结合光学掩模调制的鼠眼像差精确测量.pdf
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1、文章编号2097-1842(2023)05-1100-09结合光学掩模调制的鼠眼像差精确测量王亮1,2,孔文1,2,何益1,2*,黄江杰1,2,史国华1,2(1.中国科学技术大学生物医学工程学院,安徽合肥230026;2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所,江苏苏州215163)摘要:进行波前探测时,标准动物模型小鼠的眼底视网膜双层反射光会导致像差探测失效。为解决这一问题,本文提出了一种结合光学掩模调制的鼠眼像差测量方法,以期提高鼠眼波前像差测量精度。首先,根据鼠眼视网膜的关键参数,建立鼠眼波前像差探测的光学系统模型并进行光学仿真。然后,分析比较不同孔径的光学掩模对视网膜非目标层反射光束的遮
2、拦效果,确定光学掩模参数与实验方案。最后,搭建鼠眼波前像差探测系统并开展在体鼠眼波前像差的测量实验。实验结果表明:0.5mm 孔径的光学掩模可以将鼠眼波前像差的测量均方根误差降低 74.9%,与理论仿真的 80%区域实现非目标层反射光遮拦效果近似。本文研究实现了对鼠眼视网膜非目标层反射光的有效遮拦,提升了鼠眼波前像差探测精度,为进一步实现鼠眼高分辨率成像奠定了基础。关键词:波前探测;鼠眼像差;掩模;夏克哈特曼波前传感器中图分类号:O435.1;O435.2文献标志码:Adoi:10.37188/CO.2023-0051Accuratemeasurementofmouseeyeaberratio
3、ncombinedwithopticalmaskmodulationWANGLiang1,2,KONGWen1,2,HEYi1,2*,HUANGJiang-jie1,2,SHIGuo-hua1,2(1.College of Biomedical Engineering,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;2.Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 21516
4、3,China)*Corresponding author,E-mail:Abstract:Inordertosolvetheproblemofaberrationdetectionfailurecausedbydouble-layerreflectedlightofthefundusretinainstandardanimalmodelmouseduringwavefrontdetection,amouseeyeaberrationmeasurementtechniquecombinedwithopticalmaskmodulationwasproposedtoimprovetheaccur
5、acyofwavefrontaberrationmeasurement.First,accordingtothekeyparametersofmouseretina,weestablishedtheopticalsystemmodelofmouseeyewavefrontaberrationdetectionandperformedopticalsimulations.Then,theeffectsofopticalmaskswithdifferentaperturesonthereflectionbeamofthenon-targetlayeroftheret-收稿日期:2023-03-27
6、;修订日期:2023-04-19基金项目:国家重点研发计划项目(No.2021YFF0700700);国家自然科学基金项目(No.62075235);中国科学院青年创新促进会(No.2019320);中国科学院战略性先导科技专项(No.XDA16021304)SupportedbyNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2021YFF0700700);NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.62075235);YouthInnovationPromotionAssociation,CAS
7、(No.2019320);StrategicPriorityResearchProgramoftheChineseAcademyofSciences(No.XDA16021304)第16卷第5期中国光学(中英文)Vol.16No.52023 年 9 月ChineseOpticsSept.2023inawereanalyzedandcompared,andthentheparametersoftheopticalmaskandtheexperimentalplanweredetermined.Finally,thewavefrontaberrationdetectionsystemofthemo
8、useeyewasestablished,andthewavefrontaberrationofthemouseeyewasmeasuredinvivo.Theexperimentalresultsshowthattheopticalmaskwith0.5mmaperturecanreducetherootmeansquareerrorofmouseeyewavefrontaberrationmeas-urementby74.9%,whichissimilartotheshieldingeffectofnon-targetlayerreflectedin80%ofthetheoret-ical
9、simulation.Itcaneffectivelyblockthereflectedlightfromthenon-targetlayerofthemouseretina,im-provethedetectionaccuracyofthewavefrontaberrationofthemouseeye,andlayafoundationforthefur-therrealizationofhigh-resolutionimagingofthemouseeye.Keywords:wavefrontdetection;mouseeyeaberration;mask;Shack-Hartmann
10、wavefrontsensor1引言眼睛是唯一一个可以通过光学方法非侵入观察血管的器官,眼底成像一直是研究中央神经系统和血管相关疾病的热点1-4。此外,眼底成像对于筛选、观察视网膜疾病的发展或监测治疗效果也具有重要意义。近年来,通过在眼底成像中引入自适应光学技术5-7,实时测量眼睛光学系统像差并通过闭环校正,可以实现视细胞级的高分辨率成像8-11,从而将临床上病理研究从组织尺度提升到了细胞尺度,可以使视网膜疾病与其他相关病理改变的研究周期显著提前,有望实现疾病的早期诊疗。在病理研究中,开展动物试验是必须的12-15。作为一种标准实验动物,小鼠是研究人类眼科疾病使用最广泛的哺乳动物模型16-19
11、,其具有与人眼相似的眼底结构20,其更大的数值孔径具有更高的成像分辨率21,并且容易获得、生长迅速、培育简单,是开展实验验证的理想实验样本。自适应光学成像借助波前探测和补偿方法,实现衍射极限成像。自适应光学成像的基础是精确的波前探测。研究发现,小鼠视网膜有多层反射光,若多层反射光同时进入像差探测器,则无法进行区分,极易导致波前探测失败。为了解决鼠眼波前探测失效的问题,罗切斯特大学的 GengY 等人设计了一种偏向特定视网膜层光线的夏克哈特曼波前传感器(SHWS)22,可以抑制视网膜其他层反射的光线,从而获取目标层的波前像差信息。斯坦福大学的 AKONDIV 等人则通过完善 SHWS 质心算法,
12、在波前计算中设定光强阈值,当非目标层光线的光强值低于阈值时,可以将其剔除,只保留目标层反射光斑,从而可以减少因多层的反射引入的伪像差,提高波前测量精度。现有技术条件下,特定哈特曼传感器的研制复杂,需要与眼睛光学系统参数配合,通用性较差。利用算法去除非目标层伪像差的方法,也会使目标层光线强度降低,导致部分像差测量效果欠佳。考虑到小鼠等哺乳类动物视网膜可以认为是两层反射面23-27,两层反射光束的强度差异并不明显,但是在光束传播过程中,存在两层反射光束出现分离的位置。因此,本文提出在鼠眼波前像差探测系统中,合理设置一种光学掩模结构,直接遮拦视网膜非目标层的反射光线,只允许目标层的反射光线进入波前测
13、量,以提升鼠眼波前像差的测量精度。结合仿真分析结果可以得到针对小鼠视网膜的光学掩模孔径尺寸参数。对在体小鼠视网膜像差的测量实验发现,该方法可以实现波前像差测量误差的均方根(RMS)值下降74.9%,与理论仿真结果相近,说明本文所提方法有效提升了鼠眼波前像差的测量精度。2原理与方法2.1系统结构与掩模遮拦方案本实验采用透射式光学元件的扫描型波前探测系统,采用 SHWS 完成波前像差测量。系统结构如图 1 所示,中心波长为 830nm 的单模光纤耦合激光器 LD(SFOLT,FC-830-030-SM,光谱线宽FWHM2nm)发出的光束经准直后由光阑(diaph-ragm)调制为 7mm 孔径光束
14、,经分光镜 BS1(透反比 5050)反射至平面反射镜(reflector)。双胶合消色差透镜 AL1 和 AL2 起到调制光束直径的作用,并且能够最大限度地校正系统球差。高速第5期王亮,等:结合光学掩模调制的鼠眼像差精确测量1101扫描振镜 G1(CTI,CRS)用以完成水平方向的光点扫描,其扫描频率为 8kHz。非球面透镜 L1 和L2 的直径相匹配,可以维持良好的系统像差修正效果。扫描振镜 G2(Sunny,S-8107)用以完成竖直方向的光点扫描,其扫描频率为 50Hz。光线经过 G2 后依次经过非球面透镜 L3 和非球面透镜 L4,最终进入待测鼠眼瞳孔,经眼底视网膜散射后,信标光沿光
15、轴原路返回,经分光镜 BS1 透射,进入 BS2(透反比为 5050),再经 BS2 反射后进入波前传感器 SHWS,完成鼠眼的波前像差测量。图 1 中,SHWS 的微透镜阵列焦距为 5.6mm,微透镜间距为 150m,厚度为 1.2mm,尺寸为10mm10mm。通过 CMOS 面阵相机(BASLERacA1300-60gm)记录光斑。对于 2mm 直径的小鼠瞳孔,波前传感器可获取 1818 的波前光斑图像,利用传统的质心算法最终复原得到小鼠的波前像差,以标准 35 阶 Zernike 多项式进行描述。具体地,如图 2(彩图见期刊电子版)所示,在体鼠眼波前像差测量时,视网膜双反射层结构会同时反
16、射回两束信标光,SHWS 的相机靶面同时接收到这两束信标光,导致每个子孔径内的光斑点阵互有重叠,无法完成波前测量。通过仿真分析发现,视网膜双层反射回来的信标光束,在光路中间存在分离现象,其中,在 L1 和 L2 之间的焦面附近,两束信标光的分离距离最大。因此,本文提出在该位置设置光学掩模,以对视网膜非目标层反射光束进行遮挡,如图 1 所示。该光学掩模为中心透光小孔,其通过透明玻璃基底上镀制黑色遮光材料制成。掩模的遮光区域是沿光轴孔径以外的所有区域,确保进入 SHWS 的光线为沿光轴传输携带视网膜目标层信息的信标光,从而提高波前测量精度。Retinalayer 2Retinalayer 1图2鼠
17、眼视网膜双层反射原理示意图Fig.2Theprinciplediagramofretinaldoublelayerreflectioninmouseeye2.2系统仿真分析通过光学设计软件 ZemaxOpticStudio 进行系统仿真,首先,根据各项参数28-29在序列模式下建立鼠眼光学模型,包括鼠眼角膜、晶状体、视网膜的厚度、折射率及前后曲率等参数,如表 1 所示。其中关键参数包括:视网膜厚度 t=0.22mm,视网膜焦距 f1=46.54mm 以及鼠眼焦距 f2=1.96mm。由于对于鼠眼视网膜光束的散射特性尚无具体模型,本研究考虑以鼠眼视网膜的双层反射为表1Zemax 鼠眼模型参数Ta
18、b.1Zemaxparametersofthemouseeyemodel结构曲率半径/mm厚度/mm折射率焦距/mm角膜前表面1.340.1051.404.575后表面1.300.5251.34晶状体前表面1.002.0501.551.659后表面0.900.5501.34视网膜前表面1.600.2201.3446.539后表面1.50眼球部分1.974鼠眼整体1.961LDBS1ReflectorDiaphragmAL1L1G1BS2SHWSAL2G2L2L3L4MaskMousef(L1)=110.74 mmf(L3)=132.89 mmf(L2)=132.89 mmf(AL2)=60.0
19、0 mmf(AL1)=86.40 mm50:5050:507.2 mmf(L4)=45.56 mmpupil:2 mmLD:laser device;BS:50:50 beam splitter;AL:achromatic lens;G:galvo scanning system;SHWS:Shack-Hartmann wavefront sensor图1鼠眼波前像差探测系统示意图Fig.1Schematicdiagramofmouseeyewavefrontdetec-tionsystem1102中国光学(中英文)第16卷标准,在非序列模式下,建立起视网膜波前传感器的双光源逆向光学模型。首先
20、设置相距 0.22mm的 2 个圆形标准面光源以模拟视网膜双层反射光(层 2 在前,层 1 在后),并在层 2 后放置焦距为46.54mm 的近轴透镜以模拟视网膜焦距(图 2 中未示出)、层 1 后放置焦距为 1.97mm 的近轴透镜以模拟眼球,然后根据探测系统的光学元件依次完成建模,由波前传感器 SHWS 采集模拟鼠眼波前像差。仿真中,未使用光学掩模时,SHWS 采集到的光斑点阵同时含有双层反射信标光,每个子孔径内的光斑点阵重叠严重,如图 3(a)所示。光斑点阵的列截面辐照度分布如图 3(b)所示,纵坐标数值经归一化处理,横坐标代表光斑在相机感光芯片上的位置,单位为毫米。可以发现,由于视网膜
21、的双层反射作用,光轴附近的辐照度显著增加,峰值辐照度约为边缘处峰值的 1.5 倍,且边缘孔径处会出现两个辐照度峰值,在相机靶面上表现为点阵混叠,这会直接影响波前测量的精确度,导致波前测量失效。00Y-coordinate/mm000.80.61.5(a)(b)1.5(a)光斑阵列图(a)Spot arrayX-coordinate/mm1.51.5(b)归一化的列截面图(b)Normalized column cross section1.51.20.90.3Y-coordinate/mm0.30.60.91.21.50.6Irradiance/(Wcm2)1.00.40.2图3无掩模时的波前
22、点阵采集图Fig.3Wavefrontspotarraydiagramwithoutmask如图 1 所示,在非球面透镜 L1 与 L2 之间的焦面位置处设置光学掩模,掩模的预设通光孔径分别为 0.2mm、0.5mm 和 0.8mm,放入不同孔径掩模后,SHWS 采集到的波前点阵图及其列截面图,分别如图 4(a)4(f)所示,其中列截面图均已做归一化处理。01.500(a)00(c)(d)(e)(f)1.5Y-coordinate/mmX-coordinate/mm1.51.501.51.5Y-coordinate/mmX-coordinate/mm1.51.51.51.5Y-coordina
23、te/mmX-coordinate/mm1.51.5Y-coordinate/mm1.51.20.90.60.30.30.60.91.21.50Y-coordinate/mm1.51.20.90.60.30.30.60.91.21.5Y-coordinate/mm1.51.20.90.60.30.30.60.91.21.5(b)1.00.80.60.40.2Irradiance/(Wcm2)01.00.80.60.40.2Irradiance/(Wcm2)1.00.80.60.40.2Irradiance/(Wcm2)第5期王亮,等:结合光学掩模调制的鼠眼像差精确测量11031.5(a)(c)
24、(d)(e)(f)1.5Y-coordinate/mmX-coordinate/mm1.51.51.51.5Y-coordinate/mmX-coordinate/mm1.51.5001.51.5Y-coordinate/mmX-coordinate/mm1.51.5Y-coordinate/mm1.51.20.90.60.30.30.60.91.21.5Y-coordinate/mm1.51.20.90.60.30.30.60.91.21.50Y-coordinate/mm1.51.20.90.60.30.30.60.91.21.5(b)1.00.80.60.40.2Irradiance/(
25、Wcm2)1.00.80.60.40.2Irradiance/(Wcm2)01.00.80.60.40.2Irradiance/(Wcm2)图4不同孔径掩模的波前点阵图及归一化的列截面图。(a)、(b)0.2mm 孔径掩模;(c)、(d)0.5mm 孔径掩模;(e)、(f)0.8mm孔径掩模Fig.4Wavefrontspotarraywithdifferentaperturemasksandnormalizedcolumncrosssections.(a),(b)Maskwith0.2mmaperture;(c),(d)maskwith0.5mmaperture;(e),(f)maskwit
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