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CN102866116B - 利用光的传播模式测量物质中的光学不均匀性和其他属性 - Google Patents

利用光的传播模式测量物质中的光学不均匀性和其他属性 Download PDF

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Abstract

本申请描述了用于控制可以包括一个或多个波导(272)的公共光路中的光的传播模式以传感样品(205)的设计、实施方式和技术。

Description

利用光的传播模式测量物质中的光学不均匀性和其他属性
分案申请说明
本申请是申请日为2004年6月4日、进入国家阶段日为2006年1月24日的申请号为200480021343.0(国际申请号PCT/US2004/017649)、题为“利用光的传播模式测量物质中的光学不均匀性和其他属性”的发明专利申请的分案申请。
本PCT申请要求以下四个美国临时申请的权益：
1、序列号60/475，673，2003年6月4日递交，题为“Method andApparatus for Acquiring Images of Optical Inhomogeneity inSubstances”；
2、序列号60/514，768，2003年10月27日递交，题为“Coherence-Gated Optical Glucose Monitor”；
3、序列号60/526，935，2003年12月4日递交，题为“Method andApparatus for Acquiring Images of Optical Inhomogeneity inSubstances”；和
4、序列号60/561，588，2004年4月12日递交，题为“AcquiringInformation of Optical Inhomogeneity and Other Properties inSubstances”。
此外，此PCT申请要求2004年6月3日递交的、题为“MEASUREMENTS OF OPTICAL INHOMOGENEITY AND OTHER PROPERTIES INSUBSTANCES USING PROPAGATION MODES OF LIGHT”的待审美国申请No.________的优先权。
上述美国申请的全部公开内容在此一并作为参考，并作为本PCT申请的一部分。
技术领域
本申请涉及多种物质的非侵入、光学探测，包括但不限于人类和动物的皮肤、身体组织和器官。
背景技术
通过非侵入光学手段来勘测物质是许多研究的目标，因为物质中的光-物质相互作用的不均匀性可以揭示其结构、组成、生理和生物信息。多种基于光学相干区域反射法(OCDR)的技术可以用于多种物质的光学探测，包括但不限于人类和动物的皮肤、身体组织和器官，以提供这些物质的层析成像测量。
在许多OCDR系统中，将来自光源的光分为采样光束和基准光束，分别沿两个分离的光路传播。光源可以是部分相干光源。采样光束沿着其自身的光路传播，照射在待研究的物质(或样品)上，而基准光束沿分离的路径朝向基准表面传播。然后，使样品反射的光束与基准表面反射的光束彼此叠加，以进行光学干涉。因为基于波长的相位延迟的缘故，干涉不会导致可观察的条纹，除非采样和基准光束的两个光路长度非常近似。这提供了测距的物理机制。分束器可以用于分路来自光源的光，并组合反射采样光束和反射基准光束，以便在光检测器进行检测。使用相同的器件来分路和重组辐射主要是根据公知的迈克尔逊(Michelson)干涉仪。在Born和Wolf的“光学原理(Principlesof Optics)”，Pergamon Press (1980)中总结了针对部分相干光的干涉的发现和理论。
自由空间Michelson干涉仪中的低相干光用于测量目的。基于光纤元件的光学干涉仪用在以低相干光作为表现物质的特性的手段的多种仪器中。光纤OCDR的多种实施例可以在以下文件中所公开的器件中找到：Sorin等，美国专利5,202,745；Marcus等，美国专利5,659,392；Mandella等，美国专利6,252,666；以及Tearney等，美国专利6,421,164。将OCDR以特定光学结构应用在医学诊断中已经公知为“光学相干层析成像”(OCT)。
图1示出了用在如美国专利6,421,164和其他公开中所公开的多种光纤OCDR系统中的典型光学布局。光纤分束器与两根光纤啮合，这两根光纤分别用于传导Michel son结构中的采样和基准光束。对于这些和其他实施方式中的大多数共同的是，首先，将来自低相干光源的光辐射分为两个分离的光束，其中采样光束在样品波导中传播，与样品相互作用，而基准光束在基准波导中传播。然后，光纤分束器组合来自样品的反射辐射和来自基准波导的基准光，以引起干涉。
发明内容
在本申请中描述的、用于非侵入光学探测的设计、技术和典型实施方式利用了沿一个或多个公共光波导内部实质上相同的光路传播的不同光波和模式的叠加和相互作用。当光波或模式之一与待研究物质相互作用时，其与另一光波或模式的叠加可以用于获取与物质的光学属性有关的信息的目的。
在本申请中描述的方法和设备至少部分基于对多种技术问题的重视和在商用和用户友好设备中实现OCDR的实际考虑，以及由上述参考专利和其他公开所公开的OCDR系统中的各种技术限制。作为示例，与图1所示或前述专利中所描述的OCDR系统设计相关联的至少一个缺点是将基准光束与采样光束分离。由于光路的分离，两个光束之间的相对光学相位或差分延迟可能会经历不受控制的波动和变化，如不同的物理长度、振动、温度、波导弯曲等。例如，当样品臂是与基准臂分离的基于光纤的导管的形式时，对光纤的操作可能会引起采样和基准光束之间的差分相位的显著波动和漂移。这种波动和漂移可能会对测量造成不利的影响。例如，两个光束之间的差分相位的波动和漂移可能会引起相位敏感测量中的技术难题，如绝对折射率和双折射测量。
在本申请中描述的多种示例中，并未物理地分隔光辐射，使其沿不同的光路传播。代替地，沿通过一个或多个公共光波导的实质上相同的光路，传导所有传播波和模式。这种具有公共光路的设计可以有利地用于在系统中出现环境波动时、稳定不同辐射波和模式之间的相对相位，如温度变化、系统尤其是波导的物理移动、对波导和系统的振动和声学冲击。在这个和其他方案中，设计本系统以废除多种基于干涉仪的系统中的双光束路径结构(其中样品光和基准光在部分不同的光路中传播)，以极大地减小差分相位延迟的上述波动和漂移。因此，本系统借助于其光学设计具有差分光学路径的“内在”稳定性，并且对于一些相位敏感测量是有益的，如确定绝对反射相位和双折射等。此外，本申请中所描述的技术和器件通过使用公共光路来传导光，简化了用于光学探测的器件的结构和光学配置。
在多种应用中，获得样品内部、隔离体内的材料的吸收特性可能是有益的。在其他情况下，可能希望通过其特征谱吸收率，标识出一些物质的分布。在一些0CDR系统中，如前述专利中的系统，困难的是，针对这些和其他谱特性，直接进行光学不均匀性的测量。可以配置本申请中所描述的系统和技术，允许样品的这些和其他谱特性的直接测量。
下面，描述典型实施方式，以示出本系统和技术的多种特征和优点。这种特征之一是通过利用低相干辐射的非侵入手段获取与物质中的光学不均匀性有关的信息的方法和设备。另一特征是通过消除将光辐射分为样品路径和基准路径的必要，实现高信号稳定性和高信噪比。例如，额外的特征包括可以进行如双折射和绝对折射率等相位解析测量的平台、获得与谱吸收率有关的光学不均匀性的能力、解决各种基于干涉仪的光学系统中由于偏振变化而引起的信号漂移和衰落的问题、以及以简单的光学排列有效地使用源辐射。这里所描述的系统和技术的优点尤其包括提高性能和设备可靠性、简化操作和维护、简化光学布局、降低设备复杂性、降低制造复杂性和成本。
将描述用于光学传感样品的多种典型方法和技术。在一些实施方式中，两个不同光学传播模式(例如，第一和第二模式)的输入光通过公共输入光路通往光学探头，所述光学探头将第二模式的部分输入光发送到样品上。探头将第一模式的光和来自样品的、第二模式的返回光通过公共光路送往检测模块。
例如，这里所描述的一种方法包括以下步骤。通过光波导，向样品传导第一传播模式和第二、不同传播模式的光辐射。使第一传播模式的辐射远离样品，不到达样品。传导第二传播模式的辐射，与样品相互作用，以根据相互作用，产生返回辐射。将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中。接下来，使用来自光波导的第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，以提取出样品的信息。
作为另一示例，描述了一种用于对样品进行光学测量的器件，包括波导、探头和检测模块。波导支持第一传播模式和第二、不同传播模式，并用于接收和传导第一和第二传播模式的输入光束。探头与波导相耦合，以接收输入光束，并将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式反射回波导，并将第二传播模式的第二部分输入光束送往样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并将反射输出到波导，作为第二传播模式的反射第二部分。检测模块用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
本申请还描述了使用一个输入波导向光学探头传导输入光以及使用另一输出波导传导来自光学探头的输出的器件。例如，一种用于对样品进行光学测量的器件可以包括：输入波导，支持第一传播模式和第二、不同传播模式，接收并传导第一和第二传播模式的输入光束。所述器件还可以包括：输出波导，支持第一和第二传播模式。在此器件中，探头可以与输入波导相耦合以接收输入光束，并与输出波导相耦合，探头可用于将第一传播模式的第一部分输入光束以第一传播模式传导到输出波导中，并将第二传播模式的第二部分输入光束传导到样品上。探头收集来自样品的、对第二波分的反射，并将发射输出到输出波导，作为第二传播模式的反射第二部分。此外，此器件中可以包括检测模块，用于接收输出波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
在一些其他实施方式中，将单一光传播模式(例如，第一预定模式)的光送往待测样品附近的光学探头。光学探头使输入光的第一部分以第一模式远离样品，将输入光的第二部分送往样品。然后，光学探头以第二、不同模式传导来自样品的返回光，在公共光路中与第一模式的第一部分共同传播。
例如，一种用于对样品进行光学测量的方法包括以下步骤。将第一传播模式的传导光束送往样品。在第一传播模式的第一部分传导光到达样品之前，在样品附近的位置处，使第一部分远离样品。传导第一传播模式的第二部分到达样品。控制来自样品的、对第二部分的反射，使其处于不同于第一传播模式的第二传播模式，以产生反射第二部分。然后，通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分传导到检测模块中，以从反射第二部分中提取出与样品有关的信息。
还描述了另一种用于对样品进行光学测量的方法。在此方法中，将第一传播模式的光送往待测样品附近。然后，在样品附近，不到达样品，使第一传播模式的第一部分光远离样品传播。将第一传播模式的第二部分光送往样品，引起在样品处的反射。控制来自样品的反射光，使其处于与第一传播模式独立的第二传播模式，以便沿公共光路与第一部分共同传播。利用第一传播模式的第一部分和第二传播模式的反射光来获得样品的信息。
本申请还描述了用于对样品进行光学测量的器件和系统的典型实施方式，其中光探头接收一个模式的输入光并输出两个模式的光。这种器件的一个示例包括：波导，用于接收和传导第一传播模式的输入光束；和探头，与波导相耦合以接收输入光束，并将输入光束的第一部分以第一传播模式反射回波导，以及将输入光束的第二部分送往样品。此探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并将反射以不同于第一传播模式的第二传播模式输出到波导，作为反射第二部分。此器件还包括检测模块，用于接收波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
在另一示例中，公开了一种用于对样品进行光学测量的设备，包括：光源；波导，至少支持第一和第二独立传播模式，并将来自光源的、第一传播模式的光辐射传导到待测样品的附近；探头，在样品的附近，端接波导，并反转波导中、一部分第一传播模式的传播方向，同时将剩余的光辐射传向样品，所述探头可用于将来自样品的反射光转换为第二传播模式；以及差分延迟调制器，传输来自探头和波导的、第一和第二传播模式的光，并改变第一和第二传播模式之间的相对光路长度。在此设备中，包括模式组合器，用于接收来自差分延迟调制器的光，并用于通过将每个模式的一部分转换为一对新模式，叠加第一和第二传播模式。在此设备中，使用至少一个光电检测器，用于接收两个新模式中的至少一个的光。此外，使用电子控制器与光电检测器进行通信，并用于从光电检测器的输出中提取出样品的信息。
在另一示例中，描述了一种器件，包括光波导、光学探头和光学检测模块。光波导用于传导第一光学模式的光辐射。光学探头与光波导相耦合，用于接收光辐射。所述光学探头可用于(1)将光辐射的一部分重定向回光波导，同时向样品传播剩余的辐射；(2)接收来自样品的反射或后向散射辐射，并将其送入波导；以及(3)控制来自样品的反射或后向散射光，使其处于不同于第一光学模式的第二光学模式。光学检测模块用于通过波导接收由探头重定向的辐射，并将第一和第二光学模式的光辐射，至少一部分，转换为公共光学模式。
用于对样品进行光学测量的器件的另一示例包括输入波导、输出波导和探头。输入波导支持第一和第二不同传播模式，并用于接收和传导第一传播模式的输入光束。输出波导支持第一和第二不同传播模式。探头与输入波导相耦合以接收输入光束，并与输出波导相耦合以输出光。探头可用于将第一传播模式的第一部分输入光束送入输出波导，以及将第二部分输入光束送往样品。此外，探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并以第二传播模式将反射输出到输出波导，作为反射第二部分。此外，此器件包括检测模块，用于接收输出波导中的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
本申请还描述了一种用于对样品进行光学测量的设备的示例。在此示例中，使用能够保持至少一个传播模式的第一波导。发射辐射的光源用于激励第一波导中的传播模式。光检测器用于以其第一端口端接第一波导，使进入第一端口的光模式，至少一部分，通过第二端口，并使进入第二端口的光模式，至少一部分，通过第三端口。所述设备还包括第二波导，支持至少两个独立传播模式，并具有与第二端口耦合的第一端、和第二端。具体地，探头与第二波导的第二端相耦合，并用于将部分光的传播方向反转回第二波导，并将剩余的光传向样品。此探头可用于将来自样品反射的收集光变换为由第二波导支持的正交模式，并将正交模式的光送入第二波导。还包括支持至少两个独立传播模式的第三波导，与光检测器的第三端口相连，用于从中接收光。利用差分延迟调制器与第三波导相连，以接收来自第二波导的光，并参照一个模式，向另一模式施加可变相位延迟和可变路径长度。支持至少两个独立模式的第四波导与差分延迟调制器相耦合，用于从中接收光。定位检测子系统以接收来自第四波导的光，并叠加来自第四波导的两个传播模式以形成两个相互正交的新模式。此检测子系统包括两个光电检测器，分别接收新模式的光。
此外，本申请描述了光学传感器件和系统，将单一传播模式的输入光送往光学探头，并使用光学探头以相同的模式、沿可以由一个或多个连接波导形成的公共传播路径、向检测模块传导未到达样品的光和从样品返回的光。例如，基于此方案的器件可以包括至少支持光的输入传播模式的波导、与波导耦合的探头、和检测模块。波导用于接收和传导输入传播模式的输入光束。探头用于接收输入光束，并将第一部分输入光束以输入传播模式反射回波导，以及将输入传播模式的第二部分输入光束送往样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射，并以输入传播模式向波导输出该反射，作为反射第二部分。检测模块用于接收来自波导的、输入传播模式的反射第一部分和反射第二部分，并提取出由反射第二部分携带的样品的信息。
在附图、文字描述和权利要求书中，详细描述了这些和其他特征、系统配置、相关优点和实施方式的变体。
附图说明
图1示出了具有位于两个分离光路中的基准和样品光束的、基于公知的Michelson干涉仪的传统光学传感器件的示例。
图2示出了根据一个实施方式的传感器件的一个示例。
图3示出了图2所示的系统的典型实施方式。
图4示出了用在图3中的探头的一个典型实施方式和偏振选择反射器(PSR)的一个典型实施方式。
图5A和5B示出了另一典型光学传感系统，使用三个波导和光定向器，在测量样品时，向和从探头传导两个模式的光。
图6作为相位的函数示出了在图5A和5B的系统中的检测器处接收到的强度波形，其中检测光强度表现出拥有基频及其谐波的振荡波形。
图7示出了图5B所示系统或图3所示系统用于获取光学不均匀性图像的一个典型操作。
图8A和8B示出了光学传感系统的光学布局的一个典型设计及其利用电子控制器的系统实施方式，其中将单一模式用作输入光。
图9示出了系统实施方式的另一示例，其中光学探头接收单一输入模式的光，并将部分光转换为不同的模式。
图10A和10B示出了用在传感系统中的探头的可能设计的两个示例，其中输入光是单一模式的。
图11示出了光检测器的一个实施方式，包括保偏光环行器和两个偏振分束器。
图12示出了用在此光学传感系统中的光学差分延迟调制器的示例，其中施加外部控制信号，以控制差分延迟元件来改变和调制输出中的相对延迟。
图12A和12B示出了用于实现图12中的光学差分延迟调制器的两个典型器件。
图13A和13B示出了适合于实现图12所示的光学差分延迟调制器的机械可变延迟元件的两个示例。
图14A示出了作为整个差分延迟调制器的一部分的、图12B中的延迟器件的典型实施方式。
图14B示出了基于图14A所示的设计的延迟器件，其中反射镜和可变光学延迟线由图13A所示的机械延迟器件实现。
图15示出了可代替如图5B所示的器件的光学传感系统。
图16示出了基于图2所示的设计的系统，其中将可调谐滤波器插入在输入波导中，对两个不同模式的输入光进行滤波。
图17示出了基于图8A所示的设计的另一典型系统，其中将可调谐滤波器插入在输入波导中，对单一模式的输入光进行滤波。
图18示出了图16和17所示的器件中的可调谐带通滤波器的操作。
图19A示出了人类皮肤组织的示例，其中可利用这里所描述的光学传感技术来测量表皮和皮下层之间的真皮层中的葡萄糖浓度。
图19B示出了在1到2.5微米之间的波长范围内、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。
图20示出了图3所示的检测子系统的一个典型实施方式，其中使用两个衍射光栅来分离来自偏振分束器的输出光束中的不同谱分量。
图21和22示出了向光学探头传导单一模式的光并以相同的单一模式传导来自探头的输出光的光学传感器件的示例。
图23示出了针对图21和22所示的器件的光学探头的设计的示例，其中光学探头并不改变光的模式。
具体实施方式
在诸如光波导等光路中传播的光的能量可以位于不同的传播模式中。不同的传播模式可以具有多种形式。光的光学偏振态是这种传播模式的示例。在缺乏耦合机制时，两个独立的传播模式不会彼此混合。作为示例，两个正交的偏振模式不会彼此相互作用，即使这两个模式沿相同的光路或波导传播，并且空间上彼此叠加。本申请中所描述的典型技术和器件利用相同光路或波导中的光中的两个独立传播模式，来测量样品的光学属性。可以使用探头将光送往样品，可以是两个传播模式的，也可以是单一传播模式的，并接收来自样品的反射或后向散射光。
例如，可以将一束第一传播模式的传导光送往样品。可以安排第一传播模式的第一部分在到达样品之间被反射，而允许第一传播模式的第二部分到达样品。控制来自样品的、对第二部分的反射，使其处于不同于第一传播模式的第二传播模式，以产生发射第二部分。通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分送入检测模块中，以便从反射第二部分中提取出与样品有关的信息。
在另一示例中，可以通过光波导，向样品传导第一传播模式和第二、不同传播模式的光辐射。传导第一传播模式的辐射，使其远离样品，不到达样品。传导第二传播模式的辐射，使其与样品相互作用，以产生来自相互作用的返回辐射。将第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射耦合到远离样品的光波导中。然后，利用来自光波导的第二传播模式的返回辐射和第一传播模式的辐射，来提取出样品的信息。
在基于本申请公开的这些和其他实施方式中，限定两个独立模式在自由空间中的相同波导或相同光路中进行传播，除了探测光在探头和样品之间传播了额外的距离。此特征稳定了光的两个模式之间的相对相位或差分光路径，即使是发生波导的机械移动。这与其中样品光和基准光在不同光路中传播的干涉仪传感器件相反。这些具有分离光路的干涉仪传感器件易于受到由于差分光路中的变化而引起的噪声的影响，通常在光学结构上较为复杂，难于操作和实施。下述基于波导的示例部分设计用于克服这些和其他限制。
图2示出了根据一个实施方式的传感器件的一个示例。此器件沿相同的波导将两个传播模式的光送往样品205附近的光学探头，用于获取样品中的光学不均匀性信息。在一些应用中，可以使用样品夹具来支撑样品205。将来自宽带光源201的光辐射耦合到第一双模波导271中，以激励两个正交传播模式001和002。光定向器210用于将两个模式传向第二双模波导272，第二双模波导272端接探头220。探头220可以配置为至少执行以下功能。探头220的第一个功能是反转波导272中、模式001的部分光的传播方向；探头220的第二个功能是重新整形模式002的剩余部分光，并将其传递到样品205；以及探头220的第三个功能是将从样品205反射的光收集到第二双模波导272中。然后，光定向器210将模式001和002的后向传播光送往第三波导273，并进一步传向差分延迟调制器250。差分延迟调制器250能够改变两个模式001和002之间的相对光路长度和光学相位。检测子系统260用于叠加两个传播模式001和002，以形成两个彼此正交的新模式，以便由光电检测器接收。每个新模式均为模式001和模式002的混合模式。
在检测子系统260中、两个模式001和002的叠加允许进行距离检测。以模式002进入检测子系统260的光被样品反射，承载有与样品的光学不均匀性有关的信息，而另一模式001在探头220的内部旁路了样品205。只要这两个模式001和002保持独立地通过波导，其在检测子系统260中的叠加就可以用于获得与样品205有关的信息，而无需用在一些传统Michelson干涉仪系统中的分离光路。
为了简化分析，通过在第一波导271中，假设模式001的振幅是第一线偏振E001，模式002的振幅是第二、正交线偏振E002，考虑源光谱的薄切片。样品205的特征在于本质上较为复杂的有效反射系数r；差分延迟调制器350的特征在于作用于模式001的纯相移Γ。现在，通过将其投影到在矢量空间中相对旋转45度的一对新模式EA和EB上，叠加两个模式001和002。可以如下表示新模式EA和EB：
E A = 1 2 ( e jΓ E 001 + rE 002 ) ; E B = 1 2 ( e jΓ E 001 - rE 002 ) . - - - ( 1 )
假设系统中除了样品205以外的所有组件都是无损的。所得到的两个叠加模式的强度为：
其中是与来自样品的反射相关联的相位延迟。反映反射系数r的特征的较为方便的方式是测量上述两个强度的差，即
如果通过差分延迟调制器250调制Γ，则相应地调制测量信号，等式(3)。对于Γ的周期或时间线性变化，测量到的、具有周期振荡的响应及其峰峰值与r的绝对值成正比。
对于图2中的宽带光源201，考虑两个相位Γ和与波长相关。如果两个模式001和002在其到达检测系统260时经历了有较大不同的路径，整体相位角也应当是极为波长相关的。因此，测量到的信号(应该是等式(3)在源光谱上的积分)产生了平滑的函数，即使Γ是变化的。在测量到的信号中发生显著振荡的条件是在其叠加位置处，两个模式001和002经历类似的路径长度。在这种情况下，整体相位角变得波长无关或几乎波长无关。换句话说，对于有调制器250设置的给定相对路径长度，测量信号中的振荡表示来自等于两个模式001和002所传播的光路长度的距离的、另一模式的反射。因此，可以利用图2所示的系统来测定反射源的距离。
由于两个模式001和002之间的相对相位的稳定性，可以利用图2所示的系统相对容易地进行相位敏感测量。以下将描述基于图2所示的系统的典型方法，用于确定与从样品205反射的辐射相关联的绝对相位。
在此方法中，差分相位调制器250将正弦调制应用于差分相位，调制大小为M，调制频率为Ω。测量两个新模式的强度差，并可以如下表示：
由等式(4)可知，测量结果表现出基频Ω的振荡和基频Ω的谐波频率的振荡。基频和每个谐波的振幅与和|r|有关。可以得出r与谐波之间的关系。例如，基频振荡和第二谐波的振幅可以从等式(4)中得到，为：
其中J1和J2分别是一阶和二阶贝赛尔函数。等式(5a)和(5b)可以用于求解|r|和即r的完整特征。因此，可以通过分析测量信号中的多次谐波内容，完整地反映出复杂的反射系数r。具体地，测量结果中基频分量的出现是由于的出现。
图3示出了图2所示的系统的典型实施方式。可以选择源201的光谱，使其满足所需的测距分辨率。光谱越宽，测距分辨率越好。多种光源可以用作源201。例如，一些半导体超亮发光二极管(SLED)和自发辐射放大(ASE)光源可以拥有用于此目的的适当光谱属性。在此具体示例中，可以使用偏振控制器302来控制偏振态，以便使输入波导371中、两个模式001和002的大小成比例。波导371和其他波导372和373可以是双模波导，并能够支持相互正交的两个独立偏振模式。一类实用且商用的波导是保偏(PM)光纤。保偏光纤可以携带两个独立的偏振模式，即沿其慢轴偏振的s波和沿其快轴偏振的p波。在高质量的保偏光纤中，这两个模式可以在相当长的距离上、基本上不发生能量交换或耦合。保偏环行器310根据以下方案传导光波流：将来自光纤371的两个输入偏振模式送入光纤372；将来自光纤372的两个输入偏振模式送入光纤373。保偏环行器370可以用于保持两个独立偏振模式的分离。例如，应当将光纤371中的s波只作为s波或p波送入光纤372。一些商用保偏环行器适用于此目的。
图3所示的系统实现了与波导372耦合的光学探头320，用于对样品205进行光学测量。探头320将从波导372接收到的一部分光(两个模式001和002中的一个模式(如002)的光)传递到样品205，并收集来自样品205的、相同模式002的反射和后向散射光。从样品205收集到模式002的返回光携带了样品205的信息，并对其进行处理，以提取出样品205的信息。探头320将在波导372中传向探头320的另一模式001的光反射回去。探头320将模式002的返回光和模式001的反射光送回到波导372中，并通过环行器310和波导373，送往差分延迟调制器250和检测系统260。
在所示实施方式中，探头320包括透镜系统321和偏振选择反射器(PSR)322。透镜系统321用于将光能量会聚到较小的面积上，以利于在横向上对样品进行空间解析研究。偏振选择反射器322将模式001反射回去，并透射模式002。因此，模式002的光透过探头320，照射在样品205上。透镜系统321收集来自样品205的后向反射或散射光，并在波导372中，与由PSR 322反射的模式001的光一起传向环行器310。
图4示出了根据一个实施方式的探头320和偏振选择反射器(PSR)322的一个示例的细节。PSR 322包括其配置如图所示的偏振分束器(PBS)423和反射器或反射镜424，其中PBS 423将所选的模式(例如模式002)传向样品205，并反射和偏转另一模式(例如模式001)，远离样品205，并到达反射器424。通过反射器424的后向反射，将反射模式001送回PBS 423和透镜系统321。反射器424可以是分束器423一侧的反射涂层。应当对准反射器424，以允许反射辐射重新进入保偏光纤372。模式002的透射光照射到样品205上，并且模式002的、由样品205反射和后向三岁的光通过PBS 423，传向透镜系统321。透镜系统321将模式001和002的光耦合到光纤372中。
在图3所示的实施方式中，检测系统260包括偏振分束器361和两个光电检测器362和363。偏振分束器361用于接收来自调制器250的两个独立偏振模式001和002，并叠加这两个独立偏振模式001和002。可以按照如下方式定向分束器361，将每个独立偏振分割为两部分，并且对于每个独立偏振模式，两个分割部分拥有相同的幅度。按照这种方式，在分束器361的两个输出端口中的每一个中，组合并混合了模式001的一部分和模式002的一部分，以形成叠加的新模式，每个光电检测器接收以等式(1)为特征的叠加模式。可以定向偏振分束器361，从而使其反射表面的入射平面与两个独立偏振模式之一(001或002)成45度角。
图3中的系统还实现了电子控制器或控制电子器件370，用于接收和处理来自光电检测器362和363的检测器输出，并控制系统的操作。例如，电子控制器370可以用于控制探头320和差分延迟调制器250。差分延迟控制器250在电子器件和程序的控制下，产生作为通过与样品205内部的深度范围相配的整个范围的差分路径长度扫描的差分相位调整形式。也可以对电子控制器370进行编程，从而在由调制器250产生的多个差分路径长度处、记录和提取以等式(3)为特征的测量信号中的振荡幅度。因此，可以获得作为深度的函数的反射轮廓，作为样品205上选定位置处的样品不均匀性的一维表示。
为了获取样品205中光学不均匀性的二维图像，可以通过如译码级或压电定位器的位置扫描仪，控制探头320，从而使探测光沿垂直于光传播方向的横向进行扫描。对于每个横向扫描增量，可以利用上述方法记录作为深度的函数的反射轮廓。然后，可以在显示和接口模块372上显示所收集的信息，以形成揭示了样品205的不均匀性的截面图像。
通常，可以在本申请中所描述的每个器件中实现横向扫描机构，以改变光学探头与样品的相对横向位置，以获得样品的2维映像。例如，xy扫描仪可以与光学头或支撑样品的样品夹具啮合，以响应由电子控制器370产生的位置控制信号，完成这种扫描。
图5A和5B示出了另一典型系统，在测量样品205时，使用了波导271、272和273以及光定向器210向和从探头320传导两个模式的光。相对于PM波导271的偏振轴，定向第一光学偏振器510，将来自宽带光源201的辐射以作为独立传播模式的两个正交线偏振模式耦合到波导271中。光学相位调制器520耦合在波导271中，以相对于一个传导模式调整另一个传导模式的光的光学相位。将可变差分群延迟(VDGD)器件530插入波导273中，或与波导273相连，以便在两个波之间引入可控光路差。这里，利用第二光学偏振器540和光检测器550来形成检测系统。定向第二偏振器540，将两个传导波投影到相同的偏振方向，从而两个传播模式之间的光路差和光相位差的变化引起可由检测器550检测的强度变化。
来自源201的光通常是部分偏振的。可以对准偏振器510，从而透射来自源201的最大光量，并将透射光以实质上相等的幅度与波导271中的两个传导模式相耦合。波导271中的两个正交偏振模式S和P的电场可以表示为：
E s = 1 2 E , E p = 1 2 E . - - - ( 6 )
其中将透射过偏振器的电场表示为E。应当清楚的是，光具有有限光谱宽度(宽带或部分相干)。可以通过以下傅立叶积分来表示场：
E＝∫Eωejωtdω.       (7)
为了简化分析，以下考虑光谱的波切片，即特定波长的光波。不失一般性，假设所有组件(包括偏振器、波导、路由器、PSR和VDGD)都是无损的。指定本质上较为复杂的样品反射系数r。在其到达第二偏振器540时，p波相对于s波具有光学相位Γ：
E s = 1 2 E , E p = 1 2 rEe jΓ . - - - ( 8 )
通过偏振器540的光可以表示为：
E a = 1 2 ( E s + E p ) = 1 2 E ( 1 + re jΓ ) . - - - ( 9 )
照射在光电检测器550上的光的强度由等式(10)给出：
I = E a E a * = 1 4 | E | 2 [ 1 + | r | 2 + 2 | r | cos ( Γ + δ ) ] . - - - ( 10 )
其中相位角δ反映了样品205的反射系数的复杂本质，并由等式(11)定义：
r = | r | e jδ . - - - ( 11 )
假设调制器520相对于s波，在p波中施加正弦相位调制，幅度为M，频率为Ω，由检测器550接收的光强可以表示如下：
其中相位角是两个模式之间的累计相位滑动，不包括由于调制器520而引起的周期调制。VDGD 530或调制器520中的静态相移可以用于调整两个模式之间的相位差，以消除
在图4中以图形示出了I的波形。
图6示出了作为相位的函数的、在检测器550处接收到的强度I的波形。检测到的光强表现出拥有基频Ω及其谐波的振荡波形。基频和每个谐波的振幅与δ和|r|有关。可以得出r与谐波之间的关系的数学表达式。例如，可以得到基频振荡和第二谐波的振幅：
AΩ＝0.5|E|2J1(M)|r|sinδ;     (13a)
A2Ω＝0.5|E|2J2(M)|r|cosδ;    (13b)
其中J1和J2分别是一阶和二阶贝赛尔函数。等式(13a)和(13b)可以用于求解|r|和δ，即r的完整特征。
下面分析在图5A和5B的系统中具有宽带光源201的效果。当在两个传播模式之间存在显著的差分群延迟时，必须存在较大的相关相位滑动(波长相关)。光源中的实质波长扩展意味着相位滑动也拥有实质扩展。这种相位扩展不能通过相位控制器件来消除，相位控制器件也不能消除差分群延迟。在这种情况下，检测到的光强由以下积分给出：
容易看出，如果的范围与π可比，则对于光源的带宽，不能观察到I中的振荡，由于不同波长的振荡因为其相位差而抵消。这种现象非常类似于白光干涉，只有在路径差较小(膜较薄)时，才能看到彩色条纹。上述分析证明了使用宽带光源能够利用所提出的设备实现距离检测。为此，与p波相比(不包括其在探头和样品之间的折返)，使s波在系统中具有较长的光路。对于系统中的任何给定路径长度差，存在探头和演变之间的匹配距离z，抵消路径长度差。如果观察I中的振荡，必须从此特定的距离z反射p波。通过改变系统中的路径长度差，并记录振荡波形，可以获得作为纵向长度z或深度的函数的反射系数r。通过横向移动探头，也可以记录r在横向上的变化。
图7进一步示出了图5B所示的系统或图3所示的系统的、用于获取光学不均匀性图像的一个典型操作。在步骤710，改变两个模式之间的相对相位延迟，例如，增加增量，达到固定数值，用于测量对应深度处的样品205。这可以通过使用差分延迟器件530由图5实现，或者可以由图3中的差分延迟调制器250中的偏压实现。在步骤720，向图5B中的调制器520或图3中的调制器250发送调制驱动信号，将两个模式之间的相对相位差大约调整为固定值。在步骤730，测量在图5B中的检测器550中接收到的强度波形或在图3中的检测器362、363中接收到的强度波形，并将其存储在电子控制器370中。在完成步骤730时，电子控制器370控制图5B中的差分延迟器件530或图3中的差分延迟调制器250中的偏压，将两个模式之间的相对相位延迟变为不同的固定值，以测量不同深度处的样品205。如处理环路740所示，循环此处理，直到完成在相同位置、不同深度处、对样品的测量。此时，电子控制器370控制探头320，横向移动到样品205上的新位置，并再次重复上述测量，直到完成样品205上全部所需位置。此操作由处理环路750表示。电子控制器370在步骤760处理每个测量结果，以根据基频和谐波，计算δ和|r|的值。可以在每个测量之后或在完成全部测量之后，执行这种数据处理。在步骤770，将计算出的数据发送到显示模块372。
在上述实施方式中，并未将用于传感样品205的光分为沿两个不同光路传播的两部分。除了一个模式在探头320和样品205之间传播的额外距离以外，实质上沿光路、在每个位置上、在相同的波导中传导光的两个独立传播模式。在由探头320重新定向之后，沿光路、在每个位置上、在相同的波导中，向检测模块连续传导两个模式。
或者，可以控制从光源到探头的光，使其处于单一传播模式(例如第一传播模式)，而不是两个不同模式。可以设计探头，使第一模式的第一部分反转其传播方向，而传导剩余的部分，或第二部分，到达样品。探头收集来自样品的、对第二部分的反射或后向散射光，并进行控制，使其处于不同于第一模式的第二传播模式，以产生反射第二部分。探头通过公共波导，将第一传播模式的反射第一部分和第二传播模式的反射第二部分送入检测模块，进行处理。与在整个系统中使用两个模式的光的实施方式相比，这种替代设计进一步改善了在检测模块处、两个模式之间的相对相位延迟的稳定性，并提供了附加的实施优势。
图8A和8B示出了光学传感系统的光学布局的一个典型设计及其利用电子控制器的系统实施方式。设置输入波导871，将来自宽带光源201的、第一传播模式(例如模式001)的光送往光定向器810。波导871可以是模式保持波导，设计用于支持至少一个传播模式，如模式001或002。在将光以特定的模式(如模式001)耦合到波导871中时，波导871实质上保持模式001的光。例如，支持两个正交线偏振模式的保偏光纤可以用作波导871。类似于图2、3、5A和5B所示的系统，使用双模波导272和273来传导光。光定向器510用于耦合波导871、272和273，以将来自输入波导871的模式001转变为双模波导272所支持的两个模式(例如模式001和模式002)之一，并将来自波导272的两个模式的光送往双模波导273。在图8A所示的示例中，光定向器810将来自波导871的模式001的光耦合到波导272中的相同模式001。或者，光定向器810可以将来自波导871的模式001的光耦合到波导272中的不同模式002。双模波导271的另一端端接探头820，探头820将部分光耦合到样品205，进行传感。
将探头820设计成与探头320不同，其中当从样品205反射或后向散射光时，探头830将部分模式001的光转换为另一不同模式002。或者，如果从波导871耦合过来的、波导272中的光处于模式002，则当从样品205反射或后向散射光时，探头820将部分模式002的光转换为另一不同模式001。在所示示例中，探头820执行以下功能：a)反转模式001的输入辐射中的一小部分的传播方向；b)整形剩余的辐射，并将其传向样品205；以及c)将从样品205反射的辐射转换为由双模波导272支持的独立模式002。由于探头820只将部分光转换为由波导272支持的另一模式，在这一点上，探头820是部分模式转换器。由于探头820的操作，有两个模式从探头820传播离开，旁路了样品205的模式001和源自样品反射或后向散射的光模式002。从这一点开始，图8A所示的系统的其余部分的结构和操作可以类似于图2、3、5A和5B中的系统。
图8B示出了图8A中的设计的典型实施方式，其中电子控制器3370用于控制差分延迟调制器250和探头820，并提供了显示和接口模块372。输入偏振控制器802进一步偏振和控制来自宽带光源201的辐射(可以是部分偏振的)，从而只在作为图8A中的波导871的保偏光纤371中激励单一偏振模式。可以使用保偏环行器来实现光定向器810，用于将来自波导371的光路由到波导372，以及将来自波导372的光路由到波导373。
图8B中的探头820可以被设计成包括类似于透镜系统321的透镜系统821、部分反射器822和偏振旋转器823。部分反射器822用于将从波导372接收到的光的第一部分反射回波导372，并不改变其传播模式，并向和从样品205传输光。偏振旋转器823用于控制来自样品205的光，使其在进入波导372时，处于模式002。
图9示出了系统实施方式的另一示例，其中光学探头820接收单一输入模式的光，并将部分光转换为不同的模式。输入偏振器510用在输入PM光学272中，以控制单一偏振模式的输入光。相位调制器520和可变差分群延迟器件530与输出PM光纤273耦合，用于在光学检测之前，控制和调制两个模式的相对相位延迟。设置输出偏振器540来混合两模式，以及检测器550用于检测来自输出偏振器540的输出。
图10A和10B示出了探头820的可能设计的两个示例，包括部分反射表面1010、透镜系统1020和用于旋转偏振并改变模式的四分之一波片1030。在图10A中，将保偏光学372的末端或端面用作部分反射器1010。光纤的无涂层末端发射大约4％的光能量。可以使用涂层将末端的反射率变为期望值。透镜系统1020重新整形剩余的辐射，并将其传递到样品205。透镜系统1020的另一个作用在于将从样品205反射的辐射收集回保偏光纤372中。定向四分之一波片1030，从而使其光轴与传输光的偏振方向成45度角。来自样品205的反射光再次传播通过四分之一波片1030，变为沿垂直于模式001的方向偏振，即模式002。或者，可以用法拉第旋转器代替四分之一波片1030。图10B中的探头设计改变了透镜系统1020和四分之一波片或法拉第旋转器1030的位置。
在图8A、8B和9所示的示例中，只有一个偏振模式从波导871或371进入光定向器810或保偏环行器。因此，可以利用如图11所示的保偏光环行器1110和两个偏振分束器1120和1130来构造光定向器810或保偏环行器。保偏环行器1110用于在其三个端口之间只传递一个偏振模式，而不是如图3、5A和5B所示情况下的两个模式。偏振分束器1120和1130与保偏环行器1110相耦合，从而将进入端口2的两个偏振模式传递到端口3，并保持不相关。
多种硬件选择可用于差分延迟调制器250。图12示出了调制器250的一般设计，其中施加外部控制信号，以控制差分延迟元件来改变和调制输出中的相对延迟。可以使用机械或非机械元件来产生两个模式之间的所需相对延迟和对延迟的调制。
在一个实施方式中，非机械设计可以包括一段或多段如液晶材料等可调谐双折射材料或如铌酸锂等电光双折射材料，以及一个或多个固定双折射材料，如石英和金红石等。固定双折射材料提供了两个模式之间的固定延迟，可调谐双折射材料提供了对两个模式之间的相对延迟的调谐和调制功能。图12A示出了这种非机械设计的示例，其中并未物理上分离两个模式，而是利用改变两个偏振模式之间的相对延迟的双折射段、通过相同的光路传导。
图12B示出了通过模式分束器将接收光中的两个模式分入两个不同光路的不同设计。将可变延迟元件插入一个光路，以响应外部控制信号，调整和调制相位延迟。然后，使用模式组合器，将两个模式一起组合在输出中。在将两个正交线偏振用作两个模式时，模式分束器和模式组合器可以是偏振分束器。
可以按照多种结构来实现两个光路之一中的可变延迟元件。例如，可变延迟元件可以是机械元件。可以如下构造图12B中的器件的机械实施方式：首先，以偏振模式分束器按照偏振模式分离辐射，一个偏振模式传播通过固定光路，而另一偏振模式传播通过具有保偏光纤的压电延伸器的可变光路，或者一对准直器按照如下方式面向机械可移动的后向反射器：由一个准直器通过与后向反射器之间的折返收集来自另一准直器的光，或者通过两次通过可旋转光学片并从反射器上反射，对一对准直器进行光学连接。
图13A和13B示出了适用于图12B的机械可变延迟元件的两个示例。这种机械可变延迟器件可用于高速地改变光束的光路长度，并可以具有除图12B所示的应用以外的其他多种应用。此外，本申请中的光学系统可以使用这种延迟器件。
图13A所示的机械延迟器件包括光学分束器1310、可以是透明片的旋转光学片1320、和反射镜或反射器1330。分束器1310用作器件的输入端口和输出端口。旋转光学片1320设置在反射镜1330和分束器1310之间。分束器1310接收输入光束1300，沿着通过旋转光学片1320、从分束器1310到反射镜1330的光路传导。透过分束器1310的部分光1300是照射到并透过旋转光学片1320的光束1301。定向反射镜或其他光学反射器1330，与从相对侧入射到光学片1310上的光束垂直。来自反射镜1320的反射光束1302按照相同的光路反向传播，直到其遇到分束器1310。分束器1310将后向传播光1302的一部分偏转到不同的方向，作为输出光束1303。
在此器件中，通过旋转光学片1320引起光路长度的变化。光学片1320可以由质量良好的光学材料制成。两个光学表面可以是平坦的，并进行了良好的抛光，以最小化光束的失真。此外，两个表面应当彼此平行，从而光学片1320两侧的传播方向平行。可以根据所需的延迟变化和旋转角度的范围来选择光学片1320的厚度。光束所经历的光路长度由光学片1320的旋转角度确定。当光学片1320的表面垂直于光束时(入射角为零)，路径长度最小。路径长度随着入射角的增加而增加。
在图13A中，有利的是，对准输入光，从而使其传播通过整个光路，而没有显著的发散。光学片1320可以按照在用于周期性改变光学延迟的电动机上。应当使用具有平坦反射表面的高质量反射镜来实现反射镜1330。可以保持反射镜1330的反射表面与光束垂直。
如果将线偏振光用作图13A中的输入光束1300，有利的是，使光的偏振方向平行于输入平面(纸面)，因为与其他偏振方向相比，对于此偏振，在光学片1320的表面发生较少的反射。可以使用防反涂层以进一步降低光学片1320的表面上的光反射。
用在图13A中的分束器1310使用其光透射和光反射来传导光。分束器1310的这种方案引起了器件输出中的反射损耗，由于在输入光1300第一次通过分束器1310的透射进入器件时的反射损耗、以及在光通过分束器1310的反射而位于器件中时的透射损耗。例如，如果分束器是50/50分束器，则最多25％的总输入光能够留在输出光中。为了避免这种光学损耗，可以使用光环行器来代替分束器1320。图13B示出了其中使用具有3个端口的光环行器1340将输入光送往光学片1320和反射镜1330并将返回光送往输出端口的示例。可以设计光环行器1340，将进入端口1的几乎全部光送往端口2，以及将进入其端口2的几乎全部光送往端口3，具有标称的光学损耗，因此极大地降低了器件中的光学损耗。商用光环行器(自由空间或基于光纤)可以用于实现环行器1340。
图14A示出了作为整个差分延迟调制器250的一部分的、图12B中的延迟器件的典型实施方式。第一光学模式分束器1410用于将波导373中的两个模式分离到分别具有两个反射镜1431和1432的两个路径中。第二光学模式分束器1440(作为模式组合器)用于将两个模式组合为输出。例如，如果两个模式是两个正交线偏振，偏振分束器可以用于实现1410和1440。可变光延迟线或器件1420位于上方的路径中，用于控制两个路径之间的差分延迟。输出可以与另一双模波导1450相耦合，通往检测模块或直接将其发送到检测模块中。图14B示出了基于图14A所示的设计的延迟器件，其中反射镜1432和可变光学延迟线1420由图13A所示的机械延迟器件实现。图13B中的机械延迟器件也可以用于实现图14A中的器件。
在以上示例中，将单一的双模波导272或372用作探头220、320或820的输入和输出波导。因此，通过该双模波导272或372，将单一模式或两个模式的输入光送入探头，并将两个独立模式的输出光从探头送往检测子系统或检测器。
可选地，可以用两个分离的波导代替单一的双模波导272或372，一个将输入光从光源送往探头，而另一个将光从探头送往检测子系统或检测器。作为示例，图2中的器件可以具有不同于波导272的第二波导，用于将来自光学探头220的、两个不同模式的反射光送往调制器250和检测子系统260。在此设计中，可以消除光定向器210。这样做是有优势的。在实施时，可以设计探头中的光学器件，将两个模式的反射光送往第二波导。
图15示出了可代替如图5B所示的器件的这种设计的示例。在此设计中，通过一个双模波导1510将探测光传递到样品205，由探头320收集反射/散射光，并通过另一双模波导1520进行传导。利用如图4所示的探头，可以定向和对准反射镜424，从而将光反射到波导1520而不是波导1510中。这种设计可以应用于基于本申请公开的其他器件，包括图2、3、8A、8B和9中的典型器件。
上述器件和技术可以用于通过将两个模式之间的相对相位差控制在不同数值，获得样品给定位置在不同深度处的光学测量结果，以及通过在样品上横向改变探头的相对位置，获得样品上不同位置的光学测量结果，以获得样品给定深度或不同深度的层析映像。这些器件和技术还可以用于执行样品上的其他测量，包括样品层的谱选择测量。
在多种应用中，有利的是获得与可通过其谱吸收率标识的、分散在样品中的特定物质有关的信息。因此，可调谐带通滤波器可用于对入射到探头上的光进行滤波，以选择入射光的宽带光谱中的所需光谱窗口，以测量样品的响应，并改变光谱窗口的中心波长，以测量样品响应的谱分布。带通滤波器的这种调谐允许源光谱的可变部分通过，同时对样品的复杂反射系数的分布进行测量。
可选地，可以向光学探头发送宽带光，而不对其进行光学滤波，可以选择和测量来自探头的输出光中的不同波长的光谱分量，以测量样品在选定波长附近的响应或样品响应的谱分布。在一个实施方式中，可以将可调谐光学带通滤波器插入在来自光头的输出给的光路中，对光进行滤波。在另一实施方式中，光栅或其他衍射光学元件可以用于光学地分离要由检测子系统或检测器测量的输出光中的不同光谱分量。
作为示例，图16示出了基于图2所示的设计的系统，其中将可调谐滤波器1610插入在输入波导271中，对两个不同模式的输入光进行滤波。图17示出了基于图8A所示的设计的另一典型系统，其中将可调谐滤波器1710插入在输入波导871中，对单一模式的输入光进行滤波。可以将这种可调谐滤波器设置在其他位置。
图18示出了图16和17所示的器件中的可调谐带通滤波器的操作。滤波器选择光源光谱内的窄谱带，以测量样品的光谱特征。
特别地，本申请的器件和技术可以用于选择样品内的层，以通过适当处理测量数据来进行测量。参照图16和17中的器件，假设要测量以界面I和II分界的层的吸收特性。为了简化描述，假设层内物质的光谱吸收以波长相关衰减系数μh(λ)为特征，其他位置以μg(λ)为特征。还假设界面I(II)附近的物质拥有有效、波长相关反射系数rI(rII)。如果光源光谱覆盖了所关心的特征吸收，具有可在样品205的特征吸收范围内调谐的通带的光学滤波器1610或1710可以用于测量样品205的、以不同波长为中心的光谱响应。
在操作中，可以执行以下步骤。首先，调整差分延迟调制器250，从而使一个模式(例如模式001)传播的路径长度与由界面I反射的、另一模式(例如模式002)的辐射传播的路径长度相匹配。此时，可以在记录由于调制器250所产生的周期差分相位而引起的测量信号的振荡的同时，扫描滤波器1610或1710的通带。作为波长的函数的振荡幅度由等式(15)给出：
A I ( λ ) = r I e - 2 μ g ( λ ) z I - - - ( 15 )
其中zI是从样品205的上表面测量到界面I的距离。接下来，再次调整延迟调制器250，改变差分延迟，从而使模式001所传播的路径长度与从界面II反射的、模式002的辐射所传播的路径长度相匹配。如下获得界面II的测量结果：
A II ( λ ) R II e - 2 μ g ( λ ) z I - 2 μ h ( λ ) z II , - - - ( 16 )
其中ZII是从界面I测量到界面II的距离。为了获得以界面I和II分界的层的吸收特性，可以利用等式(7)和等式(6)获得以下比例：
A II ( λ ) A I ( λ ) = r II R I e - j μ h ( λ ) z II . - - - ( 17 )
特别地，此等式提供了只与所关心的层的吸收特性有关的信息，并允许对该层进行测量。因此，此方法提供了一种“相干光栅”机制，用于光学地获得位于样品表面下方的特定、指定层的吸收光谱。
应当注意，可以设计光学滤波器1610或1710的通带足够窄，以分辨所关系的吸收特性，与此同时，足够宽，以区分所关心的层。以下用于通过探测病人的皮肤来监测葡萄糖水平的示例表明这种结构是合理且实用的。
多种与葡萄糖相关的监测仪依赖于从糖尿病病人处取得血样。重复地针刺皮肤可能会引起病人相当大的不舒服。因此，需要以非侵入的方式来监测葡萄糖水平。公知的是，血液中的葡萄糖拥有在近红外(NIR)波长范围内的“签名”光学吸收峰。还清楚的是，非侵入检测葡萄糖的主要障碍是因为以下事实：探测光束在其路径上与拥有叠加吸收带的多种组织和物质相互作用。从所有其他峰中提取出签名葡萄糖峰被证明是困难的。
可以利用上述“相干光栅”来克服用于监测葡萄糖的其他方法的难题。对于葡萄糖监测，指定层可以是真皮层，其中葡萄糖集中在血管网络和组织液中。
图19A示出了人类皮肤组织的示例，其中可利用这里所描述的相干光栅技术来测量表皮和皮下层之间的真皮层中的葡萄糖浓度。可以利用相干光栅技术光学地选择和测量真皮层。已知的是，浅表皮层由于其含有色素，是NIR吸收的主要来源。但是，因为缺乏血液，表皮不会产生对葡萄糖监测有用的信息。可以应用相干光栅技术，通过拒绝表皮和皮下组织的吸收，来惟一地获得真皮层的吸收光谱。此技术的附加优点来源于以下事实：与表皮相比，真皮表现出较小的温度变化。已知的是，表面温度变化引起水吸收的漂移，妨碍了葡萄糖监测。
图19B示出了在1到2.5微米之间的波长范围内、血液中的一些主要葡萄糖吸收峰。这些峰的宽度约为150nm。为了分别这些峰，可以选择可调谐带通滤波器的带宽约为30nm。深度分辨率由以下等式确定：
2 ln ( 2 ) π λ o 2 Δλ 60 μm - - - ( 18 )
因此，以图16和17中的器件或其他光学传感器件实现的相干光栅可以用于确定不小于60μm厚的组织层中的葡萄糖的吸收特性。如图19A所示，人类的皮肤由通常为0.1mm厚的浅表皮层构成。在表皮下方是真皮，大约1mm厚，在真皮中，葡萄糖集中在血液和组织液中。以上分析表明能够利用图16和17所示的设备将真皮的吸收特性与表皮和其他层的吸收特性隔离开。
由等式(18)可知，对于给定的中心波长λ0，谱分辨率和层分辨率的乘积是常数。应当根据这两个分辨率与测量的具体要求之间的折中来确定滤波器带宽的选择。
可以操作可调谐带通滤波器1610或1710来获取样品中隔离出的提交的吸收特性。
图20示出了图3所示的检测子系统260的一个典型实施方式，其中使用两个衍射光栅2010和2020来分离来自偏振分束器361的输出光束中的不同谱分量。定位透镜2012，以收集来自光栅2010的衍射分量，并将不同的谱分量聚焦在其焦平面的不同位置。将具有多个光电检测器元件的检测器阵列2014设置在透镜2012的焦平面，从而由不同的光电检测器元件接收不同的谱分量。按照类似的方式，将第二透镜2022和检测器阵列2024用在衍射分量的光路中。在其中使用单一的光检测器来进行测量的图5A、5B、8A和8B所示的器件中，可以使用单一的光栅、透镜和检测器阵列。
在操作中，每个检测器元件以较小的波长间隔接收光。可以对来自阵列中的所有元件的光电流进行求和，以形成与在如图3所示的、没有光栅的每个单一检测器中接收到的信号等价的信号。通过有选择地测量来自阵列中的单个元件或元件组的光电流，可以获得样品的光谱信息。
在上述示例中，光探头发出两个不同传播模式的光，其中两个模式之一的光携带有来自样品的信息。或者，可以将单一传播模式的光用作光学探头的输入光和来自光学探头的输出光。因此，基于这种设计的器件不仅使用公共光路向和从探头和样品传导光，而且控制单一模式的光。与上述针对来自探头的光使用两个不同模式的示例相比，此单模设计进一步消除或降低了在相同光路中传播的不同模式之间的任何差别。
图21示出了用于只以波导内部的一个传播模式来获得物质内的光学不均匀性和其他属性的信息的一个典型系统。通过保偏波导271和272，将来自宽带光源201的宽带或低相干光送往探头2110。探头2110内部的部分反射器反转输入光的一小部分的方向，以创建辐射波1，同时将剩余输入光传向样品205。来自样品205的后向散射或反射光成为第二辐射波2，并由探头2110进行收集。探头2110对辐射波1和2进行组合，并将其耦合回波导272中。辐射波1和2在波导272中向光定向器210传播，光定向器210通过波导273将辐射波1和2送往检测模块2101。具体地，从探头2110输出的辐射波1和2处于与探头2110的输入光相同的模式。探头2110在将辐射波1和2送往波导272时并不改变光的模式。
检测模块2101包括分束器2120、两个光路2121和2122、路径2122中的光学可变延迟元件2123、光束组合器2130、和两个光检测器2141和2142。分束器2120将波导273中的光(包括相同模式的辐射波1和2)分为分别在两个光路2121和2122中传播的两部分。具体地，两部分中的每一个均包括来自辐射波1和2的光。通过控制信号控制光路2122中的可变延迟元件或延迟线2123，以调整两个光路2121和2122之间的相对光学延迟，并可以通过本申请中所描述的典型延迟元件或其他延迟设计来实现。光束组合器2130组合两个光路的信号，使其彼此叠加，并分别输出针对光检测器2141和2142的两个光信号。光束组合器可以是偏振分束器，用于将组合光分为彼此偏振正交的两部分。
探头2110可以包括部分反射器，用于产生并未到达样品205的辐射波1。假设去往探头2110的光和从探头2110输出的光的单一传播模式是偏振模式，从探头2110中的部分反射器反射的光(即辐射波1)具有与从样品收集到的光(辐射波2)相同的偏振。因此，辐射1和2在波导272和273中、以相同的传播模式传播。因为从不同的位置反射辐射波1和2，其在到达分束器2120时经历了不同的光路长度。可变延迟元件2123的作用在于相对于路径2121中的光，在路径2122中的光中添加可调整的延迟量。
在操作中，可以调整可变延迟元件2123，从而可以使通过路径2122到达偏振分束器2130的部分辐射1经历与通过另一路径2122到达分束器2130的部分辐射2类似的光路长度。因为通过可变延迟元件2123对其相对路径长度进行调整，两个光束在光电检测器2141和2142处的叠加引起了可测量的强度变化。此变化可以用于获取与样品205的不均匀性和其他属性有关的信息。
图22示出了利用保偏光纤的、图21所示的系统的典型实施方式。可以将偏振控制器202设置在光源201的输出，用于控制一个偏振模式的输入光的偏振。所示光学头2110包括透镜系统2111和部分反射器2112。两个反射镜1和2用于构造分束器2120和2130之间的两个光路。由部分反射器2122和样品205反射的光辐射以相同的模式在保偏(PM)光纤272中传播。分束器2120将辐射波1和2的主要部分偏转到反射镜1，而将剩余部分送往反射镜2。
可以使偏振分束器2130的入射平面相对于来自一个光路中的反射镜2和另一光路的可变延迟元件2123的光的传播方向具有有限角度。在此结构中，由检测器2141和2142接收到的光能量是两个辐射(即辐射1和辐射2)的叠加。应当清楚，可以通过光纤或其他光波导来实现分束器2120和2130之间的连接，以消除自由空间路径和两个反射镜1和2。
在图21和22所示的示例中，光学头2110与样品205之间的间隔可以大于所关心的样品深度，从而在到达分束器2130时，部分辐射1经历只类似于部分辐射2的光路长度。换句话说，在图21和22中的系统的操作期间，相同辐射的分割部分并不经历类似的光路长度。
图23示出了探头2110的一个典型光学结构。可以利用部分反射光纤末端(即光纤272的端面)来实现部分反射器2310。无涂层光纤末端具有大约4％的反射率，并因而可以用作此部分反射器。端面上的光学涂层可以用于将反射率变为所需数值。
可以根据几个因素来选择光纤末端2310的反射率。一方面，辐射波1应当足够强，从而使其与辐射波2的叠加在两个检测器2141和2142处产生适当的强度变化。另一方面，辐射波1又不能太强，因为其可能会压制光电检测器2141和2142，阻止了检测系统中高增益的使用。对于系统的优化操作，可能希望选择光纤末端的反射率与由光纤从样品收集到的总光量可比。
在图21和22中，公共波导272用于将输入光发送到探头2110中以及传导从探头2110输出的输出光。可选地，类似于图15中的设计，可以用用于将输入光发送到探头2110中的输入波导和用于将从探头2110输出的输出光送往检测模块2101的分束器2120的输出波导来代替波导272。在此设计中，可以消除光定向器210，并且光学探头2110可以设计为将具有辐射波1和2的输出光送入输出波导。
类似于在所述其他实施例中调谐光的频率，在实现图21和22中的器件时，可调谐光学带通滤波器可以用于调谐光的频带，以有选择地测量样品205在滤波器频带处的属性。此外，如图20所示，在检测模块中使用光栅来测量样品的不同光谱分量也可以用在模块2101中。
在本申请中只公开了一些实施方式。但是，应当理解的是，可以进行变化和改进。

Claims (22)

1.一种用于对样品进行光学测量的设备，包括：
a)光源；
b)波导，至少支持第一和第二独立传播模式，并将来自光源的、第一传播模式的光辐射传导到待测样品的附近；
c)探头，在样品的附近端接波导，并反转波导中一部分第一传播模式的传播方向，同时将剩余的光辐射传向样品，所述探头用于控制来自样品的反射光为第二传播模式，并且在其中反转第一传播模式的那部分的传播方向的位置处与第一传播模式的那部分空间重叠并且共同传播；
d)差分延迟调制器，传输来自探头和波导的、第一和第二传播模式的光，并改变第一和第二传播模式之间的相对光路长度；
e)模式组合器，用于接收来自差分延迟调制器的光，并用于通过将每个模式的一部分转换为一对新模式，叠加第一和第二传播模式；
f)至少一个光电检测器，用于接收两个新模式中的至少一个的光；以及
g)电子控制器，与光电检测器进行通信，并用于从光电检测器的输出中提取出样品的信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于电子控制器与差分延迟调制器进行通信，并控制差分延迟调制器。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于电子控制器与探头进行通信，并控制探头。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括：可调谐光学带通滤波器，用于对去往探头的光或来自探头的光进行滤波，以选择样品的光谱响应进行测量。
5.一种用于对样品进行光学测量的设备，包括：
第一波导，能够保持至少一个传播模式；
发射辐射的光源，用于激励第一波导中的传播模式；
光检测器，用于以其第一端口端接第一波导，使进入第一端口的光模式，至少一部分，通过第二端口，并使进入第二端口的光模式，至少一部分，通过第三端口；第二波导，支持至少两个独立传播模式，并具有与第二端口耦合的第一端、和第二端；探头，与第二波导的第二端相耦合，以将部分光的传播方向反转回第二波导，并将剩余的光传向样品，此探头将来自样品反射的收集光变换为由第二波导支持的正交模式，并将正交模式的光送入第二波导；
第三波导，支持至少两个独立传播模式，与光检测器的第三端口相连，用于从中接收光；差分延迟调制器，与第三波导相连，以接收来自第二波导的光，并参照一个模式，向另一模式施加可变相位延迟和可变路径长度；
第四波导，支持至少两个独立模式，与差分延迟调制器相耦合，用于从中接收光；
检测子系统，对其进行定位以接收来自第四波导的光，并叠加来自第四波导的两个传播模式，以形成两个相互正交的新模式，此检测子系统包括两个光电检测器，分别接收新模式的光。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于第一、第二、第三和第四波导是支持两个正交偏振模式的保偏光纤。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于探头包括具有有限折射率的保偏光纤的无涂层或有涂层末端、透镜和四分之一波片，每一个均串联排列；或者，探头包括具有有限折射率的保偏光纤的无涂层或有涂层末端、透镜和法拉第旋转器，每一个均串联排列。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于差分延迟调制器包括至少一段可调谐双折射材料和至少一段固定双折射材料。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于可调谐双折射材料包括液晶材料。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于可调谐双折射材料包括铌酸锂晶体。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于固定双折射材料包括石英或金红石。
12.根据权利要求5所述的设备，其特征在于差分延迟调制器包括用于按照模式分离接收光并通过固定路径传导一个模式而通过可变路径长度器件传导另一模式的装置。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于可变路径长度器件包括：
分束器，用于接收要延迟的光束，以及透射光束的一部分；
透明片，用于接收来自分束器的透射光，并进行旋转，以改变透射光的路径长度；以及
反射镜，用于将透射过透明片的光反射回透明片，使其到达分束器，分束器反射来自透明片的光，作为延迟输出。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于所述可变路径长度器件包括：
光环行器，用于在第一端口接收要延迟的输入光束，并将输入光束送往第二端口；
透明片，用于接收来自光环行器的第二端口的光，并进行旋转，以改变从中穿过的光的路径长度；以及
反射镜，用于将透射过透明片的光反射回透明片，使其到达光环行器的第二光学端口，光环行器将来自第二端口的光送往第三端口，作为延迟输出。
15.根据权利要求12所述的设备，其特征在于可变路径长度器件包括保偏光纤的压电延伸器。
16.根据权利要求12所述的设备，其特征在于可变路径长度器件包括两个光学准直器，以如下方式面向机械可移动后向反射器：由一个准直器通过与后向反射器之间的折返收集来自另一准直器的准直光。
17.根据权利要求12所述的设备，其特征在于可变路径长度器件包括：两个准直器，通过两次通过可旋转光学片并从反射器上反射，进行光学连接。
18.根据权利要求5所述的设备，其特征在于光检测器是保偏环行器，将第一波导支持的模式转换为第二波导支持的模式之一，以及将第二波导支持的独立模式转换为第三波导支持的对应独立模式。
19.根据权利要求5所述的设备，其特征在于光检测器包括：
a)保偏环行器，将进入第一端口的偏振模式传递到第二端口，不改变偏振态，以及将进入第二端口的偏振模式传递到第三端口，不改变偏振态；
b)第一偏振分束器，与保偏环行器的第二端口相连，并按照偏振态，将光分离到两个不同的路径中；以及
c)第二偏振分束器，与保偏环行器的第三端口相连，并按照偏振态，将光分离到两个不同的路径中。
20.根据权利要求5所述的设备，其特征在于光检测器是偏振敏感分束器。
21.根据权利要求5所述的设备，其特征在于检测子系统包括按如下方式定向的偏振分束器：每个分割辐射是第四波导中的两个独立传播模式的叠加，并由光电检测器接收。
22.根据权利要求5所述的设备，其特征在于还包括：可调谐带通滤波器，位于第一、第二、第三和第四波导之一中，用于对光进行滤波。
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