眼波前像差檢測實驗研究

張學勇，張大明，唐　震，周玉坤

(安徽建筑大學，安徽 合肥　230601)

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眼波前像差檢測實驗研究

張學勇，張大明，唐震，周玉坤

(安徽建筑大學，安徽 合肥230601)

摘 要：根據(jù)哈特曼-夏克波前檢測理論，設計一個簡單的眼波前像差檢測系統(tǒng)。本文介紹了其工作原理和實驗裝置，通過對模擬眼球的波前像差檢測，證明該系統(tǒng)可用于實驗教學。

關(guān)鍵詞：波前像差;設計性與研究性實驗;教學改革

人眼是一個存在像差的光學系統(tǒng)，不僅包含離焦和散光這樣傳統(tǒng)的低階像差還包含球差、慧差等高階像差[1]。波前像差依據(jù)實際波前和理想無偏差的波前之間的差值來定義，在沒有像差時，進入人眼的平面波前可以在視網(wǎng)膜上會聚成一個點，而實際的人眼光學系統(tǒng)并不完美，導致出射波面發(fā)生變形，不再是理想的球波面。這種理想波面與變形的實際波面間的光程差(Optical Path Difference,OPD)，即為人眼的波前像差[2]。為了提高人眼的視覺成像質(zhì)量，對波前像差加以矯正十分必要。常規(guī)驗光手段只能對人眼光學系統(tǒng)離焦(近視、遠視)和散光缺陷進行測量，而無法實現(xiàn)人眼高階像差檢測。由于像差儀不僅能測量眼部屈光不正而且能檢測人眼高階像差，因而在眼科臨床得以廣泛應用。目前眼科臨床使用的像差儀主要有博士倫的Zyoptics系統(tǒng)、Tracey公司的視網(wǎng)膜光線追跡儀、Emory視覺矯正系統(tǒng)和蘇州醫(yī)療器械公司的WFA100單色波前像差分析儀等[3]。日常的實驗教學，將這些臨床用的昂貴專用儀器搬進實驗室是不現(xiàn)實的。為了拓展設計性、研究性實驗項目的需要，我們自行設計了一個簡單的可用于眼波前像差檢測的實驗平臺系統(tǒng)，對其工作原理、裝置組成以及應用分別進行介紹。

1波前像差檢測系統(tǒng)

1.1 哈特曼-夏克波前檢測原理

如圖1所示，哈特曼-夏克波前檢測方法是利用一束直徑大約l mm的激光通過眼睛視軸聚焦于人眼黃斑處，反射的光線通過人眼折射系統(tǒng)射出眼睛后，其波前由微透鏡陣列細分成若干個更小的波前，這樣每個波前通過小孔徑聚焦都會在透鏡陣列的焦平面上形成一個光點。

利用放置在微透鏡陣列焦平面處的CCD相機，可對所有光點進行捕獲。當波前由理想波前變?yōu)橛邢癫畹牟ㄇ皶r，每個小孔徑的光點相對微小透鏡的光軸在空間上都將發(fā)生一定的位移，見圖2示意。CCD像面上每個光點質(zhì)心相對位置方向和偏移量大小，反映此處波前的傾斜情況。通過波前重構(gòu)技術(shù)，如采用模式法和最小平方技術(shù)即可重建波前，進而獲取相應的眼低階和高階像差[4,5]。

1.2實驗裝置

波前像差檢測實驗裝置見圖3示意，中空的模擬眼球、微透鏡陣列、觀察屏、CCD相機依次放置在實驗水平光具座上。眼球后極內(nèi)表面放置高功率LED光源模擬人眼視網(wǎng)膜中心凹光斑，前極處留置直徑6 cm圓孔，首先使用同孔徑會聚透鏡遮蓋，其中LED處于會聚透鏡焦點處，即透鏡焦距等于眼球軸長。透鏡折射率等價角膜和晶狀體的折射率，此時模擬眼情形類似人的正視眼。來自透鏡的出射光線經(jīng)微透鏡陣列成像于觀察屏上。實驗用觀察屏為一張帶有坐標的紙片，置于微透鏡陣列的焦平面處；利用CCD相機，也可清楚觀察每個光斑分布情況，若把輸出信號進一步送入計算機，利用內(nèi)置程序，即可繪制波前像差圖。

實驗中使用一底面蒙有硅膠直徑6 cm的透明塑料小圓柱型培養(yǎng)盤代替透鏡，通過利用醫(yī)用注射器向柱體內(nèi)注入微量生理鹽水，模擬實現(xiàn)不規(guī)則角膜變形，從而進一步完成不同程度缺陷眼的波前像差測量。

1.3實驗結(jié)果

圖4(a) 給出的是基于透鏡的模擬眼檢測的CCD像面光斑陣列圖和波前像差圖。

從圖4(a) 中波前像差圖可看出，此時的像差對應傳統(tǒng)Seidel像差，表示沿軸向傾斜。利用透明塑料培養(yǎng)盤代替透鏡，通過微灌注，改變角膜形態(tài)，檢測出的一個典型的微透鏡陣列光斑圖及整個眼的波前像差圖，如圖4(b)所示。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，這個模擬眼的波前像差較為復雜，不僅包含離焦、像散這樣的低階像差而且還存在更高階的像差，如高階散光與球差等。

2結(jié)論

中國是屈光不正高發(fā)地區(qū)，多數(shù)人患有不同程度的近視、遠視或散光，尤其在學生群體中，近視患者的比例更高。波前像差引導的個性化角膜切削手術(shù)，具有在矯正近視、遠視和散光的同時，還能抑制球差、彗差等高階像差的增加等優(yōu)點，目前是眼科臨床采用的主流術(shù)式之一。由教師協(xié)助指導，開展波前像差檢測這類貼近學生生活的設計性、研究性實驗[6,7]，不僅能鞏固和運用學生所學的知識，增加學生實際動手能力，更能進一步調(diào)動學生的學習熱情和激發(fā)學生的探究性學習興趣，在培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)及創(chuàng)新應用型人才方面具有重要意義。

參考文獻：

[1]吳晉芳,袁志勇,陳思,等.波前像差的視光學理論與應用[J].中國斜視與小兒眼科雜志,2006,14(4):199-202.

[2]He J C,Burns S A,Marcos S.Monochromatic aberrations in the accommodated human eye [J].Vision Research,2000,40:41-48.

[3]李玉珍,魏銳利,朱煌.波前像差技術(shù)及其在屈光手術(shù)中的應用[J].眼科新進展,2006,26(4):306-308.

[4]張學勇,唐震.眼波前像差仿真實驗研究[J].大學物理實驗,2015,28(2):37-39.

[5]周仁中,閻吉祥.自適應光學理論[M].北京:北京理工大學出版社,1996:294 -301.

[6]俞熹,樂永康,冀敏,等.美國大學物理教學和管理考查報告[J].物理實驗,2013,33(4):14 -20.

[7]于濤.當代大學物理實驗教學方法改革探析[J].大學物理實驗,2015,28(1):119-122.

Experimental Study on Wavefront Aberration of Human Eye

ZHANG Xue-yong,ZHANG Da-ming,TANG Zhen,ZHOU Yu-kun

(Anhui Jianzhu University,Anhui Hefei 230601)

Key words：wavefront aberration；design and research experiment；teaching reform

Abstract：Using the Hartmann-Shack wavefront sensing principle,a simplified experimental system is designed to measure the wavefront aberrations of human eye.The work principle and configuration of the experimental system is presented.Experiments carried out on a simulated eyeball demonstrate its potential for the experimental teaching.

收稿日期：2016-02-28

基金項目：安徽省自然科學基金資助項目(1308085MF98)；安徽省高等學校自然科學研究資助項目(KJ2014A041) ；安徽建筑大學博士基金資助項目 (20138001)；安徽省振興計劃及質(zhì)量工程資助項目(2015zytz039，2013zzg03)

文章編號：1007-2934(2016)03-0021-03

中圖分類號：R 778；G 642.423

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.007