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CN111657853A - 高速自适应线扫描眼底成像系统及方法 - Google Patents

高速自适应线扫描眼底成像系统及方法 Download PDF

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CN111657853A CN202010484617.0A CN202010484617A CN111657853A CN 111657853 A CN111657853 A CN 111657853A CN 202010484617 A CN202010484617 A CN 202010484617A CN 111657853 A CN111657853 A CN 111657853A
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Abstract

本发明公开了一种高速自适应线扫描眼底成像系统及方法，系统包括：光源模块产生照明线光束，波前探测和校正模块发射波前探测光束，分光模块将照明线光束与波前探测光束合束，并将该合束光通过照明模块传输至人眼，眼底对合束光反射后再经照明模块原路返回，其中照明线光束的反射光作为成像光经分光模块后入射至成像模块进行成像，波前探测光束的反射光作为探测光进入波前探测和校正模块，由波前探测和校正模块对成像系统像差和波前进行实时探测和校正，实现高速自适应线扫描眼底成像。本系统能够有效提高光学利用率，针对感兴趣的眼底区域，能以更快的成像速度，获得高分辨率、高对比度的眼底图像，为眼科临床检查提供更多有效信息。

Description

高速自适应线扫描眼底成像系统及方法
技术领域
本发明涉及自适应光学成像技术领域，涉及人眼视网膜成像医疗设备成像领域，特别涉及一种高速自适应线扫描眼底成像系统及方法。
背景技术
自适应眼底成像技术是国外70年代才开始发展起来的光学新技术，该技术利用波前探测器探测眼睛像差，利用波前校正器尽量消除系统像差，以达到对眼底视网膜高分辨成像的目的。常见的自适应眼底成像系统通过二维点扫描对眼底成像，受限于扫描振镜的扫描速度，其成像视场较小，成像帧频较低，典型值为30fps。
中国专利CN2013100017109.1公开了一种基于自适应光学的线扫描检眼镜系统，该系统针对线扫描检眼镜中像差引起的成像质量不好、分辨率较差的问题，提出利用波前探测器探测眼睛像差，利用波前校正器尽量消除系统像差，以达到对眼底视网膜高分辨成像的目的。
该专利将自适应成像引入线扫描眼底成像中，以得到眼底高分辨图像，但是该系统尚存在一些不足，具体表现为：1.线光束产生装置中，使用截取的方法产生线光束，浪费了大部分的光能；2.成像部分使用普通的对称式收集系统，大部分成像光落在探测点外，加剧了光能利用率低的问题。同时，该系统中没有使用视标模块，在临床应用中存在困难，系统很难针对患者的感兴趣区域(如病灶)持续成像。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种高速自适应线扫描眼底成像系统及方法，能实现快速高分辨率、高对比度成像，为眼科临床检查提供更多的有效信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高速自适应线扫描眼底成像系统，所述系统包括光源模块、成像模块、分光模块、波前探测和校正模块以及照明模块；
所述光源模块产生照明线光束，所述波前探测和校正模块发射波前探测光束，所述分光模块将所述照明线光束与波前探测光束合束，并将该合束光传输至照明模块，由照明模块将所述合束光传输至人眼，眼底对合束光反射后再经照明模块原路返回，其中照明线光束的反射光作为成像光经分光模块后入射至成像模块进行成像，波前探测光束的反射光作为探测光进入波前探测和校正模块，由波前探测和校正模块对所述照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正，实现高速自适应线扫描眼底成像。
进一步地，所述系统还包括视标，用于引导系统对所述人眼的感兴趣眼底区域进行成像。
一种高速自适应线扫描眼底成像方法，所述方法包括以下步骤：
光束产生步骤：光源模块的第一光源发出照明光，经第一准直镜后变为平行光，再经第一柱面镜聚焦为照明线光束；波前探测和校正模块的第二光源发出照明光，经第二准直镜后变为平行光；
光束合束步骤：所述照明线光束经分光模块的第一分光镜反射、第一二向色镜透射后进入照明模块，同时所述第二光源的平行光经分光模块的第二分光镜、第一二向色镜反射进入照明模块；
合束光照明步骤：经第一二向色镜的合束光依次经照明模块的第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、波前探测和校正模块的波前校正器、照明模块的扫描镜、第三凹面反射镜、第四凹面反射镜和平面反射镜反射，以及第二二向色镜透射进入人眼并被眼底反射；
自适应线扫描眼底成像步骤：眼底反射光原路返回，其中照明线光束的反射光作为成像光原路返回至分光模块的第一分光镜，经第一分光镜透射进入成像模块进行成像；波前探测光束的反射光包含系统的像差信息，作为探测光原路返回至第二分光镜，经第二分光镜透射进入波前探测器，波前探测器将包含系统像差信息的光信号转化为电信号并传输至上位机，上位机对该电信号进行分析处理后，发送控制指令给波前校正器，由波前校正器对照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正，实现高速自适应线扫描眼底成像。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)系统将线扫描和自适应成像技术相结合，使用线光束作为照明，仅需一维扫描即可对待测样品(眼底)成像，有效提高了成像速度，同时使用自适应眼底成像技术探测可降低系统像差，以快速得到高分辨的眼底图像；2)线光束通过柱面镜聚焦产生，而不是通过遮挡产生，这样能够充分利用光源模块发出的光，提高光能利用率；3)使用非对称式收集方案，将成像光的点扩散函数变为椭圆形，使得大部分成像光能够到达线探测器感光部分，从而提高了光能利用率；4)本系统还有视标部分，使得被测者能够固视，系统对感兴趣的区域持续成像。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中高速自适应线扫描眼底成像系统的结构框图。
图2为一个实施例中高速自适应线扫描眼底成像系统的光路图。
图3为一个实施例中成像光的不同点扩散函数对比示意图，其中图(a)、(b)分别为使用圆透镜收集成像光束时，探测器处的点扩散函数、以及能被探测器利用到的光，图(c)为使用非对称收集方式收集光束时，探测器处的点扩散函数以及能被探测器利用到的光。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种高速自适应线扫描眼底成像系统，所述系统包括光源模块1、成像模块2、分光模块3、波前探测和校正模块4以及照明模块5；
所述光源模块1产生照明线光束，所述波前探测和校正模块4发射波前探测光束，所述分光模块3将所述照明线光束与波前探测光束合束，并将该合束光传输至照明模块5，由照明模块5将所述合束光传输至人眼7，眼底对合束光反射后再经照明模块5原路返回，其中照明线光束的反射光作为成像光经分光模块3后入射至成像模块2进行成像，波前探测光束的反射光作为探测光进入波前探测和校正模块4，由波前探测和校正模块4对所述照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正，实现高速自适应线扫描眼底成像。
本系统将线扫描和自适应成像技术相结合，系统使用线光束作为照明，仅需一维扫描即可对待测样品眼底成像，有效提高了成像速度，同时使用自适应眼底成像技术探测可降低系统像差，以快速得到高分辨的眼底图像。本系统能够有效提高系统的光学利用率，针对感兴趣的眼底区域，能以更快的成像速度，获得高分辨率、高对比度的眼底图像，为眼科临床检查提供更多的有效信息。
进一步地，在其中一个实施例中，所述系统还包括视标6，用于引导系统对所述人眼7的感兴趣眼底区域进行成像。
进一步地，在其中一个实施例中，所述分光模块3包括第一分光镜301、第一二向色镜302以及第二分光镜303，所述第一分光镜301和第一二向色镜302同光轴设置，该光轴记为第一光轴，所述第一二向色镜302和第二分光镜303同光轴设置，该光轴记为第二光轴，所述第一光轴与第二光轴垂直。
进一步地，在其中一个实施例中，所述光源模块1包括沿光轴依次设置的第一光源101、第一准直镜102以及第一柱面镜103；所述第一光源101发出照明光，经第一准直镜102后变为平行光，再经第一柱面镜103聚焦变为线光束，该线光束依次经第一分光镜301反射、第一二向色镜302透射后进入照明模块5，之后经照明模块5进入人眼7并被眼底反射，该反射光原路返回至第一分光镜301，经第一分光镜301透射进入成像模块2。
这里，第一光源101可以采用激光光源或发光二极管或超辐射发光二极管。优选地，采用波长为795nm的超辐射发光二极管。
进一步地，在其中一个实施例中，所述成像模块2包括沿光轴依次设置的第二柱面镜201、第三柱面镜202以及线探测器203；所述第二柱面镜201和第三柱面镜202构成非对称收集系统，两柱面镜正交，焦距不同且焦平面重合；所述线探测器203位于两个柱面镜的焦平面上，且与柱面镜聚焦方向正交。
这里，若采用单透镜收集成像光，其点扩散函数将如图3a和图3b所示，仅有一部分成像光能被探测器检测到，而使用双柱面镜组成的非对称收集装置，点扩散函数会变成椭圆形，如图3c所示，大部分成像光能够到达线探测器感光部分，从而提高了光能利用率。
这里，优选地，所述线探测器203采用线阵CCD，或线阵CMOS，或线阵雪崩二极管。可选地，采用SPL2048-140km CCD探测器。
进一步地，在其中一个实施例中，所述照明模块5包括沿光轴依次设置的由第一凹面反射镜501和第二凹面反射镜502构成的第一缩扩束镜组、扫描镜503、由第三凹面反射镜504和第四凹面反射镜505构成的第二缩扩束镜组、平面反射镜506以及第二二向色镜507。
这里，对于所述视标6，设置于第四凹面反射镜505与人眼7之间，视标6发出的引导光经第二二向色镜507反射进入人眼7。
进一步地，在其中一个实施例中，所述波前探测和校正模块4包括第二光源401、第二准直镜402、波前探测器403以及波前校正器404，所述第二光源401发出照明光，经第二准直镜402后变为平行光，再依次经第二分光镜303、第一二向色镜302反射进入照明模块5，之后经照明模块5进入人眼7并被眼底反射，该反射光包含系统的像差信息，反射光原路返回至第二分光镜303，经第二分光镜303透射进入波前探测器403，波前探测器403将包含系统像差信息的光信号转化为电信号并传输至上位机，上位机对该电信号进行分析处理后，发送控制指令给波前校正器404，由波前校正器404对照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正；所述波前校正器404设置于所述第二凹面反射镜502和扫描镜503之间。
这里，经第一二向色镜302的合束光与波前校正器404口径相配合。
这里，第二光源401可以采用激光光源或发光二极管或超辐射发光二极管。优选地，采用波长为635nm的半导体激光器。
在一个实施例中，提供了一种高速自适应线扫描眼底成像方法，所述方法包括以下步骤：
光束产生步骤：光源模块1的第一光源101发出照明光，经第一准直镜102后变为平行光，再经第一柱面镜103聚焦为照明线光束；波前探测和校正模块4的第二光源401发出照明光，经第二准直镜402后变为平行光；
光束合束步骤：所述照明线光束经分光模块3的第一分光镜301反射、第一二向色镜302透射后进入照明模块5，同时所述第二光源401的平行光经分光模块3的第二分光镜303、第一二向色镜302反射进入照明模块5；
合束光照明步骤：经第一二向色镜302的合束光依次经照明模块5的第一凹面反射镜501、第二凹面反射镜502、波前探测和校正模块4的波前校正器404、照明模块5的扫描镜503、第三凹面反射镜504、第四凹面反射镜505和平面反射镜506反射，以及第二二向色镜507透射进入人眼7并被眼底反射；
自适应线扫描眼底成像步骤：眼底反射光原路返回，其中照明线光束的反射光作为成像光原路返回至分光模块3的第一分光镜301，经第一分光镜301透射进入成像模块2进行成像；波前探测光束的反射光包含系统的像差信息，作为探测光原路返回至第二分光镜303，经第二分光镜303透射进入波前探测器403，波前探测器403将包含系统像差信息的光信号转化为电信号并传输至上位机，上位机对该电信号进行分析处理后，发送控制指令给波前校正器404，由波前校正器404对照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正，实现高速自适应线扫描眼底成像。
关于高速自适应线扫描眼底成像方法的具体限定可以参见上文中对于高速自适应线扫描眼底成像系统的限定，在此不再赘述。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述系统包括光源模块(1)、成像模块(2)、分光模块(3)、波前探测和校正模块(4)以及照明模块(5)；
所述光源模块(1)产生照明线光束，所述波前探测和校正模块(4)发射波前探测光束，所述分光模块(3)将所述照明线光束与波前探测光束合束，并将该合束光传输至照明模块(5)，由照明模块(5)将所述合束光传输至人眼(7)，眼底对合束光反射后再经照明模块(5)原路返回，其中照明线光束的反射光作为成像光经分光模块(3)后入射至成像模块(2)进行成像，波前探测光束的反射光作为探测光进入波前探测和校正模块(4)，由波前探测和校正模块(4)对所述照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正，实现高速自适应线扫描眼底成像。
2.根据权利要求1所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述系统还包括视标(6)，用于引导系统对所述人眼(7)的感兴趣眼底区域进行成像。
3.根据权利要求1所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述分光模块(3)包括第一分光镜(301)、第一二向色镜(302)以及第二分光镜(303)，所述第一分光镜(301)和第一二向色镜(302)同光轴设置，该光轴记为第一光轴，所述第一二向色镜(302)和第二分光镜(303)同光轴设置，该光轴记为第二光轴，所述第一光轴与第二光轴垂直。
4.根据权利要求3所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述光源模块(1)包括沿光轴依次设置的第一光源(101)、第一准直镜(102)以及第一柱面镜(103)；所述第一光源(101)发出照明光，经第一准直镜(102)后变为平行光，再经第一柱面镜(103)聚焦变为线光束，该线光束依次经第一分光镜(301)反射、第一二向色镜(302)透射后进入照明模块(5)，之后经照明模块(5)进入人眼(7)并被眼底反射，该反射光原路返回至第一分光镜(301)，经第一分光镜(301)透射进入成像模块(2)。
5.根据权利要求4所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述成像模块(2)包括沿光轴依次设置的第二柱面镜(201)、第三柱面镜(202)以及线探测器(203)；所述第二柱面镜(201)和第三柱面镜(202)构成非对称收集系统，两柱面镜正交，焦距不同且焦平面重合；所述线探测器(203)位于两个柱面镜的焦平面上，且与柱面镜聚焦方向正交。
6.根据权利要求5所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述线探测器(203)采用线阵CCD，或线阵CMOS，或线阵雪崩二极管。
7.根据权利要求1所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述照明模块(5)包括沿光轴依次设置的由第一凹面反射镜(501)和第二凹面反射镜(502)构成的第一缩扩束镜组、扫描镜(503)、由第三凹面反射镜(504)和第四凹面反射镜(505)构成的第二缩扩束镜组、平面反射镜(506)以及第二二向色镜(507)。
8.根据权利要求7所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述波前探测和校正模块(4)包括第二光源(401)、第二准直镜(402)、波前探测器(403)以及波前校正器(404)，所述第二光源(401)发出照明光，经第二准直镜(402)后变为平行光，再依次经第二分光镜(303)、第一二向色镜(302)反射进入照明模块(5)，之后经照明模块(5)进入人眼(7)并被眼底反射，该反射光包含系统的像差信息，反射光原路返回至第二分光镜(303)，经第二分光镜(303)透射进入波前探测器(403)，波前探测器(403)将包含系统像差信息的光信号转化为电信号并传输至上位机，上位机对该电信号进行分析处理后，发送控制指令给波前校正器(404)，由波前校正器(404)对照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正；所述波前校正器(404)设置于所述第二凹面反射镜(502)和扫描镜(503)之间。
9.根据权利要求4或8所述的高速自适应线扫描眼底成像系统，其特征在于，所述第一光源(101)、第二光源(401)采用激光光源或发光二极管或超辐射发光二极管。
10.基于权利要求1至9任意一项所述的高速自适应线扫描眼底成像系统的成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
光束产生步骤：光源模块(1)的第一光源(101)发出照明光，经第一准直镜(102)后变为平行光，再经第一柱面镜(103)聚焦为照明线光束；波前探测和校正模块(4)的第二光源(401)发出照明光，经第二准直镜(402)后变为平行光；
光束合束步骤：所述照明线光束经分光模块(3)的第一分光镜(301)反射、第一二向色镜(302)透射后进入照明模块(5)，同时所述第二光源(401)的平行光经分光模块(3)的第二分光镜(303)、第一二向色镜(302)反射进入照明模块(5)；
合束光照明步骤：经第一二向色镜(302)的合束光依次经照明模块(5)的第一凹面反射镜(501)、第二凹面反射镜(502)、波前探测和校正模块(4)的波前校正器(404)、照明模块(5)的扫描镜(503)、第三凹面反射镜(504)、第四凹面反射镜(505)和平面反射镜(506)反射，以及第二二向色镜(507)透射进入人眼(7)并被眼底反射；
自适应线扫描眼底成像步骤：眼底反射光原路返回，其中照明线光束的反射光作为成像光原路返回至分光模块(3)的第一分光镜(301)，经第一分光镜(301)透射进入成像模块(2)进行成像；波前探测光束的反射光包含系统的像差信息，作为探测光原路返回至第二分光镜(303)，经第二分光镜(303)透射进入波前探测器(403)，波前探测器(403)将包含系统像差信息的光信号转化为电信号并传输至上位机，上位机对该电信号进行分析处理后，发送控制指令给波前校正器(404)，由波前校正器(404)对照明线光束、探测光和成像光波前进行实时校正，实现高速自适应线扫描眼底成像。
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