CN104755908B - 敏捷成像系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种针对光学相干断层扫描成像的使用包括波长可调谐VCL激光器的可调谐源的敏捷光学成像系统。该可调谐源具有长的相干长度和高的扫频重复率，并且能够在运行中改变扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频和发射波长范围以支持多个模式的OCT成像。该成像系统还提供新的增强的动态范围成像能力用于容纳明亮反射。多尺度成像能力允许三维尺度数量级之上的测量。用于产生波形以驱动可调谐激光器在灵活和敏捷模式下的运行的成像系统和方法也有所说明。

Description

敏捷成像系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月27日提交的目前未决的美国临时专利申请No.61/676,876的权益。美国临时专利申请61/676,876的公开和全部指导通过引用结合到本发明中。
技术领域
本发明涉及光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography，OCT)成像领域。
背景技术
光学相干断层扫描(OCT)是一种非侵入的干涉光学成像技术，其能产生组织和其它散射或反射材料的微米分辨率2D和3D图像。OCT常常用于生物医学成像或材料检验。在1991年第一个示范用于人眼和冠状动脉的成像，由此OCT被确定为诊断和监控眼病治疗的临床标准。OCT也用于血管内的血小板成像以评估心脏病，癌活组织检查成像，发展生物学研究，艺术品保藏，工业检查，度量衡学，和质量保证。通常地，OCT可用于受益于表层下成像、表面轮廓形成、运动表征、流体流动表征、折射率测量、双折射表征、散射表征或距离测量的应用。
光学相干断层扫描使用干涉图来确定样品的空间相关的特性，所述干涉图是通过将来自样品的光背面散射或背反射与来自基准臂的光结合而获得的，如图1A所示。时域OCT(TDOCT)成像原理用于第一种示范和OCT的民用产品。然而，已经知道TDOCT对于获取OCT数据是慢的技术。傅立叶域OCT(FD-OCT)使比TDOCT快几个数量级的成像速度成为可能并且已成为当前研究和商用的标准的。可用宽频带光源、干涉计、分光计和线扫描相机来实现傅立叶域OCT，被称为频域OCT(SD-OCT)，如图1B所示。扫描光横跨样品(图1C)允许收集完整的反射率对深度分布曲线，称为A扫描(图1D)，用于每一个检查点。依次扫描和组合获取的A-扫描允许形成2D图像，称为B-扫描(图1E)。通过在两个方向上横跨样品的扫描也形成了3D体积(图1F)。还可以用席卷波长光源、干涉计、检测器和模拟数字转换器(A/D)来实现傅立叶域OCT，称为扫频光源OCT(SS-OCT)或光频域成像(OFDI)，如图2A和2B所示。对于本发明的目的，扫频光源OCT和OFDI是等效的。傅立叶域OCT的这两个变种，频域OCT和扫频光源OCT，代表了成像技术的现有状态。
频域OCT随着成像深度的增加会遭受OCT灵敏度的固有的和成问题的损耗，常常被称为灵敏度滚降、灵敏度失落或灵敏度下降。OCT灵敏度随着深度增加的损耗是由，分光计分辨率限制造成的干涉条纹可见度减少、在像素宽度上集成多个波长，以及像素间的串扰等而导致的，如Hu,Pan,和Rollins在应用光学Vol.46，No.35,pp.8499-8505上发表的论文"Analytical model of spectrometer-based two-beam spectral interferometry,"和Bajraszewski等人在光学快报Vol.16,No.6,pp.4163-4176,2008上发表的论文"Improvedspectral optical coherence omographyusing optical frequency comb,"所述的。
Hu和Rollins在光学快报Vol.32,No.24,pp.3525-3527,2007上发表的论文"Fourier domain optical coherence tomography with a linear-in-wavenumberspectrometer"教导了使用特别设计的棱镜使分光计的频谱分散按波数线性化。按波数的频谱线性化结果改善了信号随成像范围的衰落，其是谱域光学相干断层扫描成像固有的。虽然有改善，但灵敏度随成像深度的损耗仍是严重的，尤其当为了获得精细的OCT轴向分辨率而使用宽的光谱带宽源时。
Bajraszewski等人在光学快报Vol.16,No.6,pp.4163-4176,2008上发表的论文"Improved spectral optical coherence tomographyusing optical frequency comb"教导了在频域OCT系统中使用Fabry-Perot光频梳来减少深度相关的灵敏度下降。该方法有若干严重的缺点。频率梳的插入减小了光强度等级，其包括基线OCT灵敏度。该方法也需要积极地调谐光频梳并且对每一个A-扫描进行多个分光计测量以填充由Fabry-Perot滤波器过滤的频谱数据内容中的间隙。实际上，示出了四个相机曝光来使OCT成像，其导致了在OCT成像速度方面的严重减少。
各种所谓的“全范围”或“复共轭的”方法已被建议来扩展成像范围并帮助减缓与频域OCT相关的灵敏度滚降的问题。这些方法未完全抑制图像中的复共轭的人工产物，需要大量的计算，并且常常需要多重采集来构造每一个A-扫描，因此不适合于高动态范围和高速OCT采集。另外，由于线扫描相机速度方面的限制，用频域OCT最大的成像速度局限于几百千赫A-扫描速率。这些固有特性和不足结合起来说明频域OCT不是用于长射程的、高速和高动态范围成像的技术选择。
扫频光源OCT使用波长扫频激光器作为光源并使用带高速A/D转换器的检测器来采样干涉OCT信号。扫频光源OCT的灵敏度滚降性能通常显著地好于频域OCT。扫频光源OCT而且已经实现了比频域OCT更高的成像速度和更长的成像范围。
许多不同的扫频激光器配置和波长调谐机构已经实现用于包括波长选择内腔滤波器或波长选择激光腔端部反射镜的扫频光源OCT。示例包括：振镜-光栅波长选择端部反射镜设计(Chinn,Swanson和Fujimoto，光学快报,Vol.22,No.5,pp.340-342,1997)、旋转多边形反射镜光栅滤波器设计(Yun等人,光学快报,Vol.28,No.20,pp.1981-1983,2003)、具有内腔波长选择性滤光器的光纤环形激光器(Huber等人,光学快报Vol.13,No.9,pp.3513-3528,2005)和基于短腔微机电系统(MEMS)滤波器的可调谐激光器(WO2010/111795Al)。所有这些扫频激光器设计中，当滤波器被调谐时由放大式自发射(ASE)建立激光照射以致于光子往返时间是大的，并且与空腔效率和滤波器宽度，限定最大的扫频速度，在些速度上激光器可被扫频同时仍保持光学增益介质的完全饱和度。用这些技术扫频重复率通常有可能在几十千赫至小的数百千赫之间，但由于相对较长的光子往返时间该扫频速度仍基本上受限制的。
美国专利申请号2006/0187537Al教导了不同的扫频源激光器工艺，称为傅立叶域模式锁定的(FDML)激光器。FDML激光器的工作原理可以实现更高的扫频速度。在FDML激光器中，长光纤圈用于容置波长扫频，并且在光放大之前或者之后滤波器与返回扫频波长同步地被调谐。该FDML方法减少了由ASE建造激光照射以获得高的基波扫频重复率(高达约500kHz轴向扫描速率)的需要。通过折转、延迟和多路复用该扫频，对于单个成像点可实现高达约5MHz轴向扫描速率的缓冲速度(Wieser等人，光学快报,Vol.18,No.14,2010)。典型的FDML激光器的严重的缺陷是大约4-10mm的短相干长度，其显著地限制OCT成像范围。
在扫频光源OCT中，灵敏度滚降由该波长可调谐激光器源的相干长度限制，其由该激光器的瞬时的谱线宽度确定。在到此所描述的所有扫频激光器中，该激光器中的滤波器被设计来调谐多个激光器纵模。正如国际专利申请公开号WO2010/111795Al和Huber等人在光学快报Vol.13,No.9,pp.3513-3528,2005上所教导的，按传统的扫频激光器设计的波长选择性滤光器跨越多个纵向的激光模式，以便获得高的扫描速度并防止由于跳模导致的激光功率下降和激光噪声。在FDML激光器情况下，设计相对宽的频谱的滤波宽度的原因与光纤圈中的频散有关，所述频散波长相关的往返时间，要求该滤波器要足够宽以在该光纤圈中由慢至最快波长全范围发射。无论什么原因需要使用跨越多个激光器纵模的宽滤波器，结果是激光器具有相对宽的瞬时谱线宽度，具有折衷的相干长度、OCT成像范围、和OCT灵敏度滚降。
Adler等人在光学快报,Vol.19,No.21,pp.20931-20939,2011上发表的论文"Extended coherence length Fourier domain mode locked laser sat 1310nm"教导了通过增加啁啾光纤布拉格光栅频散补偿模块来改善光纤圈的频散特性而改善FDML激光器的相干长度的方法。获得了改进的激光相干性长度至大约21mm以及使用向前和向后扫频的能力。
至今几乎所有的实现方式中，频域OCT系统和扫频光源OCT系统均被设计成以固定的成像速度、固定的成像范围和固定的OCT轴向分辨率工作。通常，针对特定应用程序对整个OCT成像系统进行优化。
通过引入具有可编程的速度和可编程的有效象元计数的高速CMOS线扫描相机技术，就可能权衡象元计数以增加频域OCT中的成像速度。
Potsaid等人在光学快报,Vol.16,No.19,pp.15149-15169,2008上发表的论文"Ultra high speed Spectral/domain OCT ophthalmic imaging at 70,000 to 312,500axial scans per second"教导了以不同的配置用可调整的有效的象元计数使用频域OCT系统来获得：具有细致的轴向分辨率和平缓的OCT成像速度的长的成像范围、具有在更快成像速度上的细致的轴向分辨率的矮的成像范围，和具有在超快成像速度上的折衷轴向分辨率的短的成像范围。每种配置都针对灵敏度成像性能进行优化。该方法的严重的缺陷是对于多种配置和运转模式必须置换光源并且用不同的部件重建分光计。
Povazay等人在SPIE会议录,vol.7139,pp.71390R-1-7,2008上发表的论文"High-Speed High-Resolution Optical Coherence Tomography at 800 and 1060nm"教导了使用具有固定光源的可编程的CMOS相机的OCT成像系统，其中在相机中使用的像素数量被减小以便通过缩短光谱获得更高的成像速度。该方法的严重的缺点是分光计未针对不同的工作模式对光源频带宽度进行再优化，如此对于更高速度成像光落入在未使用的像素上，存在关联的OCT灵敏度损耗。
Gora等人在光学快报,Vol.17,No.17,pp.14880-14894,2009上发表的论文"Ultrahigh-speed swept source OCT imaging of anteriorsegment of human eye at 200kHzwith adjustable imaging range"教导了使用FDML激光器的扫频光源OCT成像系统，其权衡了OCT轴向分辨率与增益成像范围。该方法的缺点是FDML激光器必须运行在扫描频率的谐波上，如此该OCT成像系统的扫频重复率在无显著的重新配置情况下不能变化。
已经开发出用于扫频光源OCT的新的扫频光源，其可克服与先前的OCT技术相关的许多上述限制。
美国专利号7468997B2教导了一种扫频源光学相干性断层摄影术系统(SS-OCT)，包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其具有通过静电偏转可移动的集成MEMs可调谐反射镜。Jayaraman等人在美国光学学会,CLEO Conference,pp.PDPB1-PDPB2，2011上发表的论文"OCT Imaging up to 760kHz Axial Scan Rate Using Single-Mode 1310nm MEMS-Tunable VCSEL swith>100nm Tuning Range"实验式地演示了具有>100nm调谐范围的第一个宽范围可调谐的、单模1310nm MEMS VCSELs，以及这些VCSELs首次以高达760kHz的轴向扫描速率应用于超高速扫频源OCT成像。不象其它使用短腔和内腔滤波器的扫频激光器源，VCSELs以真实单纵模工作，而不是一组模。该真实单纵模工作导致VCSEL技术的长的相干长度。另外，与其它扫频源相比，向前和向后扫描显示出较好的性能，使得向前和向后扫频两者都可用于OCT成像。
先前的OCT技术的受限的成像速度、受限的成像范围、随成像深度增加的灵敏度损耗、以及在基本固定的成像模式下工作导致OCT成像性能的折衷并限制了OCT技术的应用。
发明内容
本发明的一个实施例是使用一个垂直腔激光器(VCL)源的光学相干断层扫描成像系统及其操作方法。本发明实施例的独特的和有利的能力和功能是通过将新的可调谐VCL源技术与新颖的成像系统结构结合获得的。本发明的一个实施例在现有技术上提供速度、成像范围和尺寸的改进。
另外，本发明的一个实施例使得能够在由成像速度、成像范围和成像分辨率确定的不同的成像模式间切换，使得本发明在使用期间相对于现有方法更加敏捷和灵活。一个实施例提供增强的动态范围成像能力用于适应明亮反射。一个实施例提供多尺度成像能力用于测量三维尺度数量级之上的测量。用于产生波形以驱动可调谐激光器在灵活和敏捷模式下的运行的成像系统和方法也有所说明。使用的可能领域包括医学成像，生物学成像，工业检查，材料处理，材料检查，次表面成像，表面轮廓测量，距离测距和测量，流体流动特征和分析，以及材料偏振特性的研究和特征化。
一个实施例提供一种光学成像系统，包括：可调谐源，所述可调谐源包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)和腔内调谐元件，所述腔内调谐元件产生单纵模输出，该单纵模输出在发射波长范围内可调谐用于产生波长扫频；调谐驱动器，该调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；在可调谐源内供应电流至增益材料以调节输出光辐射功率的电流驱动器；以测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰或产生调谐波形的监控检测器；具有参考臂和样本臂由所述可调谐源照射的光学干涉仪；一个或多个将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的光检测器；将从一个或多个检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置。
另一个实施例提供一种光学相干断层扫描成像系统，包括：VCL源，具有能够在可调节深度范围、轴分辨率内成像且以连续可调速度成像的特性，该光学相干断层系统能够在由VCL源的长的相干长度使能的延伸的成像范围内成像。
另一个实施例提供用于产生上述的光学成像系统调谐波形的方法，该方法包括：将所述调谐波形表述为可调节的输入参数值的函数，以产生调谐波形表达式；将所述调谐波形应用到调谐元件或可调谐源动态性的数学模型以产生至少一个实验测量或模拟的波长扫描；计算基于实验测量或模拟的波长扫频的性能度量或目标函数的值；调节输入参数的值以优化性能度量的值或目标函数。
附图说明
图1示出OCT系统布局和OCT扫描的一组图；
图2示出扫频源OCT系统布局的一组图；
图3示出扫频源OCT条纹形成的一组图和曲线图；
图4示出对OCT采集和点扩展函数形成有影响的扫频轨迹和条纹包络的一组曲线图；
图5是成像系统的框图；
图6示出MEMS可调谐垂直腔表面发射激光器(MEMS VCSEL)的一组图、照片和曲线图；
图7示出MEMS可调谐VCSEL的波长扫频范围的一组曲线图；
图8示出OCT成像技术的多模和单模调谐原理和相干长度的一组附图和曲线图；
图9是一组示出MEMS致动器几何形状对于MEMS致动器的动态响应的影响的一组曲线图和照片；
图10示出从100kHz到400kHz在不同扫频重复率下的单个可调谐源的示波器屏幕图像的集合；
图11示出从100kHz到400kHz在不同扫频重复率下的单个可调谐源的光谱灵敏度的曲线图；
图12示出单个可调谐源的可变的波长范围调谐放入曲线图；
图13是本发明可调谐源的实施例的一组示意框图；
图14是包括光放大器的本发明可调谐源的实施例的一组示意框图；
图15为波长调谐子系统的一组框图；
图16示出使用由自定义波形驱动的线性化扫频在100千赫驱动下的VCSEL的调谐响应的一组示波器屏幕图像；
图17示出线性化扫频性能的曲线图的集合；
图18示出由自定义波形在100kHz驱动下的VCSEL光谱的曲线图；
图19示出双向和线性化扫频轨迹示波器屏幕捕捉图；
图20示出可调谐源的调谐响应和人类手指在500kHz扫频重复率下获得的相关图像的曲线图和图像；
图21示出在两个不同的成像范围内的图像集合；
图22是波形产生的闭合环路方法的框图；
图23示出用于调谐驱动器波形合成的方法的流程图；
图24是闭合环路波长调谐子系统的框图；
图25是具有光放大器的闭合环路波长调谐子系统的框图；
图26是具有光放大器和电流驱动器的闭合环路波长调谐子系统的框图；
图27示出基于干涉条纹的扫频测量的方法的一组图和曲线图；
图28示出基于分光功率级检测的扫频测量方法的一组图和曲线图；
图29示出电流驱动器波形合成方法的流程图；
图30示出具有反馈的波长扫频测量用于波长扫频和包络控制的一组图；
图31是显示光学的和电互联的OCT成像系统的框图；
图32是显示使用光程延时参考臂、光学时钟控制和光波长触发器的成像系统的OCT成像系统的框图；
图33是显示使用循环器、光波长触发器和光学时钟控制的成像系统的OCT成像系统的框图；
图34是具有可调节的光学时钟控制模块的可调谐源的框图；
图35示出可调节路程长度干涉仪和色散补偿的一组图；
图36示出具有回射器和循环器的可调节路程长度干涉仪的一组图；
图37是用于在干涉仪的一个臂上选择光程的方法的一组示意图；
图38是用于在干涉仪的一个臂上选择光程或用于在干涉仪中使用色散补偿的方法的一组示意图；
图39示出记数逻辑的一组电子图表；
图40是在结合分频与倍频的干涉仪臂上选择路程长度的结合的示意图；
图41是扩展的动态范围成像的一组OCT截面示意图；
图42是使用至采集系统的触发器的输入的扫频数据初始化的示意框图；
图43是使用A/D转换器的多个信道进行扫频相位稳定化以执行同步的一组示意框图；
图44是可调谐光触发器的示意框图；
图45示出使用法布里-珀罗滤波器的扫频相位稳定化的框图和曲线图；
图46示出使用具有快速和缓慢A/D转换器的法布里-珀罗滤波器的扫频相位稳定化的框图和曲线图；
图47示出使用应用于不同OCT系统运行模式的延时估计的相位稳定的曲线图集合；
图48具有数据处理、数据存储和数据显示能力的成像系统的框图；
图49示出在RAID阵列上的数据压缩和存储的数据流的框图；
图50是使用多个的VCL源的扫频重复率乘法器的框图；
图51是使用单个VCL源的扫频重复率乘法器的框图；
图52是闭合环路波长调谐子系统和具有可调谐滤波器的光放大器用以抑制边模和放大式自发射的框图；
图53是具有多个的光放大器和位于放大器间的可调谐滤波器的闭合环路波长调谐子系统用以抑制边模和放大式自发射的框图；
图54是具有温控增益材料和噪声吞噬器的闭合环路波长调谐子系统用以减小激光噪声的框图。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在参考附图进行阅读，这是整个书面说明将要考虑的部分。在本文所公开的发明的实施例的描述中，任何参考方向或定向仅仅是为了描述的方便，而不是旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其变型(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为表示定向，正如下面讨论所描述的或如下面讨论的附图中所示出的。这些相对的术语只是为了描述，而不要求在一个特定的定向构造或操作所述装置，除非明确指明。术语如“附着”、“粘附”、“连接”、“耦合”、“相互连接”以及类似的指代关系，其中结构穿过插入结构和可移动的或刚性的附件或关系，直接地或间接地固定或附着于彼此，除非另有明确描述。此外，本发明的特征和益处通过参照示例性实施例示出。因此，本发明明确地不应该限于这样的示例性实施例，所述实施例示出了一些可能的非限制性的特征的结合，所述特征的结合可单独存在或与其他特征结合；本发明的范围由所附的权利要求限定。
本发明描述了目前预期实践本发明的最佳一种或多种模式。这种描述并不旨在理解为限制，而是提供通过参考所述附图仅仅为了说明性目的而呈现的本发明的示例，以建议本领域普通技术人员本发明的优点和构造。在各个附图中，类似的参考符号表示相同的或相似的部分。
此具体实施方式描述了本发明的实施例，并且为清晰起见，分为与本发明的不同方面相关的部分。
优选实施例的OCT成像应用
当用于许多现有OCT应用中时，如本发明背景技术中所描述的应用以及包括眼科成像、血管内成像、癌活检成像、发展生物学研究、医学诊断、手术引导、艺术保存、工业检测、计量和质量保证，本发明的优选实施例提供优于之前所证实的OCT技术的常规OCT成像性能。更为通常地，本发明可实施为受益于次表面成像、表面轮廓测量、运动表征、流体流动表征、折射率测量、双折射表征、散射表征或距离测量的应用。优选实施例可在所有考虑OCT成像的领域中实施。
优选实施例提供之前未达到的成像能力，包括：极长的成像范围、极高的基本成像速度以及改变成像速度、成像扫描轨迹、成像分辨率、在飞行中成像范围的能力，以支持OCT成像的多种模式。优选实施例还提供新的增强的动态范围成像能力以适应明亮反射，以及用于测量三维尺度数量级之上的多尺度成像能力。优选实施例的新的能力使得本发明能够用于OCT的新应用。例如，本发明使得制造、诊断、医疗或研究环境中的大物体或样本能够成像、分析和测量。新的应用示例包括在用于通过表面轮廓测量和距离测量检查制造物品的机器人手臂或托架上设置样本传送光学器件或扫描仪，在组装期间测量部件放置，检查磨损或损伤的部分，研究材料中的应用级，以及其它应用。OCT系统的不同成像模式可被用户视手头的成像应用需要而选择，可被预编以根据时间表或计划进行切换，如在制造环境中将是有用的，或可被基于实时执行的OCT测量的算法修改。
从原始设备制造商(OEM)的角度来看，本发明优选实施例的灵活操作允许单芯OCT模块或引擎用于多个或单个产品中以对应多种应用，从而除了提供给客户更高的价值外，简化了系统设计、库存以及存货控制。
OCT检测方法和原理
优选实施例使用OCT检测方法，其通过干涉仪测量检测样本的背向散射光和反射光而运行。
所有的OCT系统包括至少一个光源110，具有样本臂120和参考臂130的干涉仪，以及获取干涉信号的检测器140，如图1A所示。
优选实施例使用扫描仪用于扫描穿过样本的样本光。一个实施例中的扫描仪为眼科OCT中常用的旋转镜，血管内OCT常用的侧视旋转探头，具有横向扫描能力的向前的观看探头，或用于扫描穿过样本的光的任何其它的方法。一个实施例中的扫描仪为移动台或传送带，允许OCT光学器件保持静止或未致动。另一实施例中的扫描仪为运动机器人、机器人手臂、构台或其它促使运动产生的平台，具有未致动样本臂光学器件或具有集成扫描能力的样本臂光学器件的一种。OCT数据采集接下来描述，使用振镜和OCT中常用的图1C所示的基于扫描仪的反射镜150。OCT系统通常在样本上聚焦光斑，并且收集在样本上单一横向位置的反射率-深度轮廓，称为A-扫描(图ID)。在样本上的光斑可横跨样本被扫描并执行多个深度查询，每一个深度查询成为一个A-扫描。将这种获得的连续的A-扫描组合作为横跨样本扫描的光束，产生样本的2D图像，称为B扫描(图IE)或称为OCT截面图像。可通过使用光栅扫描图案收集三维体积数据集(图IF)获取多个B扫描。其它的扫描图案是可能的，如圆、同心圆，螺旋或将扫描仪停留在一个位置以从相同的位置得到多个A-扫描，称为M-模式成像。M-模式成像有益于成像动态处理，可获得高的瞬时样本速率而捕获快速的动态。然而，在获得位于样本中与A-扫描位置对应的线的信息方面，M-模式成像是有限的，因为没有执行扫描。在样本上从相同的位置获取多个三维数据集能够产生四维OCT数据以形成样本的体积随时间变化的影像，但与M-模式成像相比帧速率降低了。可获得低阶时间相关获取，如在相同的位置重复B扫描以产生二维影像。重复B扫描也被用于检测样本中随时间的小变化，样本内的动作或运动的指示。重复B扫描作为三维体积收集的部分可产生三维体积，其特征为，在时间标度上的移动比重复完全的三维体积更快。迄今描述的扫描图案通常涉及点采样或点扫描OCT方法。也可以通过实施行扫描OCT或全视场OCT，分别使用ID数组相机或2D阵列或多点成像执行并行的检测，这也包括在本发明的一些实施例中。
本发明的优选实施例实现扫频源OCT。许多光学设计可用于构建根据特定应用和成本而优选设计的OCT干涉仪。两种可能的干涉仪设计在图2A和2B中示出。图中显示不同的取样臂光传递器件，一个设计用于与人眼中的光学器件的兼容性(图2A)，一个用于无集成光学器件的更标准样本的成像。样本臂传递光学器件和干涉仪设计可根据成像应用而适当交换。与所示不同的干涉仪设计和取样光学器件是可能的，并且包括在本发明的一个实施例中。一般情况下，该干涉仪和取样臂光学器件将针对特定的应用或应用类型而优化。干涉仪中使用的光纤部件能够简化对准和改善稳定性，虽然大体积光学器件干涉仪也能使用。本发明的一个实施例使用包括大体积光学器件的干涉仪。本发明的另一个实施例使用包括光纤部件的干涉计。OCT系统可以大体积光学器件干涉仪或光纤干涉仪或两者的结合而构建。图2A所示的干涉仪设计工作在用于OCT成像的全部波长，但由样本收集的光的一部分通过第一光纤耦合器210重新定位到源，并且从不到达检测器，导致干涉仪效率的损失。图2B所示的设计包括循环器220，230。高效率循环器是在1310纳米和其它波长处可用，而在850纳米和1050纳米波长时效率较低。本发明的一个实施例使用循环器提高干涉仪的效率。
扫频源OCT系统的运行通过适时扫描发射波长，使用该发射作为至OCT干涉仪的输入，从干涉仪检测相干信号，和数字化该信号用于分析，如图3A所示。为了解释说明，图3A所示的示例条纹310是通过扫频源OCT系统记录的从单个镜面反射预期的大致的干涉图案。为了理解扫频源OCT成像原理和系统限制，考虑在不同成像配置下的来自镜面反射的OCT信号是有帮助的。参考下列等式1，其中km为采样点m时的波数，I[km]为采样点m时的瞬时光电流，p[km]为采样点m时响应的检测器，S[km]为采样点m时样本上的瞬时功率，RR为参考镜像的反射率，Rs为样本镜像的反射率，Zr为参考镜像的深度，以及zs为样本臂镜像的深度。等式1改编自J.A.Izatt和M.A.Choma，2.7部分，W.DrexlerandJ.G.Fujimoto编，“光学相干断层扫描：技术与应用”，2008。实际上，光电流I通常在A/D数字化前通过互阻抗放大器变换为电压。
等式1
余弦函数内的项表示OCT条纹相。当相位增加(或降低)，所述OCT条纹以完整的振荡周期(以每2*π弧度发生)振荡。波长扫频具有开始波数kstart和结束波数kend。OCT条纹中的震荡次数与总相位差ΔΦ的大小成比例，在扫频期间，其由等式2给出
ΔΦ＝2(kend-kstart)(zr-rS). 等式2
等式2示出了随着成像深度的增加，条纹频率增加(即扫频期间存在较大的振荡次数)，因为余弦函数内的(zr-zs)乘数项增加总条纹相位，如图3B所示。所有其它的扫频特性都相同时，对于给定的反射镜位置，条纹频率随扫描重复率的增大而增大，如图3C所示，因为相同数量的条纹震荡发生在较短的时间内。类似地，所有其它扫频特性都相同时，给定的反射镜位置，条纹频率随波长扫频范围的增大而增大，如图3D所示，因为由于较大的(kend-kstart)项，总相位差增大。图4A示出了条纹频率上的额外的影响，其中条纹频率还取决于扫频轨迹。扫频具有慢速和快速的部分，例如以正弦波轨迹410产生的，例如，具有峰值条纹频率，波数(k)相对于时间的变化率最大。对于OCT成像系统的设计者，由于与检测和数字化条纹相关的限制和挑战，条纹频率上影响的结果是显著的。为了防止条纹信号失真，根据尼奎斯特采样标准，模数转换器(A/D)320的采样频率必须至少为条纹频率的两倍。因此优先的是线性化该扫频频率，从而使该扫频在k空间(波数)对时间方面是线性的420，如图4A底部所示，或更一般地最小化条纹频率的峰值以对于给定的最大数字化速率，最大化OCT成像范围。A/D转换器的采样速率增加时，A/D本身的成本随着相关支持电子设备、数据流机构及数据存储的成本、复杂性及时间的要求增加。因此简单地选择快速A/D转换器经常是不可行的，根据市场将支持什么成像应用，在最大可获得的数据带宽(模拟检测带宽，A/D速率、数据流以及存储设备)中必须作出折衷。
对于给定的最大采集带宽和A/D转换速率，必须在OCT系统设计中的仪器成像范围、扫频重复率(与相关的仪器灵敏度)及轴向分辨率间进行权衡。进一步考虑影响OCT的轴向点扩展函数和分辨率的是条纹包络的形状。具有宽频谱包络的条纹(图4D-1)产生具有高轴向分辨率的OCT轴向点扩展函数，但具有较大的旁瓣(图4E-1)。旁瓣在OCT数据中产生重影。对于相同的总扫频范围，形成频谱包络以更近似高斯分布(图4D-2)，减少了旁瓣，但稍微损害了OCT的轴向分辨率。形成频谱包络(图4D-3)进一步产生改善的旁瓣性能，但代价是OCT的轴向分辨率(图4E-3)。OCT轴向点扩展函数的对于情况1-3的比较示于图4F中。通常，扫频源OCT系统被设计用于单个运行模式，其是针对具体应用优化，同时考虑采集带宽限制和相关成像性能的权衡。在OCT仪器的设计更加复杂并由扫频源技术本身的限制所约束，在运行速度和扫描带宽中包括界限，在许多扫频源激光技术中极大地受到限制。许多OCT成像系统发展到现在，扫频源技术的短的相干长度也是重要的考虑，在现有扫频源技术中这从根本上排除了长的OCT成像范围。本发明的优选实施例解决了影响OCT成像能力和性能的这些设计考虑，并克服了现有技术的许多缺点。
敏捷成像系统
优选实施例在OCT成像系统中使用SS-OCT检测方法，并且利用基于可调谐源技术的新的垂直腔激光器(Vertical Cavity Laser，VCL)。VCL可调谐源技术实现超高的扫频速度、宽泛的光谱调谐范围、扫频轨迹的可调节性和极长的相干长度的结合，而任何现有OCT光源技术都不能同时实现。
为了引入本发明实施例的目的，图5提供了该敏捷成像系统的概述。在本发明的优选实施例中，OCT成像系统中的光源包括可调谐源500，其包括波长可调谐VCL源510和腔内调谐元件520，产生单纵模输出，在发射波长范围内可调谐以产生波长扫频。该单纵模输出发射允许VCL源510的相干长度显著长于现有OCT技术的其它可调谐源。该源的长的相干长度使得本发明实施例的成像范围延伸。光发射的波长或频率通过腔内调谐元件确定。本发明优选实施例还包括调谐驱动器540，该调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响激光器中的调谐元件520，其确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围。由调谐驱动器540提供至调谐元件520的输入信号影响调谐元件520的调谐。应用于调谐元件520的不同的输入信号产生不同的波长调谐响应作为时间的函数。调谐机构的动态性限定了针对调谐元件的输入-输出关系。输出波长调谐将是时间的函数，并遵循一扫频轨迹，其往往是重复的。该轨迹将与扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围相关联。通过经由调谐驱动器使用不同的驱动波形应用于调谐元件，实现不同的调谐响应。调谐响应为发射波长与时间的函数。该优选实施例包括至少一个电流驱动器550，其在可调谐源内供应电流至增益材料530以调节输出光辐射功率。增益材料530可置于VCL510的内部，例如在电泵浦VCL的情况下。增益材料530可置于VCL510的外部，例如在光放大器的情况下。增益材料530可置于VCL510的外部，例如在泵浦激光器中，如使用光学泵浦VCL的情况下。为了解释说明，增益材料510在方框图中作为部件示出，然可调谐源500的实际设计和制造定义了该增益材料的相对的几何形状和精确位置。在期望形成增益或输出光谱的情况下，到增益材料的电流可作为时间的函数而变化。本发明的优选实施例包括监控检测器(监控器)560以测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对于可调谐源的干扰或产生调谐波形以支持OCT成像的多种模式。图5中，连接监控器560至调谐驱动器540和电流驱动器550的线表示信息的反馈。用于使用信息的反馈机构的详细描述和实施例稍后描述。该优选实施例还包括光学干涉仪570，其具有由可调谐源照明的参考臂和样本臂；一个或多个将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的光检测器580；以及将从一个或多个检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置590。本发明的该实施例应用于使用波长扫频可调谐源的所有形式的OCT。
可调谐源
可调谐源产生被引导到监控检测器和干涉仪的输入。在优选实施例中，可调谐源包括VCL。在一个优选实施例中，VCL为垂直腔表面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)，或替代地称为MEMS可调VCSEL，如图6A所示。VCSEL采用晶片制造技术制造，如图6B所示。图6C中放大的图象显示由晶片制造的单个VCSEL装置。利用来自适宜波长的外部泵浦激光器的光对本优选实施例中的增益材料610进行光学泵浦，用于激发该增益材料。VCSEL激光器腔通过在两个反射镜间定位增益材料而形成。底部反射镜是固定的620。顶部反射镜630作为输出耦合器并通过柔性结构悬挂。反射镜形成法布里-珀罗滤光器，使得调谐发射波长与反射镜的间距成正比。横跨致动器触垫施加电压在MEMS致动器产生静电引力，拉动顶部镜向下，从而降低了谐振腔长度和调谐了较短的发射波长。图6D显示了通过横跨致动器施加直流电压而得到的VCSEL装置的静态波长调谐。引力Fa相对于电压V和偏转δ为非线性的，其中g为非偏转的致动器间隙距离，ε为介电常数，以及A为面积，示于等式3中。
等式3
致动器的回复力Fs，通常线性正比于偏转，以下的等式用于弹力，Fs＝ksS，其中ks为致动器的弹簧常数。在特定的临界直流电压和响应的偏转，静电引力超过MEMS柔性结构的回复力，致动器变得不稳定。致动器的快速加速使致动器的上半部分与致动器的底部部件碰撞，在MEMS静电致动器领域称为“拉入(pull-in)”或“急剧降低(snap-down)”事件。对于许多的MEMS致动器的几何形状，急剧降低发生在静态调谐总间隙距离的大约三分之一的偏转处。对于在图6D中描述的装置，当偏转-电压曲线变为垂直，将稍微高于52伏特，急剧降低发生。直流急剧降低和静态调谐响应曲线对不同的MEMS致动器设计是特定的，并取决于材料的选择和几何形状。MEMS装置动态调谐期间的偏转可超过静态急剧降低偏转，因为电压可在更高的偏转处降低，MEMS致动器的动力学用于使用致动器的动量携带致动器通过急剧降低位置。适于OCT成像的扫频可通过施加随时间变化的电压波形至致动器而获得，如图6E所示。通常，VCL按一扫频重复率产生波长扫频。更快的扫频重复率允许更快的成像速度。优选调谐波形的详细说明和用于它们的合成方法在本文件中稍后描述。
图7A显示VCSEL的中心约1310纳米的静态波长调谐，图7B显示VCSEL的中心约1060纳米的动态调谐。OCT的不同应用需要不同的波长以获得最佳的性能。众所周知，在纱织品和其它材料中较长的波长比较短的波长展现出较少的散射。选择用于OCT成像的适当的波长时，散射不是唯一的考虑因素。吸水率在样本中削弱光信号，调节的安全标准限制允许在用于体内成像的样本上的最大曝光。常选择大约850纳米和1065纳米的吸水率窗，用于人视网膜的OCT成像，其中光束必须在玻璃体内的水中经过大约20-25毫米的来回的行程。大于约1100纳米的波长通常不用于视网膜的成像，因为水吸收太多的光功率。传统上，小于750纳米波长已很少用于眼科OCT成像，因为ANSI标准限制允许在这些波长处在眼睛上的小功率级的曝光，光在这些波长处大量散射，OCT光束对患者可见使得患者被扫描时常常追踪光束，在图像数据中引入运动伪影。不过，可见光波长OCT已实现并由于在这些较短波长处获得的不同的对比而致力于医学诊断。因此，在可见光谱中运行的OCT系统是有用的。本发明的一个优选实施例使用发射波长范围的中心波长在380纳米和750纳米之间。由于在较长波长处减小的散射，可见光之外的红外光尤其对OCT成像有用。红外光也是对患者较少可见或不可见的，因此患者不太可能无意中遵循或追随在眼睛或视网膜上突起的红外光束。因为吸水率在约900纳米处开始增加，在约970纳米处呈现峰值，接近吸收峰值的红外光的低吸收窗特别有利于OCT成像。本发明的一个优选实施例以发射波长范围的中心波长在750纳米和970纳米之间运行。几乎所有的商用视网膜OCT成像仪器在800纳米范围波长运行。第二水吸收窗存在约1065纳米处。1065纳米处的OCT成像已证实增加进入视网膜的脉络膜和视神经头的渗透，以及当为老年患者成像时，较少受到白内障的影响。调节的标准允许在1065纳米处比在800纳米波长处以较大的功率进入眼睛。在皮肤样本和视网膜样本成像时，可在1065纳米和800纳米之间观察到不同的对比。使用约1065纳米中心波长和跨越水吸收窗宽度的OCT成像系统对于OCT成像是有用的。本发明的一个优选实施例以发射波长范围的中心波长在970纳米和1100纳米之间运行。皮肤和其它散射组织和材料样本的OCT成像通常使用1310纳米波长实现。OCT也已在1550纳米处实现。本发明的一个优选实施例以发射波长范围的中心波长在1200纳米和1600纳米之间运行。近期的研究结果表明较长波长的OCT有益于OCT。本发明的一个优选实施例以发射波长范围的中心波长在1800纳米和2100纳米之间运行。随着波长增加，需要较大的波长扫频以获取可比较的OCT轴向分辨率。因此，较短的波长常用于和优选于高分辨率OCT成像，较长的波长常用于和优选于经由散射组织和材料的深度渗透OCT成像。VCL可设计为在所有这些波长处运行。
优选实施例中的可调谐VCL技术的一大优点是长的相干长度。源的长相干长度使得能够在长的光程长度延迟产生清晰的干涉条纹周期，比现有技术中的时间长。图8A示出用于扫频源OCT的现有光源技术的调谐。现有技术中的相对比较长的厘米至米的腔长度在腔内产生多种纵向激光器模式。调谐机构由腔内滤波器或可调谐波长选择端反射镜中的一个组成，滤出一组纵调谐模式以形成激光器输出发射，如图8A所示。优选实施例中使用的VCL在不同的体系下运行，其中几微米长的法布里-珀罗腔包括整个激光腔，推动自由光谱范围(free spectral range，FSR)超出激光器的调谐范围和在整个FSR启用无跳模单模调谐，如图8B所示。图8C示出了现有OCT技术使用频谱和扫频源OCT时相对于单个经过干涉仪的延迟的OCT灵敏度损耗。应注意的是扫频源技术在24毫米(FDML)和10毫米(MEMS可调谐短腔激光器)处有至少10dB的下降，频谱域OCT仅在4-12毫米的光路延迟上有大于20dB的下降。显著相反的是，图8D示出了用于优选实施例中的VCSEL的OCT灵敏度下降，其在100毫米以上的干涉仪光学延迟上的下降小于2dB，比任何以往的OCT成像技术有至少一个数量级幅度的更好的性能。VCL的长的相干长度使能本发明一个实施例的长的成像图像。长的相干长度也简化了条纹校正和光学时钟，将在本文中稍后描述。
在本发明的优选实施例中，VCL激光器在成像速度的宽范围之外运行，并且能够产生优先用于OCT成像的波长调谐分布。VCL中的致动器的设计对于获得宽范围的调谐分布、扫频重复率和波长扫频范围是重要的。图9示出了VCSEL中改变致动器几何形状时对调谐机构的频率响应的影响。对于大约30μm的小盘直径，设备在约290kHz显示出小阻尼(高Q值)谐振峰值。该设备具有用于在约290kHz以正弦波扫频轨迹运行的较强偏好，具有与二阶弹簧-质量-阻尼系统一致的动态响应，Mx(t)+Bx(t)+ksx(t)＝F(t)，其中M为致动器的集中(lumped)质量，B为集中粘性阻尼，ks为集中弹簧常数，以及F(t)力作为时间t的函数。增加盘直径增加阻尼因数B，但它也开始添加挤压膜阻尼效应。与挤压膜阻尼相关的动态实际稳定极点和动态实际稳定零点在动态响应中变得明显。因此，在具有30μm盘直径的VCSEL中观察到的强的谐振峰值变宽，如在对于87μm和103μm设计的频率响应曲线中所见。同时，由于与较短挠曲臂相关的致动器，较大的87μm和103μm设计具有更高的约400kHz-500kHz的共振频率。较大致动器盘设备的较高的共振频率和宽的谐振峰值(低Q值)使得它们更优选用于宽范围的扫描重复率和用于形成针对多操作模式的扫频轨迹。本发明的一个优选实施例使用具有宽的谐振峰值的致动器设计，该谐振峰值具有低Q值和高的固有共振频率。VCL源获得的宽范围的扫频重复率和扫频范围使单个设备具备在多个维度量级上的多尺度成像能力。对于需要很长成像范围的应用，致动器的质量可被构建得较大而刚度较小以实现若干kHz的低重复率的稳定扫频。本发明的一个优选实施例使用较大质量致动器和较低硬度以在<20千赫扫频重复率下获得稳定的扫频性能。
显示单个的VCSEL设备从100kHz到400kHz的扫频重复频率的范围内运行的试验数据示于图10中。如图所示，该输入驱动波形为正弦波驱动波形。激光腔强度显示了扫频轨迹，也在图中示出。从100kHz到400kHz工作点的对应的谱频在图11中示出。频谱除了微小的变化几乎是一样的，这些微小的变化源于在长波长附近的对不同量时间的不同的扫频分析，表明单个VCSEL在扫频重复率的宽范围内运行的能力，以及用于优选实施例中以获得可变的运行速度的扫频光源的重要特征。
显示单个VCSEL设备在不同扫频范围内运行的试验数据示于图12中。频谱显示在许多不同扫频范围上的均匀功率分布，表明单个VCSEL在跨越宽范围扫频范围运行的能力，以及用于优选实施例中以获得可变的扫频范围和分辨率成像的扫频光源的重要特征。
优选实施例的可调谐源包括激光器腔内的至少一种增益材料。该增益材料可受光学泵浦或电泵浦。光学泵浦的情况下，来自泵浦激光器的光激发该增益材料。本发明的一个优选实施例在VCL中使用增益材料的光泵激。图13A示出了在敏捷成像系统中的光学泵浦的VCL1370的示例。光学泵浦激光器1310自身具有由电流驱动器1330激发的增益材料1320。电泵浦的情况下，电流直接激发增益材料1360。光学泵浦VCL更容易制造，但需要外部的泵浦激光器和支撑的光学器件和电子设备。泵浦波长的选择影响腔内增益材料的频谱增益响应。980nm的泵浦波长适于约1310nm中心波长的VCL以及使用磷化铟增益材料。780nm-850nm的泵浦波长适于约1065nm中心波长的VCL以及适用砷化铟镓增益材料。电泵浦VCL的设计和制造比光学泵浦VCL更有挑战，但最终通过消除泵浦激光器和相关联的光学器件和电子设备，具有潜在的成本节约和尺寸的优点。本发明的一个优选实施例在VCL内使用增益材料1360的电泵浦。图13B示出了在敏捷成像系统中的电泵浦VCL1340的示例，其中增益材料1360通过电流驱动器1350电泵浦。
OCT系统的信噪比和灵敏度取决于若干因素，包括从样本导向检测器的光的收集效率和样本照明的发射功率。在入射到样品上的功率是有上界的情况下，高集光效率干涉仪设计使用的分束比将更高百分比的光从样品导向到检测器，但是需要更高的光源功率，以达到合适的功率水平的样本照射，因为分光比起作用以减少来自光源的光在样本上。VCL的输出功率可以也可以不必足够高而用于OCT成像应用。为了增加输出发射功率，一个优选实施例中的可调谐源包括一个或多个光放大器。在一个优选实施例中，可调谐源包括至少一个光放大器，用于更高的输出功率，以增加样本上的功率而获得高的OCT灵敏度。在一个优选实施例中，可调谐源包括至少一个光放大器用于更高的输出功率，以允许干涉仪设计中的高集光效率以改进系统灵敏度性能。光放大器的示例为助推光学放大器(BoosterOptical Amplifiers，BOA)，半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifiers，SOA)，垂直腔半导体光放大器(Vertical Cavity Semiconductor Optical Amplifiers，VCSOA)和掺杂光纤，而任何光放大器可用于提高可调谐源的发射功率输出。在一个优选实施例中，可调谐源包括泵浦激光器，光学泵浦VCL和一个或多个光放大器。图14A示出了包括光学泵浦VCL1410和光放大器1420的示例系统。在一个优选实施例中，可调谐源还包括电泵浦VCL和一个或多个光放大器。图14B示出了包括电泵浦VCL1430和光放大器1440的示例系统。
光放大器放大射入其输入口的光。而如果增益材料是不饱和的，增益材料本身的自发发射也将被放大。光的放大式自发射(amplified spontaneous emission，ASE)贡献计入在样本上的曝光，但是对有用的OCT条纹构造没有帮助。当调节的曝光限制在样本应用上时，未调谐的光因此降低仪器的灵敏度。这种光的未调谐的贡献还增加测量的噪声。因此，优选实施例使用可调谐源，其包括在基本饱和的运行状态中使用的至少一个放大器。
当对光放大器没有输入时，它将产生单独的放大式自发射(ASE)的光。此ASE可被测量，例如，通过去除至放大器的输入并使用光谱分析仪来测量ASE频谱。ASE频谱常用于表征光放大器，并且常示于商用放大器的数据表中。而ASE频谱不一定代表放大器的增益分布。为此，ASE的中心波长从调谐的中心波长偏移是有益的。为从BOA获得平衡的输出频谱，例如，期望ASE的中心波长为相对于VCL的中心波长偏移的短波长。本发明的一个实施例包括ASE的光放大器中心波长从调谐波长的中心偏置以在调谐波长上改进增益响应。在一个优选实施例中，ASE的中心波长为相对于VCL源的中心波长偏移的短波长。大的调谐范围需要大的带宽增益响应。大的带宽增益响应可用多量子状态放大器获得。一个优选实施例使用一个或多个光放大器，其结合了具有至少两个受限量子态的量子阱增益区域。
在优选实施例中，电流驱动器给可调谐源内的增益材料供应电流，并且该电流可被调节以改变输出光辐射功率。调节电流至增益材料的详细描述和用于合成优选波形的方法在本文中稍后描述。
本发明的优选实施例使用在输出发射的波长内可调谐的VCL源。由于VCL源中的光腔的光程长度改变，源调谐不同的波长。在一个优选实施例中，光程长度通过改变限定腔的两个激光反射镜间的物理距离而改变。图15A示出了具有通过改变两个激光反射镜1510，1520间的物理距离而获得的可调节的路程长度的示例VCL。在另一个优选实施例中，该光程长度通过改变限定光腔的两个激光反射镜间的任何一个或多个材料的折射率n而改变。图15B示出了具有通过改变限定光腔的两个激光反射镜间的任何一个或多个材料1530的折射率n而获得的可调节路程长度的示例VCL。在许多实施中可获得在VCL的光腔的光程长度的改变。一个优选实施例包括调谐元件，其为静电致动MEMS结构或机构，并且移动限定VCL源的光腔长度的至少一个激光反射镜。另一优选实施例包括调谐元件，其为压电换能器致动结构或机构，并且移动限定VCL源的光腔长度的至少一个激光反射镜。另一个优选实施例调谐元件，其为换能器致动结构或机构，并且移动限定VCL源的光腔长度的至少一个激光反射镜，该换能器能够微米级运动。调谐元件可物理调节限定激光腔的两个反射镜间的间隔，如前所述，或该协调元件改变限定光腔的两个激光反射镜间的任何一个或多个材料的折射率，同时使得两个反射镜之间的物理间隔相同。一个优选实施例包括调谐元件，其为液晶设备，能够调节VCL源的光腔的光程长度。另一个优选实施例包括调谐元件，其为半导体材料，能够调节VCL源的光腔的光程长度。本发明的另一个优选实施例包括调谐元件，其为设备或材料，能够通过改变折射率调节VCL源的光腔的光程长度。在一个优选实施例中，多种机构相结合用于调节激光器的光腔长度。例如，一个优选实施例包括与静电致动MEMS结构结合的压电换能器，以调节反射镜间的间隔，并可进一步与经受折射率改变的材料结合。应理解，所有影响VCL激光器腔的光程长度的设备和材料都并入本发明。
VCL源优于先前可调谐源技术的一个显著的优点是微米级VCL源的腔长使得在短时间内通过光学增益材料发生多次往返。过去所示的大多数传统的整体光学器件和短腔激光器设计在速度上受到限制，这是由于相对长的时间用于建立ASE来以调谐激光发射。而较长的空腔激光器被限制在其最高扫频，VCL源能快速实现增益材料饱和以使得更快速率下的扫频。本发明的一个优选实施方案可以在调谐元件的动态性允许的所有速度下操作。VCL源的快速光子动态性也使能高质量的双向波长调谐。本发明的一个实施例使用波长扫频的两个方向执行OCT成像。在某些应用中，比如长距离成像或多普勒OCT中，优选的是仅用一个方向的扫描成像。本发明的一个实施例使用波长扫频的正向或反向执行OCT成像。正向扫频是从短波长到长波长的扫频，反向扫频是由长波长到短波长的扫频。本发明一个实施例的敏捷成像系统可以两个方向的波长扫频或一个方向的波长扫频成像，运行期间可能采用混合模式，运行模式的选择基于手头的成像应用要求。
可调谐源的设计也影响成像系统的性能。边模分离取决于激光腔在哪种模式中运行。本发明的优选实施例中，激光腔在约m＝1处运行，使得边模从主激光器线路中分离来帮助抑制或除去不需要的边模。一般情况下，理想的是抑制边模以减少成像伪影(artifact)。当激光器输出频率由调谐控制信号静态调谐时，本发明的一个优选实施例具有高于20dB的边模抑制比。VCL激光器能够调谐单纵模，这能够实现一种非常长的相干长度。当激光器输出频率由调谐控制信号连续调谐时，优选实施例具有可调谐源，其具有长于30mm的相干长度。较长的相干长度对于许多成像应用是可能的和期望的。
调谐轨迹和驱动波形合成
如果调谐波形从调谐元件的固有动态特性改变该调谐元件的调谐响应，本发明一个实施例中的OCT成像性能可被改善。在扫频源OCT中，因为尼奎斯特(Nyquist)采样的要求以及A/D数据采集采样速率和带宽上的上限，最大峰OCT条纹频率限定设备的最大成像范围。优选实施例执行扫频轨迹用于最小化峰值OCT条纹频率。峰值条纹频率通过延伸波长扫频发生的时间而被降低。因此，成像扫频时间对非扫频时间的高占空比对于OCT是有益的。峰值条纹频率也可通过在连接开始和结束波长的轨迹内最小化峰值波数内的变化率被降低，最优的解决方案是波数位置的直线(斜率)和波数速度的恒定。理想的扫频轨迹将是高占空比和线性的k空间(波数)。在实践中，致动器的动力学在可获得的加速度方面有限制，并且存在多种能够被激发的谐振模式。因此，考虑传动装置动力学的最佳的扫频轨迹可能不是完全线性的，以最小化峰值条纹频率。本发明的优选实施例用于产生在致动器动力学内的使峰值条纹频率最小化或者减少的扫频轨迹。有时需要强调线性扫频和折衷峰值条纹频率目标。例如，当由OCT系统光学时钟控制时，某些A/D转换器工作最好在恒定的时钟频率下工作。一个优选实施例产生扫频轨迹，其作用以在折衷峰值条纹频率的潜在成本下线性化该扫频。本发明实施例中干涉条纹的实验例示于图16和17，已经以波形驱动作用以相对于波数线性化该扫频轨迹，以便减少峰值条纹频率和在扫频期间保持条纹频率恒定。图16A和16B分别示出了在多个周期的驱动波形和条纹响应和一个周期上的变焦。扫频主要是k线性，占空比很大，其中以长的成像扫频和短的回扫扫频执行单向扫频成像。图17A示出了条纹的详细变焦，图17B示出了条纹相位随时间的演变，图17C显示了试验条纹间距相比于最优条纹间隔，而图18示出了相应的放大频谱。在该示例中，可调谐光源具有在时间上线性化的输出频率，线性比优于约1.2。该波形对于给定的A/D转换器速率在致动器的正弦波响应内改善了OCT成像范围。本发明的一个优选的实施例使用调谐波形以提高扫频线性以对于给定的最大A/D采样时钟速率实现较长的OCT成像范围。
OCT的高速应用通常受益于使用双向扫频，这是因为调谐元件，不必执行完整回扫并返回至起始波长，从而提高占空比。图19示出了线性化、高占空比、双向扫频的马赫-曾德尔干涉仪的实验OCT条纹数据。本发明的一个优选实施例使用正向和反向扫频获取数据。接近致动器的谐振频率，并不总能线性化扫频。图20A示出了在500kHz，接近谐振下工作的VCSEL器件的驱动波形和扫频轨迹，而图20B示出了使用双向扫频的两个扫频方向的以1MHz轴向扫频速度获得的人指甲(human finger pad)相应的OCT图像。然而，长的成像范围OCT应用可以受益于单向扫频，其对于给定的VCL重复率降低波长调谐与时间的比率。图21A和21B示出了卷带的长范围OCT图像。某些OCT成像模态，例如多普勒OCT，也可得益于单向扫频，因为这种方法依赖于波长间的精确的和固定的时间差，其使用相邻的双向扫频不能获得。一个优选实施例只使用正向或反向的扫频用于OCT成像。本发明的另一优选实施例可以在使用正向和反向的扫频用于双向成像和仅使用正向或反向扫频用于单向成像之间切换，正如OCT成像应用所要求的那样。
在OCT中，波长扫频的长度、波长扫频的轨迹以及扫频重复率都对峰值条纹频率有所贡献，峰值条纹频率对于给定的A/D采集速率确定了最大成像范围。因此在扫频源OCT成像中，扫描范围(与OCT的轴向分辨率相关)、扫描重复率，以及成像范围间存在固有的折衷。OCT系统灵敏度和轴向扫描速率之间也存在固有的折衷。由于这些原因，期望能够改变激光器的扫频重复速率以适应和优化于不同的成像应用。
在一个优选的实施例中，VCL使用静电MEMS调谐元件，有可能在当扫频重复率在1's，10's，或100's的赫兹范围内的大约一个扫频周期内改变轨迹。至所述驱动元件的波形可在数据集获取期间改变，但也可在一数据采集期间改变。本发明的一个实施例允许在单个数据集内的运行模式混合的采集。例如，体积3D采集可以重复B-扫描，以及在长的成像范围、松弛轴向分辨率和短的成像范围、高分辨率之间替换以获取所述样本的附加信息。通过权衡扫描速度或扫描范围，成像范围可被调节，同时停留在采集带宽内。在采集期间将关于改变扫频范围和扫频重复率的成像模式混合在一起，显示出了本发明灵活性和灵敏性的高度。然而，本发明一个优选实施例运行，使得调谐波形在基本固定的重复率下扫描VCL源。本发明另一优选实施例运行，使得调谐波形在基本固定波长的调谐范围内扫描VCL源，保持轴向分辨率。本发明一个优选实施例以固定重复率，固定波长扫频和固定轨迹运行。这种运行模式有益于OEM供应商在多种产品中使用标准的OCT引擎。在更一般的情况下，一个实施例包括可调谐源，其以可变的驱动波形驱动以获得关于扫频重复率的不同的运行模式。也在更一般的情况下，一个实施例包括可调谐源，其以可变的驱动波形驱动以获得关于扫频范围的不同的运行模式。
驱动调谐元件的波形可从模拟源或数字源合成。产生波形的电子产品的关键特征是能够通过改变输入参数调节波形形状。本发明的一个优选实施例使用D/A转换器以从数据的数字流产生波形，该数据可以从其存储形式中读取或在运行中合成。微处理器、微控制器、FPGA、DSP、具有存储和计数(寻址)能力的电路，或类似的数字处理单元可连接到D/A，用于控制数据流和负载波形数据。该驱动波形可以表示为一数学函数，也可以是一系列任意波形值。可单独控制的一系列任意波形值，例如可以表示为存储器阵列，在其中能单独调节每个值，可以被表示为一系列的δ函数。本发明的另一个优选实施例使用一系列模拟振荡器，其中幅度和相位可调节，并通过加合振荡器和直流偏置电压的输出生成波形。包括适当的驱动电子器件以将波形信号连接到调谐换能器或调谐材料。本发明的优选实施例使用了调谐波形，该调谐响应波形从调谐元件的固有动态性改变该调谐元件以获得调谐响应，该响应优选通过改善以下至少一种以用于成像：扫频重复率、扫频速度、扫频加速度、扫频范围、扫描的线性和扫频占空比。在最一般的情况下，优选实施例确定了调谐响应以提高OCT成像性能。
可以使用许多不同的驱动波形来驱动本发明的可调谐源。在一个优选实施例中，数学模型的调谐轨迹可被优化，产生的优化模型的驱动波形施加到实验装置。本方法也适用于某些调谐元件动态特性并且当该模型接近地匹配实验动态特性。还可以在优化回路中实验性地以可调谐源优化波形。在任一情况下，对波形进行参数化并应用于模型或实验硬件。可以手动调节波形的参数。而在优选实施例中，波形的参数通过优化算法调节。
本发明的一个实施例通过利用监控器2230测量自VCL的输出发射的光学性能，以及调节到达用于驱动VLC2240的调谐驱动器2220的轨迹，来自动操作波形合成，如图22所示。调节步骤可以通过一个控制器2210进行，该控制器将监测信号作为输入，并使用监测信号中的信息来调节波形。所述控制器可以是能够计算出正确的修正的处理器、FPGA、微控制器、模拟电路或其它电子电路。该控制器可被嵌在调谐驱动器中或可以是外部的计算单元。该控制器也可以是计算机，连接到或者与OCT成像系统通信。图23示出了合成图22中的反馈装置给定波形的一种方法的流程图。本发明的一个实施例使用一种方法合成驱动波形，该方法包括：将所述调谐波形表达为可调节输入参数的值的函数以创建调谐波形表达式2310，将所述调谐波形应用到调谐元件或可调谐源动态性的数学模型以产生至少一个实验测量或模拟的波长扫描2320，计算基于实验测量或模拟的波长扫描的性能度量或目标函数的值2330，以及调节输入参数的值以优化性能度量的值或目标函数2340。一般情况下，该方法重复该步骤多次作为具有一个调节或校正的优化过程的一部分，对于每一次迭代应用于输入参数，直到满足终止标准2350。在优选实施例中，设计目标是最通常地示为要优化的目标函数或性能度量。约束还可以被应用到系统的输入和输出上并包括在目标函数或作为对优化过程的约束。另外，还可以结合多个性能度量以形成多目标的性能度量。
波形可以用数学等式，或仅仅是以数据阵列，或以可调节数据点的组来表示，其中在数据阵列中的每一个数据点为可调节的。一个实施例使用包括基本函数的组合的调谐波形，所述调谐波形改变自调谐元件的固有动态性的调谐元件的调谐响应。等式4示出一种通用的电压波形V的表示，作为时间t的函数，即n基函数的组合bt(t)，其中，每个ai是第i个基础函数的基础系数并作为调节输入参数定义所述驱动波形。
V(t)＝a1b1(t)+a2b2(t)+a3b3(t)+…+anbn(t) 等式4
用于合成驱动波形的方法可以包括表达式，该表达式包括一DC偏移值作为可调节的输入参数。用于合成驱动波形的方法可包括表达式，该表达式包括具有不同频率的正弦函数的求和，所述正弦函数具有可调节振幅和相位作为可调节输入参数，或者等效地包括正弦和余弦函数，该正弦和余弦函数具有固定相，以通过平衡正弦和余弦的相对贡献来提供相位可调节性。用于合成驱动波形的方法可以包括表达式，该表达式包括具有可调节的输入参数的啁啾余弦函数。用于合成驱动波形的方法可以包括表达式，该表达式包括以控制点作为可调节的输入参数的样条函数。在更一般的情况下，合成驱动波形的方法可包括表达式，该表达式包括以输入值作为可调节输入参数的数学函数，包括但不限于所选择的一个或多个：平方根函数、第N级方根函数(其中N是整数、小数、或分数值)、指数函数、对数函数、平方函数、第N功率函数(其中N是整数、小数、或分数值)、三角函数、阶梯函数、脉冲函数、伽马函数，高斯函数，线性函数、三角函数、分段函数，以及信号表示领域已知的其它函数。在最一般的情况下，合成驱动波形的方法包括表达式，该表达式包括以输入值作为可调节的输入参数的数学函数。可以实施许多可能的数学函数。接下来是一些实际的例子。等式5示出了与正弦函数的和结合的DC值。正弦函数的频率是扫频重复率ω和谐波的基频：
V(t)＝a1+a2sin(ωt+a3)+a4sin(2ωt+a5)
+a6sin(3ωt+a7)+...+an-1sin((n/2-1)ωt+an) 等式5
补偿该致动力的电压平方项(参见图3)，这将有益于计算电压作为平方根的数学函数，如等式6所示，为了改善收敛速率。
等式6
另一有用的波形包含分段级联的啁啾余弦函数，如等式7所示，用于产生在图16A、16B、19和20所示的驱动信号。m个分段中的每个波形由啁啾余弦函数和选择的参数An,sn,Pn,Ln,Dn和En定义，使得函数曲线平滑，以及使得其在边界具有更高阶导数。其中An是第n个组合波形的相对幅度，sn是用于第n个组合波形的功率方面(power term)的相移因子，Ln是第n个组合波形持续的比例因子，Dn是第n个组合波形的相对的相位延迟因子，Pn为第n个组合波形的功率因子，En为第n个组合波形的相对偏置，tn为m个啁啾余弦函数中每一个的分段切换时间，t表示时间：
V(t)＝VDC+VAC·VP(t) 等式7
其中
在由等式7所描述的上述方法中，tm通常等于驱动波形的周期，当t≥tm时，t复位到零以重复波形。VDC为直流偏置术语，且VAC为重复波形(repetitive waveform)分量Vp(t)的比例因子。如图16和19所示，可包括对波形的微扰(small perturbation)以抵消在MEMS致动器中的谐振以获得优选的扫频行为。
可确定一调谐元件的动态性的数学模型，使得该数学模型和实验表现基本相同。数学模型可以来源于第一原理与建模参数进行调节以匹配实验数据。该数学模型也可通过使用系统识别的方法获得。一种有用的建模方法从运动控制领域使用子空间识别方法，在不同的偏转位置识别线性近似模型，以及内插该线性模型作为调谐位置的函数。作为用于合成波形方法的一部分，该波形可应用于该实验装置或模型以确定或预测所述波长调谐响应。
本发明的优选实施例中，性能度量与波长调谐响应相关联。例如，在OCT中，期望将最大峰值条纹频率最小化，以对于采集系统带宽上给定的约束条件实现长距离成像。在一个优选实施例中，在调谐元件扫频时，来自监视器的实验测量是来自所述可调谐光源发射的干涉条纹。条纹的过零点表示相等波数间隔的位置。一个优选实施例定义了性能度量为时间上的最小的光学干涉条纹过零点间隔或其等同物，其最大程度地减少条纹速度。条纹速率也可以从应用到条纹数据的希尔伯特变换来确定。类似地，本发明的一个优选实施例使用最大峰值条纹频率作为被最小化的度量。给定估计的条纹频率向量(其中，该估计是从实验装置的实验测量或从扫频的成像部分中的模拟模型中计算出的)，以及可调节的输入参数的向量，待最小化的性能度量G由给出。最小化干涉条纹频率本身不足以定义优化目标，因为优化器将驱使波长扫描范围降低到零以最小化条纹频率。因此需要要求优化器在优化期间最低程度地覆盖期望的扫频范围。理想的开始(短的)和结束(长的)波长可以分别定义为和并且包括在优化中作为约束。例如，可采用约束数值优化的外罚方法，其中和且其中和由实验测量或由开始和结束波长的估计决定。将性能度量与补偿函数和可调节的惩罚参数c结合，目标函数变为
当可调节惩罚参数c的值增大，外罚函数的效果变得越显著。在最小化峰值条纹频率和获得如公式表示的理想扫频范围之间存在平衡。通常，c值逐步增大直到实现足够的波长调谐范围。在实践中，设置和略微超过所需的波长调谐范围，从而可以使用中等的c值调谐范围而仍然达到调谐范围目标。外罚函数方法的通常的形成已进行了描述。其它优化方法，包括用于实现设计目标的外部补偿方法的其它形成，内部补偿方法，及其它方法也属于本发明的范围。
替代地，可确定预定轨迹，且可将模型或实验的跟踪误差最小化作为性能量度。本发明的一个优选实施例定义所需的响应轨迹，并且作用以在实验响应轨迹和所需的响应轨迹之间最大程度减少跟踪误差。轨迹可以相对于波长或波数来定义。由于MEMS可调谐VCSEL调谐波长与致动器位移成比例，为方便起见，波长被用于此实例中，然而相对于波数存在等同的公式化，且这两种方法可互换使用。所需轨迹应该考虑致动器动力学中相对于最大速度、最大加速度和驱动电子设备的最大转换速率限制。所需轨迹相对于位置也应该是平滑的(连续导数)。为避免在MEMS致动器中引起谐振，所需轨迹在例如速度和加速度位置的高阶导数也应是平滑的。已经在运动控制领域开发了许多方法用于产生有效的轨迹，以在灵活致动系统中达到位置快速收敛或速度目标。这些轨迹通过分段级联以及考虑转变点平滑及遵循速度和加速度的约束，例如，梯形轮廓，S-曲线、摆线、半余弦、多项式、和其它参数化曲线，获得平滑性目标。用于单向扫描的所需轨迹的示例将开始和结束的波长与波数中的恒定速度段联合来实现扫频的线性部分。在扫频结束时，轨迹反转方向，而不超过致动器加速度极限。扫频的回扫部分返回所述MEMS调谐元件到略超过起始波长位置的位置上，使得MEMS调谐元件可以再次反向并加速至下一个恒定速度波数扫频开始所需要的速度和位置。给出实验波长轨迹理想的波长的轨迹跟踪误差向量可以形成为优化的性能度量即跟踪误差向量尺寸的测量被定义。一个可能的度量是平方差之和(SSD)，它是在L2模的平方形式。用于将SSD测量应用到误差向量的最优化度量将是：
较高功率的模(norm)，包括无穷模，也可以用来增加与高的跟踪误差相关的跟踪处罚。对理想轨迹的任意接近度的量度可以作为度量，包括但不限于最大跟踪误差，跟踪误平方差之和，以及跟踪误差上的任何模。也可以应用不同的加权到扫频的不同部分。例如，使用加权系数或加权函数可以加重扫频的成像部分的区域使其权重高于周转和回扫的区域，由此强调扫频的成像部分的跟踪质量。
如果波形的解析产生超过所述驱动电子设备容量的电压，则对于微扰的灵敏度，例如与许多优化算法相关联的有限差扰动，将会削弱，这会减小优化处理的有效性。在优化期间，限制由驱动波形表达式所产生的输出电压有利于避免饱和电压放大器的饱和和避免产生负电压。分别给出最大和最小电压Vmax和Vmin和波形中的电压的向量，额外的约束可包括在优化目标函数中。最大和最小约束函数和可被定义和包括在目标函数中：
性能度量的计算需要扫频轨迹的估计，或者扫频轨迹特性的测量。当调谐元件扫频时，该测量通常可关联于来自可调谐光源发射的或模拟输出的波长-时间响应。监控器包括在本发明中用于测量扫频响应。图24示出了具有光学监控器2410来测量VCL输出的可调谐源的框图。光学监控器被称为监控检测器，监视模块、或监视器，在本申请中其全部等同。该监控器使用从VCL输出的一小部分光用于测量目的，并将光的大部分传递到OCT干涉仪，用于成像目的。来自监控器的关于扫频的信息用于输入到控制器2420，这反过来又产生了一个波形轨迹2430被施加到实验装置。图24示出了直接监控VCL的输出。图25示出了在放大2520前监控2510VCL的输出。直接监控VCL的输出或在放大之前，可提高测量，没有来自放大器的ASE的潜在影响。图26示出了后放大2670后监控2610VCL的输出，其是理想的，如果来自放大器的ASE没有损害测量。图26示出了监控器2610和控制器2620，连接至波形发生器2630，调谐驱动器2640和电流驱动器2650，用于VCL2660和光学放大器2670。该图中所述波形发生器可以是D/A转换器，而电流驱动器2650可以从控制器被打开或关闭，例如取消扫描。一般情况下，D/A转换器和控制器可以被集成到调谐驱动器。D/A转换器和控制器还可以从电流驱动器分离出来。D/A转换器也可以包括在前或作为电流驱动器的部件以为电流驱动器提供波形产生能力。通常情况下，D/A转换器和控制器可集成在电流驱动器中或存在于电流驱动器前面。
图27示出了用于测量作为监控器部件的VCL源的调谐响应的方法。波长扫频时，马赫-曾德耳干涉仪产生干涉条纹，如图27A所示。如果马赫-曾德耳干涉仪是色散平衡的，则条纹过零点(或相位)表示相等的K(波数)间隔。如果MZI的光路长度是已知的或者已经通过实验校准，则k间隔的尺寸也是已知的。如果MZI不是色散平衡的，如全光纤MZI，则该色散可被计算出或通过实验确定，并且被用于估计k间隔。校准信号可来自光纤布拉格光栅，如图27B所示。用于此目的的FBG3340示于图33中。对波长校准信号的同时采集，允许通过从校准的波长计算波数增量来实现波长扫频相对于时间的绝对校准。光纤布拉格光栅、法布里-珀罗滤波器、光栅和检测器，或任何其它滤光器也可以用于产生波长选择信号。所述校准信号也可以来自由光谱分析仪或其他频谱分析装置所获得的扫频频谱的测量，如图27C所示。如果该条纹不具有任何固定点(方向反转)，则最大和最小极限频谱信号表示扫频的开始和结束波长，波数单调地增加或减小以允许k间隔的直接计数从而校准扫描轨迹。波长校准信号可以用A/D变换器获得，即当A/D转换器获取MZI干涉条纹时定时测出(clocked off)该信号。该校准信号也可以来自计数电路，其相对于马赫-曾德耳干涉条纹定位在时间上的信号。所获取的数据可在处理或电子装置中被过滤，以提高解决频谱峰值的能力。
不同的波长测量法和实验装置示于图28中。光纤耦合器2810接收输入光，并将光分成两个路径，每个路径都由光电检测器2820检测，如图28A所示。光纤耦合器的分光比与波长相关。图28B示出了光纤耦合器在1050nm附近运行的传输的实验测量。通过耦合器的功率保存，使得随着输出1传输的功率降低，输出2传送的功率相应地增加。从连接到光纤耦合器输出的两个检测器D1，D2的输出，规范化的传感器测量Sest以及功率估计Pest可以作为时间t的函数被算出，其中光纤耦合器输出对功率水平和检测器g(Sest)的波长依赖性是不变的，如
和
Pest(t)＋g(Sest(t))*(D1(t)+D2(t)).
传感器测量Sest和测量光的波长间存在一对一关系，这可以通过所述传感器和一组校准点的波长测量仪器的输出的实验测量来确定，如图28C所示。给定传感器测量时，则相应的光的波长可以通过图28C中内插数据确定，从而确定输入光的波长。知道光的波长，使得检测器增益相关的的波长g(Sest)，被计算出来。取得来自两个检测器和一个A/D转换器的数据，对于每个检测器信道允许记录光的波长的时间历程。校准传感器测量的时间历程中的点，使得能够估计光波长-时间，如图28D实验性地所示。功率也可以类似地估计。本发明的一个优选实施例在监控器的波长传感器中使用光纤耦合器。其它使用波长敏感分光器或滤波器实施波长传感器的方法也是可能的。波长相关的滤波器可以将光的一部分传输到第一检测器和将其它部分的光反射到第二检测器。本发明的一个优选实施例在波长传感器中使用由介电或多层涂层制成的滤波器。一个优选实施例包括监控检测器，其包括波长相关组件，用于将光分离作为进入多个信道的波长和所测量光的不同信道的相对功率的函数。一个优选实施例包括监控检测器，其包括波长相关组件，用于将光分离作为进入多个信道的波长和所测量光的不同信道的相对功率的函数，以估计扫频的波长-时间。一个优选实施例包括监控检测器，其包括波长相关耦合器、分束器或滤波器，用于将光分离作为进入多个信道和两个二极管检波器的波长的函数，以测量光的不同信道的相对功率，从而估计扫频的波长-时间。
优选实施例合成基于一组波形参数的波形，应用该波形，计算出响应上的性能度量，以及更新波形参数，其目标是提高扫频性能。在一个优选实施例中，该步骤被重复多次，并且输入参数由优化算法调节。在一个优选实施例中，该步骤被重复多次，并且对于每一次迭代，对输入参考进行修正。适当的优化算法可以选自任何值优化领域中已知的许多优化算法。在优选实施例中，优化算法可从以下的一个或多个中选择：牛顿法、拟牛顿法、梯度下降、平行的随机梯度下降、共轭梯度、遗传算法、模拟退火算法、爬山算法、或数值优化领域中已知的任何其它优化算法。许多优化算法在确定搜索方向向量和沿着该搜索方向向量执行线搜索之间替换。在一个优选实施例中，优化算法作为优化的一部分，沿着搜索方向向量执行线搜索。在一个实施例中，所述优化处理扫频源运行时持续进行，不断尝试提高性能并保持所需的轨迹。在另一个实施例中，优化算法迭代直到满足终止准则。在一个实施例中，优化在工厂中OCT仪器出售之前执行，以获得所需的扫频轨迹或轨迹。该波形被保存和仪器在现场重放波形。在另一个实施例中，优化算法在使用成像系统期间迭代，产生一个新的所需的调谐轨迹。这可发生在仪器售后用户应用或手头成像任务需要时。
可调谐源可在不同的环境条件下运行。也可能是可调谐源中的部件可能老化。在一个实施例中，优化算法在使用成像系统期间迭代，以补偿对调谐元件动态性的改变。在一个优选实施例中，波形被合成和存储用于回放，如果致动器动力学不随时间变化或环境条件改变，该方法适用。在另一优选实施例中，优化处理在运行或部署期间被执行，以在动力学改变下保持所需的轨迹或产生新的轨迹，可能在运行中。
可以感测扫频性能的变化并且对驱动波形做小的修改，以补偿而不进行完全的优化。一个优选实施例使用闭合环路控制，以在环境变化、温度的变化、内部充电、设备老化，或任何其它对装置的致动或动力学干扰下保持所需的扫频轨迹。更具体地，优选实施例采用具有闭环控制的可调谐激光器，以保持所需的扫描轨迹存在环境变化、温度变化、内部充电、设备老化，或其它干扰，所述闭环控制读取对波长敏感的触发信号，并通过改变单个或小的波形参数的子集，适当地调整VCL源的调谐机构的致动器或传感器的驱动波形。一个优选实施例在闭合环路中改变作为波形参数的驱动波形的DC电压。可能的是，可调谐源的部件在运行期间产生电荷。本发明的一个优选实施例使用调谐元件的驱动信号，其可反转电气极性，以补偿或抵消致动器电气充电的影响。本发明的优选实施例通常使用激光器中的调谐元件，它的设计能阻止充电。
如上所述，可以结合多个单个的度量值用于多目标优化。优选实施例的方法包括该性能度量或目标函数包括在扫频期间所述最大峰值的波数速度或其等同物的情况。该方法包括性能度量或目标函数包括最大峰值光学干涉条纹频率或其等同物的情况。该方法包括性能度量或目标函数包括在时间上的最小光学条纹过零点间隔频率或其等同物的情况。优选实施例的方法包括性能度量或目标函数包括扫频线性化的程度相对于波数-时间或其等同物的情况。该方法包括性能度量或目标函数包括扫频的占空比或其等同物的情况。该方法包括性能度量或目标函数包括扫频范围或其等同物的情况。该方法性能度量或目标函数包括实验或模拟扫频轨迹间差的测量及所需扫频轨迹或其等同物的情况。该方法包括这样的情形，其中性能度量或目标函数包括实验或模拟扫频轨迹间差的测量和所需的扫描轨迹，其中对所需轨迹的任意接近度的量度可以作为度量，包括但不限于最大跟踪误差，跟踪误差的平方差之和，及跟踪误差上的任意模，或其等同物。
频谱包络成形
波长扫频的频谱包络以及相关的干涉条纹确定OCT轴向点扩展函数(PSF)的形状，如图4D和4E所示。图4D和4E所示的情形1中，如果在扫频的开始或结束频谱包络具有锐利的或硬边缘的过渡，则产生显著旁瓣。这些旁瓣在OCT数据中产生伪影(artifact)，可误导关于OCT数据的解释，并且可能导致图像处理分割错误，从而导致错误的距离或厚度测量。通过将包络频谱成形为近似高斯分布或许多开窗、切趾法的任一个，或锥形函数，如汉明、汉宁、余弦、布莱克曼、纳托尔、或本领域已知的任何信号处理领域已知的开窗函数可以减小旁瓣。将频谱包络成形为一个近似高斯函数，如图4D和4E中情形2所示，相比于情形1，显著降低了旁瓣。将高斯包络变窄来驱动开始和结束边缘转变到接近零的平滑过渡，进一步减少了旁瓣，如图4D和4E的情形3所示。而随着切趾的增加，OCT轴向分辨率的逐渐损失，如图4F所示。通常情况下，频谱与切趾的渐进的成形，导致旁瓣的减少，但代价是OCT的轴向分辨率。然而，如果频谱包络在短波长和长波长之间平衡不好，或有浸入所述频谱，频谱成形可通过获得更优先的频谱形状和频谱宽度来降低旁瓣并提高OCT轴向分辨率。
在后处理中使用数字技术成形频谱包络在OCT系统中是常见的。然而，在OCT成像的情况下，其中存在最大允许的样本上的曝光，在后处理中成形频谱必然导致未达最佳标准的OCT灵敏度，因为切趾法中(apodization)衰减后(attenuated)的扫频区域中的过量的光被视为曝光，从而减少了应用到扫频中较小切趾区域的实际的光量。因此优先在光源成形频谱，从而从样本返回的光已经是优选的频谱形状。
本发明的优选实施例包括至少一个电流驱动器，其能够影响波长扫频的频谱包络。该电流驱动器激发可调谐源中的增益材料，以控制输出发射水平。在一个优选实施例中，电流驱动器连接到可调谐源中的泵。在另一实施例中，该电流驱动器直接激发VCL增益材料。在另一个实施例中，该电流驱动器激发光放大器中的增益材料。在扫频中适当调节电流驱动器中的电流允许频谱扫描包络的成形。
可以使用许多不同的电流驱动器实施。优选实施例具有具有低噪声的电流驱动器来减少激光器的相对强度噪声(relative intensity noise，RIN)。在期望成形增益或输出频谱作为实践函数的情况下，至增益材料的电流可以与扫频同步地改变。在这种情况下，理想的是电流驱动器具有高的带宽以支持频谱包络的动态成形直至仪器的最高扫频重复率。
所期望的包络成形取决于OCT成像或者测量应用。本发明的一个优选实施例调节电流驱动器的输出电流作为时间的函数，以在频谱上对输出发射成形而减少OCT的点扩展函数旁瓣。光的吸收取决于样本的特性。例如，眼睛的玻璃体中的水吸收光作为波长的函数。为了保持好的轴向分辨率，期望预成形自样本臂的光的频谱以补偿样本的性质，使从样本返回的光对于OCT的轴向分辨率和OCT的点扩展函数的旁瓣性能具有所需频谱组成。本发明的一个优选实施例调节电流驱动器的输出电流作为时间的函数，以在频谱上对输出发射成形而补偿样本的光学性能。本发明的另一个优选实施例调节电流驱动器的输出电流作为时间的函数，以在频谱上对输出发射成形，而当有曝光极限时优化对样本的曝光。
当正向和反向扫频均用于成像时，对于正向和反向的频谱包络均可被单独地优化。本发明的一个优选实施例使用正向和反向扫频用于成像，优选的频谱包络独立地用于每一个扫频方向。当仅正向或反向扫频被用来成像，电流驱动器的输出电流调节为时间的函数来取消所述可调谐源正向或反向的扫频是有利的。取消正向或反向扫频来单向扫频成像可减少与样本的累积或平均曝光，从而允许功率集中在扫频的有效部分。本发明的一个优选实施例以扫频或所取消扫频的一部分成像。本发明的另一个优选实施例以扫频或取消的扫频的一部分成像以减小到样本的曝光。本发明的一个优选实施例仅运行正向扫频用于成像。本发明的另一个优选实施例仅运行反向扫频用于成像。当样本的曝光是不考虑的，就不需要取消未使用的扫频。当电流驱动器以恒定电流被驱动时，如果可调谐源的输出的频谱包络是满足的，没必要通过电流控制执行频谱成形。本发明的一个优选实施例运行电流驱动器，使得该电流驱动器的输出电流在时间上固定。
本发明的优选实施例自动地基于可调谐源的输出发射的测量确定到电流驱动器的电流分布。输出测量可来自本发明的监控器部分。该调节可由控制器将监控器信号作为输入并使用监控器信号中的信息以调节波形来进行。该控制器可为可计算出适当修正的处理器、FPGA、微控制器、模拟电路或其它电子电路。该控制器可嵌入在电流驱动器中或为外部的计算单元。该控制器也可以是计算机，连接到OCT成像系统的处理单元。图29示出了用于自动地确定适当电流分布的方法的示意图。相对于可调节的输入参数电流分布确定。初始化输入参数2910。输入参数的初始值可基于先前的经验，最好的推测为，相同值的全部常数或全部零。其它初始化值是可能的，但通常优先选择接近解(solution)的一组初始化值以减少优化的时间。优化算法调节输入参数2960的值，计算出电流轨迹2920，将电流轨迹应用于实验装置2930，以及获得响应2940。然后在试验响应上计算出性能度量2950。如果终止要求得到满足，则优化停止2970。如果终止准则不满足，则优化继续进行2960。
如果相比于所需的扫频包络轨迹电流驱动器的带宽足够快，则该电流驱动器的动态性可被忽略，优化可被简化。在一个优选实施例中，电流驱动器波形参数为一系列样本点。每一个样本点输入到连接至电流驱动器的D/A转换器，其中波形表示为样本点的向量并且实施为作为计算机存储器中的阵列。波形应用于实验装置和记录的响应。在一个优选实施例中，条纹的包络由希耳伯特变换施加的MZI条纹确定。在另一个优选的实施例中，条纹的包络从波长的传感器来确定，如图28所示，其中作为时间函数的条纹的功率由适当量度的两个检测器的测量确定。确定包络的其它方法包括在本发明中。给出理想的条纹包络向量和实验条纹包络误差向量可以由计算出。如果驱动波形D/A和传感器A/D的采样速率是相同的，则更新到样本点的向量可使用增益α在迭代i上计算出，误差为：
较大的增益α导致驱动波形轨迹在每个迭代上的快速和大的更新，但是可在解周围引起震荡。较小的增益值导致较慢的初始收敛，但防止在解周围振荡。如果电流驱动器的动态性是显著的，则与电流驱动器动态性相关的相位延迟可被包括在更新中，通过在时间上移位误差向量作为频率的函数。其它波形参数化和优化算法，如所描述的用于驱动波形合成的那些包含于本发明中。
可以使用单个波长的传感器来测量VCL输出的性能和放大输出的性能，如图30A所示。具有高功率分光比的耦合器3010引导大部分光从VCL3080到光放大器3020。来自VCL3080的光的剩余部分用于诊断，被导向至合成耦合器3030，其又连接到在波长传感器3050中使用的耦合器3040。类似地，连接至光放大器3020输出端的耦合器3060将大部分的光导向OCT成像系统。其余的光被导向组合器3030的输入端。可以使用可选的衰减器3070，以近似地将VCL3080和光放大器3020的功率匹配到检测器。当电流驱动器关闭时，光放大器对传感器的测量不起作用，VCL的输出被直接测量。该测量可以提供关于扫频轨迹和所述VCL的输出功率相对于时间的信息。扫描轨迹的知识和功率-时间允许计算出VCL发射的功率-波长。从监测器Dl和D2测量的时间历程仅以VCL有源记录并存储在存储器中。当光放大器被接通时，传感器测量VCL和光放大器的组合输出。VCL与光放大器组合的时间历程可被记录。通过减去先前存储的仅对于从VCL与光放大器结合的测量中的VCL测量的时间历程，可以确定放大器输出的贡献。关于放大输出的功率-时间和波长-时间的信息，使得能够估计条纹包络。本发明的一个优选实施例使用从波长传感器获得的信息，以计算扫频轨迹，用于在驱动波形优化中使用。本发明的一个优选实施例使用从波长传感器获得的信息，以计算条纹包络分布，用于在电流驱动器波形优化中使用。从波长传感器获得的信息可以用于诊断目的，以检测VCL或放大器中的改变。图30B示出了波长传感器如何被连接至具有相对低速A/D和D/A能力的FPG，以实施驱动波形轨迹和电流驱动器轨迹优化。图30B示出了FPGA用作计算单元，但可以使用能够执行优化算法的多个处理器或控制器中的任何一个。
OCT成像系统和成像样式
自可调谐源3110的光被导向至监控模块3120和OCT成像干涉仪3130，如图31所示。在此特定实施例中，光学时钟产生和扫频触发被集成在监控模块中。优选的干涉仪设计取决于工作波长、成本限制和特定的OCT成像应用。用于OCT成像的常用的配置为迈克耳逊干扰仪。图2示出了两个示例干扰仪设计，而许多可替代的干涉仪设计和实施都是可能的。图2A所示，对干涉仪设计的第一优选实施例使用具有第一耦合器210的光纤耦合器，该第一耦合器210将自波长扫频光源的光分光进入光纤路径到样本臂250和进入光纤路径到参考臂260。从样本臂250返回的光通过第一耦合器210返回到第二耦合器240，第二耦合器还接收自参考臂260的光。光在第二耦合器干涉且被导向检测器270以获取干涉图。干涉图案或干涉图包含自样本的深度编码的反射率信息。如果没有限制样本上的曝光程度，使用具有50％(50：50)分光比的第一耦合器来优化OCT成像仪器灵敏度是理想的。如果在样本和可用的扫频源功率上有曝光限制，可通过使用具有不相等的分光比的第一耦合器增加收集效率和相关的OCT仪器灵敏度。本发明的一个优选实施例使用包括具有分光比大于60:40的光纤耦合器的干涉仪以提高效率，更高比率路径连接样本臂至第二耦合器。自样本的光因此被优先导向检测器，对应于低比率侧的光被导回到所述源且相对于检测有损失。连接至检测器的第二耦合器的分光比优选地接近50:50，响应则为在工作波长范围内波长被展平以消除RIN和平衡信号。这一基本设计的干涉仪适用于所有波长。设计在1050nm波长处运行的该配置的干涉仪设计的详细说明示于图32中。
在某些波长处，如1310nm处，循环器具有非常高的效率。因此优选使用具有循环器220、230的干涉仪以提高到检测器的光收集效率，如图2B所示。本发明的一个优选实施例使用包括一个或多个循环器的干涉仪以提高效率。设计在1310nm波长处运行的使用循环器的该配置的干涉仪设计的详细说明示于图33中。其它使用循环器的设计也是可能的。
在本发明中，干涉仪可被构造为超出所示的许多不同的配置。而干涉仪从参考臂和样本臂干涉光的任何配置包括在本发明中。干涉仪的参考臂在干涉仪中产生光程延迟。在一个优选实施例中，参考臂包含反射镜，以产生参考光程长度。在另一个优选实施例中，参考臂包含光纤环，以产生参考光程长度。在另一个优选实施例中，一种常用的路径干涉仪设计被用于产生参考臂信号，其中样本臂光和参考臂光共有共同的光程。在通过位于沿着样本臂的反射表面获得参考反射的情况下，样本臂可充当参考臂。当样本臂和参考臂共有共同的路径时，反射表面还可以位于样本臂外侧，例如通过使用玻璃盖玻片或窗触摸或接近样本成像。在另一个优选实施例中，参考臂包含空气通道，以产生参考光程长度。本发明的一个优选实施例包括参考臂，其中参考臂光程延迟或光程长度是可调节的。调节光程长度的方式示例为移动参考反射镜、改变对准器间的距离、包括光纤长度、改变折射率，或任何其它改变光程长度的方法。本发明的OCT干涉仪可由大体积光学干涉仪或由光纤干涉仪或由大体积光学元件和光纤元件的组合构建。
根据本发明一些实施例的OCT干涉仪设计将干涉光导向一个或多个光检测器，该光检测器将从自光学干涉仪的光的干涉条纹信号转换为电模拟信号。该检测器通常包括光电二极管和互阻抗放大器以将自该光电二极管的电流转换为电压。自OCT系统的模拟信号包含关于在查询点处的样本的反射率相对于深度的干涉编码信息。本发明的高扫频速度和长成像范围产生高频率条纹。具有高带宽、低噪声及高增益的检测器是实现仪器的成像潜能所需的。增益应当足够高以克服数字化噪声。本发明的一个优选实施例使用具有大于1GHz带宽的至少一个光检测器以支持高的扫频重复率、宽的波长扫频和长的成像范围应用。该成像系统是灵活的，并可在更惯常的OCT成像速度和成像范围中运行。本发明的针对低成本的一个优选实施例使用至少一个光检测器，其具有大于10MHz的带宽。平衡检测器和干涉仪设计可用于抑制来自源的随机强度噪声(random intensity noise，RIN)来改进信噪比。平衡检测还可降低在光纤耦合器和其它光束分离器或组合器中由波长依赖性导致的低频背景。降低该背景能够更好地利用A/D转换器的动态范围。本发明的一个优选实施例使用执行平衡检测的至少一个光检测器。过量检测器带宽也可能是有问题的，由于高频噪声被混叠到测量中。检测器带宽应选择以匹配所支持的A/D数字化速率的最大奈奎斯特定义的数字化带宽。
数据采集设备用于从一个或多个检测器输出的电模拟信号转换为数字数据。此数字数据流包含与编码深度相关的自样本的反射率信息。该数字数据流可通过处理单元被存储和处理，其可为计算机、CPU、微控制器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、FPGA或其它能够处理数字数据的设备。许多扫频源OCT系统使用干涉仪以产生用于A/D转换器的时钟信号，称为光学时钟控制或k-时钟控制。之前提到的针对OCT数据信道的平衡检测的共同优点也适用于时钟控制模块。本发明的一个优选实施例使用时钟控制干涉仪3310和执行平衡检测的时钟控制检测器3320。
样本臂中常有波束控制元件以促进扫描光束。本发明的优选实施例包括成像系统，其中样本臂包括至少一个扫描反射镜或其它波束控制元件以引导样本臂光束。
最常用的OCT获取关于反向散射或反向反射光幅度的信息常称为OCT强度成像。OCT成像还可以使用在OCT条纹相中的编码信息，称为相敏OCT。多普勒OCT使用来自两个或多个A-扫描的相位信息以确定流体流动中散射体速度的轴向分量。偏振敏感OCT也可以被执行，其中关于样本的双折射特性信息被获得。偏振敏感OCT常通过在干涉仪中使用两个检测器和偏振敏感光束分离器来实施。在偏振敏感OCT上的一些(但不是全部)变化以不同偏振状态的光照射样本。可在激光源的交替的扫频中对该偏振状态进行编码。本发明的一个实施例执行相敏OCT。本发明的另一个实施例执行多普勒OCT。本发明的另一个实施例执行偏振敏感OCT。
VCL源的长的相干长度使能长的成像范围。然而，成像范围仍然由样本臂中光学器件的景深决定。本发明的一个优选实施例在样本臂中包括展像透镜或类似元件，以增大光学成像系统的有用成像范围。也可以通过使用一个或多个致动光学元件实施动态聚焦。本发明的另一优选实施例包括可调节的致动聚焦装置。
适应性条纹校准
在OCT成像中，作为波长的自然函数，激光器的腔常被扫频，因为腔长度决定调谐波长。另外，致动器动力学、加速度限制和谐振模可能影响扫频轨迹的形状和引起扫频-至-扫频变化。在OCT成像中，干涉数据相对于波数必须是线性化的，使得在傅里叶变换前样本点在相等的K(波数)间隔处隔开以从样本获得与反射率信息相关的深度。辅助MZI常用于记录条纹编码扫频轨迹。当在固定取样率下获取信息时，数字校准步骤在傅里叶变换前被应用于OCT条纹数据是常见的。该数字校准步骤在计算上是昂贵的。本发明的一个实施例获取单一的参考OCT条纹，确定适当的校准并针对该单一的校准对于从样本中获取的OCT数据进行校正。该修正应用通过将条纹从相位演化校准曲线内插进入相同K间隔而实现。相位演化校准曲线可通过分析条纹过零点间隔或通过从希耳伯特变换确定相位确定，正如OCT处理中常见的。可替代的方法在非均匀的取样率下获取数据，使得数据在相同波数间隔下精确取样。在预校准方式下用于获取数据的一种方法以来自时钟控制干涉仪的信号时钟控制A/D转换器。光学时钟控制的方法，有时称为k-时钟控制，具有优化数据采集的额外益处，以便不对扫频的缓慢区域进行过采样，从而导致数据简化和更有效率的数据存储、传输和处理。该光学时钟控制方法也解释扫频-至-扫频变化。本发明的一个优选实施例使用时钟控制模块，其包括时钟控制干涉仪和产生光学时钟信号用于时钟控制数据采集装置的时钟控制检测器。有大量的可用于本发明的时钟控制干涉仪。两种常用的干涉仪配置为迈克尔逊和马赫-曾德式。所有潜在的干涉仪配置包括在本发明中。
本发明一个实施例的OCT成像系统运行期间，扫频重复率、扫频轨迹和扫频范围可以被调整。如果不同运行模式的波数变化率显著不同，则固定光程延迟的校准干涉仪可适于所有的运行模式。如果对于一种运行模式的光程延迟太短，条纹频率和条纹密度将会太低而得不到良好的校准，如果使用软件校准技术。类似地，如果使用光学时钟控制方法，光程延迟太短将导致A/D转换器的低的取样率，那将影响OCT成像范围。如果对于一种运行模式的光程延迟太长，条纹频率和条纹密度将会太高，可超过检测器和A/D转换器用于软件校准技术的带宽。类似地，如果使用光学时钟控制方法，光程延迟太长将产生超出该A/D转换器的能力的A/D时钟信号。
为了解决传统的固定路径长度校准干涉仪的限制，本发明的优选实施例使用一种可调节的光学时钟控制模块3410，如图34所示。有许多将可调节的光学时钟控制模块调整到所需的成像模式的方式。
图35A示出了色散平衡光纤MZI，用于对软件校准产生光学时钟或参考条纹。偏振控制器3510被包括以便于在两臂间对准偏振状态以使条纹幅度最大化。随着对扫频轨迹的调节，自时钟控制干涉仪的时钟信号的频率可相应改变。为了适应这些变化，并确保该时钟频率保持在采集设备的带宽限制内，时钟控制干涉仪的光程长度是可以改变的。本发明的一个优选实施例使用光学时钟控制模块，通过调节干涉仪的光程延迟支持不同的扫频轨迹。在图35A，干涉仪的光程差可通过移动一个或多个准直仪3520进行调节。移动可被执行或在手动用户控制或选定下。常常难以完全地匹配光纤长度以在两个干涉仪臂间获得足够的色散平衡从而产生具有等距的K间隔的条纹。图35B示出了在光学干涉仪的一个臂中插入色散补偿玻璃。玻璃块3530、玻璃棱镜、光学平板、叠层玻璃块3550或具有路程长度可调节性的滑动玻璃楔子3540可用作色散补偿介质。图35A所示方法的一个缺陷是准直仪的移动会导致对光纤的扰动，其导致双折射行为方面的变化并且通过两个干涉仪臂间的偏振失配降低条纹幅度。图36A示出了包括回射器3610的一种改进的设计，图36B示出了一种改进的设计，其在干涉仪中使用可移动的反射镜3620和循环器3630、3640。在这两种设计中，反射镜可在不干扰系统的偏振对准下移动。
也可以在多个干涉仪路径间切换。图37示出了用于在不同长度的干涉仪路径间切换以调节干涉仪路程长度差的方法。在图37A中，多个光程3710、3720存在于干涉仪的一个臂中，光遮挡机构选择有效的路径。在图37B中，光开关3740从可用的多个路径中选择有效的路径。图37显示从两个路径中选择。通过扩大干涉仪网络，从多于两个的路径中选择是可能的。
图38A和38B示出了用于通过将自一个臂中的光引导至位于不同光程长度中的不同的反射镜反射器3810、3820、3830来改变其中一个干涉仪臂的光程长度的方法。图38A使用适于不平衡检测的光学布局，图38B显示适于平衡检测的光学布局。在这些示意图中，旋转镜3840选择光程。旋转镜3840可以是振镜驱动的，MEMS反射镜或用于引导光束的任何其它装置。
使用空气间隔干涉仪臂是获得色散平衡的一种方式。所有的光纤干涉仪有便于对准和组装的优点。图38C示出了使用色散补偿光纤3850以色散平衡两个不同长度干涉仪臂。图38D示出了啁啾光纤布拉格光栅3860以实施色散补偿。图38D示出了使用单个FBG色散补偿。使用具有额外端口的循环器的多个FBG也包括在本发明中。因此可以结合包括具有呈现在本申请中的任何想法的色散补偿的装置的所有光纤干涉仪的设计，包括切换光路径、遮挡光路径或干涉仪信号的频率加减。
时钟控制干涉仪可以调整或不可以被调整，该时钟控制干涉仪可以被固定在路程长度差中。本发明一个实施例的可调谐VCL技术的一大优点是长的相干长度。源的长相干长度使得能够在长的光程长度延迟产生清晰的干涉条纹周期，比先前技术中的时间长。其它可调谐源技术的较短的相干长度阻止在长的光程延迟下产生清晰的条纹。因此，许多现有技术具有光学时钟控制信号的电子倍频以获得足够的OCT成像范围。本发明的一个实施例能够对于在非常长的光学延迟下的光学时钟控制产生清晰的干涉条纹，其对应于高条纹频率。因此，本发明的一个实施例可在不需要电子倍频下实施时钟控制。另外，光学时钟控制频率可以是相当高的。不论调节路程长度的能力如何，本发明的一个优选实施例使用自光学时钟模块的信号，其可被通过分频或电子计算减小频率以支持该可调谐源的不同的扫频轨迹。图39示出了用于实施时钟信号分频的电子电路。图39A示出了可划分频谱输入的异步波纹计数器。而如果波长扫频轨迹在扫频速度中变化，与波纹计数器相关的传播延迟可引起相位误差。图39B示出了优选的同步计数电路，其改变时钟输入信号的边缘转变上的状态，使之更适用于OCT时钟控制应用。该计数电路可以单个逻辑元件构造，但更优选地使用专用数量的芯片或其它快速逻辑实现。VCL的长的相干长度允许基本时钟频率相当大，与长的路径延迟相关，使得分频的方法切实可行。也可以倍频。倍频的一种方法筛出基本输入时钟信号的谐波。另一个优选实施例使用自光学时钟模块的信号，该模块可通过至少一个频率倍增器来增加频率以支持可调谐源的不同扫频轨迹。
图40示出了可结合以时钟分割电路4020和可选的倍增频率电路4030进行改变、选择或切换4010光程长度的方法，以获得一组扩展的时钟控制频率选择。频率倍增器4030作为可选的部件示于本示意图中，因为当倍增电路的滤波器中心频率需要跟踪条纹频率时，频分是用于校准变化频率情况下的条纹的更可靠的方法。
本发明的一个优选实施例使用光学时钟控制模块，其包括具有可调节的路径延迟的迈克尔逊或马赫-曾德耳干涉仪以支持数据采集带宽内可变的测量成像范围。
可能的是时钟控制干涉仪未被色散匹配。在这种情况下，光学时钟控制将是可重复的，但不会导致数据点精确相等的波数间隔。光学时钟控制的实施对于减小扫频-至-扫频变异性、降低的数据存储、计算和传输需求仍然是有用的。为此，图32和33示出了MZI校准干涉仪3210，3310。示意图中的MZI3210、3310由固定长度的光纤构造，其在某些波长且在相对短的波长扫频内工作。色散平衡MZI将优选用于在所有波长和较大扫频范围内运行。
色散控制和光学色散匹配的方法可用于获得基本相等的样本间隔。使用在每个臂上具有相等的光纤和准直透镜的空气间隔马赫-曾德耳干涉仪是产生具有相等波数条纹间隔的色散自由时钟信号的一种方法。本发明的一个实施例包括时钟控制模块，其包括时钟控制干涉仪和时钟控制检测器，该时钟控制检测器产生光学时钟信号以对数据采集装置进行时钟控制。更具体地，本发明的一个优选实施例包括光学时钟控制模块，该光学时钟控制模块包括时钟控制干涉仪和时钟控制检测器，该时钟控制检测器产生光学时钟信号以基本相等或可重复的光学K间隔(波数间隔)时钟控制该数据采集装置。
适应性成像动态范围
OCT灵敏度定义为“与理想反射镜相比的最小可检测的反射的光强度”，动态范围定义为“在单个采集或图像内可观察到的光学反射率的范围”，J.A.Izatt和M.A.Choma，2.7章节，W.Drexler和J.G.Fujimoto编,“光学相干断层扫描：技术与应用”，2008。
OCT灵敏度通常相当好并且接近散粒噪声极限，这是在给定的光学器件的检测器响应、成像速度、数字化速率、波长、样本上光的功率和传输效率下可以实现的理论最佳灵敏度。高的OCT灵敏度可通过在样本曝光限度内最大化样本上的功率入射来实现，并考虑源的可用功率。OCT系统的典型灵敏度约为80dB-130dB。
OCT动态范围由数字化效应、A/D饱和和检测器动态范围限制。OCT系统动态范围的典型值约为30DB-60DB。当成像具有高镜面反射区域的生物学样本时，OCT的有限的动态范围常成为一个问题。例如，大饱和伪影常在前眼的OCT图像中观察到，其中角膜和晶状体具有几乎垂直于OCT光束的表面。当通过玻璃表面，例如产生高镜面反射的盖玻片、透镜、或窗成像时，有限的动态范围也成为一个问题。非常大的样本臂的功率可用于计量。当成像和测量非生物学样本，如制造的部件时，高的镜面反射和大的回应信号也可能是一个问题，并且产生饱和伪影。图41A示出了玻璃透镜OCT图像上的饱和效果。高反射率的区域，常发生在有镜面反射处，产生饱和检测的大的OCT条纹，如图41A中条纹示意图所示。可以通过减小扫频源的输出功率来消除饱和。图41B示出了在消除饱和的降低的功率级上扫描的相同的物体OCT截面图示例。图41A和41B中的数据可被融合以产生具有改进的动态范围的组合截面图像，其具有高灵敏度以检测没有饱和的小的回应信号，并在没有使检测饱和的情况下接受高的回应信号。本发明的一个优选实施例调节可调谐源的输出功率以消除检测中的饱和。可调谐源的输出功率可以通过调节本发明电流驱动器的电流来控制。例如至光放大器或VCL增益材料的电流可被调节。可以在采集期间检测饱和，并且以降低的输出功率重新扫描由于从数据集的一区域进行二次数据重获而产生饱和的区域。需要多个重新扫描以辨别饱和功率，从而将灵敏度最大化和避免饱和。这种方法适用于从改变或随时间改变的样本中获取数据，且无需关于物体反射率特性的先验知识。在工业制造和检查应用中，通常为具有相似几何形状和反射率特性的对象进行重复成像。可以学习样本的预期的反射率特性作为扫描轨迹的函数。用于每一A-扫描或A-扫描区域的适合的可调谐源输出功率可随后被执行，因此物体在单个采集期间以固有功率水平成像而不需要再次访问样本区域。本发明的一个优选实施例中，数字数据被检查饱和度，如果发现饱和，至增益材料的电流将被调整。本发明的一个优选实施例中，数据集中的数字数据被检查饱和，在数据集中发现饱和的位置处调整增益材料的电流，并以调整了的电流水平来获取新数据。如果使用光学时钟控制方法，需保持强烈的时钟信号，因此可调节的增益元件可仅被置于成像光程中。
扫频对准和相位稳定
OCT条纹傅里叶变换(或反傅里叶变换)包含幅度和相位信息。多数应用只使用幅度信息以产生OCT强度图像。相位信息可用于多普勒OCT和测量非常少的偏转和振动。如果在自可调谐源的发射中有任何扫频-至-扫频变化，该变化可显示在由OCT条纹所获得的相位信息中。没有相位稳定，很难从源于样本内的改变的相位变化中分离由可调谐源的变化造成的相位干扰。采集系统的光学时钟控制可减少或消除扫频-至-扫频变化的影响。本发明的一个优选实施例使用光学时钟控制以提高相位敏感OCT的OCT条纹相位稳定性。光学时钟控制有助于去除扫频-至-扫频变化的影响，但由于对初始相位不确定，仍存在数据未被从数据采集帧(A-扫描)到数据数据采集帧(A-扫描)相似地对准的可能性。本发明的一个优选实施例使用波长信号或干涉信号以稳定对于相敏OCT的OCT条纹信息的相位。用于相位稳定的若干实施例接下来描述。
OCT成像期间，采集系统从样本获取干涉条纹。常用的是，对于每一个波长扫频，预定数量的数据点在数据捕获帧或窗内被确定，并且数据的采集开始于电边缘转变。也可能是数据采集系统不依赖于预定数量的点，但通过收集在控制信号的低或高电平上的数据运行。在两种方法中，在触发信号的转变上或其前后开始采集。多数OCT系统中多个异步时钟结合运行中正常或预期的变化，相对于波长扫频在采集的实际开始中产生一个到几个不确定样本点的可能性。甚至扫频间的单个样本点差可显著降低相位信息。另外，对于强度成像，当执行在扫频源OCT中经常实施的扫频背景减除时，相位扰动在图像中产生伪影。为此展示了，相位稳定化能修正这种潜在对准误差，以改善背景减除的质量并在OCT图像中消除固定图案伪影。
可以使用与可调谐源同步调谐的电触发信号4210，以为每一个A-扫描开始A/D转换器采集，如图42A所示。本发明的一个优选实施例使用与可调谐源同步调谐且用于适当的A/D采集数据对准的触发信号。然而，如果有扫频-至-扫频变化，期望使用基于检测器4220的FBG触发波长信号而不是依赖于与可调谐源驱动信号的纯粹的暂时同步，如图42B所示。用于此目的的FBG3330示于图33中。
本发明的一个优选实施例使用光学波长信号用于适当的A/D采集数据对准。波长触发信号可以通过光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)、色散棱镜或光栅、具有反射镜的色散棱镜或光栅，FabryPerot滤波器、波长复用器(wavelength demultiplexer，WDM)或任何波长选择装置来产生。
在数据对准的先前示例中，触发器通常与相关数据的开始重合。也可以是该触发在相关数据的开始和结束时间之间的某处发生。在这种情况下，获得相对于所获取数据的光波长触发器的位置或时间，该位置或时间信息用于适当地调节所获取数据到数据帧的对准。例如，触发器可在A/D采集4320的额外信道上获取，如图43A所示，或由一计数器确定触发器的相对于数据采集开始的出现位置。在一个优选实施例中，波长触发器由置于调谐范围的中心附近的光纤布拉格光栅组成，这使得当可调谐源执行不同的扫频轨迹用于不同的OCT运行模式时，可以进行适当的帧对准和容纳用于采集要求的变化。对准信号可以是干涉的，其中光学干涉信号用于适当的A/D采集数据对准，如图43B所示。通过A/D转换的第二信道获得的参考条纹的对准，使OCT数据与以同步采样A/D获取的A/D采集的两个信道对准。可通过相关性或形成误差向量，并将待最小化的误差向量(按模测量)与一度量关联来执行该对准。对准也可以使用前文中描述的数字扫频校准方法进行。适用于许多相位稳定方法的进一步改善可通过光学时钟控制A/D转换器来获得，如图43B所示。由于时钟信号4330，在A/D4310的第一信道上的OCT数据以及在A/D4320的第二信道上的对准条纹来源于相同的光学信号，在这些信道间没有相对的相移。通过在获取数据内以整数间隔移位数据，通过匹配当前条纹到参考条纹的对准条纹的简单对准以及观察误差度量允许OCT数据的适当的相位对准。实际上，来源于每个A-扫描数据被获取进入计算机中的存储位置。来自对准条纹匹配的适当的数据移位产生整数移位以适当地对准数据，由于所有信号同步到光源。该整数移位m，可用作用于数据阵列的存储位置读取的偏置。有效数据的预期开始前的充分数据，i_start_nominal，和有效数据预期结束后的数据，i_end_nominal，被获取。前后获取多少数据的估计基于扫频采集中的预期抖动，可能将是1-10个数据点。例如，如果与扫频相关的数据需要m个数据点的移位，可从一个标称开始存储位置读取数据，i_start_read＝i_start_nomimal+m，至标称结束存储，i_end_read＝i_end_nominal+m。两个点之间，i_start_read和i_start_end间的数据表示对准扫频数据的相位，其可被从这些存储目录中复制用于处理或存储。
代替使用固定波长触发器，也可以适用可调谐光电触发器4410，如图44所示。可调谐波长触发器在容纳不同扫频轨迹和OCT成像模式时提供高的灵活性。本发明的一个优选实施例包括可调谐光电触发器来启动数据的采集以便于适当地将采集帧窗对准到波长扫频。更具体地，本发明的一个优选实施例包括可调谐光电触发器用于启动数据的采集以便于适当地将采集帧窗对准到波长扫频以容纳不同的扫频范围的情况。可调谐滤波器可通过多种不同的方法调谐。例如，Fabry-Perot滤波器的间隔可改变，Fabry-Perot滤波器中的材料的折射率可改变，或检测器相对于色散棱镜或光栅的位置也可以改变，或光栅本身的色散特性也可以改变以选择理想的波长。调节光电触发器的其它方法也包括在本发明中。
当改变仪器的扫频范围，在扫频范围内使用产生单个固定波长触发的光学仪器会呈现挑战，因为扫频范围被限制到横跨触发装置的波长。使用在波长处产生急剧转变的光学设备，如FBG，提出了挑战，因为转变的变化率高度依赖于波长扫频速度。如果峰值变窄且在输出-时间上有快速改变，则峰值和信号转变可在高扫频速度下错过。如果峰值具有慢的转变，在噪声存在下确定峰值的绝对位置具有挑战性。
执行相位稳定同时容纳不同的扫频范围和扫频重复率，可使用以期望速率产生多个波长信号的静态光学元件鲁棒地执行。例如，具有小空隙长度的Fabry-Perot滤波器可在可调谐源的扫频范围内产生多个传输峰值。图45A示出了使用法布里-珀罗滤波器相位稳定方法的示意图。可调谐源4510的大部分光被引向OCT系统4520，其中检测器4530测量光学信号，其由第一A/D转换器4540数字化。可调谐源的小部分光被导向法布里-珀罗滤波器4550。检测器4560测量自法布里-珀罗滤波器的光学信号，A/D转换器4540数字化该法布里-珀罗信号。两个A/D转换器同时取样信号并运行关闭相同的时钟。具有40微米间隙长度和0.5反射镜反射率的法布里-珀罗滤波器的标准的传输-波长曲线示例示于图45B中。法布里-珀罗传输峰值的间隔足够粗略，使得可调谐源扫频范围内的任一峰值可在第一参考扫频内被选作参考峰值，从而不可能发生：由扫频-至-扫频变化造成的触发抖动和相位抖动或在随后任何扫频中的电触发抖动将足够大以在随后扫频中引起邻近峰值移动足够多而与参考峰值混淆。另外，由于在法布里-珀罗信号中有多个峰值，对准多个峰值减少由噪声造成的相位不确定，从而提高该方法的鲁棒性。法布里-珀罗滤波器可用于使用软件校准方法或光学时钟控制方法的相位对准。在软件校准的情况下，传输函数的峰值表示绝对波长的位置，因此可对OCT条纹数据执行子采样移位从而获得改进的相位对准。光学时钟控制的情况下，通过从干涉仪产生的时钟信号产生的紧密关系作为波长的绝对函数，自标准具的法布里-珀罗信号作为波长绝对函数，以及自相同光源的OCT信号在三种信号间产生相位相干性，而不论是电子驱动信号或扫频-至-扫频变化。因此，扫频采集之间的任何采样移位由数据采集系统的触发不确定性发生，如果时钟控制干涉仪是稳定的，可通过所获取数据的整数移位实现相位对准。执行获取数据的整数移位的计算成本大大少于内插条纹数据。法布里-珀罗数据的对准和整数移位，可在传输到存储器用于处理或传输到到其它媒介用于存储之前，在处理单元中执行。
由于用于执行OCT成像的多种受欢迎的A/D转换器卡具有同时采样A/D转换的双向信道和许多具有板载FPGA处理能力，图45所示的方法适用于只要求OCT数据的一个信道的强度OCT成像、相敏OCT成像和多普勒OCT成像。在仅一个高速A/D转换器可用的应用中，或在执行偏振敏感OCT成像其要求高速A/D转换的双向信道以用于OCT数据的每一个信道的情况下，需要使用在降速下数字化的辅助A/D转换。10-250MSPSA/D转换器相比当前常用于扫频源OCT的400MSPS-3.6GSPSA/D转换器，费用显著降低。
图46A示出了在快速A/D转换器上数字化OCT信号和在缓慢的A/D转换器上数字化法布里-珀罗信号。光学时钟检测器电子设备4620产生从可调谐源4610输出的时钟信号。快速A/D转换器直接时钟关闭光学时钟检测器和电子设备的输出，而分频器4630或计数器则通过一n因子来减小时钟速率至缓慢A/D转换器。自可调谐源的大部分光被导向OCT系统4640。自OCT系统4640的光由检测器4650检测并由快速A/D转换器4660数字化。自可调谐源的少部分光被导向法布里-珀罗滤波器4670，它的输出由缓慢A/D转换器4680数字化。为了消除两个A/D转换器间的抖动，快速和缓慢A/D转换器的触发器由一公共信号触发，在每一触发器信号中具有可选的各自的可调谐延迟4690以补偿A/D转换器延迟。该延迟还可以用于确保时间上的触发事件在两个邻近的时钟信号转变间中心附近发生，以减小在任一A/D转换器上丢失触发事件的机会。在图46A所示的系统中，触发信号发自分频器4630或计数器的输出以使快速和缓慢A/D转换器同步。来自波形发生器4600的信号复位并使能分频器4630或计数器，因此在快速和缓慢A/D转换器间共用的触发信号在由N计数器划分的输出的转变上发生，从而使得数据采样在快速和缓慢A/D转换器间同步。图46B示出了从法布里-珀罗滤波器产生的信号，该法布里-珀罗滤波器使用光学时钟进行数字化，具有快速(顶部曲线)和缓慢(底部曲线)A/D转换器。如果由快速A/D转换器捕获，传输峰值波形的形状易于分辨。如果由缓慢A/D转换器捕获，传输峰值的采样稀疏，难于在数据中分辨峰值的位置。为延时估计而开发的方法可用于分辨子采样准确度的类似信号间的移位以适当地对准数据。
已开发出延时估计(Time delayestimation，TDE)方法，以能够估计到达多个采集信道的时间差。TDE的多种方法基于寻找两个信号的互相关函数的峰值。一类延时估计技术，称为子样本延时估计，寻求通过以内插值替换互相关函数的峰值和找到内插替换的最大值来改善TDE的性能。高斯内插法，抛物线插补和余弦插值法是已用于子样本TDE的内插函数的几个示例。其它内插和子样本TDE方法是可能的和包括在本发明中的。输入信号可被滤波以提高TDE精度。互相关函数也可以被过滤以有助于估计峰值的位置。
本发明的一个实施例能够在不同运行模式下运行。图47A-47C示出了自法布里-珀罗滤波器预期的信号，具有50微米的反射镜间隔和40％的镜反射率，例如具有运行模式：(A)在中心为1050nm的100nm的波长调谐范围内以50kHz重复率成像，(B)在中心为1050nm的100nm的波长调谐范围内以200kHz重复率成像和(c)在中心为1045nm的10nm的波长调谐范围内以50kHz重复率成像。来自快速的(顶端)和缓慢的(底部)A/D转换器的相应的信号示于图47D-47F，相应于图47A-47C所示的工作点。在图47A-47C中，相对于快速A/D转换器的4个样本的采样延迟已被应用于快速A/D转换器波形以表示从采集硬件预期的整数值的扫频-至-扫频抖动。从0-10样本的抖动通常在扫频间预期。由缓慢A/D转换器采样的信号被显示，将用4采样移位对它采样。延时估计应用于缓慢A/D转换器信号，结果示于表1。在A和C的情况下，系统在以高采样密度采样法布里-珀罗信号的模式下运行。因此，自TDE的延迟估计对于A和C是非常准确的。在情况B下，系统在稀疏地采样法布里-珀罗信号的模式下运行。即使在情况B下，TDE估计在一个样本点内是准确的，使得数据的适当的相位稳定成为可能。这说明了单个固定的法布里-珀罗滤波器如何用于在工作点的宽范围内相位稳定数据。可调节的法布里-珀罗滤波器和使用多个法布里-珀罗滤波器，或其它类似的波长特定的装置也包括在本发明的一些实施例中。
表1
(A)
峰值 抛物线 高斯
1 3.9950 3.9951
2 3.9986 3.9986
3 3.9877 3.9879
4 3.9931 3.9932
5 3.9972 3.9973
6 4.0000 4.0000
7 4.0016 4.0015
8 3.9957 3.9957
(B)
峰值 抛物线 高斯
1 4.1178 4.1039
2 4.2278 4.2016
3 3.7974 3.8208
4 3.9096 3.9203
5 4.0286 4.0252
6 4.1447 4.1279
7 4.2526 4.2238
8 3.8234 3.8439
(C)
峰值 抛物线 高斯
1 3.9931 3.9931
在一个优选实施例中，延时估计方法用于相位稳定数字数据。在一个优选实施例中，进行数字数据的调节以对数字数据进行相位稳定化，该调节可用延时估计(TDE)技术计算出。
基于峰值估计的重力中心也可以执行，并且被包括在本发明上下文中描述的TDE技术中。
偏振控制
一些在可调谐源中的元件对偏振状态是敏感的。例如，BOA和SOA光放大器，以及一些光隔离器通常是偏振敏感的。因此，对准进入偏振敏感元件的偏振以提高处理能力和避免引入由与不同偏振状态相关的略微不同的路程长度造成的成像伪影是有益的。本发明的优选实施例在光路中使用一个或多个偏振控制元件以消除不需要的偏振伪影或减少损耗。偏振敏感元件有助于对准偏振状态。本发明的一个优选实施例包括使用具有闭合环路，手动的或其它可调节的控制输入光纤偏振状态的至少一个偏振敏感隔离器的可调谐源。适当的偏振可通过最大化偏振敏感隔离器的功率处理能力确定。本发明的一个优选实施例包括使用具有闭合环路，手动的或其它可调节的控制输入光纤偏振状态的至少一个偏振敏感光放大器的可调谐源。标准光纤不保持入射光的偏振状态，并改变由于光纤内的应力引起的双折射效应的偏振状态。本发明的一个优选实施例使用偏振控制器，以在由于传递非偏振保持光纤状态被干扰后产生理想的偏振状态。替代地，偏振保持光纤可以用于简化成像系统和可调谐源的对准和操作。本发明的一个优选实施例使用偏振保持光纤以连接光学子组件从而消除在选择光学子组件间偏振控制器的需要。本发明的一个优选实施例在光路中使用有效的偏振控制以检测和消除不必要的偏振伪影。偏振对准度的测量可以是输出的功率或强度。可以使用简单的二极管或其它功率测量设备。一个实施例通过监控模块在多个波长内测量功率，例如如图28或30所示的。
数据流，处理和存储
一旦OCT数据流开始被获取，它可以被处理、存储、显示或用于实时反馈和控制。在数据存储器4810存储数据和在显示器4820上显示数据的一个优选实施例示于图48中。另一个优选实施例不需存储或显示数据，但在闭合回路处理中使用OCT测量。受益于实时反馈和控制的应用包括利用实时OCT数据以调节处理参数的定位系统、机器人系统、处理系统、制造系统、调谐系统和其它系统。本发明的一个优选实施例包括用于存储所获取数据的设备。用于存储所获取数据的设备可以是存储器、磁盘、磁带、光记录介质、易失存储器、非易失存储器、磁介质、光存储器，或在数据存储领域已知的用于存储数据的任何其它设备。OCT成像系统能够在短时间段内产生大的数据量。用于存储的单个设备会被数据流速率过载。将数据流分开或分块到多个存储设备可增大容许的数据量。本发明的一个优选实施例在RAID阵列4910上存储数据，如图49所示。本发明的一个优选实施例包括用于处理所获取的数据以构建样本图像的设备。用于处理所获取数据的设备可以是处理器、CPU、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)、计算机网络，状态机，或在数据处理领域中已知的任何其它数据处理设备。本发明的一个优选实施例包括用于显示所获取数据的设备。用于显示所获取数据的设备可以是监视器、计算机监视器、电视、投影仪、打印输出、手持式计算机、手持式平板电脑，手机，液晶屏，LED屏，LED阵列，或图像显示领域已知的任何其它设备。通过压缩数据以减少存储或传输要求是有利的。本发明的一个优选实施例压缩数据。本发明还包括以无损耗算法压缩数据的情况。数据利用的组合包括在本发明中。本发明的一个优选实施例包括系统包含处理数据以产生图像数据并且图像数据被传输到主计算机、存储器或显示设备的处理单元的情况。本发明的一个优选实施例包括用于由电缆、光通信链接、光纤通信链路或无线电发射机传输数据的设备。用于传输的设备可以是电压变送器、电流变送器、频率调制器、和振幅调制器、光源、无线电发射器，或在数据传输领域已知的任何其它设备。本发明包括系统包括任何种类的数据传输器的情况。
VCL源的小尺寸使得小和重量轻的OCT系统成为可能。本发明的一个优选实施例为手持的成像系统。本发明的一个优选实施例为便携式成像系统。本发明的一个优选实施例为电池供电的成像系统。
本发明对一些实施例的具体的更一般的实施已进行了描述。本发明一个优选实施例为光学相干断层扫描成像系统，包括：VCL源，具有能够在可调节深度范围内、轴向分辨率和连续可调速度内成像的特性，该光学相干断层扫描系统能够在由VCL源的长的相干长度延伸的成像范围内成像。虽然运行模式是灵活的，一个实施例在基本固定的扫频重复率下运行。另一实施例在基本固定的成像范围内运行。另一实施例在基本固定的OCT轴向分辨率下运行。一个实施例包括时钟控制干涉仪、时钟控制检测器、电子电路以时钟控制A/D转换器，时钟控制干涉仪具有可调节的光学延迟以使得在采集带宽内以不同的速度、轴向分辨率和深度范围运行。一个实施例包括时钟控制干涉仪，时钟控制检测器和电子电路以时钟控制A/D转换器，时钟控制信号被倍频或分频以使得在采集带宽内以不同的速度、轴向分辨率和深度范围运行。一个实施例利用轴向分辨率和速度的可调节性在不超出数据采集带宽的较高的分辨率和较慢的速度或较低的分辨率和较高的速度的两种或更多的模式下运行OCT成像系统。一个实施例利用成像范围和速度的可调节性在不超出数据采集带宽的较长的成像范围和较慢的速度或较短的成像范围和较高的速度的两种或更多的模式下运行OCT成像系统。一个实施例利用轴向分辨率和成像范围的可调节性在不超出数据采集带宽的较高的分辨率和较短的成像范围或较低的分辨率和较长的成像范围的两种或更多的模式下运行OCT成像系统。
多个VCL的实施
本发明一个实施例的基本实施方式仅在可调谐源中使用一个VCL。可能的是两个或更多的VCL一起运行以产生更多优选的可调谐源输出发射，如图50所示。VCL5010、5020可以与开关、分离器/组合器、WDM、耦合器、循环器、分束器、偏振敏感分束器、多路器或其它用于结合两种或更多的光学信号5030的装置。当结合多个VCL时，有益的是取消扫频的某些部分或设计VCL以固有地在扫频的一部分内没有反射，因此可结合从多个VCL或相同的VCL中的扫频。本发明的一个优选实施例使用包括多个VCL的可调谐激光器，其中多个VCL的扫频交错以增加有效的扫频重复率。本发明的一个优选实施例使用包括多个VCL的可调谐源以提高扫频线性，其中VCL扫频交错，扫频范围大于一个FSR，以及仅扫频的中心的最线性部分用于成像。
OCT图像中的双折射伪影有时可以通过以不同偏振状态的发射照射样本来得到改善。一些偏振敏感成像系统以一种偏振状态以上的光照射样本。不同的偏振状态可通过在成像系统中使用一个以上的VCL源产生。本发明的一个优选实施例使用至少两个VCL源以产生不同偏振状态的发射。另外，本发明的一个优选实施例使用至少两个VCL源以产生不同的偏振状态，来自不同偏振状态的扫频交错以实现偏振敏感OCT。本发明的一个优选实施例使用至少一个VCL源和偏振调制器以产生不同偏振状态的发射。单个的VCL源5110还可以与复制和多路复用器装置5120在扫频交错模式下使用，如图51所示。本发明的一个优选实施例使用光纤环光学复制和时间延迟扫频，复制的扫频可与原扫频结合以增加激光器的有效的扫频重复率。当交错扫频时，由增益材料支持的FSR与波长范围的比可用于产生优选的扫频特性。本发明的一个优选实施例使用基本上大于横跨可调谐源的整个调谐范围扫描所需的调谐元件的FSR，因此激光器占空因子是低的，以方便从相同可调谐源或不同可调谐源的复制和插入作为多路复用扫频的一种方式。本发明的一个优选实施例使用扫频大于一个FSR的范围的调谐元件以改善扫频线性化。本发明的另一个优选实施例使用扫频大于一个FSR的范围的调谐元件以改善扫频线性化，并且其中FSR外的扫频区域通过对增益材料的电流调制也被取消，而不由采集系统获取，也不在源的输出处调制。本发明的一个优选实施例使用扫频大于一个FSR范围的调谐元件以减小占空因子从而使得能够插入来自相同的激光器的扫频拷贝或来自不同的激光器扫频。
讨论到这点的结合多个VCL源的实施方式结合基本上类似的VCL源以获得理想的扫频特性。结合基本上不同的VCL源也是有益的。本发明的一个优选实施例使用交错的来自具有不同中心波长的两个或更多的VCL源的扫频以增加源的有效的波长扫频范围。本发明的另一个优选实施例使用交错的来自具有不同中心波长的两个或更多的VCL源的扫频，以在完全分离的不同波长下获得OCT信息，从而从样本中获得不同的频谱信息。
其它的加强
可调谐源输出可调谐的发射，以及放大式自发射(ASE)和边模光。滤出ASE是有益的，使其不到达样本或任何可选的光放大阶段。一个优选实施例使用可调谐滤波器并且以可调谐源同步调谐滤波器以滤出放大式自发射，如图52所示。可调谐滤波器5220可被使用并且与可调谐源5210同步调谐以滤出边模。在光学电路中有多个设置可调谐滤波器并且可调谐滤波器和放大器潜在地结合的位置。本发明的一个优选实施例包括至少一个光放大器，其为与VCL源同步调谐的垂直腔放大器。本发明的一个优选实施例使用位于VCL5210和放大器5230之间某处的可调谐滤波器5220，其与VCL同步调谐以抑制ASE和提高边模抑制比。本发明的一个优选实施例也包括使用位于VCL后某处的可调谐滤波器，其与VCL同步调谐以抑制ASE和提高边模抑制比。本发明的一个优选实施例包括位于任何放大器5320后的可调谐滤波器5330，其与VCL5310同步调谐以抑制ASE和提高边模抑制比，如图53所示。
已经示出了可调谐滤波器和电流控制如何使用以降低ASE噪声、形成频谱、抑制边模和减少样本曝光。也可能使用无源器件获得类似功能性。本发明的一个优选实施例包括具有固定波长滤波响应的滤光器，其沿着光程插入系统内以形成频谱。本发明的一个优选实施例包括具有固定波长滤波响应的滤光器，其沿着光程插入系统内以抑制ASE。本发明的一个优选实施例包括具有固定波长滤波响应的滤光器，其被沿着光程设置在VCL或放大器输出之后以形成发射频谱。本发明的一个优选实施例包括具有固定波长滤波响应的滤光器，其被沿着光程设置在VCL或放大器输出之后以抑制ASE。本发明的另一个优选实施例仅使用有源器件，仅使用无源器件或混合任何有源或无源设计的结合以用于影响频谱。
可调谐源中增益材料的性能受工作温度的影响。本发明的一个优选实施例包括用于热调节的装置，温度控制器5410，以对一种或多种增益材料调节温度从而获得增大的输出发射功率，如图54所示。本发明的一个优选实施例包括用于热调节的装置以对一种或多种增益材料调节温度从而获得优选的发射频谱。本发明的一个优选实施例包括用于热调节的装置以对一种或多种增益材料调节温度从而获得降低的发射噪声。用于热调节的装置可为有源的或无源的。用于热调节的装置可为开环或闭环控制。热调节的示例包括但不限于：热电冷却元件(TEC)，与温度传感器和反馈回路结合的TEC，开环回路中运行的TEC，与温度传感器结合并在闭合回路中运行的液体冷却，在开环回路中运行的液体冷却，散热、风扇、对流热移除设备，导电热移除设备，或在热管理领域中已知的任何其它装置或方法。
通常，电子设备中的噪声降低数据的质量。本发明的优选实施例管理电子设备中的噪声以低于影响图像质量的水平。可以是，噪声吞噬器5420包括检测器和调节电流驱动器输出的反馈回路，以减少激光器噪声，如图54所示。
虽然在一定程度上和个别地相对于前述的若干实施例对本发明进行描述，但是并不意味着应限制于任何这样的细节、多个实施例或任何特定实施例，它是为了参考所附的权利要求进行解释，以鉴于现有技术提供对这些权利要求的最宽的可能的解释，因此有效地涵盖本发明的预期范围。另外，前面通过发明人以可预见的实施例的形式描述了本发明，其用于使得说明书有效，纵使本发明的非实质性的修改，不是目前预见的，但是仍然可以代表其等同物。

Claims (12)

1.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中所述电流驱动器的电流被调节作为时间的函数，以在频谱上对输出发射成形而补偿样本的光学性能。
2.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中所述电流驱动器的电流被调节作为时间的函数，以在频谱上对输出发射成形而优化对样本的曝光。
3.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中所述电流驱动器的电流被调节作为时间的函数，以取消所述可调谐源的正向或反向的扫频。
4.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中所述数字数据被检查饱和度，如果饱和，调整给增益材料的电流。
5.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；其中所述数字数据被收集到一个数据集，数据集中的数字数据被检查饱和，在数据集中发现饱和的位置处用调整了的给增益材料的电流再重像，并且以调整了的电流水平获取新的数字数据。
6.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波 长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中延时估计方法用于相位稳定所述数字数据。
7.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中所述监控检测器包括波长相关组件，用于将光分离作为进入多个信道的波长 和所测量光的不同信道的相对功率的函数。
8.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中所述监控检测器包括波长相关组件，用于将光分离作为进入多个信道的波长和所测量光的不同信道的相对功率的函数，以估计扫频的波长-时间。
9.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中所述监控检测器包括波长相关耦合器、分束器或滤波器，用于将光分离作为进入多个信道和两个二极管检波器的波长的函数，以测量光的不同信道的相对功率，从而估计扫频的波长-时间。
10.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中可调谐源包括至少一个偏振敏感隔离器，并且对所述偏振敏感隔离器使用输入光纤偏振的闭合环路、手动的或其它可调节的控制。
11.一种光学成像系统，包括：
可调谐源(500)，包括波长可调谐垂直腔激光器(VCL)(510)和腔内调谐元件(520)，腔内调谐元件(520)产生在发射波长范围内可调谐的单纵模输出以产生波长扫频；
调谐驱动器(540)，所述调谐驱动器能够产生一个或多个波长调谐波形以影响所述调谐元件，所述调谐元件确定扫频轨迹、扫频速度、扫频重复率、扫频线性和发射 波长范围；
电流驱动器(550)，其供应电流至可调谐源(500)内的增益材料(530)以调节输出光辐射功率；
监控检测器(560)，用于测量调谐响应的属性并提供反馈以校正对可调谐源的干扰；
具有由所述可调谐源照射的参考臂和样本臂的光学干涉仪(570)；
将自光学干涉仪的光干涉条纹信号转换为电模拟信号的一个或多个光检测器(580)；
将从所述一个或多个光检测器输出的电模拟信号转换为数字数据的数据采集装置(590)；
其中有效的偏振控制被用于光路中以检测和消除不必要的偏振伪影。
12.一种用于产生如权利要求4所述的光学成像系统的调谐波形的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将所述调谐波形表述为可调节的输入参数值的函数，以产生调谐波形表达式(2310)；
(b)将所述调谐波形应用到调谐元件或可调谐源动态性的数学模型以产生至少一个实验测量或模拟的波长扫描(2320)；
(c)基于所述至少一个实验测量或模拟的波长扫描(2320)，计算性能度量值或目标函数(2330)；
(d)调节输入参数的值以优化性能度量值或目标函数(2340)；
其中步骤(a)-(d)被重复多次，并且输入参数由优化算法调节；以及
其中所述优化算法使用牛顿法、拟牛顿法、梯度下降、共轭梯度、遗传算法、模拟退火算法、爬山算法、或数值优化领域中已知的其它优化算法中的至少一种。
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