專利名稱：用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)和方法
用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)和方法
本申請涉及根據(jù)權(quán)利要求1及13前序部分所述的用于光學(xué)相千斷 層掃描的 一種系統(tǒng)以及一種相應(yīng)的方法
光學(xué)相干斷層掃描(OCT)是用于對光散射的樣本在其內(nèi)部進行測 量的一種方法。生物組織由于其光散射的特性而尤其適合借助OCT的 診斷檢查。因為OCT適于相對微小的光強，并且所使用光的波長大多 處于近紅外區(qū)域(750nm至1350nm),所以它與生物組織的電離放射 診斷相反而不具有輻射傷害。從而其對于醫(yī)學(xué)是尤其有意義的并且大致 接近于超聲診斷。在OCT中不是使用聲波，而是使用具有非常短的相 干長度的寬帶光。在樣本中不同界限層上所反射的光的傳播時延借助一 種干涉儀而被探測。利用OCT典型地達到比利用超聲高一至兩個數(shù)量 級的分辨率，然而可達到的測量深度明顯較小。所獲得的^f黃截面圖像由 于光學(xué)散射而僅僅達到組織中幾微米的深度。OCT的當(dāng)前最重要的應(yīng)用 領(lǐng)域是眼科、皮膚科以及癌癥診斷。當(dāng)然其也存在一些非醫(yī)學(xué)應(yīng)用，比 如在材料測試中。
在W.Y.Oh等人的OPTICS EXPRESS (光學(xué)快報)第14巻第9 (2006) 8675-8684中公開了一種此類的系統(tǒng)，其中要檢查的樣本設(shè)置 在一個由計算機控制的移動平臺上。為了獲得樣本的三維圖像，在平臺 的不同位置記錄樣本的二維圖像。由于與實現(xiàn)移動平臺相關(guān)的機械耗費 以及高的空間需求，該系統(tǒng)僅僅有條件地適合內(nèi)窺鏡應(yīng)用。此外，在不 同的樣本位置探測樣本的二維圖像是相對耗時的，在檢查活的對象時， 其中該對象通常僅能夠短時地保持確定的靜止位置，這可能導(dǎo)致圖像信 息的模糊。
本發(fā)明的任務(wù)在于，提供用于光學(xué)相干斷層掃描的一種系統(tǒng)以及一 種相應(yīng)的方法，其中可以以更簡單和更快速的方式、尤其實時地來記錄 樣本的盡可能清晰的圖像。
該任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)以及根據(jù)權(quán)利要求13所迷 的相應(yīng)的方法而得到解決，其方式是，該探測器具有第一數(shù)量的、設(shè)置 在第一面中的、用于探測光的探測器單元，并且該系統(tǒng)可以運行于第一 模式中，其中由該樣本所反射的光僅僅被該探測器的第二數(shù)量的探測器單元探測，并被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器信號，其中該探測器單元的第二數(shù) 量小于該探測器的探測器單元的第 一數(shù)量。
本發(fā)明所基于的想法是，采用一種探測器，該探測器可以如此被驅(qū)
動，使得該探測器的僅僅一個部分面(所謂的關(guān)注窗口， WOI-Window oflnterest)對于光是敏感的，其中僅僅由該部分面的探測器單元所探測 的光被轉(zhuǎn)換為探測器信號 通過減少敏感的探測器面以及從而對所選擇 的樣本片段的圖像探測的相關(guān)限定，為探測光以及為將其變換為相應(yīng)探
測器信號所需的時間被大大縮短，如此使得能夠比在全圖像沖莫式中每時 間單位生成更多的圖像。該探測器的敏感面的減少從而導(dǎo)致圖像速率的 提高。
本發(fā)明以簡單的方式實現(xiàn)了以每秒約5至10個圖像的高速率來記 錄圖像，并從而允許實時地;險查一個樣本。
優(yōu)選地探測器單元的第二數(shù)量為探測器單元的第一數(shù)量的四分之 一。從而圖像速率相對于全圖像模式提高了至少4倍。
此外優(yōu)選的是，該第二數(shù)量的探測器單元設(shè)置在第二面上，該第二 面構(gòu)成了該探測器的第一面也即總面的關(guān)聯(lián)的(zusammenhaengen)部 分面。尤其，該探測器的第一面具有第一寬度和第一長度，且該第二面 具有第二寬度和第二長度，其中該第一和第二長度基本是相同的，而該 第二寬度小于該第一寬度。由此實現(xiàn)了具有較小寬度和最大長度的一個 窄長部分面的選擇。
該干涉儀包括分束器和至少一個反射器，該反射器到該分束器的光 學(xué)距離可以被改變一個光程。該反射器到該分束器的光學(xué)距離通過該反 射器到該分束器的空間距離來得出，其中該空間距離被乘以了在該反射 器與該分束器之間的介質(zhì)的折射率。在該千涉儀作為所謂自由輻射干涉 儀的擴展方案中，其中在該反射器與該分束器之間存在空氣或真空且折 射率約等于1,該反射器的光學(xué)距離以及該光學(xué)距離所被改變的光程與 其空間距離以及空間路程相同。該反射器的光學(xué)距離的宏^L改變在這種 情況下通過把該反射器宏觀移動 一 個空間路程來實現(xiàn)，其中該空間路程 遠(yuǎn)大于耦合入該干涉儀中的光的平均波長?；蛘咴谠摳缮鎯x作為所謂光 纖干涉儀的一種擴展方案中，在該反射器與該分束器之間可以設(shè)置一種 光導(dǎo)元件，尤其一種光導(dǎo)纖維，其光學(xué)距離可以有針對性地被改變一個 光程。這些光纖也被稱作光纖延伸器。在這種情況下，該光學(xué)距離以及該光學(xué)路程被改變的光程通過該空間距離以及該距離被改變的空間路
程與該光導(dǎo)元件的折射率之乘積來得出，其中該折射率典型地處于1.5 的范圍中。
在該發(fā)明的另一實施中，該反射器到該分束器的光學(xué)距離可以被改 變 一 個光程，其中該光程明顯大于耦合入該干涉儀中的光的平均波長。 這樣就可以實現(xiàn)所謂的深度掃描或z掃描，其方式是該反射器到該分束 器的光學(xué)距離被改變了典型O.lmm直至幾毫米的宏觀光程。隨著該反射 器到該分束器的光學(xué)距離的增加或減少，滿足干涉相干條件的深度范圍 "穿過"該樣本。在該樣本的不同深度上的各個平面所反射的光在此可 以相繼被探測、被分析，并最后被組合為該樣本的一個圖像。由此可以 放棄移動平臺，其中所述移動平臺用于選擇其中應(yīng)該記錄圖像的、樣本 的相應(yīng)的深度。同時由此還大大加速了在樣本的不同深度中對多個圖像 的才笨測。
選地在750nm與1350nm之間。在寬帶光源的情況下，光的平均波長優(yōu) 選地處于如下頻譜范圍中在該頻鐠范圍中該光源具有一個強度最大 值。對此可替換地，該平均波長通過由該光源所發(fā)射的所有波長的平均 值來給出。優(yōu)選地耦合入該干涉儀中的光的平均波長處于如下波長范圍 中在該波長范圍中該探測器具有一個非常高的、尤其最高的敏感性。
在該系統(tǒng)的第一模式中，在將該宏觀可移動的反射器到該分束器的 光學(xué)距離改變該光程期間，由該樣本所反射的光被僅僅該探測器的第二 數(shù)量的探測器單元多次探測，由此獲得了穿過該樣本的空間單元的多個 二維深度截面。深度截面的數(shù)量在此等于沿探測器單元的第二面的第二 寬度上探測器單元的數(shù)量。如果該第二探測器面包括比如640 x4個敏 感的探測器單元，那么就獲得穿過該樣本的總共四個深度截面。
在該系統(tǒng)的一個第二^t式中，另一反射器到該分束器的光學(xué)距離被 改變了另 一光程，其中該另 一光程最大為耦合入該干涉儀中的光的平均 波長的十倍。在改變該微觀可移動的反射器到該分束器的光學(xué)距離期 間，由該樣本所反射的光被該探測器的探測器單元探測多次、尤其直至 五次，由此在該樣本的確定的深度獲得了二維截面的圖像。從中來獲得 二維截面圖像的、該樣本的相應(yīng)深度在此通過該宏觀可移動的反射器到 該分束器的光學(xué)距離來預(yù)先給定。從而，在該實施中，不僅移動該宏觀移動反射器、而且還移動該微
觀移動反射器。通過選擇該宏觀可移動的反射器到該分束器的距離，預(yù)
先給定了應(yīng)該從中記錄一個二維截面的深度。然后在移動該微觀可移動
的反射器期間在直至五個時間點上來實際記錄對于圖像生成有關(guān)的光。 在其期間宏觀可移動的反射器到該分束器處于一個固定的光學(xué)距離。由
此以簡單而快逸的方式實現(xiàn)了對穿過該樣本的二維截面的探測。
在該系統(tǒng)的一個第三模式中，在把該宏觀可移動的反射器到該分束 器的光學(xué)距離改變該光程期間，由該樣本所反射的光被該探測器的探測 器單元多次探測，由此由在樣本不同深度上的多個二維截面所反射的光 相繼被探測。在此，其中滿足干涉的相干條件的深度范圍與該宏觀可移 動的反射器到該分束器的光學(xué)距離的宏觀改變同步地穿過該樣本，使得 由在該樣本的不同深度上的各個平面所反射的光可以相繼被探測、被分 析，并最后被組合為該樣本的三維圖像。
優(yōu)選地設(shè)置有一個樣本物鏡，通過該樣本物鏡由該干涉儀所輸出的 光被聚焦到位于該樣本之上或之中的焦點上，其中在改變該宏觀可移動 的反射器到該分束器的光學(xué)距離期間，分別在該樣本的多個不同深度上 反射的光由該探測器來探測，并同時該樣本物鏡的成像特性以如下方式
被控制即該焦點位于該樣本的相應(yīng)深度的范圍中。通過改變該反射器 到該分束器的光學(xué)距離-如前所實施的-由該樣本的不同深度所造成的干 涉圖案被探測。與此同步地該樣本物鏡的焦點以如下方式^皮改變，即它 處于該樣本的相應(yīng)深度的范圍中，從該范圍中正好探測一個干涉圖案。 這樣入射到該樣本中的光的焦點在該深度掃描期間被跟蹤，這從而也可 以被稱作"焦點跟蹤"。通過在深度掃描期間把該樣本物鏡的焦點匹配 于相應(yīng)要讀出的深度，實現(xiàn)了由該樣本的確定的深度所獲得的干涉圖案 總是能夠以最大可能的銳度在該探測器上被成像并被探測。
此外還優(yōu)選的是，利用 一個調(diào)制頻率來調(diào)制耦合入該干涉儀中或由 干涉儀所輸出的光的強度。通過所輸入或輸出光的強度調(diào)制，在該探測 器上不是獲得具有多個周期的高頻干涉圖案，而是獲得在該調(diào)制與要探 測的干涉圖案之間的低頻的差頻，其中該低頻的差頻具有比該高頻干涉 圖案明顯較的周期。從而，在通過該探測器來探測該差頻時，每時間單 位需要比沒有光強度調(diào)制的情況下探測千涉圖案時明顯少的掃描時間 點。這有利于圖像探測的進一步加速，并從而有利于尤其可靠的實時運行。
可代替地，設(shè)置一種探測器系統(tǒng)，該探測器系統(tǒng)包括該探測器，其 中利用一個調(diào)制頻率fM調(diào)制該探測器系統(tǒng)的針對由該樣本所反射的并 入射到該探測器上的光的敏感性。由該樣本所反射的并入射到該探測器 上的光與該探測器系統(tǒng)的被調(diào)制的敏感性相重疊，從而在探測投射到該 探測器上的干涉圖案時該探測器不是生成具有多個周期的高頻干涉信 號，而是生成低頻的差頻信號，其中該差頻信號具有比該高頻千涉信號 明顯少的周期。在探測該差頻時，從而比在不對該探測器系統(tǒng)的敏感性 進行調(diào)制的情況下在探測該高頻干涉信號時每時間單位需要明顯少的 掃描時間點。這樣就實現(xiàn)了在給定的最大掃描速率的情況下探測由該樣 本的確定的深度所獲得的干涉圖像需要明顯更短的時間。每時間單位可 探測的干涉信號的數(shù)量從而被明顯提高。由此實現(xiàn)了圖像探測的進一步 加速，并從而實現(xiàn)了尤其可靠的實時運行。
優(yōu)選地，該調(diào)制頻率fM不等于該多普勒頻率fD,其中該多普勒頻
:學(xué)距離變化的速口度v一與耦合八;^干;步儀。中的光的平均;皮長入。之二的
二倍而得出fM*fD=2 . v/入o。由此保證了與調(diào)制以及干涉圖案的相應(yīng)
相位無關(guān)地來獲得低頻的差頻。由此以高的可靠性實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的對 干涉圖像探測的加速。
在本發(fā)明意義上，"利用由干涉儀輸出的光來照射樣本"理解為
將由包含可移動的反射器的干涉儀輸出的光直接投射到該樣品上或者 在穿過了設(shè)置在該干涉儀和該樣品之間的另 一干涉儀之后才將其投射 到該樣品上。
在本發(fā)明意義上，"通過探測器或者探測器單元來探測由樣品尤其
是在樣品的不同深度所反射的光"理解為探測器或者探測器單元探測 干涉現(xiàn)象的光，所述干涉現(xiàn)象在將由樣品尤其是在樣品的不同深度所反 射的光與在參考鏡上反射的光疊加時形成。光的疊加在此可以要么在包 括可移動的反射器的干涉儀中、要么在另外的干涉儀中進行。
下面借助附圖來詳細(xì)解釋本發(fā)明以及本發(fā)明的其他有利擴展。其
中


圖1示出了本發(fā)明的OCT系統(tǒng)的一個實施例；
圖2a-b)示出了具有單個截面的樣本的兩個空間單元；圖3 a-b)示出了樣本的兩個橫截面以及第二干涉儀的樣本臂；
圖4示出了該第二干涉儀的光學(xué)部件的橫截面；
圖5示出了在焦點跟蹤的自動校準(zhǔn)中的干涉信號以及其分析；
圖6 a-c)示出了在耦合入第一干涉儀中的光的強度不調(diào)制和調(diào)制時 的干涉信號以及其包絡(luò)；
圖7示出了用于調(diào)制探測器敏感性(Empfindlichkeit)的一種電路 的一個例子；
圖8示出了一種所謂林尼克干涉儀的示例構(gòu)造；
圖9 a-c)示出了該樣本物鏡的三個不同位置以及分別所獲得的干涉 圖案；
圖10 a-b)分別示出了在輸入面區(qū)域中第一光導(dǎo)體的多模光纖 (Multi-mode-Faser)的縱切面的相應(yīng)片段；
圖11示出了該第二光導(dǎo)體的光纖束的橫截面的一個片段以及該片 段的一個放大顯示的子區(qū)域；
圖12示出了該探測器面的片段；
圖13示出了該探測器面以及該第二光導(dǎo)體的入射面和出射面； 圖14a-b)以橫截面示出了第二光導(dǎo)體的擴展方案的兩個例子； 圖15與該第二光導(dǎo)體的單光纖相比較地示出了干涉圖案以及該干 涉圖案的片段；
圖16示出了該第二光導(dǎo)體的、在入射面區(qū)域中的光纖束縱切面的 一個片段；
圖17示出了在第一運行模式中的探測器面；
圖18示出了具有深度截面的樣本的一個空間單元；以及
圖19示出了具有在確定深度中的二維斷層圖的樣本的一個空間單元。
圖1示出了本發(fā)明的用于OCT系統(tǒng)的一個實施例。在此所選擇的、 該系統(tǒng)的單個部件的圖示是充分示意性的并且是不按比例的。
一個第一干涉儀IO具有固定設(shè)置的第一參考鏡11、 一個可移動的 第二參考鏡12和一個第一分束器13。光源15的光14被耦合入該第一 干涉儀10中，被該第一分束器13劃分為在固定設(shè)置的第一參考鏡11 方向上的一個第一部分射束2以及在該可移動的第二參考鏡11方向上 的一個第二部分射束3。這兩個部分射束2或3被該固定的第一參考鏡11或可移動的第二參考鏡12反射，并在該第一分束器13中疊加為一個 第三部分射束4，該第三部分射束在該第一干涉儀10的輸出區(qū)域8中被 耦合入一個第一光導(dǎo)體17中，由該第一光導(dǎo)體傳導(dǎo)到一個第二干涉儀 20,并在那里被耦合入該笫二干涉儀20的照明臂21中。
耦合入該第一干涉儀10中的光14通過所述的光路并結(jié)合該第二參 考鏡12的移動而被光譜調(diào)制，并以該第三部分射束4的形式離開該第 一干涉儀10，其中該第三部分射束被耦合入該第二干涉儀20中。從而 該第一干涉儀IO也被稱作預(yù)調(diào)制器。
該第二干涉儀20用作傳感器頭或測量頭，該傳感器頭或測量頭由 操作者、比如醫(yī)生手動地與要檢查的樣本1、尤其生物組織發(fā)生關(guān)聯(lián)， 并在必要時被引導(dǎo)到該組織上。該測量頭在此構(gòu)造得如此緊湊，使得其 長度優(yōu)選地相當(dāng)于一通常的筆、比如自來水筆。
為了把該第二干涉儀20設(shè)計得如此緊湊，該照明臂21的光軸以及 參考臂23 (在參考臂23中固定地設(shè)置有第三參考鏡25)的光軸相對于 兩個光軸的常規(guī)垂直布置(見第一干涉儀10)分別傾斜了 90° ,并相 互平行。為了把來自該照明臂21或者該參考臂23的光偏轉(zhuǎn)到該第二分 束器24中，設(shè)置了一個第一以及第二偏轉(zhuǎn)棱鏡26或28。
該第一、第二和第三參考鏡ll、 12及25不必是狹義上的鏡子，而 是通常理解為對該第一及第二干涉儀10及20中的光至少進行部分反射 的面，因此該第一、第二及第三參考鏡ll、 12及25也可以被稱作第一、 第二及第三反射器。
在該第二分束器24中被疊加的部分射束通過該第二干涉儀20的樣 本臂22到達該樣本1，在那里在具有不同折射率的介質(zhì)、比如膜或細(xì)胞 層之間的界限層上被反射，并最后通過該樣本臂22和第二分束器24到 達該輸出臂27中，從該輸出臂出發(fā)其被耦合入一個第二光導(dǎo)體29中， 并通過該光導(dǎo)體被輸送給一個探測器物鏡31 ，該探測器物鏡把通過該光 導(dǎo)體29輸送的光放大成像在一個二維探測器30的面上。
該探測器30優(yōu)選是按照CMOS技術(shù)的一種半導(dǎo)體探測器，并具有 大量設(shè)置在一個面上的探測器單元(像素)，典型地是640 x 512像素。 由于由此能夠?qū)碜詷颖緇確定深度的一個平面在不同橫向位置中的多 個反射同時("并行")進行探測(Erfassung),這種OCT也可以被 稱作"并行OCT"。在探測落到該探測器30的單個探測器單元上的光時所產(chǎn)生的探測 器信號在電路32中被繼續(xù)處理，并最后被轉(zhuǎn)送給計算機系統(tǒng)16以進行 圖像顯示以及必要時的處理。
相對于僅具有一個干涉儀的OCT系統(tǒng)，在這里所述的OCT系統(tǒng)中， 為了對耦合入的光14進行頻謙調(diào)制而對該第二參考鏡12的移動、對由 該樣本1所反射的光的直接探測以及圖像探測被劃分到三個空間分離的 部件上，也即劃分到該第一干涉儀10、體現(xiàn)為測量頭的該第二干涉儀 20、以及該探測器30。
通過把該第二參考鏡12的移動以及圖像探測轉(zhuǎn)移到分立的部件上， 該第二干涉儀20、并從而該測量頭被構(gòu)造得非常緊湊并易于操作。這使 得本OCT系統(tǒng)尤其適合于應(yīng)用在要檢查的身體的難以接近的外部或內(nèi) 部部位。
在下文各節(jié)中更詳細(xì)解釋本發(fā)明的系統(tǒng)的優(yōu)選擴展方案以及各個 擴展方案的有利組合。
l.通過宏觀移動該參者鏡而進行的深度掃描
該第一干涉儀10中的可移動的第二參考鏡12具有一個到該第一分 束器13的光學(xué)距離1，并從一個起始位置N開始、在朝向該第一分束器 13的方向上或者在背離該第一分束器13的方向上、以光程長度L或幅 度A進行直線的、優(yōu)選周期的移動，其中該光程長度L或該幅度A至 少比耦合入該第一干涉儀10中光14的平均波長入o大至少100倍、優(yōu) 選1000倍。
該光學(xué)距離l在此通過該第二參考鏡12到該第一分束器13的空間 距離與在該第二參考鏡12與該第一分束器13之間介質(zhì)的折射率之乘積 來給出。
在這里所示的該第一干涉儀13作為所謂自由輻射干涉儀的優(yōu)選擴 展方案中，其中在該第二參考鏡12與該第一分束器13之間存在空氣或 真空并且折射率約等于1,該第二參考鏡12的光學(xué)距離1以及光學(xué)距離 1被改變的光程L與其空間距離及空間路程相同。該第二參考鏡12的光 學(xué)距離的宏觀改變在該情況中通過把該第二參考鏡12宏觀移動一個空 間路程來實現(xiàn)，其中該空間路程明顯大于耦合入該第一干涉儀中的光14 的平均波長入o。
替代地，在該第一干涉儀10作為所謂光纖干涉儀(未示出)的一種擴展方案中，在該第二參考鏡12與該第一分束器13之間可以設(shè)置光 導(dǎo)元件尤其是光導(dǎo)纖維，其光學(xué)長度可以有針對性地被改變一個光程。 這種光導(dǎo)纖維也被稱作光纖延伸器(Optical Stretcher)。在這種情況下， 該光學(xué)距離以及該光學(xué)距離^皮改變的光程通過該空間距離以及該距離 所被改變的空間路程與光導(dǎo)元件的折射率之乘積來給出，其中該折射率 典型地處于1.5的范圍中。
耦合入該第一干涉儀10中的光14的平均波長入。典型地在紅外光 譜范圍中、優(yōu)選地處于750nm至1350nm之間。
在寬帶光源15的情況下，該光14的平均波長入。優(yōu)選地處于以下 光譜范圍中在該光譜范圍中該光源15的光14具有強度最大值。對此 代替地，該平均波長入。通過由該光源15所發(fā)射的所有波長的平均值來 給出。
優(yōu)選地耦合入該第一干涉儀10中的光14的平均波長入。處于以下 波長范圍中在該波長范圍中該探測器30具有非常高的、尤其最高的 敏感性。在所示的系統(tǒng)中，光14具有約1300nm的平均波長入o以及約 200nm的一個半值寬度(FWHM)。
在光14的平均波長入。在比如為1 Mm的范圍中的情況下，該參考 鏡12移動的光程長度L或者幅度A從而至少約為O.lmm、優(yōu)選地至少 約為lmm。
在現(xiàn)有技術(shù)中參考鏡移動的通常的微觀幅度是在被耦合入的光14 平均波長入o的分?jǐn)?shù)數(shù)量級上，也即典型地直至1 pm的數(shù)量級，與此相 反，在所述的系統(tǒng)中以O(shè).lmm直至幾毫米的數(shù)量級進行該第二參考鏡 12的宏觀移動。
在該第二參考鏡12的宏觀直線移動期間，由該樣本1所反射的光 通過該第二干涉儀20、該第二光導(dǎo)體29以及該探測器光學(xué)元件31而被 轉(zhuǎn)送到二維探測器30，并由該探測器在相應(yīng)確定時間段中相繼在多個時 間點上被探測并被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器信號，其中所述的確定時間段等 于該探測器30的積分時間。
為了能夠在由該第三參考鏡25所反射的光與由該樣本1所反射的 光之間產(chǎn)生干涉，必須滿足所謂的相干條件，其中該相干條件是這些 分別被反射的光波必須具有恒定的相互間相位關(guān)系，以便能夠相互干 涉。由于采用了具有典型為10Mm的非常短的相干長度的光14,僅僅在該樣本l的確定深度或深度范圍中才滿足恒定相位關(guān)系的條件，從而
所述深度或深度范圍也被稱作相干門(Koharenz-Gate)。
在所述宏觀移動期間該第二參考鏡12的每個位置在此都相應(yīng)于在 該樣本l中確定深度或者在所述確定深度左右的深度范圍，針對所述深 度或深度范圍該相干條件被滿足，這樣在由該第三參考鏡25所反射的 光與由該樣本1所反射的光之間能夠產(chǎn)生干涉。
在該第二參考鏡12周期性移動的情況下，該第二參考鏡12的周期 性移動的兩個一半周期分別被用于記錄探測器信號。
這樣通過該探測器30來相繼記錄來自該樣本1不同深度的二維截 面。這在圖2a)中被示出，其中一代表多個二維截面一示出了穿過該樣 本1的一個空間單元33的一個第一、第二和第三二維截面34、 35及36。 這樣的二維截面與該第二參考鏡12的宏觀移動同步地在方向a上"遷 移，，穿過該樣本1的所關(guān)注空間單元33，而不必移動該樣本本身。
每個截面34、 35及36都處于該樣本1的深度T1、 T2及T3，其中 在這些深度中分別滿足相干條件，這樣在由該第三參考鏡25所反射的 光與由該樣本1所反射的光之間能夠產(chǎn)生干涉。該第二參考鏡12的宏 觀移動結(jié)合對該樣本1所反射的光的相繼的二維探測，從而具有三維深 度掃描的效果。
圖2b)示出作為比較的、在現(xiàn)有技術(shù)中所采用的方法。為了獲得通 過所關(guān)注空間單元33的不同深度截面37，該樣本1本身必須在方向b 上相對于干涉儀而被移動，而該截面38在空間中的絕對位置基本保持 不變。
上述的把一方面該參考鏡12的宏觀線性移動、與另一方面利用二 維探測器30對樣本1所反射的光的探測相結(jié)合，相比之下能夠明顯更 易于實現(xiàn)以及更快速地記錄該樣本1的期望的空間單元33的完整三維 數(shù)據(jù)組。通過宏觀移動該第二參考鏡12，在此獲得了一個三維斷層圖， 而不是來自確定深度的僅二維的圖像。與按照現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相反，在 用于記錄三維數(shù)據(jù)組的該方法中，不再需要相對于該第二干涉儀20來 移動該樣本l。這使得所述的OCT系統(tǒng)緊湊、可靠以及易于操作，使得 其尤其適合于在活體內(nèi)的應(yīng)用。
這樣所獲得的三維數(shù)椐組允許尤其在生物樣本中的精確診斷。在此 可以采用具有尤其高效的軟件支持的診斷輔助工具，如比如所謂的"3d
16渲染(3d-Rendering)",其中三維數(shù)據(jù)組通過一種專門的軟件而被處 理，使得在二維監(jiān)視器上生成準(zhǔn)三維的圖像。為此，可以作為三維動畫 來顯示比如腔或組織脫落物-接近于計算機斷層成像(CT)。 2.焦點跟蹤
上迷的OCT系統(tǒng)如此設(shè)計，使得在一個完整的行程期間、也即在 該第二參考鏡12移動的光程長度L或兩倍幅度A期間，總是獲得具有 足夠高強度和高清晰度的干涉信號。通過下文詳細(xì)闡述的焦點跟蹤，保 證了針對在該樣本1中所有深度的千涉信號以及所探測的干涉圖案的清 晰度是最大的。
為此，在對由該樣本1所反射的光進行探測期間，該第二干涉儀20 的樣本側(cè)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦點如此被調(diào)節(jié)，使得在該樣本l中焦點的位 置以及在該樣本1中在光反射的情況下滿足相干條件并產(chǎn)生干涉的那個 平面的位置在記錄該樣本1的空間單元33的斷層圖期間的任何時間上 基本都是一致的。這在下文中借助圖3a)和3b)來示出。
圖3 a)示出了以下的情況，其中該樣本臂22的樣本物鏡41 (在此 僅簡化圖示為透鏡)的焦點F位于該樣本1的一個深度上，其中該深度 與該相干門K的位置不一致。在該相干門K中在深度Ti上所探測的樣 本截面由此并不是精確地清晰成像在該探測器30上(見圖1),如此使 得在探測干涉時必須忍受信息損失。
相反在圖3b)中示出了以下的情況，其中該樣本物鏡41的焦點F已 經(jīng)如此被調(diào)節(jié)，使得焦點位于在深度Ti中的相干門K中。相應(yīng)于該相 干門K的相應(yīng)深度Ti地對該樣本物鏡41的焦點F的這種跟蹤被稱焦點 跟蹤。這樣該第二干涉儀20在該深度掃描期間被精確地調(diào)節(jié)到在該樣 本1的不同深度Ti上的該相干門K的相應(yīng)位置上，使得在該樣本1的 每個深度上都獲得具有高清晰度的圖像。
該最大光學(xué)掃描深度Tm表明在該樣本1的表面下直至哪個深度都 滿足用于構(gòu)造干涉的相干條件，并獲得相應(yīng)的干涉圖案。
通過焦點跟蹤，此外還實現(xiàn)的是，在該樣本1中的每個被采樣深度 Ti中， 一方面在該第二干涉儀20中的不可移動的第三參考鏡25上的被 照射面與另一方面在該樣本l的相應(yīng)深度上的被照射面是一致的。此夕卜， 相應(yīng)的被照射面的、通過該參考臂23和該樣本臂22在參考臂23和樣 本臂22的共同圖像平面27a中的成像是一致的并精確地重疊。下面詳細(xì)解釋用于實現(xiàn)焦點跟蹤的所述OCT系統(tǒng)的優(yōu)選實施。
圖4示出了在該第二干涉儀20中單個光學(xué)部件的布置的橫截面。 在該樣本臂22中的樣本物鏡41優(yōu)選地包括多個透鏡42，這些透鏡可以 單獨地和/或成組地在朝向該樣本1或背向該樣本1的方向R上被移動。 為此，設(shè)置了壓電執(zhí)行器40、尤其超聲壓電電機，該執(zhí)行器與該樣本物 鏡41或透鏡42相連接，并且將其沿著一個或多個導(dǎo)向裝置38、尤其導(dǎo) 向棒或?qū)虿蹃硪苿印?br> 透鏡42的移動優(yōu)選地與在該第一干涉儀10 (見圖1)中參考鏡12 的宏觀移動同步地進行。這樣，該樣本物鏡41的焦點F就跟隨著該相 干門G,而后者相繼穿過該樣本1的不同深度T1、 T2或T3，從這些深 度借助該探測器30來記錄相應(yīng)的二維截面34、 35或36(參見圖2)。
一方面該參考鏡12的宏觀移動與焦點跟蹤的同步與另一方面二維 探測器30相結(jié)合，保證了在該樣本1的不同深度中對多個清晰二維圖 像截面尤其簡單而快速的記錄，并從而保證了以高的圖像質(zhì)量來探測一 個完整的三維圖像數(shù)據(jù)組。
因為該第一干涉儀IO和該樣本臂22中的光學(xué)成像連續(xù)地被相互協(xié) 調(diào)，所以由探測器30所探測的對于該樣本1中每個深度的干涉信號是 最大的，這樣獲得了非常高的信噪比。此外由此還保證了對于在該樣本 1中所有深度的橫向分辨率是最佳的，因為成像的焦點F總是位于該相 干門K中。由此獲得了具有高對比度的精確的OCT圖像。
有利地該樣本物鏡41的透鏡42在方向R上的移動速度v2小于該 參考鏡12的移動速度vl。在此優(yōu)選地選擇該參考鏡12與該透鏡42的 速度之比vl/v2，該比值近似等于2 .n-l，或者位于直至約±20Q/。、優(yōu)選 直至約± 10%這些值周圍。由此該焦點F的位置和該相干門G以特別高 的可靠性相互協(xié)調(diào)，這可以通過下面的疊加來解釋。
該樣本物鏡41的焦點F位于一個樣本1中，該樣本的折射率n — 般不等于一。如果一方面把該樣本物鏡41在向該樣本1的方向R上偏 移一個確定的量，那么在該樣本中該焦點F就偏移確定的量dp。比如在 該樣本1的折射率為1.4的情況下該樣本物鏡41偏移0.78mm導(dǎo)致焦點 F在該樣本l中偏移約d產(chǎn)lmm。如果另 一方面該參考鏡12被偏移確定 行程，那么該相干門K就同樣偏移確定量dK。比如在折射率n=1.4時把 該參考鏡12偏移1.4mm就得到該相干門K約dK=lmm的偏移。由此在宏觀的深度區(qū)域上的深度掃描中，在把該參考鏡12和該樣本物鏡41分 別偏移同一行程時，該相干門K和該焦點F將^f皮此分離地移動。
通過對該參考鏡12與該透鏡42的速度之比vl/v2的上迷選擇，保 證了該相干門K和該焦點F在深度掃描期間在整個所關(guān)注的深度范圍中 相互重疊。在樣本具有折射率n=1.4的上述例子中，該速度之比vl/v2 處于約(2 . 1.4 - 1 ) ±20%范圍中、也即在約1.44至2.16之間，并且優(yōu) 選地為約2 1.4-1-1.8。
該參考鏡12與透鏡42的移動的同步優(yōu)選地以如下方式來進行，即 該參考鏡12和透鏡42在確定時間點分別以恒定的、預(yù)定義的和不同的 速度vl及v2穿過兩個不同的、預(yù)定義的空間點。
在穿過該空間點之后，開始記錄直至該樣本l中預(yù)定義深度的實際 的OCT信號。在該參考鏡12周期性前向移動和返回移動的情況下，在 此不僅可以在該參考鏡12前向移動期間，而且可以在該參考鏡12返回 移動期間記錄OCT信號。該參考鏡12和透鏡42的同步在此類似地進 行，并且在每次方向變換之后重新調(diào)節(jié)。
其中具有樣本物鏡41的測量頭相對于其中具有該第二參考鏡12的 第一干涉儀IO是可自由地移動的。用于使該透鏡移動和參考鏡移動同 步的、該樣本物鏡41和參考鏡12的機械耦合會導(dǎo)致同步精確度不足。
一方面該參考鏡12與另一方面該樣本物鏡4的透鏡42的移動的 同步從而優(yōu)選地以電子的方式來進行。在此有利的是，在該參考鏡12 和該樣本物鏡41的透鏡42的區(qū)域中分別設(shè)置有位置傳感器5或39，該 位置傳感器探測當(dāng)前的參考鏡位置或透鏡位置并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位置信 號。這兩個位置信號被輸送給控制單元、尤其是計算機系統(tǒng)16,該控制 單元于是相應(yīng)地控制該參考鏡12及透鏡42的驅(qū)動。
該參考鏡12及該透鏡42的控制優(yōu)選地借助一種所謂的主-從系統(tǒng)通 過位置信號的反饋來進行。在這樣一種主-從系統(tǒng)中，在一個第一定位單 元中所測量的位置值是針對一個第二定位單元的調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值的 基礎(chǔ)。在該情況中，該參考鏡12的第一定位單元的測量位置被乘以一 個小于1的系數(shù)，并被輸送至該透鏡42的笫二定位單元作為新的設(shè)定 值。從而，即使在該第一位置單元具有相對大的絕對定位偏差的情況下， 該可移動的參考鏡12與該透鏡42之間的相對定位偏差也被降低。如同 通過才幾械傳動一樣，這兩個部件從而以電子的方式相互耦合，由此這也可以被稱作電子傳動裝置。
所述焦點跟蹤替代地或附加地可以如此來實現(xiàn)，即在該樣本物鏡41 中設(shè)置一個自適應(yīng)透鏡，其成像特性可以有針對性地被控制和改變。比 如可以如此來控制一個油-水透鏡，使得其曲率半徑被改變，由此可以改 變其焦點，并可以以簡單的方式適配于該相千門的各個位置。在這種情 況下，該自適應(yīng)透鏡焦點改變的速度以及該改變的開始必須與上述方法 類似地與該參考鏡12的移動同步。
3.焦點跟蹤的自動校準(zhǔn)
在作為測量頭而構(gòu)造的第二干涉儀20的樣本臂22的樣本側(cè)端上設(shè) 置有一個材料層43 (見圖4)，該材料層優(yōu)選地由藍寶石玻璃制成。該 材料層43涂覆在具有防反射層的內(nèi)側(cè)44上，并且在樣本側(cè)的外側(cè)45 上優(yōu)選是無涂層的。
該OCT系統(tǒng)可運行于診斷模式以及校準(zhǔn)模式中。在診斷模式中， 該診斷才莫式相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的測量運行，材料層43的樣本側(cè)外側(cè)45用 一種 所謂的折射率匹配膠(IndexMatching-Gel)來涂覆，并且與要檢查的樣 本l相接觸，其中從該要檢查的樣本來記錄三維圖像。在校準(zhǔn)模式中， 該樣本物鏡41的焦點F的相對位置被確定至該相干門K,其中該材料 層43的外側(cè)45用作參考面，其中該外側(cè)45在該校準(zhǔn)過程期間優(yōu)選地 處于空氣中。
在校準(zhǔn)模式中，針對該樣本物鏡41的不同位置來測量該OCT信號 的幅度，其中該OCT信號由于光從該材料層43過渡到空氣中而由光的 反射而引起，其中實施了以下的方法步驟，這些步驟借助圖4和5來示 出
a) 該透鏡組42被帶到一個起始位置，其方式是將它盡可能近地向該 第二分束器24導(dǎo)送；
b) 該透鏡組42被保持在該位置；
c) 在該第二參考鏡12的宏觀移動期間，該干涉信號的最大值的幅度 Ai被確定；
d) 該透鏡組42現(xiàn)在從該第二分束器24被向前移動幾微米、典型為5 Mm至20iLim，并保持在該位置；
e) 針對該透鏡42的多個不同位置Pl至Pll來重復(fù)步驟c)至d),其 中針對透鏡組42的每個位置P1至Pll獲得相應(yīng)干涉信號的最大值的幅度Al至All;
f) 探測該透鏡組42的如下那個位置P9:在該位置上該幅度A9是最 大的；
g) 在該最大值的位置P9附近利用較小的步幅、典型為0.5 Mm至5 jum來重復(fù)步驟c)至f)，其中確定該透鏡組42的如下那個位置P9、在 該位置上該幅度A9、是最大的；
h) 從分配給該透鏡組42的這個位置P9、的參考鏡移動中確定可移動 的參考鏡12的如下位置Xm:在該位置上該千涉信號是最大的。
所述校準(zhǔn)代替地或者附加地可以以如下方式來實施，即該樣本物鏡 41在校準(zhǔn)期間朝向該第二分束器24移動。
如果該透鏡組42處于位置P9、，并且該參考鏡12處于位置Xm，那 么相干門位置和焦點位置就一致。所確定的位置P9、或者Xm在診斷模 式中被調(diào)節(jié)為透鏡或反射器的起始位置。
這樣在OCT系統(tǒng)中的改變被自動地校正，而不會為此需要附加的 硬件。即使該材料層被污染了或者應(yīng)該涂覆了折射率匹配膠，所述的方 法也是將是有效的，因為那么光從污物到空氣或者從膠到空氣的過渡會 被利用。該方法是非常快速的并且僅持續(xù)幾秒。從而其可以經(jīng)常地被實 施，由此保證了該系統(tǒng)的高可靠性。
為了進一步提高所述校準(zhǔn)方法的精確度，可以在該材料層上設(shè)置由 玻璃或塑料構(gòu)成的附加單元、所謂的靶子(Target)。然后針對該附加 單元內(nèi)部的兩個或多個深度來實施上述的方法。由此不僅可以校正位 移、也即該參考鏡12和透鏡42的移動的參考點的偏移，而且可以校正 可能的非線性。那么在上述的校準(zhǔn)方法中采用多個參考面，其中確定了 焦點位置和相干門相一致的多個位置對。由此不僅可以校正在這兩個定 位單元之間的恒定的相對位置偏差，而且可以校正兩個單元的相對線性 性(Linearitaet)和相對速度的可能的偏差。比如當(dāng)這兩個位置傳感器5 及39之一的位置敏感性發(fā)生變化時，這些偏差比如可能由于位置傳感 器5及39的老化而產(chǎn)生。
總之可以確認(rèn)的是，在所述OCT系統(tǒng)的診斷模式中，焦點位置和 相干門的動態(tài)同步在圖像質(zhì)量和可靠性方面帶來很多優(yōu)點。在額外、尤 其是規(guī)則地應(yīng)用所述校正模式的情況下，可以在長的時間段上保證這種 同步。
214.光源強度的調(diào)制
在所述的OCT系統(tǒng)中，利用探測器30來探測所產(chǎn)生的干涉圖案， 其中生成相應(yīng)的干涉信號。該探測器30的、用于采樣(Abtasten)該千 涉信號的采樣速率在此必須如此來選擇，使得能夠以足夠的精確度來探 測干涉結(jié)構(gòu)的時間變化。如果應(yīng)該達到針對深度掃描的高速度，那么這 通常要求有高的采樣速率。
因為一個干涉結(jié)構(gòu)的各個的周期通常必須分別在多個時間點來采 樣，所以在該樣本l的深度方向上最大可能的掃描速度取決于該探測器 30的最大可能的采樣速率。在采用具有高空間分辨率的快速探測器陣 列、也即每長度單元有大量探測器單元的情況下，最大采樣速率典型地 處于約lkHz的范圍中。如果干涉結(jié)構(gòu)每周期四個點被記錄，那么在被 耦合入的光14的平均波長比如為850nm的情況下，這導(dǎo)致約0.1mm/s 的、對于深度掃描的最大速度。
圖6a)示出了一個典型的干涉信號的時間曲線，其中該信號用每周 期各四個釆樣時間點P的采樣速率而被采樣。在該圖中示例地示出了該 干涉信號的一個周期內(nèi)的四個這種點。
為了提高深度掃描的速度，在本OCT系統(tǒng)中，被耦合入該第一干 涉儀10中的光14的強度在時間上被調(diào)制。這種調(diào)制周期地進行，其中 該調(diào)制的頻率比多普勒頻率fo大或小確定量、優(yōu)選為直至40%，其中該 多普勒頻率fb通過耦合入的光14的平均波長入。與可移動的參考鏡12 的速度v來得出fD=2v/Xo。這種調(diào)制的典型頻率處于在lkHz與25kHz 之間的范圍中。
代替地或者附加地，也可以利用調(diào)制頻率fM來調(diào)制由該第 一干涉儀 IO所輸出的、第三部分射束4的光的強度，以實現(xiàn)前述的有利效果。該 調(diào)制在此優(yōu)選地在該第三部分射束4的光在該第一干涉儀10的輸出端8 上耦合入該第一光導(dǎo)體17期間進行。但該強度調(diào)制也可以在第二干涉 儀10中在該第三部分射束4的光輸出之前進行。為了對由該第二干涉 儀10所輸出的光的強度進行調(diào)制，優(yōu)選地設(shè)置了一個光學(xué)元件，該光 學(xué)元件比如設(shè)置在該第一干涉儀10中或者在該第一干涉儀10的輸出端 8的區(qū)域中，并且在其傳輸特性或者成像特性上可以有針對性地被改變。 從而比如可以通過在該第一干涉儀10的輸出端8的區(qū)域中的一個自適 應(yīng)光學(xué)元件將由該第一干涉儀10輸出的、該第三部分射束4的光的強度周期地從"高，，到"低，，進行切換。但該光學(xué)元件也可以設(shè)置在該第
一干涉儀10的光路中、比如在參考鏡11或12與該第一分束器13之間。 該調(diào)制頻率的精確選擇根據(jù)該光源15的耦合入的光14的平均波長 入o、深度掃描的期望掃描速度以及該探測器30的最大采樣速率來進行。 優(yōu)選地該調(diào)制頻率如此來選擇，使得其等于該探測器30的最大采 樣速率或者它的整數(shù)倍。該最大采樣速率在此通過該探測器30的最小 幀時間的倒數(shù)值來給出。該探測器30的最小幀時間由用于記錄一個完 整圖像的至少所需的時間以及該探測器30的直至能夠記錄下一圖像所 度過的最小滯后時間(Totzeit)組成。該最小幀時間通常隨著所記錄的 圖像大小的增加而增加。
光14的強度調(diào)制的波形優(yōu)選是正弦形或矩形的。后者的波形比如 可以簡單地通過一個旋轉(zhuǎn)的遮光輪(Chopper-md) 18 (見圖1 )來實現(xiàn)。 其他的可能性是聲-光或電-光調(diào)制或液晶調(diào)制。也可以直接調(diào)制該光源 15，其方式是該光源如此被控制，使得它輸出具有時間上被調(diào)制的強度 的光14。
代替地或附加地，可以如此來達到相應(yīng)的效果，即比如設(shè)置在該第 一分束器13 (見圖1 )之前或之后的一個光學(xué)元件在其傳輸特性或成像 特性上進行切換。這樣就可以比如通過一個自適應(yīng)光學(xué)元件的相應(yīng)切換 來將第三部分射束4到該第一光導(dǎo)體17中的耦合效率周期地從"高，， 切換到'M氐"。
利用優(yōu)選略微與多普勒頻率有偏差的調(diào)制頻率而對耦合入的光14 的強度的所述調(diào)制在該調(diào)制與該干涉信號之間產(chǎn)生了一個低頻的差頻 (Schwebimg)。
圖6 b)示出了由于耦合入的光14的所述調(diào)制而產(chǎn)生的差頻信號的 時間曲線，其中該差頻信號如在圖6 a)的例子中的干涉信號一樣用每周 期各四個采樣時間點P的采樣速率而被采樣。在該差頻信號的采樣中， 由于其較小的頻率，它比在圖6 a)中的干涉信號的采樣需要明顯少的每 時間單位的采樣時間點P，使得在通過選擇探測器30而給定的固定采樣 頻率的情況下能夠達到明顯更高的對于深度掃描的速度。
下面更詳細(xì)解釋該方法的另 一優(yōu)點。
該探測器30的積分時間相當(dāng)于如下持續(xù)時間在該持續(xù)時間期間 該探測器30探測在一個時間點P的范圍內(nèi)投射到該探測器單元上的光并在此進行積分。該探測器30優(yōu)選地如此被驅(qū)動，使得該積分時間僅 稍短于幀時間。該幀時間在此如此選擇，使得它正好等于一個調(diào)制周期 的持續(xù)時間或者其整數(shù)倍。在圖6b)中所示的差頻信號已經(jīng)通過在兩個 調(diào)制周期持續(xù)時間上的積分而被獲得。
如果提高掃描速度而沒有前述的、光14的強度調(diào)制，那么該探測 器30的幀時間-并且從而該積分時間-必須被變短，因為該多普勒頻率會 增加并且從而會需要在時間上更密的采樣時間點P。但是較短的積分時 間會導(dǎo)致每次積分(Integration)和每個探測器單元所收集的光子減少， 這由于由光子的統(tǒng)計特性所產(chǎn)生的所謂的肖特噪聲而將導(dǎo)致信噪比的 降低。為了再次改善該信噪比，所耦合入的光14的強度必須與掃描速 度成比例地提高。
相反如果借助光14的上述強度調(diào)制來提高掃描速度，那么該積分 時間就可以保持恒定。由于光14的調(diào)制而僅僅產(chǎn)生了 50°/。的光損失。 在優(yōu)選的調(diào)制頻率的情況下，其中該調(diào)制頻率等于一個幀時間倒數(shù)值的 二倍，那么就得到了倍數(shù)為8的速度提升。在這種情況下，需要光強比 在無調(diào)制的情況下少四倍，以達到所述的速度提升。由于調(diào)制而產(chǎn)生的 達50%的光損耗的所述影響從而被過補償。
該光源15的光14的所需強度在所迷的方法中從而不必(與無差頻的 直接采樣相反)隨著掃描速度而提高，因為在這種情況下該探測器30的 積分時間能夠保持恒定。
光調(diào)制的另 一優(yōu)點是減少了 一次完整三維深度掃描的數(shù)據(jù)量。在一 個折射率為n-1.4的組織中在記錄橫向大小為512 x 640個像素并且掃描 深度為lmm的一個三維數(shù)據(jù)組時，產(chǎn)生約6G字節(jié)的數(shù)據(jù)。利用光14 的上述的強度調(diào)制，數(shù)據(jù)量被降低到750M字節(jié)。
此外，所迷直接獲得的數(shù)椐還必須進行附加處理，以顯示圖像結(jié)果。 在此降低數(shù)據(jù)量也是非常有利的，因為由此處理時間被明顯降低，并從 而圖像結(jié)果更迅速地出現(xiàn)。
優(yōu)選地如此來選擇該多普勒頻率和/或該調(diào)制頻率，使得所產(chǎn)生的差 頻信號的周期為該探測器30的最小幀時間的整數(shù)倍，也即，該探測器 30的最大采樣速率為該差頻信號的頻率的整數(shù)倍。
如果把光14調(diào)制的周期長度選擇為該探測器30的最小幀時間，那 么該掃描速度相對于在光14不調(diào)制時的掃描速度而提高了 4倍。相反
24如果選擇一個最小幀時間是兩個調(diào)制周期，那么該掃描速度就提高8倍。
圖6 c)示出了在光14不調(diào)制以及調(diào)制時在圖6 a)及6b)中所示干涉 信號或差頻信號的包絡(luò)Eu或Em。包絡(luò)Eu及Em的每個點P'在此與所 屬干涉信號及差頻信號的采樣時間點P相對應(yīng)。
由相應(yīng)的包絡(luò)Eu或Em導(dǎo)出信息，由這些信息來組合為樣本1的 首先一維、二維以及最后三維圖像。如同試驗所示出的，通過所實施的 強度調(diào)制，盡管測量點P及P、的數(shù)量明顯較少，相對于無強度調(diào)制的常 規(guī)系統(tǒng)也不會出現(xiàn)有關(guān)系的信息損失。
總之，通過對耦合入的光14的強度的所述調(diào)制，深度掃描的最大 可能速度被倍增，而不會在信號分析中出現(xiàn)明顯的信息損失。
5.探測器系統(tǒng)的敏感性的調(diào)制
上述的、對耦合入該第一干涉儀10中的光14以及對由該第一干涉 儀輸出的該第三部分射束4光所進行的強度調(diào)制的原理可以類似地轉(zhuǎn)用 到該探測器系統(tǒng)的敏感性上，其中該探測器系統(tǒng)主要包括該探測器30 和該探測器物鏡31，其方式是該探測器系統(tǒng)、尤其該探測器30的敏感 性針對要探測的光而利用如下頻率來調(diào)制該頻率優(yōu)選比該多普勒頻率 fo大或小確定的量、尤其直至40%。
在此，由該樣本1所反射的并被投射到該探測器30上的光被疊加 (ueberlagert),連同探測器系統(tǒng)30， 31的敏感性被調(diào)制，使得該探測 器30在探測投射到該探測器30上的干涉圖案時不是生成具有很多周期 的高頻干涉信號、而是生成低頻差頻信號(Schwebungssignal),該差 頻信號具有比該高頻干涉信號明顯較少的周期。在采樣該差頻時，從而 每時間單位需要比沒有調(diào)制該探測器系統(tǒng)30、 31的敏感性而采樣該高 頻干涉信號時明顯少的采樣時間點。
該探測器30的敏感性比如可以直接或利用設(shè)置在該探測器30之前 的可控電子快門來調(diào)制(modulieren)。代替地或附加地，可以調(diào)制在 該探測器系統(tǒng)中的光學(xué)元件的特性，比如該探測器物鏡31針對由樣本1 所反射的光的透射率。
該探測器30的敏感性的直接調(diào)制的原理借助圖7來詳細(xì)解釋，其 中圖7示出了 一個充分示例性的電路。 一個CMOS探測器的每個探測器 單元80可以在等效電路圖上簡化示出為光電二極管81，其中光電二極 管利用一個電壓Ul來偏置。可選地，給該光電二極管81并聯(lián)歐姆電阻和電容。通過利用光對該探測器單元80的照射，在該光電二極管81中 產(chǎn)生了栽流子，栽流子觸發(fā)一個電流U，該電流在電子積分器83的電 容82中被累加。通過借助一個開關(guān)84周期地接通和斷開該積分，其中 用調(diào)制頻率fM來控制該開關(guān)，電荷量用該調(diào)制頻率fM被調(diào)制、并且從 而當(dāng)前相應(yīng)探測的光強用該調(diào)制頻率fw被調(diào)制。通過一個采樣-保持級 87，相應(yīng)的探測器信號被提取并輸送至另一處理。其他的開關(guān)85和86 用于控制積分的復(fù)位以及該探測器信號的提取。
與上述的耦合入光14或輸出光4的強度調(diào)制相類似，在該變型方 案中不是獲得高頻干涉信號而是獲得低頻差頻信號(參見圖6 a)及b))， 其中該差頻信號可以利用明顯少的采樣時間點P而被采樣，而不會丟失 在此有關(guān)系的信息。在該探測器30的一個給定最大采樣速率的情況下， 這導(dǎo)致該系統(tǒng)的深度掃描的最大速度可以提高 一個倍數(shù)。
如同在耦合入光14或輸出光4的調(diào)制中(見第4節(jié))一樣，在此 還通過合適地選擇該探測器系統(tǒng)30、 31的敏感性的調(diào)制頻率，與具有 恒定探測器敏感性的系統(tǒng)相比，該掃描速度被提高了 4或甚至8倍。
該第二參考鏡12的移動速度與該探測器30的敏感性的調(diào)制頻率有 一個固定的關(guān)系，并且優(yōu)選地如此來選擇該第二參考鏡12的移動速度， 使得在形成的差頻信號的一個周期持續(xù)時間中度過整數(shù)的采樣時間點、 優(yōu)選四個采樣時間點(參見圖6b))。
這樣所采樣的差頻信號在可視化之前還必須被處理，因為在該信號 中還包含有干涉信息。應(yīng)該被可視化的基本信息是相應(yīng)干涉的幅度和深 度位置，但不是干涉結(jié)構(gòu)本身。為此，該差頻信號必須被解調(diào)，也即確 定該差頻信號的包絡(luò)(參見圖6c)中的Em)。
因為該差頻信號的相位通常是未知的，并且該相位對于來自不同深 度的不同差頻信號也可能是不同的，所以采用了一種數(shù)字解調(diào)算法，該 算法與該相位無關(guān)。優(yōu)選地針對具有每周期四個采樣時間點的干涉信號 采樣而使用了所謂90°相移算法。由此實現(xiàn)了對該差頻信號的快速解 調(diào)。
6.具有非對稱林尼克干涉儀的測量頭
下面借助圖4、 8和9來更詳細(xì)解釋測量頭的構(gòu)造，其中該測量頭 包含該第二干涉儀20。
該第二干涉儀20是一種所謂的林尼克干涉儀。圖8示出了這種林尼克干涉儀的一種典型構(gòu)造的例子，其具有分束器77、參考鏡78、探 測器79和樣本70。在這種林尼克干涉儀中，出于小型化而設(shè)置了限制， 這尤其適于所使用的光學(xué)元件諸如物鏡75和76及透鏡71和74的直徑 以及幾何構(gòu)造。該樣本物鏡75或參考物鏡76以及其到分束器77的距 離q基本相同。
在本OCT系統(tǒng)所使用的林尼克干涉儀中，樣本物鏡和參考物鏡41 及46到該第二分束器24 (見圖4)的距離由于焦點跟蹤通常并不是對 于所有掃描深度都是相同的。從而可能在該樣本圖像和參考圖像的圖像 中心與圖像邊緣之間導(dǎo)致大的相對光程差(OPD)。這可能導(dǎo)致要探測 的干涉結(jié)構(gòu)的空間頻率(Ortsfr叫uenz)大于該二維探測器30的分辨率， 由此該干涉不再或者僅僅不足以可靠地被探測
為了避免這個缺點，在本OCT系統(tǒng)的第二干涉儀20中不同地("非 對稱")實施該樣本物鏡41和參考物鏡46,并相互協(xié)調(diào)，這在下文中 借助圖4來詳細(xì)解釋。
該樣本物鏡41、尤其該透鏡42到該第二分束器24的距離p選擇得 非常小。對于上面的掃描位置，其中在該掃描位置上由位于樣本1的表 面附近的截面(參見圖2 a))所反射的光被探測，該距離p優(yōu)選地在1 和3mm之間。從而在該樣本臂和參考臂22及23中的透鏡42及49的 直徑在同時高的光輸出的情況下可以選擇得非常小。
在輸出臂27中的另一組透鏡47連同該樣本物鏡及參考物鏡41及 46 —起構(gòu)成了該樣本光學(xué)裝置及參考光學(xué)裝置。樣本光學(xué)裝置和參考光 學(xué)裝置遠(yuǎn)心地在該樣本1側(cè)或該第三參考鏡25側(cè)。遠(yuǎn)心光學(xué)裝置其特 點在于，物鏡距離可以被改變，并且盡管如此可圖像大小保持恒定。這 通過一種孔徑光闌來實現(xiàn)。
用于樣本1成像的數(shù)值孔徑是相對大的，優(yōu)選地約0.3。相反樣本1 的照明的數(shù)值孔徑小于用于樣本1成像的數(shù)值孔徑，并且優(yōu)選地具有0.2 的值。由此結(jié)合樣本光學(xué)裝置及參考光學(xué)裝置的遠(yuǎn)心設(shè)計而獲得的優(yōu)點 是，在傾斜的樣本結(jié)構(gòu)上所反射的光也被該樣本物鏡41收集，因為該 樣本物鏡41的接受角大于該照明圓錐的發(fā)散角。相反如果針對照明的 數(shù)值孔徑和成像的一樣大，那么在傾斜的樣本結(jié)構(gòu)上進行反射時收集的 光比在垂直于光軸的結(jié)構(gòu)上所進行反射時收集的光少。
通過在照明臂21中選擇該照明物鏡48來實現(xiàn)在該樣本臂22中針對照明的較小數(shù)值孔徑。在該參考臂23中的數(shù)值孔徑等于或略大于該 照明臂21的數(shù)值孔徑。這尤其在這里所使用的折疊的林尼克干涉儀的 情況下是有利的，因為由此該參考物鏡46可以相對簡單地與該樣本物 鏡41相適配，并且此外還可以緊湊地被實現(xiàn)。
穿過該參考物鏡46的透鏡49(包括在透鏡49之間的可能的空氣間 隔)的光程短于穿過該樣本物鏡41的透鏡組42的光程。
通過這種措施，實現(xiàn)了使樣本臂和參考臂22及23的像場拱曲 (Bildfeldwdlbung)盡可能一致地位于所使用的掃描深度的中心。另外 還保證了在深度掃描的上端和下端上在圖像中心和圖像邊緣之間的最
大光程差(OPD)是足夠小的，以保證該千涉結(jié)構(gòu)的空間頻率，其中該 空間頻率是足夠小的，以在該探測器30方面滿足尼奎斯特條件。從而 來自該樣本1的所關(guān)注空間單元33中不同深度的干涉結(jié)構(gòu)的空間頻率 總是小于該二維探測器30的分辨率。該干涉結(jié)構(gòu)從而在該樣本1的所 關(guān)注空間單元33的任何深度上都總是以高的可靠性被探測。
這在圖9a)至c)中示出，其中示出了在深度掃描期間在三個不同時 間點該第二干涉儀20的橫截面的一個樣本側(cè)片段。
在一個第一時間點(見圖9 a))，該相干門K位于該樣本1的所 關(guān)注空間單元33的一個上層34中(參見圖2 a))。在此，該樣本物 鏡41到該第二分束器24具有一個小的距離，并且到該材料層43或到 該樣本1具有一個相對大的距離。在此所獲得的干涉結(jié)構(gòu)在圖9 a)的右 邊示出，并且具有如下周期長度:該周期長度相應(yīng)于在相應(yīng)的兩個彼此相 繼的明環(huán)或暗環(huán)之間的距離。該周期長度大于該探測器30的單個探測 器單元(像素)的中心-中心距離(間距(pitch)),也即該干涉結(jié)構(gòu)的 空間頻率小于該探測器30的分辨率，其中該空間頻率相應(yīng)于該周期長 度的倒數(shù)值，該探測器30分辨率相應(yīng)于該探測器30的像素的中心距離 的倒數(shù)值，由此滿足尼奎斯特條件。由此保證了該干涉結(jié)構(gòu)可以可靠地 被該探測器30探測。
在一個第二時間點(見圖9b))，該相干門K位于該樣本1的所關(guān) 注空間單元33的一個中間層35中(參見圖2a))。該樣本物鏡41位于 如下位置該位置比在圖9 a)中離該第二分束器24遠(yuǎn)一些并離該材料層 43近一些。在這種情況下該干涉結(jié)構(gòu)具有比在圖9a)中大的周期長度， 這樣在該時間點也滿足尼奎斯特條件。在一個第三時間點(見圖9 c)),該相干門K位于該樣本1的所 關(guān)注空間單元33的一個深層35中(參見圖2a))。該樣本物鏡41位 于如下位置該位置比在圖9b)中離該第二分束器24更遠(yuǎn)并離該材料層 43更近。在這種情況下該干涉結(jié)構(gòu)具有與在圖9a)中所示時間點大致相 同的周期長度，這樣在該深度掃描位置中也滿足尼奎斯特條件。
由于所述的該樣本物鏡和參考物鏡41及46的非對稱構(gòu)造，可以實 現(xiàn)該樣本物鏡和參考物鏡41及46到該第二分束器24的不同距離或光 程p或r。在所示的例子中，從而該樣本物鏡41可以以距離p來靠近該 第二分束器24,由此可以在高的光效率的情況下實現(xiàn)透鏡42的小的直 徑。同時該參考物鏡46也可以以明顯較大的距離r(Pp)遠(yuǎn)離該第二 分束器24地來設(shè)置，由此實現(xiàn)了該第二干涉儀20的折疊(Faltung)， 其中該參考臂和照明臂23及21相對于其在未折疊林尼克干涉儀(參見 圖8)中的位置分別傾斜了90。，并從而平行于該樣本臂22延伸。
這樣就實現(xiàn)了該測量頭的一種非常細(xì)的形式，并同時保證了通過該 參考光學(xué)裝置或樣本光學(xué)裝置而生成的、在該探測器30上的圖像對于 所有掃描深度都是大小相同的并且良好疊加的。
通過該參考物鏡46的上述實施，為折疊而必要的該光程的一部分 被補償。該參考物鏡46從而在光學(xué)上短于該樣本物鏡41。由此該第一 干涉儀IO的實施變得更簡單，因為由此該第一干涉儀IO的兩個干涉儀 臂不必為了滿足出現(xiàn)干涉的相干條件而強烈地相互區(qū)別。
在該參考臂及樣本臂23及22中的光程差優(yōu)選地至少是最大掃描深 度Tm(見圖3a)和b))的兩倍大。該最大光學(xué)掃描深度Tm說明， 在該樣本1表面之下直至哪個深度都滿足出現(xiàn)干涉的相干條件并獲得相 應(yīng)的干涉圖案。從而保證了把該參考鏡12在該第一千涉儀10中的位置 與在該樣本l中的確定深度明確而簡單地相對應(yīng)。
7.單模預(yù)調(diào)制和多模光纖
在該第一干涉儀10的、在此優(yōu)選以所謂自由輻射光學(xué)裝置的構(gòu)造 中，在使用通常采用的空間短光源或非相干光源的情況下，在該第一干 涉儀10的輸出端8的區(qū)域中需要一個相對耗費的物鏡，以便把所輸出 的光盡可能高效地耦合入該第一光導(dǎo)體17中并在此以避免光學(xué)損耗。 從而不僅該第二干涉儀20的光學(xué)構(gòu)造，其中該第二干涉儀20對于內(nèi)窺 鏡應(yīng)用應(yīng)盡可能緊湊地設(shè)計，而且該第一干涉儀10的光學(xué)裝置的構(gòu)造也會受限。此外在通常采用的空間短光源或非相干光源的情況下限制了 必要時對光功率的提升。
為了避免這些缺點，作為光源15,在本OCT系統(tǒng)中采用了分別具 有高空間相干性的一個或多個單模光源比如超輻射發(fā)光二極管 (SLED)、短脈沖激光器或超連續(xù)激光器。該光源15的光14被耦合 入該第一干涉儀10中，其中僅相應(yīng)于單個模式(單模，Singlemode)的 所謂高斯模式被傳輸。在經(jīng)過該第一干涉儀IO之后，所耦合入的光14 的空間相干性才被破壞，其方式是在該第一干涉儀10的輸出端8上的 光被耦合入該第一光導(dǎo)體17中，其中該第一光導(dǎo)體具有非常長的多模 光纖。
多模光纖是如下光纖其數(shù)值孔徑和芯直徑允許在光的確定波長情 況下不僅能夠構(gòu)造一個光纖模式，而且能夠激發(fā)許多不同的光纖模式。 一個光纖是單模光纖還是多模光纖，可以通過所謂的V數(shù)K來評估
其中2表示是耦合入該光纖中的光的波長，c/表示該光纖的芯直徑，
表示該光纖的數(shù)值孔徑。耦合入該光纖中的光的波長；i在此優(yōu)選與耦合
入該第一干涉儀10中的光14的平均波長入o相一致。如果該V數(shù)大于 約2.4,那么它就是多模光纖。
在該第一光導(dǎo)體17中優(yōu)選采用的多模光纖典型地具有約100m數(shù)量 級的長度，并優(yōu)選地大部分都纏繞在一個繞組19上，如在圖1中所示。 該多模光纖的芯直徑優(yōu)選地處于約200Mm至約400(am之間。
非常長的、細(xì)的并優(yōu)選纏繞的多模光纖可以在該第一光導(dǎo)體17中 可選地與一個相對短的、粗的光纖(未示出)相組合，該粗光纖的直徑 處于約一毫米的范圍中，其長度處于幾米的范圍中。
通過破壞該單模光源15的光的空間相干性，避免了由該樣本1中 兩個不同位置所反射的光可以進行干涉，這也稱作所謂的相干串?dāng)_。
相干串?dāng)_的有效地抑制此外還導(dǎo)致對不期望的散射光的有效抑制， 其中散射光在光源具有高空間相干性的情況下同樣會有助于干涉，并且 結(jié)果會導(dǎo)致不清晰的、模糊的圖像-類似于在乳白玻璃之后的圖像。以上 述的方式來對空間相干性進行有效的破壞，由此對散射光的探測被大大 降低，并最后獲得清晰的圖像。
30在該第一干涉儀10中所生成的預(yù)調(diào)制信息、也即通過移動該第二 參考鏡12而形成的對所耦合入的光14的頻譜調(diào)制，在通過該第一光導(dǎo) 體17的非常長的多模光纖對光進行傳輸時卻并沒有被改變。這從而保 證了該第一干涉儀10的兩個臂在該多模光纖中生成了具有相同模式分 布(Modenverteilung)和相同相位的相同才莫式。
每個模式本身則都傳輸預(yù)調(diào)制信息，其中這些單個模式都不相互耦 合。從而這實現(xiàn)了在該第一干涉儀10中的第一和第二部分射束2及3 (見圖1)共線(kollinear)并精確疊加成一個第三部分射束4，之后它 們?nèi)肷涞皆摰谝还鈱?dǎo)體17的多模光纖中。
光到該第一光導(dǎo)體17中的入射在此確定了在該多模光纖中所激發(fā) 的模式(Moden)的數(shù)量和分布。為了尤其有效地破壞空間相干性，在 此有利的是，選擇其中激發(fā)盡可能多模式的一種耦合入射。這尤其可以 如此來進行，即，如在圖10 a)和10 b)中所示，光射束的、也即該第三 部分射束4的焦點55并不是位于該第一光導(dǎo)體17的多^t光纖的端面 (Facette) 9也即該入射面上，和/或該第三部分射束4的光射束被傾斜 地耦合入該第 一光導(dǎo)體17的多模光纖中，其中該光射束的光軸56相對 于該第一光導(dǎo)體17的多模光纖的中軸57而傾斜，并與該中軸成角度co ， 該角度優(yōu)選地處于5°至40°之間。這樣一方面空間相干性被最大地抑 制，并且另一方面該多模光纖的端面9的照明變得更均勻。
此外在圖10 a)和10 b)中還示出了在該第一光導(dǎo)體17中所使用的多 模光纖的芯直徑d。
高相干的光14到該第一干涉儀10中的耦合入與接著該第三部分射 束4的在該第一干涉儀10中被頻語調(diào)制的光到該第一光導(dǎo)體17中的耦 合入相結(jié)合，使得能夠非常簡單地設(shè)計在該第一干涉儀10的輸出端8 的區(qū)域中的光學(xué)裝置。
因為在該原理中強光的相干光源、比如SLED、短脈沖激光器或超 連續(xù)激光器可以被用作光源15，所以比利用常規(guī)采用的空間不相干光源 而能夠達到明顯更高的功率密度。所獲得的圖像信息的信噪比從而被明 顯改善。
可替換于在此所示和所述的自由輻射干涉儀，在采用這種原理的情 況下該第一干涉儀10也可以完全作為光纖干涉儀來設(shè)計。那么所述深 度掃描就可以比如不是通過移動該第二參考鏡12,而是借助一個所謂的光纖延伸器通過延伸該笫一干涉儀10的兩個臂之一中的光纖而被實施。 8.通過光纖束的圖像傳輸
如前面所詳細(xì)解釋的，在本OCT系統(tǒng)中通過在該第一干涉儀10中 宏觀移動該參考鏡12來實施深度掃描，而由該樣本1所反射的光通過 該第二干涉儀20和該第二光導(dǎo)體29被轉(zhuǎn)送到該二維探測器30并由其 來探測。
作為第二光導(dǎo)體29采用了由多個單光纖組成的光纖束。光纖束通 常具有高的數(shù)值孔徑，該數(shù)值孔徑在技術(shù)上是受限的并處于0.4或更高 的范圍中。此外通常的光纖束的端面、也即入射和出射橫截面的填充系 數(shù)是相對較小的。這兩個因素在由該樣本1反射的光從該第二千涉儀20 到該探測器30的傳輸中將導(dǎo)致不期望的光損失。
為了在傳輸由該樣本l所反射的光時獲得具有微小光損失和信息損 失的一種盡可能緊湊的OCT系統(tǒng)，采用了下文更詳細(xì)解釋的光纖束。
圖11示出了所使用的光纖束的端面中的一個片段50，其中光纖束， 如借助放大顯示的子區(qū)域51所能看到的，由多個單光纖52組合而成， 所述單光纖具有一個中心距離d2 (所謂的光纖間距)。
圖12示出了所使用的探測器30的一個片段，其中該探測器包含有 多個設(shè)置于一個面中的探測器單元80,該探測器單元80具有一個中心 距離dl (所謂的像素間距)。在這里的OCT系統(tǒng)中，該光纖束的單光 纖52的光纖間距d2小于該探測器30的探測器單元80的像素間距dl。
為了在高空間分辨率情況下實現(xiàn)盡可能大的視場，該光纖束由至少 100000、優(yōu)選由約300000個單光纖52組成。該探測器30的探測器單 元80的數(shù)量優(yōu)選地為約328000,并從而處于與單光纖52的數(shù)量相同的 數(shù)量級中。
如在圖13中所示，在該入射和出射面7及6的區(qū)域中該第二光導(dǎo) 體29的光纖束橫截面的形狀優(yōu)選地與該探測器30的幾何形狀相適配， 其中尤其是該入射面7在該第二干涉儀20側(cè)的形狀基本等同于該出射 面6在該探測器物鏡31或探測器30側(cè)的形狀(見圖1 )。該入射和出 射面7及6的各形狀、尤其是其長寬比在此基本與該探測器30的優(yōu)選 矩形的形狀相一致。
在圖Ma)中示例地示出了該光纖束的兩個單光纖52。單光纖52具 有光纖芯65和光纖外套66。在該光纖束所優(yōu)選使用的單光纖52中，相應(yīng)光纖芯65與光纖外套66的厚度d3及d4之比d3/d4 (所謂的芯/外套 比)如此來選擇，使得在由于從光纖52側(cè)面出射的光(所謂的消散波) 引起的光損失盡可能小的情況下獲得盡可能高的填充系數(shù)。該填充系數(shù) 在此通過單光纖52的整個橫截面與光纖芯65的面積之比來給出。
在該光14的波長比如為1300nm的情況下，所使用的光纖束優(yōu)選地 具有11 pm的光纖間距d2、 1.7lam的單光纖52的外套厚度d4以及6.8 Mm的芯直徑d3。由芯直徑d3和兩倍外套厚度d4之和而得到的、單光 纖52的直徑在該情況中為10.2ium，并從而略小于該光纖間-巨d2,因 為在該光纖束的制造過程中還要生成圍繞每個單光纖52的第二外套(未 示出)。
在圖14b)中示出了在圖14a)中所示的單光纖52的擴展方案的一種 變型方案。在該變型方案中，單光纖52的各個光纖芯65被嵌入到由玻 璃和塑料構(gòu)成的一種基質(zhì)(Matrix) 66中，該基質(zhì)分別構(gòu)成了每個單個 光纖芯65的光纖外套。在該變型方案中，每兩個相鄰的單光纖52共同 擁有其光纖外套的一部分。相當(dāng)于外套厚度的、相鄰光纖芯64的距離 d4由此能夠相對于分別具有自己的光纖外套的上述單光纖而被減少，其 中消散波的出射被進一步有效地抑制。光纖芯面積與總的光纖面積的面 積之比由此變得尤其大。該芯直徑d3與該外套厚度d4的商在此處于在 約5至8之間的范圍中。
該第二干涉儀20如此來構(gòu)造，使得針對所有掃描深度都獲得一個 橫向干涉圖案，其空間頻率低于該光纖束的單光纖52的空間頻率，其 中尤其必須滿足尼奎斯特條件。這在圖15中示出。如在該橫向千涉圖 案60的放大片段61中所能看出的，在該干涉圖案60的兩個彼此相繼 干涉最小值63 (暗環(huán))之間的周期長度比該光纖束的單光纖52的中心 距離(光纖間距)大幾倍，光纖束的入射面6(見圖l)在此以片段的 形式并以相應(yīng)的放大來示出。相應(yīng)地，該干涉圖案60的空間頻率明顯 小于該光纖束的單光纖52的空間頻率。
相對于在現(xiàn)有技術(shù)中所公開的系統(tǒng)，其中該探測器安裝于該干涉儀 中，通過使用上述的光纖束獲得了多個優(yōu)點，這在下文中更詳細(xì)描述。
出于技術(shù)原因，對波長處于約1300nm范圍中的光敏感的InGaAs CMOS探測器的像素間距dl可以并不遠(yuǎn)小于20 m m。在本OCT系統(tǒng)中 優(yōu)選采用的光纖束具有10 Mm的光纖間距d2,并從而在相同分辨率的情況下具有比該探測器明顯更小的橫截面。這允許比其中探測器安裝到 測量頭之中的系統(tǒng)明顯更緊湊地來構(gòu)造該測量頭。
此外，在現(xiàn)有技術(shù)的所述系統(tǒng)中，由于所需的非常高的探測器采樣 速率，數(shù)據(jù)從測量頭到連接在后面的電子裝置的傳輸將需要具有及其高
的速度。此外在該測量頭中還必須集成A/D變換器。在由該樣本l所獲 得的圖像信息通過被構(gòu)造為光纖束的第二光導(dǎo)體29向與該第二干涉儀 20相分離的探測器30進行所述轉(zhuǎn)送的情況下，避免了這些缺點。
因為在本oct系統(tǒng)中從而在該測量頭中不需要用于圖像探測和/或 圖像處理的電子裝置，所以就不存在可能導(dǎo)致測量頭的不期望的溫升的 熱損失。
因為在該第二光導(dǎo)體29中優(yōu)選地選擇了一個光纖間距d2 (比如11 Mm),該光纖間距小于該探測器30的最小可能的像素間距dl (大多 大于或等于20pm)，在相同橫向分辨率的情況下相對于按照現(xiàn)有技術(shù) 的系統(tǒng)可以降低在該測量頭中對從該樣本1所獲得的圖像的放大，這實 現(xiàn)了在該第二干涉儀20中的、更簡單和更小的光學(xué)裝置。
為了在從該樣本1或從該第三參考鏡25到該探測器30的光傳輸及 圖像信息傳輸中提高光效率，對本oct系統(tǒng)的各個部件的數(shù)值孔徑進 行匹配，尤其該樣本物鏡41和在輸出臂27中的透鏡47的孔徑以及該 參考物鏡46和該第二光導(dǎo)體29的光纖束的孔徑、該探測器物鏡31以 及該探測器30的孔徑。這在下文中借助圖1、 4和16來詳細(xì)解釋。
圖16示出了由大量單光纖52組合而成的第二光導(dǎo)體29在該入射 面7的區(qū)域中的一個片段。從該第二干涉儀20出射的、會聚的光束58 具有一個孔徑角oc,并相對于該入射面7的法線以一個入射角P投射到 該光導(dǎo)體29。該第二光導(dǎo)體27的單光纖52具有一個孔徑角y ,在該孔 徑角內(nèi)投射的光可以被單光纖52探測。該孔徑角y通過該單光纖52的 數(shù)值孔徑來給出。
為了保證盡可能高的光效率，優(yōu)選地規(guī)定，該光束58的孔徑角oc 與該入射角P之和小于該光纖束29的單光纖52的孔徑角y: oc+P<y。 從而保證了該光束58的投射到單光纖52上的全部光都入射到其中，并 被傳輸至該第二光導(dǎo)體29的出射面6。
該光束58的為此所需的孔徑角oc和入射角p通過相應(yīng)i也i殳計該樣 本物鏡和/或參考鏡和/或輸出物鏡41、 46及47來實現(xiàn)。這尤其如此來實現(xiàn)，即樣本物鏡和輸出物鏡41/47及參考物鏡和輸出物鏡46/47這兩 個物鏡組合放大地進行成像，也即在該光纖束的入射面7 ("圖像側(cè)") 的區(qū)域中該光束58的孔徑角oc小于在該樣本1側(cè)("物鏡側(cè)")的孔 徑角(未示出)。從而可以以簡單的方式在該樣本1側(cè)實現(xiàn)大的孔徑角， 由此實現(xiàn)了高的光收集效率。連同至該第二光導(dǎo)體29的光纖束中的無 損失的光耦合輸入，由此在探測由該樣本1所反射的光時保證了一個總 的非常高的光效率，并從而達到高的圖像質(zhì)量。
代替地或附加地，為了提高光效率，把該探測器物鏡31的光纖束 側(cè)的數(shù)值孔徑與該第二光導(dǎo)體29的光纖束的數(shù)值孔徑進行匹配。該探 測器物鏡31的孔徑角在此大于該光纖束的單光纖52的孔徑角Y。
優(yōu)選地，該探測器物鏡31在該光纖束側(cè)是遠(yuǎn)心的(telezentrisch)。 由此可以以簡單的方式來對該光纖束的輻射特性進行計算。在該輸出面 6上的視場角對于在該輸出面6上的每個位置都等于零。
隨著光束至該探測器30上的入射角的增加，由該探測器30所探測 光功率變小。為了保證盡可能高的光效率，從而規(guī)定，把光束到該探測 器30上的入射角保持得盡可能小。這優(yōu)選地通過該第二光導(dǎo)體29的光 纖束在該探測器30上的放大成像以及該探測器物鏡31在該:探測器30 側(cè)的遠(yuǎn)心設(shè)計來實現(xiàn)。
在使用所述光纖束用于圖像傳輸時的另 一優(yōu)點在于，該系統(tǒng)的總放 大M可以被劃分為兩個步驟，即在該測量頭、也即在該第二干涉儀 20中的第一放大M1，以及在該探測器物鏡31中的第二放大M2。從而 在該測量頭中的物鏡41 、 47和47的第 一放大Ml可以小于對于該OCT 系統(tǒng)的標(biāo)稱分辨率所需的總放大M。這通過以下的例子來闡明在像素 間距為20jum,光纖間距為10Mm，且標(biāo)稱分辨率為2.5 p m的情況下， 通過如上所述而構(gòu)造的、該第二光導(dǎo)體29的光纖束可以在該測量頭中 實現(xiàn)放大M卜4，在探測器物鏡31中實現(xiàn)放大M2二2，以獲得一個總放 大M-MlxM2-8。相反，在不通過所述光纖束進行圖像傳輸?shù)那闆r下， 在該測量頭中必須產(chǎn)生一個等于總放大M-8的放大。
上述光纖束的使用從而所具有的優(yōu)點是，總放大M并不是必須單 獨地由該第二干涉儀20的物鏡來實現(xiàn)，使得該測量頭的樣本物鏡和/或 參考物鏡和/或輸出物鏡41、 46及47可以簡單而空間節(jié)省地凈皮構(gòu)建，由 此該測量頭總體可以明顯更緊湊地來構(gòu)造。如在圖4所示的一個第二干涉儀20的例子中，由此該樣本物鏡41 或該第二千涉儀20的輸出物鏡的透鏡47的平均直徑Dl可以優(yōu)選地選 擇得小于在該入射面7的區(qū)域中該第二光導(dǎo)體29的直徑D2: DKD2。
9.該OCT系統(tǒng)的運行才莫式
上述的OCT系統(tǒng)可以運行于三個不同的運行才莫式。該運行模式是 兩個實時模式以及一個靜態(tài)運行模式，其中在所述實時模式中樣本的 OCT圖像以每秒約5到10個圖像的高速率而被生成。
在該第一運行模式、實時模式1中，該樣本1的二維深度截面被實 時地生成(所謂的切片)。這如下地來實現(xiàn)即作為探測器30采用了 一種CMOS照相機，該照相機允許調(diào)節(jié)一個所謂的關(guān)注窗口 (WOI)， 在該關(guān)注窗口中該探測器30的僅僅一個部分面是對于光敏感的，并把 光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器信號。敏感照相面的減少與照相速度的明顯提高 相關(guān)聯(lián)；在這種調(diào)節(jié)下可以比在全圖像模式中每秒生成更多的照相圖 像。
在該實時模式1中優(yōu)選選擇一個WOI,該WOI在一個方向上相應(yīng) 于全部的照相長度或?qū)挾?比如640像素)，并在另一方向上——由相 應(yīng)照相機的類型來給定一_具有最小可能數(shù)量的像素(比如4像素)。 從而該照相機的速度被進一步提高，使得OCT圖像可以實時地被記錄。
這優(yōu)選結(jié)合耦合入該第一干涉儀10中的以及從該第一千涉儀10輸 出的光14及4的強度調(diào)制或者該探測器系統(tǒng)30、 31的敏感性調(diào)制(見 上面的第3及第4節(jié))來實現(xiàn)。
圖17示出了一個探測器面F1，其由第一數(shù)量N1的探測器單元80 組合而成，并具有長度cl和寬度bl。在上述的WOI的調(diào)節(jié)中，光僅僅 被位于該探測器面Fl的一個部分面F2中的探測器單元80所探測，并 被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器信號。該部分面F2的探測器單元80的第二數(shù)量 N2小于整個探測器面F1的探測器單元80的第一數(shù)量N1。該探測器面 Fl及部分面F2的長度cl和c2大小相同，而該探測器面Fl及部分面 F2的寬度bl和b2是不同的。
在所示的例子中，該部分面F2僅四個像素寬，相反該:探測器面F1 為512個像素寬。該探測器面Fl的敏感面從而被減少128倍，這明顯 縮短了用于探測干涉圖案以及將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)探測器信號所需的持續(xù) 時間。
36如在圖18中所示，在該例子中從該樣本1的所關(guān)注空間單元33中 不是獲得一個完整的三維斷層圖，而是僅獲得四個(對應(yīng)于該部分面F2 的四個像素行)二維深度截面67。
在該第二運行模式、該實時模式2中，如在圖19中所示，從該樣 本1的所關(guān)注空間單元33的確定深度T生成二維斷層圖68,其中該深 度T是可自由選擇的。在此，該探測器30的整個探測器面Fl被用于探 測由該樣本1所反射的光并把其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器信號，但其中總是 僅最大五個照相圖像被用于斷層圖68的計算。為此，在該第一干涉儀 10中的第一參考鏡11以約1 pm的幅度被周期性移動，而至多五個照 相圖像被記錄，這五個照相圖像然后被運算為一個OCT圖像。這樣， 可以以高的重復(fù)速率來生成斷層圖68。
通過宏觀移動該第二參考鏡12并必要時結(jié)合所述的焦點跟蹤(見 上文第l及第2節(jié))，可以自由地選擇從中獲取該斷層圖68的深度T。
在該第三運行模式、該靜態(tài)模式中，借助該第二參考鏡12的宏觀 移動并結(jié)合所述焦點跟蹤來記錄一個完整的三維數(shù)據(jù)組。對此詳情尤其
參見第l和第2節(jié)。
通過不同的運行模式，該OCT系統(tǒng)可以滿足一系列不同的要求。 在檢查樣本時，比如在尋找樣本中的有關(guān)位置時，功能性由此被大大擴 展。
10.用于OCT系統(tǒng)及方法的其他發(fā)明觀點
上文詳細(xì)闡述的OCT系統(tǒng)及方法具有單個特征或特征組合，通過 這些特征或特征組合，該系統(tǒng)或方法尤其在構(gòu)造上變得更簡單和更緊 湊，以及在操作和圖像探測上變得更快速和更可靠，而在此并不需要在 獨立權(quán)利要求的前序和/或特征部分所引用的所有特征。這些特征或特征 組合同樣被視為發(fā)明。
被視為發(fā)明的尤其是一種用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)，其具有 -至少一個干涉儀，其用于輸出用來照射一個樣本的光，以及 -探測器，其用于探測由該樣本所反射的光， 其中該系統(tǒng)特征在于前述的、尤其在第1至9節(jié)中和/或結(jié)合圖1至19 所詳細(xì)闡述的一個或多個特征。
與該系統(tǒng)相對應(yīng)的方法同樣作為發(fā)明而被提供。
利用由該干涉儀所輸出的光對該樣本的照射或者間接地、也即通過在該干涉儀與該樣本之間的另一干涉儀來進行，或者直接地、也即在沒 有在該干涉儀與該樣本之間的其他千涉儀的情況下來進行。
通過該探測器對由該樣本所反射的光的探測或者間接地、也即通過
在該樣本與該探測器之間的另一干涉儀來進行，或者直接地、也即在沒 有在該探測器與該樣本之間的其他干涉儀的情況下來進行。
權(quán)利要求
1.用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)，其具有-干涉儀(10)，該干涉儀(10)用于輸出用來照射樣本(1)的光，其中該干涉儀(10)包括分束器(13)和至少一個反射器(12)，反射器到該分束器(13)的光學(xué)距離(l)能夠被改變一個光程(L)，以及-探測器(30)，該探測器具有第一數(shù)量(N1)的、設(shè)置在第一面(F1)中的、用于探測由該樣本(1)所反射的光的探測器單元(80)，其特征在于，該系統(tǒng)能夠運行于第一模式，在該第一模式中由該樣本(1)所反射的光僅僅由該探測器(30)的第二數(shù)量(N3)的探測器單元(80)所探測，并被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器信號，其中探測器單元(80)的第二數(shù)量(N3)小于探測器單元(80)的第一數(shù)量(N1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的系統(tǒng)，其中探測器單元(80)的第二數(shù) 量(N3)最高為探測器單元(80)的第一數(shù)量(Nl)的四分之一N3 ，1。
3. 根椐權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述第二數(shù)量(N3)的 探測器單元(80)祐 沒置在一個第二面(F2)中，該第二面構(gòu)成該第一 面(Fl )的關(guān)聯(lián)的部分面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所迷的系統(tǒng)，其中該第一面(Fl)具有第一寬 度(bl)和第一長度(cl),該第二面(F2)具有第二寬度(b2)和第 二長度(c2),其中該第一長度和第二長度(cl及c2)基本是相同的， 而該第二寬度(b2)小于該第一寬度(bl )。
5. 根椐前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中該反射器(12)到該 分束器(13)的光學(xué)距離(1)可以被改變一個如下光程(L):該光程 明顯大于被耦合入該干涉儀(10)中的光(14)的平均波長(入o): L》入o。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所迷的系統(tǒng)，其中在將該反射器(12)到該分 束器(13)的光學(xué)距離(I)改變該光程(L)期間，所述由該樣本(1) 所反射的光僅僅被該探測器(30 )的第二數(shù)量(N3 )的探測器單元(80) 多次地探測，由此獲得穿過該樣本(1)的空間單元(33)的多個二維 的深度截面(67)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所迷的系統(tǒng)，其中該千涉儀(10)包含有另一反射器(11)，該另一反射器到該分束器(13)的光學(xué)距離能夠被改變 如下的另一光程(L、)該另一光程最高為該耦合入到該干涉儀(10) 中的光(14)的平均波長(入o)的十倍L^10.入o，并且該系統(tǒng)能夠 運行于一個第二模式中，在該第二模式中，在改變所述另一反射器(ll) 到該分束器(13)的光學(xué)距離期間，由該樣本(1)所反射的光被該探 測器(30)的探測器單元(80)多次地、尤其是最高五次地探測，由此 在該樣本(I )的、通過該反射器(12)到該分束器(13)的光學(xué)距離 (1)所預(yù)先給定的深度(T)中獲得穿過該樣本(1 )的空間單元(33) 的二維截面(68)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠運行于一個第三 模式中，在該第三模式中，在將該反射器(12)到該分束器(13)的光 學(xué)距離(1)改變該光程(L)期間，由該樣本(1)所反射的光被該探測 器(30)的探測器單元(80)多次地探測，由此由在該樣本(1)的不 同深度(T1、 T2、 T3)中多個二維截面(34、 35、 36)所反射的光被探 測。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5至8之一所述的系統(tǒng)，其具有樣本物鏡(41)， 通過該樣本物鏡由該干涉儀(10)所輸出的光被聚焦到位于該樣本(1 ) 上或中的焦點(F)上，其中在改變該反射器(12)到該分束器(13) 的光學(xué)距離()期間，分別在該樣本(1 )的多個不同深度(T、丁2、 T3)中反射的光被該探測器(30)探測，并同時該樣本物鏡(41)的成 像特性以如下方式被控制該焦點(F)位于該樣本(1 )的相應(yīng)深度(T1、 T2、 T3)的范圍(K)中。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所迷的系統(tǒng)，其中被耦合入該干涉儀 (10)中或由該干涉儀(10)所輸出的光(14或4)的強度利用調(diào)制頻率(fM)被調(diào)制。
11. 根椐權(quán)利要求1至9之一所述的系統(tǒng)，其中設(shè)置有探測器系統(tǒng) (30、 31),該探測器系統(tǒng)包括該探測器(30),其中該探測器系統(tǒng)(30、31 )的、針對由該樣本(1 )所反射的并被投射到該探測器(30)上的 光的敏感性利用調(diào)制頻率(fM)被調(diào)制。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的系統(tǒng)，其中該調(diào)制頻率(fM)不 等于多普勒頻率(fD),其中該多普勒頻率(fD)通過該反射器(12) 或所述另一反射器(11 )到該分束器(13)的光學(xué)距離被改變該光程(L)或所述另一光程(L、)的速度(v)與耦合入該干涉儀(10)中的光(14) 的平均波長(人o)之比的兩倍來得出fM#fD=2 . v/入o。
13. 用于光學(xué)相干斷層掃描的方法，其中-由干涉儀(10)來輸出光，利用該光來照射樣本(1)，其中該干 涉儀(10)包括分束器(13)和至少一個反射器(12)，該反射器(12) 到該分束器(13)的光學(xué)距離(1)能夠被改變，以及-由探測器(30)探測由該樣本(1)所反射的光，該探測器具有第 一數(shù)量(Nl)的、設(shè)置在第一面(Fl)中的探測器單元(80),其特征在于，在一個第一模式中，由該樣本(1 )所反射的光僅僅被該探測器(30) 的第二數(shù)量(N3)的探測器單元(80)探測，并被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器 信號，其中探測器單元(80)的第二數(shù)量(N3)小于探測器單元(80) 的第一數(shù)量(Nl )
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述探測器單元(80)的 第二數(shù)量(N3)最高為探測器單元(80)的第一數(shù)量(Nl )的四分之 一N3"N1。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中將所述第二數(shù)量(N3) 的探測器單元(80)設(shè)置在一個第二面(F2)中，該第二面構(gòu)成了該第 一面(Fl)的關(guān)聯(lián)的部分面。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中該第一面(Fl)具有第一 寬度(bl)和第一長度(cl)，該第二面(F2)具有第二寬度(b2)和 第二長度(c2)，其中該第一長度和第二長度(cl及c2)基本是相同的， 該第二寬度(b2)小于該第一寬度(bl)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13至16之一所述的方法，其中該反射器(12) 到該分束器(13)的光學(xué)距離(l)被改變一個如下光程(L):該光程 明顯大于被耦合入該干涉儀(10)中的光(14)的平均波長(入o): L》入o。
18. 根椐權(quán)利要求17所述的方法，其中在把該反射器(12)到該 分束器(13)的光學(xué)距離(1)改變該光程(L)期間，由該樣本(1 )所 反射的光僅僅由所述探測器(30)的第二數(shù)量(N3 )的探測器單元(80) 多次地探測，由此獲得穿過該樣本(l)的空間單元(33)的多個二維 深度截面(67)。
19. 根椐權(quán)利要求17所述的方法，其中在一個第二模式中，另一 反射器(11)到該分束器(13)的光學(xué)距離被改變了另一光程(L、)， 該另一光程(L、)最高為耦合入該干涉儀(10)中的光(14)的平均波 長(A。)的十倍L、S10.入0,并且在改變所述另一反射器(11)到該 分束器(13)的光學(xué)距離期間，由該樣本(1 )所反射的光被該探測器(30)的探測器單元(80)多次地、尤其最高五次地探測，由此在該樣 本(1 )的、通過該反射器(12)到該分束器(13)的光學(xué)距離(1)所 預(yù)先給定的深度(T)中獲得了穿過該樣本(1)的空間單元(33)的二 維截面(68)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中在一個第三模式中，在把 該反射器(12)到該分束器(13)的光學(xué)距離(1)改變該光程(L)期 間，由該樣本(1)所反射的光被該探測器(30)的探測器單元(80) 多次地4笨測，由此由在該樣本(1)的不同深度(Tl、 T2、 T3)中的多 個二維截面(34、 35、 36)所反射的光被探測。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17至20之一所述的方法，其中在改變該反射器 (12)到該分束器(13)的光學(xué)距離(1)期間，分別在該樣本(1 )的多個不同深度(T1、 T2、 T3)中反射的光被該探測器(30)探測，并且 以如下方式同時控制樣本物鏡(41)的成像特性該焦點(F)位于該 樣本(1)的相應(yīng)深度(Tl、 T2、 T3)的范圍中，其中通過該樣本物鏡 (41 )將由該干涉儀(10)所輸出的光聚焦到位于該樣本(1 )之上或 之中的焦點(F)上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求13至21之一所述的方法，其中利用調(diào)制頻率(fM) 來調(diào)制被耦合入該干涉儀(10)中或由該干涉儀(10)所輸出的光(14 或4)的強度。
23. 根椐權(quán)利要求13至21之一所述的方法，其中設(shè)置探測器系統(tǒng) (30、 31),該探測器系統(tǒng)包括該探測器(30)，其中利用調(diào)制頻率(fM)來調(diào)制該探測器系統(tǒng)(30、 31 )的針對由該樣本(1 )所反射的并被投 射到該探測器(30)上的光的敏感性。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22至23所述的方法，其中該調(diào)制頻率(fM)不 等于如下多普勒頻率(fD):該多普勒頻率(fD)通過該反射器(12) 或另一反射器(11 )到該分束器(13)的光學(xué)距離被改變該光程(L) 或另一光程(L、)的速度(v)與耦合入該干涉儀(10)中的光(14)的平均波長(入o)之比的兩倍來得出fM*fD=2 . v/入o。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于光學(xué)相干斷層掃描的一種系統(tǒng)以及一種相應(yīng)的方法，其具有一個干涉儀(10)，該干涉儀用于輸出用來照射一個樣本(1)的光，其中該干涉儀(10)包含有一個分束器(13)和至少一個反射器(12)，該反射器到該分束器(13)的光學(xué)距離(I)是可變化的，并具有一個探測器(30)，該探測器具有一個第一數(shù)量的、布置在一個第一面中的、用于探測光的探測器單元。為了能夠更簡單且更快速地、尤其實時地記錄該樣本的圖像，該系統(tǒng)運行于一個第一模式，在該模式中由該樣本(1)所反射的光僅僅由該探測器(30)的一個第二數(shù)量的探測器單元被探測，并被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的探測器信號，其中該探測器單元的第二數(shù)量小于該探測器單元的第一數(shù)量。
文檔編號G01N21/47GK101617215SQ200880005772
公開日2009年12月30日 申請日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月21日
發(fā)明者R·尼博西斯 申請人:愛克發(fā)醫(yī)療保健公司