程少園，曹召良，胡立發(fā)，穆全全，宣 麗

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)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(duì)人眼波前像差探測(cè)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(duì)比了偏振分束法、共焦濾波法、細(xì)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(jiǎn)單易行等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)；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(shí)也是了解人體內(nèi)部健康信息的重要途徑。人眼動(dòng)態(tài)高低階像差的探測(cè)對(duì)了解人眼的像差特性和視覺(jué)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(duì)黃斑退化、視網(wǎng)膜炎、視覺(jué)細(xì)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(cè)儀被開(kāi)發(fā)并用于臨床觀察［4～7］。近年來(lái)，由于波前探測(cè)技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人眼動(dòng)態(tài)高低階像差的探測(cè)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(wú)論是人眼高階像差的探測(cè)，還是活體人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像，都面臨著一個(gè)棘手的問(wèn)題，即消除人眼角膜前表面雜散光的問(wèn)題［12～14］。這是由于當(dāng)進(jìn)行人眼像差探測(cè)和視網(wǎng)膜成像時(shí)，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(lái)的光只有入射光的10-3～10-4［15］，遠(yuǎn)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(cè)精度和視網(wǎng)膜的成像對(duì)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(xì)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(diǎn)，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(wèn)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(zhuān)門(mén)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(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)中；細(xì)光束離軸照明法，對(duì)光源和光路裝調(diào)要求都很高、而且可能對(duì)人眼的波前探測(cè)和成像對(duì)比度帶來(lái)一些不利的影響。通過(guò)對(duì)比分析，本文認(rèn)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(jìn)人眼。由于人眼具有消偏振作用，因而從視網(wǎng)膜反射回來(lái)的光是自然光（嚴(yán)格說(shuō)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(guò)PBS進(jìn)入后續(xù)的光學(xué)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(jìn)入后續(xù)的光學(xué)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(huì)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(duì)使用的波段來(lái)專(zhuān)門(mén)定做。因?yàn)槿搜劭沙惺艿墓鈴?qiáng)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(zhǎng)有關(guān)），所以人眼視網(wǎng)膜反射出來(lái)的光非常珍貴，其光能損失將對(duì)探測(cè)器等光學(xué)元件性能要求更高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本大大提高。因此，偏振分束法在實(shí)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(gè)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(guò)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(lái)的成像光束集中在中心區(qū)域，可以順利地通過(guò)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(guò)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(guò)透鏡的雜散光（小點(diǎn)）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)域很小（即視網(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(gè)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(huì)反射雜散光，而角膜前表面外圍區(qū)域反射的雜散光會(huì)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(duì)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(duì)光源的要求也就越高。如果后續(xù)的光學(xué)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(jìn)入后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量或探測(cè)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?？梢钥闯?，透鏡后的中心區(qū)域沒(méi)有雜散光（小點(diǎn)），但外圍區(qū)域的雜散光可能進(jìn)入后續(xù)光學(xué)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(xì)光束離軸照射法

細(xì)光束離軸照射法是選用很細(xì)的光束來(lái)照明人眼，并使該光束相對(duì)探測(cè)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(huì)被反射到一邊去，不會(huì)進(jìn)入后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)中去（如圖4）。這種方法要求照明光束必須很細(xì)，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(xì)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。可以看出，透鏡后的雜散光（小點(diǎn)）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(huì)較弱，即會(huì)有部分雜散光進(jìn)入后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)中。為了保證細(xì)光束光能，對(duì)光源的要求也較高。另外，離軸照明可能對(duì)人眼的波前探測(cè)和成像對(duì)比度帶來(lái)一些不利的影響。因此，也不是理想的選擇。

圖4 細(xì)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(gè)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(cè)光路中的中間像面處放置一個(gè)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(diǎn)結(jié)合起來(lái)，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?，這時(shí)，無(wú)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(jìn)入后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)中，其消雜散光（小點(diǎn)）效果非常好，而且對(duì)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(duì)人眼像差探測(cè)和視網(wǎng)膜成像非常重要。本文對(duì)幾種消雜散光方法分別進(jìn)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(xì)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(fù)雜。通過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為環(huán)形照明與共焦濾波結(jié)合法具有簡(jiǎn)單易行、光能利用率高、對(duì)光源要求低、消雜散光效果好等優(yōu)點(diǎn)，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。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(xué)、光學(xué)設(shè)計(jì)方法的研究。E-mail：csycf@163.com