人眼视网膜成像自适应光学系统设计

　　0　引言

　　自适应光学(Adaptive Optics,AO)已经成功的用于地基大口径望远镜上以消除大气湍流所带来的图像模糊和抖动.近年来,自适应光学又在医学和工业上开辟新的应用,尤其是在超视觉和视网膜成像方面取得显著进展[1].传统的校正手段,比如说眼镜,只能校正离焦像散等低阶像差,无法校正剩余的高阶像差和动态扰动.而自适应光学系统却能克服上述问题,获得高分辨率的活体人眼视网膜的图像[2].尤其是梁俊忠证明夏克-哈特曼探测器(Shark-Hartmann Wavefront Sensor,SHWS)测量人眼波像差的可行性后,用于人眼视网膜成像的自适应光学系统取得巨大进展.国内外的一些单位都对视网膜自适应光学系统进行了研究,有些单位已成功的获得人眼视网膜的高分辨率图片[3-6].

　　目前,人眼视网膜成像的自适应光学系统的核心器件———校正器,大多数采用变形镜.变形镜具有体积大、功耗大、成本高、加工周期长等特点,这将大大限制自适应光学系统在该领域的推广.而液晶空间光调制器却具有体积小、功耗小、成本低、象素密度高等优点[7-9],有利于在医学和工业上的广泛使用.因此,本文采用一种高分辨率的硅基板上的液晶器件(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)来代替传统的变形镜.据了解,目前的各种自适应光学系统都是用于正常人眼,而我们的系统进行了特殊设计,即可用于正常人眼,又可用于近视眼.

　　1　主要解决的问题

　　自适应光学虽然是获得高分辨率人眼视网膜图像的有效手段,但也需要重点解决:

　　1)光能利用问题.人眼视网膜的反射率大约是0.1%~10%(对于可见光来说),而且瞳孔会进一步减小从人眼反射出的光强(大约为视网膜反射光的1%)[10-11].探测器的灵敏度要求成像光强足够大,而人眼不能承受过强的光,因此,设计系统时,应尽可能的提高光能利用率.

　　2)人眼的固定.人眼不同于一般的光学器件,它具有调节功能,不是固定不变的,因而对准比较困难,同时也非常重要.

　　3)色散问题.人眼和LCOS都具有色散特性,设计时应予以考虑[12].

　　4)偏振问题.由于LCOS只对光矢量平行于液晶分子的光有位相调制作用,因此,须采用线偏振光[13].

　　2　原理与结构

　　图1为人眼视网膜成像自适应光学系统的结构.在这个自适应光学系统里,采用了两个非常小的不同颜色的的发光二极管来保证人眼的对准,其中一个(S2)发绿光,位于人眼前250 mm处,另一个(S1)发红光,位于人眼前300 mm处.要确保S1和S2跟成像光源比非常弱,并且都在成像光路光轴上.当S1和S2在视网膜上重合时,则人眼的视线便与光轴重合了.值得注意的是,S2要清晰的成像在视网膜上,而S1有一定的离焦.