CN103842768A - 光学相干断层成像技术 - Google Patents

Abstract

提供一种光学相干断层成像的技术。在该技术的装置方面，装置（100b）包括发光器（110）、色散介质（120）、光耦合器（130）和检测器（140）。发光器适于产生相干光的一系列输入脉冲（202，204，206），该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度（τ₀）。色散介质具有光耦合至发光器的输入（122）和用于输出脉冲（302，304，306）的输出（124）。色散介质适于通过色度色散将输入脉冲宽度展宽至每个输出脉冲的输出脉冲宽度（τ_p）。光耦合器适于将来自输出处的输出脉冲耦合至参考臂（160）和样本臂（170）中。该光耦合器还适于将从参考臂返回的光和从样本臂返回的光叠加。检测器适于以输出脉冲宽度的一片段（δt_门）的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。

Description

光学相干断层成像技术

技术领域

本申请涉及一种用于光学相干断层成像（OCT）的技术。更为具体地（非限制性地），本申请涉及一种包括脉冲展宽的扫频光源的针对OCT的装置和一种使用脉冲展宽的宽频光源执行OCT的方法。

背景技术

光学相干断层成像（OCT）是一种非侵入性的且通常为非接触式的成像技术。具有确定的相干长度的光被辐射在一样本上，该样本反射或重新发射具有不同的穿透深度的光，其按照光的相位对信息进行编码。来自样本的光与参考分支的相干光相叠加。

传统的OCT系统在机械参考分支中使用可移动的反射镜，以得到光学长度可变的参考分支。现代的OCT系统使用傅里叶域OCT（FD-OCT）。OCT系统的性能可由其轴向分辨率和/或其轴向扫描深度来特征化。

在一些现有的OCT系统中，轴向分辨率或轴向扫描深度可由OCT系统的特征所限制。例如，使用频谱域OCT（SD-OCT，为FD-OCT的一种情况）的OCT系统可具有受光谱仪的频谱分辨率限制的轴向扫描深度。再如，使用扫频光源OCT（SS-OCT，为FD-OCT的另一种情况）的OCT系统可具有主要受扫频光源的瞬时线宽δλ限制的轴向扫描深度。另外，使用FD-OCT的OCT系统可具有无法独立于其轴向扫描深度而调节的轴向分辨率。例如，对于检测器的给定频谱分辨率或时间分辨率，扫描深度Δz_max可正比于轴向分辨率δz_min。此外，SS-OCT系统可具有较低的轴向分辨率，因为其扫频光源在整个频谱带宽Δλ（也被称为调谐范围）上是可调谐的，该频谱带宽Δλ比可用于不进行光源调谐的SD-OCT的光源的全带宽Δλ窄。

发明内容

需要一种至少在某些情况下，改善轴向分辨率和/或扫描深度的限制的光学相干断层成像技术。

根据一个方面，提供根据权利要求1所述的一种用于光学相干断层成像或OCT的装置。该装置包括：发光器，其用于产生一系列输入相干光脉冲，该一系列输入相干光脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度；色散介质，其具有光耦合至发光器的输入和用于输出脉冲的输出，其中，该色散介质用于通过色散将输入脉冲宽度展宽至每个输出脉冲的输出脉冲宽度；光耦合器，其用于将来自输出处的输出脉冲耦合至参考臂和样本臂中，并用于将从参考臂返回的光和从样本臂返回的光叠加；检测器，其用于以输出脉冲宽度的一片段的时间分辨率检测叠加后的光的干涉强度。

该一系列输入相干光脉冲中的每个输入脉冲可具有全带宽Δλ，该全带宽也被称为输入频谱范围。光耦合器可为分束器，如基于光纤的分束器或自由空间分束器。输出脉冲宽度的片段（fraction）可被表示为δt_门。

本文所使用的术语“光”可包括（真空）波长范围在600nm到1500nm内的电磁波，优选地，可包括波长范围在650nm到1050nm内、或在850nm到1250nm内、或在1100nm到1500nm内的电磁波。

一些实施例可允许通过改变与发光器相关的参数（如，发光器的带宽，也称为输入频谱范围）来改变OCT的轴向分辨率。相同的或一些其他的实施例可允许通过改变与色散介质相关的参数（如，色散介质的一个或多个色散参数、色散介质中的光传播路径的长度和方向）和/或与检测器相关的参数（如，片段的持续时间）来改变OCT的轴向扫描深度。此外，在一些实施例中，轴向分辨率和轴向扫描深度为可独立改变的。在某些实施例中，光谱仪和/或大范围地可调谐的发光器（如，在全带宽Δλ上是可调谐的）同时具备产生窄到可忽略的瞬时带宽（还可被表示为符号δλ）的能力。

所述系列中的每个输入脉冲或该整个系列可具有至少基本上不依赖于时间的输入频谱范围。替代性地或作为补充，所述系列中的每个输入脉冲或该整个系列可具有至少基本上不依赖于时间的输入中心波长。每个输出脉冲可具有至少基本上对应于输入频谱范围的时间平均的频谱范围。

每个输出脉冲可具有瞬时输出峰值波长（也表示为符号λ（t））。瞬时输出峰值波长可依赖于时间和/或对于输出脉冲宽度的不同片段而各异。瞬时输出峰值波长可（在对应于输出脉冲宽度的时段上）单调地随时间改变。替代性地或作为补充，每个输出脉冲可具有瞬时输出频谱范围（也表示为符号δλ）。瞬时输出频谱范围也被称为瞬时带宽、瞬时线宽或瞬时输出频谱间隔。瞬时输出频谱范围可依赖于时间和/或对于输出脉冲宽度的不同片段而各异。瞬时输出频谱范围可（在对应于输出脉冲宽度的时段上）单调地随时间改变。输入频谱范围可为比瞬时输出频谱范围中的一个或每个瞬时输出频谱范围宽若干倍。

色散介质可包括光纤或波导。波导可包括光栅结构，如色散布拉格光栅（DBG）。光纤可包括光栅结构，如啁啾光纤布拉格光栅（啁啾FBG）。色散介质中的光传播路径基本上可为直的。替代性地或作为补充，该光传播路径可为折叠的。折叠路径可包括介质的界面或边界处的反射。色散介质中从输入到输出的光传播路径至少可为1km和/或长达10km、长达60km或长达100km（例如，在光纤中）。此外，路径可具有至少1cm或2cm的长度和/或长达20cm或50cm的长度（例如，在波导或布拉格晶体中）。

输入脉冲可沿传播路径在频谱上扩展。频谱扩展可使波长与输出时间相关。输出脉冲的瞬时输出峰值波长可与输出时间相关。可相对于发光器的输入脉冲产生时间来定义输出时间。输出时间可在波长λ上为线性的或在波数上为线性的：

$k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}.$

色散介质可包括沿光传播路径位于不同位置的多个抽头。装置可进一步包括光开关，该光开关适于选择性地将发光器耦合至所述抽头中作为输入的一个抽头。替代性地或作为补充，光开关可适于选择性地将所述抽头中作为输出的一个抽头耦合至光耦合器。

色散介质的色度色散可为线性色散。即，色散参数可基本上不依赖于输入频谱范围中的波长或在波数上为线性的，k=2π/λ。色散可为群速度色散。色散介质的色散参数可大于或等于10000ps/(km·nm)，优选地约为13200ps/(km·nm)或更大。色散参数可与介质的折射率关于波长的二次导数成比例。色散可为正的。正的色散可对应于一负的色散参数。输出脉冲中的长波长可在时间上先于输出脉冲中的短波长。色散介质可先输出每个输出脉冲中的长波长。每个输出脉冲的峰值瞬时波长可从长波长到短波长进行扫频（即，正的“啁啾”）。输入脉冲可为无啁啾的。输出脉冲可为上啁啾（在正色散的情况下）。或者，输出脉冲可为下啁啾（在负色散的情况下）。

装置可进一步包括场发生器，该场发生器适于产生外部场。该外部场可作用于色散介质上。介质的色散参数由外部场的强度来控制或可由外部场的强度控制。

色散介质可不同于发光器的增益介质。色散介质可在发光器的增益介质之外。

检测器可检测依赖于时间的瞬时输出峰值波长（λ（t））和依赖于时间的瞬时输出频谱范围（λ(t)-δλ/2…λ(t)+δλ/2）中至少一者的强度。检测器可进一步适于对多个连续片段的强度进行采样。在相应片段上检测到的每个强度无需在频谱上解析。多个被采样的片段可基本上覆盖输出脉冲宽度或对应于输出脉冲宽度的时段。

色散介质可被配置为提供输出脉冲。该输出脉冲可具有瞬时输出峰值波数k（t），其作为时间的函数而变化。瞬时输出峰值波数k（t）可随时间线性地变化。输出脉冲可具有“啁啾”，其在波长λ（t）上为非线性的和/或在k（t）上为线性的（也被称为“随k线性变化的啁啾”）。在波数上为线性的啁啾可由光子晶体光纤（PCF）来提供。检测器可用于适于对片段在时间上均匀地采样，例如，以相等的间隔或周期性地进行采样。或者，色散介质可被配置为提供在波数k（t）上为非线性的“啁啾”。该啁啾可在波长λ（t）或频率ω（t）上为线性的。检测器可适于对在波数k上成线性的片段进行采样。该检测器可被校准到波数k（t）的线性变化（即，基本上为时间的线性函数）或波数k（t）的非线性变化（作为时间的非线性函数）。该检测器可通过光学时钟（例如，k时钟）来校准。光学时钟可包括马赫-曾德尔干涉仪。光学时钟可跟随或跟踪波数上的实时变化。替代性地或作为补充，该检测器可包括存储器，校准表可在该存储器中被编码。校准表可与波数和时间相关。校准表可包括或表示列表函数k（t）。可在制造装置时或在执行OCT之前对校准表进行确定和/或编码。也可使用任何其他校准方法。在由校准表定义的时间处，检测器可对片段的干涉强度进行采样。以在波数上为线性的方式对片段的干涉强度进行采样可避免干涉信号（也被称为调制信号）上的损耗，尤其可避免灵敏度和/或信噪比（SNR）的降低。此外，由于不再需要产生波数上成线性的数据的中间处理步骤，可降低对处理单元的要求。

片段或每一片段可小于或等于输出脉冲宽度的1/500，1/1000或1/10000，或可具有在输出脉冲宽度的1/10000到1/500之间的持续时间。（每个输出脉冲的）被采样的多个片段可至少为500个，或至少为1000个，或至少为10000个。替代性地或作为补充，片段或每一片段可小于200ns，优选地，小于100ns。

检测器可包括光电二极管或双重平衡检测器单元。双重平衡检测器单元可允许降低发光器的相对强度噪声。检测器可进一步包括连接到该光电二极管的门控单元（也被称为门控电子器件）。该门控单元可适于根据片段对强度信号进行斩波和/或读取每个采样片段的强度。检测器可包括缓冲器，该缓冲器用于存储多个采样片段的强度读数。检测器可包括处理器，该处理器适于对（对应于一个输出脉冲的）强度读数和/或其他信号处理函数进行傅里叶变换。

发光器可为宽频带发光器。该发光器可适于在宽频带频谱上产生输入脉冲。发光器可包括钛蓝宝石激光器（也被称为Ti-蓝宝石激光器或TiS激光器）或其他任何短脉冲激光器或超短脉冲激光器。中心波长可在750nm到850nm的范围内，优选地约为800nm。输入频谱范围可近似为大于或等于200nm（例如，300nm或400nm）。钛蓝宝石激光器可为脉冲式的。替代性地或作为补充，发光器可包括超发光二极管（SLD）或任何其他宽带光源，如放大式自发射光源（ASE光源）或脉冲式超连续谱光源。超连续谱光源可包括皮秒激光器、纳秒激光器中的至少一个激光器和耦合到该激光器的非线性光纤。非线性光纤可被配置为通过非线性光学效应产生宽频带且基本上连续的频谱。

检测器和发光器可被同步。连接到发光器和检测器的控制器可适于同步控制。该同步可包括固定的时移。时移可为输入脉冲的产生和多个片段的强度的采样之间的时间延迟。一系列的输入脉冲可为周期性的。发光器可以一重复率产生该一系列的输入脉冲。可以相同的重复率发起或触发采样。重复率可限定OCT的线获取率。

发光器可包括连续波光源（CW光源）和光学遮光器。遮光器可操作地被设置在CW光源和色散介质的输入之间。遮光器可适于周期性地对来自CW光源的光进行斩波或阻断。遮光器可以对应于重复率的遮光器频率进行工作。遮光器频率至少可为10kHz、20kHz或50kHz。遮光器频率可高达100kHz、500kHz、1MHz或3MHz。

光耦合器可包括分束器和光纤耦合器中的至少一个。光耦合器可将输出以同样的强度耦合到臂中。或者，光耦合器可将输出以不同的强度耦合到臂中，以增加样本臂的强度。样本臂可提供返回散射光。该返回散射光可从样本处散射。分束器可包括部分透明的反射镜，如，半透镜。光耦合器可为光纤耦合器。光纤耦合器可为熔纤耦合器（fused-fiber coupler）或包括光纤拉锥（fibertapering）。光耦合器可为2×2耦合器。光耦合器可为50%-50%平分耦合器或可传送任何其他分光比。替代性地或作为补充，光耦合器可包括环行器。该环行器可为三端口环行器。环行器的第一端口可被耦合至输出。环行器（沿环的方向）的第二端口可被耦合至1×2耦合器。环行器（沿环的方向）的第三端口可被耦合至检测器。

根据另一方面，根据权利要求19，提供一种执行光学相干断层成像或OCT的方法。该方法包括：产生相干光的一系列输入脉冲，该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度；通过色散介质中的色度色散将每个所述输入脉冲的输入脉冲宽度展宽至输出脉冲的输出脉冲宽度；将所述输出脉冲耦合至参考臂和样本臂中，并将从该参考臂返回的光和从该样本臂返回的光叠加；以及以该输出脉冲宽度的一片段的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。

该方法可由所述装置来执行。该方法可进一步包括装置方面所涉及到的任何特征或步骤。

附图说明

参照附图，本发明的其他特征、优点和技术效果在以下的示例性实施例的详细描述中将会更清楚。其中：

图1示意性地示例出用于光学相干断层成像的包括一色散介质的装置的第一实施例；

图2示意性地示例出用于光学相干断层成像的包括一色散介质的装置的第二实施例；

图3示意性地示例出用于光学相干断层成像的包括一色散介质的装置的第三实施例；

图4示出图1、2或3中的色散介质的输入处的第一输入功率分布的示意图；

图5示出图1、2或3中的色散介质的输出处的作为第一输入功率分布的结果的第一输出功率分布的示意图；

图6示出图1、2或3中的色散介质的输出处的第二输入功率分布的示意图；

图7示出图1、2或3中的色散介质的输出处的作为第二输入功率分布的结果的第二输出功率分布的示意图；以及

图8示出图1、2或3中的色散介质的色散参数的测量图。

具体实施方式

在现代光学相干断层成像（OCT）中，傅里叶域OCT（FD-OCT）占主导地位，该FD-OCT实现了较之传统的时域OCT（TD-OCT）更佳的信噪比（SNR）。此外，通过避免机械z扫描（即，光学长度被机械地改变的参考臂），可实现大大提高的扫描速率（如，f_R>100kHz）。FD-OCT用频谱域OCT（SD-OCT）或扫频光源OCT（SS-OCT）来实现。

J.Jungwirth等人在Journal of Biomedical Optics（生物医学光学杂志）2009年第14卷第5期、页集050501（page set050501,Vol.14(5),2009）上的题为“Extended in vivo interior eye-segment imaging with full-range complex spectraldomain optical coherence tomography（通过全量程复谱域光学相干断层成像的扩展的活体内眼段成像）”的文章中描述了现代SD-OCT系统。讨论了扫描深度固有限制和一种通过所谓全量程复合（FRC）技术对有限的扫描深度进行加倍的方法。

S.H.Yun等人在Optics Express（光学快报）第11卷第22期的第2953-2963页（Vol.11,No.22,pages2953–2963）上的题为“High-speed opticalfrequency-domain imaging（高速光学频域成像）”的文章中描述了参照图2的SS-OCT系统。除了扫描速率，由OCT装置的光源所发射的带宽Δλ和发射带宽Δλ的瞬时线宽δλ大大影响了OCT装置的性能（包括下述的轴向分辨率δz_min和轴向扫描深度Δz_max）。

根据下式，（SD-OCT和SS-OCT中的）轴向分辨率δz_min由光源的带宽Δλ来确定：

${\mathrm{\δz}}_{\min }=\frac{2\ln 2}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{n\Δ\λ}},$

其中，n表示样本（如，组织）的折射率。例如，对于眼角膜，n=1.37。符号λ₀表示由光源的半峰全宽（FWHM）带宽所限定的带宽Δλ中的中心波长。

在SD-OCT和SS-OCT中，分别通过检测的频谱分辨率δλ或扫频激光器的瞬时线宽来根据下式设定轴向扫描深度Δz_max的限制：

${\mathrm{\Δz}}_{\max }=\frac{\ln 2}{\mathrm{n\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{\δ\λ}},$

其中，λ₀和n分别表示中心波长和折射率。在使用具有线性检测器阵列的光谱仪的SD-OCT的情况下，频谱分辨率δλ受线性检测器阵列的像素大小的限制，横向分解的光谱被辐射在该线性检测器阵列上。

因此，FD-OCT下的物理原理根据下式与扫描深度Δz_max和轴向分辨率δz_min的限制相关：

${\mathrm{\Δz}}_{\max }=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{2\·\mathrm{\δ\λ}}{\mathrm{\δz}}_{\min }.$

因此，对于SD-OCT系统的要求可旨在检测全频谱宽度（即，旨在大Δλ），并同时可旨在高频谱分辨率（即，旨在小δλ）。但频谱分辨率δλ和由检测器所覆盖的带宽Δλ并非独立的，而是与线性检测器阵列中的像素数量相关。如果频谱分辨率δλ通过增加辐射在线性检测器阵列上的频谱分解的横向传播而提高，则由线性检测器阵列所覆盖的带宽Δλ可被减小。光谱仪的线性检测器阵列中可制造的像素大小和像素数量以及消色差透镜的孔径和衍射光栅，决定对于独立地提高轴向分辨率δz_min和扫描深度Δz_max的技术限制。

因此，技术限制限制了SD-OCT系统的性能并会将某些应用排除在外。例如，如以下数值示例所例示，现代SD-OCT系统可实现相当高的轴向分辨率δz_min，但具有相对较低的扫描深度Δz_max。

使用具有中心波长为λ₀=800nm和较佳的带宽Δλ=200nm以及较佳的像素数N=4096像素的钛蓝宝石激光器（TiS激光器）作为光源，可能在n=1.37的组织中得到好的轴向分辨率δz_min=1.0_μm和扫描深度Δz_max=2.1mm。在该示例中，有限的像素数限定了有限的频谱分辨率：

δλ=Δλ/N=200nm/4096px=0.05nm/px，

该频谱分辨率又限制扫描深度Δz_max。因此，高轴向分辨率避免大的扫描深度，反之亦然。

在SS-OCT的情况下，激光光源通过整个可发射的带宽Δλ被迅速调谐，得到瞬时线宽δλ，通过该瞬时线宽，该激光光源在调谐的时刻t振荡。但瞬时线宽δλ受到激光光源的腔体的品质因数（或Q因数）以及振荡的稳定时间的限制。此外，SS-OCT所需的可调谐光源的带宽Δλ通常低于120nm，这是SS-OCT相比于SD-OCT，通常实现在稍宽的扫描深度Δz_max下的较低的轴向分辨率δz_min的原因。此外，目前对于SS-OCT，在覆盖λ₀=800nm的频谱范围上，不存在具有足够可调谐带宽Δλ的激光光源可用，由于δz_min与λ₀的平方成比例，这就大大降低了轴向分辨率。使用非常先进的扫频激光光源，SS-OCT系统可实现以下数值示例的性能。

假定扫频激光光源具有中心波长λ₀=1060nm，总带宽Δλ=120nm，并提供瞬时线宽δλ=0.06nm，使得轴向分辨率δz_min=3.0μm（对于角膜组织）或δz_min=4.1μm（在空气中）且扫描深度Δz_max=3.0mm（对于角膜组织）或Δz_max=4.1mm（在空气中）。

在上述的FD-OCT原理考虑和相应的数值示例中已很明显，高的轴向分辨率δz_min和宽的扫描深度Δz_max无法同时实现。

图1示例性例示出根据光学相干性断层成像装置100a的第一实施例的光学元件的设置及其相互耦合。该装置100a包括发光器110、具有输入122和输出124的色散介质120、光耦合器130和检测器140。发光器110被光耦合至输入122。发光器110和色散介质120构成装置100a的光源150。

光耦合器130接收到由光源150输出的光并通过半透镜132均等地将光分解到终止于反射镜162的参考臂160中和样本臂170中。在参考臂160和样本臂170中向光耦合器130传播的光由该光耦合器130叠加到检测臂180中。

检测器140包括光电二极管142、门控单元144、缓冲器146、数据获取单元143、处理单元145、存储单元147和显示器148。光电二极管142被设置在检测臂180上。光电二极管142具有50ps以下的响应时间，优选地，大约为35ps或40ps或介于二者其间。时间分辨率还可取决于光电二极管的约为100ps的死区时间（dead time），该死区时间可通过连续地使用多于一个光电二极管142或多于一个检测器140来减短或避免。门控单元144电连接到光电二极管142上。门控单元144将光电二极管142的强度信号顺序排列成时间片段δt_门。缓冲器146临时存储顺序排列后的强度信号的样本。每个样本代表片段序列中的一个片段。缓冲器146将每个段的强度以与该段的连续编号、检测时间或时间相关波长（参照图5和图7进行详述）相关联的方式进行存储。数据获取单元143为一接口，处理单元145通过该接口对与输出脉冲302、304、306之一对应的那些片段的数据进行恢复。

处理单元适于经由数据获取单元143从缓冲器146中读取一个序列的强度样本，并适于对其执行傅里叶变换。傅里叶变换的结果永久地存储在存储单元147中和/或在显示器148上显示给用户。

样本臂170包括xy扫描仪172和扫描透镜174。xy扫描仪172包括一对可旋转反射镜176和178，反射镜176和178将样本臂170中的（从耦合器130传播到透镜174或沿其他方向传播的）光分别偏转到第一横向和垂直于该第一横向的第二横向。扫描透镜174形成近似高斯光束点，其光束腰聚焦在样本190中（如眼睛的角膜或视网膜）。

图2示意性地例示出光学相干性断层成像装置100b的第二实施例。相应的附图标记与实施例100a的背景下描述的部件及特征相关。装置100b的不同之处在于光耦合器130包括2×2熔纤耦合器。熔纤的第一接口对分别被光耦合至色散介质120的输出124和检测器148。熔纤的第二接口对分别被光耦合至xy扫描仪172和参考臂160。

图3示意性地例示出光学相干性断层成像装置100c的第三实施例。装置100c包括由参照上述图1或图2所描述的相应附图标记所表示的部件及特征。装置100c的不同之处在于光耦合器130包括环行器134和1×2耦合器136。环行器134具有三个端口且适于将进入任一端口的功率传输至由箭头138所指示的环行方向上的下一端口。环行器134的第一端口被光耦合至色散介质120的输出124。环行器134的第二端口（在环行方向上紧随第一端口）被光耦合至1×2耦合器136的单个端口。环行器134的第三端口（在环行方向上紧随第二端口）限定检测臂180。1×2耦合器136将来自环行器134的第二端口的光输出至参考臂160和样本臂170中。从参考臂160和/或样本臂170返回的光被结合到1×2耦合器的单个端口中，并由此进入到环行器134的第二端口。参考臂160和样本臂170中的一者或两者可选地包括偏振控制器。

发光器110为宽频带TiS激光器或脉冲式超连续光源（SC光源）。发光器110以脉冲重复率f_R=1/T_R产生中心波长为λ₀=800nm、1050nm或1300nm的脉冲。在图4的图200a中示意性地例示出一系列脉冲202、204和206（的一小部分）分别在T1、T2和T3时刻的频谱-时间功率分布S_IN。时间在横轴上示出且波长在图200a的纵轴上示出。频谱-时间功率分布被示意性地例示为作为时间和波长的函数的频谱-时间密度。图6在图200b中示意性地例示出输入122处的频谱-时间功率分布S_IN的变型。由发光器110在基本上整个脉冲宽度T₀上提供宽频谱范围Δλ中的极端波长。封闭的线条示意性地指示出等功率密度线。

在每个装置100a、100b和100c的变型中，发光器110包括宽频带连续波（CW）光源，如超发光二极管（SLD）或放大式自发射（ASE）。CW光源具有高强度或冷光。CW光源提供对应于输入频谱范围Δλ的宽频带频谱。CW光源通过快速遮光器进行光学斩波。遮光器以近似f_R=1MHz的频率工作。斩波后的光被输入到色散介质120中。图6中的图200b可示意性地例示出（例如，比图4中的图200a更为逼真）遮光器所提供的频谱-时间功率分布S_IN。

系列脉冲中的每个脉冲202、204或206就其时间和频率或波长上的功率分布而言，基本上相同。TiS激光器脉冲具有大约200nm的输入频谱范围Δλ。一示例性TiS激光器在A.Unterhuber等人在Optics Letters（光学快报）2003年第28卷第11期第905-907页（Vol.28,No.11,p.905–907,2003）上发表的文章“用于活体超高分辨率光学相干性断层成像的紧凑且低成本的Ti:Al₂O₃激光器”中描述到。输入脉冲宽度T₀为脉冲持续时间，其被定义为功率超过功率峰值的1/e²水平的时间（替代性定义为使用-3dB水平,即，在时间上为FWHM）。输入脉冲宽度T₀在10fs到10ns的范围之间，优选地，在1ps到1ns或2ns的范围之间。输入频谱范围?λ被限定为FWHM带宽，即，在频谱的-3dB水平。替代性定义对于复频谱可使用-10dB水平（即，频谱范围被限定在10%水平）或仅在1/e²水平。参照图5和图7如下所描述，输入频谱范围Δλ通过色散介质120限定有效的扫频频谱。

当宽频带输入脉冲202、204或206通过高色散介质120时，所述脉冲被展宽。在图1、2和3中分别示出的实施例100a、100b和100c中，色散介质120为光纤。输入脉冲受到线性群速度色散。参照图8对非线性群速度色散的替代性方案进行如下讨论。这样，输入脉冲的频谱分量被不同地延迟或随时间相互分散。延迟为波长的函数，这样，在正色散的情况下，长波长在色散介质120中传播更快，产生输出脉冲302、304和306，其频谱-时间功率分布S_OUT在图5中的图300a中示意性地例示出。由根据图6的图200b的输入脉冲产生的色散介质120的输出124处的频谱-时间功率分布S_OUT在图7中的图示300b中示意性地例示出。在长于每个输出脉冲302、304和306中具有τ_P的输出脉冲的一段时间上求均值时，输入脉冲202、204和206的初始频谱308基本上不变。更具体地说，参量增益、二次谐波产生、任意次色散、自相位调制和四波混频等非线性效应在色散介质120中不存在或可忽略。色散介质120为线性介质。具体地，中心波长λ₀守恒。

在由检测器140时间解析的很短的片段δt_门上，不同波长的频谱分离引起“上啁啾”输出脉冲，该脉冲的波长λ（t）为时间的函数，如每个图300a和300b针对t₁和t₂时刻所指示的。在图5和图7中的t₁时刻示例性示出的瞬时输出频谱310为窄线条，其瞬时频谱范围δλ在全输入频谱范围Δλ之外。

色散介质120为色度色散或群速度色散（GVD）。色散（至少部分地）由色散参数D来描述。具体地，设计的光纤针对几乎任意给定的所需频谱范围?λ（特别是针对600nm到1000nm）的大的色散参数可用。大模面积光纤（LMA光纤）为光子晶体光纤（PCF），提供不同频谱分量的色散参数|D|>500ps/(nm·km)的GVD。

图8示出保偏大模面积UV光纤的色散的图400。图400为P.Hartmann,Wests?chsische Hochschule教授的测量结果。LMA UV光纤的直径为125μm，第一模场直径为MFDx=2.6μm且第二模场直径为MFDy=4.3μm。每一长度上的延时τ/L如附图标记402所示且色散参数D如附图标记404所示。PCF的色散参数的相应结果在journal Optics Express（光学快报期刊）2004年第12卷第2期第301页（Vol.12,No.2,2004on p.301）的图1（a）中提供。此外，装置100a、100b和100c的每个实施例的进一步变型使用具有大约-13200ps/(nm·km)的色散参数D的“同轴芯光纤”，其报道在journal Laser Focus World（激光焦点世界杂志）2011年7月的第9页上。

输入脉冲202、204或206的输入脉冲宽度τ₀被大大展宽（即，在时间上被拉长）至输出脉冲302的输出脉冲宽度τ_p。输入脉冲宽度τ₀大约为1fs到1ns。输出脉冲宽度τ_p大约为100ns到10μs。介质120的色散使输出脉冲宽度τ_p与输入脉冲宽度τ₀相关，如下：

τ_p=τ0+|D|·L·Δλ,

其中，D为色散介质120的频谱色散参数（以ps/(nm·km)计），L为光传播路径的长度（以km计，如光纤长度），且Δλ为输入频谱范围（以nm计）。如下面的数值示例中所详述的，优选的长度L包括1km、10km或该二者间的任意长度L。将发光器110的功率选择为：使得输出脉冲302、304、306（例如在输出124处）的（峰值）功率至少为1mW、5mW、10mW、20mW、50mW或介于5mW到50mW之间的功率。该功率可考虑了色散介质120中的衰减。

因此，具有宽输入频谱范围Δλ和短输入脉冲宽度τ₀的输入脉冲202、204和206的宽频带输入频谱S_IN在时间上被大大展宽为输出124处的具有τ_p的输出脉冲宽度，而时间平均的频谱范围Δλ不改变。在图5和图7中的每个所示的正色散的情况下，红色频谱分量处于展宽输出脉冲302、304或306的起始。蓝色频谱分量在输出脉冲302、304或306的时间末尾上紧随。因此，不同的频谱分量以不同的时间到达检测器140，由该检测器顺序检测对输出脉冲宽度τ_p进行细分的片段δt_门上的频谱分量。

根据应用，通过改变色散参数D选择时间扩展，即，输出脉冲宽度τ_p。色散参数D通过选择性地切换到多种不同的色散介质中的一种色散介质120上而改变。为了避免对装置100a、100b或100c的光学设置中的部件进行移动，实施例的变型通过将外部电场或磁场应用在色散介质120来改变色散参数D，其中，介质120的色散参数D对外部场是敏感的。替代性地，或作为补充，改变色散介质120的长度L。在装置100a、100b或100c的实施例的进一步变型中，色散介质120包括沿长度L的多个抽头（tap）。该多个抽头中的每一抽头允许在沿长度L的抽头的位置处将光耦合进或耦合出色散介质120。可沿色散介质120的长度L来选择至少输入122和输出124之一。光开关根据应用，自动地使用一个抽头作为输入122或作为输出124。

在输出脉冲302、304或306的（即，足够大的τ_p）足够的时间展宽上且对于足够快的检测器140（即，对于足够短的δt_门），仅检测到由门控单元144所限定的时间片段δt_门内的尖锐的瞬时频谱范围δλ（即，瞬时频谱线宽）。因此，瞬时输出频谱范围δλ（即，瞬时频谱线宽）根据下式定义相干长度（为轴向分辨率的两倍）：

$l_c=2\·{\mathrm{\Δz}}_{\max }=\frac{2\·\ln 2}{n\·\mathrm{\π}}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{\δ\λ}}.$

这里，假定OCT信号降至-6dB（对应20log（A）,其中A为信号的振幅）处的深度限定轴向分辨率。换言之，轴向分辨率Δz_max为相干长度的一半。需指出，即便对于检测器140的给定的时间分辨率δt_门，频谱分辨率（即，瞬时频谱范围δλ）也可通过增加输出脉冲宽度τ_p（其不依赖于发光器110的频谱范围Δλ和/或降低门控时间分辨率δt_门，而通过色散介质120实现）来改善。

由于该独立性，轴向分辨率Δz_min（与1/Δλ成比例）和轴向扫描深度Δz_max（与1/δλ成比例，因此与τ_p/（Δλ·δt_门）成正比）可相互独立地进行选择。换言之，OCT技术（也可被称为脉冲展宽的扫频光源OCT（PSSS-OCT））允许例如根据应用几乎自由地选择轴向分辨率Δz_min和轴向扫描深度Δz_max。频谱分辨率δλ不再受到光谱仪中的检测器阵列的像素大小的限制（与SD-OCT相反），且不再由可调谐的或扫频光源的瞬时带宽确定（与SD-OCT相反）。使用PSSS-OCT,大的带宽Δλ（由光源110提供）和小的频谱分辨率δλ（由色散介质120所致）不再相互排斥。

每个装置100a、100b和100c的示例性实现的参数被概括如下。用作发光器的TiS激光器对于输入脉冲宽度τ₀=1ps到1ns，具有中心波长λ₀=800nm和带宽Δλ=200nm。色散介质120为L=2km长度的被设置为线圈的光纤。该光纤具有色散参数D=-13200ps/(nm·km)。检测器140具有用于对片段δt_门≤100ps进行采样的时间分辨率，其时钟由检测器140的所有部件142到148来支持。因此，输出脉冲宽度τ_p为（由于第一项的贡献，至少τ₀被忽略）：

τ_p=|D|·L·Δλ=5.3μs。

对于采样间隔δt_门=100ps，对每一脉冲的多个N片段进行采样：

$N=\frac{5.3\mathrm{\μs}}{100\mathrm{ps}}=5.3\·{10}^4.$

因此，瞬时输出频谱范围δλ，即由在时间片段δt_门上检测光电二极管142的强度信号的检测器140所检测的频谱分辨率为：

$\mathrm{\δ\λ}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{N}=0.004\mathrm{nm}.$

因此，装置100a、100b或100c的示例性实施例可实现轴向分辨率δz_min=1.0_μm和轴向扫描深度Δz_max=26mm。因此，装置100a、100b和100c的实施例同时实现高的轴向分辨率（相比SD-OCT）及（对于足够的信号强度，即，频谱功率）长到足以扫描整个眼睛的长度的轴向扫描深度。

即使不改变装置100a、100b或100c的光学设置，也可通过改变对片段δt_门的采样间隔对扫描深度Δz_max进行自由调节。

替代性地，或作为补充，尤其适合于很短的输入脉冲宽度τ₀的情况，得出输出脉冲宽度τ_p的输出脉冲的输入脉冲的时间扩展可由以下关系来描述：

${\mathrm{\τ}}_p={\mathrm{\τ}}_0\sqrt{1+{(4\·\ln \left(2\right)\·\frac{D_2}{{\mathrm{\τ}}_0^2})}^2}\≈4\·\ln \left(2\right)\·\frac{D_2}{{\mathrm{\τ}}_0},$

其中，D₂=β₂·L为群延迟色散（如，与色散介质的特定长度L相关的群速度色散）。符号β₂表示群速度色散：

（以fs²/m为单位），

其中，D_λ表示色散参数（也称为群延迟色散参数），以ps/(km·nm)为单位，其示例如图8所示。

在一组数值示例中，色散参数为D_λ=-13200ps/(km·nm)且光在中心波长λ₀=800nm处产生，得出β₂=4481781fs²/m，这样，对于长度L=2km，输出脉冲τ_p约为1.65μs；对于长度L=10km，输出脉冲τ_p约为8.25μs；或对于长度L=20km，输出脉冲τ_p约为16.5μs。

通过进一步增大由TiS激光器110产生的光的输入频谱范围Δλ，即便对扫描深度Δz_max无负效应，轴向分辨率δz_min也被进一步改善。

从对光学相干断层成像装置的实施例的以上描述中明显可见，一些实施例允许克服轴向分辨率δz_min和扫描深度Δz_max中的至少一者的局限性或相互依存性。输出脉冲宽度τ_p能够超过1μs。检测器可解析小于100ps的时间片段δt_门。色散关于输入脉冲的频谱分量的波数或频率可为线性的，这允许在时间上对强度信号的片段δt_门进行均匀地采样以进行直接傅里叶变换。

显然，在不脱离本发明的范围或不牺牲其所有优点的情况下，上述示例性实施例可在形式上、结构上和设置上进行各种改变。由于本发明可以许多方式改变，因此，需认识到本发明应当仅由下述权利要求的范围来限制。

Claims (19)

1.一种用于光学相干断层成像或OCT的装置（100a；100b；100c），所述装置包括：

发光器（110），适于产生相干光的一系列输入脉冲（202，204，206），该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度（τ₀）；

色散介质（120），具有光耦合至所述发光器的输入（122）和用于输出脉冲（302，304，306）的输出（124），其中，所述色散介质适于通过色度色散将输入脉冲宽度（τ₀）展宽至每个所述输出脉冲的输出脉冲宽度（τ_p）；

光耦合器（130），适于将来自所述输出处的所述输出脉冲耦合至参考臂（160）和样本臂（170）中，并适于将从所述参考臂返回的光和从所述样本臂返回的光叠加；以及

检测器（140），适于以所述输出脉冲宽度（τ_p）的一片段（δt_门）的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有至少基本上不依赖于时间的输入频谱范围（Δλ）和/或至少基本上不依赖于时间的输入中心波长（λ₀）。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述每个输出脉冲具有依赖于时间的瞬时输出峰值波长（λ（t））和依赖于时间的瞬时输出频谱范围（λ(t)-δλ/2…λ(t)+δλ/2）中的至少一者。

4.根据权利要求2和3所述的装置，其中，所述输入频谱范围（Δλ）比所述瞬时输出频谱范围（δλ）宽若干倍。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的装置，其中，所述色散介质（120）包括光纤。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其中，在所述色散介质中从所述输入到所述输出的光传播的路程（L）大于1km和/或小于10km或20km。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述色散介质（120）包括位于沿所述光传播的路程的不同位置处的多个抽头，所述装置进一步包括光开关，所述光开关适于选择性地将所述发光器耦合到所述抽头中作为所述输入的一个抽头和/或适于选择性地将所述抽头中作为所述输出的一个抽头耦合到所述光耦合器。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，所述色散介质（120）的色散参数（D）大于10000ps/(km·nm)。

9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括场发生器，其适于产生作用于所述介质的外部场，其中，所述介质的所述色散参数（D）由所述外部场来控制或者可由所述外部场控制。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中，所述检测器（140）进一步适于对与一个输出脉冲宽度（τ_p）对应的多个连续片段（δt_门）的所述强度进行采样。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，被采样的多个片段至少为500个、1000个或10000个。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的装置，其中，所述片段（δt_门）小于200ns，小于100ns，小于1ns，或小于100ps。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中，所述检测器（140）包括光电二极管和平衡检测器中的至少一个。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述检测器（140）进一步包括门控单元（144），该门控单元连接到所述光电二极管并适于读取每个所述片段的强度。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中，所述发光器（110）包括脉冲式钛-蓝宝石激光器或脉冲式超连续谱光源。

16.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述发光器（110）以重复率（f_R）产生所述一系列输入脉冲，且所述检测器（140）以该重复率（f_R）发起采样。

17.根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中，所述发光器（110）包括连续波光源和遮光器，所述遮光器可操作地设置在所述连续波光源和所述色散介质（120）的所述输入（122）之间。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的装置，其中，所述光耦合器（130）包括分束器（132）、光纤耦合器、环行器（134）和1×2耦合器（136）中的至少一个。

19.一种执行光学相干断层成像或OCT的方法，所述方法包括：

产生相干光的一系列输入脉冲（202，204，206），该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有输入脉冲宽度（τ₀）；

通过色散介质（120）中的色度色散，将每个所述输入脉冲的所述输入脉冲宽度（τ₀）展宽至输出脉冲（302，304，306）的输出脉冲宽度（τ_p）；

将所述输出脉冲耦合至参考臂（160）和样本臂（170）中，并将从所述参考臂返回的光和从所述样本臂返回的光叠加；以及

以所述输出脉冲宽度（τ_p）的一片段（δt_门）的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。

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