Аберрации оптических систем

Представление о глазе как о совершенном оптическом приборе мы приобретаем еще со школы при изучении раздела физики "Оптика". При изучении соответствующих наук в высшем или среднем специальном учебных заведениях такое представление о глазе закрепляется, обрастая дополнительной информацией. Поэтому высказывание С.Н. Федорова о том, что глаз является несовершенным прибором и задача офтальмолога в усовершенствовании его, долгое время воспринималось многими врачами со скепсисом.

При конструировании даже самой простой подзорной трубы необходимо не только сфокусировать оптическую систему в одной точке (исключить близорукость, дальнозоркость и астигматизм подзорной трубы), но и обеспечить качество получаемого изображения. Линзы, из которых делают подзорную трубу, должны быть из хорошего стекла, почти идеальной формы и с хорошо обработанной поверхностью. Иначе изображение будет нечетким, искаженным и размытым. Вот тогда и началось изучение аберраций - мельчайших шероховатостей и неравномерностей преломления. А с появлением аппаратов для выявления и измерения аберраций глаза в офтальмологию вошло новое измерение - аберрометрия.

Аберрации могут быть разного порядка. Самыми простыми и наиболее известными аберрациями являются собственно те самые близорукость, дальнозоркость и астигматизм. Их называют дефокусом или аберрациями второго, низшего порядка. Аберрации высшего порядка и являются теми самыми шероховатостями и неравномерностями преломления.

Аберрации высшего порядка также делят на несколько порядков. Принято считать, что на качество зрения влияют аберрации в основном до седьмого порядка. Для удобства восприятия существует набор полиномов Зернике, отображающий виды монохроматических аберраций как трехмерную модель неравномерности преломления. Набором этих полиномов более-менее точно можно отобразить любую неровность рефракции глаза.

Аберрации подразделяют на три основные группы:

  • дифракционные;
  • хроматические;
  • монохроматические.

Дифракционные аберрации появляются при прохождении луча света вблизи непрозрачного объекта. Световая волна отклоняется от своего направления, проходя рядом с четкой границей между прозрачной средой (воздухом) и непрозрачной средой. В глазу такой непрозрачной средой является радужка. Та часть светового пучка, которая проходит не в центре зрачка, а у его края, отклоняется, что приводит к светорассеянию по периферии.

Хроматические аберрацииХроматические аберрации возникают вследствие следующего оптического явления. Солнечный свет, как уже говорилось, состоит из световых волн с очень разнообразной длиной. Видимый свет включает в себя диапазон от коротковолновых фиолетовых лучей до длинноволновых красных. 

У каждого из этих видов лучей свой коэффициент преломления. Каждый цвет преломляется в роговице и хрусталике по-своему. Грубо говоря, изображение синих и зеленых частей предмета фокусируются у эметрона сетчаткой, а красные - за ней. В итоге изображение цветного предмета на сетчатке получается более расплывчатым, чем черно-белого. Именно на эффекте, связанном с хроматическими аберрациями, и базируется трехмерное видео.

Монохроматические аберрации, собственно, и являются основным предметом изучения рефракционных хирургов. Именно монохроматические аберрации подразделяются на аберрации высшего и низшего порядков. Монохроматические аберрации низшего порядка: близорукость, дальнозоркость и астигматизм.

Монохроматические аберрации высшего порядка:

  • сферическая аберрация,
  • кома,
  • астигматизм косых пучков,
  • кривизна поля, дисторсия,
  • нерегулярные аберрации.

Для описания комплекса монохроматических аберраций высшего порядка используют полиномы математического формализма Зернике (Цернике). Хорошо, если они близки к нулю, а среднеквадратичное отклонение волнового фронта RMS (root mean square) меньше длины волны или равно 0,038 мкм (критерий Марешаля). Впрочем, это уже тонкости рефракционной хирургии.

Стандартная таблица полиномов Зернике
 является своего рода набором трехмерных иллюстраций аберраций вплоть до седьмого порядка:

  • дефокус,
  • астигматизм,
  • астигматизм наклонных пучков,
  • кома,
  • сферическая аберрация,
  • трилистник,
  • четырехлистник и так далее, до восьмилистника (trefoil, tetrafoil, pentafoil, hexafoil...).

"Трилистники" представляют собой от трех до восьми равномерных секторов окружности с повышенной оптической силой. Их возникновение может быть связано с основными центростремительными направлениями фибрилл стромы, своего рода ребрами жесткости роговицы.

Аберрационная картина глаза весьма динамична. Монохроматические аберрации маскируют хроматические. При расширении зрачка в более темном помещении увеличиваются сферические аберрации, но уменьшаются дифракционные, и наоборот. При возрастном снижении способностей к аккомодации аберрации высшего порядка, ранее являвшиеся стимулом и повышавшие точность аккомодирования, начинают снижать качество зрения.

Поэтому в настоящее время сложно определить значимость положительного и отрицательного влияния каждого вида аберраций на зрение каждого человека.

Причины аберраций

Они есть у всех. Из них и состоит индивидуальная карта преломления глаза. Современные аппараты обнаруживают аберрации высшего порядка, как-то влияющие на качество зрения, у 15 % людей. Но индивидуальные особенности преломления есть у каждого.

Поставщиками аберраций являются роговица и хрусталик.

Причинами аберраций могут быть:

  • врожденная аномалия (совсем небольшие и слабо влияющие на зрение неравномерности, лентиконус);
  • травма роговицы (рубец роговицы стягивает окружающую ткань, лишая роговицу сферичности);
  • операция (радиальная кератотомия, удаление хрусталика через роговичный разрез, лазерная коррекция, термокератопластика и другие операции на роговице);
  • заболевания роговицы (последствия кератита, бельмокератоконус, кератоглобус).

Причиной внимания офтальмологов к аберрациям является офтальмохирургия. Не обращая внимания на аберрации и не принимая в расчет их влияние на качество зрения, офтальмология просуществовала довольно долго. До этого аберрации изучали и боролись с их негативным влиянием только производители подзорных труб, телескопов и микроскопов.

Операции на роговице или хрусталике (имеется в виду роговичный разрез) на несколько порядков увеличивают аберрации высшего порядка, что иногда может приводить к снижению послеоперационной остроты зрения. Поэтому широкое внедрение в офтальмологическую практику имплантации искусственного хрусталика, кератотомии и лазерной коррекции способствовало развитию диагностической аппаратуры: появились кератотопографы, анализирующие карту преломления роговицы, а теперь и аберрометры, анализирующие весь волновой фронт от передней поверхности роговицы до сетчатки.

 

Аберрации, появившиеся из-за LASIK

  • Исправляя дефокус (близорукость, дальнозоркость), рефракционный хирург прибавляет пациенту аберраций высокого порядка.
  • Формирование микрокератомом роговичного лоскута приводит к росту аберраций высшего порядка.
  • Осложнения во время LASIK приводят к росту аберраций высшего порядка.
  • Процесс заживления приводит к росту аберраций высшего порядка.

Убирать микрошероховатости и неравномерности с помощью эксимерного лазера с щелевой подачей луча не представлялось возможным. Изобретена и внедрена в производство установка с возможностью точечной абляции, то есть диаметр лазерного луча в некоторых моделях менее миллиметра. С использованием полиномов Зернике были введены в практику компьютерные программы, позволяющие автоматически преобразовывать полученную из аберрометра индивидуальную карту рефракции в лазерной установке в алгоритм, управляющий лучом, устраняющим не только остаточный дефокус, но и аберрации высшего порядка. Полиномы Зернике становятся набором инструментов, каждый из которых предназначен для удаления определенного компонента в аберрационном комплексе.

Роговица при проведении такой персонализированной лазерной абляции должна приближаться по своей форме к уровню оптически идеальной сферы.

Классификация

Хроматическая, астигматизм косых пучков, кома и др. Все вместе они и формируют на сетчатке изображение окружающего мира, восприятие которого у каждого человека строго индивидуальное. 

Вот несколько видов аберраций высшего порядка

  • Сферическая аберрация. Свет, проходящий через периферию двояковыпуклой линзы, преломляется сильнее, чем в центре. Главным "поставщиком" сферической аберрации в глазу является хрусталик, во вторую очередь - роговица. Чем шире зрачок, то есть чем большая часть хрусталика принимает участие в зрительном акте, тем более заметна сферическая аберрация. 

    В рефракционной хирургии сферическую аберрацию наиболее часто индуцирует искусственный хрусталик, LASIK и лазерная термокератопластика.

  • Аберрации углов наклона оптических пучков. Асферичность преломляющих поверхностей представляет собой несовпадение центров изображений светящихся точек, расположенных вне оси оптической системы. Подразделяются на аберрации больших углов наклона (астигматизм наклонных пучков) и малых углов наклона (кома).

    Кома не имеет никакого отношения к известному диагнозу реаниматологов. Ее аберрометрическая картина похожа на окружность, расположенную в оптическом центре роговицы и разделенную линией на две ровные половины. Одна из половин имеет высокую оптическую силу, а другая -низкую. При такой аберрации человек видит светящуюся точку как запятую. При описании предметов люди с такой аберрацией используют слова "хвост", "тень", "дополнительный контур", "двоение". Направление этих оптических эффектов (меридиан аберрации) может быть различным. Причиной комы может быть врожденная или приобретенная разбалансировка оптической системы глаза. Оптическая ось (на которой располагается фокус линзы) роговицы не совпадает с осью хрусталика и вся оптическая система не сфокусирована в центре сетчатки, в макуле. Кома может быть в том числе и одним из компонентов неравномерности рефракции при кератоконусе. При проведении LASIK кома может появляться в результате децентровки зоны лазерной абляции или особенностей заживления роговицы при лазерной коррекции дальнозоркости.

  • Дисторсия - нарушение геометрического подобия между предметом и его изображением - искажение. Разноудаленные от оптической оси точки предмета изображаются с различным увеличением.

Лазерная коррекция не является монополистом в коррекции аберраций. Уже разработаны искусственные хрусталики и контактные линзы, компенсирующие некоторые виды аберраций высшего порядка.