CN103070665B - 一种基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，该装置由扫频光源(101)、光纤耦合器(102)、参考臂模块(103)、光纤准直器(111)、像差探测及校正模块(112)、二维扫描模块(113)、光电探测模块(107)、数据采集及时序控制模块(108)组成；所述像差探测及校正模块(112)包括波前传感器(115)及两块波前校正器，分别为波前校正器(117)、波前校正器(118)；本发明针对目前自适应光学相干层析成像装置中单块波前校正器像差校正能力受限的缺点，该装置采用一块变形镜校正人眼低阶像差，采用另一块变形镜校正人眼高阶像差，大大提高了自适应系统对人眼像差的校正能力，同时结合具有轴向高分辨率的扫频光学相干层析系统，从而实现对人眼视网膜组织细胞层次上的高分辨率三维成像。

Description

一种基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像系统

技术领域

本发明涉及一种自适应光学(Adaptive Optics,AO)视网膜三维成像系统，为一种基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，可广泛用于人眼视网膜的高分辨率快速三维成像。

背景技术

光学相干层析技术（Optical Coherence Tomography,OCT）将低相干干涉仪和共焦扫描显微术有机结合，能够实现高分辨率、非接触、高灵敏度的纵向层析成像。一经问世就在生物医学成像领域得到了广泛的应用，尤其是在眼科活体成像领域。扫频OCT的提出，是OCT技术领域的一项重要变革，相对于传统时域OCT，扫频OCT具有成像速度快，信噪比高，系统结构简化等优点。目前OCT系统的纵向分辨率可以达到1-10μm，但是由于人眼数值孔径及其自身像差的限制，其横向分辨率还是局限在20μm左右，无法实现视网膜细胞尺度上精细结构的高分析观察。根据光学系统的衍射极限原理，要想实现对眼底视细胞级分辨率(约2μm横向分辨率)的成像，必须将瞳孔放大至6-8mm。但是随着瞳孔增大，人眼的像差会急剧增加，从而无法保证系统的分辨率。

自适应光学技术具有实时校正动态波前像差的能力，从而克服人眼像差的限制。美国专利5777718,5949521介绍了一种自适应光学视网膜成像装置，利用哈特曼波前传感器测量人眼像差，利用单块波前校正器校正人眼像差，中国专利CN1282564,1282565,1306796,1306797,2728418介绍了另外几种自适应视网膜成像系统，实现接近衍射极限的活体人眼视网膜高分辨率成像，但受限于其宽场成像模式，轴向分辨率较低。2003年美国Indiana大学的D.Miller等人首次提出AO技术和具有高纵向空间分辨率的OCT技术结合，以获得同时具有高横向空间分辨率和高纵向空间分辨率的视网膜图像，形成AO-OCT。2005年美国California大学Zawadzki等人采用谱域OCT技术结合AO获得了4x4x6μm三维高分辨视网膜图像。中国专利CN 101884524A提出了结合自适应光学技术和谱域光学相干层析技术的新型高分辨率三维成像技术，采用单块反射变形镜来实现对人眼的像差的实时校正，能够实现对正常人眼的高分辨率实时三维成像，但从临床应用的角度来看，该系统像差校正能力对病眼而言存在不足，其像差校正能力受限于单块反射变形镜的校正能力。

统计显示，人眼像差主要包括较大的低阶像差和较小的高阶像差，特别是低阶像差(离焦、像散)随人群起伏很大，离焦可达±10D，散光±5D，PV值可达25μm，超出目前单块波前校正器的行程。因此目前的自适应光学相干层析系统像差校正范围难以满足不同人群的像差校正需求。主要应对策略是通过插像差补偿片提高系统对离焦、像散的校正范围，其缺点是降低系统光能利用率，改变人眼瞳孔与波前传感器和波前校正器的共轭位置，降低人眼像差测量的准确性和AO系统的校正效果。

中国专利CN101612032A提出了基于双变形镜的视网膜成像技术，提高了像差校正能力，但由于采用宽场成像技术，不能实现对视网膜组织的三维高分辨率成像。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足之处，提供一种基于波前校正器的扫频光学相干层析成像装置，该装置采用两块波前校正器，分别针对人眼的低阶和高阶像差进行串联校正，提高系统的人眼像差校正能力。

本发明提供的技术方案为：

一种基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，包括：扫频光源、光纤耦合器、参考臂模块、样品臂模块、光电探测模块、数据采集及时序控制模块；

所述参考臂模块由偏振控制器，光纤准直器，参考反射镜组成；

所述样品臂模块包括光纤准直器、像差探测及校正模块和二维扫描模块；所述像差探测及校正模块包括波前传感器及两块波前校正器，分别为第一波前校正器、第二波前校正器；

扫频光源的出射光经光纤耦合器分光后，分别进入参考臂模块和样品臂模块，样品臂模块中从光纤耦合器分出的光经光纤准直镜准直后为平行光，通过两个球面反射镜组成扩束系统，使其与第一波前校正器相匹配，然后经两个球面反射镜组成的扩束系统，使其与第二波前校正器相匹配，第二波前校正器的反射光经两个球面反射镜组成的缩束系统，使其与X方向扫描振镜相匹配，X方向扫描振镜对入射光束进行横向扫描，被两个球面反射镜组成的扩束系统扩束到与Y方向扫描振镜匹配，Y方向扫描振镜对入射光束进行纵向扫描，被两个球面反射镜组成的扩束系统扩束到与人眼瞳孔匹配，并经平面反射镜反射入射到人眼，人眼眼底后向散射光携带人眼像差并沿原光路返回，部分透过分光镜，进入光纤耦合器与参考臂模块的后向反射光发生干涉，干涉信号由光电探测模块探测后，送到数据采集及时序控制模块进行数据采集、图像重建，最终得到视网膜组织的三维图像。

所述第一波前校正器是分立压电式连续镜面变形镜或整体压电式连续镜面变形镜。

所述第一波前校正器是双压电片变形镜或压电膜片变形镜。

所述第一波前校正器是微机械薄膜变形镜，表面微机械变形镜或液晶空间光调制器。

所述第二波前校正器是分立压电式连续镜面变形镜或整体压电式连续镜面变形镜。

所述第二波前校正器是双压电片变形镜或压电膜片变形镜。

所述第二波前校正器是微机械薄膜变形镜，表面微机械变形镜或液晶空间光调制器。

所述第一波前校正器与第二波前处理器处于共轭位置。

所述波前传感器是基于微棱镜阵列的哈特曼-夏克波前传感器、或基于微透镜阵列的哈特曼-夏克波前传感器。

本发明的原理在于：

扫频光源发出的光经光纤耦合器，分别进入参考臂模块和样品臂模块；样品臂模块中从光纤耦合器分出的光经光纤准直镜准直后为平行光，通过像差探测及校正模块、二维扫描模块、进入人眼，从人眼眼底反射回的光沿原光路返回；与从参考臂模块反射回的光在光纤耦合器发生干涉，干涉信号由光电探测模块转换为电信号，送入数据采集及时序控制模块，进行数据处理、图像重建；其中像差探测及校正模块中，从人眼眼底反射回的光经分光镜反射进入波前传感器，对其进行子孔径波前斜率测量，波前控制机进行波前复原，并计算补偿波前畸变所需的两块波前校正器的驱动信号，驱动其进行波前补偿，实现对人眼像差的实时校正；

其中，所述第一块波前校正器用于低阶像差（离焦、像散）的校正；所述第二块波前校正器用于残余高阶像差的校正；

像差探测及校正模块和二维扫描模块中，所述球面反射镜组成的缩束扩束系统使得X方向扫描振镜、Y方向扫描振镜、光纤准直器、两块波前校正器与人眼瞳孔均处于共轭位置。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1、本发明利用两块波前校正器，分别针对人眼的低阶和高阶像差进行串联校正，大大提高系统的人眼像差校正能力。

2、本发明对不同人群视网膜成像有更好的适应性，提高了系统的实用性。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置样品臂光路示意图；

图3a为标准泽尼克像差的波面图；图3b为Rochester大学统计的109各正常人眼的泽尼克像差分布；

图4为中国专利CN 101612032A的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明装置的核心为基于迈克尔逊干涉仪结构的相干层析组件和自适应光学组件，包括扫频光源101、光纤耦合器102、参考臂模块103、光纤准直器111、像差探测及校正模块112、二维扫描模块113、光电探测模块107、数据采集及时序控制模块108。

参考臂模块103由偏振控制器104，光纤准直器105，参考反射镜106组成。其中，如图2所示，像差探测及校正模块112主要包括：分光镜114、第一波前校正器117、第二波前校正器118，波前传感器115、波前控制机116，主要用于样品臂模块109和人眼110像差的实时校正；二维扫描组件113主要包括X方向扫描振镜119、Y方向扫描振镜120，主要用于对样品的二维扫描。样品臂模块109中还包括由一系列球面反射镜121-130组成的缩束扩束系统，使样品臂模块109中一系列重要组件(如：第一波前校正器117，第二波前校正器118，哈特曼波前传感器115，X方向扫描振镜119，Y方向扫描振镜120)与人眼110瞳孔保持共轭位置。其中，所述第一块波前校正器用于低阶像差（离焦、像散）的校正；所述第二块波前校正器用于残余高阶像差的校正。

系统中采用的扫频光源101的中心波长1310nm，带宽110nm，扫频速度20KHz，根据公式轴向分辨率为6.88μm。光纤耦合器102选用2×2宽带耦合器，中心波长在1310nm，带宽100nm，分光比50:50。系统中参考反射镜106固定不动，由于扫频光源101任意时刻输出的是带宽非常窄的光束（近似可以认为是单波长），因此其相干长度可以达到毫米级，此时样品单次散射率必然含有轴向位置信息，采用R(z)表示。在设置系统状态时，把参考反射镜106的位置设置到与样品表面等光程。根据干涉原理，可以得到在扫频光源101的一个扫描周期内，光电探测模块107获取的干涉信号可以表示为：

$I\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k_i\right)\∝\underset{i=1}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}2R\left(z\right)E{\left(k_i\right)}^2\×\cos [{2k}_i\×z]$

其中k_i表示波数，z为样品臂模块109与参考臂模块103的光程差。对获取的干涉信号进行IFFT解调，就可以获得样品轴向位置信息：

$R\left(z\right)=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}I{\left(k_i\right)}^2\exp (-{\mathrm{jk}}_{i}z)$

扫频光源101的出射光经光纤耦合器102分光后，分别进入参考臂模块103和样品臂模块109。样品臂模块109中从光纤耦合器102分出的光经光纤准直镜111准直后为平行光，通过球面反射镜121、122组成扩束系统，使其与第一波前校正器117相匹配，然后经球面反射镜123、124组成的扩束系统，使其与第二波前校正器118相匹配，第二波前校正器118的反射光经球面反射镜125、126组成的缩束系统，使其与X方向扫描振镜119相匹配，X方向扫描振镜119对入射光束进行横向扫描，被球面反射镜127、128组成的扩束系统扩束到与Y方向扫描振镜120匹配，Y方向扫描振镜120对入射光束进行纵向扫描，被球面反射镜129、130组成的扩束系统扩束到与人眼瞳孔匹配，并经平面反射镜131反射入射到人眼110，人眼眼底后向散射光携带人眼像差并沿原光路返回，部分透过分光镜114，进入光纤耦合器102与参考臂模块103的后向反射光发生干涉，干涉信号由光电探测模块107探测后，送到数据采集及时序控制模块108进行数据采集、图像重建，最终得到视网膜组织的三维图像。

像差探测及校正模块112中，部分携带人眼像差信息的后向散射光，经分光镜114反射后进入波前传感器115，对其进行子孔径波前斜率测量，波前控制机116进行波前复原，并根据控制算法计算分配补偿波前畸变所需的第一波前校正器117以及第二波前校正器118的驱动信号，驱动其进行波前补偿，实现对人眼像差的实时闭环校正。

波前传感器115采用夏克-哈特曼波前传感器，通光口径6mm，微透镜阵列是11×11的方形排布，微透镜焦距5mm，哈特曼相机的帧频是20Hz；

第一波前校正器117和第二波前校正器118采取串联校正的结构，第一波前校正器117采用具有较大的行程的双压电片变形镜，35单元Bimorph变形镜，通光口径20mm，用于校正相对较大的低阶像差(如:离焦和像散)，第二波前校正器118采用分立式压电变形镜，驱动器个数为37，通光口径40mm，单个驱动器的变形量是±2μm，用于校正残余的高阶像差。

光电探测模块可采用光电倍增管PMT或雪崩二极管APD，本实施方案中采用光电倍增管。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (7)

1.一种基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，其特征在于，包括：扫频光源(101)、光纤耦合器(102)、参考臂模块(103)、样品臂模块(109)、光电探测模块(107)、数据采集及时序控制模块(108)；

所述参考臂模块(103)由偏振控制器(104)，光纤准直器(105)，参考反射镜(106)组成；

所述样品臂模块(109)包括光纤准直器(111)、像差探测及校正模块(112)和二维扫描模块(113)；所述像差探测及校正模块(112)包括波前传感器(115)及两块波前校正器，分别为第一波前校正器(117)、第二波前校正器(118)；

扫频光源(101)的出射光经光纤耦合器(102)分光后，分别进入参考臂模块(103)和样品臂模块(109)，样品臂模块(109)中从光纤耦合器(102)分出的光经光纤准直器(111)准直后为平行光，通过两个球面反射镜(121、122)组成扩束系统，使其与第一波前校正器(117)相匹配，然后经两个球面反射镜(123、124)组成的扩束系统，使其与第二波前校正器(118)相匹配，第二波前校正器(118)的反射光经两个球面反射镜(125、126)组成的缩束系统，使其与X方向扫描振镜(119)相匹配，X方向扫描振镜(119)对入射光束进行横向扫描，被两个球面反射镜(127、128)组成的扩束系统扩束到与Y方向扫描振镜(120)匹配，Y方向扫描振镜(120)对入射光束进行纵向扫描，被两个球面反射镜(129、130)组成的扩束系统扩束到与人眼瞳孔匹配，并经平面反射镜(131)反射入射到人眼(110)，人眼眼底后向散射光携带人眼像差并沿原光路返回，部分透过分光镜(114)，进入光纤耦合器(102)与参考臂模块(103)的后向反射光发生干涉，干涉信号由光电探测模块(107)探测后，送到数据采集及时序控制模块(108)进行数据采集、图像重建，最终得到视网膜组织的三维图像；

其中，所述第一波前校正器(117)与第二波前处理器(118)处于共轭位置；

其中，所述波前传感器(115)是基于微棱镜阵列的哈特曼-夏克波前传感器、或基于微透镜阵列的哈特曼-夏克波前传感器；

根据干涉原理，可以得到在扫频光源(101)的一个扫描周期内，光电探测模块(107)获取的干涉信号可以表示为：

$I\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k_i\right)\∝\underset{i=1}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}2R\left(z\right)E{\left(k_i\right)}^2\×\cos [{2k}_i\×z]$

其中k_i表示波数，z为样品臂模块(109)与参考臂模块(103)的光程差，对获取的干涉信号进行IFFT解调，就可以获得样品轴向位置信息：

$R\left(z\right)=\underset{i=0}{\overset{i=m}{\mathrm{\Σ}}}I{\left(k_i\right)}^2\exp (-{\mathrm{jk}}_{i}z);$

像差探测及校正模块(112)中，部分携带人眼像差信息的后向散射光，经分光镜(114)反射后进入波前传感器(115)，对其进行子孔径波前斜率测量，波前控制机(116)进行波前复原，并根据控制算法计算分配补偿波前畸变所需的第一波前校正器(117)以及第二波前校正器(118)的驱动信号，驱动其进行波前补偿，实现对人眼像差的实时闭环校正。

2.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，其特征在于，所述第一波前校正器(117)是分立压电式连续镜面变形镜或整体压电式连续镜面变形镜。

3.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，其特征在于，所述第一波前校正器(117)是双压电片变形镜或压电膜片变形镜。

4.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，其特征在于，所述第一波前校正器(117)是微机械薄膜变形镜，表面微机械变形镜或液晶空间光调制器。

5.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，其特征在于，所述第二波前校正器(118)是分立压电式连续镜面变形镜或整体压电式连续镜面变形镜。

6.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，其特征在于，所述第二波前校正器(118)是双压电片变形镜或压电膜片变形镜。

7.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的自适应扫频光学相干层析成像装置，其特征在于，所述第二波前校正器(118)是微机械薄膜变形镜，表面微机械变形镜或液晶空间光调制器。