人眼视网膜成像自适应光学系统设计.pdf

第38卷第5期2009年5月光 子 学 报ACTA PHOTONICA SINICAVol.38 No.5May 20093国家自然科学基金(60578035,50703039)和吉林省自然科学基金(20050520,20050321-2)资助Tel:0431-86176016Email:csycf 收稿日期:2008-01-18人眼视网膜成像自适应光学系统设计3程少园1,2,宣丽1,胡立发1,曹召良1,2,穆全全1,2(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:设计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,以获得高分辨率视网膜图像,并且使该系统实现体积小,功耗低,成本低等优点.采用夏克2哈特曼探测器和基于硅基板上的液晶器件分别作为波前探测器和波前校正器.系统采用双对准光源以主观方式来使人眼对准,近红外光探测成像以减小对人眼的刺激.使人眼对有限距离对焦,以减小离焦对成像的影响,使该系统既可用于正常眼,又可用于近视眼.用ZEMAX软件对系统进行了模拟分析,认为该系统可获得高于3m的视网膜分辨率,该系统设计是合理可行的.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:TH74 文献标识码:A 文章编号:100424213(2009)0521132240 引言自适应光学(Adaptive Optics,AO)已经成功的用于地基大口径望远镜上以消除大气湍流所带来的图像模糊和抖动.近年来,自适应光学又在医学和工业上开辟新的应用,尤其是在超视觉和视网膜成像方面取得显著进展1.传统的校正手段,比如说眼镜,只能校正离焦像散等低阶像差,无法校正剩余的高阶像差和动态扰动.而自适应光学系统却能克服上述问题,获得高分辨率的活体人眼视网膜的图像2.尤 其 是 梁 俊 忠 证 明 夏 克2哈 特 曼 探 测 器(Shark2Hartmann Wavefront Sensor,SHWS)测量人眼波像差的可行性后,用于人眼视网膜成像的自适应光学系统取得巨大进展.国内外的一些单位都对视网膜自适应光学系统进行了研究,有些单位已成功的获得人眼视网膜的高分辨率图片326.目前,人眼视网膜成像的自适应光学系统的核心器件 校正器,大多数采用变形镜.变形镜具有体积大、功耗大、成本高、加工周期长等特点,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、象素密度高等优点729,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(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)来代替传统的变形镜.据了解,目前的各种自适应光学系统都是用于正常人眼,而我们的系统进行了特殊设计,即可用于正常人眼,又可用于近视眼.1 主要解决的问题自适应光学虽然是获得高分辨率人眼视网膜图像的有效手段,但也需要重点解决:1)光能利用问题.人眼视网膜的反射率大约是0.1%10%(对于可见光来说),而且瞳孔会进一步减小从人眼反射出的光强(大约为视网膜反射光的1%)10211.探测器的灵敏度要求成像光强足够大,而人眼不能承受过强的光,因此,设计系统时,应尽可能的提高光能利用率.2)人眼的固定.人眼不同于一般的光学器件,它具有调节功能,不是固定不变的,因而对准比较困难,同时也非常重要.3)色散问题.人眼和LCOS都具有色散特性,设计时应予以考虑12.4)偏振问题.由于LCOS只对光矢量平行于液晶分子的光有位相调制作用,因此,须采用线偏振光13.2 原理与结构图1为人眼视网膜成像自适应光学系统的结构.在这个自适应光学系统里,采用了两个非常小的不同颜色的的发光二极管来保证人眼的对准,其中一个(S2)发绿光,位于人眼前250 mm处,另一个(S1)发红光,位于人眼前300 mm处.要确保S1和S2跟成像光源比非常弱,并且都在成像光路光轴上.当S1和S2在视网膜上重合时,则人眼的视线便与光轴重合了.值得注意的是,S2要清晰的成像在视网膜上,而S1有一定的离焦.5期程少园,等:人眼视网膜成像自适应光学系统设计图1 自适应成像系统Fig.1Schematic diagram of the adaptive opticsimaging system采用一个808 nm近红外激光二极管(LD)作为照明光源,既用来探测,也用来成像14.考虑到激光有散斑效应,采取特殊方法加以消除.在它后面的空间滤波器(SF)和正透镜(L1),将光变成平行光.小孔H1用来调整照射到人眼的光束大小(该光束应小于人眼瞳孔).前三个分束片(BS1,BS2,BS3)都是高透低反的分光片,尤其是BS3,用来减小成像光的光能损失.人眼前面的小孔H2用来粗略的确定人眼的位置和实际孔径光阑大小.小孔H3用来阻挡非成像光,人眼前表面反射的光绝大多数被其阻挡掉,而视网膜反射出的成像光可以顺利通过.在这个AO系统中,存在两组互相共轭的平面.一组是人眼视网膜,小孔H3和成像CCD面板;另一组是人眼瞳孔,校正器LCOS和波前探测器SHWS的微透镜阵列面.这两组平面共轭关系的好坏很大程度上影响着最终的校正效果和成像质量.为了保证上述的共轭关系和口径匹配,需要精确的选择透镜的焦距和位置(尤其是透镜L2,L3,L4).大多数AO系统都采用由相距f1+f2的两个正透镜组成的望远镜系统来保证共轭关系和口径匹配,这里f1和f2分别表示这两个正透镜的焦距.而我们的系统除了采用了这个系统外,还采用了一个新的系统,该系统包含L2和L3两个正透镜.对于望远系统而言,入射光和出射光都是平行光;而对于这个系统,人眼反射出的光是汇聚的,聚焦在人眼前250 mm处,经过这个新系统(L2+L3)后,汇聚光变为平行光,同时保证了孔径匹配和共轭关系.为了节省光能,透镜L3和校正器LCOS都有一定的离轴,使经LCOS反射的光相对入射光发生一定的偏移,然后由反射镜M给分离开.由于LCOS只能对线偏振光进行位相调制,所以加了一片偏振片P.考虑到波前探测器SHWS和成像CCD灵敏度不同,分束片BS4反射大约20%的光,剩余的大约80%的光透射过去.3 用ZEMAX模拟分析用ZEMAX定性的模拟分析了人眼前表面反射的杂光及其消除(如图2).根据辐射度学精确计算,人眼前表面反射的、透过小孔H3的光能是射入人眼光能的10-5,远小于视网膜反射出来的光能(大约为射入人眼光能的10-3),因而人眼前表面反射的杂光最终对成像没有什么影响.图2 用于消除杂光的光学结构Fig.2Optical layout for reducing stray light采用了Liou&Brennan 1997年设计的人眼模型(如图3)进行分析.这个模型是由5个标准面和2个梯度折射率面组成的,能很好地模拟人眼的光学性能.图3 用ZEMAX设计的人眼模型Fig.3The model of a human eye with ZEMAX用ZEMAX对这个系统进行了模拟分析.整个成像部分光路如图4,系统参量为:图4 用ZEMAX模拟视网膜成像系统Fig.4Retinal imaging system simulated with ZEMAXSystem aperture:Float by stop sizeStop radius:2.5 mmGlass catalogs:China,schottTotal track:486.657 1 mmObject space NA:0.167 544 9Paraxial image height:1.229 392 mmParaxial magnification:-6.146 958Field type:Object height3311光 子 学 报38卷Maximum field:0.15 mmPrimary wave:0.808m比较图5(a)、(b)和(c)、(d),可以看出,当人眼瞳孔变大时,像差迅速增加15,同时衍射极限分辨率也大大提高.该闭环AO系统可以有效地校正各种像差,使系统获得接近衍射极限的成像效果.当瞳孔直径5 mm时,视网膜上的衍射极限分辨率是337 lp/mm,远高于瞳孔直径为3 mm时的衍射极限分辨率203 lp/mm.而且,瞳孔变大后,从瞳孔反射出来的成像光能也变大(R2/R1)2倍,R1和R2分别表示变化前后人眼的瞳孔半径.图5 当瞳孔直径为5 mm和3 mm时成像系统的点列图和调制传递函数Fig.5The spot diagram and MTF of the imaging system(when the pupil diameter is 5 mm and 3 mm,respectively)4 结论本文介绍了一套基于液晶空间光调制器的高分辨率的人眼视网膜成像自适应光学系.该系统采用SHWS和LCOS器件分别作为波前探测器和波前校正器,采用两个对准光源以主观方式来使人眼对准,其中一个位于人眼前250 mm处,使人眼对此位置调焦.这样可以减小离焦对成像的影响,使该系统既可用于正常眼,又可用于近视眼.采用近红外光探测、成像以减小对人眼的刺激,免去了扩瞳之苦.为了获的较高的分辨率,同时为了保证光能足够大,人眼瞳孔直径应大于5 mm,这样可望获得高于3m的视网膜分辨率.该系统具有体积小、功耗低、成本低等优点,便于推广.采用ZEMAX软件对系统进行了模拟分析,认为该系统是可行的.参考文献1LIANG Jun2zhong,WILLIAMSDR,MILLERDT.Supernormal vision and high2resolution retinal imaging throughadaptive opticsJ.J Opt Soc A m A,1997,14(11):288422892.2CARROLL J,GRAY D C,ROORDA A,et al.Recent advancesin retinal imaging with adaptive optics J.OptPhotonicsNews,2005,16(1):36242.3ZHANG Yu2dong,LING Ning,RAO Xue2jun,et al.A smalladaptive optical system on table for human retina imagingC.Presented at the second International Workshop on AdaptiveOptics for Industry and Medicine,Albuquerque:July 2001.4LING Ning,ZHANG Yu2dong,RAO Xue2jun,et al,Smalltable2top adaptive optical systems for human retinal imagingC.S PI E,2002,4825:992108.5MU Quan2quan,CAO Zhao2liang,LI Da2yu,et al.Liquidcrystal based adaptive optics system to compensate both lowand high order aberrations in a model eye J.Opt Ex press,2007,15(4):194621953.6IGLESIASI,ARTALP.High2resolutionretinalimagesobtained by deconvolution from wave2front sensing J.OptLetter,2000,25(24):180421806.7LIU Yong2jun,HU Li2fa,CAO Zhao2liang,et al.Liquid crystalatmosphere turbulence simulator J.Acta Photonica Sinica,2006,35(12):196021963.43115期程少园,等:人眼视网膜成像自适应光学系统设计刘永军,胡立发,曹召良,等.液晶大气湍流模拟器J.光子学报,2006,35(12):196021963.8LIUYong2jun,HULi2fa,CAOZhao2liang,etal.Theinvestigation of controllable phase liquid crystal spatial lightmodulatorJ.Acta Photonica Sinica,2005,34(12):179921802.刘永军,胡立发,曹召良,等.位相可控液晶空间光调制器的研究J.光子学报,2005,34(12):179921802.9HU Li2fa,XUAN Li,LIU Yong2jun,et al.Phase2only liquidcrystal spatial light modulator for wave2front correction withhigh precisionJ.Opt Ex press,2004,12(26):640326409.10VAN N D,TIEMEIJ ER L F.Spectral reflectance of thehuman eyeJ.Vision Res,1986,26(2):3132320.11WANG Wei,WANG Zhao2qi,WANGYan,etal.Theacquisition of the aerial image modulation with the wave2frontaberrations of human eyeJ.Acta Photonica 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Shao2yuan1,2,XUAN Li1,HU Li2fa1,CAO Zhao2liang1,2,MU Quan2quan1,2(1State Key L aboratory of A pplied Optics,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China)(2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)Received date:2008-01-18Abstract:A high2resolution adaptive optics retinal imaging system was designed to achieve high2resolutionretina image and make the system smaller,low2powered and cheaper based on liquid crystal spatialmodulator.The system has a Shack2hartmann wavefront sensor(SHWS)and a liquid crystal on silicon(LCOS)device as wavefront detector and corrector respectively.Two point light sources were used to alignthe eye and infrared light was adopted to avoid stimulation to the eye.And,ZEMAX was used to simulatethe optical system and describe its performance,which proves that the system can reach a resolution atretina higher than 3m and the design is practicable.Key words:Adaptive optics;Retinal imaging;Liquid crystal;Spatial light modulatorCHENG Shao2yuanwas born in 1982,and received his B.S.degree in physics fromChangchun University of Science and Technology in 2005.At present,he is a Ph.D.degreecandidate at State Key Laboratory of Applied Optics,CIOMP,Chinese Academy of Sciences.His research interests focus on adaptive optics and optical design.5311