CN102008287A - 一种多通道眼底视网膜光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

一种多通道眼底视网膜光谱成像装置是基于偏振干涉滤波器构建，其特征在于：所述的多通道眼底视网膜成像装置在商用视网膜眼底相机的基础上，在其扩展光学接口处引入可调多通道光谱成像系统，实现对不同波长光束的分光成像；多通道光谱成像系统由视场光阑、准直物镜、滤光片、偏振干涉滤波器、成像物镜及光电探测器组成。本发明的主要特点是：可以在保持原有商用眼底所有功能的基础上，仅利用商用眼底相机的扩展光学接口，使其同时能够实现多通道的光谱，从而为疾病的诊断提供更多的表征信息。该发明结构简单、稳定，加工工艺易实现，安装和调节较简便，易实现批量化生产。

Description

一种多通道眼底视网膜光谱成像装置

技术领域

本发明涉及一种视网膜光谱成像装置，该装置可以同时实现对眼底视网膜的多通道同时测量。

背景技术

视觉是人类最主要的信息来源，眼底视网膜是最主要的视觉通路。任何视网膜的病变对于患者来说，都可能带来巨大的生理、心理伤害。目前，我国是世界上盲和致盲性病患最多的国家。同时由于若干全身性重大疾病(如心脑血管疾病、糖尿病、癌症等)都会直接影响眼底视网膜的正常功能，因此对于这些疾病的诊断来说，也需要对视网膜进行精细的影像检查。

随着对人眼视网膜在科研和临床医学上的研究深入，尽可能多的获取视网膜不同波段的光谱信息，已经逐渐成为一种趋势。视网膜的多光谱信息来源很多：如血管中含氧血红蛋白与还原血红蛋白的吸收光谱、视网膜不同层次细胞的自发荧光光谱、外加荧光素之后形成的激发荧光光谱等。

较常用的技术基本都基于分光光度计的原理，并延伸出两种方法：(1)在成像光路上利用不同中心波长滤光片的组合，实现对多光谱信息的同时分离，并结合多个光电探测器的实现多光谱的同步成像。该方法结构简单、稳定，但是需要采用多个光电探测器，因此造价高昂，不适用于大规模推广。(2)在成像光路上插入不同中心波长滤光片，每次过滤出单一光谱信息的光束，或者利用不同波长的单色光源组织，再结合一个探测器实现分时的光谱成像。该技术价格低廉，但是由于不同的光谱信息是采用分时的方法获取的，因此视网膜本身的生命活动变化，会极大的影响到测量结果。

眼底相机由于其大视场、较高分辨率、简单易操作的特性，已经成为视网膜临床检查的标准设备。目前，肖功海等人在中国专利申请号(200910049110.6和200910049105.5)中，提出在眼底相机的成像端采用“声光可调谐滤波器、液晶可调谐滤光片、光栅分光装置、棱镜分光装置、傅里叶光谱仪”这五种分光谱方式中一种，“能一次获取受检眼眼底的上百幅连续光谱图像，每幅图像对应一个光谱波段”。从上述的专利描述中，可以知道该方法本质上也是对不同光谱实现分时图像，而不是同步的成像。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有眼底视网膜多光谱信息获取技术在时间分辨率与系统造价之间的矛盾，提供一种多通道眼底视网膜光谱成像装置，可以实现在单个探测器上，同步获取多个光谱通道的信息，而且造价低廉、适宜于工业化批量生产。

本发明的技术解决方案是：一种多通道眼底视网膜光谱成像装置利用商用视网膜眼底相机的扩展光学接口，引入偏振干涉滤波器，利用偏振干涉滤波器在二维空间上将视网膜的光谱信息一次性分离，并在后端采用一个光电探测器，在光电探测器的靶面上实现多通道光谱信息的同步采集，具体包括一种多通道眼底视网膜光谱成像装置，其特征在于：包括成第一像物镜、分光镜、光电探测器、视场光阑、准直物镜、滤光片、偏振干涉滤波器、第二成像物镜和光电探测器；来自眼底视网膜的反射光束经过成像物镜之后，一部分透过分光镜，在光电探测器上成像，该部分光路属于眼底相机固有的成像通道；另一部分光束被反射聚焦，并通过视场光阑控制成像视场；准直物镜将这部分光束准直为平行光束，平行光束通过滤光片之后，先滤出系统所需的那部分宽带光谱；所述含有宽带光谱信息的平行光束，经过偏振干涉滤波器后，实现对宽带光谱的进一步分离，形成互补干扰的单色光束阵列；第二成像物镜将这些单色光束阵列聚焦到光电探测器的靶面上；这样在第二光电探测器靶面的不同区域上，形成了相应单色光谱信号的图像，实现了对不同光谱信号的同步成像；

所述偏振干涉滤波器包括起偏器、波片和渥拉斯顿棱镜波片组合，入射光经偏振片成为线偏光，线偏光再通过波片-渥拉斯顿棱镜组合，在渥拉斯顿棱镜处发生偏振干涉，使得出射的O光，即寻常光与e光，即偏振态平行于波片快轴在空间上被分离，从而实现对入射光束的光谱分离；通过n次的波片-渥拉斯顿棱镜组合，可以实现对入射光束光谱的进一步分离，形成2ⁿ个单色光束阵列，所述n大于等于1。

本发明与现有技术主要优点在于：

(1)本发明在商用视网膜眼底相机的基础上，通过在其扩展光学接口处引入偏振干涉滤波器，利用偏振干涉滤波器在二维空间上将视网膜的光谱信息一次性分离，并采用一个光电探测器实现多通道光谱信息的同步采集，在保证光谱信息的同步采集前提下，降低了系统的整体成本，而且仅需要对商用眼底相机仅需要进行细微的修改，具有较大的市场推广前景。

(2)本发明结构简单、稳定，加工工艺易实现，安装和调节较简便，易实现批量化生产。

附图说明

图1为商用眼底相机的示意图；

图2为本发明所述的多通道视网膜光谱成像装置结构示意图；

图3为里奥滤波器的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为常用的日本尼康公司的NF-505系列眼底相机的基本光路结构图，在该设备的后端的成像端口用于安装胶片式相机，实现对视网膜成像；其上部突起的扩展口，可以转接目镜实现对视网膜的目视，而目前该端口经常被用于安装数码相机，实现该款设备的数字化升级。大多数的眼底相机，都有类似的扩展端口。本发明在该光路中引入分光镜2，利用分离出的这部分光束实现多通道光谱成像，同时保留商用眼底相机原有的成像功能。

图2所示是本发明的基于偏振干涉滤波器的多通道视网膜成像装置结构示意图。来自眼底视网膜的反射光束，经过第一成像物镜1之后，一部分透过分光镜2，在第一光电探测器3上成像，该部分光路属于眼底相机固有的成像通道；另一部分光束被反射聚焦，并通过视场光阑4，视场光阑4的作用在于控制成像视场，使得偏振干涉滤波器12所形成2ⁿ通道的光谱图像能全部被第二成像物镜13成像到第二光电探测器14上，而不会形成图像交叉；准直物镜5将这部分光束准直为平行光束，通过滤光片6之后，先滤出系统所需的那部分宽带光谱；含有宽带光谱信息的平行光束，经过偏振干涉滤波器12后，实现对宽带光谱的进一步分离，形成互补干扰的单色光束阵列；第二成像物镜13将这些单色光束阵列聚焦到第二光电探测器14的靶面上；这样在第二光电探测器14靶面的不同区域上，就形成了相应单色光谱信号的图像，实现了对不同光谱信号的同步成像。

从上述的光路描述中可以知道，偏振干涉滤波器12实现不同光谱的分离，是整个实施方式的关键部分，下面将详细描述其工作过程。

如图3所示是最基本的偏振干涉滤波器——里奥滤波(Lyot Filter)。当入射光经过第一块偏振片之后成为线偏光，经过快轴与入射偏振光成45°的波片后，再次通过偏振轴与第一块偏振片平行的第二块偏振片；晶体光学的基本常识，可以知道在第二块偏振片处会产生偏振干涉，其透射光能为：

T₁＝cos²[π(n_o-n_e)d/λ]                    (1)

其中T₁为透过第二块偏振片的光能量；n_o和n_e是波片中O光(寻常光)与e光(偏振态平行于波片快轴)的折射率；d为波片的厚度；λ是入射光的波长。从公式(1)可以看到，宽光谱光束通过偏振片-波片-偏振片组合后，被分离成不同光谱带的明暗相间的同心环。这样，就通过偏振干涉的方式，实现了对不同波长光束的光谱分光。为了进一步对光谱信号进行细分，可以让出射光再次通过波片与偏振片组合(其中每块波片的厚度都是它前面波片厚度的2倍)，其透射光公式如下：

T₂＝cos²[π(n_o-n_e)d/λ]×cos²[2π(n_o-n_e)d/λ]            (2)

从公式(2)而可以看到，出射光的光谱带被进一步细分；这样通过多次偏振片-波片-偏振片组合，就可以实现非常细的光谱信号分离。

本发明所用偏振干涉滤波片的基本原理和里奥滤波器类似，区别主要在于利用渥拉斯顿棱镜代替了图3所示的里奥滤波器中的第二块偏振片，其具体结构如图2中的偏振干涉滤光片12所示：入射光经偏振片7成为线偏光，经过快轴与入射偏振光成45°的波片8后，通过渥拉斯顿棱镜9，分成o光与e光。由于使用了渥拉斯顿棱镜代替偏振片，所以在渥拉斯顿棱镜9处，会产生两个偏振干涉信号，分别对应o光和e光的偏振干涉，其公式如下：

T_o＝cos²[π(n_o-n_e)d/λ]            (3)

T_e＝sin²[π(n_o-n_e)d/λ]            (4)

其中T_e与T_o为透过渥拉斯顿棱镜9之后的光能量；n_o和n_o是波片中O光(寻常光)与e光(偏振态平行于波片快轴)的折射率；d为波片的厚度；λ是入射光的波长。

从公式(3)和(4)可以看到，当T_o有为极大值时，T_e为极小值时。所以假设T_o是极大值时的波长为λ₁，则T_e处的波长为λ₁/2。这样就在渥拉斯顿棱镜9的出射端形成了两个中心波长不同的光谱带，同时由于渥拉斯顿棱镜9又使得两个光谱带形成一定的出射夹角，使得不同光谱分量的光束在空间上得以分离。

为了进一步细分光谱，从渥拉斯顿棱镜9出射的两束光，再次通过下一组波片-渥拉斯顿棱镜组合(即波片10与渥拉斯顿棱镜11)，这样在渥拉斯顿棱镜11棱镜的出射端就可以形成4个偏振干涉光场：

T_oo＝cos²[π(n_o-n_e)d/λ]×cos²[2π(n_o-n_e)d/λ]    (5)

T_ee＝sin²[π(n_o-n_e)d/λ]×sin²[2π(n_o-n_c)d/λ]    (6)

T_oe＝cos²[π(n_o-n_e)d/λ]×sin²[2π(n_o-n_e)d/λ]    (7)

T_eo＝sin²[π(n_o-n_e)d/λ]×cos²[2π(n_o-n_e)d/λ]    (8)

从公式(5)、(6)、(7)、(8)可以推断出，出射的4束偏振干涉光，具有不同的中心波长；同时渥拉斯顿棱镜11也使得这4束光，具有不同的空间夹角，这样通过其后的第二成像物镜13，就可以在第二光电探测器14的靶面上，形成中心波长各不相同的4个通道光谱图像。

当然为了进一步对光谱细分，还可以继续级联波片-渥拉斯顿棱镜组合；通过n次波片-渥拉斯顿棱镜组合之后，最终的光电探测器靶面形成2ⁿ个通道的光谱图像。但是实际情况中，由于光电探测器的靶面不可能无限大，因此在本发明的实际实施中，在图2所示的结构示意图中引入了滤光片6，先进行一次滤波，滤出所需要的宽带光谱；然后再通过偏振滤波器12，进行多通道的同步成像，这样可以有效地减少波片-渥拉斯顿棱镜组合对数。同时通过控制视场光阑4的口径，可以调节成像视场，使得多通道光谱图像在光电探测器14靶面不会互相交叠。

本发明中的分光镜2是分光棱镜或分光平行平板；滤光片6为采用带通型滤光片、低通型滤光片或高通型滤光片；第一光电探测器3和第二光电探测器14是CCD相机或CMOS相机。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种多通道眼底视网膜光谱成像装置，其特征在于：包括成第一成像物镜(1)、分光镜(2)、第一光电探测器(3)、视场光阑(4)、准直物镜(5)、滤光片(6)、偏振干涉滤波器(12)、第二成像物镜(13)和第二光电探测器(14)；来自眼底视网膜的反射光束经过成像物镜(1)之后，一部分透过分光镜(2)，在第一光电探测器(3)上成像，该部分光路属于眼底相机固有的成像通道；另一部分光束被反射聚焦，并通过视场光阑(4)控制成像视场；准直物镜(5)将这部分光束准直为平行光束，平行光束通过滤光片(6)之后，先滤出系统所需的那部分宽带光谱；所述含有宽带光谱信息的平行光束，经过偏振干涉滤波器(12)后，实现对宽带光谱的进一步分离，形成互补干扰的单色光束阵列；第二成像物镜(13)将这些单色光束阵列聚焦到第二光电探测器(14)的靶面上；这样在第二光电探测器(14)靶面的不同区域上，形成了相应单色光谱信号的图像，实现了对不同光谱信号的同步成像；

所述偏振干涉滤波器(12)包括起偏器(7)、波片和渥拉斯顿棱镜波片组合，入射光经偏振片7成为线偏光，线偏光再通过波片-渥拉斯顿棱镜组合，在渥拉斯顿棱镜处发生偏振干涉，使得出射的O光，即寻常光与e光，即偏振态平行于波片快轴在空间上被分离，从而实现对入射光束的光谱分离；通过n次的波片-渥拉斯顿棱镜组合，可以实现对入射光束光谱的进一步分离，形成2ⁿ个单色光束阵列，所述n大于等于1。

2.根据权利要求1所述的一种多通道眼底视网膜光谱成像装置，其特征在于：所述分光镜(2)是分光棱镜或分光平行平板。

3.根据权利要求1所述的一种多通道眼底视网膜光谱成像装置，其特征在于：所述滤光片(6)为采用带通型滤光片、低通型滤光片或高通型滤光片。

4.根据权利要求1所述的一种多通道眼底视网膜光谱成像装置，其特征在于：所述第一光电探测器(3)和第一光电探测器(14)采用CCD相机或CMOS相机。

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