具体实施方式

本领域已知，成像干涉系统的扫描速度和信噪比可以通过经由具有小光展量的宽带光源将光聚集到小区域内来改善。然而，小光展量光源在具有光学系统(例如，米勞(Mirau)干涉仪)中光利用率低的缺点，其中中心遮蔽导致明显的图像伪影和降低的图像质量。由于光展量守恒，全视场照明的入射角范围与光源的光展量成比例。由于样品的后向散射通常角相关，如果入射角范围很窄，一些信息可能会丢失。另外，沿照明方向的成像伪影会降低图像质量。因此，有需要改善这样的光学成像系统的图像质量。

本文提供了一种光学系统及其检测方法，该光学系统包括具有示例性照明模型的光学模块，以有效减少图像伪影并提高图像质量(诸如，分辨率和图像对比度)。尤其地，本发明提供一种光学系统及其检测光学信号的方法，该方法适用于包括具有小光展量的宽带光源的光学系统。

为了使图像伪影最小化，照明光可以是多束(例如，经由将照明光分成多束)，且不同的照明束以不同角度入射样品。特别地，在一些实施方式中，不同入射角度的束生成的照明场在样品上基本重叠。由于上述照明场的强度分布可以不同，因此组合照明场表现出更好的照明均匀性。在一些实施方式中，上述束由不同的光源生成。该照明策略可以认为是几乎无损的空间束组合方法。

本发明提供如图1所图示的实施方式。示例性光学系统包括照明模块和成像模块。照明模块包括被配置为生成行进到光学模块2中的一个或多个光束的一个或多个光源11，其中光学模块2被配置为使光束行进到物镜31中并引导到样品4上，其中行进到物镜中的光束被配置为使得光束偏离物镜的中心的轴。示例性光学系统的成像模块包括检测器53，检测器53被配置为检测来自样品4的信号，其中光从样品4后向散射，行进通过分束器51和投影透镜52，并最终被检测器/相机53检测到。在一些实施方式中，检测器是可选一维检测器，或二维检测器，或其组合。在某些实施方式中，检测器是二维检测器。在某些实施方式中，二维检测器是电荷耦合器件(CCD)、多像素相机或互补金属氧化物半导体(CMOS)相机，或其组合。

在一些实施方式中，行进到物镜中的光束对称地照射在样品上。此外，行进到物镜中的光束被配置为使得照明场重叠在样品上，优选地基本上重叠在样品上。行进到物镜中的光束被配置为使得光的中心射线基本上平行。中心射线指光束的中心光。“基本上平行”的定义指允许一定程度偏移的大致平行，诸如0至20度的偏移、0至15度的偏移、0至10度的偏移、0至5度的偏移，或0至3度的偏移。在某些实施方式中，术语“基本上平行”中的偏移在允许的实验误差范围内。

术语“基本上重叠”指在本领域已知实验的允许误差范围内，照明场重叠40～100％、60～100％、80～100％或90～100％的范围。当行进到物镜中的光束满足上述条件时，光束会产生离轴对称照明并均匀地照射在样品4上。与传统的非对称照明光学系统(图9A)相比，由于对称照明，图像伪影(例如，线性伪影)将明显减少(图9B)。在一些实施方式中，经由本光学系统/方法，分辨率和图像对比度也将有所改善。

在一些实施方式中，为了实现上述的对称照明，光学模块还可以包括分光元件，该分光原件包括至少一个厚玻片、楔形棱镜、反光镜或其组合，以将光束分成两个或更多个光。然而，不限于此。

在图1中，选择楔形棱镜22作为分光元件的示例。光束通过光纤12，然后传输到光学模块2中，光学模块2包括消色差透镜21和楔形棱镜22。为了分割来自光纤12的光束，消色差透镜21旋转特定角度，其中楔形棱镜22部分地设置从消色差透镜21输出的照明区域上。两个分光投射在聚焦于物镜31的焦平面32的两个焦点6上。在某些实施方式中，焦点6彼此不重叠。

楔形棱镜22的作用是为诸如分光中的一个等光提供偏移角度。楔形棱镜22具有楔角，该楔角与两个分光的焦点6成正比。在一些实施方式中，楔角的范围为2°到10°。在某些实施方式中，楔角的范围为3°到9°、4°到8°’或4°到7°。然而，不限于此。楔角取决于两个分光的焦点的期望距离。

在一些实施方式中，提供了没有成像模块的本发明光学系统的照明模块，如图2所图示。与图1相比，楔形棱镜被两个反光镜23所替代。反光镜23中的每个反射来自消色差透镜21的部分光束，以实现具有基本上平行的中心射线和/或照明场在样品上重叠的特征的分光，从而对称地照射在样品上。

为了实现光偏移和分光，在一些实施方式中，光学系统包括设置在光纤和光学模块之间的至少一个厚玻片，以将来自光纤的光束分成至少两个光(图未示出)。本实施方式还将光束分成对称地照射在样品上的至少两个光。

在一些实施方式中，照明场可以由不同光源或辅助光源直接生成。如图3所图示，其示出了示例性光学系统的照明模块，该照明模块包括生成经由光纤12进入光学模块2的两束光的两个光源11。在进一步示例性实施方式中，图4提供了具有两个光源11和反光镜23的照明模块，以使光路倾斜，从而达到与图3或其他实施方式所示出的相同效果。

在一些实施方式中，提供了如所图示的包括两个光源和光学模块的照明模块。如图5所图示，示例性照明模块包括将两束光照射到光学模块2中的两个光源11。因此，如上述图3至图5所图示，通过两个光源的各种布置实现了分光的方法。本领域技术人员根据对本发明的实践会容易认识到其他适合的布置/方法。

对于一些实施方式，为了进一步增加行进到物镜中的光束的角度偏移自由度，照明模块还包括至少一个调节装置24，以调节物镜31的焦平面32上的至少两个焦点6的距离，如图6所图示。在某些实施方式中，调节装置24设置在分光元件旁边。在某些实施方式中，调节装置24包括至少一个楔块。然而，原件及其布置不限于此。任何具有角度改变功能的光学组件均可容易地被认为是调节装置。

图7提供了本发明光学系统的另一实施方式，包括生成行进到光学模块2中的光束的光源11；被配置为使光束行进到物镜31中并引导到样品4上的光学模块2，其中行进到物镜31中的光束被配置为使得光束偏离物镜31的中心的轴。从样品4反向散射的光将行进通过分光器51并由投射透镜52投射到检测器53上。光学模块包括消色差透镜21，以接收经由光纤12来自光源11的光；球形透镜25被配置为处理来自消色差透镜21的光并提供照射在样品上的区域场光。或者，可以切换柱面透镜26以提供照射在样品上的线视场光；楔形棱镜22被配置为将光分为两个光；并且四分之一波片27被配置为改变光的偏振。由于球形透镜25和柱面透镜26可切换，光学系统可以是全视场光学系统、线视场光学系统或其组合。

相较于其他干涉装备，米勞(Mirau)型干涉仪采用了更少数量的光学原件、占用更少的空间，并对环境振动敏感度更低。米勞(Mirau)干涉测量的一个主要缺点是参考镜引起的中心遮蔽。对于体内应用，为了最大化收集效率和信噪比，参考镜通常具有高反射性。如果光源的光展量很小，中心遮蔽可能会遮挡大部分的照明光。

在一些实施方式中，本发明光学系统还包括米勞(Mirau)型物镜(干涉仪)，如图7所图示，其包括物镜31和具有选择性涂层34的干涉装置33，干涉装置33反射参考光臂以干涉从样品4后向散射的样品臂。通过调节两个焦点6的距离，行进到物镜31中到样品4的两个分光可以不被选择性涂层34遮挡。在一些实施方式中，光学系统包括米勞(Mirau)型物镜、迈克尔逊型物镜或馬赫-曾德爾(Mach-Zender)型物镜。

在一些实施方式中，本发明光学系统是光学相干层析成像(OCT)系统、反射式共焦显微镜(RCM)系统、双光子发光显微镜(TPL)系统或其组合。在一些实施方式中，光学系统包括米勞(Mirau)型干涉仪、迈克尔逊型干涉仪或馬赫-曾德爾(Mach-Zender)型干涉仪，但不限于此。优选地，光学系统包括米勞(Mirau)型干涉仪。

在一些实施方式中，光源为低光展量的宽带光源。在某些实施方式中，光源是放大自发辐射光源、超辐射发光二极管(SLD)、发光二极管(LED)、宽带超连续谱光源、锁模激光器、可调谐激光器、傅里叶域锁模光源、光参量振荡器(OPO)、卤素灯、晶体光纤荧光体或其组合，或类似物。在某些实施方式中，晶体光纤荧光体包括Ce3⁺:YAG晶体光纤、Ti3⁺:Al2O3晶体光纤、Cr4⁺:YAG晶体光纤或其组合，然而，不限于此。

如提供了图7中的米勞(Mirau)型物镜的图8所图示，通过物镜31照射在样品4上的偏轴对称光优选地不被设置在干涉装置33上的选择性涂层34遮挡。这样的设计提高光的有效利用，允许将光完全照射在样品上，这提高所得图像的信噪比，从而提高图像质量。

本发明提供了诸如上述光学系统等光学系统的另一示例性检测方法。该方法包括通过一个或多个光源提供一个或多个光束；使光束经由光学模块行进到物镜中并引导到样品上，其中行进到物镜中的光束被配置为使得光束偏离物镜的中心的轴；以及检测从样品返回的信号。

本光学系统/方法提供照明模块/方法来将光束分成至少两个光并投射在样品上，其中偏轴对称的两束光具有基本上平行的中心射线和/或重叠的照明场。基于本光学系统的优选对称照明模块(或偏轴对称照明模块)，将减少图像伪影，并将有效提高图像质量。原因在于非对称照明模块向样品提供的照明是特定或单一方向照明，而对称照明模块向样品提供的照明是多方向照明，允许减少产生的图像伪影，从而改善分辨率和图像对比度。图9A图示了与图9B所示的本发明对称照明模块的图形相比，来自传统非对称照明模块的图像。此外，图10提供了具有如图2中的两个反光镜的本发明光学系统的示例性光学图像。通过图9和图10示出的光学图像，本发明的示例性光学系统有效地减少了光学图像的图像伪影和线状图案。此外，与传统的具有非对称照明模块的光学系统相比，图像质量和信噪比也有明显改善。

在一些实施方式中，还提供一种光学系统，其包括一个或多个光源，该一个或多个光源被配置为生成一个或多个光束，以行进到光学模块中，该光学模块被配置为使光束行进到物镜中并引导到样品上，其中行进到物镜中的光束被配置为使得光束偏离物镜的中心的轴；以及检测器，该检测器被配置为检测从样品返回的信号。在某些实施方式中，行进到物镜中的光束对称地照射在样品上。在某些实施方式中，行进到物镜中的光束被配置为使得照明场重叠在样品上。在某些实施方式中，进入物镜的光束被配置为使得光的中心射线基本上平行。在一些实施方式中，该光学系统包括至少两个光源。在某些实施方式中，该光学系统包括分光元件，所述分光元件包括至少一个厚玻片、楔形棱镜、反光镜或其组合。在某些实施方式中，该光学系统包括光纤，该光纤被装配成将光束传输到光学模块中，其中厚玻片被配置为将从光纤输出的光束分成至少两个光。在某些实施方式中，光学模块包括被配置为传输来自光源的光束的消色差透镜，其中楔形棱镜、反光镜或其组合中的至少一个被配置为将传输自消色差透镜的光束分成至少两个光。在某些实施方式中，楔形棱镜的楔角与至少两个光的焦点的距离成比例。在某些实施方式中，楔角范围为2°到10°，或4°到7°。在一些实施方式中，光学模块包括调节装置，该调节装置被配置为调节行进到物镜中的光束的焦点的距离。

在一些实施方式中，光源是小光展量光源，其包括放大自发辐射光源、超辐射发光二极管(SLD)、发光二极管(LED)、宽带超连续谱光源、锁模激光器、可调谐激光器、傅里叶域锁模光源、光参量振荡器(OPO)、卤素灯、晶体光纤荧光体或其组合。在某些实施方式中，晶体光纤荧光体包括Ce3+:YAG晶体光纤、Ti3+:Al2O3晶体光纤、Cr4+:YAG晶体光纤或其组合。在某些实施方式中，光学系统是光学相干层析成像(OCT)系统、反射式共焦显微镜(RCM)系统、双光子发光显微镜(TPL)系统或其组合。在一些实施方式中，光学系统是全视场光学系统，线视场光学系统或其组合。在一些实施方式中，光学系统包括米勞(Mirau)型干涉仪、迈克尔逊型干涉仪或馬赫-曾德爾(Mach-Zender)型干涉仪。在某些实施方式中，光学系统包括米勞(Mirau)型干涉仪和行进到物镜到样品上的至少两个分光，该米勞(Mirau)型干涉仪包括具有选择性涂层的干涉装置，该干涉装置被配置为反射干涉从样品后向散射的样品臂的参考臂，其中偏离物镜的中心的轴、通过物镜照射在样品上的光不被设置在干涉装置上的选择性涂层遮挡。在某些实施方式中，楔形棱镜的楔角与至少两个分光的焦点的距离成比例。在某些实施方式中，楔角的范围为2°到10°、或4°到7°。在一些实施方式中，光学模块包括调节装置，其被配置为调节行进到物镜中的光束的焦点的距离。在一些实施方式中，光源是小光展量光源，其包括放大自发辐射光源、超辐射发光二极管(SLD)、发光二极管(LED)、宽带超连续谱光源、锁模激光器、可调谐激光器、傅里叶域锁模光源、光参量振荡器(OPO)、卤素灯、晶体光纤荧光体或其组合。在某些实施方式中，晶体光纤荧光体包括Ce3+:YAG晶体光纤、Ti3+:Al2O3晶体光纤、Cr4+:YAG晶体光纤或其组合。在某些实施方式中，光学系统是光学相干层析成像(OCT)系统、反射式共焦显微镜(RCM)系统、双光子发光显微镜(TPL)系统或其组合。在一些实施方式中，光学系统是全视场光学系统、线视场光学系统或其组合。在一些实施方式中，光学系统包括米勞(Mirau)型干涉仪、迈克尔逊型干涉仪或馬赫-曾德爾(Mach-Zender)型干涉仪。在某些实施方式中，光学系统包括米勞(Mirau)型干涉仪和行进到物镜到样品上的至少两个分光，该米勞(Mirau)型干涉仪包括具有选择性涂层的干涉装置，该干涉装置反射参考臂以干涉从样品后向散射的样品臂，其中偏离物镜的中心的轴、通过物镜照射在样品上的光不被设置在干涉装置上的选择性涂层遮挡。

在一些实施方式中，提供一种检测光信号的方法，包括通过一个或多个光源提供一个或多个光束；使光束经由光学模块行进到物镜中并引导到样品上，其中行进到物镜中的光束被配置为使得光束偏离物镜的中心的轴；以及检测从样品返回的信号。在某些实施方式中，行进到物镜中的光束对称地照射在样品上。在某些实施方式中，行进到物镜中的光束被配置为使得照明场重叠在样品上。在某些实施方式中，行进到物镜中的光束被配置为使得光的中心射线基本上平行。在一些实施方式中，光学系统包括至少两个光源。在一些实施方式中，光学系统包括分光元件，分光元件包括至少一个厚玻片、楔形棱镜、反光镜或其组合。在某些实施方式中，光纤被装配成把光束传输到光学模块中，其中厚玻片被配置为将从光纤输出的光束分成至少两个分光。

尽管本文已示出并描述了本发明的优选实施方式，但对本领域技术人员而言将显而易见的是，这样的实施方式仅作为示例而提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以想到众多的变化、修改和替换。应当理解的是，各种对本文所描述的本发明实施方式的替代方案都可采用于实践本发明中。下述权利要求旨在限定本发明的范围，并由此涵盖这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构。