人眼视网膜成像自适应光学系统的初步试验和改进

第38卷第6期2009年6月 光　子　学　报
AC TA P HO TON ICA SIN ICA
Vol.38No.6
J une 2009
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国家自然科学基金(60578035,50703039)、吉林省自然科学基金(20050520,2005032122)和国家重点基金(60736042)资助
Tel :0431286176016　Email :csycf @ 收稿日期:2008205205
人眼视网膜成像自适应光学系统的初步试验和改进
3
程少园1,2,胡立发1,曹召良1,2,穆全全1,2,姜宝光1,2,李鹏飞1,2,宣丽1,
(1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,长春130033)
(2中国科学院研究生院,北京100049)
摘　要:搭建了一套基于液晶空间光调制器的人眼视网膜成像自适应光学系统,进行了活体人眼视
网膜的初步实验.经过系统闭环校正,PV 值和RMS 值分别从2.293
λ降低到0.176553λ,从0.55129
λ降低到0.10511λ,接近衍射极限的水平.获得了较为清晰的人眼视网膜细胞图像,验证了液晶空间光调制器在人眼视网膜高分辨率自适应成像中应用的可行性,并针对试验中的遇到的激光散斑以及照明控制等问题,对原系统提出了一些改进设计.关键词:自适应光学;视网膜成像;液晶;空间光调制器中图分类号:T H74 文献标识码:A 文章编号:100424213(2009)062149123
0　引言
视网膜高分辨率成像不仅可以为视科学提供有效的研究手段,还能为视网膜疾病及糖尿病、高血压等其它的在视网膜上有征兆的疾病提供良好的早期诊断和更有效的治疗[1].疾病的发生最早一般都是在细胞水平,而传统的成像技术由于受到人眼像差的影响[223],不能获得细胞量级的高分辨率视网膜图像,这在很大程度上限制了疾病的早期诊断和治疗.所以发展一种可以对眼底视网膜进行更高准确度和分辨率的成像手段以实现对疾病的早期诊断和病情监视就变得尤为迫切.
梁俊忠于1994年最早实现了将夏克2哈特曼波前传感器(SHWS )用于测量人眼的波前像差,并于1997年与Williams 等人首次完成了利用自适应技
术对人眼高阶像差的校正,证明了利用自适应光学技术可以校正人眼像差,实现视网膜细胞级成像质量和超视觉[425].随后国内外的一些单位也对视网膜成像自适应光学系统进行了研究,并成功的获得人眼视网膜的高分辨率图像[6210].然而目前,人眼视网膜成像自适应光学系统的核心器件———校正器,大多数采用变形镜[11].变形镜具有体积大、功耗大、成本高、加工周期长等缺点,这将大大限制自适应光学系统在该领域的推广.而液晶空间光调制器却具有体积小、功耗小、成本低、像素密度高等优点[12213],尤其是采用反射式液晶空间光调制器和位相重叠法
后,它的调制幅度和响应速度都有很大提高,满足视网膜自适应成像要求[14],有利于在医学和工业上的广泛使用.因此,本文采用一种高分辨率的硅基板上的液晶器件(L COS )来代替传统的变形镜.通过进行活体人眼视网膜成像实验,证明了液晶空间光调制器在人眼视网膜高分辨率自适应成像中应用的可行性.
1　光学系统原理
图1展示了人眼视网膜成像自适应光学系统的结构.在文献[15]中,已经对该系统的原理进行了详细的分析.由于原来的L COS 对近红外光的能量损失较大,原来的SHWS 对近红外光的灵敏度不够,换用新的L COS 和SHWS ,所以对原光路的进行了些许变化,但基本原理和结构没变.由于人眼对近红外也有微弱的觉察能力,所以原来的两个用于对准的L ED 可以减为一个.由于激光的散斑会对探测准确度和成像质量造成不好的影响,采用旋转的毛玻璃加以消除.为了更好的控制照明区域的大小和避免杂光的影响,对照明光路进行了改进,如图2.在照明光路中,口径光阑(H 1)经过后面的两地透镜(L 2和L 3)和人眼的瞳孔(p upil )共轭,这样可以很好地控制人眼瞳孔处的光束口径不过大,避免照明光照到瞳孔外面产生杂光;同时又保证光束口径不过细,以减弱角膜前表面反射杂光的影响.视场光阑(H 2)经过透镜L 2,人眼和视网膜(retina )共轭,它用来控制视网膜上的照明区域的大小.
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卷
2　初步实验
本课题组在光学平台上搭建了这套人眼视网膜
成像自适应光学系统(图3),并进行了活体人眼视网膜的初步实验,经过系统闭环校正获得了较为清晰的人眼视网膜细胞图像(图4).该图像是一位在读研究生左眼(光焦度约为-5D )的视网膜图像,位于黄斑中心附近,直径约为150μm.通过对比可以看到,校正后视网膜图像的清晰度和分辨率大大提
高,PV 值和RMS 值也分别从 2.293
λ降低到0.176553λ,从0.55129λ降低到0.10511λ,接近衍射极限的水平
.
图5　自适应校正前后的视网膜图PV 值和RMS 值
Fig.5　The PV and RMS wavefront error before
and after AO correction
3　改进设计
由于人眼时刻在动,瞳孔的位置也时刻发生变
化,这样可能影响到像差探测的准确度,因此下一步计划增加一个瞳孔监控系统,已保证人眼瞳孔在相应的共轭面上,并且使其中心与系统光轴共轴.这样可以使探测准确度更高,校正效果更好,并且更稳定.
此外,可以将照明光路和主光路进一步结合起来,这样可以增加灵活性,以便对更高度数的人眼进行探测、校正和成像.
4　结论
搭建了一套基于液晶空间光调制器的人眼视网膜成像自适应光学系统,进行了活体人眼视网膜成像的初步实验.经过系统闭环校正PV 值和RMS 值
也分别从2.293
λ降低到0.176553λ,从0.55129λ降低到0.10511
λ,接近衍射极限的水平,获得了较为清晰的人眼视网膜细胞图像,验证了该系统可行性,对液晶自适应光学系统在人眼视网膜高分辨率成像的应用和推广具有重要意义.
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Primary Experiment and Improvement Design of Adaptive
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C H EN G Shao2yuan1,2,HU Li2fa1,CAO Zhao2liang1,2,MU Quan2quan1,2,
J IAN G Bao2guang1,2,L I Peng2fei1,2,XUAN Li1
(1S tate Key L aboratory of A p plied O ptics,Changchun I nstitute of O ptics,Fine Mechanics and Physics,
Chinese A cadem y of Sciences,Changchun130033,China)
(2Graduate S chool of the Chinese A cadem y of Sciences,B ei j ing100049,China)
Received date:2008205215
Abstract:An adaptive optics retinal imaging system based on liquid crystal spatial modulator was set up and a experiment on lively human eye was made.After adaptive optics correction,t he PV(peak to valley)and t he RMS(root mean square)decreased f rom 2.293λto0.176553λ,f rom0.55129λto0.10511λrespectively,and t he high2resolution retinal image was obtain.Thus it is p roved t hat liquid crystal spatial modulator can be applied into t he high2resolution retinal imaging.Some improving design was also p resented according to t he p ractical p roblem encountering in experiment such as laser speckle and illumination cont rol.
K ey w ords:Adaptive optics;Retinal imaging;Liquid crystal;Spatial light
modulator
CHENG Shao2yu an　was born in1982.He is a Ph.D.degree candidate at State Key Laboratory of Applied Optics,CIOM P,Chinese Academy of Sciences.His research interest s focus on adaptive optics and optical design.
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