自适应光学技术和高分辨率视网膜成像

自适应光学 (AO) 是一种利用波前传感器测量观测目标和光学仪器内部的波前像差,并对其进行动态校正,从而直接提高成像质量的技术。此校正通常采用直接改变光路长度的可变形反射镜。然而,为了以更高的精度校正像差,我们正在研究一种使用相位调制器 (LCOS-SLM) 的技术,它能够通过改变液晶材料的折射率,以在局部精细地移动光波的相位。自适应光学技术目前主要应用于眼底成像领域,它可以获得人类视网膜的高分辨率图像,因此非常有望早期诊断眼部疾病。

通过将使用 LCOS-SLM 的自适应光学技术应用于视网膜观察,能够以几微米的空间分辨率测量视网膜(从而看到感光细胞)。图 1 给出了自适应光学视网膜成像系统的概览。人眼被非常弱但充分满足激光安全标准的光照射,从视网膜散射的光通过 LCOS-SLM 返回到波前传感器。波前传感器由微透镜阵列和高灵敏度视觉相机组成。该波前传感器可测量由眼睛光学和成像设备引起的波前畸变。负反馈控制器根据波前传感器测量的波前畸变控制 LCOS-SLM 的输入信号,使输出波前变成平面波(或具有所需曲率的球形波)。

图 1:自适应光学的波前校正原理

结果

图 2 给出了展示像差校正效果的人类视网膜图像示例。无像差校正时,仅获得模糊和带噪声的图像(左:无 AO 校正)。这不会为观测提供有用的信息。但是,当激活像差校正后,感光细胞(亮点)变得可解析(右:有 AO 校正)。人眼中最小的感光细胞只有 2 μm 至 3 μm;结果表明,自适应光学对于观察感光细胞至关重要。

图 2:结果

已知视网膜具有多层结构。通过使用 LCOS-SLM 控制焦点位置,可以将视网膜每一层的组织可视化。图 3 给出了通过控制感光细胞、血管和神经纤维层的焦点深度位置获得的视网膜图像示例。左图给出了感光细胞的分布,其中亮点是感光细胞。根据感光细胞图像,可以分析分布密度、细胞排列、是否存在缺陷等指标来检测视网膜异常。中间的血管和血细胞图像显示了分叉的血管,以及血管壁(黑线)和血管中的血细胞(两条黑线之间的明亮区域)。血流还可以通过视频录像来测量。在右侧的神经纤维图像中,可以看到神经纤维束从左上角延伸到右下角。通过对观察到的高分辨率眼底图像进行分析,有望推动先进医疗技术的发展。

图 3:聚焦于不同深度位置时的成像结果。
通过控制 LCOS-SLM 调整焦点来进行观察

出版物

  1. H. Huang, T. Inoue and H. Tanaka, “Stabilized high-accuracy correlation of ocular aberrations with liquid crystal on silicon spatial light modulator in adaptive optics retinal imaging system,” Optics Express 19(16), 15026-15040 (2011).
  2. H. Huang, T. Inoue, H. Toyota, and H. Tsutomu, “Long-term stable and high performance adaptive optics system using liquid crystal on silicon spatial light modulator for high resolution retinal imaging,” Proc. SPIE, 8200, 820002(2011).
  3. H. Huang, et. al., “Adaptive optics scanning laser ophthalmoscope using liquid crystal on silicon spatial light modulator: Performance study with involuntary eye movement,” Japanese Journal of Applied Physics, 56(9S), 09NB02(2017).

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