TW201323854A - 光干涉裝置 - Google Patents

Abstract

一種光干涉裝置，可對待測物進行檢測。此裝置包括光源、光耦合器、反射器、第一透鏡組及光感測單元。其中，光耦合器位於光源所發出之光束路徑中，且光耦合器可將光源所發出之光束分為量測子光束與參考子光束。反射器位於參考子光束傳遞路徑中並可反射參考子光束。第一透鏡組包括位於量測子光束傳遞路徑中之第一透鏡。量測子光束通過第一透鏡後傳遞至待測物。待測物將部分量測子光束藉由反射或散射返回至第一透鏡。第一透鏡可擴展第一透鏡組之景深。光感測單元位於參考子光束及量測子光束傳遞路徑，用以獲得參考子光束與量測子光束所形成之干涉訊號。

Description

光干涉裝置

本發明是有關於一種光干涉裝置。

近年來，光學同調斷層攝影術中因所採用之紅外光對生物組織具有較低吸收率之特性，而使光學同調斷層攝影術可有效應用於生物組織的檢測，並成為生醫領域不可或缺的工具，如眼科中患者視網膜病變的檢驗等。習知的光學同調斷層攝影系統是一種具備低同調性光源之干涉儀。並藉由干涉儀中待測物所處之光路徑與參考路徑之光程差所造成之干涉訊號來獲得待測物在不同穿透深度位置的斷層影像。

然而，在習知技術中，當待測物偏離最佳成像位置時，斷層影像之橫向解析度便會受限於光學同調斷層攝影系統所使用之物鏡的光學特性。換句話說，在物鏡之數值孔徑選定的情況下，當待測物偏離最佳成像位置時，斷層影像之橫向解析度會隨著待測物偏離之距離而大幅的下降，進而嚴重影響待測物斷層影像之品質。

本發明之一實施例提出一種干涉檢測裝置，適於檢測一待測物。干涉檢測裝置包括光源、光耦合器、反射器、第一透鏡組以及光感測單元。光源適於發出光束。光耦合器配置於光束之傳遞路徑上，且適於將光束分為量測子光束與參考子光束。反射器配置於參考子光束的傳遞路徑上，用以反射參考子光束。第一透鏡組包括第一透鏡。第一透鏡配置於量測子光束之傳遞路徑上。量測子光束通過第一透鏡組後傳遞至待測物上。待測物將光束透過反射或散射機制返回將部分量測子光束返回第一透鏡組。第一透鏡具有球面像差，可擴展第一透鏡組之景深。光感測單元配置於來自反射器所反射之參考子光束與自待測物返回後通過第一透鏡組之量測子光束的傳遞路徑上，用以感測參考子光束與量測子光束的干涉訊號。

為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

第一實施例

圖1為本發明第一實施例之光干涉裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例之光干涉裝置100用於偵測待測物10。本實施例之光干涉裝置100包括光源110、光耦合器(optical coupler)120、第一透鏡組130、反射器150、以及光感測單元160。在本實施例中，待測物10例如為生物組織，但本發明不以此為限。

本實施例之光源110適於發出光束L。在本實施例中，光束L可為低同調光束。換言之，本實施例之光源的發光頻譜使光束L的同調長度(coherence length)為有限值。詳言之，本實施例中光線所發射出之光束L的發光頻譜頻寬度可介於十奈米到數百奈米。此外，本實施例之光束L可為高斯光束(Gaussian beam)。意即，光束L之橫向電場強度分佈可接近高斯函數(Gaussian function)。本實施例之光束L的中心波長為λ，其中λ可介於700奈米到1400奈米。換言之，在本實施例中，光束L之主要強度可分佈在近紅外線波段，以增加光束L對待測物10(例如生物組織)之穿透力。

本實施例之光耦合器120配置於光束L之傳遞路徑上，且可將光束L分為參考子光束LR與量測子光束LM。詳言之，光源110所發出之光束L可透過光纖F傳遞至光耦合器120。光耦合器120將光束L分為參考子光束LR與量測子光束LM後，光耦合器120可利用二條光纖F1、F2分別將參考子光束LR與量測子光束LM傳遞出去。

本實施例之第一透鏡組130可接收來自光耦合器120之量測子光束LM。第一透鏡組130包括第一準直透鏡132、第一透鏡134以及第一物鏡136。第一準直透鏡132、第一透鏡134以及第一物鏡136皆配置於量測子光束LM之傳遞路徑上。量測子光束LM依序通過第一準直透鏡132、第一透鏡134以及第一物鏡136後可傳遞至待測物10上。待測物10可將至少部分之量測子光束LM藉由反射或散射而返回至第一透鏡組130。在本實施例中，來自待測物10且通過第一透鏡組130的量測子光束LM可透過光纖F2傳遞至光耦合器120中。

圖2示出圖1之第一透鏡的表面輪廓立體示意圖。請參照圖1及圖2，本實施例之第一透鏡134可為平凹透鏡。第一透鏡134之凹面134a可朝向第一物鏡136，而第一透鏡134之平面134b可朝向第一準直透鏡132。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，第一透鏡134亦可為其他形式之透鏡。

另外，需說明的是，在圖1中，第一透鏡134是與第一準直透鏡132及第一物鏡136分離。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，第一透鏡134可與第一準直透鏡132或第一物鏡136整合。或者，第一透鏡134、第一準直透鏡132以及第一物鏡136可整合為一個光學元件。

本實施例之光干涉裝置100可進一步包括第二鏡頭組140。第二鏡頭組140包括配置於參考子光束LR之傳遞路徑上的第二準直透鏡142以及第二物鏡146。參考子光束LR依序通過第二準直透鏡142與第二物鏡146。在本實施例中，第二準直透鏡142以及第二物鏡146之光學特性分別與第一準直透鏡132以及第一物鏡136實質上相同。

在本實施例中，參考子光束LR通過第二透鏡組140後可傳遞至反射器150上。反射器150可將參考子光束LR反射回第二透鏡組140，進而使參考子光束LR傳回光耦合器120中。在本實施例中，被反射器150反射之參考子光束LR可透過光纖F1傳回光耦合器120中。

本實施例之光感測單元160配置於來自反射器150之參考子光束LR以及自待測物10返回通過第一透鏡134的量測子光束LM的傳遞路徑上，用以感測參考子光束LR與量測子光束LM的干涉訊號。詳言之，在本實施例中，光耦合器120可合併來自反射器150之參考子光束LR以及自待測物10返回通過第一透鏡組130的量測子光束LM，並可利用光纖F’將參考子光束LR與量測子光束LM傳遞至光感測器單元160。

使用者透過參考子光束LR與量測子光束LM所形成之干涉訊號可獲得待測物10之斷層影像。舉例而言，本實施例之光干涉裝置100可為時域(time domain)類型。本實施例之反射器130可沿著參考子光束LR之傳遞路徑移動。本實施例之光感測單元150可為光電二極體(photo-diode)或電荷耦合元件(charge coupling device)。當量測子光束LM被待測物10中位於特定穿透深度之物體反射回光感測單元160之光程與參考子光束LR被反射器150反射回光感測單元160之光程相等時，光感測單元160可感測到具最大對比度之干涉訊號。因此，本實施例之光干涉裝置100藉由反射器150之移動可達到斷層攝影之功效。然而，本發明不限於上段所述，在其他實施例中，光干涉裝置100亦可為頻域(frequency domain)類型。在此實施例中，光感測單元150可為光譜儀(spectrometer)。藉由在同一時間下紀錄不同波長之干涉訊號，並結合訊號處理方法，如傅立葉轉換等程序，亦可獲得待測物10之斷層影像。

值得注意的是，本實施例之第一透鏡134具有球面像差，以擴展第一透鏡組130之景深(depth of field)。換言之，第一透鏡134可使第一透鏡組130之景深變長。如此一來，若待測物10偏離最佳成像位置時，被待測物10反射之量測子光束LM的發散程度不易隨著偏離程度變大而變大，進而提升待測物10之斷層影像的橫向解析度。

更進一步地說，在本實施例中，第一透鏡134的各階球面像差可針對入射光束L為高斯光束的條件以及此高斯光束之寬度與系統光圈之截止比例來做適當之設計，以優化光干涉裝置100之性能。具體而言，在本實施例中，第一透鏡134之球面像差包括各階球面像差之至少其中一階之球面像差。在本實施例中，第一透鏡134之球面像差可包括三階球面像差及五階球面像差。三階球面像差的絕對值可落在0.025 λ至5.000 λ的範圍內。五階球面像差的絕對值可落在0.001 λ至5.000 λ的範圍內。其中，λ為光束L之中心波長。

圖3A示出利用本發明第一實施例之光干涉裝置所取得之待測物斷層影像訊號。圖3B示出一比較例之光干涉裝置所取得之待測物斷層影像訊號。本實施例之光干涉裝置100與比較例之光干涉裝置之差異在於：本實施例之光干涉裝置100多包括了第一透鏡134。比較圖3A與圖3B可知，當光干涉裝置100包括第一透鏡134時，即便待測物10偏離最佳成像位置R時，光干涉裝置100仍可得之強度足夠之待測物斷層影像訊號。換言之，第一透鏡134可提升待測物10之斷層影像的橫向解析度。

第二實施例

圖4為本發明第二實施例之光干涉裝置的示意圖。請參照圖4，本實施例之光干涉裝置100A與第一實施例之光干涉裝置100類似，因此相同之元件以相同之標號表示。本實施例之光干涉裝置100A與第一實施例之光干涉裝置100的不同之處在於：在本實施例之光干涉裝置100A中，第二透鏡組140更包括第二透鏡144。以下就此相異處做說明，兩者相同之處便不再重述。

在本實施例之光干涉裝置100A中，第二透鏡組140更包括第二透鏡144。第二透鏡144之光學特性實質上與第一透鏡134相同。換言之，量測子光束LM與參考子光束LR均分別通過光學特性相同或相似之第一準直透鏡132、第一透鏡134、第一物鏡136以及第二準直透鏡142、第二透鏡144、第二物鏡146。因此，回傳至光感測單元160之量測子光束LM與參考子光束LR的光強度差異較小，進而使光感測單元160所接收之干涉訊號對比度佳(即信號噪音比大)。如此一來，光干涉裝置100A之性能便可獲得進一步的提升。

圖5示出利用本發明第二實施例之光干涉裝置所取得之待測物斷層影像訊號。比較圖3A與圖5可知，本實施例之光干涉裝置100A確實可降低在待測物偏離最佳成像位置時干涉訊號對比度的變異程度。此外，本實施例之光干涉裝置100A在搭配感度高之光感測單元160時可具備與第一實施例之光干涉裝置100類似之功效及優點，於此便不再重述。

第三實施例

圖6為本發明第三實施例之光干涉裝置的示意圖。請參照圖6，本實施例之光干涉裝置100B與第一實施例之光干涉裝置100類似，因此相同之元件以相同之標號表示。本實施例之光干涉裝置100B與第一實施例之光干涉裝置100的不同之處在於：本實施例之光干涉裝置100B更包括掃描反射器170。以下就此相異處做說明，兩者相同之處便不再重述。

本實施例之光干涉裝置100B可進一步包括掃描反射器170。掃描反射器170配置於量測子光束LM之傳遞路徑上，且位於光耦合器120與待測物10之間。掃描反射器170適於轉動，以使量測子光束LM的行進方向偏折。換言之，掃描反射器170可使量測子光束LM掃描待測物10的各個位置。此外，本實施例之光干涉裝置100B具有與第一實施例之光干涉裝置100類似之功效及優點，於此便不再重述。

第四實施例

圖7為本發明第三實施例之光干涉裝置的示意圖。請參照圖7，本實施例之光干涉裝置100C與第三實施例之光干涉裝置100B類似，因此相同之元件以相同之標號表示。本實施例之光干涉裝置100C與第三實施例之光干涉裝置100B的不同之處在於：在本實施例之光干涉裝置100C中，第二透鏡組140更包括第二透鏡144。以下就此相異處做說明，兩者相同之處便不再重述。

在本實施例之光干涉裝置100C中，第二透鏡組140更包括第二球面像差透鏡144。第二球面像差透鏡144之光學特性效果實質上與第一球面像差透鏡134相同似。換言之，量測子光束LM與參考子光束LR均分別通過光學效果特性相同似之第一準直透鏡132、第一球面像差透鏡134、第一物鏡136以及第二準直透鏡142、第二球面像差透鏡144、第二物鏡146。因此，回傳至光感測單元160之量測子光束LM與參考子光束LR的光強度差異較小，進而使光感測單元160所接收之干涉訊號對比度佳(即信號噪音比大)。如此一來，光干涉裝置100C之性能便可獲得進一步的提升。此外，本實施例之光干涉裝置100C具有與第三實施例之光干涉裝置100B類似之功效及優點，於此便不再重述。

第五實施例

圖8為本發明第五實施例之光干涉裝置的示意圖。請參照圖8，本實施例之光干涉裝置100D與第一實施例之光干涉裝置100類似，因此相同之元件以相同之標號表示。本實施例之光干涉裝置100D與第一實施例之光干涉裝置100的不同之處在於：在本實施例之光干涉裝置100D中，第一透鏡組130更包括圓錐狀透鏡138。以下就此相異處做說明，兩者相同之處便不再重述。

在本實施例之光干涉裝置100D中，第一透鏡組130更包括圓錐狀透鏡138。圓錐狀透鏡138配置於量測子光束LM之傳遞路徑上且位於第一準直透鏡132與第一物鏡136之間。藉由第一透鏡134與圓錐狀透鏡138之作用，第一透鏡組130之景深可更進一步地被提升，進而使得光干涉裝置100D之性能更佳。此外，本實施例之光干涉裝置100A具有與第一實施例之光干涉裝置100類似之功效及優點，於此便不再重述。

綜上所述，在本發明一實施例之光干涉裝置藉由球面像差可延長第一透鏡組之景深，進而提升待測物之斷層影像的橫向解析度。

在本發明另一實施例之光干涉裝置中，第二透鏡組亦包括與第一透鏡組相似之球面像差。換言之，量測子光束與參考子光束可分別通過光學功效相似之第一透鏡組與第二透鏡組。因此，回傳至光感測單元之量測子光束與參考子光束的光強度相近，進而使光感測單元所接收之干涉訊號對比度佳(即信號噪音比大)。

在本發明又一實施例之光干涉裝置中，光干涉裝置可進一步包括掃描反射器。藉由掃描反射器，量測子光束可掃描待測物的各個位置。

在本發明再一實施例之光干涉裝置中，第一透鏡組可進一步包括圓錐狀透鏡。藉由球面像差與圓錐狀透鏡之作用，第一透鏡組之景深可更進一步地被提升，進而使得光干涉裝置之性能更佳。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．待測物

100、100A~100D．．．光干涉裝置

110．．．光源

120．．．光耦合器

130．．．第一透鏡組

132．．．第一準直透鏡

134．．．第一透鏡

134a．．．凹面

134b．．．平面

136．．．第一物鏡

138．．．圓錐狀透鏡

140．．．第二透鏡組

142．．．第二準直透鏡

144．．．第二透鏡

146．．．第二物鏡

150．．．反射器

160．．．光感測單元

170．．．掃描反射器

F、F’、F1、F2．．．光纖

L．．．光束

LM．．．量測子光束

LR．．．參考子光束

R．．．最佳成像位置

圖1為本發明第一實施例之光干涉裝置的示意圖。

圖2示出圖1之第一透鏡的立體示意圖。

圖3A示出利用本發明第一實施例之光干涉裝置所取得之待測物斷層影像訊號。

圖3B示出一比較例之光干涉裝置所取得之待測物斷層影像訊號。

圖4為本發明第二實施例之光干涉裝置的示意圖。

圖5示出利用本發明第二實施例之光干涉裝置所取得之待測物斷層影像訊號。

圖6為本發明第三實施例之光干涉裝置的示意圖。

圖7為本發明第三實施例之光干涉裝置的示意圖。

圖8為本發明第五實施例之光干涉裝置的示意圖。

10．．．待測物

100．．．干涉檢測裝置

110．．．光源

120．．．光耦合器

130．．．第一透鏡組

132．．．第一準直透鏡

134．．．第一球面像差透鏡

136．．．第一物鏡

140．．．第二透鏡組

142．．．第二準直透鏡

146．．．第二物鏡

150．．．反射器

160．．．光感測單元

F、F’、F1、F2．．．光纖

L．．．光束

LM．．．量測子光束

LR．．．參考子光束

Claims (19)

1. 一種光干涉裝置，適於檢測一待測物，該光干涉裝置包括：一光源，適於發出一光束；一光耦合器，配置於該光束之傳遞路徑上，且適於將該光束分為一量測子光束與一參考子光束；一反射器，配置於該參考子光束的傳遞路徑上，以反射該參考子光束；一第一透鏡組，包括：一第一透鏡，配置於該量測子光束之傳遞路徑上，其中該量測子光束通過該第一透鏡後傳遞至該待測物上，且至少部分該量測子光束自該待測物返回該第一透鏡，該第一透鏡具有球面像差，以擴展該第一透鏡組之景深；一光感測單元，配置於來自該反射器之該參考子光束以及來自該待測物且通過該第一透鏡的該量測子光束的傳遞路徑上，以感測該參考子光束與該量測子光束的干涉訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中該光束為一高斯光束。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中該光束為一低同調光束。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中該球面像差包括各階球面像差之至少其中一階之球面像差。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光干涉裝置，其中該球面像差包括三階球面像差。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光干涉裝置，其中該光束之中心波長為λ，而該三階球面像差的絕對值是落在0.025λ至5.000λ的範圍內。
7. 如申請專利範圍第4項所述之光干涉裝置，其中該球面像差包括五階球面像差。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光干涉檢測裝置，其中該光束之中心波長為λ，而該五階球面像差的絕對值是落在0.005λ至5.000λ的範圍內。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中該第一透鏡組更包括一第一準直透鏡以及一第一物鏡，該量測子光束通過該第一準直透鏡後傳遞至該第一透鏡，該量測子光束通過該第一透鏡後傳遞至該第一物鏡。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光干涉裝置，其中該第一透鏡組更包括一圓錐狀透鏡，該圓錐狀透鏡配置於該量測子光束之傳遞路徑上且位於該第一準直透鏡與該第一物鏡之間。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，更包括一第二透鏡組，該第二透鏡組包括配置於該參考子光束之傳遞路徑上的一第二準直透鏡以及一第二物鏡，該參考子光束通過該第二準直透鏡後傳遞至該第二物鏡。
12. 如申請專利範圍第11項所述之光干涉裝置，其中該第二透鏡組更包括一第二透鏡，該第二透鏡位於該第二準直透鏡以及該第二物鏡之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，更包括一掃描反射器，配置於該量測子光束之傳遞路徑上，且位於該光耦合器與該待測物之間，該掃描反射器適於轉動，以使該量測子光束的行進方向偏折。
14. 如申請專利範圍第13項所述之光干涉裝置，其中該第一透鏡組更包括一第一準直透鏡以及一第一物鏡，該量測子光束通過該第一準直透鏡後傳遞至該第一透鏡，該量測子光束通過該第一透鏡後傳遞至該第一物鏡，而該掃描反射器位於該第一球面像差透鏡與該第一物鏡之間。
15. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中該第一透鏡組更包括一第一準直透鏡以及一第一物鏡，該量測子光束通過該第一準直透鏡後傳遞至該第一鏡，該量測子光束通過該第一透鏡後傳遞至該第一物鏡，而該第一透鏡貼合於該第一準直透鏡或該第一物鏡。
16. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中該反射器適於沿著該參考子光束之傳遞路徑移動。
17. 如申請專利範圍第16項所述之光干涉裝置，其中該光感測單元為一光電二極體或一電荷耦合元件。
18. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中該光感測單元為一光譜儀。
19. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉裝置，其中來自該反射器之參考子光束及來自該待測物且通過該第一透鏡的該量測子光束傳遞至該光耦合器，且該光耦合器合併來自該反射器之該參考子光束及來自該待測物且通過該第一透鏡的該量測子光束，以使該參考子光束與該量測子光束傳遞至該光感測器單元。