人眼波前像差客观测量的研究

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人眼波前像差客观测量的研究

摘要

人类通过眼睛光学成像系统认识世界。人眼中常常伴有大量的波前像差，其

中存在的不规则像差，是降低视网膜的视觉性能和成像质量的主要原因之一。研

究人眼波前像差测量以及矫正，不仅有利于生理医学上更好的研究眼睛内部结构

而且在激光治疗近视手术过程中，对患者进行精确的验光也是至关重要的。准确

测量人眼的波前像差能够提高验光测量的精确性和客观性，对提高正常眼睛的视

力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床价值。

本论文对人眼波前像差测量技术在国内外的发展状况进行了广泛的研究。分

析人眼的结构及其特性，理论研究了波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差

的表示方式。运用 Zernike 多项式表示人眼波前像差，研究 Zernike 多项式与人眼

波像差的对应关系以及一些高级像差对人眼成像质量的影响。通过对自适应光学

中Zernike 多项式重建波前理论的研究，重点分析了应用 Hartmann-Shack 波前传

感器测量人眼客观像差并用变形反射镜矫正人眼像差的解决方案。

设计了带有预补偿装置以及离焦补偿装置的人眼波前像差客观测量系统。重

点分析了该系统的原理，结构和工作流程。应用 Hartmann-Shack 波前传感器对人

眼波前像差进行了测量，并使用变形反射镜对人眼波前像差进行矫正。制作了二

维电移台控制器，使用 32 细分电路控制精密电移台的步进电机，通过计算机采集

卡向细分电路发出脉冲信号，使用 VB 对采集卡进行编程实现电移台控制。

实验中首先测量模拟人眼的波前像差，然后测量活体人眼的波前像差。并对

调节预补偿装置前后的人眼光斑点阵图进行对比分析，进而验证预补偿装置在系

统中的作用；此外对调节离焦补偿装置前后所测量的波前像差进行对比分析，验

证离焦补偿系统的离焦补偿精度。用可变形反射镜对测量到的波前像差进行矫正

此外对矫正前后的人眼波前像差的结果进行对比，分析可变形反射镜的矫正效果

本实验测试系统采用自适应光学反馈软件可以直接得出 Zernike 多项式各项的系

数、人眼波前像差的大小以及被测人眼的三维波前重构图。最后使用 Matlab 编程进

行数据处理，并对实验结果进行误差分析。

由实验结果可以知道，本课题所设计的人眼波前像差客观测量系统能够准确

有效的对人眼波前像差进行实时测量。此外，系统所设计的预补偿系统和离焦补

偿系统也在测量过程中起到了重要作用。

关键词：波前像差人眼客观测量

ABSTRACT

There are many wave-front aberrations in human eyes. The anomalistic aberrations

in human eyes are the main reason decay visual acuity and image quality. Studies of

measurement and correcting of aberrations in human eyes not only benefit to

investigating into the structure of human eyes but also revealing wide foreground of

enhancing human visual acuity and super vision. Accurate measurement of human eyes’

wave-front aberration can improve the accuracy and objectivity of measurement, and

has important value of experiment and clinic for improving normal eyesight and

refraction surgery.

This article investigates the measurement technology of human eyes’ wave-front

aberration, and its development both here and abroad. Human eyes’ structure and

speciality are analysed here. The mechanism of the production of the aberration in the

human eyes and the ways to describe them are analysed according to wave optics

theory. The mathematical function of wave-front aberration expressed by Zernike

polynomial is analysed.The relationship between Zernike polynomials and wave-front

aberrations and the influence of wave-front aberration of single Zernike modes on

optical quality are emphasized. Afterwards the resolved scheme of the measurement of

the human eye wave-front aberrations is proposed by the use of the Hartmann-Shack

sensor and deformable mirrors are used as wave-front aberrations correctors

respectively, which are involved with the theory of the wave-front reconstruction by the

use of the Zernike polynomials in the adaptive optics.

Objective measurement system with precompensation and defocus compensation

equipment of human eyes’ wave-front aberration are designed. The structure and

progress of this work are discussed, emphatically. The human eyes’ wave-front

aberrations are surveyed and corrected using the Hartmann-Shack wave-front sensor

and the deformable mirror. Electronic controlled translation platform is made. In this

system the engine of the workbench is controlled by 32 subdivision circuit. Impulses

produced by the gather chip within the computer are transmitted to the controlling

circuit. The program both controlling date gathering and workbench moving is

programmed with VB. PCB plat is designed with Protel99SE.

Wave-front aberrations of stimulate eyes are measuremented firstly, then the human

eye. Contrastive analysis the human eye aberration survey facular lattice chart before

and after adjust pre-compensation equipment, then validate the function of pre-

compensation equipment in this system. Contrastive analysis wave-front aberration

before and after adjust defocus compensation, then validate the precision of defocus

compensation system. Correct human eyes’ wave-front aberration by deformable mirror.

Contrastive analysis human eyes’ wave-front aberration before and after correction, then

analyse the function of deformable mirror. The system uses WF Sensor Software to

obtain coefficient of Zernike multinomial and the numeric value of human eyes’ wave-

front aberration and three dimensional restructuring charts of human eyes. At last,

process data by Matlab programme and analyse errors of the result of this experiment.

The conclusion can be found through the experiment results that human wave-front

aberration can be measured precisely by objective human eyes’ wave-front aberration

system in real time. Moreover, the precompensation system and defocus compensation

system also play important roles in the measurement process.

Key words: Wave-front aberration, Eye, Objective, Measurement

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 引言..........................................................1

§1.2 波前像差测量技术的发展........................................2

§1.3 课题来源及意义................................................5

§1.4本文所做的主要工作............................................7
第二章 人眼像差测量的基本原理........................................8
§2.1 人眼的基本结构................................................8
§2.1.1 人眼结构及其光学特性
......................................8
§2.1.2 人眼屈光不正及其影响因素
.................................10
§2.2 人眼波前像差.................................................14
§2.2.1 像差的分类
...............................................14
§2.2.2 人眼波前像差的概念
.......................................15
§2.3 波像差和光线像差的关系.......................................17
§2.4人眼波前像差的表示方法.......................................21
§2.4.1 基于Taylor 级数的眼波前像差表示法
.........................21
§2.4.2 基于Zernike 多项式的眼波前像差表示法及波像差图
...........22
§2.4.3 Zernike 模式法波前重构
...................................26
§2.5 本章小结.....................................................28
第三章人眼波前像差客观测量系统设计..................................29
§3.1 自适应光学系统...............................................29
§3.2 人眼波前像差客观测量系统的设计...............................30
§3.2.1 光源
.....................................................32
§3.2.2 准直扩束系统
.............................................32
§3.2.3 预补偿系统
...............................................33
§3.2.4 哈特曼－夏克波前传感器
...................................34
§3.2.5 标准反射镜
...............................................36
§3.2.6 可变形反射镜
.............................................37
§3.2.7离焦补偿系统
.............................................40
§3.2.8 光强度限制
...............................................43
§3.2.9 望远系统
.................................................44
§3.2.10 分光元器件的选择
........................................45
§3.2.11 自适应控制系统
..........................................46
§3.3 结论.........................................................46
第四章 二维电移台控制系统设计.......................................48
§4.1 电移台控制系统硬件设计.......................................48
§4.1.1 精密电控平移台
...........................................48
§4.1.2 采集卡
...................................................49
§4.1.3 细分电路
.................................................50
§4.1.4接口电路箱
...............................................51
§4.2 电移台控制系统软件设计.......................................55
§4.3 总结.........................................................56
第五章 实验结果及误差分析...........................................58

§5.1 标准面的选择及其图像.........................................58
§5.2 模拟人眼波前像差测量结果分析.................................58
§5.3 活体人眼波前像差测量及分析...................................60
§5.4离焦补偿系统功能测试.........................................61
§5.5预补偿系统功能测试...........................................62
§5.6电控平移台功能测试...........................................63
§5.7可变形反射镜功能测试.........................................65
§5.8误差来源讨论.................................................66
§5.8.1 哈特曼-夏克传感器误差来源
................................66
§5.8.2 关于可变形镜误差
.........................................67
§5.8.3 关于标准面的误差
.........................................67
§5.8.4 其他误差
.................................................68
§5.9 总结.........................................................68
第六章 总结与展望...................................................69
参考文献............................................................71
附录：采集卡控制原程序..............................................75

第一章绪论

§1.1 引言

视觉是人类获取外界信息最重要的途径，人类 70％以上的信息都是通过视觉

获取的[1]，而视觉质量的好坏直接影响人的生活质量。人眼不是一个完善的屈光系

统，其角膜和晶状体存在着各种像差，包括球差、慧差、像散、场曲、畸变、色差以

及其他高级像差[2]。从十三世纪开始人们已经可以使用眼镜矫正离焦，到了十九世

纪才可以矫正散光。我国作为屈光不正的高发地区，约有50%以上的人患有不同程

度的近视、远视或散光[3]。而在中学和大学生中，近视患者的比例则高达 60%以上

[4]。屈光矫正的实质就是矫正人眼像差，只不过通常现有的视力检测设备绝大多数

仍然仅对人眼像差中离焦和像散等初级像差进行测量，并据此对人眼光学系统进

行矫正。要使人眼视觉质量得到根本提高，还需要矫正高级像差。目前矫正屈光不

正的方法有佩戴框架眼镜，角膜接触镜或施行屈光手术(如PRK，LASIK 等)。屈

光手术可以解决人眼像差问题，不仅可以矫正近视、远视、散光，包括高级像差都

可以进行矫正[5][6]。

随着波前技术的发展和对人眼高级像差影响视力的逐步深入理解，人们开始

重新认识现行的人眼角膜切割手术中存在的问题。到20世纪六十年代，激光问世

之后，出现了准分子激光角膜表面切削术(Photorefractive Keratectomy,简称PRK)

和准分子激光角膜原位磨镶术(Laser in Situ Keratomileusis，简称LASIK ) [7][8]。人

们发现目前的角膜屈光手术虽然使患者的视力有所提高，但不少患者术后出现暗

视力差，眩光和复视的视觉问题[9]。近年的研究表明，影响手术效果的原因是手术

在产生非生理性角膜形态的同时，不仅没有克服人眼原有的高级像差，还在一定

程度上带来附加的高级像差。为克服激光角膜屈光手术存在的困难，人们开始尝

试波前像差引导的个体化激光角膜屈光手术。它根据不同个体眼睛独特的波前像

差特性和眼解剖特性，通过球面、非球面、以及非对称的切削矫正，减少眼睛的高

级像差，从而提高手术实效。2001年苏黎世大学和德国勒斯登大学率先报道了他

们在这一领域的研究成果，并得出结论:波前像差引导的个性化LASIK是一种可

靠的技术，可有效地克服传统LASIK手术存在的困难，提高患者的视力，特别是

可以提高患者的暗视力[10][11]。

用自适应光学矫正人眼的高级像差，还可以实现活体视网膜的高分辨率成

像。虽然视网膜解剖学研究已相当成熟，但是活体视网膜成像由于受眼光学系统

高级像差的影响，成像模糊，无法得到视锥细胞的清晰轮廓。1997年，J. Liang用

波前技术矫正人眼的高级像差，并应用自适应光学技术首次获得了活体人眼视网

膜像，其清晰度可以和解剖学的结果相比较[12]。视网膜高分辨率成像不仅在视网

人眼波前像差客观测量的研究

膜特性的理论研究上有重要意义，而且为眼底疾病的诊断和治疗创造了新的条件

[13]。利用自适应光学系统将产生新一代高清晰度的眼底窥镜，许多在一般屈光系

统下不能看到的视网膜细微病理性病变将会被发现，许多以往不清楚的病也因此

可能搞清楚。

近年来，将波前像差技术用于角膜屈光手术，成为视光学领域研究的热点，

而对人眼波前像差的测量则是其中的关键技术。人眼像差检测方法为医生根据每

个患者的个体情况来确定最佳手术方案提供指导。在屈光手术中应用波前像差技

术，针对不同的个体对角膜进行“个体化” 切削，甚至通过波前像差引导的激

光切削，使患者达到超视力的目标[14][15][16]。个体化切削的含义包括：1、就患者特

有的眼波面像差进行针对性切削，既达到矫正近视、远视和散光等传统意义上的

屈光不正，又矫正慧差、球差等高阶像差，使患者术后获得更好的视力与视觉质

量；2、就患者激光术后继发的眼波面像差进行针对性矫正，改善术后的波面像

差，进一步提高视力与视觉质量。但其术后效果并不确定，这主要是因为：1、眼

像差的动态变化特性导致其精确测量与矫正变得十分困难；2、眼波面像差与视觉

效果之间的关系尚不了解；3、切削后角膜组织的生物学反应对波面像差的影响尚

需研究；4、波面像差与切削模式之间的数字化关系尚处于探索中。只有对这些问

题进行科学、系统、深入的基础研究，才能有效利用波面像差仪所提供的高阶像差

测量数据，充分发挥准分子激光对角膜组织精确的切削能力，创造出人眼最佳的

视力及视觉效果。

§1.2 波前像差测量技术的发展

波前像差的测量主要基于两种理论：干涉理论和光路追踪理论[17]。如以干涉理

论为基础的Twyman-Green 干涉仪，其原理是使一准直光束分离，分离的光束分

别从测试表面和参考表面反射后重新汇聚。只有当两个波面完全一致时，重新汇

聚的光线不会出现干涉的模糊边缘，否则，边缘干涉图形就表现为不同的波前像

差图形。但由于人眼稳定性和难以重构参考表面，用干涉理论测量像差的方法在

生理学很少应用。

以光路追迹理论为基础的波前像差测量的基本原理是：通过贯穿眼入瞳的一

列阵光线的斜率的整合而重现波前像差平面得以实现。这一方法在1900 年时被

Hartmann 首先实现[18]。到目前为止发展到 Hartmann-Shack、Tscheming、Scheiner-

Smirnov 三大理论。

由Hartmann-Shack 原理检测波前像差的主要特点：波前像差是由光线射出眼

睛定义的，因此被称为“外向型”。它的早期应用是在 20 世纪早期，Hartmann 首

次描述了这个原理。后来以Hartmann 屏的形式应用在光学测量上。在 70 年代早期，

Shack 改进了 Hartmann 技术，后来被广泛应用在了天文学上，被宇航员用于测量

大气引起的光学像差[19]。

1944 年，Liang J 开始应用这种原理测量人眼的屈光误差和高阶像差[20]。具体

原理：一束激光被聚焦在人眼黄斑上，反射出来的光线通过人眼的折射系统射出

第一章绪论

眼睛，位于瞳孔处的 CCD 照相机所捕获。由许多微小透镜排列而成的透镜组会把

反射出来的光线的波前分成若干个更小的波前，每个波前则被聚焦成一个光点

“光点相对于微小透镜的光轴在空间上和透镜轴心的偏差，则直接显示了此处波

前的倾斜情况，以及整个眼睛波前的形态”。

最新的COAS 系统能够准确地测量二阶、三阶以及四阶的像差[21]。这种波前检

测方法的局限性在于：由于黄斑下脉络膜的干扰会产生散射，从而产生干扰性的

回波；另外激光光源中的小斑点和光斑被照亮的程度以及质量，也会影响波前检

测的准确性。

由Tscherning 原理测量波前像差的主要特点：波前像差是由在视网膜上成像

的偏差定义的，因此叫“视网膜成像”法[22]。这种方法的首次应用是在 19 世纪末，

当时Tscherning 在阐述人眼的单频像差时首次描述了这个原理。但是，视光学的带

头人，包括 Gullstrand,在那时却并不支持 Tscherning 的理论，因此并没有得到广

泛接受。直到 1977 年Howland 应用 Tcherning 的像差显示仪的设计并用交叉柱镜

进行了改进，用于主观测量人眼的单频像差[23]。进来Seiler 进行了改进，将间距

1mm 的网格投射在视网膜上。同时，这种设计还带有一个同轴的光学系统，能够

可视化地用图像来表示像差图。之后，乌克兰的Molebny 等人改进了这种技术，

设计了一种视网膜光线示踪仪，在这种仪器中，单一的光线连续的投射并在视网

膜上成像，光点位置的示踪整体上可反映波前像差的情况[24][25]。这种检测波前方

法的局限性在于：在光束的位置偏离计算中，要用到一个理想化的人眼模型，就

是要根据常人眼的屈光误差不断调节以达到理想的同轴状态，从而实现理想化。

由Scheiner 原理检测波前像差的主要特点：波前像差的形式是由一束可调节

的补偿像差的光线射入眼睛而定义的，因此被称为“内向型”[26]。简而言之，这

个理论就是使用一个带有两个孔的圆盘观察远处通过这两个孔的光源，每一个孔

都将与角膜的不同部分保持一致。如果在角膜的表面发生任何的折射错误，光源

将在视网膜形成两个像而不是一个，如（图1-1）所示。

这种方法是在 1961 年由Smirnov 首次应用于一种主观性可调节屈光检测仪。

入射的外围光线经主观改变方向射向一个中心目标，从而消除外围点的相应的光

学像差[27]。1998 年，Webb 和Burns 进行了改进，制成了现在的主观性波前折射计

(SRR)，它应用上述原理便可测量波前的模式[28]。这种方法利用了 37 个检测点，

每一个点发出的光线都由病人手动调整方向从而与中心目标相重合，根据调整的

水平进而描述出波前像差的形态。局限性在于测量时需要患者耗费大量的时间进

行主观调节以及矫正光点的偏差。

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摘要：

人眼波前像差客观测量的研究摘要人类通过眼睛光学成像系统认识世界。人眼中常常伴有大量的波前像差，其中存在的不规则像差，是降低视网膜的视觉性能和成像质量的主要原因之一。研究人眼波前像差测量以及矫正，不仅有利于生理医学上更好的研究眼睛内部结构而且在激光治疗近视手术过程中，对患者进行精确的验光也是至关重要的。准确测量人眼的波前像差能够提高验光测量的精确性和客观性，对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床价值。本论文对人眼波前像差测量技术在国内外的发展状况进行了广泛的研究。分析人眼的结构及其特性，理论研究了波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差的表示方式。运用Zernike多项式表示人...

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