波前像差儀及應用前景

文/陶會榮

波前像差儀及應用前景

文/陶會榮

1 波前像差

從物點發出的波面經過理想光學系統之后，其出射波面應該是球面，但是由于實際光學系統存在像差，導致實際波面與理想波面之間出現了偏差。波前是光波連續性的同相表面，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過的光學系統的原理或光學系統的缺陷。

圖1 波前像差示意圖

人眼的像差則主要來源于光學系統的缺陷，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、玻璃體的內含物質不均勻，導致折射率有局部偏差。上述情況都會使進入眼睛的波前偏離理想光路而形成像差，導致視物模糊。

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、遠視、散光等傳統屈光問題；高階像差包括球差、彗差、不規則散光等其他光學缺陷。因此，像差的準確測量對矯正視力、改善視功能具有非常重要的意義。而像差測量技術近年來也得到了迅速發展，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儀器，主要由以下幾部分組成：激光發射系統、眼位自動跟蹤監測系統、高敏感度CCD相機接收系統、計算機圖像處理系統。其基本工作原理是利用自動跟蹤系統監測通過人眼瞳孔的光線，將監測到的光線與無像差的理想光線進行對比，通過數學處理來量化像差，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、入射型和入射可調式型，主觀式像差分析儀主要是利用心理物理學方法測量人眼像差。

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，經過人眼光學系統后射出眼球，接收系統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對應的波前像差。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光路追蹤原理而設計的視網膜像型像差分析儀，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，由于屈光介質像差的存在，使得投射到眼底視網膜上的光線發生偏移，此時，通過高靈敏度的CCD相機采集到的視網膜圖像上的每個點的位置與原來理想狀態下的位置發生了偏移，進而得出相應的波前像差。

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式屈光計，優點是取樣多、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°動態視網膜檢影的測量方式。發光二極管發出的裂隙光經光學系統垂直投射到視網膜上，從視網膜反射出來的光由旋轉的傳感器接收，此種原理是通過計算視網膜反射光到達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，需要對患者進行訓練，可以在眼睛存在調節的狀態下進行測量，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°動態視網膜檢影原理4 俄羅斯 Multispot基于Hartmann-Shack原理，但硬件設計上與WASCA波前像差儀不同

2.3 波前像差儀使用注意事項

既然是光學儀器，那么就對周圍環境光線有一定要求：

（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脫鏡3周以上再進行檢查；

（3）軟鏡佩戴者注意應脫鏡2周再進行檢查；

（4）應定期對儀器進行校準以及清潔維護；

（5）重新安置或移動儀器后必須重新進行檢測和校正。

3 應用前景

波前像差技術可以得到一種獨特的“眼睛指紋”，可以測量眼睛整個視路范圍內的像差變化情況，因此波前像差儀不僅在視覺研究領域、眼科領域已有廣泛應用，在視光學領域也逐漸得到應用。了解人眼像差對視力的影響能夠進一步提高驗配質量，波前像差儀在視光學領域的發展趨勢即逐漸替代傳統驗光儀器，成為新一代的常規驗光設備。而近年來，波前像差儀和角膜地形圖儀的結合，能夠定位全眼球像差主要是源于角膜像差還是眼內像差，使對眼睛的測量達到一個新的高度，這也是未來波前像差儀發展的一個趨勢。?

作者單位：天津職業大學眼視光工程學院