人眼波前像差客观测量的研究

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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。通过对自适应光学

中Zernike 多项式重建波前理论的研究，重点分析了应用 Hartmann-Shack 波前传

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。重

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。制作了二

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。

实验中首先测量模拟人眼的波前像差，然后测量活体人眼的波前像差。并对

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系

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，验

证离焦补偿系统的离焦补偿精度。用可变形反射镜对测量到的波前像差进行矫正

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果

本实验测试系统采用自适应光学反馈软件可以直接得出 Zernike 多项式各项的系

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确

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补

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

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 课题来源及意义................................................5

§1.4本文所做的主要工作............................................7
第二章 人眼像差测量的基本原理........................................8
§2.1 人眼的基本结构................................................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素
.................................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法.......................................21
§2.4.1 基于Taylor 级数的眼波前像差表示法
.........................21
§2.4.2 基于Zernike 多项式的眼波前像差表示法及波像差图
...........22
§2.4.3 Zernike 模式法波前重构
...................................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 光源
.....................................................32
§3.2.2 准直扩束系统
.............................................32
§3.2.3 预补偿系统
...............................................33
§3.2.4 哈特曼－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 光强度限制
...............................................43
§3.2.9 望远系统
.................................................44
§3.2.10 分光元器件的选择
........................................45
§3.2.11 自适应控制系统
..........................................46
§3.3 结论.........................................................46
第四章 二维电移台控制系统设计.......................................48
§4.1 电移台控制系统硬件设计.......................................48
§4.1.1 精密电控平移台
...........................................48
§4.1.2 采集卡
...................................................49
§4.1.3 细分电路
.................................................50
§4.1.4接口电路箱
...............................................51
§4.2 电移台控制系统软件设计.......................................55
§4.3 总结.........................................................56
第五章 实验结果及误差分析...........................................58

§5.1 标准面的选择及其图像.........................................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离焦补偿系统功能测试.........................................61
§5.5预补偿系统功能测试...........................................62
§5.6电控平移台功能测试...........................................63
§5.7可变形反射镜功能测试.........................................65
§5.8误差来源讨论.................................................66
§5.8.1 哈特曼-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 关于标准面的误差
.........................................67
§5.8.4 其他误差
.................................................68
§5.9 总结.........................................................68
第六章 总结与展望...................................................69
参考文献............................................................71
附录：采集卡控制原程序..............................................75

第一章绪论

§1.1 引言

视觉是人类获取外界信息最重要的途径，人类 70％以上的信息都是通过视觉

获取的[1]，而视觉质量的好坏直接影响人的生活质量。人眼不是一个完善的屈光系

统，其角膜和晶状体存在着各种像差，包括球差、慧差、像散、场曲、畸变、色差以

及其他高级像差[2]。从十三世纪开始人们已经可以使用眼镜矫正离焦，到了十九世

纪才可以矫正散光。我国作为屈光不正的高发地区，约有50%以上的人患有不同程

度的近视、远视或散光[3]。而在中学和大学生中，近视患者的比例则高达 60%以上

[4]。屈光矫正的实质就是矫正人眼像差，只不过通常现有的视力检测设备绝大多数

仍然仅对人眼像差中离焦和像散等初级像差进行测量，并据此对人眼光学系统进

行矫正。要使人眼视觉质量得到根本提高，还需要矫正高级像差。目前矫正屈光不

正的方法有佩戴框架眼镜，角膜接触镜或施行屈光手术(如PRK，LASIK 等)。屈

光手术可以解决人眼像差问题，不仅可以矫正近视、远视、散光，包括高级像差都

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逐步深入理解，人们开始

重新认识现行的人眼角膜切割手术中存在的问题。到20世纪六十年代，激光问世

之后，出现了准分子激光角膜表面切削术(Photorefractive Keratectomy,简称PRK)

和准分子激光角膜原位磨镶术(Laser in Situ Keratomileusis，简称LASIK ) [7][8]。人

们发现目前的角膜屈光手术虽然使患者的视力有所提高，但不少患者术后出现暗

视力差，眩光和复视的视觉问题[9]。近年的研究表明，影响手术效果的原因是手术

在产生非生理性角膜形态的同时，不仅没有克服人眼原有的高级像差，还在一定

程度上带来附加的高级像差。为克服激光角膜屈光手术存在的困难，人们开始尝

试波前像差引导的个体化激光角膜屈光手术。它根据不同个体眼睛独特的波前像

差特性和眼解剖特性，通过球面、非球面、以及非对称的切削矫正，减少眼睛的高

级像差，从而提高手术实效。2001年苏黎世大学和德国勒斯登大学率先报道了他

们在这一领域的研究成果，并得出结论:波前像差引导的个性化LASIK是一种可

靠的技术，可有效地克服传统LASIK手术存在的困难，提高患者的视力，特别是

可以提高患者的暗视力[10][11]。

用自适应光学矫正人眼的高级像差，还可以实现活体视网膜的高分辨率成

像。虽然视网膜解剖学研究已相当成熟，但是活体视网膜成像由于受眼光学系统

高级像差的影响，成像模糊，无法得到视锥细胞的清晰轮廓。1997年，J. Liang用

波前技术矫正人眼的高级像差，并应用自适应光学技术首次获得了活体人眼视网

膜像，其清晰度可以和解剖学的结果相比较[12]。视网膜高分辨率成像不仅在视网

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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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