專利名稱：用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)的制作方法
用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)
本申請涉及根據(jù)權(quán)利要求1前序部分所迷的用于光學(xué)相干斷層掃描 的一種系統(tǒng)。
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，'并且所使用的光的波長大 多處于近紅外區(qū)域(750nm至1350nm),所以與電離放射診斷相反， OCT對生物組織沒有輻射危害。從而OCT尤其對于醫(yī)學(xué)是有意義的并 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 短相干長度的寬帶光。在樣本中的不同界限層上所反射的光的傳播時間 借助一種干涉儀而被探測。利用OCT通常達到比利用超聲高一至兩個 量級的分辨率，然而可達到的測量深度明顯較小。所獲得的橫截面圖像 由于光學(xué)散射而僅僅到達組織中最高達幾毫米的深度。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，比如在材料才企驗中。
在W.Y.Oh等人的OPTICS EXPRESS (光學(xué)快報)第14巻第19 (2006 ) 8675 - 8684中公開了 一種此類的系統(tǒng)，其中由氯弧燈發(fā)射的光 被耦合入邁克爾遜干涉儀、通過移動處于壓電變換器上的反射器而被光 語調(diào)制、被耦合入多模式光纖并且在其中被導(dǎo)入林尼克干涉儀，由其出 發(fā)落到要檢查的樣本上。被該樣本反射的光經(jīng)過林尼克干涉儀到達光纖 束，所述光通過所迷光纖束被導(dǎo)送到探測器。
為了尤其在內(nèi)窺鏡應(yīng)用方面優(yōu)化該系統(tǒng)，所期望的是，更緊湊地構(gòu) 造由W.Y.Oh等人描述的林尼克干涉儀，然而不損壞圖像質(zhì)量。
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)，該系 統(tǒng)盡可能緊湊地被構(gòu)造并且同時保證高的圖像質(zhì)量清晰。
該任務(wù)根據(jù)權(quán)利要求1而得到解決，其方式是，該探測器的探測器 單元具有第一中心至中心距離，以及光導(dǎo)體的單光纖具有第二中心至中 心距離，其中探測器單元的第一中心至中心距離大于單光纖的第二中心 至中心距離。
基于按照本發(fā)明的、單光纖在光導(dǎo)體中的布置實現(xiàn)了在單光纖的數(shù)量非常大的情況下該光導(dǎo)體具有小于探測器的探測器單元所設(shè)置在 中間的面的橫截面，其中所述數(shù)量優(yōu)選處于探測器的探測器單元的數(shù)量 的數(shù)量級。由此光導(dǎo)體的橫截面和重量明顯被減小，其中同時保證了在 圖像信息從干涉儀傳輸?shù)教綔y器時的高分辨率。通過這種方式，實現(xiàn)了 在高的圖像質(zhì)量情況下該系統(tǒng)的更大的緊湊性。
優(yōu)選地，光導(dǎo)體的單光纖的數(shù)量至少為探測器的探測器單元的數(shù)量 的一半并且最多為探測器的探測器單元數(shù)量的兩倍。由此，在大的緊湊 性的情況下實現(xiàn)了高的分辨率并且由此實現(xiàn)了從干涉儀傳輸?shù)教綔y器 的圖像信息的高的質(zhì)量。
在此，單光纖的數(shù)量尤其是大約等于探測器單元的數(shù)量。由此，保 證了該系統(tǒng)的高分辨率，而光導(dǎo)體的橫截面不會變得過大。
在本發(fā)明的另一擴展方案中，這些單光纖分別具有光纖芯、和圍繞 所述光纖芯的光纖外套,其中光纖芯具有芯直徑以及光纖外套具有外套
厚度，并且該芯直徑與外套厚度之商處于大約3至7之間的范圍中。通 過這種方式實現(xiàn)了 一方面使得可以將盡可能多的單光纖集成到光導(dǎo)體 中，并且另一方面有效地抑制了光以所謂的消散波(evaneszente Welle ) 的形式從單光纖中的不期望的出射。
在該擴展方案的一個有利的變型方案中，單光纖的各個光纖芯被嵌 入由玻璃和塑料制成的基質(zhì)中，該基質(zhì)分別構(gòu)成每個單個光纖芯的光纖 外套。在該變型方案中，每兩個相鄰的單光纖共同擁有其光纖外套的一 部分。相鄰光纖芯的距離由此能夠相對于分別具有自己的光纖外套的上 述單光纖被減少，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特別大。在此，該芯直徑與該外套 厚度之商處于大約5至8之間的范圍中。。
優(yōu)選地，單光纖的中心至中心距離與光纖外套的外套厚度之商處于 4至8之間的范圍中。通過對光纖的尺寸選擇或其相對彼此的布置，在 強烈抑制消散波的同時實現(xiàn)了特別高的填充系數(shù)(Fuellfaktor)。
此外有利的是，單光纖的中心至中心距離明顯小于在干涉圖案的兩 個彼此相繼的干涉最小值或者干涉最大值之間的周期的長度，所述干涉
且被探測器探測。單光纖的中心至中心距離優(yōu)選最高為兩個彼此相繼的 干涉最小值或干涉最大值之間的周期的長度的四分之一。由此保證，關(guān)于被掃描的整個深度范圍的干涉圖案能夠以高的可靠性被探測到。
在本發(fā)明的又一個優(yōu)選的實施方式中規(guī)定，光導(dǎo)體具有入射面和出 射面，光束的光在該入射面中入射到光導(dǎo)體中，光從出射面中從該光導(dǎo) 體出射，其中入射面的形狀和出射面的形狀相同或相似。由此，在傳輸
圖像信息時，使用光束的基本上整個橫截面，這樣，在圖像傳輸時的信 息損失被減少到可忽略的最小值。
優(yōu)選地，光導(dǎo)體的出射面的形狀與探測器的探測器單元被設(shè)置在中 間的探測器面的形狀基本相同或相似。由此進一步減小了光損失或者信 息損失。
本發(fā)明的另一個有利的實施方式規(guī)定，從干涉儀出射的、會聚的光 束具有一個孔徑角Ct，并相對于入射面的法線以一個入射角P入射到該
光導(dǎo)體中，其中該光導(dǎo)體的單光纖具有一個孔徑角y，在該孔徑角y內(nèi) 這些單光纖可以探測到光，并且該光束的孔徑角ot與該光束的入射角P 之和小于光導(dǎo)體的單光纖的孔徑角y。從而避免了在將從干涉儀出射的 光耦合入光導(dǎo)體時的光損失。
此外，有利的是，該干涉儀具有設(shè)置在分束器和光導(dǎo)體之間的輸出 物鏡和設(shè)置在樣本臂中的樣本物鏡，其中該樣本通過樣本物鏡和輸出物 鏡被放大地成像在光導(dǎo)體的入射面上，并且所述放大通過第一放大系數(shù) 來表征。這里，尤其是在光導(dǎo)體和探測器之間設(shè)置有探測器物鏡，通過 探測器物鏡，光導(dǎo)體的出射面被放大地成像在該探測器上，其中所述放 大通過第二放大系數(shù)來表征。
通過這種方式，為了盡可能高的分辨率所需的、將樣本的到探測器 上的放大或?qū)⑻綔y器到樣本上的縮小劃分為兩個步驟，也即劃分為一方 面在干涉儀中的放大，以及另一方面在探測器物鏡中放大。從而在干涉 儀中的放大可以被選擇得明顯小于為了確定的分辨率所需的、將樣本到 探測器上的總放大。在干涉儀中為此所需的光學(xué)系統(tǒng)可以相應(yīng)地被實現(xiàn) 得更緊湊。
有利的是，所述在干涉儀中的放大的第一放大系數(shù)大于在探測器物 鏡中的放大的第二放大系數(shù)。由此，可以實現(xiàn)，即使樣本側(cè)的數(shù)值孔徑 大時，等于由投射到光纖束的入射面上的光束的孔徑角cx與入射角0之 和的最大視場角也保持得小。在樣本側(cè)的數(shù)值孔徑優(yōu)選被選擇在0.3左 右的范圍中，并且第一放大系數(shù)被選擇在4左右的范圍中。由此，在光收集效率高的情況下，同時可以避免在將從干涉儀出射的光耦合入光導(dǎo) 體中時的光損失。
優(yōu)選地，該探測器物鏡是遠心的。由此，投射到探測器上的光相對 于探測器面上的法線的入射角被保持得很小，使得在探測光的情況下的 效率極高。
本發(fā)明的另 一個優(yōu)選的擴展方案規(guī)定，樣本物鏡和/或輸出物鏡具有 至少一個第一直徑以及光導(dǎo)體在入射面的區(qū)域中具有一個笫二直徑，其 中該樣本物鏡或者輸出物鏡的第一直徑小于該光導(dǎo)體的第二直徑。這通 過光導(dǎo)體的按照本發(fā)明的構(gòu)造結(jié)合兩個步驟中的將樣本到探測器上的 放大來實現(xiàn)，并且允許被用作測量頭的干涉儀的特別緊湊的構(gòu)造。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選的擴展方案規(guī)定，設(shè)置在光導(dǎo)體和探測器之間 的探測器物鏡具有一個孔徑角，在該孔徑角中光可以穿過探測器物鏡， 并且光導(dǎo)體的羊光纖具有一個孔徑角，在該孔徑角中單光纖可以探測到 光和/或光可以從單光纖中出射，其中探測器物鏡的孔徑角大于單光纖的 孔徑角。由此，避免了在將從光導(dǎo)體出射的光耦合入探測器物鏡時的光 損失。
在該實施方式的一個變型方案中，入射到光導(dǎo)體中的光束的孔徑角
a和入射角(3之和被選擇得如此小，使得在光纖束的出射面的區(qū)域中出 射的光具有有效的孔徑角，該孔徑角小于探測器物鏡的孔徑角。由此， 避免了在將從光導(dǎo)體出射的光耦合入探測器物鏡中時的光損失，其中同 時可以使用具有大的數(shù)值孔徑的光纖束，其中由于消散波造成的光損失 極其小。
這里，優(yōu)選的是，光束的孔徑角a和入射角p之和小于該光纖束的 單光纖的孔徑角Y的一半即(a+P) <0.5y。由此，光損失以可簡 單地實現(xiàn)的方式以特別高的可靠性被減小。
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 千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。
下面借助附圖來更詳細解釋本發(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笫二干涉儀的樣本臂；
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)域中笫一光導(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10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第二干涉儀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的移動而被光語調(diào)制，并以該第三部分射束4的形式離開該第 一干涉儀10，其中該笫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IO)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進行頻譜調(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)為測量頭的該第二千涉儀 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中的可移動的笫二參考鏡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^f義中的光14 的平均波長入o。
替代地，在該笫一千涉儀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)距離被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o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o優(yōu)選地處于以下 光鐠范圍中在該光語范圍中該光源15的光14具有強度最大值。對此 代替地，該平均波長入o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o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lMm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的分數(shù)數(shù)量級上，也即典型地直至1 jum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)生千涉，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10ym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)椐組的該方法中，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)據(jù)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 渲染(3d-Rendering)，，，其中三維數(shù)椐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
上述的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。通過下文詳細闡述的焦點跟蹤，保 證了針對在該樣本1中所有深度的干涉信號以及所探測的千涉圖案的清 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^l調(diào)節(jié)，使得在該樣本l中焦點的位 置以及在該樣本l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《竟25上的浮皮 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。此外， 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l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10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，或者位于直至約土20%、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dF。比如在 該樣本l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dF-lmm。如果另 一方面該參考鏡12 #_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4巴 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將彼此分離地移動。
通過對該參考鏡12與該透鏡42的速度之比vl/v2的上述選擇，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10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41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的第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 通過機械傳動一樣，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干門的各個位置。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
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模式中。在診斷模式中， 該診斷模式相當(dāng)于標準的測量運行，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(Index Matching-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，其中該材泮十 層43的外側(cè)45用作參考面，其中該外側(cè)45在該校準過程期間優(yōu)選地 處于空氣中。
在校準模式中，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 ^皮確定；
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 jum至20Mm,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A1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 jam至5 ym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:在該位置上該干涉信號是最大的。
所述校準代替地或者附加地可以以如下方式來實施，即該樣本物4竟 41在校準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。那么在上迷的校準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。
4.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)的千涉信號。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釆 樣，所以在該樣本1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，那么在凈皮 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6 a)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 期各四個采樣時間點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fo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/Xc>。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。為了對由該第二千涉 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中或者在該第一千涉儀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IO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-rad) 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)先學(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"低"。
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 (Schwebung)。
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。
相反如杲借助光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。
直接采樣;目反)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11=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，所述直接獲得的數(shù)椐還必須進行附加處理， 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 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6c)示出了在光14不調(diào)制以及調(diào)制時在圖6a)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以及對由該笫一干涉 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 fb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?？蛇x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，載流子觸發(fā)一個電流ll,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)纟笨測的光強用該調(diào)制頻率fM:故調(diào)制。通過一個采樣"呆持級 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6a)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 中還包含有千涉信息。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(Ortsfrequenz)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)裝置遠心地在該樣本1側(cè)或該第三參考鏡25側(cè)。遠心光學(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 (BildfeldwOlbung)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，以保證該干涉結(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中不同深度的千涉結(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9a)中離該第二分束器24遠一些并離該材料層 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9 b)中離該第二分束器24更遠并離該材料層 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4免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 (r〉p)遠離該笫二 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卯。，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10的實施變得更簡單，因為由此該第一干涉儀10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在該第一干涉儀10中的位置 與在該樣本1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)體具有非常長的多才莫 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)造一個光纖才莫式，而且能夠激發(fā)許多不同的光纖模式。 一個光纖是單纖還是多模光纖，可以通過所謂的V數(shù)K來評估
其中A表示是耦合入該光纖中的光的波長，d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Ao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200 m m至約400 ju m之間。
非常長的、細的并優(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6^>纖(未H)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，
結(jié)果會導(dǎo)致不清;斤的、模糊的圖像-類似于'在乳i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。
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的頻語調(diào)制，在通過該第一光導(dǎo)
體n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(Modenverteilimg)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、也即該笫三 部分射束4的焦點55并不是位于該第一光導(dǎo)體17的多模光纖的端面 (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中被頻譜調(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)計在該笫一干涉儀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第一干涉儀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和該笫二光導(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反射的光從該第二干涉儀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14a)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^^用的光纖束優(yōu)選地 具有11 nm的光纖間距d2、 1.7)um的單光纖52的外套厚度d4以及6.8 jam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10.2jum，并從而略小于該光纖間距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#(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。如在該橫向干涉圖 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1)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可以并不遠小于20jum。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20nm),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a,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a 與該入射角e之和小于該光纖束29的單光纖52的孔徑角y: ot+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ot和入射角P通過相應(yīng)地i殳計該沖羊 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中的笫二放大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20Mm，光纖間距為10jum,且標稱分辨率為2.5 m 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MH4，在探測器物鏡31中實現(xiàn)放大M2-2，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)省地被構(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 或該第二干涉儀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)的運行模式
上述的OCT系統(tǒng)可以運行于三個不同的運行模式。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。
在該實時才莫式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)合耦合入該笫一干涉儀10中的以及從該第一干涉儀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Fl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。
如在圖18中所示，在該例子中從該樣本l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F1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 )im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 上文笫1及笫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;溪式、該靜態(tài)^=莫式中，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1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-至少一個千涉儀，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干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
1.一種用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)，其具有干涉儀(20)，該干涉儀(20)具有分束器(24)和反射器(25)，其中耦合入該干涉儀(20)中的光(4)被該分束器(24)分成在反射器(25)的方向上延伸的部分射束和在樣本(1)的方向上延伸的部分射束，這些部分射束被該反射器(25)或者被樣本(1)反射，并且這些被反射的部分射束在該分束器(24)中疊加成光束(58)，探測器(30)，其具有第一數(shù)量(N1)的、用于探測光的探測器單元(80)，以及光導(dǎo)體(29)，其具有第二數(shù)量(N2)的、用于將光束(58)的光從干涉儀(20)傳輸?shù)教綔y器(30)的單光纖(52)，該探測器(30)探測從該光導(dǎo)體(29)出射的光，其特征在于，這些探測器單元(80)具有第一中心至中心距離(d1)，以及這些單光纖(52)具有第二中心至中心距離(d2)，其中所述探測器單元(80)的第一中心至中心距離(d1)大于所述單光纖(52)的第二中心至中心距離(d2)d1＞d2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述單光纖(52)的第二數(shù) 量(N2)至少為所述探測器單元(80)的第一數(shù)量(Nl)的一半并且 最多為所述探測器單元(80)的第一數(shù)量(Nl)的兩倍0.5'N1《N2 <2 Nl。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述單光纖(52)的笫二數(shù) 量(N2)大約等于所述探測器單元(80)的第一數(shù)量(Nl) : N2 N1。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述單光纖(52)分 別具有光纖芯(65)和圍繞所述光纖芯(65)的光纖外套(66)，并且 所述光纖芯(65)具有芯直徑(d3)，以及所述光纖外套(66)具有外 套厚度(d4)，其中該芯直徑(d3)與該外套厚度(d4)之商處于大約 3至7之間的范圍中3《d3/d4《7。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的系統(tǒng)，所述單光纖(52)分別 具有光纖芯(65)和圍繞所述光纖芯(65)的光纖外套(66)，其中所 述單光纖(52)的第二中心至中心距離(d2)與所述光纖外套(66)的 外套厚度(d4)之商處于4至8之間的范圍中4<d2/d4《8。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述單光纖(52)的 中心至中心距離(d2)最高為由探測器所探測的干涉圖案(60)的兩個 彼此相繼的干涉最小值(63)或干涉最大值之間的周期的長度的四分之 一d2。/4d5。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)體(29)具 有入射面(7)和出射面(6),該光束(58)的光在該入射面中入射到 光導(dǎo)體(29)中，光從該出射面中出射出該光導(dǎo)體(29)，其中所述入 射面(7)的形狀和出射面(6)的形狀基本相同。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所迷的系統(tǒng)，其中所述探測器(30)的探測器 單元(80)設(shè)置在探測器面中，并且該出射面(6)的形狀與該探測器 面的形狀的形狀基本相同。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中從所述干涉儀(20) 出射的、會聚的光束(58)具有孔徑角(a )并且相對于入射面(7) 的法線以一個入射角(P)入射到該光導(dǎo)體(29)中，其中該光導(dǎo)體(27) 的單光纖(52 )具有孔徑角(Y ),在所述孔徑角內(nèi)，這些單光纖(52 ) 能夠探測光，并且該光束(58)的孔徑角(a )與該光束(58)的入射 角(P )之和小于所述光導(dǎo)體(29)的單光纖(52)的孔徑角(y ): a + P < Y 。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所迷的系統(tǒng)，其中該干涉儀(20)具有 設(shè)置在分束器(24)和光導(dǎo)體(29)之間的輸出物鏡(47)和設(shè)置在分 束器(24)和樣本(1)之間的樣本物鏡，其中該樣本(1)通過樣本物 鏡和輸出物鏡(41及47)被放大地成像在所迷光導(dǎo)體(29)的入射面(7)上，其中該放大由一個第一放大系數(shù)(Ml)來表征。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中在所述光導(dǎo)體(29)和所 述探測器(30)之間設(shè)置有探測器物鏡(31)，通過該探測器物鏡，光 導(dǎo)體(29)的出射面(6)被放大地成像在該探測器(30)上，其中該 放大由一個第二放大系數(shù)(M2)來表征。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述第一放大系數(shù)(Ml ) 大于所述第二放大系數(shù)(M2) : M1>M2。
13. 根椐權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，其中該探測器物鏡(31 ) 是遠心的。
14. 根椐權(quán)利要求10-13之一所述的系統(tǒng)，其中所述樣本物鏡(41)和/或輸出物鏡(47)具有第一直徑(Dl)，以及所述光導(dǎo)體(29)在 入射面(7)的區(qū)域中具有第二直徑(D2)，其中該樣本物鏡或者輸出 物鏡(41或47)的第一直徑(D1 )小于該光導(dǎo)體(29)的第二直徑(D2): DKD2。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中在所述光導(dǎo)體(29) 和所述探測器(30)之間設(shè)置有探測器物鏡(31),該探測器物鏡(31) 具有孔徑角，在該孔徑角中光能夠穿過該探測器物鏡(31),并且所述 光導(dǎo)體(27)的單光纖(52)具有孔徑角(Y),在該孔徑角(Y)中，所述 單光纖(52)能夠探測光和/或光能夠從單光纖(52)中出射，其中所述 探測器物鏡(31)的孔徑角大于所述單光纖(52)的孔徑角(y)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述光導(dǎo)體(29)和所述 探測器(30)之間設(shè)置有探測器物鏡(31),該探測器物鏡(31)具有孔 徑角，在該孔徑角中，光能夠穿過該探測器物鏡(31 ),其中該光束(58) 的孔徑角(a)與該光束(58)的入射角(P)之和被選擇為使得在該光 纖束(29)的出射面(6)的區(qū)域中出射的光具有有效的孔徑角，該孔 徑角小于所述探測器物鏡的孔徑角。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述光束(58)的孔徑角 (a)和該光束(58)的入射角(卩)之和小于該光纖束(29)的單光纖的孔徑角(y )的一半(oc+P )《0. 5 y。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于光學(xué)相干斷層掃描的系統(tǒng)，其具有干涉儀(20)；探測器(30)，其具有第一數(shù)量的用于探測光的探測器單元；以及光導(dǎo)體(29)，其具有第二數(shù)量的用于將光從干涉儀(20)傳輸?shù)教綔y器(30)的單光纖(52)。為了在高的圖像質(zhì)量情況下同時提高系統(tǒng)的緊湊度，規(guī)定這些探測器單元具有第一中心至中心距離，以及單光纖具有第二中心至中心距離，其中探測器單元的第一中心至中心距離大于單光纖的第二中心至中心距離。
文檔編號G01N21/47GK101617217SQ200880005852
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E·-G·科普, R·尼博西斯, R·朔伊尼曼 申請人:愛克發(fā)醫(yī)療保健公司