Adaptive Eyewear for Presbyopia Correction

Abstract

Presbyopia is an age-related visual impairment that affects everyone, typically emerging in the forties or early fifties due to the stiffening of the eye’s crystalline lens or extra-lenticular changes that hinder near-focus ability. The conventional corrective solutions, such as reading glasses, progressive addition lenses (PALs), contact lenses, and intraocular lenses, have limitations. Progressive lenses, though widely used, often cause dissatisfaction due to unnatural accommodation, reduced contrast, limited depth perception, and optical distortions, leading to discomfort and motion issues. These challenges highlight the need for a dynamic, adaptive alternative that better mimics natural eye accommodation.

The advent of tunable lenses presents a promising opportunity to address these limitations. Early implementations of tunable lens technology utilized piezoelectric-actuated varifocal liquid lenses, while subsequent work integrated time-of-flight distance sensors to adjust focal power based on user head movement. Further studies demonstrated adaptive tuning using liquid membrane lenses, with pupil tracking and stereo camera-based fusion algorithms. While these approaches show promise, limitations remain in response accuracy, natural accommodation emulation, and the effective working distance of stereo cameras. To address these limitations as a part of my doctoral thesis, I used liquid membrane-based tunable lenses from Optotune Inc. (EL-30-45), which change shape using optical fluids and a polymer membrane, offering a tunable range of -3.00 to +3.00 Diopters (D). The input to change the power of the lenses is provided using a current controller provided by the manufacturer, Optotune Inc. I determined the lower order and higher order aberrations of these lenses using a Hartmann-Shack wavefront sensor to ensure that the lenses have good optical quality. Furthermore, I assessed the effectiveness of the tunable lenses subjectively by measuring contrast sensitivity and visual acuity in human participants for use as a corrective lens. I also optimized the linearity of tunable lenses by measuring the achieved focal power for different applied input current values and deriving better focus tuning parameters. Furthermore, a study during my PhD work also demonstrated the feasibility of an adaptive control algorithm using a solid-state Light Detection and Ranging (LiDAR) camera in combination with gaze tracking, enabling dynamic focal adjustments. We developed a functional prototype with the liquid lenses for presbyopia correction.

In this previous study, we assessed the performance of a tunable lens prototype in 15 healthy young participants with corrected sphero-cylindrical refraction. Participants completed a dynamic matching task. The task involved viewing and matching targets displayed on three screens positioned at varying distances under two distinct conditions: • Natural accommodation, where their eyes adjusted focus normally. • Simulated presbyopia, induced by cycloplegic drops to temporarily paralyze accommodation, requiring the use of the tunable lens prototype for focusing.

The response times and accuracies were measured and found to be comparable between both the conditions, suggesting that real time gaze-tracking technology could effectively control tunable lenses for presbyopia correction.

Presbyopie ist eine altersbedingte Sehstörung, die jeden betrifft und typischerweise in den Vierzigern oder frühen Fünfzigern auftritt. Sie entsteht durch die Versteifung der Linse des Auges oder extra-lentikulare Veränderungen, die die Fähigkeit zur Fokussierung auf nahe Objekte beeinträchtigen. Konventionelle Korrekturlösungen wie Lesebrillen, Gleitsichtgläser, Kontaktlinsen und intraokulare Linsen haben ihre Einschränkungen. Obwohl Gleitsichtgläser weit verbreitet sind, führen sie oft zu Unzufriedenheit aufgrund unnatürlicher Akkommodation, reduziertem Kontrast, eingeschränkter Tiefenwahrnehmung und optischen Verzerrungen, was zu Unbehagen und Orientierungsprobleme führt. Diese Herausforderungen verdeutlichen die Notwendigkeit einer dynamischen, adaptiven Alternative, die die natürliche Augenakkommodation besser nachahmt.

Die Entwicklung von einstellbaren (tunable) Linsen bietet eine vielversprechende Möglichkeit, diese Einschränkungen zu überwinden. Erste Umsetzungen der Technologie einstellbarer Linsen verwendeten piezoelektrisch angetriebene varifokale Flüssiglinsen, während spätere Arbeiten Time-of-Flight Distanzsensoren integrierten, um die Brechkraft basierend auf der Kopfbewegung des Nutzers anzupassen. Weitere Studien zeigten adaptive Einstellungen mittels Flüssigmembranlinsen unter Verwendung von Pupillenerkennung und Algorithmen zur Fusion stereoskopischer Kameradaten. Trotz vielversprechender Ansätze bestehen weiterhin Einschränkungen bei der Reaktionsgenauigkeit, der natürlichen Nachbildung der Akkommodation und der effektiven Arbeitsdistanz stereoskopischer Kameras.

Im Rahmen meiner Promotion setzte ich Flüssigmembranlinsen des Typs EL-30-45 von Optotune Inc. ein, die ihre Form mithilfe optischer Flüssigkeiten und einer Polymermembran verändern und einen einstellbaren Bereich von -3 bis +3 Dioptrien bieten. Die Steuerung der Linsenleistung erfolgt über einen vom Hersteller bereitgestellten Stromregler. Ich bestimmte die Abbildungsfehler niedriger und höherer Ordnung dieser Linsen mithilfe eines Hartmann-Shack-Wellenfrontsensors, um deren optische Qualität sicherzustellen. Darüber hinaus bewertete ich die Wirksamkeit der einstellbaren Linsen subjektiv durch die Messung der Kontrastempfindlichkeit und Sehschärfe bei Probanden, um ihre Eignung als Korrekturlinsen zu prüfen. Zudem optimierte ich die Linearität der Linsen durch die Messung der erreichten Brechkraft bei verschiedenen angelegten Stromstärken und leitete verbesserte Fokustuning-Parameter ab.

Zusätzlich zeigte eine Studie während meiner Promotion die Machbarkeit eines adaptiven Steuerungsalgorithmus, der eine Solid-State-LiDAR-Kamera in Kombination mit Blickverfolgung verwendet, um dynamische Fokusanpassungen zu ermöglichen. Wir entwickelten einen funktionalen Prototyp mit den Flüssiglinsen zur Korrektur der Presbyopie.

In dieser Studie bewerteten wir die Leistung eines Prototyps mit einstellbaren Linsen bei 15 gesunden jungen Probanden mit korrigierter sphärisch-zylindrischer Brechkraft. Die Teilnehmenden führten eine dynamische Abgleichaufgabe durch. Die Aufgabe bestand darin, Zielobjekte auf drei Bildschirmen in unterschiedlichen Entfernungen zu betrachten und zuzuordnen – unter zwei verschiedenen Bedingungen: • Natürliche Akkommodation, bei der die Augen normal fokussierten. • Simulierte Presbyopie, induziert durch zykloplegische Tropfen, die die Akkommodation vorübergehend lähmten, wodurch der Einsatz des Prototyps mit einstellbaren Linsen zur Fokussierung erforderlich wurde.

Die gemessenen Reaktionszeiten und Genauigkeiten waren unter beiden Bedingungen vergleichbar, was darauf hindeutet, dass Blickverfolgungstechnologie in Echtzeit effektiv zur Steuerung einstellbarer Linsen eingesetzt werden kann.