專利名稱：光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斷層影像掃描裝置及其方法，特別是涉及一種光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)同調(diào)斷層影像掃描裝置(Optical CoherenceTomography，OCT)是目前使用在眼科、皮膚科、心血管及其他相關(guān)醫(yī)學(xué)診斷相當(dāng)有用的斷層影像掃描裝置，因?yàn)槠淇商峁┰\斷各種疾病所需的清晰斷層影像(sectionalimage)，而且比起其他非侵入式的醫(yī)學(xué)照影技術(shù)，例如電腦斷層影像掃描(Computer Tomography，CT)、磁振造影(Magnetic Resonance Imaging，MRI)與超音波(ultrasound)等，OCT可提供更佳的空間分辨率。
基本上，OCT是使用低同調(diào)性(low coherence)光源的麥克森干涉儀。麥克森干涉儀在信號(hào)光束與參考光束間的光程差(optical path difference)小于光源的同調(diào)長(zhǎng)度(coherence length)時(shí)才會(huì)干涉，又因?yàn)镺CT使用低同調(diào)性光源，所以同調(diào)長(zhǎng)度很短，因此OCT的信號(hào)光束與參考光束間的光程差必須更小才會(huì)發(fā)生干涉，以獲得同調(diào)長(zhǎng)度內(nèi)的反射影像，因此同調(diào)長(zhǎng)度愈短則縱向分辨率愈好。
參閱圖1，現(xiàn)有的OCT適用于測(cè)量一介質(zhì)11，并包含一光源12、一分光器(beam splitter)13、一反射鏡14、一聚焦透鏡15、一光檢測(cè)器161及一信號(hào)處理單元162。
光源12發(fā)射出一低同調(diào)性的光束。分光器13配置于光束的傳遞路徑上，用以接收自光源1 2射出的光束，并將光束分光成分別行進(jìn)經(jīng)不同傳遞路徑的一信號(hào)光束101及一參考光束102。
反射鏡14配置于參考光束102的傳遞路徑上，且可被驅(qū)動(dòng)而來回移動(dòng)，并用以反射自分光器13射出的參考光束102。而聚焦透鏡15配置于信號(hào)光束101的傳遞路徑上，用以接收自分光器13射出的信號(hào)光束101，并將信號(hào)光束101聚焦于介質(zhì)11的表面或內(nèi)部的某一定點(diǎn)。
信號(hào)處理單元162與光檢測(cè)器161電連接，被反射鏡14反射后的參考光束102以及被介質(zhì)11反射后的信號(hào)光束101再次經(jīng)過分光器13，然后入射到光檢測(cè)器161，借由光檢測(cè)器161將光束轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，而信號(hào)處理單元162則是用以分析電子信號(hào)以獲得介質(zhì)11的斷層影像。
自介質(zhì)11反射的信號(hào)光束101是從介質(zhì)11的多個(gè)深度位置反射，所以借由移動(dòng)反射鏡14來改變參考光束102的光程(optical path)，可得到不同深度的干涉信號(hào)，借此求出介質(zhì)11的斷層影像。也就是說，當(dāng)參考光束102與自介質(zhì)11的某一深度反射的信號(hào)光束101間的光程差小于光源12的同調(diào)長(zhǎng)度時(shí)，便產(chǎn)生干涉并獲得的干涉信號(hào)，在分析自各深度獲得的信號(hào)后，便能拼湊出介質(zhì)11的三維斷層影像。
因此，斷層影像的縱向分辨率是由光源12的同調(diào)長(zhǎng)度決定，也就是同調(diào)長(zhǎng)度愈短則縱向分辨率愈好，而橫向分辨率則是由聚焦透鏡15的數(shù)值孔徑(NumericalAperture，NA)決定，使用數(shù)值孔徑愈高的聚焦透鏡15則聚焦后的光束愈小，而橫向分辨率便愈好。
參閱圖2，但是由于數(shù)值孔徑較高的聚焦透鏡15的景深(depth of field)較短，則稍微偏離聚焦透鏡15的焦點(diǎn)所獲得的斷層影像的橫向分辨率就會(huì)明顯變差。所以如圖3，一般的OCT仍是使用放大倍率約20倍的低數(shù)值孔徑的聚焦透鏡15，使景深夠長(zhǎng)，以確保同調(diào)閘(coherencegate)能一直保持在景深內(nèi)。
一般常使用超高亮度二極管(Super LuminescentDiode，SLD)作為光源12，則縱向分辨率大約為10～15μm，這樣的分辨率只能辨別到生物組織層級(jí)的型態(tài)與疾病所造成的型態(tài)上的變異，但是若欲達(dá)到真正的光學(xué)切片(optical biopsy)，也就是要能診斷如癌癥等生物細(xì)胞層級(jí)的病變，則至少需要1μm等級(jí)(order)的分辨率才能達(dá)到。
為了提高縱向分辨率，最直接的方法就是使用頻寬更寬的光源12，也就是同調(diào)長(zhǎng)度更短的光源12，例如使用鎖模鈦藍(lán)寶石激光，則其縱向與橫向分辨率可分別達(dá)到1.5μm與3μm，然而這種激光系統(tǒng)光學(xué)精度要求高，較不適合使用于醫(yī)學(xué)臨床診斷。
另一個(gè)方法則是使用高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡15以提高橫向分辨率，并配合一針孔(pinhole)，也就是所謂的光學(xué)同調(diào)顯微術(shù)(optical coherence microscopy，OCM)，當(dāng)同調(diào)閘及由聚焦透鏡15與針孔所形成的共焦閘(confocal gate)在同一深度位置重疊時(shí)，只有自介質(zhì)11在聚焦透鏡15的焦點(diǎn)處所反射的光可通過針孔，自介質(zhì)11中的其他位置的反射光則因針孔所形成的空間過濾閘(spatial filtering gate)而無法通過，因此可達(dá)到1μm等級(jí)的縱向分辨率。且因?yàn)槭褂冒坠猓员纫话愎步癸@微鏡能在深度更深的高散射介質(zhì)中取得高分辨率的斷層影像。
然而使用高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡15需要同調(diào)閘與共焦閘一直重疊，才有最佳的信號(hào)，所以要作縱向掃描就需使用動(dòng)態(tài)聚焦的方式，使同調(diào)閘與共焦閘能夠一起移動(dòng)。
例如使聚焦透鏡15來回移動(dòng)時(shí)，反射鏡14也同步移動(dòng)，但是若介質(zhì)11中的折射率不均一時(shí)，不但因聚焦透鏡15移動(dòng)而改變信號(hào)光束101的光程，聚焦透鏡15將信號(hào)光束101聚焦在介質(zhì)11中不同折射率處也會(huì)改變信號(hào)光束101的光程，則反射鏡14不但要同步移動(dòng)，在參考光束102的傳遞路徑上還需要放置一折射率與介質(zhì)11的折射率相同的補(bǔ)償器(compensator)，以使兩光束間的光程差能小于光源12的同調(diào)長(zhǎng)度。但是因?yàn)闊o法確切知道介質(zhì)11的折射率的變化，只能以近似的折射率作為補(bǔ)償器的折射率。
不論是因?yàn)槭褂酶邤?shù)值孔徑的聚焦透鏡15，或是因?yàn)樾盘?hào)光束101進(jìn)入介質(zhì)11較深處所造成的像差(aberration)與色散差(dispersion)，都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)光束101與參考光束102的光程不對(duì)稱，而使得干涉信號(hào)的波包(wave packet)拉寬，致使分辨率變差。
再者，因?yàn)榻橘|(zhì)11會(huì)散射信號(hào)光束101，尤其當(dāng)介質(zhì)11是高散射物時(shí)，會(huì)造成自介質(zhì)11中的其他深度位置的反射光也能通過針孔，造成干涉信號(hào)的信噪比(SNR)下降，因而降低斷層影像的品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種降低散射效應(yīng)及同時(shí)降低像差與色散差而可提高在較高散射介質(zhì)中成像的縱向和橫向分辨率斷層影像的光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置本發(fā)明的另一目的在于提供一種可自動(dòng)抵消像差與色散差的光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種降低系統(tǒng)架設(shè)困難度的光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置。
于是，本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描裝置適用于測(cè)量介質(zhì)，其特征在于該裝置包含一雙頻光束產(chǎn)生單元、一中繼分光器、一聚焦透鏡及一信號(hào)處理單元。
該雙頻光束產(chǎn)生單元發(fā)射出雙頻率相互關(guān)聯(lián)光子對(duì)光束，并包括一用以發(fā)射低同調(diào)性光束的光源、一用以接收自該光源射出的該光束并調(diào)變成線偏極化光束的極化器、一將通過極化器的光束分光的分光器及二分別接收并反射自該分光器射出的光束的反射鏡。將分別自所述反射鏡反射的二光束再次經(jīng)過該分光器后使二光束傳遞路徑重合。其中一反射鏡是被驅(qū)動(dòng)而以一固定頻率振動(dòng)，且該二反射鏡的位置是可使所述光束間的光程差小于該光源的同調(diào)長(zhǎng)度。
該中繼分光器是用以接收自該雙頻光束產(chǎn)生的雙頻率相互關(guān)聯(lián)光子對(duì)光束，并將光束分光。
該聚焦透鏡可被驅(qū)動(dòng)而移動(dòng)，是用以接收部分自該中繼分光器射出的雙頻率光子對(duì)光束，并將所述光束聚焦于該介質(zhì)。所述光束被該介質(zhì)反射后而成為信號(hào)光束，并再入射到該聚焦透鏡與該中繼分光器。
該信號(hào)處理單元接收并分析自該中繼分光器射出的所述信號(hào)光束，以獲得該介質(zhì)的斷層影像，并包括一用以聚焦所述信號(hào)光束的透鏡及一位于該透鏡的焦點(diǎn)上的針孔。
于是，本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法適用于測(cè)量介質(zhì)，其特征在于該方法包含以下步驟(A)提供雙頻率相互關(guān)聯(lián)光子對(duì)低同調(diào)性光束，且所述光束間的光程差小于所述光源的同調(diào)長(zhǎng)度，而其中一光束的頻率是由一振動(dòng)的反射鏡因多普勒效應(yīng)而改變。
(B)將所述光束以光學(xué)共同路徑聚焦于該介質(zhì)中的不同深度位置，則所述光束被該介質(zhì)反射后而成為外差干涉的信號(hào)光束，而能降低散射效應(yīng)、色散差與像差以提高斷層影像品質(zhì)。
(C)由包括一透鏡及一位于該透鏡的焦點(diǎn)上的針孔的信號(hào)處理單元分析被該介質(zhì)反射后的所述信號(hào)光束，以獲得該介質(zhì)的高空間分辨率斷層影像。
本發(fā)明采用外差干涉(heterodyne interference)原理，使傳遞路徑相同的光束的像差與色散差自動(dòng)相互抵消，并透過移動(dòng)聚焦透鏡來作縱向掃描，降低系統(tǒng)架設(shè)困難度，且可使用高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡以獲得高橫向分辨率的斷層影像，借此解決以往縱向、橫向分辨率無法兼顧的問題。此外，本發(fā)明特別可適用在測(cè)量高散射介質(zhì)，一方面因?yàn)殡p頻率相互關(guān)聯(lián)低同調(diào)性光子對(duì)在散射介質(zhì)中去極化效應(yīng)；以及因使用低同調(diào)性光束，則經(jīng)過散射的低同調(diào)雙頻率光子對(duì)光束無法產(chǎn)生干涉，借此降低散射效應(yīng)。再一方面信號(hào)光束經(jīng)透鏡聚焦，再由針孔過濾聚焦透鏡的離焦平面反射的信號(hào)光束，也可降低散射效應(yīng)并獲得高縱向分辨率的斷層影像。

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是一示意圖，說明現(xiàn)有的光學(xué)同調(diào)斷層影像掃描裝置。
圖2是一示意圖，說明現(xiàn)有的光學(xué)同調(diào)斷層影像掃描裝置的一高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡的景深較短。
圖3是一示意圖，說明現(xiàn)有的光學(xué)同調(diào)斷層影像掃描裝置的一低數(shù)值孔徑的聚焦透鏡的景深較長(zhǎng)。
圖4是一示意圖，說明本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第一較佳實(shí)施例。
圖5是一示意圖，說明該第一較佳實(shí)施例可測(cè)量線偏極化雙折射介質(zhì)的相位延遲的斷層影像。
圖6是一示意圖，說明本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第二較佳實(shí)施例。
圖7是一示意圖，說明本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第三較佳實(shí)施例。
圖8是一示意圖，明本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第四較佳實(shí)施例。
圖9是一示意圖，說明本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡景深較短但是同調(diào)閘較長(zhǎng)。
具體實(shí)施方式有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)與功效，在以下配合參考附圖的四個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)說明中，將可清楚地呈現(xiàn)。
為了方便說明，在以下的實(shí)施例中，相同的元件以相同的標(biāo)號(hào)表示。
參閱圖4，本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第一較佳實(shí)施例包含一雙頻光束產(chǎn)生單元3、一中繼分光器41、一聚焦透鏡42及一信號(hào)處理單元5。
雙頻光束產(chǎn)生單元3包括一低同調(diào)性光源31例如超高亮度二極管(SLD)，通過一可調(diào)整極化角的極化器(polarizer)32以產(chǎn)生45°線偏極化光束，由一偏極化光分光器(Polarizing Beam Splitter，PBS)33”將線偏極化光束分成平行偏極化(p-polarization)光束和垂直偏極化(s-polarization)光束，以下簡(jiǎn)稱P波和S波，S波經(jīng)過方位角(azimuth angle)45°的四分之一波片(Quarter Wave Plate，QWP)36后變成圓偏極化光束，再經(jīng)由因壓電致動(dòng)器(PieZo-electric Transduceractuator，PZT actuator)而來回振動(dòng)的反射鏡341反射并產(chǎn)生多普勒(Doppler)頻率偏移ΔωD并再次通過四分之一波片36后變成P波而能穿過偏極化光分光器33”，此時(shí)，P波的頻率已變成ω1＝ω0+ΔωD，ω0為光源31的中心頻率，而原先由偏極化光分光器33”穿透的P波則同樣經(jīng)過方位角45°的四分之一波片36后變成圓偏極化光束，再由固定不動(dòng)的反射鏡342所反射，并再次經(jīng)過四分之一波片36后變成S波，因沒有多普勒效應(yīng)，則S波的頻率ω2＝ω0，并在偏極化光分光器33”反射，與P波重合而形成雙頻率(ω1，ω2)相互關(guān)聯(lián)且相互垂直的線偏極化光子對(duì)低同調(diào)性光束。但是不以此為限，自雙頻光束產(chǎn)生單元3射出的光束也可以是橢圓偏極化光束或是圓偏極化光束，或是非偏極化光束。
再者，反射鏡341、342的位置必須使光束間的光程差小于光源31的同調(diào)長(zhǎng)度。且在本實(shí)施例中，反射鏡341是透過壓電致動(dòng)器而產(chǎn)生振動(dòng)，且壓電致動(dòng)器又是受發(fā)出固定頻率信號(hào)的函數(shù)產(chǎn)生器(function generator)驅(qū)動(dòng)而使得ΔωD固定不變，但是不以此為限，也可以使用其他方法使反射鏡341振動(dòng)造成相同效果。
在本實(shí)施例中，為測(cè)量高散射介質(zhì)2，因此使用低同調(diào)性的超高亮度發(fā)光二極管作為光源31，以獲得高分辨率的斷層影像，但是不以此為限，也可以是其他低同調(diào)性光源。且若為非散射介質(zhì)2，則可以使用高同調(diào)性光源。
在本實(shí)施例中，極化器32的極化方向與如圖4所示的X軸與Y軸均相差45度，且偏極化光分光器33”可供平行偏極化光束穿透與垂直偏極化光束反射。但是極化器32的極化方向也可以為其他方向，且偏極化光分光器33”也可以是供垂直偏極化光束穿透與平行偏極化光束反射。
然后，雙頻率光子對(duì)光束經(jīng)中繼分光器41和相對(duì)于介質(zhì)2而來回移動(dòng)以進(jìn)行縱向掃描且具高數(shù)值孔徑的聚焦透鏡42聚焦在散射介質(zhì)2中的成像平面上并反射，反射的信號(hào)光束再經(jīng)由聚焦透鏡42及中繼分光器41反射并入射信號(hào)處理單元5。通過一可調(diào)整極化方向角度θs的偏極化光分析器57、透鏡51與針孔52，再被一光檢測(cè)器53所接收并產(chǎn)生外差干涉電子信號(hào)。
極化角θs的定義是偏極化光分析器57的極化方向與如圖4所示的X軸相差θs度，且與Y軸相差(90-θs)度。
透鏡51可將信號(hào)光束聚焦，而針孔52則位于透鏡51的焦點(diǎn)上，以過濾掉自介質(zhì)2中且位于聚焦透鏡42的離焦平面反射的信號(hào)光束。
然后外差干涉電子信號(hào)通過一個(gè)以差頻(beatfrequency)ΔωD為中心頻率的帶通濾波器(Band PassFilter，BPF)54，所產(chǎn)生的外差干涉電子信號(hào)可寫成Isig(Δωt)＝γApAssin2θscos(Δωt+δP-δS)，差頻ΔωD=ω0·vc,]]>光源31的同調(diào)函數(shù)(coherencefunction)γ=exp[-(2Δlln2lω)2],]]>振動(dòng)的反射鏡341的速度v=∂(Δl)∂t,]]>Δl為振動(dòng)的反射鏡341的位移，同時(shí)Δl也是雙頻率光子對(duì)光束的光程差，lw為光源31的同調(diào)長(zhǎng)度，Ap與As則分別為平行與垂直偏極化信號(hào)光束的振幅，ω0為光源31所發(fā)射出的光束的中心頻率，c為光速，δp與δs分別為平行與垂直偏極化信號(hào)光束的相位，又因?yàn)槠叫信c垂直偏極化信號(hào)光束的傳遞路徑相同，所以δp＝δs，則δP-δS≌0。
然后將濾波后的電子信號(hào)經(jīng)一線性放大器(linearamplifier)55放大后，再用解調(diào)器(demodulator)56獲得信號(hào)光束的振幅與相位差，或利用希伯特轉(zhuǎn)換(Hilbert transform)以電腦軟件方法將外差干涉電子信號(hào)解調(diào)并將振幅大小及相位差信號(hào)顯示在二維顯像裝置中。
在本實(shí)施例中，解調(diào)器56為鎖相放大器(lock-inamplifier)，但是也可以用其他電子裝置取代。
當(dāng)對(duì)介質(zhì)2作斷層掃描時(shí)，可借由橫向移動(dòng)介質(zhì)2以使光束聚焦于介質(zhì)2的某一位置，然后移動(dòng)聚焦透鏡4 2以獲得同一橫向位置的不同深度的信號(hào)光束，也就是進(jìn)行縱向掃描。再利用信號(hào)處理單元5分析自介質(zhì)2中的不同縱向位置反射的信號(hào)光束，以獲得每一位置的信號(hào)光束的振幅與相位差，最后再將各位置的資訊拼湊起來即可獲得介質(zhì)2的縱向(X-Z)斷層影像。同理也可固定同一縱向位置做橫向位置掃描而得到橫向(X-Y)斷層掃影像。
由于雙頻率極化光子對(duì)在通過散射介質(zhì)2時(shí)，借由外差干涉效率(heterodyne efficiency)對(duì)光束傳播方向的敏感性以及散射介質(zhì)2對(duì)極化光的去極化(depolarization)等現(xiàn)象，因?yàn)槠珮O化光分析器57的存在而產(chǎn)生外差干涉，可大幅降低散射效應(yīng)，因此可利用偏極化光分析器57過濾大角度散射的極化光子對(duì)，而可形成極化篩選閘(polarization gating)和同調(diào)閘(coherencegating)以產(chǎn)生外差干涉信號(hào)。有效的搜集較多的弱散射光子對(duì)(weak scattering photon-pair)，可提高信號(hào)的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)及提升掃描影像的品質(zhì)。
因此，和一般的OCT或OCM在散射介質(zhì)中成像相比，該第一較佳實(shí)施例在散射介質(zhì)2中成像有較高的壓抑多重散射光子對(duì)(multiple scattering photon-pairs)的能力，同時(shí)有較好的搜集弱散射光子對(duì)(weak scatteringphoton-pairs)的能力，而可得到較好的SNR，這都是因?yàn)殡p頻率極化光子對(duì)在散射介質(zhì)2中以共同路徑傳播，產(chǎn)生外差干涉信號(hào)的緣所以。
另外，色散差、像差等不匹配所造成波前的變形問題也因雙頻率極化光子對(duì)同時(shí)在介質(zhì)2中以共同路徑傳播可以大幅抵銷，因此該第一較佳實(shí)施例能在高散射介質(zhì)2中成像，并有較佳的影像品質(zhì)，特別是可同時(shí)兼具縱向及橫向分辨率，可同時(shí)擁有掃描橫向斷層影像(sectioningimage，x-y scan)及縱向斷層影像(tomography，x-z scan)的斷層影像能力。而其他光程如散射的P波和S波均因?yàn)榈屯{(diào)性光源31的限制，使得不在同調(diào)區(qū)域范圍內(nèi)的極化光子對(duì)均無法有效產(chǎn)生外差干涉信號(hào)而可利用帶通濾波器54去除，以達(dá)到斷層影像的目的。
參閱圖5，若介質(zhì)2具有線偏極化雙折射(birefringence)的光學(xué)特性時(shí)，可再多利用一參考光束74以獲得介質(zhì)2的相位延遲(phase retardation)δ＝δp1-δs1的斷層影像。將部分自中繼分光器41射出的光束作為參考光束74，而參考光束74穿過一方位角為θr的偏極化光分析器43后發(fā)生外差干涉，然后再入射一光檢測(cè)器44而被轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)Ir(Δωt)≈ApAScos(Δωt)。而信號(hào)光束76也穿過一方位角為θs的偏極化光分析器81再入射一光檢測(cè)器82。則借由一信號(hào)處理單元83分析信號(hào)光束76與參考光束74的電子信號(hào)，以分析出信號(hào)光束間的相位差，便可獲得介質(zhì)2的相位延遲的斷層影像。信號(hào)處理單元83可以是鎖相放大器或差動(dòng)放大器(Differential Amplifier，DA)。用差動(dòng)放大器的優(yōu)點(diǎn)是，其SNR高且速度快，參考光束74可表示為Ir≈Ap2AS2sin2θrcos(Δωt)，信號(hào)光束76可表示為Is≈Ap1AS1sin2θscos(Δωt+δp1+δs1)，借由調(diào)整θr和θs的角度可使K＝Ap1AS1sin2θs＝Ap2AS2sin2θr，則經(jīng)由差動(dòng)放大器處理后的電子信號(hào)可表示為ΔI=Is-Ir=2Ksin(δp12-δs12)sin(Δωt)≈K(δp1-δs1)sin(Δωt)]]>則由電子信號(hào)的振幅K(δp1-δs1)可得到相位延遲δ＝δp1-δs1詳細(xì)技術(shù)手段請(qǐng)參見申請(qǐng)人的臺(tái)灣第89104991號(hào)專利申請(qǐng)案與美國證書號(hào)7006562的專利案。
參閱圖6，本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第二較佳實(shí)施例與該第一較佳實(shí)施例不同在于該雙頻光束產(chǎn)生單元30發(fā)射出的光束的偏極化方向相互平行。
使極化器32的方位角相對(duì)X軸為0°而產(chǎn)生平行偏極化光束P波，再經(jīng)由分光器33分光及經(jīng)過以PZT振動(dòng)的反射鏡341及固定位置的反射鏡342反射，而產(chǎn)生雙頻率相互平行的P波，(P1(ω1)及P2(ω2))，入射到介質(zhì)2中。再經(jīng)由中繼分光器41反射，再經(jīng)過透鏡51及針孔52而入射到光檢測(cè)器53中并產(chǎn)生外差干涉電子信號(hào)。
在本實(shí)施例中，極化器32的極化方向與如圖5所示的X軸相同，所以光束71為平行偏極化光束，但是也可以為其他線偏極化光束。
參閱圖7，本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第三較佳實(shí)施例與該第一較佳實(shí)施例不同在于自該雙頻光束產(chǎn)生單元3’發(fā)射出的光束為相互平行線偏極化(P1(ω1)+P2(ω2))。
方位角45°的四分之一波片35將相互平行的P波調(diào)變成兩個(gè)右旋偏極化光束，但是也可以將相互平行的線偏極化光束調(diào)變成兩個(gè)左旋偏極化光束，然后入射到介質(zhì)2中，經(jīng)反射再通過四分之一波片35而將兩個(gè)右旋偏極化光束轉(zhuǎn)成相互平行的S波，而在偏極化光分光器41’反射并通過透鏡51及針孔52到達(dá)光檢測(cè)器53產(chǎn)生外差干涉信號(hào)。
在本實(shí)施例中，極化器32的極化方向與如圖6所示的X軸相同，所以光束為平行偏極化光束，且偏極化光分光器41’可供平行偏極化光束穿透與垂直偏極化光束反射，而四分之一波片35可將平行偏極化光束調(diào)變成右旋偏極化光束。但是極化器32的極化方向也可以為其他方向，且偏極化光分光器41’也可以是供垂直偏極化光束穿透與平行偏極化光束反射。41’也可以用非偏極化分光器取代。
參閱圖8，本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置的第四較佳實(shí)施例與該第一較佳實(shí)施例不同在于自該雙頻光束產(chǎn)生單元30’發(fā)射出的光束分別為一右旋偏極化光束及一左旋偏極化光束，加上差動(dòng)放大器65以達(dá)到提高信噪比而提升靈敏度。
以SLD為光源31，結(jié)合一極化器32是為了達(dá)到線偏極化的目的。光束經(jīng)由一偏極化光分光器33”分光，同第一較佳實(shí)施例的原理形成雙頻率且相互垂直的線偏極化低同調(diào)性光束，一起經(jīng)過方位角為45°的四分之一波片37后變成雙頻率的一右旋偏極化與一左旋偏極化光束，簡(jiǎn)稱R波和L波，再經(jīng)由一可掃描的聚焦透鏡42將R波和L波聚焦到介質(zhì)2并反射。則右旋與左旋信號(hào)光束可分別表示為AR1-ieiδReiω0t=[AReiδR10-iAReiδR01]eiω0t]]>與AL1ieiδLeiΔωteiω0t=[ALei(Δωt+δL)10+iALei(Δωt+δL)01ei(ω0+ΔωD)t]]>AR與AL分別為右旋與左旋信號(hào)光束的振幅，δR與δL則分別為右旋與左旋信號(hào)光束的相位，ω0為該光源31所發(fā)射出的光束的中心頻率，ΔωD則為差頻。
反射的信號(hào)光束在通過中繼分光器41和極化光分光器61后被兩個(gè)光檢測(cè)器62接收并產(chǎn)生外差干涉，由極化光分光器61將R波及L波中的P波分量(P1+P2)及S波分量(S1+S2)分別輸入到兩個(gè)光檢測(cè)器62形成外差干涉信號(hào)大小為IP1+P2(Δωt)=|AReiδReiω0t+ALeiδLei(ω0+ΔωD)t|2=AR2+AL2+2ARALcos(Δωt+δ)]]>IS1+S2(Δωt)=|AReiδReiω0t-ALeiδLei(ω0+ΔωD)t|2=AR2+AL2+2ARALcos(Δωt+δ)]]>δ＝δR-δL，又因?yàn)橛倚c左旋信號(hào)光束的傳遞路徑相同，所以δR＝δL，則δ≅0.]]>在本實(shí)施例中，極化光分光器61可供平行偏極化光束穿透與垂直偏極化光束反射，但是也可以是供垂直偏極化光束穿透與平行偏極化光束反射。
外差干涉信號(hào)再分別通過以多普勒頻率偏移ΔωD為中心頻率的兩個(gè)帶通濾波器63。則其它光程包括散射的R波和L波均因?yàn)镾LD為低同調(diào)性光源31而無法有效產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，因此可利用帶通濾波器63過濾外差干涉信號(hào)而提高信噪比。
而后由兩個(gè)線性放大器64分別放大外差干涉信號(hào)，再將外差干涉信號(hào)輸入到差動(dòng)放大器65相減并放大兩倍，由于系統(tǒng)滿足平衡檢測(cè)器(balance detector)的條件，所以可大幅降低背景噪聲，同時(shí)增加信號(hào)強(qiáng)度，提升系統(tǒng)的SNR，則差動(dòng)放大器65輸出的信號(hào)可表示成Iout(Δωt)＝4ARALcos(Δωt+δ)，再經(jīng)由振幅解調(diào)器66，將縱向及橫向掃描斷層影像顯示在二維顯示器上。
同理，若介質(zhì)2具有圓偏極化雙折射(circularbirefringence)的光學(xué)特性時(shí)，則δ＝δR-δL可表示為圓偏極化在介質(zhì)2中所產(chǎn)生的相位延遲，因此可再多加分析一參考光束75，其通過方位角為0°的偏極化光分析器43并連接光檢測(cè)器44，而可產(chǎn)生外差干涉參考光束Ir(Δωt)≈ARALcos(Δωt)。同樣借由相位解調(diào)器66，分析信號(hào)光束與參考光束75的電子信號(hào)便可獲得介質(zhì)2的圓偏極化雙折射相位延遲δ的斷層影像。
歸納上述，本發(fā)明光學(xué)斷層影像掃描方法及其裝置使用雙頻率相互關(guān)聯(lián)低同調(diào)性光子對(duì)，而且光子對(duì)的頻率有一定的差頻存在，而能獲得在散射介質(zhì)2中同時(shí)提高三維斷層影像的深度分辨率與橫向分辨率的斷層影像。另外，因兩道光束同時(shí)以共路徑入射介質(zhì)2，則色散差及像差不匹配等問題自然因外差干涉互相抵消，因此在做斷層掃描時(shí)，不需要預(yù)先知道介質(zhì)2所造成的色散差及像差而能自動(dòng)補(bǔ)償。同時(shí)因極化篩選閘、空間同調(diào)閘(spatialcoherence gating)、時(shí)間同調(diào)閘(temporal coherencegating)及針孔52所形成的空間過濾閘(spatialfiltering gating)的存在，而能大幅降低散射效應(yīng)，提高縱向及橫向空間分辨率。又因?yàn)槭怯删劢雇哥R42作縱向掃描，以決定縱向掃描位置，也就是共焦閘(confocalgating)一直在時(shí)間同調(diào)閘內(nèi)掃描(如圖9)，而可降低系統(tǒng)架設(shè)的困難度，使得系統(tǒng)不需要采動(dòng)態(tài)聚焦的方式，容易得到縱向(axial direction)掃描的斷層影像。而且本發(fā)明也可對(duì)相互平行或相互垂直的雙頻率偏極化光子對(duì)間的相位延遲進(jìn)行斷層影像掃描，進(jìn)而獲得例如雙折射光學(xué)特性的相位延遲斷層影像，及多普勒斷層影像，確實(shí)能達(dá)成本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)斷層影像掃描方法，適用于測(cè)量介質(zhì)，其特征在于該方法包含以下步驟(A)提供雙頻率相互關(guān)聯(lián)光子對(duì)低同調(diào)性光束，且所述光束間的光程差小于所述光源的同調(diào)長(zhǎng)度，而其中一光束的頻率現(xiàn)象是由一振動(dòng)的反射鏡產(chǎn)生；(B)將所述光束以光學(xué)共同路徑聚焦于該介質(zhì)中的不同深度位置，則所述光束被該介質(zhì)反射后而成為外差干涉的信號(hào)光束，而能降低散射效應(yīng)、色散差與像差以提高斷層影像品質(zhì)；及(C)由一信號(hào)處理單元分析被該介質(zhì)反射后的所述信號(hào)光束，以獲得該介質(zhì)的高空間分辨率斷層影像。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(C)中，若該介質(zhì)具有線偏極化或圓偏極化雙折射特性，由一差動(dòng)放大器分析信號(hào)光束間的相位差，可獲得介質(zhì)的相位延遲的斷層影像。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(C)中，由該信號(hào)處理單元可獲得所述信號(hào)光束的相位差，則若該介質(zhì)有一流速，便可經(jīng)由計(jì)算所述信號(hào)光束的相位差對(duì)時(shí)間的微分，以獲得該介質(zhì)的流速斷層影像。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(B)是以可被驅(qū)動(dòng)而相對(duì)于該介質(zhì)來回移動(dòng)的聚焦透鏡將所述光束聚焦。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)中，所述光束為非偏極化光束。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)中，所述光束的偏極化方向相互平行。
7.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)包括步驟(A1)將一光束調(diào)變成線偏極化光束；步驟(A2)將該線偏極化光束分光成二線偏極化光束；步驟(A3)由二反射鏡分別反射所述線偏極化光束，所述反射鏡的其中的一個(gè)是被驅(qū)動(dòng)而以一固定頻率振動(dòng)，且所述反射鏡的位置是可使所述線偏極化光束間的光程差小于該光束的同調(diào)長(zhǎng)度；及步驟(A4)使所述線偏極化光束的傳遞路徑重合。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)中，所述光束為二右旋偏極化光束或二左旋偏極化光束。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)包括步驟(A1)將一光束調(diào)變成線偏極化光束；步驟(A2)將該線偏極化光束分光成二線偏極化光束；步驟(A3)由二反射鏡分別反射所述線偏極化光束，所述反射鏡的其中的一個(gè)是被驅(qū)動(dòng)而以一固定頻率振動(dòng)，且所述反射鏡的位置是可使所述線偏極化光束間的光程差小于該光束的同調(diào)長(zhǎng)度；步驟(A4)將所述線偏極化光束調(diào)變成右旋偏極化光束或左旋偏極化光束，該步驟(B)包括步驟(B1)所述圓偏極化光束聚焦于該介質(zhì)；步驟(B2)所述圓偏極化光束被該介質(zhì)反射后而成為信號(hào)光束；步驟(B3)所述信號(hào)光束被調(diào)變成線偏極化信號(hào)光束。
10.如權(quán)利要求6或8所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(C)包括步驟(C1)聚焦所述信號(hào)光束，再過濾掉自該聚焦透鏡的離焦平面反射的所述信號(hào)光束；步驟(C2)將所述信號(hào)光束轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)；步驟(C3)對(duì)該電子信號(hào)濾波，只讓所述光束的差頻通過；步驟(C4)放大該電子信號(hào)；及步驟(C5)解調(diào)該電子信號(hào)以獲得所述信號(hào)光束的振幅與相位差。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)中，所述光束的偏極化方向相互垂直。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)包括步驟(A1)將一光束調(diào)變成線偏極化光束；步驟(A2)將該線偏極化光束分光成一垂直偏極化光束及一平行偏極化光束；步驟(A3)分別將該垂直偏極化光束與該平行偏極化光束調(diào)變成圓偏極化光束；步驟(A4)由二反射鏡分別反射所述圓偏極化光束，所述反射鏡的其中的一個(gè)是被驅(qū)動(dòng)而以一固定頻率振動(dòng)，且所述反射鏡的位置是可使所述圓偏極化光束間的光程差小于該光束的同調(diào)長(zhǎng)度；及步驟(A5)使所述圓偏極化光束被調(diào)變成平行偏極化光束與垂直偏極化光束，且傳遞路徑重合。
13.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(C)包括步驟(C1)使所述信號(hào)光束產(chǎn)生外差干涉；步驟(C2)聚焦所述信號(hào)光束，再過濾掉自該聚焦透鏡的離焦平面反射的所述信號(hào)光束；步驟(C3)將所述信號(hào)光束轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)；步驟(C4)對(duì)該電子信號(hào)濾波，只讓所述光束的差頻通過；步驟(C5)放大該電子信號(hào)；及步驟(C6)解調(diào)該電子信號(hào)以獲得所述信號(hào)光束的振幅與相位差。
14.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)中，所述光束分別為一右旋偏極化光束及一左旋偏極化光束。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(A)包括步驟(A1)將一光束調(diào)變成線偏極化光束；步驟(A2)將該線偏極化光束分光成一垂直偏極化光束及一平行偏極化光束；步驟(A3)分別將該垂直偏極化光束與該平行偏極化光束調(diào)變成圓偏極化光束；步驟(A4)由二反射鏡分別反射所述圓偏極化光束，所述反射鏡的其中的一個(gè)是被驅(qū)動(dòng)而以一固定頻率振動(dòng)，且所述反射鏡的位置是可使所述圓偏極化光束間的光程差小于該光束的同調(diào)長(zhǎng)度；步驟(A5)使所述圓偏極化光束分別被調(diào)變成平行偏極化光束與垂直偏極化光束，且傳遞路徑重合；及步驟(A6)將該平行偏極化光束與該垂直偏極化光束的其中的一個(gè)調(diào)變成右旋偏極化光束，而另一個(gè)調(diào)變成左旋偏極化光束。
16.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)斷層影像掃描方法，其特征在于該步驟(C)包括步驟(C1)將所述信號(hào)光束分光成一具有二種頻率而外差干涉的垂直偏極化光束與一具有二種頻率而外差干涉的平行偏極化光束；步驟(C2)分別將所述垂直偏極化光束與所述水平偏極化光束轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)；步驟(C3)對(duì)該電子信號(hào)濾波，只讓所述光束的差頻通過；步驟(C4)分別放大所述電子信號(hào)；步驟(C5)將所述電子信號(hào)相減，以增加信噪比；及步驟(C6)解調(diào)該電子信號(hào)以獲得所述信號(hào)光束的振幅與相位差。
17.一種光學(xué)斷層影像掃描方法，適用于測(cè)量介質(zhì)，其特征在于該方法包含以下步驟(A)提供雙頻率相互關(guān)聯(lián)光子對(duì)高同調(diào)性光束，且所述光束間的光程差小于所述光源的同調(diào)長(zhǎng)度；(B)將所述光束以光學(xué)共同路徑聚焦于該介質(zhì)中的不同深度位置，則所述光束被該介質(zhì)反射后而成為外差干涉的信號(hào)光束，而能降低散射效應(yīng)、色散差與像差以提高斷層影像品質(zhì)；及(C)由一信號(hào)處理單元分析被該介質(zhì)反射后的所述信號(hào)光束，以獲得該介質(zhì)的高空間分辨率斷層影像。
18.一種光學(xué)斷層影像掃描裝置，適用于測(cè)量介質(zhì)，其特征在于該裝置包含一雙頻光束產(chǎn)生單元，發(fā)射出雙頻率相互關(guān)聯(lián)光子對(duì)光束，并包括一發(fā)射光束的光源、一將該光束調(diào)變成線偏極化光束的極化器、一將該光束分光的分光器及二分別反射光束的反射鏡，則所述光束再次經(jīng)過該分光器后的傳遞路徑重合；其中一反射鏡是被驅(qū)動(dòng)而以一固定頻率振動(dòng)，且該二反射鏡的位置是可使所述光束間的光程差小于該光源的同調(diào)長(zhǎng)度；一中繼分光器，接收自該雙頻光束產(chǎn)生單元的分光器射出的所述光束，并將每一光束分光；一聚焦透鏡，可被驅(qū)動(dòng)而移動(dòng)，且將自該中繼分光器射出的所述光束聚焦于該介質(zhì)；所述光束被該介質(zhì)反射后而成為信號(hào)光束，并再入射該聚焦透鏡與該中繼分光器；及一信號(hào)處理單元，分析自該中繼分光器射出的所述信號(hào)光束，以獲得該介質(zhì)的斷層影像。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該雙頻光束產(chǎn)生單元還包括一配置于該中繼分光器與該聚焦透鏡間的四分之一波片，且該中繼分光器是偏極化光分光器，該四分之一波片是將自該中繼分光器射出的所述光束調(diào)變成右旋偏極化光束或左旋偏極化光束。
20.如權(quán)利要求18或19所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該信號(hào)處理單元包括依序配置于所述信號(hào)光束的傳遞路徑上的一聚焦所述信號(hào)光束的透鏡、一位于該透鏡的焦點(diǎn)上的針孔與一光檢測(cè)器、一與該光檢測(cè)器電連接的帶通濾波器、一與該帶通濾波器電連接的線性放大器及一與該線性放大器電連接的解調(diào)器。
21.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該雙頻光束產(chǎn)生單元還包括二分別用以接收自該雙頻光束產(chǎn)生單元的分光器射出的所述光束的四分之一波片，且該雙頻光束產(chǎn)生單元的分光器是偏極化光分光器，該雙頻光束產(chǎn)生單元的分光器與極化器相配合以將該光束分光成一垂直偏極化光束及一平行偏極化光束，所述四分之一波片分別將該垂直偏極化光束與該平行偏極化光束調(diào)變成圓偏極化光束。
22.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該信號(hào)處理單元包括依序配置于所述信號(hào)光束的傳遞路徑上的一可調(diào)整極化角的偏極化光分析器、一聚焦所述信號(hào)光束的透鏡、一位于該透鏡的焦點(diǎn)上的針孔與一光檢測(cè)器、一與該光檢測(cè)器電連接的帶通濾波器、一與該帶通濾波器電連接的線性放大器及一與該線性放大器電連接的解調(diào)器。
23.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該雙頻光束產(chǎn)生單元還包括一用以接收自該雙頻光束產(chǎn)生單元的分光器射出的該平行偏極化光束與該垂直偏極化光束的四分之一波片，該平行偏極化光束與該垂直偏極化光束的其中的一個(gè)被該四分之一波片調(diào)變成右旋偏極化光束，而另一者調(diào)變成左旋偏極化光束。
24.如權(quán)利要求23所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該信號(hào)處理單元包括配置于所述信號(hào)光束的傳遞路徑上的一極化光分光器與二光檢測(cè)器、二分別與所述光檢測(cè)器電連接的帶通濾波器、二分別與所述帶通濾波器電連接的線性放大器、一與所述線性放大器電連接的差動(dòng)放大器及一與該差動(dòng)放大器電連接的解調(diào)器，該極化光分光器將每一信號(hào)光束分光成一垂直偏極化光束及一平行偏極化光束。
25.如權(quán)利要求22或24所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該光學(xué)斷層影像掃描裝置還包含一偏極化光分析器及一與該信號(hào)處理單元電連接的光檢測(cè)器，部分自該中繼分光器射出的所述光束穿過該偏極化光分析器后入射該光檢測(cè)器。
26.如權(quán)利要求18或19或21或23所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該光源為高同調(diào)性光源。
27.如權(quán)利要求18或19或21或23所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該光源為低同調(diào)性光源。
28.如權(quán)利要求27所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該光源為超高亮度發(fā)光二極管。
29.如權(quán)利要求18或19或21或23所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該聚焦透鏡可被驅(qū)動(dòng)而相對(duì)于該介質(zhì)來回移動(dòng)。
30.如權(quán)利要求18或19或21或23所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該雙頻光束產(chǎn)生單元還包括一驅(qū)動(dòng)所述反射鏡的其中的一個(gè)的壓電致動(dòng)器及一驅(qū)動(dòng)該壓電致動(dòng)器的函數(shù)產(chǎn)生器。
31.如權(quán)利要求19或20或22或24所述的光學(xué)斷層影像掃描裝置，其特征在于該解調(diào)器為鎖相放大器。
全文摘要
一種光學(xué)斷層影像掃描方法，適用于測(cè)量一介質(zhì)，并包含以下步驟(A)提供雙頻率相互關(guān)聯(lián)光子對(duì)低同調(diào)性光束，且所述光束間的光程差小于所述光束的同調(diào)長(zhǎng)度，(B)將所述光束聚焦于該介質(zhì)中的不同深度位置，則所述光束被該介質(zhì)反射后而成為信號(hào)光束，(C)由一包括一透鏡及一位于該透鏡的焦點(diǎn)上的針孔的信號(hào)處理單元分析被該介質(zhì)反射后的所述信號(hào)光束，以獲得該介質(zhì)的斷層影像。
文檔編號(hào)G01N21/84GK101049232SQ20061007467
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者周晟, 郭文娟 申請(qǐng)人:周晟