消除角膜前表面反射雜散光方法的比較

程少園，曹召良，胡立發(fā)，穆全全，宣 麗

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，應(yīng)用光學國家重點實驗室，吉林 長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

消除角膜前表面反射雜散光方法的比較

程少園1，2，曹召良1，胡立發(fā)1，穆全全1，宣 麗1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，應(yīng)用光學國家重點實驗室，吉林 長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

人眼角膜前表面反射的雜散光是視網(wǎng)膜有效反射率的10～100倍，對人眼波前像差探測和視網(wǎng)膜高分辨率成像影響很大。為了有效消除角膜前表面反射雜散光，本文介紹并對比了偏振分束法、共焦濾波法、細光束離軸照明法和環(huán)形照明法等消除角膜前表面反射雜散光的方法。分析表明，這些方法雖然都可以在一定程度上消除雜散光，但均不夠理想，而環(huán)形照明法和共焦濾波法相結(jié)合具有光能利用率高、消雜光效果好、簡單易行等優(yōu)點，是消除人眼角膜前表面雜散光的有效方法。

雜散光；像差探測；環(huán)形光闌；共焦小孔

1 引言

眼睛是人們獲取外部信息的主要渠道，同時也是了解人體內(nèi)部健康信息的重要途徑。人眼動態(tài)高低階像差的探測對了解人眼的像差特性和視覺分析具有重要意義；而活體人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像對黃斑退化、視網(wǎng)膜炎、視覺細胞壞死等眼科疾病以及糖尿病、高血壓等可引起視網(wǎng)膜變化疾病的早期診斷、監(jiān)控、治療都具有重要意義［1～3］。目前，已有各種各樣檢眼鏡和人眼像差探測儀被開發(fā)并用于臨床觀察［4～7］。近年來，由于波前探測技術(shù)和自適應(yīng)光學技術(shù)的快速發(fā)展，人眼動態(tài)高低階像差的探測和活體人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像等研究得到了極大關(guān)注［8～11］。

然而，無論是人眼高階像差的探測，還是活體人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像，都面臨著一個棘手的問題，即消除人眼角膜前表面雜散光的問題［12～14］。這是由于當進行人眼像差探測和視網(wǎng)膜成像時，需要用光源照明人眼眼底；而人眼視網(wǎng)膜的反射率很低，加上瞳孔的光束切割作用，從人眼眼底反射出來的光只有入射光的10-3～10-4［15］，遠小于人眼角膜前表面的反射率（約為0.02）。因此，為了提高人眼波前像差的探測精度和視網(wǎng)膜的成像對比度，需要有效地消除人眼前表面的雜散光。目前，常用的消除人眼角膜前表面雜散光方法有偏振分束法、共焦濾波法、環(huán)形照明法和細光束離軸照明法。這些方法都是利用人眼角膜前表面是凸面（曲率半徑約為7.7mm）的特點，將其反射的發(fā)散雜散光濾掉。雖然它們都能在一定程度上消除人眼前表面反射的雜散光，但是仍存在一些問題，具有一定的局限性。偏振分束法，光能損失比較大，往往需要專門定做高消光比的偏振分光棱鏡；共焦濾波法，只能用于成像區(qū)域很小而且照明光束口徑較大的情況，而且不能消除角膜中心區(qū)域的雜散光；環(huán)形照明法，可以較好地消除角膜中心區(qū)域的雜散光，但外圍區(qū)域的雜散光依然可以進入后續(xù)光學系統(tǒng)中；細光束離軸照明法，對光源和光路裝調(diào)要求都很高、而且可能對人眼的波前探測和成像對比度帶來一些不利的影響。通過對比分析，本文認為將環(huán)形照明法和共焦濾波法相結(jié)合，是消除人眼角膜前表面雜散光最有效的方法。

2 偏振分束法

偏振分束法是在人眼前放一片偏振分束鏡（PBS），它將照明光束中s線偏振態(tài)分量反射進人眼。由于人眼具有消偏振作用，因而從視網(wǎng)膜反射回來的光是自然光（嚴格說是部分偏振光），其中的s線偏振光被PBS截止，p線偏振光則透過PBS進入后續(xù)的光學系統(tǒng)中（如圖1）。而入射的線偏振光在人眼角膜前表面處的反射是鏡面反射，所以角膜前表面反射光的偏振狀態(tài)幾乎不發(fā)生改變（仍然是s光），因而不能進入后續(xù)的光學系統(tǒng)中，即被PBS截止掉。這種方法雖然消除雜光效果較好，但是會使視網(wǎng)膜反射出的光能損失掉一半以上，而且偏振分束法要求PBS具有良好消光比，往往需要針對使用的波段來專門定做。因為人眼可承受的光強較弱，而人眼視網(wǎng)膜的有效反射率很低（考慮瞳孔的光束切割作用）只有10-3～10-4（跟波長有關(guān)），所以人眼視網(wǎng)膜反射出來的光非常珍貴，其光能損失將對探測器等光學元件性能要求更高，導致系統(tǒng)成本大大提高。因此，偏振分束法在實際應(yīng)用中具有較大的局限性。

圖1 偏振分束法的示意圖Fig.1 Schematic diagram of PBSmethod

3 共焦濾波法

共焦濾波法就是在系統(tǒng)中人眼視網(wǎng)膜中間像的位置處放置一個小孔。由于人眼角膜前表面是凸面，其反射的雜散光是發(fā)散的光波，所以，共焦小孔可以將角膜前表面反射的大部分雜散光濾掉（如圖2）。然而角膜前表面中心區(qū)域反射的雜散光卻不能消除。通過模擬可以知道，共焦小孔越小，消雜散光效果越好；照明光束在人眼瞳孔處的口徑越大，消雜散光效果越好。圖2（a）是共焦濾波消雜散光法的系統(tǒng)示意圖。視網(wǎng)膜（retinal）反射出來的成像光束集中在中心區(qū)域，可以順利地通過共焦小孔（confocal hole）；而角膜（cornea）前表面反射的雜散光，其大部分被透鏡框和共焦小孔外面屏蔽掉了，只有中心區(qū)域的少量雜散光可以通過小孔。圖2（b）表示視網(wǎng)膜中間像面處的橫截圖?？梢钥闯鼋?jīng)過透鏡的雜散光（小點）絕大多數(shù)在中心共焦小孔（中心小圓）的外面，即只有小孔區(qū)域的雜散光未被消除掉。這種方法只能用于成像區(qū)域很?。匆暰W(wǎng)膜上的照明區(qū)域很小，因而共焦小孔可以做得很?。┒艺彰鞴馐趶捷^大的情況。因此，共焦濾波法也具有一定的局限性。

圖2 共焦濾波法的示意圖Fig.2 Schematic diagram of confocal hole

4 環(huán)形照明法

圖3 環(huán)形照明法的示意圖Fig.3 Schematic diagram of annular illumination

環(huán)形照明法，是在照明光路中放置一個環(huán)形光闌（annular diaphragm），使其與人眼瞳孔共軛。這樣，照明光束在人眼瞳孔處是環(huán)形光束，即人眼瞳孔中心區(qū)域不被照明。由此，角膜前表面中心區(qū)域不會反射雜散光，而角膜前表面外圍區(qū)域反射的雜散光會偏離光軸。研究表明，中心的非照明區(qū)域愈大，角膜前表面外圍區(qū)域反射的雜散光偏離光軸程度越大，雜散光對后續(xù)系統(tǒng)的影響越小。然而，中心非照明區(qū)域越大，照明光的利用率越低，對光源的要求也就越高。如果后續(xù)的光學元件孔徑較大，或離角膜較近，則可能使部分角膜前表面外圍區(qū)域反射的雜散光進入后續(xù)的光學系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量或探測精度。圖3（a）是用環(huán)形照明消雜散光法的系統(tǒng)示意圖，圖3（b）是視網(wǎng)膜中間像面處的橫截圖。可以看出，透鏡后的中心區(qū)域沒有雜散光（小點），但外圍區(qū)域的雜散光可能進入后續(xù)光學系統(tǒng)中。因而，單純的環(huán)形照明法也有一定的局限性。

5 細光束離軸照射法

細光束離軸照射法是選用很細的光束來照明人眼，并使該光束相對探測或成像系統(tǒng)的光軸有一定的離軸，這樣，角膜前表面反射的光就會被反射到一邊去，不會進入后續(xù)的光學系統(tǒng)中去（如圖4）。這種方法要求照明光束必須很細，不能采用寬光束照明，而且要求人眼瞳孔處的照明光束具有較大的離軸量。圖4（a）是用細光束離軸照射消雜散光法的系統(tǒng)示意圖，圖4（b）是視網(wǎng)膜中間像面處的橫截圖?？梢钥闯?，透鏡后的雜散光（小點）偏離到光軸的一側(cè)。然而，如果人眼瞳孔處的照明光束離軸量較小，那么雜散光偏離的程度也會較弱，即會有部分雜散光進入后續(xù)光學系統(tǒng)中。為了保證細光束光能，對光源的要求也較高。另外，離軸照明可能對人眼的波前探測和成像對比度帶來一些不利的影響。因此，也不是理想的選擇。

圖4 細光束離軸照射法的示意圖Fig.4 Schematic diagram of illumination with decentered thin beam

圖5 環(huán)形照明與共焦濾波結(jié)合法的示意圖Fig.5 Schematic diagram of combination of annular illumination and confocal hole

6 環(huán)形照明與共焦濾波結(jié)合法

環(huán)形照明與共焦濾波結(jié)合法是在照明光路中放置一個與人眼瞳孔共軛的環(huán)形光闌（如環(huán)形照明法），在成像或探測光路中的中間像面處放置一個共焦小孔（如共焦濾波法）。這樣的設(shè)置可以將環(huán)形照明法與共焦濾波法的優(yōu)點結(jié)合起來，有效地消除角膜前表面反射的雜散光（包括中心區(qū)域和外圍區(qū)域）。圖5（a）是用環(huán)形照明與共焦濾波相結(jié)合的消雜散光法的系統(tǒng)示意圖，圖5（b）是視網(wǎng)膜中間像面處的橫截圖?？梢钥闯觯@時，無論是中心區(qū)域的雜散光，還是外圍區(qū)域的雜散光，都不能進入后續(xù)的光學系統(tǒng)中，其消雜散光（小點）效果非常好，而且對照明光束的孔徑和照明光源的要求都比較低，是一種理想的消除人眼角膜前表面雜散光的方法。

7 結(jié)論

有效地消除角膜前表面反射的雜散光對人眼像差探測和視網(wǎng)膜成像非常重要。本文對幾種消雜散光方法分別進行了分析，結(jié)果表明，偏振分束法、共焦濾波法，環(huán)形照明法和細光束離軸照射法等方法雖然在某種特殊條件下可以在一定程度上消除人眼前表面反射的雜光，但是它們或者不能徹底地消除角膜前表面反射的雜散光，或者光能損失較大、操作復雜。通過對比分析，認為環(huán)形照明與共焦濾波結(jié)合法具有簡單易行、光能利用率高、對光源要求低、消雜散光效果好等優(yōu)點，是一種最有效的消除人眼角膜前表面反射的雜散光的方法。

［1］周傳清，余雷，陸培華，等.準分子屈光手術(shù)中非球面系數(shù)對球差以及切削深度的影響［J］.光學精密工程，2007，15（2）：167-172.

ZHOU CH Q，YU L，LU PH，etal..Effectofasphericity parameter on Seidalaberration and ablation depth in laser refractive surgery［J］.Opt.Precision Eng.，2007，15（2）：167-172.（in Chinese）

［2］薛麗霞，饒學軍，王成，等.人眼高階像差校正和視覺分析系統(tǒng)［J］.光學學報，2007，27（5）：893-897.

XUE L X，RAO X J，WANG C，et al..Higher-order aberrations correction and vision analysis system for human eye［J］.Acta Opt.Sinica，2007，27（5）：893-897.（in Chinese）

［3］程少園，宣麗，胡立發(fā)，等.人眼視網(wǎng)膜成像的自適應(yīng)光學系統(tǒng)設(shè)計［J］.光子學報，2009，38（5）：1132-1135.

CHENG SH Y，XUAN L，HU L F，et al..Design of adaptive optics system for human retinal imaging［J］.Acta Photonica Sinica，2009，38（5）：1132-1135.（in Chinese）

［4］WEBB R H，PENNEY CM，THOMPSON K P.Measurement of ocular localwave-front distortion with a spatially resolved refractometer［J］.Appl.Opt.，1992，31：3678-3686.

［5］PALLIKARIS IG，PANAGOPOULOU S I，SIGANOSCS，et al..Objectivemeasurement of wavefrontaberrations with and without accommodation［J］.J.Refract.Surg.，2001，17：S602-S607.

［6］王肇圻，許妍.基于眼模型的數(shù)字眼底相機設(shè)計［J］.光學精密工程，2008，16（9）：1567-1571.

WANG ZH Q，XU Y.Design of digital retina camera based on eyemodel［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16（9）：1567-1571.（in Chinese）

［7］LIANG J，WILLIAMSD R，MILLER D T.Supernormal vision and high-resolution retinal imaging through adaptive optics［J］.J.Opt.Soc.Am.A，1997，14：2884-2892.

［8］LING N，ZHANG Y D，RAO X J，et al..Small table-top adaptive optical systems for human retinal imaging［J］.SPIE，2002，4825：99-108.

［9］全薇，凌寧，王肇圻，等.高級像差對人眼成像質(zhì)量和視覺的影響［J］.光電工程，2007，34（3）：5-9.

QUANW，LING N，WANG ZH Q，etal..Effectof high-orderaberrations in human eye on retinal imaging quality and vision［J］.Opto-Electronic Eng.，2007，34（3）：5-9.（in Chinese）

［10］姜寶光，曹召良，穆全全，等.激光為光源的液晶自適應(yīng)眼底成像系統(tǒng)［J］.光學精密工程，2008，16（10）：1805-1809.

JIANG B G，CAO ZH L，MU Q Q，et al..Liquid crystal based retina adaptive optical imaging system with laser source［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16（10）：1805-1809.（in Chinese）

［11］李華強，宋賀倫，饒長輝，等.增大夏克-哈特曼波前傳感器動態(tài)測量范圍的方法［J］.光學精密工程，2008，16（7）：1203-1207.

LIH Q，SONG H L，RAO CH H，et al..Extrapolation method to extend dynamic range of Shack-Hartmann wave-front sensor［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16（7）：1203-1207.（in Chinese）

［12］程少園，曹召良，胡立發(fā)，等.人眼視網(wǎng)膜成像自適應(yīng)光學系統(tǒng)的初步試驗和改進［J］.光子學報，2009，38（6）：1491-1493.

CHENG SH Y，CAO ZH L，HU L F，et al..Primary experiment and improvement design of adaptive optics system for human retinal imaging［J］.Acta Photonica Sinica，2009，38（6）：1491-1493.（in Chinese）

［13］徐高平，余翔，薛麗霞，等.人眼不同瞳孔直徑波前像差特性分析［J］.光電工程，2005，32（7）：38-41.

XU G P，YU X，XUE L X，et al..Property analysis of wavefront aberration of different human eye′s pupils［J］.Opto-Electronic Eng.，2005，32（7）：38-41.（in Chinese）

［14］全薇，宋貴才，王肇圻，等.人眼大視場波前像差特性研［J］.光子學報，2007，36（6）：1102-110.

QUAN W，SONG G C，WANG ZH Q，et al..Aberrations of the human eye as in the horizontal visual field［J］.Acta Photonica Sinica，2007，36（6）：1102-1105.（in Chinese）

［15］DELORIFC，PFLIBSEN K P.Spectral reflectance of the human ocular fundus［J］.Appl.Opt.，1989，28：1061-1077.

Elim ination of stray light reflected from anterior surface of cornea

CHENG Shao-yuan1，2，CAO Zhao-liang1，2，HU Li-fa1，MU Quan-quan1，2，XUAN Li1
（1.State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate Univerity of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

The stray light reflected from the anterior surface of a cornea is about10～100 times of the effective reflectivity of a retina，which can greatly reduce the precision of eye aberration detection and retinal imaging quality.Therefore，it is necessary to avoid the stray light.In this paper，somemethods to eliminate the stray light reflected from the anterior surface of cornea are introduced and compared，such as the Polarization Beam Splitting（PBS），confocal hole，annular illumination，and the illumination with decentered thin beam.Analyzed results show that although the methods can remove the stray light reflected from the anterior surface of cornea in some degrees，they are not ideal.After analyzing，it is pointed out that the combination of annular illumination and confocal hole is the best，and themethod not only has the high light-efficiency，but also is much more effective and handy than othermethods.

stray light；aberration detection；annular diaphragm；confocal hole

國家自然科學基金資助項目（No.50703039）

1674-2915（2010）03-0257-06

O435.1；TH786

A

2010-02-21；

2010-04-23

程少園（1982—），男，吉林白山人，博士，主要從事液晶自適應(yīng)光學、光學設(shè)計方法的研究。E-mail：csycf@163.com