一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统的制作方法

本发明涉及医学成像和投影领域，尤其涉及一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统。

背景技术：

人眼视网膜是结构复杂的人体组织，是一种微观结构组织，人眼本身很多的疾病以及全身的系统性疾病例如青光眼、糖尿病、高血压等都可以在眼底视网膜上得到反映，许多眼科疾病都伴有眼底的改变，例如老年性黄斑变性、糖尿病视网膜病变、眼内肿瘤等，因此，活体人眼肿瘤尺度、血管尺度、甚至细胞尺度的高分辨率成像成为视网膜微观病理学研究领域的热点。此外，激光投影技术具有大色域、高效率、长寿命等特点；同时准直的激光束不存在聚焦问题，其投影面可以是平面，也可以是任意的曲面；不需要大量的光学元件，画面尺寸在理论上没有限制等特点。所以带有激光投影技术的眼底成像系统将会成为研究的热点。

目前眼科检查设备有裂隙灯、眼底照相机、光学相干断层扫描仪、共焦激光扫描仪等，这些设备自身都不具备投影功能，在眼底检查拍摄过程中，为了满足受试者家属或者其他医疗工作者能实时方便的观察到受试者眼底病灶，以便于受试者家属及时了解眼底病灶情况或者其他医疗工作者能及时动态学习与讨论，只能通过连接其他设备来实现眼底图像实时投影，如投影仪、双屏幕等，而这种方式结构复杂，环境要求高，携带不方便，不利于下乡携带，所占空间大，投影屏幕要求比较高，很难在农村或者山区实现等。此外，目前在国内外专利或产品中暂时未发现带有激光投影技术的眼底成像系统相关专利或产品。

因此，有必要提供一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统，将激光投影技术与激光扫描成像技术结合在一起，实现高分辨率眼底成像与投影，即满足检查者观察，也满足其他人员的观察与学习，并具有空间小、结构简单、环境要求低、携带方便、可在任意曲面进行投影等特点。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统。

本发明所采取的技术方案如下：一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统，包括成像光源组件、像差探测模块与像差校正模块、投影光源组件、扫描光路组件、补偿镜组件、成像探测组件、投影扩角组件、投影屏幕，上述各组件之间分别通过望远镜或光线耦合器衔接在一起构成检测人眼的扫描光路和从人眼视网膜反射的返回光路；所述像差校正模块与成像光源组件通过第一望远镜衔接在一起；所述的像差探测模块和所述的成像探测组件均位于返回光路的终端，所述的成像光源组件通过第一光线耦合器与所述的像差探测模块和成像探测组件衔接在一起，将返回的部分光线耦合进入到所述的像差探测模块和成像探测组件中；所述的像差探测模块与所述的成像探测组件通过第二光线耦合器衔接在一起；所述的扫描光路组件通过第二望远镜与所述的像差校正模块衔接在一起；所述的投影光源组件位于所述的第二望远镜与所述的扫描光路组件之间，通过第三光线耦合器衔接在一起，将投影光源组件所产生的光线耦合进入系统中；所述的补偿镜组件与所述的扫描光路组件通过第三望远镜衔接在一起；所述的投影扩角组件位于所述的第三望远镜和所述的补偿镜组件之间，通过第四光线耦合器衔接在一起，所述投影扩角组件将光线投射至投影屏幕上；还包括控制组件、计算机，所述控制组件包括图像控制模块、扫描振镜控制模块和投影光源控制模块，所述的控制组件与所述的计算机相连，所述的成像探测组件、扫描光路组件和投影光源组件与所述的控制组件相连，所述像差探测模块和像差校正模块与计算机连接在一起。

所述第一望远镜、第二望远镜、第三望远镜采用球面反射式望远镜，由两块球面反射镜组成，所述的两块球面反射镜共焦，所衔接的两个组件分别位于前后两端球面反射镜焦点处；所述的第一光线耦合器和第二光线耦合器采用薄膜分束器，所述的薄膜分束器反射透射分光比小于或等于1；第三光线耦合器和第四光线耦合器采用二向色镜。

所述的成像光源组件包括低相干光源、光纤、光纤准直器，所述的低相干光源采用近红外超辐射发光二极管光源，所述的像差探测模块主要包括哈特曼波前传感器、透镜、可变光阑，所述的哈特曼波前传感器是由透镜阵列与传感器组成；所述的像差校正模块采用可变形反射镜或者液晶空间光调制器。

所述的投影光源组件包括激光器、光线准直器，所述的激光器采用一种或者多种不同波长的激光器；所述光线准直器采用准直透镜。

所述的投影光源组件包括第五光线耦合器，所述激光器采用多种不同波长的激光器，所述的第五光线耦合器采用分色棱镜或者分束器或者二向色镜，将多种激光器发生的光线耦合在一起。

所述的扫描光路组件包括横向扫描振镜、横向振镜驱动器、纵向扫描振镜、纵向振镜驱动器、球面反射镜，所述的横向扫描振镜和纵向扫描振镜分别位于两个球面反射镜的焦点处，所述球面反射镜位于所述横向扫描振镜和纵向扫描振镜之间，构成望远镜系统，连接横向扫描振镜、纵向扫描振镜。

所述的补偿镜组件包括两个胶合透镜、第一平面反射镜组、第二平面反射镜组、移动平台，所述的胶合透镜采用两个相同的会聚胶合透镜，对称的放置在两端；所述的第一平面反射镜组、第二平面反射镜组均为由两个夹角为90度的平面反射镜组合而成，第一平面反射镜组、第二平面反射镜组平行放置并且第一平面反射镜组位于两个胶合透镜之间，第二平面反射镜组安装在所述的移动平台上，相对位于两个所述胶合透镜之间的第一平面反射镜组作直线移动。

所述的成像探测组件包括成像探测器、针孔、透镜，所述的成像探测器采用光电倍增管，所述的针孔为50～200微米的通孔，位于成像探测器的前面，放置于透镜的焦点处。

所述的投影扩角组件采用望远镜系统，所述的望远镜系统采用反射式望远镜或者透射式望远镜，所述的反射式望远镜由两个球面反射镜组成，所述的两个球面反射镜焦距比为5～20。

还包括滤光片，所述滤光片设置在第一光线耦合器和第二光线耦合器之间。

本发明的有益效果如下：本发明提供了一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统，包括成像光源组件、像差探测与校正组件、投影光源组件、扫描光路组件、补偿镜组件、成像探测组件、投影扩角组件、控制组件、计算机、投影屏幕。设计巧妙独特，将激光投影技术与激光扫描成像技术结合在一起，即满足检查者观察，也满足其他人员的观察与学习，并具有空间小、结构简单、环境要求低、携带方便、可在任意曲面进行投影等特点。

附图说明

图1是本发明的共焦激光扫描眼底成像与投影光路系统重要部件构成的框图。

图2是本发明的共焦激光扫描眼底成像与投影电控系统重要部件构成的框图。

图3是本发明的共焦激光扫描眼底成像与投影系统一具体实施例的结构示意图。

图中，1、成像光源组件；11、低相干光源；12、光纤；13、光纤准直器；

21、像差探测模块；211、哈特曼波前传感器；212，213、透镜；214、可变光阑；

22、像差校正模块；

3、投影光源组件；31、激光器；32、光线准直器；33、第五光线耦合器；

4、扫描光路组件；41、横向扫描振镜；42、纵向扫描振镜；43，44、球面反射镜；

5、补偿镜组件；51、胶合透镜；52、第一平面反射镜组；53、第二平面反射镜组；

6、成像探测组件；61、成像探测器；62、针孔；63、透镜；

7、投影扩角组件；71，72、球面反射镜；

8、控制组件；81、图像控制模块；82、扫描振镜控制模块；83、和投影光源控制模块；

9、计算机；

10、投影屏幕；

t11，t12、第一望远镜；

t21，t22、第二望远镜；

t31，t32、第三望远镜；

p1、第一光线耦合器；

p2、第二光线耦合器；

p3、第三光线耦合器；

p4、第四光线耦合器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。其中相同的部件采用相同的附图标记。

请参见图1-3所示，本发明的一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统，其特征在于：包括成像光源组件1、像差探测模块21与像差校正模块22、投影光源组件3、扫描光路组件4、补偿镜组件5、成像探测组件6、投影扩角组件7、投影屏幕10，上述各组件之间分别通过望远镜或光线耦合器衔接在一起构成检测人眼的扫描光路和从人眼视网膜反射的返回光路；所述像差校正模块22与成像光源组件1通过第一望远镜t11，t12衔接在一起；所述的像差探测模块21和所述的成像探测组件6均位于返回光路的终端，所述的成像光源组件1通过第一光线耦合器p1与所述的像差探测模块21和成像探测组件6衔接在一起，将返回的部分光线耦合进入到所述的像差探测模块21和成像探测组件6中；所述的像差探测模块21与所述的成像探测组件6通过第二光线耦合器p2衔接在一起；所述的扫描光路组件4通过第二望远镜t21，t22与所述的像差校正模块22衔接在一起；所述的投影光源组件3位于所述的第二望远镜t21，t22与所述的扫描光路组件4之间，通过第三光线耦合器p3衔接在一起，将投影光源组件3所产生的光线耦合进入系统中；所述的补偿镜组件5与所述的扫描光路组件4通过第三望远镜t31，t32衔接在一起；所述的投影扩角组件7位于所述的第三望远镜t31，t32和所述的补偿镜组件5之间，通过第四光线耦合器p4衔接在一起，所述投影扩角组件7将光线投射至投影屏幕10上；还包括控制组件8、计算机9，所述控制组件8包括图像控制模块81、扫描振镜控制模块82和投影光源控制模块83，所述的控制组件8与所述的计算机9相连，所述的成像探测组件6、扫描光路组件4和投影光源组件3与所述的控制组件8相连，所述像差探测模块21和像差校正模块22与计算机9连接在一起。

所述第一望远镜t11，t12、第二望远镜t21，t22、第三望远镜t31，t32采用球面反射式望远镜，由两块球面反射镜组成，所述的两块球面反射镜共焦，所需衔接的两个组件的镜面或者焦点如可变形反射镜镜面，振镜镜面，补偿镜组件中胶合透镜焦点分别位于前后两端球面反射镜焦点处；所述的第一光线耦合器p1和第二光线耦合器p2采用薄膜分束器，所述的薄膜分束器反射透射分光比小于或等于1，较优透反比为92:8，保证返回光线大部分进入到成像探测器中,提高探测器接收的光能量，有效地提高系统的信噪比；第三光线耦合器p3和第四光线耦合器p4采用二向色镜，其中第三光线耦合器p3反射投影光源光线，透射成像光源光线，第四光线耦合器p4反射成像光源光线，透射投影光源光线。第一望远镜t11，t12、第二望远镜t21，t22、第三望远镜t31，t32也可以采用其它任何合适的结构，第一光线耦合器p1、第二光线耦合器p2、第三光线耦合器p3、第四光线耦合器p4也可以采用其它任何合适的结构，

所述的成像光源组件1包括低相干光源11、光纤12、光纤准直器13，在本发明的具体实施例中，如图3所示，所述的低相干光源11优选可采用近红外超辐射发光二极管sld光源。所述的像差探测模块21主要包括哈特曼波前传感器211、透镜212和213、可变光阑214，所述的哈特曼波前传感器是由透镜阵列与传感器ccd或者cmos组成的，在本发明的具体实施例中，如图3所示，还包括平面镜215，其目的是用于改变光路方向。所述的像差校正模块22优选可采用可变形反射镜或者液晶空间光调制器。

如图3所示，所述的投影光源组件3可采用一种或者多种不同波长光源耦合而成，所述的投影光源组件3包括激光器31、光线准直器32、第五光线耦合器33，所述的激光器31可采用一种或者多种不同波长的激光器，优选可采用红色激光器、绿色激光器、蓝色激光器中1～3种不同颜色的激光器作为投影光源；所述光线准直器32可采用准直透镜，将激光器31发出的光束准直为大致平行的光束，所述的第五光线耦合器33可采用分色棱镜或者分束器或者二向色镜，将多种激光器发生的光线耦合在一起。

所述的扫描光路组件4包括横向扫描振镜41、横向振镜驱动器45、纵向扫描振镜42、纵向振镜驱动器46、球面反射镜43和44。所述的扫描振镜41和42分别位于球面反射镜43和44的焦点处，所述球面反射镜43和44位于所述横向扫描振镜41和纵向扫描振镜42之间，构成望远镜系统，连接两个扫描振镜41和42。所述的横向扫描振镜41可位于所述的纵向扫描振镜42的前面，也可位于所述的纵向扫描振镜42的后面。

如图3所示，所述的补偿镜组件5包括2个胶合透镜51、第一平面反射镜组52、第二平面反射镜组53、移动平台54，所述的两个胶合透镜优选采用相同的会聚胶合透镜，对称的放置在两端；所述的第一平面反射镜组52、第二平面反射镜组53一种方案可由两个平面反射镜组合而成，所述的两个平面反射镜间所成的夹角为90度，另一种优选方案可直接采用直角反射棱镜，所述的第一平面反射镜组52、第二平面反射镜组53平行放置，所述的第一平面反射镜组52放置在所述的两个胶合透镜之间，所述的第二平面反射镜组53安装在所述的移动平台54上，相对所述的平面反射镜组52作前后直线移动，通过改变所述的平面反射镜组52和53间的距离，从而达到改变两胶合透镜间的距离，以实现人为增加屈光度，补偿人眼屈光度的作用。具体补偿方法：所述的补偿镜组件5的初始状态为两胶合透镜焦点重合时，此时平行光进入补偿镜组件5，出来的光线也是为平行光，不产生任何的屈光度；当缩短两平面反射镜组52和53间的距离，平行光进入，出来的光线为发散光，可补偿近视眼；相反，当增加两平面反射镜组52和53间的距离，可补偿远视眼。根据牛顿成像公式，可得所述两平面反射镜组52和53间移动量为：

其中xd为人眼屈光度，近视为负，远视为正；f′为所述胶合透镜的焦距；移动量δ正负规定：缩短两平面反射镜组间距的方向为负，反之为正。

所述的成像探测组件6包括成像探测器61、针孔62、透镜63。所述的成像探测器61优选采用光电倍增管pmt，所述的针孔62可采用50～200微米的通孔，位于成像探测器61的前面，放置于透镜63的焦点处，滤除成像光线中的杂散光。

所述的投影扩角组件7采用望远镜系统，所述的望远镜系统可采用反射式望远镜或者透射式望远镜，所述的投影扩角组件7一种优选方案由两个球面反射镜71和72组成，所述的球面反射镜71与所述的球面反射镜t32共焦，以实现缩束及扩角作用，增大激光扫描幅度，从而增加投影视场角。对于自适应光学扫描激光眼底成像系统，即带有像差校正功能的激光扫描眼底成像系统，振镜扫描角度较小，视场角度为±1～2度，而一般投影角度为±10～20度，所以球面反射镜71和72焦距比可取为5～20。

所述的投影屏幕10可采用平面或者任意曲面的白屏，比如环境中现有的墙体，地面，天花板。

所述的系统还包括滤光片f，所述滤光片f设置在第一光线耦合器p1和第二光线耦合器p2之间，滤掉投影屏幕反射过来的可见光。

如下以人眼为例来说明本实施例的工作原理及过程：

1)根据人眼球面屈光度数，根据公式计算出补偿镜移动量，根据移动量调整好补偿镜状态；

2)低相干光源11通过光纤准直器13形成平行光，经薄膜分束器p1部分光束反射进入系统中，依次经过第一望远镜t11、t12(扩束或缩束)，像差校正模块22，第二望远镜t21、t22，第三光线耦合器p3后，透射光束进入横向扫描振镜41，经过横向扫描振镜41扫描后，光束变成线扫描光束，再依次经过球面反射镜43、44，纵向扫描振镜42，光束变成面扫描光束，面扫描光束经过第三望远镜t31、t32，第四光线耦合器p4后，反射光束进入补偿镜组件5中，通过之前设定好补偿镜状态，经过补偿镜组件5进入到人眼中。

所述的扫描过程具体如下：横向振镜驱动器驱动横向振镜作横向周期扫描，同时将产生的扫描时钟信号传递给扫描控制模块82，根据时序控制，控制纵向振镜42周期，将控制信号传递给纵向振镜驱动器，然后驱动纵向扫描振镜作纵向周期扫描，从而实现按一定纵向扫描周期的面扫描光束。

3)当人眼瞳孔面与系统出瞳面衔接时，面扫描平行光束经瞳孔会聚在视网膜面上，从视网膜面反射的光线按原路返回，进入第二光线耦合器p2，光束被分成两部分，其中一部分光线被透射，经透镜63、针孔62，进入到成像探测器61中，另一部分光线被反射，经透镜213、平面反射镜215，可变光阑214，透镜212，进入到哈特曼波前传感器211中。

4)哈特曼波前传感器211将收集到的点阵图像信息传递给计算机9，通过控制软件完成波前重构以及系统像差的计算，将波前像差信息传递给所述的像差校正模块22，并驱动像差校正模块22面型改变，实现系统像差校正，从而实现光学衍射极限成像。

5)同时，成像探测器61根据系统采样时钟采集到的图像信息发送给图像控制模块81，经图像控制模块81处理，将时序信号和图像信息发送给计算机9，通过上位机软件，实现图像二维重构，从而实现图像实时成像。

6)最后，将二维重构后的图像中每个像素点信息(包括强度、位置信息)，传递给投影光源控制模块83，然后投影光源控制模块83根据时序信号以及像素点信息，结合扫描振镜时序，控制激光器电流或者电压强度信息，将电流或电压强度信息发送给激光器31。

对于多种波长投影成像，步骤如下：将二维重构图像经过图像处理转成伪彩色图像，每个像素点信息(包括不同颜色强度、位置信息)，传递给投影光源控制模块83，然后投影光源控制模块83根据时序信号以及像素点信息，结合扫描振镜时序，同时控制多种波长激光器电流或者电压强度信息，将电流或电压强度信息发送给多种波长激光器31。

7)激光器31通过光线准直器32形成平行光，经第五光线耦合器33，将多种波长的激光光源耦合在一起，经第三光线耦合器p3反射进入系统中，依次经过横向扫描振镜41，球面反射镜43、44，纵向扫描振镜42，第三望远镜t31、t32，第四光线耦合器p4后，全部光束进入到投影子系统中，接着经球面反射镜71、72后，在投影屏幕10上进行二维扫描形成单色或者彩色图像。

重复上述步骤，即可以实现眼底高分辨率实时成像和投影。

综上，本发明的一种共焦激光扫描眼底成像与投影系统设计巧妙独特，将激光投影技术与激光扫描成像技术结合在一起，即满足检查者观察，也满足其他人员的观察与学习，并具有空间小、结构简单、环境要求低、携带方便、可在任意曲面进行投影等特点，适于大规模推广应用。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。