用于分析多个偏振光束的光谱的光谱仪的制作方法

本发明涉及一种用于使用分散结构化照明的共焦显微镜的装置与方法，具体地，用于配准共同获取的光学相干断层扫描(oct)图像的装置与方法。然而，应当理解，本发明并不局限于该具体领域的使用。相关申请本技术要求保护于2016年7月1日提交的题为“用于使用分散结构照明的共焦显微镜的装置和方法”的澳大利亚临时专利申请no2016902602的优先权，通过引用将其内容结合在此。

背景技术：

1、贯穿本说明书中讨论的现有技术不得以任何方式被视为对该现有技术已广为人知或构成本领域公知常识的一部分的认可。

2、光学相干断层扫描(oct)是一种广泛使用的干涉技术，用于使用抱在包含在反射或散射光的振幅和相位内的信息来通过横向和深度分辨率研究诸如人眼等体内组织中包括的生物样本。oct系统通常利用迈克逊(michelson)干涉仪配置，即，采用两种主要的解决方案：时域oct和谱域oct。

3、在时域oct中，通过利用由同一来源提供、但具有时变路径长度的参考光束对从样本反射的光进行干扰而使用诸如具有若干微米的相干长度的超高亮发光二极管(sled)等部分相干源的相干性质。在与参考臂的路径长度延迟对应的样本的特定深度处，将在组合的反向反射信号中检测边缘的干扰包络，以允许重构深度维度的反射曲线。通常，每次仅针对单一的采样点完成此操作，并且已知深度的对应扫描作为‘a-扫描’。

4、代替扫描延迟线，谱域oct技术通过利用作为波长的时变函数的参考光束进行干扰(扫描源oct)或通过利用光栅或其他光谱解多路复用器分散不同的波长并且同时沿着检测器阵列对其进行检测而分析反射光。谱域信息是空间(深度)反射曲线的傅里叶变换，因此，通过快速傅里叶变换(fft)能够恢复空间曲线。一般而言，因为具有-20db至30db的灵敏度优势，所以优选谱域oct系统、而非时域oct系统。

5、通过在一个轴上相对于样本扫描样本光束，可以将oct技术适配成提供横向分辨的‘b-扫描’，或通过在两个轴上扫描而提供‘c-扫描’。无论扫描类型如何，通常需要快速采集，尤其用于减少体内样本的运动导致的缺陷，并且通过包括快速扫描源扫描速率与光电探测器阵列读出速度的若干领域的进步，快速获取在过去的20至25年已经得到了极大地改善。然而，激光安全条例提供了扫描点方案的基本局限性(尤其对于体内应用)：减少停留时间，以增加扫描速度，而不能够增加不可避免地降低信噪比的应用功率。

6、因此，还研究了‘并行化的’oct系统，其中，利用横向分辨率探测扩展的样本区域，或同时探测一系列样本点。例如，通过利用题为‘用于获取使用ccd检测阵列而无需横向扫描器的方法和装置’的美国专利号5,465,147中描述的ccd相机和成像光学而相对简单地并行化时域oct。这利用了通过扫描如时域oct中常见的参考镜子所提供的深度分辨率而提供二维(2-d)对开面部图像。

7、如bonin等人的‘in vivo fourier-domain full-field oct of the humanretina with 1.5million a-lines/s’，optics letters 35(20),3432-3434(2010)中描述的，能够通过类似的方式并行化扫描源谱域oct。然而，因为每个帧与单一的波长对应，所以每次a-扫描的获取时间等于帧周期乘以采集的a个点(波长样本)的数量。甚至对于具有数百khz的帧速率的超高速相机，这也能够导致a-扫描采集时间达到几毫秒，从而能够引起尤其体内样本的运动缺陷。题为‘多信道光接收器’的公开pct专利申请号wo 2016/094940al公开了能够实现快速获取的可替代并行化扫描源oct方案。在一个具体的实现方式中，同时示出了样本上的多个光斑并且反射或扫描信号光与参考光束混合而形成具有唯一载波频率的多个干涉图。

8、因为必须将波长分散到2-d传感器阵列的多个像素上，所以基于光谱仪的谱域oct在某种程度上更难以进行并行化。在题为线场全息透镜(line-field holoscopy)的公开美国专利申请号2014/0028974al描述的配置中，使用圆柱形透镜在样本上和参考镜子上产生线照明(line illumination)。沿着2-d传感器阵列的一个轴线分散组合的返回样本和参考光束能够实现单拍b-扫描获取。然而，对于全三维(c-扫描)成像，需要在正交方向上扫描照明线(illuminated line)并且反复读出2-d传感器阵列，并且通常难以保持重复线性扫描之间的相位相干。

9、如果照亮2-d样本区域并且(例如，利用2-d小透镜阵列)在两个横向维度上对组合的返回样本和参考波阵面进行采样，并且将产生的采样点分散到2-d传感器阵列的独立像素组上，则能够实现单拍c-扫描获取。该通用方案的效果将三个空间维度(与两个横向维度和一个光谱维度等同)的数据压挤成2-d传感器阵列。通过相对于波长分散元件适当地定位采样点能够确保分散采样点到独立像素组的映射。题为‘图像映射光学相关断层扫描’的美国专利号us 9,243,888公开了一种可替代的解决方案，其中，具有多个不同角度的小面的‘图像映射器’将来自图像的不同部分的光反射在分散元件的不同区域上并且由此反射在2-d传感器阵列的独立像素组上。

10、题为“高分辨率3-d谱域光学成像装置和方法”的公开美国专利申请号2016/0345820al与anderson等人的‘3d-spectral domain computational imaging’，proc spie9697(8march 2016)http://dx.doi.org/10.ll17/12.2214801中公开了将基于小透镜的采样技术应用于来自视网膜及其他样本的数量级为100μmx100μmx1000μm的小体积的图像的单拍获取的配置。利用相对于分散元件的分散轴成角度的直线性小透镜阵列对组合的返回波阵面进行采样，且采样处于傅里叶平面内(即，远场上)，以提供‘全息’形式(即，全息oct)，或者采样处于图像平面内(即，近场上)。在任一情况下，空间分辨率很大程度上取决于物镜的na并且可以例如为约3μm。

11、此外，由于可商购的小透镜阵列所提供的采样点的数目有限，所以样本上的照射区域优选为保持相对较小，100μmx100μm的数量级，以减少多次散射的影响。原则上，能够获取多个相邻或重叠体积的图像并且将图像一起缝合成比样本体积更大的图像，但是，总的获取速度受2-d传感器阵列的帧速率的限制。尽管各个体积的获取是快速的(0.1ms的数量级)，然而，出于合理的成本效益的电子设备，帧速率目前将获取速率限制为几百hz。因为眼睛运动相对于ms时间级而言是明显的，所以需要改善的配准技术来允许通过将帧缝合到一起、而无配准损失，以获取视网膜的更大区域。改善的配准技术还将有利于在设置过程中为临床用户提供更宽的视网膜视野，同时识别感兴趣的区域。尽管能够获得视网膜的独立光学图像并且能够将光学图像多路复用成oct图像，然而，这将提供劣等的分辨率细节并且不能紧密地集成独立的成像系统。

12、除非上下文另有明确要求，否则，贯穿说明书和权利要求书，与排他或穷尽含义相反，措词‘包括(comprising)’、‘包括(comprises)’等被视为包含含义。即，其被视为‘包括但不限于’的含义。

技术实现思路

1、发明目标

2、本发明的目标是克服或改进现有技术的至少一种限制、或提供可使用的替代方案。本发明的目标通过优选形式提供了通过将两个或多个图像缝合到一起、而无配准损失来获取扩展样本体积的光学相干断层扫描图像的装置和方法。本发明的另一目标通过优选形式提供了用于使用分散结构化的照射场分析样本的装置和方法。

3、根据本发明的第一方面，提供一种用于分析样本的装置，所述装置包括共焦显微镜系统，包括：

4、第一光学系统，包括一个或多个用于发射第一波段内的光的光源和用于在样本的第一区域内产生以针对第一波段内的每个波长产生小光束栅格形式的分散结构化照明场的波长分散元件；

5、第二光学系统，用于收集来自所述分散结构化照明场的、从所述样本的所述第一区域反射或散射的光，补偿由所述波长分散元件施加的光谱分散，并且使分散补偿后的所收集的光通过至少一个孔；以及

6、光谱仪，包括用于光谱地分析所收集的从所述样本的所述第一区域反射或散射的光的二维传感器阵列。

7、在某些实施方式中，共焦显微镜系统被配置为分析眼睛的后段中的结构，使得在使用时，眼睛的光学功率元件与第一光学系统协作，以在结构处产生分散结构化照明场。在优选实施方式中，共焦显微镜系统被配置为分析眼睛的视网膜。

8、在某些实施方式中，第一光学系统被配置为沿着与小光束栅格的轴线成一角度的方向分散第一波段内的光，以在第一区域内产生大致连续的分散结构化照明场。

9、在某些实施方式中，装置包括用于对与第一区域至少部分重叠的第二区域内的样本执行oct分析的光学相干断层扫描(oct)系统。在优选实施方式中，oct系统利用与第一波段不同的第二波段内的光，以分散到在二维传感器阵列的不同部分上。优选地，oct系统包括用于发射第二波段内的光的光源。在可替代的实施方式中，共焦显微镜系统与oct系统被配置为利用处于不同偏振态的光分析样本。

10、优选地，光谱仪为oct系统和共焦显微镜系统所共用。优选地，oct系统被配置为对从样本的第二区域反射或散射的傅里叶场光进行采样。优选地，oct系统包括用于过滤在oct系统的分析系统的空间尼奎斯特(nyquist)极限之外的光的孔。

11、在优选实施方式中，装置被配置为相对于样本移动分散结构化照明场与oct系统的样本光束，以获取样本的连续第一区域和第二区域的多个共焦显微镜图像和oct图像。优选地，针对分散结构化照明场和样本光束在样本上的每个位置，装置被配置为在二维传感器阵列的单个帧内获取共焦显微镜图像和oct图像。优选地，装置包括被适配成使用从多个共焦显微镜图像获得的信息来配准多个oct图像的处理器。在优选实施方式中，第二区域中的每个区域全部在相应的第一区域内。

12、优选地，装置包括分光器，分光器用于分离来自一个或多个光源的光的一部分，以形成与从样本反射或散射的第一波段内的光相干扰的参考光束。

13、在某些实施方式中，第一光学系统被配置为沿着与小光束栅格的轴线大致平行的方向分散第一波段内的光，以在样本上产生包括间隔开的一个或多个分散波长的重叠序列的分散结构化照明场。

14、在某些实施方式中，波长分散元件具有能够实现分散结构化照明场的波长相关聚焦的光功率。优选地，装置包括处理器，处理器被适配成使用样本上的一个或多个点处的分散波长的序列的重叠，来提供用于确定在一个或多个点处的轴向位置的干涉的子采样光谱。优选地，装置被配置为相对于样本移动分散结构化照明场，以分析样本的另外区域。

15、在某些实施方式中，第一光学系统包括光源和用于产生包含第一波段内的光的小光束栅格的小透镜阵列。在其他实施方式中，第一光学系统包括用于产生包含第一波段内的光的小光束栅格的多个光源。

16、根据本发明的第二方面，提供一种用于分析样本的方法，方法包括以下步骤：

17、使用一个或多个发射第一波段内的光的光源及波长分散元件，在样本的第一区域中产生以针对所述第一波段内的每个波长的小光束栅格形式的分散结构化照明场；

18、收集来自所述分散结构化照明场的、从所述样本的所述第一区域反射或散射的光；

19、补偿由所述波长分散元件施加的光谱分散；

20、使分散补偿后的所收集的光通过至少一个孔；并且使用包括二维传感器阵列的光谱仪光谱地分析所收集的从所述样本的所述第一区域反射或散射的采集光。

21、在某些实施方式中，样本包括眼镜的后段中的结构。优选地，样本包括眼镜的视网膜。

22、在优选实施方式中，方法进一步包括以下步骤：对与第一区域至少部分重叠的第二区域中的样本执行oct分析。

23、优选地，方法进一步包括以下步骤：相对于样本移动分散结构化照明场与用于oct分析的样本光束，并且获取样本的连续第一区域和第二区域的多个共焦显微镜图像和oct图像。优选地，针对分散结构化照明场和样本光束在样本上的每个位置，在二维传感器阵列的单个帧内获取共焦显微镜图像和oct图像。在优选实施方式中，方法进一步包括以下步骤：使用从多个共焦显微镜图像获得的信息配准多个oct图像。

24、根据本发明的第三方面，提供一种用于在样本的扩展区域上执行光学相干断层扫描(oct)成像的装置，所述装置包括：

25、第一光学系统，包括一个或个用于发射第一波段内的光的光源和用于在样本的第一区域内产生以针对所述第一波段内的每个波长的小光束的栅格形式的分散结构化照明场的波长分散元件；

26、第二光学系统，用于收集来自所述分散结构化照明场的、从所述样本的所述第一区域反射或散射的光，并且补偿由所述波长分散元件施加的光谱分散；

27、光谱仪，包括用于光谱地分析所收集的从所述样本的所述第一区域反射或散射的集光的二维传感器阵列；

28、oct系统，用于获取与所述第一区域至少部分重叠的第二区域内的所述样本的oct图像；

29、装置，用于在所述样本上移动所述分散结构化照明场和所述oct系统的样本光束，以收集从至少一个另外的第一区域反射或散射的光并且从至少一个另外的第二区域获取oct图像；以及

30、处理器，被适配成使用从两个或多个第一区域收集的光的光谱分析而获得的信息，来配准从两个或多个第二区域中获取的oct图像。

31、根据本发明的第四方面，提供一种用于在样本的扩展区域上执行光学相干断层扫描(oct)成像的方法，所述方法包括以下步骤：

32、(i)使用一个或多个发射第一波段内的光的光源及波长分散元件，在所述样本的第一区域中产生以针对所述第一波段内的每个波长的小光束栅格形式的分散结构化照明场；

33、(ii)收集来自所述分散结构化照明场的、从所述第一区域反射或散射的光；

34、(iii)补偿由所述波长分散元件施加的光谱分散；

35、(iv)光谱地分析所收集的从所述第一区域反射或散射的光；

36、(v)利用具有照射所述样本的样本光束的oct系统获得所述样本的第二区域的oct图像，其中，所述第二区域与所述第一区域至少部分重叠；

37、(vi)相对于所述样本移动所述分散结构化照明场和所述样本光束，并且对于至少一个另外的第一区域和至少一个另外的第二区域，重复步骤(i)至(v)；并且

38、(vii)使用从两个或多个第一区域收集的光的光谱分析而获得的信息，以配准从两个或多个第二区域获取的oct图像。

39、根据本发明的第五方面，提供一种用于分析多个偏振光束的光谱的光谱仪，所述光谱仪包括：偏振分束器，用于根据偏振态引导光功率；波长分散元件，用于分散多个偏振光束；偏振变换系统，用于变换所述多个偏振光束的偏振；和二维传感器阵列，用于记录所述多个偏振光束的光谱，其中，所述光谱仪被配置为使得，在使用中，所述偏振分束器将进入的偏振光束引导至所述波长分散元件并且将分散的偏振光束引导至所述二维传感器阵列。

40、优选地，波长分散元件包括光栅。在优选实施方式中，偏振变换系统包括镜子和四分之一波片，被配置为使得，在使用时，在从镜子反射之前和之后，多个偏振光束穿过四分之一波片。优选地，光谱仪包括聚焦元件，聚焦元件用于将分散偏的振光束的光谱分量成像在二维传感器阵列上。在某些实施方式中，光谱仪包括偏振器，用于在偏振光束穿过偏振分束器之前，分析多个偏振光束的偏振。优选地，波长分散元件被定向为使得将多个偏振光束中的每个光束被分散到二维传感器阵列的独立像素组上。

41、根据本发明的第六方面，包括具有计算机可读程序代码的计算机可用介质的制品，被配置为操作根据第一方面或第三方面的装置、或实现根据第二方面或第四方面的方法。