人眼波前像差客观测量的研究

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摘 要
人类通过眼睛光学成像系统认识世界。人眼中常常伴有大量的波前像差,
中存在的不规则像差,是降低视网膜的视觉性能和成像质量的主要原因之一。
究人眼波前像差测量以及矫正,不仅有利于生理医学上更好的研究眼睛内部结
而且在激光治疗近视手术过程中,对患者进行精确的验光也是至关重要的。准
测量人眼的波前像差能够提高验光测量的精确性和客观性,对提高正常眼睛的
力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床价值。
本论文对人眼波前像差测量技术在国内外的发展状况进行了广泛的研究。
析人眼的结构及其特性,理论研究了波动光学中人眼像差的产生机理和波前像
的表示方式。Zernike 多项式表示人眼波前像差,研究 Zernike 多项式与人眼
波像差的对应关系以及一些高级像差对人眼成像质量的影响。通过对自适应光
Zernike 建波理论研究,重点分析了应用 Hartmann-Shack
感器测量人眼客观像差并用变形反射镜矫正人眼像差的解决方案。
设计了带有预补偿装置以及离焦补偿装置的人眼波前像差客观测量系统。
点分析了该系统的原理,结构和工作流程。应用 Hartmann-Shack 波前传感器对人
眼波前像差进行了测量,并使用变形反射镜对人眼波前像差进行矫正。制作了
维电移台控制器,使用 32 细分电路控制精密电移台的步进电机,通过计算机采集
卡向细分电路发出脉冲信号,使用 VB 对采集卡进行编程实现电移台控制。
实验中首先测模拟人眼的波像差,然后测活体人眼的波像差。并
调节预补偿装置前后的人眼光斑点阵图进行对比分析,进而验证预补偿装置在
统中的作用;此外对调节离焦补偿装置前后所测量的波前像差进行对比分析,
证离焦补偿系统的离焦补偿精度用可变形反射对测量到的波前像差进行矫
此外对矫正前后的人眼波前像差的结果进行对比,分析可变形反射镜的矫正效
系统用自适应光学反馈软件可以接得Zernike 项式各项的系
数、人眼波前像差的大小以及被测人眼的三维波前重构图。最后使用 Matlab 编程进
行数据处理,并对实验结果进行误差分析。
由实验结果可以知道,本课题所设计的人眼波前像差客观测量系统能够准
有效的对人眼波前像差进行实时测量。此外,系统所设计的预补偿系统和离焦
偿系统也在测量过程中起到了重要作用。
关键词:波前像差 人眼 客观 测量
ABSTRACT
There are many wave-front aberrations in human eyes. The anomalistic aberrations
in human eyes are the main reason decay visual acuity and image quality. Studies of
measurement and correcting of aberrations in human eyes not only benefit to
investigating into the structure of human eyes but also revealing wide foreground of
enhancing human visual acuity and super vision. Accurate measurement of human eyes’
wave-front aberration can improve the accuracy and objectivity of measurement, and
has important value of experiment and clinic for improving normal eyesight and
refraction surgery.
This article investigates the measurement technology of human eyes’ wave-front
aberration, and its development both here and abroad. Human eyes’ structure and
speciality are analysed here. The mechanism of the production of the aberration in the
human eyes and the ways to describe them are analysed according to wave optics
theory. The mathematical function of wave-front aberration expressed by Zernike
polynomial is analysed.The relationship between Zernike polynomials and wave-front
aberrations and the influence of wave-front aberration of single Zernike modes on
optical quality are emphasized. Afterwards the resolved scheme of the measurement of
the human eye wave-front aberrations is proposed by the use of the Hartmann-Shack
sensor and deformable mirrors are used as wave-front aberrations correctors
respectively, which are involved with the theory of the wave-front reconstruction by the
use of the Zernike polynomials in the adaptive optics.
Objective measurement system with precompensation and defocus compensation
equipment of human eyes’ wave-front aberration are designed. The structure and
progress of this work are discussed, emphatically. The human eyes’ wave-front
aberrations are surveyed and corrected using the Hartmann-Shack wave-front sensor
and the deformable mirror. Electronic controlled translation platform is made. In this
system the engine of the workbench is controlled by 32 subdivision circuit. Impulses
produced by the gather chip within the computer are transmitted to the controlling
circuit. The program both controlling date gathering and workbench moving is
programmed with VB. PCB plat is designed with Protel99SE.
Wave-front aberrations of stimulate eyes are measuremented firstly, then the human
eye. Contrastive analysis the human eye aberration survey facular lattice chart before
and after adjust pre-compensation equipment, then validate the function of pre-
compensation equipment in this system. Contrastive analysis wave-front aberration
before and after adjust defocus compensation, then validate the precision of defocus
compensation system. Correct human eyes’ wave-front aberration by deformable mirror.
Contrastive analysis human eyes’ wave-front aberration before and after correction, then
analyse the function of deformable mirror. The system uses WF Sensor Software to
obtain coefficient of Zernike multinomial and the numeric value of human eyes’ wave-
front aberration and three dimensional restructuring charts of human eyes. At last,
process data by Matlab programme and analyse errors of the result of this experiment.
The conclusion can be found through the experiment results that human wave-front
aberration can be measured precisely by objective human eyes wave-front aberration
system in real time. Moreover, the precompensation system and defocus compensation
system also play important roles in the measurement process.
Key words: Wave-front aberration, Eye, Objective, Measurement
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
§1.1 引言..........................................................1
§1.2 波前像差测量技术的发展........................................2
§1.3 课题来源意义................................................5
§1.4本文所的主要工作............................................7
第二章 人眼像差测量的本原理........................................8
§2.1 人眼的本结构................................................8
§2.1.1 人眼结构及其光学特性
......................................8
§2.1.2 人眼屈光不正及其影响因
.................................10
§2.2 人眼波前像差.................................................14
§2.2.1 像差的分类
...............................................14
§2.2.2 人眼波前像差的概念
.......................................15
§2.3 波像差和光线像差的关系.......................................17
§2.4人眼波前像差的表示方.......................................21
§2.4.1 Taylor 级数的眼波前像差表示
.........................21
§2.4.2 Zernike 多项式的眼波前像差表示及波像差图
...........22
§2.4.3 Zernike 模式波前重构
...................................26
§2.5 本章小结.....................................................28
第三章人眼波前像差客观测量系统设计..................................29
§3.1 自适应光学系统...............................................29
§3.2 人眼波前像差客观测量系统的设计...............................30
§3.2.1 光
.....................................................32
§3.2.2 准直扩束系统
.............................................32
§3.2.3 预补偿系统
...............................................33
§3.2.4 哈曼-夏克波前传感器
...................................34
§3.2.5 标准反射镜
...............................................36
§3.2.6 可变形反射镜
.............................................37
§3.2.7离焦补偿系统
.............................................40
§3.2.8
...............................................43
§3.2.9 望远系统
.................................................44
§3.2.10 分光器件的选择
........................................45
§3.2.11 自适应控制系统
..........................................46
§3.3 结论.........................................................46
章 二维电移台控制系统设计.......................................48
§4.1 电移台控制系统件设计.......................................48
§4.1.1 精密电控移台
...........................................48
§4.1.2 采集卡
...................................................49
§4.1.3 细分电路
.................................................50
§4.1.4电路
...............................................51
§4.2 电移台控制系统软件设计.......................................55
§4.3 结.........................................................56
章 实验结果及误差分析...........................................58
§5.1 选择及其图像.........................................58
§5.2 模拟人眼波前像差测量结果分析.................................58
§5.3 活体人眼波前像差测量及分析...................................60
§5.4离焦补偿系统能测试.........................................61
§5.5预补偿系统能测试...........................................62
§5.6电控移台能测试...........................................63
§5.7可变形反射镜能测试.........................................65
§5.8误差来源讨论.................................................66
§5.8.1 曼-夏克传感器误差来源
................................66
§5.8.2 关于可变形镜误差
.........................................67
§5.8.3 关于的误差
.........................................67
§5.8.4误差
.................................................68
§5.9 结.........................................................68
结与展...................................................69
参考............................................................71
附录:采集卡控制原程..............................................75
第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 引言
视觉是人类外界信重要的途径人类 70以上的信息都是通过视觉
获取[1],而视觉质量的好直接影响人的生活质量。人眼不是一个完善的屈光系
统,其膜和状体存在像差,包括球差、差、场曲变、差以
及其高级像差[2]从十三世纪开始们已经可以使用眼镜矫正离焦,到了十九
纪才可以矫正光。国作屈光不正的高发地区50%以上的人患有不
度的近视、或散[3]。而在中学和大学生中,近视患者的比则高达 60%以上
[4]屈光矫正的实质是矫正人眼像差,不过通常现有的视力测设备绝大多数
然仅对人眼像差中离焦和像等初级像差进行测量,并据此对人眼光学系统
行矫正。要使人眼视觉质量得到本提高,还需要矫正高级像差。前矫正屈光不
正的戴框镜,屈光手术(PRKLASIK )
光手术可以解决人眼像差题,不仅可以矫正近视、视、光,包括高级像差
可以进行矫正[5][6]
随着波前技术的发展和对人眼高级像差影响视力的深入理解,人开始
认识现行的人术中存在题。到20六十年代激光
之后,出现了准分面切削(Photorefractive Keratectomy,PRK)
和准分激光位磨镶(Laser in Situ Keratomileusis简称LASIK ) [7][8]。人
发现前的膜屈光手然使患者的视力有所提高,患者术后出现
视力差,光和视的视觉[9]的研究表,影响手术效果的原因是手术
在产生理时,不仅克服眼原有的高级像差
程度上带来附高级像差克服屈光手术存在困难开始
试波前像差引膜屈光手术。眼睛特的波前
差特性和眼解特性,通过球面非球面以及切削矫正,减少眼睛的高
级像差,而提高手术实效。2001苏黎世大学和斯登大学道了
究成果,出结:差引LASIK
的技术,可有地克LASIK手术存在困难,提高患者的视力,特
可以提高患者的视力[10][11]
用自适应光学矫正人眼的高级像差,可以实现活体视网膜的高分辨率
像。然视网膜解学研究已相当是活体视网膜成像由于眼光学系统
高级像差的影响,成像模得到视清晰轮廓1997J. Liang
波前技术矫正人眼的高级像差,并应用自适应学技术首活体人眼视网
膜像,其清晰可以和解学的结果[12]视网膜高像不仅在视网
1
摘要:

人眼波前像差客观测量的研究摘要人类通过眼睛光学成像系统认识世界。人眼中常常伴有大量的波前像差,其中存在的不规则像差,是降低视网膜的视觉性能和成像质量的主要原因之一。研究人眼波前像差测量以及矫正,不仅有利于生理医学上更好的研究眼睛内部结构而且在激光治疗近视手术过程中,对患者进行精确的验光也是至关重要的。准确测量人眼的波前像差能够提高验光测量的精确性和客观性,对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床价值。本论文对人眼波前像差测量技术在国内外的发展状况进行了广泛的研究。分析人眼的结构及其特性,理论研究了波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差的表示方式。运用Zernike多项式表示人...

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