CN113518909A - 具有成本效益的直线扫描光学相干断层成像装置 - Google Patents

Abstract

通过使扫描镜尺寸小型化和使用强度均匀性要求较低的光源，降低了线扫描光学相干断层扫描(OCT)装置的实施成本。扫描镜将探测光束反射到样品的不同部分，以对样品进行线扫描。在光束到达反射镜之前，线压缩透镜压缩探测光束的截面长度，从而使反射镜小型化，仅反射压缩光束。在产生探测光束的线性光束时，准直透镜、鲍威尔透镜和聚焦透镜的级联从点光源的原始光束产生线性光束。狭缝进一步过滤线性光束以去除其外围部分，这样即使使用不对称的发散光源，线性光束的强度也基本均匀。

Description

具有成本效益的直线扫描光学相干断层成像装置

缩略语列表

2D：二维

IR：红外线

MEMS：微机电系统

MTF：调制传递函数

OCT：光学相干断层成像

技术领域

本发明涉及一种用于通过使用线扫描的OCT对样品进行成像的装置，特别涉及使用小型镜实现的这种装置，该小型镜用于控制样品的线扫描，同时允许降低装置的制造成本。

背景技术

OCT是一种以微米级轴向分辨率对样品进行横断面成像的光学技术。这种技术已经在非侵入性医学成像中找到了应用，特别是在视网膜成像中。在用OCT扫描样品时，可以使用光栅扫描(逐点扫描)和线扫描。尽管使用线扫描的OCT设备(以下称为线扫描OCT设备)实施起来更复杂，因此成本更高，但由于线扫描技术要比光栅扫描技术的扫描速度高，因此线扫描技术引起了人们的极大兴趣。期望能降低线扫描OCT设备的实施成本。

导致实施成本高的一个因素是，线扫描OCT设备中通常使用大型扫描振镜来引导线性光束照射样品的不同部分，例如在US 2020/0201058中公开的OCT设备；在N.YOSHIFUMI等人的“High-speed three-dimensional human retinal imaging by line-fieldspectral domain optical coherence tomography(通过线阵谱域光学相干断层成像技术进行高速三维人体视网膜成像)，”《Optics Express光学快报》，第15卷，第12期，第7103-7116页，2007年6月；以及Z.AL-QAZWINI等人的“Ultrahigh-speed line-scan SD-OCT forfour-dimensional in vivo imaging of small animal models用于小动物模型的四维体内成像的超高速线扫描SD-OCT”，《Biomedical Optics Express生物医学快报》，第9卷，第3期，第1216-1227页，2018年3月。无论使用何种原理，电子控制转向大型镜是非常复杂且昂贵的。希望能够减小扫描振镜(或任何其他类型)的尺寸以降低实施成本。

另一个因素是，在实现线扫描OCT设备时，为了确保对样品进行高质量的精确测量，需要有一个功率强度高度均匀的光源。这种光源很昂贵。为了降低实施成本，期望可以对光源有强度均匀性上的宽松要求，同时通过使用光学技术从光源实现探测样品的线性光束的功率强度的高均匀性。

本领域需要一种成本效益高的线扫描OCT设备，其能够减小扫描振镜(或任何其他)的尺寸和/或使用对强度均匀性要求较低的光源。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种通过OCT对样品进行成像的装置。该装置的优点在于，通过将扫描镜小型化和/或使用对强度均匀性要求较低的光源，可以降低实施成本。

该装置包括线发生器、分束器、望远镜、反射镜和线压缩透镜。线发生器用于产生线性光束。分束器被配置为将线性光束分成参考光束和探测光束。探测光束被布置为在样品路径上从分束器行进到的样品，以对样品进行线扫描，从而使样品产生反向散射光束。样品路径允许反向散射的光束传输到分束器。参考光束被布置为沿着参考路径行进并返回到分束器。分束器还被配置为组合返回的参考光束和反向散射光束，以形成光干涉信号，用于分析，从而得到样品的层析信息。望远镜、反射镜和线压缩透镜位于样品路径上。望远镜被配置为将探测光束投射到样品上，并捕获反向的散射光束。反射镜用于将从分束器出来的探测光束反射到望远镜，以及将从望远镜出来的反向散射光束反射到分束器。另外，反射镜是一个扫描振镜(或任何其他)，其是可控转向的，以便在对样品进行线扫描时将探测光束转向到样品的不同部分。线压缩透镜位于分束器和反射镜之间。线压缩透镜被配置为当探测光束到达反射镜时，将探测光束的截面长度从第一长度压缩为更短的第二长度，从而使反射镜小型化，只反射被压缩为更短截面长度的探针光束。

线压缩透镜还可以被配置为，在在线压缩透镜和反射镜之间的样本路径上保持探测光束的截面宽度基本不变。

在一些实施例中，线发生器包括光源、第一准直透镜、鲍威尔透镜和第一聚焦透镜。光源用于发射原始光束。第一准直透镜用于从原始光束产生第一准直光束。鲍威尔透镜用于从第一准直光束产生发散光线。第一聚焦透镜用于从发散光线产生线性光束。第一准直透镜、鲍威尔透镜和第一聚焦透镜的级联允许使用点光源作为产生线性光束的光源，并使第一准直光束的截面长度扩大，以提供线性光束所需的预定截面长度。

在一些实施例中，鲍威尔透镜和第一聚焦透镜之间的距离是可调的，使得线性光束的截面长度可控地调节以实现精确对准。

优选地，该装置还包括位于线发生器和分束器之间的第一狭缝，用于在到达分束器之前过滤线性光束，使得从线发生器发射的线性光束的外围部分被滤除。因此，即使使用不对称的发散光源作为光源，也能使过滤后的线性光束在强度上基本均匀。

在一些实施例中，反射镜是MEMS镜。

在一些实施例中，该装置还包括参考通道，该参考通道被配置为接收从分束器出来的参考光束，允许参考光束在参考路径的前半部分行进，通过反射参考光束形成返回的参考光束，让返回的参考光束在参考路径的后半部分行进，并在参考路径的后半部分行进完成后将返回的参考光束引导至分束器。

在一些实施例中，该装置还包括参考路径镜和致动器。参考路径镜安装在参考通道的一端，用以反射参考光束，以形成返回的参考光束，并返回至分束器。致动器连接到参考路径镜上，用于微调参考路径的光路长度。

在一些实施例中，致动器是压电致动器。

优选地，该装置还包括线性光谱仪，用于对光干涉信号进行光谱测量，从而获得样品的层析信息。

在一些实施例中，该装置还包括位于分束器和线性光谱仪之间的第二狭缝，用于在线性光谱仪接收光干涉信号之前从光干涉信号中排除不需要的光成分。

在一些实施例中，线性光谱仪包括第二聚焦透镜、衍射光栅、第三聚焦透镜和2D光传感器。衍射光栅用于对光干涉信号进行衍射，将光干涉信号分散成光谱，从而形成光谱图像。光谱图像包含分散光谱的分布。第二聚焦透镜用于接收来自线性光谱仪外部的光干涉信号，并将接收到的光干涉信号投射到衍射光栅上。2D光传感器用于对光谱图像进行成像，以获得分散光谱的分布。第三聚焦透镜位于衍射光栅和2D光传感器之间，用于将光谱图像投射到2D光传感器上。

在一些实施例中，分束器是立方分束器或平板分束器。

在一些实施例中，望远镜包括以串联级联布置的第一望远镜透镜和第二望远镜透镜。

在一些实施例中，第一望远镜透镜、第二望远镜透镜或两者的光功率是可调节的，用于将探测光束准确地投射到样品上。

本公开的其他方面如在下文中实施例所示被公开。

附图说明

图1显示本发明一个示例性实施例的用于通过OCT对样品进行成像的装置的示意图。

图2显示该装置的一部分的光线追踪图，其中探测光束在样品路径上从分束器行进到样品，说明通过压缩探测光束使扫描振镜(或任何其他)小型化的优点。

图3显示图2的光线追踪图的侧视图和俯视图，图2显示分束器和反射镜之间的样品路径的一部分，示出了由位于分束器和反射镜之间的线压缩透镜在压缩探测光束时提供的压缩效果。

图4显示作为装置的扫描镜的单个MEMS镜在不同扫描角度中的最差MTF，以证明使用小尺寸MEMS镜来反射压缩的探测光束(光束尺寸低至～1mm)仍然提供足够的空间分辨率，用于具有所需角度扫描范围的视网膜OCT成像。

图5显示在所公开的装置中使用的望远镜的侧视图和前视图，用于说明在视网膜的不同部分上对样品(即眼睛的视网膜)的线扫描。

图6显示用于产生线性光束的线发生器的一个实施例，其优点是使用发射非准直的发散光束的点光源作为光源，以降低所公开装置的实施成本。

图7显示图5的线发生器的俯视图和侧视图。

图8显示在所公开装置中用于光谱测量光干涉信号的线性光谱仪的一个实施例。

本领域技术人员将理解，图中的元素是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例描绘。

具体实施方式

如本文所使用的，“线性光束”是指其截面具有直线形状的光束，其中该截面垂直于光束的传播方向。截面具有“截面长度”和“截面宽度，”其中截面长度比截面宽度长。通常，与截面长度相比，截面宽度可以忽略不计。例如，可用于OCT中对人的视网膜进行线扫描的线性光束，其截面宽度可低至几微米，而截面长度可为几毫米或更长。

如本文所使用的，光束的“光束尺寸”是指在光束截面外围上的任意两点之间的最大一维长度，其中该截面垂直于光束的传播方向。请注意，线性光束的截面长度是以线性光束的光束尺寸为上限的。对于截面宽度与截面长度相比可忽略不计的线性光束，其截面长度与线性光束的光束尺寸近似。如果第一线性光束被光学装置压缩成接近光斑的第二线性光束，那么实际上用光束尺寸来衡量第一和第二线性光束的尺寸比用截面长度来衡量更方便。

本文公开了一种用于通过OCT对样品进行成像的装置。该装置在扫描样品时使用线扫描，因此该装置是一个线扫描OCT装置。特别是，该装置通过其不同的实施提供了各种优点，包括减小扫描镜的尺寸，以及允许使用在功率强度均匀性方面要求较低的光源。这些优点使得所公开的装置的实施成本可以降低。

尽管所公开的装置可用于医学成像应用，特别是视网膜成像应用，但是本公开内容不限于医学成像应用；所公开的装置还可用于非医学成像应用，例如多层光盘的截面成像。

如上所述，US 2020/0201058、N.YOSHIFUMI等人、和Z.AL-QAZWINI等人公开了不同的线扫描OCT装置，每个装置都使用大型扫描镜将探测光束引导至样品。在N.YOSHIFUMI等人以及Z.AL-QAZWINI等人的每个OCT装置中，探测光束被聚焦透镜聚焦在样品上，作为探测光束光学处理的最后阶段。此外，聚焦透镜用于将探测光束从宽光束塑形为线性光束，该宽光束的截面长度和截面宽度是相当的。扫描镜用于可控地将宽光束引导到聚焦透镜，并在聚焦透镜上有一个选定的入射角。宽光束的大横截面面积要求扫描镜具有大尺寸的面积。另一方面，US 2020/0201058的线扫描OCT装置，从光源产生线性光束，使扫描镜接收该线性光束以进行反射。线性光束的截面宽度可以忽略不计，这样截面宽度就不是要求大反射镜的因素。然而，截面长度仍然是相当大的，要求反射镜具有大尺寸。基于上述观察，发明人发现，如果扫描镜接收线性光束进行反射，并且线性光束的截面长度减小，那么可以减小扫描镜的尺寸。这两个发现被用于开发所公开的装置，详述如下。

借助于图1对所公开的装置进行了示例性说明。图1显示了一个用于对样品900进行成像的示例性线扫描OCT装置100的示意图。

在装置100中，线发生器110用于产生探测样品900的线性光束210。(在图1中，线性光束210被显示为光束段210a-b的串联)。例如，在使用线扫描OCT的视网膜成像应用中，通常需要在微米级的分辨率下对视网膜进行成像。线性光束210的横截面宽度通常为微米量级，而其横截面长度为毫米量级。在大多数实际情况下，线性光束210通常较窄。另外，进行OCT的一个要求是，线性光束210具有低的时间相干性。也就是说，线性光束210有一个宽光谱。此外，由于大多数人体组织的吸收趋于随着波长的增加而降低，因此在医学线扫描OCT应用中，线性光束210通常被选择为IR。由线产生器110产生的线性光束210通常是准直光束，尽管如果可以容忍或如果有意的话，线性光束210中可以存在轻微的发散或会聚。

线性光束210被分束器120接收。分束器120被配置为将线性光束210分成参考光束221和探测光束222。优选地，参考光束221和探测光束222具有相同的功率水平或几乎相同的功率水平。参考光束221和探测光束222在两个不同的方向上传播。(在图1中，探测光束222被显示为光束段222a-e的串联)。从分束器120出来的探测光束222被布置为(向前)在从分束器120到样品900的样品路径172上行进(在图1中显示为路径段222a-e和232a-e的串联)，用于对样品900进行线扫描。在前往样品900的过程中，探测光束222被样品路径172上的各种光学部件处理，以反射、聚焦和引导探测光束222。在被探测光束222照射时，样品900产生反向散射光束232。样品路径172允许反向散射光束232(向后)从样本900向分束器120行进。从分束器120出来的参考光束221被布置成沿参考路径171(在图1中显示为路径段221和231的串联)行进，并作为返回的参考光束231返回到分束器120。分束器120还被配置为将返回的参考光束231和反向散射光束232组合，以形成光干涉信号242，用于分析，从而得出样本900的层析成像信息。

在装置100中，在样品路径172上安装了线压缩透镜132、反射镜130和望远镜150，用于在将探测光束222照射到样品900之前对其进行光学处理。这些光学部件132、130、150还用于在从样品900传输到分束器120的过程中对反向散射光束232进行光学处理。

望远镜150是被布置在靠近样品900的一个光学装置。望远镜150被配置为将探测光束222e投射到样品900上，并捕获从样本900发射的反向散射光束232a。

反射镜130用于将从线压缩透镜132射出的探测光束222d反射到望远镜150。另外，反射镜130用于将从线望远镜150射出的反向散射光束232c反射到线压缩透镜132。反射镜130也是一个扫描镜。特别是，反射镜130是可控制地转向，以便在对样品900进行线扫描时将探测光束222c-e转向到样品900的不同部分。可转向的反射镜130可以被实施为围绕单轴或多轴的可旋转的反射镜。

借助于图2和图3来说明在样品路径172上使用线压缩透镜132的优点。图2描述了一个射线追踪图，其显示了探测光束222沿着样品路径172从分束器120到样品900的传播。作为一个说明性示例，样品900是一个安置在眼睛模型901中的视网膜模型。图3描述了在分束器120与反射镜130之间的一部分样本路径172的射线追踪图的侧视图和俯视图，显示了由线压缩透镜132采取的压缩动作。

考虑部分样品路径172，在该部分上，反射镜130接收从分束器120出来的经由线压缩透镜132的探测光束222a。从分束器120出来的探测光束222a是一个准直光束，其截面长度为，例如，第一长度311。如果探测光束222a被反射镜130直接接收进行反射，则反射镜130将需要具有至少第一长度311乘以一个倍增系数的尺寸(以长度计)。该倍增系数考虑了由于探测光束222b倾斜入射到反射镜130上而导致接收探测光束222b的长度增加。因此，倍增系数大于1。线压缩透镜132被配置为在探测光束222b到达反射镜130时，将探测光束222a的截面长度从第一长度311压缩到更短的第二长度312。线压缩透镜132可以实现为聚焦透镜，以汇聚探测光束222a，以使得从线压缩透镜132出来的探测光束222b的截面长度在线压缩透镜132和反射镜130之间的过程中从第一长度311减小到更短的第二长度312。由于探测光束222b在到达反射镜130时具有更短的截面长度，所以反射镜130仅需要有一个减小的尺寸，足以容纳截面长度为第二长度312的探测光束222b。最理想的是，探测光束222b在到达反射镜130时被压缩成一个小点。因此，在样本路径172上包括线压缩透镜132，有利地使反射镜130小型化，以只反射被压缩为更短截面长度的探测光束222。使用小型反射镜作为扫描镜(即反射镜130)可以降低反射镜130的电子控制的复杂性，从而降低装置100的实施成本。使用小型镜的其他优点包括反射镜130的重量更轻，以及在装置100中容纳反射镜130的空间要求较小。

请注意，探测光束222b的截面长度以其光束尺寸为上限。因此，确保探测光束222b到达反射镜130时探测光束222b的截面长度从第一长度减少到第二长度，是可以通过测量从线压缩透镜132出来的探测光束222b的截面长度和到达反射镜130的探测光束222b的光束尺寸来实验验证的。如果探测光束222b到达反射镜130时被缩小到一个小点，则该实验过程在测试装置100时特别有用。

如上所述，探测光束222b的截面长度与光束尺寸非常接近，尤其是当探测光束222b的截面宽度与截面长度相比可忽略不计时。因此，与其以截面长度来设计线压透镜132，不如将线压缩透镜132设计为使得探测光束222b的光束尺寸从第一长度减小到第二长度。由于在实验中测量光束尺寸比测量截面长度容易，并且由于最理想的是在到达反射镜130时将探测光束222b会聚到一个小点，所以以光束尺寸而不是截面长度来设计线压缩透镜132提供了一个优势，即线压缩透镜132的实验验证或测试被简化。

人们可能会担心，使用紧凑的小尺寸反射镜来反射压缩的探测光束222b可能会降低使用从反射镜130出来的探测光束222c对样品900成像的空间分辨率。实际上，紧凑的小尺寸反射镜可以是MEMS镜。为了分析MEMS镜支持的空间分辨率，进行模拟运行，以估计使用尺寸小于3mm的单个MEMS镜作为反射镜130，将光束尺寸为～1mm的探测光束222c经由望远镜150投射到样本900(其是一个视网膜模型)上的最差MTF。图4描述了估计的最差MTF。很明显，对于每毫米25个周期的空间频率，MTF约为0.38。因此，探测光束222e的每毫米25个线对(line pairs)可用于对样本900成像，对应的成像分辨率为20μm，这通常足以用于视网膜OCT成像。分析表明，使用小于3mm的小尺寸MEMS镜来反射压缩的探测光束222c(光束尺寸低至～1mm)仍然提供足以用于视网膜OCT成像的空间分辨率。

由于探测光束222a的截面宽度比其截面长度短得多，而且由于线压缩透镜132主要被设计为压缩探测光束222a的截面长度，因此线压缩透镜132的曲率半径通常不够小，以至于在到达反射镜130时，探测光束222b的截面宽度不能显著增加。见图3中描绘的俯视图。尽管如此，优选地，线压缩透镜132被进一步配置为在线压缩透镜132和反射镜130之间的样品路径172上保持探测光束222b的截面宽度基本不变。

注意，在反射镜130反射探测光束222b之后，从反镜130出来的探测光束222c发散，在行进到望远镜150的过程中，截面长度扩大，有效地扭转了由线压缩透镜132提供的压缩操作。根据装置100的不同实现方式，探测光束222c的截面长度可以是或可以不是第一长度311(即探测光束222a的原始截面长度)。

在一些实施例中，望远镜150由第一望远镜透镜151和第二望远镜透镜152组成，如图2所示，以串联级联方式排列。第一望远透镜151用于接收截面长度扩大后的探测光束222c。第一望远镜透镜151是一个聚焦透镜，用于折射发散的探测光束222c，以形成平行运行的探测光束222d。后一探测光束222d沿着望远镜150行进到第二望远镜透镜152。第二望远镜透镜152是另一个聚焦透镜，用于将探测光束222d聚焦到样品900，使得探测光束222e照射到样品上900。

图5描述了望远镜150的侧视图和前视图，用于说明样品900(眼睛的视网膜)的线扫描，在视网膜900的不同部分上进行线扫描。作为图5所示的一个说明性例子，反射镜130被控制在三个不同的时刻将探测光束222c-e设置到三个不同的传播路径450a-c中。当探测光束222e从第二望远镜透镜152传播到视网膜900时，在将探测光束222e准确地聚焦到视网膜900上时，需要考虑眼睛晶状体903的屈光力(refractive power)。

优选地，望远镜150的光功率是可调的，以便将探测光束222e准确地投射到样品900上。如果第一和第二望远镜透镜151、152中的一个或两个光功率可调，则可以实现对望远镜150的光功率的调整。。

反向散射光束232从样品900通过望远镜150、反射镜130和线压缩透镜132在样品路径172上回到分束器120的光传输，与探测光束222从分束器120到样本900的光传输是相互的。本领域技术人员将理解，前者光传输的细节，可以根据关于后者光传输的披露而获得。

图6描述了线发生器110的一个实施例，其优点是线光束210a可以从一个发射非准直的、发散光束的点光源产生。图7描述了图6中所示的线发生器110的俯视图和侧视图。通过使用点光源代替功率强度高度均匀的光源，可以降低装置100的实施成本。

在线发生器110中，光源510用于发射原始光束551。为了降低线发生器110的实施成本，可以使用提供发散光锥的点光源作为光源510，以提供原始光束551。注意，不同的光源可能在各自的光锥中具有不同的角扩散，例如，由于使用不同品牌的光源或由于同一品牌的光源的随机变化。

为了尽可能地消除原始光束551的发散，设置第一准直透镜521来接收来自光源510的原始光束551并从原始光束551产生第一准直光束552。一个非球面透镜可用作第一准直透镜521。非球面透镜使我们能够使用单个廉价的塑料模制光学元件提供最佳的准直效果。

如果原始光束551基本上是发散的，则从第一准直透镜521出来的第一准直光束552的截面长度不能设置得更大；否则第一准直光束552将不能被充分准直。因此，第一准直光束552可能只有较短的截面长度，不足以实现线性光束210a(如图7所示的侧视图所示)的要求。一个鲍威尔透镜522，通常也称为激光线生成透镜，用于将第一准直光束552在一个维度上扇出，从而生成一个发散的光线553。使用鲍威尔透镜522的目的是在发散光线553行进时扩大第一准直光束552的截面长度，从而从发散光线553中获得所需截面长度尺寸的线性光束210a。

当发散光线553的截面长度达到线性光束210a的要求尺寸时，发散光线553被第一聚焦透镜523接收以产生线性光束210a。因此，第一准直透镜521、鲍威尔透镜522和第一聚焦透镜523的级联使得点光源可以作为光源510来产生线性光束210a，并使第一准直光束552的截面长度能够扩大以提供线性光束210a所需的预定截面长度。

第一聚焦透镜523位于发散光线553与线性光束222a的行进路径620上的一个停放位置621上。停放位置621被选择为使得发散光线553的截面长度达到预定截面长度。在一些实施例中，停放位置621是可调整的，从而在设置线性光束210a所需的预定截面长度时提供灵活性。调整预定截面长度使照射样品900的探测光束222e的最终截面长度能够适应扫描样品900时所需的扫描长度。因此，灵活性允许不同尺寸的样品能够被不同截面长度的探测光束进行扫描。总之，鲍威尔透镜522与第一聚焦透镜523之间的距离622是可调的，使得线性光束210a的截面长度可控地调节，以达到精确对准和满足装置100使用的实际需要。

选择第一聚焦透镜523的焦距来汇聚发散光线553，使发散光线553的发散角根据需要减小到零或某个小角度。

在线发生器110的实际实现中，调整鲍威尔透镜522的曲率和非球面常数，使得当发散光线533被停放位置621上的第一聚焦透镜523接收时，发散光线533具有最大的均匀的截面宽度。

参考图1，位于线发生器110与分束器120之间的第一狭缝121有利地用于使线状光束210的功率强度更均匀。特别是，第一狭缝121被配置为过滤线性光束210a，使得从线发生器110发射的线性光束210a的外围区域被滤除，仅留下其中心部分，该中心部分通常比外围区域更均匀。注意，使用具有更高的强度均匀性的线性光束210会产生积极的效果，使用于探测样品900的探测光束222e也具有更高的强度均匀性。通过使用第一狭缝121，即使使用不对称的发散光源作为光源510，也使得过滤后的线性光束210b的强度基本均匀，从而进一步降低装置100的制造成本，同时使样品900的高质量精确测量得以实现。

在实现装置100时，可以使用由一个或多个光学元件(例如透镜和反射镜)形成的参考通道140来引导参考光束221和返回的参考光束231行进，从而定义参考路径171。具体地，参考通道140被配置为接收从分束器120出来的参考光束221，让参考光束221在参考路径171的前半部分行进，通过反射形成返回的参考光束231，让返回的参考光束231在参考路径171的后半部分行进，并在参考路径171的后半部分行进后将返回的参考光束231引导至分束器120。请注意，参考路径171的前半部分和后半部分具有相同的光路长度。

通常，在参考通道140的一端安装一个参考路径镜141，用于反射参考光束221，以形成返回的参考光束231，返回到分束器120。

在OCT中，探测光束222e的目的是穿透到样品900中。如果从分束器120到样品900的这一选定部分的样品路径172在光路长度上与参考路径172的差异小于探测光束222(或实际上的线性光束210)的相干长度，那么样品900的某一选定部分在沿探测光束222e的轴向方向的某一深度的结构细节就会被探测光束222揭示。探测光束222的相干长度可由其相干时间确定。

尽管可以连续调整参考路径171的长度，以在沿轴向的深度范围内探测样品900，但由于需要在样品900的深度扫描期间机械调整参考路径171，这种在时域OCT中被采用的方法很耗时。另外，傅里叶域OCT采用傅里叶变换技术，在不同深度范围内同时获得样品900的深度信息，而不需要机械调整参考路径171的长度。保持参考路径171的固定长度就足够了。因此，傅立叶域OCT比时域OCT快。通过傅里叶域OCT从光干涉信号242获得样品900的深度信息的细节可以在本领域中找到，例如A.F、FERCHER、W.DREXLER、CKHITZENBERGER和T.LASSER，“Optical coherence tomography—principles andapplications光学相干断层成像-原理和应用，”Reports on Progress in Physics物理学进展报告，第66卷，第239-303页，2003年2月，其公开内容通过引用而纳入本文。

在傅里叶域OCT中，光干涉信号242的光谱测量涉及获得样品900的层析信息。优选地，在装置100中使用线性光谱仪160，对从分束器120出来的光干涉信号242进行光谱测量，从而得到层析信息。线性光谱仪160是一个将光信号转化为光谱分量的光谱仪，在图像平面上的光谱分量的分布相对于分量的波长是线性的。例如，在US 6,650,413中提供了线性光谱仪160的实现。

优选地且理想地，第二狭缝122安装在装置100中并位于分束器120和线性光谱仪160之间，用于在线性光谱仪160接收光干涉信号242之前从光干涉信号242中剔除不需要的光成分。不需要的光成分是杂散光，例如来自装置100中附近光学元件的表面反射。

图8描述了线性光谱仪160的一个实施例。在线性光谱仪160中，第二聚焦透镜710接收来自线性光谱仪160外部的光干涉信号242。此外，第二聚焦透镜710将光干涉信号242投射到衍射光栅720。衍射光栅720对光干涉信号242进行衍射，以形成衍射图案(在此称为光谱图像721)，以将光干涉信号242分散成光谱，其中光谱图像721包含分散的光谱分布。光谱图像721被投射到2D光电传感器740上，从而对光谱图像721进行成像以获得分散光谱的分布。在线性光谱仪160中，位于衍射光栅720和2D光电传感器740之间的第三聚焦透镜730将光谱图像721投射到2D光电传感器740上。

装置100的其他实施细节详述如下。

由于反射镜130可以有利地被小型化，如上所述，反射镜130可以被实现为MEMS镜。MEMS镜是一种允许高度集成小型反射镜、用于驱动反射镜的致动器和用于控制致动器的电子控制器的MEMS。

分束器120可以实现为一个立方体分束器。或者，分束器120也可以实现为一个平板分束器。分束器120的其他实现方式是可能的。

如上所述，在对样品900进行深度扫描期间，参考路径171的光路长度可以在傅立叶域OCT中保持不变。尽管如此，有时可能通过微调参考路径171的光路长度，在从光干涉信号242中提取光谱信息方面获得一些性能改进。可选地，一个致动器142，例如压电致动器，被连接到参考路径镜141上，用于调整参考路径171的光路长度。如果压电致动器在超声范围内操作，调整参考路径171的光路长度是听不见的，避免了对装置100的操作者或通过装置100进行视网膜成像的人的干扰。

本发明可以在不背离其精神或基本特征的情况下以其他具体形式实施。因此，本发明的实施例在所有方面都应被认为是说明性的，而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求书而不是由前述说明来表示，因此在权利要求书的含义和等效范围内的所有变化都将包含在其中。

Claims (17)

1.一种通过光学相干断层扫描(OCT)对样品进行成像的装置，该装置包括：

线发生器，其用于产生线性光束；

分束器，其被配置成将所述线性光束分成参考光束和探测光束，所述探测光束被布置在从所述分束器到所述样品的样品路径上，用于对所述样品进行线扫描，从而使所述样品产生反向散射光束，所述样品路径允许所述反向散射光束传输到所述分束器，所述参考光束被布置为沿着参考路径行进并返回到所述分束器，所述分束器被进一步配置为将所述返回的参考光束和所述反向散射光束结合，形成光干涉信号进行分析，从而获得所述样品的层析信息；

望远镜，其位于所述样品路径上，所述望远镜被配置为将所述探测光束投射到所述样品上，并捕获所述反向散射光束；

反射镜，其位于所述样品路径上，用于将从所述分束器出来的所述探测光束反射到所述望远镜，并将从所述望远镜出来的反向散射光束反射到所述分束器，其中所述反射镜是可控地转向的，以在对所述样品进行线扫描时将所述探测光束转向到所述样品的不同部分；

线压缩透镜，其位于所述分束器和所述反射镜之间的所述样品路径上，所述线压缩透镜被配置为当所述探测光束到达所述反射镜时，将所述探测光束的截面长度从第一长度压缩到更短的第二长度，从而使所述反射镜小型化，只反射被压缩为更短截面长度的探测光束。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述线压缩透镜还被配置为在所述线压缩透镜和所述反射镜之间的样品路径上保持所述探测光束的截面宽度基本不变。

3.根据权利要求1所述的装置，所述线发生器包括：

光源，其用于发射原始光束；

第一准直透镜，其用于从所述原始光束产生第一准直光束；

鲍威尔透镜，其用于从所述第一准直光束产生发散光线；

第一聚焦透镜，其用于从所述发散光线产生所述线性光束，其中所述第一准直透镜、所述鲍威尔透镜和所述第一聚焦透镜的级联允许使用点光源作为产生所述线性光束的光源，并使所述第一准直光束的截面长度扩大，以提供所述线性光束所需的预定截面长度。

4.根据权利要求3所述的装置，所述鲍威尔透镜与所述第一聚焦透镜之间的距离是可调的，允许所述线性光束的截面长度可控地调节。

5.根据权利要求3所述的装置，还包括：

第一狭缝，其位于所述线发生器与所述分束器之间，用于在所述线性光束到达所述分束器之前过滤所述线性光束，使所述线发生器发出的线性光束的外围部分被滤除，从而即使在使用不对称的发散光源作为光源的情况下也允许过滤后的线性光束强度基本均匀。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述线性光束是红外光。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述反射镜是微机电系统(MEMS)镜。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括：

参考通道，其被配置为接收从所述分束器出来的参考光束，允许所述参考光束在所述参考路径的前半部分行进，通过反射所述参考光束形成返回的参考光束，允许返回的参考光束在所述参考路径的后半部分行进，并且在所述参考路径的后半部分行进完成后，将返回的参考光束引导至所述分束器。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括：

参考路径镜，其安装在所述参考通道的一端，用于反射所述参考光束，以形成返回的参考光束，返回到所述分束器。

10.根据权利要求9所述的装置，还包括：

致动器，其连接到所述参考路径镜，用于微调所述参考路径的光路长度。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述致动器是压电致动器。

12.根据权利要求1所述的装置，还包括：

线性光谱仪，其用于光谱测量所述光干涉信号，从而获得所述样品的层析信息。

13.根据权利要求12所述的装置，还包括：

第二狭缝，其位于所述分束器和所述线性光谱仪之间，用于在所述线性光谱仪接收所述光干涉信号之前从所述光干涉信号中剔除不需要的光成分。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述线性光谱仪包括：

衍射光栅，其用于衍射所述光干涉信号，以将所述光干涉信号分散成光谱，从而形成光谱图像，该光谱图像包含分散光谱的分布；

第二聚焦透镜，其用于接收来自所述线性光谱仪外部的光干涉信号，并将接收到的光干涉信号投射到所述衍射光栅；

二维(2D)光电传感器，其用于对所述光谱图像进行成像，以获得分散光谱的分布；

第三聚焦透镜，其位于所述衍射光栅和所述二维光传感器之间，用于将所述光谱图像投射到所述二维光传感器上。

15.根据权利要求1的装置，其中所述分束器是立方分束器或板式分光器。

16.根据权利要求1所述的装置，其中所述望远镜包括串联排列的第一望远镜透镜和第二望远镜透镜。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述第一望远镜透镜、所述第二望远镜透镜或两者的光功率是可调节的，用于将所述探测光束准确地投射到所述样品上。

Images