波前像差原理及应用课件

临床床视功能功能评价价二、波前像差二、波前像差仪的的测量与量与应用用1BG理想的眼睛2BG存在光学缺陷的眼睛3BG存在光学缺陷的眼睛4BG视网膜图像质量影响因素n n衍射衍射n n散射散射n n波前像差波前像差 正常人眼正常人眼:1.1.瞳孔大于瞳孔大于3mm3mmn n未形成晶体的异常（白内障）未形成晶体的异常（白内障）像差是主要影响因素像差是主要影响因素5BG人眼像差波前像差来源n n角膜和晶状体的表面不理想，其表面曲度存在局部偏差；角膜和晶状体的表面不理想，其表面曲度存在局部偏差；n n角膜与晶状体、玻璃体不同角膜与晶状体、玻璃体不同轴轴；n n角膜和晶状体以及玻璃体的内含物角膜和晶状体以及玻璃体的内含物质质不均匀，以致折射不均匀，以致折射率有局部偏差。率有局部偏差。6BG描述眼光学成像质量的四种方法波前像差波前像差点点扩散函数散函数(PSF)调制制传递函数函数(MTF)视网膜成像网膜成像7BG描述眼光学成像质量的方法n n对对比度：比度：MTF(MTF(调调制制传递传递函数函数),OTF),OTF（光学（光学传递传递函数）函数）n n形状：形状：PSFPSF（点（点扩扩散函数）散函数）n n像差：像差：是基是基础础，通，通过过波前像差波前像差计计算出算出MTF,OTF,PSFMTF,OTF,PSF8BGOTF/MTF/PSFn n经过经过光学系光学系光学系光学系统统后，后，后，后，对对比度的比度的比度的比度的损损失随空失随空失随空失随空间频间频率的率的率的率的变变化叫做化叫做化叫做化叫做光学光学光学光学传递传递函数（函数（函数（函数（OTF OTF）n n光学光学光学光学传递传递函数的模叫做函数的模叫做函数的模叫做函数的模叫做调调制制制制传递传递函数（函数（函数（函数（MTFMTF）n n点光源点光源点光源点光源经经光学系光学系光学系光学系统统所成的像叫做所成的像叫做所成的像叫做所成的像叫做点点点点扩扩散函数（散函数（散函数（散函数（PSFPSF）9BG像差的表示方法点离散函数（PSF）10BG什么是波前?理想理想波前波前变变形形的波前（近的波前（近视）模糊成像模糊成像平行平行光光线清晰成像清晰成像11BG什么是波前?不不规则波前波前理想理想波前波前C.of Austin Roorda平行平行光光线12BG什么是波前?不不规则波前波前理想理想波前波前13BG什么是波前像差?像差像差理想理想波前波前14BGn n波像差实际波面对理想波面的偏离15BG波前像差描述眼视觉质量的优点波前像差能提供眼视觉缺陷的局部信息1.从波前像差可以推导出点扩散函数和调制传递函数，但是这个过程不可逆2.个体像差(包括经典像差)也可由波前像差导出16BG波前像差的测量意义n n对对人眼的光学人眼的光学质质量予以正确判断量予以正确判断n n为为治治疗疗服服务务（屈光手（屈光手术术、白内障手、白内障手术术）n n为为光学光学矫矫正提供准确信息正提供准确信息17BG像差的分类n n传统传统光学将光学将像差像差像差像差按按产产生原因可分两大生原因可分两大类类：n n由由单单色光成像色光成像时产时产生的像差称生的像差称单单色像差色像差n n多色光多色光(即由不同波即由不同波长长的光构成复合光的光构成复合光)成像成像时时，由于介，由于介质质折射折射率随光的不同波率随光的不同波长长而而变变所引起的像差称所引起的像差称为为色像差色像差18BG单色像差n n单单色像差分球差、彗差、像散、像色像差分球差、彗差、像散、像场场弯曲和畸弯曲和畸变变等等5 5种种n n球差和彗差球差和彗差发发生于生于对轴对轴上和靠近上和靠近轴轴的点用粗光束成像的的点用粗光束成像的光学系光学系统统中，称中，称轴轴上像差上像差n n像散、像像散、像场场弯曲和畸弯曲和畸变发变发生在生在对对离系离系统统光光轴较远轴较远的物体的物体成像的光学系成像的光学系统统中，称中，称轴轴外像差。外像差。19BG球差及色差球差及色差n n轴轴上物点成像上物点成像产产生球差及色差，生球差及色差，还还伴有伴有圆圆孔衍射的情形孔衍射的情形，当透，当透镜镜孔径孔径较较大大时时，由光，由光轴轴上一物点上一物点发发出的光束出的光束经经球球面折射后不再交于一点，面折射后不再交于一点，这这种种现现象叫做球面像差，象叫做球面像差，简简称称球差。球差。20BG彗差彗差n n轴轴外物点外物点发发出的出的宽阔宽阔光束，光束，经经透透镜镜成像后，不再交于一成像后，不再交于一点，而是形成一种状如彗星的亮斑，称点，而是形成一种状如彗星的亮斑，称为为彗形像差，彗形像差，简简称彗差。称彗差。21BG透透镜的色差（两种色光成像位置不同）的色差（两种色光成像位置不同）n n由于介由于介质质的折射率随入射光的的折射率随入射光的颜颜色（光的波色（光的波长长）不同而不同因）不同而不同因此透此透镜镜的焦距随光的的焦距随光的颜颜色而异，不同色而异，不同颜颜色的光所成像的位置和大色的光所成像的位置和大小都各不相同，小都各不相同，这这种由于色散引起的种由于色散引起的现现象，即使在近象，即使在近轴轴区域内也区域内也会会发发生，称生，称为为色像差，色像差，简简称色差。称色差。22BG像散像散n n扭扭转转透透镜镜，使物光束在，使物光束在倾倾斜度比斜度比较较大的条件下入射，大的条件下入射，则产则产生像散生像散现现象。象。n n图图示物点离主示物点离主轴较远时轴较远时，发发出的光束出的光束经经透透镜镜折射后，不再交于一折射后，不再交于一点，而是会聚在与画面垂直方向的前后两个位置上，会聚的像已点，而是会聚在与画面垂直方向的前后两个位置上，会聚的像已退化退化为为互相垂直的两条短互相垂直的两条短线线，称作散焦，称作散焦线线。在此区。在此区间间内，光束截内，光束截面由扁面由扁椭圆椭圆逐逐渐变渐变成成长椭圆长椭圆，图图中取的是其中中取的是其中间间某位置。某位置。23BG畸畸变n n畸畸变变是由于光是由于光线线的的倾倾斜度大引起的。与球差和像散不同，畸斜度大引起的。与球差和像散不同，畸变变不不破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。畸破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。畸变变表表现现在像平面在像平面内内图图形的各部分与原物不成比例。畸形的各部分与原物不成比例。畸变变的情况与光的情况与光阑阑的位置有关。的位置有关。24BG像差的分类n n像差像差像差像差分分为为低低阶阶像差和高像差和高阶阶像差。像差。n n低低阶阶像差是指离焦、散光等像差是指离焦、散光等传统传统屈光屈光问题问题n n高高阶阶像差指不像差指不规则规则散光等屈光系散光等屈光系统统存在的其它光学缺陷。存在的其它光学缺陷。高高阶阶像差的每像差的每阶阶各包括各包括许许多多项项，其中的每一，其中的每一项项又代表不又代表不同的内容。例如，高同的内容。例如，高阶阶像差第三像差第三阶阶包括彗差、三叶草包括彗差、三叶草样样散光等散光等4 4项项内容，第四内容，第四阶阶不不仅仅包括球差，包括球差，还还涉及更多涉及更多项项不不规则规则散光等内容。越高散光等内容。越高阶阶，像差内容越复，像差内容越复杂杂。25BG各各类像差的关系像差的关系n n像差是以联合的方式存在n n各种像差可相互补偿n n有些时候高阶像差可以相互抵消26BG像差的表示方法RMS(RootMeanSquare)1)Zernike-RMS2)WF-RMS.1)Zernike-RMS=1/n*(ai)2whereai=Zernike-coefficients2)WF-RMS:perdefinitiontheaverageheightofWFoverfullsizeiszero.WF-RMS:SquaretheWF-function.TheaverageheightofWF2overfullsizeistheWF-RMS.WFWF2WF2WFAreaWF-RMS27BGZernike多多项式式n nZernikeZernike多多项项式是正交于式是正交于单单位位圆圆上的一上的一组组函数，通函数，通过过ZernikeZernike多多项项式，眼光学系式，眼光学系统统像差可以量化，在每个像差可以量化，在每个圆圆形孔径上任何像差均可以用形孔径上任何像差均可以用ZernikeZernike多多项项式表示。式表示。n nZernikeZernike多多项项式由三部分式由三部分组组成：成：标标准化系数，半径依准化系数，半径依赖赖性成分（性成分（n n），方位角依），方位角依赖赖性成分（性成分（mm）。）。ZernikeZernike多多项项式表示形式式表示形式为为ZmnZmn（，），），n n描述最高描述最高阶阶的半径的半径阶阶梯；梯；mm描述方位正弦描述方位正弦频频率成分；率成分；表示从表示从0 0到到1 1的半径坐的半径坐标标；表示从表示从0 0到到22的方位角。的方位角。28BGZernike多多项式式29BGZernikeZernike多多项项式可表示成以式可表示成以n n为为行数，行数，mm为为列数的金字塔列数的金字塔 Zernike coeffientsZnm7-654321012345670C01C1C22C3C4C53C6C7C8C94C10C11C12C13C145C15C16C17C18C19C206C21C22C23C24C25C26C277C28C29C30C31C32C33C34C35 Zernike coeffientsZernike coeffientsZ Zn n mm7-654321012345677-654321012345670C00C01C1C21C1C22C3C4C52C3C4C53C6C7C8C93C6C7C8C94C10C11C12C13C144C10C11C12C13C145C15C16C17C18C19C205C15C16C17C18C19C206C21C22C23C24C25C26C276C21C22C23C24C25C26C277C28C29C30C31C32C33C34C357C28C29C30C31C32C33C34C35 30BG31BG波前像差波前像差项对应于于传统几何光学的描述几何光学的描述Z1x-axistiltX轴偏移Z2y-axistiltY轴偏移Z3astigmatismin0or90degree0或90方向散光Z4defocus离焦Z5astigmatismIn45degree45方向散光Z7x-axiscomaX轴彗差Z8y-axiscomaY轴彗差Z12sphericalaberration球差32BG-3-2-10123-3-2-10123Wavefront Aberrationmm(right-left)mm(superior-inferior)像差的表示方法3 Dimensional View2 Dimensional View33BGZernike Modestrefoilcomacomatrefoilquadrafoilsecondaryspherical2nd3rd4th5thsecondaryquadrafoilpentafoilsecondarysecondarysecondarypentafoilsecondarydefocusastigmatismastigmatismastigmatismastigmatismtrefoiltrefoilcomacoma ConventionalRefractionHigher OrderAberrations34BG像差的表示方法35BGZ7Z12Z161.5*Z7=1.8+0.9*Z12=-0.8*Z16=Z3-1.50.9-0.81.8*Z336BG像差的表示方法37BG123456705101520253035-4.0-3.0-2.0-1.00.01.02.0泽尼克系数尼克系数(um)在数学上，不在数学上，不规则的二的二维分布可以用分布可以用泽尼克函数加以分离。尼克函数加以分离。泽尼克像差尼克像差项像差的表示方法38BG散光散光39BG慧差慧差40BG1.波前像差的来源波前像差的来源角膜的像差角膜的像差对整个眼睛的影响可以通整个眼睛的影响可以通过角膜地形角膜地形图或者或者波振面感波振面感应器来器来测量。量。41BG 对于有些人来于有些人来说,整个眼睛的波前像差取决于角膜像差整个眼睛的波前像差取决于角膜像差(He,Gwiazda,Held&Thorn,2001)角膜角膜整个眼睛整个眼睛RMS1.13RMS1.1742BGRMS1.76RMS0.65角膜角膜整个眼睛整个眼睛一部分人一部分人,整个眼睛的波前像差相整个眼睛的波前像差相对于角膜像差是减少的。于角膜像差是减少的。(He,Gwiazda,Held&Thorn,2001)43BGRMS0.93RMS1.49角膜角膜整个眼睛整个眼睛另一部分人另一部分人,整个眼睛的波前像差相整个眼睛的波前像差相对于角膜像差是增加的于角膜像差是增加的(He,Gwiazda,Held&Thorn,2001)。44BG 角膜上和整个眼睛系角膜上和整个眼睛系统的像差关系的像差关系(He,et al.2003)0102030405060700123整眼像差整眼像差 角膜像差角膜像差眼睛数目眼睛数目波波前前偏偏差差的的均均方方根根值(um)45BG0.000.501.001.50ACILWE0.000.501.001.50ab角膜角膜对眼睛第二眼睛第二阶像差影响比像差影响比较大，但是眼睛内部的成份大，但是眼睛内部的成份则影响着更高影响着更高阶的像的像差差(He,et al.2003)。波波前前像像差差均均方方根根值(um)46BG2.眼睛眼睛调节力度力度对像差的影响像差的影响波前像差会随着眼睛波前像差会随着眼睛调节力度的增大而增加力度的增大而增加(He,Burns&Marcos,2000)47BG3.波前像差波前像差对离焦离焦(近近视或或远视)成像的影响成像的影响波前像差会使波前像差会使视网膜成不网膜成不对称的离焦像称的离焦像,这样可以提供信号来可以提供信号来指指导眼睛的眼睛的调节(He,Gwiazda,Held&Thorn,2000)-0.75D0.75D48BG4.波前像差波前像差对视觉灵敏度的影响灵敏度的影响波前像差会使波前像差会使视网膜网膜图像模糊不清因而像模糊不清因而导致致视觉灵敏度的下降灵敏度的下降(Yoon&Willaims,2000)49BG5.波前像差波前像差对对比敏感性的影响比敏感性的影响波前像差会使波前像差会使视网膜网膜图像模糊不清因而降低眼睛的像模糊不清因而降低眼睛的对比敏比敏感性感性(Yoon&Willaims,2000)50BG05101520051015200510152005101520Myopic AdultsN=184Mean=1.26+0.99 s.d.Emmetropic Adults N=108 Mean=0.88+0.28 s.d.Emmetropic Children N=166 Mean=1.02+0.34 s.d.Myopic ChildrenN=174Mean=1.16+0.55 s.d.波前像差均方根波前像差均方根值(um)发生生频率率0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.06波前像差波前像差对近近视眼的影响眼的影响发生生频率率51BG7.波前像差在波前像差在屈光手屈光手术的的应用用常常规屈光手屈光手术中的波前中的波前项差差a.常常规屈光手屈光手术能能够引起几乎各引起几乎各项的波像差和的波像差和泽尼克像差。尼克像差。b.Lasik 和和 PRK都能都能产生波前像差，但有其不同之生波前像差，但有其不同之处。c.术前前术后的像差有很大的相关性后的像差有很大的相关性52BG0.000.501.001.502.002.503.00总体体像差像差高高阶像差像差彗差彗差球差球差波波前前像像差差均均方方根根值(um)常规角膜屈光手术前后波前像差的分析53BG波前像差引导准分子手术前后波前像差的分析总体体像差像差高高阶像差像差彗差彗差球差球差0.000.200.400.600.801.00波波前前像像差差均均方方根根值(um)54BG使用和不使用波前像差理论引导手术后与手术前的像差值比数0.001.002.003.004.005.00手手术后后前前波波前前像像差差均均方方根根之之比比总体体像差像差高高阶像差像差彗差彗差55BGa.术后角膜的生物化学后角膜的生物化学变化。化。b.技技术的精确性：激光束的光斑大小、形状、的精确性：激光束的光斑大小、形状、频率以及控制率以及控制 等等等等 c.患者从手患者从手术中中获益程度的大小。益程度的大小。还有很多需要考有很多需要考虑的因素的因素 包括年包括年龄、眼睛、眼睛调节力、色像差以及力、色像差以及large field size等等等等.波前像差理论引导手术的挑战56BG8.白内障手术a.白内障患者白内障患者术后的像差比常人大的多后的像差比常人大的多 b.不同的白内障患者其不同的白内障患者其术后波前像差都一定有其各自不同的后波前像差都一定有其各自不同的 变化。化。c.角膜切口手角膜切口手术比巩膜切口手比巩膜切口手术产生更大的像差。生更大的像差。57BG1.与眼折射力的关系与眼折射力的关系当当视网膜上波前像差的影响被估算出用来网膜上波前像差的影响被估算出用来计算眼睛的折射状算眼睛的折射状态，其其误差大概是差大概是0.1D,这不同于主不同于主观的折射力。的折射力。(Guirao&Williams,2001).对实验的的11只眼，只眼，泽尼克像差的离焦和散光与主尼克像差的离焦和散光与主观的球的球镜和散光和散光成成线性相关，其相关系数分性相关，其相关系数分别为0.99和和0.82。(Martin,Merayo-Lloves,Marcos,Barbero,Rodriguez,Llorente,Moreno-Barriuso&Navarro,2001).9.验光上的应用58BG接触接触镜对于不同的佩戴着其像差有不同的于不同的佩戴着其像差有不同的变化化010203040506001234non-CLsoft-CLRGP-CL眼睛数目眼睛数目波波前前像像差差均均方方根根值(um)不佩戴任何镜片佩戴软性隐形镜片佩戴硬性角膜接触镜59BG软质隐形眼镜引起高阶像差，而硬性角膜接触镜引起的主要是散光不佩戴任何镜片佩戴软性隐形镜片佩戴硬性角膜接触镜60BGn n存在的问题n n像差是否要完全矫正n n像差对视力的影响有多大61BG