專利名稱：無外部分束鏡的自混合光學相干檢測器的制作方法
無外部分束鏡的自混合光學相干檢測器
本發(fā)明涉及光學傳感器領域，并且特別涉及提供相干檢測而無需使用外部分束鏡的光學檢測器。
光學檢測器通常用于通過將光投射到表面上并檢測反射來測量距離。典型地，激光二極管投射光，并且反射光引入可檢測的干涉圖案。，光源和反射對象之間的距離決定了何時發(fā)生干涉。如果可從多個表面或者從多層半透明材料產(chǎn)生反射，那么使用透鏡系統(tǒng)有效地聚集來自焦點的反射相對于聚集來其他的反射是優(yōu)選的。
光學相干層析(OCT)技術提供高分辨率光學檢測和成像。

圖1A示出了采用外部鏡以提供參考反射的光學相干檢測器的配置的實例。如在常規(guī)的光學檢測器中那樣，從激光設備110(典型的是超亮(superlummescent)激光二極管(SLD )設備)中投射出的光束指向目標對象130，并且檢測器115檢測來自該對象的反射。在相干檢測器中，從光束中獲得兩種反射，即參考反射和目標反射。如果參考反射和目標
如圖1A所示，相干檢測器的實例使用分束鏡140分裂投射光束。分裂的光束之一 (以下稱為參考光束)被導向鏡120，并且反射回光源；另一個分裂的光束(以下稱為目標光束)遠離光源，指向目標130。如果來自目標130的目標光束的反射與來自鏡120的參考光束的反射同時到達光源，那么它們將相干。也就是說，如果從光源到目標表面130的距離等于從光源到參考表面120的距離，那么將發(fā)生相干反射，并且產(chǎn)生高振幅檢測信號；否則，反射將是非相干的并產(chǎn)生低振幅檢測信號。換言之，來自與光源相距參考距離(Dt=Dr)的目標表面的反射將提供高檢測振幅，而來自不同距離(D#Dr)的表面的反射則將提供低檢測振幅。通過改變參考距離Dr,可以才企測處于不同距離(Dt=Dr)的目標表面。通過隨著時間改變參考距離Dr，可以獲得半透明材料(例如身體組織)的深度分布圖，該組織材料在不同層處的特性提供不同的反射強度。
圖1B示出了檢測的反射的振幅與目標反射表面到激光源114的距離Dt的函數(shù)關系。如圖所示，如果目標反射表面到光源的距離為Dt=Dn那么由圖1A的檢測器115檢測到的信號150將是顯著的。由于來自稍 不同于Dr的距離151的表面的反射將最小，所以檢測精度或分辨率很 高。使用相干檢測通常能實現(xiàn)微米級的分辨率，比典型的基于干涉的系
統(tǒng)精確得多。這種高精度允許當參考距離Dr改變時，通過區(qū)分參考距離 Dr處的反射獲得上述深度分布圖。
如圖1B所示，常規(guī)相干檢測器的區(qū)分能力因"疊影(ghost )反射"160
而存在缺陷。來自不同于Dr的某些位置的表面的反射也產(chǎn)生來自檢測器
115的可辨別的輸出160。這些疊影反射輸出160將使得希望的目標輸
出150的測量失真，并且通常通過限制聚焦在目標距離Dr處的光學系統(tǒng)
的景深(depth of field)以便排除/衰減來自超過目標距離Dr的景深的表 面的反射來衰減疊影反射輸出。這些疊影反射160由與投射光束其他分 量相干的反射所引起，這在下文進行詳細描述。
圖1C示出了典型的具有腔室113的超亮二極管(SLD)設備IIO。 在腔室113中，后表面111幾乎完全反射(〉〉99%),前表面112僅僅 略微反射(<1%)。腔室113的物理結構和腔室113內(nèi)的反射程度將決 定腔室113內(nèi)的平均反射次數(shù)，以及關于該平均值的方差。疊影反射160 對應于來自目標130的與光線相干的反射131，所述光線對應于那些不 同于從參考反光鏡120反射的平均/主要光線121的光線。因為物理結構 引起疊影相干光線，所以疊影反射160發(fā)生在固定間隔155處，這些固 定間隔取決于腔室113的大小。常規(guī)SLD以大約l-2亳米的間隔顯示疊 影反射160,并且光學系統(tǒng)被配置成具有小于1毫米的景深，從而避免 這些疊影反射160。
圖1A的光學相干檢測器的實例提供很高的分辨率，但是需要固定 裝置在相對于光源110的穩(wěn)定位置支撐分束鏡140和參考反射鏡120。
有利的是，提供無需在相對于光源的穩(wěn)定位置處支撐分束鏡和參考 反射鏡的固定裝置的光學相干檢測器。同樣有利的是，提供無需分束鏡 的光學相干檢測器。同樣有利的是，提供無需外部參考反射鏡的光學相 干檢測器。
通過設計成檢測由超亮二極管(SLD)產(chǎn)生的疊影反射的檢測器， 可以實現(xiàn)這些益處和其他益處。根據(jù)來自SLD腔體內(nèi)反射的整數(shù)倍的表 面的反射所產(chǎn)生的光學相干，檢測出疊影反射，并因此顯示光學相干檢
6測器典型的高分辨率辨別率。在一個優(yōu)選的實施例中，檢測器被配置成檢測來自內(nèi)部反射的特定倍數(shù)的表面的疊影反射。其他倍數(shù)的疊影反射被光學衰減，或者如果已知這樣的反射不發(fā)生改變，那么通過校準過程消除這些反射。
通過舉例并且參照附圖更詳細地解釋本發(fā)明，其中圖1A-1C示出了現(xiàn)有技術光學相干檢測器的實例。圖2A-2B示出了根據(jù)本發(fā)明的超亮二極管。圖3-5示出了根據(jù)本發(fā)明的光學檢測器配置的應用實例。在附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件，或者表示執(zhí)行基本相同的功能的元件。附圖用于說明性目的，并不意圖限制本發(fā)明的范圍。
在下面的描述中，為了解釋而不是限制的目的，闡述了諸如特定的結構、接口、技術等等的特定細節(jié)以便提供對本發(fā)明的徹底的了解。然而，本領域技術人員應當明白，本發(fā)明可以在脫離這些特定細節(jié)的其他實施例中實現(xiàn)。為了簡單清楚起見，省略了對于眾所周知的設備、電路和方法的詳細描述，以免不必要的細節(jié)使得本發(fā)明的描述難以理解。
本發(fā)明的前提在于以下觀察在超亮二極管設備內(nèi)在該二極管設備的腔體內(nèi)產(chǎn)生的反射的整數(shù)倍數(shù)處發(fā)生相干反射。常規(guī)上，這些反射(稱為疊影反射)是由提供超亮光輸出所需的結構產(chǎn)生的不希望的偽像，并且小心避免或最小化這些反射。相反地，在本發(fā)明中，沒有避免這些反射，并且優(yōu)選地增強這些反射。
圖2A示出了超亮二極管設備(SLD) 210，其被配置成增強該設備的腔體213內(nèi)的反射，從而增強疊影反射的發(fā)生。盡管本發(fā)明的原理可用于常規(guī)的SLD,并且實際上不需要增強疊影反射，但是這種增強通過提供更高振幅的相干信號使后續(xù)的檢測過程容易。
如上面關于圖1C所述，常規(guī)SLD 110包括高反射性的后表面111以及抗反射性的前表面112。優(yōu)選地，常規(guī)SLD 110被配置成根據(jù)需要產(chǎn)生很少的反射，從而產(chǎn)生希望的超亮輸出。如果前表面112的反射率增加，那么疊影反射的出現(xiàn)增多并且強度增大。如果前表面112的反射率增加超過某一閾值，那么所述設備如同常規(guī)激光設備那樣工作。
SLD210優(yōu)選地被配置成提供盡可能多的內(nèi)部反射，而不引起激光
7發(fā)射。也就是說，比如，如果用于引起激光器工作的閾值反射率是R^er，
那么SLD210的前表面212可被配置成提供0.^R^er的反射率，從而引 起SLD 210的腔體內(nèi)的多次反射，但是不會引起SLD 210進入激光發(fā)射狀態(tài)。
圖2B示出了 SLD 210的光學檢測器115的輸出與反射表面到SLD 210的距離的函數(shù)關系的曲線圖實例。在本實例中，SLD 210被配置成 提供調(diào)制的光輸出，并且反射表面設置在到SLD210的距離Dt不斷增大 的位置上。如曲線的總體形狀250所表明的那樣，檢測的反射與到光源 的距離的平方成反比地減少。然而，在到SLD210的某些距離260處， 這些反射與SLD210內(nèi)的反射相干，并且光的調(diào)制清晰可辨。也就是說， SLD 210的光學"增益"在到SLD 210的固定距離間隔255處顯示峰值 260。
從概念上講，前表面212提供多個"參考反射"，正如在圖1A的 常規(guī)光學相干檢測器中參考鏡120提供參考反射那樣。在到SLD210的 每個特定距離260處，目標反射與前表面212提供的參考反射的子集相
來自檢測器115的振幅輸i。因為這些更^的增益峰值是光學相干的結 果，所以與每個相干距離260的細微偏移量導致檢測器115的輸出的顯 著下降，從而在每個峰值-提供距離260的附近提供高程度的辨別率/分 辨率。也就是說，在每個峰值260處，在不利用外部分束鏡和參考鏡的 情況下發(fā)生光相干4企測?？梢哉J為表面212對應于常規(guī)相干^企測器的參 考鏡，并且可以認為SLD210的腔體內(nèi)的每個反射對應于常規(guī)分束鏡提 供的參考光束。
圖3-5示出了使用用于光學相干檢測的SLD設備的實例，該SLD 設備不使用外部參考鏡或分束鏡。
在圖3中，SLD檢測器310用于檢測旋轉(zhuǎn)對象350的速度。SLD檢 測器310安裝在固定裝置320上，固定裝置320以到旋轉(zhuǎn)對象350表面 的點351的特定距離固定在支撐結構301上。到點351的距離被選擇為 相對于檢測器310的如圖2B所示的疊影諧振距離260之一，以便來自 點351的反射與檢測器310內(nèi)反射的光束諧振?？蛇x地，提供調(diào)節(jié)裝置 325,以在^f交準過程期間在相對于點351的適當距離處對準才全測器310。 雖然圖示出簡單的滑動調(diào)節(jié)裝置，但是可以使用用于提供微米級調(diào)節(jié)的多種常規(guī)調(diào)節(jié)技術中的任何技術。
處理器340接收檢測器310的輸出，并根據(jù)該輸出提供多種常規(guī)測量中的任何測量，包括但不限于那些通過引用合并于本申請中的于2003年9月9日公布的Van Voorhis等人的USP 6,618,128 "OPTICAL SPEEDSENSING SYSTEM"中公開的內(nèi)容。Van Voorhis等人教導了 一種通過才企測重復的表面反射圖案以測量轉(zhuǎn)速的技術。通常也使用其他的基于多普勒效應的技術。通過使用本發(fā)明的自相干光學檢測，這些已知的用于測量運動對象/表面速度的技術可通過提供高分辨率相干檢測得以增強，而不會有使用外部反射鏡和分束鏡的常規(guī)相干檢測系統(tǒng)的成本和復雜性。
在一個優(yōu)選的實施例中，透鏡系統(tǒng)330也用于區(qū)分/聚焦到目標表面的投射和來自目標表面的反射。透鏡系統(tǒng)330提供對應于目標疊影-相干距離260處的點351的焦點。然而，與常規(guī)的非相干檢測器相反，透鏡系統(tǒng)330無需具有 一樣精細的分辨率，因為它只需要將目標表面的反射與其他非目標疊影相干距離處的反射區(qū)分開來。也就是說，參照圖2B,如果疊影相干距離260之間發(fā)間距255約為一毫米，那么有效景深小于兩個毫米的透鏡系統(tǒng)330將足以充分地減少非目標疊影相干反射。在這個實例中，即使光學透鏡系統(tǒng)可能僅僅提供毫米級的分辨率，本文所教導的疊影相干檢測過程也將提供微米級的有效分辨率。
圖4示出了自相干檢測器310用于控制檢測器310和表面450的位置之間的距離。致動器440控制表面450相對于檢測器310的位置，如箭頭421所示。本領域普通技術人員應當明白，致動器440可以通過移動檢測器310,同樣實現(xiàn)調(diào)節(jié)表面450相對于檢測器310的位置。
通過引用合并于本申請中的于2004年7月6日公布的Liess等人的USP6,759,671 "METHOD OF MEASURING THE MOVEMENT OF AMATERIAL SHEET AND OPTICAL SENSOR FOR PERFORMING THEMETHOD"教導了光學檢測器用來控制打印機的紙傳送機構，從而確保正確的傳送速度、控制歪斜、檢測阻塞等。在通過引用合并于本申請中的于1998年9月15日公布的Koishi等人的補充申請USP 5,808,746"PHOTO DETECTOR APPARATUS"中，根據(jù)光學檢測器接收到的信號調(diào)節(jié)光學檢測器的相對位置。通過使用本發(fā)明的自相干光學檢測，這些已知的用于調(diào)節(jié)對象/表面相對于檢測器的位置的技術可通過提供高分辨率相干檢測得以增強，而不會有使用外部反射鏡和分束鏡的常規(guī)相干檢測系統(tǒng)的成本和復雜性。
圖5示出了使用被配置成測量透明導管550中的流體流動的自相干 檢測器310。在一個優(yōu)選的實施例中，對導管550或檢測器310進行設 置，使得導管550的邊緣位于圖2C的疊影相干距離260之間，使得邊 緣或者可能在邊緣發(fā)生的湍流不影響檢測器310的輸出。在一個簡單的 實施例中，導管半徑小于圖2C的疊影相干距離260之間的距離255,并 且導管中心處于距離260之一。在更大的導管中，多個疊影相干距離260 可以位于導管內(nèi)部，每個距離有助于與流體流動相關的檢測器輸出信 號。利用多個檢測和適當?shù)貙⑤敵鲂盘栃蕿檎_的流動，可以比利用 常規(guī)非相干檢測器更容易地檢測到引起通過導管的非均勻流動的阻塞。
圖2C的相干檢測器的高分辨率還便于區(qū)分分層流體之間的流動， 分層流體比如可以包括油或水的薄膜層的流體。根據(jù)特定的應用，檢測 器的疊影相干距離可以被設置成檢測這種層的存在和/或其速度，其可以 與下面的流體的速度截然不同。在另一個應用中，疊影相干距離可以被 設置成正好在該薄膜之下，并且測量下面的流體的正確速度?？紤]到本 發(fā)明的內(nèi)容，用于特定層流動的確定的這些及其他應用對于本領域技術 人員而言將是明顯的。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，僅有預定目標表面位于疊影-相干距離 處，以便檢測器310的輸出對應于來自預定目標表面的反射。然而，本 領域普通技術人員也應當認識到，通過建立根據(jù)其檢測變化的基線的常 規(guī)校準技術，可以消除/補償來自其他表面的可定位在其他疊影參考距離 處的反射。也就是說，因為本發(fā)明的檢測器310通常置于對象彼此處于 相對固定的距離處的"靜態(tài)''環(huán)境，所以可以測量對應于該靜態(tài)環(huán)境的輸 出，并且如果目標位于疊影相干距離260處，那么可以容易地檢測和報 告由目標對象的變化所引起的該環(huán)境的變化。
上文僅僅說明本發(fā)明的原理。因此應當理解，本領域技術人員將能 設計不同的裝置，盡管這些裝置未在本文中明確描述或顯示，但是其包 含了本發(fā)明的原理并因此落入下列權利要求的精神和范圍之內(nèi)。
在解釋這些權利要求的過程中，應當理解
a) 措詞"包含"不排除存在給定權利要求中未列出的其他的元件或者 動作；
b) 在元件之前的措詞"一"或"一個"不排除存在多個這樣的元件；
10c) 權利要求中的任何附圖標記并不限制其范圍；
d) —些"裝置"可以由相同的項目或硬件或軟件實現(xiàn)的結構或功能表
示；
e) 每一個公開的元件可以包括硬件部分(例如包括分立的和集成的電子電路)、軟件部分(例如計算機編程)及其任意組合；
f) 硬件部分可以包括模擬部分和數(shù)字部分之一或兩者；
g) 除非明確地說明，否則任何公開的設備或其部分可結合在一起或分離成更多的部分；
h) 除非明確地表示，否則不預期需要特定的動作順序；以及
i) 措詞"多個"元件包括兩個或更多所述元件，并且不暗示元件數(shù)量的4壬何特定范圍"；也就是說，多個元件可以少至兩個元件。
ii
權利要求
1. 一種光學檢測器(210，310)，包含激光二極管(114)，其被配置成投射光，腔體(213)，其被配置成提供所述光的內(nèi)部反射，發(fā)射所述光的光束，以及接收所述光的外部反射，以及檢測器(115)，其被配置成提供對應于內(nèi)部和外部反射的輸出信號，以及透鏡系統(tǒng)(330)，其被配置成在目標距離(260)處提供焦點(351)，以便來自目標距離(260)的外部反射與一個或多個所述內(nèi)部反射相干。
2. 根據(jù)權利要求1的光學檢測器(210, 310),其中透鏡系統(tǒng)(330 )包括景深，該景深包括多個目標距離(260),來自這些距離的反射也與一個或多個所述內(nèi)部反射相干。
3. 根據(jù)權利要求1的光學檢測器(210， 310),包括處理器(340, 440 ),其被配置成接收來自檢測器(115)的輸出信號，并從中確定與預期目標關聯(lián)的一個或多個參數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求3的光學檢測器(210, 310),其中所述一個或多個參數(shù)包括以下至少一個在目標距離(260)處所述預期目標的存在，所述預期目標從目標距離(260)起的運動，以及所述預期目標在目標距離(260)處的速度。
5. 根據(jù)權利要求3的光學檢測器(210, 310),包括致動器(440 )，其被配置成控制所述預期目標相對于腔體(213)的布置。
6. 根據(jù)權利要求5的光學檢測器(210, 310),其中致動器(440)被配置成根據(jù)所述一個或多個參數(shù)控制所述布置。
7. 根據(jù)權利要求1的光學檢測器(210， 310)，其中激光二極管(114)和腔體(213)被配置為形成超亮激光二極管(S1X))。
8. 根據(jù)權利要求1的光學檢測器(210, 310),其中腔體(213)包括通過其發(fā)射光束的出射端，該出射端包括反射系數(shù)低于提供激光發(fā)射模式的閾值系數(shù)的表面(112)。
9. 根據(jù)權利要求8的光學檢測器(210, 310)，其中所述反射系數(shù)處于所述閾值系數(shù)的75-95%的范圍內(nèi)。
10. —種系統(tǒng)，包含支撐結構(301),光學檢測設備(310),以及目標對象(350, 450, 555 ),^巾光學檢測設備(310)被配置成位于支撐結構(301)上，到目標對象(350， 450, 555 )的距離為目標距離(260),以及目標距離(260)基本上對應于與光學檢測設備(310)中的相干內(nèi)部反射相關聯(lián)的多個疊影相干距離之一。
11. 根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，包括一個或多個調(diào)節(jié)設備，其被配置成便于在目標距離(260)處定位光學才全測設備(310)。
12. 根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，包括處理器(340, 440 ),其被配置成接收來自光學檢測設備(310)的輸出并從中提供與目標對象(350, 450， 555 )相關聯(lián)的一個或多個參數(shù)。
13. 根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中所述一個或多個參數(shù)包括以下至少一個在目標距離(260)處目標對象(350， 450, 555 )的存在，目標對象(350, 450, 555 )從目標距離(260)起的運動，以及目標對象(350, 450, 555 )在目標距離(260)處的速度。
14. 根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中目標對象(350, 450, 555 )包括旋轉(zhuǎn)對象(350),并且所述一個或多個參數(shù)包括轉(zhuǎn)速。
15. 根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中目標對象(350, 450, 555 )包括傳輸表面(450 )上的介質(zhì)，并且處理器(340, 440)被配置成檢測該介質(zhì)的傳輸速度。
16. 根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中處理器(340， 440 )被配置成控制目標對象(350， 450, 555 )相 對于支撐結構(301)的位置(421)。
17. 根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中目標對象(350, 450, 555 )包括導管(550 ),并且所述一個或多 個參數(shù)包括流過該導管的流體(555 )流動的測量值。
18. 根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，包括透鏡系統(tǒng)(330 ),其被配置成在目標距離(260)處提供光學檢測 設備(310)的焦點(351 )。
19. 根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中透鏡系統(tǒng)(330 )提供跨越預定數(shù)量的疊影相干距離(260, 555, 556 )的景深。
20. 根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)，其中 光學檢測設備(310)包括超亮激光二極管(SLD)。
21. 根據(jù)權利要求20系統(tǒng)，其中所述超亮激光二極管包括含有通過其發(fā)射光的出射端的腔體 (213),該出射端包括反射系數(shù)處于提供激光發(fā)射方式的閾值系數(shù)的 75-95%范圍內(nèi)的表面(112)。
22. —種光學檢測方法，包含確定相對于超亮激光二極管(210, 310)的一個或多個疊影相干距 離(260 ),來自這些距離的反射與超亮激光二極管(210, 310)的腔 體(213)內(nèi)的內(nèi)部反射相干，將超亮激光二極管(210, 310)固定在支撐結構(301)上，使得 目標點(351)與疊影-相干距離(260)之一重合，以及確定在目標點(351)處與對象(350, 450, 555 )相關耳關的一個或 多個參數(shù)。
23. 根據(jù)權利要求22的方法，其中 所述一個或多個參數(shù)包括以下至少一個在目標距離(260)處所述對象的存在， 所述對象從目標距離(260)起的運動，以及 所述對象在目標距離(260)處的速度。
全文摘要
檢測器(210，310)，被配置成檢測由超亮二極管(SLD)產(chǎn)生的疊影相干反射(260)。根據(jù)來自SLD腔體(213)內(nèi)反射的整數(shù)倍數(shù)的表面(350，450，555)的反射所產(chǎn)生的光學相干，檢測疊影反射(260)，并因此表現(xiàn)出光學相干檢測器典型的高分辨率辨別力。在一個優(yōu)選的實施例中，檢測器(210，310)被配置成檢測來自處于內(nèi)部反射特定倍數(shù)的表面的疊影反射。其他倍數(shù)處的疊影反射(260)被光學衰減(330)，或者如果已知這樣的反射不變化，那么通過校準過程消除所述疊影反射。
文檔編號G01B9/02GK101535762SQ200780042788
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權日2006年11月17日
發(fā)明者C·N·普雷素拉, G·W·盧卡森, G·加西亞-莫利納, M·勞布舍 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司