CN111551109B - 用于一个或多个扫频激光器的设备和方法及其信号检测 - Google Patents

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Abstract

一种包括至少第一和第二波长扫描垂直腔激光器(VCL)光源的光学仪器。所述第一和第二VCL光源所跨越的波长扫描范围可为不同的并且具有光谱重叠区。所述第一和第二VCL光源可能够在不同操作模式下进行操作，其中所述操作模式在以下至少一者上有所不同：扫描重复频率、扫描波长范围、扫描中心波长和扫描轨迹。VCL光源还可展现扫描间变化。描述用于对齐来自所述第一VCL的样本信号数据和来自所述第二VCL的样本信号数据以生成输出数字数据的设备和方法。关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所述输出数字数据。所述设备和方法还可用于使来自相同VCL光源或波长扫描光源的连续扫描相位稳定。

Description

用于一个或多个扫频激光器的设备和方法及其信号检测
分案申请
本申请为申请号2016800662926、申请日2016年9月14日、题为“用于一个或多个波长扫描激光器的设备和方法及其信号检测”的分案申请。
相关申请的交叉参考
本申请主张2015年9月14日提交的第62/218,118号美国临时专利申请的权益。美国临时专利申请62/218,118的公开内容特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及使用一个或多个波长扫描激光器的光学仪器及其信号的检测和对齐或组合或两者的领域。
背景技术
各种产品、设备和仪器使用波长扫描激光器技术作为电磁发射源。例如，扫频光源光学相干断层成像术(SS-OCT)(也称为光学频域成像(OFDI))使用波长扫描激光器进行干涉成像和测距。另一个实例(红外激光光谱学)使用波长扫描激光器来执行光谱学。不同材料体系已被用作波长扫描激光器的增益介质。增益介质材料、增益介质材料的处理、操作环境和泵浦条件决定光学增益特性以及增益介质有效的波长范围的相关上限。激光器的设计和激光腔镜的反射率也限制扫频激光器支持的波长范围。实际上，情况往往是单个可调谐激光器无法针对给定应用实现所需波长范围。可找到通过组合两个或更多个单独激光器的输出来扩展有效波长扫描范围的解决方案。
美国专利7324569 B2“Method and system for spectral stitching oftunable semiconductor sources”教示了一种多半导体光源可调谐光谱学系统，其具有两个或更多个半导体光源，用于生成能够在不同光谱带上调谐的可调谐光学信号。该系统使得这些可调谐信号的组合能够形成输出信号，该输出信号在包括单独半导体光源的这些各个光谱带的组合频带上是可调谐的。
美国专利7554668 B2“Light source for swept source optical coherencetomography based on cascaded distributed feedback lasers with engineered bandgaps”教示了一种用于扫频光源光学相干断层成像术的可调谐半导体激光器，其包括：半导体衬底；位于所述衬底顶部的波导，其具有不同带隙设计多量子阱(MQW)的多个区段；对应于每个所述带隙设计MWQ的多个分布式反馈(DFB)光栅，每个DFB具有不同布拉格光栅周期；以及抗反射(AR)涂层，其至少沉积在激光器的激光发射面上以抑制法布里-珀罗腔模的谐振。每个DFB MQW区段可被激活并调谐以在整个宽带的一部分上发出激光，如对于单个DFB激光器可以实现的那样，并且所有区段可被依序激活并调谐以共同覆盖宽带宽或者被同时激活并调谐以实现可调谐的多波长激光器。因此，所述激光器可发射单个激射波长或多个激射波长，并且非常适合于扫频光源OCT应用。
美国专利US 8665450 B2“Integrated dual swept source for OCT medicalimaging”教示了一种光学相干分析系统，其包括：第一扫频光源，其生成在第一光谱扫描带上调谐的第一光学信号；第二扫频光源，其生成在第二光谱扫描带上调谐的第二光学信号；组合器，其用于组合第一光学信号和第二光学信号以形成组合光学信号；干涉仪，其用于在通向参考反射器的参考臂与通向样本的样本臂之间对所述组合光学信号进行分路；以及检测器系统，其用于检测由来自参考臂和来自样本臂的组合光学信号生成的干涉信号。
美国专利8687666 B2“Integrated dual swept source for OCT medicalimaging”教示了一种光学相干分析系统，其包括：第一扫频光源，其生成在第一光谱扫描带上调谐的第一光学信号；第二扫频光源，其生成在第二光谱扫描带上调谐的第二光学信号；组合器，其用于组合第一光学信号和第二光学信号以形成组合光学信号；干涉仪，其用于在通向参考反射器的参考臂与通向样本的样本臂之间对所述组合光学信号进行分路；以及检测器系统，其用于检测由来自参考臂和来自样本臂的组合光学信号生成的干涉信号。在实施方案中，扫频光源是具有共享激光腔的可调谐激光器。
美国专利8908189 B2“Systems and methods for swept-source opticalcoherence tomography”教示了用于在扫频光源光学相干断层成像术(OCT)系统中增大占空比和/或产生交替偏振状态的交错脉冲的系统和方法。描述了包括改进的缓冲、多个SOA之间共享的选频滤波器、腔内切换和多个波长频带的实施方案。光源配置的独特偏振性质在OCT测量的相干斑抑制、偏振敏感测量、依赖偏振态的相移、空间偏移和时间偏移方面具有优点。
美国专利8873066 B2“System and method for improved resolution,higherscan speeds and reduced processing time in scans involving swept-wavelengthinterferometry”教示了一种用于通过在两个波长范围上扫描可调谐激光器光源来测量来自扫描波长干涉仪的干涉信号的系统和方法，其中所述两个波长范围的中心间隔大体大于波长范围的长度。测量的空间分辨率由第一波长区与第二波长区之间的波长间隔的倒数以及第一区和第二区的波长范围决定。电子可调谐激光器可用以产生在波长上分离很宽的两个波长范围。此类系统和方法在例如光学频域反射术(OFDR)和扫描波长光学相干断层成像术(OCT)等领域具有广泛的应用。
美国专利申请US 20140268050“Tunable laser array system”教示了一种用于扫频光源光学相干断层成像术的系统，该系统包括：光源，其在整个波长范围上发射多路复用波长扫描辐射，该光源包括N个波长扫描垂直腔激光器(VCL)，其发射具有N个波长轨迹的N个可调谐VCL输出；组合器，其用于将N个可调谐VCL光学输出组合进共用的光路中以创建所述多路复用波长扫描辐射；分离器，其用于将所述多路复用波长扫描辐射分离成样本和参考路径；光学检测器，其用于检测由来自样本的反射与穿越参考路径的光之间的光学干涉创建的干涉信号；以及信号处理系统，其使用所述干涉信号来构造样本的图像，其中所述N个波长轨迹中的至少一者在至少一个参数方面不同于所述N个波长轨迹中的另一者。
接下来将描述各种使用单个波长扫描激光器的设备和方法，以便于回顾。
美国专利8705047 B2“Optical coherence tomography imaging system andmethod”教示了一种光学成像系统，其包括光学辐射源、输出频率时钟信号的频率时钟模块、光学干涉仪、由频率时钟信号触发的数据采集(DAQ)装置和用于执行样本的多维光学成像的计算机。通过软件或硬件处理所述频率时钟信号以产生含有光学辐射源的频率-时间关系的记录，以在外部计时DAQ装置的采样过程。
H.C.Hendargo、R.P.McNabb、A.Dhalla、N.Shepherd和J.A.Izatt的论文“Dopplervelocity detection limitations in spectrometer based versus swept-sourceoptical coherence tomography” (Biomedical Optics Express，第2卷，第8期，2011年7月6日出版)教示了一种扫频光源 OCT系统，其中借助使用外部波长参考来实时执行相位稳定化。所述论文教示了为了补偿光源生成的数据采集触发中的波动所引发的相位误差，使用具有窄线宽的外部光纤布拉格光栅 (OE Land，λο＝989nm，Δλ＝0.042nm)来触发每个波长扫描的采集的开始。在所述论文的图2A中示出了用于相位稳定化的实验设备。
B.Braaf、K.A.Vermeer、V.A.D.P.Sicam、E.van Zeeburg、J.C.van Meurs和J.F.deBoer 的论文“Phase-stabilized optical frequency domain imaging at 1-μm for themeasurement of blood flow in the human choroid”(Optics Express，2011年10月5日出版)教示了在光学频域成像 (OFDI)中，由于扫频光源激光器、干涉仪和数据采集硬件的微小不稳定性，干涉条纹的测量不能精确再现。波数采样的所得变化使得在OFDI中相位分辨检测和固定图案噪声移除具有挑战性。所述论文教示了一种后处理方法，其中使用同时记录的校准信号将干涉条纹重新采样到完全相同的波数空间。这种方法在高速(100kHz)高分辨率(6.5μm)OFDI系统的 l-μm处实施，并且用于移除固定图案噪声伪影并用于人类脉络中的相位分辨血流测量。
A.Dhalla、K.Shia和J.Izatt的论文“Efficient sweep buffering in sweptsource optical coherence tomography using a fast optical switch”(BiomedicalOptics Express，第3卷，第12 期，2012年10月31日出版)进一步教示了先前所提及的2011H.C.Hendargo论文的光纤布拉格光栅相位稳定化方法，并且教示了一种用于增大扫频光源光学相干断层成像术(SSOCT) 系统的A型扫描速率的缓冲技术。利用数值补偿技术来修改来自从原始扫描获得的马赫-曾德干涉仪(MZI)时钟的信号，以重新校准缓冲扫描，从而降低采用具有集成MZI时钟的激光器的系统的复杂性。
美国专利申请US 20140028997“Agile Imaging System”教示了一种用于光学相干断层成像术成像的敏捷光学成像系统，其使用包括波长可调谐VCL激光器的可调谐光源。所述可调谐光源具有长相干长度，而且能够具有高扫描重复频率，并且在运行中改变扫描轨迹、扫描速度、扫描重复频率、扫描线性和发射波长范围以支持多种OCT成像模式。所述成像系统还提供新的增强型动态范围成像能力以适应明亮反射。多尺度成像能力允许在多个数量级维尺度上进行测量。还描述了用于生成波形来以灵活且敏捷的操作模式驱动可调谐激光器的成像系统和方法。
美国专利8836953 B2“OCT system with phase sensitive interferencesignal sampling”教示了一种OCT系统，尤其是其时钟系统，其生成k时钟信号，而且还生成光学频率参考扫描信号，所述光学频率参考扫描信号(例如)至少出于对干涉信号进行采样且/或将那个干涉信号处理成OCT图像的目的来指示扫描的开始或与扫描相关联的绝对频率参考。该光学频率参考扫描信号以与扫描光学信号完全相同频率在扫描光学信号的扫描间生成。这确保干涉信号的采样在扫描间以相同频率发生。此类系统与扫描光学信号的连续扫描相对于彼此非常稳定很重要的许多应用相关。
尽管许多应用可能受益于使用来自多个波长扫描激光器的输出并且存在关于从多个波长扫描激光器生成光的教示，但几乎不存在或没有关于如何有效地检测并处理来自多个波长扫描激光器光源的光的论述或实验示范。除了从多个波长扫描激光器生成光之外，还需要有效地检测所述多个波长扫描激光器所产生的信息并且将其组合成恰当地合并信号和数据的有用信号。信号和数据的检测和合并是利用多个波长扫描激光器的实际设备的非平凡部件，尤其是在激光器可以不同或变化的速度、以不同或变化的重复频率、在不同或变化的扫描范围上以及在不同或变化的扫描轨迹上进行操作的条件下或当扫描激光器在波长扫描轨迹中展现扫描间变化时。本申请中所教示的基本设备和方法解决了具有多个VCL光源或其它波长扫描光源的系统的这些缺点，并且还教示了单个VCL光源或其它单个波长扫描光源的多个顺序扫描的干涉相位、波长或波数的对齐。本发明的设备和方法在减少计算、较高抗噪性和VCL光源或其它波长扫描光源的操作模式的较大灵活性方面具有好处。
发明内容
本发明的一个实施方案是一种光学仪器，其包括：第一垂直腔激光器(VCL)光源，其配置成在第一波长范围上生成调谐发射以生成第一波长扫描；以及第二VCL光源，其配置成在第二波长范围上生成调谐发射以生成第二波长扫描；以及光学系统，其配置成将第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号，并且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号；以及样本检测器，其配置成检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于第一波长扫描的样本信号，并且检测受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射以生成用于第二波长扫描的样本信号；以及数字转换器子系统，其配置成将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，并且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；以及对齐处理器，其配置成使用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得的输出数字数据。
本发明的另一个实施方案是一种用于对齐表示来自样本的光学测量的数字数据的方法，其包括：从第一VCL光源的调谐发射生成第一波长扫描；从第二VCL光源的调谐发射生成第二波长扫描；朝向样本引导第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分以生成受样本影响的第一波长扫描和受样本影响的第二波长扫描；检测受样本影响的第一波长扫描以生成用于第一波长扫描的样本信号；检测受样本影响的第二波长扫描以生成用于第二波长扫描的样本信号；朝向参考信号生成器引导第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分；使用参考信号生成器从第一波长扫描的部分生成用于第一波长扫描的参考信号；使用参考信号生成器从第二波长扫描的部分生成用于第二波长扫描的参考信号；将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据；将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据；将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据；将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；使用对齐处理器计算一组对齐参数，其中所述计算使用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入；以及从用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二波长扫描的样本数字数据生成表示所述样本的输出数字数据，其中使用先前所计算出的该组对齐参数作为输入来生成所述输出数字数据，并且其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得的输出数字数据。
本发明的另一个实施方案是一种光学仪器，其包括：一组N个VCL光源，其配置成在N 个波长范围上生成调谐发射以生成N个波长扫描，其中N是从2到6的数字；光学系统，其配置成将所述N个波长扫描中的每一者的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收所述N个波长扫描中的每一者的至少一部分以生成N个参考信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的调谐发射以生成N个样本信号；数字转换器子系统，其配置成将来自N个波长扫描的N个样本信号转换为用于N个波长扫描的样本数字数据并且将用于N个波长扫描的N个参考信号转换为用于N个波长扫描的参考数字数据；以及对齐处理器，其配置成使用用于N个波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于N个波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数或干涉相位对齐所述输出数字数据。
本发明的另一个实施方案是一种用于对齐表示来自样本的光学测量的数字数据的方法，其包括从N个VCL光源的调谐发射生成N个波长扫描，其中N是从2到6的数字；朝向样本引导所述N个波长扫描的至少一部分，其中所述N个波长扫描的调谐发射受样本影响；检测受样本影响的N个波长扫描的调谐发射以生成N个样本信号；朝向参考信号生成器引导所述N个波长扫描的至少一部分；生成N个参考信号，其中针对所述N个波长扫描中的每一者生成一个参考信号；将所述N个样本信号转换为用于N个波长扫描的样本数字数据；将所述N个参考信号转换为用于N个波长扫描的参考数字数据；计算一组对齐参数，其中所述计算使用用于N个波长扫描的参考数字数据作为输入；以及从用于所述N个波长扫描的样本数字数据生成表示样本的输出数字数据，其中使用先前所计算出的该组对齐参数作为输入对齐所述输出数字数据，并且其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所述输出数字数据。
本发明的又一个实施方案是一种光学仪器，其包括：VCL光源，其配置成在波长范围上生成调谐发射以在第一时间点生成第一波长扫描并且在第二时间点生成第二波长扫描；光学系统，其配置成将第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号并且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于第一波长扫描的样本信号并且检测受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射以生成用于第二波长扫描的样本信号；数字转换器子系统，其配置成将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，并且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；以及对齐处理器，其配置成使用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得输出数字数据以使第一波长扫描波长、波数或相位稳定到第二波长扫描。
本发明的又一个实施方案是一种光学仪器，其包括：波长扫描光源，其配置成在波长范围上生成调谐发射以在第一时间点生成第一波长扫描且在第二时间点生成第二波长扫描；光学系统，其配置成将第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号并且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于第一波长扫描的样本信号并且检测受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射以生成用于第二波长扫描的样本信号；光学时钟生成器，其配置成接收来自波长扫描光源的调谐发射的一部分以生成时钟信号；数字转换器子系统，其配置成将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，并且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据，其中所述时钟信号计时所述数字转换器子系统；并且其中所述数字转换器子系统还包括： (a)主要模/数转换器，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号计时，并且其中所述主要模 /数转换器被配置为将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据且将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据；以及电路，其包括数字输入，其中所述电路被配置为经由数字输入获取用于第一波长扫描的参考信号并将其转换为用于第一波长扫描的参考数字数据并且获取用于第二波长扫描的参考信号并将其转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；并且其中与主要模/数转换器或者时钟信号的倍频或分频复本基本上同时计时所述数字输入；或(b)主要模/数转换器，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号计时，并且其中所述主要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据且将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据；以及次要模/数转换器，其中所述次要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；并且其中与主要模/数转换器或所述时钟信号的倍频或分频复本基本上同时计时所述次要模/数转换器；以及对齐处理器，其配置成使用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得输出数字数据以使所述第一波长扫描波长、波数或相位稳定到所述第二波长扫描。
本发明的又一个实施方案是一种光学仪器，其包括：波长扫描光源，其配置成在波长范围上生成调谐发射以在第一时间点生成第一波长扫描且在第二时间点生成第二波长扫描；光学系统，其配置成将第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号；相位校准生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的相位校准信号且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的相位校准信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于第一波长扫描的样本信号且检测受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射以生成用于第二波长扫描的样本信号；时钟源，其配置成生成时钟信号；以及数字转换器子系统，其配置成将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据，将用于第一波长扫描的相位校准信号转换为用于第一波长扫描的相位校准数字数据，并且将用于第二波长扫描的相位校准信号转换为用于第二波长扫描的相位校准数字数据；其中所述时钟信号计时所述数字转换器子系统，并且其中所述数字转换器子系统还包括：(a)主要模/数转换器，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号计时，并且其中所述主要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据且将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据；(b)电路，其包括数字输入，其中所述数字输入采样由时钟信号或时钟信号的倍频或分频复本计时，并且其中所述电路被配置为经由数字输入获取用于第一波长扫描的参考信号并将其转换为用于第一波长扫描的参考数字数据并且获取用于第二波长扫描的参考信号并将其转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；以及(c)次要模/数转换器，其中所述次要模/数转换器由时钟信号或时钟信号的倍频或分频复本计时；并且其中所述次要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的相位校准信号转换为用于第一波长扫描的相位校准数字数据且将用于第二波长扫描的相位校准信号转换为用于第二波长扫描的相位校准数字数据；以及对齐处理器，其配置成使用用于第一波长扫描的参考数字数据、用于第一波长扫描的相位校准数字数据、用于第二波长扫描的参考数字数据和用于第二扫描的相位校准数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得的输出数字数据以使第一波长扫描波长、波数或相位稳定到第二波长扫描。
附图说明
图1A至1F是示出光学相干断层成像术(OCT)、扫描和数据形成的基本原理的图。
图2A至2B是示出示例性光学相干断层成像术仪器的示意图。
图3A至3D是示出在不同操作条件下获得的来自镜面反射的光学相干断层成像术条纹的差异的图和流程图。
图4A至4F是示出OCT点扩散函数上的激光波长扫描轨迹对OCT干涉条纹频率和条纹包络的影响的曲线图。
图5A至5D是示出不同数字转换器子系统架构的示意图。
图6A至6D是示出可能由于不恰当的背景减除和OCT条纹抖动而在OCT图像中发生的伪影的曲线图和图像。
图7A是MEMS可调谐垂直腔面发射激光器(MEMS可调谐VCSEL)的示意图，图7B 至7C是MEMS可调谐VCSEL的照片，并且图7D至7E是示出MEMS可调谐VCSEL的静态和动态波长调谐的曲线图。
图8A至8D是示出来自具有不同但重叠的调谐范围的MEMS可调谐VCSEL的实验光谱和来自具有不同但重叠的增益光谱范围的光学放大器的光谱的曲线图。
图9A是MEMS可调谐VCSEL的不同致动器设计的频率响应的曲线图，并且图9B是示出MEMS可调谐VCSEL致动器的振动模式的曲线图。
图10A是组合来自两个垂直腔激光器(VCL)光源的光的系统的示意图，图10B是在扫描的一部分断开的情况下执行协调扫描的两个VCL光源的波长对时间的曲线图，图10C是完整扫描的波长对时间的曲线图，并且图10D是单独以及组合的VCL光源的OCT条纹的曲线图。
图11A至11D是示出用于组合并监视来自多个VCL光源的光的不同方法和设备的示意图。
图12是用于驱动多个VCL、监视VCL光源的输出、选择来自所述VCL光源中的一者的输出并且放大VCL的光功率的电子器件的示意图。
图13A至13F是示出不恰当地组合来自多个VCL光源的干涉条纹数据的影响的曲线图和图像。
图14A至14E是示出相对于总条纹长度改变不恰当地组合两个条纹的位置的效果的曲线图和图像。
图15A至15C是示出本发明的包括两个VCL光源的一个实施方案的示意图，并且图15D 是本发明的包括N个VCL光源的一个实施方案。
图16A是示出本发明的包括VCL光源的一个实施方案的示意图，并且图16B是本发明的包括波长扫描光源的一个实施方案。
图17A至17C是示出为了恰当地对齐波长信号的参考信号的比较的曲线图。
图18A至18D是示出识别样本偏移值以恰当地对齐两个波长信号的曲线图。
图19A至19I是示出本发明的示例性参考信号生成器的示意图和曲线图。
图20A至20D是示出本发明的一个实施方案的不同光学滤波器设计对对齐过程的影响的曲线图。
图21是示出本发明的包括两个模/数转换器、用于计时模/数转换器的光导k时钟信号生成器和电学触发信号的一个实施方案的示意图。
图22A至22E是示出来自本发明的包括基于法布里-珀罗滤波器的参考信号生成器、两个模/数转换器、用于计时模/数转换器的光导k时钟信号和电学触发信号的一个实施方案的恰当数据对齐的曲线图。
图23A是示出包括两个不同长度的标准具、两个检测器和电学求和电路的参考信号生成器的示意图，并且图23B是其曲线图。
图24A是包括两个不同长度的标准具和两个检测器的参考信号生成器的示意图，并且图 24B是示出来自标准具的信号、来自标准具的数字化信号和由应用于来自标准具的数字化信号的或运算符构成的信号的曲线图。
图25A至25F是示出来自两个VCL光源的信号的曲线图，包括来自标准具的信号、来自标准具的数字化信号和由应用于来自标准具的数字化信号的或运算符构成的信号。
图26A是示出包括两个不同长度的标准具和一个检测器的参考信号生成器的示意图，并且图26B是示出其输出的曲线图。
图27A是示出VCL光源的光学干涉信号的示波器的截屏，图27B是示出VCL光源的光谱的光谱分析仪的截屏，图27C是包括两个不同长度的标准具和两个检测器的参考信号生成器的照片，并且图27D是包括两个法布里-珀罗滤波器和两个检测器的参考信号生成器的示意图。
图28是示出来自参考信号生成器中的两个标准具的信号的曲线图的集合。
图29是示出单个长扫描范围VCL和具有不重叠的光谱的两个较短扫描范围VCL所生成的来自两个标准具的信号的曲线图的集合。
图30A和30C是示出作用于法布里-珀罗信号以对参考信号进行数字采样的比较器的示意图，并且图30B是其曲线图。
图31是示出本发明的包括两个模/数转换器、用于计时模/数转换器的内部时钟信号、数字输入和电学触发信号的一个实施方案的示意图。
图32A示出与模拟数据同步获取数字信号的数字转换器子系统的示意图，并且图32B是其照片。
图33是用于模拟和数字数据的示例性数据存储方案的示意图。
图34是示出本发明的一个实施方案的实验测试设备的示意图。
图35A是示出数字数据和模拟数据的曲线图，并且图35B至35D示出数字数据状态转变的放大曲线图。
图36A至36D是示出来自1050nm VCSEL的实验数据的曲线图，其中已经将模拟数据对齐到所检测的并且经过放大的1049nm光纤布拉格光栅的上升沿数字状态转变。
图37A至37D是示出来自1050nm VCSEL的实验数据的曲线图，其中已经使模拟数据相位稳定并且两个OCT点扩散函数的曲线图被描绘在彼此之上。
图38A至38B是示出组合在第一波长范围上的第一扫描和在第二波长范围上的第二扫描的实验数据的曲线图，其中两波长范围重叠，并且图38C示出OCT点扩散函数。
图39A是示出示例性参考信号的一组曲线图，示例性参考信号用于将在相同波长范围上获得的在第一时间点获得的样本数字数据与在第二时间点获得的样本数字数据对齐以生成波长、波数或干涉相位稳定化的输出数字数据，并且图39B是示出来自不同中心波长的第一 VCSEL和第二VCSEL的示例性参考信号的曲线图的集合，其中来自第一VCSEL的样本数字数据可与来自第二VCSEL的样本数字数据组合以生成在条纹相位上连续的组合输出数字数据集。
图40是本发明的包括光学波长触发器的一个实施方案的示意图。
图41A是示出触发前和触发后采集的示意图，图41B是其数据记录，并且图41C是其曲线图的集合。
图42A至42B是示出来自MZI的参考信号的曲线图，其中来自MZI的信号的相位周期由于扫描间变化而大于触发信号抖动。
图43是示出具有不同记录大小的样本信号和参考信号的采集的曲线图的集合和示意图。
图44A是示出本发明的一个实施方案的示意图，并且图44B是其曲线图的集合，其中断开去往仪器的光，同时去往参考信号生成器的光保持接通，以便使对样本的曝光减到最小，同时仍生成可用于对应点匹配的参考信号。
图45A至45B是示出来自本发明的一个实施方案的在对齐之后的结果的曲线图，其中断开去往仪器的光，同时去往参考信号生成器的光保持接通，以便使对样本的曝光减到最小，同时仍生成可用于对应点匹配的参考信号。
图46是示出接通和断开第一VCL、第二VCL和助推光学放大器(booster opticalamplifier, BOA)以使对样本的曝光减到最小的曲线图和时序图。
图47是本发明的包括单个或多个VCL、数字输入和光学k时钟以及任选的偏振选择性元件的一个实施方案的示意图。
图48A至48D是示出2个、3个、4个或N个VCL光源的接合的示意图。
图49A和49C是示出两个或三个VCL光源的级联的示意图，并且图49B和49D是其曲线图。
图50A至50D是示出单独或组合使用两个VCL光源以生成OCT数据的曲线图。
图51是本发明的包括两个模/数转换器、成像干涉仪、校准干涉仪和参考信号生成器的一个实施方案的示意图。
图52是本发明的包括两个快速模/数转换器、一个低速模/数转换器和数字输入的实施方案的示意图。
图53A至53D是示出本发明的示例性实施方案的分割部件的若干不同概念方式的示意图。
图54A至54C是示出用于本发明的示例性实施方案的若干不同平台架构的示意图。
具体实施方式
希望结合附图阅读根据本发明的原理的说明性实施方案的描述，所述附图应当被视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的本发明的实施方案的描述中，对方向或取向的任何提及仅仅是为了便于描述，而不希望以任何方式限制本发明的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”等相对术语及其派生词(例如，“水平地”、“向下”、“向上”等)应当被理解为指代如接着所描述或如所讨论的附图中所示出的取向。这些相对术语仅仅是为了便于描述，而不要求在特定取向上构造或操作所述设备，除非明确地这样指示。诸如“附接”、“附着”、“连接”、“耦接”、“互连”等术语指代其中多个结构直接地或通过居间结构间接地紧固或附接到彼此的关系以及活动或刚性附接或关系，除非另有明确描述。此外，通过参考所例示的实施方案来说明本发明的特征和好处。因此，本发明明显不应限于此类示例性实施方案，所述示例性实施方案说明可单独地或以其它特征组合存在的一些可能非限制性特征组合；本发明的范围由所附的权利要求书限定。
本公开描述当前所预期的实践本发明的最佳模式。这个描述不希望在限制性意义上进行理解，而是通过参考附图提供仅出于说明性目的呈现的本发明的实例以向本领域的技术人员告知本发明的优点和构造。在附图的各个视图中，相同附图标记表示相同或相似部件。
仪器技术的回顾
光学相干断层成像术(OCT)是无创干涉性光学成像技术，其可以生成组织和其它散射或反射材料的微米分辨率2D和3D图像。OCT经常用于生物医学成像或材料检查。OCT于1991年首次被证实用于对人眼和冠状动脉进行成像，此后被确立为用于诊断并监视眼科疾病治疗的临床标准。OCT还用于斑块的血管内成像以评估心脏疾病、癌症成像、发育生物学研究、艺术品保存、工业检查、计量和质量保证。一般来说，OCT可用于受益于次表面成像、表面轮廓测量、动作表征、流体流动表征、折射率测量、双折射表征、散射表征、距离测量和动态过程测量的应用。
图1A示出基本光学相干断层成像术系统100的简化示意图。光源105生成光，分束器 125将所述光分离成干涉仪的参考臂(也称为参考光学路径)和样本臂(也称为样本光学路径)。朝向样本115引导光，其中所述光的一部分从样本反射回或散射回。收集来自样本的光并且将其与来自参考臂的由参考镜110反射的光组合。所组合的光发生干涉并且由检测器120 检测以形成干涉图，有时称为OCT条纹。干涉图的处理生成样本的反射率对深度分布图，称为A型扫描。
大多数OCT系统包括用于跨样本扫描所述光的装置。可以使用光束转向机构跨样本扫描所述光，如图1B所示，其具有不需要移动样本的优点。最常见的是，使用转向镜130来使光束转向。还有可能相对于OCT仪器移动样本本身，如图1C所示。还可相对于样本移动OCT仪器本身以用于扫描光束。在样本上的给定横向位置处，OCT系统生成反射率对深度分布图或A型扫描135，如图1D所示。在单个横向方向上跨样本扫描所述光使得能够收集多个A 型扫描，其在组合时形成横断面图像或B型扫描140，如图1E所示。还可在多个方向上扫描所述光以生成3D体积145，如图1F所示。其它扫描轨迹也是可能的，诸如对关注区域成像的轨迹、跟踪或跟随对象的运动的轨迹、执行圆形路径的轨迹、执行螺旋的轨迹、执行任意轨迹的轨迹或保持在一个地方以测量动态过程的轨迹。
OCT的最常见具体实施是光谱/傅立叶域OCT，其使用宽带光源、干涉仪和具有行扫描相机的分光仪。用于光谱/傅立叶域OCT的光源包括钛蓝宝石激光器、发光二极管、超辐射发光二极管(SLD)和超连续光源以及其它光源。在OCT中，轴向分辨率与光源的带宽成反比。假设光的高斯光谱形状，理论轴向分辨率Δz由下式给出：
Figure RE-GDA0002554975150000131
其中λ0是中心波长，并且Δλ是光源光谱的半峰全宽(FWHM)。
通常的情况是单个光源不生成足够宽的光谱以生成所需OCT轴向分辨率。可组合多个光源以使得光源的输出光谱比各个光源部件中的任何单独一者要宽。例如，来自Superlum的 Broadlighter线的光源产品包括多个光纤耦接的超辐射发光二极管(SLD)。D系列(例如， D-840-H)包括两个SLD，T系列(例如，T-860-HP)包括三个SLD，并且Q系列(例如，Q-1350-HP)包括四个SLD，以实现宽光谱和高输出功率。使用多SLD光源可实现的OCT 轴向分辨率比单独使用单个SLD光源可实现的OCT轴向分辨率要精细。因此，对受益于改善轴向分辨率的某些OCT应用来说，多SLD光源是非常理想的。
OCT的另选具体实施是扫频光源OCT(SS-OCT)。扫频光源OCT使用波长扫描激光器、干涉仪、二极管检测器和高速A/D转换器。图2A和2B示出示例性扫频光源OCT系统的示意图。图2A中的扫频光源OCT系统在干涉仪中使用光纤耦合器。成像干涉仪245包括样本光学路径215、参考光学路径220和路径干涉元件225，并且其中光学仪器执行光学相干断层成像术，并且其中将输出数字数据进一步处理为A型扫描135。图2B中的扫频光源OCT系统在干涉仪中使用循环器。依据操作波长，基于光纤耦合器或基于循环器的干涉仪对于效率来说可能是优选的。例如，循环器在1310nm处具有很高的效率，而循环器在850nm和1050 nm处通常效率较低，从而使得基于光纤耦合器的具体实施从性能角度来看通常更可取并且实施起来也较便宜。
扫频光源OCT系统的操作包括：适时扫描发射波长、将所述发射用作对OCT干涉仪的输入、检测来自干涉仪的干涉信号并且数字化所述信号以供分析，如图3A所示。出于说明性目的，图3A所示的示例性条纹大致上是扫频光源OCT系统所记录的预期将从单个镜面反射获得的条纹图案。为了理解扫频光源OCT成像原理和系统限制，考虑在不同成像配置下来自镜面反射的OCT信号是有帮助的。参考以下方程式1，其中km是样本点m处的波数，I[km] 是样本点m处的瞬时光电流，ρ[km]是样本点m处的检测器响应性，S[km]是样本点m处的样本上的瞬时功率，RR是参考镜的反射率，RS是样本镜的反射率，zr是参考镜的深度，并且zs是样本臂镜的深度。方程式1改编自J.A.Izatt和M.A.Choma的“Optical Coherence Tomography:Technology and Applications”的章节2.7(W.Drexler和J.G.Fujimoto编辑，2008年)。实际上，跨阻抗放大器通常在模/数(A/D)数字化之前将光电流I转换为电压。
Figure RE-GDA0002554975150000141
余弦函数中的项表示OCT条纹的相位。随着相位增大(或减小)，OCT条纹以每2π弧度发生的一个完整振荡周期振荡。波长扫描具有开始波数kstart和结束波数kend。OCT条纹中的振荡数目与所述扫描上的总相位差ΔΦ的量值成比例，其由下式给出
ΔΦ＝2(kend-kstart)(zr-rs)。 方程式2
方程式2示出条纹频率随成像深度增大而增大(即，在所述扫描上存在较大数目的振荡)，因为余弦函数中的(zr-zs)乘数项使总条纹相位增大，如图3B所示。在所有其它扫描特性相等的情况下，针对给定反射镜位置，条纹频率随扫描重复频率增大而增大，如图3C所示，因为在较短时间内发生相同数目的条纹振荡。类似地，在所有其它扫描特性相等的情况下，针对给定反射镜位置，条纹频率随波长扫描范围增大而增大，如图3D所示，因为总相位差由于(kend-kstart)项较大而增大。图4A示出对条纹频率的额外影响，因为条纹频率还由扫描轨迹决定。具有低速部分和快速部分的扫描(诸如使用正弦波轨迹产生的扫描)具有峰值条纹频率，其中波数(k)对时间的变化率最大。对于OCT成像系统的设计者来说，由于与检测和数字化所述条纹相关联的限制和挑战，这些对条纹频率的影响的结果是显著的。为了防止所述条纹信号的混叠，根据奈奎斯特采样准则，模/数转换器(A/D)必须以条纹频率的至少两倍进行采样。因此，优先使扫描频率线性化，使得所述扫描在k空间(波数)对时间的方面为线性的，如图4A底部所示，或更通常的是，使峰值条纹频率减到最小以针对给定最大数字化速率使OCT成像范围达到最大。随着A/D转换器的采样速率增大，A/D本身的成本增大，相关联的支持电子器件、数据串流机构和数据存储的成本、复杂性和时序要求也增大。因此，简单地选择快速A/D转换器速率通常是不可行的，而是必须根据市场对预期成像应用的支持程度，在最大可获得数据带宽(模拟检测带宽、A/D速率、数据串流和存储)方面做出折衷。
对于给定的最大采集带宽和A/D转换速率，必须在OCT系统设计中在仪器成像范围、扫描重复频率(具有相关联OCT仪器敏感性)和轴向分辨率之间进行权衡。影响OCT轴向点扩散函数和分辨率的另一个考虑因素是条纹包络的形状。具有宽频谱包络的条纹(图4D-1) 生成具有高轴向分辨率但旁瓣大的OCT轴向点扩散函数(图4E-1)。所述旁瓣在OCT数据中造成伪影或鬼像。对于相同总扫描范围，将频谱包络成形为更接近高斯分布图(图4D-2)减少了旁瓣，但稍微损害OCT轴向分辨率。成形频谱包络还(图4D-3)产生改进的旁瓣性能，但以OCT轴向分辨率为代价(图4E-3)。图4F中示出情况1至3的OCT轴向点扩散函数的比较。
扫频光源OCT系统使用模/数转换器(A/D)获取干涉图。大多数现代扫频光源OCT系统使用连接到A/D控制器的专用A/D芯片。所述A/D控制器可为现场可编程门阵列(FPGA)、微控制器、专用集成电路(ASIC)、微处理器或能够与A/D转换器通信的任何其它装置。A/D 转换器可经由许多通信方法中的任一者与A/D控制器通信，包括但不限于：并行数据总线、串行数据总线、直接电连接、光学连接、无线连接或其它方式。所述A/D还可以集成到更大的电路中。例如，许多微控制器、微处理器和FPGA装置已经集成A/D转换器并且充当A/D 控制器。图5A至5D示出了可能的A/D转换器配置的示意图。图5A至5D并非穷举的。出于本发明的实施方案的目的，数字转换器子系统包括A/D转换器505或多个A/D转换器、 A/D控制器以及与触发至少一个A/D转换器相关联的电子器件。数字转换器子系统可具有一个、两个或更多个A/D采集通道。在图5A中，A/D芯片具有两个A/D输入通道，并且A/D 控制器是FPGA。在图5B中，数字转换器子系统包括用于两个A/D采集通道的两个A/D芯片，并且A/D控制器是微处理器(uP)。在图5A和图5B两者中，A/D控制器经由并行数据总线连接到A/D芯片。A/D转换器由外部时钟信号或从数字转换器子系统中的来源导出的时钟(称为内部时钟)计时。内部时钟可为专用振荡器、另一个电子电路的一部分或从任何振荡源导出。FPGA由其自己的时钟源计时，所述时钟源可与A/D时钟源同步或可不与A/D时钟源同步。在许多具体实施中，A/D转换器保持处于有效和转换状态，连续地向FPGA传输数据。FPGA监视触发输入信号，并且基于FPGA的内部状态和触发信号的值，确定应当丢弃还是保存最近转换的A/D值以供处理。在OCT应用中，通常但不要求数字转换器子系统保持就绪状态，在该就绪状态下丢弃A/D转换值，直到存在触发事件，此时保存A/D转换值以供处理。通常，A/D控制器将被配置为在检测到触发事件后即刻获取某预定数目的A/D样本，样本数量的长度具有适于捕获完整或部分干涉图或激光扫描以形成记录。触发事件最常见的是触发输入上的电压电平转变，但也可使用其它触发方法，包括基于级别的触发或光学触发等等。由于激光扫描、A/D时钟信号、触发信号和监管A/D控制器的状态转变的时钟之间可能的异步性，在确定开始波长、波数或干涉图相位中存在显著问题。参看图5C，如果触发信号是与扫描同步的上升或下降沿电信号，则有可能的是在监管A/D控制器采样触发输入的时钟转变的相同时间处或附近发生触发信号的边沿转变。A/D控制器可能在时钟转变上检测到触发转变，或其可能错过触发转变，直到发生下一个时钟转变为止。这引入在所获取数据中的开始波长、波数或干涉图相位方面具有不确定的至少一个样本。电噪声进一步加重所述不确定性。如果触发信号是从光学波长检测器导出的上升或下降沿信号，则存在相同问题，因为可在监管A/D控制器采样触发输入的时钟转变的相同时间处或附近生成光学信号。参看图5D，其中光学k时钟用于计时A/D转换器，电触发输入或从光学波长传感器导出的输入存在相同问题，因为在任一情况下，可能在时钟转变的相同时间处或附近发生触发转变。
OCT干涉仪和成像系统的特性也影响所得OCT图像的质量。由于将样本臂和参考臂的光进行干涉的光纤耦合器或分束器的分光比的波长相依性，扫频光源OCT中经常使用的平衡检测生成背景信号，如图6A所示。背景信号通常由在OCT图像中在零延迟(零深度位置)附近生成伪影的低频率分量构成。在背景信号之上形成OCT条纹，并且常见的做法是从所获取的数据减去背景信号以得到干涉条纹，如J.A.Izatt和M.A.Choma的“Optical CoherenceTomography:Technology and Applications”的章节2.4(2008年)中所描述。另外，OCT系统内的反射表面可生成固定图案伪影。固定图案伪影在B.Braaf、K.Vermeer、V.Sicam、E.vanZeeburg、J.van Meurs和J.de Boer的论文“Phase-stabilized optical frequencydomain imaging at 1-μm for the measurement of blood flow in the humanchoroid”(Opt.Express 19，第20886至 20903页(2011年))的图5B中显而易见。固定图案伪影还在W.Choi、B.Potsaid、V.Jayaraman、 B.Baumann、I.Grulkowski、J.Liu、C.Lu、A.Cable、D.Huang、J.Duker和J.Fujimoto的论文“Phase-sensitive swept-sourceoptical coherence tomography imaging of the human retina with a verticalcavity surface-emitting laser light source”(Opt.Lett.38，第338至340页(2013年))的图2A中显而易见。已经示出OCT条纹的相位稳定化以移除固定图案伪影，如W.Choi的(2013年)论文的图2B和B.Braaf(2011年)的论文的图6C中所示。
图6B至6D示出基于方程式1的模拟的结果，所述模拟建模表示眼睛视网膜的三个明亮反射并且建模一个表示固定图案反射的反射。使用从990nm到1100nm的光学扫描执行所述模拟，并且采用光学k计时来生成具有相等波数间距的500个A/D转换样本。模拟总共300 个OCT条纹。为了表示由于异步时钟和电噪声而在实验OCT系统中观测到的触发抖动，向每个OCT条纹随机地施加0个样本或1个样本的样本移位。图6B中示出了背景减除之后所得的数据。可看到两个相异波形分组。第一波形分组表示具有0个样本移位的OCT条纹数据，而另一个分组表示具有1个样本移位的OCT条纹数据。对于0个样本移位数据的情况，恰当地减除背景和固定图案干涉条纹。对于1个样本移位数据的情况，背景和固定图案干涉条纹的减除是不完美的。图6C和图6D分别示出在条纹的补零和傅立叶变换之后的模拟OCT横断面图像(B型扫描)和跨B型扫描的OCT数据的曲线图。不恰当的背景和固定图案干涉条纹减除的影响在零深度位置附近和在固定图案反射的深度处生成伪影。将本专利申请的图6C 与先前所提及的W.Choi(2013年)的论文的图2A和先前所提及的B.Braaf(2011年)的论文的图5B进行比较以查看背景伪影和与固定图案反射相关联的线的外观和虚线性质的相似性。W.Choi(2013年)的论文描述了使用光学k时钟生成在条纹数据点之间具有相等波数间距的OCT条纹的单通道A/D转换。B.Braff(2011年)的论文描述了使用OCT条纹的固定速率采样和软件重新采样生成在条纹数据点之间具有相等波数间距的OCT条纹的双通道A/D 转换，其中希尔伯特变换用于提取条纹相位以对条纹数据重新采样。在光学k时钟和固定速率采样的两种情况下，触发抖动和波长扫描抖动在所得OCT图像中造成不可接受的伪影，必须被恰当地管理所述伪影，如所述论文描述。
垂直腔激光器技术
已经在扫频光源OCT和光谱学系统中使用了各种扫描激光器技术，包括基于旋转多角镜的外腔激光器、基于检流计驱动光栅滤波器的外腔激光器、傅立叶域锁模激光器(FDML)、游标调谐分布布拉格反射镜(VT-DBR)激光器、短腔外腔激光器以及其它激光器。用于许多应用的一种特别有吸引力的光源是垂直腔激光器(VCL)。
VCL是一种半导体激光器，其中激射方向主要垂直于晶片。通过改变激光腔的光学路径长度来完成光波长的调谐，所述激光腔由顶部反射镜和底部反射镜形成。可通过改变所述反射镜之间的物理距离、改变所述反射镜之间的材料的折射率或这两者的改变的组合来调整激光腔的光学路径长度。图7A示出特定VCL的图，其为微机电系统(MEMS)-可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)或也称为MEMS可调谐VCSEL。MEMS可调谐VCSEL使用晶片制备技术来制造，如图7B所示。放大图像示出了来自晶片的单个MEMS可调谐VCSEL装置，如图7C所示。在这种特定设计中，使用来自外部泵浦激光器的光对增益材料进行光学泵浦，其中外部泵浦激光器具有适于激励增益材料的波长。MEMS可调谐VCSEL激光腔由位于两个端面镜之间的增益材料形成。底部反射镜静止。顶部反射镜充当输出耦合器并且通过柔性结构悬挂。所述反射镜形成法布里-珀罗滤波器，使得调谐发射的波长与所述反射镜的分隔距离成比例。跨致动器接触垫施加电压在MEMS致动器处产生静电引力，其将顶部反射镜向下拉，从而减小腔体长度并且调谐较短发射波长。图7D示出通过在致动器两端施加DC 电压来获得的MEMS可调谐VCSEL装置的静态波长调谐。引力Fa在电压V和偏转δ方面为非线性的，其中g是未偏转致动器间隙距离，ε是介电常数，并且A是面积，如方程式3所示。
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致动器的回复力Fs通常与偏转成线性比例，遵循用于弹簧的方程式Fs＝ksδ，其中ks是致动器的弹簧常数。在特定临界DC电压和对应偏转处，静电引力超过MEMS柔性结构的回复力并且致动器变得不稳定。致动器的迅速加速致使致动器的上半部与致动器的底部碰撞，这一事件称为“拉进(pull-in)”或“推下(snap-down)”，在MEMS可调谐VCSEL的正常操作期间特别要避免这一情况。图7E示出MEMS可调谐VCSEL对周期性电压输入信号的响应。可优先控制MEMS可调谐VCSEL波长调谐的动态响应以产生针对给定应用优化的波长扫描轨迹，如美国专利申请US 20140028997Al“Agile Imaging System”中所描述，所述专利申请特此以引用的方式并入本文中。
用于改变VCL中的激光腔的光学路径长度的特定机构影响波长调谐范围和波长调谐动力学。例如，通过改变半导体材料的折射率来调整腔体的光学路径长度的VCL将由于材料的折射率的变化的限制和较短增益材料长度而具有相对较小波长调谐范围，但将具有极其快速且灵活的波长调谐动力学的可能性。通过使用静电MEMS致动器改变激光腔镜之间的间距来调整腔体的光学路径长度的VCL将具有受下推限制的适度调谐范围并且将具有快速且灵活的波长调谐动力学。通过使用压电致动器改变激光腔镜之间的间距来调整光学路径长度的 VCL将可能具有非常长的波长调谐范围，但具有将受移动部件的相对较大质量限制的仅适度快速动力学。用于在波长可调谐VCL中改变激光腔的光学路径长度的特定机构会对激光器的波长调谐能力的上限施加限制。
不同操作波长需要激光腔中的不同增益材料。潜在的增益材料包括但不限于：InGaAs、 AlInGaP、AlInGaAs、InGaAsP、InGaP、InP、AlGaAs和GaAs。将在约800至870nm范围内使用GaAs量子阱，在约730至800nm范围内使用AlGaAs阱，在约600至730nm范围内使用AlInGaP和InGaP，并且在约800至900nm范围内将InGaAsP或AlInGaAs用作另选材料。可在1310nm左右使用InP，并且可在1050nm左右使用InGaAs。并入到波长可调谐VCL 中的特定增益材料和对所述材料的处理会对激光器的波长调谐能力的上限施加限制。
可对VCL进行光学泵浦，如V.Jayaraman、J.Jiang、H.Li、P.Heim、G.Cole、B.Potsaid、 J.G.Fujimoto、A.Cable的论文“OCT imaging up to 760kHz axial scanrate using single-mode 1310nm MEMS-tunable VCSELs with>100nm tuning range”(CLEO:2011-Laser Appl.to Photonic Appl.，p.PDPB2，(2011年))中所描述。波长可调谐VCL的光学泵浦可生成相对较宽的波长调谐范围，如V.Jayaraman、G.D.Cole、M.Robertson、A.Uddin、A.Cable的论文“High-sweep-rate 1310nm MEMS-VCSEL with 150nm continuoustuning range”(Electronics Letters，第48卷，第14期，第867至869页(2012年))中所描述。还可对VCL进行电学泵浦，如D.D.John、C.Burgner、B.Potsaid、M.Robertson、B.Lee、W.Choi、A.Cable、J.G. Fujimoto和V.Jayaraman的论文“Wideband Electrically-Pumped1050nm MEMS-Tunable VCSEL for Ophthalmic Imaging”(Lightwave Technology,Journal of，第99期，第1页)中所描述。由于腔内电流扩散层的厚度，电学泵浦VCL的调谐范围可受到限制，因为腔体的自由光谱范围被减小。因而，VCL的泵浦机构的选择可产生对激光器的波长调谐能力的上限施加限制的设计特征。
VCL激光腔的顶部反射镜可由交替的低折射率和高折射率沉积材料(诸如SiO2和Ta2O5)组成。还可使用其它沉积材料，包括但不限于由TiO2、HfO2、Nb2O5、Si、Ag、Al、 Au、ZnS、ZnSe、CdF2、A12F3和CdS组成的列表。例如，在包括10个周期的SiO2/Ta2O5 (以约700nm到约1600nm的范围为中心，折射率分别为1.46/2.07)的反射镜的情况下，理论无损反射率可在中心波长的至少10％的范围上超过约99.5％，但对顶部反射镜的可用高反射率范围的限制对激光器的波长调谐能力形成上限。
VCL激光腔的底部反射镜可由交替的GaAs和氧化铝(AlxOy)的四分之一波长层组成。 GaAs/AlxOy反射镜具有大反射率和宽带宽以及少量反射镜周期。在如图7所示从顶部反射镜耦合出光时，用于背部反射镜的反射镜周期的优选数目为六个或七个周期，从而形成大于 99.9％的理论无损反射率。这个反射镜的其它具体实施可使用AlGaAs/AlxOy，其中AlGaAs 的铝含量小于约92％，使得其在AlAs的侧向氧化以形成AlxOy期间不会明显氧化。针对低折射率材料使用AlGaAs来代替GaAs有利于增大低折射率材料的带隙，以使得其在激射波长处或在激光器被光学泵浦的情况下在泵浦波长处不具吸收性。另外，对底部反射镜的可用高反射率范围的限制最终对激光器的波长调谐能力造成上限。
仅VCL的输出功率可能不足以满足给定应用。光学放大器可用于放大来自VCL的光发射以生成较高功率波长发射。适合于放大VCL输出的常见光学放大器是半导体光学放大器 (SOA)、助推光学放大器(BOA)、掺杂光纤光学放大器和其它放大器。放大器的增益性能与波长的关系取决于特定增益材料、增益材料的处理、增益材料的操作条件和增益材料的泵浦条件。并入到放大器中的增益材料和对增益材料的处理对放大器的可用波长范围施加限制和上限。
当VCL输出发射由光学放大器放大时，来自光学放大器的输出发射是来自放大器中的增益材料的经过放大的调谐发射和经过放大的自发发射(ASE)的组合。尽管经过放大的调谐发射是窄波长频带并且作用于仪器的有用信号，但ASE向测量引入噪声。另外，在对样本上所允许的总曝光度水平存在限制的应用中，正如对人类、动物和光敏感样本进行OCT成像的情况，ASE计入总曝光度，但不贡献有用信号。这大大降低了调谐发射的允许曝光度并且使仪器灵敏度或性能降级。通过VCL和光学放大器系统的恰当设计，可在存在充足光学放大器增益的波长上将ASE与调谐发射的比率控制到相对较小水平。然而，在光学放大器的增益较低的波长上，可增大ASE与调谐发射的比率，从而最终对放大器的可用波长范围施加限制和上限。
当使用光学放大器放大VCL的输出发射时，能够调整作为时间或扫描波长的函数的光学放大器的增益可为有利的。例如，连接到BOA的可编程电流驱动器可调整流向BOA的电流以产生作为波长或时间的函数的适当增益，从而有利地成形输出发射光谱。在OCT中，可使得OCT条纹的包络的形状类似于变迹(apodization)窗口函数(例如，汉恩、汉明、高斯等) 以减少OCT点扩散函数旁瓣。在光谱学中，放大器的光谱输出可以成形为提供相对平坦的发射或成形为突出特定波长的发射。电流驱动器还可用于有效地接通和断开VCL发射以阻断 VCL发射到达样本。
图8A至8D示出从若干VCL和放大器部件获得的实验数据。图8A示出来自具有大约1170nm至1265nm的调谐范围的光学泵浦VCSEL光源的实验数据。图8B示出来自具有大约1240nm至1370nm的调谐范围的光学泵浦VCSEL光源的实验数据。在这两个VCSEL之间存在大约25nm的重叠，并且其一起跨越大约200nm。图8C示出来自具有从大约1180nm 至1280nm的增益的助推光学放大器(BOA)的实验数据。图8C示出来自具有从大约1220nm 至1380nm的增益的BOA的实验数据。这些VCSEL和BOA可以串联或级联以实现比单独使用的单个装置更大的波长调谐范围。
图9A示出针对MEMS可调谐VCSEL实验测试的若干不同MEMS致动器设计的频率响应。通过改变附接到活动的顶部反射镜的致动器板直径以及支撑所述板的支柱的宽度和数目，可获得MEMS致动器的不同频率响应。对于所示出的设计，具有30微米的较小板直径的致动器在300kHz左右的结构的主机械谐振频率附近呈现频率响应的大峰。增大板直径会增大致动器的阻尼，这加宽了谐振峰并且允许以较宽范围的扫描频率驱动MEMS致动器并使用定制波形来控制扫描轨迹，如美国专利申请US 20140028997 Al“Agile Imaging System”中所描述。然而，当在远离机械谐振的频率处驱动MEMS可调谐VCSEL时，致动器扫描轨迹仍在谐振频率处呈现振荡。另外，存在高阶机械谐振模式。例如，图9B示出30um板设计的有限元分析(FEA)的结果，其中示出具有1.6MHz谐振频率的第6机械振动模式。存在其它低阶模式(未示出)，但此处所示的第6模式特别让人感兴趣，因为其在谐振期间在光学路径长度中生成变化，这在1.6MHz处在波长轨迹中造成相关联变化。由于影响激光腔的光学路径长度的主谐振模式和高阶模式的结果，在远离机械谐振频率操作MEMS可调谐VCSEL时存在扫描间变化。在MEMS致动器设计中，在扫描间稳定性与生成差异扫描轨迹的灵活性之间存在权衡。增大MEMS致动器的谐振峰(或品质因数或Q)以及在谐振处操作MEMS可调谐VCSEL会减小扫描间变化，但以扫描轨迹灵活性为代价。减小MEMS致动器的谐振峰以及远离谐振操作MEMS可调谐VCSEL会增大仪器以不同扫描重复频率、以不同速度、在不同扫描范围上以及在不同扫描轨迹上进行操作的潜在灵活性，但代价是增大了扫描间变化。当试图组合多个波长扫描VCL光源的扫描时，扫描间变化会造成特定挑战。
VCL，并且更具体地说，VCSEL是具有实现或改善仪器能力和性能的属性的独特光源。 VCL具有几微米量级的短腔体长度，能够使用真正单个纵向激光模式来提供快速且灵活的调谐。然而，由于上述与激光增益材料、反射镜设计、致动器性能、激光器几何形状和放大器性能的限制相关的原因，给定设计的扫描带宽受到限制。另外，被优化为以不同扫描重复频率、以不同速度、在不同扫描范围上并且在不同扫描轨迹上进行操作的MEMS可调谐VCSEL 设计中所固有的扫描间变化表现出显著的扫描间变化，其在每个扫描的开始波长、波数或干涉图相位中产生不确定性。已经针对低Q因数进行优化以便支持扫描轨迹灵活性的MEMS 可调谐VCSEL的扫描间变化显著大于先前所描述的非VCL激光器技术的扫描间变化。因此，对于受益于光谱带宽增大的应用，需要使用多个扫频光源，并且需要有效地管理特定波长扫描VCL设计中所固有的显著扫描间变化和扫描不确定性。
从多个VCL生成光
图10A至10D示出在仪器应用中使用两个VCL光源的基本概念。在图10A中，来自VCL光源1的光和来自VCL光源2的光被引导到光纤耦合器。光纤耦合器分离来自每个VCL光源的光。光纤耦合器将来自每个VCL光源的光的第一部分引导到仪器路径，并且将另一部分引导到用于监视、诊断和辅助功能的任选路径。监视、诊断和辅助功能可包括以下任一者、任何组合或全部：波长监视、功率监视、光学触发信号生成、光学k时钟生成、参考信号生成以及其它监视、诊断或辅助功能。通过使用适当时序接通和断开VCL光源1和VCL光源 2，可使来自每个VCL光源的波长扫描交错，如图10B所示。来自VCL光源2的扫描的一部分与来自VCL光源1的扫描的一部分重叠，如图10B和10C所示。图10C示出扫描轨迹与时间的关系(这个曲线图示出调谐机构的扫描轨迹，但可在任何时间从激光器发射或不发射光)。仪器中的数据采集系统检测来自两个扫描的光并且恰当地组合所述两个信号以生成具有延伸波长含量的信号。图10D中示出使用OCT仪器的示例性实例。图10D(顶部)中示出从VCL光源1生成的OCT条纹。图10D(中部)中示出从VLC光源2生成的OCT条纹。在这个实例中，在VCL光源1与VCL光源2之间存在光谱重叠，使得OCT信号在朝向条纹中心(由垂直线指示)的波长含量中重叠。可通过恰当地选择并合并来自两个OCT条纹的数据来生成单个组合的OCT条纹，图10D(底部)中所示。在这两个条纹的边界处，组合的数据关于波长、波数和干涉图相位恰当地对齐。另外，组合条纹含有来自VCL光源1和VCL 光源2两者的光谱数据，使得组合条纹的波长跨度大于个别考虑的VCL光源1或VCL光源 2的波长跨度。
仅VCL的光功率输出对于许多应用来说是不够的。图11A至11D示出用于组合多个VCL 与光学放大器以在波长扫描中生成较高输出功率的不同配置。可在光学放大器的光学带宽足够宽来支持各个VLC中的每一者的波长范围的应用中使用单个光学放大器。使用单个光学放大器的示例性实施方案包括1050nm扫频光源，其中VCL是具有大约60nm光学带宽的 eVCSEL并且BOA是支持大约100nm光学带宽的双态设计。两个VCL和一个BOA可以如图11A所示配置。将来自VCL 1的光和来自VCL 2的光引导到光纤耦合器。光纤耦合器将来自每个VCL 1105、1110的光的一部分引导到监视、诊断和辅助功能路径。将光的另一部分引导到放大路径。放大路径包括光学隔离器1115和助推光学放大器(BOA)1120。偏振控制器还可用于将进入BOA的光的偏振状态与BOA的优选偏振轴线对齐。还可使用偏振维持光纤来控制偏振状态。可根据各个VCL的相对输出功率选择光纤耦合器的耦合比率以将每个扫描的大致相等输出功率提供给仪器。由于VCL 1和VCL 2的输出功率经常为相似的，所以大约 50:50的耦合比率最适合于该实施方案。尽管这个实例示出BOA作为光学放大器，但可使用任何合适光学放大器来代替BOA或与BOA一起使用。一般来说，VCL光源可包括VCL，或者可包括VCL和光学放大器。VCL和光学放大器可集成或不集成。
光学放大器具有充足增益所在的光学带宽经常受到限制。本发明的一个实施方案包括多个光学放大器，这些光学放大器的增益与波长响应关系不同。使用多个光学放大器的示例性实施方案包括具有大约1220nm和1310nm的中心波长的两个光学泵浦VCSEL以及具有大约1220nm和1310nm的中心波长的两个BOA，如图8所示。如图11B所示，两个VCL 1125 和两个BOA 1130可以组合。来自VCL1的光被引导到光学隔离器并且由BOA 1放大。来自 VCL 2的光被引导到光学隔离器并且由BOA 2放大。BOA 1和BOA 2的输出被引导到光纤耦合器。光纤耦合器将来自BOA 1和BOA2中的每一者的光的一部分引导到监视、诊断和辅助功能路径。光的另一部分被引导到仪器路径。可在任何不同配置中使用其它波长VCL和BOA。
图11A和图11B所示的实施方案使用光纤耦合器来组合来自VCL 1和VCL 2的光。选择光纤耦合器的分光比以向仪器提供近似匹配的输出功率。由于VCL 1和VCL 2通常产生相似输出功率，所以光纤耦合器的分光比通常选择为大约50:50。监视、诊断和辅助功能的功率要求非常低，并且在一些应用中，50:50耦合器使调谐发射的使用低效。
图11C示出单个光学放大器实施方案，其中将来自VCL 1的光引导到具有80:20分光比的光纤耦合器。所述光的20％部分被引导到监视、诊断和辅助功能路径。所述光的80％部分被引导到光学开关。来自VCL 2的光被引导到具有80:20分光比的耦合器。所述光的20％部分被引导到监视、诊断和辅助功能路径。所述光的80％部分被引导到光学开关。光学开关的输出被引导到包括光学隔离器和光学放大器的放大路径。光学开关在来自VCL 1和VCL 2的光之间进行选择。由于光学开关的低插入损耗，来自80:20耦合器和光学开关的组合损耗小于50:50耦合器的插入损耗。为了使从每个VCL到光学放大器的前向传输达到最大，同时向监视、诊断和辅助功能路径供应足够功率的目标，其它光纤耦合器分光比也是可能的。图11D 示出包括多个光学放大器的本发明的一个实施方案。来自VCL 1的光被引导到具有90:10分光比的光纤耦合器。来自VCL 1的光的10％部分被引导到监视、诊断和辅助功能路径。来自 VCL 1的光的90％部分被引导到包括光学隔离器和BOA 1的放大路径。来自BOA 1的光被引导到光学开关。来自VCL 2的光被引导到具有90:10分光比的光纤耦合器。来自VCL 2的光的10％部分被引导到监视、诊断和辅助功能路径。来自VCL 2的光的90％部分被引导到包括光学隔离器和BOA 2的放大路径。来自BOA 2的光被引导到光学开关。光学开关在来自 BOA 1和BOA 2的光之间进行选择。图11C和11D所示的实施方案具有优于图11A和11B 所示的实施方案的功能优点，因为VCL 1和VCL 2两者可连续地生成光并且不必被接通和断开，这是因为光学开关有效地阻断来自取消选择的VCL光源的光。图11A和11B所示的实施方案具有不需要光学开关的优点，这可改善光源的可靠性。虽然已经在图11中针对实例示出了光纤耦合器，但可适当地使用块体光学部件、微加工部件、光纤部件、光子集成电路(PIC) 装置、平面光波回路(PLC)装置和其它分束部件。
图12示出双VCL扫频光源的实际具体实施的示意图。微控制器(STMicroelectronics STM32F407IGT6)连接到4通道任意波形生成(AWG)芯片(模拟装置AD9106)。高压(HV) 电源连接到可调节DC偏压生成器，即DC偏压1和DC偏压2，其可由微控制器控制以生成可编程DC输出电压。AWG芯片的通道2和3通过合适的电路连接到变压器以向eVCSEL 1 和eVCSEL 2的MEMS致动器生成驱动信号的AC分量。分别针对每个eVCSEL 1205、1210，每个变压器的一端连接到MEMS致动器，并且变压器的另一端通过合适的电路连接到DC偏压生成器。AWG的通道1连接到可编程电流驱动器，其控制BOA 1215的增益以生成任意增益分布图对时间的关系，并且可用于协同扫描接通和断开BOA。AWG的通道4连接到eVCSEL选择电路。当输出电压为零时，不对eVCSEL通电。当通道4的输出为正且高于阈值电压时，则以恒定电流对eVCSEL 1通电。当通道4的输出为负且低于阈值电压时，则以恒定电流对eVCSEL 2通电。在VCSEL选择电路内对通道4的输出进行整流以提供连接到数字转换器子系统的触发输入的扫描触发信号。扫描触发可任选地具有不同持续时间来编码所述扫描，使得数字转换器子系统可区分来自eVCSEL 1和eVCSEL 2的数据。光纤耦合器分离来自eVCSEL 1和eVCSEL 2的光。来自光纤耦合器的光的一部分被引导到光学k时钟、波长监视、诊断和参考信号生成器。光的另一部分被引导到光学隔离器和BOA。图12示出仅一个示例性具体实施，对于其还可能做出芯片、设计和具体实施以及架构的其它选择。
合并多个所检测到的光信号的挑战
使用两个或更多个扫频光源来增大扫描范围的光学仪器的性能通常对两个构成信号的接合点处的波长、波数或相位对齐的质量非常敏感。作为实例，图13A至13F示出在1050nm 左右的两个扫频光源操作之间的波长(波数或相位)对齐的影响。方程式1用于生成从990nm 扫描到1044nm的第一扫频光源和从1041nm扫描到1100nm的第二扫频光源的OCT条纹。向条纹添加背景分量以模拟在OCT仪器的平衡检测器之前的光纤耦合器中的波长相依分光比的影响。模拟固定图案反射和三个样本反射。所述模拟还假设实施光学k计时，使得A/D 转换器以相等波数(k)间隔进行数字化。由于在第一扫频光源与第二扫频光源之间共享k时钟生成器，则发生数字化的波长(或波数)在两个扫频光源重叠的光谱区上为相同的。然而，由于FPGA、触发器和光学k时钟之间的异步时钟和时序，在每个采集的开始波数中存在至少一个样本不确定性。针对第一扫描激光器的采集假设一个样本的不确定性，并且针对第二扫描激光器的采集假设一个样本的不确定性。模拟总共300个OCT条纹，其中向每个单独的扫描施加零个或一个样本的随机样本抖动。图13A和13B示出直接组合两个扫描所得的OCT 数据，其中图13A示出所有A型扫描对以任意单位的深度的曲线图，并且图13B示出OCT 横断面图像或B型扫描。所得图像示出A型扫描中的相当大的宽带和高强度伪影，其中在两个扫描之间存在相位失配。还存在固定图案伪影和低频伪影，其中存在不恰当的背景减除。可通过恰当地波长、波数或干涉图相位对齐第二扫描与第一扫描的数据来改善图像质量。图 13C示出在必要之处通过一个样本移位来调整第二扫描中的数据以恰当地对齐所述扫描的相位之后获得的所得OCT数据，并且图13D示出所得OCT横断面图像。图13B中所观测到的宽带和高强度伪影已被移除。然而，低频伪影和固定图案伪影仍可见。执行调整组合条纹以相位匹配背景扫描的最后步骤以生成图13E所示的OCT数据。如图13E和图13F中可见，已经移除低频伪影和固定图案伪影，仅展现预期OCT数据。可从图14A至14E所示的结果进一步深入了解在第一扫描与第二扫描之间匹配相位的重要性，这些图示出了改变接合第一扫描和第二扫描所在的位置的影响。在图14A至14E中，假设第一扫描总是与背景扫描数据相位对齐。针对第二扫描模拟一个样本开始波数不确定性。在图14A中，接合所述扫描所在的位置发生在扫描的开始附近，如顶部画面中的箭头所指示。因而，所得OCT数据由第二扫描的开始波数中的一个样本不确定性主导，并且底部画面所示的B型扫描图像中的影响非常类似于在没有相位稳定化的标准单扫频光源数据中所观测到的影响，如图6C和6D所示。随着沿条纹逐渐更远地定位接合所述两个扫描的位置，如图14B至14E所示，伪影的类型和伪影的可见度相应地改变。在图14E的情况下，大部分OCT条纹被恰当地对齐，只有条纹的具有非常小幅值的尾端作用于伪影。因而，对OCT数据和B型扫描横断面图像的影响最小，因为这种情况最接近地表示恰当相位稳定化的数据。图14B至14D的中间位置示出最显著的伪影。在接合所述两个扫描的位置位于条纹长度的3/10处的情况下，图14B示出大背景减除伪影和来自接合所述两个扫描的相位不连续性的某种宽带伪影。在接合所述两个扫描的位置位于条纹长度的1/2处的情况下，图14C示出来自接合所述扫描的相位不连续性的大宽带伪影和背景减除伪影的混合。在接合所述扫描的位置位于条纹长度的7/10处的情况下，图14D示出来自接合所述两个扫描的相位不连续性的大宽带伪影和来自不恰当背景减除的小伪影。实际上，使用多个扫频光源的仪器将最可能包括具有大致相等扫描范围的扫频光源，这产生图14B至14D所示出的场景，图14B至14D示出对扫描对齐的高敏感性。使用多个扫频光源的实际仪器必须以波长、波数和相位对齐的高精确度恰当地接合来自两个或更多个扫描的数据。一般来说，所述仪器不检测扫描的波长、波数或相位，从而阻止两个或更多个扫描之间的恰当相位对齐。本发明解决来自两个或更多个VCL的信号对齐问题。有效地组合两个或更多个单独的激光器的输出的必要设备和方法还可适于使仅使用单个激光器的仪器的输出相位稳定。
本发明的实施方案
图15A示出本发明的一个实施方案的框图。本发明的一个实施方案是一种光学仪器，其包括：第一VCL光源1505，其配置成在第一波长范围上生成调谐发射以生成第一波长扫描；以及第二VCL光源1510，其配置成在第二波长范围上生成调谐发射以生成第二波长扫描。如图15B所示，来自第一VCL(VCL光源1)的调谐发射的一部分被引导到光学系统1515 和样本1520，而所述调谐发射的另一部分被引导到参考信号生成器1525。类似地，如图15C 所示，来自第二VCL(VCL光源2)的调谐发射的一部分被引导到光学系统1515和样本1520，而所述调谐发射的另一部分被引导到参考信号生成器1525。存在许多不同方式来在这两个光路之间分离和分配光，所述方式先前已有描述并且稍后将更详细地描述。出于区分被引导到光学系统和样本的调谐发射与被引导到参考信号生成器的调谐发射的目的，使用术语“样本部分”和“参考部分”。因此，光学系统将第一波长扫描的样本部分和第二波长扫描的样本部分传递到光学系统和样本。来自第一波长扫描的样本部分的精确值可匹配或可不匹配来自第二波长扫描的样本部分的精确值。类似地，来自第一波长扫描的参考部分的精确值可匹配或可不匹配来自第二波长扫描的参考部分的精确值。另外，可存在造成功率损耗的额外功率分离元件和光学元件，使得发射的样本部分和参考部分不是恰好共计为VCL光源的功率输出。在本发明的上下文中，重要的是将任何一个VCL光源的光发射的至少一部分引导到光学系统并且将相同VCL光源的光发射的至少一部分引导到参考信号生成器。所述值和精确部分取决于VCL光源的输出功率、光学拓扑和应用的要求。参考信号生成器接收第一波长扫描的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号并且接收第二波长扫描的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号。样本检测器1530分别检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射和受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射，并且生成用于第一波长扫描的样本信号和用于第二波长扫描的样本信号。数字转换器子系统1535将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据并将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，并且将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据并将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据。对齐处理器1540使用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据并且处理用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据。关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所述输出数字数据。输出数字数据含有第一波长扫描中的信息的至少一部分和第二波长扫描中的信息的至少一部分。在OCT仪器的上下文中，输出数字数据可表示跨越第一VCL光源和第二VCL光源组合的波长范围的连续干涉图。在光谱学系统的上下文中，输出数字数据可表示样本扫描中的吸收、反射或发射与波长之间的关系，其中波长跨越第一VCL光源和第二VCL光源组合的范围。光收集光学器件1545也可包括在所述设备或方法中。在OCT的情况下，光学系统可用于将光或调谐发射引导到样本并且收集来自样本的光或调谐发射。在光谱学的情况下，光学系统可用于将光引导到样本，并且不同的光收集光学器件(称为样本光收集光学系统) 可收集来自样本的光，透射光光谱学和反射光光谱学的特定具体实施将尤其是这种情况。还有可能的是光学系统将光或调谐发射传递到样本并且还收集来自样本的光或调谐发射，反射光光谱学的某些具体实施也将是这种情况。以此方式，光收集光学器件不是本发明的所有实施方案的必要元件。然而，光收集光学器件是本发明的某些实施方案的元件，如使用透射光光谱学的实例来演示。本发明的一个实施方案包括收集受样本影响的第一波长扫描和受样本影响的第二波长扫描的步骤。
这个第一示例性实施方案示出本发明包括第一VCL和第二VCL。本发明的其它实施方案包括第一VCL、第二VCL和第三VCL。本发明的较一般实施方案包括N个VCL。
在本发明的一个实施方案中，第一VCL光源和第二VCL光源中的至少一者包括VCSEL。在本发明的较特定实施方案中，第一VCL光源和第二VCL光源中的至少一者包括MEMS可调谐VCSEL或压电可调谐VCSEL。在本发明的一个实施方案中，第一VCL光源和第二VCL 光源中的至少一者包括光学放大器。在本发明的另一个实施方案中，第一VCL光源和第二 VCL光源中的至少一者产生具有扫描间变化的波长扫描。在本发明的另一个实施方案中，第一VCL光源和第二VCL光源中的至少一者能够以不同操作模式操作，其中所述操作模式在以下至少一者上有所不同：扫描重复频率、扫描波长范围、扫描中心波长和扫描轨迹。在本发明的一个实施方案中，所述光学仪器还包括成像干涉仪，其中所述成像干涉仪包括样本光学路径、参考光学路径和路径干涉元件，并且其中光学仪器执行光学相干断层成像术，并且其中输出数字数据被进一步处理为A型扫描。
路径干涉元件可为光纤耦合器、波导耦合器、块体光学分束器或干涉来自两个不同路径的光的任何其它元件。在本发明的另一个实施方案中，所述光学仪器还包括样本光收集光学系统，其被配置为收集受样本影响的调谐发射的一部分，并且其中所述光学仪器执行光谱学。一种可能合适形式的光谱学是傅立叶变换光谱学。
本发明的一个实施方案是一种用于对齐表示来自样本的光学测量的数字数据的方法，其包括从第一VCL光源的调谐发射生成第一波长扫描并且从第二VCL光源的调谐发射生成第二波长扫描。所述方法包括朝向样本引导第一波长扫描的样本部分和第二波长扫描的样本部分以生成受样本影响的第一波长扫描和受样本影响的第二波长扫描，并且收集受样本影响的第一波长扫描和受样本影响的第二波长扫描。所述方法还包括检测受样本影响的第一波长扫描以生成用于第一波长扫描的样本信号，并且检测受样本影响的第二波长扫描以生成用于第二波长扫描的样本信号。所述方法还包括朝向参考信号生成器引导第一波长扫描和第二波长扫描的参考部分。所述方法包括从第一波长扫描的参考部分生成用于第一波长扫描的参考信号，并且从第二波长扫描的参考部分生成用于第二波长扫描的参考信号。所述方法包括将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一扫描的参考数字数据，并且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二扫描的参考数字数据。所述方法还计算一组对齐参数，其中所述计算使用用于第一扫描的参考数字数据和用于第二扫描的参考数字数据作为输入，接着从用于第一扫描的样本数字数据和用于第二扫描的样本数字数据生成表示所述样本的输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所述输出数字数据，并且其中使用先前所计算出的该组对齐参数作为输入对齐所述输出数字数据。
在本发明的一个实施方案中，所述方法包括使用MEMS致动器或压电致动器调谐第一 VCL光源和第二VCL光源中的至少一者的发射。在本发明的另一个实施方案中，所述方法包括以不同操作模式操作第一VCL光源和第二VCL光源中的至少一者，其中所述操作模式在扫描重复频率、扫描波长范围、扫描中心波长和扫描轨迹中的至少一者上有所不同。在本发明的一个实施方案中，所述方法包括将输出数字数据处理为光学相干断层成像术数据。在本发明的另一个实施方案中，所述方法包括将所述输出数字数据处理为光谱学数据。
本发明不限于总共两个VCL光源。图15D示出本发明的一个实施方案的将光引导到光学系统和参考信号生成器的N个VCL光源。本发明的一个实施方案是一种光学仪器，其包括：一组N个VCL光源，该组N个VCL光源配置成在N个波长范围上生成调谐发射以生成N个波长扫描，其中N是从2到6的数字；光学系统，其配置成将N个波长扫描中的每一者的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收N个波长扫描中的每一者的至少一部分以生成N个参考信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的调谐发射以生成N个样本信号；数字转换器子系统，其配置成将来自N个波长扫描的N个样本信号转换为用于N个波长扫描的样本数字数据并且将用于N个波长扫描的N个参考信号转换为用于N个波长扫描的参考数字数据；以及对齐处理器，其配置成使用用于N个波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于N个波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数或干涉相位对齐所述输出数字数据。
本发明的一个实施方案是一种用于对齐表示来自样本的光学信号的数字数据的方法，其包括：从N个VCL光源的调谐发射生成N个波长扫描，其中N是从2到6的数字；朝向样本引导N个波长扫描的至少一部分，其中N个波长扫描的调谐发射受样本影响；检测受样本影响的N个波长扫描的调谐发射以生成N个样本信号；朝向参考信号生成器引导N个波长扫描的至少一部分；生成N个参考信号，其中针对所述N个波长扫描中的每一者生成一个参考信号；将N个样本信号转换为用于N个波长扫描的样本数字数据；将N个参考信号转换为用于N个波长扫描的参考数字数据；计算一组对齐参数，其中所述计算使用用于N个波长扫描的参考数字数据作为输入；以及从用于N个波长扫描的样本数字数据生成表示样本的输出数字数据，其中使用先前所计算出的该组对齐参数作为输入对齐所述输出数字数据，并且其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所述输出数字数据。
还有可能将本发明的设备和方法应用于对齐来自单个VCL光源或其它波长扫描激光器的多个扫描。图16A示出包括VCL光源1605的本发明的一个实施方案的框图，并且图16B示出包括波长扫描光源1640的本发明的一个实施方案的框图。还示出为在每个框图中布置有：光学系统1610、1645；样本1615、1650；参考信号生成器1620、1655；样本检测器1625、1660；数字转换器子系统1630、1665；对齐处理器1635、1670；以及任选的光收集光学器件。关于干涉相位、波长或波数对齐来自相同VCL光源或其它波长扫描光源的多个扫描对于受益于相位稳定化数据的OCT和光谱学应用很重要。
对齐多个信号
对齐处理器采用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入。从响应于入射光的波长或波数创建输出的参考信号生成器生成参考信号。稍后将描述参考信号生成器的细节，但图17A(顶部)中示出示例性参考信号。这个示例性参考信号比绝对必要的信号更复杂，但其充当响应于入射光的波长生成具有某种复杂性程度的参考信号的滤波器的通用实例。在本发明的一个实施方案中，使用光学k时钟获取用于第一扫描和第二扫描的参考信号并且在所述光谱之间存在重叠。在重叠光谱区中，由于光学k时钟在相等且可重复的波数处生成时钟信号，所以在相同波长或波数处获采样本，而不管扫描轨迹如何。在k时钟干涉仪中存在离散的情况下，波数间距k可偏离等距，但其能够作为波长或波数的函数来重复。可使用相关性或匹配搜索来完成对齐来自第一扫描和第二扫描的信号的任务。图17A(顶部)示出犹如使用跨越VCL1和VCL2组合的的波长范围的单个波长扫描所获取的示例性参考信号。跨越组合波长范围的这个参考信号表示参考信号数据的实际或理想对齐。然而，这个参考信号通常在包括独立进行扫描的两个或更多个VCL的实验设备中无法得到。相反，使用存在光谱重叠的重叠样本获取用于第一波长扫描的第一参考信号(图17A (中部))和用于第二波长扫描的第二参考信号(图17A(底部))。扫描间变化和触发抖动在第一参考信号的末端与第二参考信号的开始之间的恰当对齐(重叠样本数目)中造成不确定性。图17B(顶部)示出第一参考信号和具有-2、-1、0、+1和+2个样本的波数对齐误差的多个可能第二参考信号。图17B(底部)示出光谱重叠区上的放大视图以突出显示-2、-1、0、 +1和+2个样本的波数对齐误差。
当在来自多个光源的数据的时间或空间对齐中存在不确定性时，可使用相关性技术来识别恰当地对齐所述数据的时间、样本或空间校正(称为对齐参数)。用于对齐数据的方法的实例包括自相关、互相关、差值计算、相似度计算和相关技术，所有所述技术均可与本发明一起使用。所述数据可由整数值、实数值、二进制值或存储器中的其它数据存储类型的阵列或向量构成。或者，在搜索上升或下降沿转变的情况下，对齐处理器可在与第一扫描相关联的参考数据中计数从限定采集开始的触发信号开始直到遇到上升或下降沿为止的样本并在与第二扫描相关联的参考数据中计数从触发开始直到遇到上升或下降沿为止的样本，并且使用上升或下降沿的索引来限定波形。可通过计算不同偏移值的索引差值以找出与索引值匹配的最佳偏移来对信号的这种交替存储机制执行对应点匹配。可应用类似度量(诸如SSD)来找出与最佳匹配的偏移。信号的直接比较和计数值的比较均被视为本发明的对应点匹配的一部分。信号处理领域中已知的其它比较信号的相似性的方法也包括在本发明中。在本发明的一个实施方案中，从扫描间变化和触发抖动的特性得知不确定性范围，并且可如下确定用于对齐数据的恰当偏移，即对齐参数。
用于第一波长扫描的第一组参考数字数据
Figure RE-GDA0002554975150000291
含有n1个数据点，并且用于第二波长扫描的第二组参考数字数据
Figure RE-GDA0002554975150000292
含有n2个数据点。由用于第一扫描的参考数字数据的lw个样本构成的数字数据的数据子集或窗口用作模板信号xt。从具有偏移值u的用于第二扫描的参考数字数据提取第二子集或窗口以形成也具有长度lw的比较信号xc(u)。可执行搜索以找出最接近对齐模板信号和比较信号的值u。模板信号与比较信号之间的匹配的质量由度量f(u)限定，所述度量f(u)随较高匹配质量减到最小或达到最大。适用于当前发明的常见度量包括平方差总和 (SSD)和归一化互相关(NCC)以及其它度量。
平方差总和被计算为：
Figure RE-GDA0002554975150000293
归一化互相关被计算为：
Figure RE-GDA0002554975150000301
目标是找出实现模板信号与比较信号之间的最高匹配的偏移值u。可通过穷举搜索或在某个偏移值范围上执行的数值优化来找出u的最佳值。偏移值范围被选择为包括来自扫描间变化和触发信号抖动的最坏情况样本不确定性。图17C示出向示例性数据施加搜索的结果。图17C (顶部)在左侧曲线图中示出模板信号和比较信号并且在右侧曲线图中示出通过从比较信号减去模板信号获得的误差信号。在曲线图的右侧列中还列出偏移值、使用平方差总和所计算得的度量以及使用归一化互相关所计算得的度量值。沿图17C中的曲线图列向下移动，可以看到，随着偏移值增大，SSD的值减小并且NCC的值增大。在偏移值10处，SSD值已经达到最小值并且NCC已经达到最大值，因为比较信号和模板信号被恰当地对齐。在高于偏移值 10时，随着偏移值增大，SSD值开始增大并且NCC值减小。图18A示出SSD度量值和NCC 度量值对样本偏移值的曲线图。恰当地对齐所述数据的偏移值对应于最小SSD值和最大NCC 值，其发生在10个样本点的光学偏移值u*处。
可通过在光谱重叠区中选择合并点、复制或使用直到合并点的来自第一扫描的数据、复制或使用从合并点开始的来自第二扫描的数据并且接着级联所述数据来恰当地组合用于第一波长扫描的数字数据和用于第二波长扫描的数字数据。例如，使用窗口长度lw，选择数据信号
Figure RE-GDA0002554975150000302
和
Figure RE-GDA0002554975150000303
接着将所述数据级联为组合数据阵列，所述恰当对齐的参考数字数据可被生成为
Figure RE-GDA0002554975150000304
图18B中示出这个实例的组合数据阵列的结果，其示出与图17A(顶部)所示的理想信号的恰当对齐和一致。因为参考数字数据和样本数字数据被同时计时并且处于相同波长和波数，所以样本数字数据可被获得为
Figure RE-GDA0002554975150000305
和
Figure RE-GDA0002554975150000306
接着将所述数据级联为恰当对齐的样本数字数据的组合数据阵列，如
Figure RE-GDA0002554975150000307
其中
Figure RE-GDA0002554975150000308
和
Figure RE-GDA0002554975150000309
分别为用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二波长扫描的样本数字数据。在搜索上升或下降沿的情况下，可从针对上升沿和下降沿找到的索引确定u*。
借助模板窗口和比较窗口使用相关性或匹配搜索来匹配信号的基本概念可用于以几种不同方式对齐数据。图18C(顶部)示出第一信号，并且图18C(底部)示出第二信号，其中第一信号和第二信号具有重叠区，在该处它们接合。从第一信号提取或读取模板窗口，并且从第二信号提取或读取比较窗口。执行相关性或匹配搜索以根据所选择的度量找出比较窗口的最佳偏移。最佳偏移值可用于合并第二信号与第一信号以生成在接合点处具有恰当波长、波数或干涉图相位的组合信号。在本发明的一个实施方案中，第一信号和第二信号表示用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据。图18D(顶部)示出完整的并且已经表示恰当波长、波数或干涉图相位对齐的第一信号。图18D(中部)和图18D (底部)示出用于与图18D(顶部)所示的完整信号的第一半部和第二半部相关联的数据的第二信号和第三信号，具有两个信号会合所在的重叠区。从第一信号提取或读取模板窗口。从第二信号以及用于对齐第二信号与第一信号的相关性或匹配搜索的结果提取或读取比较窗口。从第三信号以及用于对齐第三信号与第一信号的相关性或匹配搜索的结果提取或读取比较窗口。因为第二信号和第三信号现在被对齐到第一信号，所以第二信号和第三信号现在也被彼此对齐并且可从第二信号和第三信号创建完整信号。第一信号可为合并两个参考信号的结果，正如应用图18C所示的方法的结果。第二信号可表示用于第一波长扫描的参考数字数据，并且第三信号可表示需要组合的用于第二波长扫描的参考数字数据。例如，对应点匹配可用于恰当地组合来自两个不同VCL光源的两个扫描以产生相位对齐的OCT干涉图或光谱学测量。以此方式进行应用，对应点匹配还使来自相同VCL光源的多个连续扫描相位稳定到第一信号。对应点匹配可恰当地接合来自不同VCL光源的两个扫描，并且其还可用于使多个连续扫描相位稳定以生成相位稳定化的输出数字数据。
在本发明的一个实施方案中，对齐处理器计算来自用于第一波长扫描的参考数字数据的数据子集与来自用于第二波长扫描的参考数字数据的数据子集之间或者从用于第一波长扫描的参考数字数据导出的数据子集与从用于第二波长扫描的参考数字数据导出的数据子集之间的对应点匹配作为用于生成输出数字数据的处理的一部分。从参考数字数据导出的数据是已经被进一步处理的来自A/D转换器的数据。进一步处理可包括在对应点匹配之前执行的所述数据的数据细选、高通滤波、低通滤波或任何其它数学处理。
先前已经描述了使数据相位稳定的优点。本发明的一个实施方案可使用相关联参考数字数据
Figure RE-GDA0002554975150000311
生成来自第一VCL光源的第一扫描
Figure RE-GDA0002554975150000312
并且使用相关联参考数字数据
Figure RE-GDA0002554975150000313
生成来自第二VCL光源的第一扫描
Figure RE-GDA0002554975150000314
所述实施方案可接着使用相关联参考数字数据
Figure RE-GDA0002554975150000315
生成来自相同第一VCL光源的第二扫描
Figure RE-GDA0002554975150000316
并且使用相关联参考数字数据
Figure RE-GDA0002554975150000317
生成来自相同第二VCL 光源的第二扫描
Figure RE-GDA0002554975150000318
可在
Figure RE-GDA0002554975150000319
与
Figure RE-GDA00025549751500003110
之间执行对应点匹配以生成组合扫描和相关联输出数字数据d1。可在
Figure RE-GDA00025549751500003111
与
Figure RE-GDA00025549751500003112
之间执行对应点匹配以生成组合扫描和相关联输出数字数据d2。在这点上，d1和d2在其自己的相应输出数字数据集中被波长、波数或干涉相位对齐。然而，d1和 d2可不相对于彼此相位稳定。可在
Figure RE-GDA00025549751500003113
与
Figure RE-GDA00025549751500003114
之间执行额外对应点匹配以确定所述两个扫描之间的相对波长、波数或干涉相位。可接着使用如针对在第一VCL光源与第二VCL光源之间组合并波长校正波长、波数或干涉相位的情况所描述的相同样本移位或内插方法来调整输出数字数据d2以将d2相位对齐到d1。后续几组输出数字数据(将构成大OCT数据集)可类似地对齐到d2以便生成全部相互波长、波数或干涉相位对齐的输出数字数据集的完整集合，如例如在OCT图像中减少固定图案噪声所需要的。在本发明的一个实施方案中，所述仪器生成第一输出数字数据和第二输出数字数据，其中第一输出数字数据被对齐到第二输出数字数据以使第二输出数字数据相位稳定到第一输出数字数据。
本发明的一个实施方案是一种方法，其包括重复所述步骤以生成第一输出数字数据和第二输出数字数据，并且将第二输出数字数据对齐到第一输出数字数据以生成一组相位稳定化输出数字数据。
本发明的一个实施方案包括参考信号生成器。可在当前发明中使用不同参考信号生成器，如图19所示。在图19A中，参考信号生成器包括法布里-珀罗滤波器或标准具1905以及检测器1910。法布里-珀罗滤波器包括两个平行反射表面。标准具包括具有反射性的两个平行表面的光学衬底。法布里-珀罗滤波器和标准具的操作原理为相似的，并且出于本专利的论述的目的，可互换使用。法布里-珀罗滤波器或标准具的透射T是波长λ的函数，并且可通过根据下式调整镜面反射率R、折射率n、反射镜之间的间距l以及入射束的入射角θ来调谐：
Figure RE-GDA0002554975150000321
其中
Figure RE-GDA0002554975150000322
请注意，项
Figure RE-GDA0002554975150000323
与波数k成比例，可以看到所得透射在波数上为周期性的，使得当以相等 k间隔采样所述透射时，如使用光学k计时实现，所述结果是一系列周期性透射峰，如图19B 所示。如稍后将描述，透射峰的位置可用于恰当地相位对齐OCT条纹数据。本发明的一个实施方案包括参考法布里-珀罗滤波器或标准具以及参考检测器，其中参考法布里-珀罗滤波器或标准具被配置为对调谐发射进行滤波，并且其中经滤波调谐发射被引导到参考检测器以在参考信号生成器中生成参考信号。
本发明的另选实施方案使用包括干涉仪1915和检测器1920的参考信号生成器，如图19C 所示。许多不同干涉仪拓扑为可能的，包括马赫-曾德、迈克尔逊、共用路径和相关联变型。一般来说，所得的条纹相位和振幅是波长的函数，诸如方程式1所描述的函数，并且可通过调整有效条纹深度(zr-zs)来调谐，其中
Figure RE-GDA0002554975150000324
且
Figure RE-GDA0002554975150000325
以考虑光在马赫-曾德干涉仪中单次通过而不是双次通过，其中l1是第一马赫-曾德臂的路径长度并且l2是第二马赫-曾德臂的路径长度。图19D中示出所得参考条纹，其具有线性相位演化的特性，因为光学k计时以相等k间隔采样。如稍后将描述，参考条纹中的峰和谷或过零的位置可用于恰当地相位对齐OCT 条纹数据。本发明的一个实施方案包括参考干涉仪和参考检测器，其中参考干涉仪被配置为干涉调谐发射，并且其中经干涉的调谐发射被引导到参考检测器以在参考信号生成器中生成参考信号。
本发明的另一个另选实施方案使用包括光纤布拉格光栅(FBG)1925和检测器1930的参考信号生成器，如图19E所示。光纤布拉格光栅对于大多数波长具有高透射并且在特定设计波长处具有高反射。作为激光扫描波长的所得信号在图19F中示出，并且由在FBG具有高透射所在的波长区上的高信号区以及在FBG具有高反射所在之处的信号尖谷并且接着再次是在扫描的剩余波长上的高信号构成。如稍后将描述，参考信号中的谷的位置可用于恰当地相位对齐所述OCT条纹数据。还有可能在反射中使用FBG。与光学耦合器或光学循环器组合的FBG可在FBG的波长处生成反射信号，其可使用检测器来检测，如通常所实践。其它光学装置还可在特定或可重复的波长处生成信号，诸如光栅和二极管检测器，其中光束在二极管检测器上方作为波长的函数而平移。布拉格光栅还可以除光纤布拉格光栅之外的形式实施，诸如以玻璃衬底、光子集成电路(PIC)或平面光波回路(PLC)。窄陷波或带通滤波器也可在特定波长处生成信号。本发明的一个实施方案包括参考布拉格光栅或参考光纤布拉格光栅和参考检测器，其中参考布拉格光栅或参考光纤布拉格光栅被配置为对调谐发射进行滤波，并且其中经滤波的调谐发射被引导到参考检测器以在参考信号生成器中生成参考信号。本发明的一个实施方案包括参考陷波滤波器、参考带通滤波器、参考衍射光栅或参考棱镜和参考检测器，其中参考陷波滤波器、参考带通滤波器、参考衍射光栅或参考棱镜被配置为对调谐发射进行滤波，并且其中经滤波的调谐发射被引导到参考检测器(1930)以在参考信号生成器中生成参考信号。
本发明的又一个另选实施方案包括具有反射率作为波长的函数而改变的反射镜1935和两个检测器的参考信号生成器，如图19G所示。光进入参考信号生成器并且被引导到所述反射镜。所述反射镜的反射率随波长改变以在关注波长范围上单调增大或单调减小。此类反射镜设计的两个实例在表1中指定，所述反射镜的反射率在图20A(顶部)中示出。设计1是宽带宽滤波器，并且设计2是陡坡滤波器。如在特定波长处的反射镜的反射率所决定，所述光的一部分从反射镜反射并且被引导到第一检测器A，并且所述光的另一部分透射穿过反射镜并且被引导到第二检测器B。计算来自检测器A和检测器B的信号之间的差值，并且通过来自检测器A和检测器B的信号的总和对其进行归一化。检测器信号的差值的计算可使用包括以差值计算配置使用的运算放大器的模拟电路来完成。来自检测器A和检测器B的信号的总和的计算可使用包括以求和配置使用的运算放大器的模拟电路来完成。(A-B)信号除以 (A+B)信号可通过使用四象限乘法器(诸如模拟装置AD835芯片)或包括对数放大器、差分放大器和反对数放大器的电路来完成。所述计算还可以数字形式执行，其中使用模/数转换器获取信号A和B中的每一者并且以硬件或软件执行数学运算。图19H示出检测器A和检测器B的信号与波长的关系。传感器自身输出信号S。因为传感器信号由总信号归一化，所以传感器输出是波长的函数并且不依赖于输入功率。可使用查找表和内插法来将传感器信号S 转换为波长，如λ＝f(S)。图19I示出作为A/D样本数目的函数的解码波长的实例，计算为：
Figure RE-GDA0002554975150000341
表1 1050nm滤波器设计
Figure RE-GDA0002554975150000342
可在850nm、1050nm、1310nm、1550nm或所需要的任何其它波长处设计不同滤波器，如滤波器设计领域中所已知。如所描述的滤波器和设备充当参考波长计。其它波长计具体实施也是可能的。本发明的一个实施方案包括参考波长计和参考检测器，其中参考波长计接收调谐发射，并且参考检测器被配置为在参考信号生成器中生成作为调谐发射波长的函数的参考信号。
本发明的一个实施方案可使用许多不同参考信号生成器中的任一者。来自参考生成器的信号以某种方式编码扫描的绝对或相对相位、波长或波数，使得使用多个扫描获得的仪器信号数据可以在扫描之间具有相位、波数或波长匹配的情况下恰当地组合。本发明的一个实施方案是一种方法，其包括将第一波长扫描和第二波长扫描的参考部分引导穿过参考信号生成器中的以下至少一者：法布里-珀罗滤波器、干涉仪、布拉格光栅、光纤布拉格光栅、参考陷波或带通滤波器、衍射光栅、棱镜、滤波器和波长计。本发明的另一个实施方案包括配置成生成N个参考信号的参考信号生成器中的以下至少一者：法布里-珀罗滤波器、干涉仪、布拉格光栅、光纤布拉格光栅、参考陷波滤波器、衍射光栅、棱镜、滤波器、标准具和波长计。
如下描述本发明的较特定实施方案。所述论述以使用两个采集通道以及光学k时钟的实施方案的描述来开始。然而，请注意，在使用光学k时钟的双通道实施方案的上下文中教示的许多基本概念在适当之处扩展到具有不同数目的通道并且使用内部计时的实施方案，包括高通滤波以及与所描述的各种参考信号生成器及对其信号的处理相关的规范和方法。
具有光学k时钟的双通道采集
图21示出使用两个数据采集通道和光学k时钟的OCT系统的示意图。实际上，光学k时钟可在多VCSEL光源外部或为相同单元的一部分，OEM产品可能也是这种情况。本发明的一个实施方案是一种方法，其包括将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一扫描的样本数字数据的步骤，其中在样本点之间具有基本上相等的波数间距。来自多激光器扫频光源2105的光由第一光纤耦合器2110分路。所述光的大部分被引导到OCT干涉仪2120，而光的另一部分被引导到第二光纤耦合器2115。来自第二光纤耦合器的所述光的一部分被引导到参考信号生成器2130，并且另一部分被引导到光学k时钟系统2135。光纤耦合器的分光比被选择为使去往OCT系统的功率达到最大，同时仍向参考信号生成器和k时钟供应足够功率用于功能性。用于第一耦合器的大约80:20至90:10和用于第二耦合器的50:50的值将为典型的。耦合器分光比的精确选择取决于特定OCT成像应用。A/D转换器的两个通道与在电k时钟信号的上升转变或下降转变或者上升和下降转变两者上发生的数据采集同时地采样。A/D 转换器的通道1采样来自OCT检测器的数据。A/D转换器的通道2采样来自参考信号生成器的数据。来自多激光器扫频光源的电线触发同步信号在上升或下降沿转变上开始数字转换器子系统2140的采集，并且在时间上与第一激光器的扫描的开始大致对齐。数字转换器子系统获取足以捕获来自第一扫描激光器的OCT干涉图的预定数目的样本。第二电线触发上升或下降沿转变在时间上与第二激光器的扫描的开始大致对齐。数字转换器子系统获取足以捕获来自第二扫描激光器的OCT条纹的预定数目的样本。从参考信号生成器同时获得的数据用于恰当地对齐并组合来自第一扫描的条纹数据和来自第二扫描的条纹数据以生成跨越第一激光器和第二激光器的波长范围并且连续并关于波长、波数或干涉图相位恰当地对齐的组合数据集。
本发明的一个实施方案是一种OCT仪器，其在参考信号生成器中包括法布里-珀罗滤波器，如图19A所示。所述OCT仪器还包括光学k时钟生成器，如图21所示。
使用示例性成像场景示出本发明的一个实施方案的功能。作为单个镜面反射的OCT样本生成用于第一扫描(在图22A(顶部)中标记为“Ch 1信号”和“扫描1”)以及第二扫描(在图22A(顶部)中标记为“Ch 1”和“扫描2”)的OCT条纹。这两个信号由数字化系统的通道1检测。实际上，样本将不是反射镜，而是待成像或测量的对象或样品。数字转换器子系统的第二通道(通道2)同时采样来自法布里-珀罗滤波器的信号以生成图22A(底部)中的用于第一扫描的标记为“Ch 2”和“扫描1”的信号以及用于第二扫描的标记为“Ch 2”和“扫描2”的信号。在这个模拟中，法布里-珀罗滤波器的光学路径长度是105微米，并且对于每个反射镜，反射率是0.5。第一扫描跨越990nm至1044nm的波长范围，并且第二扫描跨越 1041nm至1100nm的波长范围，所以所述两个扫描之间存在3nm重叠，其在OCT条纹和法布里-珀罗信号两者中检测到。由于VCL中的可能扫描间变化和归因于光学k时钟生成器与数字化系统之间的异步时钟的扫描的开始波长(或波数)的不确定性，无法知道所获取的扫描数据的开始波长(或波数)并且数字化数据遭受抖动。然而，扫描间变化和异步时钟抖动的影响受到约束并且实际上仅产生几个样本的开始波长(或波数)不确定性。样本抖动的绝对数目通常在-1至1或-50至50个样本之间，其取决于特定VCL设计、数据采集设计和操作条件。因此，有必要确定恰当地对齐第二扫描与第一扫描的样本移位。因为OCT扫描和法布里-珀罗信号的波长和波数固有地通过A/D转换器的两个通道的同步采样来耦合，所以能够确定法布里-珀罗信号(或其它参考信号生成器)中的适当移位并且向OCT信号数据施加相同移位以实现恰当的数据对齐。可向法布里-珀罗数据施加搜索和对应点匹配，如图22B所示。在这个实例中，两个扫描之间的重叠较大，并且样本抖动被假定为小于50个样本，从而设置将需要的搜索的大小。由从第一扫描的末端提取的20个样本窗口构成的参考信号用作匹配模板，如图22B的顶部行中所示。由从第二扫描的开始提取的20个样本窗口构成的比较信号用于与模板进行比较。比较信号的开始样本由限定比较窗口的第一样本的偏移值确定。这个偏移值是出于恰当地对齐所述数据的目的必须计算的对齐参数。所述对齐参数通常为关于相位、波长或波数限定数据的恰当对齐的偏移值。在这个实例中，对齐参数是限定恰当偏移的整数值。对齐参数还可为分数或实数，如稍后实例中将示出，并且对齐参数的数目取决于特定校正方法。
限定度量以量化匹配的质量，使得所述度量的值随匹配接近度改善而减小。在本发明的这个示例性实施方案中，参考信号与比较信号之间的平方差总和(SSD)用作度量。图22B 示出参考信号、比较信号和使用平方差总和的度量值上的不同偏移值的结果。用于对齐所述两个条纹的恰当移位为41个样本。在32个样本的偏移处(图22B的左侧列)，参考信号中的法布里-珀罗透射峰在比较信号中的法布里-珀罗峰之前发生。所得差值信号示出两个输入信号之间的大误差，并且所计算出的度量具有值5.36。在41个样本的偏移处(图22B的中部列)，参考信号和比较信号被对齐，得到无误差以及度量值0。在45个样本的偏移处，参考信号在比较信号之后发生，在差值信号中产生误差以及度量值1.31。图22C示出度量值对偏移值的曲线图。可通过选择对应于度量函数的最小值的偏移来确定所述恰当偏移。图22D示出OCT条纹的曲线图，其中使用“x”标记描绘第一扫描并且使用“o”标记描绘第二扫描，其中第二扫描已经被偏移41个样本。图22D的顶部曲线图示出整个OCT条纹，并且底部曲线图示出最中心样本上的放大视图。第一扫描与第二扫描之间的OCT条纹中的样本被完美地对齐，并且可通过选择接合样本并且包括所述第一扫描直到在接合样本之前的样本并在接合样本处开始第二扫描来构造组合扫描。接合样本可被选择为任何样本，其中在第一扫描与第二扫描之间存在重叠，但将优选地在样本重叠区的中心附近选择。求重叠区中的数据的平均值也是可能的。在这个实例中，方程式4的方法用于接合所述两个条纹。针对简单地级联所述两个扫描而不管相位对齐(左侧列)以及根据方程式3所描述的方法恰当地相位对齐所述数据(右侧列)的情况，图22E通过描绘条纹(顶部行)和条纹的快速傅立叶变换(FFT)(底部行)来确认所述方法的有效性。在简单地级联所述扫描的情况下，存在相位不连续性并且在傅立叶转变之后的所得PSF展示具有大旁瓣和宽带伪影的降级OCT轴向点扩散函数。在恰当地相位组合数据的情况下，所得的点扩散函数是变换受限的并且与可针对这个数据获得的最佳PSF相同。
对应点匹配的相同方法对使用包括干涉仪、光纤布拉格光栅、陷波或带通滤波器、波长计或其它装置的参考信号生成器的本发明的其它实施方案也有效。在所描述的所有情况下，对应点搜索识别对齐激光器的第一扫描和第二扫描所需要的恰当偏移。
对于包括波长计的本发明的实施方案，波长相依滤波器的透射响应影响所述方法对噪声的稳健性。图20A(顶部)示出具有在表1中指定为设计1的设计的、标记为“宽带宽滤波器”的第一介电反射镜设计和具有在表1中指定为设计2的设计的、标记为“陡坡滤波器”的第二介电反射镜设计的反射率对波长的关系。如使用方程式6所计算出的两个滤波器的传感器输出在图20A(底部)中示出。“陡坡滤波器”设计已经被优化以在两个扫描重叠所在的波长周围提供反射率对波长关系曲线的陡坡。较大陡坡增大了差值信号的变化，从而使得使用陡坡滤波器的实施方案更耐噪声。然而，尽管宽带宽滤波器可用于确定在组合的两个激光器的整个扫描范围上的扫描的波长，但由于信号的非单调性所引入的模糊性而仅可在两个扫描组合所在的波长区附近使用陡坡滤波器。使用陡坡滤波器，用于第一扫描和第二扫描的OCT 条纹在图20B(顶部)中示出，并且波长计传感器信号在图20B(底部)中示出。可通过比较宽带宽滤波器(图20C所示)和陡坡滤波器(图20D所示)的结果来看到差值信号的变化量的改善。如使用SSD所计算出的度量函数值的差值对于陡坡滤波器比对于宽带宽滤波器要大，从而使得陡坡滤波器方法对噪声更具稳健性。
图23A示出本发明的一个实施方案，其包括具有不同路径长度的第一和第二标准具或法布里-珀罗滤波器2305、2310以及第一和第二检测器2315、2320，其每一者分别与对应标准具或法布里-珀罗滤波器2305、2310相关联。电学求和电路2325对检测器的模拟输出求和。图23B示出电学求和信号，其可由与样本数据同时采样的A/D转换器的第二通道获取。在光学k计时的情况下，自动适应扫描速度差异，并且所得参考信号可重复(参考MZI和法布里 -珀罗滤波器也将是这种情况)，从而造成潜在的对齐模糊性。图23A所示的实施方案的优点是参考信号唯一地与波长扫描的不同部分相关联并且随之改变以移除那个潜在模糊性。
图24A示出包括两个标准具或法布里-珀罗滤波器的参考信号生成器的示意图。第一参考标准具或法布里-珀罗滤波器具有与第二标准具不同的长度。来自第一标准具或法布里-珀罗滤波器的光学信号由第一检测器检测。来自第二标准具或法布里-珀罗滤波器的光学信号由第二检测器检测。每个检测器将来自标准具的光学信号转换为电信号。来自第一参考检测器和第二参考检测器的模拟输出被分别引导到第一比较器和第二比较器。比较器将来自检测器的模拟信号与阈值电压进行比较并且在模拟电压高于阈值电压时输出数字输出。比较器可具有滞后作用以帮助减小噪声影响。来自第一比较器和第二比较器的数字输出被引导到逻辑或门或逻辑或电路2405。当对逻辑或门或电路的任一个输入为高时，逻辑或门输出数字高信号。逻辑或门或逻辑的变型(诸如异或(XOR)、NOR、XNOR和其它)也是可能的并且包括在本发明中。请注意，来自图23B的电学求和信号还可通过阈值化来转换为数字信号并且使用数字输入获取。所述标准具或法布里-珀罗滤波器可被光纤耦接。所述标准具或法布里-珀罗滤波器可由块体光学器件构造或者等同于PIC或PLC。在本发明的一个实施方案中，标准具或法布里-珀罗滤波器为薄玻璃板。薄玻璃板的两侧上涂覆有反射性涂层。薄玻璃板被放置在光电检测器之前以使用任选透镜接收准直光束并且光纤传递到光电检测器。本发明的一个实施方案包括：第一标准具或法布里-珀罗滤波器，其被配置为对调谐发射进行滤波；第二标准具或法布里-珀罗滤波器，其被配置为对调谐发射进行滤波并且具有与第一标准具或法布里- 珀罗滤波器不同的光学路径长度；第一参考检测器，其被配置为接收来自第一标准具或法布里-珀罗滤波器的经滤波的调谐发射；以及第二参考检测器，其被配置为接收来自第二标准具或法布里-珀罗滤波器的经滤波的调谐发射，其中使用求和电路或逻辑或电路组合来自第一参考检测器和第二参考检测器的信号以在参考信号生成器中生成参考信号。本发明的另一个实施方案包括：第一标准具或法布里-珀罗滤波器，其被配置为对调谐发射进行滤波；第二标准具或法布里-珀罗滤波器，其被配置为对调谐发射进行滤波并且具有与第一标准具或法布里- 珀罗滤波器不同的光学路径长度；以及参考检测器，其中来自第一和第二标准具或法布里- 珀罗滤波器两者的经滤波的调谐发射被引导到参考检测器的有效区域以在参考信号生成器中生成参考信号。
考虑图24A所示的将光引导到参考信号生成器中的单个VCL光源。第一标准具具有197 微米的光学路径长度，并且第二标准具具有200微米的光学路径长度。标准具的所有表面被涂覆有介电涂层以在至少1000nm至1100nm波长的光谱范围上实现0.9反射率。图24B(顶部)示出分别由第一标准具和第二标准具(标准具1和标准具2)进行滤波的光学信号。选择整个光学标度的0.1阈值电压，如图24B(顶部)中的黑色水平线所指示。如果光学信号高于阈值电压，则相应比较器将输出高数字输出电压。如果光学信号低于阈值电压，则相应比较器将输出低数字电压。比较器可任选地含有用于支持滞后能力的电路。在图24B(中部)中分别针对第一和第二标准具(标准具1和标准具2)示出来自比较器的输出信号。比较器的输出被引导到逻辑或门的输入，所述逻辑或门在所述输入中的任一者或两者为高时输出数字高信号，如图24B(底部)所示。来自逻辑或门的信号具有编码光学扫描的方向和光学扫描的局部波长的优点，因为来自第一和第二标准具的峰的局部间距随波长改变而改变。图23A和24A所示的参考信号生成器可与一个、两个或更多个VCL光源或波长扫描光源一起使用。
图25A至25F示出本发明的一个实施方案所获得的信号，所述实施方案包括两个不同长度的标准具以及分别生成第一扫描和第二扫描的第一VCL和第二VCL。图25A示出第一检测器和第二检测器针对第一扫描所检测到的信号，并且图25B示出第一检测器和第二检测器针对第二扫描所检测到的信号。图25C和图25D分别示出针对第一扫描和第二扫描的在转换为数字信号之后的来自第一检测器和第二检测器的信号。图25E和图25F分别示出针对第一扫描和第二扫描的在逻辑或运算之后的信号。这个实施方案使得能够基于对齐数字信号来对齐来自第一VCL和第二VCL的光。
本发明的不同实施方案包括具有两个标准具的参考信号生成器，如图26A所示。光纤发射光，其通过透镜准直为光束。光束被引导到插入相同光束中的两个标准具2605、2610。第一标准具具有与第二标准具不同的光学长度。第一标准具具有200微米的光学路径长度，并且第二标准具具有197微米的光学路径长度。标准具的所有表面被涂覆有介电涂层以在至少 1000nm至1100nm波长的光谱范围上实现0.9反射率。所述标准具紧靠检测器2615放置以便避免来自两个不同路径的光在穿过标准具之后的干涉。检测器具有在来自两个标准具输出的光之间共享的有效区域2620。检测器测量所述两个标准具的输出的总和并且将模拟信号引导到比较器。图26B(顶部)示出检测器从在一个VCL的扫描上的入射光生成的电信号。检测器将模拟信号引导到比较器。在阈值为0.1的情况下，图26B(底部)中示出所得数字信号。数字信号在增大标准具峰之间的间距的情况下编码标准具信号。因此，可从所述数字数据确定扫描的方向。局部波长可由标准具峰之间的间距确定。
在本发明的一个实施方案中，两个标准具由相同玻璃片制成，类似于图26A所示。玻璃的表面被蚀刻以在蚀刻区中创建较短光学路径长度。玻璃的两侧涂覆有一个或多个反射表面以创建所需的反射率。玻璃被定位为使得蚀刻区与非蚀刻区之间的边缘过渡大致居中于检测器有效表面上。投射主要居中于玻璃的蚀刻区与非蚀刻区之间的边缘过渡的光束也朝向检测器有效表面引导光束。还可以使用两个单独标准具或通过不同蚀刻量来生成不同标准具深度。还有可能将两个光束穿过两个不同标准具投射到相同检测器上。
来自本发明的实施方案(例如，图24至26所示的实施方案)的数字数据可与仪器样本数据同时获取，如稍后将描述并且如图30A至30C所示。使用数字输入获取来自标准具信号的数据可消除第二模/数转换器的成本。然而，还可以使用第二模拟输入来获取来自标准具的数字信号或来自标准具或任何其它参考信号生成器的模拟信号。
例如图23至26所示的实施方案的优点是参考信号唯一地与波长扫描的不同部分相关联。因而，对应点搜索中所使用的参考信号可来自扫描的重叠区或扫描的不重叠部分，从而使得这个方法比(例如)基于纯FBG的方法更灵活。另外，来自扫描的中心(在该处扫描功率最大)的信号比来自扫描的边缘的信号更可靠，从而改善信号数据的可靠性和完整性。图23至 26所示的实施方案的第二优点是参考信号指示扫描的方向性，并且另外，可从参考信号确定扫描的任何区的局部波长。
图27示出实验设置以及以线性化扫描在整个120nm带宽上以30kHz的速率进行VCSEL 扫描所获得的实验数据。图27A示出来自马赫-曾德干涉仪的干涉条纹和使用光电二极管检测器获得的激光器的强度迹线。图27B示出使用光谱分析仪获得的VCL光源的光谱。图27C 示出分别包括第一和第二标准具以及第一和第二检测器的参考信号生成器的实验设置。所述两个标准具具有大约3mm的非常接近的光学路径长度。图27D示出使用法布里-珀罗滤波器来代替标准具构造的等效光学系统的示意图。图28A至28F示出从扫描的开始到结束的来自两个标准具的信号。标准具峰的时间差值或间隔随扫描逐渐增大，使得峰的相对间距可用于确定扫描位置和扫描方向。在本发明的一个实施方案中，计算来自第一标准具或法布里-珀罗滤波器的第一峰与来自第二标准具或法布里-珀罗滤波器的第二峰之间的时间差值或样本差值，并且所述值被用作在所述扫描的任何给定部分处的波长的指示符。所估计的波长可用作任何给定波长扫描的参考信号。
图29示出包括两个标准具或法布里-珀罗滤波器的参考信号生成器的使用可用于波长对齐来自具有光谱间隙的两个VCL光源的数据。顶部两个曲线图示出来自第一和第二标准具的原始信号以及通过阈值化并且向阈值化数据应用逻辑或来获得的信号，如将通过跨越整个光谱的单个VCL所获得。可以看到，逻辑或运算的输出编码波长扫描的位置。中部两个曲线图示出来自第一和第二标准具的原始信号，如将通过跨越光谱的短波长的VCL和跨越光谱的长波长的VCL所获得，其中在其之间具有间隙。底部两个曲线图示出通过阈值化原始数据并且向所述阈值化数据应用逻辑或来获得的信号。编码在输出信号中的唯一签名编码扫描的波长并且允许关于波长、波数或相位对齐所述数据。即使在两个VCL光源或其它波长扫描光源的波长范围之间不存在重叠，仍可执行对齐。这个能力可(例如)对在不同且分离的波长范围上获得样本的OCT数据或对在不同且单独的波长上获得光谱学数据有用，其中其有助于关于干涉相位、波长或波数对齐所述数据。
本发明的实施方案已经被示出为使用A/D转换器来从参考信号生成器获取信号。图30A 和30C示出针对使用数字输入来从参考信号生成器获取信号的实施方案的示意图。图30A示出电学比较器3005。当输入V+处的电压大于V-处的电压时，输出Vo为高。当输入V+处的电压低于V-处的电压时，输出Vo为低。可将参考信号引导到V+并且将阈值电压引导到V-。在通过法布里-珀罗滤波器或标准具生成参考信号的情况下，如图30B(顶部)所示，在图30B 中在第二至第四行中针对0.25V、0.50V和0.75V的阈值信号值示出比较器输出。比较器输出连接到先进先出(FIFO)队列电路上的数字输入3015。用于A/D转换器3010和FIFO的时钟可在内部生成或来自外部源，诸如光学k时钟。A/D转换器和FIFO的时钟被连接以同时获取数据。在每个时钟周期上，FIFO电路计时数字输入的当前值并且将结果保存在FIFO队列中。FIFO队列的值是参考信号的二进制表示，其中每个样本点由单个位表示。在扫描的结尾处，FIFO队列的值由控制器(图30C中的FPGA)读取并且用作用于第一扫描的参考数字数据和用于第二扫描的参考数字数据。或者，可使用具有比扫描少的存储器元件的FIFO并且周期性地将数据从FIFO拉到控制器，如可执行以使高数据速率数字位流匹配于FPGA的较慢时钟速度。许多串行化器/并行化器电路执行这个任务并且可集成到较大芯片(诸如 FPGA)中或为其自己的专用芯片。经常使用并行数据总线从FIFO队列拉出数据以允许对 FIFO或串行化器/并行化器的输入以比FPGA或其它控制器的时钟高的速率或不同的速率计时数据。以之前针对A/D转换器所获取的参考数字数据所描述的相同方式，可对用于第一扫描的1位二进制数字数据表示和用于第二扫描的1位二进制数字数据表示执行对应点匹配搜索。可调整阈值信号的值以影响发生状态转变所在的参考信号电压。有可能的是在光学k时钟状态转变处或附近发生参考信号状态转变，从而造成关于哪些波数发生参考信号状态转变的模糊性。可向上或向下调整阈值电压，直到在光学k时钟转变之间发生参考信号状态转变为止。即使由于噪声或紧靠k时钟转变而在状态中存在模糊性，具有多个转变的参考信号生成器仍可通过对应点搜索来恰当地对齐并且与仅创建一个转变的参考信号生成器相比，展现改善的对噪声的稳健性。本发明的一个实施方案包括比较器和二进制队列或FIFO，其用于采样用于第一扫描的参考信号和用于第二扫描的参考信号。本发明的一个实施方案还包括具有数字输入的电路，其中所述电路被配置为经由数字输入获取用于第一波长扫描的参考信号并将其转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，并且获取用于第二波长扫描的参考信号并将其转换为用于第二波长扫描的参考数字数据。作为法布里-珀罗滤波器的另选方式，可从本专利申请中先前论述的参考信号生成器中的任一者生成参考信号，因为其可类似地被电压阈值化。
第一激光器和第二激光器的输出功率和光谱形状可在两个扫描重叠所在的波长区中不匹配。因此，重要的是相位对齐方法对两个或更多个扫描之间的功率的失配为稳健的。将相位匹配方法应用于使用包括法布里-珀罗滤波器的相位参考生成器的本发明的一个实施方案(其中在第一扫描和第二扫描的输出功率中存在差值)通常对功率失配为稳健的。即使在第一激光器扫描与第二激光器扫描之间在法布里-珀罗透射峰信号的量值中存在失配，通常仍在所述两个扫描被恰当地对齐时获得最小平方误差总和信号。一旦对齐，便可使用数值光谱成形技术来将条纹包络恢复到较合需要的高斯、汉恩、汉明分布图或其它以改善PSF，如稍后部分中将描述。数值光谱成形在OCT和光谱学中为众所周知的。
将相位匹配方法应用于使用包括马赫-曾德干涉仪的相位参考生成器的本发明的一个实施方案(其中在第一扫描和第二扫描的输出功率中存在差值)通常是稳健的。最小度量值与在所述两个扫描之间恰当地匹配相位的偏移值相关联，并且所述数据通常被恰当地对齐，即使对于相对较大的功率失配。
使用包括波长计的相位参考生成器的本发明的一个实施方案对第一激光器与第二激光器之间的功率差异为稳健的。波长计中所固有的功率归一化致使波长计针对相同波长但不同功率的输入光生成相同输出值。最小度量值与在所述两个扫描之间恰当地匹配相位的偏移值相关联。
将相位匹配方法应用于使用包括呈透射模式的光纤布拉格光栅的相位参考生成器的本发明的一个实施方案(其中在第一扫描和第二扫描的输出功率中存在差值)通常为稳健的，但取决于所述两个扫描之间的量值差。对于第一扫描与第二扫描之间的输出功率的小差值，使用包括光纤布拉格光栅的参考生成器的本发明工作以恰当地对齐所述数据。然而，对于第一激光器与第二激光器的输出功率之间的大失配，使用呈透射模式的光纤布拉格光栅的方法未能找到正确偏移值来恰当地相位对齐所述两个扫描。从FBG的宽透射窗口得到的近似恒定 DC信号值创建在不正确偏移值处获得两个信号之间的最小平方差总和(SSD)值的场景。因此，有时优先使用呈反射模式的FBG来消除DC偏移值。
数字转换器子系统可使用DC耦合或AC耦合的A/D转换器。具有DC耦合的A/D转换器输入的示例性数字转换器子系统包括Innovative Integration所出售的X5-400M或AlazarTechnologies,Inc所出售的ATS 9350。DC耦合的A/D转换器保存信号的DC信息，但需要 DC去往高带宽电增益或缓冲级，这经常在放大或缓冲过程期间向信号中引入谐波含量。因此，AC耦合的A/D转换器优选用于高带宽应用，产生较少谐波失真并且使用较少功率。供应AC耦合的A/D转换器输入的示例性数字转换器子系统包括Innovative Integration所出售的X6-GSPS和来自Alazar Technologies的ATS9350。
将信号AC耦合到A/D转换器还可改善相位匹配方法的稳健性。明确地说，考虑在与DC 耦合的A/D转换器一起使用时在第一扫描与第二扫描之间存在大功率差异的情况下，使用包括呈透射模式的FBG的相位参考生成器的方法的尝试失败。包括应用于测量来自FBG的光的检测器的输出的高通滤波器的另选实施方案消除了FBG信号的大DC分量以强调瞬变。包括来自FBG的高通滤波信号的本发明的一个实施方案对第一激光器与第二激光器之间的功率差异为稳健的。
在使用来自法布里-珀罗滤波器和马赫-曾德干涉仪的高通滤波信号时实现类似结果。然而，来自波长计的信号主要是低频率，不含有发生以指示波长、相位或波数的特性瞬变，所以不适合于AC耦合。
可使用模拟部件、使用数字部件或以数字处理执行参考信号的高通滤波。本发明的一个实施方案包括由模拟部件构造的高通滤波器。本发明的另一个实施方案包括使用数字滤波部件实施的高通滤波器。本发明的一个较特定实施方案包括以FPGA、ASIC、DSP、处理器、微控制器或任何其它数字处理单元实施的数字滤波器。本发明的一个实施方案包括具有A/C 耦合输入的A/D转换器以对参考信号进行高通滤波。本发明的另一个实施方案包括具有DC 耦合输入的A/D转换器和模拟高通滤波器以对参考信号进行滤波。本发明的另一个实施方案包括DC耦合的A/D转换器和处理器或其它数字电子电路以对参考信号进行数字滤波。滤波器设计领域中已知的常见数字滤波器具体实施是有限脉冲响应(FIR)和无限脉冲响应(IIR) 滤波器，其两者或任一者可与本发明一起使用。本发明的一个实施方案包括参考高通滤波器 2145，其被配置为对用于第一波长扫描的参考信号和用于第二波长扫描的参考信号进行滤波，或者对用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据进行滤波。本发明的一个实施方案是一种方法，其包括使用高通滤波器对以下至少一者进行滤波：用于第一波长扫描的参考信号、用于第二波长扫描的参考信号、用于第一扫描的参考数字数据和用于第二扫描的参考数字数据。
应当考虑到达参考信号生成器的来自任选光学放大器的ASE的影响。包括法布里-珀罗滤波器、FBG和干涉仪的参考信号生成器受ASE影响最少。图19G的非干涉式波长计有可能受ASE影响，因为在VCL调谐频带外部的任何光学放大器光影响输出信号而可能产生错误测量。这意味着图11A、11C和11D所示的配置优选于图11B所示的配置，因为用于生成参考信号的光是直接从VCL获得的，其基本上是纯调谐光。ASE可为法布里-珀罗滤波器、 FBG和干涉仪配置创建DC偏移，这意味着参考信号或参考数字数据的高通滤波通常是优选的。
所述实例到目前为止已经主要描述了使用光学k时钟信号计时A/D转换器以使得样本发生在相等或可重复的k间隔处的场景(然而，请注意，间隔可在k时钟干涉仪中存在离散的情况下不同于相等间距)。还可以使用固定内部时钟源计时。不论哪种情况，本发明的一个实施方案在数字转换器子系统内包括主要模/数转换器505，其中所述主要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据并将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据。在本发明的一个实施方案中，同时计时主要模/数转换器和数字输入。第二模/数转换器可用于数字化所述参考信号。本发明的一个实施方案在数字转换器子系统中包括次要模/数转换器510，其中所述次要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据并将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据。在本发明的一个实施方案中，同时计时主要模/数转换器和次要模/数转换器。术语“同时计时”是数据采集领域中的常用语言，其用于指示使用共享时钟源计时两个或更多个模/数转换器。时钟源可为分布式或复制式的，并且可能由于电学连接和电子器件中的电学传播时间而存在大约为时钟周期的一小部分的额外小延迟。同时计时有助于针对光学k时钟和固定内部时钟场景两种情况对齐数据。本发明的一个实施方案包括光学k时钟生成器2135，其被配置为计时所述主要模/数转换器。本发明的另一个实施方案包括内部时钟生成器3105，其被配置为计时所述主要模/数转换器。
使用内部时钟的双通道采集
光学k时钟需要高速电子器件、仔细路径长度匹配和精确时序来生成变换限制或近变换限制的OCT点扩散函数。另外，当时钟信号偏离50％占空比或时钟频率改变时，一些A/D 转换器不会恰当地起作用，如在扫描轨迹经常在波数(k)上为非线性的光学k时钟应用中常见。在当k计时不合需要的应用中，诸如当使用高A/D转换速率时或当需要较不复杂的具体实施时，可优选内部A/D时钟。本发明的一个实施方案是一种方法，其包括将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一扫描的样本数字数据的步骤，所述步骤以样本点之间的预定时间间隔间距执行。本发明的一个实施方案使用同时采样的A/D转换器的两个通道，其中时钟源在内部以固定频率或预定频率分布图生成。本发明的一个实施方案包括内部时钟生成器，其中内部时钟生成器计时所述主要模/数转换器。图31示出具有内部时钟3105的示例性系统。光纤耦合器将来自VCL光源的输出功率分离到成像干涉仪、充当相位校准生成器的校准干涉仪和参考信号生成器中。电学触发器将VCL光源连接到数字转换器子系统。图32A至32B 中示出数字转换器子系统3205的示意图和实验具体实施。双通道3210、3215的14位模/数转换器芯片(模拟装置9680)安装在专有载体板(Thorlabs ThorDAQ)上的子板上，所述专有载体板包括FPGA(Xilinx Kintex 7)和PCIe计算机接口数据总线。通过利用Kintex 7上的输入串行化器/并行化器(ISERDES)3225来与模拟数据同时采样数字输入，所述ISERDES 3225充当本发明的数字输入FIFO或二进制队列。数字输入FIFO由与模/数转换器相同的时钟3220计时。内部时钟源用于以500MSPS同时采样来自两个通道的模拟数据和数字数据。在触发信号的每个上升沿转变上获取2048个样本的记录。从主机pc计算机发布软件命令来开始所述采集，此后针对每个通道获取总共1024个顺序记录。例如，记录集合可能表示OCT B型扫描中所含有的数据。电学触发信号用于开始每个记录的采集。在数据采集系统中，常见的做法是出于存储器对齐的原因以16位单位存储和发送数据。针对每个通道使用仅14位模拟数据，剩余位可用于存储数字数据。图33示出如何与模拟数据一起封装数字数据以保存模拟数据与数字采样数据之间的时间同步性。得到两个数据流，一个用于第一模拟输入并且一个用于第二模拟输入。在每个样本点处，在最低14位中编码模拟输入的值，并且在最高位中编码数字输入的值。其它A/D位深度和采样速度也是可能的。图34示出VCL光源、实验光学机构和数字转换器子系统之间的互连和信号。VCL光源包括以100kHz扫描重复频率进行操作的VCSEL。电学触发信号指示扫描的开始。参考信号生成器包括30:70光纤耦合器、波长为1028nm、1047nm和1079nm的三个FBG，以及15MHz带宽放大InGaAs二极管检测器。所述FBG被链接在一起并且使用30:70光纤耦合器以反射模式进行操作，使得在VCSEL 光扫描并且达到并从FBG波长反射进入二极管检测器时发生快速上升沿电信号转变。在这个实验中，FPGA板上的数字输入的3.3V CMOS逻辑电平输入的逻辑电平高阈值充当比较器，在来自InGaAs检测器的模拟电压高于3.3V CMOS逻辑电平高阈值水平时记录高值。
典型的使用场景是获取nsweeps个顺序扫描并且使所有扫描彼此相位稳定或波长对齐。图 35A示出依序获取的在相同波长范围上的来自两个扫描
Figure RE-GDA0002554975150000451
和
Figure RE-GDA0002554975150000452
的原始数据，其被描绘为一个叠在另一个上面，其中数字输入的结果在顶部曲线图中并且模拟输入在底部曲线图中。在第一时间点所获取的第一扫描被示出为实线，并且在第二时间点所获取的第二扫描被示出为虚线。图35B(底部)所示的在1028nm FBG附近的模拟数据的放大视图示出来自参考MZI 的干涉条纹。由于扫描间变化和触发不确定性，来自第一扫描的条纹与来自第二扫描的条纹几乎异相180度，并且单独查看模拟数据并不第二条纹是否应当相对于第一条纹推进或延迟以相位对齐所述数据。在图35C(底部)中针对1047nm FBG并且在图34(底部)针对1079 nm FBG存在类似模糊性情况，其可在相位对齐中被几乎对齐或偏移几乎一个循环或整数多个循环。可通过查看图35B至35D(顶部)所示的数字数据来移除所述模糊性。显然，需要推进(向左移位)第二条纹(虚线)以没有模糊性地恰当地对齐所述数据。实际仪器可能不需要三个FBG，因为在许多情况下，一个FBG将为足够的。从响应于波长扫描生成多个签名特征的标准具、法布里-珀罗滤波器或参考干涉仪导出的多个FBG或信号在对齐数据中提供冗余可能性，这可有助于在所述多个特征匹配的情况下减小由信号中的噪声引起的误差。另外，在实际系统中，需要匹配光纤和电缆长度，使得所有模拟和数字通道的传播时间为相同的。在这个实验中，光纤长度和电缆长度的差异导致通道1(参考MZI或校准干涉仪)比通道2(样本干涉仪)快约4ns。通道之间的传播时间差异在真实系统中为常见的，并且可在数值上进行补偿。执行通道2数据的快速傅立叶变换(FFT)、将合成结果乘以等效于4ns的相位斜坡、接着执行逆FFT并且保留实数分量实现理想的子像素时间移位，如信号处理领域中已知。在通道1和通道2中的数据现在在时间上对齐的情况下，针对第一扫描和第二扫描定位与1049nm FBG相关联的数字数据的上升沿转变。通过从数字数据的上升沿转变向后计数以限定开始索引并且从数字数据的上升沿转变向前计数以限定结束索引来选择来自每个通道 1扫描的数据子集
Figure RE-GDA0002554975150000461
其中i＝1,2,3,…,nsweeps。在上升沿转变之前保留850个样本并且在上升沿转变之后保留1028个样本捕获大部分有用条纹，同时避免由于扫描间变化而在有效数据范围之外编索引的情况。在图36A中示出数据子集选择的结果。使用这个校正步骤，MZI校准条纹的相位在第一扫描与第二扫描之间很好地对齐，并且在1049nm FGB(图36B)的位置处存在小于1个样本点的相位未对齐。将预期相位在FBG的位置处对齐，因为只要MZI不改变路径长度，相位就应当针对重复扫描在相同波长处为相同的，即使扫描轨迹发生改变。微小相位失配最主要是由于异步计时并且被预期。相位在这个实验中大致远离FBG信号对齐 (图36C)，但如果存在扫描间变化，则不一定预期为对齐的，因为相位演化曲线将对于每个扫描为不同的。可对在第一时间点获得的模拟通道1上的条纹执行希尔伯特变换继之以相位解缠以获得作为数据点
Figure RE-GDA0002554975150000462
的函数条纹相位，如信号处理领域中已知的。可确定对应于FBG 信号的上升沿的样本索引位置处的所得相位并且将其保存在变量中以表示第一扫描的FBG 位置处的额定相位，其对于这个实验实例为773.76弧度，如图36D和放大插图中的水平虚线 (标记为p0)所指示。开始相位pstart和结束相位pend还可被确定并选择为跨越尽可能多的条纹，但考虑到扫描间变化，保持在相位限制内，使得预期任何实验扫描至少跨越大于pend-pstart的范围。p0、pstart和pend的值形成绝对范围，在所述绝对范围上将发生条纹重新校准并且其应用于采集(例如，需要相位或波长稳定化的多扫描OCT或光谱学数据集)中的所有扫描。在扫描间变化的情况下，不清楚在哪个相位处所述条纹将针对任何给定扫描开始，并且所述希尔伯特变换与相位解缠可生成相位演化曲线Hi，其比额定相位大或小2π的整数倍。为了针对任何给定扫描对齐相位，可通过从每个样本点添加或减去2π的整数倍来调整相位演化曲线，以便使与p0的值相比的在数字数据的上升沿处的相位的值的差值减到最小。对于任何给定扫描，设irise为数字数据中的上升沿转变的索引且
Figure RE-GDA0002554975150000463
为针对那个给定扫描的相位演化曲线的向量。目标是选择m，使得
Figure RE-GDA0002554975150000464
的值减到最小，接着向向量
Figure RE-GDA0002554975150000465
的每个元素添加值mπ，以生成校正的相位演化曲线
Figure RE-GDA0002554975150000466
在图35D中在放大插图中所示的实例中，可以看到针对第二扫描的相位H2，值m＝0最佳对齐相位数据，因为在数字数据的上升沿的索引处的相位误差非常小。一旦已经移除2π模糊性，便可通过使用信号处理中已知的立方、线性或其它内插方案将条纹内插为在正确相位跨度上成相等k间隔来处理在不同时间点所获取的条纹序列。内插法通常采用已知x值
Figure RE-GDA0002554975150000467
和对应y值
Figure RE-GDA0002554975150000468
的向量以及用于计算内插的已知 x值的向量
Figure RE-GDA0002554975150000469
作为输入，以生成内插y值的向量
Figure RE-GDA00025549751500004610
使得：
Figure RE-GDA0002554975150000471
需要所有扫描跨越具有相同绝对相位的相同相位范围，所以
Figure RE-GDA0002554975150000472
是具有从pstart到pend的所需数目的内插点的向量，这些内插点具有标称相等间距，其将为恒定的并且适用于数据集中的所有扫描。针对数据集中的各个扫描，
Figure RE-GDA0002554975150000473
是相位演化曲线
Figure RE-GDA0002554975150000474
并且
Figure RE-GDA0002554975150000475
是对应于采样数据的通道2数据的子集
Figure RE-GDA0002554975150000476
在对齐在不同时间点获取的跨越相同波长范围的两个条纹的这个实例中，对齐参数是用于内插函数的输入。
对于pstart＝10rad且pend＝1500rad的值，图37A中示出内插条纹的实例。放大画面37B 和37C示出现在在第一时间点(实线)和第二时间点(虚线)处所获取的扫描之间相位对齐 (相位稳定化)所述条纹，如通过条纹数据的紧密相位对齐和几乎完美重叠所观测到。傅立叶变换产生几乎相同的相位稳定化OCT点扩散函数，如图37D所示。本发明的一个实施方案包括单个VCSEL光源、成像干涉仪、校准干涉仪和数字输入，其与模/数转换器同步计时。所述时钟可从光学k时钟或从内部时钟源导出。本发明的一个实施方案是一种光学仪器，其包括：VCL光源，其配置成在波长范围上生成调谐发射以在第一时间点生成第一波长扫描并且在第二时间点生成第二波长扫描；光学系统，其配置成将第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号并且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于第一波长扫描的样本信号并且检测受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射以生成用于第二波长扫描的样本信号；数字转换器子系统，其配置成将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，并且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；以及对齐处理器，其配置成使用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据并处理用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得输出数字数据以使第一波长扫描波长、波数或相位稳定到第二波长扫描。
图38A至38C示出组合跨越不同波长范围并且在扫描之间具有少量重叠的两个不同扫描的实例。扫描在1050nm波长处进行操作的VCSEL，其中将光引导到70:30耦合器，在所述70:30耦合器中所述光的70％前进到第二50:50耦合器，所述第二50:50耦合器将所述光分路到两个干涉仪。第一干涉仪连接到使用以500MSPS采样的内部时钟进行操作的数字转换器子系统的模拟通道1，并且第二干涉仪连接到模拟通道2。光的30％部分被引导到以反射模式使用的处于1049nm的FBG，使得反射光返回行进穿过70:30耦合器到达15MHz放大InGaAs 二极管检测器。实验和VCSEL操作条件与针对图37A至37D所示的数据相同。检测器的输出连接到数字转换器子系统上的数字输入，所述数字输入与两个模拟通道同时采样。如图38A 所示，数字转换器子系统被设置为获取第一扫描(扫描1)和第二扫描(扫描2)，其中针对扫描1保留第一扫描的前860个数据点并且针对扫描2保留最后1038个样本。扫描1在与扫描2不同的扫描期间获取，使得相位在所述两个扫描之间不连续。数字信号的上升沿转变用于对齐扫描1和扫描2，如图38B所示。因为扫描1是从与扫描2不同的物理VCSEL扫描获取的，所以扫描间变化和VCSEL光源与数字转换器子系统之间的异步时钟致使在重叠光谱中扫描2的相位不同于扫描1的相位，如图38B的放大曲线图中看见。设
Figure RE-GDA0002554975150000481
为用于扫描1 的数字数据中的上升沿转变的索引并且
Figure RE-GDA0002554975150000482
为用于扫描2的数字数据中的上升沿转变。针对扫描1和扫描2对校准干涉仪通道(图34中的通道1)执行希尔伯特变换以便分别生成相位演化曲线
Figure RE-GDA0002554975150000483
和
Figure RE-GDA0002554975150000484
可能在应当对齐的位置处在第一扫描的相位与第二扫描的相位之间存在2π倍数的差值，如下对其进行校正。在数字数据上升沿转变的共享位置处的第一扫描与第二扫描之间的相位差值被计算为
Figure RE-GDA0002554975150000485
相位的经过四舍五入的最接近估计被计算为Δpround＝round(Δpjunction/(2π))。相位校正被计算为Δpcorrection＝2πΔpround，并且通过从相位曲线的每个向量元素减去相位校正来将用于第二扫描的新调整相位计算为
Figure RE-GDA0002554975150000486
锚点相位被计算为
Figure RE-GDA0002554975150000487
并且开始相位pstart和结束相位估计pendest被限定为使得针对第一扫描和第二扫描的组合相位，开始相位靠近第一扫描中的有效相位数据的开始并且结束相位估计靠近有效数据的结束。类似于如图 36D所示，开始相位和结束相位估计必须被选择为确保在扫描间变化下，将获得有效相位范围以防止在有效数据之外编索引或内插。可用实验方式量化扫描间变化，并且通过安全因子的统计和应用，可确定安全相位范围。限定用于扫描1的所需内插点的数目nsweep1。每个样本点的内插相位被计算为dps＝(p0-pstart)/nsweep1。为了相对于相位保存样本间距，用于扫描2的内插点的数目被计算为nsweep2＝round((pendest-p0)/dps)，并且用于扫描2的结束相位被计算为pend＝p0+nsweep2dps。在这点上，可执行内插法以生成在波数(k)上为线性并且在两个扫描的边界处相位或波长对齐的样本数据。内插向量可被限定为
Figure RE-GDA0002554975150000488
其为具有nsweep1个样本点的在从pstart到p0的区间上具有标称相等间隔样本点的向量，并且
Figure RE-GDA0002554975150000491
为具有 nsweep2个样本点的在从p0到pend的区间上具有标称相等间隔样本点的向量。记住来自通道1 的相位参考数据用于对齐通道2的样本相关数据，用于内插法的输入数据被定义为：
Figure RE-GDA0002554975150000492
是在通道1上获取的来自扫描1的相位数据的向量，
Figure RE-GDA0002554975150000493
是在通道2上获取的样本数据的向量，
Figure RE-GDA0002554975150000494
是在通道1上获取的来自扫描2的相位数据的向量，并且
Figure RE-GDA0002554975150000495
是在通道2上获取的来自扫描2 的样本数据的向量。用于第一扫描的相位对齐样本数据
Figure RE-GDA0002554975150000496
由方程式7所定义的内插步骤生成为
Figure RE-GDA0002554975150000497
并且用于第二扫描的相位对齐样本数据
Figure RE-GDA0002554975150000498
类似地生成为
Figure RE-GDA0002554975150000499
在这点上，
Figure RE-GDA00025549751500004910
和
Figure RE-GDA00025549751500004911
具有共享样本点，所以完整级联样本数据
Figure RE-GDA00025549751500004912
可通过移除
Figure RE-GDA00025549751500004913
的第一数据点以形成
Figure RE-GDA00025549751500004914
来形成。或者，
Figure RE-GDA00025549751500004915
的最后一个数据点可被移除或求重叠数据的平均值。在对齐跨越不同波长范围的两个条纹的这个实例中，对齐参数是用于内插函数的输入。针对不均匀离散傅立叶变换或不均匀快速傅立叶变换存在等效公式，如信号处理领域中已知，并且也包括在本发明中。
对于具有pstart＝l0rad、pendest＝1500rad且nsweep1＝900的实验，图38C(左侧)中示出被补零20次以示出精细结构的级联条纹的快速傅立叶变换的直接振幅结果，其可被看做为对称且良好成形的OCT点扩散函数(PSF)，指示所执行的相位连续性的质量。大旁瓣是条纹包络的预期结果，如图38A的通道2所示。如OCT领域中众所周知，光谱成形可减小旁瓣而代价是轴向分辨率。向级联条纹施加汉明窗口光谱成形以生成图38C(右侧)所示的PSF。一旦已经确立相位或波长连续性的基本特性，便可视情况施加OCT领域中众所周知的其它改善，诸如样本数据的色散补偿、参考数据的色散补偿、信号传播时间补偿、检测器和电子器件相位或振幅补偿以及其它。
采集系统增强
参看图39A，已经示出本发明的实施方案可用于关于干涉相位、波长或波数对齐来自相同VCL光源或其它波长扫描光源的具有相似或相同波长范围的多个扫描。在第一时间点获取的与第一波长扫描相关联的样本数字数据和在第二时间点获取的与第二波长扫描相关联的样本数字数据可基于用于第一扫描的参考数字数据和用于第二扫描的参考数字数据来对齐。第一波长扫描和第二波长扫描的波长范围将最常见为相同或相似的。使用相似波长范围的动机可为生成相位稳定化OCT数据或允许求光谱学数据的平均值。使用不同波长范围的动机可为将在较长时间周期内获取的高分辨率光谱学测量与在较短时间周期内获取的较低分辨率进行比较。参看图39B，已经示出本发明的实施方案可用于关于干涉相位、波长或波数对齐来自不同VCL光源或其它波长扫描光源的扫描。来自第一VCL光源或波长扫描光源的与第一波长扫描相关联的样本数字数据可基于用于第一扫描的参考数字数据和用于第二扫描的参考数字数据来同与第二VCL光源或波长扫描光源相关联的样本数字数据对齐。第一VCL光源或波长扫描光源和第二VCL光源或波长扫描光源的波长范围和其它扫描特性可为相同的，但经常为不同的。例如，使用具有相似扫描特性的两个不同VCL光源或波长扫描光源的动机可能是为了通过交错扫描来增大扫描重复频率或延长仪器的寿命。使用不同波长范围的动机是为了实现较精细的OCT轴向分辨率或针对光谱学跨越较大光谱。虽然图39A至39B被示出为具有基于法布里-珀罗或标准具的参考信号生成器，但其它参考信号生成器实现相同的基本目标。现在描述对所述基本设备和方法的各种增强。
同与电学触发信号抖动相关联的样本不确定性相比，MEMS可调谐VCSEL的扫描间变化通常是每个扫描的开始波长、波数或干涉图相位的不确定性的较大贡献者。与MEMS致动器驱动波形同步生成电学触发信号，使得MEMS可调谐VCSEL的动态响应，尤其是所述多个谐振频率处的振荡，导致扫描轨迹在扫描间改变。本发明的一个实施方案包括光学波长触发器，如图40所示。光学波长触发器响应于MEMS可调谐VCSEL在特定波长处发射而生成电学触发信号。光学扫描触发器的效果是主要移除发射波长中的大部分不确定性以减小所获取信号中的抖动。不确定性减小是有益的，因为可减小对应点搜索窗口的大小以实现改善的计算效率。在本发明的一个实施方案中，光学扫描触发器是布拉格光栅或光纤布拉格光栅或等效物以及触发检测器。在本发明的另一个实施方案中，光学扫描触发器是法布里-珀罗滤波器、法布里-珀罗标准具或法布里-珀罗干涉仪。在本发明的另一个实施方案中，光学扫描触发器包括光栅和检测器。在本发明的另一个实施方案中，光学扫描触发器包括陷波或带通光学滤波器。在特定或可重复波长处生成信号的任何光学装置可在本发明中用作光学扫描触发器。
图41A示出数字转换器子系统的示意图。在本发明的这个实施方案中，A/D转换器芯片包括2个输入通道。时钟源可为内部的或外部的。FPGA经由数据总线和信号连接来连接到 A/D转换器。FPGA控制A/D转换器并且接收来自A/D转换的数字数据。FPGA可对数字数据进行操作并且可经由数据总线将所述数据传输到主机仪器系统。在数字转换器子系统的许多具体实施中，A/D转换器总是有效的以响应于时钟信号采样并生成数字数据。FPGA监视触发输入信号，并且经由数据总线将数字数据传输到主机仪器或丢弃所述数据。在大多数具体实施中，FPGA丢弃数字数据，直到FPGA检测到触发信号为止。在检测到触发信号后， FPGA即刻开始将数据保存到存储器或经由数据总线将数字数据发送到主机仪器。FPGA针对每个触发事件保存或发送预定数目的样本点并且接着等待下一个触发信号。针对每个触发事件所获取的预定数目的数据点的集合被称为记录。还有可能在FPGA中以先进先出(FIFO)、滚动或循环存储缓冲器配置实施存储缓冲器。存储缓冲器使得能够识别并传输触发前样本，其为紧接在触发事件之前收集到记录中的数据点。紧接在触发事件之后收集到记录中的数据点被称为触发后样本。图41B示出仅包括触发后样本的数据记录(顶部)和包括触发前和触发后样本的数据记录(底部)。获取触发前和触发后样本的能力使得能够有效实施本发明的实施方案。在第一激光器扫描与第二激光器扫描之间的重叠波长中间具有反射波长下降的光纤布拉格光栅连接到触发检测器。触发检测器连接到数字转换器子系统的触发输入。通过将数字转换器子系统配置为响应于触发信号获取预定数目的触发前和触发后样本，可以最小触发抖动获取激光器的第一扫描和第二扫描，如图41C所示。图41C(顶部)示出用于第一扫描和第二扫描的OCT条纹数据。图41C(中部)示出用于第一扫描和第二扫描的光纤布拉格光栅信号。图41C(底部)示出来自图41C(中部)的高通滤波信号。使用光学触发减小了条纹对齐的不确定性，这可减小识别参考信号之间的匹配区所需要的搜索窗口的大小并且改善处理时间。还可与触发前和触发后采集一起使用电学触发器。
在参考信号生成器为MZI的情况下，能够将MZI配置为生成显著大于预期扫描间抖动的条纹周期。图42A(顶部)示出具有不同中心波长但在光谱中重叠的来自第一VCL光源的第一扫描和来自第二VCL光源的第二扫描的模拟。FBG将在反射模式中生成的触发信号或电学触发在图42A(底部)中示出。MZI的光学路径长度已经被设置为使得干涉条纹的周期大于触发信号中的预期抖动。这具有在参考数据相位中消除2π模糊性的可能性的效果，从而简化了设备、方式和方法。在图42B中，J1表示第一扫描的VCL的抖动，P1表示在第一扫描的触发信号处或附近的干涉条纹的周期，J2表示第二扫描的VCL的抖动，并且P2表示在第二扫描的触发信号处或附近的干涉条纹的周期。可以实验方式执行VCL的测量以表征相对于干涉条纹的触发位置的不确定性、所计算出的标准偏差和使用适当安全因子限定的置信区间以确定在所有扫描上的预期最坏情况抖动量值来限定VCL的抖动。如果干涉条纹的相位被设置为大于VCL的抖动，则可消除相位的2π模糊性。可在参考生成器为法布里-珀罗滤波器或标准具的情况下获得类似优点。包括相位校准生成器的实施方案类似地获益。在这些情况下，可减小搜索窗口并且从对齐处理器所执行的处理步骤移除确定对相位的2π倍数校正的步骤。本发明的一个实施方案包括参考干涉仪，其中参考干涉仪生成大于VCL光源或其它波长扫描光源的扫描间抖动的条纹周期。本发明的另一个实施方案包括参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具，其中参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具的透射峰间距大于VCL光源或其它波长扫描光源的扫描间抖动。本发明的另一个实施方案包括干涉仪作为相位校准生成器，其中相位校准生成器生成大于VLC光源或其它波长扫描光源的扫描间抖动的条纹周期。
从数字转换器子系统到主机仪器的数据吞吐量可受数据总线连接约束并且采集大小可受存储器限制约束。图43示出记录大小的最佳选择可如何减小数据传输、数据存储和处理要求。尽管必须分别使用n11和n12个样本收集用于第一扫描和第二扫描的OCT条纹的相关区段的全部，如图43所示，但仅需要从参考信号收集一些数据样本以便执行波长、波数或干涉图相位对应点匹配。在本发明的一个实施方案中，在来自第一扫描的参考信号中获取、处理或传输的样本的数目n21小于在来自第一扫描的信号数据中获取、处理或传输的样本的数目n11。在本发明的另一个实施方案中，在从第二扫描的参考信号获取、处理或传输的样本的数目n22小于从仪器信号获取、处理或传输的样本的数目n12。本发明的一个实施方案在以下情况下进行操作：(a)用于第一波长扫描的样本数字数据中的数据点的数目4305大于在用于第一波长扫描的参考数字数据中收集、处理或传输的数据点的数目4315或(b)用于第二波长扫描的样本数字数据中的数据点的数目4310大于在用于第二波长扫描的参考数字数据中收集、处理或传输的数据点的数目4320或(c)用于第一波长扫描的样本数字数据中的数据点的数目4305 大于在用于第一波长扫描的参考数字数据中收集、处理或传输的数据点的数目4315并且用于第二波长扫描的样本数字数据中的数据点的数目4310大于在用于第二波长扫描的参考数字数据中收集、处理或传输的数据点的数目4320。
许多OCT应用对能够投射到样本上的光的曝光度具有限制。例如，眼科OCT应用经常由限制对眼睛的曝光的许可、批准和规章监管。作为实例，仪器经常遵守美国国家标准协会 (ANSI)的“American National Standard for Safe Use of Lasers”(ANSI Z136.1)所描述的指南。在本发明的一个实施方案中，去往仪器的光被断开，而去往参考信号生成器的光保持接通，以便使对样本的曝光减到最小，同时仍生成可用于对应点匹配的参考信号。图44A示出本发明的一个实施方案的示意图。两个电学泵浦VCSEL(eVCSEL 1和eVCSEL 2)连接到 50:50光纤耦合器。光纤耦合器的一个输出将来自eVCSEL的光引导到监视、诊断和辅助功能子系统。来自监视、诊断和辅助功能子系统的光的一部分被引导到包括法布里-珀罗滤波器和检测器的参考信号生成器。50:50光纤耦合器的另一个输出将来自eVCSEL 1和eVCSEL 2的光引导到隔离器。来自隔离器的光被引导到助推光学放大器。电流驱动器连接到BOA，其控制BOA的增益并且可用于有效地接通和断开BOA发射。可通过对附接到eVCSEL 1和 eVCSEL 2的恒流驱动器通电或断电来接通和断开eVCSEL 1和eVCSEL 2中的每一者。eVCSEL 1和eVCSEL 2的发射状态决定法布里-珀罗滤波器中的光存在和参考信号的持续时间，如图44B(底部)所示。BOA的发射状态决定仪器样本路径中的光存在。在断开eVCSEL 1或eVCSEL 2之前将BOA断开某个时间长度使得能够在对样本没有任何曝光的情况下存在参考信号，如图44B所示。图45A示出如使用光学k计时采样的通过单个镜面反射获得的 OCT条纹(顶部)和参考信号(底部)。图45B示出OCT条纹和参考信号的放大视图，其中可以看到OCT干涉图中的重叠样本数目远远小于参考信号中的重叠样本数目。OCT干涉图中的少量重叠样本与使样本上的曝光度减到最小相关联。与参考条纹相关联的较多样本帮助执行对应点匹配过程。图46中示出时序图，其示出如何可通过切断去往样品的光而仍在参考路径中生成光以使得能够收集足够样本以进行恰当数据对齐来实现减少去往样本的光。
有可能的是第一VCL的功率输出(直接或光学放大)不同于来自第二VCL的功率输出 (直接或光学放大)，从而致使所得的对齐数据具有振幅不连续性。可执行输出数字数据的数值光谱成形的步骤以生成所需功率对波长分布图。还有可能控制去往光学放大器(例如，图 11中的BOA)的电流以便补偿不同VCL输出功率或光学放大器输出功率以生成在来自第一扫描的数据与来自第二扫描的数据的接合位置处具有平滑转变的所需功率对波长分布图。
图47示出可能包括单个VCSEL光源或N个VCL光源和参考信号生成器4720的本发明的一个实施方案。计时干涉仪和时钟框4705集成到光源单元中，但不是必须这样做。光源单元将光输出到成像干涉仪4715和成像检测器。光源还输出用于参考信号、光学k时钟信号和触发信号的电信号。数字转换器子系统接收样本信号、参考信号、光学k时钟信号和触发信号。使用数字转换器子系统的数字输入获取来自参考信号生成器的信号，并且将其用于恰当相位、波长或波数对齐。所述数字输入消除第二模/数转换器的成本。参考信号包括标准具或法布里-珀罗滤波器、FBG，或者本文献中所描述的另选参考信号生成器中的任一者。可使用其它参考信号生成器。在一个实施方案中，本发明用于对齐来自第一VCL和第二VCL的波长扫描。在另一个实施方案中，本发明用于对齐来自第一VCL和第二VCL的波长扫描并且对齐来自两个VCL的顺序波长扫描以使波长组合扫描彼此相位稳定。
图47另选地示出包括单个VCL光源的本发明的一个实施方案。在一个实施方案中，本发明用于对齐来自单个VCL光源或波长扫描光源的顺序波长扫描以使所述波长扫描相位稳定。
已知干涉仪和光学滤波器可对偏振具有敏感性。因此，有可能的是干涉仪针对不同偏振状态具有不同路径长度或者光学滤波器针对不同偏振状态具有不同反射率或透射率，这将在任何两个扫描之间的对齐中生成误差。为了促进来自不同VCL光源或其它波长扫描光源的恰当对齐，将VCL光源或其它相似光源的偏振状态对齐可为有益的。另外，如图47所示，有帮助的是，在VCL光源或其它波长扫描光源之后且在参考信号生成器之前并且有可能还在光学系统或成像干涉仪之前插入偏振选择性光学元件4725、4730以确保相似入射偏振状态。偏振选择性光学元件包括但不限于：薄膜偏振器、线栅偏振器、二向色膜偏振器、偏振分束器、基于晶体的偏振器，以及PIC或PLC装置中的偏振器，或者光学器件领域中已知的其它偏振元件。还可在VCL光源之后使用偏振敏感增益材料或偏振敏感放大器(诸如助推光学放大器 (BOA))以帮助对齐偏振状态。本发明的一个实施方案还包括定位在第一VCL光源和第二 VCL光源之后并且在参考信号生成器或光学系统或两者之前的至少一个偏振选择性元件。
应当认识到，电学触发信号经常不是绝对需要的，因为参考信号生成器可含有关于扫描的时间位置的类似信息。例如，如果参考信号生成器是FBG，则有可能通过使用作用于参考信号的图41A至41C所示的触发前和触发后采集方法来消除物理触发连接。因此，参考信号有效地触发数字转换器子系统并且起作用以稳定化或对齐第一波长扫描和第二波长扫描的干涉相位、波长或波数。数字转换器子系统可处理来自较复杂参考信号的传入参考信号以找出与扫描的某个区相关联的特性匹配或信号时序并且使用触发前和触发后方法来选择含有所述扫描的数据记录。由于电学触发连接不是很昂贵，并且电学触发可减小粗略扫描对齐的计算负担。
图48A至48D示出包括两个以上VCL光源的本发明的不同实施方案的示意图。图48A示出包括N×1光学开关的本发明的一个实施方案。N×1光学开关在来自N个VCL光源的光之间进行选择并且将来自所选择的VCL光源的光引导到仪器。未示出任选的光学放大器、隔离器和用于监视、诊断或辅助功能的光学分接头。图48B示出包括波分多路复用器(WDM) 的本发明的一个实施方案。波分多路复用器可用于组合或分离具有不同波长的光。然而，当在光的两个波长频带之间存在分离时，WDM最佳地进行操作。尽管对来自两个紧密间隔或重叠的光谱的组合光使用WDM并不是最佳的，但可如下在本发明中有效地使用WDM。具有短波长范围的第一VCL光源(VCL光源1)连接到WDM的短波长输入。具有较长波长范围的第二VCL光源(VCL光源2)连接到光纤耦合器的第一输入。具有比VCL光源1或VCL 光源2长的波长范围的第三VCL光源(VCL光源3)连接到WDM的长波长输入。VCL光源1和VCL光源3的波长范围由VCL光源2的波长范围分开，从而有效使用WDM。WDM 的输出连接到光纤耦合器的第二输入。未示出任选的光学放大器、隔离器和用于监视、诊断或辅助功能的光学分接头。图48C示出包括四个VCL光源、两个WDM和光学开关的本发明的一个实施方案。本发明的这个实施方案由于从每个VCL光源到仪器输入的低功率损耗而为合乎需要的。第一VCL光源(VCL光源1)连接到第一WDM的短波长输入。第三VCL 光源(VCL光源3)连接到第一WDM的长波长输入。第二VCL光源(VCL光源2)具有比 VCL光源1长的波长范围，但比VCL光源3短的波长范围，并且连接到第二WDM的第一输入。第四VCL光源(VCL光源4)具有最长的波长范围并且连接到第二WDM的第二输入。第一WDM和第二WDM的输出连接到2×1光学开关。未示出任选的光学放大器、隔离器和用于监视、诊断或辅助功能的光学分接头。图48D示出包括两个VCL光源和一个WDM的本发明的一个实施方案。VLC光源1连接到WDM的一个输入，并且VCL光源2连接到WDM 的另一个输入。
图49A至49D示出本发明的实施方案的不同布置的示意图和曲线图。图49A示出具有与耦合器组合的光学输出的两个VCL光源。所述光的一部分去往仪器，并且所述光的另一部分去往监视、诊断和辅助功能。如图49B所示，两个VCL光源扫描不同但重叠的波长范围。在这个实例中，第一VCL光源扫描813nm至877nm，并且第二VCL光源扫描873nm至937 nm，从而产生4nm重叠。在875nm附近起作用的参考信号生成器生成待用于对齐所述两个扫描中的信息的参考信号。图49C示出具有与WDM和耦合器组合的光学输出的三个VCL 光源。所述光的一部分去往仪器，并且所述光的另一部分去往监视、诊断和辅助功能。如图 49D所示，所述三个VCL光源扫描不同的波长范围，其中在第一VCL光源与第二VCL光源以及第二VCL光源与第三VCL光源的波长范围之间具有重叠。在这个实例中，第一VCL光源扫描773nm至837nm，第二VCL光源扫描833nm至897nm，并且第三VCL光源扫描 893nm至957nm，从而在相邻扫描之间产生4nm重叠。使用先前所描述的方法，在835nm 附近起作用的参考信号生成器生成待用于对齐第一扫描和第二扫描中的信息的参考信号，并且在895nm附近起作用的参考信号生成器生成待用于对齐第二扫描和第三扫描中的信息的参考信号。将执行接合数据的多个步骤。将使用本发明的对应点搜索使第一扫描的结束对齐到第二扫描的开始，并且接着使用本发明的对应点搜索使第三扫描的开始对齐到第二扫描的结束。接合和对齐扫描的次序并不重要，因为所得扫描将在对齐过程完成时被恰当地相位、波长或波数对齐。在包括不同长度的两个标准具或法布里-珀罗滤波器的另一个实施方案中，参考信号生成器不必放置在任何特定波长处，因为参考信号生成器在扫描的不同区上为有效的。
高重复频率操作模式
图50A至50D示出高重复频率成像模式。两个或更多个VCL光源以具有光谱重叠的交错模式操作，如图50A所示。本申请中所教示的波长、波数或相位匹配方法应用于扫描数据以关于干涉图相位、波长或波数恰当地对齐所述数据。一旦对齐，代替将所述扫描组合为单个对齐扫描，便单独地处理所对齐的第一波长扫描和第二波长扫描中的每一者。可应用数值变迹以有利地成形扫描包络，如图50B所示。现在存在三组潜在扫描数据：来自第一扫描的扫描数据、来自第二扫描的扫描数据和来自组合扫描的扫描数据，如图50C所示。图50D中示出用于各个扫描和组合扫描的OCT点扩散函数。在这个操作模式中，当单独与任何一个VCL光源的轴向扫描速率相比时，可有效地增大仪器的轴向扫描速率。在加速操作模式中，轴向分辨率由各个VCL光源中的每一者的带宽限定。在带宽由VCL光源1和VCL光源2限定的组合扫描的模式中，轴向分辨率由组合扫描的带宽限定并且因此被大大改善。因而，可在单个采集中获得高速OCT数据和高分辨率数据。在本发明的一个实施方案中，光学仪器单独地向用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二扫描波长扫描的样本数字数据施加OCT处理步骤以增大光学仪器的A型扫描速率。
本发明的一个实施方案是一种方法，其包括单独地向用于第一扫描的样本数字数据和用于第二扫描的样本数字数据施加OCT处理步骤以增大光学仪器的A型扫描速率。高速(增大A型扫描速率数据)可被处理为OCT数据以实现高空间采样速率数据，其特别适合于增强视觉化，包括强度OCT数据、多普勒OCT数据和血管造影术数据。来自组合扫描的高分辨率数据特别适合于数据的横断面图像查看。
图51示出包括成像干涉仪5110、校准干涉仪5120和参考信号生成器5130的本发明的示例性实施方案的图。来自成像干涉仪和校准干涉仪的信号由两个模/数转换器5115、5125 获取。来自参考信号生成器的信号由与模/数转换器同时计时的数字输入获取。图51示出任选的光学k时钟5140和任选的内部时钟5145。
本发明的一个实施方案是一种光学仪器，其包括：波长扫描光源，其配置成在波长范围上生成调谐发射以在第一时间点生成第一波长扫描且在第二时间点生成第二波长扫描；光学系统，其配置成将第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于第一波长扫描的样本信号且检测受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射以生成用于第二波长扫描的样本信号；光学时钟生成器，其配置成接收来自波长扫描光源的调谐发射的一部分以生成时钟信号；数字转换器子系统，其配置成将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，并且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据，其中所述时钟信号计时所述数字转换器子系统；并且其中所述数字转换器子系统还包括：(a)主要模/数转换器，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号计时，并且其中所述主要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据且将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，以及包括数字输入的电路，其中所述电路被配置为经由数字输入获取用于第一波长扫描的参考信号并将其转换为用于第一波长扫描的参考数字数据且获取用于第二波长扫描的参考信号并将其转换为用于第二波长扫描的参考数字数据，并且其中与主要模/数转换器或者时钟信号的倍频或分频复本基本上同时计时所述数字输入；或(b)主要模/数转换器，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号计时，并且其中所述主要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据且将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，以及次要模/数转换器，其中所述次要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据且将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据，并且其中与主要模/数转换器或时钟信号的倍频或分频复本基本上同时计时所述次要模/数转换器，以及对齐处理器，其配置成使用用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得输出数字数据以使所述第一波长扫描波长、波数或相位稳定到所述第二波长扫描。如先前所述，使用生成每个扫描多个数字状态转变或多个模拟电平转变的参考信号生成器编码参考信号可改善对噪声匹配的稳健性。本发明的一个实施方案使用含有多个电平转变的用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据进行操作，并且对齐处理器使用所述多个电平转变作为输入来改善对齐的稳健性。本发明的另一个实施方案是一种光学仪器，其包括：波长扫描光源，其配置成在波长范围上生成调谐发射以在第一时间点生成第一波长扫描且在第二时间点生成第二波长扫描；光学系统，其配置成将第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分传递到样本；参考信号生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的参考信号且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的参考信号；相位校准生成器，其配置成接收来自第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第一波长扫描的相位校准信号且接收来自第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于第二波长扫描的相位校准信号；样本检测器，其配置成检测受样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于第一波长扫描的样本信号且检测受样本影响的来自第二波长扫描的调谐发射以生成用于第二波长扫描的样本信号；时钟源，其配置成生成时钟信号；数字转换器子系统，其配置成将来自第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据，将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据，将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一波长扫描的参考数字数据，将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二波长扫描的参考数字数据，将用于第一波长扫描的相位校准信号转换为用于第一波长扫描的相位校准数字数据，并且将用于第二波长扫描的相位校准信号转换为用于第二波长扫描的相位校准数字数据；其中所述时钟信号计时数字转换器子系统，并且其中所述数字转换器子系统还包括：(a)主要模/数转换器，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号计时，并且其中所述主要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一波长扫描的样本数字数据且将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二波长扫描的样本数字数据；(b)包括数字输入的电路，其中所述数字输入采样由时钟信号或时钟信号的倍频或分频复本计时，并且其中所述电路被配置为经由数字输入获取用于第一波长扫描的参考信号并将其转换为用于第一波长扫描的参考数字数据并且获取用于第二波长扫描的参考信号并将其转换为用于第二波长扫描的参考数字数据；以及(c)次要模/数转换器，其中所述次要模/数转换器由时钟信号或时钟信号的倍频或分频复本计时；并且其中所述次要模/数转换器被配置为将用于第一波长扫描的相位校准信号转换为用于第一波长扫描的相位校准数字数据且将用于第二波长扫描的相位校准信号转换为用于第二波长扫描的相位校准数字数据；以及对齐处理器，其配置成使用用于第一波长扫描的参考数字数据、用于第一波长扫描的相位校准数字数据、用于第二波长扫描的参考数字数据和用于第二扫描的相位校准数字数据作为输入来处理用于第一波长扫描的样本数字数据和用于第二扫描波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得输出数字数据以使第一波长扫描波长、波数或相位稳定到第二波长扫描。在一个实施方案中，所述时钟源包括光学k时钟生成器。在另一个实施方案中，所述时钟源包括内部时钟生成器。
本发明的一个实施方案使用含有多个电平转变的用于第一波长扫描的参考数字数据和用于第二波长扫描的参考数字数据进行操作，并且对齐处理器使用所述多个电平转变作为输入来改善对齐的稳健性。多个电平转变可例如从标准具、法布里-珀罗滤波器、干涉仪、多个布拉格光栅或者具有若干陷波或带通区(例如)或其阈值化信号以形成数字信号的光学滤波器发生。
在选择用于相位校准的MZI信号的条纹频率中存在很大宽容。条纹频率应当显著大于 DC，使得所述条纹含有足够循环来使希耳伯特进行操作，但在尼奎斯特附近的频率也对有效地使用希尔伯特变换具有挑战性，因为每个循环存在很少样本并且还因为MZI条纹所跨越的频率范围(如果未被完美线性化)与峰值条纹频率成比例地变大，这使得应用希尔伯特变换具有挑战性。作为非常粗糙的光导，将MZI峰值条纹频率设置在尼奎斯特所支持的模拟频率的约0.05至0.5处起作用，其中尼奎斯特所支持的模拟频率的0.25经常很好地起作用。如果其受到恰当带宽限制的话，有可能以比样本数据低的频率数字化MZI校准条纹。图52示出一个示例性实施方案，其中低速模/数转换器5220数字化来自校准干涉仪的信号，并且至少一个快速模/数转换器5210数字化来自样本干涉仪的信号。使用较慢模/数转换器可降低整体成本和数据传送要求。本发明的一个实施方案使用主要模/数转换器以比次要模/数转换器快的速率采样来进行操作。
OCT的特定模式需要一个以上信号采集通道，诸如偏振敏感OCT和复数共轭(延伸深度范围)OCT以及其它。由于许多快速模/数转换器可使用双通道，所以可通过双通道快速模拟转换器来数字化OCT信号数据并且通过较慢模/数转换器数字化参考干涉仪信号，从而显著节省成本和数据传送。较慢模/数转换器可被同步为在较快模拟转换器的每第二时钟周期上计时，如可使用时钟分频电路或计数电路来实施。其它数字化速率或时钟分频也是可能的，诸如快速模/数转换器的每第三、第四、第五等时钟周期计时较慢模/数转换器。一些模/数转换器允许双沿采样，其中在时钟周期的每个上升或下降沿上获取样本，这还允许使用相同时钟源以不同速率计时模/数转换器。频率倍增电路、分频电路和锁相环路(PLL)电路还允许生成低速转换速率与快速转换速率的不同比率的时钟，并且可被实施。本发明的一个实施方案包括第一模/数转换器以比第二模/数转换器获取参考信号生成器信号的速率快的速率获取样本信号。本发明的一个实施方案使用主要模/数转换器以比次要模/数转换器快的速率采样来进行操作。
仪器架构
已经描述了本发明的基本元件。有可能以多种系统架构布置本发明的基本元件。例如，图53A至53D示出本发明的若干可能实施方案。在图53A中，使用(1)标记的子系统包括光源模块中的VCL光源1和VCL光源2。光源模块可为原始设备制造商(OEM)模块、台式光源产品、具有集成光源的电子板或其它。来自光源模块的光被引导到在光源模块外部的光学系统和参考信号生成器。使用(2)标记的检测子系统包括样本检测器、数字转换器子系统和对齐处理器。与(2)相关的元件可驻留在相同电子板上或为具有有线、光学或无线通信的单独单元。样本检测器可由光电二极管和电子放大器构造。数字转换器子系统包括模/数转换器和 A/D控制器，如先前描述。模/数转换器可与A/D控制器分开，或模/数转换器可集成到A/D控制器中。对齐处理器可为FPGA、ASIC、微控制器、DSP或任何其它处理单元。有可能将 A/D控制器和对齐处理器分离为不同逻辑或计算单元，例如但不限于：FPGA加上处理器、两个FPGA、两个处理器以及ASIC和处理器等。另外，任何处理单元可具有多个核。还有可能的是单个FPGA、ASIC、DSP或任何种类的单个处理器可充当A/D控制器和对齐处理器，如图53B所示。模/数转换器的控制和对齐可作为逻辑的不同部分或在相同处理或逻辑单元上运行或操作的软件代码的不同部分存在。在另选实施方案中，参考信号生成器被集成到光源模块中，如图53C所示。这对简化接口和设计的OEM积分器有利。数字转换器子系统可具有充当A/D控制器的FPGA、ASIC、DSP或处理器。对齐处理器可为PC计算机、PC计算机的处理器、PC计算机中的GPU或任何其它计算单元。数字转换器子系统可经由许多总线和通信方法中的任一者与PC计算机通信，包括但不限于：PCIe、PCI、USB、以太网等。图53C 示出作为不同单元的数字转换器子系统和对齐处理器。图53D示出本发明的较完整集成实施方案。VCL光源、参考信号生成器、样本检测器、数字转换器子系统和对齐处理器全部被集成为一个单元。本发明的用户或系统集成商供应光学系统和样本。本发明的这个较集成实施方案将对想要简单且综合组能力和功能性的OEM客户为高度合乎需要的，其可在做出最小定制开发的情况下与大多种应用一起使用。这些特定实例有助于示出本发明的不同架构，但不是全面的。用于分割本发明的基本元件的很多其它方法也是可能的，同时仍保持处于本发明的范围内。
图54A至54C示出本发明的实施方案的实例，其中对输出数字数据进行进一步处理、存储或传输。在图54A中，输出数字数据被引导到仪器处理器。仪器处理器将输出数字数据处理为仪器数据。在OCT的情况下，仪器处理器采用输出数字数据作为输入并且将输出数字数据处理为OCT数据。在光谱学的情况下，仪器处理器采用输出数字数据作为输入并且将输出数字数据处理为光谱学数据。仪器处理器可为PC、PC中的处理器、PC中的GPU、仪器中的处理器以及仪器中的FPGA、仪器中的ASIC或者任何其它逻辑或处理器。仪器数据接着根据仪器要求来被引导来进行存储、传输、显示或进一步处理或以上操作的组合。在图54B中，单个处理器、FPGA、ASIC、GPU或其它处理器充当对齐处理器和仪器处理器两者。对齐处理可与软件程序的一部分相关联，并且仪器处理可与程序的不同部分相关联，这两者均在相同的基本计算单元上运行。所得仪器数据可被引导来进行保存、显示、进一步处理、传输或分析或以上操作的组合。例如，仪器数据可为以下任何一者或组合：强度OCT数据、多普勒 OCT数据、血管造影术OTC数据和光谱学OTC数据。仪器数据可在医疗护理的上下文中使用，诸如眼科学、心脏病学、皮肤病学和内窥镜检查。在本发明的一个实施方案中，所述样本包括以下至少一者或任何组合：人类组织、动物组织、活体组织和离体组织。在本发明的另一个实施方案中，所述样本包括以下至少一者或任何组合：眼睛、眼睛的一部分、视网膜、晶状体和角膜。在本发明的另一个实施方案中，所述样本包括以下至少一者或任何组合：血管内斑块、血管和支架。在本发明的另一个实施方案中，所述样本包括组织，并且所述光学仪器用作用于检测或监视癌症的过程的一部分。OCT数据还可用于工业应用，诸如计量学和品质保证。尽管已经主要在OCT的上下文中描述了本发明，但可在光谱学中应用相同波长、波数和信号相位对齐方法。在本发明的另一个实施方案中，所述样本包括以下至少一者或任何组合：气体、固体、液体和浆体。如图52所示，还有可能将输出数字数据引导为进行存储、传输或显示中的任何一者或任何组合。所述数据可被存储到存储器、非易失性存储器、磁带、磁盘、RAID存储装置、云存储装置、服务器或任何其它存储装置。还可传输所述数据。数据传输可经由网络、经由电信号、经由光学信号、经由电磁信号或任何其它传输数据的方法。
OCT的不同应用需要不同波长以获得最佳性能。已知较长波长在组织和其它材料中展现比较短波长少的散射。在为OCT成像选择适当波长时，散射并不是仅有考虑因素。水吸收可在样本中使光信号衰减，并且监管安全标准针对活体成像限制样本上所允许的最大曝光度。经常针对人类视网膜的OCT成像选择850nm和1065nm左右的水吸收窗口，其中光束必须来回穿过玻璃体中的大约20至25mm的水。比1100nm左右长的波长通常不用于视网膜成像，因为水吸收太多光功率。传统上，比750nm短的波长已经很少用于眼科OCT成像，因为ANSI标准在这些波长处将眼睛上所允许的曝光度限于小功率水平，光在这些波长处高度散射，并且OCT光束对患者为可见的，使得患者经常在其被扫描时跟踪所述光束，从而向图像数据中引入动作伪影。然而，已经执行可见波长OCT，并且其由于在这些较短波长处获得的不同对比度而对医疗诊断为有兴趣的。因此，在可见光谱中操作的OCT系统为有兴趣的。超出可见光的红外光由于在较长波长处具有减小的散射而对OCT成像特别有用。红外光还对患者为较不可见或不可见的，所以患者不太可能无意地跟随或跟踪投射在眼睛或视网膜上的红外光束。因为水吸收在900nm左右开始增大并且在970nm左右达到峰值，所以接近这个吸收峰的红外光的低吸收窗口对OCT成像特别有用。几乎所有商业视网膜OCT成像仪器均以在800nm范围内的波长进行操作。第二水吸收窗口存在于1065nm左右。已经演示在1065 nm处的OCT成像以实现进入视网膜的脉络膜和视神经乳头的增大穿透并且在对较年长患者成像时较不容易受白内障影响。监管标准允许在1065nm波长处比在800nm波长处大的功率进入眼睛。在对皮肤样本和视网膜样本成像时，已经在1065nm与800nm波长之间观测到不同对比度。使用居中在1065nm左右并且跨越水吸收窗口的宽度的波长的OCT成像系统对 OCT成像有用。皮肤和其它散射组织和材料样本的OCT成像通常使用1310nm波长来执行。还已经在1550nm波长处执行OCT。最近研究结果已经指示，在较长波长处的OCT对OCT 为有兴趣的。随着波长增大，需要较大波长扫描来实现可比的轴向分辨率。因此，针对精细分辨率OCT成像经常使用且优选较短波长，并且针对通过散射组织和材料的深穿透OCT成像经常使用并优选较长波长。1800至2500nm范围对气体光谱学特别重要。在这个范围中的 VCL可使用磷化铟衬底上的压应变InGaAs量子阱来做出。VCL可被设计为在所有这些波长处进行操作。在本发明的一个实施方案中，至少一个VCL扫描通过在750nm至950nm的范围内的至少一个波长。在本发明的另一个实施方案中，至少一个VCL扫描通过在l000 nm至 1100nm的范围内的至少一个波长。在本发明的另一个实施方案中，至少一个VCL扫描通过在l250 nm至1700nm的范围内的至少一个波长。在本发明的另一个实施方案中，至少一个 VCL扫描通过在l800 nm至2500nm的范围内的至少一个波长。
本发明的一个实施方案是一种用于对齐表示来自样本的光学测量的数字数据的方法，其包括：从第一VCL光源的调谐发射生成第一波长扫描；从第二VCL光源的调谐发射生成第二波长扫描；朝向样本引导第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分以生成受样本影响的第一波长扫描和受样本影响的第二波长扫描；检测受样本影响的第一波长扫描以生成用于第一波长扫描的样本信号；检测受样本影响的第二波长扫描以生成用于第二波长扫描的样本信号；朝向参考信号生成器引导第一波长扫描的至少一部分和第二波长扫描的至少一部分；使用参考信号生成器从第一波长扫描的所述部分生成用于第一波长扫描的参考信号；使用参考信号生成器从第二波长扫描的所述部分生成用于第二波长扫描的参考信号；将用于第一波长扫描的样本信号转换为用于第一扫描的样本数字数据；将用于第二波长扫描的样本信号转换为用于第二扫描的样本数字数据；将用于第一波长扫描的参考信号转换为用于第一扫描的参考数字数据；将用于第二波长扫描的参考信号转换为用于第二扫描的参考数字数据；使用对齐处理器计算一组对齐参数，其中所述计算使用用于第一扫描的参考数字数据和用于第二扫描的参考数字数据作为输入；以及从用于第一扫描的样本数字数据和用于第二扫描的样本数字数据生成表示所述样本的输出数字数据，其中使用先前所计算出的该组对齐参数作为输入来生成所述输出数字数据，并且其中关于波长、波数和干涉相位中的至少一者对齐所得输出数字数据。所述方法还可包括：使用所述对齐处理器计算来自用于第一波长扫描的参考数字数据的数据子集与来自用于第二波长扫描的参考数字数据的数据子集之间或从用于第一波长扫描的参考数字数据导出的数据子集与从用于第二波长扫描的参考数字数据导出的数据子集之间的对应点匹配以生成该组对齐参数。所述方法可包括使用MEMS致动器或压电致动器调谐所述第一VCL光源和所述第二VCL光源中的至少一者的所述发射。所述方法可包括在不同操作模式下操作所述第一VCL光源和所述第二VCL光源中的至少一者，其中所述操作模式在扫描重复频率、扫描波长范围、扫描中心波长和扫描轨迹中的至少一者上有所不同。所述方法可包括将所述输出数字数据处理为光学相干断层成像术数据。所述方法可包括将所述输出数字数据处理为光谱学数据。所述方法可包括将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过参考法布里-珀罗滤波器以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的经滤波发射，并且检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的经滤波发射以在参考信号生成器中分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的参考信号。所述方法可包括将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过参考干涉仪以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的干涉发射，并且检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的干涉发射以在参考信号生成器中分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的参考信号。所述方法可包括将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过参考布拉格光栅或光纤布拉格光栅以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的经滤波发射，并且检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的经滤波发射以在参考信号生成器中分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的参考信号。所述方法可包括将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过参考陷波滤波器、参考衍射光栅、参考棱镜或参考滤波器以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的经滤波发射，并且检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的经滤波发射以在参考信号生成器中分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的参考信号。所述方法可包括将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过第一参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一经滤波发射；将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过第二参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的第二经滤波发射；使用第一检测器检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的第一经滤波发射以分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一参考信号；使用第二检测器检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的第二经滤波发射以分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的第二参考信号；以及对用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一参考信号和第二参考信号电学求和以在参考信号生成器中生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的参考信号。所述方法可包括将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过第一参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一经滤波发射；将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过第二参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的第二经滤波发射；使用第一检测器检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的第一经滤波发射以分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一参考信号；使用第二检测器检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的第二经滤波发射以分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的第二参考信号；将用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一参考信号和第二参考信号转换为数字数据；以及对所述数字数据执行逻辑或运算以在参考信号生成器中生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的参考信号。所述方法可包括。所述方法可包括将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过第一参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一经滤波发射；将第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导穿过第二参考法布里-珀罗滤波器或参考标准具以分别产生用于第一波长扫描和第二波长扫描的第二经滤波发射；使用参考检测器检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的第一经滤波发射以分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一参考信号并且检测来自第一波长扫描和第二波长扫描的第二经滤波发射以分别生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的第二参考信号，其中所述参考检测器起作用以对用于第一波长扫描和第二波长扫描的第一信号和第二信号求和以在参考信号生成器中生成用于第一波长扫描和第二波长扫描的参考信号。所述方法可包括使用样本点之间具有基本上相等的波数间距来执行将用于第一波长扫描和第二波长扫描的样本信号转换为用于第一扫描和第二扫描的样本数字数据。所述方法可包括使用样本点之间具有预定时间间隔间距来执行将用于第一波长扫描和第二波长扫描的样本信号转换为用于第一扫描和第二扫描的样本数字数据。所述方法可包括使用高通滤波器对以下至少一者进行滤波：用于第一波长扫描的参考信号、用于第二波长扫描的参考信号、用于第一扫描的参考数字数据和用于第二扫描的参考数字数据。所述方法可包括重复所述步骤以生成第一输出数字数据和第二输出数字数据；以及将第二输出数字数据对齐到第一输出数字数据以生成一组相位稳定化输出数字数据。所述方法可包括单独地向用于第一扫描的样本数字数据和用于第二扫描的样本数字数据施加OCT处理以增大光学仪器的A型扫描速率。
尽管已经相对于若干所描述的实施方案相当详细地并且以某种特定性描述了本发明，但不希望其限于任何此类特例或实施方案或者任何特定实施方案，而是应当参考所附权利要求书来理解本发明以便鉴于现有技术提供对此类权利要求书的最广可能解释并且因此有效地涵盖本发明的既定范围。此外，前述内容依据发明人所预见的实施方案来描述了本发明，针对所述实施方案提供了可实现的描述，但本发明的非实质修改(当前不可预见)可仍表示其等效物。

Claims (22)

1.一种用于从扫频光源光学相干断层成像仪生成光学相干断层数据的方法，该方法包括：
利用扫频光源在第一时间点从第一波长扫描生成调谐发射，并在第二时间点从第二波长扫描生成调谐发射；
将来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分传递给样本；
从来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分生成用于所述第一波长扫描的参考信号，并且从来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分生成用于所述第二波长扫描的参考信号；
检测受所述样本影响的来自第一波长扫描的调谐发射以生成用于所述第一波长扫描的样本信号，并且检测受所述样本影响的来自所述第二波长扫描的调谐发射以生成用于所述第二波长扫描的样本信号；
生成时钟信号；
利用由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时的主要模/数转换器将用于所述第一波长扫描的样本信号转换成用于所述第一波长扫描的样本数字数据，并将用于所述第二波长扫描的样本信号转换成用于所述第二波长扫描的样本数字数据；
利用包含数字输入的电路将用于所述第一波长扫描的参考信号转换成用于所述第一波长扫描的参考数字数据，并将用于所述第二波长扫描的参考信号转换成用于所述第二波长扫描的参考数字数据，其中所述数字输入取样由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时，并且其中所述电路配置为经由所述数字输入进行获取；以及
利用用于所述第一波长扫描的参考数字数据和用于所述第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于所述第一波长扫描的样本数字数据和用于所述第二波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数以及干涉相位中的至少一者对齐所得的输出数字数据以使所述第一波长扫描波长、波数或相位稳定到所述第二波长扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理还包括：
进行用于所述第一波长扫描的参考数字数据和用于所述第二波长扫描的参考数字数据之间的对应匹配作为用于生成所述输出数字数据的处理的一部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述时钟信号从所述第一波长扫描和所述第二波长扫描导出。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括：
从来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分生成用于所述第一波长扫描的相位校准信号，并且从来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分生成用于所述第二波长扫描的相位校准信号；
利用次要模/数转换器将用于所述第一波长扫描的相位校准信号转换成用于所述第一波长扫描的相位校准数字数据，并将用于所述第二波长扫描的相位校准信号转换成用于所述第二波长扫描的相位校准数字数据，其中所述次要模/数转换器由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时；以及
选择起始相位值和最终相位值；
其中所述处理进一步利用用于所述第一波长扫描的相位校准数字数据、用于所述第二波长扫描的相位校准数字数据、所述起始相位值和所述最终相位值作为输入来生成所述输出数字数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述时钟信号以基本上相等的时间间隔生成。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述扫频光源可在至少两个不同的扫频光源操作模式下操作，其中所述至少两个不同的扫频光源操作模式在以下至少一者上有所不同：扫描重复频率、扫描波长范围、扫描中心波长和扫描轨迹，这使得所述光学相干断层成像仪可在成像范围、扫描重复频率和轴向分辨率中的至少一个方面不同的至少两种不同的OCT模式下操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中生成所述相位校准信号包括：
将来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分引导通过校准干涉仪并引导至校准检测器，所述校准检测器配置成生成用于所述第一波长扫描的相位校准信号；以及
将来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分引导通过所述校准干涉仪并引导至所述校准检测器，所述校准检测器配置成生成用于所述第二波长扫描的相位校准信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中鉴于扫描间的变化，选择所述起始相位值和所述最终相位值以保持在预期的相位限值内，使得任何实验扫描预期跨越大于所述最终相位值和所述起始相位值之间的差值的至少一个范围，并且其中所述起始相位值和所述最终相位值选择为对于所述不同的扫频光源操作模式具有不同的值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述校准干涉仪被设置为固定的光路延迟。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述校准干涉仪设置成使得校准条纹的峰值条纹频率在至少两种不同的OCT模式的次要模/数转换器奈奎斯特支持频率的0.05至0.5之间。
11.一种扫频光源光学相干断层成像仪，包括：
扫频光源，配置成在第一时间点从第一波长扫描生成调谐发射，并在第二时间点从第二波长扫描生成调谐发射；
光学系统，配置成将来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分和来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分传递给样本；
参考信号发生器，配置成接收来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于所述第一波长扫描的参考信号，以及接收来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于所述第二波长扫描的参考信号；
样本检测器，配置成检测受所述样本影响的来自所述第一波长扫描的调谐发射以生成用于所述第一波长扫描的样本信号，并且检测受所述样本影响的来自所述第二波长扫描的调谐发射以生成用于所述第二波长扫描的样本信号；
时钟源，配置成生成时钟信号；以及
数字转换器子系统，配置成将来自所述第一波长扫描的样本信号转换成用于所述第一波长扫描的样本数字数据、将用于所述第二波长扫描的样本信号转换成用于所述第二波长扫描的样本数字数据、将用于所述第一波长扫描的参考信号转换成用于所述第一波长扫描的参考数字数据以及将用于所述第二波长扫描的参考信号转换成用于所述第二波长扫描的参考数字数据；
其中所述数字转换器子系统还包括：
a)主要模/数转换器，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时，并且其中所述主要模/数转换器用于将用于所述第一波长扫描的样本信号转换成用于所述第一波长扫描的样本数字数据以及将用于所述第二波长扫描的样本信号转换成用于所述第二波长扫描的样本数字数据；以及
b)电路，包括数字输入，其中所述数字输入取样由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时，并且其中所述电路配置成经由所述数字输入进行获取以及将用于所述第一波长扫描的参考信号转换成用于所述第一波长扫描的参考数字数据以及将用于所述第二波长扫描的参考信号转换成用于所述第二波长扫描的参考数字数据；以及
对齐处理器，配置成利用用于所述第一波长扫描的参考数字数据和用于所述第二波长扫描的参考数字数据作为输入来处理用于所述第一波长扫描的样本数字数据和用于所述第二波长扫描的样本数字数据以生成输出数字数据，其中关于波长、波数以及干涉相位中的至少一者对齐所得的输出数字数据，以使所述第一波长扫描波长、波数或相位稳定到所述第二波长扫描。
12.根据权利要求11所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中所述对齐处理器进一步用于进行用于所述第一波长扫描的参考数字数据和用于所述第二波长扫描的参考数字数据之间的对应匹配作为用于生成所述输出数字数据的处理的一部分。
13.根据权利要求12所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中所述时钟源从所述第一波长扫描和所述第二波长扫描导出所述时钟信号。
14.根据权利要求12所述的扫频光源光学相干断层成像仪，还包括：
相位校准发生器，配置成接收来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于所述第一波长扫描的相位校准信号，以及接收来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于所述第二波长扫描的相位校准信号；
其中所述数字转换器子系统还包括：
c)次要模/数转换器，其中所述次要模/数转换器由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时；并且其中所述次要模/数转换器用于将用于所述第一波长扫描的相位校准信号转换成用于所述第一波长扫描的相位校准数字数据以及将用于所述第二波长扫描的相位校准信号转换成用于所述第二波长扫描的相位校准数字数据；并且
其中所述对齐处理器进一步配置成利用用于所述第一波长扫描的相位校准数字数据、用于所述第二波长扫描的相位校准数字数据、所选的起始相位值和所选的最终相位值作为所述处理的一部分来生成所述输出数字数据。
15.根据权利要求14所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中所述时钟信号以基本上相等的时间间隔生成。
16.根据权利要求14所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中所述扫频光源可在至少两个不同的扫频光源操作模式下操作，其中所述至少两个不同的扫频光源操作模式在以下至少一者上有所不同：扫描重复频率、扫描波长范围、扫描中心波长和扫描轨迹，这使得所述扫频光源光学相干断层成像仪可在成像范围、扫描重复频率和轴向分辨率中的至少一个方面不同的至少两种不同的OCT模式下操作。
17.根据权利要求16所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中所述相位校准发生器还包括校准干涉仪和校准检测器，配置成接收来自所述第一波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于所述第一波长扫描的相位校准信号，以及接收来自所述第二波长扫描的调谐发射的至少一部分以生成用于所述第二波长扫描的相位校准信号。
18.根据权利要求17所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中鉴于扫描间的变化，选择所述起始相位值和所述最终相位值以保持在预期的相位限值内，使得任何实验扫描预期跨越大于所述最终相位值和所述起始相位值之间的差值的至少一个范围，并且其中所述起始相位值和所述最终相位值选择为对于所述不同的OCT操作模式具有不同的值。
19.根据权利要求18所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中所述校准干涉仪被设置为固定的光路延迟。
20.根据权利要求19所述的扫频光源光学相干断层成像仪，其中所述校准干涉仪设置成使得校准条纹的峰值条纹频率在至少两种不同的OCT模式的次要模/数转换器奈奎斯特支持频率的0.05至0.5之间。
21.一种用于生成表示光学信号的对齐数字数据的数据采集系统，包括：
时钟，配置成生成时钟信号；
主要模/数转换器，配置成生成第一样本数字数据和第二样本数字数据，其中所述主要模/数转换器由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时；
电路，包括数字输入，其中所述数字输入取样由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时，并且其中所述电路配置成经由所述数字输入进行获取并生成第一参考数字数据和第二参考数字数据；以及
对齐处理器，配置成进行所述第一参考数字数据和所述第二参考数字数据之间的对应匹配以及利用所述对应匹配的结果、所述第一样本数字数据和所述第二样本数字数据作为输入来生成输出数字数据，其中关于波长、波数以及干涉相位中的至少一者对齐所得的输出数字数据，以使所述第一样本数字数据和第二样本数字数据波长、波数或相位稳定。
22.根据权利要求21所述的数据采集系统，还包括：
次要模/数转换器，配置成生成第一相位校准数字数据和第二相位校准数字数据，其中所述次要模/数转换器由所述时钟信号或所述时钟信号的倍频或分频副本计时；以及
其中所述对齐处理器进一步配置成利用所述第一相位校准数字数据和所述第二相位校准数字数据作为所述处理的一部分来生成所述输出数字数据。
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