TWI923402B - 複合波長雷射光源的光感測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種複合波長雷射光源的光感測裝置，包含一光發射模組、一光導引模組及一光學運算模組。光發射模組包含一獨立光源，可提供波長範圍介於700奈米至1700奈米的單一波長光線。光導引模組包含複數光學元件及複數光纖單元，光導引模組接收該光發射模組發射之該單一波長光線，並導引至一待測物，以激發待測物產生複數光學訊號。光學處理模組包含一光譜分析單元與一數據處理單元，用以接收並分析來自光導引模組的所述光學訊號。其中，獨立光源可調整以選擇性地發射波長範圍內之單一波長光線。

Description

複合波長雷射光源的光感測裝置

本發明係有關於一種複合波長雷射光源的光感測裝置，特別係有關於一種具有複合波長雷射光源且適用於非侵入式血糖檢測的光感測裝置。

現有光學感測裝置已普遍應用於生醫檢測、環境監控與材料分析等領域，其感測原理主要為利用特定波長之光線照射待測物，並藉由分析其所產生的散射光、吸收光或螢光，以獲取待測物之光學特性。其中，拉曼光譜檢測技術可提供分子振動資訊與化學指紋特徵，已被廣泛應用於非侵入式檢測，例如血糖濃度監控或化學成分鑑定。然而，傳統拉曼檢測所使用之光源多為固定波長，無法依據不同待測物之需求進行靈活調整，導致在感測不同深度或複雜成分時，其靈敏度易受限制。尤其在探測深層組織或複雜樣品時，傳統系統難以有效區分拉曼散射訊號與背景干擾，降低檢測的準確性。

然而，現有拉曼檢測技術應用於非侵入式檢測時，於模組化設計與微型化方面仍面臨挑戰。拉曼光譜系統多為實驗室級設備，體積龐大、高功耗且成本昂貴，難以滿足穿戴式應用對微型化與低功耗的需求。同時，現有拉曼檢測系統缺乏模組化設計，無法靈活提供不同光源或感測模組以適應不同樣品特性，導致檢測靈敏度受限，尤其在低濃度或深層樣品檢測時，拉曼訊號易受背景干擾，影響準確性與穩定性。因此，特別需要一種新型拉曼檢測技術，通過模組化與微型化設計，提升系統的便攜性、靈活性與實用性。

有鑑於此，本發明提出一種複合波長雷射光源的光感測裝置，為改善先前技術中拉曼檢測系統於非侵入式血糖檢測應用中所面臨的精準度不足、感測靈敏度低及不利微型化整合等問題。

本發明之目的在於提供一種新穎的複合波長雷射光源的光感測裝置，包含光發射模組、光導引模組及光學處理模組，其中光發射模組可選擇為輸出波長範圍為700奈米至1700奈米的近紅外雷射光源或短波紅外雷射光源。藉由發射上述特定波長範圍內之單一波長光線，並透過光導引模組中的複數光學元件與複數光纖單元將光線導引至待測物，以激發產生對應之拉曼光學訊號，再由光導引模組將所述光學訊號傳輸至光學處理模組進行分析，以獲得待測物中目標分子之光學特徵。此外，本發明的接收端光纖特別設計為環狀光纖束排列結構，且該光纖束中各光纖具備不同的軸向偏移配置，能夠同步接收來自不同組織深度的拉曼訊號，有效強化裝置之空間解析能力。藉此，本發明之光感測裝置可靈活地選擇所需波長區間進行感測，並整合光導引模組中反射鏡、聚焦透鏡、二向色鏡等光學元件，及雷射光濾波器與長通濾波器等光學濾波器元件，可有效控制光線傳輸路徑與訊號品質。綜上，本發明所提出之光感測裝置，透過複合波長雷射光源實現靈活的波長調控功能，不同波長的雷射光線於待測物中可獲取不同深度的拉曼訊號，進而有效補償只使用單一波長於較深層組織中，因拉曼光子與葡萄糖分子間碰撞所造成的能量損耗，提升整體訊號的偵測效率與深度涵蓋能力。藉由複合波長的設計，可減少使用透鏡聚焦來補償能量損失，進一步以簡化光學傳輸路徑，有助於實現裝置的微型化設計，並更適用於穿戴式應用。整體而言，本光感測裝置兼具高靈敏度、高選擇性與模組化等特點，特別適用於非侵入式人體血糖檢測，提供一種準確、穩定且高度整合的拉曼光學檢測解決方案，亦可延伸應用於其他化學成分的分析場景。

為達上述目的，本發明提供一種複合波長雷射光源的光感測裝置，包含一光發射模組、一光導引模組及一光學處理模組。該光發射模組包含一獨立光源，該獨立光源提供一單一波長光線，該單一波長光線的波長範圍介於700奈米(nm)至1700奈米(nm)。該光導引模組耦合該光發射模組，該光導引模組包含複數光學元件及複數光纖單元，該光導引模組接收該光發射模組發射之該單一波長光線，並將該單一波長光線導引至一待測物，以激發該待測物產生複數光學訊號。該光學處理模組與該光導引模組相耦合，該光學處理模組包含一光譜分析單元與一數據處理單元，用以接收並分析來自該光導引模組的所述光學訊號。其中，該獨立光源可調整以選擇性地發射所述波長範圍內之該單一波長光線，該單一波長光線經由所述光學元件及所述光纖單元導引至該待測物，並由該待測物返回所述光學訊號，進而傳導至該光學處理模組。

於一實施例中，該獨立光源為近紅外(NIR)雷射光源或短波紅外(SWIR)雷射光源。

於一實施例中，立光源為短波紅外雷射光源，且發射波長為1064奈米(nm)的該單一波長光線。

於一實施例中，所述光學元件更包含複數光線操控元件及複數光學濾波器，所述光線操控元件用以調整該單一波長光線及所述光學訊號的傳輸路徑，所述光學濾波器用以選擇性地過濾該單一波長光線及所述光學訊號。

於一實施例中，所述光線操控元件係選自由一鏡子、一透鏡、一二向色鏡及其組合所組成的群組，並沿該單一波長光線及所述光學訊號的傳輸路徑配置，以引導該單一波長光線至該待測物，並收集由該待測物所產生之所述光學訊號。

於一實施例中，所述光學濾波器包含一雷射光濾波器及一長通濾波器，該雷射光濾波器配置於部分之所述光纖單元及部分之所述光線操控元件之間，該長通濾波器配置於部分之所述光線操控元件之間。

於一實施例中，所述光纖單元還包含一發射端光纖及一接收端光纖，該光發射模組藉由該發射端光纖耦合該光導引模組，該光導引模組藉由該接收端光纖耦合該光學處理模組。

於一實施例中，該接收端光纖為環狀光纖束結構且包含具有不同偏移量排列之光纖，用以收集來自不同深度的所述光學訊號並導向該光學處理模組。

於一實施例中，該光譜分析單元包含一光譜儀以及一偵測器，該光譜儀耦合該接收端光纖以接收所述光學訊號，該偵測器耦合該光譜儀以將所述光學訊號轉換為複數電訊號。

於一實施例中，該數據處理單元為一電腦系統，用以接收並處理所述電訊號。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，此技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。

以下將透過實施例來解釋本發明內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之裝置已省略而未繪示，且圖式中各裝置間之尺寸關係僅為求容易瞭解，並非用以限制實際比例。

請參閱圖1所示，本發明之一實施例之複合波長雷射光源的光感測裝置1000包含一光發射模組1、一光導引模組2以及一光學處理模組3。其中光發射模組1耦合光導引模組2，光導引模組2再與光學處理模組3相互耦合，換言之，光發射模組1、光導引模組2及光學處理模組3依序耦合。

請一併參閱圖2，光發射模組1包含一獨立光源11，其中獨立光源11作為光發射模組1的光線發射來源，能選擇性地發射波長範圍介於700奈米(nm)至1700奈米(nm)的一單一波長光線。於一實施例中，獨立光源11可為700奈米至1000奈米的近紅外(NIR)雷射光源，或是1000奈米至1700奈米的短波紅外(SWIR)雷射光源。於一實施例中，獨立光源11可為面射型雷射光源或邊射型雷射光源。於一較佳實施例中，獨立光源11可為一發射波長約為1064奈米之短波紅外雷射光源，其具備優異的組織穿透能力，感測深度可達真皮層，有效激發經過不同深度(如表皮層、真皮層及其交界處)中各目標分子產生的拉曼訊號，進而獲取更高解析度與準確性的光譜資訊。藉由依據待測物之檢測條件與分子特性靈活調整波長選擇，使用者可實現最佳化的光穿透效果與感測靈敏度。

光導引模組2包含複數光學元件21及複數光纖單元22。光導引模組2可接收光發射模組1發射之單一波長光線，並將單一波長光線導引至一待測物，以激發待測物產生對應之複數光學訊號，所述光學訊號主要為來自待測物不同深度區域的散射光訊號，其中包含瑞利散射光與拉曼散射光等成分。詳細而言，單一波長光線自光發射模組1發射後，經由部分所述光纖單元22傳遞至部份所述光學元件21，進一步將單一波長光線聚焦並照射至待測物，再由部份所述光學元件21收集待測物照射後產生的所述光學訊號，並透過另一所述光纖單元22傳遞至光學處理模組3進行訊號分析。所述光學元件21更包含複數光線操控元件211及複數光學濾波器212。所述光線操控元件211用以調整單一波長光線及所述光學訊號的光路方向及傳輸路徑。所述光學濾波器212用以選擇性地過濾單一波長光線及所述光學訊號。所述光線操控元件211可包含一鏡子2111、一透鏡2112及一二向色鏡2113，或其任意組合，並沿單一波長光線及所述光學訊號的傳輸路徑進行配置。所述光線操控元件211主要用於將單一波長光線精確導引至待測物位置，並有效收集並引導待測物反射或散射後之所述光學訊號返回。於本實施例中，本發明之光線操控元件211實際配置為三鏡子2111、二透鏡2112及一二向色鏡2113，其配置數量與位置可依據所選光源波長與實際光路設計需求調整，在此不作限制。

所述光學濾波器212包含一雷射光濾波器2121及一長通濾波器2122。雷射光濾波器2121設置於光路中，用以選擇性濾除非目標波長的雷射背景光，僅讓獨立光源11所發出的單一波長光線通過，以確保入射光之波長純淨度，並有效減少雜散光干擾。雷射光濾波器2121配置於部分之所述光纖單元22及部分之所述光線操控元件211之間。長通濾波器2122同樣設置於光路中，配置於部分之所述光線操控元件211之間，用於選擇性通過波長高於預設閾值的所述光學訊號，同時阻擋與入射光波長相同的瑞利散射光，以提升整體訊號與雜訊的比值，進而增強後續光學分析的準確度與穩定性。

所述光纖單元22還包含一發射端光纖221及一接收端光纖222。光發射模組1藉由發射端光纖221耦合光導引模組2，光導引模組2藉由接收端光纖222耦合光學處理模組3。須說明的是，接收端光纖222為一環狀光纖束結構(圖未示)，其內部由多條光纖依不同側向偏移量排列而成，能同時接收來自待測物不同深度區域所產生散射後之所述光學訊號。具體而言，環狀光纖束於與光導引模組2相接的一端，採同心圓環形式排列，各圓環對應於樣品表面上不同的側向偏移量。偏移量定義為接收端光纖222上不同光纖相對於雷射光束中心軸的徑向距離，以微米為單位，並對應著不同的皮膚偵測深度。舉例而言，最內圈的側向偏移為0微米，第二圈為50微米，第三圈為100微米，第四圈為150微米，最外圈則為200微米。由於外圈光纖具有較大的偏移量，所接收到的訊號強度相對較弱，故透過在偏移量較大的環上配置更多光纖，以補償訊號衰減，反之，越內圈的訊號強度越強，具有越少的偏移量，所需的光纖數量也逐漸遞減。藉由此同心圓環排列的設計，光纖束能分別接收來自表皮層、真皮層，甚至更深層組織所產生的散射拉曼光學訊號。透過多層次圓環結構的佈局，能同時涵蓋淺層與深層訊號的擷取，進一步提升光感測裝置於複雜生物組織中的深度解析能力與檢測準確性。此外，另一端則根據各光纖的空間偏移量進行線性分組與整列，如此設計可將來自不同深度區域的散射之光學訊號清楚區隔，並有效導引至光學處理模組3進行後續的波長分析。須說明的是，接收端光纖222的環狀光纖束結構中排列之光纖，其數量及偏移量可依據實際採用雷射光源及不同光路配置來調整，在此不作限制。

光學處理模組3包含一光譜分析單元31及一數據處理單元32，用以接收並分析來自光導引模組2的所述光學訊號。其中，光譜分析單元31包含一光譜儀311以及一偵測器312。光譜儀311與接收端光纖222耦合，用以接收由光導引模組2傳輸而來的所述光學訊號，並進行光譜解析，以取得該訊號的拉曼光譜資訊；偵測器312則與光譜儀311相連，用以將經分析後的光學訊號轉換為對應之複數電訊號。光譜儀311可為一近紅外光譜儀、一短波紅外光譜儀，或能涵蓋NIR與SWIR波段之寬波長範圍的光譜儀，例如採用砷化鎵銦(InGaAs)偵測器的系統。偵測器312則可採用電荷耦合元件(CCD)，用以高靈敏度地偵測經解析之光學訊號，並進行電訊號輸出，以供數據處理單元32進行後續處理。

於本實施例中，本發明之複合波長雷射光源的光感測裝置1000其模組配置與運作流程如下所述。光發射模組1耦合於發射端光纖221之一端，用以將獨立光源11所發射之單一波長光線導入。發射端光纖221之另一端連接至雷射光濾波器2121，發射端光纖221將獨立光源11發射之單一波長光線傳遞至光導引模組2。接著，單一波長光線進入雷射光濾波器2121進行雷射光過濾，以確保進入後續光路的為特定波長之單一波長光線。光線通過雷射光濾波器2121後，再由依序排列的二鏡子2111反射調整光路，藉由鏡子的角度調整對光路進行精確導引。其後，單一波長光線進入二向色鏡2113，選擇性反射該特定波長之單一波長光線，使單一波長光線被反射並傳送至一透鏡2112，透鏡2112用以聚焦單一波長光線後照射至待測物。當待測物受到激發後產生之所述光學訊號，會經由同一透鏡2112重新收集，進入原光路返回至二向色鏡2113。由於所述光學訊號之散射光波長與原入射光不同，二向色鏡2113將允許其透射，進而導引至依序配置的長通濾波器2122，用以阻隔瑞利散射光等不必要雜訊成分，只讓波長高於預設閾值的光學訊號通過。濾波後的光學訊號接著通過另一透鏡2112進行聚焦整形，並進入接收端光纖222。接收端光纖222會將所述光學訊號導引至光學處理模組3，進行後續的光譜分析與訊號判讀，以完成整體光學感測作業。

於本實施例中，待測物為人體組織或生物組織。本發明之光感測裝置用於檢測的目標分子為人體組織中的血糖。

另外，於本實施例中，數據處理單元32為一電腦系統，用以接收並處理所述電訊號。此外，電腦系統還具有控制功能，用於控制光發射模組1、光導引模組2及光學處理模組3的運作，電腦系統亦可執行軟體以控制雷射光源、光譜儀和資料收集流程，並利用光譜分析模型分析所獲取的拉曼光譜資訊換算出待測物的血糖濃度。

本發明之複合波長雷射光源的光感測裝置具有非侵入式檢測、可選擇複合波長、與模組化設計等優點。其光感測裝置包含之獨立光源可選擇具有波長範圍介於700奈米至1700奈米之近紅外雷射光源與短波紅外雷射光源。藉由獨立光源提供單一波長雷射光線，並依據檢測組織深度需求選擇適當波長，透過整合不同波長所獲得的資料，以提升拉曼訊號的分離效率與深層訊號的檢測精度。此外，該光感測裝置的光纖單元進一步包含一環狀光纖束結構，其結構中光纖依據不同的空間偏移量排列，用以克服拉曼光子於深層組織中因頻率位移所導致的能量損失與訊號收集困難，從而提升位於表皮層與真皮層交界處以下的血糖分子拉曼散射訊號之收集效率。本發明之光感測裝置應用於非侵入式血糖檢測，透過複合光源選擇與模組化設計，得以減少所需的透鏡光路，實現微型化結構，並進一步藉由高效整合與低功耗設計，提升穿戴式裝置的便攜性與實用性。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1000:複合波長雷射光源的光感測裝置 1:光發射模組 11:獨立光源 2:光導引模組 21:光學元件 211:光線操控元件 2111:鏡子 2112:透鏡 2113:二向色鏡 212:光學濾波器 2121:雷射光濾波器 2122:長通濾波器 22:光纖單元 221:發射端光纖 222:接收端光纖 3:光學處理模組 31:光譜分析單元 311:光譜儀 312:偵測器 32:數據處理單元

圖1為本發明複數波長光源的光感測裝置之架構示意圖；及 圖2為本發明複數波長光源的光感測裝置之具體結構示意圖。

1000:複合波長雷射光源的光感測裝置

1:光發射模組

11:獨立光源

2:光導引模組

21:光學元件

211:光線操控元件

2111:鏡子

2112:透鏡

2113:二向色鏡

212:光學濾波器

2121:雷射光濾波器

2122:長通濾波器

22:光纖單元

221:發射端光纖

222:接收端光纖

3:光學處理模組

31:光譜分析單元

311:光譜儀

312:偵測器

32:數據處理單元

Claims (9)

1. 一種複合波長雷射光源的光感測裝置，包含： 一光發射模組，包含一獨立光源，該獨立光源提供一單一波長光線，該單一波長光線的波長範圍介於700奈米(nm)至1700奈米(nm)； 一光導引模組，耦合該光發射模組，該光導引模組包含複數光學元件及複數光纖單元，該光導引模組接收該光發射模組發射之該單一波長光線，並將該單一波長光線導引至一待測物，以激發該待測物產生複數光學訊號，所述光纖單元還包含一發射端光纖及一接收端光纖；及 一光學處理模組，與該光導引模組相耦合，該光學處理模組包含一光譜分析單元與一數據處理單元，用以接收並分析來自該光導引模組的所述光學訊號； 其中，該光發射模組藉由該發射端光纖耦合該光導引模組，該光導引模組藉由該接收端光纖耦合該光學處理模組，該獨立光源可調整以選擇性地發射所述波長範圍內之該單一波長光線，該單一波長光線經由所述光學元件及所述光纖單元導引至該待測物，並由該待測物返回所述光學訊號，進而傳導至該光學處理模組。
2. 如請求項1所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中，該獨立光源為近紅外(NIR)雷射光源或短波紅外(SWIR)雷射光源。
3. 如請求項2所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中該獨立光源為短波紅外雷射光源，且發射波長為1064奈米(nm)的該單一波長光線。
4. 如請求項1所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中，所述光學元件更包含複數光線操控元件及複數光學濾波器，所述光線操控元件用以調整該單一波長光線及所述光學訊號的傳輸路徑，所述光學濾波器用以選擇性地過濾該單一波長光線及所述光學訊號。
5. 如請求項4所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中，所述光線操控元件係選自由一鏡子、一透鏡、一二向色鏡及其組合所組成的群組，並沿該單一波長光線及所述光學訊號的傳輸路徑配置，以引導該單一波長光線至該待測物，並收集由該待測物所產生之所述光學訊號。
6. 如請求項5所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中，所述光學濾波器包含一雷射光濾波器及一長通濾波器，該雷射光濾波器配置於部分之所述光纖單元及部分之所述光線操控元件之間，該長通濾波器配置於部分之所述光線操控元件之間。
7. 如請求項1所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中該接收端光纖為環狀光纖束結構且包含具有不同偏移量排列之光纖，用以收集來自不同深度的所述光學訊號並導向該光學處理模組。
8. 如請求項1所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中，該光譜分析單元包含一光譜儀以及一偵測器，該光譜儀耦合該接收端光纖以接收所述光學訊號，該偵測器耦合該光譜儀以將所述光學訊號轉換為複數電訊號。
9. 如請求項8所述之複合波長雷射光源的光感測裝置，其中，該數據處理單元為一電腦系統，用以接收並處理所述電訊號。