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人眼波前像差测量与矫正的研究

作　者: 吴佳杰
导　师: 陈家璧
学　校: 上海理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 波前像差 Hartmann-Shack 传感器波前矫正准直系统
分类号: O43
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

眼睛是心灵的窗户，它的健康与否直接关系到每个个人的生活质量。然而，同所有的实际光学系统一样，人眼不是一个完善的屈光系统，存在着各种像差，其中不仅含有离焦、散光在内的各种低阶像差，还包括诸如三叶草，四叶草等在内的高阶像差。长期以来，人们对人眼像差的测量和矫正主要集中在离焦、散光等低阶像差项上，这一方面是因为统计意义上来讲，这类像差对于人类的视力影响最大；另一方面，也是由于人类的镜片磨制技术只能矫正离焦、散光之类的低阶像差。随着准分子激光手术的发展和普及，屈光手术已经得到了广泛的应用，但患者术后的并发症也困扰着医生和病患。其中部分原因是由于对于高阶像差测量的不完备导致角膜手术后患者眼的像差失控，深入理解和准确测量人眼高阶像差对于有效控制角膜手术效果，提高病患生活质量无疑有着重要意义。本文沿着上一届师兄的主客观结合的人眼像差测量平台思路出发，详细讨论了这一人眼像差光学测量系统搭建过程中可能存在的误差，并对其进行了仔细地定量分析和计算。根据计算结果，我们提出了基于客观测量数据的光学系统安装与调节方案。在此基础之上，提出了优化了的主客观相结合的人眼像差测量光路，分析并给出了眼瞳与HSS测量孔径不匹配情况下的像差还原代数方法。本文将以如下线索展开：从波前像差的基本概念出发，介绍波前像差的基本理论，并详细地分析了Zernike多项式各阶项对应表达式的含义；对Hartmann-Shack 传感器测量人眼像差的原理进行了详细分析，给出了Hartmann-Shack传感器可测量范围的公式和波前重构的基本公式，计算了传感器的测量局限；分析了参考面上波前形状对最终测量得到的被测波前结果的影响，计算并给出了基于客观的准直照明光束调节方法，从而使得我们以较高的精度和可重复地获得了接近理想的参考波前；提出了应用HSS参与调节整个人眼测量光路的系统方法，解决了由于光学镜片制造公差、设计波长与实际波长的不同所造成的包括离焦像差在内的各种透镜误差所可能带来的系统安装误差，使得我们能够对的光学测量平台的搭建精度予以准确地判断，并使得我们的测量结果具备信服，可靠，可重复的特点；引入了调节同轴度更高的照明光束预调节系统，提高信噪比的同时解决了同轴度调节困难的问题；引入了用于减小激光散斑影响的消散斑光路，对其消除散斑的可行性进行了实验研究；提出了允许主观参与调节的主客观相结合的人眼像差测量系统；在实验部分，我们分别用实验的方法研究了人眼主观调节对像差的改善、佩戴镜框眼镜对低阶和高阶像差的改善以及应用可变形镜实时矫正人眼像差的可能性。进行较为全面的实验分析与研究工作。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-22
  §1.1 像差的概念  12-13
  §1.2 人眼的像差及其影响因素  13
  §1.3 人眼像差测量技术及其发展  13-15
  §1.4 人眼像差的测量方法  15-19
    §1.4.1 人眼主观像差测量方法  15-16
    §1.4.2 人眼客观像差测量方法  16-18
    §1.4.3 主、客观测量法的异同  18-19
  §1.5 国内外人眼像差测量、矫正发展动态  19
  §1.6 本文所做的主要工作  19-22
第二章人眼像差测量与 Hartmann-Shack 原理  22-35
  §2.1 人眼的结构和屈光系统  22-23
    §2.1.1 泪液膜  22
    §2.1.2 角（质）膜  22-23
    §2.1.3 虹膜与瞳孔  23
    §2.1.4 晶状体  23
    §2.1.5 玻璃体  23
    §2.1.6 视网膜  23
  §2.2 人眼像差的来源与屈光不正  23-26
    §2.2.1 近视眼  24-25
    §2.2.2 远视眼  25
    §2.2.3 散光眼  25-26
  §2.3 波前像差理论  26-30
    §2.3.1 波前像差的展开与 Zernike 多项式的特点  27
    §2.3.2 Zernike 多项式展开及其含义  27-30
  §2.4 Hartmann-Shack 波前传感器的数学原理  30-31
  §2.5 Hartmann-Shack 波前传感器的量程与精度  31-33
  §2.6 应用 Zernike 多项式的波前重构方法  33-34
  §2.7 本章小结  34-35
第三章人眼实时像差测量系统的构建  35-56
  §3.1 人眼实时像差测量系统的基本结构  35-37
    §3.1.1 被测眼照明光路  35-36
    §3.1.2 波前像差测量光路  36-37
  §3.2 光路设计与参数配置  37-54
    §3.2.1 照明光源的选择  37-39
    §3.2.2 人眼安全光照强度  39-41
    §3.2.3 照明光路结构参数  41
    §3.2.4 照明光束的获得  41-42
    §3.2.5 像差矫正与测量光路参数配置  42-54
  §3.3 本章小结  54-56
第四章像差测量系统的误差分析与安装调试  56-78
  §4.1 成像系统的理论误差——物理分辨率  56-59
  §4.2 准直照明光束的误差分析  59-60
  §4.3 非准直入射光对波前测量的影响  60-65
    §4.3.1 非准直入射光对波前测量影响的实验验证  61
    §4.3.2 实验结果  61-63
    §4.3.3 照明光路的改进：可调照明光路设计  63-65
  §4.4 眼波前演化给测量带来的影响  65-67
  §4.5 像差测量光路安装误差分析  67-69
  §4.6 HSS 在校准准直光路中的应用  69-75
    §4.6.1 球差的产生与消除  69
    §4.6.2 彗差的产生与消除  69-70
    §4.6.3 像散的产生与消除  70
    §4.6.4 光路的安装与调试  70-75
  §4.7 改进的人眼像差测量光路  75-77
  §4.8 本章小结  77-78
第五章人眼波前像差的测量与矫正实验  78-101
  §5.1 Hartmann-Shack 采样点质量的提高  78-79
  §5.2 HSS 的有效量程测定  79-81
  §5.3 入射光束直径对测量结果的影响  81-84
  §5.4 离焦补偿系统的有效性测试  84-88
  §5.5 可变形镜对像差的主动补偿试验  88-93
  §5.6 可调照明系统的测试  93-95
  §5.7 人眼测量实验  95-96
    §5.7.1 活体人眼像差测量的可信度实验  95-96
  §5.8 镜框眼镜对佩戴者视力的矫正  96-97
  §5.9 人眼主观参与调节对像差的校正  97-99
  §5.10 本章小结  99-101
第六章总结与展望  101-103
参考文献  103-108
附录1. ICE 制定的激光直接照射人眼的 MPE 标准  108-109
附录2.可变形镜参数表  109-110
附录3. Hartmann-Shack 波前传感器参数表  110-111
附录4. KSA100-11/12 型精密电控平移台具体参数  111-112
附录5. YD-711ARMWH 液晶显示器具体参数  112-113
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果  113-116
致谢  116

人眼波前像差测量与矫正的研究

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