文/陶會榮

波前像差儀及應(yīng)用前景

文/陶會榮

1 波前像差

從物點發(fā)出的波面經(jīng)過理想光學(xué)系統(tǒng)之后，其出射波面應(yīng)該是球面，但是由于實際光學(xué)系統(tǒng)存在像差，導(dǎo)致實際波面與理想波面之間出現(xiàn)了偏差。波前是光波連續(xù)性的同相表面，所謂波前像差（波陣面像差）即實際波前與理想波前之間的偏差，如圖1所示。像差的形成取決于所經(jīng)過的光學(xué)系統(tǒng)的原理或光學(xué)系統(tǒng)的缺陷。

圖1 波前像差示意圖

人眼的像差則主要來源于光學(xué)系統(tǒng)的缺陷，分為3種情況：（1）角膜和晶狀體、玻璃體不同軸；（2）角膜和晶狀體的表面曲度不理想，存在局部偏差；（3）角膜、晶狀體、玻璃體的內(nèi)含物質(zhì)不均勻，導(dǎo)致折射率有局部偏差。上述情況都會使進(jìn)入眼睛的波前偏離理想光路而形成像差，導(dǎo)致視物模糊。

人眼存在的像差有兩種：低階像差和高階像差。低階像差包括近視、遠(yuǎn)視、散光等傳統(tǒng)屈光問題；高階像差包括球差、彗差、不規(guī)則散光等其他光學(xué)缺陷。因此，像差的準(zhǔn)確測量對矯正視力、改善視功能具有非常重要的意義。而像差測量技術(shù)近年來也得到了迅速發(fā)展，從低階像差的測量延伸到了高階像差的測量。

2 波前像差儀

波前像差儀是一種精密光學(xué)儀器，主要由以下幾部分組成：激光發(fā)射系統(tǒng)、眼位自動跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)、高敏感度CCD相機(jī)接收系統(tǒng)、計算機(jī)圖像處理系統(tǒng)。其基本工作原理是利用自動跟蹤系統(tǒng)監(jiān)測通過人眼瞳孔的光線，將監(jiān)測到的光線與無像差的理想光線進(jìn)行對比，通過數(shù)學(xué)處理來量化像差，從而得到波前像差平面。

2.1 波前像差儀分類

波前像差儀分為客觀式和主觀式兩大類，客觀式像差分析儀按工作原理的不同又分出射型、入射型和入射可調(diào)式型，主觀式像差分析儀主要是利用心理物理學(xué)方法測量人眼像差。

2.2 波前像差儀工作原理

2.2.1 Shack-Hartmann原理

基于Shack-Hartmann原理的像差分析儀即為出射型像差分析儀，其波前像差是通過測量視網(wǎng)膜反射出來的光線來計算的。該原理是通過一束直徑大約為1mm的He-Ne激光聚焦在人眼黃斑后，經(jīng)過人眼光學(xué)系統(tǒng)后射出眼球，接收系統(tǒng)為一個由多個微小透鏡組成的微型透鏡陣列，射出光線最后成像在CCD。微型透鏡陣列將反射出來的光線的波前分割成若干更小的波前，每個波前被聚焦成一個光點，此時，每個光點與透鏡組光軸之間的偏移即能體現(xiàn)對應(yīng)的波前像差。Shack-Hartmann像差分析儀工作原理如圖2所示。

圖2 Shack-Hartmann像差分析儀工作原理

2.2.2 Tscherning原理

基于Tscherning原理的像差分析儀是根據(jù)光路追蹤原理而設(shè)計的視網(wǎng)膜像型像差分析儀，即入射型像差分析儀，其波前像差是通過測量分析投射到視網(wǎng)膜上的光線偏移來計算的。具體工作原理如圖3所示。激光光束經(jīng)點陣光柵之后形成多個單點矩陣的平行激光光束投射到眼底，由于屈光介質(zhì)像差的存在，使得投射到眼底視網(wǎng)膜上的光線發(fā)生偏移，此時，通過高靈敏度的CCD相機(jī)采集到的視網(wǎng)膜圖像上的每個點的位置與原來理想狀態(tài)下的位置發(fā)生了偏移，進(jìn)而得出相應(yīng)的波前像差。

圖3 Tscherning像差分析儀工作原理

2.2.3 Smirnov-Scheiner原理

基于Smirnov-Scheiner原理的像差分析儀即入射可調(diào)式屈光計，優(yōu)點是取樣多、測量速度快、測量范圍大，如OPD-Scan ARK-1000，其工作原理如圖4所示，采用的是360°動態(tài)視網(wǎng)膜檢影的測量方式。發(fā)光二極管發(fā)出的裂隙光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)垂直投射到視網(wǎng)膜上，從視網(wǎng)膜反射出來的光由旋轉(zhuǎn)的傳感器接收，此種原理是通過計算視網(wǎng)膜反射光到達(dá)傳感器的時間與理論時間的差值來計算波前像差的。

圖4 OPD-Scan像差分析儀工作原理

2.2.4 主觀式像差分析儀工作原理

主觀式即心理物理學(xué)測量方法，此種方法雖然無需散瞳，但檢查速度較慢，需要對患者進(jìn)行訓(xùn)練，可以在眼睛存在調(diào)節(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行測量，其工作原理是將參考光和測試光平行入射到眼睛，其中，令參考光通過瞳孔中心射入，測試光從瞳孔其他位點射入，兩束光在視網(wǎng)膜上的聚焦位置即可判斷有無像差，如果不存在像差，則兩束光會聚焦在視網(wǎng)膜的中心，若存在像差，那么兩束光則會聚焦在中心以外的位置。此種方法是通過測量光線在瞳孔各點的角度偏移量來計算波前像差的。

目前市面上的波前像差儀種類繁多，原理各異，主要有以下4個品牌。

序號 國家 產(chǎn)品 原理1 美國 Tracey iTrace 基于光路追蹤原理2 德國 Carl Zeiss WASCA 基于Hartmann-Shack原理3 日本 Nidek OPD-Scan 基于Smirnov-Scheiner原理，采用360°動態(tài)視網(wǎng)膜檢影原理4 俄羅斯 Multispot基于Hartmann-Shack原理，但硬件設(shè)計上與WASCA波前像差儀不同

2.3 波前像差儀使用注意事項

既然是光學(xué)儀器，那么就對周圍環(huán)境光線有一定要求：

（1）宜置于暗室，檢查室光線不宜過亮；

（2）硬性隱形眼鏡佩戴者注意應(yīng)脫鏡3周以上再進(jìn)行檢查；

（3）軟鏡佩戴者注意應(yīng)脫鏡2周再進(jìn)行檢查；

（4）應(yīng)定期對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)以及清潔維護(hù)；

（5）重新安置或移動儀器后必須重新進(jìn)行檢測和校正。

3 應(yīng)用前景

波前像差技術(shù)可以得到一種獨(dú)特的“眼睛指紋”，可以測量眼睛整個視路范圍內(nèi)的像差變化情況，因此波前像差儀不僅在視覺研究領(lǐng)域、眼科領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，在視光學(xué)領(lǐng)域也逐漸得到應(yīng)用。了解人眼像差對視力的影響能夠進(jìn)一步提高驗配質(zhì)量，波前像差儀在視光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢即逐漸替代傳統(tǒng)驗光儀器，成為新一代的常規(guī)驗光設(shè)備。而近年來，波前像差儀和角膜地形圖儀的結(jié)合，能夠定位全眼球像差主要是源于角膜像差還是眼內(nèi)像差，使對眼睛的測量達(dá)到一個新的高度，這也是未來波前像差儀發(fā)展的一個趨勢。?

作者單位：天津職業(yè)大學(xué)眼視光工程學(xué)院