MX2013003955A - Espectrometro con deflector ajustable para controlar el alineamiento de luz dispersada sobe el detector, para tomografia de coherencia optica. - Google Patents

Abstract

Se presenta un espectrómetro que incluye un elemento óptico espectralmente dispersivo (120) para dispersar espectralmente una luz recibida, un deflector ajustable de óptica apalancada (142-1, 142-2, 142-3) para desviar ajustablemente la luz espectralmente dispersada, y un arreglo de detectores (160) para recibir la luz espectralmente dispersada y ajustablemente desviada. La luz recibida puede incluir un haz de interferencia combinado de un haz de imagen regresado y un haz de referencia en un tomógrafo de coherencia óptica de dominio espectral. El arreglo de detectores puede incluir un arreglo de sensores lineal. El deflector ajustable de óptica apalancada puede incluir un elemento óptico con una propiedad transmisiva ajustable o una propiedad reflectiva ajustable, en donde el deflector ajustable es ajustable por un ajuste mecánico que es ópticamente apalancado en un ajuste óptico más pequeño.

Description

ESPECTRÓMETRO CON DEFLECTOR AJUSTABLE PARA CONTROLAR EL ALINEAMIENTO DE LUZ DISPERSADA SOBRE EL DETECTOR, PARA TOMOGRAFÍA DE COHERENCIA ÓPTICA Referencia cruzada a solicitud relacionada Esta solicitud reclama prioridad bajo 35 U.S.C. §119 para la solicitud de patente de E.U.A. con número de serie 12/904,681, presentada el 14 de octubre 2010, cuyo ¦ contenido es incorporado aquí por referencia en su totalidad.

Campo técnico Este documento de patente describe espectrómetros con deflectores ajustables. Con más detalle, este documento de patente describe espectrómetros cuyo alineamiento es controlado por un deflector ajustable para aplicación potencial en tomografia de coherencia óptica.

Antecedentes Las tomografias de coherencia óptica de dominio espectral (SD-OCTs) forman imagen de regiones objetivo al dividir la luz de una fuente de luz de banda relativamente ancha en una luz de referencia y una luz de imagen, y al interferir una luz de imagen regresada del objetivo con una luz. de referencia regresada de, v.gr., un espejo de referencia. Esta interferencia . o luz de imagen es después descompuesta espectralmente y los componentes espectrales son proyectados o transmitidos a sensores de un arreglo de sensores en un detector. Las SD-OCTs forman imagen del objetivo en, un rango de profundidades z esencialmente en forma simultánea en un sitio lateral xy especifico por transformada de Fourier de los componentes espectrales de la luz de interferencia, detectados por sensores individuales. Los sistemas de OCT más .tradicionales, v.gr. , del tipo de dominio de tiempo, forman imagen del rango de profundidades z al realizar un escudriñamiento z, dando por resultado velocidades de procesamiento considerablemente más lentas. Cuando un SD-OCT se combina con un escudriñador de x, y, lineal o xy, se pueden formar imágenes bidimensionales o tridimensionales de una región objetivo entera o volumen con velocidad y resolución remarcablemente altas.

Sin embargo, la formación de imagen de velocidad de rendimiento alta y resolución alta de los SD-OCTs se logra típicamente mediante un control altamente preciso sobre la mayoría de los parámetros de sus especificaciones, incluyendo el ancho de banda de la fuente de luz, la resolución y eficiencia de captura de luz de la óptica y velocidad de lectura de su arreglo de detectores.

Una clase de SD-OCTs utiliza espectrómetros de formación de imagen de apertura numérica alta con rendimiento limitado de difracción para satisfacer esos requisitos. Estos dispositivos a menudo usan un arreglo lineal de sensores como el detector, ya que éstos pueden proveer velocidades de lectura más rápida que los sensores dispuestos en arreglos bidimensionales, y sin embargo escudriñan a través de un volumen objetivo con velocidad razonable. Un arreglo de sensores lineal típico, adecuado para resolver el espectro de una fuente de luz de banda . ancha de costumbre con alta precisión, puede contener aproximadamente 1,000 o más pixeles en una arreglo lineal. Actualmente, un tamaño de pixeles individuales o sensores cae en el rango de 10 x 10 mieras a 20 x 20 mieras. El tamaño pequeño de estos pixeles individuales, sin embargo, posee desafíos formidables para el alineamiento del haz de imagen para realizar la resolución alta potencial de los SD-OCTs.

Sumario El espectrómetro de los dispositivos de SD-OCT típicamente recibe la imagen o luz de interferencia de una fibra óptica en modo individual. El espectrómetro descompone o dispersa espectralmente esta luz de interferencia en sus componentes espectrales y transmite los componentes a sensores individuales de su detector. Los componentes detectados de la luz de imagen son transformados por medio de transformada de Fourier y analizados para construir la imagen del objetivo.

Como se describió antes, los detectores con arreglos de sensores lineales tienen el potencial de formar imagen de manera eficiente y con alta velocidad. Para realizar el potencial . de estos detectores de arreglos lineales, el elemento de descomposición espectral del espectrómetro proyecta el espectro descompuesto sobre la linea de pixeles que es de 10-20 mieras de ancho. Esta especificación se puede lograr alineando los elementos ópticos- del espectrómetro con exactitud suficientemente alta. La exactitud especificada del alineamiento angular es del orden de milirradianes, o mrads, que se puede lograr mediante ajuste mecánico y rotación de las platinas ópticas . o elementos ópticos. La exactitud del alineamiento lateral, por otra parte, puede requerir un orden de magnitud de mayor precisión, ya que los desalineamientos laterales son amplificados por la longitud de la trayectoria óptica entre el elemento de descomposición espectral y el detector.

Para lograr estos alineamientos altamente precisos, los espectrómetros pueden hacer uso de elementos ópticos ajustables o movibles que pueden ser ajustados- finamente durante el ensamble para lograr la precisión requerida del alineamiento lateral. Estos espectrómetros de elementos ajustables también ofrecen la posibilidad de realizar ajustes correctivos durante su mantenimiento regularmente programado. Sin embargo, los elementos ajustables pueden desalinearse y derivarse más fácilmente de sus alineamientos óptimos una vez que el espectrómetro está en operación y por lo tanto pueden requerir a menudo asistencia técnica para prueba y reinicio. En el caso importante del espectrómetro que está siendo usado lejos del ambiente de alta tecnología, tal como en aplicaciones médicas, a menudo puede no haber asistencia técnica inmediatamente disponible para probar y reiniciar el alineamiento del espectrómetro en intervalos de tiempo cortos o no programados, sin mencionar el tiempo fuera de servicio excesivo e inconveniencia de dicho sistema de alto mantenimiento .

Los diseños de espectrómetro que intentan o pre-intentan estos desafíos usando platinas fijas no ajustables, por otra parte, enfrentan el problema de precisión inaceptablemente baja de sus alineamientos laterales como se describe más adelante con más detalle. Estos requerimientos discordantes poseen desafíos para optimizar el diseño de espectrómetros.

Varias modalidades de espectrómetros descritas en este documento de patente proveen ventajosamente alineamiento mejorada con un arreglo de sensores de una manera que pueden ofrecer soluciones para estos desafíos de diseño. En particular, varias modalidades de espectrómetros proveen deflexión ajustable de imagen y otros tipos de luz que pueden mejorar un alineamiento con el arreglo de sensores.

En algunas modalidades, un espectrómetro puede . incluir un elemento óptico espectralmente disperso configurado para dispersar espectralmente una luz recibida, un deflector ajustable de óptica apalancada para desviar ajustablemente la luz espectralmente dispersada y un arreglo de detectores para recibir la luz espectralmente dispersada y ajustablemente desviada. La luz recibida puede incluir un haz de interferencia combinado de un haz de imagen regresado y un haz de referencia.

En algunas implementaciones, el elemento óptico espectralmente disperso puede incluir un prisma, una rejilla, un elemento óptico con un índice de refracción dependiente de la longitud de onda, un elemento óptico con una propiedad de transmisión dependiente de la longitud de onda o un elemento óptico con una propiedad de desviación dependiente de la longitud de onda. En algunas implementaciones, el arreglo de detectores puede incluir un arreglo de sensores lineal, un arreglo de sensores bidimensional o una cámara de detectores.

En algunas implementaciones, el deflector ajustable de óptica apalancada puede incluir un elemento óptico con una propiedad transmisible ajustable o una propiedad reflectora ajustable, en donde el deflector ajustable es ajustable por un ajuste mecánico que es ópticamente apalancado en un ajuste óptico más pequeño. En algunas implementaciones, una relación de un ángulo del ajuste mecánico a un ángulo del ajuste óptico puede exceder 10, en otros, 100. En algunas implementaciones , una relación del ángulo del ajuste mecánico al ángulo del ajuste óptico es de más de 5 pero menos de 100. El deflector ajustable puede incluir por lo menos una placa óptica acuñada giratoria.

En algunas implementaciones, el espectrómetro es un espectrómetro de formación de imagen, que incluye un colimador, que convierte la luz recibida en una luz paralela, y un lente de enfoque, que enfoca y forma imagen de la luz espectralmente dispersada en el arreglo de detectores.

En algunas implementaciones, un primer rango de posición de haz del detector asociado con un rango de ajuste de deflexión del deflector excede el segundo rango de posición de haz del detector asociado con un rango de tolerancia de posición acumulativo da componentes del espectrómetro. En algunas implementaciones, un primer rango de posición de haz de detector asociado con un rango de ajuste de deflexión del deflector excede un rango de posición de haz de detector operacional del espectrómetro'. En algunas implementaciones, un desalineamiento del haz operacional causado por el deflector ajustable de óptica apalancada es más pequeño que una tolerancia de desalineamiento del detector. En algunas implementaciones, el deflector ajustable está configurado para compensar un desalineamiento lateral de la luz espectralmente dispersada sin introducir un desalineamiento angular más grande que una relación de aspecto del detector.

En algunas implementaciones, el espectrómetro está configurado para permitir compensación de un desalineamiento longitudinal a través de recalibración de sus sensores usando una luz de longitud de onda conocida.

En algunas implementaciones, un dispositivo de tomografia de coherencia óptica de dominio espectral (SD-OCT) puede incluir un descomponedor espectral, configurado para recibir una luz de interferencia, y para crear una lámina de luz de interferencia al separar lateralmente los componentes espectrales de la luz de interferencia, un arreglo de sensores para detectar diferentes componentes espectrales de la lámina de luz de interferencia por diferentes sensores, y un controlador de alineamiento ajustable apalancado para controlar un alineamiento de la lámina de luz con el arreglo de sensores. El controlador de alineamiento puede incluir un prisma acuñado giratorio.

En algunas implementaciones, un espectrómetro puede incluir un dispersor espectral para dispersar lateralmente componentes espectrales de una luz de imagen, un arreglo de sensores para detectar los componentes espectrales de la luz de imagen, y un controlador de alineamiento ópticamente apalancado capaz de compensar un desalineamiento de posición del haz acumulativa debido a la variación de posición de los elementos del espectrómetro.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 ilustra el espectrómetro.

La figura 2A ilustra una luz dispersada espectralmente óptimamente alineada proyectada sobre un arreglo de sensores lineal del espectrómetro.

La figura 2B ilustra una luz espectralmente dispersada con desalineamientos angulares y laterales.

Las figuras 3A-3C ilustran tres tipos básicos de desalineamientos.

Las figuras 4A-4B ilustran dos modalidades de espectrómetros con alineamiento controlada por deflector ajustable.

Las figuras 5A-5.B ilustran modalidades particulares de un espectrómetro con un alineamiento controlado por deflector ajustable.

La figura 6 ilustra la evolución del espectrómetro lateralmente desalineado con la rotación de la cuña giratoria .

Descripción detallada Implementaciones y modalidades en este documento de patente ofrecen mejoras para los requerimientos de competencia descritos anteriormente de alineamiento de alta precisión y estabilidad a largo plazo de espectrómetros.

Como se describió antes, el alineamiento de alta precisión se puede alcanzar en espectrómetros montando elementos ópticos ajustables en platinas de alineamiento. Sin embargo, puesto que estos elementos son ajustables, incluso en el curso de la operación regular del espectrómetro, estos elementos ajustables pueden iniciar la desviación, rotación y deformación de su posición original y ajustes, introduciendo desalineamientos. Estos desalin'eamientos son perjudiciales para la precisión del espectrómetro y minan la estabilidad a largo plazo del espectrómetro.

La estabilidad de los espectrómetros puede incrementarse mediante unión o sujeción mecánica de los elementos ópticos en montajes fijos. La instalación de montajes fijos durante el ensamble del espectrómetro, por otra parte, limita la precisión del alineamiento de los elementos ópticos. En un ejemplo representativo,' si un elemento óptico es instalado en un espectrómetro por lo menos en parte manualmente, su posición puede ser controlada con una precisión en la escala de cien mieras. Puesto que el espectrómetro contiene varios elementos ópticos, el desalineamiento de posición de haz acumulativo o error 'de tolerancia puede alcanzar varios cientos de · mieras, posiblemente hasta 1,000 mieras. Puesto que la extensión física de los sensores' individuales en el arreglo de detectores es de aproximadamente 10-20 mieras, los cientos de mieras de desalineamiento causado por los errores del ensamble de los elementos ópticos unidos puede reducir sustancialmente la eficiencia del espectrómetro, posiblemente incluso amenazar la funcionalidad del espectrómetro mismo. Por lo tanto, la estabilidad a largo plazo alta de espectrómetros unidos conlleva un problema incrementado de desalineamiento que surge durante el ensamble del espectrómetro .

La figura 1 ilustra los problemas anteriores del ejemplo de un espectrómetro típico 10. El espectrómetro 10 recibe una imagen o luz de interferencia 11 y puede transmitirla a través de un colimador o lente colimador 13 que transforma la luz recibida en rayos paralelos. Los rayos colimados pueden alcanzar un elemento espectralmente dispersable 15 que distribuye lateralmente los componentes espectrales de los rayos y los redirige hacia un lente de enfoque 17 que a su vez forma imagen o los enfoca en un detector 19.

Los espectrómetros pueden clasificarse en categorías de formación de imagen y no formación de imagen. Un espectrómetro de formación de imagen típicamente recibe' la luz de una fuente de tipo puntos y forma imagen de ella a un punto en su detector. Dicha fuente de tipo punto puede ser la punta de una fibra óptica. Un espectrómetro no formador de imagen típicamente recibe la luz en forma de una ranura y la transfiere como una línea a su detector.

Con respecto a la nomenclatura, el término luz de imagen anterior puede referirse a luz recibida ya sea por un espectrómetro formador de imagen o no formador de imagen, ya que la luz es nombrada luz de imagen para representar que porta información de imagen acerca del objetivo de la formación de imagen. Los principios de diseño aquí descritos pueden ser implementados tanto en espectrómetros formadores de imagen como no formadores de imagen.

Las figuras 2A-2B ilustran que los arreglos espectralmente dispersos pueden formar una lámina de luz en donde los componentes espectrales de la luz se propagan de una manera lateralmente distribuida. El espectro lateralmente distribuido contiene rayos con longitudes de onda de ?(?t???) a ?(??a??), correspondientes al ancho de banda de la fuente de luz. Esta lámina de luz puede ser proyectada sobre un arreglo de sensores. En el ejemplo mostrado, el arreglo es un arreglo de sensor- lineal 19 que recopila datos de imagen para un rango de profundidad z esencialmente en forma simultánea a un lugar objetivo xy y por lo tanto ofrece buen procesamiento y velocidad de lectura.

La lámina de luz o espectro lateralmente distribuido interseca el plano del arreglo de sensores lineal en una línea S con una anchura limitada de difracción. La figura 2A muestra un espectrómetro bien alineado 10, en donde el espectro lateralmente disperso S (alineado) es alineado con el arreglo de sensor lineal 19. El arreglo de sensor lineal 19 puede incluir sensores N de si a sN. En espectrómetros típicos, N puede ser de aproximadamente un 1,000 o más. Los componentes espectrales de la luz se resolverán en intervalos de longitud de onda pequeños de M<N, cuya ?? ancha es determinada, entre otras, por la anchura espacial de los sensores individuales. Las cantidades anteriores pueden ser relacionadas por medio de la relación aproximada ??? ~ [ (máx) - ?(p???)].

La figura 2B ilustra un espectrómetro desalineado típico, en donde el espectro lateralmente distribuido interseca el plano del arreglo de sensor lineal 19 en una línea inclinada o girada S (desalineada) . En este espectrómetro desalineado una porción de los sensores es capaz de detectar el espectro de distribución lateralmente incidente, pero una porción dimensionable del espectro de distribución no pasa por arreglo de sensores lineal en su totalidad.

Algunas de las causas principales del desalineamiento incluyen la precisión limitada del proceso de ensamble., A menudo la instalación de los elementos ópticos implica pasos manuales y manipulaciones. Un desalineamiento de posición de haz en el arreglo de sensores debido a la imprecisión o error de tolerancia de los pasos manuales de la instalación puede ser del orden de 100 mieras. Los errores causados por los elementos ópticos individuales del espectrómetro pueden acumularse a un error acumulativo del orden de 1,000 mieras.

Otra fuente potencial del desalineamiento es las condiciones de evaluación cambiantes del espectrómetro. Los cambios de temperatura pueden causar deriva de la posición de los elementos ópticos. Los esfuerzos mecánicos, esfuerzo mecánico y torsión del alojamiento del dispositivo de formación de imagen entero también .pueden causar una colocación errónea relativa o rotación de los elementos ópticos .

Las figuras 3A-3C ilustran que hay por lo menos tres .tipos de desalineamiento. El desalineamiento genérico de la figura 2B puede ser típicamente descompuesto en una sobreposición de estos tres desalineamientos.

La figura 3A ilustra un desalineamiento angular o rotacional, caracterizado por el ángulo de desalineamiento a entre el espectro de distribución S y la línea de el arreglo de sensores lineal.

Dichos desalineamientos angulares pueden ser reducidos al mínimo o eliminados si el espectro de distribución S es alineado con el arreglo de sensores lineal de modo que las longitudes de onda más externas ?(p???) y X( áx) caen sobre sensores del arreglo. En un arreglo de sensores de aproximadamente 1,000 sensores individuales o pixeles, esto se traduce a que a sea menor que aproximadamente 1/500, o 2 milirradianes (mrad) . Una precisión de 1-2 mrad del alineamiento angular de los elementos ópticos se puede lograr aún cuando el espectrómetro sea manualmente ensamblado y manipulado.

La figura 3B ilustra un desalineamiento longitudinal, caracterizado por el espectro de distribución S que tiene una buena alineamiento angular con el arreglo de sensores lineal, pero las longitudes de onda de los componentes espectrales siendo desplazados por una distancia de posición de haz de detector ? (larga) a lo largo del arreglo de sensor lineal 19. Aquí, el término "posición de haz de detector" abrevia la posición del haz en el detector. Dicho desalineamiento longitudinal puede ser causado, v.gr., por un elemento óptico que ha sido instalado inadvertidamente instalado en una posición ligeramente desplazada. ¦ Este desplazamiento puede causar que un espectro especifico o componente de longitud de onda (esp) sea dirigido a un sensor a una distancia ? (larga) lejos del arreglo lineal del sensor nominalmente destinado para detectar este componente de longitud de onda particular (esp) .

Dichos desalineamientos longitudinales también pueden ser reducidos al mínimo o' eliminados, por ejemplo, por los siguientes pasos: (a) una luz con una longitud de onda especifica bien conocida (esp) pueden ser proyectada sobre el espectrómetro; (b) un indice/marca/lugar del sensor s (detección esp) que reporta la detección de la longitud de onda bien conocida X{esp) puede ser registrado; (c) la distancia ? (larga) entre el sensor s (detección esp), que detecta realmente la longitud de onda especifica (esp) y el sensor s (diseño esp) que fue nominalmente diseñado para detectar esta longitud de onda {esp) se puede determinar; y (d) la correspondencia o tabla de búsqueda entre las marcas/lugares de los detectores individuales s(i) y la longitud de onda de los componentes espectrales detectada por ellos puede ser recalibrada de acuerdo con esta ? (larga) medida a lo largo del arreglo de sensores entero 19. En algunos casos, lámparas espectrales u otras fuentes de luz con espectros atómicos bien conocidos se pueden usar para este propósito, incluyendo lámparas de mercurio, sodio o gas inerte .

La figura 3C ilustra un espectro de distribución S con un desalineamiento lateral, en donde el espectro de distribución S, o lámina de luz intersecta el plano del arreglo de sensores lineal 19 a una distancia A(lat) del arreglo de sensores 19. Puesto que la extensión lateral del arreglo lineal puede ser del orden de 10 mieras, y una distancia típica que separa el elemento de dispersión espectral 15 y el detector 19 es del orden de 0,1 metros = 100.000 mieras, los elementos espectralmente dispersantes 15 son capaces de reducir al mínimo o eliminar el desalineamiento lateral A(lat) si están alineados con una precisión angular de 10 micras/100 , 000 mieras = 0.1 mrad.

Esta precisión 0.1 mrad es un orden de magnitud más estrecho que la precisión mrad 1 capaz de eliminar el desalineamiento angular como se mencionó antes. Dicha precisión de 0.1 mrad es típicamente inaccesible para espectrómetros cuyo ensamble implica manipulaciones manuales.

Las figuras 4A-B ilustran varias modalidades de un espectrómetro ventajosamente capaz de proveer alineamiento mejorada con un arreglo de sensores.

La figura 4A ilustra una modalidad de un espectrómetro de 100 que incluye un elemento óptico espectralmente dispersivo 120, un deflector ajustable de óptica 140 y una arreglo de detectores o sensores 160.

El elemento óptico espectralmente dispersivo 120 puede estar configurado para recibir una luz de imagen colimada y para dispersar espectralmente la luz de imagen recibida. La luz de imagen o haz de interferencia pueden ser recibidos de un divisor de haz de un dispositivo tomográfico de coherencia óptica de dominio espectral (SD-OCT) , combinado a partir de un haz de imagen regresado y un haz de referencia .

Aunque las aplicaciones junto con los dispositivos de SD-OCT se describen con más detalle en este documento de patente, los espectrómetros 100 también pueden tener un amplio campo de uso en otros sistemas ópticos. También, el espectrómetro puede ser ya sea del tipo formador de imagen o del tipo no formador de imagen.

El elemento óptico espectralmente dispersivo 120 puede incluir un prisma, una rejilla, un elemento óptico con un índice de refracción dependiente de la longitud de onda, un elemento óptico con una propiedad de transmisión dependiente de la longitud de onda o un elemento óptico con una propiedad de deflexión dependiente de la longitud de onda .

El arreglo de detectores o sensores 160 puede estar configurado para recibir la luz espectralmente dispersada y aj ustablemente deflectada. El arreglo de sensores 160 puede incluir pixeles, detectores acoplados a carga (CCDs), o un arreglo de cualquier otro tipo de sensores que generan una señal eléctrica basada en luz detectada. El detector 160 también puede incluir un arreglo de sensores bidimensionales •y una cámara de detectores.

Todos los elementos ópticos del espectrómetro de 100, incluyendo el arreglo de sensores 160, puede ser unido o cerrado en platinas permanente no móviles. Dichos diseños unidos asegurar la buena estabilidad a largo plazo del espectrómetro y su rendimiento. Como se describió antes, en espectrómetros de elementos unidos puede ser un desafio guiar el espectro S sobre y alinear el espectro S con el arreglo de sensores lineal 160, ya que las variaciones mecánicas de los montajes, de las uniones y los procedimientos de cierre/fijación introducidos por las inexactitudes del proceso de ensamble, puede mover la posición del haz en el detector en exceso de altura o anchura de pixeles del arreglo de sensores lineal 160. Como se describió antes, de hecho el haz puede ser movido o desfasado por varios múltiplos de anchura de pixeles, conduciendo a desafios sustanciales para el ensamble y. la calibración. El error acumulativo y el desalineamiento lateral A(lat) resultante, que se acumula de los diversos elementos ópticos individuales puede sumar hasta cientos de mieras, mientras que el ancho de los pixeles individuales es típicamente sólo de 10 a 20 mieras, nuevamente resaltando los desafíos del alineamiento lateral del espectrómetro 100.

La figura 4A ilustra que en el espectrómetro de 100 este desafío de diseño puede ser dirigido al incluir el deflector ajustable de óptica apalancada 140 que puede ser configurado para desviar ajustablemente la luz espectralmente dispersada.

Los aspectos del deflector ajustable de óptica apalancada 140 incluyen que (a) los ajustes mecánicos son apalancados, y (b) el apalancamiento es óptico en lugar de mecánico . (a) En el presente contexto el apalancamiento puede referirse al deflector 140 que traslada o escalona descendente un ajuste mecánico en un ajuste mucho más pequeño de un ángulo de deflexión del haz. Por ejemplo,. el giro de un tornillo ajustador mecánico en el montaje del 'deflector de 140 por 360 grados puede ser trasladado o escalonado descendentemente a un movimiento mecánico pequeño de una platina mecánica intermedia, tal como un giro de pocos grados de una plataforma de giro lento por medio de relaciones de engrane altas u otros medios. Esta platina mecánica intermedia entonces puede trasladar el elemento mecánico escalonado descendentemente en un movimiento óptico comparable, v. gr., al girar un espejo con los mismos pocos grados para cambiar el ángulo de deflexión del haz desviado de acuerdo a ello.

Estos sistemas apalancan o escalonan descendentemente los ajustes mecánicamente, trasladando un movimiento mecánico más grande de platina ajustadora en un movimiento mecánico más pequeño de la platina mecánica intermedia, y después traslada el movimiento mecánico pequeño de la platina mecánica intermedia en ajuste óptico comparablemente pequeño.

Sin embargo, los sistemas de escalonamiento descendente mecánicos que usan .una platina mecánica intermedia pueden enfrentar los desafios de la estabilidad a largo pazo, ya que los tornillos de escalonamiento descendentes, engranes o brazos de palanca pueden no resistir la deriva y pueden desalinearse y ' pueden ser la fuente de un tipo nuevo o adicional de desalineamiento (b) El deflector ajustable de óptica apalancada 140 del espectrómetro 100 es capaz de realizar traslación de ajustes mecánicos grandes en ajustes ópticos pequeños sin usar una platina mecánica intermedia de escalonamiento descendente/apalancamiento. La evitación del uso de dicha platina de apalancamiento mecánica intermedia puede resolver el problema de deriva y desalineamiento, dando al espectrómetro estabilidad operacional a largo plazo y alineamiento robusta.

En algunas modalidades, la relación del ángulo de un ajuste mecánico a un cambio ópticamente causado del ángulo de deflexión del haz puede ser de 10 o más, en otros, 100 o más y otras modalidades 1000 o más.

En algunas implementaciones, la estabilidad a largo plazo puede ser optimizada confinamiento la relación de los ajustes mecánicos a los ajustes ópticos para que no exceda 1,000, en otras 100 y en otras 10.

El deflector ajustable de óptica apalancada 140 puede incluir un elemento óptico con una propiedad transmitida ajustable y un elemento óptico con una propiedad reflectante ajustable.

La figura 4B ilustra otra implementación de un espectrómetro 200. El espectrómetro 200 puede incluir un dispersor espectral 220 que ' incluye un elemento de descomposición de espectro 230 y un controlador de alineamiento de óptica apalancadas 240. El dispersor espectral 220 puede guiar el espectro disperso sobre un arreglo de detectores o sensores 260. El elemento de descomposición de espectro 230 puede ser análogo al elemento espectralmente dispersivo 120, el controlador de alineamiento 240 puede ser análogo al detector ajustable 140, y el arreglo de detectores/sensores 260 puede ser análogo al arreglo de sensores 160.

La figura 4B ilustra que el elemento de descomposición de espectro 230 y el controlador de alineamiento 240 juntos pueden formar un dispersor espectral integrado 220. Por ejemplo, en algunas implementaciones, el controlador de alineamiento 240 puede ser implementado entre elementos ópticos del dispersor espectral 220.

La figura 5A ilustra una modalidad especifica de los espectrómetros de las figuras 4A-4B. El espectrómetro de la figura 5A puede ser un espectrómetro de formación de imagen, incluyendo el colimador 13, convirtiendo la luz de imagen en una luz colimada y, y el lente de enfoque 17, enfocando y la formando imagen la luz espectralmente dispersada en el espectro de detectores/sensores 160.

El deflector ajustable de óptica apalancada 140 en esta implementación puede incluir una cuña giratoria o prisma 142. El prisma de cuña giratorio 142 puede variar o ajustar un lugar del .espectro S en relación con el arreglo de sensores lineal 160 y compensar o controlar el desalineamiento lateral A(lat) generada por el. error de la tolerancia o variación de la instalación de los · elementos ópticos o sus condiciones de operación cambiantes.

La cuña giratoria, o prisma de cuña con un pequeño ángulo de inclinación/cuña es un ejemplo de un mecanismo de apalancamiento o escalonamiento descendente que no usa una platina mecánica de escalonamiento descendente intermedio sino más bien convierte un ajuste mecánico grande directamente a un ajuste óptico pequeño. Por ejemplo, una rotación de 360 grados mecánica grande del prisma de cuña giratorio 142 puede desviar el haz transmitido por 1 grado o menos, dependiendo del ángulo de cuña, sin utilizar una platina de apalancamiento mecánica intermedia.

La figura 5B ilustra que en algunas implementáciones la cuña o prisma de cuña giratorio puede ser insertada en varios segmentos de la trayectoria óptica, tal como entre el colimador 13 y el elemento espectralmente dispersante 120 como una cuña 142-1, o entre el elemento espectralmente dispersante 120 y el lente de enfoque 17 como una cuña 142-2; o entre el lente de enfoque 17 y el detector 160, como una cuña 142-3. En otras implementaciones, cualesquiera dos o incluso todas las tres cuñas giratorias 142-1, 142-2 y 142-3 pueden ser insertadas. Estas modalidades en donde la cuña giratoria está colocada entre elementos de dispersor espectral 220 puede ser visualizadas como implementaciones del espectrómetro 200 de la figura 4B. La libertad de colocar la cuña giratoria 142 en diferentes segmentos de la trayectoria óptica permite una optimización del diseño para satisfacer la extensión deseada de la traslación lineal del espectro.

La figura 6 ilustra que una rotación del prisma de cuña 142 puede, dar por resultado un movimiento circular del espectro lateralmente dispersado S. El análisis de la óptica muestra que los puntos finales aproximados del espectro S, correspondientes a la longitud de onda mínima ?(p???) y la longitud de onda máxima (máx) se mueven alrededor de círculos marcados C(min) y C(máx). Las dos posiciones laterales extremas de los espectros SI y S2, y los círculos correspondientes C(min) y C(máx) pueden ser asimétricos en relación con el arreglo del sensor lineal 160.

Un primer rango de posición de haz de detector A(deflector lat) denota la extensión máxima, o rango, del desalineamiento lateral, causado y controlado por el prisma de cuña giratorio 142 y en general por el controlador ajustable 140 o 240. En algunas implementaciones típicas, el primer rango de posición de haz del detector ? (deflector lat) puede exceder un segundo rango de posición de haz de detector ? (acumulativo lat) un rango lateral barrido por la posición del haz en el plano del detector 160 asociado con un rango de tolerancia de posición acumulativo de componentes del espectrómetro 100 ó 200.

Como se describió en un principio, ? (acumulativo lat) puede tener por lo menos dos orígenes. Uno de los orígenes puede ser la variación, o error de tolerancia, de las posiciones de los elementos individuales del espectrómetro que surgen durante el proceso de ensamble que incluye manipulaciones manuales. Otro origen puede ser los parámetros de operación cambiantes, tales como la temperatura de operación del espectrómetro o deformaciones mecánicas y desgaste y desprendimiento.

¦ La visibilidad, al girar la cuña giratoria 142 de la figura 5A, o en general, al ajustar el deflector ajustable 140 de las figuras 4A-4B, es posible ajustar el deflector 140 para compensar el desalineamiento acumulativa causado por las variaciones o errores de tolerancia . del ensamble de los elementos ópticos y trasladar el espectro S de regreso sobre el arreglo de sensor lineal 160, siempre que ? (deflector lat) sea mayor que ? (acumulativo lat).

En la misma esencia, si A(deflector lat) es mayor que ? (operante lat), en donde ? (operante lat) representa un rango de posición de haz de detector operacional, es decir el rango de desalineamientos laterales impulsados por parámetros de operación cambiantes del espectrómetro 100-200, entonces un ajuste del deflector ajustable 140 es capaz de compensar los desalineamientos generados por estos parámetros de operación cambiantes. Ejemplos de dichos parámetros de operación cambiantes incluyen temperaturas de operación cambiantes, posición de deriva de elementos ópticos debido a desgaste y desprendimiento regular del espectrómetro asociado con el uso extensivo, y¦ un cambio del ambiente de operación, v.gr., el curso de reubicación, movimiento o incluso reinstalación del espectrómetro.

Otra ventaja de utilizar el deflector ajustable ópticamente apalancado 140 es que los espectrómetros 100-200 confiablemente permanecen alineados y en posición a largo plazo porque el alineamiento óptico del prisma de cuña delgado 142 con un ángulo de cuña pequeño no- es sensible ya sea a una traslación o a una inclinación de la cuña 142. Cuando el prisma de cuña 142 es colocado en la trayectoria del haz sustancialmente perpendicular a la propagación del haz óptico, sólo la rotación . o alineamiento angular de la cuña 142 alrededor del eje óptico afecta la posición del espectro S en relación con el arreglo de sensor lineal 142.

Los parámetros del deflector ajustable 140 se pueden seleccionar de tal manera que provean un control de alineamiento angular con un rango de 0.1 mrad. Con tal diseño, el deflector ajustable 140 puede guiar el espectro lateralmente distribuido S sobre el arreglo de sensor lineal 160, mientras que al mismo tiempo incluso desalineamientos angulares más grandes del deflector 140 no impactarán negativamente el alineamiento angular ya que el alineamiento angular tiene una tolerancia del orden de 1 mrad. Por lo tanto, montando el prisma de cuña en un estado variable, tal como un marco giratorio y fijándolo una vez que el alineamiento lateral es optimizada, permite un ajuste preciso del espectrómetro 100-200 mientras no disminuye ni sacrifica la estabilidad a largo plazo del espectrómetro 100-200.

En algunas implementaciones de los espectrómetros 100 y 200, la distorsión óptica del diseño también puede ser reducida al mínimo al aplicar implementación de prisma de cuña 142 con un ángulo de cuña pequeño y espesor pequeño.

En algunas implementaciones de los espectrómetros 100 y 200, un desalineamiento de haz operacional causado por el deflector ajustable 140 puede ser menor que una tolerancia de desalineamiento del detector 160.

En algunas implementaciones de los espectrómetros 100 y 200, el deflector ajustable puede estar configurado para compensar un desalineamiento lateral de la luz espectralmente dispersada sin introducir un desalineamiento angular mayor que una relación de aspecto del detector.

Aunque esta especificación contiene muchos aspectos específicos, éstos no deben considerarse como limitaciones del alcance de la invención o de lo que se reclama, sino más bien como descripciones de características específicas a modalidades particulares. Ciertas características que se describen en esta especificación en el contexto de modalidades separadas también pueden ser implementadas en combinación en una sola modalidad. Por el contrario, varias características que se describen en el contexto de una sola modalidad también pueden ser implementadas en múltiples modalidades por separado o en cualquier subcombinación adecuada. Más aún, aunque las características pueden describirse anteriormente como actuando en cierta combinación e incluso inicialmente reivindicadas como tales, una o más características de la combinación reivindicada en algunos casos pueden ser cortadas de la combinación, y la combinación reivindicada puede ser dirigida a una subcombinación o variación de una subcombinación.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un espectrómetro que comprende: un elemento óptico espectralmente dispersivo configurado para dispersar espectralmente una luz recibida; un deflector ajustable de óptica apalancada para desviar aj ustablemente la luz espectralmente dispersada; y una arreglo de detectores para recibir la luz espectralmente dispersada y aj ustablemente desviada.

2. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: la luz recibida comprende un haz de interferencia combinado de un haz de imagen regresado y un haz de referencia .

3. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde el elemento óptico espectralmente dispersivo comprende por lo menos uno de: un prisma, una rejilla, un elemento óptico con un índice de refracción dependiente de longitud de onda, un elemento óptico con una propiedad de transmisión dependiente de longitud de onda y un elemento óptico con una propiedad de deflexión dependiente de longitud de onda.

4. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde el arreglo de detectores comprende por lo menos uno de: un arreglo de sensores lineal, un arreglo de sensores bidimensional y una cámara de detectores.

5. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde el deflector ajustable de óptica apalancada comprende: un elemento óptico con por lo menos una de una propiedad transmisiva ajustable y una propiedad reflectiva ajustable, en donde el deflector ajustable es ajustable por un ajuste mecánico que es ópticamente apalancado en un pequeño ajuste óptico .

6. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 5, en donde: una relación de un ángulo del ajuste mecánico a un ángulo de ajuste óptico excede 10.

7. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 6, en donde: una relación de un ángulo del ajuste mecánico a un ángulo de. ajuste óptico excede 100.

8. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: una relación del ángulo del ajuste mecánico al ángulo del ajuste óptico es mayor que 5 y menor que 100.

9. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde el deflector ajustable comprende: por lo menos una placa óptica con cuña giratoria.

10. · El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: el espectrómetro es un espectrómetro de formación de imagen, que comprende un colimador, que convierte la luz recibida en una luz paralela; y un lente de enfoque, que enfoca y forma imagen de la luz espectralmente dispersada en el arreglo de detectores.

11. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: el primer rango de posición de haz de detector asociado con un rango de ajuste de deflexión del deflector excede un segundo rango de posición de haz de detector asociado · con un rango de tolerancia de posición acumulativo de componentes del espectrómetro.

12. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: un primer rango de posición de haz de detector asociado con un rango de ajuste de deflexión del deflector excede un rango de operación de haz de detector operacional del espectrómetro.

13. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: un desalineamiento del haz operacional causado por el deflector ajustable de óptica apalancada es menor que una tolerancia de desalineamiento del detector.

14. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: el deflector ajustable está configurado para compensar un desalineamiento lateral de la luz espectralmente dispersada sin introducir un desalineamiento angular mayor que una relación de aspecto del detector.

15. El espectrómetro de conformidad con la reivindicación 1, en donde: el espectrómetro está configurado para permitir compensación de un desalineamiento longitudinal a través de recalibración de sus sensores usando una luz de longitud de onda conocida.

16. Un dispositivo de tomografía de coherencia óptica de dominio espectral (SD-OCT) , que comprende: un descomponedor espectral, configurado para recibir una luz de interferencia, y para crear una luz de interferencia al separar lateralmente componentes espectrales de la luz de interferencia; un arreglo de sensores para detectar componentes espectrales diferentes de la lámina de luz de interferencia por sensores diferentes; y un controlador de alineamiento ajustable apalancado para controlar un alineamiento de la lámina de luz con el arreglo de sensores.

17. El dispositivo de SD-OCT de conformidad con la reivindicación 16, en donde el controlador de alineamiento comprende: un prisma de cuña giratoria.

18. Un espectrómetro, que comprende: • un dispersor espectral para dispersar lateralmente componentes espectrales de una luz de imagen; un arreglo de sensores para detectar los componentes espectrales de la luz de imagen; y un controlador de alineamiento ópticamente apalancado, capaz de compensar un desalineamiento de posición de haz acumulativa debido a la variación de posición de los elementos del espectrómetro. RESUMEN Se presenta un espectrómetro que incluye un elemento óptico espectralmente dispersivo (120) para dispersar espectralmente una luz recibida, un deflector ajustable de óptica apalancada (142-1, 142-2, 142-3) para desviar aj ustablemente la luz espectralmente dispersada, y un arreglo de detectores (160) para recibir la luz espectralmente dispersada y aj ustablemente desviada. La luz recibida puede incluir un haz de interferencia combinado de un haz de imagen regresado y un haz de referencia en un tomógrafo de coherencia óptica de dominio espectral. El arreglo de detectores puede incluir un arreglo de sensores lineal. El deflector ajustable de óptica apalancada puede incluir un elemento óptico con una propiedad transmisiva ajustable o una propiedad reflectiva ajustable, en donde el deflector ajustable es ajustable por un ajuste mecánico que es ópticamente apalancado en un ajuste óptico más pequeño.