光学相干断层成像技术的制作方法
【专利摘要】提供一种光学相干断层成像的技术。在该技术的装置方面，装置（100b）包括发光器（110）、色散介质（120）、光耦合器（130）和检测器（140）。发光器适于产生相干光的一系列输入脉冲（202，204，206），该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度（τ0）。色散介质具有光耦合至发光器的输入（122）和用于输出脉冲（302，304，306）的输出（124）。色散介质适于通过色度色散将输入脉冲宽度展宽至每个输出脉冲的输出脉冲宽度（τp）。光耦合器适于将来自输出处的输出脉冲耦合至参考臂（160）和样本臂（170）中。该光耦合器还适于将从参考臂返回的光和从样本臂返回的光叠加。检测器适于以输出脉冲宽度的一片段（δt门）的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。
【专利说明】光学相干断层成像技术
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种用于光学相干断层成像(OCT)的技术。更为具体地(非限制性地)，本申请涉及一种包括脉冲展宽的扫频光源的针对OCT的装置和一种使用脉冲展宽的宽频光源执行OCT的方法。
【背景技术】
[0002]光学相干断层成像(OCT)是一种非侵入性的且通常为非接触式的成像技术。具有确定的相干长度的光被辐射在一样本上，该样本反射或重新发射具有不同的穿透深度的光，其按照光的相位对信息进行编码。来自样本的光与参考分支的相干光相叠加。
[0003]传统的OCT系统在机械参考分支中使用可移动的反射镜，以得到光学长度可变的参考分支。现代的OCT系统使用傅里叶域OCT (FD-OCT)0 OCT系统的性能可由其轴向分辨率和/或其轴向扫描深度来特征化。
[0004]在一些现有的OCT系统中，轴向分辨率或轴向扫描深度可由OCT系统的特征所限制。例如，使用频谱域OCT (SD-OCT,为FD-OCT的一种情况)的OCT系统可具有受光谱仪的频谱分辨率限制的轴向扫描深度。再如，使用扫频光源0CT(SS-0CT，为FD-OCT的另一种情况)的OCT系统可具有主要受扫频光源的瞬时线宽δ λ限制的轴向扫描深度。另外，使用FD-OCT的OCT系统可具有无法独立于其轴向扫描深度而调节的轴向分辨率。例如，对于检测器的给定频谱分辨率或时间分辨率，扫描深度Λ Zmax可正比于轴向分辨率SZmin。此外，SS-OCT系统可具有较低的轴向分辨率，因为其扫频光源在整个频谱带宽Λ λ (也被称为调谐范围)上是可调谐的，该频谱带宽Λ λ比可用于不进行光源调谐的SD-OCT的光源的全带宽Λ λ窄。
【发明内容】
[0005]需要一种至少在某些情况下，改善轴向分辨率和/或扫描深度的限制的光学相干断层成像技术。
[0006]根据一个方面，提供根据权利要求1所述的一种用于光学相干断层成像或OCT的装置。该装置包括:发光器，其用于产生一系列输入相干光脉冲，该一系列输入相干光脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度；色散介质，其具有光耦合至发光器的输入和用于输出脉冲的输出，其中，该色散介质用于通过色散将输入脉冲宽度展宽至每个输出脉冲的输出脉冲宽度；光1禹合器，其用于将来自输出处的输出脉冲I禹合至参考臂和样本臂中，并用于将从参考臂返回的光和从样本臂返回的光叠加；检测器，其用于以输出脉冲宽度的一片段的时间分辨率检测叠加后的光的干涉强度。
[0007]该一系列输入相干光脉冲中的每个输入脉冲可具有全带宽Λ λ，该全带宽也被称为输入频谱范围。光I禹合器可为分束器，如基于光纤的分束器或自由空间分束器。输出脉冲宽度的片段(fraction)可被表示为δ?η。
[0008]本文所使用的术语“光”可包括(真空)波长范围在600nm到1500nm内的电磁波，优选地，可包括波长范围在650nm到1050nm内、或在850nm到1250nm内、或在IlOOnm到1500nm内的电磁波。
[0009]—些实施例可允许通过改变与发光器相关的参数(如，发光器的带宽，也称为输入频谱范围)来改变OCT的轴向分辨率。相同的或一些其他的实施例可允许通过改变与色散介质相关的参数(如，色散介质的一个或多个色散参数、色散介质中的光传播路径的长度和方向)和/或与检测器相关的参数(如，片段的持续时间)来改变OCT的轴向扫描深度。此外，在一些实施例中，轴向分辨率和轴向扫描深度为可独立改变的。在某些实施例中，光谱仪和/或大范围地可调谐的发光器(如，在全带宽Λ λ上是可调谐的)同时具备产生窄到可忽略的瞬时带宽(还可被表示为符号δ λ )的能力。
[0010]所述系列中的每个输入脉冲或该整个系列可具有至少基本上不依赖于时间的输入频谱范围。替代性地或作为补充，所述系列中的每个输入脉冲或该整个系列可具有至少基本上不依赖于时间的输入中心波长。每个输出脉冲可具有至少基本上对应于输入频谱范围的时间平均的频谱范围。
[0011]每个输出脉冲可具有瞬时输出峰值波长(也表不为符号λ(?))。瞬时输出峰值波长可依赖于时间和/或对于输出脉冲宽度的不同片段而各异。瞬时输出峰值波长可(在对应于输出脉冲宽度的时段上)单调地随时间改变。替代性地或作为补充，每个输出脉冲可具有瞬时输出频谱范围(也 表示为符号S λ)。瞬时输出频谱范围也被称为瞬时带宽、瞬时线宽或瞬时输出频谱间隔。瞬时输出频谱范围可依赖于时间和/或对于输出脉冲宽度的不同片段而各异。瞬时输出频谱范围可(在对应于输出脉冲宽度的时段上)单调地随时间改变。输入频谱范围可为比瞬时输出频谱范围中的一个或每个瞬时输出频谱范围宽若干倍。
[0012]色散介质可包括光纤或波导。波导可包括光栅结构，如色散布拉格光栅(DBG)。光纤可包括光栅结构，如啁啾光纤布拉格光栅(啁啾FBG)。色散介质中的光传播路径基本上可为直的。替代性地或作为补充，该光传播路径可为折叠的。折叠路径可包括介质的界面或边界处的反射。色散介质中从输入到输出的光传播路径至少可为Ikm和/或长达10km、长达60km或长达IOOkm (例如，在光纤中)。此外,路径可具有至少Icm或2cm的长度和/或长达20cm或50cm的长度(例如，在波导或布拉格晶体中)。
[0013]输入脉冲可沿传播路径在频谱上扩展。频谱扩展可使波长与输出时间相关。输出脉冲的瞬时输出峰值波长可与输出时间相关。可相对于发光器的输入脉冲产生时间来定义输出时间。输出时间可在波长λ上为线性的或在波数上为线性的:
[0015]色散介质可包括沿光传播路径位于不同位置的多个抽头。装置可进一步包括光开关，该光开关适于选择性地将发光器耦合至所述抽头中作为输入的一个抽头。替代性地或作为补充，光开关可适于选择性地将所述抽头中作为输出的一个抽头耦合至光耦合器。
[0016]色散介质的色度色散可为线性色散。即,色散参数可基本上不依赖于输入频谱范围中的波长或在波数上为线性的，1^=2π/λ。色散可为群速度色散。色散介质的色散参数可大于或等于lOOOOps/(km *nm),优选地约为13200ps/(km *nm)或更大。色散参数可与介质的折射率关于波长的二次导数成比例。色散可为正的。正的色散可对应于一负的色散参数。输出脉冲中的长波长可在时间上先于输出脉冲中的短波长。色散介质可先输出每个输出脉冲中的长波长。每个输出脉冲的峰值瞬时波长可从长波长到短波长进行扫频(即，正的“啁啾”)。输入脉冲可为无啁啾的。输出脉冲可为上啁啾(在正色散的情况下)。或者，输出脉冲可为下啁啾(在负色散的情况下)。
[0017]装置可进一步包括场发生器，该场发生器适于产生外部场。该外部场可作用于色散介质上。介质的色散参数由外部场的强度来控制或可由外部场的强度控制。
[0018]色散介质可不同于发光器的增益介质。色散介质可在发光器的增益介质之外。
[0019]检测器可检测依赖于时间的瞬时输出峰值波长(λ (t))和依赖于时间的瞬时输出频谱范围(λα)-δ λ/2…λα)+δ λ/2)中至少一者的强度。检测器可进一步适于对多个连续片段的强度进行采样。在相应片段上检测到的每个强度无需在频谱上解析。多个被采样的片段可基本上覆盖输出脉冲宽度或对应于输出脉冲宽度的时段。
[0020]色散介质可被配置为提供输出脉冲。该输出脉冲可具有瞬时输出峰值波数k(t)，其作为时间的函数而变化。瞬时输出峰值波数k (t)可随时间线性地变化。输出脉冲可具有“啁啾”，其在波长λ (t)上为非线性的和/或在k (t)上为线性的(也被称为“随k线性变化的啁啾”)。在波数上为线性的啁啾可由光子晶体光纤(PCF)来提供。检测器可用于适于对片段在时间上均匀地采样，例如，以相等的间隔或周期性地进行采样。或者，色散介质可被配置为提供在波数k (t)上为非线性的“啁啾”。该啁啾可在波长λ (t)或频率ω(t)上为线性的。检测器可适于对在波数k上成线性的片段进行采样。该检测器可被校准到波数k (t)的线性变化(B卩，基本上为时间的线性函数)或波数k (t)的非线性变化(作为时间的非线性函数)。该检测器可通过光学时钟(例如，k时钟)来校准。光学时钟可包括马赫-曾德尔干涉仪。光学时钟可跟随或跟踪波数上的实时变化。替代性地或作为补充，该检测器可包括存储器，校准表可在该存储器中被编码。校准表可与波数和时间相关。校准表可包括或表示列表函数k (t)。可在制造装置时或在执行OCT之前对校准表进行确定和/或编码。也可使用任何其他校准方法。在由校准表定义的时间处，检测器可对片段的干涉强度进行采样。以在波数上为线性的方式对片段的干涉强度进行采样可避免干涉信号(也被称为调制信号)上的损耗，尤其可避免灵敏度和/或信噪比(SNR)的降低。此外，由于不再需要产生波数上成线性的数据的中间处理步骤，可降低对处理单元的要求。
[0021]片段或每一片段可小于或等于输出脉冲宽度的1/500，1/1000或1/10000，或可具有在输出脉冲宽度的1/10000到1/500之间的持续时间。(每个输出脉冲的)被采样的多个片段可至少为500个，或至少为1000个，或至少为10000个。替代性地或作为补充，片段或每一片段可小于200ns,优选地，小于100ns。
[0022]检测器可包括光电二极管或双重平衡检测器单元。双重平衡检测器单元可允许降低发光器的相对强度噪声。检测器可进一步包括连接到该光电二极管的门控单元(也被称为门控电子器件)。该门控单元可适于根据片段对强度信号进行斩波和/或读取每个采样片段的强度。检测器可包括缓冲器，该缓冲器用于存储多个采样片段的强度读数。检测器可包括处理器，该处理器适于对(对应于一个输出脉冲的)强度读数和/或其他信号处理函数进行傅里叶变换。
[0023]发光器可为宽频带发光器。该发光器可适于在宽频带频谱上产生输入脉冲。发光器可包括钛蓝宝石激光器(也被称为T1-蓝宝石激光器或TiS激光器)或其他任何短脉冲激光器或超短脉冲激光器。中心波长可在750nm到850nm的范围内，优选地约为800nm。输入频谱范围可近似为大于或等于200nm(例如，300nm或400nm)。钛蓝宝石激光器可为脉冲式的。替代性地或作为补充，发光器可包括超发光二极管(SLD)或任何其他宽带光源，如放大式自发射光源(ASE光源)或脉冲式超连续谱光源。超连续谱光源可包括皮秒激光器、纳秒激光器中的至少一个激光器和耦合到该激光器的非线性光纤。非线性光纤可被配置为通过非线性光学效应产生宽频带且基本上连续的频谱。
[0024]检测器和发光器可被同步。连接到发光器和检测器的控制器可适于同步控制。该同步可包括固定的时移。时移可为输入脉冲的产生和多个片段的强度的采样之间的时间延迟。一系列的输入脉冲可为周期性的。发光器可以一重复率产生该一系列的输入脉冲。可以相同的重复率发起或触发采样。重复率可限定OCT的线获取率。
[0025]发光器可包括连续波光源(CW光源)和光学遮光器。遮光器可操作地被设置在CW光源和色散介质的输入之间。遮光器可适于周期性地对来自CW光源的光进行斩波或阻断。遮光器可以对应于重复率的遮光器频率进行工作。遮光器频率至少可为10kHz、20kHz或50kHz。遮光器频率可高达 IOOkHz、500kHz、IMHz 或 3MHz。
[0026]光耦合器可包括分束器和光纤耦合器中的至少一个。光耦合器可将输出以同样的强度耦合到臂中。或者，光耦合器可将输出以不同的强度耦合到臂中，以增加样本臂的强度。样本臂可提供返回散射光。该返回散射光可从样本处散射。分束器可包括部分透明的反射镜，如，半透镜。光稱合器可为光纤稱合器。光纤稱合器可为熔纤稱合器(fused-fibercoupler)或包括光纤拉锥(fiber tapering)。光稱合器可为2X2稱合器。光稱合器可为50%-50%平分耦合器或可传送任何其他分光比。替代性地或作为补充，光耦合器可包括环行器。该环行器可为三端口环行器。环行器的第一端口可被耦合至输出。环行器(沿环的方向)的第二端口可被耦合至1X2耦合器。环行器(沿环的方向)的第三端口可被耦合至检测器。
[0027]根据另一方面，根据权利要求19，提供一种执行光学相干断层成像或OCT的方法。该方法包括:产生相干光的一系列输入脉冲，该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度；通过色散介质中的色度色散将每个所述输入脉冲的输入脉冲宽度展宽至输出脉冲的输出脉冲宽度；将所述输出脉冲耦合至参考臂和样本臂中，并将从该参考臂返回的光和从该样本臂返回的光叠加；以及以该输出脉冲宽度的一片段的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。
[0028]该方法可由所述装置来执行。该方法可进一步包括装置方面所涉及到的任何特征或步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]参照附图，本发明的其他特征、优点和技术效果在以下的示例性实施例的详细描述中将会更清楚。其中:
[0030]图1示意性地示例出用于光学相干断层成像的包括一色散介质的装置的第一实施例；
[0031]图2示意性地示例出用于光学相干断层成像的包括一色散介质的装置的第二实施例；
[0032]图3示意性地示例出用于光学相干断层成像的包括一色散介质的装置的第三实施例；
[0033]图4示出图1、2或3中的色散介质的输入处的第一输入功率分布的示意图；
[0034]图5示出图1、2或3中的色散介质的输出处的作为第一输入功率分布的结果的第一输出功率分布的不意图；
[0035]图6示出图1、2或3中的色散介质的输出处的第二输入功率分布的示意图；
[0036]图7示出图1、2或3中的色散介质的输出处的作为第二输入功率分布的结果的第二输出功率分布的示意图；以及
[0037]图8示出图1、2或3中的色散介质的色散参数的测量图。
【具体实施方式】
[0038]在现代光学相干断层成像(OCT)中，傅里叶域OCT(FD-OCT)占主导地位，该FD-0CT实现了较之传统的时域OCT(TD-OCT)更佳的信噪比(SNR)。此外，通过避免机械z扫描(SP，光学长度被机械地改变的参考臂)，可实现大大提高的扫描速率(如，fK>100kHz)。FD-OCT用频谱域OCT (SD-OCT)或扫频光源OCT (SS-OCT)来实现。
[0039]J.Jungwirth 等人在 Journal of Biomedical Optics (生物医学光学杂志)2009年第 14 卷第 5 期、页集 050501 (page set050501, Vol.14(5)，2009)上的题为 “Extendedin vivo interior eye-segment imaging with full-range complex spectral domainoptical coherence tomography (通过全量程复谱域光学相干断层成像的扩展的活体内眼段成像)”的文章中描述了现代SD-OCT系统。讨论了扫描深度固有限制和一种通过所谓全量程复合(FRC)技术对有限的扫描深度进行加倍`的方法。
[0040]S.H.Yun等人在Optics Express (光学快报)第11卷第22其月的第2953-2963页(Vol.11, N0.22, pages2953 - 2963)上的题为 “High-speed optical frequency-domainimaging (高速光学频域成像)”的文章中描述了参照图2的SS-0CT系统。除了扫描速率，由OCT装置的光源所发射的带宽Λ λ和发射带宽Λ λ的瞬时线宽δ λ大大影响了 OCT装置的性能(包括下述的轴向分辨率S Zniin和轴向扫描深度ΛΖ_)。
[0041]根据下式，(SD-OCI^P SS-OCT中的)轴向分辨率δ zmin由光源的带宽Λ λ来确定:
【权利要求】
1.一种用于光学相干断层成像或OCT的装置(100a ；100b ; 100c)，所述装置包括: 发光器(110),适于产生相干光的一系列输入脉冲(202, 204, 206),该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有一输入脉冲宽度(τ0)； 色散介质(120),具有光稱合至所述发光器的输入(122)和用于输出脉冲(302, 304,306)的输出(124)，其中，所述色散介质适于通过色度色散将输入脉冲宽度(τ 0)展宽至每个所述输出脉冲的输出脉冲宽度(τp)； 光率禹合器(130),适于将来自所述输出处的所述输出脉冲I禹合至参考臂(160)和样本臂(170)中，并适于将从所述参考臂返回的光和从所述样本臂返回的光叠加；以及 检测器(140)，适于以所述输出脉冲宽度(τρ)的一片段(Stn)的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有至少基本上不依赖于时间的输入频谱范围(Δ λ )和/或至少基本上不依赖于时间的输入中心波长(λO)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述每个输出脉冲具有依赖于时间的瞬时输出峰值波长(λ (t))和依赖于时间的瞬时输出频谱范围(λ α)-δ λ/2…λ α)+δ λ/2)中的至少一者。
4.根据权利要求2和3所述的装置，其中，所述输入频谱范围(Δλ )比所述瞬时输出频谱范围(δ λ )宽若干倍。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的装置，其中，所述色散介质(120)包括光纤。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的装置，其中，在所述色散介质中从所述输入到所述输出的光传播的路程(L)大于Ikm和/或小于1Okm或20km。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述色散介质(120)包括位于沿所述光传播的路程的不同位置处的多个抽头，所述装置进一步包括光开关，所述光开关适于选择性地将所述发光器耦合到所述抽头中作为所述输入的一个抽头和/或适于选择性地将所述抽头中作为所述输出的一个抽头耦合到所述光耦合器。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其中，所述色散介质(120)的色散参数(D)大于 lOOOOps/ (km.nm)。
9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括场发生器，其适于产生作用于所述介质的外部场，其中，所述介质的所述色散参数(D)由所述外部场来控制或者可由所述外部场控制。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中，所述检测器(140)进一步适于对与一个输出脉冲宽度(τ ρ)对应的多个连续片段(δt门)的所述强度进行采样。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，被采样的多个片段至少为500个、1000个或10000 个。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的装置，其中，所述片段(δt门)小于200ns，小于100ns,小于 Ins,或小于 lOOps。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中，所述检测器(140)包括光电二极管和平衡检测器中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述检测器(140)进一步包括门控单元(144)，该门控单元连接到所述光电二极管并适于读取每个所述片段的强度。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中，所述发光器(110)包括脉冲式钛-蓝宝石激光器或脉冲式超连续谱光源。
16.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述发光器(110)以重复率(fK)产生所述一系列输入脉冲，且所述检测器(140)以该重复率(fK)发起采样。
17.根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中，所述发光器(110)包括连续波光源和遮光器，所述遮光器可操作地设置在所述连续波光源和所述色散介质(120)的所述输入(122)之间。
18.根据权利要求1-17中任一项所述的装置，其中，所述光耦合器(130)包括分束器(132)、光纤耦合器、环行器(134)和I X 2耦合器(136)中的至少一个。
19.一种执行光学相干断层成像或OCT的方法，所述方法包括: 产生相干光的一系列输入脉冲(202, 204, 206),该系列输入脉冲中的每个输入脉冲具有输入脉冲宽度(τ。)； 通过色散介质(120)中的色度色散，将每个所述输入脉冲的所述输入脉冲宽度(τ J展宽至输出脉冲(302，304，306)的输出脉冲宽度(τρ)； 将所述输出脉冲耦合至参考臂(160)和样本臂(170)中，并将从所述参考臂返回的光和从所述样本臂返回的光叠加；以及 以所述输出脉冲宽 度(τρ)的一片段(Stn)的时间分辨率检测叠加后的光的干涉的强度。
【文档编号】G01B9/02GK103842768SQ201180073710
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2011年9月26日 优先权日:2011年9月26日
【发明者】克劳斯·沃格勒, 亨宁·威斯维 申请人:威孚莱有限公司