光学相干层析成像设备以及光学相干层析成像方法
【专利摘要】光学相干层析成像设备包括光源单元，发射包括从具有不同的中心波长和部分重叠的输出光谱范围的扫频光源发射的光，光具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离，分割单元，连接到所述光源单元并且将对所述光源单元发射的光进行分割，波长选择单元，连接到所述分割单元并且从输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长的光，时间检测单元，连接到波长选择单元并且检测扫频光源以预定波长振荡的时间，以及波数检测单元，连接到所述分割单元并且检测来自扫频光源的光具有相同波数的时间。
【专利说明】光学相干层析成像设备以及光学相干层析成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用具有不同的输出波长范围的多个光源的光学相干层析成像设备以及光学相干层析成像方法。
【背景技术】
[0002]傅立叶域光学相干层析成像(FD-OCT)设备是已知的，其通过对光谱干涉信号进行傅立叶变换来获取测量对象的层析信息的信号。在FD-OCT设备中，从光源发射的光被分成两个或更多个分量，其中之一被用作基准光，并且另一个被用作照射分析物的照射光(illuminating light)。
[0003]散射光或反射光从已被照射光照射的分析物返回，并且基于返回光和基准光的光谱干涉信号被获取。干涉信号被绘制在波数空间轴上，并且根据基准光的光路长度和测量光的光路长度之间的差沿波数空间轴振荡。因此，通过对所获取的光谱干涉信号进行傅立叶变换可获得根据光路长度差具有峰值的层析信息信号。
[0004]近来，包括扫频光源的扫频光源光学相干层析成像(SS-OCT)设备作为FD-OCT设备的不例正在获得关注。
[0005]通过使用输出具有随时间改变的波长的光的扫频光源，SS-OCT设备获取在时间轴上扩展的光谱干涉信号。因此，可实现差分检测。另外，可获得如下的光谱干涉信号，其不受在作为FD-OCT设备的另一示例的谱域光学相干层析成像(OCT)设备中所需要的线传感器的元件的数量限制。
[0006]光谱干涉信号的强度与基准光的强度和从测量对象返回的光的强度的乘积成比例。因此，即使当从测量对象返回的光由于其的吸收、散射或透射而衰减时，通过使得返回光干涉高强度基准光，仍可高灵敏度地获得层析信息信号。
[0007]通过对光谱干涉信号进行傅立叶变换而获得的层析信息信号是具有与光路长度差对应的频率的正弦波傅立叶变换信号和光谱形状的傅立叶变换的结果的卷积。因此，深度方向上的层析信息信号的分辨率(单独显示各层的能力)随着光谱范围增大而增大。
[0008]光谱范围通常由光源中包括的增益介质的增益带宽决定。因此，深度方向上的层析信息的分辨率由增益带宽确定。
[0009]需要具有宽的光谱范围的光源以获得在深度方向上具有高分辨率的层析信息信号。
[0010]因此，W.Y.0h et al.1n"Wide Tuning Range Wavelength-Swept LaserWith Two Semiconductor Optical Amplifiers^, IEEE Photonics TechnologyLetters, Vol.17, N0.3, March 2005，pp.678-680 (下文被称为 “NPL1 ”)提出了组合从具有不同的中心波长以及部分重叠的输出光谱范围的多个光源发射的光的光源单元。NPLl公开了一种系统，该系统包括单个多面镜和两个半导体光学放大器，并且该系统发射通过组合从该两个半导体光学放大器发射的两种类型的光而获得的光。
[0011]NPLl中公开的光源单元仅仅组合从具有不同的中心波长以及部分重叠的输出光谱范围的光源发射的光并且发射组合光。但是，NPL I中没有讨论发明人所关注的如何获得具有小的噪声的层析图像或者如何基于多个光源处理干涉信号。
[0012]引文列表
[0013]非专利文献
[0014]NPL I W.Y.0h et al., "Wide Tuning Range Wavelength-Swept LaserWith Two Semiconductor Optical Amplifiers^, IEEE Photonics TechnologyLetters, Vol.17, N0.3, March 2005, pp.678-680
【发明内容】
[0015]本发明提供了一种光学相干层析成像设备，通过该光学相干层析成像设备，可降低噪声并且可获得高清晰度图像。
[0016]根据本发明的一个方面的光学相干层析成像设备包括光源单元，该光源单元包括多个扫频光源，每个扫频光源发射具有周期变化的振荡波长的光；干涉光学系统，将从光源单元发射的光分成基准光和用于照射分析物的照射光，并且使得来自分析物的反射光与基准光相互干涉从而生成干涉光；光检测单元，检测该干涉光；以及处理单元，基于通过光检测单元检测的干涉光的强度获得分析物的层析图像。从光源单元发射的光包括从具有不同的中心波长以及部分重叠的输出光谱范围的扫频源发射的光，光具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离。光学相干层析成像设备进一步包括连接到光源单元并且分割从光源单元发射的光的分割单元；波长选择单元，连接到分割单元并且从输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长的光；时间检测单元，连接到波长选择单元并且检测扫频光源以该预定波长振荡的时间；以及波数检测单元，连接到分割单元并且检测从扫频光源发射的光具有相同波数的时间。
[0017]根据本发明的一个方面的光学相干层析成像设备包括光源单元，该光源单元发射包括从具有不同的中心波长以及部分重叠的输出光谱范围的扫频源发射的、具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离的光的光。
[0018]该光学相干层析成像设备还包括波长选择单元，其从输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长的光；时间检测单元，其检测扫频光源以该预定波长振荡的时间；以及波数检测单元，其检测从扫频光源发射的光具有相同波数的时间。
[0019]由于波长选择单元和时间检测单元被提供，因此可检测在光源的光谱范围重叠的范围中预定光振荡的时间。另外，从光源发射的光具有相同波数的时间可被波数检测单元检测。
[0020]因此，通过光检测单元基于从扫频光源发射的各个输出光谱范围的光获得的干涉信号可在从光源发射的光具有相同波数的时间连接到一起，然后被处理单元处理。更具体而言，从光源发射的光具有相同波数的时间可被准确检测，并且干涉光可在相同波数被准确地连接。
[0021]当通过上述处理获得分析物的层析图像时，可降低噪声。另外，深度方向上的分辨率可由于扫频范围的增大而增加，并且图像的清晰度可相应地增加。
[0022]参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1A和IB是示出根据本发明的实施例的光学相干层析成像设备的示意图。
[0024]图2示出通过根据本发明的实施例的设备连接干涉信号的方法。
[0025]图3是示出根据本发明的第一实施例的光学相干层析成像设备的示意图。
[0026]图4是示出根据本发明的第二实施例的光学相干层析成像设备的示意图。
[0027]图5是示出根据本发明的第三实施例的光学相干层析成像设备的示意图。
[0028]图6示出数值计算中使用的正弦波的曲线图。
[0029]图7示出通过数值计算获得的傅立叶变换之后的谱的曲线图。
【具体实施方式】
[0030]本发明基于发明人所获得的对于如下这样的光学相干层析成像设备(SS-0CT设备)的发现，该光学相干层析成像设备包括光源单元，该光源单元输出通过组合从具有不同的中心波长以及部分重叠的输出光谱范围的多个扫频光源发射的光而获得的光。发明人所获得的发现如下。
[0031]S卩，依赖于干涉信号连接到一起的方式获得不同的层析图像，该干涉信号是通过光检测单元基于从各个扫频光源发射的各个光谱范围的光而获得的。另外，当基于各个光谱范围的光的干涉信号在从光源发射的光具有相同波数的时间连接到一起、然后被处理时，可降低噪声并且可获得高清晰度层析图像。
[0032]这些发现是作为发明人进行的以下研究的结果而获得的。
[0033]发明人在干涉信号在不同波数连接到一起的情况中进行关于层析图像的数值计算。这将参照图6和7被描述。
[0034]在该计算中，考虑了理想的具有单个反射表面的反射镜。在此情况中，只要从各扫频光源发射的光的强度不依赖于波长改变，则对应的光谱干涉信号就是恒定正弦波。
[0035]因此，通过对作为恒定正弦波的光谱干涉信号进行快速傅立叶变换(FFT)而获得的层析信号在某一单个点处具有峰值。
[0036]另外，从各个扫频光源发射的光的光谱干涉信号沿波数轴位于同一正弦波上。
[0037]因此，在不同波数连接信号意味着在正弦波的不同相位连接信号。
[0038]为了实际对此进行计算，在水平轴上定义了代表波数的2000个点，并且假设在这2000个点处生成100个单位正弦波。
[0039]信号被分成两个区域，每个区域包括1000个点。相同频率的具有相移的正弦波被应用于这两个区域之一。然后，正弦波被连接到一起并且经受FFT。
[0040]图6示出了示出相移为0、1X 10-1UX 10-4、I X 10-8和1X10-12的正弦波在波数为1000的点处连接到一起的方式。图6的部分(b)示出了图6的部分(a)中的对应于波数980到1200的区域被放大的曲线图。
[0041]在图6的部分(b)中，除了相移为IX 10-1的情况中的波之外的波与相移为O的正弦波重叠，并且不能被观察到。
[0042]图7示出了通过连接具有相移的正弦波而获得的正弦波的傅立叶变换的结果的曲线图。图7的部分(b)示出了图7的部分(a)中的某一光学延迟的区域被放大的曲线图。
[0043]从图7的部分(a)清楚可见，随着相移量增大，噪声电平增加，并且信噪比(SNR)减小。另外，从图7的部分(b)清楚可见，随着相移量增大，信号在峰值周围的区域中扩展并且分辨率降低。
[0044]因此，在包括多个光源的FD-OCT设备中，必须在同一波数轴上准确地获得基于各个光源的光谱干涉信号，并且可通过在相同波数将干涉信号连接到一起来降低层析图像的噪声并且增大层析图像的清晰度。
[0045]现在将参照附图描述本发明的实施例。
[0046]图1A和IB是示出根据本发明的实施例的光学相干层析成像设备的示意图。
[0047]图1A示出该设备的整体结构。此设备基本包括光源单元110、分割从光源单元发射的光的分割单元115、干涉光学系统150、光检测单元170、处理单元180、波长选择单元120、时间检测单元130和波数检测单元140。
[0048]作为本发明的特征性单元之一的光源单元110包括具有不同的中心波长和部分重叠的输出光谱范围的多个扫频光源101和102，并且发射包括具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离的光的光。必要时提供光学组合器(例如，光纤耦合器)104。
[0049]分割单元115分割从光源单元发射的光，并且在此示例中包括光学耦合器106和107,光学稱合器106和107两者用作光学分割器。
[0050]参照图1A，光学分割器106将通过光学组合器104的从光源单元发射的光105分割成两个光，该两个光之一被沿连接到干涉光学系统150的路径D3引导。通过光学分割器106相互分离的该两个光的另一个被光学分割器107进一步分成两个光，其中之一被沿连接到波长选择单元120的路径D1引导，而另一个被沿连接到波数检测单元140的路径D2引导。
[0051]干涉光学系统150将从光源单元110发射的光分成用于照射用作测量对象的分析物165的照射光，以及基准光，并且使得来自分析物165的反射光与基准光相互干涉，从而生成干涉光。
[0052]干涉光学系统150包括光学耦合器158，其用作光学组合器和光学分割器。光学耦合器158通过诸如光纤的波导接收从光源单元110发射的光，并且将光分成两个光，其中之一被使得照射分析物165并且另一个被引向基准镜155。来自分析物165和基准镜155的反射光被引导至光学耦合器158 (干涉部分)，从而获得干涉光。
[0053]这里，在本说明书中，通过照射分析物而获得的反射光是如下光，其不仅包含来自分析物的反射光而且还包含来自分析物的散射光。检流计反射镜151和152被提供以用该光扫描分析物。
[0054]图1A示出了干涉光学系统的示例。根据本发明的干涉光学系统可以是OCT设备中常用的干涉光学系统。来自光源单元110的光也被第二光源分割器107(例如，光学耦合器)分成两个光，其中之一被引导至波长选择单元120并且另一个被引导至波数检测单元140。
[0055]作为本发明的特征性元件中的另一个的波长选择单元120具有如下功能:从扫频光源101和102的输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长的光。
[0056]在图1所示的示例中，标准具滤波器(Fabry-Perot标准具)121被用作波长选择滤波器，并且准直器透镜122和123被提供。作为替代，波长选择单元120可包括例如由衍射光栅或者棱镜和狭缝形成的滤波器。
[0057]时间检测单元130包括光学检测器，并且检测由波长选择单元120选择的光。光学检测器连接到处理单元180，该处理单元180包括计算机等，并且通过处理单元180确定检测到光的时间。
[0058]作为本发明的特征性元件中的另一个的波数检测单元140可包括干涉仪。具体而言，波数检测单元140可包括例如Michelson干涉仪、Fizeau干涉仪或者Mach-Zehnder干涉仪，并且这些干涉仪可被用作波数时钟干涉仪。附图标记147和148指示光纤耦合器，并且142和143指示准直器透镜。附图标记145指示差分光学检测器。光学检测器145连接到处理单元180，并且通过该处理单元确定检测到光的时间。
[0059]图1B示出了图1A中所示的光学分割单元115的变型。
[0060]在图1B中，bl和b2示出了如下示例，其中通过使用两个光学耦合器106和107，从光源单元发射的光105被分割成D1 (连接到波长选择单元120)、D2 (连接到波数检测单元140)和D3(连接到干涉光学系统150)。另外，b3和b4示出了使用光学波导耦合器106的示例。如在b4中所示，来自光源单元105的光不一定被分为三个光，并且作为替代可被分成为三个以上的光，如Dx指示地。
[0061]现在将参照图1A、1B和2详细描述根据本发明的实施例的特征性特征。
[0062]光源单元
[0063]光源单元包括多个扫频光源，每个扫频光源发射具有周期性改变的振荡波长的光。扫频光源具有不同的中心波长和部分重叠的输出光谱范围。光源单元发射包括具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离的光的光。图1中所示的光源单元通过光学组合器104组合光并且输出该组合光。但是，光源单元不局限于此，只要来自扫频光源的光可被发射以使得光在时间上相互分离即可。尽管图1中所示的设备中包含两个扫频光源，但是扫频光源的数量可被根据例如要获得的扫频范围或者用途被适当地选择。通常，扫频光源的数量被从2到6中选择。
[0064]每个扫频光源可例如是如下光源,该光源发射通过使用Fabry-Perot可调谐滤波器或者谱滤波器(诸如衍射光栅、环形腔或者光纤布拉格光栅)对从宽带宽增益介质发射的光进行滤波而获得的光。作为替代，每个扫频光源可以是发射通过移动多面镜或者狭缝状镜来对被衍射光栅空间延伸的光进行滤波而获得的光的光源，或者通过分散介质在时间上扩展宽带光的光源。
[0065]参照图2，部分(a)和(C)示出了从光源单元110发射的光关于时间的变化。图2的部分(b)示出了波长选择单元120从两个扫频光源的输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长光的方式。
[0066]图2的部分(d)示出了已被选择的具有预定波长的光由时间检测单元130中包含的光学检测器检测的方式以及确定光被检测到的时间。
[0067]图2的部分(e)示出了通过波数检测单元140中包含的干涉仪获得干涉信号的方式以及确定从扫频光源发射的光具有相同波数的时间。
[0068]图2的部分(f)示出了基于从两个扫频光源发射的光通过光检测单元170检测的两个干涉信号。
[0069]图2的部分(g)示出了在从两个扫频光源发射的光具有相同波数的时间两干涉信号被连接到一起的方式。
[0070]参照示出了从光源单元110发射的光关于时间的变化的图2的部分(a)、(b)和(c)，扫频光源101在时间间隔208中输出光谱范围203的光201。扫频光源102在时间间隔209中输出光谱范围204的光202。
[0071]OCT干涉仪和干涉信号的产生
[0072]分别从扫频光源101和102 (图1A)发射的光201和202 (图2的部分(a))由光学组合器104组合。组合光被从光源单元发射并且被光学分割器106分成两个光，其中之一被引导至干涉光学系统150。
[0073]被引导至干涉光学系统150的光被用作光学组合器和光学分割器的光学耦合器158分成辐照基准镜155的基准光和照射分析物165的照射光。光学耦合器158使得来自分析物165的反射光(包括散射光)和基准光相互干涉，从而生成干涉光。光检测单元170检测干涉光并且获得光谱干涉信号216和217(图2的部分(f))。光谱干涉信号216和217 (图2的部分(f))经由A/D板输入被处理单元180，处理单元180包括个人计算机(PC)等。干涉光学系统150可包括包含分束器和反射镜的空间干涉仪或者包含光纤耦合器的光纤干涉仪。
[0074]输出预定波长的时间的检测
[0075]从光源单兀110发射的光被光学分割器106和107分割。通过光学分割器107相互分离的光中的一个被引导至波长滤波器121和时间检测单元130，该波长滤波器121使得预定波长的光205(图2的部分(b))通过，从而获得光强度信号210和211 (图2的部分⑷)。
[0076]从光源单兀发射的光的波长变得等于预定振荡波长205时的时间206和207基于光强度信号210和211 (图2的部分(d))被确定。
[0077]预定波长205是扫频光源的光谱范围重叠的范围内的波长。
[0078]波数时钟干涉信号的获取和对应于相同波数的时间的确定
[0079]通过光学分割器107相互分离的光中的另一个(D2)被引导至波数时钟干涉仪，该波数时钟干涉仪被包含在波数检测单元140中并且被用于获取波数时钟干涉信号。波数时钟干涉信号212和213(图2的部分(e))由光学检测器145获得，该光学检测器145检测通过波数时钟干涉仪(147、142、143和148)获得的干涉光。波数时钟干涉仪可以是例如Michelson干涉仪、Fizeau干涉仪或者Mach-Zehnder干涉仪。波数时钟干涉仪还可以是包括分束器和反射镜的空间干涉仪或者包括光纤耦合器的光纤干涉仪。
[0080]通过Mach-Zehnder干涉仪差分地检测到的波数时钟干涉信号212和213 (图2的部分(e))满足以下表达式(I)。
[0081][数学式I]
[0082]I(k) 1(k)Xcos(k.Δ I) (I)
[0083]这里，I(k)是波数时钟干涉信号212和213的强度，1(k)是从光源发射的光的强度，k是从光源发射的光的波数，并且△ I是波数时钟干涉仪的两个臂的光路长度之间的差。
[0084]从表达式(I)清楚可见，波数时钟干涉信号212和213根据干涉仪的两个臂的光路长度之间的差Al以一定波数间隔具有相同相位。
[0085]因此，波数时钟干涉信号(图2的部分(e))经由A/D板被输入PC 180以基于从光源单元发射的光的波长变得等于预定振荡波长的时间210和211 (图2的部分(d))确定波数时钟干涉信号具有相同相位的时间。
[0086]因此，从不同光源(101和102)在不同时间(208和209，图2的部分(C))发射的光具有相同波数的时间对于该光源中的每一个被确定。
[0087]关于相位，波数时钟干涉信号212和213第一次变为O的时间214和215(图2的部分(e))可被检测。通过两个光源101和102分别在时间214和215振荡的光的波长接近于通过波长滤波器121滤波的预定波长205。这里，接近预定波长205的波长包括精确等于预定波长205的波长。
[0088]因此，从光源单元发射的光的强度I的影响可被消除。作为替代，可检测波数时钟干涉信号212和213达到最大值或最小值的时间。在此情况下，即使当波数时钟干涉信号212和213的偏差值由于光纤耦合器的分支比的波长依赖性或者差分光学检测器145的差分偏移而不为O时，仍可检测波数时钟干涉信号212和213具有相同相位的时间。
[0089]当检测波数时钟干涉信号变为O的时间或者波数时钟干涉信号达到最大值或最小值的时间时，可以以相位间隔η获得数据。因此，与以间隔2π获得数据的其他相位的情况相比，数据点的数量可加倍。
[0090]光具有相同波数的时间可在考虑了所获取的干涉信号的导数值的符号的情况下被确定。
[0091]通过OCT干涉仪将干涉信号转换成具有规则波数间隔的信号
[0092]基于波数时钟干涉信号212和213(图2的部分(e))的相位等于预定相位的时间214和215将光谱干涉信号转换成具有规则波数间隔的数据。
[0093]通过将波数时钟干涉信号输入A/D板的外部时钟通道并且控制A/D板的数据获取定时，将光谱干涉信号转换成具有规则波数间隔的数据。作为替代，通过将波数时钟干涉信号作为数据输入A/D板、计算波数时钟干涉信号的相位等于预定相位的时间、并且在计算的时间对光谱干涉信号进行插值，来将光谱干涉信号转换成具有规则波数间隔的数据。
[0094]对应于相同波数的时间的确定
[0095]如果光的振荡为使得对应于扫频光源的光谱范围重叠的范围中的预定波长的时间206和207(图2的部分(a))的精度(长度)大于或者等于波数时钟干涉信号212和213(图2的部分(e))的周期的1/2，则存在波数时钟干涉信号212和213第一次变为O的时间将偏移的可能性。当对应于预定波长的时间206和207的精度在波数时钟干涉信号212和213的周期的1/2到I的范围内时，需要确定当波数时钟干涉信号212和213与O相交时波数时钟干涉信号212和213的倾角是否相同。
[0096]因此，为了准确确定波数时钟干涉信号212和213第一次变为O的时间214和215，对应于预定波长的时间206和207的精度可被设定为小于波数时钟干涉信号212和213的周期的1/2。
[0097]为了增加光谱干涉信号被转换成的具有规则波数间隔的数据中包含的数据点的数量，需要增加在扫频光源执行单次波长扫频的同时波数时钟干涉信号212和213达到一定相位的点数。因此，波数检测单元140中包含的干涉仪的两个臂的光路长度之间的差Al增大。
[0098]但是，当两个臂的光路长度之间的差Λ I增大时，波数时钟干涉信号212和213的周期减小。
[0099]因此，需要增大波长选择滤波器121的精度以使得对应于预定波长的时间206和207的精度小于波数时钟干涉信号212和213的周期的1/2。
[0100]在例如使用Fabry-Perot标准具的情况中，需要标准具的端面具有高反射性和表面平坦度。因此,成本增加。
[0101]因此，为了降低所需要的波长滤波器121的精度，通过进一步分割来自光源单元的组合了来自扫频光源的光的光而获得的光可被引导至短Al波数时钟干涉仪，以便获得干涉仪的两个臂的光路长度之间的差ΛI小的波数时钟信号。短ΛI波数时钟干涉信号通过检测由短Al波数时钟干涉仪获得的干涉光的光学检测器获得。
[0102]短Λ I波数时钟干涉信号被通过A/D板输入PC 180，并且短Λ I波数时钟干涉信号具有相同相位的时间基于从光源单元发射的光的波长变得等于预定振荡波长的时间被确定。
[0103]因此,在不同时间从不同光源发射的光具有相同波数的时间214和215 (图2的部分(e))对于每个光源可以被准确地确定。
[0104]通过OCT干涉仪获得的干涉信号的连接
[0105]对于每个光源在不同的时间获得具有规则波数间隔的光谱干涉信号216和217(图2的部分(f))。但是，在不同时间从不同光源发射的光具有相同波数的时间214和215如上所述地被确定。
[0106]因此，基于各个扫频光源通过光学检测器检测的光谱干涉信号216和217(图2的部分(f))通过PC 180在对应于相同波数的时间214和215连接到一起。因而，通过在不同时间发射的光获得的光谱干涉信号可在相同波数被连接到一起。
[0107]通过傅立叶变换获取层析信息
[0108]通过利用PC 180对光谱干涉信号218(图2的部分(g))进行傅立叶变换获得在分析物被照射光辐照的方向上的层析信号，该光谱干涉信号218是通过在相同波数将干涉信号连接到一起而获得的。傅立叶变换可以是快速傅立叶变换。
[0109]对应于相同波数的时间的精度可高于或者等于具有规则波数间隔的光谱干涉信号的采样间隔的1/100。当精度小于1/100时，通过连接光谱干涉信号并且进行傅立叶变换而获得的层析信号的噪声可增大，并且层析信号的分辨率可降低。
[0110]层析图像的获取
[0111]通过移动干涉光学系统150中包括的检流计镜151和152来改变照射光的照射方向。在每个照射方向，通过处理单元180通过执行上述操作来获得层析信号。对应于各个照射方向的层析信号被布置和经受重构以获得层析图像。
[0112]现在将通过描述具体实施例来详细描述本发明。
[0113]第一实施例
[0114]图3是示出根据第一实施例的光学相干层析成像设备的示意图。在根据本实施例的设备中，两个波数时钟干涉仪被提供以降低所需要的波长检测准确度。
[0115]光源单元
[0116]光源单元发射通过利用光纤耦合器303组合从两个扫频光源301和302发射的光而获得的光，该两个扫频光源301和302均发射具有周期变化的振荡波长的光。
[0117]扫频光源301发射同步信号333至处理单元中包含的PC 340。同步信号333允许A/D板开始与振荡波长的周期变化同步地获取数据。
[0118]每个扫频光源是如下光源，其发射通过移动狭缝状镜对由衍射光栅空间延伸的光进行滤波而获得的光。
[0119]两个扫频光源301和302的输出光谱范围分别是980至1035nm以及1025至1080nm，并且扫频光源301和302中的每一个在5 μ sec内将波长从短波长侧扫至长波长侦1K两个扫频光源以I P sec的时间间隔发射光。
[0120]OCT干涉仪和干涉信号的生成
[0121]通过组合从两个扫频光源301和302发射的光获得的光从光源单元发射，并且通过光纤耦合器303、304和323被分成四个光。
[0122]已相互分离的四个光之一被弓丨导至OCT干涉仪。
[0123]在OCT干涉仪中，光纤耦合器305将从光源单元引导的光分成基准光和用于照射分析物310的照射光。
[0124]基准光被引导通过分散补偿单元312和光学延迟线313，该分散补偿单元312和光学延迟线313分别用于相对于照射分析物310的照射光的光路来调整波长分散和光路长度。然后，基准光被再次供给光纤并且被通过光纤偏振控制器315引导至光纤耦合器316。
[0125]用于照射分析物310的照射光被透镜306准直化，并且通过用于改变照射方向的光学系统，该光学系统包括被布置为相互正交的两个检流计镜307和308。然后，照射光通过分析物照射光学系统309,该分析物照射光学系统309将照射光的轮廓(profile)改变为对应于分析物310的光束传播轮廓，并且照射分析物。
[0126]从被照射的分析物310返回的散射光或反射光被再次引导至光纤，然后通过光纤率禹合器305被引导至光纤稱合器316。光纤稱合器316使得来自分析物310的散射光或反射光与基准光相互干涉，从而生成干涉光。
[0127]光学延迟线313调整从光纤耦合器305到光纤耦合器316的基准光的光路长度，从而光路长度基本等于被引导至分析物310并从分析物310返回的光的光路长度，光纤耦合器305将基准光与照射光分离,光纤稱合器316生成基准光。
[0128]照射光的方向被两个检流计镜307和308控制，使得分析物沿单个线在11.3 msec内被扫描。因此，获得对应于约1024个方向的层析信息信号。
[0129]通过干涉光学系统获得的干涉光由差分光学检测器317检测。由于差分光学检测器317被使用，因此检测到的光谱干涉信号中包含的由于光源的强度波动导致的噪声成分可被降低。差分光学检测器317的响应速度为350MHz。
[0130]光谱干涉信号通过A/D板被输入PC 340。A/D板的采样速度为500MHz。
[0131]波数时钟干涉信号以及具有规则波数间隔的数据的获取
[0132]已相互分离的四个光中的另一个被引导至用于获得波数时钟干涉信号的波数时钟干涉光学系统。波数时钟光干涉信号336通过光学检测器322被获得，该光学检测器322检测通过波数时钟干涉光学系统获得的干涉信号。
[0133]波数时钟干涉光学系统是Mach-Zehnder干涉仪，其包括光纤耦合器318和321。被引导至波数时钟干涉光学系统的光被光纤耦合器318分成两个光，其中之一被直接引导至光纤耦合器321。这两个光中的另一个通过透镜319被准直化，通过用于调整光路长度的光学延迟线，并且通过透镜320被弓I导至光纤耦合器321。因此，干涉光通过光纤耦合器321生成。
[0134]干涉光被差分光学检测器322差分地检测。差分光学检测器322的响应速度是350MHz ο
[0135]当光学延迟线的光路长度为15.9mm时，波数时钟干涉信号336的频率为150 MHz0
[0136]脉冲发生器337在波数时钟干涉信号与O相交的所有时间生成如下信号，该信号具有高于A/D板的晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平的电平。
[0137]A/D板的数据获取定时是通过将波数时钟干涉信号338输入A/D板的外部时钟通道而被控制的，该波数时钟干涉信号338是具有高于TTL电平的电平的信号。因此，光谱干涉信号339被以300MHz的时钟速度以规则的波数间隔输入PC 340。
[0138]由于每个扫频光源在5 μ sec内执行单个扫频处理，因此对应于每个扫频光源的光谱干涉信号的数据点的数量是1500。数据点的总数量为3300。
[0139]输出预定波长的时间的检测
[0140]已相互分离的四个光中的另一个被用于获得光强度信号334，并且通过使用Fabry-Perot标准具325和光学检测器327确定从光源单元发射的光的波长变得等于1030nm的时间，该Fabry-Perot标准具325使得波长为1030nm的光通过。
[0141 ] Fabry-Perot标准具325的厚度被设定为100 μ m,并且在Fabry-Perot标准具325的两个端面处的反射率被设定为54%,从而波长选择宽度被设定为在半峰全宽为lnm。
[0142]对应于相同波数的时间的确定
[0143]已相互分离的四个光中的另一个被引导至用于获得短光路长度差波数时钟干涉信号的短光路长度差波数时钟干涉光学系统。短光路长度差波数时钟干涉信号是通过光学检测器332获得的，该光学检测器332检测通过短光路长度差波数时钟干涉光学系统获得的干涉光。
[0144]短光路长度差波数时钟干涉光学系统是包括光纤耦合器328和331的Mach-Zehnder 干涉仪。
[0145]被引导至短光路长度差波数时钟干涉光学系统的光被光纤耦合器328分成两个光，其中之一被直接引导至光纤耦合器331。该两个光的另一个被通过用于调整光路长度的光学延迟线引导至光纤耦合器331。因此，通过光纤耦合器331生成干涉光。
[0146]干涉光被差分光学检测器332差分地检测。差分光学检测器332的响应速度是350MHz ο
[0147]作为差分检测的结果被获得的短光路长度差波数时钟干涉信号335通过A/D板被输入PC 340。
[0148]当光学延迟线的光路长度为0.53mm时，短光路长度差波数时钟干涉信号335的周期为约2nm。这为Fabry-Perot标准具325的波长选择宽度(其为Inm)的两倍，并且紧接在波长为1030nm的时间之后短光路长度差波数时钟干涉信号335与O电平相交的时间可被确定为从两个光源发射的光具有相同波数的时间。
[0149]通过OCT干涉仪获得的干涉信号的连接
[0150]对应于两个光源的具有规则波数间隔的光谱干涉信号在不同的时间被获得。如上所述确定的时间是从两个不同的光源发射的光具有相同波数的时间。因此，基于在不同时间发射的光的光谱干涉信号可通过根据光具有相同波数的时间连接该光谱干涉信号在相同波数被连接到一起。
[0151]通过傅立叶变换获取层析信息
[0152]通过对光谱干涉信号进行快速傅立叶变换获得分析物被照射光照射的方向上的层析信号，该光谱干涉信号是通过在相同波数将上述干涉信号连接到一起而获得的。
[0153]层析图像的获取
[0154]通过单个扫频处理可获得单个层析图像。两个检流计镜307和308被操作为在
11.3 msec内沿单条线扫描分析物。因此，对应于约1024个方向的层析信息信号被获得。通过布置对应于1024个方向的层析信息信号而获得单个层析图像。
[0155]第二实施例
[0156]图4是示出根据第二实施例的光学相干层析成像设备的示意图。
[0157]光源单元
[0158]根据本实施例的光源单元和OCT干涉仪具有与第一实施例类似的结构。在图4中，与图3中所示的组件类似的组件被用相同的附图标记指示，并且它们的解释将被省略以避免几余。
[0159]OCT干涉仪和干涉信号的生成
[0160]通过组合从两个扫频光源301和302发射的光获得的光被从光源单元发射，并且通过光纤耦合器403被分成两个光。已相互分离的这两个光之一被引导至OCT干涉仪。光谱干涉信号339通过OCT干涉仪被获得并且被输入PC 340。
[0161]输出预定波长的时间的检测
[0162]已相互分离的该两个光中的另一个被光纤耦合器417进一步分成两个光，其中之一被用于通过使用Fabry-Perot标准具419和光学检测器421确定从光源单元发射的光的波长变得等于1030nm的时间，该Fabry-Perot标准具419使得波长为1030nm的光通过。
[0163]Fabry-Perot标准具419的厚度被设定为100 μ m,并且在Fabry-Perot标准具419的两个端面处的反射率被设定为99%,从而波长选择宽度被设定为在半峰全宽为0.016nm或更小。
[0164]其原因如下。S卩，由于波数时钟干涉信号429的时钟速度如下所述为300MHz，因此数据采样被以0.033nm的波长间隔执行。为了准确检测从不同光源发射的光具有相同波数的时间，波长为1030nm的时间的精度必须小于波数时钟干涉信号的周期的1/2。
[0165]波数时钟干涉信号以及具有规则波数间隔的数据的获取
[0166]通过光纤耦合器417相互分离的光中的另一个被引导至用于获得波数时钟干涉信号429的波数时钟干涉仪。波数时钟光干涉信号429通过光学检测器426被获得，该光学检测器426检测通过波数时钟干涉仪获得的干涉光。
[0167]波数时钟干涉光学系统是Mach-Zehnder干涉仪，其包括光纤耦合器422和425。
[0168]被引导至波数时钟干涉仪的光被光纤耦合器422分成两个光，其中之一被直接引导至光纤耦合器425。这两个光中的另一个通过透镜423被准直化，通过用于调整光路长度的光学延迟线，并且通过透镜424被引导至光纤耦合器425。因此，通过光纤耦合器425生成干涉光。
[0169]干涉光被差分光学检测器426差分地检测。差分光学检测器426的响应速度是350MHz ο
[0170]当光学延迟线的光路长度为15.9mm时，波数时钟干涉信号429的频率为150 MHz0
[0171]脉冲发生器430在波数时钟干涉信号429与O相交的所有时间生成信号431，该信号431具有高于A/D板的TTL电平的电平。
[0172]A/D板的时钟获取定时是通过将波数时钟干涉信号431输入A/D板的外部时钟通道而被控制的，该波数时钟干涉信号431具有高于TTL电平的电平。因此，光谱干涉信号339被以300MHz的时钟速度以规则的波数间隔输入PC 340。
[0173]由于每个扫频光源在5 μ sec内执行单个扫频处理，因此对应于每个扫频光源的光谱干涉信号的数据点的数量是1500。数据点的总数量为3300。
[0174]通过OCT干涉仪获得的干涉信号的连接
[0175]对应于两个光源401和402的具有规则波数间隔的光谱干涉信号被在不同的时间获得。数据项在该两个光源的光谱范围重叠范围中在相同的波数被获得。紧接在波长为1030nm的时间之后获得的数据项对应于相同波数，并且通过在不同时间发射的光获得的光谱干涉信号可通过根据这些数据项连接光谱干涉信号而在相同波数被连接到一起。
[0176]通过傅立叶变换获取层析信息
[0177]通过对光谱干涉信号进行快速傅立叶变换获得分析物被照射光照射的方向上的层析信号，该光谱干涉信号是通过在相同波数将上述干涉信号连接到一起而获得的。
[0178]层析图像的获取
[0179]通过单个扫频处理可获得单个层析图像。OCT干涉仪中包含的两个检流计镜406和407被操作为在11.3 msec内沿单条线扫描分析物。因此，对应于约1024个方向的层析信息信号被获得。通过布置对应于1024个方向的层析信息信号而获得单个层析图像。
[0180]根据此实施例，用于检测波数的干涉仪的数量比第一实施例中的数量少一个。
[0181]第三实施例
[0182]根据第三实施例的光学相干层析成像设备包括包含三个扫频光源的光源单元。将参照图5描述该光学相干层析成像设备。
[0183]光源单元
[0184]光源单元发射通过利用光学组合器504组合从三个扫频光源501、502和503发射的光而获得的光，该三个扫频光源501、502和503均发射具有周期变化的振荡波长的光。
[0185]每个扫频光源是如下光源，其发射通过移动狭缝状镜对由衍射光栅空间延伸的光进行滤波而获得的光。
[0186]三个扫频光源501、502和503的输出光谱范围分别是800至835nm、825至860nm以及850至885nm，并且扫频光源中的每一个在3 μ sec内将波长从短波长侧扫至长波长侧。三个扫频光源以I μ sec的时间间隔发射光。
[0187]OCT干涉仪和干涉信号的生成
[0188]根据本实施例的OCT干涉仪具有与第一实施例类似的结构。在图5中，与图3中所示的组件类似的组件被用相同的附图标记指示，并且它们的解释将被省略以避免冗余。
[0189]通过组合从三个扫频光源发射的光获得的光被从光源单元发射，并且通过光纤耦合器505被分成两个光。已相互分离的这两个光之一被引导至OCT干涉仪。光谱干涉信号339通过OCT干涉仪获得并且被输入PC 340。
[0190]输出预定波长的时间的检测
[0191]已相互分离的该两个光中的另一个被光纤耦合器519进一步分成两个光。
[0192]通过光纤稱合器519相互分离的光之一被半镜521进一步分割。通过半镜521的光被引导至Fabry-Perot标准具522,该Fabry-Perot标准具522使得波长为830nm的光通过。
[0193]透过Fabry-Perot标准具522的光被镜523以90度的角度反射，并且被引导至半镜 526。
[0194]被半镜521反射的光被镜524以90度的角度反射，并且被引导至Fabry-Perot标准具525，该Fabry-Perot标准具525使得波长为855nm的光通过。
[0195]透过Fabry-Perot标准具525的具有波长855nm的光被引导至半镜526。
[0196]具有波长830nm和855nm的透射光通过半镜526组合到一起。因此，从光源单元发射的具有波长830nm和855nm的光由光学检测器528检测。
[0197]在Fabry-Perot标准具522和525中的每一个的两个端面处的反射率被设定为99.2%,从而波长选择宽度被设定为在半峰全宽为0.014nm或更小。
[0198]其原因如下。即，由于波数时钟干涉信号536的时钟速度如下所述为300MHz，因此数据采样被以0.028nm的波长间隔执行。为了准确检测从不同光源发射的光具有相同波数的时间，波长为830nm和855nm的时间的精度必须小于波数时钟间隔信号的周期的1/2。
[0199]波数时钟干涉信号以及具有规则波数间隔的数据的获取
[0200]通过光纤耦合器519相互分离的光中的另一个被引导至用于获得波数时钟干涉信号536的波数时钟干涉仪。波数时钟光干涉信号536通过光学检测器533被获得，该光学检测器533检测通过波数时钟干涉仪获得的干涉光。
[0201]波数时钟干涉光学系统具有与第一实施例中的结构相似的结构。但是，光学延迟线的光路长度被设定为12.5mm，并且波数时钟干涉信号的频率被设定为150MHz。
[0202]脉冲发生器537在波数时钟干涉信号536与O相交的所有时间生成信号538，该信号538具有高于A/D板的TTL电平的电平。
[0203]A/D板的数据获取定时是通过将波数时钟干涉信号538输入A/D板的外部时钟通道而被控制的，该波数时钟干涉信号538具有高于TTL电平的电平。因此，光谱干涉信号339被以300MHz的时钟速度以规则的波数间隔输入PC 340。
[0204]由于每个扫频光源在3 μ sec内执行单个扫频处理，因此对应于每个扫频光源的光谱干涉信号的数据点的数量是900。数据点的总数量为3300。
[0205]通过OCT干涉仪获得的干涉信号的连接
[0206]对应于三个光源的具有规则波数间隔的光谱干涉信号被在不同的时间获得。数据项在两个光源的光谱范围重叠范围中在相同的波数被获得。
[0207]紧接在波长为830nm和855nm的时间之后获得的数据项对应于相同波数，并且通过在不同时间发射的光获得的光谱干涉信号可通过根据这些数据项连接光谱干涉信号而在相同波数被连接到一起。
[0208]通过傅立叶变换获取层析信息
[0209]通过对光谱干涉信号进行快速傅立叶变换获得分析物511被照射光照射的方向上的层析信号，该光谱干涉信号是通过在相同波数将上述光谱干涉信号连接到一起而获得的。
[0210]层析图像的获取
[0211]通过单个扫频处理可获得单个层析图像。两个检流计镜被操作为在11.3 msec内沿单条线扫描分析物。因此，对应于约1024个方向的层析信息信号被获得。通过布置对应于1024个方向的层析信息信号而获得单个层析图像。
[0212]尽管已经参照示例性实施例描述了本发明的实施例，但是应当理解本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被给予最宽泛的解释以涵盖所有这样的变型和等同结构和功能。
[0213]本申请要求2012年4月5日提交的日本专利申请N0.2012-086533的权益，该日本专利申请由此通过引用被全文并入此。
[0214]附图标记列表
[0215]101102扫频光源
[0216]110光源单元
[0217]115分割单元
[0218]120波长选择单元
[0219]130时间检测单元
[0220]140波数检测单元
[0221]150干涉光学系统
[0222]170光检测单元
【权利要求】
1.一种光学相干层析成像设备，包括: 光源单元，包括多个扫频光源，每个扫频光源发射具有周期变化的振荡波长的光；干涉光学系统，将从光源单元发射的光分成基准光和用于照射分析物的照射光，并且使得来自分析物的反射光与基准光相互干涉，从而生成干涉光； 光检测单元，检测所述干涉光；以及 处理单元，基于通过所述光检测单元检测的所述干涉光的强度获得所述分析物的层析图像， 其中，从所述光源单元发射的光包括从具有不同的中心波长和部分重叠的输出光谱范围的扫频光源发射的光，所述光具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离，以及其中，所述光学相干层析成像设备进一步包括: 分割单元，连接到所述光源单元，并且对所述光源单元发射的光进行分割； 波长选择单元，连接到所述分割单元，并且从所述输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长的光； 时间检测单元，连接到波长选择单元，并且检测扫频光源以所述预定波长振荡的时间；以及 波数检测单元，连接到所述分割单元，并且检测从扫频光源发射的光具有相同波数的时间。
2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像设备，其中，所述波长选择单元是波长选择滤波器。
3.根据权利要求2所述的光学相干层析成像设备，其中，所述波长选择滤波器是标准具滤波器
4.根据权利要求1所述的光学相干层析成像设备，其中，所述时间检测单元包括连接到所述波长选择单元和所述处理单元的光学检测器。
5.根据权利要求1所述的光学相干层析成像设备，其中，所述波数检测单元包括干涉仪和所述处理单元。
6.根据权利要求5所述的光学相干层析成像设备，其中，所述干涉仪是Michelson干涉仪、Fizeau干涉仪或者Mach-Zehnder干涉仪中的一种。
7.根据权利要求6所述的光学相干层析成像设备，其中，所述干涉仪是波数时钟干涉仪。
8.根据权利要求7所述的光学相干层析成像设备，其中，所述波数时钟干涉仪包括脉冲发生器。
9.根据权利要求1所述的光学相干层析成像设备，其中，通过所述波数检测单元检测的时间是从所述扫频光源发射的并且具有接近于所述预定波长的波长的光具有相同波数的时间。
10.根据权利要求1所述的光学相干层析成像设备，其中，所述光源单元包括组合从所述扫频光源发射的光的组合器。
11.根据权利要求1所述的光学相干层析成像设备，其中，所述波数检测单元基于扫频光源以所述预定波长振荡的并且由所述时间检测单元检测的时间检测对应于相同波数的时间，并且所述处理单元通过在对应于所述相同波数的时间连接干涉信号来执行处理，所述干涉信号是由所述光检测单元基于具有各自的输出光谱范围的光而获得的。
12.—种光学相干层析成像设备,包括: 光源单元，包括多个扫频光源，每个扫频光源发射具有周期变化的振荡波长的光；干涉光学系统，将从光源单元发射的光分成基准光和用于照射分析物的照射光，并且使得来自分析物的反射光与基准光相互干涉，从而生成干涉光； 光检测单元，检测所述干涉光；以及 处理单元，基于通过所述光检测单元检测的所述干涉光的强度获得所述分析物的层析图像， 其中，从所述光源单元发射的光包括从扫频光源发射的、具有不同的中心波长和部分重叠的输出光谱范围的光，所述光具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离，以及其中，所述光学相干层析成像设备进一步包括: 分割单元，连接到所述光源单元，并且对所述光源单元发射的光进行分割； 波长选择滤波器，连接到所述分割单元，并且从所述输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长的光； 时间检测单元，连接到波长选择滤波器，并且检测扫频光源以所述预定波长振荡的时间；以及 波数检测单元，包括Mach-Zehnder干涉仪,连接到所述分割单元，并且检测从扫频光源发射的光具有相同波数的时间。
13.一种光学相干层析成像方法，该方法通过将从光源单元发射的光分成基准光和用于照射分析物的照射光，并且基于通过检测来自分析物的反射光与基准光的干涉光而获得的干涉信号执行处理，以获得分析物的层析图像，所述光源单元包括多个扫频光源，每个扫频光源发射具有周期变化的振荡波长的光； 其中，从所述光源单元发射的光包括从具有不同的中心波长和部分重叠的输出光谱范围的扫频光源发射的光，所述光具有各自的输出光谱范围并且在时间上相互分离，以及其中，所述光学相干层析成像方法包括: 从输出光谱范围重叠的范围中选择具有预定波长的光； 检测扫频光源以所述预定波长振荡的时间； 检测从扫频光源发射的并且具有接近于所述预定波长的波长的光具有相同波数的时间；以及 通过在光具有相同波数的时间连接干涉信号来执行所述处理，所述干涉信号基于具有各自的输出光谱范围的光被获得。
14.根据权利要求13所述的光学相干层析成像方法，其中，通过使用除了光学系统之外的干涉仪来检测光具有相同波数的时间，所述光学系统连接到光源单元并且生成反射光和基准光的干涉光。
15.根据权利要求14所述的光学相干层析成像方法，其中，通过检测由干涉仪获得的干涉信号变得等于O的时间来检测光具有相同波数的时间。
16.根据权利要求14所述的光学相干层析成像方法，其中，在考虑了通过干涉仪获得的干涉信号的导数值的符号的情况下检测光具有相同波数的时间。
【文档编号】G01N21/17GK104204775SQ201380018304
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年4月1日 优先权日:2012年4月5日
【发明者】太田健史 申请人:佳能株式会社