数值孔径控制单元、可变光学探测器以及深度扫描方法.pdf

本发明提供了数值孔径（NA）控制单元、可变光学探测器以及深度扫描方法。该NA控制单元包括：孔径调节单元，控制光透射穿过的孔径；以及聚焦控制单元，设置在关于孔径调节单元的预定位置、聚焦透射穿过孔径的光并具有可调节的焦距。该可变光学探测器包括：光透射单元；准直器，将透射穿过光透射单元的光准直为平行光；NA控制单元，将光聚焦在要被检查的样品上；以及扫描器，改变透射穿过光透射单元的光的路径，使得样品的预定区域被经过NA控制单元的光来扫描。

权利要求书一种数值孔径控制单元，包括：
孔径调节单元，调节光透射穿过的孔径；以及
聚焦控制单元，设置在关于所述孔径调节单元的预定位置、聚焦透射穿过所述孔径的光并具有可调节的焦距。
如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括机械光阑，所述机械光阑的孔径尺寸被机械地调节。
如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括液体光阑，所述液体光阑的孔径尺寸利用液压来调节。
如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括液体光阑，所述液体光阑的孔径尺寸利用微电流体法来调节。
如权利要求4所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括：
腔室，形成流体在其中流动的空间；
第一流体和第二流体，容纳在所述腔室中，彼此不混合，所述第一流体和所述第二流体中的一个由具有光透射性质的材料形成，另一个由具有光阻挡性质或光吸收性质的材料形成；以及
电极部分，设置在所述腔室内部，所述电极部分中布置有一个或多个电极，电压施加到该一个或多个电极以在所述腔室中形成电场，
光通过其透射的所述孔径由所述电场引起的所述第一流体与所述第二流体之间的界面位置的变化来调节。
如权利要求5所述的数值孔径控制单元，其中所述第一流体和所述第二流体中的一个包括液体金属或极性液体，所述第一流体和所述第二流体中的另一个包括气体或非极性液体。
如权利要求5所述的数值孔径控制单元，其中所述腔室的区域包括：
第一通道；和
第二通道，设置在所述第一通道上方并连接到所述第一通道，
其中所述孔径的范围由在所述第一通道和所述第二通道的每个中发生的所述第一流体与所述第二流体之间的界面位置的变化来限定。
如权利要求7所述的数值孔径控制单元，其中所述第一通道由第一基板、第二基板和第一间隔物形成，所述电极部分设置在所述第一基板上，所述第二基板与所述第一基板间隔开并具有形成在所述第二基板的中央部分中的第一通孔以及形成在所述第二基板的周边部分中的第二通孔，所述第一间隔物设置为形成所述第一基板与所述第二基板之间的内部空间。
如权利要求8所述的数值孔径控制单元，其中所述第二通道由所述第二基板、第三基板和第二间隔物形成，所述第三基板与所述第二基板间隔开，所述第二间隔物设置为形成所述第二基板与所述第三基板之间的内部空间。
如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述聚焦控制单元包括液晶透镜，在所述液晶透镜中液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节所述液晶透镜的焦距。
如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述聚焦控制单元包括液体透镜，所述液体透镜包括流体表面作为透镜表面并通过使流体流动来调节该透镜表面的形状从而调节该液体透镜的焦距。
如权利要求11所述的数值孔径控制单元，其中所述流体的流动由于电润湿而发生。
如权利要求12所述的数值孔径控制单元，其中所述聚焦控制单元包括：
第一流体，具有光透射性质和极性性质；
第二流体，具有光透射性质并不与所述第一流体混合；
腔室，具有容纳所述第一流体和所述第二流体的内部空间；
第一表面，其是所述第一流体与所述第二流体之间的边界表面并形成所述透镜表面；
第二表面，其是所述第一流体与所述第二流体之间的边界表面并引起所述透镜表面的曲率的变化；
第一中间板，设置在所述腔室中并具有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔限定对应于所述透镜表面的透镜的直径，所述第二通孔形成所述第二流体的路径；以及
电极部分，形成电场以改变所述第二表面的位置。
如权利要求13所述的数值孔径控制单元，其中所述第一流体包括极性液体，所述第二流体包括气体或非极性液体。
如权利要求11所述的数值孔径控制单元，其中所述流体的流动以加压的方式发生。
一种深度扫描方法，其中光通过在深度方向上扫描样品来照射，该方法包括通过利用权利要求1所述的数值孔径控制单元同时改变焦距和孔径尺寸来保持预定的数值孔径（NA）。
一种可变光学探测器，包括：
光透射单元；
准直器，将透射穿过所述光透射单元的光准直为平行光；
权利要求1所述的数值孔径控制单元，将光聚焦在要被检查的样品上；以及
扫描器，改变光透射穿过所述光透射单元的路径，使得所述样品的预定区域被通过所述数值孔径控制单元的光来扫描。
如权利要求17所述的可变光学探测器，其中所述光透射单元包括光纤。
如权利要求18所述的可变光学探测器，其中所述扫描器包括致动器，所述致动器设置在所述光纤的一端上并引起所述光纤的变形以改变光的路径。
如权利要求18所述的可变光学探测器，其中所述扫描器包括微机电系统（MEMS）扫描器，该微机电系统扫描器通过驱动反射镜表面来改变光的路径。
如权利要求20所述的可变光学探测器，其中所述微机电系统扫描器设置在所述孔径调节单元与所述聚焦控制单元之间。
如权利要求21所述的可变光学探测器，还包括光路转换构件，所述光路转换构件设置在所述孔径调节单元与所述微机电系统扫描器之间以改变透射经过所述孔径调节单元的光的路径并使光入射在所述微机电系统扫描器上。
如权利要求17所述的可变光学探测器，还包括对通过所述NA控制单元的光进行象差校正的透镜单元。
一种图像诊断系统，包括：
光源单元；
权利要求17所述的可变光学探测器，用于将从所述光源单元发射的光扫描在要被检查的组织上；以及
检测器，由该组织所反射的光来检测该组织的图像。
一种利用权利要求24的图像诊断系统来检测图像的方法，包括：
利用预定的数值孔径（NA）值来控制所述数值孔径控制单元，使得光聚焦在距离组织表面的第一深度上；
扫描第一深度的预定区域并检测图像；
控制聚焦控制单元使得所述聚焦控制单元的焦距增大并且光聚焦在距离所述组织表面的第二深度上，并控制所述孔径调节单元的孔径尺寸使得预定的数值孔径值被保持；以及
扫描第二深度的预定区域并检测图像。
一种图像诊断系统，包括：
光源单元，发射光；
孔径调节单元，调节从所述光源单元发射的光所透射穿过的孔径；
聚焦控制单元，设置在距离所述孔径调节单元的预定位置，将经过所述孔径的光聚焦在样品上，并具有可调节的焦距；以及
检测器，由所述样品反射的光来检测所述样品的图像，
其中数值孔径（NA）通过控制所述孔径调节单元和所述聚焦控制单元来控制，获得所述样品的深度图像而没有改变所述样品与所述聚焦控制单元之间的距离。
如权利要求26所述的图像诊断系统，其中所述孔径调节单元包括孔径尺寸被机械地调节的机械光阑、孔径尺寸利用液压调节的液体光阑、或者孔径尺寸利用微电流体法调节的液体光阑。
如权利要求26所述的图像诊断系统，其中所述聚焦控制单元包括液体透镜，所述液体透镜将流体表面定义为透镜表面并通过使流体流动来调节该透镜表面的形状，从而调节所述液体透镜的焦距。
如权利要求28所述的图像诊断系统，其中该流体流动由于电润湿或以加压的方式而发生。
如权利要求26所述的图像诊断系统，其中所述聚焦控制单元包括液晶透镜，在所述液晶透镜中液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节所述液晶透镜的焦距。
如权利要求26所述的图像诊断系统，还包括扫描器，该扫描器将从所述光源单元发射的光扫描在所述样品的预定水平区域中。
一种图像诊断方法，包括：
从光源单元发射光；
控制数值孔径（NA）并将光聚焦在样品的预定位置上；以及
检测从所述样品反射的光。
如权利要求32所述的图像诊断方法，还包括分开从所述光源单元朝向所述样品发射的光的路径与从所述样品反射的光的路径。
如权利要求32所述的图像诊断方法，还包括将从所述光源单元发射的光调制为预定的相干光。
如权利要求34所述的图像诊断方法，其中将从所述光源单元发射的光调制为预定的相干光包括：将从所述光源单元发射以朝向参考反射镜照射的光中的一些分开以及利用从该参考反射镜反射的光来形成相干光。
如权利要求32所述的图像诊断方法，还包括对由检测器检测的信号进行信号处理以产生图像信号。

说明书数值孔径控制单元、可变光学探测器以及深度扫描方法
技术领域
本公开涉及控制数值孔径（NA）的数值孔径（NA）控制单元、包括该NA控制单元的可变光学探测器以及利用该NA控制单元的深度扫描方法。
背景技术
对于在人体皮肤组织的下层上进行精确断层扫描的技术的需求以及对于关于医学成像领域中人体皮肤组织的信息的需求正在增加。特别地，由于大部分癌症开始于上皮的下部细胞中并扩展到皮下组织（其中存在血管）的细胞中，如果能够检测早期的癌症，就能够极大地减少由癌症引起的伤害。在现有的成像技术诸如磁共振成像（MRI）、x射线计算机断层扫描（CT）、超声波扫描术等中，当光穿透到人体皮肤组织中时，可以对人体皮肤组织内部的层进行断层扫描。然而，由于进行这样的成像技术的装置的分辨率低，可能不能检测肿瘤较小的早期癌症。另一方面，在已经于近期引入的光学相干断层扫描（OCT）技术中，光穿透到皮肤中的深度为约2mm至约3mm，因此与现有的成像方法相比该深度较小。进行OCT技术的装置的分辨率为超声装置的约10倍，因此与进行其他现有成像方法的装置相比较高。因此，已经开展了致力于通过OCT来检测早期癌症的研究，其中的肿瘤尺寸为约50μm至约100μm。然而，由于进行这样的OCT技术的装置的分辨率低于显微镜的分辨率，所以OCT技术不能替代在检测癌症中实际使用的活组织检查和组织学。
一些OCT研究者近来开展了研究，通过结合OCT和高分辨表面断层扫描诸如共焦显微镜检查的特性，其最终目标是实时进行组织内部的癌症诊断而不用进行活组织检查。然而，显微镜要具有一套光学系统，该系统具有相对高的数值孔径（NA）从而在水平方向实现相对高的分辨率，而OCT装置需要具有一套光学系统，该系统具有相对低的NA以在深度方向具有相对均匀的斑点尺寸，也就是相对大的聚焦深度（DOF），从而获得深度信息。
发明内容
本发明提供了通过选择性地或同时地进行聚焦调整和数值孔径（NA）控制来控制数值孔径（NA）的数值孔径（NA）控制单元、包括该NA控制单元的可变光学探测器以及利用该NA控制单元的深度扫描方法。
额外的方面将部分地在以下的描述中给出，并将部分地从该描述而显然，或者可以通过实践给出的实施例而习知。
根据本发明的一方面，一种数值孔径（NA）控制单元包括：孔径调节单元，调节光透射穿过的孔径；以及聚焦控制单元，设置在关于孔径调节单元的预定位置，聚焦穿过孔径的光并具有可调节的焦距。
孔径调节单元可以包括机械光阑，其孔径尺寸被机械地调节。
孔径调节单元可以包括液体光阑，其孔径尺寸利用液压来调节。
孔径调节单元可以包括液体光阑，其孔径尺寸利用微电流体法来调节。
孔径调节单元可以包括：腔室，形成流体在其中流动的空间；第一流体和第二流体，容纳在腔室中，彼此不混合，它们中的一个由具有光透射性质的材料形成，另一个由具有光阻挡性质或光吸收性质的材料形成；以及电极部分，设置在腔室内部，该电极部分中布置有一个或多个电极，电压施加到该一个或多个电极从而在腔室中形成电场，光通过其透射的孔径由电场引起的第一流体与第二流体之间的界面位置的变化来调节。
第一流体和第二流体中的一个可以包括液体金属或极性液体，第一流体和第二流体中的另一个可以包括气体或非极性液体。
腔室的区域可以包括：第一通道；第二通道，设置在第一通道上方并连接到第一通道，孔径的范围通过在第一通道和第二通道的每个中发生的第一流体与第二流体之间的界面位置的变化来限定。
第一通道可以通过如下形成：第一基板，电极部分设置在第一基板上；第二基板，与第一基板间隔开并具有形成在第二基板的中央部分中的第一通孔以及形成在第二基板的周边部分中的第二通孔；以及第一间隔物，设置为形成第一基板与第二基板之间的内部空间。
第二通道可以通过如下形成：第二基板；第三基板，与第二基板间隔开；以及第二间隔物，设置为形成第二基板与第三基板之间的内部空间。
聚焦控制单元可以包括液晶透镜，其中液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节液晶透镜的焦距。
聚焦控制单元可以包括液体透镜，该液体透镜包括流体表面作为透镜表面并通过使流体流动来调节该透镜表面的形状从而调节该液体透镜的焦距。
流体的流动可以由于电润湿发生。
聚焦控制单元可以包括：第一流体，具有光透射性质和极性性质；第二流体，具有光透射性质并不与第一流体混合；腔室，具有容纳第一流体和第二流体的内部空间；第一表面，其是第一流体与第二流体之间的边界表面并形成透镜表面；第二表面，其是第一流体与第二流体的边界表面并引起透镜表面的曲率的变化；第一中间板，设置在腔室中并具有第一通孔和第二通孔，该第一通孔限定对应于透镜表面的透镜的直径，该第二通孔形成第二流体的路径；以及电极部分，形成电场从而改变第二表面的位置。
第一流体可以包括极性液体，第二流体可以包括气体或非极性液体。
根据本发明的另一方面，通过在深度方向上扫描样品来照射光的深度扫描法包括：通过利用数值孔径（NA）控制单元同时改变焦距和孔径尺寸来保持预定的数值孔径（NA）。
根据本发明的另一方面，一种可变光学探测器包括：光透射单元；准直器，将透射穿过光透射单元的光准直为平行光；NA控制单元，将光聚焦在要被检查的样品上；以及扫描器，改变透射穿过光透射单元的光的路径，使得样品的预定区域被经过NA控制单元的光来扫描。
光透射单元可以包括光纤。
扫描器可以包括致动器，该致动器设置在光纤的一端上并引起光纤的变形以改变光的路径，或者扫描器可以包括微机电系统（MEMS）扫描器，该MEMS扫描器通过驱动反射镜表面来改变光的路径。
根据本发明的另一方面，一种图像诊断系统包括：光源单元；可变光学探测器，用于将从光源发射的光扫描在要被检查的组织上；以及检测器，由从该组织反射的光来检测组织的图像。
根据本发明的另一方面，一种通过利用图像诊断系统来检测图像的方法包括：利用预定的数值孔径（NA）值来控制NA控制单元，使得光聚焦在距离组织表面的第一深度上；扫描第一深度的预定区域并检测图像；控制聚焦控制单元使得聚焦控制单元的焦距增大并且光聚焦在距离组织表面的第二深度上，并控制孔径调节单元的孔径尺寸使得预定的NA值被保持；以及扫描第二深度的预定区域并检测图像。
根据本发明的另一方面，一种图像诊断系统包括：光源单元，发射光；孔径调节单元，调节从光源单元发射的光所透射穿过的孔径；聚焦控制单元，设置在距离孔径调节单元的预定位置，将经过孔径的光聚焦在样品上，并具有可调节的焦距；以及检测器，由从样品反射的光来检测样品的图像，其中数值孔径（NA）通过控制孔径调节单元和聚焦控制单元来控制，获得样品的深度图像而没有改变样品与聚焦控制单元之间的距离。
孔径调节单元可以包括孔径尺寸被机械地调节的机械光阑、孔径尺寸利用液压调节的液体光阑、或者孔径尺寸利用微电流体法调节的液体光阑。
聚焦控制单元可以包括液体透镜，该液体透镜将流体表面定义为透镜表面并通过使流体流动来调节透镜表面的形状，从而改变液体透镜的焦距。
流体流动可以由于电润湿或以加压的方式而发生。
聚焦控制单元可以包括液晶透镜，该液晶透镜中的液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节液体透镜的焦距。
图像诊断系统还可以包括扫描器，该扫描器将从光源单元发射的光扫描在样品的预定水平区域中。
根据本发明的另一方面，一种图像诊断方法包括：从光源单元发射光；控制数值孔径（NA）并将光聚焦在样品的预定位置上；以及检测从样品反射的光。
该图像诊断方法还可以包括分开从光源单元朝向样品发射的光的路径与从样品反射的光的路径。
该图像诊断方法还可以包括将从光源单元发射的光调制为预定的相干光。将从光源单元发射的光调制为预定的相干光可以包括：将从光源单元反射以朝向参考反射镜照射的光中的一些分开以及利用从参考反射镜反射的光来形成干涉光。
该图像诊断方法还可以包括对由检测器检测的信号进行信号处理以产生图像信号。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，在附图中：
图1A和图1B示出根据本发明示范性实施例的具有不同NA值的数值孔径（NA）控制单元的示意结构；
图2是用于解释水平分辨率与聚焦深度（DOF）之间的关系根据由聚焦光学构件定义的NA的概念图；
图3示出根据本发明示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的孔径调节单元；
图4示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的孔径调节单元；
图5示出根据本发明示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的聚焦控制单元；
图6示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的聚焦控制单元；
图7示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的聚焦控制单元；
图8A至图8C示出根据本发明示范性实施例的利用图1A和图1B所示的NA控制单元的深度扫描方法，通过该方法，在样品中的不同深度处保持相同的水平分辨率；
图9示出根据本发明示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图10示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图11示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图12示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图13A和图13B是根据本发明示范性实施例的图像诊断系统的示意结构的方框图；
图14示出用于解释根据本发明示范性实施例的图13A和图13B所示的图像诊断系统的各种操作模式的设计窗口；以及
图15是示出根据本发明示范性实施例的利用图13A和图13B所示的图像诊断系统来检测图像的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。就此而言，本发明的实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里给出的描述。因而，以下通过参照附图仅描述实施例来解释本说明书的多个方面。在附图中，为了清晰和方便，元件的尺寸可以被夸大。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。诸如“…中的至少一个”的术语，当用于一列元件时，修改了元件的整个列表，单不修改该列表的单个元件。
图1A和图1B示出根据本发明示范性实施例的具有不同NA值的数值孔径（NA）控制单元1000的示意结构。
参照图1A和图1B，NA控制单元1000包括：孔径调节单元VA，其中调节光所透射穿过的孔径；以及聚焦控制单元VF，聚焦透射穿过孔径的光并具有可调节的焦距。
孔径调节单元VA调节光所透射穿过的孔径，从而调节从其透射穿过的入射光束的直径。例如，当孔径调节到D1时，如图1A所示，穿过孔径调节单元VA的平行光束的直径为D1，当孔径被调节为D2时，如图1B所示，穿过孔径调节单元VA的平行光束的直径为D2。孔径调节单元VA可以是孔径尺寸被机械地调节的机械光阑、或者孔径尺寸利用液压诸如泵等调节的液体光阑。此外，孔径尺寸利用微电流体（micro‑electrical fluid）法调节的液体光阑可以用作孔径调节单元VA。以下将描述液体光阑的详细结构。
聚焦控制单元VF设置在关于孔径调节单元VA的预定位置处并聚焦穿过孔径的光。聚焦控制单元VF包括透镜表面以改变光的形状，聚焦控制单元VF改变透镜表面以调节聚焦控制单元VF的焦距。例如，如图1A所示，透镜表面的曲率可以被调节使得焦距控制单元VF具有焦距f1，或者如图1B所示，透镜表面的曲率被进一步减小使得聚焦控制单元VF具有更长的焦距f2。聚焦控制单元VF可以是液晶透镜，其中液晶被施加电场梯度以引起折射率的梯度从而调节液晶透镜的焦距。备选地，聚焦控制单元VF可以是液体透镜，该液体透镜包括流体表面作为透镜表面并通过使液体流动来调节透镜表面的形状从而调节液体透镜的焦距。根据如何使流体流动，液体透镜可以是压力型液体透镜或电润湿液体透镜，以下将描述液体透镜的详细结构。
如上所述，NA控制单元1000形成为使得孔径和焦距两者或者选择性地使孔径或焦距可以被调节使得可以产生一光束，该光束具有适于检查该光束将要照射的物体的水平分辨率和聚焦深度（DOF）。以下将描述水平分辨率与DOF之间的关系。
图2是用于解释水平分辨率与聚焦深度（DOF）之间的关系根据由聚焦光学构件FE定义的NA的概念图。
当光束被聚焦时，它没有被聚焦到无限小的点，而是具有有限的尺寸Δx，Δx由孔径D和焦距f定义，如公式1所示。