人眼高阶像差校正和视觉分析系统_薛丽霞

人眼高阶像差校正和视觉分析系统

＊

薛丽霞　饶学军　王　成　胡弈云　凌　宁　姜文汉

(中国科学院光电技术研究所,成都610209)

摘要:　人眼除具有可用眼镜或接触镜校正的低阶像差(离焦、像散)之外,还普遍存在高阶像差。高阶像差的存在影响着屈光系统的成像质量。为研究高阶像差对视觉功能的影响,利用自适应光学技术,建立了具有校正高阶像差和产生高阶像差双重功能的人眼高阶像差校正和视觉分析系统。介绍了系统实现高阶像差校正和视觉分析的工作原理;阐述了波前校正器、哈特曼波前探测系统、控制系统等关键单元技术;列出了系统对泽尼克模式像差的校正效果,绝大多数像差从0.5λ降低到0.2λ以下;阐明系统功能的实现过程,并给出仿真实验的结果。该系统为进一步研究高阶像差对视功能的影响提供了有效的手段。关键词:　自适应光学;成像系统;视觉分析;高阶像差中图分类号:T H77;T H74　　　文献标识码:A

　＊国家重点自然基金(60438030)资助课题。

　作者简介:薛丽霞(1978-),女,山东聊城人,助研,硕士,主要从事自适应光学在眼科学方面的应用研究。E -mail :xuelixia321@163.com

收稿日期:2006-06-07;收到修改稿日期:2006-11-10

Highe r -Order Abe rrations Corre ction and V ision Analysis

System for Human Eye

Xue Lixia 　Rao Xuejun 　Wang Cheng 　Hu Yiyun 　Ling Ning 　Jiang Wenhan

(Inst itute of Optics and Elect ronics ,the Chinese Academy of Sciences ,Chengdu 610209)

Abstract :　Besides defocus and astigmatism that can be corrected by wearing spectacles or contact lens ,there are

a lso higher -order aberrations in human eye which influence the visual function .By using adaptive optics tec hnology ,the system of higher -order aberrations c orrection and vision analysis for human eye has been developed .The princ iple of correcting high -order aberrations and vision analysis is presented ,and key element technologies ,suc h a s wave -front corrector ,Hartm ann wave -front detector and c ontrol system ,are explained ,correct ca pability to Zernike modal aberrations are listed ,most of aberrations that RMS error equals 0.5λdecreased below 0.2λ,the simulated result is shown to explain how the function of system is rea lized .It is an effective tool to study the influence of higher -order aberrations to vision function .Key wo rds :　a daptive optics ;imaging system ;higher -order aberrations ;vision analysis

1　引　　言

屈光系统是形成视觉的必备条件[1]

。然而,存在着实际人眼与理想屈光状态之间的光学偏差和缺陷。1994年Liang 等[2]发现人眼除了离焦、像散等低阶像差之外,还存在着更加复杂的高阶像差如彗差、球差和三叶草等。随后各国研究者对人眼高阶像差进行了评估[3～5],发现高阶像差普遍存在于人眼中。1997年William s 等在实验室利用变形镜技术矫正高阶像差后黄斑处的锥细胞的活体成像的对

比敏感度增加了6倍之多[6],说明高阶像差的存在影响着眼屈光系统的光学质量。由于高阶像差无法用传统的球柱镜进行校正,因此准分子激光校正高阶像差成为近年来的研究热点,但是直到目前为止

没有出现振奋人心的效果,很多因素影响校正结果,其中之一就是对高阶像差各组分对视功能的影响没有明确的研究结果,校正模式存在缺陷。

目前已经证实人眼像差各组分对于视锐度和对比敏感度的影响并不相同[7],而且人眼像差各组分

第27卷　第5期2007年5月　　　　　　　　　　　　光　学　学　报AC TA OPTICA SINICA

V ol .27,N o .5

M ay ,2007

之间存在着相互作用。

中科院光电技术研究所1997年开始在国内首先开展了活体人眼视网膜高分辨力成像自适应光学技术的研究工作,突破了微小变形镜原理及制造[8]、人眼像差波前传感器原理与人眼像差测量和重构关键技术[9]。并于2000年在国内首次建立了一套基于19单元整体集成式微小变形镜的轻小型人眼视网膜成像自适应光学试验系统,获得接近人眼衍射极限(1.3倍)的高分辨力视网膜像[10]

,亦获得视网膜细胞高分辨力图像以及视网膜中毛细血管图像。之后于2002年研制成功具有更大像差校正能力的37单元活体人眼视网膜自适应光学成像系统

[11]

,实

验中获得更高分辨力的相对于黄斑中心凹不同区

域、不同层面的视网膜细胞图像,以及更高分辨力的眼底视网膜毛细血管图像[12]。2005年,对人眼视网膜成像自适应光学成像系统进行改进,建立起具有校正高阶像差和产生高阶像差双重功能的人眼高阶像差校正与视觉分析系统。本文对此系统的结构原理进行报道,对人眼实际的实验结果将另文介绍。

2　人眼高阶像差校正和视觉分析系统

2.1　工作原理

人眼高阶像差校正和视觉分析系统主要有人眼像差测量系统(信标发射装置、哈特曼波前测量装置)、人眼像差校正系统(变形反射镜、口径匹配系统)、视标观察系统、控制系统等。系统布局如图1。

由半导体激光器发出的激光经过空间滤波、准直后(信标发射系统)经分光镜入射到人眼内,经人眼会聚后在眼底形成一个光斑。此光斑可视为视网膜的一个点光源,

其后向散射光经过眼睛的屈光系

图1人眼高阶像差校正和视觉分析系统装置示意图Fig .1Setup o f higher -o rder aber ratio ns cor rectio n and

vision analy sis sy stem f or human ey e

统后从瞳孔射出,经过变形镜,口径匹配系统,成像在哈特曼波前传感器上。由此传感器测量波前像差,控制系统据此像差数据引导、控制变形反射镜校正人眼波前像差,同时根据不同类型像差或特定像差在波前传感器上的反映给定不同的波前斜率由变形镜构造像差,模拟了人眼具备不同像差的情况。人眼通过观察不同大小不同对比度的视标,来进行人眼视锐度、对比敏感度等特性的测量,从而可以实现具备不同像差的人眼屈光系统的视功能评价,或人眼在高阶像差校正后的视力评价。2.2　关键技术

采用的波前校正器是37单元的微小型变形反射镜[图2(a )所示]。中心驱动器变形量±1.5μm ,图2(b )是变形反射镜的原始面形,PV 值为0.095μm ,RMS 值为0.015μm 。图2(c )是变形反射镜的驱动器排布图。驱动器上施加的电压与产生面形变化的关系是变形反射镜的重要性能,它决定变形反射镜对波前误差的校正能力,一般用影响函数来描述。图3是中心驱动器的影响函数

。

图237单元变形反射镜实物(a ),原始面形(b ),点排布图(c )

Fig .2Defo rmable mir ro r (a ),o riginal sur face (b ),a rrangement (c )of 37actuator s

　　采用哈特曼传感器技术测量人眼波像差,如图4所示。

哈特曼传感器采用孔径分割和聚焦光学器件将被测孔径分割成若干子孔径并聚焦到CCD 探测器

4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　　　学　　　学　　　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　27卷　

图3中心驱动器影响函数

Fig .3Influence function of center

actuator

图4哈特曼波前传感器原理F ig .4P rinciple o f Ha rtmann -Shack senso r

上,通过CCD 视频信号的处理计算出聚焦光斑的重心位置,得到相对于标定的基准位置的位移Δx ,则子孔径内入射波前的波前斜率为

G x =2πΔx /(λf ),(1)

λ为测量波长,f 为微透镜焦距。

波前斜率通过一定的复原算法就可得到波前像

差,通过波前像差又可以进行点扩散函数、调制传递函数、环围能量等光学评价函数的计算。

哈特曼传感器的测量精度为λ/20(RMS ),动态范围:±2λ/ (式中 为子孔径)。

进行波前控制计算,得到变形镜的控制信号,控制变形镜产生需要的波前变化。整个系统构成一个闭环反馈控制系统,其信号流程如图5所示

。

图5自适应光学系统的信号流程图F ig .5Signal diag ram o f adaptiv e o ptical sy stem

计算机控制算法影响整个自适应光学系统的动

态响应特性,必须能够有效校正人眼系统的光学静态像差,同时还要有效抑制人眼肌肉的快速运动和

CCD 相机噪声等带来的不利因素。合适的控制算法可以使系统稳定、校正精度高。根据控制理论,比例积分(PI )控制器对静态像差的拟合误差为零,同时对动态像差的跟踪能力也比较好。而且其算法形式非常简单,可以方便地在系统上实现。我们在系统中采用了较简单的比例积分控制算法。

为了抑制系统中的高频扰动,利用哈特曼传感器多幅图像的平均进行控制计算。图6是系统闭环

后,驱动器残余电压信号的时间变化曲线。从图可见系统闭环后,经过大约20次的控制,反映子孔径斜率的残余电压就很快达到零附近,没有出现大的

超调和振荡现象,并在以后保持这种状态。这意味着控制算法的收敛性和稳定性比较好,控制参量的调整是合适的。

图6驱动器残余电压随时间的变化

Fig .6Va riatio n of actua to r s r esidual v oltage w ith time

图737单元变形镜校正像差的理论计算和试验数据的比对

Fig .7Experimental result of co rrection capability o f defo rmable mirro r compared with theoretical value

3　系统校正能力及试验结果

3.1　系统校正能力探测

对于不同项的泽尼克(Zernike )多项式的波像差(RM S =0.5λ)的校正效果进行实验和理论仿真计算,校正后的残余波像差的RM S 值如图7所示。

5

5期　　　　　　　　　　　　　　薛丽霞等:　人眼高阶像差校正和视觉分析系统　　　　　　　　　　　　　　

可以看出,该系统对前20项人眼高低阶像差均有明显校正效果,绝大多数像差从0.5λ降低到0.2λ以下。根据很多研究机构对人群像差的统计表明[3～5],在自然状态下,对人眼像差的描述采用到5阶20项就可以了。

曾对小样本进行过像差的测量和统计,年龄21～30岁间,屈光在-1D ～-6D ,瞳孔6m m ,其统计结果数据如图8所示。图中前三项分别是离焦和像散,去除离焦、像散后的高阶像差分布如插入的小图所示。针对高阶像差,通过本系统来拟合产生所需的高阶像差(图9),图中左面一列是根据统计数据理论构造的波面平面图及立体图,中间一列是系统根据统计的像差数据拟合的像差波面平面图及立体图,右边一列是两者相减后的波面残差。图9中PV 指峰谷值(Peak to v alley )

。

图8小样本人群像差统计结果F ig .8Statistic result of ey e abe

rrations

图9拟合波面Fig .9Fit wave f ront

3.2　系统的功能实现

在视标观察光路中给定一个0.8的视标,在眼

睛的摆放位置放置CCD 来记录系统模拟的在不同像差下的视标图像,来验证系统的拟合效果。

系统闭环时校正了系统本身光路中的像差,残余像差RM S <λ/10。根据马雷夏尔判据,在CCD 上观察到一个近似理想状态下的视标,如图10所示。然后,系统产生一个RMS =0.5λ的彗差,其远

场点扩展函数如图11所示,在CCD 上接受的图像

就是带有彗差的视标,如图12所示。通过不同的像差叠加,可以进行不同像差对视功能影响的测试和

分析研究。

图10理想视标Fig .10Ideal visual ta

rge t

图11彗差的远场点扩展函数

Fig .11Po int spread function of coma

图12带有彗差的视标Fig .12V isual tar get w ith coma

4　结　　论

人眼像差对人眼屈光系统的光学质量有着重要的影响,利用自适应光学技术建立了具备校正高阶像

差和产生高阶像差双重功能的人眼高阶像差校正和视觉分析系统,为视光学研究提供了新的手段。我们将利用这一系统探索高阶像差对于视功能特别是视锐度和对比敏感度的影响、人眼光学系统各组元参数与人眼波前像差的定量关系、建立提高视锐度和对比

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