第 1 章  緒論 

1.1  人眼波前技術(shù)及視覺(jué)矯正 
人眼經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化已趨于完善，作為整體，人眼是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功能完善的視覺(jué)系統(tǒng)，然而作為個(gè)體來(lái)看，人眼并非是理想的光學(xué)系統(tǒng)。個(gè)體人眼除受衍射極限和視錐細(xì)胞的結(jié)構(gòu)限制了其分辨極限外，還因個(gè)體眼存在的像差使其視力與理想情況存在很大的差距[1-5]，因此，人眼像差的矯正一直是人們關(guān)注并努力探索的科學(xué)領(lǐng)域。人眼除離焦和像散之外，還存在著許多其它的像差，如球差、彗差和非規(guī)則高階像差等，這些像差同樣對(duì)視覺(jué)有嚴(yán)重的影響。但是，人們一直未能對(duì)人眼存在的這些像差進(jìn)行詳細(xì)且精確地描述，所以，百余年來(lái)只是采用球-柱眼鏡矯正人眼的離焦和像散[6,7]。 直到上世紀(jì) 90 年代德國(guó)海德堡大學(xué)的 Josef  F.  Bille 博士和梁俊忠博士開(kāi)創(chuàng)了采用 Hartmann-Shack 波前傳感器測(cè)量人眼波前像差技術(shù)，使人眼的初級(jí)像差和高階像差得以精確地測(cè)量，才使得人眼高階像差的矯正、視覺(jué)的改善成為可能。Josef  F.  Bille 博士和梁俊忠博士應(yīng)用 Hartmann-Shack 波前技術(shù)將人眼像差以Zernike 項(xiàng)的形式進(jìn)行描述[8-10]，并結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，揭示了人眼高階像差給視覺(jué)成像帶來(lái)的影響，他們的研究為眼科學(xué)和視覺(jué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化。 隨著人眼波前技術(shù)的出現(xiàn)，使視覺(jué)質(zhì)量的改善和提高有了突破性的進(jìn)展。波前技術(shù)是進(jìn)行視覺(jué)診斷的有效手段，它可以給出眼睛波前像差所需的全部光學(xué)信息，所測(cè)量的波前能夠反映出從角膜到晶狀體的整個(gè)眼睛的光學(xué)缺陷。波前像差不僅為患者提供了視覺(jué)矯正的處方，還為視網(wǎng)膜成像質(zhì)量提供一個(gè)完整的描述方法[11]。波前技術(shù)已逐步被應(yīng)用在視覺(jué)和眼科學(xué)領(lǐng)域，并取得了引人矚目的成就，同時(shí)也成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)[12]。
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1.2  人眼波前技術(shù)及視覺(jué)矯正國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 
人眼像差的研究歷史悠久，從 Yong 和 Helmholz 最先報(bào)道了眼睛作為一種光學(xué)系統(tǒng)，也和其他光學(xué)系統(tǒng)一樣具有光學(xué)像差，之后人們進(jìn)行了各種人眼像差測(cè)量方法的研究。Thomas Yong[13]（1801）和 Volkman[14]（1846）最先使用主觀光線追蹤技術(shù)對(duì)人眼的球差進(jìn)行了測(cè)量。Ivanoff[15]分別在 1946 年和 1953 年對(duì)主觀光線追蹤技術(shù)進(jìn)行了改善，引入了雙通道技術(shù)，使得測(cè)量方法更具有可行性，同時(shí)還應(yīng)用這種雙通道技術(shù)對(duì)人眼的球差及色差進(jìn)行了測(cè)量。1962 年，Smirnov[16]通過(guò)對(duì)主觀光線技術(shù)的改進(jìn)處理，第一次得到了確切的人眼波前像差。然后Howland 在 1976 年[17]和 1977 年[18]在主觀光線追蹤技術(shù)基礎(chǔ)上，使用自制的主觀像差儀測(cè)量了人眼的波面像差，并首次提出采用 Zernike 多項(xiàng)式表示波面像差。人眼波面像差可分為低階像差和高階像差：Zernike 多項(xiàng)式 3 階以下的像差稱為低階像差，即臨床上所稱的屈光不正，包含傳統(tǒng)意義上的近視、遠(yuǎn)視和散光；3階和 3 階以上的像差稱為高階像差，即臨床上統(tǒng)稱的不規(guī)則像差，包含球差、慧差、像散等。1990 年 Cambell  和 Smironet[19]、1992 年 Webb 等人[20]、1996 年 Woods等人[21]、以及 1998 年 Cui 和 He 等人[22]都曾對(duì)主觀光線追蹤技術(shù)進(jìn)行了各種改進(jìn)與優(yōu)化，并對(duì)人眼波前像差及其視覺(jué)矯正等問(wèn)題進(jìn)行了更加深入的研究和討論。但這測(cè)量方法都過(guò)重地依賴于被測(cè)者的反應(yīng)能力，具有高度的主觀性。于是在 1984 年 Walsh 等人[23]重新修改了 Howland  像差儀，研究出了另一種人眼像差的測(cè)量方法，稱作雙程技術(shù)。1995 年 Atchison  和 Walsh  等人[24]又對(duì)雙程技術(shù)進(jìn)行了完善。雙程技術(shù)是利用視網(wǎng)膜上的像得到對(duì)應(yīng)光線像差，然后將其轉(zhuǎn)換為波前傾斜，從而計(jì)算得出人眼波前像差值。所以，視網(wǎng)膜上像的質(zhì)量對(duì)結(jié)果有著重大影響。同樣在 1995 年，Collins 等人[25]研究發(fā)現(xiàn)雙程技術(shù)存在一定的局限性，其采樣率較低并且無(wú)法表示出高階像差。 
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第 2 章  實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)的建立 

在當(dāng)今社會(huì)，視覺(jué)矯正技術(shù)的研究發(fā)展迅猛，簡(jiǎn)單的眼模型早已不能滿足研究的需要。不同人眼的生理結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致其具有個(gè)性化的光學(xué)特性和成像質(zhì)量，在視覺(jué)矯正過(guò)程中需要考慮個(gè)體人眼的生理特征，因此，構(gòu)建實(shí)際人眼的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的視覺(jué)矯正，才能更好地改善人眼的成像質(zhì)量。也就是說(shuō)，實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)的建立是我們開(kāi)展視覺(jué)矯正工作的基礎(chǔ)。在本章，結(jié)合臨床檢測(cè)出的實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 的優(yōu)化功能[42,43]，構(gòu)建出實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)。 

2.1  實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)的建立方法 

圖 2.1 是人眼光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。人的眼睛近似球形，正常成年人眼球的前后徑平均為 24  mm，垂直徑平均 23  mm，人眼結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為角膜、前房、瞳孔、晶狀體、玻璃體及視網(wǎng)膜。角膜（Cornea）是眼睛最前面的透明部分，覆蓋虹膜、瞳孔及前房，為眼睛提供大部分屈光力；角膜后方與虹膜之間的空腔稱為前房（Anterior chamber），從光學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，前房深度是很重要的，因?yàn)樗鼤?huì)影響眼光學(xué)系統(tǒng)的總體屈光力；虹膜（Iris）位于眼球中部，眼睛的顏色就由虹膜所體現(xiàn)，虹膜中心帶有圓孔，稱為瞳孔（Pupil），瞳孔口徑隨環(huán)境的明暗不同會(huì)自動(dòng)放大和縮小來(lái)控制進(jìn)入人眼的光量強(qiáng)度；晶狀體（Lens）位于虹膜之后，，呈雙凸透鏡狀，是眼球屈光系統(tǒng)的重要組成部分，也是唯一具有調(diào)節(jié)能力的屈光介質(zhì)，晶狀體的調(diào)節(jié)能力隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸降低；玻璃體（Vitreous body）是無(wú)色透明膠狀物體，充滿于晶狀體后面的空腔里，其折射率為 1.336；視網(wǎng)膜（Retina）居于眼球壁的內(nèi)層，是一層透明的薄膜，視網(wǎng)膜上分布著視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞層，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，神經(jīng)纖維等感光器和傳導(dǎo)器，視網(wǎng)膜就像一架照相機(jī)里的感光底片，專門負(fù)責(zé)感光成像。 人眼成像過(guò)程是周圍物體發(fā)射或反射出來(lái)的光，經(jīng)過(guò)角膜和晶狀體的共同作用，聚集在眼睛后面的視網(wǎng)膜上，形成物體的像，視網(wǎng)膜上分布的視覺(jué)細(xì)胞受到光的刺激產(chǎn)生興奮，并經(jīng)視神經(jīng)把信息傳送到大腦，在大腦皮層形成視覺(jué)，人眼就能看到了物體。在成像過(guò)程中，角膜承擔(dān)了主要的屈光作用，晶狀體完成調(diào)節(jié)功能。 

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2.2  實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)的建立
應(yīng)用 OrbscanⅡ眼前節(jié)分析儀測(cè)量實(shí)際人眼的角膜厚度、角膜前后表面參考球面曲率半徑和前后表面各點(diǎn)高度。圖 2.3 和圖 2.4 分別是所測(cè)得的 qw 右眼角膜前表面和后表面地形圖。圖 2.3 和圖 2.4 中給出的角膜厚度為 0.558 mm，角膜前后表面參考球面曲率半徑分別為 7.57 mm 和 5.90 mm。角膜地形圖給出的角膜表面各點(diǎn)的高度值 h，是該點(diǎn)角膜曲率半徑 r 與參考球面曲率半徑 R 的差值，即 h＝r-R。根據(jù)角膜前表面和后表面高度數(shù)據(jù)，將角膜前、后表面表示為多項(xiàng)式的形式�？紤]到應(yīng)用ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行晶狀體結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，需要角膜的面型結(jié)構(gòu)參數(shù)，選用ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中帶有高次非球面的奇次非球面（Odd Asphere）多項(xiàng)式表示角膜前后表面的面型。 
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第 3 章  角膜和晶狀體像差補(bǔ)償關(guān)系研究 ........ 21 
3.1  角膜和晶狀體幾何像差研究 ......... 21 
3.2  角膜和晶狀體波前像差分析 ......... 22 
第 4 章  波前引導(dǎo)的激光角膜手術(shù)研究 ..... 25 
4.1  波前引導(dǎo)的激光角膜手術(shù)矯正面像差數(shù)據(jù)獲得方法 .... 25
4.2  波前引導(dǎo)的激光角膜手術(shù)偏差容限研究 .......... 28 
第 5 章  個(gè)性化人眼高階像差矯正鏡頭研究 .... 35 
5.1  研究背景 ...... 35 
5.2  個(gè)性化人眼高階像差矯正鏡頭研究 .... 35
5.2.1  目視矯正鏡頭的初始結(jié)構(gòu) .......... 36 
5.2.2  目視矯正鏡頭的優(yōu)化設(shè)計(jì) .......... 37 
5.3  目視矯正鏡頭研究結(jié)果 .......... 42 

第 5 章  個(gè)性化人眼高階像差矯正鏡頭研究 

5.1  研究背景
目鏡是用來(lái)觀察前方光學(xué)系統(tǒng)所成圖像的光學(xué)器件，是目視光學(xué)儀器的重要組成部分。無(wú)論是望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡還是許多其它的光學(xué)儀器都需要目視系統(tǒng)[57,58]。通常經(jīng)由目鏡所成的像將直接由人眼接收，而人眼光學(xué)系統(tǒng)本身所存在的像差會(huì)對(duì)目視效果產(chǎn)生影響，降低目視儀器應(yīng)有的分辨率和使用性能[59]。所以，如何將人眼光學(xué)系統(tǒng)存在的高階像差矯正引入目視儀器，從而使目視儀器獲得本應(yīng)達(dá)到的最佳指標(biāo)，是視覺(jué)矯正研究需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 迄今為止，所有目視儀器如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、頭盔顯示器等在設(shè)計(jì)時(shí)都是只考慮了人眼的離焦特性，雖然顧及了眼睛調(diào)焦、雙眼匯聚以及它們之間失配的影響，但對(duì)儀器使用性能產(chǎn)生更大影響的人眼球差、彗差和高階像差尚未進(jìn)行矯正，大大降低了儀器的使用性能[60]。而目前在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)目視儀器分辨率的要求也都大大提高了，如上世紀(jì) 80 年代后發(fā)展起來(lái)的顯微外科技術(shù)是借助于顯微鏡的放大，使用精細(xì)的顯微器械對(duì)細(xì)小組織進(jìn)行精細(xì)手術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于婦科、泌尿科、神經(jīng)科、眼科、鼻科、喉科各個(gè)專業(yè)，光學(xué)放大設(shè)備性能的提高，是顯微外科技術(shù)發(fā)展的必備條件[61]；軍事上各種需要目視的武器和軍用成像裝置，如軍用望遠(yuǎn)鏡、軍用瞄準(zhǔn)鏡、軍用夜視鏡等，如果能配有矯正人眼高階像差的個(gè)性化目鏡，將會(huì)更有效地提高武器的使用精度[62]；對(duì)于像差檢測(cè)和矯正的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，最早、最成功的應(yīng)用就是解決了地對(duì)空觀測(cè)光學(xué)成像和天基對(duì)地遙感觀測(cè)高分辨率光學(xué)成像問(wèn)題，應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來(lái)補(bǔ)償大氣湍流引起的包括高階像差在內(nèi)的波前畸變，使物鏡得到接近衍射極限的目標(biāo)像，而地對(duì)空觀測(cè)光學(xué)成像系統(tǒng)的目鏡設(shè)計(jì)[63,64]，沒(méi)有考慮人眼高階像差的矯正問(wèn)題，使整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)的分辨率遠(yuǎn)低于衍射極限。因此，如何將人眼高階像差的矯正引入目視儀器，使人眼達(dá)到分辨極限，是目前急需解決也具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題。 本章將開(kāi)展用于目視光學(xué)儀器的人眼高階像差矯正鏡頭的研究，使目視光學(xué)儀器達(dá)到最佳使用效果。對(duì)于目視光學(xué)儀器來(lái)說(shuō)，相對(duì)人眼的物距是不變的，這樣人眼在使用目視光學(xué)儀器時(shí)，眼的調(diào)節(jié)基本不變或變化很小，因此像差矯正鏡頭的視覺(jué)矯正效果會(huì)十分理想，有很好的應(yīng)用前景。 
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總結(jié) 

本文研究了實(shí)際眼光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造方法，并利用測(cè)量得到的 qw 右眼角膜地形圖、眼軸長(zhǎng)度、波前像差等數(shù)據(jù)，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 的優(yōu)化功能，構(gòu)建出了實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際眼光學(xué)系統(tǒng)，研究了角膜和晶狀體的像差補(bǔ)償關(guān)系，給出了數(shù)值結(jié)果；研究了波前引導(dǎo)的激光角膜手術(shù)矯正面像差數(shù)據(jù)的獲得方法和手術(shù)偏差容限；研究了人眼高階像差目視矯正鏡頭和雙焦點(diǎn)高階像差矯正眼鏡。 本章對(duì)論文的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)需要進(jìn)一步討論的問(wèn)題進(jìn)行了展望。由 Orbscan II 角膜地形圖儀測(cè)量出實(shí)際人眼角膜表面參數(shù)，并將其擬合為光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 所需面形；應(yīng)用 BMF-200 眼科 A/B 型超聲波測(cè)量出眼軸向各部分長(zhǎng)度；應(yīng)用 Hartmann-Shack 波前傳感器測(cè)量出人眼波前像差，并利用已有的眼球各部分光學(xué)常數(shù)，應(yīng)用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化功能，優(yōu)化出實(shí)際人眼晶狀體的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建了實(shí)際人眼光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中所得到的實(shí)際人眼晶狀體的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：晶狀體前、后表面曲率半徑分別為8.449025  mm 和-6.0  mm；晶狀體前表面為澤尼克標(biāo)準(zhǔn)矢高面（Zernike  Standard Sag Surface），晶狀體后表面為偶次非球面（Even Asphere）。 
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：153562