用于可调谐滤波器线性化的装置和方法以及线性化可调谐滤波器的制造方法
【专利说明】用于可调谐滤波器线性化的装置和方法以及线性化可调谐滤 波器
[0001]本申请是基于申请号为201210459064.9、发明名称为"用于扫频源光学相干断层 的方法和装置"的专利申请，针对审查员在审查过程中指出的单一性问题提交的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及光学成像领域，尤其涉及采用扫频激光器作为光源的光学相干断层 (0CT)系统的设计和实现。
【背景技术】
[0003] 光学相干断层(0CT)是一种具有眼科学、心脏病学、肠胃病学、以及医学的其他领 域中的广泛应用的干涉测量成像技术。Huang D,Swanson EA,Lin CP，Schuman JS,Stinson WG,Chang W，Hee MR,Flotte T,Gregory K，Puliafito CA,以及Fujimoto JG, "Optical coherence tomography，"，Science，Vol 254,1178-1181 (1991)。通过小直径光纤光学探测 器以高分辨率观察表面下结构的能力使得0CT对于内部组织和器官的最低限度侵入成像特 别有用。商业上可用的时域0CT系统不提供用于快速移动或具有大表面区域的器官的不受 阻止的实时显像的足够扫描速度。例如，在跳动的心脏中，冠状动脉的0CT成像是一个挑战， 因为成像必须足够快，以允许在探测器的观察区域血液流净的间隔内清楚显像很长一段(> 3cm)动脉。用于冠状动脉成像的商业上可利用的0CT系统的目前生成的图像获取率限于约 15张图像/秒。以该获取速度，需要利用球囊阻断血流至少30秒来对一段3cm的目标动脉进 行成像。如果0CT系统的图像获取率可以增加至少一个等级的量级，而没有显著的图像质量 损失，那么可以避免长期的球囊阻断。然后，可以通过简单地注射生理盐水几秒钟对一段动 脉进行成像，从而简化了成像过程同时降低了心肌缺血的危险。
[0004] 时域0CT系统采用宽带光源作为到干涉仪的输入，机械激励参考臂用于路径长度 扫描。当参考路径长度改变时，由不同深度的结构的反射生成的干扰信号被逐点测量。在该 测量方案中，最大扫描速度被传动器的动态机械约束和光源的功率谱密度所限制。在跨过 40-60nm的光谱带宽发射25mW的输出功率的超辐射光源的这样的系统中，可以实现的并同 时保持用于组织成像的足够信噪比（>90dB)的最大深度扫描速度约为25m/s。从而，可以以 不大于每秒1 〇的速率获得5_深物体的512行图像。
[0005] 频域(还被称为傅立叶域）（FD)0CT通过利用基于傅立叶变换的可选频率识别方法 克服了这些速度约束，这消除了长范围机械传动器的需要。Swanson EA和Chinn SR, "Method and Apparatus for Performing Optical Frequency Domain Reflectometry" 美国专利第6，160,826号（2000年12月12日发表）；〇1〇11^]\^，53^111化]\^，￥&即（：，和12 &忖 J,"Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography"0pt.Express，Vol · 11,2183-2189(2003) aFD-OCT同时从多个深度收集信息并 根据它们生成的信号的可选频率识别来自不同深度的反射，而不是通过对采样进行逐点查 询而浪费可利用的源功率。FD-0CT成像可以通过利用宽带源照亮采样以及利用分光计将所 反射的光分散到阵列检测器上来实现。可选地，可以利用快速波长调谐激光器以及在利用 单个光学检测器收集波长扫频期间反射的光来照亮采样。在这两种情况下，通过所记录的 干扰信号的傅立叶变换获得来自不同深度的反射的分布图（profile)。由于具有在1300nm 光谱区域中以更低成本实现更高性能的潜力，基于扫频激光器源的ro-ocT系统吸引了要求 在高散射组织中进行表面下成像的医学应用的更多关注。
[0006] 扫频源OCT (SS-0CT)的可行性已经在很多学术研究论文中被论证。Chinn SR， Swanson EA，和Fujimoto JG，"Optical coherence tomography using a frequency-tunable optical source，>Opt.Lett.,Vol.22,340-342(1997)；Yun SH,Tearney Gj,B〇uma BE, Park BH,de Boer JF,"High-speed spectral domain optical coherence tomography at 1.3μηι wavelengthOptics Express,Vol.11,pp.3598-3604(2003)； Choma MA,Hsu K，和Izatt J，"Swept source optical coherence tomography using an all-fiber 1300nm ring laser source/'J.Biomed. Optics,Vol.10,p.044009(2005)； Huber R,ffojtkowski,Tainra K,Fujimoto JG,和Hsu K,"Amplified,frequency-swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging:design and scaling principles ,"0pt,Express ,Vol. 13,3513-3518(2005)。大多报告的SS-0CT系统采用通过电 子激励法布里-珀罗滤波器或引擎驱动光栅滤波器快速调谐的短腔激光器。至今所披露的 实现存在阻碍SS-0CT的广泛商业化的缺陷。特别是，因为当前实现采用需要获取后重采样 或在傅立叶变换前插入所记录的数据的数据获取方案，当前实现使得实时数据获取和显示 很困难。另外，用于短腔激光器的模式跳变的相对短的干涉长度和倾向降低了在超过2-3_ 的光学扫描深度处的信噪比和图像分辨率。包括冠状动脉成像的许多医学应用都要求超过 5mm的光学扫描深度。
[0007] 傅立叶域锁模(FDML)的最近开发解决了在大光学扫描深度处降低的信噪比和图 像分辨率的问题。Huber R, Taira K,和 Fujimoto J, "Mode Locking Methods and Apparatus,"美国专利第2006/0187537号，（公布于2006年8月24日）；Huber R,Wojtkowski Μ,和Fujimoro JG,"Fourier Domain Mode Locking(FDML):A new laser operating regime and applications for optical coherence tomographyOptics Express, Vol. 14，pp. 3225-3237(2006)。但是，基于FDML的SS-0CT系统的实际实现呈现了多种技术挑 战。本发明解决了这些挑战并提供了对这些挑战的方案。
【发明内容】
[0008] 本发明描述了能够使扫频源OCT (SS-0CT)系统以高速稳定、低噪声和有效操作同 时连续实时图像显示的装置和方法。在此描述的该方法克服了 SS-0CT系统的现有实现的缺 点，缺点包括噪声性能差、扫描范围有限、激光器腔的双折射和散射性能、相位抖动、以及采 样速度限制的影响。
[0009] -方面，本发明涉及光学相干断层数据收集装置。该装置可以包括第一增益元件， 第二增益元件，其中，每个增益元件均具有对偏振的不同增益依赖性，以及限定了一个腔的 傅立叶域锁模激光器。该激光器可以包括与第一增益元件进行光通信的调频元件，其中，第 一增益元件可以设置在激光器腔之内，以及第二增益元件可以设置在腔之外，以及第一增 益元件对偏振的增益依赖性小于第二增益元件对偏振的增益依赖性。
[0010] 该装置可以包括采样时钟发生器，其中，采样时钟发生器被配置成对模数转换器 进行时钟控制。模数转换器被配置成对主干涉仪的输出端处的干扰信号进行采样。该装置 可以包括数字控制系统，数字控制系统被配置成使用从采样时钟发生器获得的至少一个控 制信号来稳定傅立叶域锁模激光器的调频元件的驱动频率。傅立叶域锁模激光器可以包括 光学延迟元件，光学延迟元件包括一对光纤线圈，这对光纤线圈的相对方位被调节以减小 偏振模色散的效应。
[0011] 采样时钟发生器可以包括采样时钟干涉仪、光接收机、自动增益控制放大器、倍频 器、零交叉检测器、和/或时钟开关。采样时钟发生器可以包括:包括一对2X2光纤耦合器的 马赫-曾德干涉仪、采样臂和参考臂的长度失配的迈克尔逊干涉仪、包括具有两个部分反射 界面的元件的共路迈克尔逊干涉仪、和/或法布里-珀罗干涉仪。采样时钟发生器可以包括 模拟乘法器。模拟乘法器可以被配置成执行关于输入的干扰信号的平方函数。采样时钟发 生器可以包括模拟乘法器，该模拟乘法器用于对从通过相移RF功率分配器发送的干扰信号 获得的一对信号进行相乘。采样时钟发生器可以包括:用于传输一对相