设计改善或修正人眼色视觉的滤色片的方法及使用该方法设计的滤色片装置

摘要

本发明涉及一种用于设计改善或修正人眼色视觉的滤色片的方法。根据本发明获得的一个要求的对立信号函数除以将要被改善或修正色视觉的眼睛的一个真正的对立信号函数特征，所得到的函数的负数区域被替换为零，并且整个函数被归化以得到一个光谱透过率函数。并且如果需要，该光谱透过率函数的一个或多个部分将被修正。本发明也涉及根据以上方法设计的滤色片装置。

说明书

本发明涉及一种用于设计改善或修正人眼色视觉的滤色片的方法。本发明也涉及滤色片装置，例如可以是使用该方法设计的眼镜镜片，接触镜片或眼内镜片。根据本发明的该方案，主要可以用于改善色缺陷人(即，具有色觉倒错的人，通常也被称作色盲)的色视觉；不过，该方案用于修正无色缺陷人的色视觉时，也可以得到较好的结果。

人眼的色视觉来自于感光器(也称作视锥)的刺激，感光器存在于视网膜上，并且对三个不同的波长区敏感，即长波(l)、中波(m)和短波(s)区(见Stockman，A.，Sharpe，L.T.：“The SpectralSensitivities of the Middle and Long Wavelength Sensitive ConesDerived from Measurements in Observers of Known Genotype”；Vision Research 40，1711-1739(2000))。继续这一过程，首先这些视锥的信号向前传到两极细胞然后进入神经节细胞(Rodiech，R.W.：“The First Steps in Seeing”，38-40页，(Sinaver Associates，Inc.MA，USA，1998))。神经节细胞中的信号传输彩色的信息到大脑，在大脑中进行下一步的色视觉处理。

视网膜上感光器的光谱灵敏度在色觉倒错中起着基本的作用。在早期，基于一些接收器的色缺陷只是简单地因为比正常的接收器的灵敏度低这一假设，来校正色觉倒错，这样，为了再造所有接收器的灵敏度间的校正比，其它一些接收器(具有正常灵敏度)的灵敏度将成比例地降低。匈牙利专利申请No.P9800510、加拿大专利申请No.5,574,517及美国专利申请Nos.4,998,817，5,574,517，5,617,154，5,369,453及5,846,457中公开的方法及装置，以及使用这种滤色片，其在指定的接收器敏感的波长区选择地透过较少的光，可以被用作校止。

基于滤色片的使用的一些其它方法，仅仅针对引起一些颜色对比的增加，而不是试图获得色视觉的真正的改善(例见美国专利No.6,089,712公布的方法)。这种滤色片甚至常常使色视觉变差，然而，它们能使色缺陷人看到在不同亮度下的不同颜色。使用这种滤色片，所谓的伪等色视觉测试(如Ishihara，Velhagen及Dvorin测试)具有很好的“欺骗性”，却没有实现色视觉的真正改善。

进一步研究显示，先天性色缺陷的基本原因是视网膜上的某感光器的光谱灵敏度函数(即SSF)沿着波长轴漂移(Nathans，J.：TheGenes for Color Vision；Scientific American pp.35-38(February，1989))。这一认识很好地解释了为什么虽然减小的接收器灵敏度的这一理论被证明是错误的，仍旧能保持一段延长的时间周期：即如果仅仅在一个给定的波长处测量接收器的灵敏度，那么仅仅由于该漂移，也可以很容易地观察到具有较低灵敏度的SSF的部分。

美国专利No.5,774,202公布的方法利用了以上的认识，其中也考虑了接收器的SSF也可能具有错误的形状，即色缺陷是位置漂移和/或变形形状的SSF的结果。该方法的原理是应该使用滤色片，该滤色片的光谱透过率函数(对于给定的接收器类型，透过的光的百分率相对于光的波长绘图，而得到的函数)对应于具有将要得到的正确的形状及位置的SSF与具有真实的(漂移的)位置和/或变形形状的SSF的商。这个方案很有效，对其它具有没有被校正的SSF的接收器，该滤色片没有相反的作用。这一矛盾的解决使得滤色片的光透过率调整到正如以上讨论计算的仅仅覆盖某一波长区的函数，并且在本区之外的波长处，该滤色片的光透过率保持在一个固定值。本方案的弱点仅仅在于后一条件，因为选择光透过率必须保持不变的波长是非常任意的。

以上讨论的所有方案介于来自接收器端即来自输入端的色视觉过程中。虽然已知以下事实(见例如，上面引用的Rodiech的教科书的350-353页)，一组神经节细胞比较l和m接收器的信号，并且因此将与(l-m)成比例的对立信号传输到大脑，另外的一组神经节细胞比较s接收器的信号与l和m信号的和，并且因此将与(s-(l+m))成比例的对立信号传输到大脑，但是没有试图影响作为波长的函数的对立信号的强度变化；即在校正色视觉之前没有应用来自输出端的反馈控制。

本发明基于以下的认识，如果滤色片的光谱透过率函数(即STF)不是基于接收器的光谱透过率函数，而是基于与(l-m)成比例的对立信号的强度对应于波长的函数(即对立信号函数，OP₁)或基于与(s-(l+m))成比例的对立信号的强度对应于波长的函数(即对立信号函数，OP₂)而设计的，那么人眼的色视觉将比现有方案更有效地得到改善或修正。

这样，本发明涉及设计用于改善或修正人眼的色视觉的滤色片的光谱透过率函数的方法。根据本发明获得的一个要求的对立信号函数(OP₁或OP₂)除以将要被改善或修正色视觉的眼睛的一个真正的对立信号函数特征(OP₁’或OP₂’)，所得到的函数的负数区域被替换为零，并且整个函数被归化以得到一个光谱透过率函数。并且如果需要，从所述光谱透过率函数及从具有将要被改善或修正色视觉的眼睛的l、m及s接收器的真正的光谱灵敏度函数，将产生修正的对立信号函数(OP₁^*或OP₂^*)。在一个或多个重复中，通过将所述修正的对立信号函数(OP₁^*或OP₂^*)与获得的所述要求的对立信号函数(OP₁或OP₂)比较，覆盖一个或多个波长范围的所述光谱透过率函数的一个或多个部分将被修正。

本发明也涉及具有用于改善或修正人眼的色视觉的滤色片的光学装置，其中该滤色片具有如上述讨论中设计的光谱透过率函数。

现在借助附图，更详细地讨论本发明，其中

图1a显示具有正常色视觉的人眼的l、m及s感光器的光谱灵敏度函数(横坐标：波长(λ)，单位nm，纵坐标：灵敏度，单位任意)；

图1b显示在根据图1a的坐标系中，对于理论的蓝色弱类型的感光器的光谱灵敏度函数，其中s接收器的SSF用虚线表示。为了比较，接收器的SSF的正确形状及位置用实线表示。

图2是在神经节细胞水平的接收器信号的处理框图，表示传输颜色信息到大脑以进一步处理的OP₁型(红/绿)和OP₂型(蓝/黄)对立信号是如何产生的，以及非彩色的光谱发光度函数V(λ)是如何形成的；

图3a显示具有正常色视觉的眼睛的对立的信号函数(OP₁及OP₂)(横坐标：波长λ，单位nm，纵坐标：强度)；为了使该图更具有表现力，函数OP₁在垂直方向已经被放大到约五倍；

图3b显示，在根据图3a的坐标系中，具有典型的红/绿色觉倒错的病人的OP₁’函数，与具有正常色视觉的眼睛的OP₁函数相比较；

图4a显示具有红色弱的色缺陷病人的OP₁/OP₁’得到的函数，图4b显示具有绿色弱的色缺陷病人的相应的函数。在两个图上，归化到0.9的函数被以一个稍微简化的方式描述；该函数的负数区域已经从图4b中省略。横坐标：波长λ，单位nm，纵坐标：透过光的强度。

图5a显示为具有各种严重度的红色弱病人设计的光谱透过率函数；图5b显示为具有轻度到中度的绿色弱病人设计的光谱透过率函数；图5c显示为具有重度绿色弱病人设计的光谱透过率函数。通过将图4a或4b中显示的函数的负数区域以零代替，并归化该函数到0.9，并且修正所得到的初级光谱透过率函数，而设计所有这些函数。

图6显示，在如图3a所给的坐标系中，当没有使用用于改善色视觉的装置时色缺陷病人的OP₁型对立信号函数(OP₁’，虚线)，以及当使用根据本发明的用于改善色视觉的装置时的OP₁型对立信号函数(OP₁^*，实线)。为了比较的目的，图中也提供了具有正常色视觉的眼睛的OP₁曲线(粗实线)。

图7显示用于改善色亮度及色对比度的滤色片的光谱透过率函数，该函数根据本发明为用于具有正常色视觉的眼睛而设计；

图8显示在一面具有滤色片层的一个眼睛镜片；

图9显示位于两个半镜片的重叠的表面的滤色片层，所述滤色片层被透明光学胶彼此分离；

图10显示一个接触镜片，其可以由有色材料(染色镜片)制成或具有滤色片；以及

图11显示一个眼内镜片，其可以由有色材料(染色镜片)制成或具有滤色片。

红/绿色觉倒错病人(即红色弱或绿色弱的病人)的特征是l感光器(对于红色弱)的SSF或m感光器(对于绿色弱)的SSF相对于正常人的SSF有一个位置的漂移和/或变形的形状，并且在这两个例子中的OP₁函数的形状也与正常的不同。因为多数色缺陷人都是红/绿色觉倒错，以下本发明将讨论怎样能获得正常的OP₁。不过，应该注意到，对于蓝色弱的病人同样的原理也适用于获得正常的OP₂，这里s感光器的SSF有一个位置的漂移和/或变形的形状。同样的原理也适用于为了一个特殊的目的而修正一个无色缺陷人的色视觉，即目的是以预定的方式得到与正常人不同的OP₁或OP₂。

为了设计光谱透过率函数，应该首先准备商形式的OP₁和OP₁’函数，这要求对于具有正常色视觉的眼睛和具有欲改善或修正其色视觉的眼睛都已知l、m和s接收器的SSF。具有正常色视觉的眼睛的这些曲线已经被发表，因此它们是已知的(见上文Stockmann等人的文章)。具有异常色视觉的眼睛的SSF特征可以通过已知的方法精确地确定(例见美国专利No.5,801,808)。不过，应该注意到，不绝对地要求精确地知道具有异常色视觉的眼睛的SSF；近似地知道这些曲线也就足够了。

当色缺陷仅仅因为SSF的位置漂移时(大多数都是这种情况)，基于广泛使用的诊断方法色盲镜能够构造适当近似的曲线，并且基于此方法，例如红/绿色觉倒错的类型及程度可以被分类为以下的诊断组：

-由l接收器的缺陷引起的异常：轻度红色弱，中度红色弱，重度红色弱，红色盲；

-由m接收器的缺陷引起的异常：轻度绿色弱，中度绿色弱，重度绿色弱，绿色盲；

在以上诊断中知道，对于一个异常接收器的SSF可以将相应的正常接收器的SSF沿着波长轴移动以下值而得到(负数表示向短波长区移动，而正数表示向长波长区移动)：

对于轻度红色弱：    -6nm

对于中度红色弱：    -12nm

对于重度红色弱：    -18nm

对于红色盲：        -24nm

对于轻度绿色弱：    +6nm

对于中度绿色弱：    +12nm

对于重度绿色弱：    +18nm

对于绿色盲：        +24nm

以上等级已经足够了，因为如果一旦准备将这些根据本发明的色视觉改善用滤色片作为以上所有等级的测试滤色片，那么该病人在色觉测试中已经能功能性地测试出是符合诊断的测试滤色片还是下一个滤色片会有较好的结果。

根据图2中显示的模型，OP₁和OP₁’可以分别从正常的及异常的SSF得到。对于OP₂和OP₂’也同样成立。

然后OP₁除以OP₁’，为该滤色片的最终光谱透过率函数给出一个开始函数。在用于校正红色弱的图4a中及用于校正绿色弱的图4b中，以简化的形式显示了这样的开始函数。

以这种方式进行的色视觉校正，就是该滤色片的光谱透过率函数乘以OP₁’；这样如果该滤色片的光谱透过率与开始函数相同，乘积将正好是OP₁，即马上可以得到理想的校正。然而，这仅仅有理论上的可能性，由于以下两个原因：第一个原因是开始函数有一个负数区域(见图4a)，由于负滤光不存在，所以实际上不可能实现。这样开始函数的负数区域应该用零代替。第二个原因是具有滤色片的光学装置(如眼镜)的光透过能力不可能超过1，还由于表面反射，实际上从来不会达到1，仅仅接近于例如92％。因此开始函数应该被归化。最好被归化到具有滤色片的光学装置的最大光透过百分比。开始函数在它的全波长上乘以它的最大值和0.9的商，以这种方式例如图5中所示的开始函数被归化到0.9(即到90％的光透过率)。

使用具有如以上讨论所设计的光谱透过率函数的滤色片，修正的(即改善的)对立信号函数(OP₁^*)在人体中是如下产生的：

实际上，滤色片改变了输入光的光谱组成，这意味着接收器的灵敏度函数被作了数学乘的运算。如果，通过滤色片，白光进入具有被改善的色视觉的病人的眼睛时，那么眼睛的接收器将适合白光。这可以被数学地描述如下：l、m及s接收器的SSF首先乘以滤色片的光谱透过率函数，然后它们乘以常数使得l、m及s波长敏感的接收器的SSF的积分比率回到原始值(1∶1∶2)。这意味着即使带有滤色片，眼睛识别白色也应该为白色(这被称为色适应)。依靠乘以滤色片的光谱透过率函数及适应性，接收器的原始SSF被转换为SSF^*。作为在神经节细胞内发生的过程的结果(模型如图2所示)，从SSF^*形成修正的对立信号函数(OP₁^*)。虽然由于以上讨论的两个原因，该修正的OP₁^*不能与得到的OP₁相同，但是，从图6中可见，它比开始的OP₁’更接近于理想的函数。

在一些情况下，可能希望对该修正的OP₁^*做进一步的修正。该修正的OP₁^*应该在什么部分及到何种程度近似目标函数OP₁会影响这样进一步的修正。这样，可以决定是否为了获得更好的结果，OP₁^*的形状或最大值应该尽可能地接近目标曲线的形状或最大值。也可以决定是否为了获得更好的结果，OP₁^*的正或负最大值应该与目标曲线的正或负最大值在波长上一致，或宁愿OP₁^*的最大高度增加。这些修正以下被称为优化。

当希望优化时(这可能发生，例如对一个治疗以改善OP₁的病人，OP₂也应该被改善)，首先在人体中发生的以上讨论的过程被数学地重复，即l、m及s接收器的开始的SSF乘以滤色片的光谱透过率函数，并且所得的SSF的积分比率被重新调整到1∶1∶2的开始值。以这种方式，产生修正的SSF^*，根据图2所示的模型从SSF^*形成OP₁^*。然后所得的曲线(OP₁^*)与正确的曲线(OP₁)比较，并且决定它的哪部分应该修正及它应该怎样被修正。下一步，光谱透过率函数在一个或更多的部分被修正，然后正如上面刚刚讨论的，利用该修正的光谱透过率函数产生第二个进一步修正的OP₁^*。当在该进一步修正的OP₁^*上表现了希望的变化时，认为优化是成功的。优化最好以几个步骤以如下方式来执行，光谱透过率函数沿着波长轴被分成几部分，并且在每个单独的步骤中这些部分的仅仅一个部分被修正。这样，例如单独的部分的如下参数能够单独地或彼此联合地被修正：

-该部分的高度；

-该部分一个或两个端点的位置；

-该部分在整个区域或其中一部分上的斜率。

举一个例子，为了得到各种类型色觉倒错的更好的校正，在一个被分成6个部分的光谱透过率函数上，下面给出，改变单独的部分的某些参数怎样是合理的。该6个部分如下：

(1)400-450nm

(2)450-540nm

(3)540-560nm

(4)560-580nm

(5)580-600nm

(6)600-700nm

红色弱：

部分(1)：    高度；

部分(2)：    高度；端点的位置在540nm；

部分(3)：    高度；端点的位置；

部分(4)：    端点的位置；

部分(5)-(6)：斜率。

通过改变这些参数而得到的光谱透过率函数如图5a所示。

轻度到中度绿色弱：

部分(2)-(3)：斜率；

部分(4)：    端点的位置；

部分(5)：    高度；端点的位置；

部分(6)：    高度。

通过改变这些参数而得到的光谱透过率函数如图5b所示。

重度绿色弱：

部分(1)-(2)：高度；

部分(3)：    高度；端点的位置；

部分(4)：    端点的位置；

部分(5)：    高度；端点的位置；

部分(6)：    高度。

通过改变这些参数而得到的光谱透过率函数如图5c所示。

蓝色弱：

部分(1)-(2)：        斜率；

部分(3)-(4)-(5)-(6)：高度。

下面举例给出，适合于校正红/绿色觉倒错(红色弱或绿色弱)病人的色视觉的光谱透过率函数的一些特征数字参数：

(a)该光谱透过率函数有一个单调变化的分段，当校正红色弱时，该分段在580-700nm部分降低并且有0-7.5×10^-3nm^-1的斜率，或者，当校正绿色弱时，该分段在450-560nm部分降低并且有-10^-2-0nm^-1的斜率；

(b)在560-580nm部分，该光谱透过率函数具有一个0-20％光透过率的分段；

(c)该光谱透过率函数有一个具有几乎恒定光透过率的分段，当校正红色弱时，所述分段处在400-540nm部分，或当校正绿色弱时，所述分段处在600-700nm部分并且有时也处在400-540nm部分；和/或

(d)该光谱透过率函数有一个分段，其光透过率大于前述的分段，或大于具有几乎恒定光透过率的后来的分段(“超过”)，当校正红色弱时，所述分段处在540-560nm部分，或当校正绿色弱时，所述分段处在580-600nm部分并且有时也处在540-560nm部分。

已经提到，用于以目标方式修正正常眼睛的色视觉的滤色片的光谱透过率函数，也可以通过以上方法设计。在这个例子中，具有将要被修正的色视觉的眼睛的真正的对立信号函数特征，将符合具有正常色视觉的眼睛的对立信号函数，然而，得到的对立信号函数将是依据该变化而偏离正常的对立信号函数而获得的。这一过程的所有其它步骤与以上所给出的相同。一个如此设计的光谱透过率函数如图7所示。具有如图7所示的光谱透过率函数的滤色片通过使色彩更鲜艳，使得无色缺陷人得到对比度更高的色视觉。这样的滤色片适用于，例如作为工作的一部分，不得不高精确地识别某些色调的那些人。

根据本发明设计的具有光谱透过率函数的滤色片，可以通过任何适用于滤色片生产的技术来制造。下面将要讨论制造滤色片的一些普遍方法的例子。

方法之一是使用薄层结构的真空蒸镀滤色片，其用于例如具有防反射层的眼镜产品。使用这一技术，其利用光的干涉特性，通过一层接一层地蒸镀不同折射率的材料，这些层具有λ/4的光程，能制造具有几乎任何设计的光谱透过率函数的滤色片。现在也可以使用商业软件来设计层系，以提供要求的光谱透过率函数。依靠各个层的材料，能够以多种方式实现给定的光谱透过率函数。

根据另一个已知的方法，从多种商业上可利用的染料中选择现成的颜料可以形成要求的光谱透过率函数。这些颜料可以混合到镜片的材料中以形成一个染色镜片，或通过热扩散的方法加到镜片的表面层中，或被涂覆到镜片的表面。本方法比前面讨论的方法简单，但是，可利用的颜料的光谱特性限制了通过该方法得到的光谱透过率函数的选择。这样使用现成的颜料，仅仅能近似要求的光谱透过率函数，不过这种近似也是可以接受的。

也可以结合应用以上两个方案。可能是将染色型和薄层型滤色片结合，或在镜片的涂覆或热扩散处理的表面或另一面上使用一个薄层型滤色片。在这些例子中，单独的滤色片的光谱透过率函数的结果将符合根据本发明设计的光谱透过率函数。

作为一个新方案，也可以通过一个夹层滤色片得到根据本发明设计的光谱透过率函数。在本例中，两个滤色片互相重叠，其间使用了透明的光学胶，并且该两个滤色片的光谱透过率函数的结果(即产品)将符合根据本发明设计的光谱透过率函数。当通过已知的方法难以制造具有要求的光谱透过率函数的滤色片时，可以利用作为本发明的一部分的本方案。

从上文已经很清楚了，在很多例子中的滤色片实际上是滤色片彼此的组合。这样，在说明书及权利要求书中提到滤色片的地方，这一术语也覆盖了这种组合。染色镜片或一个在表面染色了的镜片也被作为一个滤色片。

本发明也涉及光学滤色片装置，其具有一个根据本发明设计的光谱透过率函数的滤色片。图8到图11显示了一些这种光学装置的例子。

图8显示的光学装置，镜片1可以放在一个镜框中或一个仪器的窗口中，在它的内表面带有一个根据本发明设计的光谱透过率函数的滤色片2。

图9显示一个包括以上讨论的夹层滤色片的装置的实施例。所述装置包括第一镜片1及其内表面的第一滤色片2，第二镜片5及其外表面的第二滤色片4，以及将所述第一滤色片2粘到所述第二滤色片4的光学胶3。此外，这两个镜片可以是眼镜的镜片或用作仪器窗口的镜片。

图10显示一个接触镜片1，其内有一个滤色片2；图11显示一个眼内镜片1，具有一个滤色片2及一个触觉3；

这些镜片可以是零屈光度的或具有规定的合适的屈光度校正。这些镜片也具有常规的保护层和/或防反射层；在后一个例子中，该镜片的光透过率可能达到99％。