波前像差仪及应用前景

文/陶会荣

波前像差仪及应用前景

文/陶会荣

1 波前像差

从物点发出的波面经过理想光学系统之后，其出射波面应该是球面，但是由于实际光学系统存在像差，导致实际波面与理想波面之间出现了偏差。波前是光波连续性的同相表面，所谓波前像差（波阵面像差）即实际波前与理想波前之间的偏差，如图1所示。像差的形成取决于所经过的光学系统的原理或光学系统的缺陷。

图1 波前像差示意图

人眼的像差则主要来源于光学系统的缺陷，分为3种情况：（1）角膜和晶状体、玻璃体不同轴；（2）角膜和晶状体的表面曲度不理想，存在局部偏差；（3）角膜、晶状体、玻璃体的内含物质不均匀，导致折射率有局部偏差。上述情况都会使进入眼睛的波前偏离理想光路而形成像差，导致视物模糊。

人眼存在的像差有两种：低阶像差和高阶像差。低阶像差包括近视、远视、散光等传统屈光问题；高阶像差包括球差、彗差、不规则散光等其他光学缺陷。因此，像差的准确测量对矫正视力、改善视功能具有非常重要的意义。而像差测量技术近年来也得到了迅速发展，从低阶像差的测量延伸到了高阶像差的测量。

2 波前像差仪

波前像差仪是一种精密光学仪器，主要由以下几部分组成：激光发射系统、眼位自动跟踪监测系统、高敏感度CCD相机接收系统、计算机图像处理系统。其基本工作原理是利用自动跟踪系统监测通过人眼瞳孔的光线，将监测到的光线与无像差的理想光线进行对比，通过数学处理来量化像差，从而得到波前像差平面。

2.1 波前像差仪分类

波前像差仪分为客观式和主观式两大类，客观式像差分析仪按工作原理的不同又分出射型、入射型和入射可调式型，主观式像差分析仪主要是利用心理物理学方法测量人眼像差。

2.2 波前像差仪工作原理

2.2.1 Shack-Hartmann原理

基于Shack-Hartmann原理的像差分析仪即为出射型像差分析仪，其波前像差是通过测量视网膜反射出来的光线来计算的。该原理是通过一束直径大约为1mm的He-Ne激光聚焦在人眼黄斑后，经过人眼光学系统后射出眼球，接收系统为一个由多个微小透镜组成的微型透镜阵列，射出光线最后成像在CCD。微型透镜阵列将反射出来的光线的波前分割成若干更小的波前，每个波前被聚焦成一个光点，此时，每个光点与透镜组光轴之间的偏移即能体现对应的波前像差。Shack-Hartmann像差分析仪工作原理如图2所示。

图2 Shack-Hartmann像差分析仪工作原理

2.2.2 Tscherning原理

基于Tscherning原理的像差分析仪是根据光路追踪原理而设计的视网膜像型像差分析仪，即入射型像差分析仪，其波前像差是通过测量分析投射到视网膜上的光线偏移来计算的。具体工作原理如图3所示。激光光束经点阵光栅之后形成多个单点矩阵的平行激光光束投射到眼底，由于屈光介质像差的存在，使得投射到眼底视网膜上的光线发生偏移，此时，通过高灵敏度的CCD相机采集到的视网膜图像上的每个点的位置与原来理想状态下的位置发生了偏移，进而得出相应的波前像差。

图3 Tscherning像差分析仪工作原理

2.2.3 Smirnov-Scheiner原理

基于Smirnov-Scheiner原理的像差分析仪即入射可调式屈光计，优点是取样多、测量速度快、测量范围大，如OPD-Scan ARK-1000，其工作原理如图4所示，采用的是360°动态视网膜检影的测量方式。发光二极管发出的裂隙光经光学系统垂直投射到视网膜上，从视网膜反射出来的光由旋转的传感器接收，此种原理是通过计算视网膜反射光到达传感器的时间与理论时间的差值来计算波前像差的。

图4 OPD-Scan像差分析仪工作原理

2.2.4 主观式像差分析仪工作原理

主观式即心理物理学测量方法，此种方法虽然无需散瞳，但检查速度较慢，需要对患者进行训练，可以在眼睛存在调节的状态下进行测量，其工作原理是将参考光和测试光平行入射到眼睛，其中，令参考光通过瞳孔中心射入，测试光从瞳孔其他位点射入，两束光在视网膜上的聚焦位置即可判断有无像差，如果不存在像差，则两束光会聚焦在视网膜的中心，若存在像差，那么两束光则会聚焦在中心以外的位置。此种方法是通过测量光线在瞳孔各点的角度偏移量来计算波前像差的。

目前市面上的波前像差仪种类繁多，原理各异，主要有以下4个品牌。

序号 国家 产品 原理1 美国 Tracey iTrace 基于光路追踪原理2 德国 Carl Zeiss WASCA 基于Hartmann-Shack原理3 日本 Nidek OPD-Scan 基于Smirnov-Scheiner原理，采用360°动态视网膜检影原理4 俄罗斯 Multispot基于Hartmann-Shack原理，但硬件设计上与WASCA波前像差仪不同

2.3 波前像差仪使用注意事项

既然是光学仪器，那么就对周围环境光线有一定要求：

（1）宜置于暗室，检查室光线不宜过亮；

（2）硬性隐形眼镜佩戴者注意应脱镜3周以上再进行检查；

（3）软镜佩戴者注意应脱镜2周再进行检查；

（4）应定期对仪器进行校准以及清洁维护；

（5）重新安置或移动仪器后必须重新进行检测和校正。

3 应用前景

波前像差技术可以得到一种独特的“眼睛指纹”，可以测量眼睛整个视路范围内的像差变化情况，因此波前像差仪不仅在视觉研究领域、眼科领域已有广泛应用，在视光学领域也逐渐得到应用。了解人眼像差对视力的影响能够进一步提高验配质量，波前像差仪在视光学领域的发展趋势即逐渐替代传统验光仪器，成为新一代的常规验光设备。而近年来，波前像差仪和角膜地形图仪的结合，能够定位全眼球像差主要是源于角膜像差还是眼内像差，使对眼睛的测量达到一个新的高度，这也是未来波前像差仪发展的一个趋势。❐

作者单位：天津职业大学眼视光工程学院