波前像差原理及应用综述课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,临床视功能评价,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,衍射,散射,波前像差,正常人眼,:,瞳孔大于,3mm,未形成晶体的异常（白内障）,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,角膜和晶状体的表面不理想，其表面曲度存在局部偏差；,角膜与晶状体、玻璃体不同轴；,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。,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,点扩散函数,(PSF),调制传递函数,(,MTF),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,对比度：,MTF(,调制传递函数,), OTF,（光学传递函数）,形状：,PSF,（点扩散函数）,像差： 是基础，通过波前像差计算出,MTF, OTF, PSF,描述眼光学成像质量的方法对比度：MTF(调制传递函数), O,8,OTF/MTF/PSF,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（,OTF,）,光学传递函数的模叫做,调制传递函数（,MTF,）,点光源经光学系统所成的像叫做,点扩散函数（,PSF,）,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,波前,变形,的波前（近视）,模糊成像,平行,光线,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,规则波前,理想,波前,C. of Austin Roorda,平行,光线,什么是波前?不规则波前理想波前C. of Austin Ro,12,什么,是波前,?,不,规则波前,理想,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,理想,波前,什么是波前像差?像差理想波前,14,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,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,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,对人眼的光学质量予以正确判断,为治疗服务（屈光手术、白内障手术）,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,传统光学将,像差,按产生原因可分两大类：,由单色光成像时产生的像差称单色像差,多色光,(,即由不同波长的光构成复合光,),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,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,单色像差分球差、彗差、像散、像场弯曲和畸变等,5,种,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,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。,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,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,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）,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。,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,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。,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。,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,像差,分为低阶像差和高阶像差。,低阶像差是指离焦、散光等传统屈光问题,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同的内容。例如，高阶像差第三阶包括彗差、三叶草样散光等,4,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。,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,像差是以联合的方式存在,各种像差可相互补偿,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 (Root Mean Square),1) Zernike-RMS,2) WF-RMS,.,1) Zernike-RMS =,1/n *,(a,i,),2,where a,i,= Zernike-coefficients,2) WF-RMS :,per definition the average height of WF over full size is zero.,WF-RMS: Square the WF-function. The average height of WF,2,over full size is the WF-RMS.,WF,WF,2,WF,2,WF,Area,WF-RMS,像差的表示方法RMS (Root Mean Square)1,27,Zernike,多项式,Zernike,多项式是正交于单位圆上的一组函数，通过,Zernike,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,Zernike,多项式表示。,Zernike,多项式由三部分组成：标准化系数，半径依赖性成分（,n,），方位角依赖性成分（,m,）。,Zernike,多项式表示形式为,Zmn,（,，,），,n,描述最高阶的半径阶梯；,m,描述方位正弦频率成分；,表示从,0,到,1,的半径坐标；,表示从,0,到,2,的方位角。,Zernike多项式Zernike多项式是正交于单位圆上的一,28,Zernike,多项式,Zernike多项式,29,Zernike,多项式可表示成以,n,为行数，,m,为列数的金字塔,Zernike coeffients,Zn m 7 -6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7,0 C0,1 C1 C2,2 C3 C4 C5,3 C6 C7 C8 C9,4 C10 C11 C12 C13 C14,5 C15 C16 C17 C18 C19 C20,6 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27,7 C28 C29 C30 C31 C32 C33 C34 C35,Zernike coeffients,Z,n,m,7 -6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7,0 C0,1 C1 C2,2 C3 C4 C5,3 C6 C7 C8 C9,4 C10 C11 C12 C13 C14,5 C15 C16 C17 C18 C19 C20,6 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27,7 C28 C29 C30 C31 C32 C33 C34 C35,Zernike多项式可表示成以n为行数，m为列数的金字塔 Z,30,波前像差原理及应用综述课件,31,波前像差项,对应于传统几何光学的描述,Z1,x-axis tilt X,轴偏移,Z2,y-axis tilt Y,轴偏移,Z3,astigmatism in 0 or 90 degree 0,或,90,方向散光,Z4,defocus,离焦,Z5,astigmatism In 45 degree 45,方向散光,Z7,x-axis coma X,轴彗差,Z8,y-axis coma Y,轴彗差,Z12,spherical aberration,球差,波前像差项对应于传统几何光学的描述Z1x-axis tilt,32,-3,-2,-1,0,1,2,3,-3,-2,-1,0,1,2,3,Wavefront Aberration,mm (right-left),mm (superior-inferior),像差,的表示方法,3 Dimensional View,2 Dimensional View,-3-2-10123-3-2-10123Wavefront,33,Zernike Modes,trefoil,coma,coma,trefoil,quadrafoil,secondary,spherical,2nd,3rd,4th,5th,secondary,quadrafoil,pentafoil,secondary,secondary,secondary,pentafoil,secondary,defocus,astigmatism,astigmatism,astigmatism,astigmatism,trefoil,trefoil,coma,coma, Conventional,Refraction,Higher Order,Aberrations,Zernike Modestrefoilcomacomatr,34,像差,的表示方法,像差的表示方法,35,Z7,Z12,Z16, 1.5*,Z7=,1.8,+0.9*,Z12=,-0.8*,Z16=,Z3,-1.5,0.9,-0.8,1.8*Z3,Z7Z12Z16 1.5*Z7=1.8+0.9*Z12=-,36,像差,的表示方法,像差的表示方法,37,1,2,3,4,5,6,7,0,5,10,15,20,25,30,35,-4.0,-3.0,-2.0,-1.0,0.0,1.0,2.0,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。,泽尼克像差项,像差,的表示方法,123456705101520253035-4.0-3.0-,38,散光,散光,39,慧差,慧差,40,1.,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形图或者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,整个眼睛的波前像差取决于角膜像差,(He, Gwiazda, Held & Thorn, 2001),角膜,整个眼睛,RMS,1.13,RMS,1.17,对于有些人来说, 整个眼睛的波前像差取决于角膜像差,42,RMS,1.76,RMS,0.65,角膜,整个眼睛,一部分人,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,43,RMS,0.93,RMS,1.49,角膜,整个眼睛,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,(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,(He, et al. 2003),0,10,20,30,40,50,60,70,0,1,2,3,整眼像差,角膜像差,眼睛数目,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 a,45,0.00,0.50,1.00,1.50,AC,IL,WE,0.00,0.50,1.00,1.50,a,b,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,(He, et al. 2003),。,波前像差均方根值(,um),0.000.501.001.50ACILWE0.000.50,46,2.,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,(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,47,3.,波前像差对离焦,(,近视或远视,),成像的影响,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指导眼睛的调节,(He, Gwiazda, Held & Thorn, 2000),-0.75,D,0.75,D,3. 波前像差对离焦(近视或远视)成像的影响 波前像,48,4.,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,(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,49,5.,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,50,0,5,10,15,20,0,5,10,15,20,0,5,10,15,20,0,5,10,15,20,Myopic Adults,N = 184,Mean = 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 Children,N = 174,Mean = 1.16,+,0.55,s.d.,波前像差均方根值(,um),发生频率,0.0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,6,波前像差对近视眼的影响,发生频率,051015200510152005101520051015,51,7.,波前像差在,屈光手术,的应用,常规屈光手术中的波前项差,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。,b. Lasik,和,PRK,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,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,52,0.00,0.50,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00,总体,像差,高阶,像差,彗差,球差,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,像差,高阶,像差,彗差,球差,0.00,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,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0,54,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,0.00,1.00,2.00,3.00,4.00,5.00,手术后前波前像差均方根之比,总体,像差,高阶,像差,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0.0,55,a.,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,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,包括年龄、眼睛调节力、色像差以及,large field size,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,56,8.,白内障手术,a.,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,变化。,c.,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,57,1.,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算眼睛的折射状态，其误差大概是,0.1D,这不同于主观的折射力。,(Guirao & Williams, 2001).,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成线性相关，其相关系数分别为,0.99,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,0,10,20,30,40,50,60,0,1,2,3,4,non-CL,soft-CL,RGP-CL,眼睛数目,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010203040,59,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,60,存在的问题,像差是否要完全矫正,像差对视力的影响有多大,存在的问题,61,