专利名称：改善视力和视网膜成像的制作方法
技术领域：
本发明是通过以下授权而由政府支持的国家眼科学会授予的EY04367和EY01319以及国家科学基金会授予的NSF AST 9876783。政府在本发明中具有某些权利。
Liang等人(载于《美国光学学会杂志》1994年2月第11卷第7期1949-1957页)公开了一种哈特曼-沙克波前传感器，它用于测定人眼的单色波像差，本文引用了上述文章的内容。上述传感器测定人眼单色波像差的方法是；传感出自眼睛的因中央凹上的聚焦光束的视网膜反射而形成的波前。作者能用该文公开的系统测定仅高达四阶的多项式函数。但是，与仅高达四阶的多项式函数相配合的波前并不能完全地说明眼睛的像差。此后，Williams等人的US专利5777719号说明了对Liang等人使用的波前传感器的改进形式，这种改进形式能为至少第五阶单色像差或更高阶的单色像差提供测定数据和校正，本文引用了上述专利。通过以与改进的波前传感器设备相结合的方式使用可变形的平面镜，Williams等人能测定并校正通常用眼镜、接触式透镜、其它视觉设备或对眼睛作外科手术修正所不能校正的复杂像差。此外，如该文所述，Williams等人说明了这样一种系统，它能提供无先例质量的视网膜图像。
Liang等人的“通过自适应光学器件的超常视觉和高分辨率视网膜成像”(载于《美国光学学会杂志》14卷2884-2892页(1997))说明了用自适应的光学器件来测定和校正眼睛的单色波像差。Liang等人发现，在通过6.0mm的瞳孔观看具有每度27.5个周期(cpd)的单色光栅时，校正较高阶的单色像差会在对比度敏感性方面增加五倍。但是，Liang等人仅在单色光下且在一种空间频率下测定了对比度敏感性，这不能代表正常的日常观看条件。
还周知的是，人眼具有色彩像差。存在有多篇参考文献，它们与试图分析视觉色彩像差有关。Campbell和Gubish在《生理学杂志》192卷第345-358页(1967)中报告，对于聚焦的色度差异(纵向色度像差)，在10-40cpd的空间频率范围内，对白光与单色光之间的对比度敏感性没有明显的改进。
Thibos等人在《验光与视觉科学》68卷第8期第599-607页(1991)提出了这样的问题即色彩像差是否会显著地影响视力，如果是这样的话，那么，是如何影响的、为什么会影响、并且会影响到什么程度？Thibos等人得出结论a)轴向(纵向)色彩像差仅会导致适度的对比度敏感性下降和少量的视觉灵敏度损失；b)放大色差对视觉效率几乎没有影响；以及，c)横向色彩像差仅在瞳孔侧向位移时才对视网膜中央凹视力来说是明显的。对色彩像差对视觉的不显著影响的流行解释是，色彩像差在光谱极端处是最严重的，在光谱极端处，眼睛适应光的光谱敏感性是低的。
此外，许多观察色彩像差对视觉和视网膜图像质量的影响的研究并不认为色彩像差和较高阶的单色像差对视觉效率有复合的影响。
为了改进视力，本发明人业已认识到需要在正常的观看条件下评价视觉效率，因此，需要确定单独或以组合的方式仅校正第二阶像差、校正较高阶像差或色彩像差对视力改进的程度。因此，需要评价像差对人类视觉的影响的方法和设备，这些方法和设备能通过像差校正提供更好的视觉和视网膜成像。
本发明的一个实施例是由这样的光学系统来说明的，该系统用于改善人的视觉，所述系统包括较高阶的相位补偿部件和光振幅修正部件。较高阶的相位补偿部件可用于提供较高阶的单色像差校正，而光振幅修正部件则可用于提供对色彩像差进行校正。在上述实施例的一个方面中，较高阶的相位补偿部件和光振幅修正部件均驻留在一共用的光学组件内。在另一个方面中，较高阶的相位补偿部件和光振幅修正部件各驻留在一个独立的光学组件内。
本发明的另一个实施例涉及一种视觉组件，它用于改进人的视力。该组件至少具有能用于校正所测定的较高阶的单色视觉像差的形状。此外，上述视觉组件在其表面的至少一部分上具有不均匀的传输率，以便校正视觉的色彩像差。在这一实施例的一个方面中，通过人工变迹法可有效地减小眼睛的瞳孔直径，从而能减弱像差对眼睛视觉效率的不良影响。
本发明的另一个实施例涉及提供改进后的高分辨率的视网膜图像。用于产生这种图像的系统可最佳地使用宽带光源，以便增加亮度，同时，可通过校正较高阶的单色像差和色彩像差而提高图像质量。
本发明的一个方法实施例涉及改进个人的可测量的视觉收益并且包括校正视觉的较高阶的单色像差、还校正色彩像差，最好且基本上是校正轴向色彩像差。用于校正较高阶的单色像差的最佳方法包括提供可变形的平面镜或诸如例如LCD或MEMS设备或者最佳地是接触透镜、IOL、嵌入体、嵌上体等其它相位补偿部件或者用例如折射手术或光切除的角膜整形之类，所有这些均能适当地用于提供适当的相位补偿，以便校正典型眼睛所产生的像差的波前。用于校正色彩像差的方法包括按多种形式的光谱过滤，并且，最佳地包括如以下要详细加以说明的人工变迹法。
为了更精确且明确地说明本发明，以下说明本说明书和后附权利要求中使用的下列定义的涵义。
变迹法是指光线在瞳孔半径上也即在瞳孔的中心与瞳孔的边缘之间不均匀的振幅传输。
较高阶的单色像差是指第三和较高阶的径向泽尔尼克多项式(不包括活塞、顶和蓬)所代表的光学像差或者如本技术的专家所理解的那样用其它度量衡所说明的等价像差，其中应注意的是，较高阶的的单色像差具体是指由第五至第十阶的径向泽尔尼克模式(不包括活塞、顶和蓬)所表示的光学像差或它们的等价形式。
通常按本技术的专家所理解的术语来定义色彩像差，但是，该术语最好并且基本上是指轴向或纵向的色彩像差。
视觉效率如在本文中所说的那样是定性地指人能够看见的程度。视觉收益(VB)用于表示视觉效率的定量测定值。根据对比度敏感度和视觉敏锐度来表示视觉收益，因为，本领域的技术人员都理解对比度敏感度和视觉敏锐度。更具体地说，根据心理-物理的视觉收益(VBpsy)和光学视觉收益(VBopt)等同地将视觉收益定义如下 其中，CSF定义为对比度敏感度函数，w/HOC是指有较高阶的像差校正，w/oHOC是指没有较高阶的校正，MTF是指调制传递函数。就(a)为仅校正较高阶的单色像差(第三至第十阶的泽尔尼克模式)的情况所提供的以下结果而言，光学视觉收益可定义为 并且，就(b)校正较高阶的单色像差和轴向色彩像差而言，光学视觉收益可定义为
在这两种情况下，如提供基准视觉效率所必需的那样，对散焦和散光(第二阶泽尔尼克模式)进行校正。
光学系统是指与人的视力有关的一个或多个光学部件并且包括但不限于眼睛或其折射部分，包括角膜、接触透镜、IOL、视觉嵌入体、视觉嵌上体或诸如例如可变形平面镜或眼镜透镜之类的外部组件，根据预定的应用和实践的考虑，这些部件中的任何一个均可单独使用或与任何一个其它光学部件结合使用。
较高阶的相对补偿部件是指但不限于以上列出的任何一种光学部件它有这样的表面可根据较高阶的单色像差波前数据对上述表面的形状进行修整，以便产生基本上为平的波前，或者，换句话说，以便校正较高阶的像差。可变形平面镜或其它类型的相位补偿器件(例如LCD、MEMS等)包括在上述定义内。
光振幅修正部件是指但不限于这样的结构，它通过衍射、干涉、吸收、传输或过滤而重新分配光线并且补偿或校正视觉的色彩像差。
总之，本发明涉及通过校正眼睛的较高阶的单色像差和色彩像差而获得视觉收益的设备和方法，所述视觉收益要大于通过单独校正较高阶的单色像差或色彩像差所获得的视觉收益。本发明人业已观察到，校正较高阶的单色像差所提供的有益效果会因正常观看状态下存在色彩像差而被冲淡。换句话说，校正较高阶的单色视觉像差和视觉色彩像差这两者的收益会明显地大于单独校正一种像差所获得的收益。此外，对较大的瞳孔尺寸(～3-8mm)来说的冲淡(或改善)要比对较小的瞳孔尺寸(＜3mm)来说的冲淡(或改善)更明显。根据上述发现，应该可以用本技术的专家所周知的DM、接触透镜、IOL、角膜整形、视觉嵌入体、视觉嵌上体和其它视觉设备或技术来校正眼睛的较高阶的单色像差，并且，应该可以通过额外地校正眼睛中的色彩像差而进一步提高视觉收益。
本发明还涉及用于改进视网膜成像的设备和方法，其中使用了上述概念。
在以下的详细说明中参照附图和后附权利要求更完全地说明本发明的上述和其它目的以及相应的优点。
图1A和1B是本发明用于波前测量、像差校正、心理物理测量以及视网膜成像的自适应光学系统的概略图；图2是本发明一个实施例的光学系统的概略俯视平面图；图3是本发明一个实施例的用于变迹过滤器的各种σ值(变迹程度)的振幅传输对瞳孔半径的曲线图；图4是在典型的Stiles-Crawford建模条件下振幅传输对瞳孔半径的曲线图；图5是本发明一个实施例的光谱轮廓曲线；图6是本发明一个实施例的光谱轮廓曲线，就各波长的不同半径位置而言，该曲线是波长的函数；图7是本发明一个实施例的用于多种瞳孔直径的光传输曲线；图8是本发明一个实施例的变迹过滤器的概略图；图9是本发明一个实施例的另一种变迹过滤器的概略图；图10是本发明一个方面的变迹过滤器的概略图；图11是用于本发明变迹过滤器实施例的传输曲线；图12是本发明长通过滤器的过滤器传输曲线；图13A、13B是MTF曲线图，它们示出了本发明的不同变迹过滤器的效果；图14是本发明的不同过滤器实施例的MTF曲线图；图15是MTF曲线图，其中，以与本发明的变迹过滤器相结合的方式校正彗差和球面像差。
图16是加权的色彩散焦的曲线图，该图是以555nm的参照波长为中心的波长的函数；图17A、17B是在某些像差不存在/存在时对比度敏感度对空间频率的曲线图；图18A、18B是在本发明一个实施例的像差校正之前和之后视觉收益对空间频率的曲线图；图19A、19B分别就3mm瞳孔直径而言和就本发明一个实施例的多种像差校正而言的对比度敏感度与视觉收益的曲线图；图20A、20B是就6mm瞳孔直径而言在不同亮度下若干受试者、多种像差校正的视觉敏锐度的曲线图；图21是就不同空间频率的视觉收益的曲线图，它是波长带宽的函数；图22A、22B分别是MTF和视觉收益的的曲线图，它们是来自17个受试者眼睛的在3mm瞳孔直径的空间频率的函数；以及，图22C、22D是对于6mm瞳孔直径的相应曲线图；图23是连同神经阈值曲线的MTF的曲线图，它是空间频率的函数，所述神经阈值曲线说明了本发明一个实施例的视觉敏锐度在理论上的增长。
发明详述较高阶的单色视觉像差认为自身是发射自眼睛的光线的变形(非平面)的波前。正如本技术的专家认识到的那样，这些波前可通过波前表面上的相位补偿而恢复成基本上为平面的波前。最好利用较高阶的相位补偿部件以提供预定的相位补偿。在一个最佳方面中，提供在视觉组件或设备的至少一部分表面上有具有适当相位分布图(即表面形状)的视觉组件或设备以校正较高阶的单色像差。这种组件可包括例如可变形的平面镜、LCD、MBMS设备、接触透镜、IOL、视觉嵌入体、视觉嵌上体以及经整形的角膜。
另一方面，色彩像差是受光振幅在瞳孔区域上分布的影响的，它具有或不具有光谱相关性。光振幅修正部件用于补偿或校正视觉色彩像差。在一个最佳方面，设置光谱过滤器或衍射光学表面以便校正色彩像差。具体地说，提供了瞳孔的人工变迹，以下将详细对其进行说明。人工变迹还可最佳地用于改进视网膜成像。
本发明的一个实施例涉及用于测定并改进人的视力的光学系统并且包括较高阶的相位补偿部件和光振幅修正部件。在该实施例的一个方面中，参照图1A用一可变形的平面镜(DM)118来说明较高阶的相位补偿部件，所述平面镜用在测定并校正波前像差用的自适应光学系统10内。DM(以下予以详述)具有这样的表面，它能在形状上可以变形，从而能提供这样的相位分布，该相位分布可补偿自眼睛所反射的像差的波前相位分布。另外，代替DM的LCD或MEMS设备(未示出)如本技术专家认识到的那样能提供适当的相位补偿。
参照图2，用于校正人视力的最佳光学系统190包括较高阶的相位补偿部件，它所具有的形式可以是接触透镜200(或者IOL(未示出)、视觉嵌入体(未示出)、视觉嵌上体(未示出)或经整形的角膜(未示出))并具有定制的表面轮廓，以便提供较高阶的相位补偿。上述补偿相位轮廓可从呈例如泽尔尼克系数数据形式的波前传感器数据中产生。这种数据是由图1A中概略示出的(以下将予以详细说明)有效光学系统10所产生的。从计算机132至DM118的最终的波前校正信号还可传给透镜制造系统或激光手术平台152，在那里，将校正的波前像差数据用于在选定的较高阶的相位补偿部件上以形成适当的表面轮廓。用于形成或修整接触透镜、IOL、视觉嵌入体或视觉嵌上体的表面的技术对本技术的专家来说是周知的并且包括例如用车床加工、铸造、模制和激光切削。折射手术或激光消融是用于适当地对人角膜进行整形的最佳技术。
图1A中的干涉过滤器136表示本发明一个实施例的示例性光振幅修正部件。在一个更加实际和最佳的方面中，通过用如下所述的变迹过滤器以人工的方式对人的瞳孔变迹以进行光振幅修正。这里的变迹是指随瞳孔的半径以不均匀的方式传输光振幅。视力中自然的变迹周知与Stiles-Crawford效应有关。由于眼睛感光器的波导性质，进入瞳孔边缘的光线在刺激视网膜方面不如穿过瞳孔中心的光线有效。但是，Stiles-Crawford变迹法不能减少像差对图像质量的影响，尽管在理论上变迹法能有效地减少瞳孔直径从而能减少眼睛对像差的敏感度。具体地说，变迹法能按点扩展函数来减少侧瓣的高度，这能在低至中的空间频率增加调制。这就能在总体上增加像差的裕度，并且，作为在本发明中的具体应用，可增加散焦和轴向色彩像差的裕度。
系统(例如接触透镜加上眼睛)的光学性质可用一般的瞳孔函数来概括，上述函数在出口瞳孔上被限定为ρ(r，θ)＝A(r，θ)exp[(i2π/λ)W(r，θ)](1)其中，A(r，θ)是经过瞳孔的点(r，θ)的振幅，W(r，θ)是波像差。在通常的接触透镜中，W(r，θ)表示较高阶的像差加上每一波长的色彩散焦。在用于校正较高阶的像差的定制接触透镜中，W(r，θ)表示其余的单色像差加上色彩像差。在这两种情况中，接触透镜中用于逐渐减少光从中心到透镜边缘的传输的适当的过滤器A(r)会减少像差对视网膜图像的影响，因为，像差的大小会随瞳孔半径增加。就校正色彩像差而言，上述过滤器应该是与波长有关的即A(r，λ)对各波长有不同的衰减。
不同的变迹函数对本技术专家是周知的，其中高斯变迹是最普通的一种。但是，像差在瞳孔的边缘与中心相比增加得更快，所以，以中心周围有平滑斜率为特征的其它函数由于在瞳孔的边缘附近会变得更陡而会提供高斯变迹的优点，但照射水平会显著增加。因此，在一个最佳方面中，可用超高斯函数来描述本发明的变迹过滤器A(r)＝exp(-r4/2σ2)(2)其中，r是瞳孔半径，σ是与变迹函数的宽度相关的变迹参数。图3示出了由等式(2)的超高斯传输函数就不同的瞳孔半径和不同值的参数σ所传输的振幅。相反，图4示出如高斯函数所建模的那样就用于Stiles-Crawford效应的典型ρ值所传输的振幅A(r)＝exp(-ρ1n10.r2/2)以下说明本发明的示例性变迹过滤器。1号示例性过滤器参照图5，就本发明的第一示例性变迹过滤器而言，示出了参数σ(λ)在一部分可见波长光谱上的值。在这种情况下，在以575nm的参照波长为中心的20nm的间隔内不进行变迹。图6示出了利用这种过滤器就各波长穿过不同瞳孔半径的光强度的值。图7示出了就每一波长穿过整个瞳孔开孔的总穿透率。尽管说明了特定的光谱带宽，但是，应该注意，将根据预定的应用来选择特定的光谱传输区域。例如，如果要增加夜视，则可将光谱传输带宽移向能与眼睛的杆视觉敏感度更加一致。
图2和图8中概略地示出了本发明一个实施例的示例性光学设备190，它具有人工变迹定制接触透镜的形式。接触透镜200具有由r3限定的光学区域并且能如上所述那样校正较高阶的单色像差。依照如图8所示的1号示例性过滤器的变迹过滤器202沿透镜的光轴(未示出)与透镜200的中心204相对齐。通过在接触透镜200的能增加透镜光学部分从中心204到边缘208的亮度的光学区域上引入诸如染料之类的颜色吸收材料，可以获得与波长有关的变迹。本技术的专家应该注意，就形成这种过滤轮廓而言，存在有多种方法。例如，可将开始以圆柱条形式设置的接触透镜材料浸在适当的染料内，所述染料弥散进透镜材料内。通过适当的弥散时间和控制其它周知的参数，可以获得预定的密度分布。2号示例性过滤器在如图9概略说明了变迹过滤器的另一个方面中，将适当的过滤器材料沉积在透镜表面上的同心圆环220、221、222等上。在这一方面中，过滤材料在每个环中提供了带通过滤器，随着对透镜中心距离的增加，每个环均具有更窄的带宽。例如，从透镜的中心(r＝0)至r＝0.5mm，不存在过滤器，而从0.5mm至1mm，过滤器具有如图6所示的就特定的径向位置的光谱分布图，并且对透镜往外直到边缘各半径也相同。不同圆环半径和取决于应用的过滤器的分布图均在本发明这一方面的范围内。3号示例性过滤器参照图10，2号示例性过滤器的过滤器实施例的最简单情况是使用单个的圆环。如图所示，过滤始于r＝2mm并且继续至透镜的光学部分的边缘208，以便避免短和长的波长经由直径大于4mm的瞳孔进入。最佳的是，所述过滤器包括一通带过滤器，其带宽λ＝[550-610nm]。如上所述，也可使用其它的半径和带宽。4号示例性过滤器在本发明的上述实施例的另一个方面中，图2所示的接触透镜200可包括位于接触透镜的两个不同区域内的两个过滤器，例如，在透镜的中心2mm直径内没有过滤器，在2至4mm直径之间的区域内有一长通过滤器(λ＞510nm)，并且，而对大于4mm的直径则有λ＝[550-610]nm的通带过滤器。图11中说明了用于上述过滤器的传输函数。5号示例性过滤器在另一个实施例中，与上述带通过滤器相反，变迹可呈长通过滤器的形式，以便仅消除参照波长以下的波长。图12说明了1号示例性过滤器的这种替代形式。
图13A、13B示出了与光学部件(例如接触透镜)相对应的白光MTF，所述光学部件能校正较高阶的单色像差并且分别包括示例性过滤器1和5以及示例性过滤器3和4，以便校正色彩像差。所有的数据都是就6mm人工瞳孔直径而提供的。
图14示出了在既不校正单色也不校正色彩像差时在本发明中不同变迹过滤器的白光MTF。在这种情况下，视觉收益与用直径为4mm的以接触透镜为中心的光圈所获得的视觉收益相类似。正如可以看到的那样，该结果要比图13A、13B所示的结果差。
图15示出了用定制接触透镜校正彗差和球面像差的好处以及在所述透镜包括了本发明用于校正色彩像差的过滤器时的其它好处。该曲线说明了在除了校正色彩像差以外即使仅校正某些较高阶的单色像差时也能获得视觉收益。
在一个最佳实施例中，用于改进人视力的光学系统可包括较高阶的相位补偿部件以及光振幅修正部件，它们驻留在共用的光学组件或基片内。图2和图8的光学系统说明了上述系统。在较高阶的相位补偿部件是接触透镜、IOL、嵌入体或嵌上体但不是经整形的角膜时，这种类型的集成系统是最佳的。所述光振幅修正部件最好是上述变迹过滤器中的一个。
在另一个实施例中，用于改进人视力的光学系统可包括较高阶的相位补偿部件以及光振幅修正部件，它们驻留在独立的光学组件(未示出)内。这种系统以与变迹或过滤的眼镜透镜相结合的方式包括一个或多个上述较高阶的相位补偿部件，所述眼镜透镜例如与较高阶的相位补偿部件一道使用。最佳的是，较高阶的相位补偿部件是经整形的角膜时将使用独立平台的光学系统。
本发明的另一个实施例涉及高分辨率视网膜成像并向受试者提供超常的视网膜图像质量。图1B概略地示了视网膜成像系统30，它可用于向受试者提供超常的视网膜图像质量并且还能用于提供眼睛107的视网膜109的高分辨率图像。光学系统30基本上与图1A的光学系统10相类似，显著的不同是用于照射视网膜109的宽带光源300；以及，通向用于捕获视网膜图像的第二CCD摄像机156的光路155。在这一实施例中，用氪闪光灯300提供宽带视网膜照明。氪闪光灯300一般以4毫秒的闪光反映到眼睛视网膜上，从而照亮视网膜1 09上的最好直径为一度的视网膜表面，视网膜109的图像由可变形的平面镜118所反射，如参照图1A所述，所述平面镜业已加工成能补偿眼睛的较高阶的单色像差。光线由平面镜125经由人工瞳孔134反射，瞳孔134后面紧跟着是变迹过滤器137，然后，光线聚焦到视网膜成像CCD156上。可因变迹过滤器137所提供的色彩像差校正，而在Williams等人的US 5777719中所讨论的改进的视网膜图像质量的范围内获得改进的视网视图像(以及受试者的相应的视网膜成像能力)。变迹过滤器137最好是由上述示例性变迹过滤器中所描述的任何一种。本领域的技术人员会理解，可例如通过将预定的过滤器外形印制到用于包括在光学系统30内的适当基片上而提供这种过滤器。尽管上述变迹过滤器对校正图1B的视网膜成像系统中色彩像差来说是最佳的设备，但是，也可以使用诸如中性过滤器和干涉过滤器之类的其它过滤器。但是，我们观察到，仅将带宽限制到整个可见带宽的某些部分以便减少色彩像差具有会减少整个亮度的缺点。图21示出了以视觉收益观点来看的这种效果。使带宽限于50nm(530mn至580mn)能提供2x的视觉收益，这要优于在整个可见带宽(290nm)的范围内获得的视觉收益，但是，亮度却减少约50％，同时伴随有彩色视觉损失。
连同上述光学组件、设备和系统，本发明的一个实施例涉及用于改善人的视力的方法。这种方法包括校正视觉的较高阶的单色像差而且校正视觉的色彩像差，最好并且基本上是轴向色彩像差。
用如图1A概略所示的自适应的光学系统10从多个受试者中那里获得较高阶的单色像差数据。所述设备与Williams的US专利5777719以及图1中示出并说明的自适应光学系统共享多种特征，本文全部引用了上述专利的内容。为了获得像差数据，用托品酰胺(1％)或cyclogyl(1％)来扩大受试者的瞳孔。然后，用咬合杆(未示出)使受试者的头的位置在系统10内稳定，以便确定受试者的眼睛107的位置。用光束分离器110将以790nm发光的超级发光二极管准直并反射到眼睛107的视网膜101上的点源。反射自视网膜的光线穿过光束分离器110并穿过透镜112和116照射到可变形的平面镜118上，平面镜118则位于与眼睛瞳孔的共轭平面上。可变形的平面镜118(Xineticx公司)包括37个铌酸铅镁(PMN)执行器，以使该平面镜的表面成形并且校正较高阶的单色像差。反射自可变形平面镜118的光线通过透镜120聚焦在与开孔122相一致的位置处，开孔122位于与视网膜109相共轭的位置。然后，光线被透镜124所准直并穿过部分透光的平面镜125到达Hartmann Shack波前传感器130的小透镜阵列126。HartmannShack波前传感器130包括由221个小透镜(焦距＝24mm，透镜间的间距＝0.4mm，可从Adaptive Optical Associates获得)构成的方形阵列并且能提供高达第十径向阶(63个泽尔尼克系数，不包括活塞、顶和蓬)的波像差数据。位于眼睛瞳孔的共轭平面内的小透镜阵列126构成了视网膜点源在CCD摄像机128上的虚像，摄像机128位于与视网膜109的共轭平面上。来自波前传感器130的波前数据由计算机132进行处理并经由反馈控制回路134传至可变形的平面镜118。如图1A所示，三菱Diamond Pro710牌CRT138位于与视网膜109的共轭平面上并用于将呈光栅或特殊排列的字母形式给眼睛显示视觉刺激，以便测量和评估对比度敏感度和视觉敏锐度。CRT的屏幕会出现具有宽带的白色即双模式发光光谱。通过提供1度视角的6mm瞳孔134观看上述显示。将视网膜亮度设定在57Td。中性过滤器在必要时用于使亮度水平均衡。在某些测量中用窄带宽的干涉过滤器136来校正色彩像差，上述干涉过滤器在550nm中心波长周围具有10nm的带宽(FWHM)。在其它测量中，用Bedford和Wyszecki在美国光学学会杂志第47期564-565(1957)中所述的消色差透镜来校正纵向色彩像差。在先有技术中业已示出，纵向色彩像差在可见光谱中为约两屈光度(D)。在较短的波长(400nm)处的色彩散焦的数量要大于(-1.5D)较长波长(700nm)处的色彩散焦(0.5D)。但是，在连同人的适应光的光谱敏感度一起考虑时，感知到的色彩散焦相对555mm的参照波长几乎是对称的，如图16所示。正如本领域的技术人员所注意到的那样，还可测量色彩像差。
为了测量对比度敏感度，受试者凝视16c/deg(循环/度)的光栅，并且，用Badal视力计来校正散焦，同时用检查透镜在必要时校正散光。将六种不同的空间频率2、4、8、16、24和32以及32c/deg按随机的顺序呈现给受试者。对每种空间频率都进行五次测量。用周知的调节方法确定对比度阈值。
为了测量视觉敏锐度，按100％的对比度以随机的次序将有四种不同方向的各大写字母E显示在CRT138上。按需来校正散焦和散光。受试者对字母的方向进行响应，并且，按50％的响应是正确的字母的线的粗细来测定敏锐度。用6mm的瞳孔在两种不同的视网膜亮度水平57Td和575Td下用单色和白色光进行四种测量。心理-物理视觉收益图17A和17B分别示出了在(a)仅校正散焦和散光、(b)在校正了较高阶的单色像差以及散焦和散光之后、(c)在校正了单色像差和彩色像差之后的情况下两个受试者(YY、GYY)的对比度敏感度函数。对两个受试者来说，结果是类似的。如图所示，通过校正较高阶的单色像差所获得的对比度敏感度显著地高于单独校正散焦和散光时的对比度敏感度。这种比较说明了正常眼睛中的较高阶的单色像差会使视觉效率下降。而且，如图所示，通过同时校正色彩和较高阶的单色像差两者，对比度敏感度会有更大的增加。图17A、17B所示的对比度敏感度函数示出，色彩像差对校正较高阶的单色像差有最强的减损影响。
图18A、18B示出了分别在图17A和17B中所涉及到的两个受试者的来自校正色彩和较高阶的单色像差的心理-物理视觉收益VBpsy，该Vbpsy要优于来自单独校正较高阶的单色像差。在16c/deg和24c/deg下，可平均将因仅校正较高阶的单色像差所导致的视觉收益(空心圈)提高一倍。分别就这两个受试者而言，当校正单色像差和彩色像差(实心圈)时，在16c/deg下YY的最大视觉收益约为五倍，GYY为3.2倍。上述测量值是用6mm直径的瞳孔在视网膜亮度为57Td的情况下测出的。
相反，图19A、19B分别示出了就受试者GYY用直径为3mm的瞳孔测出的对比度敏感度和Vbpsy的数据。可以看出，在较高的空间频频下会出现校正较高阶的像差或/和色彩像差的适度的收益，它对应于白光中16c/deg下的两倍。仅校正较高阶的单色像差或同时校正色彩和单色像差的视觉收益要小于对直径6mm的瞳孔而言的视觉收益。
图20A、20B分别示出了就七个受试者而言的在高(575Td)和低(57Td)视网膜亮度水平下的视觉敏锐度测量值。在获得这种测量值之前，按需用检查透镜主观地校正散焦和散光。这两个图说明了就上述七个受试者而言仅校正单色像差在575Td下能平均增加到1.2倍，在57Td下能平均增加到1.4倍。以结合的方式校正两种像差能将视觉敏锐度提高到1.6倍，如图20B所述。因此，这就进一步支持了这样的观测视觉敏锐度和对比度敏感度受益于校正较高阶的像差，还有，通过校正色彩像差还可以增加收益。光学视觉收益图22A和22B分别示出了根据17个受试者在直径为3mm的瞳孔下的平均MTF和波像差测量值计算出的VBopt。同样，图22C和22D示出了就6mm的瞳孔而言的类似信息。上述计算值假定是最佳的校正，即在校正之后没有单色像差和/或色彩像差效应。根据如用图1A的活动光学系统所测出的受试者的波像差数据来计算单色光中的光学调制传递函数。通过对因纵向色彩像差而散焦、因横向色彩像差而位移并因眼睛的在各波长上的适应光的光谱敏感度而被加权的各单色MTF进行求和而获得白光MTF。使用了Thibos等人在《视力研究》30期33-49页(1990)中测得的中央凹的横向色彩像差值。在假定为均匀分布的能量谱的情况下，从405nm至695nm每10nm计算单色MTF。没有色彩像差的参照波长是555nm，它与最大的适应光的敏感度相对应。在校正像差之前，对于单色和白光的不同空间频率，眼睛对光栅的最佳焦点是不同的。我们选择了多种散焦，以便使16c/deg的光栅调制传递函数最大化。
如上述附图所示，就3mm瞳孔而言，几乎不存在有来自校正色彩像差的光学视觉收益。当在32c/deg下校正较高阶的单色像差时，可以看到对比度敏感度有三倍的增加。相反，参照图22C和22D，就6mm的瞳孔而言，仅校正较高阶的单色像差能在中和较高空间频率下提供5X的较大光学视觉收益。但是，所计算出的来自同时校正色彩和单色像差两者的光学视觉收益基本上大于来自仅校正较高阶的单色像差的视觉收益。理论上的视觉收益大于图19A、19B、20A和20B中呈现的经验数据，因为，自适应的光学系统不能进行完美的校正。理论上的计算值表明，在大直径的瞳孔上校正较高阶的单色像差和色彩像差两者会在32c/deg下提高视网膜上的光学质量约19倍。当单独校正单色像差或纵向像差时，未校正的像差会减弱校正另外的像差的收益。
本发明的方法实施例的一个方面涉及提供共用光学组件中的较高阶的单色像差校正和色彩像差校正。例如，可人工地使接触透镜、IOL、嵌入体或嵌上体、提供相位补偿中的任何一种变迹，以校正色彩像差。
在另一个方面中，可在分开的光学组件中提供较高阶的单色像差校正和色彩像差校正。例如，接触透镜、IOL、嵌入体、嵌上体、整形的角膜中的任何一种都能提供相位补偿，并且，变迹或过滤的眼镜透镜能提供色彩校正。
因此，本发明尤其是证明了通过校正眼睛的较高阶的单色像差可提高视觉收益，并且，在除较高阶的单色像差以外还校正色彩像差时，可获得更大的视觉收益。业已说明了用于改善人的视力的实际设备和方法。上述测出的视力改善与视觉收益和对比度敏感度的用于进行完美校正的理论值作到了良好的一致。
图23示出了就6mm的瞳孔而言的通过校正较高阶的单色像差或/和色彩像差的在视觉敏锐度方面的理论增加值。MTF和神经阈值曲线的交叉点(如Green在《生理学杂志》190期583-593页(1967)所测定的那样)预示了视觉敏锐度。图23中的乘积数对应于视觉敏锐度中的收益，这种收益可通过校正多种像差而获得。
总之，本发明涉及用于通过以结合的方式校正较高阶单色视觉像差和彩色视觉像差而改善人的视力的设备和方法。此外，本发明涉及用于改善视网膜成像的系统。
尽管本文具体地显示并说明了最佳实施例，但是，应该认识到，依照上述说明和后附权利要求，在不脱离本发明精神和范围的情况下，本发明可以有多种改进形式和变化形式。
权利要求
1.一种用于改善人的视力的方法，该方法包括校正人的视力的视觉较高阶的单色像差；以及校正人的视力的色彩像差。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述视觉的较高阶的单色像差包括三阶和更高阶的径向泽尔尼克模式。
3.如权利要求2的方法，其特征在于，所述视觉的更高阶的单色波像差包括第五至第十阶的径向泽尔尼克模式。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，所述方法还包括校正人的视力的散焦和散光。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，校正视觉的较高阶的单色像差包括测定三阶和更高阶的径向泽尔尼克模式所提供的视觉波像差。
6.如权利要求5的方法，其特征在于，校正视觉的较高阶的单色像差包括测定第五至第十阶的径向泽尔尼克模式所提供的视觉波像差。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，校正视觉的较高阶的单色像差包括提供一种视觉设备，它具有适于校正上述像差的相位分布图。
8.如权利要求7的方法，其特征在于，所述视觉设备包括接触透镜、IOL、视觉嵌入体和视觉嵌上体。
9.如权利要求1的方法，其特征在于，所述校正视觉的较高阶的单色像差的步骤包括用外科手术改变人的眼睛的特征，以校正上述视觉的较高阶的单色。
10.如权利要求1的方法，其特征在于，所述校正视觉的色彩像差的步骤包括减少入射到人的眼睛上的光线的光谱带宽，所述带宽在可见光谱的约10nm至150nm的范围内。
11.如权利要求10的方法，其特征在于，所述校正视觉的色彩像差的步骤还包括提供一种带通过滤器，以便校正上述视觉的色彩像差。
12.如权利要求10的方法，其特征在于，所述校正视觉的色彩像差的步骤还包括提供一种长通过滤器，以便校正上述视觉的色彩像差。
13.如权利要求1的方法，其特征在于，校正视觉色彩像差包括使人的瞳孔变迹。
14.如权利要求14的方法，其特征在于，所述变迹提供了瞳孔的边缘部分与中心之间的不均匀的光振幅传输。
15.如权利要求14的方法，其特征在于，所述光传输从瞳孔的边缘向中心增加。
16.如权利要求14的方法，其特征在于，所述变迹是波长的函数。
17.如权利要求10的方法，其特征在于，该方法还包括提供变迹过滤器以校正上述像差。
18.如权利要求17的方法，其特征在于，所述变迹过滤器提供了跨越眼睛瞳孔的不均匀振幅传输。
19.如权利要求18的方法，其特征在于，所述振幅传输从瞳孔的边缘向中心增加。
20.如权利要求1的方法，其特征在于，所述校正视觉色彩像差是与校正较高阶的单色像差成整体而提供的。
21.如权利要求1的方法，其特征在于，所述校正视觉色彩像差设置成在校正较高阶的单色像差的外部。
22.一种用于改善人的视力的视觉设备，该设备包括从接触透镜、IOL、嵌入体和嵌上体的至少一种中选出的光学组件，其中，所述组件具有适于校正人眼睛的较高阶的单色视觉波像差的表面形状，并且，所述组件适于校正视觉的色彩像差。
23.如权利要求22的视觉设备，其特征在于，所述较高阶的单色波像差包括第三和较高阶的径向泽尔尼克模式。
24.如权利要求23的视觉设备，其特征在于，所述较高阶的单色波像差包括第五至第十阶的径向泽尔尼克模式。
25.如权利要求22的视觉设备，其特征在于，所述用于校正色彩像差的组件是光过滤器。
26.如权利要求25的视觉设备，其特征在于，所述光过滤器是中性过滤器。
27.如权利要求25的视觉设备，其特征在于，所述光过滤器是带通过滤器。
28.如权利要求25的视觉设备，其特征在于，所述光过滤器是长通过滤器。
29.如权利要求25的视觉设备，其特征在于，所述光过滤器是变迹过滤器。
30.如权利要求25的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器在瞳孔中心与边缘之间具有不匀匀的振幅传输。
31.如权利要求30的视觉设备，其特征在于，所述振幅传输从中心向瞳孔的边缘减少。
32.如权利要求30的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器在瞳孔的中心与边缘之间具有依赖于光谱的、不均匀的振幅传输。
33.如权利要求32的视觉设备，其特征在于，从瞳孔的中心到边缘的光线减弱会随着该波长远离开参照波长而增加。
34.如权利要求29的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器可由A(r)＝exp(-r4/2σ2)形式的超高斯函数来表示。
35.如权利要求29的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器包括由彩色吸收材料构成的环面，它具有从瞳孔的中心到边缘而增加的密度。
36.如权利要求35的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器具有的整体带通为从约500nm到约650nm。
37.如权利要求29的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器包括多个相邻的环形形状的过滤器，其中，各环形过滤器具有限定的带通，每个带通具有比相邻较小环面更窄的带宽。
38.如权利要求29的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器包括环面，跨越环面内径部分没有光线被过滤，而位于该内径与外径之间的部分则具有一个通带，此通带具有从约550nm至610nm的带宽。
39.如权利要求38的视觉设备，其特征在于，所述内径等于或小于2mm。
40.如权利要求29的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器包括多个相邻的环状过滤器，其中，所述组件的中心径向部分不进行过滤，一第一圆环提供了长通过滤器，一与第一圆环相邻并大于第一圆环的第二圆环提供了带通过滤器。
41.如权利要求40的视觉设备，其特征在于，所述长通过滤器提供大于约510nm的波长传输，所述带通过滤器提供约550nm至610nm之间的传输。
42.如权利要求29的视觉设备，其特征在于，所述变迹过滤器包括一长通过滤器。
43.如权利要求42的视觉设备，其特征在于，所述长通过滤器基本上传输约555nm的参照波长以上的波长。
44.一种用于改善人的视力的光学系统，该系统包括较高阶的相位补偿部件；以及光振幅修正部件。
45.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件和光振幅修正部件均驻留在一共用的光学组件内。
46.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件和光振幅修正部件各驻留在一个独立的光学组件内。
47.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件是可变形的平面镜。
48.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件是液晶设备。
49.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件是接触透镜。
50.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件是IOL。
51.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件是经整形的角膜。
52.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件是视觉嵌入体。
53.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿部件是视觉嵌上体。
54.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述光振幅修正部件是过滤器。
55.如权利要求54的光学系统，其特征在于，所述过滤器是带通过滤器和长通过滤器中的至少一个。
56.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述光振幅修正部件是人的变迹后的瞳孔。
57.如权利要求56的光学系统，其特征在于，所述变迹后的瞳孔包括在瞳孔的中心与边缘之间对光线作不均匀的振幅传输。
58.如权利要求56的光学系统，其特征在于，所述变迹后的瞳孔包括在瞳孔的中心与边缘之间对光线作依赖于光谱的、不均匀的振幅传输。
59.如权利要求45的光学系统，其特征在于，所述共用光学组件包括接触透镜、IOL、嵌入体和嵌上体中的至少一个。
60.如权利要求46的光学系统，其特征在于，所述相位补偿部件驻留在接触透镜、IOL、嵌入体、嵌上体和整形的角膜中的至少一个内，并且，所述光振幅修正部件驻留在与上述相位补偿组件结合使用的接触透镜、IOL、嵌入体、嵌上体和外部光学组件中的至少一个内。
61.如权利要求44的光学系统，其特征在于，所述相位补偿部件和光振幅修正部件均设置在所述光学系统的光轴上。
62.如权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括测量视觉的较高阶的单色像差和视觉的色彩像差中的至少一个。
63.一种用于生成活体眼睛的视网膜的高分辨率图像的光学系统，该系统包括用于生成上述活体眼睛的视网膜的反射点源图像的装置；用于接收上述反射点源图像并用于将该点源图像转换成相应数字信号的装置；计算机装置，它用于用上述数字信号来计算较高阶的单色像差；用于照亮上述活体眼睛的视网膜盘以便产生视网膜盘图像的装置；位于所述系统的光路中的较高阶相位补偿光学部件，可调节该补偿光学部件以校正上述较高阶的单色像差；用于校正色彩像差的光振幅修正部件，它设置在所述系统的光路内；以及在校正了较高阶的单色像差和色彩像差之后用于提供由上述反射的视网膜盘图像构成的图像的装置。
64.如权利要求63的系统，其特征在于，所述较高阶的相位补偿光学部件是可变形的平面镜、液晶设备和MEMS设备中的一个。
65.如权利要求62的系统，其特征在于，所述光振幅修正部件是人工变迹部件和光学过滤器中的一个。
66.一种用于生成活体眼睛的视网膜的高分辨率图像的方法，该方法包括下列步骤生成上述活体眼睛的视网膜的反射点源图像；将该点源图像转换成相应数字信号；用上述数字信号来计算较高阶的单色波前像差；照亮上述活体眼睛的视网膜盘以便产生视网膜盘图像；用较高阶的相位补偿光学部件截取上述视网膜盘图像，调节该补偿光学部件，以便为上述活体眼睛提供对前述波像差的波前补偿。提供一光振幅修正部件，以便校正色彩像差。
67.如权利要求66的方法，其特征在于，照亮上述视网膜盘包括使用宽带光源。
68.如权利要求66的方法，其特征在于，所述校正色彩像差的步骤包括人工地使前述光学系统的瞳孔多迹。
全文摘要
用于改善人的视觉效率的方法包括将校正色彩像差和校正较高阶的单色像差相结合。这种校正色彩像差会导致这样的视觉收益，该收益大于通过仅单独校正较高阶的单色像差或单独校正色彩像差所实现的视觉收益。通过引入适当的相位分布图以补偿眼睛(107)的波前像差，可校正较高阶的单色像差。上述补偿可通过具有适当表面形状的接触透镜(152)、IOL、嵌入体和嵌上体或通过借助折射手术或其它技术而实现的角膜整形来提供。可通过频谱过滤、或人工变迹来校正色彩像差。说明了一种变迹过滤器，它能提供横跨眼睛瞳孔的不均匀振幅传输。用于校正较高阶的单色像差的接触透镜或其它视觉设备可以包括用于校正色彩像差的适当变迹过滤器，或者，以与用于校正较高阶的单色像差的接触透镜等相结合的方式使用用于校正色彩像差的外部光学设备。还说明了用于改善视网膜成像的设备和方法。
文档编号G02C7/04GK1426286SQ01808692
公开日2003年6月25日 申请日期2001年4月16日 优先权日2000年4月28日
发明者D·R·威廉斯, G·－Y·庸, A·吉劳 申请人:罗切斯特大学