人眼像差测量技术研究进展

　　1　前　言

　　眼睛是人类认知世界的光学仪器,由于内部结构的复杂多变,人眼伴随着大量的波像差。人眼存在不规则的像差,它是降低视网膜的视觉性能和成像质量的主要原因之一。了解人眼像差的知识,不仅有利于生理医学上更好地研究眼睛的内部结构,指导眼科手术的成功进行,同时它也为提高人类视觉性能展示了一个广阔的前景,会使眼视光学产品的设计方法产生质的飞跃。

　　人眼像差如何测量,人眼像差对视力和目视仪器的成像质量到底有何影响,以及如何加以修正,是学术界一直不断探索的课题。在过去的半个多世纪里,一些用于测量人眼单色像差和视网膜成像质量的技术已经问世,甚至有关的仪器已经进入市场。但是由于人眼像差的复杂性,至今还没有形成标准规范的眼像差测量方法。目前的测量技术或者以测量眼像差为目的或者以通过测量人眼的调制传递函数MTF来衡量视网膜的成像质量。具体有人眼光线追迹法[1,2],傅科测试法[3],阴影像差仪技术[4～7],双程法[8],干涉量度法[9],以及Hartmann-Shack波阵面传感器测试法[10,11]等等,其中后四种技术目前还有人在进行深入研究。

　　2　阴影像差仪的光路与工作原理

　　2.1　主观阴影像差仪

　　图1为Howland[5]设计的实验装置。它因需要实验者记忆并手绘格栅阴影像,因而是一种主观测试方法。经由光纤F传输的白炽钨灯光源,通过棒状透镜M和显微镜物镜O会聚于O后焦点,同时透过安装在物镜前的滤光器W获得单色点光源,照明距离约为1m处的佩戴像阴影像差仪A的人眼C。像差仪中的格栅将会在视网膜上形成携带象差信息的变形的格栅阴影像。如图2所示,像差仪由±5D(A与C)的两个柱面透镜中夹带格栅B组成,像差仪透镜组安装在镜框上,可以像眼镜一样佩戴。4×4或5×5的格栅间距为1.25mm,格栅的对角线轴与正交的柱体透镜轴对应。

　　2.2　客观阴影像差仪

　　上述主观像差仪测试法,存在人在观察、记忆和描绘格栅阴影像过程中产生的很多不确定误差,缺乏客观的严谨性。随着CCD的广泛应用,1984年Walsh G等[6]提出了阴影像差仪技术的改进方案,如图3所示,将人眼所视畸变格栅图,直接由CCD相机记录下来。一定程度上将主观测量转换为客观测量,使测量结果比以前更加稳定。客观阴影像差仪的格栅间距略小,可以记录6×6或7×7个格栅交叉点。

　　2.3　阴影像与波像差关系

　　经过像差仪投射到视网膜上的格栅阴影像,由于眼睛像差的存在作用发生畸变。此时的栅格交叉点距非畸变交叉点的坐标偏移量如图4所示为:

式中, W/ y, W/ x是像差波阵面的偏导数。可以证明在没有像差的情况下,瞳孔处的格栅将按一定比例投射到视网膜上,所得仍然为方格,然而实际格栅阴影像出现变形则携带了像差信息。