視覺裝置和視覺方法
【專利摘要】本發明涉及能夠主要使人感知顏色的視覺裝置和視覺方法。所述視覺裝置包括信號產生單元和至少一個探針組。所述至少一個探針組包括多個探針。所述信號產生單經配置用來產生與顏色信息相對應的刺激圖案信號，且經由所述至少一個探針組中的所述多個探針將作為所產生的刺激圖案信號的多個圖案信號輸入到具有從視網膜到視神經的范圍的區域的一部分。
【專利說明】視覺裝置和視覺方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及主要支持人類視覺的視覺裝置和視覺方法。
【背景技術】
[0002]在德國、日本等，過去已經開發出人造視網膜芯片及其系統作為那些具有視覺障礙的人的輔助。作為人造視網膜芯片，例如，在“Subretinal electronic chips allowblind patients to read letters and combine them to words，， (Proceedings of theRoyal Society B,10.1098/rspb.2010.1747, http://rspb.royalsocietypublishing.0rg/content/early/2010/ll/01/rspb.2010.1747.full，作為
【公開日】期)中披露了包括多個微光電二極管的視網膜芯片，且已經制造出更精細的視網膜芯片。通過將微光電二極管和用于輸出電極微光電二極管所產生的電信號的電極進行集成來構造視網膜芯片。具體地，電極的數量與微光電二極管的數量相同，且電極以陣列方式設置。視網膜芯片植入在眼球中，使得電極與視網膜接觸。
[0003]在日本專利申請特開號2009-254489中公開的人造視覺裝置從光入射側開始依次包括變焦透鏡、人造視網膜和光電轉換裝置。微透鏡陣列設置在光電轉換裝置中(例如，參見日本專利申請特開號2009-254489的說明書的第[0008]段)。
[0004]即使增加視網膜芯片中的電極數量并從而制造出更精細的視網膜芯片，現有的裝置也只能使人感知至多七個灰色等級的有關信息且難以使人感知顏色信息。原因如下。現有的視網膜芯片不會使具有各種波長的光進入人的視覺細胞，而是將與亮度的有關信息相對應的電信號直接施加到人的視覺細胞。具體地，即使在視網膜芯片上安裝濾色器等，視網膜芯片獲得3個領域(即，RGB)的有關亮度信息，且視覺細胞從三個電極接收與亮度的有關信息相對應的電信號，人仍難 以將電信號感知為顏色。
【發明內容】
[0005]鑒于上述情形，期望提出主要能夠使人感知顏色的視覺裝置和視覺方法。
[0006]根據本發明的實施例，提出了包括有信號產生單元和至少一個探針組的視覺裝置。
[0007]所述至少一個探針組包括多個探針。
[0008]所述信號產生單元產生與顏色信息相對應的刺激圖案信號，且經由所述至少一個探針組中的所述多個探針將作為所產生的刺激圖案信號的多個圖案信號輸入到具有從視網膜到視神經的范圍的區域的至少一部分。
[0009]通過經由所述至少一個探針組將與所述顏色信息相對應的由所述多個圖案信號形成的所述刺激圖案信號輸入到具有從視網膜到視神經的范圍的區域的至少一部分，所述信號產生單元能夠使人或動物感知顏色。
[0010]所述信號產生單元可以 針對每種不同顏色產生所述刺激圖案信號。相應地，所述信號產生單元能夠使人或動物感知多種顏色。[0011]所述信號產生單元可以產生圖案信號對作為所述多個圖案信號，且從所述至少一個探針組中的至少兩個探針輸出所述圖案信號對中的每個圖案信號。
[0012]具體地，所述至少兩個探針可以以如下方式布置:所述圖案信號對中的一個圖案信號被輸入到所述視網膜的感受野的中心部分，且所述圖案信號對中的另一個圖案信號被輸入到所述視網膜的所述感受野的周邊部分。
[0013]更具體地，所述信號產生單元可以產生第一圖案信號和第二圖案信號作為所述圖案信號對。所述第一圖案信號包括具有第一持續時間的脈沖，且具有預定的重復周期。所述第二圖案信號包括具有小于所述第一持續時間的第二持續時間的脈沖，且具有與所述第一圖案信號相同的重復周期。
[0014]在由T表示所述重復周期的情況下，所述信號產生單元可以具有用于產生所述脈沖的從T/10到T/5的基準時鐘。相應地，可以應用由貝納姆轉盤(Benham’ s top)造成的顏色再現現象實現顏色的感知。
[0015]所述視覺裝置還可以包括探針陣列單元，所述探針陣列單元包括多個探針組作為所述至少一個探針組。在這種情況下，所述探針陣列單元的所述多個探針組只需要設置成對應于所述視網膜的多個感受野。
[0016]所述信號產生單元可以從所述多個探針組中選擇布置在任意位置處的探針組的群組，且輸出所述刺激圖案信號。在這種情況下，所述信號產生單元可以將形成任意二維形狀的探針組的群組選擇為所述布置在任意位置處的探針組的群組。
[0017]或者，所述信號產生單元可以在從所述多個探針組輸出的所述刺激圖案信號之間產生相位差。相應地，提高了貝納姆轉盤的運動的再現性。因此，提高了主觀顏色的產生的再現性。
[0018]在這種情況下，所述信號產生單元可以從所述多個探針組中選擇布置在任意位置處的探針組組，且在從所選探針組的群組輸出的所述刺激圖案信號之間產生所述相位差。相應地，可以使人感知具有顏色的圖像。
[0019]所述感受野可以是具有不小于I U m且不大于30 ii m的直徑的圓中的區域。
[0020]所述信號產生單元可以產生具有不小于3.5Hz且不大于IOHz的重復周期的信號作為所述刺激圖案信號。
[0021]所述信號產生單元可以產生電信號和光信號中的一者作為所述刺激圖案信號。
[0022]根據本發明的實施例，提出了一種視覺方法，所述視覺方法包括產生與顏色信息相對應的刺激圖案信號，所述刺激圖案信號包括多個圖案信號。
[0023]經由包含在至少一個探針組中的多個探針將所述多個圖案信號輸入到具有從視網膜到視神經的范圍的區域的至少一部分。
[0024]如上所述，根據本發明，可以主要使人感知顏色。
[0025]如在附圖中所示，根據下面的本發明的最佳方式實施例的詳細說明，本發明的這些和其他目的、特征和優勢將變得更加明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1在原理和概念上說明了人的視網膜的剖面結構；
[0027]圖2A至圖2D用于解釋感受野(receptive field)的作用；[0028]圖3示出了根據本發明實施例的使用視覺裝置的系統；
[0029]圖4示出了視覺裝置的構造；
[0030]圖5是示出了貝納姆轉盤(Benham’s top)的平面圖；
[0031]圖6A用于解釋當轉動貝納姆轉盤時產生紅色主觀顏色的條紋區域中的明暗(黑白)變化，且圖6B示出了明暗的時間變化；
[0032]圖7A用于解釋產生黃色主觀顏色的條紋區域中的明暗(黑白)變化，且圖7B示出了明暗的時間變化；
[0033]圖8A用于解釋 產生綠色主觀顏色的條紋區域中的明暗(黑白)變化，且圖SB示出了明暗的時間變化；
[0034]圖9A用于解釋產生紫色主觀顏色的在條紋區域中的明暗(黑白)變化，且圖9B示出了明暗的時間變化；
[0035]圖10示出了電極相對一個感受野的布置的示例；
[0036]圖11示出了多個電極布置在感受野的周邊部分中的示例；
[0037]圖12示出了在感受野的直徑等于三個視覺細胞的尺寸的情況下的電極組的多個布置示例；
[0038]圖13示出了比根據圖12所示的實施例中的感受野具有更大尺寸的感受野中的電極的多個布置示例；
[0039]圖14示出了在感受野以矩陣圖案布置的情況下的電極的布置示例；
[0040]圖15示出了感受野布置成蜂巢(honeycomb)圖案的情況下的示例；
[0041]圖16示出了具有不同尺寸的感受野布置成蜂巢圖案的示例；
[0042]圖17A示出了針對每個感受野以蜂巢圖案布置電極組的實施例，且圖17B示出了圖17A所示的實施例中的輸入到感受野的電刺激圖案信號(electrical stimulationpattern signal)；
[0043]圖18A示出了在圖18B所示的頂部的兩種圖案中同步驅動在圖18A所示的垂直線上布置的感受野中的電極組的示例；
[0044]圖19A示出了多個感受區中選擇的預定區域，且圖19B和圖19C均示出了輸入所選擇的區域與其他區域之間的不同電刺激圖案信號的示例；
[0045]圖20A和圖20B均示出了視網膜上每個區域的具有相位差的示例性電刺激圖案；
[0046]圖21示出了在給定的時間處由電極組的群組在視網膜上的預定區域中引起的視網膜的刺激圖案；
[0047]圖22示出了在空間上彼此覆蓋的多個感受野的情形作為電極相對于多個感受野的另一個布置的示例；
[0048]圖23A-23B示出了對由電極組輸入的刺激圖案信號進行切換的示例；
[0049]圖24A-24B示出了用于解釋紅色主觀顏色的產生的貝納姆轉盤的另一個示例；
[0050]圖25A-25B示出了用于解釋橙色主觀顏色的產生的貝納姆轉盤的另一個示例；
[0051]圖26A-26B示出了用于解釋綠色主觀顏色的產生的貝納姆轉盤的另一個示例；
[0052]圖27A-27B示出了用于解釋藍色主觀顏色的產生的貝納姆轉盤的另一個示例；
[0053]圖28是不出刺激圖案的每種表不顏色與RGB之間關系的表格；
[0054]圖29示出了電刺激圖案信號的時鐘的另一個示例；[0055]圖30是示出由信號產生單元執行的在圖像中的像素的產生過程的流程圖；
[0056]圖31是示出由信號產生單元執行的包括多個像素的圖像的產生過程的方框圖；
[0057]圖32是示出根據另一個示例的由信號產生單元執行的圖像的產生過程的方框圖；
[0058]圖33示出了通過使用液晶元件(liquid crystal cell)切換從瞳孔的視覺輸入和利用信號產生單元的刺激輸入的實施例；
[0059]圖34示出了圖22所示的實施例的另一個示例；和
[0060]圖35不出了圖33和圖34所不實施例中的液晶兀件的驅動時序和視網I旲芯片的電刺激圖案信號的輸入時序。
【具體實施方式】
[0061 ] 在下文中，將參照【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施例。
[0062]1.視網膜的結構和功能
[0063]圖1的上部在原理和概念上說明了人視網膜的剖面結構。視網膜從光入射側依次包括神經節細胞、雙極細胞、視覺細胞和色素細胞。除了所示的雙極細胞之外，沒有示出的水平細胞和無長突細胞等存在于神經節細胞與視覺細胞之間。色素細胞所存在的側是視網膜的背側。
[0064]雙極細胞與一個或多個(n個)視覺細胞進行聯絡。神經節細胞與一個或多個(m個)雙極細胞進行聯絡。這里，與一個神經節細胞進行聯絡的(nXm)個視覺細胞所存在的區域是視覺系統中的感受野。 感受野具有檢測對比度的功能，即其被定義為用于檢測物體的邊緣的功能區。
[0065]圖1的下部(是平面圖)示出了一個感受野，該感受野被繪制成具有圓形形狀且其尺寸對應于一個神經節細胞G2。
[0066]感受野的大部分由許多視覺細胞(包括錐體細胞11和視桿細胞12)構成。在視網膜的平面中，由于神經節細胞、雙極細胞和視覺細胞在視網膜的中心部分處以接近1:1的比率彼此對應(聯絡)，所以感受野的直徑相對較小。另一方面，由于一個神經節細胞與視網膜的周邊的許多雙極細胞和視覺細胞對應(聯絡)，所以感受野的直徑相對較大。
[0067]應注意，人具有120萬至150萬個神經節細胞，且大約具有I億個視覺細胞。就人而言，nXm是數千個。
[0068]入射光的有關信息首先進入視覺細胞。視覺細胞將接收到的光轉換為作為神經信號的電信號。神經節細胞通過來自視覺細胞的電信號經由雙極細胞等將該信息傳輸到前腦。色素細胞是在視網膜的外側上形成壁的細胞。
[0069]如圖1所示，感受野R由在功能上劃分的中心區域Ra和圍繞中心區域Ra的周圍區域Rb構成，以便實現上述檢測邊緣的功能。這被具體地稱作“中心-周圍拮抗型感受野(antagonistic center-surround type receptive field)”。圖 2A 至圖 2D 用于解釋感受野的作用。感受野的示例包括圖2A和2B所示的中心給光反應(on-center)感受野以及圖2C和2D所示的中心撤光反應型(off-center)感受野。
[0070]如圖2A所示，中心給光反應型感受野在只有它的中心區域Ra接收光的情況下顯示出相對強的反應(產生活動電位(“發射和激發”))，并經由雙極細胞等將信號傳輸到神經節細胞。如圖2B所示，中心給光反應型感受野在只有周圍區域Rb接收光的情況下沒有顯示出反應。另一方面，如圖2C和圖2D所示，中心撤光反應型感受野在只有周圍區域Rb接收光的情況下顯示出相對強的反應，且在只有中心區域Ra接收光的情況下沒有顯示出沒有反應。反應的強度取決于接收的光的量。
[0071]應注意，在沒有對比度的光存在于中心區域Ra和周圍區域Rb之間的情況下，中心給光反應型感受野和中心撤光反應型感受野顯示出相對弱的反應或沒有反應。具體地，沒有對比度的光存在于中心區域Ra和周圍區域Rb之間的情況是光入射在中心區域Ra和周圍區域Rb上的情況或者沒有光入射到中心區域Ra和周圍區域Rb上的情況。
[0072]2.系統的構造示例
[0073]圖3示出了根據本發明實施例的使用視覺裝置的系統。圖4示出了視覺裝置10的構造。視覺裝置10包括設置在眼球8中的視網膜芯片16和與視網膜芯片16電連接的信號產生單兀15。
[0074]視網膜芯片16是安裝在視覺細胞側(例如，視網膜9的外側)上的電極陣列單元161 (探針陣列單元)。電極陣列單元161通常包括水平方向和垂直方向上的多個電極，即，包括以矩陣圖案布置的多個電極。對每個電極而言，由信號產生單元15產生的電壓信號是單獨施加其上的。在這種情況下，單個電極起到探針的作用。
[0075]視網膜芯片16的尺寸例如是3mm的正方形，且其厚度是4 y m至15 y m。然而，視網膜芯片16并不限于這樣的尺寸。作為電極的材料，使用諸如鉬(platinum)等難于與生物組織反應的金屬。
[0076]信號產生單元15由軟件和諸如CPU (中央處理單元)、RAM(隨機存取存儲器)和ROM(只讀存儲器)等在計算機中使用的硬件元件實現。或者，信號產生單元15可以由諸如FPGA(現場可編程門陣列`)等PLD(可編程邏輯器件)或諸如ASIC(專用集成電路)等器件實現。
[0077]基于視覺裝置10的上述構造，信號產生單元15能夠經由視網膜芯片16的每個電極將如下文所述那樣產生的具有預定圖案的電信號輸入到視網膜9。
[0078]3.視覺裝置的顏色感知原理
[0079](I)由貝納姆轉盤產生主觀顏色的原理
[0080]接下來，將說明根據實施例的使用視覺裝置10的系統的顏色感知原理。圖5是示出了貝納姆轉盤的平面圖。
[0081]在貝納姆轉盤中，基本上，具有180°旋轉角度的區域Ka是黑色填充的，且在位于相反一側的具有180°旋轉角度的區域Kb中繪制有黑白條紋20。具體地，在區域Kb中，包括三條圓弧的條紋20組是為通過將區域Kb劃分為在不同徑向位置處的四種區域而獲得的每個具有45°旋轉角度的區域而繪制的。具體地，條紋20包括四種條紋(201、202、203和204)。
[0082]在圖5中，當順時針轉動貝納姆轉盤時，從條紋201、202、203和204的每個區域的具有小半徑的一側，即從內側能夠看見產生了紅色、黃色、綠色和紫色。區域Ka的黑色與條紋20交替呈現，因而產生這樣的主觀顏色。人們認為，根據上述中心-周圍拮抗型感受野的形狀，通過周期性地重復穿過感受野R的中心區域Ra和周圍區域Rb的通道以及根據區域Ka的神經節細胞的靜止狀態產生主觀顏色。此外，盡管人們認為存在個體差異，但是當以7轉/s的速度，即，以7Hz的轉動頻率(周期T=0.143s)轉動貝納姆轉盤時能夠最顯著地產生每種顏色。轉動頻率并不限于7Hz，且在這個實施例中有利地以3.5Hz至IOHz (周期T=0.1s至0.28s)轉動貝納姆轉盤。
[0083]根據實施例的視覺裝置10使用這種由貝納姆轉盤產生主觀顏色的現象來以下面的方式產生電刺激圖案信號。
[0084]圖6A用于解釋當轉動貝納姆轉盤時產生紅色主觀顏色的條紋201區域中的明暗(黑白)變化。圖6B說明了明暗的時間變化(刺激圖案P1)。
[0085]如圖6A所示，點Pr是被用于形成條紋201的圓弧線穿過的點。點Pr’是被圓弧線之間的白色區域穿過的點。點Pr上的明暗變化(即，沿著處于點Pr的徑向位置處的圓的線上的明暗變化)與圖6B所示的頂部圖案相對應；點Pr’上的明暗變化(即，沿著處于點Pr’的徑向位置處的圓的線上的明暗變化)與圖6B所示的底部圖案相對應。
[0086]在圖6B中，L表示暗(黑)狀態，且H表示亮(白)狀態。貝納姆轉盤順時針轉動，且由圖6A的黑箭頭表示的旋轉角度的位置是時間t=0時的位置。時間的基準時鐘是一個周期(I轉)的1/8。
[0087]圖6B所示的圖案能夠由下面的方程式I和2表示。
[0088]點Pr:Xpr (t) =L (0 ^ t〈5T/8)，H (5T/8 ^ t〈T) 式 I
[0089]點Pr，:Xpr，(t)=L(0 ^ t〈T/2)，H(T/2 ^ t〈T)式 2
[0090]與此類似地，圖7A-7B、圖8A-8B和圖9A-9B分別示出了當產生黃色、綠色和紫色的主觀顏色時貝納姆轉盤上的徑向位置以及每個徑向位置的明暗變化。在徑向位置處的典型點由圖7A和圖7B中的Py和Py’、圖8A和圖8B中的Pg和Pg’以及圖9A和圖9B中的Pp和Pp'表不。
[0091]此外，類似于上述方程式I和方程式2，分別由圖7B、圖SB和圖9B所示的刺激圖案P2、P3和P4能夠由下面的方程式3至方程式8表示。
【權利要求】
1.一種視覺裝置，其包括: 至少一個探針組，其包括多個探針；和 信號產生單元，其經配置用于產生與顏色信息相對應的刺激圖案信號，且用于經由所述至少一個探針組中的所述多個探針將作為所產生的刺激圖案信號的多個圖案信號輸入到具有從視網膜到視神經的范圍的區域的至少一部分。
2.根據權利要求1所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于針對每種不同顏色產生所述刺激圖案信號。
3.根據權利要求1所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于產生作為所述多個圖案信號的圖案信號對，且用于從所述至少一個探針組中的至少兩個探針輸出所述圖案信號對中的每個圖案信號。
4.根據權利要求3所述的視覺裝置，其中， 所述至少兩個探針以如下方式布置:所述圖案信號對中的一個圖案信號被輸入到所述視網膜的感受野的中心部分，且所述圖案信號對中的另一個圖案信號被輸入到所述視網膜的所述感受野的周邊部分。
5.根據權利要求4所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經 配置用于產生第一圖案信號和第二圖案信號以作為所述圖案信號對，所述第一圖案信號包括具有第一持續時間的脈沖，所述第一圖案信號具有預定的重復周期，所述第二圖案信號包括具有第二持續時間的脈沖，所述第二圖案信號與所述第一圖案信號具有相同的重復周期，所述第二持續時間短于所述第一持續時間。
6.根據權利要求5所述的視覺裝置，其中， 在由T表示所述重復周期的情況下，所述信號產生單元具有用于產生所述脈沖的T/10到T/5的基準時鐘。
7.根據權利要求1所述的視覺裝置，其還包括: 探針陣列單元，其包括作為所述至少一個探針組的多個探針組，所述探針陣列單元中的所述多個探針組被設置成對應于所述視網膜的多個感受野。
8.根據權利要求7所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于從所述多個探針組之中選擇布置在任意位置處的探針組的群組，且用于輸入所述刺激圖案信號。
9.根據權利要求8所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于將形成任意二維形狀的所述探針組的群組選擇為所述布置在所述任意位置處的所述探針組的群組。
10.根據權利要求7所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于在從所述多個探針組輸出的所述刺激圖案信號之間產生相位差。
11.根據權利要求10所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于從所述多個探針組中選擇布置在任意位置處的探針組的群組，且用于在從所選擇的所述探針組的群組輸出的所述刺激圖案信號之間產生所述相位差。
12.根據權利要求4-6中任一項所述的視覺裝置，其中，所述感受野是位于具有不小于I U m且不大于30 y m的直徑的圓中的區域。
13.根據權利要求1-11中任一項所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于產生具有不小于3.5Hz且不大于IOHz的重復周期的信號作為所述刺激圖案信號。
14.根據權利要求1-11中任一項所述的視覺裝置，其中， 所述信號產生單元經配置用于產生電信號和光信號中的一者作為所述刺激圖案信號。
15.—種視覺方法,其包括: 產生與顏色信息相對應的刺激圖案信號，所述刺激圖案信號包括多個圖案信號；以及經由包含在至少一個探針組 中的多個探針，將所述多個圖案信號輸入到具有從視網膜到視神經的范圍的區域的至少一部分。
【文檔編號】A61F9/00GK103784251SQ201310507675
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2012年10月31日
【發明者】荒船晶 申請人:索尼公司