专利名称：人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪。
背景技术：
知觉学习较早的定义是由GibSOn(195;3)给出的，即知觉学习表现为从外界环境中提取信息能力的提高，这种学习是受试者练习与生理成熟相互作用的结果。从1858年 Volkman首次发现至今，知觉学习的内在机制与相关应用都得到的长足的发展。虽然对其实质还远未到达统一的认识，但目前研究承认的事实是知觉学习一方面提高个体获取外界信息的能力，另一方面使得较长时间上行为决策机制改变和提高。其生理基础是大脑基本感觉区域的功能可塑性。视知觉学习在最近20年来成为认知神经科学的一个前沿和热点问题。直到20年前人们还普遍认为早期的视皮层，特别是初级皮层只有在婴幼儿时期才具有可塑性，成年之后就不在可塑了(Marr，D. Vision，San Francisco :Freeman，1982)。但近年来已有诸多的心理物理学实验表明，即便是成人在很多视知觉学习任务中也可以表现出提高(^saki et. al, Advances in visual perceptual learning and plasticity，2010)。
另ll的， 年弱视患者经过学习之后，可以大大提高其对比敏感度及视力(Zhou YF,Huang CB,Xu PJ, Tao LM,Qiu ZP,Li XR and Lu ZL,Perceptual Learning Improves Contrast Sensitivity and Visual Acuity in Adults with Anisometropic Amblyopia. Vision Research,46 (5) 739-750,2006)，说明成年弱视患者视神经系统仍具有潜在的可塑性。这对于成人弱视治疗以至正常人视力的提高方面都具有积极的意义。人类视力最初发展中是由经验性学习主导的。新生婴儿的视觉追随大物体，较大的婴儿才能注意到小物体或物体的细节特征，出生后的二十个月内视力平均每月增加一个频率(c/deg，周期每度)。因此，对视神经系统精细有效的刺激在视力的发育过程中起到了至关重要的作用。人眼视觉系统所接受的外部图像信息都是通过眼球的光学系统由视网膜所接收的，所以眼球光学系统的性能成了影响视功能的重要因素。文献(D.R.Williams&H. Hofer (2003). Formation and Acquisition of the Retinal Image. In J. S. W. Leo M.Chalupa(Ed.) The Visual Neurosciences. The MIT Press，Cambridge，Massachusetts， London, England.)表明眼球光学系统受瞳孔的衍射、角膜和晶状体的像差、房水的散射等多种因素的影响。除瞳孔大小外，像差成为决定视网膜像质的直接因素。由于人眼像差是固然存在的，这必然造成了视网膜像质的降低，进而成为视力在发育过程中无法达到极限的可能因素。此外，像差也是某些类型弱视(屈光性弱视，屈光参差性弱视)的成因。人眼像差一般可分为低阶部分和高阶部分，现有的视知觉学习通常只采用传统的镜片矫正人眼低阶像差，但在人眼高阶像差和衍射的共同作用下，不能在视网膜上产生足够清晰的图像。由于受到图像清晰程度的限制，单纯的视知觉学习对人眼视功能的改善幅度有限。在中国专利申请号20091(^6^70. 4和20091(^6^71. 9中公开了一种人眼自适应光学视知觉学习训练方法和训练仪(分别为单眼和双眼)。基于自适应光学技术，该训练仪能够测量并矫正人眼光学系统的波前像差，使得人眼光学系统接近衍射极限。在此基础之上，应用该训练方法进行视知觉学习训练可以达到提高视知觉学习训练效果和人眼视功能的目的。然而，该训练仪存在下述缺陷(1)虽然利用自适应光学技术能够矫正人眼波前像差，但仍然无法克服衍射作用的影响。在高空间频率下，这种影响变得尤为明显。(2)该发明中的视标显示装置一般利用CRT显示器、商用投影仪、有机发光显示器等，由于这些设备本身分辨能力的限制，很难产生高空间频率的视刺激。(3)该发明中像差的矫正效果依赖于像差的测量及相应的控制方法，由于人眼波前像差的动态性等因素导致这种测量以及控制方式十分复杂。(4)该发明中训练仪的核心器件波前矫正器是一种精密的光学器件，加工工艺复杂，成本高。这些因素都限制了自适应光学视知觉训练仪的推广使用。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，利用激光干涉法在人眼底产生不同频率及对比度的正弦条纹，能够同时避开人眼光学像差和衍射作用所造成的影响，将更为精细的刺激投射于眼底，而且结构简单， 易于实现。本发明技术解决方案一种人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，包括光源(A)、 光学系统和控制系统，光源(A)采用He-Ne激光光源(1)，光学系统包括第一分束镜O)、 第二分束镜(3)、第一空间滤波透镜组(5)、第一反射镜(6)、第一透镜(7)、第二空间滤波透镜组(9)、第二反射镜(10)、第二透镜(11)、第三反射镜(13)、第三透镜(14)、第四反射镜(15)、第四透镜(16)、第三分束镜(17)、第一光阑(18)、第四分束镜(19)、毛玻璃(21)、 扩束透镜组(22)、第五反射镜(23)、第二光阑04)和第五透镜0 ；控制系统包括计算机 (C)、干涉条纹空间频率调节装置(B)和干涉条纹对比度调节装置(E)，干涉条纹空间频率调节装置(B)包括步进电机(XT)和与人眼06)瞳孔处共轭的棱镜(12)，干涉条纹对比度调节装置(E)由第一光开关G)、第二光开关(8)和第三光开关OO)组成；由He-Ne激光光源(1)发出的光经第一分束镜( 分为两路，第一路光分别经过第三光开关(20)、毛玻璃、扩束透镜组0 、第五反射镜、第二光阑04)和第四分束镜(19)作为非相干背景光(H)入射由第五透镜0 成像于人眼06)瞳孔处；第二路光经第二分束镜(3)分为对称的两路，对称的第一路光分别经过第一光开关G)、第一空间滤波透镜组(5)、第一反射镜(6)、第一透镜(7)成像于棱镜(1 的一个入射表面，然后该对称的第一路光再经过第三反射镜(13)、第三透镜(14)至第三分束镜(17)；对称的第二路光分别经过第二光开关(8)、第二空间滤波透镜组(9)、第二反射镜(10)、第二透镜(11)成像于棱镜(12)的另一个入射表面，然后该对称的第二路光再经过第四反射镜(15)、第四透镜(16)至第三分束镜(17)；对称的两路光在第三分束镜(17)处汇合后，经第一光阑(18)、第四分束镜(19)作为两束相干光(F)和(G)由第五透镜05)会聚于人眼06)瞳孔处，两个相干光点光源在人眼06)瞳孔处发生干涉，在人眼底产生一定空间频率和对比度的干涉条纹；所述计算机 (C)发出指令控制步进电机(XT)带动棱镜(12)旋转，并通过棱镜(12)的转动来调节瞳孔处的两个相干点光源间距距离，从而改变干涉条纹的空间频率；所述计算机(C)通过控制的第一光开关(4)、第二光开关(8)和第三光开关OO)来实现干涉条纹对比度的调节，其中控制第三光开关00)产生矩形脉冲，并通过控制矩形脉冲的调制率来实现非相干背景光亮度调节；控制第一光开关(4)和第二光开关(8)分别产生具有一定调制率的同步矩形光脉冲，并通过改变每个周期中开通重叠的时间实现对相干条纹对比度调节。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明利用激光干涉技术原理，能够直接避免人眼光学系统像差及衍射作用的影响，无需复杂的像差测量及矫正器件，结构简单，易于实现。此外，本发明能够产生高空间频率的干涉条纹而并不受硬件本身的限制。因此能够将更为精细的视觉刺激投射于人眼，使得受试者能够更为有效地进行视知觉学习，以提高视功能。(2)本发明中的干涉条纹的对比度能够利用计算机进行自动控制，并满足视知觉学习训练方法中对比度调节的精度要求。(3)本发明相干光源由激光直接分束产生，非相干光由相干光通过毛玻璃产生，保证了干涉条纹与非相干背景光颜色的一致性。(4)干涉条纹频率调节装置对于点光源间距的调节是对称性调节，能够满足 Stiles-Crawford最大化条件，保证两相干光束光强的一致性。
图1为本发明的组成结构示意图；图2为本发明的光学系统结构示意图；图3为本发明的控制系统结构示意图；图4为本发明的干涉条纹频率调节装置示意图；图5为本发明的干涉条纹对比度基本原理的示意图；图6为本发明的相干条纹对比度调节原理的示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的原理图，包括光源A，光学系统D，干涉条纹频率调节装置B， 干涉条纹对比度调节装置E，交互设备K以及计算机C。光源A发出的相干光经光学系统D 后得到两束相干光F和G，以及一束非相干背景光H。相干光F和相干光G会聚于瞳孔处， 焦点中心距为d，两束点光源发生干涉并在眼底I产生干涉条纹J。干涉条纹频率调节装置 B能够调节相干光F和相干光G在瞳孔处会聚的间距d，从而调节干涉条纹J的频率。干涉条纹对比度调节装置E用于调节干涉条纹J的整体对比度。交互设备K能够将受试者的测试结果输入计算机C并为受试者提供相应的声音反馈。计算机C，并且能够对包括光源A、 干涉频率调节装置B，干涉条纹对比度调节装置E及交互设备K进行自动控制。计算机C发出指令给干涉条纹频率调节装置B和干涉条纹对比度调节装置E，输出具有一定频率及对比度的干涉条纹J投射于受试者眼底I。受试者根据视知觉训练方法相关规则进行判断，其结果通过交互设备K发送至计算机C，并由计算机C发出相应反馈信号。计算机C根据知觉训练方法相关规则重新设定条纹频率调节装置B及条纹对比度调节装置E，输出具有新的频率及对比度的干涉条纹J投射于受试者眼底I。循环上述过程直至达到视知觉学习训练方法终止条件。该训练仪的基本特征在于利用激光干涉技术原理，能够直接避免人眼光学系统像差及衍射作用的影响，无需复杂的像差测量及矫正器件。此外，所述训练仪能够产生高空间频率的干涉条纹而并不受硬件本身的限制。因此，该训练仪能够将更为精细的视觉刺激投射于人眼，使得受试者能够更为有效地进行视知觉学习，以提高视功能。如图1、2、3所示，本发明的一种人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪由He-Ne激光光源1发出的光经第一分束镜2分为两路，第一路光分别经过第三光开关20、毛玻璃21、 扩束透镜组22、第五反射镜23、第二光阑M和第四分束镜19作为非相干背景光H入射由第五透镜25成像于人眼沈瞳孔处；第二路光经第二分束镜3分为对称的两路，对称的第一路光分别经过第一光开关4、第一空间滤波透镜组5、第一反射镜6、第一透镜7成像于棱镜12 的一个入射表面，然后该对称的第一路光再经过第三反射镜13、第三透镜14至第三分束镜 17 ；对称的第二路光分别经过第二光开关8、第二空间滤波透镜组9、第二反射镜10、第二透镜11成像于棱镜12的另一个入射表面，然后该对称的第二路光再经过第四反射镜15、第四透镜16至第三分束镜17 ；对称的两路光在第三分束镜17处汇合后，经第一光阑18、第四分束镜19作为两束相干光F和G由第五透镜25会聚于人眼沈瞳孔处，两个相干光点光源在人眼沈瞳孔处发生干涉，在人眼底产生一定空间频率和对比度的干涉条纹；计算机C发出指令控制步进电机27带动棱镜12旋转，并通过棱镜12的转动来调节瞳孔处的两个相干点光源间距距离，从而改变干涉条纹的空间频率；计算机C通过控制的第一光开关4、第二光开关8和第三光开关20来实现干涉条纹对比度的调节，其中控制第三光开关20产生矩形脉冲，并通过控制矩形脉冲的调制率来实现非相干背景光亮度调节；控制第一光开关4和第二光开关8分别产生具有一定调制率的同步矩形光脉冲，并通过改变每个周期中开通重叠的时间实现对相干条纹对比度调节。如图3所示，本发明的控制系统的实现为计算机C的控制主要有步骤一和步骤二两个部分，步骤一主要涉及干涉条纹空间频率的调节。当受到视知觉学习训练方法的要求而需重新设定(或初始状态时直接设定)眼底干涉条纹频率时，计算机C发出指令控制步进电机27带动棱镜12旋转，并通过棱镜12的转动来调节瞳孔处的点光源间距d，从而改变干涉条纹的空间频率。图4为说明图1所示的训练仪的条纹频率调节装置的示意图。其中4(a)为棱镜 12的整体图，坐标轴为xyz，圆心为O。其中圆心ο位于棱镜12的几何中心。4(b)俯视图， ζ轴方向。4(c)为正视图，χ轴方向。如图4所示，在两光束AB和EF在同一水平面内反向并呈一定夹角地入射棱镜12的左右两个面。假设棱镜12厚度为a，延χ轴逆时针方向旋转角度α，玻璃的折射率为η。由几何关系可知I1= α，其中I1为光束AB (或光束EF)与棱镜的入射角，联立方程(1)可以解出光束AB和光束EF在ζ轴方向的平移距离池(由于两光束为对称性调节，光束AB或光束EF在ζ轴方向平移距离为h，因此整体平移距离为2h)。 由此可知光束沿ζ轴方向平移的距离由其对棱镜的入射角I1、棱镜12的宽度a和折射率η 决定。优选地，棱镜为长方体，厚度a为25毫米，材料为冕玻璃(K9，η= 1.51)，沿χ轴逆时针每旋转1度，瞳孔26处点光源间距d改变量约为0. 3M毫米，其中M为透镜组即第三透镜14和第五透镜25 (或第四透镜14和第五透镜2 的横向放大倍率。优选地，第一透镜7 和第二透镜11分别将两束光成像于棱镜12的中心处，且该处与人眼沈瞳孔处共轭，保证此处的调节与人眼瞳孔处的一致性。更为优选地，将棱镜12两个入射表面镀上增透膜以减少由于杂散光形成的干涉t
权利要求
1.一种人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，其特征在于包括光源(A)、光学系统和控制系统；光源(A)采用He-Ne激光光源(1)；光学系统包括第一分束镜O)、第二分束镜 (3)、第一空间滤波透镜组(5)、第一反射镜(6)、第一透镜(7)、第二空间滤波透镜组(9)、 第二反射镜(10)、第二透镜(11)、第三反射镜(13)、第三透镜(14)、第四反射镜(15)、第四透镜(16)、第三分束镜(17)、第一光阑(18)、第四分束镜(19)、毛玻璃(21)、扩束透镜组 (22)、第五反射镜(23)、第二光阑04)和第五透镜0 ；控制系统包括计算机(C)、干涉条纹空间频率调节装置(B)和干涉条纹对比度调节装置(E)，干涉条纹空间频率调节装置(B) 包括步进电机(XT)和与人眼06)瞳孔处共轭的棱镜(12)，干涉条纹对比度调节装置(E) 由第一光开关G)、第二光开关(8)和第三光开关OO)组成；由He-Ne激光光源(1)发出的光经第一分束镜( 分为两路，第一路光分别经过第三光开关(20)、毛玻璃(21)、扩束透镜组(22)、第五反射镜(23)、第二光阑04)和第四分束镜(19)作为非相干背景光(H)入射并由第五透镜05)成像于人眼06)瞳孔处；第二路光经第二分束镜(3)分为对称的两路，对称的第一路光分别经过第一光开关G)、第一空间滤波透镜组(5)、第一反射镜(6)、 第一透镜(7)成像于棱镜(1 的一个入射表面，然后该对称的第一路光再经过第三反射镜 (13)、第三透镜(14)至第三分束镜(17)；对称的第二路光分别经过第二光开关(8)、第二空间滤波透镜组(9)、第二反射镜(10)、第二透镜(11)成像于棱镜(1 的另一个入射表面， 然后该对称的第二路光再经过第四反射镜(15)、第四透镜(16)至第三分束镜(17)；对称的两路光在第三分束镜(17)处汇合后，经第一光阑(18)、第四分束镜(19)作为两束相干光 (F)和(G)由第五透镜05)会聚于人眼06)瞳孔处，两个相干光点光源在人眼06)瞳孔处发生干涉，在人眼底产生一定空间频率和对比度的干涉条纹；所述计算机(C)发出指令控制步进电机(XT)带动棱镜(1 旋转，并通过棱镜(1 的转动来调节瞳孔处的两个相干点光源间距距离，从而改变干涉条纹的空间频率；所述计算机(C)通过控制的第一光开关 G)、第二光开关⑶和第三光开关OO)来实现干涉条纹对比度的调节，其中控制第三光开关OO)产生矩形脉冲，并通过控制矩形脉冲的调制率来实现非相干背景光亮度调节；控制第一光开关(4)和第二光开关(8)分别产生具有一定调制率的同步矩形光脉冲，并通过改变每个周期中开通重叠的时间实现对相干条纹对比度调节。
2.根据权利要求1所述的人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，其特征在于所述 He-Ne激光光源(1)为波长是632. 8nm的He-Ne激光光源。
3.根据权利要求1所述的人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，其特征在于所述第二路光经第二分束镜C3)分为对称的两路，对称的第一路光分别经过第一光开关、第一空间滤波透镜组(5)、第一反射镜(6)、第一透镜(7)成像于棱镜(12) —个入射表面的中心处，且该中心处与人眼06)瞳孔处共轭，然后该对称的第一路光再经过第三反射镜(13)、 第三透镜(14)至第三分束镜(17)；对称的第二路光分别经过第二光开关(8)、第二空间滤波透镜组(9)、第二反射镜(10)、第二透镜(11)成像于棱镜(1 另一个入射表面的中心处，且该中心处与人眼06)瞳孔处共轭，保证此处的调节与人眼瞳孔处的一致性。
4.根据权利要求1或3所述的人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，其特征在于所述棱镜(1 两个入射表面镀上增透膜以减少由于杂散光形成的干涉。
5.根据权利要求1所述的人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，其特征在于所述第一光开关G)、第二光开关(8)和第三光开关OO)为声光调制器或铁电液晶开关。
6.根据权利要求1所述的人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，其特征在于在所述计算机(C)和受试者之间增加交互设备(K)，所述交互设备，包括小键盘及声音设备，能够便于受试者进行测试及训练，并使受试者得到相应的声音反馈至计算机(C)。
全文摘要
一种人眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪包括光源，光学系统，干涉条纹频率调节装置，干涉条纹对比度调节装置，交互设备以及计算机。光源发出的相干光经光学系统后得到两束相干光及一束非相干背景光，两束相干光会聚于瞳孔处，产生的两点光源发生干涉并在眼底生成干涉条纹。干涉条纹频率调节装置调节两束相干光在瞳孔处会聚的间距，从而调节干涉条纹的频率；干涉条纹对比度调节装置用于调节干涉条纹的整体对比度。本发明能够直接避免人眼光学系统像差及衍射作用的影响，无需复杂的像差测量及矫正器件；能够将更为精细的视觉刺激投射于人眼，使得受试者能够更为有效地进行视知觉学习，以提高视功能。
文档编号A61F9/00GK102335088SQ201110198199
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者周逸峰, 张雨东, 戴云, 梁波, 赵豪欣 申请人:中国科学技术大学, 中国科学院光电技术研究所