用于优化人的视觉功能的高阶像差校正制造技术

本发明专利技术涉及通过校正和/或优化高性能光学设备中的高阶光学像差来优化人的视觉功能。该优化尤其可用于在低光照条件下使用的高性能设备，比如双筒望远镜、步枪瞄准镜、望远镜、显微镜、夜视镜以及激光眼睛保护设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过校正和/或优化高阶光学像差来优化人的视觉功能。该优化特别 是在低光照条件下对高性能活动尤其有用。
技术介绍
人眼的波前误差类似于鼓的表面。鼓的直径代表眼睛瞳孔的直径。如果没有像 差，则鼓的表面会是平坦的。然而，几乎在任何正常的眼睛里都存在由波前中的超前(lead) 或者滞后(lag)表示的光学误差，在模拟中即为鼓表面中的山和谷。圆孔上的任意平滑表 面可被描述为各系数乘以Zernike多项式之和。人眼中的光学像差现在几乎全部用这种 方式描述。附图说明图1示出了最低阶的Zernike像差。在“Zernike金字塔”中未示出的是包括 krnike活塞、偏斜(tip)和倾斜(tilt)的最先两行(径向次序)。常规眼镜包括棱镜、球 面和柱面校正。棱镜仅仅是偏斜和倾斜，而球面和柱面是散焦和散光的线性组合。图1所示的是二阶到四阶的krnike项^散光、球面、偏斜和倾斜被认为是低阶 像差。更高径向次序的所有其它像差被统称为高阶像差。常规眼镜试图提供可能的最佳低 阶校正。随着年龄的增加平均的瞳孔大小明显减小。通常在阴天晚间的光照条件Gkd/ m2)下，年龄在18岁到40岁之间的人的瞳孔直径在6. 5mm的邻域内。23在6. 5mm瞳孔中平 均高阶均方根(冊幻波前误差具有0.38微米的数量级。4很多人有更高级别的高阶像差。 为了作比较，要在日间3mm瞳孔中达到相似的RMS波前误差需要屈光度1. 2的球面误差，这 被认为是较大的。尽管球面残差可在调节的过程中经由透镜的可变聚焦能力变为零，但是 眼睛没有用于改变高阶像差的量的机制。视敏度表征解析小物体的能力。敏锐度仅仅量度一部分视觉能力。然而，它是较 为公知的视力量度之一。图2总结了正常健康眼睛的视敏度对年龄的群体平均，其示出年 龄从18到80岁的223位受试者的IogMAR VA。示出了与数据一致的最佳线性和双线性。5 为了进行测量，受试者使用了可能的最佳常规低阶校正。在图2的曲线图中，6/6相当于20/20的公制。6/3相当于20/10的公制并且近似 地表示由于人视网膜的中央凹中的视锥细胞密度而导致的预测的Nyquist分辨率限度。理 论上，如果没有光学像差，那么人眼应当能够大约看见20/10，尽管其精确值可能因人而异。 直到最近，世界纪录是20/8。25到四岁的年轻人通常具有最佳的敏锐度，约30岁之后随 着年龄的增长视力通常变差。随着年龄增长视力衰退的原因是争论的一个话题。主要的三 个理论包括高阶像差的增加及瞳孔大小的随之减小、眼内散射的增加及传输损耗、和视锥 细胞和/或神经节细胞的损耗。发布的报告对于正常健康的眼睛倾向于支持前两种理论。任何给定年龄的数据中的散射的原因，尤其对于较年轻者的眼睛，大概主要是由于高阶像差的存在。一种理论指出，如果人在年轻时从未有过良好视力，神经系统的生长可 能阻止他以后看到Nyquist分辨率限度或者其邻近，这种情况被称为屈光性弱视。然而，当 使用自适应光学器件校正高阶像差时，所有受试者的视敏度都明显提高了。8在一项最近的 研究中，一半经高阶校正的受试者始终展示了超过20/8的敏锐度。9因此，视力受益于高阶 像差的校正并不仅仅是理论上的。高阶像差校正的一个最大预期好处是对比灵敏度的提高。在低光照条件下，当瞳 孔直径和高阶像差级别均增大时，对比灵敏度开始降低。这有两个有害效应。一是它可能 不再有可能探测某些在例如驾驶、打猎和军事应用中重要的低对比度物体。伪装的真正定 义就是通过更好地匹配周围环境来减小对比度。另一问题是即使物体可被探测到，探测和识别过程也将花费更多时间。各项研究一直指出，当对比灵敏度降低时反应时间就增加了。10,11影响典型的人的三个主要的更高阶像差包括慧形像差、三叶形像差和球面像差。 彗形像差是能够引起对比灵敏度明显损耗的非对称像差。图3示出对在6. Omm瞳孔中具有 0. 19微米RMS彗形像差的受试者的高对比度视力表光学模拟。12这在平均值的标准差之 内。13该模拟假设所有其它的像差都被完全校正。最顶端的一行是20/100。在低对比度情况下，这些字母会更加难以识别，当然，除了慧形像差以外还有很多 其它可能的像差。为了作比较，图4示出了基于6. Omm瞳孔的非异常(没有像差的)视力 表模拟。调制传递函数(MTF)表征光学系统多好地保持对比度对空间频率。图5示出了在 瞳孔为6. Omm时没有像差的受衍射限制眼睛的MTF。在图6中可以看到在6. Omm瞳孔中仅仅引入0. 19微米慧形像差时的MTF曲线。由于单一的慧形像差，MTF曲线在所有空间频率都被严重地压低。如果球面和柱 面也没有得到最佳地校正，那么由于低阶像差另外将存在严重的对比度损耗。
技术实现思路
本专利技术提供在使用双筒望远镜、步枪瞄准镜、望远镜、显微镜、夜视镜以及激光眼 睛保护设备时对人眼高阶像差的个性化校正和优化。本专利技术将明显提高这些设备中的对比 灵敏度和低对比度视敏度。这些视力上的好处将在使用以上标识的设备提高军用和民用性 能时被实现并且发挥重要作用。技术目的当使用外加个性化高阶像差校正和优化的双筒望远镜时，对比灵敏度和低对比度 视敏度提高了。当使用外加个性化高阶像差校正和优化的步枪瞄准镜时，对比灵敏度和低对比度 视敏度和游标视敏度提高了。当使用高阶像差校正和优化时，射手能够更好地集聚他们的 射击。通过增加个性化高阶像差校正和优化并且利用MTF控制来限制IIT中的混叠提高 了夜视镜中的对比灵敏度。当使用外加个性化高阶像差校正和优化的激光眼睛保护设备时，对比灵敏度和低 对比度视敏度提高了。附图简述图1示出二阶到四阶krnike像差的图示。图2是示出正常健康眼睛的视敏度对年龄的群体平均的曲线图。图3是对在6. Omm瞳孔中具有0. 19微米RMS彗形像差的受试者的高对比度视力 表光学模拟。图4是对具有无像差的6. Omm瞳孔的受试者的视力表的光学模拟。图5是示出具有无像差的6. Omm瞳孔的受试者的MTF曲线图。图6是示出具有0. 19微米慧形像差的6. Omm瞳孔的受试者的MTF曲线图。图7到图11示出用6. 89版本的Visual Optics Lab V0L-CT软件画出的各种PSF 和MTF曲线。图12是总像差干涉图样(OD)。图13是示出双筒望远镜效率对放大倍率的曲线图。图14是示出人眼纵向色差的曲线图。图15是示出利用自成像Talbot效应的衍射波前传感器的操作的示图。图16到图18示出基于所设计的高阶透镜的理论和实际干涉图样。专利技术的详细描述当前，积极的高阶像差校正仅可在受限视场上实现。因此可用受限视场自然地操 作的设备便成为这类光学校正的理想选择。期望高阶像差优化在其中发挥主要作用的另一 种类涉及其中瞳孔大小明显增大的低光照条件。光学像差通常随着瞳孔直径的增大而显著 地增大，因此可对视力具有更大的影响。本专利技术包括设备中的四种模式的高阶波前校正。它 们如下所列双筒望远镜步枪瞄准镜夜视设备激光眼睛保护眼镜/护目镜前三种自然地利用受限视场。后两种模式固有地涉及进入眼睛的光的降低级别， 从而使瞳孔大小在所有情况下增大。前两种模式常用于其中瞳孔大小增大的低光照条件。使用诸如Z-View 波前像差计(Ophthonix有限公司，美国加州圣地本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种可被固定在望远镜、显微镜、步枪瞄准镜或者双筒望远镜的目镜上的可拆卸的光学元件，其包括固化聚合材料，所述固化聚合材料（ａ）具有可变屈光率并且（ｂ）校正受试者眼睛的一个或多个高阶像差。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·杰斯马拉尼，A·W·德瑞赫，L·H·斯弗德鲁普，
申请(专利权)人：欧弗搜尼克斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US