RU2670576C2

RU2670576C2 - Оптический когерентный томограф с закодированным в дисперсии широким диапазоном

Info

Publication number: RU2670576C2
Application number: RU2017101203A
Authority: RU
Inventors: Оле МАССОВ; Йоханнес ЛЕРНЕР
Original assignee: Уэйвлайт Гмбх
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2018-10-23
Also published as: AU2014397714B2; RU2017101203A; CN106461369B; CA2945862A1; JP6557264B2; KR101877924B1; EP3158281A1; EP3158281B1; CA2945862C; WO2015192886A1; AU2014397714A1; CN106461369A; MX2016016619A; RU2017101203A3; JP2017521651A; US10024649B2; ES2786923T3; MX362334B; US20170089688A1; BR112016028074A2

Abstract

Группа изобретений относится к устройству и способу для реализации устройства для оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном. Устройство для оптической томографии содержит источник светового излучения, первое плечо, содержащее первый дисперсивный оптический узел, вносящий первую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через первое плечо, при этом первое плечо составляет одно из плеч интерферометра - предметное плечо или опорное плечо. Также устройство содержит второе плечо, содержащее второй дисперсивный оптический узел, вносящий вторую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через второе плечо, при этом второе плечо составляет другое из плеч - предметное плечо или опорное плечо, при этом вторая величина дисперсии больше первой величины дисперсии, при этом для любого подблока из одного или нескольких оптических элементов второго дисперсивного оптического узла величина дисперсии, вносимая указанным подблоком в световое излучение, проходящее через второе плечо, отличается от первой величины дисперсии, вызывая дисбаланс дисперсии. Также устройство содержит блок обработки, выполненный с возможностью обработки сигнала интерферометрии для выполнения оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном в отсутствие точного знания дисбаланса дисперсии, при этом сигнал интерферометрии характеризует наложение светового излучения из первого плеча и светового излучения из второго плеча. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к оптической когерентной томографии, OCT. В частности, оно относится к устройству для оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном, DEFR, и к способу его изготовления.

Предпосылки изобретения

Термин «оптическая когерентная томография», OCT, определяет группу методик оптических измерений, в которых (ограниченную) длину когерентности светового излучения используют для высокоточных измерений расстояний на отражающих поверхностях. Главным образом, для медицинских применений, таких как офтальмологическая диагностика и контроль, OCT зарекомендовала себя ценным инструментальным средством, так как она делает возможными точные и неинвазивные измерения на глубине до нескольких миллиметров под поверхностью тела. Более того, высокой продольной точности измерения в масштабе нескольких миллиметров можно добиться даже при относительно большом расстоянии между устройством OCT и измеряемым объектом.

Одиночное измерение OCT обычно предоставляет информацию лишь об усредненных характеристиках отражающей области. Однако топография отражающей поверхности может быть разрешена более детально, если для одиночного измерения по мере возможности уменьшить размер измеряемой области, и если выполнять множество таких точечных измерений, плотно распределенных по поверхности. Так, в общепризнанных методиках ОСТ измерение развитой поверхности, как правило, выполняют способом сканирования по двум осям, также именуемым «B-сканированием», в сетке равномерно распределенных точек измерения. Для измерений в единственной точке, однако, разнообразные методики оптической когерентной томографии были разработаны для оптического определения расстояния между измеряемой точкой и опорной точкой, как правило, внутри устройства ОСТ.

Традиционные способы ОСТ могут включать интерферометрическую установку, в которой генерируемый световой луч становится разделенным на предметный луч и опорный луч. В то время как распространение опорного луча ограничено внутренней частью устройства, предметный луч испускается из устройства в направлении измеряемого образца, и после отражения образцом он снова входит в интерферометр. Там отраженные предметный луч и опорный луч накладываются, и, если разность в длине оптического пути двух этих лучей лежит ниже длины когерентности используемого светового излучения, наложение этих лучей будет вызывать поддающуюся обнаружению интерференцию. После обнаружения, например, посредством фотодиода или спектрографа, эту интерференцию можно проанализировать, например, в отношении разности в спектральной интенсивности или разности в длине оптического пути двух этих лучей. В результате этого анализа можно определить различные характеристики образца, такие как отражательная способность или расстояние до отражающей поверхности. Помимо одиночных поверхностей описываемые методики также предусматривают одновременную характеризацию ряда расположенных одна над другой и частично отражающих плоскостей в образце.

Несмотря на вышеупомянутые общие признаки, применяемые на практике устройства ОСТ могут отличаться одно от другого, например, деталями их компоновки, использованием источника светового излучения с широкой или узкой полосой частот, обнаруживаемыми или анализируемыми характеристиками сигнала, используемым алгоритмом анализа и т. д. В соответствии с общепринятой схемой классификации, методики ОСТ можно различить по их компоновке на «последовательные» методики, если измерение включает ряд процессов обнаружения с управляемым изменением длины оптического пути опорного плеча («сканирующее плечо») или используемой длины волны («перестраиваемый источник»), и на «одновременные» методики, если измерение можно выполнять путем только одного процесса обнаружения, и в таких случаях регистрируется спектрограмма наложенных опорного и предметного лучей. В качестве альтернативы, методики ОСТ можно различить по преобладающему способу сбора и обработки данных на то, что называют «ОСТ во временной области», TD-OCT, обычно выполняемую в связи с интерферометром со сканирующим плечом, и на «ОСТ в частотной области», FD-OCT, включающую обработку спектрально разрешенной интерференционной информации.

Недавно был предложен вариант ОСТ в частотной области, FD, ставший известным как «оптическая когерентная томография с закодированным в дисперсии широким диапазоном», DEFR-OCT. В DEFR-OCT вводится строго определенная разность в дисперсии между двумя плечами интерферометра. В связи с конкретными алгоритмами обработки данных было показано, что дисбаланс дисперсии предусматривает более эффективное и удобное извлечение информации о глубине из подвергнутой преобразованию Фурье спектрограммы.

Краткое описание

Несмотря на то, что вышеописанные методики, таким образом, обеспечивают широкий диапазон возможных вариантов осуществления, каждая из них требует тщательного контроля длины оптического пути в каждом из плеч интерферометра. Это так либо по причине чрезвычайно малой длины когерентности обнаруживаемого светового излучения, определяющего диапазон, в котором может быть обнаружена интерференция лучей, либо из-за ограничения, накладываемого спектрометром при разрешении интерференционных полос более высокого порядка. Поэтому для сооружения устройства ОСТ требуется тонкая юстировка длины оптического пути каждой из обнаруживаемых длин волн в каждом из плеч интерферометра. Это включает точную юстировку геометрической длины обоих плеч интерферометра, а также зависимость от длины волны длины оптического пути в плечах в результате дисперсии. Дисбаланс дисперсии между двумя плечами часто неизбежно вносится такими различными оптическими компонентами, как средства направления или фокусировки луча, используемыми в каждом из плеч. В таком случае, балансировку этой неизбежной дисперсии, как правило, выполняют путем вставки дополнительных дисперсивных компонентов с целью компенсации предшествующей разности в дисперсии.

Несмотря на то, что DEFR-OCT, таким образом, предусматривает неравную дисперсию в двух плечах, этого неравенства дисперсии, тем не менее, добиваются путем увеличения дисперсии в одном из плеч сбалансированного интерферометра строго контролируемым образом.

Как следствие, любая из вышеупомянутых методик оптической когерентной томографии требует тщательного контроля и юстировки дисперсии в устройстве ОСТ. В дополнение, разные методики ставят различные требования к потенциалу и качеству используемых компонентов, и к сложности установки и обработки данных. Эти особенности оказывают влияние на издержки изготовления устройства ОСТ, а также на диапазон и удобство возможных применений устройства ОСТ.

Поэтому желательной является методика для более простой компоновки устройства ОСТ, предусматривающей эффективные и удобные измерения ОСТ.

Настоящее изобретение ставит своей целью удовлетворение одной или нескольких из вышеупомянутых потребностей.

В соответствии с первой особенностью, предусматривается устройство для оптической когерентной томографии, при этом устройство содержит источник светового излучения; первое плечо, содержащее первый дисперсивный оптический узел, вносящий первую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через первое плечо, при этом первое плечо образует одно из плеч интерферометра - предметное плечо или опорное плечо; второе плечо, содержащее второй дисперсивный оптический узел, вносящий вторую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через второе плечо, при этом второе плечо образует другое из плеч - предметное плечо или опорное плечо, при этом вторая величина дисперсии больше первой величины дисперсии; процессорный блок (блок обработки), выполненный с возможностью обработки сигнала интерферометрии с целью выполнения оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном, при этом сигнал интерферометрии характеризует наложение светового излучения из первого плеча и светового излучения из второго плеча, в котором для любой сборочной единицы из одного или нескольких оптических элементов второго дисперсивного оптического узла величина дисперсии, вносимой этой сборочной единицей в световое излучение, проходящее через это второе плечо, отличается от первой величины дисперсии.

Авторы изобретения поняли, что фазовую информацию можно эффективно отфильтровать из подвергнутой преобразованию Фурье спектрограммы даже в отсутствие точного знания дисбаланса дисперсии. Таким образом, описываемое устройство ни на одной из стадий своего производства не требует выровненной дисперсии в двух его плечах. Это предусматривает более простое и дешевое изготовление устройства ОСТ.

Вторая величина дисперсии может быть больше первой величины дисперсии на величину, соответствующую величине дисперсии, вносимой в световое излучение от источника светового излучения прозрачным материалом толщиной по меньшей мере 1 см. Соответствующая величина дисперсии может по меньшей мере частично вноситься коллиматором и/или линзой объектива в предметном плече.

Один или несколько оптических элементов второго дисперсивного оптического узла могут содержать по меньшей мере одно из следующего: зеркало, светоделитель, линзу объектива, коллиматор, оптическое волокно или волоконные решетки Брэгга.

В соответствии с другой особенностью, предусматривается способ изготовления устройства для оптической когерентной томографии, при этом способ включает этапы создания первого плеча, содержащего первый дисперсивный оптический узел, вносящий первую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через первое плечо, при этом первое плечо образует одно из плеч интерферометра - предметное плечо или опорное плечо; создания второго плеча, содержащего второй дисперсивный оптический узел, вносящий вторую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящего через второе плечо, при этом второе плечо образует другое из плеч - предметное плечо или опорное плечо, при этом вторая величина дисперсии по существу равна первой величине дисперсии; создания замещающего оптического компонента; модификации одного из плеч - первого или второго - путем замещения по меньшей мере одного оптического компонента в одном из плеч - первом или втором, замещающим оптическим компонентом, для того чтобы посредством этого изменить величину дисперсии этого одного из плеч, первого или второго плеча; и создания процессорного блока (блока обработки), выполненного с возможностью обработки сигнала интерферометрии для выполнения оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном, при этом сигнал интерферометрии характеризует наложение светового излучения из модифицированного и другого из плеч - первого или второго.

На основании вышеупомянутого обнаружения того, что фазовую информацию можно эффективно отфильтровать из подвергнутой преобразованию Фурье спектрограммы также и в отсутствие точного знания дисбаланса дисперсии между плечами интерферометра, описываемый способ предусматривает простую и дешевую модификацию традиционного устройства ОСТ, т. е. устройства с контролируемой дисперсией для использования в ОСТ с закодированным в дисперсии широким диапазоном, DEFR.

В соответствии с вариантами осуществления, этап модификации может включать замещение замещающим оптическим компонентом по меньшей мере одного из следующего: зеркала, светоделителя, линзы объектива, коллиматора, оптического волокна или волоконных решеток Брэгга. Замещающий оптический компонент, в свою очередь, также может, представлять собой по меньшей мере одно из следующего: зеркало, светоделитель, линзу объектива, коллиматор, оптическое волокно или волоконные решетки Брэгга соответственно, и обладать иной дисперсией, чем замещаемый по меньшей мере один оптический компонент.

На этапе модификации замещение по меньшей мере одного оптического компонента может не вызывать увеличения средней разности длин оптического пути между опорным плечом и предметным плечом более чем на глубину сканирования устройства ОСТ.

В вариантах осуществления способ включает этап адаптации по меньшей мере одного из плеч, первого или второго плеча, к длине оптического пути, измененной в соответствии с замещением по меньшей мере одного оптического компонента.

Краткое описание графических материалов

Дополнительные подробности, характеристики и преимущества изобретения могут стать яснее из нижеследующего описания и примерных вариантов осуществления, и из сопроводительных графических материалов. В графических материалах:

на фиг. 1 показана схематическая иллюстрация одного из примерных вариантов осуществления устройства для оптической когерентной томографии, демонстрирующего сбалансированную дисперсию;

на фиг. 2 показана схематическая иллюстрация одного из примерных вариантов осуществления устройства для оптической когерентной томографии, демонстрирующего несбалансированную дисперсию;

на фиг. 3а-3с показаны подвергнутые преобразованию Фурье спектрограммы с изменяющимся влиянием дисперсии;

на фиг. 4 представлена схема последовательности операций одного из примерных вариантов осуществления способа изготовления устройства для оптической когерентной томографии; и

на фиг. 5 представлена схематическая иллюстрация одного из примерных вариантов осуществления способа изготовления устройства для оптической когерентной томографии.

Подробное описание

В нижеследующем описании, представленном лишь в целях разъяснения и не предназначенном для того, чтобы быть ограничивающим, конкретные подробности, такие как конкретные конфигурации устройства и конкретные способы, этапы и функциональные возможности, изложены с целью обеспечения досконального понимания представленной в данном описании методики. Должно быть ясно, что эта методика может быть применена на практике в других вариантах осуществления, отступающих от данных конкретных подробностей.

На фиг. 1 показан один из примеров компоновки интерферометра 100, который может быть использован для оптической когерентной томографии. Интерферометр 100 содержит, в качестве его основных компонентов, источник 110 светового излучения, светоделитель 120, зеркало 130 опорного луча и детектор 150. Интерферометр 100 также содержит компенсационный элемент 132, например, компенсационное стекло, лучевод 134 опорного луча, лучевод 144 предметного луча, коллиматор 146 и линзу объектива 148 для фокусировки светового излучения на образце 140.

Световой луч 115, приходящий от источника 110 светового излучения делится в светоделителе 120 на опорный луч 135 и предметный луч 145. Опорный луч 135 направляется к зеркалу 130 опорного луча, от которого он отражается обратно в светоделитель 120. В отличие от этого, предметный луч 145 испускается из интерферометра 100 и, например, направляется к внешнему образцу 140. Предметный луч 145 по меньшей мере частично отражается от образца 140 и возвращается в светоделитель 120. Для отраженных опорного луча 135 и предметного луча 145 светоделитель 120 играет роль собирателя лучей, накладывающего части опорного луча 135 и предметного луча 145 в сигнальный луч 155. Сигнальный луч 155 направляется к детектору 150, обнаруживающему интенсивность сигнального луча 155 в результате наложения опорного луча 135 и предметного луча 145. В случае, когда разность между длиной оптического пути в опорном плече 135 и предметном плече 145 меньше длины когерентности обнаруживаемого светового излучения, два луча, составляющие сигнальный луч 155, интерферируют. Соответственно, таким образом, можно обнаружить модуляцию интенсивности сигнального луча 155 в зависимости от переменного расстояния от образца 140 до светоделителя 120 и можно определить это переменное расстояние до образца.

Интерферометр 100 также содержит направляющий элемент 134 опорного луча и направляющий элемент 144 предметного луча, проиллюстрированные на фиг. 1 как волокна. В альтернативных вариантах осуществления направляющие элементы могут быть включены в любую из четырех ветвей интерферометра 100. Более того, лучеводные элементы 134, 144 не требуют реализации в виде волокон, но также могут включать зеркала, дифракционные решетки и т. д.

Интерферометр 100 также содержит коллиматор 146, расположенный между направляющим элементом 144 предметного луча и образцом 140. Коллиматор 146 служит для улучшения обнаруживаемого сигнала интерференции путем противодействия рассеянию, или расхождению, светового излучения либо по причине рассеянного источника 110 светового излучения, либо вносимому другими оптическими компонентами в установке. Показанный коллиматор 146 представляет на примере средства коллимации любого вида, которые, в альтернативных вариантах осуществления, также могут быть расположены в различных местах в интерферометре 100, и без которых также можно обойтись. Более того, интерферометр 100 содержит фокусирующий луч элемент 148, который может быть реализован линзой объектива и служит для фокусировки предметного луча на меньшей области на поверхности образца 140.

Необязательно, интерферометр 100 описываемого типа может также содержать элементы для бокового отклонения сфокусированного предметного луча с целью облегчения сканирования луча по расширенной области образца 140. Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления предусмотрены элементы для продольной юстировки опорного луча для адаптации длины опорного луча к заданному расстоянию от образца 140 до светоделителя 120.

На фиг. 1 различные функциональные возможности, такие как, деление луча, направление лучей или профилирование луча, реализованы конкретными компонентами. В альтернативных вариантах осуществления эти функции могут быть реализованы другими компонентами, и в то же время могут быть добавлены дальнейшие функциональные средства, такие как фильтры или перестраиваемые источники светового излучения. Более того, некоторые из проиллюстрированных функциональных возможностей могут быть реализованы единым компонентом, таким как волоконный светоделитель и т. д. Также, интерферометр 100 на фиг. 1 только для простоты показан как интерферометр Майкельсона. Для оптической когерентной томографии без отступления от вышеописанных принципов можно использовать интерферометры различных типов.

Независимо от вышеупомянутых изменений, на фиг. 1, в общем, проиллюстрировано, что на оптический путь предметного луча 145 могут оказывать влияние иные оптические компоненты, чем для оптического пути опорного луча 135. Они показаны на фиг. 1 посредством коллиматора 146, линзы 148 объектива и асимметричной схемы расположения светоделителя 120, каждый из которых вносит дисперсию в предметный луч 145, но не в опорный луч 135. Как упоминалось выше, конечная ширина полосы обнаруживаемого светового излучения и чувствительная зависимость результирующей интерференции от имеющейся дисперсии, как правило, делает необходимым принятие мер для компенсации или выравнивания дисперсии в опорном плече и в предметном плече устройства ОСТ. С этой целью на фиг. 1 в опорном плече показан компенсационный элемент 132, например, компенсационное стекло, которое, как подразумевается, компенсирует дисбаланс, вносимый в предметное плечо на основании светоделителя 120, коллиматора 146 и линзы 148 объектива. Как проиллюстрировано посредством расположения компенсационного элемента 132, более тонкой юстировки дисперсии можно добиться, наклоняя элемент 132 и, посредством этого, изменяя геометрическую длину пути опорного луча через компенсационный элемент 132. В альтернативных вариантах осуществления компенсацию дисбаланса дисперсии можно отъюстировать путем ряда компенсационных элементов 132, например, путем добавления или удаления одиночных дисперсивных компенсационных элементов 132 до тех пор, пока не будет достигнут баланс между двумя плечами 135, 145.

На фиг. 2 показан примерный вариант осуществления устройства 200 ОСТ в соответствии с настоящим изобретением. Аналогично устройству 100 по фиг. 1, устройство 200 ОСТ по фиг. 2 содержит источник светового излучения 210, светоделитель 220, зеркало 230 опорного луча, направляющий элемент 234 опорного луча, направляющий элемент 244 предметного луча, коллиматор 246, линзу 248 объектива для фокусировки светового излучения на образце 240 и детектор 250. В дополнение, устройство 200 ОСТ по фиг. 2 содержит блок 260 оценивания, содержащий центральный процессор, CPU, 262 и блок 264 памяти.

В отличие от устройства 100 ОСТ по фиг. 1, устройство 200 ОСТ по фиг. 2 не содержит компенсационный элемент 132 для компенсации дисбаланса дисперсии, и оно выполнено с возможностью получения спектрально разрешенной интерференционной информации, например, в форме спектрограммы. В том, что касается дальнейших изменений в устройстве 200 ОСТ, применимо такое же обоснование, как в связи с устройством 100 по фиг. 1. В частности, нижеследующее обсуждение изобретательских особенностей может быть соответствующим образом применено и к иным интерферометрическим принципам, чем у интерферометра Майкельсона.

Как указано на фиг. 2, спектрально разрешенную интерференционную информацию можно получить, используя источник 210 светового излучения с относительно широкой полосой частот и элемент для спектрального разрешения, заключенный в детекторе 250 или в любом другом месте установки. В альтернативном варианте, источник 210 светового излучения может быть выполнен как источник светового излучения с узкой полосой частот и с перестраиваемой центральной длиной волны, и тогда спектрограмму получают в течение некоторого промежутка времени, в ходе которого источник 210 светового излучения перестраивают по значимому спектру.

По извлечении детектором 250 спектрально разрешенной интерференционной информации, эта информация передается из детектора 250 в блок 260 оценивания. Блок 260 оценивания выполнен с возможностью выполнения на переданных данных оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном, DEFR-OCT. Блок 260 оценивания содержит центральный процессор 262, запрограммированный на применение алгоритма DEFR-OCT в отношении спектрально разрешенной интерференционной информации. С этой целью центральный процессор 262 запрограммирован посредством соответствующего программного обеспечения, хранящегося в блоке 264 памяти.

Как правило, на основании точно настроенных параметров дисперсии установки DEFR-OCT позволяет получать из одиночной спектрограммы с двойственной фазовой информацией отличительное знание о глубине из отражений отдельного образца. Это так же применимо и к компонентам сигнала, возникающим в результате отражения на различных расстояниях, более коротких и более длинных, чем опорная длина предметного плеча. С этой целью DEFR-OCT использует то обстоятельство, что знание о конечной дисперсии в интерферометрической установке позволяет в значительной степени разрешить фазовую двойственность регистрируемой спектрограммы. Параметры дисперсии данной установки можно измерить или иначе определить заблаговременно, и последние вводятся в обработку данных, как правило, на этапе численной компенсации дисперсии, NDC.

В традиционных реализациях DEFR-OCT результирующий дисбаланс дисперсии в установке тщательно юстируют. В отличие от этого, настоящее изобретение использует обнаружение того, что параметры дисперсии могут изменяться в неожиданно широком диапазоне, по-прежнему позволяя обеспечение алгоритмом DEFR-OCT достаточно точных результатов. В то время как это предусматривает намного более простую конструкцию устройства DEFR-OCT, большая устойчивость к дисперсии была обнаружена, в особенности, для предпочтительной комбинации конкретных алгоритмов NDC и DEFR, что будет разъяснено впоследствии.

В присутствии дисперсии величину интерференции между предметным и опорным лучами интерферометра, представленной на регистрируемой спектрограмме, можно описать как:

где E _S и E _R описывают интерференцию электрических полей, соответственно, предметного луча и опорного луча, z - это разность в длине оптического пути между этими двумя лучами, а ϕ _d (ω) - это сдвиг по фазе, вызванный разностью в дисперсии между предметным плечом и опорным плечом.

Как показано на фиг. 3а, в отсутствие дисбаланса дисперсии, т. е. при ϕ _d (ω)=0, определенная таким образом спектрограмма может представлять соответствующую, хотя и двойственную, информацию о глубине +/-z₀, например, если спектрограмму после окончательной предварительной обработки подвергают преобразованию Фурье. В этом случае в положительном и отрицательном интервалах z будут образованы две одинаковые полосы сигналов, равноудаленные от центральной опорной длины, при этом одна полоса представляет «истинный» сигнал, а другая - сопряженный с ней артефакт.

В присутствии дисперсии, как показано на фиг. 3b, полученный таким образом сигнал глубины, или z-, будет выглядеть размытым из-за дисперсионного члена в приведенном выше уравнении, и в то же время результат остается неясным в отношении положительной или отрицательной глубины. Более того, в типичном случае, когда отражения, т. е. полосы «истинных» сигналов, появляются с обеих сторон от опорной длины, истинные и сопряженные полосы в преобразованной спектрограмме часто перекрываются. Поэтому обработка спектрограммы описанным образом может не позволять различие между компонентами истинных сигналов и артефактами.

В виду этих недостатков, методики численной компенсации дисперсии, NDC, как было показано, подходят как для компенсации размывания с целью получения более точной информации о глубине, так и, в то же время, предоставляют критерии различения истинного сигнала и его артефакта. В соответствии с предпочтительной методикой, если ϕ _d (ω), т. е. влияние дисбаланса дисперсии в приведенном выше уравнении, известно, то уравнение можно умножить на соответствующий поправочный член, e ^-i( ^ϕ ^d( ^ω ⁾⁾. Таким образом получается компонент истинного сигнала с компенсацией дисперсии, тогда как, в то же время, компонент артефакта будет испытывать связанный с дисперсией удвоенный сдвиг по фазе.

Если модифицированную таким образом спектрограмму подвергнуть вышеописанной обработке, полоса истинного сигнала больше не будет выглядеть размытой, тогда как ее артефакт будет размыт даже сильнее по причине большего дисперсионного члена. Как проиллюстрировано на фиг. 3с, истинный сигнал, таким образом, становится отличимым от его артефакта. Соответствующая дальнейшая обработка, например, посредством методик DEFR-OCT, таким образом, может позволить отделить, или отфильтровать, сопряженные полосы одну от другой.

В качестве необходимого условия вышеописанной обработки, различные способы определения ϕ _d (ω) для данной установки и его использование в связи с NDC были описаны, например, Wojtkowski и др.: "Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation", в Optics Express, vol. 12, no. 11, 2004, pp. 2404-2422, и Marks и др.: "Autofocus algorithm for dispersion correction in optical coherence tomography", в Applied Optics, vol. 42, no. 16, 2003, pp. 3038-3046. Для настоящего изобретения наиболее преимущественным оказался итеративный способ Wojtkowski и др., описанный в разделе 2 приведенной публикации. Более того, можно показать, что для большинства практических применений достаточно определить ϕ _d (ω) лишь единожды, в начале каждого применения ОСТ, после того, как устройство и образец стали находиться на одной линии.

В дальнейшем также было обнаружено, что DEFR-OCT может по-прежнему обеспечивать точные результаты даже в присутствии в установке сравнительно большого и/или неоднородного дисбаланса дисперсии. Это применимо, в частности тогда, когда используется итеративная фильтрация компонентов истинного сигнала от их артефактов. Предпочтительный способ такого рода описан, например, Hofer и др.: "Fast dispersion encoded full range optical coherence tomography for retinal imaging at 800 nm and 1060 nm", в Optics Express, vol. 18, no. 5, 2010, pp. 4898-4919. Дальнейшие методики DEFR описаны, например, Koettig и др.: "An advanced algorithm for dispersion encoded full range frequency domain optical coherence tomography", в Optics Express, vol. 20, no. 22, 2012, pp. 24925-24948.

Для настоящего изобретения наиболее преимущественной оказалась описанная комбинация конкретных алгоритмов NDC и DEFR. Однако должно быть ясно, что отклонения от вышеупомянутых методик также могут быть пригодны для обеспечения приемлемых результатов.

В дальнейшем также было обнаружено, что описываемая методика DEFR-OCT хорошо подходит для дисбаланса дисперсии, так как он, как правило, является результатом сборки оптических компонентов интерферометрической установки без специального согласования дисперсий. Поэтому нет необходимости в создании элементов или в предприятии каких-либо иных мер предосторожности для выравнивания дисперсии в двух плечах на любой стадии изготовления/сборки устройства 200 ОСТ. Каждое из плеч, опорное плечо и предметное плечо, таким образом, содержит оптический узел, вносящий отдельную величину дисперсии в проходящее через него световое излучение. Так как балансировка дисперсии не является необходимой ни на одной из стадий процесса изготовления устройства 200 ОСТ, ни одна комбинация, или сборочная единица, дисперсивных оптических компонентов в каждом из двух плеч не будет вносить одинаковую величину дисперсии в это плечо, равно как и, соответственно, любая сборочная единица дисперсивных оптических компонентов в другом плече.

В то же время, предложенный алгоритм DEFR-OCT требует для получения удовлетворительных результатов некоторой минимальной разности в дисперсии между двумя плечами. В экспериментах было обнаружено, что благоприятная величина дисбаланса в дисперсии соответствует дисперсии, вносимой 1 см или более прозрачного материала, такого как стекло, волоконная оптика или прозрачная пластмасса. Благоприятная величина дисперсии, таким образом, естественным образом получается уже при традиционном использовании для предметного луча таких оптических компонентов, как линза объектива или коллиматор. Так как требуемая разность дисперсии, таким образом, является естественным побочным продуктом изготовления устройства 200 ОСТ, настоящая методика дополнительно облегчает сооружение устройства 200 ОСТ.

В альтернативном варианте, требуемой разности в дисперсии можно добиться, изменяя другие оптические компоненты, например, длину оптических волокон, используемых в опорном плече и/или в предметном плече.

Настоящее изобретение не только облегчает производство нового устройства ОСТ; оно также делает возможным удобное переконфигурирование традиционного, т. е. сбалансированного, устройства ОСТ, для того чтобы оно становилось используемым для DEFR-OCT.

На фиг. 4 показана схема последовательности операций одного из примерных вариантов осуществления способа 400 изготовления устройства для оптической когерентной томографии в соответствии с настоящим изобретением.

Способ 400 включает в качестве первого этапа 410 создание первого плеча, содержащего первый дисперсивный оптический узел, вносящий первую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через первое плечо, при этом первое плечо составляет одно из плеч интерферометра - предметное плечо или опорное плечо. Аналогично, в качестве второго этапа 420 способ 400 включает этап создания второго плеча, содержащего второй дисперсивный оптический узел, вносящий вторую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящего через второе плечо, при этом второе плечо составляет другое из плеч - предметное плечо или опорное плечо, при этом вторая величина дисперсии является по существу равной первой величине дисперсии. Способ 400 также включает создание замещающего оптического компонента, этап 430, и модификацию одного из плеч - первого или второго, путем замещения по меньшей мере одного оптического компонента в одном из плеч - первом или втором - замещающим оптическим компонентом, для того чтобы посредством этого изменить величину дисперсии этого одного из плеч, первого или второго плеча. Наконец, способ 400 включает создание блока обработки, выполненного с возможностью обработки сигнала интерферометрии для выполнения оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном, при этом сигнал интерферометрии характеризует наложение светового излучения из модифицированного и другого из плеч - первого или второго, этап 450.

Способ 400, показанный на фиг. 4, таким образом, описывает, например, то, каким образом можно сделать пригодным для оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном традиционное устройство ОСТ, в котором опорное плечо и предметное плечо имеют по существу одинаковую дисперсию. В соответствии со способом 400, переконфигурирование достигается путем замещения оптического компонента эквивалентом, имеющим отличающуюся дисперсию, и, таким образом, умышленного обращения предыдущей балансировки дисперсии. В дополнение, процессорный блок, пригодный для подвергания полученной спектрограммы OCT с закодированным в дисперсии широким диапазоном предусматривается либо путем добавления соответствующего процессорного блока к этому устройству, либо путем переконфигурирования существующего процессорного блока для оценивания получаемого сигнала соответствующим образом.

На фиг. 5 показан один из примерных вариантов осуществления способа 400 в приложении к устройству 100 по фиг. 1.

Как было описано ранее в связи с фиг. 1, в устройстве 100 ОСТ опорное плечо и предметное плечо были сбалансированы в отношении их дисперсии посредством компенсационного элемента 132. Конкретнее, устройство 100 ОСТ по фиг. 1 предусматривает первое плечо, содержащее первый дисперсивный оптический узел, и второе плечо, содержащее второй дисперсивный оптический узел, при этом величина дисперсии, вносимой в первом плече, по существу равна величине дисперсии, вносимой во втором плече. На фиг. 5 также показано, каким образом, в соответствии с настоящим изобретением, предусматривается замещающий оптический компонент 530, 520 и одно из двух плеч модифицируется путем замещения по меньшей мере одного оптического компонента 130, 120 в этом плече замещающим оптическим компонентом 530, 520.

В примере, показанном на фиг. 5, замещаемым оптическим компонентом может являться зеркало 130 опорного луча или светоделитель 120. Соответственно, зеркало 130 опорного луча замещают дисперсивным многослойным зеркалом 530, а плоский светоделитель 120 замещают кубическим светоделителем 520, так что, как показано на фиг. 5, путем показанных замещений главным образом изменяется дисперсия в опорном плече. В альтернативном варианте, пригодным компонентом, который мог бы служить функции, аналогичной первоначальному компоненту, в то же время вносящим отличающуюся величину дисперсии в соответствующее плечо, можно заместить любой другой компонент в любом из двух плеч.

Кроме того, устройство 500 ОСТ по фиг. 5 также содержит детектор 550 и блок 560 оценивания, при этом последний содержит центральный процессор 562, блок 564 памяти и является выполненным с возможностью обработки спектральной интерференционной информации в соответствии с алгоритмом ОСТ с закодированным в дисперсии широким диапазоном.

Преимущественно, оптический компонент, подлежащий замещению, включает зеркало, светоделитель, линзу объектива, коллиматор, оптическое волокно или волоконные решетки Брэгга. При необходимости, однако, настоящую методику также можно реализовать путем замещения любого другого оптического компонента устройства ОСТ, если это замещение подходит для изменения разности в дисперсии между плечами интерферометра.

Предпочтительно, замещение оптического компонента в данном устройстве ОСТ в соответствии с настоящей методикой не делает необходимой повторную юстировку этого устройства по причине изменившейся длины оптического пути в любом из плеч. В частности, может быть предпочтительно, чтобы изменение длины оптического пути не было больше глубины сканирования устройства ОСТ. Однако, в случае необходимости, может быть выполнена соответствующая адаптация любого из двух плеч к изменившейся в соответствии с замещением оптического компонента длине оптического пути. В этом случае, способ 400 по фиг. 4 также будет включать этап адаптации длины оптического пути по меньшей мере в одном из двух плеч.

Настоящее изобретение было описано в связи с конкретной методикой оценивания, которая стала известна как OCT с закодированным в дисперсии широким диапазоном. Однако должно быть очевидным, что изобретение с равными или аналогичными преимуществами можно использовать в связи с любой сравнимой методикой, доступной в настоящее время или в будущем.

Claims

1. Устройство для оптической когерентной томографии, содержащее:

источник светового излучения;

первое плечо, содержащее первый дисперсивный оптический узел, вносящий первую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через первое плечо, при этом первое плечо составляет одно из плеч интерферометра - предметное плечо или опорное плечо;

второе плечо, содержащее второй дисперсивный оптический узел, вносящий вторую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через второе плечо, при этом второе плечо составляет другое из плеч - предметное плечо или опорное плечо, при этом вторая величина дисперсии больше первой величины дисперсии, при этом для любого подблока из одного или нескольких оптических элементов второго дисперсивного оптического узла величина дисперсии, вносимая указанным подблоком в световое излучение, проходящее через второе плечо, отличается от первой величины дисперсии, вызывая дисбаланс дисперсии;

блок обработки, выполненный с возможностью обработки сигнала интерферометрии для выполнения оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном в отсутствие точного знания дисбаланса дисперсии, при этом сигнал интерферометрии характеризует наложение светового излучения из первого плеча и светового излучения из второго плеча.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вторая величина дисперсии больше первой величины дисперсии на величину, соответствующую величине дисперсии, вносимой в световое излучение от источника светового излучения прозрачным материалом толщиной по меньшей мере 1 см.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что один или несколько оптических элементов второго дисперсивного оптического узла содержат по меньшей мере одно из следующего: зеркало, светоделитель, линзу объектива, коллиматор, оптическое волокно или волоконные решетки Брэгга.

4. Способ изготовления устройства для оптической когерентной томографии, содержащий этапы:

обеспечения первого плеча, содержащего первый дисперсивный оптический узел, вносящий первую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через первое плечо, при этом первое плечо образует одно из плеч интерферометра - предметное плечо или опорное плечо;

обеспечения второго плеча, содержащего второй дисперсивный оптический узел, вносящий вторую величину дисперсии в световое излучение, приходящее от источника светового излучения и проходящее через второе плечо, при этом второе плечо образует другое из плеч - предметное плечо или опорное плечо, при этом вторая величина дисперсии по существу равна первой величине дисперсии;

обеспечения замещающего оптического компонента;

модификации одного из плеч из первого или второго, путем замещения по меньшей мере одного оптического компонента в одном из плеч из первого или второго, замещающим оптическим компонентом, для того чтобы посредством этого изменить величину дисперсии этого одного из плеч из первого или второго; и

обеспечения блока обработки, выполненного с возможностью обработки сигнала интерферометрии для выполнения оптической когерентной томографии с закодированным в дисперсии широким диапазоном в отсутствие точного знания дисбаланса дисперсии, при этом сигнал интерферометрии характеризует наложение светового излучения из модифицированного и другого из плеч из первого или второго.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что этап модификации включает замещение замещающим оптическим компонентом по меньшей мере одного из следующего: зеркала, светоделителя, линзы объектива, коллиматора, оптического волокна или волоконных решеток Брэгга.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что на этапе модификации замещение по меньшей мере одного оптического компонента не вызывает увеличения средней разности длин оптического пути между опорным плечом и предметным плечом более чем на глубину сканирования устройства для оптической когерентной томографии (ОСТ).

7. Способ по любому из пп. 4-6, отличающийся тем, что включает этап адаптации по меньшей мере одного из плеч из первого или второго к длине оптического пути, изменившейся в соответствии с замещением по меньшей мере одного оптического компонента.