專利名稱：人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀。
背景技術：
知覺學習較早的定義是由GibSOn(195;3)給出的，即知覺學習表現(xiàn)為從外界環(huán)境中提取信息能力的提高，這種學習是受試者練習與生理成熟相互作用的結果。從1858年 Volkman首次發(fā)現(xiàn)至今，知覺學習的內(nèi)在機制與相關應用都得到的長足的發(fā)展。雖然對其實質(zhì)還遠未到達統(tǒng)一的認識，但目前研究承認的事實是知覺學習一方面提高個體獲取外界信息的能力，另一方面使得較長時間上行為決策機制改變和提高。其生理基礎是大腦基本感覺區(qū)域的功能可塑性。視知覺學習在最近20年來成為認知神經(jīng)科學的一個前沿和熱點問題。直到20年前人們還普遍認為早期的視皮層，特別是初級皮層只有在嬰幼兒時期才具有可塑性，成年之后就不在可塑了(Marr，D. Vision，San Francisco :Freeman，1982)。但近年來已有諸多的心理物理學實驗表明，即便是成人在很多視知覺學習任務中也可以表現(xiàn)出提高(^saki et. al, Advances in visual perceptual learning and plasticity，2010)。
另ll的， 年弱視患者經(jīng)過學習之后，可以大大提高其對比敏感度及視力(Zhou YF,Huang CB,Xu PJ, Tao LM,Qiu ZP,Li XR and Lu ZL,Perceptual Learning Improves Contrast Sensitivity and Visual Acuity in Adults with Anisometropic Amblyopia. Vision Research,46 (5) 739-750,2006)，說明成年弱視患者視神經(jīng)系統(tǒng)仍具有潛在的可塑性。這對于成人弱視治療以至正常人視力的提高方面都具有積極的意義。人類視力最初發(fā)展中是由經(jīng)驗性學習主導的。新生嬰兒的視覺追隨大物體，較大的嬰兒才能注意到小物體或物體的細節(jié)特征，出生后的二十個月內(nèi)視力平均每月增加一個頻率(c/deg，周期每度)。因此，對視神經(jīng)系統(tǒng)精細有效的刺激在視力的發(fā)育過程中起到了至關重要的作用。人眼視覺系統(tǒng)所接受的外部圖像信息都是通過眼球的光學系統(tǒng)由視網(wǎng)膜所接收的，所以眼球光學系統(tǒng)的性能成了影響視功能的重要因素。文獻(D.R.Williams&H. Hofer (2003). Formation and Acquisition of the Retinal Image. In J. S. W. Leo M.Chalupa(Ed.) The Visual Neurosciences. The MIT Press，Cambridge，Massachusetts， London, England.)表明眼球光學系統(tǒng)受瞳孔的衍射、角膜和晶狀體的像差、房水的散射等多種因素的影響。除瞳孔大小外，像差成為決定視網(wǎng)膜像質(zhì)的直接因素。由于人眼像差是固然存在的，這必然造成了視網(wǎng)膜像質(zhì)的降低，進而成為視力在發(fā)育過程中無法達到極限的可能因素。此外，像差也是某些類型弱視(屈光性弱視，屈光參差性弱視)的成因。人眼像差一般可分為低階部分和高階部分，現(xiàn)有的視知覺學習通常只采用傳統(tǒng)的鏡片矯正人眼低階像差，但在人眼高階像差和衍射的共同作用下，不能在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生足夠清晰的圖像。由于受到圖像清晰程度的限制，單純的視知覺學習對人眼視功能的改善幅度有限。在中國專利申請?zhí)?0091(^6^70. 4和20091(^6^71. 9中公開了一種人眼自適應光學視知覺學習訓練方法和訓練儀(分別為單眼和雙眼)。基于自適應光學技術，該訓練儀能夠測量并矯正人眼光學系統(tǒng)的波前像差，使得人眼光學系統(tǒng)接近衍射極限。在此基礎之上，應用該訓練方法進行視知覺學習訓練可以達到提高視知覺學習訓練效果和人眼視功能的目的。然而，該訓練儀存在下述缺陷(1)雖然利用自適應光學技術能夠矯正人眼波前像差，但仍然無法克服衍射作用的影響。在高空間頻率下，這種影響變得尤為明顯。(2)該發(fā)明中的視標顯示裝置一般利用CRT顯示器、商用投影儀、有機發(fā)光顯示器等，由于這些設備本身分辨能力的限制，很難產(chǎn)生高空間頻率的視刺激。(3)該發(fā)明中像差的矯正效果依賴于像差的測量及相應的控制方法，由于人眼波前像差的動態(tài)性等因素導致這種測量以及控制方式十分復雜。(4)該發(fā)明中訓練儀的核心器件波前矯正器是一種精密的光學器件，加工工藝復雜，成本高。這些因素都限制了自適應光學視知覺訓練儀的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，利用激光干涉法在人眼底產(chǎn)生不同頻率及對比度的正弦條紋，能夠同時避開人眼光學像差和衍射作用所造成的影響，將更為精細的刺激投射于眼底，而且結構簡單， 易于實現(xiàn)。本發(fā)明技術解決方案一種人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，包括光源(A)、 光學系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，光源(A)采用He-Ne激光光源(1)，光學系統(tǒng)包括第一分束鏡O)、 第二分束鏡(3)、第一空間濾波透鏡組(5)、第一反射鏡(6)、第一透鏡(7)、第二空間濾波透鏡組(9)、第二反射鏡(10)、第二透鏡(11)、第三反射鏡(13)、第三透鏡(14)、第四反射鏡(15)、第四透鏡(16)、第三分束鏡(17)、第一光闌(18)、第四分束鏡(19)、毛玻璃(21)、 擴束透鏡組(22)、第五反射鏡(23)、第二光闌04)和第五透鏡0 ；控制系統(tǒng)包括計算機 (C)、干涉條紋空間頻率調(diào)節(jié)裝置(B)和干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置(E)，干涉條紋空間頻率調(diào)節(jié)裝置(B)包括步進電機(XT)和與人眼06)瞳孔處共軛的棱鏡(12)，干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置(E)由第一光開關G)、第二光開關(8)和第三光開關OO)組成；由He-Ne激光光源(1)發(fā)出的光經(jīng)第一分束鏡( 分為兩路，第一路光分別經(jīng)過第三光開關(20)、毛玻璃、擴束透鏡組0 、第五反射鏡、第二光闌04)和第四分束鏡(19)作為非相干背景光(H)入射由第五透鏡0 成像于人眼06)瞳孔處；第二路光經(jīng)第二分束鏡(3)分為對稱的兩路，對稱的第一路光分別經(jīng)過第一光開關G)、第一空間濾波透鏡組(5)、第一反射鏡(6)、第一透鏡(7)成像于棱鏡(1 的一個入射表面，然后該對稱的第一路光再經(jīng)過第三反射鏡(13)、第三透鏡(14)至第三分束鏡(17)；對稱的第二路光分別經(jīng)過第二光開關(8)、第二空間濾波透鏡組(9)、第二反射鏡(10)、第二透鏡(11)成像于棱鏡(12)的另一個入射表面，然后該對稱的第二路光再經(jīng)過第四反射鏡(15)、第四透鏡(16)至第三分束鏡(17)；對稱的兩路光在第三分束鏡(17)處匯合后，經(jīng)第一光闌(18)、第四分束鏡(19)作為兩束相干光(F)和(G)由第五透鏡05)會聚于人眼06)瞳孔處，兩個相干光點光源在人眼06)瞳孔處發(fā)生干涉，在人眼底產(chǎn)生一定空間頻率和對比度的干涉條紋；所述計算機 (C)發(fā)出指令控制步進電機(XT)帶動棱鏡(12)旋轉，并通過棱鏡(12)的轉動來調(diào)節(jié)瞳孔處的兩個相干點光源間距距離，從而改變干涉條紋的空間頻率；所述計算機(C)通過控制的第一光開關(4)、第二光開關(8)和第三光開關OO)來實現(xiàn)干涉條紋對比度的調(diào)節(jié)，其中控制第三光開關00)產(chǎn)生矩形脈沖，并通過控制矩形脈沖的調(diào)制率來實現(xiàn)非相干背景光亮度調(diào)節(jié)；控制第一光開關(4)和第二光開關(8)分別產(chǎn)生具有一定調(diào)制率的同步矩形光脈沖，并通過改變每個周期中開通重疊的時間實現(xiàn)對相干條紋對比度調(diào)節(jié)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明利用激光干涉技術原理，能夠直接避免人眼光學系統(tǒng)像差及衍射作用的影響，無需復雜的像差測量及矯正器件，結構簡單，易于實現(xiàn)。此外，本發(fā)明能夠產(chǎn)生高空間頻率的干涉條紋而并不受硬件本身的限制。因此能夠?qū)⒏鼮榫毜囊曈X刺激投射于人眼，使得受試者能夠更為有效地進行視知覺學習，以提高視功能。(2)本發(fā)明中的干涉條紋的對比度能夠利用計算機進行自動控制，并滿足視知覺學習訓練方法中對比度調(diào)節(jié)的精度要求。(3)本發(fā)明相干光源由激光直接分束產(chǎn)生，非相干光由相干光通過毛玻璃產(chǎn)生，保證了干涉條紋與非相干背景光顏色的一致性。(4)干涉條紋頻率調(diào)節(jié)裝置對于點光源間距的調(diào)節(jié)是對稱性調(diào)節(jié)，能夠滿足 Stiles-Crawford最大化條件，保證兩相干光束光強的一致性。


圖1為本發(fā)明的組成結構示意圖；圖2為本發(fā)明的光學系統(tǒng)結構示意圖；圖3為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結構示意圖；圖4為本發(fā)明的干涉條紋頻率調(diào)節(jié)裝置示意圖；圖5為本發(fā)明的干涉條紋對比度基本原理的示意圖；圖6為本發(fā)明的相干條紋對比度調(diào)節(jié)原理的示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的原理圖，包括光源A，光學系統(tǒng)D，干涉條紋頻率調(diào)節(jié)裝置B， 干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置E，交互設備K以及計算機C。光源A發(fā)出的相干光經(jīng)光學系統(tǒng)D 后得到兩束相干光F和G，以及一束非相干背景光H。相干光F和相干光G會聚于瞳孔處， 焦點中心距為d，兩束點光源發(fā)生干涉并在眼底I產(chǎn)生干涉條紋J。干涉條紋頻率調(diào)節(jié)裝置 B能夠調(diào)節(jié)相干光F和相干光G在瞳孔處會聚的間距d，從而調(diào)節(jié)干涉條紋J的頻率。干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置E用于調(diào)節(jié)干涉條紋J的整體對比度。交互設備K能夠?qū)⑹茉囌叩臏y試結果輸入計算機C并為受試者提供相應的聲音反饋。計算機C，并且能夠?qū)Πü庠碅、 干涉頻率調(diào)節(jié)裝置B，干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置E及交互設備K進行自動控制。計算機C發(fā)出指令給干涉條紋頻率調(diào)節(jié)裝置B和干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置E，輸出具有一定頻率及對比度的干涉條紋J投射于受試者眼底I。受試者根據(jù)視知覺訓練方法相關規(guī)則進行判斷，其結果通過交互設備K發(fā)送至計算機C，并由計算機C發(fā)出相應反饋信號。計算機C根據(jù)知覺訓練方法相關規(guī)則重新設定條紋頻率調(diào)節(jié)裝置B及條紋對比度調(diào)節(jié)裝置E，輸出具有新的頻率及對比度的干涉條紋J投射于受試者眼底I。循環(huán)上述過程直至達到視知覺學習訓練方法終止條件。該訓練儀的基本特征在于利用激光干涉技術原理，能夠直接避免人眼光學系統(tǒng)像差及衍射作用的影響，無需復雜的像差測量及矯正器件。此外，所述訓練儀能夠產(chǎn)生高空間頻率的干涉條紋而并不受硬件本身的限制。因此，該訓練儀能夠?qū)⒏鼮榫毜囊曈X刺激投射于人眼，使得受試者能夠更為有效地進行視知覺學習，以提高視功能。如圖1、2、3所示，本發(fā)明的一種人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀由He-Ne激光光源1發(fā)出的光經(jīng)第一分束鏡2分為兩路，第一路光分別經(jīng)過第三光開關20、毛玻璃21、 擴束透鏡組22、第五反射鏡23、第二光闌M和第四分束鏡19作為非相干背景光H入射由第五透鏡25成像于人眼沈瞳孔處；第二路光經(jīng)第二分束鏡3分為對稱的兩路，對稱的第一路光分別經(jīng)過第一光開關4、第一空間濾波透鏡組5、第一反射鏡6、第一透鏡7成像于棱鏡12 的一個入射表面，然后該對稱的第一路光再經(jīng)過第三反射鏡13、第三透鏡14至第三分束鏡 17 ；對稱的第二路光分別經(jīng)過第二光開關8、第二空間濾波透鏡組9、第二反射鏡10、第二透鏡11成像于棱鏡12的另一個入射表面，然后該對稱的第二路光再經(jīng)過第四反射鏡15、第四透鏡16至第三分束鏡17 ；對稱的兩路光在第三分束鏡17處匯合后，經(jīng)第一光闌18、第四分束鏡19作為兩束相干光F和G由第五透鏡25會聚于人眼沈瞳孔處，兩個相干光點光源在人眼沈瞳孔處發(fā)生干涉，在人眼底產(chǎn)生一定空間頻率和對比度的干涉條紋；計算機C發(fā)出指令控制步進電機27帶動棱鏡12旋轉，并通過棱鏡12的轉動來調(diào)節(jié)瞳孔處的兩個相干點光源間距距離，從而改變干涉條紋的空間頻率；計算機C通過控制的第一光開關4、第二光開關8和第三光開關20來實現(xiàn)干涉條紋對比度的調(diào)節(jié)，其中控制第三光開關20產(chǎn)生矩形脈沖，并通過控制矩形脈沖的調(diào)制率來實現(xiàn)非相干背景光亮度調(diào)節(jié)；控制第一光開關4和第二光開關8分別產(chǎn)生具有一定調(diào)制率的同步矩形光脈沖，并通過改變每個周期中開通重疊的時間實現(xiàn)對相干條紋對比度調(diào)節(jié)。如圖3所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)為計算機C的控制主要有步驟一和步驟二兩個部分，步驟一主要涉及干涉條紋空間頻率的調(diào)節(jié)。當受到視知覺學習訓練方法的要求而需重新設定(或初始狀態(tài)時直接設定)眼底干涉條紋頻率時，計算機C發(fā)出指令控制步進電機27帶動棱鏡12旋轉，并通過棱鏡12的轉動來調(diào)節(jié)瞳孔處的點光源間距d，從而改變干涉條紋的空間頻率。圖4為說明圖1所示的訓練儀的條紋頻率調(diào)節(jié)裝置的示意圖。其中4(a)為棱鏡 12的整體圖，坐標軸為xyz，圓心為O。其中圓心ο位于棱鏡12的幾何中心。4(b)俯視圖， ζ軸方向。4(c)為正視圖，χ軸方向。如圖4所示，在兩光束AB和EF在同一水平面內(nèi)反向并呈一定夾角地入射棱鏡12的左右兩個面。假設棱鏡12厚度為a，延χ軸逆時針方向旋轉角度α，玻璃的折射率為η。由幾何關系可知I1= α，其中I1為光束AB (或光束EF)與棱鏡的入射角，聯(lián)立方程(1)可以解出光束AB和光束EF在ζ軸方向的平移距離池(由于兩光束為對稱性調(diào)節(jié)，光束AB或光束EF在ζ軸方向平移距離為h，因此整體平移距離為2h)。 由此可知光束沿ζ軸方向平移的距離由其對棱鏡的入射角I1、棱鏡12的寬度a和折射率η 決定。優(yōu)選地，棱鏡為長方體，厚度a為25毫米，材料為冕玻璃(K9，η= 1.51)，沿χ軸逆時針每旋轉1度，瞳孔26處點光源間距d改變量約為0. 3M毫米，其中M為透鏡組即第三透鏡14和第五透鏡25 (或第四透鏡14和第五透鏡2 的橫向放大倍率。優(yōu)選地，第一透鏡7 和第二透鏡11分別將兩束光成像于棱鏡12的中心處，且該處與人眼沈瞳孔處共軛，保證此處的調(diào)節(jié)與人眼瞳孔處的一致性。更為優(yōu)選地，將棱鏡12兩個入射表面鍍上增透膜以減少由于雜散光形成的干涉t
權利要求
1.一種人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，其特征在于包括光源(A)、光學系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；光源(A)采用He-Ne激光光源(1)；光學系統(tǒng)包括第一分束鏡O)、第二分束鏡 (3)、第一空間濾波透鏡組(5)、第一反射鏡(6)、第一透鏡(7)、第二空間濾波透鏡組(9)、 第二反射鏡(10)、第二透鏡(11)、第三反射鏡(13)、第三透鏡(14)、第四反射鏡(15)、第四透鏡(16)、第三分束鏡(17)、第一光闌(18)、第四分束鏡(19)、毛玻璃(21)、擴束透鏡組 (22)、第五反射鏡(23)、第二光闌04)和第五透鏡0 ；控制系統(tǒng)包括計算機(C)、干涉條紋空間頻率調(diào)節(jié)裝置(B)和干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置(E)，干涉條紋空間頻率調(diào)節(jié)裝置(B) 包括步進電機(XT)和與人眼06)瞳孔處共軛的棱鏡(12)，干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置(E) 由第一光開關G)、第二光開關(8)和第三光開關OO)組成；由He-Ne激光光源(1)發(fā)出的光經(jīng)第一分束鏡( 分為兩路，第一路光分別經(jīng)過第三光開關(20)、毛玻璃(21)、擴束透鏡組(22)、第五反射鏡(23)、第二光闌04)和第四分束鏡(19)作為非相干背景光(H)入射并由第五透鏡05)成像于人眼06)瞳孔處；第二路光經(jīng)第二分束鏡(3)分為對稱的兩路，對稱的第一路光分別經(jīng)過第一光開關G)、第一空間濾波透鏡組(5)、第一反射鏡(6)、 第一透鏡(7)成像于棱鏡(1 的一個入射表面，然后該對稱的第一路光再經(jīng)過第三反射鏡 (13)、第三透鏡(14)至第三分束鏡(17)；對稱的第二路光分別經(jīng)過第二光開關(8)、第二空間濾波透鏡組(9)、第二反射鏡(10)、第二透鏡(11)成像于棱鏡(1 的另一個入射表面， 然后該對稱的第二路光再經(jīng)過第四反射鏡(15)、第四透鏡(16)至第三分束鏡(17)；對稱的兩路光在第三分束鏡(17)處匯合后，經(jīng)第一光闌(18)、第四分束鏡(19)作為兩束相干光 (F)和(G)由第五透鏡05)會聚于人眼06)瞳孔處，兩個相干光點光源在人眼06)瞳孔處發(fā)生干涉，在人眼底產(chǎn)生一定空間頻率和對比度的干涉條紋；所述計算機(C)發(fā)出指令控制步進電機(XT)帶動棱鏡(1 旋轉，并通過棱鏡(1 的轉動來調(diào)節(jié)瞳孔處的兩個相干點光源間距距離，從而改變干涉條紋的空間頻率；所述計算機(C)通過控制的第一光開關 G)、第二光開關⑶和第三光開關OO)來實現(xiàn)干涉條紋對比度的調(diào)節(jié)，其中控制第三光開關OO)產(chǎn)生矩形脈沖，并通過控制矩形脈沖的調(diào)制率來實現(xiàn)非相干背景光亮度調(diào)節(jié)；控制第一光開關(4)和第二光開關(8)分別產(chǎn)生具有一定調(diào)制率的同步矩形光脈沖，并通過改變每個周期中開通重疊的時間實現(xiàn)對相干條紋對比度調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權利要求1所述的人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，其特征在于所述 He-Ne激光光源(1)為波長是632. 8nm的He-Ne激光光源。
3.根據(jù)權利要求1所述的人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，其特征在于所述第二路光經(jīng)第二分束鏡C3)分為對稱的兩路，對稱的第一路光分別經(jīng)過第一光開關、第一空間濾波透鏡組(5)、第一反射鏡(6)、第一透鏡(7)成像于棱鏡(12) —個入射表面的中心處，且該中心處與人眼06)瞳孔處共軛，然后該對稱的第一路光再經(jīng)過第三反射鏡(13)、 第三透鏡(14)至第三分束鏡(17)；對稱的第二路光分別經(jīng)過第二光開關(8)、第二空間濾波透鏡組(9)、第二反射鏡(10)、第二透鏡(11)成像于棱鏡(1 另一個入射表面的中心處，且該中心處與人眼06)瞳孔處共軛，保證此處的調(diào)節(jié)與人眼瞳孔處的一致性。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，其特征在于所述棱鏡(1 兩個入射表面鍍上增透膜以減少由于雜散光形成的干涉。
5.根據(jù)權利要求1所述的人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，其特征在于所述第一光開關G)、第二光開關(8)和第三光開關OO)為聲光調(diào)制器或鐵電液晶開關。
6.根據(jù)權利要求1所述的人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀，其特征在于在所述計算機(C)和受試者之間增加交互設備(K)，所述交互設備，包括小鍵盤及聲音設備，能夠便于受試者進行測試及訓練，并使受試者得到相應的聲音反饋至計算機(C)。
全文摘要
一種人眼激光干涉條紋視知覺學習訓練儀包括光源，光學系統(tǒng)，干涉條紋頻率調(diào)節(jié)裝置，干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置，交互設備以及計算機。光源發(fā)出的相干光經(jīng)光學系統(tǒng)后得到兩束相干光及一束非相干背景光，兩束相干光會聚于瞳孔處，產(chǎn)生的兩點光源發(fā)生干涉并在眼底生成干涉條紋。干涉條紋頻率調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)兩束相干光在瞳孔處會聚的間距，從而調(diào)節(jié)干涉條紋的頻率；干涉條紋對比度調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)干涉條紋的整體對比度。本發(fā)明能夠直接避免人眼光學系統(tǒng)像差及衍射作用的影響，無需復雜的像差測量及矯正器件；能夠?qū)⒏鼮榫毜囊曈X刺激投射于人眼，使得受試者能夠更為有效地進行視知覺學習，以提高視功能。
文檔編號A61F9/00GK102335088SQ201110198199
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權日2011年7月15日
發(fā)明者周逸峰, 張雨東, 戴云, 梁波, 趙豪欣 申請人:中國科學技術大學, 中國科學院光電技術研究所