TWM637756U - 具訊號整形之掃頻雷射光源系統 - Google Patents

Abstract

一種具訊號整形之掃頻雷射光源系統包括光纖法布里-珀羅可調濾波器、光束波長控制器、第一隔離器、雷射光束放大器、訊號整形器、分束器與第二隔離器。光纖法布里-珀羅可調濾波器接收一電壓訊號來將所接收的一寬頻譜光束進行過濾且輸出一特定波長光束。光束波長控制器根據一預設定參數輸出該電壓訊號至光纖法布里-珀羅可調濾波器。雷射光束放大器用以初始發射出該寬頻譜光束，且持續放大特定波長光束直到成為主要光束。訊號整形器用以根據波形整形參數來對寬頻譜光束與特定波長光束進行半週期濾波，其中波形整形參數具有不同的增益值。

Description

具訊號整形之掃頻雷射光源系統

一種掃頻雷射器，尤指一種能調整優化待觀測物的三維資訊真實度之具訊號整形之掃頻雷射光源系統。

按，光學相干斷層掃描（Optical coherence tomography，OCT）又稱光學相干層析術、光學同調斷層掃描，是一種獲取與處理光學信號的成像技術，其利用低相干光（如近紅外光）掃描，自光學散射介質（如生物組織）內部拍攝微米級解析度的二維和三維圖像；用於醫學成像和工業無損檢測。光學相干斷層掃描技術利用光的干涉原理，通常選取波長較長的近紅外光拍照，可穿過一定深度的掃描介質。另一種類似的技術，共焦顯微技術，穿過樣品的深度不如光學相干斷層掃描。光學相干斷層掃描使用的光源包括超輻射發光二極體與超短脈衝雷射。根據光源性質的不同，這種掃描方式甚至可以達到亞微米級的解析度，這時需要光源的頻譜非常寬，波長的變化範圍在100奈米左右。

OCT為一種光學干涉成像技術，與目前許多工程上常用的麥克森干涉儀(Michelson Interferometer)相當類似，組成同樣都是一個光源、一個參考光路、一個量測光路及一個屏幕。OCT與麥克森干涉儀最大的差別在於光源選用：麥克森干涉儀通常採用雷射光源，可以同調距離很長，通常可以到數米。然而通常OCT採用特殊低同調光源照射樣本，如發光二極體(LED)或超流明二極體(Superluminescent Diode; SLD)，也正因為利用同調特性的差異，使得OCT具有斷層透視的能力。目前OCT所採用的掃頻雷射光源在偵測器後所產生的光學干涉影像訊號仍有不足的地方，例如側峰，而影響到待檢物真實度的還原與觀察。

是以，如何解決上述現有技術之問題與缺失，即為相關業者所亟欲研發之課題所在。

本創作提供一種具訊號整形之掃頻雷射光源系統，其用以連接至一干涉儀模組且該干涉儀模組連接至一平衡偵測器，其中該平衡偵測器輸出一光學干涉波形訊號。具訊號整形之掃頻雷射光源系統包括光纖法布里-珀羅可調濾波器、光束波長控制器、第一隔離器、雷射光束放大器、訊號整形器、分束器與第二隔離器。光纖法布里-珀羅可調濾波器，其用以接收一電壓訊號來將所接收的一寬頻譜光束進行過濾且輸出一特定波長光束，其中該電壓訊號決定該特定波長光束之波長範圍。光束波長控制器，其連接至該光纖法布里-珀羅可調濾波器，該光束波長控制器用以根據一預設定參數輸出該電壓訊號至光纖法布里-珀羅可調濾波器，其中該預設定參數決定該該電壓訊號之電壓值。第一隔離器，其連接至該光纖法布里-珀羅可調濾波器之輸出端以接收該特定波長光束，該第一隔離器用以單方向輸出該特定波長光束。雷射光束放大器，其連接至該第一隔離器之輸出端，該雷射光束放大器用以初始發射出該寬頻譜光束，且持續放大該特定波長光束直到該特定波長光束成為主要光束，其中該寬頻譜光束無法反向通過該第一隔離器。訊號整形器，其連接至該雷射光束放大器，該訊號整形器用以根據一波形整形參數來對該寬頻譜光束與該特定波長光束進行半週期濾波，其中該波形整形參數具有不同的增益值。分束器，其輸入端連接至該雷射光束放大器，且第一輸出端連接至一干涉儀模組。第二隔離器，其連接至該分束器之第二輸出端與該光纖法布里-珀羅可調濾波器之輸入端，該第二隔離器用以單方向輸出該特定波長光束與該該寬頻譜光束。

在本創作之一實施例中，訊號整形器根據不同的增益值來對該寬頻譜光束與特定波長光束進行訊號整形。

在本創作之一實施例中，平衡偵測器連接至一運算處理器，該運算處理器用以將該光學干涉波形訊號進行傅立葉轉換以獲得一三維資訊波形訊號。

在本創作之一實施例中，在該訊號整形器對該寬頻譜光束進行半週期濾波且根據不同的增益值對該寬頻譜光束進行訊號整形後，該光學干涉波形訊號也會被半週期濾波且訊號整形，以讓該三維資訊波形訊號之波峰兩側轉換為平坦且對稱。

在本創作之一實施例中，分束器為一比一之光量比例來對該特定波長光束進行分光。

綜上所述，本創作所揭露之具訊號整形之掃頻雷射光源系統能夠達到以下功效： 1.        透過對寬頻譜光束特定波長光束進行半週期濾波與訊號波形調整來獲得較佳的光學干涉波形訊號波形與三維資訊波形訊號;以及 2.        簡單透過增益值的調整來調整待觀測物的三維資訊真實度。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

為能解決現有三維斷層掃描下待檢物真實度不足的問題，創作人經過多年的研究及開發，據以改善現有產品的詬病，後續將詳細介紹本創作如何以一種具訊號整形之掃頻雷射光源系統來達到最有效率的功能訴求。

請參閱第一圖至第二圖，第一圖係為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統之區塊示意圖。第二圖係為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統應用於干涉儀系統之區塊示意圖。如圖所示，具訊號整形之掃頻雷射光源系統100連接至干涉儀模組200且該干涉儀模組200連接至一平衡偵測器300，其中平衡偵測器300輸出一光學干涉波形訊號LS，平衡偵測器300連接至一運算處理器400，以讓運算處理器400對光學干涉波形訊號LS進一步處理運算。在頻域光學相干斷層掃描中，寬帶干涉的信號通過頻域分離的探測器來獲取，分離的方式可以通過使用可變頻率光源在不同時刻的頻率的時間編碼或者使用如光柵和線性探測器陣列的色散探測器。根據傅立葉變換中的維納-辛欽定理，信號的自相關函數與其功率譜密度互為傅立葉變換對，因此深度掃描可以通過對獲得的頻譜進行傅立葉變換立即得到。此外，具訊號整形之掃頻雷射光源系統100之內部會形成一個迴圈，且會透過一個分光器來將迴圈內的光束分光至干涉儀模組200以進行光學干涉效應。

接下來，將進一步說明具訊號整形之掃頻雷射光源系統100的相關細節。

請同時參照第ㄧ圖至第五B圖，第三A圖為本創作的訊號整形器之低通理想波形之示意圖。第三B圖為本創作的訊號整形器之低通理想波形之另一示意圖。第三C圖為本創作的訊號整形器之低通實際波形之示意圖。第四A圖為未經本創作訊號整形之光學干涉波形訊號之示意圖。第四A圖為先前技術下未經本創作訊號整形之光學干涉波形訊號之示意圖。第四B圖為先前技術下未經本創作訊號整形之三維資訊波形訊號之示意圖。第五A為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統處理過的光學干涉波形訊號之示意圖。第五B為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統處理過的三維資訊波形訊號之示意圖。具訊號整形之掃頻雷射光源系統100包括光纖法布里-珀羅可調濾波器110、光束波長控制器120、第一隔離器130、雷射光束放大器140、訊號整形器150、分束器160與第二隔離器170。光纖法布里-珀羅可調濾波器110用以接收一電壓訊號VS來將所接收的一寬頻譜光束WS進行過濾且輸出一特定波長光束AS，其中該電壓訊號VS決定特定波長光束AS之波長範圍，並且特定波長光束AS係指位於某個波長範圍之光束。光束波長控制器120連接至光纖法布里-珀羅可調濾波器110，光束波長控制器120用以根據一預設定參數輸出電壓訊號VS至光纖法布里-珀羅可調濾波器110，其中預設定參數決定該電壓訊號VS之電壓值。第一隔離器130連接至光纖法布里-珀羅可調濾波器110之輸出端以接收特定波長光束AS，第一隔離器130用以單方向輸出特定波長光束AS。雷射光束放大器140連接至第一隔離器130之輸出端以接收特定波長光束AS，雷射光束放大器140用以初始發射出寬頻譜光束WS，且持續放大光纖法布里-珀羅可調濾波器110所濾通的特定波長光束AS，直到特定波長光束AS成為迴圈裡的主要光束，其中寬頻譜光束WS無法反向通過第一隔離器130。訊號整形器150連接至雷射光束放大器140。分束器160之輸入端連接至雷射光束放大器140，且分束器160之第一輸出端與第二輸出端分別連接至一干涉儀模組200與第二隔離器170，其中分束器160為一比一之光量比例來對迴圈內作為主要光束之特定波長光束AS進行分光。第二隔離器170連接至分束器160之第二輸出端與光纖法布里-珀羅可調濾波器110之輸入端，第二隔離器170用以單方向輸出特定波長光束AS與該寬頻譜光束WS，其中第二隔離器170的功能與第一隔離器130的功能一樣，讓光束只能單方向通過。

須注意的是，本創作之訊號整形器150用以根據一波形整形參數來對寬頻譜光束WS與特定波長光束AS進行半週期濾波，其中波形整形參數具有不同的增益值，其中波形整形參數的增益值可由設計者根據實際情況來進行設定，以符合各種實際需求。訊號整形器150根據不同的增益值來對寬頻譜光束WS與特定波長光束AS進行訊號整形，以讓訊號波形更接近或等價於待觀測物三維資訊之真實度。在訊號整形器150對寬頻譜光束WS進行半週期濾波且根據不同的增益值對寬頻譜光束WS進行訊號整形後，後端的光學干涉波形訊號LS也會被半週期濾波且訊號整形，以讓三維資訊波形訊號TS之波峰兩側轉換為平坦且對稱。

進一步來說，如圖三A與圖三B所示，其為一個理想的訊號整形器150的濾波波形且增益值都是一樣的，會將對寬頻譜光束WS與特定波長光束AS進行半週期濾波，但還無法對訊號波形重塑，此時可以選擇前半週期或後半週期。為了改善側峰效應，則會使用圖三C所示的訊號整形器150的濾波波形，可以根據不同的增益值來對寬頻譜光束WS與特定波長光束AS進行訊號整形，讓半週期的光學干涉波形訊號LS更加完善，以便將光學干涉波形訊號LS送進運算處理器400進行傅立葉轉換後能夠改善側峰效應，以讓訊號波形更接近或等價於真實度。因此，根據上述說明，圖四A之先前技術下的光學干涉波形訊號經過本創作之具訊號整形之掃頻雷射光源系統100處理後會變成圖五A的光學干涉波形訊號LS; 圖四B之先前技術下的三維資訊波形訊號經過本創作之具訊號整形之掃頻雷射光源系統100處理後會變成圖五B的三維資訊波形訊號TS。

對照圖四A與圖五A可知，圖五A之光學干涉波形訊號LS的每一週期內只有前半部有波形訊號，而後半部則沒有，並且在側峰處的弧度也被優化變形處理過。接下來，對照圖四B與圖五B可知，三維資訊波形訊號TS的側峰處與先前技術下的三維資訊波形訊號是不一樣的，圖四B之先前技術下的三維資訊波形訊號的側峰略為偏高，這會影響待觀測物三維資訊之真實度，然而圖五B之三維資訊波形訊號TS之側峰處已被消除為零，所以更能完整呈現待觀測物三維資訊之真實度。

綜上所述，本創作所揭露之具訊號整形之掃頻雷射光源系統能夠達到以下功效： 1.        透過對寬頻譜光束特定波長光束進行半週期濾波與訊號波形調整來獲得較佳的光學干涉波形訊號波形與三維資訊波形訊號;以及 2.        簡單透過增益值的調整來優化待觀測物的三維資訊真實度。

唯以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用來限定本創作實施之範圍。故即凡依本創作申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本創作之申請專利範圍內。

100:具訊號整形之掃頻雷射光源系統 110:光纖法布里-珀羅可調濾波器 120:光束波長控制器 130:第一隔離器 140:雷射光束放大器 150:訊號整形器 160:分束器 170:第二隔離器 200:干涉儀模組 300:平衡偵測器 400:運算處理器 LS:光學干涉波形訊號 TS:三維資訊波形訊號 VS:電壓訊號 WS:寬頻譜光束 AS:特定波長光束

第一圖係為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統之區塊示意圖。 第二圖係為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統應用於干涉儀系統之區塊示意圖。 第三A圖為本創作的訊號整形器之低通理想波形之示意圖。 第三B圖為本創作的訊號整形器之低通理想波形之另一示意圖。 第三C圖為本創作的訊號整形器之低通實際波形之示意圖。 第四A圖為先前技術下未經本創作訊號整形之光學干涉波形訊號之示意圖。 第四B圖為先前技術下未經本創作訊號整形之三維資訊波形訊號之示意圖。 第五A為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統處理過的光學干涉波形訊號之示意圖。 第五B為本創作的具訊號整形之掃頻雷射光源系統處理過的三維資訊波形訊號之示意圖。

100:具訊號整形之掃頻雷射光源系統

110:光纖法布里-珀羅可調濾波器

120:光束波長控制器

130:第一隔離器

140:雷射光束放大器

150:訊號整形器

160:分束器

170:第二隔離器

200:干涉儀模組

300:平衡偵測器

400:運算處理器

LS:光學干涉波形訊號

TS:三維資訊波形訊號

VS:電壓訊號

WS:寬頻譜光束

AS:特定波長光束

Claims (5)

1. 一種具訊號整形之掃頻雷射光源系統，其用以連接至一干涉儀模組且該干涉儀模組連接至一平衡偵測器，其中該平衡偵測器輸出一光學干涉波形訊號，該具訊號整形之掃頻雷射光源系統包括： 一光纖法布里-珀羅可調濾波器，其用以接收一電壓訊號來將所接收的一寬頻譜光束進行過濾且輸出一特定波長光束，其中該電壓訊號決定該特定波長光束之波長範圍; 一光束波長控制器，其連接至該光纖法布里-珀羅可調濾波器，該光束波長控制器用以根據一預設定參數輸出該電壓訊號至該光纖法布里-珀羅可調濾波器，其中該預設定參數決定該電壓訊號之電壓值; 一第一隔離器，其連接至該光纖法布里-珀羅可調濾波器之輸出端以接收該特定波長光束，該第一隔離器用以單方向輸出該特定波長光束; 一雷射光束放大器，其連接至該第一隔離器之輸出端，該雷射光束放大器用以初始發射出該寬頻譜光束，且持續放大該特定波長光束直到該特定波長光束成為主要光束，其中該寬頻譜光束無法反向通過該第一隔離器; 一訊號整形器，其連接至該雷射光束放大器，該訊號整形器用以根據一波形整形參數來對該寬頻譜光束與該特定波長光束進行半週期濾波，其中該波形整形參數具有不同的增益值; 一分束器，其輸入端連接至該雷射光束放大器，且第一輸出端連接至一干涉儀模組;以及 一第二隔離器，其連接至該分束器之第二輸出端與該光纖法布里-珀羅可調濾波器之輸入端，該第二隔離器用以單方向輸出該特定波長光束與該該寬頻譜光束。
2. 如請求項1所述之具訊號整形之掃頻雷射光源系統，其中訊號整形器根據不同的增益值來對該寬頻譜光束與特定波長光束進行訊號整形。
3. 如請求項1所述之具訊號整形之掃頻雷射光源系統，其中該平衡偵測器連接至一運算處理器，該運算處理器用以將該光學干涉波形訊號進行傅立葉轉換以獲得一三維資訊波形訊號。
4. 如請求項2所述之具訊號整形之掃頻雷射光源系統，其中在該訊號整形器對該寬頻譜光束進行半週期濾波且根據不同的增益值對該該寬頻譜光束進行訊號整形後，該光學干涉波形訊號也會被半週期濾波且訊號整形，以讓該三維資訊波形訊號之波峰兩側轉換為平坦且對稱。
5. 如請求項1所述之具訊號整形之掃頻雷射光源系統，其中該分束器為一比一之光量比例來對該特定波長光束進行分光。

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