Аберрации и их коррекция. Аберрации оптической системы глаза

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация состоит в том, что луч белого света, падая на линзу параллельным пучком, разлагается в спектр, каждому цвету которого соответствует своя длина волны. При фокусировании оптической системой спектр имеет не один фокус, а множество. Крайние лучи спектра - коротковолновые (сине-зеленые) - фокусируются ближе к роговице, а длинноволновые (красные) - дальше (рис. 5.1).

Интервал между фокусами для этих лучей может достигать 1,0-1,5 дптр. При этом очертания предметов можно наблюдать окрашенными слабыми цветными каемками. При гиперметропической рефракции каемки красные, при мистической - синие.

Повседневный опыт показывает, что при правильном фокусирования, слабые по своей яркости, глазом не замечаются. При нормальном фокусировании глаза отчетливое изображение на сетчатке дают желтые лучи.

Хроматическая аберрация используется в диагностике аметропий: на ней основаны так называемый дуохромный тест и исследование зоны покоя аккомодации с кобальтовым стеклом.

При применении дуохромного теста пациенту с подобранной коррекцией предъявляют оптотипы на двух полях: красном и зеленом. Если он ярче, четче видит их на зеленом фоне, то установка глаза гиперметропическая, и, следовательно, следует уменьшить силу минусовых линз или увеличить силу плюсовых, и наоборот. Необходимо добиваться одинаковой четкости знаков на красном и зеленом фоне.

Кобальтовое стекло задерживает лучи средней части спектра и пропускает только синие лучи с длинной волны 480 нм и красные с длиной волны 750 нм.

Пациент смотрит через кобальтовое стекло на светящийся источник света, находящийся на конечном расстоянии. Он будет видеть светящуюся точку бесцветной только при идеальном фокусировании на сетчатке. При гиперметропии он увидит синее пятно с красной каймой, при миопии - красное пятно с синей каймой.

Сферическая аберрация

При сферической аберрации имеются различия в рефракции между центральной частью зрачка и его периферией.

Если лучи, проходящие через периферические участки зрачка, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через центральную часть зрачка, то такая аберрация называется положительной сферической аберрацией, если наоборот - то отрицательной (рис. 5.2).

Сферическая аберрация возникает из-за индивидуальных особенностей строения оптической системы глаза: кривизны поверхности роговицы и поверхностей хрусталика. Оптические дефекты роговицы компенсируются кривизной поверхностей хрусталика. В афакичных глазах, как правило, аберрации выражены сильнее и могут быть причиной понижения зрения.

Астигматизм косых пучков

Астигматизм - хорошо знакомое офтальмологам явление. Оно возникает из-за несферичности, а точнее, торичности преломляющих поверхностей глаза, и прежде всего роговицы. В сущности, вряд ли в контексте настоящей главы астигматизм при прямом падении лучей на оптическую систему следует относить к аберрациям.

Если на оптическую систему падает узкий пучок лучей, находящихся на значительном расстоянии от ее оси, то он сфокусируется в виде двух взаимно перпендикулярных отрезков, находящихся на определенном расстоянии друг от друга, образуя коноид Штурма, как и при прямом падении лучей на торическую поверхность. Эта погрешность оптической системы называется астигматизмом косых пучков. В плоскости изображения получается пятно в виде эллипса (рис. 5.3).

Кривизна поля изображения

При изображении отрезка каждой его точке в Пространстве изображений будет соответствовать 2 изображения, лежащих в сагиттальной и меридиональной плоскостях. Если соединить все точки, получим 2 кривые линии. Под кривизной поля изображения понимают среднюю поверхность между обеими астигматическими поверхностями (рис. 5.4).

Кома

Если светящаяся точка, расположенная вне оси оптической системы, посылает широкий пучок, то в плоскости изображения получается светящийся кружок с хвостом (похожий на запятую). Это искажение носит название «кома» (рис. 5.5).

Дисторсия

Нарушение подобия изображения и предмета обусловлено тем, что разноудаленные от оптической оси точки предмета изображаются с разным увеличением. Меняется форма изображения в сравнении с предметом, но без нарушения резкости, так как точка изображается точкой (рис. 5.6).

В офтальмологии дисторсией называют также искажения формы предметов, вызванные астигматическими линзами; при этом предметы могут казаться сжатыми или растянутыми в одном направлении.

Http://miroft.org.ua/
03.06.14 10:17

Понятие об аберрациях. Аберрации как несовершенство глаза

Термин «аберрация» происходит от латинских слов: «aberrare, aberration» - уклоняться, уклонение. В оптике под аберрациями понимают погрешности изображения, обусловленные отклонением светового луча в реальной оптической системе от его направления в идеальной оптической системе.

В физиологической оптике аберрации - любое угловое отклонение узкого параллельного (коллимированного) пучка света от точки идеального пересечения с сетчаткой в центре фовеолы при его прохождении через оптическую систему глаза.

Различают аберрации хроматические и монохроматические. Среди монохроматических выделяют аберрации высшего и низшего порядков. К аберрациям низшего порядка относят аметропии (дефокус) и астигматизм. Аберрации высшего порядка представлены сферической аберрацией, комой, астигматизмом косых пучков, кривизной поля, дистрофией, нерегулярными аберрациями.

Карта оптических отклонений реальных световых лучей от идеальных в проекции зрачка называется волновым фронтом. Оптическая система с минимальным количеством аберраций имеет плоский, или сферический, волновой фронт. В реальной физиологической оптической системе всегда есть отклонения от плоского волнового фронта.

Рис. 1

В настоящее время для описания аберраций волнового фронта используют серии полиномов математического формализма Цернике (F.Zernike) (1934). Согласно этим представлениям призматический наклон описывают полиномами 1-го порядка (Z1), дефокус и астигматизм – 2-го (Z2), кому относят к 3-му (Z3),а сферическую аберрацию к 4-му порядку (Z4).

Рис. 2

Существующие системы для измерения и анализа аберраций волнового фронта обычно имеют точность 6-7-го порядка по F.Zernike. Оптическая система считается хорошей, если среднеквадратичное отклонение волнового фронта, обозначаемое как RMS (англ. – root mean square), меньше 1/14 длинны волны или равно 0.038 мкм. Данный критерий называюткритериям Марешаля .

Идеально исправленная по всем аберрациям оптическая система не может дать точного изображения предмета! Точка никогда не изображается точкой. Причина связана с волновой природой света, создающей дифракционные явления. Точечный источник света изображается на сетчатке не в виде одной точки, а виде более светлого пятна, окруженного рядом концентрических менее светлых колец убывающей яркости (диск Эйри).

Качество зрительного восприятия зависит от разрешающей способности сетчатки, дифракции света в области зрачка и свойств оптических сред глаз. Одной из особенностей человеческого глаза является наличие глубины фокусной области, в пределах которой может не происходить изменения качества изображения [Сергиенко Н.,М.,1972]. Зрительное восприятие регулируется не только физиологической оптикой, но и корковыми структурами центральной нервной системы. Улучшая оптику глаза путем снижения аберрации, можно повысить зрительное разрешение от обычного уровня к более высокому.

Классификация и виды аберраций

Различают хроматическую, дифракционную и монохроматическую аберрации.

Хроматическая аберрация – искажение изображения, связанное с тем, что лучи видимого света, имея разную длину волны и падая на линзу параллельным пучком, преломляясь, фокусируются не в одной точке. Коротковолновые лучи (сине-зеленые) фокусируются дальше от сетчатки, чем длинноволновые (красные). Это явление называется хроматизмом положения. В результате изображение размывается, и края его окрашиваются. Если фокус синих лучей совместить с сетчаткой, изображение точки будет окружено красным ореолом, и наоборот. Очертания воспринимаемых предметов могут окрашиваться при гиперметропии – красным, при миопии – синим цветом. Практическое значение хроматических аберраций более заметно при проведении дуохромного теста для уточнения оптической установки глаза при аметропии. В условиях освещения белым светом человек не различает цветные каемки вокруг наблюдаемых предметов. Это объясняется наложением цветных ореолов один на другой и малыми угловыми размерами цветных каемок. Хроматические аберрации не оказывают существенного влияния на центральное зрение.

Дифракционная аберрация связана с нарушением прямолинейности, отклонением, световой волны при ее распространении мимо резких краев непрозрачных или прозрачных структур, формирующих отверстия. Такой структурой в глазу является зрачок. В результате дифракции света на границе зрачка, где согласно законам геометрической оптики должен быть четкий переход от тени к свету, возникает ряд светлых и темных дифракционных колец, проецируемых на сетчатку. С уменьшением диаметра зрачка диаметр дифракционного круга светорассеянья увеличивается. Но при этом сферическая аберрация уменьшается.

Сферическая аберрация характеризует состояние, при котором есть различие в преломлении светового луча между центром сферической оптической поверхности и ее периферией. В основе сферической аберрации лежит кривизна роговицы и хрусталика. Влияние сферической аберрации на качество изображения зависит от величины зрачка. При малых размерах зрачка от 2 до 4 мм сферическая аберрация минимальна, но резко возрастает при расширении зрачка. Если преломление лучей через периферическую часть зрачка сильнее, чем через центральную, то сферическая аберрация называется положительной (например, при неизмененной роговице). При обратном положении возникает отрицательная сферическая аберрация (например, при уплощении центра роговицы после лазерной фотоабляции). Сферическая аберрация носит индивидуальный характер. Поверхность хрусталика носит индивидуальный характер. Поверхность хрусталика может частично компенсировать сферическую аберрацию роговицы.

Астигматизм – это аберрация наклонных пучков (аберрация больших углов наклона). Возникает из-за асферичности преломляющих поверхностей глаза. Если на оптическую систему направлен узкий пучок лучей, находящийся на значительном расстоянии от оптической оси, то он сфокусируется в виде двух взаимно перпендикулярных отрезков на определенном расстоянии друг от друга, образуя при этом изображение в виде хорошо известного коноида Штурма (эллипс, за ним кружок, и снова эллипс). Такое состояние равносильно прямому падению лучей на торическую поверхность. Астигматизм снижает зрительное разрешение.

Частным случаем астигматизма глаза является физиологический астигматизм. Под ним понимают такой астигматизм глаза, при котором сохранена нормальная острота зрения. Он обусловлен несколькими факторами: асферичностью преломляющих поверхностей, астигматизмом наклонных лучей, децентрированием преломляющих поверхностей и различиями в оптической плотности преломляющих сред [Смирнов М.С.,1961].

Кома – это аберрация, возникающая при несовпадении центров изображений светящихся точек, расположенных вне оси оптической системы (аберрация малых углов наклона оптических пучков). Наложение изображений принимает вид несимметричного пятна, напоминающего запятую. Одной из причин комы является отсутствие соосности между оптическими центрами роговицы, хрусталика и фовеолы. К усилению комы может приводить децентрирование новых оптических зон при различных способах хирургической коррекции аметропий.

Кривизна поля изображения обусловлена тем, что изображение плоского предмета получается резким не в плоскости, как это должно быть в идеальной оптической системе, а на искривленной поверхности. Она представляет собой срединную поверхность между обеими астигматическими, которые возникают вследствие отображения каждой точки отрезка двумя изображениями, лежащими в сагиттальной и меридиональной плоскостях.

Дисторсия является аберрацией, при которой нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением. При дисторсии линейное увеличение разных частей изображения различно в пределах всего поля, так как разноудаленные от оптической оси точки предмета изображаются с разным увеличением. Прямоугольное изображение может перейти в «бочкообразное» (отрицательная дисторсия) или «подушкообразное» (положительная дисторсия). Такой же эффект могут создавать астигматические очковые линзы, сжимающие ли растягивающие предметы в одном направлении.

Клиническая роль аберрации и аберрометрии

Выраженность аберраций зависит от многих факторов, к которым относят размер зрачка, возраст пациента, рефракцию, аккомодацию. Аберрации непостоянны и меняются во времени с частотой около 2 Гц. Характер аберраций может изменить даже направление взгляда человека, что необходимо при рассматривании предметов. Эффект Стайлса-Кроурфорда, при котором световой пучок в центральной зоне зрачка более яркий, чем в его периферической части, частично смягчает аберрации.

В нормальных глазах среднее значение аберраций высшего порядка при диаметре зрачка 5мм составляет 0.25 мкм (или λ/2), что адекватно 0.25 дптр дефокусировки. При возрастании уровня аберраций их значения могут превышать нормальные в 2-10 раз.

Анализ аберраций 130 эмметропических глаз при диаметре зрачка 5мм показал доминирование комы в 69 % ,сферической аберрации – в 16 % случаев. При увеличении диаметра зрачка до 8 мм, доля комы уменьшалась до 44 %, а доля сферической аберрации увеличивалась до 38 % от общего числа аберраций высшего порядка. Аберрации 5 и 6 порядков практически оставались без изменений.

При изучении аберраций высшего порядка у 114 пациентов в возрасте от 20 до 69 лет с амметропией не более 2.0 дптр было показано, что их количество в глазу очень индивидуально и в 95 % случаев среднее квадратичное отклонение волнового фронта (RMS) составляет 0.334 мкм. Аберрации, как правило, зеркально симметричны в правом и левом глазах. Внутренние оптические среды обладают компенсирующим влиянием по отношению к роговице за счет аберраций Z4. Это компенсирующее влияние уменьшается с возрастом.

На сегодняшний день знания об аберрациях нашли наибольшее практическое применение в оптической коррекции зрения и при визуальных методах исследования глазного дна.

Широко применяемая лазерная фотоабляция роговицы в различных ее вариантах при хирургической коррекции аметропий дает возможность получения высокого зрительного разрешения, но при этом увеличивает аберрации высшего порядка, проявляющиеся при диаметре зрачка 5 мм и более. Так, при проведении лазерного кератомилеза in situ возрастает сферическая аберрация, проявляющаяся глэр-эффектом, а при фоторефракционной кератэктомии возможно усиление комы, которая лежит в основе монокулярной диплопии. Использование кератофотоабляции на основе волнового фронта позволяет улучшить качество зрительного восприятия.

Применение интраокулярных линз при афакии усиливает сферическую аберрацию. Разработаны и применяются в клинике интраокулярные линзы с отрицательной сферической аберрацией, которая частично компенсирует положительную сферическую аберрацию роговицы для получения более качественного изображения на сетчатке глаза.

При практическом применении оптических средств и хирургических методов существуют факторы, которые ограничивают возможности зрительного разрешения. Например, любые динамические изменения параметров аккомодации или зрачка приведут к искажениям на сетчатке за счет остаточных аберраций. Статистическая коррекция аберраций не способна сделать глаз свободным от нежелательного их влияния. Только динамическая коррекция, основанная на принципах адаптивной оптики, используемая при визуализации глазного дна, лишена недостатков. Устранение монохроматических аберраций тут же приводит к доминированию хроматических. А устранить эффект светорассеяния невозможно даже при устранении аберраций.

Достижение суперзрения при полной коррекции аберрации глаза вряд ли возможно и целесообразно! Во-первых, аберрации сами по себе динамичны. Во-вторых, существуют нейрорецепторные ограничения зрительного разрешения, обусловленные расположением фоторецепторов сетчатки на расстоянии, равном 0.5 угл. мин, что обеспечивает зрительное разрешение, равное 1.8-2.0. Дальнейшее повышение зрительного разрешения может вызвать зрительные иллюзии.

Положительная роль аберраций высокого порядка заключается в том, что они увеличивают глубину фокусной области. Если устранить эти аберрации, сохранив только аметропию, то произойдет контрастная инверсия воспринимаемых изображений – белое и черное поменяются местами. В данной ситуации аберрации являются механизмом коррекции качества изображения. Отсутствие аберраций, создающих малый уровень дефокусировки, частично устранило бы стимул к аккомодации, нарушив ее работу и снизив точность аккомодирования.

Авторы: Аветисов Сергей Эдуардович – директор НИИ глазных болезней, член-корреспондент РАМН
Шелудченко Вячеслав Михайлович – доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделом Государственного Учреждения НИИ глазных болезней РАМН

АБЕРРАЦИИ КАК НЕСОВЕРШЕНСТВО ГЛАЗА Аберрация – любое угловое отклонение узкого параллельного (коллимированного) пучка света от точки идеального пересечения с сетчаткой в центре фовеолы при его прохождении через оптическую систему глаза.

А хроматические дифракционные монохроматические Высшего порядка Сферические Кома Астигматизм косых пучков Кривизна поля Дисторсия Нерегулярные Низшего (1, 2) Аметропии Астигматизм

ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ АБЕРРАЦИЙ Формы и прозрачность роговицы и хрусталика; состояние сетчатки; прозрачность внутриглазной жидкости и стекловидного тела. Увеличение диаметра зрачка. Если при диаметре зрачка равном 5, 0 мм превалируют А 3–го порядка, то при его увеличении до 8, 0 мм возрастает доля А 4 – го порядка. Критический размер зрачка, при котором А высших порядков оказывают наименьшее влияние = 3, 22 мм. Аккомодация. С возрастом А увеличиваются, и в период от 30 до 60 лет А высшего порядка удваиваются, т. к. со временем эластичность и прозрачность хрусталика уменьшается, и он перестает компенсировать роговичные А. Спазм аккомодации - излишне стойкое напряжение аккомодации, обусловленное таким сокращением ресничной мышцы, которое не исчезает под влиянием условий, когда аккомодация не требуется. Состояние слезной пленки. При разрушении слезной пленки А высших порядков увеличиваются в 1, 44 раза. Одна из разновидностей нарушения слезной пленки – синдром сухого глаза. Ношение контактных линз. Мягкие КЛ могут вызывать волновые монохроматические А высокого порядка, тогда как жесткие КЛ уменьшают А 2–го порядка. Однако асферичность поверхности жестких КЛ может быть причиной сф. А. Асферические КЛ могут вызывать большую нестабильность остроты зрения, чем сферические КЛ. Мультифокальные КЛ могут индуцировать А по типу комы и 5–го порядка.

ХРОМАТИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ Это искажение изображения, связанное с тем, что лучи видимого света, имея разную длину волны и падая на линзу параллельным пучком, преломляясь, фокусируются не в одной точке. КВЛ (синезеленые) фокусируются дальше от сетчатки, чем ДВ (красные). Это хроматизм положения. В результате изображение размывается, и края его окрашиваются. Если фокус синих лучей совместить с сетчаткой, изображение точки будет окружено красным ореолом, и наоборот. Очертания воспринимаемых предметов могут окрашиваться при гиперметропии – красным, при миопии – синим цветом. Практическое значение ХА более заметно при проведении дуохромного теста для уточнения оптической установки глаза при аметропии. В условиях освещения белым светом человек не различает цветные каемки вокруг наблюдаемых предметов. Это объясняется наложением цветных ореолов один на другой и малыми угловыми размерами цветных каемок. ХА не оказывают существенного влияния на центральное зрение.

ДИФРАКЦИОННАЯ Связана с нарушением прямолинейности, отклонением, световой волны при ее распространении мимо резких краев непрозрачных или прозрачных структур, формирующих отверстия. Такой структурой в глазу является зрачок. В результате дифракции света на границе зрачка, где согласно законам геометрической оптики должен быть четкий переход от тени к свету, возникает ряд светлых и темных дифракционных колец, проецируемых на сетчатку. С уменьшением диаметра зрачка диаметр дифракционного круга светорассеянья увеличивается. Но при этом сферическая аберрация уменьшается.

СФЕРИЧЕСКАЯ Есть различие в преломлении светового луча между центром сферической оптической поверхности и ее периферией. В основе сф. А лежит кривизна роговицы и хрусталика. Влияние сф. А на качество изображения зависит от величины зрачка. При малых размерах зрачка от 2 до 4 мм сф. А минимальна, но резко возрастает при расширении зрачка. Если преломление лучей через периферическую часть зрачка сильнее, чем через центральную, то сф. А называется положительной (н-р, при неизмененной роговице). При обратном положении возникает отрицательная сферическая аберрация (н-р, при уплощении центра роговицы после лазерной фотоабляции). Сф. А носит индивидуальный характер. Поверхность хрусталика, которая также индивидуальна, может частично компенсировать сф. А роговицы.

АСТИГМАТИЗМ Это А наклонных пучков (А больших углов наклона). Возникает из-за асферичности преломляющих поверхностей глаза. Если на оптическую систему направлен узкий пучок лучей, находящийся на значительном расстоянии от оптической оси, то он сфокусируется в виде двух взаимно перпендикулярных отрезков на определенном расстоянии друг от друга, образуя при этом изображение в виде хорошо известного коноида Штурма (эллипс, за ним кружок, и снова эллипс). Такое состояние равносильно прямому падению лучей на торическую поверхность. Астигматизм снижает зрительное разрешение. Частный случай астигматизма физиологический. При нем сохранена нормальная острота зрения. Он обусловлен несколькими факторами: асферичностью преломляющих поверхностей, астигматизмом наклонных лучей, децентрированием преломляющих поверхностей и различиями в оптической плотности преломляющих сред.

КОМА Возникает при несовпадении центров изображений светящихся точек, расположенных вне оси оптической системы (аберрация малых углов наклона оптических пучков). Наложение изображений принимает вид несимметричного пятна, напоминающего запятую. Одной из причин комы является отсутствие соосности между оптическими центрами роговицы, хрусталика и фовеолы. К усилению комы может приводить децентрирование новых оптических зон при различных способах хирургической коррекции аметропий. Схема образования комы: лучи, приходящие под углом к оптической оси собираются не в одной точке

КРИВИЗНА ПОЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Обусловлена тем, что изображение плоского предмета получается резким не в плоскости, как это должно быть в идеальной оптической системе, а на искривленной поверхности. Она представляет собой срединную поверхность между обеими астигматическими, которые возникают вследствие отображения каждой точки отрезка двумя изображениями, лежащими в сагиттальной и меридиональной плоскостях.

ДИСТОРСИЯ Нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением. При Д линейное увеличение разных частей изображения различно в пределах всего поля, т. К. разноудаленные от оптической оси точки предмета изображаются с разным увеличением. Прямоугольное изображение может перейти в «бочкообразное» (- Д) или «подушкообразное» (+Д). Такой же эффект могут создавать астигматические очковые линзы, сжимающие ли растягивающие предметы в одном направлении.

КАРТА ОПТИЧЕСКИХ ОТКЛОНЕНИЙ РЕАЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ ОТ ИДЕАЛЬНЫХ В ПРОЕКЦИИ ЗРАЧКА НАЗЫВАЕТСЯ ВОЛНОВЫМ ФРОНТОМ. Оптическая система с минимальным количеством аберраций имеет плоский, или сферический, волновой фронт. В реальной физиологической оптической системе всегда есть отклонения от плоского волнового фронта.

ТАК, ГЛАЗ БЕЗ АБЕРРАЦИЙ ИМЕЕТ ПЛОСКИЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ И ДАЕТ НАИБОЛЕЕ ПОЛНОЦЕННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ НА СЕТЧАТКЕ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА (ТАК НАЗЫВАЕМЫЙ «ДИСК ЭЙРИ» , РАЗМЕР КОТОРОГО ЗАВИСИТ ТОЛЬКО ОТ ДИАМЕТРА ЗРАЧКА). Но в норме, даже при остроте зрения 100%, оптические дефекты преломляющих свет поверхностей глаза искажают ход лучей и формируют неправильный волновой фронт, в результате чего изображение на сетчатке получается более крупным и асимметричным.

Количественной характеристикой оптического качества изображения является среднеквадратич ное значение ошибок отклонения реального волнового фронта от идеального. Для описания аберраций волнового фронта используют серии полиномов математического формализма Зернике. Призматический наклон описывают полиномами 1 -го порядка (Z 1), дефокус и астигматизм – 2 -го, кому относят к 3 -му, а сферическую аберрацию к 4 -му порядку. Более высокие порядки известны, как нерегулярные аберрации.

Как измеряется волновой фронт Оптическая система считается хорошей, если коэффициенты Зернике близки к нулю и, следовательно, среднеквадратич ное значение ошибок волнового фронта меньше 1/14 длины световой волны (критерий Марешаля). Исходя из данных этого коэффициента можно прогнозировать остроту зрения, моделируя изображение любых оптотипов на сетчатке. Для определения аберраметрии зрительной системы человека используется специальный прибор – аберрометр.

Методы определения аберрации глаза В настоящее время известно несколько методов определения аберраций глаза, основанных на разных принципах. 1. Анализ ретинального изображения мишени 2. Анализ вышедшего из глаза отраженного луча 3. Основан на компенсаторной юстировке падающего на фовеолу светового пучка

Идеально исправленная по всем аберрациям оптическая система не может дать точного изображения предмета! Точка никогда не изображается точкой. Причина связана с волновой природой света, создающей дифракционные явления. Точечный источник света изображается на сетчатке не в виде одной точки, а виде более светлого пятна, окруженного рядом концентрических менее светлых колец убывающей яркости (диск Эйри). Качество зрительного восприятия зависит от разрешающей способности сетчатки, дифракции света в области зрачка и свойств оптических сред глаз. Одной из особенностей человеческого глаза является наличие глубины фокусной области, в пределах которой может не происходить изменения качества изображения. Зрительное восприятие регулируется не только физиологической оптикой, но и корковыми структурами центральной нервной системы. Улучшая оптику глаза путем снижения аберрации, можно повысить зрительное разрешение от обычного уровня к более высокому.

КЛИНИЧЕСКАЯ РОЛЬ А И АБЕРРОМЕТРИИ Выраженность А зависит от многих факторов, к которым относят размер зрачка, возраст пациента, рефракцию, аккомодацию. А непостоянны и меняются во времени с частотой около 2 Гц. Характер А может изменить даже направление взгляда человека, что необходимо при рассматривании предметов. Эффект Стайлса-Кроурфорда, при котором световой пучок в центральной зоне зрачка более яркий, чем в его периферической части, частично смягчает А. В нормальных глазах среднее значение А высшего порядка при диаметре зрачка 5 мм составляет 0. 25 мкм, что адекватно 0. 25 дптр дефокусировки. При возрастании уровня А их значения могут превышать нормальные в 2 -10 раз.

Лазерная фотоабляция роговицы в различных ее вариантах при хирургической коррекции аметропий дает возможность получения высокого зрительного разрешения, но при этом увеличивает А высшего порядка, проявляющиеся при диаметре зрачка 5 мм и более. При практическом применении оптических средств и хирургических методов существуют факторы, которые ограничивают возможности зрительного разрешения. Например, любые динамические изменения параметров аккомодации или зрачка приведут к искажениям на сетчатке за счет остаточных А. Статистическая коррекция А не способна сделать глаз свободным от нежелательного их влияния. Только динамическая коррекция, основанная на принципах адаптивной оптики, используемая при визуализации глазного дна, лишена недостатков. Устранение монохроматических А тут же приводит к доминированию хроматических. А устранить эффект светорассеяния невозможно даже при устранении А.

Достижение суперзрения при полной коррекции А глаза вряд ли возможно и целесообразно! Во-первых, А сами по себе динамичны. Во-вторых, существуют нейрорецепторные ограничения зрительного разрешения, обусловленные расположением фоторецепторов сетчатки. Повышение зрительного разрешения может вызвать зрительные иллюзии. Положительная роль А высокого порядка заключается в том, что они увеличивают глубину фокусной области. Если устранить эти А, сохранив только аметропию, то произойдет контрастная инверсия воспринимаемых изображений – белое и черное поменяются местами. данной ситуации А являются механизмом коррекции качества изображения. Отсутствие А, создающих малый уровень дефокусировки, частично устранило бы стимул к аккомодации, нарушив ее работу и снизив точность аккомодирования.

Глазу, как любой оптической системе, присущ ряд аберраций. Наличие аберраций глаза приводит к тому, что каждая точка предмета изображается в виде пятна с довольно сложным распределением освещенности в нем. На оси системы наблюдаются сферическая и хроматическая аберрации.

Сферическая аберрация глаза обусловлена тем, что лучи, проходящие через периферические зоны зрачка, преломляются сильнее, чем лучи, проходящие через его центральную зону. Влияние сферической аберрации на качество изображения относительно мало при малых размерах зрачка (2 – 4 мм). При больших размерах зрачка влияние сферической аберрации становится сильнее, качество изображения на сетчатке глаза значительно ухудшается.

Вопросы сферической и хроматической аберраций глаза человека изучали Юнг, Гельмгольц и др. В 1947 г. появилась фундаментальная работа А.Иванова об измерении сферической и хроматической аберраций глаза. В 1961 г. Смирнов М.С. измерил волновую аберрацию глаза. Следует подчеркнуть, что измерения аберраций проводились только субъективным методом – по ответам испытуемого о восприятии предъявляемого объекта. Вследствие этого полученные данные относятся только к аберрациям центральной, макулярной области. Аберрации внеосевых точек, изображающихся на периферических участках сетчатки, испытуемый не в состоянии определить вследствие грубого строения этих зон сетчатки и ряда других физиологических факторов. На основе экспериментальных данных были построены кривые аберраций глаза.

Разброс параметров глаза у разных людей велик, меняется даже знак аберраций. Минимальными аберрации становятся при аккомодации на близкие предметы (1 – 2 м). В большинстве глаз имеется отрицательная аберрация. Такие аберрации характерны для тех случаев, когда рефракция роговицы высокая, а хрусталика низкая. Если аберрация роговицы ниже обычной, а хрусталика выше, то чаще наблюдается положительная аберрация.

Ход лучей при наличии сферической аберрации изображен на рис.8. По данным Иванова, при размере зрачка 4 мм сферическая аберрация глаза равна 1 дптр .

Рис. 8 – Ход лучей при наличии сферической аберрации

Особенность глаза по сравнению с обычной оптической системой состоит в том, что в глазу сферическая аберрация частично компенсируется, во-первых, благодаря тому, что периферические зоны оптической системы глаза имеют более слабую рефракцию (меньшую оптическую силу) в связи с меньшим показателем преломления периферических зон хрусталика по сравнению с его ядром, во-вторых, благодаря некоторому увеличению радиусов кривизны периферической части роговицы.

Сферическая аберрация зависит от аккомодации, она как правило, увеличивается с ростом аккомодационного напряжения.

Ход лучей при наличии хроматической аберрации представлен на рис.9. Хроматическая аберрации проявляется в том, что падающий на линзу параллельный пучок белого света фокусируется не в одной точке: коротковолновые лучи соберутся ближе к линзе, чем лучи большей длины волны. Это приводит к тому, что изображение белой точки в любой плоскости получается в виде окрашенного пятна. Если фокус синих лучей совместить с сетчаткой, изображение точки будет окружено красным ореолом, и наоборот; хроматическая аберрация зависит от диаметра зрачка глаза, увеличивается вместе с ним.

Рис. 9 – Ход лучей при наличии хроматической аберрации

Величина хроматической аберрации для крайних длин волн видимого спектра в среднем составляет 1,3 дптр. Это значение было установлено еще Т.Юнгом.

В обычных условиях освещения белым светом мы не различаем цветных каемок вокруг наблюдаемых предметов. Это объясняется наложением цветных ореолов один на другой и малыми угловыми размерами цветных каемок. Определение остроты зрения в монохроматическом свете, а также применение специальных средств для исправления хроматической аберрации не привели к существенному повышению остроты зрения, т.е. хроматические аберрации не оказывают существенного влияния на центральное зрение.

Кроме сферической и хроматической аберрации глазу присуща такая аберрация как физиологический астигматизм.

Под физиологическим астигматизмом понимают такой астигматизм глаза, при котором сохраняется нормальная острота зрения. Физиологический астигматизм свойственен каждому глазу и обусловлен несколькими основными факторами: асферичностью преломляющих поверхностей, астигматизмом косо падающих лучей, децентрированием преломляющих поверхностей и неравномерностью оптической плотности преломляющих сред.

Приведем пример распределения рефракции в зрачковой области при физиологическом астигматизме (рис.10).

Рис. 10 – Один из примеров распределения рефракции в зрачковой области при физиологическом астигматизме

Беспорядочность структуры физиологического астигматизма обуславливает невозможность коррегирования его цилиндрическими или контактными линзами. Последние способны исправить роговичный астигматизм, но хрусталиковый компонент физиологического астигматизма сохраняется в полной мере.

Величина физиологического астигматизма не может быть измерена традиционным способом – разностью в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях (меридианах). Простейшим вариантом оценки может служить разница самой сильной и самой слабой рефракции. Используют также понятие коэффициента астигматизма К :

,

где a – отклонения от среднего арифметического значения (без учета знака) величин рефракций в отдельных зонах зрачковой области; n – число измерений рефракции.

Для приведенного примера К = 0,34 дптр.

Установлена четкая зависимость между степенью физиологического астигматизма и остротой центрального зрения (табл.3).

Таблица 3 – Зависимость остроты зрения от коэффициента физиологического астигматизма

Чем меньше физиологический астигматизм, тем выше острота зрения. Эта закономерность справедлива для остроты зрения в диапазоне 1,0 – 2,0, т.е. для абсолютного большинства нормальных глаз.

ГЛУБИНА ФОКУСНОЙ ОБЛАСТИ ГЛАЗА .

Любой оптической схеме присуща глубина резкости в пространстве изображений, в пределах которой смещения экрана (сетчатки для глаза) не вызывают заметного изменения качества изображения. Офтальмологи эту величину называют глубиной фокусной области .

Очевидно, что глубина фокусной области зависит от диаметра зрачка: чем меньше диаметр, тем больше глубина. Одна из причин наличия глубин фокусной области – это конечная толщина световоспринимающего слоя (примерно 0,06 мм). Это дает значение одной из составляющей глубины фокусной области, равное 0,2 дптр.

По результатам Сергиенко Н.М. глубина фокусной области равна (0,63 ± 00,24) дптр при наиболее часто встречающейся остроте зрения 1,35 – 1,5 (D p = 5 мм). Влияние диаметра зрачка на глубину фокусной области по данным Campbell F.W. и других авторов приведено в табл.4.

Таблица 4 – Влияние диаметра зрачка глаза на глубину фокусной области

ДИФРАКЦИОННЫЙ ПРЕДЕЛ РАЗРЕШЕНИЯ ГЛАЗА . Вспомним, что никакая, даже идеально исправленная на все аберрации оптическая система не может дать точного изображения предмета. Точка никогда не изображается точкой. Причина – неразрывно связанные с волновой природой света дифракционные явления. Точечный источник света изображается на сетчатке не в виде одной четкой точки, а в виде кружка, окруженного рядом концентрических светлых колец убывающей яркости.

Для глаза диаметр центрального светлого кружка для излучения с длиной волны λ зависит от диаметра зрачка D p и заднего фокусного расстояния f " :

,(5)

где n – показатель преломления стекловидного тела.

С уменьшением диаметра зрачка диаметр дифракционного кружка светорассеяния увеличивается. Однако при этом сферическая аберрация уменьшается. Ввиду такой обратной зависимости наилучшие условия наиболее четкого наблюдения объектов имеют место при диаметре зрачка 2 – 4 мм. Кроме того, для точек, не лежащих на оси системы, наблюдаются и другие аберрации, например, астигматизм наклонных пучков, кома, а также аберрации, вызывающие искажение формы изображения. Последняя из них – дисторсия – изменяет увеличение при удалении предмета от оси оптической системы. Наличие в оптической системе глаза довольно больших аберраций при большом диаметре зрачка приводит к перераспределению освещенности в дифракционной фигуре: освещенность в центральном максимуме уменьшается, а в дифракционных кольцах возрастает.

Описанные выше несовершенства глаза оказывают суммарное действие на предел разрешения. В работе показано, что не аберрации глаза, а главным образом дифракция света на зрачке глаза ограничивает остроту зрения. Таким образом, оптическая система эмметропического глаза исправлена достаточно хорошо, чтобы полностью использовать все возможности волновой природы света.

Расстановка ударений: АБЕРРА`ЦИЯ ГЛА`ЗА

АБЕРРАЦИЯ ГЛАЗА - искажение изображений на сетчатой оболочке глаза в результате несовершенств его оптической системы.

А. г. может быть обусловлена различными причинами: неправильной формой поверхностей роговицы и хрусталика, несовершенством их центрировки, неоднородностью глазных сред (особенно хрусталика) и возникающими в глазу на пути прохождения луча света явлениями дифракции (огибание световыми волнами препятствий и др.).

Оптической системе глаза человека присущи в той или иной степени все виды аберрации оптических систем: сферическая, хроматическая, а также дифракционные аберрации и астигматизм (см. Аберрация, Астигматизм глаза ).

Сферическая аберрация глаза обусловлена неоднородным строением хрусталика. Она определяется как разность между степенью преломления оптической системой лучей, проходящих через периферические и центральные участки зрачка глаза, и измеряется в диоптриях. Одна диоптрия (1 дптр ) - преломляющая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м . Сферическая А. т. считается положительной, если периферические лучи преломляются сильнее центральных и их фокус оказывается ближе к хрусталику, чем к сетчатой оболочке, и отрицательной, если фокус периферических лучей оказывается ближе к сетчатой оболочке, чем к хрусталику. Отсутствие единого фокуса для падающих на зрачок центральных п периферических лучей приводит к тому, что рассматриваемые светящиеся точки проецируются на сетчатой оболочке глаза в виде пятен (круги светорассеяния). В результате этого снижается острота зрения.

Сферическая А. г. в известной мере корригируется снижением кривизны поверхностей роговицы и хрусталика по мере перехода от их центральных зон к периферическим. Сферическая А. г. зависит от состояния аккомодации глаз (см.) и ширины зрачка. Обычно при дневном освещении (диаметр зрачка 3-4 мм ) аберрация глаз равняется 0,5-1 дптр .

Хроматическая аберрация глаза обусловлена неодинаковым преломлением оптической системой глаза световых лучей с различной длиной волн (см. Рефракция глаза ). У разных людей она не одинакова. Хроматическая аберрация численно характеризуется разницей между преломляющей силой глаза для желтого излучения с длиной волны γ = 587,6 нм (5876А) и преломляющей силой глаза для данной волны (γ) и выражается в диоптриях.

В результате хроматической аберрации изображения объектов на сетчатой оболочке глаза оказываются окруженными цветной каймой. Однако из-за избирательной чувствительности сетчатой оболочки глаза к излучениям различной длины волн человек не замечает окрашенности контуров объектов.

Хроматической А. г. объясняется неспособность глаза с нормальной рефракцией (см. Эмметропия ) видеть далекие синие или фиолетовые точечные объекты, а также и явления «выступающих» и «отступающих» цветов. Во многих случаях хроматической А. г. объясняются особенности приемов, используемых художниками в пейзажной и портретной живописи.

На использовании явлений хроматической А. г. основан ряд методов и приборов, применяемых в офтальмологии для измерения величины аметропии глаза.

Дифракционными аберрациями глаза называются искажения на сетчатой оболочке глаза в результате дифракции, возникающей при прохождении световых лучей через зрачок малого диаметра. При дифракционной А. г. точечные объекты изображаются на сетчатой оболочке не в виде точек, а в виде круглых пятен, окруженных рядом светлых и темных колец. Дифракционная А. г. проявляется тем резче, чем меньше диаметр зрачка. Наибольшая четкость изображений объектов на сетчатой оболочке глаза, а следовательно, и наивысшая острота зрения глаза имеет место при диаметрах зрачка глаза, равных 2-4 мм . Дальнейшее увеличение диаметра зрачка сопровождается снижением остроты зрения.

Библиогр .: Гуртовой Г. К . Сферическая аберрация и дифракция в глазе, Пробл. физиол. оптики, т. 9, с. 165, М.-Л., 1950; он же , Изображение светящейся точки в области сетчатки, там же, т. 8, с. 357, М.-Л., 1953; Кравков С. В . Глаз и его работа, М.-Л., 1950; Пинегин Н. И. Абсолютная чувствительность глаза в ультрафиолетовом и видимом спектре, Докл. АН СССР, т. 30, № 3, с. 206, 1941; Смирнов М. С . Измерение волновой аберрации человеческого глаза, Биофизика, т. 6, № 6, с. 687, 1961; он же , Оптика глаза, в кн.: Физиол. сенсорных систем, под ред. Г. В. Гершуни, ч. 1, с. 37, Л., 1971; Xартридж Г . Современные успехи физиологии зрения, пер. с англ., М., 1952; Ivanoff A . Les aberrations de l"oeil, leur role dans l"accomodation, P., 1953; он же , Au sujet de l"aberration sphérique de l"oeil, Optica Acta, t. 3, p. 47, 1956, bibliogr.; Коomеn М ., Тоusey R . a. Sсо1nik R . The spherical aberration of the eye, J. opt. Soc. Amer., v. 39, p. 370, 1949; Westheimеr G . Spherical aberration of the eye, Optica Acta, v. 2, p. 151, 1955, bibliogr.