Мгновенная оптическая когерентная томография во временной области - RU2654379C1

Чертежи

Описание

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее раскрытие относится к спектральным приборам и способам и, в частности, к системам и способам для мгновенной оптической когерентной томографии во временной области (iTD-OCT).

Описание предшествующего уровня техники

Оптическая когерентная томография (OCT) представляет собой метод интерферометрического анализа для структурного исследования материала образца, который по меньшей мере частично отражает свет. В ОСТ свет используется для измерения расстояний и профилей по глубине на основе оптической интерференции, возникающей между опорным пучком и пучком, проходящим через образец, который взаимодействует с материалом образца.

По причине того, что материал образца содержит внутренние поверхности или другие признаки, на которых изменяется показатель преломления света, часть падающего света из пучка, проходящего через образец, отражается или рассеивается назад, и ее можно использовать для интерферометрического обнаружения в приборе для OCT при совмещении с опорным пучком. Материал образца в целом может представлять собой любой объект образца или его часть, проявляющие некоторую степень прозрачности по отношению к длинам оптических волн, используемым прибором для OCT. OCT предназначена для анализа материалов образцов, имеющих относительно сложные внешние и внутренние структуры, связанные с изменениями показателя преломления. Например, материал образца для анализа OCT может, среди прочих материалов, содержать прозрачный пластик или биологическую ткань.

Были разработаны коммерческие диагностические и клинические приборы для ОСТ для визуализации биологических тканей in vivo и, в частности, для визуализации тонких структур в человеческом глазе. В частности, приборы для ОСТ используют для измерения геометрических и оптических характеристик различных отделов человеческого глаза. Геометрические и оптические характеристики, предоставляемые такими анализами OCT, делают возможным биомеханическое и физиологическое моделирование глаза конкретного пациента с целью диагностирования нарушения офтальмологического здоровья и разработки подходящего плана лечения. Из-за относительно большой глубины проникновения в рассеивающую биологическую ткань с относительно высокой осевой разрешающей способностью, обеспеченной посредством OCT, по сравнению с другими способами, а также простоты применения падающего света к пациенту, ОСТ является эффективной методикой функциональной визуализации для разнообразных применений в офтальмологии. В частности, ОСТ можно использовать для раннего обнаружения патогенеза многих глазных болезней. Например, для измерения и анализа при помощи ОСТ хорошо подходит роговица, и ОСТ была широко использована для анализа различных биологических структур, связанных с роговицей.

Традиционные приборы для ОСТ действуют в соответствии с различными принципами, каждый из которых может являться определенным образом ограниченным в некоторых функциональных или коммерческих аспектах. Ниже более подробно представлено действие некоторых типов приборов для ОСТ, действующих с использованием различных способов для получения одномерного (1D) профиля оптической глубины материала образца в осевом (Z) направлении относительно падающего светового пучка (именуемого «А-изображением»). Следует понимать, что для получения данных двумерного (2D) и трехмерного (3D) изображения приборы для ОСТ различных типов могут также быть механически сканирующими в поперечном направлении (т.е. в направлениях Х и Y).

Одной из реализаций ОСТ является ОСТ во временной области (TD-OCT), в которой широкополосный низкокогерентный источник света разделяется на опорный пучок и пучок, проходящий через образец, которые совмещаются при интерференции. В TD-OCT для получения профиля оптической глубины материала образца длина оптического пути опорного пучка модулируется во времени в осевом направлении в соответствии с глубиной измерения падающего света пучка, проходящего через образец. Соответственно, в TD-OCT осевое сканирование по глубине выполняется с использованием периодического движения дефлектора опорного пучка (например, зеркала опорного пучка), при этом интенсивность совмещенного модулированного опорного пучка (т.е. интерферограмма) захватывается с использованием одноканального детектора интенсивности света (т.е. фотодетектора). Таким образом, несмотря на наличие детектора с относительно простой конструкцией, прибор для TD-OCT по-прежнему действует с использованием процедуры сканирования с модуляцией опорного пучка, что может создавать добавочную стоимость, сложность и приводит к относительно медленной работе для целей визуализации.

Другие реализации приборов для OCT включают ОСТ в частотной области (FD-OCT) (также иногда именуемую ОСТ в «Фурье-области»), включающую ОСТ в спектральной области (SD-OCT) и ОСТ с перестраиваемым источником (SS-OCT). Приборы для FD-OCT действуют на основе частотной информации в интерферограмме, происходящей от взаимодействия (т.е. рассеяния назад) пучка, проходящего через образец, с физическими свойствами в материале образца на разных осевых глубинах. Таким образом, для получения профиля оптической глубины в осевом направлении (т.е. А-изображения) в FD-OCT в отношении сигнала в интерферограмме выполняется преобразование Фурье. Более того, по причине того, что в FD-OCT опущена модуляция длины оптического пути опорного пучка, в приборах FD-OCT, имеющих неподвижный опорный пучок, могут быть опущены подвижные оптические части, посредством чего делается возможным быстрое накопление А-изображения с устойчивой во времени чувствительностью измерений.

В SD-OCT, как правило, используется широкополосный низкокогерентный источник света, при этом детектор содержит спектрометр для различения частотной информации на интерферограмме. Таким образом, прибор для SD-OCT может предоставить возможность относительно быстрой визуализации, но может содержать относительно дорогостоящий спектрометр с чувствительным к юстировке съемочным устройством, что приводит к относительно высокой стоимости и большим физическим размерам. В SS-OCT узкополосный высококогерентный источник света (например, перестраиваемый лазер) настраивают на требуемую полосу частот, при этом фотодетектор используют для получения интерферограммы на этой полосе частот параллельно с перестройкой источника. Соответственно, прибор для SS-OCT может предоставить возможность относительно быстрой визуализации с высокой чувствительностью и при относительно низкой стоимости детектора, но он может иметь худшую осевую или поперечную разрешающую способность, чем требуется.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте раскрываемый способ выполнения оптической когерентной томографии во временной области включает генерирование пучка, проходящего через образец, и опорного пучка и распространение опорного пучка по постоянному оптическому пути к оптической оси спектрометра на основе волновода со стоячими волнами. Способ также включает распространение пучка, проходящего через образец, к образцу. Часть пучка, проходящего через образец, может рассеиваться назад образцом, что приводит к образованию измерительного пучка. Способ может включать распространение измерительного пучка к оптической оси спектрометра на основе волновода со стоячими волнами и прием сигнала интерференции из спектрометра на основе волновода со стоячими волнами. Сигнал интерференции может служить признаком оптической интерференции между опорным пучком и измерительным пучком в спектрометре на основе волновода со стоячими волнами.

В некоторых вариантах осуществления способ также включает обработку сигнала интерференции для генерирования профиля оптической глубины образца. Способ может включать сканирование образца для генерирования данных изображения, являющихся признаком образца. Пучок, проходящий через образец, может быть направлен в различные поперечные положения на образце, при этом в каждом поперечном положении генерируется профиль оптической глубины.

В другом раскрываемом аспекте измерительный прибор для выполнения iTD-OCT содержит источник света и расщепитель пучка для расщепления света из источника света на пучок, проходящий через образец, и опорный пучок. Этот измерительный прибор может содержать детектор, содержащий спектрометр на основе волновода со стоячими волнами, имеющий оптическую ось. Опорный пучок может распространяться от расщепителя пучка к оптической оси спектрометра на основе волновода со стоячими волнами. Опорный пучок может распространяться к образцу, при этом часть пучка, проходящего через образец, рассеивается назад образцом, что приводит к образованию измерительного пучка. Измерительный пучок может распространяться от образца к оптической оси спектрометра на основе волновода со стоячими волнами. Спектрометр на основе волновода со стоячими волнами может генерировать сигнал интерференции, являющийся признаком оптической интерференции между опорным пучком и измерительным пучком в спектрометре на основе волновода со стоячими волнами.

В конкретных вариантах осуществления оптическая интерференция может происходить на первой ширине в спектрометре на основе волновода со стоячими волнами так, чтобы первая ширина линейно соответствовала глубине проникновения пучка, проходящего через образец, внутрь образца. Измерительный пучок может содержать фотоны, рассеянные назад образцом в пределах глубины проникновения. Сигнал интерференции может генерироваться одновременно рядом пикселов детектора в спектрометре на основе волновода со стоячими волнами, при этом пикселы детектора являются чувствительными к оптической интерференции.

В некоторых вариантах осуществления измерительный прибор может также содержать модуль обработки сигналов для обработки сигнала интерференции с целью генерирования профиля оптической глубины образца. При обработке сигнала интерференции длина оптического пути опорного пучка может оставаться постоянной. Измерительный прибор может также содержать сканирующий элемент для направления пучка, проходящего через образец, в различные поперечные положения на образце. Профиль оптической глубины может генерироваться в каждом поперечном положении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Для более полного понимания настоящего изобретения и его признаков и преимуществ, здесь делается ссылка к нижеследующему описанию, воспринимаемому в сочетании с сопроводительными графическими материалами, на которых:

фиг. 1 представляет собой блок-схему прибора для TD-OCT из известного уровня техники;

фиг. 2 представляет собой блок-схему избранных элементов одного из вариантов осуществления прибора для iTD-OCT;

фиг. 3 представляет собой блок-схему избранных элементов одного из вариантов осуществления детектора для iTD-OCT и

фиг. 4 представляет собой блок-схему избранных элементов способа выполнения iTD-OCT.

ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНОГО ВАРИАНТА (ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В нижеследующем описании на примере изложены подробности для содействия обсуждению раскрываемого предмета изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что раскрываемые варианты осуществления являются примерными и не исчерпывают все возможные варианты осуществления.

Как используется в настоящем документе, написанная через дефис форма ссылочной позиции относится к частному случаю элемента, а написанная без дефиса форма ссылочной позиции относится к собирательному элементу. Так, например, устройство «12-1» относится к случаю класса устройств, который можно собирательно именовать устройствами «12» и любое из которых может обобщенно именоваться устройством «12».

Ссылаясь теперь на графические материалы, фиг. 1 из известного уровня техники представляет собой блок-схему, на которой показан прибор 100 для оптической когерентной томографии во временной области (TD-OCT). Прибор 100 для TD-OCT не вычерчен в масштабе, но представлен в схематическом виде. Как показано, TD-OCT 100 используется для анализа образца 112, который может представлять человеческий глаз и, в частности, роговицу человеческого глаза. Также в TD-OCT 100 система 120 координат определяет осевое направление по Z и поперечные направления по X и Y, которые относительно образца 112 являются такими, что пучок 130, проходящий через образец, распространяется к образцу 112 в осевом направлении Z.

Как показано, TD-OCT 100 содержит источник 102 света, из которого генерируется низкокогерентный исходный пучок 123, вводимый по оптическому пути 122 исходного пучка. Исходный пучок 123 распространяется по оптическому пути 122 исходного пучка к расщепителю 104 пучка. Расщепитель 104 пучка создает опорный пучок 134, который распространяется по оптическому пути 124 опорного пучка, и пучок 130, проходящий через образец, который распространяется по оптическому пути 128 пучка, проходящего через образец. Опорный пучок 134 распространяется по оптическому пути 124 от расщепителя 104 пучка к зеркалу 106 опорного пучка, а затем обратно к расщепителю 104 пучка. Пучок 130, проходящий через образец, распространяется по оптическому пути 128 пучка, проходящего через образец, к образцу 112 через сканирующее зеркало 108. Измерительный пучок 132 распространяется по оптическому пути 128 пучка, проходящего через образец, назад от образца 112 также через сканирующее зеркало 108.

От расщепителя 104 пучка пучок 130, проходящий через образец, распространяется по оптическому пути 128 пучка, проходящего через образец, и отражается от сканирующего зеркала 108 в направлении образца 112. Сканирующее зеркало 108 механически наклоняется для возможности сканирования в поперечных направлениях X и Y для операций двумерного и трехмерного сканирования образца 112. Измерительный пучок 132 содержит фотоны, рассеянные назад образцом 112 и перемещающиеся по оптическому пути 128 пучка, проходящего через образец, обратно к расщепителю 104 пучка после отражения от сканирующего зеркала 108.

В расщепителе 104 пучка опорный пучок 134 совмещается с измерительным пучком 132, и совмещенные пучки распространяются по оптическому пути 126 обнаружения. По оптическому пути 126 обнаружения распространяются совмещенные опорный пучок 134 и измерительный пучок 132 в направлении фотодетектора 110. Длина оптического пути для опорного пучка 134 (суммарная длина оптического пути, проходящая от расщепителя 104 пучка к зеркалу 106 опорного пучка и от расщепителя 104 пучка к фотодетектору 110) может модулироваться посредством механического перемещения зеркала 106 опорного пучка. Эта модуляция соответствует сканированию образца 112 в осевом направлении Z с целью получения оптического профиля по глубине (т.е. А-изображения).

Из-за разной длины оптических путей наложенные опорный пучок 134 и измерительный пучок 132 оптически интерферируют на оптическом пути 126 обнаружения, который распространяется к фотодетектору 110. Фотодетектор 110 может содержать фотодиод или аналогичное устройство, генерирующее электрический сигнал, являющийся признаком интенсивности света, падающего на фотодетектор 110. Как показано, фотодетектор 110 выводит электрический сигнал в модуль 114 обработки сигналов, который может содержать соответствующую схему для предварительного формирования, детектирования, оцифровки сигнала и цифровой обработки сигнала. Модуль 114 обработки сигналов генерирует данные 116 изображения, которые могут представлять собой одномерные, двумерные или трехмерные данные изображения, полученные с использованием TD-OCT 100.

В действии разница длин оптических путей между длинами оптических путей для опорного пучка 134 и для объединенных пучка 130, проходящего через образец, и измерительного пучка 132 точно модулируется зеркалом 106 опорного пучка так, чтобы интерференционная картина в результате возникала на оптическом пути 126 обнаружения и, в частности, на детекторе 110. По причине того, что измерительный пучок 132 возникает в результате рассеивающих назад элементов внутри образца 112, интенсивность интерференционной картины, поступающей в фотодетектор 110 и обнаруживаемой ним для данного положения зеркала 106 опорного пучка, точно соответствует глубине в образце 112 при конкретном анализе. Однако механическое перемещение зеркала 106 опорного пучка является ограничивающим фактором в различных аспектах работы TD-OCT 100, включая ограничение общей скорости сканирования, достигаемой TD-OCT 100, в особенности для двумерных и трехмерных применений.

Ссылаясь теперь на фиг. 2 изображена блок-схема избранных элементов одного из вариантов осуществления прибора 200 для мгновенной оптической когерентной томографии во временной области (iTD-OCT).

Как показано на фиг. 2, прибор 200 для iTD-OCT используется для анализа образца 212, который может представлять собой человеческий глаз и, в частности, роговицу или хрусталик человеческого глаза. В приборе 200 для iTD-OCT система 220 координат определяет осевое направление по Z и поперечные направления по X и Y, которые относительно образца 212 являются такими, что пучок 226, проходящий через образец, распространяется к образцу 212 в осевом направлении Z. Следует отметить, что в разных вариантах осуществления для поперечных направлений X и Y могут использоваться разные ориентации.

На фиг. 2 прибор 200 для iTD-OCT представляет тип прибора для TD-OCT с возможностью чрезвычайно высокоскоростного обнаружения сигнала оптических профилей по глубине (A-изображений), не ограниченного механической модуляцией зеркала опорного пучка, в отличие от прибора 100 для TD-OCT, обсужденного ранее в отношении фиг. 1 из известного уровня техники. Как показано, прибор 200 для iTD-OCT позволяет, по существу, одновременно захватывать и измерять все A-изображение с использованием неподвижного оптического пути 222 опорного пучка для опорного пучка 230, что исключает механическое перемещение зеркала опорного пучка. Захват и получение A-изображения осуществляются при помощи спектрального детектора, мгновенно захватывающего сигналы интерференции для всех рассеивающих назад элементов в образце 212 по всему оптическому профилю по глубине в осевом направлении (Z). Как показано на фиг. 2, прибор 200 для iTD-OCT содержит в качестве спектрального детектора спектрометр 210 на основе волновода со стоячими волнами. В других вариантах осуществления могут быть использованы спектральные детекторы других типов. Например, вместо спектрометра 210 на основе волновода со стоячими волнами может быть использован прибор 200 для iTD-OCT с матрицей датчиков сканирующего оптического микроскопа ближнего поля (SNOM). В матрице датчиков SNOM переменное поле затухающих колебаний, связанное с интерференционной картиной, может быть сопряжено со соответствующими концами ряда оптических волокон, имеющих очень малый диаметр, и обнаруживается с использованием матрицы фотодетекторов.

Таким образом, прибор 200 для iTD-OCT может представлять собой механически неподвижный и прочный прибор для OCT, который остается откалиброванным внутри и оптически отрегулированным аналогично прибору для SD-OCT, содержащему спектрометр. Более того, поскольку прибор 200 для iTD-OCT действует на основе интерференции во временной области, более подробно описываемой ниже, последующая обработка спектральной информации посредством преобразования Фурье может быть опущена, что может значительно ускорить действие модуля 214 обработки сигналов по сравнению со сравнимыми модулями обработки сигналов для SD-OCT, также одновременно получающими все A-изображение. В дополнение, при iTD-OCT может быть опущена линеаризация необработанного сигнала датчика в пространство волновых чисел (k), выполняемая при FD-OCT. Дальнейшие преимущества прибора 200 для iTD-OCT могут быть реализованы путем миниатюризации и встраивания различных компонентов в единый компактный твердотельный блок, что может дополнительно уменьшать издержки и повышать функциональность в сравнении с приборами для OCT других типов.

Как показано, прибор 200 для iTD-OCT, показанный на фиг. 2, содержит источник 202 света, представляющий собой низкокогерентный источник света. Источник 202 света представляет собой единственный источник света для пучка 226, проходящего через образец, и опорного пучка 230. Соответственно, длины оптических путей для обоих пучков, пучка 226, проходящего через образец, и опорного пучка 230, в целях интерференции начинаются на расщепителе 204 пучка. Иными словами, расщепитель 204 пучка является оптической начальной точкой, общей для пучка 226, проходящего через образец, и опорного пучка 230.

На фиг. 2 пучок 226, проходящий через образец, распространяется по оптическому пути 224-1 и 224-2 пучка, проходящего через образец, от расщепителя 204 пучка к образцу 212. Измерительный пучок 228 распространяется по оптическому пути 224-1, 224-2 и 224-3 пучка, проходящего через образец, от образца 212 к спектрометру 210 на основе волновода со стоячими волнами. Направление пучка 226, проходящего через образец, изменяется на сканирующем зеркале 218, что делает возможным сканирование образца 212 в поперечных направлениях X и Y. Это сканирование существенно не изменяет соответствующие длины оптических путей фотонов в пучке 226, проходящем через образец, и измерительном пучке 228. Таким образом, оптический путь 224 пучка, проходящего через образец, представляет собой постоянный путь. В примерной схеме, изображенной на фиг. 2, измерительный пучок 228 содержит фотоны из пучка 226, проходящего через образец, рассеянные назад образцом 212 и перемещающиеся обратно по оптическому пути 224-2 к полупрозрачному зеркалу 205. Измерительный пучок 228 распространяется от полупрозрачного зеркала 205 к первому концу 211 спектрометра 210 на основе волновода со стоячими волнами по оптическому пути 224-3.

Как изображено в примерном варианте осуществления по фиг. 2, опорный пучок 230 распространяется по оптическому пути 222 опорного пучка ко второму концу 213 спектрометра 210 на основе волновода со стоячими волнами. Оптический путь 222 опорного пучка представляет собой постоянный оптический путь и включает оптические пути 222-1, 222-2 и 222-3. Неподвижное зеркало 206-1 отклоняет опорный пучок 230 от оптического пути 222-1 к оптическому пути 222-2. Неподвижное зеркало 206-2 отклоняет опорный пучок 230 от оптического пути 222-2 к оптическому пути 222-3. Следует отметить, что в других вариантах осуществления для оптического пути 222 опорного пучка могут использоваться и другие схемы.

Таким образом, измерительный пучок 228 падает на первый конец 211 спектрометра 210 на основе волновода со стоячими волнами, а опорный пучок 230 падает на второй конец 213 спектрометра 210 на основе волновода со стоячими волнами. В спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами опорный пучок 230 и измерительный пучок 228 накладываются, при этом распространяясь в данной примерной схеме, показанной на фиг. 2, в противоположных направлениях. В других схемах для опорного пучка 230 и измерительного пучка 228 могут использоваться и другие направления распространения.

Для наложенных пучков в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами равенство длин оптических путей имеет вид уравнения 1, определяющего условие, при котором разность длин оптических путей между пучками будет равна нулю.

L_Samp= L_Ref Уравнение (1)

В уравнении 1 L_Samp - суммарная длина оптических путей по оптическому пути 224 пучка, проходящего через образец, имеющая вид суммы длин оптических путей для пучка 226, проходящего через образец, и измерительного пучка 228. L_Ref - это суммарная длина оптических путей по оптическому пути 222 опорного пучка, имеющая вид длины оптического пути опорного пучка 230. Уравнение 1 можно определить в выражении длин оптических путей, показанных на фиг. 2, как имеющее вид уравнения 2.

L1+2*L2+L3=L4+L5+L6 Уравнение (2)

В уравнении 2 L1 - длина оптического пути пучка 226, проходящего через образец, распространяющегося по оптическому пути 224-1. L2 - длина оптического пути пучка 226, проходящего через образец, распространяющегося по оптическому пути 224-2. L3 - длина оптического пути измерительного пучка 228, распространяющегося по оптическому пути 224-3. L4 - длина оптического пути опорного пучка 230, распространяющегося по оптическому пути 222-1. L5 - длина оптического пути опорного пучка 230, распространяющегося по оптическому пути 222-2. L6 - длина оптического пути опорного пучка 230, распространяющегося по оптическому пути 222-3.

Как показано, оптические пути 224-3 и 222-3 измерены до общей оконечной точки в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами. Если эта общая оконечная точка представляет собой нулевую точку для разности длин оптических путей, то рядом с этой нулевой точкой в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами может развиваться оптическая интерференция (например, в форме интерференционной картины). Разности длин оптических путей, вызывающие оптическую интерференцию, возникают из-за изменений в длине L3 оптического пути для фотонов в измерительном пучке 228, происходящих от отражающих свойств, находящихся в различных положениях внутри образца 212. Таким образом, оптическая интерференция в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами содержит информацию о расстоянии и интенсивности для отражающих свойств образца 212, и ее используют для получения профиля оптической глубины образца 212.

Спектрометр 210 на основе волновода со стоячими волнами является чувствительным внутри к оптической интерференции, что более подробно разъясняется в отношении фиг. 3, и он может генерировать сигнал интерференции, являющийся признаком оптической интерференции между опорным пучком 230 и измерительным пучком 228. Это сигнал интерференции принимается модулем 214 обработки сигналов, обрабатывающим сигнал интерференции для генерирования данных 216 изображения. Обработка модулем 214 обработки сигналов может включать предварительное формирование сигнала (например, усиление, фильтрацию, кадрирование и т.д.), детектирование, оцифровку и цифровую обработку сигнала. Если прибором 200 для iTD-OCT с использованием сканирующего элемента, такого как сканирующее зеркало 218, выполняется поперечное сканирование по X и Y, то может быть получен ряд профилей оптической глубины для генерирования двумерного изображения, например, по линии сканирования образца 212. Если поперечное сканирование выполняется по ряду линий сканирования, прибор 200 для iTD-OCT может генерировать трехмерное изображение. Таким образом, данные 216 изображения образца 212 могут быть одномерными, двумерными или трехмерными.

Как показано на фиг. 2, если модуль 214 обработки сигналов содержит функциональное средство обработки данных, то модуль 214 обработки сигналов может содержать процессор и запоминающую среду, хранящую в памяти команды (например, исполнимый код), выполняемые процессором, имеющим доступ к этой запоминающей среде. Процессор может выполнять команды, вызывающие выполнение прибором 200 для iTD-OCT или его частями функций и операций, описываемых в настоящем документе. В целях настоящего раскрытия запоминающая среда может содержать энергонезависимые машиночитаемые носители данных, хранящие данные и команды в течение по меньшей мере некоторого промежутка времени. Запоминающая среда может содержать перманентные или энергозависимые носители данных, постоянные и съемные носители данных, а также магнитные и полупроводниковые носители данных. Запоминающая среда может содержать без ограничения такие носители данных, как запоминающее устройство с прямым доступом (например, накопитель на жестком диске или гибкий диск), запоминающее устройство с последовательным доступом (например, накопитель на магнитных лентах), компакт-диск (CD), оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), CD-ROM, компакт-диск формата DVD, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), флеш-память, энергонезависимые носители данных и разнообразные комбинации вышеупомянутых устройств.

На фиг. 2 прибор 200 для iTD-OCT не вычерчен в масштабе, но представлен в схематическом виде. В приборе 200 для iTD-OCT можно без отступления от объема раскрытия осуществлять модификации, дополнения или исключения. Компоненты и элементы прибора 200 для iTD-OCT, описываемые в настоящем документе, могут быть объединены или разделены в соответствии с конкретными применениями. Более того, операции прибора 200 для iTD-OCT могут выполняться большим или меньшим количеством компонентов, или другими компонентами.

Следует отметить, что в различных вариантах осуществления или схемах прибора 200 для iTD-OCT можно использовать другие реализации, компоновки и ответвления пучков. Например, некоторые части оптических путей 222 и 224 могут содержать оптические волокна. В некоторых вариантах осуществления некоторые части оптических путей 222 и 224 могут содержать оптические волноводы. Некоторые части оптических путей 222 и 224 могут представлять оптические пути в некоторой среде, такой как вакуум, свободное пространство, газовая среда или атмосфера. В данных вариантах осуществления опорный пучок 230 и измерительный пучок 228 могут совпадать в одном направлении в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами. В другой схеме сканирующее зеркало 218 может быть опущено, и может использоваться другой сканирующий элемент. Сканирующие элементы, заменяющие сканирующее зеркало 218, могут включать (пьезоэлектрически) деформируемые зеркала, микроэлектромеханические системы (MEMS), цифровые микрозеркальные устройства (DMD), приводные элементы жидкокристаллических устройств (LCD), объективы или их разнообразные комбинации. В конкретных вариантах осуществления по меньшей мере часть оптических компонентов, заключенных в приборе 200 для iTD-OCT, может быть миниатюризирована и объединена в компактный блок, имеющий относительно небольшую массу и внешние размеры так, чтобы весь этот компактный блок удерживался внешним сканирующим элементом и перемещался относительно образца 212. Например, некоторые части прибора 200 для iTD-OCT могут быть реализованы с использованием технологии производства полупроводников в виде интегральной схемы. В некоторых вариантах осуществления эта интегральная схема может содержать сканирующий элемент. Также, в некоторых вариантах осуществления прибора 200 для iTD-OCT могут быть использованы другие ориентации системы 220 координат.

Ссылаясь теперь на фиг. 3, изображена блок-схема избранных элементов варианта осуществления детектора 300 для iTD-OCT. Как показано на фиг. 3, детектор 300 для iTD-OCT содержит спектрометр 210 на основе волновода со стоячими волнами, описанный в отношении фиг. 2. В некоторых вариантах осуществления спектрометр 210 на основе волновода со стоячими волнами представляет собой вариант интегрированного спектрометра со стоячими волнами и преобразованием Фурье. Как показано, спектрометр 210 на основе волновода со стоячими волнами имеет оптическую ось 312, представляющую оптический путь внутреннего волновода, по которому через первый конец 211 или второй конец 213 снаружи вводятся пучки. Когда световой пучок (или совмещение пучков) проходит по оптической оси 312, наноэлементы, размещенные через постоянные промежутки в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами, взаимодействуют с затухающей волной (т.е. с волной ближнего поля), связанной с этим световым пучком. Локальное взаимодействие наноэлементов с затухающей волной обнаруживается некоторыми из пикселов 310 детектора, показанных на фиг. 3 в виде линейной матрицы пикселов вдоль оптической оси 312. Таким образом, пикселы 310 детектора являются чувствительными к затухающим волнам, генерируемым в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами. Наноэлементы могут представлять собой наночастицы, такие как наноточки. Пикселы 310 детектора регистрируют и захватывают кратковременные локальные изменения оптической интенсивности, в том числе изменения, возникающие из-за оптических интерференционных картин. В различных вариантах осуществления спектрометр 210 на основе волновода со стоячими волнами имеет общую длину до приблизительно 30 мм и может иметь расстояние между пикселами 310 детектора менее приблизительно 1 мкм друг от друга.

На фиг. 3 изображена схема iTD-OCT, немного отличающаяся в сравнении с прибором 200 для iTD-OCT по фиг. 2. Для ясности описания на фиг. 3 сканирующее зеркало было удалено, и оптический путь 224-2 не отклоняет пучок, проходящий через образец, для сканирования, при этом образец 212 расположен под прямым углом по отношению к оптическому пути 224-2. Следует отметить, что схема, изображенная на фиг. 3, может представлять вариант осуществления прибора 200 для iTD-OCT, используемого с внешним сканирующим элементом. В детекторе 300 для iTD-OCT опорный пучок 230 распространяется по оптическому пути 222-3 и падает на второй конец 213 по оптической оси 312. Измерительный пучок 228 (для ясности описания показанный на фиг. 3 без пучка 226, проходящего через образец) содержит рассеянные назад фотоны от образца 212 и распространяется по оптическому пути 224-2 и оптическому пути 224-3. На первом конце 211 измерительный пучок 228 совпадает с оптической осью 312 и распространяется в направлении, противоположном опорному пучку 230.

На фиг. 3 показаны дополнительные подробности, касающиеся образца 212. В частности, показаны примерные граничные слои A, B и C, представляющие потенциальные источники рассеяния назад от образца 212, где фотоны вводятся в измерительный пучок 228. Как показано, граничные слои A и B могут схематически представлять верхний и нижний края роговицы (например, эпителий А и эндотелий В), тогда как граничный слой С может схематически представлять переднюю поверхность капсулы хрусталика. Несмотря на то, что на фиг. 3 для ясности описания изображено относительно грубое различение биологических структур, следует понимать, что детектор 300 для iTD-OCT подходит и для различения тонких биологических структур внутри человеческого глаза. Например, детектор 300 для iTD-OCT можно использовать для различения разных слоев роговицы, таких как слезная пленка, эпителий, боуменова оболочка, строма, десцеметова оболочка и эндотелий. В различных вариантах осуществления детектор 300 для iTD-OCT может использоваться для характеристики или анализа биологических слоистых структур внутри роговицы, таких как фибриллы или микрофибриллы в строме роговицы человека.

На фиг. 3 по причине того, что измерительный пучок 228 состоит из фотонов, рассеянных назад (т.е. отраженных) из падающего пучка, проходящего через образец (см. фиг. 2), возникают временные задержки в отражении фотонов от граничных слоев B и C относительно граничного слоя А. Конкретнее, отражение от граничного слоя В задерживается на 2*Δt_A-B относительно граничного слоя А, при этом отражение от граничного слоя С задерживается относительно граничного слоя А на 2*Δt_A-B+2*Δt_B-C, где Δt_A-B соответствует временной задержке для света от граничного слоя А к В, и где Δt_B-C соответствует временной задержке для света от граничного слоя В к С. Соответственно, измерительный пучок 228 в той мере, в которой граничные слои A, B и C рассеивают назад пучок, проходящий через образец, будет содержать отраженные фотоны с соответствующими временными задержками, описанными для граничных слоев В и С относительно слоя А.

На фиг. 3 из-за совмещения опорного пучка 230 с измерительным пучком 228, по причине разностей длин оптических путей между фотонами опорного пучка и фотонами измерительного пучка будет возникать оптическая интерференция. Эта оптическая интерференция будет возникать в точных местоположениях на оптической оси 312, соответствующих временным задержкам, происходящим от наличия граничных слоев A, B и C. Кроме того, оптическая интерференция будет проявляться как интерференционная картина 314, подвергающаяся действию функции распределения точек (PSF), которую могут обнаруживать пикселы 310 детектора. Как показано, интерференционная картина 314-А связана с граничным слоем А, интерференционная картина 314-В связана с граничным слоем В, и интерференционная картина 314-С связана с граничным слоем С. Как показано, интерференционные картины 314-А и 314-В отделены расстоянием Δz'_A-B по оптической оси 312, тогда как интерференционные картины 314-В и 314-С отделены расстоянием Δz'_B-C по оптической оси 312. Поскольку интерференционные картины 314 возникают из-за интерференции во временной области, Δz'_A-B может линейно соответствовать Δt_A-B, тогда как Δz'_B-C может линейно соответствовать Δt_B-C. Соответствующие функции PSF регистрируются определенными пикселами 310 детектора как значения интенсивности I_A, I_B и I_C, соответственно для интерференционных картин 314-A, 314-B и 314-C. По причине постоянного положения пикселов 310 детектора на оптической оси 312, интерференционные картины 314-A, 314-B и 314-C позволяют измерять Δz'_A-B и Δz'_B-C путем идентификации конкретных пикселов из тех пикселов 310 детектора, которые обнаруживают PSF. Таким образом, значения интенсивности I_A, I_B и I_C наряду с Δz'_A-B и Δz'_B-C измеряются и используются с целью генерирования профиля оптической глубины для образца 212.

В действии детектора 300 для iTD-OCT, как показано на фиг. 3, при необходимости может быть отрегулирована нулевая точка оси Z' на оптической оси 312, линейно отображающая ось Z внутри образца 212. Несмотря на то, что опорный пучок 230 остается неподвижным в ходе сканирования прибором 200 для iTD-OCT, опорный пучок 230 или пучка 226, проходящего через образец, можно откалибровать по любой требуемой нулевой точке, например, для того, чтобы сделать возможными разные глубины для анализа. Таким образом, требуемая нулевая точка для оси Z', в которой длины оптических путей интерферирующих пучков эквивалентны, может быть откалибрована так, чтобы она находилась в спектрометре 210 на основе волновода со стоячими волнами. Следует отметить, что направление 320 оси Z' можно изменить на обратное путем обращения направления распространения одного из пучков, опорного пучка 230 или измерительного пучка 228, относительно спектрометра 210 на основе волновода со стоячими волнами. Нулевую точку оси Z' можно выбрать на основе определенных размеров спектрометра 210 на основе волновода со стоячими волнами по необходимости для конкретного применения iTD-OCT. Более того, по той причине, что временная или пространственная калибровка оси Z' определяется физическим положением каждого из пикселов 310 детектора, эта калибровка является устойчивой внутри и остается постоянной во времени.

Следует отметить, что детектор 300 для iTD-OCT не вычерчен в масштабе, но представлен в схематическом виде. В детекторе 300 для iTD-OCT без отступления от объема раскрытия могут осуществляться модификации, дополнения или исключения. Компоненты и элементы детектора 300 для iTD-OCT, описываемого в настоящем документе, могут быть объединены или разделены в соответствии с конкретными применениями. Более того, операции детектора 300 для iTD-OCT могут выполняться большим или меньшим количеством компонентов, или другими компонентами. Например, в конкретных вариантах осуществления для одновременного генерирования ряда A-изображений (т.е. линии сканирования) может быть использован ряд спектрометров 210 на основе волновода со стоячими волнами, посредством чего ускоряется измерение двумерного или трехмерного изображения.

Ссылаясь теперь на фиг. 4, в форме схемы последовательности операций изображена блок-схема избранных элементов варианта осуществления способа 400 выполнения iTD-OCT, описываемого в настоящем документе. Способ 400 может быть реализован с помощью прибора 200 для iTD-OCT (см. фиг. 2). Следует отметить, что некоторые операции, описываемые в способе 400, могут являться необязательными, или в других вариантах осуществления может изменяться их порядок.

Способ 400 начинается на этапе 402 с генерирования пучка, проходящего через образец, и опорного пучка из источника света. На этапе 404 опорный пучок распространяется по постоянному оптическому пути к оптической оси спектрометра на основе волновода со стоячими волнами. На этапе 406 пучок, проходящий через образец, распространяется к образцу так, чтобы часть пучка, проходящего через образец, рассеивалась назад образцом, что приводит к образованию измерительного пучка. На этапе 408 из спектрометра на основе волновода со стоячими волнами принимается сигнал интерференции, при этом сигнал интерференции является признаком оптической интерференции между опорным пучком и измерительным пучком в спектрометре на основе волновода со стоячими волнами. Сигнал интерференции на этапе 410 обрабатывается с целью генерирования профиля оптической глубины образца. На этапе 412 образец сканируется с целью генерирования данных изображения, являющихся признаком образца так, чтобы пучок, проходящий через образец, был направлен в другие поперечные положения на образце, и в каждом поперечном положении генерируется профиль оптической глубины.

Как раскрыто в настоящем документе, способ и система для мгновенной оптической когерентной томографии во временной области (iTD-OCT) предоставляют мгновенные профили оптической глубины в осевом направлении для образца, обладающего рассеивающими свойствами, или образца, который является по меньшей мере частично отражающим. Прибор для iTD-OCT содержит спектральный детектор, имеющий внутреннюю оптическую ось и содержащий матрицу пикселов детектора. Опорный пучок, имеющий постоянный оптический путь, совмещается на оптической оси с измерительным пучком, содержащим фотоны, рассеянные назад от образца. Пикселы детектора захватывают интерференционную картину во временной области, возникающую в спектральном детекторе из-за разностей длин оптических путей между фотонами из опорного пучка и фотонами из измерительного пучка. Прибор для iTD-OCT может быть реализован как прочное твердотельное устройство, не содержащее подвижных частей.

Раскрытый выше предмет изобретения следует считать иллюстративным, а не ограничивающим, и прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех модификаций, улучшений и других вариантов осуществления, находящихся в пределах истинной сущности и объема настоящего раскрытия. Таким образом, в той мере, которая максимально допускается законом, объем настоящего раскрытия следует определять посредством самой широкой допустимой интерпретации нижеследующей формулы изобретения и ее эквивалентов, и его не следует ограничивать предшествующим подробным описанием.

Реферат

Использование: для мгновенной оптической когерентной томографии во временной области (iTD-OCT). Сущность изобретения заключается в том, что способ и система для мгновенной оптической когерентной томографии во временной области (iTD-OCT) предоставляют мгновенные профили оптической глубины в осевом направлении образца, обладающего рассеивающими свойствами, или образца, который является по меньшей мере частично отражающим. Прибор для iTD-OCT содержит спектральный детектор, имеющий внутреннюю оптическую ось и содержащий матрицу пикселов детектора. Опорный пучок, имеющий постоянную длину оптического пути, совмещается на оптической оси с измерительным пучком, содержащим фотоны, рассеянные назад от образца. Пикселы детектора захватывают интерференционную картину во временной области, возникающую в спектральном детекторе из-за разностей длин оптических путей между фотонами из опорного пучка и фотонами из измерительного пучка. Прибор для iTD-OCT может быть реализован как прочное твердотельное устройство, не содержащее подвижных частей. Технический результат: обеспечение возможности быстрой визуализации с высокой чувствительностью при реализации прочного твердотельного устройства с повышенной функциональностью, которое не имеет подвижных частей. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула