CN114748033B - 一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，可以实时、精确得到活体人眼视网膜的超分辨图像，包括信标光源和成像光源、偏振片、液晶相位调制器、二向色镜、扫描振镜、哈特曼传感器、变形镜、滤光片、光电探测系统。信标光源和成像光源分别用来校正人眼像差和得到视网膜图像，哈特曼传感器和变形镜能够同步探测并补偿人眼像差，扫描振镜能够探测视网膜的不同位置，偏振片和液晶相位调制器可以对成像光线进行相位调制，调节针孔就能够得到视网膜的超分辨图像。

Description

一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜
技术领域
本发明涉及用于对视网膜进行成像的医学成像诊断系统的技术领域，具体涉及一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜。
背景技术
视网膜是位于人眼眼底的一层厚约300微米的膜，它包括神经纤维层、神经细胞层、血管层、视细胞层和黑色素上皮细胞层等多层结构。人眼视网膜包含眼科诊断和治疗中不可或缺的重要信息，实时跟踪眼底视网膜的细节变化将有助于身体疾病的早期诊断和预防。1987年，R.H.Webb将共焦扫描技术应用于活体人眼视网膜成像。由于活体人眼相当于一个光学系统，存在各种像差，导致视网膜成像的分辨率和对比度受到很大限制，无法直接在视细胞尺度上对眼底特征进行分辨。
自适应光学技术是70年代才发展起的新技术，原本是通过探测大气湍流对波前扰动造成的畸变进而对观测目标进行补偿矫正。1994年，Liang等人研制了一种基于Hartmann-Shack原理的适用于人眼的波前探测器。2001年，Murcia大学和Rochester大学研究小组先后在实验室内实现了眼底相机的动态像差闭环校正。2002年，Austin Roorda等人在Houston大学研制出第一台自适应光学共焦检眼镜。
1952年，Toraldo首次将超分辨的概念引入光学，放置在光瞳的衍射器件将光场调制为某种特殊的分布，系统PSF的主瓣尺寸低于衍射极限，主瓣周围的只出现较低的旁瓣。超分辨技术也在自适应共焦扫描成像系统中使用，2012年Yusufu和Alfredo Dubra等人在自适应共焦检眼镜的照明端和成像端光瞳上采用中心遮挡的方法，从而形成环形光瞳来实现人眼视网膜的超分辨成像。利用光瞳滤波器实现超分辨的方法的优点是操作比较简单，但是也存在很多不足：使用振幅型滤波器会使光强大大减小，无法得到信噪比很高的图像；使用相位型滤波器只能针对某一特定波长进行调制，且改变相位大小和区域等参数无法调节。
1988年，奥地利植物学家F.Reinitzer发现了液晶。它具有液体的流动性也具有晶体的各向异性，目前广泛的应用于显示领域，液晶在电场的作用下会产生如的干涉、衍射、散射、旋光、吸收等光学现象，具有优异的电光特性。当施加电场时，液晶分子会产生诱导偶极矩，在电场的作用下液晶分子发生转动，且转动角度与所施加的电场强度成正比。当一束偏振方向与液晶分子长轴平行的线偏振光入射到液晶屏上时，通过改变电压使液晶分子的偏转角度发生变化，从而改变液晶层的折射率，这样就可以对光波的位相进行调制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：普通的自适应共焦检眼镜，由于衍射极限的限制，PSF的横向半高宽不能进一步减小；利用光瞳滤波器的超分辨共焦检眼镜，只能针对某一特定波长实现超分辨。针对这些不足，本发明将液晶相位调制器运用于自适应共焦检眼镜中，能够有效地减小PSF的半高宽，还可以利用液晶相位调制器的特性对不同波长的光线进行调制，并根据需求设定改变相位及改变区域大小等参数。
本发明采用的技术方案是：一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，包括成像光源、偏振片、第一分光镜、第一液晶相位调制器、信标光源、第一二向色镜、第二分光镜、第一球面镜、第二球面镜、变形镜、水平扫描镜、垂直扫描镜、平面镜、第二二向色镜、第一滤光片、哈特曼传感器、第二滤光片、第三分光镜、第二液晶相位调制器、针孔和光电倍增管，其中，
成像光源的光线经过偏振片和第一分光镜后到达第一液晶相位调制器，入射光束经调制后再经过第一分光镜到达第一二向色镜发生反射，同时信标光源的光线透射过第一二向色镜，然后两束光线一起传播至第一分光镜，再经过第一球面镜、第二球面镜、变形镜、水平扫描镜、垂直扫描镜和平面镜到达人眼。两束光线被视网膜反射后再次经过平面镜、垂直扫描镜、水平扫描镜、变形镜、第二球面镜、第一球面镜和第一分光镜，到达第二二向色镜，经过它时信标光发生反射而成像光发生透射。信标光进过第一滤光片，达到哈特曼传感器，计算得到波前像差，然后通过控制变形镜校正像差；成像光经过第二滤光片和第三分光镜，到达第二液晶相位调制器时进行相位调制，再被第三分光镜反射，最终通过针孔到达光电倍增管得到人眼视网膜超分辨图像。
进一步地，所述的成像光源发出的光线经过偏振片后变为线偏振光，并且偏振方向与第一液晶相位调制器和第二液晶相位调制器的主轴方向一致，这样可以保证入射光为非寻常光从而进行相位调制。
进一步地，所述的第一液晶相位调制器位于照明端的共轭瞳面，这样通过改变第一相位调制器的电压数值，就可以在照明端进行瞳面相位调制实现超分辨。
进一步地，所述的第一二向色镜对成像光产生反射作用，而对信标光线进行透射，保证两束光线可以经过相同的路径进行人眼并反射，从而有相同的波前扰动。
进一步地，所述的第二二向色镜对成像光透射而对信标光反射，第一滤光片只让信标光通过，实现波前探测，第二滤光片只让成像光通过，得到人眼视网膜图像。
进一步地，所述的第二液晶相位调制器位于成像端的共轭瞳面，这样通过改变第二相位调制器的电压数值，就可以在成像端进行瞳面相位调制实现超分辨。
本发明与现有技术相比具有的优点是：
1、本发明拥有较好的超分辨能力，能有效地降低横向点扩散函数的半高宽，提高高频分量的强度，得到人眼视网膜的更多细节图像。
2、本发明中的液晶相位调制器和针孔变化只影响成像光线的传播，对于信标光路没有影响，所以可以实时探测并校正人眼像差。
3、本发明中的液晶相位调制器可以对不同波长的光线进行调制，并控制相位变化大小和区域等参量，从而更方便地满足不同工作需求。
附图说明
图1为本发明一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜结构示意图；其中，1为成像光源，2为偏振片，3为第一分光镜，4为第一液晶相位调制器，5为信标光源，6为第一二向色镜，7为第二分光镜，8为第一球面镜，9为第二球面镜，10为变形镜，11为水平扫描镜，12为垂直扫描镜，13为平面镜，14为人眼，15为第二二向色镜，16为第一滤光片，17为哈特曼传感器，18为第二滤光片，19为第三分光镜，20为第二液晶相位调制器，21为针孔，22为光电倍增管。
图2为液晶相位调制器工作原理示意图；其中，ne为沿着长轴方向的折射率，no为垂直于长轴方向的折射率。
图3为超分辨性能指标示意图；其中，rs为超分辨的PSF在焦面上的主瓣半径，rL为衍射极限的半径，Is为超分辨PSF的中心强度，IL为衍射极限PSF的中心强度，IM为超分辨PSF的最高旁瓣强度。
图4为两个液晶相位调制器进行相同相位调制后系统的横向PSF的半高宽随针孔大小变化的图像；其中，p为相位改变区域的相对半径。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1所示，本发明一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，包括成像光源1，偏振片2，第一分光镜3，第一液晶相位调制器4，信标光源5，第一二向色镜6，第二分光镜7，第一球面镜8，第二球面镜9，变形镜10，水平扫描镜11，垂直扫描镜12，平面镜13，人眼14，第二二向色镜15，第一滤光片16，哈特曼传感器17，第二滤光片18，第三分光镜19，第二液晶相位调制器20，针孔21和光电倍增管22。
本实例的超分辨光学共焦检眼镜工作过程如下：
成像光源1的光线经过偏振片2和第一分光镜3后到达第一液晶相位调制器4，入射光束经调制后再经过第一分光镜3到达第一二向色镜5发生反射，同时信标光源5的光线透射过第一二向色镜6，然后两束光线一起传播至第一分光镜7，再经过第一球面镜8、第二球面镜9、变形镜10、水平扫描镜11、垂直扫描镜12、和平面镜13到达人眼14。两束光线被视网膜反射后再次经过平面镜13、垂直扫描镜12、水平扫描镜11、变形镜10、第二球面镜9、第一球面镜8和第一分光镜7，到达第二二向色镜15，经过它时信标光发生反射而成像光发生透射。信标光进过第一滤光片16，达到哈特曼传感器17，计算得到波前扰动，从而控制变形镜校正像差；成像光经过第二滤光片18和第三分光镜19，到达第二液晶相位调制器20时进行调制，再被第三分光镜19反射，最终通过针孔21到达光电倍增管22得到视网膜超分辨图像。
如图2所示，液晶分子通常为棒状结构，平行于棒的方向和垂直棒的方向分别为液晶分子的长轴和短轴，沿着长轴方向其折射率为ne，垂直于长轴方向其折射率为no。当一束偏振方向与液晶分子长轴平行的线偏振光入射到液晶屏上时，如果没有施加电压，液晶分子为水平排列，光通过液晶层的折射率为ne，液晶层厚度为d，则光波通过液晶层所走的光程为ned；当给液晶施加电场使液晶分子完全站立起来时，光沿着折射率no的方向传播，光波在液晶层内的光程为nod。当给液晶施加任一电场时，液晶分子就会转至在水平和垂直两个方向之间的某个角度，液晶层的折射率也是在no和ne之间的某个值。这样通过改变电压使液晶分子的偏转角度发生变化，就可以对光波的位相进行调制，实现与相位型光瞳滤波器相同的作用。
如图3所示，在共轭瞳面位置的液晶相位调制器将光场调制为某种特殊的分布，则成像系统的PSF可以在焦面上预先指定的位置产生零强度点，使得主瓣的尺寸低于衍射极限，主瓣周围的有限区域内只出现较低的旁瓣。
液晶相位调制器调制后的光瞳函数为：
其中，自变量ρ为半径取值，p液晶相位调制器改变区域的半径取值，φ为液晶相位调制器调制后两个区域的相位差。
将光瞳滤波器加入共焦检眼镜后，最终得到的点扩散函数的公式(参考文献SHEPPARD C J R,WILSON T.Image Formation in Scanning Microscopes withPartially Coherent Source and Detector[J].Optica Acta International Journalof Optics,1978,25(4):315-25.)为：
其中，v和u分别是归一化后的物空间的径向光学坐标和轴向光学坐标，
sinα是物镜的数值孔径，v和u分别表征归一化横向和轴向坐标，sinα是物镜的数值孔径。x、y和z分别为球坐标的三个方向的取值。h1(v,u)和h2(v,u)分别为加入相位型光瞳滤波器后的照明端和成像端的光瞳分布函数。P1(ρ)和P2(ρ)分别为照明端和成像端的滤波器函数，a和b分别为入射光瞳和出射光瞳的半径大小，D(v)为针孔的函数，vd为针孔半径，
此时可以得到系统PSF的横向分布函数，轴向分布函数以及光强的函数的表达式：
横向分布：
轴向分布：
零点光强：
将式(5)和式(6)表示的二区相位滤波器的光瞳函数代入上式，即可得到不同情况下的点扩散函数。再根据半高全宽和斯特尔比的大小，即可分析滤波器对分辨率和光能利用率的影响。以两个液晶相位调制器都对光线进行相同的相位调制为例，根据瑞利判据可以得到半高宽来表征分辨率。取p的值为0.24，0.3，0.36和0.39进行分析，如图4，进行相位差为π相位调制后，PSF横向半高宽都有了一定程度的减小，改变区域相对半径越大的情况提升效果越明显。结果显示，当两个液晶相位调制器均工作时，针孔半径取1.5倍艾里斑大小，能使横向半高宽小于普通显微镜针孔取艾里斑大小时的衍射极限情况，实现超分辨从而得到超分辨图像。
这样就能实现基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜。

Claims (6)

1.一种基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，其特征在于：包括成像光源（1）、偏振片（2）、第一分光镜（3）、第一液晶相位调制器（4）、信标光源（5）、第一二向色镜（6）、第二分光镜（7）、第一球面镜（8）、第二球面镜（9）、变形镜（10）、水平扫描镜（11）、垂直扫描镜（12）、平面镜（13）、第二二向色镜（15）、第一滤光片（16）、哈特曼传感器（17）、第二滤光片（18）、第三分光镜（19）、第二液晶相位调制器（20）、针孔（21）和光电倍增管（22），其中，
成像光源（1）的光线经过偏振片（2）和第一分光镜（3）后到达第一液晶相位调制器（4），入射光束经相位调制后再经过第一分光镜（3）到达第一二向色镜（6）发生反射，同时信标光源（5）的光线透射过第一二向色镜（6），然后两束光线一起传播至第二分光镜（7），再经过第一球面镜（8）、第二球面镜（9）、变形镜（10）、水平扫描镜（11）、垂直扫描镜（12）、和平面镜（13）到达人眼（14），两束光线被视网膜反射后再次经过平面镜（13）、垂直扫描镜（12）、水平扫描镜（11）、变形镜（10）、第二球面镜（9）、第一球面镜（8）和第二分光镜（7），到达第二二向色镜（15），经过它时信标光发生反射而成像光发生透射，信标光通过第一滤光片（16），到达哈特曼传感器（17），能够计算得到波前像差，然后通过控制变形镜（10）进行校正；成像光经过第二滤光片（18）和第三分光镜（19），到达第二液晶相位调制器（20）时进行相位调制，再被第三分光镜（19）反射，最终经过针孔（21）到达光电倍增管（22）得到视网膜的超分辨图像。
2.根据权利要求1所述的基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，其特征在于：当成像光源（1）发出的光线经过偏振片（2）后变为线偏振光，并且偏振方向与第一液晶相位调制器（4）和第二液晶相位调制器（20）的主轴方向一致，这样可以保证入射光为非寻常光从而进行相位调制。
3.根据权利要求1所述的基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，其特征在于：第一液晶相位调制器（4）位于照明端的共轭瞳面，这样通过改变第一液晶相位调制器（4）的电压数值，就可以在照明端进行瞳面相位调制实现超分辨。
4.根据权利要求1所述的基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，其特征在于：第一二向色镜（6）对成像光产生反射作用，而对信标光线进行透射，保证两束光线可以经过相同的路径进行人眼（14）并反射，从而有相同的波前扰动。
5.根据权利要求1所述的基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，其特征在于：第二二向色镜（15）对成像光透射而对信标光反射，第一滤光片（16）只让信标光通过，实现波前探测，第二滤光片（18）只让成像光通过，得到人眼视网膜图像。
6.根据权利要求1所述的基于液晶相位调制器的超分辨共焦检眼镜，其特征在于：第二液晶相位调制器（20）位于成像端的共轭瞳面，这样通过改变第二液晶相位调制器（20）的电压数值，就可以在成像端进行瞳面相位调制实现超分辨。
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