紧凑型衍射受限的近红外光谱仪和相关探测器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年11月29日提交的美国临时申请no.62/772,754的优先权，其全部内容在此通过引用并入本文。

本发明构思涉及成像，更特别地，涉及谱域光学相干层析成像(sdoct)系统和相关装置。

背景技术：

光学相干层析成像(oct)是一种非侵入性成像技术，该成像技术通过获取干涉测量的信号来提供生物样品的显微层析成像切面，该信号通过使样品光与参照光在固定的群延迟下根据光波数混合而产生。已经发展有两种使用这种傅里叶域oct(fd-oct)方法的不同方法。第一种，通常称为基于光谱仪或光谱域的oct(sdoct)，其使用宽带光源，并利用探测器臂中的色散光谱仪实现光谱辨别。第二种，通常称为扫频源oct(ssoct)或光频域成像(ofdi)，通过由宽的光学带宽快速地调谐窄带源来对波数进行时间编码。

因为源和探测模块是被动的，fdoct的基于光谱仪的实施方式具有相位稳定性的潜在优势。然而，在实践中，用于高分辨率成像的基于光谱仪的设计已被证明有一些缺点。高分辨率光谱仪依赖于带有光学器件的高色散元件，该光学器件在宽焦平面上提供近似恒定的放大率成像。使用透射体相位全息图或反射式阶梯光栅来实现所期望的结果的光学设计是充分已知的，并且应用在许多实验室装置中。

然而，制造者发现很难开发出一种相对容易制造且在面对环境扰动时被动稳定的光谱仪。wei等人的标题为“fourier-domainopticalcoherencetomographyimager(傅里叶域光学相干层析成像仪)”的美国专利no.7,480,058中讨论了对环境稳定性问题提出的解决方案，其内容在此通过引用如同在其全文中所阐述的那样并入本文。在那里讨论的系统能够使用主动控制的折叠镜连续地调整对准以优化光谱仪的特性。

技术实现要素：

本发明构思的一些实施例提供一种光谱仪系统，该光谱仪系统包括：探测器阵列；耦合到探测器阵列的成像透镜组件，该成像透镜组件包括正光功率的第一元件，接着是负光功率的第二元件，以及被分成两个相对的相同单体的正光功率元件；耦合到成像透镜组件的色散元件；以及耦合到色散元件的定焦准直器组件。

在进一步的实施例中，该系统可以进一步包括透镜单元壳体，并且成像透镜组件可以定位在透镜单元壳体中。

在又进一步的实施例中，该系统可以进一步包括由具有低热膨胀系数的材料制成的光谱仪壳体。成像透镜组件可以定位在光谱仪壳体中。

在一些实施例中，负光功率的第二元件也可以用作视场光阑。

在进一步的实施例中，色散元件可以是衍射光栅；定焦准直器组件可以包括具有低热膨胀系数的单件材料；并且该单件材料可以提供用于衍射光栅的光栅安装特征和用于准直透镜组件的准直透镜安装特征。

在又进一步的实施例中，准直透镜组件可以包括第一负光功率元件和跟随着的第二正光功率元件，该第二正光功率元件将来自光辐射输入光纤的准直光提供到相对于准直光以固定角度被保持的衍射光栅。

在一些实施例中，单件材料可以进一步包括用于输入光纤的安装特征，并且定焦准直器组件可以被固定到光谱仪壳体。该光谱仪壳体可以由与定焦准直器组件相同的低热膨胀系数的单件材料加工而成。

在进一步的实施例中，波长分散的光辐射可以以小于225mm的总光路长度法向地入射到探测器阵列上。

在又进一步的实施例中，光谱仪系统可以是紧凑型衍射受限的近红外(nir)光谱仪。

在一些实施例中，该系统可以具有10μm的探测器像素宽度和223mm的短光路长度。

本发明构思的进一步实施例提供了一种用于近红外(nir)光谱仪的成像透镜组件。成像透镜组件包括正光功率的第一元件；负光功率的第二元件；以及被分成两个相对的相同单体的正光功率元件，其中第一元件之后是第二元件，然后是正光功率元件。

本发明构思的又进一步的实施例提供一种用于近红外光谱仪的定焦准直器组件。该定焦准直器组件包括具有低热膨胀系数的单件材料，其中单件材料提供用于光谱仪的衍射光栅的光栅安装特征和用于准直透镜组件的准直透镜安装特征。

附图说明

图1是示出了传统的眼科傅里叶域光学相干层析成像(oct)系统的图。

图2是示出了根据本发明构思的一些实施例的紧凑型近红外(nir)光谱仪的等轴侧视图。

图3是示出了根据本发明构思的一些实施例的紧凑型nir光谱仪的剖视图。

图4是示出了根据本发明构思的一些实施例的紧凑型nir光谱仪(100nm带宽)的光学布局的图。

图5是示出了根据本发明构思的一些实施例的紧凑型nir光谱仪(100nm带宽)的光机设计的图。

图6a是示出了根据本发明构思的一些实施例的光线轨迹的图。

图6b到6f是示出了根据本发明构思的一些实施例的由爱里斑直径内的所有光线限定的衍射受限的性能的点列图。

具体实施方式

下文将参照附图更全面地描述本发明构思，附图中示出本发明构思的实施例。然而，本发明构思可以以许多可替换的形式体现并且不应被解释为被限制于本文所阐述的实施例。

因此，尽管本发明构思容可以实施为各种修改和可替换的形式，然而本发明构思的具体实施例以示例的方式在附图中示出，并且将在本文中被详细描述。然而，应当理解的是，并不旨在将本发明构思限定于所公开的特定形式，而相反，本发明构思是涵盖在权利要求书所限定的本发明构思的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。在整个附图的描述中，相同的数字标注相同的元件。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明构思。如本文所使用的，除非上下文另有明确说明，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。应进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“具有”时，则规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。此外，当一个元件被称为“响应于”或“连接至”另一个元件时，它可以直接响应于或连接至另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接响应于”或“直接连接至”另一个元件时，则不存在中间元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项目的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。

除另有限定，本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本发明所属领域中的普通技术人员通常理解的含义相同。应进一步理解，本文中使用的术语的含义应被解释为与其在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致，并且除非本文中明确如此定义，否则不会以理想化或过于正式的含义来解释。

应当理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二等以描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分。例如在不背离本发明的教导的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。尽管一些图在通信路径上包括箭头以示出通信的主要方向，但是应当理解，通信可以在与所描绘的箭头相反的方向上发生。

如在本申请的背景技术中所讨论的，尽管基于实施方式的光谱仪提供了许多优点，但仍然期望对这些实施方式进行改进。例如，如以上所讨论的，需要相对容易制造且在面对环境扰动下被动稳定的光谱仪。将根据本文中的一些实施例讨论具有机械稳定的光学设计与刚性地固定的探测器阵列两者的解决方案。

为了最佳的oct成像性能，以便实现在成像深度上的高灵敏度和低信号衰减，光谱仪应该设计为具有衍射受限的光学性能。衍射受限的成像和小的探测器尺寸的结合给光谱仪带来非常困难的机械稳定性问题，经常导致图像质量随时间的推移而下降。这个问题在移动成像系统中尤其普遍。例如，由bioptigen制造的手持式oct是第一个用于对儿科、受限或体弱患者进行眼科成像的紧凑型系统，该系统不需要患者坐在台面式仪器前，这一点在共同转让的美国专利no.8,421,855中有所讨论，其内容在此通过引用如同在其全文中所阐述的那样并入本文。

如同在本文中将结合图1至图6f进一步讨论的，本发明构思的一些实施例提供一种光谱仪，该光谱仪实现对最佳oct图像和长期对准稳定性而言所需的光学性能，从而改善总体的系统质量。

特别是，现有光谱仪基于双排2048像素线性阵列设计的，像素大小为14μm，这通常导致总像素高度为28μm，其中，在光谱仪的使用期限内，光谱仪图像是对准的，并且必须在整个运输、持续使用和(例如在操作室之间)频繁的转移期间保持对准。这对对准稳定性造成非常困难的机械要求，这可能导致质量问题。现存的光谱仪采用长焦距、非衍射受限的光学设计来过分满足探测器，以减轻一些机械对准的负担，但这也是一种性能的折衷。该折衷的结果是375mm的光路长度，随着时间的推移中和频繁的系统转移，仍然很容易出现对准错误。此外，传统的台面式设计系统不容易从一个地方移动到另一个地方(即不可移动)，由此使它们不适合被定为目标的oct市场。

新的探测器技术通过提供具有7倍像素高度然而具有0.7倍像素宽度的像素，允许放宽对光谱仪的光学对准的机械约束。减小的像素宽度导致减小的光学图像宽度。因此，为了适当地利用新探测器设计并实现oct系统光谱仪的最高光学性能，本发明构思的实施例提供了衍射受限的设计。

特别是，本发明构思的实施例提供了一种基于10μm探测器像素宽度和223mm短光路长度的真正的衍射受限设计，以获得更大的机械稳定性。如下文将讨论的，在本发明构思的一些实施例中，光学设计包括空气间隔的消色差准直器，该消色差准直器具有用于改进指向稳定性的集成衍射光栅和具有分体式正元件的空气间隔的三合形状因子成像透镜组件，这将在下文结合图1至图6f进一步讨论。

尽管本文提供的示例涉及100nm带宽光谱仪，但是应当理解本发明构思的实施例不限制于此配置。如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明构思的范围的情况下，本发明构思的方面可与各种光谱仪一起使用。此外，尽管本文结合nir光谱讨论本发明构思的实施例，但本发明构思的实施例不限制于此。在不脱离本发明构思的范围的情况下，还可以处理电磁频谱的其他区域。

如本文所用，“光路长度”是指光通过的物理路径，包括非空气光学元件的折射率；“焦距”是指从透镜表面到边缘光束穿过透镜光轴的点的距离；“轴向色移”是指焦距相对于光波长的变化；“佩兹瓦尔(petzval)像场弯曲”是指透镜或透镜组件的焦距相对于与透镜或透镜组件的光轴相切的场位置的变化。

首先参考图1，将讨论示出了传统的傅里叶域光学相干层析成像(fdoct)眼科成像系统的框图。如图1所示，该系统包括沿着源路径101指向分束器104的宽带光源100，其中源辐射被分为参照路径105和样品路径107。参照光经过参照反射装置106返回经过分束器104，在分束器104中，参照光与从样品(例如眼睛111的视网膜)返回的光混合。生成的与波长相关的干涉图经过探测路径103指向探测模块102。使用傅里叶变换对全光谱干涉图进行处理，以获得空间域深度分辨的图像。

在时域oct系统中，参照镜随时间的推移扫描一个范围，该范围与主体感兴趣的深度范围相匹配，以获得时间干涉图，与时域oct系统不同，fdoct系统从固定参照位置113获得光谱干涉图，该固定参照位置113的路径长度与相对于主体的目标轴向位置相匹配。光谱干涉图包含窗口114内所有深度的信息。窗口由本领域已知的探测参数限定。扫描子系统108包括一对扫描振镜109和具有聚焦能力110的物镜透镜组。对于后极部或视网膜眼科成像，扫描的oct光束被引导经过眼睛112的瞳孔以使视网膜成像。fdoct系统可包括使用宽带扫频光源对光谱信息的串行采集，或使用宽带低相干源和光谱仪对光谱信息的并行采集，或这些方法的组合。基于光谱仪的系统称为谱域光学相干层析成像(sdoct)，扫频光源系统称为扫频光源oct(ssoct)。

本发明构思的实施例是指基于光谱仪的系统。现在参考图2，将讨论示出了根据本发明构思的一些实施例的紧凑型近红外(nir)光谱仪的等轴侧视图。如图2所示，光谱仪系统200包括探测器阵列220、探测器阵列接口230、探测器阵列安装部240、光谱仪本体250、定焦准直器组件260和光辐射输入光纤连接器270。

探测器阵列接口230提供相对于光轴的矢状方向上的线性调整。探测器阵列安装部240提供围绕光轴的转动调整和沿光轴的平移以进行调焦。此外，定焦准直器组件260是提供光栅安装特征和准直透镜安装特征的单件材料。在一些实施例中，单件材料是低热膨胀系数的材料，例如不锈钢。然而，本发明构思的实施例不限制于具有低热膨胀系数的材料。

热膨胀通常是指材料尺寸响应于温度变化的微小变化。热膨胀系数是指在压力保持不变的情况下在某一特定温度下(通常为0℃)，温度每升高一度，材料体的长度、面积或体积的增大分别与其长度、面积或体积的比值。对于在本发明构思的一些实施例中使用的材料，在0℃到100℃的温度之间，线性膨胀系数不大于20pm/m-℃是可以接受的。因此，尽管提供不锈钢作为示例材料，但是本发明构思的实施例不限制于此。在不脱离本发明构思的范围的情况下，可以使用具有各种膨胀系数的材料。

图3是根据本发明的一些实施例的图2中紧凑型nir光谱仪的剖视图。图3示出了图2所示的许多元件的不同视角，以及与图2的元件相关联的细节和图3的附加元件。如图3所示，该系统包括探测器阵列320、成像透镜组件327、光谱仪本体350、衍射光栅345和准直透镜正透镜元件355、准直透镜负透镜元件365、定焦准直器组件360和光纤输入连接器370。

成像透镜组件327包括正光功率的第一元件336，接着是也用作视场光阑的负光功率的第二元件333，以及最后的正光功率元件，该正光功率元件被分成两个相对的相同的单体325，两个单体容纳在透镜单元326(例如黄铜透镜单元)中。应当理解，尽管在本文中单体被描述为相同的，但是在不脱离本发明构思的范围的情况下，可以接受少量的变化。成像透镜组件327容纳在由例如不锈钢制成的光谱仪本体350内，该光谱仪本体还用作准直透镜组件的容纳部。准直透镜组件包括第一负光功率元件365，接着是第二正光功率元件355，该第二正光功率元件将来自光辐射输入光纤连接器370的准直光提供到相对于准直光以固定角度被保持的衍射光栅345。第一负光功率元件365和第二正光功率元件355限定由箭头标示的准直透镜组件353。应当理解，诸如黄铜和不锈钢之类的材料仅作为示例提供，本发明构思的实施例不限制于此配置。在不脱离本发明构思的范围的情况下，也可以使用提供类似结果的其他材料。

图4是示出了根据本发明的一些实施例的紧凑型nir光谱仪(100nm带宽)的光学布局的图。如以上所讨论的，尽管本发明构思的实施例讨论了具有100nm带宽的光谱仪，但本发明构思的实施例不限制于此配置。如图4所示，光学布局包括但不限制于探测器阵列420、分体式正光学元件425、负光学元件和视场光阑433的组合、正光学元件436和衍射光栅445。分体式正光学元件425、负光学元件和视场光阑433的组合以及正光学元件436构成由箭头495标示的柯克三合变型透镜。图4的光学布局示出了根据紧凑型nir光谱仪(100nm带宽)的一些实施例的布局，其中，波长分散的光辐射485以小于225mm的总光路长度法向地入射到探测器阵列420上。如本文所用，“法向”表示垂直。

图5是示出了以上结合图2至图4讨论的、根据本发明的一些实施例的紧凑型nir光谱仪(loonm带宽)的解构的光机布局的图。

图6a是根据本文讨论的实施例的光学设计的光线轨迹。图6a类似于图4的光线轨迹，但以相反的方向定位。

图6b至6f是示出了根据本发明构思的一些实施例的由爱里斑直径内的所有光线限定的衍射受限的性能的点列图。图6d示出带宽中的中央波长的点列图，在这些实施例中，该中央波长也是主光线。图6a到6f仅用于说明，因此，本发明构思的实施例不限制于此。

如以上结合图2至图6f所讨论的，本发明构思的实施例指向基于光谱仪的系统，该系统提供环境稳定、被动对准的光谱仪，该光谱仪提供在电磁光谱的近红外(nir)区域(但不限制于此)中的波长色散。使用如同根据本文中讨论的实施例的设计，在广泛的热、冲击和振动要求下获得环境稳定性。特别是，该系统设计包括短的总光路长度，该总光路长度起源于输入辐射光纤270、370并且以阵列探测器220、320、420的表面处的输入辐射光纤270、370的波长分散的图像而结束。这可以通过使用定焦空气间隔的双峰准直透镜(图3)来实现，允许具有负功率的第一光学元件365有效地增加输入光纤370的数值孔径，然后由第二正光学元件355对来自输入光纤370的光进行准直，从而形成焦距缩短的准直器。然后准直光束被投射到色散元件上，在一些实施例中，该色散元件是透射式衍射光栅345。

在一些实施例中，定焦准直器组件260、360的刚性通过使得光栅安装特征和准直透镜安装特征由低热膨胀系数(例如不锈钢)的单件材料加工而实现。该单个的加工部件260(定焦准直器组件)还包括用于输入光纤的安装特征。然后定焦准直器组件260、360被固定到光谱仪250、350的本体，该本体也由相同的低热膨胀系数的单件材料件加工而成，以在大的环境温度范围中保持机械完整性。成像透镜组件327也被设计成提供减小的焦距以在探测器220、320、420的面上形成分散的100nm光辐射输入带宽485。柯克三合设计495(425、435和441)使第一光学元件436提供正光功率，结合也用作系统视场光阑的负光功率中心元件433，并且将第二正光学元分成两个相同的单体透镜425，通过使用这种柯克三合设计，轴向色移和petzval像场弯曲都减小，从而产生入射到法向于成像透镜组件327的光轴的探测器表面上的平坦焦平面。在一些实施例中，成像透镜组件327的光学设计还具有大于光谱仪本体250、350在轴向方向上的热膨胀系数的聚焦深度，从而在大的温度范围内保持聚焦。

如以上所讨论的，尽管本发明构思的实施例是结合具有低热膨胀系数的材料进行讨论的，但本发明构思的实施例不限制于此。在不脱离本发明构思的范围的情况下，可以使用具有各种膨胀系数的材料。

根据本文实施例所讨论的探测器安装部光机设计允许对探测器在横向色散方向(即光轴的矢状方向)上进行线性调整。此外，探测器安装部240允许围绕光轴的旋转调整以及沿光轴聚焦。

根据本文讨论的实施例的光学设计还可以提供衍射受限的光学性能，使得从输入光纤经由衍射光栅的所有波长分散的光线都被聚焦到等同于探测器阵列元件宽度的高度，在一些实施例中，该高度为10微米。应当理解，本文讨论的设计准则是针对这些实施例中的具体探测器阵列而选择的，并且因此允许实现最高的理论分辨率极限。

如同以上简要地讨论的，本发明构思的一些实施例提供一种光谱仪系统，该光谱仪系统包括短焦距准直器；用于减小准直透镜的总焦距的空气间隔的双准直器光学设计；降低机械灵敏度的减小的总光路长度；相对光栅呈角度的固定准直器；用于输入光纤准直透镜和光栅的共同的安装部；相对探测器呈角度的固定光栅；用于在没有图像面倾斜的情况下平衡轴向颜色和petzval弯曲的短焦距复消色差柯克三合变型成像透镜；在横向色散方向上提供线性调整的探测器阵列接口230(图2)；提供调焦和围绕光轴的旋转调整的探测器阵列安装部240(图2)。

可以理解的是，环境稳定的光谱仪的一些方法并非来自合乎要求的光机设计，而是通过使用以大的竖直高度的像素为特征的探测器阵列，以便放宽一些对准约束。应当注意，这样的探测器阵列类型也可以结合关于本发明构思的实施例所讨论的光学和光机特征来使用。

在附图和说明书中，已经公开本发明构思的示例性实施例。然而，在基本上不脱离本发明构思的原理的情况下，可以对这些实施例进行许多变化和修改。因此，尽管使用特定术语，但它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是出于限制的目的，本发明构思的范围由权利要求限定。