鏡片像差對(duì)配裝眼鏡成像質(zhì)量的影響及解決辦法

金登洲/文

配裝眼鏡驗(yàn)配中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)成像質(zhì)量的問題，眼鏡成像質(zhì)量的好壞會(huì)受驗(yàn)光處方、眼鏡配裝、眼鏡片設(shè)計(jì)和配戴人員的使用等諸多因素的影響。本文就鏡片像差對(duì)配裝眼鏡成像質(zhì)量的影響進(jìn)行討論并提出解決方法。

1 概述

眾所周知，任何光學(xué)系統(tǒng)成像都是不完善的。換句話說，任何光學(xué)系統(tǒng)都存在像差。光學(xué)系統(tǒng)的像差可以分為色光的像差和單色光的像差兩大類。

色光的像差可分為位置色差和放大率色差兩種。

單色光的像差可分為球面像差、彗形像差、像散像差、像面彎曲和畸變5種。

眼鏡片也存在上述7種像差，但是眼鏡是戴在眼前使用的，它與眼球組合成一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，因此對(duì)眼鏡片像差的研究必須顧及眼球的結(jié)構(gòu)和生理，也應(yīng)結(jié)合眼球的像差情況作綜合考慮。同時(shí)，眼鏡片多為單片成像，結(jié)構(gòu)元素（眼鏡片變量）有限，所以在眼鏡片像差分析上也應(yīng)有所側(cè)重。

2 鏡片像差對(duì)配裝眼鏡成像質(zhì)量的影響

眼鏡與眼睛組成的是一個(gè)小孔徑、大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)，這種光學(xué)系統(tǒng)的軸上點(diǎn)的像差不大，而軸外點(diǎn)的像差較大。也就是說，配裝眼鏡的單色光像差主要是彗形像差、像散像差、像面彎曲和畸變。

在色光的像差中，由于眼睛本身的色差相當(dāng)大，加上眼睛對(duì)光譜兩端的顏色感覺不靈敏，而光譜中段的色差并不大，因此眼鏡片的位置色差對(duì)眼睛的影響不大，可以不予考慮。但眼睛的視場(chǎng)較大，眼鏡片的放大率色差較大，不能忽略。

2.1 眼鏡片放大率色差

當(dāng)眼鏡片的放大率色差較大時(shí)，眼睛通過鏡片視物，物體的周邊會(huì)呈現(xiàn)顏色。眼鏡片的放大率色差可用下式計(jì)算：

式中：Dd——鏡片對(duì)黃光所表現(xiàn)的屈光度

h ——入射點(diǎn)距鏡片光心的距離

v ——鏡片材料的阿貝數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鏡片的放大率色差△P＞0.12時(shí)，眼睛會(huì)感覺到放大率色差的存在。如果眼鏡片材料為低折C R-39樹脂，v =57.8，則眼睛感覺不到放大率色差時(shí)，

一般情況下，眼睛（單眼）的中心視野約30°，眼鏡片后頂點(diǎn)到眼球轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離為25 m m，則有h＝6.7 m m，Dd＝6.94/0.67＝10.36（D）。計(jì)算結(jié)果表明：低折射率C R-39樹脂鏡片的屈光度達(dá)到11 D時(shí)眼睛才會(huì)感覺到放大率色差的存在。

如果鏡片材料為高折射率C R-39樹脂或P C，v=30，經(jīng)計(jì)算有Dd＝5.37（D）。也就是說高折射率C R-39樹脂或P C鏡片的屈光度達(dá)到5.50 D時(shí)眼睛就會(huì)感覺到放大率色差的存在。

2.2 眼鏡片彗形像差和像散像差

當(dāng)眼鏡片的彗形像差或像散像差較大時(shí)，眼睛通過鏡片視物周邊視場(chǎng)會(huì)模糊不清，嚴(yán)重的還會(huì)引起頭昏腦脹。

研究表明:眼鏡片的球面像差最小時(shí)，彗形像差也最小。同時(shí)，彗形像差與物點(diǎn)離開主軸的距離成比例增加。

眼鏡片的彗形像差可用下式來計(jì)算：

彗形像差＝h′m·O S C

式中：h′m——邊光理想像高

O S C ——正弦差

當(dāng)眼鏡片以本身為光欄，并對(duì)無限處物體來說，正弦差O S C又可用下式表示：

式中：Up′——近軸折射光孔徑角

lp′——近軸光成像的像距

Um′——邊緣折射光孔徑角

lm′——邊緣光成像的像距

眼鏡片（鏡片為薄透鏡時(shí)）的像散像差可用下式計(jì)算：

式中：h ——入射點(diǎn)到主軸的高度

D1——鏡片第一面面屈光度

D ——鏡片總屈光度

L ——入射光束的聚散度

P′——鏡片到眼球轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離所對(duì)應(yīng)的屈光度

當(dāng)物點(diǎn)在無限遠(yuǎn)時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：

2.3 眼鏡片像面彎曲和畸變

當(dāng)眼鏡片存在像面彎曲和畸變時(shí)，眼睛通過鏡片視物，物體周邊會(huì)發(fā)生變形或扭曲（比如通過鏡片觀察地面，地面會(huì)呈現(xiàn)下凹或上凸）的現(xiàn)象。

一個(gè)平面物體經(jīng)過眼鏡片所成的像是一個(gè)曲面，這個(gè)曲面又稱為匹茲凡爾曲面。對(duì)單片眼鏡片來說，其匹茲凡爾面的曲率為：

式中：D ——眼鏡片的總屈光度

n ——眼鏡片材料的折射率

眼鏡片的畸變通常以鏡片橫向放大率的變化與鏡片近軸區(qū)的橫向放大率的比值來度量，如下式所示：

式中：△β——鏡片橫向放大率的變化

β0——鏡片近軸區(qū)的橫向放大率

β——鏡片的橫向放大率

△β=β0-β

當(dāng)V ＞0時(shí)，稱為正畸變;V＜0時(shí)，稱為負(fù)畸變。

3 解決方法

配裝眼鏡因鏡片像差而影響使用效果時(shí)，我們可以采取一些措施將影響降低到最小，下面分別討論。

3.1 放大率色差

從上述分析來看，放大率色差與入射點(diǎn)到鏡片光心的距離成正相關(guān)，與鏡片材料的阿貝數(shù)成負(fù)相關(guān)。當(dāng)配戴者感覺到放大率色差的存在時(shí)，我們可采取以下措施。

a. 選擇小鏡框鏡架。鏡框小可降低入射點(diǎn)到鏡片光心的距離，但過小的鏡框會(huì)使視野減小，影響觀察。

b. 選擇高阿貝數(shù)、低折射率材料加工的鏡片。這是比較有效的方法，阿貝數(shù)的增加可使放大率色差下降。不過材料的阿貝數(shù)增加，折射率就會(huì)下降，引起高屈光度鏡片邊緣厚度的增加，從而影響美觀。

3.2 彗形像差和像散像差

當(dāng)配戴者戴鏡視物,若周邊視野呈現(xiàn)模糊不清,使戴鏡舒適度下降時(shí),這往往是由于鏡片彗形像差或像散像差的影響所致。

彗形像差與球差有關(guān)，當(dāng)球差最小時(shí)彗形像差也最小; 彗形像差還與物點(diǎn)離開主軸的距離有關(guān)。所以要降低鏡片的彗形像差，一方面可改變鏡片的彎度使鏡片的球差最小，但由于鏡片的結(jié)構(gòu)元素所限，設(shè)計(jì)人員一般不會(huì)作出這種考慮; 另一方面也可選擇小鏡框的鏡架，以降低物點(diǎn)離開主軸的距離，但小鏡框眼鏡會(huì)使視野減小，影響觀察。

像散像差除與物點(diǎn)離開主軸的距離有關(guān)外，還與鏡片的彎度有關(guān)。當(dāng)配戴者戴鏡視物,周邊視野呈現(xiàn)模糊不清而使戴鏡舒適度下降時(shí)，我們往往采取降低鏡片像散像差的做法:

a. 選擇小鏡框鏡架。鏡框小可縮小物點(diǎn)離開主軸的距離，但是過小的鏡框會(huì)使視野減小，影響觀察。

b. 改變鏡片的彎度。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)眼鏡市場(chǎng)鏡片的基彎往往都過于平坦，我們可以選擇較彎的基彎或令配戴者舒適的眼鏡鏡片基彎向鏡片加工廠定制鏡片，使鏡片的像散像差下降，從而提高戴鏡的舒適度。

c. 選用非球面鏡片。本文對(duì)此暫不展開討論。

3.3 像面彎曲和畸變

從上述的分析可知，像面彎曲對(duì)單片眼鏡片（或者是一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)）來說是一個(gè)定值。換句話說，鏡片的像面彎曲是無法矯正的。單片眼鏡片的畸變也是無法矯正的，即使選擇鏡片的基彎使畸變降為最小值，眼鏡片的彎形也相當(dāng)厲害（D 2＝-18.50 D），這樣大的彎形的鏡片不僅加工困難，實(shí)際上也無法使用。

所以，為了防止配戴者通過鏡片視物時(shí)發(fā)生變形或扭曲（比如通過鏡片觀察地面，地面會(huì)呈現(xiàn)下凹或上凸）現(xiàn)象，我們只能設(shè)法使視線盡量通過鏡片光學(xué)中心進(jìn)行觀察，具體做法如下：

a. 普通眼鏡（指既要視遠(yuǎn)，又要視近的眼鏡）裝配時(shí)，在垂直方向上可不作移心處理，即令鏡片的光學(xué)中心在垂直方向上處于鏡框幾何中心位置。這樣就可保證配戴者視遠(yuǎn)時(shí)視線通過鏡片光學(xué)中心上方觀察，視近時(shí)視線通過鏡片光學(xué)中心下方觀察，但是視線偏離鏡片光學(xué)中心都不大，因此像面彎曲和畸變都不大。

b. 如果配戴者通過鏡片視物，物體發(fā)生變形或扭曲時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整戴鏡高度，讓配戴者的觀察視線盡可能地通過鏡片的光學(xué)中心，使像面彎曲和畸變減小，從而降低物體的變形或扭曲。

c. 選用非球面鏡片。本文對(duì)此暫不展開討論。

本期思考題:

1. 一顧客戴鏡視物，主述視場(chǎng)周邊物體不清晰，對(duì)此應(yīng)作如何處理？

2. 普通眼鏡裝配時(shí)，在垂直方向上最好不移心，為什么？

(答案將于下期公布)