CN102008289A - 基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，包括光源模块、像差补偿模块、二维成像扫描模块、宽视场扫描模块和光纤接收模块；其中：二维成像扫描模块与宽视场扫描模块通过球面反射式望远镜***连接；光纤接收端模块置于该望远镜***返回光路的终端，分光镜之后；由光源模块发射的照明光依次通过二维成像扫描模块、宽视场扫描模块后进入人眼，从人眼眼底视网膜漫反射回来的信号光沿原光路返回，经像差校正模块采用自动寻优算法进行像差校正，通过分光镜后进入光纤接收模块进行信号检测。本发明大幅降低了传统像差校正***的成本和控制难度，解决了高分辨率与大视场同步成像的困难，大幅改善了传统眼底成像仪器的成像视场与成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种眼底显微镜，具体地说，涉及的是一种基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，通过自动寻优算法，对人眼视网膜图像进行实时、自动的优化，对人眼(或动物眼)视网膜实现细胞尺度上的高分辨率视频成像。
背景技术
视网膜显微成像领域，共焦扫描成像技术是很重要的视网膜成像技术之一。共焦扫描技术最早应用于生物组织成像(Webb RH，Hughes GW.Scanning Laser Ophthalmoscope.Biomedical Engineering，IEEE Transactions on.1981，BME-28(7)：488-92.)，在1987年形成激光共焦扫描成像设备(Webb R，Hughes G，Delori F.Confocal scanning laser ophthalmoscope.Applied optics.1987；26(8)：1492-9)。
专利号为US4863226(1989)的发明专利提出了激光共焦扫描成像的概念，该专利通过声光调制器来实现对样品的横向扫描，通过扫描镜面实现对样品的纵向扫描即帧扫描，使用针孔来实现共焦成像。但该专利仅仅给出了共焦扫描成像的原理性装置，其声光调制器会带来较大的色散效应，大幅降低***的成像分辨率，人眼和***像差的存在，都会降低***分辨率，无法实现细胞尺度上的高分辨率成像。专利号为US5825533(1998)的发明专利通过两个独立的扫描振镜来进行横向和纵向的同步扫描，以实现共焦扫描成像。但该专利仅通过简单的二维扫描，同样受限于***像差与人眼像差，无法实现高分辨率成像的功能。
专利号为ZL200810117071.4的发明专利也提出了共焦成像的基本装置，但没有扫描装置，而是通过点光源单帧成像的原理，实现对样品的共焦成像。分辨率较低并且无法实现视频成像。专利号为ZL99115053.8(1999)的发明专利等，提出了基于自适应光学技术的视网膜成像装置，但该装置没有实现共焦扫描成像，更没有提出大视场的概念。
专利号为US20020231491、US2003053026A1、US20050125331和US2006087617A1的专利提出了应用自适应光学技术对人眼像差进行探测和校正的概念，但受限于人眼等晕角限制，其成像视场一般为1～3°，视场太小。本发明提出大视场扫描概念，能在15°视场范围内对人眼视网膜扫描成像。
专利号为US20020231491、US2003053026A1、US20050125331和US2006087617A1的专利均通过设置针孔来与后置探测器相结合的方式实现共焦成像。光学调整上非常困难，***设计庞大、集成度低。本发明提出使用光纤来接收信号光，光纤数值孔径与聚光透镜数值孔径的匹配，光纤代替针孔，则探测器可以放置于***光学部件之外，使得***集成度大幅提高，调整难度大幅降低。
综上所述可知，现有的眼底扫描成像设备存在诸多不足，亟待改进。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，通过光纤输入、输出模块化设计，解决传统激光扫描检眼镜***仪器设计庞大、难于调整的问题；通过改变光纤接收端口和聚光透镜的相对位置，解决对人眼视网膜生物组织多层观测成像的问题；通过自动寻优算法控制像差补偿器件，解决传统像差补偿器件需要配备专门像差测量器件的问题，降低***控制难度，简化仪器结构；通过像差补偿器件补偿***全光路的像差，解决了传统像差补偿器件无法矫正***标定像差的问题，增加了***对像差校正的精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提供一种基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于，所述显微镜包括光源模块、像差补偿模块、二维成像扫描模块、宽视场扫描模块和光纤接收模块。其中：二维成像扫描模块与宽视场扫描模块通过球面反射式望远镜***连接。光纤接收端模块置于***返回光路的终端，分光镜之后；由光源模块发射的照明光依次通过***的二维成像扫描模块、宽视场扫描模块后进入人眼，从人眼眼底视网膜漫反射回来的信号光沿原光路返回，经像差校正模块进行像差校正，通过分光镜后进入光纤接收模块进行信号检测。
进一步的，所述二维成像扫描模块包含一个横向扫描振镜和一个纵向扫描振镜，通过这两面振镜的同步扫描，完成对人眼视网膜的面扫描，根据光纤接收模块所记录人眼视网膜返回信号的强度和两个扫描振镜的位置信息，实施人眼视网膜图像重构。
进一步的，所述宽视场扫描模块由一个在横向X和纵向Y两个方向上同步产生一定倾斜角度的快速倾斜镜和一组大视场透射式缩束望远镜组成。所述倾斜镜倾斜角度为0～5°。所述大视场透射式望远镜包含入射透镜和出射透镜，出射透镜可以根据实际人眼瞳孔孔径大小进行更换，以改变大视场透射式望远镜的缩束比，同时改变***对人眼的成像视场或成像面积。
进一步的，所述光纤接收模块由聚光透镜、接收光纤和光电探测器组成。接收光纤收集从人眼视网膜返回的信号光，传输至光电探测器。所述光电探测器为电荷耦合器件(CCD)或雪崩式光电倍增管(PMT)。
进一步的，所述接收光纤的数值孔径要与聚光透镜聚焦光束的数值孔径相匹配，接收光纤芯径大小要与聚光透镜在焦点处的衍射光斑大小相匹配。
进一步的，所述像差补偿模块为可变性反射镜，可变形反射镜为基于压电陶瓷变形技术的变形反射镜，或者为基于微机械变形技术的变形反射镜。
进一步的，所述像差校正模块通过自动寻优算法进行像差校正，自动寻优算法为随机并行梯度下降算法，或模拟退火优化算法等，其典型控制方法是通过发送电压信号至像差补偿器，以***的性能指标为参考，通过迭代运算，来寻找像差补偿器的最佳控制电压，以达到校正***全光路像差的目的。
进一步的，所述接收光纤模块中，接收光纤的端口与聚光透镜中心同轴，且光纤端口到聚光透镜的距离连续可调。通过增加/减少光纤端口到聚光透镜的中心距离，则可以在人眼视网膜照明光路中引入正/负的离焦量，实现对人眼视网膜生物组织进行分层观测的目的。
本发明通过快速倾斜镜与二维扫描振镜共轭扫描，既能得到某一成像子区域的高分辨率图像。通过控制快速倾斜镜来实现对人眼眼底不同区域的主动扫描，大幅增加成像视场。采取像差补偿器件校正人眼和***全光路像差，实现细胞尺度上的高分辨率视频成像。通过自动寻优算法来控制像差补偿器件，大幅降低***成本和控制难度。全***采用光纤输入照明激光，光纤输出人眼视网膜图像信号，大幅提高了产品设计的紧凑性、便携性。通过接收光纤端口与光信号接收聚光透镜的相对移动，来实现对人眼视网膜多层结构的观测，大幅增加了该眼底显微镜的成像功能成像范围。更加方便、快捷的在人眼(或动物眼)视网膜细胞尺度上实现高分辨率视频成像。
本发明以点对点共轭光学成像为基础，在保证光学共轭关系的前提下，通过两个方向上的同步扫描来实现对人眼视网膜区域的面扫描；采取自适应光学技术校正人眼像差，来达到高分辨率成像的目的。即在本发明所述的***装置中，光源、二维扫描振镜组、快速倾斜镜、像差补偿器件以及人眼瞳孔在光学上精确共轭，并通过置于光学共轭面的快速倾斜镜，实现对人眼视网膜主动扫描，扩展成像视场。
本发明与现有技术相比有如下优点：
优点1)本发明采取光纤输入照明光、光纤输出人眼返回信号光的设计，解决了传统非光纤式激光共焦扫面***设计庞大、***复杂的问题。
优点2)本发明通过改变光纤接收端口和聚光透镜的相对位置，解决对人眼视网膜生物组织多层连续成像的问题。
优点3)传统共焦扫描显微镜受限于人眼像差***像差影响，无法达到光学衍射极限成像的目的。本发明引入像差补偿模块，尤其是通过自动寻优算法，解决传统像差补偿器件需要配备专门像差测量器件的问题，降低***控制难度，简化仪器结构。而且能校正人眼和***全光路的像差，大幅提高成像质量，能实现细胞级别的活体观测。
优点4)本发明大幅增加传统的共焦扫描显微镜成像视场。传统共焦扫描显微镜受限于人眼等晕角，成像视场较小，一般在1～3°。本发明通过快速倾斜镜主动扫描，扩展成像视场至15°。其扩展后视场的大小仅仅受限于快速倾斜镜的倾斜角度，存在很大上升空间。
优点5)成像主动性大幅增强，病人舒适感增加。传统共焦扫描显微镜因为成像视场小，需要病人注视不同区域视标，来达到成像不同视网膜不同区域的目的。本发明通过快速倾斜镜的主动扫描，即可以实现对病人眼底不同区域的主动扫描，成像主动性大幅增强，病人舒适感大幅增加。
优点6)***集成度大幅提高，易小型化。传统共焦扫描显微镜探测器通过光学镜片的方式与***直接对接，因此仪器调整比较困难，仪器体积较大。本发明使用光纤接收人眼视网膜返回信号，通过光纤与探测器耦合，则大幅降低了***设计的尺寸，易小型化、产品化。
综上所述，本发明应用自动寻优算法控制像差补偿器件对***全光路进行像差校正，通过快速倾斜镜与二维成像扫描模块同步工作，在获得小视场单帧图像的基础上，结合自动拼接技术，得到大视场范围内人眼视网膜高分辨率图像。该发明大幅降低了传统像差校正***的成本和控制难度，解决了高分辨率与大视场同步成像的困难，实现了一种设计紧凑、成像分辨率高、成像视场大、控制简单的眼底显微镜，大幅改善了传统眼底成像仪器的成像视场与成像质量。藉本发明可对人眼(或动物眼)视网膜在大视场范围内实现细胞尺度上的高分辨率视频成像。
附图说明
图1为本发明提出的眼底显微镜原理示意图。
图2为本发明在自动寻优算法收敛之前，像差校正前的人眼视网膜图像。
图3为本发明应用自动寻优算法所得到的归一化图像性能参数收敛曲线。
图4为本发明在自动寻优算法收敛，***全光路像差被校正后的人眼视网膜图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
本发明中，二维成像扫描模块与宽视场扫描模块通过球面反射式望远镜***(13-14)连接。光纤接收端模块置于***返回光路的终端，分光镜(5)之后。由光源模块(1-4)发射的照明光依次通过***的二维成像扫描模块(9-12)、宽视场扫描模块(15-17)后进入人眼，从人眼眼底视网膜漫反射回来的信号光沿原光路返回，经像差校正模块(6)进行像差校正，通过分光镜(5)后进入光纤接收模块(19-21)进行信号检测。
如图1所示，本发明基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，工作步骤如下：
第一，光源模块之激光光源1通过光纤输出照明光，输出光纤之末端置于耦合透镜2焦点处。经过耦合透镜3耦合后输出，耦合后的平行激光经反射镜4，进入分光镜5。本发明所述的分光镜5，为透射率高反射率低的分光镜，透射率反射率比值在4∶1～5∶1之间。透射率高为保证从人眼返回回来的信号光能较大程度的通过分光镜5进入探测器。照明激光在经过分光镜5后进入反射式球面望远镜5和6。经变形反射镜6反射，通过反射式球面望远镜7和8后进入二维成像扫描模块9～12。
第二，二维成像扫描模块包含两个独立的光学扫描振镜，振镜之间通过反射式球面望远镜10、11连接。照明光经过横向扫描振镜9的扫描后变成线扫描光，线扫描光经过望远镜10和11扩束后被纵向扫描振镜12扫描，形成面照明光。
第三，经过纵向扫描振镜12后的面照明光通过球面反射式望远镜13和14进入宽视场扫描模块。由于宽视场扫描模块中快速倾斜镜15置于光学***共轭面，与横向扫描振镜、纵向扫描振镜和人眼瞳孔精密共轭。因此快速倾斜镜在X(横向)和Y(纵向)两个方向上的倾斜运动，将使得照明光束在人眼瞳孔入射处形成较大的入射角，其入射视场角通过主动扫描达到15°。照明光束通过大视场缩束望远镜16和17后，直接照射在人眼瞳孔。
第四，照明光束入射在人眼瞳孔表面，经瞳孔后晶状体聚焦，进入人眼视网膜。从视网膜漫反射回来的信号光按原光路返回(从17返回到6)，经过分光镜5后，进入光纤接收模块部分。光纤接收模块由聚光透镜19、接收光纤20和探测器21组成。被聚光透镜会聚后的信号光入射到接收光纤端口处，光纤端口的接收芯径大小为聚光透镜19的艾利衍射斑尺寸之1～2倍，光纤的数值孔径与聚光透镜19的数值孔径匹配，接收光纤端口至于聚光透镜19焦点处。光纤端口与人眼视网膜共焦，探测器21所接收到的信号为人眼视网膜漫反射回的信号光。非视网膜返回的噪声信号将无法进入接收光纤，从而被阻止进入探测器，因此探测器所接收信号光的信噪比很高。本发明采取光纤接收的方式，实现了共焦成像的效果，同时避免了***设计的复杂，使得产品更小型化、简约化。
第五，快速倾斜镜处于非工作状态时，通过两个独立的扫描振镜9和12的二维扫描来完成单帧小视场图像重构，得到共焦图像视频图像，此时***成像视场比较小，典型扫描视场为1°-3°。
第六，快速倾斜镜处于工作状态时，控制快速倾斜镜在X和Y两个方向对人眼眼底进行主动扫描，可以对人眼视网膜任何子区域进行光学扫描。假设快速倾斜镜在人眼瞳孔处可以产生的倾斜角度为12°，则***总的成像视场为12°+3°＝15°，大幅提高了***的成像视场。通过控制快速倾斜镜在人眼眼底各子区域依次成像，应用图像自动拼接技术，得到人眼视网膜的大视场图像。并且扫描范围仅依赖于快速倾斜镜的机械转动角度，尚有很大提升空间。
第七，从人眼视网膜18漫反射回来的信号光束沿***原光路返回，经像差补偿器件6反射后进入分光镜5，再进入光纤接收模块19-21进行信号灰度值测量，结合二维扫描振镜9、12对应的位置信息，完成人眼视网膜图像的重构。
第八，图2为自动寻优算法启动前，***得到的人眼视网膜图像，由于没有经过***全光路像差校正，图像分辨率较低。
第九，根据图2得到的人眼视网膜图像，根据公式P＝∫∫I2(x，y)dxdy，其中I(x，y)为视网膜图像上坐标(x，y)处所对应像素的灰度值大小，计算该图像所有像素灰度值之和。在本发明中，选择计算人眼视网膜图像灰度值之和，来作为图像质量好坏的标准。根据如下所述的自动寻优算法，来计算像差补偿器件6的控制电压：
(a)根据一定统计规律，一般为伯努利分布，随机产生一组扰动电压向量
加上像差补偿器的初始电压向量
发送到像差补偿器件6。其中
为第k次迭代运算后送到第i个驱动器的电压，
(b)根据权利要求2得到视网膜图像，按公式P＝∫∫I2(x，y)dxdy，计算视网膜图像的图像性能参数P+。该图像性能参数描述视网膜图像总体灰度值大小。
(c)根据a)中的统计规律，随机产生一组与a)相反的电压向量发送到像差补偿器件6。
(d)按b)中公式再次计算得到图像性能参数P-。并计算图像性能参数增量ΔJk＝P+-P-
(e)根据a)-d)，按公式
计算第k+1次迭代后像差补偿器的电压向量，其中Г为控制参数。
(f)重复a)-e)，直到图像的性能参数稳定且满足仪器的观测需求为止。
第十，图3为根据本发明所述自动寻优算法所得到的图像性能参数收敛的曲线。从试验数据可见，经过约200次迭代后，图像灰度值之和达到极值。图4为图像灰度值之和为极值时的人眼视网膜图像。
在本发明提出的自动寻优算法，其收敛速度的快慢一般取决于单次迭代时间。在本发明试验***中，***成像帧频为30帧/秒，每一帧图像如果根据32等分来分割图像，并以此计算每个分割图像部分的图像灰度和。则每一次图像参数测试的时间为1个毫秒，每一次迭代的计算和测试时间则约为2个毫秒，这样一分钟的时间内可以完成约500次迭代运算，完全可以自动寻优运算的整个收敛过程。对人眼静态像差而言，在1分钟内完成像差计算和校正，完全可以满足本发明所提出的眼底显微镜成像需求。
经过上述过程，即可完成本发明所提出的，通过应用自动寻优算法，控制像差补偿器件，补偿人眼和***全光路的像差，在细胞尺度上，实现对人眼(或动物眼)视网膜的高分辨率视频成像。
对比国际国内在人眼视网膜显微成像领域的技术成果，本发明在激光共焦扫描成像的基本原理基础上，提出一种眼底显微镜装置，通过自动寻优算法来控制像差补偿器件，大幅降低***成本和控制难度。全***采用光纤输入照明激光，光纤输出人眼视网膜返回信号，大幅提高了产品设计的紧凑性、便携性。通过光纤接收端口与光信号接收聚光透镜19的相对移动，来实现对人眼视网膜多层结构的观测，大幅增加了该眼底显微镜的成像功能成像范围。更加方便、快捷的在人眼(或动物眼)视网膜细胞尺度上实现高分辨率视频成像。
需要说明的是，尽管本发明的较佳实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述显微镜包括光源模块、像差补偿模块、二维成像扫描模块、宽视场扫描模块和光纤接收模块；其中：二维成像扫描模块与宽视场扫描模块通过球面反射式望远镜***连接；光纤接收端模块置于该望远镜***返回光路的终端，分光镜之后；由光源模块发射的照明光依次通过二维成像扫描模块、宽视场扫描模块后进入人眼，从人眼眼底视网膜漫反射回来的信号光沿原光路返回，经像差校正模块采用自动寻优算法进行像差校正，通过分光镜后进入光纤接收模块进行信号检测。
2.根据权利要求1所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述二维成像扫描模块包含一个横向扫描振镜和一个纵向扫描振镜，通过这两面振镜的同步扫描，完成对人眼视网膜的面扫描，根据光纤接收模块所记录人眼视网膜返回信号的强度和两个扫描振镜的位置信息，实施人眼视网膜图像重构。
3.根据权利要求1所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述宽视场扫描模块由一个在横向X和纵向Y两个方向上同步产生一倾斜角度的快速倾斜镜和一组大视场透射式缩束望远镜组成，所述大视场透射式望远镜包含入射透镜和出射透镜，出射透镜根据实际人眼瞳孔孔径大小进行更换，以改变大视场透射式望远镜的缩束比，同时改变***对人眼的成像视场或成像面积。
4.根据权利要求3所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述倾斜镜倾斜角度为0～5°。
5.根据权利要求1或2所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述光纤接收模块由聚光透镜、接收光纤和光电探测器组成，接收光纤收集从人眼视网膜返回的信号光，传输至光电探测器。
6.根据权利要求5所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述接收光纤模块中，接收光纤的端口与聚光透镜中心同轴，且光纤端口到聚光透镜的距离连续可调，通过增加/减少光纤端口到聚光透镜的中心距离，在人眼视网膜照明光路中引入正/负的离焦量，实现对人眼视网膜生物组织进行分层观测。
7.根据权利要求5所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述光电探测器为电荷耦合器件CCD或雪崩式光电倍增管PMT。
8.根据权利要求5所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述接收光纤的数值孔径要与聚光透镜聚焦光束的数值孔径相匹配，接收光纤芯径大小与聚光透镜在焦点处的衍射光斑大小相匹配。
9.根据权利要求1所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述像差校正模块通过自动寻优算法进行像差校正，具体是通过发送电压信号至像差补偿器，以***的性能指标为参考，通过迭代运算，来寻找像差补偿器的最佳控制电压，实现校正***全光路像差，所述自动寻优算法按如下几个步骤依次实施：
(a)根据伯努利分布统计规律，随机产生一组扰动电压向量
加上像差补偿器的初始电压向量
发送到像差补偿器件；其中
为第k次迭代运算后送到第i个驱动器的电压；
(b)根据得到的视网膜图像，按公式P＝∫∫I2(x，y)dxdy，计算视网膜图像的图像性能参数P+，该图像性能参数描述视网膜图像总体灰度值大小；其中I(x，y)为视网膜图像上坐标(x，y)处所对应像素的灰度值大小；
(c)根据a)中的统计规律，随机产生一组与a)相反的电压向量发送到像差补偿器件；
a)按b)中公式再次计算得到图像性能参数P-，并计算图像性能参数增量ΔJk＝P+-P-；
(d)根据a)-d)，按公式
计算第k+1次迭代后像差补偿器的电压向量，其中Г为控制参数；
(e)重复a)-e)，直到图像的性能参数稳定且满足仪器的观测需求为止。
10.根据权利要求1或9所述的基于自动寻优算法的像差补偿眼底显微镜，其特征在于：所述像差补偿模块为可变性反射镜，可变形反射镜为基于压电陶瓷变形技术的变形反射镜，或者为基于微机械变形技术的变形反射镜。
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