確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的制作方法
【專利摘要】一種用于確定元件（342）中的能夠移動(dòng)的對(duì)象（341）的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備（340），包括：光發(fā)射單元（344），被配置為朝向所述元件（342）發(fā)射光；以及光探測(cè)單元（344），被配置為探測(cè)從所述元件（342）背散射的光。所述傳感器設(shè)備（340）包括光學(xué)單元（346），光學(xué)單元（346）被配置為將所述元件（342）的光入射元件部分（348）和所述元件（342）的光探測(cè)元件部分（350）彼此空間上分開，其中，所述光入射元件部分（348）與入射在所述元件（342）上的發(fā)射光關(guān)聯(lián)，且所述光探測(cè)元件部分（350）與從所述元件（342）背散射的用于探測(cè)的背散射光關(guān)聯(lián)。所述傳感器設(shè)備（340）包括確定單元（358），確定單元（358）被配置為基于指示所述發(fā)射光和探測(cè)的所述背散射光的光來確定所述元件（342）中的能夠移動(dòng)的所述對(duì)象（341）的所述流動(dòng)特性。所述傳感器設(shè)備（340）容許所述對(duì)象（341）的流動(dòng)特性的精確和容易的確定。
【專利說明】確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于確定元件中能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光多普勒測(cè)速法(Laser Doppler velocimetry, LDV),也稱為激光多普勒風(fēng)速法(laser Doppler anemometry, LDA)表示用于使用多普勒效應(yīng)來確定能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的測(cè)量技術(shù)。特別是，激光多普勒測(cè)速法能夠用于與醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用結(jié)合，以例如確定微脈管血液的流動(dòng)特性或人的組織灌注特性。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，LDV也稱為激光多普勒流量法(laser Doppler flowmetry)。替代地,該技術(shù)可以用于材料匹配領(lǐng)域，以確定材料顆粒流的流動(dòng)特性。以下，參照醫(yī)學(xué)領(lǐng)域而不失一般性。
[0003]將參照?qǐng)D1解釋用于確定人的血液的流動(dòng)特性的一種基于LDF的技術(shù)。由激光單元發(fā)射的相干激光102入射到人的皮膚106的表皮部分(skin portion)104上。光102包括頻率ω0,如圖示108中示例的，圖示108的縱坐標(biāo)表示頻率(以赫茲量度)且圖示108的橫坐標(biāo)表示發(fā)射光102的強(qiáng)度(以任意單位量度)。光102穿入到皮膚106的表皮部分104之下的表面層中，并且除其它之外，在在皮膚106中移動(dòng)的血細(xì)胞108a_e處散射。為示例，將光102在不同血細(xì)胞108a-c處的多個(gè)散射事件以及光102在一個(gè)血細(xì)胞108d處的單個(gè)散射事件示例于圖1中。相應(yīng)的背散射光IlOa-C在散射事件后傳播至探測(cè)器112。光102在光102入射所在的表皮部分104處的反射也可以使得反射光IlOd傳播至探測(cè)器112。探測(cè)器112探測(cè)所有傳入光110a-d，探測(cè)的光包括以光102的頻率ω O為中心的頻率分布，如圖示114中示例的。圖示114的縱坐標(biāo)表示頻率(以赫茲量度),而圖示114的橫坐標(biāo)表示探測(cè)的光的強(qiáng)度(以任意單位量度)。
[0004]理想地,根據(jù)多普勒效應(yīng)`，背散射光IlOa-C中的每一背散射光包括頻率ω0 +Δ ω, Δ ω標(biāo)記相對(duì)于光102的初始頻率ω0的頻移。通過相應(yīng)血細(xì)胞108a_e的引導(dǎo)速度和入射并散射的光的方向改變來確定頻移Δω。在一維情況下，移動(dòng)血細(xì)胞與激光單元之間的距離的減小導(dǎo)致正符號(hào)的頻移△ ω，而移動(dòng)血細(xì)胞與光源之間的距離的增大導(dǎo)致負(fù)符號(hào)的頻移Λ ω。反射光IlOd理想地包括光102的頻率ω0。
[0005]圖示114中示例的探測(cè)的光的頻率分布由數(shù)個(gè)效應(yīng)引起，此外，由于血細(xì)胞的隨機(jī)速度值，可以觀察不到清楚的頻移Λ ω。血細(xì)胞108a-e可以在所有方向上移動(dòng)并包括不同的速度值，由此導(dǎo)致背散射光IlOa-C的頻移Λ ω的不同值。
[0006]于是基于獲得的頻譜來確定血液的流動(dòng)特性。
[0007]雖然圖1中主要示例了背散射光，但是探測(cè)的光可以包括反射光的大部分。從而，上述測(cè)量技術(shù)可以包括低的深度靈敏度，并且在考慮小的多普勒頻移時(shí)，血液的流動(dòng)特性的確定的精度可以低。
[0008]用于基于多普勒效應(yīng)來確定血液的流動(dòng)特性的另外的選項(xiàng)附加地采用自混合干涉法(SMI)。將參照?qǐng)D2解釋基于相應(yīng)的SM1-LDF的測(cè)量原理。激光單元220朝向人的皮膚的表皮部分(skin portion)224發(fā)射光222。激光單元220的前側(cè)與表皮部分224之間的距離在圖2中由s指示。從表皮部分224反射或背散射的光226再次進(jìn)入激光單元220。在激光單兀220中生成混合光228,因?yàn)榧す鈫呜Ｖ械拇l(fā)射的光(并且從而對(duì)應(yīng)于發(fā)射光222)和探測(cè)的背散射和反射的光226在激光單元220中混合?；旌瞎?28由激光單元220輸出，并且由布置在激光單元220外部的光電二極管230探測(cè)。使用所謂的三鏡法布里-珀羅腔模型來分析由光電二極管230獲得的功率譜，激光單元220的后表面234和現(xiàn)在由232標(biāo)記的前表面以及表皮部分224的表面236表不相應(yīng)的鏡子。分析的結(jié)果提供關(guān)于表皮部分224中的血液的流速的信息。
[0009]如上面闡述的，基于SMI的血液的流動(dòng)特性的確定也可以受到差的精度的影響。
[0010]W02009/027896描述了用于測(cè)量人的皮膚性質(zhì)的基于SMI的方法和裝置，皮膚性質(zhì)例如是皮膚的脫水水平。該裝置包括激光傳感器，激光傳感器被配置為朝向待研究的表皮部分發(fā)送激光并接收從表皮部分反射的激光。激光傳感器包括光電二極管，光電二極管被配置為測(cè)量激光傳感器的激光的功率波動(dòng)，以基于激光的功率波動(dòng)隨時(shí)間的變化來確定表皮部分的回彈速度(recoil velocity)。歸因于自混合效應(yīng),背散射光引起激光的功率波動(dòng)。裝置的偏振器布置于激光傳感器與表皮部分之間，以抑制反射光的部分，與發(fā)射光相t匕，反射光包括不同的偏振?；诠β什▌?dòng)來確定皮膚性質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供用于精確和容易地確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的方法。此外，本發(fā)明的目的是提供容許精確和容易地確定元件的中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備。
[0012]以上定義的目的由根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的用于確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備和方法來解決。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的示范性方面，提供了一種用于確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備，所述傳感器設(shè)備包括:光發(fā)射單元，被配置為朝向所述元件發(fā)射光；光探測(cè)單元，被配置為探測(cè)從所述元件背散射的光；光學(xué)單元，被配置為將所述元件的光入射元件部分和所述元件的光探測(cè)元件部分彼此空間上分開，其中，所述光入射元件部分與入射在所述元件上的發(fā)射光關(guān)聯(lián)，且所述光探測(cè)元件部分與從所述元件背散射的用于探測(cè)的背散射光關(guān)聯(lián)；以及確定單元，被配置為基于指示所述發(fā)射光和探測(cè)的所述背散射光的光來確定所述元件中的能夠移動(dòng)的所述對(duì)象的所述流動(dòng)特性。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一示范性方面，提供了一種用于確定元件中能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的方法，所述方法包括:由光發(fā)射單元朝向所述元件發(fā)射光；由光探測(cè)單元探測(cè)從所述元件背散射的光；以及由確定單元基于指示發(fā)射光和探測(cè)的背散射光的光來確定所述元件中的能夠移動(dòng)的所述對(duì)象的所述流動(dòng)特性，其中，所述元件的光入射元件部分和所述元件的光探測(cè)元件部分由光學(xué)單元彼此空間上分開，其中，所述光入射元件部分與入射在所述元件上的所述發(fā)射光關(guān)聯(lián)，且所述光探測(cè)元件部分與從所述元件背散射的用于探測(cè)的所述背散射光關(guān)聯(lián)。
[0015]在本申請(qǐng)的背景內(nèi)，術(shù)語“從元件背散射的背散射光”可以特別標(biāo)記可以在元件處或中的光散射入射之后接收的光或光信號(hào)。特別是，散射事件可以包括元件的元件表面處的光反射和/或兀件表面處和/或兀件表面之下的兀件內(nèi)的光散射或多重光散射。[0016]術(shù)語“元件部分”可以特別標(biāo)記元件的點(diǎn)或元件的規(guī)則或不規(guī)則形狀的區(qū)域。特別是，元件部分可以包括元件的元件表面的元件表面部分。
[0017]術(shù)語“指示發(fā)射光的光”可以特別標(biāo)記由光發(fā)射單元發(fā)射的發(fā)射光(的部分)，和/或待由光發(fā)射單元發(fā)射的光。
[0018]術(shù)語“單元”和/或“元件”可以特別標(biāo)記包括一個(gè)或一個(gè)以上構(gòu)件的部件。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的示范性方面，傳感器設(shè)備和方法可以采用通過在能夠移動(dòng)的對(duì)象處的光散射的多普勒效應(yīng)獲得的信息，以確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性。與入射在元件上的發(fā)射光關(guān)聯(lián)的光入射元件部分和與從元件背散射的用于探測(cè)目的的光關(guān)聯(lián)的光探測(cè)元件部分彼此空間上分開。因此，從光探測(cè)元件部分朝向光探測(cè)單元背散射的光包括傳播通過元件并在元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象處散射的光，而不是從所述光入射元件部分背散射的光，的大部分(high fraction)。
[0020]因此，傳感器設(shè)備的信噪比可以高，因?yàn)閭鞲衅髟O(shè)備可以包括關(guān)于元件的較深層的高靈敏度，并且從而提高的深度靈敏度。
[0021]接下來，將解釋用于確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備的另外的示范性實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例也適用于確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的方法。
[0022]特別是，光發(fā)射單元可以被配置為激光(光)單元，激光(光)單元被配置為發(fā)射紅外波長(zhǎng)的激光，特別是在>大約780納米(nm)與<大約980nm之間,進(jìn)一步特別是在大約850nm處。特別是，后一波長(zhǎng)范圍可以在確定皮膚的血液的流動(dòng)特性方面是有利的，因?yàn)槠つw在這些波長(zhǎng)可以是透明的，由此增強(qiáng)了傳感器設(shè)備的深度靈敏度。特別是，后一效應(yīng)對(duì)于大約850nm的波長(zhǎng)的光甚至 可以是更顯著的。
[0023]所述光發(fā)射單元和所述光探測(cè)單元可以是一體形成的，并且特別是作為激光(光)單元。特別是，激光單元可以容許發(fā)射光和探測(cè)的背散射光干涉，以生成(自)混合光信號(hào)。從而，傳感器設(shè)備和方法可以采用自混合干涉法來確定對(duì)象的流動(dòng)特性。特別是，方法的確定步驟可以是方便的，因?yàn)榭梢栽诹鲃?dòng)特性的評(píng)估期間使用與自混合干涉法的原理關(guān)聯(lián)的已知數(shù)學(xué)算法。此外，傳感器設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以是顯著方便的，因?yàn)閭鞲衅骺梢园ㄐ?shù)量的部件。此外，傳感器設(shè)備的制造成本可以低。
[0024]光學(xué)單元可以包括光路徑分開元件，所述光路徑分開元件被配置為將朝向所述光入射元件部分的所述發(fā)射光的光路徑與從所述光探測(cè)元件部分背散射的所述背散射光的光路徑分開。因此，可以實(shí)現(xiàn)光入射元件部分和光探測(cè)元件部分的空間上分開。此外，可以減小或甚至消除從光入射元件部分背散射的光與從光探測(cè)元件部分背散射的光之間的干涉，由此提高流動(dòng)特性的確定的精度。
[0025]特別是，光路徑分開元件可以包括或可以被配置為分束器。
[0026]所述光路徑分開元件可以被配置為偏振分束器，并且由所述光發(fā)射單元發(fā)射的所述發(fā)射光的偏振方向可以相對(duì)于所述偏振分束器的偏振軸以特別是大約45度的角取向。從而，背散射光的信號(hào)強(qiáng)度可以高，因?yàn)榉质骺梢苑瓷淙堪l(fā)射光。此外，偏振分束器可以不透射，而是可以吸收發(fā)射光的可以不被分束器反射的部分。
[0027]所述光學(xué)單元包括光重定向元件，所述光重定向元件被配置為將從所述光路徑分開元件接收的所述發(fā)射光朝向所述光入射元件部分重定向。從而，可以實(shí)現(xiàn)將光入射元件部分和光探測(cè)元件部分彼此空間上分開的附加自由度。結(jié)合包括分束器的光路徑分開元件，光重定向元件的使用可以是特別有利的，因?yàn)楣庵囟ㄏ蛟梢匀菰S將由分束器元件以大約90度的角反射的發(fā)射光朝向元件重定向。
[0028]特別是，光重定向元件可以包括或可以被配置為鏡子和/或棱鏡。此措施可以容許光重定向元件的結(jié)構(gòu)容易的實(shí)施例。
[0029]能夠通過所述光路徑分開元件和所述光重定向元件的相對(duì)布置來調(diào)整所述光入射元件部分與所述光探測(cè)元件部分之間的距離。從而，光學(xué)單元可以提供用于選擇用于流動(dòng)特性的確定的背散射光的深度信息的措施，因?yàn)榘l(fā)射光可以在某一距離上傳播通過元件，并且可以沿此距離在能夠移動(dòng)的對(duì)象處散射。特別是，在光入射元件部分和光探測(cè)元件部分可以布置為彼此靠近的情況下，散射光將主要從對(duì)象的近表面層散射。在光入射元件部分和光探測(cè)元件部分可以空間上分開較長(zhǎng)距離的情況下，散射光將通過對(duì)象的較深層。在光入射元件部分和光探測(cè)元件部分可以布置為彼此遠(yuǎn)離的情況下，背散射光的強(qiáng)度可以低，因?yàn)椋捎谘毓馊肷湓糠峙c光探測(cè)元件部分之間的距離的多重散射事件，僅傳播通過元件的發(fā)射光的小部分可以朝向光探測(cè)元件散射回。因此，傳感器設(shè)備可以包括能夠調(diào)整的深度靈敏度。
[0030]所述光路徑分開元件和所述光重定向元件可以是一體形成的，由此，光學(xué)元件的制造成本，并且從而傳感器設(shè)備的制造成本，可以低。此外，通過一體形成光路徑分開元件和光重定向元件，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)單元的小型化和批量生產(chǎn)。此外，光學(xué)單元可以包括緊湊、小、且結(jié)構(gòu)上容易的設(shè)計(jì)。此外，可以提高確定精度，因?yàn)榭梢员苊夤饴窂椒珠_元件和光重定向元件之間的過早(timely)引起的光學(xué)失準(zhǔn)。
[0031]特別是，當(dāng)沿光傳播路徑看時(shí)，光路徑分開元件的分束器可以包括直角梯形狀地形成的橫截面，其中，光重定向元件可以被配置為分束器的側(cè)面上的內(nèi)表面的反射層。這里，術(shù)語“直角梯形”可以特別標(biāo)記梯形，該梯形在梯形的鄰近側(cè)的兩側(cè)之間包括至少一個(gè)直角。特別是，當(dāng)沿梯形的周邊觀看時(shí)，分束器的直角梯形橫截面可以包括布置為彼此相鄰的兩個(gè)直角。特別是，梯形的直角可以布置為與光探測(cè)元件部分鄰近，并且包括反射層的側(cè)面可以布置為與光入射原件部分鄰近。從而，光學(xué)單元可以包括標(biāo)準(zhǔn)部件，即分束器，其可以包括特別是膠粘到一起的第一和第二玻璃構(gòu)件。因此，與標(biāo)準(zhǔn)立方分束器相比，分束器可以包括稍微的更改，由此導(dǎo)致低`的制造成本。
[0032]替代地，可以以兩塊的方式配置光路徑分開元件和光重定向元件。特別是，光路徑分開元件可以被配置為立方分束器，并且光重定向元件可以被配置為鏡子。
[0033]所述傳感器設(shè)備還可以包括:偏振變更元件，布置在所述光學(xué)單元與所述元件之間，其中，所述偏振變更元件可以被配置為變更從所述光學(xué)單元接收的所述發(fā)射光的偏振和從所述元件背散射的所述背散射光的偏振。從而，可以基于背散射光和發(fā)射光的選擇的偏振來確定元件中的對(duì)象的流動(dòng)特性，由此將不相關(guān)的光信息從流動(dòng)特性確定排除,并且從而提聞了確定的精度。
[0034]特別是，偏振變更元件可以被配置為偏振器，特別是四分之一波片和/或半波片。
[0035]特別是，光發(fā)射單元可以被配置為發(fā)射包括線偏振的光，其中，偏振變更元件可以被配置為將發(fā)射光的線偏振變更為(右或左)圓偏振，并且可以被配置為選擇去偏振背散射光的(右或左)圓偏振并且將此圓偏振變更為線偏振。[0036]特別是，光發(fā)射單元可以被配置為發(fā)射包括(右或左)圓偏振的光，其中，偏振變更元件可以被配置為將發(fā)射光的圓偏振變更為線偏振，并且可以被配置為選擇去偏振背散射光的線偏振并且將此線偏振變更為(右或左)圓偏振。
[0037]所述光學(xué)單元，特別是偏振分束器，和所述偏振變更元件可以被相對(duì)于彼此配置和布置，使得由所述光探測(cè)單元探測(cè)的所述背散射光的偏振(方向)和指示所述發(fā)射光的光的偏振(方向)可以彼此正交。術(shù)語“正交偏振”可以特別標(biāo)記相應(yīng)的偏振方向可以相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)大約90度的角。從而，指示發(fā)射光的光和/或發(fā)射光可以包括正交偏振方向。因此，可以進(jìn)一步增強(qiáng)傳感器設(shè)備的深度靈敏度，因?yàn)榭梢员贿x擇用于分析的背散射光可以源自元件的較深的層。特別是，為此目的，由于在光入射元件部分與光探測(cè)元件部分之間傳播時(shí)元件中的多重散射事件，探測(cè)的背散射光的偏振可以改變。此外，在光入射元件部分處朝向光探測(cè)單元反射的光可以包括與發(fā)射光的偏振幾乎相同的偏振，并且從而可以不被光探測(cè)單元探測(cè)到。
[0038]所述傳感器設(shè)備還可以包括:第一透鏡，布置在所述光學(xué)單元，特別是偏振變更元件，與所述光入射元件部分之間，其中，所述第一透鏡可以被配置為將所述發(fā)射光朝向所述光入射元件部分聚焦；和/或第二透鏡，布置在所述光學(xué)單元，特別是偏振變更元件，與所述光探測(cè)元件部分之間，其中，所述第二透鏡可以被配置為將從所述光探測(cè)元件部分背散射的所述背散射光特別是朝向所述光學(xué)單元聚焦。因此，第一透鏡可以容許調(diào)整光入射元件部分的空間延伸，以調(diào)整元件上發(fā)射光的光沉積水平。第二透鏡可以容許調(diào)整或增大朝向光探測(cè)單元的背散射光的信號(hào)強(qiáng)度。從而，可以進(jìn)一步提高確定的精度。
[0039]所述傳感器設(shè)備還可以包括:第一光纖，布置在所述光學(xué)單元，特別是偏振變更元件，與所述光入射元件部分之間，其中，所述第一光纖可以被配置為將所述發(fā)射光從所述光學(xué)單元朝向所述光入射元件部分定向；和/或第二光纖，布置在所述光學(xué)單元，特別是偏振變更元件，與所述光探測(cè)元件部分之間，其中，所述第二光纖可以被配置為將所述背散射光從所述光探測(cè)元件部分朝向所述光學(xué)單元，特別是偏振變更元件，定向。從而，光學(xué)單元，特別是偏振變更元件，分別與光入射元件部分和光探測(cè)元件部分，之間的光漫射導(dǎo)致的信號(hào)損失可以忽略，使得可以增大背散`射光的信號(hào)強(qiáng)度。因此，可以顯著提高元件中的液體的流動(dòng)特性的確定的精度。
[0040]所述傳感器設(shè)備還可以包括:第三透鏡，布置在所述光探測(cè)單元與所述光學(xué)單元，特別是所述光學(xué)單元的分束器的第一和第二玻璃構(gòu)件的連接側(cè)面，之間，其中，所述第三透鏡可以被配置為將所述背散射光朝向所述光探測(cè)單元聚焦。從而，可以增大到達(dá)光探測(cè)單元的背散射光的信號(hào)強(qiáng)度，由此提高了對(duì)象的流動(dòng)特性的確定的精度。
[0041]特別是，在光發(fā)射單元和光探測(cè)單元可以是一體形成的情況下，第三透鏡也可以被配置為將從光發(fā)射單元發(fā)射的發(fā)射光朝向光學(xué)單元聚焦。因此，第三透鏡可以包括相應(yīng)形狀的表面。
[0042]特別是，確定單元可以包括或可以被配置為光電二極管，光電二極管被配置為探測(cè)由光探測(cè)單元發(fā)射的(激光)光。此措施可以容許使用常規(guī)電子元件容易地探測(cè)包括自混合光信號(hào)的(激光)光。
[0043]特別是，激光單元可以包括被配置為探測(cè)自混合光信號(hào)的光電二極管，并且可以被配置為向確定單兀輸出相應(yīng)的(電子)信號(hào)。[0044]所述對(duì)象的所述流動(dòng)特性可以包括所述對(duì)象的流動(dòng)速度和所述對(duì)象的流動(dòng)方向中的至少之一，和/或其中，所述對(duì)象可以包括單個(gè)血細(xì)胞或多個(gè)血細(xì)胞，且所述元件可以包括皮膚。因此，傳感器設(shè)備可以被配置為使用在皮膚的血液的血細(xì)胞處散射的光的頻率的多普勒移動(dòng)來確定血液的流動(dòng)速度和/或流動(dòng)方向。特別是，傳感器設(shè)備可以對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷是有用的，并且可以被配置為血液流動(dòng)傳感器設(shè)備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]根據(jù)以下描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它方面將是明顯的，并且將參照以下描述的實(shí)施例闡述本發(fā)明的這些和其它方面。
[0046]圖1是用于使用LDF來確定血液的流動(dòng)特性的布置的示意圖；
[0047]圖2是用于使用SMI來確定血液的流動(dòng)特性的另一布置的示意圖；
[0048]圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一示范性實(shí)施例的用于確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備的示意圖；
[0049]圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實(shí)施例的用于確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050]圖樣中的本發(fā)明是示意性的。需要注意，在不同的圖中，給類似或相同的元件提供了同樣的參考符號(hào)或與相應(yīng)的參考符號(hào)僅在第一個(gè)數(shù)字不同的參考符號(hào)。
[0051]參照?qǐng)D3，示例了 根據(jù)本發(fā)明的第一范例實(shí)施例的用于確定元件中的能夠移動(dòng)的對(duì)象的流動(dòng)特性的基于SMI的傳感器設(shè)備340。傳感器設(shè)備340用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，用于通過確定人的皮膚342中的血細(xì)胞341的流動(dòng)速度來監(jiān)視人的血液灌注。為示例目的，圖3中示意性地示例了單個(gè)血細(xì)胞371。傳感器設(shè)備340包括提高的深度靈敏度并且從而提高的信噪比，因?yàn)閭鞲衅髟O(shè)備340對(duì)待研究的皮膚342的較深的層敏感。
[0052]傳感器設(shè)備340包括激光單元形式的光發(fā)射和探測(cè)單元344，該激光單元被配置為發(fā)射線偏振的相干激光并同時(shí)探測(cè)傳入(激)光。激光單元340操作于紅外波長(zhǎng)，特別是在780與980nm之間，例如操作于850納米(nm)。
[0053]傳感器設(shè)備340還包括光學(xué)單元346，光學(xué)單元346被配置為將皮膚342的與入射在皮膚342上的發(fā)射光相關(guān)聯(lián)的光入射表皮部分348和皮膚342的與從皮膚342背散射的用于探測(cè)的光關(guān)聯(lián)的光探測(cè)表皮部分350彼此空間上分開。光入射表皮部分348和光探測(cè)表皮部分350中的每者作為點(diǎn)不例與圖3中,然而,光入射表皮部分348和/或光探測(cè)表皮部分350可以被配置為具有不規(guī)則形狀的表面區(qū)域。
[0054]光學(xué)單元346包括偏振分束器形式的光路徑分開元件352和光反射元件形式的光重定向兀件354。分束器352包括偏振軸,偏振軸與線偏振發(fā)射光的偏振方向成45度的角配向(align)。分束器352和反射兀件354 —體形成。當(dāng)沿通過分束器352的發(fā)射光的光傳播方向觀看時(shí)，分束器352包括直角梯形狀的橫截面，并且分束器352由第一和第二玻璃構(gòu)件356a、b構(gòu)成。當(dāng)沿通過第一玻璃構(gòu)件356a的發(fā)射光的光傳播方向觀看時(shí)，第一玻璃構(gòu)件356a包括三角形狀的橫截面，并且當(dāng)沿通過第二玻璃構(gòu)件356b的光傳播方向觀看時(shí)，第二玻璃構(gòu)件356b包括梯形狀的橫截面。反射兀件354對(duì)應(yīng)于分束器352的第二玻璃構(gòu)件356b的側(cè)面的內(nèi)表面，該內(nèi)表面布置為與第一和第二玻璃構(gòu)件356a、b的彼此相連的側(cè)面相對(duì)。光入射表皮部分348鄰近反射元件354設(shè)置，并且光探測(cè)表皮部分350鄰近偏振分束器352的第一玻璃構(gòu)件356a設(shè)置。
[0055]此外，傳感器設(shè)備340包括確定單元358，確定單元358被配置為基于指示發(fā)射光和探測(cè)的背散射光的光在激光單元344的腔中生成的SMI信號(hào)來確定皮膚342中的血細(xì)胞341的流動(dòng)速度。為此目的，激光單元344被配置為從激光單元344的后表面朝向確定單元358輸出激光。確定單兀358包括光電二極管360,光電二極管360被配置為探測(cè)激光。
[0056]傳感器設(shè)備340還包括偏振變更元件362，偏振變更元件362布置在光學(xué)單元346與皮膚342之間并且被配置為變更從光學(xué)單兀346接收的發(fā)射光的偏振和從皮膚342背散射的背散射光的偏振。偏振變更兀件362被配置為四分之一波片，四分之一波片被配置為將通過四分之一波片362的發(fā)射光的線偏振變更為圓偏振，并將通過四分之一波片362的背散射光的圓偏振變更為線偏振。
[0057]偏振分束器352和四分之一波片362彼此布置為使得探測(cè)的背散射光的線偏振方向和發(fā)射光的偏振方向彼此旋轉(zhuǎn)90度。
[0058]第一和第二透鏡364、366分別布置在四分之一波片362與皮膚342的光入射表皮部分348和光探測(cè)表皮部分350之間。第一透鏡364被配置為將發(fā)射光聚焦在光入射表皮部分348上,且第二透鏡366被配置為通過使背散射光的光束平行配向來將背散射光朝向光學(xué)單元346聚焦。
[0059]傳感器設(shè)備340的第三透鏡368布置在光學(xué)單元346與激光單元344之間，并且被配置為將背散射光聚焦至激光單元344并通過使發(fā)射光的光束平行配向來將從激光單兀344發(fā)射的發(fā)射光朝向光學(xué)單兀346聚焦。
[0060]替代地，傳感器設(shè)備34`0可以不包括第一、第二和第三透鏡364、366、368。不存在這些部件而導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量損失可以小，特別是當(dāng)傳感器340的相應(yīng)部件與皮膚342之間的距離可以小時(shí)。
[0061]在傳感器設(shè)備340的操作中，激光單兀344朝向第三透鏡368發(fā)射線偏振光,第三透鏡368依次將發(fā)射光聚焦為平行配向。圖3中，發(fā)射光的傳播方向由箭頭370a-c指示，并且發(fā)射光的束路徑在圖3中以點(diǎn)方式指示，并且以實(shí)線為邊。發(fā)射光然后全部由偏振分束器352朝向反射層354反射。發(fā)射光在反射層354處反射后,通過四分之一波片362,使得發(fā)射光的線偏振變更為圓偏振。下面，將假定發(fā)射光在通過四分之一波片362之后包括右圓偏振。發(fā)射光然后由第一透鏡364朝向光入射表皮部分348聚焦。
[0062]發(fā)射光入射在光入射表皮部分348上,然后傳播通過皮膚342的表面層，并且沿光入射表皮部分348與光探測(cè)表皮部分350之間的光傳播路徑在血細(xì)胞371處散射多次?？赡艿墓鈧鞑ヂ窂皆趫D3中由箭頭372a-d指示。因此，發(fā)射光被去偏振，因此包括所有可能的偏振。
[0063]發(fā)射光沿光入射表皮部分348與光探測(cè)表皮部分350之間的整個(gè)光傳播路徑出射出皮膚342的表面。發(fā)射光的部分自光探測(cè)表皮部分350朝向第二透鏡366背散射作為背散射光。第二透鏡366通過使背散射光的光束平行配向來將背散射光朝向四分之一波片362對(duì)準(zhǔn)。背散射光的傳播方向在圖3中由箭頭372a、b指示。背散射光的束路徑在圖3中以點(diǎn)方式指示，并且以實(shí)線為邊。四分之一波片362選擇去偏振背散射光中的左圓偏振背散射光的部分，并且將左圓偏振背散射光變更為線偏振背散射光。背散射光然后通過分束器352，而無任何偏轉(zhuǎn)或偏振變化，并且通過第三透鏡368朝向激光單元344對(duì)準(zhǔn)。可以通過四分之一波片362來將去偏振發(fā)射光的右圓光的部分變更為線偏振光,該線偏振光的偏振方向與發(fā)射光的偏振方向平行配向。此光部分不通過偏振分束器352。
[0064]在激光單元344的腔內(nèi)，指示發(fā)射光的待發(fā)射的光與自分束器352接收的探測(cè)的背散射光彼此混合，使得發(fā)生自混合干涉。然后激光由激光單元344的后表面朝向確定單元358輸出。背側(cè)發(fā)射激光的傳播方向在圖3中由箭頭376指示。確定單元358的光電二極管358探測(cè)混合光?；诠怆姸O管358探測(cè)的激光來確定人的皮膚342中的血液的血細(xì)胞341的流動(dòng)速度。
[0065]需要注意，四分之一波片362與偏振分束器352的組合將發(fā)射光限制為直接從光
入射表皮部分348朝向激光單元344反射和/或背散射。此反射和/或背散射光包括-
盡管有反射或散射事件——其原始右圓偏振，使得防止了在分束器352處相應(yīng)地線偏振的光的反射，相應(yīng)地線偏振的光由原始右圓偏振光通過四分之一波片362引起。類似地，在光入射表皮部分348處朝向透鏡366反射的光不進(jìn)入激光單元344，因?yàn)橛捎诜质?52的偏振，防止了相應(yīng)地偏振的光穿過分束器352。
[0066]參照?qǐng)D4，將解釋根據(jù)本發(fā)明的第二示范性實(shí)施例的傳感器設(shè)備440。傳感器設(shè)備440采用干涉儀布置，然而，不基于自混合干涉法的原理操作。與圖3中示例的傳感器設(shè)備340相比，傳感器設(shè)備444類似地構(gòu)成，然而，傳感器設(shè)備440包括被配置為分開的單元的光發(fā)射單元480和光探測(cè)單元482。光發(fā)射單元480被配置為激光二極管，激光二極管被配置為發(fā)射紅外波長(zhǎng)(這里770nm)的且線偏振的相干激光，并且光探測(cè)單元482被配置為光電二極管。此外，另一偏振分束器484分別布置于激光二極管480與光學(xué)單兀346之間以及光電二極管482與光學(xué)單兀346之間。另一偏振分束器484被配置為將從激光二極管480接收的全部發(fā)射光朝向分束器352反射。此外，偏振分束器362和另一偏振分束器484被相對(duì)于彼此配置并布置，使得從分束`器352接收的光通過分束器484，而無偏振的任何偏轉(zhuǎn)或改變。第三透鏡368布置在分束器484與光電二極管484之間。振蕩半反射片486布置在分束器352、484之間，并且被配置為將從分束器484接收的傳入的發(fā)射光的部分朝向光電二極管482反射，并使得傳入的發(fā)射光的另一部分通過朝向分束器352。第四透鏡488布置在激光二極管480與分束器484之間，并且被配置為通過使發(fā)射光的光束平行配向來將發(fā)射光聚焦至分束器484。與確定單元358相比，就流動(dòng)速度評(píng)估來說，確定單元458包括相同的功能性，但是不包括光電二極管。
[0067]在傳感器設(shè)備440的操作中，激光二極管480發(fā)射通過第四透鏡488朝向分束器484的光。發(fā)射光的傳播方向在圖4中由箭頭470a-f指示。發(fā)射光的束路徑在圖4中以點(diǎn)方式指不，并且以實(shí)線為邊。分束器484將發(fā)射光全部朝向分束器352反射。發(fā)射光的部分通過振蕩半反射片486 (如由箭頭470c指示的)，并且另一部分直接散射到光電二極管482中(如由箭頭470d指示的)。與傳感器設(shè)備340的相應(yīng)部件相比，光學(xué)單元346、四分之一波片362、以及第一和第二透鏡364、366的操作相同。這里，背散射光的傳播方向在圖4中由箭頭474a、b指示。背散射光的束路徑在圖4中以點(diǎn)方式指示，并且以實(shí)線為邊。背散射光通過振蕩反射波片486和分束器484，并且由第三透鏡368朝向光電二極管482聚焦。發(fā)射光的反射部分和背散射光沿分束器484與光電二極管482之間的光路徑混合，使得由光電二極管482探測(cè)到混合光?；旌瞎獾墓饴窂皆趫D4中由箭頭476指示。確定單元458基于混合光信號(hào)376來確定血管371的流動(dòng)速度。為此目的，確定單元458從光電二極管484接收相應(yīng)的電信號(hào)。
[0068]雖然在圖樣和前述描述中詳細(xì)示例和描述了本發(fā)明，但是該示例和描述被視為示例性或示范性的，而不是限制性的；本發(fā)明不限于公開的實(shí)施例。在實(shí)踐聲稱的發(fā)明時(shí)，根據(jù)對(duì)圖樣、說明書、以及所附權(quán)利要求的研究，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解和實(shí)施公開的實(shí)施例的其它變形。權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。某些措施記載于相互不同的從屬權(quán)利要求中的僅有事實(shí)不指示不能有利地利用這些措施的組合。 權(quán) 利要求中的任何參考符號(hào)不應(yīng)視為限制范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定元件(342)中的能夠移動(dòng)的對(duì)象(341)的流動(dòng)特性的傳感器設(shè)備(340,440),所述傳感器設(shè)備(340，440)包括: -光發(fā)射單元(344，480)，被配置為朝向所述元件(342)發(fā)射光， -光探測(cè)單元(344，482)，被配置為探測(cè)從所述元件(342)背散射的光， -光學(xué)單元(346)，被配置為將所述元件(342)的光入射元件部分(348)和所述元件(342)的光探測(cè)元件部分(350)彼此空間上分開，其中，所述光入射元件部分(348)與入射在所述元件(342 )上的發(fā)射光關(guān)聯(lián)，且所述光探測(cè)元件部分(350 )與從所述元件(342 )背散射的用于探測(cè)的背散射光關(guān)聯(lián)，以及 -確定單元(358，458)，被配置為基于指示所述發(fā)射光和探測(cè)的所述背散射光的光來確定所述元件(342)中的能夠移動(dòng)的所述對(duì)象(341)的所述流動(dòng)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，所述光發(fā)射單元(344)和所述光探測(cè)單元(344)是一體形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，所述光學(xué)單元(346)包括光路徑分開元件(352)，所述光路徑分開元件(352)被配置為將朝向所述光入射元件部分(348)的所述發(fā)射光的光路徑與從所述光探測(cè)元件部分(350)背散射的所述背散射光的光路徑分開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，所述光路徑分開元件(352)被配置為偏振分束器，其中，由所述光發(fā)射單兀(344,480)發(fā)射的所述發(fā)射光的偏振方向相對(duì)于所述偏振分束器(352)的偏振軸以45度的角取向。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，所述光學(xué)單元(346)包括光重定向元件(354)，所述光重定向元件(354)被配置為將從所述光路徑分開元件(352)接收的所述發(fā)射光朝向所述光入射元件部分(348)重定向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，能夠通過所述光路徑分開元件(352)和所述光重定向元件(354)的相對(duì)布置來調(diào)整所述光入射元件部分(348)與所述光探測(cè)元件部分(350)之間的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，所述光路徑分開元件(352)和所述光重定向元件(354)是一體形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，所述傳感器設(shè)備(340，440)還包括: -偏振變更元件(362 )，布置在所述光學(xué)單元(346 )與所述元件(342 )之間，其中，所述偏振變更元件(362)被配置為變更從所述光學(xué)單元(346)接收的所述發(fā)射光的偏振和從所述元件(342)背散射的所述背散射光的偏振。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中，所述光學(xué)單元(346)和所述偏振變更元件(352)被相對(duì)于彼此配置和布置，使得由所述光探測(cè)單元(344，482)探測(cè)的所述背散射光的偏振和指不所述發(fā)射光的光的偏振彼此正交。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的傳感器設(shè)備(340，440)，所述傳感器設(shè)備(340，440)還包括: -第一透鏡(364)，布置在所述光學(xué)單元(346)與所述光入射元件部分(348)之間，其中，所述第一透鏡(364)被配置為將所述發(fā)射光朝向所述光入射元件部分(348)聚焦，和/或 -第二透鏡(366)，布置在所述光學(xué)單元(346)與所述光探測(cè)元件部分(350)之間，其中，所述第二透鏡(366)被配置為聚焦從所述光探測(cè)元件部分(350)背散射的所述背散射光。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的傳感器設(shè)備(340，440)，所述傳感器設(shè)備(340，440)還包括: -第一光纖，布置在所述光學(xué)單兀(346 )與所述光入射兀件部分(348 )之間,其中，所述第一光纖被配置為將所述發(fā)射光從所述光學(xué)單兀(346)朝向所述光入射兀件部分(348)定向，和/或 -第二光纖，布置在所述光學(xué)單元(346 )與所述光探測(cè)元件部分(350 )之間，其中，所述第二光纖被配置為將所述背散射光從所述光探測(cè)元件部分(350)向所述光學(xué)單元(346)定向。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項(xiàng)所述的傳感器設(shè)備(340，440)，所述傳感器設(shè)備(340，440)還包括: -第三透鏡(368)，布置在所述光探測(cè)單元(344，482)與所述光學(xué)單元(346)之間，其中，所述第三透鏡(368)被配置為將所述背散射光朝向所述光探測(cè)單元(344，482)聚焦。
13.根據(jù)權(quán)利要 求1至12中的任一項(xiàng)所述的傳感器設(shè)備(340，440)，其中所述對(duì)象(341)的所述流動(dòng)特性包括所述對(duì)象(341)的流動(dòng)速度和所述對(duì)象(341)的流動(dòng)方向中的至少之一，和/或其中，所述對(duì)象(341)包括血細(xì)胞且所述元件(342)包括皮膚。
14.一種用于確定元件(342 )中能夠移動(dòng)的對(duì)象(341)的流動(dòng)特性的方法，所述方法包括: -由光發(fā)射單元(344，480)朝向所述元件(342)發(fā)射光， -由光探測(cè)單元(344，482)探測(cè)從所述元件(342)背散射的光，以及 -由確定單元(358，458)基于指示發(fā)射光和探測(cè)的背散射光的光來確定所述元件(342)中的能夠移動(dòng)的所述對(duì)象(341)的所述流動(dòng)特性， 其中，所述元件(342)的光入射元件部分(348)和所述元件(342)的光探測(cè)元件部分(350)由光學(xué)單元(346)彼此空間上分開，其中，所述光入射元件部分(348)與入射在所述元件(342 )上的所述發(fā)射光關(guān)聯(lián)，且所述光探測(cè)元件部分(350 )與從所述元件(342 )背散射的用于探測(cè)的所述背散射光關(guān)聯(lián)。
【文檔編號(hào)】A61B3/12GK103561637SQ201280026083
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月1日
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