小型化人眼像差校正儀光學系統設計
發布時間：2017-09-01
引言
人眼存在著各種高低階像差， 瞳孔越大， 像差越大，而且這些像差隨時間變化[1]。傳統的校正方法，如配戴眼鏡等，只能校正低階像差(離焦和散光)，難以校正高階像差， 對于像差隨時間的擾動更是無能為力。所以，很難將大瞳孔人眼像差校正到衍射極限的水平。近年來，梁俊忠、張雨東等研究人員將地基天文望遠鏡上的自適應光學技術用于人眼像差的實時校正， 使大瞳孔( 直徑>6 mm)人眼像差校正到接近衍射極限的水平， 并獲得了清晰的視網膜視覺細胞圖片[2-3]。這對眼科疾病的早期診斷和視覺研究都具有重要意義[4]。
然而，目前的自適應光學人眼像差校正系統多數采用變形鏡，具有成本高、體積大等缺點，不利于推廣使用。而液晶空間光調制器具有體積小、成本低、空間分辨率高、校正能力強(經過位相疊加后) 和高保真(可以用開環模式校正)等優點，在人眼像差校正方面具有較強的應用潛力[5]。筆者曾設計了幾套基于液晶空間光調制器的人眼像差校正系統，但是存在不夠小巧、光能利用率較低等問題[6]。為此，提出了文中小型化人眼像差校正光學系統的設計。
1 主要設計參數
全視場為2°(對應視網膜直徑~600 μm， 可參考人眼等暈角大小);人眼瞳孔直徑為7 mm(瞳孔越大，極限分辨率越高，光收集效率越高，但像差越大);成像波長為570 nm(分辨率比近紅外高，對血管成像對比度較高);探測波長為790 nm (對人眼刺激小，視網膜反射率高);液晶空間光調制器像素大小15 μm，數目512×512;夏克-哈特曼探測器微透鏡大小300 μm，數目25×25;成像CCD 像素大小10.4 μm;放大率~8倍;視網膜上分辨率~2.6 μm。
2 光路設計
對于一般的自適應光學人眼像差校正儀，為了保證夏克-哈特曼波前探測器(SHWS)的微透鏡陣列、變形鏡或液晶空間光調制器(LC螄SLM)的面板同時與人眼瞳孔有共軛關系，需要使用多個透鏡(或反射鏡)，這樣不僅增加成本和體積，而且會使系統自身引入更大的像差，尤其是采用雙波長校正模式時。為了解決上述問題， 對該系統進行了簡化處理,如圖1 所示。通過一個透鏡(Lens 1)來保證上述的共軛關系。該系統采用雙波長模式，即波前探測用790 nm的近紅外光，成像用570 nm 的可見光。用一個分光片(Dichroic) 將790 nm 的近紅外光和570 nm 的可見光分給SHWS 和LC螄SLM。人眼對790 nm 的近紅外光和570 nm 的可見光大約有0.7D 的色差。為了消除由于人眼色差引入的較大離焦，在SHWS 前放一個可移除的矯正鏡(Movable corrective lens)。要同時保證光束以接近平行光入射到夏克-哈特曼波前探測器微透鏡陣列及液晶空間光調制器的面板上，以節省系統的波前探測和校正能力。
采用開環校正模式(SHWS)探測到的是系統的總像差(閉環校正模式探測到的是校正后的殘余像差)，然后將探測到的波前畸變信息通過計算機處理后得到控制信號，并發給LC螄SLM 來進行波前校正，校正好的光波通過透鏡(Lens 2)后便可在成像CCD 上獲得清晰的視網膜圖片。開環將波前畸變一次性校正，而閉環是多次反饋校正。對于變形鏡，開環校正效果通常不太理想，而液晶校正器具有高保真性，開環校正可以取得較好的效果，而且可以提高系統穩定性和能量利用率[7]。由于LC螄SLM 只能對線偏振光進行位相調制，所以應在LC螄SLM 前放一個偏振片[8]。考慮到許多人患有低度近視，該系統將人眼眼底的共軛面定在人眼前250 mm 處(即按-4D 人眼進行設計)。這樣，對于低度近視和正常人眼都可以通過人眼的自動調節來消除較大的離焦項，節省了系統的波前探測和校正能力。
為了精確測量SHWS 和LC螄SLM 的響應關系，需要一個位于透鏡(Lens 2) 焦點的570 nm 的點光源，其發出的光先后通過分束片2、透鏡2、LC螄SLM、分光片、透鏡1、分束片1 反射或透射后到可移除的球面鏡。然后逆方向返回，會有少量570 nm 光透過分束片并到達SHWS 進行波前探測(注意探測響應矩陣時，應將矯正鏡移除)。這樣便可以精確測量系統的響應矩陣，進行精確校正。
在照明光路中，790 nm 超發光二極管(SLD) 和570 nm 閃光燈(Lamp)前的小孔和人眼視網膜共軛，來控制照明面積。透鏡3 后的環形光闌(Annular stop)和人眼瞳孔共軛， 來控制瞳孔處的照明光束口徑，同時產生的環形照明效果可以較好地消除角膜中心前表面反射的雜散光[9-10]。為了盡量減小眼底反射出來光的光能損失，應使兩個分束片的透過率都大于90%。為了固定人眼，還要加一個定位目標(Fixation target)。可以采用一塊小液晶屏來做定位目標，通過編程控制小液晶屏上的圖案形狀和大小位置等。
人眼視網膜的反射率很低，加上瞳孔的光線攔截作用，人眼反射出來的光約為入射光的10-4[11]。所以，應適當增大光強， 通過提高光能利用率來提高信噪比。然而，人眼可承受的安全光強有限，為了絕對安全，應使瞳孔處照明光功率為最大安全光功率的1/10至1/20[12]。
3 模擬分析
用ZEMAX 軟件對成像和探測光學系統進行了模擬分析(如圖2 所示)。實驗表明：人眼的軸向色差較大(對于570 nm 和790 nm，軸向色差約為0.7D)。分別用焦距為16.005 mm 和16.19 mm 的理想透鏡代替570 nm 光和790 nm 光調焦后的人眼有效焦距，當物距為17.1 mm(對于570 nm 光，未調焦時的人眼焦距)時，像距分別為250 mm(人眼?b視距離)和302 mm。這里選擇理想透鏡是為了評價系統自身的像差，不計人眼的像差。人眼的軸向色差會使探測支路引入較大的離焦項，可通過戴矯正鏡予以消除，人眼的高級色差對成像影響很小，可以忽略。人眼的其他像差可以通過自適應光學系統校正。所以，用理想透鏡來分析是合理的。通過圖3、圖4 可以看出，校正成像支路和波前探測支路都接近衍射極限的效果。
人眼視網膜的錐狀細胞一般為4 μm (黃斑中央處的錐狀細胞<2 μm)，對應的像方的傳遞函數為MTF=0.5@31 cycles/mm;為分辨更小的細胞(~2.6 μm)， 系統最大分辨率的傳遞函數為MTF=0.3@48 cycles/mm(如圖5 所示)。因此，經過自適應校正后，可以對大多數錐狀視覺細胞實現較清晰成像，滿足設計要求。
4 結論
該自適應光學人眼像差校正系統采用開環校正模式，既節省了光能利用率(主要是波前探測光)，又可以提高系統的穩定性。采用雙波長模式增大了單次成像面積，可以瞬間曝光成像來提高圖像清晰度，還可以選用不同波長來成像。用較少的透鏡保證系統重要的孔徑共軛關系，減小了體積(700 mm×600 mm)，降低了成本(采用液晶校正器)。為了較好地保證波前探測器和校正器的響應關系，增加了輔助原件來測量響應矩陣。用ZEMAX 對系統進行了模擬分析，說明系統可達到衍射極限的效果。總之，該系統具有小型化、低成本、便攜性等特點，便于推廣使用。
摘自：中國計量測控網
