景深與球差


景深與球差

2021-02-07 O目黑O

昨天晚上,在羣里聊了一個晚上,搞懂了一個困惑我很久的問題,拿出來分享一下。問題源於昨晚,好友陳旭博士講到人眼在老化的過程中,不斷通過幾個不同的機制增加景深以代償調節力不足引起的老視,其中包括瞳孔縮小、球差和逆規散光。這幾個方式都是已經證明是行之有效的方法,其中瞳孔縮小可以增加景深,這個估計大家是沒什麼疑問的,但是球差爲什麼能夠增加景深呢,卻是我一直百思不得其解的地方。

作爲對視覺質量影響最大的高階像差,球面像差一直是我們屈光白內障醫生和屈光手術醫生關注的話題,也幾乎所有相關的書都會提到,保留少量的正球差可以讓視覺質量更好、增加景深,甚至連數據都有了:一般認爲保留0.1um的正球差是最有利的。但是,這些書都沒有提到爲什麼?爲什麼球差不是0才是最好的嗎?正球差和負球差效果不是應該一樣才對嗎?如果是一樣的爲什麼只強調正球差,而不說負球差呢?這個結論對不對,對於我們如何選擇人工晶體來矯正球面像差非常重要。

我們先來看看什麼是球面像差?球面像差是指近軸光線和遠軸光線不能匯聚在同一焦平面上,遠軸光線匯聚在焦平面前叫正球差,遠軸光線匯聚在焦平面後叫負球差。大家看看下面的圖片,會清楚很多。

從上圖可以看出來,無論是正負的球差,遠軸的光線都會在成像面上形成一個彌散圈。那麼球面像差又是怎麼增加景深的呢?

講到景深,如果不記得的可以看看我之前的文章(乾貨)紙上談兵-說說我對symfony新無級人工晶體的看法

討論中王勇主任講了句很有總結性的話

從上面的圖片很容易看出來,球面像差會讓一個焦點變成一個焦段,從而增加景深,當然這個景深的增加是有代價,顯然會降低中心成像的質量。彌散圈越小,那麼成像的質量就越高,彌散圓越大,成像的質量就越差。

那麼我們的第一步結論:球面像差可以增加景深,是可以成立的。

接下來是爲什么正球差的效果要比負球差要好呢?從上面的討論來看,正負球差的結果應該是一樣的,但是我們忽略的一點,以上的討論是基於焦平面是一個平面的前提來討論的,而實際上,我們人眼的視網膜是有弧度的,尤其是黃斑中心凹,於是有了下圖

左邊是正球差的情況,可以看到實際上的彌散圈直徑CD要比我們原來認爲的直徑AB要小,右邊是負球差的情況,剛好相反,實際上的彌散圈直徑CD要比我們原來認爲的直徑AB要大。這樣我們就可以知道,由於黃斑中心凹彎曲的原因,我們的眼球保留正球差的視覺效果要遠好於負球差,少量的正球差對視覺質量的影響不大,卻能增大景深。我們在白內障手術中,應該根據患者的角膜像差情況來選擇合適的人工晶體,可以保留少量的正球差,千萬不要過矯形成負球差。

一家之言,歡迎大家留言討論。還有第二個問題,爲什麼逆規散光的景深要比順規散光的要大,同樣歡迎大家的討論。