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TWI848103B - 測量系統 - Google Patents

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TWI848103B
TWI848103B TW109114048A TW109114048A TWI848103B TW I848103 B TWI848103 B TW I848103B TW 109114048 A TW109114048 A TW 109114048A TW 109114048 A TW109114048 A TW 109114048A TW I848103 B TWI848103 B TW I848103B
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TW
Taiwan
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light
optical
module
core
measurement system
Prior art date
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TW109114048A
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English (en)
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TW202041191A (zh
Inventor
大衛 安德森
普拉卡什史帝德哈爾 穆爾帝
Original Assignee
日商亞多納富有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商亞多納富有限公司 filed Critical 日商亞多納富有限公司
Publication of TW202041191A publication Critical patent/TW202041191A/zh
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Abstract

本發明提供一種用於測量的系統(1)。該系統(1)包括核心光學模組(10)和掃描界面模組(11)。該核心光學模組係配置為產生光(58)以通過該掃描界面模組產生用於分析物體用的信號，並且通過該掃描界面模組檢測包括來自該物體的信號的光(59)。該掃描界面模組可針對各應用而改變，並且係配置為藉由光傳輸單元(15)與該核心光學模組連接以利用來自該核心光學模組的傳遞光來掃描該物體並接收來自該物體的光以傳輸至該核心光學模組。

Description

測量系統
本發明大體上關於一種用於測量物體的系統。
在公開案WO2014/061147中，揭示一種顯微鏡。該顯微鏡包括：第一分光部(light dividing part)，其將來自光源的光之光通量分成第一泵浦光通量和第二泵浦光通量；斯托克斯光源(Stokes light source)，其接收該第二泵浦光通量作為輸入並輸出斯托克斯光通量：多路複用部，其多路傳輸該第一泵浦光通量和該斯托克斯光通量以產生一多路複用光通量；第一光收集部，其收集樣品中的多路複用光通量；第一檢測器，其檢測從該樣品產生的CARS光，該CARS光具有與該多路複用光通量不同的波長；第二分光部，其使該第二泵浦光通量和該斯托克斯光通量中的至少其一部分地分支作為參考光通量(reference light flux)；第二多路複用部，其多路傳輸來自該樣品的光通量和該參考光通量以產生干涉光；及第二檢測器，其檢測該干涉光。
本發明的態樣之一係一種包含核心光學模組(core optical module)和掃描界面模組(scanning interface module)的系統。該核心光學模組係配置為產 生光以通過該掃描界面模組照射到物體而產生用於分析的信號，並且通過該掃描界面模組檢測包括來自標靶的信號之光。該掃描界面模組可針對各應用改變，並且係配置為藉由光傳輸單元與該核心光學模組連接以利用來自該核心光學模組的傳遞光來掃描該物體並接收來自該物體的光以傳輸至該核心光學模組。
在本發明的系統中，由於該核心光學模組可由多重類型的掃描界面模組共用，因此可在短時間內以低成本提供用於多重應用的系統。該掃描界面模組可為最小侵入性採樣器(minimum invasive sampler)、非侵入性採樣器或流量採樣器。該掃描界面模組可為可穿戴的掃描界面、指尖掃描界面、尿液採樣器或用於測量葡萄糖、血紅蛋白Alc、肌酐及白蛋白等的透析引流採樣器(dialysis drainage sampler)。
1:測量系統
10:核心光學模組
10a、14a:顯示器
11、12、13:掃描界面模組
11a:非侵入性採樣器的模組
11f:第二接物鏡模組
11g:檢流計
11i:接物鏡模組
11x:指尖掃描窗口
11y:自動聚焦接物鏡
14:穿戴式掃描界面
15:光傳輸單元
15a:光纖
15b:自由空間耦合連接器
16:連接裝置
18:物體的界面
18a:按鈕
18b:圓頂
19:指端
20:光具座
21:光學板
22:光纖雷射外殼
24:檢測器
25:控制器箱
25a:分析器
25b:高速數據採集模組
25c:通訊界面模組
25d:嵌入式切換平台
25e:基於雲端的的UI平台
26:光學頭模組
27:光學基座模組
28:激發源模組
29:探測延遲台
29a、29c、29d:準直器
29b:手動延遲台
29e:延遲台
29f:馬達
30:光學元件
31、32、33、34、35、35a、36、39:光學路徑
37:OCT檢測路徑
38a、38b:光學切換元件
39a:光束對準單元
39b:光束轉向單元
39c:光束調節單元
39d:分色鏡裝置
40:光纖雷射組合件
41:飛秒光纖雷射源模組
41a:源雷射二極管
41b:飛秒光纖雷射源模組的生成台
41c:斯托克斯生成預報器
41d:壓縮器
41e:光子晶體光纖
42:皮秒雷射源模組
42a:探測生成預報器
42b:壓縮器
43:熱和功率調節模組
50:源雷射脈衝
51:斯托克斯光
52:泵浦光
53:OCT光
54:探測光
55:TD-CARS光
55f:前向TD-CARS光
55x:CARS光
58:來自核心光學模組的傳遞光
59:來自物體的光
60:OCT引擎
61:參考光
62:反射的OCT光
63:干涉光
68:分色鏡
70:溫度控制模組
71:加熱器控制器模組
72:FET
73:ADC
78:加熱器
79:熱敏電阻
80:電腦
BS1、BS2、BS3、BS4:分色光束分離器
DR:檢測器的波長範圍
L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7:透鏡
LD1、LD2、LD3、LD4:雷射
M1、M2、M6、M7、M8、M9:鏡子
PD0:光檢測器
R1、R2、R3、R4、R5:波長範圍
由以下參考附圖的詳細描述將會使本文的具體實例更易於理解，其中：圖1顯示本發明的系統之具體實例。
圖2顯示該掃描界面模組的具體實例。
圖3顯示該系統的另一具體實例。
圖4顯示一光學核心模組的光學板和光纖外殼(fiber enclosure)之佈置。
圖5顯示該系統的方塊圖。
圖6顯示一光纖雷射組合件的方塊圖。
圖7顯示該光纖雷射組合件的波長方案。
圖8顯示TD-CARS的波長方案。
圖9顯示一延遲台(delay stage)。
圖10顯示一溫度控制模組的方塊圖。
圖11顯示該系統的光學系統之概念配置。
圖12顯示該光學板的佈置之實例。
本文之具體實例及其各種特徵和有利細節將參照舉例說明於附圖中並詳細描述於以下說明中的非限制具體實例更全面地解釋。將眾所周知的組件和處理技術的描述予以省略以免不必要地混淆本文之具體實例。本文中使用的實例僅意在促進對可實踐本文之具體實例的方式的理解，並且進一步使本領域之習知技藝者能實踐本文之具體實例。因此，這些實施例不應解釋為限制本文之具體實例的範疇。
圖1舉例說明根據本發明的具體實例之系統1。圖1顯示用於配置該測量系統1的核心光學模組(核心模組)10和多數類型的掃描界面模組11、12和13。對於某些應用，用於測量物體的狀態及組成等之系統1由該核心光學模組10和任一類型的掃描模組11至13中之其一與光傳輸單元15連接組成。該光傳輸單元15可為光纖15a或自由空間耦合連接器(free space coupling connector)15b。藉由使用該自由空間耦合連接器15b，可將該模組11至13中的選定類型之掃描界面模組堆疊在該核心光學模組10上。藉由使用該光纖15a，可自由地佈置測量系統1，例如堆疊、並排放置或保持該光學核心模組10與該模組11至13中所選類型的掃描界面模組之間的距離。
具體實例中的系統之一係包括該核心光學模組10及藉由該光纖15a連接到核心模組10的指尖掃描界面模組11。如圖2(a)舉例說明的，該指尖型掃描界面模組11包括用於插入指端19作為物體的界面18及位於頂部的按鈕18a，以施壓於該指端上以限制該掃描終點的移動。該核心光學模組10係配置為產生光58以通過該掃描界面模組11產生用於分析該物體19的信號，並且通過該掃描界面模組11檢測包括來自該物體19的信號之光59。該掃描界面模組11可針對各應用改變並且係配置為藉由光傳輸單元15與該核心光學模組10連接，以利用來自該核心光學模組10的傳遞光58來掃描該物體(樣品、標靶)19並接收來自該物體19的光59以轉移到該核心光學模組10。
在圖1中，顯示三不同類型的掃描界面模組11、12和13。該掃描界面模組11、12和13各自與該核心光學模組10分離，但是經由該光傳輸單元15例如該光纖15a與該核心光學模組10連接。該掃描界面模組的類型對於各應用例如侵入性應用、非侵入性應用及流量測量應用等係可變的或可選擇的。包括該模組12和13的所有類型的掃描界面模組之基本配置與該掃描界面模組11相同。
該指尖型掃描界面模組11係非侵入性採樣器之一實例。圖2(b)顯示另一類非侵入性採樣器的模組11a。該模組11a包括類似於電腦滑鼠的圓頂18b，該圓頂18b用於手掌的人體工學定位以使用來自該核心光學模組10的光通過該手掌獲得活體的內部信息。血糖監測系統1可由該核心光學系統10和該非侵入性採樣器11來提供。
該掃描界面模組12係最小侵入性採樣器之一實例，其可包括微型採樣工具例如微創性微針(minimally invasive microneedle)和微陣列以使得受 試者在為了採取體液例如皮下組織液的樣品而插入時不會感到疼痛。該微創顯微採樣工具可藉過測量體液組分的濃度和藥物的經皮投予而感測生物學信息。藥物監測系統1可由該核心光學模組10和該最小侵入性採樣器12提供。
該掃描界面模組13係流量採樣器之一實例，其可包括標靶流體(物體)流經的流路13a。該標靶流體可為尿液、透析引流、血液、水或溶液等。健康管理及/或監視系統1可由該核心光學模組10和該流量採樣器13作為尿液採樣器來供應。透析監控系統1可由該核心光學模組10和該流量採樣器13作為透析引流採樣器來供應。
圖3舉例說明本發明的另一具體實例之系統。該系統1包括穿戴式掃描界面14、攜帶式光學核心模組10及連接該穿戴式掃描界面14和該攜帶式光學核心模組10的光纖15a。該穿戴式掃描界面14可為手錶型裝置或被整合於手錶型通訊裝置(例如智能手錶)中。在該可穿戴掃描界面14中，可將用於引導及/或產生用於掃描該物體的光之光學元件及/或光學路徑提供或整合於具有毫米級或更小尺寸的晶片型光學裝置中。該攜帶式光學核心模組10可具有手機大小或被整合於手機或智慧型手機中。該攜帶式光學核心模組10可至少包括雷射源裝置、檢測器(光譜儀)和電池，其他光學元件則可包括在安裝於該穿戴界面14中的晶片型光學裝置中。該穿戴式掃描界面14可能是一副眼鏡型裝置例如智能眼鏡、吊墜型裝置及附件型裝置等。該攜帶式光學核心模組10可與可改變的各類型掃描界面共用。該可穿戴掃描界面14可包括藉由該系統1及/或其他信息輸出測量值的顯示器14a。該攜帶式核心模組10可包括用於顯示該系統1的測量值及/或監視結果及/或其他信息之顯示器10a。
如圖1舉例說明的，該核心光學模組10包括光具座(optical bench)(光學架)20，其上側係光學板21，而且下側係光纖雷射外殼22。在該光學板21上，安裝了多數構成用於產生光58的光學路徑之光學元件。該光纖雷射外殼22係配置為容納至少一產生供給該光學板21的雷射之光纖雷射。該核心光學模組10包括將該光學板21和該光纖雷射外殼22堆疊於其中的堆疊結構20。除了該光具座20之外，該核心光學模組10可具有包括電力供應板和電氣控制板在內的多層結構。該控制板可包括該系統、用戶界面及電氣模組和雷射模組的電源之通訊和控制功能。
用於產生分析該物體19的信號之光58之一實例係拉曼光譜(RS)和光學同調斷層掃描術(optical coherence tomography)(OCT)的組合。光學成像和光譜學皆適於物體(標靶物體)的侵入性和非侵入性表徵化。成像技術例如OCT在分程傳遞該標靶物體微觀結構的圖像方面很突出，而光譜方法例如CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)則可以優異的特異性探測該標靶物體的分子組成。
OCT係一種利用從物體(標靶)反射的光與未照射該物體的參考光之間的干涉來獲得反映折射率變化的波形信息(shape information)的方法。CARS係基於非線性光學現象，其中當二具有不同波長的光束入射到物體上時，將獲得具有與形成該物體的分子的振動相對應之波長的CARS光。關於檢測CARS光相對於泵浦光和斯托克斯光的入射方向之方向，可以安排多數不同的方法，例如透射式CARS和反射式CARS。
據悉時間解析相干反斯托克斯拉曼散射(Time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering)或時延相干反斯托克斯拉曼散射(TD-CARS)顯微鏡 也是藉由利用虛擬電子躍遷和拉曼躍遷的不同時間響應來抑制非共振背景之技術。所以需要一種可輕易地將此測量方法運用於各種應用的系統。
該指尖掃描界面11，舉例來說，可利用該光學核心模組10中產生並通過該光傳輸單元15供應的光58來掃描插入該界面18中的手指19之皮膚，以產生TD-CARS信號和OCT信號，並且通過該光傳輸單元15將包括TD-CARS和OCT的信號(光)之光59發送到該核心光學模組10。該指尖掃描界面11可藉由有線或無線方式與該核心模組10連接以或通過該核心模組10與該核心模組10或雲端進行通訊。
圖4(a)舉例說明該光學板21的佈置，而且圖4(b)舉例說明該光纖雷射外殼22的佈置。在該光學板21上，安裝多數光學元件30，例如鏡子、稜鏡及分色鏡(dichroic mirror)等以建構以下描述的光學路徑。該光學板21可包括用於檢測從該掃描界面模組11返回的光59中所包括之信號的檢測器24，及容納多數模組的控制器箱25。在該光纖雷射外殼22上，安裝光纖雷射組合件40和探測延遲台29。
圖5顯示該系統1的方塊圖。該掃描界面模組11可包括指尖掃描窗口11x和自動聚焦接物鏡11y以將該光58從該光學該核心模組10照射(發射)到該物體並接收來自該物體的光59以傳輸到該光學該核心模組10。該光學該核心模組10可包括光學頭模組26和光學基座模組27。該光學頭模組26可包括在該掃描界面模組11中，並且該光學頭模組26和該光學基座模組27之間的連接裝置16可為該光傳輸單元。該光學基座模組27包括激發源模組28、該檢測器24、溫度控制模組70及該控制模組25a至25e。該控制模組25a至25e係容納於該控制箱25中。該激發源模組28包括該光纖雷射組合件40和用於供應光以產生TD-CARS信 號和OCT信號的光學路徑。此光纖雷射組合件40中包括用於斯托克斯光51、泵浦光52和OCT光53的飛秒(femto-second)光纖雷射源模組41；用於探測光54的皮秒(pico-second)雷射源模組42；及用於控制供給該雷射模組41和42的電源之熱和功率調節模組43。
在該光具座20的光學板21上，藉由使用包括鏡子、切換元件、反射器、稜鏡、透鏡及濾波器(例如短波通濾波器(short wavelength pass filter)(SP)和長波通濾波器(LP))等在內的多數光學元件30，提供用於供應具有第一波長範圍R1的斯托克斯光51之光學路徑31；用於供應具有比該第一波長範圍R1短的第二波長範圍R2的泵浦光52之光學路徑32；用於供應具有波長範圍R4的探測光54之光學路徑34；用於將該斯托克斯光51、該泵浦光52及該探測光54同軸地輸出到該光傳輸單元15之光學路徑39；及用於從該光傳輸單元15獲取由該斯托克斯光51、該泵浦光52及該探測光54在該物體處所產生的TD-CARS光55之光學路徑35。該TD-CARS光55具有比僅由該斯托克斯光51和該泵浦光52所產生的CARS光之波長範圍短的波長範圍R5。該光學路徑34包括具有一致動器的探測延遲台29，該致動器用於控制與該泵浦光52的發射之間有時間差之探測光54的發射。
在該光學板21上，藉由使用該多數光學元件30，也提供用於供應具有比該第二波長範圍R2短並至少部分地與該TD-CARS光55的波長範圍R5重疊的第三波長範圍R3的OCT光53之光學路徑33；用於從該光傳輸單元15獲取反射的OCT光62之光學路徑36；及OCT引擎(OCT engine)60。該路徑36包括用於輸出該OCT光53並接收該反射光62或將其送返該OCT引擎60的分色鏡68。該OCT引擎60係配置為從該OCT光53分割出參考光61並且藉由該參考光61和來自 該物體通過該光傳輸單元15的反射的OCT光62產生干涉光63。該光學路徑39將與該斯托克斯光51、該泵浦光52和該探測光54同軸的OCT光53輸出到該光傳輸單元15。該光學路徑39可包括光束調節單元39c、光束對準單元39a、光束轉向單元(beam steering unit)39b和分色鏡裝置39d。該分色鏡39d藉由將用於產生TD-CARS 55的光51、52和54與該OCT光53合併而產生該光58，並且分離包括TD-CARS光55和該反射光62的返回光59。代替使用該光學元件，或藉著使用該光學元件，那些該光學路徑可被提供於晶片型光學裝置中或使用該晶片型光學裝置來提供。這些該光學路徑的全部或一部分可被提供於該掃描模組例如可穿戴模型14中，而不是提供於該光學核心模組中。
該核心光學模組10另外包括用於檢測OCT的TD-CARS光55和干涉光63之檢測器24。該檢測器24包括與該TD-CARS光55和該干涉光63至少部分共用的檢測波長範圍。該核心光學模組10另外包括用於獲取並分析來自該檢測器24的數據之分析器25a。該分析器25a可包括高速數據採集模組25b及系統控制器和通訊界面模組25c。該通訊界面模組25c可經由嵌入式切換平台(embedded switching platform)25d與該雷射組合件40、該檢測器24、該溫度控制模組70、該光學路徑中的切換元件及該核心光學模組10中的其他控制元件通訊。該核心光學模組10可包括基於雲端的的UI平台(cloud-based UI platform)25e以經由網際網路與外部裝置例如個人電腦80或伺服器進行通訊。包括該光學核心模組10和該掃描界面模組11的系統1可與安裝於電腦80中的應用程序81通訊以向使用該系統1的使用者提供服務。
圖6舉例說明該光纖雷射組合件40的具體實例之一。圖7舉例說明該光纖雷射組合件40的波長方案。該組合件可為MOPA(主振盪器功率放大 器)光纖雷射並且包括源雷射二極管LD0 41a以使振盪器振盪產生1560nm的源雷射脈衝50。光檢測器(photo detector)PD0提供反饋信號以確保1560nm的脈衝在環境變化中保持穩定。該源雷射50被切分到該皮秒雷射源模組42的探測生成預報器(probe generation precursor)42a和該飛秒光纖雷射源模組41的生成台41b之端口中。在該生成台41b中，雷射LD1注入黏接於高度非線性光纖(HNLF)之Er(摻鉺的)前置放大器以產生供應給斯托克斯生成預報器41c之1040nm。在該預報器41c中，雷射LD2注入Yb(摻鐿的)前置放大器以放大1040nm脈衝，並且雷射LD3注入Yb高功率放大器以在1040nm處產生600mW的平均功率。將從該斯托克斯生成預報器41c輸出的雷射通過拋物線準直器(parabolic collimator)供應給壓縮器41d以產生具有在光子晶體光纖(PCF)41e中產生的寬帶超連續譜(broadband supercontinuum)(SC)之斯托克斯光51。分割從該壓縮器41d輸出的雷射以產生該泵浦光52。
在該探測生成預報器42a中，雷射LD4注入Er高功率放大器以在1560nm處產生150mW的平均功率。從該探測生成預報器42a輸出的雷射通過拋物線準直器供應給壓縮器42b，並且高功率1560nm脈衝經由用作SHG(二次諧波生成(Second Harmonic Generation))的PPLN(週期性極化鈮酸鋰非線性晶體)使頻率倍增為780nm脈衝以產生該探測光54。該斯托克斯光51、該泵浦光52和該OCT光53可包括具有幾十到幾百mW的一到幾百fS(飛秒)級脈衝。該探測光54可包括具有數十到數百mW的一到幾十pS(皮秒)級脈衝。
圖7顯示此光學核心模組10的波長方案之一。該光學核心模組10應以最小的硬體和成本來滿足幾種作業模式的要求。此光學核心模組10的要求之一可能是CARS發射不得與TD-CARS發射重疊。此光學核心模組10的另一要 求可能是就共用的光譜儀範圍來看TD-CARS發射必須與OCT激發重疊。此光學核心模組10之又另一要求可能是激發必須具有良好的通過組織的效率。也就是說，具有該第一範圍R1的斯托克斯光51、具有該第二範圍R2的泵浦光52、具有該第四範圍R4的探測光54及具有該第三範圍R3和R5的OCT光53和TD-CARS光55應該被佈置於600nm至1300nm的光學窗口範圍內，其中活體主要部分例如水、黑色素、還原性血紅蛋白(Hb)和氧化性血紅蛋白(HbO2)的吸收度實質上為低的。
在圖8所示的方案中，該斯托克斯光51具有1085至1230nm(400cm-1至1500cm-1)的第一波長範圍R1，該泵浦光52具有1040nm的第二波長範圍R2，該探測光54具有780nm的第四波長範圍R4，該OCT光53(干涉光63)具有620至780nm的第三波長範圍R3，而且該TD-CARS光55具有680至760nm的波長範圍R5。R1、R2、R3、R4和R5的所有範圍皆包括在600nm至1300nm的波長範圍內。該第二範圍R2比該第一範圍R1短，該第三範圍R3比該第二範圍R2短，該第四範圍R4比該第二範圍R2短並比該第三範圍R3大或包括在該第三範圍R3中，而且該TD-CARS 55的範圍R5比該第四範圍R4短並至少部分地與該第三範圍R3重疊。該檢測器24的波長範圍DR可為620至780nm以與TD-CARS 55和OCT的干涉光63共用。在此方案中，僅需要一個具有與該TD-CARS 55和該OCT光53(63)共用的檢測波長範圍DR之檢測器24。藉由運用在CARS與OCT檢測之間共用檢測波長範圍DR的單一共通檢測器24，使該系統配置變得簡化，並且使CARS檢測器的fs光譜解析度和OCT成像深度提高。在此光學核心模組10中，可能需要分時掃描，因為該CARS光55和該OCT光53(63)使用該單一檢測器24的相同光譜範圍。該光學核心模組10中的光學切換元件38a和38b可用於分時控制。
在此方案中，藉由使用具有比該泵浦光52的範圍R2短之波長範圍R4(舉例來說780nm)的探測光54，產生具有比該探測光54的範圍R4短之波長範圍R5的TD-CARS 55。也就係說，藉由使用具有比僅由該斯托克斯光51和該泵浦光52產生的CARS光55x之波長範圍R6短的波長範圍R4並與該泵浦光52的發射有一時間差之探測光54，產生具有比該CARS光55x的波長範圍R6短之波長範圍R5的TD-CARS 55。因此，在該TD-CARS 55與該CARS 55x之間沒產生干擾，並且可檢測到不同的TD-CARS 55而不會與該CARS光55x發生干擾。檢測由該斯托克斯光51、該泵浦光52和該探測光54所產生的時間差CARS(TD-CARS)55可能需要波長範圍比僅由該斯托克斯光51和該泵浦光52產生之CARS光55x的波長範圍R6短之探測光54。
注意，以上描述並不意味著不能將該CARS光用作經由該掃描模組11在該物體處產生的掃描光59，並且該掃描光58和該掃描光59可用於CARS光、SRS(受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering))、紅外光或任何可使用的光，只要其可以信號及/或光譜的方式捕獲該物體的狀態即可。該光學核心模組10可為一併合光學系統，其包括用於TD-CARS和OCT的兩個檢測器，或一個檢測器，其分成一半用於CARS而另一半用於OCT以檢測具有不同光譜範圍的CARS信號和OCT。
圖9(a)顯示手動延遲台(manual delay stage)29的實例，而且圖9(b)顯示電動延遲台29的實例。該探測光54與泵/斯托克斯光51和52之間的時間重疊可經由手動延遲台(+/- 2.5mm)及/或電動延遲台(+/- 2.5mm)來控制。在該手動延遲台29中，將1560nm的準直器29a安裝於該手動延遲台29b上。該電動延遲台29包括分別連接到該光纖的一對準直器29c和29d、延遲台29e和馬達29f。在該電 動光學延遲台29中，該探測光54藉由該光纖進入->準直器->自由空間->準直器->光纖出路的路徑傳輸。總行程範圍可為10mm(33ps)。
圖10舉例說明該溫度控制模組70。在該光學板21中，由於將多重光學元件30安裝於該光學板21上，並且那些元件的位置的細微偏差及/或它們之間的距離的小變化對該光學板21的光學性能具有很大的影響，於是該光學板21和該光具座20應為剛性的，並且該光學板21的溫度應恆定以避免熱膨脹的影響。因此，該核心光學模組10包括被配置為控制該光學板21及/或該光具座20的溫度之溫度控制單元70。
該溫度控制單元70之一實例包括加熱器控制器模組71。該加熱器控制器模組71藉由附接於該光學板21的熱敏電阻(thermistor)79，經由ADC 73檢測該光學板21的溫度及/或該光學板21的環境，並且經由FET 72使用加熱器78來控制該光學板21的溫度。該加熱器控制器71將該光學板21的溫度控制在周遭溫度以上以將該板21的溫度保持於恆定值。當該周遭溫度在最低例如15℃時，該加熱器78可具有將該板21的溫度維持於比平均周遭溫度(例如25℃)高出至多20℃之加熱能力。該溫度控制單元70可包括一冷卻單元例如珀耳帖冷卻單元(Peltier cooling unit)。若該光學板包括用於補償偏差及/或距離變化的自動調整單元，則該溫度控制單元可具有避免溫度突然變化並將溫度梯度保持在預定範圍內的功能。
圖11係該光學核心模組10和該非侵入性掃描模組11之間的概念配置。在該光學核心模組10中，將該斯托克斯光51、該泵浦光52和該探測光54組合並且經由該光傳輸單元15(光纖15a或自由空間耦合器(free space coupling)15b)傳送到該掃描模組11作為該掃描光58。在該掃描模組11中，經由檢流計11g 和接物鏡模組11i將該掃描光58照射到該物體(標靶、樣品)19上。TD-CARS光55由該斯托克斯光51、該泵浦光52和該探測光54在該物體19處產生，並且向後(Epi)TD-CARS光55通過與該掃描光59相同的路徑返回該光學核心模組10。該掃描模組11可包括置於該物體19的相對側上的第二接物鏡模組11f以收集該前向TD-CARS光55f。該前向TD-CARS光55f可使用與該掃描光59相同的掃描光58的路徑經由該光傳輸路徑15返回。
在該光學核心模組10中，針對該斯托克斯光51、該泵浦光52和該探測光54以分時方式產生該OCT光53，並且使用與該光51、52和54相同的路徑將傳送到該掃描模組11。也就是說，該OCT光53係經由該光傳輸單元15(光纖15a或自由空間耦合器15b)傳遞到該掃描模組11作為該掃描光58。在該掃描模組11中，該OCT光53(掃描光58)共用相同的檢流計11g和接物鏡模組11i，並且發射到該物體(標靶、樣品)19。來自該物體19的反射光62通過與該掃描光58相同的路徑返回該光學核心模組10作為掃描光59。
圖12舉例說明該光學板21上的多數光學元件30的佈置之一具體實例。從該OCT引擎60通過透鏡L1、鏡子M2、透鏡L6和L7、鏡子M7和M8到鏡子M1的路徑係用於將該OCT光53傳遞到該物體上的光學路徑36。在此實施例中，該鏡子M7和M8係於OCT光53與返回的TD-CARS光55之間的選擇鏡。當OCT光53接通時，鏡子M7和M8通過電動平移台移動到預設位置。該透鏡L6和L7係調節OCT樣品臂的光束寬度以確保將適當的NA傳遞到該物體上之擴束器(beam expander)。該OCT光53穿過檢流計和客製的多元件接物鏡，然後傳遞到該物體上。
從該OCT引擎60通過透鏡L2、分色光束分離器(dichroic beam splitter)(分色鏡)BS1、透鏡L3和鏡子M9到該檢測器(光譜儀)24的路徑係用於該OCT檢測的路徑37。從該標靶(物體)返回的(反射的)OCT光62與該參考光61合併或多路複用，以形成該干涉信號63，並且通過二透鏡L2和L3連到該光譜儀24中。在此實施例中，OCT干擾信號63和CARS光55共用同一光譜儀24，這提供同時獲取OCT和CARS的可能性。但是，若OCT和CARS的波長重疊，則需要在OCT與CARS之間進行分時。該分色光束分離器BS1於該OCT波長下可透射。
該光學路徑31、32和34係用於將該泵浦光52、該斯托克斯光51和該探測光54傳送到該標靶(目標樣品)上的路徑。在此實施例中，分色光束分離器BS4將該泵浦光52和該斯托克斯光51合併，而且分色光束分離器BS3將該探測光54與該泵浦光52和該斯托克斯光51合併。該短通濾波器(SP濾波器)沿著該探測路徑34濾掉剩餘的1560nm信號，而且該長通濾波器(LP濾波器)沿著該斯托克斯路徑31去除感興趣的區域以外的較低波長。經過該鏡子M1之後，將這些光束合併並且通過該傳輸單元15傳輸。
該光學路徑35係用於檢測後向CAR(TD-CARS)55的路徑。在此實施例中，用於選擇該前向CARS光55收集的鏡子M6及用於選擇該OCT光53和63的鏡子M7和M8透過電動台移開。分色光束分離器BS1、BS2和BS3反射該檢測到的CARS信號55以進行收集。使用該分色光束分離器BS1使得該單一光譜儀可用時供CARS和OCT檢測之用。透鏡L4和L5由擴束器組成以確保光譜儀24的適當收集NA。此路徑35上的短通濾波器(SP濾波器)確保該光譜儀24僅收集感興趣的波長。
作為該路徑35的一部分之光學路徑35a係用於檢測前向CAR 55f的路徑。在此實施例中，鏡子M6被移動到適當位置，以通過電動台選擇該前向CARS光55f。該分色光束分離器BS1反射該檢測到的CARS信號55或55f以進行收集。該透鏡L4和L5由擴束器組成以確保光譜儀24的適當收集NA。該短通濾波器(SP濾波器)確保該光譜儀24僅收集到感興趣的波長。
在此系統1中，該核心光學模組10和該掃描界面模組11至14其中一種可分開佈置，可堆疊，可在該光纖可連接該核心光學模組10和該掃描界面模組11至14的距離內平行佈置。藉由提供高度通用、共通且泛用的核心光學模組10，可輕易地針對各應用開發易於客製、成本低廉且能提供適用於各種領域的測量、研究、監測及/或自我保健的系統1之最佳掃描界面模組。
在本說明書中，揭示了一種包含核心光學模組和掃描界面模組的系統。該核心光學模組被配置為產生用於產生供搜尋標靶的信號並檢測來自該標靶的信號之光。該掃描界面模組與該核心光學模組分離，但是經由光纖或自由空間耦合器與該核心光學模組連接。該掃描界面模組可針對各應用程序進行更改。該掃描界面模組被配置為用來自該核心光學模組的傳遞光掃描標靶以產生信號並且接收來自該標靶的信號，以經由該光纖或該自由空間耦合器將該信號傳輸至該核心光學模組。該掃描界面模組可為最小侵入性採樣器、非侵入性採樣器或流量採樣器。該掃描界面模組可針對各應用而改變，例如用於測量葡萄糖、血紅蛋白A1c、肌酐及白蛋白等的指尖掃描和尿液掃描。
前面關於特定具體實例的描述將充分地揭露本文具體實例的一般性質，以至於其他人可藉由運用當前的知識，輕易地修飾及/或適應各種應用例如此等特定具體實例而不會悖離一般性，而且因此，此等改編和修飾應當並 且意圖被理解在所揭示的具體實例之等同形式的涵義和範圍以內。咸應理解本文採用的措詞或術語係出於描述的目的而非限制。因此，儘管已經根據較佳具體實例描述了本文的具體實例，但是此領域之習知技藝者將認識到本文的具體實例可在後附請求項的精神和範疇內進行修飾的情況下實踐。
1:測量系統
10:核心光學模組
11、12、13:掃描界面模組
15:光傳輸單元
15a:光纖
15b:自由空間耦合連接器
18:物體的界面
18a:按鈕
20:光具座
21:光學板
22:光纖雷射外殼
58:來自核心光學模組的傳遞光
59:來自物體的光

Claims (13)

  1. 一種測量系統，其包含核心光學模組及掃描界面模組，其中該核心光學模組係配置為產生光以通過該掃描界面模組產生用於分析一物體的信號，並且通過該掃描界面模組檢測包括來自該物體的信號之光；及該掃描界面模組可針對各應用改變，並且係配置為藉由光傳輸單元與該核心光學模組連接以利用來自該核心光學模組的傳遞光來掃描該物體並接收來自該物體的光以傳輸至該核心光學模組，其中該核心光學模組包括：一光學板，在該光學板上安裝了多數個構成用於產生光的光學路徑之光學元件；及一溫度控制單元，其被配置為藉由使用一加熱器來控制該光學板的溫度保持於一恆定值。
  2. 如請求項1之測量系統，其中該掃描界面模組與該核心光學模組分離，但是與該光傳輸單元連接。
  3. 如請求項1之測量系統，其中該核心光學模組包括：一光纖雷射外殼，其係配置為容納至少一產生饋送到該光學板的雷射之光纖雷射。
  4. 如請求項3之測量系統，其中該核心光學模組包括一堆疊結構，該光學板和該光纖雷射外殼係堆疊於該堆疊結構中。
  5. 如請求項1之測量系統，其中該溫度控制單元將該光學板的溫度控制在周遭溫度以上。
  6. 如請求項3之測量系統，其中該多數光學元件包括以下用途的多數光學元件： 供應具有第一波長範圍的斯托克斯光及具有比該第一波長範圍短之第二波長範圍的泵浦光；供應具有比由該斯托克斯光和該泵浦光產生的CARS光的波長範圍短之波長範圍的探測光，以與該泵浦光的發射有時間差的方式發射光；將該斯托克斯光、該泵浦光和該探測光同軸地輸出到該光傳輸單元；及從該光傳輸單元獲取由該斯托克斯光、該泵浦光和該探測光在該物體處產生的TD-CARS光。
  7. 如請求項6之測量系統，其中該核心光學模組另外包括具有用於控制該時間差的致動器之探測延遲台。
  8. 如請求項6之測量系統，其中該多數光學元件另外包括以下用途的光學元件：供應具有比該第二波長範圍短之第三波長範圍並至少部分地與該TD-CARS光的波長範圍重疊之OCT光；將該OCT光與該斯托克斯光、該泵浦光和該探測光同軸地輸出到該光傳輸單元；及從該光傳輸單元獲取反射的OCT光，其中該核心光學模組另外包括一OCT引擎，該OCT引擎係配置為從該OCT光分割出參考光並藉由該參考光和從該光傳輸單元反射的OCT光產生干涉光。
  9. 如請求項6之測量系統，其中該核心光學模組另外包括用以檢測該TD-CARS光的檢測器。
  10. 如請求項8之測量系統，該核心光學模組另外包括一檢測器，該檢測器包括一定範圍的檢測波長，其中該檢測波長的範圍至少一部分與該TD-CARS光和該干涉光共用。
  11. 如請求項1之測量系統，其中該光傳輸單元包括光纖或自由空間耦合器(free space coupling)。
  12. 如請求項1之測量系統，其中該掃描界面模組包括最小侵入性採樣器、非侵入性採樣器及流量採樣器中之其一。
  13. 如請求項1至12之測量系統，其中該掃描界面模組包括可穿戴掃描界面、指尖掃描界面、尿液採樣器及透析引流採樣器中之其一。
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