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大气光学

自适应光

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52, 030801(2015)

激光与光电子学进展

Laser & Optoelectronics Progress

030801-1

人眼色差对夏克-哈特曼波前探测器的影响

解洪升

1,2

杨乐宝

1,2

李大禹

宣丽

夏明亮

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室吉林长春 130033

中国科学院大学，北京 100049

苏州天准精密技术有限公司，江苏苏州 215163

摘要为获得高分辨率视网膜血管图像，在自适应成像系统中，采用双光源照明模式。由于人眼存在色差，采用双光

源照明模式会导致探测到的波前与实际需校正波前不一致。采用 36 项 Zernike 多项式拟合人眼波前，利用 Liou &

Brenann、Navarro 模型眼和真实人眼分析了人眼色差对夏克 - 哈特曼波前探测器的影响：对于 Liou & Brenann 和

Navarro 模型眼，561 nm 和 785 nm 光的波前色差均方根值(RMS)分别为

0.09λ

和

1.44λ

，去除离焦项后的波前色差

RMS 值分别为

0.0025λ

和

0.01λ

；对于真实人眼，两光源的波前色差 RMS 值为

1.92λ

，去除离焦项后的波前色差 RMS

值为

0.04λ

。根据 Maréchal 判据，除离焦项外，色差对其他波前像差的影响均方根值小于衍射极限

(1/14λ)

，故波前

像差的影响可忽略。由色差造成的离焦量可通过移动成像相机进行补偿。从结果可以看出采用双光源照明的视网

膜血管自适应光学成像方案是可行的。

关键词大气光学; 自适应光学; 夏克-哈特曼波前探测器; 人眼色差; 离焦

中图分类号 O435.2 文献标识码 A

doi: 10.3788/LOP52.030801

Influence of Chromatic Aberration on Shack-Hartmann

Wavefront Sensor

Xie Hongsheng

1,2

Yang Lebao

1,2

Li Dayu

Xuan Li

Xia Mingliang

State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese

Academy of Sciences, Changchun, Jilin 130033, China

University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Tian Zhun Technology Precision Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215163, China

Abstract To obtain the high resolution retinal vessels imaging, illumination mode of double light sources is

adopted in the retinal vessels adaptive optics (AO) imaging system. Because of the existence of ocular chromatic

aberration in humans, the actual wavefront and the detected wavefront are inconsistent. Adopting 36 Zernike

polynomials to fit the human eye′s wavefront, the research is done on the influence of chromatic aberration on

Shack- Hartmann wavefront sensor (S- H WFS) using Liou & Brenann eye model, Navarro eye model and the

vivo human eye: for Liou & Brenann and Navarro eye model, the chromatic aberration root mean square (RMS)

of 561 nm and 785 nm is

0.09λ

and

1.44λ

respectively with defocus, and is

0.0025λ

and

0.01λ

without defocus.

For the vivo human eye, the chromatic aberration RMS of 561 nm and 785 nm is

1.92λ

with defocus, and is

0.04λ

without defocus. According to Maréchal Criterion, the influence on the other chromatic aberrations is

under diffractive limit level

(1/14λ)

excluding defocus. So the influence of chromatic aberration without defocus

can be neglected. Defocus resulting from chromatic aberration can be compensated by moving imaging charge

coupled device (CCD). According to the results, it is feasible to adopt double light sources to obtain the retinal

vessels in AO imaging system.

收稿日期: 2014-08-12; 收到修改稿日期: 2014-09-28; 网络出版日期: 2015-02-12

基金项目: 国家自然科学基金(1174279,1174274，61205021,11204299,61377032,61378075)

作者简介: 解洪升(1987—)，男，博士研究生，主要从事液晶自适应光学、光学设计等方面的研究。

E-mail: hsxie1002@gmail.com

导师简介: 宣丽(1957—)，女，博士，研究员，主要从事液晶光学、液晶自适应光学工程和液晶器件物理等方面的研究。

E-mail: xuanli@ciomp.ac.cn(通信联系人)

52, 030801(2015)

激光与光电子学进展

www.opticsjournal.net

030801-

Key words atmosphere optics; adaptive optics; Shack-Hartmann wavefront sensor; chromatic aberration;

defocus

OCIS codes 080.1005; 080.1010; 220.1080

1 引言

人眼视网膜具有终末血管系统，最微细的血管约为 6 mm

[1]

，是人体唯一可无创伤、直接观察的血管。很

多眼科疾病和全身其他系统性疾病(如糖尿病、高血压等)都会在视网膜血管上有所反映，因此，对眼底视网

膜微血管的检测在疾病的早期诊断方面具有重要意义

[2-4]

。但现有的眼科成像设备受到人眼像差的影响，其

分辨率只有 10~15 mm

[5]

，无法实现对微细血管或血管瘤的清晰成像，也就无法满足早期微小病变检查的需

求。为了克服人眼像差的影响，Grimm 等

[6-7]

建立了一套基于自适应光学(AO)技术的视网膜成像系统，利用

自适应光学原理补偿人眼动态像差获得了接近衍射极限的视网膜细胞图像。此后基于自适应光学技术的

视网膜成像系统得到了广泛的研究

[8-11]

。

综合血管的吸收光谱

[12]

、人眼安全、激光器价格等因素，对视网膜微血管进行自适应成像系统设计时，成

像光源采用 561 nm 波长的激光。一方面单光源自适应成像系统

[5]

，受到夏克-哈特曼波前探测器对光斑大

小的限制，使得成像视场会较小

[13]

；另一方面，若利用 561 nm 光进行波前探测，由于 561 nm 光对人眼刺激性

很强，完成探测后会造成人眼的抖动、瞳孔缩放甚至眨眼，最终会导致成像波前校正出错；另外，用 561 nm 光

连续的进行探测和校正成像，受试者会感到不适。因此，很难采用单光源自适应光学成像系统对血管进行

成像。基于以上考虑，采用双光源自适应光学系统对视网膜血管进行成像。为使受试者更舒适，同时考虑

到视网膜的反射光谱

[12]

，本文采用 785 nm 的超发光二极管作为探测光源。

夏克 -哈特曼波前探测器(S-H WFS)具有客观准确、测量速度快、可重复性强、可实时探测动态像差等

特点，在人眼波前像差的实时精确测量上具有重要应用

[14]

。波前探测的准确与否决定了最终校正成像的效

果。因波前探测和校正成像采用的是两种不同波长的光，若利用 785 nm 光探测到的波前与 561 nm 光探测

到的波前相等，那么成像光会得到准确的校正。然而，由于人眼色差的存在，导致用 785 nm 光和 561 nm 光

探测到的波前不一致。本文采用 36 项 Zernike 多项式拟合人眼波前像差，研究了人眼色差对夏克-哈特曼

波前探测器探测波前的影响。利用 ZEMAX 光学设计软件对 Liou & Brenann 和 Navarro 两种模型眼

[15- 17]

进

行模拟分析，实测真实人眼波前像差。由于平移和倾斜对成像分辨率没有影响，因此，计算人眼波前时，去

除了 Zernike 多项式的前三项。对于 Liou & Brenann 模型眼，含有离焦项时，561 nm 和 785 nm 光的波前色

差

rms

= 0.09λ

，去除离焦项后的波前色差

rms

= 0.0025λ

；对于 Navarro 模型眼，含有离焦项时，561 nm 和

785 nm 光的波前色差

rms

= 1.44λ

，去除离焦项后的波前色差

rms

= 0.01λ

；利用夏克-哈特曼波前探测器实测

两种波长下的真实人眼像差，含有离焦项时，561 nm 和 785 nm 光的波前色差

rms

= 1.92λ

，去除离焦项后的

波前色差

rms

= 0.04λ

(

=561 nm)。根据 Maréchal 判据，从模拟及真实人眼实测结果可以看出，除离焦外，

色差对其他波前像差的影响小于衍射极限，故其可忽略。由人眼色差造成的离焦量可通过移动成像相机进

行补偿，或在控制矩阵中加入该部分离焦量进行校正。从模拟及实测结果可以看出采用双光源照明模式进

行视网膜血管自适应光学成像是可行的。

2 人眼色差对 S-H WFS 影响的分析方法

人眼是一个存在色差的非完美光学系统

[18- 20]

，而自适应光学技术只能校正单色像差，因此，在视网膜血

管自适应成像中，理想的照明条件是探测光源和校正成像光源是同一波长的光源。在双光源自适应光学成

像模式下，由于探测光与成像光不是同一波长的光，因此探测到的波前与实际需校正的波前存在差别，两者

差别的大小直接决定了自适应校正的效果。因此，采用 561 nm 光为成像光源和 785 nm 光为探测光源的双

光源液晶自适应视网膜血管成像系统是否可行，首先需要研究人眼色差对波前探测的影响。本文依次利用

模型眼和真实人眼来研究人眼色差对波前探测的影响。

模型眼在眼睛成像特性、眼镜光学特性

[21-23]

，甚至眼科手术，如角膜屈光手术、晶状体移植

[24]

等方面有重

要的应用。对模型眼的研究已有很长的历史，随着研究的深入，模型眼的光学特性也越来越接近于真实人

眼。同时，模型眼的结构也多种多样，不同的模型眼其表现出的色差对波前的影响也会有所不同，为更好地

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