专利名称：双眼自适应光学视知觉学习训练方法和学习训练仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双眼自适应光学视知觉学习训练方法和学习训练仪，具有双眼像 差矫正、视功能测量(包括但不限于对比度阈值测量和双眼立体视锐度测量)、视知觉学习 训练(包括但不限于双眼对比度敏感度协同训练和双眼立体视觉训练)多重功能，能够通 过自适应光学系统矫正双眼像差获得精细的视觉刺激，在此情形下，可以测量到在极限情 况下的人眼分辨能力，同时对双眼进行视知觉训练，从而有效提高视知觉学习训练效果和 双眼视功能。
背景技术：
人类视力的发育有一个逐步完善的过程。人出生时，眼球的发育已大体完成。但 是，无论是在解剖上，还是在生理功能上，都还没有完全发育完善，在出生后的相当长的时 间内还在继续发育。视力的正常发育要具备两个条件一为出生后的自然生长、发育过程， 另一为外界的视觉刺激。在视力发育关键期的年龄(0-7岁)，如果长时间把眼睛遮盖，由于 没有外界物像的正常视觉刺激，视力得不到应有的发育，而只停留在低视力的水平。眼球的功能是影响视力的重要因素。眼球的光学特性并非完美，其性能受瞳 孔的衍射、角膜和晶状体的像差、房水的散射等因素的影响(R. Williams，D.，& Hofer， H. .Formation and Acquisition ofthe Retinal Image. In :J.S. W. Leo M. Chalupa(Ed.) The VisualNeurosciences,the MIT Press,Cambridge,Massachusetts, London,England, 2003)。一般而言，房水的散射可以忽略不计。瞳孔较大时，像差较大，而衍射较小；瞳孔较 小时，像差较小，但衍射较大。人眼像差又可以分为低阶像差和高阶像差，其中低阶像差很 容易得到矫正，而高阶像差矫正起来则相对困难。最近，许多研究者(Geun-YoungYoon and David R. Williams, Visual Performance after correcting the monochromatic andchromatic aberrations of the eye, J. Opt. Soc. Am. A/Vol. 19，No. 2)把自适应光学技术(Adaptive Optics)应用到视觉 科学的研究中来，希望借此来探索高阶像差与正常人视力的关系以及空间视力的极限。但 是，矫正视觉系统的所有像差(低阶和高阶)后能否实现超常视力，仍未得出一致结论 (Marcos，S.，Sawides, L，Gambra, E.，&Dorronsoro, C.，Influence of adaptive-optics ocular aberrationcorrection on visual acuity at different luminances andcontrast polarities. 8 :1_12，2008)。视觉系统正常功能的发育需要视觉经验的参与(Chiu，C.，&Weliky，Μ.，The Role of Neural Activity in the Development ofOrientation Selectivity. In :J. S. W. Leo M. Chalupa(Ed.)TheVisual Neurosciences，The Mit Press，Cambridge，Massachusetts， London, England, 2003) 0精细视力的发育需要视觉神经系统的精细发育，而该发育则依赖 于眼球的光学系统在视网膜成像的清楚程度。在人眼高阶像差和衍射的共同作用下，不能 在视网膜上产生足够清晰的图像，由于该图像清晰程度的限制，视觉神经系统所能分辨的截止空间频率超不过眼球在视网膜上所能产生的图像的最高空间频率。视知觉学习反映成年神经系统经过学习后可大大提高对特定图像识别的能力，反 映了神经系统在成年后的可塑性。已有很多心理学实验发现成人经过学习，可以大大提 高完成多种视知觉任务的成功率与速度(Zhou YF, Huang CB, Xu PJ, Tao LM, Qiu ZP, Li XR andLu ZL,Perceptual Learning Improves Contrast Sensitivity andVisual Acuity in Adults with Anisometropic Amblyopia. VisionResearch,46(5) :739_750,2006)。但 是，现有的视知觉学习通常采用镜片矫正人眼低阶像差，在人眼高阶像差和衍射的共同作 用下，不能在视网膜上产生足够清楚的图像，由于受到图像清楚程度的限制，单纯的视知觉 学习对人眼视功能的改善幅度有限。由于视觉神经系统存在可塑性，本发明提出将自适应光学像差矫正技术与视知觉 学习训练相结合，通过自适应光学技术矫正双眼像差后，可以大大提高视网膜成像质量，在 这种精细的视觉刺激下，对双眼同时进行视知觉学习训练，提高视觉神经系统的分辨率，从 而有效提高视知觉学习训练效果和双眼视功能。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种双眼自适应光学视知觉学习训练方法和学习 训练仪，具有双眼像差矫正、视功能测量(包括但不限于对比度阈值测量和双眼立体视锐 度测量)、视知觉学习训练(包括但不限于双眼对比敏感度协同训练和双眼立体视觉训练) 多重功能，能够通过自适应光学系统，矫正双眼像差，获得精细的视觉刺激，在此情形下，可 以测量到在极限情况下的人眼分辨能力，同时对双眼进行视知觉学习训练，从而有效提高 视知觉学习训练效果和双眼视功能。根据本发明的第一方案，提出了一种双眼自适应光学视知觉学习训练方法，包括 双眼波像差测量步骤，利用近红外信标光源、波前矫正器和波前传感器，分别测量得到被试 者左眼和右眼的波像差；双眼波像差矫正步骤，分别根据测量得到被试者左眼和右眼的波 像差，驱动控制波前矫正器，以分别校正被试者左眼和右眼的波像差；以及双眼视知觉学习 训练步骤，不同空间频率、不同对比度的视标经视频处理电路处理后显示在视标显示装置 上，并通过被驱动控制的波前矫正器显示给被试者，进行双眼视功能测量和视知觉学习训 练。优选地，双眼视功能测量是单眼/双眼对比度阈值测量，采用心理物理学方法中 的调节法，根据被试者的回答情况来实时调节刺激的难易程度当被试者连续回答正确的 次数达到第一预定次数时，下一个显示的视标的对比度降低；而当被试者连续回答错误的 次数达到第二预定次数时，下一个显示的视标的对比度升高。通过所述调节法，使被试者 在整个测试过程中的正确率保持在固定的水平上，从而得到被试者的单眼/双眼对比度阈 值，对被试者的单眼/双眼对比度阈值取倒数，得到单眼/双眼对比度敏感度。更优选地，在所述双眼视知觉学习训练步骤中，针对不同空间频率的光栅，分别测 试被试者的左眼对比度阈值和右眼对比度阈值；根据被试者在不同空间频率下左眼对比度 阈值和右眼对比度阈值的变化，选择预定对比度阈值所对应的空间频率；以及利用所选择 的空间频率的光栅，进行视知觉学习训练过程。或者，在所述双眼视知觉学习训练步骤中，选择前一次学习训练后测量得到的空间频率；以及利用所选择的空间频率的光栅，进行视知觉学习训练过程。优选地，双眼视功能测量是双眼立体视锐度测量，采用心理物理学方法中的固定 刺激法，通过测量不同双眼视差大小下被试者的正确率，来得到被试者的心理物理曲线。更优选地，在所述双眼视知觉学习训练步骤中，根据测量得到的心理物理曲线，选 择双眼视差；以及利用所选择的双眼时差，进行预定周期的双眼视知觉学习训练过程。根据本发明的第二方案，提出了一种双眼自适应光学视知觉学习训练仪，包括左 眼和右眼波像差测量子系统，分别包括近红外信标光源、波前矫正器和波前传感器，用于分 别测量得到被试者左眼和右眼的波像差；左眼和右眼波像差矫正子系统，分别包括控制装 置和所述波前矫正器，用于分别根据测量得到被试者左眼和右眼的波像差，驱动控制所述 波前矫正器，以分别校正被试者左眼和右眼的波像差；以及双眼视知觉学习训练子系统，包 括视频处理电路、视标显示装置和所述波前矫正器，用于经所述视频处理电路处理不同空 间频率、不同对比度的视标，显示在所述视标显示装置上，并通过被驱动控制的所述波前矫 正器显示给被试者，进行双眼视功能测量和视知觉学习训练。优选地，所述波前矫正器是从变形反射镜、液晶波前矫正器、微加工薄膜变形镜、 微机电变形镜、双压电陶瓷变形镜、液体变形镜中选择的。优选地，所述波前传感器是从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器、基于微棱镜 阵列的哈特曼波前传感器、曲率波前传感器、角锥波前传感器中选择的。优选地，所述视标显示装置是从CRT显示器、商用投影仪、液晶显示器、等离子体 显示器、场致发光显示器、有机发光显示器中选择的。优选地，所述视频处理电路对普通视频输出中的R通道和B通道进行合并，并且实 现14位及以上的灰阶。优选地，所述左眼和右眼波像差矫正子系统共用同一控制装置。本发明与现有技术相比，首次将自适应光学技术应用于双眼视知觉学习训练，该 系统具有双眼像差矫正、视功能测量(包括但不限于对比度阈值测量和双眼立体视锐度测 量)及视知觉学习训练(包括但不限于双眼对比度敏感度协同训练和双眼立体视觉训练) 多重功能。相对于现有的视知觉学习训练，该系统通过自适应光学系统矫正双眼像差获得 精细的视觉刺激，在此情形下可以测量到在极限情况下的人眼分辨能力，同时对双眼进行 视知觉训练，有效提高视知觉学习训练效果和双眼视功能。
结合下面
本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和 优点更加清楚，其中图1为本发明的组成结构原理框图；图2为本发明的视知觉学习系统中的双眼对比度敏感度协同训练示意图。在附图中，为了区分左眼和右眼，分别以后缀“L”和“R”表示用于左眼和右眼的各 个组件。
具体实施例方式为了清楚详细的阐述本发明的实现过程，下面给出了一些本发明的具体实施例。下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说 是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。图1为本发明的组成结构原理框图；如图1所示，根据本发明的双眼自适应光学视知觉学习训练仪由两套近红外信标 光源IL和1R、两套准直镜2L和2R、两套第一反射镜3L、3R、两套第一分光镜4L、4R、两套第 二反射镜5L和5R、两套光束匹配望远镜7L和7R、两套波前矫正器8L和8R、两套第三反射 镜9L和9R、两套光束匹配望远镜IOL和10R、两套第二分光镜IlL和11R、两套波前传感器 12L和12R、计算机13L和13R、两套高压放大器14L和14R、两套第四反射镜15L和15R、直 角棱镜16、成像光学系统17、视标显示装置18、视频处理电路19和计算机20组成。被试者 的左眼和右眼分别以附图标记6L和6R表示。此外，图1中虽然以计算机13L、13R和20表 示不同用途的计算机，但是，本领域普通技术人员应当清楚的是，计算机13L、13R和20可以 是同一台计算机，也可以是物理上分离的多台计算机。根据本发明的双眼自适应光学视知觉学习训练方法可以包括三个阶段双眼波像 差测量阶段、双眼波像差矫正阶段、和视知觉学习训练阶段。在双眼波像差测量阶段中，近红外信标光源IL和IR发出的光，分别由准直镜2L 和2R准直，经第一反射镜3L和3R、第一分光镜4L和4R和第二反射镜5L和5R反射进人眼 6L和6R瞳孔；人眼6L和6R眼底反射的光，分别经第二反射镜5L和5R、第一分光镜4L和 4R，透过光束匹配望远镜7L和7R，再经波前矫正器8L和8R、第三反射镜9L和9R反射，通 过光束匹配望远镜IOL和10R，至第二分光镜IlL和IlR反射进波前传感器12L和12R，波 前传感器12L和12R分别将测得的误差信号送至计算机13L和13R处理成左眼波像差和右 眼波像差。之后，在双眼波像差矫正阶段中，计算机13L和13R分别根据测得的左眼波像差和 右眼波像差，经计算机控制软件处理，得到波前矫正器8L和8R的控制电压，分别经高压放 大器14L和14R对所述控制电压进行放大后，驱动波前矫正器8L和8R产生相应变化，以分 别矫正左眼波像差和右眼波像差。在完成双眼波像差矫正阶段后，进入视知觉学习训练阶段。安装在计算机20上的 视功能测量与视觉训练软件产生不同空间频率、不同对比度的视标，经过视频处理电路19 处理，显示在视标显示装置18上，被试者通过第二反射镜5L和5R、第一分光镜4L和4R，透 过光束匹配望远镜7L和7R、波前矫正器8L和8R、第三反射镜9L和9R、光束匹配望远镜IOL 和10R，透过第二分光镜IlL和11R，经第四反射镜15L和15R、直角棱镜16和成像镜头17 观察显示在视标显示装置18上的视标，进行双眼视知觉学习训练和人眼视功能测量(包括 但不限于对比度阈值测量和双眼立体视锐度测量)。波前矫正器8L和8R可以从变形反射镜(Deformable ref lectivemirror)、液晶 波前矫正器(Liquid crystal wavefront corrector)、微力口工薄膜变形镜(Micromachined membrane deformable mirror)、微机电变形镜(Microelectromechanical(MEMS) deformablemirror)、双压电陶瓷变形镜(Bimorph deformable mirror)、液体变形镜 (Liquid deformable mirror)中选择。波前传感器12L和12R可以从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器(Hartmarm wavefront sensor)、基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器(参见中国发明专利ZL03126431. X)、曲率波前传感器(Curvature wavefront sensor)、角锥波前传感器 (Pyramidwavefront sensor)中选择。视标显示装置18可以从CRT显示器、商用投影仪、彩色液晶显示器、等离子体显示 器、场致发光显示器、有机发光显示器中选择。视频处理电路19可以合并普通视频输出中的R通道和B通道，能实现14位(16384 阶)及以上的灰阶，以满足测量人眼视功能测量和视知觉学习训练的需要。例如，视频处理 电路19可以采用中国实用新型专利ZL02220968. 9中所公开的具体电路。图2为本发明的视知觉学习系统中的双眼对比度敏感度协同训练示意图。如图2所示，在每一次训练过程中，屏幕上会顺次出现两次十字线，十字线出现的 同时伴随声音提示。紧接着每个十字线出现的有可能是空白图形(灰屏)，有可能是待检测 的目标(一个边缘经模糊处理的正弦光栅)。当光栅出现在第一个十字线之后，要求被试者 按下方向键的左键报告。当光栅出现在第二个十字线之后，要求按方向键的右键报告。按 键之后会激活下一个训练任务。重复上述过程，直至所有训练任务结束，即完成一天的视知 觉学习训练任务。例如，在本发明中，双眼视功能测量可以是双眼对比度阈值测量，可以采用心理物 理学方法中的调节法，根据被试者的回答情况来实时调节刺激的难易程度当被试者连续 回答正确时，下一个显示的视标的对比度降低，相当于增加一定难度；当被试者回答错误 时，下一个显示的视标的对比度升高，相当于降低一定难度。这样的调节机制使得被试者在 整个测试中的正确率保持在一个固定的水平上。随着测试的继续，最后对比度会收敛到被 试者的对比度阈值，取倒数之后就可以得到对比度敏感度。在双眼对比度敏感度协同训练中，在训练前、后分别测试被试者单眼和双眼的对 比度敏感度曲线，共测试8种空间频率(0. 6、1、2、4、8、16、24、36周期/度)，不同空间频率 的光栅随机出现。测试结束后8种空间频率都将收敛到被试者的人眼对比度阈值。根据 被试者在不同空间频率下人眼对比度阈值变化的情况，选择一个合适的空间频率进行训练 (即非优势眼的截止频率；例如，可以根据测得的非优势眼的对比度敏感度曲线，推算出某 一被试者的非优势眼的对比度阈值为0. 4时所对应的空间频率)。训练过程中，光栅的频率 始终固定不变，左、右眼的刺激图形完全相同。再例如，在本发明中，双眼视功能测量可以是双眼立体视锐度测试，也可以采用心 理物理学方法中的固定刺激法，通过测量不同双眼视差大小下被试者的正确率来得到其心 理物理曲线。在双眼立体视觉训练中，在训练前、后采用固定刺激法测试不同双眼视差下被试 者的正确率，从而得到其立体视觉心理物理曲线。根据训练前测量的心理物理曲线选定合 适大小的视差，并在此视差下训练10天左右。视知觉学习可以采用传统的“测试一训练一再测试”方法，在选定的空间频率(或 视差)下被试者每天在同一时间完成一定数量的训练任务。双眼对比度敏感度协同训练可以采用和对比度阈值测量类似的调节法进行训练， 且训练中，头一天被试者的训练后最终的对比度阈值作为下一天的初始值。双眼立体视觉训练可以采用和双眼立体视锐度测量类似的固定刺激法进行训练。 训练过程中，刺激的视差固定不变。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不 脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明 的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
权利要求
一种双眼自适应光学视知觉学习训练方法，包括双眼波像差测量步骤，利用近红外信标光源、波前矫正器和波前传感器，分别测量得到被试者左眼和右眼的波像差；双眼波像差矫正步骤，分别根据测量得到被试者左眼和右眼的波像差，驱动控制波前矫正器，以分别校正被试者左眼和右眼的波像差；以及双眼视知觉学习训练步骤，不同空间频率、不同对比度的视标经视频处理电路处理后显示在视标显示装置上，并通过被驱动控制的波前矫正器显示给被试者，进行双眼视功能测量和视知觉学习训练。
2.根据权利要求1所述的双眼自适应光学视知觉学习训练方法，其特征在于双眼视功能测量是单眼/双眼对比度阈值测量，采用心理物理学方法中的调节法，根 据被试者的回答情况来实时调节刺激的难易程度当被试者连续回答正确的次数达到第一 预定次数时，下一个显示的视标的对比度降低；而当被试者连续回答错误的次数达到第二 预定次数时，下一个显示的视标的对比度升高。
3.根据权利要求2所述的双眼自适应光学视知觉学习训练方法，其特征在于通过所述调节法，使被试者在整个测试过程中的正确率保持在固定的水平上，从而得 到被试者的单眼/双眼对比度阈值，对被试者的单眼/双眼对比度阈值取倒数，得到单眼/ 双眼对比度敏感度。
4.根据权利要求3所述的双眼自适应光学视知觉学习训练方法，其特征在于 在所述双眼视知觉学习训练步骤中，针对不同空间频率的光栅，分别测试被试者的左眼对比度阈值和右眼对比度阈值； 根据被试者在不同空间频率下左眼对比度阈值和右眼 对比度阈值的变化，选择预定对比度阈值所对应的空间频率； 利用所选择的空间频率的光栅，进行视知觉学习训练过程。
5.根据权利要求3所述的双眼自适应光学视知觉学习训练方法，其特征在于 在所述双眼视知觉学习训练步骤中，选择前一次学习训练后测量得到的空间频率；以及 利用所选择的空间频率的光栅，进行视知觉学习训练过程。
6.根据权利要求1所述的双眼自适应光学视知觉学习训练方法，其特征在于双眼视功能测量是双眼立体视锐度测量，采用心理物理学方法中的固定刺激法，通过 测量不同双眼视差大小下被试者的正确率，来得到被试者的心理物理曲线。
7.根据权利要求6所述的双眼自适应光学视知觉学习训练方法，其特征在于 在所述双眼视知觉学习训练步骤中，根据测量得到的心理物理曲线，选择双眼视差；以及利用所选择的双眼时差，进行预定周期的双眼视知觉学习训练过程。
8.一种双眼自适应光学视知觉学习训练仪，包括左眼和右眼波像差测量子系统，分别包括近红外信标光源、波前矫正器和波前传感器， 用于分别测量得到被试者左眼和右眼的波像差；左眼和右眼波像差矫正子系统，分别包括控制装置和所述波前矫正器，用于分别根据 测量得到被试者左眼和右眼的波像差，驱动控制所述波前矫正器，以分别校正被试者左眼和右眼的波像差；以及双眼视知觉学习训练子系统，包括视频处理电路、视标显示装置和所述波前矫正器，用 于经所述视频处理电路处理不同空间频率、不同对比度的视标，显示在所述视标显示装置 上，并通过被驱动控制的所述波前矫正器显示给被试者，进行双眼视功能测量和视知觉学 习训练。
9.根据权利要求8所述的双眼自适应光学视知觉学习训练仪，其特征在于所述波前矫正器是从变形反射镜、液晶波前矫正器、微加工薄膜变形镜、微机电变形 镜、双压电陶瓷变形镜、液体变形镜中选择的。
10.根据权利要求8所述的双眼自适应光学视知觉学习训练仪，其特征在于所述波前传感器是从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器、基于微棱镜阵列的哈特曼 波前传感器、曲率波前传感器、角锥波前传感器中选择的。
11.根据权利要求8所述的双眼自适应光学视知觉学习训练仪，其特征在于所述视标显示装置是从CRT显示器、商用投影仪、液晶显示器、等离子体显示器、场致 发光显示器、有机发光显示器中选择的。
12.根据权利要求8所述的双眼自适应光学视知觉学习训练仪，其特征在于 所述视频处理电路对普通视频输出中的R通道和B通道进行合并，并且实现14位及以上的灰阶。
13.根据权利要求8所述的双眼自适应光学视知觉学习训练仪，其特征在于 所述左眼和右眼波像差矫正子系统共用同一控制装置。
全文摘要
本发明提出了一种双眼自适应光学视知觉学习训练仪，包括左眼和右眼波像差测量子系统，用于分别测量得到被试者左眼和右眼的波像差；左眼和右眼波像差矫正子系统，用于分别根据测量得到被试者左眼和右眼的波像差，驱动控制波前矫正器，以分别校正被试者左眼和右眼的波像差；以及双眼视知觉学习训练子系统，用于处理和显示不同空间频率、不同对比度的视标，并通过被驱动控制的波前矫正器显示给被试者，进行双眼视功能测量和视知觉学习训练。本发明在矫正双眼像差以获得精细的视觉刺激的情形下，可以测量到双眼极限分辨能力，同时对双眼进行视知觉学习训练，有效提高视知觉学习训练效果和双眼视功能。
文档编号A61H5/00GK101947158SQ20091026247
公开日2011年1月19日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者周逸峰, 张雨东, 戴云, 赵豪欣, 饶学军 申请人:中国科学院光电技术研究所;中国科学技术大学