CN101869466B - 基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，包括光源组件、扫描照明光路组件、像差探测与校正组件、共焦成像探测组件、参考臂组件及光学相干层析成像探测组件，各组件之间分别通过光纤和/或球面反射式望远镜链接，光源组件发出的低相干光一部分进入参考臂组件后再沿原路返回，另一部分依次经像差探测与校正组件和扫描照明光路组件进入待测样品后，再从待测样品处沿原路返回，返回的光经过一分光镜后一部分反射至像差探测与校正组件，另一部分透射至另一分光镜后再分成两部分，其中一部分进入共焦成像探测组件，另一部分与从参考臂组件返回的光耦合后进入光学相干层析成像探测组件。藉本发明可对待测物品实现高分辨率的三维成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物和医疗成像仪器，特别涉及一种基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，能对人眼眼底(或其他生物组织)实现三维高分辨率成像。
背景技术
共焦显微镜技术最早应用于生物组织成像，并在1987年发展成为成熟的激光共焦扫描成像设备。
专利号为US4863226的发明专利提出了激光共焦扫描成像(Scanning LaserOphthalmoscope，SLO)的概念，该发明通过声光调制器来实现对样品的横向扫描，并通过另一扫描镜实现对样品的纵向扫描即帧扫描，提出使用针孔来实现共焦高分辨率成像的目的，但该发明专利仅仅给出了共焦扫描成像的原理性装置，其声光调制器会带来较大的色散效应，大幅降低系统的成像分辨率。
专利号为ZL98111188.2的发明专利也提出了一种激光共焦扫描显微镜装置，该专利与上述美国发明专利有着类似的共焦扫描成像原理，其通过一块45°角放置的的分光棱镜实现扫描照明光路、信号光返回光路和观测光路的重合。但不能同时得到待测样品的高分辨率层析图像。
此外，专利号为ZL200810117071.4的发明专利也提出了共焦成像的基本装置，但其没有扫描装置，而是通过点光源单帧成像的原理，实现对样品的共焦成像，该发明分辨率较低并且无法实现视频成像。
又及，专利号为ZL99115053.8的发明专利等提出了基于自适应光学技术的视网膜成像装置，但该装置没有包含共焦扫描与层析成像的概念。专利号分别为ZL200610052463.8和ZL200510012234.9的发明专利等也提出了光学相干层析技术的原理性装置，但重点在如何提高光学相干层析仪(OCT)的焦深和改变扫描方式，而不能同时得到眼底(或待测样品)的高分辨率共焦图像。
综上所述可知，现有的共焦扫描成像设备及光学相干层析设备存在诸多不足，亟待改进。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其可同时在横向切面和纵向切面上得到高分辨率图像，进而实现对待成像物品形成三维方向上的高分辨率成像，从而克服现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述成像仪包括光源组件、扫描照明光路组件、像差探测与校正组件、共焦成像探测组件、参考臂组件以及光学相干层析成像探测组件，上述各组件之间分别通过光纤和/或球面反射式望远镜链接，从光源组件发出的低相干光分为两路，其中一路进入参考臂组件后，再沿原路返回，另一路依次经像差探测与校正组件和扫描照明光路组件进入待测样品，再从待测样品处沿原路返回，返回的光经过一分光镜后分为两路，其中一路为反射光束，该反射光束进入像差探测与校正组件进行像差探测，另一路为透射光束，该透射光束经过另一分光镜后再分成两束，其中一束光进入共焦成像探测组件，实现高分辨率共焦成像，另一束光与从参考臂组件返回的光耦合后进入光学相干层析成像探测组件，实现高分辨率层析成像。
进一步地讲：所述光源组件包含低相干光源和光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与低相干光源连接，其第一输出端与参考臂组件连接，第二输出端与共焦探测成像组件连接，第三输出端与光学相干层析成像探测组件连接，且第一输出端和第二输出端的输出能量之比为1∶2～1∶5。
所述扫描照明光路组件包含两个独立的光学扫描振镜，其分别为横向扫描振镜和纵向扫描振镜，由光源组件传输来的光经横向扫描振镜扫描后变成线扫描光，再被纵向扫描振镜扫描形成面照明光并输入待测样品。
所述像差探测与校正组件包含波前传感器和可变性反射镜，波前传感器接收所述反射光束，并进行波前探测，可变性反射镜根据波前传感器提供的波前信息，校正所述成像仪光路中的波前像差。
所述波前传感器采用夏克-哈特曼波前传感器或者曲率传感器，所述可变性反射镜采用双压电陶瓷变形反射镜或微机械变形镜。
所述共焦成像探测组件包含聚光透镜、针孔和探测器，针孔放置于聚光透镜的焦点处，所述由另一分光镜传输的一束光依次穿过聚光透镜和针孔后被探测器接收。
所述针孔采用中心通光口径50～200μm的光阑，所述探测器采用光电倍增管或者其他电荷耦合器件，如CCD和/或CMOS。
所述参考臂组件包含聚光透镜、光程调节装置、光散射匹配液和反射镜，从光源组件发出的光依次经过聚光透镜、光程调节装置和色散匹配液体后，再被反射镜反射，并沿原光路返回。
所述光程调节装置包括复数个反射镜。
所述光学相干层析成像组件包含耦合透镜、聚光透镜，透射式衍射光栅和线阵CCD，光线进入光学相干层析成像组件后，依次经耦合透镜、衍射光栅和聚光透镜后到达线阵CCD。
本案发明人经长期研究和实践，结合激光共焦显微成像和光学相干层析成像原理，同时采用自适应光学实时像差校正技术，从而提出了本发明基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其可同时实现横向共焦图像与纵向层析图像的结合，实时显示待测样品的高分辨率立体图像。具体的讲，本发明中，光源、两个二维扫描振镜以及待测样品在光学上精确共轭，两个独立的二维扫描振镜依次对待测样品实现线扫描和帧扫描，获得视场内的共焦扫描高分辨率图像，且在每一个扫描点或扫描面，通过探测待测样品处返回的光信号与参考臂光信号的相位相干信息，得到每一个扫描成像点或成像面在深度上的高分辨率图像信息，如此，最终获得待测样品的高分辨率三维图像。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)大幅提高了传统共焦扫面显微镜对人眼眼底或待测样品，尤其是生物组织成像的纵向切面成像分辨率；
(2)大幅提高了传统光学相干层析仪对待测样品成像的横向切面成像分辨率，尤其是能实时显示人眼眼底(或其他待测生物组织)的三维高分辨率图像，且三维成像在每一个方向上的成像分辨率均能达到微米量级。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及本发明之一较佳实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本实施例基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪包括光源组件、扫描照明光路组件、像差探测与校正组件、共焦成像探测组件、参考臂组件以及光学相干层析成像探测组件。
所述光源组件包括低相干光源1和多路光纤耦合器3；
所述参考臂组件包括光纤耦合镜头5、光程调节装置6、色散匹配液体7和反射镜8反射，其中，光程调节装置6为由复数个反射镜构成的一反射镜系统；
所述扫描照明光路组件包括一横向扫描振镜18和一纵向扫描振镜21，横向扫描振镜18和纵向扫描振镜21之间设置球面反射镜19、20；
所述像差探测与校正组件包括通过计算机连接的波前传感器26和可变性反射镜15，所述波前传感器26优选采用夏克-哈特曼波前传感器，其具体工作原理可以参考专利号为ZL200610011201.7的发明专利，所述可变性反射镜可以是压电陶变形反射镜或微机械变形镜；
所述共焦成像探测组件包括聚光透镜28、针孔29和探测器30，针孔29放置于聚光透镜28的焦点处，所述针孔采用中心通光口径50～200微米的光阑(即1～2倍光学系统的艾利衍射斑尺寸)，所述探测器采用电荷耦合器件，优选采用光电倍增管；
所述光学相干层析成像探测组件包括耦合透镜32、衍射光栅33、聚光透镜34和线阵CCD35。
如下以人眼作为待测样品为例来说明本实施例的工作原理及过程：
(1)低相干光源1通过光纤端口2接入多路光纤耦合器3，该光纤耦合器3通过输出光纤端口4进入参考臂组件，由低相干光源1提供的一路照明光依次经过光纤端口4、光纤耦合镜头5、反射镜系统6和色散匹配液体7后，被反射镜8反射，并沿原光路返回光纤耦合器3；
(2)低相干光源1提供的另一路照明光依次通过光纤耦合器3的光纤输出端口9、耦合透镜10、反射镜11后，再经分光镜12反射(该分光镜12的分光比一般为1∶1)，经分光镜12反射的光束依次经过球面反射式望远镜13、14，可变性反射镜15，球面反射式望远镜系统16、17后进入横向扫描振镜18
(3)进入横向扫描振镜18的反射光束经过横向扫描振镜18的扫描后变成线扫描光，再依次经过球面反射式望远镜19、20扩束后被纵向扫描振镜21扫描，形成面照明光，面照明光经球面反射式望远镜22、23后被反射镜24反射后进入人眼25，扫描照明光路在人眼眼底扫描照明的入射视场角一般在3°左右，一般为人眼等晕角大小；
(4)面照明光入射在人眼瞳孔表面，经瞳孔聚焦后进入人眼眼底，从人眼眼底返回的光按原光路返回(从人眼25返回到球面反射镜13)，返回的光束首先经过分光镜26，并被分成两部分，其中一部分被反射后进入波前传感器26，另一部分被投射后进入分光镜12，该波前传感器26主要用来对从人眼返回回来的光信号进行波前探测，并复原出人眼的像差信息，可变性反射镜15根据波前传感器26的提供的波前信息，产生一个相位上共轭的波前表面，以校正本实施例成像仪光路中的波前像差，校正后的光信号的光束质量接近衍射极限；
(5)进入分光镜12的光束的一部分依次投射进入聚光透镜28和针孔29后被光电倍增管30接收，因经过针孔后的信号光将具备与成像平面(即人眼瞳孔)精确共焦的性质，也就是共焦平面之外的杂散光将被针孔遮挡，这样光电倍增管30所接收到的信号光与成像平面精确共焦，并且噪声得到抑制，光电倍增管完成对人眼眼底返回光信号的光强探测，再结合两个扫描振镜的位置信息，完成共焦图像的重构，也就是共焦扫描成像；
(6)进入分光镜12的光束的另一部分依次反射进入反射镜11和耦合透镜10，并再经光纤端口9进入光纤耦合器3，光纤耦合器3将把光纤端口4与光纤端口9的光束耦合后依次通过光纤端口31、耦合透镜32后入射在衍射光栅33上；
(7)衍射光栅33对接收到的光根据不同的波长在不同的方向上色散，色散后的光束再经过聚光透镜34后被线阵CCD 35接收，对线阵CCD 35接收到的序列光信号进行频谱分析(即傅立叶变换)，得到不同波长光束在人眼眼底内的相干信息，根据这些光束的相干信息，结合两个扫描振镜的位置信息，完成人眼眼底在纵向切面上的图像重构。也就是光学相干层析成像；
经过上述过程，即可对人眼实现三维方向上的高分辨率成像。
需要说明的是，尽管本发明的较佳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和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述成像仪包括光源组件、扫描照明光路组件、像差探测与校正组件、共焦成像探测组件、参考臂组件以及光学相干层析成像探测组件，上述各组件之间分别通过光纤和/或球面反射式望远镜链接，从光源组件发出的低相干光分为两路，其中一路进入参考臂组件后，再沿原路返回，另一路依次经像差探测与校正组件和扫描照明光路组件进入待测样品，再从待测样品处沿原路返回，返回的光经过一分光镜后分为两路，其中一路为反射光束，该反射光束进入像差探测与校正组件进行像差探测，另一路为透射光束，该透射光束经过另一分光镜后再分成两束，其中一束光进入共焦成像探测组件，实现高分辨率共焦成像，另一束光与从参考臂组件返回的光耦合后进入光学相干层析成像探测组件，实现高分辨率层析成像。
2.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述光源组件包含低相干光源和多路光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与低相干光源连接，其第一输出端与参考臂组件连接，第二输出端与共焦探测成像组件连接，第三输出端与光学相干层析成像探测组件连接，且第一输出端和第二输出端的输出能量之比为1∶2～1∶5。
3.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述扫描照明光路组件包含两个独立的光学扫描振镜，其分别为横向扫描振镜和纵向扫描振镜，由光源组件传输来的光经横向扫描振镜扫描后变成线扫描光，再被纵向扫描振镜扫描形成面照明光并输入待测样品。
4.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述像差探测与校正组件包含波前传感器和可变性反射镜，波前传感器接收所述反射光束，并进行波前探测，可变性反射镜根据波前传感器提供的波前信息，校正所述成像仪光路中的波前像差。
5.根据权利要求4所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述波前传感器为夏克-哈特曼波前传感器或者曲率传感器，所述可变性反射镜为双压电陶瓷变形反射镜或者微机械变形镜。
6.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述共焦成像探测组件包含聚光透镜、针孔和探测器，针孔放置于聚光透镜的焦点处，所述由另一分光镜传输的一束光依次穿过聚光透镜和针孔后被探测器接收。
7.根据权利要求6所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述针孔采用中心通光口径50～200μm的光阑，所述探测器为电荷耦合器件。
8.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述参考臂组件包含聚光透镜、光程调节装置、色散匹配液和反射镜，从光源组件发出的光依次经过聚光透镜、光程调节装置和色散匹配液后，再被反射镜反射，并沿原光路返回。
9.根据权利要求8所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述光程调节装置包括复数个相互之间间距可调整的反射镜。
10.根据权利要求1或2所述的基于自适应光学技术的共焦扫描与光学相干层析成像仪，其特征在于：所述光学相干层析成像组件包含耦合透镜、聚光透镜，透射式衍射光栅和线阵CCD，光线进入光学相干层析成像组件后，依次经耦合透镜、衍射光栅和聚光透镜后到达线阵CCD。
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