CN101986185A - 光学断层成像装置 - Google Patents

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    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium

Abstract

本发明涉及一种成像装置及成像方法。提供一种包括用于粗略成像的低分辨率模式和用于获得详细图像的高分辨率模式的光学断层成像装置。特别地，提供使得能够以较高的速度执行高分辨率模式中的断层成像的光学断层成像装置。根据本发明的成像装置基于组合来自被测量光束照射的对象的返回光束和与测量光束对应的参考光束的组合光束捕获光学干涉断层图像。根据本发明的成像装置还包括用于改变测量光束的光束直径的光束直径改变单元。并且，根据本发明的成像装置包括被配置为以与光束直径对应的分辨率检测组合光束的检测单元。

Description

光学断层成像装置
技术领域
本发明涉及光学断层成像装置，更特别地，涉及用于眼科诊断和治疗等中的光学断层成像装置。
背景技术
当前使用利用光学设备的各种眼科设备。
例如，诸如眼前段(anterior ocular segment)拍摄设备、眼底(fundus)照相机和扫描激光检眼镜(SLO)的各种设备被用作用于观察眼睛的光学设备。
在这些光学设备中，基于利用多波长光波干涉的光学相干断层(以下，称为OCT)的光学断层成像装置能够获得样本的高分辨率断层图像。
作为门诊病人视网膜专家，OCT正变为必不可少的眼科设备。
根据上述的光学断层成像装置，当用作为低相干光的测量光束照射样本时，可通过使用干涉系统以高灵敏度测量来自样本的背散射光。
另外，通过在样本上扫描测量光束，光学断层成像装置可获得高分辨率断层图像。
因此，由于光学断层成像装置也能够对要被检查的眼睛的眼底中的视网膜进行高分辨率断层成像，因此光学断层成像装置被广泛用于视网膜的眼科诊断和治疗中。
近年来，通过眼科光学断层成像装置，常规的时域光学相干断层正过渡为使得能够高速成像的傅立叶域光学相干断层。
虽然在时域光学相干断层中对于要被检查的眼睛的每个特定深度获取信息，但是，由于傅立叶域光学相干断层一并获取沿深度方向的信息，因此，可以执行高速的成像。
高速成像使得能够防止由于由无意识眼睛移动代表的眼球移动导致的图像模糊和图像损失。
另一方面，常规上，为了同时满足对于提高分辨率和减少成像时间的需求，在日本专利申请公开No.2002-174769中提出光学装置。
特别地，提出根据情形要求而使用OCT和OCM(光学相干显微镜)两者的用于观察生物样品内部的光学装置。
该装置被配置为当确认生物样品中的大的结构时使用OCT，并且，当进一步以更高的分辨率观察生物样品内的关注区域时，可切换到OCM。
此时，由于OCT和OCM在焦点深度(DOF)上彼此大大不同，因此通过使用光束直径转换光学系统配置装置，使得可以设定分别与具有小的数值孔径的OCT和具有大的数值孔径的OCM对应的光束直径。
因此，可以以高S/N比执行观察。
另外，日本专利申请公开No.2007-101250提出被配置为由于傅立叶域光学相干断层通过OCT自身实现高分辨率的光学断层成像装置。
配置该装置，使得，为了补偿窄的焦点深度(DOF)，使用光路长度调整单元以沿深度方向移动被测量对象的聚焦位置以获得多个图像，并且，组合多个图像以沿水平方向和光轴方向获取被测量对象的高分辨率断层图像。
发明内容
但是，上述的常规的例子中的装置具有以下的问题。
在日本专利申请公开No.2002-174769中，由于以高分辨率执行成像，因此，当光束直径增大时不执行OCT成像。
因此，没有考虑当在通过使用光束直径转换光学系统执行高分辨率成像的同时增加测量光束的光束直径时出现的OCT成像中的问题。
另外，日本专利申请公开No.2007-101250没有公开用于在图像合成中实现更高速度的方法，并因此花费时间来获取多个图像和组合图像。
另一方面，对于采用光学断层成像装置的眼科诊断等，为了减轻受验者的负担，强烈要求减少成像时间。如上所述，常规的例子中的装置没有考虑用于在通过OCT执行高分辨率断层成像时减少成像时间的方法。
考虑到上述的问题，提出本发明，并且，其目的是，提供包括用于粗略成像的低分辨率模式和用于获得详细的图像的高分辨率模式的光学断层成像装置，特别是使得能够以较高的速度执行高分辨率模式中的断层成像的光学断层成像装置。
根据本发明的一个方面，提供一种光学断层成像装置，该光学断层成像装置将来自光源的光分割成测量光束和参考光束，将测量光束引向对象并将参考光束引向参考反射镜，检测组合被对象反射或散射的测量光束的返回光束和被参考反射镜反射的参考光束的光束，并且执行对象的断层成像。该光学断层成像装置包括：调整被引向对象的测量光束的光束直径的光束直径调整单元；包含分光单元、图像形成单元和光电转换单元阵列并且检测组合的光束的检测单元；和基于由光束直径调整单元调整的光束直径读取来自光电转换元件阵列的信号并且改变用于成像的像素的数量与光源的波长带宽的比的改变单元。
根据本发明的另一方面，提供一种成像装置，该成像装置基于组合来自被测量光束照射的对象的返回光束和与测量光束对应的参考光束的组合光束捕获光学干涉断层图像。该成像装置包括：改变测量光束的光束直径的光束直径改变单元；和以与光束直径对应的分辨率检测组合光束的检测单元。
根据本发明的又一方面，提供一种成像装置，该成像装置基于组合来自被测量光束照射的对象的返回光束和与测量光束对应的参考光束的组合光束捕获光学干涉断层图像。该成像装置包括：改变测量光束的光束直径的光束直径改变单元；分离组合光束的分光单元；基于光束直径改变照射分离的光束的范围的范围改变单元；检测来自范围改变单元的光的检测单元；和基于来自检测单元的范围的输出信号获取对象的光学干涉断层图像的获取单元。
根据本发明的再一方面，提供一种成像方法，该成像方法基于组合来自被测量光束照射的对象的返回光束和与测量光束对应的参考光束的组合光束捕获光学干涉断层图像。该成像方法包括：改变测量光束的光束直径；和以与光束直径对应的分辨率检测组合光束。
根据本发明，可以实现包括用于粗略成像的低分辨率模式和用于获得详细的图像的高分辨率模式的光学断层成像装置，特别是使得能够以较高的速度执行高分辨率模式中的断层成像的光学断层成像装置。
因此，可以提供使得能够在眼科诊断等中实现使检查者的负担减少的视网膜的断层成像的光学断层成像装置。
参照附图阅读示例性实施例，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1A和图1B是描述根据本发明的第一实施例和第二实施例的光学断层成像装置的光学系统的配置的示图，其中，图1A是描述第一实施例的配置的示图，图1B是描述第二实施例的配置的示图。
图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、图2G和图2H是描述本发明的第一实施例的示图。图2A～2D是描述门(gate)位置和焦点深度(DOF)范围之间的关系的示图，图2E～2H是描述光束直径转换单元的示图。
图3A、图3B、图3C和图3D是描述根据本发明的第一实施例和第二实施例的线传感器的操作的示图。图3A和图3B是描述根据第一实施例的线传感器的操作的示图，图3C和图3D是描述根据第二实施例的线传感器的操作的示图。
图4A、图4B、图4C、图4D和图4E是描述本发明的第三实施例的示图。图4A是描述光学断层成像装置的光学系统的配置的示图，图4B～4E是描述区域聚焦中的门位置和焦点深度(DOF)范围之间的关系的示图。
图5A、图5B、图5C和图5D是描述根据本发明的第四实施例和第五实施例的光学断层成像装置的分光器的示图。图5A和图5B是描述根据第四实施例的分光器的示图，图5C和图5D是描述根据第五实施例的分光器的示图。
图6A、图6B、图6C、图6D和图6E是描述根据本发明的第四实施例和第五实施例的线传感器的操作的示图。图6A和图6B是描述根据第四实施例的线传感器的操作的示图，图6C和图6D是描述根据第五实施例的线传感器的操作的示图。
具体实施方式
现在参照附图详细描述本发明的优选实施例。
现在描述本发明的示例性实施例。
实施例
第一实施例
在第一实施例中，将参照图1A描述应用本发明的光学断层成像装置。
图1A示出光学断层成像装置100、光源101、光束分离器103、参考光束105、测量光束106、组合光束142和作为对象的要被检查的眼睛107。
还示出返回光束108、单模光纤110、透镜111、120和135以及反射镜114。
图1A还示出色散(dispersion)补偿玻璃115、电动台架117、XY扫描仪119和个人计算机125。
还示出角膜126、视网膜127、作为光束直径改变单元的可变光束扩展器136、作为检测单元的分光器150、线照相机139、帧抓取器(grabber)140和作为分光单元的透射型光栅141。
根据本实施例的光学断层成像装置构成傅立叶域光学相干断层的OCT装置(傅立叶域OCT)。
首先，将参照图1A描述根据本实施例的光学断层成像装置的总体光学系统的一般配置。
如图1A所示，作为整体，根据本实施例的光学断层成像装置100构成迈克尔逊(Michelson)干涉系统。
在图中，从光源101射出的光被光束分离器103分成参考光束105和测量光束106。测量光束106穿过可变光束扩展器136，并且，作为被作为观察对象的要被检查的眼睛107反射或散射的返回光束108返回。
在参考光束105和返回光束108被光束分离器103组合之后，参考光束105和返回光束108被引向构成用于检测组合光束的检测单元的分光器150。
分光器150包含构成分光单元的透射型光栅141、构成图像形成单元的透镜135-2和线照相机139。
组合光束通过分光器150中的透射型光栅141被分成各波长，并且进入线照相机139。
线照相机139通过使用作为线照相机139中的光电转换元件的阵列的线传感器对于各位置(波长)将光强度转换成电压。通过使用信号形成要被检查的眼睛107的断层图像。将在后面描述形成断层图像的方法。
下面描述光源101的周边。
光源101是作为典型的低相干光源的SLD(超亮度二极管)。光源101具有840nm的波长和50nm的带宽。
带宽影响获得的断层图像的光轴方向的分辨率，并因此是重要的参数。
另外，当考虑是眼睛要被测量的事实时，近红外光适于用作该波长。并且，由于波长影响获得的断层图像的水平方向的分辨率，因此希望波长尽可能地短。在这种情况下，波长被设为840nm。根据对象，可以选择其它的波长。
从光源101输出的光穿过单模光纤110并被引向透镜111，并且作为准直光被输出。
以下将描述模式和各光束直径之间的对应关系。
可变光束扩展器136构成光束直径调整单元，并且负责改变测量光束106的光束直径。
可变光束扩展器136可将光束直径改变1～4mm。光束直径调整单元不限于可变光束扩展器，并且，也可通过选择具有不同的直径的光圈并将光圈插入测量光束的光路中改变光束直径。
可变光束扩展器由未示出的正透镜和负透镜的组合制成，由此，通过改变透镜之间的间隔，光束直径增加(图2G)或减小(图2E)。
在装置中，低分辨率模式中的光束直径被设为1mm，并且，高分辨率模式中的光束直径被设为4mm。
低分辨率模式是图2E所示的视网膜127上的光斑(spot)直径大的状态。
该模式的意图在于，在最宽的可能的范围上执行视网膜的粗略成像。
高分辨率模式是图2G所示的视网膜127上的光斑直径小的状态。当详细观察视网膜的关注的部分时，使用该模式。
另一方面，当考虑图2A～2H所示的焦点深度(DOF)137时，通过使用式(2)，低分辨率模式中的光束直径被设为1mm时(图2E)的焦点深度(DOF)(表示为DOFl)可被计算为约±1mm(焦点深度(DOF)范围为2mm)。
另外，光束直径被设为4mm时(图2G)的焦点深度(DOF)(表示为DOFh)可被计算为约±0.05mm(焦点深度(DOF)范围为0.1mm)。
并且，通过使用式(1)，分别当光束直径被设为1mm时(图2E)，水平分辨率Rxy可被计算为约20μm，并且，当光束直径被设为4mm时(图2G)，水平分辨率Rxy可被计算为约5μm。因此，可以在高分辨率模式中获得具有高水平分辨率的高清晰度断层图像。
Rxy＝k1·λ/NA...式(1)
这里，k1是为约0.5的常数。
另一方面，成像系统的焦点深度(DOF)可由下式表达：
DOF＝±k2·(λ/NA)2...式(2)
这里，k2是为约0.6的常数。
在上式中，DOF表示焦点深度(DOF)，Rxy表示水平分辨率，NA是形成准直测量光束的图像的眼睛中的数值孔径，λ是测量光束的中心波长。
NA由光束直径和眼睛的焦距确定，并且，如果眼睛的焦距被设为22.5mm，那么NA≈d/(2·f)，这里，d表示光束直径，f表示测量时眼睛的焦距。
在以上的计算中，使用了光束直径被设为1mm时的NAd＝1mm＝0.022和光束直径被设为4mm时的NAd＝4mm＝0.088。
下面将描述参考光束105的光路。
被光束分离器103分开的参考光束105入射到反射镜114-2上以改变方向，被透镜135-1会聚于参考反射镜114-1，然后被反射并被重定向到光束分离器103。
然后，参考光束105穿过光束分离器103并被引向分光器150。
色散补偿玻璃115关于参考光束105补偿当测量光束106向和从要被检查的眼睛107行进时出现的色散，或者，换句话说，补偿用于在作为测量对象的眼球上形成图像的光学系统的色散。
另外，电动台架117-1构成用于控制参考反射镜的位置的控制单元。因此，可以调整和控制从成像的开始到结束的参考光束105的光路长度。
并且，电动台架117-1可被个人计算机125控制。
下面将描述测量光束106的光路。
被光束分离器103分离的测量光束106入射到XY扫描仪119的反射镜上。
虽然为了简单起见XY扫描仪119被描述为单一的反射镜，但是，实际上，两个反射镜即X扫描反射镜和Y扫描反射镜被相互接近地配置，以沿与光轴垂直的方向在视网膜127上执行光栅扫描。另外，测量光束106的中心被配置为与XY扫描仪119的反射镜的旋转中心一致。
透镜120-1和120-2是构成会聚单元的光学系统，所述会聚单元将测量光束会聚在对象处用于扫描作为对象的视网膜127。
如图1A所示，XY扫描仪119和光学系统负责在将支点设于角膜126的附近的同时用测量光束106扫描视网膜127。
在这种情况下，透镜120-1和120-2的焦距分别被设为50mm。
并且，电动台架117-2构成用于控制会聚单元的位置的控制单元，并且，能够调整和控制辅助透镜120-2的位置。
通过调整透镜120-2的位置，测量光束106可在从成像的开始到结束会聚于作为对象的要被检查的眼睛107的视网膜127的希望的层上，并且，可以执行观察。
还可适应要被检查的眼睛107包含折射误差的情况。
在进入要被检查的眼睛107之后，测量光束106由于来自视网膜127的反射或散射而变为返回光束108。返回光束108被光束分离器103反射并被引向线照相机139。
电动台架117-2也可被个人计算机125控制。
下面，将描述根据本实施例的OCT装置的测量系统的配置。
作为视网膜127的反射或散射掉的光的返回光束108被光束分离器103反射。
参考光束105和返回光束108被调整以在光束分离器103的后面被组合。
组合光束142通过透射型光栅141被分成各波长，被透镜135-2会聚，并且，对于各位置(波长)，光强度被线照相机139转换成电压。
特别地，在线照相机139上观察波长轴上的光谱区域的干涉条纹。
OCT装置被设计和调整，使得透镜135-2在作为光电转换元件的阵列的线传感器上形成图像的50nm分离光束大致与被线照相机读出的线传感器的像素数量对应。
线传感器被配置为在时间上依次读出通过在单一的行中排列的光电转换元件获得的信号。
但是，在本实施例中，线传感器具有两个寄存器，其中，奇数的像素与一个寄存器连接，偶数的像素与另一寄存器连接。
另一方面，50nm分离光束在与线照相机139内的传感器的1024个像素对应的宽度上形成图像。
图1B示意性示出线传感器139-1。范围为从λs(815nm)到λe(865nm)的分离光束在线传感器139-1上形成图像。
一组获得的电压信号被帧抓取器140转换成数字值，并且，通过个人计算机125经受数据处理，以形成断层图像。
在这种情况下，线照相机139如上面描述的那样具有1024个像素，并且可对于每个波长获得组合光束142的强度。
现在将描述通过使用本装置获得断层图像的方法。
将通过使用图1A和图2A～2D描述获取视网膜127的断层图像(与光轴平行的表面)的方法。
在穿过角膜126和进入视网膜127之后，测量光束106由于各位置处的反射和散射而变为返回光束108，并且到达线照相机139。
由于光源101的带宽具有宽的带宽和短的空间相干长度，因此，当参考光路的光路长度和测量光路的光路长度大致相等时，干涉条纹可被线传感器139-1检测(参照图3A和图3B)。
如上所述，通过线传感器139-1获取的干涉条纹与波长轴上的光谱区域对应。
然后，在考虑线传感器139-1和透射型光栅141的特性时，作为波长轴上的信息的干涉条纹被转换成光学频率轴上的干涉条纹。
并且，可通过在所转换的光学频率轴上的干涉条纹上执行逆傅立叶变换，获得深度方向的信息。
并且，通过在驱动XY扫描仪119的X轴的同时检测干涉条纹，可对于各X轴位置获得干涉条纹。
换句话说，可获得各X轴位置的深度方向的信息。
X方向的某位置的关于深度方向(XYZ坐标中的Z方向)的一维数据将被称为A扫描。
通过在旋转X扫描仪的时间序列中依次配置要经受成像的所有X位置的A扫描，获得XZ面上的返回光束108的强度的二维分布和图2A～2D所示的断层图像。得到的数据将被称为B扫描。
在上述的低分辨率模式和高分辨率模式之间，被测量的对象处的光斑直径不同。特别地，在高分辨率模式中，必须以微细的间隔获得各X轴位置，以对于B扫描利用高分辨率模式的水平分辨率。这样，在以作为高分辨率模式的分辨率的约5μm的间隔获得A扫描之后，组合B扫描。
另外，在低分辨率模式中，以作为低分辨率模式的分辨率的约20μm的间隔获得A扫描。
如上所述，断层图像是获得的B扫描强度的阵列状配置，并且通过例如将强度外推为灰度级被显示。在显示中，只有获得的断层图像的边界被强调显示。
下面，将描述到门的测量距离、像素的数量和焦点深度(DOF)之间的关系。
现在，在图2A～2D中，与测量光束侧的参考反射镜114-1相同的光路长度的位置被表示为门位置G，并且，可通过本装置执行成像的到G的光学距离将被表示为成像光学距离Dep。
随着经受成像的部分的光学距离变长，干涉条纹变得更细。
在考虑可检测更细的干涉条纹的极限时，成像光学距离Dep由分离波长宽度和与被线传感器139-1接收的波长宽度对应的像素的数量确定。
Dep＝N/(4·ΔK)  ...式(3)，
这里，Dep表示成像光学距离，ΔK表示用于测量的光源的波长宽度的波数表达，N表示由包含于组合光束中的波长的带宽形成图像的区域中的像素的数量。
如果λs表示具有最短的波长带宽的波长并且λe表示具有最长的波长带宽的波长，那么可通过使用式(4)计算ΔK。通过代入本实施例的λs＝815nm、λe＝865nm，那么ΔK＝7.1×10-5(1/nm)。
ΔK＝|1/λs-1/λe|  ...(4)
通过将ΔK的值代入式(3)中，那么，对于1024个读取像素，Dep1024＝3.6mm，并且，对于512个读取像素，Dep512＝1.8mm。
同时，通过用于傅立叶域光学相干断层的OCT装置，图2A～2D中的门位置G和被测量对象之间的关系一般包含使门位置G与被测量对象的表面分开。其原因在于，存在这样的基本问题，即，当门位置G在被测量对象内移动时，通过傅立叶变换获得的镜像与实像重叠。
另外，当被测量对象的聚焦位置被调整以尽可能多地使被测量对象位于焦点深度(DOF)范围内时，可以关于被测量对象的深度方向有利地执行最宽的范围的成像。
下面，将描述各模式的门位置、焦点深度(DOF)范围和成像光学距离之间的关系。
首先，将参照图2A和图2B描述低分辨率模式。如上所述，光束直径被设为1mm并且焦点深度(DOF)范围被设为2mm。
如图1A所示，通过电动台架117-1，参考反射镜114-1相对于被测量对象移动。
假定透镜120-2通过电动台架117-2沿Z方向从如上面描述的那样调整的门位置G移动而进入焦点深度(DOF)范围以调整聚焦位置。
如果存在1024个读取像素，那么成像光学距离Dep1024＝3.6mm＞焦点深度DOFl＝2mm，表明可以按这种模式对焦点深度(DOF)内的被测量对象的信息执行成像。另外，如图2B所示，当在被测量对象上存在不规则性并且门位置G要与被测量对象的表面分开时，关注部分被调整以被包含于焦点深度(DOF)内。
因此，可以在成像光学距离Dep1024＝3.5mm≥(焦点深度(DOF)+从门位置到被测量对象表面的距离)的条件内、在不受镜像影响的情况下执行成像。
下面，将参照图2C和2D描述高分辨率模式。
光束直径被设为4mm并且焦点深度(DOF)被设为0.1mm。假定门位置G与被测量对象表面大致对准并且聚焦位置被调整以使从被测量对象表面算起的0.1mm的范围进入该深度中。
当仅在焦点深度(DOF)的附近存在要以高分辨率获得的被测量对象的结构时，或者，换句话说，当不需要获得Z方向的深处的信息时，不需要读取线传感器的所有像素。
在这种情况下，通过如图3B所示的那样隔一个像素取一个像素(thinning every other pixel)地读取线传感器。因此，可以减少读取时间。
换句话说，一个A扫描的获取时间减少。
当线传感器被稀疏化和读取并且像素的数量被稀疏化为512个读取像素时，成像光学距离Dep512＝1.8mm≥焦点深度(DOF)＝0.1mm，这意味着可以按这种模式对焦点深度(DOF)中的被测量对象的信息执行成像。
另外，以与上述的低分辨率模式相同的方式，例如，当在被测量对象上存在不规则性并且门位置G要与被测量对象的表面分开时，可以在成像光学距离Dep512＝1.8mm≥(焦点深度(DOF)+从门位置到被测量对象表面的距离)的条件内、在不受镜像影响的情况下执行成像。
执行稀疏化时的线传感器139-1的配置包含如上面描述的那样准备两个寄存器并且交替地连接排成直线的(aligned)像素的配置，由此在稀疏化过程中仅从一个寄存器(例如，连接奇数像素的寄存器)执行读取。
由于高分辨率模式能够减少对于A扫描读取的像素的数量，因此，与读出所有的1024个像素相比，可以减少在A扫描高分辨率模式中获得与组合大量的A扫描时的被测量对象的成像时间。
为了以较快的速度获取A扫描，可通过稀疏化两个连续或三个连续的读取的像素，执行读取。
在这样做时，像素的数量可以是满足成像光学距离Dep的数量，所述成像光学距离Dep是从由光束直径确定的焦点深度(DOF)和关注点的深度之间的关系确定的。
例如，在上述的例子中，由于对于4mm的光束直径深度为0.1mm，因此，当成像要被从门位置执行到0.1mm的深度时，稀疏化三个连续的像素导致对于成像光学距离Dep读取256个像素。
由于256像素的成像光学距离Dep256可从式(3)被计算为0.9mm，因此可根据门位置以及如何调整焦点深度(DOF)范围用仅仅256个像素充分地执行测量。
如所示出的那样，由于根据本实施例的光学断层成像装置具有低分辨率模式和高分辨率模式并且聚焦范围在高分辨率模式中减小，因此，经受成像的深度方向范围可根据对象而变窄并且被读取的像素的数量可减少。
由于获取A扫描所需要的时间可减少，因此，与读出所有的像素相比，可以实现更高的速度。
另外，由于构成形成B扫描的基础的单一的A扫描的像素的数量减少并且处理速度可增加，因此，根据本实施例的光学断层成像装置对于构建B扫描是有效的。
本实施例不意欲限制光束直径，并且，例如，可以容易地修改低分辨率模式，使得光束直径被设为2mm，并且可以容易地修改高分辨率模式，使得光束直径被设为6mm。
第二实施例
下面，将参照图1B描述根据第二实施例的傅立叶域光学相干断层的光学断层成像装置。
与第一实施例不同，本实施例包括多个检测单元，其中，检测单元中的每一个具有带不同配置的分光器。
在其它方面，作为装置的配置与第一实施例类似。因此，重复的部分的描述将被省略。
首先，描述根据本实施例的光学断层成像装置的总体光学系统的一般配置。
图1B示出光学断层成像装置200、光源201、光束分离器203和525、参考光束205、测量光束206、组合光束(干涉光)243、要被检查的眼睛207、返回光束208和单模光纤210。
还示出透镜211、220、235和236、反射镜214、色散补偿玻璃215、电动台架217、XY扫描仪219和个人计算机225。
图1B还示出角膜226、视网膜227、作为光束直径改变单元的可变光束扩展器236、分光器250和251、线照相机238和239、帧抓取器240以及透射型光栅241和242。
在干涉光243被组合之前，根据本实施例的OCT装置200与第一实施例中相同。
干涉光243被光束分离器252分离，由此，分离光的一部分被引向分光器250，并且，另一部分被引向分光器251。各分光器的总体操作与第一实施例类似。
使用与第一实施例类似的光源。SLD具有840nm的波长和50nm的带宽。
另外，可变光束扩展器236负责改变测量光束206的光束直径。
可变光束扩展器236可将光束直径改变1～4mm。
类似地，在本实施例中，光束直径在低分辨率模式中被设为1mm并且在高分辨率模式中被设为4mm。
因此，各焦点深度(DOF)和分辨率的值与第一实施例中相同。
并且，测量光束和参考光束的光路也与第一实施例中相同。
下面，描述根据本实施例的OCT装置中的测量系统的配置。
组合光束243被光束分离器252分离并分别被引向分光器250和251。
在这种情况下，分光器250是用于低分辨率模式的分光器，并且，分光器251是用于高分辨率模式的分光器。
入射到相应分光器250和251的光束被透射型光栅241和242分成各波长，被透镜235-2和236-2会聚，并且，对于各位置(波长)，光强度被线照相机238和239转换成电压。
在这样做时，在低分辨率模式中驱动线照相机238，并且，在高分辨率模式中驱动线照相机239。
特别地，在线照相机238和239上观察波长轴上的光谱区域的干涉条纹。
OCT装置被设计和调整，使得透镜235-2和236-2在线照相机238和239内的线传感器上形成图像的50nm分离光束大致与被线照相机读出的线传感器的像素数量对应。
与第一实施例不同，各线传感器只有一个寄存器。
特别地，在分光器250处，50nm分离光束的带宽在与线照相机238内的传感器的1024个像素对应的宽度上形成图像。
图3C示意性示出线传感器238-1。范围在从λs(815nm)到λe(865nm)的分离光束在线传感器238-1上形成图像。另外，在分光器251处，50nm分离光束的带宽在与线照相机239内的传感器的512个像素对应的宽度上形成图像。
图3D示意性示出线传感器239-1。范围在从λs(815nm)到λe(865nm)的分离光束在线传感器239-1上形成图像。各分光器可通过改变透镜焦距、透射型光栅节距和线传感器自身的单一像素的宽度中的任一个或改变它们的组合改变带宽和线传感器像素的数量之间的比。
帧抓取器240将在低分辨率模式中从线照相机238以及在高分辨率模式中从线照相机239获得的一组电压信号转换成数字值，并且在个人计算机225处执行数据处理以形成断层图像。
在这种情况下，线照相机239可对于各波长获得组合光束243的强度。
由于获取断层图像的方法与第一实施例相同，因此将省略描述。用于各模式的成像光学距离也与第一实施例相同。
关于门距离和焦点深度(DOF)之间的关系，低分辨率模式中的操作与第一实施例中相同，并且将省略描述。
以下，描述根据本实施例的高分辨率模式。
门位置和焦点深度(DOF)范围之间的基本位置关系与第一实施例中相同。
光束直径被设为4mm并且焦点深度(DOF)被设为0.1mm。假定门位置G与被测量对象表面大致对准并且聚焦位置被调整以使从被测量对象表面的0.1mm的范围进入该深度中。
由于在高分辨率模式中选择的分光器251的线传感器239-1具有512个像素，因此成像光学距离Dep512＝1.8mm＞焦点深度(DOF)＝0.1mm，这表明可以按这种模式对焦点深度(DOF)中的被测量对象的信息执行成像。
另外，以与上述的低分辨率模式相同的方式，例如，当在被测量对象上存在不规则性并且门位置G要与被测量对象的表面分开时，可以在成像光学距离Dep512＝1.8mm≥(焦点深度(DOF)+从门位置到被测量对象表面的距离)的条件内、在不受镜像影响的情况下执行成像。
由于高分辨率模式能够减少对于A扫描读取的像素的数量，因此，与读出所有的像素相比，可以减少在A扫描高分辨率模式中获得并组合大量的A扫描时的被测量对象的成像时间。
如所示出的那样，根据本实施例的光学断层成像装置具有低分辨率模式和高分辨率模式，并且，可以在高分辨率模式中选择被设置了具有较少数量的被读取的像素的线传感器的分光器。
当选择分光器时，由于能够因传感器读取时间的减少而减少获取A扫描所需要的时间，因此，可以实现更高的速度。
本实施例不意欲限制光束直径，并且，以与第一实施例相同的方式，例如，可以修改低分辨率模式，使得光束直径被设为2mm，并且可以修改高分辨率模式，使得光束直径被设为6mm。
第三实施例
下面，参照图4A～4E描述根据第三实施例的傅立叶域光学相干断层的光学断层成像装置。
与第一实施例相比，本实施例采用在高分辨率模式分阶段改变焦点位置并且将在各位置处获得的多个B扫描图像拼合在一起的区域聚焦方法。
因此，可以实现如下配置，其中可以到更深的位置获得在高分辨率模式中在窄的焦点深度(DOF)中获取的断层图像。
在其它方面，作为装置的配置与第一实施例类似。因此，重复的部分的描述将被省略。
首先，将描述根据本实施例的光学断层成像装置的总体光学系统的一般配置。
图4A示出光学断层成像装置300、光源301、光束分离器303、参考光束305、测量光束306、组合光束342、要被检查的眼睛307、返回光束308和单模光纤310。
还示出透镜311、320和335、反射镜314、色散补偿玻璃315、电动台架317、XY扫描仪319和个人计算机325。
图4A还示出角膜326、视网膜327、作为光束直径改变单元的可变光束扩展器336、分光器350、线照相机339、帧抓取器340和透射型光栅341。
低分辨率模式中的根据本实施例的光学断层成像装置300的操作与第一实施例中相同。
在高分辨率模式中的成像操作中，通过作为用于控制构成会聚单元的透镜320-2的位置的控制单元的电动台架317-2，透镜320-2以微小的步幅量移动。
与透镜320-2的步幅移动相关，参考反射镜314-1也通过作为用于控制参考反射镜的位置的控制单元的电动台架317-1以微小的步幅移动。将在后面描述透镜320-2和参考反射镜314-1的移动量。
使用与第一实施例类似的光源。SLD具有840nm的波长和50nm的带宽。
另外，可变光束扩展器336负责改变测量光束306的光束直径。可变光束扩展器336可将光束直径改变1～4mm。
在本实施例中，光束直径在低分辨率模式中被设为1mm并且在高分辨率模式中被设为2mm。
因此，低分辨率模式中的焦点深度(DOF)和分辨率的值与第一实施例中相同。高分辨率模式中的焦点深度(DOF)NAd＝2mm可从NA＝d/(2·f)被计算为0.044，并且通过使用式(2)被计算为约±0.3mm(焦点深度(DOF)范围为0.6mm)。另外，分辨率Rxyd＝2mm可被计算为约10μm。
并且，测量光束和参考光束的光路也与第一实施例中相同。
测量系统的配置与第一实施例中相同。类似地执行高分辨率模式中的线照相机339的线传感器339-1处的像素的稀疏化和读取。
因此，线传感器中的寄存器的配置也与第一实施例相同。
现在将参照图4B～4D描述高分辨率模式中的区域聚焦操作和成像光学距离Dep512之间的关系。
在高分辨率模式中，在四个阶段中操作区域聚焦以加载B扫描图像，随后进行包含将图像拼合在一起的图像组合。
图4B～4D示出区域聚焦的各阶段的门位置G和焦点深度(DOF)范围DOFh。
图4B示出区域聚焦的第一状态的状态，其中透镜320-2要被调整使得DOFh位于作为被测量对象的视网膜的表面附近。
同时，移动和调整反射镜314-1，使得门位置G位于DOFh之上。
在该位置处获取普通的B扫描图像，并将其存储在个人计算机325中的未示出的存储器中。
在下一区域聚焦状态中，如图4C所示，焦点深度(DOF)范围DOFh和门位置G同时移动。
在这样做时，通过由电动台架317-2导致的透镜320-2的移动，焦点深度(DOF)范围DOFh沿Z方向移动比DOFh的长度0.6mm短0.1mm的0.5mm。
通过由电动台架317-1将参考反射镜314-1移动0.5mm，门位置相应地移动。在这种状态下获取B扫描。
为了提高当通过使用焦点深度(DOF)中的高分辨率图像作为重叠部分中的图像而将获取的图像拼合在一起时的精度，行进距离被设为比焦点深度(DOF)范围短。
在下一区域聚焦状态中，类似地，焦点深度(DOF)范围DOFh和门位置G分别移动0.5mm以获取B扫描。
从四个B扫描图像，由于四阶段移动导致的总焦点深度(DOF)范围为2mm。
在个人计算机325上根据区域聚焦的行进距离将四个B扫描图像拼合在一起而以高的水平分辨率获得具有宽的Z方向范围的图像。
由于通过区域聚焦获得的图像的2mm的Z方向长度比用于读取512个像素的成像光学距离Dep512＝1.8mm大，因此与焦点深度(DOF)范围的调整相关地移动门位置G是重要的。
另外，在特性上，在傅立叶域OCT中，离门位置越远，则获得的信号强度越低。
当在各区域聚焦阶段中获取B扫描时从门位置G到焦点深度(DOF)范围的距离相同时，在信号强度方面而不是在用于固定门位置的条件方面获得优点。
在这种情况下，通过在高分辨率模式中将像素的数量减少到512，除了以与第一实施例相同的方式获得比读取1024个像素高的读取速度以外，还可实现更高的处理速度。
换句话说，由于当将通过区域聚焦获得的B扫描拼合在一起时与一个区域聚焦阶段对应的B扫描图像较小，因此实现更高的处理速度。
如上所述，根据本实施例的光学断层成像装置具有低分辨率模式和高分辨率模式，并且在高分辨率模式中使用区域聚焦方法。
因此，可以减少在区域聚焦中读取的像素，从而使得能够减少获取A扫描所需要的时间，这又使得能够减少获取B扫描所需要的时间。
并且，由于当将通过区域聚焦获得的B扫描拼合在一起时与一个区域聚焦阶段对应的B扫描图像较小，因此实现了更高的处理速度。并且，本实施例不意欲限制光束直径，并且，以与第一实施例相同的方式，例如，可以修改低分辨率模式，使得光束直径被设为2mm，并且可以修改高分辨率模式，使得光束直径被设为4mm。
第四实施例
下面，将参照图5A和图5B描述根据第四实施例的傅立叶域光学相干断层的光学断层成像装置。
本实施例与第三实施例的不同在于如何配置分光器，并且被布置为使得通过变焦透镜改变光电转换元件阵列的每个像素的波长宽度以在光电转换元件阵列上形成图像。
断层图像被配置为从形成的图像的范围中的像素的数据形成。
在其它方面，作为装置的配置与第三实施例类似。因此，将省略重复部分的描述。
图5A～5D示出分光器450、透射型光栅441以及透镜435-2和435-3。两个透镜被组合以形成变焦透镜。
图5A～5D还示出线照相机439。
除了分光器部分以外，低分辨率模式和高分辨率模式中的光学断层成像装置的操作相同。
换句话说，高分辨率模式中焦点深度(DOF)范围的调整、门位置的调整和用于通过分阶段改变焦点深度(DOF)范围的位置获取B扫描的区域聚焦的过程等也是相同的。
使用与第一实施例类似的光源。SLD具有840nm的波长和50nm的带宽。
通过使用可变扩展器，光束直径在低分辨率模式中被设为1mm并且在高分辨率模式中被设为2mm。
因此，各模式的焦点深度(DOF)和分辨率的值与第三实施例中相同。并且，测量光束和参考光束的光路也与第一实施例中相同。
现在将参照图5A、图5B、图6A和图6B描述分光器周围的操作。
首先，将描述低分辨率模式中的分光器的状态。
以与第一到第三实施例相同的方式，组合光束被引向分光器450。
在低分辨率模式中，如图5A所示，透镜435-2和435-3作为变焦透镜被调整到长焦状态。
通过透镜435-2和435-3会聚被透射型光栅441分成各波长的组合光束。
各透镜435-2和435-3被调整为变焦透镜，使得在线照相机439中的线传感器439-1上形成图像，并且，50nm带宽分离光束与线传感器中的像素的数量对应。
特别地，如图6A所示，50nm分离光束在与线照相机439内的传感器的1024个像素对应的宽度上形成图像。
图6A示意性示出线传感器439-1。从λs(815nm)到λe(865nm)的分离光束在线传感器439-1上形成图像。该分光器状态与第三实施例类似。
下面将描述高分辨率模式中的分光器的状态。
在高分辨率模式中，如图5B所示，透镜435-2和435-3作为变焦透镜被调整到短焦状态。
因此，通过透射型光栅441分成各波长的光，或者，换句话说，50nm带宽光如图6B所示的那样跨与512个像素对应的宽度形成图像。
虽然在读取中读取与1024个像素对应的数据，但是，当执行诸如用于构建各焦点深度(DOF)位置处的B扫描图像的FFT的处理时以及当将各B扫描拼合在一起时，使用与512个像素对应的数据。换句话说，只使用与在光电转换元件阵列上通过组合光束形成的图像对应的像素的数据。
因此，用于构建高分辨率模式中的图像所需要的时间可减少。同时，由于与第三实施例中的线传感器的稀疏化和读取相比出现组合光束的光量的更少的损失，因此获得的图像的对比度增加。
并且，光电转换元件阵列可经受区域分割，并且被配置为使得可以独立于其它的分割区域读取至少一个分割区域中的像素的数据。
特别地，例如，通过事先为线传感器439-1设置寄存器使得可以独立地执行来自中心部分中的512个像素的读取，只有线传感器439-1的中心部分的512个像素可被配置为在高分辨率模式中被读取。
在这样做时，除了加速图像形成以外，不需要读出与1024个像素对应的数据。因此，可以减少线传感器的读取时间并且可实现成像时间的进一步的减少。
如上所述，在本实施例中，由于在使用区域聚焦的高分辨率模式中的成像中不存在光量损失，因此导致更高的图像对比度和更短的成像时间。
本实施例不意欲将通过变焦透镜的图像形成范围限于1024或512像素，并且，例如，可以自由地选择256个像素等。
另外，虽然可以设想由于透镜关于线传感器的变焦操作导致图像形成位置变得偏移，但是，在这种情况下，可以设置用于根据模式自动或手动调整线传感器和透镜之间的位置关系的机构。
第五实施例
下面参照图5C和图5D描述根据第五实施例的用于傅立叶域光学相干断层的光学断层成像装置。
本实施例与第四实施例的不同在于分光器的配置。
在其它方面，作为装置的配置与第四实施例类似。因此，将省略重复部分的描述。
图5C和图5D示出分光器550、透射型光栅541以及透镜535-2和535-3。两个透镜被组合以形成变焦透镜。
图5C和图5D还示出线照相机439和彼此相对地移动线照相机539以及透镜535-2和535-3的位置的照相机移动线性致动器555。
除了分光器部分以外，低分辨率模式和高分辨率模式中的根据本实施例的光学断层成像装置的操作与第三和第四实施例相同。
换句话说，高分辨率模式中的焦点深度(DOF)范围的调整、门位置的调整和用于通过分阶段改变焦点深度(DOF)范围的位置获取B扫描的过程也是相同的。
使用与第一实施例类似的光源。SLD具有840nm的波长和50nm的带宽。
通过使用可变扩展器，光束直径在低分辨率模式中被设为1mm并且在高分辨率模式中被设为2mm。因此，各模式的焦点深度(DOF)值和光斑直径值与第三和第四实施例中相同。
并且，测量光束和参考光束的光路也与第一实施例相同。
现在将参照图5C、图5D、图6C、图6D和图6E描述分光器周围的操作。
首先，将描述低分辨率模式中的分光器的状态。
以与第一到第三实施例相同的方式，组合光束被引向分光器550。
在低分辨率模式中，如图5C所示，透镜535-2和535-3作为变焦透镜被调整到长焦状态。
另外，通过照相机移动线性致动器555调整位置，使得线照相机539内的线传感器的中心与由透镜535-2和535-3制成的变焦透镜的光轴大致相互一致。
通过透镜535-2和535-3会聚被透射型光栅541分成各波长的光。
各透镜535-2和535-3被调整为变焦透镜，使得在线照相机539中的线传感器539-1上形成图像的50nm带宽光与线传感器中的像素的数量对应。
特别地，如图6C所示，形成与线照相机539内的线传感器的1024个像素的宽度对应的图像。
图6C示意性示出线传感器539-1。范围在从λs(815nm)到λe(865nm)的分离光束在线传感器539-1上形成图像。该分光器状态与第四实施例类似。
接着将描述高分辨率模式中的分光器的状态。
在高分辨率模式中，如图5D所示，透镜535-2和535-3作为变焦透镜被调整到短焦状态。
另外，通过照相机移动线性致动器555调整位置，使得由透镜535-2和535-3制成的变焦透镜的光轴如图5D所示的那样与线照相机539内的线传感器的下侧大致一致。
特别地，如图6D所示，变焦透镜的光轴与图中所示的线传感器539-1的下侧的683个像素的中心大致一致。
因此，被透射型光栅541分成各波长的光，或者，换句话说，50nm范围中的光如图6D所示的那样跨与683像素对应的宽度形成图像。在这种情况下，线传感器539-1事先被设置有寄存器以使得能够独立地在683个像素上并且在这种状态下在图像形成范围外面的341个像素上执行读取。
因此，在高分辨率模式中的图6D所示的状态中，只读取线传感器539-1的必要的683个像素。
因此，由于可减少线传感器的读取时间，因此可以在更短的时间段内执行成像。
并且，在高分辨率模式中，透镜535-2和535-3以及线照相机的位置可被调整到图6E所示的图像形成状态。
在这样做时，虽然成像光学距离与341个像素对应(根据式(3)为1.2mm)，但是当执行更精细的区域聚焦时可以设定这种成像光学距离，以进一步减少线传感器的读取时间。
如上所述，在本实施例中，由于在使用区域聚焦的高分辨率模式中的成像中不存在光量损失，因此导致更高的图像对比度和更短的成像时间。同时，通过使线传感器经受非对称的区域分割并且移动变焦透镜的图像形成位置，可以多样化地改变成像光学距离，并且，可以增加高分辨率模式中的成像速度选择的自由度。
其它实施例
也可通过读出并执行记录在存储器设备上的程序以执行上述的实施例的功能的系统或装置的计算机(或诸如CPU或MPU的设备)、以及通过由系统或装置的计算机通过例如读出并执行记录在存储器设备上的程序以执行上述的实施例的功能而执行其步骤的方法，实现本发明的各方面。出于这种目的，例如通过网络或从用作存储器设备的各种类型的记录介质(例如，计算机可读介质)向计算机提供程序。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的修改以及等同的结构和功能。

Claims (15)

1.一种光学断层成像装置，该光学断层成像装置将来自光源的光分割成测量光束和参考光束，将测量光束引向对象并将参考光束引向参考反射镜，检测对被所述对象反射或散射的测量光束的返回光束和被所述参考反射镜反射的参考光束进行组合的光束，并且执行所述对象的断层成像，该光学断层成像装置包括：
光束直径调整单元，所述光束直径调整单元被配置为调整要被引向所述对象的测量光束的光束直径；
检测单元，所述检测单元包含分光单元、图像形成单元和光电转换单元阵列，并被配置为检测所述组合光束；和
改变单元，所述改变单元被配置为基于由光束直径调整单元调整的光束直径读取来自光电转换元件阵列的信号、并且改变用于成像的像素的数量与光源的波长带宽的比。
2.根据权利要求1的光学断层成像装置，还包括：
第一控制单元，所述第一控制单元被配置为控制参考反射镜的位置；和
第二控制单元，所述第二控制单元被配置为控制会聚单元的位置，所述会聚单元被配置为使测量光束被会聚在对象上；
其中，光学断层成像装置使用第一控制单元和第二控制单元来从成像的开始到结束控制参考反射镜和会聚单元的各位置，以执行对象的断层成像。
3.根据权利要求1的光学断层成像装置，还包括被配置为稀疏化要从光电转换元件阵列读取的像素的单元，
其中，所述光学断层成像装置可在减少要读取的像素的数量的同时通过使用由所述光束直径调整单元调整的大的光束直径以高分辨率执行成像。
4.根据权利要求1的光学断层成像装置，所述光学断层成像装置包含多个检测单元，
其中，所述多个检测单元关于光电转换元件阵列的像素数量与光源的波长带宽的比被配置为相互不同，并且，
光学断层成像装置可基于由所述光束直径调整单元调整的光束直径选择所述多个检测单元中的任一个。
5.根据权利要求1的光学断层成像装置，
其中，所述图像形成单元由变焦透镜制成，并且，
所述光学断层成像装置使用所述变焦透镜以基于由所述光束直径调整单元调整的光束直径改变光电转换元件阵列的每个像素的波长宽度并使图像被形成在光电转换元件阵列上，并且基于图像形成范围中的像素的数据形成断层图像。
6.根据权利要求1的光学断层成像装置，
其中，所述图像形成单元由变焦透镜构成，并且，光电转换元件阵列被分割成各区域，并且，
其中，所述光学断层成像装置使用变焦透镜以基于由光束直径调整单元调整的光束直径改变光电转换元件阵列的每个像素的波长宽度，并且使图像形成在所述分割区域中的至少一个上，并且，
其中，可以与其它的分割区域独立地读取图像形成范围中的像素的数据。
7.一种成像装置，所述成像装置基于对来自被测量光束照射的对象的返回光束和与测量光束对应的参考光束进行组合的组合光束捕获光学干涉断层图像，该成像装置包括：
光束直径改变单元，所述光束直径改变单元被配置为改变所述测量光束的光束直径；和
检测单元，所述检测单元被配置为以与光束直径对应的分辨率检测所述组合光束。
8.根据权利要求7的成像装置，还包括位置改变单元，所述位置改变单元被配置为基于所述测量光束和所述参考光束之间的光路长度差改变相干门的位置，
其中，所述检测单元被配置为以与光束直径以及所述位置对应的分辨率检测所述组合光束。
9.根据权利要求7的成像装置，其中，所述检测单元包含：
分光单元，所述分光单元被配置为分离所述组合光束；
范围改变单元，所述范围改变单元被配置为基于光束直径改变将要照射分离的光束的范围；
传感器，所述传感器被配置为检测来自所述范围改变单元的光；和
获取单元，所述获取单元被配置为基于来自所述传感器的范围的输出信号获取所述对象的光学干涉断层图像。
10.根据权利要求9的成像装置，其中，所述范围改变单元被配置为根据光束直径改变要通过分离的光束在其上形成图像的检测单元上的像素的数量和分离的光束的波长宽度中的一个。
11.一种成像装置，该成像装置基于对来自被测量光束照射的对象的返回光束和与测量光束对应的参考光束进行组合的组合光束来捕获光学干涉断层图像，该成像装置包括：
光束直径改变单元，所述光束直径改变单元被配置为改变测量光束的光束直径；
分光单元，所述分光单元被配置为分离所述组合光束；
范围改变单元，所述范围改变单元被配置为基于光束直径改变将要照射分离的光束的范围；
检测单元，所述检测单元被配置为检测来自所述范围改变单元的光；和
获取单元，所述获取单元被配置为基于来自所述检测单元的范围的输出信号获取所述对象的光学干涉断层图像。
12.根据权利要求11的成像装置，还包括：位置改变单元，所述位置改变单元被配置为基于测量光束和参考光束之间的光路长度差改变相干门的位置，
其中，所述范围改变单元被配置为基于光束直径和所述位置改变将要照射分离的光束的范围。
13.根据权利要求11的成像装置，其中，所述范围改变单元被配置为根据光束直径改变要通过分离的光束在其上形成图像的检测单元上的像素的数量和分离的光束的波长宽度中的一个。
14.一种成像方法，该成像方法基于对来自被测量光束照射的对象的返回光束和与测量光束对应的参考光束进行组合的组合光束来捕获光学干涉断层图像，该成像方法包括：
改变测量光束的光束直径；和
以与光束直径对应的分辨率检测所述组合光束。
15.一种存储在计算机可读存储介质上的用于使计算机执行根据权利要求14的成像方法的程序。
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