人眼并非理想的光学系统，由于角膜和晶状体的光学性能并非完美，因而存在着各种像差，限制着人眼的视觉质量。尽管人眼视 膜视力可达到3.0-4.0，但由于像差的存在，人眼视力只能是2.0、1.0或以下。即使配戴准确度数的框架眼镜或隐形眼镜使眼睛屈光处于最佳状态，由于正常人眼仍存在高阶像差，其对成像质量产生影响，故矫正视力并不很理想。当瞳孔直径相对较小(≤2mm)时，像差作用减弱，但衍射限制人眼光学性能；当瞳孔较大时，限制人眼视觉质量的主要因素则是各种像差。
一、像差的概念：
所谓像差就是指光学系统中的成像缺陷。几何光学上把像差(几何像差)分为单色光像差和色光像差，前者包括球差、彗差、像散、场曲和畸变，后者包括位置色差和倍率色差。而物理光学上把像差称之为波前像差或波阵面像差。是点光源发出的球面波经光学系统后形成的波形与理想球面波之间的距离。而波前像差的内涵可以通过Zernike多项式周期表或球差彗差等几何像差来表达。理想的镜片是它们的曲面随处方屈光度而变，曲面部分经计算以校正单个透镜的各种像差和畸变。在设计中应首先考虑减少和消除斜散像差(oblique astigmatism)，因为这种像差经常会给戴镜者带来不适。然而，镜片像差有5种：球面像差(spherical aberration)、彗形像差(coma)、像弯像差(curvature of image)、畸变(distortion)、斜散像差。
1、球差是指轴上点光源发出的光线经屈光系统后，近轴光线与边缘光线像点的距离。存在球差的光学系统形成的像是对称的弥散圆。
2、彗差是指轴外点光源发出的光线经屈光系统后，上光线和下光线的交点离开主光线的距离。存在彗差的光学系统形成的像是不对称的弥散斑。
3、像散是子午面上的像点和弧矢面上的像点的距离。子午面为通过光轴的平面，而弧矢面为垂直于子午面并通过主光线的平面。
4、场曲为平面物体通过光学系统后形成的矢状弯曲(面)。在人眼，作为成像屏幕的视 膜是球形向后弯曲状，正好能补偿眼屈光系统产生的这种成像缺陷。
5、畸变为方形物体通过光学系统后周边各点产生了不同棱镜像移所致。
6、位置色差即轴位色差，白光中不同波长的光线经光学系统后形成像点的距离，短波长的交点近于长波长的交点。
7、倍率色差某一物体经光学系统成像后不同波长的光线在物像大小上的差异。
人眼是一复杂的光学系统，存在波前像差。波前像差分为低阶像差和高阶像差。按照Zernike多项式周期表，1-2阶为低阶像差，3阶以上为高阶像差。屈光不正属于低阶像差。
二、像差产生的原因：
人眼产生像差原因是多方面的，包括各屈光面固有的成像缺陷、调节时的动态变化和各屈光面间的相互影响。
1、角膜角膜前表面不是理想的球面，确切地说是非球面。然而中央4毫米区域近似球形，因而产生球差。角膜顶点处较陡，边缘部较扁平。但顶点并不总在角膜的几何中心，往往偏下偏颞侧，不规则角膜的顶点偏离几何中心可达2mm以上。角膜各部分的厚度和曲率半径在各测量点上并不一致，这些就是角膜的不对称性和表面不规则性。调节时角膜屈光力可增加0.6-0.7D。
2、晶状体晶状体前表面较平坦，可抵消80%的角膜球差，但晶状体前表面并不平滑。随年龄增加，晶状体增厚，核发生硬化，各部位屈光指数不一致。晶状体的调节变化，除晶状体屈光力发生改变外，还可有X、Y、Z轴的变化。晶状体亦存在不对称性和表面不规则性。
3、其他玻璃体的变性、液化、混浊、后脱离等。泪膜的不均匀和不稳定，如干眼症或用药等影响。房水的改变。高度近视患者的视 膜形态变化等。
4、角膜和晶状体的光学中心不一致；与入瞳中心不一致。
5、光轴和视轴本身的偏差。
6、瞳孔的影响瞳孔除随光线的强弱发生改变外，人群中存在相当大的生理差异。瞳孔增大，像差明显增加。入瞳中心并不在角膜的几何中心的对应点上。
(一)球面像差：
严格地说,球面像差仅对光轴上物点发出的光线而言。从光轴上物点发出的光线,经折射后并不全部交于轴的同一点上,这种现象称为球面像差。其一种度量是近轴焦点与边缘焦点的轴上间隔距离,另一种度量是近轴与边缘光束聚散度的差异。如(图2-13)所显示,在近轴焦点上或附近放置一屏幕,则于其上所成的像将不是一点,而是呈不均匀分布的模糊圈。眼睛受球面像差的影响,当调节放松时,通常欠矫(边缘光线结焦于近轴光线之前)。可以用简单的方法来证明眼睛的球面像差,即在看远物时用一直尺或裂隙横过瞳孔。当直尺接近瞳孔边缘时,观察者都能看到物体像出现同方向运动。这显示出像差特性随调节而改变。当睛睛调节时,球面像差变为过矫型。此种不同可能是由于眼各折射面在其边缘部分变扁平以及晶状体的折射率呈梯度下降之故。
球面像差并不十分重要，戴镜者的瞳孔可以减少球面像差。两折射面还可以分担对光线的偏离，因此改变镜片的形状也可以减少球面像差。
(三)像弯像差：
如果物体相对于镜片比较宽大，并且是一个垂直于主光轴的二维平面，那么，它所形成的像是一个曲面，称为Petzval曲面(图2-18)。
像弯像差对戴镜者来说影响并不大。
在人眼视 膜上聚焦的光线，可看成是从位于眼的远点的光源所发出的。当眼球转动时，远点沿着一个球面，即远点球面(FPS)转动。远视眼的远点在眼的后面，而近视眼的远点在眼的前面。
事实上，在镜片设计时没有镜片(在所有形状的镜片中)的像点都能落在远点球面上，因此，几乎所有镜片都存在像弯像差。
(五)斜散像差：
这是所有眼镜片像差中最主要的一种。消除斜散像差意味着镜片表面横向和纵向子午线所形成的像相互重合。在很大的屈光度范围内，可以用正确选择镜片的形状来达到这个目的。一片无斜散像差的镜片被称为点焦镜片(point focal)。
如果斜散被消除了，点焦图像通常仅处于一个曲面上，即我们所称之为的Petzval曲面上。
当点光源以一个很细的光束，从一个斜角穿过镜片而形成点光源的两条像线，此即为斜散像差。当戴镜者倾斜时，光线是斜穿过球面镜片的边缘部，其效果就像通过柱镜片视物一样。所以，戴镜者倾斜视物时便会产生模糊。
屈光度越高，越接近镜片的边缘，其斜散像差越明显。
(六)色差：
色像差的产生,是由于折射率因波长不同而不同所致,一束白光经过镜片折射后,会产生不同焦点的光带,因此其不是形成一个焦点而是形成一条五颜六色的光带。镜片的色差和镜片的材料有关,即阿贝数。阿贝数越大,镜片的色差越小。眼的光学系统也受到色像差的影响。于是,眼睛在结焦黄色光时,对于蓝色光则结焦于视 膜之前,对于红色光则结焦于视 膜之后。
(七)眼球的消像差作用：
影响光轴外物点的远轴外像差,对于正常眼球来说并不对视敏度构成很大影响,因为视 膜在其周边部分不能有良好的分辨力,而且眼睛向各方转动,以便将像的各部分置于中心凹上。因此,就各种不同光学像差性质而言,眼睛成像的最大缺陷是球面像差和色像差。事实上,眼睛的精密构造是很适于消除斜向像差的,这一点很引人注意。模型眼的Ｐｅｔｚｖａｌ氏面的曲率半径是典型例子,Ｇｕｌｌｓｔｒａｎｄ氏精密模型眼,曲率半径为-17ｍｍ,视 膜曲率半径约为-12ｍｍ。如果眼睛对于斜向散光需充分矫正,远物的像则全成于Ｐｅｔｚｖａｌ氏面上。当出现像的场曲时,相应于无穷远处物点的子午焦线和弧矢焦线形成于两个曲面上,其比Ｐｅｔｚｖａｌ氏面更陡地弯曲,事实上,它是跨立于视 膜上。两者之间所包含的最小弥散圆的面正好最接近地落在视 膜上。
(八)波前像差的测量方法：
波前像差的测量方法为两类，一类是客观检测法，如Hartmann-Shack波前感受器(简称HS)、Tscherning波前感受器(简称TS)和视 膜轨迹追踪技术等；另一类是主观检测法，即心理物理检查。
人眼的波前像差记录分两步：波前记录和波前再现。波前记录是将人眼被激光照射后的衍射光波与另一相关光波——参考光波相干涉，以此得到通过CCD等记录下的眼睛像差。Hartmann-Schack波前像差感受器是将氦氖激光器产生的一细窄激光束(785nm)经过声光学调制器、空间滤波器、光栅、人工瞳孔及一系列透镜聚焦在衍射限制的视 膜上，从视 膜反射出来的偏振光通过偏振裂隙并经过透镜成像在CCD相机上。通过测量每一个点从其相应透镜组光轴的偏离，推断出相应的像差。测量的波前畸变可以在入瞳处和理想的球面波的波前比较，也可以在出瞳处测量波前畸变并和理想的参考球面波比较。通过测量局部波前的畸变，并和通过Zernike多项式再现的波前作比较，从而可以评价人眼的像差。使用这种方法可以得到客观的人眼像差的测量结果。但准确性低，重复性差。因其使用了出射式光路。光线在黄斑部穿透深。
Tscherning波前感受器是将可见光(660nm)通过点阵光栅产生168个单光线投射到视 膜上形成视 膜图像，由与计算机相连的高敏感性CCD照相机采集，计算机把视 膜图像上的每个点位置与它们在理想状态下的相应位置进行比较，根据偏移结果来数学重建波前像差。其优点是以可见光进行测量，对于中心凹穿透低，患者可以看到自己的像差，使用了入射式光路。由于在像差较大情况下存在点的交叉，故检测的屈光度范围仅在+6.0- -10.0D，中央岛、偏中心、不规则散光等均不能获取有效资料。另外缺少角膜中心数据，对于散射敏感。
心理物理方法检查速度慢，但准确性增加，该方法主要利用空间分辨折射仪，设计原理是，假如人眼处于衍射的极限时，聚焦在无穷远，那么无穷远的点光源通过瞳孔的不同区域进入眼内，将会聚集在视 膜的同一点上，而当像差存在时则不会聚焦在同一点上，也就是该点光源的像是一朦像。通过测定光线在瞳孔各点的角度偏移而得出该点的像差。这种方法的一个优点是可以在调节状态下测量人眼的波前像差，因此不需要散瞳，另外还不受屈光间质混浊的限制。
波前像差的客观性检查法尤如散瞳电脑验光，人眼能接受的眼镜必须在小瞳孔有调节的情况下通过插片试镜才能配戴。因此主观法检测结果更有实际意义。
(九)准分子激光角膜屈光手术与高阶像差：
准分子激光角膜屈光手术虽然能很好矫正屈光不正等低阶像差，但其对高阶像差的矫正目前尚处于临床研究阶段。而且准分子激光手术本身能引起较明显的高阶像差，影响了少数患者的视觉质量。
1、准分子激光角膜屈光术后的高阶像差变化近视眼传统PRK或LASIK术后高阶像差较术前明显增加，以球差为主，彗差亦增加，瞳孔散大后这种增加更为显著。远视眼准分子激光角膜屈光术后球差减少，彗差增加。波前引导手术与传统手术相比，波前引导手术后视力更好，但高阶像差仍明显增加。PRK与LASIK相比，后者高阶像差更明显，但前者出现的角膜雾状混浊不容忽视。
2、准分子激光角膜屈光术后高阶像差增加的原因及其对策
⑴准分子激光机软件与激光模式：传统的近视眼准分子激光手术使角膜非球面性朝正方向移动，导致球差增加。采用个性化非球面过渡区模式的新型切削运算法则可减少术后像差，飞点扫描较大光斑或裂隙扫描切削更光滑，大光斑切削易形成阶梯而裂隙扫描易致偏中心。术中使用主动跟踪可避免偏中心切削但跟踪系统本身可能存在系统偏倚，需不断校正。2mm的激光束能够矫正离焦和散光、1mm或以下光束可以矫正到4阶像差；0.6mm或以下光束可以矫正到6阶像差。
⑵角膜刀：传统的机械性角膜板层刀制作的角膜瓣厚度与标定厚度不一致，操作不当可能产生瓣偏中心、瓣厚薄不匀、不全瓣、游离瓣、不规则瓣等制瓣缺陷，旋转式角膜刀相对较平推式角膜刀安全些，毫微微秒激光角膜瓣成形术更安全。
⑶术中处理：在临床偏中心切削(
⑷屈光度：近视度越高，高阶像差越高；切削越深，角膜高阶像差增加越大。LASIK术后的彗差与球差的增加均与获矫量有相关性。近视度数大于9.0D以上可能导致术后有相当高的高阶像差。
⑸屈光手术后角膜的生物力学变化：除激光切削模式及软件缺陷造成角膜球差增加外，角膜切口的愈合反应也影响像差。制作LASIK角膜瓣可使高阶像差轻度增加，PRK术后角膜雾状混浊可造成角膜的透明性下降、光散射增加、成像质量下降。
3、准分子激光角膜屈光手术中高阶像差的矫正目前“个性化”切削包括波前引导的个性化切削和角膜地形图引导的个性化切削。波前引导的个性化切削(wavefront-guided customized ablation)是根据不同个体独特的光学特性和解剖特性，通过球镜、柱镜、非柱镜以及非对称的切削矫正个体球镜和柱镜，并减少眼的高阶像差。波前引导的个性化切削的先导性研究表明，该手术可明显提高视觉质量，安全指数和有效指数上均优于传统手术，RMS值升高的程度较传统手术低。目前一是针对术前RMS值较高的近视患者进行波前引导手术，二是针对角膜屈光术后有症状的患者进行增强手术。
相关资源：1stopt数据拟合软件_曲线拟合软件-深度学习文档类资源-CSDN文库
声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！