CN103688133B - 用于低相干干涉测量的扫描设备 - Google Patents

Abstract

给出了一种利用光学相干断层摄影进行样品的横向扫描的系统。低相干干涉测量系统包括第一多路复用单元和第二多路复用单元。第一多路复用单元配置为接收第一辐射束并且包括第一多个光延迟元件，第一多个光延迟元件配置为基于由第一辐射束在第一多个光波导当中穿过的光学路径对第一辐射束引入组延迟。第二多路复用单元配置为接收第二辐射束。第二多路复用单元包括第二多个光调制元件，第二多个光调制元件配置为在第二多个光波导当中区分第二辐射束，以便产生一个或多个输出辐射束。第二多个光波导配置为朝着样品引导一个或多个输出辐射束。

Description

用于低相干干涉测量的扫描设备

技术领域

本发明的实施例涉及高分辨率光学相干断层摄影领域。

背景技术

光学相干断层摄影（OCT）是一种用于医学图像生成的技术，它可以利用宽带光源和干涉测量检测系统以高分辨率提供轴向信息。已经发现了这种系统的广泛用途，从心脏病学到眼科学和妇科学，或者用于生物学材料的体外剖面研究。

轴向信息是在OCT中通过干涉测量方法获得的。为了生成组织的组织学的图像（2D）和体积表示（3D），有必要在感兴趣的区域之上横向移动射束。这种移动传统上是通过系统内某个光学元件（诸如在基于光纤的系统的情况下是波导）的机械移位进行的。作为替代，样品可以在固定的射束之下移动。最常见的解决方案使用干涉仪的样品臂中的射束路径中的移动的反射镜。虽然这种方法是有效的，但它也有缺陷，尤其是就可靠性、制造成本、维护成本、调节的复杂性、最终的系统尺寸等而言。对于其中常规的反射镜不被接受的情形，诸如在导管或腹腔镜仪器中，已经推荐并证明了MOEMS技术（微光机电系统）的使用。但是，这些设备遭受许多与它们的宏观版本相同的问题而且它们就封装、消毒等而言造成了自身的挑战。

在样品之上提供横向扫描的一种方法是使用多个射束。这种方法的一个示例在专利申请WO2010/134624中被提议。描述了几个只共享光源的并行工作的完整干涉仪。因此，每个干涉仪的样品臂都包括单一的光学路径并且不存在导致结构上复杂的系统的多路复用机制。

另一个专利申请WO2004/073501预期同时入射到样品上的多个射束的使用。这种方法的目的是通过使用调制器和相位延迟以受控的方式组合这些射束。样品之上组合的照明显示出某种干涉模式。通过与调制器和相位延迟元件合作，样品上的照明的干涉模式的位置可以变化，而且，随后，有可能利用信号处理技术重建该样品的三维图像。该申请不使用多路复用装置来区分从多条光学路径收集到的光。只存在收集从样品反射的光的单一光学路径。

在Optics Express的2010年第18卷第13期第13964-13980页上由Yamanari等人所写的文章“Full-range polarization-sensitive swept-source optical coherencetomography by simultaneous transverse and spectral modulation”中，描述了一种偏振敏感的SS-OCT系统（扫频源OCT）。在这种系统中，并且为了解决SS-OCT和FD-OCT系统（傅立叶域OCT）典型的复共轭问题，相位调制被应用到参考臂。在机电装置横向扫描样品的同时，这个相位被修改。因此，这个文献没有描述调制在样品臂中的使用。而且，在时间域OCT系统（TD-OCT）的情况下，就其操作速度或最大扫描范围可能对于感兴趣的应用不足而言，参考臂中可变延迟元件的扫描速度会成为最终系统性能的一个限制。美国专利6198540和专利申请EP1780530每个都描述了在参考臂中使用多条光学路径的系统。但是，每个系统都对样品的横向扫描使用传统的自由空间光学器件和机械装置。

发明内容

给出了用于在最小化（并且在有些实施例中消除）机械元件的使用的情况下执行样品的低相干横向扫描的系统与方法。在一实施例中，该系统把样品臂划分成几条光学路径并且使用把射束发送到样品的不同区域并且从其接收射束的多个输出，由此保留在任何时候都区分从在样品内的不同深度处的反射接收到的光的能力。

根据一实施例，低相干干涉测量系统包括第一多路复用单元和第二多路复用单元。第一多路复用单元配置为接收第一辐射束并且包括第一多个光延迟元件。第一多个光延迟元件配置为基于由第一辐射束在第一多个光波导当中穿过的光学路径对第一辐射束引入组延迟。第二多路复用单元配置为接收第二辐射束。在一实施例中，第二辐射束与第一辐射束相同。在另一实施例中，第二辐射束与第一辐射束不同。第二多路复用单元包括第二多个光调制元件。第二多个光调制元件配置为在第二多个光波导当中区分第二辐射束，以便产生一个或多个输出辐射束。第二多个光波导配置为朝着样品引导一个或多个输出辐射束。

在一实施例中，一种方法包括在第一多路复用单元处接收辐射束。然后，基于由在第一多路复用单元处接收到的辐射束在第一多路复用单元中的第一多个光波导当中穿过的光学路径，把组延迟引入到在第一多路复用单元处接收到的辐射束。在第二多路复用单元处接收辐射束。在一实施例中，在第二多路复用单元处接收到的辐射束与在第一多路复用单元处接收到的辐射束相同。在另一实施例中，在第二多路复用单元处接收到的辐射束与在第一多路复用单元处接收到的辐射束不同。在第二多路复用单元中在第二多个光波导当中区分在第二多路复用单元处接收到的辐射束，以便产生一个或多个输出辐射束。所述一个或多个输出辐射束被朝着样品引导。

附图说明

结合到本说明书中并且构成其一部分的附图说明了本发明的实施例，并且，与本描述一起，进一步用来解释本发明的原理并且使相关领域技术人员能够制作和使用本发明。

图1根据一实施例说明了OCT系统的框图。

图2根据一实施例说明了横向扫描系统的框图。

图3说明了时分多路复用单元的示例。

图4-6根据实施例说明了第一多路复用单元的示例。

图7-12根据实施例说明了第二多路复用单元的示例。

图13根据一实施例说明了具有第二多路复用单元的射束转向（steering）元件的使用。

图14-15根据实施例说明了使用一个或多个光学元件来聚焦光的示例。

图16根据一实施例说明了样品深度扫描技术。

图17根据一实施例说明了具有多路复用单元的梯度折射率透镜的使用。

图18A-B根据一实施例说明了具有多路复用单元的反射光学元件的两个视图。

图19-20根据实施例说明了具有多路复用单元的可调节反射元件的使用。

图21根据一实施例说明了一种示例方法的流程图。

本发明的实施例将参考附图来描述。

具体实施方式

虽然讨论了具体的配置与布置，但是应当理解，这仅仅是为了说明性目的而讨论的。相关领域技术人员将认识到，在不背离本发明主旨与范围的情况下，可以使用其它的配置与布置。对相关领域的技术人员来说将很显然，本发明也可以在多种其它应用中采用。

应当指出，本说明书中对“一个实施例”、“一实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但不是每种实施例都有必要包括该特定的特征、结构或特性。而且，此类短语不一定指同一个实施例。另外，当一个特定的特征、结构与特性结合一实施例描述时，结合不管在此是否明确描述的其它实施例实现这种特征、结构或特性也在本领域技术人员的知识范围内。

本文所述的实施例提供了利用光学相干断层摄影（OCT）的样品扫描，同时避免或最小化用于射束跨样品的横向移位的移动机械部分的使用。此外，所述实施例提供了某些优点，诸如轴向扫描有效性的增加。空间多样化方案可以通过同时从不同方向测量同一样品区域来实现，这减小了测量中的散斑和其它类型的噪声。而且，光在不同方向从样品的散射的测量可以被收集，由此提供关于样品散射各向异性和方向性的信息。

在各种实施例中，用于让辐射束行进的不同光学路径是通过多路复用技术唯一地区分的，该技术允许在图像处理期间不同空间位置的分离。任何多路复用技术都可以应用（时间域、频率、码分等）。在一个示例中，时间域多路复用可以有利地与其它多路复用技术（诸如频率多路复用）组合。以下讨论一种包括多路复用特征以便产生让辐射束行进的多条输出路径的示例OCT系统。

图1根据一实施例说明了利用光学补偿元件112并且用于成像样品110的OCT系统101。例如，光学补偿元件112可以补偿OCT系统101中光的色散或者任何其它类型的像差。在另一示例中，补偿元件112可以仅仅反射进入的光，而不能对光施加任何特定的调制。术语“光”的使用可以指任何范围的电磁频谱。在一实施例中，术语“光”指处于大约1.3μm波长的红外线辐射。OCT系统101还包括光源102、分割元件104、样品臂106、参考臂108、检测器114和扫描系统116。在所示出的实施例中，补偿元件112位于参考臂108中，但是，应当理解，补偿元件112也可以位于样品臂106中。作为替代，补偿元件112可以既存在于样品臂106中又存在于参考臂108中。在一个示例中，样品臂106和参考臂108是诸如图案化波导的光波导或者光纤。在一实施例中，OCT系统101的所有部件都集成到平面光波电路（PLC）上。其它实现也可以考虑，诸如像光纤系统、自由空间光学系统、光子晶体系统等。

应当理解，OCT系统101可以包括为了清晰而没有示出的任何数量的其它光学元件。例如，沿着样品臂106或参考臂108的路径，OCT系统101可以包括反射镜、透镜、光栅、微机械元件等。OCT系统101可以包括配置为抑制在非活动光学路径中生成的干扰信号的作用的各种调制元件。在另一示例中，OCT系统101可以包括MEMS（微机电系统），该MEMS对射束应用附加的物理横向扫描。光路径中的光学元件可以由通过微型制造技术集成的机电致动器（例如，基于热扩散、压电或静电力）来移位。

分割元件104用于把从光源102接收到的光指引到样品臂106和参考臂108。分割元件104可以是例如双向耦合器、分光器或者把单束光转换成两束或更多束光的任何其它调制光学设备。

沿样品臂106向下行进的光在最终撞击到样品110上之前穿过扫描系统116。扫描系统116可以包括一个或多个多路复用单元，其中每个单元都在多条光学路径当中区分光。例如，扫描系统116可以包括选择与特定组延迟关联的光学路径的一个多路复用单元。当光沿着选定路径向下行进时，应用到光的组延迟确定样品110中光的扫描深度。在另一示例中，扫描系统116可以包括在多个输出波导当中区分光的另一多路复用单元，以便产生一个或多个输出辐射束。输出辐射束可以在样品110上不同的区域撞击到样品110上并且可以从不同的方向指引。本文讨论关于各种多路复用单元的更多细节。

样品110可以是能够被成像的任何合适的样品，诸如组织。在OCT过程中，光在样品110内某个深度扫描并且散射的辐射被收集回样品臂106中。在另一实施例中，散射的辐射从发射波导被收集回不同的波导中。

样品臂106和参考臂108内的光在检测器114被接收之前重新组合。在所示出的实施例中，光被分割元件104重新组合。在另一种实施例中，光在与分割元件104不同的光学耦合元件重新组合。

在一实施例中，对各个扫描深度使用扫描系统116提高了OCT系统101的剩余部分的性能。由于应用到扫描系统116中光的各种组延迟，检测到的干扰信号可以在检测器114对于每个扫描深度被分离（关于时间、频率、空间、代码等）。OCT系统101可以与扫描系统的所有变种（包括时间域、频率域和扫频源）一起使用。

在另一实施例中，输出辐射束的子集朝着样品110的相同区域被指引，使得用于那个区域的测量是从不同方向获得的。以这种方式，角分集（angular diversity）可以用于减小测量中的噪声，如在1997年Phys.Med.Biol.第42卷第7期上由J.M.Schmitt所写的“Arraydetection for speckle reduction in optical coherence microscopy”中所描述的，该文献的全部公开内容通过引用并入本文。由于该子集的每个辐射束所行进的总距离将是不同的，因此扫描深度可以为每条光学路径独立地进行控制。

在另一实施例中，来自样品110的光的角散射函数可以从与入射方向不同的方向测量，以便提供关于样品各向异性的有价值的信息。由于扫描系统116中的可以配置为面向样品110的同一区域的多个输出波导，这种测量是有可能的。此外，扫描深度可以再次对每条光学路径独立地进行控制，以说明光行进距离中的任何区别。

图2根据一实施例说明了第一多路复用单元17和第二多路复用单元9。每个多路复用单元都可以是图1中所说明的扫描系统116的一部分。第一多路复用单元17从波导7接收辐射束。第一多路复用单元17基于第一多路复用单元17中选定的光学路径对辐射束应用组延迟。在一个示例中，光学路径是基于时分多路复用来选择的。在另一示例中，光基于频分多路复用在多条光学路径当中被区分。如本文所使用的，“区分（differentiating）”可以指沿着一条或多条具体的光学路径指引光（例如，就如同时分多路复用的情况一样）。如本文所使用的，“区分”还可以指造成穿过给定光学路径的光可与穿过其它光学路径的光区分开，即使光同时穿过那些光学路径也可以（例如，就如同频分多路复用或相干分多路复用的情况一样）。第一多路复用单元17更具体的示例在图4-7中说明。

第二多路复用单元9从第一多路复用单元17接收辐射束。虽然只说明了连接两个多路复用单元的单个波导，但是应当理解，任何数量的波导都可以用于在两个多路复用单元之间传输光。第二多路复用单元9在多个输出波导8当中区分接收到的辐射束，以便产生一个或多个输出辐射束。在一个示例中，这种区分是经时分多路复用执行的。在另一示例中，区分是经频分多路复用执行的。在另一示例中，区分是经相干域多路复用执行的。应当理解，以上所提到的技术的任何组合也都可以用于在输出波导8当中区分辐射束。第二多路复用单元9更具体的示例在图8-14中说明。

各种实施例描述了在一个输入波导和一个或多个输出波导之间多路复用的至少一种形式，以便在图像处理时分离不同的空间位置。任何类型的多路复用（时分、频率、相干、码分等）都可以应用。虽然本文的实施例可以把第一多路复用单元17和第二多路复用单元9都说明为样品臂106的一部分，但是应当理解，情况不一定是这样。例如，在任何前面的实施例中，第一多路复用单元17可以位于参考臂108中，而第二多路复用单元9位于样品臂106中。在这个示例中，第一多路复用单元调制参考臂108中的光，而第二多路复用单元调制样品臂106中的光。

图3说明了用于相对少量输出的光多路复用的示例，但对于更大的数量也可以类似地考虑。每个光学开关2把输入波导的光偏转到两个输出波导中的一个。开关2可以利用集成的光学元件来实现，诸如Mach-Zehnder干涉仪或者2x2可配置耦合器。此外，诸如电-光、热-光和声-光调制器的调制元件也可以实现，用于在各种波导之间指引光。在一实施例中，光学开关2足够宽带，以便对OCT系统101中所使用的整个光学频谱有效地执行。图3还说明了通过使用开关2的可能可选择的光学路径10中的一条。

根据一实施例，扫描系统116包括用于不同深度扫描范围的多路复用系统。一个目的是，给定OCT系统101的参考臂108中元件的某些特性，减小对轴向扫描速度或者其最大范围的需求，或者提高实际的扫描速度。高横向扫描速度可以利用图3中所说明的多路复用资源达到。

图4A和4B通过延迟元件11的插入说明了频率域中用于不同深度扫描范围的第一多路复用单元17的两个示例，标记为401和402。延迟元件11造成在不同光学路径10中通过它们的光中限定的组延迟。多路复用单元401和402还包括用于例如在频率域中在通过延迟元件11的各种光学路径当中区分光的调制元件3。

延迟元件11在多路复用单元401中的放置均都对它们在光学路径的对应部分增加延迟。然后，具有期望延迟的光学路径（诸如光学路径10）可以通过沿着该光学路径一起添加适当的延迟来选择。调制元件3在多路复用单元402中的放置调制每条光学路径10中所添加延迟的相对减小。其目的是产生多条可能的光学路径10，每条路径具有不同的总组延迟。以这种方式，期望的组延迟可以在OCT系统中实现，以便在不移动零件的情况下成像不同的深度。在一个示例中，这些光学路径10中的每一条都利用特征频率来调制。延迟元件11可以按多种方式实现，诸如通过使用不同长度的波导段或者通过某种效应（诸如热-光、热-电、电荷注入等）允许折射率修改的波导段。频率调制可以通过使用在范围[0,2π]内具有线性行为的调制元件3获得，如在检测器114所收集的干扰信号中所看到的。

图4A-4B示出了基于级联耦合器5（诸如2×2耦合器）的序列的设计，其中耦合器的特征在于它们关于光学能量的守恒性质。实际上，所有光功率都在元件之间在每个级联的耦合器5处沿分支波导向下发送。尽管该设计与级联的Mach-Zehnder干涉仪有相似性，但是在元件中不发生干扰效果，因为所有相对引入的延迟都比源的相干长度大得多。

在任何一个多路复用单元401或402中，对于图4A-4B中所示出的不同扫描深度范围，其目标是不仅找出深度到频率的完全变换，而且通过频分找出深度范围的多路复用。完全变换可能造成相对延迟中的一些与源的相干长度可比较，或者比其小，在这种情况下，干扰效果将出现。

各条可能的光学路径10中具有不同累积组延迟的划分也可以通过使用例如时分多路复用来实现。

图5说明了在第一网络502和第二网络504中包括光切换元件2的第一多路复用单元17（标记为501）的另一示例。多路复用单元501还包括延迟元件11。在一实施例中，延迟元件11配置为依赖于选定的光学路径10应用不同的组延迟。在一个示例中，光学开关2的第二网络504把来自通过延迟元件11的多条可能光学路径中任何一条的光引导到单个波导输出。由于光学开关2可能不是理想的，因此有些光可能泄漏到除其预期光学路径10之外的路径中。由这种泄漏光生成的噪声可能对于通常在OCT中使用的外差（heterodyne）检测系统的大动态范围特性造成问题。在一实施例中，为了减轻关于泄漏光的情形，光调制器3可以在每条光学路径上插入，使得它们可以独立地在给定路径上调制光。在一个示例中，调制是经相位调制器执行的。因而，光学路径10中的光关于其它光学路径有频率偏移，从而抑制可能的干扰。应当理解，如果光学开关2具有足够高的切换率，则光调制器3可能不需要。

多路复用单元501中的配置允许对每条光学路径10的组延迟的单独选择，这对于定义不同的扫描区域会是有用的。在另一示例中，均匀的间距可以通过使用更简单的设计在扫描范围上实现。

例如，第一多路复用单元17的另一示例在图6A-B中说明（标记为601）。多路复用单元601能够选择具有唯一组延迟但是具有比图5所示实施例更少量延迟元件11和光学开关2的光学路径10。在一个实施例中，光调制器3可以被包括在每条可切换的光学路径10中，如图6A中所说明的。以这种方式，选定的光学路径10例如以唯一的频率被调制，使得光可以从其它光学路径被过滤。类似于以上关于图5的讨论，如果切换技术能够最小化泄漏到不期望路径中的光，或者如果干扰通过某种其它方式从信号中被丢弃，则光调制器3可以除去。没有光调制器3的一种示例多路复用配置在图6B中说明。

时间多路复用系统关于光功率效率具有可能的优点。虽然用于不同深度扫描范围的第一多路复用系统17的使用（诸如图4和6中所说明的示例）关于光功率的守恒是相对有效的，但是，由于有两个输出波导，因此一半的光功率在其输出丢失了。在一实施例中，一种形式的相位调制应用到两个输出分支，以便允许它们在频率域中的分离。此外，也可以包括第二多路复用单元9，以便从两个分支都接收输出。时分多路复用系统提供一个优点，即，选择特定扫描区域的灵活性。例如，通过对图像的某些深度范围赋予较高的优先级，其中这些深度将比其它深度更经常地被扫描，有可能获得具有交织的深度范围的图像，或者甚至在操作期间在所有可用范围的子集上集中扫描时间。

在一实施例中，光学开关2可以设计成在平衡的定向光学耦合器和合适的开关之间交替。因而，频率域和时间域中多路复用的优点可以组合。例如，光学开关2可以留在平衡定向光学耦合器的状态，以便使各个深度范围被同时照亮，同时其它开关可以常规地切换，用于特定光学路径的顺序访问。

如果充当耦合器的光学开关2允许能量在其分支之间以受控和灵活的方式（例如，具有可变的分流比）分布，则有可能分割用于在每个深度采样的光功率的量。功率可以被调整，从而获得统一的信噪比，或者以另一种方式对具体应用是最优的。作为替代，这可以在时间域中通过调整用于第一多路复用单元17的每种配置的深度扫描的持续时间或者累积依赖于深度的可变数量的线来实现。各种时间多路复用实施例可能导致不同的周期部分分配给属于不同光学路径10的光学开关2的配置。

在一实施例中，多路复用是以分离来自第一多路复用单元17的两个输出分支的贡献的某种形式引入的。例如，频率调制、时间多路复用或者在一个分支中引入大于扫描范围的差值延迟全都是可以实现的多路复用设计。在上一个示例中，不存在具有来自大于扫描距离的组织深度的显著量值的信号可能是必要的，以避免分支之间的干扰。

图7根据一实施例说明了利用时分多路复用的第二多路复用单元9的示例（标记为701）。所说明的系统包括波导7、输出波导8、第一多路复用单元17和多路复用单元701。图7说明了任何扫描范围多路复用系统与用于横向方向中的线的时间多路复用系统的一种可能组合。这最大化了可用光功率的使用和设备的信噪比。在这种系统中，期望的光学路径10可以利用光学开关2来选择，以便把光指引到特定的波导8。路径可以被顺序选择，例如，以便实现扫描功能性，其中光以顺序方式穿过每个波导8。

图8说明了其中第二多路复用单元9的时分多路复用被频率多路复用单元801代替的示例。根据一实施例，频率多路复用单元801包括与不同的横向扫描线关联的光学路径10。光学路径10的每个分支都可以具有关联的光调制器3。在一个示例中，定向耦合器的树被用于在所有光学路径当中分割进入的光。频率多路复用单元801具有允许所有横向扫描线的同时检测的另一个优点。但是，当行进回通过耦合器的树时，存在由每个输出波导8收集到的光能的损失。假设定向耦合器是平衡的和理想的，当与等效的时间多路复用系统比较时，这种方法给出大约3*log2(N)dB的额外损失，其中N是每个耦合器树的分支个数。因此，当与例如图7中说明的时分多路复用实施例比较时，在本实施例中可以获得较低的信噪比。

在另一实施例中，相干域多路复用可以在第二多路复用单元9中使用，这给干涉测量系统的轴向扫描留下了分离侧线的任务。图9根据一实施例说明了作为第二多路复用单元9的示例的相干域多路复用单元901连同第一多路复用系统17的使用。这种方法使用在每个分支上都具有延迟的定向耦合器的树，使得当光到达输出波导8时，各条光学路径10已经为每个输出波导8累积了唯一延迟。在一个示例中，所累积的与不同输出波导8关联的延迟之间的最小间隔大于与光贡献被预期的最大样品深度关联的延迟。

在一实施例中，前面所述的多路复用技术的任意组合都可以在第二多路复用单元9中使用。例如，频分多路复用允许并行读出，但是关于光功率预算不太有效，而时分多路复用对于节约光功率更好。图10说明了组合光学开关2和光调制器3的多路复用单元1001。在这个示例中，光学开关2放在第一分路处，而光调制器3用在第一分路之后形成的各条其它光学路径处。

如前面所提到的，光学开关2可能不是理想的。这可能导致光沿着与选定光学路径10不同的光学路径泄漏。这会造成独立侧线之间的干扰。因为在向后和向前方向中非活动光学路径抑制的累积，所以如果光学开关2具有合理的性能，则干扰作用可以很小。在一个示例中，光调制器3可以在每个输出波导8之前被包括，如在图11的多路复用单元1101中所说明的。光调制器3可以是施加周期性激励的相位调制元件，以便把与每个输出波导8关联的干扰模式的载体偏移到不同的频率。

在一实施例中，第二多路复用单元9可以包括用于每条光学路径的独立扫描深度多路复用单元。图12说明了每条光学路径上包括的时分多路复用单元1201和附加的第一多路复用单元17的组合。第一多路复用单元17可以利用图4-6中所说明示例中的一个或多个来实现。在这一实施例中，可以为每个输出波导8选择唯一的扫描深度，同时各条光学路径在一次横向扫描期间全部多路复用。

由于诸如集成光学系统的复杂性或者输出波导8之间避免它们之间耦合所需的最小间隔之类的因素，有可能对于给定的设计约束集合不能达到用于一次扫描的横向空间的足够覆盖。因而，在另一实施例中，从每个输出波导8产生的射束可以转向，以便以足够的密度覆盖扫描空间。

图13说明了包括第一多路复用单元17和第二多路复用单元9的一个示例，其中从每个输出波导8产生的辐射束可以转向，以便经射束转向元件12以特定的角度离开输出波导8的末端。虽然第二多路复用单元9的特定示例在图13中示出，但是应当理解，第二多路复用单元9的任何其它实施例也都可以使用。

在使用集成光学器件的划分次数与每个输出波导8的横向扫描范围之间可能出现折中。在一实施例中，射束转向元件12是被集成的机电元件，以便在一个或多个输出波导8之上施加力。这会增加每个输出波导8的横向扫描范围。机电元件12可以利用例如微型制造技术和MEMS（微机电系统）概念构造。特别地，利用表面或体积微型机加工，输出波导8可以从基底的剩余部分机械释放，从而定义移动结构（例如，悬臂梁等）。机电元件12可以包括基于例如静电吸引/排斥、温度膨胀、压电或其它合适原理的力施加元件。在另一示例中，输出波导8可以按在波导结构中感应出特定应力梯度这样一种途径来构造，在从基底释放之后导致悬梁剖面的固有弯曲。应当理解，虽然输出波导8在图13中说明为具有赋予的曲率，但这仅仅是一个示例而且不应当认为是限制。

根据一实施例，输出波导8的运动可以在横向扫描平面内或者在与其垂直的平面内。因此，有可能在集成光学基底之外不存在移动元件的情况下获得3D图像，因为横向扫描是通过多路复用与不同输出波导8关联的光学路径执行的，而且垂直扫描是通过在该平面之外移动输出波导8或者以别的方式指引光束通过该平面之外的输出波导8来实现的。

图14说明了包括第一多路复用单元17和第二多路复用单元9的扫描系统116的一个示例。扫描系统116还结合了聚焦光学元件4。在所示出的实施例中，第二多路复用单元9使用时分多路复用。但是，第二多路复用单元9也可以使用前面讨论过的任何其它技术，或者这些技术的任意组合。在一实施例中，光学元件4包括单个透镜，但是本领域技术人员将理解，任何数量的透镜都可以用于实现期望的聚焦效果。示出了多个辐射束。所有的射束都被同时激活，就像在频分多路复用系统的情况下。作为替代，在时分多路复用系统的情况下，只有一部分射束被激活。在一实施例中，输出波导8的阵列的间隔和横向范围被调整成光学元件4的放大规格和任何可能的样品规格。在一实施例中，与射束的直径相比，相邻射束之间对应于不同输出波导8的距离足够小，使得沿相邻射束收集到的信息可以在以后重新组织，作为样品的两维或三维渲染图像。在一个示例中，当相邻射束中心之间的距离与单个射束的直径都在光学元件4的焦平面内测量时，这个距离在这个直径的1-10倍之内。半峰全宽（FWHM）定义可以用于例如确定辐射束的直径。

图15说明了扫描系统116的另一示例，这个示例包括在每个输出结合的组合的多路复用单元1501连同第一多路复用单元17。类似于图12，唯一的扫描深度可以通过多路复用单元17的使用为每个输出设置。在一个示例中，组合的多路复用单元1501包括选择活动光学路径的子集（13’或者13’’）的光学开关2。还包括用于多路复用活动光学路径的选定子集13’、13’’中的路径的光调制器3，从而使得可以同时测量已经被样品散射并且被各个输出波导8收集的光贡献。第一多路复用单元17在与每个输出波导8关联的每条选定的光学路径上独立地致动，从而允许对于每个输出的扫描深度的独立控制。

为了指引与各个子集13’、13’’关联的射束，在输出波导8的下游包括光学聚焦元件1502。在一实施例中，光学聚焦元件1502包括如所说明的多个透镜，以便把与给定子集关联的射束聚焦到目标样品的同一区域上。例如，光学聚焦元件1502包括单个大透镜和多个较小的透镜，其中每个较小的透镜都配置为收集来自每个子集13’、13’’的辐射束。虽然只说明了光学路径的两个子集13’、13’’，但是应当理解，任何数量的子集都可以经组合的多路复用单元1501生成。在一实施例中，当给定子集中的每条射束中心之间的距离和每条射束的直径都在与光学聚焦元件1502关联的焦平面中测量时，当这个距离小于或等于这个直径的两倍时，该子集中的各个射束都被认为指引到样品上相同的目标区域。半峰全宽（FWHM）定义可以用于例如确定辐射束的直径。所说明的实施例允许对具有空间多样性的样品的测量，例如，从不同的方向测量样品的同一区域。这减小了图像中的噪声。

图15中的实施例允许获得关于样品散射函数的角度依赖性的信息，因为有可能相对于入射光的方向测量在不同方向被一个样品区域散射的光。例如，当从输出波导8产生的射束中的一个到达样品时，光的部分可以在不同方向散射。相对于入射光向后散射的光被光学聚焦元件1502重新指引回到原始输出波导8。但是，根据一实施例，光学聚焦元件1502配置为把来自任何给定子集13’、13’’的射束朝着相同的样品区域指引。因此，在与（相对于入射光）直接向后不同的方向中被散射的光可以被光学聚焦元件1502指引到属于子集13’、13’’的其它输出波导8中的一个。光从它离开设备的点通过输出波导8直到被属于同一子集13’、13’’的不同输出波导8收集所行进的总路径长度对于属于子集13’、13’’的每个输出波导8是不同的。在一实施例中，这个路径长度差是经利用第一多路复用单元17对每条光学路径可调节的扫描深度范围说明的。因此，这一实施例允许对单个干涉仪中相同样品区域在不同方向散射的光的同时测量，并且可以获得样品的散射函数的角度依赖性。

图16根据一实施例说明了用于既轴向又横向扫描样品的示例技术。射束在几何光学近似中是由对应于光能的横向扩张的两条线表示的。这些线在处于焦平面1601的第一近似处彼此相交。轴向扫描是利用本文所述的在多路复用带中（例如，通过使用频分多路复用）具有基本扫描范围倍数的OCT干涉测量系统执行的。在聚焦到样品上之后，成对相交的对角线代表对应于每个输出波导8的光束。交点定义与所使用的透镜系统关联的焦平面1601。在横向，时分、频分或者任何其它类型的多路复用在光学路径之间执行，如前面的实施例中所解释的。在轴向，频分多路复用可以被选择用于选择扫描深度，以便使干涉测量系统的参考臂的效果倍增。因而，在实施例中，扫描只在规定的段内对给定的频率范围执行（例如，f、2f、3f等，如图16中所说明的）。

扫描系统116的另一示例在图17中说明。在一实施例中，包括梯度折射率（GRIN）透镜1701，以便把来自输出波导8的光聚焦到样品上。GRIN透镜1701可以接触安装到与光波导8关联的同一基底上，或者安装在蚀刻到基底中的腔体中，其中由于其紧凑的尺寸和基本上圆柱形的形状而产生各种集成波导。在另一示例中，GRIN透镜1701单片集成在与输出波导8相同的基底中。根据一实施例，更紧凑的组装允许扫描系统封装到生物兼容且消毒就绪的材料中，以便产生医学采样元件。医学采样元件可以插入到导管、针或者其它小尺寸的设备或医学仪器当中，用于一般难以接近的区域中小组织的研究。如前面关于其它聚焦元件所讨论的，与射束的直径相比，对应于不同输出波导8的相邻射束之间的距离足够小，使得沿相邻射束收集到的信息可以在以后重新组织，作为样品的两维或三维渲染图像。在一个示例中，当相邻射束中心之间的距离和单个射束的直径都在GRIN透镜1701的焦平面内测量时，这个距离在这个直径的1-10倍内。半峰全宽（FWHM）定义可以用于例如确定辐射束的直径。

图18A-B根据一实施例分别说明了扫描系统116的顶部和侧视图。在这一实施例中，扫描系统116包括位于GRIN透镜1701下游的反射元件5。在一个示例中，反射元件5是直角棱镜，如图18B中所说明的。在这个示例中，反射元件5可以在与来自输出波导8的初始射束方向垂直的方向指引一个或多个入射辐射束。在一实施例中，如图18A中所体现的扫描系统116可以安装在导管中，其中设备沿导线的小运动可以用于提供所研究的血管的3D渲染。反射元件5可以是与扫描系统116的剩余部分分开的部件。作为替代，反射元件5可以集成到与输出波导8或GRIN透镜1701相同的基底中。在另一示例中，所有所说明的元件都可以单片集成在相同的基底中。

图19A-B根据一实施例分别说明了扫描系统116的顶部和侧视图。在这一实施例中，扫描系统116包括位于GRIN透镜1701下游的可调节的反射元件6。在一个示例中，可调节的反射元件6是可机械调节的反射器。可调节的反射元件6的包括允许只利用单个低速扫描轴而不是两个来生成3D图像。实际上，在这种实施例中，除去了提供样品的高速扫描的需求，只用于到要扫描的区域的射束组的朝向，或者用于提供三维扫描中的慢速方向。因此，根据一实施例，为了生成3D图像，只需要单个低速扫描轴，而不是两个。可调节的反射元件6可以经任何合适的装置调节进入的辐射束的反射角，如相关领域的技术人员将知道的。例如，可调节的反射元件6可以使用耦合的压电致动器或静电致动器，或者机械旋转，来调节可调节的反射元件6的朝向。

图20A-B根据一实施例分别说明了扫描系统116的顶部和侧视图。在这一实施例中，扫描系统116包括可调节的反射器阵列2001。可调节的反射器阵列2001可以用于探查来自样品的各个目标区域的多个图像。在一实施例中，每个所产生的辐射束都与可调节的反射器阵列2001中的一个反射元件关联。每个元件可以个别地移动，以改变进入的关联辐射束的反射角。这允许每个辐射束目标指向样品的不同区域的情形。

在一实施例中，可调节的反射器阵列2001包括诸如可调节微镜的MEMS设备。微镜可以利用常规的微型制造技术构造并且集成在与输出波导8或GRIN透镜4相同的基底中。在另一实施例中，可调节的反射器阵列2001可以在包括输出波导8和GRIN透镜4的独立的基底和结合到该基底的倒装晶片上构造。如果可调节的反射器阵列2001中的每个反射元件提供独立的横断扫描，则扫描系统能够例如顺序地或者同时获得大量的图像。

应当理解，对于上述实施例，GRIN透镜1701的使用可以用实现相同结果的其它合适的光学聚焦元件代替。此外，虽然第二多路复用单元9在图17-20所示的实施例中说明为利用时分多路复用，但是应当理解，如上所述的任何多路复用技术或者技术的组合也可以使用。

虽然以上实施例已经在OCT系统的背景下进行了描述，但是以上所述的各种实施例中的任何一种也适用于其它应用。例如，上述各种实施例中的任何一种都适用于存储在多层光学系统中的数据的光学读取，其中层之间的选择是由检测系统基于光学相干门控来执行的。当大量光轨上的读取是（准）同时的时候，在这种情况下提供的一个示例优点是读取速度的增加。还应当指出，以上所述的任何实施例都易于进行细节的修改，只要这些修改不改变本发明的基本原理和本质。

图21根据一实施例说明了用于执行横向扫描的示例方法2100。方法2100可以例如由上述用于扫描系统116的各种实施例的任何一种执行。

在步骤2102，在第一多路复用单元接收辐射束。第一多路复用单元可以是例如关于图4-6中所描述的多路复用单元中的任何一个。

在步骤2104，基于在第一多路复用单元中的第一多个光波导当中由在第一多路复用单元接收到的辐射束穿过的光学路径，组延迟引入到在第一多路复用单元接收到的辐射束。该组延迟可以按多种方式引入，诸如通过使用不同长度的波导段或者通过诸如热-光、电-光、电荷注入等效应允许修改折射率的波导段。在一个示例中，光调制元件和/或光学开关用于在多条路径当中区分射束，其中每条路径都具有与其关联的唯一组延迟。

在步骤2106，由第二多路复用单元接收辐射束。由第二多路复用单元接收的辐射束可以是由第一多路复用单元接收的同一辐射束，诸如当第一多路复用单元位于样品臂中时。作为替代，由第二多路复用单元接收的辐射束可以与由第一多路复用单元接收的辐射束不同，诸如当第一多路复用单元位于参考臂中时。第二多路复用单元可以是例如关于图7-13或图15描述的各种多路复用单元中的任何一种。

在步骤2108，由第二多路复用单元接收的辐射束在第二多个光波导之间区分，以便产生一个或多个输出辐射束。由第二多路复用单元接收的辐射束可以利用时分多路复用、频分多路复用、相干域多路复用等中任意一种或者其组合在各种光学路径当中区分。

在步骤2110，所述一个或多个输出辐射束朝着一个样品被引导。引导可以包括聚焦和/或重定向光，如在例如图14-15和图17-20中所说明的实施例中所描述的。

应当认识到，“具体实施方式”部分而不是“发明内容”和“说明书摘要”部分要用来解释权利要求。“发明内容”和“说明书摘要”部分可能阐述了发明人预期的本发明的一个或多个但不是全部示例性实施例，而且因此，不是要以任何方式限定本发明及所附权利要求。

本发明的实施例已经在上面借助说明其指定功能实现的功能性构建块及其关系进行了描述。为了方便描述，这些功能性构建块的边界在本文中是任意定义的。只要其指定功能和关系适当地执行，就可以定义备选的边界。

以上对具体实施例的描述将完全揭示本发明的一般性本质，在不背离本发明一般性概念的情况下，通过应用本领域中的知识，其他人可以很容易地修改和/或改变这种具体实施例的各种应用，而不需要过多的实验。因此，基于本文所给出的教导和指导，这种改变和修改要在所公开实施例的等价物的意义和范围之内。应当理解，本文的短语或术语是为了描述而不是限制，因此本说明书的术语或短语要由本领域技术人员根据所述教导和指导来解释。

本发明的广度和范围不应当受任何上述示例性实施例的限制，而是只能根据以下权利要求及其等价物来限定。

Claims (29)

1.一种低相干干涉测量系统，包括：

光源，配置为产生辐射束；

分割元件，配置为从所述光源接收所述辐射束并至少产生第一辐射束和第二辐射束；

样品臂，配置为从所述分割元件接收第一辐射束并产生一个或多个输出辐射束，并朝着样品引导所述一个或多个输出辐射束；

参考臂，配置为从所述分割元件接收所述第二辐射束并使所述第二辐射束返回；和

检测器，配置为根据从所述样品收集的散射的辐射和从参考臂返回的第二辐射束来进行低相干干涉测量，

其中，所述样品臂包括：

第一多路复用单元，配置为从所述分割元件接收所述第一辐射束并且包括第一多个光学元件，所述第一多个光学元件配置为基于由所述第一辐射束在第一多个光波导当中穿过的光学路径对所述第一辐射束引入组延迟；及

第二多路复用单元，配置为从所述第一多路复用单元接收所述第一辐射束并且包括第二多个光学元件，所述第二多个光学元件配置为在第二多个光波导当中区分所述第一辐射束，以便产生一个或多个输出辐射束，

其中所述第二多个光波导配置为朝着样品引导所述一个或多个输出辐射束。

2.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第一多路复用单元进一步包括多个切换元件，以便选择由所述第一辐射束在第一多个光波导当中穿过的光学路径。

3.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第一多路复用单元进一步包括多个相位调制元件。

4.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第二多路复用单元配置为从第一多路复用单元的单个输出接收所述第一辐射束。

5.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第二多路复用单元配置为从第一多路复用单元的仅两个输出中的一个输出接收所述第一辐射束。

6.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，还包括设置于第二多路复用单元和样品之间的光学元件。

7.如权利要求6所述的低相干干涉测量系统，其中所述光学元件是单个透镜。

8.如权利要求7所述的低相干干涉测量系统，其中所述透镜配置为把一个或多个输出辐射束聚焦到焦平面上，使得该焦平面处的相邻射束的中心之间的距离比该焦平面处的射束中的一个的直径大1到10倍之间。

9.如权利要求7所述的低相干干涉测量系统，还包括多个透镜，每个透镜都比所述单个透镜小，所述多个透镜配置为把一个或多个输出辐射束的至少一个子集聚焦到样品的第一目标区域上并且把一个或多个输出辐射束的至少另一个子集聚焦到样品的第二目标区域上。

10.如权利要求6所述的低相干干涉测量系统，其中所述光学元件是梯度折射率(GRIN)透镜。

11.如权利要求6所述的低相干干涉测量系统，还包括设置于光学元件下游并且配置为改变一个或多个输出辐射束的传播方向的反射元件。

12.如权利要求11所述的低相干干涉测量系统，其中改变后的传播方向基本上垂直于原始的传播方向。

13.如权利要求11所述的低相干干涉测量系统，其中反射元件的朝向是可调节的，使得对一个或多个输出辐射束的传播方向的改变角度是可调节的。

14.如权利要求13所述的低相干干涉测量系统，其中可调节的反射元件包括微机电部件。

15.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第二多个光学元件包括相位调制元件。

16.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第二多个光学元件包括光延迟元件。

17.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第二多个光学元件包括光切换元件。

18.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中组延迟与样品的扫描深度关联并且进行到第二多路复用单元中的一个或多个输出辐射束。

19.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第二多个光波导进一步配置为从样品收集散射的辐射。

20.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，其中第一多个光波导和第二多个光波导集成在同一个基底上。

21.如权利要求1所述的低相干干涉测量系统，还包括配置为弯曲第二多个光波导中的一个或多个的微机电致动器。

22.一种由低相干干涉测量系统执行的方法，包括：

在源处产生辐射束；

将所述辐射束至少分割为第一辐射束和第二辐射束；

在样品臂处接收所述第一辐射束，产生一个或多个输出辐射束，并朝着样品引导所述一个或多个输出辐射束，以及在参考臂处接收所述第二辐射束并使所述第二辐射束返回；和

在检测器处根据从所述样品收集的散射的辐射和从参考臂返回的第二辐射束来进行低相干干涉测量，

其中，所述样品臂包括第一多路复用单元和第二多路复用单元，并且在所述样品臂处接收所述第一辐射束并且产生一个或多个输出辐射束的步骤包括：

基于由在所述第一多路复用单元处接收到的所述第一辐射束在所述第一多路复用单元中的第一多个光波导当中穿过的光学路径，对在所述第一多路复用单元处接收到的所述第一辐射束引入组延迟；

在第二多路复用单元处从所述第一多路复用单元接收所述第一辐射束；及

在第二多个光波导当中区分在所述第二多路复用单元处接收到的所述第一辐射束，以便产生一个或多个输出辐射束；及

其中，在样品臂处朝着样品引导所述一个或多个输出辐射束的步骤包括经由所述第二多个光学波导朝着样品引导所述一个或多个输出辐射束。

23.如权利要求22所述的方法，还包括在第一多路复用单元中调制辐射束的相位。

24.如权利要求22所述的方法，其中区分辐射束包括对辐射束引入延迟。

25.如权利要求22所述的方法，其中区分辐射束包括在第二多个光波导当中切换辐射束。

26.如权利要求22所述的方法，其中区分辐射束包括调制辐射束的相位。

27.如权利要求22所述的方法，还包括经光学元件聚焦一个或多个输出辐射束。

28.如权利要求27所述的方法，还包括经设置于光学元件下游的反射元件改变一个或多个输出辐射束的传播方向。

29.如权利要求22所述的方法，还包括经微机电致动器弯曲第二多个光波导中的一个或多个。