QUanyingWU,1,* YInsenséTAngle,1 XIaoyiCPOULE,2 CHunlanMA,1
FEIYao,2 ETLDANSLIu3
1Jiangsu Key Laboratory of Micro and Nano Heat Fluid Flow Technology and Energy Application, School of Mathematics and Physics, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, Chine2Suzhou Mason Optical Co., Ltd. Suzhou 215028, Chine
3École des sciences physiques et de la technologie, Soochow University, Suzhou 215006, Chine
*wqycyh@mail.usts.edu.cn
Abstrait:Nous proposons une méthode d'évaluation pour juger de l'étendue appropriée vers l'objectif ophtalmique pour le porteur individuel. Un système optique de l'objectif de l'objectif oculaire est défini en fonction des performances visuelles du porteur et de la caractéristique de l'assemblage des lentilles ophtalmiques. Une surface de référence visuelle est proposée pour calculer la distance de l'objet. Le rayon RMS du diagramme de spot et la valeur moyenne MTF à partir du logiciel de conception optique ZEMAX sont considérés comme le critère d'évaluation de la qualité d'image sur la rétine. Trois cas sont simulés pour vérifier que notre méthode est efficace. Les porteurs peuvent ressentir une sensation de port confortable lorsque la méthode d'évaluation est utilisée lors de la conception de la lentille ophtalmique. La validité de notre méthode est démontrée pour instruire la conception de la lentille d'addition progressive avec la surface de forme libre.
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1. Introduction
La tâche des parties réfractives de l'œil est de créer une image du monde externe sur la couche photoréceptrice de la rétine. La qualité d'imagerie d'un objet réel est cependant affectée par les erreurs de réfraction, la dispersion, les effets de diffraction et la diffusion [1]. La lentille ophtalmique est utilisée pour résoudre les problèmes causés par ces erreurs.
Il existe plusieurs méthodes pour évaluer la qualité des lentilles ophtalmiques. Ils calculent la puissance et l'astigmatisme basés sur les hauteurs vectorielles de la surface [2–6], en utilisant un focier automatisé [7], mesurant la puissance des lentilles ophtalmiques par une technique déflectométrique [8,9], et évaluant les propriétés des lentilles progressives d'addition par le front d'onde, etc. [10–12]. Le système optique d'objectif d'objectif d'objectif a été mis en place dans certaines méthodes d'évaluation pour évaluer la qualité d'image par le logiciel de conception optique [13,14], mais il y a peu de points de mesure. De plus, la méthode de calcul de la distance de l'objet n'est pas donnée. Dans les scènes réelles, lorsque la distance de l'objet change, la direction de l'axe de l'œil change également. La puissance optique des yeux varie avec les distances de l'objet et la direction de l'axe visuel de l'œil. Cela montre que la distance de l'objet est importante sur l'évaluation de la lentille ophtalmique. Et par conséquent, nous proposons un nouveau modèle de système optique d'objectif d'objectif à l'œil oculaire basé sur la distance de l'objet et l'habitude du porteur. Les angles d'azimut et les coordonnées d'objet correspondant aux rayons sur différents lieux de la lentille ophtalmique sont calculés à partir du décalage et de l'inclinaison de la lentille ophtalmique pendant le processus de l'ajustement de la lentille. Nous pouvons ainsi estimer la qualité d'image de la lentille ophtalmique dans le processus de conception, qui est liée à différents diopttres, caractéristiques du visage, habitude de vue, lentille ophtalmique et le cadre de l'objectif ophtalmique de l'individu. Nous utilisons notre nouvelle méthode pour évaluer les paramètres de la lentille ophtalmique avant la fabrication. Par conséquent, nous pouvons améliorer le niveau de confort du porteur, promouvoir l'efficacité de développement et réduire les coûts des produits. La méthode est particulièrement efficace pour nous aider à concevoir la lentille d'addition progressive avec la surface de forme libre.
2. Méthode d'évaluation du système optique de l'objectif de l'objectif pour les yeux
Le degré de clarté de l'objet observé par le porteur dépend de la capacité de réglage de la puissance de réfraction des yeux, de la puissance de la lentille ophtalmique et de la distance de l'objet observé. La méthode que nous avons proposée combine divers facteurs pour évaluer les performances d'imagerie de l'objet à travers la lentille ophtalmique et l'œil.
2.1 Le modèle de l'œil humain
L'œil humain a une capacité d'ajustement focal limité. Nous adoptons le modèle liou-brinan de l'œil humain montré sur la figure 1 (a). L'angle de champ est zéro degré. Les paramètres sont obtenus à partir de [1,15].
Fig. 1.Diagramme schématique du modèle de l'œil humain: (a) Schéma du modèle oculaire liou - brinan détendu. (b) Représentation schématique du modèle des yeux lors de l'observation des objets distants et de l'observation des objets proches.
La distance de point lointain sloinest défini comme la distance entre la surface principale p et le point lointain qloinde l'œil nu. La distance de point proche, la distance est la distance entre la surface principale P et le point proche Qprèsde l'œil nu. Les distances inverses sont appelées réfraction à point lointain aloin=1/Sloin (Sloin<0) and near point refraction Après=1/Sprès (Sprès<0). The difference between the far and near point refraction is referred to as the amplitude of accommodation ∆Amax= Aloin- Après[1]. Dans l'œil humain, l'hébergement de la puissance de réfraction est réalisé par la contraction et la relaxation du muscle ciliaire et des fibres zonulaires respectivement. C'est un mécanisme complexe et ingénieux d'hébergement. Ce n'est que lorsque la longueur axiale et la puissance de réfraction de l'œil se correspondent mutuellement, une image claire peut être obtenue sur la rétine. Dans l'optique visuelle, la longueur axiale et la puissance de réfraction sont deux aspects de l'imagerie optique des yeux. Dans notre modèle, la variation de la longueur axiale est utilisée pour refléter le processus d'hébergement oculaire, car une image claire peut être obtenue lorsque la puissance de réfraction correspond à la longueur axiale [16]. La distancelrde la surface postérieure de la lentille cristalline à la rétine est définie comme une longueur axiale de l'œil. Ici lelr _ minetlr _ maxPrésenter l'amplitude des logements, illustré sur la figure 1 (b). Lorsque l'œil humain est tourné vers l'objet observé, le globe oculaire tourne autour du centre de rotation O et l'axe optique dans le modèle des yeux tourne avec le même angle. Généralement, la tête est déviée en coopération avec la vue. L'angle de déviation de la vue est la sommation des angles de rotation de la tête et des yeux. La relation entre l'angle de rotation de la tête et de l'œil est obtenue comme l'équation. (1) [17-25]
Icie ( e) est les angles de rotation verticaux (horizontaux) de l'œil.h ( h) est les angles de rotation verticaux (horizontaux) de la tête. k (k ) est le rapport de la rotation principale à la direction verticale (horizontale) (0
2.2 Le modèle du système optique d'objectif d'objectif pour les yeux
Le modèle du système optique de l'objectif-object oculaire est défini pour évaluer la qualité d'image sur la rétine lorsqu'un porteur observe l'objet à travers la lentille ophtalmique. La position de l'axe optique de l'œil change à mesure que l'œil tourne, comme le montre la figure 2.
Fig. 2.Le diagramme du modèle de système optique de l'objectif-objectif.
Le système de coordonnéesO-xyzpour l'objet de lentille oculaire est adopté. L'origine des coordonnées est le centre rotatif de l'œil. L'axez est à travers le centre d'assemblage oL0, et il consiste avec l'axe à vision directe. L'axey est perpendiculaire à l'avionO-XZcomme le montre la figure 3. Le système de coordonnéesO-xyzse déplace et tourne tandis que la tête tourne autour de l'articulation de l'Atlanto-occipital, qui est le centre rotatif de la tête [23]. Chaque point sur les surfaces avant et arrière de l'objectif est représenté en utilisant la coordonnée deO-xyz. Dans notre simulation, l'angle entre les lentilles gauche et droite, le décalage du centre d'assemblage de l'objectif, l'angle de carrossage vertical du port et la distance entre l'objectif et le centre de rotation de l'œil, sont pris en compte [2]. La coordonnée (xb,yb,zb) d'un point arbitraire pbsur l'objectif ophtalmique est défini dans le système de coordonnéesO-xyz. Lorsque le porteur observe l'objet à travers le point Pb, l'axe optique de l'œil passe également le point Pb. eetepourrait être déterminé par l'équation. (2).
Fig. 3.Le modèle de système optique de l'objectif de l'objectif oculaire dans les coordonnées cartésiennes.
Icieeteest respectivement les angles de déviation verticaux et horizontaux de l'axe des yeux.
2.3 L'emplacement de l'objet
2.3.1 La surface de référence visuelle
Une surface de référence visuelle doit être construite en fonction de l'habitude de vision du porteur. Le système de coordonnées de référenceO'-x'y'z' est statique par rapport au sol. Lorsque la tête du porteur ne tourne pas, leO-xyzLe système de coordonnées coïncide avecO'-x'y'z'. La surface de référence visuelle est perpendiculaire auy'O'z' plan et s'étend infiniment le long de l'axe x '. Tous les points d'objet P sont sur la surface de référence visuelle. Les points clés du regard sur la direction de la vision directe, y compris le point de distance lointain, le point moyen et le point de distance proche de la vue du porteur sont adoptés pour représenter l'habitude de vision. Selon le regard clé pointe la courbe où la surface de référence visuelle coupe ley'O'z' Le plan est équipé de courbes de Lezier cubiques par morceaux [26,27]. Le diagramme schématique de la surface de référence visuelle est illustré sur la figure 4. Cette méthode d'ajustement maintient la continuité du premier dérivé entre les différentes courbes par morceaux. L'équation des paramètres de la surface de référence visuelle est la même que la formule de la courbe que suivante.
Ici u e [0, 1] est les paramètres des courbes de Bezier, C est le coefficient du paramètre.
2.3.2 Le calcul de la coordination de l'objet
Le point d'intersection de la vue et de la surface avant sur l'objectif est pg, et pbest sur la surface arrière. Le vecteur de position de pgestrg= xg, yg, zget le vecteur cosinus de direction de la vueeg= egx, egym baser, egz, respectivement. Les angles de déviation verticaux et horizontaux sontgetg. Le décalage et la rotation duO-xyzLe système de coordonnées survient en raison de la tournure tournante. Le vecteur de position de pget direction Vector Cosine de la vue dansO-xyzsont changés enO'-x'y'z' par la transformation des coordonnées conformément à la position de la tête du centre rotatif [18,28]. Le vecteur de position de pgdans leO'-x'y'z' estr'g={ x'g, y'g, z'g }.
Fig. 4.Le diagramme schématique de la surface de référence visuelle.
2.4 L'évaluation de l'image
Une surface de référence visuelle pour un individu est simulée en fonction de la section 2.3.1. Pour obtenir la limite de la distance LrPour l'individu, le modèle à yeux nus est construit dans le logiciel de conception optique Zemax au début. Les paramètres du modèle oculaire sont présentés dans le tableau 1. La distance Lr (lr >0) De la surface postérieure de la lentille cristalline à la rétine est définie comme une variable et le rayon RMS du diagramme de tache est défini comme une fonction objective. Nous pouvons obtenir Lr_ min et lr_ Max en optimisant tandis que les distances d'objet sont définies comme sprèset sloin. Ensuite, un modèle de système optique de l'objectif d'objectif pour les yeux est défini dans le logiciel de conception optique Zemax en insérant l'objectif devant le
œil nu. Lorsque l'œil est impatient, l'axe optique de l'œil passe à travers le point d'assemblage OL0de l'objectif et de la distance de l'OL0au centre de rotation de l'œil se trouve Q. La position de OL0, la valeur de Q, et les angles d'inclinaison verticaux et horizontaux de l'objectif conviennent aux caractéristiques individuelles correspondant au cadre de spectacle.
Dans le modèle de système optique d'objectif pour l'objectif oculaire établi, les coordonnées du rayon visuel à travers un endroit à la lentille ophtalmique sont obtenues par traçage des rayons. Le vecteur de position du point d'objet P est obtenu au moyen de la méthode décrite dans la section 2.3.2. Compte tenu d'une distance d'objet, l'image optimale sur la rétine est recherchée par le logiciel de conception optique. Pendant le processus de recherche, la distance Lrest défini comme une variable avec la condition de contrainte Lr_ min lr lr_ Max et le rayon RMS du diagramme de spot sont définis comme une fonction objectif. La valeur moyenne du MTF peut être calculée simultanément. Une série de rayon RMS est obtenue par des rayons traçant tous les points correspondant à toute la lentille ophtalmique pendant le processus. Le rayon RMS du contour du diagramme de spot et le contour MTF moyen sont ainsi obtenus. Ces contours reflètent la qualité d'image sur la rétine d'un porteur de lentilles.
Le rayon RMS du diagramme de spot et du MTF sont utilisés pour évaluer la qualité d'image des yeux humains, qui est vérifié par les expériences pour les jeunes yeux et les yeux plus âgés [13,14]. Les MTF des jeunes yeux testés et des yeux plus âgés incarnent leur sentiment confortable [14].
3.Resultes et discussion
Trois cas sont simulés en appliquant la méthode proposée pour démontrer comment évaluer la pertinence de la lentille ophtalmique pour le porteur individuel.
3.1 Oeil myope portant l'objectif focal unique
Le diamètre de la lentille ophtalmique est fixé à 48 mm. Les rayons de la sphérique avant et arrièreLa surface de la lentille ophtalmique est respectivement de 292,5 mm et 146,25 mm. L'épaisseur centrale est de 1 mm. L'angle entre les lentilles gauche et droite est de 10 degrés, et l'angle de carrossage vertical du port est de 5 degrés. La hauteur de la pupille est de 3 mm. La distanceq de la surface arrière duL'objectif au centre de rotation de l'œil est de 25 mm. Le pouvoir focal est 2. 0 D. Le point lointainLa distance et la distance de point proche de l'œil sont {{0}}. 5 m et 0. 2 m, respectivement. L'amplitude de l'hébergement est de 3,0 D. et k sont 0. 20 basés sur des participants classifiés de type "mixte" dans la littérature, respectivement [25]. La distance horizontale (verticale) du centre rotatif des yeux à l'articulation atlanto-occipitale est d'environ 80 mm (40 mm) [23].
Les discussions suivantes sont basées sur le système de coordonnées O'-X'y'z. Lorsque le porteur lit ou écrit, le centre du papier est défini comme P1. Les centres du clavier et de l'écran de l'ordinateur sont définis comme P2 et P3, respectivement. Le point observé s'accrochant à son corps est défini comme p 0, qui a la même hauteur que le papier. L'emplacement de 5 m loin du porteur est défini comme P4.
Toutes les données personnalisées sont répertoriées dans le tableau 1. La surface de référence visuelle est simulée sur la base des emplacements des points clés du porteur. La courbe intersecte entre la surface de référence visuelle et lex'O'z' Le plan est illustré à la figure 5. Les coefficients d'ajustement de l'équation sont répertoriés dans le tableau 2.
Fig. 5.Le point de regard critique et la courbe de l'intersection de la surface de référence visuelle avec le plan X'o'z pour le porteur de lunettes ophtalmique. (a) Diagramme schématique de la vue passant par des points de clé visuelle, (b) la courbe intersecte entre la surface de référence visuelle et le plan de X'o'z.
Lelr _ minetlr _ maxLes valeurs sont de 17,007 mm et 18,354 mm en optimisant à travers le Zemax. Les coordonnées des rayons à travers l'objectif sont obtenues par traçage des rayons. Le rayon RMS des contours du diagramme de spot du système optique de l'objectif d'objectif oculaire et les contours moyens de MTF à 10 cycles \/ mm sont représentés sur la figure 6 et la figure 7.
Fig. 6.RMS RADIUS Contours de l'objectif de la sphère pour le porteur myope.
Sur la figure 6, la ligne continue montre le rayon RMS du diagramme de taches étant de 4 µm. Cela signifie que le rayon RMS sur la rétine ne dépasse pas 4 µm lorsque le rayon passe à travers un cercle avec un rayon d'environ 17 mm sur la lentille ophtalmique. Il est plus petit que la résolution visuelle. Figure 7montre les contours mtf à 1 0 lp \/ mm. Il est plus grand que 0. 95 (0. 925) sur un rayon de 1 {{1 0}} mm (17 mm). Le porteur avec un objectif sphérique 2. 0 D se sent à l'aise pour observer les objets de loin et de près. C'est parce que l'amplitude de l'hébergement de l'œil du porteur atteint 3,0 jours, le dioptre proche du point est 3 jours après avoir porté l'objectif avec 2,0 jours, et la distance effective proche du point est de 0,3 m. Comme le montre la figure 6 et la figure 7, le profil est presque circulaire bien que asymétrique dans lex ety instructions. L'asymétrie est plus évidente au bord de l'objectif. Il pourrait résulter du haut de l'objectif inclinant vers l'extérieur et de l'angle notable entre la lentille gauche et droite. De la figure 6 à la figure 7, la qualité de l'image se réduit lorsque le rayon passe à travers la partie périphérique de l'objectif, qui pourrait provenir de l'aberration plus grande en raison de l'imagerie de la lentille à un large angle de champ lorsque le porteur ne semble pas droit. Heureusement, le bord de l'objectif n'est pas nécessaire pour une utilisation lorsque l'on attend en avant dans le cas de la lecture et de l'écriture presque. Par conséquent, ce type de déclin de la qualité de l'image n'a aucune influence sur la lecture et l'écriture.
Fig. 7.MTF moyen à 10 cycles \/ mm Contours de la lentille de la sphère pour le porteur myope.
3.2 Oeil myopique avec la presbytie portant un objectif focal unique
Considérez un porteur myope avec la même puissance de réfraction qui est une presbytie avec une amplitude de 1,3 j d'hébergement. La distance du point lointain et la distance du point proche de l'œil sont 0. 5 m et 0. 3 m, respectivement. La distance minimalelr _ minet distance maximalelr _ maxse trouvent à 17,007 mm et 17,757 mm en optimisant en utilisant le zemax. Le rayon RMS des contours du diagramme de spot du système d'objectif d'objectif oculaire et les contours moyens de MTF à 10 cycles \/ mm sont obtenus en optimisant le rayon du diagramme de spot. Les contours de contrepartie sont représentés sur la figure 8 et la figure 9.
Fig. 8.RMS RADIUS Contours de la lentille de la sphère avec presbytie.
Les résultats montrent que dans les parties supérieures et moyennes de la lentille, le rayon RMS du diagramme de tache est inférieur à 4 µm et le MTF est plus grand que 0. 925 à 10 lp \/ mm. Sur ces zones, l'image sur la rétine est claire. Lorsque la vue passe à travers la partie de 9 mm sous le centre de l'objectif, le rayon RMS du diagramme de taches devient supérieur à 4 µm et MTF moyen est
Fig. 9.MTF moyen à 10 cycles \/ mm Contours de la lentille de la sphère avec presbytie.
plus petit que {{0}}. 9 0 à 1 0 lp \/ mm. Lorsque la vue passe à travers les 17 mm sous le centre de la lentille, le rayon du rayon RMS est de 16 µm et le MTF moyen à 10 lp \/ mm est réduit à 0,75. Cette lentille ophtalmique convient à l'observation d'objets à des distances lointaines et intermédiaires. Voyons si l'objectif ophtalmique convient au porteur myope avec la presbytie. Après avoir porté une seule lentille focale avec 2,0 jours, le dioptrie proche de 3,3 jours se transforme en 1,3 D et la distance effective proche du point est de 0,77 m. Il ne peut garantir que voir les objets à distance moyenne, mais pas les objets proches. Étant donné que la capacité d'ajustement du porteur du patient est limitée, l'objectif ophtalmique ne répond pas aux besoins de lecture et d'écriture de −2,98 D.
3.3 Oeil myope avec la presbytie portant des lentilles d'addition progressivesLa difficulté ci-dessus pourrait être résolue en utilisant un objectif d'addition progressif (PAL) avec une zone de distance de 2. 0 D et un pouvoir focal d'addition de 2. 0
Software Zemax. Les contours du diagramme de taches RMS et du MTF à 1 0 LP \/ mm sont donc obtenus comme indiqué sur la figure 12 et la figure 13. Le rayon RMS du diagramme de spot est d'environ 5 µm et le MTF est plus grand que 0,9 dans toute la distance, progressiste et près des zones. Cela indique que le
Le porteur pourrait avoir une vision claire de l'observation des objets distants ou de la lecture. C'est parce qu'après avoir porté une lentille d'addition progressive avec un pouvoir focal d'addition de 2. 0 D, le dioptère proche du point
Fig. 10.Contours de puissance du PAL.
Fig. 11.Astigmatisme Contours du PAL.
maintient toujours 3,3 D en raison de la puissance focale de 0 D à la zone de lecture de la lentille d'addition progressive, la distance effective proche du point est 0. 3 m. Comparé les contours de la figure 12 et de la figure 13 avec les contours de l'astigmatisme de la figure 11, il y a des similitudes et il y a aussi des différences. La surface de distance obtenue par notre méthode est plus petite sur la figure 12 et la figure 13 que celle calculée par la méthode de géométrie différentielle de la figure 11. Les zones d'astigmatisme sont déplacées sur la figure 13. La largeur de MTF avec 0. 95 à 1 0 LP \/ mm sur la figure 13 est plus large que le fait que l'on en ce qui concerne le astigmatisme avec 0,5. L'évaluation des lentilles ophtalmiques pourrait fournir des informations utiles pour aider à améliorer la qualité de conception du PAL.
Fig. 12.RMS RADIUS Contours du PAL avec l'œil presbyente.
Fig. 13.MTF moyen à 10 cycles \/ mm Contours du PAL avec l'œil presbytère.
Conclusion
Dans cet article, une méthode d'évaluation de la lentille ophtalmique basée sur le modèle de système optique d'objectif d'objectif à l'œil oculaire est proposée. Dans cette méthode, nous considérons de nombreux facteurs tels que la distance de l'objet observé et l'habitude d'observation du porteur de lentilles ophtalmiques. Nous définissons une surface de référence visuelle basée sur les points clés de l'observation pour résoudre la difficulté de déterminer la distance de l'objet. Nous définissons un modèle de système optique de l'objectif d'objectif pour les yeux et obtenons le rayon RMS du diagramme de spot et la valeur moyenne MTF via le logiciel de conception optique Zemax. Trois cas sont simulés pour trois types d'yeux, respectivement. Le rayon RMS du diagramme ponctuel et la valeur moyenne MTF peuvent être considérés comme le critère d'évaluation de la qualité de l'image sur la rétine. L'avantage clé de notre méthode réside dans la description quantitative, qui est objective et être capable de refléter le sentiment pratique d'un porteur. La méthode pourrait en outre donner un guide assez significatif pour concevoir le PAL avec une surface de forme libre.
Financement
Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (61875145, 11804243); Discipline clé de la province du Jiangsu du 13e plan quinquennal chinois (20168765); Projet de recherche fondamental majeur de la Natural Science Foundation des établissements d'enseignement supérieur du Jiangsu (17KJA140001); Six Talent Peaks Project dans la province du Jiangsu (DZXX -026).
Remerciements
Les auteurs sont également reconnaissants au professeur Lin Qian de l'Université de Soochow pour des conseils précieux.
Divulgation
Les auteurs déclarent qu'il n'y a pas de conflits d'intérêts liés à cet article.
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