CN104854423B - 空分复用光学相干断层扫描设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了空分复用光学相干断层扫描设备及其系统。在一个实施例中，所述系统包括光源、参考臂和样品臂。样品臂将采样光分成可被同时扫描在样品表面上的多条采样光束。扫描之前，采样光束可以引入光延迟。多个从样品返回的反射光信号被采集。在一个布局中，可将信号合并以产生单一反射光信号。反射光信号和参考光信号合并产生包含代表实际物体数字化图像数据的干涉信号。在一个实施例中，单一样品臂可以用于扫描和收集图像数据。本发明还提供了相关的扫描方法。

Description

空分复用光学相干断层扫描设备及方法
参见相关申请
本申请要求对2012年12月6日提交的美国临时专利申请号61/734,168、2013年5月3日提交的美国临时专利申请号61/819,251享有优先权；特此将其全部内容并入本文作为参考。
政府权益声明
本发明受到政府支持，由美国国家卫生研究院(NIH)-国家生物医学成像与生物工程研究所(NIBIB)的R00-EB010071项目资助。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明涉及断层成像技术，尤其是光学相干断层扫描技术。
背景技术
光学相干断层扫描(OCT)是一种新型光学成像技术，可以在原位对生物组织进行微米级、截面和三维(3D)实时成像。OCT作用如同“光学活检”，其组织显微结构成像分辨率接近于传统的组织病理学，但是无需从活体摘取和处理组织标本。因此，OCT可获取有形物体(如生物组织)的视觉影像并将其数字化。OCT穿透生物组织的深度通常为1-2毫米。OCT已经广泛用于临床和生物医学领域，特别是在人类和动物的应用上，包括眼科、心血管成像、内窥镜成像、肿瘤成像、牙科和成像研究应用。
目前，商业用眼科OCT系统的扫描频率为20-70kHz。每次512×512轴向扫描(A扫描)的3D图像需要3-10秒。商业用心血管和内窥镜OCT成像系统的轴向扫描频率为100kHz-200kHz，这样可以覆盖较大的成像面积。1MHz以上的轴向扫描频率可以使成像更快并减少运动伪影。然而，目前还没有以此速度进行扫描的商业用波长可调激光器或高速行扫描相机。OCT成像速度取决于每秒轴向扫描(A扫描)的数量，受到频域OCT(SD-OCT)线扫描相机的行频或扫频OCT(SS-OCT)激光扫描速率的限制。
发明内容
本发明特此披露光学相干断层扫描(OCT)系统，该系统比前述系统的成像速度要快。在一个示范性实施例中，该系统可以是空分复用(SDM)光学相干断层扫描(SDM-OCT)系统。在各种不同的实施例中，SDM-OCT系统可以利用波长可调光源，例如扫频激光器或宽带光源。本发明披露的SDM-OCT系统可以利用光学延迟，将来自空间分布的采样光信号映射为不同频带。
本发明披露的OCT系统可以充分利用相干长度较长的新型可用光源，例如但不限于，波长可调激光器(例如，垂直腔面发射激光器VCSEL)，以此扩大成像深度范围。该OCT系统可以进一步对空间分布的光束进行并行检测，将有效的轴向扫描速率提高一个量级。有利的是，这样可以将OCT成像速度提高若干倍，同时保持分辨率和灵敏度。在一个实施例中，这种样品成像可以通过单个探测通道完成，进而采用多条采样光束获得可进一步扩展和提高的有效成像速度，使OCT系统简单化、不那么复杂并且价格便宜。除了大幅提高成像速度以外，该OCT系统还保留了图像分辨率，并利用多条光束在多个不同样品位置实现同步同时成像，开辟了众多生物医学应用的机会。
在一个实施例中，使用了空分复用光学相干断层扫描系统。该系统包括：一个光源；将光分成参考光和采样光的第一光学设备；将采样光分成多条采样光束的第二光学设备；一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件；一个将多条采样光束同时扫描到样品表面上的扫描器件；以及第三光学设备，该光学设备接收样品表面反射回的多条采样光信号和参考光生成干涉信号。干涉信号包含代表样品数字化图像的数据。
在另一个实施例中，空分复用光学相干断层扫描系统包括：一个产生相干光的光源；将光分成参考光和采样光的第一光学设备；一个限定第一条光路的参考臂，该参考臂接收参考光并在参考光基础上产生参考光信号；一个限定第二条光路和接收采样光的单一样品臂；一个安装在样品臂上的分光器，该分光器将采样光分成多条采样光束；以及一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件。该系统能将多条采样光束同时扫描到样品表面上。在一个实施例中，该系统包括一个扫描振镜，用来扫描采样光束。可以使用其它类型的扫描器件。该系统还包括第二光学设备，该光学设备接收参考光信号和样品表面反射回的多条采样光信号并将其合并成干涉信号。干涉信号包含样品数字化图像数据。
在另一个实施例中，空分复用低插入损耗光学相干断层扫描系统包括：一个产生相干光的光源；一台将光分成参考光和采样光的光学设备；一个限定第一条光路的参考臂，该参考臂接收参考光并在参考光基础上产生参考光信号；一个限定第二条光路并接收采样光的单一样品臂；一个安装在样品臂上的分光器，该分光器将采样光分成多条采样光束；以及一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件。该系统能将多条采样光束同时扫描到样品表面上。该系统还包括多个光耦合器，各光耦合器设计成接收参考光信号和样品表面反射回的采样光信号并将其合并成多个干涉信号，以及一个检测多个干涉信号的传感器。干涉信号包含样品数字化图像数据。
在另一个实施例中，空分复用光学相干断层扫描系统包括：一个光源；将光分成参考光和采样光的第一光学设备；将采样光分成多条采样光束的第二光学设备；一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件；以及一台将多条采样光束同时扫描到样品表面上的扫描器件。第一光学设备进一步设计成接收样品表面反射回的多条采样光信号和参考光生成干涉信号。干涉信号包含样品数字化图像数据。
本发明提供了一种使用空分复用光学相干断层扫描系统进行样品成像的方法。该方法包括：提供光学相干断层扫描系统，该系统由光源、限定第一条光路的参考臂和限定第二条光路的样品臂组成；将来自光源的光分成参考光和采样光；将参考光传输到参考臂以产生反射光信号；将采样光传输到样品臂；将样品臂上的采样光分成多条采样光束；在多条采样光束之间产生光学延迟；将多条采样光束扫描到样本表面上；采集样品表面反射回的多条采样光信号；将多个反射光信号合并成单一反射光信号；和将单一反射光信号和参考臂产生的反射光信号合并成干涉信号，该干涉信号包含样品的数字化图像数据。
附图说明
参照以下附图，对优选实施例的特征加以说明，附图中相似元素的标示相同：
图1是本发明一个实施例中的空分复用光学相干断层扫描(SDM-OCT)系统的示意图；
图2是一个实施例中的光纤阵列横截面视图；
图3是本发明引入多条采样光束的光学延迟曲线图；
图4是空分复用光学相干断层扫描(SDM-OCT)系统的第二个低插入损耗实施例示意图；
图5是多普勒成像光纤阵列第二个实施例的横截面图；
图6是使用图1的SDM-OCT系统获得的样品实际数字图像；
图7是样品不同扫描深度的采样点扩散函数测量曲线图；
图8是使用图1的SDM-OCT系统进行果蝇幼虫活体成像的三维数字图像；
图9是果蝇幼虫活体节片成像的二维数字图像；
图10是果蝇幼虫活体节片同步成像的二维数字图像，揭示了昆虫的跳动心脏管；
图11是果蝇幼虫活体节片M型成像的数字图像，揭示了昆虫的跳动心脏管；
图12是光学延迟元件的示意图；
图13是第三个实施例中空分复用光学相干断层扫描(SDM-OCT)系统的示意图；
图14是示范性实施例中的OCT探头示意图；
图15是使用宽带光源的频域空分复用光学相干断层扫描(SDM-OCT)系统的示意图；
图16是另一个实施例中使用宽带光源的频域空分复用光学相干断层扫描(SDM-OCT)系统的示意图；
图17是第三个实施例中的多普勒成像光纤阵列的横截面图；和
图18是另一个实施例中的自由空间光传输空分复用光学相干断层扫描(SDM-OCT)系统的示意图。
所有附图均为示意图，未按等比例绘制。
具体实施方式
本发明的特点和优点参照优选实施例加以说明。相应地，本发明不应局限于此类优选实施例，此类实施例阐述了可能单独或与其它组合特征同时存在的某种非限制性特征；本发明的范围由所附的权利要求限定。对优选实施例的描述旨在联系附图进行阅读，这些附图是整个书面描述的一部分。附图不一定按比例进行绘制，并且某些特征可能被放大比例或以图解形式进行说明以求清楚明了。因此，附图所示的各种图的材料和结构的尺寸、厚度和间距不受附图所示的相对尺寸、厚度和间距限制。
本发明披露的实施例的描述，凡提及方向或定位之处仅为了方便描述，无意限制本发明的范围。相关术语如“下部”、“上部”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及由此派生的词语(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应理解为此处讨论的附图中描述或标示的方向。这些相关术语仅为了方便描述，并不要求按此特定方向进行构造或操作器械。此处用来描述各种元素、特征或层级之间物理关系的术语，例如“附加”、“固定”、“连接”、“联接”、“互联”或类似术语应广义地理解为关系，此类元素、特征或层级可以通过插入的元素、特征或层级，以及可移动的或牢固的附件或关系，除非另有明确说明，彼此直接或间接地加以固定或连接。同样的，此处用来描述各种元素、特征或层级之间的物理关系的术语“在…上”，应广义地理解为通过插入的元素、特征或层级，除非另有明确说明，彼此直接或间接接触。
在一个实施例中，本发明披露的OCT系统可以利用波长可调光源，例如扫频OCT(SS-OCT)激光源作为光源和检测方法的基础。在SS-OCT中，光源被分成干涉仪的样品臂(第一条光路)和参考臂(第二条光路)。光源通常为照射或扫描待测物体或样品的波长可调宽带相干光。由于样品内的折射率发生变化，从物体或样品反射回的散射光在样品臂内重新耦合，然后与沿参考臂传输了一定长度光路的光合并，从而产生一个由干涉图构成的干涉信号。生成的干涉图经干涉仪的检测臂测量，由传感器捕获。使用计算机处理器进行傅立叶变换来分析干涉图的光频率，干涉图与样品反射的采样光成像深度相关。采样深度不同的反射产生的干涉图案具有不同的频率。通过傅立叶变换程序的反射解析生成样品的深度反射率曲线(A扫描)。在第一方向上扫描样品的采样光束进一步产生二维(2D)图像(B扫描)。沿第二方向扫描采样光束可以生成样品的三维(3D)图像。
本发明发现，通过空分复用技术，OCT的成像速度大大提高，同时成像分辨率和灵敏度得以保持。本发明披露的光学相干断层扫描(OCT)系统的独特之处在于其可分离样品臂上的成像光束，以便同时照射样品上的多个物理位置。在一些实施例中，可以使用单一样品臂。系统对每条光束进行光延迟，使得图像形成时，不同物理位置的信号可在不同频带(即成像深度)范围内被检测。有利的是，多个成像点的信号可以被并行检测，因此OCT成像速度大幅提高，并保留了系统的分辨率和灵敏度。因此，本发明的实施例涉及空分复用OCT(SDM-OCT)。本发明披露的SDM-OCT系统的另一个优点是只需对当前OCT系统的设计做微小改动，就可以显著改善系统性能。SDM-OCT系统的另一个有利之处是该系统可以使用市场上销售的光源。
图1是使用波长可调光源(例如扫频光源或简写为SS)的SDM-OCT系统100的非限制性示范实施例的示意图。OCT系统100通常包括光源110、第一光学设备(即光耦合器120)、第二光学设备(即光耦合器130)、限定第一条光路(即参考通道)的参考臂R、限定第二条光路(即采样通道)的样品臂S和其它元件，如本文进一步所述。参考臂R提供一条预先设定固定长度的光路，用于产生参考信号，与通过样品臂S从待检物体或样品返回的反射光信号相比较，如本文进一步所述。
在一个实施例中，光源110可以是相干长度较大的波长可调光源，以便提供最佳成像深度。在一个实施例中，但不限于此实施例，相干长度可以大于5mm，以使SDM-OCT系统获得合适的成像范围。商业用垂直腔面发射激光器(VCSEL)二极管，例如但不限于Thorlabs公司中心波长为～1310nm的SL1310V1，可以用作SDM-OCT系统100的光源。也可使用其它具有合适中心波长的光源。在一个实施例中，VCSEL激光器具有～100kHz的扫描频率、～100nm的调谐范围和大于50mm的相干长度。光源110的激光输出可以是～37mW。VCSEL二极管实质上是将光从芯片表面垂直发射的半导体器件。应当了解的是，可以使用其它合适的VCSEL二极管光源和/或其它类型的光源。例如，可以使用傅立叶域锁模(FDML)激光器或从Axsun技术有限公司、Santec公司、Exalos公司或Insight光电有限公司购买的可调谐激光器。
第一个光耦合器120对光源110产生的光束进行光学耦合，将单条输入光分成两条输出光束。光耦合器(又名分光器)通常是无源光纤设备，可将光从一条或多条输入光纤耦合和分散到一条或多条输出光纤。因此，光能输入时，光被分成多个与输入光具有基本相同特性的输出信号。适用光耦合器包括从AC光电有限公司、Thorlabs公司或其他供应商购买的光纤耦合器。
在一个实施例中，但不限于此实施例，光耦合器120进行95/5的光分离，5％的光分流到马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，剩余95％的光可用于OCT成像。本领域技术人员非常了解MZI，无需进一步阐述。在一个实施例中，MZI信号用于OCT信号的相位校准。在其它可能的实施例中，如果光学时钟信号用来记录OCT信号的采集(参见图4，无MZI)，MZI信号可被省略。本发明并不限于任何一种设计。如果使用光学时钟，应当了解的是，第一个光耦合器120可被省略。
对于本文描述的光耦合器或分光器(例如120、130等)，应当了解的是，可以根据预期应用和系统参数，按照入射光百分比(例如，5/95、10/90等)进行输入光束的适当分离。因此，本发明不限于本文披露的分光百分比，该百分比仅代表某些耦合器的可能设计。本领域的技术人员应当了解的是，分光率的确定取决于打算输入样品臂和参考臂各自的光量。最好是样品上具有尽可能多的功率，而且将其保持在安全限度内。在此期间，参考臂需要有足够的功率，以限制散粒噪声的灵敏度。
继续参考图1，用于OCT成像的采样光束被传输到第二个光耦合器130。在一个实施例中，可以使用90/10的分光器，10％的输入光被传输至参考臂R(参考通道)，90％的光被传输至样品臂S(检测通道)。在样品臂S中，输入光通过光环形器140。在一个实施例中，光环形器140是一个三端口光纤设备，用于分离沿光纤相反方向传输的光信号。进入其中一个端口的光(包括沿入射光相反方向传输的反射光)在下一端口输出。在本示例性的结构中，来自光耦合器130样品臂S的光进入光环形器140的端口1，然后从端口2输出。
离开光环形器140端口2的样品臂S采样光束由分光器230接收和分离。在一个实施例中，分光器230可以是光纤分离设备，可以将所述采样光束在设备输出端分成至少两条或多条采样光束。在一个示范性实施例中，但不限于此实施例，样品臂光束可以由1×8分光器分离，并传输至8条不同的光纤175形成光纤阵列170，用于取样(参见图2)。光纤阵列170中的各条光纤175代表样品或标本位置S1、S2、S3......Sn，其中n是样品位置编号。在图1中，应当指出的是，为了简单明了，只对8条光纤175中的4条光纤进行标示。
在一些实施例中，可以使用从PLC连接有限公司或其他公司购买的平面光波导(PLC)分光器。分光器230能将光信号经由光纤阵列170传输至样品，采集样品多个不同位置返回的信号并将其合并，如本文进一步所述。有利的是，本发明允许使用单通道(样品臂S)代替多通道进行检测，而多通道检测会使OCT系统设备的成本较高、比较复杂且体积较大。
上述实施例中使用了分光器、光纤延迟技术和光纤阵列，实现了光分离和延时。同样功能可以通过图12实施例中的定制平面光波导(PLC)分光器来实现。此处的分光器230应该使各通道分入相同的光学功率，光波回路具有不同的光延迟。该设备可直接放在样品臂S上，使空间分离的光束同时照射样品。
应当指出的是，分光器230可以将入射采样光分开或分离，进入多于或少于8条输出光纤175，这取决于预期采样应用、所需样品位置数量以及其他因素。因此，本发明不限于采样光纤阵列170中采样光纤175的特定数量，或采样位置数量(S1...Sn)。允许有多种变化和配置。
应当指出的是，可以通过任何合适的方式在图中所示和此处描述的元件之间产生光路和光耦合，这些方式包括但不限于，光缆或光纤、继电器、开放空间传输(例如，元件之间没有物理接触的空气或其他介质)、目前可用的或待开发的其他光传输技术，以及它们之间的任意组合。因此，本发明不限于任何特定的光耦合方式，其方式可以有多种变化。在一个实施例中，除了应用于透镜、反射镜和/或待测物体或样品之间的光传输以外，光纤还可用于光耦合组件。
继续参考图1，OCT系统100还包括在采样光纤175中产生延迟的光学延迟元件280。分光器230和光学延迟元件280的组合构成了本发明实施例中的空分复用技术。在一个实施例中，但不限于此实施例，光学延迟元件产生光延迟时需要使用多条具有不同长度的光纤175(如图1所示，每条光纤有一个或多个线圈或回路)。与长光纤相比，短光纤175将样品的反射光信号返回至分光器230的时间要短，由此产生光延迟。因此，在一个实施例中，具有不同长度的光纤175可以各自产生一个光延迟。
在一个示范性实施例中，但不限于此实施例，各条光纤175之间的长度差异可以大约为2.5mm。在一个非限制性的实施例中，为了说明需要，示例性光纤阵列的最短和最长光纤的长度可分别为约50mm和约67mm。单模光纤用于OCT应用。应当注意的是，光纤芯能够支持单模光传输。例如，对于1310nm长度的光纤，纤芯直径为～9um，对于～800nm长度的光纤，纤芯直径为6um。光纤直径也取决于光纤的折射率差异。光纤包层和外径也可以有所变化。
应当指出的是，可以使用其它适当长度和直径的光纤。因此，光纤可以有多种型号和结构。
在一个实施例中，可以使用玻璃(即二氧化硅)或塑料制成的柔性和透明光纤175在光纤各端之间传输光。在一个实施例中，光纤175可以为Corning公司的SMF28光纤。
光纤175在光纤阵列170中可以按照任何适当模式排列。在图2所示的实施例中，但不限于此实施例，光纤175可以按照一维线性阵列排列，光纤之间保持适当的垂直间距Y。间隔Y通常约0.3mm的光纤可以用于非限制性的实施例；但是，在各种实施例中，可以选用间隔更小或更大的光纤间距。在阵列中，光纤之间的垂直间距Y可以一致或不同。还应当指出的是，除了线性阵列，也可以使用其他模式和排列的光纤175(参见图5的进一步说明)。
应当了解的是，除了使用具有不同长度光纤175的光学延迟元件280以外，还可使用其他方法和设备产生光延迟，代表一个非限制性示范实施例。例如，图13表示可选的光学延迟元件285，如本文进一步所述。本发明不限于使用多种其它变化和类型的光学延迟元件。
继续参考图1，来自不同光纤175的采样光通过准直仪180传输聚焦到样品上的多个不同点或采样位置S1......Sn。使用扫描器件，例如但不限于扫描振镜200，使用来自不同光纤175的采样光同时扫描样品。扫描振镜200可以是镜像设备，包括一台检流计电动机，该电动机配置有电机轴驱动的振动/摆动(例如向上和向下)型倾斜反射镜。来自不同光纤175的采样光束通过扫描振镜200各自传输和扫描至样品的表面，从而形成与每条光纤相对应的、离散且独立的光照采样点或位置S1......Sn。在一个典型实施例中，但不限于此实施例，样品上的每个照射点具有大约3mW的功率，并且所有照射点之间的光强波动低于1dB。扫描振镜200可以任何合适的方式将采样光束投射在样品上以捕获所需的图像信息。可以使用其它变型和类型的扫描器件。在一些非限制性实施例中，扫描振镜200可以是Cambridge科技公司的Model 6215H或Thorlabs公司的GVS102。
在一个实施例中，扫描振镜200传输的采样光束可以通过扫描物镜190聚焦在样品上。5X物镜(例如，三丰5X NIR或其他物镜)可以用于某些实施例中；但是，可以根据特定的OCT扫描应用，使用其它合适的透镜和放大倍数。应当指出的是，物镜190不必放在扫描振镜200的后面。在一些实施例中，中继光学器件也可以插入样品臂以聚焦光束。
从样品采样位置S1...Sn发出的多个后向反射光信号，从光纤阵列170沿第一条光路以相反方向传输的入射采样光束，通过物镜190由扫描振镜200反射。从样品反射回包含图像信息的光信号由光纤阵列170的各条光纤175采集，并传回分光器230(参见图1)。因此，各条光纤175可传输单条采样光束并接收从样品返回的单个反射光或信号。
在一个实施例中，沿着样品臂S的第一条光路传回的样品反射光信号可以经由分光器230合并成单一反射光信号(检测信号)。光耦合器240将样品臂S返回的单一反射光/检测信号与经由光环形器150从第二条光路(参考臂R)的参考反射镜160返回的参考反射光信号进行合并，产生一个干涉信号，该干涉信号由传感器检测，传感器可以是一个非限制性实施例中的宽带平衡检测器(光检测器)220(例如，Thorlabs公司的PDB480CAC，带宽为1.6GHz)。在一个实施例中，但不限于此实施例，可以使用50/50光耦合器240将反射的检测和参考信号以相等的比率或百分比进行合并。也可使用其它合适的百分比进行合并。平衡检测器220可以生成干涉信号的干涉图。在一些非限制性实施例中，MZI250光路还可包括平衡检测器210，其中MZI用于OCT信号的相位校准，如本文所述。
通过适用高速数据采集(DAQ)卡260对OCT系统100和MZI250生成的干涉信号进行同步数字采集。在一个示范性的实施例中，但不限于此实施例，高速DAQ卡260可以是Alazar技术公司运行速度为1.2GS/s的ATS9360卡，或其他适当配置的DAQ卡。DAQ卡260采集的信号数据可以通过适当端口连续地传输至适用计算机270或另一合适的处理器设备或PLC(可编程逻辑控制器)的存储器。信号数据可以存储在存储器进行进一步处理、显示和输出等。
本文所述的“计算机”270代表装配有中央处理器(CPU)、微处理器、微控制器或数据计算处理器的适当计算机或服务器设备，或执行计算机程序指令(例如，代码)和处理DAQ卡260采集的信号数据的计算数据处理设备或电路。此计算机可以包括，但不限于，例如台式电脑、个人电脑、笔记本电脑、笔记本、平板电脑以及其他具有合适处理能力和速度的基于处理器的设备。计算机260可包括与此类设备相关联的所有常见配件，包括但不限于，编程处理器、存储器、电源、显卡、显示器或屏幕(例如，图形用户接口)、固件、软件、用户输入设备(例如，键盘、鼠标、触摸屏等)、有线和/或无线输出设备、有线和/或无线通信设备(例如，以太网、Wi-Fi、蓝牙等)用于传输获取的采样图像。因此，本发明不受任何特定类型的基于处理器的设备的限制。
所述存储器可以是任何合适的非临时性计算机可读介质，例如，但不限于，任何合适的易失性或非易失性存储器，包括随机存取存储器(RAM)和各种只读存储器(ROM)以及各种USB闪存、磁性或光学数据存储器(例如，内部/外部硬盘、软盘、磁带CD-ROM、DVD-ROM、光盘、ZIPTM驱动、蓝光光盘以及其他设备)，可以被连接到介质的处理器写入和/或读取。
应当进一步了解的是，本实施方案的各方面可以通过软件、硬件、固件或其组合加以实施。本文所描述的计算机程序不限于任何特定实施例，可以通过操作系统、应用程序、前台或后台进程、驱动器或其组合来实现，并且可以通过单台计算机或服务器处理器，或多台计算机或服务器处理器来执行。
继续参考图1，由所述OCT系统100和DAQ卡260获取并记录的样品静止图像和/或移动视频图像，可以在合适的计算机270的显示器290上播放并由系统用户进行观察。在OCT系统100的医疗保健相关应用中，在一些可能的实施例中，用户可以是医疗服务人员、技术人员或其他专业人员。在显示器290上显示的样品图像表示OCT系统100分析的实际样品或标本(例如，在一些实施例中人或其他动物的组织)，可作为医学诊断工具。
图3是说明OCT系统100光延迟信号强度相对于深度/频率的曲线图。如图所示，从不同空间采样位置S1...Sn检测到的返回采样光信号出现在最终图像的不同频带/成像深度。频率延迟量取决于样品臂S引入的光延迟量。
另一实施例-低插入损耗OCT系统
通常，当分光器分开1条光纤到N条光纤的光时，每条输出光纤的信号强度约为输入光纤强度的1/N。这样使光均匀分布在所有输出光纤中。当反射光从样品返回，再次通过分光器时，输入光纤仅合并大约1/N的反射光。这种插入损耗与分光器分离光的通道数量成正比。为了尽量减少反射光的插入损耗，图4为OCT系统102的另一个实施例。
参考图4，低插入损耗OCT系统102可以包括光环形器141、142、143和144，为每条光纤175提供一个光环形器。在一个实施例中，光环形器141-144可以设置在分光器230之后的系统102(即下行线)。光环形器141-144可设置在光延迟元件280之后，在一些实施例中还可设置在准直仪180之前。
在该非限制性实例中，为了进行图解说明，光纤阵列170由图中所示的4条光纤175构成；但是，可以在阵列中使用适量的光纤。在一些实施例中，但不限于该实施例，可以适当使用8条或多条光纤175。
由扫描振镜200采集的样品返回(反射)光，将以前文所述的方式通过光环形器141-144传回，绕过而不是通过分光器230传回。从光环形器141-144返回的光传输至4个光耦合器240(在一个非限制性的实施例中，可以是50/50光耦合器)并与参考臂R的参考光产生干涉。因此，在如图所示的非限制性实施例中，每条光纤175和环形器141-144有相关联的光耦合器240；然而，也有其它的变化。每个光耦合器240将参考光与接收样品反射光的光纤175的反射光相结合，以产生干涉信号。
由光耦合器240传输的多个输出信号合并后由传感器，例如平衡检测器(光检测器)225进行检测。在一个实施例中，可以使用单个平衡检测器225。使用该方法使反射光的插入损耗最小，从而获得更高的检测灵敏度。在其他的实施例中，还可以用分光器替换光环形器141-144以降低成本，但是增加了分光器的相关光损耗。不管怎样，光环形器或分光器都可以使用。
应当进一步注意的是，在图4的OCT系统102中，单个光耦合器145可以用于光源110的前场。在该实施例中，光耦合器145可以将80％的光转到采样臂S(检测通道)，并将20％的光转到参考臂R(参考通道)。也可以使用其他合适的分光器。转到参考臂R的光从分光器145(进入端口1，离开端口2)传输至光环行器150、准直仪282、最后至参考反射镜160，与OCT系统100(参见图1)的传输方式类似。从参考反射镜160反射的参考光返回通过光环行器150，(从端口3)输出到参考分光器300。与分光器230功能类似的分光器300将单一反射参考光束分成4条参考光束(参考通道)输出到光纤。这些光纤经耦合并将参考信号传输至4个光耦合器240，与样品臂S环行器141-144的光产生干涉，方式如上文所述。在一个实施例中，但不限于此实施例，分光器300可以是平面光波导(PLC)分光器。但是，也可以使用其它合适的分光器。
图4的其它元件与图1中的相同元件在结构上和功能上都类似，已在本文别处有所描述。
另一实施例-多普勒OCT系统
图5表示多普勒OCT系统光纤阵列的另一种阵列设计。在这种情况下，光纤可以按照N×N的阵列进行排列，其中N为光纤的列数和行数。在一个示范性实施例2×N阵列中，N是光纤的行数。每行中的两对光纤捕获的图像在每次B扫描期间将重叠。图像重叠区域的相位差可以用于获得样品成像的多普勒流动信息。同一水平行的两根光纤间距可以加以调整，在两个重叠图像之间产生不同的时间延迟，这样确定最小的流动速度，这种速度可以利用本领域公知的多普勒频移原理由多普勒系统来测量。较长的延迟对应于较慢的流速，反之亦然。最大流速可以通过连续A扫描之间的时间来确定。通过选择适当的A扫描速率和时间延迟参数，例如，在OCT系统的医疗保健应用中，可以测量大范围内的血流速度。多个成像点的同时成像也将有效地提高多普勒OCT的成像速度。两根光纤间的行水平间隔X和光纤之间的列垂直间隔Y可以为适当距离值。水平间距X和垂直间距Y可以相同或不同，光纤行间的垂直间距Y可以相同或不同。在一个典型但非限制性的实施例中，水平间距和垂直间距可以分别为0.3mm和0.5mm。
N×N光纤阵列中的列数和行数可以根据需要改变。对于多普勒OCT来说，测量时可以使用同一光束A扫描之间的相位差，同一行中不同源对之间的A扫描，或不同行光束之间的A扫描，各自具有本身的多普勒灵敏度范围。所有这些组合将为多普勒测量提供一个较大的动态范围。
图17表示另一种光纤阵列设计。在这种情况下，光纤可以按照4×4的阵列进行排列。用于结构成像时，成像速度将提高N2倍。对于多普勒OCT应用，相同光束之间(例如，光束1和光束1、光束2和光束2等之间)或从样品相同位置的不同光束之间(例如，光束1和光束2、光束1和光束3，、光束1和光束4等之间)测得的相位差可用于获得动态范围大大提高的多普勒信息。
多普勒OCT可以用于血管造影和定量测量样品图像的血流量信息。多普勒OCT基于多普勒效应，朝向光源移动或离开光源的散射粒子(例如，红细胞)产生多普勒相移，该相移与沿着光照方向投射的流速成正比。
应当指出的是，各条采样光束之间的光纤175的长度差异不必相同或一致。在许多情况下，样品或标本表面不平整(例如，人的视网膜、眼前节、牙齿和血管等)。可以根据每个具体应用设置光纤长度差异，以使系统设计更具灵活性，成像范围得以最佳利用。
虽然不必将所有光纤放于单个阵列中，但在大多数应用中可以使用光纤阵列170。光纤175可用于不同的阵列，或使用独立的光纤对不同样品或样品的不同位置进行同时成像。
本发明OCT系统的另一个优点是真正实现不同照射位置的同步测量。这对想要研究单个样品不同位置上的动态关系，或者不同样品的同步行为(例如，心脏动力学、神经元活动等)的用户来说是有帮助的。
应当指出的是，可以使用平衡探测器获得扫频源OCT的最高灵敏度，然而也可使用单个探测器或非平衡探测器。因此，本发明不只局限于使用平衡探测器。
虽然本发明描述的方法基于扫频源OCT，但相同方法可用于频域OCT。在这种情况下，光源将更换为宽带光源，各波长具有较长的相干长度。检测器可更换为由准直透镜、光栅、聚焦透镜和高像素线扫描数字相机或2D相机组成的频谱仪。系统所有其它元件可保持不变。
OCT实验测试
本发明利用静态标本或样品对空分复用扫频源OCT系统性能进行了测试和验证。图6表示成像试验的实际图像，该试验使用根据图1的OCT系统100构造的原型系统。试验中用于成像的样品是一卷胶带，可以清楚地从该卷胶带不同点图像上观察到胶带的不同层次(例如，不同深度)。在此应用中，试验装置的采样臂由8条光纤175组成，产生8束采样光束，进而从标记为1到8的光束获得胶带样品8个不同位置的离散图像。本发明试验所用的光源和其他附属装置用于图1所示的OCT系统100。
本次试验中(参见图6左边图片“a”)OCT系统100的整个成像范围(例如，深度)在组织中为26.5mm(在空气中为35mm)。从不同深度观察到的胶带图像对应于8个不同成像位置获得的图像。胶带中的8个采样位置S1......S8的放大图像均显示在图6右侧，不同采样光束显示出比较均匀的图像强度。即使在最深的成像深度(S8)，仍然可以清楚地识别如右图所示的各层胶带。这表明，图像的轴向分辨率在整个成像深度范围内都是一致的。此外，使用样品臂中的校准反射镜获得的成像结果表明，可以使用原型OCT成像系统在组织里获得～8.3um的轴向分辨率和超过95dB灵敏度。由于VCSEL激光器运行时频率为～100kHz(光源110)，使用1×8光纤阵列170的全部8条光束同时成像，可实现～800kHz的有效轴向扫描速率。应当指出的是，尽管有8条采样光束，成像结果是通过单个探测通道而获得的。
尽管原型OCT系统100的成像速度提高了8倍，但可以使用具有多条光纤的光纤阵列进一步提高成像速度。最终限制成像速度的不再是光源的扫描速率。取而代之的是，可以通过提高光源的相干长度、探测器的带宽、数据采集速度、光纤通道的数目以及每条光纤之间的光路长度差，使成像速度按比例增加。
OCT活体实验测试
活体OCT系统设置
本发明采用图1的OCT系统100进行活体试验以捕捉果蝇幼虫心脏跳动的动态图像。该OCT系统采用中心波长为1310nm的商业用VCSEL可调谐激光器110(Thorlabs公司的SL1310V1)。激光扫频频率为～100,000Hz，调谐范围为～100nm，相干长度超过50mm。输出功率为～37mW。95/5光耦合器120(AC光电有限公司)与激光器输出相连，将5％的光传输至马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，其参考臂R和样品臂S(样品)的光路长度差在空气中为～60mm。其余95％的光用于OCT成像。
90/10光耦合器130将10％的光传输至参考臂R，并将90％的光传输至样品臂S。使用平面光波导(PLC)分光器230(例如，PLC连接有限公司或类似公司的分光器)将传输至样品臂S的输入光分成8条光纤。PLC分光器的输出光纤175按照一维(1D)阵列(1×8，图2)进行定制排列，各光纤之间长度差异为～2.5mm。1D阵列中每条光纤间隔约为～300um，光点投射在样品后其间隔约为～370um。光纤阵列170表面抛光～8度以减少光反射。不同光纤传送过来的光聚焦到样品上的不同位置，由一对扫描振镜(Cambridge科技有限公司)进行同步扫描。样品上的各点每个约有2mW的光强。所有扫描点的光强度变化小于1dB。样品臂S和参考臂R均使用光环行器(AC光电公司制造)将来自样品臂和参考臂的反射信号进行路由，以便在50/50耦合器240形成干涉。使用宽带平衡探测器210、220(Thorlabs公司的PDB480CAC，1.6GHz)检测来自OCT系统和MZI的干涉信号。使用高速数据采集卡260(Alazar科技公司的ATS9360)以1.2GS/s速度同时进行平衡探测器输出的数字化采集。两个通道(各通道每次扫描8320点)的数据通过PCIe端口连续传输到计算机270的内存。原型系统的整个成像范围在空气中约为35mm(或在组织中约为26.5mm)。使用5倍物镜190(三丰公司，5X NIR)提供大约11um的横向分辨率。测得整个深度范围(参见图7，不同深度点扩展函数测量)内的轴向分辨率在空气中约为11um(在组织中约为8.3um)。使用经过校准的反射器(-43.4dB)测量灵敏度为94.6dB，在～30mm深度观察到小于2dB的滚降。由于VCSEL激光器的运行频率为～100,000Hz，所有8条光纤同时成像，获得～800,000A扫描/秒的有效轴向扫描速率。
果蝇幼虫制备
活体成像和信号处理
为了获得果蝇幼虫的3D图像，覆盖～1.1mm×0.4mm面积的400×80轴向扫描仅于～0.37秒完成。与OCT信号同时获得的MZI信号用于每次激光扫描的相位校准。根据不同的成像深度，对8条光束形成的8个图像进行分割和数字组合，形成一个容积数据集，包括覆盖整个幼虫(～1.1mm×3.0mm范围)的400×605轴向扫描。为了获得幼虫心脏的M型图像，在心脏管周围进行大约2秒钟的400帧B扫描，每帧B扫描包含超过～250um的400个A扫描。B扫描的帧频为每秒～217帧。将不同节段的心脏图像进行数字化合并。按照已确定的方法进行心脏功能信息的分析。试验结果用Matlab(Mathwork公司)做数据处理，视频和显示图像由ImageJ(NIH)和Amira(VSG公司)来制做。
活体测试结果
果蝇幼虫的3D SDM-OCT体内成像结果如图8-11所示。整个3D数据集(400×605A扫描，图8显示幼虫的整个3D合并图像)集合了所有8条光束的图像，不到0.37秒即可获得。幼虫实际大小为～1mm宽，～3mm长。图9表示幼虫的横截面和正面图像。可以清楚地观察到心脏管(H)和气管结构(T)。
为了演示同步成像能力，对另一幼虫心脏的三个节段(大致对应于A7、A6和A5节段)进行M型B扫描成像。对所有节段同时进行扫描的频率为每秒～217帧。图10表示同步跳动心脏管三个节段的横截面静止图像。我们制作了各节段心脏管同步跳动的演示视频，并从该视频截取静止图像。第一节段、第二节段和第三节段心脏管依次跳动。
采用活体测试方法进一步量化了幼虫心脏功能。图11显示了量化信息，除了功能信息，例如心率(每分钟372次)、收缩末期(A7为36μm，A6为32μm，A5为11μm)和舒张期(A7为60μm，A6为74μm，A5为58μm)和缩短率(A7为42％，A6为56％，A5为80％)以外，也观察到了节段A6和A7之间的扩张和收缩之间的延时(14ms)，以及节段A5和A6之间的扩张和收缩之间的延时(69ms)。这种延时表示心脏管的收缩始于A7节段(后端)并向A5节段(前端)传播。这一发现与以往果蝇幼虫心脏发育的相关文献是一致的。
总而言之，实验测试证明了成像速度可以提高8倍。进一步提高成像速度简单可行。实际上，有效轴向扫描速度会跟随同时照射到样品上的光点的多少进一步提高，并且只需一个检测通道。对于光学相干显微镜学(OCM)的应用，成像穿透深度可被限制为小于几百微米，可以使用16个或更多通道。只需对各通道之间的光延迟进行相应缩短，便可使用现有硬件将所有通道的图像纳入探测范围。
从根本上来说，与提高激光扫描速度的方法相比，空分复用技术在分辨率和灵敏度方面具有优势。由于保留了激光扫频范围，有效轴向扫描速度增加时，OCT的轴向分辨率未受影响。同时，每个成像点的停留时间与相对低的激光扫描速度相对应，而且在停留时间内为SDM-OCT系统100记录了更多的数据采样点。利用多条采样光束进行并行检测使成像速度得以提高。与之相对应的提高激光扫描速度的方法使得每点扫描的停留时间和采样点数目都减少。在最初的原型OCT系统100中，PLC分光器的插入损耗大约为10dB。这正向传输方向这没有问题，因为输入光被均匀地分成8条光束。然而，将来自样品的反射光合并时，10dB的插入损耗使灵敏度降低。其结果是，当仅有大约2mW的光照射在样品各点上时，整个成像范围内的灵敏度大约为95dB。与限制散粒噪声的灵敏度相比，该灵敏度大约降低了11dB。但是，可以采用绕过回路中的PLC分光器(参见图4)或低损耗的光学合成器的替代方案以进一步提高成像灵敏度。
利用空分复用技术，使SS-OCT成像速度的进一步提高不再受可调谐激光器扫描速率的限制。高速数据采集和高通量数据传输技术会极有帮助。以图1的OCT系统100为基础，用于测试原型系统的数据采集卡支持12位的1.8GS/s的采样率。然而，由于数据流通量有限，数据只能通过OCT和MZI通道以1.2GS/s的采样率同时获得。数据采集及流通量、检测器的带宽、光源的相干长度和光纤通道数目的进一步提高，将大大提高OCT的成像速度，而系统设计不需发生显著变化。由于来自光源110的输入光需要分成多条光束，必须使用强光源。
总之，测试成功展示了OCT空分复用技术，此技术显著提高了成像速度，同时保留了轴向分辨率。虽然空分复用技术的演示以SS-OCT为基础，但该方法也同样适用于SD-OCT。在这种情况下，可能需要各波长具有较长相干长度的宽带光源，和由准直透镜、衍射光栅、聚焦透镜和高像素线扫描相机或2D相机组成的频谱仪来实现较深的成像范围。
图13表示使用另一种光学延迟元件285的OCT系统104的一个附加实施例，该光学延迟元件也可用于图1的OCT系统100或其他的实施例。此处使用扫频源OCT检测方法，虽然该设计也适用于频域OCT检测方法。
在图13的实施例中，样品臂S上的光由准直仪150进行校准，然后照射到微透镜阵列288上。可以使用商业用微透镜阵列288，例如但不限于Edmund光学有限公司的Model#63-230。阵列288的微透镜将一部分采样光束聚焦到图像平面中间的一个小点。微透镜阵列288将单条采样入射光分成多条光束，因此不需要图1所示的分光器，例如分光器230。此外，应当指出的是，从微透镜阵列288输出的多条被分离的采样光束可不被光纤捕获并传播，但可以在空间介质里传送。
继续参考图13，光延迟元件285由多个相邻的具有不同厚度的透明玻璃或塑料光学元件组成，可使各条采样光束产生不同的光延迟。在一个实施例中，光延迟元件285可以布置在中间像平面，或在其它实施例中不在中间像平面，只要不同的光束不重叠。因此，聚焦在样品不同位置的光束被编码入最后检测信号的不同光频带。频率延时取决于由玻璃或塑料元件引入样品臂S的光学延迟量。注意：虽然光延迟元件285放置在该例中的中间像平面上，它也可放置于样品臂S的其他位置，例如，准直仪180和微透镜阵列288之间。来自光延迟元件285的每条采样光束被传输到中继透镜222、扫描振镜200和扫描物镜190上，同时照射在样品的S1......Sn位置。
OCT系统104的其它元件与图1中具有相同标示的类似元件可以在功能和设计上相似。在OCT系统104的一个可能配置中，但不限于此配置，光耦合器120可以设计为将光源1103％的光转到参考臂R，并将97％的光转到采样臂S。也可使用其它合适的光分配比例。
在其它可能的实施例中，可以使用图1中OCT系统100的光学延迟元件285，以代替光学延迟元件280。在这种情况下，从分光器230输出的各条光纤275的光束可以采用图13类似方式照射到光学延迟元件285。
图14表示由图1的OCT系统100所用探头的一个可能实施方案。探头350适于各种应用，例如但不限于，心血管OCT以及内窥镜OCT。在一个实施例中，探头350一般可具有限定内部通道的管状体，使探头将光纤175进行路由。分光器230可以布置在探头350的近端352，并将输入光束分成几条光纤175。每条光纤175具有不同的长度，并通过探头350的远端354进行光照，例如通过微透镜聚焦采样光束，同时获得样品不同位置的信号。采样光束可在探头350的远端354以任何合适的角度发射，角度介于0度和180度之间。在一个示范性实施例中，发射角度可以是～90度。为了对穿过样品的各条采样光束进行线性扫描，可由合适的电动机旋转探针350的近端352，然后旋转远端354，在该处采样光束发射。由于样品上的覆盖区域对心血管和内窥镜的OCT应用来说通常较大，因此这些应用需要较高的速度。采用多条采样或扫描光束的方法有效地解决了这个问题。
图15表示使用频域方法的一个空分复用OCT(SDM-OCT)实施例。在这种结构中，光源110是各波长具有较长相干长度的宽带光源。检测系统基本上就是一个频谱仪。该频谱仪包括一个准直透镜400、一个光栅402、一个聚焦透镜404和一台线扫描相机406或2D相机。光栅402将来自样品臂S和参考臂R的干涉信号分为不同颜色，这些干涉信号由聚焦透镜404聚焦到线扫描或CCD相机406上的不同像素点。相机406具有较高的像素，使OCT系统的成像距离较长，适用于对不同光延迟信号进行同时检测。
图16表示频域SDM-OCT的另一个实施例。在这种结构中，来自宽带光源110的输出光由第一个光耦合器120直接分成参考臂R和样品臂S，返回信号在被频谱仪检测之前由相同的光耦合器进行合并。类似结构也可用于波长可调光(例如，扫频激光源)的SS-OCT设备。这种系统结构更为简单，适合于某些应用。然而，与图15中使用光环行器的结构相比，这种设备的检测灵敏度可以被降低。
图18表示使用自由空间光学设备代替光纤的频域SDM-OCT的另一个实施例。在这种结构中，来自宽带光源110的输出光经过准直，由适当配置的第一个分光器520直接分成参考臂R和样品臂S，返回信号在被频谱仪检测之前由相同的分光器进行合并。类似结构也可用于波长可调光(例如，扫频激光源)的SS-OCT设备。这种系统结构更为简单，适合于某些应用。因为光学系统内没有插入损耗，这种设备的检测灵敏度较高。图18所示的其他元件可以与图13和图16中有相似标号的组件相同。
尽管前面的描述和附图代表本发明的优选实施方案，但是需要了解的是，各种增补、修改和替换不能背离所附权利要求对本发明限定的精神和范围。本领域技术人员特别需要了解的是，本发明可以以其它特定形式、结构、配置、比例、尺寸以及与其它元件、材料和部件来实施，但不能背离其精神或本质特征。本领域技术人员需要了解的是，在使用本发明中，可对结构、配置、比例、尺寸、材料和元件等方面进行修改，以及在本发明实施中尤其适于特定环境条件和操作要求而进行的不偏离本发明主旨的其它修改。因此，本发明披露的实施方式应当被完全地理解为说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求所限定，而并不局限于前述说明。

Claims (40)

1.一种空分复用光学相干断层扫描系统，所述系统包括：
一个长相干光源，产生具有大于5mm的相干长度的光以提供光学成像深度范围；
将光分成参考光和采样光的第一光学设备；
具有固定光学长度的参考臂，接收参考光并且产生参考光信号；
将采样光分成多条采样光束的并且同时传输多个采样光束的第二光学设备；
一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件，所述光学延迟比所述光源的相干长度短，使得当形成图像时在不同的频带检测来自不同物理位置的信号；
一个将多条采样光束同时扫描到样品表面上的多个不同采样位置的扫描器件；
所述第二光学设备操作为同时接收从多个不同的采样位置返回的多个反射的光信号；
第三光学设备，配置为基于同时接收从样品表面上的多个不同采样位置反射回的、由多条采样光束和参考光生成的多个反射光信号，来产生多个干涉信号；
其中干涉信号包含样品数字化图像数据。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一光学设备是将参考光转向参考臂和将采样光转向样品臂的光耦合器。
3.如权利要求1所述的系统，还包括单一样品臂，该单一样品臂包括第二光学设备，样品臂将多条采样光束传输到扫描器件。
4.如权利要求1或3所述的系统，其特征在于所述的第二光学设备是光纤分光器。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述光纤分光器是平面光波导分光器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述的第二光学设备是微透镜阵列。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述的光学延迟元件由多个玻璃或塑料元件组成，各元件具有不同的厚度并接收一部分来自微透镜阵列的采样光。
8.如权利要求1所述的系统，还包括一个用来检测干涉信号的平衡探测器。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述的光学延迟元件包括一个光纤阵列，该光纤阵列由多条长度不同并能传输采样光束的光纤组成。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述的第二光学设备还可将来自样品的反射光信号合并成包含反射光信号的单一检测信号，检测信号至少传输到第三光学设备。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述的第三光学设备是光耦合器。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述的光源是波长可调谐光源。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于所述的光源是垂直腔面发射激光二极管。
14.如权利要求1所述的系统，还包括将长相干光源产生的相干光的一部分转向马赫-曾德尔干涉仪的第四光学设备，马赫-曾德尔干涉仪提供光学时钟用于对记录样品表面返回的反射光信号进行采集。
15.如权利要求1所述的系统，还包括一个高速数据采集卡和一个计算机处理器，用来捕获和处理干涉信号，并将样品的实际图像显示在显示屏上。
16.一种空分复用光学相干断层扫描系统，所述系统包括：
一个产生相干光的光源，产生具有大于5mm的相干长度的光以提供光学成像深度范围；
将光分成参考光和采样光的第一光学设备；
一个限定第一条光路的具有固定光学长度的参考臂，该参考臂接收参考光并在参考光的基础上产生参考光信号；
一个限定第二条光路和接收采样光的单一样品臂；
一个安装在样品臂上的分光器，该分光器将采样光分成多条采样光束，并且同时传输多个采样光束；
一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件，所述光学延迟比所述光源的相干长度短，使得当形成图像时在不同的频带检测来自不同物理位置的信号；
所述系统能将多条采样光束同时扫描到样品上的多个不同采样位置，
第二光学设备接收参考光信号和从样品的多个不同采样位置同时返回的、由多条采样光束产生的多个反射光信号并将其合并以产生干涉信号，
其中干涉信号包含样品数字化图像数据。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述的采样光经由单光纤进入分光器，各采样光束经由多条光纤组成的光纤阵列从分光器输出。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述的分光器是平面光波导分光器。
19.如权利要求16所述的系统，还包括一个检测干涉信号的平衡探测器。
20.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述的光学延迟元件包括一个光纤阵列，该光纤阵列由多条将采样光束传输到振镜的光纤，每条光纤具有不同长度，可产生光学延迟。
21.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述的光源是波长可调谐激光器。
22.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述的光源是宽带光源。
23.一种空分复用低插入损耗光学相干断层扫描系统，所述系统包括：
一个产生相干光的长相干光源，所述相干光具有大于5mm的相干长度以提供光学成像深度范围；
一台将光分成参考光和采样光的光学设备；
一个限定第一条光路的参考臂，该参考臂接收参考光并在参考光的基础上产生参考光信号；
一个限定第二条光路并接收采样光的单一样品臂；
一个安装在样品臂上的分光器，该分光器将采样光分成多条采样光束并且同时传输所述多条采样光束；
一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件，所述光学延迟比所述光源的相干长度短，使得当形成图像时在不同的频带检测来自不同物理位置的信号；
一个扫描器，配置为将多条采样光束同时扫描到样品的多个不同采样位置上；
多个光耦合器，配置和排列以接收参考光信号和从样品的多个不同采样位置同时返回、由多个采样光束的每一个产生的多条反射光信号，并且对其进行合并以产生多个干涉信号；和
一个检测多个干涉信号的传感器，
其中干涉信号包含样品数字化图像数据。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于所述的传感器是平衡探测器。
25.如权利要求23所述的系统，还包括多个与光耦合器相关的光环行器，各光环行器可以接收从样品返回反射光信号，并将相同的反射光信号传输到一个光耦合器。
26.如权利要求23所述的系统，还包括将参考光信号分成多个参考光信号的分光器，各参考光信号被传输至多个光耦合器中的一个用来产生干涉信号。
27.一种使用空分复用光学相干断层扫描系统进行样品成像的方法，所述方法包括：
提供光学相干断层扫描系统，该系统由长相干光源、定义第一条光路的非扫描参考臂和定义第二条光路的样品臂组成，所述长相干光源产生具有大于5mm的相干长度的光以提供光学成像深度范围；
将来自光源的光分成参考光和采样光；
将参考光传输到参考臂以产生反射光信号；
将采样光传输到样品臂；
将采样光分成采样臂上的多条采样光束；
同时传输多条采样光束；
在多条采样光束之间产生光学延迟，所述光学延迟比所述光源的相干长度短，使得当形成图像时在不同的频带检测来自不同物理位置的信号；
将多条采样光束同时扫描到样本的多个不同采样位置；
同时采集由多条采样光束每一条产生的、从样品的多个不同采样位置返回的多条反射光信号；
同时将多个反射光信号合并成由多个反射光信号组成的单一反射光信号；
将单一反射光信号和反射光信号合并成干涉信号，该干涉信号包括样品的数字化图像数据。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于提供了一个单一样品臂。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于采用分光器进行分光。
30.如权利要求27所述的方法，还包括使用平衡探测器检测干涉信号。
31.如权利要求27所述的方法，还包括将来自光源的一部分光传输至马赫-曾德尔干涉仪，用来对干涉信号的采集提供采样时钟。
32.如权利要求27所述的方法，其特征在于所述的光学延迟步骤包括将采样光束在不同长度光纤中传输。
33.一种空分复用光学相干断层扫描系统，所述系统包括：
一个长相干光源，产生具有大于5mm的相干长度的光以提供光学成像深度范围；
将光分成参考光和采样光的第一光学设备；
参考臂，接收参考光并且产生参考光信号；
将采样光分成多条采样光束并且同时传输多个采样光束的第二光学设备；
一个在多条采样光束之间产生光学延迟的光学延迟元件，所述光学延迟比所述光源的相干长度短，使得当形成图像时在不同的频带检测来自不同物理位置的信号；
一台将多条采样光束同时扫描到样品的多个不同采样位置的扫描器件；和
第一光学设备进一步配置成基于同时接收从样品的多个不同采样位置返回的、由多个采样光束产生的多条采样光信号和参考光以生成干涉信号；
其中干涉信号包含样品数字化图像数据。
34.如权利要求33所述的系统，其特征在于所述的第一光学设备是将参考光转到参考臂和将采样光转到样品臂的光耦合器。
35.如权利要求33所述的系统，其特征在于所述的第一光学设备是将参考光转到参考臂和将采样光转到样品臂的分束器。
36.如权利要求33所述的系统，还包括一个单一样品臂，该单一样品臂包括第二光学设备，样品臂将多条采样光束传输到扫描器件。
37.如权利要求33所述的系统，其特征在于所述的第二光学设备是微透镜阵列。
38.如权利要求37所述的系统，其特征在于所述的光学延迟元件由多个玻璃或塑料元件组成，每个元件具有不同厚度，可接收一部分微透镜阵列返回的采样光。
39.如权利要求33所述的系统，还包括一个频谱仪，该频谱仪包括一个准直透镜、一个光栅、一个聚焦透镜和一台检测干涉信号的数字相机。
40.如权利要求33所述的系统，其特征在于光源是宽带光源。
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