CN114762586A - 光学相干断层扫描仪器和光学相干断层扫描方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学相干断层扫描仪器和光学相干断层扫描方法。公开了一种适用于对视网膜成像的光学相干断层扫描仪器。在该仪器中，可以是或包括声光调制器或电光调制器的可调光学移频器被布置在(i)耦合器和参考光学系统之间，(ii)参考光学系统中，(iii)耦合器和前端光学系统之间，或(iv)前端光学系统中。参考光或信号光的光学频率可以可调地增加或减小。在操作中，受试者被布置成使得其视网膜处于前端光学系统的焦深。可以调节参考光或样本光的光学频率的增加或减小。因此，在返回的信号光和返回的参考光之间获得的表示视网膜处深度结构的干涉图可以位于仪器的检测带宽内。

Description

光学相干断层扫描仪器和光学相干断层扫描方法

领域

本文的示例方面涉及光学相干断层扫描(tomography)，并且更具体地，涉及用于执行视网膜的光学相干断层扫描测量的光学相干断层扫描仪器和方法。

背景

光学相干断层扫描(OCT)是一种成像技术，能够非侵入性地获得例如但不限于人组织特别是视网膜的表面和表面下(subsurface)结构的高分辨率测量和成像。

在光学相干断层扫描中，测量光被光学耦合器分成两路。光学耦合器将每条路径上的光导向干涉仪的不同臂。一个臂称为参考臂，而另一个臂称为样本臂。在样本臂中，光由样本光学系统(有时称为前端光学系统)导向被研究的样本，反射光由样本光学系统收集并返回到光学耦合器。在参考臂中，光进入参考光学系统，该系统将光返回到光学耦合器。来自样本臂和参考臂的返回光被耦合器重新组合以产生干涉图案。干涉图案由检测器记录。

干涉图案包含关于反射的样本光行进的光路和已经行进特定光路长度的样本光的幅度的信息。由于光的波长被选择为至少部分穿透被研究的样本，干涉图案包含关于样本的表面和表面下结构的信息。

光学相干断层扫描技术的不同实现在本领域是已知的。一种被称为扫频源光学相干断层扫描(SS-OCT)的技术使用测量光，其光学频率以受控方式在限定的源带宽上周期性调制。典型地，在限定的光学频带上的一系列上升扫描(rising sweeps)被用作调制。检测器记录随时间变化的干涉图案信号。在测量光的光学频率的一个周期调制上记录的信号的傅立叶变换产生样本的轴向深度分布(axial depth profile)，其强度对应于反射的强度。

整个样本表面上的一维或二维扫描测量光能够获得针对整个样本表面上多个(aplurality of)点的每个点的轴向深度分布，从而可以获得样本的二维或三维深度分布。

测量光的相干长度决定了系统的成像深度，而源带宽决定了系统的轴向分辨率。此外，参考臂的光路长度决定了获得轴向深度分布的轴向位置。

传统上，参考臂的光路长度或者是固定的，或者是可由例如可移动反射镜机械调节的，以放置轴向区域，从该轴向区域可以在样本表面处或周围测量轴向深度分布。然而，固定参考臂的光路长度导致系统不灵活，而参考臂的光路长度的机械调节不够快速、可靠或精确。

提供一种光学相干断层扫描仪器和方法将是有用的，该仪器和方法能够快速、可靠和精确地调节轴向位置，围绕该轴向位置可以获得轴向深度分布。

概述

根据本文的示例方面，提供了一种用于对视网膜成像的光学相干断层扫描仪器。该仪器包括光学耦合器，该光学耦合器被布置成接受来自可调谐窄带光源的光，并将该光分成至少信号光和参考光。该仪器还包括被布置成返回参考光的参考光学系统、以及被布置成将信号光导向受试者的眼睛并返回来自受试者眼睛的反射信号光的前端光学系统。该仪器还包括检测单元，该检测单元被布置成对返回的参考光和返回的信号光之间的时变干涉信号进行采样。可调光学移频器布置在(i)耦合器和参考光学系统之间，(ii)参考光学系统中，(iii)耦合器和前端光学系统之间，或者(iv)前端光学系统中。可调光学移频器被布置成可调地增加或减小参考光或信号光的光学频率。

在本文的一个示例实施例中，参考光学系统包括反射器，该反射器被布置成反射参考光以返回参考光。

同样在本文的示例实施例中，反射器相对于耦合器固定。

此外，根据本文的示例实施例，参考光学系统包括返回参考光的光学环路(loop)。光学环路可以具有固定的光路长度，尽管这个示例不是限制性的。

根据本文的示例实施例，参考光通过光学移频器沿正向和反向传播。

根据本文的另一示例实施例，信号光通过光学移频器沿正向和反向传播。

在本文的一个示例实施例中，光学移频器包括声光调制器或电光调制器。

在本文的又一示例实施例中，该仪器还包括射频驱动器，该射频驱动器被布置成驱动声光调制器或电光调制器以获得预定的光学频移。

同样根据本文的示例实施例，光学耦合器包括分束器或光纤耦合器。

该仪器还可以包括可调谐窄带光源，其中可调谐窄带光源被布置成向耦合器发射窄带光。

在本文的一个示例实施例中，窄带光的相干长度大于0.5cm，可选地大于1cm，可选地大于10cm。

在本文的一个示例实施例中，可调谐窄带光源包括可调谐垂直腔面发射激光器，尽管该示例不是限制性的。

根据本文的示例实施例，可调谐窄带光源被配置成周期性地改变由此发射的光的光学频率。

此外，根据本文的示例实施例，检测器包括光电检测器或平衡光电检测器之一。

根据本文的另一示例方面，提供了一种光学相干断层扫描方法。该方法包括布置受试者，使得受试者的视网膜处于光学相干断层扫描仪器的前端光学系统的焦深。该方法包括将具有周期性变化的光学频率的窄带光引入耦合器，以使耦合器将光分成至少信号光和参考光，其中参考光被参考光学系统反射回来，并且信号光被受试者的眼睛反射回来。该方法还包括记录反射参考光和反射信号光之间的时变干涉信号，该记录是基于检测单元对时变干涉信号的检测，该检测单元具有由检测单元的采样频率限定的检测带宽。该方法还包括调节参考光或信号光的光学频率。根据本文的一个示例实施例，执行调节，使得在反射信号光和反射参考光之间获得的表示视网膜处深度结构的干涉图位于检测带宽内。

附图简述

为了更好地理解本公开，并示出如何可以付诸实施，将参考附图，现在附图描述如下。

图1是根据本文示例实施例的光学相干断层扫描仪器(系统)的示意图。

图2是由光学相干断层扫描仪器典型的扫描源提供的周期性频率扫描(sweep)的图形表示(现有技术)。

图3示出了至少一部分的传统光学相干断层扫描仪器(系统)，该仪器包括参考臂和样本臂以及其他部件(现有技术)。

图4示出了通过增加光路长度将光学延迟引入图2的周期性频率扫描的效果。

图5示出了根据本文示例实施例的光学相干断层扫描仪器(系统)，该仪器包括参考臂和样本臂以及其他部件。

图6示出了通过光学移频器将光学频率下移(downshift)引入图2的周期性频率扫描的效果。

图7示出了根据本文另一示例实施例的光学相干断层扫描仪器，该仪器包括参考臂和样本臂以及其他部件。

图8示出了根据本文又一示例实施例的光学相干断层扫描仪器。

图9是根据本文又一示例实施例的使用平衡检测的光学相干断层扫描仪器的示意图。

图10示出了根据本文另一示例实施例的使用平衡检测的另一光学相干断层扫描仪器。

图11是根据本文示例实施例的用于控制光学相干断层扫描仪器的控制器的示意图。

图12是示出根据本文示例实施例的光学相干断层扫描方法的流程图。

图13示出了根据本文示例实施例的光学相干断层扫描仪器(系统)，其中光学移频器布置在光学分束器和参考光学系统之间。

图14示出了根据本文示例实施例的光学相干断层扫描仪器(系统)，其中光学移频器在样本光学系统中。

图15示出了根据本文示例实施例的光学相干断层扫描仪器(系统)，其中光学移频器布置在光学分束器和样本光学系统之间。

图16示出了通过增加光路长度将反向光学延迟引入图2的周期性频率扫描的效果。

图17示出了通过光学移频器将光学频率上移(upshift)引入图2的周期性频率扫描的效果。

详细描述

图1是根据本文示例实施例构造的光学相干断层扫描仪器(本文也称为光学相干断层扫描系统)的示意图。

在图1的仪器中，扫描光源SLS产生具有可变中心频率的窄带光的光束。扫描光源SLS被配置成以重复的方式改变窄带光的中心频率，诸如通过在较低频率和较高频率之间的限定频带上的重复周期性频率扫描。这种周期性频率扫描在图2中举例说明，图2示出了关于时间的这种扫描光源SLS的输出频率。这种扫频传统上被称为啁啾(chirp)。扫描可以在时间上从低频上升到高频，或者可以在时间上从高频下降到低频。该扫描也可以在时间上连续上升和下降。例如，从低频到高频的正向扫描之后可以是从高频到低频的反向扫描。扫描范围可以是例如100nm的量级。扫描光源SLS可以具有高相干性，并且例如可以具有超过5mm的相干长度。在一些配置中，相干长度可以超过10mm，或者甚至可以超过100mm。当然，这些示例是非限制性的。

在本文的一个示例实施例中，扫描光源SLS是可调谐激光器或可调谐激光二极管，并且包括例如外腔激光器、光学参量放大器、傅立叶域锁模激光器(FDML)或可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)，尽管这些示例不是对本发明的范围的限制。在本文的一个示例实施例中，扫描光源SLS的带宽可以被选择为最佳穿透，例如穿过被检查眼睛的晶状体和眼睛的视网膜的组织。同样在本文的示例实施例中，带宽在光谱的红外区域中，例如，在长于850nm的波长处。可以包括在扫描中的示例波长是850nm、1050nm、1310nm或1550nm，尽管这些示例不是限制性的。

由扫描光源SLS产生的窄带光的光束被引导到光学分束器OBS，该光学分束器OBS充当光学耦合器以将来自光源SLS的窄带光的光束分成两个光束。光束的分裂可以是对称的，使得相等的强度被引导到所得的两个光束中，或者可以是非对称的，使得不相等的强度被引导到所得的两个光束中。

第一光束(本文也称为样本光束)被引导至样本光学系统SOS，其包括光学部件，以将光束整形并引导至样本S(仅作为示例，诸如视网膜)，并收集反射光(即，从样本S反射的光)并将其返回至光学分束器OBS。反射光基本上沿着与样本光束相同的路径但是以相反的方向到达光学分束器OBS。

在本文的一个示例实施例中，样本光学系统SOS包括光学相干断层扫描领域中已知的传统部件，并且在本文的一些示例实施例中，根据要执行的成像操作来适配这种传统部件。更具体地，在本文的一个示例实施例中，样本光学系统SOS可以包括扫描光学器件(optics)，该扫描光学器件可以引起样本光束围绕位于眼睛前段(例如，样本S)的枢轴点枢转，以便在位于眼睛后段的视网膜的宽视场上扫描样本光束。

作为一个示例，样本光学系统SOS可以包括一个或更多个扫描仪，其被布置成在视网膜上的一个或更多个方向上扫描光束。这种扫描仪可以包括振荡平面镜，诸如检流计扫描仪、MEMS镜、旋转镜、棱镜或多边形扫描仪或共振扫描仪。

样本光学系统还可以包括扫描中继单元，该扫描中继单元包括例如透镜或曲面镜，该扫描中继单元被布置成将在一个方向上扫描光束的一个扫描仪成像到在第二方向上扫描光束的随后的第二扫描仪上，从而产生由位于第二扫描仪处的表观原点(apparentorigin)引起的二维扫描图案。

样本光学系统还可以包括扫描转移单元，例如透镜或曲面镜，其被布置成将表观原点投射到样本光学系统SOS之外的空间中，使得由第二扫描仪处的表观原点引起的二维扫描图案被转移到样本光学系统之外的空间中的表观枢轴点，使得样本光束围绕扫描中的枢轴点枢转。

第二光束(本文也称为参考光束)被引导到参考光学系统ROS，然后参考光学系统ROS将参考光束返回到光学分束器OBS。在光学分束器OBS处，返回的反射光(即，从样本S反射的光)和返回的参考光束(即，从参考光学系统ROS返回的参考光束)被组合，以便彼此干涉，并且作为干涉光束被引导到检测器DET。在本文的一个示例实施例中，检测器DET是光电检测器，诸如光电二极管或雪崩光电二极管，其转换干涉光束的光强度，以提供例如电信号形式的所得的转换信号，诸如电压或电流。在本文的一个示例实施例中，所得的转换信号是时变模拟信号。在由检测器DET输出之后，如将在下面所述的所得到的转换信号可以以时变的方式被记录，其中信号的记录版本构成关于来自扫描光源SLS的窄带光的光学频率的返回反射光和返回参考光束之间的干涉图。

在图1所描绘的示例实施例中，模数转换器ADC以预定的采样频率周期性地采样和量化由检测器DET输出的信号，然后将经量化和采样的信号的数字值提供给记录这些值的数据处理单元DPU。因此，检测器DET和模数转换器ADC一起构成检测单元DU，其对返回参考光和返回信号光之间的时变干涉信号进行采样。在本文的一个示例实施例中，关于数据处理单元DPU，数据处理单元DPU对从模数转换器ADC获得的时变量化和采样信号值执行傅立叶变换操作，诸如快速傅立叶变换，以产生轴向深度分布。

由于模数转换器ADC对检测器DET输出的周期性采样，时变模拟信号的最高频率分量不被记录，该最高频率分量位于由模数转换器ADC的采样频率限定的检测带宽之外。简单地说，干涉图中这些分量的拍频(beat frequency)太高，无法记录。例如，时变模拟信号的最高频率分量可大于模数转换器的奈奎斯特频率，相反，采样率可小于干涉图的最高频率分量的奈奎斯特率。

扫描光源SLS可以具有相对高的相干长度，使得返回的反射光和返回的参考光束之间的干涉包含关于由高相干长度定义的大轴向深度范围上的样本反射率的信息。尽管如此，从记录在数据处理单元DPU的采样信号的傅立叶变换中，只有关于该轴向深度范围的子范围的信息是可用的，该子范围对应于以参考臂的光路长度所定义的轴向位置为中心的检测带宽。

在传统的光学相干断层扫描仪器中，考虑到所用光源的典型低相干长度，调节参考臂的光路长度，以将测量的轴向深度范围的轴向位置设置为对应于被研究样本表面的位置。因此，在样本光和参考光之间引入了光学延迟，这确保了样本光和参考光在组合以在检测器处干涉时保持相干性。

图3中示出了这种布置的示例性配置，其中在参考光学系统ROS中提供了可移动反射镜M，以改变光在参考臂中行进的光路长度。光在参考臂中行进的光路长度的这种改变对应于扫描光源SLS产生的频率啁啾的可变光学延迟，如图4所示。在本配置中，光学延迟被引入到参考光；应当理解，光学延迟是相对于样本光的，并且原则上可以是正的或负的，这取决于样本臂的光路在长度上是大于还是小于参考臂的光路。

本发明人已经认识到，当扫描光源SLS具有足够高的相干性时，施加到由扫描光源SLS产生的频率啁啾上的恒定频移(例如频率上移或下移)基本上对应于恒定的光学延迟，引入的等效延迟量对应于引入的频移量。

根据本文的示例方面，这种频移可以通过将光学移频器OFS放置到参考臂中来引入，例如在参考光学系统ROS中，在光学分束器OBS和反射镜M之间，如图5所示。对扫描光源SLS产生的频率啁啾的影响如图6所示，通过与图4的比较可以看出，预定频移的引入等同于预定光学延迟的引入。尽管图4和图6示出了引入频率下移的效果，但是也考虑了频率上移。图16和图17对应于频率上移情况下的图4和图6。

等效地，光学移频器可以布置在光学分束器OBS和参考光学系统ROS之间，如图13所示。类似地，通过将光学移频器OFS放置到样本光学系统SOS中，可以将频移引入到样本臂，这将对应于样本臂中的光学延迟。这样的配置如图14所示。等效地，光学移频器可以布置在光学分束器OBS和样本光学系统SOS之间，如图15所示。

光学移频器OFS可由频移控制器FSC控制。借助于频移控制器FSC控制光学移频器OFS来调节引入的频移量，可以实现等同于通过例如图3所示的可移动反射镜M引入可调节光学延迟的效果，无需使用任何移动部件。因此，通过对样本臂或参考臂中的光引入预定量的频率上移或下移，可以减慢样本光束的返回反射光和参考光束的返回光之间的时间干涉频率，使得由样本的期望轴向区域引起的干涉分量位于由样本频率定义的可用检测器带宽内。简而言之，由样本S的期望轴向区域引起的干涉图分量的拍频被充分减慢，以使其能够被记录。因此，检测器输出的电信号的电频率也降低了。举例来说，由样本的期望轴向区域引起的干涉图分量的频率可以降低到低于模数转换器的奈奎斯特频率。

根据本文的一个示例实施例，作为光学移频器OFS，声光调制器(AOM)可用于引入光学频移。

声光调制器包括驱动光学介质，振动以限定的频率施加到该驱动光学介质上。振动在光学介质中引起声子，声子与穿过光学介质的光子相互作用，以产生具有与振动频率成比例的频移的衍射光，比例常数由衍射级决定。因此，通过改变振动的频率，可以引入明确定义的光学频移。根据衍射级，特别是衍射级是正级还是负级，光学频移要么是上移要么是下移。这种声光调制器可以以行波配置或驻波配置工作。在这样的配置中，频移控制器FSC是射频驱动器，其被布置成使用附接到光学介质的压电元件将可变射频电信号施加到光学介质。

根据本文的一个示例实施例，作为光学移频器OFS，电光调制器(EOM)可替代地用于引入光学频移。

电光调制器包括呈现电光效应的光学介质，电场被施加到该光学介质上。电场可以施加到介质上，例如，通过将介质放置在平行板电容器的板之间。由于电光效应，所施加的电场根据电场强度引起光学介质的折射率的相应变化。不希望受到理论的束缚，这种折射率的变化通常可能是由扭曲构成光学介质的分子的位置、取向或形状的力引起的。折射率的变化引起离开介质的光的相位变化。如果电场以限定的频率变化，折射率也随着该限定的频率变化。折射率的变化可以引起离开光学介质的光的相位的相应变化。

例如，如果电场以预定频率ω正弦变化，则以预定频率ω的时间相关相位可以被加到光的电磁波的时间相关上，例如离开光学介质的频率Ω的时间相关上。作为添加这种时间相关相位的结果，包括频率为Ω±ω的至少第一对边带的一组边带被添加到光中，第一对边带的每个边带相对于光的频率Ω在频率上移动了预定的频率ω。因此，通过改变电场的频率，可以向光引入明确定义的光学频移。由于两个边带的存在，可以获得上移或下移的光学频移。

在另一个示例实施例中，电光调制器(EOM)可以替代地用于通过振幅调制而不是相位调制来引入光学频移。

具体而言，相位调制电光调制器可用于通过将至少一个这样的电光调制器结合到入射光被应用到其的干涉仪(诸如马赫-曾德尔干涉仪)的对应的至少一个臂中来将振幅调制引入入射光。这种干涉仪具有两个臂，入射光相干地分离到这两个臂中，并且通过相干地组合这两个臂的光来产生输出光。光的相干分离和组合可以由一个或更多个分束器来执行。这种布置有时被称为马赫-曾德尔调制器(MZM)。在相关布置中，可以向干涉仪的两个臂中的每一个提供一个电光调制器。

如上所述，在干涉仪中的电光调制器的光学介质上施加电场会根据电场强度引入相移。根据干涉仪的正常原理，根据引入的相移，从干涉仪输出的光的振幅也将根据引入的相移的量而变化。因此，可以给光赋予变化的振幅。所施加电场的变化的幅度可以被设置成使得最小和最大所施加的电场之间引入的相移差对应于输入光的半个波长。在这种配置中，以预定频率ω在所施加的电场的变化导致输出光的振幅也以预定频率ω变化。

例如，如果电场以预定频率ω正弦变化，则以预定频率ω的时间相关振幅可以被加到光的电磁波的时间相关上，例如加到离开光学介质的频率Ω的时间相关。作为加这种时间相关的振幅的结果，一组仅包括频率为Ω±ω的第一对边带的边带被添加到光中，边带的每个边带相对于光的频率ω在频率上移动预定的频率ω。因此，通过改变电场的频率，可以向光引入明确定义的光学频移。由于两个边带的存在，可以获得作为上移或下移的光学频移。

当边带作为频移光产生时，例如通过使用电光调制器或马赫-曾德尔调制器，可能仅需要选择边带光以供进一步使用。选择上边带光可以通过在干涉仪或调制器之后结合例如合适的高通滤波器来执行，而选择下边带光可以通过在调制器之后结合例如合适的低通滤波器来执行。然而，如果边带的频率与入射光的频率相差足够大，则可能不需要包括滤波器。例如，通过使用电光调制器或马赫-曾德尔调制器，与输入光相比，对于移位的光可以实现几千兆赫的频率偏移。在这种情况下，可以省略滤波器。

在这样的配置中，频移控制器FSC是射频(其可以包括微波频率)驱动器，其被布置成使用附接到或布置成邻近光学介质的一对合适的电容器板，将可变射频或微波频率电信号施加到光学介质，从而在光学介质上施加可变电场。

作为针对电光调制器的介质，可以使用铌酸锂(LiNbO₃)。可以使用其他介质，包括非线性或双折射介质。示例替代介质包括磷酸二氘钾(KD*P或DKDP)、磷酸钛氧钾(KTP)、β-硼酸钡(BBO)、钽酸锂(LiTaO₃)和磷酸二氢铵(NH₄H₂PO₄或ADP)。除了这些无机介质，非线性聚合物介质诸如极化聚合物也可以用作介质。

在本文的其他示例实施例中，可以使用其他非线性光学技术以产生期望的频率上移或下移。例如，使用例如非线性光学晶体的差频产生或半谐波产生可以被使用来代替声光调制器或电光调制器，以引入期望的频移。

根据本文的示例方面，光学频移的功能是将高频干涉分量带入低频检测带宽内。这可以通过光学频移来实现，该频移是上移或者下移，这取决于激光的扫描方向，频移是应用于参考臂还是样本臂。

例如，如果移频器结合到参考臂中，对于从低频扫描到高频的扫描源，引入到参考臂的下移可能是合适的。而且，如果移频器结合到参考臂中，对于从高频扫描到低频的扫描源，引入到参考臂的上移可能是合适的。另一方面，如果移频器结合到样本臂中，对于从低频扫描到高频的扫描源，引入到样本臂的下移可能是合适的。此外，如果移频器结合到样本臂中，对于从高频扫描到低频的扫描源，引入到样本臂的上移可能是合适的。因此，可以使用特定的移频器来引入正延迟或负延迟。然而，正或负延迟的效果会增加或减少干涉的拍频，这取决于引入的延迟是否会引起参考臂和样本臂相对更多地同相或异相移动。

压电换能器可以用于向被驱动的光学介质施加振动，其中压电换能器本身由施加在换能器上的射频(RF)电压驱动。因此，在本文的一个示例实施例中，图5中表示的光学移频器OFS可以是或包括声光调制器或电光调制器，例如作为马赫-曾德尔调制器的一部分，由频移控制器FSC产生的可变频率RF信号驱动。因此，采样频率以及因此检测器带宽保持不变，同时可以调整频移量以降低干涉图的拍频，并且将干涉图的感兴趣的区域带入检测器带宽内。

再次参考图5，参考光可以行进穿过光学移频器OFS两次，具体是在一个实例中，通过光学移频器OFS从光学分束器OBS正向传播到反射镜M，在另一个实例中，通过光学移频器OFS从反射镜M反向传播到光学分束器OBS。在每次穿过光学移频器OFS时，引入与由频移控制器FSC提供的驱动频率相关的预定频移。因此，在图5的示例配置中，所施加的总偏移是光学移频器OFS为每次单独穿过引入的频移的两倍。

在以上对图5的示例配置的描述中，结合光学相干断层扫描仪器的自由空间光学布置已经解释了光学移频器OFS的效果。然而，该布置不限于本发明的范围。实际上，在本文的其他示例实施例中，可以采用基于光纤的配置，其中使用光纤代替自由空间来传播光束。

例如，图7示出了光学相干断层扫描仪器(本文也称为“光学相干断层扫描系统”)的本文的另一个示例实施例。在图7中，来自扫描光源SLS的光经由光纤传播到提供光学耦合器功能的光纤耦合器单元FCU。来自扫描光源SLS的光由此分裂成参考光束和样本光束(也称为“样本光”)。参考光束在参考臂中前进，经由由频移控制器FSC控制的光学移频器OFS循环，并返回到光纤耦合器单元FCU。样本光在样本臂中前进，并经由样本光学系统SOS传播到样本S(未在图7中示出)，样本S反射样本光，因此它通过样本光学系统SOS返回到光纤耦合器单元FCU。在光纤耦合器单元FCU，从每个臂接收的返回光被组合，并沿着另一根光纤传递到检测器DET。在其他方面，图7的实施例以与图3的实施例相同的方式操作，除了由于参考臂中的光仅穿过光学移频器OFS一次，所以仅应用单频移而不是双频移。

在图8中示出了光学相干断层扫描仪器的另一示例实施例。除了图8实施例的参考光学系统ROS不同于图7实施例的参考光学系统ROS之外，图8的仪器包括与图7相同的部件。在图8中，在参考臂中传播的参考光束通过光学移频器OFS被提供给光纤反射镜单元FMU。光纤反射镜单元FMU反射从光学移频器OFS接收的入射光，并且经由光学移频器OFS将反射光返回到光纤耦合器单元FCU。因此，以与图5的自由空间光学布置相同的方式引入了双频移。

在本文的一个示例实施例中，图1、图5、图7和图8的实施例使用所谓的不平衡检测来实现，其中干涉频率分量直接从检测器DET的光信号中检测。然而，在本文的其他示例实施例中，可以替代地采用平衡检测布置，其中信号臂和参考臂独立地耦合到检测器DET的不同光学输入，使得信号光和参考光被组合以穿过光学或电学介质在检测器DET处或之中干涉。在这种布置中，也可以独立地测量信号光和参考光的强度，例如，通过将每个样本光和参考光中的至少一些转移到单独的检测元件，使得光强度的变化可以由检测元件补偿。

图9示出了本文采用平衡检测的光学相干断层扫描仪器的示例实施例。图9的仪器类似于图1的仪器，除了在图9的仪器中，检测器DET包括两个光学输入，并且参考光学系统ROS包括在光学分束器OBS的输出和检测器DET的两个光学输入之一之间的环形光学系统中。环形光学系统包括光学分束器OBS、参考光学系统ROS和检测器DET。在本文的一个示例实施例中，光学环路具有固定的光路长度，尽管该示例不是限制性的。检测器中返回的参考光和样本光之间的干涉提供了干涉图。

图10示出了本文的光学相干断层扫描仪器的另一示例实施例，其中该仪器具有光纤配置。图10的仪器包括与图7的仪器类似的部件，除了参考光学系统ROS没有在图10中表示，并且代替如图7中表示的那样光学移频器OFS的输出被提供给光纤耦合器单元FCU，在图10的仪器中，光学移频器OFS的输出被提供给检测器DET的多个输入中的第一个。因此，提供了包括光纤耦合器单元FCU、光学移频器OFS和检测器DET的光纤环路。这样，由光纤耦合器单元FCU输出的参考光束被提供给光学移频器OFS，并且光学移频器OFS的输出被提供给检测器DET的第一输入。检测器DET的第二输入接收返回的样本光，该样本光通过光纤耦合器单元FCU从样本光学系统SOS返回。检测器中返回的参考光和样本光之间的干涉提供了干涉图。

以上配置已经关于离散控制和数据处理单元进行了描述，诸如扫描光源SLS的内部控制器、控制光学移频器OFS的频移控制器FSC和使用快速傅立叶变换将检测器DET的检测光学信号变换成轴向深度分布的数据处理单元DPU。然而，在本文的其他示例实施例中，上述配置的控制和数据处理方面的至少一些或全部可以由集成控制器提供，该集成控制器可以被实例化为可编程逻辑单元(PLU)、专用集成电路(ASIC)、监控和数据采集系统(SCADA)、诸如微型计算机、小型计算机或个人计算机(PC)的通用数据处理器或诸如平板电脑或智能手机的移动设备。

在图11中示出了本文的集成控制器CONT的示例实施例的示意图。在本文的一个示例实施例中，集成控制器CONT控制图1、图3、图5和图7-图10所示的各种部件中的至少一些或全部，并且还可以形成频移控制器FSC的全部或至少一部分。如图11所表示的，集成控制器CONT的所有部件都相互耦合，因此可以相互通信。图11所示的集成控制器CONT包括模数转换器ADC，以接收、量化和采样来自检测器DET(未在图11中示出)的信号，并且在本文的一个示例实施例中，将所得的转换信号提供给集成控制器CONT的一个或更多个其他部件，仅作为示例，诸如主控制单元MCU。在本文的一个示例实施例中，集成控制器CONT还包括数模转换器，该数模转换器将从集成控制器CONT的一个或更多个其他部件——仅作为示例，诸如主控制单元MCU——接收的数字信号转换成模拟值，并且将它们作为模拟控制电压提供给频移控制器FSC(未在图11中示出)，从而限定由光学移频器OFS(未在图11中示出)引入的频移量。集成控制器CONT还包括输出用于控制扫描光源SLS(未在图11中示出)的频率的时变信号的扫描信号发生器SSG。例如，扫描信号发生器SSG的输出可以是时变电压，并且扫描光源SLS可以接受电压输入以定义输出窄带光的中心频率。集成控制器CONT还包括时钟发生器CLK，其定义了一个或更多个时钟，用于为控制器CONT的时变方面的操作提供公共时基。例如，时钟发生器CLK可以为模数转换器ADC定义采样时钟，也可以为扫描信号发生器SSG定义时基。时钟发生器CLK还可以定义控制器CONT的内部时钟，例如存储器和指令时钟以及数据总线时钟。集成控制器CONT还包括快速傅立叶变换单元FFT，用于对经由模数转换器ADC获得的量化和采样信号执行傅立叶变换。集成控制单元还包括算术和逻辑单元ALU，用于对指示控制器CONT内处理的数据执行算术逻辑运算。

集成控制器CONT还包括存储器MEM，其在本文的一个示例实施例中是计算机可读的，用于存储和检索数据值，诸如来自模数转换器ADC的记录数据、与扫描信号发生器SSG相关联的信号波形、由快速傅立叶变换单元FFT产生的傅立叶变换输出数据以及执行集成控制器CONT的操作所需的其他参数、指令和值。仅作为示例而非限制，存储器MEM可以包括RAM、ROM、硬盘驱动器、软盘、记忆棒、缓冲器等。在本文的一个示例实施例中，存储器MEM存储用于执行本文描述的和附图中表示的方法和功能的指令和/或程序。集成控制器CONT还包括输入输出控制器IOC，用于向外部设备发送和接收值，诸如实例化为硬盘驱动器、闪存驱动器或磁盘驱动器的离线存储，或者接口诸如网络接口，例如有线局域网、无线局域网或移动数据网络。集成控制器还包括主控制单元MCU，其协调控制器CONT的各种功能单元的操作，并因此控制集成控制器CONT的其他部件。在本文的一个示例实施例中，主控制单元MCU(和/或算术和逻辑单元ALU)可以从/向存储器MEM读取和写入数据、指令和程序，并且可以执行指令和程序以执行本文描述的和附图中表示的方法和功能。同样在本文的示例实施例中，图11的模数转换器ADC可以形成和/或包括在本文描述的其他附图的模数转换器ADC中，并且主控制单元MCU和/或集成控制器CONT可以形成和/或包括在本文描述的其他附图的频移控制器FSC和/或数字处理单元DPU中。然而，如图11所示将各种功能任务划分到单元纯粹是示例性的，并且根据需要，这些任务可以由单独的功能模块、分立电子器件、集成逻辑、其他硬件、软件和/或其他程序代码来执行。

图12示出了根据本文的示例实施例的光学相干断层扫描方法，其中该方法可以由上述和附图中所示的光学相干断层扫描仪器中的一个或更多个单独的仪器来实现。在步骤S1中，诸如受试者的视网膜的样本(例如，样本S)被布置在光学相干断层扫描仪器的前端光学系统(例如，样本光学系统SOS)的焦深。

在步骤S2中，具有周期性变化的光学频率的光的窄带光被引入光学耦合器(例如，光纤耦合器单元FCU)中，以在样本臂和参考臂之间分离。在样本臂中，样本光经由前端光学系统引导以照射视网膜。返回的反射光被前端光学系统捕获，并经由样本臂返回到光学耦合器。同时，参考臂中的参考光被返回以与样本臂中的返回光干涉。

在步骤S3中，返回的参考光和返回的反射光之间的时变干涉信号由检测器(例如，检测器DET)记录或基于检测器记录。检测器的特征在于由检测器的采样频率限定的检测带宽。用检测器记录的时变干涉信号经受傅立叶变换以产生轴向深度分布。

在步骤S4中，根据预定的操作标准，光学移频器(例如，光学移频器OFS)将光学频移引入/应用于样本或参考臂中的光。例如，通过如图6所示的降低频率来调节光频移，以改变通过光学移频器的光的光学频率。调节光学频移的量，直到从视网膜反射的光和参考光之间的干涉图位于检测带宽内。

因此，可以以如上所述的方式获得轴向深度分布，其中获得的轴向深度分布表示视网膜处的深度结构。值得注意的是，获得轴向深度分布基本上不需要移动样本臂或参考臂的任何部分。这可以通过观察轴向深度分布来确定，或者可以通过例如检测轴向深度分布中视网膜表面结构的信号特征来程序化地检测。

根据本文的一个示例实施例，所公开的设备和方法可以在扫描激光检眼镜(SLO)中实现。可替代地，所公开的设备和方法可以被实现以测量除视网膜之外的组织以及除眼睛组织之外的组织。例如，所公开的设备和方法可以被实施以测量其他生物膜，诸如皮肤或植物部分，或者可以被应用来测量非生物结构。

应该注意的是，尽管为了方便起见，在图5、图7、图8和图10中没有表示模数转换器ADC和数字处理单元DPU，但是根据该描述，本领域技术人员将容易理解，那些图的仪器(系统)也可以包括那些部件，其中在这样的配置中，例如，数字处理单元DPU通过插入其间的转换器ADC耦合到那些相应仪器的检测器DET。

在前述描述中，参考几个示例布置描述了示例方面。因此，说明书应被视为说明性的而不是限制性的。类似地，在附图中示出的突出示例布置的功能和优点的附图仅仅是为了示例目的而被呈现的。示例布置的体系结构是足够灵活的和可配置的，使得它可以以除了在附图中所示的方式以外的方式被利用。

在一个示例布置中，在本文呈现的示例的软件布置可以被提供为计算机程序或软件，诸如一个或更多个程序，其具有指令或指令序列，被包括或存储在制品(诸如存储器、机器可访问或机器可读介质、指令储存装置或计算机可读存储设备，其中每一个制品都可以是非暂时性的)。在非暂时性存储器、机器可访问介质、机器可读介质、指令储存装置或计算机可读存储设备上的程序或指令可用于对计算机系统或其他电子设备编程。存储器、机器或计算机可读介质、指令储存装置和存储设备可以包括但不限于软盘、光盘和磁光盘或适合于存储或传输电子指令的其他类型的介质/机器可读介质/指令储存装置/存储设备。本文描述的技术不限于任何特定的软件配置。它们可能在任何计算或处理环境中得到应用。本文使用的术语“存储器”、“计算机可读”、“机器可访问介质”、“机器可读介质”、“指令储存装置”和“计算机可读存储设备”应当包括能够存储、编码或传输指令或指令序列以被机器、计算机、数字处理单元或计算机处理器执行并且使机器/计算机/单元/计算机处理器执行本文描述的方法中的任一个方法的任何介质。此外，在本领域中常见的是以一种或另一种形式(例如，程序(program)、过程(procedure)、进程、应用、模块、单元、逻辑等)提及软件作为采取动作或引起结果。这种表达仅仅是陈述由处理系统执行软件使处理器执行动作以产生结果的简略方式。

一些布置也可以通过准备专用集成电路、现场可编程门阵列或者通过使常规部件电路的适当网络互连来实现。

一些布置包括计算机程序产品。计算机程序产品可以是在其上或其中存储有可用于控制或促使计算机或计算机处理器执行本文所述的示例布置的任何过程的指令的一种或更多种存储器、存储介质、指令储存装置或存储设备。存储器/存储介质/指令储存装置/存储设备可以作为示例且非限制性地包括光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪存、闪存卡、磁卡、光卡、纳米系统、分子存储器集成电路、RAID、远程数据存储/存档/仓储装置和/或适合于存储指令和/或数据的任何其他类型的设备。

存储在一种或更多种存储器、计算机可读介质、指令储存装置或存储设备中的任一者上的一些实现方式包括用于控制系统的硬件和用于使系统或微处理器能够利用本文描述的示例布置的结果与人类用户或其他机构交互的软件。这种软件可以非限制性地包括设备驱动器、操作系统和用户应用。最终，如上所述，这种存储器、计算机可读介质或存储设备还包括用于执行本公开的示例方面的软件。

在系统的编程和/或软件中包括用于实现本文描述的过程的软件模块。在本文的一些示例布置中，模块包括软件，但是在本文的其他示例布置中，模块包括硬件或硬件和软件的组合。

虽然在上面描述了本公开的各种示例布置，但是应该理解，它们作为示例而非限制的方式被呈现。对在相关领域中的技术人员将明显的是，可以在形式和细节上做出各种改变。因此，本公开不应受上述示例布置中的任一个的限制，而应仅根据随附的权利要求及其等同物来被限定。

此外，摘要的目的是使通常专利局和公众、以及尤其是不熟悉专利或法律术语或措辞的本领域中的科学家、工程师和从业人员能够根据粗略的检查快速确定本申请的技术公开的性质和本质。摘要并不意欲以任何方式关于在本文呈现的示例布置的范围进行限制。还应该理解的是，在权利要求中叙述的任何过程不需要以所呈现的顺序来执行。

虽然本说明书包含很多具体布置细节，但这些不应该理解为对任何公开内容或可能要求保护的内容的范围的限制，而应该理解为是对本文描述的特定布置所特定的特征的描述。本说明书中在单独的布置的背景下所描述的某些特征也可在单个布置中结合实施。相反地，也可以在多个布置中单独地或以任何合适的子组合实现在单一布置的背景下描述的各种特征。此外，尽管特征在上文中可被描述为作用在特定组合中并甚至起初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征可在一些情况下从组合中删除，且所要求保护的组合可针对子组合或子组合的变体。

在某些情形下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述布置中的各种组成部分的分离不应被理解为在所有布置中都需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组成部分和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品内。

现在已经描述了一些说明性布置和布置，显然，前述内容是说明性的而不是限制性的，已经通过示例的方式给出。具体而言，尽管本文呈现的许多示例涉及装置或软件元素的特定组合，但是这些元素可以以其他方式组合以实现相同的目的。仅结合一个布置讨论的动作、元素和特征并不意欲从布置或其它布置中的类似角色中被排除。

在不脱离其特性的情况下，本文描述的装置和方法可以以其他特定形式来实施。前述布置是说明性的，而不是对所描述的系统和方法的限制。

因此，本文描述的装置和方法的范围由所附权利要求而不是前述描述指示，并且因此落入权利要求的等价物的意义和范围内的变化都被包括在其中。

Claims (15)

1.一种光学相干断层扫描仪器，包括：

光学耦合器，其被布置成接受来自可调谐窄带光源的光，并将该光分成至少信号光和参考光；

参考光学系统，其被布置成返回所述参考光；

前端光学系统，其被布置成将所述信号光导向受试者的眼睛，并返回从所述受试者的眼睛反射的信号光；

检测单元，其被布置成对返回的参考光和返回的信号光之间的时变干涉信号进行采样；和

可调光学移频器，其被布置在(i)所述耦合器和所述参考光学系统之间，(ii)在所述参考光学系统中，(iii)所述耦合器和所述前端光学系统之间，或者(iv)在所述前端光学系统中，所述可调光学移频器被布置成可调地增加或减小所述参考光或所述信号光的光学频率。

2.根据权利要求1所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述参考光学系统包括反射器，所述反射器被布置成反射所述参考光以返回所述参考光。

3.根据权利要求2所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述反射器相对于所述耦合器固定。

4.根据权利要求1所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述参考光学系统包括用于返回所述参考光的光学环路，所述光学环路可选地具有固定的光路长度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述参考光在正向方向和反向方向上通过所述可调光学移频器。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述信号光在正向方向和反向方向上通过所述光学移频器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述光学移频器包括声光调制器或电光调制器。

8.根据权利要求7所述的光学相干断层扫描仪器，还包括射频驱动器，所述射频驱动器被布置成驱动所述声光调制器或电光调制器以获得预定的光学频移。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述光学耦合器包括分束器或光纤耦合器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学相干断层扫描仪器，还包括所述可调谐窄带光源，其中所述可调谐窄带光源被布置成向所述光学耦合器发射光，并且所述光是窄带光。

11.根据权利要求10所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述窄带光的相干长度大于0.5cm、1cm或10cm中的一个。

12.根据权利要求10或11所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述可调谐窄带光源包括可调谐垂直腔面发射激光器。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述可调谐窄带光源被配置成周期性地改变由所述可调谐窄带光源发射的光的光学频率。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光学相干断层扫描仪器，其中，所述检测单元包括光电检测器或平衡光电检测器之一。

15.一种光学相干断层扫描方法，包括：

布置受试者使得所述受试者的视网膜处于光学相干断层扫描仪器的前端光学系统的焦深；

将具有周期性变化的光学频率的窄带光引入耦合器，以使所述耦合器将光分成至少信号光和参考光，其中所述参考光被参考光学系统反射回来，并且所述信号光被所述受试者的眼睛反射回来；

记录反射的参考光和反射的信号光之间的时变干涉信号，所述记录基于由检测单元对所述时变干涉信号的检测，所述检测单元具有由所述检测单元的采样频率限定的检测带宽；

调节所述参考光或所述样本光的光学频率，其中执行所述调节使得在所反射的信号光和所反射的参考光之间获得的表示视网膜处深度结构的干涉图位于所述检测带宽内。

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