【摘要】 近年来，随着现代技术的发展，波前像差理论不断发展，其应用已成为当今眼科学最活跃的领域之一。对人眼屈光状态的评价如离焦、散光已不能满足对人眼光学质量的评价。波前像差已由一单纯的光学概念变为一种可能改变人眼视觉质量的有效途径和评价成像质量的重要手段。本文追溯波前像差理论发展过程，并对波前像差概念、测量描述方式、与人眼视觉关系及在眼科的最新应用，自适应光学在此领域应用等问题做一综述。
    
    人眼作为视觉器官，与光学有共同的物理基础。近年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是现代眼科学视光学领域中一些技术的突破，已使波前像差理论由一单纯的物理光学概念成为可以影响人眼视觉功能的焦点,甚至作为可能改善视觉功能的研究方向之一[1]，日趋受到关注。本文以眼睛光学系统为基础，对目前较活跃的波前像差问题做一综述：
 
    一 、  历史回顾

    早在几世纪前，人眼作为光学系统并不完善，还存在单色像差这一事实就被发现[2]。约400年前，Scheiner在实验中发现，存在屈光问题的眼睛在通过前方两个孔洞看远方的一个物体时会将其看成两个物像，如果三个孔洞，会看成三个物像。这是观察到的最初级的像差。然而，基于几何光学原理对人眼光学系统特性的传统评价方法存在很大局限性，直至近代物理学研究发现光具波粒二重性。1665年牛顿基于光的直线传播理论上提出光的微粒学说，托马斯在其后提出光的波动学说。1860年麦克思韦认为光的传播是电磁现象，1905年爱因斯坦则肯定光是具有波动特性的粒子，光是一种电磁波，且具有波粒二重性。研究光微粒性能领域属于几何学范畴，光的波动领域属物理学范畴。

    几何光学是光学最早发展起来的学科。在几何光学中，仅以光线的概念为基础，研究光在透明介质的传播规律，例如反射和折射定律等。而有些光学现象，例如衍射、干涉和偏振，不能由反射和折射定律解释，却能很容易由光的横向波动周期性特征理解，热辐射、光电效应等亦为微粒特性。根据光的波粒学理论可完整评价和描述人眼成像偏差。Smirnov[3]借助物理光学的发展，根据Scheiner
原理，测量瞳孔区各部位聚焦情况，并应用数学方法确定其角度。并予以记录。形成最早的主观测量装置。Tscherning使用方格滤栅镜可将光线移动的位置显示出来。Howland发明交叉圆柱镜可主观、客观结合反映像差变化[4,5]。Hartmann曾在Scheiner实验基础上，将一束光分别从多个孔穿出，可测量出各个方向的像差。Shark改进后利用一组透镜代替圆盘，通过阵列透镜，使光线分解成点阵形式并可测量其偏斜程度。形成目前的Hartmann-shark波阵测量的基础，但主要应用于天文学[2]。是Liang等人[6]在1994年首次应用Hartmann-shark原理测量人眼的像差。从而完成了相对准确客观测量人眼像差的历史过程。值得一提的是，该技术不仅可对传统像差进行精确的描述，还发现了非常规的更高阶像差，使人们对像差有了更深入的了解。
 
    二、波前像差的概念

    在几何光学理论中，一般都假设：从物点发出的所有光线均可聚焦形成一共轭像点。平面物体像落在一平面上，并形成一个按准确比例的物体复制像。但实际的光学系统并非如此简单。总有入射光线远离主光轴或成像光束的波长不同，系统的折射率不为常数。因此，实际光学系统的成象与理想光学系统所得结果不同，这种光学成象相对于近轴成像的偏离被称为像差（Aberration）。物理光学将光形容为光波，各个方向均为球面波。波前像差（wavefront aberration）从物理光学描述是指理想光学系统之参考波阵面与实际测量光学系统波阵面之间的差别[7,8]，也称波前像差。

    人眼屈光系统及晶体常被描述为屈折光线，也可定义为传播光的形状。眼底黄斑发出的光线如果经过屈光系统有问题的眼睛，光波会变形。包括近视、远视或有高阶像差的眼睛。近视眼波面形状如碗形，周边比中央更早聚焦。远视眼波阵面可为小山状，中央波面比中央聚焦更早。而不规则散光或存在高阶像差眼其波面形状将是不规则状。

    传统光学将像差按产生原因可分两大类：一类是由单色光成像时产生的像差称单色像差，另一类是多色光（即由不同波长的光构成复合光）成像时，由于介质折射率随光的不同波长而变所引起的像差称为色像差。单色像差中分球差、彗差、像散、像场弯曲和畸变等5种；球差和彗差发生于对轴上和靠近轴的点用粗光束成像的光学系统中，称轴上像差；像散、像场弯曲和畸变发生在对离系统光轴较远的物体成像的光学系统中，称轴外像差。

    进一步讲，球面像差是光学系统对轴上物点以单色宽光束成像时产生的像
差。根据光路计算公式得知，物距L为定值时，像距L’是物方孔径角u（或入射高度h）的函数。即由轴上点发出的光线角u不同，通过光学系统就有不同的L’值。轴上物点A发出不同孔径角u的光线的像距L’与近轴理想像距l’之差值称球差。用δL’表示。δL’= L’—l’。由于球差的存在，使得像面不能成一点像，而是一弥散斑。球差越大，弥散斑越大。正常人眼角膜在其边缘变变扁平及晶状体的折射率呈梯度下降可补偿球差。因此，正常人眼像差一般很小。

    研究显示，人眼像差以彗差为主。彗差是指轴外物点以宽光束成象时产生的一种单色像差。由斜行光束所致。彗差形成的弥散斑不对称于主光轴。在主光轴与理想像聚集处能量最高，因而最亮。随之形成一主光轴与像面交点为顶点的锥形弥散斑，形似彗星状，故称之为彗差。同球差一样，均可通过减少光学系统孔径的直径而减少彗差。

    近年来，随着现代技术的发展, 不仅可以测量一些经典的像差，如球差、彗差等，还可以再现一些非常规的更高阶像差（Higher order aberration）。
因此，目前常将像差分为低阶像差和高阶像差。概括讲，低阶像差是指离焦、散光等传统屈光问题，高阶像差指不规则散光等屈光系统存在的其它光学缺陷。高阶像差的每阶各包括许多项，其中的每一项又代表不同的内容。例如，高阶像差第三阶包括彗差、三叶草样散光等4项内容，第四阶不仅包括球差，还涉及更多项不规则散光等内容。越高阶，像差内容越复杂。一些研究显示，不同像差内容对人眼视觉功能影响不相同。

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