CN111951174B - 自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法与装置，该方法包括：在自适应光学线光束扫描成像系统中，对线光束扫描方向上的非等晕区像差进行分时校正以及对线光束方向上的非等晕区像差进行分区域校正。本发明可以突破等晕区对自适应光学成像视场的限制，实现对视网膜宽视场的像差校正与高分辨率成像。本发明提供的宽视场非等晕像差分时、分区域校正方法与装置，只需要单个波前传感器和单个波前校正器即可完成宽视场像差校正，几乎不增加任何系统复杂性。本发明提供的解卷积图像校正，成本低，通过波前像差信息的分区域解卷积，可以最大化补偿自适应光学像差校正，校正效果好，可以在线处理，也可以事后处理，灵活便捷。

Description

自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法与装置

技术领域

本发明涉及自适应光学高分辨率成像领域，特别涉及一种自适应光学线 光束扫描成像的非等晕像差校正方法与装置。

背景技术

为了更加清楚地观察眼底视网膜，自适应光学技术被引入视网膜光学成 像领域，利用自适应光学测量眼睛光学系统像差并加以校正，可以实现对眼 底视网膜的高分辨率成像，能够清楚地分辨出微米级的毛细血管、视细胞等 组织。

然而，自适应光学技术的像差测量与校正只能对视场中心附近一个角度 范围内有效，该角度范围被定义为自适应光学校正范围受限的“等晕区”，等 晕区内的像差可以经自适应光学完全校正，超过等晕区的非等晕像差只能被 自适应光学部分校正。当自适应光学应用于眼底视网膜成像时，眼睛的等晕 区通常认为不超过2°视场角，目前几乎所有自适应光学视网膜高分辨率成 像系统的成像视场都小于2°，这仅相当于视网膜上很小的区域。事实上， 视网膜约100°范围内都分布着与视觉功能密切相关的各种微细组织，要完 成对更大范围或整个视网膜高分辨率成像，目前广泛采用多次成像通过图像 拼接获取大视场图像，但是依赖受试者的固视能力，拼接精度低，成功率低， 效率也很低。

为了解决眼睛等晕区限制的成像视场小的难题，多层共轭自适应光学技 术(MCAO,Multi-ConjugateAdaptive Optics)被应用于天文观测领域，于 2009年首次成功用于视网膜泛光照明成像系统中，采用多个波前传感器和多 个波前校正器实现7°视场的像差分区域测量与分区域同时校正。但是，MCAO 技术系统结构庞大，技术成本高，相邻等晕区像差存在交连，多套像差校正 闭环控制复杂度高，成像速度较慢。更关键的是，MCAO技术只适用于非扫描 的泛光照明成像系统，目前尚未见报道在扫描成像系统中有所应用。

发明内容

本发明基于以上背景，针对线光束扫描成像系统，提出一种宽视场非等 晕像差分时、分区域校正方法与装置，在不增加自适应光学波前传感器与波 前校正器的情况下，线光束扫描方向上的非等晕像差通过分时的像差测量与 闭环校正，线光束方向上的非等晕区像差通过分区域的图像处理补充校正， 从而实现宽视场非等晕像差的完整校正。该发明提出的宽视场非等晕像差分 时、分区域校正方法与装置，只需要单个波前传感器和单个波前校正器即可 完成宽视场像差校正，几乎不增加任何系统复杂性，具有极高的实用性和创新性。

本发明采用的技术方案是：提供一种自适应光学线光束扫描成像的非等 晕像差校正方法，该方法包括：在自适应光学线光束扫描成像系统中，对线 光束扫描方向上的非等晕区像差进行分时校正以及对线光束方向上的非等晕 区像差进行分区域校正。

优选的是，对线光束扫描方向上的非等晕区像差进行分时校正的方法具 体包括以下步骤：

步骤S1：根据扫描时间，在扫描方向上将非等晕区成像区域依次分为多 个子成像区域，包括子成像区域1、子成像区域2、……、子成像区域N，子 成像区域在扫描方向上的视场大小不超过2°；

步骤S2：每个子成像区域的像差依次经波前传感器测量，并依次反馈控 制波前校正器，依次完成对每个子成像区域像差的闭环校正；

其中，每个子成像区域中，在线光束方向的±1°内的中心区域在扫描方 向和线光束方向均满足等晕区原则，该中心区域像差得到了完全校正

优选的是，多个子成像区域可以是均匀等分，也可以是非均匀分割；N 为正整数。

优选的是，每个子成像区域在扫描方向上的视场为2°。

优选的是，对线光束方向上的非等晕区像差进行分区域校正的方法具体 包括以下步骤：

步骤T1：将每个子成像区域沿线光束方向上在所述中心区域的两侧分成2个图像校正区域：第一像校正区域、第二图像校正区域；

第一图像校正区域在线光束方向上的区域范围为-1°至-M°，第二图像 校正区域在线光束方向的区域范围为1°至M°；

步骤T2：由波前传感器测量的每个子成像区域的波前像差换算得到每个 子成像区域的点扩散函数：PSF，将每个子成像区域的PSF作为每个子成像区 域对应的两个图像校正区域的PSF初始值与约束条件，然后通过维纳滤波分 别完成两个图像校正区域的非等晕区像差解卷积校正；

步骤T3：当完成所有图像校正区域的非等晕区像差解卷积校正后，通过 图像拼接，即可得到整个视场非等晕像差完全校正后的成像图像。

优选的是，其中，M为正正整数，且M不超过3。

优选的是，所述步骤T2具体为：

T2-1：由波前传感器测量的每个子成像区域波前像差 W_i,j(ξ,η),1≤i≤M,1≤j≤N，计算得到每个子成像区域的点扩散函数PSF： h_i,j(x,y),1≤i≤M,1≤j≤N，其中，

式中P_i,j(ξ,η)为波前传感器的子透镜光瞳函数，f为子透镜焦距，k为波数常数；

T2-2：将每个子成像区域的PSF作为每个子成像区域成像图像的PSF初始 值与约束条件，然后通过以下增量维纳滤波迭代公式分别完成该子成像区域 成像图像的解卷积处理，实现对每个子成像区域成像图像残余像差的补充校 正，

S(u,v)＝Y(u,,v)-X_i,j(u,v)H_i,j(u,v)；

其中，*表示复数共轭操作符，i和j表示每个子区域的序号，Y_i,j(u,v)为该 子成像区域成像图像的傅里叶变换，和/>分别表示该子成像区域 成像图像在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，/>和/>分 别表示该子成像区域PSF估计在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变 换，S(u,v)为精度项，随着/>与值的更新，S(u,v)的值及时更新；γ_x与γ_h是控制迭代步长的参数，其值越大，迭代步长越小，算法收敛速度越慢， 解更加精确，其值减小，迭代步长增大，算法将更快收敛为一不平滑解；其 中，γ_x与γ_h的值可以选取为：r_h＝0.2|H(0,0)|²,r_x＝0.2|X(0,0)|²。

优选的是，所述步骤T2既可在线处理也可离线处理。

本发明还提供一种自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正装置， 其包括自适应光学线光束扫描成像装置、波前传感器、波前控制器、波前校 正器以及计算机；

所述波前控制器提取波前传感器测量到的波前像差，并反馈所述控制波 前校正器，所述计算机按照如上所述的方法控制所述波前控制器以完成非等 晕区像差分时的闭环校正以及实现在线或是离线形式的非等晕区像差分区域 校正。

优选的是，所述自适应光学线光束扫描成像装置包括成像光源、收集系 统、第一分光镜、二向色分光镜、第二分光镜、第一缩扩束系统、第二缩扩 束系统、第三缩扩束系统、扫描镜和信标光源；

所述成像光源出射的线光束经所述第一分光镜反射、二向色分光镜透射、 第一缩扩束系统传播到达所述波前校正器，所述波前校正器将线光束反射至 所述第二缩扩束系统再传播至所述扫描镜，所述扫描镜反射该线光束至第三 缩扩束系统，然后传播进入眼睛并照明眼底视网膜，眼底视网膜对线光束反 射后从眼睛出射，沿原路返回至所述第一分光镜，经所述第一分光镜透射后 进入所述收集系统，所述收集系统将线光束进行光电转换，所述计算机控制 扫描镜实现线光束扫描，并同步控制所述收集系统获取视网膜成像图像；

所述信标光源出射的平行光束经所述第二分光镜反射，再经所述二向色 分光镜反射后，经所述第一缩扩束系统传播到达所述波前校正器，所述波前 校正器将线光束反射至所述第二缩扩束系统，然后传播至所述扫描镜，所述 扫描镜反射该线光束后再经所述第三缩扩束系统传播进入眼睛并照明眼底视 网膜，眼底视网膜对线光束反射后从眼睛出射，沿原路返回至所述第二分光 镜，经所述第二分光镜透射进入所述波前传感器，所述波前传感器测量得到 波前像差。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以突破等晕区对自适应光学成像视场的限制，实现对视网 膜宽视场的像差校正与高分辨率成像。

(2)本发明提供的宽视场非等晕像差分时、分区域校正方法与装置，只 需要单个波前传感器和单个波前校正器即可完成宽视场像差校正，几乎不增 加任何系统复杂性，具有极高的实用性。

(3)本发明提供的解卷积图像校正，成本低，通过波前像差信息的分区 域解卷积，可以最大化补偿自适应光学像差校正，校正效果好，可以在线处 理，也可以事后处理，灵活便捷。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差 校正方法的原理示意图；

图2为本发明的实施例2中的自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差 校正装置的原理示意图；

图3为实施例3中采用常规的单次自适应光学像差校正的结果；

图4为实施例3中采用本发明的方法获得的结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参 照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不 排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

在自适应光学线光束扫描成像系统中，线光束扫描方向上的波前像差可 以通过波前传感器进行分时测量，线光束方向上的波前像差由于非等晕效应 无法直接经波前传感器测量得到，只能测量到线光束方向上全视场的波前像 差。因此，需要对两个方向上的非等晕区像差提出不同的校正方法。本发明 提出了一种自适应光学线光束扫描成像的宽视场非等晕像差分时、分区域校 正方法与装置。

实施例1

如图1所示，一种自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法， 该方法包括：在自适应光学线光束扫描成像系统中，对线光束扫描方向上的 非等晕区像差进行分时校正以及对线光束方向上的非等晕区像差进行分区域 校正，具体为：

一、对线光束扫描方向上的非等晕区像差进行分时校正：

步骤S1：根据扫描时间，在扫描方向上将非等晕区成像区域依次分为多 个子成像区域，包括子成像区域1、子成像区域2、……、子成像区域N，子 成像区域在扫描方向上的视场大小不超过2°；多个子成像区域可以是均匀 等分，也可以是非均匀分割；N为正整数，均满足等晕区原则。在本实施例 中每个子成像区域在扫描方向上的视场为2°，则在扫描方向上非等晕区成 像区域视场为(2N)°。

步骤S2：每个子成像区域的像差依次经波前传感器测量，并依次反馈控 制波前校正器，依次完成对每个子成像区域像差的闭环校正。

通过上述步骤，每个子成像区域中，在线光束方向的±1°内的中心区域 也满足等晕区原则，该中心区域像差得到了完全校正，即2°(线光束方向) ×(2N)°(扫描方向)非等晕区像差已经得到完全校正。

二、对线光束方向上的非等晕区像差进行分区域校正：

步骤T1：将每个子成像区域沿线光束方向上在中心区域的两侧分成2个 图像校正区域：第一像校正区域、第二图像校正区域；如图中，子成像区域 N两侧对应两个图像校正区域N1和N2；

第一图像校正区域在线光束方向上的区域范围为-1°至-M°，第二图像 校正区域在线光束方向的区域范围为1°至M°；其中，M为正正整数，且M 不超过3。

步骤T2：由波前传感器测量的每个子成像区域的波前像差换算得到每个 子成像区域的点扩散函数：PSF，将每个子成像区域的PSF作为每个子成像区 域对应的两个图像校正区域的PSF初始值与约束条件，然后通过维纳滤波分 别完成两个图像校正区域的非等晕区像差解卷积校正；具体包括：

T2-1：由波前传感器测量的每个子成像区域波前像差 W_i,j(ξ,η),1≤i≤M,1≤j≤N，计算得到每个子成像区域的点扩散函数PSF： h_i,j(x,y),1≤i≤M,1≤j≤N，其中，

式中P_i,j(ξ,η)为波前传感器的子透镜光瞳函数，f为子透镜焦距，k为波数常数；

T2-2：将每个子成像区域的PSF作为每个子成像区域成像图像的PSF初始 值与约束条件，然后通过以下增量维纳滤波迭代公式分别完成该子成像区域 成像图像的解卷积处理，实现对每个子成像区域成像图像残余像差的补充校 正，

S(u,v)＝Y(u,,v)-X_i,j(u,v)H_i,j(u,v)；

其中，*表示复数共轭操作符，i和j表示每个子区域的序号，Y_i,j(u,v)为该 子成像区域成像图像的傅里叶变换，和/>分别表示该子成像区域 成像图像在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，/>和/>分 别表示该子成像区域PSF估计在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变 换，S(u,v)为精度项，随着/>与值的更新，S(u,v)的值及时更新；γ_x与γ_h是控制迭代步长的参数，其值越大，迭代步长越小，算法收敛速度越慢， 解更加精确，其值减小，迭代步长增大，算法将更快收敛为一不平滑解；其 中，γ_x与γ_h的值可以选取为：r_h＝0.2|H(0,0)|²,r_x＝0.2|X(0,0)|²。

步骤T3：当完成所有图像校正区域的非等晕区像差解卷积校正后，通过 图像拼接，即可得到整个视场非等晕像差完全校正后的成像图像。

其中，步骤T2既可在线处理也可离线处理(成像后再处理)。

实施例2

提供一种自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正装置，其采用实 施例1的方法进行非等晕像差校正。更为具体的实施例中，该装置包括自适 应光学线光束扫描成像装置、波前传感器、波前控制器、波前校正器以及计 算机；

波前控制器提取波前传感器测量到的波前像差，并反馈控制波前校正器， 计算机按照实施例1的方法控制波前控制器以完成非等晕区像差分时的闭环 校正以及实现在线或是离线形式的非等晕区像差分区域校正。

参照图2，在一种优选的实施例中，自适应光学线光束扫描成像装置包 括成像光源、收集系统、第一分光镜、二向色分光镜、第二分光镜、第一缩 扩束系统、第二缩扩束系统、第三缩扩束系统、扫描镜和信标光源；

成像光源出射的线光束经第一分光镜反射、二向色分光镜透射、第一缩 扩束系统传播到达波前校正器，波前校正器将线光束反射至第二缩扩束系统 再传播至扫描镜，扫描镜反射该线光束至第三缩扩束系统，然后传播进入眼 睛并照明眼底视网膜，眼底视网膜对线光束反射后从眼睛出射，沿原路返回 至第一分光镜，经第一分光镜透射后进入收集系统，收集系统将线光束进行 光电转换，计算机控制扫描镜实现线光束扫描，并同步控制收集系统获取视 网膜成像图像；

信标光源出射的平行光束经第二分光镜反射，再经二向色分光镜反射后， 经第一缩扩束系统传播到达波前校正器，波前校正器将线光束反射至第二缩 扩束系统，然后传播至扫描镜，扫描镜反射该线光束后再经第三缩扩束系统 传播进入眼睛并照明眼底视网膜，眼底视网膜对线光束反射后从眼睛出射， 沿原路返回至第二分光镜，经第二分光镜透射进入波前传感器，波前传感器 测量得到波前像差。

其中，缩扩束系统可以采用反射式结构，也可以采用透射式结构，还可 以采用折反式结构，缩扩束比根据衔接的两个光瞳口径大小决定。

波前控制器提取波前传感器测量到的波前像差，并反馈控制波前校正器， 计算机同步扫描镜的扫描时间，控制波前控制器完成分时的像差闭环校正。 然后计算机在线或离线进行非等晕区像差分区域校正，最终获得整个视场非 等晕像差完全校正后的成像图像。

实施例3进行常规校正方法与本发明的方法的比较

参照图3，为常规的单次自适应光学像差校正结果。其中，成像视场为2 度(扫描方向)*4度(线光束方向)，对整个成像视场进行单次像差校正后， 只有中心2*2度属于等晕区，该视场像差得到完全校正，两侧视场像差未完 全校正，较为模糊；对应的两个子区域波前像差数据(哈特曼波前传感器测 量)也可见，像差残差超过衍射极限的要求(λ/14,λ＝795nm)。

参照图4，为采用本发明的方法获得的结果。其中，将两侧边缘视场的 两个子区域图像进行图像解卷积处理，可以有效校正残余像差，校正后的像 差残差能满足衍射极限要求。

图3和4中，X方向即为扫描方向，Y方向即为线光束方向。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范 围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (7)

1.一种自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，该方法包括：在自适应光学线光束扫描成像系统中，对线光束扫描方向上的非等晕区像差进行分时校正以及对线光束方向上的非等晕区像差进行分区域校正；

对线光束扫描方向上的非等晕区像差进行分时校正的方法具体包括以下步骤：

步骤S1：根据扫描时间，在扫描方向上将非等晕区成像区域依次分为多个子成像区域，包括子成像区域1、子成像区域2、……、子成像区域N，子成像区域在扫描方向上的视场大小不超过2°；

步骤S2：每个子成像区域的像差依次经波前传感器测量，并依次反馈控制波前校正器，依次完成对每个子成像区域像差的闭环校正；

其中，每个子成像区域中，在线光束方向的±1°内的中心区域在扫描方向和线光束方向均满足等晕区原则，该中心区域像差得到了完全校正；

对线光束方向上的非等晕区像差进行分区域校正的方法具体包括以下步骤：

步骤T1：将每个子成像区域沿线光束方向上在所述中心区域的两侧分成2个图像校正区域：第一像校正区域、第二图像校正区域；

第一图像校正区域在线光束方向上的区域范围为-1°至-M°，第二图像校正区域在线光束方向的区域范围为1°至M°；

步骤T2：由波前传感器测量的每个子成像区域的波前像差换算得到每个子成像区域的点扩散函数：PSF，将每个子成像区域的PSF作为每个子成像区域对应的两个图像校正区域的PSF初始值与约束条件，然后通过维纳滤波分别完成两个图像校正区域的非等晕区像差解卷积校正；

步骤T3：当完成所有图像校正区域的非等晕区像差解卷积校正后，通过图像拼接，即可得到整个视场非等晕像差完全校正后的成像图像；

所述步骤T2具体为：

T2-1：由波前传感器测量的每个子成像区域波前像差为W_i,j(ξ,η),1≤i≤M,1≤j≤N，计算得到每个子成像区域的点扩散函数PSF：h_i,j(x,y),1≤i≤M,1≤j≤N，其中，

式中P_i,j(ξ,η)为波前传感器的子透镜光瞳函数，f为子透镜焦距，k为波数常数；

T2-2：将每个子成像区域的PSF作为每个子成像区域成像图像的PSF初始值与约束条件，然后通过以下增量维纳滤波迭代公式分别完成该子成像区域成像图像的解卷积处理，实现对每个子成像区域成像图像残余像差的补充校正，

S(u,v)＝Y(u,v)-X_i,j(u,v)H_i,j(u,v)；

其中，*表示复数共轭操作符，i和j表示每个子区域的序号，Y_i,j(u,v)为该子成像区域成像图像的傅里叶变换，和/>分别表示该子成像区域成像图像在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，/>和/>分别表示该子成像区域PSF估计在当前及上一次解卷积处理迭代的傅里叶变换，S(u,v)为精度项，随着/>与/>值的更新，S(u,v)的值及时更新；γ_x与γ_h是控制迭代步长的参数，其值越大，迭代步长越小，算法收敛速度越慢，解更加精确，其值减小，迭代步长增大，算法将更快收敛为一不平滑解；其中，γ_x与γ_h的值选取为：r_h＝0.2|H(0,0)|²,r_x＝0.2|X(0,0)|²。

2.根据权利要求1所述的自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，多个子成像区域可以是均匀等分，也可以是非均匀分割；N为正整数。

3.根据权利要求2所述的自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，每个子成像区域在扫描方向上的视场为2°。

4.根据权利要求3所述的自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，其中，M为正正整数，且M不超过3。

5.根据权利要求4所述的自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法，其特征在于，所述步骤T2既可在线处理也可离线处理。

6.一种自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正装置，其特征在于，其包括自适应光学线光束扫描成像装置、波前传感器、波前控制器、波前校正器以及计算机；

所述波前控制器提取波前传感器测量到的波前像差，并反馈所述控制波前校正器，所述计算机按照权利要求1-5中任意一项所述的方法控制所述波前控制器以完成非等晕区像差分时的闭环校正以及实现在线或是离线形式的非等晕区像差分区域校正。

7.根据权利要求6所述的自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正装置，其特征在于，所述自适应光学线光束扫描成像装置包括成像光源、收集系统、第一分光镜、二向色分光镜、第二分光镜、第一缩扩束系统、第二缩扩束系统、第三缩扩束系统、扫描镜和信标光源；

所述成像光源出射的线光束经所述第一分光镜反射、二向色分光镜透射、第一缩扩束系统传播到达所述波前校正器，所述波前校正器将线光束反射至所述第二缩扩束系统再传播至所述扫描镜，所述扫描镜反射该线光束至第三缩扩束系统，然后传播进入眼睛并照明眼底视网膜，眼底视网膜对线光束反射后从眼睛出射，沿原路返回至所述第一分光镜，经所述第一分光镜透射后进入所述收集系统，所述收集系统将线光束进行光电转换，所述计算机控制扫描镜实现线光束扫描，并同步控制所述收集系统获取视网膜成像图像；

所述信标光源出射的平行光束经所述第二分光镜反射，再经所述二向色分光镜反射后，经所述第一缩扩束系统传播到达所述波前校正器，所述波前校正器将线光束反射至所述第二缩扩束系统，然后传播至所述扫描镜，所述扫描镜反射该线光束后再经所述第三缩扩束系统传播进入眼睛并照明眼底视网膜，眼底视网膜对线光束反射后从眼睛出射，沿原路返回至所述第二分光镜，经所述第二分光镜透射进入所述波前传感器，所述波前传感器测量得到波前像差。