敏捷成像系统的制作方法【专利说明】[0001]相关申请的交叉引用[0002]本申请要求2012年7月27日提交的目前未决的美国临时专利申请No.61/676,876的权益。美国临时专利申请61/676,876的公开和全部指导通过引用结合到本发明中。
技术领域：
[0003]本发明涉及光学相干断层扫描（OpticalCoherenceTomography，0CT)成像领域。【
背景技术：
】[0004]光学相干断层扫描（0CT)是一种非侵入的干涉光学成像技术，其能产生组织和其它散射或反射材料的微米分辨率2D和3D图像。0CT常常用于生物医学成像或材料检验。在1991年第一个示范用于人眼和冠状动脉的成像，由此0CT被确定为诊断和监控眼病治疗的临床标准。0CT也用于血管内的血小板成像以评估心脏病，癌活组织检查成像，发展生物学研宄，艺术品保藏，工业检查，度量衡学，和质量保证。通常地，0CT可用于受益于表层下成像、表面轮廓形成、运动表征、流体流动表征、折射率测量、双折射表征、散射表征或距离测量的应用。[0005]光学相干断层扫描使用干涉图来确定样品的空间相关的特性，所述干涉图是通过将来自样品的光背面散射或背反射与来自基准臂的光结合而获得的，如图1A所示。时域OCT(TDOCT)成像原理用于第一种示范和0CT的民用产品。然而，已经知道TD0CT对于获取0CT数据是慢的技术。傅立叶域OCT(FD-OCT)使比TD0CT快几个数量级的成像速度成为可能并且已成为当前研宄和商用的标准的。可用宽频带光源、干涉计、分光计和线扫描相机来实现傅立叶域0CT，被称为频域OCT(SD-OCT)，如图1B所示。扫描光横跨样品（图1C)允许收集完整的反射率对深度分布曲线，称为A扫描（图1D)，用于每一个检查点。依次扫描和组合获取的A-扫描允许形成2D图像，称为B-扫描（图1E)。通过在两个方向上横跨样品的扫描也形成了3D体积（图1F)。还可以用席卷波长光源、干涉计、检测器和模拟数字转换器（A/D)来实现傅立叶域0CT，称为扫频光源OCT(SS-OCT)或光频域成像（0FDI)，如图2A和2B所示。对于本发明的目的，扫频光源0CT和0FDI是等效的。傅立叶域0CT的这两个变种，频域0CT和扫频光源0CT，代表了成像技术的现有状态。[0006]频域0CT随着成像深度的增加会遭受0CT灵敏度的固有的和成问题的损耗，常常被称为灵敏度滚降、灵敏度失落或灵敏度下降。0CT灵敏度随着深度增加的损耗是由，分光计分辨率限制造成的干涉条纹可见度减少、在像素宽度上集成多个波长，以及像素间的串扰等而导致的，如Hu，Pan,和Rollins在应用光学Vol.46,No.35,pp.8499-8505上发表的论文''Analyticalmodelofspectrometer-basedtwo-beamspectralinterferometry,"和Bajraszewski等人在光学快报Vol.16,No.6,pp.4163-4176,2008上发表的论文''Improvedspectralopticalcoherenceomographyusingopticalfrequencycomb,〃所述的。[0007]Hu和Rollins在光学快报Vol.32,No.24,pp.3525-3527,2007上发表的论文''Fourierdomainopticalcoherencetomographywitha1inear-in-wavenumberspectrometer"教导了使用特别设计的棱镜使分光计的频谱分散按波数线性化。按波数的频谱线性化结果改善了信号随成像范围的衰落，其是谱域光学相干断层扫描成像固有的。虽然有改善，但灵敏度随成像深度的损耗仍是严重的，尤其当为了获得精细的0CT轴向分辨率而使用宽的光谱带宽源时。[0008]Bajraszewski等人在光学快报Vol.16,No.6,pp.4163-4176,2008上发表的论文''Improvedspectralopticalcoherencetomographyusingopticalfrequencycomb〃教导了在频域〇CT系统中使用Fabry-Perot光频梳来减少深度相关的灵敏度下降。该方法有若干严重的缺点。频率梳的插入减小了光强度等级，其包括基线0CT灵敏度。该方法也需要积极地调谐光频梳并且对每一个A-扫描进行多个分光计测量以填充由Fabry-Perot滤波器过滤的频谱数据内容中的间隙。实际上，示出了四个相机曝光来使0CT成像，其导致了在0CT成像速度方面的严重减少。[0009]各种所谓的"全范围"或"复共轭的"方法已被建议来扩展成像范围并帮助减缓与频域0CT相关的灵敏度滚降的问题。这些方法未完全抑制图像中的复共轭的人工产物，需要大量的计算，并且常常需要多重采集来构造每一个A-扫描，因此不适合于高动态范围和高速0CT采集。另外，由于线扫描相机速度方面的限制，用频域0CT最大的成像速度局限于几百千赫A-扫描速率。这些固有特性和不足结合起来说明频域0CT不是用于长射程的、高速和高动态范围成像的技术选择。[0010]扫频光源0CT使用波长扫频激光器作为光源并使用带高速A/D转换器的检测器来采样干涉0CT信号。扫频光源0CT的灵敏度滚降性能通常显著地好于频域0CT。扫频光源0CT而且已经实现了比频域0CT更高的成像速度和更长的成像范围。[0011]许多不同的扫频激光器配置和波长调谐机构已经实现用于包括波长选择内腔滤波器或波长选择激光腔端部反射镜的扫频光源0CT。示例包括：振镜-光栅波长选择端部反射镜设计（Chinn,Swanson和Fujimoto,光学快报，Vol.22,No.5,pp.340-342,1997)、旋转多边形反射镜光栅滤波器设计（Yun等人，光学快报，Vol.28,No.20，pp.1981-1983,2003)、具有内腔波长选择性滤光器的光纤环形激光器（Huber等人，光学快报Vol.13,No.9,pp.3513-3528,2005)和基于短腔微机电系统（MEMS)滤波器的可调谐激光器（W02010/111795A1)。所有这些扫频激光器设计中，当滤波器被调谐时由放大式自发射(ASE)建立激光照射以致于光子往返时间是大的，并且与空腔效率和滤波器宽度，限定最大的扫频速度，在些速度上激光器可被扫频同时仍保持光学增益介质的完全饱和度。用这些技术扫频重复率通常有可能在几十千赫至小的数百千赫之间，但由于相对较长的光子往返时间该扫频速度仍基本上受限制的。[0012]美国专利申请号2006/0187537A1教导了不同的扫频源激光器工艺，称为傅立叶域模式锁定的（FDML)激光器。FDML激光器的工作原理可以实现更高的扫频速度。在FDML激光器中，长光纤圈用于容置波长扫频，并且在光放大之前或者之后滤波器与返回扫频波长同步地被调谐。该FDML方法减少了由ASE建造激光照射以获得高的基波扫频重复率（高达约500kHz轴向扫描速率）的需要。通过折转、延迟和多路复用该扫频，对于单个成像点可实现高达约5MHz轴向扫描速率的缓冲速度（Wieser等人，光学快报，Vol.18,No.14,2010)。典型的FDML激光器的严重的缺陷是大约4-10mm的短相干长度，其显著地限制OCT成像范围。[0013]在扫频光源0CT中，灵敏度滚降由该波长可调谐激光器源的相干长度限制，其由该激光器的瞬时的谱线宽度确定。在到此所描述的所有扫频激光器中，该激光器中的滤波器被设计来调谐多个激光器纵模。正如国际专利申请公开号W02010/111795A1和Huber等人在光学快报Vol.13,No.9,pp.3513-3528,2005上所教导的，按传统的扫频激光器设计的波长选择性滤光器跨越多个纵向的激光模式，以便获得高的扫描速度并防止由于跳模导致的激光功率下降和激光噪声。在FDML激光器情况下，设计相对宽的频谱的滤波宽度的原因与光纤圈中的频散有关，所述频散波长相关的往返时间，要求该滤波器要足够宽以在该光纤圈中由慢至最快波长全范围发射。无论什么原因需要使用跨越多个激光器纵模的宽滤波器，结果是激光器具有相对宽的瞬时谱线宽度，具有折衷的相干长度、0CT成像范围、和0CT灵敏度滚降。[0014]Adler等人在光学快报，Vol.19，No.21，pp.20931-20939,2011上发表的论文''ExtendedcoherencelengthFourierdomainmodelockedlasersat1310nm〃教导了通过增加啁啾光纤布拉格光栅频散补偿模块来改善光纤圈的频散特性而改善FDML激光器的相干长度的方法。获得了改进的激光相干性长度至大约21_以及使用向前和向后扫频的能力。[0015]至今几乎所有的实现方式中，频域0CT系统和扫频光源0CT系统均被设计成以固定的成像速度、固定的成像范围和固定的0CT轴向分辨率工作。通常，针对特定应用程序对整个0CT成像系统进行优化。[0016]通过引入具有可编程的速度和可编程的有效象元计数的高速CMOS线扫描相机技术，就可能权衡象元计数以增加频域0CT中的成像速度。[0017]Potsaid等人在光学快报，Vol.16,No.19,pp.15149-15169,2008上发表的论文''UltrahighspeedSpectral/domainOCTophthalmicimagingat70,000to312,500axialscanspersecond〃教导了以不同的配置用可调整的有效的象元计数使用频域OCT系统来获得：具有细致的轴向分辨率和平缓的0CT成像速度的长的成像范围、具有在更快成像速度上的细致的轴向分辨率的矮的成像范围，和具有在超快成像速度上的折衷轴向分辨率的短的成像范围。每种配置都针对灵敏度成像性能进行优化。该方法的严重的缺陷是对于多种配置和运转模式必须置换光源并且用不同的部件重建分光计。[0018]Povazay等人在SPIE会议录，vol.7139,pp.71390R-1-7,2008上发表的论文''High-SpeedHigh-ResolutionOpticalCoherenceTomographyat800and1060nm〃教导了使用具有固定光源的可编程的CMOS相机的OCT成像系统，其中在相机中使用的像素数量被减小以便通过缩短光谱获得更高的成像速度。该方法的严重的缺点是分光计未针对不同的工作模式对光源频带宽度进行再优化，如此对于更高速度成像光落入在未使用的像素上，存在关联的0CT灵敏度损耗。[0019]Gora等人在光学快报，Vol.17,No.17,pp.14880-14894,2009上发表的论文"Ultrahigh-speedsweptsourceOCTimagingofanteriorsegmentofhumaneyeat200kHzwithadjustableimagingrange〃教导了使用FDML激光器的扫频光源OCT成像系统，其权衡了0CT轴向分辨率与增益成像范围。该方法的缺点是FDML激光器必须运行在扫描频率的谐波上，如此该OCT成像系统的扫频重复率在无显著的重新配置情况下不能变化。[0020]已经开发出用于扫频光源0CT的新的扫频光源，其可克服与先前的0CT技术相关的许多上述限制。[0021]美国专利号当前第1页1 2 3 4 5