CN109073459B - 用于执行光谱学的系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于对目标执行光谱学的系统。在一些方面，该系统包括光学组件，该光学组件包括被配置为以一个或多个频率生成要被引导到目标的光的光源。光学组件还包括至少一个光学滤波器，该至少一个光学滤波器被配置成选择来自目标的期望的光信号，其中该至少一个光学滤波器包括标准具和标准具外部的至少一个反射表面，该至少一个反射表面被配置成将从标准具反射的入射光束至少一次重新引导到标准具。

Description

用于执行光谱学的系统

关联申请的交叉引用

本申请基于2016年2月12日提交的题为“标准具滤波器（ETALON FILTERS）”的美国序列第62/294,781号，要求其优先权，并且通过引用将其整体结合于此。

背景技术

本公开大体涉及用于高分辨率光谱学的系统和方法，并且特别地涉及光学光谱滤波器。

在许多光学应用（诸如拉曼散射光谱学、激光荧光成像、布里渊散射和其他散射光谱学方法）中，拒绝不需要的光谱分量经常是必要的。在这些技术中，抑制或滤除不需要的光谱分量（包括来自激光源和光学部件的弹性散射）是有益的。

为此，衍射元件（诸如衍射光栅）经常用于在空间上分离光信号。这允许选择特定信号，同时阻挡不需要的背景信号。另一种方法包括使用在背景信号和期望信号之间具有差别的透射或反射的光谱滤波器。常规地，介电叠层滤波器用作光谱滤波器。然而，取决于具体应用也使用了其他类型。例如，全息体积滤波器已用于拉曼散射。用于激光线滤波的其他滤波器已包括有机吸收剂及其溶剂。此外，由一系列双折射晶体板组装的立奥（Lyot）滤波器也已用于拒绝某些波长。当使用口袋电池（pocket cell）代替无源双折射晶体时，一些立奥型滤波器也可具有可调谐的透射波长峰值。

通常，上述光谱滤波器的阻带或边缘的宽度范围从几纳米到几十纳米。尽管对于一些实现是适当的，但是这种常规的滤波技术对于波长或频率偏移是非常小的应用来说是不足够的。例如，在布里渊散射中，波长偏移通常是小于1皮米，这比常规光学滤波器的能力小几个数量级。

自从20世纪70年代以来，气体电池（gaseous cell）已被用作拉曼散射和布里渊散射中的陷波滤波器，用于提供强而尖锐的吸收线。然而，这些具有若干个固有的缺点。首先，气体电池滤波器在特定波长下操作，且因此其适用性受到限制。这是因为气体电池滤波器利用封闭舱中某种气体的强光学吸收。由于气体的吸收光谱是固定的，所以滤波器只能针对特定波长工作。而且，气体电池的吸收光谱中经常存在多个凹口。凹口和期望信号之间的干扰可导致信号消光的不期望的降低。此外，气体电池通常需要被加热至高温以实现高消光，这使光学装置更加复杂。例如，布里渊微光谱学中使用的碘蒸气需要加热到100°C以达到50 dB的消光。

因此，需要改进的滤波以克服上述困难。

发明内容

本公开提供了用于光谱学的系统，其克服了先前技术的缺点。本公开的特征和优点将从以下描述中显现。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于对目标执行光谱学的系统。该系统包括光学组件，该光学组件包括光源，该光源被配置成以一个或多个频率生成要被引导到目标的光。光学组件还包括至少一个光学滤波器，该至少一个光学滤波器被配置为选择来自目标的期望的光信号，其中该至少一个光学滤波器包括标准具和标准具外部的至少一个反射表面，该至少一个反射表面被配置为将从标准具反射的入射光束至少一次重新引导到标准具。

根据本公开的另一方面，提供了一种光学滤波器。光学滤波器被配置为从入射光束选择分离的光信号，其中光学滤波器包括标准具和标准具外部的至少一个反射表面，该至少一个反射表面被配置为将来自标准具的反射光束至少一次重新引导到标准具。

附图说明

通过以下结合示出本发明的图示性实施例的附图的详细描述，本公开的其他目的、特征和优点变得显而易见，在附图中：

图1A是图示根据本公开的陷波滤波器的概念图。

图1B是根据本公开的方面的概念性图解带通滤波器。

图2A示出了根据本公开的方面的示例系统。

图2B示出了根据本公开的方面的另一个示例系统。

图2C示出了根据本公开的方面的又另一个示例系统。

图2D示出了根据本公开的方面的又另一个示例系统。

图3A是图示根据本发明的方面的示例标准具的示意图。

图3B是示出穿过图3A的示例标准具的测量到的透射率的曲线图。

图3C是示出从图3A的示例标准具的测量到的反射率的曲线图。

图4A是示出根据本公开的方面的通过角度倾斜的标准具的透射调制的曲线图。

图4B是根据本公开的方面的通过角度倾斜的标准具调谐的图示。

图5A是示出根据本公开的方面的通过温度调谐的标准具的透射调制的曲线图。

图5B是根据本公开的方面的使用温度的标准具调谐的图示。

图6是示出根据本公开的方面的激光频率锁定（清理）滤波器的示例性分布的示意图。

图7是图示根据本发明的方面的具有清理滤波器的有源频率锁定方案的曲线图。

图8A示出了根据本公开的方面的陷波滤波器的一个示例。

图8B示出了根据本公开的方面的陷波滤波器的另一个示例。

图8C示出了根据本公开的方面的陷波滤波器的又另一个示例。

图8D示出了根据本公开的方面的带通滤波器的一个示例。

图8E示出了根据本公开的方面的带通滤波器的另一个示例。

图8F示出了根据本公开的方面的带通滤波器的又另一个示例。

图8G示出了根据本公开的方面的带通滤波器的又另一个示例。

图8H示出了根据本公开的方面的带通滤波器的又另一个示例。

图9A示出了根据本公开的方面的与基于单级或多级虚拟成像相控阵列（VIPA）的光谱仪组合的滤波器的示例。

图9B示出了根据本公开的方面的图9A的一个实施例。

图9C示出了根据本公开的方面的图9A的另一个实施例。

图10A是示出根据本公开的方面的使用来自标准具的一次反射所测量到的消光分布的曲线图。

图10B是示出根据本公开的方面的使用来自标准具的两次反射所测量到的消光分布的曲线图。

图10C是示出根据本公开的方面的使用来自标准具的三次反射所测量到的消光分布的曲线图。

图11是示出根据本公开的方面的作为反射次数的函数的陷波滤波器的总透射率（红色标记）、消光率（黑色标记）的曲线图。

图12A是示出根据本公开的方面的模拟中的滤波器的透射率分布的曲线图。

图12B是示出根据本公开的方面的图12A的模拟中的三通滤波器的反射率分布的曲线图。

图12C是示出根据本公开的方面的图12A的模拟中的模拟的信号的曲线图。

图12D是示出根据本公开的方面的图12A的模拟中的具有频率锁定清理滤波器的激光线的一通透射的曲线图。

图12E是示出根据本公开的方面的图12A的模拟中用于背景清洁的三通反射带阻滤波器的曲线图。

图12F是示出根据本公开的方面的图12A的模拟中的经滤波的信号的曲线图。

图13A是示出根据本公开的方面的另一个模拟中的滤波器的透射率分布的曲线图。

图13B是示出根据本公开的方面的图13A的模拟中的三通滤波器的反射率分布的曲线图。

图13C是示出根据本公开的方面的图13A的模拟中的模拟的信号的曲线图。

图13D是示出根据本公开的方面的图13A的模拟中的具有频率锁定清理滤波器的激光线的一通透射的曲线图。

图13E是示出根据本公开的方面的图13A的模拟中用于背景清洁的三通反射带阻滤波器的曲线图。

图13F是示出根据本公开的方面的图13A的模拟中的经滤波的信号的曲线图。

图14是示出根据本公开的方面的来自甲基丙烯酸甲酯（PMMA）样本的布里渊散射信号的所测量到的光谱的曲线图。

图15A是示出根据本公开的方面的使用系统从人巩膜记录的光学信号的图像。

图15B是示出对于图15A中测量的光学信号进行信号计数的曲线图。

图16A是示出根据本公开的方面的用于使用系统实现背景抑制的模拟中的信号的曲线图。

图16B是示出根据本公开的方面的图16A的模拟中的三通透射和激光线的曲线图。

图16C是示出根据本公开的方面的图16A的模拟中的经滤波的信号的曲线图。

图17A是示出根据本公开的方面的用于使用系统实现背景抑制的另一个模拟中的信号的曲线图。

图17B是示出根据本公开的方面的图17A的模拟中的三通透射和激光线的曲线图。

图17C是示出根据本公开的方面的图17A的模拟中的经滤波的信号的曲线图。

具体实施方式

许多光谱应用（诸如拉曼散射和基于光谱仪的布里渊成像）需要拒绝激发光、杂散光和其他背景噪声，同时维持来自目标的期望的信号。然而，当期望信号和非期望信号之间的差异较小时，难以分离信号。这是因为常规光学滤波器的阻带或边缘被限制在大约几纳米，而来自一些光谱应用（像布里渊散射）的波长差异可以是1皮米或更小的量级。作为结果，无法以高消光比消除混淆信号和噪声。

因此，本公开提供了用于光谱学的系统，其可以克服先前技术的缺点。特别地，本文引入了基于标准具滤波器的新颖滤波方法，其可以产生具有高保真度、消光比和增加的信号背景比（“SBR，）的期望信号的滤波。特别是，高消光布里渊光谱学能够实现生物样本的生物力学成像，特别是非透明组织，诸如巩膜、皮肤、血管壁和内部组织。然而，本方法与需要光学滤波的广泛应用相关，诸如复用通信系统，以及温度应用、机械振动应用、声波应用、电压应用、磁场应用等。

在本公开的一些方面，提供了一种陷波滤波器。陷波滤波器可以使用至少一个标准具以及其他光学元件（诸如镜子、透镜和其他部件）形成。在陷波滤波器的一个实施例中，由标准具反射的入射光束可以例如使用镜子或反射表面多次重新引导回到标准具。如将描述的，与使用来自标准具的单通反射实现的阻带相比，这提供显著改善的拒绝率。作为示例，图1A图示根据本公开使用陷波滤波器来抑制频谱的一部分中的信号，同时允许频谱的其他部分中的信号的概念。特别地，陷波滤波器的应用可以产生用于激光线λ₀的阻带10，以及期望信号被维持的通带12。替代地，陷波滤波器可以被配置为允许激光线的透射，同时拒绝所有其他带。据设想，所提供的陷波滤波器可以用于强背景噪声抑制和信号消光是有利的应用中，诸如在布里渊成像和拉曼散射成像中。

在本公开的其他方面，提供了一种带通滤波器。带通滤波器可以使用至少一个标准具以及其他光学元件（诸如镜子、透镜和其他部件）形成。在带通滤波器的一个实施例中，入射光束可以多次横穿标准具，光束在两个镜子或反射表面之间来回反射。作为示例，图1B图示根据本公开使用带通滤波器来抑制频谱的一部分中的信号，同时允许频谱的其他部分中的信号的概念。特别地，带通滤波器的应用可以产生包括激光线λ₀的阻带10带，以及期望信号被维持的通带12及。替代地，带通滤波器可以被配置为允许包括激光线的带的透射，同时拒绝所有其他带。在一个设想的应用中，根据本公开的方面的带通滤波器可用于消除来自光源的自发发射噪声。另外，所提供的带通滤波器可用作频率锁定滤波器以使源激光器的频率稳定。

转到图2A，示出了根据本公开的方面的示例系统100。通常，系统100可包括光学组件102、控制器104、数据生成器和/或数据处理器106，以及一个或多个信号传感器108，或其任何组合。系统100还可以包括用于接收输入和操作指令的输入110，以及用于提供生成的报告的输出112。在一些方面，系统100还可以包括用于旋转和平移各种光学部件（包括马达、齿轮、可移动台等）的能力。系统100的各种部件可以包括在单个壳体或外壳中。替代地，系统100的多个部件可以被单独地容纳作为独立或单独的部件或设备。在一些方面，系统100可以是光谱学系统，如图2B-图2D中所图示的实施例中所示，如将所描述。

图2A中的光学组件102可包括各种光学部件和硬件，包括光源、透镜、准直器、分束器、衍射光栅、全息图、镜子、光学隔离器、单模或多模光纤、光纤束、波导或光学耦合、以及偏振器、快门、滤波器、放大器、衰减器、滤波器等的各种组合。特别地，光源可以配置成生成单色（单波长）、多色（多个波长）或宽带（一系列波长）光信号。非限制性示例光源可包括白炽光源、荧光光源、发光二极管（“LED性）、超发光LED、激光器、激光二极管和其他光源。生成的光可以是连续波（稳定的）、频率或在时间上调制的。例如，调制的光可以是正弦调制的、步进调制的、三角调制的、任意调制的或脉冲的。如此，光源可以在连续波、频域和时域中操作。

在一些方面，光学组件102包括一个或多个标准具，形成一个或多个清洁滤波器、陷波滤波器和带通滤波器。图3A中示意性地示出了示例标准具300。具体地，标准具300包括由空气或具有厚度d的固体材料分开的两个半透明表面302。具有波长λ和在标准具300上的入射角θ'的光束304经历多次反射，并且可以产生多个反射光束306和透射光束308。在每次反弹期间，光束304经历相变4πnd/λ，其中θ 是标准具中的入射角且n是折射率。反射光束306和透射光束308的干涉导致入射光束304的调制。特别地，标准具300的透射频谱T包括在其处发生相长干涉的一系列谐振频率峰。峰之间的频率间隔是自由频谱范围（“FSR的）。当吸收和散射损失较小时，反射频谱R为1减去透射频谱T，因此形成一系列阻带。

在一些实施例中，FSR、精细度和反射次数都可以被选择以改善性能。标准具的拒绝效率或消光是频率相关的，并且是谐振峰之间的最大值；也就是说，在与谐振频率相隔FSR的一半的频率处。在透射模式中，布里渊信号穿过标准具的透射峰。因此，在一些实施例中，标准具的FSR约等于或略大于样本的布里渊频移的两倍。可以选择FSR稍微大于FSR的一半的原因是因为FSR越高，透射峰变得越宽，并且因此布里渊信号的可用频率范围越宽。在反射模式中，可以选择标准具的透射峰以与激光线重合，并且高的拒绝效率将是期望的。在这种情况下，标准具的FSR可以等于典型的布里渊频移的两倍，尽管FSR可以稍微高于在透射模式的情况中的FSR。

在两种模式中，标准具的精细度也可以被选择为在最佳范围内。随着精细度增加，拒绝效率增加但谐振峰的宽度减小。太尖锐的谐振峰可能不是期望的，因为这降低了透射模式中可用的布里渊信号范围的宽度。在反射模式中，窄谐振峰需要严格控制标准具的透射峰以便使其与激光线对齐，尽管可以通过将激光波长锁定到标准具来避免这种困难。一些实施例使用中至低精细度，例如，小于20但大于5。精细度太低（例如，低于约5）可能不是期望的，因为其拒绝效率将太低。当使用具有中至低精细度的标准具时，其单通拒绝效率对于某些应用可能不够高。在这种情况下，多通配置是有用的。在一些实施例中，透射模式和反射模式两者中的通过次数选择为大于2但小于6（即，在3至5的范围内）。低边界来自具有足够消光的需求。上边界是由于随着通过的次数增加布里渊信号的插入损耗的增加，该插入损耗典型地随通过的次数呈指数增长。在相同的消光水平下，对于具有低到中精细度的标准具的多通获得比对于具有高精细度（例如，大于20）的标准具的单通更宽的透射带。

作为示例，图3B和图3C描绘了使用如参考图3A所描述的标准具获得的示例性透射频谱和反射频谱。标准具由一块熔融二氧化硅制成，其面积为25mm×25mm且厚度为约6.4mm，具有2nm的均方根（RMS）厚度均匀性。 FSR为约16 GHz。对于近似720nm至840nm的波长范围，两侧上的反射率涂层为约65％。用具有光束直径为约2.8mm的780nm单波长激光器获得测量到的数据。对于该测量，用模拟斜坡电压信号调制激光器的光学频率。使用具有30-dB动态范围的光电二极管测量透射分布。标准具的精细度（指的是透射峰的锐度）被测量为约7。在透射模式中，最大透射率为在谐振频率处的近似97％，最小透射率为在谐振峰之间的约5.3％，从而提供了约11.9 dB的拒绝率。由于诸如光学吸收、平坦缺陷和对准误差之类的原因，尽管反射模式通常比透射模式更具挑战性，但是可以在反射模式中获得高的最佳拒绝率。在此认识到，通过级联标准具的多个级可以获得更高的拒绝率。

再次参见图2A，系统100还包括控制器104，该控制器104被配置为控制系统100。控制器104可以与光学组件102、数据生成器或数据处理器106和信号传感器108的各种元件通信、协调和控制光学组件102、数据生成器或数据处理器106和信号传感器108的各种元件。信号传感器108可以包括一个或多个光学检测器，诸如半导体光电二极管、PIN光电二极管、CCD和CMOS图像传感器、光子计数雪崩光电二极管（“APD感）等。数据生成器或数据处理器106可以包括用于获取和/或处理光学和其他数据的各种硬件和部件。尽管在图2A中示出为单独的部件，但数据生成器或数据处理器106和信号传感器108可以被组合成单个设备或装置，诸如例如CCD相机或光谱仪。

在一些方面，控制器104可以被配置为控制光源的光学频率与清洁滤波器、陷波滤波器或带通滤波器中的一个或多个的谐振频率的对齐。这可以通过控制光源的光学频率或调谐滤波器的谐振频率来实现。以这种方式，例如，通带可以与一个或多个感兴趣的期望线匹配，同时拒绝频谱的其他部分。

在一些方面，控制器104可以配置成控制一个或多个标准具的透射分布。这可以使用多种技术来实现，包括角度调谐、温度调谐、通过压电技术的宽度调谐，以及用于气隙标准具的压力调谐。作为示例，图4A和4B描绘了由于角度调谐的标准具400的透射调制。对于具有光学频率或波长的入射光束402，由检测器406接收的透射光束404的功率可以根据标准具在一个或多个方向上的倾斜角而变化，如图4B所示。 换句话说，标准具的透射谐振频率根据倾斜角被调谐，如图4A所示。

作为另一个示例，图5A和图5B描绘了由于温度调谐的标准具500的透射调制。特别是，该技术可用于空气标准化的（air-filed）标准具或固体标准化的（solid-filed）标准具。对于固体标准化的标准具，可调谐度的范围可以取决于所使用的材料。标准具500可以定位在具有温度控制能力的耐热外壳502中，例如在外壳502内部。形成在外壳502中的至少一个窗口504允许入射光束506进入外壳502以及透射光束508离开外壳502，并被检测器510接收，如图5B中所示。温度调谐分布或透射谐振分布可以通过测量归一化到输入功率的透射光的功率作为温度的函数来生成，如图5A所示。

现在转到图2B，示出了根据本公开的系统200的一个实施例。系统200包括频率锁定模块202，该频率锁定模块202包括光源204和第一滤波器206，以及信号感测模块208，第二滤波器模块210，数据模块212和计算机214，如图所示。在一个方面，频率锁定模块202中的第一滤波器206可以是以基于标准具的带通滤波器的形式的频率锁定或清理（cleanup）滤波器，如所描述。然后，由光源204产生的光（例如，作为激光）将进入第一滤波器206，然后该第一滤波器206选择特定波长或频率，同时拒绝不期望的波长或频率。在一些方面，可以使用由计算机214执行的软件或编程将光的中心频率（或波长）锁定到第二滤波器210的透射峰。锁定方案使激光输出稳定，并且可以保证由第二滤波器210进行的适当操作或者滤波。

如图所示，由信号感测模块208接收的信号然后被引导到第二滤波器210。在一些方面，第二滤波器210可以包括根据本公开的方面的基于标准具的带通滤波器、带阻滤波器或陷波滤波器。如所提及，在一些方面，第二滤波器210可以与第一滤波器206匹配或被锁定到第一滤波器206。然后，由第二滤波器210滤波的信号可以由数据模块212获取并被进一步处理。然后，计算机214可以从数据模块212获得原始和/或经处理的数据并生成报告。

在一些实施例中，系统200可用于激光线与背景噪声的高消光比是关键的应用，诸如布里渊显微术。典型地，当以100MHz-500MHz的带宽测量时，可能期望大于80 dB的消光比。对于高度散射的样本，可能期望大于100dB的消光比。作为示例，图6示出了激光频率锁定或清理滤波器的示意性分布。作为带通滤波器，该分布包括中心通带，以及在中心峰λ₀两侧的阻带。该滤波器可以抑制激光光谱的侧模，并因此可以用于稳定光的输出频率或波长，该光的输出频率或波长可以被锁定到第二滤波器的透射峰。

例如，具有诸如图6中所示的分布的清理带通滤波器可以被采用以抑制激光输出中的自发发射背景和假侧模（spurious side-mode）。该滤波器可以是关键的，尤其是当半导体激光器用作激光源（其典型具有相对高的自发噪声背景）时。通过典型光谱仪测量到的典型激光与自发噪声比为-50dB至-55dB。当对高度散射的组织（诸如巩膜）进行成像时，由激光线和背景两者组成的有限量的激光输出被弹性散射。虽然可以通过滤波器和VIPA标准具来抑制激光线，但是布里渊频率范围内的宽带自发发射背景无法在不失去布里渊信号的幅度的情况下被抑制，因为它们占据相同的频率。在一些实施例中，放置在样本之前的清理滤波器是有用的，因为它在背景噪声从样本散射之前抑制布里渊频带处的该背景噪声。用于在布里渊频率范围内实现足够高的激光-背景比（通常大于65dB）的这种布置对于对具有高散射诱导的背反射的组织（诸如巩膜）进行成像是有用的。清理滤波器的透射与激光线和透射或反射滤波器的高拒绝峰对齐。可以使用的清理滤波器的类型的示例包括：标准具、衍射光栅和气体吸收滤波器。例如，标准具清理滤波器可具有范围为5至20的精细度。FSR可以被选择为布里渊频移的近似两倍或者适度地大于布里渊频移。布里渊系统可以采用与2级VIPA光谱仪结合的激光清理滤波器和反射模式陷波标准具滤波器两者。诸如系统的实施例已使得对巩膜中的高度散射的眼组织能够进行布里渊成像，这在先前是不可能的。

转到图2C，示出了根据本公开的方面的有源频率锁定系统230的一个实施例。系统230可以包括与源控制器234通信的计算机232，由源控制器234控制的光源236。光源236可以是激光器或其他可调谐光学源。在一个非限制性示例中，激光器可以是二极管激光器或半导体激光器。系统230还可以包括频率锁定滤波器238、光束采样器240和检测器244。由光源236生成的光束通过频率锁定滤波器238并撞击在光束采样器240上。光束的一部分（例如小于5％）可以被朝向检测器244反射，而另一部分可以被引导到目标，诸如样本或组织。检测器244可以是光电检测器并且被配置为向计算机232提供例如以模拟信号的形式的反馈信号。

可以按通过计算机232指导的使用源控制器234连续地调谐光源236的输出的频率，例如以实现接近最大的功率产量。如所描述的，输出也可以锁定到与基于标准具的滤波器的透射峰相对应的频率。例如，可以通过向源控制器234提供模拟电压输入来完成频率的调谐，其中输入分辨率约为1mV，且调谐分辨率约为10MHz。通过主动地维持穿过频率锁定滤波器238的透射大于峰透射的98％，实现小于20MHz的频率锁定稳定性。

图7中图示这种频率锁定方案。例如，使用频率可调谐的激光系统，可以调制输出以便在与标准具的至少一个透射峰700一致的频率范围内扫描。然后，可以通过主动调制或抖动频率来将输出的频率锁定在窄频率范围内，以相对于预定阈值维持穿过滤波器的透射功率。作为示例，这样的阈值可以高于90％的功率透射，或者更具体地大约95％的功率透射。

现在参考图2D，示出了根据本公开的方面的系统260的另一个示例。系统260包括计算机262、数据模块264、光源266和光学组件268。如所描述，光源266可以包括激光器，诸如二极管激光器。特别地，光学组件268包括第一光学隔离器270、第一半波长波片272、第一滤波器274、分束器276和光电检测器278。如上所描述，光电检测器278可用于提供反馈，用于使用计算机262和光源266实现频率锁定。特别地，根据本公开，光源266的输出频率或波长可以被调谐并锁定到第一滤波器276的中心频率或波长，第一滤波器276可以是基于标准具的带通滤波器。

光学组件268还包括连接光学组件268的各种光学元件的多个光纤280。光学组件还包括可以机动化的实验接口282。实验接口282可以包括第二半波长波片284、偏振分束器286、第二光学隔离器288和物镜290。如所示，来自实验接口282的信号可以经由光纤280被引导到第二滤波器292。在一个示例中，根据本公开，第二滤波器292可以是陷波滤波器。然后，来自第二滤波器292的经滤波的信号可以由数据模块264引导和处理。如图所示，数据模块264可以包括虚拟成像相控阵列（“VIPA虚）294和成像器296，成像器296例如可以是CCD相机。VIPA 294是单级或多级VIPA光谱仪，如图9A-图9C的示例中所示。

根据本公开的方面，图8A-图8H描绘了滤波器的各种实施例。特别参考图8A-图8C，示出了具有多次反射的陷波滤波器的不同变型。具体地，图8A和图8B示出了包括一个标准具和标准具外部的一个镜子的配置。从标准具反射的入射光束被镜子或其他反射表面多次重新引导回到标准具。出射光束的反射次数和方向可以由标准具和镜子的尺寸和相对位置来确定。例如，在图8A中，反射次数、镜子的尺寸和位置（相对于标准具垂直偏移）导致出射光束802与入射光束800处于相同的方向。作为对比，在图8B中，出射光束802'在入射光束800的相反方向上。标准具和镜子可以用标准具角度调谐技术仔细对准，以实现具有在标准具上的基本上相同的光束入射角的多次反射。在陷波滤波器的一个变型中，如图8C中所示，可以利用两个基本上平行的标准具。引导到第一标准具的入射光束800被反射到第二标准具，等等，达多次。如图8A-图8C中所示，入射光束800以例如相对于标准具的表面例如小于10度的角度定向。

如所描述，与使用来自标准具的单通反射实现的阻带相比，陷波滤波器可以提供显著改善的拒绝率。原则上，拒绝效率或消光比可以随着标准具的数量和反射次数而增加。例如，如果一个反射分布的消光为10 dB，则对于两次反射可实现达到20 dB，对于三次反射可达到30 dB，依此类推。在实践中，由于对准引起的误差、损失引起的吸收、光束形状变形可以随着每个附加反射而累积，并且如此将需要在选择陷波滤波器中的特定配置和光束反射次数时被考虑。

如所描述，陷波滤波器可用于各种应用中。例如，图9A和图9B示出了组合基于标准具和镜子的陷波滤波器和一级或两级VIPA光谱仪的光学组件。具体地，图9A的光学组件示出陷波滤波器900、准直透镜（“CL直）、虚拟成像相控阵列（“VIPA成）、物镜（“OL物）和成像器（“EMCCD（）。图9B的光学组件示出陷波滤波器900、第一准直透镜（“CL1准）、第一虚拟成像相控阵列（“VIPA 1成）、第二准直透镜（“OL2二）、第一物镜（“OL1一）、第二虚拟成像相控阵列（“VIPA 2成）、第二物镜（“OL2二）和成像器（“EMCCD（）。

特别地参考图8D-图8E，示出了具有多次透射的带通滤波器的不同变型。具体地，在图8D和图8E中，使用在标准具外部并且基本上平行于标准具的两个镜子，入射光束800多次透射通过标准具。取决于标准具和镜子的尺寸和相对位置，透射光束的方向可以在与入射光束800相同的方向上（图8D中的出射光束804'）或相反的方向上（图8E中的出射光束804''）。由于每次通过或透射穿过标准具产生的透射分布的倍增可导致高消光。

如所示，在图8E和图8D中，在标准具上的入射光束800的角度不为零。在一些变型中，如图8F和图8G所示，入射角可以基本上为零。为此，可以使用两个以上的镜子或反射表面。在一些实施例中，可以利用多个标准具和镜子，如图8H所示。

作为示例，图10A-图10C描绘了利用如参考图8A和图8B所描述的具有入射光束的1、2和3次反射的陷波滤波器所获得的实验数据。虽然可以通过单次反射实现大于10dB的消光（图10A），但是当使用3次反射时可以实现大约30dB（图10C）。利用相对于标准具的反射表面的法线呈近似0.6度的入射角，图10A-图10C展示了利用多次反射的改进的延伸。

作为示例，图11图示了使用根据本公开的陷波滤波器测量到的总体透射和激光线拒绝比。随着反射次数从1增加到5，拒绝比增加到大于40 dB，且总透射率比50％更好。

作为另一个示例，图12A-图12F和图13A-图13F图示了根据本公开的图示滤波器的工作原理的数值模拟结果。如参考图3A到图3C所描述的标准具参数被用作为频率锁定/清理滤波器和陷波滤波器。布里渊信号被设置在比激光线低约50 dB。

在仔细对准陷波滤波器之后，锁定激光输出以使凹口与标准具的透射分布匹配（图12A、图13A），如所描述。带通清理滤波器与陷波滤波器共享相同的FSR（图12B、图13B）。经模拟的信号在图12C和图13C中示出。检测到的组合信号（绿线）是激光线（蓝点）和信号线（红色虚线标记）的组合。激光线与透射/清理滤波器之间以及反射分布与布里渊信号之间的关系分别在图12D、图13D和图12E和图13E所图示。

如图12F和图13F所示，信号线维持在信号中，而激光线在最终得到的光谱中被抑制。还可以使用频率锁定滤波器的单次和多次透射配置，分别如图12D和图13D所描绘。图12F和图13F示出了当期望的信号比背景激光线低50dB时具有1通和3通透射的滤波器结果。3次透射加上3次反射的陷波滤波器提供大约120 dB的拒绝，并在经滤波光谱中产生20 dB的信号背景比（“SBR背），这说明了激光光谱中的ASE分量的进一步抑制允许SBR被进一步改进。

作为示例，图14示出了使用如参考图2D描述的系统测量的来自聚甲基丙烯酸甲酯（“PMMA统）样本的布里渊散射信号的光谱。如所描述，激光频率正使用基于标准具的带通滤波器。在进入基于2级虚拟成像相控阵列（VIPA）的光谱仪之前，采集的信号通过陷波滤波器并集成到成像系统。在该配置中，频率锁定标准具（图2D中的第一滤波器274）被小角度倾斜以使透射峰与陷波滤波器（图2D中的第二滤波器292）的阻带匹配。因此抑制了激光线。如从图14中所理解的，使用3次和4次反射实现了对瑞利散射信号的抑制。

使用如上所描述的系统，来自人巩膜的信号的记录在图15A和图15B中示出。特别地，采用具有780nm中心波长和80mW输出的外部二极管激光器作为光源。使用了如描述的频率锁定滤波器和陷波滤波器。光被递送到样本臂并击中样本。收集的反向散射信号被耦合到单模光纤中，穿过多反射陷波滤波器（5次反射），并且然后被引导到2级VIPA光谱仪。EMCCD用于数据记录。如上所描述，利用有源频率锁定。尽管具有残余弹性散射噪声，但清楚地观察到布里渊散射信号。利用用洛伦兹（Lorentzien）函数的曲线拟合，确定布里渊频移。由于反向散射信号中的强弹性散射，对具有强散射的混浊生物组织的成像是有挑战性的。消光比为40 dB的陷波滤波器实现巩膜布里渊光谱和混浊组织的布里渊成像。

作为进一步的示例，图16A-图16C和图17A-图17C示出了根据本公开的多透射带通滤波器的模拟。使用参考图2B描述的配置。当输出激光频率被锁定到清理滤波器的透射峰时（图16A），带通滤波器的通带被调谐为与感兴趣的线重叠（图16B），该感兴趣的线大约离开激光线7.5GHz。多通（在该示例中为3次通过）实现高透射消光（图16C）。在这个示例中，激光线信号被抑制大约90dB。期望的SBR增加至接近30dB。这种配置允许布里渊散射信号的斯托克斯峰和反斯托克斯峰中的一个被拾取。在一些实现中，可能期望同时地记录斯托克斯峰和反斯托克斯峰两者。这可以通过使用单个标准具的两个透射峰来实现，如图17A-图17C所示。

还实现了展示本文描述的技术的各个方面的其他结果。例如，使用该装置，执行新鲜猪眼球的布里渊成像。布里渊散射信号从组织表面或上皮的下方约100散射至200散射的深度范围获得。激光功率在样本表面上约为5mW。在人类中，对于巩膜和结膜的最大暴露水平比对于角膜的暴露水平高，因为没有应用视网膜损伤的风险。已知结膜的光散射系数与鸡胸组织的光散射系数相似，并且从巩膜散射的光比从结膜散射的光强约10倍。分别对于角膜、结膜和巩膜使用1秒、2秒和4秒的不同EM-CCD积分时间，以补偿与光散射量成比例的降低的信号强度。结膜组织显示出比角膜显著地更高的布里渊偏移，并且巩膜表现出高得多的布里渊偏移。所报道的猪组织的杨氏模量的典型范围是巩膜组织的约1MPa-4MPa，远高于对于角膜的约0.1MPa-0.5MPa。在780nm的光学波长下，来自巩膜的典型的布里渊频移约为6.1GHz至6.5GHz，这与对于角膜的约5.4GHz的布里渊频移和对于结膜的约5.6GHz的布里渊频移在统计上显著不同。可以基于在不同情况下可能期望的各种特性来选择光源的波长。例如，较长的波长可以为一些目标组织提供更大的穿透性。在一些实施例中，光源的波长在约750nm和1500nm之间。

在将本申请作为整体进行审阅的基础上，这样的组合和子组合的特征对于本领域技术人员可以是容易地显见的。本文中和在所记载的权利要求书中所描述的主题旨在涵盖和包括所有合适的技术变化。

Claims (18)

1.一种用于对目标执行光谱学的系统，所述系统包括：

光学组件，包括：

光源，被配置为以一个或多个频率生成要被引导到目标的光；

至少一个光学滤波器，被配置为选择来自所述目标的期望的光信号，其中所述至少一个光学滤波器包括标准具和所述标准具外部的至少一个反射表面，所述至少一个反射表面被配置为将从所述标准具反射的入射光束至少一次重新引导到所述标准具；以及

虚拟成像相控阵列，被耦合到所述至少一个光学滤波器。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个光学滤波器包括陷波滤波器。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述光源包括二极管激光器或半导体激光器。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述虚拟成像相控阵列被耦合到成像器，所述成像器配置为检测所述期望的光信号。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括另一个滤波器，所述另一个滤波器定位在所述光源和所述目标之间，并且被配置为降低由所述光源生成的光中的噪声背景。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述另一个滤波器是带通滤波器，所述带通滤波器包括另一个标准具和所述标准具外部的至少一个其他反射表面，所述至少一个其他反射表面被配置为将透射通过所述另一个标准具的光束至少一次重新引导到所述另一个标准具。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述带通滤波器包括多个标准具。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述系统还包括计算机，所述计算机被配置为控制至少所述光源。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述计算机还被配置为适配所述光源的输出以匹配所述带通滤波器的频率。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述计算机还被配置为通过控制所述标准具相对于所述入射光束的取向或者通过控制由所述标准具采样的温度来调谐所述至少一个光学滤波器的使用。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述系统还包括外壳，所述外壳被配置为使所述温度适配在大约在20C和50C之间的范围上。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个光学滤波器被配置为以至少30dB的水平提供不期望的光信号的消光。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述期望的光信号和不期望的光信号被大约1纳米或更小的波长分开。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述标准具具有小于大约20的精细度，并且所述至少一个反射表面被配置为将从所述标准具反射的至少3个不同入射光束重新引导到所述标准具。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述标准具具有大于大约5的精细度，并且所述至少一个反射表面被配置为将从所述标准具反射的至多5个不同入射光束重新引导到所述标准具。

16.如权利要求1所述的系统，其中所述光源被耦合到带通滤波器，所述带通滤波器具有至少部分地基于所述标准具的自由光谱范围的自由光谱范围。

17.一种用于对目标执行光谱学的装置，包括：

光学滤波器，被配置为从入射光束选择分离的光信号，其中所述光学滤波器包括标准具和所述标准具外部的至少一个反射表面，所述至少一个反射表面被配置为将来自所述标准具的反射光束至少一次重新引导到所述标准具；以及

虚拟成像相控阵列，被耦合到所述光学滤波器。

18.如权利要求17所述的装置，还包括另一个标准具，所述另一个标准具被配置为将所述反射光束重新引导到所述标准具。

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