自適應(yīng)光學(xué) (AO) 是一種利用波前傳感器測(cè)量觀測(cè)目標(biāo)和光學(xué)儀器內(nèi)部的波前像差，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，從而直接提高成像質(zhì)量的技術(shù)。此校正通常采用直接改變光路長(zhǎng)度的可變形反射鏡。然而，為了以更高的精度校正像差，研究人員正在探索一種使用純相位型空間光調(diào)制器 (LCOS-SLM) 的技術(shù)，它能夠通過改變液晶材料的折射率，以在局部精細(xì)地改變光波的相位。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)目前主要應(yīng)用于眼底成像領(lǐng)域，它可以獲得人類視網(wǎng)膜的高分辨率圖像，因此非常有望早期診斷眼部疾病。

Hongxin Huang等人發(fā)表的《Adaptive optics scanning laser ophthalmoscope using liquid crystal on silicon spatial light modulator: Performance study with involuntary eye movement》文章中，研究了基于濱松空間光調(diào)制器(LCOS-SLM)和Shack-Hartmann 波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)掃描激光檢眼鏡(AO-SLO)系統(tǒng)，通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償人眼像差，實(shí)現(xiàn)了10幀/秒的同步成像與校正，獲得了視場(chǎng)約1.3 deg×1.5 deg、對(duì)應(yīng)視網(wǎng)膜上約400×450 μm2(456×512像素)的高清晰度視網(wǎng)膜圖像，同時(shí)還利用了圖像和像差進(jìn)一步研究了非自主眼動(dòng)(IEM)，為IEM的研究提供了新的方法。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該AO-SLO系統(tǒng)采用LCOS-SLM(濱松X10486)來校正主要由受試者眼睛的角膜、晶狀體和淚膜引起的像差，使用Shack-Hartmann波前傳感器(WFS)測(cè)量像差，并通過優(yōu)化軟件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。 WFS 包含一個(gè)微透鏡陣列和一個(gè)智能視覺傳感器，其峰值靈敏度約為700 nm波長(zhǎng)。AO-SLO使用780 nm的激光二極管進(jìn)行像差檢測(cè)和補(bǔ)償，以及一個(gè)中心波長(zhǎng)為840 nm、帶寬為50 nm的超輻射發(fā)光二極管進(jìn)行SLO成像。視網(wǎng)膜的二維光束掃描則是通過共振掃描器進(jìn)行快速水平掃描，并利用振鏡掃描器進(jìn)行垂直掃描來實(shí)現(xiàn)的。

圖1. AO-SLO系統(tǒng)示意圖;LCOS-SLM：硅基液晶空間光調(diào)制器，WFS：Shack-Hartmann 波前傳感器，HS：水平掃描器，VS：垂直掃描器。

實(shí)驗(yàn)方法

視網(wǎng)膜圖像采集和自適應(yīng)光學(xué)校正以每秒10幀的速度同時(shí)進(jìn)行，SLO圖像和AO數(shù)據(jù)通過兩個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)收集。使用眨眼圖像來進(jìn)行SLO圖像和AO數(shù)據(jù)之間的時(shí)間配準(zhǔn)，眨眼圖像是在閉眼狀態(tài)下記錄的圖像，此時(shí)視網(wǎng)膜圖像和WFS輸出只顯示噪聲。受試者的瞳孔自然散大(未使用眼藥水)，直徑至少為5 mm。

每張視網(wǎng)膜圖像都是由原始視頻流中提取的單幀畫面。通過離線校正共振掃描儀的正弦掃描模式所導(dǎo)致的圖像畸變，獲得的真實(shí)視場(chǎng)約為1.3 deg×1.5 deg，對(duì)應(yīng)視網(wǎng)膜上約400×450 μm2(456×512像素)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2. 人眼視網(wǎng)膜示例。(a)有自適應(yīng)光學(xué)校正;(b)無自適應(yīng)光學(xué)校正。

如圖2所示，未使用AO校正(b)時(shí)，只能獲得模糊且粗糙的視網(wǎng)膜圖像，幾乎無法獲取有效信息。而采用AO校正(a)后，圖像清晰度顯著提升，對(duì)比度增強(qiáng)明顯。如圖2(a)所示，明亮區(qū)域?yàn)楦泄饧?xì)胞圖像，暗色分支區(qū)域則為血管陰影。顯然，通過AO校正技術(shù)，能夠獲得具有高對(duì)比度且能解析細(xì)胞結(jié)構(gòu)的清晰圖像。

圖3. 視網(wǎng)膜圖像的對(duì)數(shù)功率譜。(a)有AO校正;(b)無AO校正;(c)光譜強(qiáng)度隨空間頻率的 變化。

如圖3所示，通過對(duì)光譜的分析，同樣能證實(shí)AO校正可以改善圖像質(zhì)量。在經(jīng)過校正的圖像功率譜圖3(a)中，我們可以觀察到一個(gè)明亮的Yellott環(huán)，這代表了感光細(xì)胞的規(guī)則排列，而在未經(jīng)校正的圖像功率譜圖3(b)中則未觀察到清晰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這種差異在圖3(c)中表現(xiàn)得更為明顯，該圖分別展示了未進(jìn)行AO校正(藍(lán)色實(shí)線)和進(jìn)行了AO校正(紅色虛線)時(shí)的光譜強(qiáng)度隨空間頻率的變化。在經(jīng)過AO校正的圖中，我們可以在104 lp/mm的空間頻率處觀察到一個(gè)峰值，該位置對(duì)應(yīng)Yellott環(huán)的半徑。根據(jù)峰值頻率推算，本案例中感光細(xì)胞的平均間距約為9.6 μm。

圖4. 顯示波前誤差圖的一組像差數(shù)據(jù)。(a)有AO校正;(b)沒有AO校正;(c)有AO校正;(d) 沒有AO校正;(e)像差系數(shù)與澤尼克模式圖像。

圖4展示了一組收集的波前數(shù)據(jù)。圖4(a)和4(b)分別是經(jīng)過和未經(jīng)過自適應(yīng)光學(xué)校正的波前誤差圖。相位圖案中的條紋是由2π相位包裹引起的，每條條紋代表2π的相位延遲，相當(dāng)于一個(gè)波長(zhǎng)的波前誤差;因此，條紋越多，波前誤差越大。均方根(RMS)誤差和峰谷值(PV)分別從0.593降低到0. 014 μm，從3.39降低到0. 07 μm。圖4(c)和4(d)分別顯示了經(jīng)過和未經(jīng)過自適應(yīng)光學(xué)校正的波前誤差函數(shù)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分布。根據(jù)波前像差計(jì)算的斯特列爾比從0.04增加到0.99。圖4(e)展示了像差系數(shù)與澤尼克模式的關(guān)系圖。需注意，為清晰顯示，經(jīng)自適應(yīng)光學(xué)(AO)校正后的數(shù)值放大了10倍。如圖所示，AO校正后低階與高階像差均顯著降低。

圖5. 視網(wǎng)膜圖像示例。(a)聚焦于血管附近層;(b)聚焦于神經(jīng)纖維層。

此AO-SLO系統(tǒng)采用共聚焦技術(shù)，因此能夠輕松獲取人眼視網(wǎng)膜不同層的圖像。圖5展示了聚焦于血管層(a)和神經(jīng)纖維層(b)時(shí)的典型成像效果。這些圖像通過在像差補(bǔ)償信號(hào)中添加不同的離焦效果獲得。在圖5(a)中，我們可以清晰觀察到兩條血管及其內(nèi)部排列的血細(xì)胞柱狀結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

因此，可以說采用自適應(yīng)光學(xué)掃描激光檢眼鏡(AO-SLO)能夠獲取高對(duì)比度、高空間分辨率的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)圖像。這些高分辨率視網(wǎng)膜圖像可應(yīng)用于視覺與眼科研究的多個(gè)領(lǐng)域，例如通過視頻流來估算血流速度，分析視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維束和感光細(xì)胞的分布情況，以及研究視網(wǎng)膜組織健康狀況等。

圖6. 濱松空間光調(diào)制器(LCOS-SLM)

此實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵器件LCOS-SLM為濱松光子所研發(fā)的空間光調(diào)制器(如圖6)。濱松LCOS-SLM為純相位調(diào)制反射式器件，可通過每個(gè)像素上液晶分子的翻轉(zhuǎn)來自由調(diào)制光程，進(jìn)而調(diào)制相位。濱松LCOS-SLM不同波長(zhǎng)和功率閾值對(duì)應(yīng)的型號(hào)，以及詳細(xì)參數(shù)，見以下圖7、圖8。

圖7. 濱松LCOS-SLM的各型號(hào)適用的波長(zhǎng)與功率

圖8. 濱松LCOS-SLM的各項(xiàng)參數(shù)

審核編輯 黃宇