视光学基本知识及进展

视光学基本知识及进展第1页/共83页眼视光学的基本概念课题组开展的工作前沿及其他相关问题第2页/共83页眼视光学的基本概念第3页/共83页什么是视觉眼成像系统成像所成的像需转换成神经信号传入大脑大脑分析和处理图像第4页/共83页第5页/共83页光学：眼的光学性质用像差来描述；光学传递函数和点扩散函数用来评价眼的成像性能神经：感光细胞采样、消噪声处理、边缘滤波、图像压缩等大脑：动态分析、图像识别等第6页/共83页眼睛的生理结构

第7页/共83页眼睛的生理结构第8页/共83页眼睛的生理结构第9页/共83页眼睛的生理结构第10页/共83页眼睛的生理结构第11页/共83页眼睛的生理结构第12页/共83页眼睛的生理结构第13页/共83页眼睛的生理结构第14页/共83页眼睛的生理结构第15页/共83页眼球光学第16页/共83页眼球光学与眼睛相关的轴第17页/共83页眼球光学GullstrandNO.1眼模型角膜的屈光度为43.05D，约占整个眼睛屈光度的三分之二第18页/共83页Gullstrand-Emsley眼模型眼球光学第19页/共83页眼球光学个性化眼模型

以Gullstrand眼模型的参数为初始数据输入到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页/共83页用角膜地形图仪OrbscanⅡ测量角膜前后表面曲率以及相对于参考球面的高度值，用高次非球面拟合出角膜的非球面表面，置换初始数据：

△RCornealsurfaceReferencesphereOK眼球光学第21页/共83页用医用BMF-200A型超声仪测量眼轴的各部分间距：角膜、眼前房、晶状体、玻璃体，置换初始数据EyeCorneaAnteriorCrystallineVitreouschamberlensbodyValue0.573.033.5118.62(mm)眼球光学第22页/共83页

用眼波像差仪测量个体眼的波前像差，把数据加到

Zemax的优化函数中，定义人眼的实际像差眼球光学第23页/共83页用OrbscanII测量角膜表面的相对高度值用泽尼克多项式拟合角膜面型用BMF-200测厚仪测量眼内轴向间距用H-S传感器测量人眼波前像差定义优化函数个性化人眼模型晶状体面型视功能分析如PSF，MTF等构建个性化眼模型的程图以晶状体的前后表面的曲率和非球面系数为变量，做光学优化（见流程图）眼球光学第24页/共83页用ZEMAX构建的个性化眼模型点列图

MTF

眼球光学第25页/共83页个性化眼模型的特点：个性化的，不是平均模型；可以用于临床评估；可用来评价眼睛的成像质量眼球光学第26页/共83页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，放大率为1.1313眼球光学第27页/共83页瞳孔距晶状体后表面3.6mm，出射光瞳距晶状体后表面3.5mm，放大率为1.03眼球光学第28页/共83页眼睛成像质量的描述第29页/共83页眼睛的像差色差486nm到656nm的纵向色差为：+1D400nm到700nm的纵向色差为：+1.75D与光瞳大小相关视力受色差的影响不大眼睛成像质量的描述第30页/共83页晶状体随着年龄增大逐渐变黄视网膜的黄斑能够起到过滤蓝光的作用视锥细胞不含有探测蓝光的细胞进入人眼的能量经眼睛后在垂直于光轴的平面上不均匀分布第31页/共83页Seidel像差眼睛成像质量的描述球差彗差：轴外像差第32页/共83页眼睛成像质量的描述像散场曲：视网膜是曲面，能够进行补偿畸变：相对不重要，大脑能够处理修正第33页/共83页眼睛像差的描述W(u',v')=ΣCkZk(u',v')

Ck是展开系数，Zk是Zernike多项式。眼像差以7阶35项Zernike项表示;Zernike项在单位圆内正交；和几何像差有简单的对应关系；波前像差-----描述像差的新方法第34页/共83页表1：Zernike多项式Zk1234567891011nmZernike多项式物理意义10ρsinθ

X方向倾斜11ρcosθY方向倾斜20ρ2sin2θ二级45/135度像散212ρ2-1离焦22ρ2cos2θ二级0/90度像散30ρ3sin3θ三级0/90度像散31(3ρ3-2ρ)sinθ三级X方向慧差32(3ρ3-2ρ)cosθ三级Y方向慧差33ρ3cos3θ三级45/135度像散40ρ4sin4θ四级45/135度像散41(4ρ4-3ρ2)sin2θ四级Y方向慧差第35页/共83页12426ρ4-6ρ2+1四级球差1343(4ρ4-3ρ2)cos2θ四级X方向慧差1444ρ4cos4θ四级0/90度方像散1550ρ5sin5θ

1651(5ρ5-4ρ3)sin3θ

1752(10ρ5-12ρ3+3ρ)sinθ五级X方向慧差1853(10ρ5-12ρ3+3ρ)cosθ五级Y方向慧差1954(5ρ5-4ρ3)cos3θ

2055ρ5cos5θ

2160ρ6sin6θ

2261(6ρ6-5ρ4)sin4θ

2362(15ρ6-20ρ4+6ρ2)sin2θ

246320ρ6-30ρ4+12ρ2-1六级球差第36页/共83页眼睛成像质量的描述第37页/共83页眼睛像差的测量客观式测量方法：主观式测量方法：Tscherning技术光线追迹技术缺点：测量时间长需要患者的参与精度不高Hartman-Shack波前测量方法优点：客观、快速、准确精度高第38页/共83页Δx'=

Δy'=W(u',v')=ΣCkZk(u',v')

Ck是展开系数，Zk是Zernike多项式。眼像差以7阶35项Zernike项表示;Zernike项在单位圆内正交；和几何像差有简单的对应关系；眼睛成像质量的描述第39页/共83页2重构波前眼睛成像质量的描述第40页/共83页Ypupilposition(mm)-3-2-10123-3-2-10123-33-2-10123-3-2-10123-3-2-10123-3-2-110123OPMLJLXpupilposition(mm)眼睛成像质量的描述第41页/共83页眼睛成像质量的描述眼睛的调制传递函数第42页/共83页眼睛成像质量的描述点扩散函数第43页/共83页对比敏感度CSF=MTF*NCSF眼睛成像质量的描述第44页/共83页眼睛成像质量的描述其他评价眼成像质量的参数RMS（rootmeansquare）

VA（visualacuity）立体视觉色觉双眼视觉第45页/共83页眼睛像差的矫正第46页/共83页

传统的视觉矫正：

—13世纪，对近视和远视的矫正

—1850年，对像散进行了矫正

眼睛像差的矫正第47页/共83页—仅能对离焦和像散进行矫正—

精度不高眼睛像差的矫正矫正手段：框架眼镜、隐形眼镜、激光角膜手术第48页/共83页大瞳孔下高级像差严重影响光学质量传统视觉矫正的局限性：眼睛像差的矫正第49页/共83页眼睛像差的矫正第50页/共83页眼睛像差的矫正第51页/共83页眼睛像差的矫正第52页/共83页波前引导的视觉矫正：

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1997年，人眼高级像差的第一次矫正和人眼第一次实现超常视觉（Liang,Williams,Miller,罗彻斯特大学)

眼睛像差的矫正第53页/共83页WavefrontSensingDeformableMirrorlensarrayWavefrontCompensationKryptonflashlampLightDeliveryVisionTestorRetinalImagingcomputerEyeCCDlasergratingCCDor眼睛像差的矫正第54页/共83页高级像差的矫正视网膜成像调制传递函数对比敏感度眼睛像差的矫正第55页/共83页视觉工程发生了巨大变革：

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波前技术为特征

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拓展人类视觉潜能

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视细胞水平上的眼底诊断

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视力标准的变革

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个体化眼外科手术和个体化仪器眼睛像差的矫正第56页/共83页课题组开展的相关工作第57页/共83页提高基于H-S波前传感器的眼波像差仪信噪比的研究提高眼波前像差仪动态范围的掩模技术3.基于Zernike多项式和傅立叶变换的波前重构混合算法4.H-S眼波像差仪离焦数据的修正研究课题组对现行的波前像差测量系统和技术的改良第58页/共83页1.提高基于H-S波前传感器的眼波像差仪信噪比的研究噪声的来源：

系统中的光学器件和人眼角膜的反射光形成的噪声；激光散斑所造成的噪声；视网膜的多层干涉形成的噪声波前像差技术改良第59页/共83页BS:薄半透半反镜，PBS1:偏振分光镜正入射PBS2:偏振分光镜斜入射不同分光条件下信噪比随入瞳的变化

相对于传统的半透半反镜法，斜入射偏振分光镜有高信噪比

3mm孔径时，提高4.5倍波前像差技术改良第60页/共83页

细光束离轴入射对提高信噪比的作用光束孔径1.5mm入射点偏离中心1mm，2mm，2.8mm

控制光栏可以很好消去反射噪声。孔径越大，获得的信号光能量也增大中心偏离2mm，光栏3mm此时所测信噪比达200：1波前像差技术改良第61页/共83页薄半透半反镜时的光斑

偏振分光棱镜正入射时的光斑偏振分光棱镜斜入射时的光斑细光束离轴入射时的光斑波前像差技术改良第62页/共83页2.提高眼波前像差仪动态范围的掩模技术问题：待测波前像差较大，子孔径光斑与其它临近光斑粘连、重合，形成质心探测误差。波前像差技术改良第63页/共83页动态掩模由SVGA1TFT-LCD薄膜晶体管液晶显示器制成掩模阵列元与微透镜阵列元一一对应，黑白分别对应透过率0和1一次完备的波前测量由该掩模的两种子模式交替测量完成

实验中所用的掩模版波前像差技术改良第64页/共83页光斑粘连问题的解决：

对相同波前进行2次不重叠采样，得到完备的2幅分立光斑阵列分别参照各自的参考光斑进行处理波前像差技术改良第65页/共83页三种不同扩大范围的的掩模板

子孔径测量范围是原来扩大2、4、8倍，测量时间也延长为原来的2、4、8倍波前像差技术改良第66页/共83页3.基于Zernike多项式和傅立叶变换的波前重构混合算法W1(x,y)为用Zernike多项式拟合出的波前W2(x,y)为由傅立叶算法计算出的波前

用Zernike多项式拟和出波前W1(x,y)由W1(x,y)确定x1

由x2＝x－x1求得x2

傅立叶变换迭代求出W2(x,y)波前像差技术改良第67页/共83页叠代傅立叶变换算法波前重构的流程图

波前像差技术改良第68页/共83页Zernike多项式、傅立叶变换、及其混合算法的重构误差1秒25幅图像采样平均15项Zernike多项式与傅立叶变换迭代混合算法波前重构，

可以兼顾前者的运算速度和大动态范围与后者的重构精度波前像差技术改良第69页/共83页4.H-S离焦数据的修正研究问题：H-S测量的离焦量与主观验光数据不符（－0.55D)测量波长和可见光的中心波长的差别瞳孔尺寸的影响眼调节的影响（视标）波前像差技术改良第70页/共83页-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测量的波前像差和个性化眼模型得出波前像差比较8只眼不同的个体人眼，离焦的修正量接近，但不完全相同,在－0.78D到－0.85D之间，并且与本身离焦量大小无关；像散和高级像差的差别较小，最大分别为0.035D和0.018μm。波前像差技术改良第71页/共83页1不同调焦、不同瞳孔直径、不同波长下眼波前像差特性20只眼大瞳孔情况，第3阶的Zernike波像差rms值就低于Marechal衍射极限小瞳孔，直到第7、8阶的Zernike波像差的rms值刚低于衍射极限大瞳孔波像差的rms值前者是小瞳孔的2-5倍

获得了眼波前像差随瞳孔的变化特点波前像差特性的研究第72页/共83页获得了眼波前像差随视场角的变化特点视角分辨率随视场角的变化5只眼第3阶到第10阶Zernike波像差向鼻子和向颞侧两个方向不是对称的视场角从0°增大±50°：第3阶像差均值增大2倍第4阶像差均值增大1.8倍第5～10阶像差均值增大1.7~1.3倍波前像差特性研究第73页/共83页离焦随波长的变化大，平均变化量2.15D

像散随波长的变化相对小，最大为0.06D球差随波长的变化大，最大从0.12到0.21m慧差随波长的变化相对小，平缓（0.03m）三叶草随波长的变化相对小，平缓（0.03m）

获得了不同波长下的眼前像差波差

8只眼在12个波长下的波像差的特点波前像差特性研究第74页/共83页

获得了离焦随波长的变化关系—用于眼波前像差仪的离焦补偿波前像差特性研究第75页/共83页0D到-2D：多数眼波像差下降；-2D到-4D：多数像差上升；多数眼波像差变化很大（1、2、7、9、10、12、17、20）少数变化较小（3、5、8、11、18）

获得了眼波前像差随调焦的变化特点（20只眼，不包括像散，从0D到-4D)波前像差特性研究第76页/共83页瞳孔6mm，5s，测量速率每秒20次总体、Zernike第2、第3、第4、人造眼、第5、第6、第7、第8阶

整体变化和离焦变化一致总的Zernike波像差rms涨落幅度的平均值为0.1µm高级Zernike波前像差rms涨落幅度的平均值为0.06µm大于Marechal衍射极限人造眼：0.004µm2研究眼波像差随时间变化的动态特性（在5s内涨落曲线)波前像差特性研究第77页/共83页3.研究了有视功能病症者的眼波前像差特性

84只角膜手术的眼：无症状—参考组有症状组—

眩光组、雾像组、复视组Zernike绝对值（参考组）Zernike绝对值（眩光组）有症状组的Zernike分布起伏大—有症状组高阶像差大；术后Zernike球差（Z3）和彗差（Z5,Z6）明显增大

Zernike绝对值（复视组）Zernike绝对值（雾像组）波前像差特性研究第78页/共83页各组Zernike阶像差的RMS值参考组的RMS低于其它有症状组眩光组的RMS远高于参考组，第3阶和第4阶约是参考组的2倍雾像组的第3阶和第4阶的RMS值明显大于参考组复视组不明显波前像差特性研究第79页/共83页4.视觉矫正前后眼波前像差的测量和比对研究

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3mm瞳孔下人眼整体的波前像差和高阶像差的变化（29眼）

左图：整体波前像差包括离焦和像散，屈光手术矫正了大部分离焦和像散，但是有整体像差的残余，其RMS为0.08-1.52μm。右图：术后高阶像差（不包括离焦和像散）均大于术前，屈光度数的越大，差别越大，变化最大的第24眼为术前的2.11倍，最小的是第10眼几乎相等。但绝大部分的RMSH<0.12μm，较小。波前像差特性研究