專利名稱：視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，是借助人眼視度自調(diào)節(jié)功能進行像差自適應(yīng)校正
的眼底高分辨成像光路設(shè)計，用于高度近視人眼的深度像差校正，通過補償能夠克服現(xiàn)有
眼底自適應(yīng)成像技術(shù)在500度以上近視的條件下成像對比度降低的缺點。具體地說，是一 種視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
視網(wǎng)膜上的血管是人體唯一可以直接看清的小血管，屬于終末血管系統(tǒng)，任何病 理性的破壞和血管梗阻都能導(dǎo)致組織缺氧壞死或破裂滲漏。因此眼底改變是全身疾病的表 現(xiàn)，臨床常用檢眼鏡觀察眼底毛細血管的變化來判斷病變的情況，如心腦血管及內(nèi)分泌失 調(diào)，動脈硬化、高血壓病，中心性漿液性脈絡(luò)視網(wǎng)膜病變，糖尿病視網(wǎng)膜病變等。自上個世紀 60年代以來，檢眼鏡采用了眼底熒光血管造影術(shù)，使微細血管的成像對比度增加，可清晰觀 察直徑20微米以上的血管。但眼球是個復(fù)雜光學系統(tǒng)，即使是無屈光不正的眼睛也不可避 免地會存在光學像差，因此20微米以下的血管成像，眼底熒光血管造影術(shù)也無能為力，更 談不上觀察視覺細胞。這些像差主要來源于1、眼內(nèi)各屈光介質(zhì)厚度不均勻，表面曲率偏 差；2、眼內(nèi)各屈光介質(zhì)折射率不均勻；3、眼內(nèi)各屈光介質(zhì)不同軸；4、屈光系統(tǒng)對各色光的 折射率不同等。由于上述原因，為了增加成像的光強和提高成像的分辨率，經(jīng)常需要擴瞳， 擴瞳后人眼像差又會加劇，更加制約了眼底檢查的效果和成功率。 從上個世紀九十年代起，人們開始探討變形鏡自適應(yīng)光學校正技術(shù)在視網(wǎng)膜成像 中的應(yīng)用。系統(tǒng)用哈特曼波前傳感器測量從眼中出射的波前像差，經(jīng)過計算機的數(shù)據(jù)處理， 然后驅(qū)動變形鏡來補償像差。變形鏡自適應(yīng)光學校正技術(shù)可以在500度近視以下的較健康 眼睛上獲得3微米視覺細胞輪廓的清晰成像，但當近視度超過500度時成像效果就顯著下 降，即使加入近視鏡初步補償，清晰成像仍很困難。這是因為目前使用的變形鏡驅(qū)動單元數(shù) 一般不超過37單元，而隨近視度增加引入的高階像差超出了變形鏡所能校正的空間頻率， 也稱為校正器的空間分辨率。盡管利用微機電技術(shù)可以使驅(qū)動單元數(shù)增加到2000單元以 上，此時校正量又成為問題，所以至今未在臨床普及。 液晶波前校正器的驅(qū)動單元可多達幾十萬到幾百萬個，其加工工藝非常成熟，空 間分辨率大大高于傳統(tǒng)的變形鏡。借助于相息圖的衍射光學方法，液晶波前校正器的校正 范圍可以擴展至5 ii m 8 ii m。液晶的響應(yīng)時間是10ms左右，液晶自適應(yīng)系統(tǒng)的校正頻率 很容易達到20Hz，完全滿足眼波前自適應(yīng)校正頻率的要求。另外液晶波前校正器工藝成熟， 加工周期短，成本低，因此液晶自適應(yīng)光學系統(tǒng)在眼底成像中具有很好的應(yīng)用前景。
有4項視網(wǎng)膜自適應(yīng)校正成像系統(tǒng)的發(fā)明專利提到系統(tǒng)中的校正器可以是 液晶校正器(張雨東，等，中國發(fā)明專利自適應(yīng)光學視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，ZL99115053.8， ZL99115054. 6， ZL99115051. 1， ZL99115052. x)，其中兩項專利中采用共光路設(shè)計，在校正器 之前放置了 1/4波長板，使入射校正器的光是圓偏振光。事實上液晶校正器是不能在圓偏 振光中工作的。另外兩項專利也不是針對液晶校正器的優(yōu)化設(shè)計，置于人眼之前的分束鏡將人眼出射的光強損耗一半，這對于能量損耗較大的液晶校正器的系統(tǒng)來說可能是個致命 缺點。 目前只有日本報道了對700度近視人眼的視覺細胞成像結(jié)果("In Vivo measurements of cone photoreceptor spacing in myopic eyesfrom images obtained by an adaptive optics fundus comera， ，， Y. Kitaguchi， et. al， Jpn. J. Ophthalmol， Vol. 51， p456-461，2007)，雖然該報道聲稱可以校正更高度近視的像差，但沒有給出照片。 實際上，液晶校正器在校正高度近視像差時衍射效率下降，從而會產(chǎn)生漏光降低成像對比 度，所以單純采用液晶校正器的校正能力是很難滿足700度近視以上像差的校正要求的。
通常視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)均使用平行光束進行眼底照明，人眼對平行光具有會聚能 力，使入射光在眼底聚焦，形成成像區(qū)域。但對于近視人眼，平行入射光束在到達眼底前就 過早聚焦，即離焦像差使視網(wǎng)膜成像模糊。迄今的研究結(jié)果表明，沒有散光或只有微弱散光 的近視人群占據(jù)人口的比例最高，而近視人眼中離焦像差會占據(jù)總像差的80%比例。如果 能提出合理的離焦補償辦法，將大幅提高液晶自適應(yīng)光學成像系統(tǒng)的校正能力。
很多研究小組使用凹透鏡來補償離焦像差，但同時必須以微米級的精度嚴格調(diào)整 人眼與儀器間的距離以避免再次引入離焦像差，這是臨床上很難做到的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種視度調(diào)節(jié)眼底照明方式的光學設(shè) 計，目的是提供一種視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)。本發(fā)明能夠 穩(wěn)定地自補償離焦像差，用于液晶自適應(yīng)像差校正的視網(wǎng)膜成像，使800度以上高度近視 人眼的成像對比度大幅提高。 視度調(diào)節(jié)的眼底照明不同于傳統(tǒng)的平行光照明方式，而是明視距離處的點光源照 明方式。為避免照明光源長時間照射傷害人眼，同時將一低功率的凝視視標點光源也設(shè)置 于被檢測人眼的明視距離處，利用近視人眼在該距離可以清晰視物且不易疲勞的特點，讓 人眼凝視視標，此時會產(chǎn)生屈光度自調(diào)節(jié)能力，對離焦像差進行自主補償，然后再瞬間點亮 照明點光源進行自適應(yīng)像差校正成像。結(jié)合了這種照明方式的液晶自適應(yīng)成像系統(tǒng)，對于 800度以上近視人眼只需校正其1/3以下的離焦像差深度即可得到衍射極限分辨率的成像 效果，解決了液晶校正器在校正深度過大時衍射效率降低而造成成像對比度下降的問題。
本發(fā)明為使視標點光源與照明點光源能嚴格設(shè)置在明視距離的同一幾何位置處， 光學設(shè)計的思路是將視標光源與照明光源的像設(shè)置在被檢測人眼的明視距離處，且像面上 兩光斑質(zhì)心完全重合，成為同一幾何位置處的兩個次光源。整個成像系統(tǒng)的光學設(shè)計可以 分為視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、眼底照明分系統(tǒng)和自適應(yīng)校正成像分系統(tǒng)三部分，下面分別進行詳 細描述。 視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)根據(jù)醫(yī)學知識，人眼的明視距離等于以mm為單位的遠點距離 1000/D，D為人眼的屈光度數(shù)，且D > 4，即400度以下近視人眼的明視距離均為250mm。視 度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由視標點光源1、第一透鏡2、第二透鏡3、PBS偏振分束器 (PBS分束器)4、第三透鏡5、線性位移機構(gòu)6、人眼7組成。其中，視標點光源1提供人眼凝 視的視標光源，發(fā)光波長設(shè)置在可見光波段，且為單波長A '，位于第一透鏡2的焦點處。 第一透鏡2和第二透鏡3組成共軛透鏡組，使視標點光源1成像。PBS分束器4與第二透鏡
63的光軸成45。角配置，使視標點光源1的成像光束折軸90。。第三透鏡5到第二透鏡3 的光路長度4由二者的焦距&、&和人眼屈光度數(shù)0來決定，需按公式(1)進行計算，其中 D無單位，且D > 4、當近視低于400度時D = 4，其它參量單位為mm。人眼7位于可x-y-z 三向線性位移的頭托架上，x-y平面與光軸垂直，z方向與光軸平行，調(diào)節(jié)頭托架可使瞳孔 與入射光束中心對準，且到第三透鏡5的距離為第三透鏡5的焦距f5。
& = (1000-Df5)f5/1000+f3 (1) 公式中，f3為第二透鏡3的焦距，f5為第三透鏡5的焦距。 在這樣設(shè)計的視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)中，視標點光源1發(fā)出球面波，經(jīng)由第一透鏡2、第 二透鏡3變成成像光束，成像光束又在PBS分束器4上折軸，在垂直于原來光軸的方向上聚 焦成像，該像點再經(jīng)由第三透鏡5成虛像于圖1中標出的成像面上。該成像面到被測人眼 瞳孔的距離即為明視距離，該虛像光點為人眼凝視的視標。針對不同的人眼，明視距離需要 調(diào)節(jié)，可通過線性位移機構(gòu)6同步移動第三透鏡5和人眼7來完成，從而獲得不同人眼的明 視距離視標。 照明分系統(tǒng)本發(fā)明將照明光源設(shè)計為激光點光源，其波長A依據(jù)眼底成像組織 的光學特性而定，但不同于視標光源的波長，即A # A'。眼底照明分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所 示，由照明光源8、第四透鏡9、旋轉(zhuǎn)毛玻璃10、第五透鏡11、孔徑光闌12、二向色耦合分束器 13、和視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)中的第二透鏡3、PBS分束器4、第三透鏡5、線性位移機構(gòu)6、人眼7組 成。其中，照明光源8發(fā)出的球面波通過第四透鏡9聚焦在旋轉(zhuǎn)毛玻璃10上，該焦斑直徑 正比于眼底被照明成像區(qū)域的直徑，調(diào)整該焦斑即可控制眼底被照明區(qū)域大小。旋轉(zhuǎn)毛玻 璃10置于第五透鏡11的焦面處，旋轉(zhuǎn)毛玻璃10的用途是消除激光自相干作用以消除成像 面的激光散斑。第五透鏡11的光軸與視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)中的第二透鏡3的光軸垂直，通過二 向色耦合分束器13也組成共軛透鏡組，二者之間的光路長度為第二透鏡3的焦距&，使照 明光源8的像與視標點光源1的像重合?？讖焦怅@12緊貼于第五透鏡11之后，其孔徑可 調(diào)節(jié)，以控制入眼光束略小于被測人眼瞳孔的直徑。二向色耦合分束器13置于孔徑光闌12 之后，并插入第一透鏡2與第二透鏡3之間，形成與兩互為垂直的光軸成45°角配置，反射 端和透射端分別面向孔徑光闌12和第一透鏡2。 二向色耦合分束器13的作用是利用照明 光源與視標光源的光波長不同，分別反射照明光源、透射視標光源的光，形成二光束共光路 進入后續(xù)系統(tǒng)。第二透鏡3和第三透鏡5組成共軛透鏡組，用于將孔徑光闌12成像于人眼 瞳孔處。在這樣設(shè)計的照明分系統(tǒng)中，照明光源8發(fā)出的光，經(jīng)由第四透鏡9成像于旋轉(zhuǎn)毛 玻璃IO上，消除了激光的自相干作用。然后光束通過第五透鏡ll變成平行光，再經(jīng)由孔徑 光闌12后光束直徑約束成為略小于被測人眼瞳孔的平行光束，到達二向色耦合分束器13 時被反射、并與視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)的光束共光路，經(jīng)PBS分束器4反射成為S偏振光，再經(jīng)第 三透鏡5也形成明視距離處的虛像，像光斑的質(zhì)心與視標光源虛像的質(zhì)心位置能夠完全重 合；發(fā)出S偏振光，形成明視距離處的點光源對眼底照明。 將照明分系統(tǒng)的折軸光路拉直可以更清楚地看出各個元件之間的位置關(guān)系，示意 于圖3，其中對光束會聚不起作用的二向色耦合分束器13和PBS分束器4省略。圖3中虛 線的會聚點到瞳孔的距離為明視距離，fn是第五透鏡焦距。 校正成像分系統(tǒng)對眼底出射光進行視度調(diào)節(jié)后剩余像差的測量與校正，實現(xiàn)對 人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像。校正成像分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由人眼7、第三透鏡5、 PBS分束器4、第六透鏡14、液晶波前校正器15、反射鏡16、第七透鏡17、分光棱鏡18、波前探測 器19、第八透鏡20、成像CCD相機21組成。其中，從人眼7出射的消偏振信號光攜帶著未 能進入眼底的前角膜反射的S偏振干擾光，透過PBS分束器4時，由于只允許P偏振光透射 使前角膜反射的S偏振干擾光被濾除。第六透鏡14與第二透鏡3通過PBS分束器4形成 共焦面配置，并使第六透鏡14的焦點向左側(cè)偏離L長距離，L為4mm 6mm，以使入射和反 射出液晶波前校正器15的兩束光分別左右偏心通過第六透鏡14。液晶波前校正器15置 于第六透鏡14的焦點，其校正偏振方向與P偏振光吻合。從液晶波前校正器15反射的光 束在到達反射鏡16時反射與入射二者的光軸能相隔2L距離，使得只有反射光束被反射鏡 16接收。反射鏡16與第六透鏡14光軸成45°角放置，將光束折軸。后續(xù)的第七透鏡17 和第八透鏡20是共軛透鏡組，二者之間的距離為第七透鏡17的焦距，光束通過該共軛透 鏡組后可在CCD相機21上成像。成像CCD相機21置于第八透鏡20的焦點處。在第七透 鏡17和第八透鏡20中間放置分光棱鏡18，將此平行光束分成互為垂直的兩束，垂直向的 光束進入波前探測器19。波前探測器19為哈特曼波前探測器，它與第七透鏡17之間的光 路長度為第七透鏡17的焦距長度，以保證波前探測器19與液晶波前校正器15之間的共軛 關(guān)系。在如上設(shè)計的校正成像分系統(tǒng)中，首先信號光從眼底反射出來成為消偏振的球面波， 經(jīng)人眼前角膜出射后攜帶著前角膜反射干擾光通過第三透鏡5會聚其焦點處，到達PBS分 束器4。在PBS分束器4的透射端只有攜帶眼底信號的P偏振光出射，濾除掉了角膜反射 的S偏振干擾光。P偏振光再經(jīng)過第六透鏡14后成為與液晶波前校正器15孔徑匹配的平 行光束，且P偏振方向與液晶波前校正器15的校正偏振方向一致。投射到液晶波前校正器 15的眼底信號光束經(jīng)波前像差校正后反射，再經(jīng)過第六透鏡14成為會聚光、并與入射光分 離，到達反射鏡16折軸會聚成像于第七透鏡17的前焦點處。該像點發(fā)出的光經(jīng)分光棱鏡 18又被分為兩束，一束進入波前探測器19檢測校正后的殘余像差，另一束在共軛透鏡組第 七透鏡17和第八透鏡20的作用下將眼底圖像成像于CCD相機21。 以上所述即為本發(fā)明的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學設(shè)計。
本發(fā)明基于視度調(diào)節(jié)所設(shè)計眼底照明分系統(tǒng)，利用人眼的視度自調(diào)節(jié)功能，大幅 降低了對液晶校正器校正深度的要求。在本發(fā)明中，對這種基于視度調(diào)節(jié)的眼底照明自適 應(yīng)系統(tǒng)進行了具體光學設(shè)計，能夠根據(jù)不同近視度因人而異地調(diào)整明視距離，操作方法簡 單，形成了穩(wěn)定的基于人眼視度自調(diào)節(jié)功能的液晶自適應(yīng)光學眼底成像方法。


圖1為本發(fā)明的視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為視標點光源，2為
第一透鏡，3為第二透鏡，4為PBS分束器，5為第三透鏡，6為線性位移機構(gòu)，7為人眼；成像
面處的光斑為視標點光源1的虛像，即為視標，視標到瞳孔的距離為明視距離。 圖2為本發(fā)明的照明分系統(tǒng)光學結(jié)構(gòu)示意圖。其中，8為照明光源，9為第四透鏡，
10為旋轉(zhuǎn)毛玻璃、11為第五透鏡、12為孔徑光闌、13為二向色耦合分束器，第二透鏡3、PBS
分束器4、第三透鏡5、線性位移機構(gòu)6等元件與視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)共用；在成像面處照明光源
的虛像質(zhì)心與視標質(zhì)心的位置完全重合，形成明視距離處的點光源眼底照明。 圖3為照明分系統(tǒng)中各透鏡位置及其相互關(guān)系示意圖。其中，f5為第三透鏡5的
焦距，D為人眼的屈光度數(shù)，1000/D等于mm為單位的人眼明視距離，按照公式(1)計算，
8f3為第二透鏡3的焦距，fn為第五透鏡11的焦距。 圖4為本發(fā)明的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學結(jié)構(gòu)示意圖。 其中，14為第六透鏡、15為液晶波前校正器、16為反射鏡、17為第七透鏡、18為分光棱鏡、19 為波前探測器、20為第八透鏡、21為成像CCD相機；從人眼7出射的光束透過PBS分束器4 后使前角膜反射的干擾光被濾除，然后偏心通過第六透鏡14，使到達反射鏡16的光束為液 晶波前校正器15校正了像差的光束，可以在成像CCD相機21上獲得高分辨率視網(wǎng)膜的像。
圖5為模擬眼示意圖。其中23為漫反射屏，22為雙膠合透鏡，分別模擬眼底視網(wǎng) 膜和人眼晶狀體，用于具體實施過程中的響應(yīng)矩陣測量。 圖6為800度近視兼有150度散光人眼在本發(fā)明系統(tǒng)上獲得的視網(wǎng)膜視覺細胞圖 像，其中(a)為校正前的視網(wǎng)膜視覺細胞圖像，(b)為校正后的視網(wǎng)膜視覺細胞圖像。
具體實施例方式
為了更清楚理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施方式對各個部件進行詳細說明。
所述的視標點光源1為單色發(fā)光二極管點光源，發(fā)光波長A '在可見光波段。
所述的第一透鏡2、第二透鏡3、第三透鏡5、第四透鏡9、第五透鏡11、第六透鏡 14、第七透鏡17和第八透鏡20均為雙膠合消色差透鏡。 所述的PBS分束器4可在照明光波長A為中心的波段內(nèi)以1X10—3消光比的良好
偏振特性透過P光，對反射光束S光的偏振特性沒有定量要求。所述的線性位移機構(gòu)6為一維位移器，位移精度0. Olmm，行程120mm。 所述的人眼7在光學結(jié)構(gòu)上等效于圖5所示的雙膠合透鏡22與漫反射板23的組
合。雙膠合透鏡22模擬人眼晶狀體，焦距為20mm，位于人眼瞳孔所處的位置；漫反射屏23
模擬眼底視網(wǎng)膜，位于人眼視網(wǎng)膜所處的位置；這種組合可以模擬無像差人眼，本發(fā)明在實
施時要用到模擬眼。 所述的照明光源8為單模激光器，其波長A # A '，出射激光經(jīng)單模光纖耦合形 成點光源，功率在10mW 20mW范圍。 所述的旋轉(zhuǎn)毛玻璃10為一塊表面經(jīng)過磨沙的玻璃片，具有75% 80%的透過率， 由電機控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率范圍1000rpm 2000rpm。 所述的孔徑光闌12為圓形小孔，孔徑可以在lmm到10mm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；孔徑光 闌12也可以為環(huán)形光闌，產(chǎn)生環(huán)形光束入射人眼，直接濾除人眼角膜正入射區(qū)域的強反射 干擾光。 所述的二向色耦合分束器13具有反射波長為A的照明光和透射波長為A '的視 標光的能力。 所述的液晶校正器15為純位相型反射式液晶波前校正器，液晶對驅(qū)動電壓的響 應(yīng)時間《15ms。 所述的反射鏡16為薄型平面反射鏡。
所述的分光棱鏡18為普通分光棱鏡。
所述的波前探測器19為哈特曼型波前探測器。 所述的成像CCD相機21為高靈敏度科學級CCD，像素數(shù)^ 512X512個。
實施例
1)采用發(fā)光波長A '為550nm的發(fā)光二極管作為視標點光源1。 2)所用照明光源8為小型半導(dǎo)體激光器，帶有光纖耦合，纖芯直徑100 m，發(fā)光波
長A為808nm，輸出功率在10mW 20mW范圍可調(diào)。 3)第一透鏡2、第二透鏡3、第三透鏡5、第四透鏡9、第五透鏡11、第六透鏡14、第 七透鏡17、第八透鏡20均為雙膠合消色差透鏡，且表面鍍有增透膜?？趶揭来螢?0mm、 25mm、25mm、10mm、20mm、40mm、20mm、20mm ;焦距依次為50mm、250mm、200mm、30mm、50mm、 250mm、86mm、100mm。 4)選擇人眼7為800度近視兼有150度散光，其明視距離125mm，調(diào)節(jié)線性位移 機構(gòu)6使第三透鏡5到第二透鏡3的光路長度& = 130mm ;在較暗環(huán)境下瞳孔直徑穩(wěn)定在 6. Omm。 5)制做旋轉(zhuǎn)毛玻璃IO，選取厚度為lmm的磨沙薄玻璃片，眼底照明用激光的透過 率為75% ;將磨沙薄玻璃片粘貼于電機轉(zhuǎn)軸上，電機以1000rpm的速度旋轉(zhuǎn)，從而消除了激 光散斑效應(yīng)。 6)所用孔徑光闌12，采用lmm到10mm連續(xù)調(diào)節(jié)的小孔光闌，緊貼于第五透鏡11 后；由于被測的瞳孔直徑為6. Omm，故將孔徑光闌12的直徑控制到5. 8mm，略小于瞳孔。
7)所用二向色耦合分束器13， 口徑25mm，對808nm波長的眼底照明光具有95X的 反射率，對550nm波長的視標光具有95%的透過率。 8)所用PBS分束器4，直徑50mm，當808nm波長的眼底照明光透過時分出的P偏振 光的消光比為1X10—3。 9)所用液晶校正器15，純位相型反射式LCOS器件，美國BNS公司生產(chǎn)，型號 P512-0785。 10)所用的反射鏡16，面積15mmX15mm，厚度2mm，反射率95X。 11)所用的分光棱鏡18為普通分光棱鏡，對808nm波長眼底照明光的透反比約為
i : L 12)所用波前探測器19，為哈特曼型，有效微透鏡數(shù)為m = 233， 2. 5mm接收孔徑， 配置的CCD為英國ANDOR公司生產(chǎn)，型號EM-DV897， 128X 128像素，量子效率在808nm波長 處為70%，波前探測速度200Hz，測量誤差峰谷值0. 05A ，均方根值O. Ol入。
13)所用成像CCD相機21，英國AND0R公司生產(chǎn)，型號EM-DV897，512X512像素， 曝光時間15ms。 14)利用上述元件按照圖4所示的光路結(jié)構(gòu)搭建視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正 視網(wǎng)膜成像光學系統(tǒng)，其中第六透鏡14與第二透鏡3通過PBS分束器4形成共焦面配置， 并使第六透鏡14的焦點向左側(cè)偏離L為5mm的距離，使入射和反射出液晶波前校正器15 的兩束光分離；配置自適應(yīng)控制與信號處理分系統(tǒng)，形成了完整功能的視度自調(diào)節(jié)自適應(yīng) 像差校正成像系統(tǒng)。 15)為使瞳孔能便利地與入射光軸對準，設(shè)置瞳孔相機對瞳孔位置進行標定在 人眼前上方20mm 30mm距離處放置一紅外LED，發(fā)光波長830nm 900nm，照明被測者瞳 孔，使瞳孔成像于第二透鏡3的焦點處。在第二透鏡3和二向色耦合分束器13之間再插入 一分色片，使紅外LED的光束垂直反射出光路，但不影響波長小于830nm的照明與視標光束 通過。在第二透鏡3的折軸焦面處設(shè)置瞳孔相機；在瞳孔的設(shè)計位置放置一漫反射屏取代人眼。打開照明光源8，反射屏上一圓形區(qū)域被照亮，該亮斑的中心即為瞳孔中心應(yīng)處的位 置。開啟瞳孔相機拍攝漫反射屏上的亮斑。以該亮斑中心為圓心，基本瞳孔半徑3mm為半 徑畫一圓圈，作為瞳孔的標準位置，將該圓圈保存到文件，存入程序控制計算機中。關(guān)閉照 明光源8，撤出漫反射屏。 16)人眼瞳孔對準入射光軸的步驟將15)步驟獲得的標記瞳孔位置的圓圈附加 到瞳孔相機的圖像顯示區(qū)域，以該圓圈為標準對準瞳孔。打開視標點光源l，粗調(diào)頭架以使 人眼能看到視標。開啟瞳孔相機，對人眼瞳孔進行錄像，細調(diào)頭架，直到瞳孔像與標定圓圈 17)建立波前探測器19對波前校正器15的響應(yīng)矩陣R :首先將人眼7用模擬眼替 代，其中雙膠合透鏡22的焦距為20mm，放置在原人眼瞳孔所處的位置，漫反射屏23放置在 原人眼視網(wǎng)膜所處的位置。開啟照明光源8，可以在漫反射屏上看到會聚光點；開啟波前探 測器19可以探測到從模擬眼出射的波前，前后移動調(diào)節(jié)漫反射屏23直到被測波前上的峰 谷值最小。然后開啟響應(yīng)矩陣測量控制軟件，測量前36項Zernike模式波前的響應(yīng)矩陣R。
響應(yīng)矩陣測量的基本原理令Zernike多項式每一項前面的系數(shù)為1，以照明光源 波長A為單位，分別解出36項Zernike項的面形位相數(shù)值解。利用事先測好的液晶波前 校正器15的位相一灰度級響應(yīng)關(guān)系，依次將每一項Zernike多項式ZK(x，y)的面形位相數(shù) 值轉(zhuǎn)換成液晶校正器15上的灰度級分布圖形。其中x和y即為該位相面沿x軸和y軸方 向的坐標值。然后通過計算機逐個施加到液晶波前校正器15上；計算機讀出波前探測器19 對應(yīng)每項Zernike模式的微透鏡焦斑陣列在x軸和y軸上的斜率分布。因為第一項為平移 模式可以省略，所以由這一系列波前斜率組成一個2X (M-l)行、2Xm列的二維矩陣R，
<formula>formula see original document page 11</formula> 此處k為Zernike多項式項序數(shù)，k最大為M二 36，故k二 2，3，4，…36;m為哈 特曼探測器上的有效微透鏡個數(shù)，233個。這個二維矩陣即為響應(yīng)矩陣R。
18)撤掉模擬眼，被測量的人眼7位于圖4所示位置處，開始人眼7眼底的自適應(yīng) 校正成像過程首先點亮視標點光源l，令人眼7主動凝視成像面處的視標，直到視覺清晰。 先后開啟旋轉(zhuǎn)毛玻璃10、成像CCD相機21和照明光源8，成像CCD相機21的曝光時間設(shè)置 為15ms。波前探測器19接收經(jīng)人眼7反射出來的光，將其波前轉(zhuǎn)化為2m列波前斜率向量， 此處m = 233 :
"k…&… &…… 貝U由p-fli (a是Zernike多項式每一項前面的系數(shù)ak構(gòu)成的向量)有a = piT1 ， 據(jù)此式即可得到所探測波前的Zernike方程，解出波前上的位相數(shù)值。根據(jù)液晶波前校正 器15的位相與灰度級的關(guān)系，將波前位相數(shù)值轉(zhuǎn)換為灰度級反饋給液晶波前校正器15，液晶波前校正器15進行波前校正。成像CCD相機21 —直工作，記錄下校正前后的眼底視網(wǎng) 膜圖像。 19)分析結(jié)果 經(jīng)視度調(diào)節(jié)，被測800度近視人眼的離焦深度由36 y m減小到9. 7 y m，使液晶校正 器能夠良好校正殘余像差。自適應(yīng)校正前后拍攝的視網(wǎng)膜視覺細胞圖像如圖六(a)、(b)所 示，從中可以看出本發(fā)明校正效果顯著，由什么信息也看不清楚的圖片看到清晰的3 ii m直 徑的視覺細胞，表明了本發(fā)明的效果。
權(quán)利要求
一種視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)，其特征是由視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、眼底照明分系統(tǒng)和自適應(yīng)校正成像分系統(tǒng)三部分構(gòu)成，將視標光源與照明光源的像設(shè)置在被檢測人眼的明視距離處，像面上兩光斑質(zhì)心完全重合，成為同一幾何位置處的兩個次光源；所述的視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)由視標點光源(1)、第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、PBS分束器(4)、第三透鏡(5)、線性位移機構(gòu)(6)、人眼(7)組成；所述的眼底照明分系統(tǒng)由照明光源(8)、第四透鏡(9)、旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)、第五透鏡(11)、孔徑光闌(12)、二向色耦合分束器(13)，和視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)中的第二透鏡(3)、PBS分束器(4)、第三透鏡(5)、線性位移機構(gòu)(6)、人眼(7)組成；所述的自適應(yīng)校正成像分系統(tǒng)由人眼(7)、第三透鏡(5)、PBS分束器(4)、第六透鏡(14)、液晶波前校正器(15)、反射鏡(16)、第七透鏡(17)、分光棱鏡(18)、波前探測器(19)、第八透鏡(20)、成像CCD相機(21)組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)，其 特征是視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)中的視標點光源(1)提供人眼凝視的視標光源，發(fā)光波長設(shè)置在可見 光波段，且為單波長A '，位于第一透鏡(2)的焦點處；第一透鏡(2)和第二透鏡(3)組成 共軛透鏡組，PBS分束器(4)與第二透鏡(3)的光軸成45°角配置，第三透鏡(5)到第二透 鏡(3)的光路長度4 = (1000-0&"5/1000+&，其中D是屈光度數(shù)、無單位，且D > 4、當近 視度低于400度時D = 4， f5和f3分別為第三透鏡(5)和第二透鏡(3)的焦距，單位為mm ; 人眼(7)位于x-y-z三向線性位移的頭托架上，x-y平面與光軸垂直，z方向與光軸平行，調(diào) 節(jié)頭托架使瞳孔與入射光束中心對準，且瞳孔到第三透鏡(5)的距離為第三透鏡(5)的焦 距f"照明分系統(tǒng)中的照明光源(8)發(fā)出的球面波通過第四透鏡(9)聚焦在旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10) 上，該焦斑直徑正比于眼底被照明成像區(qū)域的直徑，調(diào)整該焦斑控制眼底被照明區(qū)域大小； 旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)置于第五透鏡(11)的焦面處，第五透鏡(11)的光軸與第二透鏡(3)的 光軸垂直，通過二向色耦合分束器(13)組成共軛透鏡組，二者之間的光路長度為第二透鏡 (3)的焦距f3 ;孔徑光闌(12)緊貼于第五透鏡(11)之后；二向色耦合分束器(13)置于孔 徑光闌(12)之后，并插入第一透鏡(2)與第二透鏡(3)之間，形成與兩互為垂直的光軸成 45°角配置，反射端和透射端分別面向孔徑光闌(12)和第一透鏡(2);校正成像分系統(tǒng)中的第六透鏡(14)與第二透鏡(3)通過PBS分束器(4)形成共焦面 配置，并使第六透鏡(14)的焦點向左側(cè)偏離L長距離，L為4mm 6mm，使入射和反射出液 晶波前校正器(15)的兩束光分別左右偏心通過第六透鏡(14);液晶波前校正器(15)置于 第六透鏡(14)的焦點處，其校正偏振方向與P偏振光吻合；從液晶波前校正器(15)反射的 光束在到達反射鏡(16)時反射與入射二者的光軸相隔2L距離，使得只有反射光束被反射 鏡16接收；反射鏡(16)與第六透鏡(14)光軸成45°角放置，將光束折軸；后續(xù)的第七透 鏡(17)和第八透鏡(20)是共軛透鏡組，二者之間的距離為第七透鏡(17)的焦距，光束通 過該共軛透鏡組后在CCD相機(21)上成像；成像CCD相機(21)置于第八透鏡(20)的焦點 處；在第七透鏡(17)和第八透鏡(20)中間放置分光棱鏡(18)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)，其特征是在視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)中，視標點光源(1)發(fā)出球面波，經(jīng)由第一透鏡(2)、第二透鏡(3)變成成像光束，成像光束又在PBS分束器(4)上折軸，在垂直于原來光軸的方向上聚焦成像， 該像點再經(jīng)由第三透鏡(5)成虛像于成像面上，成像面到被測人眼瞳孔的距離即為明視距 離，虛像光點為人眼凝視的視標；在照明分系統(tǒng)中，照明光源(8)為激光點光源，其波長A依據(jù)眼底成像組織的光學特 性而定，A # A ' ;二向色耦合分束器(13)分別反射照明光源(8)、透射視標點光源(1) 的光，形成二光束共光路進入后續(xù)系統(tǒng)；第二透鏡(3)和第三透鏡(5)組成共軛透鏡組，將 孔徑光闌(12)成像于人眼瞳孔處；照明光源(8)發(fā)出的光，經(jīng)由第四透鏡(9)成像于旋轉(zhuǎn) 毛玻璃(10)上，然后光束通過第五透鏡(11)變成平行光，再經(jīng)由孔徑光闌(12)后光束直 徑約束成為略小于被測人眼瞳孔的平行光束，到達二向色耦合分束器(13)時被反射、并與 視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)的光束共光路，經(jīng)PBS分束器(4)反射成為S偏振光，再經(jīng)第三透鏡(5)形 成明視距離處的虛像，像光斑的質(zhì)心與視標光源虛像的質(zhì)心位置能夠完全重合；發(fā)出S偏 振光，形成明視距離處的點光源對眼底照明；在校正成像分系統(tǒng)中，信號光從眼底反射出來成為消偏振的球面波，經(jīng)人眼(7)前角 膜出射后攜帶著前角膜反射干擾光通過第三透鏡(5)會聚其焦點處，而后到達PBS分束器 (4);在PBS分束器(4)的透射端只有攜帶眼底信號的P偏振光出射，濾除掉了角膜反射的 S偏振干擾光；P偏振光再經(jīng)過第六透鏡(14)后成為與液晶波前校正器(15)孔徑匹配的平 行光束，且P偏振方向與液晶波前校正器(15)的校正偏振方向一致；投射到液晶波前校正 器(15)的眼底信號光束經(jīng)波前像差校正后反射，再經(jīng)過第六透鏡(14)成為會聚光、并與入 射光分離，到達反射鏡(16)折軸會聚成像于第七透鏡(17)的前焦點處；該像點發(fā)出的光經(jīng) 分光棱鏡(18)又被分成互為垂直的兩束，垂直向的光束進入波前探測器(19)檢測校正后 的殘余像差，另一束在共軛透鏡組第七透鏡(17)和第八透鏡(20)的作用下將眼底圖像成 像于CCD相機(21)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)，其 特征是通過線性位移機構(gòu)(6)同步移動第三透鏡(5)和人眼(7)得到不同人眼(7)的明 視距離視標。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)，其特征是所述的視標點光源(1)為發(fā)光二極管光源；所述的PBS分束器(4)在照明光波長A為中心的波段內(nèi)，以1X10—3消光比的偏振特 性透過P光；所述的線性位移機構(gòu)(6)為一維位移器，位移精度0. Olmm，行程120mm ; 所述的照明光源(8)為單模激光器，出射激光經(jīng)單模光纖耦合形成點光源，功率在 10mW 20mW范圍；所述的旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)為一塊表面經(jīng)過磨沙的玻璃片，具有75% 80%的透過率，由 電機控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率范圍1000rpm 2000rpm ;所述的孔徑光闌(12)孔徑在lmm 10mm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；所述的二向色耦合分束器(13)具有反射波長為A的照明光和透射波長為A '的視標光的能力；所述的液晶校正器(15)為純位相型反射式液晶波前校正器，液晶對驅(qū)動電壓的響應(yīng) 時間《15ms。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)，其 特征是首先讓人眼凝視視標點光源的像，產(chǎn)生屈光度自調(diào)節(jié)，達到視覺清晰，補償?shù)艚?人眼的大部分離焦像差；然后再瞬間點亮照明點光源進行殘余像差的自適應(yīng)校正成像。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)，其 特征是1) 采用發(fā)光波長A '為550nm的發(fā)光二極管作為視標點光源(1);2) 所用照明光源(8)的纖芯直徑為lOOym，發(fā)光波長A為808nm;3) 第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、第三透鏡(5)、第四透鏡(9)、第五透鏡(11)、第六透 鏡(14)、第七透鏡(17)、第八透鏡(20)的表面鍍有增透膜，口徑依次為20mm、25mm、25mm、 10mm、20mm、40mm、20mm、20mm ;焦距依次為50mm、250mm、200mm、30mm、50mm、250mm、86mm、 100mm ;4) 旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)為厚度為lmm的磨沙薄玻璃片，激光的透過率為75%，貼于磨沙薄 玻璃片的電機以1000rpm的速度旋轉(zhuǎn)；5) 人眼(7)為800度近視兼有150度散光，其明視距離125mm，調(diào)節(jié)線性位移機構(gòu)(6) 使第三透鏡(5)到第二透鏡(3)的光路長度&為130mm ;在較暗環(huán)境下瞳孔直徑在6mm ;6) 所用孔徑光闌(12)，采用lmm到10mm連續(xù)調(diào)節(jié)的小孔光闌，緊貼于第五透鏡(11) 后，直徑控制到5. 8mm;7) 所用二向色耦合分束器(13)， 口徑25mm，對808nm波長的眼底照明光具有95X的反 射率，對550nm波長的視標光具有95%的透過率；8) 所用PBS分束器(4)，直徑50mm，當808nm波長的眼底照明光透過時分出的P偏振光 的消光比為1X10 ;9) 所用液晶校正器(15)，純位相型反射式LCOS器件，美國BNS公司生產(chǎn)，型號 P512-0785 ;10) 所用的反射鏡(16)，面積15mm X 15mm，厚度2mm，反射率95% ;11) 所用的分光棱鏡(18)為普通分光棱鏡，對808nm波長眼底照明光的透反比約為i : i;12) 所用波前探測器(19)，為哈特曼型，測量誤差峰谷值0.05A，均方根值0.01入；13) 所用成像CCD相機(21)，英國AND0R公司生產(chǎn)，型號EM-DV897，512X512像素，曝 光時間15ms。
全文摘要
本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及高度近視人眼的視網(wǎng)膜高分辨率成像設(shè)計，提供了一種視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像的光學系統(tǒng)。本發(fā)明是由視度調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、眼底照明分系統(tǒng)和自適應(yīng)校正成像分系統(tǒng)三部分構(gòu)成，將視標點光源和眼底照明點光源，通過光學設(shè)計成像于人眼前的明視距離處，能夠在高于800度近視的人眼上穩(wěn)定獲得高分辨率視網(wǎng)膜成像。利用人眼凝視明視距離處的視標而產(chǎn)生的自動調(diào)節(jié)能力大幅降低人眼近視像差，使殘余像差深度符合液晶校正器的校正能力，提高了液晶自適應(yīng)系統(tǒng)的校正范圍。
文檔編號A61B3/15GK101766472SQ20091026665
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者劉永剛, 宣麗, 彭增輝, 曹召良, 李大禹, 李抄, 穆全全, 胡立發(fā), 魯興海 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所