基于哈特曼-夏克波前传感器的人眼离轴像差的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.73MB 54 页 15积分

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摘要

眼睛是一个复杂的光学系统，它的光学性能直接影响人们的日常生活。现在

常用的医疗设备主要是进行人眼低阶像差（离焦和散光等）的测量和校正，高阶

像差的研究也集中在人眼正轴，因此对测量过程中的人眼离轴像差进行研究有着

非常重要的意义。哈特曼-夏克波前传感技术原用于自适应光学中测量大气湍流造

成的波前像差，近几年也应用于人眼波前像差的测量，它能快速、精确地测量人

眼的全部像差（35 阶Zernike 多项式），通过哈特曼-夏克波前传感器定量地分析离

轴像差对于人眼测量的影响，为临床人眼精密激光手术和渐变焦眼镜的测量探索

一条可行的路径。

本文首先介绍了人眼像差测量在视觉光学领域、眼科领域和视觉研究领域的

应用背景及发展；阐释了人眼波前像差测量的基本原理和分析方法；研究了哈特

曼-夏克波前传感器的基本测量原理，重点给出了波前像差的 Zernike 模式描述、

波前重构算法和视觉成像的评价方法；然后，研究了离轴像差测量的基本原理，

选择关键部件，计算了离轴目标的角度和尺寸，搭建测量离轴像差的实验平台；

之后，对实验光源和被测人眼移动所引起的定位误差进行了理论和实证分析，利

用模拟眼验证了实际系统的可行性，再采用活体眼进行实验测量，并对测量数据

进行了初步分析，实验结果表明，人眼成像质量和高阶像差会随着离轴角度的增

大而增大。

关键词：波前传感器离轴像差像差测量

ABSTRACT

Human eye is a complex optical system. Its optical properties directly affect

people’s daily life. Today’s commonly used medical equipment is mainly for lower

order aberrations (defocus and astigmatism, etc.) of measurement and correction, the

research of high-order aberrations also focused on axis. Therefore, in the process of

measuring off-axis aberrations has a very important significance. Shack-Hartmann

wave-front sensing technology for adaptive optics used to measure atmospheric

turbulence. In recent years, it is also used in the measurement of wave-front aberration.

It can quickly and accurately measure all of human eye aberrations (35-order Zernike

polynomials). The impact on the human eye’s measurement analyzed quantitatively

off-axis aberration by Shack-Hartmann wave-front sensor. Clinical precision laser eye

surgery and gradually zoom optical measurements to explore a feasible path.

This thesis firstly describes the human eye aberration measurement in the field of

visual optics, ophthalmology and visual field of the application of research and

development background. Explain the measured wave-front aberration analysis of the

basic principles and methods. The thesis studied the basic principle of Shack-Hartmann

wave-front sensor. Emphasis is given wave-front aberration Zernike mode description,

wave-front reconstruction algorithm and visual imaging evaluation. And then, the

research measured the off-axis aberration of the basic principles of selection of key

components, the calculation of the off-axis angle and target size, build off-axis

aberration measurement experiment platform. Later, the experimental light source and

measured the human eye movement caused by positioning errors of the theoretical and

empirical analysis. Using simulated eye verified feasibility of actual system, then testing

vivo eye, and analysis the measured data. Experimental results show that the human eye

and the image quality will be high-order aberrations with the off-axis angle increases.

Key Word：Wave-front sensor, off-axis, aberration measurement

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 人眼像差测量的背景及发展 .................................... 1

§1.2 人眼像差测量方法 ............................................ 2

§1.2.1 阴影像差仪 .............................................. 2

§1.2.2 主观空间分辨屈光计 ...................................... 3

§1.2.3 激光光路追迹 ............................................ 3

§1.2.4 同步像差仪 .............................................. 4

§1.2.5 哈特曼-夏克波前传感器 ................................... 4

§1.2.6 塔尔伯特传感器 .......................................... 4

§1.2.7 视网膜仪 ................................................ 5

§1.3 论文主要研究内容 ............................................ 5

第二章哈特曼-夏克波前传感器的基本原理 .............................. 6

§2.1 哈特曼-夏克波前传感器的原理 ................................. 6

§2.2 波前展开 .................................................... 7

§2.3 波前重构 .................................................... 9

§2.4 Shack-Hartmann 传感器的量程与精度 ........................... 11

§2.5 本章小结 ................................................... 11

第三章人眼离轴像差的测量原理 ...................................... 12

§3.1 人眼的基本结构 ............................................. 12

§3.2 波前像差的基本理论 ......................................... 13

§3.3 离轴像差的测量原理 ......................................... 14

§3.4 本章小结 ................................................... 15

第四章离轴像差测量系统 ............................................ 16

§4.1 照明光路 ................................................... 16

§4.1.1 光源 ................................................... 16

§4.1.2 可调照明光路 ........................................... 17

§4.2 成像光路 ................................................... 18

§4.2.1 标准反射镜 ............................................. 18

§4.2.2 波前测量望远系统 ....................................... 18

§4.2.3 Shack-Hartmann 波前传感器 ............................... 20

§4.3 离轴目标 ................................................... 21

§4.3.1 离轴成像望远系统 ....................................... 21

§4.3.2 离轴目标 ............................................... 22

§4.4 本章小结 ................................................... 23

第五章离轴像差测量系统误差分析 .................................... 24

§5.1 成像系统的理论误差分析 ..................................... 24

§5.2 准直照明光束的误差分析 ..................................... 25

§5.3 非准直入射光对波前测量的影响 ............................... 26

§5.4 眼移动对误差测量的影响 ..................................... 28

§5.4.1 波前在 4ƒ系统中的传播 ................................... 28

§5.4.2 人眼定位误差分析 ....................................... 29

§5.5 本章小结 ................................................... 30

第六章离轴像差测量实验及分析 ...................................... 31

§6.1 模拟眼的测量 ............................................... 31

§6.1.1 模拟眼 ................................................. 31

§6.1.2 模拟眼离轴像差测量实验及分析 ........................... 31

§6.1.3 实验结果分析 ........................................... 36

§6.2 活体眼的测量 ............................................... 36

§6.2.1 活体眼离轴像差测量的实验 ............................... 37

§6.2.2 活体眼离轴测量实验分析 ................................. 41

§6.3 图像质量及稳定性 ........................................... 42

§6.4 本章小结 ................................................... 44

第七章总结和展望 .................................................. 45

附录 A. ICE 激光直接照射人眼的 MPE 标准 .............................. 46

附录 B. KSA100-11/12 型精密电控平移台具体参数 ....................... 47

参考文献 ........................................................... 48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 51

致谢 .............................................................. 52

第一章绪论

§1.1 人眼像差测量的背景及发展

早在公元前 300 多年，亚里士多德就指出老年人随着年龄的增长，视力会有

所下降[1]。至十三世纪，玻璃滴注的镜片开始用来矫正视力，当时是将玻璃熔化后

注入模子来制成，这是最早的视力矫正尝试，开始只能对老视眼及远视眼进行矫

正，之后才逐步能够矫正近视和散光[2]。像差的测量则比最早的视力矫正要晚一些，

随着近代物理学和光学技术的发展，像差逐渐被人们所认识。

1801 年Young 发现人眼中存在离焦（远视和近视）及散光的低阶像差，并进

行了测量[3]。之后 Helmholtz 指出人眼中存在除了离焦和散光之外的高阶像差[4]。

19 世纪 Tscherning 设计了一种叫“像差计”的仪器，用于测量人眼单色像差。1961

年，Smirnov 等人的研究显示波前像差是表征人眼光学性能的最佳方式，并对人眼

的波前像差进行了初步测量，得到了人眼的第三阶和第四阶像差[5]。1977 年

Howland HC 和Howland B 设计了一种主观阴影像差仪，并测量了人眼的波前像差。

这是最早进行的较为详细的波前像差测量，而且是首次使用 Zernike 多项式来描述

波前像差，之后 Zernike 多项式被广泛应用于描述波前像差[6,7]。随着信息技术的高

速发展，CCD(Charge-coupled Device, CCD 图像传感器)被广泛应用，1984 年Walsh

等人对主观阴影像差的测量方法进行了改进，将人眼观察到的畸变栅格图直接由

CCD 记录了下来，这使得测量过程较之以前的更为快速和稳定[8]。在以上研究中，

主要的研究内容包括：波前像差的表示方式、量化和评价方法。原先采用泰勒多

项式，后来采用 Zernike 多项式描述波前像差。实验中，主要选择正视眼来进行测

量，测量方法较单一。

二十世纪九十年代，波前像差测量技术迅速发展，测量方法趋于多样化。

Williams DR 等人提出了两种间接测量波前像差的方法：干涉测量法和双光程法[9]。

干涉测量法是利用干涉产生不同空间调制度的干涉条纹来获得人眼的调制传递函

数(modulation transfer function, MTF)；双光程法则是将理想的球面波入射至眼瞳

中，采用 CCD 接收从人眼中反射回来的变形的波前信息，分析其图像来获得 MTF。

这两种测量方法都只能得到用来评价成像质量的 MTF，而不能直接得到眼波前像

差的信息，且测量装置复杂，限制了这些方法的发展[10]。

1994 年梁俊忠等人提出了使用 Shack-Hartmann 波前传感器来测量眼波前像差

的方法[10]，这一具有里程碑意义的方法，为后续人眼视觉成像的研究开辟了广阔

的道路。Shack-Hartmann 测量方法是在 1900 年由 Hartmann 提出，1971 年经过 Shack

改进[11]。这种方法最早用于天文学中，用来测量大气湍流所造成的波前像差，Liang

在德国海德堡大学攻读博士期间，为提高眼底镜的分辨率，自制了 15×15 mm，

基于哈特曼-夏克波前传感器的人眼离轴像差的研究

由两组相互垂直排列的柱面镜阵列组成的 Shack-Hartmann 波前传感器，用于对人

眼像差进行测量，并获得了成功。目前，该方法已经成为眼像差测量最常用的技

术手段，并被广泛地利用于视觉科学领域。

国内的主要研究机构，南开大学现代光学研究所主要研究如何提高哈特曼-夏

克波前传感器的测量性能等；中国科学院成都光电研究所侧重于哈特曼-夏克波前

传感器的测量原理，在微透镜阵列的制作和自适应光学等方面成果颇丰。2005 年

5月12 日成都光电技术研究所和迈科公司联合研制的国内首台基于哈特曼原理的

客观式人眼像差哈特曼测量仪成功面世。该仪器能全面测量人眼高低阶像差，给

出高达 65 项Zernike 像差系数，以及人眼点扩散函数、环围能量和调制传递函数

等全套参数，能以 25 Hz 采样率对人眼像差进行连续动态测量；与国外同类产品相

比，瞳孔选择范围更大[12]。

2006 年南京航空航天大学与苏州六六视觉科技股份有限公司共同开发了主观

式像差仪器。2007 年，上海交通大学提出了主客观结合的视觉光学分析系统[13]。

2008 年上海理工大学提出了基于信息融合技术的主客观相结合的人眼像差测量方

法，这种方法包括主观和客观测量光路，又对测得的数据进行信息融合，使得数

据更符合实际的眼像差测量值。

上面的研究都是基于轴上视场情形下的眼波前像差的测量，然而由轴外视场

引起的眼像差变化对视觉成像的影响很少被研究[14, 15]。另外已有研究表明，LASIK

手术能够显著影响手术眼的离轴像差。离轴像差对探测范围和被探测的运动目标

有着重要的影响，并对被观测者眼底起着限制性作用。对近视 LASIK 手术眼而言，

增加轴外视场的屈光不正会降低视觉功能。文献[16][17][18][19]对人眼在大视场范

围(±50˚)内的像差特性进行了研究，但是对于小视场范围内的眼像差特性却未曾

涉及。由人眼结构，清晰成像区域在视网膜的黄斑区的中心凹(6~ 8˚)，其余部分分

辨率太低，测量时我们选取了 0˚、5˚ 和10˚ 的离轴角度来研究眼波前像差的特性。

为了跟踪测量视觉修复手术眼像差的变化，我们研究设计并组建了能对活体眼进

行离轴像差测量的系统。通过模拟眼的测试来验证系统的可靠性和可行性，然后

对活体眼研究了视场角度变化下的波前像差的变化。

§1.2 人眼像差测量方法

人眼像差的测量方法大致可以分为主观测量法和客观测量法。主观测量法主

要包括主观阴影像差仪、干涉度量法和主观光路追击法等；客观测量法主要包括

基于哈特曼-夏克波前传感器的测量仪、客观阴影像差仪、双光程法、视网膜仪和

同步像差仪等。

§1.2.1 阴影像差仪

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摘要：

摘要眼睛是一个复杂的光学系统，它的光学性能直接影响人们的日常生活。现在常用的医疗设备主要是进行人眼低阶像差（离焦和散光等）的测量和校正，高阶像差的研究也集中在人眼正轴，因此对测量过程中的人眼离轴像差进行研究有着非常重要的意义。哈特曼-夏克波前传感技术原用于自适应光学中测量大气湍流造成的波前像差，近几年也应用于人眼波前像差的测量，它能快速、精确地测量人眼的全部像差（35阶Zernike多项式），通过哈特曼-夏克波前传感器定量地分析离轴像差对于人眼测量的影响，为临床人眼精密激光手术和渐变焦眼镜的测量探索一条可行的路径。本文首先介绍了人眼像差测量在视觉光学领域、眼科领域和视觉研究领域的应用背景及发展...

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