CN103890537A - 用于干涉仪的检测器电路 - Google Patents

Abstract

一种用于通常如可以用在光学相干层析成像装置中的多通道干涉仪的检测器电路，包括：多个测量通道（43），每一个测量通道包括测量检测器（31）；以及平衡通道（44），包括平衡检测器（30），所述测量检测器（31）中的每一个和所述平衡检测器（30）具有光敏感区域以及配置为输出指示在所述光敏感区域上入射的光的强度的信号的电输出端，其中，每一个测量通道（43）被提供有反馈电路（40），所述反馈电路包括：可变增益电路（35），具有用于来自所述测量检测器（31）的所述信号的输入端以及输出端，所述可变增益电路（35）被配置为用可变增益级别在其输出端处输出在其输入端处接收的所述信号；差分电路（38），具有用于所述可变增益电路（35）的所述输出的第一输入端、用于来自所述平衡检测器（30）的所述信号的第二输入端以及输出端，并且被配置为在其输出端处输出指示在其第一输入端和第二输入端处的所述信号的差值的信号；以及用于每一个可变增益电路（35）的控制器（36），被配置为使所述可变增益级别取决于所述差分电路（38）的所述输出的低频分量而变化。

Description

用于干涉仪的检测器电路

技术领域

本发明涉及干涉仪，并且涉及用于其的检测器电路。

背景技术

内科检查通常通过使用内窥镜来执行，在所述内窥镜中，眼睛或CCD（电荷耦合装置）摄像机对从探针的轴的远端中继的视图进行成像，由此观看邻近于探针端部的组织的表面。经常可期望的是，从组织内，而非仅仅从表面获得横截面图像。已经提出了光学相干层析成像（OCT）作为能够提供这种能力的技术。

OCT基于干涉测量法的使用，其中，将干涉仪的测量臂中的光传到待检查的对象，并且一部分被散射回干涉仪。将参考臂中的光传到在已知距离处的镜子，并且参考光束被反射回。将散射的测量光束和反射的参考光束相组合，并且在两个光束之间的干涉被检测且用来提供关于检查的对象的数据。

因此，光学相干层析成像使用干涉测量法和光的相干性质来获得散射媒介内的深度-分辨的图像，从而提供了单独使用共焦显微镜法不能达到的穿透深度和分辨率。已经获得了达2-3mm的深度的临床有用的视网膜和上皮组织的横截面图像。

在任何给定时间处，光的单个光束受限于仅在特定范围（所谓的聚深，等于两倍瑞利范围）上处于强聚焦。在作为WO2006/054116公布的PCT专利申请中，已经提出了以不同的焦距发射多光束，以便展开该范围并且在增加现场的深度的情况下产生合成图像。

在从共同的源（如最方便的诸如激光）提供用于多光束的光的情况下，则可以提供诸如幅度光束分裂器的光学装置来生成多个光束。在WO2006/054116中，公开了“咯咯作响（rattle）的板”，其包括与相对于进来的光束的垂线成一角度而设置的侧边平行的玻璃板。

传统的光源展示了两种类型的强度噪声。散粒噪声是根据泊松统计产生光量子的结果，并且与强度的平方根成比例。过噪声来自光源的不稳定性，并且与强度成比例。在使用激光光源的敏感光学系统中，惯常使用平衡检测来减小过噪声的影响。散粒噪声不能以这种方式进行校正，因为在不同检测器处光子的到达时间是不相关的。

在最简单的平衡布置中，使用一对光电二极管检测器。一个检测器接收由感兴趣的信号调制的光，另一个检测器直接从激光源接收未调制的光。每一个检测器产生与入射光成比例的电流。假如光电二极管是匹配的，并且假如光学系统被小心地调整使得它们接收相等的平均光功率，则在互阻抗放大器的输入端处的两个光电二极管电流的相减消除了共同的噪声。

在编号为5 134 276的美国专利中，公开了主动调整相对增益以去除任何平衡误差的电路。在该设计中，相当大量的光功率被引导到平衡检测器元件，并且过电流被可变电流分裂器丢弃。反馈电路不断地调整电流分裂比例，以便朝着零驱动平均输出，从而实现平衡。

反馈电路控制环路具有特征带宽。频率显著地低于该带宽（向下至零频率）的信号被当作是增益漂移，并且通过调整该分裂比例来补偿。频率显著更高的信号被当作是测量信号，并且不影响分裂比例。如果激光输出实质上是恒定的，则控制环路带宽可以被设置得非常低，通常约10Hz。

在两种情况下，相等的光电流的相减具有使散粒噪声功率翻倍（等于固有噪声电平中的3dB的增加）的缺点。然而，Hobbs宣称了他的电路的变型，其中，平衡检测器上的光功率按倍数增加，并且来自其的光电流按相同的倍数衰减。4倍将散粒噪声恶化减小至仅仅1dB。

然而，扫描源OCT已经变得日益盛行，其中，光源按波长被扫描。这样的系统可以在激光器的输出和用在OCT设备内的光学系统的响应两者中引入显著的取决于波长的变化。

发明内容

根据发明的第一方面，提供了一种用于多通道干涉仪的检测器电路，包括：

多个测量通道，每一个测量通道包括测量检测器；以及

平衡通道，包括平衡检测器，

测量检测器和平衡检测器中的每一个具有光敏感区域以及配置为输出指示在光敏感区域上入射的光的强度的信号的电输出端，

其中，每一个测量通道被提供有反馈电路，所述反馈电路包括：

可变增益电路，具有用于来自测量检测器的信号的输入端以及输出端，可变增益电路被配置为用可变增益级别在其输出端处输出在其输入端处接收的信号；

差分电路，具有用于可变增益电路的输出的第一输入端、用于来自平衡检测器的信号的第二输入端以及输出端，并且被配置为在其输出端处输出指示在其第一输入端和第二输入端处的信号的差值的信号；以及

用于每一个可变增益电路的控制器，被配置为使可变增益级别取决于差分电路的输出的低频分量而变化。

因此，通过提供在每一个测量通道上的反馈电路，检测器可以将单个平衡信号应用于多通道，因此抑制了噪声并减小了所要求的检测器的数量。差分电路的输出表示在相关测量检测器上入射的光强度，其中，应用了噪声校正。

通常，测量检测器中的至少一些和通常全部以及平衡检测器将被配置为使得来自检测器的信号包括在电输出端处流动的电流，其指示了在光敏感区域上入射的光的强度。在这样的情况下，测量通道中的每一个可以进一步包括置于电输出端与至差分电路的第一输入端之间的互阻抗放大器；类似地，平衡通道可以被提供有置于电输出端与每一个差分电路的第二输入端之间的互阻抗放大器。互阻抗放大器将通常将在电输出端处流动的电流转换为电压信号；当施加增益、延迟和偏移等等时，显著更容易的是，对基于电压的信号，而非对基于电流的信号上进行操作。

每一个通道可以被提供有调整级，其允许对来自检测器的信号的偏移、增益或延迟中的至少一个进行调整。通常，调整将是手动的。偏移的调整将通常是如此以使得当没有光落到光敏感区域上时，从检测器通道输出基本上为零的电信号。增益的调整将通常是如此以使得从检测器输出的信号的幅度粗略地相等。如由改善的噪声消除所确定的，延迟的调整将通常是如此以使得最小化从测量检测器输出的信号与从平衡检测器输出的信号之间的时间延迟差值。

每一个反馈电路的控制器可以被如此配置以便控制可变增益级别，从而使来自差分电路中的每一个差分电路的信号的低频分量的幅度相等。通常，可变增益电路将行动以放大它们的输入信号，从而产生它们的输出信号。这意味着关于测量光束的所有信号的幅度将被带到相同的级别。

通过低频分量，我们可以取更低频率的分量，而非任何期望的测量信号的平均值。通常，低频分量将包括信号的从零频率向上到截止频率的分量。在使用恒定频率光源的情况下，截止频率可以是约10赫兹（Hz）；在使用可变波长光源，且特别是扫描源光源的情况下，截止频率将通常是波长扫描的频率的通常约10倍。在后面的情况下，截止频率可以是至少20kHz或200kHz。低频分量可以用低通滤波器来确定。

每一个差分电路可以被配置为使得在其输出端处输出的信号指示了在其第一输出端和第二输出端处的信号的幅度中的瞬时差值。每一个差分电路可以包括放大器，通常是差分放大器。放大器可以被如此配置以便放大在第一输入端和第二输入端处输入的信号，并且以便在差分电路的输出端处输出放大后的信号（通常作为放大后的差分信号）。

平衡通道可以被提供有衰减器（通常是固定衰减器），其被配置为按一个量减小从平衡检测器输出的信号的幅度，该量通常对应于由光学装置提供的光功率中的增加。通常，该量将约是4的因素。这允许将使用强于测量光束的平衡光束，其已经被发现用来减小散粒噪声。

通常，以下部件中的至少一些（如果不是全部）在测量通道和平衡通道中完全相同：

·可变增益电路；

·检测器；

·互阻抗放大器；以及

·调整级。

这趋向于确保频率和时间响应是良好匹配的以便进行精确平衡。

根据本发明的第二方面，提供了一种多光束干涉仪，其包括：

多光束源，该源被如此布置以便在使用中提供多个光束，所述光束包括多个测量光束和平衡光束；

根据本发明的第一方面的检测器电路；以及

光学部件的系统，被如此布置以便将多个光束从多光束源发射到检测器电路，使得测量光束中的每一个测量光束落到不同的测量检测器的光敏感区域上，并且平衡光束落到平衡检测器的光敏感区域上。

通常，多光束源将包括扫描波长光源，测量光束和平衡光束由此在扫描频率下按波长周期地且同时地变化。在这种情况下，每一个反馈电路可以具有控制环路带宽，其控制反馈电路能够对其输入中的改变起反应的速度。

通常，控制环路带宽将是扫描频率的通常2倍、5倍或10倍，使得反馈电路可以在扫描波长光源的周期内响应在从测量检测器和平衡检测器输出的信号之间的差值的低频分量中的改变。这将允许用波长来补偿干涉仪的变化的频谱响应。通常，扫描频率将在至少10或20kHz处，而控制环路带宽将在至少100或200kHz处。

优选地，多个光束源被布置为使得平衡光束具有比测量光束中的任何测量光束更高的幅度，这可以减小平衡的散粒噪声恶化。

干涉仪可以是光学相干层析成像装置的干涉仪。

根据本发明的第三方面，提供了一种使用用于多通道干涉仪的检测器的方法，该检测器包括：

多个测量通道，每一个测量通道包括测量检测器；以及

平衡通道，包括平衡检测器，

测量检测器和平衡检测器中的每一个具有光敏感区域以及配置为输出指示在光敏感区域上入射的光的强度的信号的电输出端，

其中，每一个测量通道被提供有反馈电路，所述反馈电路包括：

可变增益电路，具有用于来自测量检测器的信号的输入端以及输出端，可变增益电路被配置为用可变增益级别在其输出端处输出在其输入端处接收的信号；以及

差分电路，具有用于可变增益电路的输出的第一输入端、用于来自平衡检测器的信号的第二输入端以及输出端，并且被配置为在其输出端处输出指示在其第一输入端和第二输入端处的信号的差值的信号；

该方法包括取决于差分电路的输出的低频分量来控制用于每一个可变增益电路的可变增益级别。

该方法可以包括控制可变增益级别，以便使差分电路中的每一个差分电路的输出的低频分量的幅度相等。这意味着关于测量光束的所有信号的幅度将被带到相同的级别。

通过低频分量，我们可以取更低频率的分量，而非任何期望的测量信号的平均值。通常，低频分量将包括信号从零频率向上到截止频率的分量。在使用恒定频率光源的情况下，截止频率可以是约10赫兹（Hz）；在使用可变波长光源，且特别是扫描源光源的情况下，截止频率将通常是波长扫描的频率的通常约10倍。在后面的情况下，截止频率可以是至少20kHz或200kHz。低频分量可以用低通滤波器来确定。

在每一个测量通道被提供有调整级的情况下，该方法可以包括步骤：对调整级进行调整，使得当没有光落到光敏感区域上时从检测器输出基本上为零的电信号，所述调整级允许对检测器的输出的偏移、增益或延迟中的至少一个进行调整。偏移的调整将通常是如此使得当没有光落到光敏感区域上时，从检测器通道输出基本上为零的电信号。增益的调整将通常是如此使得从检测器输出的信号的幅度粗略地相等。如由改善的噪声消除所确定的，延迟的调整将通常是如此使得最小化从测量检测器和平衡检测器输出的信号之间的时间延迟差值。

根据本发明的第四方面，提供了一种使用多光束干涉仪的方法，所述干涉仪根据本发明的第二方面，其中，根据本发明的第三方面的方法来操作检测器。

该方法可以包括使测量光束和平衡光束的波长在扫描频率下周期地变化。在这种情况下，每一个反馈电路可以具有控制环路带宽，其控制反馈电路能够对其输入中的改变起反应的速度。

通常，控制环路带宽将是扫描频率的通常2倍、5倍或10倍，使得反馈电路可以在扫描波长光源的周期内响应在平衡检测器的输出与测量检测器的输出之间的差值的低频分量中的改变。这将允许用波长来补偿干涉仪的变化的频谱响应。通常，扫描频率将在至少10或20kHz处，而控制环路带宽将在至少100或200kHz处。

优选地，该方法包括提供具有比测量光束中的任何测量光束更高的幅度的平衡光束。这可以减小平衡的散粒噪声恶化。通常，平衡光束将是如在光敏感区域上入射的测量光束的幅度的至少两倍（如果不至少三倍或四倍）。

干涉仪可以是光学相干层析成像装置（通常是扫描源光学相干层析成像装置）的干涉仪。

附图说明

以下仅通过举例参考附图描述本发明的实施例，在所述附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的用在光学相干层析成像装置中的干涉仪的示意图；以及

图2示出了用在图1的干涉仪中的检测器的示意图。

具体实施方式

附图的图1和图2示出了根据本发明的实施例的如用在光学相干层析成像装置中的干涉仪。虽然在不参考体现其所在的光学系统的情况下描述下面的示例，实施例可以同等地良好地与任何合适的光学布置来诸如在光纤中，或者在使用WO2006/054116中建议的部件的自由空间中一起使用。

干涉仪包括光源1。这包括扫频激光光源2，其被布置为发射输入光束9。光束9的波长按约20kHz的频率通常以锯齿图案周期地变化。

将输入的光束9发射到光束分裂器3，所述光束分裂器3将输入的光束9分裂为多个测量光束10_M（在图1中示出的两个，但是可以使用任意数量）和平衡光束10_B。平衡光束强于其它光束。

将这些光束10_M、10_B中的每一个光束传到各自的光束分裂器20，所述各自的光束分裂器20将各自的光束分裂为两个。将分裂的测量光束10_M传到两个不同的光路上；第一测量路径21包括离开期望检查的身体部分的反射。第二光路（参考路径22）具有基本上与测量路径21相同的长度。平衡光束被分裂，并且分裂的光束中的一个光束经过参考路径22，而在测量通道中，本应经过测量路径的分裂光束被丢弃。

将每一对分裂的测量光束在组合器25中进行重新组合，并且允许光束干涉；类似地，将平衡光束传递通过组合器25，但不具有与其组合的分裂版本。在分开的通道中的检测器电路23中检测重新组合后的光束和平衡光束10_M、10_B中的每一个光束。根据这个，以在WO2006/054116中描述的方式，可以检测身体部分的结构。

取决于实现的方便性，可以存在或可以不存在平衡光束分裂器和组合器。取决于使用的干涉仪的类型，分裂器和组合器可以是完全相同的光学部件。

在附图的图2中可以更详细地看到检测器电路。每一个光束10_M、10_B具有其自身的检测器或平衡通道43、44。

每一个通道43、44包括检测器31、30。检测器31、30是反向偏置的光电二极管（相同类型的全部）；每一个光电二极管具有光敏感区域，相关光束10_M、10_B被入射到所述光敏感区域上。在平衡检测器30上的平均光功率被布置为是在测量检测器31中的每一个测量检测器上的平均光功率的约四倍，并且平衡通道44中的衰减器33对应地将平衡信号减小为1/4。与用相等的功率进行平衡相比，这将如在输出端处看到的散粒噪声改善了2dB。衰减器33用小的固定电阻来实现，从而给予其平坦的频率响应，并且引入了可忽略的延迟。

测量通道43和平衡通道44中的每一个包括连接至每一个光电二极管31、30的互阻抗放大器32。互阻抗级的设计是如此使得频率响应对于光电二极管的电容相对不敏感，并且不需要针对稳定性的调整。这些特征与宽的带宽一起帮助达到精确匹配。

每一个信号在每一个通道43、44内穿过调整级34，其中，偏移、增益和延迟针对最佳性能被手动地微调。任何显著的电压偏移将影响平衡精确度，所以偏移调整用来取出当光束10_M、10_B被检测器31、30阻塞时仍保持的任何电子偏移。增益调整允许信号被调整为近似相等，使得自动平衡电路将在它们的控制范围的中间周围进行操作。延迟调整允许对光学系统中不同的路径长度进行补偿，要不然其将使特别是在更高的频率下的过噪声的消除退化。单个主动级能够在40MHz的带宽上精确地补偿高达2.5ns（在空气中750mm或在玻璃纤维中500mm）的时间差值。

由包括可变增益35、减法器38和控制器36的反馈电路40在每一个测量通道43中施加噪声校正。可变增益修正测量信号以等于固定平衡，而非以相反的方式，这具有将所有通道的增益锁定在一起的优点。为确保在频率范围上精确匹配平衡信号，平衡信号也穿过平衡通道44中的完全相同的可变增益级35，但在该情况下，由设定37设置到恒定的中间增益。可变增益35包括由跟随有固定增益的将N沟道JFET用作为可变电阻器的可变衰减器。减法器38是差分放大器，其也施加一些附加的增益。

对于使用波长扫描激光器2的应用，在感兴趣的信号可能仅是要求反馈电路40跟踪的平衡中的变化的10倍的情况下，则要求相对复杂的滤波器。控制器在更低的频率下需要更高的增益，以便精确地跟踪，但也需要在更高的频率下的更低的增益以避免调制可变增益并且引起测量信号的第二谐波失真。

在特别是由于激光器2的幅度的变化而导致的过噪声被去除的情况下，测量信号自己被输出为减法器38的输出。因为激光器幅度中的低频变化已经被去除，所以平衡信号的低频幅度和可变增益的输出将是相同的，从而在减法器的输出端处仅留下测量信号（由于测量信号和参考信号的干涉而导致的干涉图）。

Claims (17)

1. 一种用于多通道干涉仪的检测器电路，包括：

多个测量通道，每一个测量通道包括测量检测器；以及

平衡通道，包括平衡检测器，

所述测量检测器和所述平衡检测器中的每一个具有光敏感区域以及配置为输出指示在所述光敏感区域上入射的光的强度的信号的电输出端，

其中，每一个测量通道被提供有反馈电路，所述反馈电路包括：

可变增益电路，具有用于来自所述测量检测器的所述信号的输入端以及输出端，所述可变增益电路被配置为用可变增益级别在其输出端处输出在其输入端处接收的所述信号；

差分电路，具有用于所述可变增益电路的所述输出的第一输入端、用于来自所述平衡检测器的所述信号的第二输入端以及输出端，并且被配置为在其输出端处输出指示在其第一输入端和第二输入端处的所述信号的差值的信号；以及

用于每一个可变增益电路的控制器，被配置为使所述可变增益级别取决于所述差分电路的所述输出的低频分量而变化。

2. 权利要求1所述的检测器，其中，所述测量检测器和所述平衡检测器被配置为使得来自所述检测器的所述信号包括在所述电输出端处流动的电流，其指示了在光敏感区域上入射的光的所述强度，并且所述测量通道中的每一个包括置于所述电输出端与至所述差分电路的所述第一输入端之间的互阻抗放大器；以及所述平衡通道包括置于所述电输出端与每一个差分电路的第二输入端之间的互阻抗放大器，所述互阻抗放大器被如此配置以便将形成来自所述检测器的所述信号的所述电流转换为电压信号。

3. 权利要求1或权利要求2所述的检测器，其中，每一个反馈电路的所述控制器被如此配置以便控制可变增益级别，从而使来自差分电路中的每一个差分电路的所述信号的低频分量的所述幅度相等。

4. 权利要求中的前述任意一项所述的检测器，其中，所述平衡通道被提供有衰减器，所述衰减器被配置为按一个量减小来自所述平衡检测器的所述信号的所述幅度。

5. 权利要求中的前述任意一项所述的检测器，其中，每一个通道被提供有调整级，其允许对来自所述检测器的所述信号的所述偏移、增益或延迟中的至少一个进行调整。

6. 权利要求中的前述任意一项所述的检测器，其中，以下部件中的至少一些或全部在一方面的所述测量检测器和另一方面的所述平衡检测器中完全相同：

·可变增益电路；

·检测器；

·互阻抗放大器；以及

·调整级。

7. 一种多光束干涉仪，包括：

多光束源，所述源被如此布置以便在使用中提供多个光束，所述光束包括多个测量光束和平衡光束；

根据前述任意一项权利要求的检测器电路；以及

光学部件的系统，被如此布置以便将所述多个光束从所述多光束源发射到所述检测器电路，使得所述测量光束中的每一个测量光束落到不同的测量检测器的光敏感区域上，并且所述平衡光束落到所述平衡检测器的所述光敏感区域上。

8. 权利要求7所述的干涉仪，其中，所述多光束源包括扫描波长光源，所述测量光束和所述平衡光束由此在扫描频率下按波长周期地且同时地变化，每一个反馈电路具有控制环路带宽，其控制所述反馈电路能够对其输入中的改变起反应的速度，所述控制环路带宽高于所述扫描频率。

9. 权利要求7或权利要求8所述的干涉仪，其中，所述多光源被配置为使得所述平衡光束具有比所述测量光束中的任何测量光束更高的幅度。

10. 权利要求7至9中的任意一项所述的干涉仪，其是光学相干层析成像装置的干涉仪。

11. 一种使用多通道干涉仪的检测器的方法，所述检测器包括：

多个测量通道，每一个测量通道包括测量检测器；以及

平衡通道，包括平衡检测器，

测量检测器和平衡检测器中的每一个具有光敏感区域以及配置为输出指示在所述光敏感区域上入射的光的强度的信号的电输出端，

其中，每一个测量通道被提供有反馈电路，所述反馈电路包括：

可变增益电路，具有用于来自所述测量检测器的所述信号的输入端以及输出端，所述可变增益电路被配置为用可变增益级别在其输出端处输出在其输入端处接收的所述信号；以及

差分电路，具有用于所述可变增益电路的所述输出的第一输入端、用于来自所述平衡检测器的所述信号的第二输入端以及输出端，并且被配置为在其输出端处输出指示在其第一输入端和第二输入端处的所述信号的差值的信号；

所述方法包括取决于所述差分电路的所述输出的低频分量来控制用于每一个可变增益电路的所述可变增益级别。

12. 权利要求11所述的方法，包括控制所述可变增益级别，以便使来自所述差分电路中的每一个差分电路的所述信号的低频分量的所述幅度相等。

13. 权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，每一个测量通道被提供有调整级，其允许对来自所述测量检测器的所述信号的所述偏移、增益或延迟中的至少一个进行调整，所述方法包括步骤：对所述调整级进行调整，使得当没有光落到所述光敏感区域上时从所述测量检测器输出基本上为零的电信号。

14. 一种使用多光束干涉仪的方法，所述干涉仪根据权利要求7至10中的任意一项，其中，所述检测器根据权利要求11至13中的任意一项所述的方法进行操作。

15. 权利要求14所述的方法，包括在扫描频率下使所述测量光束和平衡光束的所述波长周期地变化，每一个反馈电路具有控制环路带宽，其控制所述反馈电路能够对其输入中的改变起反应的速度，所述控制环路带宽高于所述扫描频率。

16. 权利要求14或权利要求15所述的方法，包括提供具有比所述测量光束中的任何测量光束更高的幅度的所述平衡光束。

17. 权利要求16所述的方法，其中，所述平衡光束是如在所述光敏感区域上入射的所述测量光束的所述幅度的至少两倍、三倍或四倍。

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