CN103799975A - 采用相干门波前传感器的自适应光学oct视网膜成像仪 - Google Patents

Abstract

采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，包括：光源、起偏器、第一和第二宽带偏振分光棱镜、第一和第二λ/4波片、第一和第二宽带分光片、变形镜、二维扫描器、微透镜阵列、第一和第二检偏器、波前探测器、参考镜、成像探测模块、数据采集卡、计算机、函数发生卡和高压放大器等。该仪器采用相干门波前传感技术来采集和矫正视网膜中被成像层的波前像差、而滤除其它层和光路中器件产生的波前像差，以获取接近衍射极限的横向分辨率；并采用包括谱域OCT和扫频OCT在内的傅里叶域OCT技术，来进行视网膜的高分辨率纵向层析成像。本发明具有波前探测对杂散光不敏感、能增强波前探测信号强度，以及减少仪器外观尺寸等优点。

Description

采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪

技术领域

本发明涉及活体人眼视网膜的高分辨率成像仪器，尤其是涉及一种采用相干门波前传感技术的三维高分辨率自适应光学OCT视网膜成像仪器。

背景技术

自适应光学（AO）技术的引入，使得由光学相干层析成像（OCT）、扫描激光检眼镜等技术获得的眼底视网膜图像的质量获得了极大的提高。AO技术由波前传感器（WFS）、波前矫正器、和控制器这几个组成部分。常见的波前传感器有激光光线追迹、夏克-哈特曼（SH）、和金字塔等类型，它们都只能探测波前像差的横向分布，而不能提供沿深度分解的像差信息。其中使用最为广泛的是夏克-哈特曼波前传感器（SH-WFS），它由微透镜阵列和CCD或CMOS二维探测器构成，光线被微透镜阵列的各微透镜分割成空间上相互分离的子光束，再各自被微透镜聚焦在二维探测器阵列上。每一微透镜只截取入射光束波面的很小部分，它相对于理想波面的倾斜会导致聚焦光斑的质心偏离中心位置。然而，上述传统的SH-WFS存在以下局限性：

1）对波前像差沿深度方向的变化不敏感。由于每一微透镜探测通道的数值孔径较小，也即具有较大的焦深范围，使得SH-WFS对测量对象在深度方向的位置不敏感，而这里正是有用信号产生的地方。SH-WFS接收到的光斑相对理想波面光斑的偏离，是由每一微透镜探测通道所形成的共焦焦深范围内所有像差总和的结果。在高分辨显微成像时，浅层组织会使波面严重变形，从而影响到对更深层组织的观察，因此深度分解波前像差的测量、也即如何消除浅层组织的影响而只测量待观察的更深层组织的像差，显得尤为重要。

2）对杂散光敏感。由于每一微透镜探测通道的数值孔径较小，光学器件界面处产生的反射杂散光不能被滤除，通常采用在界面处使用空间滤波的方法来加以解决。但在人眼成像时，空间滤波仍不能完全滤除来自角膜和晶状体的反射。为了减少角膜反射杂散光，以下方法被提了出来：（a）界面处的透镜和反射镜离轴布置；（b）使用偏振分光器件来消除镜面反射；（c）采用离轴照明，使从视网膜返回的光束沿着与角膜和晶状体后向反射光束不同的路径传输。但这些方法均存在着各自的缺点：（a）导致更严重的像差；（b）导致信号损失和依赖于样品的偏振特性；（c）要求成像光路和波前探测光路分开，需要用到两个光源。可见，光路上数目众多的界面反射杂散光，会在SH-WFS的探测器上形成很强的信号，即使没使探测器饱和，由它们产生的光斑也会在波前像差计算时和真正有用的光斑相混淆，但目前还没有办法能把二者区别开来。

在采用AO技术的视网膜成像***中，反射杂散光的问题可利用单光程波前矫正来解决，即只对从眼睛返回的光束进行波前矫正，而入射光束在各界面产生的反射光不进入WFS。此时，如果成像***和波前探测使用同一光源，那么成像和像差测量操作就不能同时进行，也即不能在成像时对像差进行动态矫正，通常可采用二向色镜和不同的波长来实现波前动态矫正。双光程波前矫正能解决上述矛盾，当成像***和波前探测使用同一光束时，入射光束和从样品返回光束的波前像差均被采集和矫正，可使成像和波前探测操作同时进行。但为了避免光学界面处产生的反射杂散光，需在横向扫描机构与样品之间使用曲面反射镜，但这会增大仪器的外观尺寸和成本，且角膜反射问题仍然存在。

相干门波前传感（Coherence-gated wavefront sensing）技术采用干涉原理来测量波前像差，只有样品中与参考臂光程接近相等的那一层的像差才被采集和矫正，而样品中的其它层、以及光路上所有器件的界面反射光信号，均被滤除，因此它非常适合于高分辨率成像时波前像差的动态矫正。

OCT是一种干涉成像技术，可无缝地和相干门波前传感技术结合在一起，实现在同一套***上同时进行波前探测和成像操作，它们可使用相同的光源、样品臂扫描机构、和参考臂等。AO-OCT技术已是活体人眼视网膜高分辨率实时成像的有力工具，但现有的AO-OCT***均采用传统的波前探测技术来获取像差。目前还未见采用相干门波前传感技术的AO-OCT视网膜成像技术的相关报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，采用相干门波前传感技术来采集和矫正视网膜中被成像层的波前像差、而滤除其它所有的波前像差，以获取接近衍射极限的高横向分辨率；并采用傅里叶域OCT技术，具体包括谱域OCT和扫频OCT，来进行视网膜的高分辨率纵向层析成像。本发明具有波前探测对杂散光不敏感、能增强波前探测信号强度，以及减少仪器外观尺寸等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，包括：光源、准直透镜、起偏器、第一宽带偏振分光棱镜、第二宽带偏振分光棱镜、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第一宽带分光片、第二宽带分光片、第一扩束器、第二扩束器、变形镜、缩束器、二维扫描器、微透镜阵列、第一检偏器、第二检偏器、波前探测器、色散补偿片、水盒、参考镜、第一平移台、第二平移台、反射棱镜、折返棱镜、成像探测模块、数据采集卡、计算机、函数发生卡和高压放大器；

光源发出的光束经过准直透镜和起偏器后，成为偏振平行光束，入射第一宽带偏振分光棱镜时被分成透射的p偏振光和反射的s偏振光：p偏振光进入样品臂，依次经过第一λ/4波片、第一宽带分光片、第一扩束器、变形镜、缩束器、二维扫描器、和第二扩束器后，被人眼屈光***聚焦在视网膜上；被视网膜后向反射或散射的p偏振样品光，沿原路返回至第一宽带分光片时，被分成透射的p偏振样品光和反射的p偏振样品光：反射的p偏振样品光依次经过微透镜阵列、第二宽带偏振分光棱镜、和第一检偏器后，被波前探测器接收；透射的p偏振样品光经过第一λ/4波片后成为s偏振样品光，并被第一宽带偏振分光棱镜反射，经过第二检偏器后进入成像探测模块；

s偏振光进入参考臂，依次经过第二λ/4波片、第二宽带分光片、色散补偿片、和水盒后，入射安装在第一平移台上的参考镜；被参考镜反射后的s偏振参考光，沿原路返回至第二宽带分光片时，被分成透射的s偏振参考光和反射的s偏振参考光：反射的s偏振参考光依次经过反射棱镜、安装在第二平移台上的折返棱镜、第二宽带偏振分光棱镜、和第一检偏器后，被波前探测器接收；透射的s偏振参考光经过第一λ/4波片后成为p偏振参考光，并被第一宽带偏振分光棱镜透射，经过第二检偏器后进入成像探测模块；

成像探测模块包括谱域OCT和扫频OCT两种成像模式：谱域OCT成像时，光源采用谱域OCT光源，成像探测模块由光栅、成像透镜、和线阵探测器构成，进入成像探测模块的平行光束，被光栅色散开来后，再被成像透镜聚焦在线阵探测器上；扫频OCT成像时，光源采用扫频OCT光源，成像探测模块由耦合透镜、光纤耦合器、和平衡探测器构成，进入成像探测模块的平行光束，被耦合透镜偶合进光纤并被光纤耦合器分成两路，分别接平衡探测器的正负端；

线阵探测器或平衡探测器采集到的信号，经图像采集卡转换成数字信号后，传输至计算机进行处理；计算机同步发出扫描驱动信号，经函数发生卡驱动二维扫描器进行扫描成像；波前探测器采集到的信号传输至计算机后，可计算出波前像差矫正所需的驱动电压信号，经高压放大器放大后，驱动变形镜工作以矫正人眼引起的波前像差。

所述的p偏振样品光和s偏振参考光，经过第一检偏器后成为偏振态一致的、用于波前探测的样品光和参考光；s偏振样品光和p偏振参考光，经过第二检偏器后成为偏振态一致的、用于OCT成像的样品光和参考光。

所述的第一平移台首先带着参考镜作轴向移动，直至用于OCT成像的样品光和参考光形成最佳干涉信号；然后第二平移台带着折返棱镜作轴向移动，直至用于波前探测的样品光和参考光形成最佳干涉信号。

所述的谱域OCT光源为近红外波段超连续发光二极管或锁模飞秒激光光源；扫频OCT光源为波长快速扫描的近红外波段宽光谱光源。

所述的色散补偿片用于补偿样品臂各器件引起的材料色散，水盒用于补偿人眼内容物的材料色散，以获得最佳干涉信号。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明具有滤除杂散光信号，只针对视网膜中被成像层的波前像差进行测量和动态矫正的特点。由于人眼中其它层、以及样品臂光路中的所有反射光信号均被相干门滤除，因此本仪器可在强界面反射条件下工作。

（2）本发明可增强波前探测信号的强度，这是由于采用了干涉原理来探测波前，来自样品的微弱信号被来自参考臂的信号相乘而得到放大。

（3）本发明可减少仪器的外观尺寸。由于来自角膜、晶状体、和光学器件的较强的反射光信号被相干门滤除，使得需要矫正的波前像差较小，从而可减少对变形镜矫正能力的要求、缩小自适应光学***的结构尺寸、和提高OCT成像***的性能。

附图说明

图1是本发明的***结构示意图；

图2a是谱域OCT成像时的探测端示意图；

图2b是扫频OCT成像时的探测端示意图；

图3是本发明的控制***示意图。

图中：1.光源，101.谱域OCT光源，102.扫频OCT光源，2.准直透镜，3.起偏器，4-5.第一和第二宽带偏振分光棱镜，6-7.第一和第二λ/4波片，8-9.第一和第二宽带分光片，10-11.第一和第二扩束器，12.变形镜，13.缩束器，14.二维扫描器，15.人眼屈光***，16.视网膜，17.微透镜阵列，18-19.第一和第二检偏器，20.波前探测器，21.色散补偿片，22.水盒，23.参考镜，24-25.第一和第二平移台，26.反射棱镜，27.折返棱镜，28.成像探测模块，281.光栅，282.成像透镜，283.线阵探测器，284.耦合透镜，285.光纤耦合器，286.平衡探测器，29.数据采集卡，30.计算机，31.函数发生卡，32.高压放大器。

具体实施方式

本发明提出的采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪的***结构如图1所示，包括：光源1、谱域OCT光源101、扫频OCT光源102、准直透镜2、起偏器3、第一和第二宽带偏振分光棱镜4-5、第一和第二λ/4波片6-7、第一和第二宽带分光片8-9、第一和第二扩束器10-11、变形镜12、缩束器13、二维扫描器14、人眼屈光***15、视网膜16、微透镜阵列17、第一和第二检偏器18-19、波前探测器20、色散补偿片21、水盒22、参考镜23、第一和第二平移台24-25、反射棱镜26、折返棱镜27、成像探测模块28、光栅281、成像透镜282、线阵探测器283、耦合透镜284、光纤耦合器285、平衡探测器286、数据采集卡29、计算机30、函数发生卡31、高压放大器32。

光源1发出的光束经过准直透镜2准直和起偏器3起偏后，成为偏振平行光束，入射第一宽带偏振分光棱镜4时被分成透射的p偏振光和反射的s偏振光：p偏振光进入样品臂，依次经过第一λ/4波片6、第一宽带分光片8、第一扩束器10、变形镜12、缩束器13、二维扫描器14、和第二扩束器11后，被人眼屈光***15聚焦在视网膜16上。被视网膜16后向反射或散射的p偏振样品光，沿原路返回至第一宽带分光片8时，被分成透射的p偏振样品光和反射的p偏振样品光：反射的p偏振样品光依次经过微透镜阵列17、第二宽带偏振分光棱镜5、和第一检偏器18后，被波前探测器20接收；透射的p偏振样品光经过第一λ/4波片6后成为s偏振样品光，并被第一宽带偏振分光棱镜4反射，经过第二检偏器19后进入成像探测模块28。

s偏振光进入参考臂，依次经过第二λ/4波片7、第二宽带分光片9、色散补偿片21、和水盒22后，入射安装在第一平移台24上的参考镜23。被参考镜23后向反射后的s偏振参考光，沿原路返回至第二宽带分光片9时，被分成透射的s偏振参考光和反射的s偏振参考光：反射的s偏振参考光依次经过反射棱镜26、安装在第二平移台25上的折返棱镜27、第二宽带偏振分光棱镜5、和第一检偏器18后，被波前探测器20接收；透射的s偏振参考光经过第一λ/4波片6后成为p偏振参考光，并被第一宽带偏振分光棱镜4透射，经过第二检偏器19后进入成像探测模块28。

p偏振样品光和s偏振参考光，经过第一检偏器18后成为偏振态一致的、用于波前探测的样品光和参考光；s偏振样品光和p偏振参考光，经过第二检偏器19后成为偏振态一致的、用于OCT成像的样品光和参考光。第一平移台24首先带着参考镜23作轴向移动，直至用于OCT成像的样品光和参考光形成最佳干涉信号；然后第二平移台25带着折返棱镜27作轴向移动，直至用于波前探测的样品光和参考光形成最佳干涉信号。色散补偿片21用于补偿样品臂中各器件引起的材料色散，水盒22用于补偿人眼内容物的材料色散，以使用于波前探测和OCT成像的样品光和参考光之间各自均获得最佳干涉信号。

成像探测模块28包括谱域OCT和扫频OCT两种成像模式，分别如图2a和图2b所示：谱域OCT成像时，光源1采用谱域OCT光源101，成像探测模块28由光栅281、成像透镜282、和线阵探测器283构成，进入成像探测模块28的平行光束，被光栅281色散开来后，再被成像透镜282聚焦在线阵探测器283上；扫频OCT成像时，光源1采用扫频OCT光源102，成像探测模块28由耦合透镜284、光纤耦合器285、和平衡探测器286构成，进入成像探测模块28的平行光束，被耦合透镜284偶合进光纤并被光纤耦合器285分成两路，分别接平衡探测器286的正负极。谱域OCT光源101为近红外波段超连续发光二极管或锁模飞秒激光光源；扫频OCT光源102为波长快速扫描的近红外波段宽光谱光源。

本发明的控制***如图3示，线阵探测器283或平衡探测器286采集到的干涉光谱信号，经图像采集卡29转换成数字信号后，传输至计算机30进行处理。计算机30同步发出扫描驱动信号，经函数发生卡31驱动二维扫描器14进行扫描成像。波前探测器20采集到的信号传输至计算机30后，计算机30可计算出波前像差矫正所需的驱动电压信号，经高压放大器32放大后，驱动变形镜12工作以矫正人眼引起的波前像差。

波前像差探测是自适应光学技术的核心组件之一，本发明提出了采用相干门波前传感技术来测量人眼像差，即：分别从视网膜16和参考镜23返回的样品光和参考光之间形成干涉，并由波前探测器20进行采集以获得波前像差。微透镜阵列17和波前探测器20在结构上仍为传统的夏克-哈特曼波前传感器。该方法的好处是只获取视网膜16中被成像层的波前像差，而把光学器件、人眼其它各层的波前像差滤除。而传统的波前探测技术，包括人眼和光路上全部器件在内的所有波前像差，均会被采集和矫正，过大的波前像差要求变形镜具有较大的矫正能力、且会使***结构变得复杂和体积庞大。

在视网膜16的结构成像方面，采用的是傅里叶域OCT技术，具体包括谱域OCT和扫频OCT技术，具有无需轴向机械扫频、成像速度快、信噪比高等特点。由于采用了自适应光学技术来矫正大瞳孔成像时人眼存在的像差，因此可采用大瞳孔光束照明和宽光谱光源，来同时获取接近衍射极限的高横向分辨率、和高轴向分辨率，以便对视网膜16的各层结构进行精细观察。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，其特征在于：包括光源(1)、准直透镜(2)、起偏器(3)、第一宽带偏振分光棱镜(4)、第二宽带偏振分光棱镜(5)、第一λ/4波片(6)、第二λ/4波片(7)、第一宽带分光片(8)、第二宽带分光片(9)、第一扩束器(10)、第二扩束器(11)、变形镜(12)、缩束器(13)、二维扫描器(14)、微透镜阵列(17)、第一检偏器(18)、第二检偏器(19)、波前探测器(20)、色散补偿片(21)、水盒(22)、参考镜(23)、第一平移台(24)、第二平移台(25)、反射棱镜(26)、折返棱镜(27)、成像探测模块(28)、数据采集卡(29)、计算机(30)、函数发生卡(31)和高压放大器(32)；

光源(1)发出的光束经过准直透镜(2)和起偏器(3)后成为偏振平行光束，入射第一宽带偏振分光棱镜(4)时被分成透射的p偏振光和反射的s偏振光，p偏振光进入样品臂，依次经过第一λ/4波片(6)、第一宽带分光片(8)、第一扩束器(10)、变形镜(12)、缩束器(13)、二维扫描器(14)、和第二扩束器(11)后，被人眼屈光***(15)聚焦在视网膜(16)上；被视网膜(16)后向反射或散射的p偏振样品光，沿原路返回至第一宽带分光片(8)时，被分成透射的p偏振样品光和反射的p偏振样品光，反射的p偏振样品光依次经过微透镜阵列(17)、第二宽带偏振分光棱镜(5)和第一检偏器(18)后被波前探测器(20)接收；透射的p偏振样品光经过第一λ/4波片(6)后成为s偏振样品光，并被第一宽带偏振分光棱镜(4)反射，经过第二检偏器(19)后进入成像探测模块(28)；

s偏振光进入参考臂，依次经过第二λ/4波片(7)、第二宽带分光片(9)、色散补偿片(21)和水盒(22)后入射安装在第一平移台(24)上的参考镜(23)；被参考镜(23)反射后的s偏振参考光，沿原路返回至第二宽带分光片(9)时，被分成透射的s偏振参考光和反射的s偏振参考光，反射的s偏振参考光依次经过反射棱镜(26)、安装在第二平移台(25)上的折返棱镜(27)、第二宽带偏振分光棱镜(5)和第一检偏器(18)后，被波前探测器(20)接收；透射的s偏振参考光经过第一λ/4波片(6)后成为p偏振参考光，并被第一宽带偏振分光棱镜(4)透射，经过第二检偏器(19)后进入成像探测模块(28)；

成像探测模块(28)包括谱域OCT和扫频OCT两种成像模式，谱域OCT成像时，光源(1)采用谱域OCT光源(101)，成像探测模块(28)由光栅(281)、成像透镜(282)和线阵探测器(283)构成，进入成像探测模块(28)的平行光束，被光栅(281)色散开来后，再被成像透镜(282)聚焦在线阵探测器(283)上；扫频OCT成像时，光源(1)采用扫频OCT光源(102)，成像探测模块(28)由耦合透镜(284)、光纤耦合器(285)和平衡探测器(286)构成，进入成像探测模块(28)的平行光束，被耦合透镜(284)偶合进光纤并被光纤耦合器(285)分成两路，分别接平衡探测器(286)的正负端；

线阵探测器(283)或平衡探测器(286)采集到的信号，经图像采集卡(29)转换成数字信号后，传输至计算机(30)进行处理；计算机(30)同步发出扫描驱动信号，经函数发生卡(31)驱动二维扫描器(14)进行扫描成像；波前探测器(20)采集到的信号传输至计算机(30)，计算机(30)计算出波前像差矫正所需的驱动电压信号，经高压放大器(32)放大后，驱动变形镜(12)工作以矫正人眼引起的波前像差。

2.根据权利要求1所述的采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，其特征在于：所述的p偏振样品光和s偏振参考光，经过第一检偏器(18)后成为偏振态一致的、用于波前探测的样品光和参考光；s偏振样品光和p偏振参考光，经过第二检偏器(19)后成为偏振态一致的、用于OCT成像的样品光和参考光。

3.根据权利要求1所述的采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，其特征在于：所述的第一平移台(24)首先带着参考镜(23)作轴向移动，直至用于OCT成像的样品光和参考光形成干涉信号；然后第二平移台(25)带着折返棱镜(27)作轴向移动，直至用于波前探测的样品光和参考光形成干涉信号。

4.根据权利要求1所述的采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，其特征在于：所述的谱域OCT光源(101)为近红外波段超连续发光二极管或锁模飞秒激光光源。

5.根据权利要求1所述的采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，其特征在于：所述扫频OCT光源(102)为波长快速扫描的近红外波段宽光谱光源。

6.根据权利要求1所述的采用相干门波前传感器的自适应光学OCT视网膜成像仪，其特征在于：所述的色散补偿片(21)用于补偿样品臂各器件引起的材料色散，水盒(22)用于补偿人眼内容物的材料色散，以获得最佳干涉信号。

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