CN112639582B - 高光谱设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高光谱设备和方法。本发明的一个方面提供了一种用于分析样本的设备。该设备包括被配置为生成宽带输入辐射场的光源。该设备还包括结构化光发生器，用于将输入辐射场转换成包括细光束阵列的结构化照明场。光学系统将结构化照明场投影到样本的区域(诸如视网膜)上。光谱仪被配置为光谱分析从样本的区域反射、后向散射或发荧光的光的一部分。处理器可操作地与光谱仪相关联并且被配置为生成包括眼睛区域的两个以上正面图像的高光谱图像。正面图像包括来自结构化照明场的每个细光束的样本的光谱响应信息。

Description

高光谱设备和方法

技术领域

本发明涉及用于询问样本的设备和方法，并且具体涉及用于执行样本的高光谱成像和荧光光谱的设备和方法。虽然本文将具体参考该申请来描述一些实施例，但是应当理解，本发明不限于此类使用领域，而是可应用于更广泛的上下文中。

相关申请

本申请要求于2018年9月5日提交的美国临时专利申请第62/727,492的优先权，其内容通过引用结合于此。

背景技术

在整个说明书中对背景技术的任何讨论绝不应被认为是承认该技术是本领域众所周知的或形成本领域公知常识的一部分。

人眼的高光谱成像可用于提取关于眼睛的光谱信息和空间信息二者。然而，当前的技术通常涉及点扫描系统，该点扫描系统具有长的采集时间并且遭受运动模糊伪像的困扰。此外，当前的系统通常不受限制，并且因此可以捕获来自不同样本位置的杂散光。

现有系统的另一个限制是成本。高光谱成像系统需要空间上相干的宽带光源来有效操作。此类光源通常很昂贵。

视网膜自体荧光(AF)是一种对比指示剂，其可用于识别视网膜中，特别是视网膜色素上皮(RPE)中某些分子的建立或浓度。视网膜的蓝光激发的AF优选使用共焦检测而不是眼底照片来识别AF信号，以防止来自眼睛的其它部分的大信号使图像模糊。存在可以使用蓝光激发提供AF测量的可商购仪器，这在脂褐素对比中特别有价值，脂褐素是与RPE层以及感光体的老化和健康有关的重要分子。

还受关注的是从眼睛的其它部分(诸如巩膜和晶状体)识别分子，诸如胶原蛋白。

可替代地，可以从AF信号的寿命中获得关于荧光的性质的信息，但是这需要非常高的处理速度，并且仅逐点成像。这限制了在患者舒适的时间内可以扫描的眼睛区域。寿命测量的一种替代方法是基于荧光和/或吸收的光谱进行区分。然而，在该领域仅进行了有限的工作，并且许多研究是活体外的。

发明人已经认识到，具有用于更有效和准确地执行眼睛的高光谱成像和荧光光谱的改进的设备和方法将是有利的。

发明内容

本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供一种有用的替代方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于分析样本的设备，该设备包括：

光源，被配置为生成具有由多个波长组成的波长带的输入辐射场；

结构化光发生器，用于将输入辐射场转换成包括细光束阵列的结构化照明场；

光学系统，用于将结构化照明场投影到样本的区域上，包括对细光束进行角度编码，使得每个细光束被投影到与编码角度相对应的样本的位置上；

光谱仪，包括二维传感器阵列，该光谱仪被配置为光谱分析从样本的区域反射、后向散射或发荧光的光的一部分；以及

可操作地与光谱仪相关联的处理器，该处理器包括：

光谱映射模块，被配置为基于预定义映射函数将传感器阵列上的位置映射到样本上的二维位置以及多个预定义波长区间内的光的波长；以及

高光谱图像发生器，被配置为根据传感器阵列的传感器信号和预定义映射函数生成高光谱图像，该高光谱图像包括样本的区域的两个以上正面图像，该两个以上正面图像包括来自结构化照明场的每个细光束的样本的光谱响应信息。

优选地，结构化光发生器被配置为将输入辐射场转换成包括细光束的二维阵列的结构化照明场。

在一些实施例中，光源在空间上是不相干的。

在一些实施例中，光学系统包括用于相对于样本平移结构化照明场的部件。在一个实施例中，用于相对于样本平移结构化照明场的部件包括可倾斜镜。

在一些实施例中，光学系统包括色散元件，该色散元件用于将细光束中的每个细光束成角度地分散到与多个波长中的每个波长相对应的细光束光谱分量的细长带中。光学系统优选地包括透镜中继器，该透镜中继器在使用中设置在色散元件和样本之间，以将细光束光谱分量投影到某个位置处的样本上，该位置取决于细光束阵列中原始细光束位置以及细光束光谱分量的波长二者。优选地，不同细光束的细光束光谱分量在样本的区域上重叠，使得由光谱仪在样本的区域上的重叠区域中的每个点处对多个波长成像。

光谱响应信息优选地包括与样本的区域上的每个点相对应的反射功率谱。

在一些实施例中，色散元件可机械地移动以从光路移除。在一些实施例中，色散元件与非色散光学引导元件可互换。

在一些实施例中，处理器被配置为将与细光束光谱分量的细长带相对应的波长划分为波长区间，其中，波长区间内的波长被指定为源自样本上的公共位置，并且不同波长区间的波长被指定为源自样本上的不同位置。

在一些实施例中，投影到样本的区域上的角度编码细光束中的每一个角度编码细光束包括多个波长中的每一个波长。

在一些实施例中，光谱响应信息包括与样本对结构化照明场的每个细光束的响应相对应的荧光光谱。

在一些实施例中，结构化光发生器包括具有光功率元件的二维阵列的细光束生成装置，该细光束生成装置被定位成使得在使用中，输入辐射场入射到光功率元件阵列上，以生成至少部分准直的细光束的二维阵列。优选地，细光束生成装置包括第一微透镜阵列，其中光功率元件是微透镜。

在一些实施例中，结构化光发生器还包括：

第一光功率装置，用于将至少部分准直的细光束的阵列在会聚平面处会聚到预定义宽度；以及

设置在会聚平面处的光圈，该光圈的直径比会聚平面处至少部分准直的细光束的阵列的直径更小。

在一个实施例中，第一光功率装置是高数值光圈透镜。在另一个实施例中，第一光功率装置是变折射率透镜。

优选地，结构化光发生器还包括：

第二光功率装置，具有预定义焦距并且设置在距会聚平面达与预定义焦距相等的距离处，该第二光功率装置生成包括一组至少部分重叠的细光束的近准直光束；以及

第二微透镜阵列，具有微透镜的二维阵列并且被定位成接收近准直光束并生成用于照射样本的细光束的二维阵列。

在一些实施例中，该设备包括光圈阵列，该光圈阵列被定位成将从样本的区域反射、后向散射或发荧光的光共焦地投影到光谱仪中，该光圈阵列具有与细光束阵列相对应的间距。

在一些实施例中，光源被配置为生成具有多个波长带的输入辐射场，每个波长带由对应的多个波长组成。优选地，第一波长带选自电磁光谱的紫外线A、紫色、蓝色或绿色区域。优选地，第二波长带在电磁光谱的近红外区域中。

在一些实施例中，光学系统包括用于将多个波长带多路复用在一起的多路复用元件。优选地，多路复用元件是体积相位光栅。体积相位光栅优选地被配置为在空间上分散来自一个波长带的多个波长，同时将另一个波长带的多个波长保持在空间受限状态。

在一些实施例中，该设备包括参考臂和功率分配元件，该功率分配元件被配置为将结构化照明场的光功率的一部分沿着参考臂引导，并将结构化照明场的光功率的其余部分引向样本。

在某些实施例中，参考臂的长度是选择性可调节的，以便选择要由光谱仪成像的相干波长。

优选地，该设备被配置用于分析包括眼睛的样本。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于生成结构化照明场的系统，该系统包括：

空间上不相干的光源，被配置为生成具有预定义光谱输出的输入辐射场；

具有光功率元件的二维阵列的细光束生成装置，该细光束生成装置被定位成使得输入辐射场入射到光功率元件的阵列上以生成至少部分准直的细光束的二维阵列；

第一光功率装置，用于将至少部分准直的细光束的阵列在会聚平面处会聚到预定义宽度；

第二光功率装置，具有预定义焦距并且设置距会聚平面达与焦距相等的距离处，该第二光功率装置生成包括一组至少部分重叠的细光束的近准直光束；以及

微透镜阵列，具有微透镜的阵列并且被定位成接收近准直光束并生成包括细光束阵列的结构化照明场。

微透镜阵列优选地包括微透镜的二维阵列，使得结构化照明场包括细光束的二维阵列。

在一些实施例中，系统包括设置在会聚平面处的光圈，该光圈的直径比会聚平面处至少部分准直的细光束的阵列的预定义宽度更小。

在一个实施例中，第一光功率装置是高数值光圈透镜。在另一个实施例中，第一光功率装置是变折射率透镜。

优选地，细光束生成装置包括微透镜阵列，其中光功率元件是微透镜。

根据本发明的第三方面，提供了一种分析样本的方法，该方法包括以下步骤：

从具有由多个波长组成的波长带的输入辐射场，生成包括细光束阵列的结构化照明场；

将结构化照明场投影到样本的区域上，包括对细光束进行角度编码，使得每个细光束被投影到与编码角度相对应的样本的位置上；以及

使用二维传感器阵列对从样本的区域反射、后向散射或发荧光的光的一部分进行光谱分析，该光谱分析包括：

基于预定义映射函数，将传感器阵列上的位置映射到样本上的二维位置以及多个预定义波长区间内的光的波长；以及

根据传感器阵列的传感器信号和预定义映射函数生成高光谱图像，该高光谱图像包括样本的区域的两个以上正面图像，该两个以上正面图像包括来自结构化照明场的每个细光束的样本的光谱响应信息。

优选地，结构化照明场包括细光束的二维阵列。

根据本发明的第四方面，提供一种制品，其包括计算机可用介质，该计算机可用介质具有被配置为操作第一方面的设备的计算机可读程序代码。

根据本发明的第五方面，提供一种制品，其包括计算机可用介质，该计算机可用介质具有被配置为实现第三方面的方法的计算机可读程序代码。

附图说明

现在将仅通过示例的方式，参考附图描述本公开的优选实施例，在附图中：

图1A是根据本发明的第一实施例的用于分析人眼形式的样本的设备的示意系统级图示；

图1B示出由图1A的设备产生的变形结构化照明场；

图2是被配置为容纳图1A的设备的仪器的示意性侧视图；

图3和图4分别表示16个微透镜的正方形阵列的平面图和侧视图；

图5是分散在沿着网格的轴延伸的细光束带中的细光束的网格的示意图；

图6是分散在传感器阵列的独特的一组像素上的细光束的二维网格的示例映射；

图7是根据本发明的第二实施例的用于分析人眼的设备的示意系统级图示；以及

图8是根据本发明的第三实施例的用于分析人眼的设备的示意系统级图示。

具体实施方式

系统概述

将参考研究体内眼(诸如眼科)的生理学和形态的应用，来描述本发明。然而，应当理解，本发明可以应用于更广泛的非眼应用中，诸如皮肤检查、食物分析和高分辨率显微镜检查。

在图1A中示意性地示出本发明的第一实施例。参考该图，示出了用于分析人眼102形式的样本的设备100。设备100包括光源104，该光源104被配置为生成具有由多个波长组成的第一波长带的输入辐射场106。在所示的布置中，光源104包括具有低空间相干性或没有空间相干性的发光二极管(LED)形式的光谱宽带源。在一个实施例中，光源104包括以4×4配置布置的16个基本上正方形发射区域的阵列。然而，在其它实施例中，光源104可以包括具有单个发射区域的LED或LED阵列。在替代实施例中，光源104可以包括一个或多个空间上高度相干的源，诸如超发光二极管或基于光纤的超连续谱源。

在优选实施例中，光源104发射可见光，使得第一波长带位于可见光区域中。然而，通常，取决于特定的应用，可以使用近红外(NIR)、可见光或UV光谱区域中的光。此外，光源104可以具有包括多个光谱峰值的光谱特征。例如，该源可以包括从400nm延伸到720nm的白光磷光体LED源，其中强度峰值在450nm和550nm处。

就光源而言，空间相干性的参数可以被定义为生成辐射场的单个源，其中该场的一个连续区域在任何时间点都与该场的另一区域相干。因此，空间上不相干的源可以被认为是生成连续辐射场的单个光源，其中该场的不同区域在某个时间点上是不相干的。在此类光源中，光从跨单个源的表面的不同点独立地发射，并且因此，不同的点生成具有不同的相位关系的光。从数学上讲，两个物理点之间的空间相干性是一段时间内两个点之间的互相关。因此，不相干光源产生辐射场，在该辐射场中，辐射场的横截面中的不同点不相关(例如，具有小于0.1的互相关值)。空间上不相干光源的示例包括白炽灯泡、LED和LED激光器或LED泵浦的磷光体阵列、黑体辐射和等离子光源。

在优选实施例中，结构化光发生器108将输入辐射场106转换成结构化照明场110，该结构化照明场110包括在图1A的插图中示出的细光束111的二维阵列。在替代实施例中，结构化光发生器108将输入辐射场106转换成结构化照明场110，该结构化照明场110包括线性细光束119的一维阵列，如图1B中所示。下面详细描述在空间上不相干光源的情况下结构化光发生器108的操作。然而，在光源在空间上相干的替代实施例中，结构化光发生器108可以简化为例如仅包括聚焦透镜和微透镜阵列。空间上相干光源的示例包括SLED、单模光纤ASE源和单模光纤中的超连续白光生成或扫频波长二极管激光器。

提供光学系统114，用于将结构化照明场110投影到眼睛102的区域(诸如视网膜145的区域)上。光学系统114包括被配置为对细光束111进行角度编码的光学装置，使得每个细光束投影到眼睛102的与编码角度相对应的某个位置，例如147。在下面详细描述光学系统114的组件和操作。

最后，设备100包括光谱仪116，该光谱仪包括二维传感器阵列118，诸如CMOS相机，用于光谱分析从眼睛102的照射区域反射、后向散射或发荧光的光149的一部分。如下所述，光谱仪116与处理器158可操作地相关联，该处理器158被配置为生成包括眼睛102的照射区域的两个以上正面图像的高光谱图像。该两个以上正面图像包括来自结构化照明场110的每个细光束111的样本的光谱响应信息。在本发明的上下文中，光谱响应信息包括以下中的一项或多项：(1)来自包含在反射或后向散射细光束中的眼睛102的照射区域的反射或后向散射彩色光谱信息；或(2)从眼睛102的照射区域发出的荧光光谱信息。

术语“正面图像”在诸如光学相干断层扫描(OCT)的成像应用中使用，以指代样本的正面横向分辨图像。正面图像包括样本的薄深度层的横向图像，其中产生图像的数据可能最初在二维(例如，使用激光扫描检眼镜)或三维(例如，在OCT C-扫描中)中捕获。正面图像也可以是多个层或表面的集成视图，这在OCT血管造影中很常见。正面成像与诸如“A扫描”和“B扫描”成像的其它成像技术形成对比，其他成像技术涉及在一维或二维中对样本的一个或多个深度切片进行成像。

参考图2，设备100被适配于结合到用于对人的一只眼睛或两只眼睛成像的仪器200中。仪器200可以包括主壳体202，该主壳体结合设备100、用于在操作期间支撑式保持人的头部的用户支撑件204、以及用于将仪器200支撑在表面上的支撑基座206。在一些实施例中，如箭头208所示，壳体202和用户支撑件204能够相对于彼此手动地或机电地平移。

来自空间和光谱非相干源的高光谱分散结构照明

再次参考图1A，本发明的第一方面是使用结构化光发生器108生成高光谱分散结构化照明。这允许使用低成本、光谱宽带和空间不相干源，诸如LED，以生成由例如数十、数百或数千个点或线组成的高密度结构化照明图案。

例如，光源104可以是低成本LED装置，包括由Lumileds Holding B.V.出售的Luxeon Z LED装置提供的间距为200微米的16蓝色LED发射区域的4×4阵列。该装置能够在以425微米为中心的激发波长下提供超过1W功率的短脉冲照明，如果需要，可以通过介电滤波器多路复用立方体将其另外级联。短脉冲时间减少测量期间的运动伪像。较低的占空比也提供了相对高的瞬时峰值功率但较低的平均功率的能力。介电多路复用立方体(dielectric multiplexing cubes)提供了组合多于一个源的能力。

在结构化光发生器108内，可以通过现在描述的光学器件的组合来形成细光束111的二维阵列。最初，第一二维微透镜阵列112的形式的细光束生成装置，用于将输入辐射场106形成为多个共传播细光束120。阵列112包括具有公共焦距的基本上相似的微透镜形式的光功率元件的二维阵列。微透镜阵列优选地与源104中的LED阵列或发射区域匹配，使得每个LED或发射区域具有对应的微透镜。这些微透镜优选地被布置成基本上直线的阵列以匹配光源104中的LED阵列。然而，将理解的是，微透镜可以被布置成其它类型的阵列以匹配LED的其它阵列。例如，微透镜阵列112可以由合适数值光圈的交叉的圆柱形微透镜阵列形成。在替代实施例中，微透镜阵列112可以用诸如可从Nippon Electric Glass公司获得的微珠代替。这些微珠能够布置在栅格光圈上并直接与LED光源接触。

图3和图4示出正方形微透镜151的示例4×4阵列112的几何形状。微透镜相对于彼此以200微米的间距设置。每个微透镜151的到顶点的厚度是约0.450mm，并且每个微透镜的曲率半径是约0.200mm。整个基板的大小可以是可变的，例如，1.6mm×1.6mm，但是在平面一侧存在延伸到一个边缘的遮挡区域113，并且在应当考虑的光学器件的凸侧上的透镜顶点的高度处存在圆形的1.2mm的遮挡区域115。

如上所述，结构化光发生器108包括第一微透镜阵列112。阵列112被定位成使得输入辐射场106入射到微透镜151的阵列上，以生成至少部分准直的初始细光束120的二维阵列。

初始细光束120以会聚透镜122的形式投影通过第一光学功率装置，以将至少部分准直的细光束120在空间上在会聚平面124处会聚到预定义宽度。透镜122可以是例如具有在0.4到1.5的范围内的数值光圈的高数值光圈透镜，或者是变折射率透镜。

光圈126可以设置在会聚平面124处，以限制LED输出的空间范围，以允许一定百分比的生成光通过并吸收或反射剩余的光，优选用于再循环。光圈126的直径优选地比会聚平面处的至少部分准直的细光束120的阵列的直径更小。例如，光圈126可以是大约250微米，从而允许光在1.25mm焦距的变折射率透镜122的0.1数值光圈内通过。进而，假设光源104是固定大小的16元件LED阵列，则从光圈126发出的光的数值光圈在每个轴中将约为0.4mm/l.25mm或0.32。由于LED阵列104和透镜122的尺寸，这里0.4mm对应于光圈126处的数值光圈。

以光学透镜128形式的第二光学功率装置以等于其焦距的距离设置在会聚平面124的下游。透镜128生成近准直光束129，其中总辐射是可以部分地或完全重叠的来自细光束120的各个辐射场的组合。近准直光束129的数值光圈可以例如为0.125mm/25mm或0.005。这时的光场表示由透镜122和128以及光圈126修改的细光束120的扩展且至少部分重叠的形式。

具有广泛的微透镜二维阵列的第二微透镜阵列130被定位为接收从透镜128输出的扩展细光束并形成成像细光束111的二维阵列，其表示优选实施例中的结构化照明场110。例如，第二微透镜阵列130可包括30×30微透镜的阵列以形成900个成像细光束111的网格。假设阵列130的每个微透镜具有1000微米的焦距，则第二微透镜阵列130采用近准直光束129中的细光束集合，并生成缩小的细光束111的二维阵列，该缩小的细光束111的二维阵列在焦点处将具有光圈126处的250微米斑点以1/25的因子的缩倍，从而创建光圈126的10微米图像的阵列，表示结构化照明场110。

第二微透镜阵列130将细光束聚焦到第一焦平面131，在该第一焦平面131处产生结构化照明场110。

取决于波长，用于阵列130的微透镜的瑞利衍射极限(rayleigh diffractionlimit)小于光圈大小但与光圈大小相当，因此光圈图像将不再被清晰分辨，并且10微米光圈图像的卷积和瑞利分辨将向结构化照明场110提供略大于10微米的细光束直径。该结构化照明场110可以用于各种成像应用，诸如下面描述的那些成像应用。

样本的高光谱分散照明，以提取彩色光谱信息

本发明的第二方面涉及样本的高光谱结构化共焦成像，以提取彩色光谱信息。这涉及同时测量样本上多个点处的多个波长，以提取根据跨样本位置的颜色或彩色光谱信息。

从上面的描述扩展，并且仍然参考图1A所示的实施例，结构化照明场110通过光学系统114投影到眼睛102上。系统114包括以分束器132形式的光功率分配元件。分束器132优选地由与结构化照明场110的平面成约45度角的部分反射镜134形成。部分反射镜透射光功率的一部分并反射剩余的光功率，该剩余的光功率从光路耦合并衰减(未示出)。选择反射镜的反射特性以使其跨第一波长带相对均匀，并选择反射率使得合适水平的功率入射到眼睛102上，以舒适和安全。将理解的是，在其它实施例中，分束器132可以包括偏振分束器以仅选择性地透射某些偏振分量。

在光源104足够明亮的情况下，分束器132可以透射大约20％的入射光功率，从而将输入到眼睛102的功率减小到LED的最大允许曝光限制内。

透射通过分束器132的光的一部分投影到第一准直透镜136上，该第一准直透镜136优选地定位于距第一焦平面131与其焦距相等的距离处。透镜136将结构化照明场110聚焦在微机电镜系统(MEMS)形式的二维转向元件138上，该二维转向元件138位于透镜136的相对焦平面处。优选地，结构化照明场110中的每个细光束111被准直以填充MEMS 138，该MEMS 138可具有约为5mm的直径。MEMS 138可以包括电可控反射镜，该电可控反射镜可通过连接的控制器(未示出)选择性地在二维中旋转，以跨眼睛102的不同区域平移结构化照明场110的定位。

现在，来自MEMS元件138的反射和转向光由以透射衍射光栅形式的色散元件140成角度地分散。在一些实施例中，光栅140具有300线/mm的线密度，并且被配置为在第一波长带上提供高效地耦合到接近利特罗角(Littrow angle)。光栅140将每个细光束111成角度地分散到与由光源104发射的多个波长相对应的光谱分量的细长带中。因此，在这一点上，每个细光束以其在细光束111的阵列中的位置所确定的不同的角度传播，并且细光束的每个组成波长以独特的角度成角度地分散。以另一种方式描述，来自源104的每个组成波长分量将具有对应的细光束网格，其中每个网格在光栅140的色散轴中偏移。

应当理解，在替代实施例中，可以用诸如反射光栅或棱镜的替代色散元件替换衍射光栅140。

然后，使分散的细光束穿过透镜142和144的8-f透镜中继器，并且然后投影到眼睛102上。透镜142和144表示视网膜透镜布置，该布置将结构化照明图案朝向眼睛102引导。在该系统中，眼睛102执行角度到偏移的转换以在视网膜145上限定细光束的网格。眼睛102的光功率元件的作用是将准直的细光束聚焦在与它们的传播角度相对应的位置147处的视网膜145上。现在，该角度以及因此在视网膜上的位置由原始细光束的位置和波长色散角(即光谱分量的颜色)唯一地确定。也就是说，每个细光束和波长分量撞击眼睛的位置147取决于细光束111阵列中的原始细光束位置和细光束光谱分量的波长。

视网膜透镜布置142、144可包括沿轴向维度的机电调节，以类似于自动聚焦技术的方式调节焦点位置。

细光束相对于细光束网格的色散角由微透镜阵列130相对于光栅140的色散轴的取向确定，并且可以被选择为处于如图5中所示的细光束网格的轴之一的方向。这允许将一系列线投影到视网膜上，并且其中，由于细长的细光束带501的重叠，视网膜145上的多个位置被源自微透镜阵列130内的不同微透镜位置的多个波长分量(颜色)照射。因此，光谱仪可以在样本的照射区域中的重叠区域中从每个照射点对多个波长成像，以获得彩色光谱信息。

可替代地，波长分量可以相对于细光束网格110的轴成一定角度分散。这导致视网膜的曝光更加均匀且强度较低，这可有助于减少患者的不适感。在两种情况下，通过使用控制器在两个轴中抖动MEMS 138来获得多种颜色的视网膜的完整图像。包括在眼睛102上的预定角度范围的完整扫描，允许视网膜145的所选区域内的每个位置被抖动周期内的所有波长照射。

现在描述从眼睛102的视网膜反射或后向散射的光149的返回路径。

未适应的眼睛的作用实质上是充当后向反射器，以沿着原始细光束轨迹返回每个细光束中的光的至少一部分。这样，引入到视网膜145的前向路径上的角色散，能够通过透镜144和142以及衍射光栅140在返回路径上反转。返回的光从分束器132的反射镜134反射，并且结构化照明场110(包括全波长细光束的网格)在共轭焦平面146处重新形成。在分束器132透射来自光源104的20％的光的以上示例之后，80％的返回光从分束器132反射到平面146，而功率损失很小。在平面146处，给定细光束中的每个光谱分量或颜色，表示针对映射到的视网膜上的位置147处的该颜色，视网膜145的反射系数。

因此，在平面146处，返回光表示入射的结构化照明场110但具有在其中编码的视网膜反射和彩色光谱信息。

然后，返回光穿过另一微透镜阵列148，在该微透镜阵列中，每个细光束被准直。然后使准直的细光束穿过光圈阵列150，该光圈阵列150具有与细光束的二维阵列相对应的间距。光圈阵列150被定位成以共焦地将从样本的照射区域收集的光投影到光谱仪116中。以该方式，光圈阵列150以共焦方式在空间上滤除来自细光束的外围光和非聚焦光。然后由光谱仪116分析细光束。

光谱仪116包括以4-f共焦配置设置的透镜152和154的中继器。第一透镜152在空间上将细光束会聚到透镜152和154之间的公共焦距处的点。楔形对形式的色散元件156位于该公共焦点处，并且被配置为从每个细光束成角度地分散波长分量。透镜154将角度上分散的波长分量成像到二维传感器阵列118上。在图6中示出了分散在传感器阵列118的独特的一组像素602上的细光束600的二维网格的示例映射。在其它实施例中，楔形对156可以用可替代的色散元件(诸如透射或反射衍射光栅或棱镜)代替。

光谱仪116可操作地与处理器158相关联，该处理器158处理传感器数据以针对每个波长分量(颜色)形成眼睛的正面图像。为了构造图像，处理器158包括光谱映射模块160，该光谱映射模块160被配置为基于预定义映射函数，将传感器阵列118上的位置映射到样本102上的二维位置以及多个预定义波长区间内光的波长(来自每个细光束光谱分量)。

以该方式，分散的细光束光谱分量可以用于位置信息和光谱信息二者。在这些实施例中，光谱映射模块160被配置为将与每个分散细光束的检测到的光谱分量的细长带相对应的波长划分为波长区间。给定波长区间内的波长被指定为源自样本102上的公共位置，并且因此表示该视网膜位置的光谱响应。将不同波长区间中的波长指定为源自样本上的不同位置，例如，在空间上不同的视网膜位置。

例如，来自源104的输入第一波长带可以在500nm的带宽上扩展，该带宽限定了细光束光谱分量的每个细长带的大小。通过将500nm范围划分为5nm的100个区间，每个细光束可以贡献100个空间上不同的视网膜点，每个视网膜点具有5nm的光谱带宽。因此，使用仅30×30细光束的布置，可以同时在多种波长下对跨视网膜的90,000个不同的空间点成像。通过调节波长区间的大小，可以权衡图像的光谱带宽和空间分辨率。

处理器158还包括高光谱图像发生器162，该高光谱图像发生器162被配置为根据传感器阵列118的传感器信号和模块160的预定义映射函数来生成高光谱图像。所生成的高光谱图像包括眼睛的照射区域的两个以上正面图像，其中正面图像中的每个正面图像包括来自结构化照明场110的每个细光束111的眼睛的光谱响应信息。因此，系统100可以同时在空间和光谱二者上成像。

应当理解，光谱映射模块160和高光谱图像发生器162表示可以被实现为软件、硬件(例如，CMOS)或二者组合中的算法的处理器158的功能元件。

为了对跨视网膜145的不同区域成像，MEMS 138被电子抖动信号倾斜，以如上所述在二维上横向地跨视网膜平移照射区域。因此，可以针对第一波长带内的每个波长构造视网膜145的所选区域的全正面图像。在该实施例中，可以从视网膜提取的光谱响应信息，包括与所选区域内的每个视网膜点相对应的反射功率谱。

由于设备100的共焦性质，在MEMS 138的二维角度扫描期间，仅样本的一小范围深度将被成像。为了生成视网膜的三维图像，可以平移结构化照明场，以便聚焦在不同的视网膜深度处。为此，光学系统114优选地包括用于相对于视网膜145在轴向方向中平移结构化照明场110的焦平面的部件。在一些实施例中，该平移部件包括用于物理地调节体现在仪器200中的系统100相对于眼睛102的位置的手动或机电调节机构或致动器。例如，如图2中所示，包括设备100的壳体202和用户支撑件204能够相对于彼此手动地或机电地平移，如箭头208中所示。例如，用户支撑件204可以在壳体保持静止的同时平移。可替代地，可以在用户支撑件204保持静止的同时平移壳体202。平移可以通过设置在支撑基座206上的线性致动器。在其它实施例中，光学系统114可以包括视网膜透镜，并且视网膜透镜的焦点可以包括能够被调节以选择不同成像深度的电动镜台或可变焦距透镜。

通常执行该过程以初始设定所需的成像深度。为了随后改变成像深度，透镜142和144中的一个或多个透镜的轴向位置由线性或其它致动器机械地致动，以调节结构化照明场110在眼睛102上的焦点位置。例如，透镜144的轴向位置可以相对于透镜142线性平移，以调节焦点位置并因此调节眼睛102内的成像深度。

在一系列图像的采集期间，除了在不同的MEM设定下跨视网膜145的照明的预期平移之外，随着获取各种帧，可能存在一些眼睛运动。尽管每个颜色区间仅提供视网膜的稀疏图像，但基于整个行扫描，可以基于图像的颜色平均版本准确地共配准图像帧中的每个图像帧。在该过程中，颜色信息被用作附加位置信息，以克服或至少减少在图像序列期间由于眼睛102的运动引起的影响。对于配准的图像帧中的每一个配准的图像帧，可以获取与给定像素位置相对应的高光谱分量。一旦帧数足够高，就可以通过抖动，即通过MEMS 138对成像区域进行平移，以及对完整的高像素计数进行过采样，高光谱图像可被获得。

对于许多应用，该信息量是压倒性的，并且可能在特定视网膜病理学的可视化中没有帮助，并且因此可以应用处理数据的简化。例如，可以通过将检测到的波长分量分组为红、绿和蓝(RGB)带来提供视网膜145的简单的真彩色图像。可替代地，可以将窄的光谱区域与适当的求和或差相加，以提供可以用强度或假彩色表示的单个值。

设备100能够与NIR OCT系统组合，其中OCT图像能够相对于由设备100获得的共焦图像进行配准。在Steven James Frisken的题为“Apparatus and method for confocalmicroscopy using dispersed structured illumination”(以下简称“Frisken”)的公开的PCT专利申请第WO 2018/000036 A1中描述了一种稍微相似的系统，其内容通过交叉引用的方式并入本文。然而，在本实施例中，现在能够将由设备100获得的共焦图像分别处理成不同的光谱带，以提供视网膜的高光谱分析，这可以帮助识别光谱特征。因此，与视网膜的共焦图像或OCT图像提供的结构信息相反或除此之外，本实施例提供了用于诊断可以通过视网膜的化学或分子光谱特征来识别或表征的某些病理的能力。

在一些实施例中，图1A中所示的8-f视网膜透镜中继器142、144可以被替换为前透镜布置，该前透镜布置被配置为将来自MEMS 138的角度编码细光束投影到眼睛102的一个或多个前区域(诸如角膜或晶状体)上的多个位置上。

样本的结构化白光照明，以提取彩色和荧光光谱信息

本发明的第三方面涉及用白光对样本的照明，并提供以从样本获得反射或后向散射的彩色光谱信息以及荧光光谱信息。在图7中示意性地示出根据第二实施例的设备700。设备700包括与设备100所共有的许多元件，并且为了简单起见，这些共有元件用相同的附图标记表示。

设备700中的照明由作为光谱宽带的光源104提供，以便用具有基本上跨整个可见光和NIR波长范围延伸的波长的“白光”照射样本(诸如眼睛102)。例如，光源104可以包括LED、LED阵列或超发光二极管，其中所发射的波长范围覆盖可见光和NIR光谱区域中的数百纳米。因此，相同或相似的光源可以用于第一实施例和第二实施例二者。光源可以在空间上不相干或在空间上相干。如图1A中所示，该设备被示为具有空间上不相干的光源104和结构化光发生器108用于提供结构化照明场110。

设备100和设备700之间的主要区别是在主样本路径705中用非色散光学引导元件702(诸如反射镜)替换了衍射光栅140。反射镜702用于直接反射所有细光束而不会分散组成的波长分量，使得所有波长沿着路径705共传播到眼睛102。这导致眼睛102被“白光”细光束的网格照亮，每个细光束包括由光源104发射的所有波长。这提供了比设备100的分散细光束对视网膜145的更集中照明，因此光源104通常以比设备100更低的强度操作，以提高安全性和患者舒适度。

设备700的其余操作与设备100的其余操作基本上相似，每个返回的细光束都由光圈阵列150和光谱仪116共焦成像。照明源与所测量的反射光的光谱解耦，使得能够提取关于眼睛的附加信息。例如，传感器阵列118现在能够同时检测反射光谱以及由于眼组织中的自发荧光而引起的任何荧光光谱二者，作为光谱响应信息。这是可行的，因为荧光光谱是在与激发光谱不同的波长处检测到的，并且在没有来自专用色散光学元件的细光束的任何受控色散的情况下，可以区分荧光。

设备700可以可选地包括用于执行OCT的参考臂704。在该实施例中，分束器132作为功率分配元件操作，该功率分配元件被配置为沿着参考臂704引导结构化照明场110的光功率的一部分(称为参考光706)，并且将结构化照明场的光功率的其余部分引向眼睛102。

在所示实施例中，参考臂704包括反射元件708，诸如棱镜或反射镜，用于沿着参考臂704引导参考光706。参考臂704进一步包括透镜中继器，该透镜中继器包括透镜710、712、714和716，用于基本上匹配包括眼睛102的光功率元件的主样本路径705的路径长度。提供弯曲金属反射器718形式的反射元件，用于沿着参考臂704将光反射回去以与在分束器132处从样本102返回的光重新结合。优选地，组合限定透镜716和反射器718的特性，使得它们基本上匹配眼睛102的色散特性。应当理解，如果集合效应要基本上匹配主样本路径705的路径长度和色散特性，则参考臂704中光学元件的数量、类型和位置在不同的设计中可能显著不同。

包括参考臂704允许对接收到的信号执行相干选通，以对眼睛102进行更轴向的局部检查。该形式的全色OCT可以用于将高光谱信号定位到感兴趣的轴向区域。为了使系统合理地简化，可以将在二维传感器阵列118上检测到的输入辐射场106的光谱划分为多个波长区间(例如100个区间)，每个区间具有限定的光谱宽度(例如5nm)。在每个波长区间内，可以将单个波长的子集(例如32个波长点)用作相干门，就像在OCT中一样，可以在其上执行快速傅立叶变换(FFT)以获得每个光谱带的结构(深度)信息。可以执行这些FFT，以提供跨样本的轴向位置范围，以建立多个高光谱图像，每个图像都包括跨整个颜色范围的整个二维映射。

通过限制对OCT范围和分辨率的要求，可以将设备保持相对简单，而无需在扩展的波长范围内的高度准确的色散补偿。也就是说，仅需要在单个高光谱波长区间内补偿色散。

在一些实施例中，参考臂704的长度可以选择性地可调节以选择要由光谱仪成像的相干波长。这可以通过致动器机构来实现，以机械地平移参考臂704中的反射器718和/或其它光学元件。在一个实施例中，用于调节参考路径长度的部件，与用于将主样本路径705的焦平面平移至不同样本深度的部件具有相同的机制。

因此，可以通过调节仪器700相对于眼睛102的位置，来改变被分析的眼睛102内的深度。如果存在视网膜透镜142、144，则可以调节视网膜透镜的焦点位置以同时选择共焦选通和相干选通，并提供视网膜层的高光谱映射。在寻求存在吸收或散射特征的情况下，可以将光谱差异技术应用于不同的轴向层。例如，波长区间可以被差异化以产生关于眼睛102的血液氧饱和度的信息。

在一些实施例中，设备100和设备700可以被结合到单个仪器中，这两个设备的功能能够彼此结合使用。例如，在一些实施例中，衍射光栅140与反射镜702可互换。该互换性能够通过根据需要由致动器将衍射光栅140和反射镜702机械地移入或移出光路来实现。这可以通过由外部控制器或处理器158控制的线性致动器等来执行。

在一些实施例中，系统700可以利用眼睛跟踪器和/或视网膜相机来准确地配准当前正在成像的眼睛上的位置。这允许入射到传感器阵列118的不同区域上的光的准确位置配准。

样本的高光谱荧光成像

本发明的第三实施例在图8中示出为设备800。设备800提供诸如眼睛102的样本的高光谱荧光成像，具有准确的位置配准以解决眼球运动。该功能表示本发明的第四方面。设备800包括设备100和700所共有的许多元件，并且为简单起见，这些共有元件用相同的附图标记表示。

设备800包括两个光源802和804，该光源802和804被配置为生成相应的输入光束806和808。类似于图1A和图7，光源802和804二者在空间上是不相干的，并且具有结构化光发生器108a和108b，如上所述，以分别生成结构化照明场810和812。然而，将理解，设备800可以采用空间上相干光源，诸如SLED或超连续谱光源。

光源802被配置为提供在紫外或可见波长范围内并且优选在UVA、紫、蓝或绿波长范围之一中的光束806，其将被称为“彩色光”。光源804被配置为提供在NIR波长范围内的光束808，其将被称为“NIR光”。

在替代实施例中，使用诸如衍射元件、光学滤波器或体光学二向色分束器的波长选择光学器件，从单个光源获得光束806和808的不同波长带。

来自源802的结构化彩色光照明场810穿过主成像路径814，该主成像路径814包括如先前所述的分束器132、透镜136、MEMS 138、反射镜702以及透镜142和144。主成像路径814还包括以体积相位光栅815形式的衍射多路复用元件，其操作在下面描述。在其它实施例中，可以用二向色镜和传统衍射光栅代替体积相位光栅815。

同时，来自源804的NIR光结构化照明场812穿第二路径816。路径816包括分束器818、聚焦透镜820和反射镜822，以将NIR光耦合到体积相位光栅815上。分束器818包括部分反射镜819，并且具有与上述分束器132相似的特性。分束器818用于将散射或反射回第二路径816的NIR光引导至光谱仪824，以类似于光谱仪116的方式进行光谱分析。光谱仪824具有对应的传感器阵列826，该传感器阵列可操作地与处理器158相关联(连接未显示)。光谱仪824还包括类似于光谱仪116的色散系统825。

彩色结构化照明场810和NIR结构化照明场812二者都聚焦到体积相位光栅815上的有限区域。体积相位光栅815被配置为既将来自场810和812的光多路复用在一起，并且在空间上分散来自NIR场812的NIR波长。彩色结构光照明场810的所有波长以空间受限(非分散)状态透射通过体积相位光栅815。这是通过配置体积相位光栅815来实现的，使得NIR场812的细光束以确保第一衍射级沿主成像路径814耦合的角度入射到光栅上。同时，彩色结构化照明场810的细光束应以一定角度入射到体积相位光栅815上，该角度确保沿着主成像路径814耦合包括所有共位波长的零阶衍射。

在透射通过体积相位光栅815之后，NIR场812包括细光束的分散网格，该细光束在体积相位光栅815的色散轴中拉长。换句话说，在被体积相位光栅815分散后，NIR场812包括不同波长的细光束的多个角度编码的共传播网格，其中每个网格具有取决于其波长的传播角度。彩色结构光照明场810基本上不被体积相位光栅815修改，并且包括来自光源802发射的彩色带内的所有波长的光(例如，UVA、紫色、蓝色或绿色)。因此，彩色场810内的所有波长与细光束的单个栅格沿着相同的轨迹共传播。

将共传播的彩色结构化照明场810和NIR结构化照明场812投影到眼睛102上并在视网膜145上的多个位置147处成像。一旦入射到视网膜145上，由于来自某些分子的自发荧光，用来自视网膜145的荧光信息对彩色结构化照明场810的细光束进行编码。

在来自视网膜145的反射、后向散射或发荧光149时，结构化照明场810、812沿着主成像路径814返回到体积相位光栅815。彩色结构化照明场810和生成的荧光穿过体积相位光栅815返回而没有分散，然后从分束器132的反射镜134反射，并在由网格光谱仪116检测到之前穿过光圈阵列150进行共焦选通。共焦选通(confocal gating)在荧光成像中很重要，以拒绝与被测样本部分(就深度而言)无关的光。例如，在对眼睛进行成像的情况下，来自眼睛的角膜或房水的荧光或后向散射可提供强信号，优选将强信号去除，以便使来自视网膜145的荧光信号实现更强的信噪比。

从视网膜145反射或后向散射的在NIR结构化照明场812中的光的分散在穿过体积相位光栅815返回时被反转。然后，所回收的NIR细光束沿着第二路径816返回，在此处它们用适当大小的光圈阵列850进行空间滤波，并在光谱仪824处成像或分析，该光谱仪包括色散元件825和传感器阵列826。

光谱仪116的传感器阵列118接收来自第一光源802的彩色细光束的网格，该细光束根据波长由色散楔形对156分散。因此，可以获得样本上每个网格点的光谱信息，该光谱信息包括由于该位置和深度处的局部分子引起的荧光光谱信息。

同时，传感器阵列826接收由色散元件825分散的NIR细光束的网格。处理器158处理在传感器阵列826处接收的信号以生成光谱映射信息。该信息提供传感器位置到视网膜145上的位置的位置配准，因为处理器158能够应用映射功能来映射分散的NIR波长的轨迹。已知位置可以用于将在传感器118处测量的荧光光谱参考到视网膜位置，以提供准确的映射并减少运动模糊伪像。

通过以上过程，设备800可以产生眼睛102的特定区域和层的二维荧光光谱图。设备800可以用于通过以上述方式机械倾斜MEMS 138来对眼睛102的不同区域成像。可以通过以上述方式相对于患者机械平移设备800以对眼睛102的不同深度成像。通过对不同的横向区域和深度成像，可以产生眼睛102的三维荧光光谱图。

在优选实施例中，如图1A中所示，结构化照明场110包括细光束111的二维阵列。然而，在替代实施例中，如图1B中所示，结构化照明场110包括线性细光束119的一维阵列。参考图1A，可以通过用圆柱形微透镜阵列代替二维微透镜阵列130来产生该形式的结构化照明场。在其它变型中，使返回的线性细光束穿过微透镜阵列148，该微透镜阵列148包括圆柱形微透镜阵列，以使其在短轴中准直，并且然后使准直的细光束穿过线性光圈阵列150，该线性光圈具有与线性细光束的一维阵列相对应的间距。然后，如前所述，在空间上滤波的返回细光束传递到光谱仪116以进行光谱分析。参考图7和图8描述的设备可以以类似的方式修改。

结论

应当理解，上述发明提供了在多个点同时对来自样本的彩色或荧光光谱信息进行成像的能力。本发明能够以不同的模式操作以从样本中获得不同的光谱信息，包括全场彩色光谱信息和荧光光谱信息。如果需要的话，本发明还能够结合OCT系统。

本发明的实施例提供了一种高效的视网膜共焦成像系统，该视网膜共焦成像系统能够以足够的分辨率并且跨大视野快速捕获荧光光谱，以适合于筛选和疾病诊断。另外的实施例(未示出)能够通过选择性地改变输入光源的波长来根据激发波长来执行上述操作。

通过本发明的设备和方法从眼睛获得的荧光信息，可用于识别与RPE层以及因此感光体的老化和健康有关的重要信息。荧光信息还可用于诊断患者的阿尔茨海默氏病。

解释

本领域技术人员将理解，激光束的频率和波长通过以下等式连接：

光速＝波长*频率。

结果，当提及诸如波长带、波长色散、波长相关性和类似术语的术语时，这些术语与对应的术语频带、频率色散和频率相关性等可互换。

应当理解，被描述为透镜、棱镜或反射镜的各种光学元件与对应的光功率元件可互换以产生相同的整体效果(聚焦、会聚、准直等)。例如，可以用反射镜、棱镜或光学元件的中继器代替具有与透镜等效的光学效果的透镜。类似地，诸如衍射光栅的一个色散元件可以代替诸如棱镜的另一色散元件，以执行等效的色散操作。

在整个说明书中，术语“元件”的使用旨在表示单个整体组件或组合以执行特定功能或目的的组件集合。

除非另有特别说明，从以下讨论中显而易见，应理解，在整个说明书讨论中，利用诸如“处理”、“计算”、“算计”、“确定”、“分析”等术语是指计算机或计算系统或类似电子计算装置的操作和/或过程，其将表示为物理(诸如电子)量的数据处理和/或变换为类似表示为物理量的其它数据。

以类似的方式，术语“控制器”或“处理器”可以指处理例如来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据变换成例如可以存储在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何装置或装置的一部分。“计算机”或“计算机器”或“计算平台”可包括一个或多个处理器。

在一个实施例中，本文描述的方法可由一个或多个处理器执行，该处理器接受包含一组指令的计算机可读(也称为机器可读)代码，当由一个或多个处理器执行时，该指令执行本文描述的方法中的至少一种方法。包括能够执行一组指令的、顺序地或以其它方式指定要采取的动作的任何处理器。因此，一个示例是包括一个或多个处理器的典型处理系统。每个处理器可以包括CPU、图形处理单元和可编程DSP单元中的一个或多个。该处理系统进一步可以包括存储器子系统，该存储器子系统包括主RAM和/或静态RAM和/或ROM。可以包括总线子系统，用于组件之间的通信。该处理系统可以进一步是具有通过网络耦合的处理器的分布式处理系统。如果处理系统需要显示器，则可以包括此类显示器，例如液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)显示器。如果需要手动数据输入，则处理系统还包括输入装置，诸如字母数字输入单元(诸如键盘)、指向控制装置(诸如鼠标)等中的一个或多个。如果从上下文中清楚并且除非另外明确指出，否则本文所使用的术语存储器单元也包括诸如磁盘驱动器单元的存储系统。在一些配置中的处理系统可以包括声音输出装置和网络接口装置。因此，存储器子系统包括承载计算机可读代码(例如软件)的计算机可读载体介质，该计算机可读代码包括一组指令，当由一个或多个处理器执行时，该指令将导致执行本文所述方法中的一种或多种。注意，当方法包括多个元素时，例如几个步骤，除非特别说明，否则不暗示这些元素的顺序。在计算机系统执行软件期间，软件可以驻留在硬盘中，或者也可以完全或至少部分地驻留在RAM和/或处理器中。因此，存储器和处理器也构成承载计算机可读代码的计算机可读载体介质。

在整个说明书中对“一个实施例”、“一些实施例”或“实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，短语“在一个实施例中”、“在一些实施例中”或“在实施例中”在各个地方的出现不一定都指的是同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如对于本领域的普通技术人员而言根据该公开内容显而易见的，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

如本文所使用的，除非另有说明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述公共对象，仅指示引用了相同对象的不同实例，并且不旨在暗示所描述的对象必须在时间、空间、等级或任何其它方式上处于给定的顺序。

在所附权利要求和本文的描述中，术语“包括”、“由……包括”或“包含”中的任何一个是开放术语，其意味着至少包括随后的元素/特征，但不排除其它元素/特征。因此，当在权利要求书中使用术语“包括”时，不应将其解释为限制于此之后列出的手段或元素或步骤。例如，表述“包括A和B的装置”的范围不应限于仅由元素A和B组成的装置。如本文使用的术语“包含”或“其包含”或“其包括”中的任何一个也是开放术语，其也意味着至少包括术语之后的元素/特征，但不排除其它元素/特征。因此，“包括”与“包含”同义，并且意味着“包含”。

应当理解，在本公开的示例性实施例的以上描述中，有时将本公开的各个特征组合在单个实施例、图或其描述中，以简化本公开并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，本公开的方法不应被解释为反映以下意图：权利要求需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，具体实施方式后所附的权利要求特此明确地并入本具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为本公开的单独实施例。

此外，如本领域技术人员将理解的，尽管本文描述的一些实施例包括其它实施例中包括的一些但不包括其它特征，但是不同实施例的特征的组合旨在处于本公开的范围内，并且形成不同的实施例。例如，在所附权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。

然而，应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其它情况下，未详细示出公知的方法、结构和技术，以免混淆对本说明书的理解。

类似地，应注意，术语“耦接”在权利要求书中使用时不应解释为仅限于直接连接。可以使用术语“耦接”和“连接”及其派生词。应该理解，这些术语并不旨在彼此等同。因此，表述“耦接到装置B的装置A”的范围不应限于装置A的输出直接连接到装置B的输入的装置或系统。这意味着在A的输出和B的输入之间存在路径，该路径可以是包括其它装置或部件的路径。“耦接”可意味着两个以上元素处于直接的物理、电气或光学接触，或者两个以上元素彼此不直接接触，但仍彼此协作或彼此作用。

因此，尽管已经描述了被认为是本公开的优选实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对其进行其它和进一步的修改，并且旨在要求保护所有落入本公开范围内的这些改变和修改。例如，以上给出的任何公式仅代表可以使用的过程。可以从框图中添加或删除功能，并且可以在功能块之间互换操作。可以向在本公开的范围内描述的方法添加或删除步骤。

Claims (28)

1.一种用于分析样本的设备，所述设备包括：

光源，被配置为生成具有由多个波长组成的第一波长带的输入辐射场；

结构化光发生器，用于将所述输入辐射场转换成包括细光束阵列的结构化照明场；

光学系统，用于将所述结构化照明场投影到所述样本的区域上，包括对细光束进行角度编码，使得每个细光束被投影到所述样本的与编码角度相对应的位置上，其中所述光学系统包括色散元件，用于将所述细光束中的每个细光束成角度地分散到与所述多个波长中的每个波长相对应的细光束光谱分量的细长带中，并且针对从所述样本的所述区域反射、或后向散射的光的一部分，使施加到所述细光束的成角度分散反向；

光谱仪，包括二维的传感器阵列，所述光谱仪被配置为光谱分析从所述样本的所述区域反射、或后向散射的光的所述一部分；以及

与所述光谱仪操作性关联的处理器，所述处理器包括：

光谱映射模块，被配置为基于预定义映射函数，将所述传感器阵列上的位置映射到所述样本上的二维位置以及多个预定义的波长区间内的光的波长；以及

高光谱图像发生器，被配置为根据所述传感器阵列的传感器信号和所述预定义映射函数生成高光谱图像，所述高光谱图像包括来自所述结构化照明场的每个细光束的所述样本的光谱响应信息。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述结构化光发生器被配置为将所述输入辐射场转换成包括二维的所述细光束阵列的所述结构化照明场。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源在空间上是不相干的。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学系统包括用于相对于所述样本平移所述结构化照明场的部件。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，用于相对于所述样本平移所述结构化照明场的所述部件包括可倾斜镜。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学系统包括透镜中继器，所述透镜中继器在使用中设置在所述色散元件和所述样本之间，以将所述细光束光谱分量投影到所述样本上某个位置处，所述位置取决于所述细光束阵列中原始细光束的位置以及所述细光束光谱分量的波长二者。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，不同细光束的所述细光束光谱分量在所述样本的所述区域上重叠，使得由所述光谱仪在所述样本的所述区域上的重叠区域中的每个点处对所述多个波长成像。

8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述光谱响应信息包括与所述样本的所述区域上的每个点相对应的反射功率谱。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器被配置为将与所述细光束光谱分量的所述细长带相对应的所述波长划分为所述波长区间，其中，所述波长区间内的波长被指定为源自所述样本上的公共位置，并且不同所述波长区间的波长被指定为源自所述样本上的不同位置。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，投影到所述样本的所述区域上的角度编码的所述细光束中的每一个包括所述多个波长中的每一个波长。

11.根据权利要求3所述的设备，其中，所述结构化光发生器包括具有光功率元件的二维阵列的细光束生成装置，所述细光束生成装置被定位成使得在使用中，所述输入辐射场入射到所述光功率元件的阵列上，以生成至少部分准直的细光束的二维阵列。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述细光束生成装置包括第一微透镜阵列，其中所述光功率元件为微透镜。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述结构化光发生器还包括：

第一光功率装置，用于将所述至少部分准直的细光束的阵列在空间上在会聚平面处会聚到预定义宽度；以及

设置在所述会聚平面处的光圈，所述光圈的直径比所述会聚平面处所述至少部分准直的细光束的所述阵列的直径更小。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一光功率装置包括具有在0.4至1.5范围内的数值光圈的透镜。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一光功率装置包括变折射率透镜。

16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述结构化光发生器还包括：

第二光功率装置，具有预定义焦距并且设置在距所述会聚平面达与所述预定义焦距相等的距离处，所述第二光功率装置生成包括一组至少部分重叠的细光束的近准直光束；以及

第二微透镜阵列，具有微透镜的二维阵列并且被定位成接收所述近准直光束并生成用于照射所述样本的细光束的二维阵列。

17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括光圈阵列，所述光圈阵列被定位成将从所述样本的所述区域反射、或后向散射的所述光共焦地投影到所述光谱仪中，所述光圈阵列具有与所述细光束阵列相对应的间距。

18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源被附加配置为生成具有第二波长带的输入辐射场，所述第二波长带所述多个波长组成。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，第二波长带选自电磁光谱的紫外线A、紫色区域、蓝色区域或绿色区域。

20.根据权利要求18所述的设备，其中，所述第一波长带在电磁光谱的近红外区域中。

21.根据权利要求18所述的设备，其中，所述色散元件包括体积相位光栅，用于多路复用一起的所述第一波长带和所述第二波长带，并且所述体积相位光栅被配置为在空间上分散来自所述第一波长带的所述多个波长，同时将所述第二波长带的所述多个波长保持在空间受限状态。

22.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括参考臂和功率分配元件，所述功率分配元件被配置为将所述结构化照明场的光功率的一部分沿着所述参考臂引导，并将所述结构化照明场的所述光功率的其余部分引向所述样本。

23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述参考臂的长度是选择性调节的，以便选择要由所述光谱仪成像的相干波长。

24.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被配置用于分析包括眼睛的所述样本。

25.一种分析样本的方法，所述方法包括以下步骤：

从具有由多个波长组成的波长带的输入辐射场，生成包括细光束阵列的结构化照明场；

将所述细光束中的每个细光束成角度地分散到与所述多个波长中的每个波长相对应的细光束光谱分量的细长带中；

将分散的所述结构化照明场投影到所述样本的区域上，包括对所述细光束进行角度编码，使得每个细光束被投影到与编码角度相对应的所述样本的位置上；

针对从所述样本的所述区域反射、或后向散射的光的一部分，使施加到所述细光束的成角度分散反向；以及

使用二维的传感器阵列对从所述样本的所述区域反射、或后向散射光的一部分进行光谱分析，所述光谱分析包括：

基于预定义映射函数，将所述传感器阵列上的位置映射到所述样本上的二维位置以及多个预定义的波长区间内的光的波长；以及

从所述传感器阵列的传感器信号和所述预定义映射函数生成高光谱图像，所述高光谱图像包括来自分散的所述结构化照明场的每个细光束的所述样本的光谱响应信息。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述结构化照明场包括所述细光束的二维阵列。

27.一种制品，包括计算机可用介质，所述计算机可用介质具有被配置为操作权利要求1所述的设备的计算机可读程序代码。

28.一种制品，包括计算机可用介质，所述计算机可用介质具有被配置为实现权利要求25所述的方法的计算机可读程序代码。