模型人眼的視網(wǎng)膜自適應(yīng)成像系統(tǒng)

模型人眼的視網(wǎng)膜自適應(yīng)成像系統(tǒng)劉麗麗;封文江;高明;黃濤;于桂英;鄧玉?！菊縄nordertogetabetterimageoftheretinaandcorrecttheaberrationoftheeye,amodeleyeadaptiveopticsimagingsystembasedonliquidcrystalwasdemonstratedinthispaper.TheLCOSandHASO32wereusedaswave-frontcorrectorandwave-frontdetectorrespectively.Thewave-frontaberrationdetectedwascalculatedandconvertedintovoltagevalue.ThecomputerputitontheLCOStocorrecttheaberratioaTheopticalperformanceofthemodeleyewasimprovedbycorrectingtheopticalaberrationofitsown.Aftercorrectionthewave-fronterrorwasreducedfrom1.92mpeak-to-valleyto0.048mpeak-to-valley.Theopticalsystemdiffractionlimitwasapproachedaftercorrectionof70lp/mm.Wecangetagoodimageoftheretinaatacircumstanceoflargeloworderaberration.%為了更好的進(jìn)行人眼視網(wǎng)膜成像探測(cè)及人眼像差校正，建立了一套基于液晶波前校正器的模型,模擬人眼眼底的自適應(yīng)成像系統(tǒng).該系統(tǒng)采用Shark-Hartman波前探測(cè)器進(jìn)行波面探測(cè),將探測(cè)所得波前畸變經(jīng)過計(jì)算處理轉(zhuǎn)化為灰度圖通過電腦施加到LCOS上進(jìn)行波面校正，通過校正人眼像差的方式來提高系統(tǒng)成像質(zhì)量.經(jīng)過校正后，系統(tǒng)波誤差從1.92pm降低到0.048pm系統(tǒng)分辨率接近70lp/mm已經(jīng)到達(dá)該光學(xué)系統(tǒng)衍射極限分辨.可以滿足低階大像差情況下的模擬人眼視網(wǎng)膜成像要求.【期刊名稱】《沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》【年（卷），期】2013（031）001【總頁數(shù)】4頁(P69-72)【關(guān)鍵詞】自適應(yīng)光學(xué);視網(wǎng)膜;夏克哈特曼波前傳感器;LCOS(Liquidcrystalonsilicon);衍射極限【作者】劉麗麗;封文江;高明;黃濤;于桂英;鄧玉福【作者單位】沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽110034【正文語種】中文【中圖分類】O439;TP2170引言檢眼鏡和眼底照相機(jī)等眼底檢查設(shè)備在臨床上用于進(jìn)行眼底照片的拍攝和成像。人眼像差導(dǎo)致該類設(shè)備不能獲得細(xì)胞尺度分辨能力的圖像。因此，無法獲得糖尿病導(dǎo)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(yīng)光學(xué)技術(shù)［1］的出現(xiàn)解決了這一難題。通過自適應(yīng)光學(xué)實(shí)時(shí)動(dòng)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(dá)到衍射極限分辨。通過人眼的自適應(yīng)像差校正成像，可以降低人眼像差對(duì)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(jì)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(jī)構(gòu)開展人眼自適應(yīng)成像的研究。由于變形鏡波前校正器具有響應(yīng)速度快、光能量利用率高等特點(diǎn)，以變形鏡為波前校正器的人眼自適應(yīng)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(dòng)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(dòng)電壓低、結(jié)構(gòu)輕小、造價(jià)低廉，像素密度高［7］,通過Phase-wrapping［8-9］易于實(shí)現(xiàn)大校正量的調(diào)制。因此本文闡述了一個(gè)基于液晶波前校正器的人眼像差自適應(yīng)校正成像系統(tǒng)。1自適應(yīng)成像系統(tǒng)由于液晶分子的色散作用，對(duì)不同波長的光具有不同的折射率。無法對(duì)復(fù)色光進(jìn)行調(diào)制。通常采用窄帶濾波的方式進(jìn)行波段選擇而損失能量。因此選擇波長為532nm的半導(dǎo)體激光為光源用于自適應(yīng)成像系統(tǒng)的像差探測(cè)和像差校正成像。由于激光的強(qiáng)相干性，在成像CCD處及哈特曼波前傳感器［10-12］CCD上會(huì)產(chǎn)生散斑場(chǎng)。圖1a為成像CCD像面處激光散斑場(chǎng)［13］的分布。成像系統(tǒng)的像方孑L徑角決定像面散斑的平均橫向尺寸為其中I’為像面到出瞳距離，。為出瞳直徑?？梢娤衩嫔邫M向尺寸接近系統(tǒng)的衍射極限，因此散斑場(chǎng)會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和哈特曼波前探測(cè)器的探測(cè)精度。為解決激光散斑場(chǎng)的干擾，采用降低激光的時(shí)間相干性的方式來抑制激光散斑場(chǎng)［14-15］。實(shí)驗(yàn)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(xì)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(shí)間相干性的勻光器可有效解決激光散斑問題。圖1CCD成像在解決激光散斑問題的基礎(chǔ)之上，建立了一個(gè)如圖2所示的模型人目艮系統(tǒng)。用紙屏模擬視網(wǎng)膜及視覺細(xì)胞，利用透鏡和光闌模擬人眼光學(xué)系統(tǒng)。入射光經(jīng)過可調(diào)光闌后被模擬人眼光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的自適應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)中，采用焦距為18mm的短焦透鏡L1來模擬真實(shí)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4~10pm來模擬人眼眼底的視網(wǎng)膜細(xì)胞。紙屏放置在距離透鏡L120mm位置上，那么其共扼位置則為眼前200mm處，這樣采用上節(jié)中討論的目視信標(biāo)物自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ň涂梢匝a(bǔ)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(diǎn)源，該點(diǎn)源與信標(biāo)光為鏡像關(guān)系，當(dāng)模型眼對(duì)P1和S1聚焦成像時(shí)視網(wǎng)膜上被照亮的點(diǎn)同時(shí)也成像在眼前200mm處。瞳孔P2通過負(fù)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扼。這樣就實(shí)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扼關(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(shí)現(xiàn)調(diào)焦的功能，因此采用手動(dòng)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(shí)人眼。圖3系統(tǒng)示意圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4為自適應(yīng)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(xì)胞的成像。從圖中可以看出經(jīng)過自適應(yīng)像差探測(cè)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0.7入到校正后的0.03入，峰谷值（PV）從2.86到0.086。校正之后每一項(xiàng)Zernike系數(shù)對(duì)應(yīng)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(dá)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(dá)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(gè)基于模型眼眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)。通過對(duì)眼模型的像差校正和自適應(yīng)成像驗(yàn)證了該自適應(yīng)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(chǎng)后，提升了成像系統(tǒng)及像差探測(cè)系統(tǒng)的性能利用哈特曼波前傳感器探測(cè)像差；用LCOS波前校正器進(jìn)行像差校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于模型人眼的自適應(yīng)成像系統(tǒng)可以滿足真實(shí)人眼的自適應(yīng)校正成像要求。經(jīng)過自適應(yīng)校正后，波面誤差分別由校正前的RMS值0.7入到校正后的0.03入，峰谷值（PV）從2.86到0.086。系統(tǒng)已達(dá)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(yīng)成像系統(tǒng)可以用來校正真實(shí)人眼的波前畸變進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分辨率的眼底成像。參考文獻(xiàn)：[1]BABCOCKHW.Thepossibilityofcompensatingastronomicalseeing[J].PublAstronSocPac,1953,65:229-236.[2]SMIRNOVMS.Measurementofwaveaberrationinthehumaneye[J].Biophysics,1999:766-795.[3]LINGNing,ZHANGYudong,RAOXuejun,e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