小型化人眼像差校正仪光学系统设计
发布时间：2017-09-01
引言
人眼存在着各种高低阶像差， 瞳孔越大， 像差越大，而且这些像差随时间变化[1]。传统的校正方法，如配戴眼镜等，只能校正低阶像差(离焦和散光)，难以校正高阶像差， 对于像差随时间的扰动更是无能为力。所以，很难将大瞳孔人眼像差校正到衍射极限的水平。近年来，梁俊忠、张雨东等研究人员将地基天文望远镜上的自适应光学技术用于人眼像差的实时校正， 使大瞳孔( 直径>6 mm)人眼像差校正到接近衍射极限的水平， 并获得了清晰的视网膜视觉细胞图片[2-3]。这对眼科疾病的早期诊断和视觉研究都具有重要意义[4]。
然而，目前的自适应光学人眼像差校正系统多数采用变形镜，具有成本高、体积大等缺点，不利于推广使用。而液晶空间光调制器具有体积小、成本低、空间分辨率高、校正能力强(经过位相叠加后) 和高保真(可以用开环模式校正)等优点，在人眼像差校正方面具有较强的应用潜力[5]。笔者曾设计了几套基于液晶空间光调制器的人眼像差校正系统，但是存在不够小巧、光能利用率较低等问题[6]。为此，提出了文中小型化人眼像差校正光学系统的设计。
1 主要设计参数
全视场为2°(对应视网膜直径~600 μm， 可参考人眼等晕角大小);人眼瞳孔直径为7 mm(瞳孔越大，极限分辨率越高，光收集效率越高，但像差越大);成像波长为570 nm(分辨率比近红外高，对血管成像对比度较高);探测波长为790 nm (对人眼刺激小，视网膜反射率高);液晶空间光调制器像素大小15 μm，数目512×512;夏克-哈特曼探测器微透镜大小300 μm，数目25×25;成像CCD 像素大小10.4 μm;放大率~8倍;视网膜上分辨率~2.6 μm。
2 光路设计
对于一般的自适应光学人眼像差校正仪，为了保证夏克-哈特曼波前探测器(SHWS)的微透镜阵列、变形镜或液晶空间光调制器(LC蛳SLM)的面板同时与人眼瞳孔有共轭关系，需要使用多个透镜(或反射镜)，这样不仅增加成本和体积，而且会使系统自身引入更大的像差，尤其是采用双波长校正模式时。为了解决上述问题， 对该系统进行了简化处理,如图1 所示。通过一个透镜(Lens 1)来保证上述的共轭关系。该系统采用双波长模式，即波前探测用790 nm的近红外光，成像用570 nm 的可见光。用一个分光片(Dichroic) 将790 nm 的近红外光和570 nm 的可见光分给SHWS 和LC蛳SLM。人眼对790 nm 的近红外光和570 nm 的可见光大约有0.7D 的色差。为了消除由于人眼色差引入的较大离焦，在SHWS 前放一个可移除的矫正镜(Movable corrective lens)。要同时保证光束以接近平行光入射到夏克-哈特曼波前探测器微透镜阵列及液晶空间光调制器的面板上，以节省系统的波前探测和校正能力。
采用开环校正模式(SHWS)探测到的是系统的总像差(闭环校正模式探测到的是校正后的残余像差)，然后将探测到的波前畸变信息通过计算机处理后得到控制信号，并发给LC蛳SLM 来进行波前校正，校正好的光波通过透镜(Lens 2)后便可在成像CCD 上获得清晰的视网膜图片。开环将波前畸变一次性校正，而闭环是多次反馈校正。对于变形镜，开环校正效果通常不太理想，而液晶校正器具有高保真性，开环校正可以取得较好的效果，而且可以提高系统稳定性和能量利用率[7]。由于LC蛳SLM 只能对线偏振光进行位相调制，所以应在LC蛳SLM 前放一个偏振片[8]。考虑到许多人患有低度近视，该系统将人眼眼底的共轭面定在人眼前250 mm 处(即按-4D 人眼进行设计)。这样，对于低度近视和正常人眼都可以通过人眼的自动调节来消除较大的离焦项，节省了系统的波前探测和校正能力。
为了精确测量SHWS 和LC蛳SLM 的响应关系，需要一个位于透镜(Lens 2) 焦点的570 nm 的点光源，其发出的光先后通过分束片2、透镜2、LC蛳SLM、分光片、透镜1、分束片1 反射或透射后到可移除的球面镜。然后逆方向返回，会有少量570 nm 光透过分束片并到达SHWS 进行波前探测(注意探测响应矩阵时，应将矫正镜移除)。这样便可以精确测量系统的响应矩阵，进行精确校正。
在照明光路中，790 nm 超发光二极管(SLD) 和570 nm 闪光灯(Lamp)前的小孔和人眼视网膜共轭，来控制照明面积。透镜3 后的环形光阑(Annular stop)和人眼瞳孔共轭， 来控制瞳孔处的照明光束口径，同时产生的环形照明效果可以较好地消除角膜中心前表面反射的杂散光[9-10]。为了尽量减小眼底反射出来光的光能损失，应使两个分束片的透过率都大于90%。为了固定人眼，还要加一个定位目标(Fixation target)。可以采用一块小液晶屏来做定位目标，通过编程控制小液晶屏上的图案形状和大小位置等。
人眼视网膜的反射率很低，加上瞳孔的光线拦截作用，人眼反射出来的光约为入射光的10-4[11]。所以，应适当增大光强， 通过提高光能利用率来提高信噪比。然而，人眼可承受的安全光强有限，为了绝对安全，应使瞳孔处照明光功率为最大安全光功率的1/10至1/20[12]。
3 模拟分析
用ZEMAX 软件对成像和探测光学系统进行了模拟分析(如图2 所示)。实验表明：人眼的轴向色差较大(对于570 nm 和790 nm，轴向色差约为0.7D)。分别用焦距为16.005 mm 和16.19 mm 的理想透镜代替570 nm 光和790 nm 光调焦后的人眼有效焦距，当物距为17.1 mm(对于570 nm 光，未调焦时的人眼焦距)时，像距分别为250 mm(人眼�b视距离)和302 mm。这里选择理想透镜是为了评价系统自身的像差，不计人眼的像差。人眼的轴向色差会使探测支路引入较大的离焦项，可通过戴矫正镜予以消除，人眼的高级色差对成像影响很小，可以忽略。人眼的其他像差可以通过自适应光学系统校正。所以，用理想透镜来分析是合理的。通过图3、图4 可以看出，校正成像支路和波前探测支路都接近衍射极限的效果。
人眼视网膜的锥状细胞一般为4 μm (黄斑中央处的锥状细胞<2 μm)，对应的像方的传递函数为MTF=0.5@31 cycles/mm;为分辨更小的细胞(~2.6 μm)， 系统最大分辨率的传递函数为MTF=0.3@48 cycles/mm(如图5 所示)。因此，经过自适应校正后，可以对大多数锥状视觉细胞实现较清晰成像，满足设计要求。
4 结论
该自适应光学人眼像差校正系统采用开环校正模式，既节省了光能利用率(主要是波前探测光)，又可以提高系统的稳定性。采用双波长模式增大了单次成像面积，可以瞬间曝光成像来提高图像清晰度，还可以选用不同波长来成像。用较少的透镜保证系统重要的孔径共轭关系，减小了体积(700 mm×600 mm)，降低了成本(采用液晶校正器)。为了较好地保证波前探测器和校正器的响应关系，增加了辅助原件来测量响应矩阵。用ZEMAX 对系统进行了模拟分析，说明系统可达到衍射极限的效果。总之，该系统具有小型化、低成本、便携性等特点，便于推广使用。
摘自：中国计量测控网
