CN114930115A - 全视场光学相干层析成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种全视场光学相干层析成像方法，FFOCT，其使用包括FFOCT装置和样本的系统，样本包括待成像的关注层(115)，FFOCT装置包括非相干光源(101)、成像器(114)、限定样本臂(107)和参考臂(108)的分束器(103)，该方法包括：产生样本光，该样本光包含源自关注层的关注光和从参考臂(108)行进的参考光；从在分束器(103)中组合的参考光和样本光中获取图像；其中样本臂(107)和参考臂(108)中的至少一个包括光学曲率补偿器，该光学曲率补偿器修正光程长度的横向变化分布，以匹配由入射到成像器(114)上的参考光和关注光行进的光程长度的横向变化分布。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干层析(OCT)成像技术的领域，更准确地说，涉及一种新型的全视场OCT成像技术。根据HELMHOLTZ赠款协议No 610110，该项目获得了欧盟第七框架计划的资助。
背景技术
全视场OCT(FFOCT)基于宽带光干涉显微术。层析图像通过组合由成像器(比如CCD或CMOS相机)记录的干涉图像而获得。传统OCT(像超声成像一样)产生B模式(轴向定向)图像，而全视场OCT在正面(横向)方向获得层析图像。更准确地说，干涉图像由干涉仪形成，其中路径长度调制通常由致动器(通常是参考臂中的压电元件致动镜)进行。由CCD相机获取的这些图像通过相移干涉方法在后处理中(或在线)进行组合，其中根据所使用的算法，每个调制周期获取若干图像(通常2或4个图像)。
“正面”层析图像因此由大视场照射产生。这可以通过干涉仪的Linnik配置来获得，其中在两个臂中均使用显微镜物镜。此外，虽然光源的时间相干性必须如在传统OCT(即宽光谱)中一样保持较低，但空间相干性也必须较低，以避免在使用空间相干光源时发生串扰。全视场OCT是对传统OCT的替代方法，以提供超高分辨率图像(～1μm)，例如使用简单的卤素灯代替复杂的基于超短脉冲激光的光源。全视场OCT具有若干特殊优点。由于FFOCT无需逐点或横向逐行扫描即可获得“正面”图像，因此FFOCT不受横向扫描伪影的影响。FFOCT通过使用高数值孔径物镜，提供了比传统OCT(10μm量级)更高的横向分辨率(1μm量级)。这对于检查生物样本的显微细胞和组织结构尤其有用。
全视场OCT成像技术例如在A.Dubois和C.Boccara的文章“Full-field opticalcoherence tomography(全视场光学相干层析术)”中有所描述，该文章摘自WolfgangDrexler-James G.Fujimoto(作者)，Springer 2009的著作“Optical CoherenceTomography-Technology and Applications(光学相干层析术-技术和应用)”。这也在法国专利申请FR2817030中公开。
图1示出了当前使用的全视场OCT的示例。比如发光二极管(LED)之类的空间和时间非相干光源1发射第一光束2，该第一光束被发送到分束器3。分束器将入射的第一光束分成第二光束5和第三光束6。第二光束5被发送到样本臂7，并且第三光束被发送到参考臂8。
在传统FFOCT实验中，装置通常是光学对称的，在干涉仪的两个臂中使用相同的物镜。在所示的示例中，两个臂7、8都包含具有相似光学特性的显微镜物镜9、10。
样本臂7中的显微镜物镜9将第二光束5聚焦在样本11的一部分(本文指人眼的角膜)上，收集从样本11中的不同深度反射的样本光，并将样本光传输到分束器3。参考臂8中的显微镜物镜10将第三光束6聚焦在平面参考镜12上，收集从平面参考镜12反射的参考光，并将参考光传输到分束器3。
来自样本11的不同层的样本光和来自平面参考镜12的参考光在分束器3处重新组合，并通过管透镜13聚焦在获取图像的相机14上。样本光和参考光的组合在相机图像平面中产生干涉，所述干涉由相机14在2D正面图像中获取。
然而，干涉受到样本光与参考光之间的所需路径相关性的制约。沿图像视场的这种路径相关性只能满足一部分样本光的要求，该部分样本光显示出与参考光相似的路径。
样本光源自样本11的不同深度，因此由具有不同路径长度的光分量构成。不同的路径长度导致光程长度(optical path length)根据样本光起源的深度而变化。参考光已行进了参考路径长度，因此仅与在相干门厚度内行进了等于参考路径长度的路径长度的样本光干涉，从而在样本中限定干涉样本截面(section)，该干涉样本截面对应于与参考光干涉的样本光的原点。相干门指定发生干涉的参考光和样本光的光程长度之间的重合路径长度。
由参考臂8限定的参考路径长度因此限定了干涉样本截面的深度。因此，全视场OCT可以定义为光学切片方法，因为它能够提取仅源自干涉样本截面的样本光。干涉样本截面的厚度由光源的光谱带宽决定：光源的光谱越宽，干涉样本截面越精细。
然而，相机14收集来自分束器3的所有样本光，即来自干涉样本截面的干涉光以及来自样本11的其余部分(沿光轴Z的在干涉样本截面之前或之后的截面)的非干涉光。这样获取的图像看起来模糊，包含干涉样本截面和干涉样本截面附近的样本的其他部分的叠加。因此，有必要消除源自样本的其余部分的非干涉光。
这通常通过获取同一样本11的一系列若干图像(通常为2至5个图像)来实现，所述图像具有调制的干涉相位。例如，参考镜12通过使用产生参考镜12的位置振荡的压电元件来平移，从而调制参考路径长度以及干涉相位。每个获取的图像对应于一个特定的干涉相位。对所获取的一系列图像进行后处理，可以去除非干涉光，并且所得到的全视场OCT图像仅显示源自样本11的特定关注部分的干涉样本光。获得样本11的关注部分的2D最终正面图像。
FFOCT的当前2D成像方案使用平面参考镜，这导致参考光束具有平面路径轮廓。因此，样本光的干涉部分对应于来自样本并源自样本的平坦切片的样本光束内的干涉平面。这种操作方式便于对平坦的样本关注层(layer of interest)进行成像，比如平坦表面或可以展平的表面，例如皮肤或切除组织。
然而，当样本关注层不平坦且无法展平时，会出现重大问题。对于体内眼睛成像来说尤其如此，其中当干涉仪的对称性在两臂之间被破坏时，样本无法展平，并且大多数关注层不平坦或者看起来不平坦。例如，人的角膜由呈现大曲率(曲率半径大约为7mm)的准球形结构制成，而FFOCT正面部段将仅显示每个角膜层的一小部分视场。图2a示意性地描述了角膜的剖视图，示出了前角膜(顶部)与后角膜(底部)之间的角膜层的叠加。交叉阴影线层是待成像的关注层20。粗线表示通过FFOCT成像的干涉平坦平面21。由于关注层20的曲面性质，干涉平坦平面21仅部分地包含在关注层20中，并且除关注层20之外的角膜层22、23也被干涉平坦平面21相交。图2b示意性地描述了所获取的最终图像，其对应于干涉平坦平面21与角膜层之间的交集。关注层20以圆盘的形式在减小的表面区域上出现在最终图像的中心。最终图像的外围示出了其他角膜层22、23。由于关注层20的曲面性质，关注层20的有效视场因此受到限制。作为这种配置的示例，图2c示出了体内角膜层的最终FFOCT图像。角膜层为曲面，因此角膜层在中心呈现为具有良好对比度的圆盘，而其他角膜层呈现在外围。
图3a和图3b示出了具有类似问题的另一种配置。图3a以类似于图2a的方式示意性地描述了角膜和干涉平坦平面31的剖视图。这一次，干涉平坦平面31的外围与关注层30相交，而干涉平坦平面31的中心与下角膜层32相交。干涉平坦平面31的最外围与另一上角膜层33相交。图3b以类似于图2b的方式示意性地描述了所获取的最终图像。这一次，关注层30未出现在最终图像的中心，而是作为环形出现，而下角膜层32出现在图像的中心，上角膜层33出现在图像的外边缘。作为这种配置的示例，图3c示出了前角膜中的成像基底下神经丛的示例，其中神经层在最终图像中显示为明亮的环形层。图3d示出了后角膜中的成像内皮层的示例，在最终图像中也显示为环形。
当FFOCT装置的对称性被破坏时，样本也可能呈现不平坦。例如，在视网膜成像中，从样本臂7移除显微镜物镜导致FFOCT装置的两个臂7、8之间的强烈不对称。即使视网膜应该是平坦的(在小视场中可能是这种情况)，不对称也会导致样本光束的不平坦路径轮廓。
因此，先前的FFOCT技术导致样本的关注层的有效视场减小的正面图像。
发明内容
本发明提出了一种全视场光学相干层析成像方法，FFOCT，该方法用于获取样本内的某一深度处的关注层的二维正面FFOCT图像，所述FFOCT成像方法使用包括FFOCT装置和样本的系统，该样本包括待成像的关注层，所述FFOCT装置包括：
-空间非相干光源，
-成像器，
-分束器，所述分束器限定样本臂和参考臂，样本布置在样本臂的末端处，
其中，所述方法包括：
-用非相干光源发出的照明光在照明瞬间同时照亮样本臂和参考臂，以产生沿样本光程从样本行进到样本臂的末端的样本光和沿参考光程在参考臂中行进到分束器的参考光，
-用成像器从在分束器中组合的参考光和样本光获取关注层的二维正面FFOCT图像；
其中，样本光包含关注光，该关注光来源于在照明瞬间发出的照明光并且源自样本的关注层，所述关注光在进入样本臂时已行进第一光程长度，所述第一光程长度具有横向变化分布的曲线轮廓，
其中，入射到成像器上的参考光已沿参考光程行进参考光程长度，并且入射到成像器上的关注光已行进第二光程长度，
其中，样本臂和参考臂中的至少一个包括光学曲率补偿器，所述光学曲率补偿器修正光程长度的横向变化分布以补偿第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓，使得入射到成像器上的参考光所行进的参考光程长度的横向变化分布和入射到成像器上的关注光所行进的第二光程长度的横向变化分布重合，导致源自关注层的关注光与参考光干涉，并且成像器在成像器的视场上对关注层成像，以形成由成像器获取的二维正面FFOCT图像。
本发明的方法的其它优选但非限制性的方面如下，这些方面单独地或在技术上可行地组合：
-第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓具有包括在4和50mm之间的绝对曲率半径；
-入射到成像器上的参考光所行进的参考光程长度的横向变化分布和入射到成像器上的关注光所行进的第二光程长度的横向变化分布具有低于2mm的绝对曲率半径差；
-参考臂包括光学曲率补偿器，该光学曲率补偿器修正由入射到成像器上的参考光行进的参考光程长度的横向变化分布，并且其中，该光学曲率补偿器为具有弯曲反射表面的曲面反射器，所述曲面反射器布置在参考臂的与分束器相对的一端处；
-反射器具有低于25％的反射率；
-反射器的弯曲反射表面为可变形镜；
-光学曲率补偿器为在参考光程或样本光程的方向上具有折射率和厚度的材料板；
-光学曲率补偿器包括一对棱镜，每个棱镜具有相对于光程形成非直角倾斜角的斜面，该对棱镜的非直角倾斜角彼此相对，棱镜可相对于彼此平移地移动；
-光学曲率补偿器为可配置的光学曲率补偿器，并且FFOCT装置包括控制回路，该控制回路被配置为分析所获取的图像并导出改变光学曲率补偿器的配置的指令，每个配置限定光程长度的横向变化分布的不同修正；
-该方法可以包括：
-用成像器从在分束器中组合的参考光和样本光获取关注层的第一二维正面FFOCT图像；
-确定第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓是否已由光学补偿器补偿；
-如果确定第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓没有被光学补偿器补偿，则修正光学补偿器以补偿第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓；以及
-用成像器从在分束器中组合的参考光和样本光获取关注层的第二二维正面FFOCT图像。
本发明还涉及一种全视场光学相干层析FFOCT装置，包括：
-空间非相干光源，其被配置为在照明瞬间发出照明光，
-成像器，其被配置为获取关注层的二维正面FFOCT图像，
-分束器，该分束器限定样本臂和参考臂，样本包含在样本内的某一深度处的关注层并且布置在样本臂的末端处，
其中，样本臂和参考臂中的至少一个包括光学曲率补偿器，该光学曲率补偿器被配置为修正光程长度的横向变化分布，以补偿关注光所行进的第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓，该关注光来源于在照明瞬间发出的照明光并且源自在所述关注光进入样本臂时样本的关注层，并且FFOCT装置被配置为执行本发明的方法，以获取样本内的某一深度处的关注层的二维正面FFOCT图像。
附图说明
在阅读下文对本发明优选实施例的详细描述后，本发明的其它方面、目的和优点将变得更加明显，这些描述作为非限制性示例给出，并参考附图，其中：
图1(已讨论过)示出了先前使用的FFOCT系统的示例；
图2a、图2b、图2c示出了当关注的曲面层通过干涉平坦平面成像时，有效视场如何减小；
图3a、图3b、图3c示出了当关注趣的曲面层通过干涉平坦平面成像时，视场如何变成环形；
图4和图5示出了根据本发明的可能实施例的用于实施FFOCT成像方法的布置的示例，其中光学曲率补偿器是参考臂中的反射器；
图6是示出光学板如何修正光程长度的横向变化分布轮廓的示意图；
图7是示出光程长度的横向变化分布轮廓的曲率度数与光学板的厚度之间的关系的示例的图；
图8和图9示出了根据本发明的可能实施例的用于实施FFOCT成像方法的布置的布置示例，其中光学曲率补偿器是布置在参考臂或样本臂中的光学板；
图10a和图10b示出了根据本发明的可能实施例的如何确定用于评估相干门的光学曲率的横截面图像；
图11a-11f是示出根据本发明的可能实施例的横向变化分布之间的各种匹配度如何影响所捕获的FFOCT图像中的可见干涉条纹密度的示例；
图12a和图12b示出了根据本发明的可能实施例的可配置光学曲率补偿器，该光学曲率补偿器由两种不同配置的一对棱镜构成，这两种不同配置导致光程长度的两种不同的横向变化分布轮廓；
图13a和图13b示出了根据本发明的可能实施例的分别在无光学曲率补偿和有光学曲率补偿的情况下的视网膜层的全视场成像的结果；
图14a和图14b示出了根据本发明的可能实施例的通过光学曲率补偿分别从基底下神经丛和角膜内皮层的成像中得到的实际最终FFOCT图像。
具体实施方式
光程长度是光所经过的路径的几何长度与光传播所通过的介质的平均折射率的乘积。由于光束在垂直于光轴的横向平面中的空间延伸，所以光束不是仅沿着光轴传播，并且光程长度可以根据所述横向平面上的所考虑位置而变化。这被称为光程长度的横向变化分布。光程长度的横向变化分布具有由横向平面上的光程长度变化定义的轮廓。
如果光程长度对于横向平面的所有点都相同，则光程长度的轮廓为平面。如果光程长度根据所述横向平面上的所考虑位置而变化，则光程长度的轮廓不是平面。例如，如果外围点具有比中心点(即，在光轴上)更长或更短的光程长度，则光程长度的轮廓可以被定义为弯曲的。
图1中描述的FFOCT系统依赖于参考臂与样本臂之间的光程长度之差。如果参考臂和样本臂的光程长度的横向轮廓相同，则光程差的横向轮廓显示为平坦的。
参考图4、图5、图8和图9，该系统包括FFOCT装置和样本111。如先前描述的装置，该FFOCT装置包括非相干光源101、成像器114、限定样本臂107和参考臂108的分束器103。参考臂108从分束器103延伸到设置在参考臂108的一端的反射器112，并限定参考光程。样本111布置在样本臂107的样本末端125的前面，且样本臂107从分束器103延伸到样本末端125，从而限定样本光程。
光源101在空间上为非相干的，即为光源的每个点发射相位在这些点之间随机分布的波的光源。光源101应具有宽光谱，通常在20nm和150nm宽之间(更优选地在30nm和70nm宽之间)，包括在700nm和900nm之间，并且更优选地约为750nm和850nm之间。例如，光源101可以是LED或者设置有灯丝(作为卤素灯)。
光源101在照明瞬间发出照明光。照明光形成第一光束102，该第一光束被发送到分束器103。分束器103将照明光的入射的第一光束102分成第二光束105和第三光束106。第二光束105被发送到样本臂107，且第三光束106被发送到参考臂108。因此，样本臂107和参考臂108同时被相同的照明光照亮。
在参考臂108中，光沿参考光程从分束器103行进到反射器112，并且从反射器112行进到分束器103。第二光束105沿样本光程从分束器103行进到样本臂107的样本末端。光离开样本臂107并进入样本111。入射到样本111上的来自第二光束105的样本光从样本111中的不同深度反射回到样本臂107的样本末端。样本光包含来源于在照明瞬间发出的照明光的光，源自于样本111的不同深度，因此源自样本111的不同层。
该成像方法旨在获取特定的关注层115的图像。关注层115由样本111内的深度和形状来定义。通常，关注层115不是平坦的，而是相对于FFOCT装置的光轴具有弯曲表面。例如，当样本111为眼睛时，关注层115可以具有从样本臂107观察的凸面形状，例如对于角膜层或晶状体，或者具有从样本臂107观察的凹面形状，例如对于视网膜层。
当源自样本111的关注层115的关注光进入样本臂107时，关注光已行进第一光程长度。第一光程长度是光进入样本臂107所遵循的路径的几何长度与光行进所通过的介质的平均折射率的乘积。如果关注层115具有弯曲形状而不是平面形状，则几何长度横向轮廓发生改变。除了关注光行进的几何长度变化之外，横向变化分布变化也可能由关注光已行进通过的介质的折射率引起。关注层115位于样本111中的某一深度，这意味着关注光必须来回行进穿过样本111的上层。如果样本111为异质的，则那些上层可能具有各种折射率，并且可能分布不均匀。例如，如果关注层115为视网膜层，则关注光必须行进穿过玻璃体液、晶状体、瞳孔和角膜。
在任何情况下，当进入样本臂107时，关注光已行进了具有曲面横向变化分布的第一光程长度。例如，第一光程长度的曲面横向变化分布具有包括在4和50mm之间的绝对曲率半径。如上述参照图2a-2c和图3a-3d所阐述的，如果未进行补偿，则这种曲面横向变化分布将通过参考光进行光学切片，这将导致样本的关注层的有效视场减小。
为了避免这个问题，FFOCT装置设置有光学曲率补偿器，该光学曲率补偿器修正光程长度的横向变化分布。光学曲率补偿器可以布置在样本臂107或参考臂108中。光学曲率补偿器是被配置成补偿参考光和关注光的轮廓的相对曲率的曲率补偿器。当光学曲率补偿器布置在参考臂108中时，光学曲率补偿器修正穿过成像视场的参考光学长度。当光学曲率补偿器布置在样本臂107中时，光学曲率补偿器修正穿过成像视场的样本光学长度。光学曲率补偿器被配置为使得入射在成像器114上的参考光行进的参考光程长度或入射在成像器114上的关注光行进的第二光程长度具有相同横向变化分布，即入射在成像器114上的参考光行进的参考光程长度的横向变化分布和入射在成像器114上的关注光行进的第二光程长度的横向变化分布在时间相干长度内重合。
优选地，两个相应的横向变化分布的轮廓具有的绝对曲率半径差低于2mm，更优选地低于1mm。当光到达成像器114时，关注光的光波和参考光的光波干涉并产生干涉性。当所述波的光程长度差叠加在由照明光定义的时间相干长度内时，在成像器114的视场的每个点处发生干涉。因此，所提议的光学曲率补偿导致源自关注层115的关注光与成像器114的图像平面上的参考光干涉，并且成像器114在成像器114的视场上对关注层成像。
光学曲率补偿器可以是设置在参考臂108中的具有弯曲反射表面的反射器。因此，如果反射器112为曲面的，则光学曲率补偿器可以是设置在参考臂108的与分束器103相对的一端处的反射器112。图4和图5示出了使用曲面反射器作为光学曲率补偿器的实施例的示例。在图4中，关注层115为眼睛晶状体的前表面，从FFOCT装置看，其是凸面的。从参考光程看，反射器112也弯曲成凸面形状。反射器112的曲率对应于前晶状体的曲率，并且曲率半径大约在9和15mm之间，更优选地在11和13mm之间。如果关注层115为前角膜，则反射器112的曲率半径在7mm和8mm之间。如果关注层115为后角膜，则反射器112的曲率半径在6mm和7mm之间。在图5中，关注层115为视网膜层，从FFOCT装置看，其是凹面的。从参考光程看，反射器112也弯曲成凹面形状。反射器112的曲率对应于视网膜层的曲率，并且曲率半径大约在-11mm和-13mm之间。此外，在图5的视网膜成像配置中，移除了存在于先前描述的实施例中的样本臂7上的显微镜物镜109。显微镜物镜109从样本臂7上的移除导致FFOCT装置的两个臂7、8之间的强烈不对称。这种不对称与由关注的视网膜层115的前面的眼睛介质引起的不对称相结合，导致入射到成像器114上的关注光所行进的第二光程长度具有曲面轮廓的横向变化分布。因此，反射器112的曲率可以选择成高于关注的视网膜层的曲率，以补偿不对称。
应当注意，本文给出的值仅仅是示例，并且通常当样本111不是眼睛时，可以使用其他值。即使对于人眼，也可以使用其他值来匹配关注层115的曲率。例如，对于由圆锥形角膜患者的前角膜层构成的关注层115，反射器112的曲率半径将低于6mm。
曲面反射器112的曲面形状导致反射光行进在参考光程的横截面上变化的光程长度，从而导致参考光程长度的横向变化分布。通过选择曲面反射器112的曲率以对应于关注层115的曲率，入射到成像器114上的参考光行进的参考光程长度和入射到成像器114上的关注光行进的第二光程长度具有相同的横向变化分布。结果，通过参考光对样本光执行的光学切片仅选择关注光。
曲面反射器112可以是镜子，尤其是曲面金属镜，例如具有铝涂层作为反射表面。然而，大多数镜子具有高反射率，通常高于90％。这种高反射率对于FFOCT是有害的，这是由于当曲面反射器112的反射率与样本111的反射率匹配时，图像质量最佳。由于样本111和关注层115通常具有低反射率，因此曲面反射器112被选择为具有低于25％的反射率，并且优选地低于10％。
曲面反射器112不一定是镜子，例如可以是光学透镜。这种光学透镜可以由玻璃(例如符合RoHS标准的硼硅酸盐冕玻璃)、熔融石英或任何其他合适的材料制成。光学玻璃透镜具有自然的低反射率，通常低于5％，这对应于许多有机样本111的反射率。光学透镜价格便宜，并且可以找到任何曲率。例如，可以使用曲率半径为6.2mm的光学透镜来匹配6.4mm的人后角膜的自然曲率。光学透镜的一个缺点是，不仅在光学透镜的表面可能发生反射，而且从光学透镜的背部表面也可能发生反射(二次反射)。这可以通过在光学透镜的背部设置吸收滤光片(例如玻璃吸收滤光片)以及在光学透镜的背部与吸收滤光片之间设置浸液来避免，吸收滤光片和浸液选择为具有接近光学透镜的折射率的折射率(例如1.518)。以这种方式，穿过光学透镜的光将被吸收滤光片吸收，而没有二次反射。还可以通过为光学透镜的材料选择吸收照明光的波长范围内的光的材料(例如在特定波长范围内具有选择性吸收的滤光玻璃)来以避免来自背部侧的不期望的反射。
光学曲率补偿器还可以是沿参考光程或样本光程具有补偿折射率和补偿长度的材料的板。因此，这种光学曲率补偿器可以布置在参考臂108或样本臂107中。该板或光学窗口是透明光学材料的光学平坦件。图6是示出了光学窗口对光束的光程长度轮廓的作用的示意图。这个简化示例处理近侧臂点A与远侧臂点B(此处由光学透镜定义)之间的光传播。近侧臂点A和远侧臂点B沿光轴间隔一定距离eair。近侧臂点A与远侧臂点B之间的介质假设为空气(折射率为1)，除了光学窗口120外。光学窗口120由折射率为n'的材料制成。光学窗口120在相对于光轴垂直的两个平坦表面121、122之间具有厚度e'。
在光轴上的视场的中心点C将沿直线上边界Uc与直线下边界Dc之间限定的直线路径在臂点A和B之间传播。中心光程长度OPLc将被定义为：OPLc＝eair-e'+e'n'。视场的非中心点P偏离光轴，使得来自所述非中心点P的光将在臂点B与光学窗口120之间以角度θ传播，在光学窗口内以角度θ'传播，并且在光学窗口120与臂点A之间也以角度θ传播。根据斯内尔-笛卡尔定律，θ'与θ之间的关系为：
来自非中心点P的光将以限定在成角度的上边界Up与成角度的下边界Dp之间的成角度的光束传播。这种成角度的光程长度OPLp将为：
显然，光学窗口120引入了光程长度的角度相关修正。这意味着所得到的光程长度的横向变化分布轮廓也是角度相关的，即弯曲的。通过适当地选择光学窗口120的材料的厚度e'和折射率n'，可以调节光程长度的横向变化分布轮廓的曲率。这当然是简化的示例，技术人员必须考虑众所周知的附加效应。例如，材料的折射率通常根据波长而变化，因此光学窗口的折射率n'应当标注为n'(y)。Sellmeier等式可用于建立特定透明介质的折射率与波长之间的关系。
图7是示出了如何用不同厚度的光学窗口获得光程长度的横向变化分布轮廓的各种曲率度数(任意单位)的示例的图。本文的曲率度数对应于抛物线函数f(x)＝ax2+bx+c的第一系数，该函数模拟光程长度的横向变化分布轮廓。其寻求补偿来自健康人眼的曲面角膜层的光的弯曲横向变化分布轮廓。光学窗口由硼硅酸盐冕玻璃制成，更准确地说由N-BK7玻璃制成。如果没有任何光学窗口(厚度为零)，则曲率度数约为-73。需要22.3mm厚的光学窗口来获得(二阶)平面横向变化分布轮廓，并因此补偿健康人眼的视网膜层的平均曲率。应当注意，光沿参考臂108或样本臂107行进两次。结果，行进光两次穿过光学板120，导致光程长度的横向变化分布轮廓的曲率两次受到光学板120的影响。
图8示出了用于实施FFOCT成像方法的布置的示例，其中光学曲率补偿器为布置在参考臂108中的光学板120。光学板120布置在分束器103与反射器112之间的参考光程上。光学板120可以布置在样本显微镜物镜110的任一侧，但优选地布置在分束器103与样本显微镜物镜110之间。如上所述，光学板120使参考光行进的横向变化分布轮廓弯曲，使得入射到成像器114上的参考光行进的参考光程长度和入射到成像器114上的关注光行进的第二光程长度具有相同的横向变化分布轮廓。
参考臂108的一端处的反射器112无需是曲面的，且可以是平面的。然而，可以组合实施例，并提供曲面反射器112和光学板120。在这种情况下，由曲面反射器112引入的参考光程长度的横向变化分布轮廓的曲率被添加到由光学板120引入的参考光程长度的横向变化分布轮廓的曲率中。因此，选择曲面反射器112和光学板120的特征，使得入射到成像器114上的参考光行进的参考光程长度和入射到成像器114上的关注光行进的第二光程长度具有相同的横向变化分布轮廓。
图9示出了用于实施FFOCT成像方法的布置的示例，其中光学曲率补偿器为布置在样本臂107中的光学板120。优选地，并且如图所示，样本臂没有任何显微镜物镜109。光学板120布置在分束器103与样本臂107的样本末端125之间的样本光程上。如上所述，光学板120使样本光行进的横向变化分布轮廓弯曲，使得入射到成像器114上的参考光行进的样本光程长度和入射到成像器114上的关注光行进的第二光程长度具有相同的光程长度的横向变化分布轮廓。
选择与光程长度的修正相关的光学曲率补偿器112、120的特征，以补偿关注层115的光学曲率，即源自关注层115的由关注光行进的光程长度的横向变化分布轮廓的曲率。例如，对于曲率半径约为7.8mm的前角膜层，当关注层115的几何形状或光学特征已知时，关注层115的光学曲率可以是已知的。然而，关注层115的光学曲率可能是未知的，或者至少不够精确。需要评估关注层115的光学曲率。
本文解释了估算关注层115的光学曲率的简单方式，允许选择合适的光学曲率补偿器。当参考臂108的反射器112沿光轴(z轴)以恒定速度移动时，获取样本111的若干FFOCT正面图像(在x，y方向上)。因此，对样本111的各种深度进行成像，产生3D数据体(x、y、z方向)，如图10a所示，其中三个获取图像35、36、37(在x和y方向延伸)是根据与深度同化的光轴的z坐标组织的。可以通过在获取图像序列的每个图像中选择相同的像素线35a、36a、37a并连接该选择来生成样本111的横截面图像(在x，z方向上)。这种横截面图像在图10b中示出。
在干涉臂108的平移过程中，相干门保持其弯曲形状并在z方向平移。所产生的横截面图像示出了不同的成像干涉样本截面(由相干门定义)，其对应于与参考光干涉的样本光的原点。因此，成像区域的下部界限38和上部界限39对应于相干门的轮廓。可以测量界限38、39的中心点与所述界限38、39的边缘上的点之间的深度(z)差Δ。根据中心点与边缘点之间的差Δ和距离(在y方向上)，可以导出相干门的光学曲率。可以使用其他标准。
相同的方法可以用于评估关注层115的光学曲率是否已由光学曲率补偿器适当地补偿。如果适当地补偿，则相干门在横截面图像上会显得相当平坦，如图10b所示。例如，如果界限38、39的中心点与所述界限38、39的边缘上的点之间的深度(z)差Δ低于相干门厚度的一半(这取决于光源1的带宽)，则相干门将被认为是平坦的。例如，如果相干门厚度为8μm，并且差Δ低于4μm，则可以认为相干门的曲率已补偿。
还可以使用获取图像上的干涉条纹来验证由FFOCT装置执行的光学曲率补偿。测试反射器作为样本设置在样本臂107的前面。测试反射器相对于光轴居中，即测试反射器的弯曲居中。测试反射器具有与希望补偿的曲率相对应的已知曲率。例如，为了验证半径为7.8mm的曲面层的光学曲率补偿，选择测试反射器的曲率半径接近7.8mm，并且优选地为7.8mm。测试反射器可以是平面或曲面反射器、镜或色散介质，该测试反射器将已知曲率引入光传播所经过的光程长度的横向变化分布，可能与曲面反射器相关联。
然后，以与样本111相同的方式，照亮测试反射器并获取图像。根据对所获取图像的处理，基于可见干涉条纹密度，然后可以确定由FFOCT装置的光学曲率补偿器执行的曲率补偿。条纹密度定义为每mm(垂直于条纹)交替条纹的最大数量，条纹密度与测试反射器的曲率半径和光程长度的横向变化分布之间的一致性直接相关。
例如，图11a示出了与曲率半径为7.8mm的第一测试反射器60相对应的图像，其用被配置为补偿7.8mm的曲率半径的光学曲率补偿器成像，产生相干门，该相干门限定与第一测试反射器60具有相同曲率的干涉截面(对应于与参考光干涉的样本光的原点)，如图11b所示。在图11a的图像中，条纹间隔开，具有低密度。图11c示出了与曲率半径为6.2mm的第二测试反射器62相对应的图像，其用被配置为补偿7.8mm的曲率半径的光学曲率补偿器成像，产生相干门，该相干门限定干涉截面63(对应于与参考光干涉的样本光的原点)，该干涉截面的曲率接近第二测试反射器62但不完全相同，如图11d所示。在图11c的图像中，条纹相比图11a的更近，密度更高。图11e示出了与平坦的(无限大曲率半径)第三测试反射器65相对应的图像，并且用被配置为补偿7.8mm的曲率半径的光学曲率补偿器成像，产生限定弯曲干涉截面64的曲面相干门，如图11f所示。在图11e的图像中，条纹非常接近，具有非常高的条纹密度，且远远超过图11a或图11c。
这是由于条纹密度与测试反射器表面和由FFOCT装置的相干门限定的干涉截面之间的光程差有关。每当光程差达到照明光的波长(在示例中为850nm)时，就会出现干涉条纹。这就是条纹密度能够用于评估参考光行进的参考光程长度和关注光行进的第二光程长度的横向变化分布是否一致的原因。如图11b、图11d、图11f所示，由于相干门的弯曲特性，在视场(FOV)的边缘的光程差(此处光程差较高)高于FOV的中心的光程差(此处光程差较低)。这解释了干涉条纹的同心性方面。因此，最大密度通常出现在与FOV的边缘相对应的图像的边缘。
可以设置条纹密度的简单标准来评估两个相应的横向变化分布轮廓是否具有小于2mm的绝对曲率半径差。对于850nm的照明光和1.3mm的FOV，当最大条纹密度低于60条纹/mm，且优选地低于50条纹/mm时，应考虑补偿测试反射器的光学曲率。应当注意，密度是根据成像物体的视场来表示的，即考虑放大倍数。在所示的示例中，图11a的图像中的最大条纹密度低于15条纹/mm，这表示横向变化分布之间(即测试反射器的轮廓与相干门之间)的良好一致性，图11c的图像中的最大条纹密度低于50条纹/mm，这表示横向变化分布之间的可接受的一致性，而图11e的图像中的最大条纹密度高于100条纹/mm，这表示横向变化分布之间缺乏一致性。
结果，通过涉及具有已知曲率的测试反射器的简单测量，可以确定光学曲率补偿是否与所述已知曲率匹配。
光学曲率补偿器可以是不变的，这意味着由光学曲率补偿器引起的光程长度的横向变化分布轮廓的修正总是相同的。例如，由曲面反射器112引起的修正取决于曲面反射器112的曲率，而由光学板120引起的修正取决于所述光学板120的厚度和折射率。结果，这种不变的光学曲率补偿器只能在有限范围内补偿横向变化分布轮廓的曲率。这可能是有问题的，因为关注层115的曲率可能仅是不准确的已知。例如，在临床应用中，患者的眼睛长度可能存在显著差异，这将影响合适的光学窗口或曲面镜的选择。如上所述，相比于健康的前角膜层的曲率半径大约为7.8mm，对于圆锥形角膜患者的前角膜层，反射器112的曲率半径将低于6mm。
一种解决方案是使用可变的光学曲率补偿器，以适应各种关注层的可能曲率。然而，这可能导致基于反复试验的漫长过程，需要大量不同的光学曲率补偿器。然而，例如可以用光学轮更容易地更换光学曲率补偿器，光学轮可以由步进电机驱动。
另一种解决方案是提供可配置的光学曲率补偿器。可配置的光学曲率补偿器可以为可变形镜，其反射表面可以是变形的。可变形镜可以成形为匹配不同种类的表面，而不仅仅是曲面。例如，可变形镜可以基于由磁致动器移动的连续反射表面。
如图12a和图12b所示，可配置的光学曲率补偿器也可以是一对棱镜。这对棱镜构成一个组件，该组件看起来像用于行进光的光学板。事实上，这对棱镜基本上是被分成两部分的光学板。两个棱镜优选地由相同的材料制成，并且优选具有相同的形状。具有第一棱镜131和第二棱镜132。每个棱镜131、132具有垂直于光轴的平面131a、132a。两个平面131a、132a构成光学曲率补偿器的外面。每个棱镜131、132具有相对于光轴形成非直角倾斜角的斜面131b、132b。两个斜面131b、132b彼此相对，且因此彼此面对。两个斜面131b、132b具有互补的倾斜度。行进穿过光学曲率补偿器的光例如将穿过第一棱镜131的平面131a、第一棱镜131的斜面131b、第二棱镜132的平面132a和第二棱镜132的斜面132b。在图12a的配置中，这种光将行进穿过第一棱镜131的材料的第一厚度e1和第二棱镜132的材料的第二厚度e2。因此，这对棱镜相当于厚度为e1+e2的光学板。
然而，棱镜131、132可相对于彼此平移地移动。更准确地说，至少一个棱镜131、132，优选地两个棱镜，可垂直于光轴移动。平移可以是机动的。由于这种横向平移，行进光穿过的材料厚度被修正。图12b示出了两个棱镜131、132在相反方向上的平移结果，两个棱镜都相对于光轴横向平移。由于两个棱镜的斜面131b、132b，平移导致行进厚度的修正，更准确地说，导致图12b所示示例的减小。第一棱镜131的表观厚度e'1和第二棱镜132的表观厚度e'2相对于图12a的第一配置的表观厚度e1和e2减小。在第二配置中，该对棱镜相当于厚度为e'1+e'2的光学板，其厚度比先前的厚度更薄。因此，可以使可配置的光学曲率补偿器等同于具有可配置厚度的光学板。在这些示例中，参考了光轴。这种光轴是布置有光学曲率补偿器的臂的光轴。由于臂中的光程平行于光轴，因此相对于光轴给出的任何指示都可以理解为相对于所述臂内部的光程给出的指示。
为了使光学曲率补偿器适应光程长度的期望横向变化分布轮廓，FFOCT可以包括控制回路，以找到合适的光程长度修正轮廓。控制回路旨在最大化有效视场。控制回路基于对成像器114获取的二维图像的分析，从该图像中导出给光学曲率补偿器发指令的致动器的指令。因此，控制回路包括合适的部件来实现这一点，比如处理器。例如，分析旨在定位存在信号的位置和不存在信号的位置。例如，可以将所获取图像划分为分布在所获取图像的表面上的多个区域(例如5到20个区域)。这些区域可以简单地为方形或矩形。在每个区域中，对所述区域的所有像素的像素值(例如灰度值)求和。通过将所得的总和与预定阈值进行比较，可以将每个区域分类为“好”区域(其中，由于相干门重合而存在信号)以及“坏”区域(其中由于相干门不重合而不存在信号)。随后，以将坏区域变成好区域的方式，对可配置的光学曲率补偿器进行修正。控制回路还可以用于在一组不变的光学曲率补偿器中进行选择。
因此，该方法可以包括获取关注层115的第一二维正面FFOCT图像，且随后获取关注层115的第二二维正面FFOCT图像，其中对第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓进行了改进补偿。根据第一二维正面FFOCT图像，确定第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓是否已由光学补偿器补偿。如上所述，这种确定例如可以依赖于可见干涉条纹的密度，或者依赖于成像视场的形状(环形形状)和/或信号电平。如果确定第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓未被光学补偿器补偿，例如由于条纹密度太高，则光学补偿器被修正以更好地补偿第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓。随后，用成像器114从在分束器103中组合的参考光和样本光获取关注层115的第二二维正面FFOCT图像。由于光学补偿器的修正旨在改善补偿，因此用于评估所述补偿的标准也必须显示相对于第一图像的改善。例如，条纹密度降低。如果结果仍不令人满意，则可以再次修正光学补偿器，以更好地补偿第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓，并可以获取其他图像，直到第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓的补偿满足预期。
在图2c的示例中，坏区域对应于所获取图像的外围区域，这意味着相干门仅在中心重合，如图2a所示。在图3c的示例中，坏区域对应于所获取图像的中心区域，这意味着相干门仅在外围重合，如图3a所示。生成使其中布置有光学曲率补偿器的臂的光程长度的横向变化分布轮廓弯曲的指令，使得入射到成像器114上的参考光行进的参考光程长度和入射到成像器114上的关注光行进的第二光程长度具有相同的横向变化分布轮廓。例如，如果光学曲率补偿器为参考臂108中的可变形曲面镜112，则指令将应用于控制可变形曲面镜112的曲率的致动器，以增加曲率。如果光学曲率补偿器为一对棱镜，该指令将应用于控制棱镜横向平移的致动器。如果该对棱镜布置在参考臂108内，则棱镜将平移以增加材料的表观厚度，以便进一步使参考光程长度的横向变化分布轮廓弯曲。如果该对棱镜布置在样本臂107内，则棱镜将平移以减小材料的表观厚度，从而减小样本光程长度的横向变化分布轮廓的曲率。
图13a示出了在不存在如上所述的光学曲率补偿的情况下，对人工眼的视网膜层成像而获取的实际FFOCT图像。结果是待成像的视网膜层为环形50，中心部分51对应于覆盖层。入射在成像器114上的参考光和关注光行进的光程长度的横向变化分布之间不匹配。这对应于图3a-3d所示的情况。图13b示出了对图13a所示的人工眼的视网膜层成像而获取的实际FFOCT图像，这次通过执行如上所述的方法，其中光学曲率补偿器修正光程长度的横向变化分布，以匹配入射到成像器上的参考光和关注光所行进的光程长度的横向变化分布。在该图像上，可以看到成像器114已在成像器114的整个视场52上对关注层成像。这意味着源自关注层的关注光已在成像器114的整个视场52上与参考光干涉。因此，该方法允许在整个连续视场上对关注层成像。
图14a示出了从如图3c所示的基底下神经丛的成像中获取的实际最终FFOCT图像，但这次是通过执行如上所述的具有光学曲率补偿的方法。与图3c(其中在最终图像中，前角膜中的成像基底下神经丛显示为环形)相比，前角膜的基底下神经丛不再呈环形形状，而是占据整个视场。图14b示出了对图3d所示的角膜内皮层的成像而获取的实际FFOCT图像，但这次是通过执行如上所述的具有光学曲率补偿的方法。与图3d(其中在最终图像中，后角膜中的成像角膜内皮层显示为环形)相比，后角膜的内皮层不再为环形形状，而是占据整个视场。因此可以看出，所公开的方法允许在成像器114的整个视场上对每个层成像。
尽管已针对某些优选实施例描述了本发明，但显然，本发明并不局限于此，并且本发明包括所描述的装置及其组合的所有技术等同物。特别地，对于本领域技术人员来说，显然可以进行各种改变和修正，而不会脱离由所附权利要求中限定的本发明的范围。
Claims (12)
1.一种全视场光学相干层析成像方法，FFOCT，用于获取样本(111)内的某一深度处的关注层(115)的二维正面FFOCT图像，所述FFOCT成像方法使用包括FFOCT装置和样本的系统，所述样本包括待成像的所述关注层(115)，所述FFOCT装置包括：
-空间非相干光源(101)，
-成像器(114)，
-分束器(103)，所述分束器限定样本臂(107)和参考臂(108)，所述样本(111)布置在所述样本臂的末端处，
其中所述方法包括：
-用所述非相干光源(101)发出的照明光在照明瞬间同时照亮所述样本臂(107)和所述参考臂(108)，以产生沿样本光程从所述样本(111)行进到所述样本臂(107)的末端的样本光和沿参考光程在所述参考臂(108)中行进到所述分束器(103)的参考光，
-用所述成像器(114)从在所述分束器(103)中组合的参考光和样本光获取所述关注层(115)的二维正面FFOCT图像；
其中，所述样本光包含关注光，所述关注光来源于在照明瞬间发出的照明光并且源自所述样本的关注层，所述关注光在进入所述样本臂(107)时已行进第一光程长度，所述第一光程长度具有横向变化分布的曲线轮廓，
其中，入射到所述成像器(103)上的参考光已沿参考光程行进参考光程长度，并且入射到所述成像器(103)上的关注光已行进第二光程长度，
其特征在于，所述样本臂(107)和参考臂(108)中的至少一个包括光学曲率补偿器(112，120)，所述光学曲率补偿器修正光程长度的横向变化分布以补偿所述第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓，使得入射到所述成像器(103)上的参考光所行进的参考光程长度的横向变化分布和入射到所述成像器(103)上的关注光所行进的第二光程长度的横向变化分布重合，导致源自所述关注层(115)的关注光与参考光干涉，并且所述成像器(114)在所述成像器(114)的视场上对所述关注层成像，以形成由所述成像器(114)获取的二维正面FFOCT图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓具有包括在4和50mm之间的绝对曲率半径。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，入射到所述成像器(114)上的参考光所行进的参考光程长度的横向变化分布和入射到所述成像器(114)上的关注光所行进的第二光程长度的横向变化分布具有低于2mm的绝对曲率半径差。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述参考臂(108)包括光学曲率补偿器，所述光学曲率补偿器修正由入射到所述成像器(114)上的参考光行进的参考光程长度的横向变化分布，并且其中，所述光学曲率补偿器为具有弯曲反射表面的曲面反射器(112)，所述曲面反射器(112)布置在所述参考臂的与所述分束器(103)相对的一端处。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述反射器具有低于25％的反射率。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述反射器的弯曲反射表面为光学透镜。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述反射器的弯曲反射表面为可变形镜。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述光学曲率补偿器为在参考光程或样本光程的方向上具有折射率和厚度的材料板。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述光学曲率补偿器包括一对棱镜，每个棱镜具有相对于光程形成非直角倾斜角的斜面，所述一对棱镜的非直角倾斜角彼此相对，所述棱镜能相对于彼此平移地移动。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述光学曲率补偿器为可配置的光学曲率补偿器，并且所述FFOCT装置包括控制回路，所述控制回路被配置为分析所获取的图像并导出改变光学曲率补偿器的配置的指令，每个配置限定光程长度的横向变化分布的不同修正。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，包括：
-用所述成像器(114)从在所述分束器(103)中组合的参考光和样本光获取所述关注层(115)的第一二维正面FFOCT图像；
-确定所述第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓是否已由所述光学补偿器补偿。
-如果确定所述第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓没有被所述光学补偿器补偿，则修正所述光学补偿器以补偿所述第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓；以及
-用所述成像器(114)从在所述分束器(103)中组合的参考光和样本光获取所述关注层(115)的第二二维正面FFOCT图像；
12.一种全视场光学相干层析FFOCT装置，包括：
-空间非相干光源(101)，其被配置为在照明瞬间发出照明光，
-成像器(114)，其被配置为获取关注层(115)的二维正面FFOCT图像，
-分束器(103)，所述分束器限定样本臂(107)和参考臂(108)，样本(111)包含在所述样本(111)内的某一深度处的所述关注层(115)并且布置在所述样本臂的末端处，
其特征在于，所述样本臂(107)和参考臂(108)中的至少一个包括光学曲率补偿器，所述光学曲率补偿器被配置为修正光程长度的横向变化分布，以补偿关注光所行进的第一光程长度的横向变化分布的曲线轮廓，所述关注光来源于在照明瞬间发出的照明光，并且在所述关注光进入所述样本臂(107)时源自所述样本的关注层，并且其特征在于，所述FFOCT装置被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法，以获取在所述样本(111)内的某一深度处的所述关注层(115)的二维正面FFOCT图像。
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