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CN101535762A - 无外部分束镜的自混合光学相干检测器 - Google Patents

无外部分束镜的自混合光学相干检测器 Download PDF

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CN101535762A
CN101535762A CNA2007800427880A CN200780042788A CN101535762A CN 101535762 A CN101535762 A CN 101535762A CN A2007800427880 A CNA2007800427880 A CN A2007800427880A CN 200780042788 A CN200780042788 A CN 200780042788A CN 101535762 A CN101535762 A CN 101535762A
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reflection
target range
target
fluorescence detector
laser diode
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C·N·普雷素拉
G·加西亚-莫利纳
M·劳布舍
G·W·卢卡森
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Abstract

检测器(210，310)，被配置成检测由超亮二极管(SLD)产生的叠影相干反射(260)。根据来自SLD腔体(213)内反射的整数倍数的表面(350，450，555)的反射所产生的光学相干，检测叠影反射(260)，并因此表现出光学相干检测器典型的高分辨率辨别力。在一个优选的实施例中，检测器(210，310)被配置成检测来自处于内部反射特定倍数的表面的叠影反射。其他倍数处的叠影反射(260)被光学衰减(330)，或者如果已知这样的反射不变化，那么通过校准过程消除所述叠影反射。

Description

无外部分束镜的自混合光学相干检测器
本发明涉及光学传感器领域，并且特别涉及提供相干检测而无需使用外部分束镜的光学检测器。
光学检测器通常用于通过将光投射到表面上并检测反射来测量距离。典型地，激光二极管投射光，并且反射光引入可检测的干涉图案。光源和反射对象之间的距离决定了何时发生干涉。如果可从多个表面或者从多层半透明材料产生反射，那么使用透镜系统有效地聚集来自焦点的反射相对于聚集来其他的反射是优选的。
光学相干层析(OCT)技术提供高分辨率光学检测和成像。图1A示出了采用外部镜以提供参考反射的光学相干检测器的配置的实例。如在常规的光学检测器中那样，从激光设备110(典型的是超亮(superluminescent)激光二极管(SLD)设备)中投射出的光束指向目标对象130，并且检测器115检测来自该对象的反射。在相干检测器中，从光束中获得两种反射，即参考反射和目标反射。如果参考反射和目标反射相干，那么可检测的反射远大于由非相干反射产生的反射。
如图1A所示，相干检测器的实例使用分束镜140分裂投射光束。分裂的光束之一(以下称为参考光束)被导向镜120，并且反射回光源；另一个分裂的光束(以下称为目标光束)远离光源，指向目标130。如果来自目标130的目标光束的反射与来自镜120的参考光束的反射同时到达光源，那么它们将相干。也就是说，如果从光源到目标表面130的距离等于从光源到参考表面120的距离，那么将发生相干反射，并且产生高振幅检测信号；否则，反射将是非相干的并产生低振幅检测信号。换言之，来自与光源相距参考距离(Dt＝Dr)的目标表面的反射将提供高检测振幅，而来自不同距离(Dt≠Dr)的表面的反射则将提供低检测振幅。通过改变参考距离Dr，可以检测处于不同距离(Dt＝Dr)的目标表面。通过随着时间改变参考距离Dr，可以获得半透明材料(例如身体组织)的深度分布图，该组织材料在不同层处的特性提供不同的反射强度。
图1B示出了检测的反射的振幅与目标反射表面到激光源114的距离Dt的函数关系。如图所示，如果目标反射表面到光源的距离为Dt＝Dr，那么由图1A的检测器115检测到的信号150将是显著的。由于来自稍不同于Dr的距离151的表面的反射将最小，所以检测精度或分辨率很高。使用相干检测通常能实现微米级的分辨率，比典型的基于干涉的系统精确得多。这种高精度允许当参考距离Dr改变时，通过区分参考距离Dr处的反射获得上述深度分布图。
如图1B所示，常规相干检测器的区分能力因＂叠影(ghost)反射＂160而存在缺陷。来自不同于Dr的某些位置的表面的反射也产生来自检测器115的可辨别的输出160。这些叠影反射输出160将使得希望的目标输出150的测量失真，并且通常通过限制聚焦在目标距离Dr处的光学系统的景深(depth of field)以便排除/衰减来自超过目标距离Dr的景深的表面的反射来衰减叠影反射输出。这些叠影反射160由与投射光束其他分量相干的反射所引起，这在下文进行详细描述。
图1C示出了典型的具有腔室113的超亮二极管(SLD)设备110。在腔室113中，后表面111几乎完全反射(>>99％)，前表面112仅仅略微反射(<1％)。腔室113的物理结构和腔室113内的反射程度将决定腔室113内的平均反射次数，以及关于该平均值的方差。叠影反射160对应于来自目标130的与光线相干的反射131，所述光线对应于那些不同于从参考反光镜120反射的平均/主要光线121的光线。因为物理结构引起叠影相干光线，所以叠影反射160发生在固定间隔155处，这些固定间隔取决于腔室113的大小。常规SLD以大约1-2毫米的间隔显示叠影反射160，并且光学系统被配置成具有小于1毫米的景深，从而避免这些叠影反射160。
图1A的光学相干检测器的实例提供很高的分辨率，但是需要固定装置在相对于光源110的稳定位置支撑分束镜140和参考反射镜120。
有利的是，提供无需在相对于光源的稳定位置处支撑分束镜和参考反射镜的固定装置的光学相干检测器。同样有利的是，提供无需分束镜的光学相干检测器。同样有利的是，提供无需外部参考反射镜的光学相干检测器。
通过设计成检测由超亮二极管(SLD)产生的叠影反射的检测器，可以实现这些益处和其他益处。根据来自SLD腔体内反射的整数倍的表面的反射所产生的光学相干，检测出叠影反射，并因此显示光学相干检测器典型的高分辨率辨别率。在一个优选的实施例中，检测器被配置成检测来自内部反射的特定倍数的表面的叠影反射。其他倍数的叠影反射被光学衰减，或者如果已知这样的反射不发生改变，那么通过校准过程消除这些反射。
通过举例并且参照附图更详细地解释本发明，其中：
图1A-1C示出了现有技术光学相干检测器的实例。
图2A-2B示出了根据本发明的超亮二极管。
图3-5示出了根据本发明的光学检测器配置的应用实例。
在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，或者表示执行基本相同的功能的元件。附图用于说明性目的，并不意图限制本发明的范围。
在下面的描述中，为了解释而不是限制的目的，阐述了诸如特定的结构、接口、技术等等的特定细节以便提供对本发明的彻底的了解。然而，本领域技术人员应当明白，本发明可以在脱离这些特定细节的其他实施例中实现。为了简单清楚起见，省略了对于众所周知的设备、电路和方法的详细描述，以免不必要的细节使得本发明的描述难以理解。
本发明的前提在于以下观察：在超亮二极管设备内在该二极管设备的腔体内产生的反射的整数倍数处发生相干反射。常规上，这些反射(称为叠影反射)是由提供超亮光输出所需的结构产生的不希望的伪像，并且小心避免或最小化这些反射。相反地，在本发明中，没有避免这些反射，并且优选地增强这些反射。
图2A示出了超亮二极管设备(SLD)210，其被配置成增强该设备的腔体213内的反射，从而增强叠影反射的发生。尽管本发明的原理可用于常规的SLD，并且实际上不需要增强叠影反射，但是这种增强通过提供更高振幅的相干信号使后续的检测过程容易。
如上面关于图1C所述，常规SLD 110包括高反射性的后表面111以及抗反射性的前表面112。优选地，常规SLD 110被配置成根据需要产生很少的反射，从而产生希望的超亮输出。如果前表面112的反射率增加，那么叠影反射的出现增多并且强度增大。如果前表面112的反射率增加超过某一阈值，那么所述设备如同常规激光设备那样工作。
SLD 210优选地被配置成提供尽可能多的内部反射，而不引起激光发射。也就是说，比如，如果用于引起激光器工作的阈值反射率是Rlaser，那么SLD 210的前表面212可被配置成提供0.9*Rlaser的反射率，从而引起SLD 210的腔体内的多次反射，但是不会引起SLD 210进入激光发射状态。
图2B示出了SLD 210的光学检测器115的输出与反射表面到SLD210的距离的函数关系的曲线图实例。在本实例中，SLD 210被配置成提供调制的光输出，并且反射表面设置在到SLD 210的距离Dt不断增大的位置上。如曲线的总体形状250所表明的那样，检测的反射与到光源的距离的平方成反比地减少。然而，在到SLD 210的某些距离260处，这些反射与SLD 210内的反射相干，并且光的调制清晰可辨。也就是说，SLD 210的光学＂增益＂在到SLD 210的固定距离间隔255处显示峰值260。
从概念上讲，前表面212提供多个“参考反射”，正如在图1A的常规光学相干检测器中参考镜120提供参考反射那样。在到SLD 210的每个特定距离260处，目标反射与前表面212提供的参考反射的子集相干，并且这种相干组合提供了比不与任何参考反射相干的反射高得多的来自检测器115的振幅输出。因为这些更高的增益峰值是光学相干的结果，所以与每个相干距离260的细微偏移量导致检测器115的输出的显著下降，从而在每个峰值-提供距离260的附近提供高程度的辨别率/分辨率。也就是说，在每个峰值260处，在不利用外部分束镜和参考镜的情况下发生光相干检测。可以认为表面212对应于常规相干检测器的参考镜，并且可以认为SLD 210的腔体内的每个反射对应于常规分束镜提供的参考光束。
图3-5示出了使用用于光学相干检测的SLD设备的实例，该SLD设备不使用外部参考镜或分束镜。
在图3中，SLD检测器310用于检测旋转对象350的速度。SLD检测器310安装在固定装置320上，固定装置320以到旋转对象350表面的点351的特定距离固定在支撑结构301上。到点351的距离被选择为相对于检测器310的如图2B所示的叠影谐振距离260之一，以便来自点351的反射与检测器310内反射的光束谐振。可选地，提供调节装置325，以在校准过程期间在相对于点351的适当距离处对准检测器310。虽然图示出简单的滑动调节装置，但是可以使用用于提供微米级调节的多种常规调节技术中的任何技术。
处理器340接收检测器310的输出，并根据该输出提供多种常规测量中的任何测量，包括但不限于那些通过引用合并于本申请中的于2003年9月9日公布的Van Voorhis等人的USP 6,618,128＂OPTICAL SPEEDSENSING SYSTEM＂中公开的内容。Van Voorhis等人教导了一种通过检测重复的表面反射图案以测量转速的技术。通常也使用其他的基于多普勒效应的技术。通过使用本发明的自相干光学检测，这些已知的用于测量运动对象/表面速度的技术可通过提供高分辨率相干检测得以增强，而不会有使用外部反射镜和分束镜的常规相干检测系统的成本和复杂性。
在一个优选的实施例中，透镜系统330也用于区分/聚焦到目标表面的投射和来自目标表面的反射。透镜系统330提供对应于目标叠影-相干距离260处的点351的焦点。然而，与常规的非相干检测器相反，透镜系统330无需具有一样精细的分辨率，因为它只需要将目标表面的反射与其他非目标叠影相干距离处的反射区分开来。也就是说，参照图2B，如果叠影相干距离260之间发间距255约为一毫米，那么有效景深小于两个毫米的透镜系统330将足以充分地减少非目标叠影相干反射。在这个实例中，即使光学透镜系统可能仅仅提供毫米级的分辨率，本文所教导的叠影相干检测过程也将提供微米级的有效分辨率。
图4示出了自相干检测器310用于控制检测器310和表面450的位置之间的距离。致动器440控制表面450相对于检测器310的位置，如箭头421所示。本领域普通技术人员应当明白，致动器440可以通过移动检测器310，同样实现调节表面450相对于检测器310的位置。
通过引用合并于本申请中的于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＂教导了光学检测器用来控制打印机的纸传送机构，从而确保正确的传送速度、控制歪斜、检测阻塞等。在通过引用合并于本申请中的于1998年9月15日公布的Koishi等人的补充申请USP 5,808,746＂PHOTO DETECTOR APPARATUS＂中，根据光学检测器接收到的信号调节光学检测器的相对位置。通过使用本发明的自相干光学检测，这些已知的用于调节对象/表面相对于检测器的位置的技术可通过提供高分辨率相干检测得以增强，而不会有使用外部反射镜和分束镜的常规相干检测系统的成本和复杂性。
图5示出了使用被配置成测量透明导管550中的流体流动的自相干检测器310。在一个优选的实施例中，对导管550或检测器310进行设置，使得导管550的边缘位于图2C的叠影相干距离260之间，使得边缘或者可能在边缘发生的湍流不影响检测器310的输出。在一个简单的实施例中，导管半径小于图2C的叠影相干距离260之间的距离255，并且导管中心处于距离260之一。在更大的导管中，多个叠影相干距离260可以位于导管内部，每个距离有助于与流体流动相关的检测器输出信号。利用多个检测和适当地将输出信号校准为正确的流动，可以比利用常规非相干检测器更容易地检测到引起通过导管的非均匀流动的阻塞。
图2C的相干检测器的高分辨率还便于区分分层流体之间的流动，分层流体比如可以包括油或水的薄膜层的流体。根据特定的应用，检测器的叠影相干距离可以被设置成检测这种层的存在和/或其速度，其可以与下面的流体的速度截然不同。在另一个应用中，叠影相干距离可以被设置成正好在该薄膜之下，并且测量下面的流体的正确速度。考虑到本发明的内容，用于特定层流动的确定的这些及其他应用对于本领域技术人员而言将是明显的。
在本发明的优选实施例中，仅有预定目标表面位于叠影-相干距离处，以便检测器310的输出对应于来自预定目标表面的反射。然而，本领域普通技术人员也应当认识到，通过建立根据其检测变化的基线的常规校准技术，可以消除/补偿来自其他表面的可定位在其他叠影参考距离处的反射。也就是说，因为本发明的检测器310通常置于对象彼此处于相对固定的距离处的＂静态＂环境，所以可以测量对应于该静态环境的输出，并且如果目标位于叠影相干距离260处，那么可以容易地检测和报告由目标对象的变化所引起的该环境的变化。
上文仅仅说明本发明的原理。因此应当理解，本领域技术人员将能设计不同的装置，尽管这些装置未在本文中明确描述或显示，但是其包含了本发明的原理并因此落入下列权利要求的精神和范围之内。
在解释这些权利要求的过程中，应当理解：
a)措词＂包含＂不排除存在给定权利要求中未列出的其他的元件或者动作；
b)在元件之前的措词＂一＂或＂一个＂不排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记并不限制其范围；
d)一些＂装置＂可以由相同的项目或硬件或软件实现的结构或功能表示；
e)每一个公开的元件可以包括硬件部分(例如包括分立的和集成的电子电路)、软件部分(例如计算机编程)及其任意组合；
f)硬件部分可以包括模拟部分和数字部分之一或两者；
g)除非明确地说明，否则任何公开的设备或其部分可结合在一起或分离成更多的部分；
h)除非明确地表示，否则不预期需要特定的动作顺序；以及
i)措词＂多个＂元件包括两个或更多所述元件，并且不暗示元件数量的任何特定范围＂；也就是说，多个元件可以少至两个元件。

Claims (23)

1.一种光学检测器(210，310)，包含：
激光二极管(114)，其被配置成投射光，
腔体(213)，其被配置成：
提供所述光的内部反射，
发射所述光的光束，以及
接收所述光的外部反射，以及
检测器(115)，其被配置成提供对应于内部和外部反射的输出信号，以及
透镜系统(330)，其被配置成在目标距离(260)处提供焦点(351)，以便来自目标距离(260)的外部反射与一个或多个所述内部反射相干。
2.根据权利要求1的光学检测器(210，310)，其中
透镜系统(330)包括景深，该景深包括多个目标距离(260)，来自这些距离的反射也与一个或多个所述内部反射相干。
3.根据权利要求1的光学检测器(210，310)，包括：
处理器(340，440)，其被配置成接收来自检测器(115)的输出信号，并从中确定与预期目标关联的一个或多个参数。
4.根据权利要求3的光学检测器(210，310)，其中
所述一个或多个参数包括以下至少一个：
在目标距离(260)处所述预期目标的存在，
所述预期目标从目标距离(260)起的运动，以及
所述预期目标在目标距离(260)处的速度。
5.根据权利要求3的光学检测器(210，310)，包括
致动器(440)，其被配置成控制所述预期目标相对于腔体(213)的布置。
6.根据权利要求5的光学检测器(210，310)，其中
致动器(440)被配置成根据所述一个或多个参数控制所述布置。
7.根据权利要求1的光学检测器(210，310)，其中
激光二极管(114)和腔体(213)被配置为形成超亮激光二极管(SLD)。
8.根据权利要求1的光学检测器(210，310)，其中
腔体(213)包括通过其发射光束的出射端，
该出射端包括反射系数低于提供激光发射模式的阈值系数的表面(112)。
9.根据权利要求8的光学检测器(210，310)，其中
所述反射系数处于所述阈值系数的75-95％的范围内。
10.一种系统，包含：
支撑结构(301)，
光学检测设备(310)，以及
目标对象(350，450，555)，
其中
光学检测设备(310)被配置成位于支撑结构(301)上，到目标对象(350，450，555)的距离为目标距离(260)，以及
目标距离(260)基本上对应于与光学检测设备(310)中的相干内部反射相关联的多个叠影相干距离之一。
11.根据权利要求10的系统，包括
一个或多个调节设备，其被配置成便于在目标距离(260)处定位光学检测设备(310)。
12.根据权利要求10的系统，包括
处理器(340，440)，其被配置成接收来自光学检测设备(310)的输出并从中提供与目标对象(350，450，555)相关联的一个或多个参数。
13.根据权利要求12的系统，其中
所述一个或多个参数包括以下至少一个：
在目标距离(260)处目标对象(350，450，555)的存在，
目标对象(350，450，555)从目标距离(260)起的运动，以及
目标对象(350，450，555)在目标距离(260)处的速度。
14.根据权利要求12的系统，其中
目标对象(350，450，555)包括旋转对象(350)，并且所述一个或多个参数包括转速。
15.根据权利要求12的系统，其中
目标对象(350，450，555)包括传输表面(450)上的介质，并且
处理器(340，440)被配置成检测该介质的传输速度。
16.根据权利要求12的系统，其中
处理器(340，440)被配置成控制目标对象(350，450，555)相对于支撑结构(301)的位置(421)。
17.根据权利要求12的系统，其中
目标对象(350，450，555)包括导管(550)，并且所述一个或多个参数包括流过该导管的流体(555)流动的测量值。
18.根据权利要求10的系统，包括
透镜系统(330)，其被配置成在目标距离(260)处提供光学检测设备(310)的焦点(351)。
19.根据权利要求18的系统，其中
透镜系统(330)提供跨越预定数量的叠影相干距离(260，555，556)的景深。
20.根据权利要求10的系统，其中
光学检测设备(310)包括超亮激光二极管(SLD)。
21.根据权利要求20系统，其中
所述超亮激光二极管包括含有通过其发射光的出射端的腔体(213)，
该出射端包括反射系数处于提供激光发射方式的阈值系数的75-95％范围内的表面(112)。
22.一种光学检测方法，包含：
确定相对于超亮激光二极管(210，310)的一个或多个叠影相干距离(260)，来自这些距离的反射与超亮激光二极管(210，310)的腔体(213)内的内部反射相干，
将超亮激光二极管(210，310)固定在支撑结构(301)上，使得目标点(351)与叠影-相干距离(260)之一重合，以及
确定在目标点(351)处与对象(350，450，555)相关联的一个或多个参数。
23.根据权利要求22的方法，其中
所述一个或多个参数包括以下至少一个：
在目标距离(260)处所述对象的存在，
所述对象从目标距离(260)起的运动，以及
所述对象在目标距离(260)处的速度。
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