用于高速检查的倾斜型光干涉断层摄影成像

技术领域

本公开的一个方面涉及利用用于具有沿深度方向变化的反射和散射特性的移动对象的三维成像的，使用低相干光源的白色光干涉仪装置的光干涉断层摄影(OCT)系统。

特别地，本公开的一个方面涉及用于完整生成的OCT图像的衍射极限横向分辨率的，在对象处的所有光散射点同时聚焦在对象的倾斜的焦平面上的，没有大型可移动光学机械元件的OCT系统。

背景技术

光干涉断层摄影测量系统为了成像具有在空间上变化的散射和反射特性的对象的内部三维结构，利用了使用低相干光源的干涉仪装置。

发明内容

发明所要解决的问题

最好的三维OCT图像质量通过实施根据时域OCT原理(TD-OCT)的OCT原理而获得。这是通过不仅使参照镜机械移动而且同时使成像透镜和焦平面一起机械移动，从而使焦距和参照距离始终相同来实现的。在这些情况下，作为结果所获得的TD-OCT图像的横向分辨率始终具有由成像透镜的衍射极限给出的最终横向空间分辨率。遗憾的是，对此需要用于多个光学部件的传输的机械系统，从而使得作为结果所获得的系统具有由包括成像透镜的机械传输子系统的速度限制的扫描速度。因此，已知的TD-OCT系统不适用于例如应用于传送带的连续移动的对象的3D成像。

使用不需要机械扫描元件的OCT装置(例如，傅里叶域OCT原理(FD-OCT)或波长扫掠型OCT原理(SS-OCT))，能够更高速地获取OCT图像。这些方法允许在单一光谱分解测量中获取完整的3D散射图案。然而，这些OCT原理中的焦平面是固定的，并且因此，仅三维OCT图像的非常窄的层显示衍射极限分辨率。

因此，已知的OCT技术需要以下的妥协：选择例如TD-OCT的原理，以低速移动的机械扫描元件为代价实现三维OCT图像的优质和均匀的分辨率；或者，选择例如FD-OCT或SS-OCT的原理，以在大部分深度位置具有大幅度低于成像透镜的衍射极限的不均匀的横向光学分辨率的三维OCT图像为代价实现高速3D图像获取。

用于解决问题的技术方案

本公开的一个方面通过仅需要单一小型的高频相移元件(例如，振动微镜或光电子调制器)的用于横向移动的对象的高速光干涉断层摄影系统克服上述妥协。本公开利用了例如在传送带应用中的OCT系统下的检查对象的横向移动。本公开由低相干光源构成，其输出由适合的透镜转换为平面波。通过使用分束器，该平面波被同时用于照射检查对象的小体积部，并且利用合适的聚焦透镜被具有相移调制功能的小型参照镜反射。参考光束的相移以100Hz以上的高频产生，通常是几MHz，光路的总调制深度对应于所采用的低相干光的中心波长的至少一半，并且小于光的相干长度。成像透镜的系统在图像传感器的平面中创建对象的平面截面的图像。通过分束器，来自参照镜的平面波也入射到图像传感器的平面上，此处来自参照镜的平面波与从对象反射的聚焦光干涉。在图像传感器的每个像素中，时间调制的光被解调，并且检测到的振幅代表来自对象中的焦平面周围被照射的体积部的局部OCT信号。OCT系统的光轴相对于对象表面的法线成角度地倾斜，因此形成倾斜的OCT布置。对象的横向运动提供了对象的三维体积的完整扫描。

根据本公开的一个方面的光干涉断层摄影成像系统用于获取对象的内部和/或表面的图像，并且包括光源；透镜，用于将从光源发出的光转换为平面波；分束器，用于将平面波分成第一部分和第二部分；成像透镜，用于将平面波的第一部分聚焦到对象，将来自焦平面的对象光成像到图像传感器的平面，图像传感器包括一维或二维地布置的多个像素；以及参照光系统，包括准直透镜和参照镜单元，用于调节参照镜单元和分束器之间的光束路径，参考光系统将平面波的第二部分作为参照波通过分束器传播到图像传感器的平面，其中通过图像传感器检测到参照波和对象光的干涉光，并且其中光干涉断层摄影成像系统的光轴相对于对象的面法线成角度地倾斜，成像透镜和图像传感器沿该光轴布置。

光束路径的总调制深度可以为从光源发出的光的中心波长的一半以上，并且不超过从光源发出的光的相干长度，从而使在图像传感器的每个像素中检测到的干涉信号的平均振动振幅对应于关于对象中的折射率的局部不连续性的信息。

成像透镜可以使平面波的第一部分聚焦到沿传输方向移动的对象。光轴可以位于包括面法线和传输方向的平面内。

根据本公开的一个方面的光干涉断层摄影成像系统可以进一步包括布置在成像透镜和对象之间的补偿器。补偿器可以形成为楔形并且具有与对象的折射率实质上相等的折射率。

根据本公开的一个方面的成像获取方法是用于获取对象的内部和/或表面的图像并且包括：通过透镜，将从光源发出的光转换为平面波；通过分束器，将平面波分成第一部分和第二部分；通过成像透镜，使平面波的第一部分聚焦到对象，以及通过成像透镜，使来自焦平面的对象光成像到图像传感器的平面，图像传感器包括一维或二维地布置的多个像素，并且光轴相对于对象的面法线成角度地倾斜，成像透镜和图像传感器沿光轴布置；通过包括准直透镜和参照镜单元的参照光系统，调制参照镜单元和分束器之间的光束路径，以及通过参照光系统，使平面波的第二部分作为参照波通过分束器传播到图像传感器的平面；以及通过图像传感器，检测到参照波和对象光的干涉光。

附图说明

当考虑到以下的详细描述时，将会更好地理解本公开，除上述内容之外的目的将会变得明显。这种描述参考了附图。

图1示出根据本公开的倾斜型OCT系统的截面图。

图2示出图像传感器的像素中的典型的TD-OCT信号，TD-OCT信号由通过包络线调制的振动部分构成，其重心表明在对应的3D对象的位置的对象中的反射光学结构的存在。

图3示出根据本公开的倾斜型OCT系统的图像传感器的像素中的典型的信号。平均解调振幅对应于局部OCT信号。

图4示出横向移动的对象的截面图和图像传感器的像素投影到其上的倾斜的焦平面。在这些投影的像素中的每一个中，示出通过相移调制的振动OCT信号。振幅在折射率变化的对象中的光学界面处最大。

图5示出观测倾斜的焦平面的二维图像传感器的俯视图，在每个像素中示出由于相移调制的振动OCT信号。在该示例中，对象内部的折射率阶差的表面为围绕通过传输方向45定义的轴旋转的平面。在图4中没有示出该倾斜度。因此，对于对应于图5的底部的图像传感器像素的图4的前部的图像传感器像素来说，从折射率阶差面到对象的上表面的距离更小；并且对于对应于图5的顶部的图像传感器像素的图4的后部的图像传感器像素来说，从折射率阶差面到对象的上表面的距离更大。

具体实施方式

本公开的目的是提供一种OCT成像系统，能够以高速获取检查对象的三维OCT图像。

本公开的另一目的是提供一种高速OCT成像系统，在对象中的整个检查体积部内生成具有均匀的衍射极限分辨率的三维OCT图像。

本公开的又一目的是提供一种高速、高分辨率的OCT成像系统，能够在检查对象中的完整的采样体积部内获取OCT数据，从而能够在对象例如以卷对卷(roll-to-roll)的结构由在OCT成像系统下移动的长条状材料构成的传送带情况中采用OCT成像系统。

考虑上述目的，本公开通过图1所示的倾斜型OCT装置实现。光源1将低相干光以立体角2发射。低相干光可以具有1μm到100μm的相干长度。光学透镜3将该光转换为入射到分束器4上的平面波。分束器5将平面波分成反射部分(第一部分)和透过部分(第二部分)。平面波的透过部分通过透镜(准直透镜)5聚焦到参照镜(参照镜单元)7上的小点，提供调制光路长度的附加功能。参照镜将光以立体角6反射回去，并且光学透镜5重新创建平面参照波，通过分束器4将该参照波反射到一维或二维图像传感器15的方向。可以理解的是，透镜5和参照镜7构成参照光学系统，并且该参照光学系统通过分束器4将平面波的透过部分作为平面参照波传播到图像传感器的平面。

成像透镜8将来自光源1的低相干光的平面波的反射部分聚焦到检查对象10的小体积部。通过采用楔形的光学补偿器9能够减小成像像差(aberration)，其折射率应尽可能地接近检查对象10的块状体11的折射率。换言之，光学补偿器9具有实质上等于检查对象10的块状体11的平均折射率的折射率。

成像透镜8具有通过成像路径14将焦平面12成像到图像传感器15的平面上的第二功能。即，成像透镜8将来自焦平面12的对象光14成像到图像传感器15的平面。检查对象10的块状体11中的焦平面12上的所有对象点同时聚焦，并且在图像传感器15的平面中示出相同的光学相位。来自焦平面12的平面参照波13和聚焦对象光14在一维或二维的图像传感器15的平面中干涉，将所期望的OCT干涉信号创建到图像传感器15的每个像素中。通过图像传感器15检测参照波13和对象光14的干涉光。

还可以在没有光学补偿器9的情况下，实现根据本公开的OCT系统。在这种情况下，焦平面12将示出小于倾斜角α的倾斜度，并且因为成像条件不再是相对于光轴对称，所以成像透镜9的成像质量可能受损。

光轴16是倾斜的，从而使得OCT系统的光轴16位于由面法线和传输方向17形成的平面内。即，光轴16相对于面法线成角度α倾斜。成像透镜8和图像传感器15沿光轴16布置。相对于对象表面10的法线测量角度α。因此，如果楔形光学补偿器9示出相同的楔形角度α，焦平面12也倾斜相同的角度α。因此，通过关系式H＝L×tan(α)，对象中的焦平面12的倾斜度使得产生长度L上的采样高度H。例如，考虑适度的角度α＝200和长度L＝1000μm。这使得高度H为364μm。倾斜角度α必须大于0，从而使得H大于0。

在采用光学补偿器9的情况下，角度必须小于临界角α

为了确保图像传感器15的像素中的OCT干涉信号来源于焦平面12中的散射点，从焦平面12到分束器4的中心的光路对应于从参照镜7到分束器4的中心的光路是必要的。为了在一维或二维图像传感器平面15生成一个周期的TD-OCT干涉信号，只要将从参照镜7反射的光的光路差改变与来自光源1的低相干光的中心波长λ对应的量即可。因此，如果调制光路长度的参照镜7的表面以λ/4的振幅M振动，在图像传感器15的平面中生成周期性的时间干涉信号，该周期性的时间干涉信号包含与局部OCT信号振幅相关的所寻求的信息。

还可以提供参照镜7的表面的更大振幅M，产生λ/2的倍数的光路差。其结果，如以下所解释的，在每个像素中将通过多个周期的TD-OCT信号。因为典型的TD-OCT信号具有与通过光源1发射低相干光的光相干长度OCL相关的宽度的包络线，最大光路差必须小于该光相干长度。因此，参照镜的偏移振幅M应该满足以下不等式：λ/4≤M

参照镜7应当调制光路长度的频率由检查对象11的横移速度17来决定。在从焦平面12的一个位置获取OCT信号时，该焦平面不应该移动超过对应于图像传感器15的像素间隔的一半的距离。对于非常慢的移动对象11，大约100Hz的调制频率可以是足够的。对于快速移动的对象11(例如，横移速度1m/s)，可以需要超过1MHz的调制频率。因此，路径长度调制参照镜7可以设得较小，从而能够实现这种高频率。

能够调制光路差的光学装置是具有镜面反射面的振荡石英。用于电子设备的用作稳定的时间基准的石英水晶能够在数十MHz的频率下工作。因为在图像传感器15的像素中需要穿过TD-OCT信号的全周期的最小镜振幅M仅为λ/4，所以这种高振动频率实际上能够维持。例如，如果采用来自光源1的低相干光的中心波长λ＝800nm，振动参照镜7的振动振幅M能够小到200nm。

能够调制光路差的第二光学装置是小型的固定镜的前方的电子光学调制器。即，参照镜单元可以包括固定镜和固定镜前方的电子光学调制器。提供数GHz的调制频率的相位调制电子光学调制器是市售的。

如果由于空气阻力，小型参照镜7的高频机械振动不能达到所需的振幅M，能够将小型参照镜7放置在具有面对准直透镜5的窗口的真空容器中。

使用根据本公开的倾斜型OCT系统获取OCT信号的策略在图2和图3中示出。如果z表示相位移动镜7的总光路长度，在图像传感器15的像素中观测的TD-OCT干涉信号的振幅A(z)具有如图2所示的形状：在λ是来自光源1的低相干光的中心频率的情况下，振幅A(z)是以由光路差测量的λ为周期的振动20构成。该振动以围绕偏置22的包络线21调制。包络线21的宽度与来自光源1的低相干光的相干长度相关。在现有的TD-OCT系统中，z的范围包含观测对象中的对象的完整的深度。在根据本公开的倾斜型OCT系统中，为了在对象11的块状体中采样完整的OCT信号，以与焦平面12的非0角度组合的方式采用横向移动17。因此，对于焦平面12的一个位置，探测局部振幅A(z0)是足够的。这是通过以至少为λ/2的总路径长度差2M，即，OCT振动信号20的完整周期，振动小型参照镜7来实现的。这对应于在位置z0处宽度Δz的窄窗口23中对OCT信号20进行采样。如果参照镜7振动，TD-OCT信号被反复穿过，获得图3所示的OCT振幅信号A(t)，其中，假定参照镜7的总偏移2M是数个λ，并且参照镜7的振动具有锯齿形状。

在图像传感器15的每个像素中，观测如图3所示的时间OCT信号30。在每个像素中，必须处理OCT信号30，从而获取偏置值31和平均信号振幅32。

完成该参数提取的第一方法由同步信号检测和解调技术构成，需要调制OCT信号30的时间频率的准确的知识，并且该频率通过相移参照镜7的调制频率确定。在OCT信号的每个周期中，获取信号样本的数量n≥3，并且对同一OCT信号的整个周期进行平均。从这些样本值中，能够根据已知的计算方法确定三个参数(相位、偏置和调制幅度)。

第二方法由检测偏置值31，从OCT信号30中减去偏置值31，整流所产生的纯AC信号，以及确定平均振幅32构成。减去偏置值31还能够通过每个像素的光传感器信号的AC耦合完成，从而去除每个像素中对OCT信号的所有DC贡献(即，偏置值)。

另一方法由使用用于确定观测时间内的OCT信号的最大值和最小值的已知的电子电路构成。最大值和最小值之差是所寻求的OCT调制振幅的测量基准。

因为在一维或二维图像传感器15的每个像素中能够独立地处理OCT信号，所以根据本公开的方法不需要来自不同像素的信号的组合，这样的组合会受到固定模式噪声、像素响应中的空间变化偏置值或像素响应中的空间变化灵敏度的不利影响。

检查对象11的横向移动17使得能够在对象的块状体中的所有位置(x，y，z)处收集OCT信号振幅A(x，y，z)。假定图像传感器15对焦平面12的距离D进行成像，通过已知的角度α可以计算出采样体积部的高度H＝D×sin(α)。采样体积部的横向尺寸由投影到焦平面12的图像传感器15的边给出。通过对象11的横向移动17，能够对来自采样高度H内的所有高度位置的OCT信号进行连续采样。

在图4中，解释从单独的像素提取的OCT解调信号，和这些信号的对象的块状体内的折射率的变化之间的关系。为了说明，假定对象仅由两个均匀的部分透明的部分构成：具有折射率n

因此，对于焦平面43的每个横向位置，基于解调的像素信号的振幅，能够确定焦平面43中的折射率阶差Δn(x，y，z)的局部分布。因为对象沿传输方向45横向移动，所以采用固定焦平面43，用于来自对象中的测量体积部的OCT信号的局部采样，该对象中的测量体积部通过图1所示的焦平面的高度H，以及通过图像传感器的宽度和成像透镜8的倍数确定的焦平面的宽度W来确定。

因为在一些情况下，不能确保对象表面44是平面，所以能够选择成像几何，从而使得焦平面43与对象表面44交叉。因此，在对象表面44处的折射率不连续性在传感器平面中总是可视的，对象的块状体中的折射率的分布能够与对象表面44相关。

为了明确图像获取过程，图5示出图像传感器平面中的OCT信号的示例分布。假定如图4所示焦平面是倾斜的，能够推断图像传感器的上方的线示出比下方的线离对象表面更远的折射率的不连续性。显然，如果这些不连续性阶差之间的距离比采用的低相干光的相干长度更大，能够在图像传感器的每一条线中检测到的超过一个折射率不连续性。如图4所示，对象的横向传输51允许图像传感器连续检测来自对象的各个深度的OCT信号。

能够如下描述本公开的特征：

【特征1】

一种在不具备任何大型的可移动光学机械部件，用于在传送带用途中连续检测横向移动的对象的光干涉断层摄影成像系统，包括：

具有用于生成平面波的透镜的低相干光源、分束器、将来自焦平面的光成像到图像传感器的平面的成像透镜、以及由准直透镜和能够调制光学光束路径的参照镜构成的参照光束路径，

其特征在于，光路的总调制深度对应于采用的低相干光的中心波长的至少一半，并且最多对应于该光的相干长度，从而使得图像传感器的每个像素中的OCT光信号的平均振动振幅对应于关于对象的检测体积部中的折射率的局部不连续性的信息；并且

OCT系统的光轴相对于面法线成角度倾斜，从而使得OCT系统的光轴位于面法线和传输方向的平面内。由于对象的横向传输，焦平面通过对象全体横向移动，因此，能够将对象的折射率的局部不连续性完全图像化。

【特征2】

一种在不具备任何大型的可移动光学机械部件的光干涉断层摄影成像系统，由利用合适的透镜转换为平面波的低相干光源构成。通过使用分束器，该平面波被同时用于照射检查对象的小体积部，并且利用合适的聚焦透镜被具有相移调制功能的小型参照镜反射。参照光束的相移以超过100Hz的高频率发生，光路的总调制深度对应于采用的光的中心波长的至少一半并且小于光的相干长度。成像透镜系统将对象的平面截面的图像创建到图像传感器的平面中。通过分束器，来自参照镜的平面波还入射到图像传感器平面上，其中，来自参照镜的平面波与从对象反射的聚焦光干涉。在图像传感器的每个像素中，解调时间调制光，并且检测到的振幅代表来自对象中的焦平面周围的照射体积部的局部OCT信号。OCT系统的光轴，相对于沿对象传输的方向的对象表面的法线成角度倾斜，从而形成倾斜型OCT装置。例如在传送带应用中，对象的横向移动能够提供对象的三维体积部的完全扫描。