CN107126189B - 用于视网膜成像的光学组件和视网膜成像设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于视网膜成像的光学组件，包括光源模块、总分光镜、成像模块、扫描模块和平场物镜，总分光镜设置在光源模块和扫描模块之间，平场物镜设置在扫描模块与受检位置之间，光源模块用于向总分光镜发出用于照亮眼底的探测光，探测光经总分光镜引导至扫描模块，并经由扫描模块以及平场物镜射向受检位置，反射光线能够穿过扫描模块到达总分光镜，扫描模块包括扫描物镜，扫描物镜能够沿该扫描物镜的中心轴线往复移动，平场物镜能够沿该平场物镜的中心轴线往复移动。本发明还提供一种视网膜成像设备。视网膜成像设备根据人眼的屈光不正程度调节平场物镜的补偿离焦量，并可以改变扫描物镜的离焦量，从而获得视网膜上不同层的清晰图像。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体地，涉及一种用于视网膜成像的光学组件和一种包括该光学组件的视网膜成像设备。
背景技术
人眼的视网膜图像是眼科诊断和治疗中不可或缺的重要信息，实时跟踪眼底视网膜的形貌变化将有助于身体疾病的早期诊断和预防。R.H.Webb将共焦扫描技术应用于活体人眼视网膜成像，探测端的共焦真空针孔用于屏蔽样本非焦面的杂散光，从而获取样本焦面的高分辨图像。然而，上述共焦技术中采用扫描电分布弥散，造成分辨率不高，同时光点能量微小，采用弱光点探测器，获取的图像对比度低，且成像速度慢。
为了解决上述问题，出现了基于线扫描的共焦成像装置。但目前的共焦成像装置仅能获得视网膜的平面图，无法实现对视网膜的立体检测。
因此，如何实现对视网膜的立体检测成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于视网膜成像的光学组件和一种包括该光学组件的视网膜成像设备，利用该视网膜成像设备可以获得视网膜的立体图像。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种用于视网膜成像的光学组件，所述光学组件包括光源模块、总分光镜、成像模块、扫描模块和平场物镜，所述总分光镜设置在所述光源模块和所述扫描模块之间，所述平场物镜设置在所述扫描模块与受检位置之间，所述光源模块用于向所述总分光镜发出用于照亮眼底的探测光，所述探测光经所述总分光镜引导至所述扫描模块，并经由所述扫描模块以及所述平场物镜射向受检位置，来自受检位置的反射光线能够穿过所述扫描模块到达所述总分光镜，并由所述总分光镜引导至所述成像模块，其中，所述扫描模块包括扫描物镜，所述扫描物镜能够沿该扫描物镜的中心轴线往复移动，所述平场物镜能够沿该平场物镜的中心轴线往复移动。
优选地，所述扫描模块包括第一导轨，所述第一导轨的延伸方向与所述扫描物镜的中心轴线方向一致，所述扫描物镜可滑动地设置在所述第一导轨上。
优选地，所述光学组件包括第二导轨，所述第二导轨的延伸方向与所述平场物镜的中心轴线方向一致，所述平场物镜可滑动地设置在所述第二导轨上。
优选地，所述光学组件还包括第一柱面透镜，所述第一柱面透镜设置在所述总分光镜与所述扫描模块之间，所述第一柱面透镜用于将透过所述总分光镜的光束变换成为线光束后出射入所述扫描模块。
优选地，所述光源模块包括依次排列的宽带点光源、准直透镜和第一滤光片组，所述宽带点光源用于发出多种波长的宽带激光，所述第一滤光片组包括多个第一滤光片，所述第一滤光片的数量与所述宽带点光源发出的激光的波长的种类数相同，所述第一滤光片能够将所述宽带点光源发出的激光过滤成具有预定波长的激光，每个所述第一滤光片均可分离地设置在所述光学组件的光路中；
所述成像模块包括第一成像物镜和第二滤光片组，所述第二滤光片组设置在所述总分光镜和所述第一成像物镜之间，所述总分光镜反射的光线通过所述第二滤光片组进入所述第一成像物镜，所述第二滤光片组包括多个第二滤光片，多个所述第二滤光片分别能够透过不同波长的荧光。
优选地，所述光源模块包括第一转盘，所述第一转盘上设置有与多个所述第一滤光片一一对应的多个第一滤光通孔，所述第一滤光片设置在相应的第一滤光通孔中。
优选地，所述成像模块包括第二转盘，所述第二转盘上设置有与多个所述第二滤光片一一对应的多个第二滤光通孔，所述第二滤光片设置在相对应的第二滤光通孔中。
优选地，所述宽带点光源包括氩激光发射器和半导体激光发射器，所述氩激光发射器能够发射中心波长为488nm的宽带激光和中心波长为514nm的宽带激光，所述半导体激光发射器能够发射中心波长为795nm的宽带激光和中心波长为830nm的宽带激光；
所述第一滤光片组包括能够滤出波长为488nm激光的第一滤光片、能够滤出波长为514nm的激光的第一滤光片、能够滤出波长为795nm的激光的第一滤光片和能够滤出波长为830nm的激光的第一滤光片；
所述第二滤光片组包括能够滤出波长为500nm荧光的第二滤光片和能够滤出波长为810nm荧光的第二滤光片。
优选地，所述扫描模块还包括扫描振镜和第一二向色分光镜，所述第一二向色分光镜、所述扫描物镜依次排列在所述扫描振镜和所述平场物镜之间；
所述光学组件还包括视标模块，所述视标模块包括发光阵列和第三成像物镜，所述发光阵列包括多个能够独立控制的发光元件，任意一个所述发光元件发出的光能够射入所述第三成像物镜，并由所述第三成像物镜聚焦后射向所述第一二向色分光镜，并由所述第一二向色分光镜反射至所述平场物镜。
优选地，所述光学组件还包括瞳孔检测模块，所述瞳孔检测模块包括第二二向色分光镜、环形光源和第二成像物镜，所述环形光源具有能够透光的中空部，
所述第二二向色分光镜设置在所述第一二向色分光镜与所述第三成像物镜之间，穿过所述第三成像物镜的光线能够穿过所述第二二向色分光镜，所述环形光源设置在所述平场物镜和所述受检位置之间，所述环形光源能够朝向受检位置发光，且所述光源模块发出的光能穿过所述环形光源的中空部，来自所述受检位置的反射光能够穿过所述环形光源的中空部照射向所述第一二向色分光镜，并由所述第一二向色分光镜反射至所述第二二向色分光镜，所述第二二向色分光镜能够将所述第一二向色分光镜反射的光反射至所述第二成像物镜。
优选地，所述瞳孔检测模块还包括面阵光探测器，所述面阵光探测器用于接收所述第二成像物镜发出的光。
优选地，所述第二二向色分光镜的透射率小于所述第二二向色分光镜的反射率。
优选地，所述成像模块还包括在所述第一成像物镜的出光侧依次排布的第二柱面透镜、狭缝光阑和线阵光电探测器，其中，所述狭缝光阑、所述光源和所述受检位置处于共轭位置。
优选地，所述狭缝光阑的狭缝宽度等于所述第一成像物镜的艾里斑直径。
优选地，所述总分光镜包括反光部和形成在该反光部上的透光部，所述反光部的反光面朝向所述扫描模块，所述光源模块、所述总分光镜、所述扫描模块和所述平场物镜排列在第一直线上，所述成像模块设置在与所述第一直线垂直的第二直线上，以使得所述光源模块发出的探测光能够穿过所述透光部，由受检位置返回的反射光能够被所述反光部反射至所述成像模块。
优选地，所述总分光镜包括透明本体和设置在所述透明本体上的分光膜，所述光源模块和所述成像模块中的一者、所述总分光镜、所述扫描模块和所述平场物镜设置在同一第一直线上，所述光源模块和所述成像模块中的另一者设置在与所述第一直线垂直的第二直线上。
作为本发明的另一个方面，提供一种视网膜成像设备，所述视网膜成像设备包括光学组件和处理器，所述光学组件为本发明所提供的上述光学组件，所述处理器包括图像生成模块，所述图像生成模块用于根据从所述成像模块出射的光线生成相应的图像。
优选地，所述光学组件包括第二成像物镜，所述图像生成模块还用于根据所述第二成像物镜发出的光线生成相应的图像。
由于大部分人的人眼屈光不正，而本申请的光学组件中的平场物镜沿该平场物镜的中心轴线往复移动可以产生不同的屈光补偿量，因此，不同人眼的屈光不正离焦量均可以得到补偿，利用本发明所提供的光学组件可以得到清晰的人眼视网膜图像。
视网膜是位于人眼眼底的一层厚约300微米的膜，包括神经纤维层、神经细胞层、血管层、视细胞层和黑色素上皮细胞层等多层。不同的疾病和生理过程也会在视网膜的不同层上表现出来。扫描物镜可以沿其中心轴线往复移动，从而产生不同的离焦量，在不同的离焦量下，可以观察到视网膜不同深度层的图像，也就是说，扫描物镜能够将视网膜不同深度层发射的光传递至成像模块，并通过成像模块获得视网膜不同层的图像。
利用本发明所提供的光学组件可以对视网膜进行纵向层析，可以获得视网膜的三维图像，并观察视网膜不同层的图像，提高了临床检查的准确性以及全面性。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明所提供的视网膜成像设备的结构示意图；
图2a是总分光镜的一种实施方式的示意图；
图2b是总分光镜的另一种实施方式的示意图；
图3是第一转盘的一种实施方式的示意图；
图4(a)是扫描驱动信号的时序图；
图4(b)是扫描同步信号的时序图；
图4(c)是帧同步信号的时序图；
图4(d)是经帧同步调制的线阵光探测器信号的时序图；
图5是利用本发明所提供的视网膜成像设备检测视网膜的方法的流程图。
附图标记说明
100：光源模块 110：宽带点光源
120：准直透镜 130：第一滤光片组
200：总分光镜 300：第一柱面透镜
400：扫描模块 410：扫描振镜
420：第一二向色分光镜 430：扫描物镜
500：视标模块 510：发光阵列
520：第三成像物镜 600：平场物镜
700：瞳孔检测模块 710：第二二向色分光镜
720：环形光源 730：第二成像物镜
740：面阵光电探测器 800：成像模块
810：第二滤光片组 820：第一成像物镜
830：第二柱面透镜 840：狭缝光阑
850：线阵光电探测器 900：主控电脑
11：人眼 410a：函数发生卡
850a：图像采集卡 131：第一转盘
131a：第一滤光通孔 131b：第一直通孔
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，作为本发明的一个方面，提供一种用于视网膜成像的光学组件，所述光学组件包括光源模块100、总分光镜200、成像模块800、扫描模块400和平场物镜600。总分光镜200设置在光源模块100和扫描模块400之间，平场物镜600设置在扫描模块400和受检位置之间。需要指出的是，人眼11位于受检位置处。
光源模块100用于发出照亮受检位置的探测光(该探测光为细光束)，所述探测光经所述总分光镜200引导至扫描模块400，并经由扫描模块400射向受检位置，以照亮位于受检位置处，即人眼11眼底。来自人眼11眼底的反射光线能够穿过扫描模块400到达总分光镜200，并由该总分光镜200引导至成像模块800。其中，扫描模块400包括扫描物镜430，该扫描物镜430能够沿该扫描物镜430的中心轴线往复移动，平场物镜600能够沿该平场物镜600的中心轴线往复移动。
需要解释的是，此处的“总分光镜引导”包括两种情况，一种情况是透过总分光镜，另一种情况是由总分光镜反射。下文中将对这两种情况进行详细的说明，这里先不赘述。
当利用所述光学组件对测试者的视网膜进行成像时，测试者的待检测的眼睛位于所述受检位置，且待检测的人眼11、扫描物镜430、总分光镜200、光源模块100均位于同一直线上。当对测试者进行测试时，开启光源模块100，以产生检测光。该检测光经过总分光镜200、扫描模块400的扫描物镜430后，到达人眼11。人眼眼底的视网膜反射的光线可以通过扫描物镜430后到达总分光镜200，并由总分光镜200引导至成像模块800，通过采集经过成像模块800的光线可以获得视网膜的图像。
由于大部分人的人眼屈光不正，而本申请的光学组件中的平场物镜600沿该平场物镜600的中心轴线往复移动可以产生不同的屈光补偿量，因此，不同人眼的屈光不正离焦量均可以得到补偿，利用本发明所提供的光学组件可以得到清晰的人眼视网膜图像。
视网膜是位于人眼眼底的一层厚约300微米的膜，包括神经纤维层、神经细胞层、血管层、视细胞层和黑色素上皮细胞层等多层。不同的疾病和生理过程也会在视网膜的不同层上表现出来。扫描物镜430可以沿其中心轴线往复移动，从而产生不同的离焦量，可以观察到视网膜不同深度层的图像，也就是说，扫描物镜430能够将视网膜不同深度层发射的光传递至成像模块800，并通过成像模块获得视网膜不同层的图像。
具体地，通过调节扫描物镜430的离焦量，可以分别获得神经纤维层、神经细胞层、血管层、视细胞层和黑色素上皮细胞层的图像。利用本发明所提供的光学组件可以对视网膜进行纵向层析，可以获得视网膜的三维图像，并观察视网膜不同层的图像，提高了临床检查的准确性以及全面性。
例如，当本发明所提供的光学组件中，扫描物镜430的离焦量为0时，可以获得血管层的图形；当扫描物镜430的离焦量为-100微米时，可以获得神经纤维层层的图像；当扫描物镜430的离焦量为100微米时，可以获得细胞层的图像。
在本发明中，对总分光镜200的具体结构并不做具体的限定。下面结合两种总分光镜200的具体实施方式对上文中所述的“总分光镜引导”进行详细的说明。
第一种情况中，即，图1中所示的情况，总分光镜200可以包括透明本体和设置在所述透明本体上的分光膜。也就是说，总分光镜200可以是分光平片或者分光棱镜。
光源模块100和成像模块800中的一者、总分光镜200、扫描模块400和平场物镜600设置在同一第一直线L1上，分光膜与第一直线L1之间的夹角为45°，光源模块100和成像模块800中的另一者设置在与所述第一直线L1垂直的第二直线L2上。
具体光源模块100和成像模块800中的哪一者设置在第一直线L1上、哪一者设置在第二直线L2上则由分光膜的透反比决定。
例如，在图1中所示的实施方式中，为了实现视网膜的成像，总分光镜200的透射率小于该总分光镜200的反射率，优选地，总分光镜的透反比可以设置为1:9。在这种情况中，“所述探测光经总分光镜200引导至扫描模块400”是指探测光透过总分光镜200到达扫描模块400，“来自受检位置的反射光能够穿过扫描模块400到达总分光镜200，并由总分光镜200引导至成像模块800”是指来自受检位置的反射光能够穿过扫描模块400到达总分光镜200，并由总分光镜200反射至成像模块800。
当总分光镜200的透射率大于该总分光镜200的反射率时，可以将成像模块800设置在第一直线L1上，将光源模块100设置在第二直线L2上。在这种实施方式中，优选地，可以将总分光镜200的透反比设置为9:1。在这种情况中，“所述探测光经总分光镜200引导至扫描模块400”是指探测光由总分光镜200反射至扫描模块400，“来自受检位置的反射光能够穿过扫描模块400到达总分光镜200，并由总分光镜200引导至成像模块800”是指来自受检位置的反射光能够穿过扫描模块400到达总分光镜200，并透过总分光镜200到达成像模块800。
第二种情况中，如图2a和图2b所示，总分光镜200还可以是中空的反射镜。如图2所示，总分光镜200包括反光部220和形成在该反光部220上的透光部210，反光部220的反光面朝向扫描模块400，并将眼底反射的光线反射至成像模块800。在这种实施方式中，反光部220的反光面朝向扫描模块400，且与扫描模块400之间的夹角为45°，光源模块100、总分光镜200、扫描模块400和平场物镜600排列在第一直线L1上，成像模块800设置在与第一直线L1垂直的第二直线上L2。光源模块100发出的探测光能够穿过透光部210，由受检位置返回的反射光能够被反光部220反射至成像模块800。
图2a和图2b中所示的总分光镜200可以消除杂散光，使得最终获得的眼底图像更加清晰。
如图2a所示，透光部210可以是圆通孔。透光部210的直径优选为3mm，此时，透光部可以滤除杂散光。滤除了杂散光后的探测光射入扫描模块400。
当然，透光部210还可以是其他形状的孔，例如，透光部210可以是图2b中所示的宽度为3mm的狭缝。
在本发明中，对如何移动扫描物镜430并没有特殊的限制。作为一种实施方式，扫描模块400可以包括第一导轨(未示出)，该第一导轨的延伸方向与扫描物镜430的中心轴线方向一致，扫描物镜430可滑动地设置在所述第一导轨上。对如何驱动扫描物镜430在第一导轨上滑动并没有特殊的限制，例如，可以通过步进电机驱动扫描物镜430沿第一导轨滑动。设置步进电机的优点在于，可以精确的控制扫描物镜430的位置，从而可以精确地控制扫描物镜430的离焦量，使得检测图像更加精确。
在本发明中的，对平场物镜600如何移动也没有特殊的要求，例如，所述光学组件可以包括第二导轨(未示出)，该第二导轨的延伸方向与平场物镜600的中心轴线方向一致，平场物镜600可滑动地设置在所述第二导轨上。与驱动扫描物镜430类似，可以通过步进电机驱动平场物镜600沿第二导轨滑动。
优选地，进入扫描模块400的探测光为线光束，相应地，所述光学组件还可以包括第一柱面透镜300，该第一柱面透镜设置在总分光镜200与扫描模块400之间。第一柱面透镜300可以将透过总分光镜200的细光束转换为线结构光，线结构光穿过扫描模块400后进入人眼，并在人眼的视网膜上形成一条线状结构光，进入眼底的线结构光被视网膜反射后，携带视网膜上该线结构光的强度信息，沿原路返回，通过总分光镜200反射至成像模块800。
在本发明中，第一柱面透镜300可以是能够在400nm-900nm波段范围内消除色差的消色差胶合柱面透镜。例如，可以选用thorlabs公式的ACY254-050-A作为第一柱面透镜300。
在本发明中，对光源模块100的具体结构并不做限定。在图1所示的实施方式中，光源模块100包括依次排列的宽带点光源110、准直透镜120。此处，宽带点光源110可以是带尾纤的点光源。宽带点光源110发出的光经过准直透镜120后变成平行光束。
视网膜中各层对光谱的敏感度不同，可以根据具体需求对不同视网膜的不同层进行成像或者造影成像。例如，如需观察视细胞层，用近红外光比较合适；如观察血管内血细胞流动，则是用绿光比较合适；如需观察黑色素上皮层，则需要利用脂褐质的568nm激发的自发荧光效应。为了实现上述功能，光源模块100应当可以发出上述各种光。
在本发明中，光源模块100可以包括多个点光源110，多个点光源110分别发出不同波长的激光，以配合扫描模块和成像模块为不同层提供光源。
为了简化光源模块100的结构，优选地，光源模块100包括依次排列的宽带点光源110、准直透镜120和第一滤光片组130。所述宽带点光源110用于发出多种波长的宽带激光。第一滤光片组130包括多个第一滤光片，所述第一滤光片的数量与所述宽带点光源发出的激光的波长的种类数相同，所述第一滤光片能够将所述点光源发出的激光过滤成具有预定波长的激光，每个所述第一滤光片均可分离地设置在所述光学组件的光路中。相应地，成像模块800包括第二滤光片组，所述第二滤光片组810设置在总分光镜200和第一成像物镜820之间，第二滤光片组810包括多个第二滤光片，多个第二滤光片分别能够透过不同波长的荧光。
此处，“可分离地设置”是指，可以将所述第一滤光片组中的第一滤光片从光路中拿出，也可以将第一滤光片设置在光路中。
由于点光源110发出的是宽带激光，经第一滤光片滤光后可以获得具有相应波长的窄带激光。滤光片的成本低于点光源的成本，而且，滤光片体积小、不需要加电，可以很容易地安装在所述光学组件中或者从所述光学组件中拆除。
在本发明中，当需要获得视网膜的图像时，光源110发出的光为点光源，经过准直透镜120后被准直为平行光束，并由所需的第一滤光片选取所需要的谱线后由总分光镜200分光，透过总分光镜200的部分经第一柱面透镜300变换为一维线光束，并到达扫描模块400，通过扫描模块400后传播至人眼中。
在本发明中，对如何更换第一滤光片组中的第一滤光片并没有特殊的要求，作为一种优选实施方式，如图3所示，所述光源模块包括第一转盘131，该第一转盘上131设置有与多个第一滤光片一一对应的多个第一滤光通孔131a，所述第一滤光片设置在相应的第一滤光通孔131a中。通过转动第一转盘，可以将所需要的第一滤光片设置在光路中。
优选地，如图3所示，第一转盘131上还可以设置有第一直通孔131b，该第一直通孔131b中不设置任何滤光片，光线可以直接通过。在这种实施方式中，通过旋转转盘即可实现在光路中设置或者移开第一滤光片而无需拆除旋转转盘，便于操作者对其进行操作。
同样地，在本发明中，对如何更换第二滤光片组中的第二滤光片也没有特殊的要求。作为一种优选实施方式，所述第一成像包括第二转盘，所述第二转盘上设置有与多个所述第二滤光片一一对应的多个第二滤光通孔，所述第二滤光片设置在相对应的第二滤光通孔中。通过转动第二转盘，可以将所需要的第二滤光片设置在检测光路中。
为了便于操作者进行操作，优选地，与第一转盘类似，可以在第二转盘中设置第二直通孔，该第二直通孔中不设置任何滤光片，光线可以直接通过。
作为一种优选实施方式，所述点光源包括氩激光发射器和半导体激光发射器，所述氩激光发射器能够发射中心波长为488nm的宽带激光和中心波长为514nm的宽带激光，所述半导体激光发射器能够发射中心波长为795nm的宽带激光和中心波长为830nm的宽带激光。
所述第一滤光片组包括能够滤出波长为488nm激光的第一滤光片、能够滤出波长为514nm的激光的第一滤光片、能够滤出波长为795nm的激光的第一滤光片和能够滤出波长为830nm的激光的第一滤光片。
所述第二滤光片组包括能够滤出波长为500nm荧光的第二滤光片和能够滤出波长为810nm荧光的第二滤光片。
在具体应用时，可以选择性地控制氩激光发射器和半导体激光发射器发光。
当需要对眼底进行荧光素钠造影时，将能够滤出波长为488nm激光的第一滤光片和能够滤出波长为500nm荧光的第二滤光片设置在光路中，从而可以实现荧光素钠造影成像。
当对视网膜进行无赤光成像时，可以将能够滤出波长为514nm激光的第一滤光片设置在光路中，并将所有的第二滤光片均从光路中取出，从而可以实现对视网膜的无赤光成像。
当需要对眼底进行吲哚青绿染料造影成像时，将能够滤出波长为795nm的激光的第一滤光片和滤出波长为810nm的荧光的第二滤光片设置在光路中，实现对吲哚青绿造影成像。
当需要对视网膜进行红外光成像时，将能够滤出波长为830nm的激光的第一滤光片设置在光路中，同时将第二滤光片从光路中取出，实现对视网膜的红外光成像。
作为一种优选实施方式，如图1所示，扫描模块400还可以包括扫描振镜410和第一二向色分光镜420，第一二向色分光镜420、扫描物镜430依次排列在扫描振镜410和平场物镜600之间。
如图中所示，第一二向色分光镜420的分光膜与第一直线L1之间的夹角可以为45°。
为了实现对视网膜不同区域进行成像，优选地，所述光学组件还可以包括视标模块500。如图1中所示，视标模块500包括发光阵列510和第三成像物镜520。发光阵列包括多个能够独立控制的发光元件(所述发光元件可以是LED)，任意一个发光元件发出的光均能够射入第三成像物镜520，该第三成像物镜520对入射光线进行聚焦，聚焦后的光线射向第一二向色分光镜420，并由该第一二向色分光镜420反射至平场物镜600，并最终射向人眼11眼底的相应区域。
在该实施方式中，通过控制发光阵列510不同位置的发光元件发光，可以使得人员11的视网膜上不同的区域被照亮，从而可以实现对视网膜不同区域的成像。
在本发明中，对如何驱动发光阵列510的各个发光元件发光并不做特殊的限定。例如，可以通过USB接口、蓝牙、、网线接口、串口并口中的任意一种数据连接端口将发光阵列510与主控电脑900相连，通过主控电脑900控制发光阵列510上不同的发光元件发光。
视标模块500的第三成像物镜520的中心轴垂直于第一直线L1。
为了实现对人眼瞳孔进行实时检测、便于系统调试、方便受试者进行成像检查，优选地，所述光学组件还包括瞳孔检测模块700，该瞳孔检测模块700包括第二二向色分光镜710、环形光源720和第二成像物镜730。
环形光源720设置在平场物镜600和受检位置之间，期能够朝向受检位置发光。
第二二向色分光镜710设置在扫描模块400的第一二向色分光镜420和第三物镜520之间，且第二二向色分光镜710的分光膜与第三物镜520的中心轴线之间的夹角为45°。来自所述受检位置的反射光能够被穿过环形光源720的中空部照射向第一二向色分光镜420，并由该第一二向色分光镜420反射至第二二向色分光镜710，该第二二向色分光镜720能够将第一二向色分光镜420反射的光反射至第二成像物镜730。通过第二成像物镜730可以获得人眼瞳孔的图像。第二成像物镜730的中心轴线与第三成像物镜520的中心轴线垂直。
环形光源720可以为环形排布的LED灯管，中间为圆形通孔。环形光源点亮后发出的光照明人眼角膜，角膜对环形光源发射的环形光束反射后直接穿过环形光源720的中间通光孔，然后经第一二向色分光镜420反射至第二二向色分光镜710，并经第二二向色分光镜710反射后由第二成像物镜730聚焦进入面阵光电探测器740，面阵光电探测器740将光强度信号转换成电信号，直接输出给主控电脑900，从而由计算机900获取人眼瞳孔图像，实现对瞳孔的实时监测，用于系统光学成像的对准与定位等功能，并可以由主控电脑900进行图像存储、图像处理和分析、文件处理等。
在本发明中，对环形光源的具体结构并没有特殊的限制，例如，环形光源可以是多个LED排列成的环形光源。需要指出的是，环形光源中间是中空的，可以允许检测光线和反射光线的通过。
优选地，瞳孔检测模块700还可以包括面阵光探测器740，该面阵光探测器740可以检测来自第二成像物镜730的光，并成像。
优选地，成像模块800还包括在第一成像物镜820的出光侧依次排列的第二柱面透镜830、狭缝光阑840和线阵光电探测器850。
总分光镜200反射的光线经过第一成像物镜820匹配放大率，经过第二柱面透镜830聚焦成线光束，穿过狭缝光阑840到达线阵光电探测器850得到视网膜线光束照明位置的连续光强信息。
第二柱面透镜830可以提高光线的利用率，减少能量损失。狭缝光阑840可以滤除杂光，使得最终获得的图像更加清晰。
优选地，所述狭缝光阑的狭缝宽度等于所述成像物镜的艾里斑直径，从而可以完全滤除人眼视网膜非焦面位置的杂散光，保证共焦成像具有较高的分辨率。
扫描振镜410对入射的线结构光进行一维扫描，并经过扫描物镜430匹配后经平场物镜600变换后传播进入人眼，并通过人眼的光学系统将线结构光聚焦到视网膜一维线结构光束，人眼眼底对入射光有散射作用，散射光携带着人眼视网膜的光强信息的成像光束，该成像光束从人眼视网膜反射后出射。随后人眼反射的成像光束经平场物镜600变换成平场光束继续沿原路返回至总分光镜200，该总分光镜200将成像光束反射至成像模块800。
由于视网膜为带有较大曲率的曲面结构，视网膜反射出的成像光束带有较大的畸变像差，因此，成像光束也是曲面形状，利用平场物镜600结合人眼的光学系统参数和视网膜结构，可以满足将视网膜曲面反射的成像光束变成平场光束，消除畸变影响。
在图1中所示的具体实施方式中，成像模块800包括依次排列的第二滤光片组810、第一成像物镜820、第二柱面透镜830、狭缝光阑840和线阵光电探测器850。成像光束经第二滤光片组810中的第二滤光片选出所需要的谱线后经第一成像物镜820聚焦后，由第二柱面透镜830还原成线光束，经狭缝光阑840滤除杂散光后进入线阵光电探测器850。
在本发明所提供的光学组件中，将视网膜不同视场内的像质作为评价指标，使得线结构光束对人眼视网膜的照明作用达到衍射极限。
作为本发明的另一个方面，提供一种视网膜成像设备，所述视网膜成像设备包括光学组件和处理器，其中，所述光学组件为本发明所提供的上述光学组件，所述处理器包括图像生成模块，该图像生成模块用于根据从所述成像模块出射的光线生成相应的图像。
如上文中所述，由于扫描物镜430可以产生不同的离焦量，因此，可以对视网膜上不同层进行成像，可以实现对视网膜更加全面地检查。并且，平场物镜600可以产生不同的离焦量，从而可以对人眼的屈光不正现象进行补偿，使得针对不同的患者都可以得到清晰的眼底图像。
在本发明中，处理器可以包括主控电脑900。
当所述光学组件包括线阵光电探测器850和扫描振镜410时，图像生成模块可以包括图像采集卡850a和函数发生卡410a。图像采集卡850a的输入端与线阵光电探测器850的输出端端相连，用于根据线阵光电探测器850生成的电信号生成相应的图像。函数发生卡410a分别与扫描振镜410和主控电脑900相连，用于驱动扫描振镜410。
在本发明中，主控电脑900主要用于输出各种控制命令，以实现对图像的重构、显示、存储、处理和分析以及文件处理等功能。
当然，当线阵光电探测器850为网线接口时，图像生成模块可以不包括所述图像采集卡，线阵光电探测器850输出的电信号生成相应的图像。
当所述光学组件包括瞳孔检测模块700时，图像生成模块还用于生成瞳孔检测模块700获得的图像。在图1中所示的实施方式中，主控电脑900与面阵光探测器740的输出端相连。
下面结合图1和图4对本发明所提供的视网膜成像设备的工作原理进行描述。
在图1所示的实施方式中，光学组件包括光源模块100、总分光镜200、第一柱面透镜300、扫描模块400、视标模块500、平场物镜600、瞳孔检测模块700以及成像模块800。
光源模块100包括点光源110、准直透镜120和第一滤光片组。点光源110包括氩激光发射器和半导体激光发射器，氩激光发射器能够发射中心波长为488nm的激光和中心波长为514nm的激光，半导体激光发射器能够发射中心波长为795nm的激光和中心波长为830nm的激光。
第一滤光片组包括四个窄带滤光片，分别为能够滤出488nm波长的光的第一滤光片、能够滤出514nm波长的光的第一滤光片、能滤出795nm波长的光的第一滤光片和能滤出830nm波长的光的第一滤光片。
准直透镜120为消色差双胶合透镜，该准直透镜能够消除400nm-900nm波段范围内的光的色差，准直透镜120的焦距为30mm。
总分光镜200采用图2中所示的包括透光部和反射部的总分光镜，透光部的直径为3mm。
第一柱面透镜300采用消色差胶合柱面透镜，能够消除400nm-900nm波段范围内的光的色差，本发明中采用thorlabs公司的ACY254-050-A。
扫描模块400包括依次排列的扫描振镜410、第一二向色分光镜420和扫描物镜430。其中，扫描振镜410为反射式扫描振镜，本发明中采用Cambridge Technology公司的model 6210H型产品，有效光学口径为3mm。第一二向色分光镜420为光谱分光镜。扫描物镜430为消色差胶合透镜，本发明中采用400nm至900nm消色差透镜，焦距为50mm。
平场物镜600消除视网膜曲面的非平场畸变，本发明中采用Volk公司的平场物镜，型号为VOLK裂隙灯前置镜66D。
瞳孔检测模块700包括第二二向色分光镜710、环形光源720、第二成像物镜730和面阵光探测器740。
第二二向色分光镜710为分光平片，根据视标模块500出射的光谱线和环形光源720出射的光束谱线设计第二二向色分光镜710的分光膜系。
环形光源720中间圆形通孔的直径为10mm。
第二成像物镜730为消色差双胶合透镜，本发明中采用400nm-900nm消色差，焦距为80mm。
面阵光电探测器740可以为面阵电荷耦合器件、或面阵互补金属氧化物半导体阵列、或面阵光电二极管阵列，本实施例中采用德国Basler公司的面阵电荷耦合相机，型号为daA1920-30um，像素为1920×1080，黑白成像，帧频可达30帧每秒。
视标模块500包括发光阵列510和第三成像物镜520。发光阵列510为8×8的LED阵列，相邻两个LED的中心间距为2mm。第三成像物镜520为双胶合消色差透镜，焦距为100mm。
成像模块800包括第二滤光片组810、第一成像物镜820、第二柱面透镜830、狭缝光阑840和线阵光电探测器850。第二滤镜组包括可以滤出500nm波长的第二滤光片以及滤出810nm波长的第二滤波片。
第一成像物镜820为消色差双胶合透镜，本发明中采用400nm-900nm消色差，焦距为100mm。
第二柱面透镜830采用消色差胶合柱面透镜，对400nm-900nm波段范围内消色差，本实施例中采用thorlabs公司的ACY254-050-A柱面透镜。
狭缝光阑840为可调狭缝光阑，本实施例中采用北京卓立汉光的APAS80-1A，其位置与眼底视网膜平面共轭。
线阵光电探测器850为线阵电荷耦合器件、或线阵互补金属氧化物半导体阵列、或者线阵光电二极管阵列，本实施例中采用BASLER公司的线阵CCD，型号为spL2048-140km，线像素为2*2048，像元尺寸为10μm×10μm。线阵光电探测器850将连续光强信号转换为模拟电信号，与扫描振镜410产生同步电压，一起输送至由函数发生卡410a和图像采集卡850a组成控制处理器，图像采集卡850a首先对扫描同步电压进行调制，得到帧同步信号，再根据该帧同步信号对线阵光电探测器850输出的模拟电信号进行采样，确定某一时刻的强度信息对应着视网膜上的哪一条线，并最终在主控电脑900上恢复视网膜上某一矩形区域的实时强度信息。具体如下：
如图4(a)所示，扫描振镜410的扫描驱动信号是锯齿波信号，需要将其转换成帧同步信号。在本实施例中看，可以采用比较器将锯齿波形的反馈驱动信号转换成帧同步信号。由于扫描驱动信号的幅值是根据扫描区域的要求可调节的，因此如果直接将扫描驱动信号与一个固定电平值对比得到帧同步信号，这样得到的帧同步信号是幅值相关的，每次扫描驱动信号的幅值调整后，都需要重新提供比较电平，这样的可操作性太差。因此在设计中，将位置信号与零电平进行比较(如图4(b)所示)，得到扫描同步信号(如图4(c)所示)，这一过程与扫描驱动信号的幅值无关。再根据实际需要来对扫描同步信号进行平移，延时即可以得到一个稳定的帧同步信号(如图4(c)所示)。
在图4(c)中，D1表示的是延迟，D2表示的帧同步信号的脉宽。在图4(d)中，S表示的是线阵光电探测器探测到的信号，V表示的是电平参考，此处为零电平。
如图1所示，从扫描振镜410输出的扫描驱动信号需要经过函数发生卡410a调制得到帧同步信号，线阵光电探测器850输出的信号需要采用所述的帧同步信号进行调制，然后输入图像采集卡850a进行采样，重构出图像信号，输出给主控电脑900进行图像获取和显示、图像存储、图像处理和分析、文件处理等。
函数发生卡410a采用美国国家仪器公司的函数发生卡，型号为NI PCI-6221。
图像采集卡850a采用美国国家仪器公司的图像发生卡，型号为NI PCI-5122。
图5中示出了利用图1中所示的视网膜成像设备对受试者的视网膜进行成像的方法。
如图1所示，受到观测的是成像的人眼11，首先，系统能实现对人眼11的视网膜进行线扫描成像功能，包含至少四种功能成像，具体如下：
通过人工向受试者注射荧光钠染料后，打开氩激光发射器，通过第一转盘设置第一滤光片组，从中选取能够滤出波长为488nm的激光的第一滤光片，该光束经所述光学组件传播照明视网膜，从而激发眼底荧光素纳染料，同时通过第二转盘设置第二滤光片组，从中选取能够滤出波长为500nm荧光的第二滤光片，实现对视网膜荧光素钠造影成像。
打开氩激光发射器，通过第一转盘设置第一滤光片组，从中选取波长为514nm的激光的第一滤光片，该光束经所述光学组件传播照明眼底，同时通过第二转盘设置第二滤光片组，将第二滤光片从光路中取出，让成像光束直接通过，实现对视网膜的无赤光成像。
通过人工向受试者注射吲哚青绿染料后，打开半导体激光发射器，通过第一转盘设置第一滤光片组，从中选取能够滤出波长为795nm的激光的第一滤光片，该光束经所述光学组件传播照明视网膜，从而激发眼底吲哚青绿染料，同时通过第二转盘设置第二滤光片组，从中选取能够滤出波长为810nm荧光的第二滤光片，实现对吲哚青绿造影成像。
打开半导体激光发射器，通过第一转盘设置第一滤光片组，从中选取能够滤出波长为830nm的激光的第一滤光片，该光束经所述光学组件传播照明眼底，同时通过第二转盘设置第二滤光片组，将第二滤光片从光路中取出，让成像光束直接通过，实现对视网膜的红外光成像。
本发明具体的操作过程，如图5所示：
开机，检查系统硬件，受试者进行相应的准备，若需进行荧光成像，需人工注射荧光染料。
S1、将受试者人头置于托头架，点亮照环形光源720，调节托头架的位置，使得环形光源720发出的光照亮人眼11的角膜。
S2、人眼11角膜反射回的光沿光路传播聚焦进入面阵光电探测器740，实现对人眼11瞳孔的实时监测，当瞳孔位于成像视场中间时，说明人眼已经调节到光路的中心位置；
S3、打开点光源110，开启扫描振镜410，开启由函数发生卡410a、图像采集卡850a和主控电脑900组成的控制处理器，针对人眼11的屈光不正离焦量，使平场物镜600随第二导轨产生离焦补偿量，补偿人眼的离焦量；
S4、根据成像功能选取设定的第一滤光片和第二滤光片的组合，让受试者保持眼睛稳定，开启数据采集程序采集视频；
S5、根据需要成像的视网膜区域，通过控制处理器点亮发光阵列510上的相应一个LED，引导视网膜该区域被照亮；
S6、使扫描物镜430随第一导轨产生离焦，照明视网膜不同深度层，获取视网膜不同深度层的三维图像。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种用于视网膜成像的光学组件，所述光学组件包括光源模块、总分光镜、成像模块、扫描模块和平场物镜，所述总分光镜设置在所述光源模块和所述扫描模块之间，所述平场物镜设置在所述扫描模块与受检位置之间，所述光源模块用于向所述总分光镜发出用于照亮眼底的探测光，所述探测光经所述总分光镜引导至所述扫描模块，并经由所述扫描模块以及所述平场物镜射向受检位置，来自受检位置的反射光线能够穿过所述扫描模块到达所述总分光镜，并由所述总分光镜引导至所述成像模块，所述扫描模块包括扫描物镜，所述扫描物镜能够沿该扫描物镜的中心轴线往复移动，所述平场物镜能够沿该平场物镜的中心轴线往复移动，其特征在于，
所述总分光镜包括反光部和形成在该反光部上的透光部，所述反光部的反光面朝向所述扫描模块，所述光源模块、所述总分光镜、所述扫描模块和所述平场物镜排列在第一直线上，所述成像模块设置在与所述第一直线垂直的第二直线上，以使得所述光源模块发出的探测光能够穿过所述透光部，由受检位置返回的反射光能够被所述反光部反射至所述成像模块，
所述扫描模块还包括扫描振镜和第一二向色分光镜，所述第一二向色分光镜、所述扫描物镜依次排列在所述扫描振镜和所述平场物镜之间；
所述光学组件还包括视标模块，所述视标模块包括发光阵列和第三成像物镜，所述发光阵列包括多个能够独立控制的发光元件，任意一个所述发光元件发出的光能够射入所述第三成像物镜，并由所述第三成像物镜聚焦后射向所述第一二向色分光镜，并由所述第一二向色分光镜反射至所述平场物镜，
所述光学组件还包括瞳孔检测模块，所述瞳孔检测模块包括第二二向色分光镜、环形光源和第二成像物镜，所述环形光源具有能够透光的中空部，
所述第二二向色分光镜设置在所述第一二向色分光镜与所述第三成像物镜之间，穿过所述第三成像物镜的光线能够穿过所述第二二向色分光镜，所述环形光源设置在所述平场物镜和所述受检位置之间，所述环形光源能够朝向受检位置发光，且所述光源模块发出的光能穿过所述环形光源的中空部，来自所述受检位置的反射光能够穿过所述环形光源的中空部照射向所述第一二向色分光镜，并由所述第一二向色分光镜反射至所述第二二向色分光镜，所述第二二向色分光镜能够将所述第一二向色分光镜反射的光反射至所述第二成像物镜。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述扫描模块包括第一导轨，所述第一导轨的延伸方向与所述扫描物镜的中心轴线方向一致，所述扫描物镜可滑动地设置在所述第一导轨上。
3.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述光学组件包括第二导轨，所述第二导轨的延伸方向与所述平场物镜的中心轴线方向一致，所述平场物镜可滑动地设置在所述第二导轨上。
4.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述光学组件还包括第一柱面透镜，所述第一柱面透镜设置在所述总分光镜与所述扫描模块之间，所述第一柱面透镜用于将透过所述总分光镜的光束变换成为线光束后出射入所述扫描模块。
5.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述光源模块包括依次排列的宽带点光源、准直透镜和第一滤光片组，所述宽带点光源用于发出多种波长的宽带激光，所述第一滤光片组包括多个第一滤光片，所述第一滤光片的数量与所述宽带点光源发出的激光的波长的种类数相同，所述第一滤光片能够将所述宽带点光源发出的激光过滤成具有预定波长的激光，每个所述第一滤光片均可分离地设置在所述光学组件的光路中；
所述成像模块包括第一成像物镜和第二滤光片组，所述第二滤光片组设置在所述总分光镜和所述第一成像物镜之间，所述总分光镜反射的光线通过所述第二滤光片组进入所述第一成像物镜，所述第二滤光片组包括多个第二滤光片，多个所述第二滤光片分别能够透过不同波长的荧光。
6.根据权利要求5所述的光学组件，其特征在于，所述光源模块包括第一转盘，所述第一转盘上设置有与多个所述第一滤光片一一对应的多个第一滤光通孔，所述第一滤光片设置在相应的第一滤光通孔中。
7.根据权利要求5所述的光学组件，其特征在于，所述成像模块包括第二转盘，所述第二转盘上设置有与多个所述第二滤光片一一对应的多个第二滤光通孔，所述第二滤光片设置在相对应的第二滤光通孔中。
8.根据权利要求5所述的光学组件，其特征在于，所述宽带点光源包括氩激光发射器和半导体激光发射器，所述氩激光发射器能够发射中心波长为488nm的宽带激光和中心波长为514nm的宽带激光，所述半导体激光发射器能够发射中心波长为795nm的宽带激光和中心波长为830nm的宽带激光；
所述第一滤光片组包括能够滤出波长为488nm激光的第一滤光片、能够滤出波长为514nm的激光的第一滤光片、能够滤出波长为795nm的激光的第一滤光片和能够滤出波长为830nm的激光的第一滤光片；
所述第二滤光片组包括能够滤出波长为500nm荧光的第二滤光片和能够滤出波长为810nm荧光的第二滤光片。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的光学组件，其特征在于，所述瞳孔检测模块还包括面阵光探测器，所述面阵光探测器用于接收所述第二成像物镜发出的光。
10.根据权利要求9所述的光学组件，其特征在于，所述第二二向色分光镜的透射率小于所述第二二向色分光镜的反射率。
11.根据权利要求5至8中任意一项所述的光学组件，其特征在于，所述成像模块还包括在所述第一成像物镜的出光侧依次排布的第二柱面透镜、狭缝光阑和线阵光电探测器，其中，所述狭缝光阑、所述宽带点光源和所述受检位置处于共轭位置。
12.根据权利要求11所述的光学组件，其特征在于，所述狭缝光阑的狭缝宽度等于所述第一成像物镜的艾里斑直径。
13.一种视网膜成像设备，其特征在于，所述视网膜成像设备包括光学组件和处理器，所述光学组件为权利要求1至12中任意一项所述的光学组件，所述处理器包括图像生成模块，所述图像生成模块用于根据从所述成像模块出射的光线生成相应的图像。
14.根据权利要求13所述的视网膜成像设备，其特征在于，所述图像生成模块还用于根据所述第二成像物镜发出的光线生成相应的图像。
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