專利名稱：用于使用頻域干涉測量法進行光學(xué)成像的方法和設(shè)備的制作方法
用于使用頻域干涉測量法進行光學(xué)成像的方法和設(shè)備
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本申請是中國專利申請第200480031773.0號(國際申請?zhí)枮镻CT/US2004/029148)的分案申請，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。本申請要求了提交于2003年10月23日的美國臨時申請N0.60/514, 769的優(yōu)先權(quán)，其全部公開通過引用結(jié)合于此。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總地涉及光學(xué)成像，且更具體地，涉及用于使用頻域干涉測量法進行光學(xué)成像的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
如本領(lǐng)域中所公知的，光學(xué)干涉測量反射測量法是一種有力的工具，其用于進行非入侵的、高分辨率ΓΙΟ μ m)的生物學(xué)或其它樣品的橫截面成像，以使諸如反射、吸收、散射、衰減、雙折射和光譜分析的微結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性可視化。存在許多本領(lǐng)域中公知的干涉測量成像技術(shù)。這些技術(shù)總體而言可 劃分為兩個主要類別:(i)時域技術(shù)，和(ii)頻域技術(shù)。
低相干干涉測量法(“LCI”)是時域技術(shù)之一。此技術(shù)使用掃描系統(tǒng)來改變參考臂長度并且在檢測器處采集干涉信號。然后，對條紋圖案解調(diào)以獲得源互相關(guān)函數(shù)的相干包絡(luò)。光學(xué)相干層析成像法(“0CT”)是一種用于使用LCI獲得二或三維圖像的技術(shù)。OCT在授予Swanson等人的美國專利N0.5，321，501中描述。已描述了 OCT技術(shù)的多個變形,但很多遭遇小于最佳的信噪比(“SNR”)，導(dǎo)致非最佳的分辨率、低成像幀速率和不良的穿透深度。功率使用是這種成像技術(shù)中的一個因素。例如在眼科應(yīng)用中，在熱損壞可發(fā)生前，只有特定毫瓦數(shù)的功率是可容忍的。因此，在這樣的環(huán)境中增加SNR，提升功率是不可行的。盡管如此，將值得期望的是，有一種具有優(yōu)良的SNR而顯著增加功率需求的成像方法。
不足的SNR亦可阻止以高的幀速率使用OCT技術(shù)，高的幀速率對于避免運動假象和克服例如可用于活體內(nèi)血管成像的短測量時間窗是重要的。因此，期望一種改善SNR和成像速度(例如幀速率)的方法。
光譜干涉法或光譜雷達是頻域成像技術(shù)之一。在光譜雷達中，樣品和參考臂光的交叉譜密度的實部用光譜儀測量。深度分布信息可以依據(jù)交叉譜密度調(diào)制來編碼。
前面已描述了用來增加LCI和OCT的SNR的光譜雷達概念的使用。此技術(shù)使用具有大數(shù)目的像素(1，000的量級)的電荷耦合器件(“CXD”)以達到毫米量級的掃描范圍。CXD器件的快速讀出使得高速成像成為可能。
然而，存在許多與使用CCD器件相關(guān)聯(lián)的缺點。首先，與單元件光電接收器相比，CCD器件相對昂貴。其次，前面描述的方法使用單個CCD來采集數(shù)據(jù)。由于電荷存儲容量是有限的，所以需要將參考臂功率減小到大約與樣品臂功率相同的水平，引起了樣品臂光上的自相關(guān)噪聲。另外，由于沒有生成載流子，所以在此系統(tǒng)中的噪聲中，Ι/f噪聲將起支配作用。第三，即使以現(xiàn)有CCD技術(shù)的短的積分時間，干涉計中的相位不穩(wěn)定性仍減小交叉譜密度調(diào)制的條紋可見度。此缺陷使得該技術(shù)易受運動假象的影響。
相干的頻率調(diào)制的連續(xù)波反射測量法(C-FWCW)是本領(lǐng)域中公知的另一頻域技術(shù)。授予Swanson等人的美國專利N0.5，956，355和6，160，826描述了使用此技術(shù)的光學(xué)成像方法和設(shè)備。前面描述的成像方法基于使用連續(xù)調(diào)諧的單頻激光器作為光源。要求調(diào)諧波長范圍為幾十個納米以實現(xiàn)小于100微米的測距分辯率(ranging resolution)。激光器的瞬時線寬必須小于約0.1nm以實現(xiàn)1.0mm量級的檢測范圍。調(diào)諧速率應(yīng)大于IOkHz以便高速(例如視頻速率)成像。雖然外腔式半導(dǎo)體激光器可以配置成在幾十個納米上實現(xiàn)無跳模的單頻調(diào)諧，但調(diào)諧速率由于機械穩(wěn)定性的嚴格要求而已小于1Hz?？朔怂俣壤щy的方法是優(yōu)選的。
因此，將值得期望的是，提供一種克服傳統(tǒng)LCI和OCT的源可用性和掃描速度缺陷的系統(tǒng)和方法。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明示例性的實施例，一種示例性的光學(xué)頻域成像(“0FDI”)系統(tǒng)可包括多頻率模(或多縱向或軸向模)波長掃描激光源(wavelength-swept laser sourse),其光稱合到包含所研究的樣品的干涉計。該系統(tǒng)可進一步包括配置成產(chǎn)生從樣品反射的光和參考光之間的正交的干涉測量信號的裝置以及設(shè)置成接收所述干涉測量信號的檢測器。
利用這樣的示例性的特定裝置，可以提供一種OFDI系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以以與傳統(tǒng)系統(tǒng)的源功率相比相對低的源功率來操作，并且/或者該系統(tǒng)以與傳統(tǒng)系統(tǒng)的采集速率相比相對高的采集速率來操作。掃描源的使用導(dǎo)致具有減小的散粒噪聲和其它形式的噪聲的成像系統(tǒng)，其允許比傳統(tǒng)系統(tǒng)低得多的源功率或高得多的采集速率。這可導(dǎo)致增加的檢測靈敏度，從而導(dǎo)致提供實時成像的能力。這樣的成像速度可幫助胃腸、眼科和動脈成像領(lǐng)域中的從業(yè)者，在這些成像領(lǐng)域中，運動假象是持續(xù)的問題。通過增加幀速率同時維持或改善信噪比，這樣的假象可被最小化或在一些情況下被消除。本發(fā)明的示例性的實施例亦可利用OFDI實現(xiàn)對組織的大面積的篩選并且允許實現(xiàn)臨床上可行的篩選協(xié)議的使用。
在本發(fā)明的一個示例性的實施例中，可以提供波長掃描激光器，其可以在激光腔中使用光學(xué)帶通掃描濾波器來產(chǎn)生迅速掃描的多頻率模式輸出。通過在激光腔中使用光學(xué)帶通掃描濾波器， 不必要調(diào)諧激光腔長度以提供激光光譜的同步調(diào)諧。換言之，不需要以與激光器的中心波長相同的速率來調(diào)諧激光器的縱腔模。
在本發(fā)明的另一示例性的實施例中，檢測器可以是雙平衡接收器，其設(shè)置成接受干涉測量信號并且抑制干涉測量信號中的相對強度噪聲。
通過進行傅立葉域中的信號處理，根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的信噪比(“SNR”)的增益優(yōu)于諸如OCT的時域方法。SNR提高到N倍，N為深度范圍與空間分辨率的t匕。提高倍數(shù)N可達到幾百至幾千。此SNR的增加使得能夠成像得快到N倍，或可替換地允許以與具有低到1/N的功率的源相同的速度來成像。結(jié)果，本發(fā)明的該示例性的實施例克服了傳統(tǒng)LCI和OCT的兩個重要的缺陷，例如源可用性和掃描速度。因子N可達到大于1，000，并且允許構(gòu)造OFDI系統(tǒng)，其可以自當前實踐中的OCT和LCI技術(shù)改進三個數(shù)量級以上。
實現(xiàn)了 SNR的增益是因為，例如，散粒噪聲具有白噪聲譜。頻率ω (或波長λ )處的存在于檢測器的信號強度只對頻率ω處的信號有貢獻，但是散粒噪聲在所有頻率處生成。通過使每個檢測器的光學(xué)帶寬變窄，可以減小每個頻率處的散粒噪聲貢獻，同時信號成分保持相同。
與OCT相比，根據(jù)本發(fā)明的示例性的實施例改善了當前數(shù)據(jù)采集速度和源的可用性。散粒噪聲歸因于電流的統(tǒng)計波動，該統(tǒng)計波動歸因于量子化的或離散的電荷。散粒噪聲的減小允許低得多的源功率或高得多的采集速率。當前數(shù)據(jù)采集速率的限制Γ4幀/秒)是由可用的源功率和用于掃描延遲的快速機制的可用性而施加的。檢測靈敏度的到8倍的增加將允許以約每秒30幀的速度來實時成像。靈敏度的到約1，000-2，000倍的增加允許使用具有低得多的功率和高得多的譜帶寬的源，其易于獲得、生產(chǎn)較便宜并且可以生成較高分辨率的OFDI圖像。
針對OFDI的眼科應(yīng)用，有效的檢測優(yōu)選地允許顯著增加采集速度。眼科應(yīng)用的一個限制是根據(jù)ANSI標準允許進入眼睛的功率(在830nm處大約700微瓦)。眼科應(yīng)用中的當前數(shù)據(jù)采集速度是每秒大約100-500個A-線。本發(fā)明的功率效率高的檢測技術(shù)將允許每秒約100，000個A-線的量級的A-線采集速率，或以每個圖像約3，000個A-線的視頻速率成像。
為了實現(xiàn)至少一些本發(fā)明的目的，提供了根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的實施例的設(shè)備和方法。具體而言，至少一個第一電磁輻射可以提供給樣品，并且至少一個第二電磁輻射可以提供給非反射的參考。第一和/或第二輻射的頻率隨著時間變化。在關(guān)聯(lián)于第一輻射的至少一個第三輻射與關(guān)聯(lián)于第二輻射的至少一個第四輻射之間檢測干涉?？商鎿Q地，第一電磁輻射和/或第二電磁輻射具有隨著時間變化的譜。所述譜在特定時間處可以包含多個頻率。另外，有可能以第一偏振態(tài)檢測第三輻射與第四輻射之間的干涉信號。此外，可以優(yōu)選地以不同于第一偏振態(tài)的第二偏振態(tài)檢測第三和第四福射之間的又一干涉信號。第一和/或第二電磁輻射可以具有中值頻率以大于每毫秒100萬億赫茲(Tera Hertz)的調(diào)諧速度隨時間基本上連續(xù)變化的譜。
在本發(fā)明的一個示例性的實施例中，第三輻射可以是從樣品返回的輻射，并且至少一個第四輻射是從參考返回的輻射。第一、第二、第三和/或第四輻射的頻率可以移位?？苫谒鶛z測的干涉來生成圖像?？梢允褂锰筋^，其掃描樣品的橫向位置以生成掃描數(shù)據(jù)，并且將掃描數(shù)據(jù)提供給第三裝置以便生成圖像。掃描數(shù)據(jù)可以包括在樣品上的多個橫向位置獲得的所檢測的干涉。可以使用至少一個光電檢測器和至少一個電濾波器，該電濾波器跟隨著跟隨有電濾波器的光電檢測器。電濾波器可以是帶通濾波器，其具有大約與通過頻移裝置的頻移的量值相同 的中心頻率。電濾波器的傳輸特性(transmission profile)可基本上在其通帶上變化。所述探頭可包括旋轉(zhuǎn)的接合和光纖導(dǎo)管。該導(dǎo)管可以以高于每秒30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。可以提供至少一個偏振調(diào)制器。
可以使用至少一個偏振分集(polarization diverse)接收和/或偏振分集和雙平衡接收器。還有可能跟蹤下列相位差:
.第一電磁輻射和第二電磁輻射之間，和/或
.第三電磁輻射和第四電磁輻射之間。
根據(jù)本發(fā)明的又另一示例性的實施例，可以發(fā)射第一和第二電磁輻射，它們中的至少一個具有中值頻率以大于每毫秒100萬億赫茲的調(diào)諧速度隨時間基本上連續(xù)變化的-1'TfeP曰。
根據(jù)本發(fā)明的又一示例性的實施例，提供了一種設(shè)備。這樣的設(shè)備包括至少一個第一裝置，其將至少一個第一電磁輻射提供給樣品并且將至少一個第二電磁輻射提供給參考。該設(shè)備還包括:至少一個第二裝置，其適于移位第一電磁輻射和第二電磁輻射的頻率；以及干涉計，其將第一和第二電磁輻射干涉以產(chǎn)生干涉信號。此外，該設(shè)備包括至少一個第二裝置，該裝置檢測第一和第二電磁輻射之間的干涉。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一示例性的實施例，提供了一種系統(tǒng)、方法、軟件設(shè)置(software arrangement)和存儲介質(zhì)以用于確定關(guān)聯(lián)于組織的結(jié)構(gòu)和組成中的至少一個的特定數(shù)據(jù)。具體而言，接收關(guān)聯(lián)于干涉測量信號的信息，該信息形成自從樣品獲得的至少一個第一電磁福射和從參考獲得的至少一個第二電磁福射。第一和/或第二電磁福射被頻移。采樣該信息以生成第一格式的采樣數(shù)據(jù)。此外，采樣數(shù)據(jù)變換成第二格式的特定數(shù)據(jù)，第一和第二格式彼此不同。


為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖進行的下面的描述，其中:
圖1是時域光學(xué)相干層析成像法(“0CT”)系統(tǒng)的塊圖2是使用光譜雷達技術(shù)進行頻域成像的系統(tǒng)的塊圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的實施例使用相干單頻調(diào)諧源進行頻域成像的系統(tǒng)的塊圖3B和3C是一起獲取的波長相對于振幅的曲線圖，其圖示了由圖3A的系統(tǒng)產(chǎn)生的頻移的發(fā)生；
圖3D是由圖3A的系統(tǒng)生成的拍頻信號(beat signal)的曲線圖4A是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性的實施例的使用多縱模波長掃描源進行頻域成像的系統(tǒng)的塊圖4B和4C是一起獲取的波長譜的曲線圖，其圖示了由圖4A的系統(tǒng)生成的頻移的發(fā)生；
圖4D是由圖4A的系統(tǒng)生成的拍頻信號的曲線圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性的實施例的使用波長掃描源進行頻域成像的系統(tǒng)的塊圖6是根據(jù)本 發(fā)明的一個示例性的實施例的光學(xué)波長可調(diào)諧濾波器裝置的塊圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的實施例的波長掃描激光器裝置的塊圖8A是在圖7的波長掃描激光器裝置的輸出處測得的激光輸出光譜的示例性的曲線圖SB是在圖7的波長掃描激光器的輸出處測得的激光輸出的示例性的曲線圖9A是根據(jù)本發(fā)明的再一示例性的實施例的帶有多面鏡(polygonal mirror)的波長可調(diào)諧濾波器裝置的塊圖9B是根據(jù)本發(fā)明的又一示例性的實施例的具有反射盤(reflectivedisk)的波長可調(diào)諧濾波器裝置的塊圖1OA是根據(jù)本發(fā)明的又一示例性的實施例的包括波長掃描激光器和偏振分集平衡檢測(“H)BD”)回路的光學(xué)頻域成像(“OFDI”)系統(tǒng)的塊圖1OB是圖1OA中所示的示例性的探頭裝置的塊圖1OC是圖示了使用圖1OA的系統(tǒng)的載頻外差檢測(carrier-frequencyheterodyne detection)的示例性輸出的多個曲線圖11是使用本發(fā)明的示例性的實施例獲得的人指尖的示例性的活體內(nèi)圖像；
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的實施例的相位跟蹤器裝置的塊圖13是根據(jù)本發(fā)明的具有相位跟蹤器的OFDI系統(tǒng)的一個示例性的實施例的塊圖14A-14C是圖示了根據(jù)本發(fā)明的用于相位跟蹤器操作的示例性的技術(shù)的流程圖15是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性的實施例的OFDI系統(tǒng)的簡化圖16 Ca)和16 (b)是根據(jù)本發(fā)明的頻移的效應(yīng)、即深度相對于信號頻率的曲線圖17是根據(jù)本發(fā)明的又一示例性的實施例的采用兩個聲光頻移器的OFDI系統(tǒng)的塊圖18 Ca)和18 (c)是根據(jù)本發(fā)明的不用映射過程測得的點擴展函數(shù)的曲線圖；以及
圖18 (b)和18 Cd)是根據(jù)本發(fā)明的利用映射過程測得的點擴展函數(shù)的曲線圖。
在全部附圖中 ，除非另外聲明，相同的參考數(shù)字和字符用來指示圖示的實施例的類似的特征、元件、部件或部分。而且，盡管現(xiàn)在將參考附圖詳細描述本發(fā)明，其也是與說明性的實施例相結(jié)合來進行的。
具體實施方式
圖1示出了示例性的現(xiàn)有技術(shù)的時域光學(xué)相干層析成像法(“0CT”)系統(tǒng)10，其包括將信號提供給二對二分光器14的第一臂14a的寬帶源12。分光器分割在端口 14a提供給它的信號，并且在耦合到參考臂16的端口 14b提供該信號的第一部分。分光器14還在耦合到樣品臂18的端口 14c提供該信號的第二部分。
樣品臂18終結(jié)于樣品體積19，并且用于提供樣品體積的側(cè)向掃描的裝置22被設(shè)置在樣品體積19之前的樣品臂18中。參考臂16終結(jié)于用于提供軸向掃描的裝置20中。裝置20和22的操作在本領(lǐng)域中眾所周知。
從裝置20和樣品體積19分別沿著參考和樣品臂16、18反射回的信號耦合回到分光器14的相應(yīng)端口 14b、14c，并耦合到產(chǎn)生軸向掃描數(shù)據(jù)26的檢測器24，這是眾所周知的。其全部公開通過引用結(jié)合于此的美國專利6，341，036描述了與以上所述并在圖1中示出的系統(tǒng)相似的系統(tǒng)。
一般而言，在掃描參考臂路徑長度16時，形成了干涉條紋，其對應(yīng)于與到樣品體積19中的三個結(jié)構(gòu)19a、19b、19c的距離匹配的位置。單個檢測器24用來檢測干涉條紋。通過條紋圖案的包絡(luò)檢測，構(gòu)造了圖像26，其將組織反射率映射到給定位置。
如將根據(jù)在此下面所描述的某些示例性實施例而顯而易見的，本發(fā)明的一個示例性的實施例涉及一種系統(tǒng)，其利用了基于光譜雷達概念(又稱為譜域OCT)的檢測原理和/或譜域和時域OCT之間的混合方法，該方法優(yōu)選地比當前現(xiàn)有時域OCT靈敏，從而允許采集速度與分辨率的比的基本增加。
先前已在相關(guān)出版物中描述了時域OCT中的信噪比(“SNR”)的分析。時域OCT中的干涉條紋峰值振幅由下面給出:
!peakPsampIe(I)
其中PMf、Psample分別是以瓦表示的參考和樣品臂功率。就檢測器處的電功率而言，以單位[A2]表示的信號定義為:
S=^e2PnfPmmpiJEl(2)
其中η是量子效率，e是電荷量子，Ev=hc/ λ是光子能量。參考和樣品臂功率由相應(yīng)的反射光譜密度給出:
Pref, sample- 丁 Sref, sample ( W ) d ω.(3)
假定參考和樣品譜密度等于源譜密度S(co)，其中樣品臂譜密度被衰減大的倍數(shù)，即Sref( )=S(co)、Ssample(co) = aS(co)，其中a << 1，并且將參考和樣品臂的上述表達式插入信號的原始定義，得到:
S=ife2 a [ S{<o)dw\2 IE11 ( 4 )
對OCT信號的總噪聲的三個貢獻是:(i )熱噪聲，(i i )散粒噪聲和(i i i )相對強度噪聲。熱噪聲由反饋電阻生成，散粒噪聲與導(dǎo)致電流的統(tǒng)計波動的電荷量子的有限性質(zhì)相關(guān)，并且相對強度噪聲與由于經(jīng)典光源的混沌特性的時間波動相關(guān)。以單位[A2/Hz]表示的這三個對噪聲強度的貢獻由下面給出:
Rfi 足 I E’ J(5)
k是玻爾茲曼常數(shù)，T是以開爾文表示的溫度，Rfb是反饋電阻的值，τ coh是源的相干時間。相干時間通過下面的關(guān)系與高斯源的半最大值處的全譜寬Λ λ相關(guān)。當方程(5)中的第二項支配其它噪聲貢獻時，實現(xiàn)了散粒噪聲受限檢測。
信噪比(SNR)由下面給出:
SNR=kJ/)^(6)
其中BW是信號帶寬，參數(shù)S和Nmise (f)如上所述。
使用光譜儀和CCD陣列檢測器的譜域OCT
當噪聲是散粒噪聲受限時，獲得了時域OCT系統(tǒng)的最佳信噪比性能。散粒噪聲可通過將單元件檢測器替換為多元件陣列檢測器來顯著地減小。當在陣列檢測器上譜色散檢測臂光時，陣列的每個元件檢測源的譜寬的小波長部分。散粒噪聲優(yōu)選地減小一個倍數(shù)，該倍數(shù)等于陣列元件數(shù)。信噪比改善的原理基于散粒噪聲的白噪聲特性以及僅相同波長的電磁波產(chǎn)生干涉條紋的觀測。
散粒噪聲功率密度Nmise (f)`(以單位[W/Hz]、[A2/Hz]或[V2/Hz]表示)與在檢測器中生成的電流(或等價地，光功率乘以量子效率)成比例。對于進入干涉計的波長X1的單色束，檢測器處的條紋頻率或載波f由鏡的速度V確定， ,=2ν/ λ 1D散粒噪聲與波長λ 處的功率(或譜密度S(co))成比例。第二波長λ2優(yōu)選地耦合到干涉計中。第二條紋頻率或頻率 .2=2ν/λ2處的載波同時存在。此第二頻率處的散粒噪聲優(yōu)選地是由波長入1和λ2處的光功率生成的散粒噪聲之和。而且，在頻率&處，散粒噪聲是由波長入1和λ2處的光功率生成的散粒噪聲之和。因此，在兩個頻率處，交叉散粒噪聲(cross-shot noise)項由檢測器處兩個波長的同時存在而生成。通過將每個波長譜色散到一個單獨的檢測器，可以消除交叉散粒噪聲項。以此方式，譜域OCT提供了優(yōu)于時域OCT系統(tǒng)的信噪比的顯著改善。
OCT信號在空間域中最容易描述。對于樣品臂中的單個目標，OCT信號的干涉項與源光譜S (ω)的傅立葉變換的實部成比例:
I(Az)OcRe / exp (ik Δ z) S (k) dk (7)
其中Λ z是樣品和參考臂之間的路徑長度差，k是波矢。作為時間的函數(shù)，OCT信號由下面給出:
I (t) ocRe / exp (2i ω rv/c) S (ω) d ω (8)
其中V是參考臂鏡速度。該信號的頻譜由時域中的信號的傅立葉變換給出，從而得到復(fù)函數(shù)。此函數(shù)的絕對值等于 譜密度:
1(f) | = | / I(t)e2i"ftdt|=S(jifc/v) (9)
其示出了信號帶寬與源譜寬度成正比并且隨著參考臂鏡速度、即成像速度線性縮放。方程(9)還優(yōu)選地將頻譜的絕對值11(f) I與信號S直接相關(guān)(見圖4)。方程(9)還說明，光源的每個角頻率或等價地該源的每個波長，以測得的干涉測量信號中的其自身的頻率來表示。深度分布信息I (t)可以由傅立葉變換從復(fù)交叉譜密度11(f) I獲得。
復(fù)交叉譜密度還可通過使用色散或干涉測量元件將信號I (t)分裂成若干譜帶來獲得。在每個檢測器處，只確定復(fù)交叉譜密度的部分。將每個檢測器的交叉譜密度組合，重新得到信號的全譜密度。因此，可通過將譜分量分離到各個檢測器來獲得相同的信息。以軟件或硬件將所有檢測器的信號組合將導(dǎo)致與利用單個檢測器獲得的信號相同的信號。
在檢測臂中，光譜可以分裂成二等分，其中兩個檢測器各檢測光譜的一半。根據(jù)方程(9)，檢測器I和2處的頻譜由下面分別給出:
對于f < f0, I I1 (f) I =S (31 fc/v)，對于 f > f0, I1 (f) = 0，并且
對于f < fQ，l2(f)=0，對于 f > f。，I2 (f) I =S (ii fc/v) ο 時域 OCT 中將由單個檢測器采集的頻譜由I1 (f)和I2(f)之和1(f) =IJf)+I2(f)給出。因此，在將光譜組合之后的信號S是相等的，然而對于f.〉^，I1 (f) =0，對于€<4，I2 (f)=0，每個檢測器的帶寬BW可以減小1/2。
噪聲由檢測器一和二處的散粒噪聲貢獻之和來確定。根據(jù)方程(5)和(6)，每個檢測器的散粒噪聲與檢測器處的參考臂功率和用于檢測器的帶寬之積成比例。由于光譜被分裂成二等分，所以檢測器I和2處的參考功率分別是:
(10;
對于兩個檢測器的散粒噪聲貢獻之和是:
N^ise Oc P^fxQ.5BW + Ffef xQ.5BW=0.5 PrefBW(JJ)
其可以與時域OCT中的單個檢測器的散粒噪聲相比較:
N7^ise OcPrefBW(12)
因此，通過在兩個分離的檢測器上譜色散檢測和光，信號保持相同，但噪聲減小1/2，導(dǎo)致2倍的凈SNR增益。
擴展上面的分析，可證明散粒噪聲貢獻減小等于檢測器數(shù)目的因子。N個檢測器元件的散粒噪聲之和由下面給出，其中每個檢測器元件接收總的參考功率的N分之一:
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括: 至少一個第一裝置，其將至少一個第一電磁輻射提供給樣品并且將至少一個第二電磁輻射提供給參考，其中所述第一和第二電磁輻射的至少一個具有隨時間變化的譜，所述譜包含多個不同的縱模；以及 至少一個第二裝置，其檢測關(guān)聯(lián)于所述至少一個第一輻射的至少一個第三輻射與關(guān)聯(lián)于所述至少一個第二輻射的至少一個第四輻射之間的干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個第三輻射是從所述樣品返回的輻射，并且所述至少一個第四輻射是從所述參考返回的輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括至少一個第三裝置，其用于移位所述至少一個第一電磁輻射、所述至少一個第二電磁輻射、所述至少一個第三電磁輻射和所述至少一個第四電磁輻射中的至少一個的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括至少一個第三裝置，其基于所檢測的干涉生成圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括探頭，其掃描所述樣品的橫向位置以生成掃描數(shù)據(jù)，并且其將所述掃描數(shù)據(jù)提供給所述第三裝置以便生成所述圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述掃描數(shù)據(jù)包括在所述樣品上的多個橫向位置獲得的所檢測的干涉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述參考是非反射的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備,其中所述譜的中值基本上線性地隨時間變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述譜的中值的變化速率是至少1000nm/msec。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述譜以至少IOkHz的重復(fù)速率重復(fù)地隨時間變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個第一裝置包括用以隨時間改變所述譜的譜濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其中所述譜濾波器包括隨時間改變所述譜的多面體掃描器和譜分離裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的 設(shè)備，其中所述至少一個第一裝置包括半導(dǎo)體增益介質(zhì)，用于至少生成和放大電磁輻射之一。
14.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中至少一個第二裝置包括至少一個光電檢測器和跟隨著所述至少一個光電檢測器的至少一個電濾波器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述至少一個電濾波器是帶通濾波器，其具有與通過所述頻移裝置的頻移的量值大約相同的中心頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述電濾波器的傳輸特性基本上在其通帶上變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述探頭包括旋轉(zhuǎn)接合和光纖導(dǎo)管。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述導(dǎo)管以高于每秒30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括至少一個偏振調(diào)制器。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個第二裝置能夠檢測所述第一和第二電磁輻射中的至少一個的偏振態(tài)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個第二裝置包括至少一個雙平衡接收器。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個第二裝置包括至少一個偏振分集接收器。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個第二裝置包括至少一個偏振分集和雙平衡接收器。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進一步包括至少一個第三裝置，用于跟蹤至少下列之一之間的相位差: 所述至少一個第一電磁輻射與所述至少一個第二電磁輻射，以及 所述至少一個第三電磁輻射與所述至少一個第四電磁輻射。
25.一種方法，包括下列步驟: 將至少一個第一電磁輻射提供給樣品并且將至少一個第二電磁輻射提供給參考，其中所述第一和第二輻射中的至少一個具有隨時間變化的譜，所述譜包含多個不同的縱模；以及 檢測關(guān)聯(lián)于所述至少一個第一輻射的至少一個第三輻射與關(guān)聯(lián)于所述至少一個第二輻射的至少一個第四輻 射之間的干涉。
全文摘要
提供了一種用于使用頻域干涉測量法進行光學(xué)成像的方法和設(shè)備。具體而言，至少一個第一電磁輻射可以提供給樣品并且至少一個第二電磁輻射可以提供給非反射的參考。所述第一和/或第二輻射的頻率隨時間變化。在關(guān)聯(lián)于所述第一輻射的至少一個第三輻射與關(guān)聯(lián)于所述第二輻射的至少一個第四輻射之間檢測干涉?？商鎿Q地，所述第一電磁輻射和/或第二電磁輻射具有隨時間變化的譜。所述譜在特定時間可以包含多個頻率。另外，有可能以第一偏振態(tài)檢測所述第三輻射與所述第四輻射之間的干涉信號。此外，可以優(yōu)選地以不同于所述第一偏振態(tài)的第二偏振態(tài)檢測所述第三和第四輻射之間的又一干涉信號。所述第一和/或第二電磁輻射可以具有中值頻率以大于每毫秒100萬億赫茲的調(diào)諧速度隨時間基本上連續(xù)變化的譜。
文檔編號A61B5/00GK103181754SQ201310023430
公開日2013年7月3日 申請日期2004年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者尹錫賢, 布雷特·尤金·鮑馬, 吉列爾莫·J·蒂爾尼, 約翰內(nèi)斯·菲茨杰拉德·德·布爾 申請人:通用醫(yī)療公司