理解波前像差与Zernike多项式
科技的发展总是给眼视光学医生提供更先进的“武器”用来矫正患者的屈光不正。准分子角膜激光手术就是近年以来这一领域的重大突破性进展。现在，我们又开始进入下一个重大突破发生的阶段：波前像差引导的角膜屈光手术。这一技术引起了人们很大的关注，因为它有可能让患者获得“超视力”（ Super-normal Vision ）。 波前像差（ Wavefront aberrations ，波阵面像差，波面像差）和 Zernike 多项式是这一研究领域专家学者在文章和会议上进行讨论的核心。但这些概念来自于经典的物理光学和数学领域，由于知识背景的原因，可能大多数的眼科医生对此难以做清晰、透彻的理解，更难以在临床工作中向患者进行解释说明，以获得他们的理解与配合。本文以此为目的进行阐述，供读者参考。 1. 什么是高阶像差？
对波前像差的描述中，研究者似乎更关注高阶像差（ higher-order aberrations ），那么什么是高阶像差？
回忆历史，在波前像差的概念以前，球镜度、柱镜度、散光轴向三个数据的组合代表了眼视光学临床上对患者眼屈光状态的全部描述。无论是电脑自动验光，还是主觉验光或检影验光，以及医生开具的验配处方，这三者组合是主要并关键的数据（图 1 ）。
图 1
我们这样做了 100 年。但这些是否反映患者全部的屈光误差呢？答案是否定的。我们忽略了高阶像差，而它们是人眼屈光误差的组成部分。
2. 高阶像差为什么越来越重要？
根据分析，长期以来人眼屈光的高阶像差被眼科或者视光学医师忽略的原因可能在于：（ 1 ）这些屈光误差量很少，或者对视功能仅有轻微的影响。（ 2 ）临床上缺乏有效手段对它们进行准确测量。（ 3 ）即使发现并可以测量高阶像差，但缺乏有效的消除手段。
浴帘挂钩随着研究和认识的进展，人眼的高阶像差已经难以继续被忽略，而将逐渐成为眼视光学临床上常规的检查和评价内容。原因在于：（ 1 ）发现大量的常规屈光手术病例术后存在不同程度的视力问题，这些问题与术眼的高阶像差相关。角膜屈光手术在对角膜进行重新塑性，有效切削矫正球柱镜的同时，导致术眼高阶像差的显著增加。这些手术病例，没有明显的残留球柱性屈光不正，由于高阶像差的影响而导致不同程度的视力问题。（ 2 ）新的检查仪器，即像差计（ aberrometers ）投入临床应用，可测量人眼高阶像差。（ 3 ）临床上诞生了可用于矫正高阶像差的办法，即波前像差引导的角膜屈光手术（ LASIK 和 PRK ） ------ 可望很快成为屈光手术的新标准。同样的针对接触镜的研究也正在进行，目的在于提供可个性化设计的接触镜处方，以矫正高阶像差。
总之，高阶像差是球、柱性屈光不正之外的屈光误差。由于大量常规屈光手术病例术后存在不同程度因术眼高阶像差而导致的视力问题，使得高阶像差如今必须得到重视。同时在未来，患者也会更趋向于选择波前像差引导的角膜屈光手术，以获得最佳视力。
3. 超视力
如果我们不仅矫正患者的球、柱镜屈光不正，而且矫正高阶像差，就有可能为患者提供几乎完美的屈光矫正效果，使之获得“超视力”。也就是说，患者的眼睛将拥有完美的屈光系统。这个时候，视觉将不再受眼球屈光系统的限制，而仅受限于视网膜分辨力。理论上，这样的屈光系统允许最佳矫正视力为 20/8 ，比 20/20 整整高出四行的视力！
超视力引起人们的无限遐想，并且成为 Science News ， Physics Today ， Scientific American 等杂志媒体报道的主题。
4. 什么是波前像差探测器（像差计）？它的原理是什么？
波前像差探测器或者称之为像差计，是一种用来测量眼球全部屈光误差包括球镜、柱镜和高阶像差的装置。
这些测量仪被临床使用以前，经历了一些有意思的过程。最初在 80 年代，美国国防部将这些装置用于支持里根总统提出的“星球大仗”弹道导弹防御计划。为了增强太空上军用卫星的摄像照片效果并提高激光武器的打击精确度，军方需要一种技术来测量并矫正处于经
常波动状态的大气屈光力。这导致一种光学工程分支学科的发展，就是自适应光学，它涉及到实时测量并矫正比如大气湍流所导致的屈光误差。典型的情况下，这种矫正通过使用一种可迅速弯曲或变形的反射镜来精确地补偿不断变化的大气屈光力，整个过程在高速计算机的控制下，通过一种非常快地方式，在不同的时间改变反射镜不同部位的弯曲度来实现。
天文学家也对自适应光学十分感兴趣，因为湍流大气造成的屈光误差同样使他们的望远镜成像变得模糊。自适应光学允许他们在地面做同样的事情，通过曲折望远镜的光学部件来消除湍流大气屈光力的影响。到了 90 年代，几乎世界上最大的望远镜都配备了自适应光学系统，它包括了用来测量大气像差的波前像差探测器和进行光学矫正的可变形反射镜。
阀门手轮一个世纪以前， Hartmann 发明了一种实验来评价望远镜反射镜的光学性能。 Hartmann 实验就是现代 Shack-Hartmann 波前像差探测器的鼻祖。 80 年代，在为空军的一个项目工作中，亚利桑那州大学的 Roland Shack 教授改良了 Hartmann 的技术并发明了我们所知道的 Shack-Hartmann 波前像差探测器。今天， Shack-Hartmann 像差计已经成为测量人眼像差的主要工具。
对等网线>无线存储
聚丙烯吸收塔1990 年，海德堡大学的科学家们正在开发一种可提供更好的视网膜图象，包括视乳头三维图像的激光扫描检眼镜。这就是现代用于青光眼检查的 HRT （ Heidelberg Retinal Tomograph ）的鼻祖。
海德堡的科学家希望可通过矫正眼球的全部屈光误差，包括高阶像差来优化眼底图像的质量。一位哲学博士生， Junzhong Liang ，是第一个使用 Shack-Hartmann 波前像差探测器来测量人眼像差的人。他的文章发表于 1994 年，并且成为视觉像差领域被引用最为频繁的论文。
此后数年里面，世界上其它的研究实验室建立了各自的 Shack-Hartmann 波前像差探测器。
强制系统
到 90 年代后期，竞争主要发生在激光屈光手术设备厂家之间，他们开发了商品化的眼科波前像差探测器用于引导各自激光设备进行更好的 LASIK 和 PRK 手术。 WaveFront Sciences 公司在 2000 年早期生产了第一个基于 Shack-Hartmann 原理的商品化眼科波前像差测量仪： the Complete Ophthalmic Analysis System (COAS) 。其它公司，诸如 VISX 和 ALCON 也开发出了 Shack-Hartmann 类型的像差计。并且，基于其它非 Shack-Hartmann 原理的商品化像差计也被开发出来。
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