美好生活,離不開能看見美的視力
2020年07月03日16:09

  來源:中國科學院光電技術研究所

  “那大聖睜圓火眼金睛,低頭看時,原來佛祖右手中指寫著‘齊天大聖到此一遊’”。——《西遊記》第七回。大聖必須看清楚些,可別被佛祖騙了,因此他用盡了力氣睜大眼睛去看。大聖告訴我們了一個生活中的常識:睜大眼睛可以看得清楚。

  但下圖中看手機的大叔,又帶給我們完全相反的另一個生活常識:視力不好的人看東西時,儘量眯起眼睛來才能看得清楚些。也就是說:瞳孔縮小可以看得清楚。

(圖片來自網絡)
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  操作完全相反的大聖和大叔,到底誰對誰錯,還是都對都錯?這兩個常識在生活中都被人們廣泛使用,而實踐是檢驗真理的唯一標準,因此他們都正確。

  如此一來,大聖肯定犯嘀咕:到底是何方妖孽在作怪?答案是:人眼像差。當然,它不是妖怪,而是人類、尤其是現代人本身具有的身體特徵。

  大聖和大叔的矛盾,仍然是亙古不變的“理想與現實的差距”問題。人眼是一個光學成像系統:以角膜和晶狀體為主的人眼屈光系統,相當於相機的光學鏡頭,它把來自物體的光線聚焦在視網膜上,再通過神經傳導至大腦處理後,來形成物體的像。根據光學成像理論,對於無像差的完美光學系統,增大入射光束的尺寸可以提高解像度,從而能夠看清楚更小的物體或分辨更多的細節。因此,大聖想看得更清楚,就必須儘量睜大眼睛。但別忘了這一操作成立的前提條件:得是無像差的眼睛才行。

  而現實情況卻是,大多數人的眼睛都存在著這樣那樣、或大或小的像差,根本不是完美的光學系統。睜大眼睛不但不能看得清楚,反而會更模糊,科學描述就是:一個點物在視網膜上成為了一個能量瀰散的大光斑圖像。但如果把眼睛眯起來,只讓少量光線進入眼睛,瀰散的大光斑圖像會明顯變小,看上去更接近於點物。這就是大叔操作的正確性。

  什麼是人眼像差?

  顧名思義,像差就是一種誤差,人眼像差就是人們觀察外部世界、或從外部觀察眼內時的非正常視覺功能狀態。經過漫長時間的進化,人眼這一器官已趨完美:來自遠處物體上一個點的光線,平行入射眼睛,被屈光系統聚焦在視網膜上,形成一個能量集中的清晰點像。

  而在有像差的實際眼內傳輸後,光線在視網膜上不被聚焦成清晰的點像;波前也不再是球面,而是不規則分佈。在人眼瞳面位置處,有像差的實際眼的不規則波前,與無像差的理想眼的平面波前之間的偏離,就是人眼像差。

  像差對視覺的影響,主要表現為:模糊、低對比度、重影、分色和變形等。受像差的影響,我們所看到的物體不再是其本來的樣子,而且同一物體對於不同人呈現出不同的樣子,這意味著外部世界不再是真實和一致的,而世界的客觀唯一性是人類知識體系的基石。可見小小的人眼像差,會導致嚴重的知識體系崩塌,其威力不容小覷。

(圖片來自網絡)
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  我們知道,眼睛是信息的採集機構,而且超過80%的信息都是通過眼睛獲得。如果採集到的大量信息都是不準確的,人們又如何來形成對外部世界的正確認識呢?所以,從400多年前出生的天文學家和數學家開普勒開始(準確時間和貢獻者無定論),人類就一直在不斷地認識人眼像差,和它的鬥爭(如何消除它的影響)也從未停息過。

  人眼像差產生的原因是什麼?

  1)眼球形狀不規則,比如在上下和水平切面內不對稱,使得眼睛在不同方向的聚焦能力不同,導致光線不能聚焦於同一位置。角膜和晶狀體等局部眼組織的形狀不規則,也會引起像差。

  2)從最外部的角膜到最深部的視網膜,眼睛由不同的組織構成,它們的形狀和折射率等各不相同,使得光線在眼組織中傳輸時呈不規則路徑,而不能聚焦於一點。

  3)眼組織受到損傷(如角膜表面不平整等),病變引起的組織變異(如晶狀體渾濁、玻璃體變性、液化和渾濁等)、功能喪失(如不能進行屈光調節等)、和形成障礙物(如腫塊腫瘤物等)等,以及風吹、過熱過冷和環境振動等外界干擾,均會引起人眼像差。

  此外,還有光軸與視軸不重合、角膜與晶狀體的光學中心不一致等其他原因。

  如何描述和測量人眼像差?

  像差通常採用澤尼克多項式的線性組合來描述,用嚴格的數學方式來表達,具有標準統一和可量化的特點,便於不同物體之間像差的比對與傳遞。澤尼克多項式只是一種數學表達的形式,具體由對應單位圓的歸一化係數、表示徑向變化的多項式、和表示周向變化的正弦函數所構成,它表示波面在單位圓內沿徑向和周向的變化情況,也就是從眼內出射的圓形光束在瞳面處的波前分佈。多項式中的每一項都被稱為波前模式,表示不同的像差類型。高精度人眼像差通常需採用前35項波前模式來描述,按波面沿徑向的變化情況劃分為7階:前2階為低階像差,包含5項,其中就有人們所熟知的離焦(近視或遠視)和散光;從3階開始為高階像差,包含球差、彗差和三葉草等30項像差。

  人眼像差測量就是通常所說的驗光,是配鏡行業和眼科學中必不可少的基本操作,分為主觀和客觀兩類方法。主觀驗光又稱主覺驗光,是使用視力圖表和綜合驗光儀等工具,根據患者主觀反映的視力變化,得出其屈光度數的方法。這是目前配鏡行業採用最多的方法,具有簡單廉價的特點,但只能獲得近視、遠視和散光等低階像差。

主觀驗光 (圖片來自網絡)
主觀驗光 (圖片來自網絡)

  客觀驗光又稱他覺驗光,是使用檢影鏡和電腦驗光儀等工具,直接觀察患者瞳孔中光標移動的客觀變化,得出其屈光度數的方法。目前眼科臨床上廣泛使用的自動電腦驗光儀,就是一種客觀檢查眼屈光狀態的儀器,它通過改變進入眼睛的光線聚焦度,來使光標清晰地成像在視網膜上,從而自動計算出眼的屈光度,能獲得包括低階和高價在內的全部像差。

客觀驗光 (圖片來自網絡)
客觀驗光 (圖片來自網絡)

  人們通常只聽聞離焦和散光等低階像差,而對高價像差知之甚少,這是否就意味著:高價像差對人們生活的影響無關緊要呢?此話有道理,但又不盡然。低階像差的數值確實要遠大於高階像差,其對視覺的影響也最大,因此矯正低價像差後,通常就能獲得不錯的視覺質量,已能滿足人們的日常生活需要。此外,迄今為止,人們對高價像差的矯正還無能為力,故它還未進入人們關注的範圍。

  但隨著人們對生活質量要求的不斷提高,高價像差對生活的影響也會逐漸顯現。我們再返回去幫大聖分析下他的操作:瞳孔增大後,高階像差會相應地增大,如下圖所示,僅球差、彗差和三葉草這三項高階像差,就能使視物模糊不清,因此高階像差並非無關緊要。無明顯高階像差的最大瞳孔尺寸,通常只有僅僅2mm左右(仍然存在低階像差),但此時的視覺分辨力已很低。

  越來越多高質量的生活用品,正帶給人們高品質的生活享受,如像素數不斷攀升的手機、電腦和電視屏、以及超高清影視節目等,這一切都離不開“能看到”它們的眼睛,否則就浪費了如此美好的事物。因此,美好生活,離不開能看見美的視力。

(圖片來自網絡)
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  如何矯正人眼像差?

  像差矯正的基本原理,就是主動使波前發生變形,它與像差波前的變形:大小相等、方向相反。主動產生的矯正波前,與實際的像差波前的變形,就能相互抵消,從而獲得無像差的規則波前。可見像差矯正需具備兩個基本條件:能獲得像差分佈的波前傳感器和能使波前發生變形的波前矯正器。

  目前的人眼像差矯正方式,分為非手術矯正和手術矯正兩類:前者為採用除臨床手術之外的方式,如配鏡、物理療法和藥物等,來治療、恢復或提高視覺功能的方法;而後者為採用臨床手術方式,如人工晶體植入和激光手術等,來治療、恢復或提高視覺功能的方法。

  非手術矯正方式不改變眼組織、而是依靠“增加”外物來實現。人們廣泛佩戴的框架眼鏡和角膜接觸鏡(隱形眼鏡),就是非手術矯正方式中的波前矯正器。來自物體的無像差平面入射波前,通過波前矯正器後“主動”產生了變形,成為如下圖中紅色曲線所示的矯正後波前,它在眼內傳輸時正好與像差波前相互抵消,使光線聚焦在視網膜上,成為理想的點像,從而能看清物體。

  手術矯正方式是通過改變或“減少”眼組織來實現。通過臨床手術植入設計好的人工晶體、或者對角膜組織實施各種手術操作,使本應如綠色虛線所示的不規則波前,變成紅色實線所示的球面波前,使光線聚焦在視網膜上,成為理想的點像。

  (圖片修改自網絡)
  (圖片修改自網絡)

  非手術和手術矯正方式各有優缺點,均擁有廣大受眾。非手術方式具有安全、經濟負擔輕、可根據視力變化多次更換眼鏡等優點,其存在的不足有:只能矯正低階像差;鏡片的度數不連續,不能提供正好所需的矯正度數,例如:某人視力-1.85D(+/-表示遠視/近視,1D表示100度),只能佩戴接近的-1.75D或-2.0D的標準鏡片產品;某些特殊場合、人群、或行業等不便佩戴眼鏡。手術方式目前大多通過波前像差引導進行,理論上能矯正低階和高階像差、且能提供患者正好所需的矯正量,具有矯正準確和生活方便等優點,但也存在術後效果不確定性高、安全風險大和經濟負擔重等不足。

  手術矯正方式的利弊、終止還是繼續和是否擴大對象範圍等,民間、學術和行業界等一直爭論不休,至今也無定論,這裏也不便給出結論。但我們知道,一個人的視力是隨著年齡、身體狀況、用眼習慣、和精神狀態等諸多因素的變化而變化的,而手術方式不能根據視力變化多次進行手術。手術會使角膜組織等越來越薄,極易引起角膜膨脹等嚴重後果,反而會使視力急劇惡化,嚴重者只能通過角膜移植來重建視力。此外,手術創面的恢復,會與術前設計不一致,導致獲得的視力與期望相左;手術創面還存在著局部凹凸不平,這會引起高階像差。高階像差增大對生活的影響不容忽視,比如:在夜晚等昏暗環境里駕駛,看到迎面而來的車燈,會出現明顯的眩光和光暈等現象,時間久了會引起視覺疲勞和身體不適等反應,對駕駛安全極為不利。

  是否存在完美的人眼像差矯正方法?

  非手術和手術矯正方式各有優缺點,那麼是否存在集合二者優點、而克服二者缺點,即完美的人眼像差矯正方法呢?答案是:有。這就是基於自適應光學(AO)技術的人眼像差個性化精準矯正方法。在介紹它之前,先來瞭解下AO技術的原理。

  AO技術起源於天文觀測領域,用於實時測量和矯正大氣擾動引起的波前畸變,使人類能夠清晰地觀察天體和空中目標。人眼像差也是一種波前畸變,因此美國羅徹斯特大學的威廉姆斯等人於1997年把AO技術引入到人眼領域,通過將光瞳擴大、由此產生的像差則由AO技術來矯正,使解像度達到了2μm水平,人類首次觀察到了活體人眼視網膜的細胞圖像。此後,AO技術就成為了人眼高解像度觀察必不可少的技術手段。我國在1999年,也由中科院光電所實現了基於AO技術的活體人眼視細胞成像。

  基於AO技術的人眼像差個性化精準矯正,就是:利用AO技術測得精確像差,經計算後獲得像差矯正所需的複雜任意麵形,再把該面形製作到眼鏡、接觸鏡或人工晶體等矯正器上、或通過波前像差引導技術在角膜上加工出該面形。由於測得的像差是患者本人的,據此產生的矯正器也是專門針對患者本人製作的,而不是從標準產品中選取;矯正是精確的,而不像常規眼鏡只是近似矯正。因此,該方法是一種個性化高精度的定製化服務,能獲得最佳的視覺效果。

  由於視覺效果是客觀生理作用與主觀感受相結合的結果,並非矯正全部像差才能獲得最佳視覺體驗,因此個性化矯正還應考慮個體的主觀感受,這可通過視覺仿真器來實現。它也是一種AO技術,可選擇矯正不同的像差項和矯正量的多少,通過客觀像差測量和主觀感受相結合,來找到個體的最佳視覺體驗,此時的像差矯正情況、即矯正器面形,就是此人的最佳視力矯正處方。

  通過前面對非手術和手術矯正方式的對比分析可知,只有基於AO技術的非手術矯正方式、即把矯正面形加工在眼鏡或接觸鏡上,才是最完美的人眼像差矯正方法:安全、個性化、精確矯正全部像差和可多次更換等。但要實現這一目標,目前還存在著一些挑戰,主要是矯正器的製作工藝還不太成熟。以眼鏡為例,為矯正離焦,需把鏡片表面加工成球面;為矯正散光,需加工成柱面;為同時矯正離焦和散光,需加工成球面和柱面的疊加;而為了矯正包含低階和高階在內的全部像差,大家想像一下鏡片表面需加工成什麼面形?而且該面形需加工在對應光線進入眼睛的中心區域約6~8mm的圓內、加工精度需達10nm量級,可見其製作難度之高。

  完美人眼像差矯正離普通人還有多遠?

  當前視力矯正存在的問題、和巨量視力患者所蘊含的商機,正推動著包括學術、行業、政府組織和商業機構等在內的全鏈條聯動,這是完美像差矯正能走向普通人生活的最大保障。但具體還需多久,則主要取決於製作水平、商業模式和市場售價等因素。

  製作方面,目前主要採用曝光刻蝕、微加工和注塑等方式製作矯正面形。隨著超高精密加工業的發展、和3D打印等新技術的推廣應用,製作出完美矯正人眼像差所需的眼鏡和接觸鏡等產品,已指日可待。

  商業模式方面,由於加工設施昂貴和技術難度高,製作只能集中在工廠進行。眼鏡門店和眼科醫院等只需配置像差測量儀,把測得的患者像差信息傳遞給工廠進行鏡片製作,完成後再返回門店或醫院加裝鏡架。這是一種定製服務、且需要一定的等待時間,和目前的立等可取不同。好在此種商業模式目前已不少見,能為消費者所接受。

  售價方面,估計初期會遠高於目前的普通眼鏡,但會低於手術矯正方式。鑒於手術方式存在安全風險、且效果不確定性高等,也仍然有如此多的受眾,因此該產品的初期售價應該也能被部分消費者所接受。隨著量產、工藝進步和市場成熟等因素的不斷髮展,產品售價必然會逐漸平民化,使其最終成為普通老百姓的日常用品。

  走在大街上,你會發現滿眼儘是眼鏡,甚至連中小學生等青少年群體也有很大比例,再加上佩戴隱形眼鏡和接受手術視力矯正者,更是一個龐大的群體。因此,視力問題已成為一個社會問題,需各行各業的共同努力才能解決。隨著科技的不斷髮展,人類一定能夠解決好人眼像差這個“缺陷”。尤其是基於AO技術的人眼像差個性化精準矯正方法的出現,更是為此問題的解決提供了一種完美的解決方案。相信在不久的將來,人類就可以擁有這樣的完美視力矯正產品,能夠準確地觀察這個美麗的世界、和擁有美好的生活。

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