[发明专利]OCT医学成像的过滤ASE扫频光源

说明书

相关申请

本申请要求作为在2009年9月3日提交的美国申请12/553,295的部分继续申请的、在2010年5月8日提交的美国申请12/776,373的优先权，这两个申请通过引用整体结合于此。

技术领域

光学相干分析依赖于参考波和实验波之间、或实验波的两个部分之间的相干现象来测量距离和厚度，并计算样本的折射率。光学相干成像断层扫描(OCT)是被用于一般高分辨率的截面成像的一个示例技术。它经常被应用于例如，实时地在精细比例上成像生物组织结构。光波被从物体或样本上反射回来，且计算机通过使用关于这些波一旦反射而被如何改变的信息来产生物体的截面的图像。

原始OCT成像技术是时域OCT(TD-OCT)，其在迈克尔逊干涉仪配置中使用可移动参考镜。最近，已经研发了傅里叶域OCT(FD-OCT)。两个相关的FD-OCT技术是时间编码的和光谱编码的OCT。这些傅里叶域技术使用波长扫频光源和单个检测器，有时被称为时间编码的FD-OCT(TEFD-OCT)或扫频光源OCT，或，可选地，宽带光源和光谱地分辨的检测器系统，有时被称为光谱编码的FD-OCT或SEFD-OCT。这三个OCT技术并行且这三个光谱学方法由傅里叶变换光谱仪、可调谐激光光谱仪、以及具有检测器阵列光谱仪的扩散式光栅来实现。

这些不同的OCT技术提供不同的性能特性。FD-OCT在速度和信噪比(SNR)上相比时域OCT(TD-OCT)具有优势。在这两个傅里叶域OCT技术中，扫频光源OCT或TEFD-OCT相比SEFD-OCT具有明显优势，因其具有平衡和偏振多样性检测的能力；其还对于不昂贵且快速的检测器所无能为力的波长区域的成像具有优势。

TEFD-OCT或扫频光源OCT在一些附加方面相比SEFD-OCT具有优势。这些频谱分量没有被空间距离所编码(这需要大量光栅配置)，不过它们以时间被编码，这可实现紧凑的扫频波长光源。在扫频光源的接下来的频率步长中过滤或产生光谱，且光谱在傅里叶变换之前被重新构建。使用频率扫描扫频光源，该光学配置变得不复杂且更紧凑，不过现在关键的性能特性在于光源、特别是调谐速度和准确率。

TEFD-OCT系统的扫频光源一般是可调谐激光器。可调谐激光器的优势包括较高的光谱亮度和相对简单的光学设计。典型的可调谐激光器从放置在光学激光器腔(其含有腔内可调谐过滤器(诸如旋转光栅、具有旋转镜的固定光栅、或法布里-波罗可调谐过滤器))内的增益介质(诸如半导体光学放大器(SOA))而构建。当前，一些最高速的TEFD-OCT激光器是基于D.Flanders，M.Kuznetsov和W.Atia的名为“Laser with Tilted Multi Spatial Mode Resonator Tuning Element(具有倾斜多空间模式谐振器调谐元件的激光器)”的美国专利7,415,049 B1中所描述的激光器设计。这些高度集成的设计允许较短的激光器腔，将激光器腔内的往返光学行进时间保持为较短，从而该激光器根本上能高速调谐。第二，微机电系统(MEMS)法布里-波罗可调谐过滤器的使用组合了可被快速调谐的低质量高机械谐振频率可偏转的MEMS薄膜的宽光谱扫描带的能力。

OCT的另一个扫频激光光源是如美国专利7,414,779 B2中所描述的频域锁模激光器(FDML)。FDML激光器使用在要求偏振控制和有效长度稳定化的非常长(公里或更长)的纤维环激光腔中的半导体光放大器。

然而，基于激光的扫频光源的使用确实存在问题。即时激光发射用在激光器可调谐过滤器通带中同时发出激光的一个或多个纵向激光腔模式来表征。然后，当激光器调谐时，这些模式中的功率在这些模式之间变化并变化至当可调谐激光器通带变化时观察到增益的新的腔模式。激光发射的这个多模式光谱结构增加了相对强度噪声(RIN)，这降低了OCT系统的性能。另一个问题是使用普遍存在的半导体增益介质的可调谐激光器仅在一个方向良好调谐，即，至较长波长。这是由于半导体中一般被称为Bogatov效应的非线性不对称增益效应。对于在半导体中在给定波长的光信号，较长波长处的光信号将经历略高的光增益，而在较短波长处的信号将经历略低的光增益。这样的不对称非线性增益分布创建了在较长波长方向中动态调谐的偏好，此处光增益略高，而组织了较短波长方向的调谐。