CN102908119A - 一种共焦扫描成像系统及其像差控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种共焦扫描成像系统及其像差控制方法，所述成像系统包括双变形镜校正组件和自适应光学波前探测组件，所述光学波前探测组件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法优化所述直接斜率控制方法来消除所述双变形镜之间的耦合效应，由此来同步控制双变形镜校正组件工作；通过构造新的高阶变形镜响应矩阵和新的变形镜响应矩阵，去除了与低阶变形镜耦合部分，正确地控制变形镜闭环校正，消除piston、tip和tilt误差影响，得到双变形镜自适应光学系统准确的斜率矢量计算方法。该发明解决了双变形镜同时工作的困难，实现了一种设计紧凑、成像分辨率高的共焦扫描成像系统，大幅改善传统共焦扫描成像系统的成像质量，提高系统控制带宽。

Description

一种共焦扫描成像系统及其像差控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，特别是一种共焦扫描成像系统及其像差控制方法，能同时控制两个变形镜分离校正小行程高频像差与大行程低频像差，提高系统控制带宽和成像质量。
背景技术
激光扫描显微技术最早应用于生物组织成像（Webb RH, Hughes GW. Scanning Laser Ophthalmoscope. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on. 1981, BME-28(7):488-92.），在1987年发展成为成熟的激光共焦扫描成像设备（Webb R, Hughes G, Delori F. Confocal scanning laser ophthalmoscope. Applied optics. 1987;26(8):1492-9）。
专利号为US4863226(1989)的发明专利提出了激光共焦扫描成像的概念，该专利通过声光调制器来实现对样品的横向扫描，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200810117071.4的发明专利也提出了共焦成像的基本装置，但没有扫描装置，而是通过点光源单帧成像的原理，实现对样品的共焦成像。分辨率较低并且无法实现视频成像。专利号为99115053.8(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，但该装置没有实现共焦扫描成像。专利号为US7118216的发明专利提出了在共焦扫描检眼镜中应用自适应光学系统，通过自适应光学系统中的变形镜来校正系统像差，得到高分辨率图像，但该专利只应用一个变形镜校正系统像差，不能完全消除像差对成像质量的影响。专利号为US7665844（2010）的发明专利提出了激光共焦扫描多变形镜自适应光学系统，该专利通过两个或多个变形镜分别校正高阶像差和大行程低阶像差，以此来得到高分辨率成像结果，但该专利中的多个变形镜是独立工作，这需要更多的控制单元，并且无法保证真正意义上的同步控制。
综上所述可知，现有的共焦扫描成像设备与自适应光学系统像差控制方面尚存在不足，亟待改进。
对比国际国内在共焦显微成像领域的技术成果，本发明在激光共焦扫描自适应光学显微成像的基本原理基础上，提出一种新的共焦扫描成像系统及其像差控制方法，通过两个变形镜分别校正高阶和低阶像差，并利用新的控制方法驱动双变形镜同时工作，结合共轭成像的原理，实现了高分辨率成像的功能。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服传统共焦扫描自适应光学系统无法同时校正高阶和低阶像差的限制，提出一种共焦扫描成像系统及其像差控制方法。可以对人眼实现高分辨率成像。
本发明的技术解决方案：共焦扫描成像系统及其像差控制方法，其特征在于，所述共焦扫描成像系统包括光源组件、二维成像扫描组件、双变形镜校正组件、共焦扫描探测器组件和自适应光学探测组件。通过基于直接斜率法的控制方法控制双变形镜校正组件同时工作，在得到共焦扫描眼底图像的同时，校正系统中的高阶和低阶像差，得到高分辨率图像。
因而，本发明提供了一种共焦扫描成像系统及其像差控制方法，所述共焦扫描成像系统至少包括有双变形镜校正组件和自适应光学波前探测组件，所述光学波前探测组件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法优化所述直接斜率控制方法来消除所述双变形镜之间的耦合效应，由此来同步控制双变形镜校正组件工作；斜率计算方法如下：构造一个新的高阶变形镜响应矩阵，去除与低阶变形镜耦合部分，通过此响应矩阵可以正确地控制变形镜闭环校正；同时构造一个新的变形镜响应矩阵，消除piston、tip和tilt误差影响，得到双变形镜自适应光学系统准确的斜率矢量计算方法。
本发明的原理：本发明的核心原理是光学成像共轭关系和基于直接斜率法的控制方法。在本发明所述的系统装置中，光源、两个变形镜、两个二维扫描振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，以实现在单帧图像成像视场内的共焦扫描成像。再通过置于光学共轭面的双变形镜，校正系统像差，而基于直接斜率法的控制方法消除了双变形镜之间耦合效应，去除了变形镜的平移和倾斜误差，能实时控制两个变形镜同时工作，实现高分辨率成像。
本发明与现有技术相比有如下优点：本发明使传统的共焦扫描自适应光学系统成像质量大幅增加，能同时控制两个变形镜校正高阶和低阶像差，将不再需要分步校正高阶和低阶像差，节省系统工作时间和控制设备，提高系统工作效率，提高系统对复杂像差的校正带宽，明显改善传统共焦扫描自适应光学系统准确性和实时性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中共焦扫描成像系统结构示意图。
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共焦扫描成像系统及其像差控制方法，详细介绍如下：
1、由光源组件之激光光源（1）通过光纤耦合器链接光纤（2），激光通过光纤（2）的传输，光纤的末端置于耦合透镜（3）的焦点位置，经过耦合透镜（3），激光以平行光的方式出射，经反射镜（4），进入分光镜（5）。本发明所述的分光镜（5），一般为透射率高反射率低的分光镜，投射率与反射率的比值一般为92：8。透射率高是为了保证从人眼返回来的信号光能较大程度的通过分光镜（5）进入光电探测器部分。照明激光在经过分光镜（5）后进入反射式球面望远镜（6和7）。在球面反射镜7的共轭平面处放置高阶变形镜（8）。本发明中高阶变形镜是为校正系统高阶像差，因此高阶变形镜多采用MEMS变形镜，在不大的变形面上有很多驱动器单元。经过高阶变形镜后的照明光再经过反射式球面望远镜（9和10）缩束，进入二维成像扫描组件。
2、二维成像扫描组件以两个独立的光学扫描振镜为主，振镜之间通过反射式球面望远镜连接。照明光经过横向扫描振镜（11）的扫描后变成线扫描光，再经过望远镜（12和13）扩束后被纵向扫描振镜（14）扫描，形成面照明光。
3、经过纵向扫描振镜（14）后的面照明光再经过反射式球面望远镜（15和16）到达低阶变形镜（17）。由于低阶变形镜处于光学系统的共轭面，与高阶变形镜、横向扫描振镜、纵向扫描振镜以及人眼瞳孔精密共轭。本发明中低阶变形镜是为校正系统大行程低阶像差，因此低阶变形镜口径较大，驱动器数量也较高阶变形镜更少。经过低阶变形镜后照明光束再经过反射式球面望远镜（18和19）后，直接照射在人眼瞳孔（20）。
4、照明光束入射在人眼瞳孔（或待测样品）表面，经瞳孔聚焦后进入人眼眼底（21），从人眼眼底返回的信号光按原路返回（从19返回到5），经过分光镜（5）后，通过分光镜（22）分光，透射光进入共焦扫描探测器组件，共焦扫描探测器组件由聚光透镜（23）、针孔（24）和探测器（25）组成。被聚光透镜会聚后的信号光经过针孔（24），针孔的通光孔径大小和放置位置非常重要。针孔的通光孔径大小一般为1-2倍光学系统的艾利衍射斑尺寸，针孔放置于聚光透镜（23）的焦点处。经过针孔后的信号光，将具备与成像平面（即人眼瞳孔或被成像样品）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。这样探测器（25）所接收到的信号光与成像平面精确共焦，并且噪声被抑制。共焦扫描探测器组件、纵向振镜和横向振镜通过控制终端（26）控制。
5、从人眼眼底返回的信号光通过分光镜（22）分光，反射部分的信号光则进入自适应光学探测组件，到达哈特曼波前传感器（27），波前传感器中的微透镜阵列将信号光波前分成上百个子孔径光，利用控制终端（26）计算各子孔径光的斜率数据，并产生相应驱动电压，驱动高阶变形镜（8）和低阶变形镜（17）实时校正系统高阶和低阶像差，得到人眼眼底高分辨率图像。
6、在普通的激光共焦扫描系统中，系统通过扫描振镜（11和14）的二维扫描来完成图像重构，得到共焦图像视频图像，但由于光路中存在像差，系统成像质量较差，而在本发明中加入了自适应光学系统，实时校正系统像差，得到高分辨率图像。
7、本发明中应用了双变形镜同时校正系统像差，具体校正的方法是高阶变形镜（8）校正高频像差，低阶变形镜（17）校正低频像差，与其他双变形镜校正系统不同的是，本发明采用新的控制方法实现了双变形镜同时工作，并得到了与双变形镜分步校正相同的效果。
8、本发明采用的控制方法是基于直接斜率法的更优控制算法，简单地采用直接斜率法应用于双变形镜自适应光学系统，并控制双变形镜同时工作，则系统校正效果明显差于双变形镜分步校正的效果，因为双变形镜自适应光学系统中，变形镜之间存在耦合效应，无法应用直接斜率法控制双变形镜同时工作。本发明采用的控制方法，在应用直接斜率法的基础上，巧妙地加入了解耦算法，对直接斜率法进行了优化，消除了变形镜之间的耦合效应，得到了与双变形镜分步校正相同的校正效果。同时，构造新的变形镜响应矩阵，消除了变形镜的piston，tip和tilt误差的影响。
9、在单变形镜自适应光学系统中，斜率矢量S是由变形镜的响应矩阵D和驱动电压矢量V计算得到，即
Figure 2012103640848100002DEST_PATH_IMAGE001
（1）
10、而在双变形镜自适应光学系统中，考虑到高阶变形镜在有效孔径中有着更多的驱动器单元，为了消除双变形镜之间的耦合效应，本发明构造了一个新的高阶变形镜响应矩阵
Figure 667278DEST_PATH_IMAGE002
，与初始的高阶变形镜响应矩阵
Figure 2012103640848100002DEST_PATH_IMAGE003
相比，去除了与低阶变形镜耦合部分
Figure 833686DEST_PATH_IMAGE004
，如式（2）：
Figure 2012103640848100002DEST_PATH_IMAGE005
（2）
11、而
Figure 803304DEST_PATH_IMAGE004
可以由式（3）计算得到,
Figure 323147DEST_PATH_IMAGE006
（3）
12、其中
Figure 2012103640848100002DEST_PATH_IMAGE007
是耦合系数矩阵，此系数矩阵又能通过式（4）和式（5）计算得到，
Figure 386787DEST_PATH_IMAGE008
 （4）
Figure 2012103640848100002DEST_PATH_IMAGE009
 （5）
13、其中
Figure 461447DEST_PATH_IMAGE010
是的伪逆矩阵，通过式（6）即可得到消除了耦合效应之后的高阶变形镜响应矩阵，而通过此响应矩阵可以正确地控制变形镜闭环校正。
 （6）
14、本发明的控制方法除了带有解耦运算以外，还去除了piston，tip和tilt的误差影响。在自适应光学系统中，变形镜都会产生不同程度的piston，tip和tilt误差，去除piston误差的方法是将各驱动器电压之和置零，即
 （7）
15、同样的，去除tip和tilt误差的方法是X,Y方向上的位置矢量和响应电压乘积之和置零，即
Figure 417126DEST_PATH_IMAGE014
（8）
16、式(8)用矩阵的形式表示则为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
 (9)
17、构造一个新的变形镜响应矩阵
Figure 525153DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure DEST_PATH_IMAGE017
 (10)
18、式（10）将式（9）包含其中，巧妙地消除了piston，tip和tilt误差的影响，最终得到了双变形镜自适应光学系统新的斜率矢量计算公式，即
Figure 767784DEST_PATH_IMAGE018
 （11）
19、通过上述控制方法上的改进，本发明已经具备了双变形镜同时工作的条件，经过上述过程，即可对人眼（或其他待测样品）实现双变形镜高分辨率成像功能。
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 (14)

1.一种共焦扫描成像系统的像差控制方法，所述共焦扫描成像系统包括光源组件、二维成像扫描组件、双变形镜校正组件、自适应光学波前探测组件、系统控制组件和探测器组件，所述探测器组件置于所述系统返回光路的终端，所述光源组件发射的照明光通过所述系统的所述二维成像扫描组件、所述双变形镜校正组件后进入人眼，从所述人眼反射回来的信号光原路返回，其中一部分所述信号光被所述探测器组件探测，另一部分所述信号光被所述自适应光学波前探测组件探测，其中通过所述自适应光学波前探测组件控制所述双变形镜校正组件来校正系统像差，其特征在于：所述光学波前探测组件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法优化所述直接斜率控制方法来消除所述双变形镜之间的耦合效应，由此来同步控制双变形镜校正组件工作，斜率计算方法如下：
构造一个新的高阶变形镜响应矩阵，去除与低阶变形镜耦合部分，通过此响应矩阵可以正确地控制变形镜闭环校正；同时构造一个新的变形镜响应矩阵，消除piston、tip和tilt误差影响，得到双变形镜自适应光学系统准确的斜率矢量计算方法。
2.根据权利要求1所述的共焦扫描成像系统的像差控制方法，其特征在于：所述光源组件包含一个柱面透镜，用以预补偿光学系统的静态像差。
3.根据权利要求1所述的共焦扫描成像系统的像差控制方法，其特征在于：所述自适应光学波前探测组件包含一个微透镜阵列，通过子孔径探测的方法将波前信息分割成上百个单元，并通过CCD探测得到各单元波前的斜率数据。
4.根据权利要求1所述的共焦扫描成像系统的像差控制方法，其特征在于：所述双变形镜校正组件包含两个变形镜：低阶变形镜和高阶变形镜；所述低阶变形镜校正所述系统低频像差，所述高阶变形镜校正所述系统高频像差。
5.一种共焦扫描成像系统，包括：
光源组件，其用于发射照明光；
二维成像扫描组件；
双变形镜校正组件；
自适应光学波前探测组件和探测器组件；和
系统控制组件；
其中所述探测器组件置于所述系统返回光路的终端，所述光源组件发射的照明光通过所述系统的所述二维成像扫描组件、所述双变形镜校正组件后进入人眼，从所述人眼反射回来的信号光原路返回，其中一部分所述信号光被所述探测器组件探测，另一部分所述信号光被所述自适应光学波前探测组件探测，其中通过所述自适应光学波前探测组件控制所述双变形镜校正组件来校正系统像差，其特征在于：
所述光学波前探测组件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法优化所述直接斜率控制方法来消除所述双变形镜之间的耦合效应，由此来同步控制双变形镜校正组件工作；斜率计算方法如下：
构造一个新的高阶变形镜响应矩阵，去除与低阶变形镜耦合部分，通过此响应矩阵可以正确地控制变形镜闭环校正；同时构造一个新的变形镜响应矩阵，消除piston、tip和tilt误差影响，得到双变形镜自适应光学系统准确的斜率矢量计算方法。
6.根据权利要求5所述的共焦扫描成像系统，其特征在于：所述光源组件包含一个柱面透镜，用以预补偿光学系统的静态像差。
7.根据权利要求5所述的共焦扫描成像系统，其特征在于：所述自适应光学波前探测组件包含一个微透镜阵列，通过子孔径探测的方法将波前信息分割成上百个单元，并通过CCD探测得到各单元波前的斜率数据。
8.根据权利要求5所述的共焦扫描成像系统，其特征在于：所述双变形镜校正组件包含两个变形镜：低阶变形镜和高阶变形镜；所述低阶变形镜校正所述系统低频像差，所述高阶变形镜校正所述系统高频像差。
9.一种共焦扫描成像系统的像差控制方法，所述共焦扫描成像系统包括有双变形镜校正组件和自适应光学波前探测组件，其特征在于：
所述光学波前探测组件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法优化所述直接斜率控制方法来消除所述双变形镜之间的耦合效应，由此来同步控制双变形镜校正组件工作；斜率计算方法如下：
构造一个新的高阶变形镜响应矩阵，去除与低阶变形镜耦合部分，通过此响应矩阵可以正确地控制变形镜闭环校正；同时构造一个新的变形镜响应矩阵，消除piston、tip和tilt误差影响，得到双变形镜自适应光学系统准确的斜率矢量计算方法。
10.根据权利要求9所述的共焦扫描成像系统的像差控制方法，其特征在于：所述自适应光学波前探测组件包含一个微透镜阵列，通过子孔径探测的方法将波前信息分割成上百个单元，并通过CCD探测得到各单元波前的斜率数据。
11.根据权利要求9所述的共焦扫描成像系统的像差控制方法，其特征在于：所述双变形镜校正组件包含两个变形镜：低阶变形镜和高阶变形镜；所述低阶变形镜校正所述系统低频像差，所述高阶变形镜校正所述系统高频像差。
12.一种共焦扫描成像系统，所述共焦扫描成像系统包括有双变形镜校正组件和自适应光学波前探测组件，其特征在于：
所述光学波前探测组件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法优化所述直接斜率控制方法来消除所述双变形镜之间的耦合效应，由此来同步控制双变形镜校正组件工作；斜率计算方法如下：
构造一个新的高阶变形镜响应矩阵，去除与低阶变形镜耦合部分，通过此响应矩阵可以正确地控制变形镜闭环校正；同时构造一个新的变形镜响应矩阵，消除piston、tip和tilt误差影响，得到双变形镜自适应光学系统准确的斜率矢量计算方法。
13.根据权利要求12所述的共焦扫描成像系统，其特征在于：所述自适应光学波前探测组件包含一个微透镜阵列，通过子孔径探测的方法将波前信息分割成上百个单元，并通过CCD探测得到各单元波前的斜率数据。
14.根据权利要求12所述的共焦扫描成像系统，其特征在于：所述双变形镜校正组件包含两个变形镜：低阶变形镜和高阶变形镜；所述低阶变形镜校正所述系统低频像差，所述高阶变形镜校正所述系统高频像差。
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