CN201939328U - 一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统，包括照明光学系统、凝视光学系统、瞳孔对准光学系统和探测成像光学系统，所述探测成像光学系统包括在一光路上依次设置的一用于将带有人眼波相差的反射光束进行反射的分光片、偏正片、第一透镜、第二透镜和液晶波前校正器，以及在另一光路上设置的一用于将所述液晶波前校正器发射的校正光束发送到成像相机的光学器件。本实用新型的基于位相参差的人眼像差校正成像系统具有较高的视网膜成像对比度及分辨率。

Description

一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统

技术领域

本实用新型属于一种像差补偿的人眼视网膜成像技术领域，具体地涉及一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统。

背景技术

近年来，随着现代技术的发展，对人眼视网膜进行活体观察已经成为疾病诊断的一个有效手段。但是由于人眼像差的影响，传统眼底相机的分辨率一般在20微米以上，无法对更加微小的眼底结构进行成像。自上世纪九十年代开始，人们开始将自适应光学技术应用在视网膜成像中。系统经过哈特曼波前探测器测量人眼的波前像差，经过数据处理，产生校正信号驱动校正器进行对人眼像差进行校正，从而获得高分辨率的视网膜结构图像。

在自适应光学视网膜成像系统中波前校正器用于校正人眼像差；波前探测器用于探测人眼像差，是系统的关键器件。其中波前校正器一般是压电陶瓷变形镜，MEMS变形镜或液晶波前校正器。波前探测器一般采用Hartmann波前探测器。

位相参差测量波前像差的方法是利用相机捕获的图像信息(光强分布)推算出光学系统波面像差的一种波前传感技术。

根据傅里叶光学理论，光学系统的点扩散函数PSF和光学传递函数OTF之间有如下变换关系：

OTF(u，v)＝∫∫PSF(x，y)·exp[-2πi(ux+vy)]dxdy     (1)

振幅点扩散函数为ASF(x，y)，点扩散函数是它的模的平方，关系如下：

PSF(x，y)＝ASF(x，y)ASF^*(x，y)＝|ASF(x，y)|²            (2)

而振幅点扩散函数ASF(x，y)和光瞳函数P(x′，y′)之间存在如下傅里叶变换关系：

P(x′，y′)＝∫∫ASF(x，y)·exp[-2πi(x′x+y′y)]dxdy    (3)

由以上三式可知，光学传递函数是光瞳函数的自相关，关系如下：

$\mathrm{OTF}(u,v)=\∫\∫P(x^{\′},y^{\′})P^{*}(x^{\′}+u,y^{\′}+v)d{x}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}=P(x^{\′},y^{\′})\⊗P(x^{\′},y^{\′})$

(4)

光瞳函数可以表示为

P(x′，y′)＝A(x′，y′)exp[ikW(x′，y′)]                (5)

其中，A(x′，y′)表示光瞳函数的振幅部分，是光瞳口径的函数，通光孔内为1，通光孔外为0，k＝2π/λ为波数；W(x′，y′)表示光瞳函数的位相部分，是系统的波像差。

位相恢复的问题就是已知点扩散函数PSF(x，y)和光瞳函数振幅部分A(x′，y′)，求出光瞳函数的位相部分W(x′，y′)。

对于一个点物可以使用迭代法求得系统波像差。相机探测到的光强分布可以看做是点光源所经过系统的点扩散函数PSF(x，y)，点扩散函数的傅里叶变换为系统的传递函数。将波前像差展开成级数，一般利用Zernike多项式展开。然后利用光瞳函数的自相关计算传递函数，改变Zernike系数，得到不同的传递函数的计算结果，并与由点扩散函数的傅里叶变换得到的系统传递函数比较，其均方差值最小时得到的波前像差为系统的波前像差。

对于人眼波前像差的探测在一般情况下是不满足点光源成像的条件的，尤其是在人眼像差比较大的情况下从人眼反射出来的光点被发散很大的面积。单纯利用相机得到的点扩散函数不会准确。此时相当于对扩展物体成像，单纯采用上面提到的迭代法不能得到精确的人眼波前像差。我们采用位相参差的方法对上面提到的迭代法改进。

位相参差是给光学系统一个或几个已知的位相差，如像面离焦，此时如果已知离焦量就可以知道系统的位相差，这样系统的像面和离焦面就有一个位相差，这就叫做位相参差。如果同时考虑系统像面和参差面的图像并且已知参差面与像面之间的位相差，就可以计算出光学系统的位相，尤其是对于扩展的物体这种方法更为有效。

光学系统的成像关系可以表示为

i(x，y)＝h(x，y)*d(x，y)*o(x，y)+n(x，y)                    (6)

其中i(x，y)为像面上的光强分布；h(x，y)为光学系统的点扩散函数，d(x，y)为探测器的点扩散函数；o(x，y)为物体的光强分布；n(x，y)为噪声。*表示卷积运算。

对(6)式两边取傅里叶变换得

I(u，v)＝H(u，v)D(u，v)O(u，v)+N(u，v)                      (7)

其中I(u，v)为像的频谱；H(u，v)为光学传递函数；D(u，v)为探测器的传递函数；O(u，v)为物体的频谱；N(u，v)为噪声频谱。

利用点光源情况下位相恢复的参数法，把光瞳函数可以简写成

P(x′，y′)＝A(x′，y′)exp[ikW(x′，y′)]                (8)

其中，波像差W(x′，y′)可以展开成多项式

$W(x^{\′},y^{\′})=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_k{\mathrm{\φ}}_k\left(x^{\′}\right)---\left(9\right)$

光学传递函数H(u，v)是光瞳函数的自相关，

H(u，v)＝∫∫P(x′，y′)P^*(x′+u，y′+v)dx′dy′＝∫∫A(x′，y′)A(x′+u，y′+v)exp[ikW(x′+u，y′+v)-ikW(x′，y′)]dx′dy′(10)

通过给定的多项式展开系数c_k推算出来的频谱H(u，v)D(u，v)O(u，v)和探测到的像的频谱I(u，v)之间的方差最小求出多项式展开系数c_k，从而确定系统的波像差。推算频谱和探测到的频谱之间的评价值为

E＝∫∫|I(u，v)-H(u，v)D(u，v)O(u，v)|²dudv                (11)

当E为最小时得到的c_k所确定的多项式就为系统的波像差。

在不知道物面光强分布的情况下，使用位相参差法可以有效的确定E的值，从而确定c_k。设在两个位置观察物体，得到两个像i₁(x，y)和i₂(x，y)，这时评价值E为

E＝∫∫|I₁(u，v)-H₁(u，v)D(u，v)O(u，v)|²dudv+∫∫|I₂(u，v)-H₂(u，v)D(u，v)O(u，v)|²dudv                 (12)

此时物体的频谱O(u，v)为

$D(u,v)O(u,v)=\frac{H_1^{*}{I}_1+H_2^{*}{I}_2}{{\left|H_1\right|}^2+{\left|H_2\right|}^2}---\left(13\right)$

时评价值E为最小。

将(13)式代入(12)式，得到

$E=\∫\∫\frac{{|I_1{H}_2-I_2{H}_1|}^2}{{\left|H_1\right|}^2+{\left|H_2\right|}^2}\mathrm{dudv}---\left(14\right)$

通过两幅图像的频谱和它们之间的位相参差就可以计算得到系统的波像差。

实用新型内容

为克服现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统，该系统具有较高的视网膜成像对比度及分辨率。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过如下技术方案实现：

一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统，包括照明光学系统、凝视光学系统、瞳孔对准光学系统和探测成像光学系统，所述照明光学系统是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述凝视光学系统是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，所述瞳孔对准光学系统是用于在探测之前将人眼与照明光学系统和探测成像光学系统的光轴对准的系统，所述探测成像光学系统是对人眼像差进行探测并计算校正信号对人眼像差进行校正并对人眼眼底进行成像的光学系统，所述探测成像光学系统包括在一光路上依次设置的一用于将带有人眼波相差的反射光束进行反射的分光片、偏正片、第一透镜、第二透镜和液晶波前校正器，以及在另一光路上设置的一用于将所述液晶波前校正器发射的校正光束发送到成像相机的光学器件。

优选的，所述光学器件为反射镜，所述反射镜设置在所述第一透镜和第二透镜之间，并处于所述液晶波前校正器发射的校正光束的光路上。

进一步的，所述反射镜与所述成像相机之间依次设置有第一中继透镜和第二中继透镜。

优选的，所述光学器件为分光棱镜，所述分光棱镜设置在所述第二透镜和所述液晶波前校正器之间，并处于所述液晶波前校正器发射的校正光束的光路上。

进一步的，所述分光棱镜与所述成像相机之间设置有第一中继透镜。

进一步的，所述液晶波前校正器位置与人眼瞳孔共轭。

与现有技术相比与本实用新型的基于位相参差的人眼像差校正成像系统具有较高的视网膜成像对比度及分辨率。

附图说明

图1是本实用新型的基于位相参差的人眼像差校正成像系统的一实施例的系统结构图。

图2是本实用新型的基于位相参差的人眼像差校正成像系统的另一实施例的系统结构图。

图3是本实用新型的基于位相参差的人眼像差校正成像系统的再一实施例的系统结构图。

具体实施方式

实施例1：

参见图1所示，一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统，包括照明光学系统1、凝视光学系统2、瞳孔对准光学系统3和探测成像光学系统，所述照明光学系统1是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述凝视光学系统2是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，所述瞳孔对准光学系统3是用于在探测之前将人眼与照明光学系统1和探测成像光学系统的光轴对准的系统，所述探测成像光学系统是对人眼像差进行探测并计算校正信号对人眼像差进行校正并对人眼眼底进行成像的光学系统，所述探测成像光学系统包括在一光路上依次设置的一用于将带有人眼波相差的反射光束进行反射的分光片401、偏正片402、第一透镜403、第二透镜404和液晶波前校正器405，以及在另一光路上设置的一用于将所述液晶波前校正器405发射的校正光束发送到成像相机409的光学器件406。

进一步的，所述光学器件406为反射镜，所述反射镜设置在所述第一透镜403和第二透镜404之间，并处于所述液晶波前校正器405发射的校正光束的光路上。

本实施例的工作过程如下：

红外照明灯6发射的光束从眼底反射出来后，经过人眼瞳孔5之后便携带了人眼的波像差，经过分光片401和第一透镜403和第二透镜404之后投射在液晶波前校正器405上，液晶波前校正器405是自适应光学系统中的波前校正器件，它的位置与人眼瞳孔5共轭，它可以通过调节自身的折射率对光束波前位相进行调制。由于液晶波前校正器405只能对偏振光进行调制，所以在光路中插入偏振片402，偏振片402的偏振方向与液晶波前校正器405的调制方向一致。液晶波前校正器405倾斜一个小的角度，光束经过液晶波前校正器405反射之后经过反射镜的再次反射后成像在成像相机409上。

实施例2：

参见图2所示，一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统，包括照明光学系统1、凝视光学系统2、瞳孔对准光学系统3和探测成像光学系统，所述照明光学系统1是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述凝视光学系统2是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，所述瞳孔对准光学系统3是用于在探测之前将人眼与照明光学系统1和探测成像光学系统的光轴对准的系统，所述探测成像光学系统是对人眼像差进行探测并计算校正信号对人眼像差进行校正并对人眼眼底进行成像的光学系统，所述探测成像光学系统包括在一光路上依次设置的一用于将带有人眼波相差的反射光束进行反射的分光片401、偏正片402、第一透镜403、第二透镜404和液晶波前校正器405，以及在另一光路上设置的一用于将所述液晶波前校正器405发射的校正光束发送到成像相机409的光学器件406。

优选的，所述光学器件406为反射镜，所述反射镜设置在所述第一透镜403和第二透镜404之间，并处于所述液晶波前校正器405发射的校正光束的光路上。

进一步的，所述反射镜与所述成像相机409之间依次设置有第一中继透镜407和第二中继透镜408。

本实施例的工作过程如下：

红外照明灯6发射的光束从眼底反射出来后，经过人眼瞳孔5之后便携带了人眼的波像差，经过分光片401和第一透镜403和第二透镜404之后投射在液晶波前校正器405上，液晶波前校正器405是自适应光学系统中的波前校正器件，它的位置与人眼瞳孔5共轭，它可以通过调节自身的折射率对光束波前位相进行调制。由于液晶波前校正器405只能对偏振光进行调制，所以在光路中插入偏振片402，偏振片402的偏振方向与液晶波前校正器405的调制方向一致。液晶波前校正器405倾斜一个小的角度，光束经过液晶波前校正器405反射之后经过反射镜的再次反射并通过第一中继透镜407和第二中继透镜408成像在成像相机409上。

实施例3：

参见图3所示，一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统，包括照明光学系统1、凝视光学系统2、瞳孔对准光学系统3和探测成像光学系统，所述照明光学系统1是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述凝视光学系统2是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，所述瞳孔对准光学系统3是用于在探测之前将人眼与照明光学系统1和探测成像光学系统的光轴对准的系统，所述探测成像光学系统是对人眼像差进行探测并计算校正信号对人眼像差进行校正并对人眼眼底进行成像的光学系统，所述探测成像光学系统包括在一光路上依次设置的一用于将带有人眼波相差的反射光束进行反射的分光片401、偏正片402、第一透镜403、第二透镜404和液晶波前校正器405，以及在另一光路上设置的一用于将所述液晶波前校正器405发射的校正光束发送到成像相机409的光学器件406。

进一步的，所述光学器件406为分光棱镜，所述分光棱镜设置在所述第二透镜404和所述液晶波前校正器405之间，并处于所述液晶波前校正器405发射的校正光束的光路上。

进一步的，所述分光棱镜与所述成像相机409之间设置有第一中继透镜407。

本实施例的工作过程如下：

红外照明灯6发射的光束从眼底反射出来后，经过人眼瞳孔5之后便携带了人眼的波像差，经过分光片401和第一透镜403，第二透镜404和分光棱镜之后投射在液晶波前校正器405上，液晶波前校正器405是自适应光学系统中的波前校正器件，它的位置与人眼瞳孔共轭。它可以通过调节自身的折射率对光束波前位相进行调制。由于液晶波前校正器405只能对偏振光进行调制，所以在光路中插入偏振片402，偏振片402的偏振方向与液晶波前校正器405的调制方向一致。液晶波前校正器405与入射光束垂直，光束经过液晶波前校正器405反射之后被分光棱镜反射，再通过第一中继透镜407进入成像相机409成像。

上述实例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于位相参差的人眼像差校正成像系统，包括照明光学系统(1)、凝视光学系统(2)、瞳孔对准光学系统(3)和探测成像光学系统，所述照明光学系统(1)是在探测时用红外光对人眼眼底进行照明的光学系统，所述凝视光学系统(2)是用于在探测时固定人眼眼球的位置的光学系统，所述瞳孔对准光学系统(3)是用于在探测之前将人眼与照明光学系统(1)和探测成像光学系统的光轴对准的系统，所述探测成像光学系统是对人眼像差进行探测并计算校正信号对人眼像差进行校正并对人眼眼底进行成像的光学系统，其特征在于：所述探测成像光学系统包括在一光路上依次设置的一用于将带有人眼波相差的反射光束进行反射的分光片(401)、偏正片(402)、第一透镜(403)、第二透镜(404)和液晶波前校正器(405)，以及在另一光路上设置的一用于将所述液晶波前校正器(405)发射的校正光束发送到成像相机(409)的光学器件(406)。

2.根据权利要求1所述的基于位相参差的人眼像差校正成像系统，其特征在于：所述光学器件(406)为反射镜，所述反射镜设置在所述第一透镜(403)和第二透镜(404)之间，并处于所述液晶波前校正器(405)发射的校正光束的光路上。

3.根据权利要求2所述的基于位相参差的人眼像差校正成像系统，其特征在于：所述反射镜与所述成像相机(409)之间依次设置有第一中继透镜(407)和第二中继透镜(408)。

4.根据权利要求1所述的基于位相参差的人眼像差校正成像系统，其特征在于：所述光学器件(406)为分光棱镜，所述分光棱镜设置在所述第二透镜(404)和所述液晶波前校正器(405)之间，并处于所述液晶波前校正器(405)发射的校正光束的光路上。

5.根据权利要求4所述的基于位相参差的人眼像差校正成像系统，其特征在于：所述分光棱镜与所述成像相机(409)之间设置有第一中继透镜(407)。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的基于位相参差的人眼像差校正成像系统，其特征在于：所述液晶波前校正器(405)位置与人眼瞳孔(5)共轭。

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