LCOS人眼像差校正仪的系统控制实现 .pdf

第 31 卷第 3 期 20 10 年 3 月 仪 器 仪 表 学 报 C hi n ese Journal of S c i enti fi c Instru m ent V 0I 31 N o 3 M ar 20 10 L C O S 人眼像差校正仪 的系 统控制实现 李鹏飞 许金凯 程 少园 胡立发 宣丽 1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 2 中国科学院研究生院北京100039 3长春理工大学长春130022 摘要 建立 了一套基于 LCO S 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 LCO S 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 关键词 视网膜细胞 自适应光学 控制算法 硅基板液晶显示器 中图分类号 0439 TH 703 文献标识码 A 国家标准学科分类代码 460 4035 S y stem c on tro l i m p l em en tati on of a b erra ti o n c o rrec ti o n i n stru m e n t fo r h u m a n ey e b a sed o n L C O S Li Pengfei 一 X u Ji nkai C heng S haoyuan 一 H u Li fa X uan L i State Key Laboratory of Appl i ed Optw s Changc hun Insti tute of Optic s F i ne M ec hani c s and Physi c s Chi ne se Ac adem y of Sc i enc e Changc hun 130033 Chi na 2 Graduate Uni versi ty of Chi nese Ac adem y of Sc i ence Belti ng 100039 Chi na 3 Changc hun U ni versi ty of Sc i ence and Tec hnol ogy Changehun 130022 Chi na A bstrac t In thi s paper w e present a l i qui d c rystal adapti ve opti c s LC A O reti nal i m agi ng system A c ontrol soft w are i s w ritten for the L C A O system In th e system a Shark H artm an n w avefront sensor i s u sed to m easure the aberrated w avefront T he m easured abe ated w avefront i s proc essed by a P C and i s c onven ed i nto a gray m ap w hi c h i s sent to L C O S to c orrec t the ab errated w avefront Thu s the qual i ty of th e reti nal i m agi ng i s i m proved E xp erim ent resul ts i ndi c ate that th e proposed c ontrol softw are al gori thm c an ac hi eve hi gh resol uti on reti n al i m agi ng K ey w ords reti nal c el l adapti ve opti c s c ontrol al gori thm l i qui d c rystal on si l i c on 1 引 言 人眼视网膜是人类认知世界的视觉传感器 视 网膜 疾病往往会导致患者视力下降 其他眼科疾 病如白内障 等也往往常伴有视 网膜损 伤 此外 人体其他 部位 的疾 病 如糖尿病 高血压等在病变的各个时期也都能在视网 膜上反映出来 因此视 网膜的清晰观察对人体疾病 的检 查具有重要意义 目前 眼底镜早已是常有 的医学检查 仪器 但是由于人眼本身的像差 使用眼底镜无法进行视 网膜细胞层次的高分辨观察 自适应光学u 通过测量一控制一校正的反馈回路可 以实时校正光学系统 的像差 这项技术 已成功应用 于天 文观测和激光整形 1994 年梁俊忠和 W i l l i ams 等人首次 将哈特曼波前探测器引人人 眼像差测量 1997 他们第一 次成功实现了自适应光学用于活体人眼视网膜高分辨率 成像 此后其它一些科研小组也实现 了自适应光学用于 人眼像差校正 并获得了视网膜细胞的清晰成像 通常 在 自适应光 学系统 中 采用 变形镜作 为校正 器 然而由于其成本高 面向一般 医疗机构推广时难度较 大 另外变形镜驱动单元少 只适用于人眼本身无畸变的 视网膜观测 而对一些眼睛存在中高级像差的患者 例如 收稿 日期 2009 07 Rec ei ved Date 2009 07 基金项 目 国家自然科学 基金 60578035 50473040 60736042 吉林省科学基金 20050520 2005032 1 2 资助项 目 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 526 仪器仪表学报 第 3 1 卷 中高度近视患者 其观测效果 比较差 此外变形镜还存在 驱动电压高 加工周期长等缺点 因此在大规模市场推广 应用 中受到一定限制 基 于此 近年来 有研究 者开始尝 试利用液晶空间光调制器作为校正器 这是 利用 了液 晶显示器的位相调制特性 同时 液晶空间光调制器还具 有低成本 校正单元多 驱动电压低 加工周期短等优点 理论上可 以代替变形镜 但 由于 目前使用液 晶空间光调 制器作为 自适应光学系统校正器的时间 比较短 相关的 理论和经验还不很完善 还有液晶分子本 身固有 的延迟 效应 目前很少有用液 晶空间光调制器作校正器观测视 网膜细胞层次成功的报道 为 了改善液晶分子固有延 迟对 系统 的影响 本 文采 用硅基板上液晶显示器 1i qui d c rystal Oi l si l i c on LCOS 作为波前校正器 搭建了一套人眼像差 自适应校正系统 自己编写基于 LCOS 校正器的控制算法 完善 了相关的 理论 并获得 了对视网膜细胞层次的成像一校正 2 系统原理及 实现 自适应光学系统的原理如 图 1 所示 使 用激光 光源 照射人眼瞳孔 光线经过视网膜反射从瞳孔射出来 这束 光的波面即含有视网膜 细胞 和血管 的信息 但由于人 眼 存在各种像差 同时人眼可能还会微微抖动 因此 出射光 的波面也包含了各种像差 这就需要通过校正 系统修正 各种像差 还原 视网膜 反射光 的波 面 通过哈特曼波 前探测器来探测出射光 的波面 并把采集 到的波面数据 发给 PC 机 Pc机通过此数据和其他参考数据得 出发送 给 LCOS 的校正数据并发送给 LCOS 波 面的各种像差就 会得到一定程度的校正 这样经过若干次循环的测量一 校 正 系统就能比较彻底 的校正掉各种像差 还原出视 网膜 反射光的波面 操作者通过成像 CCD 来观察校正后 的波 面 分析视网膜的各种病变 图 1 自适应光学系统的原理图 Fi g 1 Sc hem ati c di agram of a l i q ui d c rystal adapti ve opti c s system 本系统激光光源采用波长为 808 nm 人 眼瞳孔处入 射功率 为 40 w 哈特曼波前探测器 的 CCD 分辨率为 1 280 1 024 像 素大小 l 0 8 m 其微透镜 阵列数最多 400 个可用 LCOS 的面积尺寸 7 68 7 68 m i l l 分辨率为 512 512 像素尺寸 15 m 15 m 系统如图 2 所示 图 2 基于 LC OS 的人眼像差 自适应校正系统 F i g 2 R eti nal i m agi n g l i qu i d c rystal adapti ve opti c s system b ased on LC O S 3 系统控制及实现 对于 自 适应校正系统而言 除了光路 的正确搭建和 各种位像关系的正确 匹配外 系统的性 能很 大程度上取 决于控制算法 的编制 包括系统的校正频率 和成像 的清 晰度等 都是由系统的控制算法决定 对于本系统 由于 其校正单元采用了硅基板上液晶显示器 LCOS 所以相 对于以往传统 的变形 镜校正器 有很多不 同之处 学 本系统的控制流程如图 3 所示 图 3像差 自适应波前校正流程 F i g 3 Proc ed ure of adapti ve opti c s w avefront c orrec ti on 1 系统控制 LCOS 和 哈特曼波前探测器初始化 对 于 LCOS 初 始化主要包括两方面的功能 一方面是要 为 35 项 Zem i k 波面矩阵 中每一个波面矩 阵分 配 512 512 的空间 另一方面是算出每一个 Zem i k 波面 2 测响应函数 响应 函数是用来 配合 哈特曼波前探 测器采集到的数据矩阵来计算 出要发 给 LCO S 的校正灰 度 图 对于固定不变的系统 主要是指搭建好后不再更 改光路的系统 可以测好一次后保存起来 以后不需要 重新测量 但对光路进行更改的系统 则必须要重新测量 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 528 仪器仪表学报 第 3 1 卷 图 6 校正前后 视网膜视觉细胞 F i g 6 R eti nal c el l before and after ad apti ve opti c s c orrec ti on 6 结 论 本实验采用硅基板上液 晶显示器 LCOS 作为波前 校正器 搭建了一套人眼像差 自适应校正系统 由于其 校正单元采用 了 LCOS 由于液晶分子独特的位相调制特 性 其波面拟合算法和系统控制算 法与传统变形镜大相 径庭 本系统针对这一点采用了适应高分辨率 LCOS 的波面拟合及控制 校正算法 编写了整个系统 的运行软 件 LCOS 系统具有成本低 校正单元多 驱动电压低 加 工周期短的优点 在低响应频率的 自适应 系统 中具有很 大的发展潜力 本系统采用了 808 BITI的激光光源 获得 了对视网膜细胞层次 的成像一 校 正 由于视 网膜 的微 血 管对此波段的光反射率低 系统很难从眼底获得足够能 量的反射光 不能成像 视网膜 的微血管对 570 nm 的激 光 反 射 率 高 通 过 在 同一 系统 采 用 570 nm和 808 nrn的双激 光光源 可以实现在一个系统 中对视网膜 微细血管和细胞 同时探测一 校正 如果能进一步结合数 字图像处理技术对得到的图像进行微血管提取和拼接等 方面的处理 则能实现更具生产价值和医疗价值的仪器 2 3 参考文献 4 5 6 7 8 9 10 B A B C O C K H W T h e possi bi l i ty of c om pensati n g astro nom i c al seei ng J Pub Astron Soc Pac 1953 65 229 2 36 LIN G N ZH A N G Y R A O X et a1 Sm al l tabl e top 11 adapti ve opti c al system s for hum an reti nal i m agi ng J SP IE 200 2 4 825 99 108 LIAN G J GR IM M B G OE I Z S et a1 o bjec ti ve m eas urem ent of the w ave aberrati on of th e hum an eye w i th the use of a H artm an Shark w ave front sensor J J O pt Soc A m A 1994 11 194 9 19 57 FE R N A N D E Z E J A R TA L P M em brane deform abl e m i rror fo r adapti ve opti c s perform an c e l i m i ts i n vi sual opti c s J Opti c s Express 2003 11 9 1056 1069 曹正林 廖文和 沈建新 Zerni ke 多项式拟合人眼波前 像差的一种新算法 J 光学精密工程 2006 14 2 30 8 314 C A O Z H L LIA O W H SH E N J X A new al gori thm for hu m an eyes w ave fr ont aberr ati on fitti n g w i th Z erni k e pol ynom i a E O pt Prec i si on Eng 2006 14 2 308 3 l 4 刘伯晗 张健 吴丽莹 液晶空间光调制器 的纯 相位调 制特性 研究 J 光学 精 密工 程 2006 14 2 2 13 2 17 L IU B H Z H A N G J W U L Y R esearc h of the phase onl y m odul ati on c harac teri zati on of a l i q ui d c rystal spati al l i ght m odul ator J O pt Prec i si on Eng 2006 14 2 2 13 2 17 王伟 王肇圻 王雁 等 波前技术的眼视网膜 AIM 和 CSF 测定 J 仪器仪表学报 2006 z2 1070 1072 W A N G W W A N G Z H Q W A N G Y et a1 M easure m ents of th e A IM an d C SF of eyes b y the w ave fr ont tec h ni ques J C hi nese Journal of Sc i enti fi c Instrum ent 2 006 z2 10 70 10 72 胡宁 彭承琳 王星 等 基于 M E M S 的人工视 网膜微 电极阵列设计仿真 J 仪器仪表学报 2007 28 11 20 24 20 27 H U N PE N C H L W A N G X et a1 D esi gn and si m ul a ti on of arti fic i al reti na m i c roel ec trod e array based on M E M S J Chi nese Journal of Sc i enti fi c Instrum ent 2007 28 11 2024 2027 程少园 宣丽 胡立发 等 人眼视网膜成像的自适应 光学 系统 设 计 J 光 子 学 报 2009 38 5 113 2一 l 135 C H E N G SH Y X U A N L H U I F et a1 D esi gn of adapti ve opti c s system fo r hum an reti nal Im agi ng J Ac ta Photoni c a Si ni c a 2009 38 5 1132 1135 王肇圻 许妍 基于眼模型的数字眼底相机设计 J 光学精密工程 2008 16 9 1567 157 1 W A NG ZH Q X U Y D esi gn of di gi tal reti na c am era based on eye m odel J O pt Prec i si on Eng 2008 16 9 1567 157 1 姜宝光 曹召良 穆全全 等 激光为光源的液晶自适 应眼底成像系统 J 光学精密 T 程 2008 17 10 1805 180 9 JIA N G B G CA O ZH L M U Q Q et a1 Li aui d c ry stal based reti na adap ti ve op ti c al i m agi ng system w i th l aser sourc e J O pt Prec i si on Eng 2008 17 1O 1805 一 l 809 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 李鹏飞 等 LCO S 人眼像差校正仪的系统控制实现 529 12 袁华 滕奇志 边缘检测及其在医学图像 中的应用 J 生物医学工程学杂志 200 1 18 1 149 153 YU A N H TE N G Q ZH Edge detec ti on and i ts appl i c a ti on i n m edi c al i m age proc essi ng J Journal of Bi om ed i c al Engi neeri ng 200 1 18 1 149 153 13 应晓优 鲍永坚 修瑞娟 等 用 自适应血管 边缘检测 方法 自动跟踪测量血管 自律运动 J 微循环学杂志 1996 6 3 26 29 Y IN G X L B A O Y J X IU R J et a1 V essel edge d etec ti on m ethod w i th an adap ti ve auto trac k i ng and m easuri n g vessel vasom oti on J M i c roc i rc ul ati on Journal 996 6 3 26 2 9 14 许雷 张恒义 虞亚军 等 一种基于相位相关法及数 学形态学方法的眼底 血管 图像 自动拼接 方法 J 生 物 医学工程学杂志 1998 15 3 286 290 X U L Z H A N G H Y Y U Y J et a1 A p hase c orrel a ti on based m ethod and m athem ati c al m oi h ol ofrv m eth od s of fundus i m age auto m osai c m ethod J Journal of B i o m edi c al Engi neeri ng 1998 15 3 286 90