CN1306797A - 自适应光学视网膜成像系统(4) - Google Patents

Abstract

自适应光学视网膜成像系统,属自适应光学波前校正技术领域。其波前校正前后为同一共光路结构,光束匹配望远镜的光轴垂直于波前校正器的镜面,偏振分光镜置于检偏器与波前校正器间的平行光路中;系统置有相衬板;校正控制系统中,经偏振分光镜的反射光,由聚焦物镜会聚,经光电探测器的信号送前置放大器,处理机给出扰动信号,送高压放大器依次加在波前校正器的各驱动单元上,同时送到锁相放大器,相干检出所需的控制信号寻优控制。

Description

自适应光学视网膜成像系统(4)

本发明是一种自适应光学视网膜成像系统，涉及自适应光学波前校正技术领域，属于人眼视网膜医疗设备制造技术领域。

美国专利5,777,719介绍了一种自适应光学视网膜成像系统，该系统用哈特曼波前传感器测量人眼像差，用37单元、口径￠100的变形反射镜来校正所测得的像差。进入波前校正器前的光束与从波前校正器反射出的光束为非共光路。然后移动一切换反射镜，将光束切换到成像光路中的CCD相机，从而获得人眼瞳孔衍射的高分辨率视网膜成像。这套系统虽能获得较清晰的视网膜成像，但由于采用两组光束匹配望远镜的非共光路结构，系统光学元件较多，存在小型化的难的问题；其二，是系统采用了非共光路结构和可移动的光学元件，在自适应光学闭环控制光路和成像光路之间进行切换，切换期间人眼要丢失参考目标，人眼的晃动会导致成像清晰度下降；其三，人眼视网膜细胞对光的透过率很高，是一种低对比度的位相分布物体，该系统仅以减小像差完善成像，不能有效的分辨相物体；其四，系统杂散光多，成像得不到良好的信噪比；其五，人眼像差是随机而且是静态的，因此，系统使用的H-S波前传感器和相关的计算机处理系统，使整个系统的成本增加，不利于推广使用。

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足而提供一种采用共光路结构，减小系统体积，并用偏振分光技术，提高光的利用率，采用高频振动寻优控制进行波前校正，降低系统成本；采用相衬技术提高相物体像的对比度；采用共焦滤波方式提高像的信噪比。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：自适应光学视网膜成像系统，包括自适应光学校正控制系统。进入波前校正器前的光束与从波前校正器反射出的光束为共光路；光束匹配望远镜的光轴垂直于波前校正器的镜面，偏振分光镜置于检偏器与波前校正器之间的平行光路中；成像光学系统中，置有将低对比度的视网膜细胞相分布转换成可见的光强分布的相衬板。自适应光学校正控制系统，经偏振分光镜的反射光，穿过分光镜，由聚焦物镜会聚进小孔，光电探测器输出的电信号送前置放大器放大；处理机给出一扰动信号，一方面送给高压放大器依次加在波前校正器的各驱动单元上，一方面同时送到锁相放大器，使锁相放大器相干滤波，从前置放大器输出的电信号中，相干检出作为波前校正器各控制单元位移所需的基频控制信号，从而进行高频振动法寻优控制，完成波前校正。

本发明的目的还可以通过以下措施来达到：相衬板位于成像光学系统中的孔径光栏面或光瞳实像处或人眼瞳孔处。相衬板位于波前校正器的镜面，可在波前校正器的表面镀膜成相衬板为一体结构；四分之一波片位于偏振分光镜与光束匹配望远镜之间；四分之一波片位于光束匹配望远镜与波前校正器之间；波前校正器是变形反射镜；波前校正器是液晶波前校正器；波前校正器是微机械薄膜变形镜；波前校正器是双压陶瓷变形镜；共焦滤波光栏位于光束匹配望远镜的前后两组透镜的公共焦点处，构成共焦滤波器。

高频振动波前校正的原理如下：波前校正器有若干控制单元，设第n单元对应的子孔径光学位相为β_n，振幅A_n，在第i单元上施加一正弦微扰₀sinωt，则在远场0点光强为：

式中 $A_s=\underset{n=1,n\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|A_n\exp \left(\mathrm{i\β}\right)\right|,{\mathrm{\β}}_s=\mathrm{tg}\frac{\underset{n=1,n\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\sin {\mathrm{\β}}_n}{\underset{n=1,n\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\cos {\mathrm{\β}}_n}$ 将式中的cos(β_s-β_i-₀sinωt)用贝塞尔——付里叶级数展开：

    cos(β_s-β_i-₀sinωt)

    ＝J₀(₀)cos(β_s-β_i)-2J₁sin(β_s-β_i)sinωt

      +2J₂(₀)cos(β_s-β_n)cos2ωt+…J_j(₀)是₀的第j阶贝塞尔函数。系统中经小孔(16)、光电探测器(17)、前置放大器(18)、由锁相放大器(19)相干滤波，得到基频信号

      I(ω)＝-4A_sA_iJ₁(₀)sin(β_s-β_i)I(ω)是I的微分，可以做为各控制单元位移的控制信号，当β_s-β_i＝±2kπ时，I取极大值，从而完成寻优控制。

根据泽尼克(Zernike)相衬法，相衬板11置于光学成像系统光瞳面或孔径光栏面，它使中心序(或零级角谱)的位相相对于各衍射谱(各级角谱)滞后或超前1/4周期，这样，若一低对比度的相物体：

     F(x)＝e^iφ(x)F(x)为物分布，φ(x)为物体的相分布，当|φ|＜＜1时，上式写为：

     F(x)≈1+iφ(x)经上述相衬光学系统后，在像面分布为：

     G(x)＝1±2φ(x)G(x)为像面光强分布，从而将物体的不可见的相分布变成了可见的光强分布。

附图说明：

图1为本发明实施例1结构图。

图2为本发明实施例2结构图。

本发明将结合附图作进一步详述：

如图1所示：实施例1是一种采用共光路结构、具有高频振动法波前校正的自适应光学视网膜成像系统。进入波前校正器前的光束与从波前校正器反射出的光束为共光路，光束匹配望远镜(9)的光轴垂直于波前校正器(12)的镜面，偏振分光镜(8)置于检偏器(7)与波前校正器(12)之间的平行光路中。成像光学系统中，置有将低对比度的视网膜细胞相分布转换成可见的光强分布的相衬板(11)。自适应光学校正控制系统，经偏振分光镜(8)的反射光，穿过分光镜(14)，由聚焦物镜(15)会聚进小孔(16)，光电探测器(17)输出的电信号送前置放大器(18)放大；处理机(20)给出一扰动信号，一方面送给高压放大器(21)依次加在波前校正器(12)的各驱动单元上，一方面同时送到锁相放大器(19)，使锁相放大器(19)相干滤波，从前置放大器(18)输出的电信号中，相干检出作为波前校正器(12)各控制单元位移所需的基频控制信号，从而进行寻优控制，完成波前校正。偏振分光镜(8)置于检偏器(7)与光束匹配望远镜(9)之间；相衬板(11)位于波前校正器(12)的镜面(可用镀膜技术在波前校正器(12)的表面镀膜成相衬板，两者为一体结构)；四分之一波片(10)位于光束匹配望远镜(9)与波前校正器(12)之间；共焦滤波光栏(29)位于光束匹配望远镜(9)的前后两组透镜的公共焦点处，构成共焦滤波器；共焦滤波小孔(29)置于成像系统的视场光栏面或视场光栏实像面，例如光束匹配望远镜(9)的两组透镜的公共焦点处，构成共焦滤波器，这样只有人眼视网膜反射光才能透过该光栏，从而消除其他表面反射的杂光。波前校正器(12)可以是变形反射镜，或是液晶波前校正器，或是微机械薄膜变形镜，或是双压陶瓷变形镜。本系统中，成像光学系统将人眼瞳孔(6)视网膜像成像于CCD相机(28)的靶面，相衬板(11)放在该成像光学系统的孔径光栏面(或光瞳实像面)位置，如：置于人眼靠近瞳孔的位置、或者相衬板(11)可以紧贴波前校正器(12)放置(也可以将波前校正器12表面用镀膜技术做成相衬板，使(11)和(12)合二为一，还可以放在反射镜(13)至CCD相机(28)之间任一光瞳实像面上。

系统工作时，首先进行自适应光学校正，由信标(1)发出的光，经扩束系统(2)扩束后，由反射镜(3)折光穿过起偏器(4)后变成线分两个步骤偏振光，经分光镜(5)进入人眼瞳孔(6)照明眼底，眼底反射光是退偏的，反射光穿过分光镜(5)，经检偏器(7)滤去杂光，再经偏振分光镜(8)(偏振分光镜的倾角约等于布儒斯特角，镀上适当的介质膜后可以使p分量的偏振光透过率Tp≥95％，s分量的光反射率Rs≥95％，当p光方向与检偏器(7)透过轴方向平行时，透过检偏器(7)的光绝大部分可以透过偏振分光镜(8)，光束匹配望远镜(9)(根据共焦成像原理，在光束匹配望远镜(9)的两组透镜的公共焦点处的光栏(29)，只让眼底反射光透过，从而消除杂光)，四分之一波片(10)变成园偏振光，再穿过相衬板(11)，由波前校正器(12)反射沿原路返回(由于光往返都经过光束匹配望远镜(9)，从而构成共光路布局)，再次通过四分之一波片(10)后，园偏光变成了与原来方向垂直的线偏振光，经光束匹配望远镜(9)，被偏振分光镜(8)反射，再由反射镜(13)反射，穿过分光镜(14)，由聚焦物镜(15)会聚进小孔(16)，由光电探测器(17)变成电信号，送前置放大器(18)放大；处理机(20)给出一扰动信号，一方面送给高压放大器(21)依次加在变形镜(12)的各驱动单元上，另一方面同时送到锁相放大器(19)，使得锁相放大器(19)可以从前置放大器(18)输出的电信号中，相干检出所需的控制信号，进行寻优控制，完成波前校正。校正完毕，进入系统的第二个工作步骤，对视网膜进行成像。成像时，由处理计算机(20)发出指令，启动成像照明光源(22)，成像照明光经成像照明系统(23)、滤光片(24)、反射镜(25)、分光镜(3)、起偏器(4)、分光镜(5)，将所需波长的光照明人眼(6)眼底，眼底反射光穿过分光镜(5)，经检偏器(7)滤去杂光，再经偏振分光镜(8)、光束匹配望远镜(9)、由四分之一波片(10)变成园偏振光，再穿过相衬板(11)，由波前校正器(12)反射沿原路返回，再次通过四分之一波片(10)后，园偏光变成了与原来方向垂直的线偏振光，经光束匹配望远镜(9)，被偏振分光镜(8)反射，再由反射镜(13)反射，被分光镜(14)和反射镜(26)反射，再由成像物镜(27)，成像于CCD相机(28)的靶面完成曝光。由于系统中使用了相衬板(11)，所以低对比度的视网膜细胞相分布，被转换成了与相分布成比例的强度分布；高频振动法波前校正控制系统校正了人眼和成像系统的像差，故CCD相机(28)可获得高分辨率对比度较好的视网膜细胞像；四分之一波片(10)，可以放在偏振分光镜(8)和波前校正器之间的平行光路中任一位置(例如，可以放在偏振分光镜(8)和光束匹配望远镜(9)之间)，也可以放在光束匹配望远镜(9)和波前校正器(12)之间的平行光路中，不影响使用效果；相衬板(11)可以放在紧贴人眼瞳孔(6)的位置，也可以放人眼瞳孔(6)被光束匹配望远镜(9)成像后的像面，即波前校正器(12)的镜面，甚至可以和校正器(12)合二为一，做成一整体，还可以置于波前校正器(12)镜面被光束匹配望远镜(9)和偏振分光镜(8)反向成实像的像面(如图1中反射镜(13)与分束镜(14)之间虚线相衬板(11))；也可以放在该实光瞳像被成像物镜(27)或成像物镜(27)前组所成的实像像面上(该像面应置于CCD相机(28)之前)，获得的效果都是一样的。

如图2所示，实施例2是采用共光路布局的具有高频振动法波前校正的自适应光学视网膜成像系统。偏振分光镜(8)位于光束匹配望远镜(9)和波前校正器(12)之间，其它结构与实施例1相同。系统工作时，首先进行自适应光学校正，由信标(1)发出的光，经扩束系统(2)扩束后，由反射镜(3)折光穿过起偏器(4)后变成线偏振光，经分光镜(5)进入人眼(6)照明眼底，眼底反射光是退偏的，反射光穿过分光镜(5)，经检偏器(7)滤去杂光，再经光束匹配望远镜(9)(根据共焦成像原理，在光束匹配望远镜(9)的两组透镜的公共焦点处有光栏(29)，只让眼底反射光透过，从而消除杂光)、偏振分光镜(8)(偏振分光镜的倾角约等于布儒斯特角，镀上适当的介质膜后可以使p分量的偏振光透过率Tp≥95％，s分量的光反射率Rs≥95％，当p光方向与检偏器透过轴方向平行时，透过检偏器(7)的光绝大部分可以透过偏振分先镜(8)、四分之一波片(10)变成园偏振光，再穿过相衬板(11)，由波前校正器(12)反射沿原路返回，再次通过四分之一波片(10)后，园偏光变成了与原来方向垂直的线偏振光，被偏振分光镜(8)和反射镜(13)反射，穿过分光镜(14)，由聚焦物镜(15)会聚进小孔(16)，由光电探测器(17)变成电信号，送前置放大器(18)放大；处理机(20)给出一扰动信号，一方面送给高压放大器(21)依次加在变形镜(12)的各驱动单元上，另一方面同时送到锁相放大器(19)，使得锁相放大器(19)可以从前置放大器(18)输出的电信号中，相干检出所需的控制信号，进行高频振动法寻优控制，完成波前校正。校正完毕，进入系统的第二个工作步骤，对视网膜进行成像。成像时，由处理计算机(20)发出指令，启动成像照明光源(22)，成像照明光经成像照明系统(23)、滤光片(24)、反射镜(25)、分光镜(3)、起偏器(4)、分光镜(5)，将所需波长的光照明人眼(6)眼底，眼底反射光反射光穿过分光镜(5)，经检偏器(7)滤去杂光，再经光束匹配望远镜(9)、偏振分光镜(8)、四分之一波片(10)变成园偏振光，再穿过相衬板(11)，由波前校正器(12)反射沿原路返回，再次通过四分之一波片(10)后，园偏光变成了与原来方向垂直的线偏振光，经偏振分光镜(8)、反射镜(13)、分光镜(14)和反射镜(26)反射，再由成像物镜(27)成像于CCD相机(28)的靶面完成成像曝光。由于系统中使用了相衬板(11)，所以低对比度的视网膜细胞相分布，被转换成了与相分布成比例的强度分布；高频振动法波前校正控制系统校正了人眼和成像系统的像差，故CCD相机(28)可获得高分辨率对比度较好的视网膜细胞像；四分之一波片(10)，可以放在偏振分光镜(8)和波前校正器(12)之间的平行光路中任一位置，不影响使用效果；相衬板(11)可以放在紧贴人眼瞳孔(6)的位置，也可以放人眼(6)瞳孔被光束匹配望远镜(9)成像后的像面，即波前校正器(12)的镜面，甚至可以和波前校正器(12)合二为一，做成一整体，还可以置于波前校正器(12)镜面被光束匹配望远镜(9)和偏振分光镜(8)反向成实像的像面(如图1中反射镜(13)与分束镜(14)之间虚线相衬板(11)；也可以放在该实光瞳像被成像物镜(27)或成像物镜(27)前组所成的实像像面上(该像面应置于CCD相机(28)之前)，获得的效果都是一样的。

本发明相比已有技术具有如下优点：1、成像光学系统和自适应光学校正系统采用了共光路结构，减少了一组光束匹配望远镜，降低了成本，缩小了体积，减轻了重量，有利于系统小型化。2、采用高频振动法寻优控制自适应光学控制系统，降低了自适应光学系统的造价，简化了控制系统，使整个系统更容易推广普及。3、在共光路中使用偏振分光镜与1/4波片相结合的结构，减少光能损失，大大提高了光能利用率，降低了对人眼视网膜的光辐射，既保证了安全，又减轻了人眼的不适感。4、采用相衬板，将低对比的视网膜细胞相分布转变为可见的、成比例的光强分布，使低时比度的视网膜细胞像对比度得到改善，提高了像的质量。5、采用共焦滤波方式消除杂光，提高了像的信噪比。

综上所述，本发明提供了一种造价低、体积小、重量轻，控制系统结构简单并能获得接近衍射极限并具有良好对比度的自适应光学视网膜成像系统。

Claims (12)

1.自适应光学视网膜成像系统，包括自适应光学校正控制系统，其特征在于：

——进入波前校正器前的光束与从波前校正器反射出的光束为共光路；光束匹配望远镜(9)的光轴垂直于波前校正器(12)的镜面，偏振分光镜(8)置于检偏器(7)与波前校正器(12)之间的平行光路中；成像光学系统中，置有将低对比度的视网膜细胞相分布转换成可见的光强分布的相衬板(11)；

——自适应光学校正控制系统，经偏振分光镜(8)的反射光，穿过分光镜(14)，由聚焦物镜(15)会聚进小孔(16)，光电探测器(17)输出的电信号送前置放大器(18)放大；处理机(20)给出一扰动信号，一方面送给高压放大器(21)依次加在波前校正器(12)的各驱动单元上，一方面同时送到锁相放大器(19)，使锁相放大器(19)相干滤波，从前置放大器(18)输出的电信号中，相干检出作为波前校正器(12)各控制单元位移所需的基频控制信号。

2.如权利要求1所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于偏振分光镜(8)置于检偏器(7)与光束匹配望远镜(9)之间的平行光路中。

3.如权利要求1所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于偏振分光镜(8)置于光束匹配望远镜(9)与波前校正器(12)之间的平行光路中。

4.如权利要求1所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于相衬板(11)位于成像光学系统中的孔径光栏面或光瞳实像处或人眼瞳孔(6)处。

5.如权利要求1或4所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于相衬板(11)位于波前校正器(12)的镜面，可用镀膜技术在波前校正器(12)的表面镀膜或蚀刻成相衬板，为一体结构。

6.如权利要求1或4所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于四分之一波片(10)位于人眼瞳孔(6)与波前校正器(12)之间的平行光路中。

7.如权利要求1或2所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于四分之一波片(10)位于偏振分光镜(8)与光束匹配望远镜(9)之间。

8.如权利要求1或3所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于四分之一波片(10)位于光束匹配望远镜(9)与波前校正器(12)之间。

9.如权利要求1或所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于波前校正器(12)是变形反射镜，

10.如权利要求1或3所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于是液晶波前校正器。

11.如权利要求1或9所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于波前校正器(12)是微机械薄膜变形镜，或是双压陶瓷变形镜。

12.如权利要求1所述的自适应光学视网膜成像系统，其特征在于共焦滤波光栏(29)位于光束匹配望远镜(9)的前后两组透镜的公共焦点处，构成共焦滤波器。

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