人眼高阶像差校正和视觉分析系统

人眼除具有可用眼镜或接触镜校正的低阶像差(离焦、像散)之外,还普遍存在高阶像差。高阶像差的存在影响着屈光系统的成像质量。为研究高阶像差对视觉功能的影响,利用自适应光学技术,建立了具有校正高阶像差和产生高阶像差双重功能的人眼高阶像差校正和视觉分析系统。介绍了系统实现高阶像差校正和视觉分析的工作原理;阐述了波前校正器、哈特曼波前探测系统、控制系统等关键单元技术;列出了系统对泽尼克模式像差的校正效果,绝大多数像差从0.5λ降低到0.2λ以下;阐明系统功能的实现过程,并给出仿真实验的结果。该系统为进一步研究高阶像差对视功能的影响提供了有效的手段。     

考虑视轴方向的个性化眼模型的构建

包含更多人眼解剖学特性的个性化眼模型具有重要的实验和临床意义。由角膜地形图计算了8只人眼视轴与光轴之间的夹角,水平分量平均值为4.23°±1.51°,竖直分量平均值为-0.40°±1.27°。根据视轴与光轴之间的夹角、角膜地形数据、眼内各部分轴向间距和人眼波像差,运用光学设计软件Zemax分别为这8只人眼构建了考虑视轴方向的个性化眼模型。在此基础上,计算了波前引导的个性化角膜切削深度,并与光程差方法计算的切削深度进行了比较。在切削光区中心处,两者相差不大,平均值为(0.09±0.04)μm;随着半径增大,两者之间的差值逐渐增大。对于所研究的实例,光区外围处的最大差值为0.59μm。个性化眼模型为设计波前引导的个性化角膜切削方案提供了一个有效工具。     

基于个性化人眼模型的大视场波像差特性的研究

大视场波前像差对人眼光学系统的影响不容忽视。运用Zemax光学设计软件分别为8只正常人眼构建了个性化的人眼模型,该人眼模型由实际测量的人眼波前像差数据、角膜地形数据及眼内各部分轴向间距数据优化得来,与个体人眼具有相同的光学特性。在此基础上,分析了人眼颞侧方向0°,10°,20°,30°,40°,50°视场的离轴像差随视场角的变化趋势,得出边缘视觉比中央视觉质量差主要来源在于像散与彗差。四阶以上的高阶像差随着视场角的改变,变化不大。将个性化人眼模型计算得到的大视场波前像差值与用哈特曼夏克(Hartmann-Shack)波前传感器实际测量得到的人眼像差值相比较,两者结果相吻合。     

角膜手术后眼模型的构建和人工晶状体设计

根据角膜屈光手术前的角膜地形图、眼内各组分的轴向间距和波前像差,运用ZEMAX光学设计软件,构建了术前的个性化眼模型.结合角膜屈光手术后实际测量的波前像差,建立了术后个性化眼模型.运用该模型,为角膜屈光手术眼设计了双球面人工晶状体.研究表明:对于角膜屈光手术后人眼,用术后个性化眼模型计算的人工晶状体度数可靠.该模型还能够为术后眼设计矫正像散和其他高阶像差的人工晶状体,同时可以用来评估角膜手术联合白内障术后人眼的光学性能,以及手术中各类偏差对视觉质量的影响.     

基于个性化模型的人眼色差对视功能影响的研究

利用光学设计软件Zemax,对人眼色差对视功能的影响进行了研究.对构建的个性化人眼模型进行离焦、像散和高阶像差矫正的模拟.视觉效果的提高受到了色差的很大限制.在中、高空间频率处,自然光下的调制传递函数约为单色光下的50%.在自然光下,传统视觉矫正能够获得1.2的视力,个性化视觉矫正能够获得1.5的视力,还远远达不到人们所期望的超视觉.     

基于个体眼光学结构的角膜与晶状体的像差补偿

研究角膜对晶状体波前像差的影响对现行的个性化视觉矫正手术有-定的参考价值.运用光学设计软件Zemax,根据个体人眼的角膜地形图、眼内各部分轴向间距和全眼波前像差数据,为22只人眼构建了个体眼光学结构.基于个体眼光学结构和衍射光学理论计算了眼内、外不同位置处的波前,获得了角膜对晶状体波前像差的影响.结果表明,角膜和品状体像差存在补偿和叠加两种关系.大多数眼睛,角膜对晶状体像差有一定补偿作用.总体像散的均方根(RMS)值比品状体像散的RMS值减小0.08～1.48μm,相当于10.1%～77.5%.总体高阶像差的RMS值比晶状体高阶像差的RMS值减小了0.06～0.85 μm,相当于3.8%～79.4%,平均减小了50.7%.其中,球差和彗差的Zernike系数绝对值总体比晶状体分别减小了0.02～0.60μm和0.01～0.39μm,相当于4.3%～98.4%和2.5%～91.4%.     

基于波前技术的人眼神经对比敏感度测量

搭建了基于波前像差的神经对比敏感度(NCSF)测试系统。该系统在测试人眼空间对比敏感度(CSF)的同时,利用Hartmann-Shack波前传感器测量人眼波前像差,通过计算进而得到人眼的NCSF。与通过两种设备分别测量全视觉CSF和波前像差获得NCSF相比,该方法避免了不同测试状态下像差波动的影响,简化了测试过程;和传统激光干涉方法测量NCSF相比,该方法避免了激光干涉产生的相干噪音和激光散斑等不利因素,并且通过改变不同亮度不同颜色视标,可以得到不同亮度,不同波长下的NCSF。选用绿光视标对四例正常人眼的NCSF进行了测量,结果表明:该系统可以同时获得人眼的全视觉CSF、屈光系统调制传递函数和NCSF;在同等亮度下,不同人眼的NCSF存在个体差异;对同一个体,NCSF曲线的最大值对应的空间频率比全眼空间CSF曲线的最大值对应的空间频率高一些。     

二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性分析

为探究二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性,进行了球面和二次曲面有晶体眼人工晶体的设计,并利用像差理论对二者的球差矫正特性进行了研究.基于R.Navarro等人提出的模型眼得到屈光不正眼模型,利用ZEMAX光学软件分别设计了可矫正屈光不正人眼的球面与二次曲面前房型有晶体眼人工晶体.通过对光学传递函数和Zerni...     

矫正器平移和旋转对人眼高阶像差矫正的容限分析

人眼像差矫正器的位置变化对矫正人眼像差能力的容限分析有重要的意义.在基于哈特曼-夏克人眼像差仪对三只人眼像差准确测量的基础上,比较了人眼高阶像差矫正器与人眼低阶像差矫正器矫正效果的不同,从理论上计算了在平移和旋转下高阶像差矫止器矫正效果优于低阶像差矫正器的移动容限.三组被测试像差对旋转的容限均在20°左右,而对平移的容限差异较大.结果表明,位置变化对不同的像差有着不同的影响,人眼波前像差越大对位置变化越敏感,高阶矫正优势越不明显;高阶像差矫正对不同类型的位置变化有不同的容限度.其中平移的容限较小而旋转的容限较大.     

基于Zemax接口技术的人眼晶状体模型研究

对人眼模型中晶状体的面型和折射率分布进行了研究,基于晶状体的光学特性,利用光学设计软件Zemax接口技术的调入,采用不同连续公式法分别给出了晶状体不同的梯度渐变折射率分布形式;结合晶状体不同的非球面面型,比较分析了晶状体不同面型和不同梯度折射率分布的组合模型对人眼模型重现实测像差的影响;给出了重现我国人眼实测像差误差最小的晶状体模型.结果显示:晶状体的面型越复杂得到人眼模型的像差与真实人眼的测量像差就越接近;当晶状体采用Zernike面,梯度渐变折射率采用分段函数公式形式时,重现实测像差误差最小.     

超视力人眼模型的研究

超视力人眼模型对充分发掘人眼视力达到“鹰视”具有重要意义。用Zernike多项式描述角膜前表面，用渐变折射率描述晶状体的折射率分布，同时考虑人眼视轴和光轴的夹角对成像的影响，利用光学设计软件Zemax建立了人眼超视力模型。将Zernike条纹矢高面应用到人眼模型中，能有效改变视轴方向(即5°视场)的成像质量，提高点扩散函数（PSF）值。采用晶状体渐变折射率符合人眼的实际解剖结构，可有效减小人眼像差。通过分析人眼极限分辨能力和人眼模型波像差，得出当空间频率为60周期/度时，该模型对目标高频细节感知的调制度可达到0.55。     

基于视觉容差与色调角相关性的色差公式评价

为了研究CIELAB颜色空间中明度、彩度和色调等视觉容差与色调角之间的相关性对基于CIELAB的典型色差公式(CIELAB、CMC、BFD、CIE94、LCD以及CIEDE2000)预测性能的影响,实验选取了具有不同明度和彩度冰平的5个色调环(L*=30,50,70和Cab*=10,20,30),并采用3个不同视觉尺度(△V=3.02,5.92和8.87CIELAB单位)进行视觉评估实验.8名色觉正常观察者根据心理物理学的恒常刺激法原理,在阴极射线管(CRT)显示器上获取了相应颜色中心的明度、彩度和色调视觉容差.对实验结果的详细分析表明,由于明度容差与色调角无明显相关性,6个色差公式的预测性能均较好,其中CIEDE2000略优于其它色差公式.对于彩度容差,LCD(Leeds color-difference formula)预测性能表现最优,而CIEDE2000和BFD的表现最差,其余色差公式则相差不多.CIEDE2000和LCD的色调权重函数的预测性能明显优于其它色差公式,而CMC预测性能则为最差.     

基于物体表面色的人眼阈值水平微小色差评价

基于物体表面色样本的视觉评价,测试常用色差公式在人眼阈值水平的微小色差预测性能.由一组21名观察者采用感知法对100个颜色样本对进行视觉实验,获得视觉色差的评价数据,通过观察者精度分析并与BFD和Witt的视觉数据进行对比,验证了本实验数据的有效性.利用实验数据对CIELAB、CMC、BFD、CIE94、LCD和CIEDE2000等六个常用色差公式在人眼阈值水平的微小色差预测性能进行了详细的测试和比较,结果表明国际照明委员会(CIE)推荐的CIEDE2000表现最好,而CIELAB性能最差.     

高频采样下人眼波像差特性研究

为提高自适应光学人眼波像差校正和视网膜成像效果,研究了人眼动态波像差的特性。利用采样频率为300Hz、曝光时间为3ms的哈特曼传感器,搭建波像差探测系统。误差分析和模拟人眼实验表明,该系统对动态波像差的测量误差均方根(RMS)均值仅为0.01λ。人眼波像差探测结果表明,人眼存在150Hz以上的波像差,可能对自适应波像差校正造成影响。这种影响可通过延长探测和成像曝光时间的方法来抑制。为了达到衍射极限,对于稳定盯视状态下的人眼,3ms探测曝光、探测校正周期不超过45ms的自适应系统,其校正残差均方根在λ/14以下;当曝光时间增加到6ms时,该周期可放宽至62ms。研究了倾斜像差的波动对成像的影响,确定了高分辨率人眼眼底成像中,成像曝光时间最长不能超过9ms。上述结果表明,将自适应光学视网膜成像的探测曝光与成像曝光时间均定在6ms左右,可获得更好的校正和成像效果。     

基于人眼光学质量的球差和离焦补偿关系研究

基于人眼光学质量客观评估方法,通过实测的屈光手术前后人眼波前像差数据,研究和分析了球差与离焦的补偿关系。结果表明,对于屈光手术前的近视眼患者,离焦与球差的补偿关系并不明显。对于屈光手术后的近视眼患者,离焦与球差的补偿关系明显,残余离焦可以部分补偿由于高阶像差增加引起的视功能降低。当残余离焦处于0.27D～0.74D范围内,离焦与高阶像差组合后,光学质量提高了20%以上。在屈光手术方案设计时,预留0.27D～0.74D的离焦时,可以使80%的人眼达到更好的视觉矫正效果。     

激光原位角膜磨镶手术后不良症状的光学分析

测量了准分子激光原位角膜磨镶(LASIK)手术后人眼的单色像差。并根据术后症状,将所有数据分类为视物星芒状组、单眼复视组、视物雾状组和参考组。视物星芒状组和视物雾状组的三阶和四阶泽尼克(Zernike)像差的均方根(RMS)值明显大于无症状的参考组。术后有不良症状各组的人眼的调制传递函数(MTF)明显低于参考组的调制传递函数。在明视觉条件下,四阶像差特别是对称性的泽尼克球差,对调制传递函数的影响大;而在暗视觉条件下,三阶像差特别是非对称性的泽尼克彗差对调制传递函数的影响大。四阶以上的高阶像差对各有症状组的调制传递函数曲线有影响,而这些高阶像差对参考组的调制传递函数已无明显影响。像差的均方根值和调制传递函数曲线是研究术后不良症状的较有效光学手段。     

二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性分析

为探究二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性,进行了球面和二次曲面有晶体眼人工晶体的设计,并利用像差理论对二者的球差矫正特性进行了研究.基于R.Navarro等人提出的模型眼得到屈光不正眼模型,利用ZEMAX光学软件分别设计了可矫正屈光不正人眼的球面与二次曲面前房型有晶体眼人工晶体.通过对光学传递函数和Zernike球差系数的比较,以及对Seidel球差分布系数的计算分析发现:在保证屈光不正矫正至正常水平的前提下,较之传统球面人工晶体,二次曲面的引入仅对远视眼的球差有矫正作用,并使光学传递函数显著改善|而对近视眼而言,二次曲面人工晶体的球差矫正效果与球面人工晶体相当.这一结论对前房型有晶体眼人工晶体的设计和应用具有重要的理论指导意义.     

双目色调消除现象的实验研究

立体显示、虚拟现实及头戴设备的应用研究需要对人眼视觉双目特性做更深入的研究。阈值测量是研究视觉感知特性的方法之一，人的左右眼分别观看不同的颜色，且双眼观看的颜色色差不超过双目颜色融合的阈值时，可能会感知到灰色，也就是发生了双目色调消除现象。为了研究这种特殊现象，本文设计了视觉心理物理学实验，在CIELAB颜色空间中研究双目融合范围内能够感知到灰色现象的对立颜色方向和色差阈值，并将实验结果分别在LMS、MacleodBoynton、DKL等颜色空间中表示，为进一步研究人眼特性及双目颜色机理提供实验数据。     

用于人眼视网膜成像照明的激光消散斑技术研究

以近红外激光(808 nm)作为人眼波前像差探测的信号光和视网膜成像的照明光,液晶空间光调制器(LCOS)作为波前校正器,用哈特曼波前探测器探测人眼像差,构建了人眼像差自适应校正的视网膜成像系统.利用模拟眼分析了激光散斑对相机成像的影响和对哈特曼波前探测器进行像差探测的影响,同时验证了利用旋转散射体的方法消除激光散斑的可行性和有效性;用活体人眼进行了激光消散斑前后照明视网膜进行成像的对比实验,并进一步利用自适应光学技术实现了对人眼像差的动态校正和视网膜细胞的连续成像.校正后,系统波前像差的均方根值小于0.1λ.实验表明激光消散斑后可以同时作为人眼像差探测的信号光和视网膜成像的照明光,从而可以进行连续自适应校正和成像.     

人眼视觉的传递特性及模型

介绍了国内外对人眼视觉特性及其调制传递函数的研究 ,对几种典型的人眼视觉模型进行了分析。较之以往采用的具有低通特性的指数型和高斯型 ,及具有带通特性的Barten模型和复合模型更符合人眼视觉传递特性。在此基础上将两种带通模型和国内外一些典型的试验数据进行了比较研究 ,得出 :Barten模型参数简单 ,计算方便 ,但实用的范围较复合模型小。复合模型综合考虑了人眼瞳孔、显示器亮度、视场角、量子效率、积分时间等因素的影响 ,是一种更全面的反映人眼传递特性的视觉模型