滨松空间光调制器助力自适应光学解锁高分辨率视网膜成像新高度

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，研究人员正在探索一种使用纯相位型空间光调制器 (LCOS-SLM) 的技术，它能够通过改变液晶材料的折射率，以在局部精细地改变光波的相位。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。

Hongxin Huang等人发表的《Adaptive optics scanning laser ophthalmoscope using liquid crystal on silicon spatial light modulator: Performance study with involuntary eye movement》文章中，研究了基于滨松空间光调制器(LCOS-SLM)和Shack-Hartmann 波前传感器的自适应光学扫描激光检眼镜(AO-SLO)系统，通过动态补偿人眼像差，实现了10帧/秒的同步成像与校正，获得了视场约1.3 deg×1.5 deg、对应视网膜上约400×450 µm2(456×512像素)的高清晰度视网膜图像，同时还利用了图像和像差进一步研究了非自主眼动(IEM)，为IEM的研究提供了新的方法。

实验系统

该AO-SLO系统采用LCOS-SLM(滨松X10486)来校正主要由受试者眼睛的角膜、晶状体和泪膜引起的像差，使用Shack-Hartmann波前传感器(WFS)测量像差，并通过优化软件实现闭环反馈控制。 WFS 包含一个微透镜阵列和一个智能视觉传感器，其峰值灵敏度约为700 nm波长。AO-SLO使用780 nm的激光二极管进行像差检测和补偿，以及一个中心波长为840 nm、带宽为50 nm的超辐射发光二极管进行SLO成像。视网膜的二维光束扫描则是通过共振扫描器进行快速水平扫描，并利用振镜扫描器进行垂直扫描来实现的。

图1. AO-SLO系统示意图;LCOS-SLM：硅基液晶空间光调制器，WFS：Shack-Hartmann 波前传感器，HS：水平扫描器，VS：垂直扫描器。

实验方法

视网膜图像采集和自适应光学校正以每秒10帧的速度同时进行，SLO图像和AO数据通过两个独立的控制系统收集。使用眨眼图像来进行SLO图像和AO数据之间的时间配准，眨眼图像是在闭眼状态下记录的图像，此时视网膜图像和WFS输出只显示噪声。受试者的瞳孔自然散大(未使用眼药水)，直径至少为5 mm。

每张视网膜图像都是由原始视频流中提取的单帧画面。通过离线校正共振扫描仪的正弦扫描模式所导致的图像畸变，获得的真实视场约为1.3 deg×1.5 deg，对应视网膜上约400×450 µm2(456×512像素)。

实验结果

图2. 人眼视网膜示例。(a)有自适应光学校正;(b)无自适应光学校正。

如图2所示，未使用AO校正(b)时，只能获得模糊且粗糙的视网膜图像，几乎无法获取有效信息。而采用AO校正(a)后，图像清晰度显著提升，对比度增强明显。如图2(a)所示，明亮区域为感光细胞图像，暗色分支区域则为血管阴影。显然，通过AO校正技术，能够获得具有高对比度且能解析细胞结构的清晰图像。

图3. 视网膜图像的对数功率谱。(a)有AO校正;(b)无AO校正;(c)光谱强度随空间频率的 变化。

如图3所示，通过对光谱的分析，同样能证实AO校正可以改善图像质量。在经过校正的图像功率谱图3(a)中，我们可以观察到一个明亮的Yellott环，这代表了感光细胞的规则排列，而在未经校正的图像功率谱图3(b)中则未观察到清晰的环状结构。这种差异在图3(c)中表现得更为明显，该图分别展示了未进行AO校正(蓝色实线)和进行了AO校正(红色虚线)时的光谱强度随空间频率的变化。在经过AO校正的图中，我们可以在104 lp/mm的空间频率处观察到一个峰值，该位置对应Yellott环的半径。根据峰值频率推算，本案例中感光细胞的平均间距约为9.6 µm。

图4. 显示波前误差图的一组像差数据。(a)有AO校正;(b)没有AO校正;(c)有AO校正;(d) 没有AO校正;(e)像差系数与泽尼克模式图像。

图4展示了一组收集的波前数据。图4(a)和4(b)分别是经过和未经过自适应光学校正的波前误差图。相位图案中的条纹是由2π相位包裹引起的，每条条纹代表2π的相位延迟，相当于一个波长的波前误差;因此，条纹越多，波前误差越大。均方根(RMS)误差和峰谷值(PV)分别从0.593降低到0. 014 µm，从3.39降低到0. 07 µm。图4(c)和4(d)分别显示了经过和未经过自适应光学校正的波前误差函数的点扩散函数分布。根据波前像差计算的斯特列尔比从0.04增加到0.99。图4(e)展示了像差系数与泽尼克模式的关系图。需注意，为清晰显示，经自适应光学(AO)校正后的数值放大了10倍。如图所示，AO校正后低阶与高阶像差均显著降低。

图5. 视网膜图像示例。(a)聚焦于血管附近层;(b)聚焦于神经纤维层。

此AO-SLO系统采用共聚焦技术，因此能够轻松获取人眼视网膜不同层的图像。图5展示了聚焦于血管层(a)和神经纤维层(b)时的典型成像效果。这些图像通过在像差补偿信号中添加不同的离焦效果获得。在图5(a)中，我们可以清晰观察到两条血管及其内部排列的血细胞柱状结构。

总结

因此，可以说采用自适应光学扫描激光检眼镜(AO-SLO)能够获取高对比度、高空间分辨率的视网膜结构图像。这些高分辨率视网膜图像可应用于视觉与眼科研究的多个领域，例如通过视频流来估算血流速度，分析视网膜神经纤维束和感光细胞的分布情况，以及研究视网膜组织健康状况等。

图6. 滨松空间光调制器(LCOS-SLM)

此实验中的关键器件LCOS-SLM为滨松光子所研发的空间光调制器(如图6)。滨松LCOS-SLM为纯相位调制反射式器件，可通过每个像素上液晶分子的翻转来自由调制光程，进而调制相位。滨松LCOS-SLM不同波长和功率阈值对应的型号，以及详细参数，见以下图7、图8。

图7. 滨松LCOS-SLM的各型号适用的波长与功率

图8. 滨松LCOS-SLM的各项参数