QUanyingWU,1,* YUnhaiTAng,1 XIaoyiCGALLINA,2 CHunlanMA,1
FEiYAo,2 ELINLIu3
1Jiangsu Key Laboratory di Micro and Nano Fluid Fluid Flow Technology and Energy Application, School of Mathematics and Physics, Università di scienze e tecnologie di Suzhou, Suzhou 215009, Cina2Suzhou Mason Optical Co., Ltd. Suzhou 215028, Cina
3School of Physical Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, Cina
*wqycyh@mail.usts.edu.cn
Astratto:Proponiamo un metodo di valutazione per giudicare l'estensione di adattamento alla lente oftalmica per chi lo indossa. Un sistema ottico oggetto-obiettivo è impostato in base alle prestazioni visive di Wending e alla caratteristica dell'assemblaggio delle lenti oftalmiche. Viene proposta una superficie di riferimento visivo per calcolare la distanza degli oggetti. Il raggio RMS del diagramma spot e il valore medio di MTF dal software di progettazione ottica Zemax sono considerati come il criterio per valutare la qualità dell'immagine sulla retina. Sono simulati tre casi per verificare che il nostro metodo sia efficace. Gli indossati possono provare una sensazione di indossamento comoda quando il metodo di valutazione viene utilizzato durante il design della lente oftalmica. La validità del nostro metodo è dimostrata per istruire la progettazione dell'obiettivo di addizione progressiva con la superficie a forma libera.
© 2019 Optical Society of America ai sensi dell'OSA Open Access Publishing Accordo
1. Introduzione
Il compito delle parti di rifrazione dell'occhio è creare un'immagine del mondo esterno sullo strato di fotorecettori della retina. La qualità di imaging di un oggetto reale è, tuttavia, influenzata da errori di rifrazione, dispersione, effetti di diffrazione e dispersione [1]. La lente oftalmica viene utilizzata per risolvere i problemi causati da questi errori.
Esistono diversi metodi per valutare la qualità delle lenti oftalmiche. Stanno calcolando la potenza e l'astigmatismo in base alle altezze vettoriali della superficie [2–6], usando focimetro automatizzato [7], misurando la potenza delle lenti oftalmiche mediante una tecnica deflettometrica [8,9] e valutando le proprietà delle lenti progressive di aggiunta da parte dell'onda, ecc. [10 - 12]. Il sistema ottico a occhio-obiettivo è stato impostato in alcuni metodi di valutazione per valutare la qualità dell'immagine dal software di progettazione ottica [13,14], ma ci sono pochi punti di misurazione. Inoltre, il metodo di calcolo della distanza dell'oggetto non viene fornito. In scene reali, quando la distanza dell'oggetto cambia anche la direzione dell'asse dell'occhio cambia. Il potere ottico degli occhi varia con le distanze dell'oggetto e la direzione dell'asse visivo dell'occhio. Ciò dimostra che la distanza degli oggetti è importante sulla valutazione della lente oftalmica. E pertanto, proponiamo un nuovo modello di sistema ottico-obiettivo-obiettivo basato sulla distanza degli oggetti e sull'abitudine di chi lo indossa. Gli angoli di azimut e le coordinate dell'oggetto corrispondenti ai raggi in diversi luoghi della lente oftalmica sono calcolati dall'offset e dall'inclinazione della lente oftalmica durante il processo di raccordo dell'obiettivo. Possiamo quindi stimare la qualità dell'immagine della lente oftalmica nel processo di progettazione, che è correlata a diverse diottrie, caratteristiche del viso, abitudine alla vista, lente oftalmica e cornice della lente oftalmica dell'individuo. Usiamo il nostro nuovo metodo per valutare i parametri delle lenti oftalmiche prima della produzione. Pertanto, possiamo migliorare il livello di comfort di chi lo indossa, promuovere l'efficienza di sviluppo e ridurre i costi del prodotto. Il metodo è particolarmente efficace per aiutarci a progettare l'obiettivo di addizione progressiva con la superficie a forma libera.
2. Metodo di valutazione del sistema ottico dell'obiettivo occhio-obiettivo
Il grado di chiarezza dell'oggetto osservato da chi lo indossa dipende dalla capacità di regolazione della potenza di rifrazione degli occhi, dalla potenza della lente oftalmica e dalla distanza dell'oggetto osservato. Il metodo che abbiamo proposto combina vari fattori per valutare le prestazioni di imaging dell'oggetto attraverso la lente oftalmica e l'occhio.
2.1 Il modello dell'occhio umano
L'occhio umano ha una capacità di regolazione della potenza focale limitata. Adottiamo il modello Liou-Brennan dell'occhio umano mostrato in Fig. 1 (a). L'angolo di campo è a zero grado. I parametri sono ottenuti da [1,15].
Fig. 1.Diagramma schematico del modello dell'occhio umano: (a) Schema del modello di occhio Liou -Brenan rilassato. (b) Rappresentazione schematica del modello oculare quando si osservano oggetti distanti e si osserva vicino agli oggetti.
La distanza del punto lontano slontanoè definito come la distanza tra la superficie principale P e il punto lontano Qlontanodell'occhio nudo. La distanza della distanza del punto vicino è la distanza tra la superficie principale P e il punto vicino Qvicinodell'occhio nudo. Le distanze inverse sono chiamate rifrazione punto lontano alontano=1/Slontano (Slontano<0) and near point refraction Avicino=1/Svicino (Svicino<0). The difference between the far and near point refraction is referred to as the amplitude of accommodation ∆Amax= Alontano- Avicino[1]. Nell'occhio umano la sistemazione della potenza di rifrazione è realizzata dalla contrazione e dal rilassamento del muscolo ciliare e delle fibre zonolari. È un meccanismo complesso e geniale di alloggio. Solo quando la lunghezza assiale e la potenza di rifrazione dell'occhio si abbinano, è possibile ottenere un'immagine chiara sulla retina. Nell'ottica visiva, la lunghezza assiale e la potenza di rifrazione sono due aspetti dell'imaging ottico degli occhi. Nel nostro modello viene impiegata la variazione della lunghezza assiale per riflettere il processo di alloggio oculare, poiché è possibile ottenere un'immagine chiara quando la potenza di rifrazione corrisponde alla lunghezza assiale [16]. La distanzalrDalla superficie posteriore della lente cristallina alla retina è definita come lunghezza assiale dell'occhio. Qui illr _ minElr _ maxPresentare l'ampiezza dell'alloggio, mostrata in Fig. 1 (b). Quando l'occhio umano viene girato all'oggetto osservato, il bulbo oculare ruota attorno al centro della rotazione O e l'asse ottico nel modello degli occhi ruota con lo stesso angolo. In generale, la testa è deviata in modo cooperativo con la vista. L'angolo di deflessione della vista è la somma degli angoli di rotazione della testa e dell'occhio. La relazione tra l'angolo di rotazione della testa e degli occhi è raggiunta come Eq. (1) [17–25]
Quie ( e) è gli angoli di rotazione verticale (orizzontale) dell'occhio.h ( h) è gli angoli di rotazione verticale (orizzontale) della testa. k (k ) è il rapporto tra la rotazione della testa a occhio nella direzione verticale (orizzontale) (0
2.2 Il modello del sistema ottico dell'obiettivo oculare
Il modello di sistema ottico a oggetto oculare-obiettivo è impostato per valutare la qualità dell'immagine sulla retina quando un indossatore osserva l'oggetto attraverso lenti oftalmiche. La posizione dell'asse ottico dell'occhio cambia mentre l'occhio ruota, come mostrato in Fig. 2.
Fig. 2.Il diagramma del modello di sistema ottico-obiettivo-obiettivo.
Il sistema di coordinateO-xyzper gli oggetti-eye-obiettivi viene adottato. L'origine della coordinata è il centro rotante dell'occhio. L'assez è attraverso il centro di assemblaggio oL0e consiste con l'asse di visione diretta. L'assey è perpendicolare al pianoO-xzcome mostrato in Fig. 3. Il sistema di coordinateO-xyzsposta e ruota mentre la testa ruota attorno all'articolazione atlanto-occipitale, che è il centro rotante della testa [23]. Ogni punto sulle superfici anteriori e posteriori dell'obiettivo è rappresentato usando la coordinata diO-xyz. Nella nostra simulazione, l'angolo tra le lenti sinistro e destro, l'offset del centro di assemblaggio delle lenti, sono presi in considerazione l'angolo verticale della campanatura dell'usura e la distanza tra l'obiettivo e il centro di rotazione dell'occhio [2]. La coordinata (xb,yb,zb) di un punto arbitrario Pbsulla lente oftalmica è definita nel sistema di coordinateO-xyz. Quando chi lo indossa osserva l'oggetto attraverso il punto pb, l'asse ottico dell'occhio passa anche il punto pb. eEepotrebbe essere determinato dall'Eq. (2).
Fig. 3.Il modello di sistema ottico-obiettivo-obiettivo nelle coordinate cartesiane.
QuieEeè rispettivamente gli angoli di deviazione verticale e orizzontale dell'asse degli occhi.
2.3 La posizione dell'oggetto
2.3.1 La superficie di riferimento visivo
Una superficie di riferimento visiva deve essere costruita in base all'abitudine alla visione di chi lo indossa. Il sistema di coordinate di riferimentoO'-x'y'z' è statico rispetto al suolo. Quando la testa di chi lo indossa non ruota, ilO-xyzIl sistema di coordinate coincide conO'-x'y'z'. La superficie di riferimento visivo è perpendicolare aly'O'z' piano e si estende infinitamente lungo l'asse X. Tutti i punti oggetto P sono sulla superficie di riferimento visivo. I punti di sguardo chiave nella direzione della visione diretta, tra cui il punto di distanza lontana, il punto di distanza di media distanza e il punto di distanza vicino alla vista di chi lo indossano sono adottati per rappresentare l'abitudine alla visione. Secondo lo sguardo chiave punta la curva in cui la superficie di riferimento visiva interseca ily'O'z' L'aereo è montato da curve a tratti a tratti cubiche di Bezier [26,27]. Il diagramma schematico della superficie di riferimento visivo è mostrato in Fig. 4. Questo metodo di adattamento mantiene la continuità del primo derivato tra le varie curve a tratti. L'equazione dei parametri della superficie di riferimento visivo è uguale alla formula della curva come segue.
Qui u e [0, 1] sono i parametri delle curve di Bezier, C è il coefficiente del parametro.
2.3.2 Il calcolo del coordinamento dell'oggetto
Il punto di intersezione della vista e della superficie anteriore sulla lente è pge pbè sulla superficie posteriore. Il vettore di posizione di pgÈrg= xg, yg, zge il vettore del coseno di direzione della vistaeg= eGX, eGy, eGz, rispettivamente. Gli angoli di deflessione verticale e orizzontale sonogEg. Lo spostamento e la rotazione delO-xyzIl sistema di coordinate sorge a causa della rotazione della testa. Il vettore di posizione di pge direzione del coseno vettore della vistaO-xyzsono cambiati in inO'-x'y'z' con la trasformazione delle coordinate secondo la posizione del centro rotante di Head [18,28]. Il vettore di posizione di pgnelO'-x'y'z' Èr'g={ x'g, y'g, z'g }.
Fig. 4.Il diagramma schematico della superficie di riferimento visivo.
2.4 La valutazione dell'immagine
Una superficie di riferimento visiva per un individuo viene simulata in base alla Sezione 2.3.1. Per ottenere il limite della distanza lrPer l'individuo il modello a occhio nudo è inizialmente incorporato nel software di progettazione ottica zemax. I parametri del modello oculare sono presentati nella Tabella 1. La distanza lr (lr >0) Dalla superficie posteriore della lente cristallina alla retina è impostata come variabile e il raggio RMS del diagramma spot è impostato come funzione oggettiva. Possiamo ottenere lr_ min e lr_ max ottimizzando mentre le distanze degli oggetti sono impostate come svicinoe slontano. Successivamente, un modello di sistema ottico-obiettivo-oggetto è impostato nel software di progettazione ottica zemax inserendo l'obiettivo di fronte al
occhio nudo. Quando l'occhio non vede l'ora, l'asse ottico dell'occhio passa attraverso il punto di montaggio ol0dell'obiettivo e la distanza da ol0Al centro della rotazione dell'occhio è q. La posizione di ol0, Il valore di Q e gli angoli di inclinazione verticale e orizzontale dell'obiettivo sono adatti per le caratteristiche individuali che corrispondono al telaio dello spettacolo.
Nel modello di sistema ottico a oggetto oculare-obiettivo stabilito, le coordinate del raggio visivo attraverso una posizione nella lente oftalmica sono raggiunte da Ray Tracing. Il vettore di posizione del punto oggetto P è ottenuto mediante il metodo descritto nella Sezione 2.3.2. Data una distanza di oggetti, l'immagine ottimale sulla retina viene cercata dal software di progettazione ottica. Durante il processo di ricerca, la distanza Lrè impostato come variabile con la condizione di vincolo lr_ min lr lr_ max e il raggio RMS del diagramma spot è impostato come funzione oggettiva. Il valore medio MTF può essere calcolato contemporaneamente. Una serie di raggio di RMS è ottenuta da Ray tracciando tutti i punti corrispondenti all'intero obiettivo oftalmico durante il processo. Si ottengono così il raggio RMS del contorno del diagramma spot e il contorno medio MTF. Questi contorni riflettono la qualità dell'immagine sulla retina di un lente.
Il raggio RMS del diagramma spot e MTF sono usati per valutare la qualità dell'immagine degli occhi umani, che è verificata dagli esperimenti per gli occhi giovani e gli occhi più anziani [13,14]. Gli MTF dei giovani occhi testati e gli occhi più anziani incarnano la loro sensazione comoda [14].
3. Result e discussione
Tre casi vengono simulati applicando il metodo proposto per dimostrare come valutare l'adeguatezza della lente oftalmica per il singolo indossatore.
3.1 Eye miope che indossa l'obiettivo focale singolo
Il diametro della lente oftalmica è impostato come 48 mm. I raggi della parte anteriore e posterioreLa superficie della lente oftalmica è rispettivamente di 292,5 mm e 146,25 mm. Lo spessore centrale è di 1 mm. L'angolo tra le lenti sinistro e destro è di 10 gradi e l'angolo verticale della campanatura dell'usura è di 5 gradi. L'altezza della pupilla è di 3 mm. La distanzaq dalla superficie posteriore delL'obiettivo al centro di rotazione dell'occhio è di 25 mm. Il potere focale è 2. 0 D. Il punto lontanoLa distanza di distanza e vicino all'occhio sono {0}}. 5 m e 0. 2 m, rispettivamente. L'ampiezza dell'alloggio è 3,0 D. K e k sono 0. 20 basati su partecipanti classificati "misti" in letteratura, rispettivamente [25]. La distanza orizzontale (verticale) dal centro rotante degli occhi all'articolazione atlanto-occipitale è di circa 80 mm (40 mm) [23].
Le seguenti discussioni si basano sul sistema di coordinate di O'-X'y'z. Quando chi lo indossa legge o scrive, il centro della carta è definito come P1. I centri della tastiera e dello schermo del computer sono definiti rispettivamente come P2 e P3. Il punto osservato aggrappato al proprio corpo è definito come p 0, che ha la stessa altezza della carta. La posizione di 5 m di distanza da chi lo indossa è definita come P4.
Tutti i dati personalizzati sono elencati nella Tabella 1. La superficie di riferimento visiva viene simulata in base alle posizioni dei punti chiave di chi lo indossa. La curva interseca tra la superficie di riferimento visivo e ilx'O'z' Il piano è mostrato in Fig. 5. I coefficienti di adattamento dell'equazione sono elencati nella Tabella 2.
Fig. 5.Il punto critico dello sguardo e la curva dell'intersezione della superficie di riferimento visivo con il piano di X'o'z per chi lo indossa gli occhiali oftalmici. (a) Diagramma schematico della vista che passa attraverso punti chiave visivi, (b) la curva di interseca tra la superficie di riferimento visiva e il piano di X'o'z.
ILlr _ minElr _ maxI valori sono risultate essere 17,007 mm e 18,354 mm ottimizzando attraverso lo zemax. Le coordinate dei raggi attraverso l'obiettivo sono raggiunte da Ray Tracing. Il raggio RMS del diagramma spot contorni del sistema ottico-obiettivo-obiettivo e i contorni MTF medi a 10 cicli\/mm sono mostrati in Fig. 6 e Fig. 7.
Fig. 6.Contorni del raggio RMS della lente sfera per chi lo indossa miope.
In Fig. 6, la linea continua mostra che il raggio RMS del diagramma spot è di 4 µm. Significa che il raggio di RMS sulla retina non supera i 4 µm quando il raggio passa attraverso un cerchio con un raggio di circa 17 mm sulla lente oftalmica. È più piccolo della risoluzione visiva. Figura 7mostra i contorni MTF in 1 0 lp\/mm. È più grande di 0. 95 (0. 925) su un raggio di 1 {{1 0}} mm (17 mm). Chi lo indossa con un obiettivo sferico 2. 0 d si sente a proprio agio nell'osservazione di oggetti sia lontani che vicini. È perché l'ampiezza dell'alloggio dell'occhio di chi lo indossa arriva a 3,0 d, il diottrice vicino è di 3 giorni dopo aver indossato l'obiettivo con 2,0 d e la distanza quasi a punto è 0,3 m. Come visto da Fig. 6 e Fig. 7, il profilo è quasi circolare sebbene asimmetrico nelx Ey direzioni. L'asimmetria è più evidente ai margini della lente. Potrebbe derivare dalla parte superiore dell'obiettivo che si inclina verso l'esterno e dall'angolo evidente tra l'obiettivo sinistro e destro. Dalla Fig. 6 alla Fig. 7, la qualità dell'immagine si riduce quando il raggio passa attraverso la porzione periferica della lente, che potrebbe originare dall'aberrazione più grande a causa dell'imaging dell'obiettivo ad un ampio angolo di campo quando chi lo indossa non sembra dritto. Fortunatamente, il bordo dell'obiettivo non è necessario l'uso quando si vede avanti nel caso della lettura e della scrittura quasi. Pertanto, questo tipo di declino della qualità dell'immagine non ha alcuna influenza sulla lettura e la scrittura.
Fig. 7.MTF medio a 10 cicli\/mm di contorni dell'obiettivo della sfera per chi indossa miope.
3.2 Eye miopico con Presbyopia che indossa un singolo lente focale
Prendi in considerazione una chi lo indossa miope con la stessa potenza di rifrazione che è una presbiopia con ampiezza di sistemazione 1,3 d. La distanza del punto lontano e la distanza del punto vicino dell'occhio sono 0. 5 m e 0. 3 m, rispettivamente. La distanza minimalr _ mine distanza massimalr _ maxsi scoprono che sono 17,007 mm e 17,757 mm ottimizzando usando lo zemax. Il raggio di RMS del diagramma spot contorni del sistema di obiettivo eye-lente e i contorni MTF medi a 10 cicli\/mm sono ottenuti ottimizzando il raggio del diagramma spot. I contorni della controparte sono mostrati in Fig. 8 e Fig. 9.
Fig. 8.Contorni del raggio RMS della lente sfera con Presbyopia.
I risultati mostrano che nelle porzioni superiori e medie della lente, il raggio RMS del diagramma spot è inferiore a 4 µm e l'MTF è maggiore di 0. 925 a 10 LP \/ mm. Su queste aree, l'immagine sulla retina è chiara. Quando la vista passa attraverso la parte di 9 mm sotto il centro dell'obiettivo, il raggio di RMS del diagramma spot diventa più grande di 4 µm e MTF medio è
Fig. 9.MTF medio a 10 cicli\/mm di contorni della lente sfera con Presbyopia.
più piccolo di {{0}}. 9 0 a 1 0 lp\/mm. Quando la vista passa attraverso i 17 mm sotto il centro della lente, il raggio del raggio RMS è di 16 µm e MTF medio a 10 LP\/mm è ridotto a 0,75. Questa lente oftalmica è adatta per osservare oggetti a distanze distanti e intermedie. Diamo un'occhiata se l'obiettivo oftalmico sia adatto per chi lo indossa miope con Presbyopia. Dopo aver indossato un singolo obiettivo focale con 2,0 D, il diottrice vicino a 3,3 d si trasforma in 1,3 d e la distanza effettiva del punto vicino è 0,77 m. Può garantire solo gli oggetti di media distanza, ma non gli oggetti vicini. Poiché la capacità di aggiustamento di chi lo indossa il paziente è limitata, la lente oftalmica non soddisfa le esigenze di lettura e scrittura di -2,98 D.
3.3 Eye miopico con Presbyopia che indossa un obiettivo di addizione progressivaLa difficoltà di cui sopra potrebbe essere risolta usando un obiettivo di addizione progressiva (PAL) con una zona di distanza di 2. 0 d e una potenza focale di addizione di 2. 0 D. La potenza focale e l'astigmatismo calcolati per la geometria del differenziale sono presentati in Fig. 10. I dati di altezza dei vettori sono presi per gli standard di Zeny, che sono calcolati per la geometria chiave, sono presenti i metodi di geometria tasti
Software zemax. I contorni del diagramma spot RMS e MTF a 1 0 LP\/mm sono quindi ottenuti come mostrato in Fig. 12 e Fig. 13. Il raggio di RMS del diagramma spot è di circa 5 µm e il MTF è maggiore di 0,9 in tutta la distanza, progressiva e vicino alle zone. Indica che il
Indossare potrebbe avere una visione chiara nell'osservazione di oggetti distanti o di lettura. È perché dopo aver indossato una lente di addizione progressiva con potenza focale di addizione di 2. 0 d, la diottrice vicina
Fig. 10.Contorni di potenza dell'AL.
Fig. 11.Contorni dell'astigmatismo del amico.
Mantiene ancora 3,3 d a causa della potenza focale di 0 d nella zona di lettura dell'obiettivo di aggiunta progressiva, la distanza effettiva del punto vicino è 0. 3 m. Rispetto ai contorni di Fig. 12 e Fig. 13 con i contorni dell'astigmatismo di Fig. 11, ci sono somiglianze e ci sono anche differenze. L'area della distanza raggiunta dal nostro metodo è più piccola in Fig. 12 e Fig. 13 rispetto a quella calcolata dal metodo della geometria differenziale in Fig. 11. Le aree dell'astigmatismo sono spostate in Fig. 13. La larghezza di MTF con {13}}. 95 a 1 0 Lp\/mm in Fig. 13 è mostrata a quella di quella di 0.5 in Fig. La valutazione delle lenti oftalmiche potrebbe fornire informazioni utili per aiutare a migliorare la qualità di progettazione del PAL.
Fig. 12.RMS RADIUS Contors of the Pal con Presbyopia Eye.
Fig. 13.MTF medio a 10 cicli\/mm di contorni del PAL con Presbyopia Eye.
Conclusione
In questo documento, viene proposto un metodo di valutazione delle lenti oftalmica basato sul modello di sistema ottico-obiettivo-oggetto. In questo metodo, consideriamo molti fattori come la distanza dell'oggetto osservato e l'abitudine di osservazione di chi lo indossa la lente oftalmica. Abbiamo impostato una superficie di riferimento visiva in base ai punti chiave di osservazione per risolvere la difficoltà di determinare la distanza degli oggetti. Abbiamo impostato un modello di sistema ottico-obiettivo-obiettivo e otteniamo il raggio RMS del diagramma spot e il valore medio MTF attraverso il software di progettazione ottica Zemax. Tre casi sono simulati per tre tipi di occhi, rispettivamente. Il raggio RMS del diagramma spot e del valore medio di MTF possono essere considerati come il criterio di valutare la qualità dell'immagine sulla retina. Il vantaggio chiave del nostro metodo sta nella descrizione quantitativa, che è obiettivo ed essere in grado di riflettere la sensazione pratica di chi lo indossa. Il metodo potrebbe inoltre fornire una guida abbastanza significativa per progettare il PAL con la superficie a forma libera.
Finanziamento
National Natural Science Foundation of China (61875145, 11804243); Jiangsu Province Key Discipline del 13 ° piano quinquennale della Cina (20168765); Principale progetto di ricerca di base della Natural Science Foundation degli istituti di istruzione superiore Jiangsu (17KJA140001); Six Talent Peaks Project nella provincia di Jiangsu (dzxx -026).
Riconoscimenti
Gli autori sono anche grati al professor Lin Qian della Soochow University per preziosi consigli.
Divulgazione
Gli autori dichiarano che non vi sono conflitti di interesse relativi a questo articolo.
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