CN102846306B - 光学相干断层图像摄像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学相干断层图像摄像设备。使用具有宽波长带的测量光来提供在纵向分辨率上出色的断层图像。光学相干断层图像摄像设备基于干涉光来获取被检体的断层图像，其中通过使来自入射至被检体的测量光的返回光与对应于测量光的参考光进行干涉来获得干涉光，光学相干断层图像摄像设备包括：第一色散补偿单元，在测量光的波长带上具有第一色散补偿特性；以及第二色散补偿单元，设置在第一色散补偿单元上并且在测量光的波长带上具有第二色散补偿特性。

Description

光学相干断层图像摄像设备

技术领域

本发明涉及光学相干断层图像摄像设备及其方法，尤其涉及用于拍摄眼底和皮肤的截面的光学相干断层图像摄像设备及其方法。

背景技术

近年来，实际使用了利用低相干光的光学相干技术的光学相干断层图像摄像(以下称为OCT)设备。OCT设备是医疗领域、特别是眼科领域中有用的设备。OCT设备可以提供眼底视网膜部分的断层图像，并且对于眼底部分的疾病诊断正变得必不可少。

这里，将简要说明OCT的原理。将低相关光分成参考光和测量光。测量光入射至被检体，并且在断层图像摄像区域上被反射。使得所反射的返回光与参考光进行干涉。所获得的干涉光可以用于获取被检体的断层图像。OCT分为TD(时域)系统和FD(频域)系统这两类。FD-OCT系统是用于通过对从干涉光获得的干涉信号针对频率进行傅立叶变换来获取断层图像的方法。因为与TD系统相比，FD-OCT系统能以较高的速度获取断层图像，所以FD-OCT系统是当前的主流。

近年来，尝试提高分辨率以提高要获取的断层图像的质量。OCT分辨率分为作为测量光的沿光轴的分辨率的纵向分辨率和作为与光轴垂直的方向上的分辨率的横向分辨率。针对使用OCT的断层图像眼底测量，纵向分辨率对于识别层结构来说是重要的，并且层厚度对于判断眼部疾病很重要。

OCT中的纵向分辨率主要由测量中使用的光的性能来确定。如果光的波长光谱是高斯分布，则纵向分辨率由以下表达式(1)表示。

$l_c=\sqrt{{\left(\frac{2\ln \left(2\right)}{\mathrm{\π}}\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{\mathrm{\Δ\λ}}\right)}^2+{(\mathrm{\ΔGDL}\·\mathrm{\Δ\λ})}^2}$ (表达式1)

这里，l_c是表示为相干函数的半值宽度的纵向分辨率，λ₀表示光的中心波长，△λ表示光的波长宽度，以及△GDL表示OCT中的参考光学系统和测量光学系统之间的色散量的差。以上表达式假定波长光谱是高斯分布。如果光具有非高斯分布的光谱，则纵向分辨率相对于以上表达式劣化。然而，中心波长λ₀和光波长宽度△λ示出相同的变化，因而以上表达式不失一般性。

从表达式(1)理解到可以通过以下来提高纵向分辨率：

(1)减小光中心波长；

(2)增大光波长宽度；以及

(3)使得干涉仪中的参考光学系统和测量光学系统之间的色散一致。

眼科OCT系统使用近红外区域(具有850nm附近的波长)。因为光在视网膜中被吸收，所以可用波长带在低波长侧具有限制。因此，在眼科O CT系统所使用的波长带中，难以通过减小中心波长来提高纵向分辨率。此外，由于眼底部分前面的玻璃体的吸收损失以及传感器灵敏度的降低，该波长带在长波长侧也具有限制。

由此，考虑上述限制，可以通过(2)增大光波长宽度来提高纵向分辨率。事实上，随着近年来宽带低相干光的实际使用的进展，已经研究了通过(2)增大光波长宽度来提高纵向分辨率和临床价值(“Ultrahigh-resolution,high-speed,Fourier domainoptical coherence tomography and methods for dispersioncompensation”,OPTICS EXPRESS Vol.12,No.11,31May 2004,PP2404-2422)。

这里，将说明色散补偿。OCT要求参考光路和测量光路的色散特性一致。将色散特性的一致化称为色散补偿。图8是示出利用OCT的在反射面上的深度方向上的两个强度分布的示意图：一个分布具有色散补偿，一个分布没有色散补偿。虚线表示没有色散补偿的简化分布，以及实线表示具有色散补偿的简化分布。图8示出不充分的色散补偿降低了表示深度方向上的分辨率的相干函数强度，并且增大了半值宽度，从而使纵向分辨率劣化。

日本特开2007-267927公开了使用水进行色散补偿的OCT系统。该OCT系统的特征在于，在参考光路侧放置填充有具有70%以上的含水量的介质的容器，并且以上介质可以抑制测量对象所引起的色散的影响。日本特开2007-267927还公开了可以使容器变形以提供根据被检体的状态的色散补偿的技术。

文献“Ultrahigh-resolution,high-speed,Fourier domainoptical coherence tomography and methods for dispersioncompensation”,OPTICS EXPRESS Vol.12,No.11,31May2004,PP2404-2422公开了利用希尔伯特变换、使用迭代法的数学的色散补偿手段。

为了在OCT中使用宽带光提高纵向分辨率，在要使用的波长带上进行色散补偿是重要的。不利的是，测量对象的色散特性针对各波长而不同，由此，较宽的波长带使得难以利用单一材料来补偿色散，这可能抑制纵向分辨率的提高。

文献“Ultrahigh-resolution,high-speed,Fourier domainoptical coherence tomography and methods for dispersioncompensation”,OPTICS EXPRESS Vol.12,No.11,31May2004,PP2404-2422公开了使用宽带光的OCT结构。使用多种玻璃材料来进行色散补偿。水和玻璃材料在长的波长范围(大约900nm~950nm的波长带)中具有非常不同的色散特性。因而，在宽带上难以利用上述文献中所公开的设备结构进行对水的色散补偿。

日本特开2007-267927中所公开的结构的特征在于，OCT系统使用水、根据测量对象来进行色散补偿。不利的是，因为使用水进行色散补偿涉及管理困难和质量劣化，该结构在例行使用中存在问题。

发明内容

为了解决上述问题，一种光学相干断层图像摄像设备，用于基于干涉光来获取被检体的断层图像，其中，通过使照射至所述被检体的测量光的返回光与对应于所述测量光的参考光进行干涉来获得所述干涉光，所述光学相干断层图像摄像设备包括：第一色散补偿单元，在所述测量光的波长带上具有第一色散补偿特性；以及第二色散补偿单元，设置在所述第一色散补偿单元上并且在所述测量光的波长带上具有第二色散补偿特性。

本发明可以在宽带上根据测量光学系统中存在的各种结构的色散特性对经由参考光学系统的参考光进行色散补偿。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1是示出第一实施例的结构图。

图2示出第二实施例的色散补偿部。

图3是色散材料的群速度色散的图。

图4是利用水进行标准化后的群速度色散的图。

图5是利用各色散材料进行色散补偿所需的厚度的图。

图6是采用第一实施例的聚碳酸酯厚度作为参数的BK7厚度的图。

图7是关于残留色散量的图。

图8是关于由色散导致的相干函数的变化的图。

具体实施方式

现在将根据附图详细说明本发明的优选实施例。

将参考附图详细说明本发明的实施例。

第一实施例

将参考图1说明根据本发明的光学相干断层图像摄像设备。

图1示出作为用于执行本发明的具体示例的光学相干断层图像摄像设备。

在图1中，光源100在本实施例中是SLD(超发光二极管)，但可以是任意低相干光源。具体例子包括ASE(放大自发光)光源、诸如钛蓝宝石激光器和SC(超连续)光源等的超短脉冲光源、以及SS(扫频源)光源。该波长带在850nm附近，但是，因为在需要以纵向分辨率为代价来测量被检体的较深的部分的情况下，使用具有更长波长带的光源，所以期望根据目的来选择波长带。

光纤耦合器101将从光源100发射的宽带光分割成穿过构成参考光路的光纤103的参考光109和穿过构成测量光路的光纤102的测量光111。期望光纤耦合器101对参考光109和测量光111的分割比率具有较少的波长依赖性，并且具有接近恒定的分割比率。分割得到的测量光111从光纤准直器110作为平行光发射。穿过光纤准直器110而成为平行光的测量光111被发射到作为被检体的眼部116的视网膜。为了在视网膜上扫描测量光111，测量光111穿过扫描光学系统，然后利用物镜114和电驱动台115对测量光111进行焦点调节，其中扫描光学系统包括要由扫描器镜控制器117扫描的扫描器镜112和扫描器透镜113。随后，测量光111由眼部116的视网膜反射并且在反方向上进入上述测量光路。

同时，分割得到的参考光109从光纤准直器104作为平行光发射，并且入射到第一色散补偿构件105和第二色散补偿构件106上。第一色散补偿构件105具有第一色散补偿特性，以及第二色散补偿构件106具有不同于第一色散补偿特性的第二色散补偿特性。根据本实施例，第一色散补偿构件105由作为光学玻璃的BK7实现，以及第二色散补偿构件106由作为光学塑料的聚碳酸酯实现。例如，BK7是23mm厚，以及聚碳酸酯是大约2mm厚。以上厚度是假定840nm波长带时的厚度。以上厚度根据波长带而改变。可选地，光学玻璃105可以是除BK7以外的光学玻璃。例如，可以使用F2。此外，光学塑料106不限于聚碳酸酯。穿过色散补偿构件105和106的参考光109由参考系统反射镜107反射。将参考系统反射镜107放置在电驱动台108上以调节位置。注意，通过PC 121和台控制器122来控制电驱动台108对参考光109的光路长度调节。

光纤耦合器101将作为返回光的测量光111和由参考系统反射镜107所反射的参考光109经由合成光路光纤118作为干涉光引导至分光器119。还将由分光器119针对各波长分光后的干涉光引导至根据各波长的光检测元件120。PC 121使用背景技术中所述的各种系统，根据光检测元件120的检测结果来生成断层图像。

根据本实施例，光纤耦合器101用作用于将从光源发射的光分割成参考光109和测量光111的单元，并且还用作用于通过使所反射的参考光109与从利用测量光111所照射的被检体返回的返回光进行干涉来获得干涉光的单元。从分光器119至PC121的结构与用于基于干涉光来获取被检体的断层图像的单元相对应。

现在将具体说明本实施例的测量光路中所使用的色散补偿。测量光路包括诸如扫描器透镜113和物镜114等的各种透镜、以及作为被检体的眼部116的玻璃体和晶状体，其各自具有针对各波长而不同的折射率。因此，为了提高纵向分辨率，需要将与上述各种透镜以及玻璃体和晶状体分别相对应的构件插入参考光路中。因为可以插入透镜材料，所以对以上各种透镜进行色散补偿不是很难。然而，因为玻璃体和晶状体大部分是水，所以难以对玻璃体和晶状体进行色散补偿。

图5示出对于针对具有平均轴长的被检体和在图1中所示的测量光路中使用的色散材料要进行的色散补偿、BK7和聚碳酸酯在作为单一材料使用时的针对各波长所需的厚度。从图5应当理解的是，在BK7和聚碳酸酯(PC)的短波长侧和长波长侧的色散补偿所需的厚度之间差异显著。原因是水的色散特性在大约1μm的波长处具有零色散。由此，越接近1μm，作为眼部的色散材料的水的色散特性与BK7和聚碳酸酯的色散特性越不相同。如JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS Vol.4,No.1,144-151所公开的，通过以下表达式(2)将群速度色散GD表示为关于群折射率ng的波长的一阶微分。

$\mathrm{GD}=\frac{{\mathrm{dn}}_g}{\mathrm{d\λ}}=-\mathrm{\λ}\frac{d^{2}n}{d{\mathrm{\λ}}^2}$ (表达式2)

图3是示出与作为色散补偿单元的色散补偿构件的水以及BK7和聚碳酸酯的材料有关的群速度色散GD的波长依赖性的图。图4是由水的GD标准化后的各色散补偿构件的GD、即表达式(3)的波长依赖性的图。

${\mathrm{GD}}_{\mathrm{ratio}}=\frac{{\mathrm{GD}}_{\mathrm{material}}}{{\mathrm{GD}}_{\mathrm{water}}}$ (表达式3)

应当理解，BK7(在图4中由△标记)的GD比率(以下称为GDR)相对于波长而单调增加，并且与短波长侧相比，在长波长侧BK7相对于水的群速度色散较大。这意味着在由BK7进行水的色散补偿的情况下，色散补偿所需的厚度在短波长侧和长波长侧之间不同。

这里，示出对测量光学系统进行全色散所需的BK7和聚碳酸酯的厚度的波长依赖性的图5显示：色散补偿厚度针对各波长而单调变化，并且单一使用的BK7或聚碳酸酯的波长越接近宽带，色散补偿越难。由此，从表达式(1)推断出，即使光源的波长是宽带，OCT纵向分辨率也不能提供完全的色散补偿，从而不能实现期望的纵向分辨率。

由此，如图4所示，本实施例使用GDR波长依赖性具有相反特性的两种材料。使用由以下表达式数学地表示为微分特性的多个色散补偿构件。

$\mathrm{sgn}\left(\frac{d{\mathrm{GDR}}_{\mathrm{material}1}}{\mathrm{d\λ}}\right)=-\mathrm{sgn}\left(\frac{d{\mathrm{GDR}}_{\mathrm{material}2}}{\mathrm{d\λ}}\right)$ (表达式4)

表达式(4)中的sgn(x)是符号函数，其中，在x是正的情况下为1，在x是0的情况下为0，以及在x是负的情况下为-1。使用满足表达式(4)的两种材料：材料1和材料2，并控制两种材料的厚度，这可以实现与使用一种材料的色散补偿相比更精确的色散补偿。此外，这可以在不使用水的情况下对作为玻璃体的主要成分的水进行色散补偿。

例如，在BK7的情况下，针对群速度色散，由群速度色散/与测量对象的色散材料有关的群速度色散所表示的函数的关于波长的微分特性是正的。由此，与BK7一起使用由具有使函数的符号反转为负的微分特性的材料所组成的色散补偿单元以抵消符号，从而可以获得从短波长侧至长波长侧的适当的补偿特性。

预期如上所述的色散补偿的物理精度提高引起以下：利用作为后处理的如文献“Ultrahigh-resolution,high-speed,Fourierdomain optical coherence tomography and methods for dispersioncompensation”,OPTICS EXPRESS Vol.12,No.11,31May2004,PP2404-2422中所公开的迭代法进行色散补偿的数值计算量降低，摄像时的对准精度提高，以及疾病摄像缺失减少。

根据本实施例，BK7和聚碳酸酯的组合满足表达式(4)的关系。注意，虽然本实施例使用BK7和聚碳酸酯的组合，但是可以使用满足表达式(4)的关系的任意组合的材料。注意，材料也不限于两种材料，只要材料满足表达式(4)的关系即可。例如，可以使用满足表达式(5)的关系的三种材料。

$\mathrm{sgn}\left(\frac{d{\mathrm{GDR}}_{\mathrm{material}1}}{\mathrm{d\λ}}\right)=-\mathrm{sgn}\left(\frac{d{\mathrm{GDR}}_{\mathrm{material}2}}{\mathrm{d\λ}}\right)=-\mathrm{sgn}\left(\frac{d{\mathrm{GDR}}_{\mathrm{material}3}}{\mathrm{d\λ}}\right)$ (表达式5)

由此，可以将本实施例定义成包括由具有不同色散特性的多个色散补偿构件组成的色散补偿单元。第一实施例示出包括由第一色散补偿构件105组成的第一色散补偿单元和由第二色散补偿构件106组成的第二色散补偿单元的结构。可以认为这些形成包括多个色散补偿单元的结构的一部分。

如上所述，多个色散补偿单元优选包括各自由具有以下关系的一组色散补偿构件组成的一对色散补偿单元：由色散材料的群速度色散/测量对象的色散材料的群速度色散所表示的函数的关于波长的微分特性在符号上相反。

图6是示出采用聚碳酸酯的厚度作为参数时的、与图1的测量光学系统的全色散有关的色散补偿所需的BK7厚度的波长依赖性的图。图6示出当聚碳酸酯是2mm厚时，BK7可以与波长无关地以特定厚度23mm进行色散补偿。即，在本发明中，BK7和聚碳酸酯具有在测量光的波长带上没有色散特性的波长依赖性的厚度。具体地，在测量光的波长带的第一或特定波长带中的BK7和聚碳酸酯的色散补偿特性与测量光的波长带中第二波长带或除特定波长带以外的波长带中的色散补偿特性相同。注意，通过假定25mm的轴长相当于25mm的水来计算人眼色散。图7是示出两个残留色散量的图：仅BK7用作色散补偿构件时的残留色散量、以及BK7和聚碳酸酯用作色散补偿构件时的残留色散量。

残留色散是表达式(1)中平方根内右侧的项。右侧的项由于OCT中的参考光学系统和测量光学系统之间的色散量的不同而产生。左侧的项是由光源的特性所确定的相干函数的半高宽(FWHM)。根据表达式(1)，当平方根内部的左侧的项和右侧的项的量基本相等时，不能忽略平方根内部的右侧的项。假定波长宽度是大约100nm以及中心波长是850nm，光源的相干函数的FWHM在空气换算中大约是3.2um。即使考虑SLD光源的非高斯形状，光源的相干函数的FWHM也大约是4μm。根据图7，在仅由BK7进行色散补偿的情况下，残留色散量最小大约是4μm。该值与光源的相干函数的FWHM大致相同，由此引起纵向分辨率劣化，从而不能忽略。在使用BK7和聚碳酸酯的情况下，与光源的相干函数的FWHM相比，该值位于足够小的范围内，从而与仅使用BK7的情况相比，可以抑制纵向分辨率的劣化。

与玻璃相比，聚碳酸酯更容易随着时间而变化。由此，当使用聚碳酸酯时，可以设置用于控制光轴的倾斜的机构以补偿老化，并且设置用于在与光轴平行的方向上移动的机构以改变参考光的聚碳酸酯透射部。使用聚碳酸酯时对倾斜的这种控制还与色散补偿单元沿着参考光的光轴的厚度的变化相对应。由此，这些机构还可以通过用于改变色散补偿单元沿着参考光的光轴的厚度的单元来实现。

聚碳酸酯具有双折射，并且双折射率由于热和应力而改变。近年来，正在进行减少光学聚合物的双折射的研究。当在色散补偿构件中使用诸如聚碳酸酯等的光学塑料时，可以通过设计成型方法来一定程度降低双折射率。期望聚碳酸酯的双折射率较小。由此，优选提供用于降低或抑制色散补偿单元的双折射效果的单元，或者预先减小双折射效应。

可选地，可以设置温度调整机构来防止由温度变化引起的热应力而产生的双折射。此外，为了降低应力，可以利用BK7沿着光轴串联地固定聚碳酸酯的前后。更具体地，在多个色散补偿单元包括由聚碳酸酯等的具有光学特性由于温度、附加应力和老化等而改变的特性的材料所组成的色散补偿单元的情况下，优选还包括用于控制加热器或加压器等的状况的单元，其中，该加热器或加压器用于控制周围温度和附加应力的状况。根据本实施例，由BK7组成的色散补偿单元位于与反射镜107最近的位置，因此用于控制状况的单元优选位于与该位置相对应的位置。注意，例如，光学玻璃和BK7可以在位置上调换。在该情况下，用于控制状况的单元优选位于与该位置相对应的位置处。

第二实施例

在本实施例中，包括满足表达式(4)的材料1和2的多个合成色散补偿构件被配置为各自具有如图2所示的不同厚度。

本实施例可以提供分别适当地补偿近视眼、正常眼或远视眼的色散补偿构件。图2示出用于测量远视眼的被检体时使用的色散补偿构件201和202、用于测量具有正常轴长的正常眼的被检体时使用的色散补偿构件203和204、以及用于测量近视眼的被检体时使用的色散补偿构件205和206。更具体地，本实施例使用以下表1中列出的条件。

表1

聚碳酸酯	厚度(mm)	BK7	厚度(mm)
				201	1.7	202	23
203	2	204	23
				205	2.2	206	23.7

设置色散补偿构件207以用于作为被检体放置模型眼或镜时进行校准。可以通过在OCT测量前利用轴长测量器具测量轴长来预先获取轴长。在使用BK7和聚碳酸酯作为材料1和2的情况下，如果轴长是如图7所示的假定轴长的大约±1mm，则残留色散可以如光源的相干函数的FWHM的大约一半那样小。结果，分辨率劣化可以是可以认为在没问题的范围内的大约10%。由此，可以实现实用数量的各种轴长(图中为3种)。

其它实施例

可以通过执行以下处理来实现本发明。更具体地，处理是经由网络或各种存储介质将用于执行上述实施例的功能的软件(程序)供给至系统或设备，然后，系统或设备中的计算机(或CPU或MPU等)读取并执行软件。

本发明不限于上述实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种修改或变化。例如，以上实施例说明了测量对象是眼部的情况，但是可以将本发明应用至除眼部以外的诸如皮肤或器官等的其它测量对象。在这种情况下，本发明具有作为除眼科设备以外的诸如内窥镜等的医疗设备的实施例。由此，期望将本发明理解为作为眼科设备举例说明的检查设备，并且将被检眼理解为被检体的实施例。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims (6)

1.一种光学相干断层图像摄像设备，用于基于干涉光来获取被检体的断层图像，其中，通过使照射至所述被检体的测量光的返回光与对应于所述测量光的参考光进行干涉来获得所述干涉光，所述测量光和所述参考光包括具有波长带的光，所述光学相干断层图像摄像设备包括：

第一色散补偿单元，设置在所述参考光的光路上并且在所述波长带上具有第一群速度色散比率特性；以及

第二色散补偿单元，设置在所述参考光的光路上并且在所述波长带上具有第二群速度色散比率特性，其中，所述第一群速度色散比率和所述第二群速度色散比率分别是将各自的群速度色散除以水的群速度色散所获得的比值，

所述光学相干断层图像摄像设备的特征在于：

所述第一群速度色散比率具有与所述第二群速度色散比率相反的波长依赖性。

2.根据权利要求1所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，还包括图像获取单元，所述图像获取单元用于基于所述干涉光来获取所述被检体的断层图像。

3.根据权利要求1所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元各自还包括用于改变沿着所述参考光的光轴的厚度的单元。

4.根据权利要求1所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，通过由光学玻璃制成的色散补偿单元和由光学塑料制成的色散补偿单元来分别配置所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元。

5.根据权利要求4所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，所述光学塑料是聚碳酸酯。

6.根据权利要求1所述的光学相干断层图像摄像设备，其特征在于，还包括用于控制所述第一色散补偿单元和所述第二色散补偿单元中的至少一个色散补偿单元的周围温度和附加应力的状况的单元。