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西班牙人对维戈塞尔塔: 集成光學相干斷層掃描系統.pdf

關 鍵 詞:
集成 光學 相干 斷層 掃描 系統
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摘要
申請專利號:

CN201180067945.X

申請日:

2011.12.16

公開號:

CN103370597A

公開日:

2013.10.23

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 登錄超時
IPC分類號: G01B9/02 主分類號: G01B9/02
申請人: 奧克森技術有限公司
發明人: D·C·弗朗德斯
地址: 美國馬薩諸塞州
優先權: 2010.12.30 US 12/981,783
專利代理機構: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205 代理人: 譚英強
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201180067945.X

授權公告號:

法律狀態公告日:

2018.11.28

法律狀態類型:

登錄超時

摘要

一種光學檢測器系統包含一密封光電組件、一安裝于光電組件內的光學試驗臺,一安裝于光學試驗臺上的平衡檢波系統。平衡檢波系統包括至少兩個接收干涉信號的光學檢測器。一安裝于光電組件內的電子放大系統放大至少兩個光學檢測器的一輸出量。同時還公開了一種集成光學相干斷層掃描系統。提供了多個實施例,其中放大器(通常為互阻抗放大器)與檢測來自于干涉儀的干涉信號的光學檢測器緊密集成?;固峁┯辛磽獾囊恍┦凳├?,其中干涉儀,優選地還有其檢測器,一起集成于一共同的光學試驗臺上。從而,有很少或沒有光纖的系統得以實施。

權利要求書

權利要求書
1.  一種光學相干性分析系統,包括:
一干涉儀分束器,用于分離一來自于樣本臂和基準臂之間的一光源的源光信號;
一第一樣本臂偏振分束器,所述源光信號通過所述第一樣本臂偏振分束器被傳輸至一樣本,第一樣本臂偏振分束器引導從樣本返回的源光信號的第一偏振至第一對光學檢測器;
一第二樣本臂偏振分束器,所述源光信號通過所述第二樣本臂偏振分束器被傳輸至樣本,第二樣本臂偏振分束器引導從樣本返回的源光信號的第二偏振至第二對光學檢測器;和
一非互易樣本偏振旋轉系統,所述非互易樣本偏振旋轉系統設置于第一樣本臂偏振分束器和第二樣本臂偏振分束器之間。

2.  根據權利要求1所述的一種系統,進一步包括一第一基準臂分束器,通過所述第一基準臂分束器源光信號在基準臂中傳輸,第一基準臂分束器將基準臂中的源光信號引導至第一對光學檢測器。

3.  根據權利要求2所述的一種系統,進一步包括一第二基準臂分束器,通過所述第二基準臂分束器源光信號在基準臂中傳輸,第二基準臂分束器將基準臂中的源光信號引導至第二對光學檢測器。

4.  根據權利要求1所述的一種系統,進一步包括一第一檢測器干涉分束器/合束器,用于產生通過第一對檢測器檢測的來自于從樣本返回的源光信號的第一偏振和來自于基準臂的源光信號的干涉信號。

5.  根據權利要求5所述的一種系統,進一步包括一第二檢測器干涉分束器/合束器,用于產生通過第二對檢測器檢測的來自于從樣本返回的源光信號的第二偏振和來自于基準臂的源光信號的干涉信號。

6.  根據權利要求1所述的一種系統,進一步包括一基準臂非互易基準偏振旋轉系統,所述基準臂非互易基準偏振旋轉系統設置于第一基準臂分束器和第二基準臂分束器之間,其中,所述兩基準臂分束器為偏振分束器。

7.  根據權利要求1所述的一種系統,進一步包括一在基準臂中接收和反復反射源光信號的反射體。

8.  根據權利要求1所述的一種系統,進一步包括一用于產生源光信號的掃頻光源。

9.  根據權利要求8所述的一種系統,進一步包括一防止背向反射至掃頻光源中的隔離器。

10.  根據權利要求1所述的一種系統,進一步包括:
一用于過濾源光信號的光譜過濾器;及
一用于檢測經光譜濾波的源光信號的k時鐘檢測器,以產生一用于觸發第一和第二對檢測器對輸出量進行采樣的k時鐘信號。

11.  根據權利要求1所述的一種系統,進一步包括:一光學試驗臺,安裝于光學試驗臺上的第 一樣本臂偏振分束器、第二樣本臂偏振分束器、第一對光學檢測器和第二對光學檢測器。

12.  根據權利要求11所述的一種系統,其中光學試驗臺安裝于一密封組件內。

13.  一種光學相干性分析系統,包括:
一光學試驗臺;
安裝于試驗臺上的第一對光學檢測器;
安裝于試驗臺上的第二對光學檢測器;
一安裝于試驗臺上的干涉儀分束器,用于分離一來自于樣本臂和基準臂之間的一光源的源光信號;
一安裝于試驗臺上的第一檢測器干涉分束器/合束器,用于產生通過第一對光學檢測器檢測的來自于從一樣本返回的源光信號和來自于基準臂的源光信號的干涉信號。
一安裝于試驗臺上的第二檢測器干涉分束器/合束器,用于產生通過第二對光學檢測器檢測的來自于從樣本返回的源光信號和來自于基準臂的源光信號的干涉信號。

14.  根據權利要求13所述的一種系統,進一步包括:
一第一樣本臂分束器,通過所述第一樣本臂分束器源光信號被傳輸至樣本,第一樣本臂分束器引導從樣本返回的源光信號至第一檢測器干涉分束器/合束器;和
一第二樣本臂分束器,通過所述第二樣本臂分束器源光信號被傳輸至樣本,第二樣本臂分束器引導從樣本返回的源光信號至第二檢測器干涉分束器/合束器。

15.  根據權利要求14所述的一種系統,進一步包括一第一樣本臂分束器和第二樣本臂分束器之間的非互易樣本偏振旋轉系統。

16.  根據權利要求13所述的一種系統,進一步包括一第一基準臂分束器,通過所述第一基準臂分束器傳輸源光信號,第一基準臂分束器將源光信號從基準臂引導至第一檢測器干涉分束器/合束器。

17.  根據權利要求16所述的一種系統,進一步包括一第二基準臂分束器,通過所述第二基準臂分束器傳輸源光信號,第二基準臂分束器將源光信號從基準臂引導至第二檢測器干涉分束器/合束器。

18.  根據權利要求13所述的一種系統,進一步包括一安裝于光學試驗臺上的反射體,在基準臂中接收和反復反射源光信號。

19.  根據權利要求13所述的一種系統,進一步包括一安裝于試驗臺上用于產生源光信號的掃頻光源。

20.  根據權利要求13所述的一種系統,進一步包括:
一安裝于光學試驗臺上用于過濾源光信號的光譜過濾器;及
一安裝于試驗臺上用于檢測經光譜濾波的源光信號的k時鐘檢測器,以產生一用于觸發 第一和第二對檢測器對輸出量進行采樣的k時鐘信號。

說明書

說明書集成光學相干斷層掃描系統
相關申請
本申請要求申請日為2010年12月30日,申請號為12/981,783的美國專利申請的優先權,所述美國專利申請與申請日為2010年12月30日,申請號為12/981,770的美國專利申請相關,所述兩申請都通過全文引用的方式并入此文。
背景技術
光學相干性分析依賴于一基準波和一實驗樣本波之間或一樣本波的兩個部分之間的干涉現象的使用來測量距離和厚度并計算一樣本的折射率。光學相干斷層掃描技術(OCT)為一個示例技術,通常用于執行高分辨率的截面成像。其通常應用于例如在微觀尺度上生物組織結構的實時成像。光波從一對象或樣本反射,且一計算機通過利用關于波如何基于反射改變的信息和通過在整個樣本表面上掃描光波生成對象縱深截面上的影像。
原始的光學相干斷層掃描成像技術為時域光學相干斷層掃描成像技術(TD-OCT),其使用邁克爾遜干涉儀內一可移動的基準反射鏡。后來,傅里葉域光學相干斷層掃描成像(FD-OCT)技術得到了發展。一個示例為時間編碼的FD-OCT,其使用一波長掃頻光源和一獨立的檢測器,其被稱為掃頻光源光學相干斷層掃描(SS-OCT)。另一個示例為光譜編碼的FD-OCT,其使用一寬頻光源和光譜分辨率檢測系統。
這些不同的OCT技術提供了不同的性能特征。FD-OCT相對于TD-OCT在速度和信噪比(SNR)方面具有一定的優勢。在兩種FD-OCT技術中,掃頻光源FD-OCT相較于光譜編碼的FD-OCT具有明顯的優勢,這是由于其平衡和偏振分集檢測的能力;其還具有在波長區域內成像的優勢,在所述波長區域內經濟且快速的檢測器組合是不可用的,而這對于光譜編碼的FD-OCT來說通常是必需的。
掃頻光源OCT在一些其他的方面也具有一定的優勢。光譜組件不是通過空間分離編碼而是實時編碼的。以連續的頻率階躍過濾或產生頻譜并在傅立葉變換之前重建。利用頻率掃描掃頻光源,光學配置變得沒那么復雜,但是現在關鍵的性能特征存在于光源內,且特別是其調諧速度和準確性。
掃頻光源FD-OCT的掃頻光源通常為可調諧激光器??傻饜臣す餛韉撓攀瓢ǜ吖餛琢煉群拖嘍約虻サ墓庋杓???傻饜臣す餛靼ㄒ輝鲆娼櫓?,如一半導體光學放大器(SOA),位于一光諧振腔內,所述光諧振腔還包括一可調濾波器,例如一旋轉光柵、帶有一旋轉反光鏡的柵格,或法布里-珀羅(Fabry-Perot)可調濾波器。目前,其中一些最高速度的可調激光器基于D·佛蘭德斯、M·庫茲涅佐夫和W·阿提婭發明的美國專利第7,415,049B1號,題為具有傾斜多空間模式諧振器調諧元件的激光器(Laser with Tilted Multi Spatial Mode  Resonator Tuning Element)中的激光器設計。這些高度集成的設計允許一較短的激光器諧振腔,在激光器諧振腔內保持雙程光程時間,以便使激光器從根本上能夠高速調諧。第二,微機電系統(MEMS)法布里-珀羅可調濾波器的使用將用于寬光譜掃描帶的能力與低質量高機械諧振頻率可偏轉MEMS反光鏡膜相結合,這也具有高速調諧的能力。
另一類具有避免可調激光器的一些固有缺陷(如掃描速度限制)的可能性的掃頻光源為與光譜寬頻光源相結合的經濾波的放大自發發射(ASE)光源,通常為具有可調濾光器和光放大器的由ASE產生光線的一光源。
一些基于經濾波的ASE光源的最高速設備描述于由W·阿提婭、D·佛蘭德斯、P·克緹蒂斯和M·庫茲涅佐夫發明的美國專利第7,061,618B2號,題為集成光譜系統的專利中,該專利文獻介紹了可調光源。描述了經濾波的ASE掃頻光源的許多變型,包括放大的變型和具有跟蹤濾波器的變型。
以OCT系統的硬件為特征的兩種度量標準為光學干涉儀機械穩定性和電子信號處理系統的電子帶寬。很多情況下,OCT系統干涉儀是由多段光纖構成的。在這些干涉儀中,光纖的機械移動、沖擊和壓力能夠影響光信號相位和偏振方面光纖內光信號的傳播,且這能夠影響這種干涉測量光學系統的系統性能。隨著產生更高的速度、性能和分辨率的OCT系統,足夠高的電子帶寬也變得越來越重要。例如,提高掃頻光源的波長調諧速度(這會產生更高的OCT圖像采集速度)也會導致對用于采集光干涉信號結果的電子設備的更高的需求。
發明內容
本發明涉及關于光學干涉儀及其檢測系統的集成方面的創新。本申請提出了多個實施例,其中電子信號放大器(通常為互阻抗放大器)與檢測來自于干涉儀的干涉信號的光學檢測器緊密集成?;固岢雋肆磽獾囊恍┦凳├?,其中干涉儀,優選地還有其檢測器,一起集成于一共同的光學試驗臺上。從而,很少有或沒有光纖的系統得以實施。這產生了一針對光纖移動、拉緊和震蕩高度穩定的干涉儀。此外,干涉儀可為高度緊湊型、能夠降低系統成本并促進光學相干斷層掃描部署至能夠通過這種小尺寸的干涉儀來啟用的新應用中。創新的光學相干斷層掃描光學干涉儀和檢測系統還具有高度穩健的光學偏振分集檢測的能力。
一般來說,根據某一個方面,本發明的特征在于一包括干涉儀分束器的集成光學相干性分析系統,所述干涉儀分束器用于分離來自于樣本臂和基準臂之間的一光源的源光信號。第一樣本臂偏振分束器(通過其源光信號被傳輸至一樣本)引導從一樣本返回的源光信號的第一偏振至第一對光學檢測器。第二樣本臂偏振分束器(通過其源光信號被傳輸至所述樣本)引導從一樣本返回的源光信號的第二偏振至第二對光學檢測器。一非互易樣本偏振旋轉系統(non-reciprocal sample polarization rotation system)提供于第一樣本臂偏振分束器和第二樣本臂偏振分束器之間。
實施例進一步包括第一基準臂分束器,通過所述基準臂分束器源光信號傳輸至基準臂。第一基準臂分束器引導基準臂中的源光信號至第一對光學檢測器。優選地,還提供有第二基準臂分束器,通過所述第二基準臂分束器源光信號傳輸至基準臂內。第二基準臂分束器引導基準臂中的源光信號至第二對光學檢測器。
優選地提供有第一檢測器干涉分束器/合束器,用于產生來自于從樣本返回的源光信號的第一偏振和來自于基準臂的源光信號通過第一對檢測器檢測的干涉信號。第二檢測器干涉分束器/合束器產生來自于從樣本返回的源光信號的第二偏振和來自于基準臂的源光信號通過第二對檢測器檢測的干涉信號。
在一些實施例中會使用一基準臂非互易基準偏振旋轉系統,基準臂非互易基準偏振旋轉系統設置于第一基準臂分束器和第二基準臂分束器之間,其中,所述兩基準臂分束器為偏振分束器。
一反射體可用于接收并反復反射源光信號的基準臂中。
此外,以下組件可進一步集成于系統中,可能在一共同的光學試驗臺上:一生成源光信號的掃頻光源、一防止背向反射至掃頻光源中的隔離器、一用于過濾源光信號的光譜過濾器,和/或一用于檢測經光譜過濾的源光信號以產生一用于觸發第一和第二對檢測器的輸出量的采樣的k時鐘信號的k時鐘檢測器。
一般來說,根據某一方面,本發明的特征在于一光學相干性分析系統,其包括一光學試驗臺、安裝于試驗臺上的第一對光學檢測器、安裝于試驗臺上的第二對光學檢測器、一安裝于試驗臺上用于分離來自于一樣本臂和一基準臂之間從一源的一源光信號的干涉儀分束器、用于產生干涉信號的第一檢測器干涉分束器/合束器,所述干涉信號通過第一對光學檢測器檢測,來自于從一樣本返回的源光信號和來自于基準臂的源光信號,和用于產生干涉信號的第二檢測器干涉分束器/合束器,所述干涉信號通過第二對光學檢測器檢測,來自于從所述樣本返回的源光信號和來自于基準臂的源光信號。
在實施例中,系統進一步包括第一樣本臂分束器,通過所述第一樣本臂分束器源光信號傳輸至樣本,第一樣本臂分束器引導從樣本返回的源光信號至第一檢測器干涉分束器/合束器和第二樣本臂分束器,通過所述第二樣本臂分束器源光信號傳輸至樣本,第二樣本臂分束器引導從樣本返回的源光信號至第二檢測器干涉分束器/合束器。
進一步,可包括引導來自于基準臂的源光信號至第一檢測器干涉分束器/合束器的第一基準臂分束器,源光信號通過所述第一基準臂分束器傳輸。第二基準臂分束器引導來自于基準臂的源光信號至第二檢測器干涉分束器/合束器。
現在將參考附圖更加具體地敘述并在權利要求中指出包括各種新穎的結構細節和部件組合的本發明的上述和其他特征以及其他優勢??梢岳斫獾氖?,包含于本發明中的具體方法和 裝置是以說明性而非限制性的方式敘述的。在不超出本發明的范圍的情況下,本發明的原理和特征可應用于許多各種不同的實施例中。
附圖說明
附圖中,不同視圖中相同的參考數字代表相同的部件。附圖并不是一定按照比例;重點在于說明本發明的原理。附圖中:
圖1為根據本發明的一個實施例具有一掃頻光源、干涉儀和集成檢測系統的一種光學相干斷層掃描系統的示意圖;
圖2為根據本發明的另一個實施例具有一掃頻光源的光學相干斷層掃描系統的示意圖,包括一集成偏振分集光學檢測系統;
圖3為根據本發明的另一個實施例具有一雙掃頻光源的光學相干斷層掃描系統的示意圖,包括在一集成光學檢測系統中由一輔助檢測器提供的光譜分析功能;
圖4為一光學相干斷層掃描系統的示意圖,其中干涉信號產生于一集成光學檢測系統中;
圖5為一集成光學檢測系統的按一比例的俯視平面圖;
圖6為提供偏振分集檢測的集成光學檢測系統的按一比例的透視圖;
圖7為根據第一實施例的一集成光學相干斷層掃描系統的俯視平面示意圖;和
圖8為根據另一個實施例的一集成光學相干斷層掃描系統的俯視平面示意圖。
具體實施方式
圖1所示為根據本發明的原理構建的包括集成檢測系統10的一種光學相干性分析系統300。
一掃頻光源系統100在光纖320中產生一傳輸至干涉儀50的可調光信號。在優選的實施例中,該可調光信號掃描一發射窄頻的光譜掃描帶。
在一個實施例中,掃頻光源100為一可調激光器。在一個示例中,如美國專利第7,415,049B1號中所述使用一可調激光器,通過全文引用將其并入此文。在其他實施例中,如以下文獻中所述使用一經濾波的ASE掃頻光源:1)美國專利申請序列第12/553,295號,題為用于OCT醫學成像的經濾波的ASE掃頻光源(Filtered ASE Swept Source for OCT Medical Imaging),提交于2009年9月3日,佛蘭德斯等人發明(美國專利申請公布第US2011/0051148號)或2)美國專利申請序列第12/776,373號,題為用于OCT醫學成像的具有自動跟蹤過濾器的ASE掃頻光源(ASE Swept Source with Self-Tracking Filter for OCT Medical Imaging),提交于2010年5月8日,佛蘭德斯等人發明(美國專利申請公布第US2011/0051143號),通過全文引用的方式將這兩份申請并入此文。
優選地,掃頻光源系統100還包括一k時鐘(k-clock)???50。當來自于掃頻光源100的可調光信號通過掃描帶調諧時,k時鐘??橐韻嗤涓艫墓餛翟雋康姆絞講皇敝有藕?。 優選地包括一延遲252,如一電子延遲,以使A2D時鐘觸發延遲與干涉儀中光信號的延遲相匹配。
一干涉儀50用于分析來自一樣本340的光信號。來自掃頻光源???00的可調信號在光纖320上傳輸至一光耦合器322,例如90/10耦合器??傻饜藕龐神詈掀?22在干涉儀50的一基準臂326和一樣本臂324之間分配。
提供有一基準臂環流器342以重新定向返回的光線?;急?26的光纖終止于光纖端面328處。從基準臂光纖端面328出來的光線通過一透鏡330進行校準,然后通過一反光鏡332反射回去。
在一個實例中,外置反光鏡332具有一可調的光纖至反光鏡的距離(見箭頭334)。該距離決定了成像的深度范圍,即基準臂326和樣本臂324之間零光程長度差的樣本340中的位置。根據不同的采樣探頭和/或成像的樣本調整該距離。從基準反光鏡332返回的光線返回至基準臂環流器342并被引導至一50/50光纖耦合器346。
提供有一樣本臂環流器341以重新定向來自樣本340的返回光線。樣本臂324上的光纖終止于樣本臂探頭336處。出來的光線通過探頭336聚焦至樣本340上。從樣本340返回的光線返回至樣本臂環流器341并被引導至50/50光纖耦合器346?;急坌藕藕脫頸坌藕漚岷嫌詮庀筍詈掀?46中以產生干涉信號。
干涉信號接收于集成檢測系統10中。由一平衡接收器在光纖耦合器346的每一個輸出端處檢測干涉信號,所述平衡接收器包括兩個檢測器或光電二極管348。來自平衡接收器348的電子干涉信號通過放大器350(如一互阻抗放大器)放大。
兩個檢測器348連同互阻抗放大器350一起集成于一共同的光學試驗臺110上。該試驗臺110進一步安裝于一光電組件200中。
將檢測器348連同互阻抗放大器350集成于一共同的光電組件中且優選地在一共同的光學試驗臺110上提高了系統的電子性能。用于將平衡接收器檢測器348連接至互阻抗放大器350的導線長度相對較短。這降低了電阻和電容。此外,現在可通過一熱電冷卻器111使互阻抗放大器350以及平衡接收器348的溫度保持恒定。在一個實施例中,熱電冷卻器111安裝于試驗臺110和光電組件200之間。這使得冷卻器111能夠從組件上消除試驗臺110上所產生的熱量。然而,在其他實施例中是不使用該冷卻器111的。
一模數轉換系統(A2D板)315用于從放大器350對干涉信號輸出進行采樣。源自k時鐘???50的頻率時鐘信號和源自掃頻光源???00的掃描脈沖信號用于通過模數轉換系統315使系統數據采集與掃頻光源系統100的光頻調諧同步。
通過對樣本進行光束掃描并調諧掃頻光源,從樣本340收集一完整的數據組。這通常是通過相對于樣本340空間光柵掃描來自于探頭336的聚焦光束來實現的,通常以一解析幾何 (x-y)的方式或一圓柱幾何(θ-Z)的方式,且這些點的每一個處的光譜響應都是從掃頻光源100的頻率調諧產生的。計算引擎(如浮點門陣列或數字信號處理器)380對數據進行傅立葉變換,以便產生樣本340的一2D或3D層析重建。然后由數字信號處理器380產生的該信息可顯示在一視頻監視器上。
在一種應用中,將探頭336插入血管內并用于對動脈和靜脈的內壁進行掃描檢查。在其他的實例中,探查還包括其它的分析形式如血管內超聲(IVUS)、前瞻性血管內超聲(FLIVUS)、高強度聚焦超聲(HIFU)、壓力傳感線和圖像引導治療設備。在另一個醫學應用中,一眼用探頭用于掃描并生成一眼睛前部或后部的OCT圖像,如眼睛視網膜。這種診斷成像也可用于圖像引導治療和與治療方法(如激光手術)結合。
圖2所示為根據本發明的第二實施例構建的一光學相干性分析系統300。
此處,集成檢測系統10具有將干涉信號分成多個具有不同偏振的部分的能力。具體地,第一偏振分束器362和第二偏振分束器364用于分離耦合器346產生的干涉信號中的正交偏振組分。
兩平衡檢測器348-1和348-2用于分別檢測兩偏振的干涉信號。其輸出分別通過各自的互阻抗放大器350-1、350-2放大。
此處,兩平衡檢測器348-1和348-2與互阻抗放大器350-1、350-2一起集成在一共同的光學試驗臺110上,還有其他光學組件例如第一偏振分光器362和第二偏振分光器364。該試驗臺110進一步安裝于一光電組件200中。
檢測器348-1和348-2與互阻抗放大器350-1、350-2一起集成于一共同的光學試驗臺110上通過降低檢測器和放大器之間的電阻和電容提升了該系統的電子性能。此外,現在可通過一可選的熱電冷卻器111使互阻抗放大器350-1、350-2的溫度保持恒定,所述熱電冷卻器111也用于使檢測器348-1和348-2以及其他光學組件的溫度保持恒定。此外,光電組件200還提供了降低接收器拾波的電磁干涉(EMI)所需的電子屏蔽。
圖3所示為根據本發明的第三實施例構建的一光學相干性分析系統300。
該第三實施例包括在樣本340上進行光譜或其它光學分析的能力。
更詳細地,在優選的實施例中,向探頭336提供兩條光纖。光纖350傳輸包括第一掃頻光源100-1產生的第一可調光信號和第二掃頻光源100-2產生的第二可調光信號的組合信號至探頭336,然后將信號引導至樣本340。從樣本340返回的光線(所述光線用于光學相干性分析)在光纖350上返回至環流器341。按照前述實施例所述處理該返回的光線來產生樣本340的一光學相干性分析。
相反,耦合光纖352上來自于探頭的樣本340的用于光譜分析的光線。通過一輔助或光譜分析檢測器356檢測該光譜分析光線。在一個實施方式中,一濾波器和準直器元件355用 于引導光線至光譜分析檢測器356上,且也可能移除任何與樣本340的光學相干性分析相關的光譜成分。
在一個實施方式中,第一掃頻光源100-1用于光學相干性分析。第二掃頻光源100-2用于樣本340的光譜分析。通常,這兩個掃頻光源將以不同的光譜掃描帶運行。在該實施方式中,濾波器和準直器元件355為一只傳輸第二掃頻光源100-2所產生的掃描帶的波分多路(WDM)濾波器。
在一個更進一步的實施方式中,樣本340的光譜分析是在與光學相干性分析相同的光譜區處進行的。在這種情況下,濾波器和準直器元件355使與第一掃頻光源100-1和第二掃頻光源100-2相關的光譜成分通過,且檢測器356以一時分多路的方式檢測樣本340的光譜響應??裳〉?,當第一掃頻光源100-1在第二掃頻光源100-2內以不同的光譜掃描帶運行時,那么當濾波器和準直器元件355不能及時分離時,它們僅允許來自這些掃描帶的其中一個的光線到達檢測器356。
此處,使用一集成檢測系統10,其中光電檢測器348、356一起集成于一共同的光學試驗臺110上,且位于一共同的光電組件200內。進一步,與平衡檢測器348和輔助檢測器356相連的放大器350-1、350-2也優選地安裝于試驗臺110上。
圖4所示為集成檢測系統10的另一個實施例。
在該實施例中,光纖351傳送來自樣本臂環流器341的光信號通過光電組件200中的一光纖引線260。類似地,光纖352傳送來自基準臂環流器342的光信號通過光電組件200中的一光纖引線262。
在該實施例中,干涉信號不是由光纖耦合器產生的。相反,來自樣本臂324和基準臂326的光信號直接送入一檢測系統201。如前所述,該檢測系統201連同一互阻抗放大器系統350安裝于一光學試驗臺110上。這些組件都位于光電組件200內。
該實施例的優勢在于干涉信號不需要由一光纖耦合器產生。相反,它們產生于一共同的光學試驗臺110上的檢測系統201內例如通過一分束器/合束器。這使得系統對于光纖組件來說抗沖擊和抗壓能力更加穩健。此外,它允許通過熱電冷卻器111保持熱穩定。
圖5所示為與圖4中所示的光學相干斷層掃描系統兼容的集成檢測系統的一個實施例。
更詳細地,來自樣本臂的光信號在光電組件200中通過一引線260接收于光纖351上,所述光電組件200覆蓋試驗臺110,所述試驗臺110安裝于熱電冷卻器111上。光纖351的端面通過一安裝結構282固定于光學試驗臺110上。例如,該安裝結構和其它安裝結構披露于美國專利第6,625,372B1號中。
通過一透鏡光學組件272校準來自樣本臂的光信號,所述透鏡光學組件272包括一安裝結構和一透鏡基板。該光信號通過一干涉分束器/合束器224接收。
類似地,來自基準臂的光線在光纖352上通過光纖引線262接收。光纖端面通過安裝結構284固定于光學試驗臺110。
通過第二透鏡光學組件270校準基準臂光線。該光線被引導至一折疊反光鏡274,在干涉分束器/合束器224處被接收。
干涉分束器/合束器224通過來自樣本臂324的光線與來自基準臂326的光線的光學干涉產生干涉信號。然后通過第一檢測器226和第二檢測器232檢測到這些干涉信號。這些檢測器226、232形成一平衡檢測器或接收器系統。
電導線或焊線276和278電氣連接第一檢測器226和第二檢測器232至一固定至光學試驗臺110頂部的互阻抗放大器350。在優選的實施例中,互阻抗放大器350為一直接固定于光學試驗臺110上的裸硅片。電導線或焊線280連接互阻抗放大器352至光電組件200的焊線焊盤8、9。
在這種方式下,該實施例在光學試驗臺110上直接提供干涉信號的產生。此外,互阻抗放大器350安裝于試驗臺110上提供了互阻抗放大器350與第一檢測器226和第二檢測器232之間較短的電氣連接276、278。這最大程度地減小了這些組件之間的電阻,且也減小了提供用于高速高電帶寬操作的電容。
圖6所示為與圖4中所示的光學相干斷層掃描系統兼容的集成檢測系統10的另一個實施例。
在該實施例中,來自基準臂和樣本臂的光信號傳輸至干涉分束器/合束器224,如前述實施例所述。然而,由分束器/合束器224所產生的干涉信號由第一偏振分束器286和第二偏振分束器288接收。這些分束器286、288配置為傳輸第一偏振而反射第二正交偏振。
第一平衡接收器包括第一檢測器對,所述第一檢測器對包括第一檢測器226和第二檢測器232。第二平衡接收器包括第二檢測器對,所述第二檢測器對包括第一檢測器236和第二檢測器238。也就是說,由于偏振分束器286和288傳輸第一偏振,那么第一平衡接收器的第一對檢測器包括檢測器226和232。類似地,由于偏振分束器286、288反射第二偏振,第二平衡接收器包括檢測器236和238。
兩個互阻抗放大器350-1、350-2分別接收來自第一平衡接收器和第二平衡接收器的信號。更詳細地,互阻抗放大器350-1放大檢測器226和檢測器232的輸出?;プ榪狗糯篤?50-2放大檢測器236和238的輸出。
焊線276連接互阻抗放大器350-1、350-2至相應的檢測器226、232、236、238。然后互阻抗放大器的電氣輸出通過焊線280連接至組件200的焊盤上。光電組件200的導線502提供互阻抗放大器350放大的輸出量,以及那些向放大器350供給電力的電源輸入量。
此處,該實施例提供用于高帶寬操作,這是由于互阻抗放大器350-1、350-2與光學檢測 器226、232、236、238一起安裝于一共同的光學試驗臺110上。此外,干涉信號同樣直接產生于試驗臺110上干涉分束器/合束器224處。這進一步提高了對機械沖擊和熱不穩定的穩健性。
圖7所示為一集成光學相干斷層掃描(OCT)系統300。此處,整個光學相干斷層掃描系統集成于一單獨的氣密組件200內和一共同的光試驗臺110上。這種配置最大程度地提高了系統的機械穩定性,因為所有的光路都在一共同的光學試驗臺110上。安裝于一共同的氣密組件200內提供了一種極為緊湊小型的系統。例如,在一個實施例中,光學試驗臺100長度小于150毫米,且寬度小于150毫米。優選地,光學試驗臺100長度小于100毫米,且寬度小于100毫米。
更詳細地,一掃頻光源100產生一由干涉儀50接收的可調光信號。在一個實施例中,掃頻光源100為一可調激光器。在一個示例中,采用一如美國專利第7,415,049B1號中所述的可調激光器。在其他實施例中,按照以下文獻所述使用一經濾波的ASE掃頻光源:1)美國專利申請序列第12/553,295號,題為用于光學相干斷層掃描醫學成像的經濾波的ASE掃頻光源(Filtered ASE Swept Source for OCT Medical Imaging),提交于2009年9月3日,由佛蘭德斯等人發明(美國專利申請公布第US2011/0051148號)或2)美國專利申請序列第12/776,373號,題為用于光學相干斷層掃描醫學成像的具有自動跟蹤濾波器的ASE掃頻光源(ASE Swept Source with Self-Tracking Filter for OCT Medical Imaging),提交于2010年5月8日,由佛蘭德斯等人發明(美國專利申請公布第US2011/0051143號)。
在一高度緊湊的設計中,掃頻光源100實施于光學試驗臺110上且在組件200內。在其他實施例中,來自光源的光線通過一光纖或通過組件200上的一窗口耦合至試驗臺。
一隔離器204防止來自干涉儀50的背向反射從而防止與光源100的操作形成干涉。
一干涉儀分束器212接收可調掃頻光源信號。其在干涉儀50的一樣本臂324和一基準臂326之間分配可調信號。在一個典型的實施例中,干涉儀分束器212不采用50-50分束器。相反,大部分光線被引導至樣本臂324,因為其經過了來自樣本340的信號反射的更高的損失。
樣本臂324上的可調信號通過第一偏振分束器222傳輸。然后一可調信號通過一由法拉第旋轉器228和半波片230構建的非互易偏振元件傳輸。這種元件的組合具有產生來自掃頻光源100的可調信號的偏振的整體旋轉的效果。因此,可調信號通過第二偏振分束器234傳輸并傳輸至樣本340。
從樣本340返回的光線首先在第二偏振分束器234處接收。對于樣本反射的具有一偏振(所述偏振正交于掃頻光源100的偏振)的光線,該偏振被反射至第二檢測器干涉分束器/合束器258。
相反,從樣本340返回的具有一偏振(所述偏振平行于掃頻光源100的偏振)的光線通過第二偏振分束器234傳輸。
包括法拉第旋轉器228和半波片230的非互易偏振元件用以將從樣本340返回的光線的偏振旋轉至一正交于掃頻光源100的偏振的偏振。該操作是由于依賴于通過旋轉器的光線的傳播方向法拉第旋轉器228的非互易操作。
從樣本返回的由第一偏振分束器222所接收的光線現在反射至第一檢測器干涉分束器/合束器224。
在基準臂326中,來自掃頻光源100的光線通過第一偏振分束器214。在優選的實施例中,第一基準臂偏振分束器214傳輸由掃頻光源100產生的偏振光。
一包括法拉第旋轉器216和半波片218的基準臂非互易偏振旋轉元件在沒有任何其偏振的旋轉的情況下傳輸來自掃頻光源100的信號。因此,然后可調信號通過第二基準臂偏振分束器220傳輸。
光線通過基準臂行進至一反射器332。這將光線反射回第二基準臂偏振分束器220。
反射器332或其它沿基準臂326的傳輸路徑的元件將偏振旋轉(例如)45度,以便使兩偏振都呈現于從反射器返回至偏振分束器220的光線中。
返回的具有一偏振(所述偏振正交于掃頻光源的偏振)的光線由第二基準臂偏振分束器220反射,并引導至第二檢測器干涉分束器/合束器258。
然后通過第二基準臂偏振分束器220傳輸的光線通過半波片218和法拉第旋轉器216。由該元件組合提供的非互易旋轉用以將返回光束的偏振旋轉至正交于來自掃頻光源100的可調信號的偏振。因此,第一基準臂偏振分束器反射返回光線至第一檢測器干涉分束器/合束器224。
第一檢測器干涉分束器/合束器224和第二檢測器干涉分束器/合束器258用以產生每一偏振的干涉信號。包括平衡檢測器226和232的第一檢測器對檢測光線的干涉信號,所述光線平行于掃頻光源100的偏振。包括平衡檢測器236和238的第二檢測器對檢測光線的干涉信號,所述光線垂直于掃頻光源100的偏振。
在一個實施例中,光學試驗臺110上和氣密組件200內還包括一k時鐘系統250。更詳細地,從基準臂226返回的光線通過干涉儀分束器212傳輸至一k時鐘隔離器210。然后光線傳輸至一具有反復傳輸功能的光譜過濾器208。在一個實施例中,光譜過濾器208為一傳輸或反射校準器,所述校準器在其自由光譜區處具有光譜反復傳輸的特性。然后通過一k時鐘檢測器206檢測傳輸的光線。這用于當其按照關于前述實施例所述的通過模數轉換系統掃描其波長帶時以可調光信號間距相等的頻率增量的方式記錄平衡檢測器對的采樣。
如前述優選實施例中所述,光學試驗臺110上提供有兩個互阻抗放大器350-1、350-2。 第一互阻抗放大器350-1放大來自平衡檢測器對226、232的輸出量。第二互阻抗放大器350-2放大來自第二平衡接收器對236、238的輸出量。這就產生了一光學試驗臺上還包括重要的高速電子設備以及其他光學組件的高度緊湊的系統。
圖8所示為集成光學相干斷層掃描系統300的另一個實施例。該實施例不同于圖7中的集成光學相干斷層掃描系統,不同點在于其避免了基準臂326中對雙折射的需要。進一步,其需要較少的偏振分束器。
更詳細地,可調光信號通過樣本臂324產生并傳輸,如前面關于圖7所述。
此外,從樣本340返回的具有一偏振(所述偏振正交于來自掃頻光源100的可調信號)的光線由第二樣本臂偏振分束器234反射。然后該反射的光線通過一包括一法拉第旋轉器254和一半波片256的非互易旋轉元件傳輸以將偏振旋轉90°。提供這些用來匹配光學延遲。如前所述,然后該光線由第二檢測器干涉分束器/合束器258接收??裳〉?,一90°互易偏振旋轉元件,如一半波片,可用于實現元件254和256的組合功能。
從樣本340返回的具有一平行于掃頻光源的偏振的光線通過包括法拉第旋轉器228和半波片230的樣本臂非互易偏振旋轉元件傳輸。現在該光線通過第一樣本臂偏振分束器222反射并引導至第一檢測器干涉分束器/合束器224。
由干涉儀分束器212所反射并在基準臂326上傳輸的可調信號通過第一基準臂分束器214和第二基準臂分束器220傳輸。在該實施例中,由于基準臂326無偏振分級運行,兩基準臂分束器214、220都引起基準臂326內的損失,這是由于一部分可調信號由這兩個元件反射并從系統中損失掉。
然后基準臂上的光線進入一反光體248。反光體248具有覆蓋反射可調光信號的涂層的側壁。而側壁上有兩個傳輸端口??傻鞴廡藕磐ü淮涫淙攵絲?90進入,然后在反射體248內經過多次反射(如10至20次或更多)后,光線通過一輸出端口292出來并被引導至一反射器332。
反射體248用以增加基準臂326的路徑長度。通過控制反射體248的大小和可調信號在反射體248內經反射的次數改變基準臂326的路徑長度以匹配樣本臂324的路徑長度。
反射體248內從反射器332返回的一部分光線通過第二樣本臂分束器220反射并引導至第二檢測器干涉分束器/合束器258。然后通過第二樣本臂分束器220傳輸的光線通過第一樣本臂分束器214反射至第一檢測器干涉分束器/合束器224。
如前述實施例所述,k時鐘系統250也包括在光學試驗臺110上和氣密組件200內。該元件包括k時鐘隔離器210、一光譜過濾器208,和一k時鐘檢測器206。這用于當其掃描其波長帶時以可調光信號間距相等的頻率增量的方式記錄平衡檢測器對的采樣。
如前述優選的實施例所述,光學試驗臺110上提供有兩個互阻抗放大器350-1、350-2。 第一互阻抗放大器350-1放大來自于平衡檢測器對226、232的輸出量。第二互阻抗放大器350-2放大來自第二平衡接收器對236、238的輸出量。這就產生了一光學試驗臺上還包括重要的高速電子設備以及其他光學組件的高度緊湊的系統。
盡管已參考優選實施例對本發明進行了具體的展示和說明,但本領域的技術人員將能夠理解,在不背離本發明所附權利要求所涵蓋的范圍的情況下可在形式和細節上作出各種不同的改變。

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