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自适应光学扫描激光眼底成像系统研究是当前研究的一个热点。利用Badal系统、变形镜和夏克-哈特曼波前传感器设计了一种可调焦的自适应光学激光扫描眼底成像系统, 通过视标引导, 调节Badal系统中的透镜间距, 实现人眼低阶像差校正。根据系统调焦及工作原理, 分析了Badal系统最佳参数, 并对系统参数进行设计, 采用Zemax光学软件对系统进行仿真及优化。仿真结果表明, 设计的系统点列图光斑小于衍射极限, 各屈光度斯特列尔比值均大于0.8, 甚至低屈光度下的斯特列尔比可达0.95, 不同屈光度下各视场调制传递函数(MTF)曲线接近衍射极限, 正常人眼视网膜面上系统理论分辨率约为2.29 μm, 接近衍射极限分辨率(2.11 μm), 能够对-6~6 m-1屈光不正的人群实现眼底视网膜清晰成像。
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资源评论
第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
,
可调焦自适应光学扫描激光眼底成像系统设计
江 慧 绿
,
,
李 超 宏
,
廖 娜
,
,
厉 以 宇
,
,
陈 浩
,
温州医科大学眼视光学院
,
浙江 温州
;
温州医科大学附属眼视光医院
,
浙江 温州
摘要
自适应光学扫描激光眼底成像系统研究是当前研究的一个热点
.
利用
系统
、
变形 镜和 夏克
哈特 曼波
前传感器设计了一种可调焦的自适应光学激光扫描眼底 成像 系统
,
通过 视标 引导
,
调节
系统 中的 透 镜间 距
,
实现人眼低阶像差校正
.
根据系 统 调 焦及 工 作 原 理
,
分 析 了
系 统 最 佳 参 数
,
并 对 系 统 参 数 进 行 设 计
,
采 用
光学软件对系统进行仿真及优化
.
仿真结果表明
,
设 计的 系统 点 列图 光斑 小 于衍 射极 限
,
各 屈光 度斯 特 列
尔比值均大于
,
甚至低屈光度下的斯特列尔比可达
,
不同屈光度下各视场调制传递函数
(
)
曲线接近衍
射极限
,
正常人眼视网膜面上系统理论分辨率约为
,
接近衍射极限分辨率
(
),
能够对
屈
光不正的人群实现眼底视网膜清晰成像
.
关键词
光学设计
;
眼底成像系统
;
屈光补偿
;
像质评价
中图分类号
;
文献标识码
doi
:
/
O
p
ticalDesi
g
nofAda
p
tiveO
p
ticsScannin
g
LaserO
p
hthalmosco
p
e
withAd
j
ustableFocus
Schoolo
f
O
p
hthalmolo
gy
&O
p
tometr
y
Wenzhou MedicalUniversit
y
Wenzhou
Zhe
j
ian
g
China
E
y
eHos
p
ital
Wenzhou MedicalUniversit
y
Wenzhou
Zhe
j
ian
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
国家重点研发计划
(
,
)、
温州市科技计划
(
)
EGmail
:
引
言
人眼 视 网 膜 生 物 组 织 结 构
(
如 视 细 胞
、
微 血 管
等
)
及功能的好坏
,
决定了人 眼 的视觉成 像 质量
,
并
且人体全身系统性疾病
(
如糖尿病
、
高血压
、
动脉硬
化等
)
也都会在眼底视网 膜 上有所反 映
,
因此
,
眼底
检查无论在视觉研究还是在疾病早期诊断方面都具
有十分重要的意 义
[
]
.
由于人眼 是 一 个 动 态 变 化
激 光 与 光 电 子 学 进 展
的
、
不完善的光学系统
[
]
,
而现有的常规眼底成像设
备
[
]
只能校正静态像差
,
其分辨率
(
[
]
)
无法满足对疾病早期微小病变检测的要求
.
为了克
服人眼像 差 的 影 响
,
等
[
]
首 次 采 用 夏 克
哈
特曼波前传感器
(
)
成功探测 到 人眼的波 前
像差
,
搭建 了 基 于 自 适 应 光 学
(
)
技 术 的 视 网 膜
成像系统
,
并获得接 近 衍射极限 的 活体人眼 视 网膜
细胞图像
.
此后基于自适应光学视网膜成像系统得
到了广 泛 的 研 究
[
]
.
年
等
[
]
首 次
将
技术与共焦扫描激光检眼镜结合搭建了实验
系统
,
极大地提高 了系统的 横 向
、
纵向成像 分 辨率
,
获得了视细胞
、
毛细血管血流等高分辨率图像
.
然而
,
目前报道的 自适应光学 眼底成像系 统存
在普适性不够
、
杂散光较 多
、
图像质量 不 高等问题
,
普适性对于系统产 品化具有 非 常重要的 作 用
,
普适
性不够是指不能对大部分受试者都能获得清晰的视
网膜图像
,
这 是 由 于 人 眼 普 遍 存 在 屈 光 不 正
(
如 近
视
、
远视等
),
其屈光不正 范 围跨度比 较 大
,
因此
,
系
统需要同时具有大幅值的低阶像差校正能力和较强
的高阶像差校正能力
.
已报道的方法有
:
)
使用离
焦和散光补偿片校 正人眼低 阶 像差
,
剩余的高 阶 像
差由波前校正器校正
,
其缺点是补偿的数值不连续
,
需要大量的补偿片
,
手动补偿
,
操作不方 便
,
增加了
系统使用的复杂度
,
不适合产品化
,
改变了系统的共
轭位置
,
从而降低人 眼 像差测量 的 准确性及 校 正效
果等
;
)
采用双变 形镜
(
)
校正人眼 低 阶像
差和高阶像差
[
]
,
利用大行 程 变形镜校 正 低阶像
差
,
利用小行程高精度的变形镜校正高阶像差
,
其缺
点是成本大
,
低阶像差校正范 围有限
(
屈光
度
),
不利于产品化 等
,
如
等
[
]
采 用 双 变 形 镜
校正人眼像差
,
单元
变形镜校正人眼低
阶像差
,
单 元 微 机 电
(
)
变 形 镜 校 正 人 眼
高阶像差
,
等
[
]
采用超大 行 程的
变 形
镜校正人眼低阶像差
,
单元
变形镜校正
人眼高阶像差
.
此外
,
折射和反 射 系统还存 在 如下
问题
:
)
透镜本身 的 工 艺 问 题
,
光 线 会 在 透 镜 前 后
表面形成反射
,
引入杂散光
,
降低图像信噪比
;
)
折
射系统存在色差
,
影响系统的成像质量
;
)
反 射 离
轴系统
,
由于考虑到摆放空间
,
反射元件需要有一定
的离轴角度
,
从而引入系统像散
[
]
.
针对上述问题
,
为了提高低阶像差校正能力
,
本
文采 用
调焦技术
[
]
校正人眼 低 阶像差
(
离
焦像差
),
可实现屈光不正连续补偿
、
操作方便
、
成本
低
、
适合产品化等
;
采用较长 焦 距球面反 射 镜
,
减小
球面反射镜离轴角度
,
降低系统带来的像差
(
像散
);
采用高精度小行程变形镜校正高阶像差
;
分析
系统调焦最佳参数
,
提高普适性能力
;
提出了一种普
适性强
、
结构简单的反射式自适应光学扫描激光眼底
成像系统
(
),
采用
软件进行了光学系
统设计
,
实现了衍射极限分辨率
,
从而实现了人眼高
阶低阶像差自动校正的功能
,
可适用于大部分屈光不
正的人群
,
实现系统普适性等特点
.
该工作对今后系
统产品化以及临床科研具有一定的参考价值
.
原理及结构
2.1Badal
系统调焦原理
对于平行光
,
即无 穷 远处的物 点
,
系统一
般由两个正透镜组合而成
,
焦点重合时为望远系统
,
入瞳位于前透镜前 焦点处
,
出瞳位于 后 透镜后焦 点
处
,
前透镜对无穷远处的物点成像
,
后透镜调节系统
的焦距
,
通过改变两 透 镜间在光 轴 方向的距 离 实现
对系统焦距的调节
,
在保证系 统 共轭位置 不 变的前
提下实现对离焦 的 补偿
.
因此
,
对于相同 焦 距的两
透镜
,
系统具有如 下特点
:
随着透镜 间 距的改
变
,
)
光瞳
(
入瞳和出 瞳
)
始 终 位 于 透 镜 焦 点 处
,
光
瞳处系统垂轴放 大率始终 为
;
)
光 瞳 处 系 统 角
放大率始终为
,
视场角不发生改变
;
)
系统等效
焦距发生变化
,
可补偿人眼屈光不正
.
系 统 设 计 是 以 无 像 差 人 眼 为 前 提
,
实
现系统像差校正
,
照明光通 过 系统以平 行 光方式进
入到人眼眼底
,
眼底 反 射光以平 行 光方式返 回 进入
到
系统
.
但实际 上 人眼具有 动 态 像 差
,
且
不同人眼的屈光度数不同
,
如近视
、
远视等
,
因此
,
对
于不同屈光度的人眼眼底进行成像时需要对光学系
统调焦
.
采用
系统
,
根据光瞳衔接原则
,
人眼
瞳孔和
系统入瞳分别位于
系统前后
的透镜焦点处
,
实现人眼 屈 光不正补 偿
.
对于相同
焦距的
系统
,
视场角不发生变化
,
光瞳口径不
发生变化
,
因 此
系 统 的 引 入 不 影 响 原 系 统 的
成像特性
.
其
系统两透镜间的移动量依赖人
眼屈光度数的变化
,
如图
(
)
所示
.
假设前透镜 不
动
,
后透镜移动
,
人眼瞳孔 位 于后透镜 像 方焦点处
,
初始状态为两透镜焦点重合
,
根据牛顿公式可得
,
后
透镜从初始状态到目前状态的移动量为
Δ
=
Df′
, (
)
式中
:
Δ
为透 镜 移 动 量
,
单 位 为
,
Δ
表 明 后
透 镜 左 移
,
Δ
表 明 后 透 镜 右 移
;
D
为 人 眼 屈 光
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