CN116421134A - 一种基于并行共聚焦的角膜检测装置及角膜检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，包括光源模块、照明模块和成像模块，特点是还包括多焦均匀平场照明模块、照明扫描模块、光子重组模块、成像扫描模块和二向色镜，照明模块包括长工作距物镜，光源模块发射单色激光经过多焦均匀平场照明模块，通过二向色镜将点阵列照明光输入照明扫描模块，经过照明模块到达待检测角膜，待检测角膜产生的荧光作为点阵列成像光沿着照明光路反射，经过二向色镜输入光子重组模块，经过成像扫描模块到达成像模块，优点是多焦均匀平场照明模块和光子重组模块结合，增加了图像分辨率和视场；并通过照明扫描模块和成像扫描模块来实现快速成像；通过选取长工作距物镜，实现了非接触式角膜扫描。

Description

一种基于并行共聚焦的角膜检测装置及角膜检测方法

技术领域

本发明涉及一种角膜检测仪器，尤其是涉及一种基于并行共聚焦的角膜检测装置及角膜检测方法。

背景技术

共聚焦技术作为一种非接触、无损的检测手段，具有优越的光切片和3维重建功能，在生物学研究和医疗领域具有极为重要的作用。

传统的共聚焦扫描方法每次只能探测一个点，探测效率极其低下，无法满足快速成像的要求。为了提高共聚焦测量技术的效率，传统共聚焦发展出了多种并行共聚焦方法，目前来说，较为成熟的并行共聚焦方法主要有以下几种：微透镜阵列扫描法、Nipkow盘并行扫描法和狭缝式共焦扫描法。

目前，大多数商用角膜检测仪器是基于传统共聚焦扫描原理，成像效率低，并且只能从角膜前撕裂膜、角膜基质和内皮中捕获图像。由于正常的不自主眼球运动和微眼跳，不可能在角膜前表面设置“零”深度，因此捕捉到的图像在角膜内的确切深度无法严格确定。患者在进行检查时，需要进行角膜表面麻醉，同时被要求用一只眼睛注视一个近的目标，检查过程中会接触到患者的角膜，导致患者体验感较差，并可能会造成角膜损伤及感染。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无需进行角膜接触，成像质量好、成像速度快的基于并行共聚焦的角膜检测仪器及角膜检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案之一为：一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，包括：

光源模块，用于产生准直的单色激光；

照明模块，用于将单色激光照射到待检测角膜上；

成像模块，用于将接收到的角膜信息成像并处理；

还包括：

多焦均匀平场照明模块，用于将单色激光调制为光强均匀的点阵列照明光；

照明扫描模块，将点阵列照明光投射到待检测角膜并实现快速扫描；

光子重组模块，用于缩小点阵列成像光的光斑直径，生成高分辨率的点阵列成像光；

成像扫描模块，用于将点阵列成像光投射到所述的成像模块并实现快速成像；和

二向色镜，用于反射照明光和透射成像光；

所述的照明模块包括长工作距物镜，所述的光源模块发射单色激光经过所述的多焦均匀平场照明模块，通过所述的二向色镜将点阵列照明光输入所述的照明扫描模块，经过所述的照明模块到达待检测角膜，待检测角膜产生的荧光作为点阵列成像光沿着照明光路反射，经过所述的二向色镜输入所述的光子重组模块，经过所述的成像扫描模块到达所述的成像模块。

与现有技术相比，本发明的优点在于，多焦均匀平场照明模块和光子重组模块结合，增加了图像分辨率和视场；并通过照明扫描模块和成像扫描模块来实现快速成像；同时通过选取长工作距物镜，实现了非接触式角膜扫描，提高了患者舒适度。

优选地，所述多焦均匀平场照明模块包括：

消相干单元，由聚焦透镜、旋转漫射器和准直透镜组成，用于接收光源模块发出的单色激光，产生消相干平行光束；

缩束单元，由第一缩束透镜和第二缩束透镜缩束透镜组成，用于减小平行光束的光束直径，缩束系数为第二缩束透镜焦距与第一缩束透镜焦距的比值；和

均匀照明单元，由第一微透镜阵列、第二微透镜阵列傅里叶透镜和第三微透镜阵列组成，从所述的缩束单元出射的平行光束经过所述的第一微透镜阵列和所述的第二微透镜阵列到达所述的傅里叶透镜，通过所述的傅里叶透镜，在第三微透镜阵列所在平面形成光强均匀的光场，并于第三微透镜阵列的后焦面上产生光强均匀的多焦点阵列，所述的第二微透镜阵列和所述的傅里叶透镜的间距为所述的傅里叶透镜的焦距，使得第三微透镜阵列产生的点阵列照明光间距守恒。

优选地，所述的照明扫描模块由第一扫描透镜、第一振镜正反射面、第二扫描透镜、第三扫描透镜、第二振镜和第四扫描透镜组成，所述的第一扫描透镜将点阵列照明光会聚成重叠的光斑，由所述的第一振镜正反射面接收并将会聚的光斑反射，经过所述的第二扫描透镜和所述的第三扫描透镜构成的4f系统后，在所述的第二振镜上再次形成光斑，所述的第四扫描透镜将重叠的光斑重新发散为点阵列照明光后输入到所述的照明模块。由两个扫描透镜构成的4f系统前后焦面上为互相重叠的阵列光斑，通过控制振镜反射光斑，使得扫描过程更稳定。

优选地，所述光子重组模块包括

微孔阵列，用于排除点阵列成像光的失焦光和杂散光；和

第四微透镜阵列，用于缩小点阵列成像光中所有光斑的直径，生成高分辨率的点阵列成像光；

所述的微孔阵列与所述的第四微透镜阵列之间设置有配合成像和延长光路的光束传递模块。

优选地，所述的光束传递模块包括第一长焦扫描透镜和第二长焦扫描透镜，将位于微孔阵列的点阵列成像光共轭到第四微透镜阵列的后焦面处。

优选地，所述的成像扫描模块由第五扫描透镜、第一振镜背反射面、第六扫描透镜、第七扫描透镜、第三振镜和第八扫描透镜组成，所述的第五扫描透镜将点阵列成像光会聚成重叠的光斑，由所述的第一振镜背反射面接收并将会聚的光斑反射，经过所述的第六扫描透镜和所述的第七扫描透镜构成的4f系统后，在所述的第三振镜上再次形成光斑，所述的第八扫描透镜将重叠的光斑重新发散为点阵列成像光后输入到所述的成像模块。

优选地，所述的成像模块由接收点阵列成像光的相机以及采集卡和计算机组成，所述的计算机用于控制振镜扫描，处理并生成角膜图像。

优选地，所述的光源模块由激光器以及依次布置的单模光纤、激光准直透镜和第一平面反射镜组成。

使用上述的角膜检测装置进行的角膜检测方法，具体步骤如下：

S1：将光源模块发出的光束光强经过多焦均匀平场照明模块均匀化且聚焦为多焦点阵列，作为点阵列照明光；点阵列照明光经过二向色镜输入照明扫描模块，经过照明模块到达并聚焦在待检测角膜平面；

S2：待检测角膜产生的荧光以点阵列成像光反向经过照明光路，再经过二向色镜透射进入光子重组模块，经过成像扫描模块到达成像模块，聚焦在成像模块的相机上；

S3：相机采集荧光信号；

S4：控制照明扫描模块和成像扫描模块，重复S1-S3，直到完成全部视场扫描；

S5：成像模块的计算机通过反卷积算法来处理得到角膜图像。

优选的，所述的反卷积算法的处理步骤如下：

(1)根据选取的激光光源波长、荧光波长以及物镜参数，分别计算出理论激发光点扩散函数和荧光点扩散函数；

(2)将激发光点扩散函数和荧光点扩散函数相乘，得到理想点扩散函数；

(3)利用理想点扩散函数和jRL(joint Richardson—Lucy deconvolutionalgorithm)反卷积算法，对原始图像进行反卷积，最后生成角膜图像。

附图说明

图1为本发明实施例角膜检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中实现光子重组的示意图；

图3为本发明实施例角膜检测方法的流程图。

图中：1-激光器，2-单模光纤，3-激光准直器，4-第一平面反射镜，5-聚焦透镜，6-旋转漫射器，7-准直透镜，8-第一缩束透镜，9-第二缩束透镜，10-第一微透镜阵列，11-第二微透镜阵列，12-傅里叶透镜，13-第三微透镜阵列，14-二向色镜，15-第一扫描透镜，16-第一振镜，17-第二扫描透镜，18-第三扫描透镜，19-第二振镜，20-第四扫描透镜，21-管镜，22-物镜，23-小孔阵列，24-第二平面反射镜，25-第一长焦扫描透镜，26-第三平面反射镜，27-第二长焦扫描透镜，28-第四平面反射镜，29-第四微透镜阵列，30-第五扫描透镜，31-第六扫描透镜，32-第七扫描透镜，33-第三振镜，34-第八扫描透镜，35-相机，36-采集卡，37-计算机，38-多焦均匀平场照明模块。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但发明并不限于这些实施例。

实施例一：如图1所示：一种基于并行共聚焦的角膜检测仪器，包括：单色激光器1、单模光纤2、激光准直器3、第一平面反射镜4、聚焦透镜5、旋转漫射器6、准直透镜7、第一缩束透镜8、第二缩束透镜9、第一微透镜阵列10、第二微透镜阵列11、傅里叶透镜12、第三微透镜阵列13、二向色镜14、第一扫描透镜15、第一振镜16、第二扫描透镜17、第三扫描透镜18、第二振镜19、第四扫描透镜20、管镜21、长工作距物镜22、微孔阵列23、第二平面反射镜24、第一长焦扫描透镜25、第三平面反射镜26、第二长焦扫描透镜27、第四平面反射镜28、第四微透镜阵列29、第五扫描透镜30、第六扫描透镜31、第七扫描透镜32、第三振镜33、第八扫描透镜34、相机35、采集卡36和计算机37。

由单色激光器1、单模光纤2及激光准直器3组成光源模块，在本实施例中，光源模块发出的激光束波长为670nm；

由聚焦透镜5、旋转漫射器6、准直透镜7、位于准直光路上的第一缩束透镜8、第二缩束透镜9、第一微透镜阵列10、第二微透镜阵列11、傅里叶透镜12和第三微透镜阵列13组成多焦均匀平场照明模块38，用于将单色激光调制为光强均匀的点阵列照明光，其中，第二微透镜阵列11和傅里叶透镜12的间距为傅里叶透镜12的焦距，使得第三微透镜阵列13产生的点阵列照明光间距守恒；

由第一扫描透镜15、第一振镜16的正反射面、第二扫描透镜17、第三扫描透镜18、第二振镜19和第四扫描透镜20组成照明扫描模块，将点阵列照明光通过照明模块投射到待检测角膜并实现快速扫描，其中第二扫描透镜17和第三扫描透镜18构成4f系统，采用4f系统可以减小扫描误差，提高成像质量，由两个扫描透镜构成的4f系统前后焦面上为互相重叠的阵列光斑，通过控制振镜反射光斑，可以使得扫描过程更稳定；

照明模块由管镜21和长工作距物镜22组成，本实施例中长工作距物镜22放大倍率为20倍，工作距离为20mm；

由第四微透镜阵列29、微孔阵列23组成光子重组模块，本实施例中微孔阵列23选用的微孔直径为40um，用于通过点阵列成像光并遮挡失焦光，点阵列成像光通过微孔阵列23，产生排除失焦光和杂散光的点阵列成像光，第四微透镜阵列29用于缩小点阵列成像光中所有光斑的直径，如图2所示，光斑直径收缩为没有光子重组模块时光斑直径的二分之一，生成高分辨率的点阵列成像光；第一长焦扫描透镜25、第二长焦扫描透镜27，和第二平面反射镜平面反射镜24、第三平面反射镜26、第四平面反射镜28组成的光束传递模块设置在微透镜阵列29和微孔阵列23之间，用于配合成像和延长光路；

由第五扫描透镜30、第一振镜16的背反射面、第六扫描透镜31、第七扫描透镜32、第三振镜33和第八扫描透镜34组成成像扫描模块，用于将点阵列成像光投射到所述的成像模块并实现快速成像，其中第六扫描透镜31和第七扫描透镜32构成4f系统；

成像模块由相机35、采集卡36和计算机37组成；

从上述的描述和图1中可以看出，照明扫描模块使用了第一振镜16的正反射面，而成像扫描模块使用了第一振镜16的背反射面，也就是说，照明扫描模块和成像扫描模块共用第一扫描振镜，这种结构可以减小机械误差，提高照明和成像的一致性；

二向色镜14用于反射照明光和透射成像光。

本实施例的光路传输的基本原理如下：

激光器1发出特定波长的激光束，经过单模光纤2、激光准直透镜3和第一平面反射镜4到达聚焦透镜5，然后经过旋转漫射器6对入射光的扰乱产生消相干光，经准直透镜7后产生消相干平行光束，消相干平行光束经第一缩束透镜8和第二缩束透镜9组成的缩束单元后光束直径减小，缩束后的平行光束经过第一微透镜阵列10和第二微透镜阵列11，实现光束重新分配，再通过傅里叶透镜12，在第三微透镜阵列13所在平面形成光强均匀的光场，并于第三微透镜阵列13的后焦面上产生光强均匀的点阵列照明光；点阵列照明光由二向色镜14反射进入照明扫描模块，经照明模块照射到人眼的角膜产生荧光，该荧光作为点阵列成像光沿着照明光路反回，再次经过二向色镜14时透射进入光子重组模块，经成像扫描模块进入成像模块。

实施例二：使用实施例一的角膜检测装置进行的角膜检测方法，具体步骤如下：，如图3所示，具体步骤如下：

S1：将光源模块发出的光束光强经过多焦均匀平场照明模块38均匀化且聚焦为多焦点阵列，作为点阵列照明光；点阵列照明光经过二向色镜14输入照明扫描模块，经过照明模块到达并聚焦在待检测角膜平面；

S2：待检测角膜产生的荧光以点阵列成像光反向经过照明光路，再经过二向色镜14透射进入光子重组模块，经过成像扫描模块到达成像模块，聚焦在成像模块的相机35上；

S3：相机35采集荧光信号；

S4：控制照明扫描模块和成像扫描模块，重复S1-S3，直到完成全部视场扫描；

S5：成像模块的计算机37通过反卷积算法来处理得到角膜图像，具体处理步骤如下：

(1)根据选取的激光光源波长、荧光波长以及物镜参数，分别计算出理论激发光点扩散函数和荧光点扩散函数；

(2)将激发光点扩散函数和荧光点扩散函数相乘，得到理想点扩散函数；

(3)利用理想点扩散函数和jRL反卷积算法，对原始图像进行反卷积，最后生成角膜图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，包括：

光源模块，用于产生准直的单色激光；

照明模块，用于将单色激光照射到待检测角膜上；

成像模块，用于将接收到的角膜信息成像并处理；

其特征在于，还包括：

多焦均匀平场照明模块，用于将单色激光调制为光强均匀的点阵列照明光；

照明扫描模块，将点阵列照明光投射到待检测角膜并实现快速扫描；

光子重组模块，用于缩小点阵列成像光的光斑直径，生成高分辨率的点阵列成像光；

成像扫描模块，用于将点阵列成像光投射到所述的成像模块并实现快速成像；和

二向色镜，用于反射照明光和透射成像光；

所述的照明模块包括长工作距物镜，所述的光源模块发射单色激光经过所述的多焦均匀平场照明模块，通过所述的二向色镜将点阵列照明光输入所述的照明扫描模块，经过所述的照明模块到达待检测角膜，待检测角膜产生的荧光作为点阵列成像光沿着照明光路反射，经过所述的二向色镜输入所述的光子重组模块，经过所述的成像扫描模块到达所述的成像模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，其特征在于，所述多焦均匀平场照明模块包括：

消相干单元，由聚焦透镜、旋转漫射器和准直透镜组成，用于接收光源模块发出的单色激光，产生消相干平行光束；

缩束单元，由第一缩束透镜和第二缩束透镜缩束透镜组成，用于减小平行光束的光束直径，缩束系数为第二缩束透镜焦距与第一缩束透镜焦距的比值；和

均匀照明单元，由第一微透镜阵列、第二微透镜阵列傅里叶透镜和第三微透镜阵列组成，从所述的缩束单元出射的平行光束经过所述的第一微透镜阵列和所述的第二微透镜阵列到达所述的傅里叶透镜，通过所述的傅里叶透镜，在第三微透镜阵列所在平面形成光强均匀的光场，并于第三微透镜阵列的后焦面上产生光强均匀的多焦点阵列，所述的第二微透镜阵列和所述的傅里叶透镜的间距为所述的傅里叶透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，其特征在于，所述的照明扫描模块由第一扫描透镜、第一振镜正反射面、第二扫描透镜、第三扫描透镜、第二振镜和第四扫描透镜组成，所述的第一扫描透镜将点阵列照明光会聚成重叠的光斑，由所述的第一振镜正反射面接收并将会聚的光斑反射，经过所述的第二扫描透镜和所述的第三扫描透镜构成的4f系统后，在所述的第二振镜上再次形成光斑，所述的第四扫描透镜将重叠的光斑重新发散为点阵列照明光后输入到所述的照明模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，其特征在于，所述光子重组模块包括

微孔阵列，用于排除点阵列成像光的失焦光和杂散光；和

第四微透镜阵列，用于缩小点阵列成像光中所有光斑的直径，生成高分辨率的点阵列成像光；

所述的微孔阵列与所述的第四微透镜阵列之间设置有配合成像和延长光路的光束传递模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，其特征在于，所述的光束传递模块包括第一长焦扫描透镜和第二长焦扫描透镜，将位于微孔阵列的点阵列成像光共轭到第四微透镜阵列的后焦面处。

6.根据权利要求1所述的一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，其特征在于，所述的成像扫描模块由第五扫描透镜、第一振镜背反射面、第六扫描透镜、第七扫描透镜、第三振镜和第八扫描透镜组成，所述的第五扫描透镜将点阵列成像光会聚成重叠的光斑，由所述的第一振镜背反射面接收并将会聚的光斑反射，经过所述的第六扫描透镜和所述的第七扫描透镜构成的4f系统后，在所述的第三振镜上再次形成光斑，所述的第八扫描透镜将重叠的光斑重新发散为点阵列成像光后输入到所述的成像模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，其特征在于，所述的成像模块由接收点阵列成像光的相机以及采集卡和计算机组成，所述的计算机用于控制振镜扫描，处理并生成角膜图像。

8.根据权利要求1所述的一种基于并行共聚焦的角膜检测装置，其特征在于，所述的光源模块由激光器以及依次布置的单模光纤、激光准直透镜和第一平面反射镜组成。

9.使用权利要求7所述的角膜检测装置进行的角膜检测方法，具体步骤如下：

S1：将光源模块发出的光束光强经过多焦均匀平场照明模块均匀化且聚焦为多焦点阵列，作为点阵列照明光；点阵列照明光经过二向色镜输入照明扫描模块，经过照明模块到达并聚焦在待检测角膜平面；

S2：待检测角膜产生的荧光以点阵列成像光反向经过照明光路，再经过二向色镜透射进入光子重组模块，经过成像扫描模块到达成像模块，聚焦在成像模块的相机上；

S3：相机采集荧光信号；

S4：控制照明扫描模块和成像扫描模块，重复S1-S3，直到完成全部视场扫描；

S5：成像模块的计算机通过反卷积算法来处理得到角膜图像。

10.根据权利要求9所述的角膜检测方法，其特征在于，所述的反卷积算法的处理步骤如下：

(1)根据选取的激光光源波长、荧光波长以及物镜参数，分别计算出理论激发光点扩散函数和荧光点扩散函数；

(2)将激发光点扩散函数和荧光点扩散函数相乘，得到理想点扩散函数；

(3)利用理想点扩散函数和jRL反卷积算法，对原始图像进行反卷积，最后生成角膜图像。

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