光学断层影像扫描方法及其装置.pdf

一种光学断层影像扫描方法，适用于测量一介质，并包含以下步骤：(A)提供双频率相互关联光子对低同调性光束，且所述光束间的光程差小于所述光束的同调长度，(B)将所述光束聚焦于该介质中的不同深度位置，则所述光束被该介质反射后而成为信号光束，(C)由一包括一透镜及一位于该透镜的焦点上的针孔的信号处理单元分析被该介质反射后的所述信号光束，以获得该介质的断层影像。

权利要求书
1.  一种光学断层影像扫描方法，适用于测量介质，其特征在于：
该方法包含以下步骤：
(A)提供双频率相互关联光子对低同调性光束，且所述光束间的光程差小于所述光源的同调长度，而其中一光束的频率现象是由一振动的反射镜产生；
(B)将所述光束以光学共同路径聚焦于该介质中的不同深度位置，则所述光束被该介质反射后而成为外差干涉的信号光束，而能降低散射效应、色散差与像差以提高断层影像品质；及
(C)由一信号处理单元分析被该介质反射后的所述信号光束，以获得该介质的高空间分辨率断层影像。

2.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(C)中，若该介质具有线偏极化或圆偏极化双折射特性，由一差动放大器分析信号光束间的相位差，可获得介质的相位延迟的断层影像。

3.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(C)中，由该信号处理单元可获得所述信号光束的相位差，则若该介质有一流速，便可经由计算所述信号光束的相位差对时间的微分，以获得该介质的流速断层影像。

4.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(B)是以可被驱动而相对于该介质来回移动的聚焦透镜将所述光束聚焦。

5.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)中，所述光束为非偏极化光束。

6.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)中，所述光束的偏极化方向相互平行。

7.  如权利要求6所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)包括：步骤(A1)将一光束调变成线偏极化光束；步骤(A2)将该线偏极化光束分光成二线偏极化光束；步骤(A3)由二反射镜分别反射所述线偏极化光束，所述反射镜的其中的一个是被驱动而以一固定频率振动，且所述反射镜的位置是可使所述线偏极化光束间的光程差小于该光束的同调长度；及步骤(A4)使所述线偏极化光束的传递路径重合。

8.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)中，所述光束为二右旋偏极化光束或二左旋偏极化光束。

9.  如权利要求8所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)包括：步骤(A1)将一光束调变成线偏极化光束；步骤(A2)将该线偏极化光束分光成二线偏极化光束；步骤(A3)由二反射镜分别反射所述线偏极化光束，所述反射镜的其中的一个是被驱动而以一固定频率振动，且所述反射镜的位置是可使所述线偏极化光束间的光程差小于该光束的同调长度；步骤(A4)将所述线偏极化光束调变成右旋偏极化光束或左旋偏极化光束，该步骤(B)包括：步骤(B1)所述圆偏极化光束聚焦于该介质；步骤(B2)所述圆偏极化光束被该介质反射后而成为信号光束；步骤(B3)所述信号光束被调变成线偏极化信号光束。

10.  如权利要求6或8所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(C)包括：步骤(C1)聚焦所述信号光束，再过滤掉自该聚焦透镜的离焦平面反射的所述信号光束；步骤(C2)将所述信号光束转换成电子信号；步骤(C3)对该电子信号滤波，只让所述光束的差频通过；步骤(C4)放大该电子信号；及步骤(C5)解调该电子信号以获得所述信号光束的振幅与相位差。

11.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)中，所述光束的偏极化方向相互垂直。

12.  如权利要求11所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)包括：步骤(A1)将一光束调变成线偏极化光束；步骤(A2)将该线偏极化光束分光成一垂直偏极化光束及一平行偏极化光束；步骤(A3)分别将该垂直偏极化光束与该平行偏极化光束调变成圆偏极化光束；步骤(A4)由二反射镜分别反射所述圆偏极化光束，所述反射镜的其中的一个是被驱动而以一固定频率振动，且所述反射镜的位置是可使所述圆偏极化光束间的光程差小于该光束的同调长度；及步骤(A5)使所述圆偏极化光束被调变成平行偏极化光束与垂直偏极化光束，且传递路径重合。

13.  如权利要求11所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(C)包括：步骤(C1)使所述信号光束产生外差干涉；步骤(C2)聚焦所述信号光束，再过滤掉自该聚焦透镜的离焦平面反射的所述信号光束；步骤(C3)将所述信号光束转换成电子信号；步骤(C4)对该电子信号滤波，只让所述光束的差频通过；步骤(C5)放大该电子信号；及步骤(C6)解调该电子信号以获得所述信号光束的振幅与相位差。

14.  如权利要求1所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)中，所述光束分别为一右旋偏极化光束及一左旋偏极化光束。

15.  如权利要求14所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(A)包括：步骤(A1)将一光束调变成线偏极化光束；步骤(A2)将该线偏极化光束分光成一垂直偏极化光束及一平行偏极化光束；步骤(A3)分别将该垂直偏极化光束与该平行偏极化光束调变成圆偏极化光束；步骤(A4)由二反射镜分别反射所述圆偏极化光束，所述反射镜的其中的一个是被驱动而以一固定频率振动，且所述反射镜的位置是可使所述圆偏极化光束间的光程差小于该光束的同调长度；步骤(A5)使所述圆偏极化光束分别被调变成平行偏极化光束与垂直偏极化光束，且传递路径重合；及步骤(A6)将该平行偏极化光束与该垂直偏极化光束的其中的一个调变成右旋偏极化光束，而另一个调变成左旋偏极化光束。

16.  如权利要求14所述的光学断层影像扫描方法，其特征在于：该步骤(C)包括：步骤(C1)将所述信号光束分光成一具有二种频率而外差干涉的垂直偏极化光束与一具有二种频率而外差干涉的平行偏极化光束；步骤(C2)分别将所述垂直偏极化光束与所述水平偏极化光束转换成电子信号；步骤(C3)对该电子信号滤波，只让所述光束的差频通过；步骤(C4)分别放大所述电子信号；步骤(C5)将所述电子信号相减，以增加信噪比；及步骤(C6)解调该电子信号以获得所述信号光束的振幅与相位差。

17.  一种光学断层影像扫描方法，适用于测量介质，其特征在于：
该方法包含以下步骤：
(A)提供双频率相互关联光子对高同调性光束，且所述光束间的光程差小于所述光源的同调长度；
(B)将所述光束以光学共同路径聚焦于该介质中的不同深度位置，则所述光束被该介质反射后而成为外差干涉的信号光束，而能降低散射效应、色散差与像差以提高断层影像品质；及
(C)由一信号处理单元分析被该介质反射后的所述信号光束，以获得该介质的高空间分辨率断层影像。

18.  一种光学断层影像扫描装置，适用于测量介质，其特征在于：该装置包含：
一双频光束产生单元，发射出双频率相互关联光子对光束，并包括一发射光束的光源、一将该光束调变成线偏极化光束的极化器、一将该光束分光的分光器及二分别反射光束的反射镜，则所述光束再次经过该分光器后的传递路径重合；其中一反射镜是被驱动而以一固定频率振动，且该二反射镜的位置是可使所述光束间的光程差小于该光源的同调长度；
一中继分光器，接收自该双频光束产生单元的分光器射出的所述光束，并将每一光束分光；
一聚焦透镜，可被驱动而移动，且将自该中继分光器射出的所述光束聚焦于该介质；所述光束被该介质反射后而成为信号光束，并再入射该聚焦透镜与该中继分光器；及
一信号处理单元，分析自该中继分光器射出的所述信号光束，以获得该介质的断层影像。

19.  如权利要求18所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该双频光束产生单元还包括一配置于该中继分光器与该聚焦透镜间的四分之一波片，且该中继分光器是偏极化光分光器，该四分之一波片是将自该中继分光器射出的所述光束调变成右旋偏极化光束或左旋偏极化光束。

20.  如权利要求18或19所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该信号处理单元包括依序配置于所述信号光束的传递路径上的一聚焦所述信号光束的透镜、一位于该透镜的焦点上的针孔与一光检测器、一与该光检测器电连接的带通滤波器、一与该带通滤波器电连接的线性放大器及一与该线性放大器电连接的解调器。

21.  如权利要求18所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该双频光束产生单元还包括二分别用以接收自该双频光束产生单元的分光器射出的所述光束的四分之一波片，且该双频光束产生单元的分光器是偏极化光分光器，该双频光束产生单元的分光器与极化器相配合以将该光束分光成一垂直偏极化光束及一平行偏极化光束，所述四分之一波片分别将该垂直偏极化光束与该平行偏极化光束调变成圆偏极化光束。

22.  如权利要求21所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该信号处理单元包括依序配置于所述信号光束的传递路径上的一可调整极化角的偏极化光分析器、一聚焦所述信号光束的透镜、一位于该透镜的焦点上的针孔与一光检测器、一与该光检测器电连接的带通滤波器、一与该带通滤波器电连接的线性放大器及一与该线性放大器电连接的解调器。

23.  如权利要求21所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该双频光束产生单元还包括一用以接收自该双频光束产生单元的分光器射出的该平行偏极化光束与该垂直偏极化光束的四分之一波片，该平行偏极化光束与该垂直偏极化光束的其中的一个被该四分之一波片调变成右旋偏极化光束，而另一者调变成左旋偏极化光束。

24.  如权利要求23所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该信号处理单元包括配置于所述信号光束的传递路径上的一极化光分光器与二光检测器、二分别与所述光检测器电连接的带通滤波器、二分别与所述带通滤波器电连接的线性放大器、一与所述线性放大器电连接的差动放大器及一与该差动放大器电连接的解调器，该极化光分光器将每一信号光束分光成一垂直偏极化光束及一平行偏极化光束。

25.  如权利要求22或24所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该光学断层影像扫描装置还包含一偏极化光分析器及一与该信号处理单元电连接的光检测器，部分自该中继分光器射出的所述光束穿过该偏极化光分析器后入射该光检测器。

26.  如权利要求18或19或21或23所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该光源为高同调性光源。

27.  如权利要求18或19或21或23所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该光源为低同调性光源。

28.  如权利要求27所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该光源为超高亮度发光二极管。

29.  如权利要求18或19或21或23所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该聚焦透镜可被驱动而相对于该介质来回移动。

30.  如权利要求18或19或21或23所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该双频光束产生单元还包括一驱动所述反射镜的其中的一个的压电致动器及一驱动该压电致动器的函数产生器。

31.  如权利要求19或20或22或24所述的光学断层影像扫描装置，其特征在于：该解调器为锁相放大器。

说明书光学断层影像扫描方法及其装置
【技术领域】
本发明涉及一种断层影像扫描装置及其方法，特别是涉及一种光学断层影像扫描方法及其装置。
【背景技术】
光学同调断层影像扫描装置(Optical CoherenceTomography，OCT)是目前使用在眼科、皮肤科、心血管及其他相关医学诊断相当有用的断层影像扫描装置，因为其可提供诊断各种疾病所需的清晰断层影像(sectionalimage)，而且比起其他非侵入式的医学照影技术，例如电脑断层影像扫描(Computer Tomography，CT)、磁振造影(Magnetic Resonance Imaging，MRI)与超音波(ultrasound)等，OCT可提供更佳的空间分辨率。
基本上，OCT是使用低同调性(low coherence)光源的麦克森干涉仪。麦克森干涉仪在信号光束与参考光束间的光程差(optical path difference)小于光源的同调长度(coherence length)时才会干涉，又因为OCT使用低同调性光源，所以同调长度很短，因此OCT的信号光束与参考光束间的光程差必须更小才会发生干涉，以获得同调长度内的反射影像，因此同调长度愈短则纵向分辨率愈好。
参阅图1，现有的OCT适用于测量一介质11，并包含一光源12、一分光器(beam splitter)13、一反射镜14、一聚焦透镜15、一光检测器161及一信号处理单元162。
光源12发射出一低同调性的光束。分光器13配置于光束的传递路径上，用以接收自光源1 2射出的光束，并将光束分光成分别行进经不同传递路径的一信号光束101及一参考光束102。
反射镜14配置于参考光束102的传递路径上，且可被驱动而来回移动，并用以反射自分光器13射出的参考光束102。而聚焦透镜15配置于信号光束101的传递路径上，用以接收自分光器13射出的信号光束101，并将信号光束101聚焦于介质11的表面或内部的某一定点。
信号处理单元162与光检测器161电连接，被反射镜14反射后的参考光束102以及被介质11反射后的信号光束101再次经过分光器13，然后入射到光检测器161，借由光检测器161将光束转换成电子信号，而信号处理单元162则是用以分析电子信号以获得介质11的断层影像。
自介质11反射的信号光束101是从介质11的多个深度位置反射，所以借由移动反射镜14来改变参考光束102的光程(optical path)，可得到不同深度的干涉信号，借此求出介质11的断层影像。也就是说，当参考光束102与自介质11的某一深度反射的信号光束101间的光程差小于光源12的同调长度时，便产生干涉并获得的干涉信号，在分析自各深度获得的信号后，便能拼凑出介质11的三维断层影像。
因此，断层影像的纵向分辨率是由光源12的同调长度决定，也就是同调长度愈短则纵向分辨率愈好，而横向分辨率则是由聚焦透镜15的数值孔径(NumericalAperture，NA)决定，使用数值孔径愈高的聚焦透镜15则聚焦后的光束愈小，而横向分辨率便愈好。
参阅图2，但是由于数值孔径较高的聚焦透镜15的景深(depth of field)较短，则稍微偏离聚焦透镜15的焦点所获得的断层影像的横向分辨率就会明显变差。所以如图3，一般的OCT仍是使用放大倍率约20倍的低数值孔径的聚焦透镜15，使景深够长，以确保同调闸(coherencegate)能一直保持在景深内。
一般常使用超高亮度二极管(Super LuminescentDiode，SLD)作为光源12，则纵向分辨率大约为10～15μm，这样的分辨率只能辨别到生物组织层级的型态与疾病所造成的型态上的变异，但是若欲达到真正的光学切片(optical biopsy)，也就是要能诊断如癌症等生物细胞层级的病变，则至少需要1μm等级(order)的分辨率才能达到。
为了提高纵向分辨率，最直接的方法就是使用频宽更宽的光源12，也就是同调长度更短的光源12，例如使用锁模钛蓝宝石激光，则其纵向与横向分辨率可分别达到1.5μm与3μm，然而这种激光系统光学精度要求高，较不适合使用于医学临床诊断。
另一个方法则是使用高数值孔径的聚焦透镜15以提高横向分辨率，并配合一针孔(pinhole)，也就是所谓的光学同调显微术(optical coherence microscopy，OCM)，当同调闸及由聚焦透镜15与针孔所形成的共焦闸(confocal gate)在同一深度位置重叠时，只有自介质11在聚焦透镜15的焦点处所反射的光可通过针孔，自介质11中的其他位置的反射光则因针孔所形成的空间过滤闸(spatial filtering gate)而无法通过，因此可达到1μm等级的纵向分辨率。且因为使用白光，所以比一般共焦显微镜能在深度更深的高散射介质中取得高分辨率的断层影像。
然而使用高数值孔径的聚焦透镜15需要同调闸与共焦闸一直重叠，才有最佳的信号，所以要作纵向扫描就需使用动态聚焦的方式，使同调闸与共焦闸能够一起移动。
例如使聚焦透镜15来回移动时，反射镜14也同步移动，但是若介质11中的折射率不均一时，不但因聚焦透镜15移动而改变信号光束101的光程，聚焦透镜15将信号光束101聚焦在介质11中不同折射率处也会改变信号光束101的光程，则反射镜14不但要同步移动，在参考光束102的传递路径上还需要放置一折射率与介质11的折射率相同的补偿器(compensator)，以使两光束间的光程差能小于光源12的同调长度。但是因为无法确切知道介质11的折射率的变化，只能以近似的折射率作为补偿器的折射率。
不论是因为使用高数值孔径的聚焦透镜15，或是因为信号光束101进入介质11较深处所造成的像差(aberration)与色散差(dispersion)，都会导致信号光束101与参考光束102的光程不对称，而使得干涉信号的波包(wave packet)拉宽，致使分辨率变差。
再者，因为介质11会散射信号光束101，尤其当介质11是高散射物时，会造成自介质11中的其他深度位置的反射光也能通过针孔，造成干涉信号的信噪比(SNR)下降，因而降低断层影像的品质。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种降低散射效应及同时降低像差与色散差而可提高在较高散射介质中成像的纵向和横向分辨率断层影像的光学断层影像扫描方法及其装置
本发明的另一目的在于提供一种可自动抵消像差与色散差的光学断层影像扫描方法及其装置。
本发明的又一目的在于提供一种降低系统架设困难度的光学断层影像扫描方法及其装置。
于是，本发明光学断层影像扫描装置适用于测量介质，其特征在于：
该装置包含一双频光束产生单元、一中继分光器、一聚焦透镜及一信号处理单元。
该双频光束产生单元发射出双频率相互关联光子对光束，并包括一用以发射低同调性光束的光源、一用以接收自该光源射出的该光束并调变成线偏极化光束的极化器、一将通过极化器的光束分光的分光器及二分别接收并反射自该分光器射出的光束的反射镜。将分别自所述反射镜反射的二光束再次经过该分光器后使二光束传递路径重合。其中一反射镜是被驱动而以一固定频率振动，且该二反射镜的位置是可使所述光束间的光程差小于该光源的同调长度。
该中继分光器是用以接收自该双频光束产生的双频率相互关联光子对光束，并将光束分光。
该聚焦透镜可被驱动而移动，是用以接收部分自该中继分光器射出的双频率光子对光束，并将所述光束聚焦于该介质。所述光束被该介质反射后而成为信号光束，并再入射到该聚焦透镜与该中继分光器。
该信号处理单元接收并分析自该中继分光器射出的所述信号光束，以获得该介质的断层影像，并包括一用以聚焦所述信号光束的透镜及一位于该透镜的焦点上的针孔。
于是，本发明光学断层影像扫描方法适用于测量介质，其特征在于：
该方法包含以下步骤：
(A)提供双频率相互关联光子对低同调性光束，且所述光束间的光程差小于所述光源的同调长度，而其中一光束的频率是由一振动的反射镜因多普勒效应而改变。
(B)将所述光束以光学共同路径聚焦于该介质中的不同深度位置，则所述光束被该介质反射后而成为外差干涉的信号光束，而能降低散射效应、色散差与像差以提高断层影像品质。
(C)由包括一透镜及一位于该透镜的焦点上的针孔的信号处理单元分析被该介质反射后的所述信号光束，以获得该介质的高空间分辨率断层影像。
本发明采用外差干涉(heterodyne interference)原理，使传递路径相同的光束的像差与色散差自动相互抵消，并透过移动聚焦透镜来作纵向扫描，降低系统架设困难度，且可使用高数值孔径的聚焦透镜以获得高横向分辨率的断层影像，借此解决以往纵向、横向分辨率无法兼顾的问题。此外，本发明特别可适用在测量高散射介质，一方面因为双频率相互关联低同调性光子对在散射介质中去极化效应；以及因使用低同调性光束，则经过散射的低同调双频率光子对光束无法产生干涉，借此降低散射效应。再一方面信号光束经透镜聚焦，再由针孔过滤聚焦透镜的离焦平面反射的信号光束，也可降低散射效应并获得高纵向分辨率的断层影像。
【附图说明】
下面结合附图及实施例对本发明光学断层影像扫描方法及其装置进行详细说明：
图1是一示意图，说明现有的光学同调断层影像扫描装置。
图2是一示意图，说明现有的光学同调断层影像扫描装置的一高数值孔径的聚焦透镜的景深较短。
图3是一示意图，说明现有的光学同调断层影像扫描装置的一低数值孔径的聚焦透镜的景深较长。
图4是一示意图，说明本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第一较佳实施例。
图5是一示意图，说明该第一较佳实施例可测量线偏极化双折射介质的相位延迟的断层影像。
图6是一示意图，说明本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第二较佳实施例。
图7是一示意图，说明本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第三较佳实施例。
图8是一示意图，明本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第四较佳实施例。
图9是一示意图，说明本发明光学断层影像扫描方法及其装置的高数值孔径的聚焦透镜景深较短但是同调闸较长。
【具体实施方式】
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的四个实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。
为了方便说明，在以下的实施例中，相同的元件以相同的标号表示。
参阅图4，本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第一较佳实施例包含一双频光束产生单元3、一中继分光器41、一聚焦透镜42及一信号处理单元5。
双频光束产生单元3包括一低同调性光源31例如超高亮度二极管(SLD)，通过一可调整极化角的极化器(polarizer)32以产生45°线偏极化光束，由一偏极化光分光器(Polarizing Beam Splitter，PBS)33”将线偏极化光束分成平行偏极化(p-polarization)光束和垂直偏极化(s-polarization)光束，以下简称P波和S波，S波经过方位角(azimuth angle)45°的四分之一波片(Quarter Wave Plate，QWP)36后变成圆偏极化光束，再经由因压电致动器(PieZo-electric Transduceractuator，PZT actuator)而来回振动的反射镜341反射并产生多普勒(Doppler)频率偏移ΔωD并再次通过四分之一波片36后变成P波而能穿过偏极化光分光器33”，此时，P波的频率已变成ω1＝ω0+ΔωD，ω0为光源31的中心频率，而原先由偏极化光分光器33”穿透的P波则同样经过方位角45°的四分之一波片36后变成圆偏极化光束，再由固定不动的反射镜342所反射，并再次经过四分之一波片36后变成S波，因没有多普勒效应，则S波的频率ω2＝ω0，并在偏极化光分光器33”反射，与P波重合而形成双频率(ω1，ω2)相互关联且相互垂直的线偏极化光子对低同调性光束。但是不以此为限，自双频光束产生单元3射出的光束也可以是椭圆偏极化光束或是圆偏极化光束，或是非偏极化光束。
再者，反射镜341、342的位置必须使光束间的光程差小于光源31的同调长度。且在本实施例中，反射镜341是透过压电致动器而产生振动，且压电致动器又是受发出固定频率信号的函数产生器(function generator)驱动而使得ΔωD固定不变，但是不以此为限，也可以使用其他方法使反射镜341振动造成相同效果。
在本实施例中，为测量高散射介质2，因此使用低同调性的超高亮度发光二极管作为光源31，以获得高分辨率的断层影像，但是不以此为限，也可以是其他低同调性光源。且若为非散射介质2，则可以使用高同调性光源。
在本实施例中，极化器32的极化方向与如图4所示的X轴与Y轴均相差45度，且偏极化光分光器33”可供平行偏极化光束穿透与垂直偏极化光束反射。但是极化器32的极化方向也可以为其他方向，且偏极化光分光器33”也可以是供垂直偏极化光束穿透与平行偏极化光束反射。
然后，双频率光子对光束经中继分光器41和相对于介质2而来回移动以进行纵向扫描且具高数值孔径的聚焦透镜42聚焦在散射介质2中的成像平面上并反射，反射的信号光束再经由聚焦透镜42及中继分光器41反射并入射信号处理单元5。通过一可调整极化方向角度θs的偏极化光分析器57、透镜51与针孔52，再被一光检测器53所接收并产生外差干涉电子信号。
极化角θs的定义是偏极化光分析器57的极化方向与如图4所示的X轴相差θs度，且与Y轴相差(90-θs)度。
透镜51可将信号光束聚焦，而针孔52则位于透镜51的焦点上，以过滤掉自介质2中且位于聚焦透镜42的离焦平面反射的信号光束。
然后外差干涉电子信号通过一个以差频(beatfrequency)ΔωD为中心频率的带通滤波器(Band PassFilter，BPF)54，所产生的外差干涉电子信号可写成
Isig(Δωt)＝γApAssin2θscos(Δωt+δP-δS)，
差频 Δω D = ω 0 · v c , ]]>光源31的同调函数(coherencefunction) γ = exp [ - ( 2 Δl ln 2 l ω ) 2 ] , ]]>振动的反射镜341的速度 v = ∂ ( Δl ) ∂ t , ]]>
Δl为振动的反射镜341的位移，同时Δl也是双频率光子对光束的光程差，lw为光源31的同调长度，Ap与As则分别为平行与垂直偏极化信号光束的振幅，ω0为光源31所发射出的光束的中心频率，c为光速，δp与δs分别为平行与垂直偏极化信号光束的相位，又因为平行与垂直偏极化信号光束的传递路径相同，所以δp＝δs，则δP-δS≌0。
然后将滤波后的电子信号经一线性放大器(linearamplifier)55放大后，再用解调器(demodulator)56获得信号光束的振幅与相位差，或利用希伯特转换(Hilbert transform)以电脑软件方法将外差干涉电子信号解调并将振幅大小及相位差信号显示在二维显像装置中。
在本实施例中，解调器56为锁相放大器(lock-inamplifier)，但是也可以用其他电子装置取代。
当对介质2作断层扫描时，可借由横向移动介质2以使光束聚焦于介质2的某一位置，然后移动聚焦透镜4 2以获得同一横向位置的不同深度的信号光束，也就是进行纵向扫描。再利用信号处理单元5分析自介质2中的不同纵向位置反射的信号光束，以获得每一位置的信号光束的振幅与相位差，最后再将各位置的资讯拼凑起来即可获得介质2的纵向(X-Z)断层影像。同理也可固定同一纵向位置做横向位置扫描而得到横向(X-Y)断层扫影像。
由于双频率极化光子对在通过散射介质2时，借由外差干涉效率(heterodyne efficiency)对光束传播方向的敏感性以及散射介质2对极化光的去极化(depolarization)等现象，因为偏极化光分析器57的存在而产生外差干涉，可大幅降低散射效应，因此可利用偏极化光分析器57过滤大角度散射的极化光子对，而可形成极化筛选闸(polarization gating)和同调闸(coherencegating)以产生外差干涉信号。有效的搜集较多的弱散射光子对(weak scattering photon-pair)，可提高信号的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)及提升扫描影像的品质。
因此，和一般的OCT或OCM在散射介质中成像相比，该第一较佳实施例在散射介质2中成像有较高的压抑多重散射光子对(multiple scattering photon-pairs)的能力，同时有较好的搜集弱散射光子对(weak scatteringphoton-pairs)的能力，而可得到较好的SNR，这都是因为双频率极化光子对在散射介质2中以共同路径传播，产生外差干涉信号的缘所以。
另外，色散差、像差等不匹配所造成波前的变形问题也因双频率极化光子对同时在介质2中以共同路径传播可以大幅抵销，因此该第一较佳实施例能在高散射介质2中成像，并有较佳的影像品质，特别是可同时兼具纵向及横向分辨率，可同时拥有扫描横向断层影像(sectioningimage，x-y scan)及纵向断层影像(tomography，x-z scan)的断层影像能力。而其他光程如散射的P波和S波均因为低同调性光源31的限制，使得不在同调区域范围内的极化光子对均无法有效产生外差干涉信号而可利用带通滤波器54去除，以达到断层影像的目的。
参阅图5，若介质2具有线偏极化双折射(birefringence)的光学特性时，可再多利用一参考光束74以获得介质2的相位延迟(phase retardation)δ＝δp1-δs1的断层影像。将部分自中继分光器41射出的光束作为参考光束74，而参考光束74穿过一方位角为θr的偏极化光分析器43后发生外差干涉，然后再入射一光检测器44而被转换成电子信号Ir(Δωt)≈ApAScos(Δωt)。而信号光束76也穿过一方位角为θs的偏极化光分析器81再入射一光检测器82。则借由一信号处理单元83分析信号光束76与参考光束74的电子信号，以分析出信号光束间的相位差，便可获得介质2的相位延迟的断层影像。信号处理单元83可以是锁相放大器或差动放大器(Differential Amplifier，DA)。用差动放大器的优点是，其SNR高且速度快，参考光束74可表示为Ir≈Ap2AS2sin2θrcos(Δωt)，信号光束76可表示为Is≈Ap1AS1sin2θscos(Δωt+δp1+δs1)，借由调整θr和θs的角度可使K＝Ap1AS1sin2θs＝Ap2AS2sin2θr，则经由差动放大器处理后的电子信号可表示为
ΔI = I s - I r = 2 K sin ( δ p 1 2 - δ s 1 2 ) sin ( Δωt ) ≈ K ( δ p 1 - δ s 1 ) sin ( Δωt ) ]]>
则由电子信号的振幅K(δp1-δs1)可得到相位延迟δ＝δp1-δs1详细技术手段请参见申请人的台湾第89104991号专利申请案与美国证书号7006562的专利案。
参阅图6，本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第二较佳实施例与该第一较佳实施例不同在于该双频光束产生单元30发射出的光束的偏极化方向相互平行。
使极化器32的方位角相对X轴为0°而产生平行偏极化光束P波，再经由分光器33分光及经过以PZT振动的反射镜341及固定位置的反射镜342反射，而产生双频率相互平行的P波，(P1(ω1)及P2(ω2))，入射到介质2中。再经由中继分光器41反射，再经过透镜51及针孔52而入射到光检测器53中并产生外差干涉电子信号。
在本实施例中，极化器32的极化方向与如图5所示的X轴相同，所以光束71为平行偏极化光束，但是也可以为其他线偏极化光束。
参阅图7，本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第三较佳实施例与该第一较佳实施例不同在于自该双频光束产生单元3’发射出的光束为相互平行线偏极化(P1(ω1)+P2(ω2))。
方位角45°的四分之一波片35将相互平行的P波调变成两个右旋偏极化光束，但是也可以将相互平行的线偏极化光束调变成两个左旋偏极化光束，然后入射到介质2中，经反射再通过四分之一波片35而将两个右旋偏极化光束转成相互平行的S波，而在偏极化光分光器41’反射并通过透镜51及针孔52到达光检测器53产生外差干涉信号。
在本实施例中，极化器32的极化方向与如图6所示的X轴相同，所以光束为平行偏极化光束，且偏极化光分光器41’可供平行偏极化光束穿透与垂直偏极化光束反射，而四分之一波片35可将平行偏极化光束调变成右旋偏极化光束。但是极化器32的极化方向也可以为其他方向，且偏极化光分光器41’也可以是供垂直偏极化光束穿透与平行偏极化光束反射。41’也可以用非偏极化分光器取代。
参阅图8，本发明光学断层影像扫描方法及其装置的第四较佳实施例与该第一较佳实施例不同在于自该双频光束产生单元30’发射出的光束分别为一右旋偏极化光束及一左旋偏极化光束，加上差动放大器65以达到提高信噪比而提升灵敏度。
以SLD为光源31，结合一极化器32是为了达到线偏极化的目的。光束经由一偏极化光分光器33”分光，同第一较佳实施例的原理形成双频率且相互垂直的线偏极化低同调性光束，一起经过方位角为45°的四分之一波片37后变成双频率的一右旋偏极化与一左旋偏极化光束，简称R波和L波，再经由一可扫描的聚焦透镜42将R波和L波聚焦到介质2并反射。则右旋与左旋信号光束可分别表示为
A R 1 - i e i δ R e i ω 0 t = [ A R e i δ R 1 0 - i A R e i δ R 0 1 ] e i ω 0 t ]]>与
A L 1 i e i δ L e iΔωt e i ω 0 t = [ A L e i ( Δωt + δ L ) 1 0 + i A L e i ( Δωt + δ L ) 0 1 e i ( ω 0 + Δω D ) t ]]>
AR与AL分别为右旋与左旋信号光束的振幅，δR与δL则分别为右旋与左旋信号光束的相位，ω0为该光源31所发射出的光束的中心频率，ΔωD则为差频。
反射的信号光束在通过中继分光器41和极化光分光器61后被两个光检测器62接收并产生外差干涉，由极化光分光器61将R波及L波中的P波分量(P1+P2)及S波分量(S1+S2)分别输入到两个光检测器62形成外差干涉信号大小为
I P 1 + P 2 ( Δωt ) = | A R e i δ R e i ω 0 t + A L e i δ L e i ( ω 0 + Δω D ) t | 2 = A R 2 + A L 2 + 2 A R A L cos ( Δωt + δ ) ]]>
I S 1 + S 2 ( Δωt ) = | A R e i δ R e i ω 0 t - A L e i δ L e i ( ω 0 + Δω D ) t | 2 = A R 2 + A L 2 + 2 A R A L cos ( Δωt + δ ) ]]>
δ＝δR-δL，又因为右旋与左旋信号光束的传递路径相同，所以δR＝δL，则 δ ≅ 0 . ]]>
在本实施例中，极化光分光器61可供平行偏极化光束穿透与垂直偏极化光束反射，但是也可以是供垂直偏极化光束穿透与平行偏极化光束反射。
外差干涉信号再分别通过以多普勒频率偏移ΔωD为中心频率的两个带通滤波器63。则其它光程包括散射的R波和L波均因为SLD为低同调性光源31而无法有效产生外差干涉信号，因此可利用带通滤波器63过滤外差干涉信号而提高信噪比。
而后由两个线性放大器64分别放大外差干涉信号，再将外差干涉信号输入到差动放大器65相减并放大两倍，由于系统满足平衡检测器(balance detector)的条件，所以可大幅降低背景噪声，同时增加信号强度，提升系统的SNR，则差动放大器65输出的信号可表示成Iout(Δωt)＝4ARALcos(Δωt+δ)，再经由振幅解调器66，将纵向及横向扫描断层影像显示在二维显示器上。
同理，若介质2具有圆偏极化双折射(circularbirefringence)的光学特性时，则δ＝δR-δL可表示为圆偏极化在介质2中所产生的相位延迟，因此可再多加分析一参考光束75，其通过方位角为0°的偏极化光分析器43并连接光检测器44，而可产生外差干涉参考光束Ir(Δωt)≈ARALcos(Δωt)。同样借由相位解调器66，分析信号光束与参考光束75的电子信号便可获得介质2的圆偏极化双折射相位延迟δ的断层影像。
归纳上述，本发明光学断层影像扫描方法及其装置使用双频率相互关联低同调性光子对，而且光子对的频率有一定的差频存在，而能获得在散射介质2中同时提高三维断层影像的深度分辨率与横向分辨率的断层影像。另外，因两道光束同时以共路径入射介质2，则色散差及像差不匹配等问题自然因外差干涉互相抵消，因此在做断层扫描时，不需要预先知道介质2所造成的色散差及像差而能自动补偿。同时因极化筛选闸、空间同调闸(spatialcoherence gating)、时间同调闸(temporal coherencegating)及针孔52所形成的空间过滤闸(spatialfiltering gating)的存在，而能大幅降低散射效应，提高纵向及横向空间分辨率。又因为是由聚焦透镜42作纵向扫描，以决定纵向扫描位置，也就是共焦闸(confocalgating)一直在时间同调闸内扫描(如图9)，而可降低系统架设的困难度，使得系统不需要采动态聚焦的方式，容易得到纵向(axial direction)扫描的断层影像。而且本发明也可对相互平行或相互垂直的双频率偏极化光子对间的相位延迟进行断层影像扫描，进而获得例如双折射光学特性的相位延迟断层影像，及多普勒断层影像，确实能达成本发明的目的。