一种色盲辅助眼镜的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种色盲辅助眼镜的设计方法，属于视觉光学领域。本发明专利技术的目的是为了解决现有辨色辅助技术效果有限、对色盲完全无效或者会将彩色和黑灰色混淆的问题，本发明专利技术的色盲辅助眼镜左右镜框和安装在左右镜框内的色盲辅助镜片。本发明专利技术把颜色转化为一系列子影像的相对光强而辅助辨色，对重度色弱和色盲都有效，同时避免了容易将彩色和灰黑色混淆的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种色盲辅助眼镜的设计方法
本专利技术涉及一种色盲辅助眼镜的设计方法，属于视觉光学领域。
技术介绍
人眼对色彩的感知可分为物理探测(感光及神经信息传导)和心理感受两个主要的步骤[ColorMatchingandColorDiscrimination，VivianneC.SmithandJoelPokorny，2003，ElsevierLtd.]。在物理感受环节中，我们需要考虑人眼视网膜上的共4种感光细胞。人眼中的L、M和S类视锥细胞各含不同的色素，使3种视锥细胞对不同波长的光线有不同的灵敏度。第4种视杆细胞细胞对波长不敏感，只感受光的总强度且仅在光线极弱的环境中才起明显作用。在光线刺激下，三类视锥细胞释放的神经信号强度形成了一个三维感光矢量，通常标记为(L，M，S)。在日常生活中，绝大多数光源和物理反射的光线在波长λ上都具有几十纳米以上的频谱宽度，一个入射光的功率谱P(λ)对应的(L，M，S)应理解为三种信号各自对可见光波长范围内(从λmin＝380nm到λmax＝830nm)的积分：其中L(λ)，M(λ)和S(λ)是视锥细胞关于波长λ的感光灵敏度函数，其具体数值在色觉学术界是已知的。所以一束光的相对功率谱密度，也就是在不同波长上的光强相对分布，决定了色觉矢量各分量的相对比例，进而在大脑中形成了“颜色”的概念。而色觉矢量三个分量的加权总和则对应于人感觉到的“亮度”。在可见光范围内的单波长光，可按人眼的色觉感受从长波到短波依次分为红、黄、绿、碧(蓝绿之间的颜色，英语为cyan)、蓝、紫波段这六个波段；不同波长的光可以叠加组合出更多可以细分的颜色。为了便于分析，人们通常选择各波段内的单色光作为相应颜色的典型代表光，例如一种经典选法令波长为460nm，530nm，650nm三种单波长的光分别代表蓝(b)、绿(g)、红(r)三种颜色，而黄(红绿的中间色)和碧(绿蓝的中间色)则分别选为575nm和493nm的单色光[OntheNatureofUniqueHues，J.D.MolionandGabrieleJordan，1997，Taylor&Francis，London]；光谱中的紫波段约为380-450nm，但这样的超短波长光很少在日常生活中出现，日常生活中所谓的“紫光”是蓝光和红光混合产生的，故没有对应的单一特征波长。人眼可能因为遗传或病变而无法感知光的相对功率谱密度，于是丧失部分甚至全部的辨色能力而形成色觉缺陷，也就是通常所说的色弱和色盲。绝大部分的色觉缺陷是由视锥细胞的感光色素不正常，进而使视锥细胞的感光灵敏度函数变化而导致的。考虑受影响的视锥细胞，遗传性色觉缺陷主要分为三个基本类：甲、乙和丙类缺陷分别对应L、M和S类视锥细胞感光灵敏度异常。其中甲、乙两类色觉缺陷是由L、M视锥细胞中的色素异常引起的，并通过X染色体遗传。由于L和M视锥细胞类的色素分子结构几乎完全一样(它们364个氨基酸中仅有15个不同)，通常发生的情况是，L视锥细胞中的色素参入了原本M类色素的性质，变成了L’类；或者M视锥细胞内的色素混入了正常L类色素的性质，变成了M’类。当L’与M(L与M’)变得相似但又不完全同的情况下，人眼对红绿的分辨能力降低，并被习惯性地称为红绿色弱。在严重的情况下，L’与M(L与M’)完全相同，这样的人就只能看到两种颜色，通常称为红绿色盲。丙类视觉是由7号染色体上的突变决定的，通常导致S视锥细胞消失或者不正常，导致人眼无法观察蓝色。极罕见的情况下，两种以上的视锥细胞同时变异，导致人眼只能观察到一种颜色，也就是通常所说的全色盲。不同类型的色觉缺陷发生率差别很大。其中乙类色弱最多，约占男性总数的6.3％左右，女性约0.4％。其他类型的色觉缺陷发生率约1％或更低。对色觉缺陷进行矫正是一个潜力巨大的市场。针对这样的情况，已有的代表性解决方案如下。第一类现有技术：适当过滤黄色波段的光以增加红绿分辨率。实现上，可以根据该过滤曲线来设计眼镜表面的滤光薄膜。美国Enchroma公司(http：//enchroma.com/)就是基于该思路在太阳镜基片上镀出该特殊设计的薄膜，从而推出已经在市场上销售的色弱矫正眼镜。但这种通过滤波增强色彩饱和度的方法的效果相当有限。首先在理论上，此方法的确能高效率地利用色弱者已受损的辨色能力，但不能超越这一已受损的极限，更不可能使色弱者达到正常人的辨色能力。事实上，单纯的滤波法大约能提高10％左右的辨色能力(可识别色域面积或尺寸)，这对于中度色弱者有一定实际意义。但对于严重色弱者而言，其辨色能力的底数本来就很小，10％左右的改进几乎无实际效果。对于辨色能力为零的色盲者，此方法就完全没有作用。第二类现有技术：另一类所谓的红绿色盲眼镜，即将颜色差别转化为光强，也就是明暗区别。其原理是：这类眼镜用于左、右眼的镜片分别是过滤绿光或红光的玻璃片；左镜片过滤掉红光，结果红色在左眼看来是黑色；右镜片过滤掉绿光，结果绿色在右眼看来是黑色。红绿之间的颜色区别，变成了两眼间的光强区别：左眼看着黑，右眼看着亮的是红色，反之左眼看着亮，右眼看着暗的是绿色。这种方法确实能辅助色弱和色盲分辨颜色，但首先容易让人把红绿和黑或灰色混淆；且由于白光去掉红光变成碧色光，白光去掉绿光变成紫色光，所以颜色透过滤镜后会发生极大变化，进一步造成颜色混淆。且此方案导致左右眼观察同一物体时感受到的颜色和明暗完全不同，配戴者在生理和心理上都会有较大的不适应。因此这类色盲眼镜除了规避色盲测试以外，很难在实际生活中使用。另一方面，光的色散是一种基本的光学现象，它表明光学材料的折射率n和光波长有关；波长发生变化时n变化越大则称色散越强。由几何光学的知识知，凹凸透镜的焦距和其制作材料的折射率有关，所以透镜焦距也就受到色散的影响，变得和波长有关。由于颜色和波长有关，而色散是与波长相关的物理现象，所以利用色散辅助人眼分辨颜色是可能的。基于以上情况，本专利技术提出：利用色散原理设计一种多层透镜(复合透镜)，它对不同波长的可见光有明显不同的焦距，且这个复合透镜对可见光波段的平均焦距可按需求调节；将这个复合透镜作为眼镜片制成眼镜配戴，复合透镜对可见光的平均焦距应调节为视力矫正(近视、远视、散光等)所需的焦距，而复合透镜对不同波长的光的焦距差使得同一物体在人眼中成像为一系列(几个或很多个)子影像，各个子影像对应特定的光波长，且各个子影像之间有可以被分辨的视深差(视线方向上的位移)；观察各子影像亮度的比值就能知道不同波段光强的比值，进而了解颜色。本专利技术把颜色差别转化为影像的空间位置差别而辅助辨色，并不仅仅过滤红绿光之间的黄光，或者将颜色差别转化为光强也就是明暗差别。并且和现有技术相比，本专利技术对色弱和色盲都有效，且不会将彩色和黑灰色混淆。进一步在复合透镜表面上镀上带通与带阻滤波薄膜，可以过滤黄色和碧色波段的光，从而减弱这些波段对应的子影像，形成两个“暗区域”；以此“暗区域”为参照物，配戴者更容易注意到各波段的子影像和它们之间的区别，进一步辅助配戴者识别色差导致的视深差，提高色觉分辨率。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有辨色辅助技术效果有限、对色盲完全无效或者会将彩色和黑灰色混淆的问题，提出一种色盲辅助眼镜的设计方法，辅助色弱和色盲辨色。本专利技术是通过以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种色盲辅助眼镜的设计方法，其特征在于：色盲辅助眼镜包括：左右镜框和安装在左右镜框内的色盲辅助镜片；色盲辅助眼镜设计方法的具体步骤为：一、挑选色散度数为D1的复合透镜；把一片高色散透镜和一片低色散透镜叠加在一起，组成复合透镜，使得它对红(r)、绿(g)、蓝(b)3种代表光的相应焦距满足

【技术特征摘要】
2016.05.13 CN 20161031137591.一种色盲辅助眼镜的设计方法，其特征在于：色盲辅助眼镜包括：左右镜框和安装在左右镜框内的色盲辅助镜片；色盲辅助眼镜设计方法的具体步骤为：一、挑选色散度数为D1的复合透镜；把一片高色散透镜和一片低色散透镜叠加在一起，组成复合透镜，使得它对红(r)、绿(g)、蓝(b)3种代表光的相应焦距满足其中A和B表示两片透镜，frA、fgA和fbA分别是A透镜对红、绿和蓝光的焦距，frB、fgB和fbB分别是B透镜对红、绿和蓝光的焦距，frC、fgC和fbC分别是复合透镜对红、绿和蓝光的焦距，frC、fgC和fbC被分别简化标记为fr、fg和fb；公式(2)为两个相邻透镜A和B的焦距叠加公式其中fC是复合透镜焦距，fA和fB分别是透镜A和B的焦距；已知透镜对蓝、绿和红三种代表光的折射率满足nb＞ng＞nr，而一片透镜，即凹透镜或者凸透镜的焦距f满足其中R1和R2分别是透镜正反两曲面的弧度，凸面的弧度为正，凹面的弧度为负，n是透镜材料的折射率，d是正反曲面顶点间的距离；将公式(4)带入公式(2)中，得到：其中，nrA、ngA和nbA是透镜A的材料对红、绿和蓝光的折射率，nrB、ngB和nbB是透镜B的材料对红、绿和蓝光的折射率，R1A和R2A是透镜A正反两个曲面的弧度，R1B和R2B是透镜B正反两个曲面的弧度，dA和dB是透镜A和透镜B的正反曲面顶点距离；将绿波段对应的焦距fg作为复合透镜对可见光的平均焦距同时调节R1A、R1B、R2A、R2B、dA、dB等透镜参数，使fg、fr和fb满足条件fg＝f0(8)；其中E1已知，f0已知，E1是单位为(1/米)的高色散条件参数，具体数值根据用户的体验度反馈来选择，保证色散效果明显；保证“焦距-波长”关系是单调递增或递减的，而和的正负号由E1的符号决定：f0为矫正视力所需眼镜镜片已知的对可见光的平均焦距；若两片透镜组成的复合透镜对蓝绿红三种代表光的焦距无法满足条件公式(6)-(9)可以重叠更多透镜并调节透镜表面弧度以满足高色散条件公式(6)-(9)；已知透镜成像公式其中λ是光波长，u为物距，f为焦距，v为像距，当物体和像在透镜同一侧时像距v的符号为正、在透镜异侧时像距v的符号为负；f(λ)表示焦距是波长的函数，进而v(λ)表示在给定物距u时像距也是波长的函数；将公式(10)带入公式(6)则知红、绿和蓝三个代表色的子影像的视深满足其中vr、vg和vb是红、绿和蓝色代表光的子影像的视深(像距)，将公式(11)和(7)对色散导致的像距差作泰勒展开并保留一阶项，得到公式组其中Δvrg＝vr-vg是红绿像距差，Δvgb＝vg-vb是绿蓝像距差；三个子影像...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄博，曹强，
申请(专利权)人：曹强，黄博，
类型：发明
国别省市：北京,11