模型人眼的视网膜自适应成像系统

刘丽丽，封文江，高 明，黄 涛，于桂英，邓玉福

（沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳 110034）

0 引 言

检眼镜和眼底照相机等眼底检查设备在临床上用于进行眼底照片的拍摄和成像。人眼像差导致该类设备不能获得细胞尺度分辨能力的图像。因此，无法获得糖尿病导致的视网膜病变，高血压引起眼底出血等疾病的早期小尺度病灶信息。自适应光学技术［1］的出现解决了这一难题。通过自适应光学实时动态波前像差校正，可以提升成像质量。使系统成像能力接近或者达到衍射极限分辨。通过人眼的自适应像差校正成像，可以降低人眼像差对成像质量的影响，大幅提升视网膜成像系统成像质量。20世纪60年代初，Smirnov［2］首次提出通过校正人眼像差来提升眼底成像质量。随后，许多研究机构开展人眼自适应成像的研究。由于变形镜波前校正器具有响应速度快、光能量利用率高等特点，以变形镜为波前校正器的人眼自适应成像技术［3－6］迅速发展发展。但其低像素密度、高驱动电压、较低的校正精度成为制约其发展的技术瓶颈。

由于液晶波前校正器驱动电压低、结构轻小、造价低廉，像素密度高［7］，通过 Phase－wrapping［8－9］易于实现大校正量的调制。因此本文阐述了一个基于液晶波前校正器的人眼像差自适应校正成像系统。

1 自适应成像系统

由于液晶分子的色散作用，对不同波长的光具有不同的折射率。无法对复色光进行调制。通常采用窄带滤波的方式进行波段选择而损失能量。因此选择波长为532nm的半导体激光为光源用于自适应成像系统的像差探测和像差校正成像。由于激光的强相干性，在成像CCD处及哈特曼波前传感器［10－12］CCD上会产生散斑场。图1a为成像CCD像面处激光散斑场［13］的分布。成像系统的像方孔径角决定像面散斑的平均横向尺寸为

其中l′为像面到出瞳距离，D为出瞳直径。可见像面散斑横向尺寸接近系统的衍射极限，因此散斑场会严重影响成像质量和哈特曼波前探测器的探测精度。为解决激光散斑场的干扰，采用降低激光的时间相干性的方式来抑制激光散斑场［14－15］。实验中，采用旋转散射体的方式来抑制散斑。

如图1所示，在消散斑前CCD像面上为散斑分布，无法清晰细节成像。经过激光旋转匀光后，见图1b，黑色斑线可以清晰成像。因此通过降低激光时间相干性的匀光器可有效解决激光散斑问题。

图1 CCD成像

在解决激光散斑问题的基础之上，建立了一个如图2所示的模型人眼系统。用纸屏模拟视网膜及视觉细胞，利用透镜和光阑模拟人眼光学系统。入射光经过可调光阑后被模拟人眼光学系统的透镜汇聚在模拟视网膜上，模拟视网膜上被照亮的部分后向漫反射的光将用于后续光学系统的自适应像差校正成像过程。

图2 模型眼

图3为基于模型眼的自适应像差校正成像系统光路示意图。图中虚线包围部分为模型眼。实验中，采用焦距为18mm的短焦透镜L1来模拟真实人眼的晶状体；利用小孔P2来模拟6mm瞳孔；附有碳粉颗粒的纸屏模拟人眼的视网膜，碳粉颗粒4～10μm来模拟人眼眼底的视网膜细胞。纸屏放置在距离透镜L120mm位置上，那么其共轭位置则为眼前200mm处，这样采用上节中讨论的目视信标物自动补偿的方法就可以补偿5D的离焦。激光发出波长为532nm的光照射在匀光片后近似为一点源，该点源与信标光为镜像关系，当模型眼对P1和S1聚焦成像时视网膜上被照亮的点同时也成像在眼前200mm处。瞳孔P2通过负透镜后恰好成虚像在透镜L3的焦平面上，该虚像经过透镜L3、L4后成像在LCOS上，而LCOS通过透镜L4、L5与哈特曼波前传感器的微透镜共轭。这样就实现模型眼的瞳孔、LCOS和哈特曼传感器的微透镜阵列面互为共轭关系，理论上从瞳孔出射的光到哈特曼传感器为平面波。由于LCOS在线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镜焦距固定为18mm，不能和人眼一样实现调焦的功能，因此采用手动调节纸屏与透镜L1之间的距离的方法来模拟不同近视程度的真实人眼。

图3 系统示意图

2 实验结果

图4为自适应像差校正前后，模拟视网膜的成像。左图为像差校正之前，右图为像差校正之后的模拟视网膜上视觉细胞的成像。从图中可以看出经过自适应像差探测和校正后，成像质量得到明显改善。本来模糊的碳粉颗粒的像能够清晰分辨。

经过闭环校正后原来畸变较大的波面被校正的比较平整。校正前后的波面图如图5所示。模型人眼的畸变波前被很好的校正。波面误差分别由校正前的RMS值0.7λ到校正后的0.03λ，峰谷值（PV）从2.86到0.086。校正之后每一项Zernike系数对应的波面均方根误差都被控制在0.05以内。

图4 纸屏碳粒像

图5 校正前后的波面图

图6为校正前后水平方向和垂直方向的系统调制传递函数。从图中看出校正之后的系统分辨率已经达到系统的衍射极限分辨。如果定义系统的临界频率为0.1，水平方向分辨率从校正前的40lp／mm提高到70lp／mm。垂直方向的分辨率从23lp／mm提高到68lp／mm。经过校正之后系统水平方向和垂直方向都到达了系统的衍射极限分辨水平。

图6 系统MTF曲线

3 结 论

文章描述了一个基于模型眼眼底自适应成像系统。通过对眼模型的像差校正和自适应成像验证了该自适应像差校正成像系统的能力。利用激光匀光器有效消除激光散斑场后，提升了成像系统及像差探测系统的性能利用哈特曼波前传感器探测像差；用LCOS波前校正器进行像差校正。实验结果表明，基于模型人眼的自适应成像系统可以满足真实人眼的自适应校正成像要求。经过自适应校正后，波面误差分别由校正前的RMS值0.7λ到校正后的0.03λ，峰谷值（PV）从2.86到0.086。系统已达到衍射极限分辨能力。表明基于液晶波前校正器的人眼自适应成像系统可以用来校正真实人眼的波前畸变进而实现高分辨率的眼底成像。

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