CN105942967B - 借光学相干断层成像术测量对象的内部尺寸的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种借光学相干断层成像术测量对象的内部尺寸的系统和方法。所述系统包括：至少一个第一光学相干断层成像术OCT设备(OCT1)，被适配为测量所述对象(10)的第一部分体积(17)中的内部尺寸，以及至少一个第二OCT设备(OCT2)，被配置为测量同一所述对象(10)的第二部分体积(19)中的内部尺寸，其中，所述第二部分体积(19)至少部分不同于所述第一部分体积(17)，其中所述第一OCT设备(OCT1)被适配为发出发出第一辐射的第一光束(B1)，所述第一辐射具有在由第一工作波长(λ1)和第一带宽(Δλ1)限定的第一波长范围内的波长；其中所述第二OCT设备(OCT2)被适配为发出第二辐射的第二光束(B2)，所述第二辐射具有在由第二工作波长(λ2)和第二带宽(Δλ2)限定的第二波长范围内的波长。

Description

借光学相干断层成像术测量对象的内部尺寸的系统和方法
本申请是国际申请日为2011年2月15日、国家申请号为201180070052.0、发明名称为“通过光学相干断层成像术测量对象的内部尺寸的系统和方法”的进入中国国家阶段的PCT国际申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于通过光学相干断层成像术光学地测量对象的内部尺寸的系统和方法，其中，所述对象包括内部界面，在该内部界面处(光学)折射率发生变化以使入射光的一部分被反射回和/或散射回且能够被检测到。对象通常可以是在至少内部部分体积中对于测量所述空间中的内部尺寸的光学相干断层成像术(optical coherencetomography，OCT)设备所使用的工作波长的波长范围内的波长来说至少部分透明的任何样本对象。该对象可包括与折射率变化相关的相对复杂的外部结构和内部结构，且例如，可以为由透明塑料制成的对象，该透明塑料具有由与不同的折射率相关的塑料改进而形成的复杂内部结构，或者可以为生物组织的样本，例如眼睛，特别是人眼。
背景技术
已知光学相干断层成像术(optical coherence tomography，OCT)特别在人眼的几何特性和光学特性中的应用(例如，在眼睛诊断中的应用)，在测量眼睛的不同部分以及作为整体的眼睛的几何特性和光学特性时，可获得病人的个体眼睛模型，基于此为病人眼睛的屈光手术(例如，包括基于激光的屈光矫正)开发出最佳治疗方案。目前，必须包括基于不同测量原理的不同诊断设备来获得对眼睛不同部分(例如，包括眼睛的角膜和前部段(corneal and anterior segment，CAS))以及作为整体的眼睛(包括眼睛的长度和包括视网膜的眼睛后部的几何结构)的几何特征和光学特征的精确诊断。所需的精确度，即轴向分辨率Δz和横向分辨率Δx，对于上述眼睛的不同部分是不同的。例如，通过常规设备在描述CAS的地形图和厚度的特征中获得的轴向分辨率约在5μm和10μm之间，而小于3μm(更优选地小于1μm)的精确度/测量精度或分辨率对屈光矫正治疗的最佳方案和先验计算将是可取的。另一方面，眼睛的长度(特别是轴向长度)和沿该长度分布的主要折射率界面的位置仅需约50μm或更好的精度/分辨率Δz。通常，眼睛的(光学)屈光手术中的治疗方案基于以不同诊断设备的单次测量，可使用不同测量和求值原理。这就在将从不同设备中获得的测量数据集成到个体眼睛的单个模式时和试图建立单次综合治疗(例如，屈光手术、方案)时带来问题。此外，使用不同诊断设备是耗时的，这是由于设备是相继使用的且在设备和有待描述的眼睛之间需要特定于设备的调节。
作为一个示例，眼睛屈光手术中的常规治疗方案可使用由申请人制造的不同的诊断设备，包括用于获得角膜地形图(特别是角膜前表面)和后腔表面(post chambersurface，PCS)、虹膜、瞳孔、角膜缘和眶尖的定位的所谓的Allegro Topolyzer(商标)；用于获得角膜前表面和后表面地形图、角膜厚度和眼睛前腔的一些几何数据(例如，前腔深度)的Allegro Oculyzer(商标)；用于获得由个体畸变(例如，角膜、晶状体、玻璃体)产生的作为整体的眼睛的整体式波前数据和扰动且用于获得虹膜、瞳孔、角膜缘和血管的定位的Allegro Analyzer(商标)；用于确定角膜厚度、作为整体的眼睛的轴向长度、眼睛更多部分(例如，前腔和晶状体)的长度/厚度以及瞳孔、尖部、虹膜、角膜缘和血管的定位的AllegroBiograph；以及用于角膜中心厚度的局部(即，逐点的)测量和用于确定切面深度和角膜瓣厚度(例如，在准分子激光手术(LASIK)中)的测厚仪。具有相应属性和限制的类似设备由其他制造商生产并用于针对人眼的现有技术的诊断和(屈光矫正)治疗方案中。
旨在通过所需的精度/分辨率对眼睛的前段(包括角膜、前房、虹膜、后腔和晶状体的前表面(见图8))进行精确测量的常规诊断设备，无法测量诸如眼睛的总长度和晶状体后表面的地形图/几何图，而这些数据是计算眼睛总体屈光所需的。通常，计算眼睛总体屈光所需的数据通过基于眼睛的一般模型的计算迭代地进行确定，由此将计算出的数据与所测量的穿过整个眼睛的波前特性进行比较。
一个用于前部段成像的高质量的活体成像OCT设备的示例在I.Grulkowski等人于2009年3月12日在OPTICS EXPRESS的总第4842期第17卷第6号上公布的文章“Anteriorsegment imaging with Spectral OCT system using a high-speed CMOS camera”中公开。另一示例在J.Jungwirth等人在Journal of Biomedical Optics Letters的2009年9月/10月刊第14卷第5号上公布的文章“Extended in vivo anterior eye-segmentimaging with full-range complex spectral domain optical coherence tomography”中公开。前部段测量的再一示例为由TOMEY公司制造且在所附的系统规格说明书中描述的设备CASIA SS-1000。
用于产生3D断层图像模型的测量眼睛的全轴向长度的现有技术的第一示例在R.J.Zawadzki等人在SPIE proceedings的第5140卷上公布的文章“Three-dimensionalophthalmic optical coherence tomography with a refraction correctionalgorithm”中和Dr.H.P.Iseli等人在Augenspiegel的2008年7月-8月刊第20卷上公布的文章“Iterative Berechnung von Ablationsprofilen in der Refraktiven Chirurgie”中公开。
对包含折射率变化的内部界面的样本对象的内部尺寸的光学测量现有技术的讨论主要集中在与眼睛的诊断相关的特定应用上，在其他类型对象的光学研究中也会遇到如上所述的类似的约束和限制。
发明内容
鉴于现有技术中的用于获得对象(如眼睛)不同内部部分体积的不同特征的不同设备的使用的上述问题，本发明总的目标为节省诊断时间和与各自诊断设备相关的成本，且本发明的特定技术目标为实现针对眼睛不同部分的足够的测量精度(分辨率)，以可针对病人眼睛的视力矫正进行精确的个体(定制的)治疗。
通常，通过提供允许在实际的单次测量操作(例如，单次诊断研究)中测量和获得不同数据的单一系统来达到本发明的目的。换言之，尽管测量一个以上的参数，但病人仅经历(遭受)一次测量活动。本发明涉及致力于不同测量任务以及以不同的适当(轴向和横向)分辨率/精度对用于研究的对象的不同内部部分体积的测量的不同光学相干断层成像术(OCT)设备的集成。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于光学地测量对象的内部尺寸的系统，所述对象包括内部界面，在该内部界面处折射率发生变化以使得入射光的一部分被反射回和/或散射回并能够通过光学相干断层成像术OCT被检测，所述系统包括：至少一个第一OCT设备，被配置为测量所述对象的第一部分体积中的内部尺寸。
根据本发明，所述系统还包括：至少一个第二OCT设备，被配置为测量同一所述对象的第二部分体积中的内部尺寸，其中，所述第二部分体积至少部分地不同于所述第一部分体积。
第一OCT设备和第二OCT设备结合为单一系统，与使用均在单次测量操作中的两个单独的OCT设备相比，可在较短时间中使用单一系统以不同的适当/所需精度测量同一对象不同内部空间中的内部尺寸。
所述第一部分体积可位于样本对象的前侧处或该前侧附近。所述前侧基本上面向所述系统。且所述第二部分体积可位于该对象的后侧处或该后侧附近或者可基本上从该对象的前侧延伸至该对象的后侧。例如，该对象可为眼睛，特别是人眼。通过单一集成系统测量对象(特别是眼睛)的不同部分体积的内部尺寸节省时间和测量工作，且在研究眼睛的情况下，减少了病人经历的痛苦。
第一OCT设备可包括第一参考臂和第一样本臂，且所述第二OCT设备可包括第二参考臂和第二样本臂，其中，至少一段该第一样本臂和一段该第二样本臂指向所述对象。优选地，所述的一段第二样本臂空间上至少部分地与所述的一段第一样本臂重叠。更为优选地，所述的一段第二样本臂和所述的一段第一样本臂被引导通过公共透镜系统。引导该第一样本臂和第二样本臂朝向同一对象，其中，优选地，两样本臂在空间上重叠并最终被引导通过公共透镜系统，允许通过相对于要求保护的系统仅一次进行对象的单一机械调整来测量该对象的不同特性。
第一OCT设备可被配置为测量位于对象的前侧处或该前侧附近的第一部分体积，例如眼睛的角膜和前部段(corneal and anterior section，CAS)。第二OCT设备可被配置为测量例如沿深度方向测量/对象的第二部分体积的长度，例如从角膜的前表面到眼睛的视网膜的全长。与相继地调整和使用不同测量设备来测量对象相比，将第一OCT设备和第二OCT设备与它们的不同测量目标(待测量的不同部分体积)相结合，可降低成本、时间和测量工作。此外，结合的OCT诊断设备提供必要的完整数据集，以在一个程序中(“在单触发中”)以适当精度从总体上计算眼睛的成像属性。
第一OCT设备和第二OCT设备分别可被配置为发出各自以预设的第一焦距和第二焦距来聚焦的第一光束和第二光束，其中，该第一焦距可短于该第二焦距。这允许测量位于相对于对象前表面的不同深度处的不同的目标内部空间。
第一OCT设备可被配置为发出第一辐射的第一光束，该第一辐射具有在由第一工作波长和第一带宽限定的第一波长范围内的波长，进而限定第一轴向分辨率。第二OCT设备可被配置为发出第二辐射的第二光束，该第二辐射具有在由第二工作波长和第二带宽限定的第二波长范围内的波长，进而限定第二轴向分辨率。而且，所述第一轴向分辨率可高于所述第二轴向分辨率。优选地，第一轴向分辨率可小于5μm且第二轴向分辨率可大于15μm。更为优选地，第一带宽可大于约100nm且第二带宽可小于约20nm。更为优选地，第一工作波长可在从约700nm到约1350nm的范围内，优选从约700nm到约900nm，更优选从约750nm到约850nm，特别是约820nm；第一带宽可在约100nm到200nm之间的范围内。第二工作波长可在从约600nm到约1000nm的范围内，优选从约620nm到约750nm或从约800nm到约1000nm，特别是约700nm；第二带宽可在约5nm到10nm之间的范围内。在对象的不同内部尺寸和部分体积的测量中设置不同的轴向分辨率可节省测量时间并降低数据量和数据量存储需求，其中，在较小尺寸上需要较低的高分辨率，而在较大尺寸上较低分辨率则足够，这使得相比于以同样高的分辨率测量两空间的系统，可处理更少的数据。
第一OCT设备可被配置为发出聚焦辐射的第一光束，该聚焦辐射具有在包含第一工作波长的第一波长范围内的波长和第一数值孔径，进而限定第一横向分辨率。第二OCT设备可被配置为发出聚焦辐射的第二光束，该聚焦辐射具有在包含第二工作波长的第二波长范围内的波长和第二数值孔径，进而限定第二横向分辨率。而且，第一横向分辨率可不同于第二横向分辨率。优选地，第一横向分辨率可高于第二横向分辨率。更为优选地，第一横向分辨率约为10μm到20μm(且更优选与1μm到3μm的轴向分辨率相结合)且第二横向分辨率约为50μm到200μm(且更优选与10μm到50μm的轴向分辨率相结合)。在不同的聚焦辐射光束中设置不同的横向分辨率可使分辨率适于不同应用需求并节省测量时间、数据量和数据存储需求。
第一OCT设备可为谱域OCT设备且第二OCT设备可为时域OCT设备。或者，第一OCT设备和第二OCT设备可均为谱域OCT设备。再或者，第一OCT设备和第二OCT设备可均为时域OCT设备。针对用于研究的对象的不同部分体积来调整OCT设备的类型，允许根据研究对象的应用来优化测量精度、最小化测量时间并调整/优化数据采集的速度。
第一OCT设备可具有包括第一透镜系统和公共透镜系统的第一样本臂，其中，所述第一透镜系统和所述公共透镜系统设置在第一光轴上并共同形成所述第一样本臂中的第一光束的第一聚焦部分，其中，所述第一聚焦光束部分具有第一焦距。所述第二OCT设备可具有包括第三透镜系统、所述公共透镜系统和光谱部分反射镜的第二样本臂，所述光谱部分反射镜设置在所述第一透镜系统和所述公共透镜系统之间以将沿第二光轴的方向穿过所述第三透镜系统的第二光束引导至所述第一光轴的方向并穿过所述公共透镜系统，其中，所述第三透镜系统和所述公共透镜系统共同形成所述第二样本臂中的第二光束的第二聚焦部分，其中，所述第二聚焦光束部分具有第二焦距。在该结构中，第一焦距可不同于第二焦距。优选地，第一焦距小于第二焦距。焦距确定深度范围(测量的范围)。相应地，更为优选地，第二焦深被设计为(即，足够长)使得眼睛的整个轴向长度能够通过第二OCT设备来测量。第二样本臂产生于沿不同于第一光束的第一光轴的方向的第二光轴的第二方向、然后重新引导至第一光轴的方向、再同第一光束一起穿过公共透镜系统的这种设置允许第一OCT设备被设计为不同于第二OCT设备，例如在OCT设备的类型(谱域或时域)、轴向分辨率和横向分辨率、辐射的波长范围的选择、辐射的强度和由第一OCT设备和第二OCT设备产生的辐射在时间上的调制等方面。在一个替代实施例中，例如，针对不同于测量眼睛的应用，第二焦距可小于第一焦距。
第一OCT设备可包括具有第一工作波长和第一带宽的第一光源，且第二OCT设备可包括具有第二工作波长和第二带宽的第二光源。在该结构中，第一带宽可大于约100nm且第二带宽可小于约20nm。优选地，第一工作波长可为约820nm，第一带宽可在约100nm到约250nn范围内(优选在约100nm和约200nm之间)，且第二工作波长可为约700nm，第二带宽可小于20nn并优选在约5nm和约10nm之间的范围内。第一OCT设备和第二OCT设备的这种光谱结构允许以与第二部分体积不同的轴向分辨率且优选地在不同的工作波长处对第一部分体积进行研究。
第一OCT设备可具有第一样本臂且第二OCT设备具有空间上至少部分地重叠在所述第一样本臂上的第二样本臂。所述第一样本臂和所述第二样本臂可穿过双焦点公共光学透镜系统，所述双焦点公共光学透镜系统包括具有第一焦距并作用在所述第一样本臂中的第一聚焦部分和具有第二焦距并作用在所述第二样本臂中的第二聚焦部分。在这种结构中，第一焦距可小于第二焦距。在优选的第一实施例中，第一聚焦部分为双焦距系统的圆形中心部分且第二聚焦部分为围绕该第一聚焦部分的环形部分。更为优选地，第一聚焦部分和第二聚焦部分可具有不同的光谱透射率特性，每一部分被配置为根据可位于对象中不同距离/深度的相应的部分体积的研究需要来限定由相应的工作波长和带宽所限定的适当的波长范围，公共透镜系统的第一聚焦部分和第二聚焦部分的相应的焦距适于该相应的部分体积。在优选的替代性第二实施例中，双焦距系统具体体现为适当设计的具有至少两个互补区域的衍射光学元件(DOE)，第一区域被设计为提供第一焦距且第二区域被设计为提供第二焦距。
第一OCT设备和所述第二OCT设备可包括公共光源。这就进一步降低了系统成本并提高了第一OCT设备和第二OCT设备的集成程度。
第一OCT设备可包括第一参考臂，且第二OCT设备可包括空间上至少部分地重叠在所述第一参考臂上的第二参考臂。所述第一参考臂可具有大体上与所述第一样本臂的光程长度一致(correspond to)的光程长度，并可包括第一反射镜和第一参考臂透镜系统，所述第一参考臂透镜系统形成聚焦在所述第一反射镜上的第一参考臂部分。所述第二参考臂可具有大体上与所述第二样本臂的光程长度一致的光程长度，并可包括第二反射镜、设置在所述第一参考臂透镜系统前面的所述第一参考臂中的第二参考臂部分反射镜和设置在所述第一参考臂外且大体上位于所述第二参考臂部分反射镜和第二参考臂透镜系统之间的第二参考臂透镜系统，其中，所述部分反射镜将具有由第二工作波长和第二宽带限定的波长范围内的波长并沿第一参考臂方向穿过第一参考臂透镜系统的光束重新引导至第二参考臂方向并穿过所述第二参考臂透镜系统，且其中，所述第二参考臂部分反射镜和所述第二参考臂透镜系统共同形成聚焦在所述第二反射镜上的第二参考臂部分。这种结构允许第一OCT设备和第二OCT设备各自的第一参考臂和第二参考臂的至少部分的集成/重叠，同时可使第一参考臂和第二参考臂的光程长度大体上与相应的第一样本臂和第二样本臂的光程长度一致。
在参考臂的替代性实施例中，第一OCT设备可包括被配置为作用在穿过双焦点参考臂公共透镜系统的第一聚焦部分的第一参考臂上的第一聚焦部分，且第二OCT设备可包括空间上至少部分地重叠在所述第一参考臂上并穿过所述双焦点参考臂公共透镜系统的第二聚焦部分的第二参考臂，其中，所述第二聚焦部分被配置为作用在第二参考臂上。在该实施例中，第一参考臂进一步包括：第一反射镜，其在光谱上部分地反射具有在由第一工作波长和第一带宽限定的第一波长范围内的波长的光，且第二参考臂进一步包括：第二反射镜，其在光谱上对具有在例如由第二工作波长和第二带宽限定的第二波长范围内的波长的光进行反射。所述第一聚焦部分的焦距可被调整为使得所述第一参考臂的光程长度大体上与所述第一样本臂的光程长度一致，且所述第二聚焦部分的焦距可被调整为使得所述第二参考臂的光程长度大体上与所述第二样本臂的光程长度一致。优选地，所述双焦点参考臂公共透镜系统的所述第一聚焦部分为圆形中心部分，且所述第二聚焦部分为围绕该第一聚焦部分的环形部分。在一种结构中，所述双焦点参考臂公共透镜系统的所述第一聚焦部分和所述第二聚焦部分具有适于分别以用于研究的对象的第一部分体积和第二部分体积为目标的第一光束和第二光束的应用需要的不同光谱透射特性。在替代结构中，可将具有已选择的光谱透射率特性的光谱滤波器设置在双焦点参考臂公共透镜系统之后。
根据本发明的第二方面，如所要求的，提供了一种用于光学地测量对象的内部尺寸的方法，所述对象包括内部界面，在该内部界面处折射率发生变化以使入射光的一部分被反射回和/或散射回并能够被检测。例如，所述对象可为眼睛。
根据本发明，所述方法包括在单次测量操作中通过光学相干断层成像术(OCT)测量所述对象的第一部分体积中的内部尺寸和所述对象的第二部分体积中的内部尺寸的步骤，其中，所述第二部分体积至少部分地不同于所述第一部分体积。该方法达到上文要求保护的系统所限定的同样的技术效果和优点。
在执行要求保护的方法时，可使用以上所描述的系统。
附图说明
通过以下特定实施例的详细描述，本发明进一步的实施例、优点和技术效果可更为清晰。该实施例不旨在对本发明的范围进行限制，且该实施例是参照附图来提供的，其中：
图1示出常规的谱域OCT设备的实施例；
图2示出常规的时域OCT设备的实施例；
图3示出根据本发明的系统的第一实施例，其中，第一OCT设备和不同于该第一OCT设备的第二OCT设备通过仅重叠经由公共透镜系统指向同一待研究的对象的第一样本臂部分和第二样本臂的一部分而结合；
图4示出根据本发明的系统的第二实施例，其中，第一OCT设备和第二OCT设备进一步集成以具有结合的公共样本臂；
图5示出根据本发明的系统的光谱设计，提供了具有第一波长范围内的波长的辐射和具有第二波长范围内的波长的辐射，所述第一波长范围由第一工作波长和第一带宽限定，所述第二波长范围由第二工作波长和第二带宽限定；
图6示出根据本发明的系统的第三实施例，其中，第一OCT设备和第二OCT设备均为谱域OCT设备且具有部分集成的参考臂；
图7示出根据本发明的系统的第四实施例，其中，第一OCT设备和第二OCT设备均为谱域OCT设备，且其中，参考臂的设计不同于图6所示实施例中的参考臂的设计；以及
图8为穿过人眼的剖视图，其用于示出待研究的眼睛的不同部分体积和内部界面。
具体实施方式
图1示出示例性常规谱域类型的光学相干断层成像术(OCT)设备(SD-OCT)。标注为100的SD-OCT包括优选的宽带光源102、光源光纤104、光纤耦合器106、双向使用的光纤108、分束器112、包括第一公共透镜系统110(样本臂和参考臂共用)、分束器112和样本臂透镜系统114的样本臂以及包括分束器112、参考臂透镜系统116和参考臂反射镜117的参考臂；检测臂包括光纤耦合器106、检测臂光纤118、第一校准透镜系统120、光栅122、第二频谱成像透镜系统124和包含用于测量光谱分辨的干涉图样的多个检测器单元128-1到128-n的光谱仪检测器阵列126。SD-OCT100还包括用于执行所述光谱分辨的干涉图样130的快速傅里叶变换的计算单元132，用于计算样本对象10中的折射率界面14、14'、14”的深度分布134。
在SD-OCT100的操作中，光源102产生宽带光辐射，即包括分布在相对较宽的光谱波长范围内的波长的辐射的光辐射。所产生的辐射通过光源光纤104，经由光纤耦合器106及双向使用的光纤108进行传输，从该双向使用的光纤108的远端起，所述辐射以发散光束B1的形式发出穿过第一样本臂透镜系统110，这将光束B1变为基本为平行光的光束(如图1所示)通过分束器112。在分束器112中，平行光光束的一部分传输到朝向第二样本臂透镜系统114的SD-OCT100的样本臂SA1中，将光束聚焦成焦点落在对象10上的聚焦光束部分。
对象10包括在其内部空间中的多个内部界面14、14'、14”，在该内部界面处折射率变化从而导致照亮对象10的聚焦光束的部分反射。从多个内部界面14、14'、14”反射的辐射由第二样本臂透镜系统114聚集，进而作为基本为平行光的光束而传输通过第二样本臂透镜系统114，传输通过分束器112并由第一样本臂透镜系统110聚焦到双向使用的光纤108的远端。
从双向使用的光纤108作为基本平行辐射的光束通过第一样本臂透镜系统110传输的另一部分辐射，通过内部基本上平坦的表面部分反射，以形成指向将基本为平行辐射的光束聚焦在参考臂反射镜117上的参考臂透镜系统116的参考臂RA1，所述表面是倾斜的，优选地相对于基本为平行辐射的入射光束成基本45°角倾斜。参考臂反射镜117被设置为静止并反射聚焦辐射的光束，这样被反射的发散辐射通过参考臂透镜系统116而聚集，该参考臂透镜系统116将被反射的辐射作为基本为平行辐射的光束从参考臂传输。从参考臂返回的辐射通过分束器112的平坦内表面朝向第一样本臂透镜系统110被引导，该第一样本臂透镜系统110对从参考臂RA1返回的光进行传输并将其聚集在双向使用的光纤108的远端上。因此，光纤108同时传输由于从对象10内部界面14、14'、14”反射从样本臂SA1返回的辐射，以及由于从参考臂反射镜117反射从参考臂RA1返回的辐射，这使得这些辐射光束进行干涉。发生干涉的辐射通过光纤108，经由光纤耦合器106传输到检测臂光纤118中，从该检测臂光纤118的远端起，发生干涉的辐射作为发散光束出现，该发散光束通过第一检测透镜系统120聚集并传输到朝向光栅122的基本为平行光的光束中。光栅122根据撞击在光栅122上的辐射的不同波长将干涉光的入射光束反射成多个具有不同反射角的基本为平行光的光束。本领域技术人员已知光栅122作为根据辐射的波长以不同反射角对照射的辐射进行反射的光谱分辨元件的结构和功能，因此这里将其描述省略。
从光栅122反射的辐射的多个光谱分辨光束由第二检测透镜系统124聚集，并根据光栅122的反射角聚焦在光谱仪检测器阵列上，在该光谱仪检测器阵列上，聚焦的光谱分辨光束撞击到多个检测器单元128-1到128-n的相应的一个上并由该多个检测器单元128-1到128-n的相应的一个检测。
根据第一检测透镜系统120、光栅122、第二检测透镜系统124和光谱仪检测器阵列126的这种布置，沿光谱仪检测器阵列126的特定位置/特定的检测器单元128-i对应于干涉辐射的相应的特定波长，所述干涉辐射源于从样本臂SA1返回和从参考臂RA1返回的辐射的干涉。由此，光谱仪检测器阵列126检测光谱分辨的干涉图样130，该光谱分辨的干涉图样130基本为干涉辐射强度的光谱分布。将该光谱分布提交傅里叶变换，例如在快速傅里叶变换计算单元132中执行，以产生如图1所示的折射率界面的深度分布134。该分布134大体上包括干涉辐射的强度/幅度a(z)的分布，该分布作为用作由对象10中内部界面14、14'、14”反射的辐射的样本臂SA1中所测量光程z的长度的函数。如图1所示，分布134包括对应于图1所描述的对象10中的三个内部界面14、14'、14”的三个峰值。
换言之，从光源102发出的辐射的宽带光谱分布，在从折射率不连续/样本臂SA1中对象10的内部界面14、14'、14”反射之后，与参考臂RA1中反射的辐射的宽带光谱分布相干涉。对应于通过光栅122与特定检测器单元128-i相结合所实现的光谱分辨率的相应干涉光谱间隔，对应于来自对象10中内部界面14、14'、14”不同深度的信息。计算出频谱的傅里叶变换由光谱仪检测器阵列126寄存，进而产生对象10中有关沿深度方向z的界面的深度位置的信息。
如果对象10为人眼，则眼睛20(如图8所示)不同部分的折射率的差异由样本臂SA1中辐射所通过的材质的不同折射率导致，其中包括空气(折射率1.003)、泪膜(折射率1.3335)、表皮(折射率1.401)和基质(折射率1.3771)。人眼20各段的上述折射率值是从TOMEY公司制造的上述设备的规格说明书中获得的。
图2示意性地示出常规的时域类型OCT设备(TD-OCT)的一个示例。TD-OCT150包括优选的低相干光源152、第一光源光纤154、光循环器155、双向使用的第二光源光纤156、光纤耦合器158、包括双向使用的样本臂光纤160的样本臂SA2、第一样本臂透镜系统162、第二样本臂透镜系统164和包括折射率变化处的内部界面14、14'、14”的样本对象10。TD-OCT150进一步包括具有双向使用的参考臂光纤166的参考臂RA2、参考臂透镜系统168、位置可调制的参考臂反射镜170和超高速延时扫描器172。OCT设备150还包括检测臂，该检测臂包括第一检测光纤174和检测器178。可选地，作为提高信噪比的方法，OCT设备150进一步包括循环器155、第二检测光纤176和检测器178的差分形成部分(例如，双平衡式信号检测(dualbalanced signal detection,DBSD)单元)。作为获得对象10中内部界面14、14'、14”的深度信息的方法，OCT设备150还包括带通滤波器180、解调器182和计算机184，该计算机184用于接收解调信号并计算内部界面14、14'、14'的深度信息。
在TD-OCT150的操作中，光源152发出足以具备相对较低的相干且包括相对较窄的波长范围的辐射。光源152发出的辐射经由光循环器155传输通过第一光源光纤154，再经由光纤耦合器158传输通过第二光源光纤156，在光纤耦合器158中，该辐射分为传送到样本臂SA2的第一辐射部分和传送到参考臂RA2的第二辐射部分。
第一辐射部分通过样本臂光纤160传输，并从该样本臂光纤160的远端起，该第一辐射部分以由第一样本臂透镜系统162聚集的发散光束出现，该第一样本臂透镜系统162将该发散光束以基本为平行光的光束传输至第二样本臂透镜系统164。透镜系统164传输该光束并将其聚焦为聚焦光束，该聚焦光束的焦点落在对象10上。各个内部界面14、14'、14”将部分入射光反射回第二样本臂透镜系统164，该第二样本臂透镜系统164将从多个内部界面14、14'、14”反射的多个辐射部分聚集起来并将其传输至第一样本臂透镜系统162，该第一样本臂透镜系统162将从样本臂SA中反射回的辐射部分聚焦在样本臂光纤160的远端，该样本臂光纤160经由光纤耦合器158将该辐射传输至第一检测光纤174。
由光纤耦合器158分离的第二辐射部分参考臂RA2中传输通过参考臂光纤166，从该参考臂光纤166的远端起，该第二辐射部分以发散光束出现。它由参考臂透镜系统168聚集并以基本为平行辐射的光束传输至可调制的参考臂反射镜170。参考臂反射镜170通过高速延时扫描器172沿着参考臂RA2部分的轴向以周期性的方式来回地高速移动(如图2示出的双向箭头所指示)。从位置可调制的参考臂反射镜170反射的辐射由参考臂透镜系统168传输并聚焦在参考臂光纤166的远端上，该参考臂光纤166经由光纤耦合器158将反射的参考臂辐射传输至第一检测光纤174，在该处，参考臂辐射与由对象10的内部界面14、14'、14”反射的从样本臂SA2返回的辐射发生干涉。
干涉光通过第一检测光纤174传输至检测器178入口级的输入端口(-)，在该检测器处对干涉辐射强度的时间依赖性进行检测和记录。
作为提高信噪比的可选方法，例如通过执行背景相减法，由光源152发出的辐射的一部分通过循环器155传输至第二检测光纤176中，并通过第二检测光纤176传输至检测器178入口级的另一输入端口(+)。检测器178从来自干涉辐射中的信号中减去来自由光源152发出的辐射中的信号，并由循环器155“抽头(tapped)”。由于检测器178具有(+)和(-)入口端口的结构，因此来自光源152的信号中的多余噪声从干涉辐射的信号中减掉，进而提高了信噪比。由此获得的信号通过带通滤波器180馈送至解调器182，以去除由参考臂RA2中的延时扫描器172的高速调制产生的高频成分。由此获得的信号馈送至计算机184，并记录在该计算机184上，该计算机184由接收到的信号计算所需的对象10中内部界面14、14'、14”的深度信息。
在TD-OCT150中，窄带干涉辐射通过从样本臂SA2中对象10的内部界面14、14'、14”所反射的辐射与由参考臂RA2所产生辐射的干涉而降低，该窄带干涉辐射的光程长度通过延时扫描器172所产生的反射镜170的周期性运动进行扫描/变化。
谱域类型的OCT设备(如图1所例示)具有优于主要用在商业上的时域类型的OCT设备(如图2所例示)的优点：在不涉及机械地移动部件(例如，时域OCT设备150的参考臂反射镜170)的情况下，具有更佳/更高的信噪比和可同时获得的内部界面14、14'、14”的深度信息。
本领域技术人员可从光学的基本原理中得出并已知OCT设备的轴向分辨率Δz，因此用于获得内部界面14、14'、14”深度位置的精度大体上通过辐射的带宽(Δλ)和中心波长(λ0)根据以下公式而确定：
其中，n为表示部分反射界面的介质的折射率。如果对象10为图8所示的人眼20，则最前面界面的相关折射率为角膜的折射率n＝1.3771。
通过其获得相对于轴向(z)的横向上的深度信息的精度，即，横向分辨率Δx基本上由以下公式来确定：
其中，NA为聚焦透镜系统的数值孔径，f为透镜系统将样本臂的辐射聚焦在对象10上的焦距。
辐射的足够密集部分从其反射/散射回对象10中的轴向范围，为将辐射聚焦在对象10上的透镜系统的焦深(DOF)的数量级，且根据以下公式由透镜系统的焦距f或数值孔径NA来确定：
DOF∝1/NA2∝f2 (3)
针对第二部分体积大体上沿对象的全长延伸且第一部分体积接近或位于对象10的前侧16并从该前侧延伸出例如总轴长的十分之一的轴向延伸对象，对公式(1)、(2)和(3)进行赋值时，很明显，被配置为测量第一部分体积内的内部界面的具有足够精度的OCT设备无法以与对象10第一部分体积中同样的分辨率测量沿全长分布的内部界面，即第二部分体积。特别是，当对象10为人眼20(如图8所示)时，以一个被配置为测量包括角膜和前部段(CAS)的眼睛前段的单一的OCT设备，无法获得Δz＝1μm到3μm的高精度/轴向分辨率以及从角膜到视网膜26的眼睛20的长度。
在常规实践中，利用具有小于10μm的相对较高的轴向分辨率的谱域类型的OCT设备对眼睛20的CAS的眼内结构进行测量，其中，轴向分辨率在约1μm到3μm的范围内。针对眼睛的CAS的不同界面的精确测量，在本发明的范围内，可以并且非常需要(即使不是必须)采用轴向分辨率小于1μm的最新技术的SD类型OCT设备。
另一方面，例如，通过基于光学低相干反射(optical low coherencereflectometry，OLCR)原理的设备或利用时域类型的OCT设备对眼睛长度进行常规地测量，其中，必须在对应于眼睛长度的长度上改变(扫描)参考臂的长度，这是通过在相当的长度上轴向地扫描反射镜或通过横向地移动具有相应基准的棱镜而实现的，例如，在Haag-Streit公司制造的OLCR类型的设备中执行。
如上所述，根据本发明，为了能够在仅在对象全长的相对较小的部分上延伸的第一部分体积和例如沿全长延伸或通过例如该对象全长一半以上的轴向距离与第一部分体积轴向隔开的第二部分体积能够以足够高的分辨率进行同步或准同步的测量，提出将分别被配置为测量对象的第一部分体积和第二部分体积中内部尺寸的第一OCT设备和第二OCT设备结合(集成)起来。下面参照图3、4、6和7对其特定实施例进行描述。
在以下描述的实施例中，假设第一部分体积17位于对象10的前侧16附近或位于对象10的前侧16处并通过具有大体上延伸贯穿第一部分体积17的焦距范围DOF1的第一OCT设备OCT1来测量，且假设第二部分体积从对象10的前侧16延伸至其后侧18并通过具有延伸贯穿该第二部分体积的相应焦深DOF2的第二OCT设备OCT2来测量。
在图3所示的第一实施例中，通过对第二OCT设备OCT2的样本臂SA2的一部分与第一OCT设备OCT1的样本臂SA1的一部分进行重叠，并使第二OCT设备OCT2的样本臂SA2和第一OCT设备OCT1的样本臂SA1的该部分均通过公共透镜L12延伸至同一对象10，将第一OCT设备OCT1与第二OCT设备OCT2结合起来。第一OCT设备OCT1的样本臂SA1被设计为穿过第一透镜系统L1和公共透镜系统L12，该第一透镜系统L1和公共透镜系统L12共同形成大致对应于第一部分体积17与公共透镜系统L12间的距离和大体上延伸贯穿该对象的第一部分体积17的焦深DOF1的聚焦样本臂光束部分B1。第二OCT设备OCT2的样本臂SA2被设计为包括第三透镜系统L3、部分反射镜M和公共透镜系统L12，由此，第三透镜系统L3和部分反射镜M分别被设置在第一透镜系统L1和公共透镜系统L12之间的第一OCT设备OCT1第一样本臂SA1的外部和内部，以将第二OCT系统OCT2的样本臂SA2的一部分偏转至第一OCT设备OCT1第一样本臂SA1的方向。特别地，第二OCT系统OCT2的样本臂SA2的一部分大体上垂直于第一OCT设备OCT1的样本臂SA1，且部分反射镜M以相对于第一OCT设备OCT1的第一样本臂SA1的方向成45°的角度进行设置。
部分反射镜M的设置并不限定于上述设置。部分反射镜M可以不同于45°的角度θ来设置，例如θ的范围从20°到70°，且样本臂SA2的包括第三透镜系统L3的一部分和第二OCT设备OCT2的组件(除了样本臂透镜SA2)可以相对于样本臂SA1成2θ的角度来设置。
第三透镜系统L3与公共透镜系统L12共同形成第二聚焦部分B2，该第二聚焦部分B2具有大体上对应于对象10的后半部分与公共透镜系统L12间距离的焦距f2，且第二聚焦部分FP2的焦深DOF2大体上延伸贯穿第二部分体积19。
第一OCT设备OCT1为谱域OCT设备，例如，为图1所示的SD-OCT100的结构，由此，图1中SD-OCT100的第一样本臂透镜系统110和第二样本臂透镜系统114分别对应图3所示的结合系统的第一透镜系统L1和公共透镜系统L12。
第二OCT系统OCT2为时域OCT系统，例如，为图2所示的TD-OCT150的结构，由此，图2中TD-OCT150的第一样本臂透镜系统162和第二样本臂透镜系统164分别对应图3所示系统的第三透镜系统L3和公共透镜系统L12，且其中，如图3所示，图2中设备150的样本臂SA2通过在第一样本臂透镜系统162和第二样本臂透镜系统164之间部分插入部分反射镜M，将样本臂SA2“折叠”而修改。
第一/第二OCT设备OCT1/OCT2具有第一/第二光源(未示出)，该第一/第二光源产生第一/第二辐射，该第一/第二辐射包括具有在由第一/第二工作波长λ1/λ2和第一带宽Δλ1/Δλ2所限定的第一/第二波长范围内的波长的相应光谱。
当第一OCT设备OCT1用于测量图8所示的人眼20的CAS22、24时，适当的第一工作波长为λ1≈1.300nm，但λ1可为约700nm到约950nm范围内的波长，例如，如图5示例所示，λ1为约850nm(见下文)。第一带宽Δλ1可在从约100nm到约200nm的范围内，例如约100nm。第一OCT设备OCT1可为谱域OCT设备(例如，上述提及的由TOMEY公司制造的OCT设备)，其中，光源包括具有中心输出波长为λ1≈1310nm且输出功率小于或等于5mW的扫描源激光器。图3所示结构中的部分反射镜M可以常规方法中的二向色镜来实施。
当第二OCT设备OCT2用于测量图8所示的人眼20的全长时，适当的第二波长λ2在从约800nm到约1000nm的范围内。以往，前部OCT设备使用约1300nm的波长，但由于工作在小于约950nm的范围内的适当的光检测器(例如使用Si-CMOS技术的光检测器)经改进的可用性(，该波长正向更短波长转变。包括由第二光谱带宽Δλ2所限定的范围的第二波长λ2应不同于第一波长λ1且优选地在由包括第一波长λ1的第一光谱带宽Δλ1所限定的范围之外，例如，以降低第一光谱带和第二光谱带之间的相互串扰，特别是简化二向色分束器针对分离第一光谱带与第二光谱带的光谱设计(尽管这不是必须的)。
第一光谱带与第二光谱带的光谱设置的优选示例如图5所示。在图5的示例中，第一工作波长λ1约为850nm且第一带宽Δλ1为100nm，这样第一光谱带覆盖从约750nm到约950nm的范围，与基于Si-CMOS技术的检测器和Si-CCD检测器的光谱灵敏度特性一致；第二工作波长λ2约为700nm且第二带宽Δλ2较之第一带宽Δλ1非常小，特别地小于20nm。在这种情况下，例如在Haag-Streit公司制造的设备中，第二OCT设备OCT2可由基于光学低相干反射(OLCR)原理的设备来代替。
第二OCT系统OCT2的样本臂SA2中的第三透镜系统L3和公共透镜系统L12的结合具有相对较长的焦距f2，以允许测量延伸贯穿对象10总轴长的第二部分体积19，并且还具有适当地被设计为相对较长以延伸贯穿第二部分体积19的焦深DOF2。相反，第一OCT设备OCT1的第一样本臂SA1中的第一透镜系统L1和公共透镜系统L12的结合具有相对较短的焦距f1和相对较短的焦深DOF1，该焦距f1和焦深DOF1分别位于并仅延伸贯穿位于对象10前表面16或在该对象10前表面16附近的第一部分体积17。
图4示出第二实施例的集成系统OCT12'，其中，如图4所示，通过空间上至少部分地将第二OCT设备的样本臂SA2与第一OCT设备的样本臂SA1重叠，并通过将第一OCT设备与第二OCT设备集成在结合系统OCT12中，来实现第一OCT设备和第二OCT设备的结合。
在结合系统OCT12'中，第一OCT设备和第二OCT设备的检测臂在集成的检测臂(未示出)中共用，第一OCT设备和第二OCT设备的参考臂如分别在图6和图7中示出的第三和第四实施例中所实施的集成在一集成的参考臂(未示出)中，且第一OCT设备和第二OCT设备的光源集成在结合系统OCT12的公共光源LS12中。
如图4所示第二实施例的系统OCT12'包括分别将第一OCT设备和第二OCT设备的样本臂SA1和SA2集成到公共样本臂，其中，第一OCT设备的第一样本臂SA1的光束B1和第二OCT设备的第二样本臂SA2的光束B2很大程度地空间上彼此重叠。
如图4所示，通过引导辐射通过公共光纤SOF12，使以第一波长范围内的波长发出的与第一OCT设备相关的辐射(如图5所示)和以第二波长范围内的波长发出的与第二OCT设备相关的辐射在集成的样本臂SA12中被引导，从公共光纤SOF12的远端起，该辐射以发散的公共光束B12出现，该公共光束B12由第一透镜L1聚集并以基本为平行光的公共光束B12'传输至公共透镜系统，该公共透镜系统具体体现为双焦点公共透镜系统BFL12，且具备代表第一波长范围的辐射的第一聚焦部分FP1和代表第二波长范围的辐射的第二聚焦部分FP2。如图4所示，第一聚焦部分FP1提供第一焦距f1和延伸贯穿第一部分体积17的第一焦深DOF1，且第二聚焦部分FP2提供第二焦距f2和沿对象10的第二部分体积19延伸的第二焦深DOF2。
公共透镜系统BFL12这样设计：第一聚焦部分FP1和第二聚焦部分FP2可被设置为例如以两个半平面的形式彼此紧靠。或者，如图4所示，它们被设置为一个围绕另一个，由此第一聚焦部分FP1为中心圆形部分且第二聚焦部分FP2为围绕中心圆形的第一聚焦部分的环形部分。
作为公共透镜系统体现为双焦点公共透镜系统的替代，公共透镜系统可具体体现为具有两个不同焦距(例如，具有类似双焦点眼内透镜(IOL)的设计)的双焦点菲涅耳透镜(Fresnel lens)或双焦点衍射光学元件(DOE)。
在第一子实施例中，辐射的公共光束B12、B12'辐射包括覆盖图5所示的第一波长范围和第二波长范围的连续辐射光谱，且透镜系统BFL12的第一聚焦部分FP1和第二聚焦部分FP2分别具有适于在相应的第一和第二波长范围(如图5所示，分别由第一/第二工作波长λ1、λ2和第一/第二带宽Δλ1、Δλ2限定)内提供高透射系数的光谱滤波的透射特性，所述高透射系数优选地大于90％和优选地接近或约为100％。
在第二子实施例中，如图5所示，样本臂中公共光束B12、B12'的光谱成分通过分别设置分别与双焦点公共透镜系统BFL12的第一聚焦部分FP1和第二聚焦部分FP2叠合(congruent)的第一光谱滤波器和第二光谱滤波器而获得。
在图4所示实施例的第一子实施例和第二子实施例中，由于穿过双焦点公共透镜系统BFL12，辐射的公共光束B12'分成辐射的第一光束B1和辐射的第二光束B2，其中，第一光束B1穿过第一聚焦部分FP1且包括在第一波长范围(由图5的λ1和Δλ1限定)内的波长,并提供第一焦距f1和延伸贯穿对象的第一部分体积17的第一焦深DOF1；第二光束B2穿过第二聚焦部分FP2且包括在第二波长范围(由图5的λ2和Δλ2限定)内的波长，并提供第二焦距f2和延伸贯穿基本贯穿对象10全长12的第二部分体积19的第二焦深DOF2。在双焦点公共透镜系统BFL12中通过设置第一聚焦部分FP1围绕第二聚焦部分FP2，第一聚焦部分FP1具有比第二聚焦部分FP2更大的直径，且相应地，第一光束B1具有比第二光束B2更大的数值孔径。因此，根据公式(2)，第一部分体积17中的第一光束B1达到比第二部分体积19中的第二光束B2更小的横向分辨率Δx。根据公式(3)，第一光束B1的焦深DOF1小于被配置为测量第二部分体积19的第二光束B2的焦深DOF2。此外，由于第一光束B1的第一带宽Δλ1相对较宽，例如在约100nm到200nm的范围，且第一工作波长λ1在约700nm到950nm之间的范围内，例如为850nm；第二光束B2的带宽Δλ2相对较窄，例如约小于20nm，根据公式(1)，第一光束B1的轴向分辨率∝1/Δz1远远高于第二光束B2的轴向分辨率∝1/Δz2，或者说，Δz1<<Δz2。
当第一OCT系统和第二OCT系统均为SD-OCT类型设备时，它们可具有集成的样本臂(如图4、6或7所示)，可共用公共光源LS12(如图6和7所示)，且可进一步集成其参考臂(例如，如图6和7示出的实施例中所示)。
当光源LS12为适合于SD-OCT的宽带光源并具有例如从小于约700nm到大于约950nm范围的发射光谱时，这种结构尤其可被配置为测量人眼20的CAS段17和全长19(见图8)。这一范围很适于现代高速的基于硅(SI)的检测器的光谱灵敏度。第一波长可再光谱上例如通过光谱滤波元件从共用光源LF12的发射光谱中滤出，该光谱滤波元件被设计为传输具有在约为820nm的中心第一工作波长λ1附近的波长且在100nm到200nm范围内的第一带宽Δλ1的辐射。此外，第二波长范围可例如通过滤波器从共用光源LS12的发射光谱中滤出，该滤波器被设计为传输在约为700nm的中心第二工作波长λ2附近的波长和约5nm到约20nm范围内的第二带宽Δλ2。
相应的光谱滤波器分离地设置在集成的样本臂SA12中以与双焦点公共透镜系统BFL12的第一聚焦部分FP1和第二聚焦部分FP2相叠合，或者相应的光谱滤波器可通过例如相应的适当光谱滤波器涂层，特别是边缘滤波器涂层，直接应用于双焦点公共透镜系统BFL12的第一聚焦部分FP1和第二聚焦部分FP2中，其中，应用于第一聚焦部分FP1的第一边缘滤波器的边缘被设计为位于图5所示的第一波长范围和第二波长范围之间。
图6示出第三实施例的结合系统OCT12”。结合系统OCT12”具有基本上如图1所示的谱域OCT设备的结构，但相对于图4所示实施例进行了如下修改。
首先，包括样本光纤SOF12的样本臂SA12、第一长度系统L1和双焦点公共透镜系统BFL12如图4示出的第二实施例所示地构造。其次，光源LS12为适于SD-OCT应用的宽带光源，且宽带辐射光谱的光谱滤波被设置为通过分别对双焦点公共透镜系统BFL12的第一聚焦部分FP1和第二聚焦部分FP2应用第一光谱滤波器和第二光谱滤波器，以滤出第一波长范围和第二波长范围(如图5所示来限定)。第三，检测器臂通过使用用于引导来自第一光束B1和第二光束B2的干涉辐射的公共检测臂光纤DOF12、第一检测臂光学透镜系统DL1、公共检测臂光栅DG12、第二检测臂光学透镜系统DL2和公共检测臂光谱仪检测器阵列SDA12而集成，这些共同形成了与图1示出的SD-OCT设备100的第一检测透镜系统120、光栅122、第二检测透镜系统124和光谱仪检测器阵列126类似的结构。但公共检测器臂光栅DG12与公共检测器臂光谱仪检测器阵列SDA12的结合被配置为检测包括由上述光谱滤波器产生且如图5所示的第一波长范围和第二波长范围的辐射并在光谱上对该辐射进行分辨。
第四，参考臂通过至少部分地在空间上使分别对应于第一样本臂SA1和第二样本臂SA2的第一参考臂RA1和第二参考臂RA2进行重叠而集成。第一参考臂RA1包括公共分束器BS12、第一参考臂透镜LR1和第一参考臂反射镜MR1，其中，第一参考臂反射镜MR1被设置为静止且设置在相对于公共分束器BS12一位置(距离)处，从而使得第一参考臂RA1中辐射RAD1的光程长度与第一光束B1聚焦在第一部分体积17上的辐射的光程长度一致。第二参考臂RA2包括所述公共分束器BS12、第二参考臂部分反射镜MRA、第二参考臂透镜系统LR2和第二参考臂反射镜MR2，其中，反射镜MRA设置在公共分束器BS12和第一参考臂透镜系统LR1之间的第一参考臂RA1的光程中，且被配置为部分地反射(偏转)包括第二波长范围(由λ2和Δλ2限定，见图5)内的波长的辐射RAD2，使其远离第一参考臂RA1的方向并朝向第二参考臂透镜系统LR2和第二参考臂反射镜MR2。此外，第二参考臂反射镜MR2被设置为静止且设置在相对于公共分束器BS12一距离处，从而使得第二参考臂RA2中辐射RAD2的光程长度与第二样本臂SA2的第二光束B2的聚焦在对象10的第二部分体积19上的辐射的光程长度一致。部分反射镜MRA被配置为对于第一光谱范围内的第一辐射RAD1的波长选择性地透射以及对于第二波长范围内的第二辐射RAD2的波长选择性地反射。
为了提高信噪比和/或改善从第一部分体积17中的折射率界面返回的第一光束B1的干扰信号，设置了额外的第三参考臂反射镜MR3(见图6)，该第三参考臂反射镜MR3被设计为通过设置约在10％到50％范围内的透射系数对于第二波长范围内的波长部分地透射，并对于第一波长范围内的波长进行反射。反射镜MR3设置在第二参考臂RA2中一位置处，从而使得分束器BS12和反射镜MR3之间的光程与分束器BS12和反射镜MR1之间的光程一致。
在图6所示的实施例中，第二参考臂透镜系统LR2可具有与双焦点公共光学透镜系统BFL12的第二聚焦部分FP2相同的焦距。相应地，在对应于样本臂SA2中第二聚焦部分FP2的焦深DOF2的相对较长的焦深上，透镜系统LR2在第二参考臂反射镜MR2和第三参考臂反射镜MR3上成像类似的光束直径，以便获得足够的参考信号。
图7示出第四实施例的结合系统OCT12”'，其在样本臂SA12、光源LS12和检测臂的集成方面与图6所示的第三实施例的结合系统OCT12”类似，仅在参考臂的结构和集成程度方面不同。
在图7中，集成参考臂RA12包括双焦点公共参考臂透镜系统BFLRA或设计为以与双焦点透镜系统BFLRA相同的方式执行的适当的双焦点衍射光学元件(DOE)，二者均包括第一参考臂聚焦部分FPR1和围绕第一参考臂聚焦部分FPR1的第二参考臂聚焦部分FPR2。第一参考臂部分FPR1具有被配置为传输具有在第一波长范围(由λ1和Δλ1限定，见图5)内的波长的辐射并将该辐射聚焦在第一参考臂反射镜MR1上的焦距，且其中，第二参考臂聚焦部分FPR2被配置为传输包括在第二波长范围(由λ2和Δλ2限定，见图5)内的波长的辐射并将该辐射聚焦在第二参考臂反射镜MR2上。第一参考臂反射镜MR1和第二参考臂反射镜MR2设置在相对于公共分束器BS12某距离处，从而使得由第一参考臂聚焦部分FPR1产生的第一参考臂RA1的光程长度与样本臂SA12中第一光束B1的光程长度一致，且使得由第二参考臂聚焦部分FPR2产生的第二参考臂RA2的光程长度与样本臂SA12中第二光束B2的光程长度一致。因此，双焦点公共参考臂公共透镜系统BFLRA可与样本臂SA12中的双焦点公共透镜系统BFL12进行类似地配置。
在如图4、6和7所示的第二、第三和第四实施例的集成系统OCT12'、OCT12”和OCT12”'中，可设置双焦点菲涅耳透镜系统，分别来代替样本臂SA12中的双焦点公共透镜系统BFL12和参考臂中的双焦点参考臂公共透镜系统BFLRA。
此外，色差的失真校正可设置在这些集成系统的参考臂RA12中，以估算对象10的第一部分体积17和第二部分体积19中的第一光束B1和第二光束B2的色差并提高集成系统的信噪比。
附图标记和数字的列表：
SD-OCT 谱域类型的光学相干断层成像术
TD-OCT 时域类型的光学相干断层成像术
10 对象样本
12 长度
14,14',14″ 内部界面
16 前侧
17 第一部分体积
18 后侧
19 第二部分体积
20 眼睛
22 角膜段
24 前部段
26 视网膜
100 谱域OCT设备(SD-OCT)
102 光源(宽带)
104 光源光纤
106 光纤耦合器
108 双向光纤
110 第一样本臂透镜系统
112 分束器
114 第二样本臂透镜系统
116 参考臂透镜系统
117 参考臂反射镜
118 检测臂光纤
120 第一检测透镜系统
122 光栅
124 第二检测透镜系统
126 光谱仪检测器阵列
128-1,...128-i,...128-n 检测器单元
130 光谱分辨的干涉图样
132 快速傅里叶变换计算单元
134 折射率界面的深度分布
150 时域OCT设备(TD-OCT)
152 光源(低相干)
154 第一光源光纤
155 循环器(可选的)
156 第二光源光纤
158 光纤耦合器
160 (双向使用的)样本臂光纤
162 第一样本臂透镜系统
164 第二样本臂透镜系统
166 参考臂光纤
168 参考臂透镜系统
170 参考臂反射镜
172 (高速)延时扫描器
174 第一检测光纤
176 第二检测光纤
178 检测器
180 带通滤波器
182 解调器
184 计算机
OCT1 第一OCT设备
LS1 第一光源
RA1 第一参考臂
LR1 第一参考臂长度系统
RAD1 第一参考臂方向
SA1 第一样本臂
B1 第一光束
f1 第一焦距透镜
λ1 第一工作波长
Δλ1 第一带宽
L1 第一透镜系统
MR1 第一反射镜
OCT2 第二OCT设备
LS2 第二光源
RA2 第二参考臂
LR2 第二参考臂长度系统
RAD2 第二参考臂方向
SA2 第二样本臂
B2 第二光束
f2 第二焦距透镜
λ2 第二工作波长
Δλ2 第二带宽
L2 第二透镜系统
L3 第三透镜系统
MR2 第二反射镜
MR3 第三反射镜
OCT12…OCT12″′ 集成系统
LS12 公共光源
L12 公共透镜系统
BFL12 双焦点公共透镜系统
FP1 第一聚焦部分
FP2 第二聚焦部分
MRA 第二参考臂部分反射镜
BFLRA 双焦点参考臂公共透镜系统
FPR1 BFLRA的第一聚焦部分
FPR2 BFLRA的第二聚焦部分
OF1 OCT1的第一光纤
OF2 OCT2的第二光纤
OF12 OCT12'-OCT12″′的公共(样本臂)光纤
SA12 OCT12'-OCT12″′的公共样本臂
B12,B12' 样本臂辐射的公共光束
SOF12 样本臂光纤
DOF1 第一焦深
DOF2 第二焦深
DOF12 检测臂的光纤
DL1 第一检测臂光学透镜系统
DL2 第二检测臂光学透镜系统
DG12 公共检测臂光栅
SDA12 公共光谱仪检测器阵列
FFT12 快速傅里叶变换单元
COMP12 计算机
BS12 公共分束器

Claims (19)

1.一种用于光学地测量样本对象(10)的内部尺寸的系统(OCT12-OCT12″′)，所述对象是人的眼睛(20)，所述对象(10)包括内部界面(14、14′、14″)，在该内部界面(14、14′、14″)处折射率发生变化，以使得入射光的一部分被反射回和/或散射回并能够通过光学相干断层成像术(OCT)被检测，所述系统包括：
-至少一个第一OCT设备(OCT1)，被适配为测量所述对象(10)的第一部分体积(17)中的内部尺寸，以及
-至少一个第二OCT设备(OCT2)，被适配为测量同一所述对象(10)的第二部分体积(19)中的内部尺寸，其中，
-所述第二部分体积(19)至少部分地不同于所述第一部分体积(17)，
其中所述第一OCT设备(OCT1)被适配为发出第一辐射的第一光束(B1)，所述第一辐射具有在由第一工作波长(λ1)和第一带宽(Δλ1)限定的第一波长范围内的波长，进而限定第一轴向分辨率；
其中所述第二OCT设备(OCT2)被适配为发出第二辐射的第二光束(B2)，所述第二辐射具有在由第二工作波长(λ2)和第二带宽(Δλ2)限定的第二波长范围内的波长，进而限定第二轴向分辨率；
其中以下项适用：
-所述第一工作波长大于所述第二工作波长，以及
其特征在于：
所述第一带宽大于100nm，且所述第二带宽小于20nm，以及
所述第一轴向分辨率高于所述第二轴向分辨率。
2.根据权利要求1所述的系统(OCT12)，其中：
所述第一OCT设备(OCT1)包括第一参考臂(RA1)和第一样本臂(SA1)，
所述第二OCT设备(OCT2)包括第二参考臂(RA2)和第二样本臂(SA2)，以及
所述第一样本臂(SA1)和所述第二样本臂(SA2)在空间上重叠。
3.根据权利要求1所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)被适配为测量所述眼睛(20)的角膜(22)和前部(24)段，和/或，所述第二OCT设备(OCT2)被适配为测量测量所述眼睛(20)的视网膜(26)和/或长度。
4.根据权利要求3所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第二OCT设备(OCT2)被适配为测量沿深度方向的长度。
5.根据权利要求1所述的系统(OCT12、OCT12′)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)被适配为发出以预设的第一焦距(f1)聚焦的第一光束(B1)，且所述第二OCT设备(OCT2)被适配为发出以预设的第二焦距(f2)聚焦的第二光束(B2)，其中，所述第一焦距(f1)短于所述第二焦距(f2)。
6.根据权利要求1所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)被适配为发出聚焦辐射的第一光束(B1)，所述聚焦辐射的第一光束(B1)具有在包含第一工作波长(λ1)的第一波长范围内的波长和第一数值孔径(NA1)，进而限定第一横向分辨率(Δx1)；以及
所述第二OCT设备(OCT2)被适配为发出聚焦辐射的第二光束(B2)，所述聚焦辐射的第二光束(B2)具有在包含第二工作波长(λ2)的第二波长范围内的波长和第二数值孔径(NA2)，进而限定第二横向分辨率(Δx2)，以及
所述第一横向分辨率(Δx1)不同于所述第二横向分辨率(Δx2)。
7.根据权利要求6所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第一横向分辨率(Δx1)小于所述第二横向分辨率(Δx2)。
8.根据权利要求1所述的系统(OCT12)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)为谱域OCT设备(SD-OCT)且所述第二OCT设备(OCT2)为时域OCT设备(TD-OCT)。
9.根据权利要求1所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)和所述第二OCT设备(OCT2)中的每一个均为谱域OCT设备(SD-OCT)。
10.根据权利要求1所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)具有包括第一透镜系统(L1)和公共透镜系统(L12)的第一样本臂(SA1)，其中，所述第一透镜系统(L1)和所述公共透镜系统(L12)设置在第一光轴上并共同形成所述第一样本臂(SA1)中的第一光束(B1)的第一聚焦部分，所述第一聚焦部分具有第一焦距(f1)；
所述第二OCT设备(OCT2)具有包括第三透镜系统(L3)、所述公共透镜系统(L12)和光谱部分反射镜(M)的第二样本臂(SA2)，所述光谱部分反射镜(M)设置在所述第一透镜系统(L1)和所述公共透镜系统(L12)之间，以将沿第二光轴的方向穿过所述第三透镜系统(L3)的第二光束(B2)重新引导至所述第一光轴的方向并穿过所述公共透镜系统(L12)，其中，所述第三透镜系统(L3)和所述公共透镜系统(L12)共同形成所述第二样本臂(SA2)中的第二光束的第二聚焦部分，所述第二聚焦部分具有第二焦距(f2)；以及
所述第一焦距(f1)不同于所述第二焦距(f2)。
11.根据权利要求10所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第一焦距(f1)小于所述第二焦距(f2)。
12.根据权利要求10所述的系统(OCT12)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)包括具有第一工作波长(λ1)和第一带宽(Δλ1)的第一光源(LS1)，且所述第二OCT设备(OCT2)包括具有第二工作波长(λ2)和第二带宽(Δλ2)的第二光源(LS2)；以及
所述第一带宽(Δλ1)在100nm到200nm的范围内，且所述第二带宽(Δλ2)小于20nm。
13.根据权利要求1所述的系统(OCT12′、OCT12″)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)具有第一样本臂(SA1)且所述第二OCT设备(OCT2)具有空间上至少部分地重叠在所述第一样本臂(SA1)上的第二样本臂(SA2)，所述第一样本臂(SA1)和所述第二样本臂(SA2)穿过双焦点公共光学透镜系统(BFL12)，所述双焦点公共光学透镜系统(BFL12)包括具有第一焦距(f1)并作用在所述第一样本臂(SA1)中的第一聚焦部分(FP1)和具有第二焦距(f2)并作用在所述第二样本臂(SA2)中的第二聚焦部分(FP2)；以及
所述第一焦距(f1)不同于所述第二焦距(f2)。
14.根据权利要求13所述的系统(OCT12′、OCT12″)，其中，所述第一焦距(f1)小于所述第二焦距(f2)。
15.根据权利要求1所述的系统(OCT12-OCT12″′)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)和所述第二OCT设备(OCT2)包括公共光源(LS12)。
16.根据权利要求13或14所述的系统(OCT12″)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)包括第一参考臂(RA1)且所述第二OCT设备(OCT2)包括空间上至少部分地重叠在所述第一参考臂(RA1)上的第二参考臂(RA2)；
所述第一参考臂(RA1)具有大体上与所述第一样本臂(SA1)的光程长度一致的光程长度，并包括第一反射镜(MR1)和第一参考臂透镜系统(LR1)，所述第一参考臂透镜系统(LR1)形成沿第一参考路径方向(RAD1)延伸并聚焦在所述第一反射镜(MR1)上的第一参考臂部分；以及
所述第二参考臂(RA2)具有大体上与所述第二样本臂(SA2)的光程长度一致的光程长度，并包括第二反射镜(MR2)、设置在所述第一参考臂(RA1)中在所述第一参考臂透镜系统(LR1)前面的第二参考臂部分反射镜(MRA)和设置在所述第一参考臂(RA1)外且大体上位于所述第二参考臂部分反射镜(MRA)与第二参考臂透镜系统(LR2)之间的第二参考臂透镜系统(LR2)，其中，所述部分反射镜(MRA)将具有与所述第二参考臂(RA2)相关的第二波长范围内的波长并穿过所述第一参考臂透镜系统(LR1)的光束重新引导至第二参考臂方向(RAD2)并通过所述第二参考臂透镜系统(LR2)，且其中，所述第一参考臂透镜系统(LR1)和所述第二参考臂透镜系统(LR2)共同形成聚焦在所述第二反射镜(MR2)上的第二参考臂部分。
17.根据权利要求13或14所述的系统(OCT12″′)，其中，所述第一OCT设备(OCT1)包括穿过双焦点参考臂公共透镜系统(BFLRA)的第一聚焦部分(FPR1)的第一参考臂(RA1)，且所述第二OCT设备(OCT2)包括空间上至少部分地重叠在所述第一参考臂(RA1)上并穿过所述双焦点参考臂公共透镜系统(BFLRA)的第二聚焦部分(FPR2)的第二参考臂(RA2)，
所述第一参考臂(RA1)进一步包括：第一反射镜(MR1)，被适配为对具有在由第一工作波长(λ1)和第一带宽(Δλ1)限定的第一波长范围内的波长的光进行反射；
所述第二参考臂(RA2)进一步包括：第二反射镜(MR2)，被适配为在光谱上对具有在由第二工作波长(λ2)和第二带宽(Δλ2)限定的第二波长范围内的波长的光进行反射；
所述第一聚焦部分(FPR1)的焦距被确定为使得所述第一参考臂(RA1)的光程长度大体上与所述第一样本臂(SA1)的光程长度一致；以及
所述第二聚焦部分(FPR2)的焦距被确定为使得所述第二参考臂(RA2)的光程长度大体上与所述第二样本臂(SA2)的光程长度一致。
18.根据权利要求17所述的系统(OCT12″′)，其中，所述第一聚焦部分(FPR1)为圆形中心部分，且所述第二聚焦部分(FPR2)为围绕所述双焦点参考臂公共透镜系统(BFLRA)的所述第一聚焦部分(FPR1)的环形部分。
19.一种使用根据权利要求1至18中任一项所述的系统来光学地测量对象(10)的内部尺寸的方法，所述对象是人的眼睛(20)，所述对象包括内部界面(14、14′、14″)，在该内部界面(14、14′、14″)处折射率发生变化以使得入射光的一部分被反射回或散射回并能够被检测，所述方法包括如下步骤：在单次诊断研究中借助于光学相干断层成像术(OCT)测量所述对象(10)的第一部分体积(17)中的尺寸和所述对象(10)的第二部分体积(19)中的尺寸，其中，所述对象(10)的所述第二部分体积(19)至少部分地不同于所述对象(10)的所述第一部分体积(17)。
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