CN108027229A - 利用脉冲加宽二极管激光器的干涉测量法 - Google Patents

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Abstract

在本申请中讨论了配备有二极管激光源的各种光学系统。一个示例系统包括用于提供辐射光束的二极管激光源。在平衡条件下驱动时，二极管激光器具有光谱输出带宽。该系统还包括驱动电路，用于向二极管激光器施加驱动电流的脉冲。所述脉冲引起二极管激光器的输出波长在脉冲期间变化，使得光谱输出带宽至少比平衡条件下的光谱输出带宽大两倍。

Description

利用脉冲加宽二极管激光器的干涉测量法
优先权
本申请要求于2015年9月17日提交的美国临时申请号62/219,872和2015年12月9日提交的美国临时申请号62/265,107的优先权，这两个申请通过引用结合于此。
背景技术
高强度宽带宽光源可用于干涉测量法，例如，光学相干域反射测量(OCDR)、光学相干断层扫描(OCT)和自干涉干涉测量法(SII)。需要高强度源来获得可以在检测器上观察到的从弱反射样本接收回的大量相长干涉光子。连续的、平滑的、宽光谱的光频率期望用于实现光传播方向上的高空间分辨率。
OCDR是一种干涉测量成像方法，该方法通过检测与参考光束结合的从样本反射的光来确定样本沿着光束的散射轮廓。深度方向(z)上的每个散射轮廓称为轴向扫描或A扫描。OCT是OCDR的延伸，其中，通过许多A扫描建立横截面图像(B扫描)和扩展3D体积，OCT光束移动到样本上的一组横向(x和y)位置。现代的OCT系统通常收集光谱分辨数据，因为这允许以高深度分辨率同时测量一系列深度，而没有信噪比损失。这种收集光谱分辨数据并在光谱维度上经由傅立叶变换将其转换为深度分辨测量的方法被称为“频域”或“傅里叶域”OCT(FD-OCT)。
FD-OCT的传统光源可以描述为与超发光二极管(SLD)或飞秒钛蓝宝石激光器同时产生宽带宽光；或者通过依次调谐通过一系列窄带宽来产生宽带宽，这些窄带宽在共同考虑时构成宽时间集成带宽。后一种光源可能被称为扫频源。扫描源的示例包括外腔可调谐激光器(ECTL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和采样光栅分布式布拉格反射体激光器(SG-DBR)等。通常在所谓的光谱域OCT(SD-OCT)中用光谱色散元件和光电二极管的线性阵列来检测同时的宽带宽光源。通常使用一个或两个单元件光电检测器随时间检测扫描源，因此在所谓的扫描源OCT(SS-OCT)中在时间维度中编码光谱信息。SD-OCT系统在人眼中的曝光时间由相位相消(washout，冲刷)(即，由于轴向/横向运动而在测量期间消除信号)限制为大约100μs。SS-OCT系统的曝光时间限制在约1ms。已经描述了混合扫描源、谱域(SS/SD-OCT)配置，其允许比没有相位相消的标准SD-OCT系统更长的曝光时间(参见例如Yun,S.EL,Tearney,G.,de Boer,J.,&Bouma,B.(2004)Puised-source and swept-source spectral-domain optical coherence tomography with reduced motion artifacts.OpticsExpress,12(23),5614-5624)。
SD-OCT和SS-OCT系统都可用于商业应用，一个值得注意的示例是眼科领域。当今商用眼科OCT系统中使用的高亮度同时或扫描宽带宽源占系统总成本的很大一部分。SS-OCT是OCT的快速发展区域；然而，成本仍然很高，因此，尚未满足广泛的商业认可。
并行OCT系统同时照射一组A扫描，而传统的点扫描OCT系统一次照射一个横向点。场照明OCT是并行OCT的子集，其中，照明在多个A扫描(作为线、部分场或全场)之间连续，而不是空间分离的单独A扫描。场照明OCT相对于点扫描OCT提供潜在的成本优势，部分归因于快速光束扫描的简化。并行OCT系统需要与传统的点扫描OCT系统相似的单位面积曝光能量，以实现类似的散粒噪声受限的灵敏度。与传统的点扫描OCT相比，曝光能量和曝光时间的限制导致并行系统的光源功率要求更高，以在单次测量中实现类似的信噪比(SNR)。一些高度并行的SD-OCT系统使用二维(2D)阵列传感器以同时测量多个光谱点。2D传感器通常可用作消费电子产品，例如，手机和安防摄像机，因此通常可以发现比点扫描SD-OCT系统中典型的线性阵列更低的成本。这些消费者装置的帧速率目前通常低于200Hz。SD-OCT的短曝光时间和低成本2D阵列的慢帧速率意味着占空比小于2％。这种低占空比表示试图从用连续波(CW)源照射的连续获取的扫描中构建复合扫描，将具有低效率(即，随着时间的推移，将需要阻止来自源的98％以上的功率)。现有超发光二极管价格适中但功率不足，并且现有扫描源太昂贵，以至于不能给具有场照明OCT的成本效益的有效的低成本OCT装置供电。
半导体二极管激光器可以容易地实现比超发光二极管(SLD)大一个数量级的单横模功率水平。当半导体二极管材料开始发射激光时，光谱带宽通常变窄，通常被称为纵向模式的一个或几个非常窄的峰值，这些峰值受到激光腔谐振的约束。本文使用的带宽指的是多个纵向模式的包络的宽度。通常，诸如光盘读取器、激光打印机和测距仪等消费者装置需要由激光器提供的高强度和空间相干性，但不需要或者发现不利于采用诸如由SLD提供的宽带宽。尽管SLD和半导体二极管激光器在很大程度上共享相同的材料、制造和封装技术，但是半导体二极管激光器通常以低单位成本制造，因为消费电子产品中使用了极高的体积。
调谐和成形二极管激光器的光谱输出的方法已经被开发并用于包括光学相干断层扫描和相关干涉技术的各种应用。半导体带隙的温度依赖性是调谐二极管激光器的输出的第一种也是最常用的方法中的一种方法，但通常与OCT的太慢和粗糙的响应速度有关。在现有技术中已经描述了闭环系统，其中，电流控制的热电偶调节激光器封装的壳体温度(参见例如Bartl,J.、Fira,R.和Jacko,V.(2002).Tuning of the laser diode.MeasurementScience Review卷2第3节，通过引用结合于此)。在扫描光源OCT中(参见例如美国专利第5,949,801号，其通过引用结合于此)，精确限制激光器的纵向模式的可快速调谐的腔内滤波器是标准的，其中，希望穿过宽带宽平滑地扫窄激光线。与此方法相关的复杂性导致高系统成本。
来自同时产生许多紧密间隔的窄带宽模式的多纵向模式激光器的总光谱相对较宽；然而，光谱上的梳状结构会造成严重的旁瓣伪影。通过迫使梳状光谱在测量期间略微移动使得梳状峰值移动，以填充峰值之间的空间，这种多纵向模式激光光谱可以随着时间变得模糊。非平衡热效应和载流子密度效应可以使激光腔的折射率发生微小变化。这些折射率的变化有效地改变了激光腔的光学长度，使得空腔的模式轻微移动，以使梳状结构模糊。Wei-Kuo Chen通过驱动具有100皮秒长脉冲的多模激光器，来演示了适用于深度测距应用的梳状光谱的平滑，所述长脉冲主要通过改变空腔的光学长度(通过载流子密度效应)来移动其谐振来起作用(参见例如Wei-Kuo Chen和Pao-Lo Liu的“Short-coherence-lengthand high-coupling-efficiency pulsed diode laser for fiber-optic sensors”Opt.Lett.13,628-630(1988)，其通过引用结合于此)。由于驱动电子装置的阻抗和二极管激光器自身的封装，这种短脉冲难以实现。
使用多模二极管激光器并在激光阈值和近似最大可持续CW电流之间应用正弦100Hz调制，来演示与OCT密切相关的干涉测量成像系统(参见例如Balboa,I.、Ford,H.D.以及Tatam,R.P.(2006).Low-coherence optical fibre speckleinterferometry.Measurement Science and Technology 17,605，其通过引用结合于此)。在这个更慢的调制频率下，热效应被认为支配载流子密度效应。梳状结构模糊，以变成更理想地高斯(因此抑制旁瓣)，并且通过从3.2nm到4.0nm的非常适中的分数1.2扩大，最终提供165μm的相对粗糙的轴向分辨率。
鉴于当前现有技术的局限性，需要用于干涉成像系统的低成本光源和检测器装置。
发明内容
本申请描述了一种光源，，在一种情况下，可能适用于混合SS/SD-OCT，其比现在的SLD实现更大的功率并且可以以低得多的成本从当前可用的消费电子设备构建。除了其他应用，该光源特别适合于低占空比照明，其适用于利用中等到低帧率的消费级2D阵列传感器实现的场照明OCT。在一个实施例中，单个横向模式半导体二极管激光器在非传统条件下工作，用于低相干干涉测量系统。通过将由驱动电路提供的驱动电流的脉冲施加到二极管激光器的增益介质，在大于20nm的范围扫描二极管激光器的光学波长输出。对脉冲的形状进行优化，以驱动增益介质，在至少比在平衡条件下的光谱输出带宽大两倍的光谱带宽上改变激光器的输出波长。在某些情况下，光谱输出带宽至少比平衡时的光谱输出带宽大五倍。该光源可以使用低成本的二极管激光器来实现，例如，通常用于CD-R光盘写入的激光器，其进行了优化，用于单横向模式操作，并且脉冲电流大于500mA，用于100ns和10ms之间的脉冲，并且输出波长近似为780纳米。其他半导体二极管激光器也同样适用于这种应用，并且可能具有超过增加的价格的利益。例如，一个半导体二极管激光器可能具有更长的激光腔，从而导致更窄的光谱梳齿间隔并因此具有更平滑的光谱。较长激光腔具有需要较高脉冲能量或接受较窄总体带宽的缺点。
波长扫描源可以多点成像光谱仪组合以用于混合SS/SD-OCT场感测系统，用于产生样本的深度信息。光学器件用二极管激光器提供的辐射光束照射样本区域。从样本返回的光束(可能与参考光束)的干涉信号由检测器检测，该检测器在一个实施例中可以是多点成像光谱仪，并且在宽光谱范围上观察到的干涉被转换为样本的深度信息。这种设置补偿了光源的某些非理想行为，并提供了非常适合源的占空比要求的数据采样解决方案。通过在光谱分辨检测器的曝光时间内驱动单个电流斜坡，可以实现长积分时间内的最小相位相消。通常，相机的读出速率是SD-OCT中的速度限制因素。
或者，可以增强相位相消，以更像传统的SD-OCT曝光，在相机的曝光窗口内在光谱上反复扫描。例如，这可以有利于衰减血管内部或下部的信号，这可以增加对比度。这对抑制眼睛视网膜色素上皮细胞(RPE)下方的信号也可能有用。在一个实施例中，结合混合SS/SD-OCT系统描述卷帘快门，其中，曝光窗口被定时为对应于扫描期间传感器的可能曝光区域。
本申请的源和光谱仪设计特别适合于线场混合SS/SD-OCT、在二维阵列上实现的稀疏采样阵列OCT以及使用光谱仪的线场自干涉干涉测量法。
附图说明
图1是通用光学相干断层扫描(OCT)系统的基本示意图；
图2示出了示例性的现有技术二极管激光器的操作特性；具体地，图2(a)示出了二极管激光器的输出功率对电流的曲线图；图2(b)示出了二极管激光器的波长对温度的曲线图；
图3示出了在10ms的时间段内从0A增加到1A的示例性脉冲斜坡；
图4(a)示出了在驱动电流脉冲下操作的二极管激光器的输出，其适合于使用27kHz线性阵列光谱仪的干涉成像；图4(b)示出了基于图4(a)所示的输出的时间积分光谱；
图5(a)示出了TO 56封装中没有用于GaN激光二极管的AlN过渡热沉的热通量的示例分布；图5(b)示出了具有AlN过渡热沉的热通量分布；
图6(a)示出了当驱动电流的多个脉冲依次传送时的驱动电流对时间图；图6(b)示出了所得到的时间依赖结温度；
图7(a)是高功率二极管激光器的热阻抗对时间的曲线图；图7(b)示出了在各种加热时间期间单个发射器的垂直温度轮廓；
图8示出了实施本申请中讨论的半导体二极管激光源的示例性线场混合SS/SD-OCT系统；
图9示出了两个示例场景的扫描波长对光谱积分时间的曲线图；
图10(a)示出了在卷帘快门模式下操作的消费级CMOS 2D传感器阵列的时间示意图；
图10(b)示出了在“半全局快门”模式下的该操作的时间示意图；
图10(c)示出了在“真正的全局快门”模式下该操作的时间示意图；
图11(a)是实施本申请中讨论的半导体二极管激光源的高效率干涉仪的俯视图；图11(b)示出了图11(a)的高效干涉仪的侧视图；
图12示出了当入射到图11(b)中的干涉仪的衍射光栅元件上时的光的示例性足迹；以及
图13(a)是示例紧凑型光谱仪设计的侧视图；图13(b)示出了替代的紧凑型光谱仪设计的侧视图。
具体实施方式
在本说明书中引用的所有专利和非专利参考文献的全部内容通过引用结合于此，其程度如同每个单独专利和非专利参考文献的公开内容被具体地和单独地指示为完全通过引用结合于此。
定义：
以下定义可能对理解详细描述有用：
干涉系统：为了提取有关波的信息而叠加电磁波的系统。通常，至少部分相干光的单个光束分裂并被引导到不同的路径中。这些路径通常称为样本路径和参考路径，包含样本光和参考光。两条路径之间的光路长度的差异会在其间产生相位差，从而产生相长或相消干涉。可以进一步分析和处理干涉图案，以提取额外信息。干涉测量系统有特殊情况，例如，共同路径干涉仪，其中，样本光和参考光沿共享路径传播。
光学相干层析成像(OCT)系统：干涉测量成像系统，其通过检测从样本和参考光束反射的光的干涉来确定样本沿OCT光束的散射轮廓，从而产生样本的深度解析(例如，2D/三维(3D))表示。深度方向(z)上的每个散射轮廓单独重建为轴向扫描或A扫描。通过许多A扫描建立横截面图像(B扫描)和扩展3D体积，OCT光束移动到样本上的一组横向(x和y)位置。OCT系统的轴向分辨率与使用的光源的光谱带宽成反比。横向分辨率由照明和检测光学器件的数值孔径定义，并且在远离焦平面移动时减小。OCT系统存在于时域和频域实现方式中，时域实现方式基于低相干干涉(LCI)，频域实现方式基于衍射层析成像。OCT系统可以是点扫描、多光束或现场系统。
自干涉干涉测量(SII)系统：干涉测量深度测距系统，其根据其反射率和其间的距离的乘积报告物体中的散射体的分布。例如，如果物体在散射物体的一侧包含主要散射体，则输出在功能上与OCT类似。深度方向(z)上的每个散射分布单独重建为轴向扫描或A扫描。通过许多A扫描建立横截面图像(B扫描)和扩展3D体积，SII光束移动到样本上的一组横向(x和y)位置。SII系统的轴向分辨率与使用的光源的光谱带宽成反比。横向分辨率由照明和检测光学器件的数值孔径定义，并且在远离焦平面移动时减小。SII系统存在于时域实现方式中。SII系统可以是点扫描、多光束或现场系统。
光学相干域反射测量(OCDR)系统：该术语指的是沿着光束路径的散射体的位置和强度的相干检测，特别是用于测量光纤长度。当该技术扩展到包括2D生物成像时，通过在目标上扫描光束并将线性轮廓组合成图像，其通常称为OCT；然而，一些学术团体保留了非成像技术及其派生成像技术的原始术语。
场照明系统：干涉成像系统，其中，用连续的光场照射样本，然后，用空间分辨检测器检测。这与使用聚焦点或多个空间分离的聚焦点(每个点具有单个检测器)的成像系统形成对比。场照明系统的示例包括线场、部分场和全场系统。
点扫描系统：共焦扫描系统，其横向扫描具有小点的样本，并在单点处检测来自斑点的反向散射光。单个检测点可以在光谱上分散或分成两个通道，以进行平衡检测。为了捕获2D图像或3D体积，必须获取许多点。CirrusTMHD-OCT(位于加州Dublin的Carl ZeissMeditec公司)以及所有其他商用眼科OCT装置目前都是点扫描系统。
并行系统：在一个场上的不同位置同时获取多个A扫描的干涉成像系统。在场照明的情况下，多次A扫描可能是直接相邻的，或者可能稀疏地采样具有明显分离的点的场，这需要连续扫描，以便捕获大致连续的体积。
线场系统：场照明系统，其以线的方式照射样本，并用空间分辨(spatiallyresolved)检测器检测反向散射光。这种系统通常允许在没有横向扫描的情况下捕获B扫描。为了获取样本的面上图像或体积，必须在一个横向方向上在样本上进行线扫描。
部分场系统：场照明系统，其照射小于所需视场的样本区域，并利用空间分辨检测器检测反向散射光。为了获得整个所需视场的面上图像或体积，需要在二维上进行横向扫描。部分场照明可以是例如由低NA光束、线或任何二维区域形成的点，包括但不限于宽线、椭圆形、正方形或矩形照明。
全场系统：场照明系统，其一次照明样本的整个所需视场(FOV)，并用空间分辨检测器检测反向散射光。为了获取面上图像或体积，不需要横向扫描。
稀疏采样的阵列系统：高度并行的系统，其中，同时采样宽场中的许多点。不同的采样点稀疏分布在整个场中(与连续的场照明相反)。
感光元件：将电磁辐射(即光子)转换为电信号的元件。可以是光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、雪崩光电二极管、纳米注入检测器或可以将电磁辐射转换为电信号的任何其他元件。光敏元件可以在相同的基板上或在附近包含额外电路，包括但不限于晶体管、电阻器、电容器、放大器、模数转换器等。当光敏元件是检测器的一部分时，通常也称为像素、感测点或感光点。检测器或相机可以具有光敏元件阵列。
检测器：区分零维(0D)、一维(1D)和二维(2D)检测器。0D检测器通常使用单个光敏元件来将光子能量转换为电信号。与0D检测器相比，空间分辨检测器能够固有地生成两个或更多个空间采样点。1D和2D检测器是空间分辨检测器。1D检测器通常会使用光敏元件的线性阵列来将光子能量转换成电信号。2D检测器通常会使用光敏元件的2D阵列来将光子能量转换成电信号。2D检测器中的光敏元件可以以矩形网格、方形网格、六边形网格、圆形网格或任何其他任意空间分辨排列来设置。在这些布置中，光敏元件可以均匀地间隔开，或者可以在各个光敏元件之间具有任意距离。2D检测器也可以是一组0D或1D检测器，其光学耦合到一组2D检测位置。同样，1D检测器也可以是一组0D检测器或1D检测器，其光学耦合到检测位置的2D网格。这些检测位置可以类似于上述2D检测器排列来设置。检测器可以由在公共基板上的几个光敏元件组成或者由几个单独的光敏元件组成。检测器可以在与作为读出集成电路(ROIC)的一部分的光敏元件相同的基板上或者在接近光敏元件的单独基板(例如，印刷电路板(PCB))上，进一步包含放大器、滤波器、模数转换器(ADC)、处理单元或其他模拟或数字电子元件。包括接近光敏元件的这种电子元件的检测器在一些情况下被称为“相机”。
光谱仪：用于以光谱分辨方式测量光的装置。通常，光通过衍射或色散元件根据波长在角度上分开并且聚焦到空间分辨检测器上，使得检测器上的位置编码光学波长。存在其他类型的光谱仪，其通过诸如阵列波导等其他装置或者甚至在计算上分离光，例如，通过傅立叶变换光谱仪。光谱仪可以测量单个光束路径或多个光束路径。同时分辨多个光束路径的光谱仪通常被称为成像光谱仪。
光束：应该被解释为任何仔细定向的光路。
坐标系：在整个应用中，X-Y平面是面上或横向平面，Z是光束方向的维度。
驱动电流：流过半导体激光器装置的有源结的电子，以在与有源结的带隙有关的能量激发光子的释放。
电流脉冲：高于基线水平的驱动电流的短期增加。
脉冲序列：一系列电流脉冲。
突发脉冲：由快速连续的少量脉冲组成的脉冲序列。
斑点直径：干涉观察具有高度相关相位的区域。该测量与干涉成像系统的分辨率和点扩散函数高度相关(参见例如Schmitt,J.M.、Xiang,S.H.以及Yung,K.M.(1999).Speckle in Optical Coherence Tomography.J.Biomed.Opt 4,95-105)。
通用OCT系统
在图1中示出广义眼科OCT系统的图。来自光源101的光束通常由光纤105路由，以照射样本110，典型的样本是人眼中的组织。光源101通常是在SD-OCT的情况下具有短时间相干长度的宽带光源或者在SS-OCT的情况下是波长可调谐激光光源。通常用光纤输出端和样本之间的扫描器107扫描光，使得光束(虚线108)在待成像的样本的区域上横向扫描(以x和y)。通常，将从样本散射的光收集到用于路由光以照明样本的相同光纤105中。从相同光源101获得的参考光在单独的路径中传播，在这种情况下，涉及具有可调光学延迟的光纤103和后向反射器104。本领域技术人员认识到，也可以使用透射参考路径，并且可以将可调延迟放置在干涉仪的样本臂或参考臂中。收集的样本光通常在光纤耦合器102中与参考光组合，以形成使用检测器120观察到的光干涉。虽然示出了通向检测器的单个光纤端口，但是本领域技术人员认识到，干涉仪的各种设计可用于干涉信号的平衡或不平衡检测。来自检测器120的输出被提供给处理器121，处理器121将观察到的干涉转换为样本的深度信息。处理结果可以存储在处理器121或其他存储介质中，或显示在显示器122上。处理和存储功能可以位于OCT仪器内，或者可以在所收集的数据传输至的一个或多个外部处理单元上执行功能。该单元可以专门用于数据处理，或执行对于OCT装置相当通用而不是专用的其他任务。处理器121可以包含例如现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、图形处理单元(GPU)、片上系统(SoC)或其组合，其在传递到主机处理器之前或以并行方式执行一些或整个数据处理步骤。
干涉仪中的样本臂和参考臂可以由大块光学器件、光纤或混合大块光学系统组成，并且可以具有不同的架构，例如，迈克尔逊、马赫曾德尔或基于共路径的设计，如本领域技术人员知道的。本文使用的光束应该被解释为任何仔细定向的光路。在时域系统中，干涉仪的一个臂通常包含可调谐光学延迟，以在光谱中的干涉相位中产生时间变化斜坡。平衡检测系统通常用于TD-OCT和SS-OCT系统，而光谱仪用于SD-OCT系统的检测端口。
在傅立叶域光学相干断层扫描(FD-OCT)中，每个测量是实值光谱干涉图(Sj(k))。实值光谱数据通常经过几个后处理步骤，包括背景去除、色散校正等。处理后的干涉图的傅里叶变换导致复数值的OCT信号输出这个复数值OCT信号的绝对值|Aj|揭示了不同路径长度下散射强度的分布，并因此根据样本中深度(z方向)散射。类似地，也可以从复数值的OCT信号中提取相位根据深度的散射分布称为轴向扫描(A扫描)。在样本的相邻位置测量的一组A扫描产生样本的横截面图像(X线断层扫描或B扫描)。在样本的不同横向位置收集的B扫描集合构成了数据体积或立方体。对于特定的数据体积，术语“快轴”指的是沿着单个B扫描的扫描方向，而慢轴指的是收集多个B扫描所沿的轴。创建B扫描的各种方式对于本领域技术人员来说是已知的，包括但不限于沿着水平或x方向、沿着垂直或y方向、沿着x和y的对角线或者以圆形或螺旋形式扫描样本光束。
调谐光源的脉冲
在本申请的一个方面，公共半导体二极管激光器被提供有驱动电流，使得其光谱输出针对诸如OCT、OCDR或SII等干涉测量应用而被优化。用于此目的的示例性二极管激光器是日本松下公司生产的LNCT28PF01WW，其被描述为具有多量子阱结构的边缘发射法布里珀罗780nm带二极管激光器。激光器被选择为具有适合于给定任务的波长，例如，眼睛的眼科成像(在这种情况下，需要具有良好的水渗透性和低视觉激励电位的波长)。优选地，激光器应该对工作温度具有显著且近似连续的波长依赖性。激光腔的光路长度(即，其物理长度乘以其折射率)优选地是长的，使得纵向模式紧密间隔。激光器的端面优选地针对高峰值光功率进行优化。优选地，激光器输出单个空间模式，因此采样光束的任何部分可以预期以高对比度与采样光束的另一部分进行干涉。最后，激光器优选用于高体积应用中，因此可能以非常低的成本获得。光盘读写应用提供了兼容的波长范围、高功率、单横向模式脉冲以及非常大和价格敏感的市场的组合。
图2示出了日本松下公司发布的二极管激光器LNCT28PF01WW的公开的工作特性。图2(a)示出了输出功率对电流的曲线图，图2(b)示出了二极管激光器的波长对温度的曲线图。建议的最大连续波(CW)电流约为300mA。以最小的CW电流驱动稍冷却的二极管导致输出波长小于780nm，这给出了该二极管实际使用的最小波长的良好指示。在最大工作温度下以接近其最大CW电流驱动二极管，将驱动结为接近其工作温度极限，导致波长大于800nm。
当在平衡条件(恒定电流和温度)下驱动时，二极管激光源通常具有<1nm的光谱输出带宽。二极管激光器可操作地连接到驱动器电路，其能够向二极管激光器施加驱动电流的脉冲。对于本文描述的实施例，驱动电流脉冲被设计为当随时间积分时产生具有适合干涉测量法应用的形状的输出光谱。为了实现这种可用形状的输出光谱，理想情况下，应该实现某些设计考虑，其中一些讨论如下：
1.驱动电流脉冲应促使激光器有源结实现激光带宽的显著加宽，理想情况下，带宽的增加至少与上述平衡操作条件下的光谱输出带宽一样大(因此使光谱输出带宽加倍)。在某些情况下，光谱输出带宽至少比平衡时的光谱输出带宽大五倍。这种光谱偏移最可能是由于温度变化。温度升高导致材料带隙减小，导致GaAs的峰值增益偏移+0.3nm/C(参见例如Bartl,J.、Fira,R.和Jacko,V.(2002)(2002).Tuning of the laserdiode.Measurement Science Review卷2第3节)。理想情况下，驱动电流脉冲期间的温度扫描覆盖从较低基线温度到接近激光器的实际工作上限的点的范围。较低的基线温度可以主动冷却至环境温度以下，以增加可用温度范围。激光器的工作上限可以被定义为激光效率会大大降低的温度或者运行激光热源会降低其使用寿命而超出应用的可用性的温度。
2.驱动电流的脉冲应在每个波长处工作时提供大量的光能，以产生可用的成形时间积分光谱。焦耳热最有可能导致有源结的温度迅速上升至近似平衡。对于一阶，这个温度上升可以由ΔT(t)＝To[1-exp(-t/τ)]，描述，其中，τ是二极管结的热时间常数，通常约为几百纳秒。热时间常数是在电流逐步增加时，结达到最终温度变化的1-1/e～63.2％所需的时间。激光器的输出光谱可以提供结温度的良好估计。通常，近似高斯形状的光谱被认为是可取的。
3.驱动电流的脉冲应引起空腔长度变化，这会改变激光线的位置，足以模糊时间积分光谱中的线结构。空腔长度变化是由于注入电流效应和温度变化相结合导致的折射率变化的结果。
4.脉冲持续时间应足够短，以避免背景部分中描述的任何假象，例如，边缘消除。对于混合SS/SD-OCT系统的优选实施例，优选的脉冲持续时间将可能短于1ms，而对于SD-OCT系统，优选的脉冲持续时间将可能短于100μs。
5.驱动电流的特性(例如，时间轮廓、峰值电流和重复速率)应该设计成使得对二极管激光器加脉冲不会损坏它或显著降低其任何实际OCT应用的寿命。由于二极管激光器的成本较低，因此可能具有几百小时的操作，因为如果损坏了，则用户可以更换新的。
电流脉冲的时间曲线可以包括多项式、指数函数或可以满足上述目标的任何其他时变形状。可能的示例包括矩形或线性斜坡。例如，近似恒定电流的短脉冲(其持续时间大约为结的热时间常数量级或更小)是实现近似平坦的光谱的一种方式(因为温度对时间曲线在该短时间段内近似为线性)。近似恒定电流的平衡温度明显大于线性温度范围结束时的最终温度。如果这种脉冲实现大的温度变化，则平衡温度可能非常高，可能超过破坏二极管所需的温度，例如，通过熔化焊料层。因此，二极管在峰值结温度严格依赖于脉冲持续时间的情况下工作，脉冲持续时间应小于几百纳秒，这取决于二极管的结构。
上述矩形脉冲具有较小的能量，因为脉冲持续时间非常短。为了增加能量的量，可以构造由许多短脉冲组成的脉冲串。这种短暂的临界定时脉冲可以通过对用于驱动光盘写入循环的电路进行小幅修改来创建，这些循环通常提供高电流脉冲持续大约500ns或更短的持续时间。
另一种脉冲方式也产生可用的成形时间积分光谱，以慢脉冲驱动电流，使结温度始终保持非常接近与驱动电流相关的平衡温度。脉冲可以优选地被成形为产生期望的时间积分光谱。因为：1)光输出功率与电流近似成比例；2)加热与电流平方近似成比例；3)温度变化与加热近似成比例，电流斜坡的理想形状倾向于在高电流下具有增加的斜坡。为了实现具有最小噪声和后处理修改的期望的轴向点扩展功能，可以进一步控制电流斜坡的形状，以将时间积分的光谱能量包络形成为期望的形式，例如，平顶、高斯或汉明。
图3示出了在10ms的时间段内电流从0A增加到1A的示例性脉冲斜坡。该电流斜坡足以促使LNCT28PF01WW二极管激光器(前面在图2中描述的)在多于20nm的光学带宽扫描。这种低电气带宽的脉冲很容易通过输入电压调制的低成本电流驱动器产生。输入电流斜坡可以通过模拟或数字波形合成创建，例如，简单的电阻电容电路与TTL芯片(例如，简单的555定时器)相结合。
图4(a)示出了在驱动电流脉冲下的二极管激光器的输出，该驱动电流脉冲适合于使用27kHz线性阵列光谱仪的干涉测量成像以解析扫描谱对时间。图中的时间从上到下增加。各个纵向模式在整个时间与波长空间形成短亮线段。几乎垂直的线(401)表示谐振模式具有几乎恒定的波长。具有显著水平倾斜的线(402)表示由于折射率变化而导致谐振移位，折射率变化引起激光腔的表观长度轻微偏移。在给定的驱动电流(405)下，可以同时照射激光器的多个纵向模式。随着激光器结在升高的驱动电流下(底部)加热，照明模式向更长波长(右)扫描。总扫描带宽(406)远大于在任何固定电流的带宽。与任何特定波长(407)相关的曝光时间比总曝光时间(408)短得多。
图4(b)示出了来自图4(a)所示的实验数据的时间积分光谱。水平轴以与波长成比例的像素数显示。像素200约为785nm。像素1300约为810nm。在与非常低的电流相关的较短波长处，与非模糊模式相关联的线谱是高度可见的。在与较大电流相关联的较长波长下，不同模式会模糊，以填充整个光谱。
在典型的干涉测量成像系统，例如，OCT、OCDR和SII中，需要获得重复测量。因此，不仅考虑单个脉冲的特性，还考虑用于操作装置的一系列脉冲。在脉冲期间，产生热量，热量最终必须消散到环境中，但是首先分布到二极管封装的元件，通常包括：半导体芯片的其余部分、电焊料和连接以及过渡热沉(submount，基座)。图5(a)示出了在TO 56封装中没有氮化铝(ALN)过渡热沉的用于GaN激光二极管的热通量的分布(参见例如Feng,M.-X.,Zhang,S.-M.,Jiang,D.-S.,Liu,J.-P.,Wang,H.,Zeng,C,Li,Z.-C,Wang,H.-B.,Wang,F.,and Yang,H.(2012).Thermal analysis of GaN laser diodes in a packagestructure.Chinese Physics B 21,084209)。图5(b)示出了AlN过渡热沉的热通量分布。有源结的温度(例如，在芯片的底部表面处)通常不会降低到低于受平均电流限制的大块材料的温度。为了达到高温，希望具有高峰值电流；另一方面，为了在很宽的温度范围内驱动结，结应该具有开始或返回到的低基线温度，因此，理想地将平均电流保持为低。这意味着传送具有低有效占空比的脉冲。结返回到的基线温度将受到与装置的特征时间对应的时间内的平均电流的限制。具有高占空比的许多脉冲的操作将导致向上爬升温度，向较长波长移动，并降低二极管激光器的效率。
图6(a)示出了当依次传送驱动电流(601)的多个脉冲时的驱动电流对时间图。在图6(b)的下部图中示出所得到的时间依赖性结温度。在顺次的多个脉冲上，最小温度(602)朝着与脉冲序列中的平均驱动电流相关的温度漂移。突发脉冲之间的长恢复期(603)允许温度返回到较低的基线(604)。增加突发脉冲或脉冲之间的时间可以降低基线温度，并允许更大的总带宽扫描。
了解二极管激光器的热特性将有助于设计最佳驱动电流脉冲串，以实现最佳带宽和占空比。封装件的每个元件都可以用其热阻抗和厚度来表征。这些特性描述了热量从较热区域移动到较冷区域所需的时间。通常，人们可以将接近有源区域的封装件的部件的温度视为对瞬时电流的非常迅速的反应，而更远的部件响应更慢并似乎遵循平均电流。通常，封装设计促使对于热流的最大阻力与有源结相距较远。如果脉冲相对于有源结的热平衡时间较长，则很好地控制二极管的温度，而不会对脉冲的定时精度有严格的要求。如果脉冲相对于二极管封装的较大部件的热平衡时间较短，则小部件可以迅速冷却，因为热量不会显著提高大块热沉的温度。
图7(a)是焊料层中没有空隙的高功率二极管激光器的热阻抗对时间的曲线图(参见例如Suhir,E.,Wang,J.,Yuan,Z.,Chen,X.,and Liu,X.(2009).Modeling of thermalphenomena in a high power diode laser package.In Electronic PackagingTechnology&High Density Packaging,2009.ICEPT-HDP'09.International Conferenceon,(IEEE),pp.438-442)。图7(a)中的底部面板704是顶部面板702中的数据的放大视图。图7(b)示出了在各种加热时间期间单个发射器的垂直温度轮廓。这些示图示出了热量容易从短脉冲的结点流过，但随着封装件时间长而变得更热，将会变得更加困难。即，激光器将从一个短脉冲中迅速而几乎完全冷却，但从长脉冲串中恢复需要更多时间。
使用本技术可实现的光谱带宽扫描通常小于30nm，这比现代SLD实现的光谱带宽略小。该范围可以通过将封装件冷却至室温以下或通过将多个二极管与相邻光谱范围组合来扩展。
在双程干涉系统中使用脉冲调谐源
在前一节中描述的扫描二极管激光源最佳地集成到深度测距系统中，该系统可充分利用其潜在的高输出功率、扫描波长特性并与低占空比兼容。如图8所示，第一优选实施例被配置为线场混合SS/SD-OCT系统。混合配置适合源的非理想瞬时线宽，已经观察到在扫描的部分完全不是理想地窄，而源的扫描性质允许最大信号的长曝光时间。半导体二极管激光器(801)的光通过不对称光学器件(803)(例如，圆柱或鲍威尔透镜)扩散，以产生照明线。光束(805)被分束器(807)分开，并且一条路径变成通过使用光学部件(809)反射的参考路径。根据应用，809中的光学器件也可能包含不对称光学器件，例如，圆柱或鲍威尔透镜。来自分束器的另一路径通过光学器件和可选的扫描机械部件(811)被引导至样本(813)。由于线场系统为相机的每次曝光提供单次B扫描，因此可能不需要甚至不希望通过扫描仪提供体积扫描。这种系统将进一步降低整体成本和物理占用面积。来自照射样本的光在光谱仪(817)的可选入口狭缝(815)上成像。来自参考臂的光同时照射光谱仪817的可选入口狭缝，并与来自样本813的光干涉。光谱仪817将通过狭缝815透射的光按波长分散到2D区域检测器(相机)(819)上。低成本2D阵列的适中帧速率提供了良好的有效A扫描速率，同时与源的低占空比兼容。处理器(例如，处理器121(参见图1))将所记录的光谱转换成B扫描数据，其可以被进一步处理，以产生深度图等，并且显示在显示器上(例如，图1中的显示器122)。
由于该源的高功率的可能性、低占空比的期望性、瞬时光谱特性以及成本；它特别适合于与2D阵列检测器的高度并行光谱域实现。该源实现的线场方法特别适合于最低成本应用的性能要求，包括基于裂隙灯的OCT和自干涉OCT。如Anderson等人所述的稀疏采样阵列OCT也非常适合这个源，(参见例如T.,Segref,A.,Frisken,G.,&Frisken,S.(2015,March).3D spectral imaging system for anterior chamber metrology.In SPIE BiOS(pp.93120N-93120N).International Society for Optics and Photonics)。虽然可能存在并非所有上述配置中指出的协同作用，但是该源也可以用作以下的低成本源：点扫描SD-OCT(参见例如Yun.S.FL,Tearney.G.,de Boer.J.,&Boiima.B.(2004).Pulsed-source andswept-source spectral-domain optical coherence tomography with reduced motionartifacts.Optics Express,12(23),5614-5624)、点扫描并行SD-OCT(参见例如Anderson,T.,Segref,A.,Frisken,G.,&Frisken,S.(2015,March).3D spectral imaging systemfor anterior chamber metrology.In SPIE BiOS(pp.93120N-93120N).InternationalSociety for Optics and Photonics)、线场SS-OCT(参见例如Grajciar B.,Pircher M.,Fercher A.,and Leitgeb R.(2005).Parallel Fourier domain optical coherencetomography for in vivo measurement of the human eye.Optics Express 13,113 1-1137；Nakamura,Y.,Makita,S.,Yamanari,M.,Itoh.M.,Yatagai,T.,&Yasuno,Y.(2007).High-speed three-dimensional human retinal imaging by line-field spectraldomain optical coherence tomography.Optics express,15(12),7103-7116；andFechtig,D.J.,Grajciar,B.,Schmoll,′I.,Blatter,C,Werkmeister,R.M.,Drexler,W.,&Leitgeb,R.A.(2015).Line-field parallel swept.source MHz OCT for structuraland functional retinal imaging.Biomedical optics express,6(3),716-735)、全场SS-OCT(参见例如Bon in.T.,Franke,G.,Hagen-Eggert,M.,Koch,P.,&Hiittmann,G.(2010).In vivo Fourier-domain full-field OCT of the human retina with1.5million A-lines s.Optics letters,35(20),3432-3434.)、全场TD-OCT(参见例如Watanabe.Y.,Hayasaka,Y.,Sato,M.,&Tanno,N.(2005).Full-field optical coherencetomography by achromatic phase shifting with a rotating polarizer.Appliedoptics,44(H),1387-1392)、低相干全息术(参见例如Girshovitz,P.,and Shaked,N.T.(2014).Doubling the field of view in off-axis low-coherence interferometricimaging.Light Sci Appl 3,el 51)、或者有利于使用具有显著带宽的低成本、高功率源的任何其他干涉技术。
使源脉动，以产生大致对应于运动伪影罕见或可管理的最大时间的持续时间的单次扫描。对于人眼来说，扫描源的这个脉冲长度稍长于1ms(参见例如Fechtig.D.J..Grajciar,B.,Schmo！l.T..Blatter.C,Werkmeister,R.M..Drexler,W.,&Leitgeb,R.A.(2015).Line-field parallel swept source MHz OCT for structuraland functional retinal imaging.Biomedical optics express,6(3),716-735)。对于混合SS/SD-OCT系统，我们预期优选的是脉冲持续时间将小于1ms。对于大多数样本来说，这种脉冲长度与相机的帧周期(在消费者相机中使用的大多数低成本2D阵列中限制为约100Hz)的比率提供了百分之几的占空比，这与保持宽带宽热扫描高度兼容。参考光束可以入射在轴上或离轴入射(参见例如美国专利公开号2014/0028974)，取决于期望的光谱仪和传感器分辨率折衷。由光栅光谱仪提供的光谱分辨率可以优于使用光源作为时间分辨扫描源获得的光谱分辨率，因为光源通常支持具有显著瞬时带宽的多个纵向模式。光谱仪的校准也很简单，而扫描源的校准可能相当复杂，因为调谐曲线不是严格单调的。
激光脉冲和相机曝光的持续时间
脉冲也可以被优化，以产生最佳的干涉测量。为了使信号强度最大化，期望使从样本返回的具有恒定干涉相位的光子数量最大化。在现存的系统的测量中，样本的运动通常限制了观察可以具有恒定干涉相位的时间量。样本相对于参考物轴向移动光的四分之一波长的距离，导致180o的相位差，完全反转了干涉的性质，并可能在测量期间消除信号。此外，横向运动了斑点直径的相当大部分促使在测量周期的开始和测量周期的结束之间的相位解相关，具有类似的信号丢失结果。在测量期间信号的这种消除被称为相位相消。在具有低数值孔径的测量系统中，例如，人眼，斑点直径远大于光的波长。结果，轴向运动通常是更有限的情况。通常需要尽快进行OCT测量，以避免相消，尽管存在其他情况(例如，光学锁定)。轴向相位相消由在与任何单个波长相关联的曝光时间期间经历的运动量决定。在希望最小化相位相消的情况下，最好驱动激光器为在测量积分时间内实现单次扫描波长。以这种方式，测量每个波长样本，用于总扫描时间的一小部分。在想要最大化相位相消的情况下，可以驱动激光器以在单个积分周期内进行多次扫描。以这种方式，在相对长的测量时间内，在多个时间点采样每个波长。理想情况下，包含大量的扫描，使得如果存在明显的运动，则可能会完全消除这些信号。同样，如果在时域应用中使用光源，则与采样和参考臂之间的相位调制相比，脉冲调制速率应该较快。
图9示出了两种不同场景的扫描波长对光谱积分时间的曲线图(902)和(904)。在如曲线图(902)所示的正常情况下，通过在积分周期内激励单个波长扫描来最小化相位相消。在少数情况下，在如曲线(904)所示的那种情况下，在有利于引入相位相消的情况下，可以在单个积分周期内多次扫掠波长。
许多消费级CMOS 2D传感器阵列在所谓的卷帘快门模式下运行。在图10(a)中示出该操作的时间示意图。在卷帘快门模式下，捕获序列中的每个帧的整体不会从完全相同的开始和结束时间曝光，但积分开始和结束在检测器的表面上具有光栅。卷帘快门模式在本文描述的混合扫描源光谱域系统中是有利的，以使相机的曝光窗口与被扫描源瞬时照射的阵列部分同步。根据其波长扫描和光谱仪的色散，可以优化卷帘快门的方向和时间，以在横过传感器表面时最佳地匹配传感器的照明。优选地，读出的光栅方向被定向为使得尽可能接近同时地读出相同波长的元件。还优选地，读出的光栅方向被定向为使得首先读出在激光的扫描中首先产生的波长。即，卷帘快门的方向与光扫过检测器的方向相同。并且优选地，在检测器的区域被波长扫描照射之前，立即在检测器的区域上打开快门，并且在检测器的区域被波长扫描照射之后，立即关闭快门，由此与相机的帧速率和激光扫描的持续时间相比，通过保持积分时间短，使检测器暗电流最小化。与激光的波长扫描密切窗口化的积分时间也限制了光谱仪中杂散光的影响。积分时间的宽度应足够宽，以允许光源具有最大瞬时光谱宽度，并且适应扫描速率非线性、时序不确定性和检测器上的投影失真的容差。在两次扫描之间也可能会暂停，以在必要时允许恢复二极管激光器。两个二极管激光器也可以交错，以允许一个二极管激光器在奇数扫描中休息，而另一个二极管激光器在偶数扫描时休息。
在卷帘快门曝光期间(图10(a))，多行的曝光重叠，因此扫描速度不必与卷帘快门速度精确匹配。在读出速率受传感器阵列限制并且光源扫描时间与传感器的最大读出周期相比非常短的情况下，通过优选地将读出方向相对于如上所述的波长扫描方向定向，可以实现快门打开时间的小幅减小。在这种情况下，在打开快门的信号开始穿过检测器之后，激光扫描应该延迟启动，这样扫描就能完成，就像赶上打开快门的信号一样。关闭快门/读出信号可以与光源的波长扫描的开始大约同时开始，并且由于其在传感器上的较慢的速率而将持续滞后于扫描光源。
相机的另一种合适的配置是所谓的‘半全局快门’模式，并且在图10(b)中示出该操作的时间示意图。在该模式下，相机上的所有像素都会重置并同时曝光。在此期间，照射样本，这在我们的设置中是指半导体二极管激光器的一次或多次扫描。一旦照射完成，逐一读出每行像素，而其他行继续曝光。这种操作模式的存在是因为相机上的最小电荷转移和读出电子设备只允许一次捕获和转移一行。与如图10(a)所示的卷帘快门模式相反，该模式允许脉冲之间具有非常短的扫描时间以及具有长暂停。与真正的全局快门或卷帘快门相比，一个缺点是增加了噪声特性。
在图10(c)中示出‘真正的全局快门模式’的定时示意图。在该模式下，所有像素同时开始和结束曝光。额外的电子元件(与卷帘快门或半全局快门相比)允许自每个像素临时传输和存储的电荷，同时逐一读出每行。这种操作模式在低成本2D传感器中不常见。
图像处理技术
当在干涉测量系统中使用本文讨论的半导体二极管激光源时(例如，在图8中)，通常希望执行背景去除，以移除由参考光束引入的任何低频变化。由于理想地在松散控制的条件下，或者在非平衡条件下的重复脉冲下驱动二极管激光器，所以光谱形状可能在周期间变化很大。并行检测配置在处理不稳定的光谱时提供了额外的优势。
一种可能性是检测器通道在平行于通常的干涉测量检测的情况下对光源光谱进行采样，而没有干涉。例如，在线场混合SS/SD-OCT系统中，这可以通过阻挡来自2D检测器的撞击部分的样本光来实现。利用这个区域以及在检测器上的变化PSF的知识，可以在检测器上准确地估计背景光谱。另一种可能性是使用具有干涉的多个检测通道来估计每次扫描的光源光谱。如果这些测量以某种方式变化(相位延迟、空间采样位置、空间采样角度等)，则可以使用一些或全部A扫描通道的平均值(或一些其他组合)，作为光谱的估计。各种其他估计方法是可能的，包括但不限于中位数、最大似然估计和估计滤波器(线性或非线性)，例如，卡尔曼滤波器。
为了改善获得的光谱的形状，可以将与每个A扫描相关的干涉谱除以光源谱的估计，以创建标准化光谱，并且乘以窗函数，以优化光谱形状，从而优化在重建图像中的轴向点扩展函数。在很大程度调制峰值的某些光谱区域中，光谱归一化可能对噪声非常敏感。因此，使用窗函数来部分衰减这些波长可能是有益的，这允许光谱的更平滑部分占优势。这些乘法步骤的顺序通常有些可变，并且可以与包括重采样、色散补偿、背景去除等在内的其他步骤结合，并且在某些情况下，甚至可以在傅立叶变换或滤波器组的另一侧上应用(作为卷积滤波器)。
OCT图像处理中的一个计算上昂贵的步骤是将获取的数据重采样为线性k空间。通常使用诸如最近相邻、线性、二次方、立方、样条、正弦等插值算法来执行这种步骤。尤其对于低成本的OCT系统，期望最小化所需的计算能力。计算上不太昂贵的插值方法通常提供较低的图像质量。这种低成本OCT系统的独特之处在于小到中等的测量光学带宽。因此，带宽中的非线性应该很小，因此可以使用比较高性能系统(可能与最近相邻内插一样简单)更简单的内插技术。此外，具有小的光学带宽以及具有大量像素(例如，1024或更多像素)的检测器的可用性，可以容易地获得大的成像深度，从而最小化插值步骤期间图像混叠的可能性。这可以进一步简化插值技术。
使用具有高效干涉仪的脉冲调谐源
在图11(a)和11(b)中示出图8中的替代实施例。在从图11(a)的顶视图和图11(b)的侧视图示出的该实施例中，使用包括分束器(1100)的高效干涉仪设计来最大化来往样本(1120)的收集光的功率。在传统设置中，例如，图8，收集的光通过分束器(807)两次(一次在照射期间和一次在收集期间)。对于50/50分束器，由此损失75％的光(每次通过时50％)。在一些情况下，可以利用不同的分光比(例如，90/10)来照射光源的10％光并收集来自样本的反向散射光的90％(参见例如Shemonski,N.D.等人“Computational high-resolutionoptical imaging of the living human retina”，Nature Photonics 9,440-443,2015)，但是在将少量光导向样本时的不均匀的分光比通常在入射到样本上的光的总量样本需要受到限制时有意义。
对于线场系统，样本上可以入射更高的总功率，这意味着将更少的光转移到样本上并不理想。在图11(a)和图11(b)所示的配置中，大部分输入光(例如，90％或甚至99％)可被引导至样本(1120)，然后，来自样本的反向散射光可能通过相对于样本于傅立叶平面共轭(或接近共轭)的平面的孔而绕过分束器(1100)。指向样本1120的光束由1105a表示，并且从样本1120收集的反向散射光的单个平面波由1105b表示。光学系统中的这个平面及其成像共轭被称为‘傅立叶平面’，其中，光的空间分布对应于最佳焦点处样本平面中光的角分布。在样本中最佳聚焦的平面位于成像透镜的前焦平面的简化光学系统中，该傅立叶平面位于同一透镜的后焦平面上。参考光束(1102)首先透过分束器，然后从反射镜(1103)反射，然后在返回时从分束器(1100)反射。由于收集的样本光和参考光束在傅立叶平面中在空间上分离，所以在与样本共轭的平面(例如，1104)中将在样本和参考之间引入线性相位斜坡。由于相位斜坡，沿着照明线的干涉条纹将以载波频率进行调制，因此可用于去除以下中的一个或多个：共轭镜像图像、自相关信号和背景消除的需要(参见例如美国专利公开号2014/0028974)。
当设计用于眼科成像的这种系统时，可能希望将眼睛的瞳孔放置在与分束器(1100)共轭的平面处或附近。在例如图11(a)所示的设计中，这意味着照明和收集光在瞳孔上空间分离。为了最小化所需的瞳孔尺寸并且使得与物体更容易对准，期望将照明光束和收集光束之间的距离最小化。在传统的轴上OCT系统中，照明光束和收集光束再次重叠的地方可以达到极限。为了仍然有效地去除镜像图像、自相关信号和背景信号，可以使用反射镜、透镜或其他光学器件来移位参考臂，使得返回的参考光束不会在其被分割的分束器上精确地入射在完全相同的位置(参见例如，Fechtig,D.J.,Grajciar,B.,Schmoll,T.,Blatter,C,Werkmeister,R.M.,Drexler,W.,&Leitgeb,R.A.(2015).Line-field parallelswept source MHz OCT for structural and functional retinal imaging.Biomedicaloptics express,6(3),716-735)。参考臂中的光学元件也可以使参考光束完全绕过分束器，产生类似于马赫-曾德尔干涉仪的配置。利用上述方法有效地将离轴检测角度与眼睛瞳孔中的光束分离解耦。这也适用于非眼科系统，其中，在与样本的傅立叶平面共轭的平面附近存在孔。
为了使用如图11(a)和图11(b)所示的系统来对人视网膜成像，修改样本光学器件，以将孔平面(包含高效分束器)成像到人眼的瞳孔，并且允许眼睛的光学器件将光聚焦到视网膜上，并且参考臂的长度将增加以使全光程长与视网膜匹配。样本臂光学器件可以简单实现的一种方式是在样本路径中添加物镜，形成4f光学系统，其中，成像透镜和物镜之间的距离形成Badal验光仪，其可以通过对两个镜片之间的距离进行微调来补偿患者的屈光不正。眼睛的瞳孔中的足迹是包含高效分束器的系统的孔径光阑的图像，因此眼睛的瞳孔可以被认为是照明瞳孔和相邻的收集瞳孔。
在图11(b)中示出图11(a)中的系统的一部分的侧视图，包括光谱仪，其中，相对于分束器(1100)上的样本的傅立叶平面被中继(经由光学器件1110和1112)到衍射光栅(1108)。光栅可以是反射型或透射型。可选的入口狭缝(空间滤波器1106)可以放置在这些部件之间。衍射光然后被聚焦到2D传感器1114上(经由光学器件1116)。将沿着一个维度传播分离的波长，并且沿着另一维度传播空间信息。这形成了成像光谱仪。
入射到光栅上的光的足迹如图12所示。样本光束和参考光束在相对于样本的傅立叶平面上被孔在空间上分开，并且因此在光栅上分开，其中，在光栅处的参考光束足迹被表示为1204并且光栅处的样本光束足迹被表示为1202(光栅相对于样本与傅里叶平面共轭或接近共轭)。当传播到样本平面(从光栅，通过透镜，在传感器上)时，分离将导致参考光和样本光之间的线性相位斜坡。
样本光束轮廓(1202)的椭圆形的目的是指示这种轮廓的可能性。这种轮廓的起源可能来自两个单独的现象。首先，由于沿正交维度的不同发散角，激光可以产生椭圆光束。由于各种原因，例如，眼睛瞳孔尺寸、视网膜上的FOV、成本、紧凑度等，可能希望保持这种椭圆形轮廓。其次，甚至当提供有圆形样本光束轮廓时，光栅通常倾斜，导致入射在光栅上的椭圆形光束轮廓。尽管被绘制成使得样本光束椭圆的长轴与光栅凹槽正交，但是并不需要这种设计，并且可能期望具有平行于凹槽(1206)的长轴。
紧凑型光谱仪
在图11(b)中，分束器(1100)成像(经由两个透镜1110和1112)到光栅(1108)。这允许可选的入口狭缝或空间滤波器(1106)。可能不需要包括这种狭缝或滤波器。在这种实施例中，可以使用如图13(a)和图13(b)所示的光谱仪设计。在此处，衍射光栅(在图13(a)中反射，由附图标记1300表示，并且在图13(b)中透射，由附图标记1302表示)放置在分束器(1304)附近。类似于图11(b)中的实施例，光学元件(1306)和2D传感器(1308)将配齐成像光谱仪。这消除了对图11(b)中的两个成像透镜(1110和1112)的需要，但不允许可选的空间滤波器(1106)。通过仔细的光学设计，可以消除光学元件的强反向反射，产生具有吸引力的设计。图13(a)和图13(b)中的设计不仅比图11(b)中的设计更紧凑，而且也更便宜。这种紧凑型光谱仪可以与双程和高效率干涉装置兼容，如上文在“双程干涉系统中使用脉冲调谐源”和“使用具有高效干涉仪的脉冲调谐源”部分中所述。
在光栅必须与分束器分离的情况下(例如，可能是在图13(a)和图13(b)中的情况)，光栅和分束器不需要都放置在相机的傅立叶平面中。根据装置，光谱和空间分辨率可能会受损。在一个实施例中，分束器被放置在相机的傅立叶平面中，以保持高空间分辨率。这确保相机处于与样本共轭的平面中。此外，由于光栅上的入射光束沿着光谱分散的维度被准直，所以在光栅之后，不同波长的准直光束仍将聚焦在相机平面上。由于不同波长的不同入射角(即，装置沿着空间维度是非远心的)，所以光谱分辨率可能仅略微受损。在另一个实施例中，光栅位于相机的傅立叶平面中，以实现高光谱分辨率；然而，样本可能沿正交(空间)维度散焦。为了避免由于散焦模糊造成的这个维度的分辨率损失，在这个维度中的计算重新聚焦可以使样本重新聚焦。沿着这个空间维度使用诸如全息术等技术(例如参见美国公开号2014/0028974)，可以恢复最佳分辨率。在又一个实施例中，可以采用不同焦距的两个柱面透镜，使得空间和光谱尺度(dimension)最佳地聚焦在相机平面上，而不损失空间和光谱分辨率。各种光学元件(例如，聚焦光栅或棱镜)的实现可以进一步减小光谱仪的尺寸，并且在阅读本文的教导时，将会被本领域技术人员认识到。
自干涉干涉测量法
自干涉或自参考干涉测量法是与本申请的源的特殊应用具有额外协同的配置。自参考干涉测量法是一种深度分辨干涉测量技术，与OCT非常相似，其中，“参考光”起源于样本本身内或样本本身上，而不是在作为成像系统一部分的明确定义的参考臂中。例如，自干涉干涉仪可以是图8的系统，没有参考臂。如果参考表面与感兴趣的样本接触或在感兴趣的样本的一部分中，则重构的深度可以最佳地薄。自干涉干涉测量法具有额外的优点，即，成像物体的轴向运动趋于一致地移动所有干涉散射体，并且因此不会造成轴向运动引起的相位相消。在这种情况下，积分和扫描时间可以增加到样本的横向运动成为限制因素的点。更长的积分时间能够通过较慢速率的检测器阵列进行检测，并能够在单次采集中传送更多的能量。因为光束的干涉部分之间的横向对准是固有的，所以自干涉干涉测量法也容许空间多模激光器。
尽管自干涉干涉测量法与先前的系统配置兼容，例如，双程干涉仪、高效干涉仪、2-D光谱仪和紧凑型光谱仪(简单遮挡明确参考路径)，其他配置也可能唯一具有这种模式。需要较小成像深度的应用要求检测器的较低光谱分辨率。在需要的成像深度非常薄(其中一个是自干涉干涉测量法)的情况下，脉冲调谐二极管可以直接用作传统时间分辨检测场景中的扫描源。代替在上面混合SS/SD-OCT解决方案中描述的2D光谱仪，在这种情况下使用快速阵列检测器(线性或2D)来将扫描光谱分解为时间序列，具有相对较差的光谱分辨率。该配置简化了系统的光学配置。但是，确实需要相对快的电子元件，这些电子元件可能经常闲置，因为在测量期间源需要较低的占空比。
如果试图使场的空间上不同的区域彼此干涉，则空间多模的源不会以高对比度干涉。照射区域时，空间多模源比空间单模源更难以管理。虽然多模可照射样本并传输到检测器，但会产生困难，因为参考臂必须将相同的空间模准确对准，以重叠在检测器上。固有保持对准的特殊情况是自干涉干涉测量法。容许很高电流的空间多模源(例如，SPL PL85OSRAM光半导体，GmbH)被设计用于激光测距仪，可在红外波长范围内的各种波长下使用。由于脉冲驱动器可以集成到封装中并且只需要低压直流电压驱动，因此这些源可以额外降低成本。激光测距仪通常以约850,920和1064nm运行。对于不久的将来的低成本应用，二极管激光器的大量消费应用将定义可用波长。
在以上描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对说明书的透彻理解。然而，显而易见的是，本申请的主题可以在没有这些具体细节的情况下实施。应该理解的是，说明书中对“一个实施例”、“一些实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在该描述的一个或多个实施例中。在说明书中的各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一些实施例中”不一定全部指代相同的实施例。
为了说明和描述的目的，已经呈现了本主题的实施例的以上描述。这并不意指为穷尽性的或将主题的本实施例限制为所公开的确切形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。旨在使主题的本实施例的范围不受这种详细描述的限制，而是由本申请的权利要求限定。如本领域技术人员将理解的那样，在不背离其精神或基本特征的情况下，可以以其他具体形式体现本主题。

Claims (23)

1.一种光学系统，包括：
二极管激光器，用于提供辐射光束，在平衡条件下驱动时，所述二极管激光器具有光谱输出带宽；以及
驱动电路，用于向所述二极管激光器施加驱动电流的脉冲，所述脉冲引起所述二极管激光器的输出波长在脉冲期间变化，使得光谱输出带宽至少比所述平衡条件下的光谱输出带宽大两倍。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
光学器件，用于用所述辐射光束照射样本的区域；
检测器，用于测量从所述样本返回的光束和参考光束的干涉；以及
处理器，用于将测量的干涉转换成所述样本的深度信息。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述参考光束源自所述样本本身中或所述样本本身上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述平衡条件包括恒定电流和温度。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，光谱输出带宽比平衡时的光谱输出带宽大至少五倍。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述脉冲的时间分布包括多项式函数、指数函数以及生成所述光谱输出带宽的任何其他时变形状中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，驱动电流的所述脉冲包括脉冲的突发。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，用连续的光场照射所述样本。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述检测器是用于检测所述连续的光场的空间分辨检测器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述连续的光场是线性。
11.根据权利要求2所述的系统，其中，所述检测器是配备有区域传感器阵列的光谱仪。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述检测器具有卷帘式快门功能。
13.根据权利要求11所述的系统，还包括分束器，用于将所述辐射光束分成样本臂和包含所述参考光束的参考臂，以及用于将从所述样本返回的光和所述参考臂中的光组合的返回光学器件。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述分束器位于所述样本的傅立叶平面处或附近。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，从所述参考臂返回的光绕过所述分束器或者不在进行分割的相同位置处撞击所述分束器。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，从所述样本返回的光在所述光谱仪处与参考光组合，并且其中，从所述样本返回的光绕过所述分束器。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光谱仪包括光栅或棱镜元件，并且其中，通过所述样本臂的光学器件的至少一部分收集来自所述样本的光，随后，所述光直接传播到所述光栅或棱镜元件，而不穿过额外光学元件。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述分束器位于所述区域传感器阵列的傅立叶平面处。
19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光谱仪包括光栅或棱镜元件，并且其中，所述光谱仪的所述光栅或棱镜元件位于所述区域传感器阵列的傅立叶平面处。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光谱输出带宽是瞬时的。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光谱输出带宽是时变的。
22.根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统是扫描源光学相干断层扫描(SS-OCT)和光谱域OCT(SD-OCT)的线场混合。
23.一种用于对样本成像的线场光学相干断层扫描(OCT)系统，包括：
二极管激光器，用于提供辐射光束，当在平衡条件下驱动时，所述二极管激光器具有光谱输出带宽；以及
驱动电路，用于向所述二极管激光器施加驱动电流的脉冲，所述脉冲引起所述二极管激光器的输出波长在脉冲期间变化，使得光谱输出带宽至少比平衡条件下的光谱输出带宽大两倍；
分束器，用于将所述辐射光束分成样本臂和参考臂，其中，所述样本臂包含待成像的样本；
在所述样本臂中的光学器件，用于将所述辐射光束聚焦到待成像的样本上的线焦点；
检测器，用于测量从所述样本返回的光束和参考光束的干涉；以及
处理器，用于将测量的干涉转换成所述样本的深度信息。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
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Application publication date: 20180511