CN109496262A - 全场干涉成像***和全场干涉成像方法 - Google Patents

全场干涉成像***和全场干涉成像方法 Download PDF

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Abstract

根据一个方面，本发明涉及一种用于对样本(S)成像的全场干涉成像***(100)，所述全场干涉成像***包括：具有光源(111)的照明通道(101)；干涉仪(103)，所述干涉仪具有至少一个第一物镜(112)和分开元件(130)，所述分开元件用于经由输入面(130A)接收入射光波并且用于形成目标臂和参考臂，所述目标臂用于接收所述样本(S)，所述参考臂上配置有反射装置(134)；所述反射装置用于使入射光波沿着与入射方向不同的方向返回。所述分开元件具有不相等的反射系数和透射系数，使得发送到所述目标臂上的入射光波的光学功率的比例严格大于发送到所述参考臂上的光波的光学功率的比例。所述***(100)还包括检测通道(102)，所述检测通道包括用于获取二维图像的获取装置(121)，所述照明通道(101)和所述检测通道(102)包括共同通道，所述共同通道包括所述分开元件(130)的输入面，并且所述照明通道和所述检测通道由反射元件(151)分开。

Description

全场干涉成像***和全场干涉成像方法
技术领域
本说明书涉及全场干涉成像***和全场干涉成像方法。本说明书尤其应用于指纹获取和皮肤成像。
背景技术
通过非相干光式全场干涉成像的图像获取技术已被描述用于干涉显微应用，并且构成了用于获取生物组织的深处图像的非侵入且非破坏式的非常高效的方法，所述图像获取技术已知称作全场OCT或“FF-OCT”(即英文表达“Full-Field Optical CoherenceTomography(全场光学相干层析成像)”的缩写)。
全场干涉显微技术例如被描述在A.Dubois和C.Boccara的文章“Full-fieldoptical coherence tomography(全场光学相干层析成像)”中，该文章取自WolfgangDrexler、James G.Fujimoto、Editors-Springer 2009的“Optical CoherenceTomography-Technology and Applications(光学相干层析成像——技术和应用)”工程，实验布置示出在图1A上。
从现有技术中已知且示出在图1A上的干涉显微***10尤其包括具有低相干光源11的照明通道1、具有摄像机21和透镜22(称作管透镜)的检测通道2，以使得能够确保在期望成像的样本S的平面和摄像机的检测平面之间的光学共轭。所述***10还包括干涉仪3(在该示例中，林尼克类型的装置)，所述干涉仪包括分开元件30，所述分开元件适用于接收由光源11发射的光波，并且适用于分别朝向目标臂(bras objet)和参考臂发送所述光波，所述目标臂上配置有样本，所述参考臂上配置有参考镜面34。相同的显微物镜定位在所述目标臂和所述参考臂中的每个上，所述显微物镜在图1A上分别由附图标记31和32表示。轴向移动装置33、35(例如压电马达)能够使样本S和参考镜面34分别沿着显微物镜31和显微物镜32的各自光学轴线移动。在实践中，样本S(例如生物组织样本)可施加在二氧化硅窗口上，这确保了所述样本的表面平整度，并因此避免了可由样本表面的形态不规则引发的像差。为了减小在窗口的表面上的多余反射信号，可在所述窗口的表面上沉积抗反射处理，或者可使用具有耦合液的浸入式物镜，所述浸入式物镜具有的折射率接近二氧化硅的折射率。
全场OCT成像技术建立在对于在样本由具有较短相干波长的光源照明时由样本反向散射的光的利用的基础上，尤其是建立在对于在生物样本的情况下由细胞和组织显微结构反向散射的光的利用的基础上。该技术利于光源的较低时间相干性来分离由样本中的深处虚拟切片反向散射的光。对于干涉仪的使用使得能够通过在由样本反向散射的光波与由参考镜面反射的光波之间的干涉现象产生干涉信号，所述干涉信号表示选择性地来自于样本的给定切片的光，并且对于干涉仪的使用使得能够消除来自于样本的剩余部分的光。该技术使得能够获得具有1μm量级的典型分辨率的三维图像。
最近，E.Auksorius等人(“Dark-field full-field optical cohérencetomography(暗场全场光学相干层析成像)”，光学快报，卷40，No.14(2015))已经示出了如何在图1A上所示类型的全场干涉显微***中显著改善图像的对比度，由于消除了尤其由用于支撑样本的元件的窗口形成的空气/玻璃界面上的镜面反射。
图1B示出了上文提及的E.Auksorius等人的文章中描述的实验布置的示意图。如图1A上所示，图1B上示出的干涉显微***20包括照明通道1、检测通道2和干涉仪3。干涉仪3包括处在借助于分开元件30形成的目标臂和参考臂中的每个上的显微物镜(附图标记分别为31和32)。除了光源11之外，照明通道还包括用于使光源11在显微物镜的图像焦平面中成像的光学***12、13。显微物镜31、32的图像焦平面分别与显微物镜31和32的各自瞳平面P1、P2重合。配置在与光源11的平面基本重合的平面14中的开口光阑(diaphragme)使得能够调节光源的空间范围，配置在与参考镜面共轭的平面15中的场光阑使得能够调节样本上的视场。除了摄像机21和管透镜22之外，检测通道2还包括中继光学***23、24，所述中继光学***使得能够形成与瞳平面P1、P2共轭的瞳平面P。借助于定位在所述检测通道上的不透明盘25在瞳平面P1、P2的共轭平面P中获得了对于镜面反射的消除。另外，所述参考臂上的参考镜面由小阶梯光栅(réseauàéchelettes)36(或根据英文表达“blazed grating(闪耀式光栅)”)代替，以使得零阶(ordre zéro)由不透明的盘阻挡，光学干涉形成在由光栅衍射(diffracté)的由闪烁效应(“blaze(闪耀)”)支配(dominant)的1阶与由样本反向散射的光(仅由不透明盘部分封住)之间。平面14中的开口光阑的尺寸被调节成使得不透明盘25的平面中的开口光阑的图像尺寸小于不透明盘25的尺寸；因此，来自干涉仪的所有镜面反射都被阻挡。这种***使得能够免除在用于支撑样本的元件的窗口上的抗反射处理，尤其是当不可能使用浸入式显微物镜工作时。
然而，无论使用何种的全场干涉成像***，***的灵敏度都受到可由摄像机检测的来自样本的光量的限制。事实上，如果R是分开元件30的反射系数且T是分开元件的透射系数，并且如果假设在分开元件位置处不存在光学损失(R＝1-T)，可回收的来自样本的最大化光量等于R×T＝T(1-T)，并且对于R＝T＝0.5具有最佳值，这与来自样本的最大化光量对应，所述最大化光量等于由光源发射的光量中的25％。
用于回收来自样本的较大光通量的可能方式在于增加光源的光强度，但这不总是可行的，尤其是由于对所使用的光源的“光子预算”的限制以及由于一些样本的光敏性。另一方式在于复制检测通道，以便同时地回收由分开元件反射和透射的通量，但这需要两个摄像机。
发明内容
本说明书提出了一种用于全场干涉成像***的初始构架，所述全场干涉成像***能够(相对于现有技术的已知***)增加可由摄像机检测的来自样本的光量，而不增加入射到样本上的入射光通量或摄像机数量。这种全场干涉成像***具体地良好适用于低成本的用于指纹获取和皮肤成像类型的应用的***。
根据第一方面，本说明书涉及一种用于对样本成像的全场干涉成像***，所述全场干涉成像***通常包括照明通道、干涉仪、检测通道和处理单元，所述照明通道包括用于发射入射光波的光源，所述检测通道包括用于获取二维图像的获取装置。
根据第一方面的成像***的干涉仪包括至少一个第一物镜和分开元件，所述光源配置在所述第一物镜的图像焦平面附近，或者在与所述第一物镜的图像焦平面共轭的平面附近，所述分开元件适用于经由输入面接收入射光波，并且适用于形成目标臂和参考臂，所述目标臂用于接收所述样本，所述参考臂上配置有反射装置。所述分开元件具有不相等的反射系数和透射系数，使得发送到所述目标臂上的入射光波的光学功率的比例严格大于发送到所述参考臂上的光波的光学功率的比例。所述目标臂上的反射装置适用于使入射光波沿着与入射方向不同的方向返回(renvoyer)。
另外，根据第一方面的成像***的干涉仪适用于在所述样本布置在所述干涉仪的目标臂上时在成像场的每个点处产生在参考波与目标波之间的干涉，所述参考波通过入射光波在与所述成像场的点对应的反射装置的基本表面上的反射来获得，所述目标波通过入射光波经由在给定深度处的样本切片的体素的反向散射来获得，所述体素与所述成像场的点对应。
所述用于获取二维图像的获取装置定位在所述反射装置的共轭平面中，并且适用于获取由在所述成像场的每个点处产生的干涉引起的二维干涉信号。
所述照明通道和所述检测通道包括共同通道，所述共同通道包括所述分开元件的输入面，并且所述照明通道和所述检测通道由反射元件分开，所述反射元件定位在所述第一物镜的图像焦平面附近，或者在所述第一物镜的图像焦平面的共轭平面附近，所述反射元件适用于使由所述参考臂的反射装置返回的光波中的至少一部分在所述检测通道上经过，以及使入射光波中的至少一部分在所述照明通道上经过。
所述处理单元构造用于基于所述二维干涉信号计算样本图像。
申请人已表明，相对于现有技术的已知***，该全场干涉成像***的初始构架使得能够增加可由摄像机检测的由样本反向散射的光学功率，而不增加入射到样本上的入射光学功率或摄像机数量。
根据一个或多个实施例，所述分开元件的反射系数和透射系数使得入射到所述分开元件上的入射光波的光学功率中的至少90％朝向所述目标臂发送。申请人已表明，通过这种构造，相对于现有技术的已知***，可由摄像机检测的由样本反向散射的光学功率按照超过3的因子增加。
根据一个或多个实施例，所述反射元件包括相对于所述第一物镜的光学轴线倾斜的镜面，所述镜面被穿孔以用于使入射光波经过，孔的尺寸足够小，以便不封住(obturer)返回到所述检测通道上的所有光波。
根据一个或多个实施例，所述反射元件包括相对于所述第一物镜的光学轴线倾斜的镜面，以便使入射光波朝向所述共同通道偏转(défléchir)，并且所述镜面具有的尺寸足够小，以便不封住返回到所述检测通道上的所有波。
在这些实施例中的一个和/或另一个中，在具有给定几何范围的空间上非相干的光源的情况下，孔(或经倾斜的镜面)的最大化尺寸可被选择成小于或基本等于添加到镜面位置处的光源的几何范围的最大化尺寸。
根据一个或多个实施例，所述参考臂的反射装置包括反射式衍射光栅，例如小阶梯光栅。
根据一个或多个实施例，所述参考臂的反射装置包括经倾斜的镜面。
根据一个或多个实施例，所述干涉仪是迈克尔逊(Michelson)类型的干涉仪，所述第一物镜配置在所述照明通道和所述检测通道的共同通道上。
根据一个或多个实施例，所述干涉仪是林尼克(Linnik)类型的干涉仪，并且包括处在所述干涉仪的参考臂上的第一物镜以及处在所述干涉仪的目标臂上的第二物镜。
根据一个或多个实施例，所述物镜是显微物镜。
根据第二方面，本说明书包括一种用于借助于根据第一方面的成像***对样本成像的全场干涉成像方法。
根据一个或多个实施例，所述方法包括：
-使样本安置在干涉仪的目标臂上；
-借助于所述干涉仪对于成像场的每个点产生在参考波与目标波之间的干涉，所述参考波通过入射光波在所述干涉仪的参考臂的反射装置上的反射来获得，所述基本表面与所述成像场的点对应，所述目标波通过入射波经由在给定深度处的样本切片的体素的反向散射来获得，所述体素与所述成像场的点对应；
-对于在所述目标臂与所述参考臂之间的行程差(différence de marche)的至少一个值，获取由对于所述成像场的每个点的干涉引起的至少一个二维干涉信号；
-基于所述二维干涉信号计算样本图像的图像。
所述成像***的优点可转移到根据本说明书第二方面的成像方法。
根据本说明书第二方面的成像方法的各种实施例可彼此组合。
本说明书不同方面的不同特征和实施例也可彼此组合。
附图说明
附图阅读下文中的详细说明和附图，成像技术的其它优点和特征将更加清楚，在所述附图中：
-(已描述的)图1A示出了根据现有技术的第一全场干涉显微***；
-(已描述的)图1B示出了根据现有技术的第二全场干涉显微***；
-图2A和图2B示出了根据本说明书第一实施例的全场干涉成像***的实施例的原理的示意图；
-图3A和图3B示出了光波在光栅类型的反射装置上的反射的示意图(图3A)和在镜面类型的反射装置上的反射的示意图(图3B)；
-图4和图5示出了根据本说明书第二实施例的全场干涉成像***的实施例的原理的示意图；
-图6示出了借助于如图2B上所示的全场干涉成像***从活体内(in vivo)获得的皮肤元件的切面的实验图像。
具体实施方式
在图2A和2B上示意性地示出了适用于实施根据本说明书的对样本S成像的成像方法的干涉成像***100、200的两个示例。
在这些示例中的每个中，干涉成像***包括照明通道101、检测通道102和和干涉仪103，所述照明通道尤其具有用于发射入射光波的光源111，所述检测通道尤其包括用于获取二维图像的获取装置121，所述干涉仪包括至少一个第一物镜(在该示例中，附图标记为112的物镜)和分开元件130，所述分开元件适用于经由输入面130A接收入射光波。分开元件130适用于形成目标臂和参考臂，所述目标臂用于接收期望产生图像(例如，给定深度处的断层图像)的样本S，所述参考臂上配置有反射装置(图2A上的134和图2B上的135)。在参考臂上，反射装置可装配在由双箭头133象征的轴向移动装置(例如压电马达、步进马达或者压电马达和步进马达的组合)上。轴向移动装置能够确保反射装置的轴向移动(即沿着由物镜112的光学轴线Δ限定的光学轴线的移动，在图2A上以交替的虚线表示)，并且尤其能够修改在目标臂与参考臂之间的行程差。在目标臂上，样本S例如施加在对于入射光波透光的透明窗口131(例如二氧化硅窗口)上。根据一个或多个实施例，样本S也可装配在(图2A和图2B上未示出)的轴向移动装置(例如压电马达、步进马达或者压电马达和步进马达的组合)上，以确保样本的轴向移动并调节期望形成图像的深度。可替换地，用于使反射装置轴向移动的轴向移动装置133可确保该功能。干涉成像***还包括处理单元104，所述处理单元一方面与用于获取二维图像的获取装置121连接以及另一方面与可动装置连接。
根据实施例，干涉仪103适用于产生在一方面参考波与另一方面目标波之间的光学干涉，所述参考波通过由光源111发射的光经由所述干涉仪的参考臂的反射装置134、135的表面中的基本表面的反射来获得，所述目标波通过由同一光源发射的光经由在样本中的深处样本S切片的每个体素的反向散射来获得，所述样本S布置在所述干涉仪的目标臂上，所述体素和所述基本表面与成像场的同一点对应。
根据一个或多个实施例，光源111是时间上非相干的光源或具有较短时间相干波长的光源(有利地具有在1与100μm之间的相干波长)。所述光源例如是卤素灯或LED(表达“Light Emitting Diode”的缩写)。
获取装置121使得能够获取由在参考波与目标波之间的干涉引起的至少一个二维干涉信号。获取装置121例如是CCD(即“Charge-Coupled Device(电荷耦合器件)”)或CMOS(即“Complementarity metal-oxide-semiconductor(互补金属氧化物半导体)”)摄像机类型的图像传感器。这种获取装置能够以高节奏(例如以大于几百Hz甚至是大于1kHz的频率)获取图像。
处理单元104构造用于执行至少一个用于处理由获取装置121获取的至少一个二维干涉信号的处理步骤和/或至少一个用于依据根据本说明书的成像方法中的至少一个生成图像的生成步骤，以便生成样本S切片的至少一个图像。
在实施例中，处理单元104是计算机信息装置，所述计算机信息装置包括用于存储数字图像的第一存储器CM1(未示出)、用于存储程序指令的第二存储器CM2(未示出)以及能够执行存储在该第二存储器CM2中的程序指令的数据处理器，以便尤其是用于控制执行至少一个用于处理由获取装置121获取的至少一个二维干涉信号的处理步骤和/或至少一个用于依据根据本说明书的成像方法中的至少一个计算图像的计算步骤。处理单元还可实施成集成电路的形式，所述集成电路包括适用于实施该文件中描述的关于处理单元的一个或多个功能的电子元件。处理单元104还可由一个或多个在物理上不同的装置实施。
图2A和图2B上示出的干涉仪103是迈克尔逊类型的干涉仪，并且包括物镜112，光源111配置在所述物镜112的图像焦平面附近。因此，当由光源111发射且来自物镜112的入射光波处于入射到分开元件130的输入面130A上时，所述由光源发射且来自物镜的入射光波处于被基本准直。根据一个或多个实施例，光源111可配置在与物镜112的图像焦平面共轭的平面附近，在该情况下，照明通道包括用于使光源的图像传输到物镜的图像焦平面中的光学***。
如图1和图2上所示，分开元件130具有不相等的反射系数和透射系数，使得发送到目标臂上的入射光波的光学功率(在本说明书的下文中，更简单地称作“入射光学功率”)严格地大于发送到参考臂上的入射光波的光学功率。在图2A和图2B的示例中，入射光波的反射系数严格大于透射系数，以使得入射到输入面上的入射光学功率中的较大部分朝向目标臂反射，样本S处在所述目标臂中。可替换地，透射系数可严格地大于反射系数，在该情况下，图2A和图2B上的目标臂和参考臂的位置被颠倒。
根据一个或多个实施例，分开元件的反射系数和透射系数使得入射到分开元件上的入射光学功率中的至少75％(有利地，入射光学功率中的至少90％)朝向所述目标臂发送。
因此，如图2A和图2B上所示，检测通道102包括与照明通道101共同的共同通道，除了参考臂和目标臂之外，所述共同通道还包括分开元件130的输入面130A。检测通道和照明通道由反射元件151分开，所述反射元件定位在物镜112的图像焦平面附近，或者在与物镜112的图像焦平面共轭的平面附近。在图2A和图2B的示例中，反射元件定位在与发射源111的平面基本重合的平面中。
更确切地，在这些示例中，反射元件151是经穿孔的镜面，以能够使由所述参考臂的反射装置返回的光波中的至少一部分在所述检测通道上经过，以及使由发射源111发射的入射光波中的至少一部分在所述照明通道上经过。为此，如在下文中更详细地描述，所述参考臂的反射装置适用于使入射光波沿着与入射波的入射方向不同的方向返回。因此，在该示例中，由发射源111发射的光波穿过孔经过，而由参考臂的反射装置反射的波朝向所述检测通道的获取装置121返回。
根据一个或多个实施例，光源111具有较低时间相干性但在空间上相干。例如，光源111是超发光二极管、锁模钛蓝宝石激光器、超连续光谱纤维激光器(建立在超连续光谱在非线性纤维(例如光子晶体纤维)中的生成的基础上的纤维激光器)。在该情况下，入射光波的聚焦斑点非常小，镜面151中的孔可非常小，并且通常具有在5μm与100μm之间的最大化横向尺寸(例如在圆孔的情况下，直径尺寸)，经反向散射的信号的损失由于可忽略的孔。然而，空间上相干的光源存在造成串扰(或英文表达“cross-talk”)效应的风险。
根据一个或多个实施例，光源111具有较低时间相干性但在空间上不相干。所述光源例如是发光二极管(或“LED”)、卤素灯或弧光灯。由此避免了串扰效应。在该情况下，经穿孔的镜面151的孔被定尺寸成尽可能大地覆盖光源的几何范围，以便从光源的尽可能大的光学功率中受益，而不过多地损失经反向散射的通量。因此，通常上，可选择孔的最大化尺寸(例如直径)，尺寸小于或基本等于在孔位置处的光源的几何范围的最大化尺寸，尺寸例如根据光源的空间范围而在1mm与5mm之间。例如，LED通常具有尺寸为1mm×1mm的发射表面。然而，经发射的光波非常发散，可进行扩大发射表面(例如直到4mm×4mm)来减小发散，以使得全部光可由物镜112收集。由此可选择具有对应尺寸的孔，例如直径为大约4mm的圆孔。
由于上文描述的照明通道和检测通道的配置，对于具有不同的反射系数和透射系数的分开元件130的使用使得能够超过来自样本的最大化量，所述最大化量等于现有技术中确定的由光源发射的光量中的25％。
事实上，如果R是分开元件130的反射系数且T是分开元件的透射系数，并且如果假设在分开元件位置处不存在光学损失，通过假设R>T的情况(如图2A和图2B上所示)，可回收的来自样本的最大化光功率保持等于(目标臂上)R×R以及(参考臂上)T×T。因此例如，如果R＝90％且T＝10％，并且如果假定反射装置134反射入射光中的100％，这带来了光中的1％在双通道之后传输到参考臂上的分开元件上。光比例对于大多数生物组织的成像是最佳的，因为力求基本上具有分别由反射装置和由样本返回的相同量的光。假设样本S反射入射光中的100％，这带来了来自可回收的样本的最大化光学功率是通过使用如现有技术中描述的50/50分开元件获得的光学功率(即光量)的3倍以上大。
在图2A的示例中，反射装置134是反射式衍射光栅，例如小阶梯光栅(或根据英文表达“blazed grating(闪耀式光栅)”)，光学干涉形成在由光栅衍射的由闪烁效应(“blaze(闪耀)”)支配的1阶与由样本反向散射的光之间。
为了给光栅定尺寸，首先确定了角度α，这使得能够使由光栅衍射的光返回到孔之外。如果f是镜头112的焦距且D是经穿孔的镜面151中的孔的直径，则角度α满足：
α＝Arctan(D/f) (1)
接下来选择能够使入射波按照角度α衍射的光栅。例如，可使用光栅公式：
d＝λ/sin(α) (2)
其中，d是在光栅的两条线之间的距离且λ是波长。
因此例如，对于焦距f＝100mm，直径D＝4mm，计算α＝2.3°。可由此推导出d＝λ/sin(α)≈λ×f/D＝0.85μm×100mm/4mm＝21.25μm，或者在线密度方面，每毫米47行(“lpm”)。
与衍射光栅不同的其它反射装置是可能的。
因此，在图2B的示例中，反射装置135包括简单的经倾斜的镜面，所述经倾斜的镜面还适用于使入射光波沿着与入射波的入射方向不同的方向返回。在该情况下，需按照相同的方式选择镜面135的倾斜度，使得由镜面反射的波不返回到孔中。为此，例如，使经倾斜的镜面选择成相对于物镜112的光学轴线具有等于α/2的角度。
在实践中，在根据本说明书的干涉成像***中，出于参考图3A和图3B阐明的原因，可优选地使用衍射光栅或使用经倾斜的镜面作为反射装置。
例如在期望样本的正面图像的情况下，可使用衍射光栅；事实上，如图3A上所示，由光栅134衍射的光束303的相干切片313的定向与入射到光栅上的光束301的相干切片311的定向相同。由于由样本反向散射的光也保持使得相干切片与入射光束平行，所述由样本反向散射的光需与正面的参考光束干涉(穿过整个邻近场)，并因此生成正面图像。例如，正面成像优选地在指纹成像中，因为内指纹处于沿着该定向。
在使用经倾斜的镜面(135，图3B)的情况下，经反射的光束的相干切片312相对于入射光束301的相干切片311倾斜。因此，当这种参考光束与由样本反向散射的光束干涉时，图像按照相对于上文描述的正面情形的非零角度生成。当期望获取具有相对于表面倾斜的切面的图像时或者当在单个图像中捕获与表面平行地定向的不同层时，可使用该成像。
在图2A和图2B的示例中，还在检测通道102上安置光学器件122(在本说明书的下文中，称作“中间透镜”，例如消色差双合透镜)，所述中间透镜使得能够使物镜112的目标焦平面与获取装置121的检测平面共轭，以使得由干涉仪产生的干涉信号由获取装置获取。中间透镜的焦距适用于允许由获取装置121对样本S恰当地采样。光学器件122的焦距例如在30mm与300mm之间，例如在百来毫米左右。
图4示出了干涉成像***的另一实施例，与图2A上所示的干涉成像***类似，在图4中，反射元件包括相对于物镜112的光学轴线倾斜的小镜面152，以使来自光源11的入射光波朝向共同通道偏转。镜面152配置在物镜112的图像焦平面中。镜面152的尺寸足够小，以便不封住返回到检测通道上的所有波。在实践中，镜面152的尺寸响应于与所描述的对于经穿孔的镜面151的孔的约束相同的约束。因此，根据示例，镜面的最大化尺寸可小于或基本等于添加到镜面平面中的光源的几何范围的最大化尺寸。
在该实施例中，如图4上所示，照明通道101包括用于使光源111的图像传输到物镜112的图像焦平面中的光学***113。
在图4的示例中，反射装置134是反射式衍射光栅；当然，如前所述，通过由经倾斜的镜面代替反射式衍射光栅，可获得类似的干涉成像***。
在图2A、图2B、图4上所示的干涉成像***的示例中，干涉仪是迈克尔逊类型的干涉仪，并且包括配置在分开元件130上游处的物镜112。当然，对于根据本说明书的干涉成像***，可考虑其它类型的干涉仪，尤其是林尼克类型的干涉仪。
因此，图5示出了与图4上所示的干涉成像***基本类似但包括林尼克类型的干涉仪的干涉成像***的示例。
干涉仪103由此包括处在所述干涉仪的参考臂上的第一物镜138以及处在干涉仪的目标臂上的第二物镜137。
所有元件的定尺寸可按照与上述示例(图2A、图2B、图4)相同的方式进行，但同时考虑代替物镜112的第一物镜138。
在图5上所示的示例中，照明通道101和检测通道102的共同通道还包括中继光学器件114、115，所述中继光学器件能够使反射元件(在该示例中，镜面152)与第一物镜138的图像焦平面共轭。
如图5上可见，在该示例中，目标臂接收由分开元件130透射的入射光波，分开元件130的透射系数严格大于所述分开元件的反射系数；但在另一示例中，在分开元件130的反射系数严格大于所述分开元件的透射系数的情况下，目标臂可接收由分开元件130反射的入射光波。
在上文所示的示例中，所示的分开元件130是分开立方体。当然，适用于根据不等比例分开入射光学功率的任何装置都可运行。例如，分开元件130是具有两个棱镜的分开立方体、膜状分开片或刻在玻璃板上的衍射光栅。
本说明书还涉及一种用于借助于根据本说明书的干涉成像***(例如根据上文描述的实施例中的一个的干涉成像***)对样本S成像的全场干涉成像方法。
所述干涉成像方法首先包括使样本S安置在干涉仪103的目标臂上。样本S的安置取决于所需的应用。例如，样本可为人类的皮肤区域，例如手指皮肤，当获取手指中的表层指纹或更深处指纹时，在该情况下，手指可按压在透明窗口(在附图上，附图标记为131)上。在皮肤诊断应用的情况下，窗口的尺寸减小到最小，例如直径为5至10mm的圆形，窗口安置在管的端部处，以便使得容易地接近人体的不同区域(面部、腋窝)。注意到，布置较紧凑且较轻，可轻易地安置在经铰接臂的末端处。
在半导体表面上的缺陷检测应用的情况下，相反地，需要较大的平坦表面来安设所述半导体表面。
根据本说明书的干涉成像方法包括借助于所述干涉仪103对于所期望的成像场的每个点产生在参考波与目标波之间的干涉，所述参考波通过入射光波在所述干涉仪的参考臂的反射装置上的反射来获得，所述基本表面与所述成像场的点对应，所述目标波通过入射波经由在给定深度处的样本切片的体素的反向散射来获得，所述体素与所述成像场的点对应。对于目标臂与参考臂之间的行程差的至少一个值，获取由对于所述成像场的每个点的干涉引起的至少一个二维干涉信号，然后进行基于所述二维干涉信号计算样本图像。
更确切地，当光源111具有较短时间相干波长时，在由反射表面134、135反射的光(参考波)与由样本S反向散射的光之间的干涉仅发生在当两个臂中的光学路径相同且具有接近的相干波长时。因此，在样本的给定深度处，干涉发生在参考波与由切片的每个体素反向散射光之间，所述切片处在与目标臂的光学轴线垂直的平面中，还称作相干切片，体素是限定在相干切片中的基本体积。由每个体素反向散射的光表示经由存在于该体素中的所有基本散射结构反向散射的波的相干总和的幅度。
由在参考波与由不同体素反向散射的波之间的光学干涉引起的干涉信号在时刻t上由获取装置121并行地获取。这由此导致干涉图像S与相干切片在给定时刻t上的干涉状态对应。处在给定位置(x，y)处的图像元素或干涉图像像素相对于与获取装置121相关联的二维坐标系限定，并且具有与在时刻t上在位置(x，y)处获取的干涉信号的强度对应的值S(x，y，t)，所述干涉信号由在样本中的对应位置的体素反向散射的波与由对应位置的参考臂的反射表面的基本表面反射的参考波之间的干涉引起。
处理单元104构造用于基于由获取装置121获得的至少一个二维干涉信号生成样本S图像。
从现有技术中已知的各种方法能够计算样本图像。例如，在A.Dubois和C.Boccara的文章“Full-field optical coherence tomography(全场光学相干层析成像)”中描述了一种4相调制方法，该文章取自Wolfgang Drexler、James G.Fujimoto、Editors-Springer2009的“Optical Coherence Tomography-Technology and Applications(光学相干层析成像——技术和应用)”工程。根据该方法，干涉信号对于4个相位差值由获得装置获取，并且样本图像通过计算(I0-I180)2+(I90-I270)2的平方根来重建，其中，I0、I90、I180、I270表示对于4个相位差值获取的干涉信号。
图6示出了在深度上视取的皮肤样本的实验图像，所述实验图像由根据本说明书的全场干涉成像***(更准确地，如图2B上所示的全场干涉成像***)获得。
所述***包括由LED形成的光源111，所述LED发射波长为850nm的非相干光(DELM850L3，)，具有的光谱宽度为30nm。所述***包括迈克尔逊类型的干涉仪103以及能够运行直到700个图像每秒的CMOS类型的摄像机121(CXP)。光源的几何范围借助于一对透镜(图2B上未示出)按照为4的因子放大，以便减小从LED显露的光的发散，以使得经发射的光中的大部分处在物镜112的接受角中。所述LED聚焦在镜面151的直径为4mm的圆形孔位置处。使用由经倾斜(倾斜角为1.15度)的镜面形成的反射装置135，以使得经反射的光经由镜面151朝向检测通道102反射。压电元件133被使用以用于调制由摄像机检测的干涉图案。图像对于4个相位差值获取，并且样本图像通过计算(I0-I180)2+(I90-I270)2的平方根来重建，其中，I0、I90、I180、I270表示对于4个相位差值获取的干涉信号。
在图6上，观察到皮肤的表层区域601、在所述表层下方的区域602以及深处区域603。
在该示例中，对于经倾斜的镜面135的使用使得能够通过单个图像获得样本中的深处的信息(除了用于调制相位的压电运动之外，样本或参考镜面不具有轴向移动)。因此，可估计出，区域601处在44μm的深度处，区域602处在123μm的深度处，区域603处在312μm的深度处。强度差与由生物组织对弹道光的阻尼有关。
上文描述的干涉成像方法和干涉成像***尤其应用于指纹获取或皮肤成像。所述干涉成像方法和干涉成像***通常还可应用于光子预算受限的所有情形。所述干涉成像方法和干涉成像***还可应用于任何样本，无论所述样本是否为生物样本。

Claims (10)

1.一种用于对样本(S)成像的全场干涉成像***(100，200，300，400)，所述全场干涉成像***包括：
-照明通道(101)，所述照明通道包括用于发射入射光波的光源(111)；
-干涉仪(103)，所述干涉仪包括：
○至少一个第一物镜(112，138)，所述光源配置在所述第一物镜的图像焦平面附近，或者在与所述第一物镜的图像焦平面共轭的平面附近；以及
○分开元件(130)，所述分开元件适用于经由输入面(130A)接收入射光波，并且适用于形成目标臂和参考臂，所述目标臂用于接收所述样本(S)，所述参考臂上配置有反射装置(134，135)；其中，
■所述分开元件(130)具有不相等的反射系数和透射系数，使得发送到所述目标臂上的入射光波的光学功率的比例严格大于发送到所述参考臂上的光波的光学功率的比例；
■所述反射装置适用于使入射光波沿着与入射方向不同的方向返回，以及
■所述干涉仪适用于在所述样本布置在所述干涉仪的目标臂上时在成像场的每个点处产生在参考波与目标波之间的干涉，所述参考波通过入射光波在与所述成像场的点对应的反射装置的基本表面上的反射来获得，所述目标波通过入射光波经由在给定深度处的样本切片的体素的反向散射来获得，所述体素与所述成像场的点对应；
-检测通道(102)，所述检测通道包括用于获取二维图像的获取装置(121)，其中：
○所述用于获取二维图像的获取装置定位在所述反射装置(134，135)的共轭平面中，并且适用于获取由在所述成像场的每个点处产生的干涉引起的二维干涉信号；
○所述照明通道(101)和所述检测通道(102)包括共同通道，所述共同通道包括所述分开元件(130)的输入面，并且所述照明通道和所述检测通道由反射元件(151，152)分开，所述反射元件定位在所述第一物镜(112，138)的图像焦平面附近，或者在所述第一物镜的图像焦平面的共轭平面附近，所述反射元件适用于使由所述参考臂的反射装置返回的光波中的至少一部分在所述检测通道上经过，以及使入射光波中的至少一部分在所述照明通道上经过；
-处理单元(104)，所述处理单元构造用于基于所述二维干涉信号计算样本图像。
2.根据权利要求1所述的成像***，其中，所述分开元件的反射系数和透射系数使得入射到所述分开元件上的入射光波的光学功率中的至少90％朝向所述目标臂发送。
3.根据上述权利要求中任一项所述的成像***，其中，所述反射元件包括相对于所述第一物镜的光学轴线倾斜的镜面，所述镜面被穿孔以用于使入射光波经过，孔的尺寸足够小，以便不封住返回到所述检测通道上的所有光波。
4.根据权利要求1或2所述的成像***，其中，所述反射元件包括相对于所述第一物镜的光学轴线倾斜的镜面，以便使入射光波朝向所述共同通道偏转，并且所述镜面具有的尺寸足够小，以便不封住返回到所述检测通道上的所有波。
5.根据上述权利要求中任一项所述的成像***，其中，所述反射装置包括反射式衍射光栅，例如小阶梯光栅。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的成像***，其中，所述反射装置包括经倾斜的镜面。
7.根据上述权利要求中任一项所述的成像***，其中，所述干涉仪(103)是迈克尔逊类型的干涉仪，所述第一物镜(112)配置在所述照明通道(101)和所述检测通道(102)的共同通道上。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的成像***，其中，所述干涉仪(103)是林尼克类型的干涉仪，并且包括处在所述干涉仪的参考臂上的第一物镜(138)以及处在所述干涉仪的目标臂上的第二物镜。
9.根据权利要求8所述的成像***，其中，所述物镜是显微物镜。
10.一种用于借助于根据权利要求1至9中任一项所述的成像***对样本(S)成像的全场干涉成像方法，所述全场干涉成像方法包括：
-使样本(S)安置在干涉仪(103)的目标臂上；
-借助于所述干涉仪对于成像场的每个点产生在参考波与目标波之间的干涉，所述参考波通过入射光波在所述干涉仪的参考臂的反射装置上的反射来获得，所述基本表面与所述成像场的点对应，所述目标波通过入射波经由在给定深度处的样本切片的体素的反向散射来获得，所述体素与所述成像场的点对应；
-对于在所述目标臂与所述参考臂之间的行程差的至少一个值，获取由对于所述成像场的每个点的干涉引起的至少一个二维干涉信号；
-基于所述二维干涉信号计算样本图像的图像。
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