波前像差原理及应用课件

临床视功能评价临床视功能评价二、波前像差仪的测量与应用二、波前像差仪的测量与应用临床视功能评价二、波前像差仪的测量与应用1理想的眼睛理想的眼睛2存在光学缺陷的眼睛存在光学缺陷的眼睛3存在光学缺陷的眼睛存在光学缺陷的眼睛4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视网膜图像质量影响因素衍射 正常人眼:5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、玻璃体不同轴；角膜与晶状体、玻璃体不同轴；n n角膜和晶状体以及玻璃体的内含物质不均匀，以致折射角膜和晶状体以及玻璃体的内含物质不均匀，以致折射率有局部偏差。率有局部偏差。人眼像差波前像差来源角膜和晶状体的表面不理想，其表面曲度存在6描述眼光学成像质量的四种方法波前像差波前像差点扩散函数点扩散函数(PSF)调制传递函数调制传递函数(MTF)视网膜成像视网膜成像描述眼光学成像质量的四种方法波前像差点扩散函数调制传递函数视7描述眼光学成像质量的方法n n对比度：对比度：MTF(MTF(调制传递函数调制传递函数),OTF),OTF（光学传递函数）（光学传递函数）n n形状：形状：PSFPSF（点扩散函数）（点扩散函数）n n像差：像差：是基础，通过波前像差计算出是基础，通过波前像差计算出MTF,OTF,PSFMTF,OTF,PSF描述眼光学成像质量的方法对比度：MTF(调制传递函数),O8OTF/MTF/PSFn n经过光学系统后，对比度的损失随空间频率的变化叫做经过光学系统后，对比度的损失随空间频率的变化叫做经过光学系统后，对比度的损失随空间频率的变化叫做经过光学系统后，对比度的损失随空间频率的变化叫做光学传递函数（光学传递函数（光学传递函数（光学传递函数（OTF OTF）n n光学传递函数的模叫做光学传递函数的模叫做光学传递函数的模叫做光学传递函数的模叫做调制传递函数（调制传递函数（调制传递函数（调制传递函数（MTFMTF）n n点光源经光学系统所成的像叫做点光源经光学系统所成的像叫做点光源经光学系统所成的像叫做点光源经光学系统所成的像叫做点扩散函数（点扩散函数（点扩散函数（点扩散函数（PSFPSF）OTF/MTF/PSF经过光学系统后，对比度的损失随空间频率9像差的表示方法点离散函数（PSF）像差的表示方法点离散函数（PSF）10什么是波前?理想理想波前波前变形变形的波前（近视）的波前（近视）模糊成像模糊成像平行平行光线光线清晰成像清晰成像什么是波前?理想波前变形的波前（近视）模糊成像平行光线清晰成11什么是波前?不不规则波前规则波前理想理想波前波前C.of Austin Roorda平行平行光线光线什么是波前?不规则波前理想波前C.of Austin Ro12什么是波前?不不规则波前规则波前理想理想波前波前什么是波前?不规则波前理想波前13什么是波前像差?像差像差理想理想波前波前什么是波前像差?像差理想波前14n n波像差实际波面对理想波面的偏离波像差实际波面对理想波面的偏离 15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16波前像差的测量意义n n对人眼的光学质量予以正确判断对人眼的光学质量予以正确判断n n为治疗服务（屈光手术、白内障手术）为治疗服务（屈光手术、白内障手术）n n为光学矫正提供准确信息为光学矫正提供准确信息波前像差的测量意义对人眼的光学质量予以正确判断17像差的分类n n传统光学将传统光学将像差像差像差像差按产生原因可分两大类：按产生原因可分两大类：n n由单色光成像时产生的像差称单色像差由单色光成像时产生的像差称单色像差n n多色光多色光(即由不同波长的光构成复合光即由不同波长的光构成复合光)成像时，由于介质折射成像时，由于介质折射率随光的不同波长而变所引起的像差称为色像差率随光的不同波长而变所引起的像差称为色像差像差的分类传统光学将像差按产生原因可分两大类：18单色像差n n单色像差分球差、彗差、像散、像场弯曲和畸变等单色像差分球差、彗差、像散、像场弯曲和畸变等5 5种种n n球差和彗差发生于对轴上和靠近轴的点用粗光束成像的球差和彗差发生于对轴上和靠近轴的点用粗光束成像的光学系统中，称轴上像差光学系统中，称轴上像差n n像散、像场弯曲和畸变发生在对离系统光轴较远的物体像散、像场弯曲和畸变发生在对离系统光轴较远的物体成像的光学系统中，称轴外像差。成像的光学系统中，称轴外像差。单色像差单色像差分球差、彗差、像散、像场弯曲和畸变等5种19球差及色差球差及色差n n轴上物点成像产生球差及色差，还伴有圆孔衍射的情形轴上物点成像产生球差及色差，还伴有圆孔衍射的情形，当透镜孔径较大时，由光轴上一物点发出的光束经球，当透镜孔径较大时，由光轴上一物点发出的光束经球面折射后不再交于一点，这种现象叫做球面像差，简称面折射后不再交于一点，这种现象叫做球面像差，简称球差。球差。球差及色差轴上物点成像产生球差及色差，还伴有圆孔衍射的情形 20彗差彗差n n轴外物点发出的宽阔光束，经透镜成像后，不再交于一轴外物点发出的宽阔光束，经透镜成像后，不再交于一点，而是形成一种状如彗星的亮斑，称为彗形像差，简点，而是形成一种状如彗星的亮斑，称为彗形像差，简称彗差。称彗差。彗差轴外物点发出的宽阔光束，经透镜成像后，不再交于一点，而是21透镜的色差（两种色光成像位置不同）透镜的色差（两种色光成像位置不同）n n由于介质的折射率随入射光的颜色（光的波长）不同而不同因由于介质的折射率随入射光的颜色（光的波长）不同而不同因此透镜的焦距随光的颜色而异，不同颜色的光所成像的位置和大此透镜的焦距随光的颜色而异，不同颜色的光所成像的位置和大小都各不相同，这种由于色散引起的现象，即使在近轴区域内也小都各不相同，这种由于色散引起的现象，即使在近轴区域内也会发生，称为色像差，简称色差。会发生，称为色像差，简称色差。透镜的色差（两种色光成像位置不同）由于介质的折射率随入射光的22像散像散n n扭转透镜，使物光束在倾斜度比较大的条件下入射，则产生像散扭转透镜，使物光束在倾斜度比较大的条件下入射，则产生像散现象。现象。n n图示物点离主轴较远时，发出的光束经透镜折射后，不再交于一图示物点离主轴较远时，发出的光束经透镜折射后，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，会聚的像已退化为互相垂直的两条短线，称作散焦线。在此区间内，光束截退化为互相垂直的两条短线，称作散焦线。在此区间内，光束截面由扁椭圆逐渐变成长椭圆，图中取的是其中间某位置。面由扁椭圆逐渐变成长椭圆，图中取的是其中间某位置。像散扭转透镜，使物光束在倾斜度比较大的条件下入射，则产生像散23畸变畸变n n畸变是由于光线的倾斜度大引起的。与球差和像散不同，畸变不畸变是由于光线的倾斜度大引起的。与球差和像散不同，畸变不破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。畸变表现在像平面破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。畸变表现在像平面内图形的各部分与原物不成比例。畸变的情况与光阑的位置有关。内图形的各部分与原物不成比例。畸变的情况与光阑的位置有关。畸变畸变是由于光线的倾斜度大引起的。与球差和像散不同，畸变不24像差的分类n n像差像差像差像差分为低阶像差和高阶像差。分为低阶像差和高阶像差。n n低阶像差是指离焦、散光等传统屈光问题低阶像差是指离焦、散光等传统屈光问题n n高阶像差指不规则散光等屈光系统存在的其它光学缺陷。高阶像差指不规则散光等屈光系统存在的其它光学缺陷。高阶像差的每阶各包括许多项，其中的每一项又代表不高阶像差的每阶各包括许多项，其中的每一项又代表不同的内容。例如，高阶像差第三阶包括彗差、三叶草样同的内容。例如，高阶像差第三阶包括彗差、三叶草样散光等散光等4 4项内容，第四阶不仅包括球差，还涉及更多项不项内容，第四阶不仅包括球差，还涉及更多项不规则散光等内容。越高阶，像差内容越复杂。规则散光等内容。越高阶，像差内容越复杂。像差的分类像差分为低阶像差和高阶像差。25各类像差的关系各类像差的关系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各类像差的关系像差是以联合的方式存在26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-RMS像差的表示方法RMS(Root Mean Square)127Zernike多项式多项式n nZernikeZernike多项式是正交于单位圆上的一组函数，通过多项式是正交于单位圆上的一组函数，通过ZernikeZernike多项式，眼光学系统像差可以量化，在每个圆多项式，眼光学系统像差可以量化，在每个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多项式表示。多项式表示。n nZernikeZernike多项式由三部分组成：标准化系数，半径依赖多项式由三部分组成：标准化系数，半径依赖性成分（性成分（n n），方位角依赖性成分（），方位角依赖性成分（mm）。）。ZernikeZernike多项多项式表示形式为式表示形式为ZmnZmn（，），），n n描述最高阶的半径阶梯；描述最高阶的半径阶梯；mm描述方位正弦频率成分；描述方位正弦频率成分；表示从表示从0 0到到1 1的半径坐标；的半径坐标；表示从表示从0 0到到22的方位角。的方位角。Zernike多项式Zernike多项式是正交于单位圆上的一28Zernike多项式多项式Zernike多项式29ZernikeZernike多项式可表示成以多项式可表示成以n n为行数，为行数，mm为列数的金字塔为列数的金字塔 Zernike coeffientsZnm7-654321012345670C01C1C22C3C4C53C6C7C8C94C10C11C12C13C145C15C16C17C18C19C206C21C22C23C24C25C26C277C28C29C30C31C32C33C34C35 Zernike coeffientsZernike coeffientsZ Zn n mm7-654321012345677-654321012345670C00C01C1C21C1C22C3C4C52C3C4C53C6C7C8C93C6C7C8C94C10C11C12C13C144C10C11C12C13C145C15C16C17C18C19C205C15C16C17C18C19C206C21C22C23C24C25C26C276C21C22C23C24C25C26C277C28C29C30C31C32C33C34C357C28C29C30C31C32C33C34C35 Zernike多项式可表示成以n为行数，m为列数的金字塔 Z30波前像差原理及应用课件31波前像差项波前像差项对应于传统几何光学的描述对应于传统几何光学的描述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球差波前像差项对应于传统几何光学的描述Z1x-axis tilt32-3-2-10123-3-2-10123Wavefront Aberrationmm(right-left)mm(superior-inferior)像差的表示方法3 Dimensional View2 Dimensional View-3-2-10123-3-2-10123Wavefront 33Zernike Modestrefoilcomacomatrefoilquadrafoilsecondaryspherical2nd3rd4th5thsecondaryquadrafoilpentafoilsecondarysecondarysecondarypentafoilsecondarydefocusastigmatismastigmatismastigmatismastigmatismtrefoiltrefoilcomacoma ConventionalRefractionHigher OrderAberrationsZernike Modestrefoilcomacomatr34像差的表示方法像差的表示方法35Z7Z12Z161.5*Z7=1.8+0.9*Z12=-0.8*Z16=Z3-1.50.9-0.81.8*Z3Z7Z12Z16 1.5*Z7=1.8+0.9*Z12=-36像差的表示方法像差的表示方法37123456705101520253035-4.0-3.0-2.0-1.00.01.02.0泽尼克系数泽尼克系数(um)在数学上，不规则的二维分布可以用泽尼克函数加以分离。在数学上，不规则的二维分布可以用泽尼克函数加以分离。泽尼克像差项泽尼克像差项像差的表示方法123456705101520253035-4.0-3.0-38散光散光散光39慧差慧差慧差401.波前像差的来源波前像差的来源角膜的像差对整个眼睛的影响可以通过角膜地形图或者角膜的像差对整个眼睛的影响可以通过角膜地形图或者波振面感应器来测量。波振面感应器来测量。1.波前像差的来源角膜的像差对整个眼睛的影响可以通过角膜地41 对于有些人来说对于有些人来说,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RMS1.13RMS1.17 对于有些人来说,整个眼睛的波前像差取决于角膜像差42RMS1.76RMS0.65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对于角膜像差是减少的。整个眼睛的波前像差相对于角膜像差是减少的。(He,Gwiazda,Held&Thorn,2001)RMSRMS角膜一部分人,整个眼睛的波前像差相对于角膜像差是43RMS0.93RMS1.49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对于角膜像差是增加的整个眼睛的波前像差相对于角膜像差是增加的(He,Gwiazda,Held&Thorn,2001)。RMSRMS角膜另一部分人,整个眼睛的波前像差相对于角膜像44 角膜上和整个眼睛系统的像差关系角膜上和整个眼睛系统的像差关系(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前偏差的均方根值波前偏差的均方根值(um)角膜上和整个眼睛系统的像差关系(He,et a450.000.501.001.50ACILWE0.000.501.001.50ab角膜对眼睛第二阶像差影响比较大，但是眼睛内部的成份则影响着更高阶的像角膜对眼睛第二阶像差影响比较大，但是眼睛内部的成份则影响着更高阶的像差差(He,et al.2003)。波前像差均方根值波前像差均方根值(um)0.000.501.001.50ACILWE0.000.50462.眼睛调节力度对像差的影响眼睛调节力度对像差的影响波前像差会随着眼睛调节力度的增大而增加波前像差会随着眼睛调节力度的增大而增加(He,Burns&Marcos,2000)2.眼睛调节力度对像差的影响 波前像差会随着眼睛调473.波前像差对离焦波前像差对离焦(近视或远视近视或远视)成像的影响成像的影响波前像差会使视网膜成不对称的离焦像波前像差会使视网膜成不对称的离焦像,这样可以提供信号来这样可以提供信号来指导眼睛的调节指导眼睛的调节(He,Gwiazda,Held&Thorn,2000)-0.75D0.75D3.波前像差对离焦(近视或远视)成像的影响 波前像484.波前像差对视觉灵敏度的影响波前像差对视觉灵敏度的影响波前像差会使视网膜图像模糊不清因而导致视觉灵敏度的下降波前像差会使视网膜图像模糊不清因而导致视觉灵敏度的下降(Yoon&Willaims,2000)4.波前像差对视觉灵敏度的影响 波前像差会使视网膜495.波前像差对对比敏感性的影响波前像差对对比敏感性的影响波前像差会使视网膜图像模糊不清因而降低眼睛的对比敏波前像差会使视网膜图像模糊不清因而降低眼睛的对比敏感性感性(Yoon&Willaims,2000)5.波前像差对对比敏感性的影响 波前像差会使视网膜5005101520051015200510152005101520Myopic 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.波前像差均方根值波前像差均方根值(um)发生频率发生频率0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.06波前像差对近视眼的影响波前像差对近视眼的影响发生频率发生频率051015200510152005101520051015517.波前像差在波前像差在屈光手术屈光手术的应用的应用常规屈光手术中的波前项差常规屈光手术中的波前项差a.常规屈光手术能够引起几乎各项的波像差和泽尼克像差。常规屈光手术能够引起几乎各项的波像差和泽尼克像差。b.Lasik 和和 PRK都能产生波前像差，但有其不同之处。都能产生波前像差，但有其不同之处。c.术前术后的像差有很大的相关性术前术后的像差有很大的相关性7.波前像差在屈光手术的应用常规屈光手术中的波前项差520.000.501.001.502.002.503.00总体总体像差像差高阶高阶像差像差彗差彗差球差球差波前像差均方根值波前像差均方根值(um)常规角膜屈光手术前后波前像差的分析0.000.501.001.502.002.503.00总体53波前像差引导准分子手术前后波前像差的分析总体总体像差像差高阶高阶像差像差彗差彗差球差球差0.000.200.400.600.801.00波前像差均方根值波前像差均方根值(um)波前像差引导准分子手术前后波前像差的分析 总体高阶彗差球差054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手术后前波前像差均方根之比手术后前波前像差均方根之比总体总体像差像差高阶高阶像差像差彗差彗差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0.055a.术后角膜的生物化学变化。术后角膜的生物化学变化。b.技术的精确性：激光束的光斑大小、形状、频率以及控制技术的精确性：激光束的光斑大小、形状、频率以及控制 等等等等 c.患者从手术中获益程度的大小。还有很多需要考虑的因素患者从手术中获益程度的大小。还有很多需要考虑的因素 包括年龄、眼睛调节力、色像差以及包括年龄、眼睛调节力、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 波前像差理论引导手术的挑战568.白内障手术a.白内障患者术后的像差比常人大的多白内障患者术后的像差比常人大的多 b.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 变化。变化。c.角膜切口手术比巩膜切口手术产生更大的像差。角膜切口手术比巩膜切口手术产生更大的像差。8.白内障手术 a.白内障患者术后的像差比571.与眼折射力的关系与眼折射力的关系当视网膜上波前像差的影响被估算出用来计算眼睛的折射状态，当视网膜上波前像差的影响被估算出用来计算眼睛的折射状态，其误差大概是其误差大概是0.1D,这不同于主观的折射力。这不同于主观的折射力。(Guirao&Williams,2001).对实验的对实验的11只眼，泽尼克像差的离焦和散光与主观的球镜和散光只眼，泽尼克像差的离焦和散光与主观的球镜和散光成线性相关，其相关系数分别为成线性相关，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1.与眼折射力的关系当视网膜上波前像差的影响被估算出用来计58接触镜对于不同的佩戴着其像差有不同的变化接触镜对于不同的佩戴着其像差有不同的变化010203040506001234non-CLsoft-CLRGP-CL眼睛数目眼睛数目波前像差均方根值波前像差均方根值(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 接触镜对于不同的佩戴着其像差有不同的变化01020304059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60n 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存在的问题61