CN114748034B - 一种基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，可以实时、精确得到活体人眼视网膜的高分辨图像，包括信标光源和成像光源、二向色镜、扫描振镜、哈特曼传感器、变形镜、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，不同探测器可以同时对直接反射光和多次散射光进行成像，进一步进行图像处理后可得到全场暗场图像和微分相位对比图像。

Description

一种基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜

技术领域

本发明涉及一种用于对视网膜进行成像的医学成像诊断系统，具体涉及一种基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜。

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。

传统的自适应共焦检眼镜主要是对直接反射光成像，实际上由于人眼视网膜的其多层结构特性，反射到探测器的光线不仅仅只是单一层膜的光线，应为几层膜的光线的叠加。视网膜每层的细胞大小、散射特性各不相同，因此反射光的强度也不一样，反射强度较大一层的光线可能会遮挡住强度较弱一层的光线。2013年，Scoles等人通过采用中心遮挡的方式，在针孔中心加入一个尺寸为艾里斑大小的细线。在这样的针孔条件下，原来用于成像的直接光线完全被遮挡，而多次散射光可以达到探测器进行成像。视细胞相对于色素上皮细胞来说，形态更大，散射特性更强，因此视细胞层的光线远大于色素上皮细胞层的光线。改造后的针孔使视细胞层反射的光线大大减弱，色素上皮细胞的光线就能在探测器上占主要地位，从而可以得到色素上皮层细胞的图像。

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，只能对活体人眼视网膜的直接反射光进行成像，只能获得视网膜多层结构中的其中一层的图像。搭建基于多次散射光的自适应共焦扫描成像系统的实验平台，可以同时获得视网膜的直接反射光和多次散射光所成图像，得到视网膜多层结构的图像。进一步通过图像后处理技术得到全场暗场图像和微分相位对比图像，在细胞级分辨率的尺度下获得视网膜的更多细节信息和相关疾病带来的早期微细特征变化。

本发明采用的技术方案是：一种基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，包括成像光源、第一平面镜、信标光源、第一二向色镜、第一分光镜、变形镜、水平扫描镜、垂直扫描镜、第二平面镜、第二二向色镜、第一滤光片、哈特曼传感器、第二滤光片、第一圆环形分光镜、第一光电倍增管其中，第三平面镜、第二光电倍增管和第三光电倍增管，其中，

成像光源的光线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，再经过变形镜、水平扫描镜、垂直扫描镜、和第二平面镜到达人眼。两束光线被视网膜反射后再次经过第二平面镜、垂直扫描镜、水平扫描镜、变形镜和第一分光镜，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，信标光通过第一滤光片，到达哈特曼传感器，能够计算得到波前像差，然后通过控制变形镜进行校正，成像光经过第二滤光片到达第一圆环形分光镜，达到它时中心的直接反射光被反射而外侧的多次散射光发生透射，直接反射光到达第一光电倍增管得到视网膜的高分辨图像，多次散射光经过第三平面镜后分为左右两个部分，分别到达第二光电倍增管和第三光电倍增管，从而得到多次散射光的图像；在此基础进行图像处理，两副多次散射光的图像相加可得到全场暗场图像，两者相减可得微分相位对比图像。

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入人眼并反射，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，所述的第一圆环形分光镜使中心的直接反射光被反射而外侧的多次散射光发生透射，从而分别得到直接反射光和多次散射光的图像。

进一步地，所述的第三平面镜将多次散射光分为左右两部分，在第二光电倍增管和第三光电倍增管，从而同时得到两副多次散射光的图像。

进一步地，所述的第二光电倍增管和第三光电倍增管分别得到的两副多次散射光图像经过进一步的图像处理，相加可得到全场暗场图像，相减可得微分相位对比图像。

本发明与现有技术相比具有的优点是：

1、本发明能够同时得到人眼视网膜的直接反射光和多次散射光所成的图像，从而获得人眼视网膜的更多信息。

2、本发明通过使用两个探测器，可以同时得到两幅人眼视网膜的多次散射光所成的高分辨图像。

3、本发明通过对得到两幅多次散射光的图像进一步的处理，相加可得到全场暗场图像，相减可得微分相位对比图像。

附图说明

图1为基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜结构示意图；其中1为成像光源，2为第一平面镜，3为信标光源，4为第一二向色镜，5为第一分光镜，6为变形镜，7为水平扫描镜，8为垂直扫描镜，9为第二平面镜，10为人眼，11为第二二向色镜，12为第一滤光片，13为哈特曼传感器，14为第二滤光片，15为第一圆环形分光镜，16为第一光电倍增管，17为第三平面镜，18为第二光电倍增管，19为第三光电倍增管；

图2为人眼直接反射光和多次散射光传播的示意图；

图3为多次散光成像下的相干传递函数的实部和虚部；

图4为暗场成像和微分相位对比图像对应的共焦系统的交叉传递函数。

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，本发明一种基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，包括成像光源1，第一平面镜2，信标光源3，第一二向色镜4，第一分光镜5，变形镜6，水平扫描镜7，垂直扫描镜8，第二平面镜9，第二二向色镜11，第一滤光片12，哈特曼传感器13，第二滤光片14，第一圆环形分光镜15，第一光电倍增管16，第三平面镜17，第二光电倍增管18和第三光电倍增管19。

本实例的基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜工作过程如下：

成像光源1的光线经过第一分光镜2到达第一二向色镜4发生反射，同时信标光源3的光线透射过第一二向色镜4，然后两束光线一起传播至第一分光镜5，再经过变形镜6、水平扫描镜7、垂直扫描镜8、和第二平面镜9到达人眼10。两束光线被视网膜反射后再次经过第二平面镜9、垂直扫描镜8、水平扫描镜7、变形镜6和第一分光镜5，到达第二二向色镜11，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12，到达哈特曼传感器13，能够计算得到波前像差，然后通过控制变形镜6进行校正，成像光经过第二滤光片14到达第一圆环形分光镜15，达到它时中心的直接反射光被反射而外侧的多次散射光发生透射，直接反射光到达第一光电倍增管16得到视网膜的高分辨图像，多次散射光经过第三平面镜17后分为左右两个部分，分别到达第二光电倍增管18和第三光电倍增管19，从而得到多次散射光的图像；在此基础进行图像处理，两副多次散射光的图像相加可得到全场暗场图像，两者相减可得微分相位对比图像。

如图2所示，光线照射到视网膜后返回的光束包括携带聚焦层信息的直接反射光和携带着其它层信息的多次散射光。采用圆环形分光镜使中心的直接反射光被反射而外侧的多次散射光发生透射，从而可以将直接反射光和多次散射光分开。

整个系统的振幅点扩散函数h(u,v)可以写为：

h(u,v)＝h₁(u,v)h₂(u,v). (1)

其中h₁(u,v)和h₂(u,v)分别对应照明端和成像端的振幅点扩散函数。由于系统使用半圆形光瞳获得多次散射光的图像，照明端的振幅点扩散函数h₁(u，v，φ)和成像端的振幅点扩散函数h₂(u，v，φ)相同，可以表示为：

u和v为归一化横向和轴向坐标。对于圆形光瞳，φ的取值范围为[0,2π]；对于半圆形光瞳，φ的取值范围为[0,π]。

沿着归一化空间频率m方向的一维传递函数可以通过照明端的传递函数和成像端的传递函数的卷积计算得到。这样，就能得到多次散射光条件下的传递函数：

其中c(m,u)为使用圆形光瞳时反射式共焦显微镜的光学传递函数，其表达式为：

a(m,u)定义为：

其中r为径向坐标，此时可以计算得到传递函数如图3所示的为多次散射光成像下的相干传递函数的实部和虚部。

发现所以传递函数都有一个显著特征，即当m小于0时取值为0。值得注意的是，当u＝0时即在焦面上成像时，m＝0的频率成分的光强为0，即直接反射光本身也不能通过。

假设系统使用的光瞳滤波其为右半圆光瞳，这种情况下的点扩散函数{h₁(u，v)}^(R)、{h₂(u，v)}^(R)和传递函数{c_DF(m，u)}^(R)分别写为：

与之相对应的左半圆光瞳的的点扩散函数{h₁(u，v)}^(L)、{h₂(u，v)}^(L)可以写为：

计算出相应的传递函数{c_DF(m，u)}^(L)为：

将两幅由对称的半圆形光瞳形成的图像相加或相减，即可得到不同性质的图像，它们的交叉传递函数c(m；p，u)可以写为：

c(m；p，u)＝{c_DF(m，u)}^(R){c_DF(m，u)}^*(R)±{c_DF(m，u)}^(L){c_DF(m，u)}^*(L) (10)

式子中*代表求共轭。可以发现如果两幅图像相加，则传递函数关于m+p＝0对称，这种情况对应着真实的暗场图像。若两幅图像相减，传递函数不是对称的，这种情况对应于微分相位对比图像。对于使用不同方向的半圆形光瞳的系统，它的传递函数中的零频分量总为零。因此，当p＝0时，零频分量的强度也为零。若物体在恒定背景下有一个弱的相位调制，则图像频谱成分中的背景光和一阶频谱都会被半圆形光瞳所去除。此时，图像中就只有二阶频率成分，这个性质是与大多数的暗场系统一致的，但是与通常的微分相位系统是不同的。

对于一个倾斜的表面，交叉传递函数可以表示为：

c(m；m,u)＝|{c_DF(m,u)}^(R)|²±|{c_DF(m,u)}^(L)|² (11)

如果两个信号相加：

如果两个信号相减：

如图4所示，我们可以得到两种情况分别交叉传递函数的图像，即暗场成像和微分相位对比图像。

这样就能实现基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜。

Claims (6)

1.一种基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，其特征在于：包括成像光源（1）、第一平面镜（2）、信标光源（3）、第一二向色镜（4）、第一分光镜（5）、变形镜（6）、水平扫描镜（7）、垂直扫描镜（8）、第二平面镜（9）、第二二向色镜（11）、第一滤光片（12）、哈特曼传感器（13）、第二滤光片（14）、第一圆环形分光镜（15）、第一光电倍增管（16）其中，第三平面镜（17）、第二光电倍增管（18）和第三光电倍增管（19），其中，

成像光源（1）的光线经过第一平面镜（2）到达第一二向色镜（4）发生反射，同时信标光源（3）的光线透射过第一二向色镜（4），然后两束光线一起传播至第一分光镜（5），再经过变形镜（6）、水平扫描镜（7）、垂直扫描镜（8）、和第二平面镜（9）到达人眼（10），两束光线被视网膜反射后再次经过第二平面镜（9）、垂直扫描镜（8）、水平扫描镜（7）、变形镜（6）和第一分光镜（5），到达第二二向色镜（11），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（12），到达哈特曼传感器（13），能够计算得到波前像差，然后通过控制变形镜（6）进行校正，成像光经过第二滤光片（14）到达第一圆环形分光镜（15），达到它时中心的直接反射光被反射而外侧的多次散射光发生透射，直接反射光到达第一光电倍增管（16）得到视网膜的高分辨图像，多次散射光经过第三平面镜（17）后分为左右两个部分，分别到达第二光电倍增管（18）和第三光电倍增管（19），从而得到多次散射光的图像；在此基础进行图像处理，两副多次散射光的图像相加可得到全场暗场图像，两者相减可得微分相位对比图像。

2.根据权利要求1所述的基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，其特征在于：第一二向色镜（4）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入人眼（10）并反射，从而有相同的波前扰动。

3.根据权利要求1所述的基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，其特征在于：第二二向色镜（11）对成像光透射而对信标光反射，第一滤光片（12）只让信标光通过，实现波前探测，第二滤光片（14）只让成像光通过，得到人眼视网膜图像。

4.根据权利要求1所述的基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，其特征在于： 第一圆环形分光镜（15）使中心的直接反射光被反射而外侧的多次散射光发生透射，从而分别得到直接反射光和多次散射光的图像。

5.根据权利要求1所述的基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，其特征在于：第三平面镜（17）将多次散射光分为左右两部分，在第二光电倍增管（18）和第三光电倍增管（19），从而同时得到两副多次散射光的图像。

6.根据权利要求1所述的基于多次散射光成像的自适应共焦检眼镜，其特征在于：第二光电倍增管（18）和第三光电倍增管（19）分别得到的两副多次散射光图像经过进一步的图像处理，相加可得到全场暗场图像，相减可得微分相位对比图像。