专利名称：一种基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法
一种基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法技术领域
本发明属于应用光学中的多光谱成像技术，为一种基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法，可广泛用于生物医学的眼科检查。
背景技术：
光学共焦扫描技术在成像方面的成功应用，突破了传统光学成像的瓶颈，能够获得高分辨率成像，使得共焦扫描成像技术应用于光学检测的各个方面。随着共焦技术的发展，已经得到推广应用的有点扫描共焦成像方法和线扫描共焦成像方法。点扫描共焦成像需要二维扫描点光束照明整个视场，同时采用弱光电探测器(如光电倍增管)进行探测成像，该方法扫描控制难度大，成像帧频低，探测灵敏度低等缺点。线扫描共焦成像只需要一维扫描线光束照明整个视场，采用线探测器进行探测成像，该方法扫描控制容易，探测灵敏度高，成像帧频高，较之于前方法更具优势。但由于它们都是采用单一的单波段激光器作为光源，只能得到单一波长的成像图样，对于检测物体的光谱特性研究则需要多次更换不同波长进行多次成像，这就使其应用受限。
近些年出现的成像光谱技术将光谱分析技术与二维成像技术有机地结合在一起， 不仅能对物体进行二维形态成像，同时还能提供丰富的光谱信息。由于光谱图像数据中每一像元含有与被测物理组分有关的光谱信息，能直接反映出目标的物理光谱特征，从而揭示各种目标的存在状况和物质成分，使得从空间上直接识别目标成为可能。由于其具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，因此在遥感系统的空间与地球的探测，在生物医学的活体组织的成分与病变的检查，军事目标侦查探测，食品安全检测等方面都有着广泛的应用。
目前多光谱成像技术中多采用宽带光源的发散光束聚焦成点状照射样品，然后通过分光系统利用色散特性将从样品反射或透射回的成像光束分开为序列谱线，最后通过对序列谱线进行同时探测以实现对同一样品同时的多光谱成像。采用点照射的方式，需要扫描光点以实现整个样品视场的照明，或移动样品照明，这都需要二维精确控制，移动部件多，控制难度大，并且成像速度慢。发明内容
本发明的目的在于补偿上述现有两种技术的不足之处，更好地满足多光谱成像技术的要求，同时增强对线扫描共焦成像技术的应用范围，而寻找一种把成像光谱技术和线扫描共焦技术相结合，以形成基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像方法，并提供一种实现这种方法的系统。
本发明基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统，包括线光束生成模块、分光模块、扫描模块、成像模块和输出模块，其特征在于，
线光束生成模块包括光源，所述光源可以是单波段点光源组、或宽带点光源；
成像模块包括探测装置，所述探测装置可以是线探测器组、或面探测器。
所述光源为单波段点光源组时，线光束生成模块还包括光纤耦合器、准直透镜和柱面透镜，单波段点光源组的出射光束经光纤耦合器耦合成单束光后，单光束依次经准直透镜准直和柱面透镜变换为线光束；所述光源为宽带点光源时，线光束生成模块还包括准直透镜和柱面透镜，宽带点光源的出射光束依次经准直透镜准直和柱面透镜变换为线光束；所述线光束生成模块用于将光源输出的发散光束生成一维线光束，线光束生成模块与分光模块相连；
所述分光模块，为宽带分光平片或宽带分光棱镜，用于将线光束生成模块产生的一维线光束一部分直接透射到达扫描模块，和将从扫描模块反射回的成像光束进行偏转出射到达成像模块；
所述扫描模块，利用分光模块直接出射的线光束对人眼眼底视网膜进行扫描照明，和对从眼底视网膜反射的成像光束同步反射至分光模块，它由扫描振镜和照明物镜组构成，分光模块直接出射的一维线光束依次经过所述扫描振镜和照明物镜组由扫描振镜扫描照明眼底视网膜，从眼底视网膜反射回的成像光束依次经过照明物镜组和扫描振镜同步反射到达分光模块；
所述成像模块，用于将分光模块偏转出射的成像光束光强信号转换成电信号，并传输给输出模块，成像模块由成像物镜、柱面透镜、共焦狭缝、光栅和探测装置构成，分光模块偏转出射的成像光束依次经过成像物镜、柱面透镜、共焦狭缝和光栅，到达探测装置，所述共焦狭缝与眼底视网膜平面共轭；
所述输出模块，由图像采集卡和输出设备构成，图像采集卡将成像模块输出的电信号转换成图像信号，并通过输出设备输出。
所述光源为激光光源、或发光二极管、或超辐射发光二极管；
所述探测装置为线探测器组时，线探测器为线阵电荷耦合器件、或线阵互补金属氧化物半导体阵列、或线阵光电二极管阵列；所述探测装置为面探测器时，面探测器为面阵电荷耦合器件、或面阵互补金属氧化物半导体阵列、或面阵光电二极管阵列。
所述光纤偶合器为N*1型偶合器，N代表点光源组输出光束数目；
所述准直透镜为消色差透镜，用于将发散光束准直为平行光束；
所述柱面透镜用于将准直透镜输出的平行光束变换为一维线光束；
所述扫描振镜为反射式高精度扫描振镜；
照明物镜组为两片透镜组成的缩束子系统；
所述光栅为衍射光栅、或全息光栅；
所述输出设备为计算机。
本发明基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像方法，其特征在于实现步骤如下
步骤1，线光束生成模块生成包含多个波长的单束线光束；
步骤2，所述包含多个波长的单束线光束通过分光模块后一部分直接透射到达扫描模块；
步骤3，扫描模块将分光模块直接出射的线光束通过扫描振镜和照明物镜组对人眼眼底视网膜进行扫描照明，并将从眼底视网膜反射的成像光束同步反射至分光模块；
步骤4，分光模块将从扫描模块反射回的成像光束进行偏转出射到达成像模块。
步骤5，成像模块将分光模块偏转出射的成像光束光强信号转换成电信号，并传输给输出模块；
步骤6，输出模块中的图像采集卡将成像模块输出的电信号转换成图像信号，并通过输出设备输出。
所述光源为单波段点光源组时，所述步骤1包括，
步骤111，单波段点光源组出射的多个发散光束经光纤耦合器耦合，输出为包含有多个波长的单光束；
步骤112，准直透镜将包含有多个波长的单光束准直为平行光束；
步骤113，平行光束经柱面透镜变换为线光束。
所述光源为宽带点光源时，所述步骤1包括，
步骤121，宽带点光源出射的发散光束经准直透镜后，准直为平行光束；
步骤122，平行光束经柱面透镜变换为线光束。
所述步骤5包括，
步骤51，成像物镜和柱面透镜将分光模块偏转出射的成像光束聚焦成线状，然后到达光栅；
步骤52，线光束经光栅衍射成分离的各级单波长线光束；
步骤53，分离的各级单波长线光束到达探测装置，探测装置将光强信号转换成电信号。
所述步骤6包括，
步骤61，图像采集卡将探测装置输出的电信号转换成图像信号；
步骤62，输出设备接收所述图像信号，进行显示，处理，存储并打印。
本发明与现有的多光谱成像技术相比，有如下优势
1、本发明的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法，包含多个波段的线光束经扫描照明眼底视网膜，通过光栅分光，对各个波段同时进行探测成像，能够获取视网膜组织的多光谱信息。
2、本发明基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法，共焦狭缝和眼底视网膜共轭，排除了非视网膜共轭面杂散光对成像质量的影响，实现了共焦成像原理的高分辨率。
3、本发明基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法，扫描光束和成像光束均为线状，仅使用一面扫描振镜扫描光束即能照明眼底视网膜视场，活动部件少，控制精度高，并且扫描振镜与线探测器时钟同步简便，图像构造速度快，图像帧频高，实时性能好。


图1为本发明基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法结构图。
图2为本发明具体实施例一基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法结构图。
图3为本发明具体实施例一基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法光路示意图。
图4为本发明具体实施例二基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统结构图。
图5为本发明具体实施例二基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法光路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图为本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图2所示，为本发明具体实施例一基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法结构图，包括线光束生成模块1、分光模块2、扫描模块3、成像模块5以及输出模块6。
线光束生成模块1与分光模块2相连，由单波段点光源组100、光纤耦合器110、准直透镜120和柱面透镜130构成，用于将单波段点光源组100的多个波长发散光束生成一维线光束，单波段点光源组100发出的光束经光纤耦合器110耦合成单束光，该单束光通过准直透镜120准直后输出平行光束，柱面透镜130将准直透镜120输出的平行光束变换为一维线光束输出到分光模块2。
分光模块2为宽带分光平片或宽带分光棱镜，用于将线光束生成模块1产生的一维线光束一部分直接透射到达扫描模块3，和将从扫描模块3反射回的成像光束进行偏转出射到达成像模块5。
扫描模块3由扫描振镜300和照明物镜组310构成，用于利用分光模块2直接出射的线光束对眼底视网膜4进行扫描照明，和对从眼底视网膜4反射的成像光束同步反射至分光模块2。分光模块2直接出射的线光束依次经过扫描振镜300和照明物镜组310由扫描振镜扫描照明人眼视网膜4，从人眼视网膜4反射的成像光束依次经过照明物镜组310 和扫描振镜300同步反射至分光模块2。
成像模块5，由成像物镜500、柱面透镜510、共焦狭缝520、光栅530和探测装置 540构成，用于将分光模块2偏转出射的成像光束光强信号转换成电信号，并传输给输出模块6。分光模块2偏转出射的成像光束依次经过成像物镜500、柱面透镜510、共焦狭缝520 和光栅530，到达探测装置M0。共焦狭缝520与人眼视网膜4平面共轭，共焦狭缝520能排除非人眼视网膜4平面的杂散光进入探测装置M0，从而实现共焦成像原理的高分辨率。
输出模块6，由图像采集卡600和输出设备610构成，图像采集卡600将成像模块 5输出的电信号转换成图像信号，并通过输出设备610输出。
如图3所示，为本发明具体实施例一基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法光路示意图，表征性地画出了三条光束，所有元件均沿主光轴排列，通光口径等高同心，光束均沿系统主光轴传播，图中均为示意性质，不表示真实的光学设计参数。
单波段点光源组由多个单波段点光源组成，点光源数目和波段可任意选取，任意组合。
点光源为激光光源、或发光二极管、或超辐射发光二极管，本实施例中采用的是激光光源。
光纤耦合器为N*1型偶合器，N代表点光源组输出光束数目。
准直透镜为消色差透镜，焦距为50mm。
柱面透镜采用普通型平凸柱镜，其焦距为100mm。
分光镜为宽带分光平片、或宽带分光棱镜，本实施例中采用宽带分光棱镜。
扫描振镜为反射式高精度扫描振镜，本实施例中采用CT公司的model 6210H型号产品，有效面宽为10mm。
照明物镜组为两片透镜组成的缩束子系统，本实施例中采用两个焦距分别为 IOOmm和50mm的双胶合透镜组成缩束子系统。
成像物镜7采用一个透镜，其焦距为140mm。
共焦狭缝为可调狭缝，本实施例中采用北京卓立汉光的APAS80-1A，其位置与眼底视网膜平面共轭。
光栅为衍射光栅、或全息光栅，本实施例中采用Thorlabs的宽带衍射光栅，线对数为300每毫米。
线探测器为线阵电荷耦合器件、或线阵互补金属氧化物半导体阵列、或线阵光电二极管阵列，本实施例中采用e2v公司的线阵CCD，线像素为1024，像元尺寸为 14 μ mX14 μ m。
实施例二
如图4所示，为本发明具体实施例二基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法结构图，包括线光束生成模块1、分光模块2、扫描模块3、成像模块5以及输出模块6。
线光束生成模块1与分光模块2相连，由宽带点光源100、准直透镜110和柱面透镜120构成，用于将宽带点光源100的多个波长发散光束生成一维线光束。宽带点光源100 发出的发散光束通过准直透镜110准直后输出平行光束，柱面透镜120将准直透镜110输出的平行光束变换为一维线光束输出到分光模块2。
分光模块2为宽带分光平片或宽带分光棱镜，用于将线光束生成模块1产生的一维线光束一部分直接透射到达扫描模块3，和将从扫描模块3反射回的成像光束进行偏转出射到达成像模块5。
扫描模块3由扫描振镜300和照明物镜组310构成，用于利用分光模块2直接出射的线光束对眼底视网膜4进行扫描照明，和对从眼底视网膜4反射的成像光束同步反射至分光模块2。分光模块2直接出射的线光束依次经过扫描振镜300和照明物镜组310由扫描振镜扫描照明人眼视网膜4，从人眼视网膜4反射的成像光束依次经过照明物镜组310 和扫描振镜300同步反射至分光模块2。
成像模块5，由成像物镜500、柱面透镜510、共焦狭缝520、光栅530和探测装置 540构成，用于将分光模块2偏转出射的成像光束光强信号转换成电信号，并传输给输出模块6。分光模块2偏转出射的成像光束依次经过成像物镜500、柱面透镜510、共焦狭缝520 和光栅530，到达探测装置M0。共焦狭缝520与眼底视网膜4平面共轭，共焦狭缝520能排除非眼底视网膜4平面的杂散光进入探测装置M0，从而实现共焦成像原理的高分辨率。
输出模块6，由图像采集卡600和输出设备610构成，图像采集卡600将成像模块 5输出的电信号转换成图像信号，并通过输出设备610输出。
如图5所示，为本发明具体实施例一基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法光路示意图，表征性地画出了三条光束，所有元件均沿主光轴排列，通光口径等高同心，光束均沿系统主光轴传播，图中均为示意性质，不表示真实的光学设计参数。
宽带点光源为激光光源、或发光二极管、或超辐射发光二极管，本实施例中采用的是激光光源。
准直透镜为消色差透镜，焦距为50mm。
柱面透镜采用普通型平凸柱镜，其焦距为100mm。
分光镜为宽带分光平片、或宽带分光棱镜，本实施例中采用宽带分光棱镜。
扫描振镜为反射式高精度扫描振镜，本实施例中采用CT公司的model6210H型号产品，有效面宽为10mm。
照明物镜组为两片透镜组成的缩束子系统，本实施例中采用两个焦距分别为 IOOmm和50mm的双胶合透镜组成缩束子系统。
成像物镜7采用一个透镜，其焦距为140mm。
共焦狭缝为可调狭缝，本实施例中采用北京卓立汉光的APAS80-1A，其位置与眼底视网膜平面共轭。
光栅为衍射光栅、或全息光栅，本实施例中采用Thorlabs的宽带衍射光栅，线对数为300每毫米。
线探测器为线阵电荷耦合器件、或线阵互补金属氧化物半导体阵列、或线阵光电二极管阵列，本实施例中采用e2v公司的线阵CCD，线像素为1024，像元尺寸为 14 μ mX 14 μ m。
本发明并不局限与上述实例，本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容采用多种实施方式实现本发明。
权利要求
1.一种基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统，包括线光束生成模块、分光模块、扫描模块、成像模块和输出模块，其特征在于线光束生成模块包括光源，所述光源是单波段点光源组或宽带点光源； 成像模块包括探测装置，所述探测装置是线探测器组或面探测器。
2.根据权利要求1所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统，其特征在于 所述光源为单波段点光源组时，线光束生成模块还包括光纤耦合器、准直透镜和柱面透镜，单波段点光源组的出射光束经光纤耦合器耦合成单束光后，单光束依次经准直透镜准直和柱面透镜变换为线光束；所述光源为宽带点光源时，线光束生成模块还包括准直透镜和柱面透镜，宽带点光源的出射光束依次经准直透镜准直和柱面透镜变换为线光束；所述线光束生成模块用于将光源输出的发散光束生成一维线光束，线光束生成模块与分光模块相连。
3.根据权利要求1所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统，其特征在于所述分光模块，为宽带分光平片或宽带分光棱镜，用于将线光束生成模块产生的一维线光束一部分直接透射到达扫描模块，和将从扫描模块反射回的成像光束进行偏转出射到达成像模块；所述扫描模块，利用分光模块直接出射的线光束对人眼眼底视网膜进行扫描照明，和对从眼底视网膜反射的成像光束同步反射至分光模块，它由扫描振镜和照明物镜组构成， 分光模块直接出射的一维线光束依次经过所述扫描振镜和照明物镜组由扫描振镜扫描照明眼底视网膜，从眼底视网膜反射回的成像光束依次经过照明物镜组和扫描振镜同步反射到达分光模块；所述成像模块，用于将分光模块偏转出射的成像光束光强信号转换成电信号，并传输给输出模块，它由成像物镜、柱面透镜、共焦狭缝、光栅和探测装置构成，分光模块偏转出射的成像光束依次经过成像物镜、柱面透镜、光栅和共焦狭缝，到达探测装置；所述输出模块，由图像采集卡和输出设备构成，图像采集卡将成像模块输出的电信号转换成图像信号，并通过输出设备输出。
4.根据权利要求1所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统，其特征在于 所述光源为激光光源、或发光二极管、或超辐射发光二极管；所述探测装置为线探测器组时，线探测器为线阵电荷耦合器件、或线阵互补金属氧化物半导体阵列、或线阵光电二极管阵列；所述探测装置为面探测器时，面探测器为面阵电荷耦合器件、或面阵互补金属氧化物半导体阵列、或面阵光电二极管阵列。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统，其特征在于所述光纤偶合器为N*1型偶合器，N代表点光源组输出光束数目； 所述准直透镜为消色差透镜，用于将发散光束准直为平行光束； 所述柱面透镜用于将准直透镜输出的平行光束变换为一维线光束； 所述扫描振镜为反射式高精度扫描振镜； 照明物镜组为两片透镜组成的缩束子系统； 所述光栅为衍射光栅、或全息光栅；所述输出设备为计算机。
6.根据权利要求1和3所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统，其特征在于 所述共焦狭缝与眼底视网膜平面共轭。
7.一种基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像方法，其特征在于包括 步骤1，线光束生成模块生成包含多个波长的单束线光束；步骤2，所述包含多个波长的单束线光束通过分光模块后一部分直接透射到达扫描模块；步骤3，扫描模块将分光模块直接出射的线光束通过扫描振镜和照明物镜组对人眼眼底视网膜进行扫描照明，并将从眼底视网膜反射的成像光束同步反射至分光模块； 步骤4，分光模块将从扫描模块反射回的成像光束进行偏转出射到达成像模块； 步骤5，成像模块将分光模块偏转出射的成像光束光强信号转换成电信号，并传输给输出模块；步骤6，输出模块中的图像采集卡将成像模块输出的电信号转换成图像信号，并通过输出设备输出。
8.根据权利要求7所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像方法，其特征在于 所述光源为单波段点光源组时，所述步骤1包括步骤111，单波段点光源组出射的多个发散光束经光纤耦合器耦合，输出为包含有多个波长的单光束；步骤112，准直透镜将包含有多个波长的单光束准直为平行光束； 步骤113，平行光束经柱面透镜变换为线光束。 所述光源为宽带点光源时，所述步骤1包括步骤121，宽带点光源出射的发散光束经准直透镜后，准直为平行光束； 步骤122，平行光束经柱面透镜变换为线光束。
9.根据权利要求7所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像方法，其特征在于所述步骤5包括步骤51，成像物镜和柱面透镜将分光模块偏转出射的成像光束聚焦成线状，然后到达光栅；步骤52，线光束经光栅衍射成分离的各级单波长线光束；步骤53，分离的各级单波长线光束到达探测装置，探测装置将光强信号转换成电信号。
10.根据权利要求7所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像方法，其特征在于所述步骤6包括步骤61，图像采集卡将探测装置输出的电信号转换成图像信号； 步骤62，输出设备接收所述图像信号，进行显示，处理，存储并打印。
11.根据权利要求6所述的基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像方法，其特征在于 所述光源为激光光源、或发光二极管、或超辐射发光二极管；所述探测装置为线探测器组时，线探测器为线阵电荷耦合器件、或线阵互补金属氧化物半导体阵列、或线阵光电二极管阵列；所述探测装置为面探测器时，面探测器为面阵电荷耦合器件、或面阵互补金属氧化物半导体阵列、或面阵光电二极管阵列； 所述光纤偶合器为N*1型偶合器，N代表点光源组输出光束数目；所述准直透镜为消色差透镜，用于将发散光束准直为平行光束；所述柱面透镜用于将准直透镜输出的平行光束变换为一维线光束；所述扫描振镜为反射式高精度扫描振镜；照明物镜组为两片透镜组成的缩束子系统；所述光栅为衍射光栅、或全息光栅；所述输出设备为计算机。
全文摘要
本发明为一种基于线扫描的眼底视网膜多光谱成像系统和方法，本发明把多光谱成像技术应用于线扫描共焦成像技术中，用含有多个波长的线光束经扫描照明眼底视网膜，同时使用光栅对眼底视网膜反射回的线光束进行分光，分离后的序列光谱由探测装置进行探测成像。本发明能获得多个波长同时照明眼底视网膜的多光谱图像，对于眼底视网膜信息量较单波长成像可成倍增加，并且采用线光束共焦扫描的方式，具有成像帧频快、分辨率高、系统简便等优点。
文档编号A61B3/12GK102499635SQ20111032813
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者何益, 史国华, 张雨东 申请人:中国科学院光电技术研究所