可调焦自适应光学扫描激光眼底成像系统设计 
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1 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[1-4]。由于人眼是一个动态变化的、不完善的光学系统[5],而现有的常规眼底成像设备[6-7]只能校正静态像差,其分辨率(10~15 μm[8])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,Liang等[9-10]首次采用夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS)成功探测到人眼的波前像差,搭建了基于自适应光学(AO)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[11-15]。2002年Roorda等 [13]首次将AO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:1) 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;2) 采用双变形镜(dual-DM)校正人眼低阶像差和高阶像差[16-20],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(±3 m-1屈光度),不利于产品化等,如Chen等[17]采用双变形镜校正人眼像差,35单元Bimorph变形镜校正人眼低阶像差,144单元微机电(MEMS)变形镜校正人眼高阶像差,Zou等[18-19]采用超大行程的Mirao变形镜校正人眼低阶像差,140单元MEMS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:1) 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;2) 折射系统存在色差,影响系统的成像质量;3) 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[21]。
针对上述问题,为了提高低阶像差校正能力,本文采用Badal调焦技术[22-24]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Badal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(AOSLO),采用Zemax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。
2 原理及结构
2.1 Badal系统调焦原理
对于平行光,即无穷远处的物点,Badal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,Badal系统具有如下特点:随着透镜间距的改变,1) 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-1;2) 光瞳处系统角放大率始终为-1,视场角不发生改变;3) 系统等效焦距发生变化,可补偿人眼屈光不正。
AOSLO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AOSLO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Badal系统,根据光瞳衔接原则,人眼瞳孔和AOSLO系统入瞳分别位于Badal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Badal系统,视场角不发生变化,光瞳口径不发生变化,因此Badal系统的引入不影响原系统的成像特性。其Badal系统两透镜间的移动量依赖人眼屈光度数的变化,如
式中:
图 1. Badal系统结构示意图。(a)展开式Badal系统原理示意图,红色标记为调焦后的状态;(b)折叠式Badal系统结构示意图
Fig. 1. Structure diagram of Badal system. (a) Schematic diagram of unfolded Badal system, the red represents state after focusing; (b) structure diagram of folded Badal system
在实际AOSLO系统中,为了使人眼和透镜保持不动,一般采用折叠式Badal系统,即两透镜间加入4块平面反射镜,如
2.2 AOSLO系统结构及原理
如
系统的工作过程如下:视标发出的光经透镜L3准直,通过二色分光镜D1反射耦合进入到照明光路系统中,经过Badal系统,进入到人眼眼底。视标可诱导人眼自动调节并稳定人眼屈光度,再结合Badal系统,补偿人眼屈光度,使照明光入射会聚到眼底视网膜面上的像点尽量小。人眼经Badal系统、D1、透镜L3凝视视标,通过人眼自动调焦以及调节Badal系统反射镜P1和P2之间的距离,使人眼看清视标,此时,基本校正了人眼的离焦像差。
超辐射发光二极管(SLD)经准直器准直后,依次经薄膜分束片(PB1)、望远系统M1~M2、DM、望远系统M3~M4、HS、望远系统M5~M6、VS、望远系统M7~M8、平面反射镜(FM2)、Badal系统等光学元件照射人眼。带有人眼像差的眼底反射光由人眼出射后,反方向依次经过上述一系列光学元件,透过PB1,再次经过PB2、透镜L6、FM1、光阑(ID)、透镜L5等光学元件进入SHWFS,其中ID主要目的是滤去系统中产生的杂散光,提高像差探测精度。SHWFS探测系统及人眼波前像差,通过CCD接收经微透镜阵列分割的波前信息并传递给计算机,通过控制软件完成波前重构,并驱动变形镜面型改变,实现系统像差校正。
最后,重复上一个步骤,SLD光源经上述光学元件,由PB2透射之后经透镜L4聚焦在成像探测器PMT上,在PMT前放置针孔(PH),人眼视网膜成像在PH面上,滤掉系统中产生的杂散光,通过PMT记录经针孔后的像点光强值,作为图像像素值,通过二维光栅扫描眼底成像区域,依次通过PMT采集各像点光强值,通过软件重构出眼底图像。
2.3 AOSLO系统调焦最佳参数
AOSLO系统采用的是折叠式Badal系统,在两透镜间需放置一些光学元件,如平面反射镜,因此两透镜间需预留一些空间。而透镜间光程均与透镜焦距和人眼屈光度有关,如
式中:
表 1. 不同最大近视屈光度下的Badal系统最佳参数
Table 1. Optimum parameters of Badal system for different maximum myopia diopters
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如
3 光学系统设计
3.1 参数设计
根据上述分析的系统结构以及实际要求,主要设计参数如
入瞳:对于成像光路,采用人眼瞳孔作为AOSLO系统的入瞳,正常情况下人眼瞳孔直径为2~8 mm[25],考虑到系统分辨率,尽量取较大的瞳孔作为系统入瞳,再结合变形镜通光口径,这里取入瞳直径为6.6 mm。
光源:像差探测光源和成像光源采用同一种光源。为保证系统成像质量达到最佳,尽量选用波长较短、视网膜反射率较高[26]、眼睛舒适、宽带宽激光光源;为避免影响图像质量尽量消除相干光引起的斑点[27]。采用波长为785 nm的SLD光源。
视场:考虑到人眼等晕角,从等晕区域出射的光其像差变化很小,该区域视网膜的成像质量可认为是不发生变化的,这样只需校正该区域内的某个像素点像差就可以实现整个区域的像差校正。由于AO校正频率较慢,一帧图像中估计只能校正某个像点的像差,所以需在尽量接近等晕角区域内成像,提高整个成像区域的像差校正能力。据报道,瞳孔直径为6 mm,其等晕角约为2°(圆)[28],而瞳孔直径为4~6 mm,其等晕角则小于2.5°×2.5°[29],这里取2.5°×2.5°作为视场角设计指标,即±1.25°×±1.25°。
屈光补偿范围:尽量满足大多数患者的要求,即能校正大多数远视眼和近视眼引起的屈光不正,根据上述分析的结果,屈光补偿范围为-6~6 m-1。
波前校正器:1) 考虑到采用Badal系统校正低阶像差,变形镜校正高阶像差,因此需采用高精度波前校正器;2) 变形镜驱动单元数越多,变形镜重构的面型精度越高;3) 考虑到变形镜精度能充分利用,其驱动单元数尽量与微透镜阵列有效单元数匹配;4) 采用市面上已有的产品,在满足以上条件下尽量减小产品成本。综上考虑,采用140单元Multi-DM微机械可变形反射镜,该反射镜具有功能多样、技术成熟、高分辨率波前校正能力等特点,具体参数为:140个驱动器,最大行程3.5 μm,通光口径4.4 mm×4.4 mm。
波前传感器:SHWFS由微透镜阵列与CCD相机组合而成。微透镜具体参数:大小10 mm×10 mm,透镜间间距为300 μm,有效焦距为18.6 mm;CCD具体参数:1360 pixel×1024 pixel,像素尺寸6.45 μm×6.45 μm,芯片尺寸8.8 mm×6.6 mm。
成像探测器:采用光电倍增管,有效感光面的直径为5 mm。
扫描振镜:横向振镜采用扫描频率为11 kHz的共振扫描振镜,镜片有效面积为4 mm×4 mm。纵向扫描振镜采用检流计扫描振镜,镜片有效面积为8 mm×12 mm。
表 2. 光学设计参数
Table 2. Parameters of optical design
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3.2 光学设计
3.2.1 屈光补偿系统
依据上述分析的原理及参数,视标引导的屈光补偿系统采用视标诱导人眼自动调焦,结合Badal系统,校正不同屈光度人眼离焦像差引起的系统像差。其视标采用590 nm波长的光,移动定位区域视场设定为±4°。为了减小周围视场的像差,可在视标附近瞳孔共轭处放置4 mm直径的光阑,其视标的作用是可诱导人眼自动调焦并稳定人眼屈光度,同时也可引导定位眼底不同的拍摄区域;折叠式Badal调焦系统作用是缩短光路,辅助人眼调焦,保证人眼能看清视标。采用Zemax光学设计软件对屈光补偿系统进行设计和优化,仿真中要求系统在±4°视场内视标成像质量良好,人眼能看清视标,畸变小;此外,再结合眼底照明及成像光路系统的像质要求,则要求系统在±1.25°×±1.25°视场内眼底照明成像质量接近衍射极限。在Zemax光学设计软件中,为确保人眼能够看清无穷远处的视标像,采用理想透镜来准直视标,模拟无穷远处的视标,Zemax仿真的模型如
3.2.2 照明成像系统
依据上述分析的原理及参数,人眼低阶像差(离焦像差)由Badal系统校正,人眼高阶像差由变形镜校正,采用Zemax光学设计软件对眼底照明及成像系统进行设计和优化,分析系统本身的成像质量及人眼视网膜面上的分辨率。在Zemax软件仿真中,其中DM由平面反射镜代替;由于正常人眼的空气等效焦距为17.1 mm[30],采用焦距为17.1 mm的理想透镜及接收屏置于空气中来模拟人眼;由于眼轴变化使得焦点离开视网膜面,造成人眼屈光不正,因此通过改变模拟眼透镜与接收屏的距离来模拟人眼屈光度。由于照明光路系统与自适应成像光路系统共用部分光路系统,其照明光路与成像光路互为可逆光路,这里统称为照明成像系统,采用照射人眼的光路来评价照明成像系统的像质,光路图如
表 3. 结构参数
Table 3. Configuration parameters
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4 光学性能评价
4.1 屈光补偿系统
为了人眼能看清视标,便于人眼屈光度补偿,稳定人眼屈光度,引导定位拍摄区域,要求视标在人眼视网膜面上所成的像具有良好的成像质量,其正常人眼的点列图、场曲和畸变如
图 5. 不同视场下的屈光补偿系统光线点列图。(a) 0.590 μm波长,(b) 0.785 μm波长
Fig. 5. Spot diagrams of diopter compensation system with different fields of view. (a) 0.590 μm wavelength; (b) 0.785 μm wavelength
4.2 照明成像系统
斯特列尔(Strehl)准则同样是一种高质量的像质评价标准,适用于小像差光学系统,当斯特列尔比大于0.8时,认为光学系统的成像质量是完善的,对于共焦激光扫描点成像系统,收集的是像点的光强度,滤掉像点周围的杂散光,因此,斯特列尔比越高,则中心点亮度越亮,信息损失越少,成像越清晰。调制传递函数(MTF)是一种比较全面的像质评价方法,能同时运用于小像差光学系统和大像差光学系统。
表 4. 不同视场(瞳孔处±1.25°)下斯特列尔比分析
Table 4. Strehl ratio analysis at different fields-of-view, from -1.25° to 1.25° at eye pupil
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图 8. 不同结构和屈光度下的调制传递函数图。(a)屈光度为0 m-1;(b)屈光度为-6 m-1;(c)屈光度为+6 m-1
Fig. 8. Modulation Transfer Functions for different FOV. (a) 0 m-1 diopter; (b) -6 m-1 diopter; (c) +6 m-1 diopter
5 公差分析
针对本文设计的AOSLO系统特点,从光学零件加工与装配等方面考虑,设定整个系统各结构参数的具体公差,见
表 5. 光学系统公差数据
Table 5. Tolerance data of optical system
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6 结论
设计了一种可调焦的自适应光学激光扫描眼底成像系统,可实现屈光不正的连续补偿,可适用于-6~6 m-1屈光不正的人群,对±1.25°×±1.25°视场内眼底视网膜可清晰成像。通过诱导人眼凝视视标,调节Badal系统中透镜间间距,可实现人眼低阶像差(离焦像差)校正,使残余像差在变形镜校正范围内,从而实现人眼高低阶像差的自动校正功能。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,成像质量良好,不同屈光度下各视场MTF曲线十分接近衍射极限,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);其中视标成像质量良好,点列图光斑接近艾里斑,畸变小于0.01%。公差分析显示系统具有较好的结构容差,性能可靠。为后续系统成功搭建以及临床研究奠定了基础。
[2] Chapman N. Dell'Omo G, Sartini M S, et al. Peripheral vascular disease is associated with abnormal arteriolar diameter relationships at bifurcations in the human retina[J]. Clinical Science, 2002, 103(2): 111-116.
[3] 吕沛霖, 朱秀萍, 石维华, 等. 糖尿病患者565例视网膜病变初步调查及早期诊断[J]. 国际眼科杂志, 2009, 9(1): 156-158.
[4] 齐岳, 孔宁宁, 李大禹, 等. 高分辨率开环液晶自适应光学视网膜成像系统[J]. 光学学报, 2012, 32(10): 1011003.
[5] 王杨, 王肇圻, 郭欢庆, 等. 人眼的高级像差对视功能的影响[J]. 光学学报, 2005, 25(11): 1519-1525.
[6] 王晓恒, 薛庆生. 大视场手持式免散瞳眼底照相机光学设计[J]. 光学学报, 2017, 37(9): 0922001.
[7] 孔文, 高峰, 樊金宇, 等. 线扫描共聚焦成像技术在生物医学成像中的应用[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(5): 050003.
[8] 孔宁宁, 李大禹, 夏明亮, 等. 开环双脉冲液晶自适应光学视网膜成像系统[J]. 光学学报, 2012, 32(1): 0111002.
[11] 凌宁, 张雨东, 饶学军, 等. 用于活体人眼视网膜观察的自适应光学成像系统[J]. 光学学报, 2004, 24(9): 1153-1158.
[13] Roorda A, Romero-Borja F. Donnelly III W J, et al. Adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy[J]. Optics Express, 2002, 10(9): 405-412.
[25] 李春才, 巩岩, 李晶, 等. 可诱导人眼自动调焦的眼底相机光学系统设计[J]. 光学学报, 2014, 34(4): 0422001.
[27] 孔宁宁, 李抄, 夏明亮, 等. 用于自适应光学视网膜成像的平场校正方法研究[J]. 光学学报, 2011, 31(12): 1211001.
[31] 江慧绿, 廖娜, 李超宏, 等. 高帧频紧凑型自适应光学扫描激光检眼镜[J]. 光学学报, 2015, 35(11): 1117002.
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江慧绿, 李超宏, 廖娜, 厉以宇, 陈浩. 可调焦自适应光学扫描激光眼底成像系统设计[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(2): 022202. Huilü Jiang, Chaohong Li, Na Liao, Yiyu Li, Hao Chen. Optical Design of Adaptive Optics Scanning Laser Ophthalmoscope with Adjustable Focus[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(2): 022202.
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