專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多通道眼底視網(wǎng)膜光譜成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種視網(wǎng)膜光譜成像裝置，該裝置可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)眼底視網(wǎng)膜的多 通道同時(shí)測(cè)量。
背景技術(shù)：
視覺(jué)是人類(lèi)最主要的信息來(lái)源，眼底視網(wǎng)膜是最主要的視覺(jué)通路。任何視網(wǎng)膜 的病變對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，都可能帶來(lái)巨大的生理、心理傷害。目前，我國(guó)是世界上盲和致 盲性病患最多的國(guó)家。同時(shí)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(huì)直接影響眼底視網(wǎng)膜的正常功能，因此對(duì)于這些疾病的診斷來(lái)說(shuō)，也需要對(duì)視 網(wǎng)膜進(jìn)行精細(xì)的影像檢查。隨著對(duì)人眼視網(wǎng)膜在科研和臨床醫(yī)學(xué)上的研究深入，盡可能多的獲取視網(wǎng)膜不 同波段的光譜信息，已經(jīng)逐漸成為一種趨勢(shì)。視網(wǎng)膜的多光譜信息來(lái)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(wǎng)膜不同層次細(xì)胞的自發(fā)熒光光譜、外加 熒光素之后形成的激發(fā)熒光光譜等。較常用的技術(shù)基本都基于分光光度計(jì)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(zhǎng)濾光片的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)多光譜信息的同時(shí)分離，并結(jié)合多個(gè)光 電探測(cè)器的實(shí)現(xiàn)多光譜的同步成像。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，但是需要采用多個(gè)光電探 測(cè)器，因此造價(jià)高昂，不適用于大規(guī)模推廣。(2)在成像光路上插入不同中心波長(zhǎng)濾光 片，每次過(guò)濾出單一光譜信息的光束，或者利用不同波長(zhǎng)的單色光源組織，再結(jié)合一個(gè) 探測(cè)器實(shí)現(xiàn)分時(shí)的光譜成像。該技術(shù)價(jià)格低廉，但是由于不同的光譜信息是采用分時(shí)的 方法獲取的，因此視網(wǎng)膜本身的生命活動(dòng)變化，會(huì)極大的影響到測(cè)量結(jié)果。眼底相機(jī)由于其大視場(chǎng)、較高分辨率、簡(jiǎn)單易操作的特性，已經(jīng)成為視網(wǎng) 膜臨床檢查的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。目前，肖功海等人在中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?200910049110.6和 200910049105.5)中，提出在眼底相機(jī)的成像端采用“聲光可調(diào)諧濾波器、液晶可調(diào)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(xù)光譜圖像，每幅圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜波段”。從上述 的專(zhuān)利描述中，可以知道該方法本質(zhì)上也是對(duì)不同光譜實(shí)現(xiàn)分時(shí)圖像，而不是同步的成 像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有眼底視網(wǎng)膜多光譜信息獲取技術(shù)在時(shí)間分 辨率與系統(tǒng)造價(jià)之間的矛盾，提供一種多通道眼底視網(wǎng)膜光譜成像裝置，可以實(shí)現(xiàn)在單 個(gè)探測(cè)器上，同步獲取多個(gè)光譜通道的信息，而且造價(jià)低廉、適宜于工業(yè)化批量生產(chǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種多通道眼底視網(wǎng)膜光譜成像裝置利用商用視網(wǎng) 膜眼底相機(jī)的擴(kuò)展光學(xué)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(wǎng)膜的光譜信息一次性分離，并在后端采用一個(gè)光電探測(cè)器，在光電探測(cè)器的靶面上實(shí)現(xiàn)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(wǎng)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(cè)器、視場(chǎng)光闌、準(zhǔn)直物鏡、濾光片、 偏振干涉濾波器、第二成像物鏡和光電探測(cè)器；來(lái)自眼底視網(wǎng)膜的反射光束經(jīng)過(guò)成像物 鏡之后，一部分透過(guò)分光鏡，在光電探測(cè)器上成像，該部分光路屬于眼底相機(jī)固有的成 像通道；另一部分光束被反射聚焦，并通過(guò)視場(chǎng)光闌控制成像視場(chǎng)；準(zhǔn)直物鏡將這部分 光束準(zhǔn)直為平行光束，平行光束通過(guò)濾光片之后，先濾出系統(tǒng)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(jīng)過(guò)偏振干涉濾波器后，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶光譜的進(jìn)一步 分離，形成互補(bǔ)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(cè)器的靶面上；這樣在第二光電探測(cè)器靶面的不同區(qū)域上，形成了相應(yīng)單色光譜信號(hào)的 圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同光譜信號(hào)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(jīng)偏 振片成為線偏光，線偏光再通過(guò)波片-渥拉斯頓棱鏡組合，在渥拉斯頓棱鏡處發(fā)生偏振 干涉，使得出射的O光，即尋常光與e光，即偏振態(tài)平行于波片快軸在空間上被分離，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的光譜分離；通過(guò)η次的波片-渥拉斯頓棱鏡組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光 束光譜的進(jìn)一步分離，形成2η個(gè)單色光束陣列，所述η大于等于1。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明在商用視網(wǎng)膜眼底相機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在其擴(kuò)展光學(xué)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(wǎng)膜的光譜信息一次性分離，并 采用一個(gè)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的整體成本，而且僅需要對(duì)商用眼底相機(jī)僅需要進(jìn)行細(xì)微的修改，具有 較大的市場(chǎng)推廣前景。(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，加工工藝易實(shí)現(xiàn)，安裝和調(diào)節(jié)較簡(jiǎn)便，易實(shí)現(xiàn)批量
化生產(chǎn)。


圖1為商用眼底相機(jī)的示意圖；圖2為本發(fā)明所述的多通道視網(wǎng)膜光譜成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為里奧濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)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(jī)的基本光路結(jié)構(gòu) 圖，在該設(shè)備的后端的成像端口用于安裝膠片式相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視網(wǎng)膜成像；其上部突 起的擴(kuò)展口，可以轉(zhuǎn)接目鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)視網(wǎng)膜的目視，而目前該端口經(jīng)常被用于安裝數(shù)碼相 機(jī)，實(shí)現(xiàn)該款設(shè)備的數(shù)字化升級(jí)。大多數(shù)的眼底相機(jī)，都有類(lèi)似的擴(kuò)展端口。本發(fā)明在 該光路中引入分光鏡2，利用分離出的這部分光束實(shí)現(xiàn)多通道光譜成像，同時(shí)保留商用眼 底相機(jī)原有的成像功能。圖2所示是本發(fā)明的基于偏振干涉濾波器的多通道視網(wǎng)膜成像裝置結(jié)構(gòu)示意 圖。來(lái)自眼底視網(wǎng)膜的反射光束，經(jīng)過(guò)第一成像物鏡1之后，一部分透過(guò)分光鏡2，在第 一光電探測(cè)器3上成像，該部分光路屬于眼底相機(jī)固有的成像通道；另一部分光束被反
4射聚焦，并通過(guò)視場(chǎng)光闌4，視場(chǎng)光闌4的作用在于控制成像視場(chǎng)，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(cè)器14上，而 不會(huì)形成圖像交叉；準(zhǔn)直物鏡5將這部分光束準(zhǔn)直為平行光束，通過(guò)濾光片6之后，先濾 出系統(tǒng)所需的那部分寬帶光譜；含有寬帶光譜信息的平行光束，經(jīng)過(guò)偏振干涉濾波器12 后，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶光譜的進(jìn)一步分離，形成互補(bǔ)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(cè)器14的靶面上；這樣在第二光電探測(cè)器14靶面的 不同區(qū)域上，就形成了相應(yīng)單色光譜信號(hào)的圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同光譜信號(hào)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(shí)現(xiàn)不同光譜的分離，是整 個(gè)實(shí)施方式的關(guān)鍵部分，下面將詳細(xì)描述其工作過(guò)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(dāng)入射光經(jīng) 過(guò)第一塊偏振片之后成為線偏光，經(jīng)過(guò)快軸與入射偏振光成45°的波片后，再次通過(guò)偏 振軸與第一塊偏振片平行的第二塊偏振片；晶體光學(xué)的基本常識(shí)，可以知道在第二塊偏 振片處會(huì)產(chǎn)生偏振干涉，其透射光能為T(mén)1 = cos2[ 31 (n0-ne) d/ λ ](1)其中T1為透過(guò)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(tài)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(zhǎng)。從公式(1) 可以看到，寬光譜光束通過(guò)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(huán)。這樣，就通過(guò)偏振干涉的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同波長(zhǎng)光束的光譜分光。為了 進(jìn)一步對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，可以讓出射光再次通過(guò)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(jìn)一步細(xì)分；這樣通過(guò)多次偏振 片-波片-偏振片組合，就可以實(shí)現(xiàn)非常細(xì)的光譜信號(hào)分離。本發(fā)明所用偏振干涉濾波片的基本原理和里奧濾波器類(lèi)似，區(qū)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(jié)構(gòu)如圖2中的偏 振干涉濾光片12所示入射光經(jīng)偏振片7成為線偏光，經(jīng)過(guò)快軸與入射偏振光成45°的 波片8后，通過(guò)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(huì)產(chǎn)生兩個(gè)偏振干涉信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)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(guò)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(tài)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(zhǎng)。從公式(3)和⑷可以看到，當(dāng)Τ。有為極大值時(shí)， ；為極小值時(shí)。所以假設(shè)Τ。 是極大值時(shí)的波長(zhǎng)為λ ”則I；處的波長(zhǎng)為λ /2。這樣就在渥拉斯頓棱鏡9的出射端形 成了兩個(gè)中心波長(zhǎng)不同的光譜帶，同時(shí)由于渥拉斯頓棱鏡9又使得兩個(gè)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(jìn)一步細(xì)分光譜，從渥拉斯頓棱鏡9出射的兩束光，再次通過(guò)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(gè)偏振干涉光場(chǎng)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(zhǎng)；同時(shí)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(guò)其后 的第二成像物鏡13，就可以在第二光電探測(cè)器14的靶面上，形成中心波長(zhǎng)各不相同的4 個(gè)通道光譜圖像。當(dāng)然為了進(jìn)一步對(duì)光譜細(xì)分，還可以繼續(xù)級(jí)聯(lián)波片_渥拉斯頓棱鏡組合；通過(guò)η 次波片_渥拉斯頓棱鏡組合之后，最終的光電探測(cè)器靶面形成2η個(gè)通道的光譜圖像。但 是實(shí)際情況中，由于光電探測(cè)器的靶面不可能無(wú)限大，因此在本發(fā)明的實(shí)際實(shí)施中，在 圖2所示的結(jié)構(gòu)示意圖中引入了濾光片6，先進(jìn)行一次濾波，濾出所需要的寬帶光譜；然 后再通過(guò)偏振濾波器12，進(jìn)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(duì)數(shù)。同時(shí)通過(guò)控制視場(chǎng)光闌4的口徑，可以調(diào)節(jié)成像視場(chǎng)，使得多通道光譜 圖像在光電探測(cè)器14靶面不會(huì)互相交疊。本發(fā)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(cè)器3和第二光電探測(cè)器14是CCD相機(jī) 或CMOS相機(jī)。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種多通道眼底視網(wǎng)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(cè)器(3)、視場(chǎng)光闌(4)、準(zhǔn)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(cè)器(14)；來(lái)自眼底視網(wǎng)膜的反射光束經(jīng)過(guò) 成像物鏡(1)之后，一部分透過(guò)分光鏡(2)，在第一光電探測(cè)器(3)上成像，該部分光路 屬于眼底相機(jī)固有的成像通道；另一部分光束被反射聚焦，并通過(guò)視場(chǎng)光闌(4)控制成 像視場(chǎng)；準(zhǔn)直物鏡(5)將這部分光束準(zhǔn)直為平行光束，平行光束通過(guò)濾光片(6)之后，先 濾出系統(tǒng)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(jīng)過(guò)偏振干涉濾 波器(12)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶光譜的進(jìn)一步分離，形成互補(bǔ)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(cè)器(14)的靶面上；這樣在第二光電探 測(cè)器(14)靶面的不同區(qū)域上，形成了相應(yīng)單色光譜信號(hào)的圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同光譜信號(hào) 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(jīng)偏振片7成為線偏光，線偏光再通過(guò)波片-渥拉斯頓棱鏡組合，在渥拉斯頓棱鏡處發(fā)生 偏振干涉，使得出射的O光，即尋常光與e光，即偏振態(tài)平行于波片快軸在空間上被分 離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的光譜分離；通過(guò)η次的波片-渥拉斯頓棱鏡組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 入射光束光譜的進(jìn)一步分離，形成2η個(gè)單色光束陣列，所述η大于等于1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道眼底視網(wǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道眼底視網(wǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道眼底視網(wǎng)膜光譜成像裝置，其特征在于所述 第一光電探測(cè)器⑶和第一光電探測(cè)器(14)采用CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)。
全文摘要
一種多通道眼底視網(wǎng)膜光譜成像裝置是基于偏振干涉濾波器構(gòu)建，其特征在于所述的多通道眼底視網(wǎng)膜成像裝置在商用視網(wǎng)膜眼底相機(jī)的基礎(chǔ)上，在其擴(kuò)展光學(xué)接口處引入可調(diào)多通道光譜成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光束的分光成像；多通道光譜成像系統(tǒng)由視場(chǎng)光闌、準(zhǔn)直物鏡、濾光片、偏振干涉濾波器、成像物鏡及光電探測(cè)器組成。本發(fā)明的主要特點(diǎn)是可以在保持原有商用眼底所有功能的基礎(chǔ)上，僅利用商用眼底相機(jī)的擴(kuò)展光學(xué)接口，使其同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，加工工藝易實(shí)現(xiàn)，安裝和調(diào)節(jié)較簡(jiǎn)便，易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)A61B3/12GK102008287SQ201010535168
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者厲以宇, 呂帆, 王媛媛, 胡川 申請(qǐng)人:溫州醫(yī)學(xué)院