利用波长梳照明的谱域光学成像的制作方法

本发明涉及用于谱域光学成像的设备和方法，具体地用于使用波长梳照明对人眼的视网膜、角膜或其他结构进行3-d谱域成像的设备和方法。然而，应当理解，本发明并不局限于该具体领域的使用。相关申请本技术要求于2021年8月4日提交的澳大利亚临时专利申请号2021902411的优先权，其内容通过引用并入本文。

背景技术：

1、贯穿本说明书对现有技术的讨论不得以任何方式被视为对这样的现有技术在世界上任何地方已广为人知或形成本领域的公知常识的一部分的认可。

2、光学相干断层扫描(oct)是一种广泛使用的干涉测量技术，用于使用包含在从样本反射或散射的光的振幅和相位中的信息来通过横向和深度分辨率研究包括诸如人眼的体内组织的生物样本。大多数当前的oct系统利用谱域技术，其中深度信息被编码在干涉信号的频谱响应中，其可以被记录为波长的时变函数(扫描源oct)，或者通过色散干涉信号并沿着探测器阵列同时检测不同波长(基于光谱仪的oct)。

3、许多oct系统获取离散点处的深度分辨数据，即a扫描，并使用一个或两个横向维度中的光束扫描来生成b扫描(一个横向维度中的深度分辨数据)或c扫描(两个横向维度中的深度分辨数据)。无论扫描类型如何，通常需要快速获取，尤其用于减少体内样本的运动导致的伪影(artefact)。所谓的基于“快照”光谱仪的oct方法对于减少运动导致的伪影特别有利，在该oct方法中，将来自对象的切片或体积的深度分辨数据获取在传感器阵列的单个帧中。这与依赖于扫描波长并捕获对应于波长中的每一个的多个帧的扫描源oct方法形成对比，扫描源oct方法在获取期间对对象的亚微米级偏移高度敏感。在名称为‘line-field holoscopy’的公开的美国专利申请号2014/0028974a1中公开了一种单拍b扫描技术，其中柱面透镜在对象上和参考反射镜上产生线照明，接下来是组合的返回样本和参考光束沿着二维(2-d)传感器阵列的一个轴线的色散。有利地，该技术的全息性质(其中传感器阵列被成像到对象的远场)允许数字重聚焦和像差校正以及一定程度的共焦抑制。然而，对于全3-d(c-扫描)成像，需要在正交方向上扫描照明线并且反复读出2-d传感器阵列，并且对于体内样本，通常难以保持连续b扫描之间的相位稳定性。因此，可实现的分辨率和焦深往往是高度各向异性的。

4、如在名称为‘high resolution 3-d spectral domain optical imagingapparatus and method’的公开的美国专利申请号2016/0345820a1中所公开的，如果照明对象的2-d区域，并且例如利用2-d小透镜阵列，在两个横向维度中对组合的返回样本和参考波前进行采样，并且将产生的采样点色散到2-d传感器阵列的单独像素组上，则能够实现单拍c-扫描获取。然后可以将数字重聚焦应用于断层图像。为了对更大的体积进行成像，可以通过在一个维度或两个维度中相对于照明区域移动对象来获取多个相邻或重叠体积的断层图像，然后以总体获取速度将其缝合在一起，总体获取速度受2-d传感器阵列的帧速率的限制。横向分辨率很大程度上取决于物镜的na，并且可以例如为约3μm。该技术的局限性在于，由于可商购的2-d小透镜阵列所提供的采样点的数量有限，所以对象上的照明区域需要相对较小，100μm×100μm的数量级，以减少多次散射的影响。

5、在名称为‘apparatus and method for spectral domain optical imaging’的公开的pct专利申请号wo 2021/151164 a1中公开了用于从比us 2016/0345820a1的对称采样方法能够实现的明显更大体积的对象进行单拍c扫描获取的技术。在此方法中，在投影到2-d传感器阵列上，具有细长横向横截面面积的对象体积被照明，并且散射或反射光被捕获并各向异性地变换，与参考光束组合并在一个维度中采样(例如，利用柱面小透镜阵列)，以用于获取相位和振幅信息并生成对象的照明体积的3-d图像。照明的横截面面积可以是几十微米乘以几毫米的数量级，例如50μm×3mm，并且在形状上可以是基本上矩形或椭圆形，或者具有明显大于较短尺寸的较长尺寸的任何其他细长形状。尽管照明体积的高度横向细长性质，但分辨率可以是基本上各向同性的，在两个横向轴线上应用数字重聚焦，使得可以通过移动细长的照明区域以高分辨率构建更大体积的对象，优选地基本垂直于其长轴线并且具有一些重叠以用于所获取数据的共同配准。在单个帧中访问更大区域的能力减少了对对象的给定整体区域进行成像所需的帧数，从而减少了总获取时间。此外，对于高度细长的照明区域，可能只需要在一个维度而不是两个维度中扫描照明，从而简化了设备和单独的快照图像的配准。

6、wo 2021/151164 a1中公开的技术允许使用具有广泛程度的空间相干性的各种宽带光源，从单一空间模式源(诸如基于光纤的超连续谱源或超辐射发光二极管(sled))到部分空间非相干源(诸如sled或led的线性阵列)以及甚至是完全空间非相干源(诸如激光驱动的等离子体、荧光或磷光源)，可选地具有空间滤波，以调谐入射在对象上光的空间相干性的程度。使用低空间相干源对体内眼部检查的安全性通常是有利的，因为发射的光无法聚焦到视网膜上的小的高强度点。此外，通过选择或控制照明的空间相干性，可以抑制多重散射光，同时为像差校正和数字聚焦提供足够的信号相干性。

7、在基本方面，wo 2021/151164 a1中公开的1-d采样方法以速度换取成像深度，成像深度通过频谱带宽和可分辨波长的数量确定，从而允许在给定的2-d传感器阵列的给定获取时间内具有更大的面积度量或分辨率。通过使来自光源的光通过标准具以增加其相干长度，可以抵消与有限的波长组相关联的成像深度的这种减小，但这是对光源的浪费。例如，使光以100的精细度通过标准具将导致20db的功率损失，从而降低具有有限输出功率的光源的可用信噪比。

8、oct技术的许多重要应用都与眼部成像有关，并且特别是与宽视场之上的眼底成像有关，由于扫描系统的有限的获取速度以及其有限的配准扫描的能力，这已被证明是一个特别的挑战。这在oct-a(血管造影)应用中尤其明显，在oct-a应用中，oct信号的时间变化被用作血流的指标。oct-a系统需要在视网膜上的每个所需位置处以几毫秒的典型时间间隔执行重复测量。这通常意味着，当覆盖视网膜的非常宽的视场(例如＞75度)时，获取缓慢且不舒服，通常具有受损的空间分辨率，并且需要极其苛刻的扫描配准，以确保眼睛的整体运动不会被误解为流动。因此，宽视场oct-a图像容易出现运动伪影，通常以配准条纹的形式出现。

9、除非上下文另有明确要求，否则，贯穿说明书和权利要求书，与排他或穷尽含义相反，词语‘包括(comprising)’、‘包括(comprises)’等应当被理解为包含含义。也就是说，其应当被理解为‘包括但不限于’的含义。类似地，除非上下文另有明确要求，词语‘或(or)’应当被理解为包含含义，而不是穷尽含义。也就是说，表达‘a或b’应当被理解为表示‘a、或b、或a和b两者’。

10、发明目的

11、本发明的目标是克服或改进现有技术的至少一个局限性，或提供有用的替代方案。本发明的一个目的是以优选的形式提供用于利用扩展成像深度或更有效地利用光功率进行对象的3-d图像的单拍获取的谱域oct设备和方法。

技术实现思路

1、根据本发明的第一方面，提供了一种光学成像设备，包括：

2、照明系统，包括多波长光源和波长梳发生器，用于利用扩展照明场照明对象的连续的体积，扩展照明场包括从跨越光源的带宽选择的波长的多个线性位移的梳，该体积在三个空间维度中成像；

3、一个或多个分束器，用于将扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并用于将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合；以及

4、测量系统，包括空间采样元件和二维传感器阵列，用于同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息，其中，该测量系统被配置用于以第一维度对所反射的光或所散射的光进行远场采样。

5、在某些实施方式中，空间采样元件和二维传感器阵列被配置用于以第一维度对所反射的光或所散射的光进行远场采样，并且用于以第二维度对所反射的光或所散射的光进行近场采样。在某些实施方式中，空间采样元件和二维传感器阵列被配置用于以第一维度对所反射的光或所散射的光进行稀疏采样，并且用于以第二维度对所反射的光或所散射的光进行密集采样。在优选的实施方式中，空间采样元件和二维传感器阵列被配置用于在傅立叶平面处或傅立叶平面附近以第一维度对所反射的光或所散射的光进行远场稀疏采样，并且用于在图像平面处或图像平面附近以第二维度对所反射的光或所散射的光进行近场密集采样。第一维度优选地与扩展照明场的短轴线相对应。

6、在优选的实施方式中，照明系统被配置为使得扩展照明场跨越扩展照明场的短轴线是基本上空间相干的。优选地，照明系统被配置为使得扩展照明场在扩展照明场的长轴线上的空间相干长度小于扩展照明场在其长轴线上的长度。

7、在某些实施方式中，该设备还包括扫描元件，用于将时间调制的角度分量施加在扩展照明场上。

8、优选地，该设备还包括计算机，用于处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示。

9、根据本发明的第二方面，提供了一种光学成像方法，包括以下步骤：

10、利用扩展照明场照明对象的连续的体积，该扩展照明场包括从跨越多波长光源的带宽选择的波长的多个线性位移的梳；

11、将扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合；以及

12、利用包括空间采样元件和二维传感器阵列的测量系统同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息，其中，以第一维度在远场中对所反射的光或所散射的光进行采样。

13、在某些实施方式中，以第二维度在近场中对所反射的光或所散射的光进行采样。在某些实施方式中，以第一维度对所反射的光或所散射的光进行稀疏采样，并以第二维度对其进行密集采样。在优选的实施方式中，在傅立叶平面处或傅立叶平面附近以第一维度在远场中对所反射的光或所散射的光进行稀疏采样，并且在图像平面处或图像平面附近以第二维度在近场中对所反射的光或所散射的光进行密集采样。第一维度优选地与扩展照明场的短轴线相对应。

14、在优选的实施方式中，扩展照明场跨越扩展照明场的短轴线是基本上空间相干的。优选地，扩展照明场在扩展照明场的长轴线上的空间相干长度小于扩展照明场在其长轴线上的长度。

15、在某些实施方式中，该方法还包括将时间调制的角度分量施加在扩展照明场上的步骤。优选地，该方法还包括处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示的步骤。

16、根据本发明的第三方面，提供了一种光学成像设备，包括：

17、照明系统，包括多波长光源和波长梳发生器，用于利用扩展照明场照明对象的连续的体积，扩展照明场包括从跨越光源的带宽选择的波长的多个线性位移的梳，该体积在三个空间维度中成像；

18、一个或多个分束器，用于将扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并用于将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合；以及

19、测量系统，包括空间采样元件和二维传感器阵列，用于同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息，其中，该照明系统被配置为使得扩展照明场跨越其短轴线具有空间相干性，并且测量系统被配置为使得对象的照明体积的短轴线被稀疏采样并跨越传感器阵列而投影，从而在照明体积的短轴线上提供空间分辨率。

20、优选地，测量系统被配置为使得照明体积的短轴线在远场中被稀疏采样。

21、照明系统优选地被配置为使得扩展照明场在扩展照明场的长轴线上的空间相干长度小于扩展照明场在其长轴线上的长度。

22、在某些实施方式中，该设备还包括扫描元件，用于将时间调制的角度分量施加在扩展照明场上。

23、优选地，该设备还包括计算机，用于处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示。

24、根据本发明的第四方面，提供了一种光学成像方法，包括以下步骤：

25、利用扩展照明场照明对象的连续的体积，该扩展照明场包括从跨越多波长光源的带宽选择的波长的多个线性位移的梳；

26、将扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合；以及

27、利用包括空间采样元件和二维传感器阵列的测量系统同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息，其中，扩展照明场跨越其短轴线具有空间相干性，并且对象的照明体积的短轴线被稀疏采样并跨越传感器阵列而投影，从而在照明体积的短轴线上提供空间分辨率。

28、优选地，照明体积的短轴线在远场中被稀疏采样。

29、在优选的实施方式中，扩展照明场在扩展照明场的长轴线上的空间相干长度小于扩展照明场在其长轴线上的长度。

30、在某些实施方式中，该方法还包括将时间调制的角度分量施加在扩展照明场上的步骤。

31、优选地，该方法还包括处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示的步骤。

32、根据本发明的第五方面，提供了一种光学成像设备，包括：

33、照明系统，包括空间非相干多波长光源、空间采样元件和波长梳发生器，用于利用包括多个扩展照明场的光谱结构化扩展照明场照明对象的连续的体积，每个扩展照明场包括从跨越光源的带宽选择的预定数量的波长分量的多个线性位移的梳，该体积将在三个空间维度中成像；

34、一个或多个分束器，用于将光谱结构化扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并用于将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合以形成二维干涉图案；以及

35、测量系统，包括色散元件和二维传感器阵列，其中，色散元件被配置为根据波长的梳中的预定数量的波长分量将二维干涉图案分离到传感器阵列的多个离散位置上。

36、测量系统优选地被配置用于同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息。

37、优选地，该设备还包括计算机，用于处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示。

38、根据本发明的第六方面，提供了一种光学成像方法，包括以下步骤：

39、利用包括多个扩展照明场的光谱结构化扩展照明场照明对象的连续的体积，每个扩展照明场包括从跨越空间非相干多波长光源的带宽选择的预定数量的波长分量的多个线性位移的梳；

40、将扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合以形成二维干涉图案；以及

41、根据波长的梳中的预定数量的波长分量将二维干涉图案分离到二维传感器阵列的多个离散位置上。

42、优选地，该方法还包括同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息的步骤。

43、优选地，该方法还包括处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示的步骤。

44、根据本发明的第七方面，提供了一种光学成像设备，包括：

45、照明系统，包括空间非相干多波长光源和波长梳发生器，用于利用扩展照明场照明对象的连续的体积，扩展照明场包括从跨越光源的带宽选择的预定数量的波长分量的多个线性位移的梳，该体积将在三个空间维度中成像；

46、一个或多个分束器，用于将扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并用于将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合以形成二维干涉图案；以及

47、测量系统，包括色散元件和二维传感器阵列，其中，色散元件被配置为根据波长的梳中的预定数量的波长分量将二维干涉图案分离到传感器阵列的多个离散位置上。

48、测量系统优选地被配置用于同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息。

49、优选地，该设备还包括计算机，用于处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示。

50、根据本发明的第八方面，提供了一种光学成像方法，包括以下步骤：

51、利用扩展照明场照明对象的连续的体积，扩展照明场包括从跨越空间非相干多波长光源的带宽选择的预定数量的波长分量的多个线性位移的梳；

52、将扩展照明场中的光分为参考光束和样本光束，并将参考光束与来自从对象的照明体积反射或散射的样本光束的光进行组合以形成二维干涉图案；以及

53、根据波长的梳中的预定数量的波长分量将二维干涉图案分离到二维传感器阵列的多个离散位置上。

54、优选地，该方法还包括同时捕获所反射的光或所散射的光在波长的线性位移的多个梳中的波长范围内的相位和振幅信息的步骤。

55、优选地，该方法还包括处理相位和振幅信息以构建对象的照明体积的三维表示的步骤。

56、根据本发明的第九方面，提供了一种制造的物品，包括计算机可用介质，该计算机可用介质具有计算机可读程序代码，该计算机可读程序代码被配置为操作根据第一、第三、第五或第七方面的设备，或者实现根据第二、第四、第六或第八方面的方法。