专利名称：利用光的传播模式测量物质中的光学不均匀性和其他属性的利记博彩app
技术领域：
本申请涉及多种物质的非侵入、光学探测，包括但不限于人类和动物的皮肤、身体组织和器官。
背景技术：
通过非侵入光学手段来勘测物质是许多研究的目标，因为物质中的光-物质相互作用的不均匀性可以揭示其结构、组成、生理和生物信息。多种基于光学相干区域反射法(OCDR)的技术可以用于多种物质的光学探测，包括但不限于人类和动物的皮肤、身体组织和器官，以提供这些物质的层析成像测量。在许多OCDR系统中，将来自光源的光分为采样光束和基准光束，分别沿两个分离的光路传播。光源可以是部分相干光源。采样光束沿着其自身的光路传播，照射在待研究的物质(或样品)上，而基准光束沿分离的路径朝向基准表面传播。然后，使样品反射的光束与基准表面反射的光束彼此叠加，以进行光学干涉。因为基于波长的相位延迟的缘故，干涉不会导致可观察的条纹，除非采样和基准光束的两个光路长度非常近似。这提供了测距的物理机制。分束器可以用于分路来自光源的光，并组合反射米样光束和反射基准光束，以便在光检测器进行检测。使用相同的器件来分路和重组辐射主要是根据公知的迈克尔逊(Michelson)干涉仪。在 Born 和 Wolf 的“光学原理(Principles of Optics) ”, PergamonPress (1980)中总结了针对部分相干光的干涉的发现和理论。
自由空间Michelson干涉仪中的低相干光用于测量目的。基于光纤元件的光学干涉仪用在以低相干光作为表现物质的特性的手段的多种仪器中。光纤OCDR的多种实施例可以在以下文件中所公开的器件中找到Sorin等,美国专利5，202, 745 ;Marcus等,美国专利 5，659，392 ；Mandella 等，美国专利 6，252，666 ；以及 Tearney 等，美国专利 6，421，164。将OOTR以特定光学结构应用在医学诊断中已经公知为“光学相干层析成像”(OCT)。图I示出了用在如美国专利6，421，164和其他公开中所公开的多种光纤0⑶R系统中的典型光学布局。光纤分束器与两根光纤哨合，这两根光纤分别用于传导Michelson结构中的采样和基准光束。对于这些和其他实施方式中的大多数共同的是，首先，将来自低相干光源的光福射分为两个分离的光束，其中米样光束在样品波导中传播，与样品相互作用，而基准光束在基准波导中传 播。然后，光纤分束器组合来自样品的反射辐射和来自基准波导的基准光，以引起干涉。
发明内容
在本申请中描述的、用于非侵入光学探测的设计、技术和典型实施方式利用了沿一个或多个公共光波导内部实质上相同的光路传播的不同光波和模式的叠加和相互作用。当光波或模式之一与待研究物质相互作用时，其与另一光波或模式的叠加可以用于获取与物质的光学属性有关的信息的目的。在本申请中描述的方法和设备至少部分基于对多种技术问题的重视和在商用和用户友好设备中实现OCDR的实际考虑，以及由上述参考专利和其他公开所公开的OCDR系统中的各种技术限制。作为示例，与图I所示或前述专利中所描述的OCDR系统设计相关联的至少一个缺点是将基准光束与采样光束分离。由于光路的分离，两个光束之间的相对光学相位或差分延迟可能会经历不受控制的波动和变化，如不同的物理长度、振动、温度、波导弯曲等。例如，当样品臂是与基准臂分离的基于光纤的导管的形式时，对光纤的操作可能会引起采样和基准光束之间的差分相位的显著波动和漂移。这种波动和漂移可能会对测量造成不利的影响。例如，两个光束之间的差分相位的波动和漂移可能会引起相位敏感测量中的技术难题，如绝对折射率和双折射测量。在本申请中描述的多种示例中，并未物理地分隔光辐射，使其沿不同的光路传播。代替地，沿通过一个或多个公共光波导的实质上相同的光路，传导所有传播波和模式。这种具有公共光路的设计可以有利地用于在系统中出现环境波动时、稳定不同辐射波和模式之间的相对相位，如温度变化、系统尤其是波导的物理移动、对波导和系统的振动和声学冲击。在这个和其他方案中，设计本系统以废除多种基于干涉仪的系统中的双光束路径结构(其中样品光和基准光在部分不同的光路中传播)，以极大地减小差分相位延迟的上述波动和漂移。因此，本系统借助于其光学设计具有差分光学路径的“内在”稳定性，并且对于一些相位敏感测量是有益的，如确定绝对反射相位和双折射等。此外，本申请中所描述的技术和器件通过使用公共光路来传导光，简化了用于光学探测的器件的结构和光学配置。在多种应用中，获得样品内部、隔离体内的材料的吸收特性可能是有益的。在其他情况下，可能希望通过其特征谱吸收率，标识出一些物质的分布。在一些OCDR系统中，如前述专利中的系统，困难的是，针对这些和其他谱特性，直接进行光学不均匀性的测量。可以配置本申请中所描述的系统和技术，允许样品的这些和其他谱特性的直接测量。
下面，描述典型实施方式，以示出本系统和技术的多种特征和优点。这种特征之一是通过利用低相干辐射的非侵入手段获取与物质中的光学不均匀性有关的信息的方法和设备。另一特征是通过消除将光辐射分为样品路径和基准路径的必要，实现高信号稳定性和高信噪比。例如，额外的特征包括可以进行如双折射和绝对折射率等相位解析测量的平台、获得与谱吸收率有关的光学不均匀性的能力、解决各种基于干涉仪的光学系统中由于偏振变化而引起的信号漂移和衰落的问题、以及以简单的光学排列有效地使用源辐射。这里所描述的系统和技术的优点尤其包括提高性能和设备可靠性、简化操作和维护、简化光学布局、降低设备复杂性、降低制造复杂性和成本。将描述用于光学传感样品的多种典型方法和技术。在一些实施方式中，两个不同光学传播模式(例如，第一和第二模式)的输入光通过公共输入光路通往光学探头，所述光学探头将第二模式的部分输入光发送到样品上。探头将第一模式的光和来自样品的、第二模式的返回光通过公共光路送往检测模块。
例如，这里所描述的一种方法包括以下步骤。通过光波导，向样品传导第一传播模式和第二、不同传播模式的光辐射。使第一传播模式的辐射远离样品，不到达样品。传导第二传播模式的辐射，与样品相互作用，以根据相互作用，产生返回辐射。将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中。接下来，使用来自光波导的第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，以提取出样品的信息。作为另一示例，描述了一种用于对样品进行光学测量的器件，包括波导、探头和检测模块。波导支持第一传播模式和第二、不同传播模式，并用于接收和传导第一和第二传播模式的输入光束。探头与波导相耦合，以接收输入光束，并将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式反射回波导，并将第二传播模式的第二部分输入光束送往样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并将反射输出到波导，作为第二传播模式的反射第二部分。检测模块用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。本申请还描述了使用一个输入波导向光学探头传导输入光以及使用另一输出波导传导来自光学探头的输出的器件。例如，一种用于对样品进行光学测量的器件可以包括输入波导，支持第一传播模式和第二、不同传播模式，接收并传导第一和第二传播模式的输入光束。所述器件还可以包括输出波导，支持第一和第二传播模式。在此器件中，探头可以与输入波导相I禹合以接收输入光束，并与输出波导相I禹合，探头可用于将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式传导到输出波导中，并将第二传播模式的第二部分输入光束传导到样品上。探头收集来自样品的、对第二波分的反射，并将发射输出到输出波导，作为第二传播模式的反射第二部分。此外，此器件中可以包括检测模块，用于接收输出波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。在一些其他实施方式中，将单一光传播模式(例如，第一预定模式)的光送往待测样品附近的光学探头。光学探头使输入光的第一部分以第一模式远离样品，将输入光的第二部分送往样品。然后，光学探头以第二、不同模式传导来自样品的返回光，在公共光路中与第一模式的第一部分共同传播。例如，一种用于对样品进行光学测量的方法包括以下步骤。将第一传播模式的传导光束送往样品。在第一传播模式的第一部分传导光到达样品之前，在样品附近的位置处，使第一部分远离样品。传导第一传播模式的第二部分到达样品。控制来自样品的、对第二部分的反射，使其处于不同于第一传播模式的第二传播模式，以产生反射第二部分。然后，通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分传导到检测模块中，以从反射第二部分中提取出与样品有关的信息。还描述了另一种用于对样品进行光学测量的方法。在此方法中，将第一传播模式的光送往待测样品附近。然后，在样品附近，不到 达样品，使第一传播模式的第一部分光远离样品传播。将第一传播模式的第二部分光送往样品，引起在样品处的反射。控制来自样品的反射光，使其处于与第一传播模式独立的第二传播模式，以便沿公共光路与第一部分共同传播。利用第一传播模式的第一部分和第二传播模式的反射光来获得样品的信息。本申请还描述了用于对样品进行光学测量的器件和系统的典型实施方式，其中光探头接收一个模式的输入光并输出两个模式的光。这种器件的一个示例包括波导，用于接收和传导第一传播模式的输入光束；和探头，与波导相稱合以接收输入光束，并将输入光束的第一部分以第一传播模式反射回波导，以及将输入光束的第二部分送往样品。此探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并将反射以不同于第一传播模式的第二传播模式输出到波导，作为反射第二部分。此器件还包括检测模块，用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。在另一示例中，公开了一种用于对样品进行光学测量的设备，包括光源；波导，至少支持第一和第二独立传播模式，并将来自光源的、第一传播模式的光辐射传导到待测样品的附近；探头，在样品的附近，端接波导，并反转波导中、一部分第一传播模式的传播方向，同时将剩余的光辐射传向样品，所述探头可用于将来自样品的反射光转换为第二传播模式；以及差分延迟调制器，传输来自探头和波导的、第一和第二传播模式的光，并改变第一和第二传播模式之间的相对光路长度。在此设备中，包括模式组合器，用于接收来自差分延迟调制器的光，并用于通过将每个模式的一部分转换为一对新模式，叠加第一和第二传播模式。在此设备中，使用至少一个光电检测器，用于接收两个新模式中的至少一个的光。此外，使用电子控制器与光电检测器进行通信，并用于从光电检测器的输出中提取出样品的信息。在另一示例中，描述了一种器件，包括光波导、光学探头和光学检测模块。光波导用于传导第一光学模式的光辐射。光学探头与光波导相耦合，用于接收光辐射。所述光学探头可用于(I)将光辐射的一部分重定向回光波导，同时向样品传播剩余的辐射；(2)接收来自样品的反射或后向散射辐射，并将其送入波导；以及(3)控制来自样品的反射或后向散射光，使其处于不同于第一光学模式的第二光学模式。光学检测模块用于通过波导接收由探头重定向的辐射，并将第一和第二光学模式的光辐射，至少一部分，转换为公共光学模式。用于对样品进行光学测量的器件的另一示例包括输入波导、输出波导和探头。输入波导支持第一和第二不同传播模式，并用于接收和传导第一传播模式的输入光束。输出波导支持第一和第二不同传播模式。探头与输入波导相I禹合以接收输入光束，并与输出波导相I禹合以输出光。探头可用于将第一传播模式的第一部分输入光束送入输出波导，以及将第二部分输入光束送往样品。此外，探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并以第二传播模式将反射输出到输出波导，作为反射第二部分。此外，此器件包括检测模块，用于接收输出波导中的反射 第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信
肩、O本申请还描述了一种用于对样品进行光学测量的设备的示例。在此示例中，使用能够保持至少一个传播模式的第一波导。发射辐射的光源用于激励第一波导中的传播模式。光检测器用于以其第一端口端接第一波导，使进入第一端口的光模式，至少一部分，通过第二端口，并使进入第二端口的光模式，至少一部分，通过第三端口。所述设备还包括第二波导，支持至少两个独立传播模式，并具有与第二端口耦合的第一端、和第二端。具体地，探头与第二波导的第二端相耦合，并用于将部分光的传播方向反转回第二波导，并将剩余的光传向样品。此探头可用于将来自样品反射的收集光变换为由第二波导支持的正交模式，并将正交模式的光送入第二波导。还包括支持至少两个独立传播模式的第三波导，与光检测器的第三端口相连，用于从中接收光。利用差分延迟调制器与第三波导相连，以接收来自第二波导的光，并参照一个模式，向另一模式施加可变相位延迟和可变路径长度。支持至少两个独立模式的第四波导与差分延迟调制器相耦合，用于从中接收光。定位检测子系统以接收来自第四波导的光，并叠加来自第四波导的两个传播模式以形成两个相互正交的新模式。此检测子系统包括两个光电检测器，分别接收新模式的光。此外，本申请描述了光学传感器件和系统，将单一传播模式的输入光送往光学探头，并使用光学探头以相同的模式、沿可以由一个或多个连接波导形成的公共传播路径、向检测模块传导未到达样品的光和从样品返回的光。例如，基于此方案的器件可以包括至少支持光的输入传播模式的波导、与波导耦合的探头、和检测模块。波导用于接收和传导输入传播模式的输入光束。探头用于接收输入光束，并将第一部分输入光束以输入传播模式反射回波导，以及将输入传播模式的第二部分输入光束送往样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并以输入传播模式向波导输出该反射，作为反射第二部分。检测模块用于接收来自波导的、输入传播模式的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。在附图、文字描述和权利要求书中，详细描述了这些和其他特征、系统配置、相关优点和实施方式的变体。
图I示出了具有位于两个分离光路中的基准和样品光束的、基于公知的Michelson干涉仪的传统光学传感器件的示例。图2示出了根据一个实施方式的传感器件的一个示例。图3示出了图2所示的系统的典型实施方式。图4示出了用在图3中的探头的一个典型实施方式和偏振选择反射器(PSR)的一个典型实施方式。图5A和5B示出了另一典型光学传感系统，使用三个波导和光定向器，在测量样品时，向和从探头传导两个模式的光。图6作为相位的函数示出了在图5A和5B的系统中的检测器处接收到的强度波形，其中检测光强度表现出拥有基频及其谐波的振荡波形。图7示出了图5B所示系统或图3所示系统用于获取光学不均匀性图像的一个典型操作。图8A和SB示出了光学传感系统的光学布局的一个典型设计及其利用电子控制器的系统实施方式，其中将单一模式用作输入光。图9示出了系统实施方式的另一示例，其中光学探头接收单一输入模式的光，并将部分光转换为不同的模式。图IOA和IOB示出了用在传感系统中的探头的可能设计的两个示例，其中输入光
是单一模式的。图11示出了光检测器的一个实施方式，包括保偏光环行器和两个偏振分束器。
图12示出了用在此光学传感系统中的光学差分延迟调制器的示例，其中施加外部控制信号，以控制差分延迟元件来改变和调制输出中的相对延迟。图12A和12B示出了用于实现图12中的光学差分延迟调制器的两个典型器件。图13A和13B示出了适合于实现图12所示的光学差分延迟调制器的机械可变延迟元件的两个示例。图14A示出了作为整个差分延迟调制器的一部分的、图12B中的延迟器件的典型实施方式。图14B示出了基于图14A所示的设计的延迟器件，其中反射镜和可变光学延迟线由图13A所示的机械延迟器件实现。图15示出了可代替如图5B所示的器件的光学传感系统。图16示出了基于图2所示的设计的系统，其中将可调谐滤波器插入在输入波导中，对两个不同模式的输入光进行滤波。图17示出了基于图8A所示的设计的另一典型系统，其中将可调谐滤波器插入在输入波导中，对单一模式的输入光进行滤波。图18示出了图16和17所示的器件中的可调谐带通滤波器的操作。图19A示出了人类皮肤组织的示例，其中可利用这里所描述的光学传感技术来测量表皮和皮下层之间的真皮层中的葡萄糖浓度。图19B示出了在I到2. 5微米之间的波长范围内、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。图20示出了图3所示的检测子系统的一个典型实施方式，其中使用两个衍射光栅来分离来自偏振分束器的输出光束中的不同谱分量。图21和22不出了向光学探头传导单一模式的光并以相同的单一模式传导来自探头的输出光的光学传感器件的示例。图23示出了针对图21和22所示的器件的光学探头的设计的示例，其中光学探头并不改变光的模式。
具体实施例方式在诸如光波导等光路中传播的光的能量可以位于不同的传播模式中。不同的传播模式可以具有多种形式。光的光学偏振态是这种传播模式的示例。在缺乏耦合机制时，两个独立的传播模式不会彼此混合。作为示例，两个正交的偏振模式不会彼此相互作用，即使这两个模式沿相同的光路或波导传播，并且空间上彼此叠加。本申请中所描述的典型技术和器件利用相同光路或波导中的光中的两个独立传播模式，来测量样品的光学属性。可以使用探头将光送往样品，可以是两个传播模式的，也可以是单一传播模式的，并接收来自样品的反射或后向散射光。例如，可以将一束第一传播模式的传导光送往样品。可以安排第一传播模式的第一部分在到达样品之间被反射，而允许第一传播模式的第二部分到达样品。控制来自样品的、对第二部分的反射，使其处于不同于第一传播模式的第二传播模式，以产生发射第二部分。通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分送入检测模块中，以便从反射第二部分中提取出与样品有关的信息。在另一不例中,可以通过光波导，向样品传导第一传播模式和第二、不同传播模式的光辐射。传导第一传播模式的辐射，使其远离样品，不到达样品。传导第二传播模式的辐射，使其与样品相互作用，以产生来自相互作用的返回辐射。将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中。然后，利用来自光波导的第 二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，来提取出样品的信息。在基于本申请公开的这些和其他实施方式中，限定两个独立模式在自由空间中的相同波导或相同光路中进行传播，除了探测光在探头和样品之间传播了额外的距离。此特征稳定了光的两个模式之间的相对相位或差分光路径，即使是发生波导的机械移动。这与其中样品光和基准光在不同光路中传播的干涉仪传感器件相反。这些具有分离光路的干涉仪传感器件易于受到由于差分光路中的变化而引起的噪声的影响，通常在光学结构上较为复杂，难于操作和实施。下述基于波导的示例部分设计用于克服这些和其他限制。图2示出了根据一个实施方式的传感器件的一个示例。此器件沿相同的波导将两个传播模式的光送往样品205附近的光学探头，用于获取样品中的光学不均匀性信息。在一些应用中，可以使用样品夹具来支撑样品205。将来自宽带光源201的光辐射耦合到第一双模波导271中，以激励两个正交传播模式001和002。光定向器210用于将两个模式传向第二双模波导272，第二双模波导272端接探头220。探头220可以配置为至少执行以下功能。探头220的第一个功能是反转波导272中、模式001的部分光的传播方向；探头220的第二个功能是重新整形模式002的剩余部分光，并将其传递到样品205 ；以及探头220的第三个功能是将从样品205反射的光收集到第二双模波导272中。然后，光定向器210将模式001和002的后向传播光送往第三波导273，并进一步传向差分延迟调制器250。差分延迟调制器250能够改变两个模式001和002之间的相对光路长度和光学相位。检测子系统260用于叠加两个传播模式001和002，以形成两个彼此正交的新模式，以便由光电检测器接收。每个新模式均为模式001和模式002的混合模式。在检测子系统260中、两个模式001和002的叠加允许进行距离检测。以模式002进入检测子系统260的光被样品反射，承载有与样品的光学不均匀性有关的信息，而另一模式001在探头220的内部旁路了样品205。只要这两个模式001和002保持独立地通过波导，其在检测子系统260中的叠加就可以用于获得与样品205有关的信息，而无需用在一些传统Michelson干涉仪系统中的分离光路。为了简化分析，通过在第一波导271中，假设模式001的振幅是第一线偏振E■，模式002的振幅是第二、正交线偏振E■，考虑源光谱的薄切片。样品205的特征在于本质上较为复杂的有效反射系数r ;差分延迟调制器350的特征在于作用于模式001的纯相移r。现在，通过将其投影到在矢量空间中相对旋转45度的一对新模式Ea和Eb上，叠加两个模式OOl和002。可以如下表示新模式Ea和Eb :
Ea=^t E(m+rEim)-^( I)
Eb = -j^(ejTEm -rEmz).假设系统中除了样品205以外的所有组件都是无损的。所得到的两个叠加模式的
强度为
1A =去fei+五COS(r —炉)];
< ^(Z)
,B= ^ \^m +^('xc _ H五Iim 五IKC COS(r —炉)],其中识是与来自样品的反射相关联的相位延迟。反映反射系数!■的特征的较为方便的方式是测量上述两个强度的差，即
Ia-1B =Ij I En A02 cos(r -(p).U )如果通过差分延迟调制器250调制r，则相应地调制测量信号，等式(3)。对于r的周期或时间线性变化，测量到的、具有周期振荡的响应及其峰峰值与r的绝对值成正比。对于图2中的宽带光源201，考虑两个相位r和供与波长相关。如果两个模式001和002在其到达检测系统260时经历了有较大不同的路径，整体相位角r-炉也应当是极为波长相关的。因此，测量到的信号(应该是等式(3)在源光谱上的积分)产生了平滑的函数，即使r是变化的。在测量到的信号中发生显著振荡的条件是在其叠加位置处，两个模式001和002经历类似的路径长度。在这种情况下，整体相位角r-p变得波长无关或几乎波长无关。换句话说，对于有调制器250设置的给定相对路径长度，测量信号中的振荡表示来自等于两个模式001和002所传播的光路长度的距离的、另一模式的反射。因此，可以利用图2所示的系统来测定反射源的距离。由于两个模式001和002之间的相对相位的稳定性，可以利用图2所示的系统相对容易地进行相位敏感测量。以下将描述基于图2所示的系统的典型方法，用于确定与从样品205反射的辐射相关联的绝对相位。在此方法中，差分相位调制器250将正弦调制应用于差分相位，调制大小为M，调
制频率为Q。测量两个新模式的强度差，并可以如下表示
I ,-In =I1.1 Knn1^uc cosIm sin(Q/)-￠)].("I )由等式⑷可知，测量结果表现出基频Q的振荡和基频Q的谐波频率的振荡。基频和每个谐波的振幅与炉和|r|有关。可以得出r与谐波之间的关系。例如，基频振荡和第二谐波的振幅可以从等式(4)中得到，为
= EmEfmJl(M) I r I sin( oa )
权利要求
1.一种用于对样品进行光学测量的方法，包括 将一束传导光送往样品； 在第一部分传导光到达样品之前，在样品附近的位置处，反射第一部分传导光使第一部分传导光远离样品，同时使传导光的第二部分到达样品； 传导来自样品的、对第二部分的反射作为反射第二部分，所述反射第二部分在反射所述第一部分的位置处与所述第一部分重叠并且共同传播；以及 通过公共波导，将反射第一部分和反射第二部分两者传导到检测模块中，以从反射第二部分中提取出与样品有关的信息。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于将传导光按照第一传播模式送往所述样品中，所述第一部分处于第一传播模式，并且所述反射第二部分处于与所述第一传播模式不同的第二传播模式，其中第一传播模式和第二传播模式是彼此正交的两个偏振模式。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于按照第一传播模式和与所述第一传播模式不同的第二传播模式将所述传导光送往样品，并且其中所述第一部分处于第一传播模式，以及所述反射第二部分处于第二传播模式。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于将传导光按照第一模式送往样品中，以及其中当在共同波导中共同传播时，所述第一部分和所述反射第二部分处于所述第一传播模式。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括使用法拉第旋转器，使反射第二部分处于第二传播模式。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括使用四分之一波片，使反射第二部分处于第二传播模式。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述公共波导是保偏波导。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括使用不同于公共波导的第一波导，将传导光送往样品。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括调整第一部分和反射第二部分之间的相对相位延迟。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括 在检测模块中混合由公共波导输出的共同传播的第一部分和反射第二部分的能量，以产生第一光信号和第二光信号；以及 检测第一和第二光信号，以提取出样品的信息。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于还包括使用第一光信号和第二光信号之间的差来提取样品的信息。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括 以调制频率调制反射第一部分和反射第二部分之间的相对相位延迟；以及 利用调制频率和调制频率的谐波的差的幅度信息来提取样品的信息。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于还包括 分离第一光信号中的不同光谱分量； 测量第一光信号中的不同光谱分量； 分离第二光信号中的不同光谱分量；测量第二光信号中的不同光谱分量；以及 利用测量结果，获得从不同光谱分量中选择的光谱分量处的样品光谱响应。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括使用光学光栅，通过光学衍射，分离第一光信号中的不同光谱分量。
15.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括控制去往样品的传导光的谱属性，以获得样品的信息。
16.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括使用可调谐光学带通滤波器选择去往样品的传导光的光谱范围的中心波长，以获得样品在光谱范围内的光谱响应。
17.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括 将反射第一部分和反射第二部分之间的相对相位延迟调整为第一数值，以测量与样品内的第一层相关联的第一信号； 将相对相位延迟调整为第二、不同数值，以测量与样品内的第二层相关联的第二信号；以及 获得第一和第二信号之间的比值，以提取出与位于第一和第二层之间的样品层有关的信息。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包括使用可调谐光学带通滤波器选择去往样品的传导光的光谱范围的中心波长，以获得位于第一和第二层之间的样品层在光谱范围内的光谱响应。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包括使用比值来测量皮肤组织的真皮层中的葡萄糖浓度。
20.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括 将反射第一部分和反射第二部分之间的相对相位延迟调整为一数值，选择来自其的反射第二部分中的反射分量实质上与反射第一部分相位匹配的层； 以调制器频率在所述数值周围调制相对相位，以获得测量结果；以及 处理测量结果，以获得与该层有关的信息。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于还包括 使用光学延迟器件产生和调整相对相位延迟；以及 使用光学延迟调制器调制相对相位。
22.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括调整第二部分和样品之间的相对横向位置，以传导第二部分到达样品上的不同位置，以获得不同位置处的信息。
23.一种器件，包括 光波导，用于传导第一光学模式的光辐射； 光学探头，与光波导相耦合，以接收光辐射，所述光学探头用于(I)将光辐射的一部分重定向回光波导，同时向样品传播剩余的辐射；(2)接收来自样品的反射或后向散射辐射以与重新送入的部分重叠和共同传播，并将其送入波导；以及(3)控制来自样品的反射或后向散射光，使其处于不同于第一光学模式的第二光学模式；以及 光学检测模块，用于通过波导接收由探头重定向的辐射，并将第一和第二光学模式的光辐射，至少一部分，转换为公共光学模式。
24.根据权利要求23所述的器件，其特征在于光波导包括光纤。
25.根据权利要求23所述的器件，其特征在于光波导包括保偏光纤。
26.根据权利要求23所述的器件，其特征在于还包括差分延迟器件，位于光学探头和光学检测模块之间的光路中，用于调制两个传播模式的相对光学路径长度。
27.一种用于对样品进行光学测量的器件，包括 输入波导，支持第一和第二不同传播模式，用于接收和传导第一传播模式的输入光束； 输出波导，支持第一和第二不同传播模式； 探头，与输入波导相I禹合以接收输入光束，并与输出波导相I禹合以输出光，探头将第一传播模式的第一部分输入光束送入输出波导，以及将第二部分输入光束送往样品，探头收集来自样品的、对第二部分的反射作为第二传播模式的反射第二部分，以在对反射第一部分进行反射的位置处与反射第一部分空间重叠和共同传播，并且将反射第一和第二部分输出到输出波导；以及 检测模块，用于接收输出波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
28.根据权利要求27所述的器件，其特征在于输入和输出波导是保偏光纤。
29.根据权利要求27所述的器件，其特征在于还包括可调谐光学带通滤波器，对其进行定位以对由检测模块接收的光进行滤波。
30.一种方法,包括 通过光波导，向样品传导第一传播模式和第二、不同传播模式的光辐射； 使第一传播模式的辐射远离样品，不到达样品； 传导第二传播模式的辐射，与样品相互作用，以根据相互作用，产生返回辐射，以在将第一传播模式的辐射传送远离样品的位置处，与第一传播模式的辐射空间重叠和共同传播； 将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中；以及 使用来自光波导的第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，以提取出样品的信息。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于第一传播模式和第二传播模式是彼此正交的两个偏振模式。
32.根据权利要求31所述的方法,其特征在于第一传播模式和第二传播模式是两个正交线偏振模式。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于波导是保偏光纤。
34.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括调整在远离样品的光波导中传导的第一传播模式的福射和第二传播模式的福射之间的相对相位延迟，以选择样品层进行测量。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于还包括在测量样品时，以调制频率调制相对相位延迟。
36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于还包括 将相对相位延迟调整为第一数值，以测量与样品内的第一层相关联的第一信号； 将相对相位延迟调整为第二、不同数值，以测量与样品内的第二层相关联的第二信号；以及 获得第一和第二信号之间的比值，以提取出与位于第一和第二层之间的样品层有关的信息。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于还包括使用可调谐光学带通滤波器对辐射进行滤波，以获得位于第一和第二层之间的样品层在光谱范围内的光谱响应。
38.根据权利36所述的方法，其特征在于还包括在皮肤组织被用作样品时，使用比值来测量皮肤组织的真皮层中的葡萄糖浓度。
39.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括控制第一和第二传播模式的辐射的谱属性，以获得样品的信息。
40.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括使用可调谐光学带通滤波器选择去往样品的辐射的光谱范围的中心波长，以获得样品在光谱范围内的光谱响应。
41.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括使用可调谐光学带通滤波器选择通过波导远离样品的辐射的光谱范围的中心波长，以获得样品在光谱范围内的光谱响应。
42.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括 混合第一传播模式和第二传播模式的能量，以产生第一光信号和第二光信号；以及 检测第一和第二光信号，以提取出样品的信息。
43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于还包括使用第一光信号和第二光信号之间的差来提取样品的信息。
44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于还包括 以调制频率调制在远离样品的光波导中传导的第一传播模式的辐射和第二传播模式的辐射之间的相对相位延迟；以及 利用调制频率和调制频率的谐波的差的幅度信息来提取样品的信息。
45.根据权利要求42所述的方法，其特征在于还包括 分离第一光信号中的不同光谱分量； 测量第一光信号中的不同光谱分量； 分离第二光信号中的不同光谱分量； 测量第二光信号中的不同光谱分量；以及 利用测量结果，获得从不同光谱分量中选择的光谱分量处的样品光谱响应。
46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于还包括使用光学光栅，通过光学衍射，分离第一光信号中的不同光谱分量。
47.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括 将在远离样品的光波导中传导的第一传播模式的辐射和第二传播模式的辐射之间的相对相位延迟调整为一数值，选择来自其的第二传播模式的返回辐射中的反射分量实质上与第一传播模式的辐射相位匹配的层； 以调制器频率在所述数值周围调制相对相位，以获得测量结果；以及 处理测量结果，以获得与该层有关的信息。
48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于还包括 使用光学延迟器件产生和调整相对相位延迟；以及使用光学延迟调制器调制相对相位。
49.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括调整第二传播模式的辐射和样品之间的相对横向位置，以传导该辐射到达样品上的不同位置，以获得不同位置处的信息。
50.根据权利要求30所述的方法，其特征在于还包括 将第一和第二传播模式的光辐射，至少一部分，转换为一对新传播模式；以及 检测这对新传播模式的强度，以提取出与样品有关的信息。
51.根据权利要求30所述的方法,其特征在于第一和第二传播模式是两个正交线偏振模式，所述方法还包括 使用偏振器，部分混合第一和第二传播模式，以产生新线偏振模式的光信号；以及 检测光信号，以获得样品的信息。
52.一种用于对样品进行光学测量的器件，包括 波导，支持第一传播模式和第二、不同传播模式，并用于接收和传导第一和第二传播模式的输入光束； 探头，与波导相耦合，以接收输入光束，并将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式反射回波导，并将第二传播模式的第二部分输入光束送往样品，探头收集来自样品的、对第二部分的反射作为第二传播模式的反射第二部分，以在对反射第一部分进行反射的位置处与反射第一部分空间地重叠和共同传播，并且探头将反射第一和第二部分输出到波导；以及 检测模块，用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
53.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括 光学延迟器件，位于反射第一和第二部分的光路中，用于产生反射第一和第二部分之间的相对相位延迟；以及 光学延迟调制器，位于反射第一和第二部分的光路中，用于调制相对相位。
54.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括光学延迟调制器，位于反射第一和第二部分的光路中，用于产生反射第一和第二部分之间的相对相位延迟，以及用于调制相对相位。
55.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括可变光学延迟单元，位于反射第一和第二部分的光路中，用于产生反射第一和第二部分之间的可变相对相位延迟，其中所述可变光学延迟单元包括 模式分束单元，用于将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分分别分离到第一光路和第二光路中；以及 可变光学延迟元件，位于第一和第二光路之一中，用于调整光路长度。
56.根据权利要求55所述的器件，其特征在于所述可变光学延迟元件包括 分束器，用于接收要延迟的输入光束，以及透射输入光束的一部分； 透明片，用于接收来自分束器的透射光，并进行旋转，以改变透射光的路径长度；以及 反射镜，用于将透射过透明片的光反射回透明片，使其到达分束器，分束器反射来自透明片的光，作为延迟输出。
57.根据权利要求55所述的器件，其特征在于所述可变光学延迟元件包括光环行器，用于在第一端口接收要延迟的输入光束，并将输入光束送往第二端口 ；透明片，用于接收来自光环行器的第二端口的光，并进行旋转，以改变从中穿过的光的路径长度；以及 反射镜，用于将透射过透明片的光反射回透明片，使其到达光环行器的第二光学端口，光环行器将来自第二端口的光送往第三端口，作为延迟输出。
58.根据权利要求55所述的器件,其特征在于可变路径长度兀件包括光纤和与光纤哨合、用于改变光纤长度的光纤延伸器。
59.根据权利要求55所述的器件，其特征在于可变路径长度元件包括两个光学准直器和位于连接两个光学准直器的光路中的可移动后向反射器。
60.根据权利要求55所述的器件，其特征在于可变路径长度元件包括两个光学准直器、以及位于连接两个光学准直器的光路中的光学片和反射器，其中所述光学片旋转，以改变光的路径长度。
61.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括可变光学延迟单元，位于反射第一和第二部分的光路中，用于产生反射第一和第二部分之间的可变相对相位延迟，其中所述可变光学延迟单元包括至少一个可调谐双折射材料和至少一个固定双折射材料。
62.根据权利要求61所述的器件，其特征在于可调谐双折射材料包括液晶。
63.根据权利要求61所述的器件，其特征在于可调谐双折射材料包括电光双折射材 料。
64.根据权利要求52所述的器件，其特征在于检测模块包括光检测器。
65.根据权利要求64所述的器件，其特征在于检测模块还包括光学偏振器，用于接收和混合反射第一和第二部分，以产生对光检测器的光学输出。
66.根据权利要求65所述的器件，其特征在于还包括电子单元，用于处理来自光检测器的输出，并处理输出，以提取出样品的信息。
67.根据权利要求52所述的器件，其特征在于检测模块包括 光学偏振分束器，用于接收和混合分别为第一和第二传播模式的反射第一和第二部分，以产生第一光信号和第二光信号； 第一光检测器，用于接收第一光信号； 第二光检测器，用于接收第二光信号；以及 电子单元，用于接收和处理来自第一和第二光检测器的输出，以提取出样品的信息。
68.根据权利要求67所述的器件，其特征在于第一和第二光检测器分别是第一和第二检测器阵列，所述器件还包括 第一光栅，用于接收和衍射第一光信号； 第一透镜，用于将第一光信号中的不同衍射分量聚焦到第一检测器阵列上的不同位置； 第二光栅，用于接收和衍射第二光信号；以及 第二透镜，用于将第二光信号中的不同衍射分量聚焦到第二检测器阵列上的不同位置。
69.根据权利要求52所述的器件，其特征在于探头包括 模式选择反射器，用于选择第一传播模式的、第一部分输入光束进行反射，以及选择第二传播模式的、第二部分输入光束传向样品。
70.根据权利要求69所述的器件,其特征在于第一和第二传播模式是正交线偏振模式，其中模式选择反射器包括 偏振分束器，将第二传播模式的光传向样品，并反射第一传播模式的光；以及 反射器，对其进行定位以将第一传播模式的光反射回偏振分束器。
71.根据权利要求69所述的器件，其特征在于探头还包括位于波导和模式选择反射器之间的透镜系统。
72.根据权利要求52所述的器件，其特征在于所述波导是保偏波导。
73.根据权利要求72所述的器件，其特征在于所述波导是保偏光纤。
74.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括 光源，用于产生输入光束； 输入波导，用于接收来自光源的输入光束，并以第一传播模式传导输入光束； 输出波导，用于接收来自波导的反射第一和第二部分，以及用于将反射第一和第二部分送往检测模块；以及 光路由器，与输入波导、波导和输出波导相I禹合，用于将来自输入波导的光送往波导，以及用于将来自波导的光送往输出波导。
75.根据权利要求74所述的器件，其特征在于光路由器是光环行器。
76.根据权利要求74所述的器件，其特征在于光路由器是保偏光环行器。
77.根据权利要求74所述的器件，其特征在于还包括可调谐光学滤波器，位于输入波导、波导和输出波导之一中，用于选择样品的光谱响应的一部分进行测量。
78.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括可调谐光学滤波器，用于对输入光束进行滤波，以选择样品的光谱响应的一部分进行测量。
79.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括可调谐光学滤波器，用于对反射第一和第二部分进行滤波，以选择样品的光谱响应的一部分进行测量。
80.根据权利要求52所述的器件，其特征在于还包括机构，用于改变探头和样品之间的横向相对位置，从而将第二部分送往样品的不同位置。
81.一种用于对样品进行光学测量的器件，包括 输入波导，支持第一传播模式和第二、不同传播模式，接收并传导第一和第二传播模式的输入光束； 输出波导，支持第一和第二传播模式； 探头，与输入波导相耦合以接收输入光束，并与输出波导相耦合，探头将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式传导到输出波导中，并将第二传播模式的第二部分输入光束传导到样品上，探头收集来自样品的、对第二波分的反射，以在对反射第一部分进行反射的位置处与反射第一部分空间地重叠和共同传播，并将第二部分的反射输出到输出波导，作为第二传播模式的反射第二部分和第一传播模式的反射第一部分；以及 检测模块，用于接收输出波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
82.根据权利要求81所述的器件，其特征在于还包括 光学延迟器件，位于反射第一和第二部分的光路中，用于产生反射第一和第二部分之间的相对相位延迟；以及 光学延迟调制器，位于反射第一和第二部分的光路中，用于调制相对相位。
83.根据权利要求81所述的器件，其特征在于还包括光学延迟调制器，位于反射第一和第二部分的光路中，所述光学延迟调制器产生反射第一和第二部分之间的相对相位延迟，以及用于调制相对相位。
84.根据权利要求81所述的器件，其特征在于还包括可变光学延迟单元，位于反射第一和第二部分的光路中，用于产生反射第一和第二部分之间的可变相对相位延迟，其中所述可变光学延迟单元包括 模式分束单元，用于将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分分别分离到第一光路和第二光路中；以及 可变光学延迟元件，位于第一和第二光路之一中，用于调整光路长度。
85.根据权利要求81所述的器件，其特征在于检测模块包括 光学偏振分束器，用于接收和混合分别为第一和第二传播模式的反射第一和第二部分，以产生第一光信号和第二光信号； 第一光检测器，用于接收第一光信号； 第二光检测器，用于接收第二光信号；以及 电子单元，用于接收和处理来自第一和第二光检测器的输出，以提取出样品的信息。
86.根据权利要求85所述的器件，其特征在于第一和第二光检测器分别是第一和第二检测器阵列，所述器件还包括 第一光栅，用于接收和衍射第一光信号； 第一透镜，用于将第一光信号中的不同衍射分量聚焦到第一检测器阵列上的不同位置； 第二光栅，用于接收和衍射第二光信号；以及 第二透镜，用于将第二光信号中的不同衍射分量聚焦到第二检测器阵列上的不同位置。
87.根据权利要求81所述的器件，其特征在于探头包括 模式选择反射器，用于选择第一传播模式的、第一部分输入光束进行反射，以及选择第二传播模式的、第二部分输入光束传向样品。
88.根据权利要求87所述的器件,其特征在于第一和第二传播模式是正交线偏振模式，其中模式选择反射器包括 偏振分束器，将第二传播模式的光传向样品，并反射第一传播模式的光；以及 反射器，对其进行定位以将第一传播模式的光反射回偏振分束器。
89.根据权利要求87所述的器件，其特征在于探头还包括位于波导和模式选择反射器之间的透镜系统。
90.根据权利要求81所述的器件，其特征在于所述波导是保偏波导。
91.根据权利要求81所述的器件，其特征在于所述波导是保偏光纤。
92.根据权利要求81所述的器件，其特征在于还包括可调谐光学滤波器，位于输入波导、波导和输出波导之一中，用于选择样品的光谱响应的一部分进行测量。
93.根据权利要求81所述的器件，其特征在于还包括机构，用于改变探头和样品之间的横向相对位置，从而将第二部分送往样品的不同位置。
94.一种用于对样品进行光学测量的器件，包括 波导，至少支持光的输入传播模式，用于接收和传导输入传播模式的输入光束； 探头，与波导I禹合以接收输入光束，并将第一部分输入光束以输入传播模式反射回波导，以及将输入传播模式的第二部分输入光束送往样品，探头收集来自样品的、对第二部分的反射，以在对反射第一部分进行反射的位置处与反射第一部分空间地重叠和共同传播，并向波导输出第二部分的反射，作为输入传播模式的反射第二部分和输入传播模式的反射第一部分；以及 检测模块，用于接收来自波导的、输入传播模式的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
95.根据权利要求94所述的器件，其特征在于检测模块包括 分束器，用于将接收光分为第一光束和第二光束； 第一光路，用于接收第一光束； 第二光路，用于接收第二光束； 光束组合器，与第一和第二光路光学稱合，用于组合第一和第二光束，并将组合后的光束分为第一传播模式的第一输出光束和第二传播模式的第二输出光束； 第一光检测器，用于接收第一输出光束；以及 第二检测器，用于接收第二输出光束。
96.根据权利要求95所述的器件，其特征在于检测模块包括可变光学延迟元件，位于第二光路中，用于调整在光束组合器处、第一和第二光束之间的相对延迟。
97.根据权利要求95所述的器件，其特征在于光束组合器是偏振分束器，以及第一和第二传播模式是两个正交偏振模式。
98.根据权利要求94所述的器件，其特征在于光学探头包括光学部分反射器，将输入光束的第一部分反射回波导。
99.根据权利要求94所述的器件，其特征在于还包括可调谐光学滤波器，位于光线的光路中，用于调谐第一和第二输出光束的频率，以滤波器的谱宽来测量样品。
100.根据权利要求94所述的器件，其特征在于还包括定位机构，用于调整光学探头与样品之间的相对横向位置，从而传导第二部分到达样品上的不同位置，以获得不同位置处的样品信息。
全文摘要
本申请描述了用于控制可以包括一个或多个波导(272)的公共光路中的光的传播模式以传感样品(205)的设计、实施方式和技术。
文档编号G01N21/21GK102749287SQ20121022619
公开日2012年10月24日 申请日期2004年6月4日 优先权日2003年6月4日
发明者王飞凌 申请人:突慧公司