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用于人眼视网膜高分辨率成像的液晶自适应光学系统

孔宁宁  
【摘要】:眼睛是人体内重要的感觉器官,同时也是人体健康状况的“窗口”,很多全身性疾病(例如高血压,糖尿病等)都在眼底有所反应。但是受到人眼屈光系统的像差的限制,现有的眼底成像设备的分辨率只有15-20μm,只能在疾病的中后期进行诊断。为了克服人眼像差的影响,提高眼科成像设备的分辨率,以对眼底更加微细的结构进行观察,人们将自适应光学技术应用到眼科成像设备中,将设备的成像分辨率提高至衍射极限的水平,实现了对活体视网膜细胞的清晰成像。在自适应光学系统中最常用的波前校正器件是变形镜,但是由于其价格昂贵,结构庞大,在眼科成像领域的应用受到了限制。本文采用液晶波前校正器作为波前校正器件,对用于人眼视网膜高分辨率成像的液晶自适应光学系统进行了深入的研究。 液晶波前校正器具有体积小,成本低,校正量大的优点,同时由于液晶分子的色散特性,液晶波前校正器的位相调制特性会随着工作波长的不同而不同,所以在使用之前需要对其位相调制特性进行标定校准。本文提出了一种基于二维位相光栅法的位相调制特性标定方法,这种方法不同于干涉测量方法,对实验环境要求低,而且使用自适应光学系统的光路就可以完成实验,不破坏原有的实验系统,满足在线测量的需求。 由于人眼反射率很低,为了获得高信噪比的眼底图像,实验中采用高量子效率的薄型背照式CCD相机作为成像器件。但是在实验中发现,由于减薄后的CCD芯片内部的多光束干涉较为明显,在对眼底进行成像时,输出图像中会出现明显的条纹背景,严重降低了图像质量。本文首先根据多光束干涉原理分析了影响条纹背景分布的因素,然后提出平场校正的方法对条纹背景进行消除。由于不同人眼的光学结构不同,导致图像中的条纹背景的分布会随着不同人眼而发生变化,提出了采用未进行像差校正的眼底图像作为平场参考图像,取得了良好的处理效果。 除采用高量子效率的CCD作为成像器件外,本文对提高系统的能量利用率进行了深入的研究,首先利用傅里叶光学原理模拟了哈特曼光斑的形成过程,确定了哈特曼波前探测器的采样率。然后又提出了双脉冲的照明方式,只在像差探测和眼底成像时对眼底进行照明,减少了人眼接受光照的时间,保护了人眼安全。在此基础上,通过实验测量了线偏振光照明时,眼底反射光的偏振特性,根据眼底反射光具有较高偏振度的特点,结合液晶波前校正器的偏振依赖特性,提出了双光源偏振光照明开环液晶自适应视网膜高分辨率成像系统。在开环光路的基础上进一步将能量利用率提高至70%左右。 最后,对系统的普适性进行了深入的研究,首先对人眼自视度调节的局限性进行了分析,确定了人眼在完全放松的状态下采用补偿镜对人眼低阶像差进行预补偿的实验方案。并利用Zemax软件模拟得出,若要消除补偿镜表面反射杂光,在环形光阑遮拦中心直径2.67mm的条件下,补偿镜的曲率半径应不大于150mm。然后又分析了眼底多层反射是造成单次校正难以获得清晰视网膜图像的主要原因。提出了连续调焦的时序控制流程,在校正成像的同时,连续调节成像相机的轴向位置以获得最佳像面。 在以上研究的基础上,搭建了实验光路系统,首先对开环液晶自适应光学系统对动态人眼像差的校正精度进行了测量。实验测得,经过校正之后系统的残差波面的RMS值约为0.07λ,对应的Sterhl比均大于0.8,达到了衍射极限的分辨率。然后对不同屈光度的人眼进行了成像实验,获得了清晰的视觉细胞图像。


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