一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀的製作方法
2023-04-23 16:37:36
一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，屬於視網膜成像【技術領域】。其特徵是：在成像光路中的瞳面共軛位置處加入空間光調製器，並在其後光路中的視網膜特定層的共軛位置(焦面)處加入匹配濾波器(濾波光闌)。其工作原理是：通過空間光調製器調製瞳面波前改變焦面處的衍射光場分布，並在焦面處加入匹配的濾波器濾除來自視網膜特定層的衍射光，實現對視網膜該層的暗場成像，這提高了其相鄰層結構的成像對比度。
【專利說明】一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學視網膜成像儀的【技術領域】，具體涉及一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀。
【背景技術】
[0002]自人眼像差中除了含有離焦、散光等低階像差外，還含有不可忽略的高階像差組分。目前普通的商業化眼底相機等眼科設備只能夠靜態的補償低階人眼像差，故整體光學解析度不能達到衍射極限水平。自適應光學技術恰好彌補了此缺陷，直接推動了高解析度眼底成像技術的發展。
[0003]國外的0^1(1 1111181118? 001181(1？^1310八!'仏1等研究團隊及國內中國科學院光電技術研究所採用基於自適應光學技術的顯微成像系統先後獲得了活體眼底視網膜小視場、高解析度圖像並實現了動態成像。中科院光電所在這方面做了大量有意義的工作。中國專利⑶1282564，⑶1282565，⑶1306796，⑶13067967等介紹了幾種人眼視網膜自適應光學成像系統。以上系統都是採用自適應光學技術來實現接近衍射極限的活體人眼視網膜高分辨力成像。然而，在現有的接近衍射極限的高解析度成像條件下，人眼視網膜的十多層結構，仍然只能觀察到其中的三層，其它各層還是無法觀察到；而且對於一些有疾病的人眼這三層結構也無法觀察到。這主要是因為人眼視網膜中其它相鄰層之間的折射率差異很小，屬於低對比度物體，而且在相鄰層光強相對很強的情況下像將被淹沒；對於有疾病的眼底由於疾病的存在可能會影響人眼的光學系統渾濁或者視網膜病變，當觀察視網膜層結構時對於成像對比度也提出了更高的要求。
[0004]暗場成像技術以其能提高成像對比度而被廣泛應用於各個領域。因此將暗場成像技術引入眼底視網膜成像領域能夠解決以上問題。通過將暗場成像技術和自適應光學技術結合能夠同時提高視網膜成像的解析度和對比度。
【發明內容】
[0005]鑑於以上想法，本發明的目的在於提供一種採用波前調製暗場技術提高視網膜圖像的對比度，採用自適應光學技術提高成像解析度的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀。
[0006]本發明採用的技術方案為:一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:該成像儀包含波前調製子系統和匹配濾波子系統:其中波前調製子系統包括波前調製器和控制裝置，用於調製瞳面波前；匹配濾波子系統包括匹配濾波器，該匹配濾波器採用匹配濾波光闌，用於焦面濾波。
[0007]其中，所述的波前調製器在系統中瞳面的光學共軛位置處放置。
[0008]其中，所述的匹配濾波光闌在系統中波前調製器之後的焦面位置處，其作用為焦面匹配濾波和濾除視網膜特定層的衍射光，實現對視網膜該層的暗場成像。
[0009]其中，所述波前調製器是從可形變反射鏡空間光調製器(010)、液晶空間光調製器、磁光空間光調製器、多量子阱空間光調製器、聲光空間光調製器、衍射光學元件中選擇的。
[0010]其中，所述的波前調製子系統是通過波前調製器調製瞳面的光強分布實現光瞳的切趾，改變來自視網膜特定層的衍射光分布，使該層在焦面的光強分布向零級區域集中。這裡瞳面的切趾函數是根據不同層的結構通過計算和優化得到的。
[0011]其中，所述的匹配濾波子系統是與波前調製子系統配合的，波前調製子系統改變來自視網膜特定層的衍射光分布，使該層在焦面的光強分布向零級區域集中；同時，在焦面上加入匹配濾波子系統濾除該層的零級區域衍射光，不對與來自其它層的成像光進行抑制或抑制較小，從而實現對其它層的高對比度成像，即暗場成像。因此，匹配濾波光闌的尺寸對應於瞳面調製後的焦面衍射的艾利斑尺寸量級。
[0012]其中，所述的匹配濾波子系統如果被移除，則本系統可以實現另一個工作模式:通過瞳面調製實現特定層在焦面的衍射分布向零級集中，經過後面的光學系統成像，提高了特定層的成像對比度。
[0013]本發明與現有技術相比所具有的優點:
[0014](1)、本發明採用波前調製器和匹配濾波光闌分別進行瞳面調製和焦面濾波，實現了眼底視網膜特定層的暗場成像，提高了其相鄰層的對比度。
[0015](2)、本發明採用波前校正器和波前調製器分別校正人眼像差和調製瞳面波前，可以同時實現視網膜的高分辨力和高對比度成像。
[0016](3)、本發明採用可編程的波前調製器，可以對瞳面進行不同形式的調製，通過對比可以選擇最優的瞳面變跡。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀的結構框圖；
[0018]圖2為本發明的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀的原理示意圖；
[0019]圖3為一個具體實例的瞳面波前調製前後焦面光強分布變化的示意圖；
[0020]圖4為一個具體實例的波前調製暗場與明場條件下點源對應的像面光強分布的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面參照附圖來描述本發明的實施例。但是應該理解，這些描述只是示例性的，而並非要限制本發明的範圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。
[0022]圖1為本發明的組成結構框圖。
[0023]如圖1所示，本發明的一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，包括信標光源1、準直透鏡2、信標光欄3、照明光源4、準直透鏡5、第一分光鏡6、平面反射鏡7、第一球面反射鏡8、第二球面反射鏡9、波前校正器10、第三球面反射鏡11、第四球面反射鏡12、波前調製器13、第五球面反射鏡14、濾波光闌15、第六球面反射鏡16、第二分光鏡17、第三分光鏡18、光束匹配系統19、波前傳感器20、第四分光鏡21、成像透鏡22、成像相機23、目標準直物鏡24、照明發光二極體陣列25和控制裝置28 ；控制裝置28包括控制電路26和機27，控制電路26和機27連接。人眼以附圖標記29標識。
[0024]該波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀工作時，首先打開半導體信標光源1，經準直透鏡2和信標光欄3後準直為平行光，然後通過由第二分光鏡17、第六球面反射鏡16、濾波光闌15、第五球面反射鏡14、波前調製器13、第四球面反射鏡12、第三球面反射鏡11、波前校正器10、第二球面反射鏡9、第一球面反射鏡8、平面反射鏡7、第一分光鏡6組成的主光路，穿過人眼瞳孔照明眼底，從眼底反射的光再通過主光路返回並經過第三分光鏡18和光束匹配系統19後形成平行光進入波前傳感器20。波前傳感器20將所探測的信號送至控制裝置28的機27進行波前復原計算和閉環控制計算，得到波前校正器10的控制電壓信號。控制電壓信號經數模轉換和高壓放大，驅動波前校正器10校正人眼像差。自適應光學系統閉環校正完畢後，控制裝置28的控制電路26發射信號控制波前調製器13對瞳面波前進行調製；調製穩定後，啟動照明光源4。照明光源4發出的光經過準直透鏡5準直成平行光，經第一分光鏡6反射進入人眼光學系統照射眼底視網膜。由眼底反射的光進入主光路並經過濾波光闌15，然後到第三分光鏡18，並經過第四分光鏡21和成像透鏡22後聚焦在成像相機23上成像。此時，開啟並控制目標陣列裝置目標準直物鏡24和照明發光二極體陣列25，可以對視網膜不同區域進行成像。
[0025]圖2為波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀的原理示意圖。
[0026]該波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀的工作原理是:首先在空間光調製器不工作的狀態下掃描視網膜各層成像，找到特定層(例如視細胞層)對應的位置並保持不變；然後將預先計算和優化得到的瞳面調製參數通過控制器輸入空間光調製器來改變瞳面八的振幅(光強)分布，此時焦面8的光強分布將發生變化，向中心(即衍射零級)集中；而在焦面8的位置處加入的一個濾波光闌會將中心區域的衍射光遮擋掉，即遮擋掉了特定層的衍射光，此時其它相鄰層的光參與成像，實現了特定層的暗場成像，提高了相鄰層的成像對比度。
[0027]下面以點物目標為例介紹調製暗場成像技術的工作原理。
[0028]首先選擇瞳面八的調製函數為21階的階梯函數。圖3給出了經過該函數調製後焦面8的光強分布示意圖及其對照組示意圖(即不加人該瞳面調製函數然後在焦面8處選擇加入一個尺寸為4倍艾利斑大小的中心遮擋板(即匹配濾波光闌)遮擋掉該點目標的中心衍射光。圖4給出了經過以上波前調製及匹配濾波以後像面光強分布的示意圖及對照組示意圖(即不加人瞳面調製函數和匹配濾波光闌通過觀察圖4可以看出，經過瞳面調製和匹配濾波後的像面光強最強約為對照組的10—1即點物目標發出的光幾乎被消除掉，實現了暗場，這提高了該物點附近微弱目標的對比度。
[0029]至此已經結合優選實施例對本發明進行了描述。應該理解，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種其它的改變、替換和添加。因此，本發明的範圍不局限於上述特定實施例，而應由所附權利要求所限定。
【權利要求】
1.一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:該成像儀包含波前調製子系統和匹配濾波子系統:其中波前調製子系統包括波前調製器和控制裝置，用於調製瞳面波前；匹配濾波子系統包括匹配濾波器，該匹配濾波器採用匹配濾波光闌，用於焦面濾波。
2.根據權利要求1所述的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:所述的波前調製器在系統中瞳面的光學共軛位置處放置。
3.根據權利要求1所述的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:所述的匹配濾波光闌在系統中波前調製器之後的焦面位置處，其作用為焦面匹配濾波和濾除視網膜特定層的衍射光，實現對視網膜該層的暗場成像。
4.根據權利要求1所述的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:所述的波前調製子系統，所述波前調製器是從可形變反射鏡空間光調製器(DMD)、液晶空間光調製器、磁光空間光調製器、多量子阱空間光調製器、聲光空間光調製器、衍射光學元件中選擇的。
5.根據權利要求1所述的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:所述的波前調製子系統，所述的波前調製子系統是通過波前調製器調製瞳面的光強分布實現光瞳的切趾，改變來自視網膜特定層的衍射光分布，使該層在焦面的光強分布向零級區域集中，這裡瞳面的切趾函數是根據不同層的結構通過計算和優化得到的。
6.根據權利要求1所述的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:所述的匹配濾波子系統，所述的匹配濾波子系統是與權利要求5中的波前調製子系統配合的，波前調製子系統改變來自視網膜特定層的衍射光分布，使該層在焦面的光強分布向零級區域集中；同時，在焦面上加入匹配濾波子系統濾除該層的零級區域衍射光，不對與來自其它層的成像光進行抑制或抑制較小，從而實現對其它層的高對比度成像，即暗場成像，因此，匹配濾波光闌的尺寸對應於瞳面調製後的焦面衍射的艾利斑尺寸量級。
7.根據權利要求1所述的波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:所述的匹配濾波子系統，所述的匹配濾波子系統如果被移除，則該成像儀可以實現另一個工作模式:通過瞳面調製實現特定層在焦面的衍射分布向零級集中，經過後面的光學系統成像，提高了特定層的成像對比度。
8.一種波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀，其特徵在於:包括信標光源(I)、準直透鏡(2)、信標光欄(3)、照明光源(4)、準直透鏡(5)、第一分光鏡(6)、平面反射鏡(7)、第一球面反射鏡(8)、第二球面反射鏡(9)、波前校正器(10)、第三球面反射鏡(11)、第四球面反射鏡(12)、波前調製器(13)、第五球面反射鏡(14)、濾波光闌(15)、第六球面反射鏡(16)、第二分光鏡(17)、第三分光鏡(18)、光束匹配系統(19)、波前傳感器(20)、第四分光鏡(21)、成像透鏡(22)、成像相機(23)、目標準直物鏡(24)、照明發光二極體陣列(25)和控制裝置(28);控制裝置(28)包括控制電路(26)和PC機(27)，控制電路(26)和PC機(27)連接； 該波前調製暗場自適應光學視網膜成像儀工作時，首先打開半導體信標光源(I)，經準直透鏡(2)和信標光欄(3)後準直為平行光，然後通過由第二分光鏡(17)、第六球面反射鏡(16)、濾波光闌(15)、第五球面反射鏡(14)、波前調製器(13)、第四球面反射鏡(12)、第三球面反射鏡(11)、波前校正器(10)、第二球面反射鏡(9)、第一球面反射鏡(8)、平面反射鏡(7)、第一分光鏡(6)組成的主光路，穿過人眼瞳孔照明眼底，從眼底反射的光再通過主光路返回並經過第三分光鏡(18)和光束匹配系統(19)後形成平行光進入波前傳感器(20)，波前傳感器(20)將所探測的信號送至控制裝置(28)的PC機(27)進行波前復原計算和閉環控制計算，得到波前校正器(10)的控制電壓信號，控制電壓信號經數模轉換和高壓放大，驅動波前校正器(10)校正人眼像差，自適應光學系統閉環校正完畢後，控制裝置(28)的控制電路(26)發射信號控制波前調製器(13)對瞳面波前進行調製；調製穩定後，啟動照明光源(4)，照明光源(4)發出的光經過準直透鏡(5)準直成平行光，經第一分光鏡(6)反射進入人眼光學系統照射眼底視網膜，由眼底反射的光進入主光路並經過濾波光闌(15)，然後到第三分光鏡(18)，並經過第四分光鏡(21)和成像透鏡(22)後聚焦在成像相機(23)上成像，此時，開啟並控制目標陣列裝置目標準直物鏡(24)和照明發光二極體陣列(25)，可以對視網膜不同區域進行成像。
【文檔編號】A61B3/12GK104352214SQ201410642859
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】張雨東, 趙軍磊, 戴雲, 楊金生, 肖飛, 康健, 魏淩, 趙豪欣, 範真濤 申請人:中國科學院光電技術研究所