CN111770719A - 通过迈克尔逊型自由光束干涉仪产生二维干涉图的方法 - Google Patents

通过迈克尔逊型自由光束干涉仪产生二维干涉图的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过迈克尔逊型自由光束干涉仪产生二维干涉图的方法，所述干涉仪包括扩展的、空间上部分相干的光源和二维的光探测器，其中所述光源的光被包含半透的分束镜的分束器分割成样品光束和参考光束，并被输送至样品臂和参考臂，其中从样品返回的样品光束被通过分束镜导引至光探测器，其中从参考臂发出的参考光束在光探测器上与样品光束形成预定的大于零的角度，其中所述参考臂的长度是可变的，其特征在于，参考光束是借助在每个反射平面中的奇数个反射，在至少一个参考臂区段中以与自身侧向错开并且反向平行延伸的方式，被导引穿过固定布置在参考臂的输出处借助衍射或折射使光偏转的元件。

Description

通过迈克尔逊型自由光束干涉仪产生二维干涉图的方法
技术领域
本发明涉及一种通过迈克尔逊型自由光束干涉仪产生二维干涉图的方法，所述干涉仪包括扩展的、空间上部分相干的光源和二维的光探测器，其中所述光源的光被一个包含半透的分束镜的分束器分割成样品光束和参考光束，并被输送至样品臂和长度可变的参考臂。
背景技术
扩展的、空间上部分相干的光源在此是指：光源具有发出空间上部分相干的光的面，其中第一面边缘区域所发出的光模式不再干涉与第一面边缘区域相对(即大体与第一面边缘区域间隔面直径)的第二面边缘区域的光模式。这种光源的示例是非光纤耦合的超辐射发光二极管(SLD)。
迈克尔逊型自由光束干涉仪主要应用在用于光学相干层析成像(OCT)的装置中，所述装置适于同时探测所有经平面式样品散射的光(全场OCT，FF-OCT)，并将其指定给样品上的横向散射位置。发明人的团队提出的公开案WO 2017/029160A1例如描述过这种装置和对应的测量方法。此外，作为现有技术需要提及公开案WO 2009/111609A2、DE 10 2006031822B3和GB 2 393 263 A。
WO 2017/029160 A1的方法和装置特别是使用来自NIR光谱的具有较短相干长度(小于25微米)的空间上部分相干的光，且自由光束干涉仪具有长度因可移动的参考面镜而可变的参考臂。只有当参考光和经散射的样品光的光路长度在相干长度内一致时，在干涉仪的输出上才会发生二维光探测器(例如CCD或CMOS摄像机)上的干涉。借助可变的参考臂，能够将源自不同样品深度的样品光与参考光干涉。可以通过可沿光轴移动的参考面镜如已知的“时域”(TD)OCT那样实现参考臂的长度变化，其中为了重复深度扫描，可进行面镜的反复运动。
不与参考光干涉的经散射的样品光同时作为背景入射至光探测器。为了在后续处理步骤中将背景从干涉图分离，以及确定样品光的相位和幅值，将参考光和样品光以预定的角度相对彼此倾斜叠加，并且对由此产生的强度分布进行探测(“离轴”，OA)。干涉图故而呈现出另一沿探测器面的干涉条纹的图形。因此，在获得的图像数据的傅里叶变换中，与干涉图对应的傅里叶分量相对背景的傅里叶系数移动了预定的k矢量。
如前文所述，WO 2017/029160 A1的装置和方法因“离轴全场时域OCT”(OA-FF-TD-OCT)概念而明显区别于其他OCT方法。
WO 2017/029160 A1的实际实施方式的教导，特别是根据该案的图1，存在的问题是，尽管倾斜的参考面镜将参考光束以一角度射入光探测器，但也相对样品光束侧向错开。在光学机构的安装空间较小和/或在干涉仪臂的臂长与光束直径相比较大的情况下，此侧向偏移成为问题。参考光束不再居中到达探测器。
在使用OA-FF-TD-OCT方法研究眼底时，出于技术原因，产生数百mm的样品臂长。参考臂必须具有与样品臂相同的光长度。例如，参考面镜与光探测器的典型距离为250mm。为了产生可检测的条纹图案，参考光束与样品光束在光探测器上互成的角度取决于探测器的各光敏像素的直径，例如3.45μm(Sony 252传感器，2045×1536像素)，以及取决于空间上部分相干的光源的中央波长，例如830nm，并且例如产生α≈3.5°。在图像传感器上，参考光相对样品光的侧向偏移ΔS为：ΔS＝tanα×lR，其中lR是参考面镜(中心点)与图像传感器的距离。基于前述示例值，在光探测器上产生15.26mm的侧向偏移。于是，光束直径必须至少为15.26mm加上探测器尺寸(约7mm)，且光的大部分完全不被使用。就空间上部分相干的光源而言，干涉信号的对比度也减小，视网膜图像的灵敏度和对比度范围进而降低。
此外，参考面镜的每个用于改变参考臂长的运动也会导致光探测器上的侧向偏移的进一步变化。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种通过迈克尔逊型自由光束干涉仪进行干涉测量的方法，其中能够在光探测器上将样品光和参考光以无侧向偏移且互成大于零的预定角度的方式叠加。
本发明用以达成上述目的的解决方案为一种通过迈克尔逊型自由光束干涉仪产生二维干涉图的方法，所述干涉仪包括扩展的、空间上部分相干的光源和二维的光探测器，其中所述光源的光被包含半透的分束镜的分束器分割成样品光束和参考光束，并被输送至样品臂和参考臂，其中从样品返回的样品光束被通过分束镜导引至光探测器，其中从参考臂发出的参考光束在光探测器上与样品光束形成预定的大于零的角度，其中所述参考臂的长度是可变的，其特征在于，参考光束是借助在每个反射平面中的奇数个反射，在至少一个参考臂区段中以与自身侧向错开并且反向平行延伸的方式，被导引穿过固定布置在参考臂的输出处借助衍射或折射使光偏转的元件。
有利技术方案在从属权利要求中给出。
首先需要指出，就诸如马赫-曾德尔干涉仪的其他干涉仪类型而言，述及的问题极易避免。然而，迈克尔逊干涉仪具有结构简单且所需光学组件的数目少的优势，故对OCT系统的批量生产而言极具吸引力。
在典型的迈克尔逊干涉仪中，通过参考面镜自身将参考光束反射，故参考臂的输入和输出重合。根据本发明，在此情形下对参考臂的输入和输出进行空间分离，从而能够根据本发明将另一用于使返回的参考光偏转预定角度的光学元件固定地布置在输出上。由于这个预定的角度仅为数度，光偏转元件应借助衍射或折射，而不是借助反射来引起偏转。所述光偏转元件优选地可以是棱镜或者衍射光栅。
如果在参考臂中对参考光进行导引，使得特别是在采用参考臂的任意长度的情况下，参考光总是在相同的位置上和以相同角度入射至光偏转元件，则可如此对根据本发明固设的折射或衍射用元件进行调节，使得参考光总是以预定的偏转角度且以无相对样品光的侧向偏移的方式到达探测器。
本领域技术人员已知，回射器将参考光束反射，使得参考光束以相对自身侧向错开且反向平行的方式延伸。亦即，用回射器替代传统的参考面镜能够建立这些条件。关注的回射器在此为90°角镜或经典的角隅棱镜，即由两个或三个互成90°角的面镜构成的布置。
根据本发明，参考臂的至少一个区段应具有参考光的这种延伸。优选地，在至少一个参考臂区段中改变参考臂的长度，在这个参考臂区段中，参考光束以相对自身侧向错开和反向平行的方式延伸。在此情形下，参考臂长度不影响参考光束在入射至固定在输出处的光偏转元件时的位置和角度。
然而令人意外的是，回射器并不适合实施本发明。亦即，干涉图朝向图像边缘变弱乃至消失。
原因是扩展的、空间上部分相干的光源。
如果在样品光与参考光之间使用角度为零的典型的迈克尔逊结构，则在光探测器的所有像素上获得干涉，因为当在探测器上入射时，两个光束分量均被反射正好两次，即一次在分束器上，一次在参考面镜或样品上。但诸如90°角镜的回射器进行两次反射，且这导致从参考臂发出的参考光束相对样品光束镜像相反。在探测器的侧缘上的像素上相遇的样品光和参考光的分量实际源自平面式光源的两个相对的面边缘区域，故而不干涉。
本发明用以消除述及的问题的方案是，借助在每个反射平面中的奇数次反射在至少一个参考臂区段中以相对自身侧向错开并且反向平行延伸的方式导引参考光束。亦即，例如可以在一个反射平面中实施三次反射，从而获得适于与样品光干涉的参考光。
在此反射平面定义为在空间中由平整面镜的法向与由所述面镜反射的光束的输入或反射方向限定的平面。干涉仪的结构确定所有光束方向和面镜布置，即所有反射平面均是结构固有且预先已知。通常针对参考光在参考臂中的路径仅设置一个反射平面。但必须存在至少一个定义明确的反射平面，因为需要使参考光束在参考臂的输入与输出之间侧向错开。
角隅棱镜类型的回射器能够进行三次反射，但其发生在至少两个不同的反射平面中。即使在此情形下，发出的参考光也不适于在整个探测器上与样品光干涉。
而若在每个反射平面中为参考臂中的光实施奇数次反射(多于一次)，则参考光能够正如在传统的迈克尔逊干涉仪中进行仅一次反射后一样从参考臂发出。随后，根据本发明额外地固定布置在输出处的光偏转元件将参考光束以相对样品光束的预定角度导引至光探测器的预定区域，通常为整个探测器面。样品光与参考光能够在整个光探测器上干涉。两个光束不需要比光探测器更宽。参考臂长度的改变对参考光束在探测器上的侧向位置无影响。
所述参考光可在其在参考臂中的路径中透射过任意数量的衍射或折射光学组件，进而经历光束方向的改变。只要在参考臂的输入与输出之间发生至少一次反射，上述方案便对参考光与样品光的完全干涉能力无进一步影响。
能够以多种方式实现参考光束方向的精确反转，且在至少一个优选适于改变参考臂长度的参考臂区段中在导入与导出光束之间具有侧向偏移，在此不再将这些方式全部列出。
附图说明
取而代之地，将结合附图对实施根据本发明的方法的干涉仪布局的实施例进行详细说明。其中：
图1示出一个实施例，包含三个用于使光束方向侧向错开折回的面镜以及一个用作光偏转元件的棱镜；
图2示出一个实施例，包含一个棱镜，其具有用于使光束方向侧向错开折回的两个光折射面和一个反射面，并且包含一个用作光偏转元件的衍射光栅。
具体实施方式
图1示出迈克尔逊型的自由光束干涉仪，其实现根据本发明的方法。首先通过准直透镜(20)对来自扩展的、空间上部分相干的光源(10)的光进行准直，随后通过分束立方体(70)将光分割成样品光和参考光。期望将样品光尽可能大面积地射入眼睛(60)的视网膜上。为此在眼睛(60)前通过聚焦透镜(40)对样品光进行聚焦，以便生物晶状体以适当的方式将来自焦点的发散光束折射。在在分束立方体(70)上反射的情况下，通过晶状体和聚焦透镜(40)将经视网膜散射的样品光在电子摄像机(30)上成像。
同时，通过三个面镜的布置(90)在单独一个为所述面镜所共用的反射平面中对参考光束进行准直，使得参考光以相对自身侧向错开和方向平行的方式延伸。参考光随后入射至棱镜(80)，其将光束折射，并使得光束在与样品光束互成预定角度的情况下导引至二维光探测器(30)。其中，棱镜(80)是固定布置的，而三个面镜的布置(90)采用可沿参考光束的射入或射出方向移动的方式。其中，各面镜如图1所示的与一个梁的连线表示这些面镜共同的支架，其使得面镜即使在移动期间也维持相对彼此的布置。布置(90)的移动尽管会改变参考臂的长度，但不会改变参考光在光探测器(30)上的入射角度和位置。
从如图1所示的光束路径也可以看出，在准直透镜(20)后例如在光束的左边缘区域内传播的光模式既被样品臂，也被参考臂导引至探测器(30)的下边缘区域。如果不采用布置(90)，而是在参考臂中设有充当回射器的90°角面镜，则这些光模式取而代之地从样品臂在下区域内入射，以及从参考臂在探测器(30)的上区域内入射。
可以看出，也可以考虑大量包含超过三个面镜的面镜布置，其中所有面镜的法线处于共同的平面中，其中沿这个平面的光入射导致侧向错开且反向平行延伸的光束。然而，根据本发明，只有光束总体经历过奇数次反射的方案才对采用扩展的、空间上部分相干的光源的干涉测量有用。
图2示出所述参考臂的相当简单且进而优选的第二技术方案，其实施根据本发明的方法。自由光束干涉仪的其余组件与图1相同。
也可以仅借助一个面镜实现参考光束的侧向错开且反向平行的延伸，但其中光并非垂直地入射至面镜。举例而言，在图2中通过棱镜(110)的第一光学透明面对参考光束进行折射和偏转，将参考光束穿过棱镜(110)导引至棱镜(110)的涂布有反射涂层的面并反射，以及，最后通过第二透明面将参考光束再度折射，使得导出的参考光束与导入的参考光束反向平行且侧向错开。棱镜(110)优选如图2所示采用对称设计。此外，折射面和反射面应形成一个结构单元，以便(如双向箭头所示)沿参考光束方向共同运动，而不改变相对彼此的布置。
一般而言，优选通过一个棱镜和一个面镜在一个平面中对参考光束进行至少两次折射和正好一次反射。在此情形下，所述平面是共同的折射和反射平面，其中折射平面类似于反射平面由光束方向与折射面的法线限定。此外，优选使用在至少一个侧面上具有反射涂层的棱镜(110)。
然而，有许多可行的替代方案，例如不使用对称棱镜的方案。也不一定要使用涂布有反射涂层的棱镜。所述面镜例如也可以以预定的距离布置在棱镜的后透明面后。在此情形下，参考光束在后面离开完全透明的棱镜，穿过气隙且随后被反射。其中，在参考光束的在参考臂中的路径上，参考光束总共被折射至少四次和被反射一次。
从仪器的角度来看，气隙可能是不利的，因为在光穿过的每个界面上也会产生额外的延后的反射，这最迟可能在与样品光的干涉中造成干扰。然而，参考光经过折射介质的透射通常也会产生同样不期望的色散。力求尽可能缩短参考光经过折射介质的路径长度。
棱镜的材料选择及其形状(即若干折射面和正好一个面镜的布置)可以采用区别很大的实施方案，并且在个别情形下(也考虑到使用的波长)会进行折衷及优化考量。
最后，图2示出固定布置的衍射光栅(100)，其充当透射中的光偏转元件。与图1中的棱镜的区别在于，光栅(100)不使整个参考光偏转预定的角度，而是产生参考光束的从光栅(100)出发朝向衍射次最大值的发散束，以及未经偏转的朝向0级的主最大值的光束。如果使用光栅(100)例如将光束朝向1级次最大值导引至光探测器(30)，则就光束宽度而言需要注意，所有其他衍射级的光束不能到达探测器(30)。这表示，必须以与探测器(30)间隔最小距离的方式布置光栅(100)，其大小易于以几何方式确定。

Claims (10)

1.一种通过迈克尔逊型自由光束干涉仪产生二维干涉图的方法，所述干涉仪包括扩展的、空间上部分相干的光源和二维的光探测器，其中所述光源的光被包含半透的分束镜的分束器分割成样品光束和参考光束，并被输送至样品臂和参考臂，其中从样品返回的样品光束被通过分束镜导引至光探测器，其中从参考臂发出的参考光束在光探测器上与样品光束互成预定的大于零的角度，其中所述参考臂的长度是可变的，其特征在于，参考光束是借助在每个反射平面中的奇数个反射，在至少一个参考臂区段中以与自身侧向错开并且反向平行延伸的方式，被导引穿过固定布置在参考臂的输出处借助衍射或折射使光偏转的元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一个参考臂区段中改变参考臂的长度，在所述参考臂区段中，所述参考光束以相对自身侧向错开和反向平行的方式延伸。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在长度可变的所述参考臂区段后，导引所述参考光穿过棱镜或光栅。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过三个面镜在共同的反射平面中对所述参考光束进行导引。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过棱镜和面镜在一个平面中对所述参考光束进行至少两次折射和正好一次反射。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用在至少一个侧面上具有反射涂层的棱镜。
7.一种用于实施如上述权利要求中任一项所述的方法的装置，具有迈克尔逊型自由光束干涉仪，所述干涉仪包括扩展的、空间上部分相干的光源和二维的光探测器，包含分束器和半透的分束镜，其中所述光源的光被所述包含半透的分束镜的分束器分割成样品光束和参考光束，并被输送至样品臂和参考臂，其中从样品返回的样品光束被通过分束镜导引至光探测器，其中从参考臂发出的参考光束在光探测器上与样品光束形成预定的大于零的角度，其中所述参考臂的长度是可变的，其特征在于，所述结构还具有借助衍射或折射使光偏转的元件，其中所述参考光束是借助在每个反射平面中的奇数个反射，在至少一个参考臂区段中以与自身侧向错开并且反向平行延伸的方式，被导引穿过固定布置在参考臂的输出处借助衍射或折射使光偏转的元件。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还具有至少三个面镜，其中通过所述至少三个面镜在共同的反射平面中对所述参考光束进行导引。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还具有棱镜和面镜，其中通过所述棱镜和所述面镜在一个平面中对所述参考光束进行至少两次折射和正好一次反射。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述棱镜在至少一个侧面上具有反射涂层。
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