[发明专利]基于相干门虚拟夏克-哈特曼波前探测技术的AO-OCT成像系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于相干门虚拟夏克‑哈特曼波前探测技术的AO‑OCT成像系统与方法，包括信标光源、成像光源、第一和第二准直镜、第一和第二二向色镜、分光镜、波前矫正器、促动器、电动平移台、波前探测相机、成像相机、计算机、波前控制器、信号发生卡、第一和第二图像采集卡等。采用相干门虚拟夏克‑哈特曼波前探测技术来探测样品内特定层的像差并利用AO技术来矫正像差，再利用全场时域OCT技术对该层进行高分辨率OCT成像。本发明可定位于样品内的任意层，通过针对该层的波前像差探测与矫正，来实现对该层的高分辨率成像。本发明的系统结构和装调简单、能够灵活调节探测像差的阶数、减少非共路像差、减少系统尺寸和降低成本等。

技术领域

本发明涉及自适应光学(AO)技术和光学相干层析成像(OCT)技术，尤其是涉及一种采用相干门虚拟夏克-哈特曼波前探测技术的自适应光学光学相干层析成像(AO-OCT)系统与方法。

背景技术

光学相干层析成像(Optical coherence tomography，OCT)技术是一种利用低相干干涉原理对样品内部进行高分辨率层析成像的技术。OCT技术的突出特点是横向分辨率δx和纵向分辨率δz相互独立，分别由聚焦条件和光源带宽决定，故有可能同时获得高δx和高δz。因此，OCT技术获得了迅速发展，在生物组织成像、尤其是眼科和心血管等领域，获得了广泛应用。

光束在介质中传播时，由于介质的不均匀分布、动态变化以及环境扰动等原因，会导致原本平整的波前出现畸变，实际波前与理想波前之间的偏差就是波前像差。OCT系统也存在着波前像差，使得δx不能达到光学系统本身所决定的衍射极限分辨率水平。因此，目前的高分辨率OCT系统，都采用自适应光学(Adaptive optics，AO)技术来实时探测和矫正波前像差，以获得微米级的δx。再结合OCT技术本身具有的高δz，AO技术与OCT技术相结合形成的AO-OCT技术就能够获得微米级的δx和δz。眼科是AO-OCT技术应用最为典型和成功的领域，当采用大瞳孔进行高δx成像时，眼组织存在着复杂的大像差，使得入射眼底的光斑弥散开来而不能分辨细节。目前只有采用AO技术来实时探测与矫正人眼像差后，才能实现对视细胞和微血管等目标的在体观察。

波前探测是波前矫正的基础。目前常见的波前探测技术有：夏克-哈特曼、激光光线追迹和金字塔等类型，它们都只能探测波前像差的横向分布、而不能提供纵向分布信息。使用最为广泛的夏克-哈特曼波前探测器(Shack-Hartmann wavefront sensor，SHWS)，由微透镜阵列(Micro-lens array，MLA)和二维相机构成，光线被各微透镜分割成空间上相互分离的子光束，再各自被微透镜聚焦在二维相机上以形成子光斑。带像差的实际波前的子光斑质心相对于理想波前的子光斑质心会发生偏离，据此可计算出波前像差。

实际应用中，经常需要观察样品内特定层的结构或功能信息，但由于SHWS使用的MLA的每一微透镜的数值孔径极小、即具有较长的焦深，使得SHWS对探测对象在深度方向的位置不敏感、即不具备像差纵向分层探测的能力，从而不能针对该层实施像差矫正以获得最佳成像效果。此外，SHWS也不能滤除系统中各器件界面反射形成的杂散光，这会降低信噪比和影响波前探测的准确性。

相干门波前探测(Coherence-gated wavefront sensing，CGWS)技术的原理与OCT技术相似，是一种利用低相干干涉原理进行波前探测的技术，它能克服上述传统波前探测技术存在的问题。CGWS技术通过控制相干门的位置，来实现对样品内特定层的波前像差探测、滤除相干门限以外的各种杂散光信号。CGWS技术分为时域和扫频两类，后者有利于像差的快速和高信噪比测量，但不利于对像差的分层实时矫正；而前者与之相反。