基于个性化眼光学结构的人眼色差的研究

摘要

人眼存在着相对较大的色差,其对视网膜成像的清晰度产生一定影响,尤其当单色像差得到很好的矫正后,色差成为影响视觉质量的主要因素。随着波前技术的发展,人们对人眼的各种单色像差已有深入的研究,但在色差尤其是横向色差的研究中尚有若干问题有待解决。
　　 本文应用人眼波前像差技术,在考虑了视轴方向和光轴不重合的个性化眼光学结构的基础上,对人眼的色差特性以及色差矫正方面进行了如下研究:
　　 采用考虑视轴方向和光轴不重合的个性化眼光学结构对可见光波段人眼横向色差分布进行了统计。以往对人眼横向色差的测量多采用双色视标技术的主观方法,不可避免引入一些主观的误差。本文由角膜地形图数据计算得到35只人眼视轴与光轴间夹角,结合由实际测量技术获得的人眼各项光学参数,构建考虑视轴方向的个性化眼光学结构。通过对主光线追迹,计算得35只眼睛在470nrn至650 nin波段下中心凹处横向色差绝对值的平均值为1.00±0.35 arcmin。统计人群中将近40％的眼睛的横向色差数值集中在0.675 arcmin至0.975 arcmin范围内。大多数眼睛的中心凹处横向色差的水平分量比竖直分量大。同时在水平方向上,多数眼睛的主光线中短波段光线交于视网膜上的位置比长波段的更靠近鼻侧。横向色差随波长的变化是非线性的,在长波段处其变化要比短波段处的平缓。
　　 为了更好地分析轴向色差和横向色差对视觉质量的影响,本文运用考虑视轴方向和光轴不重合的个性化眼光学结构比较以下三种情况下的成像质量:存在轴向色差但不存在横向色差情况、同时存在轴向色差和横向色差情况以及同时矫正了轴向色差和横向色差情况。研究表明,中心凹处横向色差对视觉质量产生的负面影响要弱于轴向色差的影响,因此中心凹处的轴向色差矫正比横向色差的矫正更重要。我们还发现,边缘视场横向色差的矫正在很大程度上取决于消色差元件的位置,这为人眼色差矫正的研究提供了一定的依据。
　　 研究了偏离视轴的外置光阑所引入的横向色差。在ZEMAX光学设计软件中,在构建的考虑视轴方向的个性化眼光学结构前设置偏离视轴的人工小孔,对通过人工小孔中心的光线进行追迹来分析人眼横向色差的变化。结果表明,在中心凹处人眼横向色差随外置光阑偏离视轴量的增加而线性增加。8只人眼在420 nm～700 nm波段间的横向色差平均以5.7 arcmin/mm的速率随外置光阑偏移量而增加。不同个体存在一定的差异,变化最大的眼睛以5.95 arcmin/mm增大,最小的以5.46 arcmin/mm增大。
　　 为了研究横向色差随视场的变化,本文在考虑视轴方向的个性化眼光学结构的基础上,分析了鼻侧和颞侧5°,10°,15°,20°情况的横向色差特性。研究发现,横向色差随视场角的增加而线性增加,8只人眼的增长速率存在一定个体差异,平均值为0.36 arcmin/deg。同时,在固定视场情况下,横向色差在短波段的变化要比在长波段的快；对应不同的视场,横向色差随波长变化的速率会有所不同,越接近光轴的入射光线其变化速率越小。
　　 为了矫正色差,本文利用衍射元件负色散的特性,首次设计出一款双片折射/衍射混杂的消色差系统。结合Navarro广角眼模型,将设计的双片折射/衍射混杂消色差系统与单片折射/衍射混杂消色差元件进行比较,在整个视场范围内两者都能很好的矫正轴向色差,但在大视场处后者引入了更多的横向色差,而前者却很好的矫正了人眼的横向色差,提高了成像质量。
　　 波前引导的角膜切削手术目前逐步成为视觉矫正方面的主要技术,对手术后人眼的各项光学特性研究已经成为视光学领域研究的热点。本文首次基于构建的LASIK手术前、后考虑视轴方向的个性化眼光学结构来分析了人眼横向色差的变化情况。15只眼睛横向色差绝对值均值由手术前的1.89 arcmin减小到手术后的1.37arcmin,平均降低了0.52 arcmin。结果表明横向色差的变化主要取决于角膜面型的对称性。本研究对术后人眼视功能的评价提供了一定的参考。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 人眼像差领域的发展概况

1.1.1 人眼波前像差测量技术的发展历程

1.1.2 人眼色差的研究现状

1.1. 3眼模型的发展现状

第二节 本文的主要研究内容及结构安排

第二章 人眼波前像差和个体化眼光学结构

第一节 人眼构造及光学特性

2.1.1 眼睛生理结构

2.1.2 光学系统像差的描述

2.1.3 人眼波前像差的概念

2.1.4 人眼波前像差的描述

2.1.5 人眼色差的描述

第二节 个体化眼光学结构的构建

2.2.1 角膜地形图

2.2.2 眼内各部分介质轴向厚度

2.2.3 眼内各介质折射率

2.2.4 全眼波前像差

2.2.5 晶状体

第三节 本章小结

第三章 人眼中心凹处横向色差的研究

第一节 被测对象

第二节 人眼视轴与光轴间夹角以及中心凹处横向色差的数值统计

第三节 人眼中心凹处色差对视觉质量影响分析

3.3.1 轴向色差对视觉质量的影响

3.3.2 横向色差对视觉质量的影响

3.3.3 轴向色差的矫正对边缘视场横向色差的影响

第四节 本章小结

第四章 人眼横向色差随外界因素变化的研究

第一节 研究对象

第二节 外置光阑偏心对横向色差的影响

4.2.1 实验方法

4.2.2 结果分析

第三节 横向色差随视场的变化研究

4.3.1 实验方法

4.3.2 结果分析

第四节 本章小结

第五章 人眼色差矫正的研究

第一节 衍射光学元件的色散性质

5.1.1 衍射光学元件的位相分布

5.1.2 衍射光学元件的光焦度

5.1.3 衍射光学元件色散性质

5.1.4 折射/衍射混杂消色差系统

第二节 折射/衍射混杂消色差系统设计

5.2.1 Navarro广角眼模型的模拟

5.2.2 Navarro广角眼模型的光学性质

5.2.3 消色差系统的设计方法

5.2.4 消色差系统的评价

第三节 本章小结

第六章 LASIK角膜屈光手术对人眼横向色差影响

第一节 屈光手术的介绍

6.1.1 准分子激光治疗屈光不正的工作原理

6.1.2 准分子激光手术的发展概况

第二节 LASIK手术后人眼横向色差的变化

6.2.1 测量对象

6.2.2 LASIK手术后人眼个体化眼光学结构的构建

6.2.3 结果分析

第三节 本章小结

第七章 总结

第一节 本文的主要研究内容和结果

第二节 本文的主要创新点

第三节 展望

参考文献

个人简介 在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢