光学相干断层扫描(OCT)是一种强大的工具，提供无创的组织学成像。然而，与其他光学显微镜工具一样，需要高数值孔径(N.A.)透镜来产生紧密聚焦，从而产生窄景深，这就需要动态聚焦并限制成像速度。为了克服这一限制，我们开发了一种产生多轴向焦点的超表面平台，通过提供多个焦平面来提高体积OCT成像速度。该平台对产生的轴向焦点的数量、位置和强度提供准确和灵活的控制。直径为8毫米的全玻璃超表面光学元件由熔融硅片制成，并应用于我们的扫描OCT系统中。在所有深度的恒定横向分辨率为1.1 μm，多焦点OCT将皮肤学成像的体积采集速度提高了三倍，同时仍然清晰地显示角质层、表皮细胞和真皮-表皮连接的特征，并提供形态学信息作为基底细胞癌的诊断标准。在稀疏的样品中，成像速度可以进一步提高，例如7倍的7焦光束。总之，这项工作证明了基于超表面的多焦点OCT用于快速虚拟活检的概念，进一步为开发具有高分辨率和紧凑体积的快速体积成像系统提供了见解。
目前生物学成像中超表面光学的孔径相对较小(通常直径为几百微米)，导致焦距(或工作距离)短，视场(FOV)小，与扫描仪不兼容，并且无法处理大直径激光束(例如，直径为毫米)。这项工作旨在解决这些问题。研究者制作了直径为8mm的全玻璃超表面光学元件，并将这些平面光学元件集成到扫描OCT系统中。我们选择了全二氧化硅设计来简化制造过程，并选择熔融二氧化硅，因为它在紫外到红外光谱上具有出色的透射性。由于超透镜具有严重的色散，特别是在大直径和毫米级焦距的情况下，在这项工作中绕过多焦超透镜，而是使用由超表面多焦产生器和消色差物镜组成的混合透镜。实验证明，混合设计是一种实用可靠的解决方案。
具有多焦点超表面的混合透镜设计
为了在轴向上产生多个焦点，超表面相位表示为PMeta (x , y) ={[PLens (x , y , f m ) PLens (x , y , f )] × Am (x , y)}。式中(x,y)为平面坐标，M为焦数，f M为目标焦位置，fo为物镜与多焦超表面配合的焦距，P Lens = 2 n[f 2 (x 2 + y 2) f]/为透镜相位轮廓，λ为光波长，n为周围环境的衍射指数，Am (x,y)为二元矩阵，作为分配器将超表面像素随机分配到不同焦点图1b中多焦超表面与物镜的组合给出了M [PLens (x, y, f) × Am (x, y)]的相位调制。在各焦之间均匀分配，且焦强度与焦数的平方成反比。我们制作了四个与图1b中四个多焦光束对应的多焦超表面，并在OCT系统中进行了测试。在多焦超表面的帮助下，OCT可以产生两个、三个甚至七个焦平面，图1c中0.8 μm聚苯乙烯(PS)珠的OCT b扫描(XZ平面)实验证明了这一点。
光学相干断层扫描中多焦点光束
由于OCT皮肤成像的样品通常是致密的，具有很强的光吸收，因此作者有意限制焦点的数量，以实现每个焦点的更高功率。选择三个多病灶的OCT成像光束:两个焦点梁1 (2 foci-1)的轴向间隔40μm 超表面像素同样分配给这两个焦点(R - 1 = 50%, R2 = 50%),这两个焦点梁2 (2 foci-2)有一个相同的间隔40μm和不同像素比率(1 = 45%,R 2 = 55%),和三个焦点梁(3Foci)同样有40μm间隔与比率R 1 = 27%, R 2 = 33%, R 3 = 40%。使用图S1b所示的工具在OCT光源(910 - 100 nm)下测量三束光束的轮廓。从XZ曲线可以看出，三束多焦光束的焦点位置与设计一致。图3b显示了光束在五个深度的横截面轮廓，表明每个焦点都有一个圆形的高斯轮廓。正态高斯光束和三种多焦光束的轴向强度分布。2Foci-1的两焦强度比为50:50,2Foci-2的强度比为46:54,3Foci的强度比为25:36:39。实验值与设计值一致，证明了方法的准确性。图3d比较了多焦点光束和聚焦高斯光束的光束直径。所有焦的直径为1.0 ~ 1.1 μm, DOF为6 μm。在图3和之后的图4中，将40物镜的焦点位置设为Z = 0。2Foci和3Foci光束的焦距分别为4.5 mm 20 μm和4.5 mm + (40 μm, 0 μm, 40 μm)。
高斯光束、双焦光束(2Foci-1和2Foci-2)和三焦光束(3Foci)对0.8 μm PS微珠的体积成像
在OCT系统中，使用0.8 μm PS微珠对高斯光束和三个多焦光束进行了表征。珠子沿深度方向的最大强度投影表明，高斯光束只能在视场(FOV)中珠子数量相对较少的薄深度层中获得清晰的珠子轮廓。相比之下，2Foci-1和2Foci-2光束可以清楚地从两个焦平面上分辨出珠子，在相同的数据采集过程中提供更多有用的信息。同样，3Foci光束可以显示最多的珠子，因为它沿着三个焦平面捕获数据。图4b给出了五个深度的xyplane。高斯光束在Z = 0处能清晰地分辨出微珠，而在非聚焦深度处，微珠轮廓明显扩大。两焦光束在Z = 20和20 μm处具有较好的分辨能力，三焦光束在Z = 40 μm、0和40 μm处具有较好的分辨能力。更多的头部幻像成像细节见图S4和图7。四束光束的轴向强度从头模体体积测量，并绘制在图中。如前所述，多焦点光束M表示为M = 1 [F(x, y, F M) Rm]，强度为高吸光样品中深层区域的增强信噪比。
OCT快速高分辨率细胞成像
目前，细胞分辨率成像是通过高数值镜头实现的，并且受限于镜头的短DOF。使用40X物镜对74岁男性鼻侧壁正常皮肤进行OCT成像。焦平面位于皮肤表面(Z = 0)，角质层的特征清晰可见，表皮区域的图像过于模糊而无法区分，如Z = 40和80 μm的XY平面所示。在双焦光束(2Foci-2)下，b扫描生成两个焦平面，并精确描绘出Z = 0处角质层和Z = 40 μm处表皮细胞的轮廓。利用三焦光束(3Foci)的OCT系统可以同时在三个焦平面上可靠地获取细胞分辨率图像。在Z = 0, Z = 40 μm和Z = 80 μm的离散深度上，细胞很容易被分解。这些实验结果表明，在相同的参数下，多焦光束可以从多个平面上收集非常详细的图像数据，收集的体积是高斯光束的2- 3倍。为了高分辨率的体积成像，动态聚焦被利用。焦平面轴向平移扫描连续逐级深度。每次平移后，对样品再次进行体积成像，仅提取DOF内的层进行存储。最后，对所有存储层进行数字重建，形成完整的高分辨率三维图像。理论上，轴向运动的数量(z堆)与光束的焦点数量成反比。理论上，与高斯光束相比，双焦点或三焦点超表面光束只需要一半或三分之一的z堆栈数量，从而允许更快的细胞分辨率皮肤成像。
75岁男性鼻部基底细胞癌(BCC)的OCT影像
图像通过三焦(3Foci)光束捕获。与之前所示的正常皮肤样本相比，BCC样本显示角质层较厚，肿瘤角化细胞细胞与周围基质之间界限不清。角质层呈不规则的蜂窝状，可见单个明亮的肿瘤岛(蓝色星号)，周围是深色的瘤周裂隙(白色箭头)。图7d显示明显的肿瘤角质形成细胞拥挤在一起，没有中间的基质细胞(黑色星号)。这些发现与使用高分辨率反射共聚焦显微镜(RCM)观察皮肤癌时所观察到的BCC特征一致。在RCM中，上述异常形态信息可作为BCC的诊断标准。
在这项工作中，研究团队展示了基于超表面的多焦点OCT应用于快速组织样成像(虚拟活检)的概念。多焦点OCT可以将高质量细胞分辨率皮肤成像的体积采集速度提高三倍，而不会降低空间分辨率。空间样品允许更大的成像速度提高，例如，七焦光束的7倍改进。提出的多焦点相位模型利用随机空间复用，可以灵活准确地控制焦点的数量、位置和独立焦点的强度。研究团队开发了一种大型(例如，直径8毫米)全玻璃超表面光学元件与熔融硅晶圆的制造工艺。在未来的工作中，我们将开发消色差多焦超透镜，以实现OCT探头的小型化，从而显著增加应用。在这项工作中开发的技术不仅适用于OCT应用，而且也适用于其他微观系统，如共聚焦、多光子和光声成像，其中体积成像速度的加速将是有益的。简而言之，这项工作为开发具有持续高空间分辨率和紧凑体积的快速体积成像系统提供了前景。
