CN105980810B - 光学断层摄影装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学断层摄影装置，其包括：多色光源(SLP)、一维光学传感器(CIM)、干涉显微镜(MI)、一维共焦空间过滤系统(FS)、致动系统(TR1、TR2、TR3)以及处理器(PR)；所述致动系统(TR1、TR2、TR3)可以执行待观察目标的深度方面的单向扫描；所述处理器(PR)用于根据所述单向扫描期间由所述图像传感器获取的多个一维干涉图像来重构所述目标的截面的二维图像。本发明还涉及一种使用这样的装置的光学断层摄影方法。

Description

光学断层摄影装置和方法
技术领域
本发明涉及一种光学断层摄影装置和方法，特别但不唯一地旨在用于生物学和医学(尤其是组织学)的应用。其他可能的应用涉及例如材料的特性。
背景技术
在临床实践中广泛应用了通过活组织检查而进行的组织的组织学研究，例如，用于诊断肿瘤。但是，由于其要求活组织检查(即，对待研究的组织进行取样，将其切成薄片而利用显微镜进行观察，并且由解剖病理学家进行分析)，因此该技术在实施上较慢且较复杂。整个过程还要求样品的固定、基质中样品的遮盖(occlusion)以及样品的染色。这提出了这样的问题：尤其在外科手术期间进行检查的情况中，速度是最重要的。另外，对于患者而言，采样步骤是令人讨厌甚至是危险的(例如，脑部采样的情况)。因此，已经研发了非侵入性(尤其是光学)成像技术来观察生物组织的内部结构(或更概括而言，来观察半透明目标的内部结构)。为了与传统的组织学检查竞争，这些技术必须可以在原处获取组织表面下毫米水平的深度，并且展示出微米水平的分辨率。执行的速度、简易度和成本也都是要考虑的重要因素。
现有技术中已知的成像技术不能满足所有要求。
扫描光学相干断层摄影(OCT)是基于“白”(宽波段)光干涉法的技术。在其方案(version)中，在时域中，白光束被分为两部分，一部分聚焦于待研究的组织，另一部分聚焦于参考镜。将由所观察的目标所反射(后散射)的光与由参考镜所反射并且由光电检测器来检测的光相结合。仅当光路差大部分为辐射的相干长度的水平时发生干涉；通过修正干涉计的参考臂的光学长度，在目标中获取不同的深度。可以使用干涉测量法(其允许根据轴向维度(也即深度)的采集)来构建2维甚至3维中的图像并且进行扫描(其允许根据一个或两个横向维度的采集)。在扫描OCT中，在频域中，参考臂具有固定的光学长度，并且对干涉信号进行频谱分析。对此，参见A.F.Fercher的文章“Optical coherence tomography–principles and applications”，Reports on Progress in Physics 66(2003)239–303。在实践中，OCT难以获取优于大约几微米的横向分辨率。
更近期的技术(全场OCT)使用二维图像传感器来检测干涉信号。该技术与低时间和空间相干的光源(例如，卤钨灯)的使用相结合，相比于扫描OCT可以实质改善空间分辨率(横向和深度方向(轴向)两者)。但是，该技术不适合应用于很可能会移动的目标(尤其对于在体内的应用)，这会导致干涉信号受到干扰。另外，其提供了“相对(en face)”的截面(平行于所观察目标的表面)，然而垂直截面通常更有用。另外，其穿透深度小于扫描OCT中的深度。该技术在例如文献EP1364181和A.Dubois,K.Grieve,G.Moneron,R.Lecaque,L.Vabre,以及A.C.Boccara的文章“Ultrahigh-resolution full-field optical coherencetomography”Applied Optics 43,p.2874(2004)中所描述的。
由S.Kim等所著的文章"Simultaneous measurement of refractive index andthickness by combining low-coherence interferometry and confocal optics",Optics Express,Vol.16,No.8,5516(2008年4月14日)描述了这样的方法：其将共焦光学和干涉测量法与低相干长度进行结合，以通过确定其厚度和其折射率来描述样本。这不是成像方法，更不是断层摄影。
共焦显微观测使用空间过滤来选择从被观察的目标的小区域发出的光；可以随后通过扫描来重构二维或三维图像。文献EP 2 447 754描述了一种狭缝有色共焦显微观测装置和方法。该系统要求：
-偏振光照明；
-目标具有强烈色差；以及
-用于测量在显微镜的输出处的光的光谱的分光计，该测量可以获取在目标中探测的深度。
在该装置中，狭缝用于产生光谱线(其宽度限定光谱分辨率，并因此限定目标中的空间分辨率深度方向)。其不具有共焦过滤作用。
文献EP 1 586 931描述了另一种狭缝共焦显微观测装置和方法，其通过允许同时沿线采集大量像素来简化图像重构的过程。共焦显微观测(不使用荧光标记)提供基本小于扫描OCT和全场OCT的穿透深度。
由Yu Chen等所著的文章“High-resolution line-scanning optical coherencemicroscopy”,Optics Letters Vol.32,No.14,2007年7月15日,第1971–1973页描述了一种将狭缝共焦显微观测和扫描OCT相结合的装置和方法，其可以利用高于全场OCT的敏感度来获取样本的“相对”的截面。获取的轴向分辨率大约为3μm，横向分辨率大约为2μm，通过将非常昂贵的飞秒脉冲激光用作光源来获取这些结果。
非线性显微观测技术(双光子显微观测法、谐波显微观测法和其他这样形式的显微观测法)展示出这样的性能水平：其穿透深度、空间分辨率和采集率可以与全场OCT的穿透深度、空间分辨率和采集率相比，但是其成本更高并且一般采集时间更长。
实施的成本和复杂度也是非光学成像技术的主要缺陷，非光学成像技术为例如X射线微断层摄影(其也展示出低采集率)和磁共振成像IRM(相比于光学方法，磁共振成像IRM的空间分辨率为中等)。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的上述缺点的至少一部分。更具体而言，其旨在提供这样的技术：其用于观察半透明目标(例如生物组织)的内部结构，从而可以以高速率(每秒多个截面)获取垂直截面(正交于目标的表面)，具有高空间分辨率(轴向和横向均为1μm水平)和令人满意的穿透深度(毫米水平)。本发明还旨在提供一种适合于在体内以及在原位应用的技术。
可以实现该目标的本发明的一个方案是一种光学断层摄影装置，其包括多色光源；一维光学传感器；干涉显微镜，其包括：参考臂，在所述参考臂端部设置有参考镜；目标臂；分束器，其将所述参考臂和所述目标臂联接至所述多色光源和所述一维光学传感器；以及位于所述参考臂中的第一物镜，所述参考镜设置于所述第一物镜的位于参考臂中的聚焦平面；一维共焦空间过滤系统，其与所述多色光源配合以使用观察线来对设置于所述目标臂的待观察的目标进行照明，其中，所述观察线包括在位于所述目标臂中的第二物镜的聚焦平面中的光线，并且垂直于所述第二物镜的光学轴线延伸，其中，在所述一维光学传感器上形成所述观察线的一维图像，其中，所述光学断层摄影装置还包括：至少一个致动器，所述至少一个致动器被配置为平行于沿所述目标臂延伸的所述第二物镜的光学轴线在深度方向上移动所述观察线，从而执行所述目标的深度扫描，同时保持第一轨迹和第二轨迹之间的零光路差，在一方面，第一轨迹是指从所述分束器至所述参考镜并且沿所述参考臂行进而返回，在另一方面，第二轨迹是指从所述分束器至所述观察线并且沿所述目标臂行进而返回；以及处理器，其编程或配置为，根据所述深度扫描期间由所述一维光学传感器获取的对应于所述观察线的不同位置的多个一维干涉图像，将待观察的所述目标的平行于所述第二物镜的所述光学轴线而定向的截面的二维图像重构，所述光学轴线沿所述目标臂延伸。
根据这样装置的不同的实施方案：
-所述至少一个致动器可以配置为引起待观察的所述目标相对于所述干涉显微镜的相对位移，而不修正所述参考臂和所述目标臂的光学长度，该位移平行于放置于所述目标臂中的所述第二物镜的所述光学轴线。
-所述至少一个致动器可以配置为在所述观察线所在的聚焦平面上移动所述第二物镜，并且修改所述参考臂的光学长度从而保持所述第一轨迹和所述第二轨迹之间的零光路差。
-所述光学断层摄影装置还可以包括色散补偿装置，该色散补偿装置中的至少一个设置于所述目标臂和所述参考臂外部，所述至少一个致动器配置为在所述深度扫描期间也作用于所述色散补偿装置。
-所述干涉显微镜可以为Linnik显微镜，其包括设置于所述参考臂的第一物镜和设置于所述目标臂的第二物镜，所述参考臂和所述目标臂是分开的。其变型可以从包括单物镜的Michelson显微镜和Mirau显微镜中进行选择。
本发明的另一个主题为一种光学断层摄影方法，其包括以下步骤：
a)提供多色光源；
b)使用分束器，以将由所述多色光源发射出的光的第一部分沿第一轨迹(称为参考轨迹)进行指引并且将由所述多色光源发射出的光的第二部分沿第二轨迹(称为目标轨迹)进行指引；
c)使用与一维共焦空间过滤系统配合的物镜来聚焦光的所述第二部分，从而使用观察线来对待观察的半透明目标进行照明，并且收集由被照明的目标后散射的光，其中，所述观察线包括在所述物镜的位于所述目标臂中的聚焦平面中的光线，并且垂直于所述物镜的光学轴线延伸；
d)使用所述物镜来将光的所述第一部分聚焦于设置在所述参考轨迹的参考镜，并且收集由所述参考镜反射的光；
e)使用所述分束器来将由所述目标后散射的光与由所述参考镜反射的光相结合，并且将其指引向一维光学传感器；
f)在所述一维光学传感器上形成所述观察线的一维图像；
g)使用至少一个致动器来对平行于所述物镜的光学轴线的所述观察线进行沿深度方向的位移，从而沿所述目标轨迹来执行待观察物体的深度扫描，同时保持所述参考轨迹和所述目标轨迹之间的零光路差；以及
h)使用处理器来根据所述深度扫描期间由所述一维光学传感器获取的对应于所述观察线的不同位置的多个一维干涉图像而重构待观察的所述目标的平行于所述光学轴线而定向的截面的二维图像。
根据这样方法的不同的实施方案：
-所述步骤g)可以这样实施：通过引起待观察的所述目标相对于所述干涉显微镜的平行于所述光学轴线的相对位移，而不修改所述参考臂和所述目标臂的光学长度。
-可选地，所述步骤g)可以这样实施：通过在所述观察线所在的聚焦平面上移动物镜并且修改所述参考臂的光学长度，从而保持所述第一轨迹和所述第二轨迹之间的零光路差。
-本方法还可以包括步骤i)，对所述深度扫描期间待观察的所述目标内的观察线的位移所导致的色散的修正进行补偿。
附图说明
将参考所附附图，通过举例而在阅读说明书时给出本发明的其他特征，细节和优点，其分别表示为：
-图1A为基于Linnik干涉显微镜的根据本发明的实施方案的光学断层摄影装置的示意图；
-图1B示出了根据本发明的所述实施方案的变型的光学断层摄影装置的细节；
-图2A、2B为基于Michelson和Mirau干涉显微镜的配置的本发明的其他可能实施方案；
-图3A和3B示出了狭缝共焦过滤的原理；
-图4A和4B分别示出了通过使用根据现有技术的光学相干断层摄影装置而获得的图像以及通过使用根据本发明的光学断层摄影装置而获得的相同目标的图像；
-图5A至5G示出了基于Michelson和Mirau干涉显微镜和使用浸没介质的本发明的不同的实施方案；以及
-图6示出了基于Linnik干涉显微镜和使用浸没介质的本发明的另一个实施方案。
具体实施方式
图1A示出了根据本发明的实施方案的光学断层摄影装置。该装置实质上包括：“Linnik”干涉显微镜、系统(DCD)、一维光学传感器(CIM)以及处理器(PR)；所述“Linnik”干涉显微镜通过添加空间过滤装置(FE，FS)而进行修正；系统(DCD)用于补偿干涉计的两个臂之间的色散差；处理器(PR)被适当地进行编程或配置。
该装置包括多色光源SLP。后者示意性地由白炽灯泡表示，但是其可以优选地为更高亮度的源，例如发光二极管或发光二极管的组合、超辐射发光二极管或超辐射发光二极管的组合、卤素白炽灯、电弧灯、甚至激光器或基于激光器的源(例如由“超连续谱”产生的源)。在所有情况下，其光谱宽度(在中间高度处)将优选地大于或等于100nm；该光谱越宽，装置的轴向分辨率越好；带中心波长可以为可见的或可以位于近红外；在生物学和医学应用中，一般优选为近红外，通常地在600nm和1500nm之间。源可以为极化或非极化的，空间相干或不相干的。空间相干源(激光或超辐射发光二极管类型的空间相干源)可以为有利的(由于其具有更好的照明)，但是其会引入相干“噪声”：杂散干扰现象导致有用干涉信号的相对幅值的减小并且使照明缺乏均匀性。另外，空间相干源的使用大体上增加了装置的整体成本。
狭缝FE和透镜LE形成了与源SLP和干涉显微镜进行协作以沿线对待观察的目标OBJ进行照明的照明光学系统。如果多色光源为空间相干的，则狭缝FE可以由束形成镜片来代替，结合例如会聚或发散的圆柱形透镜，从而沿具有微米水平的宽度的线来对目标进行照明(更具体地，线的宽度为成像系统的横向分辨率的量级水平)。
由透镜LE形成的照明束指向分束器SF(在此情况下为立方分束器)。该分束器沿干涉显微镜的第一臂BREF(称为“参考臂”)而指引入射束的第一部分，并且沿第二臂BOBJ(称为“目标臂”)而指引入射束的第二部分。将第一显微镜物镜LO1和所谓的“参考”镜MR设置于参考臂；该物镜将光聚焦于镜，从而随后收集镜反射的光并且在相反方向上沿参考臂或轨迹而指引反射光。第二显微镜物镜LO2(其焦距等于所述第一物镜LO1的焦距)设置于目标臂；物镜将光聚焦于待观察的目标OBJ，从而随后收集后散射的光，并且在相反方向上沿目标臂或轨迹而指引后散射的光。通常地，物镜具有0.1和1.0之间的数值孔径(与传统的扫描OCT相反，不存在将会限制待使用的数值孔径的场深度限制)。值得注意，这些物镜可以在空气中或是被浸没的；通过对比，对于全场OCT，使用了浸没物镜，这在特定应用中可以为受限的。
分束器SF将由两个物镜发出的光束再次结合，使得其进行干涉，并且沿所谓的“观察”臂BOBS对其进行再指引。
当干涉的两个束展现出相同的强度时，干涉条纹的对比是最大的；因此，可以有利地于参考轨迹设置衰减器或使用弱反射参考镜。
一维空间过滤器FS设置于观察臂。在图1A的实施方案中，共焦过滤器包括两个透镜LF1、LF2。狭缝FO设置于透镜LF1的后焦平面。透镜LF2在一维光学传感器CIM处形成狭缝FO的图像。狭缝FO与狭缝FE(其与源SLP相关联)光学地共轭；换言之，干涉显微镜于狭缝FO形成狭缝FE的图像，反之亦然。如后文所将解释的，参考图3A和3B，其为“共焦”配置；实际上，源SLP、狭缝FE、透镜LE、分束器SF、物镜LO2、空间过滤器SF形成狭缝共焦显微镜。
一维光学传感器CIM(线性摄像机)包括单行像素(正方形或矩形)或几行像素(一般不超过10或20，最多100)，一维光学传感器CIM检测在过滤器的输出处的光。还可以使用矩阵图像传感器的单行像素或毗邻或接近的几行像素(一般不超过10或20)的结合。
如图1B中示出的变型，通过将一维光学传感器CIM设置于单透镜LF的焦平面，可以不使用过滤系统FS而执行空间过滤。
另外，如果狭缝FO存在于检测器的侧方(或检测器自身用作上述的狭缝，图1B)，则可以省略照明狭缝FE(或代替狭缝FE的束形成系统)，其代价为潜在更低的检测敏感度。
装置还包括致动系统，该致动系统包括多个平移台(étages de translation)(TR1、TR2、TR3和TRO)和驱动平移台的处理器PR。不是所有平移台都需要同时存在；具体而言，如果TRO存在，则可以省略TR1和TR2，并且，相反地，如果存在TR1和TR2，则可以省略TRO。
通过所述致动系统的第一平移台TR1而轴向移动参考镜MR和物镜LO1组件；由此，也必须通过也形成所述致动系统的一部分的各自的平移台TR2而移动物镜LO2。当物镜LO2减少(即，朝目标平移)距离“e”时，参考镜MR和物镜LO1位移
Figure GDA0002378595090000111
nim为物镜的浸没介质(凝胶、液体或空气(nim＝1))的折射率，并且n目标为目标的折射率。
通过留下静止的干涉显微镜的不同元件，其变型可以仅改变目标OBJ和干涉显微镜之间的轴向距离。因此，可以通过平移台TRO而移动所有干涉显微镜(不代表位移系统)或目标OBJ；这可以尤其考虑到浸没物镜。
在所有情况下，其效果为修改目标OBJ被探测的深度：观察线LDO(其位于物镜LO2的焦平面(更普遍地，位于聚焦平面))进行所述目标“深度方向”(也就是说，沿所述物镜的光学轴线的方向)的扫描。致动系统必须同时移动该观察线并且保证参考轨迹和目标轨迹(直到被认为构成目标臂的端部的观察线)之间的光路差保持为零，或者至少小于多色光源的相干长度和物镜的场深度。该扫描修正沿目标臂BOBJ传播的光所经过的物体的厚度，并因此使其经受色散。装置DCD设置为对该色散修正进行补偿。装置DCD包括恒定色散的元件ED1(例如，块状玻璃，其材料的色散接近于目标OBJ的色散)和可变色散的元件ED2，元件ED1设置于干涉计的臂的一个，元件ED2设置于干涉计的另一个臂。元件ED2包括两个棱镜，所述棱镜设置为面向彼此；通过将一个所述棱镜相对于另一个棱镜进行移动而修改穿过的玻璃厚度，并由此修改该臂中的光学轨迹。还可以使用相对于光学轨迹倾斜的玻璃板；通过作用于倾斜角度而修改经过的玻璃厚度。可以考虑其他的系统；总体想法是需要改变一个臂中的光学厚度，从而无论成像深度如何均使干涉计的两个臂中的色散相等(或至少减小差异)。
在其他实施方案中，色散补偿装置可以包括更简单的浸没介质，所述浸没介质(通常，液滴的折射率接近于目标的折射率)在目标臂中的厚度随着物镜接近待观察的目标而减小(见图5A至5F)。浸没介质厚度的减小由目标中穿过厚度的增加而进行补偿：因此，目标臂中的色散保持为恒定，等于参考臂中的色散。
在图1的实施方案中，装置DCD由第三平移台TR3进行致动，第三平移台TR3也形成所述致动系统的一部分。这使得可以产生色散的动态补偿，与其他位移同步。
作为变型，可以使用可变厚度的透明色散材料(例如，玻璃)，该透明色散材料放置于干涉计的一个臂，从而修正光路和色散两者。可以使用例如双棱镜(如图1中的装置DCD)或简单可定向板来产生该可变厚度。在这种情况下，不需要移动物镜LO1和镜MR组件。
检测器CIM获取线图像，该线图像对应于目标中多个不同位置的成像的线。可以对这成堆的线图像进行数字处理，以获取目标的垂直截面的图像。
简单方法包括使用所谓的相移干涉法，该相移干涉法包括将大量经相移的线图像数字结合。例如，可以将四个线图像相结合，所述四个线图像对应于沿轴向方向分开λ/8的观察线的位置，λ为目标中的照明光的中心波长。这对应于两个相邻图像之间的π/2相位移。如果使用E1、E2、E3、E4来表示这些图像，则(E1-E3)2+(E2-E4)2对应于干涉信号的幅度(也就是说，重构图像的幅度)，并且
Figure GDA0002378595090000131
对应于干涉信号的相位。该相位可以提供除了目标的结构和断层摄影信息之外的信息。需要注意，相位偏置(或相位偏移)的概念和上述的观察线总是对应于目标和参考臂之间的光路差(其等于零)的事实并不冲突。事实上，不仅在目标的任何结构(可能会将光后散射)与观察线一致时对目标的任何结构进行观察，而且在之前和之后也会进行观察(由于由宽度大于λ的共焦过滤而引起的相干“门”)。因此，在轴向扫描期间，该结构对连续获取的图像的作用之间实际上存在相位偏置。
作为变型，可以通过傅里叶分析对成堆的线图像进行处理，从而提取干涉条纹的包络(干涉信号的幅度)并且消除信号的非调制部分(非干涉信号)。
应当强调的是，根据本发明，为了产生轴向横截面的图像，覆盖所有成像深度的目标的单程扫描还使得可以同时获取干涉信号(显然，可以随后沿相对方向执行第二单程扫描)。但是，在上述的Yu Chen等的技术和在全场OCT两者中，不存在获取干涉信号的目标深度扫描。其使用沿总范围通常小于1微米的参考镜的位移而产生的可变的和周期的相位偏移来获取干涉信号。
可以通过使相邻截面图像并列而获取目标的三维图像。这要求沿相对于物镜LO2的光学轴线和采集线两者均为直角的方向进行扫描。可以通过由横向平移台进行的目标(或者，采用等价方法，干涉显微镜，或照明线)的位移来获取该扫描。
相同的处理器PR可以驱动致动器TR1、TR2、TR3以及在需要时驱动致动器TRO(其可以不是或可以不完全是平移台)并且对由传感器CIM获取的成堆的线图像进行处理，这些任务是相互依赖的。处理器PR可以为专用装置，其包括一个或多个微处理器，或装配有适当的接口卡的计算机。作为变型，可以使用两个不同的处理器来驱动致动系统和重构图像。
已经参考基于Linnik干涉显微镜的特定实施方案来描述了本发明。但是，存在其他类型的干涉显微镜，并且适合于实施本发明。可以引证的示例为Michelson显微镜(图2A)和Mirau显微镜(图2B)，其包括具有参考镜MR的单物镜LO和固定至所述物镜并且沿其光学轴线对齐的分束器。这些设置比Linnik更简单紧凑，但是更难以引入可调整的色散补偿装置(以及干涉计的元件的可能的位移)。基于Michelson和Mirau配置(其使用浸没介质IM来补偿干涉计的两个臂之间的色散差而不需要移动干涉计内部的部件)的实施方案的示例示出于图5A(具有空气中的物镜的Michelson配置)、图5B(具有浸没物镜的Michelson配置)、图5C(具有观察窗口HO和空气中的物镜的Michelson配置，注意窗口可以由孔代替和/或物镜可以为浸没物镜；如果存在窗口，必须在参考臂中设置相同厚度的透明板)、图5D(具有空气中的物镜的Mirau配置)、图5E(具有浸没物镜和窗口的Mirau配置)、图5F(具有空气中的物镜和窗口的Mirau配置)和图5G(具有浸没物镜而不具有窗口的Mirau配置)。
在图5D至图5G的装置中，参考镜由在其中心处具有小反射区域的透明板形成，由例如金属或介电层沉积或由板自身的折射率所导致而产生所述小反射区域。在图5C、图5D和图5G的实施方案中，反射区域形成于透明板的后部面，其用于沿目标臂通过窗口(图5C)或分束器(图5D、图5G)来补偿引入的色散。其他情况下，反射区域形成于板的前部面。另外，在图5D至图5G的实施方案中，分束器由这样的板形成：其在其一个面处具有合适的反射系数(通常地在10％和50％之间)；在图5D和图5G的情况下在该板的前部面处进行分离，在图5E和图5F的情况下在后部面进行分离。相对入射于板的光束的传播方向来限定“前部”面和“后部”面。
图6示出了发明的另一个实施方案，其中：
-干涉显微镜MI为Linnik类型。
-物镜LO1、LO2为浸没类型。因此，由两滴浸没介质IM而产生色散补偿。每一滴被夹在物镜(LO1、LO2)和透明板(LT1、LT2)之间。参考镜以板LT1(面可以处理为调整其反射系数)的后部面(相对于物镜LO1)来制造，将目标OBJ压靠于板LT2的后部面。
-多色光源SLP是空间相干的。其包括主多色光源，其具体为超辐射发光二极管DSL和单模式光学纤维FMM(可选)，该超辐射发光二极管DSL展现出1至20μm水平的时间相干长度。由超辐射发光二极管产生的光被射入纤维FMM所谓的输入端，从所述纤维的相对(输出)端离开，并且由透镜LE使其准直。
-照明的空间相干可以产生尤其简单共焦过滤，该简单共焦过滤不需要任何狭缝并且包括仅仅一个在光源的侧方(实际上，在光纤的输出端侧方)使光发散的圆柱形透镜LC和设置于一维类型的传感器CIM的前方的球面透镜LF。圆柱形透镜LC通过使光束在图形的平面上(而非在垂直平面上)发散而产生像散(点线PP表示沿图形的平面的光束的截面，而短划线PL表示沿相对于图形的直角的平面的光束的截面)。因此，导致目标和参考镜的照明为根据图形的平面定向的线的形式；透镜LF在一维光学传感器处产生所述线的图像；不从观察线发出的光以经衰减的强度到达传感器的单一线像素，从而产生一维共焦过滤。作为变型，可以使用会聚圆柱形透镜，从而也使系统像散。
-通过将作为整体的干涉显微镜(包括纤维FMM的输出端和由透镜LE和LC形成的像散光学系统)相对于目标OBJ和透明板LT2进行移动而执行轴向扫描。光学传感器CIM和相关的透镜LF可以与干涉显微镜相等地移动或不相等地移动(第二个选择显示于图中)；但是，需要使传感器CIM保持于透镜LF的焦平面(或更一般地，保持于聚焦平面)。
图3A和3B示出了狭缝共焦显微镜的操作原理。相对于空间过滤狭缝FO成直角的平面(图3A中的平面zy)中，狭缝FO允许从目标的区域发出的光(由实线表示的光束)穿过，在该目标处，狭缝FE通过物镜LO进行聚焦，并且使从目标的其他区域发出的光(例如，虚线光束)衰减。在平行于狭缝的平面(图3A中的平面zx)中，不进行这样的过滤。结果是，“观察线”LDO限定于物镜的聚焦平面并且方向与狭缝FE和FO一样。聚焦平面为相对于光学轴线具有直角的平面，如果存在的话，在这里形成输入狭缝FE的图像。更一般地，观察线LDO形成于目标臂的聚焦平面；其共轭平面为沿观察臂的聚焦平面；沿参考臂的照明线形成于参考臂的聚焦平面。如果输入光束沿正交于观察线或照明线的平面而准直(如图1A、1B)，则聚焦平面对应于一个或多个物镜的焦平面。
根据本发明的装置因此包括可以选择从目标的确定的区域发出的光的两个装置：由“白”光干涉法来限定共焦过滤和“相干门”。这些装置为互补的：共焦过滤通过减小由光的散射和漫反射(réflexions parasites)而产生的“背景”来增强干涉成像的性能水平。因此，传感器的动态范围的更大部分用于检测有用的干涉信号。
实际上，生物组织强烈地散射；直进光子的数量(除了单后散射以外不发生散射)随深度而以指数方式减少。现在，干涉测量法(即使具有低相干长度)不可以区分从目标中的成像区域发出的直进光子和从目标的其他区域发出并且由于发生散射而覆盖相同长度的光学轨迹的光子。结果是，存在虚假干涉信号(其被加入有用的干涉信号)，在图像中产生伪影并且限制可接近的成像深度。在本发明的装置中，共焦过滤移除大量的光子(除了从成像区域发出的直进光子)，消除该背景；事实上，狭缝共焦过滤并不是完美的，因为其仅作用于一维，但是该“背景噪声”的减少仍然很明显。
相比于单独的共焦过滤，干涉检测的使用使得有用信号可以显著放大(在“纯”共焦显微观测的情况下，低信号-噪声比限制采集深度)。在本发明的装置中，因此在两个涉及的原理之间存在协同作用(而不是简单的并列)：利用低相干长度的干涉测量的显微观测和狭缝共焦显微观测。
经由孔的共焦过滤(代替狭缝共焦过滤)的使用显著地降低图像的采集(需要额外的扫描)而不提供任何关于可获取的成像分辨率和/或深度的显著优点。
即使共焦过滤不起作用，装置仍展现出可接受的性能水平。当使用场的相对大深度的物镜(一般大于或等于10μm)、和/或很宽的输入和输出狭缝和/或具有大尺寸像素(例如，矩形)或多个像素行的一维检测器时，发生上述情况。在这种情况下，具有低时间相干的干涉检测确定关于轴向分辨率和可获取成像深度的性能水平。但是，沿线的照明和使用一维传感器的该线的检测的益处仍然存在，这是由于其仍可以产生高速的垂直截面的图像。
本发明的技术比全场OCT更适合于在体内的应用。在这些应用中，“目标”为可能在干涉信号采集期间移动而扰乱干涉信号的生命体(例如，患者)。根据本发明，在很短时间内(例如10-4秒的水平)对于每条线获取干涉信号，这使得可以克服目标的移动问题。相比而言，在全场OCT中，通过将多个由阵列摄像机获取的二维图像结合而获得干涉信号，这使得时间远远变长。
相比于Yu Chen等的上述技术，本发明提供了这样的优点：其直接提供观察目标的垂直切片的图像，通常比“相对”的图像更加有用。
已经生产出了本发明的原型机，其使用卤素灯照明，在空气中的物镜具有0.15的数值孔径，并且具有Linnik配置。使用红外线，通过将显示卡作为观察目标而对该原型机进行了测试，所述显示卡厚度大约为500μm，包括两个包围塑料颗粒(其包括微观结构、非散射区域和荧光修饰层)的塑料层。通过使用出售的ThorLabs的扫描OCT装置来对相同的目标进行了成像。图5A示出了利用出售的装置获取的图像(垂直切片)，图5B显示了利用本发明的原型机获取的图像。可以注意到，本发明中的分辨率更好。
值得注意，利用合适的维度，根据本发明的装置可以轴向和横向地展现出实质上的“各向同性的”空间分辨率(1μm水平)。

Claims (16)

1.一种光学断层摄影装置，其包括
-多色光源(SLP)；
-一维光学传感器(CIM)；
-干涉显微镜(MI)，其包括：参考臂(BREF)，在所述参考臂端部设置有参考镜(MR)；目标臂(BOBJ)；分束器(SF)，其将所述参考臂和所述目标臂联接至所述多色光源和所述一维光学传感器；以及位于所述参考臂中的第一物镜(LO1)，所述参考镜设置于所述第一物镜(LO1)的位于参考臂中的聚焦平面；
-一维共焦空间过滤系统(FE、FS、CIM)，其与所述多色光源配合以使用观察线(LDO)来对设置于所述目标臂(BOBJ)的待观察的目标(OBJ)进行照明，
其中，所述观察线包括在位于所述目标臂中的第二物镜的聚焦平面中的光线，并且垂直于所述第二物镜的光学轴线延伸，
其中，在所述一维光学传感器上形成所述观察线的一维图像，
其中，所述光学断层摄影装置还包括：
-至少一个致动器(TR1、TR2、TR3)，所述至少一个致动器被配置为平行于沿所述目标臂延伸的所述第二物镜的光学轴线在深度方向上移动所述观察线，从而执行所述目标的深度扫描，同时保持第一轨迹和第二轨迹之间的零光路差，在一方面，第一轨迹是指从所述分束器至所述参考镜并且沿所述参考臂行进而返回，在另一方面，第二轨迹是指从所述分束器至所述观察线并且沿所述目标臂行进而返回；以及
-处理器(PR)，其编程或配置为，根据所述深度扫描期间由所述一维光学传感器获取的对应于所述观察线的不同位置的多个一维干涉图像，将待观察的所述目标的平行于所述第二物镜的所述光学轴线而定向的截面的二维图像重构，所述光学轴线沿所述目标臂延伸。
2.根据权利要求1所述的光学断层摄影装置，其中，一维共焦空间过滤系统还设置为选择由所述目标后散射的光和从所述观察线(LDO)发出的光。
3.根据权利要求1所述的光学断层摄影装置，其中，所述至少一个致动器配置为引起待观察的所述目标相对于所述干涉显微镜的相对位移，而不修改所述参考臂和所述目标臂的光学长度，所述位移平行于设置于所述目标臂中的所述第二物镜的所述光学轴线。
4.根据权利要求1所述的光学断层摄影装置，其中，所述至少一个致动器配置为在所述观察线所在的聚焦平面中移动所述第二物镜(LO2)，并且修正所述参考臂的光学长度，从而保持所述第一轨迹和所述第二轨迹之间的零光路差。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学断层摄影装置，还包括色散补偿装置(DCD、IM)，其至少一个设置为在所述目标臂和所述参考臂外部，所述至少一个致动器配置为在所述深度扫描期间也作用于所述色散补偿装置。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学断层摄影装置，其中，所述干涉显微镜为Linnik干涉显微镜，所述第一物镜设置于所述参考臂，所述第二物镜设置于所述目标臂，所述参考臂和目标臂为分开的。
7.根据权利要求6所述的光学断层摄影装置，其中，所述第一物镜和所述第二物镜为浸没物镜，并且其中，所述至少一个致动器配置为引起待观察的所述目标相对于所述干涉显微镜的相对位移，而不修改所述参考臂和所述目标臂的光学长度，所述位移平行于设置于目标臂的所述第二物镜(LO2)的所述光学轴线。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学断层摄影装置，其中，所述多色光源(DSL、FMM)为空间相干的，并且所述共焦过滤系统包括：设置于所述多色光源和分束器(SF)之间的像散光学系统(LC、LE)、设置于所述一维光学传感器(CIM)前方的透镜(LF)以及设置于所述透镜的聚焦平面的一维光学传感器自身。
9.一种光学断层摄影装置，包括：
多色光源；
一维光学传感器；
干涉显微镜，所述干涉显微镜包括：参考臂，在所述参考臂的端部设置有参考镜；目标臂；分束器，所述分束器将所述参考臂和所述目标臂联接至所述多色光源和所述一维光学传感器；以及单个物镜，所述参考镜设置于所述物镜的位于所述参考臂中的第一聚焦平面；
一维共焦空间过滤系统，所述一维共焦空间过滤系统与所述多色光源配合以使用观察线来对设置于所述目标臂的待观察的目标进行照明；
至少一个致动器，所述至少一个致动器被配置为平行于沿所述目标臂延伸的所述单个物镜的光学轴线在深度方向上移动所述观察线，从而执行所述目标的深度扫描，同时保持第一轨迹和第二轨迹之间的零光路差，在一方面，第一轨迹是指从所述分束器至所述参考镜并且沿所述参考臂行进而返回，在另一方面，第二轨迹是指从所述分束器至所述观察线并且沿所述目标臂行进而返回；以及
处理器，所述处理器编程或配置为，根据所述深度扫描期间由所述一维光学传感器获取的对应于所述观察线的不同位置的多个一维干涉图像，将待观察的所述目标的平行于所述单个物镜的所述光学轴线而定向的截面的二维图像重构，所述光学轴线沿所述目标臂延伸，
其中，所述观察线包括在所述单个物镜的位于所述目标臂中的第二聚焦平面中的光线，并且垂直于所述单个物镜的光学轴线延伸，
其中，在所述一维光学传感器上形成所述观察线的一维图像，
其中，从Michelson干涉显微镜和Mirau干涉显微镜中选择所述干涉显微镜。
10.根据权利要求9所述的光学断层摄影装置，其中，所述干涉显微镜为Mirau干涉显微镜，其包括所述单个物镜，所述参考镜和所述分束器固定至所述单个物镜并且沿其光学轴线对齐，所述至少一个致动器配置为引起所述干涉显微镜相对于待观察目标的平行于所述光学轴线的相对位移，将浸没介质一方面设置于所述分束器和所述待观察的目标之间，另一方面设置于所述分束器和所述参考镜之间。
11.一种光学断层摄影方法，其包括以下步骤：
a)提供多色光源(SLP)；
b)使用分束器(SF)，以将所述多色光源发射出的光的第一部分沿称为参考轨迹的第一轨迹进行指引并且将由所述多色光源发射出的光的第二部分沿称为目标轨迹的第二轨迹进行指引；
c)使用与一维共焦空间过滤系统(FS)配合的物镜来聚焦光的所述第二部分，从而使用观察线来对待观察的半透明目标(OBJ)进行照明，并且收集由被照明的目标后散射的光，其中，所述观察线包括在所述物镜的位于所述目标臂中的聚焦平面中的光线，并且垂直于所述物镜的光学轴线延伸；
d)使用所述物镜来将光的所述第一部分聚焦于设置于所述参考轨迹的参考镜(MR)，并且收集由所述参考镜反射的光；
e)使用所述分束器(SF)来将由所述目标后散射的光与由所述参考镜反射的光相结合，并且将其指引向一维光学传感器(CIM)；
f)在所述一维光学传感器上形成所述观察线的一维图像；
g)使用至少一个致动器(TR1、TR2、TR3、TRO)来对平行于所述物镜的光学轴线的所述观察线进行沿深度方向的位移，从而沿所述目标轨迹来执行待观察目标的深度扫描，同时保持所述参考轨迹和所述目标轨迹之间的零光路差；以及
h)使用处理器(PR)来根据所述深度扫描期间由所述一维光学传感器获取的对应于所述观察线的不同位置的多个一维干涉图像，将待观察的所述目标的平行于所述光学轴线而定向的截面的二维图像重构。
12.根据权利要求11所述的光学断层摄影方法，其中，步骤f)还包括选择从所述观察线(LDO)发出的光。
13.根据权利要求11所述的光学断层摄影方法，其中，通过以下方式来实施所述步骤g)：引起待观察的所述目标相对于所述干涉显微镜的平行于所述光学轴线的相对位移，而不修正所述参考臂和所述目标臂的光学长度。
14.根据权利要求11所述的光学断层摄影方法，其中，通过以下方式来实施所述步骤g)：通过在所述观察线所在的聚焦平面中移动物镜并且通过修正所述参考臂的光学长度，从而保持所述第一轨迹和所述第二轨迹之间的零光路差。
15.根据权利要求11所述的光学断层摄影方法，还可以包括步骤i)，对所述深度扫描期间待观察的所述目标内的观察线的位移所导致的色散的修正进行补偿。
16.根据权利要求11至15中的任一项所述的光学断层摄影方法，其中，待观察的所述目标为生物组织。
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