一种双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成像系统

摘要

一种双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成像系统，包括：信标光发射子系统，为人眼像差测量和校正提供信标光源；控制子系统，控制两个波前校正器校正人眼像差；照明成像子系统，照明光源提供光辐射，沿光路进入人眼照明视网膜，由成像系统和相机拍摄眼底视网膜高分辨力图像；两个波前校正器采用不同的控制算法，第一波前校正器基于由成像相机获得的信标光图像，选取目标函数并利用寻优算法进行控制以校正人眼低阶像差；校正完成后，保持第一波前校正器不动，由波前传感器测量剩余人眼像差，控制第二波前校正器实时校正剩余人眼像差，校正稳定或达到设定值后，启动照明成像子系统，拍摄眼底视网膜高分辨力图像。本发明有效提高了系统的像差校正能力。

说明书

技术领域

本发明涉及自适应光学眼底成像技术，为一种双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成 像系统，可广泛用于活体人眼视网膜高分辨力成像。

背景技术

人眼像差中除了含有离焦、散光等低阶像差外，还含有不可忽略的高阶像差组分。目前 普通的商业化眼底相机等眼科设备只能够静态的补偿低阶人眼像差，故整体光学分辨率不能 达到衍射极限水平。自适应光学技术恰好弥补了此缺陷，直接推动了眼底影像学和视光学的 发展。1997年，美国Rochester大学的D.R.Williams等人在世界上率先采用自适应光学 （Adaptive Optics,AO）技术矫正人眼高阶像差，获得了接近衍射极限的高分辨率视网膜 图像和传统低阶像差矫正无法达到的超常视力（Junzhong Liang,David R.Williams,and  Donald T.Miller,Supernormal vision and high-resolution retinal imaging through  adaptive optics[J],J.Opt.Soc.Am.A,14(11),2884-2892,1997.）。1999年，美国 Rochester大学的Roorda等人利用自适应光学眼底相机在世界上首次研究了活体人眼视网 膜三色细胞的分布（Roorda A,Williams DR.,The arrangement of the three cone classes  in the living human eye,Nature,397:520-522,1999.），使得视觉科学和视觉生理研究 第一次在活体状态下的细胞尺度上进行。

中国专利CN1282564，CN1282565，CN1306796，CN13067967介绍了几种自适应光学成像 系统，采用哈特曼波前传感器测量人眼像差，用变形反射镜来校正所测像差，然后用CCD成 像，实现接近衍射极限的活体人眼视网膜高分辨力成像。上述系统都采用单波前校正器来校 正人眼像差，据统计，人眼像差随人群起伏很大，离焦可达±10D，散光±5D，PV值可达25μm， 然而受波前校正器制作水平的限制，单波前校正器校正能力有限，无法独立完成人眼像差校 正，使得系统难以适用于大规模人群。公开号为CN2728418的中国专利介绍了一种预补偿装 置来增大系统对低阶像差的校正量，但是这样的装置需要频繁的更换预校正镜片，操作复杂， 更为重要的是，补偿片的插入会改变人眼瞳孔与波前传感器和波前校正器的光学共轭位置， 从而降低人眼像差测量的准确性和自适应光学系统的校正效果，随低阶像差变大这种影响会 更加严重，使得系统仅能在实验室内对很小部分特定人眼获得理想的像差校正效果，因此插 片预补偿的方式无法应用于大规模人群。公开号为CN101612032A的中国专利介绍了一种基 于双压电片变形镜的自适应光学视网膜成像系统，该系统采用两个双压电片变形反射镜作为 波前校正器，从而提高系统的校正能力。该系统对两个波前校正器的控制均是基于波前传感 器测量所得的人眼像差，但当人眼像差较大时，波前传感器测量准确性会变差，从而严重影 响系统的校正效果，同时该系统对两个波前校正器进行控制时需要消除两个波前校正器之间 的耦合效应，控制过程较为复杂。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种双波前矫正器活体人眼视网 膜高分辨力成像系统，有效提高了系统的像差校正能力，扩大其人群适用范围，且系统简单， 易于实现。

本发明的技术解决方案：一种双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成像系统，所采用 的成像系统包括近红外信标光源1、第一准直镜2、信标光栏3、第一分光镜4、照明光源5、 第二准直镜6、平面反射镜7、第二分光镜8、第一波前校正器9、第一透镜10、第一共焦滤 波光栏11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第二波前校正器15、第五透镜16、 第二共焦滤波光栏17、第六透镜18、第三分光镜19、成像透镜20、成像相机21、第七透镜 22、第八透镜23、波前传感器24及由控制电路25和PC机26构成的控制装置27；

本发明成像过程包括三个阶段：人眼低阶像差校正阶段、人眼高阶像差校正阶段和视网 膜高分辨力成像阶段；

在人眼低阶像差校正阶段中，近红外信标光源1发出信标光，由准第一准直镜2准直， 经信标光栏3、第一分光镜4、第二分光镜8、第一波前校正器9、第一透镜10、第一共焦滤 波光栏11和第二透镜12进入人眼28瞳孔；人眼28眼底反射的光，原路返回至第二分光镜 8，经第三透镜13、第四透镜14、第二波前校正器15、第五透镜16、第二共焦滤波光栏17、 第六透镜18、第三分光镜19、成像透镜20，在成像相机21形成信标光图像，控制装置27 读取信标光图像计算目标函数并调用寻优算法控制第一波前校正器9完成人眼低阶波像差校 正；

当人眼低阶波像差校正完成后，保持第一波前校正器9不动，进入人眼高阶波像差校正 阶段，人眼28眼底反射的光经第三分光镜19、第七透镜22、第八透镜23后到达波前传感 器24，由波前传感器24测量人眼剩余波像差，经控制装置27处理，获得第二波前校正器 15的控制电压，经放大后驱动第二波前校正器15产生相位变化，以校正人眼高阶波像差；

在完成人眼全部像差校正后，进入视网膜高分辨力成像阶段，打开照明光源开关，照明 光源5发出的照明光由第二准直镜6准直，经平面反射镜7反射到达第一分光镜4，然后沿 着与信标光相同的光路入射人眼28并反射后到达第三分光镜19，经成像透镜20聚焦后在成 像相机21上成像。

所述目标函数采用像清晰度函数、远场光斑平均半径、远场峰值斯特列尔比函数。

所述寻优算法采用模拟退火算法、单纯形法、模式提取算法、或随机并行梯度下降算法。

所述第一波前校正器9和第二波前校正器15在系统中位于光学共轭放置。

所述第一波前校正器9和第二波前校正器15为变形反射镜、液晶波前校正器、微加工 薄膜变形镜、微机电变形镜、双压电陶瓷变形镜、或液体变形镜。

所述波前传感器24为基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器、基于微棱镜阵列的哈特曼 波前传感器、曲率波前传感器、或角锥波前传感器。

所述信标光栏3为环形或旁轴信标光栏。

本发明原理：本发明提出一种双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成像系统，包括： 信标光发射子系统，包括近红外信标光源、环形或旁轴信标光栏，用于人眼像差测量和校正； 人眼像差校正子系统，包括两个波前校正器和控制装置，用于校正人眼波像差；照明成像子 系统，包括照明光源、成像透镜和成像相机，用于照明眼底，拍摄视网膜高分辨力图像。在 人眼至成像相机之间的光路中设置共焦滤波光栏，用于消除人眼角膜后向反射光和限制成像 视场。

所述的人眼像差校正子系统，由两个波前校正器构成，第一波前校正器行程大、空间分 辨力低，用于校正人眼低阶像差（离焦和像散），第二波前校正器行程小，空间分辨力高， 用于校正人眼剩余像差（以除离焦和像散之外的高阶像差为主），两个波前校正器在系统中 光学共轭放置。

所述的人眼像差校正子系统控制装置，控制两个波前校正器校正人眼像差。第一波前校 正器基于由成像相机获得的信标光图像，选取目标函数并利用寻优算法进行控制，校正人眼 低阶像差；第二波前校正器基于波前传感器的测量结果，利用直接斜率法进行控制，校正人 眼剩余像差（以高阶像差为主）；

本发明与现有技术相比所具有的优点：

（1）本发明两个波前校正器采用不同的控制算法，第一波前校正器基于由成像相机获 得的信标光图像，选取目标函数并利用寻优算法进行控制以校正人眼低阶像差；校正完成后， 保持第一波前校正器不动，由波前传感器测量剩余人眼像差，控制第二波前校正器实时校正 剩余人眼像差,校正稳定或达到设定值后，启动照明成像子系统，拍摄眼底视网膜高分辨力 图像。本发明有效提高了系统的像差校正能力。

（2）本发明采用双波前校正器分别校正人眼低阶和高阶像差，有效提高了系统的像差 校正能力，扩大其人群适用范围。

（3）本发明采用两种不同的控制算法分别对第一波前校正器和第二波前校正器进行控 制，完成对人眼低阶像差和高阶像差的校正，实现活体人眼视网膜高分辨力成像。

（4）基于信标光图像的人眼低阶像差优化控制校正算法，克服了当人眼低阶像差大、 波前传感器测量准确性差时的像差校正难题。

（5）用于人眼低阶像差校正的大行程波前校正器兼具调焦功能，通过拟合离焦可以方 便地实现对视网膜不同深度层的层析成像，无调焦运动部件，系统简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明的组成结构原理框图；

图2为本发明中针对某一具体人眼低阶像差进行SPGD寻优控制前后相机获取的信标光 图像，其中（a）为没有进行像差校正时的信标光图像，（b）为SPGD寻优控制结束后的信标 光图像；

图3为本发明中采用第一波前校正器拟合离焦来实现成像区域的纵向扫描原理图。

具体实施方式

为了清楚详细的阐述本发明的实现过程，下面给出了一些本发明的具体实施例。下面参 照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要 的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

如图1所示，双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成像系统由近红外信标光源1、准 直镜2、信标光栏3、第一分光镜4、照明光源5、准直镜6、平面反射镜7、第二分光镜8、 第一波前校正器9、第一透镜10、第一共焦滤波光栏11、第二透镜12、第三透镜13、第四 透镜14、第二波前校正器15、第五透镜16、第二共焦滤波光栏17、第六透镜18、第三分光 镜19、成像透镜20、成像相机21、第七透镜22、第八透镜23、波前传感器24以及由控制 电路25和PC机26构成的控制装置27。人眼以附图标记28标识。

根据本发明的双波前矫正器活体人眼视网膜高分辨力成像系统工作过程可以包括三个 阶段：人眼低阶像差校正阶段、人眼高阶像差校正阶段和视网膜高分辨力成像阶段。

在人眼低阶像差校正阶段中，近红外信标光源1发出信标光，由第一准直镜2准直，经信标 光栏3、第一分光镜4、第二分光镜8、第一波前校正器9、第一透镜10、第一共焦滤波光栏 11、第二透镜12进入人眼28瞳孔；人眼28眼底反射的光，原路返回至第二分光镜8，经第 三透镜13，第四透镜14、第二波前校正器15、第五透镜16、共焦滤波光栏17、第六透镜 18、第三分光镜19、成像透镜20，在成像相机21形成信标光图像，控制装置27读取信标 光图像计算目标函数并调用寻优算法控制第一波前校正器9完成人眼低阶波像差校正。下面 以像清晰度作为目标函数、以随机并行梯度下降（SPGD）算法作为寻优算法为例来具体说明 人眼低阶像差的校正过程。

首先定义目标函数为：

$J=\frac{\mathrm{\Sigma \Sigma }{I}^2(x,y)}{{\left(\mathrm{\Sigma I}(x,y)\right)}^2}$

其中I(x,y)为信标光图像在点(x,y)处的光强值。由于此处只需要校正人眼低阶像差（离焦 与散光），用Zernike像差表示为第3、4、5项，用a3、a4、a5来表示其Zernike系数。目 标函数J为控制矢量a=(a3,a4,a5)的函数。为了使目标函数达到极大值，采用双边扰动SPGD 算法对其进行寻优，其第m+1次迭代过程如下：产生随机扰动△a=(△a3,△a4,△a5)，获得 临时控制矢量a⁺=a^m+△a、a^-=a^m-△a；通过临时控制矢量a⁺、a^-计算出临时控制电压V⁺、V ^-，经控制电路放大后驱动第一波前校正器产生相位变化，成像相机获取临时信标光图像并计 算出临时目标函数J(a⁺)和J(a^-)，其中J(a⁺)和J(a^-)分别为当控制矢量取a⁺和a⁺时获得的 目标函数值；更新控制矢量a^m+1=a^m+λ(△J)△a，其中λ为增益系数，△J=J(a⁺)-J(a^-)。 该迭代过程持续进行直到目标函数不再变大或已迭代指定次数为止。图2给出了针对某一具 体人眼低阶像差进行SPGD寻优控制前后相机获取的信标光图像，图2（a）为没有进行像差 校正时的信标光图像，图2（b）为SPGD寻优控制结束后的信标光图像。

当人眼低阶波像差校正完成后，保持第一波前校正器9不动，进入人眼高阶波像差校正 阶段。人眼28眼底反射的光经第三分光镜19、第七透镜22、第八透镜23后到达波前传感 器24，由波前传感器24测量人眼剩余波像差，经控制装置27处理，获得第二波前校正器 15的控制电压，经放大后驱动第二波前校正器15产生相位变化，以校正人眼高阶波像差。

在完成人眼全部像差校正后，进入视网膜高分辨力成像阶段。打开照明光源开关，照明 光源5发出的照明光由第二准直镜6准直，经平面反射镜7反射到达第一分光镜4，然后沿 着与信标光相同的光路入射人眼并反射后到达第三分光镜19，经成像透镜20聚焦后在成像 相机21上成像。

在对视网膜的成像过程中有时不仅需要对细胞层成像，还需要对血管层进行观察，而这 两层的纵向深度是不同的，需要系统调节不同的焦距来分别成像。以往系统中多采用添加调 焦运动部件完成，增加了系统的复杂性。图3是本实例中采用第一波前校正器9拟合离焦来 实现成像区域的纵向扫描原理图。在第一波前校正器9未拟合离焦前，系统的成像焦点位于 P点处，而在额外产生幅值为D的离焦变形之后，系统的成像焦点移至Q点处，两者之间的 距离d便是调焦的深度，离焦幅值D与调焦深度d之间的关系可由系统的具体参数确定。因 此通过控制第一波前校正器拟合额外的离焦变形就能够实现成像焦深的连续可控变化从而 实现对视网膜组织的不同层纵向扫描。

波前传感器24可以从基于微透镜阵列的哈特曼波前传感器（Hartmann wavefront  sensor）、基于微棱镜阵列的哈特曼波前传感器（参见中国发明专利ZL03126431.X）、曲率波 前传感器（Curvature wavefront sensor）、角锥波前传感器（Pyramid wavefront sensor） 中选择。

波前校正器9和15可以从变形反射镜（Deformable reflective mirror）、液晶波前矫 正器(Liquid crystal wavefront corrector)、微加工薄膜变形镜（Micromachined membrane  deformable mirror）、微机电变形镜(Microelectromechanical（MEMS）deformable mirror)、 双压电陶瓷变形镜（Bimorph deformable mirror）、液体变形镜（Liquid deformable mirror） 中选择。

目标函数可以从像清晰度函数、远场光斑平均半径、远场峰值斯特列尔比中选取。

寻优算法可以从模拟退火算法、单纯形法、模式提取算法、随机并行梯度下降算法中选 取。

总之，本发明采用双波前校正器分别校正人眼低阶和高阶像差，有效提高了系统的像差 校正能力，扩大其人群适用范围；基于信标光图像的人眼低阶像差优化控制校正算法，克服 了当人眼低阶像差大、波前传感器测量准确性差时的像差校正难题；用于人眼低阶像差校正 的大行程波前校正器兼具调焦功能，通过拟合离焦可以方便地实现对视网膜不同深度层的层 析成像，无调焦运动部件，系统简单，易于实现。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本 发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围 不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。