高分辨率3‑D谱域光学成像设备和方法技术

提出了用于任选地通过偏振敏感检测在一定波长范围内获取样本的高分辨率3‑D图像的方法和设备。在优选实施例中，谱域OCT设备用于对从样本反射或散射的复合光场进行采样，从而提供全范围成像。在某些实施例中，利用结构照明来提供增强的横向分辨率。在某些实施例中，图像的分辨率或景深通过样本中的像差的数字重聚焦或数字校正来增强。使用单次拍摄技术对单个样本体积进行成像，并且可以通过将相邻体积的图像拼接在一起来将更大的体积进行成像。在优选实施例中，使用2‑D小透镜阵列对傅立叶平面或图像平面中的反射或散射光进行采样，所述小透镜阵列相对于波长分散元件的分散轴适当地成角度，使得所得到的小波束分散到2‑D传感器阵列的唯一的像素组上。

High resolution 3 D spectral domain optical imaging apparatus and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高分辨率3-D谱域光学成像设备和方法
本专利技术涉及光学成像设备和方法，并且具体地，涉及具有全范围和扩展焦深的3D谱域光学相干断层扫描(OCT)设备，其对复数场进行采样。然而，应该理解的是，本专利技术不限于这个特定的使用领域。相关应用本申请要求于2015年5月28日提交的题为‘Highresolution3-Dspectraldomainopticalimagingapparatusandmethod’的澳大利亚临时专利申请号2015901970的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术介绍
在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应该被认为是承认这种现有技术是广泛已知的或构成本领域公知常识的一部分。光学相干断层扫描(OCT)是一种广泛使用的干涉测量技术，用于使用包含在反射或散射光的幅度和相位内的信息，研究生物样本，包括诸如人眼等体内组织(具有横向和深度分辨率)。OCT系统通常利用迈克尔逊干涉仪配置，采用两种主要方法：时域OCT和谱域OCT。在时域OCT中，通过将从样本反射的光与由同一光源提供的参考光束(但具有时变路径长度)进行干涉来利用部分相干光源(诸如具有几微米相干长度的超辐射发光二极管(SLED))的相干特性。在对应于参考臂中的路径长度延迟的样本中的特定深度处，在组合的后向反射信号中检测到条纹的干涉包络，从而允许重建深度维度中的反射轮廓。通常，一次只对一个采样点这样做，并且相应的深度扫描被称为“A-扫描”。取代扫描延迟线，谱域OCT技术通过将反射光与参考光束相干涉来分析反射光，作为波长的时变函数(扫描源OCT)，或者通过用光栅或其他光谱解复用器来分散不同的波长并沿检测器阵列对它们同时进行检测。谱域信息是空间(深度)反射轮廓的傅立叶变换，因此可以通过快速傅立叶变换(FFT)来恢复空间轮廓。一般而言，谱域OCT系统优于时域OCT系统，因为它们具有-20至30dB的灵敏度优势。OCT技术可适于通过在一个轴上相对于样本扫描样本光束来提供横向分辨的“B扫描”，或者通过在两个轴上扫描来提供“C扫描”。无论扫描类型如何，通常需要更快的获取速度，尤其用于减少体内样本的运动引起的伪影，并且由于在包括更快的扫描源扫描速率和光电探测器阵列读出速度的多个领域的进步，更快的获取速度在过去的20至25年间得到了很大的改善。然而，激光安全法规对扫描点方案(尤其是体内应用)提出了一个基本的限制：缩短驻留时间，以提高扫描速度，而不能增加施加的功率，这将不可避免地劣化了信噪比。因此，也有人研究了‘平行’的OCT系统，其中，用横向分辨率探测扩展的样本区域，或同时探测样本点阵列。通过利用CCD相机并对光学器件成像来平行化时域OCT是相对简单的，例如，如题为‘用于使用CCD探测器阵列并且不使用横向扫描仪来获取图像的方法和设备’的美国专利No.5,465,147中所述。这提供了二维(2-D)面部图像，通过与在时域OCT中一样扫描参考反射镜来提供深度分辨率。扫描源谱域OCT可以以类似的方式平行化，如在Bonin等人在OpticsLetters35(20)、3432-3434(2010)中的‘InvivoFourier-domainfull-fieldOCTofthehumanretinawith1.5millionA-lines/s’中所述。然而，因为每个帧对应于单个波长，所以每个A扫描的获取时间等于帧周期乘以获取的k点(波长样本)的数量。甚至对于帧速率为100skHz的超高速相机，这也可能导致多个毫秒的A扫描获取时间，这会导致运动伪影，特别是对于体内样本。题为‘Multichannelopticalreceivers’的PCT专利申请NoPCT/AU2015/050788公开了一种替代的平行化扫描源OCT方案，该方案能够实现更快速的获取。在一个特定实施方式中，同时照射样本上的多个点，并且反射或散射的信号光与参考光束混合，以形成具有唯一载波频率的多个干涉图。基于并行光谱仪的谱域OCT能够实现单次B扫描获取，尽管现有的方案受到二维光电探测器阵列的一个轴被波长分散占据这一事实的限制。在题为‘Line-fieldholoscopy’的公开的美国专利申请No2014/0028974A1中描述的配置中，使用柱面透镜来在样本上和参考反射镜上产生线照明。如图1中示意性地示出的，来自线照明2的组合返回样本和参考光束用诸如光栅4等分散元件分散，并且用2-D传感器阵列6检测。沿着光谱轴8的傅立叶变换沿照明线2为每个位置9提供A扫描。对于完整的三维(3-D)成像，照明线在正交方向上机械地扫描，并且重复地读出2-D传感器阵列。即使样本的线性B扫描是足够的，即，不需要3-D成像，在正交方向上的扫描仍然是必要的，例如，用于数字波前校正，以校正透镜像差等，或提供增加的景深。此外，为了这些目的，重复的线性扫描必须是相位相干的，这通常是困难的。谱域OCT设备通常优选被配置为对干涉信号的明确的复数场而不是仅检测到的实值干涉信号进行采样，以区分正和负路径长度延迟，并因此能够在全景深范围内成像。已经描述了捕获复数场的各种方法。例如，Jungwirth等人在JournalofBiomedicalOptics14(5)、050501(2009)中的‘Extendedinvivoanterioreye-segmentimagingwithfull-rangecomplexspectraldomainopticalcoherencetomography’描述了用于扫描点方案的解决方案，其中，当样本被扫描时，样本相抖动。这种方法的一个关键缺点是样本移动可能导致扫描期间相位相干的损失。已经描述了具有改进的相位稳定性的线场系统，其不需要抖动样本相。例如，在US2014/0028974A1中，通过对线性照明的远场中的信号进行采样来获取复数场，而在Huang等人在AppliedOptics52(5)、958-965(2013)中的‘Full-rangeparallelFourier-domainopticalcoherencetomographyusingaspatialcarrierfrequency’中，在图像平面中捕获线场，离轴参考提供对复数场的访问。对于给定的波长，通过物镜的数值孔径来确定OCT设备的横向分辨率。然而，增加物镜的数值孔径不可避免地减小了景深，导致横向分辨率和景深之间的折衷。已经提出了各种基于软件或数字聚焦技术来克服这种折衷，以增加景深。这些方法通常假设在扫描和采样期间维持散射点之间的相位相干性，并且可以在图像平面或傅立叶平面中捕获场。在一个示例中，在Mo等人在OpticsExpress23(4)、4935-4945(2015)中的‘Depth-encodedsyntheticapertureopticalcoherencetomographyofbiologicaltissueswithextendedfocaldepth’中，讨论了合成孔径技术。在另一示例中，Kumar等人在OpticsExpress22(13)、16061-16078(2014)中的‘NumericalfocusingmethodsforfullfieldOCT:acomparisonbasedo本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于视网膜成像的设备，所述设备包括：(i)多波长光源；(ii)角度可变照明系统，用于将从所述光源发射的光的至少两个部分引导到样本眼的视网膜的两个或多个体积中的每一个上；(iii)测量系统，用于接收从所述两个或多个体积中的每个体积反射或散射的光的信号，每个所述信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数，并且用于同时在每个所述信号的一定波长范围内进行测量；以及(iv)处理器，用于处理所述测量，以生成所述视网膜的在所述两个或多个体积上的光学特性的一个或多个数字表示，并且从一个或多个所述数字表示产生在包括所述两个或多个体积的至少一部分的所述视网膜的区域上的三维复合图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.28 AU 20159019701.一种用于视网膜成像的设备，所述设备包括：(i)多波长光源；(ii)角度可变照明系统，用于将从所述光源发射的光的至少两个部分引导到样本眼的视网膜的两个或多个体积中的每一个上；(iii)测量系统，用于接收从所述两个或多个体积中的每个体积反射或散射的光的信号，每个所述信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数，并且用于同时在每个所述信号的一定波长范围内进行测量；以及(iv)处理器，用于处理所述测量，以生成所述视网膜的在所述两个或多个体积上的光学特性的一个或多个数字表示，并且从一个或多个所述数字表示产生在包括所述两个或多个体积的至少一部分的所述视网膜的区域上的三维复合图像。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器适于使用所述样本眼的像差的数字重聚焦或数字校正来产生所述三维复合图像。3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述处理器适于产生在所述两个或多个体积中的每个体积上的所述光学特性的数字表示，并且从所述数字表示产生所述三维复合图像。4.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述处理器适于产生在所述两个或多个体积上的所述光学特性的数字表示，并且从所述数字表示产生所述三维复合图像。5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述照明系统适于顺序将光的所述至少两个部分引导到所述视网膜的所述两个或多个体积上。6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述照明系统适于同时将光的所述至少两个部分引导到所述视网膜的所述两个或多个体积上。7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述测量系统包括用于对所述信号进行采样的二维小透镜阵列和用于将采样信号分散到二维传感器阵列上的波长分散元件，其中，所述小透镜阵列的小透镜相对于所述波长分散元件定位，使得在使用中，每个所述采样信号分散到所述传感器阵列的一组像素上。8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述二维小透镜阵列被定位成使得在傅立叶平面中对所述信号进行采样。9.根据权利要求7或权利要求8所述的设备，其中，所述二维小透镜阵列包括相对于所述波长分散元件的分散轴成角度的小透镜的直线阵列。10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述两个或多个体积的相邻体积对部分重叠。11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述处理器适于将所述三维复合图像缩小为所述视网膜的高分辨率B扫描。12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述光学特性选自包括相位、反射率、折射率、折射率变化和衰减的组。13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述测量系统适于捕获所述信号的至少第一偏振状态和第二偏振状态的相位和幅度信息。14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光学特性包括双折射或偏振度。15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，对于所述两个或多个体积中的每一个，所述视网膜的照明表面的面积小于或等于500μm×500μm。16.根据权利要求15所述的设备，其中，对于所述两个或多个体积中的每一个，所述视网膜的照明表面的面积小于或等于200μm×200μm。17.一种用于对样本成像的设备，所述设备包括：(i)多波长光源；(ii)照明系统，用于将从所述光源发射的光的至少两个部分引导到样本的两个或多个体积中的每一个上，所述样本位于所述设备的光学功率元件的焦平面处或附近；(iii)测量系统，用于接收从所述两个或多个体积中的每个体积反射或散射的光的信号，每个所述信号是反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数，并且用于同时在每个所述信号的一定波长范围内进行测量；以及(iv)处理器，用于处理所述测量，以生成所述样本在所述两个或多个体积上的光学特性的一个或多个数字表示，并且从所述一个或多个数字表示产生在包括所述两个或多个体积的至少一部分的区域上的所述样本的三维复合图像。18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述处理器适于使用所述样本的像差的数字重聚焦或数字校正来产生所述三维复合图像。19.根据权利要求17或权利要求18所述的设备，其中，所述处理器适于产生在所述两个或多个体积中的每个体积上的所述光学特性的数字表示，并且从所述数字表示产生所述三维复合图像。20.根据权利要求17或权利要求18所述的设备，其中，所述处理器适于产生在所述两个或多个体积上的所述光学特性的数字表示，并且从所述数字表示产生所述三维复合图像。21.根据权利要求17至20中任一项所述的设备，其中，所述测量系统包括用于对所述信号进行采样的二维小透镜阵列和用于将采样信号分散到二维传感器阵列上的波长分散元件，其中，所述小透镜阵列的小透镜相对于所述波长分散元件定位，使得在使用中，每个所述采样信号分散到所述传感器阵列的一组像素上。22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述二维小透镜阵列被定位成使得在傅立叶平面中对所述信号进行采样。23.根据权利要求21或权利要求22所述的设备，其中，所述二维小透镜阵列包括相对于所述波长分散元件的分散轴成角度的小透镜的直线阵列。24.根据权利要求17至23中任一项所述的设备，其中，所述两个或多个体积的相邻体积对部分重叠。25.根据权利要求17至24中任一项所述的设备，其中，所述处理器适于将所述三维复合图像缩小为所述样本的高分辨率B扫描。26.根据权利要求17至25中任一项所述的设备，其中，所述光学特性选自包括相位、反射率、折射率、折射率变化和衰减的组。27.根据权利要求17至26中任一项所述的设备，其中，所述测量系统适于捕获所述信号的至少第一偏振状态和第二偏振状态的相位和幅度信息。28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述光学特性包括双折射或偏振度。29.根据权利要求17至28中任一项所述的设备，其中，对于所述两个或多个体积中的每一个，所述样本的照明表面的面积小于或等于500μm×500μm。30.根据权利要求29所述的设备，其中，对于所述两个或多个体积中的每一个，所述样本的照明表面的面积小于或等于200μm×200μm。31.一种相对相敏光学相干断层扫描设备，包括：(i)成像系统，用于以三个空间维度获取样本区域的光学特性的第一图像和第二图像，每个图像包括在一定波长范围内的相位和幅度信息，并且在单次曝光中获取每个图像，所述第二图像在所述第一图像之后的预定时间段被获取；以及(ii)处理器，用于：(a)将所述第一图像与所述第二图像配准，以确定由在任何空间维度中的所述样本的运动或变形引起的空间分辨的相移；并且(b)从所述相移确定与所述运动或所述变形相关联的所述样本的位移的至少一个分量。32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述处理器适于从所述相移和所述预定时间段确定与所述运动或所述变形相关联的所述样本的位移速率。33.根据权利要求31所述的设备，其中，所述处理器适于测量与所述样本的所述变形相关联的应变。34.根据权利要求31所述的设备，其中，所述处理器适于对所述样本进行弹性成像测量。35.一种偏振敏感的光学相干断层扫描设备，包括：(i)包括多波长光源的照明系统，用于用至少第一偏振状态的光照射样本的体积；(ii)分光器，用于将所述样本反射或散射的光的一部分引导离开所述光源；(iii)测量系统，用于针对从所述样本反射或散射的光的信号的至少偏振状态第一和第二偏振状态，在一定波长范围内进行第一组同时测量，所述信号是所述反射或散射的光的电场矢量的相位和幅度的函数；以及(iv)处理器，用于处理所述第一组同时测量，以生成所述样本的照射体积的一个或多个偏振特性的三维表示。36.根据权利要求35所述的设备，其中，所述一个或多个偏振特性包括双折射或偏振度。37.根据权利要求35或权利要求36所述的设备，其中，所述照明系统适于随后用与所述第一偏振状态不同的第二偏振状态的光照射所述样本的所述体积，并且所述测量系统适于在一定波长范围内进行第二组同时测量。38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述处理器适于处理所述第一组同时测量和所述第二组同时测量，以产生所述样本的照射体积的一个或多个偏振特性的三维表示。39.根据权利要求35至38中任一项所述的设备，其中，所述分光器包括偏振无关分束器。40.根据权利要求35至39中任一项所述的设备，其中，所述分光器包括具...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·詹姆斯·弗里斯肯，特雷弗·布鲁斯·安德森，阿明·乔治·塞格雷夫，格兰特·安德鲁·弗里斯肯，
申请(专利权)人：赛莱特私人有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU