CN115553711A - 基于掩模调制的自适应光学及波前探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，包括光源组、分光镜组、变形镜、第一缩束系统、扩束系统、第二缩束系统、扫描振镜组、掩模及夏克—哈特曼波前传感器。光源组发出水平出射激光，经分光镜组后依次入射至变形镜、第一缩束系统、位于扫描振镜组中的扩束系统、第二缩束系统，最终进入待测瞳孔；主光线经眼底视网膜散射后沿光轴原路返回，经分光镜组入射至夏克—哈特曼波前传感器进行波前探测；掩模位于第一缩束系统或扩束系统或第二缩束系统中光轴一侧，用于遮挡杂散光。本发明光路搭建简单、成本低廉、光学元件通用性强，能够实现在简化光路的同时满足波前测量功能。该系统引入像差小、功能完整性强、能够达到波前测量需求。
Description
技术领域
本发明属于自适应光学技术领域，特别是一种基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统。
背景技术
自适应光学技术起源于天文学研究，因其能够实时校正光学系统的波前像差，被广泛应用于激光大气传输、光学测量、医学成像等领域。自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器三部分组成。光信号穿过目标系统产生波前畸变，畸变的波前经波前传感器探测波前像差，然后通过波前控制器实时计算波前控制信号，并反馈给波前校正器校正像差，实现对波前的实时校正，以此获得清晰的图像。1997年，该技术被首次成功地应用于活体人眼像差的调控，2012年，美国罗切斯特大学Ying Geng等人也在文章(GENG Y,DUBRA A,YIN L,et al.Adaptive optics retinal imaging in the livingmouse eye[J].Biomedical Optics Express,2012,3(4):715-34.)中实现了自适应光学视网膜成像在活体小鼠眼中的应用。而波前测量技术，可以简单地理解为：光经被测物反射后，波面的起伏与被测物表面的起伏有一定的对应关系，测得波前形状便能获得被测物面型。常用的夏克—哈特曼波前传感器便是一种基于斜率测量进行间接探测的波前测量仪器。但无论是人眼还是鼠眼，由光学相干层析(OCT)技术对活体哺乳动物视网膜的横截面成像表明，视网膜可被近似为双散射层模型，多层散射会引入杂散光，使得夏克—哈特曼波前传感器接收到的光斑质量较差，影响成像。现有的提高波前测量质量的方法中，一般有两种：一方面，选择使用不同的波前复原方法，例如基于神经网络模式的波前复原方法，即利用神经网络拟合光斑信息与Zernike系数之间的非线性关系，用以提高夏克—哈特曼波前传感器的探测精度，但存在系统搭建复杂、所需样本量大、训练网络周期长等缺点；另一方面，选择使用算法校正，例如相移算法、质心算法、迭代算法、图像去噪算法等，算法的使用可以精确求解波前像差系数，从而提高波前测量精度，但这种方法通常程序复杂、计算量大、难以实现。
在自适应光学系统的设计中，在特定位置处添加掩模进行光学调制，能够确保在简化光路系统复杂度的同时，提高波前测量的精度。
在文章(AKONDI V,DUBRA A.Multi-layer Shack-Hartmann wavefront sensingin the point source regime[J].Biomedical Optics Express,2021,12(1):409-32.)中，研究人员提出先在视网膜前使用圆形、环形透射掩模进行光瞳调制，再使用其定义的“质心”算法进行优化，虽然同样用到掩模且都是为了降低波前测量的像差，但其掩模处于待测视网膜前，且既需要掩模又需要算法校正，存在系统结构冗杂、算法数据繁杂等缺点，可实现性低。
因此，现有的基于视网膜成像的波前测量方法存在的主要缺陷是：或使用神经网络拟合，系统搭建复杂、所需样本量大、训练网络周期长；或使用算法校正，程序复杂、运算量大，难以实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种在特定位置处添加掩模进行光学调制从而进行波前测量的自适应光学系统。本发明为采用基于透射式光学元件的自适应光学系统，光源及信标光沿光轴传输，接收端使用夏克—哈特曼波前传感器进行波前探测。系统主要包括光源组(含准直器件)、分光镜组、变形镜、缩(扩)束透镜组、扫描振镜组、掩模以及夏克—哈特曼波前传感器。本发明光路搭建简单、成本低廉、光学元件通用性强，能够实现在简化光路的同时满足波前测量功能。该系统引入像差小、功能完整性强、能够达到波前测量需求。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，所述系统包括光源组、分光镜组、变形镜、第一缩束系统、扩束系统、第二缩束系统、扫描振镜组、掩模以及夏克—哈特曼波前传感器；
所述光源组发出水平出射激光，经分光镜组后依次入射至变形镜、第一缩束系统、位于扫描振镜组中的扩束系统、第二缩束系统，最终进入待测瞳孔；主光线经眼底视网膜散射后沿光轴原路返回，经分光镜组入射至夏克—哈特曼波前传感器进行波前探测；所述掩模位于第一缩束系统或扩束系统或第二缩束系统中的光轴一侧，用于遮挡杂散光。
进一步地，所述光源组包括沿光轴依次设置的激光器、准直器和光阑，激光器发出光后经准直器准直为水平出射光，再由光阑调制出射光斑孔径，用以匹配夏克—哈特曼波前传感器内部的微透镜阵列尺寸。
进一步地，所述分光镜组包括第一分束镜和第二分束镜，光源组的出射光经第一分束镜后入射至变形镜及后续光学系统直至视网膜底部，经眼底视网膜散射的光线沿原路返回，依次经第一分束镜和第二分束镜分光后进入夏克—哈特曼波前传感器。
进一步地，所述第一缩束系统包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜，为消色差双胶合透镜，并分别镀有对700nm～1100nm波长的增透膜。
进一步地，所述扩束系统包括沿光轴依次设置的第三透镜、第四透镜，均为非球面凸透镜；所述第二缩束系统包括沿光轴依次设置的第五透镜、第六透镜，均为非球面凸透镜。
进一步地，所述扫描振镜组包括沿光轴依次设置的第一扫描振镜、第二扫描振镜，所述变形镜位于第一缩束系统的前焦面处，且与夏克—哈特曼波前传感器共同连接至PC，通过软件控制促动器调整镜面以实现闭环；所述第一扫描振镜位于第一缩束系统的后焦面处，同时位于扩束系统的前焦面处；所述第二扫描振镜位于扩束系统的后焦面处，同时位于第二缩束系统的前焦面处；待测瞳孔位于第二缩束系统的后焦面处。
进一步地，所述第一扫描振镜可在相反相位上形成共振，扫描方向为X方向；所述第二扫描振镜的扫描方向为Y方向。
进一步地，所述掩模靠近第一透镜后焦距、第二透镜前焦距处；或靠近第三透镜后焦距、第四透镜前焦距处；或靠近第五透镜后焦距、第六透镜前焦距处。
进一步地，所述掩模遮光区域的中心与光轴不重合，处于水平偏离光轴0.6mm～1.8mm处。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)传统的改进型波前测量方法通常基于复原方法或测量过程进行改进，如使用神经网络拟合光斑信息与像差系数关系，但存在所需样本量大、训练网络周期长等缺点；或使用算法对测量结果进行算法校正及优化，但存在程序复杂、运算量大等缺点。本发明采用自适应光学技术，使变形镜、控制器和波前传感器处于闭环状态，可以实时校正像差，提高波前测量精度。
2)常用的波前测量系统通常仅包含光源、偏折元件及检测装置，如使用不同的缩束系统调制入射至波前传感器的光束孔径，分别校正得到若干组波前电压，再对波前电压及波前畸变取平均值以提高校正精度，但系统结构复杂、操作步骤繁琐，较难实现。本发明采用遮光掩模对携带有视网膜信息的信标光进行调制，再配合自适应光学技术，能够极大提升波前测量精度，而且结构简单、成本更低。
3)常规的波前测量使用的激光光源为可见光，如635nm红光，虽然可见光在调试系统时便于观察，但较之于近红外光吸收率更高，会降低成像质量。本发明采用795nm近红外光，能够降低漫反射吸收并提高成像分辨率，且借助近红外观察卡VRC5，依然可以实现可视化，便于调试。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明用于波前探测的基于掩模调制的自适应光学系统结构图。
图2为本发明的掩模示意图，其中图2中的(a)为遮光形状为圆形区域的掩模，图2中的(b)为遮光形状为矩形区域的掩模。
图3为未使用掩模遮挡的波前测量点阵仿真图。
图4为使用掩模遮挡后的波前测量点阵仿真图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，提供了一种基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，如图1所示，包括沿光轴依次设置的激光器1、光阑2、第一分束镜31、变形镜4、第一透镜51、第二透镜52、第一扫描振镜61、第三透镜71、第四透镜72、第二扫描振镜62、第五透镜91、第六透镜92。激光器1为近红外795nm单模激光器，激光器发出光后经准直器准直为水平出射光，再由光阑2调制为对应孔径平行光(光阑2的作用是调制激光器的出射光斑孔径，用以匹配夏克—哈特曼波前传感器11内部的微透镜阵列尺寸)，后经第一分束镜31分光并入射至变形镜4。变形镜4位于第一缩束系统的前焦面处，与夏克—哈特曼波前传感器11共同连接至PC(未示出)，通过软件控制促动器调整镜面以实现闭环，可以实时校正像差、提高波前测量的准确性。第一透镜51、第二透镜52为消色差双胶合透镜，能够最大限度地减小色差和校正球差，并分别镀有对700～1100nm波长的增透膜以减少光的反射。第一扫描振镜61为高速共振型扫描振镜，位于缩束系统的后焦面处，品牌及型号为CTI CRS 8KHz，该振镜由两根旋转棒构成，可在相反相位上形成共振，扫描频率为8KHz，方向为X方向，拥有速度反馈，可以使入射光振幅更为稳定。同样地，第一扫描振镜61也位于扩束系统的前焦面处，第三透镜71、第四透镜72为非球面凸透镜，具有更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正。较之于正负透镜组合校正像差，非球面透镜的使用可以减小系统尺寸并提高了系统的稳定性。掩模8由透明玻璃基底配合黑色遮光材料镀制而成，位于第三透镜71后焦距、第四透镜72前焦距处附近(也可位于消色差双胶合透镜之间或第五透镜91、第六透镜92之间)，起到遮挡杂散光、减少波前测量误差的效果。第二扫描振镜62位于扩束系统7的后焦面处，品牌及型号为SunnyS-8107，方向为Y方向，具有大扭矩和低漂移的特性，光线经过Y扫描振镜62后，进入第二缩束系统9。第五透镜91、第六透镜92依然为非球面凸透镜，第五透镜91与第四透镜72光学参数相同且Y扫描振镜62同时位于两者的前/后焦面处。待测瞳孔处于第六透镜92的后焦面处，主光线经眼底视网膜散射沿光轴原路返回，经分束镜31、32分光后进入夏克—哈特曼波前传感器11进行波前探测。
进一步地，在其中一个实施例中，遮光掩模8遮光区域的中心并非与光轴重合，而是处于水平偏离光轴0.6～1.8mm处(根据待测瞳孔大小的不同而取值，如小鼠瞳孔直径约为2mm，则水平偏离0.6mm；大鼠瞳孔直径约为4mm，则水平偏离1.2mm；人眼瞳孔直径约为6mm，则水平偏离1.8mm)，如图2所示，遮光形状为直径/边长0.4～1.2mm的圆形/矩形区域(取值规则同上)，目的是遮挡一束因双层散射而不沿光轴传播的杂散光，确保进入夏克—哈特曼波前传感器的光线仅为沿光轴传输的携带视网膜信息的信标光，从而提高波前测量精度。
通过光学软件Zemax进行光路搭建与仿真，未使用遮光掩模时，波前传感器上的光斑点阵图质量较差，如图3所示，难以进行波前探测；使用遮光掩模后，波前传感器上的光斑点阵图质量明显改善，如图4所示，可以确保波前测量的精度。
本自适应光学及波前测量系统搭配近红外单模激光器1和离轴圆形/矩形遮光掩模8进行设计。激光器1产生的近红外光源兼具吸收率低和高分辨率的特点，能够降低漫反射吸收并提高成像分辨率，遮光掩模8则可以通过遮挡偏离光轴的杂散光而提高波前测量精度。
本发明基于透射式光学元件的自适应光学系统，光源及信标光沿光轴传输，接收端使用夏克—哈特曼波前传感器进行波前探测。整个系统光路搭建简单、成本低廉、光学元件通用性强，能够实现在简化光路的同时满足波前测量功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述系统包括光源组、分光镜组、变形镜、第一缩束系统、扩束系统、第二缩束系统、扫描振镜组、掩模以及夏克—哈特曼波前传感器；
所述光源组发出水平出射激光，经分光镜组后依次入射至变形镜、第一缩束系统、位于扫描振镜组中的扩束系统、第二缩束系统，最终进入待测瞳孔；主光线经眼底视网膜散射后沿光轴原路返回，经分光镜组入射至夏克—哈特曼波前传感器进行波前探测；所述掩模位于第一缩束系统或扩束系统或第二缩束系统中的光轴一侧，用于遮挡杂散光。
2.根据权利要求1所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述光源组包括沿光轴依次设置的激光器、准直器和光阑，激光器发出光后经准直器准直为水平出射光，再由光阑调制出射光斑孔径，用以匹配夏克—哈特曼波前传感器内部的微透镜阵列尺寸。
3.根据权利要求1所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述分光镜组包括第一分束镜和第二分束镜，光源组的出射光经第一分束镜后入射至变形镜及后续光学系统直至视网膜底部，经眼底视网膜散射的光线沿原路返回，依次经第一分束镜和第二分束镜分光后进入夏克—哈特曼波前传感器。
4.根据权利要求1所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述第一缩束系统包括沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜，为消色差双胶合透镜，并分别镀有对700nm～1100nm波长的增透膜。
5.根据权利要求1所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述扩束系统包括沿光轴依次设置的第三透镜、第四透镜，均为非球面凸透镜；所述第二缩束系统包括沿光轴依次设置的第五透镜、第六透镜，均为非球面凸透镜。
6.根据权利要求1所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述扫描振镜组包括沿光轴依次设置的第一扫描振镜、第二扫描振镜，所述变形镜位于第一缩束系统的前焦面处，且与夏克—哈特曼波前传感器共同连接至PC，通过软件控制促动器调整镜面以实现闭环；所述第一扫描振镜位于第一缩束系统的后焦面处，同时位于扩束系统的前焦面处；所述第二扫描振镜位于扩束系统的后焦面处，同时位于第二缩束系统的前焦面处；待测瞳孔位于第二缩束系统的后焦面处。
7.根据权利要求6所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述第一扫描振镜可在相反相位上形成共振，扫描方向为X方向；所述第二扫描振镜的扫描方向为Y方向。
8.根据权利要求4或5所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述掩模靠近第一透镜后焦距、第二透镜前焦距处；或靠近第三透镜后焦距、第四透镜前焦距处；或靠近第五透镜后焦距、第六透镜前焦距处。
9.根据权利要求1所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述掩模遮光区域的中心与光轴不重合，处于水平偏离光轴0.6mm～1.8mm处。
10.根据权利要求1所述的基于掩模调制的自适应光学及波前测量系统，其特征在于，所述掩模由透明玻璃基底配合黑色遮光材料镀制而成。
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