双眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪

摘要

一种双眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪包括：光源，光学系统，干涉条纹频率调节装置，干涉条纹对比度调节装置，交互设备以及计算机。光源发出的相干光经光学系统后得到两路相同的光分别入射到受试者的左右眼，其中每路光各包括两束相干光及一束非相干背景光，每路中的两束相干光均会聚于瞳孔处，产生的两点光源发生干涉并在左右眼底生成相同的干涉条纹。干涉条纹频率调节装置调节每路中的两束相干光在瞳孔处会聚的间距，从而调节干涉条纹的频率；干涉条纹对比度调节装置用于调节每路干涉条纹的整体对比度。本发明能够直接避免人眼光学系统像差及衍射作用的影响，无需复杂的像差测量及矫正器件；更接近于人的日常用眼状态；更为有效地提高视功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪。

背景技术

知觉学习较早的定义是由Gibson(1953)给出的，即知觉学习表现为从外界环境中 提取信息能力的提高，这种学习是受试者练习与生理成熟相互作用的结果。从1858年 Volkman首次发现至今，知觉学习的内在机制与相关应用都得到的长足的发展。虽然对 其实质还远未到达统一的认识，但目前研究承认的事实是知觉学习一方面提高个体获取 外界信息的能力，另一方面使得较长时间上行为决策机制改变和提高。其生理基础是大 脑基本感觉区域的功能可塑性。

视知觉学习在最近20年来成为认知神经科学的一个前沿和热点问题。直到20年前 人们还普遍认为早期的视皮层，特别是初级皮层只有在婴幼儿时期才具有可塑性，成年 之后就不在可塑了(Marr，D.Vision，San Francisco：Freeman，1982)。但近年来已有诸 多的心理物理学实验表明，即便是成人在很多视知觉学习任务中也可以表现出提高 (Sasaki et.al，Advances in visual perceptual learning and plasticity，2010)。特别的，成年 弱视患者经过学习之后，可以大大提高其对比敏感度及视力(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)，说明成年弱视患者视神经系统仍具有潜在的可塑性。这对于成人弱视治疗以至 正常人视力的提高方面都具有积极的意义。

人类视力最初发展中是由经验性学习主导的。新生婴儿的视觉追随大物体，较大的 婴儿才能注意到小物体或物体的细节特征，出生后的二十个月内视力平均每月增加一个 频率(c/deg，周期每度)。因此，对视神经系统精细有效的刺激在视力的发育过程中起 到了至关重要的作用。人眼视觉系统所接受的外部图像信息都是通过眼球的光学系统由 视网膜所接收的，所以眼球光学系统的性能成了影响视功能的重要因素。文献 (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.)表明眼球光学系统受瞳孔的衍射、角膜和晶状体的像差、房水的散射 等多种因素的影响。除瞳孔大小外，像差成为决定视网膜像质的直接因素。由于人眼像 差是固然存在的，这必然造成了视网膜像质的降低，进而成为视力在发育过程中无法达 到极限的可能因素。此外，像差也是某些类型弱视(屈光性弱视，屈光参差性弱视)的 成因。

人眼像差一股可分为低阶部分和高阶部分，现有的视知觉学习通常只采用传统的镜 片矫正人眼低阶像差，但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。由于受到图像清晰程度的限制，单纯的视知觉学习对人眼视功能的改善 幅度有限。

在中国专利申请号200910262470.4和200910262471.9中公开了一种人眼自适应光 学视知觉学习训练方法和训练仪(分别为单眼和双眼)。基于自适应光学技术，该训练 仪能够测量并矫正人眼光学系统的波前像差，使得人眼光学系统接近衍射极限。在此基 础之上，应用该训练方法进行视知觉学习训练可以达到提高视知觉学习训练效果和人眼 视功能的目的。然而，该训练仪存在下述缺陷：(1)虽然利用自适应光学技术能够矫 正人眼波前像差，但仍然无法克服衍射作用的影响。在高空间频率下，这种影响变得尤 为明显。(2)该发明中的视标显示装置一股利用CRT显示器、商用投影仪、有机发光 显示器等，由于这些设备本身分辨能力的限制，很难产生高空间频率的视刺激。(3) 该发明中像差的矫正效果依赖于像差的测量及相应的控制方法，由于人眼波前像差的动 态性等因素导致这种测量以及控制方式十分复杂。(4)该发明中训练仪的核心器件波 前矫正器是一种精密的光学器件，加工工艺复杂，成本高。这些因素都限制了自适应光 学视知觉学习训练仪的推广使用。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种双眼激光干涉条纹视知觉 学习训练仪，利用激光干涉法在人眼底产生不同频率及对比度的正弦干涉条纹，能够避 开人眼光学像差和衍射作用所造成的影响，将更为精细的刺激投射于眼底，结构简单， 易于实现。此外，该训练仪具有双路干涉条纹输出结构，能够同时对双眼进行训练，更 为接近日常的用眼状态。

本发明技术解决方案：一种双眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪，包括光源(A)、 光学系统和控制系统，光源(A)采用He-Ne激光光源(1)，光学系统包括第一分束镜 (2)、第二分束镜(3)、第一空间滤波透镜组(5)、第一反射镜(6)、第一透镜(7)、 第二空间滤波透镜组(9)、第二反射镜(10)、第二透镜(11)、第三反射镜(13)、 第三透镜(14)、第四反射镜(15)、第四透镜(16)、第三分束镜(17)、第四分束 镜(18)、第一光阑(19)、第四分束镜(20)、第一毛玻璃(22)、第一扩束透镜组 (23)、第五反射镜(24)、第二光阑(25)、第五分束镜(26)、第五透镜(27)、 第二毛玻璃(29)、第二扩束透镜组(30)、第六反射镜(31)、第三光阑(32)、第 六分束镜(33)、第四光阑(34)、第七反射镜(35)、第八反射镜(36)和第六透镜 (37)；控制系统包括计算机(E)、干涉条纹空间频率调节装置(D)和干涉条纹对比 度调节装置(C)，干涉条纹空间频率调节装置(D)包括步进电机(39)和与人眼(38R 和38L)瞳孔处共轭的棱镜(12)，干涉条纹对比度调节装置(C)由第一光开关(4)、 第二光开关(8)、第三光开关(21)和第四光开关(28)组成；由He-Ne激光光源(1) 发出的光经第一分束镜(2)分为两路，第一路光经过第四分束镜(20)再分为对称的 两路，其中对称的第一路分别经过第三光开关(21)、第一毛玻璃(22)、第一扩束透 镜组(23)、第五反射镜(24)、第二光阑(25)、第五分束镜(26)作为非相干背景 光入射由第五透镜(27)投射于受试者(H)的左眼(38L)；对称的第二路分别经过第 四光开关(28)、第二毛玻璃(29)、第二扩束透镜组(30)、第六反射镜(31)、第 三光阑(32)、第六分束镜(33)作为非相干背景光入射由第六透镜(37)投射于受试 者(H)的右眼(38R)；第二路光经第二分束镜(3)分为对称的两路，对称的第一路 光分别经过第一光开关(4)、第一空间滤波透镜组(5)、第一反射镜(6)、第一透 镜(7)成像于棱镜(12)的一个入射表面，然后该对称的第一路光再经过第三反射镜 (13)、第三透镜(14)至第三分束镜(17)；对称的第二路光分别经过第二光开关(8)、 第二空间滤波透镜组(9)、第二反射镜(10)、第二透镜(11)成像于棱镜(12)的 另一个入射表面，然后该对称的第二路光再经过第四反射镜(15)、第四透镜(16)至 第三分束镜(17)；对称的两路光在第三分束镜(17)处汇合后，经第四分束镜(18) 分为对称的两路，其中对称的第一路经第一光阑(19)、第四分束镜(26)作为两束相 干光由第五透镜(27)会聚于受试者(H)的左眼(38L)瞳孔处，两个相干光点光源在 受试者(H)左眼(38L)瞳孔处发生干涉，并在左眼眼底产生一定空间频率和对比度的 干涉条纹；对称的第二路经第四光阑(34)、第六分束镜(33)、第七反射镜(35)和 第八反射镜(36)作为两束相干光由第六透镜(37)会聚于受试者(H)的右眼(38R) 瞳孔处，两个相干光点光源在受试者(H)的右眼(38R)瞳孔处发生干涉，并在右眼眼 底产生一定空间频率和对比度的干涉条纹；所述计算机(E)发出指令控制步进电机(39) 带动棱镜(12)旋转，并通过棱镜(12)的转动来调节瞳孔处的两个相干点光源间距距 离，从而改变干涉条纹的空间频率；所述计算机(E)通过控制的第一光开关(4)、第 二光开关(8)、第三光开关(21)和第四光开关(28)来实现干涉条纹对比度的调节， 其中控制第三光开关(21)和第四光开关(28)产生矩形脉冲，并通过控制矩形脉冲的 调制率来实现两路非相干背景光亮度调节；控制第一光开关(4)和第二光开关(8)分 别产生具有一定调制率的同步矩形光脉冲，并通过改变每个周期中开通重叠的时间实现 对两路相干条纹对比度调节。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用激光干涉技术原理，能够直接避免人眼光学系统像差及衍射作用 的影响，无需复杂的像差测量及矫正器件，结构简单，易于实现。此外，本发明能够产 生高空间频率的干涉条纹而并不受硬件本身的限制。因此能够将更为精细的视觉刺激投 射于人眼，使得受试者能够更为有效地进行视知觉学习，以提高视功能。

(2)本发明中的干涉条纹的对比度能够利用计算机进行自动控制，并满足视知觉 学习训练方法中对比度调节的精度要求。

(3)本发明相干光源由激光直接分束产生，非相干光由相干光通过毛玻璃产生， 保证了干涉条纹与非相干背景光颜色的一致性。

(4)干涉条纹频率调节装置对于点光源间距的调节是对称性调节，能够满足 Stiles-Crawford最大化条件，保证两相干光束光强的一致性。

(5)本发明中能够产生相同的两路光同时对双眼进行训练，更接近于人的日常用 眼状态。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图；

图2为本发明的光学系统结构示意图；

图3为本发明的控制系统结构示意图；

图4为本发明的干涉条纹频率调节装置示意图；

图5为本发明的干涉条纹对比度基本原理的示意图；

图6为本发明的相干条纹对比度调节原理的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的原理图，包括光源A，光学系统B，干涉条纹对比度调节装 置C，干涉条纹频率调节装置D，计算机E以及交互设备F。光源A发出的相干光经光 学系统B后得到两路相同的光分别入射到受试者H的左右眼，其中每路光分别包括两束 相干光及一束非相干背景光，两束相干光均会聚于左眼(或右眼)瞳孔处，焦点中心距 为d，由此产生的两个点光源发生干涉并在眼底产生干涉条纹，受试者H左右眼中的相 干条纹经受试者大脑处理之后产生知觉图像G。干涉条纹频率调节装置D能够调节两束 相干光在瞳孔处会聚的间距d，从而调节干涉条纹的频率。干涉条纹对比度调节装置C 用于调节干涉条纹的整体对比度。交互设备F能够将受试者H的测试结果输入计算机E 并为受试者H提供相应的声音反馈。计算机E，并且能够对包括光源A、干涉频率调节 装置D，干涉条纹对比度调节装置C及交互设备F进行自动控制。

计算机E发出指令给干涉条纹对比度调节装置C和干涉条纹频率调节装置D，输出 具有一定频率及对比度的干涉条纹投射于受试者H眼底。受试者H根据视知觉训练方 法相关规则进行判断，其结果通过交互设备F发送至计算机E，并由计算机E发出相应 反馈信号。计算机E根据知觉训练方法相关规则重新设定条纹对比度调节装置C及条纹 频率调节装置D，输出具有新的频率及对比度的干涉条纹投射于受试者H眼底。循环上 述过程直至达到视知觉学习训练方法终止条件。该训练仪的基本特征在于利用激光干涉 技术原理，能够直接避免人眼光学系统像差及衍射作用的影响，无需复杂的像差测量及 矫正器件。所述训练仪能够产生高空间频率的干涉条纹而并不受硬件本身的限制。此外， 所述训练仪能够产生相同的两路光同时对双眼进行训练，更接近于人的日常用眼状态。 因此，该训练仪能够将更为精细的视觉刺激投射于人眼，使得受试者能够在双眼视觉状 态下进行视知觉学习，更为有效地提高视功能。

如图1、2、3所示，本发明的一种双眼激光干涉条纹视知觉学习训练仪由He-Ne激 光光源1发出的光经第一分束镜2分为两路，第一路光经过第四分束镜20再分为对称 的两路，其中对称的第一路分别经过第三光开关21、第一毛玻璃22、第一扩束透镜组 23、第五反射镜24、第二光阑25、第五分束镜26作为非相干背景光入射由第五透镜27 投射于受试者H的左眼38L；对称的第二路分别经过第四光开关28、第二毛玻璃29、 第二扩束透镜组30、第六反射镜31、第三光阑32、第六分束镜33作为非相干背景光入 射由第六透镜37投射于受试者H的右眼38R；第二路光经第二分束镜3分为对称的两 路，对称的第一路光分别经过第一光开关4、第一空间滤波透镜组5、第一反射镜6、第 一透镜7成像于棱镜12的一个入射表面，然后该对称的第一路光再经过第三反射镜13、 第三透镜14至第三分束镜17；对称的第二路光分别经过第二光开关8、第二空间滤波 透镜组9、第二反射镜10、第二透镜11成像于棱镜12的另一个入射表面，然后该对称 的第二路光再经过第四反射镜15、第四透镜16至第三分束镜17；对称的两路光在第三 分束镜17处汇合后，经第四分束镜18分为对称的两路，其中对称的第一路经第一光阑 19、第四分束镜26作为两束相干光由第五透镜27会聚于受试者H的左眼38L瞳孔处， 两个相干光点光源在受试者H左眼38L瞳孔处发生干涉，并在左眼眼底产生一定空间频 率和对比度的干涉条纹；对称的第二路经第四光阑34、第六分束镜33、第七反射镜35 和第八反射镜36作为两束相干光由第六透镜37会聚于受试者H的右眼38R瞳孔处，两 个相干光点光源在受试者H的右眼38R瞳孔处发生干涉，并在右眼眼底产生一定空间频 率和对比度的干涉条纹；所述计算机E发出指令控制步进电机39带动棱镜12旋转，并 通过棱镜12的转动来调节瞳孔处的两个相干点光源间距距离，从而改变干涉条纹的空 间频率；所述计算机E通过控制的第一光开关4、第二光开关8、第三光开关21和第四 光开关28来实现干涉条纹对比度的调节，其中控制第三光开关21和第四光开关28产 生矩形脉冲，并通过控制矩形脉冲的调制率来实现两路非相干背景光亮度调节；控制第 一光开关4和第二光开关8分别产生具有一定调制率的同步矩形光脉冲，并通过改变每 个周期中开通重叠的时间实现对两路相干条纹对比度调节。

如图3所示，本发明的控制系统的实现为：计算机E的控制主要有步骤一和步骤二 两个部分，

步骤一：主要涉及干涉条纹空间频率的调节。当受到视知觉学习训练方法的要求而 需重新设定(或初始状态时直接设定)眼底干涉条纹频率时，计算机E发出指令控制步 进电机39带动棱镜12旋转，并通过棱镜12的转动来调节瞳孔处的点光源间距d，从而 改变干涉条纹的空间频率。

图4为说明图1所示的训练仪的条纹频率调节装置的示意图。其中4(a)为棱镜12 的整体图，坐标轴为xyz，圆心为o。其中圆心o位于棱镜12的几何中心。4(b)俯视图， z轴方向。4(c)为正视图，x轴方向。如图4所示，在两光束AB和EF在同一水平面内 反向并呈一定夹角地入射棱镜12的左右两个面。假设棱镜12厚度为a，延x轴逆时针 方向旋转角度α，玻璃的折射率为n。由几何关系可知i₁＝α，其中i₁为光束AB(或光束 EF)与棱镜的入射角，联立方程(1)可以解出光束AB和光束EF在z轴方向的平移距离 2h(由于两光束为对称性调节，光束AB或光束EF在z轴方向平移距离为h，因此整体 平移距离为2h)。由此可知光束沿z轴方向平移的距离由其对棱镜的入射角i₁、棱镜12 的宽度a和折射率n决定。优选地，棱镜12为长方体，厚度a为25毫米，材料为冕玻 璃(K9，n＝1.51)，沿x轴逆时针每旋转1度，瞳孔26处点光源间距d改变量约为0.3M 毫米，其中M为透镜组即第三透镜14和第五透镜27(或第四透镜14和第五透镜27) 的横向放大倍率。优选地，第一透镜7和第二透镜11分别将两束光成像于棱镜12的中 心处，且该处与人眼38L(或38R)瞳孔处共轭，保证此处的调节与人眼瞳孔处的一致 性。更为优选地，将棱镜12两个入射表面镀上增透膜以减少由于杂散光形成的干涉。

$\left(1\right)----\left(\begin{array}{c}\frac{\sin i_2}{\sin i_1}=\frac{n_1}{n_2}\\ i_3=i_1-i_2\\ \cos i_2=a/b\\ h/b=\sin i_3\end{array}\right)$

其中i₂为棱镜内的折射角，i₃为入射光线的延长线与折射光线的夹角，b为光线AB 或EF在棱镜内传播的几何距离，n₁和n₂分别为光在玻璃和空气中的折射率，一股地n₁＝n， n₂＝1。

图2所示的光路结构保证点光源间距d的对称性调节，使其能够满足Stiles-Crawford 最大化条件。

顺便提及，Stiles-Crawford效应是用以表示视网膜光感受器方向敏感性。同等强度 的光线，在离瞳孔中心4mm的任何一侧入射到视网膜，其相对光效率只有从瞳孔中央 入射光线的五分之一。因此，瞳孔处点光源间距d的对称性调节能够保证视网膜接受两 光源的强度一致且效率最高，此即前述的Stiles-Crawford最大化条件。

顺便提及，两光强分别为I₁和I₂的相干点光源干涉产生条纹的光强空间分布为：

$I\left(x\right)=I_1+I_2+2\sqrt{\left(I_1{I}_2\right)}\cos \frac{\left(2\mathrm{\pi dx}\right)}{\lambda }$

其中λ为光波波长，d为两相干点光源间距，x是视网膜上对应的空间角距离(angular  distance in radians)。相邻干涉条纹强度变化一周，所对应的干涉条纹的角度为x＝λ/d， 对应1°视角的干涉条纹数(即空间频率)为sf＝dπ/(180λ)。由上述可知，干涉条纹空间 频率的变化可以通过改变两相干点光源间的距离d来实现。

步骤二：主要涉及干涉条纹对比度的调节。条纹对比度的调节主要由计算机控制的 第一光开关4、第二光开关8、第三光开关21和第四光开关28来实现。

图5为说明图1所示的训练仪的条纹对比度基本原理的示意图，对比度定义为： C＝ΔI_coh/(I_coh+I_inc)，其中ΔI_coh为条纹亮度正弦变化幅度，I_coh为相干光在整个视场内的 空间平均亮度，I_inc为非相干光在整个视场内的空间平均亮度。I_coh+I_inc保持恒定，通过 对ΔI_coh的调节来实现条纹对比度从0到I_coh/(I_coh+I_inc)的变化。

第一光开关4和第二光开关8(AOM4和AOM8，图6)用于调节相干条纹对比度 的变化。在不考虑非相干背景光的情况下，相干条纹对比度可定义为C＝ΔI_coh/I_coh，第 一光开关4和第二光开关8作为高速开关用于产生400Hz的方波脉冲。在2.5ms的周期 内，开关开通的时间为1ms(调制率远高于人眼的闪光融合频率)。

顺便提及，当用频率较低的间断的光刺激人眼时，会使人产生闪光的感觉。随着闪 光频率的增高至某一值时，这种感觉会消失，取而代之的是稳定的融合光刺激，这时的 闪光频率称为人眼的闪光融合频率。亮度较高的情况下，闪光融合频率在50-60周/秒之 间，而亮度较低时，则降至5周/秒以下。

如图6所示，两束光脉冲在叠加时间t内发生干涉，t从0到1ms之间的变化直接 对应相干条纹对比度从0到1之间的变化。第三光开关21(或第四光开光28)用于产 生矩形光脉冲，并通过改变脉冲的调制率来调节两路背景光的亮度I_inc。由此，相干条纹 和非相干背景光的亮度共同决定了眼底条纹对比度的值。优选地，所述训练仪中的第一 光开关4、第二光开关8、第三光开关21和第四光开关28是从声光调制器、铁电液晶 开关中选择的。

本发明中采用632.8nm氦氖激光器1发出的相干性较好的激光作为光源。相干光源 由激光直接分束产生，非相干光由相干光通过第一毛玻璃22(或第二毛玻璃29)产生， 保证了干涉条纹与非相干背景光颜色的一致性。

本发明中训练仪中的交互设备F包括小键盘和声音装置。键盘具有上、下、左、右 及确定等键，方便受试者在测试中进行判断。声音装置能够在测试或训练过程中提供适 当的声音反馈。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

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。