CN104870930A

CN104870930A - 并行成像光学相干断层扫描系统及方法

Info

Publication number: CN104870930A
Application number: CN201380063585.5A
Authority: CN
Inventors: 周超
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-08-26
Also published as: HK1210827A1; WO2014089504A1

Abstract

并行成像光学相干断层扫描系统。在一个实施方案中，该系统包括光源、移动扫描器件、包含参考臂和样品臂的干涉仪。扫描器件包括由光源发出的入射光照射的多个通光孔。扫描器件产生多条发送到干涉仪的光束。各条光束均被分离成多条参考光束和采样光束。采样光束被扫描到样品上，通过样品臂反射采样光信号，采样光信号与参考臂的反射参考光信号结合。干涉图形的形成由图像传感器检测和处理，产生所述样品的数字图像。在一些实施例中，扫描器件可以包含微透镜阵列。同时还提供了相关的扫描方法。

Description

并行成像光学相干断层扫描系统及方法

交叉参考相关申请

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

本发明涉及成像技术，尤其是对检体或样品提供多点照射和并行成像的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。

大部分商用的OCT系统对样品进行单光束扫描以获得二维(2D)和三维(3D)组织影像。OCT成像速度取决于每秒轴向扫描的数量(A扫描)，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。截面2D-OCT帧频和3D-OCT容积率也由光束扫描器件的速度决定。使用多重成像光束并行采集OCT图像是一种显著提高轴向扫描速率、帧频以及容积率的新方法。

为获取OCT图像，现已开发出使用林尼克干涉仪和二维数字照相机的全场OCT(FF-OCT)。FF-OCT利用并行成像技术，通过2D照相机检测被光源照射的整个样品并检测样品各处的干涉信号。虽然FF-OCT展示出优异的图像分辨率，但是由于非相干散射光和像素串扰的影响，FF-OCT的成像灵敏度通常较差。OCT系统的灵敏度与非相干散射光水平成反比。非相干散射光在相机达到饱和度之前限制最大可用功率，进而限制了检测灵敏度。现已开发出利用行场照射而非全场照射的行扫描OCT(LS-OCT)以减少非相干散射光和像素串扰。因此，与FF-OCT相比，LS-OCT使灵敏度提高了一个量级。但是，与使用上述单光束方法的OCT相比，LS-OCT中的非相干散射光和像素串扰仍然高出很多。

并行扫描和成像系统有待改进。

发明内容

本发明特此披露光学相干断层扫描(OCT)系统，该系统采用并行成像干涉法提高成像速度，比采用前述方法的成像速度要快。

在一个实施例中，并行成像光学相干断层扫描系统包括：一个光源；一个接收来自光源入射光的扫描器件，该扫描器件可进行移动扫描，配置多个将入射光分成多束光的通光孔；以及一个干涉仪。该干涉仪包括：一个分束器，该分束器接收扫描器件多条光束并将各条光束分成参考光束和采样光束；一个参考臂，该参考臂配置一个参考反射镜，接收分束器的多条参考光束并将反射的参考光信号返回到分束器；以及一个采样臂，该采样臂接收分束器的多条采样光束，并将采样光束扫描到样品上。分束器还接收从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号并将其合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图。该干涉仪还包括一个检测臂，其所配置的检测器可获取分束器的干涉信号，并且将输出信号转换为样品的数字化图像。在一个实施例中，扫描器件是一个进行旋转扫描的旋转盘。通光孔为针孔。

在另一个实施例中，并行成像光学相干断层扫描系统包括：一个光源；一个接收来自光源入射光的扫描器件。该扫描器件组件包括：一个由微透镜阵列组成的采集盘；和一个由孔径阵列组成、与采集盘安装在同一旋转轴上的旋转盘，该旋转盘通过显微透镜和孔径阵列传输入射光，并将入射光分成多条光束。该系统还包括一个干涉仪，此干涉仪包括：一个分束器，该分束器接收旋转盘的多条光束并将各条光束分成参考光束和采样光束；一个参考臂，该参考臂配置一个参考反射镜，接收分束器的多条参考光束并将反射的参考光信号返回到分束器；以及一个采样臂，该采样臂接收分束器的多条采样光束，并将采样光束扫描到样品上。分束器还接收从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号并将其合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图。该干涉仪还包括一个检测臂，其所配置的检测器可获取分束器的干涉信号，并且将输出信号转换为样品的数字化图像。

本发明提供了一种使用并行成像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，此系统由光源、扫描器件和干涉仪组成，而干涉仪由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；用光源照射扫描器件；移动扫描器件进行扫描；通过扫描器件的多个通光孔传输光，形成多条光束进行移动扫描；将多条光束分成参考光束和采样光束；将多条参考光束传输到参考臂，此参考臂配置一个反射参考光信号的反射镜；将多条采样光束传输到样品臂；将多条采样光束扫描到样品表面上；将从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图；使用检测器检测干涉仪检测臂中的干涉信号；检测器生成构成干涉图的输出信号，转换成样品的数字化图像。

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是并行成像光学相干断层扫描(OCT)系统的示意图，该系统包括旋转盘和干涉仪；

图2是并行成像光学相干断层扫描(OCT)系统的示意图，该系统包括配置显微透镜的双旋转盘和干涉仪；

图3是图1中的OCT系统加上成像光纤探针的示意图；

图4是图2中的OCT系统加上成像光纤探头的示意图；以及

图5是图2中的双旋转盘的单目显微透镜和通光孔的侧面剖视图，显示光收集和透光路径。

所有附图均为示意图，未按比例绘制。

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和描述。因此，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组合特征；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简洁明了。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”或类似术语除非另有明确说明，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，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”除非另有明确说明，应广义地理解为通过插入的元素、特征或层级，彼此直接或间接接触。

本发明披露的各种实施例中，并行成像OCT系统及相关方法采用干涉仪和由定型通光孔(如针孔)构成的可移动掩罩，对样品进行多点照射，同时形成多条成像光束。每条成像光束均被针孔空间分离，大大减少了非相干散射光以及像素串扰，从而提高了OCT成像灵敏度。

在一个实施例中，掩罩可以旋转形成一个旋转扫描盘(“旋转盘”)，或者平移确保整个成像区被成像或采样光束覆盖。旋转盘接收来自光源的入射光并将光分成多束成像或采样光束，这些光束同时被扫描在样品上以获取图像信号。通过每个针孔形成的点照射在待成像的样品上形成多条对应的扫描线或痕迹。本发明披露的转盘式OCT利用并行成像技术实现高速成像，同时通过降低非相干散射光以及像素串扰获得较高的成像灵敏度。

虽然共聚焦显微镜已利用旋转盘技术获得生物样品的反射率和荧光图像，但是还有明显的局限性。共聚焦显微镜提供样品的正面2D图像。虽然使用共聚焦显微镜可获得3D图像，但是正面2D系列图像需要沿纵深维度机械平移(例如摆动)样品而获取，这将使3D成像速度减缓。此外，在医学成像应用中，特别是对患者进行体内检查时，摆动样品不实用或不可能。

与共聚焦显微镜相比，本发明披露的转盘式OCT是基于内禀对比度而非荧光标记来获取样品的三维结构和功能(例如，多普勒OCT，偏振敏感OCT)图像。采用傅里叶域检测方法可以使OCT信号采集与深度成像并行，从而加快3D成像速度。基于干涉仪的转盘式OCT系统100与共聚焦显微镜之间的主要差异在于，本系统利用光干涉(干涉法)提供深度切片能力并构建样品的断层扫描。在一些实施例中，可以将转盘式OCT与共焦显微镜结合以提供样品的多模态图像。

图1是本发明披露的转盘式并行成像OCT系统100的示意图。OCT系统100包括旋转盘121和干涉仪105，下面做进一步描述。

在一个实施例中，低相干宽带光源110可以为OCT系统100和干涉仪105操作提供光L。光源100包括但不限于，例如，卤素灯、氙弧灯、超辐射发光二极管(SLD)、超连续谱光源、宽带激光器、波长可调激光器、飞秒激光器或其它合适的宽带光源。宽带光源110的输出光包含多个波长或宽频颜色，如白光。

光源110的输出光L沿光源路径传输并照射扫描器件120。在一些实施例中，可提供透镜或准直仪(未标示)帮助光源110的输出光照射到扫描器件上。在示范性的非限制性实施例中优选准直光。扫描器件120包括具有扫描功能的可移动透光基板和多个用于接收和传输输出光L的通光孔。通光孔之间的基板固体部分(例如不透光体)遮挡了一部分来自光源110的入射光，该透光基板可以由驱动机构移动进行适当的扫描，将光扫描到样品130上(例如在一个或多个方向进行直线/平移、旋转扫描，或组合扫描)，这些扫描取决于预期扫描模式。

在一个非限制性实施例中，扫描器件120的透光基板可以是进行旋转扫描的旋转盘121，其旋转轴R可以偏离和大致平行于限定第一光学轴线P的光源路径。来自光源110的入射光L照射部分旋转盘121，如图1所示。旋转盘121固定于电机驱动的主轴203(限定旋转轴R)上，该轴与旋转磁盘的驱动电机204连接。在某个实施例中，旋转盘121的转速可能由于电机控制电路的适当配置而有所改变，这使得样品的扫描速度可以根据需要加以调整。

在一些实施例中，旋转盘121为尼普科夫盘，有多个透光孔，这些通光孔通过转盘接收、分离并轴向传输入射光L，从而使光源110产生多条光束B，对样品130进行扫描，以收集成像数据。在一些非限制性实施例中，这些通光孔可以设计为针孔122，在旋转盘大致平坦的后表面124(例如，旋转盘的入射光侧)和相对的大致平坦的前表面125(例如，旋转盘的透光侧)之间延伸通过整个旋转盘121。入射光L的光束最好有足够宽度，能同时照射多个针孔122，产生多条光束B，如图1所示。

针孔122可以有不同的形状，包括但不限于，固定角螺旋形、四角形和等螺距的螺旋形(例如，阿基米德螺线或其他形状)。每个针孔122充当独立的照明源，可通过干涉仪105采样臂中的适当光学透镜(镜筒透镜、中继透镜和物镜等)聚焦到样品130上，如本文进一步所述。其结果是，采样光束扫描到样品表面，使样品130多个样品位置被同时照射。可以改变针孔122直径和针孔间隔以调整光传输效率和其它参数。

在一个实施例中，旋转盘121上的针孔122形状可以设计和布局为多次重复以适应旋转盘121的每次旋转。这种布局大大增加了扫描速度。在一个实施例中，如图1所示，每个针孔阵列123包含多针孔组122，从旋转盘121的中心以适当的模式，例如直线或弯曲的旋转臂，呈辐射状向外延伸。当旋转盘121旋转时，每个针孔122在距离旋转盘中心相同的辐射处均有一个或多个相应的针孔，但位于一个或多个其他多针孔阵列中。因此，随着旋转盘121的每次旋转，位于相同辐射距离处的每个针孔122，在旋转盘每次旋转时多次使采样光束穿过针孔，扫描样品130上的同一采样点。

旋转盘121的通光孔也可以采用其它形状。在一些实施例中，旋转盘通光孔可能包括多条狭缝，而非螺旋状排列或其他形状的针孔122。狭缝可以在旋转盘上按平行、垂直或其他形状(包括螺旋形)的阵列方式排列。狭缝通常使照射更明亮，从而提高信号量，而针孔一般使分辨率和灵敏度提高。不管是狭缝还是针孔，都要根据具体应用和OCT系统100的所需性能参数加以使用。旋转盘可从商业途径购自(日本)横河电机公司和其他公司。

值得注意的是，除了如上所述的旋转扫描以外，还有多种扫描方式。相应地，除了盘形或圆形以外，扫描器件120的透光基板也有多种形状，例如多边形或直线形。扫描器件120的驱动机构/电机可以根据技术人员所选透光基板的形状以及预期扫描类型从市场上购买。因此，本发明不受扫描器件120的透光基板平移扫描类型、基板形状或此处披露的通光孔形状的限制。旋转盘121表示移动扫描器件120的一个可能的但非限制性的实施例。

本文现在将更详细地描述干涉仪105。继续参考图1，来自光源的多条光束由旋转盘121沿着光源路径传输至干涉仪105。干涉仪105包括可以放置在光源路径中的分束器150，以接收旋转盘121传输过来的多条光束组成的入射光。在一个实施例中，分束器150可以沿着第一条光路，置于旋转盘121和样品臂104中的物镜140之间。镜筒透镜170可位于旋转盘121和分束器150之间，以帮助入射光聚焦到分束器上。

任何适合类型的分束器150均可使用，分束器为常规的透明立方体，由沿着45度交叉边粘合的两个三角玻璃棱镜组成。在其它可能的实施例中，分束器150可以为半镀银镜、薄膜分束器或其他市售类型的分束器，在本领域中用于传输一部分入射光并反射一部分入射光。

分束器150将入射光分割或分离成干涉仪105参考臂102中的参考光和采样臂104中的采样光。在一个实施例中，该干涉仪可以配置为迈克尔逊干涉仪，其结构和操作在本领域中众所周知。参考臂102限定了参考光路，该光路可沿第二光轴对齐。在一个非限制性的实施例中，可以横向对齐于分束器150和光源110之间限定的光路(第一光轴)。参考臂102包括与样品位置共轭的参考反射镜160。物镜162可以将分束器150分离出的参考光聚焦在参考反射镜160上。

样品臂104限定采样光路，该光路可横向对齐于参考光路。采样光包含旋转盘121产生并通过分束器150传输的多条采样光束。在一个实施例中，采样光束可以通过物镜140聚焦到样品上，该物镜可以为凸透镜。5X物镜(例如三丰5X NIR或其他物镜)可以用于某些实施方案；然而，根据指定的OCT扫描应用可以使用其它合适的透镜和放大倍数。与样品的采样光束对应的样品位置间隔是由旋转盘121针孔的间隔和光学系统的放大率来决定的。根据预期应用可以优化间隔，以尽量减少样品位置之间的光散射和最大限度提高并行成像速度。

在操作中，多条采样光束扫描样品时，样品130内表面和内部结构在参考臂102和样品臂104产生反射光，分束器150将此反射光进行组合生成干涉信号，以此形成干涉图(即干涉图样或条纹图形)。“检测光”包含来自分束器150的干涉信号，通过干涉仪105的检测臂106传输至光敏数字图像传感器或检测器190。检测器190将包含干涉信号的检测光的入射电磁光能(即模拟频谱信号)转换成数字化电子/电气信号，基于处理器的数据处理系统对该信号做进一步处理，将干涉信号转换为样品130的数字化图像，在此做进一步描述。检测臂106可采用物镜180使含有干涉信号的检测光正确地聚焦到检测器190上。

在一个实施例中，检测器190可以是图像传感器，由2D(二维)光电检测器阵列(或简称“检测器阵列”)组成。2D检测器190可以是但不限于，电荷耦合器件(CCD)相机、互补金属氧化物半导体(CMOS)相机、InGaAs相机或其他合适的2D检测器，用于获取和检测检测光束中的干涉图样。此类图像传感器/检测器在技术领域中众所周知，无需赘述。旋转盘121旋转时，各采样光束聚焦在样品130上，在旋转盘旋转时，改变并穿过样品表面。不同样品位置产生的关联干涉信号由检测器190的数字相机的相应像素采集。采样光束经扫描后在样品表面产生对应于旋转盘121旋转的扫描线或痕迹，而样品130在实施例中保持静止状态。

检测器190产生电子/电气输出信号(包含干涉信号，是数字重建样品130图像的图像数据)，通过适当配置的基于处理器的数据和信号处理系统，例如但不限于计算机192，做进一步处理。计算机192包括处理器，其操作通过程序指令(例如，软件或控制逻辑)来配置和指示，这种程序指令包括信号处理数学算法或软件，用于提取和生成二维或三维(2D或3D)数字化图像，这种数字化图像通过扫描样品130时产生干涉信号而获取。处理器通过周知的技术方式对检测器190接收到的干涉信号进行信号处理。在OCT系统100的操作中，从检测器190获取的输出信号可被连续传输到计算机192的处理器或其他合适的基于处理器的设备或可用的PLC(可编程逻辑控制器)。由计算机192产生的数字图像数据可以在视频显示器(例如显示器194)上播放，和/或存储在存储器中用于进一步处理、输出、储存等。

应当了解的是，本文使用的术语“计算机”应广义地理解为适当配置的数据和信号处理器，此处理器包括中央处理器(CPU)、微处理器、微控制器或数据计算处理器或执行计算机程序指令(例如，代码或软件)电路，并且可处理检测器190获取的输出信号，以生成样品130的数字化图象。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、平板设备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192可包括与此类设备或数据处理系统相关联的常见配件，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、ZIP^TM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、驱动器或其组合来执行，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和检测器190获取并记录的样品130的数字图像和/或移动视频数字图像，可以在计算机192的合适视频显示器194上播放以便系统用户进行观察。在OCT系统100的医疗保健相关应用中，用户可以是医疗服务人员、技术人员或其他医疗保健专业人员。在显示器194上显示的数字化样品图像表示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。可以使用任何合适的显示器194，包括但不限于，例如LED(发光二极管)、LCD(液晶显示器)或其他显示屏，包括电容式或电阻式触摸屏。

在一个非限制性的实施例中，当利用波长非可调谐宽带光源(例如，卤素灯、氙弧灯、超辐射发光二极管(SLD)、超连续谱光源、宽带激光等)时，由计算机192执行的时域OCT检测方法可用于分析来自检测器190的干涉信号。由计算机192的处理器执行的计算机程序指令(例如，控制逻辑)，包括合适的数学算法，可用于执行时域OCT检测方法。该检测方法在技术领域众所周知，无需赘述。在这种情况下，参考臂102的参考反光镜160安装在振荡器164上，例如压电式传感器(PZT)，可以改变参考臂的相位和光延迟。在相位调制的每个周期中，至少有两个图像连续被记录，与第一个称为“同相”的图像相比，第二个称为“异相”的图像具有圆周偏移的相位。通过减去这两个图像，背景可以基本上被清除，只保留干涉信号。其它的解调方法，例如四象限积分法，也可用于提取干涉信号。扫描器件120(例如，旋转盘121)的转动/移动可以与相位调制器和2D检测器190同步，以确保正确采集干涉信号并对其进行相位解调。参考反射镜160也可转换以匹配到不同深度的样品位置，并提供光学切片。

在一些实施例中，OCT系统100也可以使用波长可调光源110(例如，Superlum Broadsweeper Model BS840-01等)。采用这种光源，执行计算机指令(包括适当的数学算法)的计算机192处理器可以采用傅立叶域OCT检测方法。该检测方法在技术领域众所周知，无需过多阐述。在这种情况下，参考反射镜160可被固定(即不摆动)，这样可省略振荡器164而参考臂102也无需加装相位调制器。超高速照相机(例如，Y4，Redlake/IDT)通常需要获得一个在大约相同波长的光照下样品的完整扫描帧。根据SS-OCT数据(即扫频源OCT)处理的标准方法进行信号处理，这种标准方法包括背景减除、相位校准、色散补偿和傅里叶变换等步骤。干涉信号的光频与从样品返回的采样光反射成像深度相关。采样深度不同的反射产生不同频率的干涉图样。通过傅立叶变换信号处理的反射解析，在每个样品位置产生深度反射率曲线(A-扫描)。样品的二维(2D)和三维(3D)图像可以通过组合不同样品位置的A扫描而获得。线性化可调谐激光器或者频率梳可调谐激光器可以为各帧的采集提供线性k-空间的光输出，以此大大简化图像处理。使用傅里叶域检测方法时，通常将可调谐激光器的光源110、扫描器件120(即旋转盘121)和2D照相机的检测器190进行同步。

图2表示另一个实施例，此例中并行扫描OCT系统100具有含双转盘组件200的移动扫描器件120。旋转盘组件200由包含多个微透镜202的主要采集盘201和包含多个通光孔(例如，不限于本文已描述的针孔122)的次要尼普科夫型旋转盘121组成。微透镜202和针孔122的位置沿轴向共同配准，使每个微透镜将来自光源110的入射光聚焦在旋转盘121对应的成对针孔122上(参见图5)。因此，在一个实施例中，主要采集盘201中微透镜202的数目和形状可以与旋转盘121中针孔的数目和形状相同。因此，微透镜202可被聚集并排列于微透镜阵列207中，此阵列的形状和排列可以基本上与旋转盘121中的针孔122的孔径阵列123一致。

采集盘201和旋转盘121在轴向上以一定距离间隔，并同时固定在耦合到驱动电机204的电机驱动加长主轴203上。因此，采集盘201和旋转盘121同时旋转，使各微透镜202与其配对的针孔122保持轴向对齐。与单独使用尼普科夫盘相比，使用配置微透镜202的主要采集盘201时，占空因数(其定义为尼普科夫式旋转盘121的透光率百分比)得到显著提高。相应地，各微透镜202在扫描器件120上采集的入射光比普通通光孔要多，并且有效地将所捕获的光聚焦到其在旋转盘121中配对的针孔122上。通过双旋转盘组件200传输的光强度可以通过调整微透镜的直径而改变，无需改变旋转盘121下部的针孔122的尺寸。

微透镜202和旋转盘微透镜组合配件可通过商业途径购自(日本)横河电机公司和其他公司。在非限制性的实施例中，显微透镜可以是直径小于1毫米的小型透明光学透镜；然而，也可使用较大直径的透镜。任何合适的显微透镜202均可使用，包括但不限于，例如，单平凸透镜、多层透镜、微型菲涅耳透镜及其他透镜。显微透镜可以由任何合适的透明材料制成，例如，聚合物、石英玻璃、硅和其它本领域中使用的材料。微透镜202可以采用任何合适的技术方法来制造，包括光刻和半导体制造工艺。微透镜202可以与采集盘201基板分开安装，也可作为用相同材料制成的采集盘201整体结构的一部分。两种方法都可以使用。

在操作中，来自光源110的入射光照射采集盘201的部分后表面205，并通过微透镜阵列207和相对的前表面206被传输至旋转盘121，如图2所示。由微透镜阵列207产生的多条光束依次穿过旋转盘121的针孔122并到达分束器150，传输方式与前面描述的方法相似。

在一些实施例中，OCT系统100的干涉仪105中的参考臂102可通过插入半反射镜250(例如，半镀银或其它类型的半反射镜)省略和取代，反射样品臂104中的部分入射光，如图2所示。干涉将在半反射镜250的反射光和样品130之间形成，以产生能被2D检测器190检测的干涉信号(例如，干涉图)。因此，在实施例中，如图1和图2所示的OCT系统100可使用参考臂102或半反射镜250产生干涉信号。

应当指出的是，分束器150和检测臂106(即透镜180、2D检测器190以及其它可用于检测光路的元件)不需要置于旋转盘121后。分束器150可以放置于采集盘和尼普科夫盘之间，或根据应用插入光学系统的其他位置。在一些实施例中，中继光学设备也可以插入光学系统中。

图3表示另外一个实施例，在该实施例中，采样臂104中的物镜140将光直接聚焦到探头300上，而不是直接聚焦到样品130上。因此，探头300将采样光传输到样品上。该探头300的结构易弯曲且灵活，可与本发明披露的OCT系统100组合，用于内窥镜、腹腔镜和类似医疗设备中。

探头300包括但不限于柔性光纤束302，该光纤束涉及或将来自样品臂104的入射采样光传输到样品130进行成像。光纤束302由多条传输光的单独光纤构成，在技术领域中众所周知。光纤束302包括与样品臂104光学和物理耦合的近端304，并接收来自物镜140的采样光。光纤束302的远端306用于传输和扫描采样光到样品130，接收从样品返回的反射光信号。

在一些实施例中，构成光纤束302的光纤305为玻璃(即二氧化硅)或塑料制成的灵活、透明的光纤，用来在光纤各端304和306之间传输光。在一个非限制性的例子中，光纤305可以是康宁公司SMF28光纤或其它合适的光纤。根据预期应用和所需性能参数，长度和直径合适的光纤可用于光纤束302。因此，光纤可能有许多变化和构造。

探头300的光纤束302的直径可能小于几毫米，而且这种光纤束比较灵活，可以通过内窥镜或腹腔镜传输，使内窥镜利用OCT系统100成像。参考臂102的光学长度将与样品臂104(包括探头300)的光学总长度相匹配，以便在样品臂和参考臂的反射光信号之间形成干涉。探头远端306可直接接触样品130，或在探头远端和样品之间使用中继光学设备。

图4表示另外一个实施例，与基于探头的系统相关。在该系统中，半反射镜250用于探头300远端306和样品130之间，以提供光干涉。半反射镜250可适当地安装在远端306。因此，本实施例中如图3所示的参考臂102被拆卸，以使OCT系统100更紧凑。

对于本文描述的分束器150或半反射镜250，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，5/95，10/90，20/80等)对输入光束进行合适的光学分割或分离。因此，分束器150和本发明对光的分离不限于50/50的比例，这仅代表分束器的许多可能设计之一。技术人员应该了解的是，光分离比率的确定取决于引导至各样品臂和参考臂中的光量。理想的情况是样品需要尽可能多的光强，同时使样品的光强处于一个安全的限度。同时，参考臂需要足够的光强以限制散粒噪声的灵敏度。

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。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

1.一种并行成像光学相干断层扫描系统包括：

一个光源；

一个接收来自光源的入射光的扫描器件。所述扫描器件可进行移动扫描，包含多个将入射光分成多条光束的通光孔；和

一个干涉仪，包括：

一个分束器，接收扫描器件的多条光束，并将各条光束分成参考光束和采样光束；

一个参考臂，包括接收分束器分离的多条参考光束并将反射的参考光信号返回到分束器的参考反射镜；

一个采样臂，接收分束器分离的多条采样光束，并同时将多条采样光束扫描到样品上；

分束器还接收从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号并将其合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图；和

一个检测臂，其所配置的检测器可获取分束器的干涉信号，并且将输出信号转换为样品的数字化图像。

2.如权利要求1所述的系统，还包括接收来自检测器的输出信号并将样本的数字化图像呈现在显示器上的处理器。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于处理器运行信号处理软件将输出信号转换成样品的数字化图像。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述扫描器件的通光孔是按一定形状排列的针孔。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光源产生由扫描器件接收的多波长宽带光。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述光源选自卤素灯、氙弧灯、超辐射发光二极管(SLD)、超连续谱光源、宽带激光器、波长可调光源和飞秒激光器等。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述光源是按照扫描模式操作的波长可调光源。

8.如权利要求1所述的系统，还包括耦合到参考反射镜的振荡器，使参考反射镜产生振荡。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述检测器是从电荷耦合器件(CCD)相机、互补金属氧化物半导体(CMOS)相机以及InGaAs相机组中选取的图像传感器。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述参考臂和参考反射镜被省略，并且还包括在分束器和样品之间的干涉仪样品臂中配置的半反射镜。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于多条采样光束通过光纤束组成的探头传输至样品。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述扫描器件包括进行旋转扫描的旋转盘。

13.一种并行成像光学相干断层扫描系统包括：

一个光源；

一个接收来自光源的入射光的扫描器件，所述扫描器件包括：

一个包含微透镜阵列的采集盘；和

一个孔盘，包括孔径阵列，并与采集盘安装在同一旋转轴上，通过微透镜和孔径阵列传输入射光，并将入射光分成多条光束；

一个干涉仪，包括：

一个分束器，接收孔盘的多条光束，并将各条光束分成参考光束和采样光束；

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述微透镜阵列包含多个微透镜，所述孔径阵列包含多个通光孔，各显微透镜收集部分入射光并将部分入射光聚焦到孔盘上轴向共同配准的通光孔。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于所述采集盘上的微透镜阵列按一定形状排列，所述孔径阵列按互补形状排列。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于所述微透镜和孔径阵列的形状为螺旋形组列。

17.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述孔盘的孔径阵列的通光孔为针孔形。

18.如权利要求13所述的系统，还包括接收来自检测器的输出信号并将样本的数字化图像呈现在显示器上的处理器。

19.如权利要求13所述系统，其特征在于所述光源产生由扫描器件接收的多波长宽带光。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于所述光源选自卤素灯、氙弧灯、超辐射发光二极管(SLD)、超连续谱光源、宽带激光器、波长可调光源和飞秒激光器。

21.如权利要求19所述的系统，其特征在于所述光源是按照扫描模式操作的波长可调光源。

22.如权利要求13所述系统，还包括耦合到参考反射镜上的振荡器，并且使参考反射镜产生振荡。

23.如权利要求13所述系统，其特征在于所述检测器是从电荷耦合器件(CCD)相机、互补金属氧化物半导体(CMOS)相机以及InGaAs相机组中选取的图像传感器。

24.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述参考臂和参考反射镜被省略，并且还包括在分束器和样品之间的干涉仪的样品臂中的半反射镜。

25.如权利要求13所述的系统，其特征在于所述多条采样光束通过光纤束组成的探针传输至样品。

26.一种使用并行成像光学相干断层分析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，此系统由光源、扫描器件和干涉仪组成，而干涉仪由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；

用光源照射扫描器件；

移动扫描器件进行扫描；

通过扫描器件的多个通光孔传输光，形成多条光束进行移动扫描；

将多条光束分成参考光束和采样光束；

将多条参考光束传输到参考臂，此参考臂配置一个反射参考光信号的反射镜；

将多条采样光束传输到样品臂；

将多条采样光束扫描到样品表面上；

将从参考臂反射回的参考光信号和从样品反射回的采样光信号合并，生成以反射的参考光信号和采样光信号为基础的干涉信号，以此构成干涉图；

使用检测器检测干涉仪检测臂中的干涉信号；和

检测器生成构成干涉图的输出信号，转换成样品的数字化图像。

27.如权利要求26所述方法，还包括将检测器的输出信号转换成样品的数字化图像的计算机处理器。

28.如权利要求26所述方法，还包括振荡参考臂的反射镜。

29.如权利要求26所述方法，其特征在于所述扫描器件包括孔盘，所述通光孔设置在所述孔盘中。

30.如权利要求26所述方法，还包含：

照射具有互补通光孔的孔盘之前，使用光源照射由微透镜阵列组成的采集盘；和

通过微透镜阵列将光传输到带互补通光孔的孔盘上。

31.如权利要求29所述方法，还包括在两种照射步骤中，同步旋转采集盘和孔盘。

32.如权利要求26所述方法，其特征在于所述光源产生的光为宽带光。