Investigating a Perceptual Approach for Optimizing Geometric Distortions of Progressive Addition Lenses

Abstract

Als Teil des natürlichen Alterungsprozesses des Auges wird das Fokussieren naher Objekte mit zunehmendem Alter schwieriger. Jeder ist von dieser Alterssichtigkeit (Presbyopie) betroffen, wobei die ersten Probleme von unscharfer Sicht in der Nähe in unseren Vierzigern auftreten. Viele alterssichtige Menschen tragen Gleitsichtbrillen, die scharfes Sehen in unterschiedlichen Entfernungen ermöglichen. Dies wird durch eine allmähliche Zunahme der optischen Brechkraft zum unteren Teil der Linse erreicht. Eine solche Änderung der Brechkraft führt jedoch zu optischen Aberrationen: Geometrische Verzeichnungen beeinträchtigen die visuelle Wahrnehmung des Brillenträgers durch ungleichmäßige Vergrößerung und Krümmung des Bildes. Besonders während dynamischer Situationen führt dies zu einem unnatürlichen und unangenehmen Seheindruck. Dieser sogenannte "Swim Effect'' ist nicht ausreichend verstanden. Die Optimierung neuer Brillengläser hin zu einem weniger unangenehmen Seheindruck erfordert es, den Zusammenhang zwischen Wahrnehmung und dem Verlauf der Verzeichnungen im Brillenglas zu untersuchen. Diese Thesis befasst sich mit Ansätzen der objektiven Quantifizierung der durch Verzeichnungen hervorgerufenen perzeptuellen Effekte während natürlichen Verhaltens. Ein Fokus liegt dabei auf der Anwendung einer Verzeichnungssimulation, sowohl für psychophysische Experimente als auch für mathematische Modellierung.

In der ersten Studie präsentiere ich Ergebnisse, die die Fähigkeit unseres visuellen Systems zur Adaptation an Verzeichnungen zeigen, selbst wenn diese, wie bei Gleitsichtbrillen, räumlich variieren. Brillenträger nehmen jedoch nicht ein konstantes Verzeichnungsmuster wahr, da Augenbewegungen die Verzeichnungen ständig innerhalb des visuellen Feldes verschieben. Die zweite Studie untersuchte, wie sich diese Unterschiede in der Blickrichtung auf die Wahrnehmung von Eigenbewegung ausüben. Durch ein Modell, das die wahrgenommene Bewegungsrichtung anhand des optischen Flusses schätzt, simulierten wir zunächst den Einfluss von Verzeichnungen und Blickrichtung. Anschließend wurde die Modellschätzung in einem psychophysische Experiment mit einer Verzeichnungssimulation in Virtual Reality validiert.

Um die Untersuchung auf ein breiteres Spektrum möglicher perzeptueller Effekte zu erweitern, erlaubte die dritte Studie den Versuchsteilnehmern freies Verhalten in einer realistischen virtuellen Umgebung. Die Verwendung eines Triplet-Paradigmas und Anwendung von ordinaler Einbettung erlaubte die Schätzung einer psychophysischen Skalierungsfunktion, die die relative wahrgenommene Verzeichnung in Relation zu den getesteten Verzeichnungsstimuli quantifiziert.

Die untersuchten Methoden ermöglichen einen neuen, auf die Wahrnehmung ausgerichteten Ansatz der Optimierung optischer Abbildungssysteme. Dabei ist die virtuelle Simulation optischer Aberrationen zur Anwendung psychophysischer Methoden ein zentrales Konzept für zukünftige Forschung und Entwicklung, mit möglichen Anwendungen auch außerhalb von Brillengläsern.

Presbyopia is the age-related decrease in the eye's capability to focus close objects. Everyone is affected by this process, with most people experiencing their first problems with blurry near vision in their forties. Presbyopes often wear glasses with Progressive Addition Lenses (PALs) that enable clear vision at multiple distances through a gradual change of optical power throughout the lens. This gradient in power inevitably leads to optical aberrations: geometric distortions impact visual perception by unevenly magnifying and curving the wearer's image of the environment. Especially during dynamic situations, distortions cause unnatural and uncomfortable perception of the environment. This so-called "swim effect'' is not well understood. To improve new spectacle lenses for reduced discomfort, it is necessary to study the relationship between perception and the shape or strength of distortions. This thesis investigates approaches for objectively quantifying the perceptual effects of distortions during natural behavior. A key focus lies in employing a distortion simulation for psychophysical experiments and mathematical modeling.

In the first study, I present results demonstrating that the visual system can adapt to distortions, even when these geometric distortions vary across the visual field, as seen with PALs. However, the perceived distortion pattern of spectacle lenses is not fixed, since eye movements constantly change the part of the lens through which the gaze is directed. The second study tested how perception changes with different viewing directions. We used a model for heading estimation from optic flow (the motion vector field perceived during self-motion), to estimate the influence of distortions and gaze direction. The model estimation was validated in a psychophysical experiment using a virtual simulation of PAL distortions.

To extend the analysis to a broader spectrum of perceptual effects, the thesis concludes with a virtual reality experiment testing distortion perception during free behavior in a natural environment. Using a triplet paradigm with ordinal embedding we derived psychophysical scaling functions, which objectively quantify the relationship between perception and tested distortions.

The investigated methods introduce a new, perception-oriented, approach for improving distortions of optical imaging systems. Simulating optical aberrations for applying psychophysical paradigms is a key concept for future research and development, with potential applications beyond spectacle lenses.