專利名稱：光源和光學(xué)相干計算機斷層成像模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光源領(lǐng)域，即電磁輻射譜中紅外、可見光以及紫外波段的電磁輻射源。 更具體地，本發(fā)明涉及一種光源、光學(xué)相干計算機斷層成像設(shè)備以及光學(xué)相干計算機斷層成像模塊。
背景技術(shù)：
光學(xué)相干計算機斷層成像(OCT)是一種用于皮下成像的新興的技術(shù)，可用于醫(yī)療、生物學(xué)以及其他應(yīng)用中。OCT是超聲波的光學(xué)模擬，但是利用了更短的光波長的優(yōu)點， 可得到更高分辨率的圖像。一般較為重要的波長范圍在光譜中400-2000nm的可見至近紅外區(qū)域。目前OCT中共有四個重要的波長范圍，分別在850nm、1050nm、1300nm、1550nm附近。OCT系統(tǒng)包括(1)寬帶光源，( 用于將發(fā)射的輻射導(dǎo)向樣品和參考鏡的光學(xué)部件的配置，以及(3)用于測量從樣品反射的光和從參考鏡反射的光的干涉的光學(xué)裝置。對于目前的時域OCT(TD-OCT)系統(tǒng)，寬帶光源為超發(fā)光發(fā)光二極管(SLED)，其以較寬的(40-200nm 帶寬)波譜發(fā)射光，通過掃描參考鏡的位置來控制皮下成像深度。只有當(dāng)參考鏡和樣品反射器之間的路徑長度在光源的相干長度內(nèi)相等時，才能夠發(fā)生相長干涉。傅立葉或頻域 OCT(FD-OCT)使用光譜的頻率信息，例如通過使用色散元件和CXD探測器陣列或者分光計 (譜域OCT或SD-0CT)來對干涉進行解碼。另一種需要簡單的探測系統(tǒng)的FD-OCT技術(shù)使用通過譜掃描窄帶寬光源(掃頻源OCT或SS-0CT)來實現(xiàn)即時譜編碼。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)，在SS-OCT中，將可調(diào)激光器用作光源。已經(jīng)證實，SS-OCT的信噪比優(yōu)于 TD-OCT(參見 Choma 等人的 Optics Express, vol. 11,2003 pp. 2183-2189)。為了實現(xiàn)其相對于TD-OCT的優(yōu)勢，掃頻源OCT系統(tǒng)需要能夠在20-400kHz的高頻范圍內(nèi)掃頻的可調(diào)光源。因為這些系統(tǒng)的干涉計所需的成像深度與光源的相干長度有關(guān)，這也決定了對光源的譜線寬度和譜線密度的要求。已經(jīng)開發(fā)了多種用于實現(xiàn)用于SS-OCT的掃頻源的方法。其中有級聯(lián)分布反饋 (DFB)激光器(US 2008/0037608)，多波長激光器(US2007/0002327)，衍射光柵和光柵對 (US 2008/0002209, US 7006231)，光纖激光器環(huán)形腔(US 2006/0193352)，使用法布里-帕羅濾波器調(diào)諧環(huán)形和線性結(jié)構(gòu)元件的外腔激光器(US 7242509，US 2006/0215713)。在這些方法中，后面的MEMS法布里-帕羅濾波器法最適用于集成到緊湊的光學(xué)模塊中。在這種情況下，MEMS器件實現(xiàn)波長選擇和波長掃描的功能，并需要被制造成具有緊密的機械公差。 法布里-帕羅MEMS器件基本上為線性換能器，其具有速度限制并容易受到反射率、平行性、 平坦度、濾波器腔厚度隨調(diào)諧帶寬內(nèi)的變化的影響。在SS-OCT系統(tǒng)的波長掃描過程中，后面參數(shù)的變化會導(dǎo)致帶寬、相干和成像深度的變化。另一種方法(US 2007/0183643)利用與垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)集成在一起的MEMS可調(diào)鏡。然而，這些器件的集成難以制造，還有待實現(xiàn)。更簡單以及更通用的設(shè)計是基于外腔激光器，其中濾波和波長掃描功能由光柵和旋轉(zhuǎn)或掃描鏡來實現(xiàn)(US 6，111，645，US 5, 907, 423, US2007/0276269, US 2007/0239035,US 2007/0064239, US 2008/0043244，US2004/0213306)。因為他們可以相對容易地被改變以適應(yīng)其他波長范圍，因此這些設(shè)計是通用的。掃頻源OCT的應(yīng)用需要掃頻源具有高于一最小值且低于一最大值的相干長度。最小值與應(yīng)用的最小成像范圍有關(guān)(成像范圍為相干長度的一半)，例如對于視網(wǎng)膜成像為6_，或者對于從視網(wǎng)膜到角膜的整個眼球成像為 25mm。但是，采用具有過長的相干長度的掃頻源是不利的，因為成像范圍內(nèi)的任何種類的反射性物體都會引起不希望的干涉信號。因此，對于外腔激光器的光譜帶寬，為了具有一最小值需要多模激光器操作。單模操作不能確保相干長度不超過一能接受的最大值。最小光譜帶寬的結(jié)果是需要相對長的腔長。一般來將腔長在3-30cm范圍內(nèi)，取決于波長范圍和腔內(nèi)的模式數(shù)。對于腔長的需要限制了掃頻源的最小化。理想地，掃頻源應(yīng)該被限制并集成到緊湊的SS-OCT系統(tǒng)中。同樣地，過長的腔長會使波長調(diào)諧變慢，限制掃描速率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種“掃頻源”光源，用于OCT或其他掃頻源應(yīng)用，其克服了現(xiàn)有光源的缺點。另一個目的是提供一種光學(xué)相干計算機斷層成像設(shè)備、光學(xué)相干計算機斷層成像模塊。根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種掃頻光源，該光源包括-光學(xué)模塊殼體，具有至少一個光學(xué)饋通和多個電饋通，-半導(dǎo)體增益器件，可操作地提供光放大；-波長選擇器；以及-光轉(zhuǎn)向器；-增益器件，光轉(zhuǎn)向器和波長選擇器共同配置在光學(xué)模塊殼體中，以建立多模式諧振腔，用于由增益器件發(fā)射以及由波長選擇器選擇的光部分；-其中該諧振腔為外腔激光器諧振腔，并例如包括自由空間中的光路部分；-以及其中諧振腔的一個端部反射器是部分透射的，并且其中透射穿過該端部反射器的光被至少部分地導(dǎo)向穿過光學(xué)饋通而射出。在優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明第一方面的掃頻光源包括根據(jù)本發(fā)明第二方面的掃頻光源的特征并包括如下文所述的光學(xué)延遲器件。在其他有益實施例中，根據(jù)本發(fā)明第一方面的光源包括折疊的腔，在該腔中光在模塊殼體內(nèi)的不同的光路部分被向前或向后導(dǎo)引多次。光學(xué)饋通可包括一個光纖或多個光纖，或包括輻射被導(dǎo)引而穿過的窗口。根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法的優(yōu)點是光源部件-和其他器件(例如OCT結(jié)構(gòu)的強度探測器、分束器/光束組合器、波長計和/或甚至參考臂)的元件-被集成到公共封裝中。 集成在封裝內(nèi)的器件優(yōu)選包括可移動部分，諸如MEMS光柵或MEMS鏡。該方法在緊湊性、操作性、制造成本以及用戶校準(zhǔn)方面具有優(yōu)勢。根據(jù)優(yōu)選實施例，封裝的器件具有公共的熱電致冷器，該熱電致冷器與支座相接觸，模塊殼體內(nèi)的多個部件配置在該支座上。這在穩(wěn)定性和重復(fù)性方面帶來好處，同時也在制造復(fù)雜性方面有優(yōu)勢。與現(xiàn)有技術(shù)中作為光源的光學(xué)封裝相比較，本發(fā)明第一方面提供了一種掃頻光源，具有波長選擇器(可包括可移動MEMS鏡和光柵或法布里-帕羅濾波器調(diào)諧元件(例如法布里-帕羅MEMS器件)或旋轉(zhuǎn)掃描鏡和光柵等)，并用于多模式操作。多模式操作能夠使相干長度被控制為不超過一可接受的最大值。另外，單模式操作需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，除非腔長在調(diào)諧過程中可調(diào)，否則會發(fā)生模式跳躍模式跳躍意味著激光器會停止發(fā)射激光一小段時間，一旦可調(diào)濾波器符合下一激光模式則又再一次開啟發(fā)射激光。但是，激光的開啟過程是相對較慢的過程(相對于SS-OCT應(yīng)用所需的較快掃頻速率)，因為受激激光發(fā)射必須由自發(fā)發(fā)射和放大自發(fā)發(fā)射形成，因此，低噪聲且低信號-噪聲比率的穩(wěn)定的激光操作需要激光器腔內(nèi)的若干個往返。因此，多模式激光器腔對于快速波長調(diào)諧是有益的，因為激光器腔可在波長掃描期間保持發(fā)射激光。但是，激光器腔不能夠過長(除非使用特殊的技術(shù)， 如傅里葉域模式鎖定(FDML))，因為與其相關(guān)的較長往返次數(shù)會再次妨礙快速波長調(diào)諧。根據(jù)本發(fā)明第二個方面，提供一種掃波長光源，該光源包括-半導(dǎo)體增益器件，可操作為提供光放大。-光學(xué)延遲器件，該延遲器件包括塊體材料，該塊體材料內(nèi)具有明確光路長度的光路，該光路被限定為用于由增益器件產(chǎn)生的光，-波長選擇器，以及-基底，-增益器件，延遲器件和波長選擇器共同配置在基底上，以建立多模式諧振腔，用于由增益器件發(fā)射以及由波長選擇器選擇的光部分；這并不排除其他構(gòu)成諧振腔的元件的存在，諸如附加的鏡(包括諧振腔端鏡)、透鏡、偏振選擇元件、其他無源光學(xué)部件等；-其中延遲器件中的光路為諧振腔的光路的一部分。本文中，術(shù)語“光”被用于指光譜中紅外、可見光以及紫外波段的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的光源尤其適于產(chǎn)生光譜中近紅外或可見光部分的光。因此，本發(fā)明第二方面的實施例中的延遲器件為光學(xué)外腔激光器諧振腔的一部分。延遲器件中的光路優(yōu)選地構(gòu)成光學(xué)諧振腔長度的重要且主要的部分。延遲器件中的光路長度(因此還有反射次數(shù))通過配置而被明確限定。例如，延遲器件中的光路長度是光學(xué)諧振腔長度(該光學(xué)長度被限定為物理路徑長度乘以折射率)的至少30%、至少40%、 至少50%或60%。在延遲器件中“穿過”的數(shù)目例如為至少4次，優(yōu)選為至少6次或者甚至 8次或更多。在許多實施例中，延遲器件中光路所占據(jù)的部分足夠大到能夠?qū)⒐鈱W(xué)腔集成到光學(xué)封裝中。光學(xué)延遲器件的多個實施例中，該器件內(nèi)的光學(xué)路徑?jīng)]必要為平行的。一般地，一個“穿過”是延遲器件內(nèi)部兩次連續(xù)反射之間的路徑部分。光學(xué)諧振腔長度通常在Icm至Im之間，在許多情況下，在3cm至30cm之間。在第一和/或第二方面的實施例中，增益器件、延遲器件和波長選擇器配置在公共基底上，在許多實施例中，他們封裝在光學(xué)模塊封裝中以構(gòu)成光學(xué)模塊。光學(xué)模塊封裝形成了封裝外殼，該外殼具有至少一個光學(xué)饋通和多個電饋通，用于饋送和控制封裝內(nèi)的部件，且如果必要的話，用于從封裝內(nèi)讀出信號。光學(xué)封裝例如包括公共熱電致冷器，封裝的所有光學(xué)器件與熱電致冷器直接熱接觸，即例如位于公共的導(dǎo)熱承載板上，該導(dǎo)熱承載板與熱電致冷器直接物理接觸。光學(xué)封裝例如為封閉的-且可以為密封的-以與外界隔絕， 從而使基底上的部件至多通過電饋通和/或光學(xué)饋通到達。延遲器件能夠使可調(diào)諧外腔裝置小型化，因此其能夠組裝到標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)模塊中，例如本領(lǐng)域已知的蝶形封裝。通過使用合適的增益模塊(或根據(jù)情況可以為具有諧振腔幾何形狀的自由空間諧振腔)和部件上的光學(xué)涂層，相對簡單的光學(xué)裝置可容易地適于操作在對SS-OCT而言所有重要的波長范圍內(nèi)。
不論要達到的多模式操作和相應(yīng)的腔尺寸需求，整個封裝的尺寸都是緊湊的，二維延伸范圍(在支座的平面內(nèi))優(yōu)選不大于22mmX60mm，在優(yōu)選實施例中， 不大于13mmX30mm。例如，整個延伸范圍不大于22mmX60mmX20mm，優(yōu)選不大于 20mmX 40mmX 20mm，尤其是不大于 15mmX ;35mmX 10mm，或者不大于 13mmX 30mmX 10mm。在第二方面的許多實施例中，延遲器件包括多個反射性表面，用于將該塊體材料內(nèi)傳播的光部分向后和向前反射。延遲器件可以為塊體材料，例如硅或LiNbO3或任何其他對于所涉及光波長透明的合適材料。該塊體可具有兩相對的基本平行的表面，且可至少部分地被涂覆成反射性的。合適的涂層可包括金屬涂層、介電涂層或其他反射層。光學(xué)延遲器件中的光路可由下列中的至少一種限定-入射角和幾何光學(xué)，以及-形成在該塊體材料內(nèi)部的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在一個特定實施例中，延遲器件可包括循環(huán)光波導(dǎo)設(shè)計。在另一實施例中，延遲器件包括由對所使用的光透明的材料構(gòu)成的主體。該主體具有多個平面，其包括相互之間呈異于90°角的面。至少兩個面對于諧振腔內(nèi)的光為至少部分地反射性的(通過具有反射性涂層和/或使光以淺到足夠超出內(nèi)反射角的角入射)，并將從主體內(nèi)部入射到面上的光反射回主體。該主體被設(shè)計和配置為使諧振腔中的光路垂直于非反射性入口和出口端面處各自的端面(入口和出口之間的區(qū)別是有些隨機的，在諧振腔中光入射和出射都經(jīng)過入口和出口面)，且不垂直于至少部分地提供有反射性涂層的面。在優(yōu)選實施例中，延遲器件被設(shè)計成在延遲器件中的至少一次反射，優(yōu)選為所有反射由以低角度入射到面上的光引起，例如低于50°或低于全內(nèi)反射的最大角度。通過這種方法，可避免涂層不完美導(dǎo)致的反射涂層介入損耗。同樣地在這些實施例中，各個面還可另外地被提供有高反射涂層。透明材料主體可例如由玻璃(尤其是適用于低角度內(nèi)反射光的實施例的合適材料)、氧化硅、聚合物、半導(dǎo)體化合物等制成。例如，延遲器件主體具有大致菱形形狀，具有第一面和非平行于第一面的第二面。 延遲器件被配置為使得入射到第一面上的角度為垂直的。光學(xué)延遲器件中的光路由幾何光學(xué)限定。在光路從延遲器件出去的點處，所述第二面或第一面包括一呈角度部分，從而當(dāng)出去時，光路垂直于其出去時所穿過的表面。在另一實施例中，延時器件可包括光學(xué)波導(dǎo)設(shè)計，使波導(dǎo)限定在不同的垂直平面上以在延遲器件中形成更長的光路長度。這種光波導(dǎo)設(shè)計還便于耦合到在不同水平面上具有光軸的光學(xué)部件。延遲器件可包括一個或多個光學(xué)定向耦合器。這種定向耦合器可被用于將延遲器中的光分束成諧振腔路徑和監(jiān)測路徑，分束成樣品輸出和參考輸出，和/或還分束成輸入和成像輸出。在第一和/或第二方面的實施例中，波長選擇器可包括掃描微光電機械系統(tǒng) (MOEMS)鏡(有時也叫做MEMS鏡)，其與波長選擇元件(諸如光柵)相協(xié)作。MOEMS鏡和光柵部件被配置為提供外腔激光器的可調(diào)諧特性。光柵用作濾波器，以為腔選擇一窄范圍的波長。MOEMS鏡掃描以改變光入射到光柵上的入射角，從而改變該窄范圍波長的中心波長。 可替代地，光柵可被集成到MOEMS掃描器件的表面。
MOEMS器件(可使用鏡或者可替代使用例如MOEMS棱鏡)的優(yōu)點是具有適于集成到公共基底上和光電封裝中的尺寸，而對整個尺寸沒有負(fù)面影響。同樣地，在一些實施例中，集成的掃描波長光源還包括監(jiān)測器，諸如監(jiān)測光電二極管，也配置在公共基底上。監(jiān)測器被配置成使在諧振腔中循環(huán)的典型部分光被耦合出諧振腔并導(dǎo)向至監(jiān)測器。監(jiān)測器包括電子監(jiān)測輸出，可通過電饋通從模塊的外側(cè)與電子監(jiān)測輸出相接觸，從而實現(xiàn)對光源的電子控制。在本發(fā)明的第一和/或第二方面的實施例中，根據(jù)應(yīng)用，增益器件具有用作諧振腔端部鏡的反射性端面的實施例是有益的。例如，部分透明的激光器輸出耦合鏡可由增益器件的(部分地)反射性端面代替。具有反射性端面的半導(dǎo)體增益器件相當(dāng)于反射性半導(dǎo)體光學(xué)放大器(R-SOAs)。通過使用R-SOA作為增益器件和輸出耦合鏡這種簡單的方法，可改善該器件的效率。這是因為在激光器諧振腔中，當(dāng)諧振腔內(nèi)循環(huán)的光被耦合到增益器件中時會發(fā)生耦合損耗。如果用R-SOA替代放置在諧振腔內(nèi)部中的增益器件，那么在諧振腔中的每一往返中，光只需被耦合進增益器件一次，而不是兩次。這會顯著降低腔的損耗，并因此會改善掃描波長光源的功率、調(diào)諧速度、調(diào)諧范圍、信號-噪聲比率和/或其他光學(xué)參數(shù)。現(xiàn)在看本發(fā)明的第二方面，第二方面的實施例可根據(jù)下述設(shè)計來實現(xiàn)-在第一配置類型中，延遲器件位于增益器件和波長選擇器之間；-在第二配置類型中，延遲器件位于增益塊和波長選擇器的一側(cè)。在每種情況下，“一側(cè)”指諧振腔中的光路。在第一配置類型的情況下，所使用的增益塊可以為反射性半導(dǎo)體光學(xué)放大器(其自身可以為諧振腔)。光學(xué)射線沿著從R-SOA的部分反射(例如3-80%)的面延伸穿過延遲器件的光路傳播，并例如被MEMs鏡反射到光柵上。R-SOA和光柵之間的光路長度限定了諧振腔(腔)的長度以及掃頻源的相干性能。外腔激光器的光在部分反射性的半導(dǎo)體光學(xué)放大器上耦合到光纖?？商娲兀诘谝环N配置的情況下，所用的增益塊可以為(非反射性的-例如< 0. 5% )半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)，單獨提供輸出耦合鏡。但是具有R-SOA的實施例更緊湊。在第二配置類型的情況下，所使用的增益塊可以為半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)。在這種情況下，光學(xué)射線沿著從延遲器件上的反射性涂層延伸穿過SOA的光路傳播，并且(例如)還被MEMS鏡反射到光柵上。延遲器件的反射性涂層和光柵之間的光路長度限定了腔的長度以及掃頻源的相干性能。外腔激光器的光在延遲器件上耦合到光纖。在可替代的實施例中，在延遲器件(相對于S0A)的另一側(cè)上的單獨的耦合輸出鏡限定腔的端部。在第二種配置的特定實施例中，延遲器件提供附加的干涉計，該干涉計具有耦合到一個光纖或多個光纖的輸出。在第一方面和/或第二方面的實施例中，光源還可包括電子控制器以控制和調(diào)節(jié)其性能。這可包括控制器件，例如包括控制電子部件和/或控制軟件和/或運行在一般硬件上的固件，例如PC上的微處理器、微控制器或FPGA?？刂破魍ㄟ^電接觸裝置(例如電饋通)連接或可連接到基底上的部件。本發(fā)明還涉及一種光學(xué)相干計算機斷層成像設(shè)備，該設(shè)備包括·根據(jù)本發(fā)明第一和/或第二方面的光源；
·干涉計，與該光源進行光學(xué)通信； 光學(xué)單元，該光學(xué)單元適于將來源于該光源的光部分聚焦到樣品的所選位置，并適于執(zhí)行掃描，在掃描中所述位置和所述樣品相對移動； 干涉計可被操作為合并由該光源產(chǎn)生和從樣品返回的光部分以及由該光源產(chǎn)生并通過參考路徑返回到干涉計的光部分；以及·探測器單元，定位成從干涉計接收合并的光。在此，“干涉計”指重新合并來自兩光路的光的干涉計的一部分。在其他地方，物理定義要求所有構(gòu)成光路的元件-包括在照明下返回一部分光的樣品、反射鏡和探測器-都屬于干涉計，而這不是本文中所使用的定義。因此，在下文，使來自兩光路的光重新合并的干涉計(或干涉計部分)有時也指“干涉計的一部分”。如上所述，光源的一些實施例中，該延遲器件包括至少一個定向耦合器。所包括的實施例中定向耦合器或定向耦合器之一包括4個波導(dǎo)分支-耦合到諧振腔的第一分支；-第二和第三分支，耦合到兩個輸出光纖，來自第一分支的光分成第二和第三分支；以及-第四分支，耦合到探測器(諸如感光的光電二極管)，其中來自第二和第三分支的光部分在定向耦合器中干涉，且一些干涉的光部分耦合到第四分支中(其他部分會被耦合回到第一分支中)。如果上述類型的光學(xué)相干計算機斷層成像設(shè)備包括根據(jù)這種實施例的光源，那么 (由定向耦合器形成的)干涉計的一部分集成到光源中，干涉計的一部分還可替代為探測器。那么，光學(xué)單元可僅提供有集成的光源和探測器模塊。本發(fā)明還涉及一種光學(xué)相干計算機斷層成像模塊，用于光學(xué)相干計算機斷層成像設(shè)備，該模塊包括-根據(jù)本發(fā)明第一和/或第二方面的光源；并且還包括傳感機構(gòu)，定位并安裝成用于感測光源產(chǎn)生的光的特性和/或干涉計信號的測量的執(zhí)行。在一個實施例中，除了光源，該模塊可包括·干涉計的一部分，與該光源進行光學(xué)通信并可被操作為合并由該光源產(chǎn)生和從樣品返回的光部分以及由該光源產(chǎn)生并通過參考光路返回的光部分；以及·探測器單元(為傳感機構(gòu)或從屬于傳感機構(gòu))，定位成從干涉計接收合并的光。在上述種類的具有集成干涉計和探測器的實施例中，該模塊為集成的光源。在其他實施例中，除了封裝的光源，該模塊可包括分離、但是潛在可固定接附的干涉計和探測
ο該模塊還可包括模塊殼體外的電子單元，其包括分析器和/或求值器，用于評估由傳感器裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明任一方面的光源還可包括用于確保掃頻為線性或近似線性的措施。在諧振腔中，如果移動部件只由隨時間為線性的電信號驅(qū)動，或者移動部件為例如由類時鐘信號驅(qū)動以正弦振蕩的諧振MEMS結(jié)構(gòu)，那么將導(dǎo)致輸出射線的非線性頻率依賴性。然而， 頻域內(nèi)(在k空間)在時間上的線性掃頻對OCT的應(yīng)用是有益的。所包括的該措施可包括
1下列中的一個或多個⑴波長選擇器(諸如MEMS鏡)的移動部件被驅(qū)動成特性斜坡模式 (characteristic ramp pattern)，從而提供這種頻域內(nèi)的線性掃頻。(ii)波長選擇器的衍射光柵(在波長選擇器包括衍射光柵的實施例中)在光束掃頻所穿過的范圍上具有非恒定的柵距(光柵常數(shù))。選擇非恒定的柵距-一種特別的“啁啾”型-從而實現(xiàn)即時的更加線性的頻率掃描。(iii)由光源的移動部件(調(diào)諧元件，例如鏡)和光柵之間的光學(xué)部件改變到光柵的入射角。這種附加的光學(xué)部件還改變時間上的掃描特性，并使得在頻域上的掃描特性更加線性。根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種光學(xué)模塊，該光學(xué)模塊包括·掃頻激光光源，例如根據(jù)本發(fā)明第一和/或第二方面的光源，以及·波長計，該波長計可操作成并定位成可發(fā)出由光源輸出的光的波長和/或頻率的測量，該波長計包括-波長計分流器，能夠?qū)墓庠串a(chǎn)生的主光束分流的光部分導(dǎo)向至分離于主光路的光路，-濾波器器件，具有依賴于波長的透射特性，該濾波器器件被配置為使得分流的光部分入射到該濾波器，-第一波長計探測器，配置為探測透射穿過該濾波器器件的部分分流光束的強度， 以及-第二波長計探測器，配置為探測未透射穿過該濾波器器件的部分分流光束的強度。電子單元可被設(shè)置成計算值(IT-IK)/(IT+JK)，通過該值，給定已知或初始測量的濾波器特性，可計算出波長或相關(guān)量。選擇濾波器器件，使得在光源輸出波長掃描的光源波長范圍內(nèi)，濾波器特性具有顯著的波長依賴性。優(yōu)選地，在光源波長范圍內(nèi)，濾波器透射特性隨波長嚴(yán)格單調(diào)變化。在波長范圍內(nèi)的最低波長的透射率與在波長范圍內(nèi)的最高波長的透射率之間的差優(yōu)選盡可能高。該濾波器可為高通濾波器或低通濾波器。但是，在優(yōu)選實施例中的，濾波器為帶通濾波器，帶通濾波器的通頻帶相對于波長范圍偏移，因此該波長范圍位于濾波器的透射特性的傾斜部分中?？梢允褂迷谟糜诶鐠哳l源OCT的波長范圍內(nèi)具有陡峭特性的帶通濾波
ο在SS-OCT系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)中，使用在頻域(k_空間)上具有周期性透射性或反射性的光學(xué)濾波器(例如馬赫曾德耳干涉計或法布里-帕羅濾波器)來產(chǎn)生光學(xué)k_時鐘，這是一種每次掃頻源的頻率改變一固定值后顯示局部最大值或峰值的信號，該固定值等于這種周期性光學(xué)濾波器的自由光譜范圍。光學(xué)k_時鐘信號由光電探測器探測并轉(zhuǎn)化成電學(xué) k-時鐘信號，該信號與SS-OCT系統(tǒng)的其他時鐘信號(例如用于負(fù)責(zé)從干涉計接收的OCT信號取樣的時鐘信號)同步。但是與現(xiàn)有的例如基于邁克遜或斐索干涉計原理的波長計相比，根據(jù)本發(fā)明第三方面的波長計簡單、堅固、沒有移動部件且輸出信號易于分析。另外，波長計的信號不依賴于掃頻激光器的光學(xué)輸出功率，因此不依賴于波長或
12頻率的真實測量值。與現(xiàn)有技術(shù)的OCT模塊的k_時鐘相比，測得的是波長的絕對值而不僅僅是相對測量。另外，波長值的測量可在任意時刻進行，即，以單獨時鐘設(shè)置的任意取樣速率。因此， 可以使用用于對信號測量進行取樣的時鐘(系統(tǒng)時鐘)，例如待測OCT干涉信號的強度I， 或其他具有這種系統(tǒng)時鐘的即時時鐘。器件的同步比現(xiàn)有技術(shù)中k-時鐘自身的信號取數(shù) (peek)必須作為同步信號的方法更容易。如果波長計與所期望的信號同步取樣，可直接得到(所期望的)強度數(shù)據(jù)的和產(chǎn)生所期望強度數(shù)據(jù)的波長的數(shù)據(jù)對。根據(jù)一優(yōu)選實施例，模塊的電子單元還包括時鐘，該時鐘可操作為觸發(fā)該第一和第二波長計探測器信號的取樣。 該時鐘還可被操作為觸發(fā)所期望強度信號的取樣。使用波長選擇濾波器用于穩(wěn)定激光是已知的。本發(fā)明第三方面的實施例走向了其他方向，使用這種濾波器作為波長計的一個部件，其能夠與信號同步取樣。根據(jù)第一、第二和/或第三方面的光學(xué)模塊的實施例，還可選地包括下列中的一個或其組合-DC信號偏移補償這種DC信號偏移補償可基于外差平衡探測的原理。其可消除主光源強度的變化效應(yīng)，該效應(yīng)例如可隨掃描頻率周期性地發(fā)生(如果所產(chǎn)生的射線強度具有波長依賴性)或慢慢地作為參數(shù)改變(例如溫度改變等)的反應(yīng)而發(fā)生。例如，分束器/光束組合器的兩個輸出可被用于并導(dǎo)向至兩個探測器，這些探測器中所測量的強度互相相減。因為干涉信號在兩個探測器處的相相差180°，兩信號相減增加了外差干涉信號但減掉了過度的噪聲。-OCT設(shè)備(OCT干涉計)的分束器/光束組合器，用于將主光束分成樣品臂和參考臂，并將從樣品臂返回的光部分和從參考臂返回的光部分合并，并將合并的干涉光部分導(dǎo)向到所期望的信號強度探測器(該探測器優(yōu)選地還為光學(xué)模塊的元件)。可選地，該光學(xué)模塊還可包括參考臂，該參考臂具有光反射和/或光導(dǎo)裝置，以使來自分束器/光束組合器的參考光束在具有限定光學(xué)長度的光路上返回分束器/光束組合器。憑此，光學(xué)模塊可變成“OCT發(fā)動機”，即輸出(OCT干涉計樣品臂的)樣品射線的器件，包括用于產(chǎn)生干涉并分析在樣品臂中從樣品返回的射線。-分束器，例如強度相等或近似相等。該模塊還可包括兩個分束器/光束組合器以及兩個相應(yīng)的探測裝置(可選地包括DC偏移補償)、可選地兩個參考臂以及相應(yīng)的光學(xué) (電學(xué))輸出/輸入。憑此，光學(xué)模塊適于通過單個光源同時進行兩個OCT測量。所有這些光學(xué)部件可被包括到一個光學(xué)模塊的緊湊的封裝中-且在模塊外殼中， 優(yōu)選在公共支座上，并與公共熱電致冷器熱接觸。在本文中，盡管參考OCT的重要應(yīng)用重點描述了根據(jù)本發(fā)明的各方面的光源和光學(xué)模塊，但是其還能夠有益地用于其他應(yīng)用。其他應(yīng)用諸如包括光纖布拉格詢問器(Fiber Bragg Interrogators)等0


以下，參考附圖描述本發(fā)明的實施例以及各方面。附圖全部為示意性的而不是按比例的，且相同的附圖標(biāo)記代表相同或相似的元件。圖中示出圖1表示使用R-SOA的光學(xué)配置的示意圖2示出了光學(xué)配置組裝到模塊中的示意圖；圖3為具有重新設(shè)置的監(jiān)測二極管的光學(xué)配置的示意圖；圖4表示使用SOA的光學(xué)配置的示意圖；圖5示出了具有SOA的光學(xué)配置組裝到模塊中的示意圖；圖6表示使用具有集成干涉計的SOA的光學(xué)配置的示意圖；以及圖7示出了干涉計在光學(xué)模塊中的光學(xué)配置的示意圖；圖8、圖9a、圖9b和圖9c示出了延遲器件的多個實施例；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明第一方面的不具有延遲器件的光源的實施例；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第三方面的具有波長計的光學(xué)模塊；圖12示出了波長依賴濾波器透射特性的示意曲線；圖13示出了根據(jù)第三方面的光學(xué)模塊的示意圖；圖14描述了具有DC偏移補償?shù)墓鈱W(xué)模塊；圖15示出了具有參考臂的光學(xué)模塊；以及圖16描述了雙束OCT模塊。
具體實施例方式本發(fā)明的第一實施例為如圖1所示的光學(xué)配置。在該實施例中，光學(xué)配置包括光學(xué)延遲器件100，其相對的面上具有反射涂層101 ；光學(xué)增益塊102 ；掃描MEMS鏡103 ；衍射光柵104 ；監(jiān)測光電二極管105 ；透鏡106和透鏡107，耦合到增益塊，用于對光束準(zhǔn)直或成像。在該實施例或其他所述實施例中，諧振腔的設(shè)計基于所謂的利特羅(Littrow)結(jié)構(gòu)，其中衍射光柵作為諧振腔鏡。但是，對于所有實施例，本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知其他的用于外腔二極管激光器的可調(diào)諧振腔的諧振腔結(jié)構(gòu)。另一種已知結(jié)構(gòu)是所謂的Littman-Metcalf結(jié)構(gòu)，其中將分離的鏡(可以為可移動的器件)用作端鏡，衍射射線被導(dǎo)向該鏡。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知以光柵不作為諧振腔端鏡的方式重新排列諧振腔部件的方法。在該實施例中，增益塊優(yōu)選為具有較寬增益帶寬(40-200nm)的反射性半導(dǎo)體光學(xué)放大器(R-SOA)。R-SOA的遠離光學(xué)延遲器件的面110上具有反射性涂層。光學(xué)延遲器件 100優(yōu)選由氧化硅或玻璃、聚合物或半導(dǎo)體化合物的塊體制成，其平行的表面上沉積有反射層101。優(yōu)選地，設(shè)定只有光束被延遲的這部分平行表面被涂覆反射層。平行表面的其他部分可涂覆防反射涂層。在圖1中，所示延遲器件在光路中提供了 8次反射，致使9次穿過延遲器件?？商娲?，延遲器件可根據(jù)可調(diào)激光器腔長的需要被用于提供任意次數(shù)的反射?？蛇x地，光學(xué)延遲器件中的光路可被形成于塊體中的波導(dǎo)限定。例如可以通過飛秒脈沖激光器在氧化硅中直寫而形成這種波導(dǎo)(這適用于所有延遲器件塊體中具有波導(dǎo)的實施例)。在本發(fā)明的其他實施例中，光學(xué)延遲器件可以由鈮酸鋰或其他合適的材料形成。光學(xué)配置形成了上述第一種類型的可調(diào)外腔激光器。增益塊102中產(chǎn)生的光在由增益塊102上的反射性涂層110和光柵104構(gòu)成的諧振腔中振蕩(外腔激光器的腔在R-SOA 110的作為輸出耦合鏡的前面和光柵104之間延伸)。透鏡107被用于準(zhǔn)直延遲器件100 和波長選擇器(包括MEMS鏡103和光柵104，但是增益塊耦合透鏡在增益塊和光學(xué)延遲器件之間進行成像)之間的光?？蛇x地，透鏡107被用于將光成像到MEMS鏡，從而使成像尺寸在透鏡107、MEMS鏡103和衍射光柵104之間變化。更一般地，可使用任何合適的成像和 /或準(zhǔn)直裝置(除了透鏡或作為透鏡的替代，可包括形狀合適的反射器)的排列，如果需要的話，可以使用任何合適的射線導(dǎo)向裝置。可替代的，由延遲器件提供的錐形光學(xué)波導(dǎo)可替代透鏡，用于將光直接耦合到增益塊。在該實施例(以及其他此處描述的實施例)中使用的MEMS鏡優(yōu)選地在20-400kHZ 的頻率內(nèi)掃描，并由諧振或線性的斜坡波形驅(qū)動。監(jiān)測二極管被配置為位于被光的一部分擊中的位置，光的該部分不同于由光柵導(dǎo)回諧振腔中的那一部分。例如，當(dāng)?shù)?1衍射級被導(dǎo)回到諧振腔時，第1衍射級或第0衍射級可被到向監(jiān)測二極管105。來自激光器的光通過耦合透鏡108耦合到光纖109。圖2為外部可調(diào)激光器組裝到模塊中的示意圖。優(yōu)選地，R-SOA 102安裝到第一子支座111上，光纖109被安裝到第二子支座112上。子支座111和112與其他光學(xué)部件被一起安裝到載體113(用作基底)上。載體可被安裝到熱電致冷器(TEC)114上，熱電致冷器本身被安裝到光學(xué)模塊殼體115中。光學(xué)模塊殼體可以為如圖2中所示的蝶型封裝殼體。在本發(fā)明的又一實施例中，光學(xué)模塊可以為DIL(雙列直插式)封裝或其他光學(xué)模塊。 光纖109可以被固定到具有套圈117的模塊饋通116?？商娲兀饫w可被直接固定到饋通。該模塊還包括多個電饋通119，用于供電、控制和引出模塊中的器件。在本發(fā)明的又一實施例中，載體113可以由兩個板構(gòu)成，其中一個較小的板被安裝到另一個較大的板，從而方便光學(xué)部件基底在不同水平面上的安裝以對準(zhǔn)其光學(xué)元件的軸。可替代地，可使用具有機械加工到其表面內(nèi)的不同安裝水平面的載體。圖3示出了類似于圖1所示實施例的本發(fā)明又一實施例，其同樣對應(yīng)第一種類型的配置。與圖1中的功能相同的元件在此不再解釋。在圖3的實施例中，監(jiān)測光電二極管 105位于延遲器件的與R-SOA 102相同的一側(cè)。在該實施例中，延遲器件118被制造和定位得使光束在一個界面被部分地反射和部分地透射，從而可被成像到監(jiān)測二極管105。對于該實施例，可在延遲器件的面上光束到達監(jiān)測二極管前穿過的部分120上使用部分反射的涂層。對應(yīng)于第二種類型，圖4和圖5中圖示了外腔激光器的另一種配置。該實施例提供了一種不同的延遲器件122，其位于增益塊121、衍射光柵104和MEMS鏡103的一側(cè)。在這種情況下，增益塊121為兩面具有防反射涂層的半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)。該配置的光學(xué)腔體從反射器101的A點延伸到光柵104(因此穿過延遲器件8次)。 在該實施例中，延遲器件優(yōu)選地由波導(dǎo)構(gòu)成，使得光垂直地入射到A點以及例如入射到延遲器件122的輸出，再射至光纖109和監(jiān)測光電二極管105。A點處反射的部分光被分成導(dǎo)回到諧振腔的部分以及導(dǎo)向至輸出的部分。在所述實施例中，該輸出部分還被分成耦合到光纖109的部分和入射到監(jiān)測二極管的部分。此處，通過第一定向耦合器131(波導(dǎo)耦合器)和第二定向耦合器132來實現(xiàn)所述各部分的分束，第一定向耦合器131和第二定向耦合器132都形成在延遲器件122中。在可替代配置中，分束功能還可以由部分透明的鏡來實現(xiàn)，例如部分透明的鏡將一部分射線反射回諧振腔中并將其他部分耦合出去；然后監(jiān)測二極管可類似圖1或圖3那樣放置。
另外，還可以提供具有錐形光學(xué)波導(dǎo)的延遲器件，以將光直接耦合到增益塊。還可以提供具有錐形光學(xué)波導(dǎo)的延遲器件，以將光直接耦合到光纖?？梢允共▽?dǎo)只用于光路在延遲器件中的一部分，或者用于延遲器件中的整個光路。還可以提供一種延遲器件，也以例如根據(jù)圖1或圖3的第一種類型配置，其中光路的至少一部分由波導(dǎo)限定。另外，還可以提供第二種類型的配置，其中延遲器件不包括任何波導(dǎo)，而是通過其他手段來實現(xiàn)輸出和反射回諧振腔的光的分束，諸如通過部分透明的鏡。圖4中所示配置的優(yōu)點是光電二極管所測得的光學(xué)功率與外腔激光器的輸出功率直接成比例。圖6和圖7示出了本發(fā)明的又一實施例，其在光學(xué)延遲器件中提供了附加的光波導(dǎo)。該延遲器件123包括第三定向耦合器133，第三定向耦合器133具有光學(xué)耦合到外腔激光器的第一波導(dǎo)分支133. 1 (輸入波導(dǎo))，由耦合到其外的光饋通第二和第三波導(dǎo)分支 133. 2、133. 3 (輸出波導(dǎo))，光學(xué)耦合到兩束光纖124 ；以及第四波導(dǎo)分支133. 4，導(dǎo)向參考光電二極管125。在該實施例中，第三定向耦合器133具有兩種功能。首先，將從激光器來到輸入分支133. 1的光分成兩個輸出波導(dǎo)分支133. 2、133. 3，因此分到兩束光纖124中，從而例如分別導(dǎo)向樣品和OCT的參考臂。其次，將分別通過第二和第三波導(dǎo)分支從兩束光纖IM返回的光干涉。因此其作為干涉計。光纖作為該干涉計的參考臂和樣品，形成掃頻源OCT系統(tǒng)一部分，參考光電二極管125例如作為OCT系統(tǒng)的探測器件。該子系統(tǒng)可以被集成到如圖7中所示的具有一個饋通116的光學(xué)模塊中?？商娲?，光學(xué)模塊可包括多個光學(xué)饋通。在圖8、圖9a、圖9b和圖9c中示出了可在包括所述延遲器的多模式掃頻激光器光源的任意實施例中使用的不同的光學(xué)延遲器。如圖8、圖9a、圖9b和圖9c所示，延遲器100， 118，122，123具有平坦的面，包括相互之前呈銳角或鈍角(呈非90°角的非平行面)的各個面。各個面相互排列成-并且在一些實施例中，部分地具有反射性涂層101-使得光束能夠以直角入射到延遲器，然后在明確的路徑(其中通過(穿過)延遲器主體的轉(zhuǎn)折數(shù)量明確，并因此長度就明確)上被偏轉(zhuǎn)，然后以垂直于出射面的角度離開延遲器。圖9b和圖9c示出了可在多模式掃頻激光器光源的任意實施例中使用的不同的光學(xué)延遲器。從圖9b和圖9c中可以看出，這些延遲器100，118，122，123提供了多角度的面101a，其相互排列成使得光束能夠以直角入射到延遲器，然后以較低的角度被每個成角度的面反射。優(yōu)選地，各個面排列的角度超過一臨界角度，在該臨界角度下，引入的光束被全內(nèi)反射。面IOla可被限定為具有或不具有高反射涂層。圖9c中所示的延遲器可與外部反射器IOlb —起使用，從而使光束進入和離開延遲器超過一次，優(yōu)選每次以直角進入和離開。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，超過6個包括銳角面的平面的主體的構(gòu)思，通過幾何光學(xué)的應(yīng)用，可產(chǎn)生多種延遲器形狀的進一步的變型，與明確數(shù)量的穿過主體的折點相結(jié)合，多種變型都能夠確保直角入射和直角出射。圖10示出了多模式外腔掃頻激光光源的一種變型，其包括光學(xué)模塊殼體中的增益器件121、波長選擇器103、104和轉(zhuǎn)向器104、106、107。與前述實施例相比，該諧振腔不包括光學(xué)延遲器，而是通過折疊而具有足夠的對應(yīng)于多個模塊長度的腔長。在所述實施例中，增益器件121為S0A，因此增益塊中沒有將光反射回該器件的面。例如，這些面可以相對于光束方向不垂直，和/或這些面可包括AR涂層等。但是，還可以給不具有圖10中所示種類的延遲器的光源提供RSOA增益元件，例如位于輸出耦合鏡140的位置。其優(yōu)點與具有光學(xué)延遲器的器件的優(yōu)點相同耦合損耗的降低。參考圖11、圖12和圖13，描述了根據(jù)本發(fā)明第三方面的掃頻光源的波長計的構(gòu)思。在具有掃頻光源的測量器件所獲得的研究數(shù)據(jù)中，在多數(shù)情況下最重要的是獲知哪個數(shù)據(jù)點對應(yīng)掃頻光源產(chǎn)生的光的哪個波長。因此，在現(xiàn)有的光學(xué)相干計算機斷層成像(OCT) 器件中-以及類似器件中-使用所謂的k-時鐘(k-clock)進行數(shù)據(jù)取樣。其中的字母 “k”用于指波數(shù)k，其與波長的倒數(shù)成正比，在給定介質(zhì)中，其與頻率成正比。現(xiàn)有器件中的 k-時鐘包括法布里-帕羅濾波器或類似器件，通過其對所產(chǎn)生的光的一部分進行導(dǎo)向。穿過濾波器的信號將對規(guī)則頻率間隔(例如25GHz)的取數(shù)模式的頻率具有特有的依賴性。然后該取數(shù)被用于觸發(fā)實際信號的取樣。這種進行方法具有兩個缺點。首先，絕對的波長位置是未知的，而僅知道相對的取數(shù)-取數(shù)間隔。其次，取數(shù)-取數(shù)頻率間隔-法布里-帕羅的自由光譜區(qū)-是固定的。但是，如果輸出頻率-時間的關(guān)系大致是非線性的，那么將以不規(guī)則的時間間隔取樣，這將導(dǎo)致顯著的同步問題。圖11示出根據(jù)本發(fā)明第三方面的波長計裝置。塊體201表示掃頻光源，其可以為根據(jù)本發(fā)明的前述的一個或兩個方面中的光源。雖然光源201在該圖及后續(xù)圖中被示為與其他元件相分離的塊，但是在實際中，其他元件也被集成到包括光源的封裝中，且其他元件的實體可被配置在光源的元件之間(但是當(dāng)然不中斷光源諧振腔中的光路)或位于相分離的位置。通過分束器202，光束的一部分-例如至10%之間-被“分流”，即離開主光束并進入波長計。波長計包括濾波器件204，被分流的光束部分入射到該濾波器件204上。所述實施例中的濾波器為帶通濾波器，帶通濾波器的通頻帶相對于波長范圍偏移，因此該波長范圍位于濾波器的透射特性的傾斜部分中。圖12示意性地示出了相關(guān)濾波器透射功率(強度透射系數(shù))對波長的依賴性。垂直線示意性地示出波長范圍的上限和下限。轉(zhuǎn)到圖11，除濾波器器件204外，波長計包括第一光強度探測器206和第二光強度探測器207。第一光強度探測器被構(gòu)成并配置為探測透射穿過濾波器的分流光束的光。第二光強度探測器207被構(gòu)成并配置為探測未被濾波器204透射然后被其反射的這部分光。由于透射強度對波長的依賴性，由第一強度探測器206測得的強度It和由第二強度探測器207測得的強度Ik相差的量It-Ik可作為波長的量度。優(yōu)選地，標(biāo)準(zhǔn)值(It-Ik)/ Ix+Ie)被用作輸入量，以利用已知濾波器特性確定波長。濾波器特性可以基于初始測量，例如由制造商測量并存儲在器件的電子裝置中。還可以使用量(ιτ-ικ)/(ιτ+ικ)本身作為波長的量度。由這種方法可知波長的絕對值而不僅僅是相對測量。另外，波長值的測量可在任意時刻進行，即，使用單獨時鐘設(shè)置的任意取樣速率。因此，能夠使用系統(tǒng)時鐘或其他與系
17統(tǒng)時鐘同步的時鐘。器件的同步比現(xiàn)有技術(shù)中k_時鐘自身的信號取數(shù)必須作為同步信號的方法更容易。圖13非常示意地示出了相應(yīng)的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)時鐘211提供觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號用于讀出第一和第二波長計強度探測器206、207以及所期望的信號強度探測器221的測量值。系統(tǒng)的電子裝置通過波長計強度探測器信號計算波長，并存儲強度/波長數(shù)據(jù)對；這些值可被顯示和/或用于現(xiàn)有技術(shù)中已知的進一步計算中。事實上，對于每個探測器，由觸發(fā)信號觸發(fā)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器可被用于讀出信號。時鐘觸發(fā)信號還可被用于進一步地取樣信號，和/或通過多個探測器信號得到所期望的信號，例如在下文所述實施例中。圖14示出了可用于補償由光源強度或測量參數(shù)的波動引起的DC偏移的測量方法。該結(jié)構(gòu)基于“平衡探測”的原理。在所述實施例中，循環(huán)器231用于將部分光返回作為分束器/光束組合器224的第二輸出(到循環(huán)器的端口 II)以到達平衡探測器，在探測器中與所期望的信號S合并以進行干涉。在所述實施例中，所期望的信號S為OCT信號，該 OCT信號通過從樣品路徑sam返回的信號和從參考路徑ref返回的信號相干涉而獲得。在所述實施例中，分束器/光束組合器2M被用于將主光束分成樣品路徑和參考路徑，并將他們合并以進行干涉。轉(zhuǎn)向器235被用于使信號光束轉(zhuǎn)向光束組合器233和兩個強度探測器 221. 1、221.2。兩個探測器221. 1、221. 2所測得的強度差被用作平衡信號。循環(huán)器被操作為將進入端口 I的光導(dǎo)向至端口 II，將進入端口 II的光導(dǎo)向至端口 III，將來自端口 III 的光導(dǎo)向至端口 I。除了用于將分束器/光束組合器的第二輸出導(dǎo)向平衡探測器結(jié)構(gòu)，其還能夠作為光隔離器，防止光反饋到激光光源。在圖14中，用虛線示出了參考圖11至圖13所描述類型的光學(xué)波長計208。圖14中所示的光學(xué)模塊包括光源201以及波長計208(如果存在的話)、分束器/ 光束組合器、強度探測器的光學(xué)部件以及隱含的光束導(dǎo)向裝置，還包括模塊殼體，光學(xué)模塊部件配置在該殼體中，如圖2、圖5、圖7中所示的器件那樣，模塊殼體包括光學(xué)和電饋通，光學(xué)模塊部件可配置在公共支架上，與公共的模塊熱電致冷器接觸。圖15描述了用于OCT設(shè)備的光學(xué)模塊。優(yōu)選地，光學(xué)模塊的單個模塊外殼內(nèi)具有饋通孔、位于公共致冷器上的公共支架，除了光源201外，光學(xué)模塊包括(可選地)波長計和強度探測器的光學(xué)部件-在所述實施例中，示出了前述兩個強度探測器和DC偏移補償裝置-光學(xué)模塊還包括OCT的參考臂251。參考臂包括光偏轉(zhuǎn)和/或光導(dǎo)裝置252、253，其使來自分束器/光束組合器2M的參考光束在具有限定光學(xué)長度的光路上返回分束器/光束組合器224。圖15的實施例-以及下文進一步描述的雙束掃頻源光學(xué)模塊的相應(yīng)變型，具有集成的參考臂-在整個OCT設(shè)備較小的情況(例如距所測物體的距離較小的手提式器件中)下是有益的，因為其具有緊湊性。圖16也描述了用于OCT設(shè)備的雙束掃頻源光學(xué)模塊。雙束掃頻源光學(xué)模塊包括單個掃頻激光光源201，優(yōu)選為如前述實施例所述的類型。光學(xué)模塊還可包括上述類型的波長計202、208。優(yōu)選地，分束器251固定在波長計的下游(即配置在主光路中波長計的后方)，例如以約50 50的比例，將主光束分成兩部分光束。這兩部分光束用于兩個分離的 OCT設(shè)備分支的單獨OCT測量。例如，這兩個分支可被分別用于左眼OCT成像和右眼OCT成像。那么OCT設(shè)備可被制成類似雙目型器件。每個部分的光束被導(dǎo)向至分束器/光束組合器224. 1、224.2，于此，部分的光束部分被分別導(dǎo)向至樣品臂和參考臂。參考臂可位于光學(xué)模塊內(nèi)，或者如所述的，包括光學(xué)模塊以外的部分。樣品臂和參考臂的光分別返回至分束器/光束組合器224. 1,224. 2的光進行干涉，然后分別測量兩個分支中的強度?？蛇x地，每個分支可包括參考圖14所描述的強度參考結(jié)構(gòu)。最后，對于每個分支，由光源201產(chǎn)生的光的一部分被分流(在圖16中，將小部分光分流出去的分束分流器由231. 1、232.2表示)，且每一分支的強度探測方法包括兩個強度探測器221. 1,221. 2 ；221. 3,221. 4。該部分光從主光束的分流可在分束器(如所示那樣)的上游進行，或者也可以在每一分支的分束器的下游進行。在圖16中，附圖標(biāo)記250示意性地示出了探測裝置。還是圖6_如其他實施例那樣-探測可基于平衡外差探測裝置。最后，光學(xué)循環(huán)器可以例如出現(xiàn)在分束器251和每個分束器/光束組合器224，1,224. 2之間。圖16所示的實施例中，所示位于殼體241 (就像前述實施例那樣具有光學(xué)和電饋通)中的部件可位于公共支座上，并可與公共熱電致冷器熱接觸。在所有包括用于波長計的分流器和至少一個用于強度參考的分流器的實施例中， 分流器相對于主光路的順序可相反于所述實施例。在所有實施例中，監(jiān)測器(如果存在的話)和/或探測器(如果存在的話)不必須為光電二極管，而是也可以為其他適合用于光強度探測的探測器。在將干涉計的一部分集成到光學(xué)模塊內(nèi)的實施例中(例如圖6和圖14-16中描述的實施例)，提供光學(xué)隔離器是有益的。在這種實施例中，如果缺少光學(xué)隔離器，來自樣品和參考臂的反射會返回到掃頻源激光器中。這些實施例的具有平衡探測裝置的光學(xué)循環(huán)器充當(dāng)了這種光學(xué)隔離器，使光入射到端口 II而沒有傳輸?shù)蕉丝?III的光。對于不具有光學(xué)循環(huán)器的實施例，或除光學(xué)循環(huán)器外，根據(jù)這些反射的功率等級，優(yōu)選還集成光學(xué)隔離器以保護掃頻源激光器。該光學(xué)隔離器可放置在例如光源201和分束器/光束組合器2M之間。 光學(xué)隔離器，諸如光學(xué)循環(huán)器，可以基于法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理。也可以使用波導(dǎo)技術(shù)，例如光子光波回路PLC，來提供參考圖11-16所描述的光學(xué)模塊的功能。雖然此處描述了本發(fā)明的許多實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，可不背離本發(fā)明由所附權(quán)利要求限定的精神和范圍而做出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種光源，包括-光學(xué)模塊殼體，具有至少一個光學(xué)饋通和多個電饋通， -半導(dǎo)體增益器件，可操作地提供光放大； -波長選擇器，以及 -光轉(zhuǎn)向器；-增益器件、光轉(zhuǎn)向器和波長選擇器共同配置在光學(xué)模塊殼體中，以建立多模式諧振腔，用于由增益器件發(fā)射以及由波長選擇器選擇的光部分； -其中該諧振腔為外腔激光器諧振腔；-以及其中諧振腔的一個端部反射器是部分透射的，并且其中透射穿過該端部反射器的光被至少部分地導(dǎo)向穿過光學(xué)饋通而射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，包括公共熱電致冷器，與至少半導(dǎo)體增益器件和波長選擇器熱接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光源，該諧振腔包括光學(xué)延遲器件，該延遲器件包括塊體材料，該塊體材料內(nèi)具有明確光路長度的光路，該光路被限定為用于由增益器件產(chǎn)生并在諧振腔內(nèi)循環(huán)的光。
4.一種光源，包括-半導(dǎo)體增益器件，可操作地提供光放大；-光學(xué)延遲器件，該延遲器件包括塊體材料，該塊體材料內(nèi)具有明確光路長度的光路， 該光路被限定為用于由增益器件產(chǎn)生的光； -波長選擇器；以及 -基底-增益器件，延遲器件和波長選擇器共同配置在基底上，以建立諧振腔，用于由增益器件發(fā)射以及由波長選擇器選擇的光部分；-其中延遲器件中的光路為諧振腔的光路的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光源，其中該光學(xué)光路在延遲器件中的長度構(gòu)成光學(xué)諧振腔長度的至少40%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光源，其中延遲器件包括多個反射性表面，用于將該塊體材料內(nèi)傳播的光部分向后和向前反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光源，其中該延遲器件限定了光路的至少4次在反射性表面上的反射。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7中任一權(quán)利要求所述的光源，其中該延遲器件內(nèi)的光路至少部分地由波導(dǎo)限定。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至8中任一權(quán)利要求所述的光源，其中該延遲器件具有多個平坦的面，該多個面包括相互之間呈銳角的面，其中至少兩個面為至少部分反射性的，且將從主體內(nèi)部入射到該面上的光再反射回主體內(nèi)，且其中該主體被設(shè)計并配置在諧振腔內(nèi)，從而使諧振腔內(nèi)的光路垂直于非反射性入口和出口端部面，并與其入射的反射性面部分不垂直。
10.根據(jù)權(quán)利要求3至9中任一權(quán)利要求所述的光源，其中該延遲器件包括至少一個定向耦合器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光源，包括兩個波導(dǎo)輸出，且還包括探測器，其中該定向耦合器或定向耦合器之一分別配置為使從該兩個波導(dǎo)輸出返回的光部分進行干涉，并將干涉的光部分導(dǎo)向至探測器。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源，還包括監(jiān)測器。
13.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源，其中波長選擇器包括MEMS可移動器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光源，其中波長選擇器包括MEMS鏡和衍射光柵，該MEMS鏡可操作地掃描光束在衍射光柵上的入射角，或其中該波長選擇器包括集成的MEMS光柵-鏡器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光源，其中該衍射光柵或集成的MEMS光柵-鏡器件分別限定諧振腔的一個端面。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的光源，其中該光柵為啁啾光柵。
17.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源，其中該半導(dǎo)體增益器件選自包括半導(dǎo)體放大器和反射性半導(dǎo)體放大器的組。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光源，該半導(dǎo)體增益器件為反射性半導(dǎo)體放大器，其中該反射性半導(dǎo)體放大器的反射性涂層為諧振腔的端鏡，例如諧振腔的輸出耦合鏡。
19.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源，還包括光學(xué)耦合到諧振腔的輸出的光纖。
20.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源，還包括連接并熱耦合到所述基底的熱電致冷ο
21.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源，包括光學(xué)封裝殼體，該殼體罩住增益器件、延遲器件、波長選擇器以及基底，該封裝殼體包括至少一個光學(xué)饋通和多個電饋通。
22.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源，還包括電子控制器。
23. 一種光學(xué)模塊，包括位于光學(xué)模塊殼體中的根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的光源以及能夠控制光源和/或分析來自光學(xué)模塊探測裝置的信號的電子單元。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的模塊，還包括波長計，該波長計包括-波長計分流器，能夠?qū)⒃摴庠串a(chǎn)生的光的波長計部分分離于主光束，-波長選擇濾波器，配置為接收該波長計部分，-第一波長計探測器，配置為測量透射穿過該濾波器的射線的透射射線強度，以及-第二波長計探測器，配置為測量未透射穿過該濾波器的射線的未透射射線強度，-其中該波長計分流器、該波長選擇濾波器、該第一波長計探測器和該第二波長計探測器優(yōu)選配置在該模塊殼體中。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的光學(xué)模塊，包括電子單元，該電子單元被配置為用于比較和分析該第一波長計探測器和該第二波長計探測器的信號，其中信號的分析包括計算 (It-Ie)/(IT+JE)的值，其中It為由第一光強度探測器測得的強度，Ik為由第二光強度探測器測得的強度。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學(xué)模塊，其中該電子單元包括時鐘，該時鐘可操作地觸發(fā)該第一和第二探測器信號的取樣。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的光學(xué)模塊，還包括所期望的信號強度探測器，該時鐘還可被操作為觸發(fā)來自該所期望信號強度探測器的信號的取樣。
28.根據(jù)權(quán)利要求23至27中任一權(quán)利要求所述的光學(xué)模塊，還包括基于平衡外差探測的DC信號偏移補償。
29.根據(jù)權(quán)利要求23至觀中任一權(quán)利要求所述的光學(xué)模塊，還包括分束器/光束組合器以及所期望的信號強度探測器，該分束器/光束組合器能夠被操作為將主光束分成樣品臂和參考臂并合并從該樣品臂和該參考臂返回的光部分，并將該合并、干涉的光部分導(dǎo)向至所期望的信號強度探測器。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的光學(xué)模塊，還包括位于模塊殼體內(nèi)的參考臂，該參考臂具有光反射和/或光導(dǎo)裝置，以使來自分束器/光束組合器的參考光束在具有限定光學(xué)長度的光路上返回分束器/光束組合器。
31.根據(jù)權(quán)利要求23至30中任一權(quán)利要求所述的光學(xué)模塊，還包括主光束分束器，用于將主光束分成兩束部分光束，對于每一部分光束對應(yīng)一個分束器/光束組合器和一個所期望的信號強度探測器，每個分束器/光束組合器能夠被操作為將各自的部分光束分成樣品臂和參考臂并合并從該樣品臂和該參考臂返回的光部分，并將該合并、干涉的光部分導(dǎo)向至各自的所期望的信號強度探測器。
32.一種光學(xué)相干計算機斷層成像設(shè)備，該設(shè)備包括 光源，包括-光學(xué)模塊殼體，具有至少一個光學(xué)饋通和多個電饋通， -半導(dǎo)體增益器件，可操作地提供光放大； -波長選擇器；以及 -光轉(zhuǎn)向器；-增益器件，光轉(zhuǎn)向器和波長選擇器共同配置在光學(xué)模塊殼體中，以建立多模式諧振腔，用于由增益器件發(fā)射以及由波長選擇器選擇的光部分； -其中該諧振腔為外腔激光器諧振腔；-以及其中諧振腔的一個端部反射器是部分透射的，并且其中透射穿過該端部反射器的光被至少部分地導(dǎo)向穿過光學(xué)饋通而射出， 該設(shè)備還包括 干涉計的一部分，與該光源進行光學(xué)通信； 光學(xué)單元，該光學(xué)單元適于將來源于該光源的光部分聚焦到樣品的所選位置，并適于執(zhí)行掃描，在掃描中所述位置和所述樣品相對移動； 干涉計的該部分可被操作為合并由該光源產(chǎn)生和從樣品返回的光部分以及由該光源產(chǎn)生并通過參考路徑返回到干涉計的光部分；以及 探測器單元，定位成從干涉計接收合并的光。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其中該干涉計的該部分和該探測器單元安裝在該光學(xué)模塊殼體的內(nèi)部。
34.根據(jù)權(quán)利要求32或33所述的設(shè)備，其中該諧振腔包括光學(xué)延遲器件，該延遲器件包括塊體材料，該塊體材料內(nèi)具有明確光路長度的光路，該光路被限定為用于由增益器件產(chǎn)生的光。
35.一種用于光學(xué)相干計算機斷層成像設(shè)備的光學(xué)相干計算機斷層成像模塊，該模塊包括 光源，包括-半導(dǎo)體增益器件，可操作地提供光放大；-光學(xué)延遲器件，該延遲器件包括塊體材料，該塊體材料內(nèi)具有明確光路長度的光路， 該光路被限定為用于由增益器件產(chǎn)生的光； -波長選擇器；以及 -基底-增益器件，延遲器件和波長選擇器共同配置在基底上，以建立多模式諧振腔，用于由增益器件發(fā)射以及由波長選擇器選擇的光部分；-其中延遲器件中的光路為諧振腔的光路的一部分； 并且還包括 干涉計的一部分，與該光源進行光學(xué)通信并可被操作為合并由該光源產(chǎn)生和從樣品返回的光部分以及由該光源產(chǎn)生并通過參考路徑返回的光部分；以及 探測器單元，定位成從干涉計接收合并的光。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的模塊，其中該干涉計的該部分和該探測器單元安裝在該光學(xué)模塊殼體的內(nèi)部。
37.根據(jù)權(quán)利要求35或36所述的設(shè)備，其中該諧振腔包括光學(xué)延遲器件，該延遲器件包括塊體材料，該塊體材料內(nèi)具有明確光路長度的光路，該光路被限定為用于由增益器件產(chǎn)生的光。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種掃描波長光源，該光源包括半導(dǎo)體增益器件，可被操作為提供放大，光學(xué)延遲器件，該延遲器件包括塊體材料，該塊體材料內(nèi)具有明確光路長度的光路，該光路被限定為用于由增益器件產(chǎn)生的光；波長選擇器，以及增益器件，該延遲器件和波長選擇器件共同配置在基底上，以建立用于由增益器件發(fā)射以及由波長選擇器選擇的光部分的諧振腔；這并不排除其他構(gòu)成諧振腔的元件的存在，諸如附加的鏡(包括諧振腔端鏡)、透鏡、偏振選擇元件、其他無源光學(xué)部件等；其中該延遲器件中的光路是諧振腔光路的一部分。
文檔編號G01B9/02GK102484353SQ201080023979
公開日2012年5月30日 申請日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者C·貝萊斯, J·萊萬多夫斯基, M·杜克 申請人:艾克瑟勞斯股份公司