具体实施方式

参考在附图中示出并在以下描述中详细说明的非限制性实施例来更全面地解释这里的实施例及其各种特征和有利细节。省略了众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要地混淆这里的实施例。这里所使用的示例仅仅是为了便于理解可以实践这里的实施例的方式，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，这些实例不应被解释为限制本文的实施例的范围。

图1示出根据本发明实施例的系统1。图1示出用于配置测量系统1的核心光学模块(核心模块)10和多个类型的扫描接口模块11、12和13。对于某些应用，用于测量对象的状态和组成等的系统1包括将核心光学模块10和任一类型的扫描模块11至13其中之一与光传送单元15连接。光传送单元15可以是光纤15a或自由空间耦合连接器15b。通过使用自由空间耦合连接器15b，可以将模块11至13中的选定类型的扫描接口模块堆叠在核心光学模块10上。通过使用光纤15a，可以自由地布置测量系统1，诸如堆叠、并排或保持光学核心模块10与模块11至13中的选定类型的扫描接口模块之间的距离。

实施例的一个系统是测量系统1，其包括核心光学模块10和通过光纤15a连接到核心模块10的指尖扫描接口模块11。如图2的(a)所示，指尖型扫描接口模块11包括用于插入指端19作为对象的接口18、以及位于顶部的用以对指端施加压力以限制扫描端处的移动的按钮18a。核心光学模块10被配置为生成用于产生用于分析通过扫描接口模块11的对象19的信号的光58、并且检测来自通过扫描接口模块11的对象19的包括该信号的光59。扫描接口模块11对于各应用是可改变的，并且被配置为通过光传送单元15与核心光学模块10连接以利用来自核心光学模块10的传送光58来扫描对象(样本、目标)19，并接收来自对象19的光59以传送到核心光学模块10。

在图1中、示出三个不同类型的扫描接口模块11、12和13。扫描接口模块11、12和13中的每一个与核心光学模块10分离，但是经由诸如光纤15a等的光传送单元15与核心光学模块10连接。扫描接口模块的类型对于诸如侵入式应用、非侵入式应用和流动测量应用等的各应用是可改变的或可选择的。包括模块12和13的所有类型的扫描接口模块的基本配置与扫描接口模块11共通。

指尖型扫描接口模块11是非侵入式采样器的一个示例。图2的(b)示出另一类型的非侵入式采样器的模块11a。模块11a包括与计算机鼠标类似的圆顶18b，该圆顶18b用于对手掌进行人体工程学定位以使用来自核心光学模块10的光通过手掌来获得活体的内部信息。血糖监测系统1可以由核心光学系统10和非侵入式采样器11供给。

扫描接口模块12是最小侵入式采样器的一个示例，该最小侵入式采样器可以包括诸如最小侵入式微针和微阵列等的微型采样工具，使得在执行对诸如皮下组织液等的体液进行采样的插入时被检体不会感到疼痛。最小侵入式微型采样工具对于通过测量体液中的成分的浓度来感测生物信息以及经皮给药是有用的。药物监测系统1可以由核心光学模块10和最小侵入式采样器12供给。

扫描接口模块13是流动采样器的一个示例，该流动采样器可以包括目标液体(对象)流动通过的流动路径13a。目标液体可以是尿液、透析引流、血液、水或溶液等。健康管理和/或监测系统1可以由核心光学模块10和作为尿液采样器的流动采样器13供给。透析监测系统1可以由核心光学模块10和作为透析引流采样器的流动采样器13供给。

图3示出本发明的另一实施例的系统。系统1包括可穿戴式扫描接口14、便携型光学核心模块10以及连接可穿戴式扫描接口14和便携型光学核心模块10的光纤15a。可穿戴式扫描接口14可以是手表型装置，或集成在诸如智能手表等的手表型通信装置中。在可穿戴式扫描接口14中，用于引导和/或产生用于扫描对象的光的光学元件和/或光学路径可以被设置或集成在具有mm量级或更小的尺寸的芯片型光学装置中。便携型光学核心模块10可以具有蜂窝电话的尺寸，或者集成在蜂窝电话或智能电话中。便携型光学核心模块10可以至少包括激光源装置、检测器(光谱仪)和电池，并且其它光学元件可包括在可穿戴式接口14中所安装的芯片型光学装置中。可穿戴式扫描接口14可以是一对眼镜型装置，诸如智能眼镜、吊坠型装置和附着型装置等。便携型光学核心模块10可以与可改变的各个类型的扫描接口共享。可穿戴式扫描接口14可以包括用于输出系统1的测量值和/或其它信息的显示器14a。便携型核心模块10可以包括用于显示系统1的测量值和/或监测结果和/或其它信息的显示器10a。

如图1所示，核心光学模块10包括光学试验台(光学支架)20，其上侧为光学板21，并且下侧为光纤激光器外壳22。在光学板21上，安装了用于产生光58的构成光学路径的多个光学元件。光纤激光器外壳22被配置为容纳至少一个光纤激光器，该至少一个光纤激光器产生激光以馈送到光学板21。核心光学模块10包括堆叠了光学板21和光纤激光器外壳22的堆叠结构20。除了光学试验台20之外，核心光学模块10还可以具有多层结构，包括电源板和电气控制板。控制板可以包括系统的通信和控制功能、用户接口以及电气模块和激光模块的电源。

用于生成用于分析对象19的信号的光58的一个示例是拉曼光谱学(RS)和光学相干断层扫描(OCT)的组合。光学成像和光谱学这两者已被应用于对象(目标被检体)的侵入性和非侵入性表征。诸如OCT等的成像技术擅长中继目标被检体显微结构的图像，而诸如CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)等的光谱学方法能够以优异的特异性探测目标被检体的分子组成。

OCT是使用来自对象(目标)的反射光与未照射对象的基准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，其中当具有不同波长的两个光束入射到对象上时，获得具有与形成对象的分子的振动相对应的波长的CARS光。关于检测CARS光的方向到泵浦光和斯托克斯光的入射方向，可以布置诸如透射CARS和反射CARS等的多种不同方法。

时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射或时间延迟相干反斯托克斯拉曼散射(TD-CARS)显微镜学也被认为是通过利用虚拟电子跃迁和拉曼跃迁的不同时间响应来抑制非共振背景的技术。需要一种能够容易地将这种测量方法应用于各种应用的系统。

指尖扫描接口11例如可以利用在光学核心模块10中产生并通过光传送单元15供给的光58来扫描插入接口18中的手指19的皮肤以生成TD-CARS信号和OCT信号，并通过光传送单元15将包括TD-CARS和OCT的信号(光)的光59发送到核心光学模块10。指尖扫描接口11可以通过有线或无线与核心模块10连接，以与核心模块10通信或通过核心模块10与云通信。

图4的(a)示出光学板21的布置，以及图4的(b)示出光纤激光器外壳22的布置。在光学板21上，安装了诸如反射镜、棱镜和分色镜等的多个光学元件30以构成下面描述的光学路径。光学板21可以包括用于检测从扫描接口模块11返回的光59中所包括的信号的检测器24、以及容纳有多个模块的控制器盒25。在光纤激光器外壳22上，安装了光纤激光器组件40和探测延迟级29。

图5示出系统1的框图。扫描接口模块11可以包括指尖扫描窗11x和自动聚焦物镜11y，以将来自光学核心模块10的光58照射(发射)到对象并接收来自对象的光59以传输到光学核心模块10。光学核心模块10可以包括光学头模块26和光学基模块27。光学头模块26可以包括在扫描接口模块11中，并且光学头模块26和光学基模块27之间的连接16可以是光传送单元。光学基模块27包括激励源模块28、检测器24、温度控制模块70、以及控制模块25a至25e。控制模块25a至25e容纳在控制盒25中。激励源模块28包括光纤激光器组件40以及用于供给用于生成TD-CARS信号和OCT信号的光的光学路径。在该光纤激光器组件40中包括用于斯托克斯光51、泵浦光52和OCT光53的飞秒光纤激光源模块41；用于探测光54的皮秒激光源模块42；以及用于控制向激光模块41和42的供电的热和功率调节模块43。

在光学试验台20的光学板21上，通过使用包括反射镜、开关元件、反射器、棱镜、透镜、以及诸如短波通滤波器(FP)和长波通滤波器(LP)等的滤波器等的多个光学元件30，提供了用于供给具有第一波长范围R1的斯托克斯光51的光学路径31；用于供给具有比第一波长范围R1短的第二波长范围R2的泵浦光52的光学路径32；用于供给具有波长范围R4的探测光54的光学路径34；用于将斯托克斯光51、泵浦光52和探测光54同轴地输出到光传输单元15的光学路径39；以及用于从光传输单元15获取在对象处由斯托克斯光51、泵浦光52和探测光54所产生的TD-CARS光55的光学路径35。TD-CARS光55具有比仅由斯托克斯光51和泵浦光52产生的CARS光的波长范围短的波长范围R5。光学路径34包括探测延迟级(probe delaystage)29，该探测延迟级29具有用于进行控制以通过与泵浦光52的发射具有时间差的方式发射探测光54的致动器。

在光学板21上，通过使用多个光学元件30，还提供了用于供给具有比第二波长范围R2短并且与TD-CARS光55的波长范围R5至少部分地重叠的第三波长范围R3的OCT光53的光学路径33、用于从光传输单元15获取反射OCT光62的光学路径36、以及OCT引擎60。路径36包括用于输出OCT光53并接收反射光62或将反射光62返回到OCT引擎60的分色镜68。OCT引擎60被配置为从OCT光53中分离基准光61，并通过基准光61和来自对象的通过光传输单元15的反射OCT光62来产生干涉光63。光学路径39将OCT光53与斯托克斯光51、泵浦光52和探测光54同轴地输出到光传输单元15。光学路径39可以包括光束调节单元39c、光束对准单元39a、光束转向单元39b和分色镜装置39d。分色镜39d通过组合用于生成TD-CARS 55的光51、52和54以及OCT光53来形成光58，并且分离包括TD-CARS光55的返回光59和反射光62。代替使用光学元件或与使用光学元件一起，可以在芯片型光学装置中或使用芯片型光学装置设置这些光学路径。代替设置在光学核心模块中，这些光学路径的全部或部分可以设置在诸如可穿戴式模型14等的扫描模块中。

核心光学模块10还包括用于检测OCT的干涉光63和TD-CARS光55的检测器24。检测器24包括与TD-CARS光55和干涉光63至少部分共享的检测波长范围。核心光学模块10还包括用于从检测器24获取数据并分析该数据的分析器25a。分析器25a可以包括高速数据获取模块25b以及系统控制器和通信接口模块25c。通信接口模块25c可以经由嵌入式开关平台25d与激光器组件40、检测器24、温度控制模块70、光学路径中的开关元件以及核心光学模块10中的其它控制元件通信。核心光学模块10可以包括基于云的UI平台25e，以经由互联网与诸如个人计算机80或服务器等的外部装置通信。包括光学核心模块10和扫描接口模块11的系统1可以与安装在计算机80中的应用81通信，以向使用系统1的一个或多个用户提供服务。

图6示出光纤激光器组件40的一个实施例。图7示出光纤激光器组件40的波长平面图。该组件可以是MOPA(主振荡器功率放大器)光纤激光器，并且包括用于泵浦振荡器以在1560nm处产生源激光脉冲的源激光二极管LD041a。光检测器PD0提供反馈信号以确保脉冲1560nm随环境变化是稳定的。源激光器50被分成皮秒激光源模块42的探测产生前体(precursor)42a和飞秒光纤激光源模块41的产生级41b的端口。在产生级41b中，激光器LD1泵浦与高非线性光纤(HNLF)拼接的Er(掺铒)前置放大器，以产生1040nm处以供给至斯托克斯产生前体41c。在前体41c中，激光器LD2泵浦Yb(掺镱)前置放大器以放大1040nm脉冲，并且激光器LD3泵浦Yb高功率放大器以在1040nm产生600mW平均功率。从斯托克斯产生前体41c输出的激光通过抛物线准直器供给至压缩器41d，以产生具有在光子晶体光纤(PCF)41e中产生的宽带超连续光谱(SC)的斯托克斯光51。从压缩器41d输出的激光被分离以产生泵浦光52。

在探测产生前体42a中，激光器LD4泵浦Er高功率放大器以在1560nm处产生150mW平均功率。从探测产生前体42a输出的激光通过抛物线准直器被供给至压缩器42b，并且高功率1560nm脉冲经由用作SHG(二次谐波产生)的PPLN(周期性极化的铌酸锂非线性晶体)被倍频到780nm脉冲以产生探测光54。斯托克斯光51、泵浦光52和OCT光53可以包括具有数十至数百mW的一至几百个fS(飞秒)阶脉冲。探测光54可以包括具有数十至数百mW的一到几十个pS(皮秒)阶脉冲。

图7示出该光学核心模块10的一个波长平面图。光学核心模块10应满足具有最小硬件和成本的数个操作模式的要求。对于该光学核心模块10的一个要求可以是CARS发射不得与TD-CARS发射重叠。对于该光学核心模块10的另一个要求可以是TD-CARS发射必须与OCT激励重叠以获得共享光谱仪范围。对于该光学核心模块10的又一个要求可以是激励必须具有良好的通过组织效率。即，具有第一范围R1的斯托克斯光51、具有第二范围R2的泵浦光52、具有第四范围R4的探测光54、以及具有第三范围R3和R5的OCT光53和TD-CARS光55应布置在600nm至1300nm之间的光学窗的范围内，其中活体的主要部分(诸如水、黑色素、还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)等)的吸收率相当低。

在图8所示的平面图中，斯托克斯光51具有第一波长范围R11085～1230nm(400cm-1～1500cm-1)，泵浦光52具有第二波长范围R2 1040nm，探测光54具有第四波长范围R4780nm，OCT光53(干涉光63)具有第三波长范围R3 620～780nm，以及TD-CARS光55具有波长范围R5 680～760nm。所有范围R1、R2、R3、R4和R5包括在波长范围600nm～1300nm内。第二范围R2短于第一范围R1，第三范围R3短于第二范围R2，第四范围R4短于第二范围R2且大于或包含于第三范围R3中，以及TD-CARS 55的范围R5短于第四范围R4短且与第三范围R3至少部分地重叠。检测器24的波长范围DR可以是与OCT的干涉光63和TD-CARS 55共享的620～780nm。在该平面图中，仅需要一个检测器24，其具有与TD-CARS 55和OCT光53(63)共享的检测波长范围DR。通过应用在CARS和OCT检测之间共享检测波长范围DR的单个且共同的检测器24，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。在该光学核心模块10中，可能需要时分扫描，这是因为CARS光55和OCT光53(63)使用单个检测器24的相同的光谱范围。光学核心模块10中的光学开关元件38a和38b可用于时间共享控制。

在该平面图中，通过使用具有比泵浦光12的范围R2短的波长范围R4(例如780nm)的探测光，产生具有比探测光54的范围R4短的波长范围R5的TD-CARS 55。即，通过使用具有比仅由斯托克斯光51和泵浦光52以通过与泵浦光52的发射具有时间差的方式生成的CARS光55x的波长范围R6短的波长范围R4的探测光54，产生具有比CARS光55x的波长范围R6短的波长范围R5的TD-CARS 55。因此，在TD-CARS 55和CARS 55x之间不产生干涉，并且可以在不与CARS光55x干涉的情况下检测不同的TD-CARS 55。可能需要具有比仅由斯托克斯光51和泵浦光52产生的CARS光55x的波长范围R6短的波长范围的探测光54来检测由斯托克斯光51、泵浦光52和探测光54产生的时间差CARS(TD-CARS)55。

注意，以上描述并不意味着CARS光不能用作经由扫描模块11在对象处产生的扫描光59，并且扫描光58和扫描光59可以用于CARS光、SRS(受激拉曼散射)、红外光、或只要能够捕获对象的状态作为信号和/或光谱就可使用的任何光。光学核心模块10可以是混合光学系统，其包括用于TD-CARS和OCT的两个检测器或者分成用于CARS的一半和用于OCT的另一半以检测具有不同光谱范围的CARS信号和OCT的一个检测器。

图9的(a)示出手动延迟级29的示例，并且图9的(b)示出机动延迟级29的示例。探测光54与泵浦光/斯托克斯光51和52之间的时间重叠可以经由手动延迟级(+/-2.5mm)和/或机动延迟级(+/-2.5mm)来控制。在手动延迟级29中，1560nm准直器29a安装在手动延迟台29b上。机动延迟级29包括分别连接到光纤的一对准直器29c和29d、延迟台29e和马达29f。在机动光学延迟级29中，通过路线光纤输入→准直器→自由空间→准直器→光纤输出来传送探测光54。总行程范围可以是10mm(33ps)。

图10示出温度控制模块70。在光学板21中，由于多个光学元件30安装在光学板21上，并且这些元件的位置的细微偏差和/或它们之间的距离的微小变化对光学板21的光学性能有很大影响，因此光学板21和光学试验台20应当是刚性的，并且光学板21的温度应当恒定以避免热膨胀的影响。因此，核心光学模块10包括温度控制单元70，该温度控制单元70被配置为控制光学板21和/或光学试验台20的温度。

温度控制单元70的一个示例包括加热器控制器模块71。加热器控制器模块71通过经由ADC 73附接到光学板21的热敏电阻器79来检测光学板21的温度和/或光学板21的环境，并且经由FET 72使用加热器78来控制光学板21的温度。加热器控制器71将光学板21的温度控制为高于环境温度，以将板21的温度保持在恒定值。加热器78可以具有在环境温度最低(诸如15C)时将高达20C的板21的温度维持为高于平均环境温度(诸如25C)的加热能力。温度控制单元70可以包括诸如帕尔贴(Peltier)冷却单元等的冷却单元。如果光学板包括用于补偿偏差和/或距离变化的自动调谐单元，则温度控制单元可以具有避免温度的突然变化并且将温度梯度保持在预定范围内的功能。

图11是光学核心模块10和非侵入式扫描模块11之间的概念配置。在光学核心模块10中，斯托克斯光51、泵浦光52和探测光54组合并经由光传送单元15(光纤15a或自由空间耦合15b)递送到扫描模块11作为扫描光58。在扫描模块11中，扫描光58经由检流计11g和物镜模块11i照射到对象(目标、样本)19上。TD-CARS光55由对象19处的斯托克斯光51、泵浦光52和探测光54产生，并且反向(Epi)TD-CARS光55作为扫描光59通过与扫描光58相同的路线返回到光学核心模块10。扫描模块11可以包括第二物镜模块11f，该第二物镜模块11f放置在对象19的相对侧以收集前向TD-CARS光55f。前向TD-CARS光55f可以经由光传送路线15作为扫描光59使用扫描光58的相同的路线而返回。

在光学核心模块10中，对于斯托克斯光51、泵浦光52和探测光54以时分方式生成OCT光53，并且使用与光51、52和54相同的路线将OCT光53递送到扫描模块11。即，OCT光53经由光传送单元15(光纤15a或自由空间耦合15b)递送到扫描模块11作为扫描光58。在扫描模块11中，OCT光53(扫描光58)共享相同的检流计11g和物镜模块11i，并向对象(目标、样本)19发射。来自对象19的反射光62作为扫描光59通过与扫描光58相同的路线返回到光学核心模块10。

图12示出光学板21上的多个光学元件30的布置的一个实施例。通过透镜L1、反射镜M2、透镜L6和L7、反射镜M7和M8从OCT引擎60到反射镜M1的路线是用于将OCT光53递送到对象上的光学路径36。在该示例中，反射镜M7和M8是OCT光53和返回TD-CARS光55之间的选择反射镜。当接合OCT光53时，反射镜M7和M8通过机动平移级而移动到预设位置。透镜L6和L7是扩束器，其调节OCT样本臂束宽度以确保将适当的NA递送到对象上。OCT光53通过检流计和定制的多元件物镜，然后被递送到对象上。

通过透镜L2、分色光束分离器(分色镜)BS1、透镜L3和反射镜M9从OCT引擎60到检测器(光谱仪)24的路线是用于OCT检测的路径37。来自目标(对象)的返回(反射)OCT光62与基准光61组合或多路复用以形成干涉信号63，并通过两个透镜L2和L3耦合到光谱仪24中。在该示例中，OCT干涉信号63和CARS光55共用相同的光谱仪24，这提供了同时获取OCT和CARS的可能性。然而，如果OCT和CARS在波长上重叠，则需要OCT和CARS之间的时分。分色光束分离器BS1在OCT波长处是透射的。

光学路径31、32和34是用于将泵浦光52、斯托克斯光51和探测光54递送到目标(对象样本)上的路径。在该示例中，分色光束分离器BS4将泵浦光52和斯托克斯光51组合，并且分色光束分离器BS3将探测光54与泵浦光52和斯托克斯光51组合。沿着探测路径34的短通滤波器(SP滤波器)滤除剩余的1560nm信号，并且沿着斯托克斯路径31的长通滤波器(LP滤波器)去除关注区域之外的较低波长。在反射镜M1后，这些光束被组合并通过传送单元15递送。

光学路径35是用于检测反向CARS(TD-CARS)55的路径。在该示例中，用于选择前向CARS光55收集的反射镜M6和用于选择OCT光53和63的反射镜M7和M8从机动级中移出。分色光束分离器BS1、BS2和BS3反射所检测的CARS信号55以供收集。使用分色光束分离器BS1能够实现用于CARS和OCT检测这两者的单个光谱仪。透镜L4和L5包含扩束器，以确保针对光谱仪24的适当收集NA。该路径35上的短通滤波器(SP滤波器)确保光谱仪24仅收集关注的波长。

作为路径35的一部分的光学路径35a是用于检测前向CARS 55f的路径。在该示例中，反射镜M6被移动到适当的位置以用于通过机动级来选择前向CARS光55f收集。分色光束分离器BS1反射检测到的CARS信号55或55f以供收集。透镜L4和L5包含扩束器，以确保针对光谱仪24的适当收集NA。短通滤波器(SP滤波器)确保光谱仪24仅收集关注的波长。

在该系统1中，核心光学模块10和一种扫描接口模块11至14可以分开布置，可以堆叠，可以在光纤可连接核心光学模块10和扫描接口模块11至14的距离内并行布置。通过提供高度多用途、共同且通用的核心光学模块10，可以容易地针对各应用开发易于定制，成本低、且能够供给适合于各种领域中的测量、研究、监测和/或自我护理的系统1的最佳扫描接口模块。

在本说明书中，公开了包括核心光学模块和扫描接口模块的系统。核心光学模块被配置为产生用于生成用于搜索目标的信号的光并接收来自该目标的信号。扫描接口模块与核心光学模块分离，但经由光纤或自由空间耦合与核心光学模块连接。扫描接口模块可针对各应用程序而改变。扫描接口模块被配置为利用来自核心光学模块的传送光来扫描目标以生成信号，并接收来自目标的信号以经由光纤或自由空间耦合将信号传送到核心光学模块。扫描接口模块可以是最小侵入式采样器、非侵入式采样器或流动采样器。扫描接口模块可以针对诸如指尖扫描和用于测量葡萄糖、血红蛋白A1c、肌酐和白蛋白等的尿液扫描等的各应用而改变。

以上对具体实施例的描述将充分揭示这里的实施例的一般性质，使得本领域人员通过应用现有知识可以容易地修改和/或改变诸如具体实施例等的各种应用而不背离通用概念，因此，这种改变和修改应当且旨在在所公开的实施例的等同项的含义和范围内理解。应当理解，这里采用的用语或术语是为了描述而非限制的目的。因此，虽然这里的实施例是在优选实施例的方面进行描述，但是本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求的精神和范围内通过修改来实践这里的实施例。