見掛けの距離にフォーカスされている間に少なくとも１つの屈折パラメータを評価するためのテスト画像であるもの、の少なくとも１つからなっていても良い。装置の少なくとも１つのプロセッサは、複数のプロセッサからなっていても良く、複数のプロセッサの少なくとも１つはアレイから遠隔にあっても良い。

更には、直前の３つの段落に記載されたものを含んだ、この発明のいくつかの実装では、（１）電子視覚ディスプレイは液晶ディスプレイからなっていても良い；（２） 光学システムは人間ユーザの目からなっていても良い；（３）制御入力と所望の画像の見掛けの形成に関する入力は人間ユーザからのものであっても良い；（４）制御入力と所望の画像の見掛けの形成に関する入力は別の人間ユーザからのものであっても良い；（５）制御入力と所望の画像の見掛けの形成に関する入力はコンピューターからのものであっても良い；（５）少なくとも１つの屈折パラメータは目の球面パワーであっても良い；（６）少なくとも１つの屈折パラメータは、(i)目の円柱パワーと(ii)目の円柱軸の１つであっても良い；（７）少なくとも１つの屈折パラメータは、(i)目の短焦点距離と(ii)目の遠焦点距離の１つであっても良い；（８）パターンは、光学システムによって見られた通りのお互いに対する見掛けの位置を有しても良く、見掛けの位置の少なくともいくつかは変化しても良い；（９）光学システムによって見られた通りのパターンの少なくとも１つは、変化する形状を有しても良い；（１０）光学システムによって見られた通りのパターンの色は、空間的または時間的に変動しても良い；（１１） 光学システムによって見られた通りのパターンの少なくとも１つは動いても良い；（１２）もし目の屈折が放射状に対称的であれば、小レンズからパターンからなる仮想オブジェクトまでの距離が１／Ｓに等しい時に、パターンは揃えられているように目には現れても良く、ここでＳは目のジオプトリーでの球面パワーである；（１３）もし目の屈折が放射状に非対称的であれば、かつもし表示されたパターンが向きθの直線によって二等分された小レンズの下のみであれば、かつもしパターンが（π／２＋θ）の角度で向き付けられた直線セグメントからなっていれば、小レンズからパターンからなる仮想オブジェクトまでの距離が１／（Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２(α−θ)）に等しい時に、パターンは揃えられているように目には現れても良く、ここでＳは目のジオプトリーでの球面パワー、Ｃは目のジオプトリーでの円柱パワー、αは目の円柱軸である；（１４）対称的調節パターンが、目の円柱軸に沿って投射されても良い；（１５）目の調節のレンジが、対称的調節パターンが揃えられているように目に現れるところの、小レンズから仮想オブジェクトまでの最長および最短距離に基づいて決定されても良い；（１６）光学システムの調節の速度は、パターンからなる仮想オブジェクトの深度を１つの深度から新たな深度に変更するように電子視覚ディスプレイを制御することと、光学システムが新たな深度に調節するのにどれ程長くかかるかを測定することによって決定されても良い；（１７）第１の画像と第２の画像の両方を目に同時に提示するためにビームスプリッターが使われても良く、第１の画像は、目が第１の画像の見掛けの深度にフォーカスするためのキューを提供するためのものであり、第２の画像は、目がその見掛けの距離にフォーカスされている間に少なくとも１つの屈折パラメータを評価するためのテスト画像である。

結論
上述された方法と装置は、発明の原理の単なる描写的な応用に過ぎないことが理解されるべきである。発明の範囲から逸脱すること無く当業者によって多数の変形がなされても良い。発明の範囲は以下に続く請求項によって以外は制限されるべきではない。

Claims (40)

1. 電子視覚ディスプレイ上にパターンを表示することであって、パターンは予め彎曲されており、パターンからの光線はピンホールまたは小レンズのアレイを通して光学システムまで伝わり、アレイから出る時に光線は位置と角度を有し、その位置と角度は予め彎曲されていることと、
   位置と角度の予めの彎曲を変動するようにパターンを変動することと、
   所望の画像を形成するように、パターンが現れることを指し示す入力を光学システムに受け付けることと、
   入力に少なくとも一部は基づいて、光学システムの少なくとも１つの屈折パラメータの決定をすることと、
   の組み合わせを含む方法。
2. プロセス中にいかなる光学的エレメントの物理的な動きも起こらない、請求項１の方法。
3. 光学システムは人間ユーザの目からなる、請求項１の方法。
4. 入力は人間ユーザからのものである、請求項３の方法。
5. 入力は別の人間ユーザからのものである、請求項３の方法。
6. 入力はコンピューターからのものである、請求項１の方法。
7. 少なくとも１つの屈折パラメータは目の球面パワーである、請求項３の方法。
8. 少なくとも１つの屈折パラメータは、(i)目の円柱パワーと(ii)目の円柱軸の１つである、請求項３の方法。
9. 少なくとも１つの屈折パラメータは、(i)目の短焦点距離と(ii)目の遠焦点距離の１つである、請求項３の方法。
10. パターンは、光学システムによって見られた通りのお互いに対する見掛けの位置を有し、見掛けの位置の少なくともいくつかは変化する、請求項１の方法。
11. 光学システムによって見られた通りのパターンの少なくとも１つは、変化する形状を有する、請求項１の方法。
12. 光学システムによって見られた通りのパターンの色は、空間的または時間的に変動する、請求項１の方法。
13. 光学システムによって見られた通りのパターンの少なくとも１つは動く、請求項１の方法。
14. 光学システムが人間ユーザの目からなり、
    目の屈折は放射状に対称的であり、
    小レンズからパターンからなる仮想オブジェクトまでの距離が１／Ｓに等しい時に、パターンは揃えられているように目には現れ、ここでＳは目のジオプトリーでの球面パワーである、
    請求項２の方法。
15. 光学システムが人間ユーザの目からなり、
    目の屈折は放射状に非対称的であり、
    パターンは、向きθの直線によって二等分された小レンズの下のみで表示され、
    パターンは、（π／２＋θ）の角度で向き付けられた直線セグメントからなり、
    小レンズからパターンからなる仮想オブジェクトまでの距離が１／（Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２(α−θ)）に等しい時に、パターンは揃えられているように目には現れ、ここでＳは目のジオプトリーでの球面パワー、Ｃは目のジオプトリーでの円柱パワー、αは目の円柱軸である、
    請求項２の方法。
16. 目の円柱軸に沿って対称的調節パターンを投射することと、
    対称的調節パターンが揃えられているように目に現れるところの、小レンズから仮想オブジェクトまでの最長および最短距離に基づいて、目の調節のレンジを決定することと、
    を更に含む請求項１５の方法。
17. 光学システムの調節の速度は、パターンからなる仮想オブジェクトの深度を１つの深度から新たな深度に変更するように電子視覚ディスプレイを制御することと、光学システムが新たな深度に調節するのにどれ程長くかかるかを測定することによって決定される、請求項１の方法。
18. 第１の画像と第２の画像の両方を目に同時に提示するためにビームスプリッターを使うことを更に含み、第１の画像は、目が第１の画像の見掛けの深度にフォーカスするためのキューを提供するためのものであり、第２の画像は、目がその見掛けの距離にフォーカスされている間に少なくとも１つの屈折パラメータを評価するためのテスト画像である、請求項３の方法。
19. 電子視覚ディスプレイからの光がアレイを通して通過し光学システムに達するように配置されたかまたは配置されるように適応された小レンズまたはピンホールのアレイと、
    パターンを表示するように電子視覚ディスプレイを制御し、パターンからの光線はアレイを通して通過し、アレイから出る時に角度と位置を有し、位置と角度は予め彎曲されており、
    光学システムによって見られた通りのパターン中のラインまたはその他の形状がより近くになるかまたは更に離れるように動くことを引き起こすようにパターンの予めの彎曲を変動するように電子視覚ディスプレイを制御し、
    単一の画像を形成するように揃えるために、ラインまたはその他の形状が現れることを指し示す入力を光学システムに受け付け、
    見掛けの揃えに関する前記入力に少なくとも一部は基づいて、光学システムの少なくとも１つの屈折パラメータを決定する、
    ための少なくとも１つのプロセッサと、
    の組み合わせを含む装置。
20. 電子視覚ディスプレイを更に含む、請求項１９の装置。
21. 電子視覚ディスプレイからの光がアレイを通して通過し光学システムに達するように配置されたかまたは配置されるように適応された小レンズまたはピンホールのアレイと、
    パターンを表示するように電子視覚ディスプレイを制御し、パターンからの光線はアレイを通して通過し、アレイから出る時に角度と位置を有し、位置と角度は予め彎曲されており、
    パターンを変更するように電子視覚ディスプレイを制御し、
    所望の画像を形成するように、パターンが現れることを指し示す入力を光学システムに受け付け、
    見掛けの揃えに関する入力に少なくとも一部は基づいて、光学システムの少なくとも１つの屈折パラメータを決定する、
    ための少なくとも１つのプロセッサと、
    の組み合わせを含む装置。
22. 電子視覚ディスプレイは、光学システムによって見られた通りの、光学システムからパターンまでの見掛けの距離に変動を引き起こすためにパターンを変更するように適応されており、見掛けの距離の変動はいかなる光学的エレメントのいかなる物理的な動きも無しに起こる、請求項２１の装置。
23. 光学システムは人間ユーザの目からなる、請求項２１の装置。
24. 入力は人間ユーザからのものである、請求項２３の装置。
25. 入力は別の人間ユーザからのものである、請求項２３の装置。
26. 入力はコンピューターからのものである、請求項２１の装置。
27. 少なくとも１つの屈折パラメータは目の球面パワーである、請求項２３の装置。
28. 少なくとも１つの屈折パラメータは、(i)目の円柱パワーと(ii)目の円柱軸の１つである、請求項２３の装置。
29. 少なくとも１つの屈折パラメータは、(i)目の短焦点距離と(ii)目の遠焦点距離の１つである、請求項２３の装置。
30. パターンは、光学システムによって見られた通りのお互いに対する見掛けの位置を有し、見掛けの位置の少なくともいくつかは変化する、請求項２１の装置。
31. 光学システムによって見られた通りのパターンの少なくとも１つは、変化する形状を有する、請求項２１の装置。
32. 光学システムによって見られた通りのパターンの色は、空間的または時間的に変動する、請求項２１の装置。
33. 光学システムによって見られた通りのパターンの少なくとも１つは動く、請求項２１の装置。
34. 少なくとも１つのプロセッサは、もし目が放射状に対称的な屈折を有していれば、小レンズからパターンからなる仮想オブジェクトまでの距離が１／Ｓに等しい時に、パターンは揃えられているように現れ、ここでＳは目のジオプトリーでの球面パワーであるように、パターンを表示するように電子視覚ディスプレイを制御することを行うためのものでもある、請求項２３の装置。
35. 少なくとも１つのプロセッサは、向きθの直線によって二等分された小レンズの下のみで表示される、（π／２＋θ）の角度で向き付けられた直線セグメントとしてのパターンで、小レンズからパターンからなる仮想オブジェクトまでの距離が１／（Ｓ＋Ｃｓｉｎ^２(α−θ)）に等しい時に、パターンは揃えられているように目には現れ、ここでＳは目のジオプトリーでの球面パワー、Ｃは目のジオプトリーでの円柱パワー、αは目の円柱軸であるように、パターンを表示するように電子視覚ディスプレイを制御することを行うためのものでもある、請求項２３の装置。
36. 少なくとも１つのプロセッサは、目の円柱軸に沿って対称的調節パターンを投射することと、対称的調節パターンが揃えられているように目に現れるところの、小レンズから仮想オブジェクトまでの最長および最短距離に基づいて、目の調節のレンジを決定することと、を行うためのものでもある、請求項２３の装置。
37. 少なくとも１つのプロセッサは、光学システムの調節の速度を、パターンからなる仮想オブジェクトの深度を１つの深度から新たな深度に変更するように電子視覚ディスプレイを制御することと、光学システムが新たな深度に調節するのにどれ程長くかかるかを測定することによって決定すること、を行うためのものでもある、請求項２３の装置。
38. 第１の画像と第２の画像の両方を目に同時に提示するためのビームスプリッターであって、第１の画像は、目が第１の画像の見掛けの深度にフォーカスするためのキューを提供するためのものであり、第２の画像は、目がその見掛けの距離にフォーカスされている間に少なくとも１つの屈折パラメータを評価するためのテスト画像であるものを更に含む、請求項２３の装置。
39. 少なくとも１つのプロセッサは複数のプロセッサからなり、複数のプロセッサの少なくとも１つはアレイから遠隔にある、請求項２１の装置。
40. 電子視覚ディスプレイを更に含む、請求項２１の装置。

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