Лазерная диагностика аберраций человеческого глаза с использованием фазовой томографии, страница 2

Недавно была предложена модификациясхемы с фазовом ножом улучшающая линейность преобразования «фазаинтенсивность» и позволяющая визуализировать первую производную функциифазового распределения. Было показано, что такая схема обладает малойчувствительностью к амплитудной модуляции входного излучения. Однако этотметод по-прежнему оставался лишь качественным.Цели работы и решаемые задачиЦель настоящей работы заключается в разработке неинвазивного методараздельного измерения аберраций оптических элементов глаза. Метод долженобеспечиватьобусловленныхизмеренияналичиемв условиях сильных флуктуаций интенсивности,спекл-структурыврассеянномсетчаткойглазаизлучении.Для выполнения поставленных целей решены следующие задачи:Разработан и исследован модернизированный метод модальной фазовойтомографии для раздельного измерения аберраций оптических элементовчеловеческого глаза.

Метод основан на анализе волнового фронта от несколькихопорных источников, формируемых лазерным излучением на сетчатке глаза.Проведено подробное исследование методов подавления спекл-структуры,позволяющих повысить точность измерения датчиком Шака-Гартмана волновогофронта излучения опорных источников в условиях сильных флуктуацийинтенсивности.Разработан и исследован датчик волнового фронта на основе фазового ножа,позволяющийпроводитьколичественныеизмерениявусловияхсильныхфлуктуаций интенсивности для целей модальной фазовой томографии.Научная новизнаРазработан и исследован модернизированный метод модальной фазовойтомографии для исследования аберраций глаза человека, основанный на анализе7волнового фронта от нескольких опорных источников, формируемых на сетчаткеглаза.Впервые проведено подробное исследование и сравнение методов подавленияамплитуднойифазовойсоставляющихспекл-структуры,основанныхнапространственном и на спектральном усреднении множества реализаций спеклполя, рассеянного сетчаткой глаза.Впервые предложен и реализован датчик волнового фронта на основефазового ножа для количественного измерения распределения фазы световойволны.Практическая значимость работы определяется возможностью примененияразработанного метода модальной фазовой томографии для исследованияаберраций человеческого глаза.

Метод позволяет определять вклад различныхоптических структур в суммарные аберрации глаза. Проведенное исследованиеспекл-структуры светового поля, отражённого от сетчатки глаза, позволяет оценитьпотенциальную точность измерений и обосновать применение сканирующегоустройства при определении аберраций глаза.

Исследование оптической системы сфазовым ножом показывает возможность её использования в качестве датчикаволнового фронта. Использование датчика целесообразно при измерении полей смалыми фазовыми искажениями на фоне сильной пространственной модуляцииинтенсивности.Защищаемые положения1. Метод модальной фазовой томографии на основе анализа волнового фронтаот нескольких опорных источников, формируемых на сетчатке глаза, позволяетизмерять полные аберрации глаза, а также их распределение между оптическимиструктурами глаза. Так, метод позволяет определить вклад двух элементовоптической системы глаза для модельных аберраций второго порядка сосреднеквадратичной ошибкой не превышающей 0.25 дптр, а также для модельных8аберраций третьего порядка со среднеквадратичной ошибкой не превышающей0.4 мкм.2.

Пространственное усреднение (сканирование источника по поверхностисетчатки глаза) позволяет понизить контраст спекл-структуры, возникающей приизмерении аберраций модели глаза, более чем в 10 раз (что соответствуетуменьшению дисперсии флуктуаций фазы с 0.6λ до 0.05λ) при диаметреокружности сканирования 0.15 мм и характерном размере неоднородностейсетчатки около 6 мкм.3.

Спектральное усреднение с использованием широкополосного излучения(суперлюминисцентный диод с ∆λ/λ=0.02) при диапазоне значений разности ходалучей, участвующих в формировании спекл-картины равном 16.7 λ, позволяетснизить контраст спекл-структуры, возникающей при измерении аберраций моделиглаза, в 1.5 раза (что соответствует уменьшению дисперсии флуктуаций фазы с 0.6λдо 0.4λ).4. Диапазон линейной работы датчика волнового фронта на основе фазовогоножа может быть увеличен путем использования протяженного источникаисходного светового поля. Использование источника с угловым размером 0.5градусов при λ=0.63 мкм расширяет диапазон линейной работы датчика более чемв 5 раз.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались на четырехмеждународныхконференциях:третьеймеждународнойконференции«Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 18-21 октября 2004 г.),международной конференции ICONO/LAT 2005 (Санкт-Петербург, 11-15 мая 2005г.), XVI-ой международной конференции «Лазеры в науке, технике, медицине»(Адлер, 19-23 сентября 2005 г.), международной конференции ICONO/LAT 2007(Минск, 28 мая – 1 июня 2007 г.), а также изложены в семи авторских публикациях,четыре из которых опубликованы в изданиях, входящих в список ВАК.Список опубликованных работ приведен в конце настоящего реферата.9Структура и объем работыРабота состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемойлитературы.

Полный объем работы составляет 143 страницы, включая 86 рисункови 2 таблицы. Библиография содержит 105 работ.Личный вкладВсе использованные в диссертации результаты получены автором личноили при его определяющем участии.Содержание работыВо ВВЕДЕНИИ кратко обоснована актуальность работы, определены целидиссертационной работы, приведены защищаемые положения и структурадиссертации.В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ предложен и исследован новый метод модальнойфазовой томографии для диагностики аберраций глаза человека.В параграфе 1.1 описаны существующие методики исследования аберрацийглаза человека, в том числе с использованием таких приборов как авторефракторы,роговичные топографы и аберрометры.

Описаны различные томографическиеметодыреконструкциираспределенияфункции,заданнойвтрехмерномпространстве, в том числе метод обратных проекций, метод ламинографии имодальной томографии.В параграфе 1.2 описана модель оптической системы глаза, использующаядлямоделированияиндивидуальныхаберрацийроговицыихрусталикакомбинацию идеальных линз и ассоциированных с ними фазовыми экранами.Представлено теоретическое описание предложенного метода модальнойфазовой томографии, а также описание общей схемы измерений и восстановленияфункций фазовых экранов.

Для реализации метода предполагется проводить сериюизмерений полных аберраций глаза под различными углами к оптической оси,каждое из которых несет в себе информацию сразу обо всех фазовых экранах.10Однако, тот факт, что при каждом измерении лучи проходят через разные участкиэкранов позволяет разделить вклады каждого фазового экрана.Параграф1.3посвященчисленномумоделированиювосстановленияаберраций глаза методом модальной фазовой томографии.

Модель глаза,использованная в расчётах, состояла из двух фазовых экранов, зрачка,расположенногомеждуформировалисьопорныеними, и задней поверхности глаза, наисточники.Вотсутствиифазовыхкоторойэкрановраспространение лучей происходило прямолинейно по нормали к волновомуфронту. При наличии фазовых экранов суммарный фазовый набег вычисляетсяпутём сложения функций экранов в соответствующих точках. Отличительнойособенностью метода в применении к человеческому глазу является наличиепреломляющих элементов большой оптической силы – роговицы и хрусталика,приводящее к изменению оптического хода лучей, что необходимо учитывать, какпри расчете, так и при томографическом восстановлении. На данной модели глазаполучены результаты исследования точности восстановления функций фазовыхэкранов в зависимости от количества используемых опорных источников, от ихуглового расположения, а также от количества субапертур датчика волновогофронта.Также представлены результаты исследования эффективности метода намодели глаза Гюльстранда-Легранда.

Рассчет проводился методом трассировкилучей. С помощью метода модальной фазовой томографии проведено разделениемежду роговицей и хрусталиком аберраций, возникающих при прохождении лучейчерез сферические поверхности элементов глаза. Также приведены результатывосстановления функций фазовых экранов, расположенных в главных плоскостяхроговицы и хрусталика модели глаза Гюльстранда-Легранда.Кроме того, представлены результаты исследования влияния ошибочногоопределения параметров модели глаза на точность восстановления функцийфазовых экранов.В параграфе 1.4 содержатся описание экспериментальной установки,построенной по однопроходной схеме. Модель глаза была установлена наповоротном механизме, позволяющем производить вращение вокруг двух осей11(X, Y) перпендикулярных оптической оси системы Z.