CN108139198B - 用于曝光光散射物体内部中的至少一个截面的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种干涉测量方法，其中由物体散射的光被成像到电子相机上，其中样本光部分被指派给该物体内部中的截面上的散射位置。该样本光部分可以通过处理相机图像来与其它样本光部分的贡献分割，并且得到截面图像。本发明的特定优势是：在该物体内部中以距彼此预定距离平行地运行的多个截面可以一个接一个地被曝光。截面图像的这种顺序可被用于计算该物体的体积模型。本发明特别适用于活的视网膜并且准许使用成本高效并且在特定的情况下使用手持式设备来在几秒内进行三维视网膜扫描。应用可能性是眼科和生物测量。

Description

用于曝光光散射物体内部中的至少一个截面的方法和设备
发明的技术领域
本发明涉及用于曝光光散射物体内部的一个或多个截面的方法和设备。在该方法中，短相干光可被拆分成样本光束和参考光束，在电子平面检测器(下文中的相机)上，用样本光束照明的物体和由该物体散射的光使得与参考光束干涉。本发明因此涉及短相干或白光干涉的方法以及实现该方法的设备。
发明的技术背景
本描述将术语“曝光”用来指对由散射物体至少部分地散射并且在光的物理操纵下抵达相机的光的检测。该操纵既包括在干涉仪中物体的光学成像，也包括样本光和参考光的叠加。
光学相干断层扫描(OCT)当前是眼科领域中最重要的诊断规程之一。自其由汉弗莱仪器(Humphrey Instrument)和蔡司(Zeiss)在1996年引入市场以来，其分辨率和测量速度已经显着地提高。但是，设备大小、成本和操作原理基本上保持不变。到目前为止，OCT系统仅在医院和装备精良的医生的手术中可用。
然而，对于许多眼科症状，对关于治疗效果的患者的密切监视是合乎需要的。具体而言，这类监视的示例是湿性形式的与年龄相关的黄斑变性(AMD)以及其它疾病(诸如糖尿病性黄斑水肿或视网膜静脉阻塞)的基于药物的注射治疗。治疗的长期监视应当包括对眼底的频繁(如果不是每天的话)的深度解析的观察，这仅在使用OCT设备时是可能的。由于大量的潜在患者(在德国大致上有180万名AMD患者)，如果患者经常被迫去访问OCT设备可用的地方，则这是有问题的并且实现起来还是成本高昂的。
因此，具有可用的(患者可以在家自己使用)简单、易于使用、并且最重要的是廉价的OCT设备是合乎需要的。
为了达成这一目标，将期望显着地降低OCT设备的成本，例如降低5-10倍。如果由未经训练的人员来使用OCT设备是可能的，则达成这一目标也将是有益的。具体而言，补偿由老年患者手持测量期间发生的与运动相关的伪像将是有益的。
“家庭护理型”OCT设备通常将捕获并保存视网膜截面的一系列电子图像。从这些图像中，可以以断层照片的形式来重构组织结构。这得到可以由医生解释的视网膜的结构的表示。
其中整个序列被捕获和存储的时间段在下文中将被称为测量历时。测量历时不应当持续超过几秒。随后以短得非常多的时间间隔(这在下文中被称为曝光时间)来捕获序列的每个个体的图像。曝光时间与相机的图像传感器上的强度的积分时间相同。这与来自相机的数据的读出时间不同。它对应于将像素中积累的电荷首先转换成电压并且随后转换成数字信息所需的时间间隔。该读出时间通常对相机的帧率设置限制。
在OCT中，必须区分两种不同的运动伪像。两者都是由于物体相对于测量设备的移动而发生的。在测量历时的数量级上的时间尺度上，在横向方向或轴向方向上的移动导致在测量过程上的经测量的结构的几何映射改变。结果是断层照片的几何畸变。此类畸变伪像的最可能的原因是患者，该患者在测量时段期间可能不能设法保持OCT设备稳定，并因此不能将眼睛聚焦在特定点上。
另一方面，视网膜的轴向移动可以在曝光时间内附加地发生，这随后导致OCT信号的相移。具体而言，如果在曝光时间期间物体在轴向方向上位移半个波长，则有可能信号被完全地破坏。对于在眼科中应用OCT，必须达成小于200微秒的曝光时间，以便尽可能地避免这种伪影。
另外，在用手持式OCT设备检查视网膜期间，从装备到眼睛的距离不能被非常好地控制。因此，手持式OCT设备应当具有至少1厘米的测量范围，以便能够可靠地扫描任何给定患者的视网膜，而无需进一步准备。
一些年来，已经开发了全息术规程以确定漫散射物体中的散射体分布。这些规程使用可调谐的激光源(即，具有可变波长的空间和时间相干光)，其将光拆分成样本光束和参考光束，并以平面方式用样本光束来照射该物体。从物体返回的光或者根本不成像，或者在无穷远处成像。布置在样本光束中的平面探测器由此在物波场的远场中进行测量。在平面探测器上，该波场与参考光束叠加，其中由于激光的长相干长度，整个物体深度对干涉效应作出贡献。测量结果实际上是检测器上的复杂结构化强度图案，其被存储为全息图。以不同波长来记录多重全息图。在每种情形中，参考光束的波场是已知的，并且在随后的计算机中的评估参考光束的波场被用于从全息图中重构检测器上的样本光束的波场。该波场可以被传播到物体的任意数量的期望深度中，以便确定散射中心的三维位置。
关于使用数字全息(DH)方法的规程的进一步细节可以从文献US2008/137933 A1和US 2014/092392 A1获得。在这些规程中，目前可达成的测量深度被光源的线宽限制为几毫米。在相机的曝光时间内，该物体的任何位移都直接导致全息图的对比度方面的降低。它改变了经测量的正弦调制的频率或相位角。这种方法因此易受运动伪像的影响。除了可调谐激光源仍然不是廉价的组件的事实之外，为了提供运动补偿，还可能需要用于运动感测的其它组件(例如，加速度传感器)。
由马萨奇(Massatsch)等人的出版物(“Time-domain optical coherencetomography with digital holographic microscopy(具有数字全息显微镜的时域光学相干断层扫描)”，应用光学，44册，10号，2005年4月1日)描述了一种全息方法，其中相干窗口(“低相干门控“)从一开始被引入以将相机上的干涉限制为来自那些深度层的辐射，其最多达相机的光学路径长度与相干长度内参考光的路径长度相匹配。对于散射物体的深度扫描，参考镜如图时域(TD)-OCT中所熟悉的那样被位移。在这一方法中，获得可被指派给物体的不同深度平面的全息图。全息图允许全息重构整个物体平面的结构信息。在这里，将具有80毫微微秒脉冲历时的脉冲激光作为光源。
在上述全息规程中，所获得的图像不是可直接地解释的，而是需要(通常是计算密集型的)数值分析来标识空间域坐标中的结构，即可理解的物体模型。
有趣的是，存在一个早就知道的设备以用于测量漫散射物体的表面结构，该满散射物体的结构与马萨奇等人的满散射物体的结构非常类似。这在DE 4 108 944 A1中被公开。与全息术不同的是，在这里，表面在相机上成像，以使得使用所获得的入射光图像的结构的空间分配是简单直接的。物体的表面轮廓可以藉由可移动的参考镜来扫描，在实践中，其中从相机到散射样本光(其对干涉相机上的参考光作出贡献)的各表面点的距离是变化的。
DE 4 108 944 A1的设备的缺点是在干涉图案中出现散斑，其相位角不是先验已知的。散斑的随机强度和相位仅在藉由附加图像来解析出相位角后才能准许关于散射物体表面的深度的结论。为此目的，参考镜必须在每个预定位置处移动至少一次，从而所有散斑的相位角改变。由于这个原因，除了参考镜设计有用于将镜子快速位移达物体中期望的测量深度(其数量级为厘米数量级)的驱动器之外，还需要相位调制器或具有在10纳米数量级上的定位精度的第二驱动器。这使得该设备不仅昂贵，而且还可能对各种振动和移动敏感。它看起来不适合于手持式测量设备。
文档US 2009/12 0328 A1描述了一种藉由线传感器来检测OCT信号的方法，即使对于检测器上的大的测量深度间隔，该方法也提出了防止欠采样的解决方案。具体而言，在那里示出，藉由来自光栅的衍射，有可能将光束的传播方向以及由此的相位前沿改变一个角度，而不需要同时与其一起倾斜相干平面(也往往被称为脉冲前沿)。在衍射平面最大的方向上，在光栅后面传播的光束可以具有沿着其光束横截面的路径长度分布，这确保来自左光束边缘和右光束边缘的光已经不再彼此干涉。脉冲前沿和相位前沿可以藉由衍射来彼此成角度地布置。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于曝光光散射物体的内部中的至少一个截面的方法(该方法可以被快速地执行并且具有最廉价的组件)以及一种由未经训练的用户来实现该方法的应用的设备。
此目的藉由独立权利要求的主题内容来达成。本发明的有利的实施例是从属权利要求的主题内容。
本发明的一个方面在于：从物体散射的样本光被成像在电子相机上，其中样本光分量可被指派给该物体内部中的的截面上的散射位置。该样本光分量可以通过处理相机图像来与其它样本光分量的贡献分割，并且导致截面的图像(即，截面图像)。
本发明的进一步方面包括以下事实：经曝光的截面的形状、取向以及深度可以由用户来定义。
本发明的进一步方面是以下事实：在该物体内部中，多个平行截面可以按预定间隔来彼此顺序地曝光。这种截面的顺序可被用于计算该物体的实体模型。
本发明的进一步方面包括用于曝光活的视网膜的方法的应用。本发明的特别有利的方面是：有可能从图像数据直接地检测和补偿在捕获相机图像的序列时期的视网膜相对于相机的相对移动。这允许在手持式测量设备中实现本发明。
本发明的示例性实施例涉及一种用于曝光光散射物体内部中的截面的方法。该方法包括以下步骤：
提供光源，该光源发射具有预定的中心波长和小于25微米的相干长度的光；
将来自光源的光划分成样本光和参考光；
用样本光来表面照明该物体；
通过沿着相机平面中的至少一个轴配置大于两个像素宽的平均散斑直径D，将从该物体散射的样本光用像素宽度P的像素来成像在电子相机上；
使得参考光和样本光在相机上干涉，通过：
沿着相机平面中的预定轴配置参考光的路径长度轮廓和相位梯度，其中该相位梯度具有来自2π/D与π/P之间的间隔的贡献；
捕获相机图像，其中仅由该物体的内部中的截面散射并且具有参考光的路径长度轮廓的样本光对干涉图案作出贡献。
本发明的优势的扩展包括：用时间相关的速度进行参考光束的路径长度轮廓的位移，以及捕获其它的相机图像，每个其它的相机图像至少用对路径长度轮廓的时间相关的位移的测量来索引。
优选地。本发明被扩展成包括：基于所配置的相位梯度来将相机图像分割成截面图像以及入射光图像的处理步骤。
本发明的特别有利的设计方案提供了：考虑到不同索引的入射光图像中的相同结构的图像的相对位移，通过将截面图像值指派给体素阵列从多个不同索引的相机图像计算该物体的三维模型。
在本发明的将活的视网膜作为本发明的特别优选地配置中的散射物体的应用中，从不同索引的相机图像中的视网膜的至少一层边界中的图像的相对位移推断出各相机图像的各采集时间之间的从相机到视网膜的距离上的改变。
本发明允许用廉价且若需要则用手持式设备来在几秒内进行三维视网膜扫描。
附图说明
以下，基于示例性实施例并且参照图1更详细地描述了本发明。其示出：
图1根据本发明的实施例的设备的草图。
详细描述
首先将解释相机上散斑的大小与相位梯度对于本发明具有的相关性。
从DE 4 108 944 A1已知样本光展现散斑，这可能是有问题的。一般而言，如果各散射中心之间的平均距离比结果得到的聚焦体积的尺寸小得非常多，则散斑效应在用至少部分相关光的散射物体的照明下发生。在较大散射密度的情形中，在物体体积的不同颗粒处散射的分量因此相互干涉，并且在相机上的物体体积的成像中，形成具有类似密度和相位角的区域。这些散斑之间的对比取决于光源的相干程度和光学结构。散斑的强度根据随机分布而变化。相位关系的变化在零与2π之间均匀地分布。
本发明随后提供了由物体散射的样本光的成像被执行以使得沿着相机平面中的至少一个轴的散斑区域具有平均直径D，其大于相机的两个像素宽度P。该轴可以由用户自由选择；推荐选择两个像素坐标轴中的任何一者。
相机上的散斑D的平均直径可以用已知的方式来定义，因为它对应于衍射极限分辨率，其取决于光源λ0的中心波长、孔径光阑(diaphragm)的直径B和透镜的焦点长度f、或者数值孔径NA：
Figure BDA0001579827960000061
由此可以获得的是，数值孔径可被配置得足够小以达成根据本发明的散斑直径D>2×P。对数值孔径的限制也可以通过设置在物体图像的傅立叶平面中的附加孔径光阑来达成。沿着相机平面中的所选轴，通过使用偏心孔径光阑(优选地具有不同边长的矩形孔径)，也有可能配置比垂直方向上更小的数值孔径。此外，还有可能在成像光学器件中提供附加的放大镜，以便将散斑直径保持大于两个像素宽。
散斑的轴向大小对应于光源的相干函数与图像的轴向点扩展函数的卷积。对于OCT中常用的数值孔径和相干长度，轴向散斑的大小主要由光源的相干长度来确定。这些条件也适用于本发明。
此外，本发明提供了操纵参考光，以使得它具有沿着与以上在相机平面中提及的相同的轴的相位梯度，即它的相位前沿将朝向相机平面倾斜。这是通过选择参考光束相对于相机平面的法线的入射平面和非零入射角来达成的。入射平面应当被选择成使得它沿着预定轴来与相机平面相交，根据本发明的散斑直径D>2×P也是这种情况。入射角确定了相位梯度的大小。
根据本发明的一部分教导是，参考光的相位应当改变小于2×π除以相机像素宽度的两倍，并且同时大于2×π除以沿预定轴的散斑的平均直径。
如果参考光和样本光干涉，则参考光束相对于相机法线的入射角α沿着相机与入射平面的相交线在相机平面上生成条纹图案。这些条的周期长度由下式给出：
Figure BDA0001579827960000071
具体而言，能够用相机来扫描条纹图案是方便的，并且因此，该周期长度应该被选择为大于两个像素宽度P
l条纹＞2×P
，这等效于相位梯度必须小于π/P的限制。如果相位梯度大于2×π/D，则沿着预定轴的散斑依次被提供有至少一个周期长度的条纹。
D＞l条纹
随后，各个体散斑已经被提供了条纹图案的调制，以使得相机也可以检测个体散斑中的条纹图案。各散斑因此适合于通过将在以下更详细描述的处理方法来分隔相机图像。这是因为如果相机像素上的参考光和样本光分量具有相同的路径长度并且由此是相干的，则条纹图案的散斑和条纹都仅出现在相机上。如果是这种情形，则可见散斑可以被指派给截面图像。
以另一种方式来看，由于散斑和参考波的未知相位差导致的真实散射强度的模糊性可以藉由单个图像记录内的相位梯度来解析，因为对于每个散斑而言，相同散斑的至少两个经相移测量值可以在相机的相邻像素上被检测到。
下面，更详细地解释了通过在相机像素上指定参考光的路径长度轮廓来定义经曝光的截面。
当入射到相机上时，参考光束用相位梯度在沿着轴的像素上定义路径长度轮廓。由物体散射的样本光可以有可能包含精确对应于该路径长度轮廓的分量，并且仅这一分量才对相机图像中的干涉图案作出贡献。其散射光具有所述路径长度轮廓的成像物体点位于散射物体内部的截面上。典型地，该截面是一个平面，该平面的法线朝着光学轴倾斜角度α(相机上的参考光束的入射角)。
相机上的路径长度轮廓直接取决于参考光束接触相机平面时参考光束的光束横截面中的路径长度分布。如果参考光经由镜子或棱镜偏转，使得它以一角度来入射，则光的相位前沿与脉冲前沿是对应的，即在与相位前沿平行的光束横截面中，任何地方的路径长度相同。然而，在相机上，线性路径长度轮廓被形成为其例如包括具有大约500个波长λ0的间隔宽度的路径长度间隔，因此典型地为几百微米。严格来说，相机上的路径长度轮廓是两个像素坐标的函数，但是这里仅沿着一个轴变化，这是由参考光的入射平面来预定义的。
如果来自相机的物体点的光学距离恰好对应于该像素上存在的路径长度轮廓的值，则来自任何给定物体点的光被聚焦到相机像素中并且经受参考光的干涉。随后并且只有这样，才是位于截面上的物点。因此，相机图像中的具有干涉能力的样本光分量通常源自不同的物体深度，即，经成像的截面相对于光轴倾斜。截面的位置通常由相机上的路径长度轮廓来确定。
如已经在现有技术中提及的，不管相机上的光的角度入射如何，通过在合适的光栅处的衍射来调节参考光的路径长度轮廓也是有可能的，从而在所有的像素上例如存在相同的路径长度。在这种情形中，截面垂直于图像的光轴。
还应该顺便提及的是，即使对于球面相位前沿和脉冲前沿，即对于来自点源的光，也达成了目标。然而，相机上的路径长度轮廓具有更复杂的形状，使得物体中的经成像的截面是曲面。在此描述中，仅出于简化的目的，假定光由平面波来描述。
在任何情形中，应该强调的是，相机上的参考光的路径长度轮廓可以由用户指定。该轮廓定义了物体的哪个截面(关于取向、形状和与相机的距离)可随后对所捕获的相机图像中的干涉图案作出贡献。
根据本发明的曝光产生特定结构的相机图像。图像的结构尤其包含干涉图案，该干涉图案适合于将源自预定义的截面的光分量与其它光分量分隔开。本发明可被理解成用于用截面的短相干编码位置定义来生成光散射物体的内部截面的快速照片的方法(“对反射中的散射物体的短相干内部快照”，SCISSOR)。
可以从用以下描述的非常简单的图像处理捕获的相机图像来获得截面的实际表示。
本发明的尤其优选的扩展包括：用时间相关的速度进行参考光束的路径长度轮廓的位移，以及捕获进一步的相机图像，每个进一步的相机图像至少用对路径长度轮廓的时间相关的位移的测量来索引。以此方式，获得了对在物体内部彼此平行地定位的多个截面的曝光。
在最简单的情形中，路径长度轮廓的位移——这意味着相机像素上的所有路径长度同时被改变相同的量——以具有矩形进度的时间相关的速度来执行。例如，所有的路径长度都以两个交替的不同速度值来单调递增。在时间间隔期间，其中较低的速度(例如，值为零的速度)出现时，发生相机图像的检测。在较高速度下的至少一个时间间隔流逝并且再次出现较小的速度之后捕获以下的相机图像。相机图像因此平行地曝光横截面，并且这些横截面之间的距离由位移来描述。在这里，记录时间索引并知道时间依赖的速度以便稍后计算位移也是足够的。
相机上的路径长度轮廓的位移可以容易地扩展到厘米数量级的宽范围的值。如果在光源的相干长度的数量级上选择各毗邻截面之间的距离，则被曝光的特定截面被逐图像地按压通过物体，并且从所有相机图像的内部中获得物体内部中的散射强度的完全可重构的、三维记录。本发明由此还允许曝光散射物体的固体部分
对于本发明的实施例，推荐以下参数范围：
中心波长λ0优选地从近红外光谱到中红外光谱中选择，尤其优选在700与1500纳米之间。
数值孔径NA优选地在0.01到0.1的区间中。数值孔径尤其优选地具有在0.02与0.05之间的值。
相机的像素宽度P优选地在0.5到20微米的区间内。尤其优选地在1与5微米之间。
单个所捕获的相机图像可以优选地藉由二维傅里叶滤波分割成经曝光的截面的截面图像以及分割成物体的入射光图像。必须被指派给该截面图像的所收集的光分量现在被提供有提前已知的周期性强度调制，其由沿着相机配置的相位梯度产生。虽然这些光分量由散斑来表征，但是个体散斑也可以执行(由相机清楚地检测到)所述调制。该调制由已知的二维波数矢量来描述，该矢量也经常被称为调制的空间频率。
相机图像的二维傅立叶变换尤其导致在该空间频率附近的傅里叶分量。这些傅里叶分量可以被分割确定，然后由相位梯度的空间频率偏移到原点并转换回空间域中，以便创建只有截面的图形表示，这对相机图像中的干涉作出贡献。相机图像的所有其它傅里叶分量的傅立叶变换导致该物体的常规入射光图像，其不显示与参考光束叠加的干涉图案。
术语傅立叶滤波由此在此被理解成意味着傅里叶变换是从空间域到波数域中以及往回执行，其中预定的傅立叶系数被选择和分割。用于将基于频率的信息进行滤波的这种办法是来自信号处理领域的本领域技术人员所熟悉的。
以上描述的通过相对于所配置的相位梯度对所捕获的相机图像进行二维傅里叶滤波来将相机图像分割成截面图像和入射光图像，自动地以有利的方式导致可检测结构被共同注册在分割的图像中的结果。具体而言，这意味着可以将入射光图像中的结构的所有位置应用于确定截面图像中的结构的位置。
如果期望用手持式SCISSOR系统来对诸如视网膜之类的固体物体进行曝光，则这是特别有利的。为此，必须捕获物体的不同截面的一系列相机图像，以从截面图像中推断该物体的散射强度的三维分布。该分布可以例如通过数字体素阵列表示为物体的模型，其中截面图像值(被解释为要确定的散射强度)被指派给一对一基础上的三维索引体素。
由于相机图像是以对相机上的参考光束的路径长度轮廓的位移的测量来索引的，所以对于图像序列而言，一个坐标对于体素阵列中的不同截面图像的布置而言已经是可用的。但是由于在测量时段期间相机和物体可以相对于彼此移动(捕获整个图像序列)，由于用户或物体的移动，所以截面图像也可以相对于彼此偏移。然而，在没有任何用户移动的情况下，连续捕获的入射光图像实质上是相同的。它们示出了用常规相机也将看见的所有的结构。为了自动地标识电子图像中相同结构的位移，现有技术包含高效的算法，例如，可以使用位移矢量在霍夫(Hough)空间中执行匹配。
因此，本发明的特别有利的设计方案提供了：考虑到不同索引的入射光图像中的相同结构的图像的相对位移，通过将截面图像值指派给体素阵列从多个不同索引的相机图像计算物体的三维模型。这些三维模型或体素阵列的产生是有利的，原因很简单，它们允许以已知的方式来对穿过物体的任意取向的其它截面图像进行数值计算。
如果还预先知道，要被曝光的物体具有带有对光轴的已知取向的至少一个散射层边界(特别是对于活的视网膜的情形，其中在各细胞层之间找到这样的边界)，则最后证明如果物体内部中根据本发明曝光的截面朝向光轴倾斜的话是意外地有利的。这是因为截面图像对于存在该交线的所有截面示出了清楚可见的视线，即各截面与所述散射层边界之间的交线的图像。如果路径长度轮廓的位移改变，则视线“移动”穿过截面图像，也就是说，在其它像素坐标处的每个截面图像中通常可以看到该位移。然而，由于用户的实际独立移动，视野附加地进行移动。
在相机图像的记录之间的用户移动可以如所描述的那样藉由垂直于光轴的平面中的入射光图像(即横向地)来补偿。在光轴方向上的用户移动的第三分量对于OCT系统而言通常是不可访问的。但是在这里，其也可以被精确地确定，因为在补偿用户的横向移动之后，如果视线移动源自由用户通过距离改变带来的截面改变，则仍然有可能检测到视线移动。因为截面相对于散射层边界倾斜，所以经成像的截面线必需横向移动并由此被相机捕获。这意味着，尤其在视网膜测量中，有可能从不同索引的相机图像中的视网膜的至少一层边界中的图像的相对位移来推断在各相机图像的各捕获时间之间的从相机到视网膜的距离上的改变。
因此，在本发明的范围内且不需要任何附加的测量工作或传感器，但是取而代之地直接从所记录的相机图像的图像数据中获得其中三维中的用户移动已经得到补偿的散射物体的三维模型是有可能的。
图1示出了在迈克尔逊(Michelson)干涉仪的方式之后的示例性SCISSOR设备的草图。
首先，藉由准直透镜(2)来照亮来自暂时短相干光源(1)的发散发射光。具有半透明镜的分束器(4)由四个透镜(3、5、7、9)围绕，这四个透镜被布置成使得：首先，它们照射参考镜(6)和物体(10)，在每个情形中具有准直光，并且其次，还使物体(10)成像在相机(8)上。参考镜(6)倾斜预定义的角度α，作为结果，经反射的参考光束稍微横向地偏转并以微小的角度入射在电子相机(8)的平面上。光散射物体(10)被布置在物镜(9)的焦平面中，其中为了清楚起见，草图中的数值孔径被夸大。事实上，无论在物体(10)内，物体(10)的所有光散射点的深度位置如何，这些光散射点都在相机(8)上或多或少地锐利成像。从参考镜(6)到分束器(4)的距离由致动器(未示出)来变化——由草图中的双箭头指示。
从如以上相同的考虑来计算角度α的角度间隔：
Figure BDA0001579827960000111
将不等式除以λ0并且形成倒数，得出：
Figure BDA0001579827960000121
放大系数M是成像中图像大小与物体大小的比率。在这里，显式地引入了在成像光学系统中包括使用放大透镜，例如，如果太大则选择NA。本发明的重要参数是相机上的散斑直径，这里由M×D给出。通常，它可以保留为M＝1。
例如，如果相机具有像素宽度5微米的像素，选择800纳米的中心波长并且NA具有在OCT中常用的值0.05，则α的可允许角度范围在2.35°和4.59°之间。对于较小的数值孔径和/或较大的波长，角度间隔将更大。仅相对较大的相机像素可能需要放大。
SCISSOR设备往往是具有样本分支和参考分支的干涉仪设备。在该情形中，图1中的草图仅作为设备的示例性实施例给出。例如，来自参考(6)的参考光不一定必须再次穿过分束器(4)和各透镜(5、7)，而是也可以绕过这些组件以到达相机(8)。而且，倾斜的参考镜(4)仅是优选的，不是强制性的。所需要的特征是相机(8)上的相位梯度，其优选地通过参考光的有角度的入射来简单地产生。例如，参考光可以替代地横向偏移并且通过衍射光栅垂直穿过相机(8)，其中相机(8)被布置在参考光的第二级衍射最大值的方向上的一位置处。在这种情形中，仅一部分参考光在相机(8)上入射，但是再次以一角度来在相机(8)上入射。干涉仪的类型也不被限于迈克尔逊设计。
更一般地指定，它是用于暴露散射物体的体积的干涉仪设备，该设备具有：发射小于25微米的相干长度且中心波长为λ0的光的光源(1)、用于将光分成样本分支和参考分支的分束器(4)、用于改变参考分支长度的装置(5、6)、用于在样本分支中对物体(10)的表面照明的装置(9)、具有宽度P的像素的电子相机(8)、布置成用于将由物体(10)散射的光成像到相机(8)上的具有数值孔径NA和放大率M的成像光学系统(7、9)、以及用于处理所捕获的相机图像(其特征在于，来自参考分支的光到相机上的入射角α是根据条件λ0/(2×P)>sin(α))>NA/(1.22×M)来配置的)的计算单元。
如以上所解释的，该设备的有利设计可以由包括偏心孔径光阑的成像光学系统(7、9)组成。
优选地，该设备具有致动器驱动器(其作用在用于改变参考分支长度的装置(5、6)上)、以及致动器控制器。致动器控制器被设计为通信地连接到用于处理所捕获的图像的计算单元，以至少保持与图像捕获相同的速率地将关于参考分支的状态的数据(例如，参考分支的长度和/或其长度的改变速度)转移到计算单元。由于参考分支长度方面的改变还导致相机(8)上的参考光束的路径长度轮廓的位移，所以计算单元可以使用来自致动器控制器的数据来索引相机图像，例如将两者一起写入相机(8)的数据存储器中。
此外，计算单元被优选地设计成计算所捕获的相机图像的至少预定的二维傅立叶系数。由此可以执行将所记录的相机图像分隔成截面图像和入射光图像，并将其作为分割的图像存储在例如相机(8)的电子数据存储中。
替换地，然而，计算单元也可以被限制为仅验证相机图像中存在可评估的截面图像。对于该目的，仅从相机图像计算相位梯度的已知空间频率的区域中的傅立叶分量，并验证它们的绝对值是否超过预定义的阈值就可能足够了。如果不是这种情况，则不曾获得可评估的截面图像。可能的原因是参考分支长度与从物体到相机的距离显著不同，从而不可能干涉样本光。尤其是在首先测量活的眼睛的视网膜时，在将设备保持在眼睛前面时这种情况是最初有可能的。设备必须首先找到视网膜的位置，并且调节到视网膜的参考分支。计算单元可以标识这种情况，并且进而触发致动器以较大的步长(例如，从几百微米至多达几毫米)来改变参考分支长度，以便加速定位物体的过程。
在任何情形中，在优选设计中，该计算单元被设计成与图像捕获一起标识所捕获的相机图像的各傅立叶系数，并将各傅立叶系数其与预定的阈值进行比较，并且基于比较结果来向致动器控制器发送预定的命令。将图像捕获和处理反馈回致动器控制器的这一概念还具体地实现了路径长度轮廓中的改变的诊断相关的变化，因此，扫描跨截面加速。
优选地，参考光束的路径长度轮廓中的变化在测量期间以单调上升或下降的方式在至少1厘米，尤其优选地1至2厘米的范围上发生。立即相继地执行对相同物体的多个测量，并且还在后续测量中将之前测量结果用于对致动器控制器的命令在本发明的范围之内。
例如，在视网膜测量的情形中，在路径长度轮廓的改变具有较大增量(例如，增大100微米)的第一次测量中，视网膜的位置可以在测量窗口(例如，具有宽度1-2厘米的测量窗口)中确定。一旦确定了视网膜的位置，则轴向测量范围和增量就被极大地减小，例如在每个情形中减小一个数量级。测量窗口的准确轴向项可被调节成之前测量的视网膜位置，并且其紧接着以减小的增量来进行的第二次测量。
这里必须强调的是，致动器可以非常廉价，因为它不需要满足高技术需求。例如，参考镜(6)可以被逐渐移动，其中在由相机进行图像捕获期间它是静止的。在相机(8)捕获一系列图像的同时，致动器也可以持续地移动参考镜(4)。这是特别有利的，尤其是在相机的高帧率下。在这种情形中，在测量时段期间的移动速度可以由致动器以受控的方式来变化(通过根据规范的软件控制或者藉由来自计算单元的命令来变化)。
当今可用的廉价相机可以记录例如每秒大约800个图像，即每1250微秒一个图像。为了在采样定理的意义上完全扫描物体中的体积，在这一时间段中，参考光的路径长度应当改变不超过相干长度的一半，例如通常为约7.5微米。最大路径长度变化率可随后由vR＝6mm/s给出，或者在以上的例子中，参考镜(6)可被位移最多达3mm/s的最大速度。有利地，测量范围(例如，1.8厘米)的测量时段持续不超过3秒。
然而，如果目标持续地改变参考分支长度(即，还在捕获个体的相机图像期间改变参考分支长度)，则有必要观察足够短的曝光时间，因为如果在积分期间参考波的相位在相机(8)的所有像素上改变了2π(关于中心波长λ0的路径长度轮廓改变的情形)，对干涉作出贡献的所有光分量将被抵消。因此，曝光时间必须被配置成小于λ0/vR。这允许参考光束的路径长度轮廓被持续地位移，其中在相机的曝光时间期间，所有的路径长度变化不超过中心波长的预定区段。
在前一示例值λ0＝800nm且vR＝6mm/s的情形中，必须提供小于大约133微秒的曝光时间。优选地，曝光时间将被选择为比λ0/(2×vR)更短，特别优选地，例如λ0/(4×vR)。在任何情形中，小于200微秒的曝光时间适合于避免个体图像中的短期运动伪像。
最后，如果在用户的家中或者在将要分析数据的人位于其中的任何其它地方收集来自设备的测量数据，则该设备的优选实施例的特征在于数据接口，该数据接口将所记录的并且有可能经处理的图像无线地(例如，在WLAN或移动无线电网络上)优选自动地传送至预定义的接收者。接收机可以是属于医生的智能电话或因特网上的其它服务器，其执行附加的处理任务和/或归档过程。例如，视网膜的两次测量之间的组织改变也可由此被自动地转换成差异图像并被递送至医生。
SCISSOR设备的关键优势是：
该设备必须以紧凑的设计来生产，其中在工厂处固定各组件。用户不必自己执行任何设置。参考分支长度由可编程的控制系统自动地变化。从视网膜到测量装置的位置或距离不是先验已知的，并且在测量期间也不一定需要绝对地确定。相反，参考分支长度的变化可以在使得用户的视网膜必然被包括在这一测量范围内的这样大的测量范围内发生。
可以由没有先验OCT知识的病人或护理人员将该设备保持在眼睛前面以进行检测，只要该设备被保持地尽可能地静止。
测量仅花费几秒，其中老年患者也应当能够设法保持设备稳定。基于入射光图像附加地检测用户的移动，并且可以在数字建模过程中补偿用户的移动。
SCISSOR设备中可能最昂贵的组件是电子相机，它应当具有尽可能高的帧率。所有其它组件都以非常低的成本可用。该设备应当可用以供在对于私人家庭而言是可以使用的价格范围内销售
所存储的图像序列可以经由远程数据传输来向医生发送。若需要，它最好以匿名形式发送至因特网上的服务器，该服务器执行自动数据处理。这可以包括例如由医生安排的用截面图像来创建视网膜的三维模型。具体而言，这些文件可以被存档。此外，为了进行跟踪检查，这导致通过比较至少两个检查时机之间的图像序列和/或模型来显示视网膜中散射强度分布中的改变的设施。
因特网上大量的视网膜图像和治疗进展记录的可用性对于医学研究和教学的目的可以是有用的。
SCISSOR设备也可用于医疗和安全相关的目标两者。这是由于视网膜扫描尤其是与特定个体(并且即使是有意识的个体)的关联是可能的事实，所以他们的身份可以基于唯一的且现在还是三维可记录的视网膜结构来进行可靠地生物统计学上的验证。

Claims (16)

1.一种用于曝光光散射物体内部中的截面的方法，具有以下步骤：
提供光源，所述光源发射具有预定的中心波长和小于25微米的相干长度的光；
将来自所述光源的所述光划分成样本光和参考光；
用所述样本光来薄片式地照明所述物体；
通过沿着相机平面中的至少一个轴设置大于两个像素宽的平均散斑直径D，将从所述物体散射的所述样本光用像素宽度P的像素来成像在电子相机上；
使得参考光和样本光在所述相机上干涉，通过：
沿着所述相机平面中的所述至少一个轴配置所述参考光的路径长度轮廓和相位梯度，其中所述相位梯度具有来自2π/D与π/P之间的间隔的贡献；
捕获相机图像，其中仅由所述物体的内部中的截面散射并且具有所述参考光的路径长度轮廓的所述样本光对干涉图案作出贡献。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用时间相关的速度进行所述参考光的所述路径长度轮廓的位移，以及捕获进一步的相机图像，每个进一步的相机图像至少用对所述路径长度轮廓的时间相关的位移的测量来索引。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参考光的所述路径长度轮廓被持续地位移，其中在所述相机的曝光时间期间，所有的路径长度变化不超过所述中心波长的预定区段。
4.如前述权利要求中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，基于所配置的所述相位梯度来将相机图像分割成截面图像和反射图像。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述相机图像分割包括：相对于所配置的所述相位梯度将所捕获的相机图像进行二维傅里叶滤波。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，考虑到不同索引的反射图像中的相同结构的图像的相对位移，通过将所述截面图像值指派给体素阵列来从多个不同索引的相机图像计算所述物体的三维模型。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光散射物体是活的眼睛的视网膜。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述截面是以一角度来与所述视网膜的细胞层相交的平面。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，从不同索引的相机图像中的所述视网膜的至少一层边界中的所述图像的所述相对位移，推断出在所述相机图像的采集时间之间的从所述相机到所述视网膜的距离上的改变。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，基于相机图像和/或模型与至少一个之前的捕获时间的被存档的相机图像和/或模型的比较来显示所述视网膜中的改变。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，用户身份的生物测定验证。
12.一种用于曝光散射物体的体积的干涉仪设备，该设备具有：发射小于25微米的相干长度且中心波长为λ0的光的光源(1)、用于将所述光分成样本分支和参考分支的分束器(4)、用于改变所述参考分支长度的装置(5、6)、用于在所述样本分支中对所述物体(10)进行表面照明的装置(9)、具有宽度P的像素的电子相机(8)、布置成用于将由所述物体(10)散射的光成像到所述相机(8)上的具有数值孔径NA和放大率M的成像光学系统(7、9)、以及用于处理所捕获的相机图像的计算单元，所捕获的相机图像的特征在于，来自所述参考分支的光到所述相机上的入射角α是根据条件λ0/(2×P)>sin(α)>NA/(1.22×M)来配置的。
13.如权利要求12所述的干涉仪设备，其特征在于，所述成像光学系统(7、9)包括偏心孔径光阑。
14.如权利要求12或13中的任一者所述的干涉仪设备，其特征在于，计算机单元被设计成计算所捕获的相机图像的至少预定的二维傅立叶系数。
15.如权利要求12所述的干涉仪设备，其特征在于，所述干涉仪设备具有作用在用于改变所述参考分支长度的装置(5、6)上的致动器驱动器以及致动器控制器，其中所述致动器控制器通信地连接至用于处理所捕获的图像的所述计算单元。
16.如权利要求15所述的干涉仪设备，其特征在于，所述计算单元被设计成与所述图像捕获一起标识所捕获的相机图像的各傅立叶系数，并将各傅立叶系数其与预定的阈值进行比较，并且基于所述比较的结果来向所述致动器控制器发送预定的命令。
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