視光學(xué)基本知識(shí)及進(jìn)展

視光學(xué)基本知識(shí)及進(jìn)展第1頁(yè)/共83頁(yè)眼視光學(xué)的基本概念課題組開展的工作前沿及其他相關(guān)問(wèn)題第2頁(yè)/共83頁(yè)眼視光學(xué)的基本概念第3頁(yè)/共83頁(yè)什么是視覺(jué)眼成像系統(tǒng)成像所成的像需轉(zhuǎn)換成神經(jīng)信號(hào)傳入大腦大腦分析和處理圖像第4頁(yè)/共83頁(yè)第5頁(yè)/共83頁(yè)光學(xué)：眼的光學(xué)性質(zhì)用像差來(lái)描述；光學(xué)傳遞函數(shù)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)眼的成像性能神經(jīng)：感光細(xì)胞采樣、消噪聲處理、邊緣濾波、圖像壓縮等大腦：動(dòng)態(tài)分析、圖像識(shí)別等第6頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)

第7頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第8頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第9頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第11頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第12頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第13頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第14頁(yè)/共83頁(yè)眼睛的生理結(jié)構(gòu)第15頁(yè)/共83頁(yè)眼球光學(xué)第16頁(yè)/共83頁(yè)眼球光學(xué)與眼睛相關(guān)的軸第17頁(yè)/共83頁(yè)眼球光學(xué)GullstrandNO.1眼模型角膜的屈光度為43.05D，約占整個(gè)眼睛屈光度的三分之二第18頁(yè)/共83頁(yè)Gullstrand-Emsley眼模型眼球光學(xué)第19頁(yè)/共83頁(yè)眼球光學(xué)個(gè)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(yè)/共83頁(yè)用角膜地形圖儀OrbscanⅡ測(cè)量角膜前后表面曲率以及相對(duì)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(xué)第21頁(yè)/共83頁(yè)用醫(yī)用BMF-200A型超聲儀測(cè)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(xué)第22頁(yè)/共83頁(yè)

用眼波像差儀測(cè)量個(gè)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(shí)際像差眼球光學(xué)第23頁(yè)/共83頁(yè)用OrbscanII測(cè)量角膜表面的相對(duì)高度值用澤尼克多項(xiàng)式擬合角膜面型用BMF-200測(cè)厚儀測(cè)量眼內(nèi)軸向間距用H-S傳感器測(cè)量人眼波前像差定義優(yōu)化函數(shù)個(gè)性化人眼模型晶狀體面型視功能分析如PSF，MTF等構(gòu)建個(gè)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(xué)優(yōu)化（見(jiàn)流程圖）眼球光學(xué)第24頁(yè)/共83頁(yè)用ZEMAX構(gòu)建的個(gè)性化眼模型點(diǎn)列圖

MTF

眼球光學(xué)第25頁(yè)/共83頁(yè)個(gè)性化眼模型的特點(diǎn)：個(gè)性化的，不是平均模型；可以用于臨床評(píng)估；可用來(lái)評(píng)價(jià)眼睛的成像質(zhì)量眼球光學(xué)第26頁(yè)/共83頁(yè)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(xué)第27頁(yè)/共83頁(yè)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(xué)第28頁(yè)/共83頁(yè)眼睛成像質(zhì)量的描述第29頁(yè)/共83頁(yè)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(guān)視力受色差的影響不大眼睛成像質(zhì)量的描述第30頁(yè)/共83頁(yè)晶狀體隨著年齡增大逐漸變黃視網(wǎng)膜的黃斑能夠起到過(guò)濾藍(lán)光的作用視錐細(xì)胞不含有探測(cè)藍(lán)光的細(xì)胞進(jìn)入人眼的能量經(jīng)眼睛后在垂直于光軸的平面上不均勻分布第31頁(yè)/共83頁(yè)Seidel像差眼睛成像質(zhì)量的描述球差彗差：軸外像差第32頁(yè)/共83頁(yè)眼睛成像質(zhì)量的描述像散場(chǎng)曲：視網(wǎng)膜是曲面，能夠進(jìn)行補(bǔ)償畸變：相對(duì)不重要，大腦能夠處理修正第33頁(yè)/共83頁(yè)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(xiàng)式。眼像差以7階35項(xiàng)Zernike項(xiàng)表示;Zernike項(xiàng)在單位圓內(nèi)正交；和幾何像差有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系；波前像差-----描述像差的新方法第34頁(yè)/共83頁(yè)表1：Zernike多項(xiàng)式Zk1234567891011nmZernike多項(xiàng)式物理意義10ρsinθ

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

1651(5ρ5-4ρ3)sin3θ

1752(10ρ5-12ρ3+3ρ)sinθ五級(jí)X方向慧差1853(10ρ5-12ρ3+3ρ)cosθ五級(jí)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(jí)球差第36頁(yè)/共83頁(yè)眼睛成像質(zhì)量的描述第37頁(yè)/共83頁(yè)眼睛像差的測(cè)量客觀式測(cè)量方法：主觀式測(cè)量方法：Tscherning技術(shù)光線追跡技術(shù)缺點(diǎn)：測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)需要患者的參與精度不高Hartman-Shack波前測(cè)量方法優(yōu)點(diǎn)：客觀、快速、準(zhǔn)確精度高第38頁(yè)/共83頁(yè)Δx'=

Δy'=W(u',v')=ΣCkZk(u',v')

Ck是展開系數(shù)，Zk是Zernike多項(xiàng)式。眼像差以7階35項(xiàng)Zernike項(xiàng)表示;Zernike項(xiàng)在單位圓內(nèi)正交；和幾何像差有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系；眼睛成像質(zhì)量的描述第39頁(yè)/共83頁(yè)2重構(gòu)波前眼睛成像質(zhì)量的描述第40頁(yè)/共83頁(yè)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(zhì)量的描述第41頁(yè)/共83頁(yè)眼睛成像質(zhì)量的描述眼睛的調(diào)制傳遞函數(shù)第42頁(yè)/共83頁(yè)眼睛成像質(zhì)量的描述點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)第43頁(yè)/共83頁(yè)對(duì)比敏感度CSF=MTF*NCSF眼睛成像質(zhì)量的描述第44頁(yè)/共83頁(yè)眼睛成像質(zhì)量的描述其他評(píng)價(jià)眼成像質(zhì)量的參數(shù)RMS（rootmeansquare）

VA（visualacuity）立體視覺(jué)色覺(jué)雙眼視覺(jué)第45頁(yè)/共83頁(yè)眼睛像差的矯正第46頁(yè)/共83頁(yè)

傳統(tǒng)的視覺(jué)矯正：

—13世紀(jì)，對(duì)近視和遠(yuǎn)視的矯正

—1850年，對(duì)像散進(jìn)行了矯正

眼睛像差的矯正第47頁(yè)/共83頁(yè)—僅能對(duì)離焦和像散進(jìn)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(shù)第48頁(yè)/共83頁(yè)大瞳孔下高級(jí)像差嚴(yán)重影響光學(xué)質(zhì)量傳統(tǒng)視覺(jué)矯正的局限性：眼睛像差的矯正第49頁(yè)/共83頁(yè)眼睛像差的矯正第50頁(yè)/共83頁(yè)眼睛像差的矯正第51頁(yè)/共83頁(yè)眼睛像差的矯正第52頁(yè)/共83頁(yè)波前引導(dǎo)的視覺(jué)矯正：

—

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

眼睛像差的矯正第53頁(yè)/共83頁(yè)WavefrontSensingDeformableMirrorlensarrayWavefrontCompensationKryptonflashlampLightDeliveryVisionTestorRetinalImagingcomputerEyeCCDlasergratingCCDor眼睛像差的矯正第54頁(yè)/共83頁(yè)高級(jí)像差的矯正視網(wǎng)膜成像調(diào)制傳遞函數(shù)對(duì)比敏感度眼睛像差的矯正第55頁(yè)/共83頁(yè)視覺(jué)工程發(fā)生了巨大變革：

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波前技術(shù)為特征

—

拓展人類視覺(jué)潛能

—

視細(xì)胞水平上的眼底診斷

—

視力標(biāo)準(zhǔn)的變革

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個(gè)體化眼外科手術(shù)和個(gè)體化儀器眼睛像差的矯正第56頁(yè)/共83頁(yè)課題組開展的相關(guān)工作第57頁(yè)/共83頁(yè)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(dòng)態(tài)范圍的掩模技術(shù)3.基于Zernike多項(xiàng)式和傅立葉變換的波前重構(gòu)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(duì)現(xiàn)行的波前像差測(cè)量系統(tǒng)和技術(shù)的改良第58頁(yè)/共83頁(yè)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(lái)源：

系統(tǒng)中的光學(xué)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(wǎng)膜的多層干涉形成的噪聲波前像差技術(shù)改良第59頁(yè)/共83頁(yè)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(duì)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(shí)，提高4.5倍波前像差技術(shù)改良第60頁(yè)/共83頁(yè)

細(xì)光束離軸入射對(duì)提高信噪比的作用光束孔徑1.5mm入射點(diǎn)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(hào)光能量也增大中心偏離2mm，光欄3mm此時(shí)所測(cè)信噪比達(dá)200：1波前像差技術(shù)改良第61頁(yè)/共83頁(yè)薄半透半反鏡時(shí)的光斑

偏振分光棱鏡正入射時(shí)的光斑偏振分光棱鏡斜入射時(shí)的光斑細(xì)光束離軸入射時(shí)的光斑波前像差技術(shù)改良第62頁(yè)/共83頁(yè)2.提高眼波前像差儀動(dòng)態(tài)范圍的掩模技術(shù)問(wèn)題：待測(cè)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(zhì)心探測(cè)誤差。波前像差技術(shù)改良第63頁(yè)/共83頁(yè)動(dòng)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(duì)應(yīng)，黑白分別對(duì)應(yīng)透過(guò)率0和1一次完備的波前測(cè)量由該掩模的兩種子模式交替測(cè)量完成

實(shí)驗(yàn)中所用的掩模版波前像差技術(shù)改良第64頁(yè)/共83頁(yè)光斑粘連問(wèn)題的解決：

對(duì)相同波前進(jìn)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(jìn)行處理波前像差技術(shù)改良第65頁(yè)/共83頁(yè)三種不同擴(kuò)大范圍的的掩模板

子孔徑測(cè)量范圍是原來(lái)擴(kuò)大2、4、8倍，測(cè)量時(shí)間也延長(zhǎng)為原來(lái)的2、4、8倍波前像差技術(shù)改良第66頁(yè)/共83頁(yè)3.基于Zernike多項(xiàng)式和傅立葉變換的波前重構(gòu)混合算法W1(x,y)為用Zernike多項(xiàng)式擬合出的波前W2(x,y)為由傅立葉算法計(jì)算出的波前

用Zernike多項(xiàng)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(shù)改良第67頁(yè)/共83頁(yè)疊代傅立葉變換算法波前重構(gòu)的流程圖

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

可以兼顧前者的運(yùn)算速度和大動(dòng)態(tài)范圍與后者的重構(gòu)精度波前像差技術(shù)改良第69頁(yè)/共83頁(yè)4.H-S離焦數(shù)據(jù)的修正研究問(wèn)題：H-S測(cè)量的離焦量與主觀驗(yàn)光數(shù)據(jù)不符（－0.55D)測(cè)量波長(zhǎng)和可見(jiàn)光的中心波長(zhǎng)的差別瞳孔尺寸的影響眼調(diào)節(jié)的影響（視標(biāo)）波前像差技術(shù)改良第70頁(yè)/共83頁(yè)-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(cè)量的波前像差和個(gè)性化眼模型得出波前像差比較8只眼不同的個(gè)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(wú)關(guān)；像散和高級(jí)像差的差別較小，最大分別為0.035D和0.018μm。波前像差技術(shù)改良第71頁(yè)/共83頁(yè)1不同調(diào)焦、不同瞳孔直徑、不同波長(zhǎng)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(diǎn)波前像差特性的研究第72頁(yè)/共83頁(yè)獲得了眼波前像差隨視場(chǎng)角的變化特點(diǎn)視角分辨率隨視場(chǎng)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(cè)兩個(gè)方向不是對(duì)稱的視場(chǎng)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(yè)/共83頁(yè)離焦隨波長(zhǎng)的變化大，平均變化量2.15D

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

獲得了不同波長(zhǎng)下的眼前像差波差

8只眼在12個(gè)波長(zhǎng)下的波像差的特點(diǎn)波前像差特性研究第74頁(yè)/共83頁(yè)

獲得了離焦隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系—用于眼波前像差儀的離焦補(bǔ)償波前像差特性研究第75頁(yè)/共83頁(yè)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(diào)焦的變化特點(diǎn)（20只眼，不包括像散，從0D到-4D)波前像差特性研究第76頁(yè)/共83頁(yè)瞳孔6mm，5s，測(cè)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(jí)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(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性（在5s內(nèi)漲落曲線)波前像差特性研究第77頁(yè)/共83頁(yè)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(shù)的眼：無(wú)癥狀—參考組有癥狀組—

眩光組、霧像組、復(fù)視組Zernike絕對(duì)值（參考組）Zernike絕對(duì)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(shù)后Zernike球差（Z3）和彗差（Z5,Z6）明顯增大

Zernike絕對(duì)值（復(fù)視組）Zernike絕對(duì)值（霧像組）波前像差特性研究第78頁(yè)/共83頁(yè)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(yuǎn)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(fù)視組不明顯波前像差特性研究第79頁(yè)/共83頁(yè)4.視覺(jué)矯正前后眼波前像差的測(cè)量和比對(duì)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(shù)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(shù)后高階像差（不包括離焦和像散）均大于術(shù)前，屈光度數(shù)的越大，差別越大，變化最大的第24眼為術(shù)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