[发明专利]用于使用频域干涉测量法进行光学成像的方法和设备

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请是中国专利申请第200480031773.0号（国际申请号为PCT/US2004/029148）的分案申请，其全部内容通过引用合并于此。本申请要求了提交于2003年10月23日的美国临时申请No.60/514,769的优先权，其全部公开通过引用结合于此。

技术领域

本发明总地涉及光学成像，且更具体地，涉及用于使用频域干涉测量法进行光学成像的方法和设备。

背景技术

如本领域中所公知的，光学干涉测量反射测量法是一种有力的工具，其用于进行非入侵的、高分辨率（~10μm）的生物学或其它样品的横截面成像，以使诸如反射、吸收、散射、衰减、双折射和光谱分析的微结构的光学特性可视化。存在许多本领域中公知的干涉测量成像技术。这些技术总体而言可划分为两个主要类别：（i）时域技术，和（ii）频域技术。

低相干干涉测量法（“LCI”）是时域技术之一。此技术使用扫描系统来改变参考臂长度并且在检测器处采集干涉信号。然后，对条纹图案解调以获得源互相关函数的相干包络。光学相干层析成像法（“OCT”）是一种用于使用LCI获得二或三维图像的技术。OCT在授予Swanson等人的美国专利No.5,321,501中描述。已描述了OCT技术的多个变形，但很多遭遇小于最佳的信噪比（“SNR”），导致非最佳的分辨率、低成像帧速率和不良的穿透深度。功率使用是这种成像技术中的一个因素。例如在眼科应用中，在热损坏可发生前，只有特定毫瓦数的功率是可容忍的。因此，在这样的环境中增加SNR，提升功率是不可行的。尽管如此，将值得期望的是，有一种具有优良的SNR而显著增加功率需求的成像方法。

不足的SNR亦可阻止以高的帧速率使用OCT技术，高的帧速率对于避免运动假象和克服例如可用于活体内血管成像的短测量时间窗是重要的。因此，期望一种改善SNR和成像速度（例如帧速率）的方法。

光谱干涉法或光谱雷达是频域成像技术之一。在光谱雷达中，样品和参考臂光的交叉谱密度的实部用光谱仪测量。深度分布信息可以依据交叉谱密度调制来编码。

前面已描述了用来增加LCI和OCT的SNR的光谱雷达概念的使用。此技术使用具有大数目的像素（1,000的量级）的电荷耦合器件（“CCD”）以达到毫米量级的扫描范围。CCD器件的快速读出使得高速成像成为可能。

然而，存在许多与使用CCD器件相关联的缺点。首先，与单元件光电接收器相比，CCD器件相对昂贵。其次，前面描述的方法使用单个CCD来采集数据。由于电荷存储容量是有限的，所以需要将参考臂功率减小到大约与样品臂功率相同的水平，引起了样品臂光上的自相关噪声。另外，由于没有生成载流子，所以在此系统中的噪声中，1/f噪声将起支配作用。第三，即使以现有CCD技术的短的积分时间，干涉计中的相位不稳定性仍减小交叉谱密度调制的条纹可见度。此缺陷使得该技术易受运动假象的影响。

相干的频率调制的连续波反射测量法（C-FWCW）是本领域中公知的另一频域技术。授予Swanson等人的美国专利No.5,956,355和6,160,826描述了使用此技术的光学成像方法和设备。前面描述的成像方法基于使用连续调谐的单频激光器作为光源。要求调谐波长范围为几十个纳米以实现小于100微米的测距分辩率（ranging resolution）。激光器的瞬时线宽必须小于约0.1nm以实现1.0mm量级的检测范围。调谐速率应大于10kHz以便高速（例如视频速率）成像。虽然外腔式半导体激光器可以配置成在几十个纳米上实现无跳模的单频调谐，但调谐速率由于机械稳定性的严格要求而已小于1Hz。克服此速度困难的方法是优选的。

因此，将值得期望的是，提供一种克服传统LCI和OCT的源可用性和扫描速度缺陷的系统和方法。

发明内容

根据本发明示例性的实施例，一种示例性的光学频域成像（“OFDI”）系统可包括多频率模（或多纵向或轴向模）波长扫描激光源（wavelength-swept laser sourse），其光耦合到包含所研究的样品的干涉计。该系统可进一步包括配置成产生从样品反射的光和参考光之间的正交的干涉测量信号的装置以及设置成接收所述干涉测量信号的检测器。