CN103315705B - 一种偏振暗场自适应光学视网膜成像仪 - Google Patents
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Abstract
一种偏振暗场自适应光学视网膜成像仪，包括：光源，光学系统，偏振暗场实现装置、自适应光学装置以及计算机。光源发出的光经照明物镜后准直成平行光，平行光通过起偏器后形成线偏振光，该线偏振光通过人眼光学系统照射眼底视网膜。由视网膜直接反射的光和弱散射光仍然保持入射光的偏振状态，该光束经过光束匹配系统、变形反射镜（11)和光束匹配系统（12)后偏振态不变，进入成像光路；由于检偏器的偏振轴与起偏器的偏振轴相互垂直，因此该光束被检偏器过滤掉，无法参与成像。在视网膜经过多重散射后返回来的光是自由偏振态，该光束经过光束匹配系统、变形反射镜（11)和光束匹配系统后偏振态不变，进入成像光路；由于该光束是自由偏振态，因此可以通过检偏器参与成像。本发明通过偏振的方法实现了暗场成像，相对于现有技术提高了视网膜图像的对比度。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振暗场自适应光学视网膜成像仪。
背景技术
眼睛是人心灵的窗口。人所得到的外界信息中约80％以上依靠眼睛获取。拥有一双明亮、健康的眼睛人人渴求，然而现实中罹患眼病的人数却相当多，并且仍显现出攀升的迹象，引起越来越多人们的关注。从医学专业角度来看，眼病除眼外伤以及屈光不正外，大部分病变其实都发自眼底视网膜。当眼底出现问题时，在临床上便会表现出形态或颜色异样(例如隆起、水肿、裂孔、萎缩、出现斑点或色环，有渗出物等等)。另一方面，人眼作为人整体一部分，眼睛的病变还可能来自身体其它问题，医学研究和临床都证明：糖尿病、高血压、贫血、肾病及肿瘤等疾病都可反映到眼底微循环，眼底代谢异常导致眼底产生病变。实时跟踪眼底形貌变化将有助于上述身体疾病的早期诊断和预防。高对比度高分辨率的眼底成像技术在医学研究和临床应用方面都具有巨大价值。
人眼像差中除了含有离焦、散光等低阶像差以外，还含有不可忽略的高阶像差组分，同时人眼像差具有个性化、缓变等特点。传统的眼底相机、验光仪等眼科设备只能够静态地补偿低阶人眼像差，故整体光学分辨率不可能达到衍射极限水平。自适应光学技术恰好弥补了此缺陷，直接推动了高分辨率眼底成像技术的发展。国外的David Williams、Donald Miller、Pablo Artal等研究团队及国内中国科学院光电技术研究所采用基于自适应光学技术的显微成像系统先后获得了活体眼底视网膜小视场、高分辨率图像并实现了动态成像。中科院光电所在这方面做了大量有意义的工作。相关工作可参见中国专利申请号“200420060167.9”、中国专利公开号“2728418Y”、中国专利公开号“2728419Y”、中国专利公开号“1282564A”、中国专利公开号“101926640A”。然而，人眼视网膜细胞对光的透过率很高，是一种低对比度的位相分布物体，高分辨率成像系统仅以减小像差完善成像，不能有效的分辨相物体。
在最初的自适应光学系统中，人眼角膜反射影响到了系统的性能。为了消除人眼角膜反射对波前探测的影响，在中国专利公开号“1282564A”、中国专利公开号“1282565A”等中提到利用垂直偏振的方法滤除人眼角膜的反射光。
作为一个提高成像对比度的技术，暗场技术曾被应用于离体的眼科实验研究中，2009年刘廷等人通过暗视野显微镜观察小鼠的眼标本，得出了结论：暗视野模式下观察可见小鼠角膜缘组织血管网立体感强，色彩对比良好，细胞层次清晰，细胞形态和界限明显，血管走行和形态非常清楚(见文章“暗视野显微镜在眼科实验研究中的应用”)。另外，Krauss在研究视网膜血管三维结构中，应用暗视野显微镜获得良好的观察效果(见文章[J].Graefe Arch Clin Exp Ophthaml ol1990；228(2):187-190.)。Mishima等在研究培养的角膜上皮细胞的吞噬功能时也采用暗视野显微镜进行观察(见文章[J].Invest Ophthaml olVis Sci1987；28(9):1521-1526.)。然而，上述研究仅限于离体的眼科实验研究，还无法应用于活体人眼视网膜成像。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种采用垂直偏振暗场技术提高视网膜图像的对比度；采用自适应光学技术提高成像高分辨率的偏振暗场自适应光学视网膜成像系统。
本发明技术解决方案：一种偏振暗场自适应光学视网膜成像仪，包括光源，光学系统，偏振暗场实现装置，自适应光学装置以及计算机；光源包括信标光源1和照明光源4；光学系统包括准直透镜2，第一反射镜3，照明物镜5，第一分光棱镜6，第二分光棱镜7，补偿片8，第一光束匹配系统10，第二光束匹配系统12，第二反射镜13，第三分光棱镜14，波前探测装置15，第三反射镜16，成像透镜17；偏振暗场实现装置包括起偏器20和检偏器21；自适应光学装置包括波前探测装置15，波前校正器变形反射镜11以及控制装置计算机19。工作时首先打开半导体信标光源1，该信标光源1经由准直透镜2、第一反射镜3、第一分光棱镜6和第二分光棱镜7组成的信标光路照明眼底，从眼底反射的光通过由第一光束匹配系统10、变形反射镜11、第二光束匹配系统12、第二反射镜13和第三分光棱镜14组成的波前探测光路进入波前探测装置15；波前探测装置15将所探测的信号送至计算机19进行波前复原计算和闭环控制计算，得到变形反射镜11的控制电压信号。控制电压信号经数模转换和高压放大，驱动变形反射镜11校正人眼像差。自适应光学系统闭环校正完毕后，启动照明光源4；光源4发出的光经由照明物镜5、起偏器20、第一分光棱镜6和第二分光棱镜7组成的照明光路形成线偏振光，通过人眼光学系统照射眼底视网膜，由视网膜直接反射的光和弱散射光进入由第一光束匹配系统10、变形反射镜11、第二光束匹配系统12、第二反射镜13、第三分光棱镜14、检偏器21、第三反射镜16和成像透镜17组成的成像光路后偏振态不变；由于检偏器21的偏振轴与起偏器20的偏振轴相互垂直，因此该光束被检偏器过滤掉，无法参与成像。在视网膜经过多重散射后返回来的光是自由偏振态，该光束进入成像光路后偏振态不变；由于该光束是自由偏振态，因此可以通过检偏器21参与成像，最后在成像CCD上获得高分辨率高对比度的人眼视网膜像。
顺便提及，暗场的原理是不让透过标本的光直接进入物镜，只让由颗粒散射的光线进入物镜。这样，使物镜形成的像面是一个暗背景上分布着亮颗粒的景象。由于成像衬度(对比度)好，有利于颗粒的分辨。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用暗场成像的原理，光学系统能够滤掉人眼视网膜的直接反射光即背景光，从而提高了视网膜图像的对比度。
(2)本发明中的方案2能够通过垂直偏振方法实现暗场成像的同时，消除角膜反射光。
附图说明
图1为本发明的偏振暗场自适应光学视网膜成像仪的示意图；
图2为生物组织的光学散射特性示意图；
图3为本发明的第二种方案的偏振暗场自适应光学视网膜成像仪的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种偏振暗场自适应光学视网膜成像仪，包括光源，光学系统，偏振暗场实现装置，自适应光学装置以及计算机；光源包括信标光源1和照明光源4；光学系统包括准直透镜2，第一反射镜3，照明物镜5，第一分光棱镜6，第二分光棱镜7，补偿片8，第一光束匹配系统10，第二光束匹配系统12，第二反射镜13，第三分光棱镜14，波前探测装置15，第三反射镜16，成像透镜17；偏振暗场实现装置包括起偏器20和检偏器21；自适应光学装置包括波前探测装置15，波前校正器变形反射镜11以及控制装置计算机19。工作时首先打开半导体信标光源1，该信标光源1经由准直透镜2、第一反射镜3、第一分光棱镜6和第二分光棱镜7组成的信标光路照明眼底，从眼底反射的光通过由第一光束匹配系统10、变形反射镜11、第二光束匹配系统12、第二反射镜13和第三分光棱镜14组成的波前探测光路进入波前探测装置15；波前探测装置15将所探测的信号送至计算机19进行波前复原计算和闭环控制计算，得到变形反射镜11的控制电压信号。控制电压信号经数模转换和高压放大，驱动变形反射镜11校正人眼像差。自适应光学系统闭环校正完毕后，启动照明光源4；照明光源4发出的光经由照明物镜5、起偏器20、第一分光棱镜6和第二分光棱镜7组成的照明光路形成线偏振光，通过人眼光学系统照射眼底视网膜，由视网膜直接反射的光和弱散射光进入由第一光束匹配系统10、变形反射镜11、第二光束匹配系统12、第二反射镜13、第三分光棱镜14、检偏器21、第三反射镜16和成像透镜17组成的成像光路后偏振态不变；由于检偏器21的偏振轴与起偏器20的偏振轴相互垂直，因此该光束被检偏器过滤掉，无法参与成像。在视网膜经过多重散射后返回来的光是自由偏振态，该光束进入成像光路后偏振态不变；由于该光束是自由偏振态，因此可以通过检偏器21参与成像，最后在成像CCD上获得高分辨率高对比度的人眼视网膜像。
如图2所示，线偏振状态的光入射到眼底之后出射的光会分为三个部分，分别是直接反射光、弱散射光和多重散射光。这三部分光中只有多重散射光是自由偏振态，而其他两部分光仍然保持入射光的偏振状态。
如图3所示，为本发明的另一种方案光路原理图，其特征在于：相对于第一种方案，起偏器20和检偏器21分别在照明系统与信标系统的共光路中和探测光路与成像光路的共光路中，它的优势就是能够消除波前探测光路中的角膜反射光。由于信标光需要通过起偏器和检偏器，为了提高光能利用率，需使信标光的偏振态和照明光的偏振态一致。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种偏振暗场自适应光学视网膜成像仪，包括光源，光学系统，偏振暗场实现装置，自适应光学装置以及计算机；光源包括信标光源(1)和照明光源(4)；光学系统包括准直透镜(2)，第一反射镜(3)，照明物镜(5)，第一分光棱镜(6)，第二分光棱镜(7)，补偿片(8)，第一光束匹配系统(10)，第二光束匹配系统(12)，第二反射镜(13)，第三分光棱镜(14)，第三反射镜(16)，成像透镜(17)；偏振暗场实现装置包括起偏器(20)和检偏器(21)，所述检偏器(21)置于第三分光棱镜(14)和成像透镜(17)之间；自适应光学装置包括波前探测装置(15)，波前校正器变形反射镜(11)以及控制装置计算机(19)；工作时首先打开半导体信标光源(1)，该信标光源(1)经由准直透镜(2)、第一反射镜(3)、第一分光棱镜(6)和第二分光棱镜(7)组成的信标光路照明眼底，从眼底反射的光通过由第一光束匹配系统(10)、变形反射镜(11)、第二光束匹配系统(12)、第二反射镜(13)和第三分光棱镜(14)组成的波前探测光路进入波前探测装置(15)；波前探测装置(15)将所探测的信号送至计算机(19)进行波前复原计算和闭环控制计算，得到变形反射镜(11)的控制电压信号；控制电压信号经数模转换和高压放大，驱动变形反射镜(11)校正人眼像差；自适应光学系统闭环校正完毕后，启动照明光源(4)；照明光源(4)发出的光经由照明物镜(5)、起偏器(20)、第一分光棱镜(6)和第二分光棱镜(7)组成的照明光路形成线偏振光，通过人眼光学系统照射眼底视网膜，由视网膜直接反射的光和弱散射光进入由第一光束匹配系统(10)、变形反射镜(11)、第二光束匹配系统(12)、第二反射镜(13)、第三分光棱镜(14)、检偏器(21)、第三反射镜(16)和成像透镜(17)组成的成像光路后偏振态不变；由于检偏器(21)的偏振轴与起偏器(20)的偏振轴相互垂直，因此光束被检偏器过滤掉，无法参与成像；在视网膜经过多重散射后返回来的光是自由偏振态，该光束进入成像光路后偏振态不变；由于该光束是自由偏振态，因此可以通过检偏器(21)参与成像，最后在成像CCD上获得高分辨率高对比度的人眼视网膜像；
所述起偏器(20)置于照明物镜(5)和第一分光棱镜(6)之间。
2.根据权利要求1所述的偏振暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：所述检偏器(21)和起偏器(20)置于信标光路和照明光路的共光路中，检偏器(21)置于波前探测光路与成像光路的共光路中。
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| GR01 | Patent grant |