镜片像差对配装眼镜成像质量的影响及解决办法

金登洲/文

配装眼镜验配中经常会出现成像质量的问题，眼镜成像质量的好坏会受验光处方、眼镜配装、眼镜片设计和配戴人员的使用等诸多因素的影响。本文就镜片像差对配装眼镜成像质量的影响进行讨论并提出解决方法。

1 概述

众所周知，任何光学系统成像都是不完善的。换句话说，任何光学系统都存在像差。光学系统的像差可以分为色光的像差和单色光的像差两大类。

色光的像差可分为位置色差和放大率色差两种。

单色光的像差可分为球面像差、彗形像差、像散像差、像面弯曲和畸变5种。

眼镜片也存在上述7种像差，但是眼镜是戴在眼前使用的，它与眼球组合成一个光学系统，因此对眼镜片像差的研究必须顾及眼球的结构和生理，也应结合眼球的像差情况作综合考虑。同时，眼镜片多为单片成像，结构元素（眼镜片变量）有限，所以在眼镜片像差分析上也应有所侧重。

2 镜片像差对配装眼镜成像质量的影响

眼镜与眼睛组成的是一个小孔径、大视场的光学系统，这种光学系统的轴上点的像差不大，而轴外点的像差较大。也就是说，配装眼镜的单色光像差主要是彗形像差、像散像差、像面弯曲和畸变。

在色光的像差中，由于眼睛本身的色差相当大，加上眼睛对光谱两端的颜色感觉不灵敏，而光谱中段的色差并不大，因此眼镜片的位置色差对眼睛的影响不大，可以不予考虑。但眼睛的视场较大，眼镜片的放大率色差较大，不能忽略。

2.1 眼镜片放大率色差

当眼镜片的放大率色差较大时，眼睛通过镜片视物，物体的周边会呈现颜色。眼镜片的放大率色差可用下式计算：

式中：Dd——镜片对黄光所表现的屈光度

h ——入射点距镜片光心的距离

v ——镜片材料的阿贝数

实验表明，当镜片的放大率色差△P＞0.12时，眼睛会感觉到放大率色差的存在。如果眼镜片材料为低折C R-39树脂，v =57.8，则眼睛感觉不到放大率色差时，

一般情况下，眼睛（单眼）的中心视野约30°，眼镜片后顶点到眼球转动中心的距离为25 m m，则有h＝6.7 m m，Dd＝6.94/0.67＝10.36（D）。计算结果表明：低折射率C R-39树脂镜片的屈光度达到11 D时眼睛才会感觉到放大率色差的存在。

如果镜片材料为高折射率C R-39树脂或P C，v=30，经计算有Dd＝5.37（D）。也就是说高折射率C R-39树脂或P C镜片的屈光度达到5.50 D时眼睛就会感觉到放大率色差的存在。

2.2 眼镜片彗形像差和像散像差

当眼镜片的彗形像差或像散像差较大时，眼睛通过镜片视物周边视场会模糊不清，严重的还会引起头昏脑胀。

研究表明:眼镜片的球面像差最小时，彗形像差也最小。同时，彗形像差与物点离开主轴的距离成比例增加。

眼镜片的彗形像差可用下式来计算：

彗形像差＝h′m·O S C

式中：h′m——边光理想像高

O S C ——正弦差

当眼镜片以本身为光栏，并对无限处物体来说，正弦差O S C又可用下式表示：

式中：Up′——近轴折射光孔径角

lp′——近轴光成像的像距

Um′——边缘折射光孔径角

lm′——边缘光成像的像距

眼镜片（镜片为薄透镜时）的像散像差可用下式计算：

式中：h ——入射点到主轴的高度

D1——镜片第一面面屈光度

D ——镜片总屈光度

L ——入射光束的聚散度

P′——镜片到眼球转动中心距离所对应的屈光度

当物点在无限远时，上式可简化为：

2.3 眼镜片像面弯曲和畸变

当眼镜片存在像面弯曲和畸变时，眼睛通过镜片视物，物体周边会发生变形或扭曲（比如通过镜片观察地面，地面会呈现下凹或上凸）的现象。

一个平面物体经过眼镜片所成的像是一个曲面，这个曲面又称为匹兹凡尔曲面。对单片眼镜片来说，其匹兹凡尔面的曲率为：

式中：D ——眼镜片的总屈光度

n ——眼镜片材料的折射率

眼镜片的畸变通常以镜片横向放大率的变化与镜片近轴区的横向放大率的比值来度量，如下式所示：

式中：△β——镜片横向放大率的变化

β0——镜片近轴区的横向放大率

β——镜片的横向放大率

△β=β0-β

当V ＞0时，称为正畸变;V＜0时，称为负畸变。

3 解决方法

配装眼镜因镜片像差而影响使用效果时，我们可以采取一些措施将影响降低到最小，下面分别讨论。

3.1 放大率色差

从上述分析来看，放大率色差与入射点到镜片光心的距离成正相关，与镜片材料的阿贝数成负相关。当配戴者感觉到放大率色差的存在时，我们可采取以下措施。

a. 选择小镜框镜架。镜框小可降低入射点到镜片光心的距离，但过小的镜框会使视野减小，影响观察。

b. 选择高阿贝数、低折射率材料加工的镜片。这是比较有效的方法，阿贝数的增加可使放大率色差下降。不过材料的阿贝数增加，折射率就会下降，引起高屈光度镜片边缘厚度的增加，从而影响美观。

3.2 彗形像差和像散像差

当配戴者戴镜视物,若周边视野呈现模糊不清,使戴镜舒适度下降时,这往往是由于镜片彗形像差或像散像差的影响所致。

彗形像差与球差有关，当球差最小时彗形像差也最小; 彗形像差还与物点离开主轴的距离有关。所以要降低镜片的彗形像差，一方面可改变镜片的弯度使镜片的球差最小，但由于镜片的结构元素所限，设计人员一般不会作出这种考虑; 另一方面也可选择小镜框的镜架，以降低物点离开主轴的距离，但小镜框眼镜会使视野减小，影响观察。

像散像差除与物点离开主轴的距离有关外，还与镜片的弯度有关。当配戴者戴镜视物,周边视野呈现模糊不清而使戴镜舒适度下降时，我们往往采取降低镜片像散像差的做法:

a. 选择小镜框镜架。镜框小可缩小物点离开主轴的距离，但是过小的镜框会使视野减小，影响观察。

b. 改变镜片的弯度。现在国内眼镜市场镜片的基弯往往都过于平坦，我们可以选择较弯的基弯或令配戴者舒适的眼镜镜片基弯向镜片加工厂定制镜片，使镜片的像散像差下降，从而提高戴镜的舒适度。

c. 选用非球面镜片。本文对此暂不展开讨论。

3.3 像面弯曲和畸变

从上述的分析可知，像面弯曲对单片眼镜片（或者是一个光学系统）来说是一个定值。换句话说，镜片的像面弯曲是无法矫正的。单片眼镜片的畸变也是无法矫正的，即使选择镜片的基弯使畸变降为最小值，眼镜片的弯形也相当厉害（D 2＝-18.50 D），这样大的弯形的镜片不仅加工困难，实际上也无法使用。

所以，为了防止配戴者通过镜片视物时发生变形或扭曲（比如通过镜片观察地面，地面会呈现下凹或上凸）现象，我们只能设法使视线尽量通过镜片光学中心进行观察，具体做法如下：

a. 普通眼镜（指既要视远，又要视近的眼镜）装配时，在垂直方向上可不作移心处理，即令镜片的光学中心在垂直方向上处于镜框几何中心位置。这样就可保证配戴者视远时视线通过镜片光学中心上方观察，视近时视线通过镜片光学中心下方观察，但是视线偏离镜片光学中心都不大，因此像面弯曲和畸变都不大。

b. 如果配戴者通过镜片视物，物体发生变形或扭曲时，可适当调整戴镜高度，让配戴者的观察视线尽可能地通过镜片的光学中心，使像面弯曲和畸变减小，从而降低物体的变形或扭曲。

c. 选用非球面镜片。本文对此暂不展开讨论。

本期思考题:

1. 一顾客戴镜视物，主述视场周边物体不清晰，对此应作如何处理？

2. 普通眼镜装配时，在垂直方向上最好不移心，为什么？

(答案将于下期公布)