文/陶會(huì)榮

波前像差儀及應(yīng)用前景

文/陶會(huì)榮

1 波前像差

從物點(diǎn)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(shí)際光學(xué)系統(tǒng)存在像差，導(dǎo)致實(shí)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(shí)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(huì)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(cè)量對(duì)矯正視力、改善視功能具有非常重要的意義。而像差測(cè)量技術(shù)近年來也得到了迅速發(fā)展，從低階像差的測(cè)量延伸到了高階像差的測(cè)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(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高敏感度CCD相機(jī)接收系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)。其基本工作原理是利用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)監(jiān)測(cè)通過人眼瞳孔的光線，將監(jiān)測(cè)到的光線與無像差的理想光線進(jìn)行對(duì)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(cè)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(cè)量視網(wǎng)膜反射出來的光線來計(jì)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(gè)由多個(gè)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(gè)波前被聚焦成一個(gè)光點(diǎn)，此時(shí)，每個(gè)光點(diǎn)與透鏡組光軸之間的偏移即能體現(xiàn)對(duì)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(jì)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(cè)量分析投射到視網(wǎng)膜上的光線偏移來計(jì)算的。具體工作原理如圖3所示。激光光束經(jīng)點(diǎn)陣光柵之后形成多個(gè)單點(diǎn)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(shí)，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(gè)點(diǎn)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(jì)，優(yōu)點(diǎn)是取樣多、測(cè)量速度快、測(cè)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(dòng)態(tài)視網(wǎng)膜檢影的測(cè)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(jì)算視網(wǎng)膜反射光到達(dá)傳感器的時(shí)間與理論時(shí)間的差值來計(jì)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(cè)量方法，此種方法雖然無需散瞳，但檢查速度較慢，需要對(duì)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(cè)量，其工作原理是將參考光和測(cè)試光平行入射到眼睛，其中，令參考光通過瞳孔中心射入，測(cè)試光從瞳孔其他位點(diǎn)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(huì)聚焦在視網(wǎng)膜的中心，若存在像差，那么兩束光則會(huì)聚焦在中心以外的位置。此種方法是通過測(cè)量光線在瞳孔各點(diǎn)的角度偏移量來計(jì)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(gè)品牌。

序號(hào) 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(dòng)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(jì)上與WASCA波前像差儀不同

2.3 波前像差儀使用注意事項(xiàng)

既然是光學(xué)儀器，那么就對(duì)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(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)以及清潔維護(hù)；

（5）重新安置或移動(dòng)儀器后必須重新進(jìn)行檢測(cè)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(cè)量眼睛整個(gè)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(duì)視力的影響能夠進(jìn)一步提高驗(yàn)配質(zhì)量，波前像差儀在視光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)即逐漸替代傳統(tǒng)驗(yàn)光儀器，成為新一代的常規(guī)驗(yàn)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(duì)眼睛的測(cè)量達(dá)到一個(gè)新的高度，這也是未來波前像差儀發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。?

作者單位：天津職業(yè)大學(xué)眼視光工程學(xué)院