激光为光源的液晶自适应眼底成像系统

摘要：本文介绍了基于液晶波前校正器的模拟人眼眼底自适应成像系统,该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差从1.92m降低到0.048m系统分辨率接近70lp/mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正

基于液晶空间光调制器波前调制量大,像素密度高,驱动电压低等优点,用液晶空间光调制器作为校正眼像差的关键元件,研制了用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统.介绍了液晶空间光调制器的波前调制原理,利用ZYGO干涉仪测定了位相调制和灰度级的关系曲线.分别用Hartman-Shack波前探测器和高分辨率液晶空间光调制器探测和校正人眼的波前畸变,对近视5 m~(-1) (500度)的人眼进行了自适应校正实验.校正后,系统的波前误差为0.086λ PV和0.013λ RMS, 达到了系统的衍射极限,并可清晰地分辨眼底原来模糊的细胞.实验结果表明,液晶空间光调制器可以有效校正畸变波前,达到提高成像质量的目的.     

LCOS人眼像差校正仪的系统控制实现

建立了一套基于LCOS校正器的人眼像差自适应校正系统,并为该系统编写了一套完整的控制软件。该系统采用哈特曼波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过PC计算处理后转化为灰度图,再通过PC把灰度图发送给LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过实测,系统波前误差得到大幅度降低。实测表明,该系统的控制软件算法可以实现低阶大像差情况下人眼视网膜高分辨率成像。     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正研究

目的:本文对一个用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统的性能进行测试和研究。方法:沙克-哈特曼波前探测器,高分辨率的液晶空间光调制器分别被用来探测和校正人眼的畸变波前。结果:对近视500度的人眼进行自适应校正后校正精度达到波前残差的均方根误差为0.013个波长（=0.808 nm）。眼底原来模糊的细胞可以被清晰分辨。结论:液晶空间光调制器可以有效校正人眼畸变波前,达到提高成像质量的目的。     

1200mm望远镜开环液晶自适应光学系统设计

为验证液晶自适应光学成像技术校正大气湍流所引起的波前像差的有效性,提高光学系统的能量利用率,应用Ze-max软件设计出了与1200mm望远镜匹配的开环液晶自适应光学系统。针对开环自适应光学系统探测光路和校正光路自身的特殊要求,制定了具体的公差原则,并应用Zemax软件进行了公差分析。分析表明,设计的自适应光学系统具备较宽松的公差条件,容易加工和装调。评价了该光学系统的成像性能,结果表明,设计的自适应光学系统的MTF曲线接近衍射极限,光学传递函数的模在50lp/mm时可达到0.4,而成像CCD的极限分辨率为31lp/mm,充分地利用了CCD相机的分辨资源。该自适应光学系统与1200mm望远镜对接匹配后的组合焦距为19.9m,F数为16,PV值为0.0314λ。     

柱面系统无畸变指纹采集仪的光学设计

针对以往无畸变指纹采集仪多采用棱镜补偿方案,系统存在棱镜的固有像散,光学系统难以补偿这种像差获得较高成像质量这一问题,提出了一种采用柱面系统结合双远心物镜校正投影畸变的新方案。该方案利用双柱面系统,在棱镜没有压缩图像的方向上压缩图像;利用双远心光路,消除物面和像面存在倾斜时的梯形畸变。采用该方案进行的计算机建模,经过合理调整优化函数,平衡各种像差,获得了比棱镜补偿校正畸变方案更高的成像质量。指纹采集仪得到了指纹采集方(物方)大部分视场的传递函数值在特征频率5 lp/mm(对应像方40 lp/mm)时＞0.377, 在特征频率10 lp/mm(对应像方80 lp/mm)时＞0.139的结果,大部分视场传递函数提高到棱镜补偿方案的1.6倍,同时各视场成像质量都比较均衡。     

视网膜细胞可清晰显现我研制出人眼视网膜成像系统

我国科技人员不久前研制成功世界上首台补偿深度的活体人眼视网膜成像系统——“高清晰度眼底成像液晶像差补偿仪”。这一由中科院长春光机所宣丽研究员主持完成的最新研究成果,5月底通过吉林省科技厅主持的专家鉴定。该像差补偿仪的成像分辩力为3μm,可清晰显现视网膜细胞。     

基于半盲解卷积复原的高分辨率视网膜成像系统

为获得高分辨率视网膜图像,建立了基于自适应光学的视网膜成像系统,并以成像时获得的残余像差作为图像复原的估计参数,通过半盲解卷积进行图像复原以获得高质量图像.通过Hartmann-Shark波前传感器和微机械薄膜变形镜组成的自适应光学系统对活体人眼像差进行测量与校正,并在成像时记录系统残余像差,据此重建光学传递函数作为图像复原模型初始参数估计,对获得的视网膜图像进行条件约束迭代半盲解卷积复原,消除像差对成像质量的影响,从而得到高分辨率视网膜图像.实验表明,系统获得的图像经该方法处理后可获得较满意视网膜图像,图像质量提高近一倍,成像成功率由38％提高至78％,成像时间缩短为原来的1/7.该方法在满足使用要求的前提下有效缩短了校正时间,提高了成像的成功率,提升了系统的适用范围.     

折反式眼底相机光学系统设计

为控制传统眼底相机的杂光和鬼像,设计了一款40°视场、48mm工作距离的折反式眼底相机光学系统。设计了离轴反射式网膜物镜,引入了自由曲面以校正其离轴像差,成像物镜中采用两个自由曲面对网膜物镜的剩余像差进行校正。建立了一种离焦眼模型,用于优化成像光路,消除人眼像差对成像的影响,同时得到不同视度缺陷眼的成像光路。照明光路中使用3个相邻的环形光阑,减少了眼球光学系统反射的杂光。成像光学系统可在-10～+10m-1调焦,物方各视场分辨率为33lp/mm,系统畸变小于8.5%;照明光学系统在不产生鬼像的前提下,可均匀照明眼底,照度非均匀性在15%以内。实验表明,引入自由曲面的折反式眼底相机,有效地消除了杂光和鬼像,满足大视场和大工作距离的要求。     

用夏克-哈特曼探测器测量人眼波前像差

为了精确测量人眼的高低阶像差,设计并搭建了一套人眼波前像差精确测量光学系统。该系统采用夏克-哈特曼波前探测器进行波前探测,可以在不同瞳孔、不同视场和不同调焦状态下精确测量人眼的波前像差。用ZEMAX软件对系统进行模拟分析,验证了该系统的探测精度,讨论了系统的调焦性能。用该系统实验分析了人眼各阶像差的分布情况、瞳孔大小和调焦状态对人眼波前像差的影响,以及人眼波前像差的时间和空间变化特性(变化频率约3 Hz,等晕角约为1.5°)。结果表明,该系统精度高(PV1/20λ),操作方便,是人眼波像差的研究和个性化角膜手术的有力工具。     

Measurement of specimen-induced aberrations of biological samples using phase stepping interferometry

Confocal or multiphoton microscopes, which deliver optical sections and three‐dimensional (3D) images of thick specimens, are widely used in biology. These techniques, however, are sensitive to aberrations that may originate from the refractive index structure of the specimen itself. The aberrations cause reduced signal intensity and the 3D resolution of the instrument is compromised. It has been suggested to correct for aberrations in confocal microscopes using adaptive optics. In order to define the design specifications for such adaptive optics systems, one has to know the amount of aberrations present for typical applications such as with biological samples. We have built a phase stepping interferometer microscope that directly measures the aberration of the wavefront. The modal content of the wavefront is extracted by employing Zernike mode decomposition. Results for typical biological specimens are presented. It was found for all samples investigated that higher order Zernike modes give only a small contribution to the overall aberration. Therefore, these higher order modes can be neglected in future adaptive optics sensing and correction schemes implemented into confocal or multiphoton microscopes, leading to more efficient designs.     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

基于波前编码的光数混合景深延拓技术的研究

波前编码技术通过在光学系统的出瞳面加入一个非球面透镜,使光学系统的焦深增加一个数量级,并能够校正由各种原因的离焦引起的像差。介绍了波前编码技术的工作原理及其应用,并给出了采用三次相位掩模板时系统的成像结果。实验结果表明,波前编码技术将光学设计和数字图像处理相结合并进行整体优化,大大提高了光学系统的成像性能,在各类光学系统中具有非常广阔的应用前景。     

人眼波前像差客观测量的研究

分析波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差的表示方式。运用Zernike多项式表示人眼波前像差函数,研究Zernike多项式与人眼波像差的对应关系以及一些高级像差对人眼成像质量的影响。通过对自适应光学中Zernike多项式重建波前理论的研究,重点分析了应用Hartmann-Shack波前传感器测量人眼客观像差并用变形反射镜矫正人眼像差的解决方案。对提高正常眼睛的视力和人眼屈光矫正手术具有重要的实验和临床价值。     

基于波前编码技术的眼底成像系统

提出了一种混合光学-数字眼底成像系统,该系统不需要探测和补偿不同人眼带来的像差的动态变化,即可获取高分辨率的视网膜图像。该系统在出瞳位置放置一块三次相位掩膜板对眼底图像进行编码,然后采用维纳滤波算法复原获取清晰图像。利用基于光学成像的二维卷积模型对该系统进行了仿真实验,结果表明,针对不同个体的人眼像差,三次相位板可以使系统的点扩散函数在一定范围内保持一致,从而校正包含离焦、彗差、像散、三叶草在内的人眼像差,获得清晰的眼底图像。该系统的设计简化了传统眼底相机的复杂光学结构,是一种便携式结构。     

Performance evaluation of a sensorless adaptive optics multiphoton microscope

A wavefront sensorless adaptive optics technique was combined with a custom‐made multiphoton microscope to correct for specimen‐induced aberrations. A liquid‐crystal‐on‐silicon (LCoS) modulator was used to systematically generate Zernike modes during image recording. The performance of the instrument was evaluated in samples providing different nonlinear signals and the benefit of correcting higher order aberrations was always noticeable (in both contrast and resolution). The optimum aberration pattern was stable in time for the samples here involved. For a particular depth location within the sample, the wavefront to be precompensated was independent on the size of the imaged area (up to ～360 × 360 μm²). The mode combination optimizing the recorded image depended on the Zernike correction control sequence; however, the final images hardly differed. At deeper locations, a noticeable dominance of spherical aberration was found. The influence of other aberration terms was also compared to the effect of the spherical aberration.