CN103622666B - 具有调制和校正器件的断层图像产生装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有调制和校正器件的断层图像产生装置及其操作方法。所述断层图像产生装置包括：光源单元，发射用于扫描物体的光；光学控制单元，控制光的传播方向；光耦合器，对入射光进行分束并进行合束；多个光学系统，光连接到光耦合器；以及调制和校正器件，对用于扫描物体的光进行调制和校正。调制和校正器件设置在光学控制单元和光耦合器之间。此外，调制和校正器件包括在将光照射到物体上的光学系统中。调制和校正器件可仅对被反射到物体上的光进行调制。

Description

具有调制和校正器件的断层图像产生装置及其操作方法

本申请要求分别于2012年8月23日和2012年11月14日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0092398号和第10-2012-0129100号韩国专利申请的权益，所述韩国专利申请的公开内容通过引用被全部包含于此。

技术领域

本发明涉及具有调制和校正器件的断层图像产生装置及其操作方法，更具体地讲，涉及通过增加在物体中的穿透深度和从该物体产生的信号的幅度来产生更精确的断层图像的具有调制和校正器件的断层图像产生装置及其操作方法。

背景技术

断层扫描是一种使用穿透波来获取物体的断层图像的技术。断层扫描被用于许多领域。因此，也增加了获取更精确的断层图像的需求。具体地讲，在直接关系到人的生命的医学领域中，产生更精确的断层图像的技术已经成为重要的课题。

发明内容

本发明提供一种具有调制和校正器件的断层图像产生装置，所述断层图像产生装置通过增加在物体中的穿透深度和从该物体产生的信号的幅度来形成更精确的断层图像。

本发明还提供一种断层图像产生装置的操作方法。

其它方面将在下面的描述中被部分地阐述，部分从描述中将是显而易见的，或者可在所呈现的实施例的实践中了解到。

根据本发明的一方面，提供一种断层图像产生装置，所述断层图像产生装置包括：光源单元，发射用于扫描物体的光；光学控制单元，控制光的传播方向；光耦合器，对入射光进行分束并进行合束；多个光学系统，光连接到光耦合器；调制和校正器件，对用于扫描物体的光进行调制和校正。

调制和校正器件可设置在光学控制单元和光耦合器之间。

所述多个光学系统可包括：第一光学系统，提供参考光；第二光学系统，将光照射到物体。在这里，断层图像产生装置还可包括：第三光学系统，接收从第一光学系统产生的光和第二光学系统产生的光的干涉图样。

调制和校正器件可包括在第二光学系统中。

调制和校正器件可设置在光耦合器和光学控制单元之间。

调制和校正器件可包括：光调制器，仅对从光耦合器进入的光进行调制；光栅，消除在光调制器中不需要产生的衍射光。

光栅可具有与光调制器相同的刻线密度(狭缝密度)。

光栅可具有比光调制器小的刻线密度(狭缝密度)，并且用于补偿刻线密度的差值的第一透镜和第二透镜形成在光调制器和光栅之间。

在光调制器中，从光耦合器进入的光的反射区域可不同于从物体进入的光的反射区域。

光栅可具有与光调制器不同的刻线密度(狭缝密度)，并且用于补偿刻线密度的差值的第一透镜和第二透镜形成在光调制器和光栅之间。在这里，第一光学系统可包括与第一透镜和第二透镜对应的透镜。

光调制器可是数字微镜器件(DMD)或者空间光调制器(SLM)。

第二光学系统可包括：空间光调制器(SLM)，对从光耦合器进入的光进行调制；振镜，将从SLM进入的光反射到物体，并且将从物体进入的光反射到SLM；物镜，将从振镜进入的光聚焦在物体上。

调制和校正器件可设置在光耦合器和物体之间。

光耦合器可由光束分离器代替。

调制和校正器件可设置在光耦合器和第一光学系统之间。

断层图像产生装置可以是光学相干断层扫描装置或者光学相干断层扫描显微镜。

根据本发明的另一方面，提供一种操作断层图像产生装置的方法，所述断层图像产生装置包括发射用于扫描物体的光的光源单元、控制光的传播方向的光学控制单元、对入射光进行分束并进行合束的光耦合器以及光连接到光耦合器的多个光学系统，其中，断层图像产生装置还包括对用于扫描物体的光进行调制和校正的光调制和校正器件，所述方法包括：仅对被反射到物体的光执行光调制操作，其中，由包括在光调制和校正器件中的光调制器执行光调制操作。

从光耦合器进入光调制器的光可入射到光调制器的第一区域，从物体进入光调制器的光可入射到光调制器的第二区域，第一区域和第二区域可彼此分离，并且可仅在第一区域中执行光调制操作。

根据本发明的实施例的断层图像产生装置可包括基于DMD的衍射校正器件。因而，期望的光学图样可穿透到物体的更深的位置。因此，可以与OCT无法观察到物体的较深位置的图像对应的清晰的断层图像。

附图说明

通过下面结合附图的实施例的描述，这些和/或其它方面将变得清楚和更容易理解，附图中：

图1是示出根据本发明的实施例的断层图像产生装置的构造的方框图；

图2A是根据本发明的实施例的图1的第二光学系统的构造的截面图；

图2B是示出从光调制器进入到光耦合器的光被反射的区域不同于从被捕获图像的物体进入的光被反射的区域的情况的立体图；

图3是根据本发明的另一实施例的图1的第二光学系统的构造的截面图；

图4是根据本发明的另一实施例的图1的第二光学系统的构造的截面图；

图5是根据本发明的另一实施例的图1的第三光学系统的构造的截面图；

图6是根据本发明的实施例的图1的第一光学系统的构造的截面图；

图7是根据本发明的另一实施例的图1的第一光学系统的构造的截面图；

图8和图9是示出根据本发明的另一实施例的断层图像产生装置的主要元件的截面图；

图10是图9的构造的修改形式的截面图；

图11是示出根据本发明的实施例的断层图像产生装置中的用于代替光耦合器的光束分离器的截面图。

具体实施方式

通过参照附图详细地描述断层图像产生装置及其操作方法。操作断层图像产生装置的方法将与断层图像产生装置一起被描述。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。

图1是示出根据本发明的实施例的断层图像产生装置(以下，称为第一装置)的构造的方框图。

参照图1，第一装置包括光源单元20、光控制单元22和光耦合器24。此外，第一装置可包括连接到光耦合器24的第一光学系统30、第二光学系统40和第三光学系统50。光源单元20发射光以将光照射到将被捕获断层图像的物体上。光源单元20可发射具有相干性的光。光源单元20可包括发射具有相干性光的光源。

作为另一个示例，光源单元20可包括发射不具有相干性光的第一光源，并且可包括将从第一光源发射的光转变为具有相干性的光的元件。

包括在光源单元20中并发射具有相干性的光的光源例如可是激光二极管。包括在光源单元20中并且发射不具有相干性的光的第一光源例如可是发光二极管(LED)。将非相干光转变为相干光的元件可位于光源单元20和光控制单元22之间。从光源单元20发射的光可具有例如1025nm的中心波长，并且可具有预定的带宽以及该带宽的中心的中心波长。根据当前的实施例，光控制单元22可以是阻止光源单元20发射的光被第一装置的其它构成元件反射而重新进入光源单元20的器件。光耦合器24可以是通过将光源单元20发射的光分束来将光传送到第一光学系统30和第二光学系统40的器件。此外，光耦合器24可以是通过将从第一光学系统30和第二光学系统40进入的光合束来将光传送到第三光学系统50的器件。在光耦合器24中分束而传送到第一光学系统30和第二光学系统40的光的分束比可以是彼此不同的。例如，在光耦合器24中，被分束到第二光学系统40的光可多于被分束到第一光学系统30的光。第一光学系统30可以是接收来自光耦合器24的光并且将光反射到光耦合器24的光学系统。该光学系统可连接到光耦合器24。针对在第二光学系统40中将被处理的光，第一光学系统30可提供参考光。因此，相对于第二光学系统40，第一光学系统30可是参考光学系统。第二光学系统40接收来自光耦合器24的光。第二光学系统40可连接到光耦合器24。第二光学系统40对从光耦合器24接收的光的振幅或频率进行调制，并且将光照射到将被捕获断层图像的物体上。第二光学系统40将从物体反射的光传送到光耦合器24。将被捕获断层图像的物体可是包括多个细胞的有机体。将被捕获断层图像的物体可是活体器官，例如，活体器官的皮肤或者器官的表面(表皮)。第三光学系统50可是连接到光耦合器24并且产生物体的器官的断层扫描信息的器件。可从通过光耦合器24对从第一光学系统30和第二光学系统40接收的光进行的合束来获得断层扫描信息。此外，第三光学系统50可记录将被捕获断层图像的物体的器官的断层扫描信息。以下，将对第一光学系统30、第二光学系统40和第三光学系统50的构造进行描述。

图2A是根据本发明的实施例的图1中的第二光学系统40的构造的截面图。图2B是示出从光调制器40a进入到光耦合器24的光被反射的区域不同于从被捕获图像的物体进入的光被反射的区域的情况的立体图。

参照图2A，第二光学系统40包括光调制器40a、第一光栅40b、第一反射镜40c和第二反射镜40d以及第一物镜40e。第一反射镜40c和第二反射镜40d彼此可一预定角度设置，并且可相对于给定的中心轴在预设的旋转范围内旋转。第一反射镜40c和第二反射镜40d可构成振镜(galvanometer)。在这里，可进一步包括驱动元件，例如，驱动第一反射镜40c和第二反射镜40d的旋转电动机(未示出)。光调制器40a可以是对从光耦合器24进入的光(实线)的振幅或频率进行调制的器件。光调制器40a可包括多个像素。所述多个像素可形成阵列，并且所述多个像素可具有间隙，例如，大约10μm。光调制器40a可对应于具有多个刻线的光栅。当像素之间的间隙约为10μm时，光调制器40a可具有对应于100的刻线密度。该刻线密度表示狭缝密度(每毫米狭缝数)。每个像素用作一个波源。通过控制光调制器40a的像素，进入光调制器40a的光(平面波)的波阵面可被重新设定。因此，被光调制器40a反射的光(实线)的波阵面不同于进入光调制器40a的光的波阵面。也就是说，被光调制器40a反射的光(实线)的模式不同于进入光调制器40a的光的模式。对于上述的光调制，位于光进入光调制器40a的区域上的像素可被控制，通过这种控制，入射光的模式可被调制为期望的模式。

光调制器40a不对被物体60反射的光(虚线)执行光调制操作。光调制器40a只对从光耦合器24进入的光(实线)执行光调制操作。

更具体而言，如图2B所示，从光耦合器24入射到光调制器40a的光L11进入光调制器40a的第一区域A1。第一区域A1是执行光调制操作的区域。因此，从光耦合器24入射到光调制器40a的光L11被调制，并且被反射到第一光栅40b。

从物体60入射到光调制器40a的光L22进入光调制器40a的第二区域A2。第二区域A2与第一区域A1分离。第二区域A2是不执行光调制操作的区域。因而，从物体60入射到光调制器40a的光L22在未被进行任何光调制的情况下被反射到光耦合器24。

光调制器40a可例如是数字微镜器件(DMD)或者空间光调制器(SLM)。DMD包括多个微镜，并且每个微镜可用作一个像素。由于光调制器40a可用作为光栅，因此可从光调制器40a产生大量的衍射光。衍射光中的特定衍射光(例如，第四级衍射光)被用于获取物体60的断层图像。因此，没有用于获取物体60的断层图像的衍射光可以是不需要产生的衍射光，进而，为了消除不需要产生的衍射光，第二光学系统40包括第一光栅40b。第一光栅40b可具有与光调制器40a相同的刻线密度(狭缝密度)。因而，从光调制器40a产生的特定衍射光进入物体60，不需要产生的衍射光可被消除掉。从而，光可穿透至物体60的更深区域，因此，相应区域的清晰断层图像可被获得。第一反射镜40c将从第一光栅40b入射的光反射到第二反射镜40d。通过控制第一反射镜40c的旋转角度来控制入射到第二反射镜40d的光的入射角。第二反射镜40d将从第一反射镜40c进入的光反射到物体60。被第二反射镜40d反射的光的反射角可通过控制第二反射镜40d的旋转角度来进行控制，其结果是，入射到物体60的光(实线)的入射角可被控制。入射到物体60的光的入射角可通过控制第一反射镜40c和第二反射镜40d的旋转角度而被控制。因此，通过控制第一反射镜40c和第二反射镜40d的旋转角度，针对物体60的光的光扫描可被执行。被第二反射镜40d反射的光(实线)通过第一物镜40e聚焦在物体60上。被物体60反射的光(虚线)包括物体60的扫描区域的断层图像信息，并且依次通过第一物镜40e、第二反射镜40d、第一反射镜40c、第一光栅40b和光调制器40而进入到光耦合器24。在从光调制器40a进入到光耦合器24的光和从第一光学系统30进入的参考光之间发生干涉，干涉的结果(干涉图样)被传送到第三光学系统50。

图3是示出图1中的第二光学系统40的另一种构造的截面图。将主要描述根据当前实施例的第二光学系统40和图2A中的第二光学系统40之间的差别。相同的标号用于表示实质上相同的元件。

参照图3，根据当前实施例的第二光学系统40包括位于图2A中第一光栅40b所处位置的第二光栅40h。第二光栅40h可具有与光调制器40a不同的刻线密度(狭缝密度)。第二光栅40h可具有比光调制器40a小的刻线密度，例如，光调制器40a可具有与第四级衍射光对应的400的刻线密度，而第二光栅40h可具有比光调制器40a小的大约300的衍射密度。第一透镜40f和第二透镜40g包括在光调制器40a和第二光栅40h之间并相互平行的，以补偿光调制器40a和第二光栅40h的刻线密度(衍射密度)的差值。第一透镜40f和第二透镜40g可以是凸透镜，并且可具有彼此不同的焦距。例如，第一透镜40f可具有30nm的焦距，而第二透镜40g可具有40nm的焦距。光调制器40a、第一透镜40f、第二透镜40g和第二光栅40h可被布置在同一光轴上。第一透镜40f和第二透镜40g可是双面凸透镜，但本发明并不限于此。

图4是图1中的第二光学系统40的另一种构造的截面图。

参照图4，根据当前实施例的第二光学系统40包括空间光调制器40i、第一反射镜40c和第二反射镜40d以及第一物镜40e。空间光调制器40i将从光耦合器24进入的光(实线)反射到第一反射镜40c。第一反射镜40c之后的光的行进与上面描述的光的行进相同。在光被扫描到物体60上之后，被物体60反射的光(虚线)通过第一物镜40e、第二反射镜40d、第一反射镜40c和空间光调制器40i进入到光耦合器24。

图5是图1中的第三光学系统50的构造的截面图。

参照图5，第三光学系统50可包括第三光栅50a、第三透镜50b和光学图像感测器件50c。从光耦合器24进入的光L2包括物体60的给定深度的断层图像的信息，并且依次通过第三光栅50a和第三透镜50b进入到光学图像感测器件50c。第三光栅50a可具有狭缝密度为例如1200刻线/毫米。光学图像感测器件50c识别出包括在光L2中的断层图像，并且可以是电荷耦合器件(CCD)。

图6是图1中的第一光学系统30的构造的截面图。

参照图6，第一光学系统30可包括第二物镜30a以及具有与第二物镜30a的光轴相同的光轴的第三反射镜30b。第二物镜30a可与图2A的物镜40e相同。从光耦合器24入射的光(实线)通过第二物镜30a进入第三反射镜30b。在被第三反射镜30b的表面反射后，光通过第二物镜30a入射到光耦合器24。从光耦合器24到第三反射镜30b的光程和从光耦合器24到物体60的光程相同。因此，通过针对第一光学系统30分束的光(参考光)和针对第二光学系统分束以扫描物体60的预定深度的光的干涉图样，可获得与物体60的预定深度对应的断层图像。

图7是根据本发明的另一实施例的图1中的第一光学系统30的构造的截面图。图7中的第一光学系统30的构造对应于图3中的第二光学系统40。

参照图7，第一光学系统30包括具有相同光轴的第四透镜30c和第五透镜30d、第二物镜30a以及第三反射镜30b。第四透镜30c和第五透镜30d设置在光耦合器24和第二物镜30a之间。从光耦合器24进入的光(实线)通过第四透镜30c、第五透镜30d和第二物镜30a进入到第三反射镜30b，被第三反射镜30b反射的光(虚线)依次通过第二物镜30a、第五透镜30d和第四透镜30c进入到光耦合器24。

图8是示出根据本发明的另一实施例的断层图像产生装置(以下，称为第二装置)的主要元件的截面图。将主要描述根据当前实施例的第二装置与图1的第一装置之间的差别。相同的标号用于表示实质上相同的元件。

参照图8，根据当前实施例的第二装置包括图2A的光学补偿器件，即，光学控制单元22和光耦合器24之间的光调制器40a和第一光栅40b。在第二装置中，从光学控制单元22发出的光L3被第四反射镜70反射，然后进入到光调制器40a。在光调制器40a中调制的光L4进入到第一光栅40b。调制光L4被第一光栅40b反射并进入到第五反射镜72。当光调制器40a和第一光栅40b被移除后，根据当前实施例的第二装置的第二光学系统40的构造可与图2A中的第二光学系统40的构造相同。

同时，在图8中，为了改变光学控制单元22和光调制器40a之间的光程，除了包括第四反射镜70之外，还可包括至少一个反射镜。也就是说，在光学控制单元22和光调制器40a之间除了包括第四反射镜70之外，还可包括至少一个反射镜。

此外，在第一光栅40b和光耦合器24之间除了包括第五反射镜72之外，还可包括至少一个反射镜。

图9是示出根据本发明的另一实施例的断层图像产生装置(以下，称为第三装置)的主要元件的截面图。将主要描述根据当前实施例的第三装置与图1中的第一装置之间的差别。相同的标号用于表示实质上相同的元件。

参照图9，根据当前实施例的第三装置包括设置在光学控制单元22和光耦合器24之间的第四反射镜70和第五反射镜72，并且还包括图3中的光学补偿器件，即，第四反射镜70和第五反射镜72之间的光调制器40a、第一透镜40f和第二透镜40g、以及第二光栅40h。从光学控制单元22发出的光L3被第四反射镜70反射并进入光调制器40a。在光调制器40a被调制的光L4依次通过第一透镜40f和第二透镜40g进入第二光栅40h。进入第二光栅40h的光被第五反射镜72反射并进入光耦合器24。在根据当前实施例的第三装置中，当光调制器40a、第一透镜40f和第二透镜40g、以及第二光栅40h被移除后，第二光学系统40的构造可与图3中的第二光学系统40的构造相同。

在图9中，为了改变光学控制单元22和光调制器40a之间的光程，除了包括第四反射镜70之外，还可包括至少一个反射镜。也就是说，在光学控制单元22和光调制器40a之间除了包括第四反射镜70之外，还可包括至少一个反射镜。

此外，在第二光栅40h和光耦合器24之间除了包括第五反射镜72之外，还可包括除至少一个反射镜。

如图10所示，可使用连接到光学控制单元22的光源25代替图9中的第四反射镜70。由光源25产生的具有平面波的光可进入到光调制器40a。光学控制单元22和光源25可通过使用光学传输介质(例如，光纤)彼此连接。

此外，在第五反射镜72和光耦合器24之间可包括第六反射镜(未示出)。在这里，第六反射镜可将由第五透镜72反射的光反射到光耦合器24。在第二光栅40h和光耦合器24之间除了包括第五反射镜72和第六反射镜之外，还可包括至少一个反射镜。

图11是在断层图像产生装置中使用的代替光耦合器24的光束分离器25的截面图。从光学控制单元22进入到光束分离器25的光针对第一光学系统30和第二光学系统40被分束。从第一光学系统30和第二光学系统40进入到光束分离器45的光被合束并被传送到第三光学系统50。从光束分离器45传送到第三光学系统50的光可通过光学传输介质(例如，光纤)被传送。

在图11中，在光学控制单元22和光束分离器45之间可包括图8至图10所描述的调制和校正器件。

同时，在根据本发明的第一装置至第三装置中，各个元件可在同一光轴上空间分离，各个元件可通过使用光学传输介质而彼此连接，或者可在不使用光学传输介质的情况下被构造。光学传输介质可例如是光纤或者波导。

当在不使用光学传输介质的情况下构造各个元件时，各个元件处于在空间上分离的状态，在空间上分离的状态下设置光轴。因此，从一个元件(例如光束分离器45)发出的光可直接进入另一个元件(例如第二光学系统40)。

在示例性实施例中，断层图像产生装置可是光学相干断层扫描(OCT)装置或者光学相干断层扫描显微镜。

应当理解，这里所描述的示例性实施例应仅仅被认为是描述性意义，而不是为了限制的目的。每个实施例中的特征或方面的描述通常应该被认为是可用于其它实施例中的其它类似的特征或方面。

Claims (20)

1.一种断层图像产生装置，包括：

光源单元，发射用于扫描物体的光；

光学控制单元，控制光的传播方向；

光耦合器，对入射光进行分束并进行合束；

多个光学系统，光连接到光耦合器；

调制和校正器件，对用于扫描物体的光进行调制和校正，

其中，调制和校正器件包括：光调制器，仅对从光耦合器进入的光进行调制，

其中，在光调制器中，从光耦合器进入的光的反射区域不同于从物体进入的光的反射区域。

2.根据权利要求1所述的断层图像产生装置，其中，调制和校正器件设置在光学控制单元和光耦合器之间。

3.根据权利要求1所述的断层图像产生装置，其中，所述多个光学系统包括：

第一光学系统，提供参考光；

第二光学系统，将光照射到物体上。

4.根据权利要求3所述的断层图像产生装置，还包括：

第三光学系统，接收由第一光学系统产生的光和由第二光学系统产生的光的干涉图样。

5.根据权利要求3所述的断层图像产生装置，其中，调制和校正器件包括在第二光学系统中。

6.根据权利要求1所述的断层图像产生装置，其中，调制和校正器件还包括：

光栅，消除在光调制器中不需要产生的衍射光。

7.根据权利要求6所述的断层图像产生装置，其中，光栅具有与光调制器相同的刻线密度。

8.根据权利要求6所述的断层图像产生装置，其中，光栅具有比光调制器小的刻线密度，并且用于补偿刻线密度的差值的第一透镜和第二透镜形成在光调制器和光栅之间。

9.根据权利要求6所述的断层图像产生装置，其中，光栅具有与光调制器不同的刻线密度，并且用于补偿刻线密度的差值的第一透镜和第二透镜形成在光调制器和光栅之间。

10.根据权利要求9所述的断层图像产生装置，其中，第一光学系统包括与第一透镜和第二透镜对应的透镜。

11.根据权利要求1所述的断层图像产生装置，其中，光调制器是数字微镜器件或者空间光调制器。

12.根据权利要求3所述的断层图像产生装置，其中，第二光学系统包括：

空间光调制器，对从光耦合器进入的光进行调制；

振镜，将从空间光调制器进入的光反射到物体，并且将从物体进入的光反射到空间光调制器；

物镜，将从振镜进入的光聚焦在物体上。

13.根据权利要求1所述的断层图像产生装置，其中，调制和校正器件设置在光耦合器和物体之间。

14.根据权利要求1所述的断层图像产生装置，其中，光耦合器由光束分离器代替。

15.根据权利要求1、3、6和12中的任一项所述的断层图像产生装置，其中，所述断层图像产生装置是光学相干断层扫描装置。

16.根据权利要求15所述的断层图像产生装置，其中，光学相干断层扫描装置是光学相干断层扫描显微镜。

17.一种操作断层图像产生装置的方法，所述断层图像产生装置包括发射用于扫描物体的光的光源单元、控制光的传播方向的光学控制单元、对入射光进行分束并进行合束的光耦合器以及光连接到光耦合器的多个光学系统，其中，断层图像产生装置还包括对用于扫描物体的光进行调制和校正的调制和校正器件，所述方法包括：

仅对被反射到物体的光执行光调制操作，其中，由包括在调制和校正器件中的光调制器执行光调制操作，

其中，从光耦合器进入光调制器的光入射到光调制器的第一区域，从物体进入光调制器的光入射到光调制器的第二区域，第一区域和第二区域彼此分离，并且仅在第一区域中执行光调制操作。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，调制和校正器件设置在光学控制单元和光耦合器之间。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，调制和校正器件设置在光耦合器和物体之间。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，断层图像产生装置包括代替光耦合器的光束分离器。