美好生活，離不開能看見美的視力

楊亞良

“那大圣睜圓火眼金睛，低頭看時，原來佛祖右手中指寫著‘齊天大圣到此一游?！边@句話引自《西游記》第七回，此時的大圣正在與佛祖斗法，必須看清楚些，可別被佛祖騙了，因此他用盡了力氣睜大眼睛去看。不過，在生活中，有些視力不好的人看東西時會盡量瞇起眼睛，這樣才能看得清楚些。也就是說，瞳孔縮小可以看得更清楚。

大圣肯定犯嘀咕：“到底是何方妖孽在作怪？”答案是：人眼像差。當(dāng)然，它不是妖怪，而是人類，尤其是現(xiàn)代人具有的身體特征。

大圣和普通人的矛盾是亙古不變的“理想與現(xiàn)實的差距”。人眼是一個光學(xué)成像系統(tǒng)：以角膜和晶狀體為主的人眼屈光系統(tǒng)，相當(dāng)于相機的光學(xué)鏡頭，它把來自物體的光線聚焦在視網(wǎng)膜上，再通過神經(jīng)傳導(dǎo)至大腦，經(jīng)過處理后，形成物體的像。

根據(jù)光學(xué)成像理論，對于無像差的完美光學(xué)系統(tǒng)，增大入射光束的尺寸可以提高分辨率，從而能夠看清楚更小的物體或分辨更多的細節(jié)。因此，大圣想看得更清楚，就必須盡量睜大眼睛。但是，別忘了，這一操作成立的前提條件是有一雙“無像差的眼睛”。在現(xiàn)實生活中，大多數(shù)人的眼睛都存在著各種各樣、或大或小的像差，根本不是完美的光學(xué)系統(tǒng)。睜大眼睛不但無法看得清楚，反而會更模糊，用科學(xué)術(shù)語描述就是：一個點物在視網(wǎng)膜上成為了一個能量彌散的大光斑圖像。如果把眼睛瞇起來，只讓少量光線進入眼睛，彌散的大光斑圖像會明顯變小，看上去更接近于點物。這就是“瞇眼操作”的正確性。

什么是人眼像差

像差就是一種誤差，人眼像差就是人們觀察外部世界或從外部觀察眼內(nèi)時的非正常視覺功能狀態(tài)。經(jīng)過漫長的演化，人眼這一器官已趨完美：來自遠處物體上一個點的光線，平行入射眼睛，被屈光系統(tǒng)聚焦在視網(wǎng)膜上，便會形成一個能量集中的清晰點像（如圖1）。

在有像差的實際眼內(nèi)傳輸后，光線在視網(wǎng)膜上無法被聚焦成清晰的點像；波前也不再是球面，而是不規(guī)則分布。在人眼瞳面位置處，有像差的實際眼的不規(guī)則波前，與無像差的理想眼的平面波前之間的偏離，就是人眼像差（如圖2）。

像差對視覺的影響，主要表現(xiàn)為：模糊、低對比度、重影、分色和變形等。受像差的影響，我們所看到的物體不再是其本來的樣子，而且同一物體對于不同人呈現(xiàn)出不同的樣子，這意味著外部世界不再是真實、一致的。

我們知道，眼睛是人體的信息采集機構(gòu)，超過80%的信息都是通過眼睛獲得的。如果采集到的大量信息都是不準(zhǔn)確的，人們又如何形成對外部世界的正確認(rèn)識呢？所以，從400多年前出生的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家開普勒開始，人類就一直在不斷地認(rèn)識人眼像差，和它的“斗爭”（消除它的影響）也從未停息過。

為什么會產(chǎn)生人眼像差

為什么會產(chǎn)生人眼像差？原因有很多，其中三種比較常見。

1.眼球形狀不規(guī)則。比如，在上下和水平切面內(nèi)不對稱，使得眼睛在不同方向的聚焦能力不同，導(dǎo)致光線不能聚焦于同一位置。角膜和晶狀體等局部眼組織的形狀不規(guī)則，也會引起像差（如圖3）。

2.從最外部的角膜到最深部的視網(wǎng)膜，眼睛由不同的組織構(gòu)成，它們的形狀和折射率等各不相同，使得光線在眼組織中傳輸時呈不規(guī)則路徑，而不能聚焦于一點（如圖4）。

3.眼組織受到損傷（如角膜表面不平整等），病變引起的組織變異（如晶狀體渾濁、玻璃體變性、液化和渾濁）、功能喪失（如不能進行屈光調(diào)節(jié)等）、形成障礙物（如腫塊、腫瘤物）以及風(fēng)吹、過熱過冷、環(huán)境振動等外界干擾，均會引起人眼像差（如圖5）。

此外，還有光軸與視軸不重合、角膜與晶狀體的光學(xué)中心不一致等其他原因。

如何描述和測量人眼像差

像差通常采用澤尼克多項式的線性組合來描述，用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方式來表達，具有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和可量化的特點，便于不同物體之間像差的比對與傳遞。澤尼克多項式中的每一項都被稱為波前模式，表示不同的像差類型。高精度人眼像差通常需采用前35項波前模式來描述，按波面沿徑向的變化情況劃分為7階。前2階為低階像差，包含5項，其中就有人們所熟知的離焦（近視或遠視）和散光；從3階開始為高階像差，包含球差、彗差和三葉草等30項像差（如圖6）。

人眼像差測量就是通常所說的驗光，是配鏡行業(yè)和眼科學(xué)中必不可少的基本操作，分為主觀和客觀兩類方法。主觀驗光又稱主覺驗光，是使用視力圖表和綜合驗光儀等工具，根據(jù)患者主觀反映的視力變化，得出其屈光度數(shù)的方法。這是目前配鏡行業(yè)采用最多的方法，具有簡單廉價的特點，但只能獲得近視、遠視和散光等低階像差。

客觀驗光又稱他覺驗光，是使用檢影鏡和電腦驗光儀等工具，直接觀察患者瞳孔中光標(biāo)移動的客觀變化，得出其屈光度數(shù)的方法。目前眼科臨床上廣泛使用的自動電腦驗光儀，就是一種客觀檢查眼屈光狀態(tài)的儀器。它通過改變進入眼睛的光線聚焦度，使光標(biāo)清晰地成像在視網(wǎng)膜上，從而自動計算出眼的屈光度，能獲得包括低階和高階在內(nèi)的全部像差。

人們通常只聽過離焦和散光等低階像差概念，而對高階像差知之甚少，這是否意味著高階像差對視力的影響不大呢？此話有道理，但又不盡然。低階像差對視覺的影響最大，因此矯正低價像差后，通常就能獲得不錯的視覺質(zhì)量，已能滿足人們的日常生活需要。

隨著生活水平的不斷提高，高階像差對生活的影響也會逐漸顯現(xiàn)。我們再返回去幫大圣分析下他的操作：瞳孔增大后，高階像差會相應(yīng)地增大，如圖6所示，僅球差、彗差和三葉草這三項高階像差，就能使視物模糊不清，因此高階像差并非無關(guān)緊要。無明顯高階像差的最大瞳孔尺寸，通常只有2毫米左右（仍然存在低階像差），但此時的視覺分辨力已 很低。

越來越多高質(zhì)量的生活用品，正帶給人們高品質(zhì)的生活享受，如像素數(shù)不斷攀升的手機、電腦和電視屏以及超高清影視節(jié)目等，這一切都離不開“能看到”它們的眼睛，否則就浪費了許多美好的事物。因此，美好生活，離不開能看見美的視力。

如何矯正人眼像差

像差矯正的基本原理，就是主動使波前發(fā)生變形，讓它與像差波前的變形大小相等、方向相反。主動產(chǎn)生的矯正波前，與實際的像差波前的變形，就能相互抵消，從而獲得無像差的規(guī)則波前?？梢?，像差矯正需具備兩個基本條件：能獲得像差分布的波前傳感器和能使波前發(fā)生變形的波前矯正器。

目前，人眼像差矯正方式分為非手術(shù)矯正和手術(shù)矯正兩類：前者為采用除臨床手術(shù)之外的方式，如配鏡、物理療法和藥物等，治療、恢復(fù)或提高視覺功能的方法；后者為采用臨床手術(shù)方式，如人工晶體植入和激光手術(shù)等。

非手術(shù)矯正方式不改變眼組織而是依靠“增加”外物來實現(xiàn)。人們廣泛佩戴的框架眼鏡和角膜接觸鏡（隱形眼鏡），就是非手術(shù)矯正方式中的波前矯正器。來自物體的無像差平面入射波前，通過波前矯正器后“主動”產(chǎn)生了變形，成為圖7中紅色曲線所示的矯正后波前，它在眼內(nèi)傳輸時正好與像差波前相互抵消，使光線聚焦在視網(wǎng)膜上，成為理想的點像，從而能看清物體。

手術(shù)矯正方式是通過改變眼組織來實現(xiàn)的。通過臨床手術(shù)植入設(shè)計好的人工晶體或者對角膜組織實施各種手術(shù)操作，使本應(yīng)如綠色虛線所示的不規(guī)則波前變成紅色實線所示的球面波前，使光線聚焦在視網(wǎng)膜上，成為理想的點像。

非手術(shù)和手術(shù)矯正方式各有優(yōu)缺點，均擁有廣大受眾。非手術(shù)方式具有安全、經(jīng)濟負(fù)擔(dān)輕、可根據(jù)視力變化多次更換眼鏡等優(yōu)點，其存在的不足有：只能矯正低階像差；鏡片的度數(shù)不連續(xù)，不能提供精準(zhǔn)的矯正度數(shù)，如某人視力-1.85D（+/-表示遠視/近視，1D表示100度），只能佩戴接近的-1.75D或-2.0D的標(biāo)準(zhǔn)鏡片產(chǎn)品。在某些特殊場合或行業(yè)中，人們不便佩戴眼鏡，則可采用手術(shù)方式矯正視力。目前，手術(shù)方式大多通過波前像差引導(dǎo)進行，理論上能矯正低階像差和高階像差，且能提供患者正好所需的矯正量，具有矯正準(zhǔn)確和生活方便等優(yōu)點，但也存在術(shù)后效果不確定性高、安全風(fēng)險大和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)重等不足。

手術(shù)矯正方式的利弊，在民間、學(xué)術(shù)和行業(yè)界一直存在爭議，至今也無定論。一個人的視力是隨著年齡、身體狀況、用眼習(xí)慣和精神狀態(tài)等諸多因素的變化而變化的，而手術(shù)方式不能根據(jù)視力變化多次進行手術(shù)。手術(shù)會使角膜組織越來越薄，極易引起角膜膨脹等嚴(yán)重后果，反而會使視力急劇惡化，嚴(yán)重者只能通過角膜移植來重建視力。此外，手術(shù)創(chuàng)面的恢復(fù)，可能與術(shù)前設(shè)計不一致，導(dǎo)致獲得的視力與期望相左；手術(shù)創(chuàng)面還存在著局部凹凸不平，這會引起高階像差。高階像差增大對生活的影響不容忽視，比如，在夜晚等昏暗環(huán)境里駕駛，看到迎面而來的車燈，會出現(xiàn)明顯的眩光和光暈等現(xiàn)象，時間久了會引起視覺疲勞和身體不適等反應(yīng)，對駕駛安全極為不利。

完美的人眼像差矯正方法

非手術(shù)矯正和手術(shù)矯正各有優(yōu)缺點，那么是否存在完美的人眼像差矯正方法呢？答案是有。這就是基于自適應(yīng)光學(xué)（AO）技術(shù)的人眼像差個性化精準(zhǔn)矯正方法。在介紹它之前，先來了解一下AO技術(shù)的原理。

AO技術(shù)起源于天文觀測領(lǐng)域，用于實時測量和矯正大氣擾動引起的波前畸變，使人類能夠清晰地觀察天體和空中目標(biāo)。人眼像差也是一種波前畸變，因此美國羅徹斯特大學(xué)的威廉姆斯等人于1997年把AO技術(shù)引入到人眼領(lǐng)域。利用AO技術(shù)來矯正因光瞳擴大而產(chǎn)生的像差，使分辨率達到了2微米水平，人類首次觀察到了活體人眼視網(wǎng)膜的細胞圖像。此后，AO技術(shù)就成為了人眼高分辨率觀察必不可少的技術(shù)手段。1999年，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所實現(xiàn)了基于AO技術(shù)的活體人眼視細胞成像。

基于AO技術(shù)的人眼像差個性化精準(zhǔn)矯正，是利用AO技術(shù)測得精確像差，經(jīng)計算后獲得像差矯正所需的復(fù)雜任意面形，再把該面形制作到眼鏡、接觸鏡、人工晶體等矯正器上，還可以通過波前像差引導(dǎo)技術(shù)在角膜上加工出該面形。由于測得的像差是患者本人的，據(jù)此產(chǎn)生的矯正器也是專門針對患者本人制作的。因此，該方法是一種個性化、高精度的定制化服務(wù)，能獲得最佳的視覺效果。

由于視覺效果是客觀生理作用與主觀感受相結(jié)合的結(jié)果，并非矯正全部像差才能獲得最佳視覺體驗，因此個性化矯正還應(yīng)考慮個體的主觀感受，這可通過視覺仿真器來實現(xiàn)。視覺仿真器也是一種AO技術(shù)，可選擇矯正不同的像差項和矯正量的多少，通過客觀像差測量和主觀感受相結(jié)合，找到個體的最佳視覺體驗，此時的像差矯正情況，即矯正器面形，就是此人的最佳視力矯正處方。

通過前面對非手術(shù)矯正和手術(shù)矯正的對比分析可知，基于AO技術(shù)的非手術(shù)矯正方式，即把矯正面形加工在眼鏡或接觸鏡上，具有安全、個性化、精確矯正全部像差和可多次更換等特點，是更完美的人眼像差矯正方法。但要實現(xiàn)這一目標(biāo)，目前還面臨一些挑戰(zhàn)，主要是矯正器的制作工藝還不太成熟。以眼鏡為例，為矯正離焦，需把鏡片表面加工成球面；為矯正散光，需加工成柱面；為同時矯正離焦和散光，需加工成球面和柱面的疊加。大家可以想象一下，為了矯正包含低階和高階在內(nèi)的全部像差，鏡片表面需加工成什么面形？該面形需加工在對應(yīng)光線進入眼睛的中心區(qū)域約6～8毫米的圓內(nèi)、加工精度需達10納米量級，制作難度相當(dāng)高。

“完美視力”離普通人還有多遠

當(dāng)前視力矯正存在的問題和大量的市場需求，正推動著包括學(xué)術(shù)、行業(yè)、政府組織和商業(yè)機構(gòu)等在內(nèi)的全鏈條聯(lián)動，這是完美像差矯正能走向普通人生活的基礎(chǔ)。但是，完美像差矯正還需多久才能走進日常生活，主要取決于制作水平、商業(yè)模式和市場售價等因素。

在制作方面，已有很多機構(gòu)在開展個性化高階像差矯正樣片的研發(fā)工作，例如，羅徹斯特大學(xué)的隱形眼鏡、博士倫的位相片和中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的人工晶體。目前，人們主要采用曝光刻蝕、微加工和注塑等方式制作矯正面形。隨著超高精密加工業(yè)的發(fā)展和3D打印等新技術(shù)的推廣應(yīng)用，制作出完美矯正人眼像差所需的眼鏡和接觸鏡等產(chǎn)品，已指日可待。

商業(yè)模式方面，由于加工設(shè)施昂貴和技術(shù)難度高，制作只能集中在工廠進行。眼鏡門店和眼科醫(yī)院等只需配置像差測量儀，把測得的患者像差信息傳遞給工廠進行鏡片制作，完成后再返回門店或醫(yī)院加裝鏡架。這是一種定制服務(wù)，且需要一定的等待時間，和目前的立等可取不同。不過，此類商業(yè)模式目前已不少見，能為消費者所接受。在售價方面，估計初期會遠高于普通眼鏡，但會低于手術(shù)矯正方式。隨著量產(chǎn)、工藝進步和市場成熟等因素的不斷發(fā)展，產(chǎn)品售價必然會逐漸平民化，使其最終成為普通老百姓的日常用品。

走在大街上，你會發(fā)現(xiàn)滿眼盡是“眼鏡族”。因此，視力問題已成為一個社會問題，需各行各業(yè)的共同努力才能解決。隨著科技的不斷發(fā)展，人類一定能夠解決好人眼像差這個“缺陷”。基于AO技術(shù)的人眼像差個性化精準(zhǔn)矯正方法的出現(xiàn)，更是為此問題的解決提供了一種完美的解決方案。相信在不久的將來，人類就可以擁有這樣的完美視力矯正產(chǎn)品，能夠看清美麗世界的更多細節(jié)，擁有更加美好的生活。