JP4942661B2 - 個人の頭及び眼の動きを考慮した眼鏡レンズの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は眼科用レンズの設計方法に関する。特に、本発明は個人の頭及び眼の動きを考慮した眼鏡レンズの設計方法を提供するものである。本発明はまた、個人に合わせて作成するレンズの設計方法を提供する。

屈折異常症の矯正に眼科用レンズを使用することは公知である。例えば、プログレッシブアディションレンズ（「ＰＡＬ」；Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ Ａｄｄｉｔｉｏｎ Ｌｅｎｓ）のような多焦点レンズが老眼の治療に用いられる。ＰＡＬのプログレッシブ面は、遠焦点から近焦点へと屈折力を連続して漸次に増加させることで遠視野から徐々に中視野、そして近視野が与えられる。

眼鏡レンズの設計方法は多数知られている。一般に、これらの方法は、既知の設計のベンチマーク評価を行うことや、光学的な制御パラメータの理論目標値を得ること、患者の主観的評価を得ること、そしてレンズ設計のための客観的なテスト方法を用いることのうち、それらの１つ以上を含む。

こうした設計方法の不具合の１つは、レンズ上の適正な位置に対して、患者の評価と客観的テストとを関連付けていないことである。従って、個人が所定の作業を行う際に当該個人の視線がレンズ表面と実際に交差するポイントは、レンズ設計者によって計算されたポイントと異なる場合が多い。これによって、レンズ着用者、特にＰＡＬ着用者は、レンズを通して適度な視覚的分解能を維持するために眼や頭を動かすことを余儀なくされる。

また、特定のパラメータはレンズ着用者にとって最適な視覚上の快適さを支配することが知られている。これらのパラメータには、限定しないが、視覚の鮮明度、長時間使用における快適さ、焦点の変え易さ及びレンズ着用者が必要とする頭や眼の動き量がある。従来の設計方法は、これらのパラメータを正確に明らかにしてはおらず、またこれらのパラメータの１つ以上を取り入れたメリット関数の定義を要する設計最適化処法に対して指針を何ら提示していない。従って、こうした不具合を克服するレンズ設計方法が必要とされる。

本発明では、プログレッシブアディションレンズを含む眼科用レンズの設計方法、及び本方法により作成されるレンズを提供する。本発明の方法によって、レンズ性能に関する個人の主観的評価と、個人に対するレンズ性能の客観的測定とを直接的に相関させることが可能となる。本方法は、個人の頭及び眼の動きに基づいたレンズ設計を創出し、特別注文で作成されるレンズの設計を可能にする。

従来のレンズ設計方法では、光学的な制御パラメータを正確に設計することができない。例えば、ＰＡＬの場合に、制御パラメータには、限定しないが、遠視野の幅、中視野の幅つまりチャネル幅、近視野の幅、チャネル長、望ましくない最大の非点収差値、パワー（屈折力）勾配、及び設計上の光学的中心から望ましくない最大の非点収差までの距離を含む。単焦点レンズの場合には、制御パラメータは、公称球面度数０．２５ジオプタ以下の球面度数とされる輪郭部の半径や、０．２５ジオプタ以下の望ましくない非点収差をもつ輪郭部の半径、及びレンズの光学的中心における目標値から−０．２単位未満の視力となる輪郭部の半径である。

一実施形態において、本発明は眼鏡レンズの設計方法を提案し、この方法は、
ａ）第１の設計を有する第１のレンズを提供するステップと、
ｂ）前記第１のレンズについて少なくとも１つの注視ポイントを特定するステップと、
ｃ）前記少なくとも１つの注視ポイントを用いてレンズ性能に関する情報を得るステップと、
ｄ）前記ステップｃ）で得られた情報を用いて前記第１の設計を修正し、第２の設計を有する第２のレンズを提供するステップと、を含み、基本的にはこれらのステップのみからなる。

本発明のために、「注視ポイント（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｒｅｇａｒｄ）」又は「ＰＯＲ」は、個人の視軸がレンズと交差する、前方つまり物体側のレンズ表面上のポイントを意味するものとする。また「視軸（ｖｉｓｕａｌ ａｘｉｓ）」とは視線、つまり、視認対象と観察者の眼窩との間の、眼の節点（ｎｏｄａｌ ｐｏｉｎｔ）を通る視線を意味する。節点とは、眼のような光学系において対をなす理論的なポイントであり、この場合、軸外光線が対をなす一方のポイントに向けられる場合に、光線は、軸外光線と同じ方向で系を離れて、対をなす他方の節点から出るようにみえる。

本発明は、単焦点又は多焦点の眼鏡レンズの設計に用いることができるが、その最大の有用性はプログレッシブアディションレンズの設計に見出すことができる。「プログレッシブアディションレンズ」又は「プログレッシブレンズ」とは、少なくとも１つのプログレッシブアディション面を有するレンズを意味する。「プログレッシブアディション面」又は「プログレッシブ面」は連続した非球面であって、これは遠視野用ゾーン及び近視野用ゾーン、中視野用ゾーン及び近視野用ゾーン、あるいは遠視野用ゾーン、近視野用ゾーン及び中視野用ゾーンを有しており、ここで中視野用ゾーンは、遠視野用ゾーンと近視野用ゾーンとを繋ぐように、屈折力を増加させ又は減少させる領域である。

本発明による方法の第１ステップにおいて、第１のレンズは従来から利用可能な方法によって提供される。このレンズは、市販のソフトウェアであるＺＥＭＡＸ（登録商標）、ＣＯＤＥＶ（登録商標）、ＯＳＬＯ（登録商標）などを用いて設計できるが、これらのソフトウェアに限定されない。レンズは通常、レンズの各表面を明確に表現することで設計される。例えば、レンズの１つ又は複数のプログレッシブ面は、連続性、微分連続性又は２次微分連続性をもつ形状として明確化されて表現される。規定された表面が採り得る形状は、当該表面の形状を表現するために用いる要素の密度又は係数によってのみ限定される。好ましくは、第１のレンズは、前方すなわち物体側の表面と、後方すなわち眼側の表面の両方がプログレッシブ面とされたレンズである。

第１のレンズの設計が完了してから、第１の設計によるレンズは、任意の好適な方法により製造される。このようなレンズの製造方法には、限定しないが、半製品などのガラス又はポリマー材の機械加工、射出又は注型などによる鋳造、あるいは機械加工と鋳造の組み合わせが挙げられる。

本発明の第２ステップでは、レンズは、１人又は複数人について、１つ以上の注視ポイント、好ましくは複数の注視ポイントを特定するために用いられる。個人の集合（母集団）に対する１つ又は複数の注視ポイントを特定することで、各注視ポイントの平均的な位置を調べることができる。設計者はＰＯＲの情報を用いて、作業遂行に用いるレンズの領域を特定することができる。好ましくは、プリズム基準点又は好ましくはフィッティングポイントを遠距離ＰＯＲの中心に置くことにより、レンズ全体の外形をＰＯＲに合わせることが望ましい。プログレッシブアディションレンズの場合には、近距離域の中心が近距離ＰＯＲの中心に置かれ、これにより、チャネル長及びレンズのインセット量が決まる。これに代わって好ましくは、特定の個人に対して、光学的中心をＰＯＲに位置させることができる。また好ましくは、対象物を少なくとも２つの距離で個人が視認している間に、複数のＰＯＲをマッピングしてもよい。さらに好ましくは、このマッピングについて、対象物を遠距離位置、近距離位置及び中距離位置で見ている間に実行する。

なお、「遠距離位置」とは、眼から約８０ｃｍを超える距離をおいた位置を意味する。また「中距離位置」とは、眼から約４５ｃｍから約８０ｃｍの距離をおいた位置を意味する。「近距離位置」とは、眼から約５ｃｍから約４５ｃｍの距離をおいた位置を意味する。

本発明の方法では、注視ポイントは、市販されている頭及び眼の運動測定装置を改変したものを用いて測定可能である。商業的に入手可能とされる任意の好適な眼球運動の測定装置として、限定しないが、ＩＳＣＡＮ（登録商標）、ＥＴＬ−４００、ＲＫ−７２６ＰＣＴを使用して改変することができる。また、商業的に入手可能とされる任意の好適な頭部運動の測定装置として、限定しないが、Ｐｏｌｈｅｍｕｓ社製の「ＩＮＳＩＤＥＴＲＡＫ」（登録商標）、「Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｈｅａｄ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ」などを使用して改変することができる。典型的には、本発明の方法の使用に好適な、眼及び頭の運動測定装置は、ヘッドマウント型の記録装置、眼及びシーン画像装置及びコンピュータを含む。

本発明を使用する場合に、市販のシステムは、１つ以上のシーンカメラを提供するために改変され、該カメラはレンズ着用者の眼鏡レンズに向けられる。このシーンカメラは、Ｅｌｍｏ社製「ＭＮ３０ ＬＩＰＳＴＩＣＫ」（登録商標）カメラのような市販の小型ＣＣＤ装置とされる。

また、頭及び眼の動きシステム用のキャリブレーション技術については、眼球運動に対するＰＯＲを較正できるように改変する必要がある。このキャリブレーションの改変は、任意の好適な方法で行える。キャリブレーションの一方法では、影又は反射のない赤外線画像を生成するようにカメラが調整されて、瞳孔及び角膜反射コントラストが調整される。個人の眼の動きは、眼球運動装置のキャリブレーションルーチンを起動させて、固定した目標物上での５つのポイントの各々に個人の視線を固定させることによって較正され、その際には、ソフトウェアが角膜反射に対する水平（ｘ）及び垂直（ｙ）での画素位置の値、又は角膜表面から反射される光源像、及び既知の眼球運動に対応する瞳の中心を自動的に記録する。この既知の眼球運動は、正確な位置が分かっている固定した位置を個人に見てもらうことで測定される。普通は、１つの中心点と、この中心点から５°上方、５°下方、５°左方、５°右方とされる４点が用いられる。これら値は、瞳孔及び角膜反射の画素位置を注視の角度値に変換するために、ソフトウェアによって用いられることになる。

ＰＯＲを較正するために、オクルーダが用いられる。このオクルーダは、任意の好適な材料、例えば、５つのピンホールパターンを持った、一片のＮｏ．８８Ａ Ｋｏｄａｋ Ｗｒａｔｔｅｎゼラチンフィルタで作成できる。これらピンホールのサイズ及び配置は、それらの位置が知られている場合には重要でない。フィッティングポイントに位置する中央のピンホールを有し、５ｍｍ×５ｍｍの正方形に配置した０．６ｍｍのピンホールを用いると都合が良い。このオクルーダは、単焦点レンズ又はプログレッシブアディションレンズ上に位置して、オクルーダの中央の孔がレンズの光学的中心又はプリズム基準点に位置する。個人は、ピンホールの各々を通して小型ＬＥＤスクリーン上を凝視する。凝視の手順は重要ではないが、中央、左上、右上、左下及び右下を使用するのが便利である。各孔の位置に対するｘ方向及びｙ方向の画素値は、画面に表示される位置から観察装置によって記録され、各孔を視認する際の凝視角度が装置のソフトウェアにより記録されて、凝視位置をＰＯＲと相関させる。任意選択として、フレーム及びキャップ（上限）の動きの一方又は両方を補正できるように、眼に対するフレーム及びキャップの位置を捕捉するサードパーティボードを含むことができる。

図１は、本発明の実施に有用な装置の一実施形態を示している。図示のように、Ｐｏｌｈｅｍｕｓ社製ＩＮＳＩＤＥＴＲＡＫ（登録商標）の頭部運動検出用センサ１２は、人の頭部に位置され、眼鏡レンズ１３は人の眼の前方の適切な位置に配される。センサ１２の前部に付設されているのは、シーンカメラ１４及びアイカメラ１６である。ビームスプリッタ１１は、可視光を透過させ赤外光を反射するように位置する。好適なビームスプリッタは、例えばダイクロイックホットミラーとして用いることができる。オクルーダ１９は、レンズ１３の前面に示されている。赤外光源１５は、本システム用の照明光を提供する。適切なＩＲ光源は既知であって、ほぼ８５０ｎｍ（ナノメートル）のピーク波長を有する発光ダイオードが挙げられるが、これに限定されない。シーン及びアイカメラからの画像は、シーンモニタ１７及びアイモニタ１８にそれぞれ伝送される。パーソナルコンピュータ２０が用いられ、このコンピュータには適切なハードウェア及びソフトウェアが搭載される。例えば、ＩＳＣＡＮ ＲＫ−６２０−ＰＣキャリブレータカード及びＩＳＣＡＮ ＲＫ−４６４−ＰＣキャプチャカードを用いたＰｏｌｈｅｍｕｓ社製のＩＮＳＩＤＥＴＲＡＫ（登録商標）ソフトウェアがある。

本発明の方法に用いるソフトウェアは、例えばＩＳＣＡＮ’Ｓ ＤＡＱ（登録商標）のような分析及びグラフィックソフトウェアとされる。このソフトウェアは、シーン要素すなわち画素を規定し、当該画素を、眼の凝視及びこれに伴う眼球運動カメラにより記録された眼の動きと相関させる。眼の動きは、適切なモニタ上のカーソルの動きにより表され、このモニタは、限定しないが、ソニー社製のＳＳＭ９３０（登録商標）モニタとされる。これにより、眼鏡をかけた状態での個人の眼球運動経路についての視覚的軌跡が与えられる。本システムは、眼の動きを追跡するために、眼及び眼鏡レンズ光学系の入射瞳の中央部を用いる。

各注視ポイントについては、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）、ＭＡＴＨＣＡＤ（登録商標）、ＥＸＣＥＬ（登録商標）、ＱＵＡＴＴＲＯ（登録商標）、ＯＲＩＧＩＮ（登録商標）、ＳＰＳＳ（登録商標）などによる従来の方法を用いて分析されるが、これらに限定されるものではない。例えば、プログレッシブレンズの中距離視界ゾーンへと眼を向けた状態を維持するために個人が頭を動かす必要のある注視ポイントを特定することができる。

一実施形態では、注視ポイントが所定の距離において特定され、当該ポイントについての１つ以上の光学的な制御パラメータが特性化される。これに代わって、眼で様々な距離の対象物を見る必要がある作業を行っている間に、様々な距離での注視ポイントを特定することができる。これにより、個人が用いる様々な視界ゾーンの幅を調べることができる。

２次元でのＰＯＲをプロットした図を作成可能である。例えば、ＩＳＣＡＮ（登録商標）は、下表１に列挙した水平方向及び垂直方向のＰＯＲ値を含むパラメータをテキストファイルに記憶させることができる。そして、このテキストファイルは、ＥＸＣＥＬ（登録商標）にインポートされてソーティングされる。キャリブレーションステップの間に得られる値を用いることによって、ＰＯＲの画素値をレンズ上の位置に変換した後、水平方向及び垂直方向のＰＯＲデータは、統計学的分析及びグラフ化のためにＯＲＩＧＩＮ（登録商標）、ＳＰＳＳ（登録商標）などにエクスポートすることができる。

本発明の方法の第４ステップでは、第１のレンズ設計が、第２の設計仕様をもつ第２のレンズを設計するために得られた情報を用いて修正される。プログレッシブアディションレンズの場合には複数の注視ポイントが特定される場合に、実際に用いる様々な視界ゾーンの幅を、レンズの視界ゾーンの幅の限界と比較することができる。これについては、望ましくない最大の非点収差、つまり１つ以上のレンズ表面により導入され又は引き起こされる最大の非点収差と、眼及び頭の動きのきっかけとなる球面の焦点ずれを特定することによって行われ、これらの情報を用いて、設計されつつあるレンズにおける様々な視界ゾーンの幅を調整することができる。また、近視界ゾーンのインセット角、チャネル長及び位置、望ましくない非点収差の分布及び軸、プリズム形状、両眼視設計特性、非球面性並びに収差補正は、個人的な必要条件に従って修正し、又はサンプルとなった個々人の平均値によって修正することができる。

この修正は都合の良い方法で行うことができ、こうした方法は当該技術において公知である。例えば、好適な光学設計アルゴリズム及びソフトウェアは、光学特性の全般的な指標を与えるように構成したメリット関数又はコスト関数を修正するために用いることができる。メリット関数は、レンズ表面上での選択ポイントにおける、望ましくない非点収差値の総和を表すために用いることができる。メリット関数を構成する際、光学系の面積要素の各領域に対して所望の重み付けを与えるために、重み付け係数のリストが用いられる。その後、この重み付け係数のリスト、又はｘ座標及びｙ座標の関数として重み付け係数を表す関数の修正を行うことができる。また、光線追跡ソフトウェア又は同様のツールを用いて、面により与えられる画質を分析するとともに、必要に応じて、さらにその重み付け係数又は関数を修正する。

本発明は、統計的な多人数から得られる測定値をもとに導出される平均的なＰＯＲ値に基づくレンズ設計に使用できる。代替的にそして好ましくは、本発明を用いて、個人の頭及び眼の動きを調べることや、個人の視覚傾向に合わせて特別注文で作成されるレンズを設計するために収集した情報を直接使用することができる。

次に本発明を、以下に示す限定的でない実施例によってさらに明らかにする。

被験者の各々について、被験者が３つの看視作業を行う際の、注視ポイントの２次元的記録と、眼球及び頭部の運動を、単焦点レンズ及びＰＡＬレンズで比較した。使用したレンズはＳＯＬＡ ＶＩＰ（登録商標）と、ＳＩＬＯＲ ＳＵＰＥＲ ＮＯ−ＬＩＮＥ（登録商標）プログレッシブアディションレンズとした。テストするレンズの各々の光学的中心を決め、従来の方法でフィッティングクロスにて印を付した。中央、左上、右上、左下及び右下に配置した５つの０．６ｍｍの孔をもったゲルフィルタ（Ｋｏｄａｋ Ｗｒａｔｔｅｎ Ｎｏ．８７Ｃ）が、左眼のレンズの前面に対して中心を合わせて付設された。中央の孔を、レンズのフィッティングクロス、すなわち瞳孔に中心を合わせたレンズ上のポイントに位置させた。このフィルタは可視光を遮断し、赤外光を透過させることができ、頭及び眼の動きが記録された。個人のもう一方の眼はキャリブレーション中に覆われたが、測定中は覆わなかった。

被験者は、フィルタの中央の孔を通して目標物を凝視し、その凝視点の画素値がコンピュータに入力された。被験者の頭を回して、被験者は、残り４つの孔の各々を通して同じ目標物を凝視し、その凝視点の値が、ＩＳＣＡＮ（登録商標）プログラムのＰＯＲキャリブレーションルーチンにより捕捉された。このソフトウェアでは、ビデオ画像における眼の水平位置及び垂直位置を角度に変換するために、眼の動きのキャリブレーションを利用した。そしてＰＯＲキャリブレーションによって、それらの値を、眼で見ているレンズ上の位置（ＰＯＲ）と相関させた。ソフトウェアはその後、眼の動き及びＰＯＲの双方を記録した。

各被験者は１５秒乃至２０秒間に亘って、眼から３２５ｃｍ、６４ｃｍ及び４０ｃｍの距離をおいた中央線に沿う文字を凝視した。また各被験者は、６４ｃｍの距離をおいて１７°の角度で３０°幅のテキストを読んだ。そしてさらに各被験者は、自分の頭を固定したままで、注視点を水平方向において左右にずらし、これを６４ｃｍと３２５ｃｍの距離でレンズを通して文字がぼやけて見えるまで行った。

病変がなく、両眼の機能不全のない２０／２５以上の視力を持つ３人の被験者を使った。各人は眼及び頭の運動の装置を着けてその場に座り、両眼視の状態で左眼が測定された。各被験者は、下表２に示す３つのレンズを各々に着用し、これらのレンズは、被験者の屈折異常を充分に矯正した。その結果である表２は、適合位置に対する３人の被験者の好適な遠距離ＰＯＲ及び近距離ＰＯＲ、並びに単焦点レンズで計算した眼の経路長（ｐａｔｈ ｌｅｎｇｔｈ）のデータを示している。これらデータは、プログレッシブアディションレンズに与えられたチャネル長（典型的には１５ｍｍ以上）が、単焦点レンズで作業を行っているときに被験者にとって好ましいとされる長さに比して長いことを示唆している。

表２において、正値はＰＯＲが予期される位置よりも上であることを示す。

表３では、異なる２つの作業についての中間ゾーンに対するＰＯＲの所見が要約されており、テストレンズのベンチ測定から調べたものである。これらデータは、単焦点レンズと比べて、プログレッシブアディションレンズは、中距離における所望のゾーン幅を限定しており、異なる作業によって異なる有効幅をもたらすこと、そしてプログレッシブアディションレンズの中間ゾーン幅に用いる定義上の基準が被験者データから得られる基準とは合致しないことを示唆する。

表４に示すように、プログレッシブアディションレンズの或るブランドの追加テストにより、遠距離、中距離及び近距離での作業のＰＯＲは、予期され又は規定された位置（すなわち、遠用フィッティングクロス、遠距離フィッティングクロスと中距離ゾーンでの近用参照円及び近距離での近用参照円との間の距離の２分の１）と一致しなかった。これらの所見は、被験者がプログレッシブアディションレンズの光学設計特性に適応するように自らの視覚選好を全く変えようとしないことを示唆している。

本発明について、頭部運動及び眼球運動の装置を示す概略図である。

Claims (11)

1. 眼鏡レンズを設計する方法であって、
   ａ）第１の設計を有する第１のレンズを提供するステップと、
   ｂ）前記第１のレンズについて少なくとも１つの注視ポイントを特定するステップと、
   ｃ）前記少なくとも１つの注視ポイントを用いてレンズ性能に関する情報を得るステップと、
   ｄ）前記ステップｃ）で得られた情報を用いて前記第１の設計を修正し、第２の設計を有する第２のレンズを提供するステップと、を有する方法。
2. 前記第１のレンズは、単焦点レンズである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のレンズは、プログレッシブアディションレンズである、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１のレンズの前面及び背面は、プログレッシブアディション面である、請求項３に記載の方法。
5. 前記ステップｂ）は、２つ以上の異なる距離において個人が対象物を視認する際に、複数の前記注視ポイントを特定することをさらに有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記対象物は、目から８０ｃｍ以上の距離における位置、目から４５ｃｍまでの距離における位置及び目から４５〜８０ｃｍの距離における位置において視認される、請求項５に記載の方法。
7. 前記ステップｂ）は、少なくとも１つの前記注視ポイントに関する母集団の平均的な位置を特定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記ステップｄ）は、視界ゾーンの幅、近視界ゾーンのインセット角、チャネル長、チャネル位置、望ましくない非点収差の分布、望ましくない非点収差の軸、プリズム形状、両眼視設計特性、非球面性又は収差補正のうち、１つ以上を修正することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 請求項１に記載の方法において頭及び眼の動きを測定することにより前記注視ポイントを測定する装置であって、頭部運動のセンサと、シーンカメラと、アイカメラと、シーンモニタと、アイモニタと、赤外光源と、可視光を透過させて赤外光を反射可能なビームスプリッタと、を有する装置。
10. 眼鏡レンズと、該眼鏡レンズの光学的中心に位置したオクルーダとをさらに備える、請求項９に記載の装置。
11. 眼鏡レンズと、該眼鏡レンズのプリズム基準点に位置したオクルーダとをさらに有する請求項９に記載の装置。

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