張學(xué)勇，張大明，唐　震，周玉坤

(安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥　230601)

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眼波前像差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

張學(xué)勇，張大明，唐震，周玉坤

(安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥230601)

摘 要：根據(jù)哈特曼-夏克波前檢測(cè)理論，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的眼波前像差檢測(cè)系統(tǒng)。本文介紹了其工作原理和實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)對(duì)模擬眼球的波前像差檢測(cè)，證明該系統(tǒng)可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：波前像差;設(shè)計(jì)性與研究性實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革

人眼是一個(gè)存在像差的光學(xué)系統(tǒng)，不僅包含離焦和散光這樣傳統(tǒng)的低階像差還包含球差、慧差等高階像差[1]。波前像差依據(jù)實(shí)際波前和理想無(wú)偏差的波前之間的差值來(lái)定義，在沒(méi)有像差時(shí)，進(jìn)入人眼的平面波前可以在視網(wǎng)膜上會(huì)聚成一個(gè)點(diǎn)，而實(shí)際的人眼光學(xué)系統(tǒng)并不完美，導(dǎo)致出射波面發(fā)生變形，不再是理想的球波面。這種理想波面與變形的實(shí)際波面間的光程差(Optical Path Difference,OPD)，即為人眼的波前像差[2]。為了提高人眼的視覺(jué)成像質(zhì)量，對(duì)波前像差加以矯正十分必要。常規(guī)驗(yàn)光手段只能對(duì)人眼光學(xué)系統(tǒng)離焦(近視、遠(yuǎn)視)和散光缺陷進(jìn)行測(cè)量，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)人眼高階像差檢測(cè)。由于像差儀不僅能測(cè)量眼部屈光不正而且能檢測(cè)人眼高階像差，因而在眼科臨床得以廣泛應(yīng)用。目前眼科臨床使用的像差儀主要有博士倫的Zyoptics系統(tǒng)、Tracey公司的視網(wǎng)膜光線追跡儀、Emory視覺(jué)矯正系統(tǒng)和蘇州醫(yī)療器械公司的WFA100單色波前像差分析儀等[3]。日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將這些臨床用的昂貴專用儀器搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室是不現(xiàn)實(shí)的。為了拓展設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需要，我們自行設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的可用于眼波前像差檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)其工作原理、裝置組成以及應(yīng)用分別進(jìn)行介紹。

1波前像差檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 哈特曼-夏克波前檢測(cè)原理

如圖1所示，哈特曼-夏克波前檢測(cè)方法是利用一束直徑大約l mm的激光通過(guò)眼睛視軸聚焦于人眼黃斑處，反射的光線通過(guò)人眼折射系統(tǒng)射出眼睛后，其波前由微透鏡陣列細(xì)分成若干個(gè)更小的波前，這樣每個(gè)波前通過(guò)小孔徑聚焦都會(huì)在透鏡陣列的焦平面上形成一個(gè)光點(diǎn)。

利用放置在微透鏡陣列焦平面處的CCD相機(jī)，可對(duì)所有光點(diǎn)進(jìn)行捕獲。當(dāng)波前由理想波前變?yōu)橛邢癫畹牟ㄇ皶r(shí)，每個(gè)小孔徑的光點(diǎn)相對(duì)微小透鏡的光軸在空間上都將發(fā)生一定的位移，見(jiàn)圖2示意。CCD像面上每個(gè)光點(diǎn)質(zhì)心相對(duì)位置方向和偏移量大小，反映此處波前的傾斜情況。通過(guò)波前重構(gòu)技術(shù)，如采用模式法和最小平方技術(shù)即可重建波前，進(jìn)而獲取相應(yīng)的眼低階和高階像差[4,5]。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

波前像差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3示意，中空的模擬眼球、微透鏡陣列、觀察屏、CCD相機(jī)依次放置在實(shí)驗(yàn)水平光具座上。眼球后極內(nèi)表面放置高功率LED光源模擬人眼視網(wǎng)膜中心凹光斑，前極處留置直徑6 cm圓孔，首先使用同孔徑會(huì)聚透鏡遮蓋，其中LED處于會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)處，即透鏡焦距等于眼球軸長(zhǎng)。透鏡折射率等價(jià)角膜和晶狀體的折射率，此時(shí)模擬眼情形類似人的正視眼。來(lái)自透鏡的出射光線經(jīng)微透鏡陣列成像于觀察屏上。實(shí)驗(yàn)用觀察屏為一張帶有坐標(biāo)的紙片，置于微透鏡陣列的焦平面處；利用CCD相機(jī)，也可清楚觀察每個(gè)光斑分布情況，若把輸出信號(hào)進(jìn)一步送入計(jì)算機(jī)，利用內(nèi)置程序，即可繪制波前像差圖。

實(shí)驗(yàn)中使用一底面蒙有硅膠直徑6 cm的透明塑料小圓柱型培養(yǎng)盤(pán)代替透鏡，通過(guò)利用醫(yī)用注射器向柱體內(nèi)注入微量生理鹽水，模擬實(shí)現(xiàn)不規(guī)則角膜變形，從而進(jìn)一步完成不同程度缺陷眼的波前像差測(cè)量。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4(a) 給出的是基于透鏡的模擬眼檢測(cè)的CCD像面光斑陣列圖和波前像差圖。

從圖4(a) 中波前像差圖可看出，此時(shí)的像差對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)Seidel像差，表示沿軸向傾斜。利用透明塑料培養(yǎng)盤(pán)代替透鏡，通過(guò)微灌注，改變角膜形態(tài)，檢測(cè)出的一個(gè)典型的微透鏡陣列光斑圖及整個(gè)眼的波前像差圖，如圖4(b)所示。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)模擬眼的波前像差較為復(fù)雜，不僅包含離焦、像散這樣的低階像差而且還存在更高階的像差，如高階散光與球差等。

2結(jié)論

中國(guó)是屈光不正高發(fā)地區(qū)，多數(shù)人患有不同程度的近視、遠(yuǎn)視或散光，尤其在學(xué)生群體中，近視患者的比例更高。波前像差引導(dǎo)的個(gè)性化角膜切削手術(shù)，具有在矯正近視、遠(yuǎn)視和散光的同時(shí)，還能抑制球差、彗差等高階像差的增加等優(yōu)點(diǎn)，目前是眼科臨床采用的主流術(shù)式之一。由教師協(xié)助指導(dǎo)，開(kāi)展波前像差檢測(cè)這類貼近學(xué)生生活的設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)[6,7]，不僅能鞏固和運(yùn)用學(xué)生所學(xué)的知識(shí)，增加學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，更能進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和激發(fā)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)興趣，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及創(chuàng)新應(yīng)用型人才方面具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李玉珍,魏銳利,朱煌.波前像差技術(shù)及其在屈光手術(shù)中的應(yīng)用[J].眼科新進(jìn)展,2006,26(4):306-308.

[4]張學(xué)勇,唐震.眼波前像差仿真實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015,28(2):37-39.

[5]周仁中,閻吉祥.自適應(yīng)光學(xué)理論[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996:294 -301.

[6]俞熹,樂(lè)永康,冀敏,等.美國(guó)大學(xué)物理教學(xué)和管理考查報(bào)告[J].物理實(shí)驗(yàn),2013,33(4):14 -20.

[7]于濤.當(dāng)代大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革探析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015,28(1):119-122.

Experimental Study on Wavefront Aberration of Human Eye

ZHANG Xue-yong,ZHANG Da-ming,TANG Zhen,ZHOU Yu-kun

(Anhui Jianzhu University,Anhui Hefei 230601)

Key words：wavefront aberration；design and research experiment；teaching reform

Abstract：Using the Hartmann-Shack wavefront sensing principle,a simplified experimental system is designed to measure the wavefront aberrations of human eye.The work principle and configuration of the experimental system is presented.Experiments carried out on a simulated eyeball demonstrate its potential for the experimental teaching.

收稿日期：2016-02-28

基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1308085MF98)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(KJ2014A041) ；安徽建筑大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目 (20138001)；安徽省振興計(jì)劃及質(zhì)量工程資助項(xiàng)目(2015zytz039，2013zzg03)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)03-0021-03

中圖分類號(hào)：R 778；G 642.423

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.007