用于低相干干涉测量的分布式延迟线的制作方法

技术领域

本发明的实施例涉及用于光学相干断层扫描系统的分布式延迟线的设计及使用方法。

背景技术：

光学相干断层扫描(OCT)是一种医学成像技术，该技术借助于宽带光源和干涉测量检测系统来提供具有高轴向分辨率的深度分辨信息。OCT已经发现了很多应用，从眼科和心脏科到妇科和生物组织的体外高分辨率研究。

传统上，OCT中的轴向信息通过干涉测量方法获得。时域光学相干断层扫描(TD-OCT)在干涉测量检测系统中利用随时间改变的可变路径长度。因此，TD-OCT系统中的一个元件可以是可变延迟线，可变延迟线可以被用于执行在样本内的深度扫描(或轴向扫描)。一些公开已经描述了延迟线的实现方式，这些延迟线能够针对它们在OCT中的使用以高扫描速度提供必要的延迟变化范围。

例如，通过引用整体上并入本文的WIPO专利申请公开No.2013/001032 A1描述了一种提出的多路复用方案，该方案通过在至少一条路径中使用调制器而将光分散到具有不同长度的路径中，以便在频率信道中将它们分离。以这种方式，轴向扫描距离增加，从而避免了在可变延迟部件中的后续扫描增加。

如同其它实现方式(诸如机械或电光延迟线)那样，系统的带宽可以在扫描速度方面限制OCT的性能。在接近带宽边缘的频率处进行的相位和幅度调制引起非线性行为。在热光调制器的特定情况下，在较高频率处的相位调制沿温度变化生成不均匀的光学相位响应。因此，频率响应将经历变宽。

频率响应的这种变宽使滤波处理复杂化，因为相邻的信道也将被滤波，从而生成伪影和双重图像。此外，为了恢复所有的扫描信息，必须增加检测带宽。遗憾的是，噪声随着检测带宽的增加而增加，因此图像质量或信噪比(SNR)降低。

利用线性(但较低调制)频率区域工作使频谱信道分离复杂化，因为滤波器的阶数必须高。缩放(scaling)整个系统使得延迟线频率和调制器的频率降低，产生差的帧速率性能。尽管在过去十年期间在OCT仪器上已经取得显著改进，但是主要致力于成像速度和质量，而降低系统的成本、尺寸和复杂性的进展仅仅是有增加。这被认为是阻止在除眼科的完善应用以外的新兴临床应用中更广泛地采用OCT的主要因素之一。OCT成像引擎的进一步小型化具有促进技术的广泛采用以及开创新的应用范围的潜力。

技术实现要素：

为了克服上面提到的问题，借助于频率多路复用提出了基于可变延迟线的调制方案。这种多路复用是通过保持一个调制频率但是每个信道具有不同的扫描范围和速度来执行的。这里给出的TD-OCT系统使用将延迟线的扫描范围多路复用到不同的频谱带中的调制方案。调制方案可以允许与单个延迟线元件相比的功耗降低，因为相同的调制图案被用于若干信道。

在一个实施例中，光学相干断层扫描系统可以包括：光源，被配置为提供辐射束；光学元件，被配置为朝着样本臂指引辐射束的第一部分并且朝着参考臂指引辐射束的第二部分；以及检测器，被配置为从样本臂和参考臂接收辐射束的第一部分和第二部分，其中参考臂包括多个级，每个级具有固定群延迟元件和群延迟调制器，其中群延迟元件和群延迟调制器被配置为引入群延迟，使得辐射束的与独特的轴向扫描深度范围对应的第一部分与辐射束的第二部分进行干涉。

在另一个实施例中，光学相干断层扫描系统可以包括：光源，被配置为提供辐射束；光学元件，被配置为朝着样本臂指引辐射束的第一部分并且朝着参考臂指引辐射束的第二部分；以及检测器，被配置为从样本臂和参考臂接收辐射束的第一部分和第二部分，其中样本臂包括多个级，每个级具有固定群延迟元件和群延迟调制器，其中群延迟元件和群延迟调制器被配置为引入群延迟，使得辐射束的与独特的轴向扫描深度范围对应的第一部分与辐射束的第二部分进行干涉。

在另一个实施例中，光学相干断层扫描系统可以包括：光源，被配置为提供辐射束；光学元件，被配置为朝着样本臂指引辐射束的第一部分并且朝着参考臂指引辐射束的第二部分；以及检测器，被配置为从样本臂和参考臂接收辐射束的第一部分和第二部分，其中样本臂和参考臂中的一个包括第一多个级，每个级具有固定群延迟元件，并且样本臂和参考臂中的另一个包括第二多个级，每个级具有群延迟调制器，并且其中每个固定群延迟元件和群延迟调制器被配置为引入群延迟，使得辐射束的与独特的轴向扫描深度范围对应的第一部分与辐射束的第二部分进行干涉。

在另一个实施例中，用于光学相干断层扫描的分布式延迟线可以包括：第一级，具有第一光学耦合器，第一光学耦合器被配置为接收输入辐射束并将输入辐射束分配到第一光学路径和第二光学路径上；在第一光学路径上的第一群延迟元件，该第一群延迟元件被配置为在输入辐射束的第一部分上引入第一群延迟；以及在第一光学路径上的第一调制器，该第一调制器被配置为修改在输入辐射束的第一部分上引入的第一群延迟；以及耦合到第一光学路径和第二光学路径的第二级，第二级具有第二光学耦合器，第二光学耦合器被配置为接收输入辐射束的第一部分和第二部分并将输入辐射束的第三部分和第四部分分配到第三光学路径和第四光学路径上，其中输入辐射束的第三部分和第四部分中的每个是输入辐射束的第一部分和第二部分的组合；在第三光学路径上的第二群延迟元件，该第二群延迟元件被配置为在输入辐射束的第三部分上引入第二群延迟并且第二群延迟不同于第一群延迟；以及在第三光学路径上的第二调制器，该第二调制器被配置为修改在输入辐射束的第一部分上引入的第二群延迟。

用于光学相干断层扫描的分布式延迟线可以包括：第一级，具有第一光学耦合器，第一光学耦合器被配置为接收输入辐射束并将输入辐射束分配到第一光学路径和第二光学路径上；在第一光学路径上的第一群延迟元件，该第一群延迟元件被配置为在输入辐射束的第一部分上引入第一群延迟；以及在第二光学路径上的第一调制器，该第一调制器被配置为调制在输入辐射束的第二部分上引入的群延迟；以及耦合到第一光学路径和第二光学路径的第二级，第二级具有第二光学耦合器，第二光学耦合器被配置为接收输入辐射束的第一部分和第二部分并且将输入辐射束的第三部分和第四部分分配到第三光学路径和第四光学路径上，其中输入辐射束的第三部分和第四部分中的每个是输入辐射束的第一部分和第二部分的组合；在第三光学路径上的第二群延迟元件，该第二群延迟元件被配置为在输入辐射束的第三部分上引入第二群延迟并且第二群延迟不同于第一群延迟；以及在第四光学路径上的第二调制器，该第二调制器被配置为修改在输入辐射束的第四部分上引入的第二群延迟。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且与说明书一起进一步用于解释本发明的原理并且使相关领域的技术人员能够制作并使用本发明。

图1例示了根据一个实施例的反射型OCT系统的框图。

图2例示了用于实现所提出的调制方案的多级网络的示例。

图3例示了根据延迟线调制方案的实施例的示例。

图4例示了FDM信道的扫描深度和频谱的示例实施例。

图5例示了根据一个实施例的透射型OCT系统的框图。

图6例示了用于实现所提出的调制方案的多级网络的另一个示例。

将参考附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

尽管讨论了具体的配置和布置，但应当理解的是，这仅仅是出于例示的目的而进行的。相关领域的技术人员将认识到的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其它配置和布置。对于相关领域的技术人员来说清楚的是，本发明也可以在各种其它应用中采用。

要注意的是，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特点、结构或特征，但是每个实施例可以不是必须包括该特定的特点、结构或特征。而且，这种短语不是必须指代相同的实施例。另外，当结合实施例描述特定的特点、结构或特征时，无论是否明确描述，结合其它实施例来实现这种特点、结构或特征将在本领域技术人员的知识范围内。

本文描述的实施例提供了用于对干涉测量设备内的辐射束引入群延迟的系统和方法。例如，干涉测量设备可以使用低相干干涉测量(诸如光学相干断层扫描(OCT))来提供样本内不同深度处的图像数据。改变光的群延迟与改变所研究的样本内的扫描深度对应。尽管本文描述的实施例主要针对用于轴向扫描的调制方案，但是这些实施例也可以与已知的横向扫描系统组合，以生成3D体积图像。

在本文描述的各种实施例中，通过控制对辐射束进行引导的波导材料的折射率来改变群延迟。这可以例如通过使波导段在至少一个区域上执行多次通过来实现，在该至少一个区域中，折射率可以通过有源(active)温度改变来控制，使得由加热元件产生的热量被重复使用。但是，单次通过系统可以替代地与本文描述的实施例一起使用。除了生成热梯度以外的其它技术也可以用来控制折射率。

图1例示了包括光源102、分路元件104、样本臂106、参考臂108、可变延迟系统112和检测器114的OCT系统101。在所示的实施例中，可变延迟系统112位于参考臂108内。但是，应当理解的是，可变延迟系统112可以代替地位于样本臂106中。样本臂106中的简单延迟线可以利用递送到样本并从样本反射的光。在一个示例中，样本臂106和参考臂108包括光波导，诸如图案波导或脊形波导，或者光纤。

根据一个实施例，利用可变延迟系统112的OCT系统101被用于对样本110进行成像。可变延迟系统112可以用于向OCT系统101内的光提供可变延迟。从样本110反射并由可变延迟系统112重新调谐(retune)的光可以被处理，以形成样本的高分辨率图像(诸如高分辨率三维体积图像)。在本文中，术语“电磁辐射”、“光”和“辐射束”全都被用于描述传播通过各种所述元件和系统的相同电磁信号。

在一个实施例中，OCT系统101的所有部件都被集成到平面光波电路(PLC)上。在另一个实施例中，至少可变延迟系统112内的所有部件都被集成在PLC的相同基板上。也可以考虑其它实现方式，诸如，例如光纤系统、自由空间光学系统、光子晶体系统等等。

应当理解的是，OCT系统101可以包括任何数量的其它光学元件(为了清楚起见，未示出)。例如，OCT系统101可以包括沿着样本臂106或参考臂108的路径的反射镜、透镜、光栅、分路器、微机械元件等等。OCT系统101可以包括各种调制元件，各种调制元件被配置为抑制在非有源光学路径中生成的干扰信号的贡献。在另一个示例中，OCT系统101可以包括MEMS(微机电系统)，MEMS向射束应用附加的物理横向扫描。光的路径中的光学元件可以通过借助于微制造技术集成的机电致动器(例如，基于热膨胀、压电力或静电力)来移位。

分路元件104被用于将从光源102接收的光指引到样本臂106和参考臂108两者。分路元件104可以是例如双向耦合器、光学分路器或者将单束光转换成两束或更多束光的任何其它调制光学器件。

沿样本臂106行进的光最终撞击到样本110上。样本110可以是待成像的任何合适的样本(诸如组织)。在OCT过程期间，光在样本110内的某个深度处扫描并且所散射的辐射被收集回到样本臂106中。在另一个实施例中，所散射的辐射被收集回到与发送波导不同的波导中。扫描深度可以经由在可变延迟系统112内强加于光上的延迟来选择。可变延迟系统112可以包括一个或多个多路复用单元，其中每个单元在多个光学信道之间区分光。本文讨论关于各种多路复用单元的更多细节。

样本臂106和参考臂108内的光在于检测器114处被接收之前被重新组合。在所示的实施例中，光由分路元件104重新组合。在另一个实施例中，光在不同于分路元件104的光学耦合元件处被重新组合。

OCT系统101可以提供不同部件中所需的延迟的分布，从而将轴向扫描分段成频分多路复用(FDM)信道。因此，OCT系统101可以同时在多个轴向深度处扫描样本。因此，OCT系统101可以为TD-OCT可变延迟部件优化带宽和最大延迟。在一个实施例中，光源102提供宽带光并且可变延迟系统112将检测到的信号的电谱分离成在独特的轴向扫描深度范围和独特的频率范围处轴向扫描样本的独特的信道。

OCT系统可以被配置为反射型系统或者透射型系统。图1中所示的OCT系统101被配置为反射型系统，即，检测光是从样本反射的光。可替代地，类似的OCT系统501可以被配置为透射型系统，即，检测光是透射通过样本的光，如图5中所示。类似于图1中所示的反射型配置，图5的透射型配置例示了包括光源502、第一分路元件504、样本臂506、参考臂508、可变延迟系统512和检测器514的OCT系统501。此外，OCT系统501可以包括第二分路元件505，以将透射光和来自可变延迟系统512的光指引到检测器514。如上所述的反射型OCT系统101的各种细节和替代方案(以及下面描述的那些)分别适用于透射型OCT系统501。

图2例示了n个级的示例频域调制方案。这里给出的调制方案主要涉及参考臂，但是可以在样本臂中使用类似的做法。每一级可以包括耦合器216、群延迟元件218和群延迟调制器220。这些级耦合在一起，以形成干涉测量网络。干涉测量网络将轴向扫描范围划分成2ⁿ个信道。每一级可以具有不同的延迟Δ_n，使得样本臂中的可变延迟线可以在不同深度处与参考臂相长地干涉。改变光的群延迟与改变所研究的样本内的扫描深度对应。如果这些级被串联布置，那么单个级或部分所需的延迟远小于使用这种体系架构和调制方案的整个系统延迟所需的延迟。因此，示例性调制方案允许调制器带宽优化。

在一个实施例中，施加到群延迟调制器220的相位调制信号的频率全都相同并且等于施加到样本臂中的延迟线中的频率。但是，这种相位调制信号必须相对于样本臂信号反转，因为它们在轴向扫描中的作用(effect)的方向是相反的。因此，根据图2中所示的调制器方案，获得2ⁿ个信道的频域调制方案(其中n是调制器级或调制器部分的数量)。

在实施例中，耦合器216可以是光学耦合器(诸如2×2光纤光学耦合器)。在一个示例中，三个耦合器可以被串联使用，以用于总共八个信道。每个信道可以被用于在不同的轴向深度处扫描样本。来自每个信道的信息可以被提取并处理，以形成样本的图像。

群延迟元件218在每一级中将群延迟添加到光学路径的其相应部分。具有期望延迟的光信道可以然后通过沿着光学路径将适当的延迟加到一起来形成。在一个实施例中，由群延迟元件218引入的群延迟是固定的。群延迟调制器220引起每一级中的群延迟的相对改变，使得特定光学路径的群延迟元件和群延迟调制器的组合效应与样本中的不同的轴向扫描深度对应。其目标是产生多个可能的光信道，每个光信道具有独特的总群延迟。以这种方式，可以在OCT系统中实现期望的群延迟，以在不移动零件的情况下对不同深度成像。

在示例中，使用特征频率来调制这些光信道中的每一个。群延迟元件218可以以各种适当的方式实现，诸如通过包括不同长度的波导段以物理地增加特定光学路径的长度。在一个实施例中，每个群延迟元件218引起独特的群延迟，并且群延迟元件218以增大或减小的次序布置。在一个实施例中，群延迟调制器220可以是热光调制器。例如，热光调制器可以是在WIPO专利申请公开No.2013/001032A1中描述的类型，该专利申请通过引用整体上并入本文。这种热光调制器可以通过改变携带辐射束的波导的折射率来调制辐射束。

尽管图2的调制方案的示例示出了在每一级中在相同的光学路径上的固定群延迟元件218和可变群延迟调制器220，但是群延迟元件218可以处于与群延迟调制器220分离的光学路径中。例如，图6例示了用于实现所提出的调制方案的多级网络，其中群延迟调制器620和固定群延迟元件618在OCT系统的每一级中的不同路径中。固定群延迟元件618位于在参考臂中光学串联耦合的第一组路径中，而群延迟调制器位于在样本臂中光学串联耦合的第二组路径中。

图3例示了延迟线调制方案的示例实施例，其中群延迟(τ_g)由三级调制方案的示例实施例得到。来自样本臂延迟线和参考调制器1至参考调制器3的延迟波形在右侧绘出。在这个示例中，样本延迟线在空气中扫描高达156.25μm，而调制器延迟从19.53μm到78.12μm变化。为了保持均匀的多普勒频率分离，信道之间的延迟增加可以是均匀的。如上面所解释的，参考臂中的调制器波形可以相对于样本臂中的调制器波形反转。在图3左侧的曲线图例示了作为样本臂和参考臂扫描的组合的结果的有效群延迟。最大群延迟贡献来自样本臂中的延迟元件。而附加的群延迟贡献来自参考臂中的三个调制级。三级调制方案创建了具有八个不同多普勒频率的八个不同信道。

示例调制器的延迟量值被选择为使得信道的多普勒频率足够远离，以在稍后的处理步骤中被分离。否则，信道间串扰会劣化OCT系统的图像质量。多普勒频率与图3中示出的群延迟的斜率相关。在一些实施例中，信道分布可以是其中每个调制器的延迟幅度应大于前一个调制器的延迟幅度的两倍的分布。

在图3的一个实施例中，施加到调制器的可变延迟范围在一些生成的信道中创建扫描重叠。这意味着样本的特定深度可以被多个信道扫描。尽管有能量效率的损失，但是信道之间的重叠可以被用于通过对重叠信号求平均来提高信噪比(SNR)。

图4示出了FDM信道的扫描深度和频谱。在一个实施例中，(以多普勒频率)较高的信道与较低的信道相比具有更大的分离。除了增加每个信道的中心频率之外，调制还增加了带宽。因为检测带宽增加，所以较高频率的信道贡献较高的噪声。因此，与较低频率的信道相比，较高频率的信道将示出较低的信噪比(SNR)或图像质量。因此，一个实施例可以对于较深的区域使用低频信道并且对于较浅的区域使用高频信道，以均衡整体图像质量。可替代地，一个实施例可以对于较深的区域使用高频信道并且对于较浅的区域使用高频信道。

应当认识到的是，具体实施方式部分而不是发明内容部分和说明书摘要部分旨在用于解释权利要求。发明内容和说明书摘要部分可以阐述(一个或多个)发明人所设想的本发明的一个或多个但不是全部示例性实施例，并且因此不旨在以任何方式限制本发明和所附权利要求。

以上已经借助于功能构建块描述了本发明的实施例，其中功能构建块例示了具体功能及其关系的实现方式。为了便于描述，本文已经任意定义了这些功能构建块的边界。只要指定的功能及其关系被适当地执行，就可以定义替代边界。

以上对具体实施例的描述将如此充分地揭示本发明的一般性质，使得其他人可以在不背离本发明的一般概念的情况下通过应用本领域技术范围内的知识来容易地修改和/或适应这些具体实施例的各种应用，而无需过度实验。因此，基于本文给出的教导和指导，这种适应和修改旨在所公开的实施例的等同物的含义和范围内。应当理解的是，本文的措辞或术语是出于描述的目的而不是限制，使得本说明书的术语或措辞由技术人员依据教导和指导来解释。

本发明的广度和范围不应当受任何上述示例性实施例的限制，而是应当仅根据下面的权利要求及其等同物来定义。