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4.1.2 眼的生理性光学缺陷
2009-12-07 15:03:22 来源:网络 作者:万新 【大 中 小】 浏览:77777次 评论:0条
1.眼的几何像差
依理想光学系统成像理论，由同一物点发出的全部光线经光学系统后，必聚焦于一共轭像点，形成理想像点。像与物的形状完全相似，大小比例精确。但实际上，物体上任一点发出的光线通过光学系统后，不能聚焦于一点，而是形成一弥散斑，实际光线位置偏离理想像点，像与物体虽很相似，但不完全相同，这种差异称为“像差”。眼屈光系统可视为一共轴球面系统，光线经眼屈光系统会和通过光学系统一样，存在光学性几何像差，导致成像不完美，影响了眼的视觉质量。
几何像差主要分为两大类：单色像差和色像差。当只考虑单色光成像，即相同的单色光通过光学系统后的像差，为单色像差，包括球差、彗差、像散、像面弯曲(简称场曲)和畸变等形式。换言之，这五种性质不同的像差统称为单色像差。而不同的单色光通过光学系统后的像差为色像差，分为纵向色差(位置色差、轴上色差)和横向色差(垂轴色差、倍率色差、轴外色差)。眼的像差中球面像差和色像差对眼的视觉质量影响较大，现分述之。


(1)球面像差(见图4—6)
从几何光学共轴球面系统的成像特性可知，只有近光轴的物点，且以很小孔径角的细光束成像时，才能获得完善像。当光线(主光线在光轴上的光束)垂直入射眼屈光系统后，由于远、近轴光线折射角度不同，远轴光线折射角度大，近轴光线折射角度小，故交光轴于不同的位置，成像遂不能会聚于一点，在视网膜上是呈直径不等的弥散圆，像的形状也会失去与物体的相似性。这种成像缺陷称为球面像差。
眼屈光系统虽存在球面像差，但由于人眼瞳孔孔径在室内平均为3~4 mm，周边部光线大部分被虹膜挡住。另外，角膜周边部较平坦、晶状体中央部密度和弯曲度也较大，都使球差减少，以至可以忽略其对成像质量的影响。




(2)色像差
复合光是由不同波长的单色光构成，平行光入射眼屈光系统，不同波长的色光有不同的折射率，如红色光波长长、折射率小，而蓝色光波长短、折射率大，故在眼屈光系统光轴上的成像位置存在差异(见图4—7)，视网膜上遂呈一彩色弥散圆影像。这种在轴上成像的位置差异叫做轴上色像差，即纵向色差。

人眼屈光系存在着纵向色差。依色像差的计算公式△D=D/V，△D为色像差，D为折射力，V为介质色散系数(即阿贝数)，将人眼平均折射力值58.64 D，眼色散系数56.4，代入上式，可计算出人眼理论上的色像差(D)。对于可见光谱两端的红光(C线)和蓝光(F线)来说，在视网膜上结成两个焦点，其距离上的差值(mm)是人眼纵向色差的另一种度量方式(C线、F线分别是镉元素发出的红色、蓝色光谱线，波长分别为643.8 nm和480 nm)。
由于人眼在白昼标准亮度下，对555 nm的黄绿光最敏感，即在正视眼时光谱中最亮的黄光在视网膜上形成极为清晰的像，而较短或较长波长的光(蓝光、红光)在视网膜前、后形成较为不亮的光环，所以易被忽略，也就使色像差得到一定程度的弥补。
但当人眼患有屈光不正或虽矫正但未达到适度时，戴用红、绿色镜片或注视红、绿不同视标，人眼的色像差就必然会使患者感到红、绿视标清晰度的差异。这也正是双色试验法的原理。
横向色差是由于不同波长的色光有不同的折射率，导致不同的成像高度而形成像大小的差异，可以用可见光光谱两端的红光和蓝光的棱镜效应差异表示。人眼屈光系统也存在着横向色差，与颜色立体视觉的形成有关。



2.眼的波阵面像差(波前像差)
前已述及依几何光学研究的眼的几种像差表现，而依物理光学的波动光学理论，光由光源发出后在三维空间向外推进形成一连续的球面波，称为波阵面，是光波连续性的同相表面，是在某一时刻空间上的一个波面，与光的行进方向垂直，如图4—8所示。
当光自点光源(或平面光源)发出经过光学系统后所成的像，应是理想的以像点为中心的球面，但实际上光束经光学系统折射后变形，对应的波面不再是以像点为中心的球面，这种实际波面与上述理想波面间存在的偏差称为波阵面像差。该偏差可通过光学路径差异——光程差(OPD)求得。



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人眼屈光系统存在光程差
所谓光程是光在一介质里的几何路程与该介质折射率的乘积。在理想光学系统中，光从所有物点到所有像点的光学路径长度(OPL)应相同。所以从物理光学的角度，外界物体通过人眼屈光系统要得到完善的视网膜像，就需要从物点出发的通过瞳孔平面任一点的光线与经瞳孔中心的光线，其物点到其像点的光学距离相同，反之自像点的逆行光线也如是。但实际上，光自点光源发出经人眼屈光系统后，由于眼屈光系统的光学缺陷，不能完全聚焦于视网膜上的一点，而是形成一像的弥散斑，故自眼底黄斑部反射出的光线，经眼屈光系统其光波会变形。这样在人眼瞳孔平面的所有空间位置测其光程差就不再为零。即通过瞳孔不同点的检测，光线经眼屈光系统后的光学路径长度并不相同，存在着光程差，光程差的大小就是波阵面像差的大小。



人眼屈光系统为一共轴球面系统，同样体现出上述物理光学的现象，即人眼也存在波阵面像差。目前，临床上已有多种测量仪应用光线追踪原理进行人眼波阵面像差的检测，不仅可以测量人眼各阶像差，而且可确定不规则散光的诸多内容，有助于对不同像差与临床症状及视觉功能关系的理解。
波阵面像差是衡量光学系统成像质量的重要指标之一，人眼屈光系统的波阵面像差形成像的弥散，甚至扭曲变形，影响了像的质量，故波阵面像差的检查有助于全面了解整体眼光学质量。近年来随着屈光手术、白内障手术等的开展，波阵面像差技术为提高术后视觉质量提供了有意义的参数，另外在屈光不正的矫正(包括眼镜片及隐形眼镜的设计)与波阵面像差关系的研究方面都有进展，这些对于如何使矫正获得最佳视觉效果都具有重要启示。
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