美好生活，离不开能看见美的视力丨流光E彩
编者按：半个世纪光电情，披星戴月星辰明。中科院之声与中国科学院光电技术研究所联合开设“流光E彩”科普专栏，讲述生活中的光电科普趣事，传播最生动的光电知识，展示最前沿的光电进展。
“那大圣睁圆火眼金睛，低头看时，原来佛祖右手中指写着‘齐天大圣到此一游’”。——《西游记》第七回。大圣必须看清楚些，可别被佛祖骗了，因此他用尽了力气睁大眼睛去看。大圣告诉我们了一个生活中的常识：睁大眼睛可以看得清楚。
但下图中看手机的大叔，又带给我们完全相反的另一个生活常识：视力不好的人看东西时，尽量眯起眼睛来才能看得清楚些。也就是说：瞳孔缩小可以看得清楚。
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操作完全相反的大圣和大叔，到底谁对谁错，还是都对都错？这两个常识在生活中都被人们广泛使用，而实践是检验真理的唯一标准，因此他们都正确。
如此一来，大圣肯定犯嘀咕：到底是何方妖孽在作怪？答案是：人眼像差。当然，它不是妖怪，而是人类、尤其是现代人本身具有的身体特征。
大圣和大叔的矛盾，仍然是亘古不变的“理想与现实的差距”问题。人眼是一个光学成像系统：以角膜和晶状体为主的人眼屈光系统，相当于相机的光学镜头，它把来自物体的光线聚焦在视网膜上，再通过神经传导至大脑处理后，来形成物体的像。根据光学成像理论，对于无像差的完美光学系统，增大入射光束的尺寸可以提高分辨率，从而能够看清楚更小的物体或分辨更多的细节。因此，大圣想看得更清楚，就必须尽量睁大眼睛。但别忘了这一操作成立的前提条件：得是无像差的眼睛才行。
而现实情况却是，大多数人的眼睛都存在着这样那样、或大或小的像差，根本不是完美的光学系统。睁大眼睛不但不能看得清楚，反而会更模糊，科学描述就是：一个点物在视网膜上成为了一个能量弥散的大光斑图像。但如果把眼睛眯起来，只让少量光线进入眼睛，弥散的大光斑图像会明显变小，看上去更接近于点物。这就是大叔操作的正确性。
什么是人眼像差？
顾名思义，像差就是一种误差，人眼像差就是人们观察外部世界、或从外部观察眼内时的非正常视觉功能状态。经过漫长时间的进化，人眼这一器官已趋完美：来自远处物体上一个点的光线，平行入射眼睛，被屈光系统聚焦在视网膜上，形成一个能量集中的清晰点像。
而在有像差的实际眼内传输后，光线在视网膜上不被聚焦成清晰的点像；波前也不再是球面，而是不规则分布。在人眼瞳面位置处，有像差的实际眼的不规则波前，与无像差的理想眼的平面波前之间的偏离，就是人眼像差。
像差对视觉的影响，主要表现为：模糊、低对比度、重影、分色和变形等。受像差的影响，我们所看到的物体不再是其本来的样子，而且同一物体对于不同人呈现出不同的样子，这意味着外部世界不再是真实和一致的，而世界的客观唯一性是人类知识体系的基石。可见小小的人眼像差，会导致严重的知识体系崩塌，其威力不容小觑。
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我们知道，眼睛是信息的采集机构，而且超过80%的信息都是通过眼睛获得。如果采集到的大量信息都是不准确的，人们又如何来形成对外部世界的正确认识呢？所以，从400多年前出生的天文学家和数学家开普勒开始（准确时间和贡献者无定论），人类就一直在不断地认识人眼像差，和它的斗争（如何消除它的影响）也从未停息过。
人眼像差产生的原因是什么？
1）眼球形状不规则，比如在上下和水平切面内不对称，使得眼睛在不同方向的聚焦能力不同，导致光线不能聚焦于同一位置。角膜和晶状体等局部眼组织的形状不规则，也会引起像差。
2）从最外部的角膜到最深部的视网膜，眼睛由不同的组织构成，它们的形状和折射率等各不相同，使得光线在眼组织中传输时呈不规则路径，而不能聚焦于一点。
3）眼组织受到损伤（如角膜表面不平整等），病变引起的组织变异（如晶状体浑浊、玻璃体变性、液化和浑浊等）、功能丧失（如不能进行屈光调节等）、和形成障碍物（如肿块肿瘤物等）等，以及风吹、过热过冷和环境振动等外界干扰，均会引起人眼像差。
此外，还有光轴与视轴不重合、角膜与晶状体的光学中心不一致等其他原因。
如何描述和测量人眼像差？
像差通常采用泽尼克多项式的线性组合来描述，用严格的数学方式来表达，具有标准统一和可量化的特点，便于不同物体之间像差的比对与传递。泽尼克多项式只是一种数学表达的形式，具体由对应单位圆的归一化系数、表示径向变化的多项式、和表示周向变化的正弦函数所构成，它表示波面在单位圆内沿径向和周向的变化情况，也就是从眼内出射的圆形光束在瞳面处的波前分布。多项式中的每一项都被称为波前模式，表示不同的像差类型。高精度人眼像差通常需采用前35项波前模式来描述，按波面沿径向的变化情况划分为7阶：前2阶为低阶像差，包含5项，其中就有人们所熟知的离焦（近视或远视）和散光；从3阶开始为高阶像差，包含球差、彗差和三叶草等30项像差。
人眼像差测量就是通常所说的验光，是配镜行业和眼科学中必不可少的基本操作，分为主观和客观两类方法。主观验光又称主觉验光，是使用视力图表和综合验光仪等工具，根据患者主观反映的视力变化，得出其屈光度数的方法。这是目前配镜行业采用最多的方法，具有简单廉价的特点，但只能获得近视、远视和散光等低阶像差。
主观验光（图片来自网络）
客观验光又称他觉验光，是使用检影镜和电脑验光仪等工具，直接观察患者瞳孔中光标移动的客观变化，得出其屈光度数的方法。目前眼科临床上广泛使用的自动电脑验光仪，就是一种客观检查眼屈光状态的仪器，它通过改变进入眼睛的光线聚焦度，来使光标清晰地成像在视网膜上，从而自动计算出眼的屈光度，能获得包括低阶和高价在内的全部像差。
客观验光（图片来自网络）
人们通常只听闻离焦和散光等低阶像差，而对高价像差知之甚少，这是否就意味着：高价像差对人们生活的影响无关紧要呢？此话有道理，但又不尽然。低阶像差的数值确实要远大于高阶像差，其对视觉的影响也最大，因此矫正低价像差后，通常就能获得不错的视觉质量，已能满足人们的日常生活需要。此外，迄今为止，人们对高价像差的矫正还无能为力，故它还未进入人们关注的范围。
但随着人们对生活质量要求的不断提高，高价像差对生活的影响也会逐渐显现。我们再返回去帮大圣分析下他的操作：瞳孔增大后，高阶像差会相应地增大，如下图所示，仅球差、彗差和三叶草这三项高阶像差，就能使视物模糊不清，因此高阶像差并非无关紧要。无明显高阶像差的最大瞳孔尺寸，通常只有仅仅2mm左右（仍然存在低阶像差），但此时的视觉分辨力已很低。
越来越多高质量的生活用品，正带给人们高品质的生活享受，如像素数不断攀升的手机、电脑和电视屏、以及超高清影视节目等，这一切都离不开“能看到”它们的眼睛，否则就浪费了如此美好的事物。因此，美好生活，离不开能看见美的视力。
（图片来自网络）
如何矫正人眼像差？
像差矫正的基本原理，就是主动使波前发生变形，它与像差波前的变形：大小相等、方向相反。主动产生的矫正波前，与实际的像差波前的变形，就能相互抵消，从而获得无像差的规则波前。可见像差矫正需具备两个基本条件：能获得像差分布的波前传感器和能使波前发生变形的波前矫正器。
目前的人眼像差矫正方式，分为非手术矫正和手术矫正两类：前者为采用除临床手术之外的方式，如配镜、物理疗法和药物等，来治疗、恢复或提高视觉功能的方法；而后者为采用临床手术方式，如人工晶体植入和激光手术等，来治疗、恢复或提高视觉功能的方法。
非手术矫正方式不改变眼组织、而是依靠“增加”外物来实现。人们广泛佩戴的框架眼镜和角膜接触镜（隐形眼镜），就是非手术矫正方式中的波前矫正器。来自物体的无像差平面入射波前，通过波前矫正器后“主动”产生了变形，成为如下图中红色曲线所示的矫正后波前，它在眼内传输时正好与像差波前相互抵消，使光线聚焦在视网膜上，成为理想的点像，从而能看清物体。
手术矫正方式是通过改变或“减少”眼组织来实现。通过临床手术植入设计好的人工晶体、或者对角膜组织实施各种手术操作，使本应如绿色虚线所示的不规则波前，变成红色实线所示的球面波前，使光线聚焦在视网膜上，成为理想的点像。
（图片修改自网络）
非手术和手术矫正方式各有优缺点，均拥有广大受众。非手术方式具有安全、经济负担轻、可根据视力变化多次更换眼镜等优点，其存在的不足有：只能矫正低阶像差；镜片的度数不连续，不能提供正好所需的矫正度数，例如：某人视力-1.85D（+/-表示远视/近视，1D表示100度），只能佩戴接近的-1.75D或-2.0D的标准镜片产品；某些特殊场合、人群、或行业等不便佩戴眼镜。手术方式目前大多通过波前像差引导进行，理论上能矫正低阶和高阶像差、且能提供患者正好所需的矫正量，具有矫正准确和生活方便等优点，但也存在术后效果不确定性高、安全风险大和经济负担重等不足。
手术矫正方式的利弊、终止还是继续和是否扩大对象范围等，民间、学术和行业界等一直争论不休，至今也无定论，这里也不便给出结论。但我们知道，一个人的视力是随着年龄、身体状况、用眼习惯、和精神状态等诸多因素的变化而变化的，而手术方式不能根据视力变化多次进行手术。手术会使角膜组织等越来越薄，极易引起角膜膨胀等严重后果，反而会使视力急剧恶化，严重者只能通过角膜移植来重建视力。此外，手术创面的恢复，会与术前设计不一致，导致获得的视力与期望相左；手术创面还存在着局部凹凸不平，这会引起高阶像差。高阶像差增大对生活的影响不容忽视，比如：在夜晚等昏暗环境里驾驶，看到迎面而来的车灯，会出现明显的眩光和光晕等现象，时间久了会引起视觉疲劳和身体不适等反应，对驾驶安全极为不利。
是否存在完美的人眼像差矫正方法？
非手术和手术矫正方式各有优缺点，那么是否存在集合二者优点、而克服二者缺点，即完美的人眼像差矫正方法呢？答案是：有。这就是基于自适应光学（AO）技术的人眼像差个性化精准矫正方法。在介绍它之前，先来了解下AO技术的原理。
AO技术起源于天文观测领域，用于实时测量和矫正大气扰动引起的波前畸变，使人类能够清晰地观察天体和空中目标。人眼像差也是一种波前畸变，因此美国罗彻斯特大学的威廉姆斯等人于1997年把AO技术引入到人眼领域，通过将光瞳扩大、由此产生的像差则由AO技术来矫正，使分辨率达到了2μm水平，人类首次观察到了活体人眼视网膜的细胞图像。此后，AO技术就成为了人眼高分辨率观察必不可少的技术手段。我国在1999年，也由中科院光电所实现了基于AO技术的活体人眼视细胞成像。
基于AO技术的人眼像差个性化精准矫正，就是：利用AO技术测得精确像差，经计算后获得像差矫正所需的复杂任意面形，再把该面形制作到眼镜、接触镜或人工晶体等矫正器上、或通过波前像差引导技术在角膜上加工出该面形。由于测得的像差是患者本人的，据此产生的矫正器也是专门针对患者本人制作的，而不是从标准产品中选取；矫正是精确的，而不象常规眼镜只是近似矫正。因此，该方法是一种个性化高精度的定制化服务，能获得最佳的视觉效果。
由于视觉效果是客观生理作用与主观感受相结合的结果，并非矫正全部像差才能获得最佳视觉体验，因此个性化矫正还应考虑个体的主观感受，这可通过视觉仿真器来实现。它也是一种AO技术，可选择矫正不同的像差项和矫正量的多少，通过客观像差测量和主观感受相结合，来找到个体的最佳视觉体验，此时的像差矫正情况、即矫正器面形，就是此人的最佳视力矫正处方。
通过前面对非手术和手术矫正方式的对比分析可知，只有基于AO技术的非手术矫正方式、即把矫正面形加工在眼镜或接触镜上，才是最完美的人眼像差矫正方法：安全、个性化、精确矫正全部像差和可多次更换等。但要实现这一目标，目前还存在着一些挑战，主要是矫正器的制作工艺还不太成熟。以眼镜为例，为矫正离焦，需把镜片表面加工成球面；为矫正散光，需加工成柱面；为同时矫正离焦和散光，需加工成球面和柱面的叠加；而为了矫正包含低阶和高阶在内的全部像差，大家想象一下镜片表面需加工成什么面形？而且该面形需加工在对应光线进入眼睛的中心区域约6~8mm的圆内、加工精度需达10nm量级，可见其制作难度之高。
完美人眼像差矫正离普通人还有多远？
当前视力矫正存在的问题、和巨量视力患者所蕴含的商机，正推动着包括学术、行业、政府组织和商业机构等在内的全链条联动，这是完美像差矫正能走向普通人生活的最大保障。但具体还需多久，则主要取决于制作水平、商业模式和市场售价等因素。
制作方面，目前主要采用曝光刻蚀、微加工和注塑等方式制作矫正面形。随着超高精密加工业的发展、和3D打印等新技术的推广应用，制作出完美矫正人眼像差所需的眼镜和接触镜等产品，已指日可待。
商业模式方面，由于加工设施昂贵和技术难度高，制作只能集中在工厂进行。眼镜门店和眼科医院等只需配置像差测量仪，把测得的患者像差信息传递给工厂进行镜片制作，完成后再返回门店或医院加装镜架。这是一种定制服务、且需要一定的等待时间，和目前的立等可取不同。好在此种商业模式目前已不少见，能为消费者所接受。
售价方面，估计初期会远高于目前的普通眼镜，但会低于手术矫正方式。鉴于手术方式存在安全风险、且效果不确定性高等，也仍然有如此多的受众，因此该产品的初期售价应该也能被部分消费者所接受。随着量产、工艺进步和市场成熟等因素的不断发展，产品售价必然会逐渐平民化，使其最终成为普通老百姓的日常用品。
走在大街上，你会发现满眼尽是眼镜，甚至连中小学生等青少年群体也有很大比例，再加上佩戴隐形眼镜和接受手术视力矫正者，更是一个庞大的群体。因此，视力问题已成为一个社会问题，需各行各业的共同努力才能解决。随着科技的不断发展，人类一定能够解决好人眼像差这个“缺陷”。尤其是基于AO技术的人眼像差个性化精准矫正方法的出现，更是为此问题的解决提供了一种完美的解决方案。相信在不久的将来，人类就可以拥有这样的完美视力矫正产品，能够准确地观察这个美丽的世界、和拥有美好的生活。
来源：中国科学院光电技术研究所
