Дизайн объектива для коррекции аберраций высокого порядка персонализированного человеческого глаза

Jiaxu Lua, B, Chunmei Zeng*A, B, Haomo Yuc

Aschool of Optoelectronic Science and Engineering & Collaborative Innovation Center Suzhou Nano Science and Technology, Университет Сучоу, Сучжоу 215006, Китай;

Bkey Lab of Advanced Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Province & Key Lab Современных оптических технологий Министерства образования Китая, Университет Сучоу, Сучжоу 215006, Китай;

Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Китай

Автор корреспондентов: Chunmei _ zeng@suda.edu.cn

АБСТРАКТНЫЙ

Аберрация высокого порядка человеческого глаза является фактором, который нельзя игнорировать в визуальной коррекции. Конструкция линзы, которая может исправить аберрацию высокого порядка, может уменьшить негативное влияние на человеческий глаз и улучшить качество зрения. В этой статье оптическое программное обеспечение для дизайна Zemax используется для построения персонализированной модели глаз на основе глаз Liou и измеренных данных глаз. Подробный процесс оптимизации дается при подгонке аберрации волнового фронта, так что аберрация волнового фронта целевого человеческого глаза и фактического человеческого глаза, как правило, является последовательной. Созданная персонализированная модель глаз имеет те же оптические характеристики, что и фактический человеческий глаз. Основываясь на персонализированной модели глаз, асферическая линза предназначена для исправления аберраций высокого порядка. После коррекции аберрации высокого порядка целевого глаза уменьшаются, а PV аберраций волнового фронта снижается на 52,05%, среднеквадратичные среды снижаются на 59,64%. Между тем, MTF тангенциального и сагиттального направления увеличилась на 180% и 135% при 100 циклов/мм соответственно.

Ключевые слова:Аберрации высокого порядка, коррекция, персонализированная модель глаз, асферическая линза

1. Введение

Человеческий глаз представляет собой относительно сложную оптическую систему, включая способность преломления и предел дифракции оптической системы человеческого глаза, размер зрачка, размер фоторецепторных клеток сетчатки и различные виды аберраций глаз человека, что повлияет на качество его визуализации1. Чтобы получить хороший визуальный опыт, люди изучали и изучали в течение многих лет, среди которых коррекция аберрации человека является важной областью, на которую ученые обращают внимание и прилагают усилия. В дополнение к аберрациям низкого порядка, представленных дефокусом и астигматизмом, существуют также аберрации высокого порядка, такие как сферическая аберрация, аберрация комы и серия нерегулярных аберраций высокого порядка в человеческом глазах 2-5. Эти аберрации высокого порядка приведут к таким проблемам, как снижение остроты зрения, снижение чувствительности контрастности и GLARE6. Вот почему, даже после исправления традиционных рефракционных проблем, пациентам все еще не хватает общей ясности. Следовательно, аберрация высокого порядка человеческого глаза является фактором, который нельзя игнорировать в коррекции.

В течение долгого времени коррекция зрения людей в основном фокусируется на использовании сферического зеркала для исправления дефокусированного и астигматизма традиционных рефракционных проблем. Исправление аберраций высшего порядка в человеческом глазах было невозможно до 1990-х годов, когда был сделан прорыв в методике точного измерения аберраций волновых фронтов. В 2008 году Ophthonix, американская компания, финансировала исследование и разработки Izon Frame Glasses7, которые улучшили зрение, измеряя аберрацию волнового фронта человеческого глаза порядка 2-6, а затем установив скорректированный диоптер оптимизированным зеркалом-цветом сферы. Хотя этот метод вводит технологию аберрации волн, он не учитывает влияние аберрации высокого порядка на само зрение. В 2012 году Li Rui et al8. Используется асферическая поверхность для проектирования очков, которые могли бы исправить аберрации человеческих глаз высокого порядка. Исследование показало, что коррекция асферической линзы была наиболее эффективной для глаз с большим астигматизмом и сферической аберрацией. Однако, если кома и аберрации клевера велики, коррекционный эффект асферической линзы не очевиден.

В этой статье, основанной на модели Liou, объединяя измеренную переднюю и заднюю поверхность роговицы глаз, осевое расстояние каждой части глаза и данные аберрации волнового фронта человека, установлена ​​индивидуальная модель глаза. В

Кроме того, подробные шаги приведены для установки данных аберрации человеческого фронта, о которых не сообщалось в предыдущей литературе. Затем, основываясь на этой персонализированной модели глаз, асферические очки оптимизированы, чтобы уменьшить негативное влияние аберраций высокого порядка на глаза человеческим глазам и улучшить визуальное качество. Все вышеперечисленное содержимое моделируется с помощью программного обеспечения Optical Design Zemax.

2. Совещание модели глаз

2.1 Создание базовой модели глаз

Прежде чем установить персонализированную модель глаз, мы должны сначала установить основную модель глаз, чья начальные структурные параметры выбраны Liou Eye Model9, которая очень похожа на оптическую структуру и физиологическую структуру человеческих глаз. Исследования показали, что 10,11, изменение радиуса кривизны кристаллической линзы в модели Гуллстранд-ле Гранд-глаз согласуется с регулировкой человеческой кристаллической линзы, поэтому к передней поверхности линзы может быть добавлена ​​тонкая линза. Радиус кривизны и коэффициент квадрата передней и задней поверхности кристаллической линзы выбираются из модели глаз Liou. Выбирается значение показателя преломления модели Gullstrand-le Grand Eye. Конкретные параметры базовой модели глаз приведены в таблице 1, а рисунок 1 представляет собой схематическую диаграмму базовой модели глаз.

Таблица 1 Основные параметры модели глаз

Рисунок 1 Структура базовой модели глаз

Анализатор переднего сегмента Allegro -Oculyzer используется для измерения топографической карты роговицы фактических человеческих глаз, а толщина роговицы составляет 0. 462 мм, эталонный сферический радиус кривисти на передней поверхности роговицы составляет 8,45 мм, а эталонный сферический кривизный радиус на задней поверхности составляет 6,19 мм. Внешний вид прибора показан на рисунке 2.

Рисунок 2 Анализатор переднего сегмента Allegro Oculyzer

Осевая длина между преломляющими поверхностями глаз измеряется с помощью офтальмологического оптического биометрического SW Suoer, как показано на рисунке 3. Измеренные результаты включали толщину роговицы, глубину передней камеры, толщину кристаллической линзы и глубина стекловидного тела. Среднее значение данных получено в течение 5 раз, как показано в таблице 2.

Рисунок 3 Suoer Ophthalmic Optical Biometrics SW -9000

Таблица 2 Осевая длина между рефракционными поверхностями глаза

гдеr Координата радиального луча в единице длины линзы,N коэффициент Zernike в последовательности,A_i является коэффициентом полинома Zernike Edge,ρ это нормализованная координата радиального луча,φ это координата лучей, выраженная углом.

Мы установили коэффициент Zenick Fringe A_i На поверхности Zernike Fringe Sag в качестве переменной для оптимизации для обмена астигматизмом и аберрацией высокого порядка. Чтобы обеспечить плавный прогресс оптимизации, мы приняли стратегию оптимизации сначала подгонки аберраций низкого порядка, а затем аберрации высокого порядка: сначала аберрации низкого порядка (C 3- C5) вписываются в модель глаз, затем аберрации (C7, C8), подгонка кловерного (C6, C9) и четырехлетних, а затем и четырехлета. астигматизм (C11, C13). В это время некоторые начальные величины даются сферическим аберрациям (C12) и, наконец, подгонка сферических аберраций (C12). Обнаруженные данные аберрации волнового фронта (порядок 2-

4) RMS is 0. 8 0 31, а подходящее результат составляет 0,8089. Следовательно, результат окончательного оптимизации почти сходился к целевому значению, и полная персонализированная модель глаз установлена ​​эффективно.

Таблица 3 Аберрации волнового фронта и их физическое значение, которые необходимо установить

Таблица 4 Оптимизированные параметры линзы смолы

3.2 Результаты и анализ

Начальная аберрация человеческой волны PV =7. 3457, RMS =1. 6661. После коррекции PV =3. 5225, RMS =0. 6725, первый уменьшается на 52,05%, а последний уменьшается на 59,64%, что значительно улучшается. В таблице 5 показан коэффициент Zernike системы после коррекции. По сравнению с коррекцией до коррекции можно видеть, что все аберрации Zernike уменьшаются, а тангенциальная и сагиттальная MFT увеличились на 180% и 135% при 100 циклов/мм соответственно. На рисунке 4 показано сравнение MTF до и после оптимизации. Доказано, что разработанная асферическая линза может эффективно снизить аберрации человеческих глаз высокого порядка и улучшить качество зрения.

Таблица 5 Результат оптимизации

Рисунок 4 Сравнение MTF до и после оптимизации

4. КОНКЛИЗ

В этой статье ZEMAX оптического проектирования ZEMAX используется для построения персонализированной модели глаз на основе глаз Liou и измеренных данных. Кроме того, подробный процесс оптимизации дается при подходящей аберрации волновых фронта, что делает результаты моделирования в соответствии с фактическими аберрациями волновых фронтов человеческих глаз. Используя полученную модель персонализированной глаз, оптимизируется асферическая линза, и разработана объектив, способный исправлять аберрации человеческих глаз высокого порядка. Результаты дизайна уменьшили аберрации человеческих глаз высокого порядка, что оказывается полезным для улучшения визуального качества человеческих глаз и имеет определенную эталонную ценность для исправления аберраций человеческих глаз высокого порядка. Дефицит этой статьи заключается в том, что он не учитывает ошибку, вызванную движением человеческих глаз в дизайне, а также нет анализа осуществимости обработки. Надеюсь продолжить обсуждение в будущей работе.

Ссылки

1. Кэмпбелл, Ф.В., Грин, Д.Г. (1965) Оптические и сетчатые факторы, влияющие на визуальное разрешение. Журнал физиологии, 3: 576. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/5880378/
2. Koomen M., Tousey R., Sclnik R. (1950) Сферическая аберрация глаза. Оптометрия и зрение науки, 7: 370-376. doi: 10.1097/00006324-195007000-00012.
3. Howland, HC, Howland B. (1977). Субъективный метод измерения монохроматических* аберраций глаза. Журнал Оптического общества Америки, 11: 1508-1518. doi: 10.1364/josa.67.001508.
4. Jansonius, NM, Kooijman, AC (1998). Влияние сферических и других аберраций на перенос модуляции дефокуссированного человеческого глаза. Офтальмологическая и физиологическая оптика, 6: 504-513. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1046/j.beley.1998.00391.x
5. Wang Y., Wang ZQ, Guo, HQ, Quan W. (2005). Влияние продвинутой аберрации человеческого глаза на визуальную функцию. Acta Optica, 11: 1519-1525. https://www.researching.cn/articlepdf/m00006/2005/25/11/gxxbbbements.
6. Liang, J., Williams, DR, Miller, DT (1997). Сверхнормальное зрение и визуализация сетчатки высокого разрешения с помощью адаптивной оптики. Josa A, 11: 2884-2892. https://opg.optica.org/josaa/fulltext.cfm?uripeaRipemiaRibe.JosaaaMbe/fulltext.cfm?uriPiblibiRibiRibiRibiRibiRibiRibiRI
7. Seiple, WH, Szlyk, JP (2008). Производительность видения, предоставленная системой линзы Izon® Spectacle. Обзор оптометрии, 2. https://chicagolighthouse.org/wp-content/uploads/2015/11/3
8. Li, R., Wang, ZQ, Liu, YJ, MU, GG (2012) Метод для разработки асферических очков для коррекции аберраций человеческого глаза высокого порядка. Science China Technological Sciences, 55: 1391–1401. 10.1007/s 11431-012- 4762-4.
9. Liou, HL, Brennan, NA (1997). Анатомически точный, конечный модельный глаз для оптического моделирования. Josa A, 8: 1684-1695. https://opg.optica.org/josaa/fulltext.cfm?uripemipemallibliemosaaa/fulltext.cfm?uripeaRibiRiblieMiCAA
10. Гарнер, Л.Ф., Смит, Г. (1997). Изменения в эквивалентном и градиентном показателе кристаллической линзы с жильем. Оптометрия и зрение науки, 2: 114-119. https://journals.lww.com/optvissci/abstract/1997/02000/Changes_______ININBERICEBACT/1997/02000/ChangeSliefliefly
11. Koretz, JF, Cook, CA, Kaufman, PL (2002). Старение человеческого объектива: изменения в форме линзы при жилье и с жилой потерей. Josa A, 1: 144-151. https://opg.optica.org/josaa/fulltext.cfm?uripemipemallibliemosaaa/fulltext.cfm?uripeaRibiRiblieMiCAA