CN112740092A

CN112740092A - 用于非均匀介质的非侵入性光学表征的方法和***

Info

Publication number: CN112740092A
Application number: CN201980061722.9A
Authority: CN
Inventors: A·奥布里; A·巴顿; V·巴罗尔; C·博卡拉; L·科布斯; M·芬克; W·兰伯特
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-07-16
Also published as: FR3084172B1; KR20210044208A; US11408723B2; FR3084172A1; EP3824269A2; PL3824269T3; US20210310787A1; CN112740092B; ES2971839T3; WO2020016249A3; WO2020016249A2; EP3824269B1

Abstract

本发明涉及一种用于非均匀介质的非侵入性光学表征的方法，所述方法包括：借助于一系列入射光波照射被定位在显微镜的透镜(30)的焦平面中的所述非均匀介质的给定视场的步骤；在所述焦平面(FP)的共轭平面与观测平面之间定义的观测基础中确定第一失真矩阵(D_ur、D_rr)的步骤，所述第一失真矩阵在所述焦平面的共轭平面与像差校正平面之间定义的校正基础中，对应于在所述校正基础中确定的所述视场的第一反射矩阵(R_ur)借助于在所述校正基础中针对模型介质定义的参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积；以及根据所述第一失真矩阵确定所述非均匀介质的物理参数的至少一个制图的步骤。

Description

用于非均匀介质的非侵入性光学表征的方法和***

技术领域

本说明书涉及用于非均匀介质特别是生物介质的非侵入性光学表征的方法和***。

背景技术

光学成像***的分辨率与其鉴别对象的小细节的能力有关。在完美的光学***中，分辨率以绝对方式受衍射限制为λ/2(其中λ是所使用的波长)，并且更一般地受光线的最大收集角(即数值孔径)限制。从眼镜到显微镜和望远镜，经过数百年对抛光的改进，反射镜和非球面透镜的设计意味着现在已知如何制造在衍射极限下工作的光学***。然而，光学成像***与要成像的平面之间的传播介质不总是均匀的并可能引入像差，这可以使图像的质量严重地降低。

为了提高图像的质量，天文学家已提出测量并补偿这些像差：这是在二十世纪五十年代提出的自适应光学的原理。这需要在波前测量设备与波前校正设备之间实时地操作的环路，所有设备都具有毫秒量级的响应时间。关于波前测量，Shack-Hartmann分析仪已利用了微细加工中的进步并且现在主要与CCD或CMOS相机一起使用。关于波前校正，可变形的反射镜现在可获得有数百个致动器以及足以实时地校正由大气扰动产生的像差的速度。

同时，在另一尺度上，在具有越来越大的数值孔径的光学器件的质量上以及成像方法上，光学显微镜业已取得了大进展，同时出现虚拟视场“切片”技术：共焦显微镜、结构化照明显微镜和非线性显微镜。这些技术使得有可能获得深度组织图像。除这些技术外，还有来自眼科学的OCT(光学相干断层扫描，其使得有可能通过使用光源的相干性来选择来自给定深度的信号)，这在医学实践中例行地用于获得视网膜的2D和3D图像。在所有这些情况下，光穿过折射率变化的组织或变形的表面，从而图像的质量降低。然而，仅最近自适应光学才被用在生物医学成像中(参见例如M.J.Booth,Light Sci.Appl.3,e165(2014))。

虽然在一些情况下能够通过将激光聚焦在视网膜的表面上来生成“人造星”(如在天文学中一样)，但是测量来自生物样品的深度的波前比测量来自星的波前更复杂，特别是因为它由与未分辨散射体相关联的回波的不相干叠加产生，从而形成散斑图像。

第二种方法在于在不测量波前的情况下而仅仅通过优化图像的质量、即通过以受控方式使波前变形以便朝向最佳图像收敛来校正像差。这种类型的方法的缺点是对用于朝向优化图像收敛的准则的选择。

另外，由波前经历的像差根据图像上的位置而不同。被称作等晕域并例如在J.Mertz等人的文章("field of view advantage of conjugate adaptive optics inmicroscopy applications",Appl.Opt.54,3498-3506,2015)中描述的这些区域常常不可能经推断确定。当视场或(“field of view”或“FOV”)包含多个等晕域时，基于从现有技术中已知的技术来校正像差通常证明是有问题的。

等晕域的概念被图示在图1A-1D中。想象放置在显微镜物镜10与该显微镜物镜的焦平面之间的畸变器膜11，对于图1A-1D中的每一个，焦平面分别由图像12a-12d表示。在图1A的实施例中，入射在显微镜物镜上的波前13a未被校正。它因此在畸变器膜之后失真(波前14a)，这产生相对于衍射极限放大的焦斑15a。在图1B的实施例中，入射波前13b被校正——例如借助于自适应光学***——使得在畸变器的出口处的波前14b被完美地校正(球面波)。这在焦平面的给定点r处产生受衍射限制的焦斑15b。如果使这个相同校正后的波前稍微成角形(13c，图1C)以便允许聚焦在点r'处，使得│r–r'│<l_c，其中l_c是畸变器的特征参数，被称作畸变器的相干长度，则来自畸变器的波前14c保持被校正并且聚焦在r'(焦斑15c)处总是受衍射限制。点r和r'属于视场的相同的等晕域。然而，如果使经校正后的入射波前进一步成角形(13d，图1D)以便允许聚焦在点r'处，使得│r–r'│>l_c,，则来自畸变器的波前14d失真并且所施加的校正不允许衍射限制聚焦在r'(焦斑15d)处。点r和r'在这种情况下属于视场的不同的等晕域。

在本说明书的上下文中，提出了第三方式，该第三方式既不基于人造星的生成，也不基于基于任何图像质量准则对波前的优化。本发明基于光学成像和像差校正的基于矩阵的方法。

特别地出于通过高度散射介质进行通信的目的，首先在传输中开发了在非均匀介质内传播光波的基于矩阵的方法——参见S.M.Popoff等人的文章(Phys.Rev.Lett.104,100601,2010)。最近，基于矩阵的方法已被用于通过高度散射介质进行深度成像(参见A.Badon等人"Smart optical coherence tomography for ultra-deep imaging throughhighly scattering media",Sci.Adv.2016；2:e1600370)。在文章中称作“智能OCT”的这种方法包括借助于实验设置在实验上确定真实空间中的反射矩阵(或“焦平面”反射矩阵)，其图被示出在图2中。

来自飞秒激光源21的激光束由作为动态衍射光栅的空间光调制器(SLM)22空间上整形。然后由SLM发射平面波集，这些平面波被聚焦在显微镜物镜23的物焦平面的不同的焦点r_in处。对于每个焦点r_in，反射场E_r(u_out,r_in,t)通过同一显微镜物镜23来收集并在与显微镜物镜的光瞳平面共轭的二维采集设备24(例如CCD相机)上与参考波E₀(u_out,0,t)干涉。通过在时间t上积分的这两个波之间的干涉图样可以得到时间上加窗的反射矩阵R_ur的列的系数R(u_out,r_in)：

在实践中，通过相移干涉测量法来记录每个系数R(u_out，r_in)的振幅和相位。借助于反射镜25通过干涉仪的参考臂的长度来控制飞行时间τ，反射镜的位置由压电致动器(PZT)调整。对于设想的大多数应用，飞行时间被调整为弹道时间，以便消除多次散射光子并仅保留由包含在样品的焦平面中的反射器单独地散射的那些光子。对于焦平面中的每个入射焦点r_in，反射系数R(u_out，r_in)被记录在与出射显微镜物镜光瞳(由向量u_out标识)的焦点共轭的平面中。坐标u_out上的二维傅立叶变换使得有可能确定与由向量r_out标识的出射焦平面共轭的平面中的反射系数R(r_out，r_in)。对于焦平面中的每个入射焦点r_in，沿着列向量记录并存储反射系数R(r_out，r_in)。最后，列向量集形成焦平面中的反射矩阵R_rr。如此获得的是时间上加窗的“焦平面”反射矩阵，其对角元素(r_in＝r_out)形成样品的图像的“正面”部分，因为它是在OCT中获得的(为得到全场OCT成像的描述，参见例如已公布的专利申请US20040061867)。“智能OCT”方法然后在于将滤波器应用于焦平面反射矩阵，以便对反射矩阵的主要与多次散射效应相关联的非对角元素进行滤波。这种数学运算因此相当于在数字上产生具有根据像差焦斑的宽度和要成像的目标的尺寸而确定的可调尺寸的虚拟孔的共焦图像。通过组合第一输入和输出奇异向量，将所得的滤波后的矩阵分解成奇异值使得有可能重构焦平面的已从其中去除了多次散射噪声的大部分的图像。

因此，在A.Badon等人的文章中描述的“智能OCT”使得有可能相对于OCT技术并借助对单次和多次散射光子的基于矩阵的鉴别，使穿透到高度散射介质中的深度增加两倍。然而，迄今为止开发的方法仅允许检测掩埋在多次散射介质中的目标，而不允许校正由光学***或介质它本身引入的像差，更不用说对包含多个等晕域的视场进行成像。

本发明呈现了一种用于光学成像并用于在视场的多个等晕域之上同时校正像差的新颖的基于矩阵的方法。

发明内容

根据第一方面，本说明书涉及一种用于由非均匀介质形成的样品的非侵入性光学表征的方法，所述方法包括：

-借助于一系列入射光波照射被定位在显微镜物镜的焦平面中的所述非均匀介质的给定视场的步骤；

-在所述焦平面的共轭平面与观测平面之间定义的观测基础中确定第一失真矩阵的步骤，所述第一失真矩阵在所述焦平面的共轭平面与像差校正平面之间定义的校正基础中，对应于在所述校正基础中确定的所述视场的第一反射矩阵与在所述校正基础中针对模型介质定义的参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积；

-在所述第一失真矩阵的基础上确定所述非均匀介质的物理参数的至少一个映射的步骤。

第一反射矩阵的每个系数或“元素”对应于针对给定聚焦照明在校正平面的点处确定的样品的复反射系数。它可以经由被样品针对所述聚焦照明反射的波与参考波之间的交叉干涉项来获得。第一反射矩阵乘以参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积或“Hadamard乘积”相当于从反射矩阵的每个元素的相位中减去针对模型介质定义的反射矩阵的对应元素的相位。因此从第一反射矩阵的每个元素的相位中减去预期弹道分量(由模型介质定义)，这使得有可能为视场的每个照明点隔离失真分量。申请人已表明，分析失真矩阵特别地使得有可能鉴别包含在视场中的等晕域并且在观测平面中确定与每个等晕域相关的像差定律。

模型介质或“参考介质”例如是光学指数等于传播介质的有效指数(或平均指数)的均匀介质。取决于传播介质的先验知识的程度，模型介质可以采取更精巧的形式(例如多层介质等)。

在本说明书的含义内的非均匀介质包括具有空间上不均匀的光学指数并反射入射光波的一部分的任何介质。作为实施例，这种介质可以特别地由不同的光学指数的层组成，所述层包括空气的在寻求观测它时的层，例如位于散射对象后面的元素；这可以是由活检产生的诸如皮肤、视网膜或组织的生物介质，但还可以是可以例如在金相学(金属片)中或在岩相学(岩石分析)中通过显微镜检查的其他介质。本说明书中描述的方法和***特别地允许这样的非均匀介质的非侵入性深度光学表征。

非均匀介质的物理参数可以包括例如：与包含在视场(“FOV”)中的每个等晕域相关联的像差定律、介质的光学反射率的特征参数、介质的折射率的特征参数或多次散射率。

通过介质和/或光学***传播的波前的像差对应于来自此介质和/或光学***的波前与在理想情况下将预期的波前之间的差。这些像差可以例如与光学成像***的缺陷(例如球面像差、彗差、像散等)相关。在本说明书的上下文中，主要以由传播介质它本身即由其光学折射率中的空间波动引起的像差作为目标。

例如当寻求像差定律的映射时，观测平面例如是像差校正平面。像差校正平面可以是与显微镜物镜的光瞳平面共轭的平面，或者在畸变器的平面可以被认为是二维相位屏时，可以是与畸变器的平面共轭的平面。在更一般的情况下，寻求找到使包含在视场中的等晕域的尺寸最大化的校正平面。当寻求绘制成像***的点扩散函数的图(或成像***的空间脉冲响应)或多次散射率的图时，观测平面还可以是与焦平面共轭的平面。

申请人已表明，失真矩阵可以包括确定所述第一反射矩阵的初步步骤，或者是借助于特定实验设置直接获得的。

因此，根据一个或多个示例性实施方式，确定第一失真矩阵包括以下初步步骤：在观测基础(时间上加窗或在频域中确定的反射矩阵)中确定所述第一反射矩阵，然后在相同基础中定义的所述第一反射矩阵以及所述参考反射矩阵的基础上构造所述第一失真矩阵。

根据一个或多个示例性实施方式，观测基础是校正基础，并且第一失真矩阵由在校正基础上确定的所述视场的所述第一反射矩阵与在相同基础中定义的参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积构造。根据一个实施例，能够在与校正基础不同的基础中在实验上确定第一反射矩阵，然后仅仅通过改变基础在校正基础中确定反射矩阵。

根据一个或多个示例性实施方式，观测基础是在焦平面的两个共轭平面之间定义的聚焦基础，并且所述第一失真矩阵由“焦平面”的每一行和/或列与在相同基础中定义的参考反射矩阵的相同行和/或列之间的空间相关构造。

根据一个或多个示例性实施方式，参考介质是光学指数等于传播介质的有效指数(或平均指数)的均匀介质。可以理论上用显微镜物镜的焦平面中的平面反射镜来为此参考介质建立参考反射矩阵。取决于传播介质的先验知识的程度，参考介质可以采取更精巧的形式(例如多层介质等)。在这种情况下，能在数字上计算出参考矩阵。失真矩阵的构造相当于从所测量的第一反射矩阵的每个元素的相位中减去参考反射矩阵的对应元素的相位。

根据一个或多个示例性实施方式，直接获得所述第一失真矩阵的确定，而无需预先确定反射矩阵。

根据一个或多个示例性实施方式，确定所述第一失真矩阵是借助于用相干光照射的至少一个第一干涉仪在实验上进行的。然后该方法的特征在于：

-所述照射步骤包括借助于相同的空间上相干的光波照射第一干涉仪的物镜臂和参考臂，所述物镜臂包括在其焦平面中定位有所述非均匀介质的显微镜物镜并且所述参考臂包括参考反射镜；

-在所述校正基础中确定所述第一失真矩阵，并且确定所述第一失真矩阵包括以下步骤：

○对于入射在焦平面的点处的每个光波，在所述校正平面中采集由被所述点反射的电磁场与被参考反射镜反射的电磁场之间的干涉产生的干涉图；

○构造所述第一失真矩阵，对于聚焦在焦平面的点处的入射光波，第一失真矩阵的每一列对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

通过用相同的入射光波照射物镜臂和参考臂，申请人已示出，与因此获得的干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场和反射电磁场的失真分量直接相关联。参考介质可以是空气或例如通过将凝胶引入到参考臂而获得的更复杂的介质。所述第一干涉仪例如是在每个臂上具有两个物镜有利地两个相同的物镜的林尼克干涉仪。确定干涉图的交叉干涉项例如是通过相移干涉测量法获得的。因此，对于聚焦在焦平面的点处的入射光波，第一失真矩阵的每一列对应于在观测平面中测量并且由被物镜臂中的所述点反射的电磁场与被在参考反射镜上与所述点共轭的点反射的电磁场之间的干涉产生的干涉图的交叉干涉项。校正平面例如是显微镜物镜的出射光瞳的所述平面的共轭平面。焦平面扫描允许重构整个失真矩阵。

根据一个或多个示例性实施方式，所述第一失真矩阵是通过全场低相干干涉测量法在被称作在所述焦平面的两个共轭平面之间定义的聚焦基础中在实验上确定的。然后该方法的特征在于：

-所述照射步骤包括借助于空间上不相干的光波全场照射第一干涉仪的物镜臂和参考臂，所述物镜臂包括在其焦平面中定位有所述非均匀介质的显微镜物镜并且所述参考臂包括参考反射镜，在第一干涉仪的输出处被非均匀介质和参考反射镜反射的波在与焦平面共轭的平面中显示出空间移位，该移位是可变的；

-在聚焦平面的两个共轭平面之间定义的聚焦基础中确定所述第一失真矩阵，并且确定所述第一失真矩阵包括以下步骤：

○对于每个空间移位，在焦平面的共轭平面中采集由被非均匀介质和参考反射镜反射且空间上移位的所述波之间的干涉产生的干涉图；

○构造所述第一失真矩阵，对于空间移位值，第一失真矩阵的每一行对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

申请人已示出，如此确定的所述第一失真矩阵的每一行是“焦平面”反射矩阵的对角线。因此能够在不相干照明下并在没有焦平面扫描的情况下确定失真矩阵。

根据一个或多个示例性实施方式，确定所述非均匀介质的物理参数的至少一个映射包括：

-确定所述第一失真矩阵的所述焦平面中的不变量，以便标识所述焦平面中的至少一个第一等晕域；

-对于所标识的每个第一等晕域，确定像差校正平面中的第一像差定律的映射。

在其中定义了所述第一失真矩阵的校正基础的校正平面，有利地是包含在视场中的等晕域的尺寸最大化的平面，例如在畸变器的平面为二维的情况下是与畸变器的平面共轭的平面，或者例如是与显微镜物镜的光瞳平面共轭的平面。可以直接在所述观测基础中或者通过根据在另一基础中确定的失真矩阵例如“焦平面”失真矩阵改变基础来获得第一失真矩阵。

为了确定第一失真矩阵的不变量，可以通过若干已知方法实现。根据一个或多个示例性实施方式，确定所述第一失真矩阵的所述焦平面中的不变量包括所述第一失真矩阵的奇异值分解、所述第一归一化失真矩阵(也就是说其每个元素的模量将已被归一化但其相位将已被保留)的奇异值分解、或所述第一失真矩阵的归一化相关矩阵(即其每个元素的模量将已被归一化的所述第一失真矩阵的相关矩阵)的奇异值分解。

假定通过非均匀介质镜面反射，在光学频率下情况常常如此，申请人已示出，可以借助于所述第一失真矩阵的奇异向量的线性组合获得整个视场的非均匀介质的反射率的映射。

申请人还已示出，失真矩阵的奇异值分解使得有可能对信号子空间(由其行和/或其列之间的实质相关性表征的矩阵)的噪声子空间(在其行和列之间没有相关性的随机矩阵)进行滤波，噪声子空间既包含实验噪声又包含由在焦平面上游发生的多次散射事件引起的反射场的不相干贡献。

根据一个或多个示例性实施方式，根据本说明书的方法还包括确定成像***的点扩展函数。成像***的点扩展函数(或脉冲响应或“PSF”)对应于对在光瞳平面中测量的像差定律的空间傅里叶变换。它在每个等晕域上是空间上不变的。根据一个实施例，它可以从“焦平面”失真矩阵的奇异值分解获得。

根据一个或多个示例性实施方式，根据本说明书的方法还包括在所述观测基础中确定通过所述一个或多个第一像差定律校正的所述视场的第一反射矩阵。特别是当假定通过样品的随机散射反射时，这使得有可能确定针对像差校正的介质或“图像”的反射率的映射。

在视场的所述校正后的第一反射矩阵的基础上，根据一个或更多个示例性实施方式，能够确定第二失真矩阵。第二失真矩阵在所述校正基础中对应于在所述校正基础中确定的所述校正后的反射矩阵与所述参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积。第二失真矩阵通过确定其在焦平面中的不变量使得有可能在所标识的第一等晕域中细化校正。它还使得有可能标识所述焦平面中的至少一个第二等晕域并且对于所标识的每个第二等晕域，确定所述校正平面中的第二像差定律的映射。因此可以必要时取决于包含在视场中的等晕域的数量将该方法迭代多次，以便获得针对像差校正的介质或“图像”的反射率的映射。更特别地当假定随机散射或中间反射即混合镜面反射和随机散射反射时，这种迭代过程适用。

根据一个或多个示例性实施方式，根据本说明书的方法还包括标识和/或消除在非均匀介质的各种界面之间出现的反射场和/或多次反射的镜面分量。为此，可以既在输入处又在输出处将失真矩阵投影到傅立叶平面中。在这种基础中，出现场的镜面反射和多次反射分量以获得精确的反射和入射角对。它们因此可以被容易地滤波并且仅反射场的随机散射分量(散斑)被保留。对随机散射分量的这种鉴别然后使得有可能直接访问要在输入和输出处应用的像差定律，以便校正反射矩阵并获得介质的最佳图像。具体地，如果镜面反射分量占优势，则仅访问入射波出去且反射波返回的累积像差定律，这防止对象的随机散射分量的最佳校正。另外，在傅立叶平面中对失真矩阵进行滤波使得有可能消除可能污染光学相干断层扫描图像的界面之间的多次反射。

根据第二方面，本说明书涉及用于实现根据第一方面的用于非均匀介质的非侵入性光学表征的方法的一个或多个示例性实施方式的***。

特别地，本说明书涉及允许借助于合适的干涉测量设置在无需预先确定第一反射矩阵的情况下直接确定第一失真矩阵的***。

因此，根据一个或多个示例性实施方式，本说明书涉及一种用于非均匀介质的非侵入性光学表征的***，所述***包括：

-第一显微镜物镜，所述第一显微镜物镜定义所述非均匀介质旨在被定位在其中的焦平面；

-发光设备，所述发光设备用于发射一系列入射光波，所述系列入射光波旨在通过所述显微镜物镜照射所述非均匀介质的给定视场；

-二维采集检测器，所述二维采集检测器被布置在观测平面中；

-第一干涉仪，所述第一干涉仪耦合到发光设备并耦合到二维采集检测器，包括具有所述显微镜物镜的物镜臂和在第二显微镜物镜的焦点处包括参考反射镜的参考臂，所述第一干涉仪被配置为在所述观测平面处形成被非均匀介质和所述参考反射镜反射的波之间的干涉，

-计算单元，所述计算单元耦合到二维采集检测器，并被配置为

○在由所述干涉产生的干涉图的基础上，在所述焦平面的共轭平面与所述观测平面之间定义的观测基础中确定第一失真矩阵，所述第一失真矩阵在所述焦平面的共轭平面与像差校正平面之间定义的校正基础中，对应于在所述校正基础中确定的所述视场的第一反射矩阵与在所述校正基础中针对模型介质定义的参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积；

○在所述第一失真矩阵的基础上，确定所述非均匀介质的物理参数的至少一个映射。

根据一个或多个示例性实施方式，发光设备被配置为借助于相同的空间上相干的光波照射所述物镜臂和所述参考臂。

根据此实施例，观测平面是像差校正平面，并且二维采集设备被配置为在所述校正平面中并针对入射在焦平面的点处的每个光波，采集由被所述点反射的电磁场与被参考反射镜反射的电磁场之间的干涉产生的干涉图。计算单元被配置为构造所述第一失真矩阵，对于聚焦在焦平面的点处的入射光波，第一失真矩阵的每一列对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

根据一个或多个示例性实施方式，发光设备被配置为借助于空间上不相干的光波照射在所述物镜和参考臂上的整个视场(“全场”照明)。

根据此实施例，***被配置为在所述第一干涉仪的出口处形成被所述非均匀介质和所述参考反射镜反射的波，所述波是相互相干的，并且在与焦平面共轭的平面中显示出空间移位，该移位是可变的。观测平面是与焦平面共轭的平面，并且二维采集设备被配置为在所述观测平面中并针对每个空间移位，采集由被非均匀介质和参考反射镜反射并空间上移位的所述波之间的干涉产生的干涉图。计算单元被配置为构造所述第一失真矩阵，对于空间移位值，第一失真矩阵的每一行对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

相对于具有相干照明的***，这样的***使得有可能省略视场的扫描。

申请人已开发了使得有可能实现反射波与参考波之间的可变空间移位的若干***。

因此，根据第一示例性实施方式，所述第一干涉仪包括第一分束器，所述第一分束器被配置为形成所述物镜和参考臂。参考臂包括第二分束器，所述第二分束器被配置为将所述照射波发送到所述参考反射镜并发送到第二反射镜，所述第二反射镜被布置在与所述显微镜物镜的光瞳平面共轭的平面中，并且相对于由显微镜物镜的光轴定义的光轴显示出可变的倾斜度；物镜臂包括第三分束器，所述第三分束器被配置为将所述照射波发送到所述非均匀介质并发送到第三反射镜，所述第三反射镜被布置在与所述显微镜物镜的光瞳平面共轭的平面内，垂直于由显微镜物镜的光轴定义的光轴。所述第一干涉仪包括第四分束器，所述第四分束器被配置为组合来自物镜和参考臂的被异物介质和参考反射镜反射的波。

根据第二示例性实施方式，光学表征***还包括第二照射干涉仪，所述第二照射干涉仪被配置为从发光设备接收所述空间上不相干的光波并且形成具有正交偏振并在与焦平面共轭的平面中显示出空间移位的两个偏振的照射波；所述第一干涉仪包括偏振分束元件，所述偏振分束元件被配置为分别向物镜臂和参考臂发送具有正交偏振并显示出空间移位的所述偏振波中的每一个。

正交偏振可以是直线偏振、圆形偏振或使得有可能形成两个正交偏振的任何其他偏振。

这样的***是有利的原因在于它允许单独地调整两个干涉仪，这提供了更大的易用性。

附图说明

从阅读参考图提供的以下详细描述中，以上呈现的技术的其他优点和特征将变得显而易见，在图中：

-图1A-1D(已经描述了)示意性地图示了等晕域的概念；

-图2(已经描述了)示意性地示出了根据现有技术的用于通过散射介质成像的实验***；

-图3A示出了根据本说明书的***允许引入各种符号的简化图，并且图3B示出了图示用于表示四维矩阵的惯例的图；

-图4和图5A-5D示出了说明失真矩阵概念的图；

-图6A至图6C分别图示了(图6A)在样品引入镜面反射的情况下和针对散焦缺陷(单等晕域)的第一示例性反射矩阵、(图6B)所对应的焦平面反射矩阵和在焦平面反射矩阵的基础上获得的示例性点扩展函数、以及(图6C)在图6A的反射矩阵的基础上获得的失真矩阵；

-图7A至图7C分别图示了图6C所示的失真矩阵的归一化奇异值的频谱、第一输出特征向量(U₁)的相位的映射以及第一输入特征向量(V₁)的模量的映射；

-图8A-8D分别针对与借助于图6A-6C(单等晕域)图示的实施例相同的实施例图示了(图8A、8B)校正前后的焦平面反射矩阵和(图8C、8D)从两个矩阵推断出的共焦图像；

-图9A-9D图示了失真矩阵(多个等晕域的情况)的第二示例性使用，并且更精确地，图9A，实验设置的图；图9B，所测量的平面反射矩阵以及从该焦平面反射矩阵中提取的焦斑和共焦图像的实施例；图9C，与所测量的反射矩阵相对应的失真矩阵的归一化奇异值的频谱；以及图9D，输出特征向量(U_i)的相位的映射、输入特征向量(V_i)的模量的映射、常规OCT图像、通过自适应光学器件获得的图像和借助于所述输入特征向量的组合而获得的图像；

-图10A-10D图示了在通过畸变器成像的随机相位分辨率测试图样(随机散射反射)的情况下从失真矩阵的数值模拟获得的结果；因此，图10A示出了根据现有技术的对象的共焦图像，图10B示出了在失真矩阵的第一特征向量U₁的基础上校正的图像，图10C-D呈现了在D(1)的归一化相关矩阵的两个第一特征向量

和

的基础上将校正迭代之后获得的图像；

-图11A、图11B示意性地图示了根据本说明书的表征***的第一实施例(相干照明)；

-图12、图13图示了根据本说明书的表征***的其他实施例(不相干照明)；

-图14A、图14B示出了借助于图12的类型的实验设置针对通过患病角膜观测到的样品(分辨率测试图样)(图14A)在实验上获得的失真矩阵(图14B)；

-图15A-15E一方面和图16A-16E另一方面图示了使用图14B所示的失真矩阵来获得校正后的图像；

-图17A-17D图示了根据本说明书的方法到生物介质在混合镜面反射和随机散射模式(图13的类型的实验设置)下的深度成像的应用。

在将参考图描述的各种实施方式中，类似或相同的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

在下面的详细描述中，仅详细地描述一些实施方式以便确保描述的清楚性，但是这些实施例不旨在限制从本说明书中显露的原理的一般范围。

可以以多种方式组合或简化本说明书中描述的各种实施方式和方面。特别地，除非另外指定，否则可以重复、颠倒或并行执行各种方法的步骤。

当在本说明书中参考用于实施方案的计算或处理步骤特别是方法步骤时，应理解，每个计算或处理步骤可以由软件、硬件、固件、微码或这些技术的任何适当的组合来实现。当使用软件时，每个计算或处理步骤可以由计算机程序指令或软件代码来实现。这些指令可以被存储在可由计算机(或计算单元)读取的存储介质中或者传送到该存储介质并且/或者由计算机(或计算单元)执行以便实现这些计算或处理步骤。

(失真矩阵的定义)

本说明书描述了用于放置在显微镜物镜的焦平面中的非均匀样品的非侵入性光学表征的方法和***。这些方法和***基于在说明书的剩余部分中称作“失真矩阵”的至少一个第一矩阵的确定。

在本说明书中用于标识用于样品的表征的光学***的各个平面的标记法是借助于图3定义的，为了简单起见，图3仅图示了***的元件中的一些。

因此，显微镜物镜30的焦平面被引用为FP并且旨在接收样品。令r表示焦平面FP的点，该点由其笛卡尔坐标(x,y)定义。令InP表示显微镜物镜的入射光瞳的平面或与显微镜物镜的入射光瞳的平面共轭的任何平面。入射光瞳旨在接收入射光波以用于照射它寻求表征的样品的视场。令u_in表示入瞳的平面InP的点，该点由其笛卡尔坐标(v_in,w_in)定义。令OutP表示显微镜物镜的出射光瞳的平面或与显微镜物镜的出射光瞳的平面共轭的任何平面。出射光瞳旨在接收被它寻求表征的样品的视场反射的光波。令u_out表示出射光瞳的平面OutP的点，该点由其笛卡尔坐标(v_out,w_out)定义。分别包括入射光瞳和出射光瞳的入射路径和出射路径在此实施例中由分束器元件31分离。在入射路径上，SP表示光学***的源平面，其与显微镜物镜的焦平面共轭，在此实施例中借助于光学器件32与显微镜物镜30一起形成设置4f。令r_in表示源平面SP的点，该点由其笛卡尔坐标(x_in,y_in)定义。在出射路径上，ImP表示光学***的像平面，其与显微镜物镜的焦平面共轭，在此实施例中借助于光学器件33与显微镜物镜30一起形成设置4f。令r_out表示图像平面ImP的点，该点由其笛卡尔坐标(x_out,y_out)定义。

失真矩阵在所述焦平面的共轭平面与像差校正平面之间定义的校正基础中对应于在所述校正基础中确定的所述视场的反射矩阵与在所述校正基础中针对模型介质定义的参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积。

在实验上，可以如参考现有技术的图2所说明的那样通过在发射时使用由空间上相干的光源照射的空间光调制器(SLM)来主动地测量反射矩阵。然后可以借助于干涉测量技术(“四图像相移”方法、离轴全息摄影术等)在CCD或CMOS相机上测量被观测平面中的样品反射的场与参考场之间的交叉干涉项。反射矩阵因此在这种情况下对应于SLM的每个像素与相机的每个像素之间的脉冲响应组。

注意，还能够在频域中形成干涉图(例如，使用耦合至CCD或CMOS相机的光谱仪)。然后能够在傅立叶域中测量反射矩阵，而后通过在给定光谱带上求和来针对介质中的每个深度重构反射矩阵。在这种情况下，样品的深层扫描是通过重新组合在不同频率下获得的矩阵而不是借助于样品沿着光轴的机动平移而获得的。

然后可以在反射矩阵的基础上在数值上计算出失真矩阵。然而，如将在下面更详细地描述的，还可以直接在实验上确定失真矩阵，而无需预先确定反射矩阵。

此外，可以在光学组件的不同平面之间测量和研究反射矩阵和/或失真矩阵，并且在说明书的剩余部分中，将参考反射矩阵和/或失真矩阵，而不管使使用的基础如何。因此，如果SLM和CCD相机使其表面与寻求用来对样品进行成像的显微镜物镜的光瞳共轭，则可以例如在发射时的光瞳平面(InP)和接收时的光瞳平面(OutP)中定义反射矩阵和/或失真矩阵。还可以在与要成像的对象的平面共轭的源(SP)和接收器(ImP)平面之间定义反射矩阵和/或失真矩阵。最后，反射矩阵和/或失真矩阵可以连接所谓的“互易”平面：发射时的光瞳平面和接收时与对象的平面共轭的平面，并且反之亦然。在本说明书中，可以使用这些基础中的一个或另一个，从一个平面到另一个平面的转变能够通过包括简单的离散空间傅立叶变换的矩阵运算来执行。

还应该注意，在本说明书中，通常在传感器(例如SLM和CCD相机)的2D阵列之间测量在实验上测量的反射矩阵和/或失真矩阵。所测量的矩阵因此具有4D结构。为了操纵并表示这些矩阵，根据输入和输出向量来级联传感器的2D阵列，使得反射矩阵和/或失真矩阵最终采取更易于操纵和可视化的二维形式。

作为实施例，图3B图示了在具有N×N个元素(SLM)的输入向量36和具有N×N个元素(CCD)的输出向量37的基础上级联矩阵以形成具有N²×N²个元素的矩阵35。每个输入向量r_in 36的N²个元素被布置在矩阵35的列上，然而每个输出向量r_out 37的N²个元素被布置在矩阵35的行上。

图4借助于简化图图示了失真矩阵的概念。

在图4的左手侧图示了类似于图3A的用于表征样品的***的简化图。在此实施例中，通过第一横向模式41_a在显微镜物镜30的入射光瞳InP中表征的第一入射光波是例如借助于SLM(未示出)施加的以便被聚焦在显微镜物镜的焦平面上。这种横向模式被聚焦在与源平面SP(未示出)的点r_ina共轭的焦平面FP的焦点处。通过第二横向模式41_b在显微镜物镜30的入射光瞳InP中表征的第二入射光被聚焦在与源平面SP的点r_inb共轭的焦平面FP的焦点处。反射电磁场由CCD摄像机(未示出)例如借助于已知干涉测量技术(未示出)在傅里叶空间(在此实施例中为出射光瞳平面OutP)中测量。图像42_a和42_b分别图示了入射点r_ina和r_inb的反射电磁场的相位。这些二维场由向量u_out标识。在级联之后，它们形成在出射光瞳平面OutP与源平面SP之间的反射矩阵R_ur(未示出)的两列。此矩阵R_ur的每一列因此对应于对于聚焦在焦平面的点r_in处的入射波在光瞳平面OutP(由u_out标识)中反射的电磁场。

反射电磁场具有几何分量(平面波)和失真分量，该几何分量在CCD相机上的投影分别通过入射焦点r_ina和r_inb的图像43_a和43_b来图示，该失真分量例如由通过在图4中由像差层40示意性地示出的畸变器产生。图像44_a和44_b图示了针对反射电磁场42_a和42_b中的每一个的波前的失真分量。在级联之后，波前44_a和44_b的这些失真分量形成失真矩阵D_ur(图4的图像45)的两列。失真矩阵D_ur的列因此由在观测平面中测量并由向量u_out标识的、被视场的不同的焦点r_in反射的电磁场的失真分量形成。

在实践中，为了隔离反射波前的失真分量，从反射电磁场的相位中减去将对于模型介质在不存在像差的情况下理想地获得的相位，如图5A-5D所图示的。

如图5A所图示的，在存在畸变器40的情况下，被形成以便在焦点r_in处聚焦在显微镜物镜30的焦平面FP中的发射入射波前52_a由于畸变器膜(波前53_a)而失真并且在焦平面FP中产生像差焦斑54_a。此入射场被介质反射(图5B)。反射波前55_a再次穿过畸变器膜，然后例如借助于干涉测量技术在光瞳平面OutP(波前56_a)中被测量。此反射场R(u_out,r_in)具有与衍射相关的几何分量和与畸变器相关的失真分量。为了使这两个分量分离，想象没有畸变器的相同实验，其中参考介质和平面反射镜在焦平面中(图5C、图5D)。相同的入射波前52_b被形成以便聚焦在焦点r_in处并在焦平面FP中产生非像差焦斑52_b。此入射场被焦平面中的反射镜反射(图5D)。最终在光瞳平面OutP(波前56_b)中确定反射波前55_b。通过从在实验上测量的场的相位中减去此理想场的相位，提取了场的失真分量D(u_out,r_in)，其将形成矩阵D_ur的列。通过针对焦平面的每个点重复此操作，获得了失真矩阵D_ur。

在模型介质是均匀的并且在焦平面中放置完美的反射镜的情况下，由G₀(u_out,r_in)表示的理想接收场56_b仅包含与衍射相关的几何分量并且就是平面波。G₀就是源平面SP与光瞳平面OutP之间的传播矩阵，其中：

其中j是虚数单位，

是常数相位项，f是显微镜物镜的焦距并且λ是入射波前的波长。等式(1)反映来自源平面SP(及其共轭平面)和出射光瞳平面OutP的场之间的空间傅立叶变换关系。

因此，可以借助于以下Hadamard矩阵乘积(即逐项矩阵乘积)在观测平面中构造失真矩阵D：

其中

是G₀的相位共轭矩阵并且o表示逐项矩阵乘积(Hadamard矩阵乘积)。回想一下，矩阵G₀的相位共轭矩阵

的元素是具有与G₀的系数相同的模量但是变元相反的复数。

在不均匀模型介质的情况下，G₀的表达式变得比等式(1)中给出的表达式更复杂。例如，在可变光学指数的多层介质的情况下，可以通过与波在每个层中的传播相关联的不同的传输矩阵之间的矩阵乘积来分析上计算矩阵G₀。对于更复杂的模型介质，通常为不是平移不变的介质(例如弯曲界面)，可以借助于数值模拟或半分析计算确定矩阵G₀。

还可以在焦平面中研究失真矩阵。可以经由以下基础变化在观测平面D_ur中表达的失真矩阵的基础上获得“焦平面”失真矩阵D_rr：

即按矩阵系数

其中指数

表示共轭转置矩阵运算并且C是常数。D_rr的列对应于在焦点r_in上重定中心的图像平面中反射的场。矩阵D_rr因此在视场的每个点处在成像***的反射点扩展函数中给出变化，该点扩展函数是成像***的脉冲响应，也就是说在照射点上重定中心的焦斑。如将在下面描述的，这使得有可能量化并表征由焦平面上游的样品引起的像差。

为了进一步分析失真矩阵D_ur，有利地能够一方面考虑通过样品的反射主要为镜面反射的情况，并且另一方面，考虑反射主要为随机散射的情况。这两种模式可以通过根据表示像差焦斑的特征尺寸的参数δ_A表征与非均匀介质相关联的无序电势的空间变化尺度L来鉴别。更精确地，在可被建模为二维随机相位屏的畸变器的情况下，可以将δ_A编写为：

其中l_c是畸变器的相干长度并且z是畸变器板与焦平面PF之间的距离。如果L>δ_A，则能够做出镜面反射模式的近似(在光波长的模式下情况常常如此)。在相反的情况下，样品引起随机散射反射。在实践中，常常是组合随机散射反射和镜面反射的中间情况。在镜面反射情况下，失真矩阵D_ur在视觉上呈现其各列之间的相关性。如将在下面描述的，这些相关性对应于来自相同等晕域的波前的相同失真图样的重复。对于引起随机散射反射的样品，例如散斑型(未分辨的散射体的随机分布)，能够研究失真矩阵D_ur的归一化相关矩阵以便揭示这些相同的相关性。无论是哪种情况，如将在下面更详细地描述的，例如借助于奇异值分解(SVD)搜索矩阵D_ur的不变量使得有可能针对焦平面的每个点提取畸变器的复透射率，从而最佳地校正包括在视场中的每个等晕域中的像差。

图6A至图6C分别图示了在样品引起镜面反射(分辨率测试图样)的情况下并针对10μm散焦缺陷在实验上确定的示例性反射矩阵、所对应的焦平面反射矩阵和失真矩阵。实验设备是图2所示的实验设备。使用N＝3136个聚焦照明(空间分辨率为4.5μm)来扫描250×250μm²的视场。

图6A图示了在发射时的焦平面(SP)与接收时的光瞳平面(OutP)之间测量的反射矩阵R_ur(图像61)的相位。此矩阵的每一列包含在光瞳平面中针对给定点r_in处的照明反射的场。图像610示出了与R_ur的列相对应的此复场的相位。在这里测量的相位与在理想情况下预期的场的相位G₀(u_out,r_in)(611)大大地不同。为了隔离与像差相关的波前的失真，可以从在实验上测量的相位(610)中减去预期理想相位(611)。如此获得的相位掩模(612)对应于失真矩阵D_ur(等式2)的列。它通过显微镜物镜一起收集由入射波和反射波经历的像差。在这里，这些是散焦缺陷的菲涅耳环特性。

焦平面反射矩阵R_rr(作为模量)被示出在图6B(图像613)中。焦平面反射矩阵是仅仅通过改变基础在发射时的焦平面(SP)与接收时的光瞳平面(OutP)之间测量的反射矩阵R_ur的基础上获得的。用于将入射波聚焦在视场的中心的焦斑(图像614)是从焦平面反射矩阵R_rr的中心列获得的。能量在R_rr的对角线外部的分散(图像613)和焦斑(图像614)超出一个像素(即分辨率单元)的扩展图示并量化在这里描述的实验中存在的像差的水平。

在反射矩阵R_rr的基础上形成的失真矩阵D_ur的相位被示出在图6C(图像62)中。它无论沿着其行或还是其列都显示出实质相关性，如由图像621所示的其元素中的一些的特写所证明的那样。沿着列的相关性与如下事实相关：波前的失真和对象的反射率根据焦点r_in缓慢地变化。图像622和623示出了与以二维形式示出的D_ur的两个根本不同的列相关联的相位失真。这两个图像之间的相似性证明了散焦缺陷的空间不变性特性。这意味着视场的这些点与相同的波前失真相关联；换句话说，它们位于相同的等晕域中。矩阵D_ur的各行之间的相关性是与散焦缺陷相关联的像差定律(菲涅耳环)的确定性性质所固有的。

仍然假定样品引起镜面反射，在下面描述在观测平面中确定一个或多个像差定律的映射特别地建立样品的反射率的映射的失真矩阵的示例性使用。

为此，寻求失真矩阵的不变性，换句话说在视场的等晕域上空间上不变的像差定律。诸如例如奇异值分解(或“SVD”)或主成分分析(“PCA”)的用于搜索这样的矩阵的不变量的各种方法为本领域的技术人员已知。

奇异值分解是用于提取矩阵的行或列之间的相关性的强大工具。在数学上，尺寸为N²×N²的矩阵D_ur的SVD被编写如下：

U和V是尺寸N²×N²的单位矩阵，其列U_i和V_i对应于输出特征向量和输入特征向量。指数

表示共轭转置矩阵。每个输出特征向量U_i被定义在由向量u_out标识的光瞳平面中。每个输入特征向量V_i因此被定义在由向量r标识的焦平面中。Σ是尺寸N²×N²的仅对角线元素为非零的矩阵：

矩阵Σ的对角元素是矩阵D_ur的奇异值σ_i，它们是实数、正的并以降序排名：

矩阵D_ur的系数D(u_out,r_in)因此被编写为以下和：

SVD主要将矩阵分解成两个子空间：信号子空间(通过其行和/或其列之间的实质相关性表征的矩阵)和噪声子空间(在其行和列之间没有相关性的随机矩阵)。信号子空间与最大奇异值相关联，然而噪声子空间与最小奇异值相关联。一方面，D的SVD因此将使得有可能对既包含实验噪声又包含由多次散射事件引起的反射场的不相干贡献的噪声子空间进行滤波。另一方面，信号子空间的每个奇异状态将使得有可能根据输出特征向量U_i提取由波针对图像的每个区域在光瞳平面中经历的失真，该图像它本身将由输入特征向量V_i标识。

图7A-7C分别图示了在上述实验条件(图6A-6C)下并在图像62所示的失真矩阵D_ur(图6C)的基础上的归一化奇异值的频谱、第一输出本征向量U₁的相位以及假定散焦缺陷的第一输入本征向量V₁的模量。

如图7A所图示的，归一化奇异值的分布由第一奇异值σ₁决定。相关联的特征向量U₁和V₁被示出在图7B(U₁的相位)和图7C(V₁的模量)中。在散焦缺陷的情况下，波前的失真不会根据视场中的焦点而变化。换句话说，视场包含仅一个等晕域。在镜面反射的情况下，能够表明输出特征向量U₁给出由畸变器累积地出去和返回引起的失真：

U₁(u_out)＝A(u_out)A(u_in)δ(u_out+u_in) (10)

其中A(u_out)和A(u_in)是通过波前出去和返回经历并投影到光瞳平面(由向量u标识)中的失真。前面的等式中的狄拉克分布δ反映了这样的事实，即在镜面反射模式下，在入射时来自光瞳平面中的点u_in的波将在出射时产生聚焦在u_out＝-u_in的反射波。在图7B中，第一输出特征向量U₁的相位确实采取菲涅耳环的形式，菲涅耳环是与散焦缺陷相关联的像差定律的特性。附加地，能够表明输入特征向量V₁对于其部分能够直接访问对象的反射率ρ：

V₁(r_in)＝ρ(r_in) (11)

图7C示出了由输入特征向量v₁给出的对象的图像。此校正后的图像将与图8C所示的经受散焦缺陷的原始图像进行比较。

可以通过沿着输出特征向量U₁提取的波前的失真的相位共轭来校正所测量的反射矩阵R_ur(61，图6A)。物理上，相位共轭运算在于重新发射通过与所测量的失真的相位相反的相位调制的波前。此运算然后使得有可能完美地补偿通过波在其向外和向后行程上累积的相位失真。在数学上，在这里通过对矩阵R_ur应用以下校正来执行相位共轭运算：

R′_uw＝exp(-j×arg{U₁})cR_ue (12)

其中arg{U₁}表示U₁的相位。

然后可以通过在从光瞳平面(OutP)出射到图像平面(ImP)时改变基础来从R′_ur推断出校正后的矩阵R′_rr。可以从矩阵R′_rr的对角线(r_in＝r_out)推断出校正后的共焦图像I′：

I′(r_in)＝R′(r_in，r_in) (13)

I′(r_in)然后是样品的反射率ρ(r_in)的可靠估计器。

图8A至图8D分别图示了通过比较校正前后的反射矩阵的这种校正的效果以及在每种情况下获得的共焦图像。图8A比较校正之前的焦平面反射矩阵R_rr(图像811)和在出射时从光瞳平面施加向量exp(-jarg{U₁})之后的反射矩阵R′_rr(图像813)。与R_rr比较能量在R′_rr的对角线周围的集中示出了针对像差校正的效果。从反射矩阵R_rr(图像811)的列推断出的焦斑812与从经校正后的反射矩阵R′_rr(图像813)的相同列推断出的焦斑814(图8B)进行比较。获得尺寸仅受衍射限制的焦斑(图像814)也证明了像差校正的质量。从经校正后的矩阵R′_rr推断出的共焦图像(图8D)与从矩阵R_rr推断出的起始共焦图像(图8C)进行比较。所获得的图像(图8D)与由向量V₁提供的图像(图7C)具有同等质量。图8因此图示了用于在存在像差的情况下对镜面对象进行成像的方法的成功。

在借助于图6至图8图示的先前实施例中，已看到了对失真矩阵的实验确定和分析的实施例，特别地包括针对散焦缺陷的像差定律的计算；视场包含仅一个等晕域。现在关注的是视场包括多个等晕域的一般情况。

图9A至9D图示了畸变器在此实例中由塑料膜形成的实施例。如图9A的插图90所图示的，塑料畸变器膜40被定位在显微镜物镜30与在其水平面布置有样品(分辨率测试图样)的焦平面FP之间。

塑料膜的粗糙和不规则表面导致入射和反射波前的实质变形。针对N＝441个入射照明执行反射矩阵的测量，从而使得有可能按空间间隔δr＝12μm对240×240μm²的视场进行成像。

像差的效应在焦平面(911，图9B)中测量的反射矩阵R_rr上特别显著。虽然在理想情况下此矩阵是近对角线的，但是在这里观测到反射场在此对角线外部的实质扩展。在这些条件下，成像***的点扩展功能重度降级，如通过从矩阵R_rr推断出的特征焦斑(图9B，911)的随机方面所证明的。从此反射矩阵推断出的共焦图像(图9B，913)也显示出与分辨率测试图样的反射率无关的完全随机方面。

从R_ur(等式2)推断出的失真矩阵被以SVD的形式分析。由σ₁归一化的奇异值的频谱被示出在图9C中。获得奇异值的连续集，证明先验视场包含多个等晕域。光瞳平面和焦平面中的三个第一特征向量分别被示出在图像91-93和94-96中(图9C)。输出特征向量U_i表明由波前引起的失真是复杂的并且与高空间频率相关联，与散焦缺陷[图7B]的情况不同。输入特征向量V_i遍及不同的等晕区域分解焦平面中的对象(图像94-96)。它们因此在光瞳平面中与不同的像差定律U_i相关联[图像91-93]。通过相关联的特征值

加权的特征向量V_i的模量的线性组合最终可以访问针对上游引起的像差校正的视场的图像

其中Q是包含在视场中的等晕域的数量。三个第一特征向量V_i的组合给出分辨率测试图样的高对比度且良好分辨的图像(图像99)。与原始共焦图像(图像97)的比较引人注目并且演示了方法的成功。通过与将借助于常规自适应光学技术(现有技术)获得的图像98进行比较，还揭示了局部像差校正(图像99)的益处。

在处理通常由扩展对象引起的镜面反射的情况后，现在处理随机散射反射的问题。随机散射反射通常是由欠分辨的散射体的随机分布即特别地在生物组织中遇到的情形引起的。仍然基于失真矩阵进行像差校正的迭代方法(后处理)因此是合适的。

过程的步骤#0等效于上面呈现的镜面反射情况。通过失真矩阵D_ur(等式10)的第一特征向量U₁的相位的共轭来在输出处校正矩阵R_ur。所得的校正后的矩阵由

表示。此初始步骤使得有可能针对遍及整个视场的像差执行整体校正。

步骤#1在于重新计算从此时在入射光瞳平面与出射焦平面之间定义的

推断出的新失真矩阵

对象的随机性质现在意味着在光瞳平面中研究

的相关矩阵即

变得更有意义。此矩阵B⁽¹⁾的相位的奇异值分解exp[jarg{B⁽¹⁾}]给出与视场的每个等晕区域相关联的一组新的特征向量

因此可以此时在输入处校正所对应的反射矩阵：

以下步骤在于通过在输入(偶数迭代)和输出(奇数迭代)处交替地校正残余像差来再现相同的过程。然而，在每个步骤中，仍然用光瞳平面中的失真矩阵的相关矩阵exp[jarg{B⁽ⁿ⁾}]的相位的第一特征向量

执行校正。具体地，在步骤#1中进行等晕性的选择。取决于校正是在输入处还是在输出处，光瞳平面B⁽ⁿ⁾中的相关矩阵由下式给出：针对偶数n(输出)的

和针对奇数n(输入)的

在过程的每个步骤中，可以从在焦平面中表达的反射矩阵

的对角线推断出视场的图像。在实践中，几次迭代足以为所选择的等晕区域获得最佳校正。然后可以通过组合针对每个等晕区域确定的校正来获得整个视场的图像。

图10借助于涉及其反射率在绝对值方面为分辨率测试图样的反射率但是其相位随机(这引起漫反射模式)的对象的数值模拟图示了根据本说明书的方法的益处。针对生成覆盖视场1/10的焦斑和等晕域的大约五倍放大的畸变器模拟反射矩阵。图10A示出了经受像差的初始共焦图像。图10B示出了在允许使用向量U₁对像差进行整体校正的步骤#0之后的反射矩阵

的共焦图像。在下一个步骤中，通过归一化相关矩阵exp[jarg{B⁽ⁱ⁾}]的特征向量

的秩i来选择等晕域。图10C和图10D示出了在向量

和

的基础上对像差进行校正的迭代之后获得的共焦图像。如预期，这些图像与视场的不同的等晕域相关联并且在这些域中的每一个中给出对象的真实图像。

知道样品的每个点处的像差不仅可以很好地用于成像，而且用于使光聚焦在样品的任何点处。例如，在图2的实验设备上，可能需要对SLM应用聚合以下项的相位调制：(1)用于聚焦中目标点上的与模型介质相关联的几何相位定律；(2)在针对包含目标点的等晕区域的失真矩阵的基础上确定的像差定律的共轭。在镜面反射模式下，所应用的像差校正定律将对应于与包含目标点的等晕区域V_i相关联的失真矩阵D_ur的输出特征向量U_i的相位。在随机散射情况下，它将是根据向量W聚合针对在样品的输入处获得的像差的所有校正的问题：

除了介质的反射率或在样品的每个点处的像差定律的知识外，失真矩阵还使得有可能对所研究的样品的光学指数执行3D断层扫描。从“焦平面”失真矩阵D_rr，可以访问样品中的点扩展函数以及等晕区域。不是直接校正图像，而是想法是改变根据反射矩阵计算失真矩阵所基于的参考介质。这导致失真矩阵的迭代方法，其中使得参考介质在更复杂的模型(例如多层介质)的方向上改变，以便减小点扩散函数的空间范围并增加等晕区域的尺寸。通过越来越深入到样品中，能够逐步地重构折射率的三维图，同时获得介质的反射率的图像，参考介质离现实越近，该图像就越真实的。

“焦平面”失真矩阵D_rr提供在视场的任何点处对成像***的点扩展函数的访问。这样，即使在针对像差校正之后，残余不相干背景留在矩阵D_rr的每一列上。这种不相干背景是由在焦平面上游发生的多次散射事件引起的。因此可以在不相干背景的水平(|r_out-r_in|＞＞δ)与D_rr的中心列(r_out＝r_in)上的信号水平之比的基础上局部地测量多次散射率γ(r_in)：

其中符号〈…〉表示除中心元素(|r_out-r_in|＞＞δ)以外沿着D_rr的每一列的平均值。附加地，通过花费比弹道时间长的时间，例如通过控制图2的干涉仪中的参考臂，点扩展函数还可以使得有可能跟随介质内扩散光晕的增长并从中导出多次散射波的传输参数的局部测量结果(散射系数或平均自由传输路径)。在短时间内研究扩散光晕可以访问比通过现有技术在随机散射光学断层扫描中获得的空间分辨率更精细的空间分辨率[A.Badon等人,Optica 3,1160-1166,2016]。

根据一个或多个示例性实施方式，表征方法还包括标识和/或消除反射场的镜面分量和/或在非均匀介质的各种界面之间出现的多次反射。具体地，反射器从不是完美镜面的并且其随机散射分量将然后未由迭代等式(12)和(15)最佳地校正。此外，镜面反射器可以在其界面之间引起多次反射，这可以使图像模糊。因此有必要能够使被介质反射的场的镜面和随机散射分量分离。为此，可以既在输入处又在输出处将失真矩阵投影到由像差校正平面定义的基础中。可以借助于以下基本变化从原始失真矩阵D_ur获得“傅立叶平面”失真矩阵D_uu：

D_uu＝D_ur ^tG₀ (18)

因此在矩阵系数方面将先前等式重写如下：

镜面反射分量和多次反射分量针对精确对u_in和u_out出现，使得

u_in+u_out＝u (20)

其中u/λf是镜面对象的空间频率。如果镜面反射器垂直于光轴布置，则u例如为零。因此可以容易地对镜面反射分量和多次反射分量进行滤波，并且可以保留仅反射场的随机散射分量(散斑)以便精确地确定所引起的像差并对它们进行校正。对随机散射分量的这种鉴别然后允许直接访问要在输入和输出处迭代地应用的像差定律，以便校正反射矩阵并获得介质的最佳图像(根据等式(12)和(15)在输出和输入处迭代校正)，这在镜面反射分量占主导[根据等式(12)在输出处应用的单个校正]的情况下是不可能的。另外，在傅立叶平面中对失真矩阵进行滤波使得有可能消除多次反射，这些多次反射污染例如接近于界面的图像(介质的界面之间的多次回波)。

如以上所说明的，诸如在本申请的“现有技术”部分中引用的A.Badon等人的文章中所描述的实验设置可以用于在所述焦平面的共轭平面与观测平面例如与显微镜物镜的光瞳平面共轭的平面之间定义的基础中确定视场的反射矩阵。反射矩阵的每一列然后对应于在观测平面中在被样品反射的波与针对聚焦在焦平面的给定点处的入射波的参考波之间测量的交叉干涉项。如上所述，然后可以在如此确定的反射矩阵和参考反射矩阵的基础上计算失真矩阵。

当然，从现有技术中已知的其他设置可以被用于反射矩阵的测量。例如，在Kang等人的文章("Imaging deep within a scattering medium using collectiveaccumulation of single-scattered waves"Nat.Photonics 9,253-258(2015))中，光学设置允许在输入和输出处测量光瞳平面中的反射矩阵。通过在输入处应用基本变化以便投影到与焦平面共轭的平面中，能够在这样的反射矩阵的基础上构造失真矩阵。

申请人还已表明，能够实现允许在无需经历反射矩阵的预先确定的情况下直接测量第一失真矩阵的实验设置。

示例性设置借助于图11至图13呈现。

图11A和图11B因此呈现了用于非均匀介质的非侵入性光学表征的***的第一示例性实施方式，从而允许在实验上确定失真矩阵。在此实施例中，光源是空间上相干的并且在与焦平面共轭的源平面和与显微镜物镜的出射光瞳的平面OutP共轭的观测平面之间定义的基础中测量失真矩阵。当然，如以上所说明的，能选取另一观测平面。

更精确地，图11A和图11B示意性地示出的***100包括显微镜物镜30，该显微镜物镜定义由非均匀介质形成的样品SMP旨在被定位在其中的焦平面FP。

***100包括被配置为发射一系列入射光波的发光设备110，该系列入射光波旨在通过显微镜物镜30照射样品的给定视场。更精确地在此实施例中，发光设备110包括例如定位在透镜111的物焦平面或源平面SP中以便借助于分束器113照射空间光调制器(SLM)112的空间上相干的光源(未示出)。SLM作为动态衍射光栅并形成一组平面波，该组平面波旨在被聚焦在显微镜物镜30的焦平面的相同数量的焦点r_in处。图11A和图11B分别图示了由SLM112形成两个平面波，其相位分别由图像114_a、114_b表示并且旨在被聚焦在显微镜物镜的焦平面FP的两个焦点r_in,a和r_in,b处。空间上相干的光源有利地是宽谱带光源，例如超发光二极管或飞秒激光器。

***100还包括干涉测量设备120(在此实施例中为林尼克干涉仪)、二维采集检测器130(例如CCD或CMOS相机)以及特别地接收来自检测器130的光电信号的计算单元140。

林尼克干涉仪120包括允许形成物镜臂和参考臂的分束器元件121。显微镜物镜30位于物镜臂上，在该显微镜物镜的焦点处布置有样品SMP。第二显微镜物镜122和参考反射镜123位于参考臂上，该第二显微镜物镜可以与显微镜物镜30相同，并且该参考反射镜被布置在第二显微镜物镜122的焦平面中。林尼克干涉仪120耦合到发光设备110以便扫描聚焦在显微镜物镜30和122的焦平面中的入射波。使用二维采集检测器130来针对显微镜物镜的光瞳平面中的每个焦点记录来自物镜和参考臂的光束之间的干涉(干涉图)。

对于每个焦点r_in，针对参考反射镜的不同位置记录多个干涉图。借助于相移干涉测量法[A.Dubois等人.,"High resolution full field optical coherence tomographywith a Linnik microscope,Appl.Opt.41,805(2002)]，计算单元140重构被样品SMP反射的复电磁场(分别为图11A、图11B中的131a、131b)与参考波之间的交叉干涉项；它对应于失真矩阵D_ur＝[D(u_out,r_in)的列。具体地，通过在光瞳平面中而不是在与焦平面共轭的像平面中测量来自物镜臂E_r(u_out，r_in，t)的场E_r(u_out，r_in，t)与来自参考臂的场E_r(u_out，r_in，t)，申请人已表明能够直接确定失真矩阵D_ur：

如果在显微镜物镜与反射镜之间没有任何东西，则参考介质是空气。如果在显微镜物镜与反射镜之间引入凝胶，则参考介质将是具有接近生物组织的光学指数的均匀介质。

计算单元140还被特别地配置为在如此获得的所述失真矩阵的基础上确定形成样品的非均匀介质的物理参数的至少一个映射，如已在前面的实施例中详细地描述的。计算单元140可以连接到用于特别地控制SLM等的控制单元(未示出)。可以将计算单元和控制单元集成到同一设备(计算机)中。

如图11A和图11B所图示的光学表征***具有允许在无需预先确定反射矩阵的情况下在实验上确定失真矩阵的优点，这使得有可能节省计算时间，因为反射矩阵上的Hadamard乘积是被物理上而不是在数字上执行。在精度方面也有增益，因为与通过干涉测量法获得的精度比较，在数字上未达到相同程度的精度。

图12和图13呈现了用于非均匀介质光学表征的其他两个示例性***，这两个示例性***还允许直接确定失真矩阵(而无需预先确定反射矩阵)，并且还使得有可能省略在图11A、图11B所图示的***的实施方案中必需的焦平面扫描。

图12和13中描述的***使用空间上不相干的照明(例如发光二极管、卤素灯等)并且是从全场OCT导出的，如例如在[A.Dubois等人,"High resolution full field opticalcoherence tomography with a Linnik microscope,Appl.Opt.41,805(2002)]中描述的。

回想一下，如例如在以上提及的参考文献中描述的全场OCT基于包括例如显微镜物镜放置在其两个臂中(称作林尼克配置)的迈克尔逊干涉仪的实验设备的使用。干涉仪照射设备使用钨丝卤素灯或发光二极管(LED)。借助于这种类型的照明的非常宽的光谱，如果干涉仪中的路径差非常接近零则发生干涉。干涉仪的参考臂的长度在要成像的样品的水平面处确定通过光源的光谱的宽度(通常为1μm)设定的厚度的切片。仅被位于此切片中的样品的结构反射的光创建干涉。如果可提取干涉信号的振幅，则可以对这些结构进行成像。为此，多个干涉测量图像被组合，这些图像是借助于CCD或CMOS矩阵阵列检测器采集的，并且借助于参考反射镜的振荡相互移相。如此获得的是实时(几百赫兹的速率)相干体积的图像，也就是说是横向地定向的薄切片的图像。全场OCT图像的横向分辨率类似于由显微镜提供的图像的横向分辨率，即大约1μm。轴向分辨率对其部分来说比在常规显微镜中好得多，因为它是通过光源的光谱的宽度而不是通过显微镜物镜的场的深度设定的。全场OCT的优点之一是能够在一个测量中访问介质的切片的图像，而不必像例如在共焦显微镜中情况那样扫描视场。在全场OCT中，相机的每个像素与参考臂的焦平面的点和物镜臂的焦平面的点共轭。它因此测量这两个点之间的互相干函数。由于每个焦平面由不相干场空间上和时间上照射，所以这种互相干函数可以访问这些共轭点之间的脉冲响应(或格林函数)。全场OCT图像的每个像素因此对应于将在点源与放置在源平面和图像平面中的相同位置r处的点检测器之间测量的脉冲响应。返回到本申请中采用的矩阵形式，全场OCT类型的设备因此允许同时采集与样品相关联的反射矩阵R_rr的所有对角元素R(r_in,r_in)。

根据本说明书的一个示例性实施方式，为了访问整个反射矩阵，在根本不同的照明点rin与检测点r_out之间测量脉冲响应。为此，来自干涉仪的物镜臂和参考臂的场相对于彼此平移。

这是在图12和图13所示的原始***101和102中实现的东西。

图12示意性地图示的***101包括能够发射一系列入射光波的照射设备110，该系列入射光波旨在通过显微镜物镜30照射样品的给定视场。然而，在此实施例中，照射设备110如在全场OCT中一样包括空间上不相干的光源115，例如在此实施例中布置在透镜116的焦点处以便形成入射光波的钨丝卤素灯或发光二极管。在实践中，例如借助于科勒照明***实现均匀照明。

***101如在全场OCT中一样包括低相干干涉仪，该低相干干涉仪具有分束器元件121，从而使得有可能使来自照射设备的入射波在参考臂150和物镜臂160的方向上分开。

在参考臂150中，入射波首先由分束器151发送到放置在第二显微镜物镜152的焦平面中的反射镜153。显微镜物镜152可以类似于显微镜物镜30。然后使用分束器元件151将被反射镜153反射的波朝向借助于远焦155、156与显微镜物镜152的光瞳平面共轭的反射镜154重定向。反射镜154构成设备的主要发明元件，因为其倾斜度将使得有可能使参考束在相机上空间上移位。

设备的物镜臂与参考臂对称以便获得相同的路径差。入射波由分束器元件161发送到样品SMP。样品SMP和反射镜153在光学共轭平面中。反射波然后由分束器161重定向到借助于远焦165、166与显微镜物镜30的光瞳平面共轭并与参考臂的反射镜154共轭的反射镜162。与可能倾斜的反射镜154不同，这个反射镜保持与光轴垂直。

因此，在参考臂150和物镜臂160的出口处，分别被参考反射镜和样品反射的波在与焦平面共轭的平面中空间上移位。如此形成的反射波借助于分束器132被重新组合。透镜133使得有可能使它们在放置于样品的图像焦平面中的CCD或CMOS相机130上干涉。放置在反射镜162上的压电元件(PZT)163使得有可能通过针对相位的多个值例如三个或更多个相位值采集干涉图来提取交叉干涉项，如上面针对全场OCT提及的参考文献中描述的。

如图12所示，反射镜154的倾斜度使来自参考臂和物镜臂的反射束在与焦平面共轭的平面中相对于彼此空间上移位。与全场OCT不同，因此能够测量根本不同的点r_in和r_in之间的脉冲响应。它们的相对位置r'_out由反射镜的倾斜度确定，

r'_out＝r_out-r_in＝G tanθ_x e_x+G tanθ_y e_y (22)

其中θx和θy是反射镜相对于由单位向量e_x和e_y承载的轴的倾斜角。G＝f′/f是***的放大率，其中f′是放置在相机前面的透镜133的焦距。

申请人因此已示出，对于每个倾斜角(θ_x、θ_y)，记录了矩阵的用于与参考束与物镜束之间的相对位置r'_out(等式22)的系数R(r_out–r_in,r_in)相对应的副对角线。由于D(r′_out，r_in)＝R(r_out-r_in，r_in)(等式4)，所以此测量因此相当于直接测量焦平面中的失真矩阵。

焦平面中的矩阵D_rr的每一列对应于以照明点r_in为中心的焦斑R(r_out–r_in,r_in)，即成像设备在点r_in处的点扩散函数。图12呈现的设备因此允许直接测量真实空间中的失真矩阵。如上，除非将具有接近生物介质的光学指数的凝胶或另一材料引入到参考臂中，否则参考介质是空气。

如以上所说明的，矩阵D_rr的简单傅里叶变换然后使得有可能进入出射光瞳平面并获得矩阵D_θr，以便确定视场的等晕域和相关联的像差定律。相对于反射矩阵R_rr的相干测量，直接采集矩阵D_rr提供很大的优点。具体地，采集D_rr所需要的测量点的数量是包含在像差焦斑中的分辨单元的数量的量级：N_A＝(δ_A/δ)²。它与视场的尺寸无关。相反地，相干方法需要N＝(FOV/δ)²个聚焦照明。对于生物介质中的典型像差水平，采集N_A～10个图像足以使用图12的非相干设置来访问整个失真矩阵。相反地，对于～1mm²的典型视场，将有必要像在A.Badon等人和Kang等人的文章中呈现的相干设置一样按相干设置扫描包含N＝10⁶个像素的视场。

在图13中示意性地示出了根据本说明书的用于非均匀介质的光学表征的另一示例性***。图13呈现的***102在信噪比方面比图12所示的***更紧凑且更高效。

***102像在图12的实施例中一样包括照射设备110，该照射设备包括空间上不相干的光源115，该空间上不相干的光源被布置在透镜116的焦点处并适合于发射一系列入射光波，该系列入射光波旨在通过显微镜物镜30照射样品SMP的给定视场。***102还包括布置在透镜133的焦点处的二维采集设备130以及特别地接收来自检测器130的光电信号的计算单元140。

然而，在此实施例中，***102包括串联放置的两个干涉仪。第一干涉仪，标号为170，例如是空气楔构造的迈克尔逊干涉仪，从而使得有可能在其输出处生成相对于彼此倾斜并具有正交偏振的两个照射束。第二干涉仪，标号为180，例如是在每个臂上具有偏振分束器181以及四分之一波片182、183的林尼克干涉仪。远焦***191、192使得有可能将第一干涉仪170的反射镜175和176的平面与第二干涉仪180的显微镜物镜30和184的光瞳平面组合。

现在将详细地描述此***的操作。空间上和时间上不相干的入射场首先借助于偏振器171在相对于设备平面的平行(e||)和法向(e⊥)方向上以45度全直线偏振。沿着方向e||和e⊥偏振的这个波的分量分别由偏振分束器172透射和反射。干涉仪170的每个臂包含四分之一波片(173、174)和反射镜(175、176)。在这些臂中的一个上，反射镜(176)相对于光轴倾斜。在其返回时，来自每个臂的两个波以两个正交偏振的倾斜束的形式离开干涉仪。然而这两个束彼此相干，因为它们来自同一入射波。

在第二干涉仪中，两个束再次由偏振分束器181分离。在参考臂中透射沿着e||偏振的束。在物镜臂中反射沿着e⊥偏振的束。在两个臂的每一个上存在四分之一波片182、183使得有可能一旦两个束已被物镜臂中的样品和参考臂上的反射镜反射就最佳地透射它们。使用相对于e||和e⊥以45度偏振的分析仪187来在干涉仪的输出处重新组合这两个束。它们因此可能在透镜133的焦平面中干涉。CCD或CMOS相机记录所对应的干涉图样。如上，使用附接到干涉仪180的参考臂上的反射镜182的压电元件186来执行的相移方法使得有可能从由相机记录的图像中提取干涉项。如图13所示，反射镜175的倾斜度使参考束和物镜束在相机上相对于彼此移位。像针对以上设置一样，因此测量了根本不同的点r_in和r_out之间的脉冲响应。它们的相对位置r'_out是根据等式22通过反射镜的倾斜度确定的。

图14至图16示出了用诸如图12中所描述的表征***获得的第一实验结果，并且图17示出了用诸如图13中所描述的表征***获得的实验结果。

图14至图16图示了针对通过异常猴角膜40(图14A)观测到的测试图样(样品SMP)获得的结果。测试图样被定位在显微镜物镜30的焦平面FP中(图12)。实验设备是图12中描述的实验设备。样品被以5μm(300×300个像素)的空间分辨率在1.5×1.5mm²的视场之上通过显微镜物镜借助于发光二极管(850nm，480mW)4倍成像。失真矩阵D_rr是通过在17×17个像素的区域之上针对视场的每个点r_in测量点扩展函数在实验上获得的，即289次采集而不是在图2的相干设置情况下将必需的90 000次采集。

图14B图示根据上述方法使用图12的设置测量的失真矩阵D_rr。

根据图15A中另外示出的失真矩阵D_rr，能够通过如等式(4)所指示的那样重新布置数据来确定焦平面反射矩阵R_rr。可以从矩阵D_rr的中心行推断出正面OCT图像，然而在视场的每个点r_in处的点扩展函数对应于D_rr的每一列。图15E示出了在整个视场之上平均的此点扩展函数的模量。在D_rr的输出处的二维空间傅立叶变换可以在可以如上确定像差定律的基础上访问失真矩阵D_ur(图15D)。

图16A分别图示了在光瞳平面中测量的像差定律(图像(a)、(b)、(c)中示出的三个第一输出特征向量U₁、U₂、U₃)。焦平面中的相关图像即输入特征向量V₁、V₂、V₃被分别示出在图16B的图像(a)、(b)、(c)中。从在每个等晕域之上平均的经校正后的矩阵D′_rr和D′_rr推断出的点扩展函数被图示在图16C的图像(a)、(b)、(c)中。与D_rr的中央行相对应的OCT图像(图16D)与通过10个第一特征向量的线性组合校正的图像(图像16E)进行比较。

此第一实施例示出了图12或图13的实验设备如何允许在微米分辨率下遍及毫米视场直接测量矩阵D_rr。它还示出了如何同时地校正在视场中产生多个等晕区域的高阶像差。

图17A至图17D仍然使用图13的类型的实验设置图示了根据本说明书的方法到第二实施例的应用，即生物介质的深度成像。与对应于镜面反射模式的第一情况不同，在此实例中它是镜面反射模式与随机散射模式之间的中间模式。

在这里成像的生物样品是树叶。视场是2×2mm²(400×400个像素)，并且焦平面相对于叶的表面位于70μm的深度处(图17A)。

图17B示出了从所测量的矩阵D_rr的中央行起的“正面”OCT图像。这个图像由于在其表面的空气与叶片之间的光学指数中断以及由于通过叶它本身引起的像差而遭受差的对比度。因此很难看到叶的一些静脉。分析失真矩阵可以访问一组特征向量V_i，其两个实施例V₂和V₃分别被示出在17C的图像(a)和(b)中。这两个图像表明两个特征向量与图像的不同区域相关联。V₂给出反射率最高的静脉的对比图像，然而V₃给出图像的背景中的散斑的较清晰图像。图17D是通过失真矩阵的十五个第一特征向量V_i的线性组合而获得的校正后的图像。如通过与图17B所示的初始OCT图像的比较所证明的，针对像差的矩阵校正给出叶的截面的清晰且对比度更高的图像。

像在先前实施例中一样，此实施例借助于一方面允许采集大尺寸的反射和失真矩阵并且另一方面允许在微米分辨率下遍及毫米视场对高阶像差进行校正的设置示出了根据本说明书的方法的可行性。

尽管通过许多详细的示例性实施方式来描述，但是用于非侵入性光学表征的方法和***包括对本领域的技术人员而言将明显显而易见的不同的变体、修改和细化，应理解，这些不同的变体、修改和细化落在如由接着的权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims

1.一种用于非均匀介质的非侵入性光学表征的方法，所述方法包括：

-在所述焦平面的共轭平面与观测平面之间定义的观测基础中确定第一失真矩阵(D_ur、D_rr)的步骤，所述第一失真矩阵在所述焦平面的共轭平面与像差校正平面之间定义的校正基础中，对应于在所述校正基础中确定的所述视场的第一反射矩阵(R_ur)与在所述校正基础中针对模型介质定义的参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积；

2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述第一失真矩阵(D_ur、D_rr)包括：

-在所述观测基础中在实验上确定所述第一反射矩阵(R_ur、R_rr)的步骤；

-在相同基础中定义的所述第一反射矩阵和所述参考反射矩阵的基础上构造所述第一失真矩阵。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述观测基础是所述校正基础，并且所述第一失真矩阵由在所述校正基础中确定的所述视场的所述第一反射矩阵(R_ur)与在相同基础中定义的所述参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积构造。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述观测基础是在所述焦平面的两个共轭平面之间定义的聚焦基础，并且所述第一失真矩阵由在所述聚焦基础中定义的所述聚焦反射矩阵(R_rr)的每一行和/或列与在相同基础中定义的所述参考反射矩阵的相同行和/或列之间的空间相关构造。

5.如权利要求1所述的方法，其中：

-所述照射步骤包括借助于相同的空间上相干的光波照射干涉仪的物镜臂和参考臂，所述物镜臂包括在其焦平面中定位有所述非均匀介质的所述显微镜物镜(30)并且所述参考臂包括参考反射镜(123)；

-在所述校正基础中确定所述第一失真矩阵(D_ur)，并且确定所述第一失真矩阵包括以下步骤：

o对于入射在所述焦平面的点(r_in)处的每个光波，在所述校正平面中采集由被所述点反射的电磁场与被所述参考反射镜反射的电磁场之间的干涉产生的干涉图；

o构造所述第一失真矩阵，对于聚焦在所述焦平面的点(r_in)处的入射光波，所述第一失真矩阵的每一列对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

6.如权利要求1所述的方法，其中：

-所述照射步骤包括借助于空间上不相干的光波照射第一干涉仪的物镜臂和参考臂，所述物镜臂包括在其焦平面中定位有所述非均匀介质的所述显微镜物镜(30)并且所述参考臂包括参考反射镜(153、185)，在所述第一干涉仪的出口处被所述非均匀介质和所述参考反射镜反射的所述波在与所述焦平面共轭的平面中显示出空间移位，所述移位是可变的；

-在所述焦平面的两个共轭平面之间定义的聚焦基础中确定所述第一失真矩阵(D_rr)，并且确定所述第一失真矩阵包括以下步骤：

o对于每个空间移位(r_out-r_in)，在所述焦平面的共轭平面中采集由被所述非均匀介质和所述参考反射镜反射并空间上移位的所述波之间的所述干涉产生的干涉图；

o构造所述第一失真矩阵，对于空间移位值，所述第一失真矩阵的每一行对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述非均匀介质的物理参数的至少一个映射包括：

-对于所识别的每个第一等晕域，确定所述校正平面中的至少一个第一像差定律的映射。

8.如权利要求7所述的方法，其中确定所述第一失真矩阵的所述焦平面中的所述不变量包括矩阵组的矩阵中的至少一个的奇异值分解，所述矩阵组包括：所述第一失真矩阵、所述第一归一化失真矩阵、所述第一失真矩阵的归一化相关矩阵。

9.如权利要求7和8中任一项所述的方法，还包括在所述观测基础中，确定通过所述一个或多个第一像差定律校正的所述视场的反射矩阵。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

-确定在所述校正基础中与在所述校正基础中确定的所述校正后的反射矩阵与所述参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积相对应的第二失真矩阵。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：

-确定所述第二失真矩阵的所述焦平面中的不变量，以便标识所述焦平面中的至少一个第二等晕域；

-对于所标识的每个第二等晕域，确定所述校正平面中的第二像差定律的映射。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述非均匀介质的物理参数的至少一个映射包括对于所标识的至少一个第一等晕域，确定所述焦平面中的第一点扩展函数(PSF)。

13.一种用于非均匀介质的非侵入性光学表征的***，所述***包括：

-第一显微镜物镜(30)，所述第一显微镜物镜定义所述非均匀介质旨在被定位在其中的焦平面；

-发光设备(110)，所述发光设备用于发射一系列入射光波，所述一系列入射光波旨在通过所述显微镜物镜照射所述非均匀介质的给定视场；

-二维采集检测器(130)，所述二维采集检测器被布置在观测平面中；

-第一干涉仪，所述第一干涉仪耦合到所述发光设备并耦合到所述二维采集检测器，包括具有所述显微镜物镜(30)的物镜臂和在第二显微镜物镜(123、152、184)的焦点处包括参考反射镜的参考臂，所述第一干涉仪被配置为在所述观测平面处形成被所述非均匀介质和所述参考反射镜反射的波之间的干涉，

-计算单元(140)，所述计算单元耦合到所述二维采集检测器，并被配置为o在由所述干涉产生的所述干涉图的基础上，在所述焦平面的共轭平面与所述观测平面之间定义的观测基础中确定第一失真矩阵(D_ur、D_rr)，所述第一失真矩阵在所述焦平面的共轭平面与像差校正平面之间定义的校正基础中，对应于在所述校正基础中确定的所述视场的第一反射矩阵(R_ur)与在所述校正基础中针对模型介质定义的参考反射矩阵的相位共轭矩阵的逐项矩阵乘积；

o在所述第一失真矩阵的基础上，确定所述非均匀介质的物理参数的至少一个映射。

14.如权利要求13所述的用于非均匀介质的非侵入性光学表征的***，其中：

-所述发光设备(110)被配置为借助于相同的空间上相干的光波照射所述物镜臂和所述参考臂；

-所述观测平面是像差校正平面，并且所述二维采集设备被配置为在所述校正平面中并针对入射在所述焦平面的点(r_in)处的每个光波，采集由被所述点反射的电磁场与被所述参考反射镜反射的电磁场之间的干涉产生的干涉图；

-所述计算单元被配置为构造所述第一失真矩阵，对于聚焦在所述焦平面的点(r_in)处的入射光波，所述第一失真矩阵的每一列对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

15.如权利要求13所述的用于非均匀介质的非侵入性光学表征的***，其中：

-所述发光设备(110)被配置为借助于空间上不相干的光波照射在所述物镜和参考臂上的整个视场；

-所述第一干涉仪被配置为在所述第一干涉仪的出口处形成被所述非均匀介质和所述参考反射镜反射的波，所述波是相互相干的，并且在与所述焦平面共轭的平面中显示出空间移位，所述移位是可变的；

-所述观测平面是与所述焦平面共轭的平面，并且所述二维采集设备被配置为在所述观测平面中并针对每个空间移位，采集由被所述非均匀介质和所述参考反射镜反射并空间上移位的所述波之间的所述干涉产生的干涉图；

-所述计算单元被配置为构造所述第一失真矩阵，对于空间移位值，所述第一失真矩阵的每一行对应于与所述干涉图的交叉干涉项相关联的电磁场。

16.如权利要求15所述的用于非均匀介质的非侵入性光学表征的***，其中：

-所述第一干涉仪包括第一分束器(121)，所述第一分束器被配置为形成所述物镜臂(160)和所述参考臂(150)；

-所述参考臂(150)包括第二分束器(151)，所述第二分束器被配置为将所述照射波发送到所述参考反射镜(153)并发送到第二反射镜(154)，所述第二反射镜被布置在与所述显微镜物镜的光瞳平面共轭的平面中，并且相对于由所述显微镜物镜的光轴定义的光轴显示出可变的倾斜度(θx)；

-所述物镜臂(160)包括第三分束器(161)，所述第三分束器被配置为将所述照射波发送到所述非均匀介质(SMP)并发送到第三反射镜(162)，所述第三反射镜(162)被布置在与所述显微镜物镜的光瞳平面共轭的平面中，垂直于由所述显微镜物镜的光轴定义的光轴。

17.如权利要求15所述的用于非均匀介质的非侵入性光学表征的***，还包括：

-第二照射干涉仪(170)，所述第二照射干涉仪被配置为从所述发光设备(110)接收所述空间上不相干的光波并且形成具有正交偏振并在与所述焦平面共轭的平面中显示出空间移位的两个偏振的照射波；并且其中

-所述第一干涉仪(180)包括偏振分束元件(181)，所述偏振分束元件被配置为分别向所述物镜臂和所述参考臂发送具有正交偏振并显示出空间移位的所述偏振波中的每一个。