專利名稱：普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及高度屈光不正人眼的高階像差校正光學(xué)設(shè)
計(jì)，具體地說是一種普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，能夠解決眼底自適應(yīng)成
像技術(shù)在800度以上近視或200度散光條件下清晰成像困難的問題。 視網(wǎng)膜上的血管是人體唯一可以直接看清的小血管，屬于終末血管系統(tǒng)，任何病 理性的破壞和血管梗阻都能導(dǎo)致組織缺氧壞死或破裂滲漏。因此眼底改變是全身疾病的表 現(xiàn)，臨床常用檢眼鏡觀察眼底毛細(xì)血管的變化來判斷病變的情況，如心腦血管及內(nèi)分泌失 調(diào)，動(dòng)脈硬化、高血壓病，中心性漿液性脈絡(luò)視網(wǎng)膜病變，糖尿病視網(wǎng)膜病變等。自上世紀(jì)60 年代以來，檢眼鏡采用眼底熒光血管造影術(shù)，使微細(xì)血管的成像對(duì)比度增加，可清晰觀察直 徑20微米以上的血管。但眼球是個(gè)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，即使是無屈光不正的眼睛也不可避免地 會(huì)存在光學(xué)像差，因此20微米以下的血管成像，眼底熒光血管造影術(shù)也無能為力，更談不 上觀察視覺細(xì)胞。這些像差主要來源于1、眼內(nèi)各屈光介質(zhì)厚度不均勻，表面曲率偏差；2、 眼內(nèi)各屈光介質(zhì)折射率不均勻；3、眼內(nèi)各屈光介質(zhì)不同軸；4、屈光系統(tǒng)對(duì)各色光的折射率 不同等。而為增加成像的光強(qiáng)和提高成像的分辨率，經(jīng)常需要擴(kuò)瞳，擴(kuò)瞳后人眼像差又會(huì)加 劇，更加制約了眼底檢查的效果和成功率。 從上個(gè)世紀(jì)九十年代起，人們開始探討變形鏡自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)在視網(wǎng)膜成像 中的應(yīng)用。系統(tǒng)用哈特曼波前傳感器測(cè)量從眼中出射的波前像差，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理， 然后驅(qū)動(dòng)變形鏡來補(bǔ)償像差。變形鏡自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)可以在500度近視以下的較健康 眼睛上獲得3微米視覺細(xì)胞輪廓的清晰成像，但當(dāng)近視度超過500度時(shí)成像效果就顯著下 降，即使加入近視鏡初步補(bǔ)償，清晰成像仍很困難。這是因?yàn)槟壳笆褂玫淖冃午R驅(qū)動(dòng)單元數(shù) 一般不超過37單元，而隨近視度增加引入的高階像差超出了變形鏡所能校正的空間頻率， 也稱為校正器的空間分辨率。盡管利用微機(jī)電技術(shù)可以使驅(qū)動(dòng)單元數(shù)增加到2000單元以 上，此時(shí)校正量又成為問題，所以至今未在臨床普及。 液晶波前校正器的驅(qū)動(dòng)單元可多達(dá)幾十萬到幾百萬個(gè)，其加工工藝非常成熟，空 間分辨率大大高于傳統(tǒng)的變形鏡。借助于相息圖的衍射光學(xué)方法，液晶波前校正器的校正 范圍可以擴(kuò)展至5 ii m 8 ii m。液晶的響應(yīng)時(shí)間是10ms左右，液晶自適應(yīng)系統(tǒng)的校正頻率 很容易達(dá)到20Hz，完全滿足眼波前自適應(yīng)校正頻率的要求。另外液晶波前校正器工藝成熟， 加工周期短，成本低，因此液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在眼底成像中具有很好的應(yīng)用前景。
有4項(xiàng)視網(wǎng)膜自適應(yīng)校正成像系統(tǒng)的中國(guó)發(fā)明專利提到系統(tǒng)中的校正器可以 是液晶校正器(張雨東，等，中國(guó)發(fā)明專利自適應(yīng)光學(xué)視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，ZL99115053.8， ZL99115054. 6， ZL99115051. 1， ZL99115052. x)，其中兩項(xiàng)專利中采用共光路設(shè)計(jì)，在校正器 之前放置了 1/4波長(zhǎng)板，使入射校正器的光是園偏振光，事實(shí)上液晶校正器是不能在園偏 振光中工作的；另外兩項(xiàng)專利也不是針對(duì)液晶校正器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，置于人眼之前的分束鏡 將人眼出射的光強(qiáng)損耗一半，這對(duì)于能量損耗較大的液晶校正器的系統(tǒng)來說可能是個(gè)致命
背景技術(shù)：
缺點(diǎn)。 目前只有日本報(bào)道了對(duì)700度近視人眼的視覺細(xì)胞成像結(jié)果("In Vivo
measurements of cone photoreceptor spacing in myopic eyesfrom images obtained by an adaptive optics fundus comera， ，， Y. Kitaguchi， et. al， Jpn. J. Ophthalmol，
Vol. 51， p456-461，2007)，雖然該報(bào)道聲稱可以校正更高度近視的像差，但沒有給出照片。 對(duì)于200度散光人眼的眼底自適應(yīng)校正圖像至今還沒有報(bào)道過。這些說明普適性自適應(yīng)像 差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)還沒有設(shè)計(jì)出來。 很多研究小組使用凹透鏡來補(bǔ)償近視人眼的離焦像差、使用柱透鏡補(bǔ)償散光人眼 的像散像差，但成像的清晰程度仍不夠高，說明隨著人眼屈光不正程度的增加，高階像差也 趨嚴(yán)重，要想解決這個(gè)問題，需同時(shí)增加探測(cè)器與校正器的分辨率。 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，基于視度調(diào)節(jié)功能的液晶自適應(yīng)像差校正系統(tǒng) 的光學(xué)設(shè)計(jì)，為了適用于200度散光及其高階像差嚴(yán)重人眼的有效校正，同時(shí)可定量移動(dòng) 眼底成像區(qū)域，提供一種普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)。
本發(fā)明的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖l，由視標(biāo)點(diǎn)光源1、第一透鏡2、第二透鏡3、PBS偏振分束 器(PBS分束器)4、第三透鏡5、線性位移機(jī)構(gòu)6、人眼7、照明光源8、第四透鏡9、旋轉(zhuǎn)毛玻 璃10、第五透鏡11、孔徑光闌12、二向色耦合分束器13、第六透鏡14、液晶波前校正器15、 反射鏡16、第七透鏡17、分光棱鏡18、波前探測(cè)器19、第八透鏡20、成像CCD21組成。其中， 視標(biāo)點(diǎn)光源1提供人眼凝視的視標(biāo)光源，發(fā)光波長(zhǎng)在可見光波段，且為單波長(zhǎng)A '，位于第 一透鏡2的焦點(diǎn)處。第一透鏡2和第二透鏡3組成共軛透鏡組，使視標(biāo)點(diǎn)光源1成像。PBS 分束器4與第二透鏡3的光軸成45。角配置，使視標(biāo)點(diǎn)光源1的成像光束折軸90。。第三 透鏡5到第二透鏡3的光路長(zhǎng)度&由二者的焦距f5、 f3和人眼屈光度數(shù)D來決定，需按公 式(1)進(jìn)行計(jì)算，其中D無單位，其它參量單位為mm。人眼7位于可x-y-z三向線性位移的 頭托架上，x-y平面與光軸垂直，調(diào)節(jié)頭托架可使瞳孔與入射光束中心對(duì)準(zhǔn)。z方向平行于 光軸，調(diào)節(jié)頭托架使人眼7的瞳孔到第三透鏡5的距離為f5。
& = (1000-Df5)f5/1000+f3 (1) 照明光源8為激光點(diǎn)光源，其波長(zhǎng)A依據(jù)眼底成像組織的光學(xué)特性而定，但不同 于視標(biāo)光源的波長(zhǎng)A # A '。旋轉(zhuǎn)毛玻璃10置于第五透鏡11和第四透鏡9的焦面處。 第五透鏡11與第二透鏡3通過二向色耦合分束器13也組成共軛透鏡組，二者之間的光路 長(zhǎng)度為第二透鏡3的焦距f3，使照明光源8的像與視標(biāo)點(diǎn)光源1的像重合。孔徑光闌12 緊貼于第五透鏡11之后，其孔徑可調(diào)節(jié)，以控制入眼光束略小于被測(cè)人眼瞳孔的直徑。二 向色耦合分束器13置于孔徑光闌12之后，并插入第一透鏡2與第二透鏡3之間，形成與兩 互為垂直的光軸成45。角配置，兩互為垂直的光軸是指第四透鏡9、第五透鏡的光軸與第 一透鏡2和第二透鏡3組成共軛透鏡組的光軸垂直，反射端和透射端分別面向孔徑光闌12 和第一透鏡2。 二向色耦合分束器13的作用是利用照明光源與視標(biāo)光源的光波長(zhǎng)不同，分 別反射照明光、透射視標(biāo)光源的光，形成二光束共光路進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)。第二透鏡3和第三透 鏡5通過PBS分束器4組成共軛透鏡組，用于將孔徑光闌12成像于人眼瞳孔處。第六透鏡 14與第二透鏡3通過PBS分束器4形成共焦面配置，并使其焦點(diǎn)向左側(cè)偏離L距離，L為
發(fā)明內(nèi)容4mm 6mm，以使入射和反射出液晶波前校正器15的兩束光分別左右偏心通過第六透鏡14。 液晶波前校正器15置于第六透鏡14的焦點(diǎn)，其校正偏振方向與P偏振光吻合，從液晶波前 校正器15反射的光束在到達(dá)反射鏡16時(shí)反射與入射二者的光軸能相隔2L距離，使得只有 反射光束被反射鏡16接收。反射鏡16與第六透鏡14和第七透鏡17的光軸成45。角放 置，將光束折軸。后續(xù)的第七透鏡17和第八透鏡20是共軛透鏡組，二者之間的距離為前者 的焦距，光束通過共軛透鏡組后可在成像CCD21上成像。成像CCD21置于第八透鏡20的焦 點(diǎn)處。在第七透鏡17和第八透鏡20中間放置分光棱鏡18，將此平行光束分成互為垂直的 兩束。垂直向的光束進(jìn)入波前探測(cè)器19，波前探測(cè)器19為哈特曼波前探測(cè)器，其位置須通 過分光棱鏡18與第七透鏡17共軛，故二者之間的光路長(zhǎng)度為第七透鏡17的焦距長(zhǎng)度。
在這樣設(shè)計(jì)中，本發(fā)明視標(biāo)點(diǎn)光源1和照明光源8都會(huì)在第三透鏡5的前焦點(diǎn)處 成虛像，該成像面到被測(cè)人眼瞳孔的距離為明視距離。人眼凝視明視距離處的視標(biāo)并達(dá)到 視覺清晰時(shí)，可大幅減少離焦像差。用明視距離處的照明點(diǎn)光源照亮眼底，從眼底反射出來 的光成為信號(hào)光，且為消偏振的球面波，經(jīng)人眼前角膜出射后攜帶著前角膜反射干擾光通 過第三透鏡5會(huì)聚其焦點(diǎn)處，然后到達(dá)PBS分束器4。在PBS分束器4的透射端只有攜帶眼 底信號(hào)的P偏振光出射，濾除掉了角膜反射的S偏振干擾光。P偏振光再經(jīng)過第六透鏡14 后成為與液晶波前校正器15孔徑匹配的平行光束，且P偏振方向與液晶波前校正器15的 校正偏振方向一致。投射到液晶波前校正器15的眼底信號(hào)光束經(jīng)波前像差校正后反射，再 經(jīng)過第六透鏡14成為會(huì)聚光、并與入射光分離，到達(dá)反射鏡16折軸會(huì)聚成像于第七透鏡17 的前焦點(diǎn)處。該像點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)分光棱鏡18又被分為兩束，一束進(jìn)入波前探測(cè)器19檢測(cè) 校正后的殘余像差，另一束在共軛透鏡組第七透鏡17和第八透鏡20的作用下將眼底圖像 成像于CCD21。 為應(yīng)對(duì)人眼的各種高階像差，并能控制眼底成像區(qū)域的位置，達(dá)到普適性的像差
自適應(yīng)校正視網(wǎng)膜成像的目的，下面對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。所述的視標(biāo)點(diǎn)光源1由TFT-LCD屏構(gòu)成，能夠顯示上下尺寸不超過2mm的"E"字，
"E"即為視標(biāo)點(diǎn)光源1。當(dāng)需要改變眼底成像區(qū)域時(shí)，就在LCD屏上移動(dòng)"E"的位置即可。
為增強(qiáng)凝視效果，TFT-LCD屏的發(fā)光波長(zhǎng)A '設(shè)計(jì)在可見光波段，波段寬度不超過50nm。
TFT-LCD屏的像素尺寸在200 ii m 400 y m。 所述的液晶校正器15為純位相型反射式液晶波前校正器，位相調(diào)制深度為 0.95A 1. 1A(A為照明光源的波長(zhǎng))，液晶對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的響應(yīng)時(shí)間《15ms，像素?cái)?shù)
> 512X512個(gè)，灰度級(jí)數(shù)^ 50，此處灰度級(jí)對(duì)應(yīng)校正器位相調(diào)制步長(zhǎng)的電壓分度值，位相 調(diào)制步長(zhǎng)《入/50。 所述的波前探測(cè)器19為哈特曼型波前探測(cè)器，具有200 300個(gè)有效微透鏡， 2mm 5mm接收孔徑，探測(cè)波段以照明光源的光波長(zhǎng)為中心，量子效率〉50%，工作頻率
> 70Hz，測(cè)量誤差峰谷值《0. 1 A 、均方根值《0. 02入。 所述的成像CCD21，在照明光源的光波長(zhǎng)處量子效率〉50%、在讀出速率10腿z時(shí) 讀出噪聲《7個(gè)電子，像素?cái)?shù)^ 512X512個(gè)。 所述的照明光源8為單模激光器，其波長(zhǎng)A # A '，出射激光經(jīng)單模光纖耦合形 成點(diǎn)光源，功率在10mW 20mW范圍。 所述的第一透鏡2、第二透鏡3、第三透鏡5、第四透鏡9、第五透鏡11、第六透鏡14、第七透鏡17、第八透鏡20為雙膠合消色差透鏡。 所述的PBS分束器4在照明光波長(zhǎng)A為中心的波段內(nèi)以1X10—3消光比的良好偏
振特性透過P光，對(duì)反射光束S光的偏振特性沒有定量要求。所述的線性位移機(jī)構(gòu)6為一維位移器，位移精度lmm，行程80mm。 所述的旋轉(zhuǎn)毛玻璃10為一塊表面經(jīng)過磨沙的玻璃片，具有75% 80%的透過率，
由電機(jī)控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率范圍1000rpm 2000rpm。 所述的孔徑光闌12為圓形小孔，孔徑可以在lmm到10mm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)?？讖?光闌12也可以為環(huán)形光闌，產(chǎn)生環(huán)形光束入射人眼，直接濾除人眼角膜正入射區(qū)域的強(qiáng)反 射干擾光。 所述的二向色耦合分束器13具有反射波長(zhǎng)為A的照明光和透射波長(zhǎng)為A '的視 標(biāo)光的能力。 所述的反射鏡16為薄型平面反射鏡，鏡面直徑或邊長(zhǎng)為10mm 15mm，厚度lmm 2mm。 所述的分光棱鏡18為普通分光棱鏡。 在本發(fā)明中，對(duì)液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵器件的參數(shù)設(shè) 計(jì)，使之不僅能夠?qū)?00度以上單純近視人眼進(jìn)行有效校正，而且可以對(duì)200度散光及其高 階像差嚴(yán)重的人眼進(jìn)行有效校正，形成普適性的液晶自適應(yīng)光學(xué)眼底成像系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為視標(biāo)點(diǎn)光源，2為第一透鏡，3為第二 透鏡，4為PBS分束器，5為第三透鏡，6為線性位移機(jī)構(gòu)，7為人眼，8為照明光源，9為第四 透鏡，10為旋轉(zhuǎn)毛玻璃，11為第五透鏡，12為孔徑光闌，13為二向色耦合分束器，14為第六 透鏡，15為液晶波前校正器，16為反射鏡，17為第七透鏡，18為分光棱鏡，19為波前探測(cè)器， 20為第八透鏡。21為成像CCD。視標(biāo)點(diǎn)光源1上的"E"可以移動(dòng)，用來改變眼底成像區(qū)域。 系統(tǒng)中的液晶波前校正器15和波前探測(cè)器19具備很高的分辨率，可以滿足200度散光人 眼的高階像差校正要求。 圖2為200度散光兼有200度近視人眼在本發(fā)明系統(tǒng)上獲得的視網(wǎng)膜視覺細(xì)胞圖 像，其中(a)為校正前，(b)為校正后。
具體實(shí)施例方式
1)采用3. 5英寸TFT-LCD屏，像素尺寸300 y m，前面放置510nm 550nm的窄帶 濾光片，使發(fā)光中心波長(zhǎng)A '為530nm，驅(qū)動(dòng)LCD屏使其顯示出1. 5mm的"E"作為視標(biāo)點(diǎn)光 源1。 2)所用照明光源8為小型半導(dǎo)體激光器，帶有光纖耦合，纖芯直徑100 ii m，發(fā)光波 長(zhǎng)A為808nm，輸出功率在10mW 20mW范圍可調(diào)。 3)第一透鏡2、第二透鏡3、第三透鏡5、第四透鏡9、第五透鏡11、第六透鏡14、第 七透鏡17、第八透鏡20均為雙膠合消色差透鏡，且表面鍍有增透膜?？趶揭来螢?0mm、 25mm、25mm、10mm、20mm、40mm、20mm、20mm ;焦距依次為150mm、250mm、200mm、30mm、50mm、 250mm、86mm、100mm。
4)選擇人眼7為200度散光兼有200度近視，其明視距離200mm，調(diào)節(jié)線性位移機(jī) 構(gòu)6使第三透鏡5到第二透鏡3的光路長(zhǎng)度為250mm，在較暗環(huán)境下瞳孔直徑穩(wěn)定在6mm。
5)制做旋轉(zhuǎn)毛玻璃IO，選取厚度為lmm的磨沙薄玻璃片，眼底照明用激光的透過 率為75%。將磨沙薄玻璃片粘貼于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，電機(jī)以1000rpm的速度旋轉(zhuǎn)，從而消除了激
光散斑效應(yīng)。 6)所用孔徑光闌12，采用lmm到10mm連續(xù)調(diào)節(jié)的小孔光闌，緊貼于第五透鏡11 后。由于被測(cè)的瞳孔直徑為6. Omm，故將孔徑光闌12的直徑控制到7. 3mm，使其共軛像略小 于瞳孔。 7)所用二向色耦合分束器13， 口徑25mm，對(duì)808nm波長(zhǎng)的眼底照明光具有95X的 反射率，對(duì)550nm波長(zhǎng)的視標(biāo)光具有95%的透過率。 8)所用PBS分束器4，直徑50mm，當(dāng)808nm波長(zhǎng)的眼底照明光透過時(shí)分出的P偏振 光的消光比為1X10—3。 9)所用液晶校正器15，純位相型反射式LCOS器件，位相調(diào)制深度為 0. 97 A (785nm)，像素?cái)?shù)512X512個(gè)，50灰度級(jí)，像素面積15 y mX 15 y m，在電場(chǎng)中的響應(yīng) 時(shí)間15ms，反射率61X。 10)所用的反射鏡16，面積15mmX15mm，厚度2mm，反射率95X。 11)所用的分光棱鏡18為普通分光棱鏡，對(duì)808nm波長(zhǎng)眼底照明光的透反比約為
i : L 12)所用波前探測(cè)器19，哈特曼型，有效微透鏡數(shù)為m = 233， 2. 5mm接收孔徑，配
置的CCD為ANDOR公司生產(chǎn)，型號(hào)EM-DV897， 128X 128像素，量子效率在808nm波長(zhǎng)處為
70%，波前探測(cè)速度200Hz，測(cè)量誤差峰谷值0. 05A ，均方根值O. Ol入。 13)所用成像CCD21， AND0R公司生產(chǎn)，型號(hào)EM-DV897，512X512像素，曝光時(shí)間
15ms。 14)利用上述元件按照?qǐng)D1所示的光路搭建了視度自調(diào)節(jié)液晶自適應(yīng)像差校正視 網(wǎng)膜成像光學(xué)結(jié)構(gòu)，配置了自適應(yīng)控制與信號(hào)處理分系統(tǒng)，形成完整功能的視度自調(diào)節(jié)自 適應(yīng)像差校正成像系統(tǒng)。 15)為使瞳孔能便利地與入射光軸對(duì)準(zhǔn)，設(shè)置瞳孔相機(jī)對(duì)瞳孔位置進(jìn)行標(biāo)定在 人眼前上方20mm 30mm距離處放置一紅外LED，發(fā)光波長(zhǎng)830nm 900nm，照明被測(cè)者瞳 孔，使瞳孔成像于第二透鏡3的焦點(diǎn)處。在第二透鏡3和二向色耦合分束器13之間再插入 一分色片，使紅外LED的光束垂直反射出光路，但不影響波長(zhǎng)小于830nm的照明與視標(biāo)光束 通過。在第二透鏡3的折軸焦面處設(shè)置瞳孔相機(jī)，在瞳孔的設(shè)計(jì)位置放置一漫反射屏取代 人眼。打開照明光源8，反射屏上一圓形區(qū)域被照亮，該亮斑的中心即為瞳孔中心應(yīng)處的位 置。開啟瞳孔相機(jī)拍攝漫反射屏上的亮斑。以該亮斑中心為圓心，基本瞳孔半徑3mm為半 徑畫一圓圈，作為瞳孔的標(biāo)準(zhǔn)位置，將該圓圈保存到文件，存入程序控制計(jì)算機(jī)中。關(guān)閉照 明光源8，撤出漫反射屏。 16)人眼瞳孔對(duì)準(zhǔn)入射光軸的步驟將上步驟獲得的標(biāo)記瞳孔位置的圓圈附加到 瞳孔相機(jī)的圖像顯示區(qū)域，以該圓圈為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)瞳孔。打開視標(biāo)點(diǎn)光源l，粗調(diào)頭架以使人 眼能看到視標(biāo)。開啟瞳孔相機(jī)，對(duì)人眼瞳孔進(jìn)行錄像，細(xì)調(diào)頭架，直到瞳孔像與標(biāo)定圓圈重
17)建立波前探測(cè)器19對(duì)波前校正器15的響應(yīng)矩陣R:首先將人眼7用模擬眼替 代；模擬眼由一雙膠合透鏡和一漫反射屏組成，其中雙膠合透鏡的焦距為20mm，模擬人眼 晶狀體，放置在原人眼瞳孔所處的位置，漫反射屏模擬視網(wǎng)膜，放置在原人眼視網(wǎng)膜所處的 位置。開啟照明光源8，可以在漫反射屏上看到會(huì)聚光點(diǎn)。開啟波前探測(cè)器19可以探測(cè)到 從模擬眼出射的波前，前后移動(dòng)調(diào)節(jié)漫反射屏直到被測(cè)波前上的峰谷值最小。然后開啟響 應(yīng)矩陣測(cè)量控制軟件，測(cè)量前36項(xiàng)Zernike模式波前的響應(yīng)矩陣R。 響應(yīng)矩陣測(cè)量的基本原理令Zernike多項(xiàng)式每一項(xiàng)前面的系數(shù)為1，以波長(zhǎng)入 為單位，分別解出36項(xiàng)Zernike項(xiàng)的面形位相數(shù)值解；利用事先測(cè)好的液晶波前校正器15 的位相_灰度級(jí)響應(yīng)關(guān)系，依次將每一項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式ZK(x， y)的面形位相數(shù)值轉(zhuǎn)換成液 晶校正器15上的灰度級(jí)分布圖形，然后通過計(jì)算機(jī)逐個(gè)施加到液晶波前校正器15上。計(jì) 算機(jī)讀出波前探測(cè)器19對(duì)應(yīng)每項(xiàng)Zernike模式的微透鏡焦斑陣列在x軸和y軸上的斜率 分布。因?yàn)榈谝豁?xiàng)為平移模式可以省略，所以由這一系列波前斜率組成一個(gè)2X(M-1)行、 2Xm列的二維矩陣R，<formula>formula see original document page 10</formula> 此處k為Zernike多項(xiàng)式項(xiàng)序數(shù)，k最大為M = 36，故k = 2…36 ;m為哈特曼探 測(cè)器上的有效微透鏡個(gè)數(shù)，233個(gè)。這個(gè)二維矩陣即為響應(yīng)矩陣R。 18)撤掉模擬眼，被測(cè)量人眼7位于圖l所示位置處，開始人眼眼底的自適應(yīng)校正 成像過程首先點(diǎn)亮視標(biāo)點(diǎn)光源l，令人眼主動(dòng)凝視成像面處的視標(biāo)，直到視覺清晰。先后 開啟旋轉(zhuǎn)毛玻璃10、成像CCD21和照明光源8，成像CCD21的曝光時(shí)間設(shè)置為15ms。波前探 測(cè)器19接收經(jīng)人眼7反射出來的光，將其波前轉(zhuǎn)化為2m列波前斜率向量，此處m = 233 :
<formula>formula see original document page 10</formula> 貝U由p-fli (a是Zernike多項(xiàng)式每一項(xiàng)前面的系數(shù)ak構(gòu)成的向量)有a = pi 一1 ， 據(jù)此式即可得到所探測(cè)波前的Zernike方程，解出波前上的位相數(shù)值。根據(jù)液晶波前校正 器15的位相與灰度級(jí)的關(guān)系，將波前位相數(shù)值轉(zhuǎn)換為灰度級(jí)反饋給液晶波前校正器15，液 晶波前校正器15進(jìn)行波前校正。成像CCD21 —直工作，記錄下校正前后的眼底視網(wǎng)膜圖像， 如圖2。 19)分析結(jié)果 自適應(yīng)校正前后拍攝的200度散光兼有200度近視人眼的視覺細(xì)胞圖像如圖 2(a) 、(b)所示，看出自適應(yīng)校正效果顯著，由校正前圖2(a)什么信息也看不清楚的圖片看 到像差校正后圖2(b)清晰的3iim直徑的視覺細(xì)胞圖像。在這樣高度散光人眼上獲得的視 覺細(xì)胞圖像，迄今還未見公開發(fā)表過，表明了本發(fā)明的普適性效果。
權(quán)利要求
一種普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是由視標(biāo)點(diǎn)光源(1)、第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、PBS分束器(4)、第三透鏡(5)、線性位移機(jī)構(gòu)(6)、人眼(7)、照明光源(8)、第四透鏡(9)、旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)、第五透鏡(11)、孔徑光闌(12)、二向色耦合分束器(13)、第六透鏡(14)、液晶波前校正器(15)、反射鏡(16)、第七透鏡(17)、分光棱鏡(18)、波前探測(cè)器(19)、第八透鏡(20)、成像CCD(21)構(gòu)成；其中第一透鏡(2)和第二透鏡(3)組成共軛透鏡組，使視標(biāo)點(diǎn)光源(1)成像；第五透鏡(11)與第二透鏡(3)通過二向色耦合分束器(13)組成共軛透鏡組，二者之間的光路長(zhǎng)度為第二透鏡(3)的焦距f3，使照明光源(8)的像與視標(biāo)點(diǎn)光源(1)的像重合；第二透鏡(3)和第三透鏡(5)通過PBS分束器(4)組成共軛透鏡組，將孔徑光闌(12)成像于人眼瞳孔處；第六透鏡(14)與第二透鏡(3)通過PBS分束器(4)形成共焦面配置，并使其焦點(diǎn)向左側(cè)偏離L距離，L為4mm～6mm，使入射和反射出液晶波前校正器(15)的兩束光分別左右偏心通過第六透鏡(14)；第七透鏡(17)和第八透鏡(20)是共軛透鏡組，二者之間的距離為前者的焦距，光束通過共軛透鏡組后在成像CCD(21)上成像；波前探測(cè)器(19)通過分光棱鏡(18)與第七透鏡(17)共軛，二者之間的光路長(zhǎng)度為第七透鏡(17)的焦距長(zhǎng)度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是視標(biāo) 點(diǎn)光源(1)位于第一透鏡(2)的焦點(diǎn)處，PBS分束器(4)與第二透鏡(3)的光軸成45。角 配置，使視標(biāo)點(diǎn)光源(1)的成像光束折軸90。；第三透鏡(5)到第二透鏡(3)的光路長(zhǎng)度 4由二者的焦距f5、 f3和人眼屈光度數(shù)D來決定，按公式& = (1000-Df5) f5/1000+f3進(jìn)行 計(jì)算，其中D無單位，其它參量單位為mm;人眼(7)位于可x-y-z三向線性位移的頭托架上， x_y平面與光軸垂直，z方向平行于光軸；旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)置于第五透鏡(11)和第四透鏡 (9)的焦面處，孔徑光闌(12)緊貼于第五透鏡(11)之后，調(diào)節(jié)孔徑控制入眼光束略小于被 測(cè)人眼瞳孔的直徑；二向色耦合分束器(13)置于孔徑光闌(12)之后，插在第一透鏡(2)與 第二透鏡(3)之間，形成與兩互為垂直的光軸成45。角配置，兩互為垂直的光軸是指第四 透鏡(9)、第五透鏡(11)的光軸與第一透鏡(2)和第二透鏡(3)組成共軛透鏡組的光軸垂 直；液晶波前校正器(15)置于第六透鏡(14)的焦點(diǎn)，其校正偏振方向與P偏振光吻合；反 射鏡(16)與第六透鏡(14)和第七透鏡(17)的光軸成45。角放置，將光束折軸；在第七透 鏡(17)和第八透鏡(20)中間放置分光棱鏡(18)，將平行光束分成互為垂直的兩束，垂直向 的光束進(jìn)入波前探測(cè)器(19)，直向的光束進(jìn)入置于第八透鏡(20)焦點(diǎn)處的成像CCD(21)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是視標(biāo) 點(diǎn)光源(1)提供人眼凝視的視標(biāo)光源，發(fā)光波長(zhǎng)在可見光波段，且為單波長(zhǎng)A ';調(diào)節(jié)頭托 架使瞳孔與入射光束中心對(duì)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)頭托架使人眼(7)的瞳孔到第三透鏡(5)的距離為f" 照明光源(8)為激光點(diǎn)光源，其波長(zhǎng)A依據(jù)眼底成像組織的光學(xué)特性而定，且A # A '; 二向色耦合分束器(13)反射端和透射端分別面向孔徑光闌(12)和第一透鏡(2)，分別反射 照明光、透射視標(biāo)光源的光，形成二光束共光路進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是視標(biāo) 點(diǎn)光源(1)和照明光源(8)會(huì)在第三透鏡(5)的前焦點(diǎn)處成虛像，該成像面到被測(cè)人眼瞳 孔的距離為明視距離；用明視距離處的照明點(diǎn)光源照亮眼底的信號(hào)光，從眼底反射出來成 為消偏振的球面波，經(jīng)人眼前角膜出射后攜帶著前角膜反射干擾光通過第三透鏡(5)會(huì)聚 其焦點(diǎn)處，然后到達(dá)PBS分束器(4);在PBS分束器(4)的透射端只有攜帶眼底信號(hào)的P偏振光出射，濾除掉了角膜反射的S偏振干擾光；P偏振光再經(jīng)過第六透鏡(14)后成為與液晶波前校正器(15)孔徑匹配的平行光束，且P偏振方向與液晶波前校正器15的校正偏振方向一致；投射到液晶波前校正器(15)的眼底信號(hào)光束經(jīng)波前像差校正后反射，再經(jīng)過第六透鏡(14)成為會(huì)聚光、并與入射光分離，到達(dá)反射鏡(16)折軸會(huì)聚成像于第七透鏡(17)的前焦點(diǎn)處；該像點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)分光棱鏡(18)又被分為兩束，一束進(jìn)入波前探測(cè)器(19)檢測(cè)校正后的殘余像差，另一束在共軛透鏡組第七透鏡(17)和第八透鏡(20)的作用下將眼底圖像成像于成像CCD(21)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是所述的視標(biāo)點(diǎn)光源(1)由TFT-LCD屏構(gòu)成，使LCD屏顯示出上下尺寸不超過2mm的"E"字，"E"作為視標(biāo)點(diǎn)光源；所述的液晶校正器(15)為純位相型反射式液晶波前校正器，位相調(diào)制深度為0.95 A 1. 1 A ，液晶對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的響應(yīng)時(shí)間15ms，像素?cái)?shù)512X512個(gè)，灰度級(jí)50，此處灰度級(jí)對(duì)應(yīng)校正器位相調(diào)制步長(zhǎng)的電壓分度值，位相調(diào)制步長(zhǎng)《入/50 ;所述的波前探測(cè)器(19)為哈特曼型波前探測(cè)器，具有200 300個(gè)有效微透鏡，2mm 5mm接收孔徑，探測(cè)波段以照明光源的光波長(zhǎng)為中心，量子效率> 50 % ，工作頻率70Hz，測(cè)量誤差峰谷值《0. 1 A 、均方根值《0. 02入；所述的成像CCD(21)，在照明光源的光波長(zhǎng)處量子效率> 50%、在讀出速率lOMHz時(shí)讀出噪聲7個(gè)電子，像素?cái)?shù)512X512個(gè)；所述的照明光源(8)為單模激光器，出射激光經(jīng)單模光纖耦合形成點(diǎn)光源，功率在10mW 20mW范圍；所述的第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、第三透鏡(5)、第四透鏡(9)、第五透鏡(11)、第六透鏡(14)、第七透鏡(17)、第八透鏡(20)為雙膠合消色差透鏡；所述的PBS分束器(4)在照明光波長(zhǎng)A為中心的波段內(nèi)以1X10—3消光比的偏振特性透過P光，對(duì)反射光束S光的偏振特性沒有定量要求；所述的線性位移機(jī)構(gòu)(6)為一維位移器，位移精度lmm，行程80mm;所述的旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)為一塊表面經(jīng)過磨沙的玻璃片，具有75% 80%的透過率，由電機(jī)控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率范圍1000rpm 2000rpm ;所述的孔徑光闌(12)為圓形小孔，孔徑在lmm到lOmm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；所述的二向色耦合分束器(13)具有反射波長(zhǎng)為A的照明光和透射波長(zhǎng)為A '的視標(biāo)光的能力；所述的反射鏡(16)為薄型平面反射鏡，鏡面直徑或邊長(zhǎng)為10mm 15mm，厚度lmm 2mm 5所述的分光棱鏡(18)為普通分光棱鏡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是當(dāng)需要改變眼底成像區(qū)域時(shí)，就在LCD屏上移動(dòng)"E"的位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是TFT-LCD屏的發(fā)光波長(zhǎng)A '在可見光波段，波段寬度不超過50nm， TFT-LCD屏的像素尺寸在200 ii m 400 ii m。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，其特征是1) 采用3. 5英寸TFT-LCD屏，像素尺寸300 y m，前面放置510nm 550nm的窄帶濾光片，使發(fā)光中心波長(zhǎng)A '為530nm，驅(qū)動(dòng)LCD屏使其顯示出1. 5mm的"E";2) 所用照明光源(8)為小型半導(dǎo)體激光器，纖芯直徑lOOym，發(fā)光波長(zhǎng)A為808nm;3) 第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、第三透鏡(5)、第四透鏡(9)、第五透鏡(11)、第六透鏡(14)、第七透鏡(17)、第八透鏡(20)表面均鍍有增透膜，口徑依次為20mm、25mm、25mm、10mm、20mm、40mm、20mm、20mm ;焦距依次為150mm、250mm、200mm、30mm、50mm、250mm、86mm、100mm ;4) 旋轉(zhuǎn)毛玻璃(10)磨沙薄玻璃片的厚度為lmm，眼底照明用激光的透過率為75% ;將磨沙薄玻璃片粘貼于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，電機(jī)以1000rpm的速度旋轉(zhuǎn)；5) 所用孔徑光闌(12)，采用lmm到10mm連續(xù)調(diào)節(jié)的小孔光闌，被測(cè)的瞳孔直徑為6.0mm，孔徑光闌(12)的直徑控制到7. 3mm ;6) 所用二向色耦合分束器(13)， 口徑25mm，對(duì)808nm波長(zhǎng)的眼底照明光具有95X的反射率，對(duì)550nm波長(zhǎng)的視標(biāo)光具有95%的透過率；7) 所用PBS分束器(4)，直徑50mm，當(dāng)808nm波長(zhǎng)的眼底照明光透過時(shí)分出的P偏振光的消光比為1X10—3;8) 所用液晶校正器(15)，純位相型反射式LC0S器件，位相調(diào)制深度為0.97A即785nm，像素?cái)?shù)512X512個(gè)，50灰度級(jí)，像素面積15iimX15iim，在電場(chǎng)中的響應(yīng)時(shí)間15ms，反射率61% ;9) 所用的反射鏡(16)，面積15mm X 15mm，厚度2mm，反射率95% ;10) 所用的分光棱鏡(18)對(duì)808nm波長(zhǎng)眼底照明光的透反比約為1 : 1;11) 所用波前探測(cè)器(19)有效微透鏡數(shù)為m二 233，2. 5mm接收孔徑，配置的CCD為ANDOR公司生產(chǎn)，型號(hào)EM-DV897， 128X 128像素，量子效率在808nm波長(zhǎng)處為70% ，波前探測(cè)速度200Hz，測(cè)量誤差峰谷值0. 05入，均方根值0. 01入;12) 所用成像CCD(21)為AND0R公司生產(chǎn)，型號(hào)EM-DV897，512X512像素，曝光時(shí)間15ms。
全文摘要
本發(fā)明屬于顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及高度屈光不正人眼的高階像差校正光學(xué)設(shè)計(jì)，是一種普適性液晶自適應(yīng)像差校正視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)。本發(fā)明采用LCD屏顯示視標(biāo)點(diǎn)光源，并將視標(biāo)設(shè)計(jì)成“E”字，使視度自調(diào)節(jié)效果加強(qiáng)，同時(shí)“E”字的微位移在LCD屏上很容易控制，可以定量改變成像區(qū)域的位置。通過這幾個(gè)關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)，提高了液晶自適應(yīng)系統(tǒng)在眼底成像中的普適性，能夠解決眼底自適應(yīng)成像技術(shù)在800度以上近視或200度散光條件下清晰成像困難的問題，使該系統(tǒng)能夠在200度散光的人眼上穩(wěn)定獲得高分辨率視網(wǎng)膜成像。
文檔編號(hào)A61B3/12GK101791212SQ20091026666
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者劉永剛, 宣麗, 彭增輝, 曹召良, 李大禹, 李抄, 穆全全, 胡立發(fā), 魯興海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所