【doc】人眼不同瞳孔直径波前像差特性分析

【doc】人眼不同瞳孔直径波前像差特性 人眼不同瞳孔直径波前像差特性分析 第32卷第7期 2005年7月 光电工程 Opto—ElectronicEngineering Vo1.32.No.7 July,2005 文章编号:1003-501X(2005)07—0038—04 引 人眼不同瞳子L直径波前像差特性分析 徐高平一,余翔,薛丽霞,凌宁 (1.中国科学院光电技术研究所,四川成都610209; 2.烟台大学光电信息学院,【上I东烟台264005; 3.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:采用Hartmann.Shack人眼像差仪,测量了人眼在3,lmm,5.2mm 和6mm瞳孔直径下的波前 像差.波前像差的RMS值明,随着瞳孔直径的增大,人眼各阶波前像差均随着增大.与瞳孔 直径为3.1mm时相比,瞳孔直径为6mm和5,2ram时,Zemike2一l0阶波前像差的RMS值分别增 大1.2—7.7倍和1.1—4.8倍.用调制传递函数(MTF)和Strehl比评价 了高阶波前像差对成像质量的 影响,结果表明,大瞳孔高阶波前像差对成像质量的影响大于小瞳孔; 在3.1mm,5,2mm和6mm 瞳孔直径下,欲达到衍射极限的Strehl比率,分别需要矫正Zemike波 前像差前2—4阶,前3-6 阶和前5—7阶,需矫正的像差阶数随瞳孔直径的增大而增加. 关键词:波前像差测量;Hartmann.Shack波前传感器;Hartmann.Shack 人眼像差仪;像质评价 中图分类号:0439文献标识码:A Propertyanalysisofwavefrontaberrationofdifferenthumaneye’Spupils XUGao.ping’一,YUXiang,XUELi.xia,LINGNing (1.TheInstituteofOpticsandElectronics,theChineseAfadem3,D厂 Science,Chengdu610209,China; 2.SchoolofOpticsandElectronicsInformation,YantaiUni,ersity,Yantai264 005,China; 3.GraduateSchooloftheChineseAcadem),ofSciences,Beijing100039,Chi na) Abstract:Thewavefrontaberrationsofhumaneyesat3.1mm.5.2mmand6m mpupildiametersare measuredbyHartmann—Shackhumaneyeaberrometry.TheRMSvaluesofwavefrontaberrationsshows thathumaneye’Swavefrontaberrationsincreasewiththeincreaseofpupildiameter,theRMSvaluesof Zernike2—10orderswavefrontaberrationsat6mmand5.2mmpupildiametersare1.2-7,7and1.卜4.8 timeslargerthanthatat3.1mmpupildiameter.Imagingqualityaffectedbyhigh—orderwavefront aberrationsisevaluatedthroughmodulationtransferfunction(MTF)andStrehlratio.Theanalysis showsthathigh’orderaberrationsatlargepupilhavemoreeffectontheimagingqualitythanthatat smallpupil.ToachieveStrehlratiounderdiffractionlimit,theordersofaberrationtobecorrectedare pre2-4orders,pre3—6ordersandpre5—7ordersofZernikewavefrontaberra tionsat3.1mm.4.1mmand 5.2mmpupildiameters,respectively,Theordersofaberrationtobecorrectedwillincreasewiththe increaseofpupildiameter. KeyWOrds:Wavefrontaberrationmeasurement;Hartmann.Shackwaveffontsensor;Hartmann.Shack humaneyeaberrometry;Imageevaluation 皇宝 r--.-i 眼睛是人类认知世界的光学仪器.由于它本身固有的缺陷,使得实际人眼不仅存在离焦和像散等低阶 收稿日期:2004’『1一I5;收到修改稿日期:2005—04—19 基金项目:国家863高新技术 作者简介;徐高平(1971一),男(汉族),江西九江人,硕士生,从事人眼波像差方面的研究.E—mail:XU—gaoping@tom.com 2005年7月徐高平等:人眼不同瞳孔直径波前像差特性分析39 像差,还存在彗差,球差和其他许多非规则的高阶像差….这些像差影响视网膜的成像质量,使人眼的视 觉低于衍射极限.同时,眼睛是以适宜光作为刺激的视觉生物器官,在不同的照明环境中,人眼通过改 变瞳孔直径大小来获得适宜的通光量.在不同的瞳孔直径下,人眼的波前像差是不同的.这需要对不同 瞳孔直径下的波前像差特性进行研究.另外,激光角膜手术如PRK(PhotorefractiveKeratectomy)和LASIK (LaserinSituKeratomileusis)手术之后,不少患者会出现暗视力差的问.因此,对暗视觉下大瞳孔的波 前像差特性的研究很有必要. 目前,人眼波像差的测量有光线追踪技术,双程技术,利用空间分辨折射仪的心理物理方法和 Hartmann?Shack波前传感器测量技术.其中Hartmann—Shack波前 传感器具有快速,实时的特点,特别适用 于测量活体人眼的波前像差. 1人眼不同瞳孑L直径波前像差的测量 我们采用的测量仪为自制的Hartmann.Shack波前传感器人眼像差仪.该仪器的测量光波长为0.78gm, 进入人眼的光功率为1.6gW(比美国国家协会所允许的最大光功率低3倍?).测量精度高(PV值可达 0.022,RMS值可达0.0022),重复性好(波像差的平均偏差仅为12),测量结果真实可信. 利用该仪器,我们测量了年龄在2O一4O岁的10人的双眼,测量时均未散瞳.每只眼分别测量1O次取 平均.这些眼的近视屈光度在0D-一8D,除近视外,无其他眼疾.我们采用前10阶65项泽尼克多项式来 描述复原波前.由于第1阶代表整体波前倾斜,不影响光学性能,分析时舍弃不计.选取3.1mm,5.2mm,6mm 瞳孔直径进行分析,它们的采样点数分别为l12,316,405,采样点间隔均为0.26mm. 图1为ZR(受试者姓名)右眼瞳孔直径分别为3.1mm(正方符号所表示的曲线),52mm(圆点符号所表 示的曲线)和6mm(三角符号所表示的曲线)Zernike2—10阶波前像差的RMS(均方根)值.对比这三条曲线. 我们可以看出,随着瞳孔直径的增大,Zemike2一】0阶波前像差的 RMS值均有所增大,只是增大的比率不 尽相I司.与瞳孔直径为3?1mm相比,瞳孔直径在6mm和 量厂—————————] 5.2mm时的Zemike2-10阶波前像差的RMS值分别增大{I.\l 194’口人鑫一只眼,结果为:不同人眼波前像差个体差异较大,但波毛…I,\:===!==..I 前像差随着瞳孔直径的变化趋势是一致的,都随着瞳孔直f卜一1I 径增大而增大,只是各阶像差增大的比率不同.在这20龟0ml1.........1 只眼中,瞳孔直径为6mm和5.2mm与瞳孔直径为31mmrI1i..二.m 相比,Zemike2—10阶波前像差的RMS值分别增大12—7.7图1Zemike2—10级波前像差的RMS值 倍和1.1—4.8倍.Fig.1RMSwavefronterrorforZemike2—10order 2不同瞳孑L直径高阶波前像差对人眼成像质量的影响 21MTF(TheModulationTransferFunction)对成像质量的评价 图2是ZR右眼瞳孔直径为6mm(图2(a)),5.2mm(图2(b))和3.Imm(图2(c))的MTF(调制传递函数) Spatialfrequency/(c/deg)Spatialfrequency/(c/deg)Spatialfrequency/(c/de g) (a)(b)(C) 图2不同瞳孔直径的人眼调制传递函数MTF曲线 Fig.2TheCUI’V@ofMTFfordifferentsizeofpupil 光电工程第32巷第7期 曲线.图中,虚线是衍射极限的MTF曲线;实线是已矫t1”l~阶波前像差(离焦,像散),只有高阶波前像 差存在时的MTF曲线,其值为l0次测量的径向平均值.对比图(a),(b)和(c),我们可以看出,在空间频率 为30cycles/deg(该空间频率是1.0视力的最佳分辨率),瞳孔直径分别为3.1mm,5.2mm和6mm时,衍射 极限的MTF与只有高阶波前像差存在时的MTF之比分别为1.6,2.9和3.5.这说明,在空间频率为 30cycles/deg时,随着瞳孔直径的增大,ZR右眼的高阶波前像差对视网膜成像质量的影响增大.另外,我 们用去掉低阶波前像差与衍射极限情况下的MTF与坐标轴所围成的面积之比来表示在所有空间频率下的 整体成像质量.比值越接近1,成像质量越好.如图3所示,灰条表示衍射极限的MTF与坐标轴所围成的 面积大小,其值归一化为l;黑条表示各瞳孔直径下去掉低阶波前像差与衍射极限情况下的MTF与坐标轴 所围成的面积之比.在瞳孔直径为3.1mm,5.2mm和6mm时,面积比分别为0.75.0.5l和0.43,随瞳孔直 径的增大而减小.这说明,随着瞳孔直径的增大,ZR右眼高1 阶波前像差对在所有空间频率下的整体成像质量影响增大.用0.8 类似的方法,我们分析了其余l9只眼瞳孔直径为3.1mm,5.2mm0.6 和6mm时,在30cycles/deg空间频率下,衍射极限的MTF与o4 只有高阶波前像差存在时的MTF之比分别为1.3-2.2,2.9—6.10.2 和3.5—8.9,都随瞳孔直径的增大而增大;去掉低阶波前像差与0 阶Zemike波前像差,就可以达到衍射极限的Strehl比率.然Z盯…删一cd 而对于5.2mm瞳径(正方符号所表示的曲线)和6mm瞳径(圆点图4去除Zemike各阶像差 符号所表示的曲线),至少分别需要矫正前4阶和前5Zernike后的Strehl比率 波前像差,才能达到衍射极限的Strehl比率.这说明,要达到Fig,4’.’i.ze.move 衍射极限的Strehl比率,需矫正的像差阶数随瞳孔直径的增大而增加.在这20只眼当中,要达到衍射极限 的Strehl比率,在瞳孔直径为3.1mm,5mm和6mm时,分别需要矫正的Zernike波前像差为前2—4阶,前 3-6阶和前5—7阶.这些数据同样也说明大瞳孔的高阶波前像差对视网膜成像质量的影响大于小瞳孔的高 阶波前像.因此,对于大瞳孔,高阶波前像差是不容忽视的. 3结论 利用Hartmann.Shack波前传感器人眼像差仪测量了l0人的双眼的Zernike波前像差,通过比较瞳孔直 径为3.1mm,5.2mm和6mm时的Zernike2一l0阶波前像差数据表明, 人眼各阶波前像差均随瞳孔尺寸的增 大而增大,瞳孔直径在6mm和5.2mm时,Zernike2一l0阶波前像差的RMS值比瞳孔直径为3.1mm时分别 增大1.2—7.7倍和1.卜4.8倍. 通过对瞳孔直径为3.1mm,5.2ram和6ram的MTF和Strehl比率分析表明,大瞳孔的高阶波前像差对 视网膜成像质量的影响大于小瞳孔的高阶波前像差对视网膜成像质量的影响. 2005年7月徐高平等:人眼不同瞳孔直径波前像差特性分析4l 通过Strehl比率分析表明,要想达到衍射极限的Strehl比率,在瞳孔直径为3.Imm,5.2mm和6mm时, 分别需要矫正的Zemike波前像差为前2—4阶,前3-6阶和前5—7阶,需矫正的像差阶数随瞳孔直径的增 大而增加. 参考文献: 【l】H.CHOWLAND?J.BUETI’NER.Computinghighorderwaveaberrationcoe fficientsfromvariationsofbestfocusforsmall artificialpupils【J1.VisionRes,l989,29(6):979—983. 【2】TC.A.JENKINS.Aberrationsoftheeyeandtheireffectsonvision:Part1 【J】.Br.J.Physio1.Opt,l963,2O(4):l61—201. 【3】 FutoshiTAKETAN1,ToyoakiMATSUURA,EiichiYUKAWA,eta1.High— orderaberrationswithHydroviewH60Mand AcrySofMA30BAintraocularlenses 【J1.JCataractRefractSurg,2004,3O(3):844—848. 【4】L.BURA]厂 T’0,M.FERRAR1,PRAMA.Excimerlaserintrastromalkeratomileusis 【J1.AmJOphthalmol,l992,113(6): 29l一295. 【5】全薇,凌宁,王肇圻,等.哈特曼传感器测量人眼波像差的特性研 究【J】.光电工程,2003,3O(3):卜5. 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