眼波前像差检测实验研究

张学勇，张大明，唐　震，周玉坤

(安徽建筑大学，安徽 合肥　230601)



眼波前像差检测实验研究

张学勇，张大明，唐震，周玉坤

(安徽建筑大学，安徽 合肥230601)

摘 要：根据哈特曼-夏克波前检测理论，设计一个简单的眼波前像差检测系统。本文介绍了其工作原理和实验装置，通过对模拟眼球的波前像差检测，证明该系统可用于实验教学。

关键词：波前像差;设计性与研究性实验;教学改革

人眼是一个存在像差的光学系统，不仅包含离焦和散光这样传统的低阶像差还包含球差、慧差等高阶像差[1]。波前像差依据实际波前和理想无偏差的波前之间的差值来定义，在没有像差时，进入人眼的平面波前可以在视网膜上会聚成一个点，而实际的人眼光学系统并不完美，导致出射波面发生变形，不再是理想的球波面。这种理想波面与变形的实际波面间的光程差(Optical Path Difference,OPD)，即为人眼的波前像差[2]。为了提高人眼的视觉成像质量，对波前像差加以矫正十分必要。常规验光手段只能对人眼光学系统离焦(近视、远视)和散光缺陷进行测量，而无法实现人眼高阶像差检测。由于像差仪不仅能测量眼部屈光不正而且能检测人眼高阶像差，因而在眼科临床得以广泛应用。目前眼科临床使用的像差仪主要有博士伦的Zyoptics系统、Tracey公司的视网膜光线追迹仪、Emory视觉矫正系统和苏州医疗器械公司的WFA100单色波前像差分析仪等[3]。日常的实验教学，将这些临床用的昂贵专用仪器搬进实验室是不现实的。为了拓展设计性、研究性实验项目的需要，我们自行设计了一个简单的可用于眼波前像差检测的实验平台系统，对其工作原理、装置组成以及应用分别进行介绍。

1波前像差检测系统

1.1 哈特曼-夏克波前检测原理

如图1所示，哈特曼-夏克波前检测方法是利用一束直径大约l mm的激光通过眼睛视轴聚焦于人眼黄斑处，反射的光线通过人眼折射系统射出眼睛后，其波前由微透镜阵列细分成若干个更小的波前，这样每个波前通过小孔径聚焦都会在透镜阵列的焦平面上形成一个光点。

利用放置在微透镜阵列焦平面处的CCD相机，可对所有光点进行捕获。当波前由理想波前变为有像差的波前时，每个小孔径的光点相对微小透镜的光轴在空间上都将发生一定的位移，见图2示意。CCD像面上每个光点质心相对位置方向和偏移量大小，反映此处波前的倾斜情况。通过波前重构技术，如采用模式法和最小平方技术即可重建波前，进而获取相应的眼低阶和高阶像差[4,5]。

1.2实验装置

波前像差检测实验装置见图3示意，中空的模拟眼球、微透镜阵列、观察屏、CCD相机依次放置在实验水平光具座上。眼球后极内表面放置高功率LED光源模拟人眼视网膜中心凹光斑，前极处留置直径6 cm圆孔，首先使用同孔径会聚透镜遮盖，其中LED处于会聚透镜焦点处，即透镜焦距等于眼球轴长。透镜折射率等价角膜和晶状体的折射率，此时模拟眼情形类似人的正视眼。来自透镜的出射光线经微透镜阵列成像于观察屏上。实验用观察屏为一张带有坐标的纸片，置于微透镜阵列的焦平面处；利用CCD相机，也可清楚观察每个光斑分布情况，若把输出信号进一步送入计算机，利用内置程序，即可绘制波前像差图。

实验中使用一底面蒙有硅胶直径6 cm的透明塑料小圆柱型培养盘代替透镜，通过利用医用注射器向柱体内注入微量生理盐水，模拟实现不规则角膜变形，从而进一步完成不同程度缺陷眼的波前像差测量。

1.3实验结果

图4(a) 给出的是基于透镜的模拟眼检测的CCD像面光斑阵列图和波前像差图。

从图4(a) 中波前像差图可看出，此时的像差对应传统Seidel像差，表示沿轴向倾斜。利用透明塑料培养盘代替透镜，通过微灌注，改变角膜形态，检测出的一个典型的微透镜阵列光斑图及整个眼的波前像差图，如图4(b)所示。通过分析可以发现，这个模拟眼的波前像差较为复杂，不仅包含离焦、像散这样的低阶像差而且还存在更高阶的像差，如高阶散光与球差等。

2结论

中国是屈光不正高发地区，多数人患有不同程度的近视、远视或散光，尤其在学生群体中，近视患者的比例更高。波前像差引导的个性化角膜切削手术，具有在矫正近视、远视和散光的同时，还能抑制球差、彗差等高阶像差的增加等优点，目前是眼科临床采用的主流术式之一。由教师协助指导，开展波前像差检测这类贴近学生生活的设计性、研究性实验[6,7]，不仅能巩固和运用学生所学的知识，增加学生实际动手能力，更能进一步调动学生的学习热情和激发学生的探究性学习兴趣，在培养学生的科学素养及创新应用型人才方面具有重要意义。

参考文献：

[1]吴晋芳,袁志勇,陈思,等.波前像差的视光学理论与应用[J].中国斜视与小儿眼科杂志,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,魏锐利,朱煌.波前像差技术及其在屈光手术中的应用[J].眼科新进展,2006,26(4):306-308.

[4]张学勇,唐震.眼波前像差仿真实验研究[J].大学物理实验,2015,28(2):37-39.

[5]周仁中,阎吉祥.自适应光学理论[M].北京:北京理工大学出版社,1996:294 -301.

[6]俞熹,乐永康,冀敏,等.美国大学物理教学和管理考查报告[J].物理实验,2013,33(4):14 -20.

[7]于涛.当代大学物理实验教学方法改革探析[J].大学物理实验,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

基金项目：安徽省自然科学基金资助项目(1308085MF98)；安徽省高等学校自然科学研究资助项目(KJ2014A041) ；安徽建筑大学博士基金资助项目 (20138001)；安徽省振兴计划及质量工程资助项目(2015zytz039，2013zzg03)

文章编号：1007-2934(2016)03-0021-03

中图分类号：R 778；G 642.423

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.007