CN104352214B - 一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，属于视网膜成像技术领域。其特征是：在成像光路中的瞳面共轭位置处加入空间光调制器，并在其后光路中的视网膜特定层的共轭位置(焦面)处加入匹配滤波器(滤波光阑)。其工作原理是：通过空间光调制器调制瞳面波前改变焦面处的衍射光场分布，并在焦面处加入匹配的滤波器滤除来自视网膜特定层的衍射光，实现对视网膜该层的暗场成像，这提高了其相邻层结构的成像对比度。

Description

一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪

技术领域

本发明涉及光学视网膜成像仪的技术领域，具体涉及一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪。

背景技术

自人眼像差中除了含有离焦、散光等低阶像差外，还含有不可忽略的高阶像差组分。目前普通的商业化眼底相机等眼科设备只能够静态的补偿低阶人眼像差，故整体光学分辨率不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DavidWilliams、DonaldMiller、PabloArtal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。中国专利CN1282564，CN1282565，CN1306796，CN13067967等介绍了几种人眼视网膜自适应光学成像系统。以上系统都是采用自适应光学技术来实现接近衍射极限的活体人眼视网膜高分辨力成像。然而，在现有的接近衍射极限的高分辨率成像条件下，人眼视网膜的十多层结构，仍然只能观察到其中的三层，其它各层还是无法观察到；而且对于一些有疾病的人眼这三层结构也无法观察到。这主要是因为人眼视网膜中其它相邻层之间的折射率差异很小，属于低对比度物体，而且在相邻层光强相对很强的情况下像将被淹没；对于有疾病的眼底由于疾病的存在可能会影响人眼的光学系统浑浊或者视网膜病变，当观察视网膜层结构时对于成像对比度也提出了更高的要求。

暗场成像技术以其能提高成像对比度而被广泛应用于各个领域。因此将暗场成像技术引入眼底视网膜成像领域能够解决以上问题。通过将暗场成像技术和自适应光学技术结合能够同时提高视网膜成像的分辨率和对比度。

发明内容

鉴于以上想法，本发明的目的在于提供一种采用波前调制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分辨率的波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪。

本发明采用的技术方案为：一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：该成像仪包含波前调制子系统和匹配滤波子系统：其中波前调制子系统包括波前调制器和控制装置，用于调制瞳面波前；匹配滤波子系统包括匹配滤波器，该匹配滤波器采用匹配滤波光阑，用于焦面滤波。

其中，所述的波前调制器在系统中瞳面的光学共轭位置处放置。

其中，所述的匹配滤波光阑在系统中波前调制器之后的焦面位置处，其作用为焦面匹配滤波和滤除视网膜特定层的衍射光，实现对视网膜该层的暗场成像。

其中，所述波前调制器是从可形变反射镜空间光调制器(DMD)、液晶空间光调制器、磁光空间光调制器、多量子阱空间光调制器、声光空间光调制器、衍射光学元件中选择的。

其中，所述的波前调制子系统是通过波前调制器调制瞳面的光强分布实现光瞳的切趾，改变来自视网膜特定层的衍射光分布，使该层在焦面的光强分布向零级区域集中。这里瞳面的切趾函数是根据不同层的结构通过计算和优化得到的。

其中，所述的匹配滤波子系统是与波前调制子系统配合的，波前调制子系统改变来自视网膜特定层的衍射光分布，使该层在焦面的光强分布向零级区域集中；同时，在焦面上加入匹配滤波子系统滤除该层的零级区域衍射光，不对与来自其它层的成像光进行抑制或抑制较小，从而实现对其它层的高对比度成像，即暗场成像。因此，匹配滤波光阑的尺寸对应于瞳面调制后的焦面衍射的艾利斑尺寸量级。

其中，所述的匹配滤波子系统如果被移除，则本系统可以实现另一个工作模式：通过瞳面调制实现特定层在焦面的衍射分布向零级集中，经过后面的光学系统成像，提高了特定层的成像对比度。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

(1)、本发明采用波前调制器和匹配滤波光阑分别进行瞳面调制和焦面滤波，实现了眼底视网膜特定层的暗场成像，提高了其相邻层的对比度。

(2)、本发明采用波前校正器和波前调制器分别校正人眼像差和调制瞳面波前，可以同时实现视网膜的高分辨力和高对比度成像。

(3)、本发明采用可编程的波前调制器，可以对瞳面进行不同形式的调制，通过对比可以选择最优的瞳面变迹。

附图说明

图1为本发明的波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪的结构框图；

图2为本发明的波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪的原理示意图；

图3为一个具体实例的瞳面波前调制前后焦面光强分布变化的示意图；

图4为一个具体实例的波前调制暗场与明场条件下点源对应的像面光强分布的示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1为本发明的组成结构框图。

如图1所示，本发明的一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，包括信标光源1、准直透镜2、信标光栏3、照明光源4、准直透镜5、第一分光镜6、平面反射镜7、第一球面反射镜8、第二球面反射镜9、波前校正器10、第三球面反射镜11、第四球面反射镜12、波前调制器13、第五球面反射镜14、滤波光阑15、第六球面反射镜16、第二分光镜17、第三分光镜18、光束匹配系统19、波前传感器20、第四分光镜21、成像透镜22、成像相机23、目标准直物镜24、照明发光二极管阵列25和控制装置28；控制装置28包括控制电路26和PC机27，控制电路26和PC机27连接。人眼以附图标记29标识。

该波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪工作时，首先打开半导体信标光源1，经准直透镜2和信标光栏3后准直为平行光，然后通过由第二分光镜17、第六球面反射镜16、滤波光阑15、第五球面反射镜14、波前调制器13、第四球面反射镜12、第三球面反射镜11、波前校正器10、第二球面反射镜9、第一球面反射镜8、平面反射镜7、第一分光镜6组成的主光路，穿过人眼瞳孔照明眼底，从眼底反射的光再通过主光路返回并经过第三分光镜18和光束匹配系统19后形成平行光进入波前传感器20。波前传感器20将所探测的信号送至控制装置28的PC机27进行波前复原计算和闭环控制计算，得到波前校正器10的控制电压信号。控制电压信号经数模转换和高压放大，驱动波前校正器10校正人眼像差。自适应光学系统闭环校正完毕后，控制装置28的控制电路26发射信号控制波前调制器13对瞳面波前进行调制；调制稳定后，启动照明光源4。照明光源4发出的光经过准直透镜5准直成平行光，经第一分光镜6反射进入人眼光学系统照射眼底视网膜。由眼底反射的光进入主光路并经过滤波光阑15，然后到第三分光镜18，并经过第四分光镜21和成像透镜22后聚焦在成像相机23上成像。此时，开启并控制目标阵列装置目标准直物镜24和照明发光二极管阵列25，可以对视网膜不同区域进行成像。

图2为波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪的原理示意图。

该波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪的工作原理是：首先在空间光调制器不工作的状态下扫描视网膜各层成像，找到特定层(例如视细胞层)对应的位置并保持不变；然后将预先计算和优化得到的瞳面调制参数通过控制器输入空间光调制器来改变瞳面A的振幅(光强)分布，此时焦面B的光强分布将发生变化，向中心(即衍射零级)集中；而在焦面B的位置处加入的一个滤波光阑会将中心区域的衍射光遮挡掉，即遮挡掉了特定层的衍射光，此时其它相邻层的光参与成像，实现了特定层的暗场成像，提高了相邻层的成像对比度。

下面以点物目标为例介绍调制暗场成像技术的工作原理。

首先选择瞳面A的调制函数为21阶的阶梯函数。图3给出了经过该函数调制后焦面B的光强分布示意图及其对照组示意图(即不加人该瞳面调制函数)。然后在焦面B处选择加入一个尺寸为4倍艾利斑大小的中心遮挡板(即匹配滤波光阑)遮挡掉该点目标的中心衍射光。图4给出了经过以上波前调制及匹配滤波以后像面光强分布的示意图及对照组示意图(即不加人瞳面调制函数和匹配滤波光阑)。通过观察图4可以看出，经过瞳面调制和匹配滤波后的像面光强最强约为对照组的10^-10，即点物目标发出的光几乎被消除掉，实现了暗场，这提高了该物点附近微弱目标的对比度。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：该成像仪包含波前调制子系统和匹配滤波子系统：其中波前调制子系统包括波前调制器和控制装置，用于调制瞳面波前；匹配滤波子系统包括匹配滤波器，该匹配滤波器采用匹配滤波光阑，用于焦面滤波；

所述的波前调制器在该成像仪中瞳面的光学共轭位置处放置；

所述的匹配滤波光阑在该成像仪中波前调制器之后的焦面位置处，其作用为焦面匹配滤波和滤除视网膜特定层的衍射光，实现对视网膜特定层的暗场成像。

2.根据权利要求1所述的波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：所述波前调制器是从可形变反射镜空间光调制器(DMD)、液晶空间光调制器、磁光空间光调制器、多量子阱空间光调制器、声光空间光调制器、衍射光学元件中选择的。

3.根据权利要求1所述的波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：所述的波前调制子系统是通过波前调制器调制瞳面的光强分布实现光瞳的调制，改变来自视网膜特定层的衍射光分布，使该视网膜特定层在焦面的光强分布向零级区域集中，这里瞳面的调制函数是根据不同层的结构通过计算和优化得到的。

4.根据权利要求3所述的波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：所述的匹配滤波子系统与波前调制子系统配合的，波前调制子系统改变来自视网膜特定层的衍射光分布，使该层在焦面的光强分布向零级区域集中；同时，在焦面上加入匹配滤波子系统滤除该层的零级区域衍射光，不对与来自其它层的成像光进行抑制或抑制较小，从而实现对其它层的高对比度成像，即暗场成像，因此，匹配滤波光阑的尺寸对应于瞳面调制后的焦面衍射的艾利斑尺寸量级。

5.根据权利要求1所述的波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：所述的匹配滤波子系统如果被移除，则该成像仪可以实现另一个工作模式：通过瞳面调制实现特定层在焦面的衍射分布向零级集中，能够经过光学系统成像，提高了特定层的成像对比度。

6.一种波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪，其特征在于：包括信标光源(1)、准直透镜(2)、信标光栏(3)、照明光源(4)、准直透镜(5)、第一分光镜(6)、平面反射镜(7)、第一球面反射镜(8)、第二球面反射镜(9)、波前校正器(10)、第三球面反射镜(11)、第四球面反射镜(12)、波前调制器(13)、第五球面反射镜(14)、滤波光阑(15)、第六球面反射镜(16)、第二分光镜(17)、第三分光镜(18)、光束匹配系统(19)、波前传感器(20)、第四分光镜(21)、成像透镜(22)、成像相机(23)、目标准直物镜(24)、照明发光二极管阵列(25)和控制装置(28)；控制装置(28)包括控制电路(26)和PC机(27)，控制电路(26)和PC机(27)连接；

该波前调制暗场自适应光学视网膜成像仪工作时，首先打开半导体信标光源(1)，经准直透镜(2)和信标光栏(3)后准直为平行光，然后通过由第二分光镜(17)、第六球面反射镜(16)、滤波光阑(15)、第五球面反射镜(14)、波前调制器(13)、第四球面反射镜(12)、第三球面反射镜(11)、波前校正器(10)、第二球面反射镜(9)、第一球面反射镜(8)、平面反射镜(7)、第一分光镜(6)组成的主光路，穿过人眼瞳孔照明眼底，从眼底反射的光再通过主光路返回并经过第三分光镜(18)和光束匹配系统(19)后形成平行光进入波前传感器(20)，波前传感器(20)将所探测的信号送至控制装置(28)的PC机(27)进行波前复原计算和闭环控制计算，得到波前校正器(10)的控制电压信号，控制电压信号经数模转换和高压放大，驱动波前校正器(10)校正人眼像差，自适应光学系统闭环校正完毕后，控制装置(28)的控制电路(26)发射信号控制波前调制器(13)对瞳面波前进行调制；调制稳定后，启动照明光源(4)，照明光源(4)发出的光经过准直透镜(5)准直成平行光，经第一分光镜(6)反射进入人眼光学系统照射眼底视网膜，由眼底反射的光进入主光路并经过滤波光阑(15)，然后到第三分光镜(18)，并经过第四分光镜(21)和成像透镜(22)后聚焦在成像相机(23)上成像，此时，开启并控制目标准直物镜(24)和照明发光二极管阵列(25)，可以对视网膜不同区域进行成像。