专利名称：光学相干断层图像摄像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学相干断层图像摄像设备及其方法，尤其涉及用于拍摄眼底和皮肤的截面的光学相干断层图像摄像设备及其方法。
背景技术：
近年来，实际使用了利用低相干光的光学相干技术的光学相干断层图像摄像(以下称为0CT)设备。OCT设备是医疗领域、特别是眼科领域中有用的设备。OCT设备可以提供眼底视网膜部分的断层图像，并且对于眼底部分的疾病诊断正变得必不可少。这里，将简要说明OCT的原理。将低相关光分成参考光和测量光。测量光入射至被检体，并且在断层图像摄像区域上被反射。使得所反射的返回光与参考光进行干涉。所获得的干涉光可以用于获取被检体的断层图像。OCT分为TD(时域)系统和FD(频域)系统这两类。FD-OCT系统是用于通过对从干涉光获得的干涉信号针对频率进行傅立叶变换来 获取断层图像的方法。因为与TD系统相比，FD-OCT系统能以较高的速度获取断层图像，所以FD-OCT系统是当前的主流。近年来，尝试提高分辨率以提高要获取的断层图像的质量。OCT分辨率分为作为测量光的沿光轴的分辨率的纵向分辨率和作为与光轴垂直的方向上的分辨率的横向分辨率。针对使用OCT的断层图像眼底测量，纵向分辨率对于识别层结构来说是重要的，并且层厚度对于判断眼部疾病很重要。OCT中的纵向分辨率主要由测量中使用的光的性能来确定。如果光的波长光谱是高斯分布，则纵向分辨率由以下表达式(I)表示。Ie=J+ (MJDL ■ AAf (表达式 I)这里，I。是表示为相干函数的半值宽度的纵向分辨率，λ ^表示光的中心波长，Δ λ表不光的波长宽度，以及Λ GDL表不OCT中的参考光学系统和测量光学系统之间的色散量的差。以上表达式假定波长光谱是高斯分布。如果光具有非高斯分布的光谱，则纵向分辨率相对于以上表达式劣化。然而，中心波长λ ^和光波长宽度Λ λ示出相同的变化，因而以上表达式不失一般性。从表达式(I)理解到可以通过以下来提高纵向分辨率(I)减小光中心波长；(2)增大光波长宽度；以及(3)使得干涉仪中的参考光学系统和测量光学系统之间的色散一致。眼科OCT系统使用近红外区域(具有850nm附近的波长)。因为光在视网膜中被吸收，所以可用波长带在低波长侧具有限制。因此，在眼科O CT系统所使用的波长带中，难以通过减小中心波长来提高纵向分辨率。此外，由于眼底部分前面的玻璃体的吸收损失以及传感器灵敏度的降低，该波长带在长波长侧也具有限制。
由此，考虑上述限制，可以通过⑵增大光波长宽度来提高纵向分辨率。事实上，随着近年来宽带低相干光的实际使用的进展，已经研究了通过(2)增大光波长宽度来提高纵向分辨率和临床价值(“Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain opticalcoherence tomography and methods for dispersion compensation，，，OPTICS EXPRESSVol. 12，No. 11，3IMay 2004，PP2404-2422)。这里，将说明色散补偿。OCT要求参考光路和测量光路的色散特性一致。将色散特性的一致化称为色散补偿。图8是示出利用OCT的在反射面上的深度方向上的两个强度分布的示意图一个分布具有色散补偿，一个分布没有色散补偿。虚线表示没有色散补偿的简化分布，以及实线表示具有色散补偿的简化分布。图8示出不充分的色散补偿降低了表示深度方向上的分辨率的相干函数强度，并且增大了半值宽度，从而使纵向分辨率劣化。日本特开2007-267927公开了使用水进行色散补偿的OCT系统。该OCT系统的特征在于，在参考光路侧放置填充有具有70%以上的含水量的介质的容器，并且以上介质可以抑制测量对象所引起的色散的影响。日本特开2007-267927还公开了可以使容器变形以 提供根据被检体的状态的色散补偿的技术。文献“Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherencetomography and methods for dispersion compensation”, OPTICS EXPRESS Vol. 12, No. I1，31May2004, PP2404-2422公开了利用希尔伯特变换、使用迭代法的数学的色散补偿手段。为了在OCT中使用宽带光提高纵向分辨率，在要使用的波长带上进行色散补偿是重要的。不利的是，测量对象的色散特性针对各波长而不同，由此，较宽的波长带使得难以利用单一材料来补偿色散，这可能抑制纵向分辨率的提高。文献“Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherencetomography and methods for dispersion compensation”, OPTICS EXPRESS Vol. 12, No. I1，31May2004, PP2404-2422公开了使用宽带光的OCT结构。使用多种玻璃材料来进行色散补偿。水和玻璃材料在长的波长范围(大约900nnT950nm的波长带)中具有非常不同的色散特性。因而，在宽带上难以利用上述文献中所公开的设备结构进行对水的色散补偿。日本特开2007-267927中所公开的结构的特征在于，OCT系统使用水、根据测量对象来进行色散补偿。不利的是，因为使用水进行色散补偿涉及管理困难和质量劣化，该结构在例行使用中存在问题。
发明内容
为了解决上述问题，一种光学相干断层图像摄像设备，用于基于干涉光来获取被检体的断层图像，其中，通过使照射至所述被检体的测量光的返回光与对应于所述测量光的参考光进行干涉来获得所述干涉光，所述光学相干断层图像摄像设备包括第一色散补偿单元，在所述测量光的波长带上具有第一色散补偿特性；以及第二色散补偿单元，设置在所述第一色散补偿单元上并且在所述测量光的波长带上具有第二色散补偿特性。本发明可以在宽带上根据测量光学系统中存在的各种结构的色散特性对经由参考光学系统的参考光进行色散补偿。通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
图1是示出第一实施例的结构图。图2示出第二实施例的色散补偿部。图3是色散材料的群速度色散的图。图4是利用水进行标准化后的群速度色散的图。图5是利用各色散材料进行色散补偿所需的厚度的图。图6是采用第一实施例的聚碳酸酯厚度作为参数的BK7厚度的图。图7是关于残留色散量的图。图8是关于由色散导致的相干函数的变化的图。
具体实施例方式
现在将根据附图详细说明本发明的优选实施例。将参考附图详细说明本发明的实施例。第一实施例将参考图1说明根据本发明的光学相干断层图像摄像设备。图1示出作为用于执行本发明的具体示例的光学相干断层图像摄像设备。在图1中，光源100在本实施例中是SLD (超发光二极管)，但可以是任意低相干光源。具体例子包括ASE (放大自发光)光源、诸如钛蓝宝石激光器和SC (超连续)光源等的超短脉冲光源、以及SS(扫频源)光源。该波长带在850nm附近，但是，因为在需要以纵向分辨率为代价来测量被检体的较深的部分的情况下，使用具有更长波长带的光源，所以期望根据目的来选择波长带。光纤稱合器101将从光源100发射的宽带光分割成穿过构成参考光路的光纤103的参考光109和穿过构成测量光路的光纤102的测量光111。期望光纤耦合器101对参考光109和测量光111的分割比率具有较少的波长依赖性，并且具有接近恒定的分割比率。分割得到的测量光111从光纤准直器110作为平行光发射。穿过光纤准直器110而成为平行光的测量光111被发射到作为被检体的眼部116的视网膜。为了在视网膜上扫描测量光111，测量光111穿过扫描光学系统，然后利用物镜114和电驱动台115对测量光111进行焦点调节，其中扫描光学系统包括要由扫描器镜控制器117扫描的扫描器镜112和扫描器透镜113。随后，测量光111由眼部116的视网膜反射并且在反方向上进入上述测量光路。同时，分割得到的参考光109从光纤准直器104作为平行光发射，并且入射到第一色散补偿构件105和第二色散补偿构件106上。第一色散补偿构件105具有第一色散补偿特性，以及第二色散补偿构件106具有不同于第一色散补偿特性的第二色散补偿特性。根据本实施例，第一色散补偿构件105由作为光学玻璃的BK7实现，以及第二色散补偿构件106由作为光学塑料的聚碳酸酯实现。例如，BK7是23mm厚，以及聚碳酸酯是大约2mm厚。以上厚度是假定840nm波长带时的厚度。以上厚度根据波长带而改变。可选地，光学玻璃105可以是除BK7以外的光学玻璃。例如，可以使用F2。此外，光学塑料106不限于聚碳酸酯。穿过色散补偿构件105和106的参考光109由参考系统反射镜107反射。将参考系统反射镜107放置在电驱动台108上以调节位置。注意，通过PC 121和台控制器122来控制电驱动台108对参考光109的光路长度调节。
光纤耦合器101将作为返回光的测量光111和由参考系统反射镜107所反射的参考光109经由合成光路光纤118作为干涉光引导至分光器119。还将由分光器119针对各波长分光后的干涉光引导至根据各波长的光检测元件120。PC 121使用背景技术中所述的各种系统，根据光检测元件120的检测结果来生成断层图像。根据本实施例，光纤稱合器101用作用于将从光源发射的光分割成参考光109和测量光111的单元，并且还用作用于通过使所反射的参考光109与从利用测量光111所照射的被检体返回的返回光进行干涉来获得干涉光的单元。从分光器119至PC121的结构与用于基于干涉光来获取被检体的断层图像的单元相对应。现在将具体说明本实施例的测量光路中所使用的色散补偿。测量光路包括诸如扫描器透镜113和物镜114等的各种透镜、以及作为被检体的眼部116的玻璃体和晶状体，其各自具有针对各波长而不同的折射率。因此，为了提高纵向分辨率，需要将与上述各种透镜以及玻璃体和晶状体分别相对应的构件插入参考光路中。因为可以插入透镜材料，所以对 以上各种透镜进行色散补偿不是很难。然而，因为玻璃体和晶状体大部分是水，所以难以对玻璃体和晶状体进行色散补偿。图5示出对于针对具有平均轴长的被检体和在图I中所示的测量光路中使用的色散材料要进行的色散补偿、BK7和聚碳酸酯在作为单一材料使用时的针对各波长所需的厚度。从图5应当理解的是，在BK7和聚碳酸酯(PC)的短波长侧和长波长侧的色散补偿所需的厚度之间差异显著。原因是水的色散特性在大约Ium的波长处具有零色散。由此，越接近I μ m，作为眼部的色散材料的水的色散特性与BK7和聚碳酸酯的色散特性越不相同。如JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS Vol. 4, No. I, 144-151 所公开的，通过以下表达式(2)将群速度色散GD表不为关于群折射率ng的波长的一阶微分。GD = ^ = -A^-4 (表达式 2)
λ λ^图3是示出与作为色散补偿单元的色散补偿构件的水以及ΒΚ7和聚碳酸酯的材料有关的群速度色散GD的波长依赖性的图。图4是由水的GD标准化后的各色散补偿构件的⑶、即表达式(3)的波长依赖性的图。GDratio 二(表达式 3)
^n-arer应当理解，ΒΚ7 (在图4中由Λ标记)的⑶比率(以下称为OTR)相对于波长而单调增加，并且与短波长侧相比，在长波长侧ΒΚ7相对于水的群速度色散较大。这意味着在由ΒΚ7进行水的色散补偿的情况下，色散补偿所需的厚度在短波长侧和长波长侧之间不同。这里，示出对测量光学系统进行全色散所需的ΒΚ7和聚碳酸酯的厚度的波长依赖性的图5显示色散补偿厚度针对各波长而单调变化，并且单一使用的ΒΚ7或聚碳酸酯的波长越接近宽带，色散补偿越难。由此，从表达式(I)推断出，即使光源的波长是宽带，OCT纵向分辨率也不能提供完全的色散补偿，从而不能实现期望的纵向分辨率。由此，如图4所示，本实施例使用GDR波长依赖性具有相反特性的两种材料。使用由以下表达式数学地表示为微分特性的多个色散补偿构件。Sgn(成")心—=)(表达式 4)
λ λ
表达式(4)中的sgn(x)是符号函数，其中，在x是正的情况下为1，在x是O的情况下为0，以及在X是负的情况下为-I。使用满足表达式⑷的两种材料材料I和材料2，并控制两种材料的厚度，这可以实现与使用一种材料的色散补偿相比更精确的色散补偿。此外，这可以在不使用水的情况下对作为玻璃体的主要成分的水进行色散补偿。例如，在BK7的情况下，针对群速度色散，由群速度色散/与测量对象的色散材料有关的群速度色散所表示的函数的关于波长的微分特性是正的。由此，与BK7 —起使用由具有使函数的符号反转为负的微分特性的材料所组成的色散补偿单元以抵消符号，从而可以获得从短波长侧至长波长侧的适当的补偿特性。预期如上所述的色散补偿的物理精度提高引起以下利用作为后处理的如文献“Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography andmethods for dispersion compensation”，OPTICS EXPRESS Vol. 12，No. 11，31May2004，PP2404-2422中所公开的迭代法进行色散补偿的数值计算量降低，摄像时的对准精度提高，以及疾病摄像缺失减少。 根据本实施例，BK7和聚碳酸酯的组合满足表达式(4)的关系。注意，虽然本实施例使用BK7和聚碳酸酯的组合，但是可以使用满足表达式(4)的关系的任意组合的材料。注意，材料也不限于两种材料，只要材料满足表达式(4)的关系即可。例如，可以使用满足表达式(5)的关系的三种材料。
权利要求
1.一种光学相干断层图像摄像设备，用于基于干涉光来获取被检体的断层图像，其中，通过使照射至所述被检体的测量光的返回光与对应于所述测量光的参考光进行干涉来获得所述干涉光，所述光学相干断层图像摄像设备包括 第一色散补偿单元，在所述测量光的波长带上具有第一色散补偿特性；以及第二色散补偿单元，设置在所述第一色散补偿单元上并且在所述测量光的波长带上具有第二色散补偿特性。
2.根据权利要求I所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，还包括图像获取单元，所述图像获取单元用于基于所述干涉光来获取所述被检体的断层图像。
3.根据权利要求I所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元的厚度在所述测量光的波长带上没有色散特性的波长依赖性。
4.根据权利要求I所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元配置有各自具有如下关系的一对色散补偿单元由色散材料的群速度色散/测量对象的色散材料的群速度色散所表示的函数的关于波长的微分特性在符号上相反。
5.根据权利要求I所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元各自还包括用于改变沿着所述参考光的光轴的厚度的单J Li o
6.根据权利要求I所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，通过由光学玻璃制成的色散补偿单元和由光学塑料制成的色散补偿单元来分别配置所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元。
7.根据权利要求6所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，所述光学塑料是聚碳酸酯。
8.根据权利要求6所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，减小了所述光学塑料的双折射效应。
9.根据权利要求I所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，还包括用于控制所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元中的至少一个色散补偿单元的状况的单J Li o
全文摘要
本发明涉及光学相干断层图像摄像设备。使用具有宽波长带的测量光来提供在纵向分辨率上出色的断层图像。光学相干断层图像摄像设备基于干涉光来获取被检体的断层图像，其中通过使来自入射至被检体的测量光的返回光与对应于测量光的参考光进行干涉来获得干涉光，光学相干断层图像摄像设备包括第一色散补偿单元，在测量光的波长带上具有第一色散补偿特性；以及第二色散补偿单元，设置在第一色散补偿单元上并且在测量光的波长带上具有第二色散补偿特性。
文档编号A61B3/14GK102846306SQ20121022371
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者黑坂亮治 申请人:佳能株式会社