CN105814399A - 波长编码的层析技术 - Google Patents

Abstract

提供了用于非侵入式光学成像的系统和方法。一个或多个时间透镜可用于执行光学傅立叶变换，并且时间至波长转换可以生成波长编码的光学散射的图像，类似于光学相干层析技术。该光学傅立叶变换提供了改进的轴向分辨率并且简化了数据采集之后的数字信号处理。

Description

波长编码的层析技术

相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年10月11日提交的序列号为61/890048的美国临时申请的权益，通过引用该美国临时申请被全部包含于此。

背景技术

医学成像可以包括通过使用例如计算机辅助断层(CAT)扫描来捕获生物结构的图像，并且可以是十分有益的生物光子测量技术。对于如心血管医学应用来说可能有用的生物光子系统可以包括层析成像设备以及一个或多个内窥镜器械。生物光子应用还可以包括皮肤(例如皮肤组织)检查和/或牙齿结构的成像。

诸如通过X射线的计算机层析技术(tomography)、磁共振成像(MRI)、超声成像和光学相干层析技术(OCT)的层析成像技术已在微尺度生物医学成像中获得广泛的应用。在这些技术中，OCT由于其短的波长而在分辨率方面具有优势。光频段超出电子装置的可检测范围，并且OCT系统利用干涉仪引入的低频率来区分反射深度。此外，一些如无线电检测和测距(RADAR)或光时域反射仪(OTDR)的简单方法仅可以测量大范围的距离，并且分辨率受示波器带宽的限制。

OCT已被证明至少部分由于以非侵入方式分辨精细结构的能力而在医学和实验室环境下是有用的。OCT例如在执行光学活检时可能是有用的，其可以允许医师或其他医学专业人员执行非侵入式活体内成像而无需切片组织样品。OCT还可以允许以高分辨率对高度分散的生物组织进行成像。

发明内容

本发明的实施例提供用于非侵入式光学成像(例如，非侵入式光学截面成像)的有益系统和方法，其具有广泛的用途并且在生物系统中尤其有益。波长编码的层析系统可以利用一个或多个时间透镜来执行光学傅立叶变换，并且时间至波长的转换可以从内部微观结构生成波长编码的光散射图像(例如，类似于诸如光学相干层析技术的基于干涉的成像)。与电学傅立叶变换相比，光学傅立叶变换提供更好的轴向分辨率，并且极大地简化了数据采集之后的数字信号处理。

在一个实施例中，成像系统可以包括：样品平台；光电探测器；线性频移设备，其被布置为使得来自样品的光在其到达所述光电探测器之前穿过所述线性频移设备；以及，处理设备，其与所述光电探测器可操作地通信，并且被配置为接收来自所述光电探测器的输出光谱以及仅在光域中实现对所述输出光谱的空间至波长转换。所述线性频移设备可以包括一个或多个时间透镜。所述系统能够使用7.5nm的光谱宽度实现150μm或更小的成像分辨率，以及至少100MHz的A-扫描率。

在另一个实施例中，用于对样品成像的方法可以包括：将样品放置在成像系统的样品平台上；布置线性频移设备，使得来自所述样品的光在其到达所述成像系统的光电探测器之前穿过所述线性频移设备；由与所述光电探测器可操作地通信的处理设备接收来自所述光电探测器的输出光谱；以及，由所述处理设备仅在光域中实现对所述输出光谱的空间至波长转换。所述线性频移设备可以包括一个或多个时间透镜。所述方法能够使用7.5nm的光谱宽度实现150μm或更小的成像分辨率，以及至少100MHz的A-扫描率。

附图说明

图1(a)示出由根据本发明实施例的系统在空间域内进行深度至波长转换的原理的示意图。

图1(b)示出由根据本发明实施例的系统在空间域内进行深度至波长转换的原理的示意图。

图1(c)示出由根据本发明实施例的系统在时间域内进行深度至波长转换的原理的示意图。

图1(d)示出由根据本发明实施例的系统在时间域内进行深度至波长转换的原理的示意图。

图2示出根据本发明实施例的成像系统的示意图。

图3(a)示出根据本发明实施例的系统中的混合光谱。

图3(b)示出根据本发明实施例的系统中的混合光谱。

图4示出用于表征由根据本发明实施例的系统进行的深度至波长转换的强度与波长的曲线图。

图5示出根据本发明实施例的成像系统的示意图。

图6示出根据本发明实施例的成像系统的示意图。

图7示出根据本发明实施例的成像系统的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例提供用于非侵入式光学成像(例如，非侵入式光学截面成像)的有益系统和方法，其具有广泛的用途并且在生物系统中尤其有益。波长编码的层析系统可以利用一个或多个时间透镜(time-lense)来执行光学傅立叶变换，并且时间至波长的转换可以从内部微观结构生成波长编码的光散射图像(例如，类似于诸如光学相干层析技术的基于干涉的成像)。与电学傅立叶变换相比，光学傅立叶变换提供更好的轴向分辨率，并且极大地简化了数据采集之后的数字信号处理。

在一个实施例中，光学成像系统可以以非侵入方式捕获层析(层)图像，并且使得伴随高分辨率和敏感性的超快帧率成为可能。该系统可以包括下列元件中的一个或多个：用于在正被成像的样品前面(例如，在系统的样品平台和光电探测器之间)引入线性频移设备(例如，时间透镜)的装置；用于当光穿过该系统向前和向后传输时由于光谱被拉伸和压缩而区分深度引起的延迟的装置；用于由扫频光源在样品上照射光的装置，由于不同的反射深度在压缩处理之后导致不同的输出波长，从而实现了对不同层的识别；以及，用于全部在光域内实现空间至波长转换而不进行强制电学傅立叶变换(如在OCT中)的装置(例如，诸如计算机设备的处理器的处理设备或者光谱分析仪)。所有组件可以彼此(例如，经由有线、无线或者这两者的组合)可操作地通信。该系统可被配置为：以用于不同应用的灵活转换因子实现全光的空间至波长转换；与相关的现有OCT系统相比，对于帧率提供多个数量级的改进，其高达兆赫或者甚至千兆赫；或者兼备这两者。

现有的层析成像技术具有与分辨率、深度和频率相关的限制。为帮助解决这些限制，可以使用结合时间透镜方法的超快光学示波器。可以在谱域中解析200飞秒(fs)的短脉冲。两种方案(OTDR和时间透镜示波器)的组合可以将微小的深度差异直接转换成波长偏移，从而为先进的超快层析应用提供一种有利的解决方案；该解决方案在本文中被称为波长编码的层析技术(WET)。该技术克服了OCT的固有速度限制，同时还提高了非侵入式截面成像的分辨率。

时间透镜示波器使用的飞秒脉冲可能遇到生物样品中的非期望的非线性效应，该效应可能影响线性散射系统(例如，OCT)的成像质量。因此，在本发明的许多实施例中，单个时间透镜聚焦结构可被调整为两个时间透镜，其具有相反的焦点群色散延迟(GDD)以避免超短脉冲与样品相互作用。图1示出了根据一个实施例的WET配置的时间射线图，其可以通过时空二元性来理解。

参见图1，沿垂直轴的空间距离(d)与时间延迟(Δt)相对应，并且空间轴角(θ)与时间波长(Δλ)相对应。在图1(a)中，具有相同焦距(f)的一个会聚透镜和一个发散透镜彼此对准，并且由在这两个透镜之间沿垂直轴的偏移(d)实现轴角(θ＝d/f)的倾斜(图1(b))。因此，在时域中，这两个对应的时间透镜可以实现反射时间延迟(Δt＝2d/c)和波长(Δλ)之间的线性光学映射。此外，该过程均不涉及短脉冲，并且能量沿时间跨度均匀地分布。

在一个实施例中，用扫频泵(swept-pumped)四波混频(FWM)过程(图1(c)和1(d))实施两个时间透镜，因为所需的大扫频带宽并且小于千兆赫帧率。用相同的扫频泵实现相同的焦点GDD(Φ_f)，而用不同的参量混频方向(从短波长到长波长并且反之亦然)实现会聚和发散特征。在时间透镜1之后，新生成的空载(idler)可被发射以照亮反射样品，该样品可以在在时间透镜2中将空载与相同的扫频泵组合到一起之前，沿时间轴散射该空载。在一些实施例中，时间透镜2生成准CW(其中，CW指连续波)光源作为输入信号，并且延迟的空载改变其波长(以图1(d)中的虚线和点线表示)。这种机制提供了反射深度(d)和输出波长偏移(Δλ)之间的线性关系，如下所示：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{2\mathrm{\π}c}\·\frac{\mathrm{\Δ}t}{{\mathrm{\Φ}}_f}=\frac{4}{cDL}d=\mathrm{\ϵ}\·d,---\left(1\right)$

其中，c是光速，DL是扫频泵色散(其可以从例如拉伸的脉冲生成)，并且ε＝4/cDL是深度至波长的比率。ε的详细推导可以从图1(d)以及Zhang等人(Appl.Opt.52,8817-8826,2013)的论文获得，该论文通过引用被全部包含于此。

图2示出了根据本发明实施例的成像设备的示意图。尽管图2中示出了某些值，但这些值仅是用于示例的目的并且不应被理解为限制。参见图2，示出了包括两个时间透镜的机构。脉冲源(例如，500fs脉冲宽度，λ_BW＝7.5nm)可以穿过光纤线轴(例如，1km单模光纤，诸如SMF-28，DL＝17皮秒/纳米(ps/nm))，以生成用于两级FWM的扫频泵。FWM可以在两个光纤线轴(例如，50m高度非线性色散位移光纤(HNL-DSF))中利用三阶非线性极化率χ。零色散波长可以例如在1554nm，然而实施例不限于此。在第一级FWM中(图2中的左阴影框)，信号S1(例如，1-mWCW信号)和扫频泵(其可被放大至例如100毫瓦(mW))生成具有两倍扫频范围的空载(I1)。图3(a)示出两倍扫频范围。空载(I1)可以具有例如0.5mW的值，然而实施例不限于此。在照亮样品之前，空载(I1)可被波分复用(WDM)滤波器过滤掉，并且被放大器放大(例如，放大至其原始值的10倍，诸如达到5mW)。在特定实施例中，放大器可以是L波段掺铒光纤放大器(EDFA)。

样品臂(或者样品平台)可引入一些损耗(例如，～10-dB的损耗)，并且不同的反射深度可以以相应的时间延迟散射空载(I1)。样品臂中的光学延迟线可以将散射的空载(S2，作为第二级FWM的信号)与第二扫频泵同步。因此，在第二级FWM之后，在原始信号波长处生成空载(I2)，并且这在图3(b)中示出。空载(I2)可以具有例如～0.2mW的值，然而实施例不限于此。空载(I2)光谱可被诸如光谱分析仪(例如，OSA，YokogawaAQ6370C，0.05-nm分辨率)的处理设备捕获，并且可以显示空间信息(图2的样品臂中的A₀、A₁和A₂)。该空间信息被示作图2的输出光谱(λ₀、λ₁和λ₂)。此外，两个时间透镜的配置可以采用CW光源作为信号，并且在这种情况下，与相关的现有成像设备不同，不需要信号和脉冲泵之间的同步。整个机构可被形象地看作“锁定”系统：FWM1可以将扫频泵锁定到CW信号上，并且FWM2将相同的扫频泵用作“密钥”，从波长偏移解锁时间延迟(即反射深度信息)。

根据公式(1)，输出的波长偏移(Δλ)与反射深度(d)成正比。要在数量上表征该特征，精度转化阶段可被引入以控制反射镜。在根据本发明某些实施例的WET系统中，空间分辨率(R_WET)指的是光学成像系统区分不同层的能力，其可以用光谱宽度(δλ)和映射比率(ε)来计算。可以由时间脉冲宽度(λ_BWDL)确定理想的δλ，该时间脉冲宽度可由FWM过程来约束。扫频泵的频率强度起伏可以限制δλ。如果在扫频泵的包络上不存在强度起伏，并且在整个转换范围上满足相位匹配条件，则WET系统的空间分辨率可被示为：

R_WET＝δλ/ε＝λ₀ ²/(2πc)x4ln2/(λ_BWDL)xcDL/4＝ln2λ₀ ²/(2πλ_BW),(2)

其中，λ_BW是扫频泵光谱的半高全宽(FWHM)。基于泵带宽(λ_BW)可以计算理想的空间分辨率。与OCT相比，本发明的系统可以基于公式(2)以相同的带宽(λ_BW)实现精确四倍的分辨率。FWM中扫频泵与空载的双倍频率关系(即空载带宽可以是泵的两倍)贡献了两倍，并且相比于数字(电学)傅立叶变换(即OCT)，光学傅立叶变换(即WET)实现了另外的两倍的更好的时间分辨率。具体地，由时间透镜进行的光学傅立叶变换考虑了相位项，而OCT中的电学傅立叶变换在平方律光电探测器之后执行，该平方律光电探测器仅考虑强度部分。第二个两倍是有保证的，而第一个倍数(转换带宽)在某些情况下可能潜在地受到FWM的相位匹配条件的限制。

图3(a)和3(b)示出了两级FWM的光谱。转换带宽在某些情况下也会限制分辨率，并且相位匹配条件可能要求伴随更低的色散系数(D)和斜率(S)的更短的HNL-DSF。一些先进的色散工程化非线性介质(诸如，硅波导)可以帮助实现100-nm的FWM波长转换带宽，这可以有利于实现根据本发明实施例的WET系统。图3(b)的插入部分示出了输入和输出光谱(其被放大)之间的比较。两个倍数可以有助于这样的光谱展宽效应：相位不匹配可以将空载(I1)的脉冲宽度减少30％，因为其带宽在FWM1之后被降低(如图3(a)所示)；以及，扫频泵的时间强度起伏可以向空载(I2)的光谱宽度引入另一个两倍。考虑到FWM2中的相同约束效应，空载(I2)的脉冲宽度可以减少一半，从而将光谱宽度扩展为两倍。图5示出根据本发明实施例的成像设备。为捕获2D截面图像，在如图5的顶部框中所示的样品臂中，电流计镜(M1)可用于扫描。具有两个时间透镜的该设备可以光学地将深度信息转换为光谱，并且该光谱可被捕获以构造2D图像。在这个意义上，其类似于谱域OCT(SD-OCT)，该谱域OCT还需要光谱仪来捕获光谱信息。然而，SD-OCT中的光谱携带干涉条纹，并且进一步地，需要傅立叶变换来检索深度信息。在根据本发明的WET系统/设备中，光谱可以例如通过被同步的单发光谱仪捕获来直接生成深度信息(与SD-OCT相比，具有更好的分辨率)。因此，该系统可被配置成超快层析系统。

为了充分利用本发明的系统的高帧率(例如，100-MHz帧率)，可以使用两个方法。在一个这样的方法中，可以将光谱分散到空间CCD传感器上(图5(a))，并且可以沿水平方向结合另一扫描电流计镜(M2)来构造2D图像。镜M1和M2可由相同的驱动信号来同步，并且B-扫描率可由CCD传感器的帧率来确定(高达～kHz)。在另一个这样的方法中，可以利用具有高分辨率(例如，0.02-nm分辨率)的超快光谱分析仪——参数光谱时间分析仪(PASTA)。该PASTA系统可以与WET系统共享相同的泵源，该泵源自然地将这两个系统一起同步，从而充分利用了100-MHzA-扫描率，如图5(b)所示。

时域OCT(TD-OCT)方法有时被用于快速图像捕获。TD-OCT可以包括迈克耳逊型干涉仪，并且聚焦在侧面扫描机构中布置的样品臂光束。改善非侵入式医学成像的另一方法可以包括“单发”成像，其中，大量的成像测量可以在非常短的时段内被执行。单发成像可以受益于提高的OCT成像速度，这可以至少部分通过使用例如频域光学相干层析技术(FD-OCT)来实现。在FD-OCT中，可以利用频域中的轴向(例如，轴线、A线等)背向反射信号，其可以相当于例如波数域。

在本发明的实施例中，WET可以提供优于TD-OCT和FT-OCT的优点。例如，实施例可以降低或者消除对参考分支的需求，该参考分支可以用于产生例如在OCT系统中生成的直接和散射的成像光束之间的干涉图样。因此，如果参考分支没被利用(即被排除)，则可以引入数据捕获速度限制的光学组件(例如，用于捕获干涉图样内的位置处的相移的马赫曾德干涉仪)可被排除。此外，可以利用全光处理，其中来自光学组件的输出信号强度直接反映空间信息。相应地，在某些实施例中无需执行后处理，该后处理有时可以在光学信号被转换成电信号之后被执行。至少作为消除或降低对电子后处理的需求的部分结果，WET系统可以导致帧率的相当大的增加(例如，十倍或更多)。改进可以使得能够每秒捕获多达例如1,000,000或1,000,000,000帧，然而实施例不限于此。优于TD-OCT和/或FD-OCT方法的另一优点可以是系统复杂度的降低。

再次参见图1(c)和1(d)，在一个实施例中，WET系统可以利用线性频移设备(时间透镜)的时间敏感特征来区分空间深度引起的延迟。WET系统的主要部分可以包括空间深度至波长转换。可以采用两级四波混频(FWM1)元件。第一级可以使用扫频泵(“锁定”)信号和CW信号来生成与双啁啾空载相对应的光学信号，以便照亮经受成像的样品。在实施例中，响应于照亮，经受成像的样品的不同层可以在不同的时间散射或反射空载信号。在第二级FWM2中，散射的空载可以与相同的扫频泵信号(“解锁”)空间性信息结合。经受成像的样品可以至少部分基于散射层的距离(例如，d₁和d₂)，在不同的时间反射空载信号。在FWM2入射的反射或散射的光学信号可被转换为波长信息。

再次参见图1(a)和1(b)，示出了对应的时间射线图，其中两级FWM可被当作一对具有相同焦距的会聚和发散时间透镜。该时间射线图基于时空二元性示出了WET原理。当会聚透镜与发散透镜同步时，如图1(a)所示，输出光束仍然可以沿相同的方向。如果会聚透镜和发散透镜之间存在时间不匹配(Δt_d)，如图1(b)所示，则输出光束可以沿某一轴角重定向，其可能包括不同的输出波长。

根据时空二元性的原理，轴角(或出射角)可以指波长，并且垂直方向指时间轴。因此，空间深度引起的时间延迟(Δt_d)可以导致第二时间透镜的垂直移动，并且还可以转换包括出射角的平行光束，即，该时间射线图中的不同波长。这一机制可以提供反射深度(诸如图1(c)和1(d)所示的d₁和d₂)和输出波长偏移(Δλ)之间的线性关系，其可被表示如下：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{4d}{cDL}---\left(3\right),$

其中，c是光速，D是扫频泵色散，并且L是色散光纤长度。从公式(3)可以看出，可以通过控制泵色散(D)来容易地调整深度和波长之间的映射比率。

图6示出了根据本发明实施例的WET系统的示意图。参见图6，可以从可穿过色散光纤的短脉冲源生成扫频泵。例如，如用于两级FWM(诸如图1(c)和1(d)的FWM1和FWM2)的泵，来自扫频泵的输出信号可被分成两个分支。在第一级FWM中，具有频率f_cw的CW信号和扫频泵生成具有双倍扫频范围的空载。该空载可被分开并且被用于照亮样品(例如，测试下的样品)。样品的不同反射深度可以引起空载信号的散射，其与由经受成像的样品的层的距离产生的时间延迟成比例。

在某些实施例中，样品臂中的光学延迟线可以帮助散射的空载与第二级泵的同步。因此，在频率f_cw处生成的新的空载可以至少部分基于层(包括经受成像的样品)的特征的几何剖面，形成包括光谱的信号。在图6的时间透镜系统中，只要FWM与信号侧结合并且另一FWM与空载侧结合，会聚和发散时间透镜就能够在FWM级中执行。因此，两级FEM配置可被简化为包括双向FWM结构，如图7所示。

为了至少部分基于包括经受成像的样品的层的特征的几何剖面，来快速捕获包括光谱的信号，与OCT系统类似，单帧检测能够获得单个照明点的深度信息。因此，再次参见图5，要捕获2维图像截面，例如，如图5的左框所示，扫描镜式电流计(M1)可用于样品臂中。

在可用于示出两种方法中的第一种的图5(a)中，可以看到从经受测试的样品发散输出信号的光谱到空间CCD传感器上。第二扫描镜式电流计(M2)可被利用来例如构造二维图像。例如，可以通过利用可能来源于单个源的驱动信号来同步扫描镜式电流计M1和M2。通常，与相关的现有方法相比，图5(a)中示出的方法可能更简单并且更直接，以及可以消耗非常少的处理资源，或者在一些情况下，可以不需要后处理资源。然而，图5(a)中示出的方法可能受到电荷耦合设备(CCD)传感器的帧率能力的限制，其每秒能够捕获例如数千帧。与之相比，WET系统的实施例可以每秒捕获数百万或者数十亿帧。

再次参见图5(b)，在第二方法中，可以利用诸如PASTA的光谱分析仪。在一个实例中，如果PASTA被用来同步WET系统的泵，则可以例如在每一帧取得成像信息。通过随每一帧获得成像信息，可以获得如图5(b)所示的单发和/或单帧成像。

根据很多实施例，WET系统可被采用，并且可以是能够以非侵入方式捕获层析分层的图像以及使能伴随高分辨率和敏感性的超快帧率的光学成像模式。在相关的现有技术中，如果从经受成像的样本直接反射出连续波源，则可能很难区分从经受测试的样本散射的能量的深度引起的延迟。在本发明的很多实施例中，可以在经受成像的样品前面引入线性频移设备(例如，时间透镜)。随着光或者其他光学能量通过WET系统向前和向后传输，光谱可被拉伸和压缩。在样品处，由于照明能量可以是扫频源，因此在压缩处理之后，不同的反射深度可能导致不同的输出波长，从而实现了不同层的分离。WET系统的某些方面与OCT技术的某些方面功能类似，该OCT技术依赖于干涉条纹的电学傅立叶变换。

尽管WET过程中可能存在很少的干涉或者不存在干涉，然而设备可以带来关于光场的光学傅立叶变换，与使用相关的现有OCT技术时的电学傅立叶变换相比，其将分辨率提高为约两倍。考虑到空载具有泵的两倍带宽，其另外将分辨率提高为约两倍。因此，在相同的光谱带宽下，与相关的现有OCT技术相比，WET系统可以实现精确多达4倍的分辨率。由于可以获得基于时间透镜聚焦机制的一些超快光谱时间分析仪，WET系统可以带来单发成像，并且提供成像帧率的多个数量级的提高，其每秒可以高达数百万或者甚至数十亿帧。

与OCT相比，WET的优势包括但不必然限于：(1)在生成干涉图样(条纹)时，不需要分开的参考分支；(2)由于不需要参考分支，成像速度不受机械组件的限制(例如，在时域OCT中移动参考臂以生成条纹)；(3)这是明显超快的全光过程，因为输出的散射信号直接反应空间信息，并且与SD-OCT相比不需要后处理；(4)原则上，WET系统可以实现比具有相同光谱带宽的OCT系统精确四倍的分辨率。因此，WET系统提高了A-扫描率和成像质量，并且还极大地简化了系统需求。

在不抵触本说明书的明确教导的范围内，本文提及或引用的所有专利、专利申请、临时申请和公开文本(包括“参考文献”部分中的那些文件)(包括所有图和表)通过引用被全部包含于此。

下文是示出了用于实施本发明的过程的示例。这些示例不应被解释为限制。除非另有说明，所有百分率是按照重量计的，并且所有溶剂配比是按照体积计的。

示例1

如图2所示的WET系统的性能被评估。根据公式(1)，输出波长偏移(Δλ)与反射深度(d)成正比。为定量地表征该特征，精度平移阶段被引入以控制反射镜，其跨11-mm的范围以1.25-mm的间距移动，并且图4示出了结果。可见，3-dB观察范围高达1cm，并且深度至波长映射比率为ε＝0.8nm/mm，这与公式(1)非常匹配。在WET系统中，空间分辨率(R_WET)指的是光学成像系统区分不同层的能力，其可以用光谱宽度(δλ)和映射比率(ε)来计算。理想的δλ由时间脉冲宽度(λ_BWDL)来确定，其可由FWM过程约束。应注意，δλ可受到扫频泵的高频率强度起伏的限制。如果在扫频泵的包络上不存在强度起伏，并且在整个转换范围上满足相位匹配条件，以及WET系统的空间分辨率可以如公式(2)所示。

基于实验的泵带宽(λ_BW＝7.5nm)，理想的空间分辨率应为36μm。与OCT相比，基于公式(2)，具有相同带宽(λ_BW)的WET系统在原则上可以实现精确四倍的分辨率。图3示出了该两级FWM的光谱，并且应注意，空载(I1)带宽(10nm)不是理想地为扫频泵带宽(7.5nm)的两倍，这是因为较高阶色散引入的相位不匹配。因此，转换带宽还限制了分辨率，并且相位匹配条件要求伴随较低色散系数(D)和斜率(S)的较短HNL-DSF。诸如硅波导的一些先进的色散工程化非线性介质帮助实现了100-nmFWM波长转换带宽，其可以有益于WET系统的实现。图3(b)的插入部分示出了输入和输出光谱(其从0.05nm(OSA分辨率)扩展至δλ＝0.12nm)之间的比较。两个倍数有助于该光谱展宽效应：第一，相位不匹配将空载(I1)的脉冲宽度降低了30％，因为其带宽在FWM1之后从15nm降低至10nm，如图3(a)所示。考虑到FWM2中的相同约束效应，空载(I2)的脉冲宽度可以降低一半，即将光谱扩展为两倍(从0.03nm至0.06nm)。第二，扫频泵的时间强度起伏向空载(I2)的光谱宽度引入另一个两倍(从0.06nm至0.12nm)。根据图4的测量(基于具有5-Hz帧率的OSA)，所评估的WET系统的对应分辨率为R_WET＝δλ/ε＝150μm，其小于公式(2)中给出的理想情况。

示例2

采用超快光谱获得模式比较了示例1的WET系统和相关的现有OCT系统，并且表1示出了结果。使用相同的光谱带宽(7.5nm)比较了系统，即使与公式(2)给出的理想情况相比有退化，该WET系统达到了与OCT系统相同的分辨率。

参见表1，超过100nm可以用作OCT的光谱宽度，并且其可以是SD-OCT中的非相干光源、傅立叶域锁模(FDML)激光源，或者在扫频源OCT中的具有基于微机电镜系统(MEMS)的滤波器的半导体扫频源。本示例中的WET系统中的光谱源可以多达10nm，其受到FWM波导的相位匹配条件的限制。为OCT的“测量的R”列举的值是估计的值，这是因为由OCT系统引入的小的分辨率退化。OCT的A-扫描率受到SD-OCT中的图形处理单元处理速度(执行校准和傅立叶变换)的限制。

表1.在相同的光谱宽度(7.5nm)下，OCT和WET系统之间的比较

	OCT	WET
			光谱宽度(λBW)	7.5mm	7.5mm
分辨率(R)	ROCT＝2ln2λ0 2/(πλBW)	RWET＝ln2λ0 2/(2πλBW)
			理论的R	144μm	36μm
测量的R	150μm	150μm
			深度范围	>1cm	>1cm
A-扫描率(fA)	40kHz	100MHz

可以通过扩展转换带宽和/或降低扫频泵的强度起伏来约束WET系统的光谱宽度。因此，更稳定的扫频泵可以导致更窄的光谱宽度。

应理解，本文描述的示例和实施例仅用于示意的目的，以及，根据该示例和实施例的各种变更或变化能够被本领域技术人员所想到并且被包括在本申请的精神和权限和所附权利要求的范围内。此外，本文公开的任何发明的任何元件或限制或者其实施例可以与本文公开的任何其他发明的任何和/或所有其他元件或限制(独立地或以任何组合)或者其实施例组合，并且根据本发明的范围而非对其限制地考虑所有这样的组合。

参考文献

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Claims (16)

1.一种成像系统，包括：

样品平台；

光电探测器；

线性频移设备，其被布置为使得来自所述样品平台上的样品的光在其到达所述光电探测器之前穿过所述线性频移设备；以及

处理设备，其与所述光电探测器可操作地通信，并且被配置为接收来自所述光电探测器的输出光谱以及仅在光域中实现对所述输出光谱的空间至波长转换。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述线性频移设备包括时间透镜。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述线性频移设备包括两个时间透镜。

4.根据权利要求3所述的成像系统，其中，所述两个时间透镜具有彼此相反的焦点群色散延迟。

5.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述处理设备是光谱分析仪。

6.根据权利要求1所述的成像系统，还包括扫频泵，与所述扫频泵可操作地通信的第一四波混频器，以及与所述扫频泵可操作地通信的第二四波混频器。

7.根据权利要求6所述的成像系统，其中，所述第一四波混频器是高度非线性色散偏移光纤，并且其中，所述第二四波混频器是高度非线性色散偏移光纤。

8.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述处理设备包括参数光谱时间分析仪。

9.一种用于对样品成像的方法，所述方法包括：

将样品放置在成像系统的样品平台上；

布置线性频移设备，使得来自所述样品的光在其到达所述成像系统的光电探测器之前穿过所述线性频移设备；

由与所述光电探测器可操作地通信的处理设备接收来自所述光电探测器的输出光谱；以及

由所述处理设备仅在光域中实现对所述输出光谱的空间至波长转换。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述线性频移设备包括时间透镜。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述线性频移设备包括两个时间透镜。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述两个时间透镜具有彼此相反的焦点群色散延迟。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述处理设备是光谱分析仪。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述成像系统还包括扫频泵，与所述扫频泵可操作地通信的第一四波混频器，以及与所述扫频泵可操作地通信的第二四波混频器，以及

其中，所述第一四波混频器向所述样品平台提供信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一四波混频器是高度非线性色散偏移光纤，并且其中，所述第二四波混频器是高度非线性色散偏移光纤。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述处理设备包括参数光谱时间分析仪。