实际人眼像差特性及其矫正研究

发布时间：2016-10-26 06:59

第 1 章  绪论 

1.1  人眼波前技术及视觉矫正 
人眼经过长期进化已趋于完善，作为整体，人眼是一个结构复杂且功能完善的视觉系统，然而作为个体来看，人眼并非是理想的光学系统。个体人眼除受衍射极限和视锥细胞的结构限制了其分辨极限外，还因个体眼存在的像差使其视力与理想情况存在很大的差距[1-5]，因此，人眼像差的矫正一直是人们关注并努力探索的科学领域。人眼除离焦和像散之外，还存在着许多其它的像差，如球差、彗差和非规则高阶像差等，这些像差同样对视觉有严重的影响。但是，人们一直未能对人眼存在的这些像差进行详细且精确地描述，所以，百余年来只是采用球-柱眼镜矫正人眼的离焦和像散[6,7]。 直到上世纪 90 年代德国海德堡大学的 Josef  F.  Bille 博士和梁俊忠博士开创了采用 Hartmann-Shack 波前传感器测量人眼波前像差技术，使人眼的初级像差和高阶像差得以精确地测量，才使得人眼高阶像差的矫正、视觉的改善成为可能。Josef  F.  Bille 博士和梁俊忠博士应用 Hartmann-Shack 波前技术将人眼像差以Zernike 项的形式进行描述[8-10]，并结合自适应光学技术，揭示了人眼高阶像差给视觉成像带来的影响，他们的研究为眼科学和视觉领域带来革命性的变化。 随着人眼波前技术的出现，使视觉质量的改善和提高有了突破性的进展。波前技术是进行视觉诊断的有效手段，它可以给出眼睛波前像差所需的全部光学信息，所测量的波前能够反映出从角膜到晶状体的整个眼睛的光学缺陷。波前像差不仅为患者提供了视觉矫正的处方，还为视网膜成像质量提供一个完整的描述方法[11]。波前技术已逐步被应用在视觉和眼科学领域，并取得了引人瞩目的成就，同时也成为世界范围内的研究热点[12]。
.......

1.2  人眼波前技术及视觉矫正国内外发展概况 
人眼像差的研究历史悠久，从 Yong 和 Helmholz 最先报道了眼睛作为一种光学系统，也和其他光学系统一样具有光学像差，之后人们进行了各种人眼像差测量方法的研究。Thomas Yong[13]（1801）和 Volkman[14]（1846）最先使用主观光线追踪技术对人眼的球差进行了测量。Ivanoff[15]分别在 1946 年和 1953 年对主观光线追踪技术进行了改善，引入了双通道技术，使得测量方法更具有可行性，同时还应用这种双通道技术对人眼的球差及色差进行了测量。1962 年，Smirnov[16]通过对主观光线技术的改进处理，第一次得到了确切的人眼波前像差。然后Howland 在 1976 年[17]和 1977 年[18]在主观光线追踪技术基础上，使用自制的主观像差仪测量了人眼的波面像差，并首次提出采用 Zernike 多项式表示波面像差。人眼波面像差可分为低阶像差和高阶像差：Zernike 多项式 3 阶以下的像差称为低阶像差，即临床上所称的屈光不正，包含传统意义上的近视、远视和散光；3阶和 3 阶以上的像差称为高阶像差，即临床上统称的不规则像差，包含球差、慧差、像散等。1990 年 Cambell  和 Smironet[19]、1992 年 Webb 等人[20]、1996 年 Woods等人[21]、以及 1998 年 Cui 和 He 等人[22]都曾对主观光线追踪技术进行了各种改进与优化，并对人眼波前像差及其视觉矫正等问题进行了更加深入的研究和讨论。但这测量方法都过重地依赖于被测者的反应能力，具有高度的主观性。于是在 1984 年 Walsh 等人[23]重新修改了 Howland  像差仪，研究出了另一种人眼像差的测量方法，称作双程技术。1995 年 Atchison  和 Walsh  等人[24]又对双程技术进行了完善。双程技术是利用视网膜上的像得到对应光线像差，然后将其转换为波前倾斜，从而计算得出人眼波前像差值。所以，视网膜上像的质量对结果有着重大影响。同样在 1995 年，Collins 等人[25]研究发现双程技术存在一定的局限性，其采样率较低并且无法表示出高阶像差。 
..........

第 2 章  实际人眼光学系统的建立 

在当今社会，视觉矫正技术的研究发展迅猛，简单的眼模型早已不能满足研究的需要。不同人眼的生理结构会导致其具有个性化的光学特性和成像质量，在视觉矫正过程中需要考虑个体人眼的生理特征，因此，构建实际人眼的光学系统，对其进行相应的视觉矫正，才能更好地改善人眼的成像质量。也就是说，实际人眼光学系统的建立是我们开展视觉矫正工作的基础。在本章，结合临床检测出的实际人眼光学系统的相关参数，应用光学设计软件 ZEMAX 的优化功能[42,43]，构建出实际人眼光学系统。 

2.1  实际人眼光学系统的建立方法 

图 2.1 是人眼光学系统结构示意图。人的眼睛近似球形，正常成年人眼球的前后径平均为 24  mm，垂直径平均 23  mm，人眼结构从外到内依次为角膜、前房、瞳孔、晶状体、玻璃体及视网膜。角膜（Cornea）是眼睛最前面的透明部分，覆盖虹膜、瞳孔及前房，为眼睛提供大部分屈光力；角膜后方与虹膜之间的空腔称为前房（Anterior chamber），从光学观点出发，前房深度是很重要的，因为它会影响眼光学系统的总体屈光力；虹膜（Iris）位于眼球中部，眼睛的颜色就由虹膜所体现，虹膜中心带有圆孔，称为瞳孔（Pupil），瞳孔口径随环境的明暗不同会自动放大和缩小来控制进入人眼的光量强度；晶状体（Lens）位于虹膜之后，，呈双凸透镜状，是眼球屈光系统的重要组成部分，也是唯一具有调节能力的屈光介质，晶状体的调节能力随着年龄的增长而逐渐降低；玻璃体（Vitreous body）是无色透明胶状物体，充满于晶状体后面的空腔里，其折射率为 1.336；视网膜（Retina）居于眼球壁的内层，是一层透明的薄膜，视网膜上分布着视锥细胞、视杆细胞层，神经节细胞，神经纤维等感光器和传导器，视网膜就像一架照相机里的感光底片，专门负责感光成像。 人眼成像过程是周围物体发射或反射出来的光，经过角膜和晶状体的共同作用，聚集在眼睛后面的视网膜上，形成物体的像，视网膜上分布的视觉细胞受到光的刺激产生兴奋，并经视神经把信息传送到大脑，在大脑皮层形成视觉，人眼就能看到了物体。在成像过程中，角膜承担了主要的屈光作用，晶状体完成调节功能。 

...........

2.2  实际人眼光学系统的建立
应用 OrbscanⅡ眼前节分析仪测量实际人眼的角膜厚度、角膜前后表面参考球面曲率半径和前后表面各点高度。图 2.3 和图 2.4 分别是所测得的 qw 右眼角膜前表面和后表面地形图。图 2.3 和图 2.4 中给出的角膜厚度为 0.558 mm，角膜前后表面参考球面曲率半径分别为 7.57 mm 和 5.90 mm。角膜地形图给出的角膜表面各点的高度值 h，是该点角膜曲率半径 r 与参考球面曲率半径 R 的差值，即 h＝r-R。根据角膜前表面和后表面高度数据，将角膜前、后表面表示为多项式的形式。考虑到应用ZEMAX 光学设计软件进行晶状体结构优化时，需要角膜的面型结构参数，选用ZEMAX 光学设计软件中带有高次非球面的奇次非球面（Odd Asphere）多项式表示角膜前后表面的面型。 
.............  

第 3 章  角膜和晶状体像差补偿关系研究 ........ 21 
3.1  角膜和晶状体几何像差研究 ......... 21 
3.2  角膜和晶状体波前像差分析 ......... 22 
第 4 章  波前引导的激光角膜手术研究 ..... 25 
4.1  波前引导的激光角膜手术矫正面像差数据获得方法 .... 25
4.2  波前引导的激光角膜手术偏差容限研究 .......... 28 
第 5 章  个性化人眼高阶像差矫正镜头研究 .... 35 
5.1  研究背景 ...... 35 
5.2  个性化人眼高阶像差矫正镜头研究 .... 35
5.2.1  目视矫正镜头的初始结构 .......... 36 
5.2.2  目视矫正镜头的优化设计 .......... 37 
5.3  目视矫正镜头研究结果 .......... 42 

第 5 章  个性化人眼高阶像差矫正镜头研究 

5.1  研究背景
目镜是用来观察前方光学系统所成图像的光学器件，是目视光学仪器的重要组成部分。无论是望远镜、显微镜还是许多其它的光学仪器都需要目视系统[57,58]。通常经由目镜所成的像将直接由人眼接收，而人眼光学系统本身所存在的像差会对目视效果产生影响，降低目视仪器应有的分辨率和使用性能[59]。所以，如何将人眼光学系统存在的高阶像差矫正引入目视仪器，从而使目视仪器获得本应达到的最佳指标，是视觉矫正研究需要解决的关键问题之一。 迄今为止，所有目视仪器如显微镜、望远镜、头盔显示器等在设计时都是只考虑了人眼的离焦特性，虽然顾及了眼睛调焦、双眼汇聚以及它们之间失配的影响，但对仪器使用性能产生更大影响的人眼球差、彗差和高阶像差尚未进行矫正，大大降低了仪器的使用性能[60]。而目前在实际应用时，对目视仪器分辨率的要求也都大大提高了，如上世纪 80 年代后发展起来的显微外科技术是借助于显微镜的放大，使用精细的显微器械对细小组织进行精细手术，现已广泛应用于妇科、泌尿科、神经科、眼科、鼻科、喉科各个专业，光学放大设备性能的提高，是显微外科技术发展的必备条件[61]；军事上各种需要目视的武器和军用成像装置，如军用望远镜、军用瞄准镜、军用夜视镜等，如果能配有矫正人眼高阶像差的个性化目镜，将会更有效地提高武器的使用精度[62]；对于像差检测和矫正的自适应光学技术，最早、最成功的应用就是解决了地对空观测光学成像和天基对地遥感观测高分辨率光学成像问题，应用自适应光学技术来补偿大气湍流引起的包括高阶像差在内的波前畸变，使物镜得到接近衍射极限的目标像，而地对空观测光学成像系统的目镜设计[63,64]，没有考虑人眼高阶像差的矫正问题，使整个观测系统的分辨率远低于衍射极限。因此，如何将人眼高阶像差的矫正引入目视仪器，使人眼达到分辨极限，是目前急需解决也具有广泛应用价值的科学问题。 本章将开展用于目视光学仪器的人眼高阶像差矫正镜头的研究，使目视光学仪器达到最佳使用效果。对于目视光学仪器来说，相对人眼的物距是不变的，这样人眼在使用目视光学仪器时，眼的调节基本不变或变化很小，因此像差矫正镜头的视觉矫正效果会十分理想，有很好的应用前景。 
...........

总结 

本文研究了实际眼光学系统的构造方法，并利用测量得到的 qw 右眼角膜地形图、眼轴长度、波前像差等数据，通过光学设计软件 ZEMAX 的优化功能，构建出了实际人眼光学系统结构。根据实际眼光学系统，研究了角膜和晶状体的像差补偿关系，给出了数值结果；研究了波前引导的激光角膜手术矫正面像差数据的获得方法和手术偏差容限；研究了人眼高阶像差目视矫正镜头和双焦点高阶像差矫正眼镜。 本章对论文的研究内容及结果进行了总结，并对需要进一步讨论的问题进行了展望。由 Orbscan II 角膜地形图仪测量出实际人眼角膜表面参数，并将其拟合为光学设计软件 ZEMAX 所需面形；应用 BMF-200 眼科 A/B 型超声波测量出眼轴向各部分长度；应用 Hartmann-Shack 波前传感器测量出人眼波前像差，并利用已有的眼球各部分光学常数，应用 ZEMAX 光学设计软件的优化功能，优化出实际人眼晶状体的光学结构参数，进而构建了实际人眼光学系统结构。其中所得到的实际人眼晶状体的光学结构参数如下：晶状体前、后表面曲率半径分别为8.449025  mm 和-6.0  mm；晶状体前表面为泽尼克标准矢高面（Zernike  Standard Sag Surface），晶状体后表面为偶次非球面（Even Asphere）。 
.........
参考文献(略) 

本文编号：153562