用于在对象的深度表征中使用的系统和方法与流程

本发明在样品参数和运动的光学测量的领域中，且尤其是与组织参数和层的三维表征相关。在一些配置中，本发明涉及对组织的体积内的弹性参数的测量。

背景

术语“弹性成像”与材料的弹性特性的测量有关。弹性成像测量通常用于分析生物组织以确定各种样品参数，例如骨密度和组织内的沉积物的累积。

通常，弹性成像测量包括在某个时间窗内在样品中产生变形并收集关于样品对变形的响应的数据。照惯例使用在超声成像、磁共振成像和光学相干断层摄影之间的各种技术来执行样品响应的检测。

已经开发了几种用于监测关于样品的表面的振动的数据的技术。这种技术利用对样品的光学检查和分析由来自样品的表面上的检查区域的相干光的反射和散射形成的二次散斑图样。

us8,638,991提出了一种用于对对象成像的方法。该方法包括使用成像系统来对从对象传播的、聚焦在从对象移位的平面上的相干散斑图样进行成像。

us2013/0144137和us2014/0148658提出了一种用于监测受试者的身体的一种或更多种状况的系统和方法。该系统包括控制单元，该控制单元包括用于接收图像数据的输入端口、存储器工具(utility)和处理器工具。图像数据指示由像素检测器阵列测量的数据，并且是由受试者身体的一部分响应于根据特定采样时间模式由相干光对其的照明而产生的散斑图样序列的形式。存储器工具存储一个或更多个预定模型，该模型包括指示一个或更多个可测量参数与受试者的身体的一个或更多个状况之间的关系的数据。处理器工具被配置成和可操作来处理图像数据以确定一个或更多个相应的身体状况；以及产生指示相应的身体状况的输出数据。

一般概述

在本领域中存在对用于提供样品的弹性成像测量的新技术。本发明实现了样品的参数的表面以及深度分辨监测。一般来说，本技术目的在于监测材料参数，例如利用光学检查的样品的弹性成像测量，该光学检查可以远程地和非侵入性地被执行。该技术通常利用样品参数的基于散斑的监测。为此目的，本技术使用相干照明和来自样品的通过相干照明的散射而产生的散斑图样的检测，同时结合可操作来影响照明和从样品返回的光的收集中的至少一个的深度分辨模块的使用，以实现在所收集的散斑图样的至少部分和样品的相应深度层之间的关联。

因此，本发明的系统包括：照明单元，其被配置为提供一个或更多个波长范围的相干照明并将一个或更多个波长范围的相干照明引导到样品上的一个或更多个选定检查区域上；收集单元，其被配置为收集从所述一个或更多个检查区域返回的光，并相应地生成至少一个图像数据片序列，每个图像数据片对应于在位于检查区域和收集单元之间的中间平面处形成的二次散斑图样；深度分辨单元，其被配置为影响照明单元和收集单元中的至少一个，用于确定在所收集的二次散斑图样中的数据和在检查区域处的样品的深度层之间的关联；以及控制单元，其可连接到深度分辨模块，并被配置成和可操作来操作所述深度分辨模块并从收集单元接收图像数据片序列以及通过确定在与样品的相应深度层相关联的所述二次散斑图样的至少部分之间的相关函数来处理和分析所述图像数据片序列。控制单元可以利用这样确定的相关函数来确定一个或更多个参数以及它们在一个或更多个检查区域处沿着样品的某个深度的相应变化。

为此目的，深度分辨单元可以利用与来自样品的不同深度的光分量的反射和/或散射相关联的一个或更多个光学效应。关于这一点，应该注意到，尽管通常任何波长范围都具有到各种样品中的某个穿透深度。照射在样品上的光的实际穿透深度取决于各种参数，包括：样品材料、光的波长和到样品表面上的照射的入射角。这种穿透深度通常可以在几纳米和高达几厘米之间变化。因此，本技术利用提供关于样品的不同深度层的数据的光分量的特性的变化中的至少一个。这种光学特性包括：在从不同层返回的光分量之间的光路的变化、由从不同层返回的光分量的自干涉形成的散斑的一般尺寸的变化、从不同层返回的光分量的角强度图(angularintensitymap)的变化以及在样品的深度内经历散射的光分量的轴向路径。

在一些实施例中，本技术可以利用注入到样品中的合适对比材料来增强在深度层之间的区分。这种合适的对比材料可以例如包括相对于一个或更多个波长和/或偏振的光分量具有变化的反射特性的选定纳米颗粒。因此，来自样品的不同层的光的反射和散射受到增强在深度层之间的区分的对比材料的浓度的影响。

通常，随着时间的推移检测到的散斑图样的变化提供对被检查区域的形状、曲率、定向和位置的变化的指示。在一些实施例中，本技术还利用刺激单元，其被配置为向样品施加选定的刺激(例如超声刺激)，使样品材料沿穿透的(照射的)某个深度的弹性响应的检测和监测成为可能。在一些配置中，施加到样品的刺激可以参与确定在散斑图样数据或其部分与散斑数据所对应于的样品的层之间的关联。

根据一些实施例，深度分辨单元可利用干涉测量单元，该干涉测量单元包括参考臂并被配置为沿着所述参考臂引导由照明单元提供的参考光束，用于将参考光束与从检查区域收集的光组合。干涉测量深度分辨单元被配置为调制所述参考臂的光路，以实现对通过将在所述参考臂中传播的光与从检查区域返回的光组合而形成的干涉图样的调制。因此，由收集单元收集的图像数据片指示由在通过样品臂从样品返回的光和通过所述参考臂行进的参考光束之间的干涉产生的干涉散斑图样。为了提供深度分辨的弹性成像数据，本发明的技术利用参考光束的光路的调制。在从被检查区域反射/散射的样品光束和参考光束之间的干涉产生指示来自进入样品内的某个对应深度的光束的散射/反射的散斑图样。

为此目的，本发明提供了一种用于在弹性成像测量上使用的系统，该系统包括：相干光源(例如激光光源)，其被配置为发射在一个或更多个预定波长范围内的光；光学装置，其被配置为分离所发射的光以形成样品光束和参考光束；将样品光束引导到样品的区域，并收集和重新合并样品光束和参考光束的路径；以及检测器单元，其被配置为收集关于在样品光束和参考光束之间的干涉的数据，以从而生成二次散斑图样的图像数据。光学装置还被配置成在预定的时间模式中调制参考光束的光路，以从而改变由所收集的样品光束和参考光束的干涉形成的干涉图样。

作为参考光束的光路的调制的结果，通过从样品表面散射而产生的所收集的散斑图样与根据参考光束路径的变化在时间上改变的干涉条纹叠加。本发明的技术利用干涉条纹图样的变化来区分开与在样品的表面内的不同深度的光反射/散射相关联的散斑图样，以从而提供关于样品的体积(三维)数据。

此外，通常为了提供关于样品的弹性成像数据，系统还可以包括刺激产生单元，该刺激产生单元被配置成刺激样品(例如通过超声波)，以从而从样品产生某个振动响应。检测器单元收集图像数据片序列，每个图像数据片对应于来自样品的散斑图样。这允许所收集的数据片序列的处理，以确定进入样品中的光穿透的不同深度的特性，向弹性成像测量提供三维分辨率。

根据一些其他实施例，本技术可以通过从样品散射的光的空间/轴向分布来利用深度分辨。为此目的，深度分辨模块可以被配置为变化的孔径，其被配置为选择性地影响照明的光斑尺寸或从检查区域返回的光的收集的视场。更具体地，在一些示例中，该技术可以利用以某个尺寸的光斑照射检查区域，并且收集通过作为光斑尺寸的一部分的视场返回的光，当光斑尺寸增加(而不改变收集的视场)时，所收集的光提供指示样品的附加层的数据。类似地，使用用于照明的某个选定的光斑尺寸并以多个视场收集从样品返回的光——该光由于收集自的区域的尺寸而改变——提供关于样品的不同深度的数据。

在一些其他示例性实施例中，本技术利用在样品内的不同层或深度之间的角散射的变化的效应。在这样的配置中，提供光分量来以多个不同的角方向射在检查区域上，并且收集返回的光分量和根据关于角变化的数据处理返回的光分量，用于关于样品和/或样品对外部刺激的响应的确定。

为此目的，该系统通常可以包括光源组件，该光源组件包括多个(例如两个、三个或更多个)光源，每个光源被配置成发射具有选定预定波长范围的相干照明；以及收集单元，其包括光学检测器和被配置为收集从样品返回的光并将它传输到检测器单元的光学装置。另外，该系统包括在这些实施例中可以被配置为多色滤光器的深度分辨模块和/或能够根据光源的多个选定波长范围基于波长来分离输入数据的一个或更多个附加的检测器阵列。

该技术还可以利用包括传感器阵列和光学装置的光收集单元。光学装置被配置成以相对低的数值孔径(na)收集从样品的检查区域返回的光，并将所收集的光引导到传感器阵列上。因此，被配置为从相对小的视场进行光收集，限制所收集的光的角变化。光学装置还被配置为提供在传感器阵列上的所收集的光的散焦图像，或者更具体地，对在传感器阵列上的中间平面成像。这导致在检测器阵列上的图像指示由散射光产生的二次散斑图样。因为光源组件在多个波长范围内提供相干照明，所收集的图像数据分别对应于多个散斑图样的叠加。

因此，根据本发明的广泛方面，提供了一种用于在样品的光学测量中使用的系统；该系统包括：干涉测量散斑图样收集单元，其包括参考臂和将相干照明引导到样品的区域上的样品臂，参考臂的光路被调制以提供在样品臂和参考臂之间的变化的干涉；以及检测器阵列，其被配置为收集与干涉散斑图样相关联的图像数据片序列，该干涉散斑图样由在通过样品臂从样品返回的光和穿过参考臂行进的参考光束之间的干涉产生；以及控制单元，其被配置成和可操作来从检测器阵列接收图像数据片，并分析和处理所述图像数据片以确定关于样品的深度分辨数据。

根据一些实施例，该系统还可以包括刺激单元，该刺激单元被配置为将预定刺激施加到样品上，以从而能够检测样品对所述预定刺激的响应。

通常，参考臂的光路调制可以通过在预定轴向范围内改变参考臂的反射镜的位置来提供，所述反射镜以恒定加速度沿着轴向范围的一个方向移动，并返回到它的原始位置。

根据一些实施例，沿着样品臂的照明和收集的对准可以被配置成提供在一个或更多个散斑内的深度无关干涉图样。这使得每散斑的条纹数量被配置为深度相关的。

可以例如通过以时间调制方式改变反射镜的运动来在时间上调制参考臂的光路，时间调制方式对散斑图样闪烁提供正交编码，从而提供与不同穿透深度相关联的散斑闪烁的正交变化。这实质上类似于扩频方法，使得闪烁频率的变化不与轴向距离单调地相关，而更确切地对应于正交码。

根据一些实施例，照明源可以被配置为将时间和空间相干性变化中的至少一个应用于照射样品的光，以从而根据进入样品内的轴向穿透深度来向所收集的光分量提供正交轴向编码。这提供了照明源的成形，使得相干函数以正交方式(如在扩频方法中的)对轴向信息编码，以除了散斑的闪烁图样之外还更好地执行数据的轴向分离。

根据本发明的另一个广泛方面，本发明提供了一种用于在样品的光学测量中使用的系统，该系统包括：

照明单元，其被配置为提供一个或更多个选定波长范围的相干照明，并将该相干照明引导到样品的一个或更多个选定检查区域上，

收集单元，其被配置为收集从检查区域返回的光并生成输出数据，该输出数据包括指示在位于检查区域和收集单元之间的中间平面处形成的二次散斑图样的图像数据片序列，

深度分辨模块，其被配置成并可操作来影响照明单元和收集单元中的至少一个，用于确定在所收集的二次散斑图样中的数据和在检查区域处的样品的深度层之间的关联；以及

控制单元，其可连接到所述深度分辨模块，并被配置成和可操作来操作所述深度分辨模块，并从收集单元接收所述图像数据片序列，并通过确定在与样品的相应深度层相关联的所述二次散斑图样的至少部分之间的相关函数来处理和分析所述图像数据片序列，以及确定在所述一个或更多个检查区域处沿着样品的深度的一个或更多个参数变化。

该系统还可以包括刺激单元，该刺激单元被配置为将预定刺激施加到样品上，以从而实现样品对所述预定刺激的响应的检测。

根据一些实施例，深度分辨模块可被配置为干涉测量单元，其包括利用由照明单元提供的参考照明光束的参考臂，并且被配置为调制所述参考臂的光路并将在所述参考臂中传播的光与从检查区域返回的光组合，从而使收集单元收集与干涉散斑图样相关联的图像数据片，所述干涉散斑图样由在通过样品臂从样品返回的光和穿过所述参考臂行进的参考光束之间的干涉产生。可以通过在预定轴向范围内改变参考臂的反射镜的位置来提供参考臂的光路调制。在一些实施例中，反射镜的位置可以沿着轴向范围的一个方向以恒定加速度移动，并返回到它的原始位置。在一些其他实施例中，调制可以与反射镜在选定频率下的运动的正弦或正方形剖面相关联。

参考臂的光路可以在选定频率下被调制，选定频率被选择为在收集单元的积分时间内完成至少一个调制周期。当对样品的刺激被使用时，样品可以在频率v1下被刺激，参考光束可以在频率v2下被调制，使得积分时间长于1/v1和1/v2，然而积分时间可以优选地被选择为短于1/(|v1-v2|)。

在一些实施例中，沿着样品臂的照明和收集的对准可以被配置成提供在一个或更多个散斑内的深度无关干涉图样。

参考臂的光路可以用正交码在时间上被调制，从而提供与不同穿透深度相关联的散斑闪烁的正交变化。

在一些实施例中，所述照明单元被配置为将时间和空间相干性变化中的至少一个应用于照射样品的光，以从而根据进入样品内的轴向穿透深度向所收集的光分量提供正交轴向编码。

通常，在一些实施例中，控制单元可以包括闪烁检测模块，该闪烁检测模块被配置成和可操作来接收所述图像数据片序列，并且识别具有重复闪烁的帧的至少一部分，并且根据所述重复闪烁的频率来将与帧的所述至少一部分相关联的散斑图样标记为与深度层有关，从而实现与样品的单独深度层相关联的散斑图样部分的单独处理。

根据又一些实施例，所述照明单元可以包括：多个光源，其分别发射相应的多个不同波长范围的相干照明并且具有多个光轴；所述收集单元被配置为生成对应于以预定采样率收集的从样品返回的所述光的二次散斑图样的多色图像数据片序列；并且所述深度分辨模块包括预处理工具，并且被配置为使与不同波长范围的散斑图样相对应的数据从所述序列的图像数据片中分离，从而使控制单元能够确定在每个波长范围的散斑图样之间的对应相关函数，用于确定在所述一个或更多个检查区域处沿着样品的深度的一个或更多个参数变化。根据样品的光学参数，多个波长范围可以被选择为具有在样品中的不同穿透深度。

根据又一些其他实施例，深度分辨模块可以被配置为孔径变化模块，其被配置为影响照明单元和收集单元中的至少一个的孔径。

照明单元可以被配置为照射所述检查区域，形成选定尺寸的照明光斑，所述深度分辨模块包括被配置为选择性地改变所述收集单元的视场的变化孔径单元。选择性地变化的收集的视场相对于所述照明光斑的尺寸可以更小。

可选地，深度分辨模块可以包括变化孔径单元，该变化孔径单元被配置为选择性地改变由所述照明单元在所述检查区域上产生的照明光斑，所述收集单元被配置为以选定尺寸的视场收集从所述检查区域返回的光。收集的视场相对于照明光斑的尺寸可以更大。

根据又一些其他实施例，照明单元可以被配置为提供预定偏振水平的相干照明，所述深度分辨模块包括偏振测量单元，该偏振测量单元被配置成和可操作来确定指示所收集的光的偏振度的数据；控制单元还被配置成和可操作来接收指示偏振度的所述数据，并根据所收集的光的偏振的损失的水平来确定与图像数据片相关联的深度水平。偏振测量单元可以被配置为提供指示所收集的光的斯托克斯参数的数据。

通常，上述技术可以通过在被注入到样品中的一种或更多种选定对比材料的浓度的变化利用在所收集的二次散斑图样中的数据和在检查区域处的样品的深度层之间的关联的增强。

根据又一广泛方面，本发明提供了一种用于在样品的光学测量中使用的系统；该系统包括：

干涉测量散斑图样收集单元，其包括参考臂和将相干照明引导到样品的区域上的样品臂，参考臂的光路被调制以提供在样品臂和参考臂之间的变化的干涉；以及检测器阵列，其被配置为收集与干涉散斑图样相关联的图像数据片序列，所述干涉散斑图样由通过样品臂从样品返回的光和穿过参考臂行进的参考光束之间的干涉产生；

以及控制单元，其被配置成和可操作来从检测器阵列接收图像数据片，并分析和处理所述图像数据片以确定关于样品的深度分辨数据。

在一些实施例中，该系统还可以包括刺激单元，该刺激单元被配置为将预定刺激施加到样品上，以从而实现对样品对所述预定刺激的响应的检测。

可以通过在预定轴向范围内改变参考臂的反射镜的位置来提供参考臂的光路调制，所述反射镜沿轴向范围的一个方向以恒定加速度移动并返回到它的原始位置。

在一些实施例中，沿着样品臂的照明和收集的对准被配置成提供在一个或更多个散斑内的深度无关干涉图样。

参考臂的光路可以用正交码在时间上被调制，从而提供与不同穿透深度相关联的散斑闪烁的正交变化。

在一些实施例中，照明源可以被配置为将时间和空间相干性变化中的至少一个应用于照射样品的光，以从而根据进入样品内的轴向穿透深度向所收集的光分量提供正交轴向编码。

根据又一个广泛的方面，本发明提供了一种系统，其包括：照明单元，其被配置为利用选定波长范围和选定光斑尺寸的相干照明来照射检查区域；收集单元，其被配置为收集通过选定收集孔径从所述照明光斑返回的光，并生成与在所述检查区域和所述收集单元之间的中间平面处形成的散斑图样相关联的图像数据片序列；以及控制单元；所述控制单元被配置成和可操作来从收集单元接收与照明光斑尺寸和光收集的孔径中的至少一个的选定值相关联的一个或更多个图像数据片序列，并且针对每个图像数据片序列收集利用至少照明光斑尺寸和光收集的孔径的选定值来确定作为在连续图像数据片中的散斑图样之间的相关性的相关函数，并且使用一个或更多个相关函数来确定一个或更多个参数沿所述样品的深度的变化。

根据又一广泛方面，本发明提供了一种用于在样品的光学测量中使用的系统，该系统包括：

照明单元，其包括分别发射具有相应的多个不同波长范围的相干照明并具有多个光轴的多个光源；

收集单元，其被配置为以预定采样率收集从样品返回的光，并生成对应于所收集的从样品返回的所述光的二次散斑图样的多个多色图像数据片；以及

控制单元，其被配置为接收所述多个图像数据片，并且分离与不同波长范围的散斑图样相对应的数据，以从而为每个波长范围确定在连续图像数据片中的散斑图样之间的相关数据，以从而确定关于样品的深度分辨数据。

多个波长范围可以被选择为具有进入样品内的不同穿透深度。

收集单元可以被配置为以低数值孔径收集从样品上的选定点返回的光，从而将其视场限制到在检查区域或其一部分上的照明光斑尺寸。

根据又一个广泛的方面，本发明提供了用于监测样品的方法，该方法包括：

将相干照明提供到在样品上的选定检查区域上；

收集从所述检查区域散射的光分量，并引起与参考光束的光干涉，所述参考光束具有随选定调制频率变化的光路；

生成对应于所述光干涉的中间平面的图像数据片序列；

处理所述图像数据片序列并确定有具有规定频率的重复闪烁的一组或更多组散斑图样区域；

分析所述一组或更多组散斑图样区域，并确定在所述图像数据片序列中的散斑图样区域之间的对应的一个或更多个相关函数，每个相关函数指示从样品的对应深度层散射的光的变化；以及

生成关于沿着其中的深度层的一个或更多个样品参数的变化的分层数据。

该方法还可以包括对样品施加选定刺激频率的外部刺激。选定调制频率和所述选定刺激频率可以被选择为相对于图像数据片生成的积分时间更大。情况是这样，虽然在频率之间的差异相对于积分时间可以较小，从而实现对变化尺寸的散斑的不同闪烁频率的检测。

在一些实施例中，该方法还可以包括将一种或更多种选定对比材料注入到样品，从而根据对比材料特性来增强光反射或散射特性的变化。

附图的简要说明

为了更好地理解本文公开的主题并且例示它可以如何在实践中被实施，现在将仅仅作为非限制性例子参考附图描述实施例，在附图中：

图1以框图的方式示出根据本发明的一些实施例的用于样品的深度表征的系统；

图2示意性示出根据本发明的一些实施例的用于在深度表征中使用和用于确定组织的参数的系统；

图3示意性示出根据本发明的一些实施例的控制单元的配置；

图4例示根据本发明的一些实施例的用于确定组织或元件的深度分辨参数的方法；

图5例示根据本发明的一些实施例的用于处理输入数据以确定样品的深度分辨参数的方法；

图6a至6d示出说明平均散斑尺寸根据样品厚度的变化的实验结果，图6a和6c示出所测量的散斑图样的图像数据，以及图6b和6d分别示出透射和反射测量的平均尺寸数据；

图7a至7d示出在连续图像中的闪烁散斑的实验结果(图7a)，对于不同尺寸的散斑获得的闪烁频谱(图7b和7c)以及对具有不同尺寸的散斑获得的截止频率(图7d)；

图8示意性示出对样品的深度分辨监测利用变化孔径单元的系统；

图9a和9b例示来自不同层的散射的效应和在轴向位置上的随机游走分布；

图10示意性示出根据本发明的一些实施例的配置成与变化孔径单元一起操作的控制单元；

图11a和11b示出对于低粘度(图11a)和高粘度(图11b)样品的照明的不同光斑尺寸的散斑图样相关性的实验测量结果；

图12示出变化粘度样品的不同照明孔径的散斑相关变化的一般行为；

图13示出根据本发明的一些实施例的对深度分辨利用角变化的监测系统；

图14是被使用以便提取深度信息的波长编码的图示；

图15是描述相对于穿透深度的角散射的变化的图示；以及

图16示出根据本发明的一些实施例的利用偏振度数据来确定所收集的光的深度数据的系统。

具体实施方式

参考图1，其示意性地示出用于在确定样品的参数时使用的系统100。系统100包括照明单元200、收集单元500、深度分辨单元300和控制单元800。系统还可以包括刺激单元700。照明单元200通常可以包括光源单元，并且被配置成和可操作来提供一个或更多个波长范围的相干照明，并且将照明引导到样品的一个或更多个检查区域r上。收集单元通常包括成像透镜装置和检测器阵列，并且被配置为收集从一个或更多个检查区域r返回的光，并且生成对应于由在检查区域r和收集单元500之间的中间平面处的光自干涉形成的二次散斑图样的对应的一个或更多个图像数据片序列。更具体地，成像透镜装置位于从检查区域r向检测器阵列传播的光的光路中，在提供所收集的光的路径中的中间平面的成像的位置处。因此，光分量的自干涉形成所收集的二次散斑图样。

控制单元800通常包括处理工具，并且被配置成和可操作来从收集单元接收与一个或更多个图像数据片序列相对应的输入数据，并且处理输入数据以确定样品的选定参数。为此目的，控制单元被配置为确定指示在时间上连续的图像数据片中的散斑图样之间的空间相关性的相关函数。该相关函数指示在检查区域的位置和定向上的变化。

为了使系统100能够区分开与来自样品的不同深度层的光反射或散射相关联的图像数据片或其部分，系统100利用深度分辨模块300。深度分辨模块300被配置为影响照明和来自检查区域r的光的收集中的至少一个，以从而实现在图像数据片的至少部分和样品的不同层、光穿透深度之间的关联。通常，深度分辨模块300利用与进入样品内的光的穿透深度相关联的一个或更多个光学参数，例如光路的变化、散斑尺寸的变化、平均光斑面积和光反射的角分布。

在系统100的一些配置中，深度分辨模块300利用参考臂和从照明单元200提供的相应参考光束。参考光束与从样品返回的光组合，实现与在收集照明和参考光束之间的干涉的散斑图样相关联的图像数据的收集。关于这一点，参考图2，其示出根据一些实施例的利用干涉测量深度分辨模块500的系统100。

在图2的示例中，系统100包括：照明单元(光源)200，其被配置为产生在一个或更多个预定波长范围内的相干照明；深度分辨模块，其被配置为将光引导到样品上并收集从样品返回的光的光学装置300；以及收集单元(检测器单元)500，其被配置为收集从样品返回的光并产生对应于从样品返回的光的图像数据片序列。该系统还可以包括刺激单元700和控制单元800，刺激单元700被配置为产生到样品上的某个刺激，控制单元800被配置为接收来自检测器的图像数据片序列和关于所产生的刺激的数据，并处理所接收的数据以确定关于样品的一个或更多个参数。

深度分辨单元的光学装置300通常包括分光单元400(分束器)，该分光单元400分离从光源单元200发射的光，以将光的一部分sb引导到被检查的样品的区域r并将光的一部分rb引导到参考光束路径。从样品返回的样品光束sb例如通过分束器400再次与参考光束rb合并，以形成在样品光束和参考光束之间的干涉。

收集单元500被配置成收集与沿着所收集的光的路径的中间平面ip相关联的图像数据。这允许从样品光束的自干涉产生同时从样品散射的二次散斑图样的检测。应该注意，尽管图2中所示的系统以光的正入射被例示，但是该系统可以被配置成照射样品并收集以可以相等或不相等的角度从样品返回(反射和散射)的光。然而，在一些实施例中，收集单元500可以利用偏振滤波器，该偏振滤波器被配置为阻挡与镜面反射相关联的光分量，以从而收集与来自检查区域的光散射相关联的光分量。

为了提供关于样品的深度分辨数据，光学装置被配置成调制参考光束的光路，以从而产生叠加在所收集的光的散斑图样上的干涉条纹。为此目的，光学装置包括可移动反射镜600，其被配置为改变参考臂rb的光路。反射镜600例如使用马达或压电晶体可在预定范围内移动。通常，反射镜600可以以各种选定调制模式移动。根据一些实施例，调制模式可以包括形成锯齿状(sow-tooth)运动模式的接触加速度的一系列脉冲。在一些其他实施例中，调制模式可以具有正方形剖面(向一个方向的接触速度，以及返回原始位置的恒定速度)或是正弦式的。参考光束的光路调制引起在由检测器单元500收集的连续图像数据片之间的干涉条纹的变化。以选定的预定采样率操作时，干涉条纹产生散斑图样的闪烁。从到样品中的不同穿透深度返回(反射和/或散射)的光分量在参考光束的相应光路处形成与参考光束的相长干涉。因为反射镜600在时间上调制参考光束的光路，因此，与从样品中的不同深度返回的光相关联的散斑图样分量被相应地调制。

如上所指示的，在一些实施例中，可以通过在每个周期内以恒定加速度移动反射镜600来调制参考光束rb的光路。更具体地，反射镜在位置0(零)处开始，并以预定的加速度移动，直到它到达它的移动范围的末端(例如1cm)位置。在这个阶段，反射镜移动回到位置0，并再次移动。因此，反射镜在每个位置x处的速度可以被描述为：

其中v(x)是在位置x处的反射镜速度，v0是反射镜初始速度(通常v0＝0)，以及a是加速度。应该注意，反射镜600的移动范围通常被选择为与进入样品内的光学照明的穿透深度可比较(或相等)。

作为参考路径的变化的长度的结果，与进入样品内的不同穿透深度相关联的散斑图样以来自样品光束的对应于在对应参考长度的反射镜速度之间的比、具有0、2π等的相位变化的速率闪烁。因此，与每个参考光束长度相关联的闪烁速率是(假设v0＝0)：

其中，λ是照明的波长。这种调制使与样品中的不同穿透深度相关联的散斑图样以与该穿透深度或者与具有与反射镜600的适当位置(x)相对应的光学长度的穿透深度相对应的频率出现(闪烁)。这在反射镜600的位置x可基于信号(照明)光束和参考光束的光路的对应性而与深度信息相关联的合理假设下。

根据本发明的一些其它实施例，如图2中所例示的被配置为干涉测量单元的深度分辨模块300可被配置成在选定频率vm下调制参考光束的光路，而系统100利用被配置成对样品施加频率vs的刺激的刺激单元700。

控制单元800可以被配置为从检测器单元500接收图像数据片序列，同时操作刺激单元700以在样品上产生预定刺激s。在接收到的图像数据片序列内，控制单元被配置为确定在某些不同频率下出现或闪烁的散斑图样或图样的一部分，以从而识别对应于样品内的不同深度的散斑图样的变化。对于每个闪烁频率，控制单元可以操作来通过响应于施加在样品上的刺激s而处理散斑图样的变化来确定样品的相应深度的参数，例如，如在涉及使用检测到的散斑图样的变化来确定在刺激下的样品的参数的通过引用被并入本文的专利公布us2014/0148658中所述的。应该注意，尽管图2所示的系统被配置为具有光的正入射，但是该系统可以被配置为照射样品并收集以可以与在镜面反射中的角度相等或不相等的角度从样品返回(反射和散射)的光。

现在参考图3，其示出控制单元800。控制单元800通常包括处理器工具810和输入/输出端口820，用于从检测器单元500接收图像数据并用于操作可移动反射镜600、刺激单元700和光源200，以及网络通信和/或用户界面。处理器工具810包括闪烁检测模块830，该闪烁检测模块830被配置为确定与在某个闪烁频率下闪烁的散斑相关联的图像数据集，并区分开不同闪烁频率(对应于不同穿透深度)的集合；以及散斑图样分析器840，其被配置成和可操作来接收与公共散斑闪烁频率相关联的一组图像数据片，并结合关于施加到样品的刺激的数据来分析关于在该组图像数据片内的散斑图样的变化的数据，以确定关于样品的刺激响应的数据。

处理工具810通常还可以包括层组装模块850。层组装模块被配置成并可操作来接收关于刺激响应的数据，如从对应于不同闪烁频率的不同组的图像数据片所确定的。层组装模块还被配置为根据关于闪烁频率和可移动反射镜600的相应位置的数据来处理关于刺激响应的所述数据，以确定样品的分层结构。样品的这种分层结构包括样品的深度分辨刺激响应数据，该数据指示在光学照明的波长范围的某个穿透深度内的样品的弹性参数。

散斑图样分析器840通常被配置成并可操作来确定在对应于散斑的公共闪烁频率的一组图像数据片中的连续图像数据片中出现的散斑图样之间的局部相关函数。应当注意，图像数据片的不同部分可能与不同的闪烁频率相关联，因为样品可以是或可以不是平坦的。

关于这一点，本技术通常可用于确定关于生物组织的弹性成像数据，同时不例如使用可见或红外照明来损坏组织。另外或者可选地，本技术可用于任何其它类型的样品，例如塑料、金属、矿物等。这种所确定的弹性成像数据可用于确定材料的状态以及识别材料特性。

尽管在此被描述为利用反射镜600的恒定加速度运动，但是本发明的技术可以与参考光束光学长度变化的各种其他模式一起使用。应当注意，恒定加速度提供了随着深度单调的闪烁频率的变化，然而反射镜600的可选运动模式也可以提供在散斑图样的闪烁频率(由于干涉条纹)和样品中的光的深度穿透之间的唯一对应。这种其它调制模式通常被选择来产生每层光穿透唯一的扩频(时间谱)正交编码。

参照图4，其例示根据本技术的操作方法。提供通常放置在样品保持位置处或者使得系统可以被指向的样品并且对其施加某个连续刺激(1010)。同时，光源200被操作并且系统将相干照明照射到待检查的样品的区域上(1020)。收集从样品返回的光以形成输入数据。所收集的光与参考光束干涉(1030)，使得参考光束的光路被调制。在中间平面处检测所收集的干涉光，以生成关于与样品对刺激的响应相关联的散斑图样的数据(1040)。对应于散斑图样的所收集的图像数据片序列被处理以确定关于对样品刺激的响应的深度分辨数据(1050)。由于参考光束的光路被调制，因干涉图样的变化，所确定的数据是深度分辨的。

在图5中例示所收集的图像数据片序列的处理。如所示，控制单元可操作来接收与多个检测到的散斑图样相关联的图像数据片序列(2010)。该处理还包括确定在图像数据片序列中的具有以公共频率闪烁的散斑图样部分的一组或更多组区域(2020)。这种公共频率通常对应于在照射到样品上时在公共穿透深度处产生的散斑。为了简化处理，该技术还可以包括生成公共频率散斑区域的相应的一组或更多组图像数据片(2030)。这些所生成的组通过确定在该组连续图像数据片中的散斑图样之间的相关性来经历散斑图样中的变化的处理(2040)。该技术包括通常结合关于施加到样品上的刺激的数据来分析关于相关函数的数据以确定关于样品的响应函数的数据(2050)。不同组的数据可以被组合以形成在进入样品内的不同穿透深度内的响应函数的三维图(2060)，提供样品的深度分辨响应数据。

应当注意，在照射到样品中时的穿透深度通常可取决于照射波长范围以及样品的光学特性。对于各种生物材料，这种穿透深度可以具有1-2厘米的范围，且因此可以包括样品材料的相对大的部分。提供响应函数以及关于不仅对应于样品表面而且对应于样品内的不同深度的材料参数的数据在分析生物的或非生物的各种材料时可能非常有用。

由本技术确定的数据的深度分辨率可以与时间分辨率相关联，在该时间分辨率下散斑的闪烁可以被分离(每个闪烁频率与不同的轴向距离相关联)。这不同于光学相干断层摄影(oct)的照惯例已知的深度分辨技术，其中轴向分辨率与照明源的相干性(非相干宽光谱源具有更好的分辨率)或照明源的扫描被执行时的光谱范围相关。根据本技术，轴向分辨率的时间依赖性控制和管理起来更简单，并且直接与参考光束的光路的调制模式有关。

根据一些实施例，可以基于在平均散斑尺寸之间的尺寸变化来识别和区分与从不同层返回的光分量相关联的散斑图样部分。本技术基于发明人理解与从样品的不同层返回/散射的光分量相关联的散斑图样在散斑的平均尺寸上变化。此外，不同的层可以对具有相似频率和某个(并非总是恒定的)相移的外部刺激做出响应。

通常，射在检查区域上的照明可以被描述为产生在第一深度处的电场e1，其产生具有d1的平均散斑尺寸的散斑图样。此外，电场e2在样品的另一深度处形成，并导致产生具有d2的平均尺寸的散斑图样。通常，具有选定合适焦距的成像透镜装置的使用提供成像透镜装置的光学器件，其中来自不同深度的光产生具有不同散斑尺寸的散斑图样。为简单起见，可以使用正弦形式来对第一和第二散斑图样建模，例如：

应当注意，散斑图样的正弦表示是不完整的，并且只能估计散斑图样的一部分，包括几个相邻的散斑。然而，如下文进一步描述的，这种模型准确而简单地说明了干涉。

在由刺激单元700提供的外部刺激下，具有实质上相似的频率ν1但具有变化的振幅和相对相移的样品响应的不同层/深度。相应的散斑图样受到在相应频率ν1和振幅d>d1,d2处的层的振动的影响，提供：

在这里：v1＝dv1，且δx(t)是在不同层的弹性响应之间的时间偏移且可以在0和d之间。时间偏移通常破坏在样品的不同(在这个例子中是两个)被检查层之间的同步。

如上所述，深度分辨模块300被配置为产生在从样品收集的光和传播以频率v2变化的调制光路的参考光束之间的干涉。收集单元500被配置为收集在选定的中间平面处如此生成的图样。因此，所收集的电场可以被表示为：

eout(x,t)＝s1(x-v1t)+s2(x-v1t)+r(x-v2t)(方程5)

其中参考场通常是具有α的角频率的倾斜平面波并且可以被表示为：

r(x-v2t)＝exp(2πiα(x-v2t))(方程6)

在这里v2是参考光束(反射镜600)的移动速度，且等于v2/α。

方程5的电场由收集单元500的检测器阵列收集，并因此按在曝光/积分时间内被积分的强度收集。因此，所收集的图像数据可以被表示为：

iout(x)＝∫|eout(x,t)|²dt＝1+∫|s1(x-v1t)|²dt+∫|s2(x-v1t)|²dt

+real{∫s1(x-v1t)s2^*(x-v1t)dt+∫r^*(x-v2t)(s1(x-v1t)+s2(x-v1t))dt}

(方程7)

通常，检测器阵列的积分时间可以比刺激场的调制周期(1/ν1)和参考光束的调制(1/ν2)大得多，但是可以被选择为小于1/(ν1-ν2)。因此，形成相应图像数据片的所收集的强度图样是：

iout(x)＝1+c1+c2+real{∫r^*(x-v2t)(s1(x-v1t)+s2(x-v1t))dt}(方程8)

其中c1和c2是空间无关常数，并且在s1和s2之间的交叉相关表达式消失，因为散斑图样s1和s2的场分布是彼此不相关的(具有不同的维度并且由于δx(t)而具有不同步的运动)。更具体地，在(收集单元500的)检测器阵列的积分时间内，交叉相关表达式被认为在积分时间内消失，因此∫s1(x-v1t)s2^*(x-v1t)dt＝0。因此，所收集的图像数据以real{∫r^*(x-v2t)s1(x-v1t)dt}和real{∫r^*(x-v2t)s2(x-v1t)dt}的形式与和在s1或s2与参考光束之间的相关性相关联的数据一起被留下。

使用上面的方程4，且关于空间坐标的一般假设提供：

在与下式时间积分后产生：

通常，散斑图样的空间周期性α和反向尺寸1/d1可以优选地具有相同的数量级，即，提供其空间频率的参考光束的角度被选择为1/d1的数量级。另外，收集单元500的积分时间优选地被选择为相对长，通常比d/v1和1/αv2长，并且优选地长得多。作为结果，这两个表达式的前两项消失了(因为它们在αv2或v1/d1的时间频率处变化)。因此，在这两个表达式中的剩余项在以下时间频率处改变(闪烁)：

因此，根据刺激频率v1、参考光束调制频率v2和角/空间频率α，鉴于散斑平均尺寸d1和d2的变化，系统100可以优选地被配置为提供闪烁频率vf1和vf2以由收集单元500有效地采样。更具体地，收集单元的采样率优选地被选择为符合与vf1和vf2中的较大者相关联的奈奎斯特频率。换句话说，采样率(与积分时间成比例)优选地快于1/νf1和1/νf2。因此，这两个表达式中的第三项提供在图像数据片之间的闪烁，并且不平均到零。

因此，本技术利用与在选定频率v2下的参考光束的调制组合的选定频率v1的外部刺激(例如超声)，从而能够去除与从样品的不同层到达的光分量的干涉相关的交叉项。同时保持与每层的光分量和已知参考光束的干涉相关的项。因此，使用对每一层的不同的闪烁频率来实现在与样品的不同层相关联的散斑图样的部分之间的区分。应当注意，为了简单起见，在这里使用两层来描述本技术。可以使用额外的层，为不同层提供变化的闪烁频率的实质上相似的结果。

如上所指示的，控制单元800通常可以被配置为检测与相应闪烁频率相关联的所收集的图像数据片的部分，以从而确定在散斑图样的部分和样品的相应深度层之间的关联。

参考图6a至6d，其示出指示与样品的变化的深度层相关的散斑的平均尺寸的变化的实验结果。图6a示出由穿过厚度4毫米、8毫米、12毫米和16毫米的样品透射的光形成的散斑图样；图6b示出指示由通过几个宽度的样品的光透射形成的平均散斑尺寸的曲线图；图6c示出由从厚度3毫米、4毫米、5毫米和6毫米的样品反射的光形成的散斑图样；以及图6d示出散斑尺寸与样品厚度的对应曲线图。

提供透射结果的装置基于具有20μm的光斑直径的透镜光纤耦合的激光二极管(830纳米)光源。由琼脂(1％浓度)和脂肪乳剂(0.1％浓度)的混合物合成不同厚度(3毫米-6毫米)的组织样品。通过具有透镜(f＝75mm)和偏振器的cmos照相机(pixelink)为每个样品单独地捕获透射激光散射散斑图样，该偏振器被调谐以阻挡入射光的冲击部分的分量(透射而没有散射的光)。

反射装置基于通过100μm针孔传播的绿色激光二极管(532nm)以给出小光斑直径。再次，从琼脂(1％浓度)和脂肪乳剂(0.1％浓度)的混合物合成不同厚度(3毫米-6毫米)的组织样品。通过具有透镜(f＝75mm)和偏振器的cmos照相机(pixelink)为每个样品单独地捕获反射激光散射散斑图样，该偏振器被调谐以阻挡镜面反射的分量，只留下所散射的反射光的部分。

进一步参考示出实验结果的图7a至7d，实验结果显示了连续图像中的闪烁散斑(图7a)、对具有不同尺寸的散斑获得的闪烁频谱(图7b和图7c)以及在图7d中对不同尺寸的散斑(对应于来自被检查组织的不同深度的光子)获得的截止频率。如从这些图中可以看到的，对于从样品的不同深度返回的光，明显的变化存在于闪烁频率和闪烁的相应截止频率中。这使控制单元800及其闪烁检测模块830能够区分开与来自样品的不同深度的光/光子相关联的所收集的散斑图样的部分，并且分离相应的部分用于独立处理。

应当注意，本技术提供了在与样品的不同层相关联的光分量之间的光学分离。由于时间调制和解调而造成的在光子级中的这个分离使本技术相对于数字和电子信号对噪声限制变得鲁棒，这在后处理深度分辨技术中是很占主导地位的。

根据一些其他实施例，深度分辨率技术基于采样摄像机的时间分辨率和它的单独地捕获与散斑闪烁的不同时间编码相关联的图像数据片的能力来提供层的分离。如上所述，参考光束rb的反射镜600可以在其每个周期期间以恒定加速度移动，闪烁频率以类似于时间透镜的方式是根状的。假设需要同一散斑区域的n次闪烁的重复来识别频率，用于区分开深度层数据的时间分辨率是：

其中δt是在散斑区域的区分开的组的闪烁之间的时间差。给定在上述方程2中的频率v(x)，提供：

提供下面的深度分辨率：

类似地，深度分辨率可以再次使用上面的方程2作为用于处理的样品的数量的参数被给出，提供：

δx＝λn(方程15)

从另一观点看，时间频谱分辨率δν受到用于测量每个闪烁点的时间的限制：

其可以被导出以提供：

以及再次使用方程16来简化，导致：

这规定根据本技术的深度分辨率与照明光的波长以及参考光束的调制反射镜600的移动有关。另外，这种深度分辨率可以通过增加用于确定闪烁散斑的组的图像数据片的数量来提高。更具体地，本技术的深度分辨率可以由下式给出

应当注意，该分辨率限制涉及在利用闪烁频率的变化来检查的对象/组织的不同轴向层之间的分离。然而，测量系统的附加参数与轴向分离有关，并且最终可能提供增加的snr，以从而产生更好的性能。

与在样品的轴向层之间的分离相关联的一个附加参数涉及照明源的相干长度。更具体地，如果照明源提供具有相对短的相干长度的光学照明，则不同的轴向层将不促进在光分量之间的干涉。这导致在与不同轴向穿透深度相关联的散斑图样之间的分离。

另外，也可以根据测量系统100的几何形状和对准来确定轴向分辨率。由光源单元提供的照明路径的数值孔径(na)和光收集路径的数值孔径(na)优选地被设计成增加在从单个散斑内的紧密层返回的光分量之间的干涉条纹。可以使用所使用的透镜的选定孔径和光功率以及通过利用在检测器前面的一个或更多个球差透镜来设计数值孔径。在检测到的散斑图样的单个散斑内的干涉条纹的增加的数量导致散斑的增加的闪烁，作为反射镜600的移动的结果。例如，如果在单个散斑内有两个干涉条纹，则反射镜适当的轴向扫描引起要移动的条纹的位置的转移和散斑的闪烁。如果在散斑中有两个条纹，则闪烁频率加倍，作为反射镜移动的结果。因此，即使反射镜600被移动，为了以恒定速度扫描，被表征为具有在散斑内的两个条纹的散斑将以双倍频率闪烁，并且实现与相应层相关联的数据的分离。

应当注意，上述参数——反射镜600的加速运动、照明相干长度以及光学和nv设计——通常是独立的，且可以用于提供样品的深度分辨检查。然而，本发明的技术可以利用这些测量技术中的任何一对的组合或者它们中的三个的组合来提高在样品检查中的深度分辨率。此外，本发明的系统100可以优选地被配置为利用所有三种上述技术，以从而增加轴向信息被获得时的信噪比(snr)，以从而提供更好的整体性能。

关于这一点，还应该注意到，系统的总轴向分辨率可能超过关于方程19描述的限制。更具体地，在一些配置中，照明的相干长度可以被选择为足够短，使得在反射镜的某个位置处，仅示出在从实质上同一深度到达的所收集的光分量之间的干涉。这减少从自不同深度/层且特别是自整个被检查体积返回的光分量产生的干涉条纹。

因此，如上所提到的，用于在轴向层之间的分离的具有不同闪烁频率的散斑闪烁的使用可以受益于相对短的相干长度的使用。然而，因为这些参数是独立的，轴向信息被提取时的最终snr通常可能高于如果仅仅短相干长度的方法被使用而获得的snr(例如，如在时域oct技术中所完成的)。

因此，与传统的光学相干断层摄影(oct)技术不同，本发明的技术利用所收集的光的时间和空间相干成形以根据在样品中的轴向穿透深度来提供所收集的光的编码。这与如在傅立叶域oct中使用的照明相干长度的正弦变化的使用以通过应用逆傅立叶变换来提供轴向信息的提取相反。根据本技术，照明源的时间相干性和还有空间相干性提供了编码的实质上正交的基础(如在扩频方法中的)，以允许在复用深度信息之间的不同解码。因此，结合短相干长度的散斑闪烁频率的使用可以进一步增强轴向信息提取。

根据又一些其他实施例，本技术可以利用在样品物质内的光分量(光子)散射的效应以及修改散射光分量的轨迹的brownian偏移的相应的统计分析，用于分辨关于样品的不同深度的数据。关于这一点，参考图8，其例示根据本发明的一些实施例而配置的系统100。在这些示例性实施例中，深度分辨模块通常包括孔径变化单元310，该孔径变化单元310被配置为影响射在检查区域r或收集单元500的视场上的光分量。孔径变化单元310可以位于从照明单元200传播到检查区域r上的光的光路中，并且被配置为选择性地调节检查区域r上的照明光斑尺寸。可选地，孔径变化单元310可以位于从检查区域r返回并由收集单元500收集的光的光路中，或者是成像透镜装置的元件，并且被配置为选择性地改变收集单元的视场。

用于实现样品的深度分辨监测的变化孔径单元的使用基于发明人的下面的理解：在生物样品中，固有粒子经历广泛的brownian偏移，并且频繁地修改从样品内部散射的光子的轨迹。因此，较深地穿透到样品内的光分量通常经历额外的散射事件，且相应地可以在远离毒物的轴向位置处从样品的表面发射，其中光分量射在样品上。这在图9a和9b中被例示。图9a示出了射在样品上的某个位置处的激光束以及经历一系列散射事件的短轨迹光子和长轨迹光子。光子在它离开样品并传播时的轴向位置可以由随机游走统计表示，即，在从样品离开的点和射入点之间的距离随着散射事件的数量(以及相应地，穿透深度)和散射事件的数量的平方根而变化。图9b示出在从不同散射区域收集的光分量的散射体积形式的光的离射入点的距离和穿透深度之间的关系。

因此，在一些示例中，深度分辨模块300及其孔径单元310被配置为选择性地控制在检查区域r上的照明的光斑尺寸。利用这种配置，系统可以被操作来使用第一(例如较小)光斑尺寸来收集关于检查区域的数据，增加用于数据收集的额外阶段的光斑尺寸(例如，用于确定关于样品的数据足够的帧例如大约1-5秒和相应数量的帧的收集)，并且对选定数量的光斑尺寸重复收集。在这种配置中，收集视场优选地小于光斑尺寸，并且从样品反射的光可以优选地从在被照射的光斑内的点收集。通常可以使用一个或更多个偏振器来阻挡镜面反射。

可选地，照明单元200可以被配置为照射检查区域上的选定光斑尺寸，并且孔径单元310可以被配置为选择性地影响收集单元500的视场。使用这种配置，系统可以操作来收集关于在第一(例如，小的)视场处的样品的数据，如对确定关于样品的期望数据参数所需的改变视场并收集额外的一组图像数据片，并对选定数量的视场值继续进行下去。

在上述两种配置中，通过较大孔径收集的、确定光斑尺寸或视场的数据通常指示样品的较深层。情况是这样，虽然小孔径数据指示浅层。因此，控制单元800可操作来例如针对类似刺激收集不同孔径尺寸的图像数据片组，并通过确定在所收集的图像数据片组之间的变化根据光的穿透深度来确定样品参数的变化。图10例示根据这些实施例的控制单元800。如所示，处理工具810可以包括孔径选择模块，其被配置为控制和操作深度分辨模块300的变化孔径单元310，并且在数据收集的阶段之间改变孔径(照明光斑或收集视场)。

通常，基于散斑的监测技术利用在不同散斑图样之间的相关性。可以通过计算自相关函数g2(t)来确定时间相关散斑波动：

其中i是每个所收集的散斑图样的强度场，t0是某个时间/帧，以及t是在相关的两帧之间的差。散斑图样通常随时间的过去而去相关(在相关性上减少)，其中可以通过拟合单个指数函数来确定去相关时间常数τ。本技术通过放置控制光斑尺寸或收集视野的可控孔径来利用对具有在入射光束周围的变化的(并且稍微减小的)散射面积的散斑波动的跟踪。这导致接收穿过样品块中的不同体积并因此穿过不同数量的散射体的光子。

参考图11a和11b，其示出由光阑孔径变化控制的从不同散射收集的散斑的所计算的相关函数g2(t)。图11a示出对具有3毫米(g1)、2.5毫米(g2)、2毫米(用圆圈标记)、1.5毫米(g3)、1毫米(g4)和0.5毫米(g5)的光阑孔径的低粘度样品的测量，图11b示出对具有类似光阑孔径的高粘度样品的类似测量。从图中可以看到的，散斑相关性的时间衰减在孔径尺寸之间变化，其中通常对于较大的孔径尺寸，在散斑图样之间的相关性衰减更快。这指示与到样品的更深层的光穿透有关的更高的散射。

该技术可用于表征样品，包括样品中的几层深度。另外，在一些实施例中，该数据可用于表征具有不同粘度的各种层(例如，在具有较高粘度的层之下或之上的较低粘度的层)。图12示出响应于作为样品粘度的结果的孔径尺寸的变化的相关时间的不同行为。这使确定样品的内层的粘度数据同时不局限于界面层成为可能。

根据本发明的又一些另外的实施例，本技术利用角散射变化效应来实现样品参数(例如样品的弹性成像测量)的表面和深度分辨监测。参考图13，其示出根据一些实施例的系统100。系统100利用照明单元200，照明单元200包括多个光源单元i1-i4，其被配置为提供对应的多个不同波长范围的相干照明。照明单元200被配置为引导多个波长范围的光来以各种角方向射在检查区域上。因此，本发明的这种技术利用来自样品内的不同层或深度的角散射来收集和确定指示样品的形状变化以及样品对外部刺激的响应的数据，并利用不同波长范围来实现与不同层/角方向相关联的光分量的分离。

因此，系统100包括照明单元200，该照明单元200提供光源组件并携带多个(例如两个、三个或更多个)光源，在该示例中的i1-i4。每个光源被配置成朝着样品以相应的选定角方向发射具有选定预定波长范围的相干照明。该系统还包括：收集单元500，其包括能够根据光源的多个选定波长范围基于波长来分离输入数据的光学检测器，例如像素阵列，(例如利用以多色滤波器320的形式的深度分辨模块，例如拜耳滤波器)；以及光学装置520，其被配置为收集从样品返回的光并将它传输到检测器单元。光学装置520被配置为提供从样品返回的光的散焦图像，即在检测器表面上生成对应于在样品和光学装置之间的中间平面ip的图像。

一般来说，在这里参照图13至15例示的技术基于发明人的下面的理解：每个组织都具有可以根据深度而变化的给定角散射。更具体地，在组织的不同深度层处，光的角散射可以由每深度测量的角范围s(以rad/mm为单位被测量)来定义。本发明的技术利用以一组光源对组织上的选定位置的照明，使得每个光源具有不同的波长范围以允许返回光的分离。光源通常是准直的或几乎准直的，并且指向样品以规定从样品不同深度散射的光可以被具有有限na的单个光学装置收集。光源可以以在光源之间的角间隔布置，选择成对应于由组织的最大深度(最大深度基于合适波长的期望测量和/或穿透)产生的最大角散射。在一些配置中，光源可以被配置为彼此平行，以从而实现在公共角范围处从不同深度散射的光的收集。

因此，该技术还利用包括传感器阵列和光学装置520的光收集单元500。光学装置520被配置成以相对低的数值孔径(na)收集从样品的检查区域返回的光，并将所收集的光引导到传感器阵列上。光学装置还被配置为在传感器阵列上提供所收集的光的散焦图像，或者更具体地，在传感器阵列上使中间平面成像。这导致在检测器阵列上的指示由散射光产生的二次散斑图样的图像。因为光源组件提供在多个波长范围内的相干照明，所收集的图像数据分别对应于多个散斑图样的叠加。

检测器单元通常操作来以选定的采样率收集图像数据片序列。每个图像数据片被传输到控制单元800，并且相对于光源i1-i4的这组多个波长范围被分离到光谱内容(波长)。对于每个波长，对应的图像数据分量通常包括关于从样品内的某个深度散射的对应波长的光的散斑图样的数据。该控制单元还被配置成可操作来处理关于散斑图样的接收到的数据并确定在散斑图样的不同数据片之间的相关性，以从而确定样品的参数。

光学装置520的数值孔径优选地被选择为足够低，以规定对于每个波长范围，散射角的范围足够窄且因此指示进入样品内的某个穿透深度。控制单元还可以包括携带指示样品的每深度测量的角范围s的数据(材料相关数据)的存储工具。因此，控制单元可以以查找表的形式利用该数据，该查找表提供关于对于每个收集角的散射源的深度的数据。或者在光源被配置有平行光轴并且光以窄的收集角被收集的情况下对于发射光的每个波长的散射深度。因此，对于每个波长，组织深度(收集到的光子从该组织深度到达)由下式确定：

其中，δθλ是角散射范围，其是波长(λ)相关的且由na和用于收集光的光学装置的对准确定，以及zλ是组织中的估计深度(它也是波长相关的)，所散射的光子从该估计深度到达。因此，使用照明单元200的光源和用于收集光的光学装置520的适当布置，不同波长范围的散斑图样提供关于在样品的不同深度内的样品参数的数据。

一般，所使用的波长范围将在相对窄的频带内被选择，相对于样品材料具有实质上相似的物理和光学特性。此外，散射特性(角范围s)可以是波长相关的，且因此波长范围的频带优选地被选择为提供散射特性的小的和可忽略的变化。例如，本发明的技术可以提供进入样品内的几纳米例如50纳米或更多穿透的深度映射。通常根据所使用的波长范围的穿透范围、不同波长范围的数量以及光源组件的na和布置来确定深度映射和深度分辨率。

如上所指示的，图13示意性地示出根据本发明一些实施例的利用角散射变化来分辨样品的深度数据的系统的配置。系统100包括光源单元200，光源单元200包括多个两个或更多个光源(例如，在该示例中示出了四个光源l1-l4)，每个光源被配置成发射具有预定波长范围的相干照明，其不同于其他光源的相干照明。例如，光源i1-i4可以被配置为发射蓝色、绿色、黄色和红色的光，从而使用合适的滤色器(例如，修改的拜耳滤波器)基于波长范围来实现输入的所收集的光的分离。因此，从样品返回的光由包括检测器阵列的收集单元500收集。检测器阵列可以与合适的波长滤波器320(或色散光栅)相关联，该波长滤波器320(或色散光栅)与实现不同波长的光分量的分离的深度分辨模块相关联。光收集单元500被示为包括提供(相对于检查区域散焦的)中间平面的成像的光学成像装置520。

光学透镜装置520被配置为收集具有预定视场和na的数据，并在检测器上生成对应于中间平面ip的图像数据。这在检测器阵列上形成对应于二次散斑图样的图像数据。该系统还包括控制/处理单元800，该控制/处理单元800被配置为接收所收集的图像数据片的序列，并处理在图像数据片之间的散斑图样的变化。

因此，检测器500被配置为传输指示多个图像数据片的数据，每个图像数据片对应于在选定波长范围内的一组散斑图样。控制单元800例如通过将每个图像数据片分离到波长部分并确定关于每个波长范围在连续图像数据片之间的相关性来利用所收集的数据中的颜色/波长变化。因此，为每个波长确定的相关函数提供了指示与相应波长的射入光的角方向相对应的样品的一层的数据。

在一些实施例中且如上所述，该系统还可以包括刺激单元700，该刺激单元700被配置成在样品上产生预定的刺激。刺激单元例如可以是超声波发生器或其它声振动发生器，或者它可以通过与样品接触来施加物理刺激。刺激单元的使用实现样品对预定刺激的响应的检测，使样品的弹性成像测量成为可能。

图14示出作为不同穿透深度的结果的角散射方向的变化。如所示，若干光源的光具有相应的不同波长范围λ1至λn。进入样品中的不同深度的穿透在不同的角分布下返回散射光。因此，如果不同光源对齐，使得它们都具有轴心重合，使得来自它们中的每个光源的背散射光将光贡献给同一检测器，但是光来自不同深度。每个光源的光将在预定的角分布中返回，以由光学装置从样品中的不同深度收集。因此，每个波长范围可以被配置为提供指示在样品内的相应深度的数据。

在图15中进一步例示根据本发明的波长/深度分离，其示出关于来自样品的角散射的光谱分析。检测器的光谱分析可以利用色散光栅(或像素化滤波器阵列)，基于波长范围来实现在所收集的光分量之间的分离。通常，色散光栅将不同波长的光分量转向到检测器阵列的不同区域，而像素化滤波器阵列允许预定波长范围的光传输到检测器阵列的每个像素中。光收集的相对窄的视场(或数值孔径)的使用实现在散射的峰之间的光的收集。在na1角区域处的收集可以用于区分开以不同角方向到达的光分量。这实现具有对应于样品的不同深度层的多个角分布的光分量的检测。

通常，如上所述的本发明的技术和系统可用于关于各种机械特性提供样品且特别是生物组织的深度相关分析，包括弹性成像。该系统可以是桌面安装的，并被配置成检查位于样品折叠架上的组织，或者被配置成位于探针上或探针内，以实现对生物组织、动物或人类的空腔的检查。因此，该系统可以以微型内窥镜的形式安装在插入患者的血流中的探针上，以实现内腔等的绘制。

除了上述波长深度编码技术之外，本发明的技术还可以利用偏振深度编码。在该配置中，参考图16，其示出被配置为监测样品的深度相关数据的系统100。系统100基于上面所述的基于散斑的监测系统，然而在该配置中，深度分辨模块300包括被配置为分析所收集的光的偏振度(dop)的偏振测量单元340。关于这一点，照明单元200可以被配置为提供相干偏振照明，或者利用偏振器330(其可以与深度分辨模块300相关联)。控制单元800还可以被配置为从偏振测量单元340接收关于所收集的光的偏振度的数据，用于确定关于所收集的光的穿透深度以及相应地关于一个或更多个图像数据片所关联的层的数据。

通常，因为光散射引起偏振信息的损失，光被散射得越多，即如果它来自越来越深的层，那么它的偏振度就降低。为此目的，偏振测量单元340被配置为分析所收集的光的偏振信息(即包括偏振计检测器)，使得收集单元500提供关于光强图样(以散斑图样的形式)的数据，并且深度分辨模块300例如通过分析斯托克斯参数来提供关于偏振度(dop)的数据。以图像数据片序列的形式的所收集的数据和每个帧的dop数据被传输到控制单元用于处理和分析。控制单元可以确定所收集的光的斯托克斯参数，并相应地确定在每帧中收集的光的偏振度(或偏振损失度)。如此确定的偏振数据用于确定关于每个数据片所关联的深度或层的数据，以从而构造深度分辨相关函数和相应地如上所述的样品的各种参数。

偏振测量单元340通常可以被配置为确定沿着垂直和水平轴(以及中间轴，例如45度和-45度)的线偏振以及顺时针和逆时针圆偏振的水平。控制单元可以利用关于斯托克斯参数的数据，用于将光分量的dop确定为：

其中s0、s1、s2、s3表示4个斯托克斯参数，以及s0是被检查的光的总功率。

应当注意，如上所述，本技术——关于它的利用参考光束的调制、孔径变化、一个或更多个照明波长、光反射的变化角分布和/或偏振度的测量来确定光分量的深度穿透的不同实施例——还可以包括使用注入到样品中的对比材料来增强在样品的层之间的区分。这种对比材料可以例如包括具有变化的光反射和散射特性的纳米颗粒和/或染料分子。可以将对比材料插入/注入到样品中，并根据对比材料的浓度来改变样品材料与射在其上的照明光的相互作用。通常，各种纳米颗粒、冲模分子和其他对比材料提供对不同波长或偏振的光改变的反射或散射特性，从而增强在从样品的不同层返回的光分量之间的变化。

通常，对比材料可以局部地被注射，并允许扩散/分布到样品中，从而提供在层之间的浓度变化。例如，较小的纳米颗粒通常更深地穿透到组织中，使用于形成光反射/散射特性的梯度的不同尺寸的纳米颗粒的使用成为可能。对比材料还可以具有通过热效应(用激光加热)或通过声学效应(光声)表示的时间相关特性，允许在时间上变化的光分量的区分。

因此，本发明的核心技术规定在调制参考光束的光路时使用干涉测量散斑检测来确定样品的参数。这提供了指示对应于照射样品的光的多个穿透深度的样品参数的散斑图样数据。因此，该技术能够提供关于样品及在其不同体积层中存在的振动的三维数据。