СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING INTERNAL DIMENSIONS OF OBJECT WITH APPLICATION OF OPTIC COHERENCE TOMOGRAPHY

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе и способу оптического измерения внутренних размеров объекта посредством оптической когерентной томографии (ОКТ). Исследуемый объект имеет внутренние границы раздела, на которых оптический показатель преломления изменяется, в результате чего часть падающего излучения отражается обратно и/или рассеивается в обратном направлении и может быть детектирована. В общем случае объектом может быть любой выбранный для измерения объект, по меньшей мере в части своего внутреннего объема по меньшей мере частично прозрачный для излучения с длинами волн в интервале, который содержит рабочую длину волны, используемую ОКТ-устройством для измерения внутренних размеров в данном объеме. Объект может содержать относительно сложные наружные и внутренние структуры, соотносящиеся с изменениями показателя преломления. Например, таким объектом может быть изготовленный из прозрачных пластиков объект, сложные внутренние структуры которого выполнены из пластиковых модификаций с различными показателями преломления, или образцы биологической ткани, такие как глаз (в частности человеческий).
Уровень техники
Известны применения ОКТ для оценки геометрических и оптических характеристик, в частности человеческого глаза, например, при его диагностике, в ходе которой измеряют эти характеристики в различных секциях глаза или для глаза в целом. Полученные результаты используют для получения модели индивидуального глаза пациента, на основании которой составляют оптимальную программу воздействия на данный глаз в ходе рефракционной хирургической операции, включая, например, коррекции рефракции посредством лазера. В настоящее время для получения точного диагноза геометрических и оптических характеристик глаза в различных частях, в том числе, например, роговичного и переднего сегментов (РПС) глаза и глаза в целом (к числу таких характеристик относятся осевая длина (далее - длина) глаза и геометрическая структура его задних участков, в частности сетчатки), приходится применять различные диагностические устройства, основанные на разных принципах измерения. Требуемая прецизионность, определяемая продольным разрешением Δz и поперечным разрешением Δх, различна для этих частей глаза. Например, продольное разрешение, характеризующее топографию и толщину РПС, применительно к обычным устройствам, находится в пределах примерно от 5 до 10 мкм, а для оптимального составления программы и априорного расчета коррекционной обработки рефракции желательно разрешение при соответствующих прецизионных измерениях менее 3 мкм, предпочтительно менее 1 мкм. С другой стороны, при оценивании длины глаза (в первую очередь, его осевой длины) и позиций главных границ раздела, изменяющих показатель преломления и распределенных по данной длине, требуемая точность, т.е. разрешение Δz, составляет всего лишь примерно 50 мкм или лучше. Обычно в оптической рефракционной хирургии глаза составление программы обработки основывается на индивидуальных измерениях посредством разных диагностических устройств, в которых могут быть использованы различные принципы измерений и вычислений. Из-за этого возникают проблемы при объединении измеренных данных, полученных от различных устройств, в единую модель индивидуального глаза и во время попыток выработать программу единой интегрированной обработки, например, план рефракционной хирургической операции. Кроме того, применение различных диагностических устройств занимает много времени, поскольку их используют последовательно и для каждого устройства может потребоваться специфическая настройка применительно к обследуемому глазу.
Например, в программах обработки, известных в рефракционной хирургии глаза, могут использоваться поставляемые заявителем данного изобретения различные диагностические устройства, в число которых входят:
- прибор, известный под торговой маркой Allegro Topolyzer, который применяется для получения топографии роговицы и, в первую очередь, ее передней поверхности, а также для оценки согласованности положения радужной оболочки, зрачка, лимба, верхней зоны и поверхностей задней камеры;
- прибор, известный под торговой маркой Allegro Oculyzer, который применяется для получения топографии передней и задней поверхностей роговицы, ее толщины, а также для определения некоторых геометрических параметров передней камеры глаза (например ее глубины);
- прибор, известный под торговой маркой Allegro Analyzer, который применяется для получения данных о совокупном волновом фронте, выявления возмущений глаза как единого целого, возникающих в результате индивидуальных аберраций таких зон, как, например, роговица, хрусталик и стекловидное тело, а также для получения оценки согласованности положения радужной оболочки, зрачка, лимба и кровеносных сосудов,
- прибор Allegro Biograph, предназначенный для определения толщины роговицы, осевой длины глаза как единого целого и размера, отвечающего толщине в других сечениях и элементах глаза (в том числе в передней камере и в хрусталике), а также для оценки согласованности положения зрачка, верхней зоны, радужной оболочки, лимба и кровеносных сосудов, и
- прибор Pachymeter, предназначенный для локального (т.е. точечного) измерения толщины в центре роговицы и определения глубины разрезов и толщины лоскута в связи с проведением операции LASIK (лазерный кератомилез in situ).
Сопоставимые устройства с соответствующими свойствами и ограничениями выпускаются также другими производителями и применяются в настоящее время для диагностики человеческого глаза и для составления программы его обработки (программы коррекции рефракции).
Известные диагностические устройства, предназначенные для проведения прецизионных измерений передней части глаза (в этой части находятся роговица, передняя камера, радужная оболочка, задняя камера и передняя поверхность хрусталика, см. фиг. 8) с требуемой точностью/разрешением, не способны измерять, кроме этого, например, суммарную длину глаза и топографию геометрии задней поверхности хрусталика, хотя эта топография требуется для вычисления суммарной рефракции глаза. Обычно данные, необходимые для такого вычисления, определяют итеративным образом, проводя расчеты на основе общей модели глаза, а затем сопоставляя полученные расчетные результаты с измеренными характеристиками волновых фронтов, распространяющихся по всему глазу и через него.
Примеры высокого качества изображения переднего сегмента, которое получено посредством ОКТ-устройства, формирующего изображение in vivo, описаны в публикациях "Anterior segment imaging with Spectral OCT system using a high-speed CMOS camera" (I. Grulkowski et al., OPTICS EXPRESS, 2009, Vol. 17, №6, p. 4842) и "Extended in vivo anterior eye-segment imaging with full-range complex spectral domain optical coherence tomography" (J. Jungwitrh et al., Journal of Biomedical Optics Letters, 2009, Vol. 14, №5). Еще один пример измерения переднего сегмента приведен в техническом описании устройства CASIA SS-1000, выпускаемого фирмой TOMEY.
Первый пример измерения суммарной осевой длины глаза для построения 3D томографической модели, соответствующий уровню техники, описан в публикациях "Three-dimensional ophthalmic optical coherence tomography with a refraction correction algorithm" (R.J. Zavadzki et al., SPIE proceedings, Vol. 5140) и "Iterative Berechnung von Ablationsprofilen in der Refraktiven Chirurgie" (Dr. H. P. Isell et al., Augenspiegel, 2008, Vol. 20, 07-08).
Приведенное обсуждение современного состояния оптических измерений внутренних размеров исследуемого объекта, имеющего внутренние границы раздела, на которых показатель преломления изменяется, было сосредоточено на конкретных приложениях, относящихся к диагностике глаза, однако, с такими же ограничениями и трудностями сталкиваются оптические исследования объектов других типов, упомянутых выше.
Раскрытие изобретения
С учетом перечисленных проблем, связанных с применением различных известных устройств для получения разных характеристик в разных внутренних объемах (именуемых далее частичными объемами, поскольку они представляют собой части объема объекта, такого как глаз), общая задача изобретения заключается в сокращении времени постановки диагноза и в уменьшении затрат, связанных с применением различающихся между собой диагностических устройств, а конкретной технической задачей является достижение адекватной точности (адекватного разрешения) измерения для различных частей глаза, позволяющей выполнить прецизионную индивидуализированную обработку с целью коррекции зрительной способности глаза пациента.
Согласно изобретению поставленная задача решается, в целом, посредством создания единой системы, позволяющей измерять и получать разные данные в ходе практически одной измерительной операции, например в ходе единственного диагностического обследования. Другими словами, даже если измеряют несколько параметров, пациент подвергается воздействию только одной измерительной процедуры. Изобретение предусматривает объединение различных ОКТ-устройств, предназначенных для решения различных измерительных задач, в том числе для измерения разных внутренних объемов, представляющих собой часть обследуемого объекта, с различными заданными уровнями разрешения/точности как в продольном, так и в поперечном направлениях.
В соответствии с формулой изобретения согласно его первому аспекту предлагается система, предназначенная для оптического измерения внутренних размеров объекта, имеющего внутренние границы раздела, на которых показатель преломления изменяется, в результате чего часть падающего излучения отражается обратно и/или рассеивается в обратном направлении и может быть детектирована. Измерение проводят посредством ОКТ, причем система содержит по меньшей мере одно первое ОКТ-устройство, выполненное с возможностью измерять внутренние размеры в первом частичном объеме.
Отличительной особенностью системы согласно изобретению является наличие по меньшей мере одного второго ОКТ-устройства, выполненного с возможностью измерять внутренние размеры во втором объеме, представляющем собой часть этого же объекта, причем второй объем по меньшей мере частично отличается от первого объема.
Комбинация первого и второго ОКТ-устройств в рамках единой системы позволяет измерять внутренние размеры в разных внутренних объемах исследуемого объекта с выбором различных заданных уровней точности, используемых единой системой, причем за меньший отрезок времени по сравнению с вариантом, в котором в ходе единой измерительной процедуры применяют два раздельных ОКТ-устройства.
Первый частичный объем может быть расположен вблизи передней стороны исследуемого объекта или непосредственно у этой стороны, которая, по существу, может быть обращена к системе. Второй объем может быть расположен вблизи задней стороны исследуемого объекта или непосредственно у этой стороны, причем данный объем может проходить, по существу, от передней стороны объекта до задней. Объектом может быть, в частности глаз, в частности человеческий. Измерение внутренних размеров в разных частичных объемах (конкретно - в частях глаза) посредством одной объединенной системы экономит время и облегчает измерение, а в случае обследования глаза уменьшает испытываемые пациентом болезненные ощущения.
Первое ОКТ-устройство может иметь первый канал сравнения и первый канал образца, а второе ОКТ устройство может иметь второй канал сравнения и второй канал образца, причем по меньшей мере одна из секций (частей) обоих каналов образца ориентирована в сторону указанного объекта. Предпочтительно, чтобы данные секции обоих каналов образца по меньшей мере частично совмещались в пространстве одна с другой. Более предпочтительно направить эти секции обоих каналов образца через общую оптическую систему. Направление обоих каналов образца в сторону одного образца и, в конечном счете, через общую оптическую систему, причем предпочтительно с частичным совмещением их в пространстве между собой, позволяет измерять разные особенности объекта, используя только одну механическую регулировку объекта относительно предлагаемой системы.
Предусмотрена возможность выполнить первое ОКТ-устройство с возможностью измерять первый частичный объем, расположенный вблизи передней стороны объекта или непосредственно у этой стороны. Такой объем может соотноситься, например, с роговичным и передним сегментами (РПС) глаза. Второе ОКТ-устройство можно выполнить с возможностью измерять длину глаза по направлению в глубину, например, длину второго частичного объема, в частности, суммарную длину от передней поверхности роговицы глаза до его сетчатки. Комбинация первого и второго ОКТ-устройств, решающих отличающиеся друг от друга измерительные задачи (измерение разных объемов), позволяет уменьшить затраты, сократить время и понизить объем измерительной работы по сравнению с процессами настройки и применения различающихся между собой измерительных устройств, измеряющих объект последовательно. В добавление к сказанному, комбинированное диагностическое ОКТ-устройство в ходе одной процедуры и с надлежащей точностью обеспечивает получение полного комплекта данных, необходимых для вычисления свойств глаза в целом, определяющих его способность формировать изображения.
Предусмотрена возможность выполнить первое и второе ОКТ-устройства с возможностью испускать соответственно первый и второй пучки, каждый из которых фокусируется соответственно с заданными первым и вторым фокусными расстояниями, из которых первое может быть короче второго. Это позволяет измерять выбранные внутренние объемы, различающиеся между собой и расположенные на разной глубине относительно передней поверхности объекта.
2
∞
2
Первое ОКТ-устройство (ОКТ1) выполнено с возможностью испускать первый пучок (В1) первого излучения и имеет первое продольное разрешение (Δz1∞(λ1)/Δλ1), задаваемое длинами волн первого излучения, находящимися в первом интервале длин волн, заданном первой рабочей длиной волны (λ1) и первой шириной полосы (Δλ1), второе ОКТ-устройство (ОКТ2) выполнено с возможностью испускать второй пучок (В2) второго излучения и имеет второе продольное разрешение (Δz2(λ2)/Δλ2), задаваемое длинами волн второго излучения, находящимися во втором интервале длин волн, заданном второй рабочей длиной волны (λ2) и второй шириной полосы (Δλ2), причем первое продольное разрешение (Δz1) выше, чем второе продольное разрешение (Δz2). Можно выбрать первое продольное разрешение лучше 5 мкм, а второе продольное разрешение лучше 15 мкм. Желательно, чтобы первая ширина полосы могла быть больше примерно 100 нм, а вторая - меньше примерно 20 нм. Еще более желательна возможность выбрать первую рабочую длину волны в интервале примерно 700-1350 нм, предпочтительно примерно 700-900 нм, более предпочтительно примерно 750-850 нм, конкретно примерно 820 нм, при том что первая ширина полосы может составлять примерно 100-200 нм. Вторую рабочую длину волны можно выбрать в интервале примерно 600-1000 нм, предпочтительно примерно 620-750 нм, в альтернативном варианте примерно 800-1000 нм, а конкретно - примерно 700 нм, при том что вторая ширина полосы может составлять примерно 5-10 нм. Использование различных продольных разрешений при измерении разных внутренних размеров и разных частичных объемов позволяет сократить время измерения, а также уменьшить объемы данных и понизить требования к хранению этих объемов в тех случаях, когда для более мелких размеров требуется более высокое разрешение, тогда как для более крупных размеров достаточно пониженного разрешения. В результате по сравнению с системой, проводящей измерения в обоих объемах с одним и тем же высоким разрешением, обработке подлежит меньшее количество данных.
Первое ОКТ-устройство (ОКТ1) выполнено с возможностью испускать первый пучок (В1) фокусируемого излучения с длинами волн, находящимися в первом интервале длин волн, содержащем первую рабочую длину волны (λ1), и с первой числовой апертурой (NA1) и задавать, тем самым, первое поперечное разрешение (Δх1∞λ1/NA1), второе ОКТ-устройство (ОКТ2) выполнено с возможностью испускать второй пучок (В2) фокусируемого излучения с длинами волн, находящимися во втором интервале длин волн, содержащем вторую рабочую длину волны (А2), и со второй числовой апертурой (NA2) и задавать, тем самым, второе поперечное разрешение (Δх2∞λ2/NA2), при этом первое поперечное разрешение (Δх1) отличается от второго поперечного разрешения (Δх2) и предпочтительно выше него. В еще более предпочтительном варианте можно выбрать первое поперечное разрешение равным приблизительно 10-20 мкм (что еще более предпочтительно в комбинации с продольным разрешением, равным 1-3 мкм), а второе поперечное разрешение -равным примерно 50-200 мкм (что еще более предпочтительно в комбинации с продольным разрешением, равным 10-50 мкм). Использование различающихся между собой поперечных разрешений в разных пучках сфокусированного излучения позволяет адаптировать разрешение к требованиям различных приложений, сократить время измерения, а также уменьшить объемы данных и понизить требования к их хранению.
Первым и вторым ОКТ-устройствами могут быть соответственно устройство для ОКТ в спектральном пространстве и устройство для ОКТ во временном пространстве. В порядке альтернативы как первое, так и второе ОКТ-устройства могут быть устройствами для ОКТ в спектральном пространстве. Еще одной альтернативой может быть выбор обоих этих устройств в виде устройств для ОКТ во временном пространстве. Адаптация типа ОКТ-устройства (для ОКТ в спектральном или временном пространстве) к различающимся между собой объемам, представляющим собой части обследуемого объекта, позволяет оптимизировать точность измерения, свести к минимуму время измерения и адаптировать/оптимизировать скорость обработки данных в соответствии с конкретным назначением обследования объекта.
Первое ОКТ-устройство может иметь первый канал образца, содержащий первую и общую оптические системы, которые установлены на первой оптической оси и в совокупности формируют в данном канале первый участок первого пучка, фокусируемый с первым фокусным расстоянием. Второе ОКТ-устройство может иметь второй канал образца, содержащий третью оптическую систему. Между первой оптической системой и общей оптической системой установлено зеркало, частично и спектрально-селективно отражающее излучение. Посредством этого зеркала второй пучок, проходящий по направлению второй оптический оси через третью оптическую систему, отклоняется в направлении первой оптической оси с проходом через общую оптическую систему. Третья и общая оптические системы в совокупности формируют в данном канале второй участок второго пучка, фокусируемый со вторым фокусным расстоянием. В этой схеме первое фокусное расстояние может отличаться от второго, причем предпочтительно, чтобы оно было меньше второго фокусного расстояния. Фокусным расстоянием задается глубина фокуса (измеряемый интервал). Соответственно, более предпочтительно выбрать глубину второго фокуса достаточно большой, чтобы вторым ОКТ-устройством можно было измерять всю осевую длину глаза. Такие схемы, в которых второй канал образца отклоняется от второго направления, ориентированного вдоль второй оптической оси и отличающегося от направления первой оптической оси первого пучка, после чего перенаправляется в направлении первой оптической оси и, далее, проходит через общую оптическую систему вместе с первым пучком, позволяют выполнить первое ОКТ-устройство отличающимся от второго, например, по своему принципу действия (ОКТ в спектральном пространстве или ОКТ во временном пространстве), продольному и поперечному разрешениям, выбору интервала длин волн излучения, интенсивности излучения, а также по модуляции излучения первого и второго ОКТ-устройств во времени. В альтернативном варианте осуществления, предназначенном, например, для приложений, не связанных с измерениями глаза, второе фокусное расстояние может быть меньше первого.
Первое ОКТ-устройство может содержать первый источник излучения, имеющий первую рабочую длину волны и первую ширину полосы. Второе ОКТ-устройство может содержать второй источник излучения, имеющий вторую рабочую длину волны и вторую ширину полосы. В этой схеме первая ширина полосы может быть больше приблизительно 100 нм, а вторая - меньше приблизительно 20 нм. Предпочтительно выбрать первую рабочую длину волны равной приблизительно 820 нм, первую ширину полосы в интервале приблизительно 100-250 нм (желательно в интервале приблизительно 100-200 нм), вторую рабочую длину волны равной приблизительно 700 нм, а вторую ширину полосы - меньше 20 нм, желательно - в интервале примерно 5-10 нм. Такие спектральные параметры первого и второго ОКТ-устройств позволяют обследовать первый частичный объем с другим продольным разрешением и, предпочтительно, на другой рабочей длине волны по сравнению со вторым частичным объемом.
Первое ОКТ-устройство может иметь первый канал образца, а второе ОКТ-устройство может иметь второй канал образца, по меньшей мере частично совмещенный в пространстве с первым каналом. Оба канала могут проходить через общую бифокальную оптическую систему, у которой имеются первая и вторая фокусирующие зоны, функционирующие соответственно в первом и втором каналах образца и имеющие соответственно первое и второе фокусные расстояния. В этой схеме первое фокусное расстояние может быть меньше второго. В предпочтительной модификации первого варианта осуществления вторая фокусирующая зона представляет собой круглый центральный участок бифокальной оптической системы, а первая фокусирующая зона охватывает вторую в виде кольца. Более предпочтительно, чтобы первая и вторая фокусирующие зоны могли иметь различающиеся характеристики спектрального пропускания, каждая из которых выбрана с возможностью задавать надлежащий интервал длин волн, задаваемый рабочей длиной волны и соответствующей шириной полосы в соответствии с требованиями обследования соответствующих частичных объемов. Такой характеристикой могут быть различающиеся расстояния, характеризующие заглубления в объект, к которым адаптированы соответствующие фокусные расстояния первой и второй фокусирующих зон общей оптической системы. В предпочтительной альтернативной модификации второго варианта осуществления бифокальная оптическая система выполнена в виде надлежащим образом сконструированного дифракционного оптического элемента (ДОЭ), имеющего по меньшей мере две комплементарные зоны, из которых первая выполнена обеспечивающей первое фокусное расстояние, а вторая - второе фокусное расстояние.
Первое и второе ОКТ-устройства могут иметь общий источник излучения. В таком варианте дополнительно понижаются затраты на систему и повышается уровень объединения этих устройств.
Первое ОКТ-устройство может иметь первый канал сравнения, а второе ОКТ-устройство может иметь второй канал сравнения, по меньшей мере частично совмещенный в пространстве с первым каналом сравнения. Первый канал сравнения можно выполнить с оптической длиной пути, по существу, соответствующей оптической длине пути в первом канале образца, и снабдить первым зеркалом и собственной (первой) оптической системой, формирующей участок канала, сфокусированный на первое зеркало. Второй канал сравнения можно выполнить с оптической длиной пути, по существу, соответствующей оптической длине пути во втором канале образца, и снабдить вторым зеркалом, частично отражающим зеркалом второго канала сравнения, расположенным в первом канале сравнения перед его оптической системой, и оптической системой второго канала сравнения, расположенной вне первого канала сравнения, по существу, между частично отражающим зеркалом второго канала сравнения и вторым зеркалом второго канала сравнения.
Посредством частично отражающего зеркала второго канала сравнения пучок излучения, имеющий длину волны во втором интервале длин волн, заданном, например, второй рабочей длиной волны и второй шириной полосы, и проходящий через оптическую систему первого канала сравнения по направлению этого канала, перенаправляется в направлении второго канала сравнения и через его оптическую систему, а данное частично отражающее зеркало второго канала сравнения в совокупности с оптической системой этого же канала формирует участок второго канала сравнения, который фокусируется на второе зеркало. Такая схема позволяет по меньшей мере частично объединить (совместить) первый и второй каналы сравнения обоих ОКТ-устройств, сохраняя, в то же время, соответствие оптической длины пути первого и второго каналов сравнения, по существу, с оптической длиной пути соответствующего (первого или второго) канала образца.
В альтернативном варианте выполнения каналов сравнения первое ОКТ-устройство имеет первый фокусирующий участок, способный функционировать как часть первого канала сравнения и проходящий через первую зону бифокальной оптической системы, общей для каналов сравнения, а второе ОКТ-устройство содержит второй канал сравнения, который по меньшей мере частично совмещен в пространстве с первым каналом сравнения и проходит через вторую фокусирующую зону этой же бифокальной системы. При этом второй фокусирующий участок способен функционировать как часть второго канала сравнения. В таком варианте в первом канале сравнения установлено первое зеркало, которое спектрально-селективно и частично отражает излучение с длинами волн в первом интервале, заданном, например, первой рабочей длиной волны и первой шириной полосы, а во втором канале сравнения установлено второе зеркало, которое спектрально-селективно отражает излучение с длинами волн во втором интервале, заданном, например, второй рабочей длиной волны и второй шириной полосы. Фокусное расстояние первого и второго фокусирующих участков можно подобрать так, чтобы оптическая длина пути первого и второго каналов сравнения, по существу, была равна оптической длине пути соответственно первого или второго канала образца. В общей бифокальной оптической системе каналов сравнения предпочтительно выполнить вторую фокусирующую зону в виде круглого центрального участка, а первую фокусирующую зону - в виде кольца, охватывающего вторую фокусирующую зону. В одной из схем первая и вторая фокусирующие зоны общей бифокальной оптической системы каналов сравнения имеют различающиеся спектральные характеристики, связанные с пропусканием и адаптированные в соответствии с требованиями конкретного использования первого и второго пучков, направленных соответственно в первый и второй частичные объемы. В альтернативной схеме предусмотрена возможность установить за общей бифокальной оптической системой каналов сравнения спектральный фильтр с подобранными спектральными характеристиками, связанными с пропусканием.
В соответствии с формулой изобретения согласно его второму аспекту предлагается способ оптического измерения внутренних размеров объекта, имеющего внутренние границы раздела, на которых оптический показатель преломления изменяется так, что часть падающего излучения отражается обратно и/или рассеивается в обратном направлении и может быть детектирована. Объектом измерения может быть, например, глаз.
Согласно изобретению предлагаемый способ включает стадию измерения внутренних размеров в первом и втором частичных объемах, посредством ОКТ в ходе единой измерительной процедуры, причем второй объем по меньшей мере частично отличается от первого. Способ обеспечивает тот же технический эффект и те же преимущества, как и описанная выше система, которую можно использовать при осуществлении предлагаемого способа.
Краткое описание чертежей
Остальные варианты осуществления, преимущества и технические свойства изобретения станут ясны из последующего подробного описания конкретных вариантов осуществления. Данное описание, которое не следует интерпретировать в ограничительном смысле по отношению к объему изобретения, должно рассматриваться совместно с прилагаемыми чертежами, где:
фиг. 1 иллюстрирует вариант осуществления известного устройства для ОКТ в спектральном пространстве,
фиг. 2 иллюстрирует вариант осуществления известного устройства для ОКТ во временном пространстве,
фиг. 3 иллюстрирует первый вариант осуществления системы согласно изобретению, в которой скомбинированы первое ОКТ-устройство и второе ОКТ-устройство, отличающееся от первого, с совмещением участков первого и второго каналов образца, направленных через общую оптическую систему в сторону одного и того же объекта, подлежащего обследованию,
фиг. 4 иллюстрирует второй вариант осуществления системы согласно изобретению, в которой первое и второе ОКТ-устройства дополнительно объединены с созданием комбинированного общего канала образца,
фиг. 5 иллюстрирует спектр, выбранный для системы согласно изобретению и обеспечивающий наличие излучения с длинами волн в первом интервале, который задан первой рабочей длиной волны и первой шириной полосы, и во втором интервале, который задан второй рабочей длиной волны и второй шириной полосы,
фиг. 6 иллюстрирует третий вариант осуществления системы согласно изобретению, в которой первое и второе ОКТ-устройства представляют собой устройства для ОКТ в спектральном пространстве и имеют частично объединенные каналы сравнения,
фиг. 7 иллюстрирует четвертый вариант осуществления системы согласно изобретению, в которой первое и второе ОКТ-устройства представляют собой устройства для ОКТ в спектральном пространстве, а конструкция канала сравнения отличается от варианта, представленного на фиг. 6,
фиг. 8 иллюстрирует, в сечении, человеческий глаз, подлежащий обследованию, с показом различных частичных объемов и внутренних границ раздела.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 приведен пример известного устройства для ОКТ в спектральном пространстве (СП-ОКТ-устройства). СП-ОКТ-устройство (ОКТ1) 100 содержит предпочтительно широкополосный источник (LS1) 102 излучения, волоконно-оптический кабель 104 источника излучения, разъем 106 волоконно-оптического кабеля (далее - разъем), двунаправленный волоконно-оптический кабель 108, делитель 112 пучка, канал (SA1) образца, содержащий общую (для канала образца и канала сравнения) первую оптическую систему (L1) 110, делитель 112 пучка и вторую оптическую систему (L2) 114 канала образца. В устройстве 100 имеется также канал (RA1) сравнения, содержащий делитель 112 пучка, оптическую систему 116 канала сравнения и зеркало 117 канала сравнения. Далее, в схему устройства 100 входит детектирующий канал, содержащий разъем 106 волоконно-оптического кабеля, волоконно-оптический кабель 118 детектирующего канала, первую, коллимирующую оптическую систему 120, оптическую решетку 122, вторую оптическую систему 124, формирующую изображение спектра, и массив 126 детекторов спектрометра, содержащий множество детекторных ячеек 128-i (с нумерацией от 128-1 до 128-n) для измерения интерферограммы с разрешением по спектру. Дополнительно СП-ОКТ-устройство 100 снабжено вычислительным блоком 132, выполняющим быстрое преобразование Фурье для интерферограммы 130, полученной с разрешением по спектру, чтобы вычислить распределение 134 по глубине границ 14, 14′, 14′′ раздела показателей преломления в обследуемом образце 10.
В процессе функционирования СП-ОКТ-устройства 100 источник 102 излучения генерирует широкополосное оптическое излучение, т.е. излучение с длинами волн, распределенными в относительно широком спектральном интервале. Это излучение проходит по волоконно-оптическому кабелю 104 источника излучения, через разъем 106 и, далее, по двунаправленному волоконно-оптическому кабелю 108. Из дистального конца кабеля 108 оно выходит в виде расходящегося пучка В1 и проходит через первую оптическую систему (L1) 110 канала образца, которая преобразует пучок В1, по существу, в параллельный пучок (см. фиг. 1), проходящий через делитель 112 пучка. В делителе 112 часть параллельного пучка проходит в канал SA1 образца СП-ОКТ-устройства 100 и направляется в сторону второй оптической системы (L2) 114 канала образца, которая фокусирует пучок на объект 10.
В своем внутреннем объеме объект 10 имеет несколько границ 14, 14′, 14′′ раздела, на которых происходит изменение показателя преломления, в результате чего возникает частичное отражение лучей сфокусированного пучка, облучающего объект 10. Излучение, отраженное от нескольких внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела, собирается второй оптической системой 114 канала образца, выходит из нее, по существу, в виде параллельного пучка, проходит через делитель 112 пучка и фокусируется первой оптической системой 110 канала образца на дистальный торец двунаправленного волоконно-оптического кабеля 108.
Другая часть излучения, поступившего из волоконно-оптического кабеля 108 через первую оптическую систему 110 канала образца в форме, по существу, параллельного пучка излучения, отражается, по существу, плоской внутренней поверхностью делителя 112, которая предпочтительно наклонена на угол, составляющий, по существу, 45° по отношению к входящему, по существу, параллельному пучку излучения, и формирует, тем самым, канал RA1 сравнения, ориентированный в сторону оптической системы 116 этого канала. Система 116 фокусирует, по существу, параллельный пучок излучения на неподвижное зеркало 117 канала сравнения, отражающее сфокусированный пучок излучения, в результате чего отраженное расходящееся излучение собирается оптической системой 116 и выводится из канала сравнения в виде, по существу, параллельного пучка. Это излучение, возвращенное из канала RA1 сравнения, направляется внутренней плоской поверхностью делителя 112 пучка в сторону первой оптической системы 110 канала образца, фокусируется этой системой и передается ею далее на дистальный торец двунаправленного волоконно-оптического кабеля 108. Таким образом, по кабелю 108 передается как излучение, возвращаемое из канала SA1 образца после отражения от внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела в объекте 10, так и излучение, возвращаемое из канала RA1 сравнения после отражения от зеркала 117. В результате эти пучки излучения получают возможность интерферировать между собой. Интерферирующее излучение передается по волоконно-оптическому кабелю 108 через разъем 106 в волоконно-оптический кабель 118 детектирующего канала, причем, пройдя через кабель 118 до его дистального торца, оно распространяется далее в виде расходящегося пучка, который собирается и преобразуется первой детектирующей оптической системой 120, превращаясь, по существу, в параллельный пучок, проходящий в сторону оптической решетки 122. При отражении от решетки 122 падающий на нее пучок интерферирующего излучения превращается в множество пучков, состоящих, по существу, из параллельных лучей, имеющих различные углы отражения в соответствии с длинами волн излучения, падающего на решетку 122. Конструкция и принцип действия решетки 122, выполняющей функцию диспергирующего элемента, отражающего падающее излучение под разными углами отражения в зависимости от длины волны, известны специалистам в этой области и в данном описании не рассматриваются.
Множество спектрально разрешенных пучков излучения, отраженных от решетки 122, собираются второй детектирующей оптической системой 124 и фокусируются, в соответствии с углом отражения от решетки 122, на массив детекторов спектрометра. Сфокусированные и спектрально разрешенные пучки падают на соответствующие ячейки, входящие в комплект множества ячеек 128 детектора, и детектируются ими.
Как следствие такого расположения первой детектирующей оптической системы 120, оптической решетки 122, второй детектирующей оптической системы 124 и массива 126 детекторов спектрометра конкретное место в продольном направлении массива 126 и, таким образом, конкретная ячейка 128-i отвечают соответствующей конкретной длине волны интерферирующего излучения, возникающего вследствие интерференции излучения, возвращенного из канала SA1 образца и из канала RA1 сравнения. В результате массив 126 детекторов спектрометра детектирует спектрально разрешенную интерферограмму 130, которая представляет собой, по существу, спектральное распределение интенсивности интерферирующего излучения. Спектральное распределение подвергают преобразованию Фурье, например, в вычислительном блоке 132, предназначенном для выполнения быстрого преобразования Фурье, с получением представленного на фиг. 1 распределения 134 границ раздела показателей преломления по глубине. Распределение 134, по существу, представляет собой распределение интенсивности соответствующей амплитуды a(z) интерферирующего излучения в виде функции от длины оптического пути z, измеренной в канале SA1 образца, для вкладов излучения, отраженных внутренними границами 14, 14′, 14′′ раздела в объекте 10. Как показано на фиг. 1, распределение 134 содержит три пика, соответствующие трем внутренним границам 14, 14′, 14′′ раздела в объекте 10.
Другими словами, после отражения в канале SA1 образца от зон изменения показателя преломления, соответствующих внутренним границам 14, 14′, 14′′ раздела в объекте 10, широкополосное спектральное распределение излучения источника 102 интерферирует с широкополосным спектральным распределением излучения, отраженного в канале RA1 сравнения. Соответствующие спектральные интервалы интерференции, отвечающие спектральному разрешению, полученному посредством решетки 122 в комбинации с конкретными ячейками 128-i, соответствуют информации, полученной от внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела, расположенных в объекте 10 на разной глубине. Затем преобразование Фурье, выполненное для спектра, зарегистрированного массивом 126 детекторов спектрометра, выдает информацию о позиции границ раздела в направлении z по глубине внутри объекта 10.
Если объектом 10 является человеческий глаз, различия показателей преломления разных участков глаза 20 (см. фиг. 8) возникают из-за различающихся показателей преломления материалов, пересекаемых излучением в канале SA1 образца. К таким материалам относятся воздух (показатель преломления 1,003), пленка слезной жидкости (показатель преломления 1,3335), эпителий (показатель преломления 1,401) и строма (показатель преломления 1,3771). Перечисленные значения показателей преломления сегментов человеческого глаза 20 взяты из описания упомянутого выше устройства, выпускаемого компанией TOMEY.
На фиг. 2 схематично представлен пример известного устройства для ОКТ во временном пространстве (ВП-ОКТ-устройство). ВП-ОКТ-устройство (ОКТ2) 150 содержит источник (LS2) 152 излучения, предпочтительно обладающего низким уровнем когерентности, первый волоконно-оптический кабель 154 источника излучения, циркулятор 155 (в качестве опции), второй (двунаправленный) волоконно-оптический кабель 156 источника излучения, разъем 158 волоконно-оптического кабеля, канал SA2 образца, снабженный собственным двунаправленным волоконно-оптическим кабелем 160, первую оптическую систему 162 канала образца, вторую оптическую систему 164 канала образца и обследуемый объект 10 с внутренними границами 14, 14′, 14′′ раздела, на которых изменяется показатель преломления. Кроме того, у ВП-ОКТ-устройства 150 имеется канал RA2 сравнения, снабженный собственным двунаправленным волоконно-оптическим кабелем 166 и имеющий оптическую систему 168 канала сравнения, модулируемое по положению зеркало 170 канала сравнения и сканер 172, функционирующий с очень высокой скоростью и задержкой. Далее, ОКТ-устройство 150 имеет детектирующий канал, снабженный первым волоконно-оптическим кабелем 174 и детектором 178. Как вариант, ОКТ-устройство 150 дополнительно снабжено средством, повышающим отношение сигнал-шум, причем в состав этого средства входят циркулятор 155, второй волоконно-оптическим кабель 176 детектирующего канала и участок детектора 178, формирующий сигнал, зависящий от разности, например, блок, выполняющий двухбалансное детектирование сигнала. В числе средств для получения информации о глубине расположения внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела в объекте 10 ОКТ-устройство 150 дополнительно содержит также полосовой фильтр 180, демодулятор 182 и компьютер 184, принимающий демодулированный сигнал и определяющий данные о глубине расположения внутренних границ 14,14′, 14′′ раздела.
В процессе функционирования ВП-ОКТ-устройства 150 источник 152 испускает излучение в относительно узком интервале длин волн, причем в данном случае для излучения достаточен относительно низкий уровень когерентности. Данное излучение проходит по первому волоконно-оптическому кабелю 154 источника излучения на опционный циркулятор 155, а затем распространяется по второму волоконно-оптическому кабелю 156 источника излучения и входит в разъем 158, в котором оно разделяется на первую часть, проходящую в канал SA2 образца, и вторую часть, проходящую в канал RA2 сравнения.
Первая часть излучения проходит через волоконно-оптический кабель 160 канала образца, причем из дистального торца этого кабеля оно выходит в виде расходящегося пучка, который собирается первой оптической системой 162 данного канала и преобразуется ею, по существу, в параллельный пучок, проходящий в сторону второй оптической системы 164 данного канала. Система 164 преобразует параллельный пучок в сфокусированный пучок, фокус которого расположен в объекте 10. На соответствующих внутренних границах 14, 14′, 14′′ раздела части падающего излучения отражаются обратно, т.е. в сторону второй оптической системы 164 канала образца, которая собирает несколько таких частей, отраженных от нескольких границ 14, 14′, 14′′ раздела, и направляет их в сторону первой оптической системы 162 канала образца. Далее система 162 фокусирует отраженные части излучения, возвращенные из канала SA2 образца, на дистальный торец волоконно-оптического кабеля 160 канала образца, и это излучение по кабелю 160 через разъем 158 проходит в первый волоконно-оптический кабель 174 детектирующего канала.
Вторая часть излучения, выделенная разъемом 158, передается в канал RA2 сравнения по волоконно-оптическому кабелю 166 этого канала, причем из дистального торца кабеля 166 излучение выходит в виде расходящегося пучка. Данный пучок собирается оптической системой 168 канала сравнения и в виде, по существу, параллельного пучка излучения переносится в сторону зеркала-модулятора 170 этого канала. Зеркало 170 в соответствии с двунаправленной стрелкой, показанной на фиг. 2, совершает с высокой скоростью возвратно-поступательное движение в осевом направлении этого участка канала RA2 посредством высокоскоростного сканера 172, функционирующего в режиме задержки. Излучение, отраженное от -модулируемого по положению зеркала 170 канала сравнения, переносится далее и фокусируется оптической системой 168 канала сравнения на дистальный торец волоконно-оптического кабеля 166 этого канала. По кабелю 166 излучение, отраженное в канале сравнения, через разъем 158 попадает в первый волоконно-оптический кабель 174 детектирующего канала, где оно интерферирует с излучением, возвращенным из канала SA2 образца после отражения на внутренних границах 14, 14′, 14′′ раздела объекта 10.
Интерферирующее излучение по первому волоконно-оптическому кабелю 174 детектирующего канала передается к входному порту (-) входного узла детектора 178, где оно детектируется и где регистрируется зависимость интенсивности интерферирующего излучения от времени.
В варианте с использованием средства, улучшающего отношение сигнал-шум, например, посредством вычитания фона, часть излучения источника 152 передается циркулятором 155 во второй волоконно-оптический кабель 176 детектирующего канала и переносится по нему к другому входному порту (+) входного узла детектора 178. Детектор 178 вычитает из сигнала, полученного из интерферирующего излучения, сигнал, полученный из излучения, испускаемого источником 152 и отведенного циркулятором 155. Такая схема детектора, т.е. схема, имеющая входные порты (+) и (-), позволяет из сигнала, полученного из интерферирующего излучения, вычитать избыточный шум, полученный из сигнала источника 152, т.е. улучшает соотношение сигнал/шум. Полученный таким образом сигнал через полосовой фильтр 180 подводится к демодулятору 182, чтобы удалить высокочастотный компонент, образованный в результате высокоскоростной модуляции посредством сканера 172, функционирующего в канале RA2 сравнения. Затем этот сигнал подается на компьютер 184, где происходит его регистрация, после чего компьютер 184 вычисляет на основании поступившего сигнала желательную информацию о глубине расположения внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела в объекте 10.
В ВП-ОКТ-устройстве 150 узкополосное интерферирующее излучение преобразуется за счет интерференции излучения, отраженного в канале SA2 образца от внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела в объекте 10, и излучения, возвращаемого из канала RA2 сравнения, в котором оптическая длина пути сканируется, т.е. изменяется посредством периодического перемещения зеркала 170 сканером 172.
По сравнению с наиболее масштабно применяемыми устройствами для ОКТ во временном пространстве (см. пример такого устройства на фиг. 2) преимущества устройства для ОКТ в спектральном пространстве (см. пример такого устройства на фиг. 1) заключаются в улучшенном, т.е. повышенном, отношении сигнал-шум, а также в возможности синхронного получения информации о положении внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела объекта 10 по глубине, причем без использования механически перемещаемых деталей, таких как зеркало 170 канала сравнения устройства 150 для ОКТ во временном пространстве.
0
Из фундаментальных принципов оптики можно вывести известное специалистам в этой области заключение о том, что продольное разрешение Δz ОКТ-устройства и, таким образом, точность определения положений внутренних границ 14, 14′, 14′′ раздела по глубине, по существу, задается шириной полосы (Δλ) и центральной длиной волны (λ) используемого излучения согласно следующему уравнению:
где n - показатель преломления среды, составляющей частично отражающую границу раздела. Если в качестве объекта 10 выбран человеческий глаз 20, проиллюстрированный на фиг. 8, полезным показателем преломления для самой передней границы раздела является показатель преломления роговицы, у которой n=1,3771.
Точность, с которой получают информацию о глубине расположения в направлении, поперечном по отношению к продольному направлению (z), т.е. поперечное разрешение Δх, по существу, определяется уравнениями
где NA и f - соответственно числовая апертура и фокусное расстояние оптической системы, фокусирующей излучение в канале образца в объект 10.
Продольный отрезок, из которого достаточно интенсивная часть излучения отражается или рассеивается в объекте 10 в обратном направлении, по порядку величины соответствует глубине фокуса (depth of focus, DOF) оптической системы, фокусирующей излучение в объект 10, и задается фокусным расстоянием f и числовой апертурой NA оптической системы согласно уравнению
Если оценочные уравнения (1), (2) и (3) применить к объекту, вытянутому по оси, у которого из двух объемов, представляющих собой его части, второй проходит, по существу, по всей длине объекта, а первый расположен вблизи передней стороны 16 объекта или непосредственно у этой стороны, занимая, например, только одну десятую часть суммарной осевой длины, будет понятно, что ОКТ-устройство, выполненное с возможностью измерять внутренние поверхности внутри первого объема с адекватной точностью, неспособно с тем же разрешением измерять также и внутренние границы раздела, распределенные по суммарной длине объекта (т.е. во втором объеме внутри объекта 10). В частности, когда объектом 10 является человеческий глаз 20 (см. фиг. 8), посредством единственного ОКТ-устройства, выполненного с возможностью измерять переднюю часть глаза, содержащую роговичный и передний сегменты (РПС), невозможно определить с высокой точностью, соответствующей продольному разрешению Δz=1-3 мкм, также и длину глаза 20 от роговицы до сетчатки 26.
В обычной практике внутриглазные структуры РПС глаза 20 измеряют с использованием устройства, предназначенного для ОКТ в спектральном пространстве и имеющего относительно высокое продольное разрешение (менее 10 мкм), получая осевое разрешение в интервале примерно 1-3 мкм. В границах изобретения прецизионное измерение различных границ раздела РПС глаза становится возможным, причем чрезвычайно желательно или даже вообще необходимо применять СП-ОКТ-устройство, принадлежащее к последнему поколению подобных устройств и обладающее продольным разрешением менее 1 мкм.
С другой стороны, осевую длину глаза обычно измеряют устройствами, основанными на принципе оптической низкокогерентной рефлектометрии (ОНКР), или используя ВП-ОКТ-устройства, в которых длина канала сравнения должна изменяться (сканироваться) по длине, соответствующей длине глаза. Эта задача, как правило, решается посредством продольного сканирования зеркала по этой, эквивалентной длине или поперечного смещения призмы, имеющей соответствующее основание (как это выполнено, например, в ОНКР-устройстве, выпускаемом компанией Haag-Streit).
Как уже указывалось, согласно изобретению, чтобы иметь возможность провести с достаточно высоким разрешением измерение первого частичного объема, занимающего только относительно небольшой участок его суммарной длины, и одновременно или квазиодновременно с этим измерение второго частичного объема, проходящего, например, по всей суммарной длине или пространственно отделенного от первого частичного объема в продольном направлении (например, занимающего больше половины суммарной длины объекта), предлагается скомбинировать (объединить) первое и второе ОКТ-устройства, выполненные с возможностью измерять соответственно внутренние размеры в первом и втором частичных объемах объекта. Далее, со ссылками на фиг. 3, 4, 6 и 7, представлены конкретные варианты осуществления такой комбинации.
В описываемых далее вариантах предполагается, что первый частичный объем 17 расположен вблизи передней стороны 16 объекта 10 или непосредственно у этой стороны и измеряется первым ОКТ-устройством ОКТ1, глубина фокуса которого (DOF1), по существу, перекрывает первый объем 17 по его длине. Второй частичный объем 19 проходит от передней стороны 16 объекта 10 до его задней стороны 18 и измеряется вторым ОКТ-устройством ОКТ2, глубина фокуса которого (DOF2), по существу, соответствует длине второго объема 19.
В первом варианте изобретения (в устройстве ОКТ12), представленном на фиг. 3, первое ОКТ-устройство ОКТ1 скомбинировано со вторым ОКТ-устройством ОКТ2 за счет совмещения участка канала SA2 образца второго ОКТ-устройства ОКТ2 и участка канала SA1 образца первого ОКТ-устройства ОКТ1, а также посредством проведения обоих этих участков через общую оптическую систему L12 и, далее, до одного и того же объекта 10. Канал SA1 образца первого ОКТ-устройства ОКТ1 выполнен так, что он проходит через первую оптическую систему L1 и общую оптическую систему L12, которые в совокупности формируют сфокусированный пучок В1 канала образца, по длине приблизительно соответствующий отрезку, в который входят расстояние первого объема 17 от общей оптической системы L12 и глубина DOF1 фокуса, проходящая в объекте, по существу, через весь первый объем 17. Канал SA2 образца второго ОКТ-устройства ОКТ2 выполнен так, что он содержит третью оптическую систему L3, частично отражающее зеркало М и общую оптическую систему L12. Таким образом, третья оптическая система L3 находится вне первого канала SA1 образца первого ОКТ-устройства ОКТ1, а зеркало М оказывается внутри этого канала, между первой оптической системой L1 и общей оптической системой L12, отклоняя часть излучения канала SA2 в направлении канала SA1. Конкретно, часть канала SA2 второго ОКТ-устройства ОКТ2, по существу, перпендикулярна каналу SA1 первого ОКТ-устройства ОКТ1, а частично отражающее зеркало М, по существу, расположено под углом 45° по отношению к направлению канала SA1.
Местоположение частично отражающего зеркала М описанной схемой не ограничено. Его можно поместить под углом 9, отличающимся от 45°, например, выбрав этот угол в интервале 20-70°, причем предусмотрена возможность участок канала SA2 образца, содержащий третью оптическую систему L3 и компоненты второго ОКТ-устройства ОКТ2, за исключением остальной оптики этого канала, расположить по отношению к каналу SA1 образца под углом 20.
Третья оптическая система L3 в совокупности с общей оптической системой L12 формирует второй участок пучка В2 с фокусным расстоянием f2, по существу, соответствующим расстоянию задней части объекта 10 от общей оптической системы L12, причем глубина DOF2 фокуса участка В2, по существу, перекрывает весь второй частичный объем 19.
Первое ОКТ-устройство ОКТ1 является устройством для ОКТ в спектральном пространстве и выполнено, например, в варианте СП-ОКТ-устройства 100, представленного на фиг. 1, в котором первая оптическая система 110 канала образца и вторая оптическая система 114 этого же канала соответствуют первой оптической системе L1 и общей оптической системе L12 комбинированной системы по фиг. 3.
Второе ОКТ-устройство ОКТ2 является устройством для ОКТ во временном пространстве и выполнено, например, в варианте ВП-ОКТ-устройства 150, представленного на фиг. 2, в котором первая оптическая система 162 канала образца и вторая оптическая система 164 этого же канала соответствуют третьей оптической системе L3 и общей оптической системе L12 системы по фиг. 3, а канал SA2 образца устройства 150 по фиг. 2 изменен посредством его "сгибания" на участке между первой и второй оптическими системами 162, 164 посредством введения частично отражающего зеркала М, как это показано на фиг. 3.
Первое (второе) ОКТ-устройство ОКТ1 (ОКТ2) имеет первый (второй) источник LS1 (LS2) излучения, который испускает первое (второе) излучение со спектром в первом (втором) интервале длин волн, заданном первой (второй) рабочей длиной волны λ1 (λ2) и первой (второй) шириной полосы Δλ1 (Δλ2), как это показано на фиг. 5.
Если первое ОКТ-устройство ОКТ1 выполнено с возможностью измерять РПС 22, 24 человеческого глаза 20 (см. фиг. 8), пригодная первая рабочая длина волны λ1 составляет ≈1300 нм. Однако можно выбрать значение λ1 и в интервале примерно 700-950 нм, например, около 850 нм, как это сделано в примере, приведенном на фиг. 5 (см. далее). Первая ширина полосы Δλ1 может лежать в интервале примерно 100-200 нм, например составлять примерно 100 нм. Первым ОКТ-устройством ОКТ1 может быть устройство для ОКТ в спектральном пространстве, например упомянутое устройство такого типа, выпускаемое компанией TOMEY, в котором источник излучения содержит перестраиваемый лазер с центральной длиной волны λ1 на выходе, равной=1310 нм, и выходной мощностью 5 мВт или менее. В схеме по фиг. 3 частично отражающее зеркало М можно выполнить известным образом в виде дихроичного зеркала.
Если второе ОКТ-устройство ОКТ2 выполнено с возможностью измерять суммарную осевую длину человеческого глаза 20 (см. фиг. 8), пригодная вторая длина волны λ2 лежит в интервале примерно 800-1000 нм. До сих пор в ОКТ-устройствах, предназначенных для обследования передней зоны глаза, использовалась длина волны около 1300 нм, однако, это значение можно изменить в сторону более коротких длин волн, поскольку стали более доступными пригодные детекторы излучения с рабочим интервалом длин волн менее примерно 950 нм, такие как детекторы на основе технологии Si-CMOS. Вторая длина волны λ2 вместе с интервалом, заданным второй спектральной шириной полосы (Δλ2), должна отличаться от первой длины волны λ1, причем предпочтительно выбрать ее вне интервала, заданного первой спектральной шириной полосы Δλ1, в котором находится длина волны λ1. Такой подход позволяет, например, уменьшить взаимодействие между первой и второй спектральными полосами и (хотя это не обязательно) существенно упростить спектральную функцию, которую выполняет дихроичный делитель пучка, отделяющий первую спектральную полосу от второй.
Предпочтительный пример положения первой и второй спектральных полос в спектре представлен на фиг. 5. В данном примере первая рабочая длина волны λ1 равна примерно 850 нм, а первая ширина полосы Δλ1 составляет 200 нм, т.е. первая спектральная полоса перекрывает интервал примерно 750-950 нм, отвечающий характеристике спектральной чувствительности детекторов на основе технологии Si-CMOS и детекторов Si-ПЗС. Вторая рабочая длина волны λ2 равна примерно 700 нм, а вторая спектральная ширина полосы Δλ2 гораздо меньше первой спектральной ширины полосы Δλ1, т.е. меньше примерно 20 нм. В этом случае второе ОКТ-устройство ОКТ2 можно заменить устройством на основе принципа оптической низкокогерентной рефлектометрии (ОНКР), например, соответствующим устройством, выпускаемым компанией Haage-Streit.
Комбинация третьей оптической системы L3 и общей оптической системы L12 в канале SA2 образца второго ОКТ-устройства ОКТ2 имеет относительно длинное фокусное расстояние f2, что позволяет измерять второй частичный объем 19, расположенный в объекте 10 по всей его осевой длине. Кроме того, эта комбинация обеспечивает глубину DOF2 фокуса, которая соответственно является достаточно большой, чтобы перекрывался весь второй объем 19. Комбинация первой оптической системы L1 и общей оптической системы L12 в канале SA1 образца первого ОКТ-устройства ОКТ1 имеет относительно короткое фокусное расстояние f1 и соответственно относительно малую глубину DOF1 фокуса, локализуемую в первом частичном объеме 17, который расположен непосредственно у передней поверхности 16 объекта 10 или вблизи нее, и перекрывающую только этот объем 17.
Фиг. 4 иллюстрирует второй вариант (ОКТ12′) объединенной системы. В этой системе комбинация первого ОКТ-устройства со вторым ОКТ-устройством реализуется за счет по меньшей мере частичного пространственного совмещения канала SA2 образца второго ОКТ-устройства с каналом SA1 образца первого ОКТ-устройства, как это показано на фиг. 4, а также посредством объединения первого и второго ОКТ-устройств в комбинированную систему ОКТ12′.
В комбинированной системе ОКТ12′ детектирующие каналы первого и второго ОКТ-устройств являются компонентами объединенного детектирующего канала (не показан), а каналы сравнения этих устройств сведены в объединенный канал сравнения (не показан), как это выполнено, например, в третьем и четвертом вариантах осуществления, представленных соответственно на фиг. 6 и 7. Кроме того, источники излучения первого и второго ОКТ-устройств комбинированной системы ОКТ12′ объединены в один общий источник LS12 излучения.
В системе ОКТ12′ по второму варианту осуществления, представленному на фиг. 4, реализовано объединение каналов SA1 образца и SA2 образца, расположенных соответственно в первом и втором ОКТ-устройствах, в общий канал образца, причем в этом канале пучок В1 первого канала SA1 (первого ОКТ-устройства) и пучок В2 второго канала SA2 (второго ОКТ-устройства) в значительной степени пространственно совмещены друг с другом.
Как показано на фиг. 4, пучок излучения, ассоциированного с первым ОКТ-устройством и испускаемого на длинах волн первого интервала длин волн, и пучок излучения, ассоциированного со вторым ОКТ-устройством и испускаемого на длинах волн второго интервала длин волн (эти интервалы показаны на фиг. 5), направляются в объединенный канал SA12 образца по общему волоконно-оптическому кабелю SOF12, из дистального торца которого излучение выходит в виде расходящегося общего пучка В12. Пучок В12 собирается первой оптической системой L1 и передается далее в виде общего, по существу, параллельного пучка В12′, распространяющегося в сторону общей оптической системы, выполненной, как общая бифокальная оптическая система BFL12 с первой фокусирующей зоной FP1, соответствующей излучению в первом интервале длин волн, и второй фокусирующей зоной FP2, соответствующей излучению во втором интервале длин волн. Как показано на фиг. 4, первая фокусирующая зона FP1 обеспечивает первое фокусное расстояние f1 и первую глубину DOF1 фокуса, которая перекрывает первый частичный объем 17, а вторая фокусирующая зона FP2 обеспечивает второе фокусное расстояние f2 и вторую глубину DOF2 фокуса, которая перекрывает второй частичный объем 19 объекта 10.
Общая оптическая система BFL12 выполнена с возможностью выполнить первую и вторую фокусирующие зоны FP1, FP2 прилегающими одна к другой, например, в виде полуплоскостей. В альтернативном варианте (см. фиг. 4) одна из этих зон охвачена другой, причем вторая фокусирующая зона FP2 представляет собой центральную часть круглого сечения, а первая фокусирующая зона FP1 выполнена в виде кольца, охватывающего вторую фокусирующую зону, расположенную в центре.
Как альтернатива выполнения общей оптической системы в данном бифокальном варианте, предусмотрена возможность выполнить ее в виде бифокальной линзы Френеля или бифокального дифракционного оптического элемента (ДОЭ), имеющего два разных фокусных расстояния, например, имеющего конструкцию, подобную бифокальной внутриглазной линзе.
В первом подварианте осуществления излучение общего пучка В12, В12′ содержит непрерывный спектр длин волн, перекрывающий как первый, так и второй интервалы, показанные на фиг. 5, а первая и вторая фокусирующие зоны FP1 и FP2 оптической системы BFL12 соответственно имеют характеристики пропускания, подобранные как спектральные фильтры для получения высокого коэффициента пропускания (предпочтительно превышающего 90%, а более предпочтительно равного 100% или примерно 100%) в первом и втором интервалах длин волн (заданных соответственно первой или второй рабочей длиной волны λ1, λ2 и первой или второй шириной полосы Δλ1, Δλ2, как это показано на фиг. 5).
Во втором подварианте спектральный состав общего пучка В12, В12′ в канале образца (см. фиг. 5) получен посредством соответствующих первого и второго спектральных фильтров, которые согласованы соответственно с первой фокусирующей зоной FP1 и второй фокусирующей зоной FP2 общей бифокальной оптической системы BFL12.
Как в первом, так и во втором подвариантах системы по фиг. 4 при прохождении через общую бифокальную оптическую систему BFL12 общий пучок В12′ излучения разделяется на два пучка. Первый из них (В1), имеющий длины волн из первого интервала (заданного значениями λ1 и Δλ1, см. фиг. 5), проходит через первую фокусирующую зону FP1 и обеспечивает первое фокусное расстояние f1 и первую глубину DOF1 фокуса, которая перекрывает первый частичный объем 17. Второй пучок (В2), имеющий длины волн из второго интервала (заданного значениями λ2 и Δλ2, см. фиг. 5), проходит через вторую фокусирующую зону FP2 и обеспечивает второе фокусное расстояние f2 и вторую глубину DOF2 фокуса, которая перекрывает второй частичный объем 19 и проходит, по существу, по всей длине 12 объекта 10. В общей бифокальной оптической системе BFL12 вторая фокусирующая зона FP2 охвачена первой фокусирующей зоной FP1, т.е. у зоны FP1 диаметр больше, и, соответственно, по сравнению со вторым пучком В2 первый пучок В1 имеет увеличенную числовую апертуру. Таким образом, согласно уравнению (2) первый пучок В1 в первом объеме 17 обеспечивает лучшее поперечное разрешение Дх, чем второй пучок В2 во втором объеме 19. Согласно уравнению (3) глубина DOF1 фокуса первого пучка В1 меньше, чем глубина DOF2 фокуса второго пучка В2, который адаптирован для измерения второго частичного объема 19. В добавление к сказанному, поскольку первая ширина полосы Δλ1 первого пучка В1 относительно велика (ее значение лежит, например, в интервале примерно 100-200 нм), а первую рабочую длину волны λ1 выбирают в интервале примерно 700-950 нм, например равной 850 нм, тогда как второй пучок В2 имеет относительно узкую полосу, например, менее 20 нм, согласно уравнению (1) продольное разрешение ∞1/Δz1 первого пучка В1 значительно лучше продольного разрешения ∞1/Δz2 второго пучка В2 или, в другом выражении, Δz1<<Δz2.
Если как первая, так и вторая ОКТ-системы относятся к типу СП-ОКТ-устройств, в них можно выполнить объединенный канал образца (как это показано на фиг. 4, 6 и 7), совместно использовать общий источник LS12 излучения (как это показано на фиг. 6 и 7) и, кроме того, объединить каналы сравнения (как, например, в вариантах осуществления, представленных на фиг. 6 и 7).
Такие схемы можно специально адаптировать для измерения длины 17 РПС и суммарной длины 19 человеческого глаза 20 (см. фиг. 8) в варианте с источником LS12 излучения, выполненным в широкополосной модификации, пригодной для СП-ОКТ-устройств, и имеющим спектр излучения, например, в интервале примерно от менее 700 нм до более 950 нм. Такой интервал хорошо согласуется со спектральной чувствительностью современных высокоскоростных детекторов на основе кремния. Первую длину волны можно отфильтровать из спектра излучения совместно используемого источника LS12 излучения, например, посредством спектрального фильтра, выполненного с возможностью пропускать излучение с длинами волн, примыкающими с обеих сторон к центральной первой рабочей длине волны λ1, равной примерно 820 нм, и с первой шириной полосы Δλ1 в интервале 100-200 нм. Вторую длину волны также можно отфильтровать из спектра излучения совместно используемого источника LS12 излучения, например, посредством фильтра, выполненного с возможностью пропускать длины волн, примыкающие с обеих сторон к центральной второй рабочей длине волны λ2, равной примерно 700 нм, и с первой шириной полосы Δλ2 в интервале примерно 5-20 нм.
Предусмотрена возможность разместить соответствующие спектральные фильтры в объединенном канале SA12 образца отдельно друг от друга таким образом, чтобы они были согласованы с первой и второй фокусирующими зонами FP1 и FP2 общей бифокальной оптической системы BFL12. Альтернативно, непосредственно на эти зоны можно, например, нанести соответствующие покрытия, выполняющие спектральную фильтрацию, конкретно, покрытия в виде краевого фильтра, причем край пропускания первого фильтра, помещенного в первой фокусирующей зоне FP1, должен находиться между первым и вторым интервалами длин волн, показанными на фиг. 5.
Фиг. 6 иллюстрирует третий вариант (ОКТ12′′) комбинированной системы. Схема этой системы, по существу, соответствует показанной на фиг. 1 схеме устройства для ОКТ в спектральном пространстве, однако, при сравнении с вариантом по фиг. 4 следует отметить следующие особенности.
1) Канал SA12 образца, содержащий собственный волоконно-оптический кабель SOF12 образца, первую оптическую систему L1 и общую бифокальную оптическую систему BFL12, выполнен также, как во втором варианте осуществления (см. фиг. 4).
2) В качестве источника LS12 излучения выбран широкополосный источник, выполненный с возможностью применения в СП-ОКТ-устройстве, а спектральная фильтрация широкополосного излучения обеспечена посредством установки первого и второго спектральных фильтров соответственно на первой и второй фокусирующих зонах FP1, FP2 общей бифокальной оптической системы BFL12 с целью выделения первого и второго интервалов длин волн, заданных так, как это показано на фиг. 5.
3) Детектирующий канал является интегрированным за счет использования следующих компонентов:
-общего волоконно-оптического кабеля DOF12 детектирующего канала (по данному кабелю направляется интерферирующее излучение, поступившее из первого и второго пучков В1 и В2),
- первой оптической системы DL1 детектирующего канала,
- общей решетки DG12 детектирующего канала,
- второй оптической системы DL2 детектирующего канала и
- общего массива SDA12 детекторов спектрометра детектирующего канала.
В комбинации эти компоненты образуют схему, подобную схеме СП-ОКТ-устройства 100 по фиг. 1, содержащей первую детектирующую оптическую систему 120, оптическую решетку 122, вторую детектирующую оптическую систему 124 и массив 126 детекторов спектрометра. Однако общая решетка DG12 детектирующего канала и использующийся совместно с ней общий массив SDA12 детекторов спектрометра детектирующего канала адаптированы для детектирования и спектрального разделения излучения, содержащего как первый, так и второй интервалы длин волн, выделяемые спектральными фильтрами (как это описано выше) и проиллюстрированные на фиг. 5.
4) Канал сравнения имеет интегрированный характер, достигнутый посредством по меньшей мере частичного пространственного совмещения первого и второго каналов RA1 и RA2 сравнения, соответствующих первому и второму каналам SA1 и SA2 образца. Первый канал RA1 сравнения содержит общий делитель BS12 пучка, оптическую систему LR1 первого канала сравнения и первое зеркало MR1 первого канала сравнения. Это зеркало стационарно установлено в заданном положении (на заданном расстоянии) относительно общего делителя BS12 пучка таким образом, чтобы оптическая длина пути для излучения вдоль направления RAD1 в первом канале RA1 сравнения соответствовала оптической длине пути для излучения в первом пучке В1, сфокусированном в первый частичный объем 17. Второй канал RA2 сравнения содержит тот же общий делитель BS12 пучка, частично отражающее зеркало MRA второго канала сравнения, оптическую систему LR2 второго канала сравнения и зеркало MR2 второго канала сравнения. При этом зеркало MRA установлено в оптическом пути в первом канале RA1 сравнения между общим делителем BS12 пучка и оптической системой L1 первого канала сравнения и выполнено с возможностью частично отражать вдоль направления RAD2 излучение, содержащее длины волн второго интервала (заданного значениями λ2 и Δλ2, см. фиг. 5), т.е. отклонять это излучение от направления первого канала RA1 сравнения в сторону оптической системы LR2 второго канала сравнения по направлению к зеркалу MR2 второго канала сравнения. Зеркало MR2 также установлено стационарно, на заданном расстоянии от общего делителя BS12 пучка так, чтобы оптическая длина пути для второго излучения во втором канале RA2 сравнения соответствовала оптической длине пути для излучения во втором пучке В2 второго канала SA2 образца (этот пучок сфокусирован во второй частичный объем 19). Частично отражающее зеркало MRA выполнено с возможностью селективного пропускания для длин волн первого излучения, лежащих в первом спектральном интервале, и селективного отражения для длин волн второго излучения, лежащих во втором спектральном интервале.
Чтобы повысить отношение сигнал-шум и/или улучшить интерференционный сигнал первого пучка В1, возвращенного от границ раздела показателя преломления в первом частичном объеме 17, предусмотрено наличие дополнительного третьего зеркала MR3 канала сравнения (см. фиг. 6). Это зеркало выполнено с возможностью частичного пропускания для длин волн второго интервала, обеспечивая коэффициент пропускания в диапазоне примерно 10-50%, а также с возможностью отражения для длин волн первого интервала. Зеркало MR3 установлено во втором канале RA2 сравнения в месте, выбранном так, чтобы оптический путь между делителем BS12 пучка и зеркалом MR3 соответствовал оптическому пути между этим делителем и зеркалом MR1.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 6, оптическая система LR2 второго канала сравнения может иметь такое же фокусное расстояние, как и вторая фокусирующая зона FP2 общей бифокальной оптической системы BFL12. Тогда система LR2 отображает на втором и третьем зеркалах MR2, MR3 второго канала сравнения одинаковые диаметры пучка в пределах относительно большой глубины фокуса, соответствующей глубине DOF2 фокуса второго фокусирующего участка в канале SA2 образца. В результате обеспечивается достаточный сигнал сравнения.
На фиг. 7 представлен четвертый вариант (ОКТ12′′′) комбинированной системы, который подобен третьему варианту осуществления (т.е. комбинированной системе ОКТ12′′ по фиг. 6) в том, что касается объединения канала SA12 образца, источника LS12 излучения и детектирующего канала. Единственное отличие относится к схеме и степени объединения, реализованной в канале сравнения.
Как показано на фиг. 7, объединенный канал RA12 сравнения содержит общую бифокальную оптическую систему BFLRA или надлежащий бифокальный дифракционный оптический элемент (ДОЭ), выполненный с возможностью эквивалентным образом выполнять ту же функцию, что и система BFLRA. Любой из этих блоков имеет в канале сравнения фокусирующую зону FPR2 второго канала сравнения и фокусирующую зону FPR1 первого канала сравнения, охватывающую вторую зону FPR2. Фокусное расстояние зоны FPR1 выбрано таким, чтобы излучение с длинами волн в первом интервале (заданном значениями λ1 и Δλ1, см. фиг. 5) переносилось на первое зеркало MR1 канала сравнения и фокусировалось на этом зеркале. Фокусное расстояние зоны FPR2 выбрано таким, чтобы излучение с длинами волн во втором интервале (заданном значениями λ2 и Δλ2, см. фиг. 5) переносилось на второе зеркало MR2 этого же канала и фокусировалось на этом зеркале. Зеркала MR1 и MR2 расположены по отношению к общему делителю BS12 пучка на таких расстояниях, что в первом канале RA1 сравнения оптическая длина пути, задаваемая первой фокусирующей зоной FPR1, соответствует оптической длине пути для первого пучка В1 в канале SA12 образца. Во втором канале RA2 сравнения оптическая длина пути, задаваемая второй фокусирующей зоной FPR2, соответствует оптической длине пути для второго пучка В2 в канале SA12 образца. Таким образом, общая бифокальная оптическая система BFLRA канала сравнения может быть сконфигурирована таким же образом, как и общая бифокальная оптическая система BFL12, установленная в канале SA12 образца.
Во втором, третьем и четвертом вариантах выполнения интегральных систем ОКТ12′, ОКТ12′′ и ОКТ12′′′ по фиг. 4, 6 и 7 вместо общей бифокальной оптической системы BFL12, установленной в каналах SA12 образца, и общей бифокальной оптической системы BFLRA, установленной в каналах сравнения, предусмотрена возможность использовать бифокальную систему в виде линзы Френеля.
Кроме того, в каналах RA12 сравнения этих систем можно предусмотреть коррекцию дисторсии для хроматической аберрации, чтобы уровнять хроматическую дисторсию для первого и второго пучков В1, В2 в первом и втором частичных объемах 17, 19 и повысить для объединенной системы отношение сигнал-шум.
Список использованных обозначений
СП-ОКТ ОКТ в спектральном пространстве
ВП-ОКТ ОКТ во временном пространстве
10 обследуемый образец
12 длина объекта
14, 14′, 14′′ внутренние границы раздела
16 передняя сторона
17 первый частичный объем
18 задняя сторона
19 второй частичный объем
20 глаз
22 роговичный сегмент
24 передний сегмент
26 сетчатка
100 устройство для ОКТ в спектральном пространстве (СП-ОКТ)
102 источник излучения (широкополосный)
104 волоконно-оптический кабель источника излучения
106 разъем волоконно-оптического кабеля
108 двунаправленный волоконно-оптический кабель
110 первая оптическая система канала образца
112 делитель пучка
114 вторая оптическая система канала образца
116 оптическая система канала сравнения
117 зеркало канала сравнения
118 волоконно-оптический кабель детектирующего канала
120 первая детектирующая оптическая система
122 оптическая решетка
124 вторая детектирующая оптическая система
126 массив детекторов спектрометра
128-1, …128-i, …128-n ячейки детекторов
130 интерферограмма, полученная со спектральным разрешением
132 вычислительный блок для быстрого преобразования Фурье
134 распределение границ раздела показателей преломления по глубине
150 устройство для ОКТ во временном пространстве (ВП-ОКТ-устройство)
152 источник излучения (низкокогерентный)
154 первый волоконно-оптический кабель источника излучения
155 циркулятор (опция)
156 второй волоконно-оптический кабель источника излучения
158 разъем волоконно-оптического кабеля
160 двунаправленный волоконно-оптический кабель канала образца
162 первая оптическая система канала образца
164 вторая оптическая система канала образца
166 волоконно-оптический кабель канала сравнения
168 оптическая система канала сравнения
170 зеркало канала сравнения
172 высокоскоростной сканер
174 первый волоконно-оптический кабель детектирующего канала
176 второй волоконно-оптический кабель детектирующего канала
178 детектор
180 полосовой фильтр
182 демодулятор
184 компьютер
ОКТ1 первое ОКТ-устройство
LS1 первый источник излучения
RA1 первый канал сравнения
LR1 оптическая система первого канала сравнения
RAD1 направление первого канала сравнения
SA1 первый канал образца
В1 первый пучок
f1 первое фокусное расстояние
λ1 первая рабочая длина волны
Δλ1 первая ширина полосы
0
n показатель преломления воздуха
1
n показатель преломления первого частичного объема
2
n показатель преломления второго частичного объема
L1 первая оптическая система
М частично отражающее зеркало
MR1 первое зеркало
ОКТ2 второе ОКТ-устройство
LS2 второй источник излучения
RA2 второй канал сравнения
LR2 оптическая система второго канала сравнения
RAD2 направление второго канала сравнения
SA2 второй канал образца
В2 второй пучок
f2 второе фокусное расстояние
λ2 вторая рабочая длина волны
Δλ2 вторая ширина полосы
L2 вторая оптическая система
L3 третья оптическая система
MR2 второе зеркало
MR3 третье зеркало
ОКТ12…ОКТ12′" интегральная система
LS12 общий источник излучения
L12 общая оптическая система
BFL12 общая бифокальная оптическая система
FP1 первая фокусирующая зона
FP2 вторая фокусирующая зона
MRA частично отражающее зеркало второго канала сравнения
BFLRA общая бифокальная оптическая система каналов сравнения
FPR1 первая фокусирующая зона системы BFLRA
FPR2 вторая фокусирующая зона системы BFLRA
OF1 первый волоконно-оптический кабель устройства ОКТ1
OF2 второй волоконно-оптический кабель устройства ОКТ2
OF12 общий волоконно-оптический кабель устройств ОКТ12′-ОКТ12′′′
SA12 общий канал образца устройств ОКТ12′-ОКТ12′′′
В12, В12′ общий пучок излучения канала образца
SOF12 волоконно-оптический кабель канала образца
DOF1 первая глубина фокуса
DOF2 вторая глубина фокуса
DOF12 волоконно-оптический кабель детектирующего канала
DL1 первая оптическая система детектирующего канала
DL2 вторая оптическая система детектирующего канала
DG12 общая решетка детектирующего канала
SDA12 общий массив детекторов спектрометра
FFT12 блок для быстрого преобразования Фурье
СОМР12 компьютер
BS12 общий делитель пучка