CN114630616A - 在循环测距光学相干断层扫描中解析绝对深度 - Google Patents
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Abstract
一种装置，包括：电磁辐射源，该电磁辐射源产生用于照射位于光路深度处的样本的辐射，电磁辐射源向样本提供辐射以促进确定样本内的光路深度；干涉仪，该干涉仪包括：参考臂，辐射的第一部分被递送到该参考臂；样本臂，辐射的第二部分被递送到该样本臂；第一光学子系统，该第一光学子系统耦合到样本臂以利用被递送到样本臂的辐射来询问样本并且收集来自样本的反向散射辐射；以及第二光学子系统，该第二光学子系统耦合到参考臂和第一光学子系统，以生成在收集的反向散射辐射与递送到参考臂的辐射之间的干涉条纹；以及数据收集和处理系统，该数据收集和处理系统与干涉仪通信，并且被配置成用于根据接收到的干涉条纹计算样本的光路深度。
Description
相关申请交叉引用
本申请基于2019年11月1日提交的美国专利申请序列第62/929,390号并要求其优先权，该美国专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
关于联邦资助研究的说明
本发明是在美国国立卫生研究院授予的基金号P41EB015903下的政府支持下完成的。政府具有本发明中的某些权利。
背景技术
子采样的OCT是能够提供高速并且通过远距离进行操作的成像技术。它通过使用光学子采样(subsampling)来执行对生成的干涉信号的光域压缩来实现这一点。传统上，这是通过使用单个频率梳(comb)源(即包括在光学频率上等间距的各个谱线的源)来实现的。然而，这些技术无法确定绝对深度，这对于某些应用而言可能是限制。
发明内容
因此，期望用于在循环测距光学相干断层扫描中解析(resolve)绝对深度的新系统、方法和介质。
在一个实施例中，本发明提供了一种装置，包括：电磁辐射源，该电磁辐射源产生用于照射位于光路深度处的样本的辐射，电磁辐射源向样本提供辐射以促进确定样本内的光路深度；干涉仪，该干涉仪包括：参考臂，辐射的第一部分被递送到该参考臂；样本臂，辐射的第二部分被递送到该样本臂；第一光学子系统，该第一光学子系统耦合到样本臂以利用被递送到样本臂的辐射来询问(interrogate)样本并且收集来自样本的反向散射辐射；以及第二光学子系统，该第二光学子系统耦合到参考臂和第一光学子系统，以生成在收集的反向散射辐射与递送到参考臂的辐射之间的干涉条纹；以及数据收集和处理系统，该数据收集和处理系统与干涉仪通信，并且被配置成用于根据接收到的干涉条纹计算样本的光路深度。
在该装置的一些实施例中，电磁辐射源可以包括频率梳源。在该装置的各个实施例中，频率梳源可以生成具有第一自由频谱范围(free spectral range，FSR)的第一频率梳以及具有不同于第一FSR的第二FSR的第二频率梳。在该装置的某些实施例中，数据收集和处理系统可以被配置成用于：使用第一频率梳获得第一组干涉测量(interferometric)数据，使用第二频率梳获得第二组干涉测量数据，确定第一组干涉测量数据与第二组干涉测量数据之间的相移，并且基于相移确定样本的光路深度。
在该装置的特定实施例中，频率梳源可以包括简并(degenerate)频率梳源。在该装置的一些实施例中，简并频率梳源可以包括啁啾(chirped)频率梳源。在该装置的各个实施例中，数据收集和处理系统可以被配置成用于：分析干涉条纹以生成第一点扩散函数(PSF)和第二PSF，计算第一PSF与第二PSF之间的偏移，并基于该偏移确定样本内的光路深度。在该装置的一些实施例中，频率梳源可以包括具有自由频谱范围的阶梯式(stepped)频率梳，该频率梳可以包括多个频率梳线，并且该频率梳线可以被调制特定量以生成频率变化。在该装置的某些实施例中，数据收集和处理系统可以被配置成用于：在没有调制频率梳线的情况下获得第一组干涉测量数据，在调制频率梳线的情况下获得第二组干涉测量数据，确定第一组干涉测量数据与第二组干涉测量数据之间的由调制频率梳线导致的相移，并且基于相移确定样本的光路深度。
在该装置的某些实施例中，电磁辐射源还可以包括连续扫频(swept)源，并且数据收集和处理系统可以被配置成用于：使用频率梳源获得第一组干涉测量数据，使用连续扫频源获得第二组干涉测量数据，基于第二组干涉测量数据确定样本内的扫频源光路深度，并且基于将扫频源光路深度参考到第一组干涉测量数据来确定样本的光路深度。
在该装置的一些实施例中，电磁辐射源可以包括展宽脉冲主动锁模激光器。在该装置的各个实施例中，电磁辐射源可以包括色散法布里-珀罗标准具滤波器。在该装置的某些实施例中，法布里-珀罗标准具滤波器可以包括硅晶片。在该装置的一些实施例中，第一光学子系统可以包括光环行器电路，以将辐射路由到样本并且将来自样本的反向散射辐射路由到光波导。在该装置的各个实施例中，参考臂可以包括有源相位调制器，以执行对干涉条纹的复解调。在该装置的某些实施例中，数据收集和处理系统在计算样本的光路深度时，可以被进一步配置成用于：计算与样本内的多个光路深度相对应的样本的多个光路延迟。
在该方法的一些实施例中，电磁辐射源可以包括频率梳源。该方法的各个实施例可以进一步包括：由频率梳源生成具有第一自由频谱范围(FSR)的第一频率梳以及具有不同于第一FSR的第二FSR的第二频率梳。该方法的某些实施例可以进一步包括：由数据收集和处理系统使用第一频率梳获得第一组干涉测量数据，由数据收集和处理系统使用第二频率梳获得第二组干涉测量数据，由数据收集和处理系统确定第一组干涉测量数据与第二组干涉测量数据之间的相移，以及由数据收集和处理系统基于该相移确定样本的光路深度。
在该方法的一些实施例中，频率梳源可以包括简并频率梳源。在该方法的各个实施例中，简并频率梳源可以包括啁啾频率梳源。该方法的某些实施例可以包括：由数据收集和处理系统分析干涉条纹以生成第一点扩展函数(PSF)和第二PSF，由数据收集和处理系统计算第一PSF与第二PSF之间的偏移，以及由数据收集和处理系统基于该偏移确定样本内的光路深度。
在该方法的一些实施例中，频率梳源可以包括具有自由频谱范围的阶梯式频率梳，并且该频率梳可以包括多个频率梳线，并且该方法可以进一步包括：将该频率梳线调制特定量以生成频率变化。该方法的特定实施例可以进一步包括：在不调制频率梳线的情况下由数据收集和处理系统获得第一组干涉测量数据，在调制频率梳线的情况下由数据收集和处理系统获得第二组干涉测量数据，由数据收集和处理系统确定第一组干涉测量数据与第二组干涉测量数据之间的由调制频率梳线导致的相移，以及由数据收集和处理系统基于该相移确定样本的光路深度。
在该方法的某些实施例中，电磁辐射源可以进一步包括连续扫频源，并且该方法可以进一步包括：由数据收集和处理系统使用频率梳源获得第一组干涉测量数据，由数据收集和处理系统使用连续扫频源获得第二组干涉测量数据，由数据收集和处理系统基于第二组干涉测量数据确定样本内的扫频源光路深度，以及由数据收集和处理系统基于将扫频源光路深度参考到第一组干涉测量数据来确定样本的光路深度。
在该方法的各个实施例中，电磁辐射源可以包括展宽脉冲主动锁模激光器。在该方法的某些实施例中，电磁辐射源可以包括色散法布里-珀罗标准具滤波器。在该方法的一些实施例中，法布里-珀罗标准具滤波器可以包括硅晶片。在该方法的特定实施例中，第一光学子系统可以包括光环行器电路，以将辐射路由到样本并且将来自样本的反向散射辐射路由到光波导。在该方法的一些实施例中，参考臂可以包括有源相位调制器，以执行对干涉条纹的复解调。在该方法的各个实施例中，计算样本的光路深度可以进一步包括：计算与样本内的多个光路深度相对应的样本的多个光路延迟。
在另一实施例中，本发明提供了一种方法，包括：由电磁辐射源产生用于照射位于光路深度处的样本的辐射，该电磁辐射源向样本提供辐射以促进确定样本内的光路深度；由电磁辐射源将辐射的第一部分递送到干涉仪的参考臂；由电磁辐射源将辐射的第二部分递送到干涉仪的样本臂；由耦合到样本臂的第一光学子系统利用被递送到样本臂的辐射来询问样本，以生成反向散射辐射；由第一光学子系统收集来自样本的反向散射辐射，由耦合到参考臂和第一光学子系统的第二光学子系统生成收集的反向散射辐射与递送到参考臂的辐射之间的干涉条纹；以及由与干涉仪通信的数据收集和处理系统根据接收到的干涉条纹计算样本的光路深度。
附图说明
当结合以下附图考虑时，参考所公开主题的以下具体实施方式，可以更全面地理解所公开的主题的各种目标、特征和优点，在附图中相同的附图标记标识相同的要素。
图1A和图1B示出了使用：(图1A)非简并频率梳源和(图1B)简并(啁啾)频率梳源的，物理的与测量的CR-OCT之间的映射的比较。ZPL(zero pathlength)＝零路径长度。
图2A示出了实验性CR-OCT设置，该实验性CR-OCT设置示出了具有简并频率梳输出的SPML激光器。Si-标准具(etalon)的菲涅耳反射产生了每标准具2.1的精细度(finesse)，以及四个标准具后为5.1的组合精细度。LD，激光二极管驱动器；DDG，数字延迟生成器；PG，模式生成器；A，放大器；EOM，电光调制器；PC，偏振控制器；CFBG，连续光纤布拉格光栅；SOA，半导体光学放大器；FP，法布里-珀罗标准具频谱滤波器；OSA，光谱分析仪；ISO，光隔离器；PG，信号生成器。硅晶片照片被包括具有来自WaferPro的许可。
图2B按顺序地示出了1(绿线)、2(红线)和4(蓝线)硅晶片的在232.5THz处测量的标准具透射率(transmission)。
图2C示出了跨整个频谱的标准具FSR。红点示出实验数据，并且蓝线示出理论曲线。
图2D示出了SPML输出处的简并频率梳频谱。
图2E示出了SPML输出处的三个梳线的放大图。
图3A-图3D示出了使用简并频率梳、和色散硅-标准具对CR深度信号的数值模拟。图3A示出针对以1290nm为中心的具有100nm带宽的简并频率梳频谱的各个设置阶(setorder)的模拟镜像信号。图3B示出了作为设置阶的函数的来自蓝色(Sb，中心在1265nm处)和红色(中心在1315nm处，Sr)的叠加镜像信号。图3C示出显示蓝色和红色带点扩展函数(PSF)的CR A线，以及蓝色和红色带点扩展函数(PSF)在第9设置阶处的走离(walk-off)。图3D示出了在使用恢复的阶参数和D＝0.54x 10-3ps2校正简并频率梳啁啾之前和之后提取的PSF宽度。
图4A-4D示出了使用简并频率梳的绝对延迟测距的实验性实现。图4A示出了根据全频谱计算的PSF。图4B示出了来自蓝色子带和红色子带的叠加PSF。图4C示出如图4A中的在使用计算的阶参数和D＝0.54x10-3ps2进行去啁啾之后的PSF。图4D示出作为设置阶的函数的、在去啁啾之前(红色，正方形)和之后(黑色，圆形)测量的PSF宽度。
图5A-5C示出了使用所提出的CR-OCT系统对一堆美分的绝对高度形貌成像。图5A示出了照片(图5A的上部)和强度深度投影(图5A的下部)。图5B示出了与图5A的下部相对应的循环(circular)深度图。图5C示出了与图5A的下部相对应的重建的绝对深度。
图6示出了描绘使用所提出的CR-OCT系统解析手术器械的绝对位置的图像。手术钳被定位在组织(鸡皮)样本上方。图像描绘了面朝前的(en-face)强度投影(顶行)、循环深度图(中行)以及恢复的绝对深度图(底行)，其中颜色/阴影比例描绘了深度(参见中行和底行右侧的比例)。
图7示出了频率梳被调制、调谐(tune)和/或偏移的源的条纹和频率梳轨迹。
图8示出了使用包括阶梯式激光和扫频激光的源确定深度。
图9提供了可结合本文公开的各个实施例使用的干涉测量系统的示意图。
图10示出了根据所公开主题的一些实施例的用于在CR-OCT中解析绝对深度的系统的示例。
图11示出了根据所公开主题的一些实施例的可用于实现计算设备和服务器的硬件的示例。
图12示出了根据所公开主题的一些实施例的用于在CR-OCT中解析绝对深度的过程的示例。
具体实施方式
根据所公开主题的一些实施例，提供了用于在循环测距光学相干断层扫描中解析绝对深度的机制(该机制可以包括系统、方法和介质)。
子采样的OCT是能够在提供高速下进行操作并且通过远距离进行操作的成像技术。它通过使用光学子采样来执行对生成的干涉信号的光域压缩来实现这一点。传统上，这是通过使用频率梳源(即包括在光学频率上等间距的各个谱线的源)来实现的。
子采样的OCT的一个潜在缺点是没有测量样本的绝对延迟(因此没有测量样本的位置)。替代地，样本特征的相对位置被测量。在本发明中，呈现了提供压缩和绝对延迟/位置感测两者的方法和装置。在某些实施例中，这可以是基于使用不完美的(或简并的)频率梳，即具有故意不被布置在光学频率中的等间距网格上的谱线的频率梳。该方法可用于许多不同的应用，包括子采样的OCT的任何应用，对于这些应用，了解样本的绝对位置有额外的价值。例如，这可用于测量手术器械和组织样本之间的距离，或测量样本的形貌。例如，后者可用于多种领域，诸如执行动态自动对焦。
在傅里叶域光学相干断层扫描中，生成干涉信号，该干涉信号跨越与如下三个参数的乘积成比例的RF带宽：成像范围、成像速度、以及轴向分辨率的倒数。循环测距(CR，circular ranging)OCT架构被引入，以通过将成像范围与信号RF带宽解耦合来简化远距离成像。因此，目前的CR-OCT系统解析了散射的相对深度位置，而不是解析散射的绝对深度位置。这里介绍的是CR-OCT的经修改的实现，在某些实施例中，CR-OCT的经修改的实现使用简并频率梳源，该简并频率梳源允许恢复绝对深度信息，同时仅最小地影响CR的先前描述的RF带宽压缩益处。结果表明，可以通过对激励频率梳源设计进行相对简单的修改来创建这种简并频率梳，并且通过成像研究和模拟呈现绝对测距能力。
在傅里叶域光学相干断层扫描中，具有有限电子带宽的采集系统被用于捕获生成的光学信号。在相对于OCT对大多数样本的1-2mm成像深度需要长深度范围的应用中，获取的信号带宽中的大部分专用于测量位于样本表面之前或超过最深的可成像深度的信号空白区域。CR-OCT通过将等间距的深度点重叠到单个测量深度中，来以更高的数据效率捕获这些信号。这是在光域中完成的，使得电子采集可以在降低的带宽和更少的噪声下操作。因此，CR-OCT将成像范围和采集带宽解耦合，从而使同时高速和远距离成像更加切实可行。
CR-OCT技术如图1A所示，展示了物理延迟坐标(z轴)到测量的循环延迟坐标(xy平面)的循环映射。请注意，每个测量到的延迟是一组等间距物理延迟的叠加。该间距被称为循环延迟范围。重要的是，从该图示可以理解，仅跨越小于循环延迟范围的延迟范围的反射信号分布可以在测量的/循环的延迟空间中被解析而没有重叠伪影。频率梳源结合干涉条纹的复合(同相和正交)检测导致循环测距，并且循环延迟范围与频率梳源的自由频谱范围(FSR)的倒数(Δτ＝1/(2fsr))成比例。为方便起见，可以定义对应的循环深度范围，它是循环延迟范围与光在成像材料中的速度的乘积。应注意的是，这项工作中的术语延迟总是被定义成与参考臂延迟有关。
图1A中所示的循环映射的一个结果在于样本的绝对延迟没有被测量。在这项工作中，呈现了用于在CR-OCT中解析绝对延迟的方法。绝对测距是通过采用简并频率梳(即具有不等间距光学频率线的频率梳)来实现的。具体展示了，啁啾频率简并梳源允许测量绝对位置，同时维持高压缩因子(CR-OCT背后的核心动机)。此外，展示了修改现有的CR-OCT源以生成简并梳输出是直接的。
作为起点，考虑使用“双FSR”方法来在CR-OCT系统中解析绝对延迟的简单方法是有益的。在此，考虑使用具有给定FSR(fsr1)的第一频率梳源的第一测量。然后可以将给定信号定位在延迟中，该延迟受到对应循环延迟范围[Δτ＝1/(2fsr1)]的未知整数周期(称为阶(order))的影响。如果使用不同的FSR(fsr2)获取对相同样本的第二测量，则信号可取决于其绝对位置而出现在不同的循环延迟处。因此，通过测量使用fsr1和fsr2中的每一个测量的循环延迟之间的关系，检取测量中的每个测量中的整数阶参数，从而检取绝对延迟是可能的。这可以类比为使用带有秒针但没有分针的秒表来测量事件的经过时间。单个秒表无法区分例如17秒和1分17秒的经过时间。通过添加比原始的秒表走得更快已知数量的第二秒表，现在可以使用两个手表的秒针测量之间的差异来计算分钟(即，阶)。
虽然简单易懂，但双FSR方法可能有缺点，至少对于某些应用而言是这样。首先，生成具有不同FSR的两个频率梳是可能的，尽管它可能会使整个源模块复杂化；例如，这可以使用两个频率梳源来同时或连续地照射样本，或者通过使用单个频率梳源(其中自由频谱范围可以在各图像或各A线之间进行调整(改变))来完成。其次，需要收集两条A线来添加绝对深度测量，这使测量次数增加一倍，并且降低了CR方法的效率/压缩优势。然而，对于某些应用来说，以更复杂的源和稍慢的采集速率换取绝对深度信息的这种折衷可被认为是可以接受的。
这项工作展示了基于类似原理的实现，但具有更简单的源实现和最小化的压缩损失。不是使用两个不同的FSR，而是使用具有连续啁啾FSR的频率梳，即简并频率梳(DFC)。这种方法的原理与上述双FSR的原理相似，即FSR在光学频率上的变化提供了具有不同速度的时钟，所述具有不同速度的时钟可用于破译绝对延迟。然而，信息现在被包含在单个深度测量(A线)中。此外，可以通过简单地使用激光源内的色散法布里-珀罗标准具来创建啁啾FSR，fsr(ω)＝c/(2ng(ω)l)，其中ω是角光学频率，ng是标准具的群折射率，l是标准具厚度，并且c是光速。图1A和图1B比较了所提出的方法(图1B)相对于传统的单FSR CR-OCT方法(图1A)的绝对到测量的延迟映射。通过使用简并频率梳，物理延迟到测量延迟的螺旋映射变得依赖于光学频率，因此产生如图1B中的三个离散光学频率和三个延迟的图示所示的啁啾。频谱解析的循环延迟(现在取决于光学频率)中的色散用于计算绝对延迟。随后，在了解散射信号的绝对延迟的情况下，对测量的条纹进行去啁啾(dechirp)使得可以生成图像是可能的，该图像在绝对延迟上被解析，并且该图像具有变换限制的轴向分辨率。
在各个实施例中，可通过在1.29μm的展宽脉冲主动锁模(SPML)激光架构内放置色散法布里-珀罗标准具，使用简并频率梳来实现CR-OCT系统(图2A)。DFC-SPML在76％占空比下具有194THz/μs的扫频速度以及7.6MHz的重复速率。在1.3μm处提供约1750ps2/km的群速度色散的硅(Si)晶片被用作标准具。280μm厚的晶片提供中心光学频率为146.7GHz的FSR，从而在空气中提供约1mm的循环深度范围。单通透射率和频率相关的FSR如图2B和图2C所示。DFC-SPML输出处的频谱和三条梳线的放大图如图2D和图2E所示。源的相干长度被测量为约2cm(零路径长度附近的双侧FWHM)。该源与简单的干涉仪以及采集系统相结合，提供了测量的条纹信号。使用参考臂中的有源(LiNbO3)相位调制器实现了对条纹信号的复解调。
从上述系统(即具有相同的光源属性和干涉仪设计)生成CR-OCT条纹信号的数值前向模型。利用该模型，处理流水线(pipeline)被构建并被验证以从镜像条纹信号中提取绝对深度信息。作为起点，图3A呈现了针对通过使用常规CR-OCT方法处理简并频率梳信号而生成的镜像信号的模拟点扩展函数(PSF)。镜子位于相同的循环深度(0mm)处，但在循环深度范围的不同的阶处(其中循环深度范围由DFC的平均FSR定义)。这里，可以看到由于使用简并频率梳而产生的PSF的预期啁啾(模糊)。接下来，实现双带处理方法，该方法在本文中被称为“蓝色”频谱带和“红色”频谱带(分别以1265nm(237.2THz)和1315nm(228.1THz)为中心)的单独带中单独地分析检测到的条纹。每个带内的平均FSR的差异约为Δ＝1.3GHz，其中fsrr>fsrb(Δτr<Δτb)。针对相同的镜位置的模拟PSF如图3B中所绘制的。这里，图3A的整体啁啾可以被解析为彼此走离的两个PSF。利用蓝带PSF与红带PSF之间的测量到的深度偏移ΔL(图3C)，通过以下公式计算阶参数k：
其中fsrb,r分别是跨蓝带和红带的平均FSR。
接下来，开发了一种技术来消除因使用简并频率梳而产生的啁啾(轴向模糊)(见图3A)。通过将测量到的复条纹s(ωi)与由exp[iDk(ω-ω0)2)]给出的校正矢量相乘，计算出经校正的条纹信号s'(ωi)，其中k是整数深度阶参数(图3D)。参数D由简并频率梳的属性给出为：
随后将该处理流水线应用于实验数据。图4示出与图3中的模拟数据类似获取的、针对范围为±10之间的阶参数使用简并频率梳在循环深度约250μm处的PSF测量。图4A和图4B分别示出使用全带和红/蓝频谱带时的PSF。通过A线互相关来提取PSF走离。应注意的是，在实践中，必须考虑在循环深度范围边缘处的PSF缠绕。在这些边界处，真实PSF偏移由测量到的偏移ΔL'和蓝带循环深度范围给出(因为fsrr>fsrb)，ΔL＝ΔL'±cΔτb。已确认，根据图4B中的测量到的PSF偏移计算的阶与每次测量的设置阶(设置阶从-10到10)相匹配。使用该解析的阶参数，全频谱数据的啁啾(增宽)按照等式1所描述地被校正，并被生成去啁啾PSF(图4C)。校正之前和之后的恢复的PSF宽度如图4D中所呈现的。由于PSF的不对称性，因此均方根宽度δzrms＝(Σ((d-d0)2S)/ΣS)-1/2在这里被调整(adapt)，其中d是深度，d0是PSF中心深度，并且S是信号幅度。
为了测试从样本中重建绝对深度信息，对一堆9美分进行了成像(图5A)。循环包裹形貌图像和绝对形貌图像分别示出在图5B和图5C中。应注意的是，绝对图像跨越了更大得多的深度范围，但保留了与常规的循环包裹图像深度范围相同的高度分辨率(由轴向分辨率给出)。测量到的高度的误差被认为源于低测量SNR；对绝对延迟解析的CR-OCT中的SNR要求和噪声缓解策略的研究正在进行中，并且超出了这项工作的范围。
在第二实验中，该技术用于提供对手术器械相对于组织表面的绝对定位的反馈(图6)。图6示出描绘使用所提出的CR-OCT系统解析手术器械的绝对位置的图像。手术钳被定位在组织(鸡皮)样本上方。图像描绘了面朝前的强度投影(顶行)、循环深度图(中行)以及恢复的绝对深度图(底行)，其中颜色/阴影比例描绘了深度(参见中行和底行右侧的比例)。绝对形貌图像(底行)而不是循环包裹的常规CR形貌图像(中行)允许器械与组织的接近度被测量。这种绝对深度映射技术可以实现诸如利用高深度感知进行手术引导之类的应用，其中在手术期间对手术区域内的复杂器官进行可视化将受益于实时立体视觉。
最后，提供了对执行绝对测距所需的标准具色散的幅度的简要评论。再次回到作为简化示例的双FSR技术，可以估计通过在等式1中针对k＝1设置ΔL＝δz生成可检测的偏移所需的最小FSR差异Δmin，其中δz是每个测量的变换限制的轴向分辨率，从而产生
其中
是各测量之间的平均FSR。将此应用于该项工作中呈现的简并频率梳技术，可以设置
并且将bz设置成等于每个子带的变换限制的轴向分辨率。为了估计最大差异FSRΔmax，应注意的是，由位于系统被设计用于准确测量的最大阶kmax中的样本引起的偏移ΔL不应超过循环延迟范围的一半(cΔτr/2)，
其中kmax＝lc/(2ΔLk＝l)，其中lc是相干长度，并且ΔLk＝l是针对k＝1的ΔL，即循环深度范围中的差异。应注意的是，在简并频率梳方法中，可以通过以下方式来克服这个限制：将频谱窗口偏移得更靠近中心频率，从而减少各测量之间的差分FSR。
这项工作在数值和实验上描述并验证了：从色散法布里-珀罗标准具构成的简并频率梳可用于恢复绝对延迟位置，而不会显著影响测量压缩。目前的工作侧重于原理和一阶实现，因此有一些限制。首先，使用未涂覆硅的标准具(硅晶片)，并且由于得到低的精细度，因此多个标准具被级联(cascade)。提供更高的精细度值的定制设计的涂覆硅(或其他色散材料)的标准具将提高系统性能，包括相干长度和测量SNR。该处理方法使用简单的红/蓝子带分析和基于互相关的PSF偏移测量。很可能的是，这可以得到增强，以更好地利用通过频谱带发生的连续啁啾。与此相关的是，相对于常规CR-OCT，施加最小处理代价的绝对延迟解析算法的构建是至关重要的，并且是正在进行的研究的主题。
在各个实施例中，虽然可以使用若干不同类型的电磁辐射源来执行上述程序，但是在某些情况下，可以根据所使用的源的类型来修改该程序：
双FSR
在一些实施例中，可以修改源以便产生如在以上公开的“双FSR”方法中的具有两个不同FSR的频率梳。利用该方法，针对每个数据点收集两条A线，两个不同的FSR中的每一个FSR有一条A线，并且将与两个FSR相对应的A线数据进行组合以确定绝对深度。
简并频率梳
在诸如本文所公开的实施例之类的实施例中，产生简并频率梳的源可用于确定绝对深度。除了以上公开的其中使用色散标准具来创建简并(啁啾)源的实施例之外，在其他实施例中，可以替代地使用棱镜或可编程激光器来创建简并频率梳。在各个实施例中，以上所公开的使用SPML激光器生成简并频率梳的技术也可以使用诸如PCML、FDML或传统外腔激光器之类的其他类型的激光源来实现。此外，使用具体技术中的任何技术创建的简并频率梳不必是连续的。
频率梳线调制/调谐/偏移
在一些实施例中，可以使用生成具有已知FSR的阶梯式频率梳的源，其中使用移频器、相位调制器、标准具倾斜、或其他合适的方式在频谱域中将频率梳线偏移、调谐和/或调制已知量(Δf)。例如，在一些实施例中，移频器或相位调制器可位于干涉仪之前的激光输出处。在其他实施例中，可通过使产生频率梳的频谱滤波器本身倾斜(或改变折射率或其他方式)，在激光腔内实现标准具倾斜。与利用以上讨论的双FSR方法一样，两条A线(深度信号)在有和没有梳线偏移/调谐/调制的情况下被检测、被获得。
频谱域中的梳线偏移产生测量的条纹信号(深度信号)之间的光学延迟(τ)相关的相移
图7示出在时域和光学频域中具有两个不同延迟τ1和τ2的连续扫频条纹的示例，其中频域轨迹示出两个延迟之间的频率梳的偏移。测量到的相移
可以在图7中的阶梯式条纹中被看到，并用于求解绝对深度。基带边缘处的相位差异由下式给出：
绝对深度通过下式确定：
通常，频移Δf必须足够小，以避免最大目标深度处的测量到的相移的π相位模糊，
其中Nk是相干长度内的阶数。
阶梯式激光加扫频激光
在一些实施例中，阶梯式激光源加扫频激光源的组合可用于从样本获得绝对深度信息。具有已知FSR的阶梯式激光(激光1，图8)可用于从样本中检测A线(深度信号)。如上所述，这在已经用激光1收集的A线中生成了关于循环范围(Δτ＝1/FSR，LB＝c/FSR/2)的深度模糊性。为了补充该数据，可使用窄线宽(长的相干长度)连续扫频激光(激光2，图8)来获得同一样本的第二A线(深度信号)(如图8所示的角膜和/或晶状体，右上)。用阶梯式激光(激光1)获得的深度信号的相对深度(阶)可参考用扫频激光(激光2)获得的绝对深度，以确定使用激光1的频率梳获得的数据的绝对深度。
一般来说，激光2的轴向分辨率应为激光1的循环范围(LB)的一半或比激光1的循环范围(LB)更好。此外，激光2的光学带宽应保持最小，以最大化激光2的扫频速度；理想情况下，激光1和2的A线速率应相同或非常相似。最后，激光2的相干长度应等于或优于激光1的相干长度。
图9提供了可结合本发明的各个实施例使用的干涉测量系统的示意图。图9示出了马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型干涉仪，马赫-曾德尔型干涉仪可使用自由空间光学器件(图9，面板A)或光纤布置(图9，面板B)来实现。也可以应用其他类型的干涉仪(例如，迈克逊(Michelson))。图9的面板A或面板B中的光源LS可以是：如图2中的具有简并频率梳的SPML激光器或其他类型的激光器(例如PCML、FDML或传统外腔激光器)；其中阶梯式频率梳的线被偏移、被调谐或被调制的源；双FSR源；或将阶梯式频率梳与扫频激光相结合的源。
从LS发射的光束B9被引导至干涉仪输入处，在该干涉仪输入处使用分束器(BS3)将B9分为长度大致相等的两条路径。B10被引导朝向样本S。来自感兴趣对象的反向散射光随后被引导朝向干涉仪输出(B11)。在参考臂中，光束B12被引导朝向相位调制器(PM)。PM之后的光束(即光束B13)被引导至干涉仪输出，以在被BS4组合后与光束B11发生干涉。随后由检测器D(例如光电二极管)检测输出光束B14。替代地，图2B中所示的基于光纤的干涉仪由于输出光束B14和B15之间的为π的相移因而很容易允许平衡检测。使用数据收集和处理系统(其可包括数据采集板或实时示波器(DAQ))以采样率fS对检测到的信号进行数字化。可获取若干个波长扫频(A1、A2、…、An)以形成二维或三维图像。
转向图10，示出了根据所公开主题的一些实施例，用于在CR-OCT中解析绝对深度的系统(例如，数据收集和处理系统)的示例1000。如图10所示，计算设备1010可以从光学干涉测量系统1000接收干涉测量数据。在一些实施例中，计算设备1010可以执行用于解析绝对深度的系统1004的至少一部分，以基于从光学干涉测量系统1000接收的干涉测量数据来确定绝对深度。附加地或替代地，在一些实施例中，计算设备1010可以通过通信网络1006将与从光学干涉测量系统1000接收的干涉测量数据有关的信息传送给服务器1020，服务器1020可以执行用于解析绝对深度的系统1004的至少一部分，以基于干涉测量数据确定绝对深度。在一些这样的实施例中，服务器1020可以向计算设备1010(和/或任何其他合适的计算设备)返回指示用于解析绝对深度的系统1004的输出的信息，诸如绝对深度信息。该信息可以被传输和/或呈现给用户(例如，研究人员、操作员、临床医生等)和/或可以被存储(例如，作为研究数据库或与受试者相关联的医疗记录的一部分)。
在一些实施例中，计算设备1010和/或服务器1020可以是任何合适的计算设备或设备的组合，所述设备诸如是台式计算机、膝上型计算机、智能手机、平板计算机、可穿戴计算机、服务器计算机、由物理计算设备执行的虚拟机等。如本文所述，用于解析绝对深度的系统1004可以向用户(例如，研究人员和/或医生)呈现与干涉测量数据有关的信息和/或绝对深度信息。
在一些实施例中，光学干涉测量系统1000可包括电磁辐射源1002，电磁辐射源1002可为适于光学干涉测量的任何源，诸如CR-OCT。在其他实施例中，电磁辐射源1002可以在计算设备1010的本地。例如，电磁辐射源1002可以与计算设备1010结合(例如，计算设备1010可以被配置为用于捕获和/或存储光学干涉测量信息的设备的一部分)。作为另一示例，电磁辐射源1002可以通过线缆、直接无线链路等被连接到计算设备1010。附加地或替代地，在一些实施例中，电磁辐射源1002可以位于计算设备1010本地和/或远离计算设备1010，并且可以经由通信网络(例如，通信网络1006)将信息传送到计算设备1010(和/或服务器1020)。
在一些实施例中，通信网络1006可以是任何合适的通信网络或通信网络的组合。例如，通信网络1006可以包括Wi-Fi网络(其可以包括一个或多个无线路由器、一个或多个交换机等)、对等网络(例如，蓝牙网络)、蜂窝网络(例如，符合任何合适的标准(诸如CDMA、GSM、LTE、LTE高级、WiMAX等)的3G网络、4G网络等)、有线网络等。在一些实施例中，通信网络1006可以是局域网、广域网、公共网络(例如，因特网)、专用或半专用网络(例如，公司或大学内部网)、任何其他合适类型的网络、或网络的任何合适的组合。图10所示的通信链路各自可以是任何合适的通信链路或通信链路的组合，诸如有线链路、光纤链路、Wi-Fi链路、蓝牙链路、蜂窝链路等。
图11示出根据所公开主题的一些实施例的可用于实现计算设备1010和服务器1020的硬件的示例1100。如图11所示，在一些实施例中，计算设备1010可以包括处理器1102、显示器1104、一个或多个输入1106、一个或多个通信系统1108和/或存储器1110。在一些实施例中，处理器1102可以是任何合适的硬件处理器或处理器的组合，诸如中央处理单元、图形处理单元等。在一些实施例中，显示器1104可以包括任何合适的显示设备，诸如计算机监测器、触摸屏、电视等。在一些实施例中，输入1106可包括可用于接收用户输入的任何合适的输入设备和/或传感器，诸如键盘、鼠标、触摸屏、麦克风等。
在一些实施例中，通信系统1108可包括用于通过通信网络1006和/或任何其他合适的通信网络传送信息的任何合适的硬件、固件和/或软件。例如，通信系统1108可以包括一个或多个收发器、一个或多个通信芯片和/或芯片组等。在更具体的示例中，通信系统1108可包括可用于建立Wi-Fi连接、蓝牙连接、蜂窝连接、以太网连接等的硬件、固件和/或软件。
在一些实施例中，存储器1110可以包括任何合适的存储设备或可用于存储指令、值等的设备，所述设备可以例如由处理器1102使用，以使用显示器1104呈现内容，以经由通信系统(多个)1108等与服务器1020通信等。存储器1110可包括任何合适的易失性存储器、非易失性存储器、存储设备、或它们的任何合适组合。例如，存储器1110可以包括RAM、ROM、EEPROM、一个或多个闪存驱动器、一个或多个硬盘、一个或多个固态驱动器、一个或多个光学驱动器等。在一些实施例中，存储器1110可以在其上编码用于控制计算设备1010的操作的计算机程序。在这种实施例中，处理器1102可以执行该计算机程序中的至少一部分，以呈现内容(例如，图像、用户界面、图形、表格等)、从服务器1020接收内容、向服务器1020传输信息等。
在一些实施例中，服务器1020可包括处理器1112、显示器1114、一个或多个输入1116、一个或多个通信系统1118和/或存储器1120。在一些实施例中，处理器1112可以是任何合适的硬件处理器或处理器的组合，诸如中央处理单元、图形处理单元等。在一些实施例中，显示器1114可以包括任何合适的显示设备，诸如计算机监测器、触摸屏、电视等。在一些实施例中，输入1116可包括可用于接收用户输入的任何合适的输入设备和/或传感器，诸如键盘、鼠标、触摸屏、麦克风等。
在一些实施例中，通信系统1118可包括用于通过通信网络1006和/或任何其他合适的通信网络传送信息的任何合适的硬件、固件和/或软件。例如，通信系统1118可以包括一个或多个收发器、一个或多个通信芯片和/或芯片组等。在更具体的示例中，通信系统1118可包括可用于建立Wi-Fi连接、蓝牙连接、蜂窝连接、以太网连接等的硬件、固件和/或软件。
在一些实施例中，存储器1120可以包括任何合适的存储设备或可用于存储指令、值等的设备，所述设备可以例如由处理器1112使用，以使用显示器1114呈现内容，以与一个或多个计算设备1010通信等。存储器1120可包括任何合适的易失性存储器、非易失性存储器、存储设备、或它们的任何合适组合。例如，存储器1120可以包括RAM、ROM、EEPROM、一个或多个闪存驱动器、一个或多个硬盘、一个或多个固态驱动器、一个或多个光学驱动器等。在一些实施例中，存储器1120可以在其上编码用于控制服务器1020的操作的服务器程序。在这种实施例中，处理器1112可以执行该服务器程序的至少一部分，以传输信息和/或内容(例如，组织标识和/或分类的结果、用户界面等)在这种实施例中，处理器1112可以执行该服务器程序的至少一部分，以向一个或多个计算设备1010传输信息和/或内容(例如，组织标识和/或分类的结果、用户界面等)、从一个或多个计算设备1010接收信息和/或内容、从一个或多个设备(例如，个人计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能手机等)接收指令等。
在一些实施例中，可以将任何合适的计算机可读介质用于存储用于执行本文所述的功能和/或过程的指令。例如，在一些实施例中，计算机可读介质可以是瞬态的或非瞬态的。例如，非瞬态计算机可读介质可包括以下介质，诸如：磁介质(诸如硬盘、软盘等)、光介质(诸如压缩碟、数字视频碟、蓝光碟等)、半导体介质(诸如RAM、闪存存储器、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等)、在传输期间不是短暂的或不是没有任何持久外观的任何合适的介质、和/或任何合适的有形介质。作为另一示例，瞬态计算机可读介质可包括网络上的、电线、导体、光纤、电路中的信号，或在传输期间是短暂的和没有任何持久外观的任何合适介质、和/或任何合适的无形介质。
在一些实施例中，光学信号由光电二极管检测。应该认识到，任何光电转换设备，包括但不限于光检测器、光电二极管、线扫描和二维相机，以及光电二极管阵列，都可以用于执行该检测功能。
应注意，如本文所使用的术语机制可涵盖硬件、软件、固件或、它们的任何适当组合。
图12示出了根据所公开主题的一些实施例的用于在CR-OCT中解析绝对深度的过程的示例1200。如图12所示，在1202处，过程1200可产生辐射以用于照射位于光路深度处的样本，其中电磁辐射源可向样本提供辐射，以促进确定样本内的光路深度。在1204处，过程1200可以将辐射的第一部分递送到干涉仪的参考臂。在1206处，过程1200可以将辐射的第二部分递送到干涉仪的样本臂。在1208处，过程1200可以使用递送到样本臂的辐射来询问样本，以生成反向散射辐射。在1210处，过程1200可收集来自样本的反向散射辐射。在1212处，过程1200可以生成在收集的反向散射辐射与递送到参考臂的辐射之间的干涉条纹。最后，在1214处，过程1200可以根据接收到的干涉条纹计算样本的光路深度。
应当理解，图12的过程的上述步骤可以以任何顺序或次序实施或执行，而不限于图中所示出和描述的顺序和次序。此外，图12的过程的以上步骤中的一些步骤可以在适当的情况下基本上同时执行或并行执行，以减少延迟和处理时间。
因此，虽然以上已经结合特定实施例和示例描述了本发明，但是本发明不一定受如此限制，并且许多其他实施例、示例、用途、修改以及对所述实施例、示例和用途的偏离旨在被所附权利要求所包含。
Claims (32)
1.一种装置，包括：
电磁辐射源，所述电磁辐射源产生用于照射位于光路深度处的样本的辐射，
所述电磁辐射源向所述样本提供所述辐射，以促进确定所述样本内的所述光路深度；
干涉仪，所述干涉仪包括：
参考臂，所述辐射的第一部分被递送到所述参考臂，
样本臂，所述辐射的第二部分被递送到所述样本臂，
第一光学子系统，所述第一光学子系统耦合到所述样本臂，以利用被递送到所述样本臂的所述辐射来询问所述样本，并且收集来自所述样本的反向散射辐射，以及
第二光学子系统，所述第二光学子系统耦合到所述参考臂和所述第一光学子系统，以生成在收集的反向散射辐射与递送到所述参考臂的所述辐射之间的干涉条纹；以及
数据收集和处理系统，所述数据收集和处理系统与所述干涉仪通信，并且被配置成用于根据接收到的干涉条纹计算所述样本的所述光路深度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁辐射源包括频率梳源。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述频率梳源生成具有第一自由频谱范围的第一频率梳以及具有不同于所述第一FSR的第二FSR的第二频率梳。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数据收集和处理系统被配置成用于：
使用所述第一频率梳获得第一组干涉测量数据，
使用所述第二频率梳获得第二组干涉测量数据，
确定所述第一组干涉测量数据与所述第二组干涉测量数据之间的相移，并且
基于所述相移确定所述样本的所述光路深度。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述频率梳源包括简并频率梳源。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述简并频率梳源包括啁啾频率梳源。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据收集和处理系统被配置成用于：
分析所述干涉条纹，以生成第一点扩散函数(PSF)和第二PSF，
计算所述第一PSF与所述第二PSF之间的偏移，并且
基于所述偏移确定所述样本内的所述光路深度。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述频率梳源包括具有自由频谱范围的阶梯式频率梳，
其中，所述频率梳包括多个频率梳线，并且
其中，所述频率梳线被调制特定量以生成频率变化。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述数据收集和处理系统被配置成用于：
在没有调制所述频率梳线的情况下获得第一组干涉测量数据，
在调制所述频率梳线的情况下获得第二组干涉测量数据，
确定所述第一组干涉测量数据与所述第二组干涉测量数据之间的由调制所述频率梳线导致的相移，并且
基于所述相移确定所述样本的所述光路深度。
10.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电磁辐射源进一步包括连续扫频源，并且
其中，所述数据收集和处理系统被配置成用于：
使用所述频率梳源获得第一组干涉测量数据，
使用所述连续扫频源获得第二组干涉测量数据，
基于所述第二组干涉测量数据确定所述样本内的扫频源光路深度，并且
基于将所述扫频源光路深度参考到所述第一组干涉测量数据，来确定所述样本的所述光路深度。
11.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述电磁辐射源包括展宽脉冲主动锁模激光器。
12.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述电磁辐射源包括色散法布里-珀罗标准具滤波器。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述法布里-珀罗标准具滤波器包括硅晶片。
14.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一光学子系统包括光环行器电路，以将所述辐射路由到所述样本并且将来自所述样本的所述反向散射辐射路由到光波导。
15.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述参考臂包括有源相位调制器，以执行对所述干涉条纹的复解调。
16.如权利要求1-10中任一项所述的装置，其特征在于，所述数据收集和处理系统在计算所述样本的所述光路深度时，被进一步配置成用于：计算与所述样本内的多个光路深度相对应的所述样本的多个光路延迟。
17.一种方法，包括：
由电磁辐射源产生用于照射位于光路深度处的样本的辐射，
所述电磁辐射源向所述样本提供所述辐射，以促进确定所述样本内的所述光路深度；
由所述电磁辐射源将所述辐射的第一部分递送到干涉仪的参考臂；
由所述电磁辐射源将所述辐射的第二部分递送到所述干涉仪的样本臂；
由耦合到所述样本臂的第一光学子系统利用被递送到所述样本臂的所述辐射来询问所述样本，以生成反向散射辐射；
由所述第一光学子系统收集来自所述样本的所述反向散射辐射，
由耦合到所述参考臂和所述第一光学子系统的第二光学子系统，生成收集的反向散射辐射与递送到所述参考臂的所述辐射之间的干涉条纹；以及
由与所述干涉仪通信的数据收集和处理系统根据接收到的干涉条纹计算所述样本的所述光路深度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述电磁辐射源包括频率梳源。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括：
由所述频率梳源生成具有第一自由频谱范围的第一频率梳以及具有不同于所述第一FSR的第二FSR的第二频率梳。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括：
由所述数据收集和处理系统使用所述第一频率梳获得第一组干涉测量数据，
由所述数据收集和处理系统使用所述第二频率梳获得第二组干涉测量数据，
由所述数据收集和处理系统确定所述第一组干涉测量数据与所述第二组干涉测量数据之间的相移，以及
由所述数据收集和处理系统基于所述相移确定所述样本的所述光路深度。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述频率梳源包括简并频率梳源。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述简并频率梳源包括啁啾频率梳源。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括：
由所述数据收集和处理系统分析所述干涉条纹，以生成第一点扩散函数(PSF)和第二PSF，
由所述数据收集和处理系统计算所述第一PSF与所述第二PSF之间的偏移，以及
由所述数据收集和处理系统基于所述偏移确定所述样本内的所述光路深度。
24.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述频率梳源包括具有自由频谱范围的阶梯式频率梳，并且
其中，所述频率梳包括多个频率梳线，并且
其中所述方法进一步包括：
将所述频率梳线调制特定量以生成频率变化。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在不调制所述频率梳线的情况下由所述数据收集和处理系统获得第一组干涉测量数据，
在调制所述频率梳线的情况下由所述数据收集和处理系统获得第二组干涉测量数据，
由所述数据收集和处理系统确定所述第一组干涉测量数据与所述第二组干涉测量数据之间的由调制所述频率梳线导致的相移，以及
由所述数据收集和处理系统基于所述相移确定所述样本的所述光路深度。
26.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述电磁辐射源进一步包括连续扫频源，并且
其中所述方法进一步包括：
由所述数据收集和处理系统使用所述频率梳源获得第一组干涉测量数据，
由所述数据收集和处理系统使用所述连续扫频源获得第二组干涉测量数据，
由所述数据收集和处理系统基于所述第二组干涉测量数据确定所述样本内的扫频源光路深度，以及
由所述数据收集和处理系统基于将所述扫频源光路深度参考到所述第一组干涉测量数据，来确定所述样本的所述光路深度。
27.如权利要求17-26中任一项所述的方法，其特征在于，所述电磁辐射源包括展宽脉冲主动锁模激光器。
28.如权利要求17-26中任一项所述的方法，其特征在于，所述电磁辐射源包括色散法布里-珀罗标准具滤波器。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述法布里-珀罗标准具滤波器包括硅晶片。
30.如权利要求17-26中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光学子系统包括光环行器电路，以将所述辐射路由到所述样本并且将来自所述样本的所述反向散射辐射路由到光波导。
31.如权利要求17-26中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考臂包括有源相位调制器，以执行对所述干涉条纹的复解调。
32.如权利要求17-26中任一项所述的方法，其特征在于，计算所述样本的所述光路深度进一步包括：计算与所述样本内的多个光路深度相对应的所述样本的多个光路延迟。
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