CN102084240B - 使用光学相干层析成像法的成像设备和成像方法 - Google Patents

Abstract

提供了使用傅里叶域光学相干层析成像法的成像设备，该成像设备去除由返回光的自相关成分所引起的噪声，以便获得高分辨率的层析图像。第一切换单元17对返回光12与参考光合成的第一状态(将返回光12引导到合成单元22的状态)和与第一状态不同的第二状态(阻挡或改变返回光12的光路的状态)进行切换。控制单元18控制切换单元17以便改变第一状态和第二状态。干涉信息获取单元19使用由检测单元16在第二状态中检测的参考光14或返回光12以及合成光15来获取关于返回光12和参考光14的干涉信息。

Description

使用光学相干层析成像法的成像设备和成像方法

技术领域

本发明涉及使用光学相干层析成像法的成像设备和成像方法，特别涉及用于使用光学相干层析成像法来观察眼睛和皮肤的成像设备和成像方法。

背景技术

利用低相干光的相干性的使用光学相干层析成像法(OCT)的成像设备(在下文中称为OCT设备)已经被投入实际使用。成像设备可以获得具有入射在物体上的光的波长量级的分辨率的层析图像，其使得能够提供待检测物体的高分辨率的层析图像。

来自光源的光被例如分束器的分割光路分割成测量光和参考光。首先利用测量光通过测量光路来照射诸如眼睛的待检测物体。然后将从待检测物体返回的光通过检测光路引导到检测位置。术语“返回光”指的是包括与在用光照射待检测物体的方向中的界面有关的信息的反射光和散射光。参考光通过参考光路而被参考反射镜反射，从而将反射光引导到检测位置。用检测器对返回光和参考光的相干光的检测和分析提供了待检测物体的层析图像。

日本专利申请公开No.H11-325849公开了一种OCT配置，在其中在测量待检测物体的一个点中参考反射镜的位置不连续地改变三次以便获得波长谱，并且随后该谱的计算提供了层析图像。

此外，在A.F.Fercher、C.K.Hitzenberger、G.Kamp、S.Y.El-Zaiat的Opt.Commun.117，43-48，(1995)的论文中，公开了一种傅里叶域(Fourier-Domain)的OCT设备(在下文中称为FD-OCT设备)，在其中用固定的OCT设备的参考反射镜获得波长谱，并且通过傅里叶变换测量层析照片(tomogram)。FD-OCT设备包括使用分光器的系统(SD-OCT：谱域OCT)和扫描光源的波长的系统(SS-OCT：源扫描OCT)。

发明内容

与能够在深度方向上共同地获得层析图像的FD-OCT设备相比，在日本专利申请公开No.H11-325849中公开的OCT设备要求更多的时间来执行测量，因为该OCT设备移动参考反射镜。

另一方面，FD-OCT设备可以在深度方向上共同获得层析图像中使用固定的参考反射镜。然而，在参考光和返回光的合成光中包括作为噪声的参考光和返回光的自相关成分。

为了避免这个，位于光学上等效的位置中的参考反射镜可以远离待检测物体以便与这些成分分离。同样为了避免这个，相干门(coherence gate)可以远离待检测物体以便与那些成分分离。

然而，位于光学上等效的位置中的远离物体的参考反射镜有时降低测量灵敏度(传感器的灵敏度)，并且需要从合成光中去除参考光和返回光的自相关成分以便执行高精度测量。特别地，返回光的自相关成分随着待测量的位置而变化，使得需要顺序地获得返回光的自相关成分以便将其从合成光中去除。

鉴于以上问题已经作出本发明，并且本发明的目的是提供以下面方式配置的光学层析成像设备和对光学层析图像进行成像的方法。

根据本发明，提供了一种光学层析成像设备，其将来自光源的光分割成测量光和参考光，将测量光引导通过测量光路到待检测物体并且将参考光引导通过参考光路到参考反射镜，并且使用基于由待检测物体反射或散射的测量光的返回光、由参考反射镜反射的参考光以及基于返回光和参考光的合成光来对待检测物体的层析图像进行成像，该光学层析成像设备包括：用于控制布置在测量光路和参考光路中的每一个中的光的透射率的单元；控制单元，用于基于设定的分布(profile)来控制用于控制光的透射率的单元中的光的透射率的改变的时间间隔；用于获得通过基于分布的时间间隔的控制而获得的并且基于来自光源的光的返回光、参考光和合成光中的每一个的波长谱数据的单元；以及计算单元，在其中获得的返回光、参考光和合成光的波长谱数据被用来至少计算光学成分中的任何一个。

根据本发明的对光学层析图像进行成像的方法包括以下步骤：将来自光源的光分割成测量光和参考光，将测量光引导到待检测物体并且将参考光引导到参考反射镜；以及使用基于由待检测物体反射或散射的测量光的返回光、由参考反射镜反射的参考光以及基于返回光和参考光的合成光来对待检测物体的层析图像进行成像；以及其中基于分布来控制用于控制布置在用于引导测量光的测量光路和用于引导参考光的参考光路中的每一个中的光的透射率的单元，在该分布中设定时间间隔来获得基于来自光源的光的返回光、参考光和合成光，并且从获得的返回光、参考光和合成光中的每一个获取的波长谱数据被用来至少计算光学成分中的任何一个。

另一种使用傅里叶域光学相干层析成像法的成像设备包括：

用于发射光的光源；

分割单元，用于将来自光源的光分割成参考光和测量光；

检测单元，用于检测合成光，该合成光是将通过将测量光辐射到待检测物体而获得的返回光和参考光合成而成的；

第一切换单元和第二切换单元中的一个，第一切换单元用于在检测单元能够检测合成光的第一状态与检测单元能够检测参考光的第二状态之间进行切换，而第二切换单元用于在第一状态与检测单元能够检测测量光的第三状态之间进行切换；

控制单元，用于控制第一切换单元以在第一状态与第二状态之间进行切换或者控制第二切换单元以在第一状态与第三状态之间进行切换；以及

干涉信息获取单元，用于通过使用在第二状态中检测的参考光和在第三状态中检测的测量光中的一个以及在第一状态中由检测单元检测的合成光来获取关于返回光和参考光的干涉信息。

另一种使用傅里叶域光学相干层析成像法的成像方法包括：

产生光；

将光分割成参考光和测量光；

将测量光照射到待检测物体；

检测通过将参考光与通过该照射获得的返回光合成而获得的合成光；

在能够检测合成光的第一状态与能够检测参考光的第二状态之间进行切换，或者在第一状态与能够检测测量光的第三状态之间进行切换；以及

通过使用在第二状态中检测的参考光和在第三状态中检测的测量光中的一个以及在第一状态中检测的合成光来获得关于返回光和参考光的干涉信息。

根据本发明，参考光的自相关成分的去除使得能够提供高精度的层析图像。

从以下参考附图的示例性实施例的描述中本发明更多的特征将变得清晰。

附图说明

图1A和图1B是用于描述根据本实施例的使用光学相干层析成像法的成像设备的示意图。

图2A和图2B是用于描述根据示例1和2的使用光学相干层析成像法的成像设备的光学系统的示意图。

图3A、图3B、图3C、图3D和图3E是用于描述在示例1～3中用于参考光和返回光的控制分布的时序图。

图4是用于在示例1中的测量的流程图。

图5是用于描述在示例1中的反射率和透射率的关系以及层析照片的结构的示意图。

图6是在示例2中的测量的流程图。

图7是用于描述在示例3中的使用光学相干层析成像法的图像设备的光学系统的示意图。

图8是在示例3中的测量的流程图。

具体实施方式

[第一实施例]

下面参考图1A和图1B描述根据本实施例的使用傅里叶域光学相干层析成像法的成像设备。图1A示出Michelson型干涉仪而图1B示出Mach-Zehnder型干涉仪。在图1A中，分割单元21和合成单元22由共同的部件配置。另一方面，在图1B中，分割单元21和合成单元22由不同的部件配置。

本发明不限于由图1A或图1B呈现的设备，在其中例如遮光器(shutter)的切换单元17(也被称为第一切换单元)位于测量光路上。例如遮光器的切换单元(也被称为第二切换单元)还可以位于参考光路上。设备可以仅仅包括第一切换单元和第二切换单元之一，并且设备可以包括它们两者。

FD-OCT(傅里叶域OCT)包括两种类型，即SD-OCT(谱域OCT)和SS-OCT(源扫描OCT)。虽然在本实施例中利用SD-OCT类型进行以下说明，但是本发明也可以包括使用SS-OCT的设备。

(成像设备)

光源20产生光(低相干光)。超级发光二极管(SLD)可以被应用于光源20。放大自发发射(ASE)也可以被应用于光源20。另外，超短脉冲激光器(例如钛蓝宝石激光器)也可以被应用于光源20。任何其它可以产生低相干光的光源可以被应用于光源20。由光源20产生的光的波长为400nm到2μm，其不受特别限制。深度方向的分辨率随着波长的带宽变宽而增强。一般，在中心波长为850nm时，在50nm的波长内分辨率为6μm而在100nm的波长内分辨率为3μm。

分割单元21将来自光源20的光分割成参考光14和测量光23。分束器或光纤耦合器可以被应用于分割单元21。任何其它可以分割光的器件可以被应用于分割单元21。还可以针对待检测物体适当地选择分割的比例。

检测单元(分光器)16检测通过将测量光23辐射到待检测物体11(包括活体部分，例如眼底)而获得的返回光12和(由被安置在参考光路上的例如反射镜的参考单元13反射的)参考光14的合成光15。测量光23可以通过光学单元(例如位于测量光路上的透镜)而被辐射到待检测物体11。检测单元16具有用于使合成光15色散的分光器件(例如，在图2A中的棱镜109)。分光器件是衍射光栅或棱镜，并且可以使用能够使光色散的任何其它器件。检测单元16具有用于检测由分光器件色散的光的传感器(例如，在图2A中的成像器件110)。传感器是线传感器或二维的传感器，并且可以使用能够检测光的任何其它器件。

切换单元17在检测单元16能够检测合成光15的第一状态(返回光12被引导到合成单元22的状态)与检测单元能够检测参考光14的第二状态之间进行切换。切换单元17也被称为第一切换单元，其中第一切换单元位于测量光路上。本实施例的切换单元可以如上所述位于参考光路上，其被称为第二切换单元。第一切换单元和第二切换单元可以位于相同的设备上。第二切换单元可以在第一状态与检测单元16能够检测测量光的第三状态之间进行切换。

期望地将切换单元17配置为使得测量光23或返回光12的光路可以被阻挡。此时，第二状态为阻挡状态。期望地将切换单元17配置为使得可以控制测量光23或返回光12的透射率。在那些情况中，遮光器(稍后描述)可以被应用于切换单元17，但是可以应用能够阻挡光路的任何其它器件。

可以将切换单元17配置为使得可以改变测量光23或返回光12的光路。此时，第二状态为改变后的状态。在该情况下，例如用于使测量光23在待检测物体11上扫描的光学扫描单元(例如，在图2A中的XY扫描器104)可以被应用于切换单元17，但是可以应用能够改变光路的任何其它器件。

控制单元18控制切换单元17(第一切换单元)以便改变第一状态和第二状态。控制单元18可以控制切换单元(第二切换单元)以便在第一状态与第三状态之间进行切换。控制单元18可以控制第一切换单元和第二切换单元两者以便对第一状态、第二状态和第三状态进行切换。控制单元18可以包括两个控制器件以控制第一切换单元和第二切换单元两者，并且可以被配置在控制第一切换单元和第二切换单元的单个器件上。期望地，控制单元18基于预定定时(例如，图3A～3E)来控制切换单元17。此时，在第一状态时由检测单元16检测合成光15。

干涉信息获取单元19使用由检测单元16在第二状态中检测的参考光14以及合成光15来获取关于返回光12和参考光14的干涉信息(相干成分，稍后描述的公式8)。期望的是，从由检测单元16检测的合成光15(稍后描述的公式7)中减去参考光14的自相关成分(稍后描述的公式1)和返回光12的自相关成分(稍后描述的公式2)。期望地，通过参考光14的自相关成分使相减的结果(稍后描述的公式8)标准化。标准化后的结果的傅里叶变换(稍后描述的公式9)提供了待检测物体11的层析图像。

这使得能够顺序地提供返回光12，该返回光12可以随要测量的位置而变化。由此，可以从合成光15中去除返回光12的自相关成分。

自相关成分是除了参考光和返回光的相干成分之外还包括的参考光本身或返回光本身的成分。参考光和返回光的合成光除了它们的相干成分之外还包括自相关成分。为了检测相干成分，期望地从合成光中减去参考光的自相关成分，该参考光的自相关成分为与相干成分相比具有相对大量的光量的成分。

OCT设备期望地包括用于检测测量光的量的光量检测单元(例如，在图7中的检测器803)以及用于将检测的光量与预定值进行比较的比较单元(未示出)。在检测的光量与预定值(预定的光量)不同或者检测的光量在预定的光量的范围之外时，切换单元17期望地将第一状态切换到第二状态。结果，在测量光的光量与预定的光量不同(或者在预定的光量的范围之外)时，测量光不被辐射到成像设备之外(稍后在实施例3中描述)。

(成像方法)

根据本实施例的使用傅里叶域光学相干层析成像法的成像方法至少包括下面描述的步骤。

a)产生光的步骤。

b)将光分割成参考光和测量光的步骤。

c)将测量光照射到待检测物体的步骤。

d)检测通过将参考光与通过该照射获得的返回光合成而获得的合成光的步骤。

e)在检测单元16能够检测合成光的第一状态与检测单元能够检测参考光的第二状态之间进行切换、或者在第一状态与检测单元16能够检测测量光的第三状态之间进行切换的步骤。

f)通过使用在第二状态中检测的参考光和在第三状态中检测的测量光中的一个以及在第一状态中检测的合成光来获得关于返回光和参考光的干涉信息的步骤。

通过使用此方法，从合成光中去除参考光或返回光的自相关成分，由此使得能够获得高精度的干涉信息。

在步骤e)中，该改变可以在第一状态、第二状态和第三状态之间。

为了获得更精确的层析信息，该方法期望包括以下步骤：

g)从合成光中减去参考光的自相关成分和返回光的自相关成分的步骤。

h)通过参考光的自相关成分使减去后的值标准化的步骤。

i)对标准化后的结果进行傅里叶变换的步骤。

j)获得待检测物体的层析图像的步骤。

期望分别由减去单元、标准化单元、变换单元和层析图像获取单元来执行上面的步骤g)～j)。上述单元中的每一个不一定被分成不同的处理器(例如CPU)，而是单个处理器可以包括它们中的每一个。

当该方法进一步包括下面的步骤时，在测量光的光量与预定的光量不同(或者在预定的光量的范围之外)时测量光可以不被辐射到成像设备之外：

k)检测测量光的光量的步骤。

l)在光量与预定的光量不同时改变到第二状态的步骤。

[第二实施例]

下面参考图2A描述根据另一实施例的光学层析成像设备。通过分割光路的来自光源101的光被分割成测量光112和参考光114。测量光112通过测量光路被引导到待检测物体106，并且由待检测物体106反射或散射的测量光的返回光113通过检测光路被引导到检测位置。另一方面，参考光114通过参考光路被引导到参考反射镜115，并且由参考反射镜115反射的参考光被引导到检测位置。被引导到检测位置的返回光113和参考光114的合成光的使用对待检测物体的层析图像进行成像。此时，用于控制光的透射率的单元117-1和117-2被分别布置在参考光路和测量光路上。用于控制光的透射率的单元被配置为基于由控制单元111设定的分布来控制光的透射率的改变的时间间隔。用于获取波长谱数据108的单元被配置为获取通过基于分布控制时间间隔而获取的基于来自光源的光的返回光113、参考光114和合成光的波长谱数据。计算单元111被配置为使用所获取的返回光、参考光和合成光的波长谱数据来至少计算那些光学成分中的任何一个。

用于控制光的透射率的单元117-1和117-2可以被配置有用于切换光的透射和切断的光学切换器件。另外，光学切换器件可以被配置有机械的或电气的遮光器。机械的或电气的遮光器可以被配置为使得能够控制光的透射率。控制单元111可以被配置为使得能够基于返回光的获取时间被设定为比参考光的获取时间长的分布来进行控制。此外，控制单元111可以适于包括用于放大返回光的光学放大器(例如，在图2B中的光学放大器517)。

可以如下地配置根据本实施例的对光学层析图像进行成像的方法。基于具有设定的时间间隔的分布来控制用于控制光的透射率的前述单元117-1和117-2，从而获得基于来自光源的光的返回光113、参考光114和合成光。从所获取的返回光、参考光和合成光获得的波长谱数据被用来至少计算那些光学成分中的任何一个。

在计算光学成分中，从获取的返回光、参考光和合成光获得的波长谱数据被用来使得能够从合成光的成分中减去参考光和返回光的自相关成分。此外，在计算光的成分中，上述相减的结果可以被配置为除以参考光的自相关成分。还进一步，在计算光的成分中，上述相除后的结果可以被配置为除以在用于放大返回光的光学放大器中的波长色散。从获取的返回光、参考光和合成光获得的波长谱数据可以被用来形成没有深度分辨率的图像。

根据依照本实施例的光学层析成像设备和对光学层析图像进行成像的方法，可以在根据待检测物体的位置顺序去除由参考光和返回光的自相关成分引起的噪声的同时执行测量，提供高分辨率的层析图像。

[存储介质和程序]

作为另一实施例，根据本实施例的上述成像方法可以作为要被计算机运行的程序而被存储在计算机可读的存储介质(例如，软盘、硬盘、光盘、磁光盘、CD-ROM、CD-R、磁带、非易失性存储卡、ROM、EEPROM、蓝光盘等)中。作为又一个实施例，可以存在用于使计算机运行上述成像方法的程序。

[示例]

下面描述本发明的示例。

[示例1：Michelson型干涉仪]

参考图2A描述根据示例1的使用光学相干层析成像法的成像设备(或光学层析成像设备)的示例。本示例的光学层析成像设备整个地形成Michelson型干涉仪并且在控制光的部分中使用机械的机构。

从光源101发出的光经过透镜102并且被分束器103分割成测量光112和参考光114。测量光112通过XY扫描器104和物镜105到达待检测物体106。透光膜被布置在待检测的物体106上。由膜的界面和表面散射和反射的返回光113返回依次通过物镜105、XY扫描器104和分束器103，并且通过成像透镜107到达分光器108。另一方面，由参考反射镜115反射参考光114。参考反射镜115可以借助于位置调整器件116调整光路长度。由分束器103将参考光114与返回光加在一起。参考光114和返回光113可以分别被转动的遮光器117-1和117-2切断。遮光器117-1和117-2可以通过利用控制单元(未示出)连续地控制光的透射和切断。当然遮光器不需要是转动式的。滑动的遮光器可以被可移动地布置在光路上。

光源101使用作为典型的低相干光源的超级发光二极管(SLD)。其中心波长是例如830nm，并且带宽是50nm。带宽是一个重要因素，因为它影响要获得的层析图像的光轴上的分辨率。虽然SLD已经被选择作为光源，但是可以使用能够发射低相干光的任何其它光源，例如可以使用放大自发发射(ASE)光源。当然可以根据待检测物体的内容使用其它光源，例如卤素灯等。然而，波长影响要获得的层析图像的横向上的分辨率，使得期望的是在认为横向分辨率重要时使用短波长。

分光器108包括棱镜109和成像器件110并且分别使返回光113、参考光114和合成光色散。色散后的光被分光器108中的成像器件捕获作为波长的谱数据。计算机111分析由成像器件成像的波长的谱数据。计算机111不仅具有分析数据的功能，而且具有发出用于存储数据、显示图像和测量数据的指令的功能。XY扫描器104借助于计算机控制在待检测物体106之上在与光轴垂直的方向上光栅扫描测量光112，以便获得待检测物体106的截面图像。

下面参考图3A和图3B描述在本示例中的返回光113和参考光114的透射率的时间分布。图3A和图3B是分别用于描述参考光114和返回光113的透射率的时间分布的示例的时序图，其中在示例中透射率为0％或100％。

对于转动的遮光器，使用在同一圆周上制作其三个孔的盘，并且将阻挡部件布置在一个孔中。盘的以恒定速度的转动提供了这种分布。通过图3A中示出的间隔301、302和303分别获得参考光、返回光和合成光。当然，计算机111基于设定的控制分布来控制分光器108和XY扫描器104。

透射率不需要为100％，并且可以在仅仅测量参考光的情况和测量合成光的情况下改变。对于转动的遮光器，例如，在盘的孔中的ND滤波器的使用使得能够改变透射率。如果ND滤波器的使用改变光路长度，则将光路长度相同的玻璃部件布置在其它的盘的孔中。时间间隔301、302和303不需要彼此相等。由于参考光的量较大，时间间隔能够短。滑动的遮光器的使用使得能够可选地改变遮光器的时间间隔。如果光源的波长谱是时间稳定的，则可以接受用于连续地获得返回光和合成光的分布。在该情况下，需要预先获得光源的波长谱。

下面参考图4描述在本示例中的处理行为。图4是用于描述在本示例中的处理行为的流程图。

在步骤S1中，开始测量。

在步骤S2中，在测量光112被遮光器117-2切断并且存储在存储器中时由成像器件110获得参考光114。

在波数为k以及参考光的电场为E_r(k)的情况下，由公式1表示作为参考光114的自相关成分的强度I_r(k)。

I_r(k)＝{E_r(k)}₂     (公式1)

当然，一般的分光器获取波长λ的谱。

通过使用作为k＝2π/λ的波数k与波长λ的关系来将波长λ的谱转换为波数的谱。期望的是在稍后过程中考虑到傅里叶变换而对在波数方面等间隔的谱进行再采样。

在本申请中，考虑在波数方面等间隔的谱。如果参考光的谱不是时间改变的，则参考光114可以被预先获得并且存储在存储器中。

在步骤S3中，在参考光114被遮光器117-1切断时由成像器件110获得返回光113。

确定了在返回光113的强度I_s(k)、返回光113的电场E_s(k)和参考光114的电场E_r(k)之间的关系。

如图5中所示出的，距离等效的参考反射镜的位置401的第i个界面的空间距离为z_i，界面的反射率为R(z_i)，并且在参考反射镜和位置z_i之间的往返透射率(round-trip transmittance)为T(z_i)。

使用到位置z_i的平均折射率作为n(z_i)使得能够通过公式2表示作为返回光113的自相关成分的强度I_s(k)。

顺便说一下，在本申请中，假设参考光114和测量光112被相等地分割并且其谱彼此相等。虚数单位由“j”表示。

$I_s\left(k\right)={\left\{E_s\left(k\right)\right\}}^2={\left\{\underset{z_i}{\mathrm{\Σ}}T\left(z_i\right)R\left(z_i\right)e^{-j2\mathrm{kn}\left(z_i\right)z_i}{E}_r\left(k\right)\right\}}^2$

(公式2)

因此，返回光113的谱具有深度方向上的信息。

深度信息随着待检测和测量的物体的XY坐标而变化，这是获得两维或三维的图像所要求的。

顺便说一下，公式2的对于期望的波数的积分提供了整个返回光113的强度信号而没有深度分辨率。

这可以被用作共焦点激光扫描检眼镜检查图像。可以不用积分而仅仅通过特定的波数来使公式2成像。

下面描述在位于光学上等效的位置中的参考反射镜和位置z_i之间的反射率R(z_i)和往返透射率T(z_i)。

在光从具有折射率n_s的物质入射到具有折射率n_t的物质上的情况下在界面处的反射率和透射率可以分别由公式3和4表示。

在不改变折射率时，反射率是0而透射率是1。

在负反射率处相位反转。

为了简单起见，忽略了介质中的多次反射和吸收的影响。

$r\left(z_{\mathrm{st}}\right)=\frac{n_s-n_t}{n_s+n_t}$ (公式3)

$t\left(z_{\mathrm{st}}\right)=\frac{{2n}_s}{n_s+n_t}$ (公式4)

通过使用具有如图5所示的结构的层析照片来示出反射率R(z_i)和往返透射率T(z_i)的示例。

在该情况中的层析照片由第一界面402、第二界面403和第三界面404形成。另外，参考反射镜401被示出在光学上等效的位置中。

位于光学上等效的位置中的参考反射镜和第一界面的折射率为N₀，并且从参考反射镜侧入射在第一界面上的光的反射率和透射率分别为r₀₁和t₀₁。

另一方面，从第二界面侧入射在第一界面上的光的透射率为t₁₀。

类似地，如图5所示，第一界面和第二界面的折射率为N₁，从第一界面侧入射在第二界面上的光的反射率和透射率分别为r₁₂和t₁₂，并且从第三界面侧入射在第二界面上的光的透射率为t₂₁。

第二界面和第三界面的折射率为N₂，从第二界面侧入射在第三界面上的光的反射率和透射率分别为r₂₃和t₂₃，并且另一方面，从第四界面侧入射在第三界面上的光的透射率为t₃₂。第三界面和第四界面的折射率为N₃。

利用上述符号，例如，从参考反射镜侧入射在第三界面上的光的反射率可以由公式5表示。

$R\left(z_3\right)=r_{23}=\frac{n_2-n_3}{n_2+n_3}$ (公式5)

另一方面，往返透射率可以通过将光经过的界面的透射率一起相乘而获得并且由公式6表示。

$T\left(z_3\right)=t_{01}{t}_{12}{t}_{21}{t}_{10}=\frac{{2n}_0}{n_0+n_1}\frac{{2n}_1}{n_1+n_2}\frac{{2n}_2}{n_2+n_1}\frac{{2n}_1}{n_1+n_0}$

(公式6)

在步骤S4中，在遮光器117-1和遮光器117-2不切断光时由成像器件110获得参考光114和返回光113的合成光I_add(k)。此时，相干成分I_rs(k)以及参考光114和返回光113的自相关成分出现。合成光I_add(k)可以由公式7表示。

I_add(k)＝I_r(k)+I_rs(k)+I_s(k)＝{E_r(k)+E_s(k)}²  (公式7)

从公式7中减去公式1和2提供了相干成分I_rs(k)。这可以由以下公式8表示。

$I_{\mathrm{rs}}\left(k\right)=E_r\left(k\right)E_s^{*}\left(k\right)+E_r^{*}\left(k\right)E_s\left(k\right)=\underset{z_i}{\mathrm{\Σ}}2R\left(z_i\right)T\left(z_i\right)\cos \left\{2\mathrm{kn}\left(z_i\right)z_i\right\}{E}_r^2\left(k\right)$

(公式8)

用公式8的相减的结果除以参考光114的自相关成分(公式1)提供了由以下公式9表示的标准化后的谱S_rs(k)。这与分光器108和光源101的波长色散的影响的消除对应。

$S_{\mathrm{rs}}\left(k\right)=\underset{z_i}{\mathrm{\Σ}}2R\left(z_i\right)T\left(z_i\right)\cos \left\{2\mathrm{kn}\left(z_i\right)z_i\right\}$ (公式9)

公式9的傅里叶变换使得与R(z_i)T(z_i)对应的信号出现在光学距离n(z_i)z_i的位置中，提供层析图像。可以在已经获得期望的返回光113、参考光114和合成光中的每一个之后计算公式8和9。

公式9中的傅里叶变换的结果被累积以便被用作共焦点激光扫描检眼镜检查图像。也就是说，实际上，从物体106返回的光较弱，使得有时不能测量由公式2表示的返回光113。在这种情况下，如由公式7表示的参考光114与返回光的相乘使得能够检测返回光113的成分。

在步骤S5中，进行关于是否已经测量期望的区域的判断。如果测量完成，则过程进行到步骤S10。

如果测量未完成，则过程进行到步骤S6。术语“期望的区域”指的是例如在待检测物体上的在X方向上以20μm步长的512个点或者在Y方向上以20μm步长的512个点。当然距离和点的数目可以随着待检测物体和设备而不同。

在步骤S6中，进行关于是否在X方向上执行移动的判断。

如果在X方向上执行移动，则过程进行到步骤S7。如果没有，则过程进行到步骤S8。

在步骤S7中，在X方向上移动期望的距离，并且过程进行到步骤S8。

术语“期望的距离”为例如20μm。

在步骤S8中，进行关于是否在Y方向上执行移动的判断。

如果在Y方向上执行移动，则过程进行到步骤S9。如果没有，则过程进行到步骤S2。

在步骤S9中，在Y方向上移动期望的距离，并且过程进行到步骤S2。

术语“期望的距离”为例如20μm。

最后，在步骤S10中，完成测量。

当然，作为理想的测量结果，图5中的界面被显示为层析图像。

下面描述去除自相关成分的效果。

合成光由公式7表示，并且所要求的成分由公式8表示。参考光114和返回光113的自相关成分是噪声，使得该成分需要被去除。

在SLD被用作一般的光源的情况下，参考光的自相关成分(作为随着其原点到离开原点的位置而从峰值逐渐衰减的图像)与层析图像交叠。另外，如公式8所示，自相关成分被叠入(fold)，使层析图像发生畸变。

另一方面，在下面要描述的图5的示例中，返回光113的自相关成分在第一界面、第二界面和第三界面处彼此干涉。

那些自相关成分与层析图像交叠从而产生噪声。换句话说，图像出现在n(z_i)z_i处形成的图像上的N₁(z₂-z₁)、N₂(z₃-z₂)、N₁(z₂-z₁)+N₂(z₃-z₂)的位置中。

一般，返回光的自相关成分比归因于参考光的成分更广泛。

在没有去除返回光的自相关成分时，在位于光学上等效的位置中的参考反射镜与第一反射镜之间的距离需要比待检测物体的层的厚度大。由此，即使层被显示为好像置于位于光学上等效的位置中的参考反射镜401与第一反射镜402之间，层析成分也可以与自相关成分分离。

参考光114和返回光113的自相关成分的去除使得能够将位于光学上等效的位置中的参考反射镜401布置在第一界面附近的位置中。

一般，位于光学上等效的位置中的参考反射镜401布置在第一界面附近的位置中使得能够进行高灵敏度的测量，其对于像眼睛那样的反射率低的待检测物体尤其有效。

与参考光114的谱的除法消除了层析图像的畸变以便提供高分辨率的图像。

构想了一种使用多个分光器测量参考光114和返回光113的自相关成分的方法。根据本示例，实现了使用单个分光器的方法，结果使得能够具有低成本。不需要考虑在分光器之间的个体差异。

[示例2：Mach-Zehnder型干涉仪]

参考图2B描述根据示例2的光学层析成像设备的示例。图2B是用于描述在本示例中的光学层析成像设备的光学系统的示意图。本示例的光学层析成像设备整个地形成Mach-Zehnder型干涉仪并且在控制光的部分中使用电气的机构。

在本示例中，待检测物体是眼睛，使得返回光的量较小。为此，用于放大返回光的光学放大器517的使用使得能够进行高速光控制。

从光源501发射的光通过单模式光纤512-1被引导到透镜511-1到511-3，并且被分束器503-1和503-2分割成参考光505和测量光506。测量光506被作为待检测物体的待检测物体507的眼睛反射或散射并且被返回作为返回光508。参考光和返回光通过光纤耦合器521而入射在分光器518上。由分光器获得的诸如波长谱的数据被捕获在计算机519中。光源501使用作为典型的低相干光源的超级发光二极管(SLD)。考虑到测量眼睛，作为波长近红外光是合适的。

下面描述用于参考光505的光路。

由分束器503-1分割成的参考光505顺序地入射在反射镜514-1、514-2和514-3上以便改变它的方向、由透镜511-3会聚并且入射在光学开关516-1上。使用方向性耦合器光学开关(在其中通过改变折射率来切换光)作为光学开关。当然，可以使用Mach-Zehnder型干涉仪光学开关、使用能够控制光的透射率的光学门元件的门型光学开关以及使用半导体的全内反射型光学开关。

色散补偿玻璃515的长度为L1，其期望地为普通眼睛的深度的两倍。色散补偿玻璃515相对于参考光505补偿向和从眼睛507行进的测量光506的色散。

长度L为46mm，其是日本人眼球的平均直径23mm的两倍。电动台513可以在图中箭头指出的方向上移动，并且调整和控制参考光505的光路长度。

下面描述用于测量光506的光路。

由分束器503-1分割的测量光506被分束器503-2反射并且然后入射在XY扫描器504的反射镜上。

XY扫描器504在与光轴垂直的方向上对视网膜510执行光栅扫描。

测量光506的中心被调整为与XY扫描器504的反射镜的转动中心一致。

透镜520-1和520-2是用于扫描视网膜510的光学系统，并且用来以角膜509的附近作为支点地在视网膜510之上扫描测量光506。

透镜520-1和520-2的焦距分别为50mm和50mm。在眼睛507上的测量光506的入射通过来自视网膜510的反射和/或散射而产生了返回光508。

返回光508经过光学放大器517，被透镜511-2会聚并且通过光学开关516-2和光纤耦合器521被引向分光器518。

光学放大器使用半导体放大器。一些光学放大器可以被用作用于改变透射率的门元件。

将这用作门型光学开关使得能够消除光学放大器517并且将光学开关516和光纤耦合器521集成。

下面参考图3C和图3D描述在本示例中的参考光和返回光的透射率的时间分布。图3C和图3D分别是参考光和返回光的分布。透射率期望地为0％或100％，但是波导光路有时产生很少的损失和泄漏。分别由图3C所示的间隔301、302和303来获得参考光、返回光和合成光。

下面参考图6描述在本示例中的信号处理。图6是用于描述本示例中的信号处理的流程图。

在步骤S1中，开始测量。

在步骤S2-1中，进行关于是否获得参考光的判断。

基于控制分布来进行关于是否获得参考光的判断。

如果获得参考光，则过程进行到步骤S2-2，而如果没有，则过程进行到步骤S3-1。

在步骤S2-2中，在返回光508被光学开关516-2切断并且存储在存储器中时由分光器518获得参考光505。由公式1表示作为参考光的自相关成分的强度I_r(k)。

在步骤S3-1中，进行关于是否获得返回光的判断。

基于控制分布来进行关于是否获得返回光的判断。

如果获得返回光，则过程进行到步骤S3-2，而如果没有，则过程进行到步骤S4-1。

在步骤S3-2中，在参考光505被光学开关516-1切断时由分光器518获得返回光508。

作为返回光的自相关成分的强度I_s(k)与示例1中的不同并且可以由公式10表示，其中公式2与光学放大器的波长色散G(k)相乘。

$I_s\left(k\right)={\left\{E_s\left(k\right)\right\}}^2={\left\{\underset{z_i}{\mathrm{\Σ}}R\left(z_i\right)T\left(z_i\right)e^{-j2\mathrm{kn}\left(z_i\right)z_i}G\left(k\right)E_r\left(k\right)\right\}}^2$ (公式10)

如果在G(k)中包括由于光路中的器件之间的差异产生的波长色散，则范围可以被增大。

在步骤S4-1中，进行关于是否获得合成光的判断。基于控制分布来进行关于是否获得合成光的判断。

如果获得合成光，则过程进行到步骤S4-2，而如果没有，则过程进行到步骤S5。

在步骤S4-2中，在分别由光学开关516-1和516-2切断参考光505和返回光508时由分光器518获得合成光I_add(k)。此时，相干成分I_rs(k)以及参考光和返回光的自相关成分出现。从合成光I_add(k)中减去公式1和10提供了公式11。

$I_{\mathrm{rs}}\left(k\right)=I_{\mathrm{rs}}\left(k\right)=E_r\left(k\right)E_s^{*}\left(k\right)+E_r^{*}\left(k\right)E_s\left(k\right)=\underset{z_i}{\mathrm{\Σ}}2R\left(z_i\right)T\left(z_i\right)\cos \left\{2\mathrm{kn}\left(z_i\right)z_i\right\}G\left(k\right)E_r^2\left(k\right)$

(公式11)

公式11除以参考光的自相关成分(公式1)提供了由公式12表示的标准化的谱S_rs(k)。

$S_{\mathrm{rs}}\left(k\right)=\underset{z_i}{\mathrm{\Σ}}2R\left(z_i\right)T\left(z_i\right)\cos \left\{2\mathrm{kn}\left(z_i\right)z_i\right\}G\left(k\right)$ (公式12)

由于公式12与公式9的不同之处在于公式12乘以光学放大器的波长色散G(k)，因此公式12除以G(k)就提供了示例1中的公式9。顺便说一下，事先获得光学放大器的波长色散并且将其存储在存储器中。

具体而言，例如，布置反射镜来代替眼睛，获得和计算参考光和返回光的谱以便获得光学放大器的波长色散。

在步骤S5中，进行关于测量是否完成的判断。

如果测量完成，则过程进行到步骤S10。如果没有，则过程进行到步骤S6。

在步骤S6中，进行关于是否在X方向上执行移动的判断。

如果在X方向上执行移动，则过程进行到步骤S7。如果没有，则过程进行到步骤S8。

在步骤S7中，在X方向上移动期望的距离，并且过程进行到步骤S8。

在步骤S8中，进行关于是否在Y方向上执行移动的判断。

如果在Y方向上执行移动，则过程进行到步骤S9。如果没有，则过程进行到步骤S2-1。

在步骤S9中，在Y方向上移动期望的距离，并且过程进行到步骤S2-1。如果通过上述步骤最终在步骤S5中确定测量完成，则过程进行到步骤S10以便完成测量。

在本示例中，电气光学开关的使用使得能够进行高速测量。此外，光学放大器的使用使得能够测量甚至较弱的光。更进一步，该计算以高速提供了高分辨率的层析图像。

[示例3：遮光器]

在示例3中，参考图7描述了使用安全遮光器的眼科OCT设备的示例。图7是用于描述在本示例中的光学层析成像设备的光学系统的示意图。与图2A和图2B相同的附图标记指的是相同的组件，并且下面描述与示例1和2不同的点。

在测量光的光量与预定的光量不同(或者在预定的光量的范围之外)时遮光器防止测量光辐射到成像设备之外。在测量的光量与预定的光量不同时的情况自然包括测量光的光量小于或大于预定的光值的情况。

遮光器801响应于来自计算机111的指令通过电气电路来打开和关闭光路。分束器802将测量光112分割成用于检测器803的光和用于待测量物体的测量光。检测器803检测光量并且将其信号输入到电气电路804。检测器是例如光电二极管，并且其中的电流-电压转换器将电流转换成电压，并且将电压信号输入到电气电路。

遮光器包括电光的遮光器、磁光的遮光器和机械的遮光器。电光的遮光器被形成为使得棱镜电极被布置在PLZT：(Pb，La)(Zr，Ti)O₃的光学偏转元件上。将电压施加到棱镜电极改变了棱镜形状中的折射率从而使得光束能被弯折。可以通过光束的角度来切换透射和切断。响应速度的范围从几纳秒到几百纳秒。磁光的遮光器被形成为使得例如被磁性线圈包裹的磁光元件被布置在彼此成直角的起偏器之间。流到磁性线圈中的电流使磁光元件的偏振面转动以便控制光的透射和切断。响应速度的范围从几微秒到几百微秒。机械的遮光器使用例如MEMS器件来改变反射镜的角度，从而使得能够切换光的透射和切断。响应速度的范围从几百微秒到几毫秒。利用磁性线圈将阻挡物体移动到光路和从光路移开使得能够切换光的透射和切断。响应速度的范围从几十毫秒到几百毫秒。

下面参考图8描述示例3的流程图。

过程在步骤A1中开始并且进行到步骤A2和M1。

在步骤M1中，光量由检测器803检测并且由电气电路804监视。步骤A2是直到确实开始光量的监视为止的待机时间，并且待机时间是例如几十毫秒。

在步骤M2中，进行关于是否光量在规定的范围内并且测量没有完成的确认。如果满足上述条件，则过程返回到步骤M1(801)。请注意，由例如ANSI的标准确定规定的光量，例如700μW。如果光量不在规定的范围内，例如不在680-700μm内，则过程进行到步骤M3(802)。如果测量完成，则过程进行到步骤A10并且结束(803)。

在步骤M3中，如果在此时遮光器是打开的，则关闭遮光器。其后，过程进行到步骤M4以便进行错误处理。错误处理的进行意味着由计算机停止通过分光器来获取数据，从而使扫描器和参考反射镜返回到初始位置等等。另外，在计算机的屏幕上输出错误消息。

在步骤A3中，打开遮光器。打开遮光器使得测量光到达待检查的眼睛，从而使得返回光到达分光器，使得能够测量合成光。在步骤A2中的待机时间期间在步骤M1中一次或更多次地监视光量。

在步骤A4中，将扫描器移动到期望的位置。扫描器的移动指的是在X和Y方向上扫描。在假设执行3D测量以便获得XY平面中的512个点×512个点的数据的情况下将扫描器在X和Y方向上移动。X方向作为以高速执行往返扫描的快轴。Y方向作为以低速执行单向的扫描的慢轴。

在步骤A5中，进行关于是否改变遮光器的状态的判断。遮光器的状态的改变改变了光的透射或切断的状态。如果要求改变状态，则过程进行到步骤A6以便改变遮光器的状态。如果不要求改变状态，则过程进行到步骤A7。

在步骤A7中，由分光器108执行测量。在关闭遮光器时，可以测量参考光，因为返回光不存在。参考光的强度与公式1对应。另一方面，在打开遮光器时，可以测量合成光，因为存在返回光。合成光的强度与公式7对应。一般，来自待检查的眼睛的返回光的自相关成分非常弱，并且返回光的强度(公式2)可以被认为是零。为此，从合成光中减去参考光，并且该结果除以参考光的自相关成分提供了公式9。公式9的傅里叶变换提供了层析图像。当然，可以在测量已经完成之后共同执行上述信号处理。

在步骤A8中，进行关于是否已经测量期望的区域的判断。图3E示出了由遮光器控制的测量光的分布。该图示出了通过重复步骤A4～A8三次获得的分布。在间隔301中测量参考光。该台在间隔301期间在Y方向上移动，并且在X方向上往回移动在间隔302期间移动的距离。在该间隔期间测量参考光一次。在间隔302中测量合成光。该台在间隔302期间以恒定速度在X方向上移动，并且不在Y方向上移动。在该间隔期间测量合成光512次。

在步骤A9中，关闭遮光器。当如原来那样关闭遮光器时，遮光器被保持原样。

在步骤A10中，完成测量。

如上面所看到的，在该示例中，用于切断测量光的遮光器位于测量光路上并且在检测参考光时使用遮光器，由此利用非常简单的电路配置使得能够在检测期间测量光稳定。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有这样的修改、等同的结构与功能。

本申请要求2008年7月7日提交的日本专利申请No.2008-177158和2009年6月25日提交的日本专利申请No.2009-151483的优先权，由此上述两个申请通过参考被并入于此。

Claims (13)

1.一种用于使用傅里叶域光学相干层析成像法来对物体进行成像的成像设备，包括：

用于发射光的光源；

分割单元，用于将来自所述光源的光分割成参考光和测量光；

检测单元，用于检测合成光，所述合成光是将通过将所述测量光辐射到所述物体而获得的返回光和所述参考光合成而成的；

第一切换单元，用于在所述检测单元能够检测所述合成光的第一状态与所述检测单元能够检测所述参考光的第二状态之间进行切换；

控制单元，用于控制第一切换单元以在第一状态与第二状态之间进行切换；以及

干涉信息获取单元，用于通过使用在第一状态中由所述检测单元检测的所述合成光以及在第二状态中检测的所述参考光来获取关于所述返回光和所述参考光的干涉信息。

2.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：

第二切换单元，用于在第一状态与所述检测单元能够检测所述返回光的第三状态之间进行切换；其中

所述控制单元控制第一切换单元以在第一状态与第二状态之间进行切换或者控制第二切换单元以在第一状态与第三状态之间进行切换；并且

所述干涉信息获取单元通过使用在第一状态中由所述检测单元检测的所述合成光、以及在第二状态中检测的所述参考光和在第三状态中由所述检测单元检测的所述返回光中的一个来获取所述干涉信息。

3.根据权利要求2所述的成像设备，其中

第一切换单元被配置为使得能够阻挡要照射在所述物体上的测量光的光路和所述返回光的光路中的一个，或者第二切换单元是位于所述参考光的光路上的遮光器并且被配置为使得能够阻挡所述参考光的光路；以及

第二状态和第三状态为阻挡状态。

4.根据权利要求1所述的成像设备，其中

第一切换单元被配置为使得能够控制要照射在所述物体上的测量光和所述返回光中的一个的透射率，或者第二切换单元是位于所述参考光的光路上的遮光器并且被配置为使得能够控制所述参考光的透射率。

5.根据权利要求2所述的成像设备，还包括：

光量检测单元，用于检测要照射在所述物体上的测量光的量；以及

比较单元，用于将检测的光量与预定值进行比较；以及其中

在所述测量光的量与所述预定值不同时，第一切换单元通过阻挡所述测量光而切换到第二状态。

6.根据权利要求2所述的成像设备，其中

第一切换单元被配置为使得能够改变要照射在所述物体上的测量光的光路和所述返回光的光路中的一个，或者第二切换单元是位于所述参考光的光路上的遮光器并且被配置为使得能够改变所述参考光的光路；以及

第二状态或第三状态为改变后的状态。

7.根据权利要求2所述的成像设备，其中

所述控制单元基于预定的定时来控制第一切换单元和第二切换单元中的一个，并且由所述检测单元在第一状态的定时检测所述合成光。

8.根据权利要求2所述的成像设备，其中

所述控制单元被配置为使得第一切换单元和第二切换单元能够被控制为使得获取返回光要花费的时间不少于获取参考光要花费的时间。

9.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：

减去单元，用于从由所述检测单元检测的所述合成光中减去所述参考光的自相关成分和所述返回光的自相关成分，

标准化单元，用于通过所述参考光的自相关成分使相减的结果标准化，以及

变换单元，用于对标准化后的结果进行傅里叶变换，以及

层析图像获取单元，用于获得待检测的所述物体的层析图像。

10.一种用于使用傅里叶域光学相干层析成像法来对物体进行成像的成像方法，包括：

产生光；

将所述光分割成参考光和测量光；

将所述测量光照射到待检测的物体；

检测通过将所述参考光与通过所述照射获得的返回光合成而获得的合成光；

在能够检测合成光的第一状态与能够检测所述参考光的第二状态之间进行切换；以及

通过使用在第一状态中检测的所述合成光以及在第二状态中检测的所述参考光来获得关于所述返回光和所述参考光的干涉信息。

11.根据权利要求10所述的成像方法，还包括：

在第一状态与能够检测所述返回光的第三状态之间进行切换；其中

通过使用在第一状态中检测的所述合成光、以及在第二状态中检测的所述参考光和在第三状态中检测的所述返回光中的一个来获得所述干涉信息。

12.根据权利要求10所述的成像方法，还包括：

从所述合成光中减去所述参考光的自相关成分和所述返回光的自相关成分；

通过所述参考光的自相关成分使减去后的值标准化；

对标准化后的结果进行傅里叶变换；以及

获得待检测的所述物体的层析图像。

13.根据权利要求10所述的成像方法，还包括：

检测要照射在所述物体上的测量光的光量；以及

在所述光量与预定的光量不同时通过阻挡所述测量光而改变到第二状态。

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