波前像差原理及应用

.,临床视功能评价二、波前像差仪的测量与应用,.,理想的眼睛,.,存在光学缺陷的眼睛,.,存在光学缺陷的眼睛,.,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,.,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。,.,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,.,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）,.,像差的表示方法点离散函数（PSF）,.,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?,不规则波前,理想波前,C.ofAustinRoorda,平行光线,.,什么是波前?,不规则波前,理想波前,.,什么是波前像差?,像差,理想波前,.,波像差实际波面对理想波面的偏离,.,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,.,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,.,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。,.,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。,.,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。,.,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。,.,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。,.,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。,.,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。,.,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,.,像差的表示方法RMS(RootMeanSquare),1)Zernike-RMS2)WF-RMS,.1)Zernike-RMS=1/n*(ai)2whereai=Zernike-coefficients,2)WF-RMS:perdefinitiontheaverageheightofWFoverfullsizeiszero.WF-RMS:SquaretheWF-function.TheaverageheightofWF2overfullsizeistheWF-RMS.,.,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多项式可表示成以n为行数，m为列数的金字塔,ZernikecoeffientsZnm7-654321012345670C01C1C22C3C4C53C6C7C8C94C10C11C12C13C145C15C16C17C18C19C206C21C22C23C24C25C26C277C28C29C30C31C32C33C34C35,ZernikecoeffientsZnm7-654321012345670C01C1C22C3C4C53C6C7C8C94C10C11C12C13C145C15C16C17C18C19C206C21C22C23C24C25C26C277C28C29C30C31C32C33C34C35,.,.,.,像差的表示方法,3DimensionalView,2DimensionalView,.,ZernikeModes,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,ConventionalRefraction,HigherOrderAberrations,.,像差的表示方法,.,Z7,Z12,Z16,1.5*Z7=,1.8,+0.9*Z12=,-0.8*Z16=,Z3,-1.5,0.9,-0.8,1.8*Z3,.,像差的表示方法,.,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,.,散光,.,慧差,.,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。,.,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),.,RMS1.76,RMS0.65,一部分人,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),.,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)。,.,角膜上和整个眼睛系统的像差关系(He,etal.2003),.,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,etal.2003)。,波前像差均方根值(um),.,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),.,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),.,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),.,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),.,0,5,10,15,20,MyopicAdults,N=184,Mean=1.26,+,0.99s.d.,EmmetropicAdults,N=108,Mean=0.88,+,0.28s.d.,EmmetropicChildren,N=166,Mean=1.02,+,0.34s.d.,MyopicChildren,N=174,Mean=1.16,+,0.55s.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,.,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,.,常规角膜屈光手术前后波前像差的分析,.,波前像差引导准分子手术前后波前像差的分析,.,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,.,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largefieldsize等等.,波前像差理论引导手术的挑战,.,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。,.,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