在本方案中，我们概述了眩光视力装置的概念设计要素和结构开发。此外，还描述了一种用于测量正性眩光现象（如光晕、辐条状光线）和两点光阈值的设备的设计。
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摘要
摘要
眼内散射及其相关的功能表现是导致交通事故的主要原因，也是角膜和晶状体等眼部隐性及显性疾病的显著生物标志物。然而，目前几乎所有测量光散射行为后果的方法都存在各种局限性，主要体现在构念效度和内容效度的不足：即这些测量方法未能充分反映真实世界条件（如人工光源与自然阳光的差异）或日常视觉任务（如在视觉要求较高的条件下进行识别）。
本方案描述了两种新颖且具有生态效度的方法，用于通过量化眩光条件下的散射几何特征和视觉识别能力来测量眼内散射的行为效应。前者通过评估明亮点光源所产生的光晕和辐条直径来测量；光扩散（本质上是使用瑞利判据确定的点扩散函数）则通过测定两个宽带光源小点之间可感知的最小距离来量化。后者基于透过孔径投射的强光所形成的字母识别来进行评估。
引言
眩光通常被定义为由于眼内介质中的散射导致光学清晰度下降的现象。这种散射会扭曲视网膜上的图像呈现，从而造成视觉场景的紊乱表征。大多数与眩光相关的重大事故均源于白天由太阳引起的眼内散射1。这一成因意味着一天中的时间与季节（太阳位置）以及驾驶员的年龄均为重要影响因素2,3。鉴于眩光在安全问题上的重要性，已有若干方法学研究聚焦于用于检测个体与群体差异的（主要是商用）设备4。这类设备通常表现为在视力表或光栅周围设置明亮光源（通常是卤素灯或荧光灯）。根据个体特征（例如眼内色素沉着、晶状体密度）的不同5，邻近的光源会产生遮蔽性亮度，从而降低视觉表现。乍看之下，这些任务似乎具有较高的表面效度。如图1A、B所示，散射增加会直接遮蔽物体，现有的测试确实能够捕捉到由眩光源强度和个人特征所引起的变异。然而，这些测试存在若干缺陷6，且未能评估散射的许多重要方面。其中第一个也是最明显的问题是，日常生活中最常见的眩光源是太阳。
眼内散射对波长具有复杂的依赖性，这种依赖性会因年龄和眼部色素沉着而进一步加剧7。测试光源若在一定程度上偏离这种自然光源，其在这些条件下预测视觉功能的能力可能会受限。常见的测试使用白色发光二极管（LED）或侧置卤素灯。在一项针对2,422名欧洲驾驶员的早期研究中，van den Berg 等人指出，眼内散射与视力是影响受试者视觉质量的相对独立的预测因素（散射与视力之间无相关性）4。然而在现实世界中，眩光通常直接来自被观察的物体本身。眩光可能来自上方（例如太阳）或侧面（例如汽车前灯），但其产生的遮蔽光亮度恰好位于视线正前方。在本研究中，研究人员试图通过选用一种与正午日光光谱高度匹配的光源（图2），并设计一种基于识别（而非简单检测）的任务来解决上述两个问题，同时使任务目标和光照刺激均位于观察者的直接视线上。
除了因眩光导致的亮度降低而影响视锐度（视线方向上的散射）外，许多情况还会影响眼内散射的实际几何分布（即不仅限于黄斑区内的前向光散射），从而损害视力。这种现象通常表现为光晕和辐条状伪影（或在严重影响时表现为正性眩光症（PDP））（示例见图3）。PDP是接受过LASIK屈光手术的个体中常见的副作用8，也见于白内障患者（临床上常称为"难以耐受的" PDP9——这一人群约占70岁及以上人口的一半）。白内障手术本身往往无法纠正PDP，因为手术会在角膜中产生不均匀性，人工晶状体在晶状体囊袋内的位置不理想，且许多晶状体设计在解决老视等问题的同时，又引发了辐条状伪影和光晕等新问题。例如，Buckhurst等人研究表明，不同设计的透明人工晶状体（IOL）在眼内散射方面差异不大，但多焦点晶状体会引起显著的PDP10。
首个用于精确测量视觉光晕/光辐的晕轮测量仪由 Robert Elliot 于 1924 年描述。该设备本质上是一个装有小孔和滑尺的盒子中的灯（更早的版本使用蜡烛产生的视觉效应图样）。此后出现了多种基于这一理念的变体9，直到一种名为阿斯顿晕轮测量仪（Aston Halometer）的设备最终进入市场。该设备10,11基于平板电脑中心的一个明亮白色 LED（受试者在光斑以 0.5° 步长向外周移动时识别平板周围出现的字母）。如前所述，这种设计的一个问题是白色 LED 与太阳光谱匹配度不佳。另一个问题是光源（单个 LED）亮度不足以诱发明显的光晕和眩光辐条。研究人员采用了 Bangeter 遮蔽膜（本质上是一种漫射器）以增加光散射（并减少平板表面的镜面反射）。然而，这种方法存在混淆光源的风险（即大部分散射来自漫射器本身，而非眼睛内部的不均匀性——而这正是需要量化的变量）。新设计的晕轮测量仪具备多项功能以解决上述问题。首先，它采用宽带氙灯作为太阳模拟器12，并结合 Elliot 最初引入的孔径方法，使用精密定中的卡尺进行测量。
形成中心孔径的光屏蔽具有额外优势，即可以将其分离成两个较小的孔径，并缓慢分开以测量光扩散（本质上是一种行为衍生的点扩散函数；参见 图4）。该设计目前已在多项近期研究中用于评估光致变色隐形眼镜的光学特性13综合测量光晕和光辐的直径、两个点光源之间的最小距离（光扩散）以及眩光视力，不仅涉及 那 患者在真实世界条件下会因眩光而感到不适，但同时也 如何眼内光散射的行为效应并非单一现象4,14,15这些变量各自解释了视觉功能变异中相对独特的方面。例如，光晕主要由晶状体引起的前向光散射产生；而放射状光条（本质上是睫状冠）则源于光学路径中微小颗粒散射导致的衍射和像差。14,16.
方案
注意：以下方案中概述的程序遵守所有与人类受试者研究相关的机构指南。本研究已获得佐治亚大学机构审查委员会的批准，实验操作均遵循《良好临床实践指南》以及《赫尔辛基宣言》中的伦理原则。
1. 构建眩光视力检测装置
注意：系统的概念图如图5所示。
- 从一张光学平台开始，在实验台后端安装一台1000 W的氙弧灯及其配套电源（见图5中的a）。
注意：最佳选择是带有安装孔网格的面包板式光学平台，通常为25 mm间距的M6螺纹孔。所需最小尺寸约为91 cm × 122 cm。此类系统的一个局限性在于，如果光源输出不稳定（在单次实验内或跨实验会话之间），微小的变化可能被误判为行为阈值的变化。因此，务必确保电源配备高精度调节功能和光学反馈传感器，以保证在不同实验会话及长时间运行中光输出的稳定性。 - 安装第一片透镜，使其位于能将光源发出的光准直的位置（见图5中的b），并引入一个光学元件以消除强光源在光学系统中产生的热量（见图5C）。
注意：系统中的所有透镜均为带抗反射涂层的平凸消色差透镜。有效焦距约为100 mm，直径约为5 cm（略大于光源出口孔径）。可使用红外滤光片来去除热量，但这类滤光片常会侵入可见光谱范围。水浴是一种良好的替代方案。在当前系统中，两个光学平片夹持一根充满水的管子。 - 在光学系统中加入下一片透镜（见图5中的d），用于将光线聚焦到100 mm圆形中性密度滤光片上的一个小点（见图5中的e），该滤光片可在约2个对数单位的光学密度范围内线性衰减光线。通过与电位计耦合的数字读出装置确定滤光片的标称位置（见图5中的j）。使用经校准的辐射计测量实际透射光量，以对应圆形滤光片的位置，并定期确认整个实验过程中系统内的总能量保持恒定。
注意：由于滤光是在梯度上完成的，因此光线在穿过圆形滤光片时需聚焦至一个相对较小的区域（4–9 mm2）（此位置也适合使用小孔径光阑进行遮光，仅允许聚焦光通过）。- 使用机械快门或简单的遮挡滤光片及支架，在试验间歇阻断刺激（见图5中的f）。
- 向系统中添加下一片透镜，即准直透镜（见图5中的g），其位置应使光线扩展至与每个字母孔径的直径相匹配（10.16 cm），从而完全照亮视标（7.62 cm）。
- 制作字母孔径或购买金属模板：P、L、D、U、Z、E、T 和 F（见图5中的h）。将字母孔径安装在一个圆形旋转器中（以便于字母之间的快速切换），并配备弹簧加载的卡扣和定位凹槽，以固定每个字母的位置，确保实验过程中转轮不会移动。
注意：字母孔径尺寸约为15 mm × 6 mm × 25 mm（约0.17°），选择这些字母是因为它们是经典的Sloan视标，且大小相近。在本系统中，字母孔径处测得的亮度为4000 lux；在眼睛平面处测得为40 lux。 - 接下来，对系统进行遮光处理，使受试者只能看到背光照明的字母孔径（例如从"E"发出的强光）。例如，将光学系统置于一个房间，受试者位于相邻房间。在连接两个房间的门上开一个孔，并对准位置，使受试者无法看到实验人员或杂散光。若受试者无法听清实验人员的指令，可增加一套对讲系统。
- 为确保眼睛相对于视觉系统的位置较为精确，需设计某种形式的头部和下巴托架组件——使用安装在黑色管子上的橡胶眼杯（两者均安装在可移动推车上）。如本方案所述，在管子后方增加一个支架，以便使用标准试镜片矫正屈光不正（即无染色镜片）。
注意：使用试镜片的同时，也可使用玻璃"空白"镜片，以确保无需屈光矫正者的光学效应与需要屈光矫正者保持一致（见图5中的i）。- 此外，确保观察站固定牢固，避免在不同受试者之间发生移动。使用激光水平仪确保目镜与光学系统对齐（距离眼睛平面7 m）。
2. 眩光识别视力的测量
注意：在实验开始前，需确认系统内所有光学元件均已对准，光强（无衰减时）正确，且受试者的眼睛处于合适位置。随后向受试者说明任务内容（字母识别），并以随机顺序呈现不同强度水平的刺激。实验目标是确定受试者仍能正确识别单个字母的最高光强水平（实际阈值以75%的正确检测率定义，即8次中正确6次）。
- 先使用极限法（以接近阈值），然后使用恒定刺激法，以获得受试者眩光识别视力阈值的精确值。
注意：虽然存在更精确的心理物理学方法（如信号检测法、强迫选择法），但本方法的选择是基于测量次数和时间限制的考虑。 - 使用随机字母生成器将轮盘上的字母排列成一种独特且随机的顺序。用于孔径的字母应选择在其他识别任务中常用的字母（例如Snellen视力表、Sloan字母）。
注意：本方法中使用的字母为 P、L、D、U、Z、E、T 和 F。 - 在开始实验方案之前，通过向受试者展示高于阈值的刺激来说明实验任务的性质。确保受试者了解该任务相对简单：即能否看到字母？进行足够多次的试验，以生成一条心理测量函数曲线，从而推导出准确的概率阈值。
3. 构建卤化物检测仪装置
- 采用相同的步骤1.1–1.2来设置用于这些测量的光学平台。确保光源发出的光照射到光屏蔽板背面足够大的区域（13–14 cm），以便实现两个光点的分离。
- 安装光屏蔽板，并确保其作为挡板使用，阻挡来自光源的大部分光线，使受试者仅能看到来自孔径的光线；同时在屏蔽板上设置一个较小的（约4 mm）孔径，用于光晕/辐条测量。在光屏蔽板背面固定一个数字千分尺，用于测量两个光点之间的物理距离。
注意：该孔径必须由两个相邻且可移动的孔径（每个2 mm）组成，屏蔽板内需包含一个可折叠的挡板，使得当两个孔径分开移动时，挡板能够遮挡两者之间透过的光线。 - 为保持与本实验方案的一致性，请确保在光屏蔽板处测得的光输出为10 cd/m2。
- 根据示意图（图2）13，将中心定位卡尺放置于光屏蔽板与受试者头部稳定位置（简单的颏部和前额托架）之间的空间中。确保卡尺的钳口与4 mm孔径对齐，并位于约13–14 cm的高度。
注意：在受试者一侧贴上一些反光材料有助于清晰观察受试者。卡尺钳口从中心等距移动，其位置由游标尺指示。 - 为保持与本方案所用设置的一致性，请确认光屏蔽板距离受试者眼平面约为100 cm，卡尺距离眼平面约为60 cm。
- 进行两点测量时，使用长焦距透镜。根据透镜的焦距以及光屏蔽板与受试者眼平面之间的距离，确定该最终透镜的精确位置。在进行光晕/辐条测量时，移除该透镜。
注意：本实验设置中使用了一个200 mm的消色差平凸透镜，放置于距眼平面18 cm处（这使得眼睛位于聚焦光束中，但不在聚焦平面上，即眼睛位于最终焦点的前方）。之所以采用此设计，是因为视力极佳且散射较低的个体即使在两个小光点非常接近时仍可能分辨出它们；而聚焦透镜会使光点重叠，并增大区分两点所需的间距。 - 将白色反射标准板置于眼位，并使用伸缩式光谱辐射计对光谱光输出进行辐射度学和光度学测量，以确保可见光谱具有所需特性（本例中为模拟日光，图2）。为更频繁地监测能量输出并使用高灵敏度探测器，可采用配备硅基光电探头的常规辐射计。
注意：此类光输出测量设备可同时提供光谱曲线的形状特征和光度学数值（均在眼位同一位置测量）。
4. 眩光几何结构
注意：在测试前，向受试者展示了自然场景中光晕和星爆现象的示例（见图3）。
- 当受试者对齐后，移动卡尺的钳口，使其刚好包围光晕，然后移动到星爆状或辐条状结构的外缘。通过取两个方向（从内到外和从外到内）测量值的平均值来确定阈值。
- 开始进行两点测量时，确保两个2 mm孔径尽可能靠近；注意此时刺激将呈现为一个单一的明亮光点。缓慢分开两个孔径，并通过位于孔径中心的背向数字千分尺量化距离。从"零点"（即孔径相接）开始，要求受试者指出每个光点的扩散区域不再重叠的时刻（通常一个方向即可获得良好结果）。
- 由于受试者可能与系统发生错位而引入误差，因此应使用带红外功能的小孔径相机，以确保眼睛始终保持在正确位置。
结果
在眩光视力测量中，对20名视力良好的年轻受试者（平均年龄为19岁，标准差（SD）为1岁）进行了测试。图6所示结果表明，在一个相对较亮的光照强度水平下，受试者识别出的字母数量存在差异。分析这些数据的另一种方法是利用正确识别结果绘制心理测量函数，并将阈值定义为8个字母中正确识别6个（即75%正确识别时的能量水平）。如图6所示，即使在测试健康年轻受试者时，个体间仍存在较大差异。
晕轮和轮辐测量的数据如图7A、B所示，来自另一组包含23名年轻受试者的样本（平均年龄为20岁，标准差为4年）。两组样本均招募自佐治亚大学的学生群体。所有受试者均具有良好的视力（20/20），或通过透明隐形眼镜矫正至正常视力。此外还测量了区分两个光点所需的最小距离（即此处的两点分辨阈值，单位为mm）。这些数据如图8所示。
如图6、图7和图8所示，尽管样本具有高度同质性（由视力良好且相对年轻的健康观察者组成），散射的行为测量结果仍存在较大差异。这表明，标准的临床视觉功能测量指标（例如，视锐度）未能量化许多可能影响真实世界条件下视觉表现的视觉属性。
图1：两种夜间驾驶场景。（A）车灯引起的瞳内散射较小，道路上的行人清晰可见。（B）车灯引起的瞳内散射较强，导致道路上的行人被遮蔽。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2：正午阳光（红色）、氙弧灯光源（黑色）和高亮度白光LED光源（蓝色）的光谱分布图。 缩写：LED = 发光二极管。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：PDP症状示例：辐条状（最左侧）、光晕（左侧）、星爆状（右侧）以及两点式光散射（最右侧）。 请点击此处查看此图的放大版本。
图4：点扩散函数的语义表示及汽车前照灯的视觉示意图。 纵轴为相对能量，横轴为视觉角度；视觉图示说明两个明亮光点（前照灯）之间的分离程度可作为其宽度的行为学测量指标。 请点击此处查看该图的放大版本。
图 5：眩光视力检测系统的概念示意图。 系统组件包括 (a) 氙灯光源、(b) 准直透镜、(c) 水浴装置、(d) 聚焦透镜、(e) 圆形滤光片（100 mm 中性密度滤光片）、(f) 滤光片支架、(g) 透镜、(h) 圆形旋转轮上的字母孔径、(i) 屈光矫正（试镜片）、(j) 圆形滤光片电位计的数字读出装置。缩写：CL = 准直透镜；FL = 聚焦透镜；L = 透镜；TL = 试镜片。 请点击此处查看该图的放大版本。
图6：柱状图显示当刺激光亮度保持在较高恒定水平（绝对能量为16,392 cd/m2）时，每位受试者能够识别的字母数量。 请点击此处查看此图的放大版本。
图7：柱状图显示23名年轻健康观察者样本中的个体差异。（A）光晕直径的个体差异图。（B）星爆直径的个体差异图。请点击此处查看该图的放大版本。
图8：柱状图显示两个微小光点不重叠时的最小距离（两点阈值）。 请点击此处查看此图的放大版本。
讨论
眼内散射的视觉影响通常通过眩光致残和不适感来评估17,18。这些方法直接关注强光引起的视觉功能障碍和轻微不适，但并未直接反映其对视力的损害机制。然而，理解“如何”造成损害同样重要，因为眼内散射不仅在强光下影响视觉。即使在低强度视觉图像（例如低亮度、低对比度目标）的情况下，光散射也可能导致图像质量下降。其潜在的光学特性15可通过斯特列尔比（Strehl ratio）、点扩散函数或扩散指数（基本与亮度无关）来描述。另一种方法即使在较低亮度（本实验设置中为10 cd/m2）下也有效，即测量两个点光源之间的分辨距离。点扩散函数较宽的个体需要更大的间距，才能将两个小光点分辨为清晰分离的像。利用瑞利判据法量化两个小点光源扩散程度已有较长历史19。在本研究中，该方法经过改进以提高其生态效度（例如采用模拟正午阳光的白光氙灯）。
图5展示了眩光视力系统的概念示意图。本质上，该系统始于一个明亮的白光源，用于模拟阳光（通常选择氙灯，1000瓦的功率可提供足够的强度）。光源发出的光通过一个对可见光透明的水浴装置进行冷却，随后由一系列透镜调控，形成聚焦且准直的光束。圆形的中性密度滤光片对光进行衰减，然后光线穿过具有字母形状的孔径。受试者坐在与孤立刺激固定的距离处（约7米），每次用一只眼睛观察刺激（通过眼杯固定眼位）。受试者所看到的是一系列自身即为眩光源的字母。当光线对特定受试者而言过于强烈时，便无法持续准确地识别字母。眩光视力阈值可通过多种经典的心理物理学技术来确定。
晕轮测量仪的基本设计与上述眩光视力检测装置类似，可使用相同的光源（高强度氙灯）和光学平台13。两者不同的部分在于引入了一个带有可移动小孔径和中心对准精密卡尺的遮光板。遮光板上的孔径直径为4 mm，由光源从后方照明。宽谱光通过这个小孔后形成一个明亮的点光源，其光线发散（发散模式取决于观察者的光学特性，因此某些人呈现更明显的辐条状，而另一些人则表现为更弥散的晕轮），卡尺用于测量这种发散几何形态。遮光板上的4 mm孔径可分割为两个较小的孔径（每个2 mm），并可缓慢分开，直至两者的光扩散区域不再重叠。该距离（由遮光板上的千分尺记录）被用作行为学测定的点扩散函数（两点分辨阈值）。
通过极限法（升序和降序模式）测定晕（点光源周围的弥散光）和星爆（从点光源向外辐射的同心光线）的直径。研究人员将卡尺的钳口从中心向外移动，直到受试者表示钳口恰好包围晕或星爆区域。在进行两点测量时，将两个微小相邻的孔径缓慢水平分开，受试者在每一点光源的弥散光不再重叠时（例如，首次感知到两点之间出现微小黑隙时）作出判断。该系统的工程技术示意图已由 Hammond 等人描述13。
测量光散射的方式有助于了解问题的性质（及相应的矫正方法）。星爆状光晕（周边放射状条纹）、晕轮、眩光致残和眩光不适各自具有不同的特征。当眼睛因老化、疾病9或手术8而受损时，这些光学现象也会以特定的方式发生变化。例如，晕轮通常表现为相对均匀的朦胧遮蔽，而星爆状光晕则往往不均匀，并向周边延伸。Hammond 等人13对此模式进行了清晰的展示。
这些不同的模式提示需要采用不同类型的矫正方法7。例如，黄斑色素（在黄斑区高度集中的黄色色素）已被证明可用于矫正中心眩光（视线方向上的光晕现象）20。然而，由于这些色素仅存在于视网膜中央凹及其周围区域，因此不会影响该区域以外的光散射21。为此，更理想的方法是在眼球前部结构进行滤光，例如使用有色眼镜22、角膜接触镜13或眼内植入物23。在其他条件相同的情况下，眩光视力最佳的个体能够识别远高于眩光视力较差者的光照强度下的字母。
以往的研究还表明，光散射的测量值与更常见的视觉功能指标（如视力）之间相关性较差4。这促使研究人员开发出一种将光散射直接与视力判断（类似于斯内伦视力表）相结合的测量方法。以往的方法主要基于检测或分辨能力（例如，识别不同频率光栅中的单个条纹），而非识别能力。然而，识别性视力与其他类型的视力一样，依赖于图像中两个元素之间的对比度。光散射会降低这种对比度差异，因此在本研究的眩光视力评估中被作为因变量进行测量。正如这一年轻且高度同质化样本的实证结果所示，在其他条件相同的情况下，个体在真实世界条件下光散射对视觉功能的影响方面存在显著差异。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢 Sarah Saint 博士在收集晕光仪数据过程中提供的帮助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 眩光识别视力： *表示为手工制作的设备 | |||
| 100 mm 圆形中性密度滤光片 | Edmund's Optical | 货号 #54-082 | |
| 1000 W 氙弧灯灯泡 | Newport | 型号 6271 | |
| 光学面包板平台 | Newport | 型号 IG-36-2 | |
| *下颌托组件 | |||
| *圆形旋转器及字母孔径 | 字母孔径可自行制作或购买金属模板 | ||
| *数字电位计及读数装置 | 该装置仅为圆形楔形片位置提供标称读数（本质上是连接至电位计的电压表） | ||
| 平凸消色差透镜 | Edmund's Optical | 型号 KPX187-C | 100 mm 有效焦距，可见光区抗反射涂层，50.8 mm 直径（该供应商也提供安装件） |
| 光度计 | Graseby Optronics United Detection Technology (UDT) | 型号 S370 | |
| 研究用弧光灯灯室及电源 | Newport | 型号 66926 | |
| 光谱辐射计 | PhotoResearch Inc | PR650 | |
| 试镜片 | Premier Ophthalmic Services | 货号：RE-15015 | |
| *水浴装置 | 由两块光学平面玻璃封闭一个圆柱形管构成，管内充满含少量甲醛的水 | ||
| 眩光计： *表示为手工制作的设备 | |||
| 1000 W 氙弧灯 | 同上 | ||
| 弧光灯电源 | 同上 | ||
| 光学面包板平台 | 同上 | ||
| *卡尺 | |||
| *下颌及前额托架 | |||
| 数字千分尺 | 广泛可得 | ||
| *遮光罩 | 必须能作为挡板使用，配备可折叠挡板和两个可移动孔径（各 2 mm） | ||
| 平凸消色差透镜 | Edmund's Optical | 200 mm 有效焦距 |
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