視光學基本知識及進展

視光學基本知識及進展第1頁/共83頁眼視光學的基本概念課題組開展的工作前沿及其他相關問題第2頁/共83頁眼視光學的基本概念第3頁/共83頁什么是視覺眼成像系統(tǒng)成像所成的像需轉換成神經信號傳入大腦大腦分析和處理圖像第4頁/共83頁第5頁/共83頁光學：眼的光學性質用像差來描述；光學傳遞函數(shù)和點擴散函數(shù)用來評價眼的成像性能神經：感光細胞采樣、消噪聲處理、邊緣濾波、圖像壓縮等大腦：動態(tài)分析、圖像識別等第6頁/共83頁眼睛的生理結構

第7頁/共83頁眼睛的生理結構第8頁/共83頁眼睛的生理結構第9頁/共83頁眼睛的生理結構第10頁/共83頁眼睛的生理結構第11頁/共83頁眼睛的生理結構第12頁/共83頁眼睛的生理結構第13頁/共83頁眼睛的生理結構第14頁/共83頁眼睛的生理結構第15頁/共83頁眼球光學第16頁/共83頁眼球光學與眼睛相關的軸第17頁/共83頁眼球光學GullstrandNO.1眼模型角膜的屈光度為43.05D，約占整個眼睛屈光度的三分之二第18頁/共83頁Gullstrand-Emsley眼模型眼球光學第19頁/共83頁眼球光學個性化眼模型

以Gullstrand眼模型的參數(shù)為初始數(shù)據(jù)輸入到ZemaxRadiusDepthRefractiveMedium（mm）（mm）IndexR1=7.8D1=0.551.3771corneaR2=6.5D2=3.051.3374anteriorchamberR3=10.2D3=4.01.420crystallinelensR4=-6.0D4=16.601.336vitreousbodyR5=-12.3第20頁/共83頁用角膜地形圖儀OrbscanⅡ測量角膜前后表面曲率以及相對于參考球面的高度值，用高次非球面擬合出角膜的非球面表面，置換初始數(shù)據(jù)：

△RCornealsurfaceReferencesphereOK眼球光學第21頁/共83頁用醫(yī)用BMF-200A型超聲儀測量眼軸的各部分間距：角膜、眼前房、晶狀體、玻璃體，置換初始數(shù)據(jù)EyeCorneaAnteriorCrystallineVitreouschamberlensbodyValue0.573.033.5118.62(mm)眼球光學第22頁/共83頁

用眼波像差儀測量個體眼的波前像差，把數(shù)據(jù)加到

Zemax的優(yōu)化函數(shù)中，定義人眼的實際像差眼球光學第23頁/共83頁用OrbscanII測量角膜表面的相對高度值用澤尼克多項式擬合角膜面型用BMF-200測厚儀測量眼內軸向間距用H-S傳感器測量人眼波前像差定義優(yōu)化函數(shù)個性化人眼模型晶狀體面型視功能分析如PSF，MTF等構建個性化眼模型的程圖以晶狀體的前后表面的曲率和非球面系數(shù)為變量，做光學優(yōu)化（見流程圖）眼球光學第24頁/共83頁用ZEMAX構建的個性化眼模型點列圖

MTF

眼球光學第25頁/共83頁個性化眼模型的特點：個性化的，不是平均模型；可以用于臨床評估；可用來評價眼睛的成像質量眼球光學第26頁/共83頁眼睛的入射光瞳和出射光瞳瞳孔距角膜3.6mm，出射光瞳距角膜3.5mm，放大率為1.1313眼球光學第27頁/共83頁瞳孔距晶狀體后表面3.6mm，出射光瞳距晶狀體后表面3.5mm，放大率為1.03眼球光學第28頁/共83頁眼睛成像質量的描述第29頁/共83頁眼睛的像差色差486nm到656nm的縱向色差為：+1D400nm到700nm的縱向色差為：+1.75D與光瞳大小相關視力受色差的影響不大眼睛成像質量的描述第30頁/共83頁晶狀體隨著年齡增大逐漸變黃視網膜的黃斑能夠起到過濾藍光的作用視錐細胞不含有探測藍光的細胞進入人眼的能量經眼睛后在垂直于光軸的平面上不均勻分布第31頁/共83頁Seidel像差眼睛成像質量的描述球差彗差：軸外像差第32頁/共83頁眼睛成像質量的描述像散場曲：視網膜是曲面，能夠進行補償畸變：相對不重要，大腦能夠處理修正第33頁/共83頁眼睛像差的描述W(u',v')=ΣCkZk(u',v')

Ck是展開系數(shù)，Zk是Zernike多項式。眼像差以7階35項Zernike項表示;Zernike項在單位圓內正交；和幾何像差有簡單的對應關系；波前像差-----描述像差的新方法第34頁/共83頁表1：Zernike多項式Zk1234567891011nmZernike多項式物理意義10ρsinθ

X方向傾斜11ρcosθY方向傾斜20ρ2sin2θ二級45/135度像散212ρ2-1離焦22ρ2cos2θ二級0/90度像散30ρ3sin3θ三級0/90度像散31(3ρ3-2ρ)sinθ三級X方向慧差32(3ρ3-2ρ)cosθ三級Y方向慧差33ρ3cos3θ三級45/135度像散40ρ4sin4θ四級45/135度像散41(4ρ4-3ρ2)sin2θ四級Y方向慧差第35頁/共83頁12426ρ4-6ρ2+1四級球差1343(4ρ4-3ρ2)cos2θ四級X方向慧差1444ρ4cos4θ四級0/90度方像散1550ρ5sin5θ

1651(5ρ5-4ρ3)sin3θ

1752(10ρ5-12ρ3+3ρ)sinθ五級X方向慧差1853(10ρ5-12ρ3+3ρ)cosθ五級Y方向慧差1954(5ρ5-4ρ3)cos3θ

2055ρ5cos5θ

2160ρ6sin6θ

2261(6ρ6-5ρ4)sin4θ

2362(15ρ6-20ρ4+6ρ2)sin2θ

246320ρ6-30ρ4+12ρ2-1六級球差第36頁/共83頁眼睛成像質量的描述第37頁/共83頁眼睛像差的測量客觀式測量方法：主觀式測量方法：Tscherning技術光線追跡技術缺點：測量時間長需要患者的參與精度不高Hartman-Shack波前測量方法優(yōu)點：客觀、快速、準確精度高第38頁/共83頁Δx'=

Δy'=W(u',v')=ΣCkZk(u',v')

Ck是展開系數(shù)，Zk是Zernike多項式。眼像差以7階35項Zernike項表示;Zernike項在單位圓內正交；和幾何像差有簡單的對應關系；眼睛成像質量的描述第39頁/共83頁2重構波前眼睛成像質量的描述第40頁/共83頁Ypupilposition(mm)-3-2-10123-3-2-10123-33-2-10123-3-2-10123-3-2-10123-3-2-110123OPMLJLXpupilposition(mm)眼睛成像質量的描述第41頁/共83頁眼睛成像質量的描述眼睛的調制傳遞函數(shù)第42頁/共83頁眼睛成像質量的描述點擴散函數(shù)第43頁/共83頁對比敏感度CSF=MTF*NCSF眼睛成像質量的描述第44頁/共83頁眼睛成像質量的描述其他評價眼成像質量的參數(shù)RMS（rootmeansquare）

VA（visualacuity）立體視覺色覺雙眼視覺第45頁/共83頁眼睛像差的矯正第46頁/共83頁

傳統(tǒng)的視覺矯正：

—13世紀，對近視和遠視的矯正

—1850年，對像散進行了矯正

眼睛像差的矯正第47頁/共83頁—僅能對離焦和像散進行矯正—

精度不高眼睛像差的矯正矯正手段：框架眼鏡、隱形眼鏡、激光角膜手術第48頁/共83頁大瞳孔下高級像差嚴重影響光學質量傳統(tǒng)視覺矯正的局限性：眼睛像差的矯正第49頁/共83頁眼睛像差的矯正第50頁/共83頁眼睛像差的矯正第51頁/共83頁眼睛像差的矯正第52頁/共83頁波前引導的視覺矯正：

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1997年，人眼高級像差的第一次矯正和人眼第一次實現(xiàn)超常視覺（Liang,Williams,Miller,羅徹斯特大學)

眼睛像差的矯正第53頁/共83頁WavefrontSensingDeformableMirrorlensarrayWavefrontCompensationKryptonflashlampLightDeliveryVisionTestorRetinalImagingcomputerEyeCCDlasergratingCCDor眼睛像差的矯正第54頁/共83頁高級像差的矯正視網膜成像調制傳遞函數(shù)對比敏感度眼睛像差的矯正第55頁/共83頁視覺工程發(fā)生了巨大變革：

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波前技術為特征

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拓展人類視覺潛能

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視細胞水平上的眼底診斷

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視力標準的變革

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個體化眼外科手術和個體化儀器眼睛像差的矯正第56頁/共83頁課題組開展的相關工作第57頁/共83頁提高基于H-S波前傳感器的眼波像差儀信噪比的研究提高眼波前像差儀動態(tài)范圍的掩模技術3.基于Zernike多項式和傅立葉變換的波前重構混合算法4.H-S眼波像差儀離焦數(shù)據(jù)的修正研究課題組對現(xiàn)行的波前像差測量系統(tǒng)和技術的改良第58頁/共83頁1.提高基于H-S波前傳感器的眼波像差儀信噪比的研究噪聲的來源：

系統(tǒng)中的光學器件和人眼角膜的反射光形成的噪聲；激光散斑所造成的噪聲；視網膜的多層干涉形成的噪聲波前像差技術改良第59頁/共83頁BS:薄半透半反鏡，PBS1:偏振分光鏡正入射PBS2:偏振分光鏡斜入射不同分光條件下信噪比隨入瞳的變化

相對于傳統(tǒng)的半透半反鏡法，斜入射偏振分光鏡有高信噪比

3mm孔徑時，提高4.5倍波前像差技術改良第60頁/共83頁

細光束離軸入射對提高信噪比的作用光束孔徑1.5mm入射點偏離中心1mm，2mm，2.8mm

控制光欄可以很好消去反射噪聲?？讖皆酱?，獲得的信號光能量也增大中心偏離2mm，光欄3mm此時所測信噪比達200：1波前像差技術改良第61頁/共83頁薄半透半反鏡時的光斑

偏振分光棱鏡正入射時的光斑偏振分光棱鏡斜入射時的光斑細光束離軸入射時的光斑波前像差技術改良第62頁/共83頁2.提高眼波前像差儀動態(tài)范圍的掩模技術問題：待測波前像差較大，子孔徑光斑與其它臨近光斑粘連、重合，形成質心探測誤差。波前像差技術改良第63頁/共83頁動態(tài)掩模由SVGA1TFT-LCD薄膜晶體管液晶顯示器制成掩模陣列元與微透鏡陣列元一一對應，黑白分別對應透過率0和1一次完備的波前測量由該掩模的兩種子模式交替測量完成

實驗中所用的掩模版波前像差技術改良第64頁/共83頁光斑粘連問題的解決：

對相同波前進行2次不重疊采樣，得到完備的2幅分立光斑陣列分別參照各自的參考光斑進行處理波前像差技術改良第65頁/共83頁三種不同擴大范圍的的掩模板

子孔徑測量范圍是原來擴大2、4、8倍，測量時間也延長為原來的2、4、8倍波前像差技術改良第66頁/共83頁3.基于Zernike多項式和傅立葉變換的波前重構混合算法W1(x,y)為用Zernike多項式擬合出的波前W2(x,y)為由傅立葉算法計算出的波前

用Zernike多項式擬和出波前W1(x,y)由W1(x,y)確定x1

由x2＝x－x1求得x2

傅立葉變換迭代求出W2(x,y)波前像差技術改良第67頁/共83頁疊代傅立葉變換算法波前重構的流程圖

波前像差技術改良第68頁/共83頁Zernike多項式、傅立葉變換、及其混合算法的重構誤差1秒25幅圖像采樣平均15項Zernike多項式與傅立葉變換迭代混合算法波前重構，

可以兼顧前者的運算速度和大動態(tài)范圍與后者的重構精度波前像差技術改良第69頁/共83頁4.H-S離焦數(shù)據(jù)的修正研究問題：H-S測量的離焦量與主觀驗光數(shù)據(jù)不符（－0.55D)測量波長和可見光的中心波長的差別瞳孔尺寸的影響眼調節(jié)的影響（視標）波前像差技術改良第70頁/共83頁-0.78090.03450.0088-0.84560.01870.0182-0.7902-0.00640.0110-0.8142-0.03300.0127-0.79850.01730.0093-0.8123-0.01400.0135-0.8237-0.01250.0146-0.82730.00440.0146ΔDefocus(D)ΔAstigmatism(D)ΔHOA(μm)0.35510.35960.39180.39500.17730.17960.29670.30340.24920.25210.24320.24160.21870.22920.24620.2550HOA1(μm)HOA2(μm)-0.5869-0.5524-0.6132-0.5945-0.6316-0.6380-0.8594-0.8924-0.6945-0.6772-0.0892-0.1032-0.2264-0.2389-0.5820-0.5776Astigmaitsm1(D)Astigmaitsm2(D)-2.0445-2.8254-4.8915-5.7371-6.1036-6.8938-6.1441-6.9583-6.4108-7.2093-7.9536-8.7659-8.5694-9.3931-9.3909-10.2182Defocus1(D)Defocus2(D)87654321

EyenumberH-S測量的波前像差和個性化眼模型得出波前像差比較8只眼不同的個體人眼，離焦的修正量接近，但不完全相同,在－0.78D到－0.85D之間，并且與本身離焦量大小無關；像散和高級像差的差別較小，最大分別為0.035D和0.018μm。波前像差技術改良第71頁/共83頁1不同調焦、不同瞳孔直徑、不同波長下眼波前像差特性20只眼大瞳孔情況，第3階的Zernike波像差rms值就低于Marechal衍射極限小瞳孔，直到第7、8階的Zernike波像差的rms值剛低于衍射極限大瞳孔波像差的rms值前者是小瞳孔的2-5倍

獲得了眼波前像差隨瞳孔的變化特點波前像差特性的研究第72頁/共83頁獲得了眼波前像差隨視場角的變化特點視角分辨率隨視場角的變化5只眼第3階到第10階Zernike波像差向鼻子和向顳側兩個方向不是對稱的視場角從0°增大±50°：第3階像差均值增大2倍第4階像差均值增大1.8倍第5～10階像差均值增大1.7~1.3倍波前像差特性研究第73頁/共83頁離焦隨波長的變化大，平均變化量2.15D

像散隨波長的變化相對小，最大為0.06D球差隨波長的變化大，最大從0.12到0.21m慧差隨波長的變化相對小，平緩（0.03m）三葉草隨波長的變化相對小，平緩（0.03m）

獲得了不同波長下的眼前像差波差

8只眼在12個波長下的波像差的特點波前像差特性研究第74頁/共83頁

獲得了離焦隨波長的變化關系—用于眼波前像差儀的離焦補償波前像差特性研究第75頁/共83頁0D到-2D：多數(shù)眼波像差下降；-2D到-4D：多數(shù)像差上升；多數(shù)眼波像差變化很大（1、2、7、9、10、12、17、20）少數(shù)變化較?。?、5、8、11、18）

獲得了眼波前像差隨調焦的變化特點（20只眼，不包括像散，從0D到-4D)波前像差特性研究第76頁/共83頁瞳孔6mm，5s，測量速率每秒20次總體、Zernike第2、第3、第4、人造眼、第5、第6、第7、第8階

整體變化和離焦變化一致總的Zernike波像差rms漲落幅度的平均值為0.1μm高級Zernike波前像差rms漲落幅度的平均值為0.06μm大于Marechal衍射極限人造眼：0.004μm2研究眼波像差隨時間變化的動態(tài)特性（在5s內漲落曲線)波前像差特性研究第77頁/共83頁3.研究了有視功能病癥者的眼波前像差特性

84只角膜手術的眼：無癥狀—參考組有癥狀組—

眩光組、霧像組、復視組Zernike絕對值（參考組）Zernike絕對值（眩光組）有癥狀組的Zernike分布起伏大—有癥狀組高階像差大；術后Zernike球差（Z3）和彗差（Z5,Z6）明顯增大

Zernike絕對值（復視組）Zernike絕對值（霧像組）波前像差特性研究第78頁/共83頁各組Zernike階像差的RMS值參考組的RMS低于其它有癥狀組眩光組的RMS遠高于參考組，第3階和第4階約是參考組的2倍霧像組的第3階和第4階的RMS值明顯大于參考組復視組不明顯波前像差特性研究第79頁/共83頁4.視覺矯正前后眼波前像差的測量和比對研究

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3mm瞳孔下人眼整體的波前像差和高階像差的變化（29眼）

左圖：整體波前像差包括離焦和像散，屈光手術矯正了大部分離焦和像散，但是有整體像差的殘余，其RMS為0.08-1.52μm。右圖：術后高階像差（不包括離焦和像散）均大于術前，屈光度數(shù)的越大，差別越大，變化最大的第24眼為術前的2.11倍，最小的是第10眼幾乎相等。但絕大部分的RMSH<0.12μm，較小。波前像差特性研究