[0001] 优先权
声明本
申请要求对在2015年3月25日提交的题为“A Laser Safety for Use in Laser Based Imaging Systems and Related Devices”的美国临时申请号62/138,017的优先权，藉此通过引用将其公开内容并入到本文中，就如同整体地陈述了其公开内容一样。
[0002]
版权保留本
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版权所有者——北卡莱罗纳州格林威尔的东卡莱罗纳大学——不拒绝任何人复制本专利文献或专利公开内容，因为其出现在专利商标局的专利文件或记录中，但是另外保留所有一切版权权利。
技术领域
[0003] 本
发明构思一般涉及激光和其应用，并且更特别地涉及与大视场（FOV）激光照射有关的激光应用。
背景技术
[0004] 在任何激光应用中，安全问题总是个关注点。激光照射提供的优势在于来自
激光束的
能量可以由于其窄的
波长而被光学地限制到窄的、
准直射束中以产生高能量强度，这在许多成像场景中是合期望的。然而，该高能量强度可能导致对用户或设备（当其直接曝光于该准直激光束时）的伤害。
[0005] 在大多数激光成像系统中，扩展激光束以照射
覆盖待研究样本（目标区域）的面积。在远场成像中，这可以是大于例如1cm x 1cm的任何视场（FOV），并且在一些情况下延展直至10cm x 10cm。通常，在常规方法中，使用晶体光
导管或光纤来扩展光束，使得在某一目标距离（>10cm）处，该射束足够大以便覆盖整个目标区域。通常，该扩展导致锥形的射束轮廓，其中锥尖处于激光能量从
纤维离开的点处。即使在10cm远的成像对象表面处的辐照度（即，每单位面积的激光功率）并不危险且在激
光标准规范内，在该
位置处的辐照度也可能有危害地高。 因此，即使曝光时间小也存在用户的
皮肤可能靠近该锥尖而导致受伤的
风险。
[0006] 可以使用诸如距离
传感器之类的无源器件来确保在容差
水平内将激光能量递送到在预先
指定的距离范围处的样本（成像对象）表面。因此，如果该距离过短或变得过短，则激光将自动关断。此外，利用这些器件，如果在激
光源和目标区域之间的空间中出现了任何其它对象，则激光将关断。然而，这些器件的使用具有引起对图像获取过程的正常操作的不定时的、意料之外的中断的倾向。另外，由于来自激光曝光的伤害是时间相关的并且曝光可能疏忽地未被识别出，所以可能即使是在有安全特征（诸如距离传感器）以及短曝光时间的情况下也由于辐照度原理而对精细的组织产生隐性伤害。
[0007] 随着具有350nm-1100 nm范围中的波长的多种新成像技术的出现，高度地期望针对成像应用中的激光安全的系统和方法以在不牺牲成像属性的情况下减少伤害的发生。
发明内容
[0008] 本发明构思的一些
实施例提供了一种包括激光输入端的纤维集合体，所述激光输入端被配置成接收具有第一激光束强度的输入
信号。该纤维集合体进一步包括被附连到该激光输入端的多个通道以及多个激光安全适配器。所述多个激光安全适配器中的每一个被配置成接收所述多个通道中的对应的一个。离开所述多个激光安全适配器中的每一个的激光束具有第二激光束强度，该第二激光束强度小于该第一激光束强度。
[0009] 在本发明构思的另外的实施例中，所述多个激光安全适配器可以各自包括
准直器、扩散器和套筒。该准直器可以被配置成接收具有第一强度的激光束并对该激光束重新成形以提供经准直、扩展且较不强烈的激光束。该扩散器可以被配置成从该准直器接收该激光束并扩展该激光束，以使得来自该扩散器的经偏转的射束输出以一
角度发散，以在某一距离处覆盖相对大的成像面积。该套筒可以被附连到该扩散器，被配置为间隔器，其中具有第二激光束强度的激光束离开该套筒。
[0010] 在仍另外的实施例中，该套筒可以是圆形、箱形或矩形照射图案中的一个。
[0011] 在一些实施例中，该集合体可以改进激光安全并改进从350 nm到1100 nm的成像技术的单
光谱或多光谱波长中的射束均一性。
[0012] 在另外的实施例中，该集合体可以通过减小靠近成像器件的辐照度水平以及从成像器件离开源的激光能量而大幅提高激光安全。
[0013] 在仍另外的实施例中，该集合体可以提供成像目标上的射束轮廓的均一性。
[0014] 在一些实施例中，该集合体可以进一步提供图像
质量方面的改进。
[0015] 在另外的实施例中，所述多个安全适配器可以减少所成像的对象上的阴影。
[0016] 在仍另外的实施例中，该集合体可以改进激光安全和单光谱或多光谱波长成像技术中的射束均一性。在某些实施例中，所述成像技术可以包括反射率（reflectance）成像、激光散斑成像、激光
多普勒成像、
近红外荧光成像以及其任何组合。
[0017] 本发明构思的一些实施例可以提供用于激光的安全适配器。所述安全适配器包括准直器，其被配置成接收具有第一强度的激光束并对该激光束重新成形以提供经准直、扩展且较不强烈的激光束；扩散器，其被配置成从该准直器接收该激光束并扩展该激光束，以使得来自该扩散器的经偏转的射束输出以一角度发散，以在某一距离处覆盖相对大的成像面积；以及套筒，其被附连到该扩散器，被配置为间隔器，其中具有第二激光束强度的激光束离开该套筒。
[0018] 本发明构思的另外的实施例提供使用纤维集合体来提供较不强烈的激光束的方法。该方法包括在激光输入的第一端处接收具有第一激光束强度的
输入信号；将具有第一激光束强度的该输入信号从激光输入的第二端提供到被附连到该第二端激光输入端的多个通道，其中所述多个通道中的每一个具有与其相关联的多个激光安全适配器中的对应的一个；以及提供来自所述多个激光安全适配器中的每一个的具有第二激光束强度的激光束，该第二激光束强度小于该第一激光束强度。
附图说明
[0019] 图1是根据本发明构思的一些实施例的图示出与N个安全适配器组合的纤维的
框图。
[0020] 图2是根据本发明构思的一些实施例的图示出所述激光安全适配器的功能的框图。
[0021] 图3是根据本发明构思的一些实施例的图示出所述激光安全适配器的集合体的示图。
[0022] 图4A和4B是根据本发明构思的一些实施例的图示出直接从该纤维出来的激光（4A）以及从该激光安全适配器出来的激光（4B）的示图。
[0023] 图5是根据本发明构思的一些实施例的图示出所述激光安全适配器的各方面的示图。
具体实施方式
[0024] 现在将参考附图在后文中更完整地描述本发明构思的实施例，其中示出了本发明构思的优选实施例。然而，可以以许多不同形式体现本发明构思，并且不应将本发明构思解释为限于本文中阐述的实施例。遍及本公开，相同的标号指代相同的要素。在各图中，层、区域、元件或组件可能出于清楚的目的而被夸大。除非另外指明，虚线图示出可选特征或操作。
[0025] 本文中使用的术语仅是用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明构思。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。将进一步理解的是，当在本
说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或另外有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。如本文中使用的，诸如“在X与Y之间”以及“在约X与Y之间”之类的短语应被解释为包括X和Y。如本文中使用的，诸如“在约X和Y之间”之类的短语意指“在约X与约Y之间”。如本文中使用的，诸如“从约X到Y”之类的短语意指“从约X到约Y”。
[0026] 除非另外定义，否则本文中使用的全部术语（包括技术和科学术语）具有与本发明构思所属的领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在普遍使用的字典中定义的那些的术语应被解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意思来解释，除非在本文中明确地如此定义。为了简要和/或清楚，可能没有详细地描述众所周知的功能或构造。
[0027] 将理解的是，当一元件被称为在另一元件“上”、“被附连”到另一元件、“被连接”到另一元件、与另一元件“耦合”、“
接触”另一元件等等，其可以是直接地在该另一元件上、被附连到该另一元件、被连接到该另一元件、与该另一元件耦合或接触该另一元件，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一元件被称为例如“直接在”另一元件“上”、“直接被附连”到另一元件、“直接被连接”到另一元件、与另一元件“直接耦合”或“直接接触”另一元件时，不存在介于中间的元件。本领域技术人员还将领会到的是，对“邻近”另一特征部署的结构或特征的引用可以具有覆盖该邻近特征或在该邻近特征之下的部分。
[0028] 将理解的是，虽然可能在本文中使用术语第一、第二等来描述各元件、组件、区域、层和/或截面，但是这些元件、组件、区域、层和/或截面不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或截面与另一个元件、组件、区域、层或截面。因此，在不脱离本发明构思的教导的情况下，下文中讨论的第一元件、组件、区域、层或截面可以被称作第二元件、组件、区域、层或截面。操作（或步骤）的序列不限于在
权利要求或图中呈现的顺序，除非另外专
门指出。
[0029] 在本文中可能为了易于描述而使用诸如“……之下”、“……下方”、“下部”、“……之上”、“上部”等之类的空间相关术语来描述一个元件或特征与另（一个或多个）元件或特征的关系，如在各图中图示出的那样。将理解的是，空间相关术语意图涵盖使用或操作中的器件的除了在各图中描绘出的定向之外的不同定向。例如，如果一器件在图中是倒转的，那么被描述为在其它元件或特征“之下”或“下方”的元件将会定向为在所述其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在……之下”可以涵盖在……之上和在……之下这两个定向。该器件可以被另外定向（被旋转90度或以其它定向）并且相应地解释本文中使用的空间相关的描述词。类似地，本文中仅为了解释的目的而使用术语“向上”、“向下”、“竖直”、“水平”等，除非另外特定指示。
[0030] 如本文中将讨论的，本发明构思的一些实施例一般涉及激光和其应用，并且更特别地涉及与大视场（FOV）激光照射有关的激光应用。例如，本发明构思的实施例可以与单光谱以及多光谱激光成像一起使用以提高激光安全，并改进组织/器官血流和灌注成像技术中的射束轮廓，所述组织/器官血流和灌注成像技术诸如激光散斑成像（LSI）、激光多普勒成像（LDI）、近红外荧光成像以及这些成像技术与彼此或与反射成像技术的组合。
[0031] 本发明构思的一些实施例使用特殊的光学器件来减少当从纤维尖端离开时集中到小面积中的激光能量。该集中的、聚焦的激光能量在曝光于皮肤或眼睛
视网膜的情况下可能是有害的。利用安装在纤维或激光照射器件的离开点处的根据本文中讨论的实施例的安全适配器，可能曝光于成像器件的操作者的激光能量在非常短的距离中被发散以便显著地展开激光能量。因此，暴露于操作者的激光能量比危险
阈值低得多，即使是在操作者无意地触摸到照射系统的情况下。本发明构思的实施例在不牺牲激光强度的属性或器件的成像能
力的情况下来提供安全性。
[0032] 特别地，如上文讨论的，高度地期望针对成像应用中的激光安全的系统和方法以在不牺牲成像属性的情况下减少伤害的发生。因此，本发明构思的一些实施例提供了多个光学元件来形成特殊的扩束器，其被附连到激光能量源的离开点，例如激光端口、纤维尖端、光导管尖端等。因此，根据本文中讨论的实施例，激光束能量可以在非常短的距离（例如，几厘米）中被分散到大面积中。
[0033] 在另外的实施例中，使用定制的光纤来将光分离到不同的通道中以覆盖所成像的对象的视场（FOV）的照射。这可以在光能量进入上文讨论的特殊扩束器之前进一步降低每个通道的每单位面积的激光能量。总的来说，根据本文中讨论的一些实施例的特殊扩束器和光纤可以降低每单位面积的光能量、增加目标的激光照射的均一性、维持在所成像的目标的表面处的辐照度、但是减少在靠近成像系统和（一个或多个）激光源处的过度辐照度曝光的风险，如下文将关于图1到图5进一步讨论的那样。
[0034] 首先参考图1，将讨论图示出根据本发明构思的一些实施例的分离纤维的处理器的示图。如图1中图示出的，纤维激光束的端部101被分离到N个通道（102A-102N）中以降低光强度。然后将每个通道102A-102N提供给对应的激光安全适配器103A-103N。将理解的是，虽然在图1中该纤维被分离到四个通道中，但是本发明构思的实施例不限于该配置。例如，在不脱离本发明构思的范围的情况下可以存在多于四个通道或少于四个通道。
[0035] 再次参考图1，为了减少活组织（例如，人手）在成像操作期间被曝光于强烈的激光功率的风险，本发明构思的一些实施例引导激光（101）通过多路光纤（102A-102N），以使得来自激光源的高能量强度被分配到N个分支，其中N大于2。每个分支接收到激光能量的相同部分。因此，如果N=3，那么在三个通道之间均等地分离激光。在操作中，用于照射的激光源被提供到定制的纤维集合体104的仅输入端中。激光束被分离到N个输出通道102A-102N中。每个通道具有总输入能量的1/N的激光强度，其中N为输出纤维支路（通道）的数量。来自每个纤维支路（通道）的光进入对应的激光安全适配器103A-103N。因此，本发明构思的实施例不仅提供了降低的每单位面积激光能量，还通过使照射更加均一而提供了增加的射束轮廓质量。此外，可以通过遮蔽从不同的角度到目标上的光来减少、或可能地消除阴影，这在许多激光成像应用中是合期望的。
[0036] 现在参考图2，将讨论根据本发明构思的一些实施例的图示出激光安全适配器203的示图。如图2中图示出的，激光安全适配器203包括激光源210、准直器215、扩散器220和套筒220。在操作中，当激光被从源210（例如，激光端口、纤维尖端或光导管）发射时，其被准直器215收集并准直。准直器215对激光束重新成形，激光束变得准直。然而，离开准直器215的激光束仍具有跨其照耀的区域的近高斯能量分布，并且中心中的激光强度显著地比外围区域更强。在一些实施例中，在不脱离本发明构思的范围的情况下，准直器215可以是任何商业上可获得的激光准直器。
[0037] 激光束从准直器215进入扩散器220，扩散器220扩展该激光束以使得来自扩散器220的经偏转的射束输出以某一角度发散，以在某一距离（例如，30cm）处覆盖相对大的成像面积。在不脱离本发明构思的范围的情况下，扩散器220可以是任何商业上可获得的激光扩散器。在一些实施例中，在扩散器220之后在照射面积内的激光强度轮廓被调整成均匀分布，以减少该照射面积内的任何热点的可能性、或可能地防止该照射面积内的任何热点。
[0038] 激光束离开扩散器220并进入被附连到所设计的扩散器220的输出表面以作为间隔空隙的套筒230，以产生附加的安全层，以使激光束在其撞击其传播路径中的任何活组织之前变得甚至更加发散。在一些实施例中，套筒230可以是圆形套筒，然而，本发明构思的实施例不限于该配置。例如，在不脱离本发明构思的范围的情况下，在一些实施例中，套筒可以是箱形的或矩形的。
[0039] 现在参考图3，将讨论根据本发明构思的一些实施例的图示出实际的激光安全适配器的图像。如图3中图示出的，激光安全适配器303包括激光源310、准直器315、扩散器320和套筒330，如上文关于图2讨论的那样。根据图3清楚的是安全适配器303的这些元件是如何安装在一起的。
[0040] 现在参考图4A和4B，将讨论激光输出的示图。图4A图示出直接从纤维出来的激光，并且图4B图示出从根据本发明构思的一些实施例的激光安全适配器出来的激光。特别地，图4A图示出直接照耀一张纸的绿激光。从图4A清楚的是当激光束直接从
激光器出来时激光束的强度如何。还清楚的是，激光能量集中在小面积中并且射束轮廓在中心中更加强烈。
[0041] 完全相反地，图4B图示出离开根据本发明构思的一些实施例的激光安全适配器的激光。特别地，图4B图示出的是，从激光安全适配器出来的激光被扩展到相对较大的面积中，并且射束轮廓跨该照射面积显著地更加均匀。根据本发明构思的一些实施例，已经利用450mW的3b类激光执行了实验。结果示出穿过激光安全适配器的激光可以直接照耀在人手上而不会引起任何不适。
[0042] 在一些实施例中，针对该成像配置用来发射激光的光纤是具有例如0.22的数值孔径（NA）的多模光纤。当纤维准直器被附连到纤维尖端时，在准直器之后传出的射束具有约16mm的直径。
[0043] 经准直的激光束仍具有高斯轮廓的特征，并且在射束的中心区域中的光强度显著地高于外围区域。当人类皮肤被该传出射束照射时，非常可能的是激光束的中心部分将对活组织产
生物理伤害。为了减少由于非均一激光强度分布而导致的激光伤害的可能性、或可能地防止激光伤害，根据本文中讨论的一些实施例的激光安全适配器包括所设计的扩散器，其被附连到激光纤维准直器以进一步使激光束发散到更大面积。此外，该扩散器能够均一化传入的激光束，并且将其从高斯轮廓转换成高帽轮廓，这意味着在射束内的激光强度分布几乎是均匀的以避免任何隐藏的热点。
[0044] 现在参考图5，将讨论图示出根据本发明构思的一些实施例的集合体的示图。在根据本文中讨论的实施例的安全适配器中使用的所设计的扩散器具有约20度的发散角度，这可以在30 cm远的距离处将激光束投影到直径120 mm的圆形点，如图5中图示出的那样。所设计的扩散器可以被
定位在管状间隔器中以允许射束在被发射出之前自由地发散成放大的点。该间隔器（套筒）可以具有35 mm的长度。因此，该激光点在管的出口处具有直径为28 mm的放大的射束尺寸。在实验期间，所使用的激光的最大功率水平是1 W，并且如所图示的，激光被均匀地分离到4个通道中。因此，在每个支路中的激光功率是0.25W。由于从间隔器离开的激光束具有28 mm的直径（等价于6.15 cm2的面积），因此在间隔器的出口处的辐照度强度跨射束内的照射面积均匀地为0.04 W/cm2。根据ANSI Z136.1-2000（美国激光安全使用国家标准），激光到人皮肤的最大可允许曝光（MPE）在可见波长区域（0.4 – 0.7 µm）中大致为0.2 W/cm2，并且针对808 nm激光（近红外（NOR）区域）大致为0.33 W/cm2。在根据本发明构思的实施例的激光安全适配器的出口处的辐照度为0.04 W/cm2，比对应的波长区域中的MPE低得多。因此，如果意外曝光于宽范围的波长中的激光的话，人类皮肤在成像操纵期间是安全的。下面的表1总结了针对上文讨论的可见波长和近红外（NIR）波长二者的MPE（W/cm2）和实际辐照度（W/cm2）。
[0045] 如上文简要讨论的，本发明构思的一些实施例提供了安全适配器，其改进了大视场激光成像应用（诸如荧光成像、LSI和LDI等）的安全水平。本发明构思的一些实施例还通过使射束更加均一而提供了大视场激光成像应用的改进的图像质量，从而去除了目标的阴影并降低了由激光不
稳定性引起的噪声。因此，本发明构思的一些实施例提供了改进基于激光的成像中的激光安全和射束均一性的系统。
[0046] 本发明构思的一些实施例改进了激光安全性并改进了在单光谱波长或多光谱波长（350 nm-1100 nm）成像技术中的射束均一性，该构思包括特殊光学设计和器件的两个组件以及将激光能量分离到多个纤维中。一些实施例包括特殊的光学设计和器件以实现快速扩束和短（几厘米）距离上的扩散。
[0047] 在一些实施例中，提供了将激光纤维分成N个分离的通道的光学设计，所述通道中的每一个被附连到所述特殊的光学设计器件。这些实施例同时提供了激光安全和射束均一性方面的改进。根据本文中讨论的实施例的在激光安全和射束均一性方面的改进可以导致在没有增加的风险的情况下的对所成像的目标的生理过程的延长的成像曝光。此外，可以在没有增加的风险的情况下提供对所成像的目标中的生理过程的多个连续图像获取。
[0048] 在各图和说明书中，已经公开了本发明构思的示例实施例。虽然采用了特定术语，但是仅以广义且描述性的意思而非出于限制的目的来使用它们，本发明构思的范围通过以下的权利要求来限定。
