用于光学相干断层扫描的系统和方法以及用于校准这种系统的方法

摘要

本发明涉及用于光学相干断层扫描的一种系统以及相应的方法，其具有一个干涉仪(10)，该干涉仪用于输出用来照射一个样本(1)的光。该干涉仪(10)包含有一个分束器(13)和至少一个反射器(12)，该反射器到该分束器(13)的光学距离(I)是可变化的，并具有一个样本物镜，通过该样本物镜由该干涉仪(10)所输出的光被聚焦到位于该样本(1)中的一个焦点上，还具有一个探测器(30)，用于探测由该样本(1)所反射的光。为了更简单且更快速地记录该样本(1)的尽可能清晰的图像，规定，在改变该反射器(12)到该分束器(13)的光学距离期间，分别在该样本(1)的多个不同深度上反射的光由该探测器(30)来探测，并在探测分别在该样本(1)的不同深度上反射的光期间，该样本物镜的成像特性以如下方式而被改变，即该焦点位于该样本(1)的相应深度的范围中。

说明书

本申请涉及根据权利要求1及14前序部分所述的用于光学相干断 层扫描的一种系统以及一种相应的方法、以及根据权利要求23前序部 分所述的用于校准这种系统的一种方法。

光学相干断层扫描(OCT)是用于对光散射的样本在其内部进行测 量的一种方法。生物组织由于其光散射的特性而尤其适合借助OCT的 诊断检查。因为OCT适于相对微小的光强，并且所使用的光的波长大 多处于近红外区域(750nm至1350nm)，所以它与针对生物组织的电 离放射诊断相反而不具有辐射伤害。从而其对于医学是尤其有意义的并 且大致接近于超声诊断。在OCT中不是使用声波，而是使用具有非常 短相干长度的宽带光。在样本中不同界限层上所反射的光的传播时间借 助一种干涉仪而被探测。利用OCT典型地达到比利用超声高一至两个 数量级的分辨率，然而可达到的测量深度明显较小。所获得的横截面图 像由于光学散射而仅仅达到组织中几微米的深度。OCT的当前最重要的 应用领域是眼科、皮肤科以及癌症诊断。当然其也存在一些非医学应用， 比如在材料测试中。

由W.Y.Oh等人的OPTICS EXPRESS(光学快报)第14卷第19 (2006)8675-8684公开了一种此类的系统，其中要检查的样本设置在 一个由计算机控制的移动平台上。为了获得样本的三维图像，在平台的 不同位置记录样本的二维图像。由于与实现移动平台相关的机械耗费以 及高的空间需求，该系统仅仅受限地适合内窥镜应用。此外，在不同的 样本位置探测样本的二维图像是相对耗时的，在检查活的对象时，其中 该对象通常仅能够短时地保持确定的静止位置，这可能导致图像信息的 模糊。此外在这种系统中并不总是能够保证由样本所获得的图像信息的 足够清晰度的成像。

本发明的任务在于，提供一种用于光学相干断层扫描的系统以及相 应的方法，其中可以以更简单和更快速的方式来记录样本的尽可能清晰 的图像。

该任务通过根据权利要求1所述的系统以及根据权利要求14及23 所述的相应方法或用于校准的方法而得到解决。

根据本发明的系统包括干涉仪，该干涉仪具有：分束器和至少一个 反射器，该反射器与分束器的光学距离能够变化；样本物镜，由干涉仪 所发出的光通过该样本物镜被聚焦到该样本中的焦点上；以及用于探测 由样本所反射的光的探测器，并且其特点在于，在改变该反射器到分束 器的光学距离期间，分别在该样本的多个不同深度中被反射的光由该探 测器探测，并在探测分别在样本的不同深度中反射的光期间以如下方式 来改变该样本物镜的成像特性：使焦点位于该样本的相应深度的范围 中。

本发明所基于的想法是，通过改变该反射器到分束器的光学距离来 实施一种所谓的深度扫描或者z扫描，其中来自样本不同深度的干涉图 案被探测，其中该样本物镜的焦点与该反射器的光学距离的改变相同步 地以如下方式被改变，使得它落入样本中的相应深度的范围中，由该深 度正好探测到一个干涉图案。这样，入射到该样本中的光的焦点在该深 度扫描期间就被跟踪，这因此也可以称作“Fokus Tracking，焦点跟踪”。

通过在深度扫描期间把样本物镜的焦点适配于相应要读出的深度， 实现了使从样本的确定深度所获得的干涉图案总是能够以最大可能的 清晰度在该探测器上被成像和探测。由于借助反射器到分束器的光学距 离的优选宏观上改变而对深度扫描的实现，此外还可以放弃移动的平 台，由此根据本发明的OCT系统在构造更简单和更紧凑的情况下实现 了样本的三维图像更快速的生成。

反射器到分束器的光学距离通过该反射器到分束器的空间距离来 给出，其中该空间距离乘以了位于该反射器与该分束器之间的介质的折 射率。在该干涉仪作为所谓自由辐射干涉仪的一种扩展中，其中在该反 射器与该分束器之间存在空气或真空并且折射率大致等于1，该反射器 的光学距离以及该光学距离被改变的光程等同于其空间距离或空间路 程。替代地，在该干涉仪作为所谓光纤干涉仪的一种扩展中，可以在该 反射器与该分束器之间设置光导元件尤其光导纤维，其光学长度可以有 针对性地被改变一个光程。这种光纤也称作“Fiber Stretcher”(光纤延 伸器)。在这种情况下，所述光学距离以及光学距离被改变的光程通过 该空间距离或者该空间距离被改变的空间路程与该光导元件的折射率 相乘而得到，其中该折射率典型地处于1.5的范围中。

在本发明的一个第一优选的实施中，规定该样本物镜至少包含一个 自适应透镜，该透镜的成像特性与该反射器到该分束器的光学距离的改 变相同步地如此被改变，使得焦点位于该样本的相应深度的范围中。通 过采用自适应透镜比如油-水透镜，该样本物镜的焦点可以以简单的方式 被跟踪。

替代地或者附加地，规定：该样本物镜包含有一个或多个可移动地 设置的透镜，其位置与该反射器到分束器的光学距离的改变相同步地如 此被改变，使得焦点位于该样本的相应深度的范围中。由此在同时的高 成像质量的情况下实现了尤其精确的焦点跟踪。

在该实施中优选的是，该反射器到分束器的光学距离的改变以一个 第一速度来进行，并且透镜的位置以一个第二速度来改变，其中该第二 速度小于该反射器到分束器的光学距离改变的第一速度。这样，就实现 了该样本物镜的焦点在整个深度扫描期间位于样本的相应深度范围中。

在此优选的是，该反射器到分束器的光学距离改变的第一速度与透 镜的第二速度之比根据样本的折射率来选择。优选地，该第一速度与该 第二速度之比处于在约0.8·(2·n-1)与1.2·(2·n-1)之间的范围中。该第一速 度与该第二速度之比尤其处于约2·n-1。这样，就实现了尤其精确地把焦 点适配于该样本的相应深度，由此来探测干涉图案。

在本发明的另一扩展中，设置了压电执行器尤其是压电超声驱动 器，通过该执行器可以在一个方向上改变该透镜或者说该样本物镜的透 镜的位置。由此实现了透镜位置迅速而精确的改变。

此外，还优选的是，在反射器的区域中以及在该样本物镜的透镜的 区域中相应设置一个位置传感器，该位置传感器可以探测该反射器到该 分束器的光学距离或者说透镜的位置，并可以将其转换为相应的距离信 号或位置信号。这些信号优选地被输送给一个控制单元，该控制单元根 据该距离信号来控制该反射器到该分束器的光学距离，和/或根据该位置 信号来控制透镜的位置。替代地或者附加地，该控制单元根据透镜的位 置信号来控制该反射器到该分束器的光学距离，和/或根据该距离信号来 控制透镜的位置。由此以简单的方式实现了一方面该反射器到该分束器 的光学距离的改变与另一方面该样本物镜的焦点的改变之间的同步。

优选地，该探测器作为二维探测器阵列来构造，其中大量探测器单 元如此设置在一个面上，使得在样本的确定深度的平面的不同横向位置 上可以同时地探测大量反射，这样对于在该样本的确定深度中的每个平 面都可以位置分辨地探测到二维干涉图案。横向分辨率、也即所探测的 干涉图案的位置分辨率在此并不是如在现有技术所公开的系统中一样 通过照明射线的直径来给出或限定。该探测器优选地是以CMOS技术的 半导体探测器，其具有典型的640×512个探测器单元(像素)。由于 根据本发明在样本的确定深度的平面中的不同横向位置上同时(“并 行”)地探测大量反射，所以这种OCT也被称作“并行OCT”。

在本发明的另一优选实施中规定，该反射器到该分束器的光学距离 可以改变一个光程，该光程明显大于耦合入该干涉仪中的光的平均波 长。在该实施中，在把该反射器到该分束器的光学距离改变该光程期间， 由在样本的不同深度上的、其中出现干涉的多个二维截面所反射的光被 探测器探测，而不必为此相对于测量头来移动该样本。本发明的这种实 施所基于的想法是，如此来实现深度扫描，即该反射器到该分束器的光 学距离被改变了宏观光程(的大小)，并且在宏观的距离变化期间由样 本所反射的光相继利用优选二维的探测器而被探测。在此，满足出现干 涉的相干条件的深度或深度范围与该反射器的光学距离的宏观变化同 步地穿过该样本，使得在样本的不同深度的平面上所反射的光可以相继 被探测、被分析、并最后被组合为样本的一个三维图像。相对于现有技 术中所公开的系统和方法，由此能够以尤其简单和迅速的方式来记录该 样本的三维图像。

耦合入该干涉仪中的光的平均波长典型地处于红外频谱范围中，优 选地在750nm与1350nm之间。在宽带光源的情况下，光的平均波长优 选地处于如下频谱范围中，在该频谱范围中该光源具有强度最大值。对 此替代地，该平均波长通过由该光源所发射的所有波长的一个平均值来 给出。

优选地，在该实施中规定，该反射器到该分束器的光学距离周期地 以一个幅度而被改变，其中该幅度明显大于耦合入该干涉仪中的光的平 均波长。由此以简单的方式实现了该光学距离的改变。

该光学距离被改变的光程或者幅度优选地比耦合入该干涉仪中的 光的平均波长大至少100倍、优选1000倍。由此实现了在特别大的深 度范围上对要检查的样本的图像的探测。典型的光程或者幅度处于在约 0.1毫米与几毫米之间的范围中。

在本发明的另一优选扩展中规定，在改变该反射器与该分束器之间 的光学距离期间，由该样本所反射的光从该样本的至少100个不同深度 被该探测器的探测器单元探测。这样，就实现了在改变该光学距离时在 一个移动周期期间从要检查的样本探测100个或更多的图像。记录样本 的完整三维图像所需的时间由此被大大缩短。

在根据本发明的、一种用于校准光学相干断层扫描的系统的方法 中，由干涉仪输出光，该光穿过样本物镜，并由该样本物镜被聚焦到位 于该样本之上或之中的焦点上。该方法特点在于，穿过该样本物镜的光 的一部分在一个参考面上被反射，并针对该样本物镜所具有的一个或多 个透镜的多个不同位置而被探测，并被转换为相应的探测器信号。

优选地，在该样本物镜的样本侧一端上所设置的材料层的外侧用作 该参考面。该材料层优选地由蓝宝石玻璃(Saphirglas)制成，并构成样 本臂的末端或样本物镜。在该OCT系统的诊断模式中，该材料层直接 与要检查的样本相接触，而它在根据本发明的校准方法、也即在该OCT 系统的校准模式中用作参考层或参考面，穿过该样本物镜并在诊断模式 中被设置用于照射该样本的光的一部分在该参考层或参考面上被反射 并被该探测器探测。

优选地，从在该参考面上所反射并利用该探测器所探测的光中来探 测该或这些透镜的以下位置：在所述位置上被反射并被探测的光的强 度、也即相应探测器信号的最大幅度是最大的。

此外，优选的是，该干涉仪包含有分束器和至少一个反射器，其中 该反射器到该分束器的光学距离被改变，并且光的、在该参考面上被反 射的部分针对该反射器的多个不同光学距离被探测，并被转换为相应的 探测器信号。该或这些透镜的位置尤其与该反射器到该分束器的光学距 离同步地被改变。借助该探测器信号来探测该反射器与该分束器的以下 距离：在所述距离上相应探测器信号的最大幅度是最大的。

通过本发明的上述优选实施，可以以简单的方式来确定透镜的位置 以及反射器的距离，其中在该样本中焦点的位置和相干门的位置是一致 的。

在校准模式中，该反射器的光学距离和/或透镜的相应位置被探测， 并连同相应的探测器信号一起被存储。最后从所存储的信息中来确定其 中反射器信号最高处的透镜的位置和/或反射器的光学距离。如此确定的 位置以及光学距离在诊断模式中被设定为透镜或反射器的起始位置或 起始距离。根据本发明的校准方法由此能够以简单的方式来对OCT系 统进行校准，其中由该系统保证了在整个诊断运行期间记录具有高强度 的清晰图像。

在本发明意义上，“利用由干涉仪输出的光来照射样本”理解为： 将由包含可移动的反射器的干涉仪输出的光直接投射到该样品上或者 在穿过了设置在该干涉仪和该样品之间的另一干涉仪之后才将其投射 到该样品上。

在本发明意义上，“通过探测器或者探测器单元来探测由样品尤其 是在样品的不同深度所反射的光”理解为：探测器或者探测器单元探测 干涉现象的光，所述干涉现象在将由样品尤其是在样品的不同深度所反 射的光与在参考镜上反射的光叠加时形成。光的叠加在此可以要么在包 括可移动的反射器的干涉仪中、要么在另外的干涉仪中进行。

下面借助附图来详细解释本发明以及本发明的其他有利扩展。其 中：

图1示出了本发明的OCT系统的一个实施例；

图2a-b)示出了具有单个截面的样本的两个空间单元；

图3a-b)示出了样本的两个横截面以及第二干涉仪的样本臂；

图4示出了该第二干涉仪的光学部件的横截面；

图5示出了在焦点跟踪的自动校准中的干涉信号以及其分析；

图6a-c)示出了在耦合入第一干涉仪中的光的强度不调制和调制时 的干涉信号以及其包络；

图7示出了用于调制探测器敏感性(Empfindlichkeit)的一种电路 的一个例子；

图8示出了一种所谓林尼克干涉仪的示例构造；

图9a-c)示出了该样本物镜的三个不同位置以及分别所获得的干涉 图案；

图10a-b)分别示出了在输入面区域中第一光导体的多模光纤 (Multi-mode-Faser)的纵切面的相应片段；

图11示出了该第二光导体的光纤束的横截面的一个片段以及该片 段的一个放大显示的子区域；

图12示出了该探测器面的片段；

图13示出了该探测器面以及该第二光导体的入射面和出射面；

图14a-b)以横截面示出了第二光导体的扩展方案的两个例子；

图15与该第二光导体的单光纤相比较地示出了干涉图案以及该干 涉图案的片段；

图16示出了该第二光导体的、在入射面区域中的光纤束纵切面的 一个片段；

图17示出了在第一运行模式中的探测器面；

图18示出了具有深度截面的样本的一个空间单元；以及

图19示出了具有在确定深度中的二维断层图的样本的一个空间单 元。

图1示出了本发明的用于OCT系统的一个实施例。在此所选择的、 该系统的单个部件的图示是充分示意性的并且是不按比例的。

一个第一干涉仪10具有固定设置的第一参考镜11、一个可移动的 第二参考镜12和一个第一分束器13。光源15的光14被耦合入该第一 干涉仪10中，被该第一分束器13划分为在固定设置的第一参考镜11 方向上的一个第一部分射束2以及在该可移动的第二参考镜11方向上 的一个第二部分射束3。这两个部分射束2或3被该固定的第一参考镜 11或可移动的第二参考镜12反射，并在该第一分束器13中叠加为一个 第三部分射束4，该第三部分射束在该第一干涉仪10的输出区域8中被 耦合入一个第一光导体17中，由该第一光导体传导到一个第二干涉仪 20，并在那里被耦合入该第二干涉仪20的照明臂21中。

耦合入该第一干涉仪10中的光14通过所述的光路并结合该第二参 考镜12的移动而被光谱调制，并以该第三部分射束4的形式离开该第 一干涉仪10，其中该第三部分射束被耦合入该第二干涉仪20中。从而 该第一干涉仪10也被称作预调制器。

该第二干涉仪20用作传感器头或测量头，该传感器头或测量头由 操作者、比如医生手动地与要检查的样本1、尤其生物组织发生关联， 并在必要时被引导到该组织上。该测量头在此构造得如此紧凑，使得其 长度优选地相当于一通常的笔、比如自来水笔。

为了把该第二干涉仪20设计得如此紧凑，该照明臂21的光轴以及 参考臂23(在参考臂23中固定地设置有第三参考镜25)的光轴相对于 两个光轴的常规垂直布置(见第一干涉仪10)分别倾斜了90°，并相 互平行。为了把来自该照明臂21或者该参考臂23的光偏转到该第二分 束器24中，设置了一个第一以及第二偏转棱镜26或28。

该第一、第二和第三参考镜11、12及25不必是狭义上的镜子，而 是通常理解为对该第一及第二干涉仪10及20中的光至少进行部分反射 的面，因此该第一、第二及第三参考镜11、12及25也可以被称作第一、 第二及第三反射器。

在该第二分束器24中被叠加的部分射束通过该第二干涉仪20的样 本臂22到达该样本1，在那里在具有不同折射率的介质、比如膜或细胞 层之间的界限层上被反射，并最后通过该样本臂22和第二分束器24到 达该输出臂27中，从该输出臂出发其被耦合入一个第二光导体29中， 并通过该光导体被输送给一个探测器物镜31，该探测器物镜把通过该光 导体29输送的光放大成像在一个二维探测器30的面上。

该探测器30优选是按照CMOS技术的一种半导体探测器，并具有 大量设置在一个面上的探测器单元(像素)，典型地是640×512像素。 由于由此能够对来自样本1确定深度的一个平面在不同横向位置中的多 个反射同时(“并行”)进行探测(Erfassung)，这种OCT也可以被 称作“并行OCT”。

在探测落到该探测器30的单个探测器单元上的光时所产生的探测 器信号在电路32中被继续处理，并最后被转送给计算机系统16以进行 图像显示以及必要时的处理。

相对于仅具有一个干涉仪的OCT系统，在这里所述的OCT系统中， 为了对耦合入的光14进行频谱调制而对该第二参考镜12的移动、对由 该样本1所反射的光的直接探测以及图像探测被划分到三个空间分离的 部件上，也即划分到该第一干涉仪10、体现为测量头的该第二干涉仪 20、以及该探测器30。

通过把该第二参考镜12的移动以及图像探测转移到分立的部件上， 该第二干涉仪20、并从而该测量头被构造得非常紧凑并易于操作。这使 得本OCT系统尤其适合于应用在要检查的身体的难以接近的外部或内 部部位。

在下文各节中更详细解释本发明的系统的优选扩展方案以及各个 扩展方案的有利组合。

1.通过宏观移动该参考镜而进行的深度扫描

该第一干涉仪10中的可移动的第二参考镜12具有一个到该第一分 束器13的光学距离1，并从一个起始位置N开始、在朝向该第一分束器 13的方向上或者在背离该第一分束器13的方向上、以光程长度L或幅 度A进行直线的、优选周期的移动，其中该光程长度L或该幅度A至 少比耦合入该第一干涉仪10中光14的平均波长λ₀大至少100倍、优 选1000倍。

该光学距离1在此通过该第二参考镜12到该第一分束器13的空间 距离与在该第二参考镜12与该第一分束器13之间介质的折射率之乘积 来给出。

在这里所示的该第一干涉仪13作为所谓自由辐射干涉仪的优选扩 展方案中，其中在该第二参考镜12与该第一分束器13之间存在空气或 真空并且折射率约等于1，该第二参考镜12的光学距离l以及光学距离 l被改变的光程L与其空间距离及空间路程相同。该第二参考镜12的光 学距离的宏观改变在该情况中通过把该第二参考镜12宏观移动一个空 间路程来实现，其中该空间路程明显大于耦合入该第一干涉仪中的光14 的平均波长λ₀。

替代地，在该第一干涉仪10作为所谓光纤干涉仪(未示出)的一 种扩展方案中，在该第二参考镜12与该第一分束器13之间可以设置光 导元件尤其是光导纤维，其光学长度可以有针对性地被改变一个光程。 这种光导纤维也被称作光纤延伸器(Optical Stretcher)。在这种情况下， 该光学距离以及该光学距离被改变的光程通过该空间距离以及该距离 所被改变的空间路程与光导元件的折射率之乘积来给出，其中该折射率 典型地处于1.5的范围中。

耦合入该第一干涉仪10中的光14的平均波长λ₀典型地在红外光 谱范围中、优选地处于750nm至1350nm之间。

在宽带光源15的情况下，该光14的平均波长λ₀优选地处于以下 光谱范围中：在该光谱范围中该光源15的光14具有强度最大值。对此 代替地，该平均波长λ₀通过由该光源15所发射的所有波长的平均值来 给出。

优选地耦合入该第一干涉仪10中的光14的平均波长λ₀处于以下 波长范围中：在该波长范围中该探测器30具有非常高的、尤其最高的 敏感性。在所示的系统中，光14具有约1300nm的平均波长λ₀以及约 200nm的一个半值宽度(FWHM)。

在光14的平均波长λ₀在比如为1μm的范围中的情况下，该参考 镜12移动的光程长度L或者幅度A从而至少约为0.1mm、优选地至少 约为1mm。

在现有技术中参考镜移动的通常的微观幅度是在被耦合入的光14 平均波长λ₀的分数数量级上，也即典型地直至1μm的数量级，与此相 反，在所述的系统中以0.1mm直至几毫米的数量级进行该第二参考镜 12的宏观移动。

在该第二参考镜12的宏观直线移动期间，由该样本1所反射的光 通过该第二干涉仪20、该第二光导体29以及该探测器光学元件31而被 转送到二维探测器30，并由该探测器在相应确定时间段中相继在多个时 间点上被探测并被转换为相应的探测器信号，其中所述的确定时间段等 于该探测器30的积分时间。

为了能够在由该第三参考镜25所反射的光与由该样本1所反射的 光之间产生干涉，必须满足所谓的相干条件，其中该相干条件是：这些 分别被反射的光波必须具有恒定的相互间相位关系，以便能够相互干 涉。由于采用了具有典型为10μm的非常短的相干长度的光14，仅仅 在该样本1的确定深度或深度范围中才满足恒定相位关系的条件，从而 所述深度或深度范围也被称作相干门(-Gate)。

在所述宏观移动期间该第二参考镜12的每个位置在此都相应于在 该样本1中确定深度或者在所述确定深度左右的深度范围，针对所述深 度或深度范围该相干条件被满足，这样在由该第三参考镜25所反射的 光与由该样本1所反射的光之间能够产生干涉。

在该第二参考镜12周期性移动的情况下，该第二参考镜12的周期 性移动的两个一半周期分别被用于记录探测器信号。

这样通过该探测器30来相继记录来自该样本1不同深度的二维截 面。这在图2a)中被示出，其中-代表多个二维截面-示出了穿过该样 本1的一个空间单元33的一个第一、第二和第三二维截面34、35及36。 这样的二维截面与该第二参考镜12的宏观移动同步地在方向a上“迁 移”穿过该样本1的所关注空间单元33，而不必移动该样本本身。

每个截面34、35及36都处于该样本1的深度T1、T2及T3，其中 在这些深度中分别满足相干条件，这样在由该第三参考镜25所反射的 光与由该样本1所反射的光之间能够产生干涉。该第二参考镜12的宏 观移动结合对该样本1所反射的光的相继的二维探测，从而具有三维深 度扫描的效果。

图2b)示出作为比较的、在现有技术中所采用的方法。为了获得通 过所关注空间单元33的不同深度截面37，该样本1本身必须在方向b 上相对于干涉仪而被移动，而该截面38在空间中的绝对位置基本保持 不变。

上述的把一方面该参考镜12的宏观线性移动、与另一方面利用二 维探测器30对样本1所反射的光的探测相结合，相比之下能够明显更 易于实现以及更快速地记录该样本1的期望的空间单元33的完整三维 数据组。通过宏观移动该第二参考镜12，在此获得了一个三维断层图， 而不是来自确定深度的仅二维的图像。与按照现有技术的系统相反，在 用于记录三维数据组的该方法中，不再需要相对于该第二干涉仪20来 移动该样本1。这使得所述的OCT系统紧凑、可靠以及易于操作，使得 其尤其适合于在活体内的应用。

这样所获得的三维数据组允许尤其在生物样本中的精确诊断。在此 可以采用具有尤其高效的软件支持的诊断辅助工具，如比如所谓的“3d 渲染(3d-Rendering)”，其中三维数据组通过一种专门的软件而被处 理，使得在二维监视器上生成准三维的图像。为此，可以作为三维动画 来显示比如腔或组织脱落物-接近于计算机断层成像(CT)。

2.焦点跟踪

上述的OCT系统如此设计，使得在一个完整的行程期间、也即在 该第二参考镜12移动的光程长度L或两倍幅度A期间，总是获得具有 足够高强度和高清晰度的干涉信号。通过下文详细阐述的焦点跟踪，保 证了针对在该样本1中所有深度的干涉信号以及所探测的干涉图案的清 晰度是最大的。

为此，在对由该样本1所反射的光进行探测期间，该第二干涉仪20 的样本侧成像光学系统的焦点如此被调节，使得在该样本1中焦点的位 置以及在该样本1中在光反射的情况下满足相干条件并产生干涉的那个 平面的位置在记录该样本1的空间单元33的断层图期间的任何时间上 基本都是一致的。这在下文中借助图3a)和3b)来示出。

图3a)示出了以下的情况，其中该样本臂22的样本物镜41(在此 仅简化图示为透镜)的焦点F位于该样本1的一个深度上，其中该深度 与该相干门K的位置不一致。在该相干门K中在深度Ti上所探测的样 本截面由此并不是精确地清晰成像在该探测器30上(见图1)，如此使 得在探测干涉时必须忍受信息损失。

相反在图3b)中示出了以下的情况，其中该样本物镜41的焦点F已 经如此被调节，使得焦点位于在深度Ti中的相干门K中。相应于该相 干门K的相应深度Ti地对该样本物镜41的焦点F的这种跟踪被称焦点 跟踪。这样该第二干涉仪20在该深度扫描期间被精确地调节到在该样 本1的不同深度Ti上的该相干门K的相应位置上，使得在该样本1的 每个深度上都获得具有高清晰度的图像。

该最大光学扫描深度Tm表明在该样本1的表面下直至哪个深度都 满足用于构造干涉的相干条件，并获得相应的干涉图案。

通过焦点跟踪，此外还实现的是，在该样本1中的每个被采样深度 Ti中，一方面在该第二干涉仪20中的不可移动的第三参考镜25上的被 照射面与另一方面在该样本1的相应深度上的被照射面是一致的。此外， 相应的被照射面的、通过该参考臂23和该样本臂22在参考臂23和样 本臂22的共同图像平面27a中的成像是一致的并精确地重叠。

下面详细解释用于实现焦点跟踪的所述OCT系统的优选实施。

图4示出了在该第二干涉仪20中单个光学部件的布置的横截面。 在该样本臂22中的样本物镜41优选地包括多个透镜42，这些透镜可以 单独地和/或成组地在朝向该样本1或背向该样本1的方向R上被移动。 为此，设置了压电执行器40、尤其超声压电电机，该执行器与该样本物 镜41或透镜42相连接，并且将其沿着一个或多个导向装置38、尤其导 向棒或导向槽来移动。

透镜42的移动优选地与在该第一干涉仪10(见图1)中参考镜12 的宏观移动同步地进行。这样，该样本物镜41的焦点F就跟随着该相 干门G，而后者相继穿过该样本1的不同深度T1、T2或T3，从这些深 度借助该探测器30来记录相应的二维截面34、35或36(参见图2)。

一方面该参考镜12的宏观移动与焦点跟踪的同步与另一方面二维 探测器30相结合，保证了在该样本1的不同深度中对多个清晰二维图 像截面尤其简单而快速的记录，并从而保证了以高的图像质量来探测一 个完整的三维图像数据组。

因为该第一干涉仪10和该样本臂22中的光学成像连续地被相互协 调，所以由探测器30所探测的对于该样本1中每个深度的干涉信号是 最大的，这样获得了非常高的信噪比。此外由此还保证了对于在该样本 1中所有深度的横向分辨率是最佳的，因为成像的焦点F总是位于该相 干门K中。由此获得了具有高对比度的精确的OCT图像。

有利地该样本物镜41的透镜42在方向R上的移动速度v2小于该 参考镜12的移动速度v1。在此优选地选择该参考镜12与该透镜42的 速度之比v1/v2，该比值近似等于2·n-1，或者位于直至约±20％、优选 直至约±10％这些值周围。由此该焦点F的位置和该相干门G以特别高 的可靠性相互协调，这可以通过下面的叠加来解释。

该样本物镜41的焦点F位于一个样本1中，该样本的折射率n一 般不等于一。如果一方面把该样本物镜41在向该样本1的方向R上偏 移一个确定的量，那么在该样本中该焦点F就偏移确定的量d_F。比如在 该样本1的折射率为1.4的情况下该样本物镜41偏移0.78mm导致焦点 F在该样本1中偏移约d_F＝1mm。如果另一方面该参考镜12被偏移确定 行程，那么该相干门K就同样偏移确定量d_K。比如在折射率n＝1.4时把 该参考镜12偏移1.4mm就得到该相干门K约d_K＝1mm的偏移。由此在 宏观的深度区域上的深度扫描中，在把该参考镜12和该样本物镜41分 别偏移同一行程时，该相干门K和该焦点F将彼此分离地移动。

通过对该参考镜12与该透镜42的速度之比v1/v2的上述选择，保 证了该相干门K和该焦点F在深度扫描期间在整个所关注的深度范围中 相互重叠。在样本具有折射率n＝1.4的上述例子中，该速度之比v1/v2 处于约(2·1.4-1)±20％范围中、也即在约1.44至2.16之间，并且优 选地为约2·1.4-1＝1.8。

该参考镜12与透镜42的移动的同步优选地以如下方式来进行，即 该参考镜12和透镜42在确定时间点分别以恒定的、预定义的和不同的 速度v1及v2穿过两个不同的、预定义的空间点。

在穿过该空间点之后，开始记录直至该样本1中预定义深度的实际 的OCT信号。在该参考镜12周期性前向移动和返回移动的情况下，在 此不仅可以在该参考镜12前向移动期间，而且可以在该参考镜12返回 移动期间记录OCT信号。该参考镜12和透镜42的同步在此类似地进 行，并且在每次方向变换之后重新调节。

其中具有样本物镜41的测量头相对于其中具有该第二参考镜12的 第一干涉仪10是可自由地移动的。用于使该透镜移动和参考镜移动同 步的、该样本物镜41和参考镜12的机械耦合会导致同步精确度不足。

一方面该参考镜12与另一方面该样本物镜41的透镜42的移动的 同步从而优选地以电子的方式来进行。在此有利的是，在该参考镜12 和该样本物镜41的透镜42的区域中分别设置有位置传感器5或39，该 位置传感器探测当前的参考镜位置或透镜位置并转换为相应的位置信 号。这两个位置信号被输送给控制单元、尤其是计算机系统16，该控制 单元于是相应地控制该参考镜12及透镜42的驱动。

该参考镜12及该透镜42的控制优选地借助一种所谓的主-从系统通 过位置信号的反馈来进行。在这样一种主-从系统中，在一个第一定位单 元中所测量的位置值是针对一个第二定位单元的调节回路的设定值的 基础。在该情况中，该参考镜12的第一定位单元的测量位置被乘以一 个小于1的系数，并被输送至该透镜42的第二定位单元作为新的设定 值。从而，即使在该第一位置单元具有相对大的绝对定位偏差的情况下， 该可移动的参考镜12与该透镜42之间的相对定位偏差也被降低。如同 通过机械传动一样，这两个部件从而以电子的方式相互耦合，由此这也 可以被称作电子传动装置。

所述焦点跟踪替代地或附加地可以如此来实现，即在该样本物镜41 中设置一个自适应透镜，其成像特性可以有针对性地被控制和改变。比 如可以如此来控制一个油-水透镜，使得其曲率半径被改变，由此可以改 变其焦点，并可以以简单的方式适配于该相干门的各个位置。在这种情 况下，该自适应透镜焦点改变的速度以及该改变的开始必须与上述方法 类似地与该参考镜12的移动同步。

3.焦点跟踪的自动校准

在作为测量头而构造的第二干涉仪20的样本臂22的样本侧端上设 置有一个材料层43(见图4)，该材料层优选地由蓝宝石玻璃制成。该 材料层43涂覆在具有防反射层的内侧44上，并且在样本侧的外侧45 上优选是无涂层的。

该OCT系统可运行于诊断模式以及校准模式中。在诊断模式中， 该诊断模式相当于标准的测量运行，材料层43的样本侧外侧45用一种 所谓的折射率匹配胶(Index Matching-Gel)来涂覆，并且与要检查的样 本1相接触，其中从该要检查的样本来记录三维图像。在校准模式中， 该样本物镜41的焦点F的相对位置被确定至该相干门K，其中该材料 层43的外侧45用作参考面，其中该外侧45在该校准过程期间优选地 处于空气中。

在校准模式中，针对该样本物镜41的不同位置来测量该OCT信号 的幅度，其中该OCT信号由于光从该材料层43过渡到空气中而由光的 反射而引起，其中实施了以下的方法步骤，这些步骤借助图4和5来示 出：

a)该透镜组42被带到一个起始位置，其方式是将它尽可能近地向该 第二分束器24导送；

b)该透镜组42被保持在该位置；

c)在该第二参考镜12的宏观移动期间，该干涉信号的最大值的幅度 Ai被确定；

d)该透镜组42现在从该第二分束器24被向前移动几微米、典型为5 μm至20μm，并保持在该位置；

e)针对该透镜42的多个不同位置P1至P11来重复步骤c)至d)，其 中针对透镜组42的每个位置P1至P11获得相应干涉信号的最大值的幅 度A1至A11；

f)探测该透镜组42的如下那个位置P9：在该位置上该幅度A9是最 大的；

g)在该最大值的位置P9附近利用较小的步幅、典型为0.5μm至5 μm来重复步骤c)至f)，其中确定该透镜组42的如下那个位置P9`：在 该位置上该幅度A9`是最大的；

h)从分配给该透镜组42的这个位置P9`的参考镜移动中确定可移动 的参考镜12的如下位置Xm：在该位置上该干涉信号是最大的。

所述校准代替地或者附加地可以以如下方式来实施，即该样本物镜 41在校准期间朝向该第二分束器24移动。

如果该透镜组42处于位置P9`，并且该参考镜12处于位置Xm，那 么相干门位置和焦点位置就一致。所确定的位置P9`或者Xm在诊断模 式中被调节为透镜或反射器的起始位置。

这样在OCT系统中的改变被自动地校正，而不会为此需要附加的 硬件。即使该材料层被污染了或者应该涂覆了折射率匹配胶，所述的方 法也是将是有效的，因为那么光从污物到空气或者从胶到空气的过渡会 被利用。该方法是非常快速的并且仅持续几秒。从而其可以经常地被实 施，由此保证了该系统的高可靠性。

为了进一步提高所述校准方法的精确度，可以在该材料层上设置由 玻璃或塑料构成的附加单元、所谓的靶子(Target)。然后针对该附加 单元内部的两个或多个深度来实施上述的方法。由此不仅可以校正位 移、也即该参考镜12和透镜42的移动的参考点的偏移，而且可以校正 可能的非线性。那么在上述的校准方法中采用多个参考面，其中确定了 焦点位置和相干门相一致的多个位置对。由此不仅可以校正在这两个定 位单元之间的恒定的相对位置偏差，而且可以校正两个单元的相对线性 性(Linearitaet)和相对速度的可能的偏差。比如当这两个位置传感器5 及39之一的位置敏感性发生变化时，这些偏差比如可能由于位置传感 器5及39的老化而产生。

总之可以确认的是，在所述OCT系统的诊断模式中，焦点位置和 相干门的动态同步在图像质量和可靠性方面带来很多优点。在额外、尤 其是规则地应用所述校正模式的情况下，可以在长的时间段上保证这种 同步。

4.光源强度的调制

在所述的OCT系统中，利用探测器30来探测所产生的干涉图案， 其中生成相应的干涉信号。该探测器30的、用于采样(Abtasten)该干 涉信号的采样速率在此必须如此来选择，使得能够以足够的精确度来探 测干涉结构的时间变化。如果应该达到针对深度扫描的高速度，那么这 通常要求有高的采样速率。

因为一个干涉结构的各个的周期通常必须分别在多个时间点来采 样，所以在该样本1的深度方向上最大可能的扫描速度取决于该探测器 30的最大可能的采样速率。在采用具有高空间分辨率的快速探测器阵 列、也即每长度单元有大量探测器单元的情况下，最大采样速率典型地 处于约1kHz的范围中。如果干涉结构每周期四个点被记录，那么在被 耦合入的光14的平均波长比如为850nm的情况下，这导致约0.1mm/s 的、对于深度扫描的最大速度。

图6a)示出了一个典型的干涉信号的时间曲线，其中该信号用每周 期各四个采样时间点P的采样速率而被采样。在该图中示例地示出了该 干涉信号的一个周期内的四个这种点。

为了提高深度扫描的速度，在本OCT系统中，被耦合入该第一干 涉仪10中的光14的强度在时间上被调制。这种调制周期地进行，其中 该调制的频率比多普勒频率f_D大或小确定量、优选为直至40％，其中该 多普勒频率f_D通过耦合入的光14的平均波长λ₀与可移动的参考镜12 的速度v来得出：f_D＝2v/λ₀。这种调制的典型频率处于在1kHz与25kHz 之间的范围中。

代替地或者附加地，也可以利用调制频率f_M来调制由该第一干涉仪 10所输出的、第三部分射束4的光的强度，以实现前述的有利效果。该 调制在此优选地在该第三部分射束4的光在该第一干涉仪10的输出端8 上耦合入该第一光导体17期间进行。但该强度调制也可以在第二干涉 仪10中在该第三部分射束4的光输出之前进行。为了对由该第二干涉 仪10所输出的光的强度进行调制，优选地设置了一个光学元件，该光 学元件比如设置在该第一干涉仪10中或者在该第一干涉仪10的输出端 8的区域中，并且在其传输特性或者成像特性上可以有针对性地被改变。 从而比如可以通过在该第一干涉仪10的输出端8的区域中的一个自适 应光学元件将由该第一干涉仪10输出的、该第三部分射束4的光的强 度周期地从“高”到“低”进行切换。但该光学元件也可以设置在该第 一干涉仪10的光路中、比如在参考镜11或12与该第一分束器13之间。

该调制频率的精确选择根据该光源15的耦合入的光14的平均波长 λ₀、深度扫描的期望扫描速度以及该探测器30的最大采样速率来进行。

优选地该调制频率如此来选择，使得其等于该探测器30的最大采 样速率或者它的整数倍。该最大采样速率在此通过该探测器30的最小 帧时间的倒数值来给出。该探测器30的最小帧时间由用于记录一个完 整图像的至少所需的时间以及该探测器30的直至能够记录下一图像所 度过的最小滞后时间(Totzeit)组成。该最小帧时间通常随着所记录的 图像大小的增加而增加。

光14的强度调制的波形优选是正弦形或矩形的。后者的波形比如 可以简单地通过一个旋转的遮光轮(Chopper-rad)18(见图1)来实现。 其他的可能性是声-光或电-光调制或液晶调制。也可以直接调制该光源 15，其方式是该光源如此被控制，使得它输出具有时间上被调制的强度 的光14。

代替地或附加地，可以如此来达到相应的效果，即比如设置在该第 一分束器13(见图1)之前或之后的一个光学元件在其传输特性或成像 特性上进行切换。这样就可以比如通过一个自适应光学元件的相应切换 来将第三部分射束4到该第一光导体17中的耦合效率周期地从“高” 切换到“低”。

利用优选略微与多普勒频率有偏差的调制频率而对耦合入的光14 的强度的所述调制在该调制与该干涉信号之间产生了一个低频的差频 (Schwebung)。

图6b)示出了由于耦合入的光14的所述调制而产生的差频信号的 时间曲线，其中该差频信号如在图6a)的例子中的干涉信号一样用每周 期各四个采样时间点P的采样速率而被采样。在该差频信号的采样中， 由于其较小的频率，它比在图6a)中的干涉信号的采样需要明显少的每 时间单位的采样时间点P，使得在通过选择探测器30而给定的固定采样 频率的情况下能够达到明显更高的对于深度扫描的速度。

下面更详细解释该方法的另一优点。

该探测器30的积分时间相当于如下持续时间：在该持续时间期间 该探测器30探测在一个时间点P的范围内投射到该探测器单元上的光 并在此进行积分。该探测器30优选地如此被驱动，使得该积分时间仅 稍短于帧时间。该帧时间在此如此选择，使得它正好等于一个调制周期 的持续时间或者其整数倍。在图6b)中所示的差频信号已经通过在两个 调制周期持续时间上的积分而被获得。

如果提高扫描速度而没有前述的、光14的强度调制，那么该探测 器30的帧时间-并且从而该积分时间-必须被变短，因为该多普勒频率会 增加并且从而会需要在时间上更密的采样时间点P。但是较短的积分时 间会导致每次积分(Integration)和每个探测器单元所收集的光子减少， 这由于由光子的统计特性所产生的所谓的肖特噪声而将导致信噪比的 降低。为了再次改善该信噪比，所耦合入的光14的强度必须与扫描速 度成比例地提高。

相反如果借助光14的上述强度调制来提高扫描速度，那么该积分 时间就可以保持恒定。由于光14的调制而仅仅产生了50％的光损失。 在优选的调制频率的情况下，其中该调制频率等于一个帧时间倒数值的 二倍，那么就得到了倍数为8的速度提升。在这种情况下，需要光强比 在无调制的情况下少四倍，以达到所述的速度提升。由于调制而产生的 达50％的光损耗的所述影响从而被过补偿。

该光源15的光14的所需强度在所述的方法中从而不必(与无差频的 直接采样相反)随着扫描速度而提高，因为在这种情况下该探测器30的 积分时间能够保持恒定。

光调制的另一优点是减少了一次完整三维深度扫描的数据量。在一 个折射率为n＝1.4的组织中在记录横向大小为512×640个像素并且扫描 深度为1mm的一个三维数据组时，产生约6G字节的数据。利用光14 的上述的强度调制，数据量被降低到750M字节。

此外，所述直接获得的数据还必须进行附加处理，以显示图像结果。 在此降低数据量也是非常有利的，因为由此处理时间被明显降低，并从 而图像结果更迅速地出现。

优选地如此来选择该多普勒频率和/或该调制频率，使得所产生的差 频信号的周期为该探测器30的最小帧时间的整数倍，也即，该探测器 30的最大采样速率为该差频信号的频率的整数倍。

如果把光14调制的周期长度选择为该探测器30的最小帧时间，那 么该扫描速度相对于在光14不调制时的扫描速度而提高了4倍。相反 如果选择一个最小帧时间是两个调制周期，那么该扫描速度就提高8倍。

图6c)示出了在光14不调制以及调制时在图6a)及6b)中所示干涉 信号或差频信号的包络Eu或Em。包络Eu及Em的每个点P`在此与所 属干涉信号及差频信号的采样时间点P相对应。

由相应的包络Eu或Em导出信息，由这些信息来组合为样本1的 首先一维、二维以及最后三维图像。如同试验所示出的，通过所实施的 强度调制，尽管测量点P及P`的数量明显较少，相对于无强度调制的常 规系统也不会出现有关系的信息损失。

总之，通过对耦合入的光14的强度的所述调制，深度扫描的最大 可能速度被倍增，而不会在信号分析中出现明显的信息损失。

5.探测器系统的敏感性的调制

上述的、对耦合入该第一干涉仪10中的光14以及对由该第一干涉 仪输出的该第三部分射束4光所进行的强度调制的原理可以类似地转用 到该探测器系统的敏感性上，其中该探测器系统主要包括该探测器30 和该探测器物镜31，其方式是该探测器系统、尤其该探测器30的敏感 性针对要探测的光而利用如下频率来调制：该频率优选比该多普勒频率 f_D大或小确定的量、尤其直至40％。

在此，由该样本1所反射的并被投射到该探测器30上的光被叠加 (ueberlagert)，连同探测器系统30，31的敏感性被调制，使得该探测 器30在探测投射到该探测器30上的干涉图案时不是生成具有很多周期 的高频干涉信号、而是生成低频差频信号(Schwebungssignal)，该差 频信号具有比该高频干涉信号明显较少的周期。在采样该差频时，从而 每时间单位需要比没有调制该探测器系统30、31的敏感性而采样该高 频干涉信号时明显少的采样时间点。

该探测器30的敏感性比如可以直接或利用设置在该探测器30之前 的可控电子快门来调制(modulieren)。代替地或附加地，可以调制在 该探测器系统中的光学元件的特性，比如该探测器物镜31针对由样本1 所反射的光的透射率。

该探测器30的敏感性的直接调制的原理借助图7来详细解释，其 中图7示出了一个充分示例性的电路。一个CMOS探测器的每个探测器 单元80可以在等效电路图上简化示出为光电二极管81，其中光电二极 管利用一个电压U1来偏置。可选地，给该光电二极管81并联欧姆电阻 和电容。通过利用光对该探测器单元80的照射，在该光电二极管81中 产生了载流子，载流子触发一个电流l1，该电流在电子积分器83的电 容82中被累加。通过借助一个开关84周期地接通和断开该积分，其中 用调制频率f_M来控制该开关，电荷量用该调制频率f_M被调制、并且从 而当前相应探测的光强用该调制频率f_M被调制。通过一个采样-保持级 87，相应的探测器信号被提取并输送至另一处理。其他的开关85和86 用于控制积分的复位以及该探测器信号的提取。

与上述的耦合入光14或输出光4的强度调制相类似，在该变型方 案中不是获得高频干涉信号而是获得低频差频信号(参见图6a)及b))， 其中该差频信号可以利用明显少的采样时间点P而被采样，而不会丢失 在此有关系的信息。在该探测器30的一个给定最大采样速率的情况下， 这导致该系统的深度扫描的最大速度可以提高一个倍数。

如同在耦合入光14或输出光4的调制中(见第4节)一样，在此 还通过合适地选择该探测器系统30、31的敏感性的调制频率，与具有 恒定探测器敏感性的系统相比，该扫描速度被提高了4或甚至8倍。

该第二参考镜12的移动速度与该探测器30的敏感性的调制频率有 一个固定的关系，并且优选地如此来选择该第二参考镜12的移动速度， 使得在形成的差频信号的一个周期持续时间中度过整数的采样时间点、 优选四个采样时间点(参见图6b))。

这样所采样的差频信号在可视化之前还必须被处理，因为在该信号 中还包含有干涉信息。应该被可视化的基本信息是相应干涉的幅度和深 度位置，但不是干涉结构本身。为此，该差频信号必须被解调，也即确 定该差频信号的包络(参见图6c)中的Em)。

因为该差频信号的相位通常是未知的，并且该相位对于来自不同深 度的不同差频信号也可能是不同的，所以采用了一种数字解调算法，该 算法与该相位无关。优选地针对具有每周期四个采样时间点的干涉信号 采样而使用了所谓90°相移算法。由此实现了对该差频信号的快速解 调。

6.具有非对称林尼克干涉仪的测量头

下面借助图4、8和9来更详细解释测量头的构造，其中该测量头 包含该第二干涉仪20。

该第二干涉仪20是一种所谓的林尼克干涉仪。图8示出了这种林 尼克干涉仪的一种典型构造的例子，其具有分束器77、参考镜78、探 测器79和样本70。在这种林尼克干涉仪中，出于小型化而设置了限制， 这尤其适于所使用的光学元件诸如物镜75和76及透镜71和74的直径 以及几何构造。该样本物镜75或参考物镜76以及其到分束器77的距 离q基本相同。

在本OCT系统所使用的林尼克干涉仪中，样本物镜和参考物镜41 及46到该第二分束器24(见图4)的距离由于焦点跟踪通常并不是对 于所有扫描深度都是相同的。从而可能在该样本图像和参考图像的图像 中心与图像边缘之间导致大的相对光程差(OPD)。这可能导致要探测 的干涉结构的空间频率(Ortsfrequenz)大于该二维探测器30的分辨率， 由此该干涉不再或者仅仅不足以可靠地被探测。

为了避免这个缺点，在本OCT系统的第二干涉仪20中不同地(“非 对称”)实施该样本物镜41和参考物镜46，并相互协调，这在下文中 借助图4来详细解释。

该样本物镜41、尤其该透镜42到该第二分束器24的距离p选择得 非常小。对于上面的扫描位置，其中在该扫描位置上由位于样本1的表 面附近的截面(参见图2a))所反射的光被探测，该距离p优选地在1 和3mm之间。从而在该样本臂和参考臂22及23中的透镜42及49的 直径在同时高的光输出的情况下可以选择得非常小。

在输出臂27中的另一组透镜47连同该样本物镜及参考物镜41及 46一起构成了该样本光学装置及参考光学装置。样本光学装置和参考光 学装置远心地在该样本1侧或该第三参考镜25侧。远心光学装置其特 点在于，物镜距离可以被改变，并且尽管如此可图像大小保持恒定。这 通过一种孔径光阑来实现。

用于样本1成像的数值孔径是相对大的，优选地约0.3。相反样本1 的照明的数值孔径小于用于样本1成像的数值孔径，并且优选地具有0.2 的值。由此结合样本光学装置及参考光学装置的远心设计而获得的优点 是，在倾斜的样本结构上所反射的光也被该样本物镜41收集，因为该 样本物镜41的接受角大于该照明圆锥的发散角。相反如果针对照明的 数值孔径和成像的一样大，那么在倾斜的样本结构上进行反射时收集的 光比在垂直于光轴的结构上所进行反射时收集的光少。

通过在照明臂21中选择该照明物镜48来实现在该样本臂22中针 对照明的较小数值孔径。在该参考臂23中的数值孔径等于或略大于该 照明臂21的数值孔径。这尤其在这里所使用的折叠的林尼克干涉仪的 情况下是有利的，因为由此该参考物镜46可以相对简单地与该样本物 镜41相适配，并且此外还可以紧凑地被实现。

穿过该参考物镜46的透镜49(包括在透镜49之间的可能的空气间 隔)的光程短于穿过该样本物镜41的透镜组42的光程。

通过这种措施，实现了使样本臂和参考臂22及23的像场拱曲 尽可能一致地位于所使用的扫描深度的中心。另外 还保证了在深度扫描的上端和下端上在图像中心和图像边缘之间的最 大光程差(OPD)是足够小的，以保证该干涉结构的空间频率，其中该 空间频率是足够小的，以在该探测器30方面满足尼奎斯特条件。从而 来自该样本1的所关注空间单元33中不同深度的干涉结构的空间频率 总是小于该二维探测器30的分辨率。该干涉结构从而在该样本1的所 关注空间单元33的任何深度上都总是以高的可靠性被探测。

这在图9a)至c)中示出，其中示出了在深度扫描期间在三个不同时 间点该第二干涉仪20的横截面的一个样本侧片段。

在一个第一时间点(见图9a))，该相干门K位于该样本1的所 关注空间单元33的一个上层34中(参见图2a))。在此，该样本物 镜41到该第二分束器24具有一个小的距离，并且到该材料层43或到 该样本1具有一个相对大的距离。在此所获得的干涉结构在图9a)的右 边示出，并且具有如下周期长度：该周期长度相应于在相应的两个彼此相 继的明环或暗环之间的距离。该周期长度大于该探测器30的单个探测 器单元(像素)的中心-中心距离(间距(pitch))，也即该干涉结构的 空间频率小于该探测器30的分辨率，其中该空间频率相应于该周期长 度的倒数值，该探测器30分辨率相应于该探测器30的像素的中心距离 的倒数值，由此满足尼奎斯特条件。由此保证了该干涉结构可以可靠地 被该探测器30探测。

在一个第二时间点(见图9b))，该相干门K位于该样本1的所关 注空间单元33的一个中间层35中(参见图2a))。该样本物镜41位于 如下位置：该位置比在图9a)中离该第二分束器24远一些并离该材料层 43近一些。在这种情况下该干涉结构具有比在图9a)中大的周期长度， 这样在该时间点也满足尼奎斯特条件。

在一个第三时间点(见图9c))，该相干门K位于该样本1的所 关注空间单元33的一个深层35中(参见图2a))。该样本物镜41位 于如下位置：该位置比在图9b)中离该第二分束器24更远并离该材料层 43更近。在这种情况下该干涉结构具有与在图9a)中所示时间点大致相 同的周期长度，这样在该深度扫描位置中也满足尼奎斯特条件。

由于所述的该样本物镜和参考物镜41及46的非对称构造，可以实 现该样本物镜和参考物镜41及46到该第二分束器24的不同距离或光 程p或r。在所示的例子中，从而该样本物镜41可以以距离p来靠近该 第二分束器24，由此可以在高的光效率的情况下实现透镜42的小的直 径。同时该参考物镜46也可以以明显较大的距离r(r＞p)远离该第二 分束器24地来设置，由此实现了该第二干涉仪20的折叠(Faltung)， 其中该参考臂和照明臂23及21相对于其在未折叠林尼克干涉仪(参见 图8)中的位置分别倾斜了90°，并从而平行于该样本臂22延伸。

这样就实现了该测量头的一种非常细的形式，并同时保证了通过该 参考光学装置或样本光学装置而生成的、在该探测器30上的图像对于 所有扫描深度都是大小相同的并且良好叠加的。

通过该参考物镜46的上述实施，为折叠而必要的该光程的一部分 被补偿。该参考物镜46从而在光学上短于该样本物镜41。由此该第一 干涉仪10的实施变得更简单，因为由此该第一干涉仪10的两个干涉仪 臂不必为了满足出现干涉的相干条件而强烈地相互区别。

在该参考臂及样本臂23及22中的光程差优选地至少是最大扫描深 度Tm(见图3a)和b))的两倍大。该最大光学扫描深度Tm说明， 在该样本1表面之下直至哪个深度都满足出现干涉的相干条件并获得相 应的干涉图案。从而保证了把该参考镜12在该第一干涉仪10中的位置 与在该样本1中的确定深度明确而简单地相对应。

7.单模预调制和多模光纤

在该第一干涉仪10的、在此优选以所谓自由辐射光学装置的构造 中，在使用通常采用的空间短光源或非相干光源的情况下，在该第一干 涉仪10的输出端8的区域中需要一个相对耗费的物镜，以便把所输出 的光尽可能高效地耦合入该第一光导体17中并在此以避免光学损耗。 从而不仅该第二干涉仪20的光学构造，其中该第二干涉仪20对于内窥 镜应用应尽可能紧凑地设计，而且该第一干涉仪10的光学装置的构造 也会受限。此外在通常采用的空间短光源或非相干光源的情况下限制了 必要时对光功率的提升。

为了避免这些缺点，作为光源15，在本OCT系统中采用了分别具 有高空间相干性的一个或多个单模光源比如超辐射发光二极管 (SLED)、短脉冲激光器或超连续激光器。该光源15的光14被耦合 入该第一干涉仪10中，其中仅相应于单个模式(单模，Singlemode)的 所谓高斯模式被传输。在经过该第一干涉仪10之后，所耦合入的光14 的空间相干性才被破坏，其方式是在该第一干涉仪10的输出端8上的 光被耦合入该第一光导体17中，其中该第一光导体具有非常长的多模 光纤。

多模光纤是如下光纤：其数值孔径和芯直径允许在光的确定波长情 况下不仅能够构造一个光纤模式，而且能够激发许多不同的光纤模式。 一个光纤是单模光纤还是多模光纤，可以通过所谓的V数V来评估：

$V=\frac{\pi }{\lambda }·d·\mathrm{NA}$

其中λ表示是耦合入该光纤中的光的波长，d表示该光纤的芯直径，NA 表示该光纤的数值孔径。耦合入该光纤中的光的波长λ在此优选与耦合 入该第一干涉仪10中的光14的平均波长λ₀相一致。如果该V数大于 约2.4，那么它就是多模光纤。

在该第一光导体17中优选采用的多模光纤典型地具有约100m数量 级的长度，并优选地大部分都缠绕在一个绕组19上，如在图1中所示。 该多模光纤的芯直径优选地处于约200μm至约400μm之间。

非常长的、细的并优选缠绕的多模光纤可以在该第一光导体17中 可选地与一个相对短的、粗的光纤(未示出)相组合，该粗光纤的直径 处于约一毫米的范围中，其长度处于几米的范围中。

通过破坏该单模光源15的光的空间相干性，避免了由该样本1中 两个不同位置所反射的光可以进行干涉，这也称作所谓的相干串扰。

相干串扰的有效地抑制此外还导致对不期望的散射光的有效抑制， 其中散射光在光源具有高空间相干性的情况下同样会有助于干涉，并且 结果会导致不清晰的、模糊的图像-类似于在乳白玻璃之后的图像。以上 述的方式来对空间相干性进行有效的破坏，由此对散射光的探测被大大 降低，并最后获得清晰的图像。

在该第一干涉仪10中所生成的预调制信息、也即通过移动该第二 参考镜12而形成的对所耦合入的光14的频谱调制，在通过该第一光导 体17的非常长的多模光纤对光进行传输时却并没有被改变。这从而保 证了该第一干涉仪10的两个臂在该多模光纤中生成了具有相同模式分 布(Modenverteilung)和相同相位的相同模式。

每个模式本身则都传输预调制信息，其中这些单个模式都不相互耦 合。从而这实现了在该第一干涉仪10中的第一和第二部分射束2及3 (见图1)共线(kollinear)并精确叠加成一个第三部分射束4，之后它 们入射到该第一光导体17的多模光纤中。

光到该第一光导体17中的入射在此确定了在该多模光纤中所激发 的模式(Moden)的数量和分布。为了尤其有效地破坏空间相干性，在 此有利的是，选择其中激发尽可能多模式的一种耦合入射。这尤其可以 如此来进行，即，如在图10a)和10b)中所示，光射束的、也即该第三 部分射束4的焦点55并不是位于该第一光导体17的多模光纤的端面 (Facette)9也即该入射面上，和/或该第三部分射束4的光射束被倾斜 地耦合入该第一光导体17的多模光纤中，其中该光射束的光轴56相对 于该第一光导体17的多模光纤的中轴57而倾斜，并与该中轴成角度ω， 该角度优选地处于5°至40°之间。这样一方面空间相干性被最大地抑 制，并且另一方面该多模光纤的端面9的照明变得更均匀。

此外在图10a)和10b)中还示出了在该第一光导体17中所使用的多 模光纤的芯直径d。

高相干的光14到该第一干涉仪10中的耦合入与接着该第三部分射 束4的在该第一干涉仪10中被频谱调制的光到该第一光导体17中的耦 合入相结合，使得能够非常简单地设计在该第一干涉仪10的输出端8 的区域中的光学装置。

因为在该原理中强光的相干光源、比如SLED、短脉冲激光器或超 连续激光器可以被用作光源15，所以比利用常规采用的空间不相干光源 而能够达到明显更高的功率密度。所获得的图像信息的信噪比从而被明 显改善。

可替换于在此所示和所述的自由辐射干涉仪，在采用这种原理的情 况下该第一干涉仪10也可以完全作为光纤干涉仪来设计。那么所述深 度扫描就可以比如不是通过移动该第二参考镜12，而是借助一个所谓的 光纤延伸器通过延伸该第一干涉仪10的两个臂之一中的光纤而被实施。

8.通过光纤束的图像传输

如前面所详细解释的，在本OCT系统中通过在该第一干涉仪10中 宏观移动该参考镜12来实施深度扫描，而由该样本1所反射的光通过 该第二干涉仪20和该第二光导体29被转送到该二维探测器30并由其 来探测。

作为第二光导体29采用了由多个单光纤组成的光纤束。光纤束通 常具有高的数值孔径，该数值孔径在技术上是受限的并处于0.4或更高 的范围中。此外通常的光纤束的端面、也即入射和出射横截面的填充系 数是相对较小的。这两个因素在由该样本1反射的光从该第二干涉仪20 到该探测器30的传输中将导致不期望的光损失。

为了在传输由该样本1所反射的光时获得具有微小光损失和信息损 失的一种尽可能紧凑的OCT系统，采用了下文更详细解释的光纤束。

图11示出了所使用的光纤束的端面中的一个片段50，其中光纤束， 如借助放大显示的子区域51所能看到的，由多个单光纤52组合而成， 所述单光纤具有一个中心距离d2(所谓的光纤间距)。

图12示出了所使用的探测器30的一个片段，其中该探测器包含有 多个设置于一个面中的探测器单元80，该探测器单元80具有一个中心 距离d1(所谓的像素间距)。在这里的OCT系统中，该光纤束的单光 纤52的光纤间距d2小于该探测器30的探测器单元80的像素间距d1。

为了在高空间分辨率情况下实现尽可能大的视场，该光纤束由至少 100000、优选由约300000个单光纤52组成。该探测器30的探测器单 元80的数量优选地为约328000，并从而处于与单光纤52的数量相同的 数量级中。

如在图13中所示，在该入射和出射面7及6的区域中该第二光导 体29的光纤束横截面的形状优选地与该探测器30的几何形状相适配， 其中尤其是该入射面7在该第二干涉仪20侧的形状基本等同于该出射 面6在该探测器物镜31或探测器30侧的形状(见图1)。该入射和出 射面7及6的各形状、尤其是其长宽比在此基本与该探测器30的优选 矩形的形状相一致。

在图14a)中示例地示出了该光纤束的两个单光纤52。单光纤52具 有光纤芯65和光纤外套66。在该光纤束所优选使用的单光纤52中，相 应光纤芯65与光纤外套66的厚度d3及d4之比d3/d4(所谓的芯/外套 比)如此来选择，使得在由于从光纤52侧面出射的光(所谓的消散波) 引起的光损失尽可能小的情况下获得尽可能高的填充系数。该填充系数 在此通过单光纤52的整个横截面与光纤芯65的面积之比来给出。

在该光14的波长比如为1300nm的情况下，所使用的光纤束优选地 具有11μm的光纤间距d2、1.7μm的单光纤52的外套厚度d4以及6.8 μm的芯直径d3。由芯直径d3和两倍外套厚度d4之和而得到的、单光 纤52的直径在该情况中为10.2μm，并从而略小于该光纤间距d2，因 为在该光纤束的制造过程中还要生成围绕每个单光纤52的第二外套(未 示出)。

在图14b)中示出了在图14a)中所示的单光纤52的扩展方案的一种 变型方案。在该变型方案中，单光纤52的各个光纤芯65被嵌入到由玻 璃和塑料构成的一种基质(Matrix)66中，该基质分别构成了每个单个 光纤芯65的光纤外套。在该变型方案中，每两个相邻的单光纤52共同 拥有其光纤外套的一部分。相当于外套厚度的、相邻光纤芯64的距离 d4由此能够相对于分别具有自己的光纤外套的上述单光纤而被减少，其 中消散波的出射被进一步有效地抑制。光纤芯面积与总的光纤面积的面 积之比由此变得尤其大。该芯直径d3与该外套厚度d4的商在此处于在 约5至8之间的范围中。

该第二干涉仪20如此来构造，使得针对所有扫描深度都获得一个 横向干涉图案，其空间频率低于该光纤束的单光纤52的空间频率，其 中尤其必须满足尼奎斯特条件。这在图15中示出。如在该横向干涉图 案60的放大片段61中所能看出的，在该干涉图案60的两个彼此相继 干涉最小值63(暗环)之间的周期长度比该光纤束的单光纤52的中心 距离(光纤间距)大几倍，光纤束的入射面6(见图1)在此以片段的 形式并以相应的放大来示出。相应地，该干涉图案60的空间频率明显 小于该光纤束的单光纤52的空间频率。

相对于在现有技术中所公开的系统，其中该探测器安装于该干涉仪 中，通过使用上述的光纤束获得了多个优点，这在下文中更详细描述。

出于技术原因，对波长处于约1300nm范围中的光敏感的InGaAs CMOS探测器的像素间距d1可以并不远小于20μm。在本OCT系统中 优选采用的光纤束具有10μm的光纤间距d2，并从而在相同分辨率的 情况下具有比该探测器明显更小的横截面。这允许比其中探测器安装到 测量头之中的系统明显更紧凑地来构造该测量头。

此外，在现有技术的所述系统中，由于所需的非常高的探测器采样 速率，数据从测量头到连接在后面的电子装置的传输将需要具有及其高 的速度。此外在该测量头中还必须集成A/D变换器。在由该样本1所获 得的图像信息通过被构造为光纤束的第二光导体29向与该第二干涉仪 20相分离的探测器30进行所述转送的情况下，避免了这些缺点。

因为在本OCT系统中从而在该测量头中不需要用于图像探测和/或 图像处理的电子装置，所以就不存在可能导致测量头的不期望的温升的 热损失。

因为在该第二光导体29中优选地选择了一个光纤间距d2(比如11 μm)，该光纤间距小于该探测器30的最小可能的像素间距d1(大多 大于或等于20μm)，在相同横向分辨率的情况下相对于按照现有技术 的系统可以降低在该测量头中对从该样本1所获得的图像的放大，这实 现了在该第二干涉仪20中的、更简单和更小的光学装置。

为了在从该样本1或从该第三参考镜25到该探测器30的光传输及 图像信息传输中提高光效率，对本OCT系统的各个部件的数值孔径进 行匹配，尤其该样本物镜41和在输出臂27中的透镜47的孔径以及该 参考物镜46和该第二光导体29的光纤束的孔径、该探测器物镜31以 及该探测器30的孔径。这在下文中借助图1、4和16来详细解释。

图16示出了由大量单光纤52组合而成的第二光导体29在该入射 面7的区域中的一个片段。从该第二干涉仪20出射的、会聚的光束58 具有一个孔径角α，并相对于该入射面7的法线以一个入射角β投射到 该光导体29。该第二光导体27的单光纤52具有一个孔径角γ，在该孔 径角内投射的光可以被单光纤52探测。该孔径角γ通过该单光纤52的 数值孔径来给出。

为了保证尽可能高的光效率，优选地规定，该光束58的孔径角α 与该入射角β之和小于该光纤束29的单光纤52的孔径角γ：α+β＜γ。 从而保证了该光束58的投射到单光纤52上的全部光都入射到其中，并 被传输至该第二光导体29的出射面6。

该光束58的为此所需的孔径角α和入射角β通过相应地设计该样 本物镜和/或参考镜和/或输出物镜41、46及47来实现。这尤其如此来 实现，即样本物镜和输出物镜41/47及参考物镜和输出物镜46/47这两 个物镜组合放大地进行成像，也即在该光纤束的入射面7(“图像侧”) 的区域中该光束58的孔径角α小于在该样本1侧(“物镜侧”)的孔 径角(未示出)。从而可以以简单的方式在该样本1侧实现大的孔径角， 由此实现了高的光收集效率。连同至该第二光导体29的光纤束中的无 损失的光耦合输入，由此在探测由该样本1所反射的光时保证了一个总 的非常高的光效率，并从而达到高的图像质量。

代替地或附加地，为了提高光效率，把该探测器物镜31的光纤束 侧的数值孔径与该第二光导体29的光纤束的数值孔径进行匹配。该探 测器物镜31的孔径角在此大于该光纤束的单光纤52的孔径角γ。

优选地，该探测器物镜31在该光纤束侧是远心的(telezentrisch)。 由此可以以简单的方式来对该光纤束的辐射特性进行计算。在该输出面 6上的视场角对于在该输出面6上的每个位置都等于零。

随着光束至该探测器30上的入射角的增加，由该探测器30所探测 光功率变小。为了保证尽可能高的光效率，从而规定，把光束到该探测 器30上的入射角保持得尽可能小。这优选地通过该第二光导体29的光 纤束在该探测器30上的放大成像以及该探测器物镜31在该探测器30 侧的远心设计来实现。

在使用所述光纤束用于图像传输时的另一优点在于，该系统的总放 大M可以被划分为两个步骤，即：在该测量头、也即在该第二干涉仪 20中的第一放大M1，以及在该探测器物镜31中的第二放大M2。从而 在该测量头中的物镜41、47和47的第一放大M1可以小于对于该OCT 系统的标称分辨率所需的总放大M。这通过以下的例子来阐明：在像素 间距为20μm，光纤间距为10μm，且标称分辨率为2.5μm的情况下， 通过如上所述而构造的、该第二光导体29的光纤束可以在该测量头中 实现放大M1＝4，在探测器物镜31中实现放大M2＝2，以获得一个总放 大M＝M1×M2＝8。相反，在不通过所述光纤束进行图像传输的情况下， 在该测量头中必须产生一个等于总放大M＝8的放大。

上述光纤束的使用从而所具有的优点是，总放大M并不是必须单 独地由该第二干涉仪20的物镜来实现，使得该测量头的样本物镜和/或 参考物镜和/或输出物镜41、46及47可以简单而空间节省地被构建，由 此该测量头总体可以明显更紧凑地来构造。

如在图4所示的一个第二干涉仪20的例子中，由此该样本物镜41 或该第二干涉仪20的输出物镜的透镜47的平均直径D1可以优选地选 择得小于在该入射面7的区域中该第二光导体29的直径D2：D1＜D2。

9.该OCT系统的运行模式

上述的OCT系统可以运行于三个不同的运行模式。该运行模式是 两个实时模式以及一个静态运行模式，其中在所述实时模式中样本的 OCT图像以每秒约5到10个图像的高速率而被生成。

在该第一运行模式、实时模式1中，该样本1的二维深度截面被实 时地生成(所谓的切片)。这如下地来实现：即作为探测器30采用了 一种CMOS照相机，该照相机允许调节一个所谓的关注窗口(WOI)， 在该关注窗口中该探测器30的仅仅一个部分面是对于光敏感的，并把 光转换为相应的探测器信号。敏感照相面的减少与照相速度的明显提高 相关联；在这种调节下可以比在全图像模式中每秒生成更多的照相图 像。

在该实时模式1中优选选择一个WOI，该WOI在一个方向上相应 于全部的照相长度或宽度(比如640像素)，并在另一方向上——由相 应照相机的类型来给定——具有最小可能数量的像素(比如4像素)。 从而该照相机的速度被进一步提高，使得OCT图像可以实时地被记录。

这优选结合耦合入该第一干涉仪10中的以及从该第一干涉仪10输 出的光14及4的强度调制或者该探测器系统30、31的敏感性调制(见 上面的第3及第4节)来实现。

图17示出了一个探测器面F1，其由第一数量N1的探测器单元80 组合而成，并具有长度c1和宽度b1。在上述的WOI的调节中，光仅仅 被位于该探测器面F1的一个部分面F2中的探测器单元80所探测，并 被转换为相应的探测器信号。该部分面F2的探测器单元80的第二数量 N2小于整个探测器面F1的探测器单元80的第一数量N1。该探测器面 F1及部分面F2的长度c1和c2大小相同，而该探测器面F1及部分面 F2的宽度b 1和b2是不同的。

在所示的例子中，该部分面F2仅四个像素宽，相反该探测器面F1 为512个像素宽。该探测器面F1的敏感面从而被减少128倍，这明显 缩短了用于探测干涉图案以及将其转换为相应探测器信号所需的持续 时间。

如在图18中所示，在该例子中从该样本1的所关注空间单元33中 不是获得一个完整的三维断层图，而是仅获得四个(对应于该部分面F2 的四个像素行)二维深度截面67。

在该第二运行模式、该实时模式2中，如在图19中所示，从该样 本1的所关注空间单元33的确定深度T生成二维断层图68，其中该深 度T是可自由选择的。在此，该探测器30的整个探测器面F1被用于探 测由该样本1所反射的光并把其转换为相应的探测器信号，但其中总是 仅最大五个照相图像被用于断层图68的计算。为此，在该第一干涉仪 10中的第一参考镜11以约1μm的幅度被周期性移动，而至多五个照 相图像被记录，这五个照相图像然后被运算为一个OCT图像。这样， 可以以高的重复速率来生成断层图68。

通过宏观移动该第二参考镜12并必要时结合所述的焦点跟踪(见 上文第1及第2节)，可以自由地选择从中获取该断层图68的深度T。

在该第三运行模式、该静态模式中，借助该第二参考镜12的宏观 移动并结合所述焦点跟踪来记录一个完整的三维数据组。对此详情尤其 参见第1和第2节。

通过不同的运行模式，该OCT系统可以满足一系列不同的要求。 在检查样本时，比如在寻找样本中的有关位置时，功能性由此被大大扩 展。

10.用于OCT系统及方法的其他发明观点

上文详细阐述的OCT系统及方法具有单个特征或特征组合，通过 这些特征或特征组合，该系统或方法尤其在构造上变得更简单和更紧 凑，以及在操作和图像探测上变得更快速和更可靠，而在此并不需要在 独立权利要求的前序和/或特征部分所引用的所有特征。这些特征或特征 组合同样被视为发明。

被视为发明的尤其是一种用于光学相干断层扫描的系统，其具有

-至少一个干涉仪，其用于输出用来照射一个样本的光，以及

-探测器，其用于探测由该样本所反射的光， 其中该系统特征在于前述的、尤其在第1至9节中和/或结合图1至19 所详细阐述的一个或多个特征。

与该系统相对应的方法同样作为发明而被提供。

利用由该干涉仪所输出的光对该样本的照射或者间接地、也即通过 在该干涉仪与该样本之间的另一干涉仪来进行，或者直接地、也即在没 有在该干涉仪与该样本之间的其他干涉仪的情况下来进行。

通过该探测器对由该样本所反射的光的探测或者间接地、也即通过 在该样本与该探测器之间的另一干涉仪来进行，或者直接地、也即在没 有在该探测器与该样本之间的其他干涉仪的情况下来进行。