專利名稱：一種基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法
一種基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法技術領域
本發明屬于應用光學中的多光譜成像技術，為一種基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法，可廣泛用于生物醫學的眼科檢查。
背景技術：
光學共焦掃描技術在成像方面的成功應用，突破了傳統光學成像的瓶頸，能夠獲得高分辨率成像，使得共焦掃描成像技術應用于光學檢測的各個方面。隨著共焦技術的發展，已經得到推廣應用的有點掃描共焦成像方法和線掃描共焦成像方法。點掃描共焦成像需要二維掃描點光束照明整個視場，同時采用弱光電探測器(如光電倍增管)進行探測成像，該方法掃描控制難度大，成像幀頻低，探測靈敏度低等缺點。線掃描共焦成像只需要一維掃描線光束照明整個視場，采用線探測器進行探測成像，該方法掃描控制容易，探測靈敏度高，成像幀頻高，較之于前方法更具優勢。但由于它們都是采用單一的單波段激光器作為光源，只能得到單一波長的成像圖樣，對于檢測物體的光譜特性研究則需要多次更換不同波長進行多次成像，這就使其應用受限。
近些年出現的成像光譜技術將光譜分析技術與二維成像技術有機地結合在一起， 不僅能對物體進行二維形態成像，同時還能提供豐富的光譜信息。由于光譜圖像數據中每一像元含有與被測物理組分有關的光譜信息，能直接反映出目標的物理光譜特征，從而揭示各種目標的存在狀況和物質成分，使得從空間上直接識別目標成為可能。由于其具有光譜分辨率高、波段多、圖像與光譜相結合等優點，因此在遙感系統的空間與地球的探測，在生物醫學的活體組織的成分與病變的檢查，軍事目標偵查探測，食品安全檢測等方面都有著廣泛的應用。
目前多光譜成像技術中多采用寬帶光源的發散光束聚焦成點狀照射樣品，然后通過分光系統利用色散特性將從樣品反射或透射回的成像光束分開為序列譜線，最后通過對序列譜線進行同時探測以實現對同一樣品同時的多光譜成像。采用點照射的方式，需要掃描光點以實現整個樣品視場的照明，或移動樣品照明，這都需要二維精確控制，移動部件多，控制難度大，并且成像速度慢。發明內容
本發明的目的在于補償上述現有兩種技術的不足之處，更好地滿足多光譜成像技術的要求，同時增強對線掃描共焦成像技術的應用范圍，而尋找一種把成像光譜技術和線掃描共焦技術相結合，以形成基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像方法，并提供一種實現這種方法的系統。
本發明基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統，包括線光束生成模塊、分光模塊、掃描模塊、成像模塊和輸出模塊，其特征在于，
線光束生成模塊包括光源，所述光源可以是單波段點光源組、或寬帶點光源；
成像模塊包括探測裝置，所述探測裝置可以是線探測器組、或面探測器。
所述光源為單波段點光源組時，線光束生成模塊還包括光纖耦合器、準直透鏡和柱面透鏡，單波段點光源組的出射光束經光纖耦合器耦合成單束光后，單光束依次經準直透鏡準直和柱面透鏡變換為線光束；所述光源為寬帶點光源時，線光束生成模塊還包括準直透鏡和柱面透鏡，寬帶點光源的出射光束依次經準直透鏡準直和柱面透鏡變換為線光束；所述線光束生成模塊用于將光源輸出的發散光束生成一維線光束，線光束生成模塊與分光模塊相連；
所述分光模塊，為寬帶分光平片或寬帶分光棱鏡，用于將線光束生成模塊產生的一維線光束一部分直接透射到達掃描模塊，和將從掃描模塊反射回的成像光束進行偏轉出射到達成像模塊；
所述掃描模塊，利用分光模塊直接出射的線光束對人眼眼底視網膜進行掃描照明，和對從眼底視網膜反射的成像光束同步反射至分光模塊，它由掃描振鏡和照明物鏡組構成，分光模塊直接出射的一維線光束依次經過所述掃描振鏡和照明物鏡組由掃描振鏡掃描照明眼底視網膜，從眼底視網膜反射回的成像光束依次經過照明物鏡組和掃描振鏡同步反射到達分光模塊；
所述成像模塊，用于將分光模塊偏轉出射的成像光束光強信號轉換成電信號，并傳輸給輸出模塊，成像模塊由成像物鏡、柱面透鏡、共焦狹縫、光柵和探測裝置構成，分光模塊偏轉出射的成像光束依次經過成像物鏡、柱面透鏡、共焦狹縫和光柵，到達探測裝置，所述共焦狹縫與眼底視網膜平面共軛；
所述輸出模塊，由圖像采集卡和輸出設備構成，圖像采集卡將成像模塊輸出的電信號轉換成圖像信號，并通過輸出設備輸出。
所述光源為激光光源、或發光二極管、或超輻射發光二極管；
所述探測裝置為線探測器組時，線探測器為線陣電荷耦合器件、或線陣互補金屬氧化物半導體陣列、或線陣光電二極管陣列；所述探測裝置為面探測器時，面探測器為面陣電荷耦合器件、或面陣互補金屬氧化物半導體陣列、或面陣光電二極管陣列。
所述光纖偶合器為N*1型偶合器，N代表點光源組輸出光束數目；
所述準直透鏡為消色差透鏡，用于將發散光束準直為平行光束；
所述柱面透鏡用于將準直透鏡輸出的平行光束變換為一維線光束；
所述掃描振鏡為反射式高精度掃描振鏡；
照明物鏡組為兩片透鏡組成的縮束子系統；
所述光柵為衍射光柵、或全息光柵；
所述輸出設備為計算機。
本發明基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像方法，其特征在于實現步驟如下
步驟1，線光束生成模塊生成包含多個波長的單束線光束；
步驟2，所述包含多個波長的單束線光束通過分光模塊后一部分直接透射到達掃描模塊；
步驟3，掃描模塊將分光模塊直接出射的線光束通過掃描振鏡和照明物鏡組對人眼眼底視網膜進行掃描照明，并將從眼底視網膜反射的成像光束同步反射至分光模塊；
步驟4，分光模塊將從掃描模塊反射回的成像光束進行偏轉出射到達成像模塊。
步驟5，成像模塊將分光模塊偏轉出射的成像光束光強信號轉換成電信號，并傳輸給輸出模塊；
步驟6，輸出模塊中的圖像采集卡將成像模塊輸出的電信號轉換成圖像信號，并通過輸出設備輸出。
所述光源為單波段點光源組時，所述步驟1包括，
步驟111，單波段點光源組出射的多個發散光束經光纖耦合器耦合，輸出為包含有多個波長的單光束；
步驟112，準直透鏡將包含有多個波長的單光束準直為平行光束；
步驟113，平行光束經柱面透鏡變換為線光束。
所述光源為寬帶點光源時，所述步驟1包括，
步驟121，寬帶點光源出射的發散光束經準直透鏡后，準直為平行光束；
步驟122，平行光束經柱面透鏡變換為線光束。
所述步驟5包括，
步驟51，成像物鏡和柱面透鏡將分光模塊偏轉出射的成像光束聚焦成線狀，然后到達光柵；
步驟52，線光束經光柵衍射成分離的各級單波長線光束；
步驟53，分離的各級單波長線光束到達探測裝置，探測裝置將光強信號轉換成電信號。
所述步驟6包括，
步驟61，圖像采集卡將探測裝置輸出的電信號轉換成圖像信號；
步驟62，輸出設備接收所述圖像信號，進行顯示，處理，存儲并打印。
本發明與現有的多光譜成像技術相比，有如下優勢
1、本發明的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法，包含多個波段的線光束經掃描照明眼底視網膜，通過光柵分光，對各個波段同時進行探測成像，能夠獲取視網膜組織的多光譜信息。
2、本發明基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法，共焦狹縫和眼底視網膜共軛，排除了非視網膜共軛面雜散光對成像質量的影響，實現了共焦成像原理的高分辨率。
3、本發明基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法，掃描光束和成像光束均為線狀，僅使用一面掃描振鏡掃描光束即能照明眼底視網膜視場，活動部件少，控制精度高，并且掃描振鏡與線探測器時鐘同步簡便，圖像構造速度快，圖像幀頻高，實時性能好。


圖1為本發明基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法結構圖。
圖2為本發明具體實施例一基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法結構圖。
圖3為本發明具體實施例一基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法光路示意圖。
圖4為本發明具體實施例二基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統結構圖。
圖5為本發明具體實施例二基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法光路示意圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例并結合附圖為本發明作進一步詳細的說明。
實施例一
如圖2所示，為本發明具體實施例一基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法結構圖，包括線光束生成模塊1、分光模塊2、掃描模塊3、成像模塊5以及輸出模塊6。
線光束生成模塊1與分光模塊2相連，由單波段點光源組100、光纖耦合器110、準直透鏡120和柱面透鏡130構成，用于將單波段點光源組100的多個波長發散光束生成一維線光束，單波段點光源組100發出的光束經光纖耦合器110耦合成單束光，該單束光通過準直透鏡120準直后輸出平行光束，柱面透鏡130將準直透鏡120輸出的平行光束變換為一維線光束輸出到分光模塊2。
分光模塊2為寬帶分光平片或寬帶分光棱鏡，用于將線光束生成模塊1產生的一維線光束一部分直接透射到達掃描模塊3，和將從掃描模塊3反射回的成像光束進行偏轉出射到達成像模塊5。
掃描模塊3由掃描振鏡300和照明物鏡組310構成，用于利用分光模塊2直接出射的線光束對眼底視網膜4進行掃描照明，和對從眼底視網膜4反射的成像光束同步反射至分光模塊2。分光模塊2直接出射的線光束依次經過掃描振鏡300和照明物鏡組310由掃描振鏡掃描照明人眼視網膜4，從人眼視網膜4反射的成像光束依次經過照明物鏡組310 和掃描振鏡300同步反射至分光模塊2。
成像模塊5，由成像物鏡500、柱面透鏡510、共焦狹縫520、光柵530和探測裝置 540構成，用于將分光模塊2偏轉出射的成像光束光強信號轉換成電信號，并傳輸給輸出模塊6。分光模塊2偏轉出射的成像光束依次經過成像物鏡500、柱面透鏡510、共焦狹縫520 和光柵530，到達探測裝置M0。共焦狹縫520與人眼視網膜4平面共軛，共焦狹縫520能排除非人眼視網膜4平面的雜散光進入探測裝置M0，從而實現共焦成像原理的高分辨率。
輸出模塊6，由圖像采集卡600和輸出設備610構成，圖像采集卡600將成像模塊 5輸出的電信號轉換成圖像信號，并通過輸出設備610輸出。
如圖3所示，為本發明具體實施例一基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法光路示意圖，表征性地畫出了三條光束，所有元件均沿主光軸排列，通光口徑等高同心，光束均沿系統主光軸傳播，圖中均為示意性質，不表示真實的光學設計參數。
單波段點光源組由多個單波段點光源組成，點光源數目和波段可任意選取，任意組合。
點光源為激光光源、或發光二極管、或超輻射發光二極管，本實施例中采用的是激光光源。
光纖耦合器為N*1型偶合器，N代表點光源組輸出光束數目。
準直透鏡為消色差透鏡，焦距為50mm。
柱面透鏡采用普通型平凸柱鏡，其焦距為100mm。
分光鏡為寬帶分光平片、或寬帶分光棱鏡，本實施例中采用寬帶分光棱鏡。
掃描振鏡為反射式高精度掃描振鏡，本實施例中采用CT公司的model 6210H型號產品，有效面寬為10mm。
照明物鏡組為兩片透鏡組成的縮束子系統，本實施例中采用兩個焦距分別為 IOOmm和50mm的雙膠合透鏡組成縮束子系統。
成像物鏡7采用一個透鏡，其焦距為140mm。
共焦狹縫為可調狹縫，本實施例中采用北京卓立漢光的APAS80-1A，其位置與眼底視網膜平面共軛。
光柵為衍射光柵、或全息光柵，本實施例中采用Thorlabs的寬帶衍射光柵，線對數為300每毫米。
線探測器為線陣電荷耦合器件、或線陣互補金屬氧化物半導體陣列、或線陣光電二極管陣列，本實施例中采用e2v公司的線陣CCD，線像素為1024，像元尺寸為 14 μ mX14 μ m。
實施例二
如圖4所示，為本發明具體實施例二基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法結構圖，包括線光束生成模塊1、分光模塊2、掃描模塊3、成像模塊5以及輸出模塊6。
線光束生成模塊1與分光模塊2相連，由寬帶點光源100、準直透鏡110和柱面透鏡120構成，用于將寬帶點光源100的多個波長發散光束生成一維線光束。寬帶點光源100 發出的發散光束通過準直透鏡110準直后輸出平行光束，柱面透鏡120將準直透鏡110輸出的平行光束變換為一維線光束輸出到分光模塊2。
分光模塊2為寬帶分光平片或寬帶分光棱鏡，用于將線光束生成模塊1產生的一維線光束一部分直接透射到達掃描模塊3，和將從掃描模塊3反射回的成像光束進行偏轉出射到達成像模塊5。
掃描模塊3由掃描振鏡300和照明物鏡組310構成，用于利用分光模塊2直接出射的線光束對眼底視網膜4進行掃描照明，和對從眼底視網膜4反射的成像光束同步反射至分光模塊2。分光模塊2直接出射的線光束依次經過掃描振鏡300和照明物鏡組310由掃描振鏡掃描照明人眼視網膜4，從人眼視網膜4反射的成像光束依次經過照明物鏡組310 和掃描振鏡300同步反射至分光模塊2。
成像模塊5，由成像物鏡500、柱面透鏡510、共焦狹縫520、光柵530和探測裝置 540構成，用于將分光模塊2偏轉出射的成像光束光強信號轉換成電信號，并傳輸給輸出模塊6。分光模塊2偏轉出射的成像光束依次經過成像物鏡500、柱面透鏡510、共焦狹縫520 和光柵530，到達探測裝置M0。共焦狹縫520與眼底視網膜4平面共軛，共焦狹縫520能排除非眼底視網膜4平面的雜散光進入探測裝置M0，從而實現共焦成像原理的高分辨率。
輸出模塊6，由圖像采集卡600和輸出設備610構成，圖像采集卡600將成像模塊 5輸出的電信號轉換成圖像信號，并通過輸出設備610輸出。
如圖5所示，為本發明具體實施例一基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法光路示意圖，表征性地畫出了三條光束，所有元件均沿主光軸排列，通光口徑等高同心，光束均沿系統主光軸傳播，圖中均為示意性質，不表示真實的光學設計參數。
寬帶點光源為激光光源、或發光二極管、或超輻射發光二極管，本實施例中采用的是激光光源。
準直透鏡為消色差透鏡，焦距為50mm。
柱面透鏡采用普通型平凸柱鏡，其焦距為100mm。
分光鏡為寬帶分光平片、或寬帶分光棱鏡，本實施例中采用寬帶分光棱鏡。
掃描振鏡為反射式高精度掃描振鏡，本實施例中采用CT公司的model6210H型號產品，有效面寬為10mm。
照明物鏡組為兩片透鏡組成的縮束子系統，本實施例中采用兩個焦距分別為 IOOmm和50mm的雙膠合透鏡組成縮束子系統。
成像物鏡7采用一個透鏡，其焦距為140mm。
共焦狹縫為可調狹縫，本實施例中采用北京卓立漢光的APAS80-1A，其位置與眼底視網膜平面共軛。
光柵為衍射光柵、或全息光柵，本實施例中采用Thorlabs的寬帶衍射光柵，線對數為300每毫米。
線探測器為線陣電荷耦合器件、或線陣互補金屬氧化物半導體陣列、或線陣光電二極管陣列，本實施例中采用e2v公司的線陣CCD，線像素為1024，像元尺寸為 14 μ mX 14 μ m。
本發明并不局限與上述實例，本領域一般技術人員可以根據本發明公開的內容采用多種實施方式實現本發明。
權利要求
1.一種基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統，包括線光束生成模塊、分光模塊、掃描模塊、成像模塊和輸出模塊，其特征在于線光束生成模塊包括光源，所述光源是單波段點光源組或寬帶點光源； 成像模塊包括探測裝置，所述探測裝置是線探測器組或面探測器。
2.根據權利要求1所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統，其特征在于 所述光源為單波段點光源組時，線光束生成模塊還包括光纖耦合器、準直透鏡和柱面透鏡，單波段點光源組的出射光束經光纖耦合器耦合成單束光后，單光束依次經準直透鏡準直和柱面透鏡變換為線光束；所述光源為寬帶點光源時，線光束生成模塊還包括準直透鏡和柱面透鏡，寬帶點光源的出射光束依次經準直透鏡準直和柱面透鏡變換為線光束；所述線光束生成模塊用于將光源輸出的發散光束生成一維線光束，線光束生成模塊與分光模塊相連。
3.根據權利要求1所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統，其特征在于所述分光模塊，為寬帶分光平片或寬帶分光棱鏡，用于將線光束生成模塊產生的一維線光束一部分直接透射到達掃描模塊，和將從掃描模塊反射回的成像光束進行偏轉出射到達成像模塊；所述掃描模塊，利用分光模塊直接出射的線光束對人眼眼底視網膜進行掃描照明，和對從眼底視網膜反射的成像光束同步反射至分光模塊，它由掃描振鏡和照明物鏡組構成， 分光模塊直接出射的一維線光束依次經過所述掃描振鏡和照明物鏡組由掃描振鏡掃描照明眼底視網膜，從眼底視網膜反射回的成像光束依次經過照明物鏡組和掃描振鏡同步反射到達分光模塊；所述成像模塊，用于將分光模塊偏轉出射的成像光束光強信號轉換成電信號，并傳輸給輸出模塊，它由成像物鏡、柱面透鏡、共焦狹縫、光柵和探測裝置構成，分光模塊偏轉出射的成像光束依次經過成像物鏡、柱面透鏡、光柵和共焦狹縫，到達探測裝置；所述輸出模塊，由圖像采集卡和輸出設備構成，圖像采集卡將成像模塊輸出的電信號轉換成圖像信號，并通過輸出設備輸出。
4.根據權利要求1所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統，其特征在于 所述光源為激光光源、或發光二極管、或超輻射發光二極管；所述探測裝置為線探測器組時，線探測器為線陣電荷耦合器件、或線陣互補金屬氧化物半導體陣列、或線陣光電二極管陣列；所述探測裝置為面探測器時，面探測器為面陣電荷耦合器件、或面陣互補金屬氧化物半導體陣列、或面陣光電二極管陣列。
5.根據權利要求1、2或3所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統，其特征在于所述光纖偶合器為N*1型偶合器，N代表點光源組輸出光束數目； 所述準直透鏡為消色差透鏡，用于將發散光束準直為平行光束； 所述柱面透鏡用于將準直透鏡輸出的平行光束變換為一維線光束； 所述掃描振鏡為反射式高精度掃描振鏡； 照明物鏡組為兩片透鏡組成的縮束子系統； 所述光柵為衍射光柵、或全息光柵；所述輸出設備為計算機。
6.根據權利要求1和3所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統，其特征在于 所述共焦狹縫與眼底視網膜平面共軛。
7.一種基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像方法，其特征在于包括 步驟1，線光束生成模塊生成包含多個波長的單束線光束；步驟2，所述包含多個波長的單束線光束通過分光模塊后一部分直接透射到達掃描模塊；步驟3，掃描模塊將分光模塊直接出射的線光束通過掃描振鏡和照明物鏡組對人眼眼底視網膜進行掃描照明，并將從眼底視網膜反射的成像光束同步反射至分光模塊； 步驟4，分光模塊將從掃描模塊反射回的成像光束進行偏轉出射到達成像模塊； 步驟5，成像模塊將分光模塊偏轉出射的成像光束光強信號轉換成電信號，并傳輸給輸出模塊；步驟6，輸出模塊中的圖像采集卡將成像模塊輸出的電信號轉換成圖像信號，并通過輸出設備輸出。
8.根據權利要求7所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像方法，其特征在于 所述光源為單波段點光源組時，所述步驟1包括步驟111，單波段點光源組出射的多個發散光束經光纖耦合器耦合，輸出為包含有多個波長的單光束；步驟112，準直透鏡將包含有多個波長的單光束準直為平行光束； 步驟113，平行光束經柱面透鏡變換為線光束。 所述光源為寬帶點光源時，所述步驟1包括步驟121，寬帶點光源出射的發散光束經準直透鏡后，準直為平行光束； 步驟122，平行光束經柱面透鏡變換為線光束。
9.根據權利要求7所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像方法，其特征在于所述步驟5包括步驟51，成像物鏡和柱面透鏡將分光模塊偏轉出射的成像光束聚焦成線狀，然后到達光柵；步驟52，線光束經光柵衍射成分離的各級單波長線光束；步驟53，分離的各級單波長線光束到達探測裝置，探測裝置將光強信號轉換成電信號。
10.根據權利要求7所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像方法，其特征在于所述步驟6包括步驟61，圖像采集卡將探測裝置輸出的電信號轉換成圖像信號； 步驟62，輸出設備接收所述圖像信號，進行顯示，處理，存儲并打印。
11.根據權利要求6所述的基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像方法，其特征在于 所述光源為激光光源、或發光二極管、或超輻射發光二極管；所述探測裝置為線探測器組時，線探測器為線陣電荷耦合器件、或線陣互補金屬氧化物半導體陣列、或線陣光電二極管陣列；所述探測裝置為面探測器時，面探測器為面陣電荷耦合器件、或面陣互補金屬氧化物半導體陣列、或面陣光電二極管陣列； 所述光纖偶合器為N*1型偶合器，N代表點光源組輸出光束數目；所述準直透鏡為消色差透鏡，用于將發散光束準直為平行光束；所述柱面透鏡用于將準直透鏡輸出的平行光束變換為一維線光束；所述掃描振鏡為反射式高精度掃描振鏡；照明物鏡組為兩片透鏡組成的縮束子系統；所述光柵為衍射光柵、或全息光柵；所述輸出設備為計算機。
全文摘要
本發明為一種基于線掃描的眼底視網膜多光譜成像系統和方法，本發明把多光譜成像技術應用于線掃描共焦成像技術中，用含有多個波長的線光束經掃描照明眼底視網膜，同時使用光柵對眼底視網膜反射回的線光束進行分光，分離后的序列光譜由探測裝置進行探測成像。本發明能獲得多個波長同時照明眼底視網膜的多光譜圖像，對于眼底視網膜信息量較單波長成像可成倍增加，并且采用線光束共焦掃描的方式，具有成像幀頻快、分辨率高、系統簡便等優點。
文檔編號A61B3/12GK102499635SQ20111032813
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者何益, 史國華, 張雨東 申請人:中國科學院光電技術研究所