人眼的高阶与低阶像差来源

常识综述从人类视网膜感光细胞的密度推算出人眼的极限视力可达3.0甚至更高，但由于人类进化过程中对远视力的需要逐渐下降，以及角膜和晶状体等器官的光学性能退化等原因，导致出现各种像差，因此人眼的理想视力只有1.5或更差，并且这些像差不能被现有的眼镜和隐形眼镜矫正。

波阵面像差（波前像差）原本是一项天文学技术，其发展由来已久，主要用来纠正天文望远镜等的像差，以便能更清晰地观测到更远距离的天体。

像差理论做为研究非理想光学系统的基础早已广泛地应用于制造光学精密仪器，当波前像差技术应用于眼科后，才与我们的生活变得更加关系密切。

目前波前像差仪有很多种，可分为客观法和主观法两类。

客观法根据其设计原理，又可分为：可1基于而当受检Zeiss公司），2以Tscherning像差理论为基础，通过计算投射到视网膜上的光线偏移而得出结果。

图6-2图10Allegretto 3以Smirnov-Scheiner理论为基础，其方法是通过对进入中心凹的每一光线进行补偿调整使之在视网膜成像完善。

其原理与临床应用的屈光计、检影镜很相似，所有进入视网膜的光线都向中央一点会聚，通过在各轴向上对瞳孔的快速裂隙扫描而实现，眼底反光被CCD捕捉从而得到眼的波阵面像差。

基于此原理的像差仪包括Emory视觉矫正系统和OPD扫描系统（Nidek公司）等。

图6-3基于Smirnov-Scheiner原理的像差测量示意图二、主观式像差仪根据光路追踪原理设计，利用空间分辨折射仪以心理物理方法测量人眼像差。

假设眼处于衍射的极限时，聚焦在无穷远，因而无穷远的点光源通过瞳孔不同区域进入眼内，将会聚焦在视网膜上的一点。

当眼存在像差时，进入眼内的光线将不会聚焦在同一点上，点光源的像将是一个模糊像，该像点与中心发生了偏移，导致波阵面平面的光线射入眼球后由理论上的球面波变成了不规则的曲面波，通过数学换算，得到放大在瞳孔面上的眼底点扩散函数。

基于此原理的像差仪有WFA-1000人眼像差仪（苏州亮睛公司）。

高阶光学像差产生原理
高阶光学像差产生原理主要是由光学系统中的光线传播和光的传播介质不均匀性引起的。

在光学系统中，光线经过透镜或反射器件时，会产生不同的折射或反射效果，导致光线的聚焦位置与预期位置有所偏差。

这种偏差即为光学像差。

高阶光学像差是指在复杂光学系统中出现的像差现象，它通常包括球差、散点、像散、像高、畸变等多种因素。

这些因素在光学系统中相互作用，会产生较为复杂的像差效应，影响图像的清晰度和准确性。

为了减少高阶光学像差的影响，通常需要通过精密设计光学系统的结构和参数，选择优质的光学元件以及精确调整光学系统的参数来提高图像质量，确保光学系统的性能达到预期要求。

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达到理想的效果，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、历史回顾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，则会看成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，光的波动性领域则属于物理学范畴。

几何光学是光学最早发展起来的学科。

在几何光学中，仅以光线的直线传播为基础，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、干涉和偏振，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发明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，在上面钻规则间距的孔洞，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，就会产生一个规则间距光点的影像。

假如影像不是规则间距的影像，那么就可以测量出反射镜或镜片的像差。

图一、眼球的各阶像差组成图二、眼球的波振面图人眼的高阶与低阶像差（合称：波前像差）的来源一般有三个方面：1、角膜和晶状体的表面不完美,其表面曲度存在局部偏差;2、角膜与晶状体、玻璃体的光学中心不同轴；3、屈光介质（角膜、房水、水晶体、玻璃体）不均匀，使折射率有偏差。

这些结构上的偏差使得经过偏差部位的光线偏离理想光路，以至物体上一点在视网膜的对应点上不是一个理想的像点，而是一个发散的光斑，其结果是整个视网膜成像对比度下降，视觉模糊（见图二）。

实践证明，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。

近代物理学研究发现光有波粒两相性。

根据光的波动学理论可以完整地评价和描述人眼的成像偏差，这种成像偏差被称为波前像差。

最新研究表明高阶像差对人眼的成像质量有着严重影响，特别是对近视眼球的影响更甚。

在40%的近视眼中，其高阶像差的视力影响相当于150度近视。

这就可以解释为什么很多近视朋友们在验光配镜时，总是难以达到如正常眼一样的视锐度。

因为现行的近视镜片只矫正眼球离焦状态（低阶像差），而不能同时矫正高阶像差。

另外有关近视形成的理论研究表明，人眼的高阶像差是导致近视眼形成的危险因子。

因为高阶像差能使视网膜成像模糊，而动物试验已证实无论用何种方法使动物眼底视网膜成像模糊，均能导致动物们发生近视眼。

总之，对人眼的波前像差进行研究，必须先对眼球高阶像差做精确的描述和测量。

实施普通LASIK近视矫正手术，只能矫正眼球的低阶像差。

残余有高阶像差的眼，会产生扭曲的波振面图像，从而产生扭曲的点图像。

所以许多近视朋友们手术后的裸眼视力虽然达到了1.0或1.0以上，但是有夜间视力下降﹑眩光、光晕、重影、对比敏感度下降等视觉质量问题。

因此，波前像差引导的角膜“个性化”准分子激光治疗，可以全面矫正眼球的高阶与低阶像差，是目前改善角膜屈光手术后视觉质量的重要方法。

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引用本文：王梅洁，廖萱，谭青青，等・【Profiler和iTrace波前像差仪测量健康人眼波•论著Article•前像差的一致性.中华眼视光学与视觉科学杂志，2021,23(1):19-26.D0I:103760/115909-20200525-00217.i.Profiler^HiTrace波前像差仪测量健康人眼波前像差的一致性王梅洁廖萱谭青青兰长骏作者单位：川北医学院附属医院眼科川北医学院眼视光学系，南充637000第一作者：王梅洁(ORCID：0000-0002-3177-1807),Email：*****************通信作者：兰长骏(ORCID：0000-0002-1040-9622),Email：********************摘要目的：评价「Profiler和iTrace波前像差仪测量健康人眼波前像差的一致性，分析角膜高阶像差与瞳孔直径的相关性。

方法：系列病例研究。

连续纳入健康青年受检者96例(96眼)，采用i.ProAler和iTrace进行波前像差测量，参数包括2~6mm瞳孔直径下角膜和3、5mm瞳孔直径下全眼高阶像差，包括总高阶像差(tHOA)、球差(乙°)、彗差(Z「、Z3')和三叶草像差(Z『、Z33)o采用配对r检验、Pearson相关、Bland-Altman散点图、一致性界限(95%LoA)分析2种设备测量结果的一致性。

结果:i.Profiler和iTrace测量角膜和全眼tHOA、Z4\ZJ、Z3\Z,"和Zs?的95%LoA均小于0.1ym.显示一致性较好。

i.Profiler和iTrace在4mm瞳孔直径下测得的角膜Z,分别为(0.049±0.016)pm和(0.048±0.016)pim；6mm瞳孔直径下,角膜乙。

分别为(0.270±0.040)um和(0.266±0.037)“m。

2020年眼视光专升本真题及答案一、单选题1.(1分)下列组织或细胞能够再生的是( )A.虹膜基质B.角膜内皮细胞C.黑色素细胞D.角膜上皮细胞参考答案: D2.(1(超越高度)分)角膜高屈光力子午线位于垂直位，称为( )A.顺规散光B.逆规散光C.斜轴散光D.混合散光参考答案: A3.(1分)无晶状体眼病人建议暂时配戴一副单光眼镜矫正，度数约( )A.+1.0DB.+11.0DC.-1.0DD.-11.0D参考答案: B4.(1分)超越高度视网膜内界膜下出血的形状为( )A.舟状B.火焰状C.斑点状D.以上均不是参考答案: A5.(1分)正常情况下，双眼眼压差不超过( )A.5mmHgB.2mmHgC.10mmHgD.以上都不对参考答案: A6.(1分)瞳孔的功能为( )A.调节进入眼内光线的亮B.改变焦深C.改变像差D.以上都是参考答案: D7.(1分)感觉融像和运动融像的出现必须具备的条件( )A.双眼功能正常B.双眼的视网膜像在大小、照明和颜色上一致C.双眼运动协调，像落在双眼的黄斑部D.以上均是参考答案: D8.(1分)泪道冲洗时冲洗液从下泪小点进上泪小点出，表明( )A.泪囊炎B.泪道狭窄C.泪总管阻塞D.泪小管阻塞参考答案: C9.(1分)哪一层是眼睑的最内层( )A.皮肤层B.肌肉层C.皮下结缔组织层D.脸结膜层参考答案: D10.1分)提上睑肌收缩使上睑上抬约( )A.13mmB.15mmC.3mmD.5mm参考答案: B11.(1分)角膜疾病发病率最高的是: ( )A.感染性角膜炎B.外伤性角膜炎C.角膜肿瘤D.先天性异常参考答案: A12.1分)> +3.00D且≤+5.00D的远视为( )A.低度远视B.中度远视C.高度远视D.以上都不对参考答案: B13.(1分)正常视野的绝对边界，单眼上方约( )A.60°B.70°C.80°D.100°参考答案: A14.1分)当垂直于光轴的物平面经过光学系统后不能成像在同一像平面内，而是成立在一以光轴为对称的弯曲平面上，这种成像缺陷称为()A.球差B.彗差C.像散D.场曲参考答案: D15.(1分)()是目前通用的最准确的眼压计，是眼压测量的“金标准”。

浅谈波前像差很多网友在我的QQ上留言，想做近视手术，但是周围的一些朋友手术后白天视力很好，夜间却存在视觉质量问题，夜视力下降，不知道是什么原因导致。

他（她）们担心自己也会出现类似问题，在是否手术的问题上踌躇不前。

我的博客“日志分类”的“近视手术篇”里，曾经有很多博文讲述过产生这些情况的原因，以及解决的办法。

我的老博友们已经看过多次了，很多博友自己都能够说出个一二三来，希望新的博友们能够在我的博客中耐心地寻找一下，慢慢看，慢慢理解。

本文只对这个问题做一个简单的阐述。

眼球是一个光学成像系统，有近视、远视、散光的眼球不是一个完美的光学系统，外界景物的光线进入眼内后，在视网膜上的成像不能严格地再现物体的原貌，而是产生一些畸变，这种现象称为“像差”。

“像差”分为“色差”和“单色像差”。

其中，“单色像差”又可分为“球面像差、彗星像差、像场弯曲、像场畸变等。

眼睛作为一个光学系统，视网膜成像受“像差”的影响，表现为视力、视觉质量被限制，特别是暗环境下视力、视觉质量、黑白对比敏感度等功能下降。

国外眼科界在此方面的研究走在我们的前面，他们根据不同图形重建的多项式计算法，设计出了各种波前像差设备，并利用波前像差技术较为准确地测量眼球的高阶像差与低阶像差，结合计算机技术创建三维立体定量、直观、容易理解的眼球像差图。

眼球的像差分为6阶、27项，其中第1阶（倾斜）和第2阶（离焦、散光）为低阶像差，低阶像差可以通过普通的准分子激光LASIK手术矫正。

第3～6阶的像差（分别为彗星像差、球面像差、三叶草、二次球差等）为高阶像差，普通的LASIK手术不仅不能矫正高阶像差，还有可能使高阶像差比例增加。

这些残余与新增的高阶像差就会导致夜间视觉质量问题。

普通LASIK手术产生视觉质量问题的原因，可能与准分子激光切削的模式、光学区设定的大小、偏中心切削、中央岛、角膜瓣伤口的愈合反应、角膜表面不规则性散光、患者夜间瞳孔直径过大等等因素有关。

儿童远视合并弱视眼的高阶像差与视觉质量的关系【摘要】目的：探索儿童远视弱视眼的高阶像差与屈光度及对比敏感度的关系。

方法：66例远视弱视患儿经10g/L阿托品散瞳7d后进行检影并使用Allegretto波前像差仪进行像差测定；20d待瞳孔完全恢复后在完全矫正屈光不正情况下用CSV 1000对比敏感度灯测试其暗室对比敏感度。

结果：带状检影球镜度为+2.60±1.76D，柱镜度为+1.15±0.98D，散光轴为82.83±27.93。

而波前像差测得的值分别为+2.76±1.69D，+1.35±1.02D，85.37±30.72D。

随着球镜值增大，各阶像差值亦增大。

中、低度弱视组两两比较，RMS1,RMS5，RMSh差异有显著性(P<0.01), 中低度远视组两两比较RMS2，RMSg及C12差异有显著性(P<0.01)。

弱视患儿全频段对比敏感度均下降，尤其高频区下降显著，高阶像差中C8及C12与高频段对比敏感度有相关性。

结论：波前像差检查及对比敏感度检查均能较正确，全面地反映弱视儿童眼的屈光度及视觉质量，可作为远视、弱视儿童屈光检查的一种客观手段。

有助于了解儿童弱视的原因及追踪观察其治疗的转归。

【关键词】远视；弱视；波前像差；对比敏感度；屈光Relationship between the higher order aberrations and the diopter as well as contrast sensitivity in children with hyperopic amblyopiaAng Li,Jun Zeng1Department of Ophthalmology, Hunan Provincial People s Hospital，Changsha 410005, Hunan Province, China; 2Department of Ophthalmology, the Second Affiliated Hospital of Xiangya School of Medicine, Central South University, Changsha 410007, Hunan Province, ChinaAbstract AIM: To investigate the relationship between the higher o rder aberrations and the diopter as well as contrast sensitivity in children with hyperopicamblyopia.METHODS: Sixty six cases of children with hyperopic amblyopia were dilated the pupils with atropine for seven days and a retinoscopy was executed for ever yone. The wavefront analyzer was also used in the study; When the pupils regained the normal diameter 20 days later, the contrast sensitivity was measured by the CSV 1000 in a dark room. RESULTS: The mean refractive states of the children were +2.60±1.76D(hyperopic diopter) and +1.15±0.98D(astigmatic diopter) with an axis of 82.83±27.93 by barred retinoscopy. While recorded by the wavefront aberrations they were +2.76±1.69D and+1.35±1.02D respectively with an axis of 85.37±30.72D.With the increase of the hyperopic diopter, the aberrations at all levels increased. The differences of RMS1,RMS5 and RMSh in the middle and low amblyopic group was as significant as the differences of RMS2,RMSg and C12 in the middle and low hyperopic group (P<0.01). The contrast sensitivity of the children decreased at all frequencies, especially at high frequency. TheC8 and C12 at higher order aberrations had significant correlation with the contrast sensitivity at higher frequency. CONCLUSION:The wavefront aberrations and contra st sensitivity can correctly evaluate refractive degree and visual quality in children with hyperopia and could be used as an objective measure. At the same time , they are useful in investigating the cause of amblyopia and effect of the therapy.KEYWORDS: hyperopia;amblyopia;wavefront aberration;contrastsensitivity;refraction0引言作为一种重要的光学系统，实际人眼除具有像散等像差外，还具有不规则的高阶像差，如球差、彗差等。

波前高阶像差检查仪的原理波前高阶像差检查仪（wavefront aberrometer），原本应用于太空科技，利用光波回弹的数据来计算银河系星球的光年、形状、大小。

而后为了更深入了解眼球内部结构对屈光度数的整体影响，发展运用在眼球视力的检查上，以便在激光治疗时，为角膜量身订做出专有数据，以达到更佳的视力表现。

现今在施行消除近视、远视、散光的度数的激光视力矫正手术后，患者的视力大多仅能达到术前配镜最好的视力，少有超越原来的配镜视力；而小光斑飞点扫瞄激光搭配波前(Wavefront) 理论，便是以量身订做的概念，为LASIK手术规划了一片美好的远景，让完美视力变得可能何谓虚拟镜片（PreVue Lens）？目前新的准分子激光矫正近视系统，让病患在做完波前像差分析后，可依据该数据透过激光系统对两片“虚拟镜片”进行打磨，病患透过打磨完成的虚拟镜片便可预先体验手术后的视力表现，对目前近视激光手术动辄1.2以上的视力表现，多数人可能打从出生到现在都无缘见识过，透过虚拟镜片便可以让您先行体验并对手术更具信心。

波前是由美国太空总署（NASA）所开发出来的技术，用于改善远距离摄影时所面临的像差问题，以取得清晰的天文相片。

近几年来有厂商将波前技术引进眼科，做为检查像差之用，这样的仪器便是“波前像差分析仪”。

波前像差分析仪可以精确显示每个患者的眼球屈光数据，当数据输入激光系统后，便能为患者“量身订作”设计出最佳手术方案。

何谓像差（Aberration）？光线通过不同的介质，会产生不等的折射，到达观测点时便可能焦点不一的模糊现象，这就是像差。

以人眼来说，角膜，水晶体及眼内的房水，玻璃体都会对光线产生折射，如果其中一项或多项有不规则状况，看到的影像便可能模糊不清。

目前眼科界将像差分成低阶及高阶像差两种：低阶像差就是一般所谓的近视、远视及规则散光等屈光不正现象，高阶像差则是不规则的散光。

传统的视力检查项目只能显示出低阶像差，造成一些本身有高阶像差的患者对雷射手术的结果不甚满意（即使视力已达1.0），甚至质疑医师是否手术不当，让这些医师真是含冤莫辩，不过在波前像差分析仪推出后，这种情况便得以改善。