專(zhuān)利名稱(chēng)：高效低相干干涉測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相干測(cè)量，具體地，涉及可以應(yīng)用于諸如光學(xué)相干斷層掃描和光學(xué)相干反射測(cè)量之類(lèi)的無(wú)創(chuàng)光學(xué)成像和測(cè)量設(shè)備的高效干涉儀。
背景技術(shù)：
近十年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越多地研究源于經(jīng)典白光干涉儀的低相干干涉測(cè)量在光學(xué)相干反射測(cè)量和光學(xué)相干斷層掃描方面的應(yīng)用。光學(xué)相干反射測(cè)量和光學(xué)相干斷層掃描都是用于繪制眼睛圖像的技術(shù)，并且對(duì)于診斷和治療眼疾非常有用。另外，低相干干涉測(cè)量可以用于內(nèi)窺鏡檢查、腹腔鏡檢查、顯微鏡檢查以及其中干涉測(cè)量技術(shù)可能有用的任何其他技術(shù)。
圖1圖示了傳統(tǒng)低相干干涉儀100的示例。如圖1所示，低相干干涉儀100是簡(jiǎn)單邁克爾遜干涉儀，包括光源101、分束器102和光信號(hào)處理單元110。如圖1所示，分束器102可以是2×2分束器，將從光源臂103接收到的來(lái)自光源101的低相干光束分為耦合進(jìn)入?yún)⒖急?04中的參考束和耦合進(jìn)入樣品臂105中的樣品束。參考臂104上的參考束被參考物112反射回分束器102，并且樣品臂105上的樣品束被樣品111反射回分束器102。分束器102將反射的參考束分路到光源臂103和信號(hào)臂106中。類(lèi)似地，分束器102將從樣品111反射的光束分路到光源臂103和信號(hào)臂103中。因此，從樣品111和參考物112反射的光束被分束器102組合為組合束，耦合進(jìn)入光源臂103中。信號(hào)臂106中的信號(hào)束由光電檢測(cè)器和傳輸放大器TIA107接收，其中將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)被耦合到光信號(hào)處理單元110中，以進(jìn)行進(jìn)一步處理。光信號(hào)處理單元110中所進(jìn)行的光信號(hào)處理的功能可以包括帶通濾波、信號(hào)放大、解調(diào)、低通濾波和其他處理功能。在光信號(hào)處理單元110處得到的光信號(hào)可以通過(guò)硬件或軟件來(lái)處理，以成像和分析樣品111(待測(cè)樣品)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。
Youngquist&Davis于Optics Letter 12，158-160，Mar.1987中討論了基于圖1所示的邁克爾遜干涉儀的光學(xué)相干域反射計(jì)示例。Park在Applied Optics 1987中討論了以帶有橫向掃描機(jī)構(gòu)的光學(xué)反射測(cè)量來(lái)進(jìn)行斷層成像。在美國(guó)專(zhuān)利5,321,501中也討論了根據(jù)對(duì)生物組織的干涉測(cè)量來(lái)進(jìn)行光學(xué)相干斷層掃描以對(duì)生物組織進(jìn)行成像。
在圖1所示的邁克爾遜干涉儀的示例中，來(lái)自樣品臂105和參考臂104的部分反射信號(hào)也傳播進(jìn)入光源臂103中。這對(duì)于光學(xué)性能是不利的。首先，有用的信號(hào)損失在光源臂103中。其次，光源臂103中的反射光將增加光源101所產(chǎn)生的光束上的噪聲。
在Rollin在Optics Letters，Vol.24，No.21，Nov.1999中的論文中描述了對(duì)進(jìn)入光源臂103中的反射光的解決方案。如圖2所示，在干涉儀200的光源臂103中插入光環(huán)行器202。光束路徑203光學(xué)地耦合在分束器102和環(huán)行器202之間。如圖2所示，從分束器102沿光束路徑203反射的光進(jìn)入環(huán)行器202，并通過(guò)光束路徑205被引導(dǎo)到檢測(cè)器207。檢測(cè)器107和207的輸出信號(hào)在差分放大器208中組合，然后輸入到光信號(hào)處理單元110。這種布置起到兩個(gè)作用首先，反射光束被引導(dǎo)到檢測(cè)器光束路徑205和106；其次，環(huán)行器202還用作隔離器，保證反射光離開(kāi)光源101。
在美國(guó)專(zhuān)利6,501,551中公開(kāi)了另一種方法。在’551專(zhuān)利所述的解決方案中，樣品臂105和參考臂104都包括光環(huán)行器。于是，來(lái)自樣品111和參考物112的反射信號(hào)被引導(dǎo)到與分束器102不同的另一分束器。新分束器的兩個(gè)輸出信號(hào)可以單獨(dú)接收、解調(diào)和處理，然后在平衡檢測(cè)接收器中從一個(gè)通道減去另一通道。
然而，在檢測(cè)器107處測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)于從樣品111反射的光束的偏振狀態(tài)也是敏感的。當(dāng)樣品111的樣品材料高度雙折射時(shí)，這尤其不利。圖3圖示了Sorin在美國(guó)專(zhuān)利5,202,745中公開(kāi)的示例干涉儀系統(tǒng)300。干涉儀系統(tǒng)300可以與從樣品111反射的樣品束的偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)，因?yàn)闄z測(cè)臂106可以光學(xué)耦合到偏振分集接收器。如圖3所示，偏振分集接收器可以包括偏振分束器305，分別通過(guò)傳輸臂306和307耦合到光檢測(cè)器310和311。如圖3所示，首先通過(guò)將來(lái)自光源臂103的光耦合到線(xiàn)偏振器302中，使光源101線(xiàn)偏振。將偏振分束器(PSB)305置于檢測(cè)臂106中，以將光束分為兩個(gè)正交偏振光束路徑306和307。還可以將偏振控制器308耦合到參考臂104中，并且對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，以在偏振分集接收器的每一偏振臂306和307中產(chǎn)生相等的參考信號(hào)功率。單獨(dú)對(duì)這兩個(gè)偏振臂信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和處理，然后在光信號(hào)處理單元110中相加。在示例干涉儀系統(tǒng)300中，無(wú)論樣品臂105中反射束的偏振狀態(tài)如何，來(lái)自樣品臂105的反射束最終都將與其自身適當(dāng)偏振的參考臂干涉，并且對(duì)得到的光束求和。信號(hào)相對(duì)于樣品束的偏振狀態(tài)改變是恒定的。
然而，圖2和3所示的系統(tǒng)都不能同時(shí)解決偏振問(wèn)題和光反射回光源的問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)和其他不足，需要解決單個(gè)干涉儀中偏振及光反射到光源臂的問(wèn)題，因?yàn)檫@對(duì)于最大化去往檢測(cè)器的信號(hào)(與由于樣品導(dǎo)致的偏振變化相一致)、以及減小光源的噪聲電平來(lái)說(shuō)是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出了解決偏振和反射光問(wèn)題的干涉儀的實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的干涉儀可以包括光源；隔離器，耦合到光源；偏振相關(guān)光學(xué)裝置，耦合到隔離器；參考臂，耦合到偏振相關(guān)光學(xué)裝置；樣品臂，耦合到偏振相關(guān)光學(xué)裝置；和一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器，耦合到偏振相關(guān)光學(xué)裝置，其中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置將光耦合到參考臂和樣品臂中，接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光，并將光提供給檢測(cè)器，從而可以在與所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器相耦合的光信號(hào)處理單元中形成偏振無(wú)關(guān)光信號(hào)，并且隔離器阻止來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光進(jìn)入光源。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，隔離器可以包括環(huán)行器，耦合來(lái)在第一端口中接收來(lái)自光源的光。在一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置可以包括偏振相關(guān)分束器，耦合來(lái)從環(huán)行器的第二端口接收光，所述偏振分束器提供第一偏振的光，接收從樣品臂和參考臂反射的光，并根據(jù)偏振將光提供給所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中的第一檢測(cè)器以及環(huán)行器的第二端口；分束器，耦合來(lái)從偏振分束器接收第一偏振的光，所述分束器將第一偏振的光耦合到參考臂和樣品臂中，并且將來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光耦合回偏振相關(guān)分束器中，其中，環(huán)行器通過(guò)第三端口向所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中的第二檢測(cè)器提供光。
在一些實(shí)施例中，隔離器包括分束器，所述分束器從光源接收光，并提供第一偏振的第一光束和第二偏振的第二光束。在一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括法拉第旋光器，耦合來(lái)接收第一光束和第二光束；波片，耦合到法拉第旋光器，其中將第一光束的偏振旋轉(zhuǎn)為第二偏振，并且將第二光束的偏振旋轉(zhuǎn)為第一偏振；棱鏡，耦合來(lái)從波片接收第一光束和第二光束，并將第一光束與第二光束組合；和分束器，耦合到棱鏡，所述分束器向參考臂和樣品臂提供光，并接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光，其中，在棱鏡中根據(jù)偏振來(lái)分路反射光，由波片和法拉第旋光器旋轉(zhuǎn)偏振，并且分束器重組光束并將組合光束耦合到第二偏振分束器，并且第二偏振分束器根據(jù)偏振分離光束，并耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器。在一些實(shí)施例中，可以包括功率監(jiān)視器，耦合來(lái)從分束器接收反射光。
在一些實(shí)施例中，隔離器可以包括第一環(huán)行器，耦合到參考臂中；和第二環(huán)行器，耦合到樣品臂中。在一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置可以包括線(xiàn)偏振器，耦合來(lái)接收并偏振來(lái)自光源的光；第一分束器，耦合來(lái)從線(xiàn)偏振器接收偏振光，并將光束提供給參考臂中的第一環(huán)行器的第一端口以及樣品臂中的第二環(huán)行器的第一端口，其中第一環(huán)行器的第二端口耦合到參考物，第二環(huán)行器的第二端口耦合到樣品；第二分束器，耦合來(lái)從第一環(huán)行器的第三端口和第二環(huán)行器的第三端口接收光，并提供組合光束；和偏振相關(guān)分束器，耦合來(lái)接收所述組合光束，并向所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器提供第一偏振的第一光束和第二偏振的第二光束。在一些實(shí)施例中，功率監(jiān)視器耦合到第二分束器。
在一些實(shí)施例中，隔離器可以包括偏振相關(guān)分束器，所述偏振相關(guān)分束器耦合來(lái)從光源接收光，并提供第一偏振的光束。在一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置可以包括法拉第旋光器和波片，耦合來(lái)接收第一偏振的光束，并輸出第一偏振的光束；第二偏振分束器，耦合來(lái)從法拉第旋光器和波片接收第一偏振的光束，并透射第一偏振的光束；和分束器，耦合來(lái)從第二偏振分束器接收第一偏振的光束，將第一偏振的光束耦合到樣品臂和參考臂中，接收來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束，并將來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束組合為組合反射光束，其中，第二偏振分束器將組合反射光束分離為第一偏振的組合反射光束和第二偏振的組合反射光束，第二偏振的組合反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中一個(gè)檢測(cè)器，并且第一偏振的組合反射光束被法拉第旋光器和波片偏振旋轉(zhuǎn)為第二偏振，并且由偏振分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中另一檢測(cè)器。在一些實(shí)施例中，功率監(jiān)視器可以耦合到分束器。
在隔離器是偏振相關(guān)分束器的一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置可以包括法拉第旋光器和波片，耦合來(lái)接收第一偏振的光束，并將偏振旋轉(zhuǎn)為第二偏振；第二棱鏡，耦合來(lái)從法拉第旋光器和波片接收第二偏振的光束；分束器，耦合來(lái)從第二棱鏡接收第二偏振的光束，將光耦合到參考臂和樣品臂中，接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光束，并提供組合反射光束，其中，組合反射光束在第二棱鏡中根據(jù)偏振被分離為第一偏振的第一反射光束和第二偏振的第二反射光束，法拉第旋光器和波片將第二偏振的第二反射光束的偏振旋轉(zhuǎn)為第一偏振，并且偏振相關(guān)分束器將第二反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中。在一些實(shí)施例中，功率監(jiān)視器可以耦合到分束器。
在一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置可以包括法拉第旋光器和波片，耦合來(lái)接收第一偏振的第一光束，并透射第一偏振的第一光束；第二棱鏡，耦合來(lái)從法拉第旋光器和波片接收第一偏振的第一光束；分束器，耦合來(lái)從第二棱鏡接收第一偏振的第一光束，將光耦合到參考臂和樣品臂中，接收來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束，并提供組合反射光束，其中，組合反射光束在第二棱鏡中根據(jù)偏振被分離為第一偏振的第一反射光束和第二偏振的第二反射光束，法拉第旋光器和波片透射第一偏振的第一反射光束，并且偏振相關(guān)分束器將第一反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中。在一些實(shí)施例中，功率監(jiān)視器可以耦合到分束器。在一些實(shí)施例中，第二棱鏡將第二偏振的第二反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中。
在一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置可以包括線(xiàn)偏振器，耦合在偏振相關(guān)分束器和光源之間，所述線(xiàn)偏振器提供具有第一偏振和第二偏振的光束；四分之一波片，耦合來(lái)從偏振相關(guān)分束器接收第二偏振的光；反射鏡，耦合來(lái)從四分之一波片接收光，并將光反射回去通過(guò)四分之一波片，以向偏振相關(guān)分束器提供第一偏振的光；第二四分之一波片，耦合來(lái)從偏振相關(guān)分束器接收第一偏振的光，并向參考臂提供圓偏振光，其中來(lái)自參考臂的反射光在偏振相關(guān)分束器處是第二偏振的光；線(xiàn)偏振器，被定位以透過(guò)相等部分的第一偏振和第二偏振的光，耦合來(lái)從偏振相關(guān)分束器接收組合光束，所述組合光束包括從反射鏡反射的光以及從參考臂反射的光；和分束器，耦合來(lái)從線(xiàn)偏振器接收光，并將光提供給樣品臂，其中來(lái)自樣品臂的反射光由所述分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器中。
在隔離器是環(huán)行器的一些實(shí)施例中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置可以包括偏振相關(guān)分束器，耦合來(lái)從環(huán)行器的第二端口接收光，所述偏振相關(guān)分束器提供第一光束；分束器，耦合來(lái)接收第一光束，以向樣品臂和參考臂提供光，并接收來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束，其中反射光束的第一部分由分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中，并且反射光束的第二部分由分束器耦合到偏振相關(guān)分束器中，帶有第一偏振的所述第二部分耦合到環(huán)行器的第二端口，環(huán)行器的第三端口耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器，并且?guī)в械诙竦乃龅诙糠钟善裣嚓P(guān)分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器。
下面參考附圖進(jìn)一步討論了這些及其他實(shí)施例。


圖1圖示了邁克爾遜干涉儀配置的傳統(tǒng)低相干干涉儀。
圖2圖示了在光源臂中具有光環(huán)行器且在檢測(cè)臂中具有平衡檢測(cè)器的傳統(tǒng)低相干干涉儀。
圖3圖示了另一低相干干涉儀，其中在光源臂中具有線(xiàn)偏振器以使邁克爾遜干涉儀的光源偏振，并在檢測(cè)臂中具有偏振分集接收器。
圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的干涉儀實(shí)施例，其中在光源臂中具有光環(huán)行器和偏振分束器，并且在干涉儀中進(jìn)行偏振分集檢測(cè)。
圖5A至5I圖示了圖4所示的干涉儀實(shí)施例的光學(xué)實(shí)施方式。
圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例，其中在樣品臂和參考臂中都具有光環(huán)行器，并進(jìn)行偏振分集檢測(cè)。
圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例，具有兩個(gè)偏振分束器、法拉第旋光器和波片。
圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例，具有棱鏡、法拉第旋光器和波片。
圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例，具有棱鏡、法拉第旋光器和波片。
圖10圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例，具有對(duì)稱(chēng)布置的棱鏡、法拉第旋光器和波片。
圖11圖示了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的干涉儀中可以使用的快速波長(zhǎng)掃描光源的實(shí)施例。
圖12圖示了根據(jù)本發(fā)明的雙光束干涉儀的實(shí)施例，其對(duì)偏振狀態(tài)不敏感并對(duì)樣品運(yùn)動(dòng)不敏感。
圖13圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的實(shí)施例。
圖14圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例的各方面。
在附圖中，在方便時(shí)，具有相同名稱(chēng)的部件具有相同或相似功能。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供了可以應(yīng)用于諸如光學(xué)相干斷層掃描和光學(xué)相干反射測(cè)量之類(lèi)的無(wú)創(chuàng)光學(xué)成像和測(cè)量設(shè)備的高效干涉儀。另外，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)相干斷層掃描設(shè)備的一些實(shí)施例可以用來(lái)成像和測(cè)量生物醫(yī)學(xué)組織。
圖14圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例的一些方面。如上所述，邁克爾遜干涉儀通常包括通過(guò)分束器耦合的光源臂、參考臂、樣品臂和檢測(cè)臂。光從光源分別通過(guò)參考臂和樣品臂傳輸?shù)絽⒖嘉锖蜆悠?。從參考物和樣品反射的光在檢測(cè)臂中組合，并且可以測(cè)量該光的強(qiáng)度。測(cè)量的數(shù)據(jù)涉及通過(guò)重組來(lái)自參考臂和樣品臂的光并將該光引導(dǎo)到檢測(cè)臂所建立的干涉圖樣。
如圖14所示，根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的干涉儀包括耦合到光隔離器1401的光源101。光隔離器1401接收并發(fā)送來(lái)自光源101的光，但是防止光反射回光源101中。然后，來(lái)自隔離器1401的光被耦合到偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403。偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403將光耦合到參考臂104和樣品臂105，并且接收來(lái)自參考臂104和樣品臂105的反射光。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403處理光學(xué)信號(hào)，使得可以在光信號(hào)處理單元410的輸出信號(hào)中最小化有關(guān)樣品111的偏振相關(guān)效應(yīng)。如上所述，參考臂104耦合到參考物112。樣品臂105光學(xué)耦合到樣品111。另外，耦合偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403，以將來(lái)自參考臂104和樣品臂105的反射光信號(hào)提供給檢測(cè)器1404。然后，檢測(cè)器1404的輸出信號(hào)輸入到光信號(hào)處理單元410，光信號(hào)處理單元410可以根據(jù)檢測(cè)器1404處測(cè)量的反射光強(qiáng)度，提供偏振無(wú)關(guān)信號(hào)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可以向樣品臂105中插入樣品掃描光學(xué)裝置1402，從而可以?huà)呙铇悠?11。這種掃描能力例如在斷層掃描應(yīng)用中可能是重要的。
本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了一種光學(xué)相干反射計(jì)和光學(xué)相干斷層掃描應(yīng)用所用的高效干涉儀。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，隔離器1401可以是光環(huán)行器，并且偏振有關(guān)光學(xué)裝置1403可以包括偏振分束器。當(dāng)環(huán)行器和偏振分束器耦合到干涉儀的光源臂中時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高效性能。在一些實(shí)施例中，可以在參考臂104中放置偏振控制器308，以在偏振分集干涉儀的每一條臂中產(chǎn)生相等的參考信號(hào)。因此，可以使光信號(hào)處理單元410所生成的干涉儀信號(hào)與來(lái)自樣品111(也稱(chēng)作待測(cè)器件或待測(cè)樣品)的反射信號(hào)的偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。隔離器1401中的光環(huán)行器還可以對(duì)信號(hào)反射回光源101提供高度隔離，以實(shí)現(xiàn)高系統(tǒng)信噪比性能。在一些實(shí)施例中，將光環(huán)行器置于樣品臂105中，并且將另一光環(huán)行器置于參考臂104中。這些實(shí)施例中的偏振分束器和偏振分集接收器可以置于檢測(cè)臂中。
根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的一些實(shí)施例通過(guò)使用隔離光源101的光環(huán)行器，解決了反射光反饋回光源101所帶來(lái)的問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的一些實(shí)施例通過(guò)在偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403中使用偏振分集接收器，解決了來(lái)自樣品臂的信號(hào)與偏振狀態(tài)有關(guān)的問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的一些實(shí)施例為相干域干涉測(cè)量應(yīng)用提供了高功率效率、對(duì)樣品臂105的偏振狀態(tài)的非敏感性、以及高信噪比。如上所述，偏振相關(guān)性可能由于樣品材料的雙折射特性，或者可能是由于干涉儀中的環(huán)境改變。根據(jù)本發(fā)明的高品質(zhì)干涉儀的實(shí)施例可以用于多種用途，例如光學(xué)相干斷層掃描和光學(xué)相干反射測(cè)量。
在一些實(shí)施例中，干涉儀的光源101可以是寬譜光源，并且干涉儀的深度分辨率可以由光源的相干長(zhǎng)度確定。在一些實(shí)施例中，光源101可以是低相干光源。在一些實(shí)施例中，光源101可以包括波長(zhǎng)掃描光源。
在一些實(shí)施例中，參考物112可以包括光延遲線(xiàn)，可以對(duì)其以預(yù)定速度掃描，以在從參考臂104反射的參考信號(hào)中生成光路延遲。在一些實(shí)施例中，可以在干涉儀的樣品臂105中放置2維橫向掃描機(jī)構(gòu)1402，以?huà)呙柙诠鈱W(xué)相干斷層掃描應(yīng)用中要成像的對(duì)象。在一些實(shí)施例中，可以對(duì)樣品臂105和參考臂104之間的色散差提供補(bǔ)償。數(shù)種不同方法可以用于補(bǔ)償色散差，例如在偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403中包括棱鏡對(duì)、基于光柵的光學(xué)系統(tǒng)以及光纖通信和短脈沖激光應(yīng)用中廣泛應(yīng)用的其他公知色散補(bǔ)償器。色散補(bǔ)償器可以置于樣品臂或者參考臂中，這取決于這兩條臂之間色散差的符號(hào)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，來(lái)自光源101的光可以首先耦合到光環(huán)行器中然后耦合到偏振分束器，這之后耦合到將光源分到樣品臂105和參考臂104中的分束器?？梢赃x擇分束器的比例，以最大化從樣品臂105反射到光環(huán)行器中的光，并且同時(shí)仍然保持足夠的光強(qiáng)從參考臂104反射回光環(huán)行器中。
在根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的一些實(shí)施例中，光源101可以是快速波長(zhǎng)掃描相干光源。在一些實(shí)施例中，參考物112可以是固定反射器。在一些實(shí)施例中，可以利用光學(xué)頻域反射測(cè)量的原理。
在根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的一些實(shí)施例中，像距對(duì)于樣品111的運(yùn)動(dòng)不敏感。另外，在根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的一些實(shí)施例中，檢測(cè)器1404處測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度可能對(duì)偏振改變不敏感。
圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀實(shí)施例。如圖4所示，本發(fā)明的一些實(shí)施例使用偏振效應(yīng)來(lái)將光束引導(dǎo)到特定光路中。圖4所示的實(shí)施例包括對(duì)兩個(gè)正交偏振狀態(tài)分離路徑，以生成干涉信號(hào)，其中可以單獨(dú)處理兩個(gè)正交偏振狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)高效、偏振無(wú)關(guān)干涉測(cè)量性能。
如圖4所示，干涉儀400包括光源101。來(lái)自光源101的光首先耦合到光環(huán)行器402的端口1中。在圖4所示的實(shí)施例中，光隔離器1401包括環(huán)行器402。光環(huán)行器402是偏振無(wú)關(guān)光學(xué)器件，因此進(jìn)入端口1的所有偏振狀態(tài)的所有光都將從光環(huán)行器402的端口2出射到干涉儀400的光源臂405中。來(lái)自光源臂405的光然后耦合到偏振相關(guān)分束器403中。在偏振相關(guān)分束器403中，使來(lái)自光源臂405的光偏振為兩個(gè)線(xiàn)偏振光束，表示為P和S偏振。
如通常所指出，在傳播的光波前中，S偏振光的電場(chǎng)矢量垂直于入射平面，而P偏振光的電場(chǎng)矢量平行于入射平面。本公開(kāi)中所示出的所有附圖中，入射平面平行于紙面。只有P偏振光將耦合到光束路徑420中，并因此耦合到通過(guò)光束路徑420與分束器403耦合的光分束器404中。S偏振光由于從分束器403耦合到另一光束路徑中而被丟棄，或者可以用來(lái)監(jiān)視功率。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，光學(xué)部件可以以體光學(xué)裝置的形式來(lái)形成。然而，一些實(shí)施例可以利用光纖光學(xué)部件(即，在光纖中或者作為光纖一部分形成的部件)。光纖光學(xué)部件具有使對(duì)準(zhǔn)偏差最小化的優(yōu)點(diǎn)。
大多數(shù)低相干光源(例如，一些實(shí)施例中的低相干光源101)僅僅是部分偏振的。為了實(shí)現(xiàn)最大效率，可以旋轉(zhuǎn)光源101，使得將大多數(shù)偏振光對(duì)準(zhǔn)為在耦合到偏振分束器403時(shí)平行于入射平面(P偏振)。
可以對(duì)分束器404的分束比進(jìn)行優(yōu)化，使得大多數(shù)光傳播進(jìn)入樣本臂105中而只有足夠的光傳播進(jìn)入?yún)⒖急?04中以執(zhí)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量。分束比可以由光延遲掃描儀的反射和從干涉儀400的參考路徑104反射的光的總透射來(lái)確定。參考臂104中參考物112反射的光強(qiáng)于樣品路徑105中從樣品111反射的光，以便實(shí)現(xiàn)散粒噪聲受限檢測(cè)性能。因?yàn)閬?lái)自與樣品111(其中，樣品111可以是生物組織)相對(duì)應(yīng)的參考物112的反射通常是參考物112的反射的非常小的對(duì)比，所以為了散粒噪聲性能，典型地可以利用90/10的分束比，其中光源臂420上接收到的90％的光被引導(dǎo)到樣品臂105中，而10％的光被引導(dǎo)到參考臂104中。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如，參考物112可以包括反射部件和光學(xué)延遲部件。另外，在一些實(shí)施例中，參考物112還可以包括掃描能力，可以與光信號(hào)處理單元410耦合。
可以通過(guò)分束器404將從樣品111和參考物112反射的少量光耦合到光路412中。這少量光可以耦合到檢測(cè)器413中，并且來(lái)自檢測(cè)器413的電信號(hào)耦合到功率監(jiān)視電路414中。因此，這些量的光可以用來(lái)監(jiān)視從樣品111和參考物112反射的光功率?？梢詫㈩?lèi)似電路耦合到光束偏振分束器403，以便根據(jù)偏振分束器403所輸出的S偏振光來(lái)監(jiān)視功率。
由于樣品111和參考物112的光學(xué)特性，從樣品111和參考物112反射的光通常包含S偏振光和P偏振光。偏振相關(guān)分束器403再次將S偏振和P偏振光分量分到兩條分離路徑106和405中?？梢哉{(diào)節(jié)參考臂104中的偏振控制器308，以使來(lái)自參考物112的光分別在P偏振路徑106和S偏振路徑405中產(chǎn)生等量的P偏振光和S偏振光。在一些實(shí)施例中，偏振控制器308可以由三個(gè)光纖環(huán)路制成，其中每個(gè)環(huán)路對(duì)應(yīng)于四分之一波片或者其他偏振相關(guān)光學(xué)器件。
通過(guò)偏振相關(guān)分束器403耦合回光源臂405的光(S偏振光分量)被環(huán)行器402引導(dǎo)到路徑416中，由此隔離了低相干光源101。這種布置減小了由于來(lái)自干涉儀400的光耦合回光源101而產(chǎn)生的噪聲。
與來(lái)自參考路徑104的光一樣，來(lái)自樣品臂105的S偏振光傳播到光路416中，而來(lái)自樣品臂105的P偏振光傳播到光路106中。每一偏振路徑416和106中的干涉信號(hào)分別由光電檢測(cè)器417和418接收。然后，在光信號(hào)處理單元410中對(duì)來(lái)自光電檢測(cè)器417和418的電信號(hào)單獨(dú)處理。在一些實(shí)施例中，光信號(hào)處理單元410可以輸出指示檢測(cè)器417和418所測(cè)量的光強(qiáng)度之和的組合信號(hào)。從光信號(hào)處理器410輸出的信號(hào)可以是P偏振和S偏振干涉分量之和，從而通過(guò)處理，光信號(hào)處理單元410的輸出信號(hào)所指示的信號(hào)強(qiáng)度與樣品臂105中從樣品111反射的光的偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。該實(shí)施例的此特征是有利的，尤其在樣品高度雙折射時(shí)，例如由膠原纖維組成的生物組織。
圖5A圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀500的實(shí)施例。如圖5A所示。由于棱鏡501上的偏振分束涂層表面502，來(lái)自光源101的光被棱鏡501分為S偏振光束和P偏振光束。雖然被圖示為棱鏡，棱鏡501可以是任何偏振分束器件。S偏振光束從表面502反射，并且被反射鏡或者優(yōu)選的全內(nèi)反射(TIR)表面503反射。當(dāng)對(duì)著傳播方向觀(guān)察光束521時(shí)，S偏振光束521被法拉第旋光器505逆時(shí)針(CCW)旋轉(zhuǎn)45度。旋轉(zhuǎn)光束的法拉第效應(yīng)取決于法拉第旋光器上的磁場(chǎng)方向以及旋轉(zhuǎn)角度取決于法拉第旋光器上的磁場(chǎng)大小是公知的。法拉第效應(yīng)過(guò)程是非互易的，這意味著旋轉(zhuǎn)不取決于光束的傳播方向。
λ/2波片506相對(duì)于垂直軸成22.5度角，并且位于法拉第旋光器505之后。然后，從法拉第旋光器505輸出的光束將再旋轉(zhuǎn)45度，并且在穿過(guò)λ/2波片506之后變?yōu)镻偏振光束。圖5B至5E圖示了來(lái)自光源101的光穿過(guò)棱鏡501、法拉第旋光器505和λ/2波片506時(shí)經(jīng)歷的偏振旋轉(zhuǎn)。圖5B圖示了從棱鏡501輸出的S偏振光束521。圖5C示出了從法拉第旋光器505輸出的光束的45°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。圖5D圖示了通過(guò)λ/2波片506的旋轉(zhuǎn)。圖5E圖示了所得到的輸入到棱鏡507的P偏振光束。然后，P偏振光束透射通過(guò)棱鏡507的偏振分束涂層表面508。
另一方面，P偏振光束522也被法拉第旋光器505旋轉(zhuǎn)45度，然后被λ/2波片506旋轉(zhuǎn)為S偏振光束。S偏振光被棱鏡507的表面509(反射鏡或TIR)和表面508反射到分束器(或耦合器)404中。在這種配置中，來(lái)自光源101的S偏振和P偏振光都耦合到分束器404中。
圖5F至5I圖示了從樣品111和參考物112反射的光所經(jīng)歷的偏振旋轉(zhuǎn)。從參考物112或樣品111反射的光的S偏振分量傳播通過(guò)棱鏡507的表面508、棱鏡507的表面509、λ/2波片506和法拉第旋光器505，然后耦合到棱鏡501中。如前所述，因?yàn)榉ɡ谛?yīng)是非互易的，所以S偏振在穿過(guò)上述光路之后仍然處于S偏振面上。S偏振光從棱鏡501的表面502然后從表面504反射，并且從偏振分束器513的偏振分束涂層表面514反射，然后由光電檢測(cè)器418接收。圖5F示出了S偏振光束。圖5G圖示了在穿過(guò)λ/2波片506之后S偏振光束的旋轉(zhuǎn)。圖5H圖示了在穿過(guò)法拉第旋光器505之后光束經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)。最終，圖5I圖示了入射到偏振相關(guān)分束器513上的S偏振光束。
沿參考臂104或樣品臂105反射的光的P偏振分量也將傳播通過(guò)λ/2波片506和法拉第旋光器505，而不改變偏振。P偏振分量從表面503反射，并穿過(guò)表面502、表面504和表面514，然后由光電檢測(cè)器417接收?？梢哉{(diào)節(jié)偏振控制器308，以在光路106和416中產(chǎn)生相等的S偏振和P偏振參考光，以便偏振分集檢測(cè)。然后，可以單獨(dú)解調(diào)和處理兩個(gè)正交偏振光束，然后在光信號(hào)處理單元410中將它們處理為總體強(qiáng)度信號(hào)。
在圖5A所示的實(shí)施例中，隔離器(例如圖14中的隔離器1401)包括棱鏡501，并且偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如圖14中的偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)包括棱鏡501、法拉第旋光器505、λ/2波片506、棱鏡507、分束器404和偏振相關(guān)分束器513。
圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的另一實(shí)施例。圖6所示的干涉儀600利用兩個(gè)光環(huán)行器612和613，可以增加光效率，并減少反射回光源101中的光。光環(huán)行器613位于參考臂104中。光環(huán)行器612位于樣品臂105中。圖6所示的干涉儀類(lèi)似于傳統(tǒng)的馬赫-曾德干涉儀。來(lái)自光源101的光輸入到線(xiàn)偏振器607。分束器602分路從偏振器607接收到的線(xiàn)偏振光。如圖6所示，光量α被引導(dǎo)到樣品臂105中，剩余光1-α被引導(dǎo)到參考臂104中。分束器602的分束比在一些實(shí)施例中可以由光束路徑的相對(duì)效率來(lái)確定。
在參考臂104中，光被引導(dǎo)到環(huán)行器613的第一端口。然后，從環(huán)行器613的第二端口出射的光被引導(dǎo)到參考物112，并且來(lái)自參考物112的反射光再次被引導(dǎo)到環(huán)行器613的第二端口。從環(huán)行器613的第三端口出射的光被引導(dǎo)到偏振控制器308。從偏振控制器308出射的光輸入到分束器606。
類(lèi)似地，樣品臂105中的光首先被引導(dǎo)到環(huán)行器612的第一端口。從環(huán)行器612的第二端口出射的光耦合到樣品111。然后，來(lái)自樣品111的反射光耦合回環(huán)行器612的第二端口。從環(huán)行器612的第三端口出射的光被引導(dǎo)到分束器606。
然后，來(lái)自參考臂104和樣品臂105的光在分束器606中組合，并被引導(dǎo)到光束路徑608。光束路徑608將光耦合到偏振相關(guān)分束器609中。偏振相關(guān)分束器609將光束分為耦合到光束路徑611中的S偏振光束和耦合到光束路徑610中的P偏振光束。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可以調(diào)節(jié)偏振控制器308，以分別在光路611和610中產(chǎn)生相等強(qiáng)度的S偏振和P偏振參考光，以便偏振分集檢測(cè)。
如圖6所示，光束路徑611中的光束強(qiáng)度在光檢測(cè)器612中檢測(cè)，并且光束路徑610中的光束強(qiáng)度在光檢測(cè)器613中檢測(cè)。檢測(cè)器612和613中生成的電信號(hào)輸入到光信號(hào)處理單元614。在一些實(shí)施例中，對(duì)在檢測(cè)器613處測(cè)量的P偏振干涉信號(hào)和在檢測(cè)器612處測(cè)量的S偏振干涉信號(hào)單獨(dú)解調(diào)和處理，然后在光信號(hào)處理單元614輸出的總體干涉信號(hào)中求和。
如圖6所示，來(lái)自分束器606的一部分混合光可以耦合到光束路徑615中并由檢測(cè)器616檢測(cè)。然后，來(lái)自檢測(cè)器616的電輸出信號(hào)可以輸入到功率監(jiān)視器617。
在圖6所示的實(shí)施例中，隔離器(例如圖14中的隔離器1401)包括環(huán)行器613和環(huán)行器612。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如圖14中的偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)包括線(xiàn)偏振器607、分束器602、分束器606和偏振分束器609。
圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的另一干涉儀700。如圖7所示，來(lái)自光源101的光首先被偏振分束器702的偏振分束表面703偏振。S偏振光從表面703反射，并且可以丟棄或者用于功率監(jiān)視。為了最小化光損耗，可以將可能是部分偏振的光源701旋轉(zhuǎn)，以最大化進(jìn)入偏振分束器702的P偏振光的光強(qiáng)?？梢圆贾梅ɡ谛馄?04和λ/2波片705，使得P偏振光在從λ/2波片705出射時(shí)保持P偏振。然后，P偏振光透射通過(guò)偏振分束器706的偏振分束涂層表面707。分束器404將光耦合到樣品臂105和參考臂104，如前所述。
來(lái)自分束器404的反射S偏振光(是從樣品111和參考物112反射的S偏振光的組合)從偏振分束器706的表面7087反射到光路712中。來(lái)自分束器404的P偏振光(是從樣品111和參考物112反射的P偏振光的組合)透射通過(guò)偏振分束器706，并且被λ/2波片705和法拉第旋光器704旋轉(zhuǎn)為S偏振光。S偏振光將從偏振分束器702的表面703反射到光路713中。信號(hào)路徑712中的光束由檢測(cè)器714檢測(cè)，并且信號(hào)路徑713中的光束由檢測(cè)器715檢測(cè)。然后，來(lái)自檢測(cè)器714和715的電信號(hào)被耦合到光信號(hào)處理單元410。單獨(dú)接收、解調(diào)和處理兩個(gè)干涉信號(hào)路徑，即，包含樣品111的P偏振信息的信號(hào)路徑713以及包含樣品111的S偏振信息的光路712，然后光信號(hào)處理單元410將它們求和為總體強(qiáng)度信號(hào)。
如前所述，從樣品111和參考物112反射的少量光可以通過(guò)光路412轉(zhuǎn)移到檢測(cè)器413。因此，功率監(jiān)視器414可以監(jiān)視來(lái)自參考臂104和樣品臂105的總體反射光的強(qiáng)度。
在一些實(shí)施例中，例如通過(guò)添加功率監(jiān)視器件以檢測(cè)從棱鏡702反射出的S偏振光，可以監(jiān)視光源101本身的功率。這種功率監(jiān)視不會(huì)受到來(lái)自樣品111的反射光的影響。
在圖7所示的實(shí)施例中，隔離器(例如圖14中的隔離器1401)包括偏振分束器702、法拉第旋光器704和λ/2波片705。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如圖14中的偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)包括偏振分束器702、法拉第旋光器704、λ/2波片705、偏振分束器706和分束器404。
圖8圖示了干涉儀800，其說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的另一實(shí)施例。與圖5所示的干涉儀500的實(shí)施例相比，干涉儀800中去除了偏振分束器513。來(lái)自光源101的光進(jìn)入棱鏡502，并且被偏振分束涂層表面503偏振分路。S偏振光從表面503反射，因此被丟棄或者用于功率監(jiān)視。P偏振光傳播通過(guò)偏振分束器502的表面503，并且被法拉第旋光器505和λ/2波片506的組合旋轉(zhuǎn)為S偏振光。S偏振光從表面509(反射鏡或TIR)和棱鏡507的偏振分束涂層表面508反射到分束器404中。如前所述，分束器404將光分到樣品臂105和參考臂104中。如前所述，可以設(shè)置分束器404的分束比，以?xún)?yōu)化性能。
從樣品臂105和參考臂104反射的組合S偏振光在棱鏡507中傳播通過(guò)與上述路徑相反的路徑。λ/2波片506和法拉第旋光器505的組合不改變從棱鏡507進(jìn)入的S偏振光的偏振方向，如前所述。因此，從棱鏡502的表面503和504反射的S偏振光可以耦合到光電檢測(cè)器813中。從樣品臂105和參考臂104反射的組合P偏振光將沿著與S偏振光不同的光路傳播通過(guò)表面508、λ/2波片506和法拉第旋光器505，如圖8所示。然后，P偏振光可以耦合到光電檢測(cè)器814中。然后。來(lái)自檢測(cè)器813的電信號(hào)816對(duì)應(yīng)于來(lái)自樣品111和參考物104的S偏振信號(hào)的強(qiáng)度，并且來(lái)自檢測(cè)器814的電信號(hào)815對(duì)應(yīng)于來(lái)自樣品111和參考物104的P偏振信號(hào)。可以單獨(dú)解調(diào)和處理干涉信號(hào)815和816，然后在光信號(hào)處理單元410中對(duì)它們求和，以表示總干涉強(qiáng)度。如前所述，可以調(diào)節(jié)偏振控制器308，以提供如信號(hào)815和816所指示的相等光功率，以便偏振分集檢測(cè)。
在圖8所示的實(shí)施例中，隔離器(例如隔離器1401)可以包括棱鏡502、法拉第旋光器505和λ/2波片506。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)包括棱鏡502、法拉第旋光器505、λ/2波片506、棱鏡507和分束器404。
圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的另一干涉儀900。干涉儀900類(lèi)似于干涉儀800，其中法拉第旋光器905、λ/2波片506和棱鏡502類(lèi)似布置。然而，在干涉儀900中，旋轉(zhuǎn)棱鏡910，使得P偏振光透射通過(guò)棱鏡502、法拉第旋光器905和λ/2波片506，而不改變偏振。法拉第旋光器905的磁場(chǎng)方向與法拉第旋光器505相反。來(lái)自樣品臂105或參考臂104的S偏振分量將從棱鏡502反射到檢測(cè)器813中。P偏振分量將傳播通過(guò)入射光束路徑并進(jìn)入檢測(cè)器814中。所有其他操作與前面所述相同。
在圖9所示的實(shí)施例中，隔離器(例如隔離器1401)包括棱鏡502、法拉第旋光器905和λ/2波片506。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)包括棱鏡502、法拉第旋光器905、λ/2波片506、棱鏡910和分束器404。
圖10示出了干涉儀1000的實(shí)施例，這是根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的干涉儀的另一實(shí)施例。干涉儀1000類(lèi)似于圖8和9所示的干涉儀實(shí)施例，但是具有對(duì)稱(chēng)的光學(xué)布置。光源101的P偏振分量透射通過(guò)棱鏡1002、法拉旋光器905、λ/2波片506和棱鏡1005，進(jìn)入分束器404中。在反射路徑中，S偏振分量將從棱鏡1005反射到光路1007中。P偏振分量將被λ/2波片506和法拉旋光器905旋轉(zhuǎn)為S偏振光，并被棱鏡1002反射到光路1008中。同樣，光束路徑1007中的光束由檢測(cè)器1009檢測(cè)，并且光束路徑1008中的光束由檢測(cè)器1010檢測(cè)。然后，光信號(hào)處理單元410同樣接收與從樣品111反射的P偏振光相對(duì)應(yīng)的一個(gè)信號(hào)以及與從樣品111反射的S偏振光相對(duì)應(yīng)的一個(gè)信號(hào)。
在圖10所示的實(shí)施例中，隔離器(例如隔離器1401)可以包括棱鏡1002、法拉第旋光器905和λ/2波片506。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)可以包括棱鏡1002、法拉第旋光器905、λ/2波片506、棱鏡100和分束器404。
圖11圖示了可以替代低相干光源101(例如，圖4、5A、6、7、8、9和10中所示的本發(fā)明實(shí)施例中所示出的低相干光源)的光源1100。光源1100采用相干光源1101，例如激光器。通過(guò)掃描掃描儀1102(包括光柵1005和反射器1106)并從光學(xué)鏡1106反射光，可以使相干光源的波長(zhǎng)快速掃描通過(guò)寬波長(zhǎng)范圍。如圖11所示，來(lái)自激光器1101的光束可以在準(zhǔn)直器1103中準(zhǔn)直，并在透鏡系統(tǒng)1104中整形或聚焦，然后入射到光束1105上。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明實(shí)施例中可以利用的快速波長(zhǎng)掃描光源1100的配置有許多。光源1100可以耦合到干涉儀的任意實(shí)施例，包括圖4至14中所公開(kāi)的那些實(shí)施例。在這些實(shí)施例中，參考物112可以不包括光學(xué)延遲。
圖12圖示了干涉儀1200的實(shí)施例，這是根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的另一實(shí)施例。干涉儀1200可以采用低相干光源101，或者在一些實(shí)施例中，可以采樣諸如圖11所示的光源。光首先由準(zhǔn)直器1202準(zhǔn)直，然后被線(xiàn)偏振器1203偏振。偏振器1203可以與偏振分束器1204一起定位，以將光在S偏振和P偏振之間分為特定比例。S偏振光束被偏振分束器1204反射，并穿過(guò)光軸與光束傳播方向成45度的四分之一波片1209。一旦穿過(guò)四分之一波片1209，光束變?yōu)閳A偏振。在被反射鏡1210反射時(shí)，光束右手改變(例如，逆時(shí)針圓偏振光束變?yōu)轫槙r(shí)針圓偏振光束)。從反射鏡1210的方向第二次穿過(guò)四分之一波片1209使光束變?yōu)镻偏振。
最初的P偏振光束透射通過(guò)偏振分束器1204，并被四分之一波片1205圓偏振，并且被回射(retroreflection)光學(xué)組件1208反射，以重新到達(dá)偏振分束器1204，如同通過(guò)類(lèi)似光學(xué)配置的S偏振光束，并以S偏振返回偏振分束器1204。如圖12所示，回射光學(xué)組件1208可以包括透鏡1206和凹面鏡1207或者簡(jiǎn)單的直角棱鏡。兩個(gè)光束，即從反射鏡1210反射的P偏振光束和從回射光學(xué)組件1208反射的S偏振光束被偏振分束器1204組合，并且耦合到線(xiàn)偏振器1211，線(xiàn)偏振器1211相對(duì)于光軸成45度角。光束將由透鏡1213聚焦到光分束器1215的光源臂1214中。然后，光束耦合到樣品臂1216并耦合到樣品111上。從樣品111反射的光束將反射到檢測(cè)臂1217中，其中由檢測(cè)器檢測(cè)其強(qiáng)度，并且將得到的電信號(hào)輸入到光信號(hào)處理器。
在一些實(shí)施例中，分束器1215可以由體光學(xué)裝置制成，從而聚焦透鏡1213不是必要的。通過(guò)改變回射組件1208的位置，可以測(cè)量光學(xué)距離。另外，如果在光束的樣品臂1216中集成了橫向掃描機(jī)構(gòu)，可以獲得樣品的橫截面圖像。因?yàn)槊糠N偏振類(lèi)型的光束從樣品111的兩個(gè)表面單獨(dú)干涉，所以測(cè)量對(duì)于樣品的移動(dòng)不敏感。此外，因?yàn)樾盘?hào)是兩種偏振類(lèi)型之和，所以信號(hào)強(qiáng)度對(duì)于干涉儀中的偏振改變不敏感。
在圖12所示的實(shí)施例中，隔離器(例如圖14中的隔離器1401)包括偏振器1203、偏振分束器1204和四分之一波片1209和1204。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)包括偏振器1203、偏振分束器1204、四分之一波片1209和線(xiàn)偏振器1211。
圖13圖示了干涉儀1300，這是本發(fā)明的另一實(shí)施例，使用平衡檢測(cè)來(lái)減小來(lái)自光源101的噪聲。另外，在該實(shí)施例中，光信號(hào)處理器輸出的信號(hào)可以與系統(tǒng)和樣品111的樣品組織中的偏振狀態(tài)改變無(wú)關(guān)。干涉儀1300可以利用低相干光源用作光源101或者諸如圖11所示的光源。光進(jìn)入環(huán)行器1311的端口1，并從環(huán)行器1311的端口2出射。來(lái)自環(huán)行器1311的光束被偏振分束器1312偏振。S偏振光從偏振分束器1312出射，并且在一些實(shí)施例中，可以用于功率監(jiān)視。然后，來(lái)自偏振分束器1312的P偏振光耦合到光纖分束器1313中，光纖分束器1313將光耦合到樣品臂105和參考臂104。在一些實(shí)施例中，光纖分束器1313可以將光相等地耦合到樣品臂105和參考臂104。來(lái)自樣品111和參考物112的反射光由分束器1313接收。在一些實(shí)施例中，反射回分束器1313的一半光將耦合到檢測(cè)器1316。另一半反射光耦合到偏振分束器1312中，以根據(jù)光到達(dá)偏振分束器1312時(shí)的偏振狀態(tài)在檢測(cè)器1314和檢測(cè)器1315之間分路。
在圖13所示的實(shí)施例中，隔離器(例如隔離器1401)包括環(huán)行器1311。另外，偏振相關(guān)光學(xué)裝置(例如偏振相關(guān)光學(xué)裝置1403)包括偏振分束器1312和分束器1313。
如果干涉儀1300滿(mǎn)足如下條件1)從樣品111反射回的光的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于從參考物112反射的光；2)調(diào)節(jié)參考臂104中的偏振控制器308，使得檢測(cè)器1314和檢測(cè)器1315從參考臂104接收相同的光強(qiáng)度；3)環(huán)行器1311、偏振分束器1312和分束器1313中實(shí)質(zhì)上不存在額外損耗，因而檢測(cè)器1316(檢測(cè)器C)從參考臂104接收到的光功率等于檢測(cè)器1314(檢測(cè)器A)和檢測(cè)器1315(檢測(cè)器B)從參考臂104接收到的光功率之和；以及4)所有檢測(cè)器對(duì)于光強(qiáng)具有實(shí)質(zhì)上相同的響應(yīng)；于是，每個(gè)檢測(cè)器上的光可以如下處理。檢測(cè)器1314和檢測(cè)器1315生成的光電流可以如下表示IA∝R·(14Pr+14Ps+12·Pr·Ps·cos(φ))]]>IB∝R·(14Pr+14Ps+12·Pr·Ps·sin(φ))]]>這里，R是光電檢測(cè)器的響應(yīng)度，Pr是從參考臂104反射回的光功率，Ps是從樣品臂105反射回的光功率，并且φ是來(lái)自樣品臂105的光的偏振相位。檢測(cè)器C 1316中的光電流可以表示為IC∝R·(12Pr+12Ps-12·Pr·Ps·cos(φ)-12·Pr·Ps·sin(φ))]]>可以利用如下方程Iu=12·(IA+IB-IC)=12·R·Pr·Ps·(cos(φ)+sin(φ))]]>Iv=IA-IB=12·R·Pr·Ps·(cos(φ)-sin(φ))]]>如上述方程所示，Pr和Ps也是兩個(gè)正交偏振模式。如果這兩個(gè)信號(hào)單獨(dú)解調(diào)，于是可以得到如下偏振無(wú)關(guān)的樣品功率信號(hào)Iu2+Iv2=12·R2·Pr·Ps]]>其與偏振狀態(tài)φ無(wú)關(guān)。注意，上述方程中出現(xiàn)的Iu和Iv的表達(dá)(表示與檢測(cè)器1314、1315和1316耦合的光信號(hào)處理器410的輸出信號(hào))沒(méi)有任何直流分量，因此Iu和Iv不受來(lái)自光源的任何額外強(qiáng)度噪聲的影響。這意味著，上述檢測(cè)和信號(hào)處理方法的靈敏度僅受散粒噪聲影響。
考慮此處所公開(kāi)的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將顯而易見(jiàn)。說(shuō)明書(shū)和示例僅應(yīng)視為示范性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由所附權(quán)利要求指明。
權(quán)利要求
1.一種干涉儀，包括光源；隔離器，耦合到光源；偏振相關(guān)光學(xué)裝置，耦合到隔離器；參考臂，耦合到偏振相關(guān)光學(xué)裝置；樣品臂，耦合到偏振相關(guān)光學(xué)裝置；和一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器，耦合到偏振相關(guān)光學(xué)裝置，其中，偏振相關(guān)光學(xué)裝置將光耦合到參考臂和樣品臂中，接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光，并將光提供給所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器，從而可以在與所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器相耦合的光信號(hào)處理單元中形成偏振無(wú)關(guān)光信號(hào)，并且隔離器阻止來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光進(jìn)入光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，還包括功率監(jiān)視器，耦合來(lái)接收光，并提供功率信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中隔離器包括環(huán)行器，耦合來(lái)在第一端口中接收來(lái)自光源的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括偏振相關(guān)分束器，耦合來(lái)從環(huán)行器的第二端口接收光，所述偏振分束器提供第一偏振的光，接收從樣品臂和參考臂反射的光，并根據(jù)偏振將光提供給所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中的第一檢測(cè)器以及環(huán)行器的第二端口；和分束器，耦合來(lái)從偏振分束器接收第一偏振的光，所述分束器將第一偏振的光耦合到參考臂和樣品臂中，并且將來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光耦合回偏振相關(guān)分束器中，其中，環(huán)行器通過(guò)第三端口向所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中的第二檢測(cè)器提供光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中隔離器包括分束器，所述分束器從光源接收光，并提供第一偏振的第一光束和第二偏振的第二光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的干涉儀，其中隔離器還包括法拉第旋光器和半波片，所述法拉第旋光器將第一光束和第二光束的偏振旋轉(zhuǎn)約45度，并且所述半波片進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)第一光束和第二光束的偏振。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括法拉第旋光器，耦合來(lái)接收第一光束和第二光束；波片，耦合到法拉第旋光器，其中將第一光束的偏振旋轉(zhuǎn)為第二偏振，并且將第二光束的偏振旋轉(zhuǎn)為第二偏振；棱鏡，耦合來(lái)從波片接收第一光束和第二光束，并將第一光束與第二光束組合；和分束器，耦合到棱鏡，所述分束器向參考臂和樣品臂提供光，并接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光，其中，在棱鏡中根據(jù)偏振將反射光分為分路光束，每一分路光束的偏振被波片和法拉第旋光器旋轉(zhuǎn)，并且分束器重組分路光束并將組合光束耦合到第二偏振分束器，并且第二偏振分束器根據(jù)偏振分離光束，并耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中隔離器包括第一環(huán)行器，耦合到參考臂中；和第二環(huán)行器，耦合到樣品臂中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括線(xiàn)偏振器，耦合來(lái)接收并偏振來(lái)自光源的光；第一分束器，耦合來(lái)從線(xiàn)偏振器接收偏振光，并將光束提供給參考臂中的第一環(huán)行器的第一端口以及樣品臂中的第二環(huán)行器的第一端口，其中第一環(huán)行器的第二端口耦合到參考物，第二環(huán)行器的第二端口耦合到樣品；第二分束器，耦合來(lái)從第一環(huán)行器的第三端口和第二環(huán)行器的第三端口接收光，并提供組合光束；和偏振相關(guān)分束器，耦合來(lái)接收所述組合光束，并向所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器提供第一偏振的第一光束和第二偏振的第二光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉儀，其中隔離器包括偏振相關(guān)分束器，所述偏振相關(guān)分束器耦合來(lái)從光源接收光，并提供第一偏振的光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中隔離器還包括法拉第旋光器和半波片，其接收并旋轉(zhuǎn)第一偏振的光束的偏振。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括法拉第旋光器和波片，耦合來(lái)接收第一偏振的光束，并輸出第一偏振的光束；第二偏振分束器，耦合來(lái)從法拉第旋光器和波片接收第一偏振的光束，并透射第一偏振的光束；和分束器，耦合來(lái)從第二偏振分束器接收第一偏振的光束，將第一偏振的光束耦合到樣品臂和參考臂中，接收來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束，并將來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束組合為組合反射光束，其中，第二偏振分束器將組合反射光束分離為第一偏振的組合反射光束和第二偏振的組合反射光束，第二偏振的組合反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中的一個(gè)檢測(cè)器，并且第一偏振的組合反射光束被法拉第旋光器和波片偏振旋轉(zhuǎn)為第二偏振，并且由偏振分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中的另一檢測(cè)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括法拉第旋光器和波片，耦合來(lái)接收第一偏振的光束，并將偏振旋轉(zhuǎn)為第二偏振；第二棱鏡，耦合來(lái)從法拉第旋光器和波片接收第二偏振的光束；分束器，耦合來(lái)從第二棱鏡接收第二偏振的光束，將光耦合到參考臂和樣品臂中，接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光束，并提供組合反射光束，其中，組合反射光束在第二棱鏡中根據(jù)偏振被分離為第一偏振的第一反射光束和第二偏振的第二反射光束，法拉第旋光器和波片將第二偏振的第二反射光束的偏振旋轉(zhuǎn)為第一偏振，并且偏振相關(guān)分束器將第二反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的干涉儀，還包括與分束器耦合的功率監(jiān)視器。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括法拉第旋光器和波片，耦合來(lái)接收第一偏振的第一光束，并透射第一偏振的第一光束；第二棱鏡，耦合來(lái)從法拉第旋光器和波片接收第一偏振的第一光束；分束器，耦合來(lái)從第二棱鏡接收第一偏振的第一光束，將光耦合到參考臂和樣品臂中，接收來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束，并提供組合反射光束，其中，組合反射光束在第二棱鏡中根據(jù)偏振被分離為第一偏振的第一反射光束和第二偏振的第二反射光束，法拉第旋光器和波片透射第一偏振的第一反射光束，并且偏振相關(guān)分束器將第一反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的干涉儀，其中第二棱鏡將第二偏振的第二反射光束耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的干涉儀，還包括與分束器耦合的功率監(jiān)視器。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)分束器是棱鏡。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括線(xiàn)偏振器，耦合在偏振相關(guān)分束器和光源之間，所述線(xiàn)偏振器提供具有第一偏振和第二偏振的光束；四分之一波片，耦合來(lái)從偏振相關(guān)分束器接收第二偏振的光；反射鏡，耦合來(lái)從四分之一波片接收光，并將光反射回去通過(guò)四分之一波片，以向偏振相關(guān)分束器提供第一偏振的光；第二四分之一波片，耦合來(lái)從偏振相關(guān)分束器接收第一偏振的光，并向參考臂提供圓偏振光，其中來(lái)自參考臂的反射光在偏振相關(guān)分束器處是第二偏振的光；線(xiàn)偏振器，被定位以透過(guò)相等部分的第一偏振和第二偏振的光，耦合來(lái)從偏振相關(guān)分束器接收組合光束，所述組合光束包括從反射鏡反射的光以及從參考臂反射的光；和分束器，耦合來(lái)從線(xiàn)偏振器接收光，并將光提供給樣品臂，其中來(lái)自樣品臂的反射光由所述分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器中。
20.根據(jù)權(quán)利要求3所述的干涉儀，其中偏振相關(guān)光學(xué)裝置包括偏振相關(guān)分束器，耦合來(lái)從環(huán)行器的第二端口接收光，所述偏振相關(guān)分束器提供第一光束；分束器，耦合來(lái)接收第一光束，以向樣品臂和參考臂提供光，并接收來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光束，其中反射光束的第一部分由分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器中，并且反射光束的第二部分由分束器耦合到偏振相關(guān)分束器中，帶有第一偏振的所述第二部分耦合到環(huán)行器的第二端口，環(huán)行器的第三端口耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器，并且?guī)в械诙竦乃龅诙糠钟善裣嚓P(guān)分束器耦合到所述一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器。
21.一種用于執(zhí)行干涉儀測(cè)試的方法，包括從光源提供光；將來(lái)自光源的光耦合到參考臂和樣品臂；接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光；將光源與來(lái)自樣品臂的反射光和來(lái)自參考臂的反射光隔離；將反射光引導(dǎo)到檢測(cè)系統(tǒng)，其中，檢測(cè)系統(tǒng)能夠提供偏振無(wú)關(guān)信號(hào)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中將來(lái)自光源的光耦合到參考臂和樣品臂的步驟包括將來(lái)自光源的光分為第一偏振的光和第二偏振的光，并將第一偏振的光提供給樣品臂和參考臂。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中接收來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光的步驟包括組合來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中將反射光引導(dǎo)到檢測(cè)系統(tǒng)的步驟包括將來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光分為第一偏振的光和第二偏振的光，并將第一偏振的光耦合到第一檢測(cè)器中，將第二偏振的光耦合到第二偏振中。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中將光源與反射光隔離的步驟包括在光源與樣品臂和參考臂之間提供至少一個(gè)環(huán)行器。
26.一種干涉儀，包括光源；環(huán)行器，其第一端口耦合來(lái)從光源接收光，所述環(huán)行器將來(lái)自第一端口的光引導(dǎo)到第二端口，將來(lái)自第二端口的光引導(dǎo)到第三端口，環(huán)行器的第三端口耦合到第一檢測(cè)器；偏振相關(guān)分束器，耦合來(lái)從環(huán)行器的第二端口接收光，所述偏振相關(guān)分束器透射第一偏振的光，所述偏振相關(guān)分束器還將第一偏振的反射光耦合到環(huán)行器的第二端口中，并將第二偏振的反射光耦合到第二檢測(cè)器中；分束器，耦合來(lái)接收第一偏振的光，并將第一偏振的光耦合到樣品臂和參考臂中，所述分束器還將來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光耦合到偏振相關(guān)分束器和第三檢測(cè)器。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的干涉儀，其中來(lái)自參考臂的反射光在第一檢測(cè)器和第二檢測(cè)器之間均分。
28.一種干涉測(cè)量的方法，包括將來(lái)自光源的光耦合到環(huán)行器的第一端口；將來(lái)自環(huán)行器的第二端口的光分為第一偏振的光和第二偏振的光；將第一偏振的光耦合到樣品臂和參考臂中；將來(lái)自樣品臂和參考臂的一部分反射光耦合到第三檢測(cè)器中；將來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光分為第一偏振的反射光和第二偏振的反射光；將第一偏振的反射光通過(guò)環(huán)行器的第二端口和第三端口耦合到第一檢測(cè)器；將第二偏振的反射光耦合到第二檢測(cè)器；以及根據(jù)來(lái)自第一檢測(cè)器、第二檢測(cè)器和第三檢測(cè)器的信號(hào)，產(chǎn)生偏振無(wú)關(guān)信號(hào)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中偏振無(wú)關(guān)信號(hào)不受光源噪聲影響。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中來(lái)自參考臂的反射光在第三檢測(cè)器與第一和第二檢測(cè)器之間均分。
31.一種干涉儀，包括用于生成光束的裝置；用于將光束耦合到樣品臂和參考臂的裝置；用于接收來(lái)自樣品臂和參考臂的反射光的裝置；用于將用于生成光束的裝置與反射光隔離的裝置；和用于生成與從樣品臂反射的光和從參考臂反射的光的組合相關(guān)的偏振無(wú)關(guān)信號(hào)的裝置。
全文摘要
根據(jù)本申請(qǐng)，提出了干涉儀的實(shí)施例，除了其他優(yōu)點(diǎn)之外，改進(jìn)了偏振相關(guān)問(wèn)題，并有助于防止光反射回光源中。干涉儀實(shí)施例可以包括與光源(101)耦合的隔離器(402)以及與隔離器耦合以向參考臂(104)和樣品臂(105)提供光的偏振相關(guān)光學(xué)裝置(403)，其中向光檢測(cè)器(417，418)提供反射光，使得可以在與光檢測(cè)器耦合的光信號(hào)處理器(410)中形成偏振無(wú)關(guān)光信號(hào)，并且隔離器阻止來(lái)自參考臂和樣品臂的反射光進(jìn)入光源。在一些實(shí)施例中，可以利用平衡檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)減小噪聲。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1917806SQ200580004420
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者魏勵(lì)志 申請(qǐng)人:光視有限公司