自適應光學 (AO) 是一種利用波前傳感器測量觀測目標和光學儀器內部的波前像差，并對其進行動態校正，從而直接提高成像質量的技術。此校正通常采用直接改變光路長度的可變形反射鏡。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制器 (LCOS-SLM) 的技術，它能夠通過改變液晶材料的折射率，以在局部精細地改變光波的相位。自適應光學技術目前主要應用于眼底成像領域，它可以獲得人類視網膜的高分辨率圖像，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制器(LCOS-SLM)和Shack-Hartmann 波前傳感器的自適應光學掃描激光檢眼鏡(AO-SLO)系統，通過動態補償人眼像差，實現了10幀/秒的同步成像與校正，獲得了視場約1.3 deg×1.5 deg、對應視網膜上約400×450 μm2(456×512像素)的高清晰度視網膜圖像，同時還利用了圖像和像差進一步研究了非自主眼動(IEM)，為IEM的研究提供了新的方法。

實驗系統

該AO-SLO系統采用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)測量像差，并通過優化軟件實現閉環反饋控制。 WFS 包含一個微透鏡陣列和一個智能視覺傳感器，其峰值靈敏度約為700 nm波長。AO-SLO使用780 nm的激光二極管進行像差檢測和補償，以及一個中心波長為840 nm、帶寬為50 nm的超輻射發光二極管進行SLO成像。視網膜的二維光束掃描則是通過共振掃描器進行快速水平掃描，并利用振鏡掃描器進行垂直掃描來實現的。

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

實驗方法

視網膜圖像采集和自適應光學校正以每秒10幀的速度同時進行，SLO圖像和AO數據通過兩個獨立的控制系統收集。使用眨眼圖像來進行SLO圖像和AO數據之間的時間配準，眨眼圖像是在閉眼狀態下記錄的圖像，此時視網膜圖像和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致的圖像畸變，獲得的真實視場約為1.3 deg×1.5 deg，對應視網膜上約400×450 μm2(456×512像素)。

實驗結果

圖2. 人眼視網膜示例。(a)有自適應光學校正;(b)無自適應光學校正。

如圖2所示，未使用AO校正(b)時，只能獲得模糊且粗糙的視網膜圖像，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，對比度增強明顯。如圖2(a)所示，明亮區域為感光細胞圖像，暗色分支區域則為血管陰影。顯然，通過AO校正技術，能夠獲得具有高對比度且能解析細胞結構的清晰圖像。

圖3. 視網膜圖像的對數功率譜。(a)有AO校正;(b)無AO校正;(c)光譜強度隨空間頻率的 變化。

如圖3所示，通過對光譜的分析，同樣能證實AO校正可以改善圖像質量。在經過校正的圖像功率譜圖3(a)中，我們可以觀察到一個明亮的Yellott環，這代表了感光細胞的規則排列，而在未經校正的圖像功率譜圖3(b)中則未觀察到清晰的環狀結構。這種差異在圖3(c)中表現得更為明顯，該圖分別展示了未進行AO校正(藍色實線)和進行了AO校正(紅色虛線)時的光譜強度隨空間頻率的變化。在經過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峰值，該位置對應Yellott環的半徑。根據峰值頻率推算，本案例中感光細胞的平均間距約為9.6 μm。

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

圖4展示了一組收集的波前數據。圖4(a)和4(b)分別是經過和未經過自適應光學校正的波前誤差圖。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，相當于一個波長的波前誤差;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)分別顯示了經過和未經過自適應光學校正的波前誤差函數的點擴散函數分布。根據波前像差計算的斯特列爾比從0.04增加到0.99。圖4(e)展示了像差系數與澤尼克模式的關系圖。需注意，為清晰顯示，經自適應光學(AO)校正后的數值放大了10倍。如圖所示，AO校正后低階與高階像差均顯著降低。

圖5. 視網膜圖像示例。(a)聚焦于血管附近層;(b)聚焦于神經纖維層。

此AO-SLO系統采用共聚焦技術，因此能夠輕松獲取人眼視網膜不同層的圖像。圖5展示了聚焦于血管層(a)和神經纖維層(b)時的典型成像效果。這些圖像通過在像差補償信號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部排列的血細胞柱狀結構。

總結

因此，可以說采用自適應光學掃描激光檢眼鏡(AO-SLO)能夠獲取高對比度、高空間分辨率的視網膜結構圖像。這些高分辨率視網膜圖像可應用于視覺與眼科研究的多個領域，例如通過視頻流來估算血流速度，分析視網膜神經纖維束和感光細胞的分布情況，以及研究視網膜組織健康狀況等。

圖6. 濱松空間光調制器(LCOS-SLM)

此實驗中的關鍵器件LCOS-SLM為濱松光子所研發的空間光調制器(如圖6)。濱松LCOS-SLM為純相位調制反射式器件，可通過每個像素上液晶分子的翻轉來自由調制光程，進而調制相位。濱松LCOS-SLM不同波長和功率閾值對應的型號，以及詳細參數，見以下圖7、圖8。

圖7. 濱松LCOS-SLM的各型號適用的波長與功率

圖8. 濱松LCOS-SLM的各項參數

審核編輯 黃宇