劉麗麗，封文江，高 明，黃 濤，于桂英，鄧玉福

（沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110034）

0 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(zhǎng)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(zhǎng)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?？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1 CCD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所示的模型人眼系統(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4～10μm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，那么其共軛位置則為眼前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(zhǎng)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軛。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(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0.7λ到校正后的0.03λ，峰谷值（PV）從2.86到0.086。校正之后每一項(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0.7λ到校正后的0.03λ，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。

［1］BABCOCK H W.The possibility of compensating astronomical seeing［J］.Publ Astron Soc Pac，1953，65：229－236.

［2］SMIRNOV M S.Measurement of wave aberration in the human eye［J］.Biophysics，1999：766－795.

［3］LING Ning，ZHANG Yudong，RAO Xuejun，et al.Small table－top adaptive optical systems for human retinal imaging［C］∥SPIE，2002，4825：99－108.

［4］LIANG Junzhong，GRIMM B，GOELZ S，et al.Objective measurement of the wave aberration of the human eye with the use of a Hartman－Shark wave－front sensor［J］.J Opt Soc Am A，1994，11（7）：1949－1957.

［5］ENRIQUE J，F(xiàn)ERNANDE Z，PABLO A.Embrane.MembraneDeformable mirror for adaptive optics performance limits in visual optics［J］.Opt Exp，2003，11（9）：1056－1069.

［6］曹正林，廖文和，沈建新.Zernike多項(xiàng)式擬合人眼波前像差的一種新算法［J］.光學(xué)精密工程，2006，14（2）：308－314.

［7］劉伯晗，張健，吳麗瑩.液晶空間光調(diào)制器的純相位調(diào)制特性研究［J］.光學(xué)精密工程，2006，14（2）：213－217.

［8］CAO Zhaoliong，XUAN Li，HU Lifa，et al.Effects of the space－bandwidth product on the liquid－crystal kinoform［J］.Opt Exp，2005，13（14）：5186－5191.

［9］LANGLOIS M，SAUNTER C，DUNLOP C，et al.Multiconjugate adaptive optics：laboratory experience［J］.Opt Exp，2004，12（8）：1689－1699.

［10］張強(qiáng)，姜文漢.光子計(jì)數(shù)型Shack－Hartmann波前探測(cè)器研究［J］.光學(xué)精密工程，1996，4（5）：90－94.

［11］鈕賽賽，沈建新.人眼像差探測(cè)哈特曼波前傳感器的質(zhì)心優(yōu)化［J］.光學(xué)精密工程，2011，19（12）：3016－3024.

［12］劉麗麗，封文江，高天附，等.哈特曼波前探測(cè)器波面重構(gòu)精度研究［J］.沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，30（3）：360－363.

［13］田志輝，劉偉奇，李霞，等.激光顯示中散斑的減弱［J］.光學(xué)精密工程，2007，15（9）：1366－1370.

［14］DINGEL B，KAWATA S.Speckle－free image in a laser－diode microscope by using the optical feedback effect［J］.Opt Lett，1993，18（7）：549－551.

［15］SALOMA C，KAWATA S.Laser－diode microscope that generates weakly speckled images［J］.Opt Lett，1990，15（4）：203－205.