模型人眼的視網(wǎng)膜自適應成像系統(tǒng)

劉麗麗，封文江，高 明，黃 濤，于桂英，鄧玉福

（沈陽師范大學物理科學與技術(shù)學院，沈陽 110034）

0 引 言

檢眼鏡和眼底照相機等眼底檢查設備在臨床上用于進行眼底照片的拍攝和成像。人眼像差導致該類設備不能獲得細胞尺度分辨能力的圖像。因此，無法獲得糖尿病導致的視網(wǎng)膜病變，高血壓引起眼底出血等疾病的早期小尺度病灶信息。自適應光學技術(shù)［1］的出現(xiàn)解決了這一難題。通過自適應光學實時動態(tài)波前像差校正，可以提升成像質(zhì)量。使系統(tǒng)成像能力接近或者達到衍射極限分辨。通過人眼的自適應像差校正成像，可以降低人眼像差對成像質(zhì)量的影響，大幅提升視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)成像質(zhì)量。20世紀60年代初，Smirnov［2］首次提出通過校正人眼像差來提升眼底成像質(zhì)量。隨后，許多研究機構(gòu)開展人眼自適應成像的研究。由于變形鏡波前校正器具有響應速度快、光能量利用率高等特點，以變形鏡為波前校正器的人眼自適應成像技術(shù)［3－6］迅速發(fā)展發(fā)展。但其低像素密度、高驅(qū)動電壓、較低的校正精度成為制約其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

由于液晶波前校正器驅(qū)動電壓低、結(jié)構(gòu)輕小、造價低廉，像素密度高［7］，通過 Phase－wrapping［8－9］易于實現(xiàn)大校正量的調(diào)制。因此本文闡述了一個基于液晶波前校正器的人眼像差自適應校正成像系統(tǒng)。

1 自適應成像系統(tǒng)

由于液晶分子的色散作用，對不同波長的光具有不同的折射率。無法對復色光進行調(diào)制。通常采用窄帶濾波的方式進行波段選擇而損失能量。因此選擇波長為532nm的半導體激光為光源用于自適應成像系統(tǒng)的像差探測和像差校正成像。由于激光的強相干性，在成像CCD處及哈特曼波前傳感器［10－12］CCD上會產(chǎn)生散斑場。圖1a為成像CCD像面處激光散斑場［13］的分布。成像系統(tǒng)的像方孔徑角決定像面散斑的平均橫向尺寸為

其中l(wèi)′為像面到出瞳距離，D為出瞳直徑。可見像面散斑橫向尺寸接近系統(tǒng)的衍射極限，因此散斑場會嚴重影響成像質(zhì)量和哈特曼波前探測器的探測精度。為解決激光散斑場的干擾，采用降低激光的時間相干性的方式來抑制激光散斑場［14－15］。實驗中，采用旋轉(zhuǎn)散射體的方式來抑制散斑。

如圖1所示，在消散斑前CCD像面上為散斑分布，無法清晰細節(jié)成像。經(jīng)過激光旋轉(zhuǎn)勻光后，見圖1b，黑色斑線可以清晰成像。因此通過降低激光時間相干性的勻光器可有效解決激光散斑問題。

圖1 CCD成像

在解決激光散斑問題的基礎之上，建立了一個如圖2所示的模型人眼系統(tǒng)。用紙屏模擬視網(wǎng)膜及視覺細胞，利用透鏡和光闌模擬人眼光學系統(tǒng)。入射光經(jīng)過可調(diào)光闌后被模擬人眼光學系統(tǒng)的透鏡匯聚在模擬視網(wǎng)膜上，模擬視網(wǎng)膜上被照亮的部分后向漫反射的光將用于后續(xù)光學系統(tǒng)的自適應像差校正成像過程。

圖2 模型眼

圖3為基于模型眼的自適應像差校正成像系統(tǒng)光路示意圖。圖中虛線包圍部分為模型眼。實驗中，采用焦距為18mm的短焦透鏡L1來模擬真實人眼的晶狀體；利用小孔P2來模擬6mm瞳孔；附有碳粉顆粒的紙屏模擬人眼的視網(wǎng)膜，碳粉顆粒4～10μm來模擬人眼眼底的視網(wǎng)膜細胞。紙屏放置在距離透鏡L120mm位置上，那么其共軛位置則為眼前200mm處，這樣采用上節(jié)中討論的目視信標物自動補償?shù)姆椒ň涂梢匝a償5D的離焦。激光發(fā)出波長為532nm的光照射在勻光片后近似為一點源，該點源與信標光為鏡像關(guān)系，當模型眼對P1和S1聚焦成像時視網(wǎng)膜上被照亮的點同時也成像在眼前200mm處。瞳孔P2通過負透鏡后恰好成虛像在透鏡L3的焦平面上，該虛像經(jīng)過透鏡L3、L4后成像在LCOS上，而LCOS通過透鏡L4、L5與哈特曼波前傳感器的微透鏡共軛。這樣就實現(xiàn)模型眼的瞳孔、LCOS和哈特曼傳感器的微透鏡陣列面互為共軛關(guān)系，理論上從瞳孔出射的光到哈特曼傳感器為平面波。由于LCOS在線偏振光下才能正常工作偏振片片P3被放置在光路中。由于模型眼的短焦距透鏡焦距固定為18mm，不能和人眼一樣實現(xiàn)調(diào)焦的功能，因此采用手動調(diào)節(jié)紙屏與透鏡L1之間的距離的方法來模擬不同近視程度的真實人眼。

圖3 系統(tǒng)示意圖

2 實驗結(jié)果

圖4為自適應像差校正前后，模擬視網(wǎng)膜的成像。左圖為像差校正之前，右圖為像差校正之后的模擬視網(wǎng)膜上視覺細胞的成像。從圖中可以看出經(jīng)過自適應像差探測和校正后，成像質(zhì)量得到明顯改善。本來模糊的碳粉顆粒的像能夠清晰分辨。

經(jīng)過閉環(huán)校正后原來畸變較大的波面被校正的比較平整。校正前后的波面圖如圖5所示。模型人眼的畸變波前被很好的校正。波面誤差分別由校正前的RMS值0.7λ到校正后的0.03λ，峰谷值（PV）從2.86到0.086。校正之后每一項Zernike系數(shù)對應的波面均方根誤差都被控制在0.05以內(nèi)。

圖4 紙屏碳粒像

圖5 校正前后的波面圖

圖6為校正前后水平方向和垂直方向的系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)。從圖中看出校正之后的系統(tǒng)分辨率已經(jīng)達到系統(tǒng)的衍射極限分辨。如果定義系統(tǒng)的臨界頻率為0.1，水平方向分辨率從校正前的40lp／mm提高到70lp／mm。垂直方向的分辨率從23lp／mm提高到68lp／mm。經(jīng)過校正之后系統(tǒng)水平方向和垂直方向都到達了系統(tǒng)的衍射極限分辨水平。

圖6 系統(tǒng)MTF曲線

3 結(jié) 論

文章描述了一個基于模型眼眼底自適應成像系統(tǒng)。通過對眼模型的像差校正和自適應成像驗證了該自適應像差校正成像系統(tǒng)的能力。利用激光勻光器有效消除激光散斑場后，提升了成像系統(tǒng)及像差探測系統(tǒng)的性能利用哈特曼波前傳感器探測像差；用LCOS波前校正器進行像差校正。實驗結(jié)果表明，基于模型人眼的自適應成像系統(tǒng)可以滿足真實人眼的自適應校正成像要求。經(jīng)過自適應校正后，波面誤差分別由校正前的RMS值0.7λ到校正后的0.03λ，峰谷值（PV）從2.86到0.086。系統(tǒng)已達到衍射極限分辨能力。表明基于液晶波前校正器的人眼自適應成像系統(tǒng)可以用來校正真實人眼的波前畸變進而實現(xiàn)高分辨率的眼底成像。

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