CN111920376A - 自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法与装置。本发明在不增加自适应光学波前传感器与波前校正器的情况下，双轴扫描的非等晕像差按照光束扫描轨迹，通过分时的方法分成多个等晕区子视场，每个等晕区子视场分别完成像差测量与闭环校正，每个等晕区子视场成像图像还结合图像处理技术补充校正残余像差，从而实现宽视场非等晕像差的完整校正；本发明只需要单个波前传感器和单个波前校正器即可完成宽视场像差校正，可以突破等晕区对自适应光学成像视场的限制，实现对视网膜宽视场的像差校正与高分辨率成像，且几乎不增加任何系统复杂性，具有极高的实用性；本发明提供的解卷积图像校正，成本低，校正效果好。

Description

自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法与装置

技术领域

本发明涉及自适应光学高分辨率成像领域，特别涉及一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法与装置。

背景技术

为了更加清楚地观察眼底视网膜，自适应光学技术被引入视网膜光学成像领域，利用自适应光学测量眼睛光学系统像差并加以校正，可以实现对眼底视网膜的高分辨率成像，能够清楚地分辨出微米级的毛细血管、视细胞等组织。

然而，自适应光学技术的像差测量与校正只能对视场中心附近一个角度范围内有效，该角度范围被定义为自适应光学校正范围受限的“等晕区”，等晕区内的像差可以经自适应光学完全校正，超过等晕区的非等晕像差只能被自适应光学部分校正。当自适应光学应用于眼底视网膜成像时，眼睛的等晕区通常认为不超过2°视场角，目前几乎所有自适应光学视网膜高分辨率成像系统的成像视场都小于2°，这仅相当于视网膜上很小的区域。事实上，视网膜约100°范围内都分布着与视觉功能密切相关的各种微细组织，要完成对更大范围或整个视网膜高分辨率成像，目前广泛采用多次成像通过图像拼接获取大视场图像，但是依赖受试者的固视能力，拼接精度低，成功率低，效率也很低。

为了解决眼睛等晕区限制的成像视场小的难题，多层共轭自适应光学技术(MCAO,Multi-ConjugateAdaptive Optics)被应用于天文观测领域，于2009年首次成功用于视网膜泛光照明成像系统中，采用多个波前传感器和多个波前校正器实现7°视场的像差分区域测量与分区域同时校正。但是，MCAO技术系统结构庞大，技术成本高，相邻等晕区像差存在交连，多套像差校正闭环控制复杂度高，成像速度较慢。更关键的是，MCAO技术只适用于非扫描的泛光照明成像系统，目前尚未见报道在扫描成像系统中有所应用。

发明内容

本发明基于以上背景，针对双轴扫描成像系统(包括共焦扫描成像，光学相干层析成像以及其他双轴扫描成像系统)，提出一种自适应光学双轴扫描成像的宽视场非等晕像差校正方法与装置，在不增加自适应光学波前传感器与波前校正器的情况下，双轴扫描的非等晕像差按照光束扫描轨迹，通过分时的方法分成多个等晕区子视场，每个等晕区子视场分别完成像差测量与闭环校正，每个等晕区子视场成像图像还结合图像处理技术补充校正残余像差，从而实现宽视场非等晕像差的完整校正。本发明提出的宽视场非等晕像差校正方法与装置，只需要单个波前传感器和单个波前校正器即可完成宽视场像差校正，几乎不增加任何系统复杂性，具有极高的实用性和创新性。

本发明采用的技术方案是：提供一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法，在自适应光学双轴扫描成像中，双轴扫描包括X、Y方向，本发明的方法包括以下步骤：

步骤S1：将双轴扫描的整个非等晕区成像视场，根据扫描轨迹分为多个子区域：子区域11、子区域12、……、子区域1N、子区域21、子区域22、……、子区域MN，其中，每个子区域在X、Y扫描方向上的视场大小均不超过2°，所有子区域均满足等晕区原则，M、N为正整数；

步骤S2：每个等晕区子区域的像差依次经波前传感器测量，并依次反馈控制波前校正器，依次完成对每个等晕区子区域像差的闭环校正；

步骤S3：由波前传感器测量的每个子区域的波前像差换算得到每个子区域的点扩散函数：PSF，将每个子区域的PSF作为每个子区域成像图像的PSF初始值与约束条件，然后通过维纳滤波分别完成每个子区域成像图像的解卷积处理，实现对每个子区域成像图像残余像差的补充校正；

步骤S4：当完成所有子区域成像图像的解卷积校正后，通过图像拼接，即可得到M×N个子区域之和的宽视场非等晕像差完全校正后的成像图像。

优选的是，所述步骤S1中，每个子区域可以是均匀等分，也可以是非均匀分割。

优选的是，所述步骤S3具体为：

S3-1：由波前传感器测量的每个子区域波前W_i,j(ξ,η),1≤i≤M,1≤j≤N，计算得到每个子区域的点扩散函数PSF：h_i,j(x,y),1≤i≤M,1≤j≤N，其中，

式中P_i,j(ξ,η)为波前传感器的子透镜光瞳函数，f为子透镜焦距，k为波数常数；

S3-2：将每个子区域的PSF作为每个子区域成像图像的PSF初始值与约束条件，然后通过以下增量维纳滤波迭代公式分别完成该子区域成像图像的解卷积处理，实现对每个子区域成像图像残余像差的补充校正，

S(u,v)＝Y(u,,v)-Xi,_j(u,v)Hi,_j(u,v)；

其中，*表示复数共轭操作符，i和j表示每个子区域的序号，Y_i,j(u,v)为该子区域成像图像的傅里叶变换，

和

分别表示该子区域成像图像在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，

和

分别表示该子区域PSF估计在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，S(u,v)为精度项，随着

与

值的更新，S(u,v)的值及时更新；γ_x与γ_h是控制迭代步长的参数，其值越大，迭代步长越小，算法收敛速度越慢，解更加精确，其值减小，迭代步长增大，算法将更快收敛为一不平滑解。

优选的是，所述步骤S3-2中，γ_x与γ_h的值选取为：r_h＝0.2|H(0,0)|²,r_x＝0.2|X(0,0)|²。

优选的是，所述步骤S3既可在线处理也可离线处理。

本发明还提供一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置，该装置采用如上所述的方法实现自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正。

优选的是，该装置包括光源及光束变换系统、双轴扫描系统、自适应光学系统、光束收集系统以及数据处理系统；

所述光源及光束变换系统包括用于照明成像的成像光源、用于像差测量的信标光源以及用于将所述成像光源和信标光源出射的光束进行变换的光学元件；

所述双轴扫描系统包括可实现X、Y方向的光束扫描的扫描装置，所述双轴扫描系统扫描轨迹可以是先沿X方向完成子区域的扫描，再完成Y方向子区域扫描；也可以是先沿Y方向完成子区域的扫描，再完成X方向子区域扫描。

优选的是，所述自适应光学系统包括波前传感器、波前校正器和波前处理器，所述波前传感器实现对波前像差的测量并输出给所述波前处理器，所述波前处理器将波前像差解算为波前控制量，再根据所述双轴扫描系统的扫描同步信号反馈控制所述波前校正器产生相位补偿实现对波前像差的闭环校正。

优选的是，所述光束收集系统包括用于完成成像光束聚焦的光学元件以及实现光电转换的探测器。

优选的是，所述数据处理系统为数字处理器或计算机，所述数据处理系统根据所述双轴扫描系统的扫描同步信号，完成对扫描轨迹上的所有子区域的图像解卷积处理以及图像解卷积处理后的所有子区域的图像拼接。

本发明的有益效果是：

本发明提供的自适应光学双轴扫描成像的宽视场非等晕像差校正方法与装置，在不增加自适应光学波前传感器与波前校正器的情况下，双轴扫描的非等晕像差按照光束扫描轨迹，通过分时的方法分成多个等晕区子视场，每个等晕区子视场分别完成像差测量与闭环校正，每个等晕区子视场成像图像还结合图像处理技术补充校正残余像差，从而实现宽视场非等晕像差的完整校正；

本发明只需要单个波前传感器和单个波前校正器即可完成宽视场像差校正，可以突破等晕区对自适应光学成像视场的限制，实现对视网膜宽视场的像差校正与高分辨率成像，且几乎不增加任何系统复杂性，具有极高的实用性；

本发明提供的解卷积图像校正，成本低，通过波前像差信息的分区域解卷积，可以最大化补偿自适应光学像差校正，校正效果好，可以在线处理，也可以事后处理，灵活便捷。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法的原理图；

图2为本发明的实施例2中的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置的原理图；

图3为本发明的实施例3中采用常规的单次自适应光学闭环校正像差结果；

图4为本发明的实施例3中采用本发明提出的非等晕像差分区域的自适应光学校正结果；

图5为本发明的实施例3中的分区域图像解卷积处理结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

在自适应光学双轴扫描成像中，双轴扫描包括X、Y方向，参照图1，本实施例提供的一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法包括以下步骤：

步骤S1：将双轴扫描的整个非等晕区成像视场，根据扫描轨迹分为多个子区域：子区域11、子区域12、……、子区域1N、子区域21、子区域22、……、子区域MN，其中，每个子区域在X、Y扫描方向上的视场大小均不超过2°，所有子区域均满足等晕区原则，如图1中，H、V分别表示X、Y扫描方向上的视场角度值，H、V均不大于2，M、N为正整数；其中，每个子区域可以是均匀等分，也可以是非均匀分割。

步骤S2：每个等晕区子区域的像差依次经波前传感器测量，并依次反馈控制波前校正器，依次完成对每个等晕区子区域像差的闭环校正。

步骤S3：由波前传感器测量的每个子区域的波前像差换算得到每个子区域的点扩散函数：PSF，将每个子区域的PSF作为每个子区域成像图像的PSF初始值与约束条件，然后通过维纳滤波分别完成每个子区域成像图像的解卷积处理，实现对每个子区域成像图像残余像差的补充校正；

具体为：

S3-1：由波前传感器测量的每个子区域波前W_i,j(ξ,η),1≤i≤M,1≤j≤N，计算得到每个子区域的点扩散函数PSF：h_i,j(x,y),1≤i≤M,1≤j≤N，其中，

式中P_i,j(ξ,η)为波前传感器的子透镜光瞳函数，f为子透镜焦距，k为波数常数；

S3-2：将每个子区域的PSF作为每个子区域成像图像的PSF初始值与约束条件，然后通过以下增量维纳滤波迭代公式分别完成该子区域成像图像的解卷积处理，实现对每个子区域成像图像残余像差的补充校正，

S(u,v)＝Y(u,,v)-X_i,j(u,v)H_i,j(u,v)；

其中，*表示复数共轭操作符，i和j表示每个子区域的序号，Y_i,j(u,v)为该子区域成像图像的傅里叶变换，

和

分别表示该子区域成像图像在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，

和

分别表示该子区域PSF估计在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，S(u,v)为精度项，随着

与

值的更新，S(u,v)的值及时更新；γ_x与γ_h是控制迭代步长的参数，其值越大，迭代步长越小，算法收敛速度越慢，解更加精确，其值减小，迭代步长增大，算法将更快收敛为一不平滑解。其中，γ_x与γ_h的值可选取为：r_h＝0.2|H(0,0)|²,r_x＝0.2|X(0,0)|²。

其中，步骤S3既可在线处理也可离线处理。

步骤S4：当完成所有子区域成像图像的解卷积校正后，通过图像拼接，即可得到M×N个子区域之和的宽视场非等晕像差完全校正后的成像图像。

实施例2

一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置，该装置采用实施例1的方法实现自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正。具体的，参照图2，该装置包括光源及光束变换系统、双轴扫描系统、自适应光学系统、光束收集系统以及数据处理系统。

光源及光束变换系统包括用于照明成像的成像光源、用于像差测量的信标光源以及用于将成像光源和信标光源出射的光束进行变换的光学元件；光源及光束变换系统还可以包括其他成像功能的光源。

双轴扫描系统包括可实现X、Y方向的光束扫描的扫描装置，双轴扫描系统扫描轨迹可以是先沿X方向完成子区域的扫描，再完成Y方向子区域扫描；也可以是先沿Y方向完成子区域的扫描，再完成X方向子区域扫描。

自适应光学系统包括波前传感器、波前校正器和波前处理器，波前传感器实现对波前像差的测量并输出给波前处理器，波前处理器将波前像差解算为波前控制量，再根据双轴扫描系统的扫描同步信号反馈控制波前校正器产生相位补偿实现对波前像差的闭环校正。

光束收集系统包括用于完成成像光束聚焦的光学元件以及实现光电转换的探测器。光束收集系统可以有多种组合形式，可以包括共焦成像模式，或时域光学相干层析成像模式，或谱域光学相干层析成像模式，或傅里叶域光学相干层析成像模式等。

数据处理系统为数字处理器或计算机，数据处理系统根据双轴扫描系统的扫描同步信号，完成对扫描轨迹上的所有子区域的图像解卷积处理以及图像解卷积处理后的所有子区域的图像拼接。

实施例3进行常规校正方法与本发明的方法的比较

参照图3，为常规的单次自适应光学闭环校正像差结果，成像视场为4*4度，中心2*2度等晕区像差校正效果较好，其余边缘视场为非等晕区，像差校正不完全，图像较为模糊。

参照图4，为本发明提出的非等晕像差分区域的自适应光学校正效果，将整个4*4度成像视场分成4个2*2度成像子区域，依次完成像差校正。参照图5，为本发明提出的分区域图像解卷积处理效果，在完成图4的分区域自适应光学像差校正后，继续采用解卷积处理，将4个子区域分别完成维纳滤波的图像解卷积处理，可以校正图像残余像差。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法，自适应光学双轴扫描成像中，双轴扫描包括X、Y方向，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1：将双轴扫描的整个非等晕区成像视场，根据扫描轨迹分为多个子区域：子区域11、子区域12、……、子区域1N、子区域21、子区域22、……、子区域MN，其中，每个子区域在X、Y扫描方向上的视场大小均不超过2°，所有子区域均满足等晕区原则，M、N为正整数；

步骤S2：每个等晕区子区域的像差依次经波前传感器测量，并依次反馈控制波前校正器，依次完成对每个等晕区子区域像差的闭环校正；

步骤S3：由波前传感器测量的每个子区域的波前像差换算得到每个子区域的点扩散函数：PSF，将每个子区域的PSF作为每个子区域成像图像的PSF初始值与约束条件，然后通过维纳滤波分别完成每个子区域成像图像的解卷积处理，实现对每个子区域成像图像残余像差的补充校正；

步骤S4：当完成所有子区域成像图像的解卷积校正后，通过图像拼接，即可得到M×N个子区域之和的宽视场非等晕像差完全校正后的成像图像。

2.根据权利要求1所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，所述步骤S1中，每个子区域可以是均匀等分，也可以是非均匀分割。

3.根据权利要求1所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S3-1：由波前传感器测量的每个子区域波前W_i,j(ξ,η),1≤i≤M,1≤j≤N，计算得到每个子区域的点扩散函数PSF：h_i,j(x,y),1≤i≤M,1≤j≤N，其中，

式中P_i,j(ξ,η)为波前传感器的子透镜光瞳函数，f为子透镜焦距，k为波数常数；

S3-2：将每个子区域的PSF作为每个子区域成像图像的PSF初始值与约束条件，然后通过以下增量维纳滤波迭代公式分别完成该子区域成像图像的解卷积处理，实现对每个子区域成像图像残余像差的补充校正，

S(u,v)＝Y(u,,v)-X_i,j(u,v)H_i,j(u,v)；

其中，*表示复数共轭操作符，i和j表示每个子区域的序号，Y_i,j(u,v)为该子区域成像图像的傅里叶变换，

和

分别表示该子区域成像图像在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，

和

分别表示该子区域PSF估计在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，S(u,v)为精度项，随着

与

值的更新，S(u,v)的值及时更新；γ_x与γ_h是控制迭代步长的参数，其值越大，迭代步长越小，算法收敛速度越慢，解更加精确，其值减小，迭代步长增大，算法将更快收敛为一不平滑解。

4.根据权利要求3所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，所述步骤S3-2中，γ_x与γ_h的值选取为：r_h＝0.2|H(0,0)|²,r_x＝0.2|X(0,0)|²。

5.根据权利要求3所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，所述步骤S3既可在线处理也可离线处理。

6.一种自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置，其特征在于，该装置采用如权利要求1-5中任意一项所述的方法实现自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正。

7.根据权利要求6所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置，其特征在于，该装置包括光源及光束变换系统、双轴扫描系统、自适应光学系统、光束收集系统以及数据处理系统；

所述光源及光束变换系统包括用于照明成像的成像光源、用于像差测量的信标光源以及用于将所述成像光源和信标光源出射的光束进行变换的光学元件；

所述双轴扫描系统包括可实现X、Y方向的光束扫描的扫描装置，所述双轴扫描系统扫描轨迹可以是先沿X方向完成子区域的扫描，再完成Y方向子区域扫描；也可以是先沿Y方向完成子区域的扫描，再完成X方向子区域扫描。

8.根据权利要求7所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置，其特征在于，所述自适应光学系统包括波前传感器、波前校正器和波前处理器，所述波前传感器实现对波前像差的测量并输出给所述波前处理器，所述波前处理器将波前像差解算为波前控制量，再根据所述双轴扫描系统的扫描同步信号反馈控制所述波前校正器产生相位补偿实现对波前像差的闭环校正。

9.根据权利要求8所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置，其特征在于，所述光束收集系统包括用于完成成像光束聚焦的光学元件以及实现光电转换的探测器。

10.根据权利要求9所述的自适应光学双轴扫描成像的非等晕像差校正装置，其特征在于，所述数据处理系统为数字处理器或计算机，所述数据处理系统根据所述双轴扫描系统的扫描同步信号，完成对扫描轨迹上的所有子区域的图像解卷积处理以及图像解卷积处理后的所有子区域的图像拼接。

Images