一种用于平滑光谱传输调制的设备及其方法与流程

一种用于平滑光谱传输调制的设备及其方法
1.发明背景
发明领域
2.本公开涉及用于平滑光纤中光的光谱传输调制(特别是波长相关的传输调制)的设备、系统和方法。该设备、系统和方法尤其用于在使用具有随时间变化的波长的光源进行光谱测量时减少基线的变化。
3.现有技术的描述
4.气体在散射介质中的吸收光谱(gasmas)是基于改变光波长的同时测量通过介质传输的光功率的微小变化，这是由于游离气体的光谱尖锐吸收特性。这些变化可能在1％左右，但也可能小到0.02％到0.2％。源光功率的变化可以在采集数据的后处理中被过滤，前提是这些变化的宽度与气体吸收特征的宽度显著不同。
5.例如，例如通过将采集的信号拟合到低阶多项式，可以很容易地处理由于通过增减激光二极管电流来线性扫描波长而导致的输出功率变化。然而，源自毫米厚光学元件的弱反射的激光干扰将提供功率变化特征，该功率变化特征的光谱宽度与气体吸收特征处于同一数量级。这些变化不能在后处理中被过滤掉，但需要在获取数据之前进行处理。
6.与固定光学元件造成的干扰类似，使用多模光纤会导致光功率变化很小。这些变化是在进入光纤的光被分成不同的空间模式时形成的，所有模式的光路长度都略有不同。离开光纤后，不同模式的光会发生干扰并且产生光谱光功率变化和等效的空间光强度变化。光谱变化的周期性覆盖了很大的区间，该大区间的大部分可以在后处理中进行数字过滤，但是光谱宽度与气体吸收特征相似的变化会带来问题。
7.当使用tdlas并且波长扫过吸收峰时，这尤其是个问题。扫描的每个步长都可以减小到纳米以下的尺度。波长相关的传输调制的干扰将导致基线在吸收峰宽度上的变化，这将影响测量的准确性。
8.在本领域中，描述了降低散斑噪声的方法，尤其是当用作灯时在表面上获得空间上均匀的光分布，例如us2018/0214237中的手术灯。这将提供空间均匀的光，但没有描述该技术提供均质或均匀的光谱传输。最常见的技术包括使用超声波振动光纤、将光纤的一部分形成保持静止的环、扭转或旋转光纤、对光纤施加压力等。
9.us8,786,857描述了一种使用可调谐二极管激光吸收光谱(“tdlas”)测量燃气涡轮发动机的测量区中的燃烧参数的装置和方法。提供与多模传输光纤协同工作的装置，其用于平均由多模传输光纤内传播的光的信号电平变化引起的模态噪声和散斑噪声。所提出的解决方案用于减少模态噪声和/或散斑噪声，但没有讨论基线变化的问题，尤其是在吸收峰上扫描一波长的光时。
10.本领域中描述的用于减少光谱噪声或模型噪声问题的解决方案，在大多数情况下与解决提供均匀光分布的问题有关，并且与光谱测量和(尤其是不在吸收峰的宽度上)改变波长时基线变化的问题无关。此外，一些解决方案非常复杂或不能用于某些环境，例如医院或其他需要高度清洁(例如需要消毒、无菌或洁净程度)的环境。其他可能需要高度清洁的
环境示例，例如有食品或制药行业。因此，更简单和更便宜的解决方案可能是一个优势。
11.因此，新的改进装置和方法可能是有利的，其用于减少在基于光的测量(例如基于光谱的测量)期间由传输调制引起的干扰问题。尤其一种适用于在对游离气体进行测量时(例如在医学诊断或监测目的期间)使用的方法。


技术实现要素：

12.因此，本公开的实施例优选地寻求通过提供根据描述用于平滑光纤中光谱传输调制的设备、系统或方法来缓解、减轻或消除本领域中的一个或多个不足、缺点或问题的单个或任意组合，例如如上所述的。
13.根据本公开的一方面，描述了一种用于平滑光纤中的光谱传输调制的设备。所述设备包括：至少一个保持件，其用于将所述光纤的一部分耦合到所述设备；和光纤弯曲构件，其被配置为将所述部分的一段从初始位置进行垂直于所述部分的纵向轴线地循环移动。所述光纤弯曲构件可以被放置成毗邻所述至少一个保持件，并且由此所述移动改变所述部分的曲率的半径。
14.在本公开的一些示例中，所述设备可以包括所述至少一个保持件中的两个，并且所述部分和所述光纤弯曲构件被设置在所述两个保持件之间。
15.在本公开的一些示例中，所述两个保持件中的至少一个可以被配置为滑动地保持所述光纤。当所述段移动时，这允许所述部分在所述两个保持件中的所述至少一个中沿纵向轴向方向滑动。
16.在本公开的一些示例中，所述光纤弯曲构件可以是连接到所述两个保持件中的第一保持件的致动器，并且被配置为循环地移动所述第一保持件朝向所述两个保持件中的第二保持件然后远离所述第二保持件。这可以允许所述段从所述初始位置垂直于所述部分的纵向轴线移动然后返回到所述初始状态。
17.在本公开的一些示例中，所述弯曲构件可以为施力构件。所述施力构件可以被配置为相对于所述部分的纵向轴线垂直地施加力在所述部分上，从而移动所述段。所述力是机械力，相对于所述纵向轴线所述部分处垂直地推动以改变所述曲率的所述半径。
18.在本公开的一些示例中，当所述段移动时，例如当在其上施加力时，所述半径可以大于所述光纤的最小弯曲半径。
19.在本公开的一些示例中，在所述段移动之前，例如当所述段没有移动时，例如当所述光纤弯曲构件没有在其上施加力时，所述两个保持件可以被布置用于将所述部分定位在作为笔直位置的所述初始位置。
20.在本公开的一些示例中，所述至少一个保持件可以是被配置为保持所述光纤的狭缝。
21.在本公开的一些示例中，所述光纤弯曲构件可以为旋转至少一个叶片的电机，所述至少一个叶片被构造成例如通过循环地施加力来移动所述段。
22.在本公开的另一方面中，描述了一种用于平滑光纤中的光谱传输调制的系统。该系统可以包括：本文所述的一种用于平滑光谱传输调制的设备；光纤，其长度的一部分被布置在所述设备中；以及连接到所述光纤的光源。
23.在一些示例中，所述光源可以发射具有可变波长的光。
24.在本公开的另一方面中，描述了一种平滑光纤中光谱传输调制的方法。该方法可以包括：将所述光纤耦合至至少一个保持件；使用布置在毗邻所述至少一个保持件的光纤弯曲构件，将所述光纤的一段进行垂直于所述光纤的纵向轴线地循环移动。移动所述段改变所述部分的曲率的半径。
25.在一些示例中，该方法可以包括将所述光纤耦合到两个保持件，从而将所述光纤的一部分布置在所述两个保持件之间。该方法然后可以包括使用布置在所述两个保持件之间的所述光纤弯曲构件来移动作为所述部分的一部分的所述段。
26.在一些示例中，该方法可以包括通过所述光纤传输光以进行光谱测量。
27.在该方法的一些示例中，所述光可以具有随时间变化的波长。
28.在一些示例中，该方法可以包括以与一个波长的测量时间相同的周期时间来改变所述半径。
29.本公开还描述了平滑光纤中光谱传输调制的设备的用途，如本文所描述的，其用于在进行光谱测量时减少基线变化。
30.应该强调的是，当在本说明书中使用时，术语“包括/包含”用于指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其组合的存在或添加。
31.附图简要说明
32.本公开的示例能够具有的这些和其他方面、特征和优点将从以下对本公开的示例的描述中变得明显和被阐明，参考附图，其中：
33.图1a和1b示出了一种用于平滑传输调制的公开设备的示意性示例；
34.图2示出了一种用于平滑传输调制的示意性系统；
35.图3示出了所描述的方法的流程图的示意性示例；
36.图4a和4a示出了具有漫射器的光纤耦合源探针在平滑装置未被激活时和平滑装置被激活时的图像；以及
37.图5a和5b示出了在平滑装置未被激活时和平滑装置被激活时被归一化为每个信号中的最大峰值的光吸收信号。
38.示例描述
39.现在将参照附图描述本公开的具体示例。然而，本公开可以以许多不同的形式来体现并且不应被解释为限于本文所阐述的示例；相反，提供这些示例是为了使本公开彻底和完整，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
40.假设光谱气体吸收特征在测量的采集时间内保持不变，则多模光纤中产生的干扰信号可以被观察为光谱传输调制。
41.术语“干扰”在此应被解释为具有其在光学领域内的一般含义，即一个或多个波的叠加。在每个给定的瞬间或时刻，通过光纤传输的光可能会被观察为停滞的，并且不同模式的光波在通过光纤传输后可能会相互干扰。对于某些波长，干扰可能是弱相干的，而对于某些波长，干扰可能是弱破坏性的。如果可以以无限速度扫描波长，或者如果白光通过光纤传输，则可以观察到光谱传输调制(相对较弱)。
42.可以通过在采集周期期间改变不同模式的干扰方式来平滑光谱传输调制，同时在波长范围内扫描波长。该波长范围可以是吸收峰的宽度。改变不同模式干扰的方式可以通
过针对光纤的不同模式有区别地改变光路长度来完成。
43.发明人已经发现平滑光谱传输调制的一种方式可以是通过改变光纤的短部分上的曲率半径，例如机械地改变曲率半径。在弯曲光纤的该部分以获得变化的曲率半径期间的每个瞬间，具有不同模式的光波之间的相长干扰和相消干扰可能由于该部分已经弯曲的程度而变化。通过在采集、曝光或整合周期期间改变曲率，同时在波长范围内扫描波长，可以平滑光谱传输调制。这可以在进行光谱测量时减少基线的变化。
44.要弯曲以获得曲率半径变化的光纤该部分可以在两个点处横向保持就位，该两个点隔开一距离，该距离限定该部分。纤维该部分可以具有小于10cm的长度，例如小于5cm。
45.可以允许光纤在两点之间纵向移动。在施加力之前，光纤可以具有初始形状，例如处于具有笔直延伸的松弛位置。曲率半径的改变，例如该部分的弯曲，可以通过相对于光纤部分的纵向轴线正交地移动横向保持的光纤部分的一段来获得。从而弯曲光纤的该部分。
46.该段可以是沿着横向保持的光纤部分的长度的一个点。
47.在一些示例中，移动横向保持的光纤部分的一段是通过施加力来获得的。当力相对于光纤部分的纵向轴线正交地施加在光纤该部分上时，获得该部分的曲率半径的变化。当力未施加到光纤的该部分时，该部分可以弹性地弹回到初始形状。
48.光纤可以是用于将光传输到测量位置的探针的一部分。然后，反射光和/或反向散射的光可以在同一光纤中传回，或者由单独的检测系统检测。
49.本文所述的设备和方法的优点除了提供干扰的减少之外，还提供了一种将光纤探针断开和连接到设备的简单方法。很少的组件以及壳体，使设备易于清洁并使设备免于污染。因此，该设备适用于需要高度清洁的环境，例如需要消毒、无菌或洁净程度的环境。例如，这可以是在医院，或食品和制药行业。
50.图1a和图1b示出了根据本公开的用于平滑光谱传输调制的公开设备10的示意性示例。图1a示出了用于平滑光谱传输调制的设备10的示意性示例的透视图，并且图1b示出了用于平滑光谱传输调制的设备10的示意性示例的俯视图。
51.该干扰可以是波长相关的传输调制的干扰。当波长在波长范围内被扫描时，例如使用tdlas时，这些可能会导致光谱基线发生变化。当执行其中波长在窄吸收峰(例如游离气体的吸收峰)上被扫描的测量时，基线的变化可能会提供较低的准确性。
52.光纤12可以被定位在两个保持件13a、13b中以将光纤12耦合到设备10。保持件13a、13b可以被布置在光纤弯曲构件19的两个相对侧上，该光纤弯曲构件19用于垂直于光纤该部分的纵向轴线移动光纤该部分的一段。该光纤弯曲构件也可以是施力构件。
53.这种布置可以允许将光纤12的长度的一部分16定位在两个保持件13a、13b之间的直线位置，例如，当光纤弯曲构件19没有在其上施加力时。
54.在一些示例中，保持件13a、13b可以是狭缝，该狭缝在可以围绕光纤弯曲构件19的突出或凸起边缘15中形成。用于将光纤12耦合到设备10的其他布置也是可以的，例如保持件13a、13b可以是穿过突出或凸起边缘15的孔，光纤12穿过该孔。在一些示例中，没有边缘15，而是保持件13a、13b在光纤弯曲构件19的任一侧上的离散特征，即两个保持件13a和13b是不通过例如突出或凸起边缘15连接的分开的特征。
55.在该段移动时，例如当在其上施加力时，为了允许光纤12在两个点之间纵向移动，两个保持件13a、13b中的至少一个可以被配置为滑动地保持光纤12。当该段通过光纤弯曲
构件19垂直于该部分16的纵向轴线移动时，例如当力施加至该部分时，这可以允许该部分16在两个保持件13a、13b中的至少一个中沿纵向轴向17滑动。优选地，保持件13a、13b都被配置为滑动地保持光纤12。
56.两个保持件13a、13b之间的距离可以限定光纤12的部分16，例如通过在其上施加力来移动该部分16的一段以改变该部分16的曲率半径。光纤弯曲构件19被配置为循环地(例如周期性地)移动该部分的一段。例如，可以通过在该部分16上施加力来移动该段。可以垂直于光纤12的该部分16的纵向轴线17来施加力。当力被施加在其上时，力改变该部分16的曲率半径。
57.当移动该段时，获得大约几厘米的最小曲率半径。获得效果所需的曲率半径可能取决于光纤的类型和尺寸。在一个示例中，对于400μm的光纤，曲率半径可以在60mm到100mm的范围内，例如80mm，对于200μm的光纤，曲率半径可以在15mm到50mm的范围内，例如30mm到40mm。
58.在一些示例中，当该部分16的段移动到其最大位置时，该半径可以大于光纤12的最小弯曲半径。
59.在一些示例中，光纤弯曲构件19被配置为通过在该部分16处推动来施加机械力。可以垂直于该部分16的纵向轴线17来施加该力以改变曲率半径。本领域技术人员将理解，存在许多施加推力的方式，例如通过往复运动的直线电机移动的杆。
60.作为使用两个保持件的替代方案，上述设备和方法可以被配置为仅使用一个保持件，例如至少一个保持件。光纤弯曲构件然后可以被布置在保持件附近而不是在两个保持件之间。当光纤弯曲构件移动光纤的一段时，光纤可以相对于保持件弯曲，由此提供变化的曲率半径。
61.在另一个示例中，通过使光纤横向固定在隔开一距离(该距离限定一部分)的两个点处，光纤的一部分可以被弯曲以提供变化的曲率半径。通过改变保持件之间的距离，该部分的一段将移动，并且光纤部分将弯曲，并且在限定的部分上获得变化的曲率半径。
62.可以通过将一个或两个保持件连接到致动器来改变保持件之间的距离，该致动器可以用作光纤弯曲构件。
63.用于保持光纤部分的保持件被配置为防止光纤部分在其中纵向移动。
64.在另一个示例中，两个保持件中的一个被连接到可以改变光纤方向的致动器，例如转动该保持件，由此布置在两个保持件之间的光纤的该部分可以弯曲并且曲率半径被改变。布置在该致动器上的保持件可以用作光纤弯曲构件。
65.在该示例中，一个或两个保持件可以被配置为允许光纤在其中滑动。被连接到致动器的保持件可以是具有长度(例如在1到3cm之间，例如2cm)的狭缝。致动器可以是伺服电机。被连接到致动器的保持件的狭缝可以限定光纤的方向，并且当保持件转动时，方向将改变，由此被布置在两个保持件之间的光纤的该部分可以弯曲。
66.在图1a和图1b中，该段由旋转至少一个叶片18a、18b、18c的电机移动。图中未示出电机，因为它被布置在壳体14内。壳体14可以由塑料或金属制成并且可以模制成一体。盖子11可以被布置在壳体14的顶部以保护或密封光纤12的该部分16周围的区域。盖子可以具有凹槽20，该凹槽20适配到保持件13a、13b中以在除了沿着光纤12的该部分16的纵向轴线方向17之外的其他方向上限制光纤12的移动。
67.当旋转时，叶片18a、18b、18c可以从部分16的初始形状(例如直线延伸)逐渐增加曲率直到达到最大曲率。然后曲率可以逐渐减小，直到光纤13的该部分16再次保持其初始形状。该过程可以通过光纤12的弹性特性来辅助。光纤12的弹性特性可以提供回弹效应，使得当该部分16被释放时，该部分16保持其初始形状。
68.在图1a和图1b所示的示例中，具有三个叶片18a、18b、18c的轮子连接到电动机。当轮子旋转时，三个叶片18a、18b、18c每转三次就将光纤12的该部分16从其松弛位置推出。从而每旋转三次产生大约几厘米的最小曲率半径。
69.在一些示例中，曲率可以以与测量时间相等的时间周期(例如采集、曝光或整合周期)来周期性地变化。例如，可以在光纤部分的曲率半径从初始形状变化到最大曲率的时间段期间执行一次测量。然后可以从最大曲率回到光纤部分的初始形状执行另一次测量。这可以例如通过如图1a和图1b所示的轮子的叶片18a、18b、18c的一半来执行。
70.在另一示例中，可以在光纤部分的曲率半径从初始形状变化到最大曲率并返回到初始形状的时间段期间执行一次测量。这可以例如通过如图1a和图1b所示的轮子的半个叶片18a、18b、18c来执行。
71.在又一示例中，可以在光纤部分的曲率半径从初始形状到最大曲率并且回到初始形状的变化超过一次(例如至少两次，例如三次)的时间段期间执行一次测量。这可以例如通过如图1a和图1b所示的轮子的完全转动来执行。
72.图2示出了一种用于平滑光谱传输调制的示意性系统30，例如光纤中光模的干扰。该系统被配置为使用tdlas执行基于光谱的测量。这包括散射介质吸收光谱法中的气体(gasmas)。该系统30包括如本文所述的一种用于平滑光谱传输调制的设备10。该系统30还包括光源31。该光源可以发射具有可变波长的光。该光源31可以是激光器，例如二极管激光器或半导体激光器，例如分布式反馈激光器(dfbl)、垂直腔面发射激光器(vcsel)或其他类型的可用激光器。
73.光纤12连接到光源并且光纤12的一部分16连接到用于平滑光谱传输调制的设备10。
74.光纤12被布置成将来自光源31的光传输到样本32。该样本32可以是待检查的对象的组织部位或具有待监测的游离气体的空腔。例如，空腔可以是肺状系统的部分，例如肺或支气管树的部分。该空腔也可以是对象的窦腔。
75.对于将光传输到内部部位的探针，用于引入光源以将光注入组织的构件，例如，可以使用支气管镜、鼻胃管、内窥镜、气管导管、结肠镜或类似的引入构件。
76.单独的检测器可以用于检测透射过样本32或从样本32反向散射的光。或者，光纤12可以用于将透射过样本32或从样本32反向散射的光传输到检测器33。
77.图3示出了一种平滑光纤中的光谱传输调制的公开方法100的流程图的示意性示例。该干扰可以是与波长相关的传输调制的干扰。
78.该方法100在执行其中光具有随时间变化的波长的光谱测量时特别有用，例如tdlas。当进行光谱测量时，该方法可以减少基线的变化。该方法可以包括：
79.在两个保持件之间布置光纤的一部分101。该保持件可以是如本文所述的用于平滑光谱传输调制的设备的一部分。
80.移动该部分102的一部分，例如循环地(例如周期性地)向光纤的一部分施加力。例
如通过施加垂直于光纤的该部分的纵向轴线的力，该段可以垂直于光纤的该部分的纵向轴线移动。移动该段将改变该部分的曲率半径103。
81.该方法可以包括：对于光源的一个波长，以与测量时间(例如整合时间)相同的周期时间改变半径。
82.示例
83.为了说明实施方式的性能，使用了tdlas平台来驱动带有光纤耦合漫射器探针的光源，并从距离空气中的源探针几厘米的光电二极管中获取光信号。此外，光学成像系统用于评估来自源探针的空间强度分布。
84.在图4a和图4b中，显示了在打开和未打开用于平滑光谱传输调制的设备时源扩散器探针的输出图像。图4a中看到的散斑是光纤中光学模式干扰的结果，其在相机的采集时间内保持不变。在图4b中，由于光纤的一段的曲率半径随图像曝光时间而变化，因此消除了散斑。
85.在图5a和图5b中，显示了在打开和未打开用于平滑光谱传输调制的设备时使用tdlas平台获取的吸收信号的样本。类似于在图4a和图4b中看到的空间散斑图案，图5a中，当设备关闭时，吸收信号包括在真实气体吸收峰周围较大变化的信号。图5b中，通过打开设备，这些变化基本上被消除了。
86.所获得的光吸收信号被归一化为每个信号中的最大峰，无论是在如图5a所示的没有打开设备的情况下还是在如图5b所示的设备打开的情况下。在两个信号中都清楚地看到了两个气体吸收特征。然而，当设备关闭时，在信号中可以看到幅度约为真实吸收峰25％的变化。这些变化源于光纤模式之间的干扰。当电机启动时信号质量显着提高。这最终表明，本文提出的解决方案减少了，甚至可以说消除了由于源自光纤的干扰而导致的吸收信号的变化。该设备使用光纤提高了光谱测量(例如tdlas测量)的灵敏度。
87.上面已经参考具体示例描述了本发明。然而，除上述之外的其他示例在本公开的范围内同样是可能的。在本发明的范围内可以提供与上述方法步骤不同的方法步骤，以及提供通过硬件或软件执行该方法。本发明的不同特征和步骤可以以不同于所描述的这些组合的其他组合方式进行组合。本公开的范围仅受所附专利权利要求的限制。
88.如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”，除非明确指出相反，否则其应理解为表示“至少一个”。如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为表示如此结合的元素中的“任一或两者”，即，元素在某些情况下结合存在而元素在其他情况下分别存在。