CN101359098B - 一种相干光成像装置 - Google Patents

Abstract

一种相干光成像装置，它采用相干光源1照射全相位空间光调制器2，全相位空间光调制器2的出射相干光经光学系统3传播，光学系统出射光瞳8位于角膜4前，相干光依次通过角膜4、虹膜5、水晶体6，最后到达视网膜7，在视网膜7前后多个成像平面上相干光场的振幅分布由全相位空间光调制器2调制。本发明将二维或三维图像直接成像在视网膜上，结构简单，可以应用于虚拟现实显示、增强现实显示和眼底医学诊断。

Description

一种相干光成像装置

技术领域

本发明涉及一种成像装置，尤其是涉及一种利用相干光在视网膜上直接成像的光学成像装置。

背景技术

传统的成像装置采用二维屏幕显示静止或动态的图像(例如液晶显示器、等离子体显示器、投影显示器等)，人眼视觉系统通过角膜和水晶体组成的透镜系统，将二维屏幕上的图像再次成像在视网膜上，通过进一步将视网膜上的图像信号传输到大脑，人眼视觉系统能够感知到显示的图像。

将图像直接成像在视网膜上则可以省略二维屏幕，实现虚拟现实(virtualreality)显示、增强现实(augmented reality)显示和眼底医学诊断(opticalcoherence tomography)。美国华盛顿大学的研究人员提出了一种视网膜图像扫描装置(参考文献1：Brian T.Schowengerdt，Eric J.Seibel，‘Scannedvoxel displays’，Information Display，Vol.24，No.7，2008，pp26-36)，该装置通过微机械扫描方式将调制的光信号直接聚焦在人眼视网膜上。由于人眼的迟滞特性，当行、列扫描速度足够高时，人眼视觉系统便感知一幅完整的画面。但是该装置需要复杂和昂贵的微机械扫描装置和复杂光学系统，并且为实现三维图像的扫描，需要更高速度的行、列扫描装置。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种相干光成像装置，利用相干光在视网膜成像的装置，该装置无需复杂和昂贵的微机械扫描装置和复杂的光学系统，直接在视网膜上成像，并且可以方便实现三维立体成像。

技术方案：为了避免复杂和昂贵的微机械扫描装置以及复杂的光学系统，本发明提供一种利用相干光在视网膜上成像的装置，该装置能够将二维或三维图像直接成像在视网膜上。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用相干光源1照射全相位空间光调制器2，全相位空间光调制器2的出射相干光经光学系统3传播，光学系统出射光瞳8位于角膜4前，相干光依次通过角膜4、虹膜5、水晶体6，最后到达视网膜7，在视网膜7前后多个成像平面上相干光场的振幅分布由全相位空间光调制器2调制。

相干光源1可以是平面光波、或球面光波。

全相位空间光调制器2可以产生虚拟透镜。

光学系统3可以是一个、或多个共轴透镜组成的系统，可以通过分光镜13改变光路。

眼球可以近似为一个、或两个共轴透镜组成的系统，水晶体6可以近似为单透镜、或多层折射率变化的透镜、或梯度折射率透镜。

多个成像平面的光场振幅分布形成三维物体空间光场的分布，多个成像平面的光场振幅分布可以拟合为视网膜7曲面光场的分布，多个成像平面的光场振幅分布由全相位空间光调制器2调制，全相位空间光调制器2的相位分布函数可以通过迭代方法、或解析方法求解。

多个波长的相干光采用分时复用的方式通过空间光调制器2进行调制，或多个波长的相干光通过分光镜13实现共轴同时显示。

分光镜13可以是全反射式的、或半透半反型的，分光镜13可以是平面的、或曲面的，通过分光镜13实现虚拟现实显示、或增强现实显示、或眼底医学诊断。

有益效果：本发明有益效果是，可以将二维或三维图像直接成像在视网膜上，结构简单，可以实现虚拟现实显示、增强现实显示和眼底医学诊断。该装置无需复杂和昂贵的微机械扫描装置和复杂的光学系统，直接在视网膜上成像，并且可以方便实现三维立体成像。

附图说明

图1视网膜成像装置示意图。

图2视网膜成像装置实现三维立体显示示意图。

图3视网膜成像装置实现虚拟现实显示、增强现实显示和眼底医学诊断示意图。

以上图中有：相干光源1、全相位空间光调制器2、光学系统3、角膜4、虹膜5、水晶体6、视网膜7、光学系统出射光瞳8、第一成像平面9、第二成像平面10、第三成像平面11、凸透镜12、分光镜13、前室水状液14、后室玻璃体15。

具体实施方式

图1中所示是视网膜成像装置示意图。该装置主要有相干光源1、全相位空间光调制器2和光学系统3组成。为具体说明视网膜成像过程，图1中包括了简单的眼球剖面图，其中有角膜4、虹膜5、水晶体6和视网膜7。关于光学系统中人眼结构更详细的模型可以参考文献(参考文献1：Frank 

，‘Handbook of lasers and optics’，Springer，New York，2007)。相关光源1可以是气体、固体、或半导体激光器所产生的相干光，该相干光通过透镜可以产生平面光波、或球面光波。相干光源1直接照射全相位空间光调制器2，全相位空间光调制器2可以是透射式液晶显示器、反射式LCoS显示器等具有0～2π调制范围的纯相位调制器(phase only spatial light modulator)，当采用反射式空间光调制器时可以增加分光镜。当采用平面光波照射时，全相位空间光调制器2出射平面的光场相位被调制为设定值，而振幅分布不变，当采用球面光波照射时，等效于全相位空间光调制器2进行相位调制后再增加一个虚拟透镜(发散球面光波为凹透镜，会聚球面光波为凸透镜)(参考文献2：Joseph W.Goodman，‘Introduction to Fourier Optics，Third Edition′，电子工业出版社，2006)，该虚拟透镜可以看成为光学系统3的一部分。相干光源1经全相位空间光调制器2调制后进入光学系统3，光学成像系统3可以由一个或多个共轴透镜组成，实现光学成像过程的缩放等功能，从而使光学系统3的出射光瞳大小与人眼瞳孔大小相一致，避免人眼瞳孔对相干光场衍射的限制。相干光在光学系统3中的传播符合标量衍射原理，传播函数可以在光线传播方向上依次采用算符方法进行计算求得(参考文献2)，例如，光学系统3由一个共轴透镜组成，其传播过程用算符方法表述为：

$U_1(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=R\left[d_2\right]Q[-\frac{1}{f}]R\left[d_1\right]\left\{U_0(x,y)\right\}---\left(1\right)$

其中，U₀(x，y)为光学系统3输入平面的光场分布函数，U₁(ξ，η)为输出平面的光场分布函数，f为透镜的焦距，d₁、d₂为相干光在透镜前后的传播距离。本领域内研究人员可以根据需要推导出多个透镜系统的传播函数。光学系统出射光瞳8位于眼球角膜4前，相干光依次通过角膜4、虹膜5、水晶体6，最后到达视网膜7。相干光在眼球中的传播符合标量衍射原理，可以看作是两个共轴透镜组成的光学系统(参考文献1)，其传播过程用算符方法表述为：

$U_2(u,v)=R\left[d_4\right]Q[-\frac{n_2}{f_2}]R\left[d_3\right]Q[-\frac{n_1}{f_1}]\left\{U_1(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right\}---\left(2\right)$

其中，U₁(ξ，η)为光学系统出射光瞳8的光场分布函数，n₁、n₂分别为眼球前室水状液14和眼球后室玻璃体15的折射率，f₁、f₂分别为角膜4和水晶体6的焦距，d₃为角膜4到水晶体6的距离，d₄为水晶体6到视网膜7的距离，U₂(u，v)为视网膜7所在位置平面上的光场分布函数。人眼视觉系统中角膜4的屈光度(diopter)是相对稳定的，正常人的屈光度为 $D=\frac{n_1}{f_1}\≈43,$ 而水晶体6的屈光度是可变的，年轻人屈光度的变化范围可以达到14，而老年人屈光度的变化范围为0(参考文献1)。当水晶体6屈光度发生变化时，公式(2)中的相位项

也将发生变化。通过算符方法分析可以得出，当水晶体6屈光度发生变化时，视网膜7前的三维空间光场振幅分布相应的作了一次缩放。

公式(1)和公式(2)给出了从相干光源1到视网膜7上相干光场的传播函数，在预先设定视网膜7所在位置平面上光场振幅分布函数F(u，v)＝|U2(u，v)|的前提下，可以通过迭代方法(参考文献3：J.R.Fienup，‘Phase retrievalalgorithms：a comparison’，APPLIED OPTICS，Vol.21，No.15，1982：2758-2769)或解析方法(参考文献4：T.E.Gureyev，，A.Pogany，D.M.Paganin，S.W.Wilkins，‘Linear algorithms for phase retrieval in the Fresnelregion’，Optics Communications231(2004)53-70)求得对应的全相位空间光调制器2的相位分布函数P(x，y)，通过全相位空间光调制器2调制该相位分布函数P(x，y)，在视网膜7上变获得预先设定的光场振幅分布，此时人眼视觉系统感知到一幅二维图像，其各点强度分布为：

I(u，v)＝|U₂(u，v)|²   (3)，

在全相位空间光调制器2上周期性地改变相位分布函数P(x，y)，例如改变频率为60Hz，人眼便可以感知到连续的运动图像。当水晶体6的屈光度发生变化时，为保证在视网膜上成清晰的像，需根据公式(2)相应地调整全相位空间光调制器2的相位分布函数。

眼球中的水晶体6是一个相对复杂的光学系统，公式(2)采用单透镜进行近似，还可以用多层折射率变化的透镜或梯度折射率透镜(参考文献5：A.V.Goncharov and C.Dainty，‘Wide-field schematic eye models withgradient-index lens’，J.Opt.Soc.Am.A，Vol.24，No.8，August2007)来精确近似，另外，还可以将角膜4和水晶体6组成的共轴透镜系统近似为一个简单的单透镜，本领域的研究人员可以采用多种近似方法建立眼球的相干光传播函数。

图2所示为视网膜成像装置实现三维立体显示示意图，为方便讨论，图中同时给出了由单透镜12构成的光学系统3。相干光源1通过全相位空间光调制器2后各点相位被调制，而振幅保持不变。单透镜12使全相位空间光调制器2出射平面的光场分布在角膜4前呈一个缩小的像。为避免所呈像中包含一个二次相位因子，可以在全相位空间光调制器2后增加一个焦距等于全相位空间光调制器2与单透镜12距离的凸透镜(参考文献2)，或采用虚拟透镜，即将所需透镜的二次相位分布函数直接加到全相位空间光调制器2的相位分布函数上，或采用会聚点在单透镜12所在平面的相干球面光波。本领域内研究人员还可以设计各种具有缩放功能的光学系统3，例如采用多个共轴透镜增加光学系统的屈光能力，还可以使光学系统3所成缩小的像位于角膜4所在平面的左边或右边，只需满足相干光场在角膜4所在平面的分布与人眼瞳孔大小相一致。为实现三维立体显示，本发明的技术方案为，在视网膜前后多个成像平面上(例如图2中的第一成像平面9、第二成像平面10、第三成像平面11，其中第三成像平面11位于视网膜后可以视为虚拟平面，当人眼屈光度发生变化时，虚拟平面前移从而变为真实成像平面)各自设定的区域内，光场的振幅分布各自满足设定值，即将三维空间光场的振幅分布离散为多个二维平面上光场的振幅分布；相干光源1经过全相位空间光调制器2的调制，同时在多个成像平面上实现振幅分布接近设定值；多个成像平面上同时进行相干光振幅调制的方法为，通过公式(1)和公式(2)确定从全相位空间光调制器2到多个成像平面的相干光传播函数，设定每个成像平面上的振幅调制区域以及振幅分布函数，通过迭代或解析方法求解全相位空间光调制器2上的相位分布函数，本发明优选迭代方法，其步骤为：

1)确定迭代初始条件，即根据所需显示的三维图像，离散化视网膜7前后三维空间光场的振幅分布，确定视网膜7前后成像平面的个数，确定每个成像平面的设定区域，以及设定区域内的振幅分布函数，确定光学系统3以及人眼的相干光传播函数，由于人眼水晶体6的屈光度可变，通常需根据具体应用确定一个虚拟观察距离，水晶体6的屈光度由该观测距离确定，确定全相位空间光调制器2的初始相位；

2)利用相干光传播函数，计算相干光场从而全相位空间光调制器2传播到第一成像平面9的光场振幅分布，施加第一成像平面9振幅限制条件，即在设定区域内，将所计算的光场振幅分布修改为设定值，而其他区域保持不变，光场相位分布函数保持不变；

3)相干光场依次在第二成像平面10、第三成像平面11等多个成像平面之间进行传播，并依次施加光场振幅限制条件，光场相位分布函数保持不变；

4)相干光场从最后一个成像平面(例如第三成像平面11)反向传播到全相位空间光调制器2，并施加光场振幅限制条件，即光场振幅分布修改为均匀分布，而光场相位分布函数保持不变；

5)循环迭代步骤2)～4)，直至各个成像平面的光场振幅分布与设定值的误差小于预先设置的阈值σ。

上述迭代步骤中，迭代初始平面可以是全相位空间光调制器2的出射平面，或其他成像平面，例如第一成像平面9、第二成像平面10、第三成像平面11等，并且迭代的次序也可以改变，或增加循环迭代过程以提高计算的收敛速度，本领域研究人员可以根据需要对迭代过程进行优化。

上述迭代步骤是针对单波长的相干光，对于多个波长的单色光，可以采用分时复用的方式，即各个波长的相干光单独迭代运算，并通过分时复用的方式依次通过全相位空间光调制器2进行调制，采用该方法可以实现全彩色图像的显示，还可以多个波长相干光通过分光镜13实现共轴同时显示，即类似于彩色投影系统(图3中的虚线表示单色光通过分光镜13实现与角膜4和水晶体6组成的光学系统的共轴)，每个波长的单色光单独采用一个全相位空间光调制器2进行调制，并通过分光镜13依次改变光路实现与角膜4和水晶体6组成的光学系统共轴。

上述迭代步骤中，成像平面的个数，以及每个成像平面上光场的振幅分布由所需显示的三维立体图像决定。另外，由于人眼视网膜7是一个曲面，因此可以采用多个平面成像的光场振幅分布拟合为视网膜7曲面上的光场振幅分布，即在每个平面与视网膜7曲面的相交处设定成像所需的振幅分布，从而实现视网膜7曲面上的清晰成像。

人眼视觉系统仅能清楚的感知到与视网膜7位置重合的成像平面上的二维光场强度信息，在视网膜7前、后成像平面上的光场分布被感知为模糊的图像，当水晶体6的屈光度发生变化时，即人眼聚焦点位置发生变化时，视网膜7前后的三维空间复杂光场将随之产生缩放，例如聚焦点趋向远方时，原先视网膜7前方的光场分布将移动到视网膜7位置，从而被感知为清晰的像，聚焦点趋向近点时，原先视网膜7后方的光场分布将移动到视网膜7位置，从而被感知为清晰的像。因此，水晶体6屈光度的变化引起视网膜7上空间光场强度信息的变化，该过程与人眼观察三维空间中真实物体的影像相类似，从而使人眼视觉系统感知到三维立体的画面。

图3中所示为视网膜成像装置实现虚拟现实显示、增强现实显示和眼底医学诊断的示意图。该技术方案与图1中相比增加了一个分光镜13，该分光镜13的主要作用是改变光线的传播方向。为实现虚拟现实显示，分光镜13可以是全反射式的，通过改变光路，可以方便的将光学系统3固定在各种头盔上；为实现增强现实显示，分光镜13可以是半透半反型的，即人眼可以透过分光镜13观看外部真实的场景，同时又可以通过反射感知到虚拟的图像，两种图像互相重叠；为实现眼底医学诊断，分光镜13可以是半透半反型的，即全相位空间光调制器2调制的相干光经光学系统3传播和分光镜13反射，在视网膜上成像，相干光再经视网膜反射后反向传输并部分透射出光镜13，在分光镜13后采用CCD或胶片可以拍摄到相干光经视网膜反射后的干涉条纹。本领域的研究人员还可以根据需要在光学系统3中增加多个分光镜，分光镜13可以是平面的，也可以是曲面的，例如分光镜13可以是类似于眼镜的凹面镜，从而在改变光路的同时等效于再增加一个凸透镜。

Claims (3)

1.一种相干光成像装置，其特征是：该装置由相干光源(1)、全相位空间光调制器(2)、光学系统(3)所构成，相干光源(1)位于全相位空间光调制器(2)前，全相位空间光调制器(2)位于由一个或多个透镜组成的光学系统(3)前，光学系统出射光瞳(8)位于角膜(4)前，其出射相干光依次通过角膜(4)、虹膜(5)、水晶体(6)，最后到达视网膜(7)，并直接在视网膜上成像；

全相位空间光调制器(2)通过增加二次相位分布函数产生虚拟透镜；

光学系统(3)是一个、或多个共轴透镜组成，光学系统(3)通过增加分光镜(13)改变光路传播方向。

2.根据权利要求1所述的一种相干光成像装置，其特征是：相干光源(1)是平面光波、或球面光波。

3.根据权利要求1所述的一种相干光成像装置，其特征是：分光镜(13)是全反射式的、或半透半反型的，分光镜(13)是平面的、或曲面的，通过分光镜(13)实现虚拟现实显示、或增强现实显示、或眼底医学诊断。

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