專利名稱：用于具有可提高分辨率和景深的軸線焦點的oct成像的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用光學(xué)相干X線體層照相術(shù)用于成像組織樣本，并結(jié)合光學(xué)元件來改善橫向分辨率和焦深的裝置。
目前，光學(xué)相干X線體層照相術(shù)(OCT)的使用只限于顯現(xiàn)生物組織內(nèi)部的體系形態(tài)結(jié)構(gòu)。具有OCT的亞細(xì)胞特征的圖像沒有被很好的論證，因為相對差的橫向分辨率需要保持焦深。執(zhí)行高橫向分辨率、大的景深截面OCT圖像的能力將允許應(yīng)用于上皮癌的較早診斷，以及其他需要亞細(xì)胞級分辨率的生物醫(yī)學(xué)成像診斷。
到今天，還沒有已知的光學(xué)相干X線體層照相術(shù)結(jié)構(gòu)能在大的景深上執(zhí)行高橫向分辨率成像。人們將期待有一種簡單的設(shè)備來執(zhí)行高橫向分辨率，大景深光學(xué)相干X線體層照相術(shù)。另外，由于允許通過單個光纖傳送光，該設(shè)備也能容易的結(jié)合到導(dǎo)管或內(nèi)診鏡中。這些特性將使得該設(shè)備能制造用于執(zhí)行光學(xué)相干X線體層照相術(shù)的應(yīng)用，該應(yīng)用需要在生物系統(tǒng)內(nèi)的遠(yuǎn)地的亞細(xì)胞分辨率成像。
附圖概述本發(fā)明如附圖中所示，其中相同的參考符號指定所有附圖中相同或相似的部分；

圖1描述了使用折射旋轉(zhuǎn)三棱鏡聚焦。并行光束，從左入射，在具有窄的寬度和大的深度的軸線上聚焦。
圖2描述了在樣本支架中具有旋轉(zhuǎn)三棱鏡光學(xué)部件的OCT系統(tǒng)視圖。
圖3描述了在軸向位置和照明環(huán)之間的關(guān)系的示意圖。
圖4A是圖像形成的示意圖。
圖4B是在Y軸方向中整個光學(xué)系統(tǒng)的變換示意圖。
圖4C是整個光學(xué)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)示意圖。
圖4D是在X-Y平面內(nèi)軸線焦點的角偏轉(zhuǎn)示意圖。
圖5是用于在高景深下執(zhí)行高橫向分辨率測距的系統(tǒng)示意圖。
圖6是偏移光纖陣列的示意圖。
圖7是光纖陣列、微透鏡陣列和衍射光柵的示意圖。
圖8是變跡光瞳平面濾波器的實施例示意圖。
圖9是使用在成像透鏡前面的變跡器的示意圖。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述定義“旋轉(zhuǎn)三棱鏡”應(yīng)當(dāng)指能夠產(chǎn)生軸線焦點的任何光學(xué)元件(或其組合)。折射、衍射，和反射旋轉(zhuǎn)三棱鏡已經(jīng)被演示，見J.H.McLeod，J.Opt.Soc.Am44，592(1954)；J.H.McLeod，J.Opt.Soc.Am50，166(1960)；和J.Opt.Soc.Am48，576(1958)。
“焦深“應(yīng)當(dāng)指縱向距離，在該距離上光束直徑增加系數(shù)ζ(典型的ζ＝sqrt(2)或2)。對于高斯光束，該sqt(2)焦深是2zR=2π(d2)2λ]]>對于d＝5μm的典型高斯光點直徑(1/e2直徑)，以及830nm的波長，該焦深大約是48μm。用于均勻光束的焦深(3dB半幅值全寬強度響應(yīng)移動通過縱向平面的平面反射器)可定義為zM≈.9λNA2]]>對于NA＝0.2，其產(chǎn)生5μm的光點直徑，在830nm時用于均勻光束的焦深大約是17μm。
“縱向”應(yīng)當(dāng)指實質(zhì)上平行于光軸。
“縱向分辨率”應(yīng)當(dāng)指兩個點可以分開的縱向上的最大距離Δz，并且仍然能被光學(xué)檢測裝置區(qū)分開。
“光點直徑”應(yīng)當(dāng)指聚焦光點的橫向直徑。對于高斯光束，該光點直徑被定義為光點的橫向?qū)挾?，該焦點的亮度減去系數(shù)1/e2。對于平行高斯光束，該光點直徑被定義為
d=4λfπD]]>其中D是透鏡中的光束直徑，f是透鏡的焦點長度，以及λ是波長。對于平頂或均勻光束，該光點半徑被定義為Airy磁盤的第一零點的橫向長度，w=1.22λNA,]]>其中NA=nsin(tan-1(D2f)),]]>并且n是浸沒媒質(zhì)的折射指數(shù)。
“橫向”應(yīng)當(dāng)指實質(zhì)上垂直于光軸。
“橫向分辨率”應(yīng)當(dāng)指兩個點可以分開的橫向上的最小距離Δr，并且仍然能被光學(xué)檢測裝置區(qū)別開。一種普遍使用的橫向分辨率大約是Δr＝d(用于高斯光束)或Δr＝W(用于均勻光束)。
基本原理產(chǎn)生具有窄的橫向光束直徑和大的長度(或焦深)的軸線焦點。結(jié)合OCT使用，該線狀焦點的直徑確定橫向分辨率并且該長度確定景深。在標(biāo)準(zhǔn)OCT中，利用麥爾遜干涉儀來執(zhí)行來自沿著軸向焦點的點上的光背射的檢測。當(dāng)光源具有有限的光譜寬度時，該結(jié)構(gòu)可用于確定背射點的軸向位置。通過光源的相干長度來確定該軸向分辨率。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白存在各種公知設(shè)備用于產(chǎn)生線焦點。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對于此，旋轉(zhuǎn)三棱鏡(折射、透射，或衍射光學(xué)元件(“DOE”))是一種可接受模型，并該方法將用于本發(fā)明來論證使用具有軸線較點的OCT來實現(xiàn)在大景深上的高分辨率成像。應(yīng)當(dāng)理解，該方法是示意性的并且不打算作為排除的模型。其他公知模型包括，但不限于，多焦點透鏡，諸如Rayleigh-Wood透鏡(OpticalProcesing and Computing，H.H Arsenault，T.Szoplik，andB.Macukow eds.，Academic Press Inc.，San Diego，CA，1989)，使用色差以產(chǎn)生沿著縱向軸的依靠聚焦的波長陣列，等等。
分辨率下面的部分討論了如圖1所示的使用折射的典型旋轉(zhuǎn)三棱鏡的物理原理。通過折射旋轉(zhuǎn)三棱鏡傳輸?shù)墓獾膹姸确植?見R.Arioto，C.Saloma，T.Tanaka，and S.Kawata，APPL.Opt.31，6653(1992))由公式(1)給出I(r,z)=2π2E2λRSin(β)Cos2(β)J02(2πrSin(β)λ),---(1)]]>其中E2(R)是入射在旋轉(zhuǎn)三棱鏡上的光的強度，并作為半徑R，λ的函數(shù)，該半徑是光的波長，并且β是通過旋轉(zhuǎn)三棱鏡的光的半角。與β有關(guān)的錐角α和焦深zD由公式(2a)和(2b)表示nSin(α)＝Sin(α+β)，(2a)zD＝R(Cot(β)-Tan(α))，(2b)其中n是旋轉(zhuǎn)三棱鏡的折射系數(shù)。上述等式可用以確定軸線焦點的直徑。對于平面波照明，該焦點直徑由公式(3)給出d0=0.766λβ---(3)]]>
在折射或衍射旋轉(zhuǎn)三棱鏡的情況下，等式(1)被修改，但在所有情況中，軸向焦點的直徑確定成像系統(tǒng)的橫向分辨率。本發(fā)明的主題是通過變化標(biāo)準(zhǔn)聚焦幾何學(xué)來改善當(dāng)前OCT系統(tǒng)典型的較差橫向分辨率，在該幾何學(xué)中焦點量(功率分布)被限制在橫向和軸向尺寸中，該焦量中的一個只限制在橫向上。
通過組合具有OCT的旋轉(zhuǎn)三棱鏡的高的橫向局部(和弱的軸向局部)，可以實現(xiàn)在大的視野之上提供高的三維局部的成像系統(tǒng)。通過光源的相干長度可獨自確定關(guān)于該圖像技術(shù)的軸向分辨率(OE.S.Swanson，D.Huang，M.R.Hee，J.G.Fujimoto，C.P.Lin，和C.A.Puliafito，Opt.Lett.17，151(1992))并通過公式(4)給出Δz=2Ln(2)πλ2Δλ,---(4)]]>其中Δλ是光源的光譜寬度(半幅值全寬(“FWHM”))。
在優(yōu)選實施例中，光學(xué)元件具有在大約0.5μm到10μm，尤其是小于或等于5μm范圍內(nèi)被定義為Δr＝d0的橫向分辨率。該光學(xué)元件最好在至少大約50μm具有Δz＝zD。
成像圖4A描述了本發(fā)明一個實施例的完整OCT/旋轉(zhuǎn)三棱鏡系統(tǒng)。除了旋轉(zhuǎn)三棱鏡探針，所有部件對于OCT是標(biāo)準(zhǔn)部件。使用OCT來確定背射，提供了空間光柵掃描，該背射作為沿著軸線焦點的距離的函數(shù)。這典型的通過掃描干涉儀基準(zhǔn)臂的長度來實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)三棱鏡具有這樣的屬性，即每個焦點的軸向位置對應(yīng)三棱鏡入射孔上唯一的環(huán)(見圖3)。這種關(guān)系將允許通過掃描三棱鏡孔上的照明環(huán)來代替掃描基準(zhǔn)臂長度。
不管如何掃描軸向尺寸，為獲得圖像，必須執(zhí)行對其他軸的掃描。通常以緩慢速率執(zhí)行第二掃描尺寸。實現(xiàn)副軸慢掃描的方法包括在y方向上移動光學(xué)樣品支架，包括光纖、準(zhǔn)直透鏡和旋轉(zhuǎn)三棱鏡(見圖4B)，繞著光纖軸旋轉(zhuǎn)整個探針(見圖4C)，或在x-y平面上有角度的偏轉(zhuǎn)線焦點(見圖4D)。見，(G，J.Tearney，S.A.Boppart，B.E.Bouma，M.E.Brezinski，Opt.Lett.22，1618(1997))。通過使用壓電轉(zhuǎn)換器或機械或氣動傳動器，沿著y或z軸的線性移動以及旋轉(zhuǎn)很容易在小型探針中實現(xiàn)。
圖5是用于執(zhí)行具有高景深的高橫向分辨率測距的替代裝置的示意圖。該系統(tǒng)包括光源、光束重定向元件、檢測器、和光學(xué)元件。該光學(xué)元件提供線焦點和樣品上的焦斑陣列。
圖6顯示了偏移光纖陣列，該光纖陣列通過物鏡被鏡子定向，并用于取代樣品上的縱向和橫向尺寸中的焦(成像)斑。掃描該斑點(通過水平線和箭頭指示該掃描方向)以產(chǎn)生多維圖像。
圖7示意了用于取代樣品上的縱向和橫向尺寸中的焦(成像)斑的光纖陣列、微透鏡陣列和衍射光柵(鏡子陣列)的示意圖。來自光源(未示出)的光通過陣列中的光纖，并通過微透鏡陣列到衍射光柵。通過光柵將光引導(dǎo)通過物鏡并聚焦在樣品上。掃描該斑點(由水平線和箭頭指示該掃描方向)以產(chǎn)生多維圖像。
一種用于在大的焦深上提供高橫向分辨率的替換裝置是在成像透鏡的背面使用濾波器。該技術(shù)，通常稱為變跡法，允許在旋轉(zhuǎn)三棱鏡中產(chǎn)生線焦點或產(chǎn)生沿著縱向尺寸定位的許多焦斑。使用環(huán)形變跡法形成射束焦點，先前已經(jīng)描述在文獻(xiàn)中(M，.MARTINEZ-Corral，P.Andres，J.Ojeda-Castaneda，G.Saavedra，Opt.Comm.119，491(1955))。然而，使用變跡法以產(chǎn)生在大的焦距上的高橫向分辨率，其中以前沒有描述由OCT進(jìn)一步分析縱向數(shù)據(jù)。
圖8顯示了變跡光瞳平面濾波器的實施例。
圖9顯示了在成像透鏡前面使用變跡器，其輸出被聚焦在軸線上的示意圖。
成像方法本發(fā)明也提供一種獲得樣品的高分辨率和高焦深的方法，包括a.提供光源；b.通過光引導(dǎo)裝置將來自所述光源的光通過光學(xué)元件引導(dǎo)到樣品上，該光學(xué)元件具有小于約5μm的橫向分辨率和大于50μm的焦深；c.接收來自樣品返回通過所述光學(xué)元件的反射光；d.引導(dǎo)所述反射光到檢測器；和e.處理來自檢測器的數(shù)據(jù)產(chǎn)生圖像本發(fā)明的優(yōu)點是OCT成像裝置能沿著樣品的橫向和縱向尺寸進(jìn)行亞細(xì)胞分辨率成像，該樣品在小型，基于光纖的組件中。其他優(yōu)點包括潛在的小規(guī)模和低成本的軸線焦點光學(xué)元件，諸如組合旋轉(zhuǎn)三棱鏡的變跡透鏡。
盡管上面只詳細(xì)描述了本發(fā)明很少的典型實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員明白在本質(zhì)上不脫離本發(fā)明的新技術(shù)和優(yōu)點的情況下，對典型實施例的任何修改是可能的。因此，包含在本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改都被下面的權(quán)利要求所定義。而且應(yīng)當(dāng)注意，在此涉及的任何專利、申請和出版物，其全部內(nèi)容被結(jié)合參考。
權(quán)利要求
1.一種用于對具有高橫向分辨率和大焦深的樣品執(zhí)行低相干測距的裝置，包括a.一個光學(xué)測距系統(tǒng)，包括i)光源，ii)用于將來自所述光源的光引導(dǎo)到所述樣品的裝置，iii)用于將來自所述樣品的反射光引導(dǎo)到檢測器的裝置，iv)至少一個檢測器，v)用于處理由所述檢測器接收的光數(shù)據(jù)并產(chǎn)生圖像的裝置；和b.一個光學(xué)元件，具有i)定義為Δris小于或等于5μm的橫向分辨率，和ii)至少50μm的焦深Δz。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述光源是寬譜光源。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述光源是脈沖激光器。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述光源是連續(xù)波激光器。
5.如權(quán)利要求1的裝置，其中用于引導(dǎo)光到所述樣品和引導(dǎo)來自所述樣品的光的所述裝置是干涉儀。
6.如權(quán)利要求1的裝置，其中用于引導(dǎo)光到所述樣品和引導(dǎo)來自所述樣品的光的所述裝置是光學(xué)波導(dǎo)透鏡。
7.如權(quán)利要求1的裝置，其中用于引導(dǎo)光到所述樣品和引導(dǎo)來自所述樣品的光的所述裝置是光纖透鏡。
8.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述檢測器是單檢測器。
9.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述檢測器是檢測器陣。
10.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述處理器能夠分析干涉測量的數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述處理器能夠分析臨時檢測。
12.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述處理器能夠分析光譜分析。
13.如權(quán)利要求1的裝置，其中所述光學(xué)元件是錐透鏡元件。
14.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述光學(xué)元件是能透射的。
15.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述光學(xué)元件是能發(fā)射的。
16.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述光學(xué)元件是能折射的。
17.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述光學(xué)元件是變跡透鏡。
18.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述光學(xué)元件是全息圖。
19.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述光學(xué)元件是衍射元件和透鏡的組合體。
20.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述光學(xué)元件是變跡透鏡、全息圖和衍射元件的組合體。
21.一種用于對具有高橫向分辨率和大焦深的樣品執(zhí)行低相干測距的裝置，包括a.一個光學(xué)測距系統(tǒng)，包括i)光源，ii)用于將來自所述光源的光引導(dǎo)到所述樣品的裝置，iii)用于將來自所述樣品的反射光引導(dǎo)到檢測器的裝置，iv)檢測器；b.用于處理由所述檢測器接收的光數(shù)據(jù)并產(chǎn)生圖像的裝置；和c.產(chǎn)生在深度上分布的多個焦斑的光學(xué)元件。
22.如權(quán)利要求21的裝置，其中所述多個焦斑在直的垂直線中。
23.如權(quán)利要求21的裝置，其中所述多個焦斑相對于所述垂直平面具有一個角度。
24.如權(quán)利要求21的裝置，其中所述多個焦斑具有不同的縱向位置。
25.如權(quán)利要求21的裝置，其中所述光學(xué)元件是錐透鏡元件。
26.如權(quán)利要求25的裝置，其中所述光學(xué)元件是能透射的。
27.如權(quán)利要求25的裝置，其中所述光學(xué)元件是能發(fā)射的。
28.如權(quán)利要求25的裝置，其中所述光學(xué)元件是能折射的。
29.如權(quán)利要求25的裝置，其中所述光學(xué)元件是變跡透鏡。
30.如權(quán)利要求25的裝置，其中所述光學(xué)元件是全息圖。
31.如權(quán)利要求25的裝置，其中所述光學(xué)元件是衍射元件和透鏡的組合體。
32.如權(quán)利要求25的裝置，其中所述光學(xué)元件是變跡透鏡、全息圖和衍射元件的組合體。
33.如權(quán)利要求21的裝置，還包括用于產(chǎn)生多個物斑的裝置，以便每個斑點從它的起點到光學(xué)元件具有唯一距離，以便每個斑點的圖像具有唯一縱向位置。
34.如權(quán)利要求33的裝置，其中所述多個斑點產(chǎn)生裝置包括多個光纖。
35.如權(quán)利要求33的裝置，其中所述多個斑點產(chǎn)生裝置包括多孔障板。
36.如權(quán)利要求33的裝置，其中所述多個斑點產(chǎn)生裝置包括衍射光柵。
37.如權(quán)利要求33的裝置，其中所述多個斑點產(chǎn)生裝置包括微透鏡陣列。
38.如權(quán)利要求21的裝置，還包括掃描裝置，該掃描裝置引導(dǎo)光到樣品上和引導(dǎo)來自樣品的光。
39.如權(quán)利要求21的裝置，還包括用于掃描所述光的裝置。
40.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述掃描裝置是掃描鏡。
41.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述掃描裝置是用于相對于所述光學(xué)元件移動光纖的裝置。
42.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述掃描裝置是用于移動所述光纖和光學(xué)元件的裝置。
43.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述掃描裝置是用于移動由所述光纖發(fā)出的光束的裝置。
44.如權(quán)利要求38的裝置，其中所述掃描裝置是用于改變光束相對于光學(xué)元件的角度的裝置。
45.如權(quán)利要求21的裝置，還包括用于密封所述裝置的外殼。
46.如權(quán)利要求21的裝置，還包括用于掃描所述軸向焦點的裝置。
47.一種獲得樣品的高分辨率和高焦深的方法，包括a.提供光源；b.通過光引導(dǎo)裝置將來自所述光源的光通過光學(xué)元件引導(dǎo)到樣品上；c.接收來自樣品返回通過所述光學(xué)元件的反射光；d.將所述反射光引導(dǎo)到檢測器；和e.處理來自檢測器的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生圖像，其中所述光學(xué)元件具有小于5μm的橫向分辨率和大于50μm的焦深。
全文摘要
一種用于執(zhí)行樣品的低相干性測距的設(shè)備，該樣品具有高橫向分辨率和大的焦深，該裝置包括光學(xué)測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源、用于將光從光源引導(dǎo)到樣品的裝置，將反射光從樣品引導(dǎo)到檢測器的裝置，至少一個檢測器，用于處理由檢測器接收的光數(shù)據(jù)并產(chǎn)生圖像的裝置；并且光學(xué)元件具有小于或等于5μm的橫向分辨率Δris，和至少約50μm的焦深Δz。
文檔編號G01N21/47GK1639539SQ03805597
公開日2005年7月13日 申請日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者吉勒摩·J·蒂爾尼, 布雷特·尤金·博馬 申請人:通用醫(yī)療公司