一种基于光瞳滤波器和暗场技术的超分辨共焦检眼镜

摘要

本发明公开了一种基于光瞳滤波器和暗场技术的超分辨共焦检眼镜，可以实时、精确得到活体人眼视网膜的超分辨以及暗场图像，包括信标和成像光源、光瞳滤波器、二维扫描振镜、哈特曼传感器、变形镜、滤光片、光电探测系统。信标光源校正人眼像差；成像光源得到人眼图像。根据瑞利判据用半高宽表征分辨率，在照明端加入二区型相位光瞳滤波器，针孔取艾里斑大小；在成像端或两端都加入滤波器时，针孔取1.5倍艾里斑，均能实现横向半高宽小于普通显微镜针孔取艾里斑时的衍射极限情况，从而实现超分辨得到超分辨图像。在此基础上，对艾里斑大小针孔平移一个艾里斑距离；对1.5倍艾里斑大小针孔进行中心遮拦或者线状遮拦，即可实现暗场成像。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对视网膜进行成像的医学成像诊断系统，具体涉及一种基于光瞳滤波器和暗场技术的超分辨共焦检眼镜。

背景技术

视网膜是位于人眼眼底的一层厚约300微米的膜，它包括神经纤维层、神经细胞层、血管层、视细胞层和黑色素上皮细胞层等多层结构。人眼视网膜是眼科诊断和治疗中不可或缺的重要信息，实时跟踪眼底视网膜的细节变化将有助于身体疾病的早期诊断和预防。

1987年，R.H.Webb将共焦扫描技术应用于活体人眼视网膜成像。由于活体人眼相当于一个光学系统，存在各种像差，导致视网膜成像的分辨率和对比度受到很大限制，无法在视细胞尺度上对眼底特征进行分辨。

自适应光学技术是70年代才发展起的新技术，原本是通过探测大气湍流对波前扰动造成的畸变进而对观测目标进行补偿矫正。1994年，Liang等人研制了一种基于artmann-Shack原理的适用于人眼的波前探测器。2001年，Murcia大学和Rochester大学研究小组先后在实验室内实现了眼底相机的动态像差闭环校正。2002年，Austin Roorda等人在Houston大学研制出第一台自适应光学共焦检眼镜。

暗场照明在傅里叶光学方面，是指去掉零阶光线留下其他光线，即去掉背景光从而得到显示细节的图像。通过对共焦显微镜的针孔进行调整，可以有多种实现暗场模式的方法。1982年，I.J.Cox提出将针孔平移一个艾里斑半径大小，即可得到目标的暗场图像。1998年，Akitoshi Yoshida通过对共焦针孔进行中心遮拦，在改造后的共焦显微镜中得到了暗场图像。

1952年，Toraldo首次将超分辨的概念引入光学，放置在光瞳的衍射器件将光场调制为某种特殊的分布，系统PSF的主瓣尺寸低于衍射极限，主瓣周围的只出现较低的旁瓣。共焦扫描成像系统中使用超分辨技术也由来已久，1996年，Min Gu提出在对高散射介质后的样品成像时，当针孔无法采用理想针孔大小，可以在照明端采用环形光瞳，同样能达到近于理想针孔的横向高分辨效果。2012年Yusufu和Alfredo Dubra等人在自适应共焦检眼镜的照明端和成像端光瞳上采用中心遮挡的方法，从而形成环形光瞳来实现人眼视网膜的超分辨成像。

这种方法的优点是操作比较简便，但是也存在着一些不足：

由于采用了中心遮挡的方式，所以光强会大大减小，无法得到信噪比很高的图像。每次只能得到一种滤波器条件下的超分辨图像，效率较低且不方便比较。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：普通的自适应共焦检眼镜，由于衍射极限的限制，PSF的横向半高宽不能进一步减小；由于每次只能得到一副图像且无法获取暗场图像，效率较低且无法得到视网膜的更多细节信息。针对这些不足，本发明将相位光瞳滤波器运用于自适应共焦检眼镜中，能够在减小较少的光强的情况下，有效地减小PSF的半高宽；对针孔进行调整，得到显示更多细节的暗场图像；采用两套光电探测系统，提高效率且方便对比。

本发明采用的技术方案是：一种基于光瞳滤波器和暗场技术的超分辨共焦检眼镜，包括信标光源、成像光源、照明端光瞳滤波器、二维扫描振镜、变形镜、第一滤光片、哈特曼传感器、第二滤光片、第一成像端相位型光瞳滤波器、第一针孔、第一光电倍增管、第二成像端相位型光瞳滤波器、第二针孔和第二光电倍增管，其中，

信标光源的光线经过二维扫描振镜和变形镜后到达人眼，反射后再经过变形镜、二维扫描振镜和第一滤光片到达哈特曼传感器，计算得到波前扰动，从而控制变形镜校正像差；

成像光源的光线经过照明端的光瞳滤波器、二维扫描振镜和变形镜后到达人眼，反射后经过变形镜、二维扫描振镜和第二滤光片，再分为两束光，经过第一成像端相位型光瞳滤波器或第二成像端相位型光瞳滤波器以及第一针孔或第二针孔后，分别在第一光电倍增管和第二光电倍增管得到两幅人眼图像，照明端滤波器分布函数用h₁(v，u)表示，成像端端滤波器分布函数均可用h₂(v，u)表示，其中任意一路的点扩散函数均可表示为可以通过点扩散函数得到横向半高宽来表征分辨率，其中，1、只在照明端加入照明端光瞳滤波器时，第一针孔或第二针孔半径取艾里斑大小；2、只加入第一成像端相位型光瞳滤波器和第一针孔取1.5倍艾里斑或只加入第二成像端相位型光瞳滤波器和第二针孔取1.5倍艾里斑；3、照明端加入照明端光瞳滤波器后，再加入第一成像端相位型光瞳滤波器和第一针孔取1.5倍艾里斑或者再加入第二成像端相位型光瞳滤波器和第二针孔取1.5倍艾里斑；三种情况均能使横向半高宽小于普通显微镜针孔取艾里斑大小时的衍射极限情况，从而实现超分辨得到超分辨图像，在此基础上，对艾里斑大小针孔平移一个艾里斑距离，对1.5倍艾里斑大小针孔进行中心遮拦或者线状遮拦，即可实现暗场成像。

进一步的，第一滤光片只让信标光线通过，从而探测人眼像差；第二滤光片只让成像光线通过，从而得到人眼视网膜图像。

进一步的，信标光源、人眼和哈特曼传感器组成独立光路，不受加入光瞳滤波器和暗场技术的影响，从而保证实时探测并校正人眼像差，提高图像分辨率和对比度。

进一步的，超分辨效果和图像光强与照明端光瞳滤波器和第一成像端相位型光瞳滤波器、第二成像端相位型光瞳滤波器的相对半径相关，在相对半径小于0.4的情况下，半径越大超分辨效果越好，但是图像光强越低。

进一步的，第一成像端相位型光瞳滤波器、第一针孔、第一光电倍增管和第二成像端相位型光瞳滤波器、第二针孔、第二光电倍增管分别构成两套光电探测系统，保证了可以同时得到视网膜的超分辨图像和暗场图像。

本发明与现有技术相比具有的优点是：

1、本发明拥有更好的超分辨能力，能有效地降低横向点扩散函数的半高宽，提高高频分量的强度，得到人眼视网膜的更多细节图像。

2、本发明对于信号光强和信噪比的影响很小，成像端的光瞳滤波器采用二区型相位滤波器，随着针孔的增大，可得到原信号90％以上的光强信号。

3、本发明中的光瞳滤波器和针孔变化只影响成像光线的传播，对于信标光路没有影响，所以可以实时探测并校正人眼像差。

4、本发明有两套光电探测系统，能够同时获得超分辨和暗场图像。

附图说明

图1为基于光瞳滤波器和暗场技术的超分辨共焦检眼镜结构示意图；图1中1为信标光源，2为成像光源，3为照明端光瞳滤波器，4为二维扫描振镜，5为变形镜，6为人眼，7为第一滤光片，8为哈特曼波前传感器，9为第二滤光片，10为第一成像端相位型光瞳滤波器，11为第一针孔，12为第一光电倍增管，13为第二成像端相位型光瞳滤波器，14为第二针孔，15为第二光电倍增管。

图2为超分辨性能指标示意图；图2中r_s为超分辨的PSF在焦面上的主瓣半径，r_L为衍射极限的半径，I_s为超分辨PSF的中心强度，I_L为衍射极限PSF的中心强度，I_M为超分辨PSF的最高旁瓣强度。

图3为两端加入不同半径的相位型光瞳滤波器后，系统的横向PSF的半高宽随针孔大小变化的图像；图3中p为滤波器相对半径。

图4为平移针孔实现暗场成像的示意图。

图5为针孔中心遮挡实现暗场成像的原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明一种基于光瞳滤波器和暗场技术的超分辨共焦检眼镜，由信标光源1、成像光源2、照明端光瞳滤波器3、二维扫描振镜4、变形镜5、第一滤光片7、哈特曼传感器8、第二滤光片9、第一成像端相位型光瞳滤波器10、第一针孔11、第一光电倍增管12、第二成像端相位型光瞳滤波器13、第二针孔14、第二光电倍增管15组成。

本实例的超分辨光学共焦检眼镜工作过程如下：

信标光源1的光线经过二维扫描振镜4和变形镜5后到达人眼6，反射后再经过变形镜5、二维扫描振镜4和第一滤光片7到达哈特曼传感器8，计算得到波前扰动，从而控制变形镜5校正像差；

成像光源2的光线经过照明端的光瞳滤波器3、二维扫描振镜4和变形镜5后到达人眼6、反射后再经过变形镜5、二维扫描振镜4和第二滤光片9，再分为两束光，经过第一成像端相位型光瞳滤波器10或第二成像端相位型光瞳滤波器13以及第一针孔11或第二针孔14后，分别在第一光电倍增管12和第二光电倍增管15得到两幅人眼图像。

如图2所示，光瞳超分辨滤波器将光场调制为某种特殊的分布，则成像系统的PSF可以在焦面上预先指定的位置产生零强度点，使得主瓣的尺寸低于衍射极限，主瓣周围的有限区域内只出现较低的旁瓣。

加入二区型相位光瞳滤波器后的光瞳函数为：

其中，自变量ρ为半径取值，滤波器中心小圆取值为p，两区的相位差为

当取值为π时，参数G＝r_L/r_s增大最快，

共焦检眼镜的针孔为圆形，将其函数为：

其中v_d为针孔半径。

将光瞳滤波器加入共焦检眼镜后，最终得到的点扩散函数的公式为：

$h_c(v,u)=\left|h_1(v,u){|}^2\right|h_2(v,u){|}^2{\otimes }_{3}D\left(v\right)---\left(3\right)$

其中，

$h_1(v,u)={\int }_0^1{P}_1\left(\rho \right)\exp (-\frac{{\mathrm{iu\rho }}^2}{2})J_0\left(v\rho \right)\rho d\rho ---\left(4\right)$

$h_2(v,u)={\int }_0^{b/a}{P}_2\left(\rho \right)\exp (-\frac{{\mathrm{iu\rho }}^2}{2})J_0\left(v\rho \right)\rho d\rho ---\left(5\right)$

$v=\frac{2\pi }{\lambda }\left(\frac{a}{f}\right)\sqrt{x^2+y^2},u=\frac{2\pi }{\lambda }{\left(\frac{a}{f}\right)}^{2}z---\left(6\right)$

其中，h₁(v，u)和h₂(v，u)分别为加入相位型光瞳滤波器后的照明端和成像端的光瞳分布函数。P₁(ρ)和P₂(ρ)分别为照明端和成像端的滤波器函数，v和u分别表征横向和轴向坐标，x、y和z分别为三个方向的坐标。

将其带入原式，此时我们可以得到系统PSF的横向分布函数，轴向分布函数以及光强的函数的表达式。

横向分布：

$I\left(v\right)=\left|h_1(v,0){|}^2\right[2\pi {\int }_0^{v_d-v}|h_2(t,0){|}^{2}tdt+2{\int }_{v_d-v}^{v_d+v}|h_2(t,0){|}^2\arccos \left(\frac{t^2+v^2-{v_d}^2}{2tv}\right)tdt],v<v_d$

$I\left(v\right)=2\left|h_1(v,u){|}^2\right[{\int }_{v-v_d}^{v_d+v}\left|h_2(t,0){|}^2\arccos \left(\frac{t^2+v^2-{v_d}^2}{2tv}\right)tdt\right],v>v_d---\left(7\right)$

轴向分布：

$I\left(u\right)=\left|h_1(0,u){|}^2\right[2\pi {\int }_0^{v_d}\left|h_2(t,u){|}^{2}tdt\right]---\left(8\right)$

零点光强：

$I(0,0)=\left|h_1(0,0){|}^2\right[2\pi {\int }_0^{v_d}\left|h_2(t,0){|}^{2}tdt\right]---\left(9\right)$

其中，h₁(v，u)和h₂(v，u)分别为加入相位型光瞳滤波器后的照明端和成像端的光瞳分布函数，v和u分别表征横向和轴向坐标，v_d为针孔半径。

根据瑞利判据可以得到半高宽来表征分辨率。

由此可以得到加入相位型光瞳滤波器后，PSF的半高宽随针孔半径变化的图像。以两端均加入相位滤波器为例，如图3，加入滤波器后，PSF横向半高宽都有了一定程度的减小，半径越大的滤波器造成的改变越大。

结果显示，在照明端加入二区相位滤波器时，针孔半径取艾里斑大小；在成像端加入滤波器或两端同时加入滤波器时，针孔取1.5倍艾里斑，三种情况均能使横向半高宽小于普通显微镜针孔取艾里斑大小时的衍射极限情况，实现超分辨从而得到超分辨图像。

在图像中，高频分量对应着图像的细节，人眼的细节对于疾病的预防、诊断和治疗都有着非常重要的作用，而通过暗场图像能够得到视网膜中细节。

对针孔进行改造，去掉零阶背景光，即可以得到暗场图像。

一种方法是将艾里斑大小的针孔平移，如图4所示。此时零阶光的强度与平移距离的关系表达式为：

$c\left(0\right)=2\frac{I_1\left(2\bar{v}\right)}{2\bar{v}}---\left(9\right)$

其中，为针孔的平移距离，J₁为一阶贝塞尔函数；

当取3.83即艾里斑的半径时，零阶光强变为为0，可得到暗场图像。

另一种方法是对共焦针孔进行中心遮拦或者线状遮拦，如图5所示。这样可以挡住直接反射光，只得到多次散射光，从而得到暗场图像。

所以对艾里斑大小针孔平移一个艾里斑距离，对1.5倍艾里斑大小针孔进行中心遮拦或者线状遮拦，即可实现暗场成像。

这样就能实现基于光瞳滤波器和暗场技术的超分辨共焦检眼镜。