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研究或学习光学成像或眼球成像的基础理论时，我们经常假设：从物点发出的所有光线，经过光学系统后形成一个共轭焦点；或假设平面物体经过光学系统后所成的像落在一个平面上，并形成一个按标准比例的物体的像（即物和像互为相似形），这是一种理想的成像状态，实际过程若不能达到任何这种理想条件的，称为像差。
第一节 像差的理论和概念
从物理光学角度，可以将像差定义为波阵面像差，又称波前像差。波前像差是由实际的波阵面和理想的无偏差状态下的波阵面之间的偏差来定义的。像差对人们来说并不陌生，在光学领域，人们早就用像差来描述光学仪器成像质量，几乎所有的光学系统都存在像差。从几何光学的角度，可以将像差分为色差和单色像差，其中单色像差又可分为球差、彗差、斜向散光（像散）、场曲和畸变等。
光线是一个行进的电磁波，在三维立体空间中，波前是指某一时刻空间上的一个波面，它由同一物体发射出的光波组成，是光波的连续性的同相表面，即具有共同位相点的轨迹组成了光的波前。波前垂直于进行方向，波前是一个面而不是一条线，因而又称之波阵面。波前和光线都能用于描述光波的行进，细小的点光源产生理想的球面波前，无限大平面物体产生理想平面波前（如图10-1）。
因此波前像差的基本概念就是：在理想成像的情况下，点光源或平面光源经过光学系统后所成的像应是理想的球面波前或平面波前，如果存在着几何像差，则对应的波面就不再是理想的波面，实际波面和理想理想波面之间存在的偏差，称之为波前像差。这个偏差可以通过光程差（OPD，单位为mm）而得出。从一个点光源发出的光线可向各个方向传播，从一个点到另外一个点的光线行经路线称为光路路径长度（OPL），如果每条光线的OPL是相等的，则不存在光程差。在一个完美的光学系统中，从物点到像点的各条光线的OPL是相等的，即OPD等于0；而在一个有像差的光学系统中，通过不同部位的光线相比较是存在光程差的。
波前像差是衡量光学系统成像质量的重要指标之一。根据Rayleigh准则，最大波前像差小于1/4波长，则系统质量和理想光学系统没有显著差别，假如一个来自光源的波前通过一个透镜向前传播，在光波通过透镜时，由于透镜的折射率比外周介质（一般是空气）要大，因此传播的速度会减慢，透镜中央较厚，所以会减慢中央的波前，而外周的波前则相对较快。由于透镜的形状造成光波速度不等同的减慢，使入射的发散性的波前转换成了出射时会聚性的波前。波前像差即是由实际的波前和理想的无偏差状态下的波前之间的偏差来定义的。在没有像差时，进入人眼的波前可以很好地在视网膜上会聚成一个焦点。自从1961年Smirnov首次测量人眼波前像差以来，已有40年的历史，但是直到1996年快速而精确的测量仪器产生，波前像差技术才日趋引起人们的注意。目前，对眼科医生和视光学医师来说，波前像差的临床应用具有广泛的前景，但是，实现其应用的特殊技术尚处于初步研发阶段。
早在18世纪中叶，人们就发现在眼光学系统中存在单色像差，如球差、像散、彗差、畸变等。后来人们通过研究发现，各种像差对人的视觉质量具有重要影响,在正常人眼的像差中，球差和色差是影响视网膜成像的重要因素，而像散和慧差等轴外像差居次要地位。人眼系统像差主要来源于：①角膜和晶状体表面不理想，其表面曲率存在局部偏差；②角膜与晶状体玻璃体不同轴；③角膜和晶状体以及玻璃体的内容物不均匀，以致折射率有局部偏差；④人眼屈光系统对各种色光的折射率不同，因而不可避免地要出现色差。正是由于这些缺陷的限制，使得人眼视觉质量达不到极限值。
波前像差在Zernike多项式中表现为7阶35项，其中三阶以下为低阶像差，主要是离焦和散光，三阶以上为高阶像差，例如球差、彗差。
在过去的两年里，波前像差技术在眼科的应用几乎都集中在屈光手术上。同PRK手术一样，LASIK术后像差的增加屡见报道，无论远视还是近视患者，屈光手术都引起了高阶像差的增加。为了尽可能减少手术引起的像差、减少和矫正患者原有的像差，波前像差引导的屈光手术已经被不断深入研究，波前引导技术增加了对波前像差的矫正，但至今其结果尚不能令人满意。尽管技术远未达到实现完美矫正的境界，如何优化波前引导的屈光手术是一个非常重要并富有挑战的研究课题。
人们亦已经观察到同正常眼相比，白内障和青光眼术后眼的波前像差增加，也发现行角膜切口和巩膜切口的白内障患者术后像差存在差别，这些结果均提示从提高视觉要求角度，各种手术方法和技术均有待改进，还有进一步探索的潜力。
在视光学领域，人们正在研究像差测量和各种屈光不正矫正方式的关系。人们亦发现各种不同类型，如软性或硬性角膜接触镜、框架眼镜不同设计的镜片等，均能够影响波前像差或产生不同的波前像差，从而影响视觉和视觉功能。
总之，波前技术在眼科和视光学的临床应用正在蓬勃发展，前景广阔。 |
