一种人眼像差校正对比度响应函数(CRF)测试装置

摘要

本发明提供了一种人眼像差校正对比度响应函数(Contrast response function,CRF)测试装置，由人眼波像差测量子系统、人眼波像差校正子系统和CRF测试子系统3部分组成。人眼波像差测量子系统实时测量人眼像差，人眼波像差校正子系统根据测量结果校正人眼像差，在校正稳定后进行CRF测试，从而消除在CRF测试时光学像差对测试视标向眼底投射的影响，眼底视网膜可以获得最清晰的视标图像，进而提高通过CRF进行视觉神经系统功能评价的准确性和可靠性，为视神经功能评价和视觉科学研究提供新的有力工具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有人眼像差校正的对比度响应函数(Contrast response function,CRF)测试装置，该系统具有人眼像差测量、矫正、视功能测试多重功能，是一种通过自适应光学系统校正人眼像差获得精细视觉刺激，在此基础上对人眼进行CRF测试，从而有效研究人眼视觉机制的光学仪器。 

背景技术

CRF是contrast response function的缩写，意思是对比度响应函数，表达式为：R＝R_maxCⁿ/(Cⁿ+Cⁿ₅₀)，其中R：神经元的响应；C：对比度；R_max：最大可达到响应；C₅₀：响应达到最大值一半时的对比度；n：CRF曲线斜率。 

CRF最早是由Chandler于1965年提出，后来在1982年被Albrecht和Hamilton发现可以用于描述猫和猴子大脑条纹皮层上的大部分简单细胞和复杂细胞的对比度响应关系，即表示目标刺激的对比度与动物初级视皮层上视觉神经细胞突触之间的一个非线性关系。CRF是视觉研究中的一个重要函数，反映了不同的视标对比度下，初级视觉皮层接受视标图像、处理视觉信息的性能，是视功能的一个重要衡量指标，被广泛应用于视觉不同状态(如，注意(attention)或适应(adaption))和视觉机制研究的相关领域。 

目前国际上测试CRF函数主要有两种方式：一种是运用神经生理学方法[(Sclar,lennie,&Depriest,Contrast adaptation in striate cortex of macaque,Vision research,1989)；(Albrecht,Geisler,Frazor,&Crane,Visual cortex neurons of monkeys and cats:temporal dynamics of the contrast response function,Journal of Neurophysiology,2002)；(Lu&Roe,Optical imaging of contrast response in macaque monkey V1 and V2,Cerebral Cortex,2007)]；另一种是通过心理物理学方法[(Langheinrich et al.,Visual contrast response functions in Parkinson’s disease:evidence from electroretinograms,visually evoked potentials and psychophysics,Clinical neurophysiology,2000)；(Ling&Carrasco,Sustained and transient covert attention enhance the signal via different contrast response functions,Vision research,2006)；(Buracas&Boynton,The effect of spatial attention on contrast response functions in human visual visual cortex,The Journal of neuroscience,2007)]。其中，神经生理学主要是从生理细胞学角度，以经过训练的猫或猕猴为研究对象， 给予它们视网膜不同的视觉刺激，同时记录视网膜上不同类型视觉细胞突触的响应，由此得到CRF函数变化曲线。而心理物理学方法的研究对象则是人类的视觉系统，通过给予被试不同形式的视标，激发眼睛相应的视觉状态，如持久注意、瞬间注意、适应等，根据被试的响应正确率来研究CRF曲线。 

迄今为止，所有国内外研究都是以视标刺激的对比度作为输入，以被试的响应为输出，在默认视觉系统为一个整体的前提下得到一系列结果及结论。实际上，整个视觉系统可划分为眼光学系统和眼视觉神经系统两大部分：眼光学系统负责对客观目标物体在眼底视网膜上成像；眼视觉神经系统负责对视网膜上的成像进行信息处理。而眼光学系统具有低阶像差和高阶像差，这些像差的存在会使视网膜接收到的图像失真，进而影响后续视觉神经系统做出的反应。如果不考虑眼像差的存在，而简单地将眼光学系统和视觉神经系统视作一个整体，那么这些光学像差因素会反映到CRF曲线变化中，不利于CRF实验结果的分析。 

本发明提出将自适应光学像差矫正技术与CRF测试方法相结合，通过自适应光学技术矫正人眼像差后，可以大大提高视网膜成像质量，在这种精细的视觉刺激下进行CRF测试，进而提高通过CRF进行视觉神经系统功能评价的准确性和可靠性，为视神经功能评价和视觉科学研究提供新的有力工具。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在CRF测试研究中，根据人眼视觉系统的实际组成，在人眼与目标刺激之间加入一个人眼像差校正装置，在此基础上进行CRF测试，消除测试时光学像差对测试视标向眼底投射的影响，眼底视网膜可以获得最清晰的视标图像，进而提高通过CRF进行视觉神经系统功能评价的准确性和可靠性，为视觉神经功能评价和视觉科学研究提供新的有力工具。 

本发明采用的技术方案为：一种人眼像差校正对比度响应函数(Contrast response function,CRF)测试装置，其特征在于，包括： 

人眼波像差测量子系统，利用近红外信标光源、波前矫正器和波前传感器，测量得到被试者的人眼波像差； 

人眼波像差校正子系统，根据测量得到被试者的人眼波像差，驱动控制波前矫正器，以校正被试者的人眼波像差；以及CRF测试子系统，将不同空间频率、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，进行人眼CRF测试。 

其中，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。 

其中，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。 

其中，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。 

其中，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。 

本发明的原理在于： 

本发明提出具有人眼像差校正的对比度响应函数(Contrast response function,CRF)测试装置，主要由以下部分组成：人眼波像差测量子系统，包括近红外信标光源、波前校正器和波前传感器，用于测量得到被试者的人眼波前像差；人眼波像差校正子系统，包括控制装置和所述波前校正器，用于根据测量得到被试者的人眼波前像差，驱动控制所述波前校正器，以校正被试者的人眼波前像差；CRF测试子系统，包括CRF视标程序设计，视频处理电路、视标显示装置和所述波前校正器，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校正器显示给被试者。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

现有CRF研究方法，是在认为人眼光学系统和视觉神经系统为一整体的前提下得到的结果及结论。本方法的优点是加入了人眼像差校正系统，使视网膜成像达到最清晰程度，有效排除了人眼光学系统中的像差因素在CRF实验结果中的影响。 

附图说明

结合下面附图说明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是本发明的工作原理图； 

图2是本发明的结构原理框图； 

图3为本发明的CRF函数视标示意图。 

具体实施方式

为了清楚详细的阐述本发明的实现过程，下面将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为本发明的工作原理图。 

如图1所示，人眼通过光学像差矫正装置看到不同对比度的视标，光学像差矫正装置实时检测及矫正人眼高低阶像差，使视网膜获得不同对比度视标的精细成像，视觉神经系统感知到成像刺激后，做后续的视觉信息处理工作，最后以神经响应的方式输出。 

图2是本发明的结构原理框图。 

如图2所示，人眼像差校正的对比度响应函数(CRF)测试装置由近红外信标光源1、准直镜2、瞳面光栏3、第一反射镜4、第一匹配光学系统5和6、人眼7、第一分光镜8、第一透镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第五反射镜13、第一球面镜14、波前校正器15、第二球面镜16、第六反射镜17、第七反射镜18、第二透镜19、第八反射镜20、第二分光镜21、第二匹配光学系统22和24、共焦滤波光栏23、波前传感器25、第九反射镜26、第三透镜27、视标显示器28组成。 

根据本发明的人眼像差校正的对比度响应函数(CRF)测试装置包括三个子系统：人眼波像差测量子系统、人眼波像差矫正子系统和CRF测试子系统。 

在人眼波像差测量子系统中，近红外信标光源1发出的光，由准直镜2准直，经瞳面光栏3、第一反射镜4、第一匹配光学系统5、6，及第一分光镜8，进入人眼7，经人眼7会聚后在眼底形成一个光斑，此光斑可视为视网膜上的一个点光源，其后向散射光经过眼睛的屈光系统后从瞳孔射出，经第一分光镜8，第一透镜9、第三反射镜11、第四反射镜12、第五反射镜13、第一球面镜14使光路扩束至与波前校正器15匹配，再经第二球面镜16、第六反射镜17、第七反射镜18，第二透镜19、第八反射镜20使光路缩束，然后经第二分光镜21、第二匹配光学系统22和24、共焦滤波光栏23进入波前传感器25，波前传感器25将测得的误差信号送至计算机处理成人眼波像差。 

之后，在人眼波像差校正子系统中，计算机根据测得的人眼波像差，经计算机控制软件处理，得到波前校正器15的控制电压，经放大后驱动波前校正器15产生相应变化，以矫正人眼波像差。 

在人眼波像差校正稳定后，进入CRF测试阶段。安装在计算机上的CRF测试软件产生不同空间频率、不同对比度的视标，经过视频处理电路显示在视标显示装置28上，被试者通过第一分光镜8，第一透镜9，第三反射镜11、第四反射镜12、第五反射镜13，球面反射镜14，第二球面镜16，波前校正器15，第六反射镜17、第七反射镜18，第八反射镜20、第九反射镜26，第二透镜19、第三透镜27，第二分光镜21，看到显示在视标显示器28上的视标进行CRF测试。 

波前传感器25可以从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器(Hartmann 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(Pyramid wavefront sensor)中选择。 

波前校正器15可以从变形反射镜(Deformable reflective mirror)、液晶波前矫正器(Liquid crystal wavefront corrector)、微加工薄膜变形镜(Micromachined membrane deformable mirror)、微机电变形镜(Microelectromechanical(MEMS)deformable mirror)、双压电陶瓷变形镜(Bimorph deformable mirror)、液体变形镜(Liquid deformable mirror)中选择。 

视频处理电路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，以满足人眼CRF测试的需要。例如，视频处理电路可以采用中国实用新型专ZL02220968.9中所公开的具体电路。视标显示器28可以从OLED显示器、或商用投影仪、或彩色液晶显示器、或等离子体显示器、或场致发光显示器、或有机发光显示器中选择。 

图3为本发明的CRF测试视标示意图。 

本发明中，选取任一空间频率的正弦光栅作为视标，所述正弦光栅的对比度范围从0～1变化，所述每种对比度下正弦光栅出现次数相同，且随机出现，被试按键完成CRF测试任务。 

例如，如图3所示，测试中屏幕中心会顺次出现两次十字符号，采用心理物理学测试方法，十字符号出现的同时伴随声音提示。两次十字符号中间有可能出现空白图形(灰屏)，另一种可能是出现待检测的视标(即，所述不同对比度下的正弦光栅)。当光栅出现在第一个十字符号之后，要求被试按下方向键的左键报告。当光栅出现在第二个十字符号之后，要求被试按方向键的右键报告。按键之后会激活下一个测试作业，重复上述过程直至测试结束。被试的行为数据被记录和保存下来，作为CRF曲线中的响应数据。经数据处理和曲线拟合可得到所述正弦光栅的不同对比度与被试行为数据的正确率之间的非线性关系，即为CRF测试曲线。 

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。