專利名稱：基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物和醫療成像儀器，特別涉及一種基于自適應光學技術的共焦 掃描與光學相干層析成像儀，能對人眼眼底(或其他生物組織)實現三維高分辨率成像。
背景技術：
共焦顯微鏡技術最早應用于生物組織成像，并在1987年發展成為成熟的激光共 焦掃描成像設備。專利號為US4863226的發明專利提出了激光共焦掃描成像(Scanning Laser Ophthalmoscope, SL0)的概念，該發明通過聲光調制器來實現對樣品的橫向掃描，并通過 另一掃描鏡實現對樣品的縱向掃描即幀掃描，提出使用針孔來實現共焦高分辨率成像的目 的，但該發明專利僅僅給出了共焦掃描成像的原理性裝置，其聲光調制器會帶來較大的色 散效應，大幅降低系統的成像分辨率。專利號為ZL98111188.2的發明專利也提出了一種激光共焦掃描顯微鏡裝置，該 專利與上述美國發明專利有著類似的共焦掃描成像原理，其通過一塊45°角放置的的分光 棱鏡實現掃描照明光路、信號光返回光路和觀測光路的重合。但不能同時得到待測樣品的 高分辨率層析圖像。此外，專利號為ZL200810117071.4的發明專利也提出了共焦成像的基本裝置，但 其沒有掃描裝置，而是通過點光源單幀成像的原理，實現對樣品的共焦成像，該發明分辨率 較低并且無法實現視頻成像。又及，專利號為ZL99115053.8的發明專利等提出了基于自適應光學技術 的視網膜成像裝置，但該裝置沒有包含共焦掃描與層析成像的概念。專利號分別為 ZL200610052463. 8和ZL200510012234. 9的發明專利等也提出了光學相干層析技術的原理 性裝置，但重點在如何提高光學相干層析儀(OCT)的焦深和改變掃描方式，而不能同時得 到眼底(或待測樣品)的高分辨率共焦圖像。綜上所述可知，現有的共焦掃描成像設備及光學相干層析設備存在諸多不足，亟 待改進。
發明內容
本發明的目的在于提出一種基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成 像儀，其可同時在橫向切面和縱向切面上得到高分辨率圖像，進而實現對待成像物品形成 三維方向上的高分辨率成像，從而克服現有技術中的不足。為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案一種基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其特征在于所述 成像儀包括光源組件、掃描照明光路組件、像差探測與校正組件、共焦成像探測組件、參考 臂組件以及光學相干層析成像探測組件，上述各組件之間分別通過光纖和/或球面反射式 望遠鏡鏈接，從光源組件發出的低相干光分為兩路，其中一路進入參考臂組件后，再沿原路返回，另一路依次經像差探測與校正組件和掃描照明光路組件進入待測樣品，再從待測樣 品處沿原路返回，返回的光經過一分光鏡后分為兩路，其中一路為反射光束，該反射光束進 入像差探測與校正組件進行像差探測，另一路為透射光束，該透射光束經過另一分光鏡后 再分成兩束，其中一束光進入共焦成像探測組件，實現高分辨率共焦成像，另一束光與從參 考臂組件返回的光耦合后進入光學相干層析成像探測組件，實現高分辨率層析成像。進一步地講所述光源組件包含低相干光源和光纖耦合器，所述光纖耦合器的輸 入端與低相干光源連接，其第一輸出端與參考臂組件連接，第二輸出端與共焦探測成像組 件連接，第三輸出端與光學相干層析成像探測組件連接，且第一輸出端和第二輸出端的輸 出能量之比為1 2 1 5。所述掃描照明光路組件包含兩個獨立的光學掃描振鏡，其分別為橫向掃描振鏡和 縱向掃描振鏡，由光源組件傳輸來的光經橫向掃描振鏡掃描后變成線掃描光，再被縱向掃 描振鏡掃描形成面照明光并輸入待測樣品。所述像差探測與校正組件包含波前傳感器和可變性反射鏡，波前傳感器接收所述 反射光束，并進行波前探測，可變性反射鏡根據波前傳感器提供的波前信息，校正所述成像 儀光路中的波前像差。所述波前傳感器采用夏克_哈特曼波前傳感器或者曲率傳感器，所述可變性反射 鏡采用雙壓電陶瓷變形反射鏡或微機械變形鏡。所述共焦成像探測組件包含聚光透鏡、針孔和探測器，針孔放置于聚光透鏡的焦 點處，所述由另一分光鏡傳輸的一束光依次穿過聚光透鏡和針孔后被探測器接收。所述針孔采用中心通光口徑50 200 ym的光闌，所述探測器采用光電倍增管或 者其他電荷耦合器件，如CCD和/或CMOS。所述參考臂組件包含聚光透鏡、光程調節裝置、光散射匹配液和反射鏡，從光源組 件發出的光依次經過聚光透鏡、光程調節裝置和色散匹配液體后，再被反射鏡反射，并沿原 光路返回。所述光程調節裝置包括復數個反射鏡。所述光學相干層析成像組件包含耦合透鏡、聚光透鏡，透射式衍射光柵和線陣 (XD，光線進入光學相干層析成像組件后，依次經耦合透鏡、衍射光柵和聚光透鏡后到達線 陣 CCD。本案發明人經長期研究和實踐，結合激光共焦顯微成像和光學相干層析成像原 理，同時采用自適應光學實時像差校正技術，從而提出了本發明基于自適應光學技術的共 焦掃描與光學相干層析成像儀，其可同時實現橫向共焦圖像與縱向層析圖像的結合，實時 顯示待測樣品的高分辨率立體圖像。具體的講，本發明中，光源、兩個二維掃描振鏡以及待 測樣品在光學上精確共軛，兩個獨立的二維掃描振鏡依次對待測樣品實現線掃描和幀掃 描，獲得視場內的共焦掃描高分辨率圖像，且在每一個掃描點或掃描面，通過探測待測樣品 處返回的光信號與參考臂光信號的相位相干信息，得到每一個掃描成像點或成像面在深度 上的高分辨率圖像信息，如此，最終獲得待測樣品的高分辨率三維圖像。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果(1)大幅提高了傳統共焦掃面顯微鏡對人眼眼底或待測樣品，尤其是生物組織成 像的縱向切面成像分辨率；
(2)大幅提高了傳統光學相干層析儀對待測樣品成像的橫向切面成像分辨率，尤 其是能實時顯示人眼眼底(或其他待測生物組織)的三維高分辨率圖像，且三維成像在每 一個方向上的成像分辨率均能達到微米量級。
圖1是本發明具體實施方式
中基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析 成像儀的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖及本發明之一較佳實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。如圖1所示，本實施例基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀包 括光源組件、掃描照明光路組件、像差探測與校正組件、共焦成像探測組件、參考臂組件以 及光學相干層析成像探測組件。所述光源組件包括低相干光源1和多路光纖耦合器3 ；所述參考臂組件包括光纖耦合鏡頭5、光程調節裝置6、色散匹配液體7和反射鏡 8反射，其中，光程調節裝置6為由復數個反射鏡構成的一反射鏡系統；所述掃描照明光路組件包括一橫向掃描振鏡18和一縱向掃描振鏡21，橫向掃描 振鏡18和縱向掃描振鏡21之間設置球面反射鏡19、20 ；所述像差探測與校正組件包括通過計算機連接的波前傳感器26和可變性反射鏡 15，所述波前傳感器26優選采用夏克-哈特曼波前傳感器，其具體工作原理可以參考專利 號為ZL200610011201. 7的發明專利，所述可變性反射鏡可以是壓電陶變形反射鏡或微機 械變形鏡；所述共焦成像探測組件包括聚光透鏡28、針孔29和探測器30，針孔29放置于聚 光透鏡28的焦點處，所述針孔采用中心通光口徑50 200微米的光闌(即1 2倍光學 系統的艾利衍射斑尺寸)，所述探測器采用電荷耦合器件，優選采用光電倍增管；所述光學相干層析成像探測組件包括耦合透鏡32、衍射光柵33、聚光透鏡34和線 陣 CCD35。如下以人眼作為待測樣品為例來說明本實施例的工作原理及過程(1)低相干光源1通過光纖端口 2接入多路光纖耦合器3，該光纖耦合器3通過輸 出光纖端口 4進入參考臂組件，由低相干光源1提供的一路照明光依次經過光纖端口 4、光 纖耦合鏡頭5、反射鏡系統6和色散匹配液體7后，被反射鏡8反射，并沿原光路返回光纖耦 合器3 ；(2)低相干光源1提供的另一路照明光依次通過光纖耦合器3的光纖輸出端口 9、 耦合透鏡10、反射鏡11后，再經分光鏡12反射(該分光鏡12的分光比一般為1 1)，經 分光鏡12反射的光束依次經過球面反射式望遠鏡13、14，可變性反射鏡15，球面反射式望 遠鏡系統16、17后進入橫向掃描振鏡18(3)進入橫向掃描振鏡18的反射光束經過橫向掃描振鏡18的掃描后變成線掃描 光，再依次經過球面反射式望遠鏡19、20擴束后被縱向掃描振鏡21掃描，形成面照明光，面 照明光經球面反射式望遠鏡22、23后被反射鏡24反射后進入人眼25，掃描照明光路在人眼
5眼底掃描照明的入射視場角一般在3°左右，一般為人眼等暈角大小；(4)面照明光入射在人眼瞳孔表面，經瞳孔聚焦后進入人眼眼底，從人眼眼底返 回的光按原光路返回(從人眼25返回到球面反射鏡13)，返回的光束首先經過分光鏡26， 并被分成兩部分，其中一部分被反射后進入波前傳感器26，另一部分被投射后進入分光鏡 12，該波前傳感器26主要用來對從人眼返回回來的光信號進行波前探測，并復原出人眼的 像差信息，可變性反射鏡15根據波前傳感器26的提供的波前信息，產生一個相位上共軛的 波前表面，以校正本實施例成像儀光路中的波前像差，校正后的光信號的光束質量接近衍 射極限；(5)進入分光鏡12的光束的一部分依次投射進入聚光透鏡28和針孔29后被光 電倍增管30接收，因經過針孔后的信號光將具備與成像平面(即人眼瞳孔)精確共焦的性 質，也就是共焦平面之外 的雜散光將被針孔遮擋，這樣光電倍增管30所接收到的信號光與 成像平面精確共焦，并且噪聲得到抑制，光電倍增管完成對人眼眼底返回光信號的光強探 測，再結合兩個掃描振鏡的位置信息，完成共焦圖像的重構，也就是共焦掃描成像；(6)進入分光鏡12的光束的另一部分依次反射進入反射鏡11和耦合透鏡10，并 再經光纖端口 9進入光纖耦合器3，光纖耦合器3將把光纖端口 4與光纖端口 9的光束耦合 后依次通過光纖端口 31、耦合透鏡32后入射在衍射光柵33上；(7)衍射光柵33對接收到的光根據不同的波長在不同的方向上色散，色散后的光 束再經過聚光透鏡34后被線陣CCD 35接收，對線陣CCD 35接收到的序列光信號進行頻譜 分析(即傅立葉變換)，得到不同波長光束在人眼眼底內的相干信息，根據這些光束的相干 信息，結合兩個掃描振鏡的位置信息，完成人眼眼底在縱向切面上的圖像重構。也就是光學 相干層析成像；經過上述過程，即可對人眼實現三維方向上的高分辨率成像。需要說明的是，盡管本發明的較佳實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明 書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域 的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般 概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。
權利要求
一種基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其特征在于所述成像儀包括光源組件、掃描照明光路組件、像差探測與校正組件、共焦成像探測組件、參考臂組件以及光學相干層析成像探測組件，上述各組件之間分別通過光纖和/或球面反射式望遠鏡鏈接，從光源組件發出的低相干光分為兩路，其中一路進入參考臂組件后，再沿原路返回，另一路依次經像差探測與校正組件和掃描照明光路組件進入待測樣品，再從待測樣品處沿原路返回，返回的光經過一分光鏡后分為兩路，其中一路為反射光束，該反射光束進入像差探測與校正組件進行像差探測，另一路為透射光束，該透射光束經過另一分光鏡后再分成兩束，其中一束光進入共焦成像探測組件，實現高分辨率共焦成像，另一束光與從參考臂組件返回的光耦合后進入光學相干層析成像探測組件，實現高分辨率層析成像。
2.根據權利要求1所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述光源組件包含低相干光源和多路光纖耦合器，所述光纖耦合器的輸入端與 低相干光源連接，其第一輸出端與參考臂組件連接，第二輸出端與共焦探測成像組件連接， 第三輸出端與光學相干層析成像探測組件連接，且第一輸出端和第二輸出端的輸出能量之 比為1 2 1 5。
3.根據權利要求1所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述掃描照明光路組件包含兩個獨立的光學掃描振鏡，其分別為橫向掃描振鏡 和縱向掃描振鏡，由光源組件傳輸來的光經橫向掃描振鏡掃描后變成線掃描光，再被縱向 掃描振鏡掃描形成面照明光并輸入待測樣品。
4.根據權利要求1所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述像差探測與校正組件包含波前傳感器和可變性反射鏡，波前傳感器接收所 述反射光束，并進行波前探測，可變性反射鏡根據波前傳感器提供的波前信息，校正所述成 像儀光路中的波前像差。
5.根據權利要求4所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述波前傳感器為夏克_哈特曼波前傳感器或者曲率傳感器，所述可變性反射 鏡為雙壓電陶瓷變形反射鏡或者微機械變形鏡。
6.根據權利要求1所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述共焦成像探測組件包含聚光透鏡、針孔和探測器，針孔放置于聚光透鏡的焦 點處，所述由另一分光鏡傳輸的一束光依次穿過聚光透鏡和針孔后被探測器接收。
7.根據權利要求6所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述針孔采用中心通光口徑50 200 ym的光闌，所述探測器為電荷耦合器件。
8.根據權利要求1所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述參考臂組件包含聚光透鏡、光程調節裝置、色散匹配液和反射鏡，從光源組 件發出的光依次經過聚光透鏡、光程調節裝置和色散匹配液后，再被反射鏡反射，并沿原光 路返回。
9.根據權利要求1所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述光程調節裝置包括復數個相互之間間距可調整的反射鏡。
10.根據權利要求1或2所述的基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，其 特征在于所述光學相干層析成像組件包含耦合透鏡、聚光透鏡，透射式衍射光柵和線陣CCD，光 線進入光學相干層析成像組件后，依次經耦合透鏡、衍射光柵和聚光透鏡后到達線陣CCD。
全文摘要
一種基于自適應光學技術的共焦掃描與光學相干層析成像儀，包括光源組件、掃描照明光路組件、像差探測與校正組件、共焦成像探測組件、參考臂組件及光學相干層析成像探測組件，各組件之間分別通過光纖和/或球面反射式望遠鏡鏈接，光源組件發出的低相干光一部分進入參考臂組件后再沿原路返回，另一部分依次經像差探測與校正組件和掃描照明光路組件進入待測樣品后，再從待測樣品處沿原路返回，返回的光經過一分光鏡后一部分反射至像差探測與校正組件，另一部分透射至另一分光鏡后再分成兩部分，其中一部分進入共焦成像探測組件，另一部分與從參考臂組件返回的光耦合后進入光學相干層析成像探測組件。藉本發明可對待測物品實現高分辨率的三維成像。
文檔編號A61B3/14GK101869466SQ20101022494
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者李超宏 申請人:李超宏