CN101884524B - 基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，包括光源组件、参考臂组件、像差探测与校正组件、二维成像扫描组件、宽视场扫描组件和探测器组件。在该发明提出的光学相干层析仪装置中，系统光信号接收部分较多的使用光纤及光纤耦合器，使得系统设计紧凑。照明光路部分，较多的使用球面反射镜望远镜的设计，避免了系统高阶像差的产生，同时引入自适应光学技术进行波前像差的探测与校正，使照明光路与成像光路的光束质量均达到衍射极限的水平。通过快速倾斜镜与二维扫描成像组件同步工作，在获得小视场单帧图像的基础上，采用自动拼接技术，得到大视场范围内人眼眼底(或待测样品)的高分辨率层析图像。该发明主要解决了高分辨率与大视场同步成像的困难，实现了一种设计紧凑、成像分辨率高、成像视场大的宽视场光学相干层析仪，大幅改善了传统光学相干层析仪的成像视场与成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物或医疗层析成像仪器，特别是一种基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，能在大视场范围内对生物组织进行高分辨率光学相干层析成像。
背景技术
A.F.Fercher等较早就提出通过干涉成像的方法测量眼轴的长度(A.F.Fercher et.Al“Eye-length measurement by interferometry with partiallycoherent light”，Optics Letters.13，186-188(1998))，其后David Huang等在OCT技术的发展上做了较多研究(Huang D et al.Laser Surg Med 1991.11：5)。
专利号为US5825533(1998)的发明专利提出通过两个独立的扫描振镜来进行横向和纵向的同步扫描，以实现共焦扫描成像。该专利给出了二维扫描基本原理，没有提出大视场的概念，也没有应用到光学相干层析成像领域。专利号分别为US5491524、US7489405B2的发明专利，提出了光学相干层析系统的基本原理性装置，但没有提出像差实时校正的概念，无法实现高分辨率成像的功能，更没有解决大视场与高分辨率成像共存的问题。专利号为ZL99115053.8(1999)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，但该装置没有实现光学相干层析成像，也没有提出大视场的概念。专利号分别为ZL200610052463.8、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的焦深和改变扫描方式，也没有提到提出如何实现满足大视场与高分辨率同步成像的解决方案。
综上所述可知，现有的光学相干层析成像设备存在诸多不足，亟待改进。
对比国际国内在光学相干层析成像领域的技术成果，本发明在光学相干层析成像的基本原理基础上，提出一种新的基于自适应光学技术的光学相干层析成像装置，引入自适应光学技术来实时校正光学系统和待测样品的像差，通过快速倾斜镜与两个扫描振镜的同步扫描，结合共轭成像的原理，实现大视场范围内的高分辨率相干层析成像的功能，并且所述仪器的光学成像质量能达到光学衍射极限的水平，层析分辨率能达到微米量级。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服传统光学相干层析仪不能同时实现高分辨率与大视场同步成像的限制，提出一种基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，得到人眼(或物镜与待成像样品，下同)较大视场范围内的高分辨率层析成像。
本发明的技术解决方案：一种基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，由光源组件、参考臂组件、像差探测与校正组件、二维成像扫描组件、宽视场扫描组件和光学相干层析成像探测组件组成。控制快速倾斜镜，与二维扫描振镜组同步工作，既能得到某一成像子区域的高分辨率图像，又能通过控制快速倾斜镜来实现对人眼眼底不同区域的主动扫描，来达到增加成像视场、提高光学相干层析仪横向分辨率的目的。
本发明的原理：本发明的主要原理包括光学相干层析成像原理和光学成像共轭关系。即在本发明所述的系统装置中，光源、变形镜、两个二维扫描振镜、快速倾斜镜以及人眼在光学上精确共轭。两个独立的二维扫描振镜依次对人眼实现线扫描和帧扫描，以得到在单帧图像成像视场内的高分辨率层析图像。再通过置于系统光学共轭面的快速倾斜镜，实现对人眼眼底成像区域的面扫描，扩展成像视场，同时增强光学相干层析仪的横向分辨率。
本发明与现有技术相比有如下优点：本发明使得传统的光学相干层析仪成像视场大幅增加，横向分辨率大幅提高。尤其是应用于人眼眼底成像时，将不再需要人眼目标自身做主动调整，而可以通过控制快速倾斜镜主动扫描的方式来达到成像人眼眼底不同区域的目的。显著改善传统光学相干层析仪的成像视场、成像分辨率以及可操作性等性能。
附图说明
图1为基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪结构示意图。
具体实施方式
根据说明书附图1，对如何具体实施本发明提出的基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪的功能，详细介绍如下：
1、由光源组件之低相干光源SLD(1)通过光纤端口(2)，接入多路光纤耦合器(3)，光纤耦合器(3)通过输出光纤端口(4)进入参考臂组件(4-8)，经过光纤耦合镜头(5)、反射镜组(6)和色散匹配液体(7)，后被参考光反射镜(8)反射，沿原光路返回光纤耦合器(3)。
2、通过光纤输出端口(9)后的照明光源经过耦合透镜(10)、反射镜(11，12)、球面反射望远镜(13-14)、变形镜(15)、球面反射镜系统(16-17)后进入横向扫描振镜(18)。
3、扫描照明光路组件以两个独立的光学扫描振镜为主，振镜之间通过球面望远镜连接。照明光经过横向扫描振镜(18)的扫描后变成线扫描光，再经过望远镜(19和20)扩束后被纵向扫描振镜(21)扫描，形成面照明光。面照明光依次经过球面反射望远镜(22-23)、宽视场扫描组件(24、25、26)后进入人眼(27)。扫描照明光路在人眼眼底扫描照明的入射视场角在3°左右，一般为人眼等晕角大小
4、照明光束入射在人眼瞳孔(或待测样品)，经瞳孔聚焦后进入人眼眼底，从人眼眼底返回的信号光按原路返回(从27返回到13)。返回的光束首先经过分光镜(28)，部分信号光被反射后进入波前传感器(29)，部分信号光被透射后进入反射镜(12)。波前传感器(29)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。波前传感器(29)通过计算机与变形镜(15)连接。变形镜(15)根据波前传感器(29)的提供的波前信息，产生一个相位上共轭的波前表面，以校正系统光路中的波前像差。校正后的光信号的光束质量接近衍射极限。
5、快速倾斜镜(24)静止不动的时候，系统通过扫描振镜(18和21)的二维扫描来完成图像重构，得到共焦图像视频图像，此时系统成像视场一般比较小，典型扫描视场为3°。此时，通过控制快速倾斜镜在X和Y两个方向对人眼眼底进行倾斜扫描，得到人眼眼底任何子区域的单帧图像。假设快速倾斜镜在人眼瞳孔处可以产生的倾斜角度为20°，则系统总的成像视场为20°+3°＝23°，大幅提高了系统的成像视场。通过控制快速倾斜镜在人眼眼底各子区域依次进行成像，并进行各子图像的图像拼接，来得到人眼眼底大视场范围内的高分辨率层析图像。
6、经过反射镜(12)后光束将依次经过反射镜(11)、耦合透镜(10)和光纤端口(9)，进入多路光纤耦合器(3)。光纤耦合器(3)将把光电端口(4)与光纤端口(9)的光束耦合后通过光纤端口(30)、耦合透镜(31)后入射在衍射光栅(32)上。
7、衍射光栅(32)将对返回的信号光在不同的波长产生不同的方向上的色散，色散后的光束再经过聚光透镜(33)后被线阵CCD(34)接收。对线阵CCD(34)接收到的序列光信号进行频谱分析(即傅里叶变换)，得到不同波长光束在人眼眼底(或其他待测生物组织)内的相干信息。根据光束的相干信息，结合两个扫描振镜的位置信息，完成人眼眼底(或其他待测生物组织)在纵向切面上的图像重构。也就是光学相干层析成像。
8、根据具体实施步骤1-7，本发明所述的基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，可以在探测器终端得到经过了像差校正后的光学相干层析图像，并且能实现人眼眼底大视场内任何子区域的高精密扫描成像。
经过上述过程，即可对人眼(或待测样品)在大视场范围内实现高分辨率光学相干层析成像功能。
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 (5)
1.一种基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，其特征在于：主要由光源组件(1-3)、参考臂组件(4-8)、像差探测与校正组件(15，28，29)、二维成像扫描组件(18-21)、宽视场扫描组件(24-26)和探测器组件(30-34)组成，二维成像扫描组件与宽视场扫描组件通过反射式望远镜系统(22-23)连接，探测器组件置于系统返回光路的终端，光纤端口(30)之后，由光源组件(1-3)发射的照明光依次通过像差探测与校正组件(15，28，29)、二维成像扫描组件(18-21)、宽视场扫描组件(24-26)后进入人眼，从人眼反射回来的信号光原路返回系统后通过分光镜(28)透射后返回多路光纤耦合器(3)，与从参考臂(4-8)返回的参考光束一起进入探测器组件(30-34)；所述宽视场扫描组件包含一个在横向和纵向两个方向上同时产生一定倾斜角度的快速倾斜镜(24)和一组大视场透射式缩束望远镜(25、26)；所述快速倾斜镜为基于压电陶瓷变形技术的快速倾斜镜，或者为基于微机械变形技术的快速倾斜镜，所述快速倾斜镜能在电压驱动下以较高的频率产生一定的倾斜角度；所述大视场透射式望远镜包含入射透镜(25)和出射透镜(26)，透射视场角度为30-40°，出射透镜根据人眼瞳孔实际大小更换，以改变大视场透射式望远镜的缩束比，同时改变系统对人眼的成像视场。
2.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，其特征在于：所述光源组件组件包含低相干光源(1)、光纤端口(2)和多路光纤耦合器(3)，所述光纤耦合器为双路输入双路输出模式，光纤输出端口(4，9)的输出能量之比在1∶10到1∶2之间。
3.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，其特征在于：所述参考臂组件包含光纤端口(4)、耦合透镜(5)、反射镜系列(6)、色散匹配液体(7)和参考光反射镜(8)，所述色散匹配液体为一种化学药品，主要用来对参考臂的光束进行色散，以期匹配从样品臂返回信号光的色散特征。
4.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，其特征在于：所述二维成像扫描组件包含横向扫描镜(18)和纵向扫描镜(21)，通过两面振镜的同步扫描，完成对人眼的面扫描过程，结合探测器组件(31-34)所记录的信号，完成对人眼的图像重构,面扫描速度在30～50帧每秒之间。
5.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的宽视场光学相干层析仪，其特征在于：所述探测器组件包含耦合透镜(31)、衍射光栅(32)、聚光透镜(33)和线阵光电探测器(34)，所述衍射光栅(32)为1200线对每毫米的透射式光栅。
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Effective date of registration: 20120301 Address after: 420, room 215021, building D, new building, 18 Exhibition Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu Province Patentee after: Suzhou Microclear Medical Instruments Co., Ltd. Address before: 215028, new building A205, 18 industrial road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, China Patentee before: Li Chaohong |
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhang Ruijin Document name: Notice of termination of patent right |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhang Ruijin Document name: Notice of correction for restoration of rights |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120125 Termination date: 20200720 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |