CN107692963B - 一种共聚焦扫描激光眼底镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共聚焦扫描激光眼底镜，包括照明模块、采集模块、扫描元件及成像透镜组；照明模块用于发射扫描激光；所述成像透镜组包括接目镜、第一镜组、反射镜或二向色镜、第二镜组；扫描激光经扫描元件后依次经过第二镜组、反射镜或二向色镜、第一镜组、接目镜到达眼底，达到眼底后返回光线至采集模块；采集模块包括光纤，光纤用于收集返回的光线；非零光焦度镜片每个面的入射角与该面杂散光反射角之间的偏差角不小于0.5度。本发明既可使用近红外或红外窄带光源成像，也可使用荧光造影成像；共聚焦扫描激光眼底镜的光路设计针对抑制杂散光鬼像进行了优化，可以抑制镜片反射杂光鬼像在经共聚焦抑制后的剩余影响。
Description
技术领域
本发明涉及眼科成像诊断系统，尤其涉及一种共聚焦扫描扫描激光眼底镜。
背景技术
共聚焦扫描扫描激光眼底镜(confocal scanning laser ophthalmoscope，cSLO)，能够快速、无辐射损伤对眼底及血管造影进行检查。具体是以一定波长的窄带或宽带光源，对视网膜表面进行逐点连续扫描后，将所获得的二维数据经计算机重新排列分析并重建为二维图像的眼科检测装置。相对传统眼底镜，扫描扫描激光眼底镜(scanninglaser ophthalmoscope，SLO)具有所需照明亮度低，光收集效率高无需散瞳，宽视野大景深的优点。而其中的共聚焦扫描激光眼底镜(confocal scanning laser ophthalmoscope，cSLO)，其共聚焦属性决定只收集眼底焦点位置返回的光线，大大提高了图像的对比度；而且可以设定接受眼底某一层的光线，使断层成像成为可能。
共聚焦扫描激光眼底镜cSLO在红外光及ICGA荧光造影条件下，可对眼睛不同病灶进行诊断：在红外光下可大致了解视网膜色素上皮层色素分布的情况。对“中浆”、黄斑裂孔及干性老年黄斑变性患者，用红外光检查，常能较清楚地发现色素脱失的情况，有时还能查出眼底检查时未能发现的病灶。对于儿童、严重畏光及屈光间质混浊的患者用红外光检查眼底较为方便。在吲哚青绿血管眼底荧光造影ICGA条件下能较清楚地观察到脉络膜大、中、小血管的充盈过程及充盈形态。
在cSLO眼底成像光路设计中，由于眼底的反射和散射收集效率非常低，探测器可以接收到的能量甚至低于镜片表面镀膜后的反射杂光。尽管cSLO系统的共聚焦成像属性可以很好地抑制离焦面的杂散光以及大部分中间视场和边缘视场的反射杂光，但中心视场成像光束在镜片表面反射杂光仍为cSLO系统的主要杂光来源，致使cSLO图像常常在图像中心有一个很亮的点。如文献Francesco LaRocca，Al-Hafeez Dhalla，Michael P.Kelly，SinaFarsiu，and Joseph A.Izatt，“Optimization of confocal scanning laserophthalmoscope design”，Journal of Biomedical Optics 18(7)，076015(July 2013)中公开的cSLO图像，如图1所示，镜片反射像比图像本身强度高，甚至已经饱和了。所述文献采用了减背景等算法去除鬼像点，得到修正后的图像如图2。
镜片反射问题对于大视野的cSLO系统尤其突出，如文献Staurenghi G，Viola F，Mainster MA，Graham RD，Harrington PG.“Scanning Laser Ophthalmoscopy andAngiography With a Wide-Field Contact Lens System.”Arch Ophthalmol.2005；123(2)：244-252.doi：10.1001/archopht.123.2.244介绍了一种人眼接触式大视场SLO，文献中附图及文字对比说明了：在荧光ICG血管造影成像中由于滤光片的使用，镜片反射对图像影响可以忽略(文献中除Figure 5外大部分眼底图)；而在红外SLO图像中，镜片反射不受荧光造影滤光片的抑制，眼底SLO图像依然可以明显看到镜片的反射影响，如图3所示。
这是因为：1、扫描镜与目镜的焦距比大，扫描镜的焦距长，导致更多的杂散光通过针孔。2、大视野的光学设计，镜片多，产生杂散光的反射面多。
专利US9204791中介绍了一种cSLO光路，该cSLO光路中在眼底共轭位置设置了一个柱面镜，为了避免该镜片表面反射对眼底成像造成影响，采用倾斜镜片的方法，使反射杂散光远离眼底信号光路。
cSLO系统鬼像的主要特点体现在：1.cSLO光线会以方向相反的两次通过系统中部分光学面，所以鬼像的来源主要为光学面的一次反射；2.cSLO使用的是共聚焦成像技术，采集端光纤芯径本质上就是共聚焦系统的针孔，只有靠近中心视场少部分光束经镜片反射后的杂光鬼像会对图像造成干扰。cSLO扫描设备覆盖的实时眼底扫描视场逐年增大，为眼底诊断带来很大便利。同时光路设计总体光通量也随之增加，但扫描元件在高速扫描前提下扫描角度范围是有限的，只能增加光束口径来保证光通量。cSLO共聚焦技术对光束口径增加导致的中心视场鬼像的抑制作用有限，因此增加了光学设计抑制杂散光鬼像的难度。因此如专利US9204791中通过倾斜或偏移光学元件来抑制杂散光的方法在眼科检查设备中被广泛使用。倾斜或偏移光学元件的方法对于平面光学元件比较有效，但对于光焦度不为零的光学元件经常伴随着成像质量或系统效率的下降。对于眼底视野超过30度的大视野cSLO系统，倾斜光学元件的办法难以完全把鬼像移除视野并同时兼顾像质。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，降低镜片反射杂光的影响，本发明提供一种共聚焦扫描激光眼底镜。
技术方案：一种共聚焦扫描激光眼底镜，包括照明模块、采集模块、扫描元件及成像透镜组；照明模块用于发射扫描激光；所述成像透镜组包括接目镜、第一镜组、反射镜或二向色镜、第二镜组；扫描激光经扫描元件后依次经过第二镜组、反射镜或二向色镜、第一镜组、接目镜到达眼底，达到眼底后返回光线至采集模块；采集模块包括光纤，光纤用于收集返回的光线；所述接目镜、第一镜组、第二镜组的每个面的入射角与该面杂散光反射角之间的偏差角不小于0.5度。
有益效果：本发明提出一种共聚焦扫描激光眼底镜，在眼前的扫描视场达到40°*40°的扫描范围，且覆盖了770nm～860nm的波段范围，其中包含近红外cSLO近红外或红外窄带光源所属波段，更覆盖了吲哚青绿血管眼底荧光造影ICGA波段，即针对待测眼底既可使用近红外或红外窄带光源成像，也可使用荧光造影成像。共聚焦扫描激光眼底镜的光路设计针对抑制杂散光鬼像进行了优化，通过约束镜片与空气界面或不同材料镜片界面的光线入射角度，可以抑制镜片反射杂光鬼像在经共聚焦抑制后的剩余影响，将鬼影的影响将至最低。
附图说明
图1为带有鬼像点的图像；
图2为去除鬼像点的图像；
图3为红外SLO图像中带镜片的反射影响的眼底图像；
图4为共聚焦扫描激光眼底镜的光学系统图；
图5为反射杂散光角度偏移示意图；
图6为实施例中S8面反射鬼像示意图；
图7为实施例中S7面反射鬼像示意图；
图8为本实施例中共用光路设计示意图；
图9(a)为本实施例选取的第一个点的波像差图；
图9(b)为本实施例选取的第二个点的波像差图；
图9(c)为本实施例选取的第三个点的波像差图；
图9(d)为本实施例选取的第四个点的波像差图；
图9(e)为本实施例选取的第五个点的波像差图；
图9(f)为本实施例选取的第六个点的波像差图；
图9(g)为本实施例选取的第七个点的波像差图；
图9(h)为本实施例选取的第八个点的波像差图；
图9(i)为本实施例选取的第九个点的波像差图；
图10为本实施例MTF调制传递函数图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图4所示，共聚焦扫描激光眼底镜包括照明模块107、采集模块109、扫描元件106及成像透镜组；照明模块107用于发射扫描激光；所述成像透镜组包括接目镜101、中间像面102、第一镜组103、反射镜或二向色镜104、第二镜组105；扫描激光经扫描元件106后依次经过第二镜组105、反射镜或二向色镜104、第一镜组103、接目镜101到达眼底100，达到眼底100后返回光线至采集模块109；采集模块109包括光纤110，光纤110用于收集返回的光线。
具体的如图8所示，接目镜101为双凸非球面透镜，第一镜组103包含透镜11，透镜12，透镜13。考虑到本实施例SLO扫描系统在眼前的扫描视场达到40°*40°的扫描范围，因此有场区平衡的需要，透镜11为靠近中间像面的负透镜，用以平衡场区，其凹面圆心在远离接目镜的一侧。透镜12及透镜13均为双凸正透镜，通过平衡透镜11、透镜12及透镜13光焦度，控制在反射镜或二向色镜104上边缘视场主光线的入射角，降低加工难度。第二透镜组105包含透镜14、透镜15、透镜16。透镜14为弯月透镜，两圆心在远离扫描元件位置。透镜15为近似平凸正透镜。扫描元件理论位置为本光路的理论孔径光阑所在位置，透镜16为最靠近扫描元件理论位置的透镜，即最靠近光阑的镜片。透镜16为弯月式双胶合透镜，两个表面圆心均在靠近扫描元件位置一侧；双胶合设计矫正了系统内大部分的色差，保证近红外以及更覆盖了吲哚青绿血管眼底荧光造影ICGA波段内的光学性能。
“零光焦度镜片”指平面光学元件，如反射镜或二向色镜104，或者棱镜；“非零光焦度镜片”指偏转角的约束只针对球面或者非球面这些具有光焦度的光学元件。共用光路300中的非零光焦度镜片每个面的入射角与该面杂散光反射角之间的偏差角不小于0.5度，即接目镜101、第一镜组103、第二镜组105每个面的入射角与该面杂散光反射角之间的偏差角不小于0.5度，本实施例中选取非零光焦度镜片每个面的入射角与该面杂散光反射角之间的偏差角为0.5度。
照明模块107发出的激光通过分光镜进入扫描元件106，经过扫描元件106后的光线透过第二镜组105经反射镜或二向色镜104反射，再经过第一镜组103，透过接目镜101后经过人眼到达眼底100，眼底100反射及散射光再依次进过接目镜101、第一镜组103、反射镜或二向色镜104、第二镜组105到达采集模块109中的光纤端面，从而采集到眼底图像。
在该共聚焦扫描激光眼底镜的光路设计中，分光镜108到人眼之间的光路为从扫描元件106进入人眼的光线与从人眼中反射、散射进入光纤的光线的共用光路300。在共用光路300中的镜片表面反射更有可能进入光纤110成为干扰眼底图像信号，而照明模块107和采集模块109中镜片的反射则基本没有影响。所以本实施例仅需限制共用光路中的非零光焦度镜片的入射角与反射角之间的偏差角。
下面针对共用光路中镜片进行杂散光鬼像分析：
如图5所示，定义从照明到眼底的光纤路径方向为入射光方向，即图中A方向，对应入射角为i；镜片表面反射对应反射角为i’，即图中B方向，二者角度偏差Angle deviation(及图中的C)定义为：
Angle deviation＝i-i’ (1)
由于光纤纤芯尺寸有限，只有小角度扫描视场的杂散光鬼像可以进入光纤。在小角度近似范围内，对于光路中位置固定的单个光学表面而言，反射光相对入射光的角度偏移量大越大，则越不易产生鬼像。考虑到鬼像中心区域通常能量相对比较强，所以0度扫描视场的分析可做初步鬼像分析的参考，及进一步改善的参考。
图1中的S1～S15面的0度扫描视场镜片表面反射角偏移Angle deviation如表1所示。
表1 0度扫描视场角偏移
如表1所示，S8的中心视场边缘光线反射角度偏移量最小，理论上为鬼像最灵敏的表面。基于角偏移的进行的鬼像分析也可在杂散光鬼像追迹中进行验证，图6为S8面的杂散光鬼像追迹，图7为S7面的杂散光鬼像追迹。比较图6与图7可知，S8面鬼像聚焦面离光纤端面位置相对较近，与表1结果一致。
在设计约束的同时，镀增透膜也可将镜片反射由4％～5％降到0.5％以下，对于小于6°入射角的光线，镜片反射可以控制到0.1％～0.2％。最终通过测试对比眼底像最高强度与杂散光鬼像最高强度，杂散光可控制在眼底像最高强度的1％以下。
所述接目镜与第一镜组之间存在中间像面，且中间像面为远心设计。接目镜与中间像面之间的距离、中间像面与第一镜组之间的距离可调节，通过中间像面前后两部分光路的相对移动，可以进行不同视度待测眼的补偿。中间像面为远心设计，目的是在视度补偿过程中无成像放大率及畸变的变化。
设接目镜焦距为f101，设接目镜与中间像面之间的距离为L11，设中间像面与第一镜组之间的距离为L21，为满足眼睛+/-20视度的补偿范围，本设计满足如下约束条件：
0.7＜L11/f101
0.7＜L21/f101。
为了达到较大的视场扫描范围(本实施例SLO扫描系统在眼前的扫描视场达到40°*40°)，因此有场曲平衡的需要，所述第一镜组至少包括一个负透镜，所述负透镜位于第一镜组靠近接目镜的一面，所述负透镜至少有一个凹面圆心在远离接目镜的一侧。
本实施例SLO扫描系统覆盖了770nm～860nm的波段范围，其中不光覆盖了传统近红外SLO光源所属波段，更覆盖了吲哚青绿血管眼底荧光造影ICGA波段，即针对待测眼底即可使用近红外或红外窄带光源成像，也可使用ICGA荧光造影成像。因此包含至少一个胶合透镜用以平衡色差，且胶合透镜靠近与眼睛瞳孔共轭的扫描元件位置。
进一步考虑到扫描元件在高速扫描前提下扫描角度有限，为了增大对眼底的扫描视场，如本实施例眼前40°*40°的扫描范围，设接目镜焦距为f101，第一镜组、反射镜或二向色镜、第二镜组的焦距均为f202，则透镜组焦距满足如下约束条件：
1.7＜f202/f101。
本实施例在770nm～860nm的波段范围的设计像质校正结果如图9波像差图所示；在770nm～860nm的波段范围的分辨率结果如图10所示，可以满足全视场内15um～20um的眼底分辨要求。
Claims (10)
1.一种共聚焦扫描激光眼底镜，包括照明模块、采集模块、扫描元件及成像透镜组；照明模块用于发射扫描激光；所述成像透镜组包括接目镜、第一镜组、反射镜或二向色镜、第二镜组；扫描激光经扫描元件后依次经过第二镜组、反射镜或二向色镜、第一镜组、接目镜到达眼底，达到眼底后返回光线至采集模块；采集模块包括光纤，光纤用于收集返回的光线；其特征在于，所述接目镜、第一镜组、第二镜组的每个面的入射角与该面杂散光反射角之间的偏差角不小于0.5度。
2.根据权利要求1所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，所述接目镜与第一镜组之间存在中间像面，且中间像面为远心设计。
3.根据权利要求2所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，接目镜与中间像面之间的距离、中间像面与第一镜组之间的距离可调节。
4.根据权利要求3所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，设接目镜焦距为f101，设接目镜与中间像面之间的距离为L11，设中间像面与第一镜组之间的距离为L21，满足：
0.7＜L11/f101，
0.7＜L21/f101。
5.根据权利要求1至4任一所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，接目镜为双凸非球面透镜。
6.根据权利要求1至4任一所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，所述第一镜组至少包括一个负透镜，所述负透镜位于第一镜组靠近接目镜的一面，所述负透镜至少有一个凹面圆心在远离接目镜的一侧。
7.根据权利要求1至4任一所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，所述第二镜组至少包括一个弯月式双胶合透镜，弯月式双胶合透镜两个表面圆心均在靠近扫描元件位置一侧。
8.根据权利要求1至4任一所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，设接目镜焦距为f101，第一镜组、反射镜或二向色镜、第二镜组的焦距均为f202，f101与f202满足：
1.7＜f202/f101。
9.根据权利要求1至4任一所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，用于使用近红外或红外窄带光源成像。
10.根据权利要求1至4任一所述的共聚焦扫描激光眼底镜，其特征在于，用于使用ICGA荧光造影技术成像。
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