波前像差历史、测量及其描述方法.doc

视觉波前像差的研究及新进展

传统的人眼视觉光学系统的成像问题，均为近轴光线的成像，即为理想的光学成像，但是在实际的人眼成像系统中往往不可能到达理想的效果，因为人眼光学系统本身存在波前像差。随着眼视光学和相关科学技术的突飞猛进，特别是波前像差测量仪器和图形重建技术的突破，使得波前像差理论由单纯的物理光学概念成为可以影响人眼视觉质量的重要因素。并成为激光矫视领域的研究和应用焦点，在眼科界逐渐被认识且被不断推广。

一、历史回忆

波前技术在激光视力矫正手术问世之前很久就已经出现了。早在几个世纪前，就发现人眼存在单色像差。约400年前，Scheiner在试验中发现，存在屈光问题的眼睛在通过前方2个孔洞看远方的一个物体时会将其看成2个物象，如果3个孔洞，那么会看成3个物象。这是观察到的最初级的像差。然而，基于几何光学原理对人眼光学系统特性的传统评价方法存在很大的局限性，直至近代物理学研究发现光具有波粒二象性。研究光粒子性的领域属于几何学范畴，光的波动性领域那么属于物理学范畴。

几何光学是光学最早开展起来的学科。在几何光学中，仅以光线的直线传播为根底，研究其在透明介质中的传播规律，例如反射和折射定律。但是有些光学现象，例如衍射、干预和偏振，不能由反射和折射定律解释，却能很容易由光的横向波动性特征解释，热辐射、光电效应等亦为粒子特性。根据光的波粒二象性理论可以完整评价和描述人眼成像偏差。

Hartman-Shack波前分析仪最早出现的原因是为了天文学的需要。

1900年，天文学家JohannesHartmann创造了一种测量光线经过反射镜和镜片的像差的方法，这样就可以找出反射镜和镜片上的任何不完美和瑕疵。Hartmann的方法是使用一个金属圆盘，在上面钻规那么间距的孔洞，然后把圆盘放在反射镜或镜片的前面，最后再记录位于反射镜或镜片的焦点的影像。因此，当光线经过一个完美的反射镜或镜片的时候，就会产生一个规那么间距光点的影像。假设影像不是规那么间距的影像，那么就可以测量出反射镜或镜片的像差。

到了1971年，Dr.RolandShack和Dr.BenPlatt进一步改进这个概念，使用小透镜组成的阵列感应器来取代位于焦点位置的荧幕，这个感应器就是现在广为采用的Hartmann-Shacksensor。Hartmann-Shacksensor现在广泛的应用在军事、天文学以及眼科。

德国医师Dr.JosefBille是第一个将Hartmann-Shacksensor应用在眼科上的人，其他波前的先驱包括Dr.JunzhongLiang和Dr.DavidWilliams，这些医师不断的改进波前检查的仪器设备，不过仪器还是十分的复杂。一直到Dr.Williams和Dr.Liang在1994年首次应用Hartmann-Shack原理准确、客观的测量了人眼像差。开展出现在使用的全自动波前检查仪，才真正能够快速、准确的运用在临床检查。该技术不仅可对传统像差进行精确的描述，还发现了非常规的更高阶像差，使人们对像差有了更深入的了解。

1997年，Dr.Liang和Dr.Williams在ARVO(TheAssociationforResearchinVisionandOphthalmology)发表论文，讨论早期的临床检查结果。这个时候，眼科医师才开始认真的思考，波前技术应用在视力矫正手术的可能性，几个主要的激光视力矫正设备厂商，包括VISX，开始和Drs.Bille,Williams,andLiang合作开展各自的波前分析仪器。

通过不断的技术创新和进步，现在波前像差引导的个体化激光矫视手术已经成为效果最好的激光视力矫正手术的主流。

二、波前像差的概念

在几何光学理论中，一般都假设从物点发出的所有光线均可聚焦成一共轭像点。平面物体像落在一个平面上，并形成一个按准确比例的物体复制像。但实际的光学系统并非如此简单，总有入射光线远离主光轴或成像光束的波长不同，系统的折射率不为常数。因此，实际光学系统的成像与理想光学系统所得结果不同，这种光学成像相对于近轴成像的偏离被称为像差。物理光学将光形容为光波，各个方向均为球面波。波前像差〔Wavefrontaberration〕从物理光学描述是指理想光学系统之参考波阵面与实际测量光学系统波阵面之间的差异。

人眼屈光系统及晶状体经常被描述为屈折光线，也可定义为传播光的形状。眼底黄斑发出的光线如果经过屈光系统有问题的眼睛，光波会变形。近视眼波阵面形状如碗形。周边比中央更早聚焦。远视眼波阵面可为小山状，中央波面聚焦较早。而不规那么散光或存在高阶像差的眼，其形状不规那么。

随着技术的开展，现在不仅可以测量一些经典的像差，如球差、彗差等，还可以再现一些非常规的更高阶像差