[发明专利]象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统与方法

权利要求书

1.象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：包括扫频光源(1)、准直器(2)、第一分光镜(3)、第一透镜(4)、参考镜(5)、第一平移台(6)、第二平移台(7)、常规样品成像模块(8)、眼底成像模块(9)、物镜(1001)、三维调节架(12)、视标(13)、第二透镜(14)、二向色镜(15)、成像透镜(16)、第二分光镜(17)、小孔(18)、第三透镜(19)、波前探测相机(20)、成像相机(21)、数据采集卡(22)和计算机(23)；

扫频光源(1)发出的光束经准直器(2)准直后，被第一分光镜(3)分成透射的参考光束和反射的样品光束：参考光束被第一透镜(4)聚焦在参考镜(5)上，参考镜(5)固定在第一平移台(6)上，第一透镜(4)和第一平移台(6)固定在第二平移台(7)上；样品光束进入常规样品成像模块(8)或眼底成像模块(9)；在常规样品成像模块(8)里，样品光束被物镜(1001)聚焦在样品(1101)上，样品(1101)置于三维调节架(12)上；在眼底成像模块(9)里，样品光束透过二向色镜(15)后，被屈光系统(1002)聚焦在眼底组织(1102)上；从视标(13)发出的光线，依次被第二透镜(14)准直和被二向色镜(15)反射后，被屈光系统(1002)聚焦在眼底组织(1102)上；

由参考镜(5)返回的参考光束、和由样品(1101)或眼底组织(1102)返回的样品光束，分别沿原路返回至第一分光镜(3)；被第一分光镜(3)反射的参考光束和透过第一分光镜(3)的样品光束重合在一起，经过成像透镜(16)后，被第二分光镜(17)分成透射和反射两部分：透射部分光信号依次穿过小孔(18)和经过第三透镜(19)后，被波前探测相机(20)接收；反射部分光信号被成像相机(21)接收；

计算机(23)控制三维调节架(12)或视标(13)来调节成像区域；计算机(23)控制第二平移台(7)来调节参考光束的光程，使参考镜(5)的位置对应着样品(1101)或眼底组织(1102)内成像深度范围的中间位置；扫频光源(1)输出扫频光信号的同时，还发出同步采样触发信号，通过计算机(23)去控制波前探测相机(20)和成像相机(21)分别采集N组数据；数据经过数据采集卡(22)转化为数字信号后，传输至计算机(23)进行处理。

2.根据权利要求1所述的象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：所述的扫频光源(1)为宽光谱光源，输出端为面出射，波长扫频速度在10⁰～10⁴nm/s量级范围内，扫频速度可调节。

3.根据权利要求1所述的象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：所述的第一分光镜(3)为宽带分光镜，分光比为50:50；第二分光镜(17)为宽带分光镜，分光比由波前探测相机(20)和成像相机(21)接收到的光信号强度决定。

4.根据权利要求1所述的象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：所述的第一透镜(4)、物镜(1001)、成像透镜(16)和第三透镜(19)，均为宽带消色差透镜。

5.根据权利要求1所述的象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：所述的视标(13)发出可见光，计算机(23)控制视标(13)不同位置的灯点亮，人眼盯视点亮的灯来调节眼球方向，使样品光束照射在眼底组织(1102)的不同区域进行成像；成像时，人眼盯视点亮的灯以保持眼球不动，以获得稳定的成像结果。

6.根据权利要求1所述的象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：所述的小孔(18)用于在样品(1101)或眼底组织(1102)内形成点聚焦照明的波前探测条件，由小孔(18)决定的在样品(1101)或眼底组织(1102)内的共焦参数范围能覆盖成像深度范围。

7.根据权利要求1所述的象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：所述的波前探测相机(20)和成像相机(21)的帧频需在10²Hz及以上量级。

8.象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像方法，利用权利要求1所述的象差层析探测与数值矫正的无扫描三维AO-OCT成像系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：系统调节，具体包括：

步骤S11：操作三维调节架(12)或视标(13)，使照明光斑移至样品(1101)或眼底组织(1102)的待成像区域；

步骤S12：通过第二平移台(7)调节光程差，使参考镜(5)在样品(1101)或眼底组织(1102)中对应着成像深度的中间位置；

步骤S2：信号采集，具体包括：

步骤S21：扫频光源(1)输出扫频波数k_n的同时，同步触发波前探测相机(20)和成像相机(21)分别采集关于k_n的N组数据I_wf(x,y,k_n)和I_im(x,y,k_n)，n＝1,…,N，N为宽光谱范围内波数的采样点数；

步骤S22：由波前探测相机(20)每点(x,y)采集到的N组数据I_wf(x,y,k_n)，构成每点(x,y)的关于波数k的干涉光谱信号I_wf(x,y,k)；由成像相机(21)每点(x,y)采集到的N组数据I_im(x,y,k_n)，构成每点(x,y)的关于波数k的干涉光谱信号I_im(x,y,k)；

步骤S31：波前探测数据处理，具体包括：

步骤S311：对波前探测相机(20)某点(x_i,y_j)的干涉光谱信号I_wf(x_i,y_j,k)，进行减背景项和自相干项、k均匀化重采样、和光谱整形处理后，得到干涉光谱信号I′_wf(x_i,y_j,k)；

步骤S312：对I′_wf(x_i,y_j,k)进行希尔伯特变换，得到HT(I′_wf(x_i,y_j,k))，从而构建出复数干涉光谱信号i为复数符号；

步骤S313：对进行关于k的快速傅里叶逆变换，得到点(x_i,y_j)对应的深度z空间的复数信息

步骤S314：对波前探测相机(20)每一点(x,y)的干涉光谱信号I_wf(x,y,k)，重复步骤S311至步骤S313，得到深度z空间的复数信息

步骤S41：获取层析波前象差，具体包括：

步骤S411：提取的相位信息θ_wf(x,y,z)，即为来自样品(1101)或眼底组织(1102)成像深度范围内的光信号到达物镜(1001)或屈光系统(1002)瞳面p处的波前象差；

步骤S412：来自样品(1101)或眼底组织(1102)内某层z_n的光信号到达物镜(1001)或屈光系统(1002)瞳面p处的波前象差为θ_wf(x,y,z_n)；

步骤S32：成像数据处理，具体包括：

步骤S321：对成像相机(21)某点(x_i,y_j)的干涉光谱信号I_im(x_i,y_j,k)，进行减背景项和自相干项、k均匀化重采样、和光谱整形处理后，得到干涉光谱信号I′_im(x_i,y_j,k)；

步骤S322：对I′_im(x_i,y_j,k)进行希尔伯特变换，得到HT(I′_im(x_i,y_j,k))，从而构建出复数干涉光谱信号

步骤S323：对进行关于k的快速傅里叶逆变换，得到点(x_i,y_j)对应的深度z空间的复数信息

步骤S324：对成像相机(21)每一点(x,y)的干涉光谱信号I_im(x,y,k)，重复步骤S321至步骤S323，得到深度z空间的复数信息

步骤S42：获取成像光束在成像透镜(16)入瞳p′处的复振幅分布，具体包括：

步骤S421：提取样品(1101)或眼底组织(1102)内某层z_n光信号的复数信息为一复振幅分布，记为

步骤S422：设有一虚置的圆形孔径Σ紧贴成像透镜(16)，入射孔径Σ的复振幅分布为成像透镜(16)的后焦距为f；利用夫琅和费衍射公式，在成像透镜(16)焦面上的复振幅分布为(x₁,y₁)和(x,y)分别为孔径Σ平面和成像透镜(16)焦平面上的坐标、λ₀为中心波长、k₀为中心波数、FT表示傅里叶变换；

步骤S423：由复振幅分布反推成像光束在成像透镜(16)入瞳p′处的复振幅分布IFT表示傅里叶逆变换，结果写为

步骤S424：提取复振幅分布的相位信息θ′_im(x₁,y₁,z_n)，即为样品(1101)或眼底组织(1102)内某层z_n的成像光信号到达成像透镜(16)入瞳p′处的相位分布；

步骤S425：对步骤S324中的复数信息重复步骤S421至步骤S424，得到样品(1101)或眼底组织(1102)内每一层z的成像光信号到达成像透镜(16)入瞳p′处的复振幅分布及其相位信息θ′_im(x₁,y₁,z)；

步骤S5：层析波前象差的数值矫正，具体包括：

步骤S51：把步骤S412中某层z_n光信号的波前象差θ_wf(x,y,z_n)转化为成像透镜(16)入瞳p′处的波前象差θ′_wf(x₁,y₁,z_n)，具体操作为：设由成像透镜(16)到第三透镜(19)的横向放大率为M，θ_wf(x,y,z_n)的横向尺寸除以M、并进行图像的上下对调和左右对调；

步骤S52：利用波前象差θ′_wf(x₁,y₁,z_n)对成像光束相位分布θ′_im(x₁,y₁,z_n)进行象差矫正，矫正后的成像光束相位分布为θ″_im(x₁,y₁,z_n)＝θ′_im(x₁,y₁,z_n)-θ′_wf(x₁,y₁,z_n)，成像光束到达成像透镜(16)入瞳p′处的复振幅分布相应地变为

步骤S53：对步骤S425中每一层z的复振幅分布及其相位信息θ′_im(x₁,y₁,z)，重复步骤S51至步骤S52，获得象差矫正后的每一层z成像光束的相位分布为θ″_im(x₁,y₁,z)＝θ′_im(x₁,y₁,z)-θ′_wf(x₁,y₁,z)，成像光束到达成像透镜(16)入瞳p′处的复振幅分布相应地变为

步骤S6：获得AO-OCT成像结果，具体包括：

步骤S61：利用夫琅和费衍射公式，计算步骤S52中某层z_n成像光束的复振幅分布y₁,z_n)在成像透镜(16)焦面上的复振幅分布结果写为

步骤S62：对步骤S53中每一层z成像光束到达成像透镜(16)入瞳p′处的复振幅分布重复步骤S61，获得每一层z成像光束在成像透镜(16)焦面上的复振幅分布

步骤S63：利用振幅信息A′_im(x,y,z)或相位信息θ′_im(x,y,z)，可获得样品(1101)或眼底组织(1102)成像深度范围内所有层z的横截面二维AO-OCT结构图像；

步骤S64：由所有层z的横截面二维AO-OCT结构图像，可生成三维AO-OCT结构图像，再通过数字层析切片来获得纵截面二维AO-OCT结构图像；

步骤S65：利用血管造影算法，对某层z_n及其相邻层z_n+1的振幅信息A′_im(x,y,z_n)和A′_im(x,y,z_n+1)、或相位信息θ′_im(x,y,z_n)和θ′_im(x,y,z_n+1)、或复振幅信息和进行处理，可获得该层z_n的横截面二维AO-OCT血管造影图像；连续对所有层z的前述信息进行处理，可获得三维AO-OCT血管造影图像。