專利名稱：一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種視網膜光譜成像裝置，該裝置可以同時實現對眼底視網膜的多 通道同時測量。
背景技術：
視覺是人類最主要的信息來源，眼底視網膜是最主要的視覺通路。任何視網膜 的病變對于患者來說，都可能帶來巨大的生理、心理傷害。目前，我國是世界上盲和致 盲性病患最多的國家。同時由于若干全身性重大疾病(如心腦血管疾病、糖尿病、癌癥 等)都會直接影響眼底視網膜的正常功能，因此對于這些疾病的診斷來說，也需要對視 網膜進行精細的影像檢查。隨著對人眼視網膜在科研和臨床醫學上的研究深入，盡可能多的獲取視網膜不 同波段的光譜信息，已經逐漸成為一種趨勢。視網膜的多光譜信息來源很多如血管中 含氧血紅蛋白與還原血紅蛋白的吸收光譜、視網膜不同層次細胞的自發熒光光譜、外加 熒光素之后形成的激發熒光光譜等。較常用的技術基本都基于分光光度計的原理，并延伸出兩種方法(1)在成像 光路上利用不同中心波長濾光片的組合，實現對多光譜信息的同時分離，并結合多個光 電探測器的實現多光譜的同步成像。該方法結構簡單、穩定，但是需要采用多個光電探 測器，因此造價高昂，不適用于大規模推廣。(2)在成像光路上插入不同中心波長濾光 片，每次過濾出單一光譜信息的光束，或者利用不同波長的單色光源組織，再結合一個 探測器實現分時的光譜成像。該技術價格低廉，但是由于不同的光譜信息是采用分時的 方法獲取的，因此視網膜本身的生命活動變化，會極大的影響到測量結果。眼底相機由于其大視場、較高分辨率、簡單易操作的特性，已經成為視網 膜臨床檢查的標準設備。目前，肖功海等人在中國專利申請號(200910049110.6和 200910049105.5)中，提出在眼底相機的成像端采用“聲光可調諧濾波器、液晶可調諧濾 光片、光柵分光裝置、棱鏡分光裝置、傅里葉光譜儀”這五種分光譜方式中一種，“能 一次獲取受檢眼眼底的上百幅連續光譜圖像，每幅圖像對應一個光譜波段”。從上述 的專利描述中，可以知道該方法本質上也是對不同光譜實現分時圖像，而不是同步的成 像。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有眼底視網膜多光譜信息獲取技術在時間分 辨率與系統造價之間的矛盾，提供一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置，可以實現在單 個探測器上，同步獲取多個光譜通道的信息，而且造價低廉、適宜于工業化批量生產。本發明的技術解決方案是一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置利用商用視網 膜眼底相機的擴展光學接口，引入偏振干涉濾波器，利用偏振干涉濾波器在二維空間上 將視網膜的光譜信息一次性分離，并在后端采用一個光電探測器，在光電探測器的靶面上實現多通道光譜信息的同步采集，具體包括一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置，其 特征在于包括成第一像物鏡、分光鏡、光電探測器、視場光闌、準直物鏡、濾光片、 偏振干涉濾波器、第二成像物鏡和光電探測器；來自眼底視網膜的反射光束經過成像物 鏡之后，一部分透過分光鏡，在光電探測器上成像，該部分光路屬于眼底相機固有的成 像通道；另一部分光束被反射聚焦，并通過視場光闌控制成像視場；準直物鏡將這部分 光束準直為平行光束，平行光束通過濾光片之后，先濾出系統所需的那部分寬帶光譜； 所述含有寬帶光譜信息的平行光束，經過偏振干涉濾波器后，實現對寬帶光譜的進一步 分離，形成互補干擾的單色光束陣列；第二成像物鏡將這些單色光束陣列聚焦到光電探 測器的靶面上；這樣在第二光電探測器靶面的不同區域上，形成了相應單色光譜信號的 圖像，實現了對不同光譜信號的同步成像；所述偏振干涉濾波器包括起偏器、波片和渥拉斯頓棱鏡波片組合，入射光經偏 振片成為線偏光，線偏光再通過波片-渥拉斯頓棱鏡組合，在渥拉斯頓棱鏡處發生偏振 干涉，使得出射的O光，即尋常光與e光，即偏振態平行于波片快軸在空間上被分離，從 而實現對入射光束的光譜分離；通過η次的波片-渥拉斯頓棱鏡組合，可以實現對入射光 束光譜的進一步分離，形成2η個單色光束陣列，所述η大于等于1。本發明與現有技術主要優點在于(1)本發明在商用視網膜眼底相機的基礎上，通過在其擴展光學接口處引入偏 振干涉濾波器，利用偏振干涉濾波器在二維空間上將視網膜的光譜信息一次性分離，并 采用一個光電探測器實現多通道光譜信息的同步采集，在保證光譜信息的同步采集前提 下，降低了系統的整體成本，而且僅需要對商用眼底相機僅需要進行細微的修改，具有 較大的市場推廣前景。(2)本發明結構簡單、穩定，加工工藝易實現，安裝和調節較簡便，易實現批量
化生產。


圖1為商用眼底相機的示意圖；圖2為本發明所述的多通道視網膜光譜成像裝置結構示意圖；圖3為里奧濾波器的結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，為常用的日本尼康公司的NF-505系列眼底相機的基本光路結構 圖，在該設備的后端的成像端口用于安裝膠片式相機，實現對視網膜成像；其上部突 起的擴展口，可以轉接目鏡實現對視網膜的目視，而目前該端口經常被用于安裝數碼相 機，實現該款設備的數字化升級。大多數的眼底相機，都有類似的擴展端口。本發明在 該光路中引入分光鏡2，利用分離出的這部分光束實現多通道光譜成像，同時保留商用眼 底相機原有的成像功能。圖2所示是本發明的基于偏振干涉濾波器的多通道視網膜成像裝置結構示意 圖。來自眼底視網膜的反射光束，經過第一成像物鏡1之后，一部分透過分光鏡2，在第 一光電探測器3上成像，該部分光路屬于眼底相機固有的成像通道；另一部分光束被反
4射聚焦，并通過視場光闌4，視場光闌4的作用在于控制成像視場，使得偏振干涉濾波器 12所形成2n通道的光譜圖像能全部被第二成像物鏡13成像到第二光電探測器14上，而 不會形成圖像交叉；準直物鏡5將這部分光束準直為平行光束，通過濾光片6之后，先濾 出系統所需的那部分寬帶光譜；含有寬帶光譜信息的平行光束，經過偏振干涉濾波器12 后，實現對寬帶光譜的進一步分離，形成互補干擾的單色光束陣列；第二成像物鏡13將 這些單色光束陣列聚焦到第二光電探測器14的靶面上；這樣在第二光電探測器14靶面的 不同區域上，就形成了相應單色光譜信號的圖像，實現了對不同光譜信號的同步成像。從上述的光路描述中可以知道，偏振干涉濾波器12實現不同光譜的分離，是整 個實施方式的關鍵部分，下面將詳細描述其工作過程。如圖3所示是最基本的偏振干涉濾波器——里奧濾波(Lyot Filter)。當入射光經 過第一塊偏振片之后成為線偏光，經過快軸與入射偏振光成45°的波片后，再次通過偏 振軸與第一塊偏振片平行的第二塊偏振片；晶體光學的基本常識，可以知道在第二塊偏 振片處會產生偏振干涉，其透射光能為T1 = cos2[ 31 (n0-ne) d/ λ ](1)其中T1為透過第二塊偏振片的光能量；η。和A是波片中O光(尋常光)與e光 (偏振態平行于波片快軸)的折射率；d為波片的厚度；λ是入射光的波長。從公式(1) 可以看到，寬光譜光束通過偏振片-波片-偏振片組合后，被分離成不同光譜帶的明暗相 間的同心環。這樣，就通過偏振干涉的方式，實現了對不同波長光束的光譜分光。為了 進一步對光譜信號進行細分，可以讓出射光再次通過波片與偏振片組合(其中每塊波片 的厚度都是它前面波片厚度的2倍)，其透射光公式如下 T2 = cos2[ 31 (n0-ne) d/ λ ] X cos2[2 π (n0_ne) d/ λ ](2)從公式(2)而可以看到，出射光的光譜帶被進一步細分；這樣通過多次偏振 片-波片-偏振片組合，就可以實現非常細的光譜信號分離。本發明所用偏振干涉濾波片的基本原理和里奧濾波器類似，區別主要在于利用 渥拉斯頓棱鏡代替了圖3所示的里奧濾波器中的第二塊偏振片，其具體結構如圖2中的偏 振干涉濾光片12所示入射光經偏振片7成為線偏光，經過快軸與入射偏振光成45°的 波片8后，通過渥拉斯頓棱鏡9，分成ο光與e光。由于使用了渥拉斯頓棱鏡代替偏振 片，所以在渥拉斯頓棱鏡9處，會產生兩個偏振干涉信號，分別對應ο光和e光的偏振干 涉，其公式如下T0 = cos2[ π (n0-ne) d/ λ ](3)Te = sin2 [ π (n。_ne) d/ λ ](4)其中I；與Τ。為透過渥拉斯頓棱鏡9之后的光能量；η。和η。是波片中O光(尋常 光)與e光(偏振態平行于波片快軸)的折射率；d為波片的厚度；λ是入射光的波長。從公式(3)和⑷可以看到，當Τ。有為極大值時， ；為極小值時。所以假設Τ。 是極大值時的波長為λ ”則I；處的波長為λ /2。這樣就在渥拉斯頓棱鏡9的出射端形 成了兩個中心波長不同的光譜帶，同時由于渥拉斯頓棱鏡9又使得兩個光譜帶形成一定 的出射夾角，使得不同光譜分量的光束在空間上得以分離。為了進一步細分光譜，從渥拉斯頓棱鏡9出射的兩束光，再次通過下一組波 片-渥拉斯頓棱鏡組合(即波片10與渥拉斯頓棱鏡11)，這樣在渥拉斯頓棱鏡11棱鏡的出射端就可以形成4個偏振干涉光場T00 = COS2[ 31 (n0-ne) d/ λ ] X cos2[2 n (n0_ne) d/ λ ] (5)Tee = Sin2[ 31 (n0-ne) d/ λ ] X sin2[2 n (n0_nc) d/ λ ] (6)
Toe = cos2[ 31 (n0-ne) d/ λ ] X sin2[2 π (n0_ne) d/ λ ] (7)Teo = sin2[ π (n0_ne) d/ λ ] X cos2[2 π (n0_ne) d/ λ ] (8)從公式(5)、(6)、(7)、(8)可以推斷出，出射的4束偏振干涉光，具有不同的 中心波長；同時渥拉斯頓棱鏡11也使得這4束光，具有不同的空間夾角，這樣通過其后 的第二成像物鏡13，就可以在第二光電探測器14的靶面上，形成中心波長各不相同的4 個通道光譜圖像。當然為了進一步對光譜細分，還可以繼續級聯波片_渥拉斯頓棱鏡組合；通過η 次波片_渥拉斯頓棱鏡組合之后，最終的光電探測器靶面形成2η個通道的光譜圖像。但 是實際情況中，由于光電探測器的靶面不可能無限大，因此在本發明的實際實施中，在 圖2所示的結構示意圖中引入了濾光片6，先進行一次濾波，濾出所需要的寬帶光譜；然 后再通過偏振濾波器12，進行多通道的同步成像，這樣可以有效地減少波片-渥拉斯頓 棱鏡組合對數。同時通過控制視場光闌4的口徑，可以調節成像視場，使得多通道光譜 圖像在光電探測器14靶面不會互相交疊。本發明中的分光鏡2是分光棱鏡或分光平行平板；濾光片6為采用帶通型濾光 片、低通型濾光片或高通型濾光片；第一光電探測器3和第二光電探測器14是CCD相機 或CMOS相機。本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。
權利要求
1.一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置，其特征在于包括成第一成像物鏡(1)、分 光鏡(2)、第一光電探測器(3)、視場光闌(4)、準直物鏡(5)、濾光片(6)、偏振干涉濾 波器(12)、第二成像物鏡(13)和第二光電探測器(14)；來自眼底視網膜的反射光束經過 成像物鏡(1)之后，一部分透過分光鏡(2)，在第一光電探測器(3)上成像，該部分光路 屬于眼底相機固有的成像通道；另一部分光束被反射聚焦，并通過視場光闌(4)控制成 像視場；準直物鏡(5)將這部分光束準直為平行光束，平行光束通過濾光片(6)之后，先 濾出系統所需的那部分寬帶光譜；所述含有寬帶光譜信息的平行光束，經過偏振干涉濾 波器(12)后，實現對寬帶光譜的進一步分離，形成互補干擾的單色光束陣列；第二成像 物鏡(13)將這些單色光束陣列聚焦到第二光電探測器(14)的靶面上；這樣在第二光電探 測器(14)靶面的不同區域上，形成了相應單色光譜信號的圖像，實現了對不同光譜信號 的同步成像；所述偏振干涉濾波器(12)包括起偏器(7)、波片和渥拉斯頓棱鏡波片組合，入射光 經偏振片7成為線偏光，線偏光再通過波片-渥拉斯頓棱鏡組合，在渥拉斯頓棱鏡處發生 偏振干涉，使得出射的O光，即尋常光與e光，即偏振態平行于波片快軸在空間上被分 離，從而實現對入射光束的光譜分離；通過η次的波片-渥拉斯頓棱鏡組合，可以實現對 入射光束光譜的進一步分離，形成2η個單色光束陣列，所述η大于等于1。
2.根據權利要求1所述的一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置，其特征在于所述 分光鏡(2)是分光棱鏡或分光平行平板。
3.根據權利要求1所述的一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置，其特征在于所述 濾光片(6)為采用帶通型濾光片、低通型濾光片或高通型濾光片。
4.根據權利要求1所述的一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置，其特征在于所述 第一光電探測器⑶和第一光電探測器(14)采用CCD相機或CMOS相機。
全文摘要
一種多通道眼底視網膜光譜成像裝置是基于偏振干涉濾波器構建，其特征在于所述的多通道眼底視網膜成像裝置在商用視網膜眼底相機的基礎上，在其擴展光學接口處引入可調多通道光譜成像系統，實現對不同波長光束的分光成像；多通道光譜成像系統由視場光闌、準直物鏡、濾光片、偏振干涉濾波器、成像物鏡及光電探測器組成。本發明的主要特點是可以在保持原有商用眼底所有功能的基礎上，僅利用商用眼底相機的擴展光學接口，使其同時能夠實現多通道的光譜，從而為疾病的診斷提供更多的表征信息。該發明結構簡單、穩定，加工工藝易實現，安裝和調節較簡便，易實現批量化生產。
文檔編號A61B3/12GK102008287SQ201010535168
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月3日 優先權日2010年11月3日
發明者厲以宇, 呂帆, 王媛媛, 胡川 申請人:溫州醫學院