CN113180589A - 相对相敏光学相干断层扫描设备、方法和制品 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及相对相敏光学相干断层扫描设备、方法和制品。相对相敏光学相干断层扫描设备，包括：成像系统，用于以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，第二图像在第一图像之后的预定时间段被获取；以及处理器，用于：将第一图像与第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的样本的运动或变形引起的空间分辨的相移；并且从相移确定与运动或变形相关联的样本的位移的至少一个分量。

Description

相对相敏光学相干断层扫描设备、方法和制品
本申请是国际申请日为2016年5月27日、国际申请号为PCT/AU2016/050418、发明名称为“高分辨率3-D谱域光学成像设备和方法”的中国国家阶段申请201680029027.0的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及光学成像设备和方法，并且具体地，涉及具有全范围和扩展焦深的3D谱域光学相干断层扫描(OCT)设备，其对复数场进行采样。然而，应该理解的是，本发明不限于这个特定的使用领域。
背景技术
在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应该被认为是承认这种现有技术是广泛已知的或构成本领域公知常识的一部分。
光学相干断层扫描(OCT)是一种广泛使用的干涉测量技术，用于使用包含在反射或散射光的幅度和相位内的信息，研究生物样本，包括诸如人眼等体内组织(具有横向和深度分辨率)。OCT系统通常利用迈克尔逊干涉仪配置，采用两种主要方法：时域OCT和谱域OCT。
在时域OCT中，通过将从样本反射的光与由同一光源提供的参考光束(但具有时变路径长度)进行干涉来利用部分相干光源(诸如具有几微米相干长度的超辐射发光二极管(SLED))的相干特性。在对应于参考臂中的路径长度延迟的样本中的特定深度处，在组合的后向反射信号中检测到条纹的干涉包络，从而允许重建深度维度中的反射轮廓。通常，一次只对一个采样点这样做，并且相应的深度扫描被称为“A-扫描”。
取代扫描延迟线，谱域OCT技术通过将反射光与参考光束相干涉来分析反射光，作为波长的时变函数(扫描源OCT)，或者通过用光栅或其他光谱解复用器来分散不同的波长并沿检测器阵列对它们同时进行检测。谱域信息是空间(深度)反射轮廓的傅立叶变换，因此可以通过快速傅立叶变换(FFT)来恢复空间轮廓。一般而言，谱域OCT系统优于时域OCT系统，因为它们具有-20至30dB的灵敏度优势。
OCT技术可适于通过在一个轴上相对于样本扫描样本光束来提供横向分辨的“B扫描”，或者通过在两个轴上扫描来提供“C扫描”。无论扫描类型如何，通常需要更快的获取速度，尤其用于减少体内样本的运动引起的伪影，并且由于在包括更快的扫描源扫描速率和光电探测器阵列读出速度的多个领域的进步，更快的获取速度在过去的20至25年间得到了很大的改善。然而，激光安全法规对扫描点方案(尤其是体内应用)提出了一个基本的限制：缩短驻留时间，以提高扫描速度，而不能增加施加的功率，这将不可避免地劣化了信噪比。
因此，也有人研究了‘平行’的OCT系统，其中，用横向分辨率探测扩展的样本区域，或同时探测样本点阵列。通过利用CCD相机并对光学器件成像来平行化时域OCT是相对简单的，例如，如题为‘用于使用CCD探测器阵列并且不使用横向扫描仪来获取图像的方法和设备’的美国专利No.5,465,147中所述。这提供了二维(2-D)面部图像，通过与在时域OCT中一样扫描参考反射镜来提供深度分辨率。
扫描源谱域OCT可以以类似的方式平行化，如在Bonin等人在Optics Letters 35(20)、3432-3434(2010)中的‘In vivo Fourier-domain full-field OCT of the humanretina with 1.5million A-lines/s’中所述。然而，因为每个帧对应于单个波长，所以每个A扫描的获取时间等于帧周期乘以获取的k点(波长样本)的数量。甚至对于帧速率为100skHz的超高速相机，这也可能导致多个毫秒的A扫描获取时间，这会导致运动伪影，特别是对于体内样本。题为‘Multichannel optical receivers’的PCT专利申请No PCT/AU2015/050788公开了一种替代的平行化扫描源OCT方案，该方案能够实现更快速的获取。在一个特定实施方式中，同时照射样本上的多个点，并且反射或散射的信号光与参考光束混合，以形成具有唯一载波频率的多个干涉图。
基于并行光谱仪的谱域OCT能够实现单次B扫描获取，尽管现有的方案受到二维光电探测器阵列的一个轴被波长分散占据这一事实的限制。在题为‘Line-field holoscopy’的公开的美国专利申请No 2014/0028974A1中描述的配置中，使用柱面透镜来在样本上和参考反射镜上产生线照明。如图1中示意性地示出的，来自线照明2的组合返回样本和参考光束用诸如光栅4等分散元件分散，并且用2-D传感器阵列6检测。沿着光谱轴8的傅立叶变换沿照明线2为每个位置9提供A扫描。对于完整的三维(3-D)成像，照明线在正交方向上机械地扫描，并且重复地读出2-D传感器阵列。
即使样本的线性B扫描是足够的，即，不需要3-D成像，在正交方向上的扫描仍然是必要的，例如，用于数字波前校正，以校正透镜像差等，或提供增加的景深。此外，为了这些目的，重复的线性扫描必须是相位相干的，这通常是困难的。
谱域OCT设备通常优选被配置为对干涉信号的明确的复数场而不是仅检测到的实值干涉信号进行采样，以区分正和负路径长度延迟，并因此能够在全景深范围内成像。已经描述了捕获复数场的各种方法。例如，Jungwirth等人在Journal of Biomedical Optics14(5)、050501(2009)中的‘Extended in vivo anterior eye-segment imaging withfull-range complex spectral domain optical coherence tomography’描述了用于扫描点方案的解决方案，其中，当样本被扫描时，样本相抖动。这种方法的一个关键缺点是样本移动可能导致扫描期间相位相干的损失。已经描述了具有改进的相位稳定性的线场系统，其不需要抖动样本相。例如，在US 2014/0028974 A1中，通过对线性照明的远场中的信号进行采样来获取复数场，而在Huang等人在Applied Optics 52(5)、958-965(2013)中的‘Full-range parallel Fourier-domain optical coherence tomography using aspatial carrier frequency’中，在图像平面中捕获线场，离轴参考提供对复数场的访问。
对于给定的波长，通过物镜的数值孔径来确定OCT设备的横向分辨率。然而，增加物镜的数值孔径不可避免地减小了景深，导致横向分辨率和景深之间的折衷。已经提出了各种基于软件或数字聚焦技术来克服这种折衷，以增加景深。这些方法通常假设在扫描和采样期间维持散射点之间的相位相干性，并且可以在图像平面或傅立叶平面中捕获场。
在一个示例中，在Mo等人在Optics Express 23(4)、4935-4945(2015)中的‘Depth-encoded synthetic aperture optical coherence tomography of biologicaltissues with extended focal depth’中，讨论了合成孔径技术。在另一示例中，Kumar等人在Optics Express 22(13)、16061-16078(2014)中的‘Numerical focusing methodsfor full field OCT:a comparison based on a common signal model’的正向模型(FM)方法涉及使用具有2-D CMOS相机的全场扫描源OCT设备在图像平面中将3D捕获的干涉信号I(x，y，k)采样。通过要求样本仅在零延迟的一侧，获取明确的相位，并且通过基于菲涅耳波前传播模型应用数字相位校正来实现散焦校正。这个数值相位校正是通过首先沿着光谱轴对实值信号执行1-D FFT，给出复数场I(x，y，k)→E(x，y，Δz)来实现的。接着是所有正延迟的横向坐标E(x，y，Δz)→E(kx，ky，Δz)的2-D FFT。然后，应用用于散焦校正的菲涅耳校正：E(kx，ky，Δz)→E(kx，ky，Δz)γ，其中，
Figure BDA0003047444130000041
此处，波长由中心波长λ0代替，n是样本的折射率，并且M是OCT设备的放大率。相对于相位校正场的空间频率的二维逆FFT(IFFT)给出聚焦在整个体积上的图像。
已在Fechtig等人在Journal of Modern Optics(2014)、DOI:10.1080/09500340.2014.990938中的‘Full range line-field parallel swept source imagingutilizing digital refocusing’中演示了具有全范围线场OCT系统的数字聚焦。在这种情况下，在图像平面中测量样本场，并且全范围测量是通过使用参考臂的离轴配置实现的。这种离轴配置引入了横向载波频率，该频率偏移频率空间中的干扰项，使得正频率分量和负频率分量能够分离，由此能够测量复信号。扫描方向上的相位噪声将数字聚焦限制到一个维度，这被应用于每个连续的B扫描。通过首先沿着与离轴参考对应的空间轴进行1-D FFT，可以获取复信号，然后可以应用滤波器，来从其复共轭伪影和非干涉背景中选择正频率信号分量。然后，1-D IFFT以明确的相位给出信号测量。数字聚焦是通过沿着光谱轴执行1-DFFT实现的，然后执行横向坐标的一维FFT，来给出E(kx，Δz)，其中，Δz现在延伸到整个范围。1-D相位校正因子乘以1-D FFT给出了在整个范围内的聚焦B扫描。
在Hillmann等人在Optics Letters 36(13)、2390-2392(2011)中的‘Holoscopy-holographic optical coherence tomography’中，描述了在远场采样的全场扫描源OCT系统。在这个系统中，每个波长的二维干涉图传播到特定的延迟Δz。然后使用沿着光谱轴的1-D FFT来为该深度Δz重建聚焦的对象。这个过程重复延迟范围，并且重聚焦的区域然后拼接在一起。如在Hillmann等人在Optics Express 20(19)、21247-21263(2012)中的‘Efficient holoscopy image reconstruction’中所述，使用离轴参考光束演示了傅立叶平面中的采样的全范围成像以获得明确的相位。这种数字后处理方法(其中，3-D信号被内插到非等间隔网格上)提供了在整个体积的扩展部分中具有与焦平面分辨率相等的分辨率的体图像。然后，最后的3-D FFT给出聚焦的体图像。在例如Ralston等人在Nature Physics3(2)、129-134(2007)中的‘Interferometric synthetic aperture microscopy’中，描述了在反相合成孔径显微镜(ISAM)中使用类似的方法。
我们注意到，上述方法假设了深度依赖离焦的简单模型。在Kumar等人在OpticsExpress 21(9)，10850-10866(2013)中的“Subaperture correlation based digitaladaptive optics for full field optical coherence tomography”中，描述了使用子孔径相关性来补偿未知光学像差的替代方法。
与点扫描系统相比，全场OCT系统的一个重要限制是容易受到来自多路径散射的串扰，并因此降低了灵敏度。另外，缺少共焦滤波会增加来自系统相干长度外部的杂散反射的敏感性。US 2014/0028974 A1的线场方法与通过在一个轴上共轴选通的全场系统相比，部分地减轻了这些限制。减轻串扰的另一种方法是使用空间非相干源。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语‘包括(comprising)’、‘包括(comprises)’等应被解释为包含性的意义，与排他性或穷举的意义相反。即，解释为‘包括但不限于’的意义。
本发明的目的
本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个限制，或提供有用的替代方案。本发明的一个目的是以优选的形式提供用于采用单次拍摄获取技术来获取样本的3-D图像的谱域OCT设备和方法。本发明的另一目的是以优选的形式提供用于基于从视网膜的小体积反射或散射的光的光谱特性的数值重建(校正存在于样本眼中的像差)来获取视网膜的改善的高分辨率光学图像的设备和方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于视网膜成像的设备，所述设备包括：
(i)多波长光源；
(ii)角度可变照明系统，用于将从光源发射的光的至少两个部分引导到样本眼的视网膜的两个或多个体积中的每一个上；
(iii)测量系统，用于接收从两个或多个体积中的每个体积反射或散射的光的信号，每个所述信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数，并且用于同时在每个所述信号的一定波长范围内进行测量；以及
(iv)处理器，用于处理所述测量，以生成视网膜在两个或多个体积上的光学特性的一个或多个数字表示，并且从一个或多个数字表示产生在包括两个或多个体积的至少一部分的视网膜的区域内的三维复合图像。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于对样本成像的设备，所述设备包括：
(i)多波长光源；
(ii)照明系统，用于将从光源发射的光的至少两个部分引导到样本的两个或多个体积中的每一个上，样本位于所述设备的光学功率元件的焦平面处或附近；
(iii)测量系统，用于接收从两个或多个体积中的每个体积反射或散射的光的信号，每个所述信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数，并且用于同时在每个信号的一定波长范围内进行测量；以及
(iv)处理器，用于处理测量，以生成样本在两个或多个体积上的光学特性的一个或多个数字表示，并且从一个或多个数字表示产生在包括两个或多个体积的至少一部分的区域内的样本的三维复合图像。
第一和第二方面共享许多优选。优选地，处理器适于使用样本眼或样本的像差的数字重聚焦或数字校正来产生三维复合图像。在某些实施例中，处理器适于在两个或多个体积中的每个体积上产生光学特性的数字表示，并且从数字表示产生三维复合图像。在其他实施例中，处理器适于在两个或多个体积上产生光学特性的数字表示，并且从数字表示产生三维复合图像。
在某些实施例中，照明系统适于顺序将光的至少两个部分引导到视网膜的两个或多个体积上。在其他实施例中，照明系统适于同时将光的至少两个部分引导到视网膜的两个或多个体积上。
测量系统优选地包括用于对信号进行采样的二维小透镜阵列和用于将采样信号分散到二维传感器阵列上的波长分散元件，其中，小透镜阵列的小透镜相对于波长分散元件定位，使得在使用中，每个采样信号分散到传感器阵列的一组像素上。在某些实施例中，二维小透镜阵列被定位成使得在傅立叶平面中对信号进行采样。优选地，二维小透镜阵列包括相对于波长分散元件的分散轴成角度的小透镜的直线阵列。
优选地，两个或多个体积的相邻体积对部分重叠。在某些实施例中，处理器适于将三维复合图像缩小为视网膜的高分辨率B扫描。
在某些实施例中，光学特性选自包括相位、反射率、折射率、折射率变化和衰减的组。在某些实施例中，测量系统适于捕获信号的至少第一偏振状态和第二偏振状态的相位和幅度信息。在这些实施例中，光学特性可以包括双折射或偏振度。
对于两个或多个体积中的每一个，视网膜的照明表面的面积优选地小于或等于500μm×500μm，更优选地小于或等于200μm×200μm。
根据本发明的第三方面，提供了一种相对相敏光学相干断层扫描设备，包括：
(i)成像系统，用于以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，第二图像在第一图像之后的预定时间段被获取；以及
(ii)处理器，用于：
(a)将第一图像与第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的样本的运动或变形引起的空间分辨的相移；并且
(b)从相移确定与运动或变形相关联的样本的位移的至少一个分量。
处理器优选地适于从相移和预定时间段确定与运动或变形相关联的样本的位移速率。在某些实施例中，处理器适于测量与样本的变形相关联的应变，或者对样本进行弹性成像测量。
根据本发明的第四方面，提供了一种偏振敏感的光学相干断层扫描设备，包括：
(i)包括多波长光源的照明系统，用于用至少第一偏振状态的光照射样本的体积；
(ii)分光器，用于将从样本反射或散射的光的一部分引导离开光源；
(iii)测量系统，用于针对从样本反射或散射的光的信号的至少第一偏振状态和第二偏振状态，在一定波长范围内进行第一组同时测量，所述信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数；以及
(iv)处理器，用于处理第一组同时测量，以生成样本的照射体积的一个或多个偏振特性的三维表示。
优选地，一个或多个偏振特性包括双折射或偏振度。
在某些实施例中，照明系统适于随后用与第一偏振状态不同的第二偏振状态的光照射样本的所述体积，并且测量系统适于在一定波长范围内进行第二组同时测量。在这些实施例中，处理器优选地适于处理第一组同时测量和第二组同时测量，以产生样本的照射体积的一个或多个偏振特性的三维表示。
在优选的实施例中，光器包括偏振无关分束器。优选地，分光器包括具有全内反射表面和局部破坏表面处的全内反射的一个或多个开口的开口反射器，用于允许透射光，以照射样本。更优选地，开口反射器包括由形成一个或多个开口的一个或多个局部指数匹配区域隔开的两个全内反射表面。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于在扩展景深上对样本成像的光学相干断层扫描设备，所述设备包括：
(i)照明系统，适于用以两个或多个入射角入射并且均具有至少第一波长和第二波长的光束照射要在三个空间维度中成像的样本的体积；
(ii)干涉仪，适于在至少第一波长和第二波长上以及在至少对于每个入射角在单次拍摄中测量从以两个或多个入射角照射的样本的体积反射或散射的光的相位和幅度的采样点的二维网格；以及
(iii)处理器，用于：在傅立叶域中将来自两个或多个入射角的测量配准和拼接在一起，以产生测量的扩展傅立叶场；并且通过傅立叶变换或扩展傅立叶场测量的数字处理来产生样本的光学特性的三维图像。
在某些实施例中，照明系统适于用以两个或多个入射角入射的光束顺序照射样本体积。在替代的实施例中，照明系统适于用以两个或多个入射角入射的光束同时照射样本体积。
在优选的实施例中，干涉仪包括：二维小透镜阵列，用于提供采样点的二维网格；二维传感器阵列；以及波长分散元件，用于将来自每个采样点的光分散到传感器阵列上，其中，小透镜阵列的小透镜相对于波长分散元件定位，使得在使用时，来自每个采样点分散到传感器阵列的一组像素上。在某些实施例中，二维小透镜阵列被定位成对傅立叶平面中的信号进行采样。二维小透镜阵列优选地包括相对于波长分散元件的分散轴成角度的小透镜的直线阵列。在优选的实施例中，三维图像的横向分辨率通过扩展的傅立叶场测量来增强。
根据本发明的第六方面，提供了一种高分辨率光学成像设备，包括：
(i)照明系统，用于利用多波长光束照射要在三个空间维度中成像的样本的体积；
(ii)采样系统，用于在傅立叶平面中采样从所述样本的照射体积反射或散射的光；
(iii)测量系统，用于在采样的反射或散射的光的波长范围内同时捕获相位和幅度信息；以及
(iv)处理器，用于处理相位和幅度信息，以在照射体积上构建样本的光学特性的三维图像。
在优选的形式中，处理器适于使用样本的像差的数字重聚焦或数字校正来构建三维图像。
在优选的实施例中，测量系统包括用于将从采样系统获取的采样信号分散到二维传感器阵列上的波长分散元件，其中，采样系统相对于波长定位，使得在使用中，每个采样信号分散到传感器阵列的一组像素上。采样系统优选地包括二维小透镜阵列，所述二维小透镜阵列用于对反射或散射的光进行采样，以提供采样点的二维网格。
在某些实施例中，光学特性选自包括相位、反射率、折射率、折射率变化和衰减的组。在某些实施例中，测量系统适于捕获反射或散射的光的至少第一偏振状态和第二偏振状态的相位和幅度信息。在这些实施例中，所述光学特性可以包括双折射或偏振度。
对应于照射体积的照明表面的面积优选地小于或等于500μm×500μm，更优选地小于或等于200μm×200μm。在优选的实施例中，三维图像具有3μm或更好的空间分辨率。
根据本发明的第七方面，提供了一种用于对样本眼的视网膜成像的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)提供多波长光束；
(ii)利用角度可变照明系统将所述多波长光束的至少两个部分引导到样本眼睛的视网膜的两个或多个体积中的每一个上；
(iii)接收从两个或多个体积中的每一个反射或散射的光的信号，每个信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数；
(iv)在一定波长范围内同时对每个所述信号进行测量；并且
(v)处理测量，以生成在两个或多个体积上的视网膜的光学特性的一个或多个数字表示，并且从一个或多个数字表示产生在包括两个或多个体积的至少一部分的视网膜的区域上的三维复合图像。
根据本发明的第八方面，提供了一种用于对样本成像的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)提供多波长光束；
(ii)将多波长光束的至少两个部分顺序引导到样本的两个或多个体积中的每一个上；
(iii)接收从两个或多个体积中的每一个反射或散射的光的信号，每个信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数；
(iv)在一定波长范围内同时对每个信号进行测量；并且
(v)处理测量，以生成在所述两个或多个体积上的所述样本的光学特性的一个或多个数字表示，并且从一个或多个数字表示产生在包括两个或多个体积的至少一部分的区域内的样本的三维复合图像。
根据本发明的第九方面，提供了一种用于执行样本的相对相敏光学相干断层扫描测量的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，第二图像在第一图像之后的预定时间段获取；
(ii)将第一图像与第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的样本的运动或变形引起的空间分辨的相移；并且
(iii)从相移确定与运动或变形相关联的样本的位移的至少一个分量。
根据本发明的第十方面，提供了一种用于执行样本的偏振敏感光学相干断层扫描测量的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)用至少第一偏振状态的多波长光照射样本的体积；
(ii)将从样本反射或散射的光的一部分引导离开多波长光的源；
(iii)针对从样本反射或散射的光的信号的至少第一偏振状态和第二偏振状态，在一定波长范围内进行第一组同时测量，所述信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数；并且
(iv)处理第一组同时测量，以生成样本的照射体积的一个或多个偏振特性的三维表示。
根据本发明的第十一方面，提供了一种用于在扩展景深上执行样本的光学相干断层扫描成像的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)用以两个或多个入射角入射并且均具有至少第一波长和第二波长的光束照射要在三个空间维度中成像的样本的体积；
(ii)在至少所述第一波长和第二波长上以及在至少针对每个入射角在单次拍摄中干涉地测量从以两个或多个入射角照射的样本的体积反射或散射的光的相位和幅度的采样点的二维网格；并且
(iii)在傅立叶域中将来自两个或多个入射角的测量配准和拼接在一起，以产生测量的扩展傅立叶场；并且
(iv)通过傅立叶变换或扩展傅立叶场测量的数字处理来产生样本的光学特性的三维图像。
根据本发明的第十二方面，提供了一种用于执行样本的高分辨率光学成像的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)用多波长光束照射要在三个空间维度上成像的样本的体积；
(ii)在傅立叶平面中对从样本的照射体积反射或散射的光进行采样；
(iii)在采样的反射或散射的光的波长范围内同时捕获相位和幅度信息；并且
(iv)处理相位和幅度信息，以在照射体积上构建样本的光学特性的三维图像。
根据本发明的第十三方面，提供了一种包括具有计算机可读程序代码的计算机可用介质的制品，计算机可读程序代码被配置为操作根据第一到第六方面中任一项所述的设备或者实现根据第七到第十二方面中任一项所述的方法。
根据本发明的第十四方面，提供了一种开口反射器，包括：用于反射光的全内反射表面；以及一个或多个开口，所述一个或多个开口局部破坏表面处的全内反射，用于透射光，而不反射。
优选地，开口反射器包括由形成一个或多个开口的一个或多个局部指数匹配区域隔开的两个全内反射表面。更优选地，开口反射器包括具有形成两个全内反射表面的抛光光学表面的两个棱镜，两个棱镜通过形成一个或多个开口的折射率匹配粘合剂的局部区域彼此固定地连接并且隔开。两个全内反射表面优选地间隔约10μm。
附图说明
现在将参照附图，仅以举例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1以示意形式示出了用现有技术的线场OCT系统中的2-D传感器阵列获取B扫描数据；
图2示出了用于将来自三个空间维度(等同于两个横向维度和一个光谱维度)的数据映射到2-D传感器阵列上的一般方案；
图3示了在傅立叶平面中采样的图2方案的实施例；
图4示出了根据本发明实施例的被配置用于从样本散射或反射的光的傅立叶平面采样的谱域OCT设备；
图5示出根据本发明实施例的被配置用于从样本散射或反射的光的傅立叶平面采样的另一谱域OCT设备；
图6示出了用于减少在分析参考光束和返回样本光束的偏振时发生的样本功率损失的方案；
图7示出了分散到2-D传感器阵列上的小波束的2-D网格的映射；
图8示出了在傅立叶平面中采样获取的干涉图的示例性2-D傅立叶空间变换的幅度；
图9示了在图像平面中采样的图2的方案的实施例；
图10示出了根据本发明实施例的被配置用于从样本散射或反射的光的图像平面采样的谱域OCT设备；
图11示出了根据本发明实施例的被配置用于从样本散射或反射的光的图像平面采样的另一谱域OCT设备；
图12示出了根据本发明的实施例的被配置用于从样本散射或反射的光的图像平面采样的又一谱域OCT设备；
图13A示出了根据本发明的实施例的被配置用于从样本散射或反射的光的图像平面采样的线性OCT设备；
图13B示出了对于给定的波长用图13A的设备获取的干涉图的2-DFFT；
图13C示出了用图13A的设备获取的干涉图的分散波长的2-D-FFT；
图14A示出了根据本发明的一个实施例的适于向眼部样本提供角度结构照明以增强横向分辨率和/或延伸焦深的谱域OCT设备；
图14B以插图形式示出了图14A设备上的变化，用于向非眼部样本提供角度结构照明；以及
图15示出了适用于图14A的设备中的开口反射器。
具体实施方式
从现有技术的前述描述中显而易见的是，OCT数据的单次拍摄获取不仅对于增强的速度是有利的，尤其对于减少体内样本的运动伪影，并且对于保持用于数字重聚焦或数字波前校正的相位相干性有利。用于不是单次拍摄的复数场的数字重建的获取方案(即，需要传感器阵列的多次读出)，面临确保多个帧中的每个帧的数据之间的相位配准的困难。这个困难不是不可克服的，但是需要额外的计算，例如，用于将从相邻样本体积获取的单次拍摄的图像拼接在一起。
现有的基于光谱仪的谱域OCT系统(例如，US2014/0028974A1中描述的系统)可以以单次拍摄获取B扫描(一个横向维度)，而不是单次拍摄C扫描(两个横向维度)。这是因为二维传感器阵列的一个轴被波长分散占据，如图1所示。如果组合的返回采样和参考波前通过采样系统以两个横向维度采样，则这个限制可以克服，该采样系统例如可以包括2-D小透镜阵列、MEMS反射镜阵列或衍射光学元件(DOE)，以及分散在2-D传感器阵列的单独像素组上所得采样点。这个总体方案的效果在于将来自三个空间维度(等于两个横向维度和一个光谱维度)的数据压缩到二维传感器阵列上。分散的采样点到单独像素组上的映射可以通过采样点(例如，2-D小透镜阵列的小透镜)相对于波长分散元件的适当定向或定位来确保。如图2中示意性示出的，实现该总体方案的一个具体方式是用2-D小透镜阵列10对组合的波前进行采样，2-D小透镜阵列包括相对于分散元件4的分散轴11以角度θ倾斜的小透镜的直线(X，Y)阵列，所述分散元件将小波束14-1、4-2等分散到2-D传感器阵列6上。如果明智地选择倾斜角并且传感器阵列具有足够精细的像素12(如部分剖视图所示)，则来自小透镜阵列的每个小波束14-1、14-2等可以例如通过光栅4被分散到传感器阵列的唯一一组像素16-1、16-2等，从而实现单次拍摄C扫描获取。
表达获取优选唯一映射的一般要求的另一种方式是，将采样小波束在传感器阵列6上的投影13相对于分散元件4的分散轴11在传感器阵列上的投影适当地成角度。本领域技术人员将会想到其他解决方案，例如，使用具有小透镜的非直线设置的2-D小透镜阵列。
理想地，波长分散元件4和传感器阵列6被设置成使得分散轴11在传感器阵列上的投影平行于传感器阵列中的像素12的行，即，平行于所示的传感器阵列的轴。然而，在实践中，从每个小波束在传感器阵列上形成的分散图像将通常具有一定程度的曲率，使得映射(虽然已知)不可能对应于延伸长度上的单行像素。
下面将要描述的系统通常被设计成在样本处用直径为约100μm量级的多波长准直或接近准直的光束照射样本的小的连续区域，并且通过比照明区域的尺寸明显更好的空间分辨率(例如，约3μm或更好)在单个快照中捕获相互作用体积的图像。在优选实施例中，连续照射区域的面积保持较小，小于或等于500μm×500μm，更优选小于或等于200μm×200μm。这通常是采样点的可用数量(即，市场上可买到的小透镜阵列中的小透镜的数量)所必需的，但是这也降低了可严重降低全场、波长顺序设备的分辨率的多次散射的影响。样本中的散射体之间的相位相干性使得能够通过像差的数字校正和扩展的焦深来进行精确的体积重建。例如，通过扫描照射区域(例如，通过横向扫描光束或样本)，并且将捕获的体积(优选地，部分重叠的相邻体积)顺序拼接在一起以促进准确的相位配准来获得更大的横向范围。重要的是，邻接区域的同时照射降低了对来自多路径散射的串扰和来自相干长度外部的寄生反射的敏感度。
在优选实施例中，利用基于光栅的光谱OCT系统来捕获3-D快照，其中，2-D小透镜阵列对从小的连续照射区域反射或散射的光进行采样，并且得到的小波束分散并成像在2-D传感器上。重要的是，传感器的分辨率(像素数量)远大于小透镜阵列的分辨率(小透镜的数量)，因此，能够在单个快照中在2-D传感器上捕获横向和光谱信息。如上面关于图2所描述的，在优选实施例中，2-D直线小透镜阵列相对于分散元件的分散轴倾斜，以确保每个小波束分散到唯一的一组像素上。基于网格的采样的一个显著优点在于，能够使用简单的成像系统，而不需要高倍“显微镜”来将样本照射区域与二维传感器相匹配。这样的显微镜通常需要量级为100的放大倍数，这需要复杂的成像光学器件。反射或散射场可以在作为全息术形式的傅立叶平面(即，远场)中或者在图像平面(即近场)中由小透镜阵列进行采样。对于任何一种情况，横向分辨率都由物镜的数值孔径确定，并且在单个快照中捕获的横向区域由横向分辨率和小透镜数量的乘积确定。有利地，傅立叶平面中的采样允许随后的处理，以数学方式重新产生成像透镜，并且可能针对样本的不同部分改变该透镜。
全范围成像可以通过将信号与离轴参考光束混合以引入空间载波来实现，从而能够进行明确的相位测量。考虑在横轴和波长上采样的相位相干信号，可以应用许多众所周知的数字重聚焦技术。例如，可以应用开发用于扫描源全息术的技术，以扩展景深或补偿像差。
现在我们转向描述利用图2中所示的倾斜小透镜阵列技术进行单次拍摄的C扫描获取(例如，在面积高达500μm×500μm且横向分辨率为3μm或更好的区域)的各种3-D谱域OCT系统。这些系统能够进行全范围成像，即，区分正和负路径长度延迟的能力、诸如数字重聚焦和像差校正等波前校正、以及增强的分辨率。重要的是，在单个快照中捕获复数域的能力确保在整个样本体积中保持相位相干性，这是准确的波前校正的要求。
在某些实施例中，在远场中，即在傅立叶平面中对组合的波束进行采样。如图3中示意性地示出的，从样本20的连续照射体积19中的点(x'，y')反射或散射的光18被物镜22收集，被离轴参考光束24混合，在傅立叶平面中被2-D小透镜阵列10采样。在该配置中，样本20以及优选地还有小透镜阵列10大致位于物镜22的焦平面处，认识到三维样本不能在其整个深度上准确地位于焦平面处。在通过光圈阵列(aperture array)25之后，聚焦的小波束14在2-D传感器阵列6上准直、分散并成像。光圈阵列25是可选的，但是用于阻挡来自相干长度外的将会劣化设备的灵敏度的散射信号。如先前所说明的，在优选实施例中，直线2-D小透镜阵列10相对于波长分散元件的分散轴倾斜，以提供分散的小波束到传感器阵列6的位移像素组16-1、16-2等的映射。由于反射或散射信号18在傅立叶平面中被采样，所以其横向内容是从采样信号的空间(横向)频率内容获取的。如谱域OCT中常见的那样，相互作用体积19的轴向反射率轮廓被编码在光谱频率内容中。重要的是，空间傅立叶变换将信号的正负分量分开。沿着光谱轴8的随后的傅立叶变换提供全范围反射率轮廓。样本的多个光学特性可以从该反射率轮廓中以空间分辨率提取，包括例如相位、反射率、折射率、折射率变化和衰减。如果测量系统是偏振敏感的，即，适于针对小波束的至少第一偏振状态和第二偏振状态捕获相位和幅度信息，则可以提取一个或多个偏振相关光学特性，例如，双折射或偏振度。许多(如果不是全部的话)这些光学特性一般是波长相关的。
图4示出了被配置用于从样本20反射或散射的光的傅立叶平面采样的谱域OCT设备(具有高横向分辨率)。在该设备的照明系统中，来自诸如超辐射发光二极管(SLED)的光纤耦合多波长或宽带光源26的光被2x2光纤耦合器28分成样本臂30和参考臂32。例如，2x2耦合器的分光比可以是例如90/10样本/参考，或者甚至99/1，因为在许多实际应用中，样本20的反射率将是低的。样本光束34用透镜36准直，然后通过会聚透镜38和物镜22引导到样本20上。在优选实施例中，物镜具有相对高的数值孔径，以确保高的横向空间分辨率。例如，0.16NA物镜通常提供3.0μm的横向空间分辨率。会聚透镜38的目的是能够照射样本的扩展的连续体积19，例如，直径为100μm。由于样本20位于物镜22的焦平面上，所以如果省略该会聚透镜，则照射区域将是衍射极限点，而不是扩展区域。可以理解的是，可以使用单个透镜来代替准直透镜36和会聚透镜38。
在该设备的测量系统中，来自照射体积19内的反射或散射的样本光18被物镜22收集，并被引导至诸如分束立方体40的分束器，在分束立方体40中与离轴准直参考光束24混合。组合光束在傅立叶平面中由适当定位的直线2-D小透镜阵列10采样，可选地随后是光圈阵列(未示出)，并且所得到的小波束14用透镜42准直，用具有反射光栅43形式的波长分散元件分散，并且经由透镜44聚焦到2-D传感器阵列6上，组合的干涉图可以以单个帧中从2-D传感器阵列读出，用于随后由配备有合适的机器可读程序代码的处理器45分析。或者，分散元件可以是透射光栅或棱镜。如上面关于图2所描述的那样，小透镜阵列10优选地相对于光栅43的分散轴倾斜，使得每个小波束被映射到传感器阵列6的唯一一组像素上。在一个特定实施例中，小透镜阵列具有在具有300μm间距的直线40×25网格中的1000个小透镜，并且2-D传感器阵列是像素尺寸为5.5μm的20百万像素CMOS相机。
从传感器阵列6读出的组合干涉图表示从相互作用体积19反射或散射的光的信号的波长相关测量，其中，信号是反射或者散射光18的电场矢量的相位和幅度的函数。使用下面描述的数学技术，可以处理这些波长相关测量结果，以产生数字表示，或在相互作用体积19的至少一部分上以空间分辨率构建样本的光学特性的三维图像。可以提取样本的多个光学特性，包括例如相位、反射率、折射率、折射率变化和衰减。许多(如果不是全部的话)这些光学特性一般是波长相关的。我们注意到，可以使测量系统是偏振敏感的，例如，通过在2-D传感器阵列6的前方包括偏振离散元件，如下面参考图14A所述。在这种情况下，也可以提取与样本的偏振特性有关的一个或多个光学特性，例如，双折射或者偏振。
图5示出了被配置用于从样本20反射或散射的光的傅立叶平面采样的另一谱域OCT设备(具有高横向分辨率)。在该设备中，样本光束34和参考光束24用偏振分束器41、四分之一波片46和偏振分析器48产生并组合。使用偏振分束器和相关联的偏振光学器件代替如图4所示设备的功率分束器40的优点在于，避免了来自宽带光源26的50％的光的浪费。如前所述，参考光束24一般比返回样本光束18强得多。如图6中所示，一种用于补偿这一点的方法是将偏振分析器定向成使得其透射轴49接近平行于低强度返回样本光束的偏振方向50，并因此接近于与更强烈的参考光束的偏振方向52正交。与将偏振分析仪定向为与两个光束的偏振方向成45°的通常做法相比，这将采样功率的损耗从3dB减少到小于1dB。返回到图5，也可以利用源臂中的可选的四分之一波片54来实现参考和返回样本光束功率的更好均衡，定向为使得偏振分束器41优选地将源光60引导到样本臂中。
类似于图4所示的设备的情况，会聚透镜38和高NA物镜22的组合用于照射样本20的扩展的连续体积19(例如，横向直径为100μm)。来自照射体积19内的反射或散射的样本光18被物镜22收集，与参考光束24混合，并在傅立叶平面中由适当定位的直线2-D小透镜阵列10(其后是可选的光圈阵列(未示出))采样。小波束14用透镜42准直，用具有透射光栅56形式的波长分散元件分散，并且经由透镜44聚焦到2-D传感器阵列6上。或者，分散元件可以是反射光栅或棱镜。如以上相对于图2所描述的，直线小透镜阵列10优选相对于光栅56的分散轴倾斜，使得每个小波束被映射到传感器阵列6的唯一一组像素16上。组合的干涉图可以以单个帧从2-D传感器阵列中读出，用于随后由配备有合适的机器可读程序代码的处理器45分析。再次，干涉图表示从照射体积19反射或散射的光的信号的波长相关测量，其中，信号是反射或散射光18的电场矢量的相位和幅度的函数。如前所述，可以处理这些波长相关的测量结果，以产生数字表示，或在相互作用空间19的至少一部分上以空间分辨率构建样本的光学特性的三维图像。
通常优选的是将返回的样本光束与良好准直的并且覆盖阵列10中的所有小透镜的参考光束进行干涉。这在图4设备中是明确的，适当地选择参考臂准直透镜58，但是在图5设备中更难，因为进入分束器41的源波束60故意未被准直，以照射样本20的扩展(而不是衍射受限)区域。为此，图5设备的参考臂包括位于四分之一波片46和参考镜64之间的NA转换器62，以将较小直径的发散光束66转换成较大直径的准直光束24。NA转换器62包括较大直径的透镜70和较小直径的透镜72(例如，小透镜)，其相隔距离等于较大透镜的焦距f1。这两个透镜与参考反射镜64结合使发散光束66到达小透镜72内部的焦点73。因此，小透镜在返回路径上没有屈光力，使得具有增加的NA的出射光束74由较大透镜70准直。
现在我们转向描述在傅立叶平面中采样时获取的干涉数据的分析。利用傅立叶平面采样，每个小波束14包含来自相互作用体积19中的每个点的相位和幅度信息，但是以不同的离散角度。空间信息因此被编码为角度信息。
为简单起见，我们考虑如图3所示的位置(x'，y')处(并且具有深度Δz)的单个点的散射或反射。假设散射或反射点接近物镜22的焦平面，入射在小透镜阵列10上的准直场将是具有入射角x'/f的平面波。入射在位置X、Y处的小透镜阵列上的干涉信号因此可以表示为：
Figure BDA0003047444130000231
其中，R(x'，y')是样本反射率，S(k)是光谱功率分布，f是物镜22的焦距，x0和y0与参考光束24相对于物镜的轴线(或小透镜阵列10的轴线)的角度。
首先，(圆形光圈的)小透镜的光圈阵列25处的干涉信号分量可以近似为：
Figure BDA0003047444130000241
其中，Xi、Yj描述小透镜的轴，D是小透镜阵列的间距，并且对于X2-Y2＜(D/2)2，circ(X，D)＝1，否则为0。
从二维传感器阵列6测量的组合干涉图和每个小透镜在2-D传感器阵列上的波长映射的知识中，可以提取一组干涉图Ii,j(kl)，其中，i,j表示小透镜阵列10内的小透镜位置，kl表示由光谱仪(即光栅)解析的波数，如图7所示。将干涉图Ii,j(kl)视为二维干涉图的序列是方便的，M个不同波数中的每一个具有一个二维干涉图。每个二维干涉图的尺寸等于小透镜阵列的尺寸，例如25行×40列。因此，分析类似于全场扫描源全息术(Hillmann等人，Optics Express 20(19)，21247-21263(2012))的分析，关键区别在于，与光电探测器阵列的采样分辨率相比，小透镜阵列的低采样分辨率(例如，相比于5μm像素，300μm小透镜间距)限制了在单次快照中可实现的视场。由于在傅立叶平面中测量样本，通过对每个干涉图应用2-D空间傅立叶变换来获取图像平面。有利地，通过离轴参考，可以使用傅立叶变换来分离干涉图的正和负空间频率分量，从而沿着正空间频率分量的频谱轴的后续1-D FFT实现全轴向深度范围。这可以从等式(1)中的余弦项的横向傅立叶分量容易地看出：
Figure BDA0003047444130000242
相应术语的相位现在依赖于Δz的符号。
我们注意到，如果样本仅在零延迟的一侧，则不需要离轴参考。通过沿着光谱轴的第一1-D FFT获取具有明确相位的复数信号，然后对于正延迟，获取随后的空间2-D FFT。因此，对于给定的横向带宽，横向范围与全范围系统相比翻倍。
作为利用图4或5中所示的傅立叶平面采样频谱OCT设备可实现的视场的说明，考虑以下参数组。在波长λ＝0.8μm时，小透镜阵列10具有间距P＝300μm，NA＝0.08，并且斑点尺寸＝0.61λ/NA＝6.1μm。对于物镜22，我们假设f＝40mm，并且直径D＝1mm(NA＝0.14)，给出3.6μm的预期分辨率。全范围系统的最大横向范围(Δx＝x-x0)可以根据给出Δx<55μm的奈奎斯特极限(λ·f)/Δx)＞2P来估计。延迟仅在零延迟的一侧上的情况的横向范围是该值的两倍，Δx<110μm。此处，我们采用物镜22和小透镜阵列10之间的单位放大倍数，并且注意到55μm的横向场使得小透镜阵列的焦点位置的变化小于每个小透镜焦斑尺寸的0.5倍。
图8示出了上述参数的Ii,j(kl)的2-D空间傅立叶变换的幅度，参考波束偏移用于确保正频率分量76和负频率分量78分离。在这个特定的示例中，参考光束在水平轴和垂直轴上都是偏移的，并且我们已经减去了非干涉项。可以通过滤波来提取正频率分量76或负频率分量78，并且移除频率偏移。从方程(3)可以看出，对于一个给定的采样位置，空间频率是波长相关的。在对频谱分量进行傅立叶变换之前，通过与波长相关的相位因子相乘来去除该波长相关性，以获取全范围深度轮廓。
在其他实施例中，组合的光束在图像平面中采样。如图9中示意性示出的，从样本20的照射体积19中的点(x'，y')反射或散射的光18在小透镜阵列10上放大并重新成像。通过混合返回采样光18和具有入射角α的离轴参考光束24，获取复数场。如在傅立叶平面采样中那样，来自小透镜阵列的聚焦小波束14穿过可选的光圈阵列25，然后，在2-D传感器阵列6上准直、散射并聚焦。在这种情况下，参考光束24需要是离轴的，以分离信号的正和负频率分量。如前所述，在优选实施例中，小透镜阵列的配置是直线形的，并相对于分散元件的分散轴倾斜，以提供分散的小波束在传感器阵列6的唯一像素组16-1、16-2等上的映射。复合场是在采样场上从第一空间傅立叶变换中获取的，将负频率分量设置为零，然后应用傅立叶逆变换。如在傅立叶平面情况中那样，沿着光谱轴8的后续傅立叶变换提供样本20的照射体积19的全范围反射率轮廓。可以利用空间分辨率从该反射率轮廓提取样本的多个光学特性，包括例如相位、反射率、折射率、折射率变化和衰减，以及如果测量系统是偏振敏感的，则还包括双折射和偏振度。
图10示出了被配置用于从样本20散射或反射的光的图像平面采样的谱域OCT设备(具有高横向分辨率)。在该设备的照明系统中，来自光纤耦合的多波长或宽带光源26的光被2x2光纤耦合器28分成样本臂30和参考臂32。与图4设备一样，2x2耦合器的分光比可以是例如90/10或99/1样本/参考。样本光束34用透镜36准直，然后经由会聚透镜38和物镜22被引导至样本20的扩展的连续体积19上。在优选实施例中，物镜具有相对高的数值孔径，以确保高的横向空间分辨率。例如，0.16NA物镜通常提供3.0μm的空间分辨率。
在该设备的测量系统中，来自相互作用体积19内的反射或散射的样本光18被物镜22收集，并被引导至诸如分束立方体40的分束器，在分束立方体40中与离轴准直参考光束24混合。组合光束在傅立叶平面中由适当定位的直线2-D小透镜阵列10采样，可选地随后是光圈阵列(未示出)，并且每个小波束14用透镜42准直，用以反射光栅43形式的波长分散元件分散，并且经由透镜44聚焦到2-D传感器阵列6上，组合的干涉图可以单个帧从2-D传感器阵列读出，用于随后由配备有合适的机器可读程序代码的处理器45分析。或者，分散元件可以是透射光栅或棱镜。如以上相对于图2所描述的那样，小透镜阵列10优选地相对于光栅43的分散轴倾斜，使得每个小波束14被映射到传感器阵列6的唯一一组像素上。在一个特定实施例中，小透镜阵列具有在具有300μm间距的直线40×25网格中的1000个小透镜，并且2-D传感器阵列是像素尺寸为5.5μm的20百万像素CMOS相机。利用该图像平面采样方案，每个小波束14包含来自相互作用体积19的不同部分的相位和幅度信息。
如前所述，从传感器阵列6读出的组合干涉图表示从相互作用体积19反射或散射的光的信号的波长相关测量，其中，信号是反射或者散射光18的电场矢量的相位和幅度的函数。使用下面描述的数学技术，可以处理这些波长相关测量结果，以产生数字表示，或在相互作用体积的至少一部分上以空间分辨率构建样本的光学特性的三维图像。我们注意到，可以使测量系统是偏振敏感的，例如，通过在2-D传感器阵列6的前方包括偏振离散元件，如下面参考图14A所述。在这种情况下，光学特性可以与样本的偏振特性有关，例如，双折射或者偏振。
图11示出了被配置用于从样本20反射或散射的光的图像平面采样的另一谱域OCT设备(具有高横向分辨率)。在该设备中，样本光束34和参考光束24由偏振分束器41、四分之一波片46和偏振分析器48产生并组合。如上关于图6所讨论的，可以将偏振分析器48定向成使得其透射轴49接近平行于低强度返回样本光束的偏振方向，以减少采样功率的损耗。也可以利用源臂中的可选的四分之一波片54来实现参考和返回样本光束功率的更好均衡，定向为使得偏振分束器41优选地将光从宽带光源26引导到样本臂中。
类似于图10所示的设备的情况，会聚透镜38和高NA物镜22的组合用于照射样本20的扩展的连续体积19(例如，横向直径为100μm)。来自照射体积19内的反射或散射样本光18被物镜22收集，与参考光束24混合，注意，参考反射镜64在非分散轴线上成角度，使得参考光束相对于返回样本光束离轴。组合的光束在图像平面中由适当定位的直线2-D小透镜阵列10采样，随后是可选的光圈阵列(未示出)，并且所得到的小波束14用透镜42准直，用以透射光栅56形式的波长分散元件分散，并且经由透镜44聚焦到2-D传感器阵列6上。或者，分散元件可以是反射光栅或棱镜。如以上相对于图2所描述的，小透镜阵列10优选相对于光栅56的分散轴倾斜，使得每个小波束被映射到传感器阵列6的唯一一组像素16上。组合的干涉图可以单个帧从2-D传感器阵列中读出，用于随后由配备有合适的机器可读程序代码的处理器45分析。与图10的设备一样，每个小波束14包含来自照射体积19的不同部分的相位和幅度信息。
图12示出了被配置用于图像平面采样的又一谱域OCT设备，在这种情况下，是从样本20上的离散点79的2-D网格反射或散射而不是从扩展的连续区域反射或散射的光。在该设备的照明系统中，样本臂中的2-D小透镜阵列81将样本光束分离成经由透镜82和84以及反射镜86聚焦到样本上的小波束80的网格。可选地，可以在一个或两个轴上扫描该反射镜，以在样本上平移聚焦的小波束，例如，以分析不同的区或填充小波束之间的间隙。或者，样本20可以安装在平移台上。透镜82和84通常形成高倍率系统，例如，100x，并且可能优选的是包括额外的透镜，以在两个或多个阶段中执行放大。
在该设备的测量系统中，从离散点79反射或散射的样本光由样本臂小透镜阵列81准直，借助于4F透镜系统88中继到组合臂小透镜阵列10，并且与在非分散轴上被偏斜参考镜64离轴的参考光束24混合。如同在图11设备中那样，组合光束穿过偏振分析器48，然后在图像平面中用适当定位的小透镜阵列10(随后是可选的光圈阵列(未示出))采样。所得到的小波束14用透镜42准直，用以透射光栅56形式的波长分散元件分散，并且经由透镜44聚焦到2-D传感器阵列6上，以形成组合的干涉图。或者，分散元件可以是反射光栅或棱镜。组合的干涉图可以单个帧从2-D传感器阵列中读出，用于随后由配备有合适的机器可读程序代码的处理器45分析。组合的干涉图表示从离散点79的栅格反射或散射的光的信号的波长相关测量，其中，信号是反射或散射光的电场矢量的相位和幅度的函数。
如果启用了反射镜86的扫描或样本20的平移，则可以在配备有合适的机器可读程序代码时借助于处理器45方便地与传感器阵列的读出同步地进行控制。
现在我们转向如图10和图11所示的当在图像平面中将从扩展的连续体积19散射或反射的光进行采样时获取的干涉数据的分析的描述。假设样本20处于物镜的焦平面中，如图9所示，则入射在小透镜阵列10上的位置X、Y处的干涉信号分量可以表示为：
Figure BDA0003047444130000291
其中，M是样本臂中的透镜系统22、38的放大倍数，α是参考光束24在微透镜阵列10处的入射角，如图9所示。在这种情况下，假设参考光束与小透镜阵列的Y轴对准。重要的是，对于全范围成像，α必须足够大，以分离干涉信号的正频率分量和负频率分量。
分析遵循与例如在Huang等人在Applied Optics 52(5)，958-965(2013)中或在Fechtig等人在Journal of Modern Optics 2014(DOI：10.1080/09500340.2014.990938)中描述的离轴扫描波长OCT中使用的方法相似的方法。通过沿着T轴进行傅立叶变换，去除负频率分量和频率偏移，然后应用傅立叶逆变换来获取复干涉图Ii,j(k)，来获取复数场，其中，i、j表示位置(Xi、Yj)上的小透镜。
假设与之前的远场情况相似的实验参数，即3.6μm(物镜NA＝0.14)的分辨率、55μm的横向范围和小透镜间距P＝300μm。样本和小透镜阵列之间的大的放大倍数将高数值孔径高分辨率样本信息转换成与小透镜可比较的小数值孔径斑点，从而可以在两者都被小透镜阵列聚焦后最佳地与参考光束进行干涉。这个入射角范围近似于Δθ<λ/(2P)，即，约1/2艾里半径。NA/Δθ≈100的放大倍数因此将确保捕获从样本发射的光线。我们注意到，这相当于要求小透镜阵列间距小于放大的可分辨光斑尺寸。
在上面的讨论中，假设样本位于物镜的焦平面内。然而，一般而言，对于三维样本而言，大部分的相互作用体积将从焦平面稍微偏移。从远离焦平面的点散射，在小透镜阵列处产生弯曲的波前。部分重叠的连续3-D快照样本的捕获使得能够在将快照样本拼接在一起以形成三维复合图像之前或之后，能够使得进行数据集的精确相位配准，对于所述数据集，可以使用配备有合适的机器可读程序代码的处理器应用数字重聚焦技术。或者，可以将数字重聚焦直接应用于快照数据集中心的横向点，以避免重聚焦拼接的数据集。数字重聚焦需要首先对具有明确相位的信号进行测量，并因此可以应用于具有离轴横向参考的全范围系统以及具有相同符号的所有延迟和轴上横向参考的系统。可以通过采用针对全场和线场系统(例如，Kumar等人在Optics Express 22(13)，16061-16078(2014))或者模型(例如在Fechtig等人在Journal of Modern Optics 2014(DOI：10.1080/09500340.2014.990938)中使用的)描述的众多已知技术中的一种，来在数字上重聚焦信号。尽管这些方法被应用于对图像平面进行采样的OCT系统，但是可以适于傅立叶平面的采样。在Hillmann等人在Optics Express 20(19)，21247-21263(2012)中描述的数字聚焦技术可以直接应用于在傅立叶平面中采样的情况。
作为先前描述的各种谱域OCT设备的替代实施例，图13A示出了被配置用于从样本散射或反射的光的图像平面采样的线性OCT设备。在该设备的照明系统中，来自多波长或宽带光源26的光被分束器40-1分离，以形成样本光束34和参考光束24。如在图10所示的设备中那样，样本20的扩展的连续体积区域19被准直样本光束34照射。在该设备的测量系统中，反射或散射光18由包括透镜22和38的望远镜系统(telescope system)收集并放大，并在图像平面中通过适当定位的直线2-D小透镜阵列10(随后是可选的光圈阵列(未示出))采样。然后，得到的小波束14用透镜42准直，并经由另一分束器40-2被引导到2-D传感器阵列6上。与先前描述的频谱域方法相比，准直的参考光束24例如利用反射光栅43被分散，然后，直接在传感器阵列6上与样本场混合。直线小透镜阵列10优选地相对于光栅43的分散轴倾斜，使得从每个小波束14的2-D FFT获取的与波长相关的空间频率分量被映射到2-D传感器阵列6的唯一一组像素上。这些波长相关空间频率分量可以从2-D传感器阵列中读出，用于随后由配备有合适的机器可读程序代码的处理器45分析。每个分量表示从相互作用体积19的不同部分反射或散射的光的信号的波长相关测量，其中，信号是反射或散射光18的电场矢量的相位和幅度的函数。
对于给定的波长，图13B示出了从传感器阵列6读出的对应干涉图的2-D FFT134。与小透镜阵列10中的小透镜对应的每个小波束由具有幅度和相位的不同空间频率分量136表示。参考臂中的分散光栅43使得能够测量每个小波束的每个波长分量的幅度和相位。因为小透镜阵列10相对于光栅43的分散轴成角度，所以小波束的频谱内容在频域中保持不同，从而使我们能够获取如图13C所示的针对每个小波束的不同2-D-FFT138。在正空间频率内容的频谱分量上的一维傅立叶变换提供了全范围的三维深度轮廓。为了简单起见，分散小波束140在图13C中被描绘为平行的，尽管实际上其斜率通常将随着小波束14在传感器阵列6上的入射角而变化，并且因此将不会相同地平行。尽管如此，通过适当的系统设计，分散小波束140之间的斜率变化将足够小，使得其在频谱内容上不重叠。
与谱域OCT方法相比，这种方法的优点在于，可以避免昂贵且难以配准光谱仪。与谱域方法一样，参考光束在垂直于分散轴的轴上倾斜，允许正频率项142和负频率项144分离，如图13B所示。因此，沿着光谱轴的1-D FFT能够进行全范围的轴向测量。类似地，与谱域方法类似，可以实施数字波前校正和测量。然而，与频谱域OCT相比，线性OCT受到众所周知的时域敏感度损失。对于可以使用离散波长梳的应用，即，稀疏的轴向反射率轮廓，可以降低这种灵敏度损失。
如前所述，OCT成像在横向分辨率和景深之间具有折衷。从根本上说，这种折衷是因为较高的NA透镜能够使光斑尺寸较小，因此横向分辨率增加，但是以降低景深为代价。
图14A示出了一种用于视网膜成像的设备，其中，眼睛90的视网膜89通过具有有限数值孔径的透镜系统以多个不同角度照射。对于眼睛样本，数值孔径受瞳孔92的尺寸限制，而在其他显微光学系统中或对于其他样本，成像系统的数值孔径可能受到光学元件尺寸的限制。重要的是，由该设备提供的角度结构的照射，即以两个或多个入射角的视网膜的体积114的照射，使得能够获取比具有有限数值孔径的成像系统可能的更高的横向分辨率，同时保持优于较低数值孔径的更大景深。注意，这种角度结构的照射不同于由反射镜112控制的入射到角膜94上的照射视网膜89的不同体积所要求的不同角度(如下所说明的)。
来自超辐射发光二极管(SLED)26或某些其他宽带或多波长源的光用于探测视网膜89并经由反射或散射光干涉地测量视网膜的特性。在大部分一般形式中，光源26应该发射具有至少第一波长和第二波长的光。当使用如下所述的偏振敏感检测时，光源应该被偏振，即发射给定偏振状态的光。在该设备的照明系统中，SLED输出由准直元件36形成为光束，并且被偏振不敏感的分束元件40(例如，传统的偏振无关的分束立方体，如图4设备中所使用的)分成样本路径30和参考路径32。样本路径光束的尺寸由光束消减器96(例如，反向高斯光束扩展器)减小，并且被引导至诸如双轴MEMS反射镜等光束控制元件98。该光束控制元件适于在穿过平行化元件100之后变为平行和空间分离的多个路径中引导样本路径光束。在所示实施例中，该平行化元件是定位成离MEMS镜98一个焦距的透镜，尽管在其他实施例中，可以是棱镜或反射镜。在某些实施例中，平行化元件也调整样本光束的大小。每个合成小波束101的直径应当明显小于样本眼的瞳孔92的直径，使得其将照射视网膜89的小区域，在本情况下，优选地，具有在50至500μm的范围内的直径。对于正常的松弛眼睛，平行的一组小波束101将照射视网膜的相同点，尽管对于高度近视的眼睛，可能需要调整平行化元件100的位置，以提供主要在视网膜上重叠的不平行的一组小波束。在替代实施例中，小波束101用衍射光学元件(DOE)同时产生，而不是用MEMS反射镜98顺序产生，在这种情况下，在视网膜上的照射具有同时成角度的结构照射的形式。一般来说，后续的实施例在分析上更明确，只要分析没有受到帧之间样本移动的不当影响。
小波束101的顺序或同时阵列穿过分束元件，在优选实施例中，该分束元件包括开口反射器102，其中，在MEMS反射镜98(用于顺序小波束)的不同角度或DOE(用于同时小波束)的结构可以解决的位置，能够穿过多个分立的孔104而没有显著损失。通常，开口反射器具有用于反射光的表面(优选为全内反射表面110)以及局部破坏该表面处的全内反射的一个或多个开口104，用于透射光而不反射。在一个实施例中，开口反射器包括具有用于全内反射的抛光光学表面的棱镜以及以破坏全内反射的钻孔形式的一个或多个开口。在图15所示的优选实施例中，开口反射器102包括一对棱镜106，其在抛光光学表面110中的一个或另一个除了开口104处提供全内反射107，开口由固定附接并且隔开反射表面的折射率匹配粘合剂的液滴108限定。由粘合剂的液滴赋予的棱镜106之间的间隔不是关键参数，但可以例如在5至500μm的范围内，例如，约10μm。如图所示，优选地，棱镜106是直角棱镜。开口分束元件102的选择会比传统的功率分束器特别有利，因为能够照射样本并捕获与偏振无关并且具有低固有功率损耗的反向反射光。显然，一些信号光在返回路径中会通过孔104而丢失，但是当照射小波束101较小时，这可以是很小的，因为每个反射表面110的总面积明显大于孔104。无论以何种形式，分束元件102优选地是偏振无关的，并且必要时可以校准任何残余的偏振灵敏度。
返回图14A，穿过开口反射器102的小波束然后入射到可转向反射镜112形式的角度可变元件上，可选地与光学中继系统(未示出)组合，该系统将小波束引导到视网膜89的共同相互作用体积114上。将理解的是，小波束101以由光束控制元件98和眼睛90的光功率确定的不同入射角引导到共同相互作用体积114上。共同相互作用体积114在视网膜上的位置可以通过角度调整反射镜112而变化，例如，变成位置114'，使得较大面积的视网膜可以通过收集可拼接在一起的多个图像来成像，以产生复合图像。随后用于反射镜112的给定位置的从相互作用体积114散射或反射的光18在整个瞳孔92上被捕获，由眼睛的光功率大致地准直，然后由反射镜112引导，以具有与视网膜照射的点无关的等效传播方向，用于聚焦在无限远的理想松弛眼睛的情况。在被开口反射器102从光源26引导开后，粗略准直的返回光束116被透镜118向下聚焦，以形成视网膜的图像。优选地，透镜118是可变焦的，以提供某种总体像差校正，以适应通常在临床环境中发现的近视和散光的大变化。可变焦透镜例如由Varioptic提供。
我们注意到，与例如图4设备不同，图14A中所示的设备不需要物镜22来照射共同相互作用体积114并收集散射或反射光18，因为这些功能是由样本眼90的角膜和晶状体执行的。如图14B所示，图14A设备的与样本相关的部分可以适于通过包括物镜22或其他光学功率元件来向其他类型的样本20提供角度结构照射，其中，样本位于或该透镜的焦平面处或附近。物镜将小波束101引导到样本20的共同相互作用体积114上，并且收集散射或反射的光18。代替角度可变的反射镜112，可以使用X、Y平移台119来移动样本，用于对另外的体积114'成像。应该理解的是，还有许多其他方案，用于向非眼睛样本的一个或多个体积提供角度结构照射，并收集散射或反射信号光，例如涉及反向照射、分束器或合成器以及旋转样本。
视网膜的图像通过光束组合器120，进入包括干涉仪的设备的测量系统。在所示实施例中，光束组合器120是类似于元件102的开口反射器，但具有用于传送视网膜图像的单个开口104。这允许返回样本光束与参考光束24组合并且在傅立叶平面中由适当定位的2-D小透镜阵列10采样。
现在我们转向参考光束24的路径的描述，该光束在分束器40处被反射并且通过包括一对直角棱镜106A、106B的延迟线，其近似地映射向以及自样本眼90行进的样本臂光的组延迟。该延迟线可以结合分散均衡元件124，以确保参考臂32中的分散类似于样本臂中的分散。可选地，参考臂可以包括诸如半波片或偏振器等的偏振修改元件126，以为参考光束产生给定的偏振状态。在延迟线之后，参考光束24被聚焦到开口反射器120的全内反射表面110上，以形成接近视网膜图像(即，接近开口104)的位置的焦点。反射的参考光束和透射的样本光束然后由透镜122近似准直(透镜122将远场角度分布转换成空间分布)，其可以用小透镜阵列10在平面2-D表面上采样。优选地包括共同配准的光圈阵列25，以排除会损害下面所述的2-D分散光学系统128的分辨率的杂散光。
在该配置中，光束组合器120的开口反射器的使用是特别有利的，因为聚焦在光束组合器120处的样本光束和参考光束都可以被传送到设备的干涉仪部分，而没有显著的损失。如果样本和参考焦点之间的横向位移很小，则偏移对干涉仪中条纹对比度的影响可以被最小化。因此，对于样本上的给定照明功率，该设备能够提供非常高的信噪比，这对于眼睛样本显然必须受到限制。
二维分散光学系统128包括位于距离光圈阵列25约一个焦距处的第一准直透镜42、提供沿着一个轴线分散的透射光栅56形式的波长分散元件、以及用于将分散的网格点阵列聚焦到诸如CMOS相机或其他焦平面阵列等的2-D传感器阵列6上的第二透镜44。在替代实施例中，分散元件可以是反射光栅或棱镜。注意，为了简化说明，在图14A中未示出通过分散引擎128的代表性射线路径。如前所述，选择小透镜阵列10的取向和光栅56的分散轴，使得如图2所示，从开口中出射的每个小波束中产生的光谱分散线略微横向偏移。提供诸如YVO4板等的偏振离散元件(polarisation walk-off element)130，以分离信号和参考小波束的偏振状态，从而如图所示，为每个采样点(开口或小透镜)提供两个波长分散线132。在没有偏振敏感检测的替代实施例中，省略了离散元件130。
首先描述图14A所示的成像设备的其正常横向分辨率模式(即没有角度结构的照射)的操作，其受到样本眼90的NA的限制。在优选地以全局快门模式操作的CMOS相机6的单个帧获取周期期间，SLED 26脉冲足够短的时间，以避免眼睛中的显著运动伪影。样本光束被引导穿过开口反射器102的单个开口104，以通过瞳孔92的特定区域照射视网膜89的体积114。来自照射体积的具有或没有由离散元件130赋予的偏振分离的反向反射或散射光的分散干涉图像然后从CMOS相机6数字地读取，并且用配备有合适的机器可读程序代码的处理器45处理，以给由小透镜阵列10定义的每个采样点提供像素到波长的映射。如在谱域OCT的领域中很好理解的，通过内插可以将波长转换成线性化的k矢量，以在照射体积114的表面上构建相位和幅度映射，用于规则间隔的一组k矢量。由于这组采样点对应于傅立叶平面中的电场矢量的采样，因此可以使用傅立叶变换来构建或生成照射的样本体积114的3-D图像或表示。可以应用使用数字像差校正和/或数字重聚焦，以与在具有等效数值孔径限制的单个扫描光束的情况下可以实现的相比，在增强的景深上保持图像的横向分辨率。
构建或生成的3-D图像或表示可以是反射或散射光的单偏振幅度或相位测量，适合于提取样本的光学特性，例如相位、反射率、折射率、折射率变化或衰减。或者，如果检测系统是偏振敏感的，例如，借助于偏振离散元件130，则图像或表示可以是样本的偏振特性，例如，双折射或偏振度，这可以指示被采样的材料的类型。这些测量技术对于OCT系统(例如扫描、时域或全场OCT系统)而言是很好理解的，现在可以直接应用。
在优选实施例中，偏振敏感检测系统用样本臂中的诸如电压控制液晶元件等的偏振控制元件134来补充，以使得样本体积114能够以不同的第二偏振状态的光被照射。在这种情况下，测量系统对反射或散射光18进行额外的第二组同时测量，并且处理器45处理这两组测量，以构建或生成样本的一个或多个偏振特性的三维图像或者表示。例如，对设备的这种修改避免了如果恰好平行于输入偏振状态则不能测量样本双折射的情况。一般而言，虽然用单偏振进行照射和随后的偏振敏感检测的通常可以提供临床上有用的对比机制，但是以不同的偏振照射状态对样本进行两次或更多次单独测量的能力允许获取样本的偏振特性的更完整的描述或表示。
为了将视网膜89的另外部分成像，调整反射镜112的角度位置，以照射第二体积114'，该第二体积114'优选地与第一体积114相邻并且具有小的重叠，以便于复合拼接图像的配准。该过程可以针对反射镜112的多个角度重复，以构建越来越大的视网膜区域的三维复合图像。每个单独的图像可以被认为是相应体积上的视网膜的光学特性的数字表示。特别感兴趣的是，可以针对每个单独的体图像执行数字重聚焦和/或像差校正，使得根据视网膜位置的离轴像差或眼睛长度变化可以在获取之后进行后处理，以在整个视野中提供更清晰的图像。或者，可以在各个体图像已经拼接在一起以后，应用数字重聚焦和/或像差校正，以形成在组合体积上的视网膜的光学特性的单个数字表示。显然的眼睛长度的变化是近视患者的共同特征，例如，这在没有可以跟踪获取的自适应光学器件的情况下通常会限制图像的分辨率。关于离轴像差的数字重聚焦水平的这一信息对于评估近视进展也是临床上有意义的，因为其提供了被测眼睛的一些轴向像差的定量测量。在可视化视网膜或角膜或非眼部样本的层中，像B扫描(其中，对样本切片进行成像)那样做通常是有用的。为了能够在B扫描中实现高分辨率细节的可视化，可以将包含感兴趣切片的多个邻接体积一起处理，并且通过切片周围的区域的采样或加权平均，将所得到的三维复合图像缩小为高分辨率B扫描。
应该理解，图14A设备中的各种元件应该以协作的方式操作。这些包括例如SLED26、样本臂偏振控制元件134、光束控制元件98、角度可变反射镜112(或平移台119)和CMOS相机6。例如，当配备有合适的机器可读程序代码时，处理器45可以提供这种总体控制水平。
为了增强利用具有给定数值孔径的成像系统可实现的横向分辨率和景深，现在考虑以下情况：对于反射镜112的每个设定角度，对视网膜89的相同体积114进行两次或更多次测量，在每种情况下，通过穿过瞳孔92和开口反射器102中的开口104的不同路径，用不同的入射角照射。在一个具体示例中，开口反射器具有四个开口，其中，两个靠口在垂直轴上的瞳孔的末端分开，而另外两个孔在水平轴上分开。在某些实施例中，不同的照射轨迹通过2轴MEMS反射镜98的角度调整来建立，从而，样本光束顺序传播通过指定的开口。在其他实施例中，不同的照射轨迹同时建立，例如，通过如前所述的衍射光学元件(DOE)。在前一种情况下，体积114的多次测量是顺序进行的，即，单次拍摄获取每个照射轨迹(入射角)。在后一种情况下，同时进行多次测量，即，单次拍摄获取所有照射轨迹。无论哪种方式，针对每个不同的照射轨迹捕获的远场因此对应于远场中的角度偏移。以这种方式，图像的高频空间内容的不同区域(否则将落在系统的NA之外)将其频率内容移动或向下‘混合’到基带。由于每个照射轨迹捕获不同的高频区域，所以与单个照射捕获相比，组合的空间内容可能翻倍，从而实现Rayleigh准则的一半的超分辨率。这种方法是对傅立叶叠层成像(Fourierptychography)(例如在Dong等人在Optics Express 22(11)，13586-13599(2014)中的‘Aperture-scanning Fourier pychography for 3D refocusing and super-resolutionmacroscopic imaging’中所述)的改进，因为现在在单次快照中干涉地捕获该场，而不是必须迭代重建成与强度图像一致。通过我们的方法，可以通过将不同的部分远场(部分远场在单次拍摄中获取)配准并拼接在一起以产生拼接傅立叶平面，来扩展傅立叶场的通带。傅立叶变换或扩展的傅立叶场测量的其他数字处理导致增强的横向分辨率。我们不必依赖迭代方法来基于仅用于强度的测量来推断场应该是什么。
在许多情况下，相对相位的类多普勒测量是有价值的，例如，在存在机械、声学热声或超声波干扰的情况下，用于测量毛细血管血流量或进行应变或弹性成像测量。为此，例如，在图4或图10所示的设备可以适于提供相对相位敏感的OCT设备，该设备可以用于在样本的三维体积上的运动或变形以及相关量(例如，应变)的类似多普勒的测量。将会理解的是，可以以类似的方式调整其他先前描述的设备。
在这个‘多普勒’实施例中，触发多波长光源26，以产生至少第一光脉冲和第二光脉冲，每个光脉冲具有足够短的持续时间，以允许在存在要在相互作用体积19内测量的运动或变形的情况下进行相位测量。如前所述，在2-D传感器阵列6的单个曝光或帧中捕获并分析来自第一脉冲的反射或散射光18。在预定的时间段之后，产生第二脉冲，并随后在二维传感器阵列的第二次曝光中分析其反射或散射的光18。在读出和分析之后，每次曝光在一定波长范围内提供包括来自相互作用体积的相位和幅度信息的复合图像。在某些实施例中，脉冲之间的定时小于传感器阵列的帧速率，这可以通过相对于传感器阵列的曝光适当地定时脉冲照射来实现。即，第一脉冲可能出现在一个帧结束附近，而第二个脉冲出现在下一帧开始附近。显然，光源26的脉冲需要与传感器阵列6的操作协作。在某些实施例中，光源26由相同的处理器45触发，该处理器45读出并分析来自传感器阵列的数据。
当使用如图4所示的远场或傅立叶平面采样时，在对应于2-D小透镜阵列10的采样的位置阵列上，在傅立叶平面中，分析样本反射光谱。值得注意的是，对于大致位于透镜22的焦平面处的相互作用体积19内的给定深度(对应于光谱干涉图的频率分量)，对于每个横向采样位置，存在2-D远场空间频率分量。此外，给定的镜面反射或散斑频率分量将具有与其相关的相位。特定反射的横向相位在二维传感器阵列6上被检测到，并且在相互作用体积19上，可以在由处理器45进行的数值处理期间，通过以空间分辨率返回反射的相位和幅度的复数FFT(即复合图像)来检索。在幅度足够强以提供有意义的相位测量的区域中，可以建立相位可以被映射的一组点。在某些实施例中，映射仅构成通过频谱分量的FFT获取的相位的轴向分量。在其他实施例中，映射还包括对应于空间远场分量的相位的横向相位分量。横向相位需要根据透镜22的焦距来缩放，并且通常将是位移的较不敏感的测量。即，根据所捕获的光18的数值孔径，给定的相移将表示比轴向相移大3到10倍左右的位移。甚至对于亚微米位移允许降低的灵敏度，这仍然是使用传统的光栅扫描OCT系统难以准确实现的有价值的测量。因此，能够更准确地测量真实的速度矢量，即位移速率，特别是对于毛细管流动或要测量的其他运动大部分位于横向平面中并因此缺少轴向分量的情况。
如果在照射脉冲之间不存在样本20的整体运动或变形，即粗略移动远大于多普勒测量中的感兴趣的样本内运动或变形，则仅仅简单地减去点的数据集的相对相位。然而，情况并非总是如此。对于许多测量来说，能够适当地配准对应于两个测量组的两个信息帧，是特别重要的。帧之间的这种整体配准可以通过在存在网格变换的情况下优化互相关函数来实现，该网格变换提供映射在一个帧与下一个帧之间的样本的网格的给定位移和变形(例如，线性压缩)。两个帧的准确配准涉及考虑与映射相关的相移，以识别确定由与样本内运动(例如，毛细管流动)或变形(例如，机械扰动)相关联的位移引起的相对相移的基础。关于帧之间的预定时间段的知识使得能够确定位移的速率。
弹性成像通过位移测量来确定样本(例如，生物组织)的局部弹性或刚度。例如，由样本的压缩引起的局部位移可以从压缩之前和之后的相对相位测量准确地确定。根据测量的位移推断局部弹性，作为深度的函数。或者，可以通过使用脉冲扰动来确定弹性，以产生低幅度剪切波，这些波的速度和分散对样本的机械性能敏感。测量由波传播引起的低幅度样本位移需要相敏测量提供的分辨率。
可以理解的是，所示的谱域OCT和线性OCT实施例(其中，返回的采样和参考光束是利用相对于波长分散元件的分散轴成角度的直线2-D小透镜阵列进行采样的)能够单次拍摄获取样本的三维图像。具体而言，所示的实施例提供了用于基于从视网膜的小体积反射的光的光谱特性的数值重建来获取视网膜的改善的高分辨率光学图像的设备和方法，校正了样本眼中存在的像差。
在每个示出的实施例中，利用透镜形式的光学功率元件来执行光束的聚焦。然而，将要理解的是，可以使用其他形式的光学功率元件，例如，离轴抛物面或椭球镜反射镜。
尽管已经参考具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，本发明可以以许多其他形式来体现。

Claims (24)

1.一种相对相敏光学相干断层扫描设备，包括：
(i)成像系统，用于以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，所述第二图像在所述第一图像之后的预定时间段被获取；以及
(ii)处理器，用于：
(a)将所述第一图像与所述第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的所述样本的运动或变形引起的空间分辨的相移；并且
(b)从所述相移确定与所述运动或变形相关联的所述样本的位移的至少一个分量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器适于从所述相移和所述预定时间段确定与所述运动或所述变形相关联的所述样本的位移速率。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器适于测量与所述样本的所述变形相关联的应变。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器适于对所述样本执行弹性成像测量。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述成像系统包括：二维小透镜阵列，用于对从所述样本反射或散射的光进行采样以产生多个采样点；以及波长分散元件，用于将所述采样点分散到二维传感器阵列上，其中，所述小透镜阵列的小透镜相对于所述波长分散元件定位，使得在使用中，所述采样信号中的每个采样信号分散到所述传感器阵列的一组像素上。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述二维小透镜阵列被定位成在傅立叶平面中对反射或散射的光进行采样。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述二维小透镜阵列被定位成在所述图像平面中对反射的或散射的光进行采样。
8.根据权利要求5所述的设备，其中，对于所述第一图像和所述第二图像中的每一者，所述成像系统被配置成在所述传感器阵列的单个帧中捕获所述反射或散射的光。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述预定时间段小于所述传感器阵列的帧速率。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述成像系统被配置成获取包括眼睛的视网膜的样本的区域的光学特性的图像。
11.一种相对相敏光学相干断层扫描设备，包括：
(i)成像系统，用于以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，所述第二图像在所述第一图像之后的预定时间段被获取；以及
(ii)处理器，用于：
(a)将所述第一图像与所述第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的所述样本的运动或变形引起的空间分辨的移动；以及
(b)从所述移动确定与所述运动或变形相关联的所述样本的位移的至少一个分量。
12.一种包括具有计算机可读程序代码的计算机可用介质的制品，所述计算机可读程序代码被配置为操作根据权利要求1至11中任一项所述的设备。
13.一种用于执行样本的相对相敏光学相干断层扫描测量的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个所述图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，所述第二图像在所述第一图像之后的预定时间段获取；
(ii)将所述第一图像与所述第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的所述样本的运动或变形引起的空间分辨的相移；以及
(iii)从所述相移确定与所述运动或变形相关联的所述样本的位移的至少一个分量。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：从所述相移和所述预定时间段确定与所述运动或变形相关联的所述样本的位移速率的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：测量与所述样本的所述变形相关联的应变的步骤。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：对所述样本执行弹性成像测量的步骤。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，获取所述第一图像和所述第二图像的步骤包括：对从所述样本反射或散射的光进行采样以产生多个采样信号；以及使用波长分散元件将所述采样信号分散到二维传感器阵列的像素组上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述反射或散射的光在所述傅立叶平面中被采样。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述反射或散射的光在所述图像平面中被采样。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，对于所述第一图像和所述第二图像中的每一者，在所述传感器阵列的单个帧中捕获所述反射或散射的光。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述预定时间段小于所述传感器阵列的帧速率。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，所述样本包括眼睛的视网膜。
23.一种用于执行样本的相对相敏光学相干断层扫描测量的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个所述图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，所述第二图像在所述第一图像之后的预定时间段获取；
(ii)将所述第一图像与所述第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的所述样本的运动或变形引起的空间分辨的移动；以及
(iii)从所述移动确定与所述运动或变形相关联的所述样本的位移的至少一个分量。
24.一种包括具有计算机可读程序代码的计算机可用介质的制品，所述计算机可读程序代码被配置为操作根据权利要求13至23中任一项所述的方法。
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