专利名称：近红外光谱双视场干涉成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学干涉层析成像装置，特别是一种适用于眼科临床中视网膜细 胞层高分辨成像的近红外光谱双视场干涉成像装置。
背景技术：
光学干涉层析成像技术是一门比较前沿的技术，国内外在二十世纪九十年代开始 该技术研究，目前国外已形成了一套相对完善的光学相干层析技术理论和装置，尤其是时 域光学相干层析和光谱域光学相干层析技术就是该项技术的主要研究成果，而国内目前仍 未发现有自主研发的光学相干层析成像装置成型产品。光谱域光学相干层析技术，是在时域光学相干层析技术基础之上的提高和功能拓 展。目前国内外已将该技术应用于眼科疾病的临床诊断中。与时域光学相干层析成像技术 相比，光谱域光学相干层析技术不仅具有高分辨率、高灵敏度、高精度，以及非接触式测量 等优点，还能反映出不同光谱成分下视网膜细胞层的光学特性。Maciej Wojtkowski等人在 《In vivo human retinal imaging by Fourier domain optical coherence tomography》 (2002 年、Journal of Biomedical Optics 7 (3)，457-463) 一文中提出了一种光谱域的光 学相干层析装置。它的主体部分是基于一个开放式的迈克尔逊干涉仪结构。其中光源部分 采用低时间相干性、高空间相干性的宽光谱光源SLD ；参考臂上的参考镜与压电陶瓷相连 接；样品臂上通过二维扫描机构对垂直视轴的视网膜面进行扫描；前述两者返回信号的干 涉结果则可以由衍射光栅和CCD等构成的光谱仪进行分析。该方法是基于光学的干涉理 论，把被测样品的多层结构信息调制到干涉信号的相位中，并借助于衍射光栅的分光作用， 使得宽光谱光源中不同频率成分的光束成像在CCD靶面上不同的位置，即把调制的相位信 息也反映到CCD靶面的不同位置上，因此，通过傅里叶变换的方法解调相位信息，就可得到 视网膜细胞各层的位置和结构信息，从而重构出视网膜细胞各层的层析图像。上述方法存 在的缺陷是系统为了实现完整区域的视网膜层析成像，在样品臂上引入了二维扫描机构， 即分别通过反射镜在纸面方向的横向转动和垂直纸面方向的转动来实现对视网膜区域的 x-y方向扫描，这使得成像速度受到硬件扫描机构的限制。另外，由于二维扫描的过程需要 一定的曝光时间，因此近红外光剂量会对被测人眼脆弱的视网膜产生损伤、因此该系统难 以保证测试时人眼的安全性。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种成像速度快、测量精度高，能安全用 于人眼科临床医疗中视网膜细胞层高分辨成像的近红外光谱双视场干涉成像装置，从而为 眼底疾病的诊断提供依据。本发明是通过以下技术方案实现的。近红外光谱双视场干涉成像装置，它包括宽 光谱光源、立方分光棱镜、干涉成像系统样品臂和干涉成像系统参考臂以及光谱分析系统， 立方分光棱镜位于宽光谱光源的出射光路上，在立方分光棱镜的反射光路上设置干涉成像系统样品臂，在立方分光棱镜的透射光路上设置干涉成像系统参考臂，光谱分析系统设置在样品臂与参考臂的返回光束经立方分光棱镜合成后的光路上；其特征是干涉成像系统的 样品臂是由另一个立方分光棱镜和人眼样品构成的，在该立方分光棱镜的反射光路上还设 置有一个眼底相机物镜和位于物镜后焦面处的(XD。本发明是在光谱域光学相干层析成像装置的上改进，它采用了一宽一窄的双视场 光路结构，即由样品臂中立方分光棱镜、眼底相机物镜和位于物镜后焦面处的CCD构成系 统的宽视场成像光路(眼底成像系统)；由参考臂、样品臂和光谱分析系统构成系统的窄视 场干涉成像光路。宽视场成像光路是直接眼底成像，可获取宽视场的视网膜深度投影图像， 为后续的分析处理过程提供母图，窄视场干涉成像光路获得视网膜小视场区域内的光学层 析图像，为分析处理过程提供子图像群。其具体工作原理是由宽光谱光源发出的光束，经 准直成为一束平行光，到达立方分光棱镜后被分成两束相干的光束，其中一束进入参考臂 后返回，为干涉提供一支参考光束，另一束进入被测的人眼样品后，被人眼样品中视网膜细 胞不同层散射。其中样品散射回的光束一部分按原路返回，为干涉提供一支包含被测样品 结构信息的测量信号，另一部分被样品臂中的立方分光棱镜反射，由宽视场成像光路接收， 为系统提供一幅清晰的视网膜细胞层的图像即母图，提供给计算机待处理。样品散射返回 的光束与参考光束在立方分光镜合成后进入光谱分析系统，并由扩束系统扩束后到达衍射 光栅上。通过扩束系统以增大入射到光栅上的面积，可以提高光栅的色分辨本领。由于光谱 分析系统中的光栅对不同频率成分的光束具有不同的衍射角，因此能把不同频率成分的光 束干涉信息分列在光谱分析系统的CCD靶面上不同位置，形成一组子图群提供给计算机。 子图群反映了视网膜部分区域细胞各层的特征，而母图则反映了完整视场区域内视网膜细 胞各层散射光束的光强在眼底成像系统后焦面上投影一共轭成像后的光强分布。为了获 得视网膜细胞层完整视场区域的层析图像，本发明最后采用软件处理的方法，结合子图群 的特点，对眼底成像系统获得视网膜细胞层的母图进行图像分离，实现快速、高分辨率的视 网膜细胞层层析成像，即通过计算机求取子母图像之间的投影算子，然后对母图像逆变换 后即得到宽视场视网膜细胞各层的层析图像。本发明与现有技术相比其显著效果是(1)引入了双视场的成像系统，窄视场的 子图为宽视场的母图提供多层分解的判别依据，由软件处理得到子母图像的投影算子，并 由此获取宽视场视网膜分层图像，避免了现有技术中二维硬件扫描机构对系统成像速度的 影响，有效提高了系统的成像速度；(2)本装置中引入反射型衍射光栅，它不但可以使不同 频率的光谱成分成像在CCD中不同的位置，通过提取并分析成像在CCD中不同的位置图像 中的干涉信息，来了解细胞各层在不同频率成分光谱下的光学特性和视网膜各层的结构， 还有效简化了系统结构；(3)本系统由于工作时成像的时间较短，因此作用于人眼视网膜 近红外光谱剂量也较少，有效地降低了被测人眼的视网膜损伤；另外使用SLD作为光源，装 置的轴向分辨率可以达到微米量级，具有高纵向分辨率。本发明是一种更快速、更安全的人 眼视网膜细胞层析三维快速成像装置，可广泛应用于眼科疾病的临床诊断中。本发明的具体结构由以下的附图和实施例给出。
图1是根据本发明所述近红外光谱分析和双视场干涉成像装置的总体结构示意图。图2是基于本发明中双视场干涉成像技术中视网膜细胞各层图像分离的核心算 法原理示意图。
具体实施例方式下面结合 附图，对本发明作进一步详细描述。参见图1，在近红外光谱双视场干涉成像的装置中，包含了宽视场、窄视场两支主 要的成像光路和光源的入射光路。光源入射光路由高斯光源1和准直物镜2组成，高斯光 源1选择近红外波段超亮发光二极管SLD，其中心波长为820nm，半极值全宽度(FWHM)为 40nm，输出功率为2mW左右的SLD-38-MP，它能够为干涉成像系统提供一束低时间相干性， 高空间相干性的宽光谱光束，经过准直透镜2的准直作用后，形成一束平行光入射到位于 其出射光路上的立方分光棱镜3中。立方分光棱镜3由两块直角棱镜胶合，并在胶合面上 镀半透半反膜，实现50/50的分振幅作用。宽视场成像光路由样品臂、眼底相机物镜10和 CXDll组成。其中CXDll采用高分辨大视场成像CXD，其响应波段为600 900nm，德国VDS 公司型号为CCD-1020的CCD，实现对宽区域的视网膜细胞层成像，从而为软件算法分离层 析图像提供母图。窄视场干涉成像光路由光源部分、干涉的样品臂、参考臂和光谱分析系统 组成。立方分光棱镜8与人眼样品9构成干涉成像系统的样品臂，立方分光棱镜8与立方 分光棱镜3要求相同，会聚透镜6和参考板7构成干涉成像系统的参考臂，由于人眼视网膜 具有一定的像差，因此必须在参考臂上对视网膜细胞层的色散作用进行补偿，从而达到高 精度、高分辨率成像的目的，故在立方分光棱镜3和会聚透镜6之间引入了光衰减器4和人 眼色散补偿器5。光谱分析系统主要由扩束系统12、衍射光栅13、物镜14和(XD15组成，其 中扩束系统12增加了输出平行光的宽度，使得到达衍射光栅13上的面积增大，从而提高光 栅的色分辨率。起分光作用的衍射光栅13选择反射型光栅，根据光谱分析系统中实际色分 辨本率的要求自行设计。CCD15也是响应红外波段，但实际使用的视场角要比CCDll小些， 因此也可以选择与CXDll同一款型号的(XD。上述装置，先由SLD光源发出的光束，分别由宽视场成像光路获取母图，窄视场干 涉成像光路获取子图群，子图群反映了视网膜部分区域细胞各层的特征，而母图则反映了 完整视场区域内视网膜细胞各层散射光束的光强在眼底成像系统后焦面上投影一共轭成 像后的光强分布。为了获得视网膜细胞层完整区域的层析图像，本发明采用软件算法代替 传统的硬件二维扫描机构，并辅以子图群的层析特征，从宽视场光路获得的母图中分离出 视网膜细胞各层的层析图像。见图2所示，它是本发明中视网膜细胞各层图像分离的核心算法原理示意图，由 软件处理的手段完成。从宽视场成像光路获得的母图χ中截取部分图像X，这部分图像对应 着干涉层析子图的视网膜区域。引入ρ(·)算子，建立母图与子图y之间的“投影”关系， 即y = P(X) (1)母图与完整视网膜区域的层析图X也存在这样的“投影”关系，表现为Y = P (X) (2)因此，根据式(1)求解出P算子，并代入到式(2)后就能获取完整的视网膜区域的细胞各层层析图像。
P算子的求解过程如图2中左半部分所示，部分的母图χ与合适的基函数进行数学 变换，然后变换后的系数进行处理，如线性滤波、Radon变换等，分离出视网膜细胞不同层图 像对应的变换系数。这些分层的系数与子图y的特征进行比较，若两者不吻合，则重新选取 变换基后按上述的处理，直到分层系数能体现出子图的特征为止。这个基函数也就是P算 子，能够建立子图群与母图之间的联系。运用上述求解的P算子，对母图X进行类似的变换处理，分离各层变换系数，即可 重构出完整的视网膜区域细胞各层的层析图像。
权利要求
一种近红外光谱双视场干涉成像装置，它包括宽光谱光源[1]、立方分光棱镜[3]、干涉成像系统的样品臂和干涉成像系统的参考臂以及光谱分析系统，立方分光棱镜[3]位于宽光谱光源[1]的出射光路上，在立方分光棱镜[3]的反射光路上设置干涉成像系统的样品臂，在立方分光棱镜[3]的透射光路上设置干涉成像系统的参考臂，光谱分析系统设置在样品臂与参考臂的返回光束经立方分光棱镜[3]合成后的光路上；其特征是干涉成像系统的样品臂是由立方分光棱镜[8]和人眼样品[9]构成的，在立方分光棱镜[8]的反射光路上还设置有一个眼底相机物镜[10]和位于物镜[10]后焦面处的CCD[11]。
2.根据权利要求1所述红外光谱双视场干涉成像装置，其特征是在立方分光棱镜[3] 与干涉成像系统的参考臂中的会聚透镜[6]之间的光路上依次设置光衰减器[4]、人眼色 散补偿器[5]。
3.根据权利要求1所述红外光谱双视场干涉成像装置，其特征是CCD[11]为高分辨大 视场成像CCD。
4.根据权利要求1所述红外光谱双视场干涉成像装置，其特征是起分光作用的衍射光 栅[16]为反射型光栅。
全文摘要
本发明公开了一种用于视网膜细胞层快速干涉层析成像的红外光谱双视场干涉成像装置，其特征是它引入了宽窄双视场的成像系统，窄视场的子图为宽视场的母图提供多层分解的判别依据，由计算机采用软件工程的处理方法，并结合子图群的特点，对眼底成像系统获得视网膜细胞层母图进行图像分离，实现快速、高分辨率的视网膜细胞层层析成像。该系统具有较高的灵敏度和测量精度，不需采用二维硬件扫描机构，成像时间较短，视网膜接受到的近红外光谱剂量较少，可以有效地降低被测人眼的视网膜损伤，是一种更快速、更安全的人眼视网膜细胞干涉成像技术，可广泛应用于眼科疾病的临床诊断中。
文档编号A61B3/14GK101862180SQ200910030810
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者叶海水, 高志山 申请人:南京理工大学