專利名稱：一種共焦掃描成像系統及其像差控制方法
技術領域：
本發明涉及一種控制方法，特別是一種共焦掃描成像系統及其像差控制方法，能同時控制兩個變形鏡分離校正小行程高頻像差與大行程低頻像差，提高系統控制帶寬和成
像質量。
背景技術：
激光掃描顯微技術最早應用于生物組織成像(Webb RH, Hughes Gff. ScanningLaser Ophthalmoscope. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on. 1981，BME-28 (7) : 488-92.)，在1987年發展成為成熟的激光共焦掃描成像設備(Webb R,Hughes G, Delori F. Confocal scanning laser ophthalmoscope. Applied optics.1987;26 (8):1492-9)。專利號為US4863226(1989)的發明專利提出了激光共焦掃描成像的概念，該專利通過聲光調制器來實現對樣品的橫向掃描，通過另一掃描鏡實現對樣品的縱向掃描即幀掃描，提出使用針孔來實現共焦高分辨率成像的目的。但該專利僅僅給出了共焦掃描成像的原理性裝置，其聲光調制器會帶來較大的色散效應，大幅降低系統的成像分辨率。專利號為200810117071. 4的發明專利也提出了共焦成像的基本裝置，但沒有掃描裝置，而是通過點光源單幀成像的原理，實現對樣品的共焦成像。分辨率較低并且無法實現視頻成像。專利號為99115053. 8(1999)的發明專利等，提出了基于自適應光學技術的視網膜成像裝置，但該裝置沒有實現共焦掃描成像。專利號為US7118216的發明專利提出了在共焦掃描檢眼鏡中應用自適應光學系統，通過自適應光學系統中的變形鏡來校正系統像差，得到高分辨率圖像，但該專利只應用一個變形鏡校正系統像差，不能完全消除像差對成像質量的影響。專利號為US7665844 (2010)的發明專利提出了激光共焦掃描多變形鏡自適應光學系統，該專利通過兩個或多個變形鏡分別校正高階像差和大行程低階像差，以此來得到高分辨率成像結果，但該專利中的多個變形鏡是獨立工作，這需要更多的控制單元，并且無法保證真正意義上的同步控制。綜上所述可知，現有的共焦掃描成像設備與自適應光學系統像差控制方面尚存在不足，亟待改進。對比國際國內在共焦顯微成像領域的技術成果，本發明在激光共焦掃描自適應光學顯微成像的基本原理基礎上，提出一種新的共焦掃描成像系統及其像差控制方法，通過兩個變形鏡分別校正高階和低階像差，并利用新的控制方法驅動雙變形鏡同時工作，結合共軛成像的原理，實現了高分辨率成像的功能。

發明內容
本發明的技術解決問題克服傳統共焦掃描自適應光學系統無法同時校正高階和低階像差的限制，提出一種共焦掃描成像系統及其像差控制方法。可以對人眼實現高分辨率成像。
本發明的技術解決方案共焦掃描成像系統及其像差控制方法，其特征在于，所述共焦掃描成像系統包括光源組件、二維成像掃描組件、雙變形鏡校正組件、共焦掃描探測器組件和自適應光學探測組件。通過基于直接斜率法的控制方法控制雙變形鏡校正組件同時工作，在得到共焦掃描眼底圖像的同時，校正系統中的高階和低階像差，得到高分辨率圖像。因而，本發明提供了一種共焦掃描成像系統及其像差控制方法，所述共焦掃描成像系統至少包括有雙變形鏡校正組件和自適應光學波前探測組件，所述光學波前探測組件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法優化所述直接斜率控制方法來消除所述雙變形鏡之間的耦合效應，由此來同步控制雙變形鏡校正組件工作；斜率計算方法如下構造一個新的高階變形鏡響應矩陣，去除與低階變形鏡耦合部分，通過此響應矩陣可以正確地控制變形鏡閉環校正；同時構造一個新的變形鏡響應矩陣，消除Piston、tip和tilt誤差影響，得到雙變形鏡自適應光學系統準確的斜率矢量計算方法。本發明的原理本發明的核心原理是光學成像共軛關系和基于直接斜率法的控制 方法。在本發明所述的系統裝置中，光源、兩個變形鏡、兩個二維掃描振鏡以及人眼在光學上精確共軛。兩個獨立的二維掃描振鏡依次對人眼實現線掃描和幀掃描，以實現在單幀圖像成像視場內的共焦掃描成像。再通過置于光學共軛面的雙變形鏡，校正系統像差，而基于直接斜率法的控制方法消除了雙變形鏡之間耦合效應，去除了變形鏡的平移和傾斜誤差，能實時控制兩個變形鏡同時工作，實現高分辨率成像。本發明與現有技術相比有如下優點本發明使傳統的共焦掃描自適應光學系統成像質量大幅增加，能同時控制兩個變形鏡校正高階和低階像差，將不再需要分步校正高階和低階像差，節省系統工作時間和控制設備，提高系統工作效率，提高系統對復雜像差的校正帶寬，明顯改善傳統共焦掃描自適應光學系統準確性和實時性。


圖I為本發明具體實施方式
中共焦掃描成像系統結構示意圖。
具體實施例方式根據說明書附圖1，對如何具體實施本發明提出的共焦掃描成像系統及其像差控制方法，詳細介紹如下
I、由光源組件之激光光源(I)通過光纖耦合器鏈接光纖(2)，激光通過光纖(2)的傳輸，光纖的末端置于I禹合透鏡(3)的焦點位置，經過I禹合透鏡(3),激光以平行光的方式出射，經反射鏡(4)，進入分光鏡(5 )。本發明所述的分光鏡(5 )，一般為透射率高反射率低的分光鏡，投射率與反射率的比值一般為92 :8。透射率高是為了保證從人眼返回來的信號光能較大程度的通過分光鏡(5)進入光電探測器部分。照明激光在經過分光鏡(5)后進入反射式球面望遠鏡(6和7)。在球面反射鏡7的共軛平面處放置高階變形鏡(8)。本發明中高階變形鏡是為校正系統高階像差，因此高階變形鏡多采用MEMS變形鏡，在不大的變形面上有很多驅動器單元。經過高階變形鏡后的照明光再經過反射式球面望遠鏡(9和10)縮束，進入二維成像掃描組件。2、二維成像掃描組件以兩個獨立的光學掃描振鏡為主，振鏡之間通過反射式球面望遠鏡連接。照明光經過橫向掃描振鏡(11)的掃描后變成線掃描光，再經過望遠鏡(12和13)擴束后被縱向掃描振鏡(14)掃描，形成面照明光。3、經過縱向掃描振鏡(14)后的面照明光再經過反射式球面望遠鏡(15和16)到達低階變形鏡(17)。由于低階變形鏡處于光學系統的共軛面，與高階變形鏡、橫向掃描振鏡、縱向掃描振鏡以及人眼瞳孔精密共軛。本發明中低階變形鏡是為校正系統大行程低階像差，因此低階變形鏡口徑較大，驅動器數量也較高階變形鏡更少。經過低階變形鏡后照明光束再經過反射式球面望遠鏡(18和19)后，直接照射在人眼瞳孔(20)。4、照明光束入射在人眼瞳孔(或待測樣品)表面，經瞳孔聚焦后進入人眼眼底
(21)，從人眼眼底返回的信號光按原路返回(從19返回到5)，經過分光鏡(5)后，通過分光鏡(22)分光，透射光進入共焦掃描探測器組件，共焦掃描探測器組件由聚光透鏡(23)、針孔(24 )和探測器(25 )組成。被聚光透鏡會聚后的信號光經過針孔(24 )，針孔的通光孔徑大小和放置位置非常重要。針孔的通光孔徑大小一般為1-2倍光學系統的艾利衍射斑尺寸，針孔放置于聚光透鏡(23)的焦點處。經過針孔后的信號光，將具備與成像平面(即人眼瞳 孔或被成像樣品)精確共焦的性質，也就是共焦平面之外的雜散光將被針孔遮擋。這樣探測器(25)所接收到的信號光與成像平面精確共焦，并且噪聲被抑制。共焦掃描探測器組件、縱向振鏡和橫向振鏡通過控制終端(26 )控制。5、從人眼眼底返回的信號光通過分光鏡(22 )分光，反射部分的信號光則進入自適應光學探測組件，到達哈特曼波前傳感器(27)，波前傳感器中的微透鏡陣列將信號光波前分成上百個子孔徑光，利用控制終端(26)計算各子孔徑光的斜率數據，并產生相應驅動電壓，驅動高階變形鏡(8)和低階變形鏡(17)實時校正系統高階和低階像差，得到人眼眼底高分辨率圖像。6、在普通的激光共焦掃描系統中，系統通過掃描振鏡(11和14)的二維掃描來完成圖像重構，得到共焦圖像視頻圖像，但由于光路中存在像差，系統成像質量較差，而在本發明中加入了自適應光學系統，實時校正系統像差，得到高分辨率圖像。7、本發明中應用了雙變形鏡同時校正系統像差，具體校正的方法是高階變形鏡
(8)校正高頻像差，低階變形鏡(17)校正低頻像差，與其他雙變形鏡校正系統不同的是，本發明采用新的控制方法實現了雙變形鏡同時工作，并得到了與雙變形鏡分步校正相同的效果O8、本發明采用的控制方法是基于直接斜率法的更優控制算法，簡單地采用直接斜率法應用于雙變形鏡自適應光學系統，并控制雙變形鏡同時工作，則系統校正效果明顯差于雙變形鏡分步校正的效果，因為雙變形鏡自適應光學系統中，變形鏡之間存在耦合效應，無法應用直接斜率法控制雙變形鏡同時工作。本發明采用的控制方法，在應用直接斜率法的基礎上，巧妙地加入了解耦算法，對直接斜率法進行了優化，消除了變形鏡之間的耦合效應，得到了與雙變形鏡分步校正相同的校正效果。同時，構造新的變形鏡響應矩陣，消除了變形鏡的piston, tip和tilt誤差的影響。9、在單變形鏡自適應光學系統中，斜率矢量S是由變形鏡的響應矩陣D和驅動電壓矢量V計算得到，SP
S9D V (I)
10、而在雙變形鏡自適應光學系統中，考慮到高階變形鏡在有效孔徑中有著更多的驅動器單元，為了消除雙變形鏡之間的耦合效應，本發明構造了一個新的高階變形鏡響應矩陣祝·，與初始的高階變形鏡響應矩陣 ,相比，去除了與低階變形鏡耦合部分，如式
(2)
權利要求
1.一種共焦掃描成像系統的像差控制方法，所述共焦掃描成像系統包括光源組件、二維成像掃描組件、雙變形鏡校正組件、自適應光學波前探測組件、系統控制組件和探測器組件，所述探測器組件置于所述系統返回光路的終端，所述光源組件發射的照明光通過所述系統的所述二維成像掃描組件、所述雙變形鏡校正組件后進入人眼，從所述人眼反射回來的信號光原路返回，其中一部分所述信號光被所述探測器組件探測，另一部分所述信號光被所述自適應光學波前探測組件探測，其中通過所述自適應光學波前探測組件控制所述雙變形鏡校正組件來校正系統像差，其特征在于所述光學波前探測組件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法優化所述直接斜率控制方法來消除所述雙變形鏡之間的耦合效應，由此來同步控制雙變形鏡校正組件工作，斜率計算方法如下 構造一個新的高階變形鏡響應矩陣，去除與低階變形鏡耦合部分，通過此響應矩陣可以正確地控制變形鏡閉環校正；同時構造一個新的變形鏡響應矩陣，消除piston、tip和tilt誤差影響，得到雙變形鏡自適應光學系統準確的斜率矢量計算方法。
2.根據權利要求I所述的共焦掃描成像系統的像差控制方法，其特征在于所述光源組件包含一個柱面透鏡，用以預補償光學系統的靜態像差。
3.根據權利要求I所述的共焦掃描成像系統的像差控制方法，其特征在于所述自適應光學波前探測組件包含一個微透鏡陣列，通過子孔徑探測的方法將波前信息分割成上百個單元，并通過CCD探測得到各單元波前的斜率數據。
4.根據權利要求I所述的共焦掃描成像系統的像差控制方法，其特征在于所述雙變形鏡校正組件包含兩個變形鏡低階變形鏡和高階變形鏡；所述低階變形鏡校正所述系統低頻像差，所述高階變形鏡校正所述系統高頻像差。
5.一種共焦掃描成像系統，包括 光源組件，其用于發射照明光； 二維成像掃描組件； 雙變形鏡校正組件； 自適應光學波前探測組件和探測器組件；和 系統控制組件； 其中所述探測器組件置于所述系統返回光路的終端，所述光源組件發射的照明光通過所述系統的所述二維成像掃描組件、所述雙變形鏡校正組件后進入人眼，從所述人眼反射回來的信號光原路返回，其中一部分所述信號光被所述探測器組件探測，另一部分所述信號光被所述自適應光學波前探測組件探測，其中通過所述自適應光學波前探測組件控制所述雙變形鏡校正組件來校正系統像差，其特征在于 所述光學波前探測組件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法優化所述直接斜率控制方法來消除所述雙變形鏡之間的耦合效應，由此來同步控制雙變形鏡校正組件工作；斜率計算方法如下 構造一個新的高階變形鏡響應矩陣，去除與低階變形鏡耦合部分，通過此響應矩陣可以正確地控制變形鏡閉環校正；同時構造一個新的變形鏡響應矩陣，消除piston、tip和tilt誤差影響，得到雙變形鏡自適應光學系統準確的斜率矢量計算方法。
6.根據權利要求5所述的共焦掃描成像系統,其特征在于所述光源組件包含一個柱面透鏡，用以預補償光學系統的靜態像差。
7.根據權利要求5所述的共焦掃描成像系統，其特征在于所述自適應光學波前探測組件包含一個微透鏡陣列，通過子孔徑探測的方法將波前信息分割成上百個單元，并通過CCD探測得到各單元波前的斜率數據。
8.根據權利要求5所述的共焦掃描成像系統，其特征在于所述雙變形鏡校正組件包含兩個變形鏡低階變形鏡和高階變形鏡；所述低階變形鏡校正所述系統低頻像差，所述高階變形鏡校正所述系統高頻像差。
9.一種共焦掃描成像系統的像差控制方法，所述共焦掃描成像系統包括有雙變形鏡校正組件和自適應光學波前探測組件，其特征在于 所述光學波前探測組件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法優化所述直接斜率控制方法來消除所述雙變形鏡之間的耦合效應，由此來同步控制雙變形鏡校正組件工作；斜率計算方法如下 構造一個新的高階變形鏡響應矩陣，去除與低階變形鏡耦合部分，通過此響應矩陣可以正確地控制變形鏡閉環校正；同時構造一個新的變形鏡響應矩陣，消除piston、tip和tilt誤差影響，得到雙變形鏡自適應光學系統準確的斜率矢量計算方法。
10.根據權利要求9所述的共焦掃描成像系統的像差控制方法，其特征在于所述自適應光學波前探測組件包含一個微透鏡陣列，通過子孔徑探測的方法將波前信息分割成上百個單元，并通過CCD探測得到各單元波前的斜率數據。
11.根據權利要求9所述的共焦掃描成像系統的像差控制方法，其特征在于所述雙變形鏡校正組件包含兩個變形鏡低階變形鏡和高階變形鏡；所述低階變形鏡校正所述系統低頻像差，所述高階變形鏡校正所述系統高頻像差。
12.—種共焦掃描成像系統，所述共焦掃描成像系統包括有雙變形鏡校正組件和自適應光學波前探測組件，其特征在于 所述光學波前探測組件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法優化所述直接斜率控制方法來消除所述雙變形鏡之間的耦合效應，由此來同步控制雙變形鏡校正組件工作；斜率計算方法如下 構造一個新的高階變形鏡響應矩陣，去除與低階變形鏡耦合部分，通過此響應矩陣可以正確地控制變形鏡閉環校正；同時構造一個新的變形鏡響應矩陣，消除piston、tip和tilt誤差影響，得到雙變形鏡自適應光學系統準確的斜率矢量計算方法。
13.根據權利要求12所述的共焦掃描成像系統，其特征在于所述自適應光學波前探測組件包含一個微透鏡陣列，通過子孔徑探測的方法將波前信息分割成上百個單元，并通過CCD探測得到各單元波前的斜率數據。
14.根據權利要求12所述的共焦掃描成像系統，其特征在于所述雙變形鏡校正組件包含兩個變形鏡低階變形鏡和高階變形鏡；所述低階變形鏡校正所述系統低頻像差，所述高階變形鏡校正所述系統高頻像差。
全文摘要
公開了一種共焦掃描成像系統及其像差控制方法，所述成像系統包括雙變形鏡校正組件和自適應光學波前探測組件，所述光學波前探測組件基于直接斜率控制方法，并加入解耦算法優化所述直接斜率控制方法來消除所述雙變形鏡之間的耦合效應，由此來同步控制雙變形鏡校正組件工作；通過構造新的高階變形鏡響應矩陣和新的變形鏡響應矩陣，去除了與低階變形鏡耦合部分，正確地控制變形鏡閉環校正，消除piston、tip和tilt誤差影響，得到雙變形鏡自適應光學系統準確的斜率矢量計算方法。該發明解決了雙變形鏡同時工作的困難，實現了一種設計緊湊、成像分辨率高的共焦掃描成像系統，大幅改善傳統共焦掃描成像系統的成像質量，提高系統控制帶寬。
文檔編號G02B26/06GK102908119SQ20121036408
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者陳浩, 王勤美, 李超宏, 厲以宇 申請人:溫州醫學院眼視光研究院, 溫州醫學院眼視光器械有限公司