Измерение и воспроизведение аберраций для расширения зоны изопланатизма глаза

На правах рукописиБЕЛЯКОВ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧИЗМЕРЕНИЕ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ АБЕРРАЦИЙ ДЛЯРАСШИРЕНИЯ ЗОНЫ ИЗОПЛАНАТИЗМА ГЛАЗАСпециальность 05.27.03 - квантовая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2006Работа выполнена в Международном лазерном учебно-научном центреМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНаучные руководители:кандидат физико-математических наук,Черезова Т. Ю.доктор физико-математических наук,Кудряшов А. В.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,член - корреспондент РАИН,профессор Дмитриев В. Г.доктор физико-математических наук,Кочемасов Г.Г.Ведущая организация: Саратовский государственный университетЗащита состоится14 декабря 2006 г. в 16-00 на заседаниидиссертационногосоветаД501.001.31приМосковскомгосударственном университете им.

Ломоносова по адресу: ЛенинскиеГоры, д.1. стр. 62, корпус нелинейной оптики, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им. Ломоносова.Автореферат разослан2006 года.Ученый секретарь диссертационного советаД 501.001.31кандидат физ.-мат. наукИльинова Т.М.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время адаптивные оптические системы все чащенаходят свое применение в областях, связанных с медициной ибиофизикой.

Наиболее широкое распространение получилоиспользование методов адаптивной оптики в офтальмологии, гдезачастую бывает необходимо получать высококачественныеизображения сетчатки пациента. Эти изображения позволяют оценитьсостояние глазного нерва, кровеносных сосудов, фоторецепторов идругих деталей глазного дна. Такие заболевания как, например,сахарный диабет и глаукома вызывают мельчайшие изменения вструктуре глазного дна, поэтому способность разрешать мелкиедефекты на сетчатке может сыграть ключевую роль в диагностикеэтих заболеваний на ранней стадии.Известно, что оптическая система глаза неидеальна и обладаетаберрациями.

Помимо традиционных аберраций низших порядков,таких как дефокусировка и астигматизм, глаз может обладатьаберрациями высших порядков, например, комой или сферическойаберрацией. Наличие аберраций приводит к ухудшению качестваизображений, получаемых с помощью фундус-камер (приборов,используемых для получения изображения глазного дна), что можетзатруднять полноценную диагностику перечисленных заболеваний.Конструкция современных фундус-камер включает в себяадаптивную оптическую систему, которая позволяет компенсироватьаберрации глаза и, таким образом, разрешать мельчайшие деталиглазного дна.

Однако, даже в случае использования идеальногокорректора, который полностью компенсирует фазовые искажения,улучшение разрешающей способности фундус-камеры возможнолишь внутри зоны изопланатизма глаза. Это связано с тем, чтоаберрации, приобретаемые пучком, распространяющимся вдоль осикоррекции и вне ее, могут существенно различаться, поэтому фазоваякоррекция с использованием одного корректора улучшает разрешениелишь небольшого участка глазного дна, соответствующего зонеизопланатизма.

В тоже время для полноценной диагностикинеобходимо получать высокое разрешение в возможно большем углезрения.Таким образом, ограниченность зоны высокого разрешенияизображения глазного дна является одной из ключевых проблем,3возникающих при использовании адаптивных оптических систем длякомпенсации аберраций глаза. Для решения этой проблемы иповышения качества диагностики различных заболеваний необходимаразработка методов расширения зоны высокого разрешенияизображения глазного дна, полученного с помощью фундус-камер,оборудованных адаптивными оптическими системами.

Поэтомуколичественноеикачественноеисследованиеэффектаанизопланатизма, выявление его причин и особенностей являетсяактуальной задачей.Цель диссертационной работыЦелью данной диссертационной работы является разработкаметодик расширения зоны высокого разрешения изображенияглазного дна на основе результатов исследования эффектаанизопланатизма глаза человека.Научная новизна результатов1.Впервые предложены модификации модели Гульстранда,описывающиекаквнеосевыеаберрацииреальногочеловеческого глаза, так и аберрации, обусловленныеотклонением формы оптических элементов от идеальной.2.Впервые предложен динамический имитатор аберрацийчеловеческого глаза, содержащий гибкое биморфное зеркало ипозволяющийформироватьосевыеаберрацииспространственно-временным спектром, характерным для глазачеловека.3.Впервые проведена оценка размера зоны изопланатизмачеловеческогоглазанаоснованииэкспериментальноизмеренных внеосевых аберраций.

Показано, что уменьшениезоныизопланатизмаобусловленоглавнымобразомразъюстировкой оптических элементов глаза.4.Предложены новые методы расширения зоны изопланатизмаглаза, которые основываются на нейтрализации рефракции напередней поверхности роговицы с помощью иммерсионнойжидкости, а также на применении методики коррекцииаберраций по двум опорным источникам.4Научная и практическая ценностьМоделирование оптической системы реального глаза позволиловыявить причины уменьшения зоны изопланатизма глаза, а такжеобъяснить поведение его внеосевых аберраций.Предложенный оптический имитатор может быть использовандля калибровки офтальмологических приборов, а также для изученияповедения осевых аберраций глаза при аккомодации.Методы расширения зоны изопланатизма человеческого глазамогут быть использованы в современных фундус-камерах,оборудованных адаптивными системами, для расширения области, вкоторой возможно получение высокого разрешения глазного дна.Улучшенный алгоритм восстановления волнового фронта пометодуШака-Гартмана,учитывающийнеравномерностьраспределения интенсивности поля, рассеянного глазным дном,позволяет получить более точную карту искажений глаза.

Это в своюочередь позволяет более точно измерить аберрации глаза и тем самымснизить риск возникновения послеоперационных осложнений послепроведения операции лазерной коррекции, вызванных неточнымизмерением аберраций.Личный вклад автораВсе результаты, представленные в диссертационной работе,были получены автором самостоятельно либо при непосредственномучастии.Защищаемые положения1.

Поведениевнеосевыхаберрацийглазаобусловленоразъюстировкой толстых оптических элементов в оптическойсистеме глаза: их сдвигами и наклонами относительнооптической оси. Осевые аберрации обусловлены такжеотклонением формы этих элементов от идеальной.2. Использование иммерсионной жидкости на внешнейповерхности роговицы глаза, описываемого модельюГульстранда-Наварро,позволяетрасширитьзонуизопланатизма глаза до 6.1° без ухудшения качестваизображения на оси коррекции.53.

Использованиеметодакоррекцииаберрацийглаза,описываемого моделью Гульстранда-Наварро, по средней фазеот двух точечных источников позволяет расширить зонуизопланатизма глаза до 4.8° с остаточной ошибкой коррекциив центре до 1 рад.4. Использование метода компенсации аберраций глаза сприменением двух корректоров, компенсирующих аберрациихрусталика и роговицы, непозволяет расширить зонуизопланатизма глаза.5. Модель глаза, содержащая полупассивное 18-ти электродноебиморфное зеркало с центрально-симметричной структуройрасположения электродов, может эффективно использоватьсядля воспроизведения осевых аберраций глаза.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались на международныхконференциях: Remote Sensing Europe (Canary Island, 2004),Международный симпозиум по оптике атмосферы и океана (Томск,2004), European Conference on Biomedical Optics (Munich, 2005), OSAAnnual Meeting (San-Diego, 2005), Оптика – XXI век (Москва, 2005),Photonics West (San-Jose 2006), Оптика лазеров (Санкт-Петербург,2006), Оптика лазеров для молодых ученых (Санкт-Петербург, 2006),Photonics North (Montreal 2006), Workshop on Optical Technologies inBiophysics & Medicine VIII (Saratov, 2006), Лазерная физика иоптические технологии (Гродно, 2006).

Результаты работыдокладывались на научных семинарах в национальном университетеГалвей (Ирландия) в 2006 г. и на семинаре кафедры общей физики иволновых процессов в МГУ в 2006 г. По теме диссертацииопубликовано 16 работ, список которых приведен в концеавтореферата.Структура диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,приложений и списка литературы. Полный объем работы 129 страниц,включая 45 рисунков и 8 таблиц. Библиография содержит 117наименований, в том числе 16 авторских публикаций.6КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обосновывается актуальность выбранной темы,отмечается ее научная новизна и практическая ценность.

Приводитсяобзор научных работ, касающихся исследований аберрационныхсвойств глаза, описываются проблемы, существующие насегодняшний день в этой области. Во введении формулируются такжевыносимые на защиту положения, кратко описываются содержание иструктура диссертационной работы.В первой главе приводится описание экспериментальнойустановки для измерения аберраций глаза с использованием датчикаШака – Гартмана. Приводятся примеры измерения аберраций глазнекоторых пациентов.Параграф 2 главы 1 посвящен построению математическоймодели датчика волнового фронта.

Данная математическая модельиспользуется для анализа ошибок, возникающих при измеренииаберраций глаза по методу Шака-Гартмана. К анализируемым впараграфе 3 типам ошибок относились: ошибка, связанная сточностью позиционирования зрачка (до 3%), ошибка, связанная сконечным пространственным разрешением камеры (до 1%), ошибка,связанная с дискретизацией непрерывного по амплитуде сигналакамерой (до 0.1%), ошибка, связанная с шумовым сигналом камеры(до 0.4%), ошибка, связанные с выбором математической моделивосстановления волнового фронта. В параграфе 4 проводится расчетвеличины данной ошибки и показывается, что ее значение можетдостигать 2.5% от среднеквадратичного отклонения исследуемоговолнового фронта. Важно отметить, что эта ошибка являетсясистематической, поэтому ее влияние нельзя уменьшить за счетувеличения числа измерений аберраций глаза.

В связи с этимпредложен и реализован уточненный алгоритм восстановленияволнового фронта, устраняющий ошибки, связанные с выборомматематической модели восстановления волнового фронта.Во второй главе методика измерения аберраций с помощьюдатчика волнового фронта Шака-Гартмана применяется дляисследования свойств оптической системы глаза. За основу беретсяэкспериментальная установка, приведенная в главе 1, котораямодифицируется в соответствии с особенностями проводимогоэксперимента.7Параграф 1 данной главы посвящен эксперименту по измерениювнеосевых аберраций глаза. Для этого эксперимента установкадополнялась специальной мишенью, состоящей из меток, которыерасполагались вдоль горизонтальной оси на расстоянии 0.5° друг отдруга.

Мишень позволяла поворачивать ось фиксации глаза иформировать опорные источники в различных участках глазного дна.На рис. 1(а) изображено характерное поведение аберраций глаза приизменении положения опорного источника. Анализ поведениявнеосевых аберраций для разных пациентов показал, что основнымивозникающими при этом аберрациями являются крупномасштабныеискажения, такие как дефокусировка, астигматизм, кома.(б)(а)Рис 1 (а). Поведение внеосевых аберраций глаза для пациентаАД (правый глаз); (б) значение коэффициентов Цернике дляразных элементов правого глаза пациента АД(правый глаз).В параграфе 2 представлены результаты эксперимента поизмерению вклада аберраций внешней поверхности роговицы ивнутриглазной оптики в суммарные аберрации глаза.