專利名稱：用于光學(xué)相干斷層掃描的具有用于控制探測器上的分散光的對準(zhǔn)的可調(diào)偏轉(zhuǎn)器的光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利文檔描述了具有可調(diào)偏轉(zhuǎn)器的光譜儀。更具體而言，本專利文檔討論了這樣的光譜儀:其對準(zhǔn)由可調(diào)偏轉(zhuǎn)器控制，以可能應(yīng)用于光學(xué)相干斷層掃描。
背景技術(shù)：
光譜域光學(xué)相干斷層掃描(SD-OCT)通過把相對寬帶的光源的光分成參考光與圖像光并且使從目標(biāo)返回的圖像光與從例如參考鏡返回的參考光干涉來對目標(biāo)區(qū)域成像。然后，這種干涉或圖像光被光譜分解而且光譜成分被投射或透射到探測器中的傳感器陣列的傳感器。通過對由個體傳感器感測到的干涉光的光譜成分進(jìn)行傅立葉變換，SD-OCT在特定xy橫向位置處基本上同時對一 z深度范圍處的目標(biāo)成像。更傳統(tǒng)的OCT系統(tǒng)，例如時間域類型的系統(tǒng)，通過執(zhí)行z掃描來對z深度范圍成像，從而導(dǎo)致顯著更慢的處理速度。當(dāng)SD-OCT與x、y、線性或xy掃描器組合時，整個目標(biāo)區(qū)域或體積的二維或三維圖像可以以非常高的速度和分辨率形成。但是，SD-OCT的高執(zhí)行速度與高分辨率成像一般是通過對其規(guī)格的大部分參數(shù)，包括光源的帶寬、光學(xué)器件的分辨率與光收集效率及其探測器陣列的讀出速度，的高度精確的控制來實(shí)現(xiàn)的。一類SD-OCT使用具有衍射受限性能的高數(shù)值孔徑成像光譜儀來滿足這些需求。這些設(shè)備常常使用傳感器·的線性陣列作為探測器，因?yàn)槟切┛梢员炔贾迷诙S陣列中的傳感器提供更快的讀出速度，而且仍然以合理的速度掃描通過目標(biāo)體積。適于以高精度分辨慣例寬帶的光源的光譜的典型線性傳感器陣列可以在線性布置中包含超過1000個或者更多像素。目前，個體像素或傳感器的尺寸在IOxio微米至20x20微米的范圍內(nèi)。但是，為了實(shí)現(xiàn)SD-OCT的可能的高分辨率，這些個體像素的小尺寸對圖像光束的對準(zhǔn)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
SD-OCT設(shè)備的光譜儀一般從單模光纖接收圖像或干涉光。光譜儀把這種干涉光光譜分解或分散成其光譜成分并且把這些成分透射到其探測器的個體傳感器。所探測到的圖像光的成分被傅立葉變換和分析，以便構(gòu)造目標(biāo)的圖像。如上所述，具有線性傳感器陣列的探測器具有高效且高速成像的潛能。為了實(shí)現(xiàn)這些線性陣列探測器的潛能，光譜儀的光譜分解元件把分解后的光譜投射到10-20微米寬的像素線上。這種規(guī)格可以通過以足夠高的準(zhǔn)確度對準(zhǔn)光譜儀的光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)。角度對準(zhǔn)的指定的準(zhǔn)確度的量級是毫弧度或者mrad，這可以通過機(jī)械調(diào)整并旋轉(zhuǎn)光學(xué)臺或元件來實(shí)現(xiàn)。另一方面，橫向?qū)?zhǔn)的準(zhǔn)確度可能需要量級更高的精度，因?yàn)闄M向失準(zhǔn)被光譜分解元件與探測器之間的光學(xué)路徑的長度放大。為了實(shí)現(xiàn)這些高度精確的對準(zhǔn)，光譜儀可以利用可調(diào)或可移動的光學(xué)元件，這些元件可以在組裝過程中進(jìn)行微調(diào)，以便實(shí)現(xiàn)橫向?qū)?zhǔn)的所需精度。這些可調(diào)元件光譜儀還提供了在其定期維護(hù)過程中的校正性調(diào)整的可能性。但是，一旦光譜儀處于工作當(dāng)中，可調(diào)元件就可能失準(zhǔn)而且更容易從它們的最佳對準(zhǔn)漂移，因此可能常常需要測試與復(fù)位的技術(shù)支持。在光譜儀遠(yuǎn)離高技術(shù)環(huán)境使用的重要情況下，例如在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，常常沒有可立即獲得的技術(shù)支持來在短的或計劃外的時間間隔中測試與復(fù)位光譜儀的對準(zhǔn)，更不必說這種高維護(hù)系統(tǒng)的過多的停機(jī)時間和不便。另一方面，試圖通過使用固定的不可調(diào)的光學(xué)臺來搶先解決這些挑戰(zhàn)的光譜儀設(shè)計面臨著其橫向?qū)?zhǔn)的令人無法接受的低精度的問題，如以下更具體地描述的。這些沖突的要求給優(yōu)化光譜儀的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。本專利文檔中描述的光譜儀的各個實(shí)施例以可以為這些設(shè)計挑戰(zhàn)提供解決方案的方式有利地提供了與傳感器陣列的改進(jìn)的對準(zhǔn)。特別地，光譜儀的各個實(shí)施例提供了圖像和其它類型的光的可調(diào)偏轉(zhuǎn)，這可以改進(jìn)與傳感器陣列的對準(zhǔn)。在有些實(shí)施例中，一種光譜儀可以包括配置成光譜分散接收到的光的光譜分散光學(xué)元件、可調(diào)地偏轉(zhuǎn)光譜分散的光的杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器，及接收光譜分散的且可調(diào)地偏轉(zhuǎn)的光的探測器陣列。接收到的光可以包括從返回的圖像光束與參考光束組合的干涉光束。在有些實(shí)現(xiàn)方式中,光譜分散光學(xué)兀件可以包括棱鏡、光柵、具有波長相關(guān)折射率的光學(xué)元件、具有波長相關(guān)透射性質(zhì)的光學(xué)元件或者具有波長相關(guān)偏轉(zhuǎn)性質(zhì)的光學(xué)元件。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，探測器陣列可以包括線性傳感器陣列、二維傳感器陣列或者探測器相機(jī)。 在有些實(shí)現(xiàn)方式中，杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器可以包括具有可調(diào)透射性質(zhì)或者可調(diào)反射性質(zhì)的光學(xué)元件，其中該可調(diào)偏轉(zhuǎn)器可以通過被光學(xué)杠桿作用成較小的光學(xué)調(diào)整的機(jī)械調(diào)整來調(diào)整。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，機(jī)械調(diào)整的角度與光學(xué)調(diào)整的角度之比可以超過10，在其它實(shí)現(xiàn)方式中超過100。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，機(jī)械調(diào)整的角度與光學(xué)調(diào)整的角度之比可以大于5但小于100。可調(diào)偏轉(zhuǎn)器可以包括至少一個可旋轉(zhuǎn)的楔形光學(xué)板。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，光譜儀是成像光譜儀，包括把接收到的光轉(zhuǎn)換成平行光的準(zhǔn)直器和把光譜分散的光聚焦并成像到探測器陣列上的聚焦透鏡。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，與偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)-調(diào)整范圍關(guān)聯(lián)的第一探測器-光束-位置范圍超過與光譜儀的部件的累積位置-容限范圍關(guān)聯(lián)的第二探測器-光束-位置范圍。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，與偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)-調(diào)整范圍關(guān)聯(lián)的第一探測器-光束-位置范圍超過光譜儀的工作探測器-光束-位置范圍。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，由杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器造成的工作光束失準(zhǔn)小于探測器的失準(zhǔn)容限。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，可調(diào)偏轉(zhuǎn)器被配置成補(bǔ)償光譜分散的光的橫向失準(zhǔn)，而不引入比探測器的高寬比大的角度失準(zhǔn)。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，光譜儀被配置成允許通過利用已知波長的光重新校準(zhǔn)其傳感器來對縱向失準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。
在有些實(shí)現(xiàn)方式中，一種光譜域光學(xué)相干斷層掃描(SD-OCT)設(shè)備可以包括光譜分解器、傳感器陣列及杠桿式可調(diào)對準(zhǔn)控制器，其中光譜分解器被配置成接收干涉光并通過橫向分離干涉光的光譜成分產(chǎn)生一片干涉光，傳感器陣列通過不同的傳感器探測這片干涉光的不同光譜成分，而杠桿式可調(diào)對準(zhǔn)控制器控制這片光與傳感器陣列的對準(zhǔn)。對準(zhǔn)控制器可以包括可旋轉(zhuǎn)的楔形棱鏡。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，一種光譜儀可以包括橫向分散圖像光的光譜成分的光譜分散器、感測圖像光的光譜成分的傳感器陣列和光學(xué)杠桿式對準(zhǔn)控制器，該控制器能夠補(bǔ)償由光譜儀的元件的位置變化造成的累積光束位置失準(zhǔn)。


圖1說明了光譜儀。圖2A說明了 投射在光譜儀的線性傳感器陣列上的最佳對準(zhǔn)的光譜分散的光。圖2B說明了具有角度和橫向失準(zhǔn)的光譜分散的光。圖3A-C說明了三種基本類型的失準(zhǔn)。圖4A-B說明了具有可調(diào)偏轉(zhuǎn)器控制的對準(zhǔn)的光譜儀的兩個實(shí)施例。圖5A-B說明了具有可調(diào)偏轉(zhuǎn)器控制的對準(zhǔn)的光譜儀的特定實(shí)施例。圖6說明了通過旋轉(zhuǎn)楔形的旋轉(zhuǎn)的橫向失準(zhǔn)光譜的演化。
具體實(shí)施例方式本專利文檔中的實(shí)現(xiàn)方式與實(shí)施例提供了對光譜儀的高精度對準(zhǔn)與長期穩(wěn)定性的上述競爭性需求的改進(jìn)。如以上所討論的，高精度對準(zhǔn)可以通過在對準(zhǔn)臺中安裝可調(diào)光學(xué)元件在光譜儀中達(dá)到。但是，由于這些元件是可調(diào)的，即使在光譜儀的日常操作期間也可調(diào)，因此這些可調(diào)元件可能開始漂移，從其原始位置與設(shè)置旋轉(zhuǎn)和變形，引起失準(zhǔn)。這些失準(zhǔn)對于光譜儀的精度是有害的而且削弱了光譜儀的長期穩(wěn)定性。光譜儀的穩(wěn)定性可以通過在固定底座中結(jié)合或機(jī)械地夾住光學(xué)元件來增加。另一方面，在光譜儀的組裝過程中安裝固定底座限制了光學(xué)元件對準(zhǔn)的精度。在具有代表性的例子中，如果光學(xué)元件至少部分手動安裝到光譜儀中，那么其位置可以以百微米量級的精度得到控制。由于光譜儀包含幾個光學(xué)元件，因此累積的光束位置失準(zhǔn)或容限誤差會達(dá)到幾百微米，有可能高達(dá)1000微米。由于探測器陣列中的個體傳感器的物理范圍是大約10-20微米，因此由于結(jié)合的光學(xué)元件的組裝誤差所造成的數(shù)百微米的失準(zhǔn)會實(shí)質(zhì)降低光譜儀的效率，有可能甚至威脅到光譜儀本身的功能性。因此，結(jié)合的光譜儀的高長期穩(wěn)定性是以光譜儀組裝過程中出現(xiàn)增加的失準(zhǔn)問題為代價的。圖1說明了關(guān)于典型的光譜儀10的例子的以上問題。光譜儀10接收圖像或干涉光11并且可以通過把接收到的光變換成平行射線的準(zhǔn)直器或準(zhǔn)直透鏡13透射它。準(zhǔn)直的射線可以到達(dá)光譜分散元件15，該光譜分散元件15橫向展開射線的光譜成分并且把它們朝著聚焦透鏡17重定向，聚焦透鏡17又把它們成像或聚焦到探測器19上。光譜儀可以分類成成像和非成像類別。成像光譜儀一般從點(diǎn)狀源接收光并且把它成像到其探測器上的點(diǎn)。這種點(diǎn)狀源可以是光纖的尖端。非成像光譜儀一般以狹縫形式接收光并且把它作為線傳輸?shù)狡涮綔y器。作為命名的問題，以上的術(shù)語“圖像光”可以指由成像或非成像光譜儀接收的光，因?yàn)榘压饷麨閳D像光是為了表示它攜帶關(guān)于成像目標(biāo)的圖像信息。這里所描述的設(shè)計原理在成像和非成像光譜儀中都可以實(shí)現(xiàn)。圖2A-B說明了光譜分散的射線可以形成一片(sheet)光，其中光的光譜成分以橫向展開的方式傳播。橫向展開的光譜包含波長從、(min)到\ (max)的射線,這對應(yīng)于光源的帶寬。這片光可以投射到傳感器陣列上。在所示出的例子中，陣列是線性傳感器陣列19，該陣列在一 xy目標(biāo)位置處基本上同時收集針對一 z深度范圍的圖像數(shù)據(jù)，并且由此提供良好的處理與讀出速度。這片光或者橫向展開的光譜在具有衍射受限寬度的線S處與線性傳感器陣列的平面相交。圖2A示出了良好對準(zhǔn)的光譜儀10，其中橫向展開的光譜S (對準(zhǔn)的)與線性傳感器陣列19對準(zhǔn)。線性傳感器陣列19可以包括N個傳感器，從Si到SN。在典型的光譜儀中，N可以是大約1000或者更大。光的光譜成分將被分辨成M〈N個小的波長間隔，其中，其寬度A A主要是由個體傳感器的空間寬度確定的。以上的量可以經(jīng)近似關(guān)系MA A [入(max) - A (min)]而相關(guān)。圖2B說明了典型的失準(zhǔn)的光譜儀，其中橫向展開的光譜在傾斜的或者旋轉(zhuǎn)的線S(失準(zhǔn)的)中與線性傳感器陣列19的平面相交。在這種失準(zhǔn)的光譜儀中，傳感器的一部分能夠感測到入射的橫向展開的光譜，但是該展開的光譜的相當(dāng)大的一部分完全錯過了線性傳感器陣列。失準(zhǔn)的一些主導(dǎo)原因包括組裝過程的有限的精度。光學(xué)元件的安裝常常涉及手動步驟與操縱。由安裝的手動步驟的不精確或容限誤差所造成的傳感器陣列處的光束-位置-失準(zhǔn)可以是100微米的量級。由光譜儀的個體光學(xué)元件造成的誤差可以累積到1000微米量級的累積誤差。

失準(zhǔn)的另一個可能來源是光譜儀變化的工作條件。溫度變化會造成光學(xué)元件位置的漂移。整個成像設(shè)備的殼體的機(jī)械應(yīng)力、剪切和扭曲也會造成光學(xué)元件的相對失準(zhǔn)或旋轉(zhuǎn)。圖3A-C說明至少存在三種類型的失準(zhǔn)。圖2B的一般性失準(zhǔn)一般可以分解成這三種失準(zhǔn)的疊加。圖3A說明了角度或旋轉(zhuǎn)失準(zhǔn)，其特征在于展開的光譜S與線性傳感器陣列的線之間的失準(zhǔn)角a。如果展開的光譜S與線性傳感器陣列對準(zhǔn)，使得甚至最外面的波長\ (min)和A (max)都落在陣列的傳感器上，那么這種角度失準(zhǔn)可以被最小化或者消除。在具有大約1000個個體傳感器或像素的傳感器陣列中，這轉(zhuǎn)變(translate)成小于大約1/500或者2毫弧度(mrad)的a。即使光譜儀是手動組裝和操縱的，也可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的1_2毫弧度精度的角度對準(zhǔn)。圖3B說明了縱向失準(zhǔn)，其特征在于展開的光譜S具有與線性傳感器陣列的良好角度對準(zhǔn)，但是光譜成分的波長沿線性傳感器陣列19偏移了探測器-光束-位置△ (long)距離。在這里，術(shù)語“探測器-光束-位置”是探測器處的光束的位置的縮寫。這種縱向失準(zhǔn)會例如由光學(xué)元件因疏忽安裝到稍微偏移的位置而造成。這種偏移會造成特定光譜或波長成分\ (spec)被定向到與額定預(yù)期感測這個特定波長成分\ (spec)的傳感器沿線性陣列有距離A (long)處的傳感器。這種縱向失準(zhǔn)還可以通過例如以下步驟來最小化或消除:(a)具有眾所周知的特定波長\ (spec)的光可以被投射到光譜儀上；(b)可以記錄報告感測該眾所周知的波長入(spec)的傳感器s (spec-sensing)的索引/標(biāo)記/位置；(C)可以確定實(shí)際感測該特定波長\ (spec)的傳感器s (spec-sensing)與額定設(shè)計成要感測這個\ (spec)波長的傳感器s (spec-design)之間的距離A (long);及(d)個體傳感器s (i)的標(biāo)記/位置與由它們感測的光譜成分的波長之間的對應(yīng)性或查找表可以根據(jù)沿整個傳感器陣列19的這個實(shí)測到的△ (long)被重新校準(zhǔn)。在有些情況下，光譜燈或者具有已知原子光譜的其它光源可以用于這個目的，包括汞、鈉或惰性氣體燈。圖3C說明了具有橫向失準(zhǔn)的展開的光譜S，其中展開的光譜S，或者光片，在與傳感器陣列19有距離A (Iat)處與線性傳感器陣列19的平面相交。由于線性陣列的橫向范圍可以是10微米的量級，而且分離光譜分散元件15與探測器19的典型距離是0.1米=100000微米的量級，因此，如果光譜分散元件15以10微米/100000微米=0.1毫弧度的角度精度對準(zhǔn)，則光譜分散元件15能夠最小化或者消除橫向失準(zhǔn)△ (Iat)。這個0.1毫弧度的精度是比如前所述能夠消除角度失準(zhǔn)的I毫弧度的精度更嚴(yán)格的量級。這種0.1毫弧度的精度對于其組裝涉及手動操縱的光譜儀來說一般是達(dá)不到的。圖4A-B說明了有利地能夠提供與傳感器陣列的改進(jìn)的對準(zhǔn)的光譜儀的各個實(shí)施例。圖4A說明了光譜儀100的實(shí)施例，它包括光譜分散光學(xué)元件120、杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140和探測器或傳感器陣列 160。光譜分散光學(xué)元件120可以配置成接收準(zhǔn)直的圖像光并且光譜分散所接收到的圖像光。圖像光或者干涉光束可以從光譜域光學(xué)相干斷層掃描(SD-OCT)設(shè)備的分束器接收，從返回的圖像光束與參考光束組合。盡管在本專利文檔中更詳細(xì)地描述了聯(lián)系SD-OCT設(shè)備的應(yīng)用，但是，光譜儀100在其它光學(xué)系統(tǒng)中也可以具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。而且，光譜儀可以是成像類型或者非成像類型。光譜分散光學(xué)兀件120可以包括棱鏡、光柵、具有波長相關(guān)折射率的光學(xué)兀件、具有波長相關(guān)透射性質(zhì)的光學(xué)元件或者具有波長相關(guān)偏轉(zhuǎn)性質(zhì)的光學(xué)元件。探測器或傳感器陣列160可以配置成接收光譜分散的且可調(diào)偏轉(zhuǎn)的光。傳感器陣列160可以包括像素、電荷耦合探測器(CCD)或者基于探測到的光產(chǎn)生電信號的任何其它類型的傳感器的陣列。探測器160還可以包括二維的傳感器陣列與探測器相機(jī)。光譜儀100的所有光學(xué)元件，包括傳感器陣列160，都可以在永久性不可移動的臺(stage)中結(jié)合或鎖定。這種結(jié)合的設(shè)計確保光譜儀及其性能的良好的長期穩(wěn)定性。然而，如以上所討論的，在結(jié)合元件的光譜儀中，把光譜S引導(dǎo)到線性傳感器陣列160上并且將光譜S與線性傳感器陣列160對準(zhǔn)是個挑戰(zhàn)，因?yàn)橛山M裝過程的不準(zhǔn)確性所造成的底座、結(jié)合和/或鎖定/夾鉗過程的機(jī)械變化都會把探測器處的光束位置移動到超過線性傳感器陣列160的像素的高度或?qū)挾取Ｈ缟纤?，事?shí)上，光束可能移動或偏移像素寬度的幾倍，這導(dǎo)致對組裝和校準(zhǔn)的很大挑戰(zhàn)。從個體光學(xué)元件的變化累積起來的累積誤差和作為結(jié)果產(chǎn)生的橫向失準(zhǔn)A (Iat)總計可以高達(dá)數(shù)百微米，而個體像素的寬度一般只有10到20微米，這再次突出了光譜儀100的橫向?qū)?zhǔn)的挑戰(zhàn)。圖4A說明了在光譜儀100中這種設(shè)計挑戰(zhàn)可以通過包括杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140來解決，其中杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140可以配置成可調(diào)地偏轉(zhuǎn)光譜分散的光。杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140的各方面包括(a)對機(jī)械調(diào)整進(jìn)行杠桿作用(leverage),和(b)該杠桿作用是光學(xué)的而不是機(jī)械的。(a)在該背景下，“杠桿作用”可以指偏轉(zhuǎn)器140把機(jī)械調(diào)整轉(zhuǎn)變或減低(down-st印)成光束的偏轉(zhuǎn)角的小得多的調(diào)整。例如，偏轉(zhuǎn)器140的底座上機(jī)械調(diào)整器螺絲的360度旋轉(zhuǎn)可以經(jīng)高齒輪比或者其它手段轉(zhuǎn)變或減低成中間機(jī)械臺的小的機(jī)械運(yùn)動，例如緩慢轉(zhuǎn)動的平臺的幾度的轉(zhuǎn)動。然后，這種中間機(jī)械臺可以把減低的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)變成有可比性的光學(xué)運(yùn)動，例如通過以相同的幾度轉(zhuǎn)動鏡子，以相應(yīng)地改變偏轉(zhuǎn)的光束的偏轉(zhuǎn)角。這些系統(tǒng)機(jī)械地對調(diào)整進(jìn)行杠桿作用或者使其減低，從而把調(diào)整器臺的較大的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)變成中間機(jī)械臺的較小的機(jī)械運(yùn)動，并且然后把中間機(jī)械臺的小的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)變成有可比性的小的光學(xué)調(diào)整。但是，使用中間機(jī)械臺的機(jī)械減低系統(tǒng)會面臨長期穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)，因?yàn)闇p低螺絲、齒輪或杠桿臂可能不能良好地抵抗漂移和失準(zhǔn)而且會是新的或附加類型的失準(zhǔn)的來源。(b)光譜儀100的杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140能夠把大的機(jī)械調(diào)整轉(zhuǎn)變成小的光學(xué)調(diào)整，而不使用減低/杠桿中間機(jī)械臺。避免這種中間機(jī)械杠桿臺的使用可以搶先解決漂移和失準(zhǔn)的問題，從而賦予光譜儀長期的工作穩(wěn)定性和健壯的對準(zhǔn)。在有些實(shí)施例中，機(jī)械調(diào)整的角度與光束偏轉(zhuǎn)角的光學(xué)造成的變化之比可以是10或者更大。在其它實(shí)施例中是100或者更大，而且在還有其它實(shí)施例中是1000或者更大。在有些實(shí)現(xiàn)方式中，長期穩(wěn)定性可以通過把機(jī)械調(diào)整與光學(xué)調(diào)整之比限定到不超過1000來優(yōu)化，在其它實(shí)施例中不超過100而且在還有其它實(shí)施例中不超過10。杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140可以包括具有可調(diào)透射性質(zhì)的光學(xué)元件和具有可調(diào)反射性質(zhì)的光學(xué)元件。圖4B說明了光譜儀200的另一種實(shí)現(xiàn)方式。光譜儀200可以包括光譜分散器220，該光譜分散器220包括光譜分解元件230和杠桿式光學(xué)對準(zhǔn)控制器240。光譜分散器220可以把分散的光譜引導(dǎo)到探測器或傳感器陣列260上。光譜分解元件230可以類似于光譜分散元件120，而對準(zhǔn)控制器240可以類似于可調(diào)探測器140，而且探測器/傳感器陣列260可以類似于傳感器陣列160。圖4B說明光譜分解元件230和對準(zhǔn)控制器240 —起可以形成集成的光譜分散器220。例如，在有些實(shí)現(xiàn)方式中，對準(zhǔn)控制器240可以在光譜分散器220的光學(xué)元件之間實(shí)現(xiàn)。圖5A說明了圖4A-B的光譜儀的特定實(shí)施例。圖5A的光譜儀可以是成像光譜儀，包括把圖像光轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)直光的準(zhǔn)直器13和把光譜分散的光聚焦并成像到探測器/傳感器陣列160上的聚焦透鏡17。這個實(shí)現(xiàn)方式中的杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140可以包括可旋轉(zhuǎn)的楔形物或棱鏡142?？尚D(zhuǎn)的楔 形棱鏡142可以改變或調(diào)整光譜S相對于線性傳感器陣列160的位置并且補(bǔ)償或控制由光學(xué)元件的安裝的容限誤差或變化或者其變化的工作條件所產(chǎn)生的橫向失準(zhǔn) A (Iat)。具有小傾斜/楔角的可旋轉(zhuǎn)的楔形物或者楔形棱鏡是杠桿或減低機(jī)構(gòu)的例子，其不使用中間減低機(jī)械臺，而是把大的機(jī)械調(diào)整直接轉(zhuǎn)換成小的光學(xué)調(diào)整。例如，取決于楔角，可旋轉(zhuǎn)的楔形棱鏡142的360度的大的機(jī)械旋轉(zhuǎn)可以偏轉(zhuǎn)所透射的光束I度或者更少，而沒有采用中間機(jī)械減低杠桿臺。圖5B說明在有些實(shí)現(xiàn)方式中可旋轉(zhuǎn)的楔形物或楔形棱鏡可以插入到光學(xué)路徑的各個段中，例如作為楔形物142-1插入準(zhǔn)直器13與光譜分散元件120之間；或者作為楔形物142-2插入光譜分散元件120與聚焦透鏡17之間；或者作為楔形物142-3插入聚焦透鏡17與探測器160之間。在其它實(shí)現(xiàn)方式中，可以插入任意兩個或者甚至全部三個可旋轉(zhuǎn)的楔形物142-1、142-2和142-3。其中可旋轉(zhuǎn)的楔形物位于光譜分散器220的各元件之間的這些實(shí)施例可以看作是圖4B的光譜儀200的實(shí)現(xiàn)方式。在光學(xué)路徑的不同段處放置可旋轉(zhuǎn)的楔形物142的自由度允許設(shè)計的優(yōu)化，以來滿足光譜的線性轉(zhuǎn)變的期望程度。圖6說明楔形棱鏡142的旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致橫向展開的光譜S的圓周運(yùn)動。光學(xué)分析示出對應(yīng)于最小波長\ (min)和最大波長\ (max)的光譜S的近似端點(diǎn)在標(biāo)記為C(min)和C(max)的圓周圍移動。光譜SI和S2的兩個極值橫向位置及對應(yīng)地圓C(min)和C(max)相對于線性傳感器陣列160可以是不對稱的。第一探測器-光束-位置范圍A (lat-deflector)指示由可旋轉(zhuǎn)的楔形棱鏡142而且一般來說由可調(diào)控制器140或240造成并控制的橫向失準(zhǔn)的最大程度或范圍。在有些典型的實(shí)現(xiàn)方式中，這個第一探測器-光束-位置范圍A (lat-deflector)會超過第二探測器-光束-位置范圍A (lat-cumulative)，即，被與光譜儀100或200的部件的累積位置-容限范圍關(guān)聯(lián)的探測器160的平面中的光束位置掃過的橫向范圍。如前面討論過的，A (lat-cumulative)可以有至少兩個來源。一個來源可以是在包括手動操縱的組裝過程中發(fā)生的光譜儀的個體元件的位置的變化或容限誤差。另一個來源可以是變化的工作參數(shù)，例如光譜儀的工作溫度或者機(jī)械變形和磨損。
·
可見，通過旋轉(zhuǎn)圖5A的可旋轉(zhuǎn)的楔形物142，或者一般來說，通過調(diào)整圖4A-B的可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140，有可能調(diào)整偏轉(zhuǎn)器140來補(bǔ)償由于光學(xué)元件的組裝的變化或容限誤差造成的累積失準(zhǔn)并且把光譜S轉(zhuǎn)變回到線性傳感器陣列160上，只要A (lat-deflector)大于A (lat-cumulative)就可以。本著同樣的精神，如果A (lat-deflector)大于 A (lat-operating)，其中A (lat-operating)代表工作探測器_光束-位置范圍，即，通過改變光譜儀100-200的工作參數(shù)而驅(qū)動的橫向失準(zhǔn)的范圍，那么可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140的調(diào)整能夠補(bǔ)償由這些變化的工作參數(shù)產(chǎn)生的失準(zhǔn)。這種變化的工作參數(shù)的例子包括變化的工作溫度、由與廣泛使用關(guān)聯(lián)的光譜儀的日常磨損造成的光學(xué)元件的漂移位置及工作環(huán)境的變化，例如，在重新定位、移動或者甚至重新安裝光譜儀的過程中。采用光學(xué)杠桿式可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140的另一個優(yōu)點(diǎn)是光譜儀100-200可靠地長期保持對準(zhǔn)并處于適當(dāng)?shù)奈恢?，因?yàn)榫哂行⌒ń堑谋⌒ㄐ卫忡R142的光學(xué)對準(zhǔn)對于楔形物142的平移或傾斜不敏感。當(dāng)楔形棱鏡142放到基本上與光束傳播垂直的光束路徑中時，只有楔形物142圍繞光軸的旋轉(zhuǎn)或角度對準(zhǔn)影響光譜S相對于線性傳感器陣列142的位置?？烧{(diào)偏轉(zhuǎn)器140的參數(shù)可以選擇成使得其提供具有0.1毫弧度范圍的角度對準(zhǔn)控制。利用這種設(shè)計，可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140可以把橫向展開的光譜S引導(dǎo)到線性傳感器陣列160上，同時偏轉(zhuǎn)器140的甚至更大的角度失準(zhǔn)將不會不利地影響角度對準(zhǔn)，因?yàn)榻嵌葘?zhǔn)具有I毫弧度量級的容限。因而，在可變的臺(例如可旋轉(zhuǎn)的框架)中安裝楔形棱鏡并且一旦橫向?qū)?zhǔn)達(dá)到最優(yōu)就夾住它，允許光譜儀100-200的精確調(diào)整，同時不會削弱或犧牲光譜儀100-200的長期
穩(wěn)定性。在光譜儀100和200的有些實(shí)現(xiàn)方式中，設(shè)計的光學(xué)失真還可以通過應(yīng)用實(shí)現(xiàn)具有小楔角和小厚度的楔形棱鏡142來最小化。在光譜儀100和200的有些實(shí)現(xiàn)方式中，由可調(diào)偏轉(zhuǎn)器140造成的工作光束失準(zhǔn)會小于探測器160的失準(zhǔn)容限。在光譜儀100和200的有些實(shí)現(xiàn)方式中，可調(diào)偏轉(zhuǎn)器可以配置成補(bǔ)償光譜分散的光的橫向失準(zhǔn)，而不引入比探測器的高寬比大的角度失準(zhǔn)。盡管本說明書包含許多細(xì)節(jié)，但是這些不應(yīng)當(dāng)被解釋為對本發(fā)明或者所保護(hù)的范圍的限制，而應(yīng)當(dāng)是作為對特定于特定實(shí)施例的特征的描述。本說明書中在分離的實(shí)施例的背景下描述的某些特征也可以在單個實(shí)施例中組合實(shí)現(xiàn)。相反，在單個實(shí)施例的背景下描述的各種特征也可以在多個實(shí)施例中分離地或者以任何合適的子組合實(shí)現(xiàn)。而且，盡管以上特征可以描述為以某種組合起作用或者甚至最初就是這樣要求保護(hù)的，但是來自要求保護(hù)的組合的一個或多個特征在有些情況下可以從該組合中摘除，而且所要求保護(hù)的組合可以針對子組合或者子組合 的變體。
權(quán)利要求
1.一種光譜儀，包括: 光譜分散光學(xué)元件，配置成光譜分散接收到的光； 杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器，可調(diào)地偏轉(zhuǎn)光譜分散的光；及 探測器陣列，接收光譜分散的且可調(diào)地偏轉(zhuǎn)的光。
2.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 所述接收到的光包括從返回的圖像光束與參考光束組合的干涉光束。
3.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，所述光譜分散光學(xué)元件包括以下至少一個: 棱鏡、光柵、具有波長相關(guān)折射率的光學(xué)元件、具有波長相關(guān)透射性質(zhì)的光學(xué)元件及具有波長相關(guān)偏轉(zhuǎn)性質(zhì)的光學(xué)元件。
4.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，所述探測器陣列包括以下至少一個: 線性傳感器陣列、二維傳感器陣列和探測器相機(jī)。
5.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，所述杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器包括: 具有可調(diào)透射性質(zhì)和可調(diào)反射性質(zhì)中的至少一個的光學(xué)元件，其中 所述可調(diào)偏轉(zhuǎn)器能夠通過被光學(xué)杠桿作用成小的光學(xué)調(diào)整的機(jī)械調(diào)整來調(diào)整。
6.如權(quán)利要求5所述的光譜儀，其中: 所述機(jī)械調(diào)整的角度與所述光學(xué)調(diào)整的角度之比超過10。·
7.如權(quán)利要求6所述的光譜儀，其中: 所述機(jī)械調(diào)整的角度與所述光學(xué)調(diào)整的角度之比超過100。
8.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 所述機(jī)械調(diào)整的角度與所述光學(xué)調(diào)整的角度之比大于5且小于100。
9.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，所述可調(diào)偏轉(zhuǎn)器包括: 至少一個可旋轉(zhuǎn)的楔形光學(xué)板。
10.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 所述光譜儀是成像光譜儀，其包括 準(zhǔn)直器，把接收到的光轉(zhuǎn)換成平行光 '及 聚焦透鏡，把光譜分散的光聚焦并成像到所述探測器陣列上。
11.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 與所述偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)-調(diào)整范圍關(guān)聯(lián)的第一探測器-光束-位置范圍超過與所述光譜儀的部件的累積位置-容限范圍關(guān)聯(lián)的第二探測器-光束-位置范圍。
12.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 與所述偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)-調(diào)整范圍關(guān)聯(lián)的第一探測器-光束-位置范圍超過所述光譜儀的工作探測器-光束-位置范圍。
13.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 由所述杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器造成的工作光束失準(zhǔn)小于所述探測器的失準(zhǔn)容限。
14.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 所述可調(diào)偏轉(zhuǎn)器被配置成補(bǔ)償光譜分散的光的橫向失準(zhǔn)，而不引入比所述探測器的高寬比大的角度失準(zhǔn)。
15.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中: 所述光譜儀被配置成允許通過利用已知波長的光重新校準(zhǔn)其傳感器來對縱向失準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。
16.—種光譜域光學(xué)相干斷層掃描(SD-OCT)設(shè)備,包括: 光譜分解器，配置成 接收干涉光，及 通過橫向分離所述干涉光的光譜成分產(chǎn)生一片干涉光； 傳感器陣列，通過不同的傳感器探測這片干涉光的不同光譜成分；及 杠桿式可調(diào)對準(zhǔn)控制器，控制這片光與所述傳感器陣列的對準(zhǔn)。
17.如權(quán)利要求16所述的SD-OCT設(shè)備，所述對準(zhǔn)控制器包括: 可旋轉(zhuǎn)的楔形棱鏡。
18.—種光譜儀，包括: 光譜分散器，橫向分散圖像光的光譜成分； 傳感器陣列，感測圖像光的光譜成分 '及 光學(xué)杠桿式 對準(zhǔn)控制器，能夠補(bǔ)償由所述光譜儀的元件的位置變化造成的累積光束位置失準(zhǔn)。
全文摘要
給出了一種光譜儀，其包括光譜分散接收到的光的光譜分散光學(xué)元件(120)、可調(diào)地偏轉(zhuǎn)光譜分散的光的杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器(142-1、142-2、142-3)及接收光譜分散的且可調(diào)地偏轉(zhuǎn)的光的探測器陣列(160)。在光譜域光學(xué)相干斷層掃描中，接收到的光可以包括從返回的圖像光束與參數(shù)光束組合的干涉光。探測器陣列可以包括線性傳感器陣列。杠桿式光學(xué)可調(diào)偏轉(zhuǎn)器可以包括具有可調(diào)透射性質(zhì)或者可調(diào)反射性質(zhì)的光學(xué)元件，其中可調(diào)偏轉(zhuǎn)器可以通過被光學(xué)杠桿作用成較小光學(xué)調(diào)整的機(jī)械調(diào)整來調(diào)整。
文檔編號G01J3/453GK103250035SQ201180049294
公開日2013年8月14日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者F·拉克西 申請人:愛爾康手術(shù)激光股份有限公司