CN113631897A - 混合光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种光学系统(10)，包括：第一光学路径(21)，其被配置为供应具有第一波长范围的第一光(11)；第二光学路径(22)，其被配置为供应具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的第二光(12)；第三光学路径(23)，其被配置为供应具有比所述第二波长范围短的第三波长范围的第三光(13)；光学I/O单元(25)，其被配置为向对象(5)发射所述第一光、所述第二光和所述第三光并且获取来自所述对象的光；参考单元，其被配置为从所述第三光分离参考光(13r)；以及检测器(50)，其包括与CARS光(17)和干涉光(16)共享的检测波长范围。

Description

混合光学系统
技术领域
本发明总体上涉及用于将拉曼光谱(Raman spectroscopy，RS)和光学相干断层扫描(OCT)结合在一起的混合光学系统。
背景技术
在公布WO2014/061147中，公开了一种显微镜。该显微镜包括：第一分光部，其将来自光源的光的光通量分成第一泵浦光通量和第二泵浦光通量；斯托克斯(Stokes)光源，其接收第二泵浦光通量作为输入并输出斯托克斯光通量：复用部，其对第一泵浦光通量和斯托克斯光通量进行复用以生成复用光通量；第一光收集部，其收集样本中的复用光通量；第一检测器，其检测从样本生成的CARS光，CARS光具有与复用光通量不同的波长；第二分光部，其使第二泵浦光通量和斯托克斯光通量至少之一部分地分支为参考光通量；第二复用部，其对来自样本的光通量和参考光通量进行复用以生成干涉光；以及第二检测器，其检测干涉光。
发明内容
本发明一般涉及将拉曼光谱(RS)和光学相干断层扫描(OCT)与用于RS和OCT这两者的共同检测系统结合在一起的系统，更具体地涉及将相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS)和OCT结合在一起的系统。该系统可以应用于如下的系统，该系统用于活的被检体的关注对象的生化和结构特性，更具体地，该系统用于活的被检体的关注对象的生化组成的非侵入评估及其应用。
光学成像和光谱学这两者已被应用于对象被检体的非侵入特性。诸如OCT等的成像技术擅于中继对象被检体显微结构的图像，而诸如CARS等的光谱方法能够以优秀的特异性探测对象被检体的分子组成。
OCT是使用来自目标(样本、对象)的反射光与未照射目标的参考光之间的干涉来获得反映折射率的变化的形状信息的方法。CARS基于非线性光学现象，其中，在该非线性光学现象中，当具有不同波长的两个光束入射在目标上时，获得具有与形成目标的分子的振动相对应的波长的CARS光。关于检测CARS光到泵浦和斯托克斯光的入射方向的方向，可以布置诸如透射CARS和反射CARS等的多种不同方法。
CARS可以获得与测量对象有关的分子信息，并且OCT可以获得形状信息。因此，这两种技术处于相互补充的关系中，并且将CARS和OCT结合在一起的具有紧凑尺寸的系统对于在许多应用中的使用是重要的。
本发明的一个方面是一种系统，包括：第一光学路径，其被配置为供应具有第一波长范围的第一光；第二光学路径，其被配置为供应具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的第二光；第三光学路径，其被配置为供应具有比所述第二波长范围短的第三波长范围的第三光；光学I/O单元，其被配置为向对象发射所述第一光、所述第二光和所述第三光并且获取来自所述对象的光；参考单元，其被配置为从所述第三光分离参考光；以及检测器，其包括检测波长范围，其中，与CARS光和干涉光共享所述检测波长范围的至少一部分，所述CARS光是至少利用所述第一光和所述第二光在所述对象处而生成的，并且所述CARS光具有与所述第三波长范围至少部分地重叠的波长范围，以及所述干涉光是利用所述参考光和来自所述对象的反射光而生成的。所述第一光可以是斯托克斯光(斯托克斯光束)，第二光可以是泵浦光(泵浦光束)，并且所述第三光可以是用于OCT的光(光束)。
本发明的另一方面是一种方法，包括：
(i)通过光学单元发射具有第一波长范围的第一光和具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的第二光，所述光学单元被配置为向对象输出所述第一光和所述第二光并且获取来自所述对象的光；
(ii)通过检测器检测至少利用所述第一光和所述第二光在所述对象处生成的CARS光；
(iii)通过所述光学单元向所述对象发射具有比所述第二波长范围短的第三波长范围的第三光；以及
(iv)通过所述检测器检测干涉光。所述第三波长范围与所述CARS光的波长范围至少部分地重叠，所述干涉光是利用从所述第三光分离的参考光和来自所述对象的反射光而生成的，以及所述检测器包括与所述CARS光和所述干涉光共享的检测波长范围。
在上述系统和方法中，通过使用用于OCT光的具有比第二光(泵浦光)和第一光(斯托克斯光)的波长范围短的波长范围(第三范围)的第三光(光束)，可以获得具有比第一光和第二光的波长范围短的波长范围(第三范围)的OCT的干涉光，并且干涉光的波长范围(第三范围)与CARS光的波长范围至少部分地重叠。因此，可以应用用于在CARS和OCT检测之间共享检测波长范围的共同检测器来简化系统结构并增加CARS检测器的光谱分辨率和OCT成像深度。在该系统和方法中，CARS光和OCT信号这两者都可以经过干涉仪来击中检测器，而无需在干涉仪之后重新路由OCT信号以与CARS光重叠。
所述系统可以包括第四光学路径，所述第四光学路径被配置为供应用于经由光学I/O单元发射的具有第四波长范围的第四光(探测光、探测光束)，以利用第一光、第二光和第四光生成CARS(TD-CARS、时间延迟CARS、时间分辨CARS)光，所述第四波长范围比第二波长范围短且比第三波长范围大或包括在第三波长范围内。CARS(TD-CARS)具有与OCT信号的第三波长范围至少部分地重叠且比第四波长范围短的波长范围。第四光学路径可以包括时间延迟单元，该时间延迟单元被配置为控制发射第四光和发射第二光之间的时间差。此外，该方法还可以包括以相对于第二光的发射具有时间差的方式发射具有第四波长范围的第四光，以生成具有比第四波长范围短且与第三波长范围至少部分地重叠的波长范围的TD-CARS，所述第四波长范围比所述第二波长范围短且比所述第三波长范围大或包括在所述第三波长范围内。
本发明的又一方面是一种系统，包括：斯托克斯单元，其被配置为供应用于经由光学单元向对象发射的具有第一波长范围的斯托克斯光；泵浦单元，其被配置为供应用于经由所述光学单元向所述对象发射的具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的泵浦光；探测单元，其被配置为以相对于所述泵浦光的发射具有时间差的方式供应用于经由所述光学单元向所述对象发射的探测光，所述探测光具有比利用所述斯托克斯光和所述泵浦光所生成的CARS光的波长范围短的波长范围；以及检测器，其被配置为检测利用所述斯托克斯光、所述泵浦光和所述探测光在所述对象处生成的TD-CARS光，所述TD-CARS光具有比第四波长范围短的波长范围。
本发明的又一方面是一种方法，包括：向对象发射具有第一波长范围的斯托克斯光和具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的泵浦光；以相对于所述泵浦光的发射具有时间差的方式向所述对象发射探测光，所述探测光具有比所述斯托克斯光和所述泵浦光生成的CARS光的波长范围短的第四波长范围；以及检测利用所述斯托克斯光、所述泵浦光和所述探测光在所述对象处生成的TD-CARS光，所述TD-CARS光具有比第四范围短的波长范围。
TD-CARS是以比探测光的第四波长范围短的波长范围、利用斯托克斯光、泵浦光和探测光生成的，并且与利用斯托克斯光和泵浦光生成的CARS的范围分离。因此，可以在没有CARS的干涉的情况下检测TD-CARS。
本发明的又一方面是一种用于使计算机操作装置的计算机程序，所述装置包括用于经由光学单元向对象发射光的单元和用于检测来自所述对象的光的检测器。所述计算机程序包括用于进行以下步骤的可执行代码：
(a)经由所述光学单元向所述对象发射具有第一波长范围的第一光和具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的第二光；
(b)通过所述检测器检测至少利用所述第一光和所述第二光在所述对象处生成的CARS光；
(c)经由所述光学单元向所述对象发射具有比所述第二波长范围短的第三波长范围的第三光，所述第三波长范围与所述CARS光的波长范围至少部分地重叠；以及
(d)通过所述检测器检测干涉光，其中，所述干涉光是利用从所述第三光分离的参考光和通过所述光学单元获取的反射光而生成的。
本发明还包括一种非暂时性计算机可读介质，其存储用于控制和操作装置或或者使用装置进行检测和分析的上述程序(程序产品、软件)。
附图说明
通过参考附图的以下详细描述将更好地理解这里的实施例，其中：
图1示出包括光学系统的系统的实施例。
图2示出干涉仪中的光学路径。
图3示出波长计划之一。
图4示出用于组织的光学窗口。
图5示出CARS信号的频域的示例。
图6示出CARS信号的频域的另一示例。
图7示出TD-CARS信号和CARS信号的示例。
图8示出TD-CARS信号和CARS信号的频域的另一示例。
图9示出TD-CARS信号和CARS信号的频域的又一示例。
图10示出具有窄探测带宽的频域。
图11示出具有更宽探测带宽的频域。
图12示出具有斯托克斯光、泵浦光和探测光的时域。
图13示出TD-CARS光谱的示例。
图14示出具有斯托克斯光、泵浦光和探测光的另一时域。
图15示出该系统中的处理的流程图。
图16示出光学系统的另一实施例。
图17示出光学系统的又一实施例。
图18示出光学系统的又一实施例。
图19示出光学系统的又一实施例。
图20示出光学系统的又一实施例。
图21示出光学系统的又一实施例。
具体实施方式
参考在附图中示出并在以下描述中详述的非限制性实施例更充分地解释这里的实施例及其各种特征和有利细节。省略对众所周知的组件和处理技术的描述，以不会不必要地模糊这里的实施例。这里所使用的示例仅旨在促进对这里的实施例可以被实践的方式的理解，并且进一步使本领域技术人员能够实践这里的实施例。因此，这些示例不应被解释为限制这里的实施例的范围。
图1示出根据实施例的包括混合光学系统10的系统1。系统1包括混合光学系统10和控制器55。混合光学系统10使用OCT(光学相干断层扫描)和CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)来获取指示诸如人体等的对象5的表面及内部条件和成分的数据。控制器55包括分析器56，该分析器56通过OCT验证(确认)对象5的状态并且通过CARS分析内部组成(成分)。
混合光学系统(光学系统)10包括激光源30，该激光源30用于生成用于斯托克斯光(斯托克斯光束、斯托克斯脉冲、第一光)11和泵浦光(泵浦光束、泵浦脉冲、第二光)12的具有第一波长(1040nm)的第一激光30a、具有第二波长(780nm)的第二激光30b、OCT光13和探测光(探测光束，第四光)14。优选的激光源30之一是纤维激光。第一激光30a可以包括具有数十至数百mW的一至数百fs(飞秒)量级的脉冲。第二激光30b可以包括具有数十至数百mW的一至数十ps(皮秒)量级的脉冲，并且可以从具有1560nm波长的源振荡器生成具有780nm波长的第二激光30b。
光学系统10包括用于布置光学路径以分离和组合激光的多个光学元件32(诸如滤波器、反射镜、分色镜和棱镜等)。光学系统10包括斯托克斯光路(第一光学路径，斯托克斯单元)21，该斯托克斯光路21被配置为通过PCF(光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber)，光纤)21a从与泵浦光12的共同的第一激光30a供应具有1080～1300nm的第一范围R1的斯托克斯光(第一光)11。光学系统10包括泵浦光路(第二光学路径，泵浦单元)22，该泵浦光路22被配置为从与斯托克斯光11的共同的第一激光30a供应具有比第一波长范围(第一范围)R1短的1070nm的第二波长范围R2的泵浦光(第二光)12。光学系统10包括将由路径21提供的斯托克斯光11和由路径22提供的泵浦光12供应至光学I/O(输入/输出)单元25的共同光学路径28a。光学路径21、22和28a包括诸如滤波器、光纤、分色镜和棱镜等的必要光学元件32，以配置各个光学路径。这同样适用于以下描述的光学路径。
光学系统10还包括OCT光路(第三光学路径)23，该OCT光路23被配置为通过光纤23a从与探测光14的共同的第二激光30b供应具有比第二波长范围R2短的620～780nm的第三波长范围R3的OCT光(第三光)13。光学系统10还包括探测光路(第四光学路径、探测单元)24，该探测光路24被配置为从与OCT光13的共同的第二激光30b供应具有比第二波长范围R2短并且比第三波长范围R3大或包括在第三波长范围R3中的780nm的第四波长范围R4的探测光(探测光束、探测脉冲、第四光)14。光学系统10包括共同光学路径28b，该共同光学路径28b将由路径23经由干涉仪35提供的OCT光13和由路径24提供的探测光14供应至光学I/O单元25。
探测光路24包括被配置为控制探测光(第四光)14的发射与泵浦光(第二光)12的发射之间的时间差的时间延迟单元24a。时间延迟单元可以具有准直器和可以控制准直器之间的距离的机动化延迟级。时间延迟可以由控制器55中的激光控制单元58来控制。通过使用时间延迟单元24a，探测光路24能够以相对于泵浦光12的发射具有时间差的方式来供应用于经由光学I/O单元25发射到对象5的探测光14。
光学系统10还包括光学I/O单元(光学单元)25，该光学I/O单元25被配置为经由共同光路28c将斯托克斯光11、泵浦光12、探测光14和OCT光13同轴地输出至对象5并且获取来自对象的光。典型的光学I/O单元25是面向对象5的物镜或透镜系统，并且通过透镜25，将斯托克斯光11、泵浦光12和探测光14发射或照射至对象5，而且从对象5获取或接收CARS光(TD-CARS光)17。此外，通过透镜25，OCT光13被发射或照射至对象，并且从对象5获取或接收反射光15。因此，光学系统10获得后向CARS光(Epi-CARS)17并且包括被配置为引导来自光学I/O单元25的后向CARS光17的第一输入光学路径28c。
图2示出干涉仪35的示例。干涉仪35包括被配置为利用参考镜(Ref)34m从OCT光13分离参考光13r的参考单元34。光纤干涉仪35包括四个臂(光路)以分离和混合光。对于OCT光13，来自端口35a的输入光的一部分被分离为参考光13r且经由端口35c被输出至参考镜34m，并且其它部分经由端口35b被输出至样本(目标、对象)5。来自对象5的返回(反射)OCT光15经由端口35b输入，与参考光13r组合或复用以生成干涉光16。干涉光16经由端口35d被输出到检测器50。还使用端口35b和35d通过干涉仪35将CARS光17供应至检测器50。
在光学系统10中，使用上述光学路径，从激光源30侧依次地，OCT光13与探测光14组合，组合光进一步与斯托克斯光11和泵浦光12组合，然后通过诸如物镜(透镜系统)等的光学I/O单元25，组合光被发射到对象5(诸如人的皮肤等)并照射在对象5上。来自对象5的反射或产生的光(反射光15和CARS光17)通过光学单元25的物镜被获取并且返回至光学系统10的路径。
用于组合OCT光13和探测光14的诸如分色镜等的光学元件可以是被配置为选择CARS光和具有620～780nm的OCT光的反射光15的分离器或选择单元。在该系统10中，具有680～760nm的波长范围R5(其短于波长范围R4且与第三波长范围R3至少部分地重叠)的TD-CARS光17从所获取的光中过滤出来并且被供应至检测器50。TD-CARS光17由斯托克斯光11、泵浦光12和探测光14在对象5处生成。TD-CARS光17和干涉光16这两者都通过该光学系统10中的干涉仪35被供应至检测器50，但是在光学系统10中可以设置用于产生干涉光16并且将干涉光16和TD-CARS光17供应至检测器50的其它光路。
光学系统10的检测器50包括与TD-CARS光17和干涉光16共享的检测波长范围DR。通常，检测器50可以具有与OCT光13的波长范围R3和TD-CARS光17的波长范围R5中的较大者相同的检测范围(测量范围)DR。例如，在该光学系统10中，TD-CARS光17是检测对象并且其具有680～760nm的波长范围R5，因此，应用具有620～780nm的第三波长范围R3的OCT光13，并且检测范围DR可以被设置成覆盖620～780nm或以上的波长范围。通过应用在CARS与OCT检测之间共享检测波长的范围DR的单个且共同的检测器50，系统配置变得简化，并且CARS检测器的光谱分辨率和OCT成像深度增加。当由斯托克斯光11和泵浦光12(使用具有与泵浦光12的波长范围相同的波长范围R2的探测光)生成的CARS光是检测对象时，由于CARS光具有比波长范围R2短的约900～1000nm的波长范围，因此应用具有超过900～1000nm的波长范围的OCT光13，并且检测范围DR可以被设置为覆盖OCT光的波长范围，例如800～1000nm。在任何情况下，检测器50的检测波长范围DR被设置为低于第二波长范围R2。在该光学系统10中，由于CARS光17和OCT光13使用单个检测器50的相同光谱范围，因此可能需要时分扫描。
光学系统10还包括用于以时分方式切换生成或供应CARS光17和干涉光16的光学元件33a。光学系统10还包括生成光学路径33，该生成光学路径33被配置为从第二激光(共同光源)30b生成OCT光(第三光)13和探测光(第四光)14其中至少之一，并且光学路径33包括光学元件(切换单元)33a，以通过在OCT光(第三光)13和探测光(第四光)14之间进行切换来进行生成。光学元件33a可以是在控制器55中的激光控制单元58的控制下改变源激光30b到探测光路24和OCT光路23的方向的MEMS镜。到达光学元件33a的所有入射光可以用于通过用可移动镜33a使CARS 17或OCT光13转向来生成CARS 17或OCT光13。在该光学系统中，从与探测光14相同的源生成OCT光13，并且OCT光生成独立于斯托克斯生成，这使得更加灵活并且更加容易地实现用于OCT光13的良好光谱，但是需要PCF 23a和21a以分别用于OCT光生成和斯托克斯光生成。
在该光学系统10中，通过使用光学元件33a切出探测光14，在对象5处不生成具有范围R5的TD-CARS光17，如稍后描述的通过斯托克斯光11和泵浦光12仅生成具有比范围R3长的波长范围的CARS光，并且仅由斯托克斯光11和泵浦光12生成的CARS光未被该光学系统10的检测器50检测到。控制器55中的分析器56可以与光学元件33的切换同步地掌握来自检测器50的信号是OCT还是TD-CARS，并且适当地分析各个信号。
用于将CARS显微镜与OCT组合的常规系统使用两个检测器或者使用被分成用于CARS的一半和用于OCT的另一半的一个检测器以用于检测。这是因为CARS光和OCT光具有不同的光谱范围。使用两个检测器的系统变得复杂和大，而使用单个检测器的系统降低了CARS的光谱分辨率和OCT的成像深度。图1中所示的系统1使用一个单个检测器50，但对于CARS和OCT具有(几乎)相同的光谱范围。当使用单个检测器50时，可以在干涉仪35之后重新路由OCT信号(干涉光)16以与TD-CARS光17重叠并且击中单个检测器50。但是在该光学系统10中，TD-CARS 17和OCT信号(反射光)16这两者都穿过干涉仪35。
图3示出该光学系统10的波长平面之一。光学系统10应当以最小的硬件和成本来满足数个操作模式的要求。该光学系统10的要求之一可以是CARS发射必须不与TD-CARS发射重叠。该光学系统10的另一要求可以是针对共享光谱仪范围，TD-CARS发射必须与OCT激发重叠。该光学系统10的又一要求可以是激发必须具有如图4所示的穿过组织的良好效率。
图4示出对于诸如人体等的活体的内部状态的检测有效的组织用的光学窗口R9之一。图4描绘了活体的主要材料(诸如水、黑色素、还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2))等的相对吸光度。600nm至1300nm的波长范围的光难以被吸收并且适合于活体的测量。从图4所示的光学窗口的角度来看，具有第一范围R1的斯托克斯光11、具有第二范围R2的泵浦光12、具有第四范围R4的探测光14以及具有第三范围R3和R5的OCT光13和TD-CARS光17应当被布置在600nm至1300nm之间的光学窗口的范围内。
在图3所示的平面中，斯托克斯光11具有1085～1230nm(400cm-1～1500cm-1)的第一波长范围R1，泵浦光12具有1040nm的第二波长范围R2，探测光14具有780nm的第四波长范围R4，OCT光13具有620～780nm的第三波长范围R3，并且TD-CARS光17具有680～760nm的波长范围R5。所有范围R1、R2、R3、R4和R5包括在600nm至1300nm的波长范围内。第二范围R2比第一范围R1短，第三范围R3比第二范围R2短，第四范围R4比第二范围R2短并且比第三范围R3大或被包括在第三范围R3中，并且TD-CARS 17的范围R5比第四范围R4短且与第三范围R3至少部分地重叠。
图5～7示出当应用具有与泵浦光(非延迟探测器)12相同的波长(例如1040nm)的探测光(时间延迟探测器)14时的波长计划。因为在仅由与来自泵浦光12的波长的分子振动Ω相对应的波长的斯托克斯光11和泵浦光12生成的CARS 18的相同范围上，生成由探测光14引起的TD-CARS 17，因而TD-CARS信号17被干涉或嵌入在CARS信号18中并且不能与CARS信号18区分开。因此，时间延迟信号必须以不同的频率生成，并且探测脉冲14需要被移位。
图8和9示出当应用具有比泵浦光12的范围R2短的波长范围R4(例如，780nm)的探测光14时的波长计划。生成具有比探测光14的范围R4短的波长范围R5的TD-CARS 17。即，通过使用具有比仅由斯托克斯光11和泵浦光12生成的CARS光的波长范围短的波长范围R4的、相对于泵浦光12的发射具有时间差的探测光14，生成具有比CARS光18的波长范围短的波长范围R5的TD-CARS 17。因此，在TD-CARS 17和CARS 18之间不产生干涉，并且在不干涉CARS光18的情况下可以检测到明显的TD-CARS 17。可能需要具有比仅由斯托克斯光11和泵浦光12生成的CARS光18的波长范围短的波长范围的探测光14以检测由斯托克斯光11、泵浦光12和探测光14生成的时间差CARS(TD-CARS)17。
图10示出利用具有窄带宽的探测光14的明显的TD-CARS光谱17，并且图11示出由于宽的探测光14引起的更宽的TD-CARS光谱17。在频域中，探测波长R4必须从泵浦波长12偏移某最小量。如图中清楚地示出的，窄的探测带宽生成明显的光谱。宽探测意味着数个窄频率分量的组合，并且各个频率分量生成相同光谱但在不同位置处。因而，平滑的光谱已清除特征，并且光谱分辨率丢失。探测光14需要具有窄带宽R4以确保在分子共振的线宽的量级上的最佳光谱分辨率。由于典型的拉曼线宽是大约5～15cm-1，因此探测带宽R4也是大约5～15cm-1。在时域中，探测光14可能具有几皮秒的持续时间的量级的时间宽度，以在时间上分离激发和探测。泵浦光12和斯托克斯光11必须处于fs状态，例如，泵浦光12和斯托克斯光11可能具有大致低于200fs的持续时间。
图12的(a)示出斯托克斯光11、泵浦光12和探测光14的时域。图12的(a)还包括来自泵浦光11的信号(CARS光)18和来自延迟探测光14的信号(TD-CARS光)17。可能需要具有较高频率和窄光谱的延迟探测光14来获得明显的TD-CARS信号17。
图12的(b)示出TD-CARS信号如何工作。在时间t0，以fs量级激发斯托克斯光11和泵浦光12。线19a示出电子响应(NRB，负响应偏置)，并且线19b示出振动响应。通过使用时间延迟探测信号14，振动响应可以被检测为TD-CARS信号17。
图13的(a)示出具有不同延迟时间(时间差)的TD-CARS光谱的示例。图13的(a)描绘高浓度葡萄糖溶液的光谱，线41示出无延迟的光谱，线42示出具有400fs(飞秒)的光谱，线43示出具有600fs的光谱，线44示出具有750fs的光谱，线45示出具有850fs的光谱，线46示出具有950fs的光谱，并且线47示出具有1025fs的光谱。
图13的(b)示出TD-CARS信号17的总信号下降。线48示出621～635nm的信号，并且线49示出685～745nm的信号。如图所示，由于NRB的较快衰减，探测延迟导致信号缓慢降低并改善对比度。葡萄糖峰随着探测延迟的增加而清楚地增强。可以是皮秒脉冲的探测脉冲14可以从电子响应的末端或几乎末端生成，以将振动响应与非谐振分量分离。
图14描绘探测光14的另一实施例。可以在斯托克斯光11和泵浦光12的生成和发射之前或同时生成和发射探测脉冲14，直至振动响应的持续时间。
图15是示出由系统1进行的处理的流程图(流程图)。在本实施例中，提供存储在控制器55的存储器中的程序(程序产品、软件、应用)59，以利用诸如存储器和CPU等的计算机资源在控制器55上运行处理。程序(软件)59可以作为处理器或计算机可读的其它存储介质来提供。
在步骤71，激光控制器58控制激光源30和光学系统10以通过光学I/O单元(光学单元)25发射具有第一波长范围R1的斯托克斯光(第一光)11和具有比第一波长范围R1短的第二波长范围R2的泵浦光(第二光)12。在步骤72，激光控制器58控制激光源30和光学系统10以相对于泵浦光12的发射具有时间差来发射具有第四波长范围R4的探测光(第四光)14。在步骤72，可以使用时间延迟单元24a改变相对于泵浦光的发射的时间差来将探测光14发射到对象5。
在步骤73，检测器50检测由斯托克斯光11、泵浦光12和探测光14在对象5处生成的TD-CARS光。在步骤74，分析器56的TD-CARS分析模块56b可以使用TD-CARS光17的检测结果来分析对象5的一部分的至少部分组成。
在步骤75，在步骤74之前或之后或者并行地，激光控制器58控制激光源30和光学系统10以通过光学单元25向对象5发射与探测光14时分的具有第三波长范围R3的OCT光13(第三光)。在步骤76，检测器50检测由参考光13r和来自对象5的反射光15生成的与TD-CARS光17时分的干涉光16，这是因为干涉光16的第三范围R3与TD-CARS光17的范围R5至少部分地重叠、并且检测器50包括与TD-CARS光17和干涉光16共享的检测波长范围。
在步骤77，分析器56的OCT分析模块56a可以从由检测器50检测到的干涉光16生成OCT图像，并且分析器56的监视模块56c可以验证对象5的生成TD-CARS光17的部分，以通过TD-CARS光17确认信息的可靠性并且与OCT图像的信息和TD-CARS光的信息协作地分析对象5。
图16示出包括光学系统10a的系统1的另一实施例。该光学系统10a包括光学输入单元26和第二输入光路27，该光学输入单元26布置在对象(样本)5的相对于光学I/O单元25的相反侧，该第二输入光路27被配置为将CARS光(前向TD-CARS光)17从光学输入单元26引导至与OCT光13和反射光15共享的共同光路28b。该图中描绘的光学系统10a的其它光学路径和元件与图1中描绘的光学系统10的光学路径和元件相同。
图17示出包括光学系统10b的系统1的又一实施例。光学系统10b包括激光源31，该激光源31被配置为独立于用于产生TD-CARS 17的光来供应具有波长范围R3的OCT光13。激光源31可以输出具有波长范围R3的激光31a，并且可以包括用于扩展或加宽波长范围的光纤24a。用于输出斯托克斯光11、泵浦光12、探测光14的激光源30以及用于输出OCT光13的激光源31可以由控制器55中的激光控制单元58控制以时分或交替地发射各个激光。可以不需要用于切换激光30b以供应探测光14和OCT光13的光学元件33a。光学系统10b的其它光学路径和元件与图1所示的光学系统10的光学路径和元件相同。
图18示出包括光学系统10c的系统1的又一实施例。该光学系统10c包括生成光学路径36，该生成光学路径36被配置为从与斯托克斯光(第一光)11的共同的光源37生成OCT光(第三光)13。在该光学系统10c中，PCF 21a使激光30a扩展以覆盖斯托克斯光11的波长范围R1和OCT光13的波长范围R3的宽度，并且分色镜21b将OCT光13分离到OCT光路23。
图19示出包括光学系统10d的系统1的又一实施例。该光学系统10d包括生成光学光路36，该生成光学光路36被配置为从与斯托克斯光(第一光)11的共同的光源37生成OCT光(第三光)13。在该光学系统10d中，PCF 21a使激光30a扩展以覆盖斯托克斯光11的范围R1，并且分色镜21b将约850nm的光13x分离至OCT光路23，以作为第二光纤23a的输入，从而形成具有范围R3的OCT光13。在该光学系统10d中，OCT光13从针对斯托克斯光11的共同光37生成，但是应用光纤21a和23a以分别生成斯托克斯光11和OCT光13，从而得到用于分别生成CARS光17和OCT干涉光16的最佳光谱。
图20示出包括光学系统10e的系统1的又一实施例。该光学系统10e包括生成光学光路38，该生成光学光路38被配置为从与斯托克斯光(第一光)11和泵浦光(第二光)12的共同的激光30a生成OCT光(第三光)13。在该光学系统10e中，由于探测信号14为皮秒脉冲，用于泵浦信号12的激光源30a为飞秒脉冲，因此针对上述实施例，所生成的OCT光谱的质量可能非常不同。
图21示出包括光学系统10f的系统1的又一实施例。该光学系统10f包括生成光学光路38，该生成光学光路38被配置为利用以时分方式将共同的激光30a切换到用于斯托克斯光11以及泵浦光12的OCT光路23以及光路21和22的开关元件38a来从激光30a生成OCT光(第三光)13。
在本说明书中，用于使用CARS光和OCT光的系统1包括：(a)第一单元21，其被配置为发射具有第一波长范围的第一光11；(b)第二单元22，其被配置为发射具有比第一范围短的第二波长范围的第二光12；(c)第三单元23，其被配置为发射具有比第二范围短的第三波长范围的第三光13；(d)光学单元25，其被配置为将第一光11、第二光12和第三光13同轴地输出至对象(样本)5并且从获取来自对象5的光；(e)参考单元34，其被配置为从第三光13分离参考光13r；(f)选择单元28b，其被配置为从所获取的光以及由第一光和第二光在对象处生成的CARS光中，选择第三光的反射光15以及具有与第三范围至少部分地重叠的波长范围的CARS光17；以及(g)检测器50，其被配置为检测CARS光17以及作为参考光13r和所反射的第三光15的组合的干涉光16。第一光11可以是斯托克斯光(斯托克斯光束)，第二光12可以是泵浦光(泵浦光束)，并且第三光13可以是用于OCT的光(光束)。
在本说明书中还公开了一种方法。该方法包括：(i)经由光学单元25发射具有第一波长范围的第一光11和具有比第一范围短的第二波长范围的第二光12，该光学单元25被配置为将第一光11和第二光12同轴地输出至对象5，并且获取来自对象5的光；(ii)由检测器通过选择单元28b检测CARS光17，该选择单元28b被配置为从所获取的光中选择由第一光11和第二光12生成的CARS光17；(iii)通过光学单元25向对象5发射第三光13，该第三光13具有比第二范围短的且与CARS光17的波长范围至少部分地重叠的第三波长范围；以及(iv)由检测器50检测干涉光16，其中，干涉光16是与从第三光13分离的参考光13r和通过光学单元25获取的所反射的第三光16的组合(复用)。
在本说明书中还公开了系统1还包括第四单元24。第四单元24被配置为发射具有比第二范围短且比第三范围大的第四波长范围的第四光(探测光、探测光束)14，以生成具有与OCT光13的第三范围至少部分地重叠且比第四范围短的波长范围的CARS(TD-CARS、时间延迟CARS、时间分辨CARS)光17。第四单元24可以包括被配置为控制第四光和第二光之间的时间差的时间延迟单元24a。此外，说明书中公开了方法还包括发射第四光14。
具体实施例的前述描述将完全揭示这里的实施例的一般性质，其它人通过应用当前知识，在不脱离一般概念的情况下，可以容易修改和/或调整这种特定实施例的各种应用，因此，这样的调整和修改应当并且旨在被理解为在所公开的实施例的等效物的含义和范围内。应当理解，这里采用的措辞或术语是出于描述而非限制的目的。因此，虽然已经就优选实施例方面描述了这里的实施例，但是本领域的技术人员将认识到，在所附权利要求的精神和范围内，可通过修改来实践这里的实施例。

Claims (22)

1.一种系统，包括：
第一光学路径，其被配置为供应具有第一波长范围的第一光；
第二光学路径，其被配置为供应具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的第二光；
第三光学路径，其被配置为供应具有比所述第二波长范围短的第三波长范围的第三光；
光学I/O单元，其被配置为向对象发射所述第一光、所述第二光和所述第三光并且获取来自所述对象的光；
参考单元，其被配置为从所述第三光分离参考光；以及
检测器，其包括检测波长范围，其中，与CARS光和干涉光共享所述检测波长范围的至少一部分，所述CARS光是至少利用所述第一光和所述第二光在所述对象处而生成的，并且所述CARS光具有与所述第三波长范围至少部分地重叠的波长范围，以及所述干涉光是利用所述参考光和来自所述对象的反射光而生成的。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括光学元件，所述光学元件用于以时分方式对所述CARS光和所述干涉光的生成或供应进行切换。
3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括第四光学路径，所述第四光学路径被配置为供应用于经由所述光学I/O单元发射的具有第四波长范围的第四光，所述第四波长范围比所述第二波长范围短且比所述第三波长范围大或包括在所述第三波长范围内，
其中，具有比所述第四波长范围短且与所述第三波长范围至少部分地重叠的波长范围的所述CARS光是利用所述第一光、所述第二光和所述第四光而生成的。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第四光学路径包括时间延迟单元，所述时间延迟单元被配置为控制所述第四光的发射和所述第二光的发射之间的时间差。
5.根据权利要求3或4所述的系统，还包括生成光学路径，所述生成光学路径被配置为从共同光源生成所述第三光和所述第四光其中至少之一。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述生成光学路径包括切换单元，所述切换单元用于通过在所述第三光和所述第四光之间切换来进行生成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括生成光学路径，所述生成光学路径被配置为从与所述第一光或所述第二光的共同光源生成所述第三光。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，还包括第一输入光学路径，所述第一输入光学路径被配置为从所述光学I/O单元引导所述CARS光。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，还包括第二输入光学路径，所述第二输入光学路径被配置为从布置在所述对象的相对于所述光学I/O单元的相反侧的光学输入单元引导所述CARS光。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，还包括第二生成路径，所述第二生成路径被配置为使用PCF从所述第二光生成所述第一光。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述第一波长范围、所述第二波长范围和所述第三波长范围被包含在600nm至1300nm的波长范围内。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，还包括分析器，所述分析器用于使用所述CARS光的检测结果来分析所述对象的至少一部分组成。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述分析器包括用于对所述对象的利用所述干涉光被验证的部分进行分析的单元。
14.一种方法，包括：
通过光学单元发射具有第一波长范围的第一光和具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的第二光，所述光学单元被配置为向对象输出所述第一光和所述第二光并且获取来自所述对象的光；
通过检测器检测至少利用所述第一光和所述第二光在所述对象处生成的CARS光；
通过所述光学单元向所述对象发射具有比所述第二波长范围短的第三波长范围的第三光，所述第三波长范围与所述CARS光的波长范围至少部分地重叠；以及
通过所述检测器检测干涉光，其中，所述干涉光是利用从所述第三光分离的参考光和来自所述对象的反射光而生成的，以及所述检测器包括与所述CARS光和所述干涉光共享的检测波长范围。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括以相对于所述第二光的发射具有时间差的方式发射具有第四波长范围的第四光，所述第四波长范围比所述第二波长范围短且比所述第三波长范围大或包括在所述第三波长范围内，
其中，检测CARS光包括检测利用所述第一光、所述第二光和所述第四光所生成的CARS光，所述CARS光具有比所述第四波长范围短的波长范围。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，发射第四光包括改变相对于所述第二光的发射的时间差。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，还包括：
验证所述对象的一部分以进行分析；以及
使用所述CARS光的检测结果来分析所述对象的所述一部分的至少一部分组成。
18.一种系统，包括：
斯托克斯单元，其被配置为供应用于经由光学单元向对象发射的具有第一波长范围的斯托克斯光；
泵浦单元，其被配置为供应用于经由所述光学单元向所述对象发射的具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的泵浦光；
探测单元，其被配置为以相对于所述泵浦光的发射具有时间差的方式供应用于经由所述光学单元向所述对象发射的探测光，所述探测光具有比利用所述斯托克斯光和所述泵浦光所生成的CARS光的波长范围短的波长范围；以及
检测器，其被配置为检测利用所述斯托克斯光、所述泵浦光和所述探测光在所述对象处生成的TD-CARS光，所述TD-CARS光具有比第四波长范围短的波长范围。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述探测单元包括时间延迟单元，所述时间延迟单元被配置为控制所述探测光的发射和所述泵浦光的发射之间的时间差。
20.一种方法，包括：
向对象发射具有第一波长范围的斯托克斯光和具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的泵浦光；
以相对于所述泵浦光的发射具有时间差的方式向所述对象发射探测光，所述探测光具有比所述斯托克斯光和所述泵浦光生成的CARS光的波长范围短的波长范围；以及
检测利用所述斯托克斯光、所述泵浦光和所述探测光在所述对象处生成的TD-CARS光，所述TD-CARS光具有比第四范围短的波长范围。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，发射所述探测光包括以改变相对于所述斯托克斯光和所述泵浦光的发射的所述时间差的方式发射所述探测光。
22.一种用于使计算机操作装置的计算机程序，所述装置包括用于经由光学单元向对象发射光的单元和用于检测来自所述对象的光的检测器，其中，所述计算机程序包括用于进行以下步骤的可执行代码：
经由所述光学单元向所述对象发射具有第一波长范围的第一光和具有比所述第一波长范围短的第二波长范围的第二光；
通过所述检测器检测利用所述第一光和所述第二光在所述对象处生成的CARS光；
经由所述光学单元向所述对象发射具有比所述第二波长范围短的第三波长范围的第三光，所述第三波长范围与所述CARS光的波长范围至少部分地重叠；以及
通过所述检测器检测干涉光，其中，所述干涉光是利用从所述第三光分离的参考光和通过所述光学单元获取的反射光而生成的。
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