视度自调节液晶自适应像差校正视网膜成像的光学系统 【技术领域】
本发明属于显微成像技术领域，是借助人眼视度自调节功能进行像差自适应校正的眼底高分辨成像光路设计，用于高度近视人眼的深度像差校正，通过补偿能够克服现有眼底自适应成像技术在500度以上近视的条件下成像对比度降低的缺点。具体地说，是一种视度自调节液晶自适应像差校正视网膜成像的光学系统。
背景技术
视网膜上的血管是人体唯一可以直接看清的小血管，属于终末血管系统，任何病理性的破坏和血管梗阻都能导致组织缺氧坏死或破裂渗漏。因此眼底改变是全身疾病的表现，临床常用检眼镜观察眼底毛细血管的变化来判断病变的情况，如心脑血管及内分泌失调，动脉硬化、高血压病，中心性浆液性脉络视网膜病变，糖尿病视网膜病变等。自上个世纪60年代以来，检眼镜采用了眼底荧光血管造影术，使微细血管的成像对比度增加，可清晰观察直径20微米以上的血管。但眼球是个复杂光学系统，即使是无屈光不正的眼睛也不可避免地会存在光学像差，因此20微米以下的血管成像，眼底荧光血管造影术也无能为力，更谈不上观察视觉细胞。这些像差主要来源于：1、眼内各屈光介质厚度不均匀，表面曲率偏差；2、眼内各屈光介质折射率不均匀；3、眼内各屈光介质不同轴；4、屈光系统对各色光的折射率不同等。由于上述原因，为了增加成像的光强和提高成像的分辨率，经常需要扩瞳，扩瞳后人眼像差又会加剧，更加制约了眼底检查的效果和成功率。
从上个世纪九十年代起，人们开始探讨变形镜自适应光学校正技术在视网膜成像中的应用。系统用哈特曼波前传感器测量从眼中出射的波前像差，经过计算机的数据处理，然后驱动变形镜来补偿像差。变形镜自适应光学校正技术可以在500度近视以下的较健康眼睛上获得3微米视觉细胞轮廓的清晰成像，但当近视度超过500度时成像效果就显著下降，即使加入近视镜初步补偿，清晰成像仍很困难。这是因为目前使用的变形镜驱动单元数一般不超过37单元，而随近视度增加引入的高阶像差超出了变形镜所能校正的空间频率，也称为校正器的空间分辨率。尽管利用微机电技术可以使驱动单元数增加到2000单元以上，此时校正量又成为问题，所以至今未在临床普及。
液晶波前校正器的驱动单元可多达几十万到几百万个，其加工工艺非常成熟，空间分辨率大大高于传统的变形镜。借助于相息图的衍射光学方法，液晶波前校正器的校正范围可以扩展至5μm～8μm。液晶的响应时间是10ms左右，液晶自适应系统的校正频率很容易达到20Hz，完全满足眼波前自适应校正频率的要求。另外液晶波前校正器工艺成熟，加工周期短，成本低，因此液晶自适应光学系统在眼底成像中具有很好的应用前景。
有4项视网膜自适应校正成像系统的发明专利提到系统中的校正器可以是液晶校正器(张雨东，等，中国发明专利：自适应光学视网膜成像系统，ZL99115053.8，ZL99115054.6，ZL99115051.1，ZL99115052.x)，其中两项专利中采用共光路设计，在校正器之前放置了1/4波长板，使入射校正器的光是圆偏振光。事实上液晶校正器是不能在圆偏振光中工作的。另外两项专利也不是针对液晶校正器的优化设计，置于人眼之前的分束镜将人眼出射的光强损耗一半，这对于能量损耗较大的液晶校正器的系统来说可能是个致命缺点。
目前只有日本报道了对700度近视人眼的视觉细胞成像结果(“In Vivo measurements of cone photoreceptor spacing in myopic eyesfrom images obtained by an adaptive optics fundus comera，”Y.Kitaguchi，et.al，Jpn.J.Ophthalmol，Vol.51，p456-461，2007)，虽然该报道声称可以校正更高度近视的像差，但没有给出照片。实际上，液晶校正器在校正高度近视像差时衍射效率下降，从而会产生漏光降低成像对比度，所以单纯采用液晶校正器的校正能力是很难满足700度近视以上像差的校正要求的。
通常视网膜成像系统均使用平行光束进行眼底照明，人眼对平行光具有会聚能力，使入射光在眼底聚焦，形成成像区域。但对于近视人眼，平行入射光束在到达眼底前就过早聚焦，即离焦像差使视网膜成像模糊。迄今的研究结果表明，没有散光或只有微弱散光的近视人群占据人口的比例最高，而近视人眼中离焦像差会占据总像差的80％比例。如果能提出合理的离焦补偿办法，将大幅提高液晶自适应光学成像系统的校正能力。
很多研究小组使用凹透镜来补偿离焦像差，但同时必须以微米级的精度严格调整人眼与仪器间的距离以避免再次引入离焦像差，这是临床上很难做到的。
【发明内容】
本发明为了克服现有技术存在的缺陷，提出一种视度调节眼底照明方式的光学设计，目地是提供一种视度自调节液晶自适应像差校正视网膜成像的光学系统。本发明能够稳定地自补偿离焦像差，用于液晶自适应像差校正的视网膜成像，使800度以上高度近视人眼的成像对比度大幅提高。
视度调节的眼底照明不同于传统的平行光照明方式，而是明视距离处的点光源照明方式。为避免照明光源长时间照射伤害人眼，同时将一低功率的凝视视标点光源也设置于被检测人眼的明视距离处，利用近视人眼在该距离可以清晰视物且不易疲劳的特点，让人眼凝视视标，此时会产生屈光度自调节能力，对离焦像差进行自主补偿，然后再瞬间点亮照明点光源进行自适应像差校正成像。结合了这种照明方式的液晶自适应成像系统，对于800度以上近视人眼只需校正其1/3以下的离焦像差深度即可得到衍射极限分辨率的成像效果，解决了液晶校正器在校正深度过大时衍射效率降低而造成成像对比度下降的问题。
本发明为使视标点光源与照明点光源能严格设置在明视距离的同一几何位置处，光学设计的思路是将视标光源与照明光源的像设置在被检测人眼的明视距离处，且像面上两光斑质心完全重合，成为同一几何位置处的两个次光源。整个成像系统的光学设计可以分为视度调节分系统、眼底照明分系统和自适应校正成像分系统三部分，下面分别进行详细描述。
视度调节分系统：根据医学知识，人眼的明视距离等于以mm为单位的远点距离1000/D，D为人眼的屈光度数，且D≥4，即400度以下近视人眼的明视距离均为250mm。视度调节分系统的结构如图1所示，由视标点光源1、第一透镜2、第二透镜3、PBS偏振分束器(PBS分束器)4、第三透镜5、线性位移机构6、人眼7组成。其中，视标点光源1提供人眼凝视的视标光源，发光波长设置在可见光波段，且为单波长λ′，位于第一透镜2的焦点处。第一透镜2和第二透镜3组成共轭透镜组，使视标点光源1成像。PBS分束器4与第二透镜3的光轴成45°角配置，使视标点光源1的成像光束折轴90°。第三透镜5到第二透镜3的光路长度d1由二者的焦距f5、f3和人眼屈光度数D来决定，需按公式(1)进行计算，其中D无单位，且D≥4、当近视低于400度时D＝4，其它参量单位为mm。人眼7位于可x-y-z三向线性位移的头托架上，x-y平面与光轴垂直，z方向与光轴平行，调节头托架可使瞳孔与入射光束中心对准，且到第三透镜5的距离为第三透镜5的焦距f5。
d1＝(1000-Df5)f5/1000+f3 (1)
公式中，f3为第二透镜3的焦距，f5为第三透镜5的焦距。
在这样设计的视度调节分系统中，视标点光源1发出球面波，经由第一透镜2、第二透镜3变成成像光束，成像光束又在PBS分束器4上折轴，在垂直于原来光轴的方向上聚焦成像，该像点再经由第三透镜5成虚像于图1中标出的成像面上。该成像面到被测人眼瞳孔的距离即为明视距离，该虚像光点为人眼凝视的视标。针对不同的人眼，明视距离需要调节，可通过线性位移机构6同步移动第三透镜5和人眼7来完成，从而获得不同人眼的明视距离视标。
照明分系统：本发明将照明光源设计为激光点光源，其波长λ依据眼底成像组织的光学特性而定，但不同于视标光源的波长，即λ≠λ′。眼底照明分系统结构如图2所示，由照明光源8、第四透镜9、旋转毛玻璃10、第五透镜11、孔径光阑12、二向色耦合分束器13、和视度调节分系统中的第二透镜3、PBS分束器4、第三透镜5、线性位移机构6、人眼7组成。其中，照明光源8发出的球面波通过第四透镜9聚焦在旋转毛玻璃10上，该焦斑直径正比于眼底被照明成像区域的直径，调整该焦斑即可控制眼底被照明区域大小。旋转毛玻璃10置于第五透镜11的焦面处，旋转毛玻璃10的用途是消除激光自相干作用以消除成像面的激光散斑。第五透镜11的光轴与视度调节分系统中的第二透镜3的光轴垂直，通过二向色耦合分束器13也组成共轭透镜组，二者之间的光路长度为第二透镜3的焦距f3，使照明光源8的像与视标点光源1的像重合。孔径光阑12紧贴于第五透镜11之后，其孔径可调节，以控制入眼光束略小于被测人眼瞳孔的直径。二向色耦合分束器13置于孔径光阑12之后，并插入第一透镜2与第二透镜3之间，形成与两互为垂直的光轴成45°角配置，反射端和透射端分别面向孔径光阑12和第一透镜2。二向色耦合分束器13的作用是利用照明光源与视标光源的光波长不同，分别反射照明光源、透射视标光源的光，形成二光束共光路进入后续系统。第二透镜3和第三透镜5组成共轭透镜组，用于将孔径光阑12成像于人眼瞳孔处。在这样设计的照明分系统中，照明光源8发出的光，经由第四透镜9成像于旋转毛玻璃10上，消除了激光的自相干作用。然后光束通过第五透镜11变成平行光，再经由孔径光阑12后光束直径约束成为略小于被测人眼瞳孔的平行光束，到达二向色耦合分束器13时被反射、并与视度调节分系统的光束共光路，经PBS分束器4反射成为S偏振光，再经第三透镜5也形成明视距离处的虚像，像光斑的质心与视标光源虚像的质心位置能够完全重合；发出S偏振光，形成明视距离处的点光源对眼底照明。
将照明分系统的折轴光路拉直可以更清楚地看出各个元件之间的位置关系，示意于图3，其中对光束会聚不起作用的二向色耦合分束器13和PBS分束器4省略。图3中虚线的会聚点到瞳孔的距离为明视距离，f11是第五透镜焦距。
校正成像分系统：对眼底出射光进行视度调节后剩余像差的测量与校正，实现对人眼视网膜的高分辨率成像。校正成像分系统结构如图4所示，由人眼7、第三透镜5、PBS分束器4、第六透镜14、液晶波前校正器15、反射镜16、第七透镜17、分光棱镜18、波前探测器19、第八透镜20、成像CCD相机21组成。其中，从人眼7出射的消偏振信号光携带着未能进入眼底的前角膜反射的S偏振干扰光，透过PBS分束器4时，由于只允许P偏振光透射使前角膜反射的S偏振干扰光被滤除。第六透镜14与第二透镜3通过PBS分束器4形成共焦面配置，并使第六透镜14的焦点向左侧偏离L长距离，L为4mm～6mm，以使入射和反射出液晶波前校正器15的两束光分别左右偏心通过第六透镜14。液晶波前校正器15置于第六透镜14的焦点，其校正偏振方向与P偏振光吻合。从液晶波前校正器15反射的光束在到达反射镜16时反射与入射二者的光轴能相隔2L距离，使得只有反射光束被反射镜16接收。反射镜16与第六透镜14光轴成45°角放置，将光束折轴。后续的第七透镜17和第八透镜20是共轭透镜组，二者之间的距离为第七透镜17的焦距，光束通过该共轭透镜组后可在CCD相机21上成像。成像CCD相机21置于第八透镜20的焦点处。在第七透镜17和第八透镜20中间放置分光棱镜18，将此平行光束分成互为垂直的两束，垂直向的光束进入波前探测器19。波前探测器19为哈特曼波前探测器，它与第七透镜17之间的光路长度为第七透镜17的焦距长度，以保证波前探测器19与液晶波前校正器15之间的共轭关系。在如上设计的校正成像分系统中，首先信号光从眼底反射出来成为消偏振的球面波，经人眼前角膜出射后携带着前角膜反射干扰光通过第三透镜5会聚其焦点处，到达PBS分束器4。在PBS分束器4的透射端只有携带眼底信号的P偏振光出射，滤除掉了角膜反射的S偏振干扰光。P偏振光再经过第六透镜14后成为与液晶波前校正器15孔径匹配的平行光束，且P偏振方向与液晶波前校正器15的校正偏振方向一致。投射到液晶波前校正器15的眼底信号光束经波前像差校正后反射，再经过第六透镜14成为会聚光、并与入射光分离，到达反射镜16折轴会聚成像于第七透镜17的前焦点处。该像点发出的光经分光棱镜18又被分为两束，一束进入波前探测器19检测校正后的残余像差，另一束在共轭透镜组第七透镜17和第八透镜20的作用下将眼底图像成像于CCD相机21。
以上所述即为本发明的视度自调节液晶自适应像差校正视网膜成像的光学设计。
本发明基于视度调节所设计眼底照明分系统，利用人眼的视度自调节功能，大幅降低了对液晶校正器校正深度的要求。在本发明中，对这种基于视度调节的眼底照明自适应系统进行了具体光学设计，能够根据不同近视度因人而异地调整明视距离，操作方法简单，形成了稳定的基于人眼视度自调节功能的液晶自适应光学眼底成像方法。
【附图说明】
图1为本发明的视度调节分系统的光学结构示意图。其中，1为视标点光源，2为第一透镜，3为第二透镜，4为PBS分束器，5为第三透镜，6为线性位移机构，7为人眼；成像面处的光斑为视标点光源1的虚像，即为视标，视标到瞳孔的距离为明视距离。
图2为本发明的照明分系统光学结构示意图。其中，8为照明光源，9为第四透镜，10为旋转毛玻璃、11为第五透镜、12为孔径光阑、13为二向色耦合分束器，第二透镜3、PBS分束器4、第三透镜5、线性位移机构6等元件与视度调节分系统共用；在成像面处照明光源的虚像质心与视标质心的位置完全重合，形成明视距离处的点光源眼底照明。
图3为照明分系统中各透镜位置及其相互关系示意图。其中，f5为第三透镜5的焦距，D为人眼的屈光度数，1000/D等于mm为单位的人眼明视距离，d1按照公式(1)计算，f3为第二透镜3的焦距，f11为第五透镜11的焦距。
图4为本发明的视度自调节液晶自适应像差校正视网膜成像的光学结构示意图。其中，14为第六透镜、15为液晶波前校正器、16为反射镜、17为第七透镜、18为分光棱镜、19为波前探测器、20为第八透镜、21为成像CCD相机；从人眼7出射的光束透过PBS分束器4后使前角膜反射的干扰光被滤除，然后偏心通过第六透镜14，使到达反射镜16的光束为液晶波前校正器15校正了像差的光束，可以在成像CCD相机21上获得高分辨率视网膜的像。
图5为模拟眼示意图。其中23为漫反射屏，22为双胶合透镜，分别模拟眼底视网膜和人眼晶状体，用于具体实施过程中的响应矩阵测量。
图6为800度近视兼有150度散光人眼在本发明系统上获得的视网膜视觉细胞图像，其中(a)为校正前的视网膜视觉细胞图像，(b)为校正后的视网膜视觉细胞图像。
【具体实施方式】
为了更清楚理解本发明，下面结合实施方式对各个部件进行详细说明。
所述的视标点光源1为单色发光二极管点光源，发光波长λ′在可见光波段。
所述的第一透镜2、第二透镜3、第三透镜5、第四透镜9、第五透镜11、第六透镜14、第七透镜17和第八透镜20均为双胶合消色差透镜。
所述的PBS分束器4可在照明光波长λ为中心的波段内以1×10-3消光比的良好偏振特性透过P光，对反射光束S光的偏振特性没有定量要求。
所述的线性位移机构6为一维位移器，位移精度0.01mm，行程120mm。
所述的人眼7在光学结构上等效于图5所示的双胶合透镜22与漫反射板23的组合。双胶合透镜22模拟人眼晶状体，焦距为20mm，位于人眼瞳孔所处的位置；漫反射屏23模拟眼底视网膜，位于人眼视网膜所处的位置；这种组合可以模拟无像差人眼，本发明在实施时要用到模拟眼。
所述的照明光源8为单模激光器，其波长λ≠λ′，出射激光经单模光纤耦合形成点光源，功率在10mW～20mW范围。
所述的旋转毛玻璃10为一块表面经过磨沙的玻璃片，具有75％～80％的透过率，由电机控制连续旋转，旋转速率范围1000rpm～2000rpm。
所述的孔径光阑12为圆形小孔，孔径可以在1mm到10mm范围内连续调节；孔径光阑12也可以为环形光阑，产生环形光束入射人眼，直接滤除人眼角膜正入射区域的强反射干扰光。
所述的二向色耦合分束器13具有反射波长为λ的照明光和透射波长为λ′的视标光的能力。
所述的液晶校正器15为纯位相型反射式液晶波前校正器，液晶对驱动电压的响应时间≤15ms。
所述的反射镜16为薄型平面反射镜。
所述的分光棱镜18为普通分光棱镜。
所述的波前探测器19为哈特曼型波前探测器。
所述的成像CCD相机21为高灵敏度科学级CCD，像素数≥512×512个。
实施例
1)采用发光波长λ′为550nm的发光二极管作为视标点光源1。
2)所用照明光源8为小型半导体激光器，带有光纤耦合，纤芯直径100μm，发光波长λ为808nm，输出功率在10mW～20mW范围可调。
3)第一透镜2、第二透镜3、第三透镜5、第四透镜9、第五透镜11、第六透镜14、第七透镜17、第八透镜20均为双胶合消色差透镜，且表面镀有增透膜。口径依次为：20mm、25mm、25mm、10mm、20mm、40mm、20mm、20mm；焦距依次为：50mm、250mm、200mm、30mm、50mm、250mm、86mm、100mm。
4)选择人眼7为800度近视兼有150度散光，其明视距离125mm，调节线性位移机构6使第三透镜5到第二透镜3的光路长度d1＝130mm；在较暗环境下瞳孔直径稳定在6.0mm。
5)制做旋转毛玻璃10，选取厚度为1mm的磨沙薄玻璃片，眼底照明用激光的透过率为75％；将磨沙薄玻璃片粘贴于电机转轴上，电机以1000rpm的速度旋转，从而消除了激光散斑效应。
6)所用孔径光阑12，采用1mm到10mm连续调节的小孔光阑，紧贴于第五透镜11后；由于被测的瞳孔直径为6.0mm，故将孔径光阑12的直径控制到5.8mm，略小于瞳孔。
7)所用二向色耦合分束器13，口径25mm，对808nm波长的眼底照明光具有95％的反射率，对550nm波长的视标光具有95％的透过率。
8)所用PBS分束器4，直径50mm，当808nm波长的眼底照明光透过时分出的P偏振光的消光比为1×10-3。
9)所用液晶校正器15，纯位相型反射式LCOS器件，美国BNS公司生产，型号P512-0785。
10)所用的反射镜16，面积15mm×15mm，厚度2mm，反射率95％。
11)所用的分光棱镜18为普通分光棱镜，对808nm波长眼底照明光的透反比约为1∶1。
12)所用波前探测器19，为哈特曼型，有效微透镜数为m＝233，2.5mm接收孔径，配置的CCD为英国ANDOR公司生产，型号EM-DV897，128×128像素，量子效率在808nm波长处为70％，波前探测速度200Hz，测量误差峰谷值0.05λ，均方根值0.01λ。
13)所用成像CCD相机21，英国ANDOR公司生产，型号EM-DV897，512×512像素，曝光时间15ms。
14)利用上述元件按照图4所示的光路结构搭建视度自调节液晶自适应像差校正视网膜成像光学系统，其中第六透镜14与第二透镜3通过PBS分束器4形成共焦面配置，并使第六透镜14的焦点向左侧偏离L为5mm的距离，使入射和反射出液晶波前校正器15的两束光分离；配置自适应控制与信号处理分系统，形成了完整功能的视度自调节自适应像差校正成像系统。
15)为使瞳孔能便利地与入射光轴对准，设置瞳孔相机对瞳孔位置进行标定：在人眼前上方20mm～30mm距离处放置一红外LED，发光波长830nm～900nm，照明被测者瞳孔，使瞳孔成像于第二透镜3的焦点处。在第二透镜3和二向色耦合分束器13之间再插入一分色片，使红外LED的光束垂直反射出光路，但不影响波长小于830nm的照明与视标光束通过。在第二透镜3的折轴焦面处设置瞳孔相机；在瞳孔的设计位置放置一漫反射屏取代人眼。打开照明光源8，反射屏上一圆形区域被照亮，该亮斑的中心即为瞳孔中心应处的位置。开启瞳孔相机拍摄漫反射屏上的亮斑。以该亮斑中心为圆心，基本瞳孔半径3mm为半径画一圆圈，作为瞳孔的标准位置，将该圆圈保存到文件，存入程序控制计算机中。关闭照明光源8，撤出漫反射屏。
16)人眼瞳孔对准入射光轴的步骤：将15)步骤获得的标记瞳孔位置的圆圈附加到瞳孔相机的图像显示区域，以该圆圈为标准对准瞳孔。打开视标点光源1，粗调头架以使人眼能看到视标。开启瞳孔相机，对人眼瞳孔进行录像，细调头架，直到瞳孔像与标定圆圈重合。
17)建立波前探测器19对波前校正器15的响应矩阵R：首先将人眼7用模拟眼替代，其中双胶合透镜22的焦距为20mm，放置在原人眼瞳孔所处的位置，漫反射屏23放置在原人眼视网膜所处的位置。开启照明光源8，可以在漫反射屏上看到会聚光点；开启波前探测器19可以探测到从模拟眼出射的波前，前后移动调节漫反射屏23直到被测波前上的峰谷值最小。然后开启响应矩阵测量控制软件，测量前36项Zernike模式波前的响应矩阵R。
响应矩阵测量的基本原理：令Zernike多项式每一项前面的系数为1，以照明光源波长λ为单位，分别解出36项Zernike项的面形位相数值解。利用事先测好的液晶波前校正器15的位相一灰度级响应关系，依次将每一项Zernike多项式ZK(x，y)的面形位相数值转换成液晶校正器15上的灰度级分布图形。其中x和y即为该位相面沿x轴和y轴方向的坐标值。然后通过计算机逐个施加到液晶波前校正器15上；计算机读出波前探测器19对应每项Zernike模式的微透镜焦斑阵列在x轴和y轴上的斜率分布。因为第一项为平移模式可以省略，所以由这一系列波前斜率组成一个2×(M-1)行、2×m列的二维矩阵R，
R=Rx1Z2...RxiZ2...RxmZ2Ry1Z2...RyiZ2...RymZ2..............................Rx1Zk...RxiZk...RxmZkRy1Zk...RyiZk...RymZk..............................Rx1ZM...RxiZM...RxmZMRyiZM...RyiZM...RymZM]]>
此处k为Zernike多项式项序数，k最大为M＝36，故k＝2，3，4，…36；m为哈特曼探测器上的有效微透镜个数，233个。这个二维矩阵即为响应矩阵R。
18)撤掉模拟眼，被测量的人眼7位于图4所示位置处，开始人眼7眼底的自适应校正成像过程：首先点亮视标点光源1，令人眼7主动凝视成像面处的视标，直到视觉清晰。先后开启旋转毛玻璃10、成像CCD相机21和照明光源8，成像CCD相机21的曝光时间设置为15ms。波前探测器19接收经人眼7反射出来的光，将其波前转化为2m列波前斜率向量，此处m＝233：
则由(a是Zernike多项式每一项前面的系数ak构成的向量)有：据此式即可得到所探测波前的Zernike方程，解出波前上的位相数值。根据液晶波前校正器15的位相与灰度级的关系，将波前位相数值转换为灰度级反馈给液晶波前校正器15，液晶波前校正器15进行波前校正。成像CCD相机21一直工作，记录下校正前后的眼底视网膜图像。
19)分析结果：
经视度调节，被测800度近视人眼的离焦深度由36μm减小到9.7μm，使液晶校正器能够良好校正残余像差。自适应校正前后拍摄的视网膜视觉细胞图像如图六(a)、(b)所示，从中可以看出本发明校正效果显著，由什么信息也看不清楚的图片看到清晰的3μm直径的视觉细胞，表明了本发明的效果。