Лазерная диагностика аберраций человеческого глаза с использованием фазовой томографии

На правах рукописиГончаров Алексей СергеевичЛазерная диагностика аберраций человеческого глазас использованием фазовой томографииСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2008Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов и кафедремедицинской физики физического факультета Московского государственногоуниверситета им. М.В.

ЛомоносоваНаучные руководители:доктор физико-математических наук, профессорШмальгаузен Виктор Ивановичкандидат физико-математических наукЛаричев Андрей ВикторовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорРябухо Владимир Петровичкандидат физико-математических наукВохник Ольга МихайловнаВедущая организация:Институт проблем лазерных и информационныхтехнологий Российской академии наук (ИПЛИТ РАН)Защита состоится 17 апреля 2008 года всоветаД 501.001.31вчасов на заседании диссертационногоМосковскомгосударственномуниверситетеим.

М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ,дом 1, стр. 62, Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУАвтореферат разослан «» марта 2008 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М.

Ильинова2Актуальность темыГлаз — сложная фотооптическая физиологическая система. Лучи света отокружающих предметов, падающие на систему, преломляются, фокусируются насетчатке и дают изображение этих предметов. Плохое зрение человека частосвязанно с нарушением оптической системы глаза, когда отсутствует четкаяфокусировка изображения на сетчатку. Распространенными заболеваниямиявляютсяблизорукость (миопия) или дальнозоркость (гиперметропия), новстречаются и более сложные случаи, когда изображение ухудшается за счетаберраций высокого порядка.

К примеру, при кератоконусе к искажению волновогофронта приводит нерегулярная форма роговицы.Исследование особенностей рефракционного аппарата глаза человека ужедавно привлекает внимание исследователей. Пионерские работы Смирноваположилиначалоизучениюволновыхаберраций,возникающихиз-занесовершенства оптических структур глаза. Актуальность этих исследованийособенно возросла в последнее время, когда были разработаны различные методыперсонализированнойкоррекциирефракционныхпатологий,такиекакимплантация интраокулярных линз, лазерная коррекция зрения и т.д. Их успех взначительнойстепениопределяетсядостовернымизмерениемоптическихпараметров глаза.Обычнодлядиагностики(роговичные)-топографы.авторефракторыиспользуютВозможностиэтихавторефракторыприборовикорнеалограничены.Так,позволяют определить суммарные аберрации глаза тольковторого порядка (астигматизм и дефокус), что явно не достаточно для полнойдиагностики глаза. Роговичный топограф определяет лишь форму переднейповерхности роговицы, в то время как аберрации вносит и задняя ее поверхность, атакже другие элементы оптической системы глаза, например, хрусталик.

Причем,известны случаи, когда хрусталик, к примеру, является основным источникомаберраций.Ограничения существующих приборов и методик делают актуальнымразвитие новых методов, позволяющих определить полные аберрации глаза и ихраспределение между оптическими элементами глаза.3Для измерения полных аберраций глаза с успехом используются датчикиволнового фронта типа Шака-Гартмана.

При этом с помощью лазера малоймощности на сетчатке создается виртуальный опорный источник. Рассеянноеизлучение, вышедшее из глаза, направляется на датчик волнового фронта (датчикШарка-Гартмана),измеренныминформациялокальнымскоторогонаклонампоступаетволновойфронтнакомпьютер.Повосстанавливаетсяпополиномам Цернике или путем прямого интегрирования.

Таким образом,получается фазовая картина суммарных аберраций глаза, включая и высокиепорядки. Преимуществом метода является измерение профиля аберрацийодновременно во всей апертуре зрачка.Однако, локализация источников искажения данным методом такженевозможна. То есть нельзя определить на каком расстоянии вдоль оптической осиот вершины роговицы возникают те или иные аберрации, соответственно нельзяопределить, какой элемент их вносит: хрусталик, роговица или другие структурыоптической системы глаза.

Теоретически, используя систему Шака-Гартмана икорнеал-топограф и полагая, что аберрации вносят только роговица или хрусталик,можно разделить источники аберраций. Однако, на практике, возникаютзначительныетрудностиссопряжениемэтихдвухсистем.Во-первых,человеческий глаз весьма сложно зафиксировать, по этому трудно настроитьприбор так, что бы оптическая ось прибора совпадала с визуальной осью глаза, атем более настроить оба прибора так, что бы измерения снятые одним прибором идругим были сделаны вдоль одной и той же оси. Во вторых, характер получаемыхданных одним прибором и другим – различен, и при приведении их к одному итому же виду возникает дополнительная ошибка пересчета.Поэтому возникла необходимость разработки приборов, позволяющихопределять как силу аберраций высоких порядков, так их источники.В астрономии для решения задач локализации источников аберраций припрохождении излучения через атмосферу были разработаны методы модальнойтомографии.

Поставим задачу адаптации этих методов для исследованиячеловеческого глаза. Глава 1 данной работы посвящена разработке и исследованию4одного из методов, позволяющего разделить вклад отдельных элементов глаза всуммарныеискажения.Восновууказанныхметодовположенпринциппредставления искажающей среды в виде набора конечного числа фазовыхэкранов, расположенных перпендикулярно оптической оси. С помощью датчика,расположенного в плоскости, сопряженной с плоскостью приемной апертуры,определяются картины фазовых искажений от некой конфигурации опорныхисточников.

Как можно заметить, зарегистрированный от каждого опорногоисточника волновой фронт будет различаться, поскольку излучение проходитразличные участки фазовых экранов. Обработав эти данные можно определить,какие искажения вносит каждый экран.В случае определения аберраций глаза человека, измерения осложняютсяналичиемспекл-модуляцииврассеянномсетчаткойлазерномизлучении,затрудняющей регистрацию волнового фронта излучения, вышедшего из глаза.Спекл-поле промодулировано как по амплитуде так и по фазе.

Поэтомуизмеренный датчиком профиль волнового фронта в общем случае несетинформацию как об аберрациях оптических элементов глаза, так и охарактеристиках спекл-поля. Как правило, нас интересует именно информация обаберрациях глаза. При этом, необходимо обеспечить высокую относительнуюточность каждого измерения, так как метод модальной томографии используетразностьизмеренийволновогофронтаотразныхопорныхисточников.Следовательно, необходимо каким-то образом устранить влияние фазовоамплитудной модуляции спекл-поля на результаты измерений.

Для этогоприменяются методы, основанные на некогерентном суммировании множестваразличных реализаций спекл-поля.Одним из подходов является использование широкополосных источниковизлучения (например суперлюминисцентных диодов), такие методы мы вдальнейшем будем называть спектральным усреднением. Другой подход основанна усреднении реализаций спекл-поля, получаемых при смещении опорногоисточника по поверхности сетчатки.

Для его реализации в измерительную системупомещается специальное сканирующее устройство. В дальнейшем мы будемназывать этот метод пространственным усреднением. Оба описанных метода ранее5применялись при регистрации волнового фронта рассеянного сетчаткой глазаизлучения, однако эффективность методов исследована не была. Так, изучениеметода пространственного усреднения ограничивалось визуальной оценкойкачества гартманограммы. Изучение метода спектрального усреднения ранее непроводились. Кроме того, эффективность описанных методов существенно зависитот свойств рассеивателя, в нашем случае сетчатки глаза человека.

Глава 2настоящей работы посвящена теоретическому описанию, а также численному иэкспериментальномуисследованиюуказанныхметодовподавленияспекл-структуры.Точность восстановления волнового фронта в значительной степени зависитот распределения интенсивности в сечении входного пучка. Наличие амплитуднойсоставляющейвспекл-структурерассеянногосетчаткойглазаизлученияуменьшает точность измерения датчиком волнового фронта.

Остаточная спеклструктура может не позволить провести измерения с необходимой дляиспользования метода модальной томографии точностью. Так, смещение каждогоиз конфигурации сформированных опорных источников по поверхности сетчатки вметоде пространственного усреднения, не должно превышать расстояния междуними, что ограничивает количество усредняемых реализаций спекл-структуры иможет привести к неполному ее подавлению.За прошедшие годы были предложены разнообразные методы, позволяющиекачественно оценивать и измерять профиль волнового фронта. Наиболеепопулярными в настоящее время являются интерферометрические устройства,использующие когерентное сложение волн и датчики типа Шака-Гартмана.Обладая многими преимуществами, точность упомянутых методов в значительнойстепени зависит от распределения интенсивности в сечении входного пучка, чтоограничивает область их применения.В главе 3 данной работы для регистрации формы волнового фронтапредлагается использовать конфокальную 4-f систему с фазовым ножом в качествепреобразователя пространственного спектра сигнала.Фазовый нож, как метод визуализации фазовых искажений известен ужедовольно давно, однако его использование ограничивалось лишь качественной6оценкой профиля фазовых искажений.