技术领域
本发明涉及光学探测器(probe)，其适合用于微型应用，例如体 内医疗检查(inspection)和过程，或者工业检查，例如食品或小设备 的检查。本发明也涉及相应的成像系统以及利用这种成像系统成像的 方法。
背景技术
对于各种疾病(例如癌症)的正确诊断，经常采用活组织检查 (biopsy)。这可以借助于内窥镜内腔或者借助于穿刺活组织检查。为 了找到进行活组织检查的正确位置，使用各种成像模式，例如X射线、 MRI和超声。在例如前列腺癌的情况下，大多数情况下活组织检查由 超声引导。尽管有帮助，但是这些引导方法远非最佳的。其分辨率是 有限的，并且此外这些成像模式在大多数情况下不能区分良性和恶性 组织。结果，我们并不确切知道从组织的正确部分进行活组织检查。 我们几乎进行盲活组织检查并且即使在检查组织之后没有检测到癌 细胞，我们也并不确切知道我们没有简单地错过进行活组织检查的正 确部位。
为了改进活组织检查过程，需要在进行活组织检查之前直接检查 活组织检查位置。实现这点的一种方式是通过该位置处的显微镜检 查。这需要微型化共焦显微镜。对于甚至更详细的组织检查，非线性 光学技术允许实现高分子对比度而无需对组织染色(参见J.Palero et al.SPIE vol.6089(2006)pp.192-202)。这些技术基于双光子和二次 谐波光谱成像。为了使得扫描仪与这些非线性技术兼容，应当采用具 有大的纤芯直径的光子晶体纤维以便降低光纤本身中的非线性效应。 这些纤维的缺陷在于，它们具有低的出射束数值孔径，典型地近似 0.04。结果，当利用具有近似0.7的数值孔径的固定物镜系统时，侧向 (lateral)放大率为0.057。为了具有合理的视场(大约100微米)，光 纤的横向行程(transversal stroke)必须与1.75mm一样大。这是相当大 的并且因而限制了显微镜检查的尺度缩减。
US2001/0055462公开了一种用在最小侵入式医疗过程(MIMP) 中的集成内窥镜图像采集和治疗配送系统。该系统表面上解决了前面 的高质量图像与内窥镜尺寸之间的折中。该系统使用扫描光纤或光波 导提供的定向和扫描光学照射，所述扫描光纤或光波导由集成成像和 诊断/治疗仪器远端处包含的例如压电致动器驱动。定向照射提供了宽 视场(FOV)且全彩色的高分辨率成像，其匹配或者优于常规柔性内 窥镜产生的图像。当使用扫描光学照射时，光子检测器的尺寸和数量 不限制得到的图像的像素数量和分辨率。附加的特征包括地形特征的 增强、立体观察以及患者身体内感兴趣区域的特征尺寸的精确测量， 其有利于利用该仪器提供诊断、监控和/或治疗。然而，该系统遭受以 下缺点：内窥镜末端应用了固定透镜，从而使得视场更加有限。此外， 该系统不容易实际应用于非线性光学器件，因为该光学系统不能直接 适用于单模纤维，尤其是归因于这样的纤维的低数值孔径。
总之，任何先前公开的提出的纤维扫描系统都没有解决与需要较 大的横向扫描仪行程以便物镜系统具有合理的视场(FOV)有关的问 题。
因此，改进的光学探测器将是有利的，特别地，更加高效和/或可 靠的光学探测器将是有利的。
本发明的另一个目的是提供现有技术的可替换方案。
特别地，可以看作本发明目的的是提供解决上述现有技术问题、 具有足够的视场和高图像分辨率的光学探测器。
发明内容
因此，上面描述的目的和若干其他目的预期在本发明的第一方面 中通过提供一种光学探测器而获得，该探测器包括：
-光导，
-透镜系统，其刚性耦合到光导的末端部分，
-外壳，其具有用于光导的腔体，该外壳在其远端具有透明窗口， 该窗口具有与所述透镜系统的屈光能力(optical power)相比不显著 的屈光能力，以及
-致动装置，其能够使透镜系统移位，
其中所述致动装置被设置用于使透镜系统移位以便允许光学扫 描所述窗口之外的感兴趣区域(ROI)。
本发明特别地但不排他性地有利于获得特别适用于微型应用(例 如用于体内医疗应用)的改进的光学探测器。通过将透镜系统稳固地 附接或安装到光导(例如光纤)，可以由光纤的横向行程直接确定光 学探测器的视场(FOV)。因此，仅需要相对较小的行程。视场因而 实际上不再由横向行程限制。由于透镜系统本身仅用于靠近光轴(即 小视场)的成像，因而它可以允许实现使制造容易同时仍然具有高图 像分辨率的更简单(即较不复杂以及因而较少的透镜元件)的光学设 计。
还应当提及的是，由于透镜系统可移位地安装在光导的末端部分 上，因而依照本发明的光学探测器特别适用于相对较简单且大规模的 制造。从实际的角度来看，这可以降低制造期间所需的精度，其反过 来又可以降低每探测器的单价。这是特别重要的，因为嵌入了光学探 测器的内窥镜、导管或针由于卫生要求而通常会在单次使用之后被丢 弃。
为了拥有可以应用于非线性光学过程的光学探测器，所述非线性 光学过程即其中样本介质(体内，即身体组织)具有非线性地响应施 加的辐射(例如激光)的电场的电介质极化，由于光学探测器的集成 然而可移位的透镜系统的原因，本发明也提供了显著的优点。利用非 线性光学器件可能要求使用具有很少或者没有色散(实际失真)的单 模光纤(SMF)作为探测器中的光导。然而，单模光纤典型地遭受相 对较低的出口数值孔径，从而限制了侧向分辨率以及因而视场 (FOV)。然而，本发明的光学探测器提供了一种简单而鲁棒的解决 方案，其中可以将高数值孔径透镜系统合并到该探测器中以便至少在 一定程度上补偿单模纤维的这种性质。
由于所述光学探测器可以允许实现更简单的透镜设计，因而可以 减少透镜元件的数量。结果，也可以减少直接与其引入的色散量有关 的透镜材料的量，从而导致非线性应用中降低的脉冲展宽。
在本发明的上下文中，应当理解的是，术语“光导”可以包括且 不限于光纤(多模和单模)、薄膜光路、光子晶体纤维、光子带隙 (bandgab)纤维(PBG)、极化保持纤维等等。所述光学探测器也可 以包括超过一根纤维，例如多根纤维或纤维束。
在一个实施例中，所述透镜系统可以是单透镜系统，因为这甚至 更加简化了制造并且使得微型要求更易于满足。
可能的是，所述透镜系统可以包括非球面透镜，即该透镜不是球 面透镜，这因而有利于相对较高的数值孔径(NA)并且相应地获得 相当紧凑的透镜系统。
在另一个实施例中，所述透镜系统可以包括具有可变化的数值孔 径的流体透镜。例如，该透镜系统可以包括具有油-水双相系统的液体 透镜。因此，可以调整数值孔径，从而有利于焦深变化。
可能的是，所述透明窗口可以包括平面部分，使得该窗口是非聚 焦的并且因而不使透镜系统的成像失真。特别地，透明窗口与透镜系 统之间的屈光能力之比为最大20％、最大10％或者最大5％。其他的比 值也是可能的，例如最大25％、最大15％或者最大1％。
典型地，所述光导可以是光纤，并且所述透镜系统可以位于远离 光纤的光学出口的一定距离(L)处，该距离(L)远大于光纤的纤芯 直径。距离(L)与出口位置处的纤维直径之比可以是5、10、20或30 以及甚至更大。此外或者可替换地，所述透镜系统可以刚性连接到光 导，中间固定件(mount)固定在光导的远端处并且固定在透镜系统 上。
优选地，光导远端处的透镜系统可以被安装成可在光导的横向方 向上移位以便增强视场(FOV)。它可以弹性地安装。
对于一些应用而言，所述透镜系统可以具有一定数值孔径，以便 允许实现非线性光学现象，例如如下面更详细地描述的双光子事件和 混频。至少0.4或者至少0.5或者至少0.6的数值孔径使得实现非线性光 学器件更容易。
对于非线性应用而言，所述光导可以是单模光纤。可替换地或者 此外，该光导可以是光子晶体纤维或者偏振保持纤维，因为这些种类 的光导具有对于在本发明的上下文中采用特别有益的若干有利光学 性质。
对于一些应用而言，所述光学探测器可以形成内窥镜、导管、针、 活组织检查针或者技术人员容易实现的其他类似应用的一部分。还可 以设想，本发明的应用领域可以包括但不限于其中小的成像设备有用 的领域，例如在使用利用小尺度设备的检查的行业中。
在第二方面中，本发明涉及一种光学成像系统，该系统包括
-依照第一方面的光学探测器，
-辐射源(IS)，其光学耦合到所述光学探测器，该探测器被设置 用于将从辐射源发射的辐射引导到感兴趣区域(ROI)，以及
-成像检测器(ID)，其光学耦合到所述光学探测器，该检测器被 设置用于使用来自感兴趣区域(ROI)的反射的辐射进行成像。
在本发明的上下文中，应当理解的是，术语“辐射源”可以包括 任何适当种类的辐射源，包括并且不限于激光器(任何波长以及任何 操作模式，即连续或者具有任何周期的脉冲的，包括飞秒(femto second)激光)、LED、气体放电灯、任何种类的发光等等。
优选地，所述光学成像系统的辐射源可能能够发射具有一定强度 和/或具有一定空间和时间分布的辐射以便允许实现非线性光学现象， 例如双光子成像和混频。
因此，该系统可以是双光子成像系统或者二次谐波发生(SHG) 成像。优选地，辐射源是具有飞秒(fs)脉冲激光的激光源。该成像 系统于是可以包括适当的色散补偿装置。然而，该成像系统也可以执 行更加线性的光学成像，例如，该成像系统可以是荧光成像系统等等。
在一个实施例中，辐射源可以是脉冲激光器，具有波长λ和脉冲 长度Δτ并且其中探测器中的透镜系统的焦距f满足不等式：
f ≤ 0.1 VΔτ N A obj 2 λ ]]>
其中V是透镜系统的阿贝数(Abbe number)并且NAobj为光学探测器中 的透镜系统的数值孔径。
在第三方面中，本发明涉及一种用于光学成像的方法，该方法包 括：
-提供依照第一方面的光学探测器，
-提供光学耦合到所述光学探测器的辐射源(IS)，该探测器被设 置用于将从辐射源发射的辐射引导到感兴趣区域(ROI)，以及
-利用光学耦合到所述光学探测器的成像检测器(ID)执行成像 过程，该检测器被设置用于使用来自感兴趣区域(ROI)的反射的辐 射进行成像。
本发明的各方面中的每一个可以与任何其他方面相结合。本发明 的这些和其他方面根据以下参照所描述的实施例的描述将是清楚明 白的。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明。这些图示出了实现本发明 的一种方式并且不应当被视为对落入所附权利要求书的范围内的其 他可能实施例的限制。
图1为依照本发明的光学图像探测器的示意性截面图，
图2为依照本发明的光学图像探测器的两个可能的实施例的示意 性截面图，
图3为依照本发明的光学成像系统的示意图，
图4为依照本发明的光学图像探测器的另一个实施例的示意性截 面图，
图5为依照本发明的光学探测器的光路的示意图，
图6为具有流体透镜的光学探测器的光路的示意图，以及
图7为依照本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1为依照本发明的光学图像探测器1的示意性截面图。光学探测 器1包括光导2(例如光纤)以及具有其中可以嵌入光导1的腔体的外 壳3。外壳3在其远端或采样端处具有透明且基本上不聚焦的窗口4。 窗口4可以是光学传输玻璃或聚合物的平面部分。窗口4优选地不聚 焦，即它没有屈光能力，但是可以设想，窗口4对于一些应用可以具 有一定的聚焦效果。然而，情况通常并非如此，因为它可能影响透镜 系统6的性能。不过，可以设想的是，在一些情况下，出射窗口4可以 是使得图像平坦而不弯曲的场致平器透镜并且这需要少量的屈光能 力。
透镜系统6刚性耦合到光导2的末端部分2a。透镜系统6在该图中出 于清楚性的原因而仅被示为单个透镜。如下面将明显的是，透镜系统 6也可以具有超过一个透镜并且也可以包含衍射元件或镜元件。透镜 系统6与光导2之间的耦合优选地为机械的，即存在保持透镜系统6的 位置和光导6的光学出口处于相对于彼此的固定位置的中间固定件7。
也提供了能够使透镜系统6移位的致动装置8。致动装置8可以如 箭头A1所示或多或少直接地致动透镜系统6。在实际实现中，致动装 置8最可能与固定件7机械接触。可替换地或者此外，致动装置8可以 如箭头A2所示通过光导2的末端部分2a间接地致动透镜系统6。致动装 置8的功能在于，致动装置8被设置用于使透镜系统6移位以便允许光 学扫描窗口4之外的感兴趣区域ROI。典型地，光导2以柔性材料制成， 以便利于对不容易访问的位置进行检查，例如体内医疗检查和/或抽 样，并且在这种情况下光导2可以固定或者停在远离末端部分2a一定 距离的点处，从而使得致动装置8弹性地移位光导2的至少一部分成为 可能。US2001/0055462中讨论了在探测器末端移位光导2的各种解决 方案，该文献通过引用全部合并于此。
为了获得紧凑的光学探测器1，透镜系统6优选地包括非球面透 镜，从而使得具有相对较高的数值(NA)成为可能。
图2为依照本发明的光学图像探测器的两个可能的实施例的示意 性截面图。优选地，外壳2是围绕中心轴圆柱对称的。
在顶部视图中，光导2和透镜系统6被定位成远离外壳3的中心位 置。因此，透镜系统6可以被定位成靠近外壳3的侧面。对于一些制造 实例，这可能是一种优选的解决方案。如果光导2是充分柔性的以便 跨相距光学成像点的相关范围横向移位，那么这可以具有一些优点。 特别地，与光学探测器1中光导2的中心安装相比，致动器8可能可以 被简化。这样做的另一个原因在于，将存在用于附加光源的空间或者 创建例如管理药物的工作(空心)通道或者用于最小侵入过程的仪器。
还可以设想的是，如果光导2是充分柔性或弹性的，那么致动装 置8也可以沿着外壳8的轴向使光导2移位。这对于沿着光学探测器1的 光轴的深度扫描是有用的。
在图2的底部视图中，示出了其中光学探测器1包括两个光导2’和 2”的实施例，每个光导分别具有相应的透镜系统6和6’。尽管这可能 限制探测器1的可能的尺度缩减，但是对于一些应用而言，它对于在 成像期间同时或连续工作的两个不同但互补的成像模式可能是有利 的。
第三种选项将是纤维2包括超过一根纤维，即是纤维束。这可以 用于收集更多的光，其可能对于非线性扫描是重要的或者能够扫描得 更快。
图3为依照本发明的光学成像系统100的示意图。该光学成像系统 包括样本臂30末端部分处的如上所述的光学探测器1。样本臂30优选 地是高度柔性的，并且有可能在一定程度上弯曲。光学探测器1被示 出放大部分并且类似于图1。
此外，辐射源RS经由耦合器C光学耦合到光学探测器1。探测器1 相应地被设置用于将从辐射源RS发射的辐射(例如激光)引导到感兴 趣区域ROI，并且此外成像检测器ID光学耦合到光学探测器1。成像检 测器被设置用于使用来自样本(未示出)中感兴趣区域ROI的反射的 辐射进行成像。成像检测器ID还可以包括用户界面(UI)，因而访问 结果和/或控制成像过程。
图4为依照本发明的光学图像探测器1的另一个实施例的示意性 截面图。为了具有紧凑的透镜系统，应用透镜6a的非球面表面。通过 以适当的聚合物制成透镜6a，可以设计适合批量生产的紧凑透镜系统 6a。优选地，聚合物应当是提供对透镜系统6轻松移位的低密度聚合 物。
透镜系统6如固定件7所限定的那样位于远离光纤2的光学出口的 距离L处。距离(L)远大于光纤2的纤芯直径。
透镜系统6可以与具有和磁体41a和41b协作的线圈40a、40b、40c 和40d的机电马达系统一起部分安装在外壳3中，所述磁体机械附接到 光纤2以便利用光纤2和透镜6a通过马达系统的作用执行扫描。
在该实施例中，如图4中显然的是，透镜6a是薄平出射窗口玻璃板 4之前的单一(singlet)平-非球面透镜6a。非球面透镜6a由PMMA制 成并且具有0.82mm的入瞳直径。数值孔径(NA)为0.67并且焦距(在 空气中测量)为0.678mm。透镜系统6a对于780nm的波长是最优化的。 出射窗口4是平坦的并且没有屈光能力。
物镜6的自由工作距离(FWD)必须大于出射窗口4的厚度H。物 镜6将在出射窗口4之前被扫描。出射窗口4必须具有一定厚度以便是 鲁棒的。典型地，该厚度大于0.1mm；H＞0.1mm。这意味着物镜6的焦 距f必须服从
f＞2H (1)
以便考虑到厚度H以及物镜6与出射窗口4之间所需的附加自由空间， 从而允许扫描出射窗口之前的物镜。
扫描系统，即采用的透镜系统6a的光栅(rastering)可以基于基 于压电马达的共振扫描，例如Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnosis and Treatment Applications，Ed.I Gannot，Proc.SPIE vol. 6083中E.J.Seibel等人的论文“A full-color scanning fiber endoscope” 中所描述的。所述扫描可替换地可以是如美国专利US6967772和 US7010978中描述的调音叉的共振扫描，或者作为另一可替换方案， 所述扫描系统可以是电磁扫描仪。
图5为如结合图4所描述的光学探测器1的光路的示意图。透镜4具 有相对较高的数值孔径(NA)，因而光束在光纤2的出口2c之后收集。 光束聚焦到组织S中。所述组织在这种情况下假设主要由水组成。
图6为在一定程度上与图4和图5的探测器类似的另一光学探测器 1的光路的示意图，但是图6的探测器附加地具有插入到非球面透镜与 光纤(未示出)之间的流体透镜6”。就图5而言，探测器之前的样本 是组织。流体透镜具有不相混溶的流体6”a和6”b，其可以被操纵以便 改变透镜6”的数值孔径。优选地，相6”a和6”b是油和水。优选地， 这些流体可通过电湿润来控制。关于电湿润透镜的进一步的细节，可 以见诸美国专利7126903，该文献通过引用全部合并于此。
在下面的段落中，将针对非线性光学器件的情况给出一些评论， 其中样本介质(体内，即身体组织)具有非线性地响应施加的辐射(例 如激光)的电场的电介质极化。
由于混频过程的原因，非线性光学器件提供一系列不同光谱学和 成像技术。两个实例是双光子成像系统和二次谐波发生(SHG)成像。 因此，成像系统100的辐射源RS(参见图3)应当能够发射具有一定强 度以及具有一定空间和时间分布的辐射以便允许实现非线性光学现 象。该系统也可以包括色散补偿装置。关于非线性光学器件的另外的 参考文献，技术人员可参阅Alberto Diaspro编辑的“Confocal and Two-Photon Microscopy：Foundations，Applications，and Advances” (Wiley-Liss，Inc.，2002，New York)。
特别地，透镜系统6的色散必须如此小，使得物镜6的边缘射线与 主射线之间的彩色时移ΔT必须小于脉冲辐射源RS(即激光器)的脉 冲时间长度Δτ。这设置了对于透镜6的下列要求：
根据Z.Bor in J.Mod.Opt.35，(1988)，1907，得知可以写成
| ΔT | = NA obj 2 λf 2 c ( n - 1 ) dn dλ - - - ( 2 ) ]]>
其中λ为波长，NAobj为物镜的数值孔径，f为物镜的焦距，c为光速，n 为透镜折射率并且dn/dλ为折射率关于波长的变化。使用透镜材料色散 的阿贝数V的表示，得到：
| ΔT | = NA obj 2 fλ 2 c ( λ F - λ C ) V - - - ( 3 ) ]]>
使用λF＝486.13nm以及λC＝656.27nm，这最终给出
f ≤ 0.1 VΔτ NA obj 2 λ - - - ( 4 ) ]]>
其中λ为以nm为单位的波长，V为阿贝数，NAobj为物镜的数值孔径，Δτ 为激光器的脉冲长度[fs]，f为以mm为单位的物镜的焦距。
对于由超过一种透镜材料构成的物镜，在方程(4)中应当选择 这些材料的最低阿贝数。
大纤芯光子晶体纤维的数值孔径通常相当小，典型地为NAf～0.04。 在下文中，物镜的数值孔径由NAobj给出。纤维2与物镜6之间的距离L 必须受限制以便使得附接到纤维2的附加重量是有限的。典型地，如 果Df为光纤2的直径，那么必须有：距离L充分大于纤维的直径Df，但 是限制为典型地L＜25Df。
这个条件可以重新用公式表示成以下约束。使用D＝2NAobjf和 D～2NAfL，上面的不等式也可以由下式给出
f < 25 NA f NA obj D f - - - ( 5 ) ]]>
另一约束是透镜6的数值孔径(NA)；NAobj；优选地应当满足要求 NAobj＞0.5以便能够以中等激光功率产生双光子相互作用。因此
NAobj＞0.5 (6)
可能的是，NAobj也可以为至少0.3、至少0.4、至少0.6或者至少0.7。
物镜6还应当尽可能易于制造，因而物镜的光瞳直径D优选地大于 大约0.2mm。这转化成以下约束
f > 1 10 NA obj - - - ( 7 ) ]]>
f以mm为单位。
物镜6位于纤维出口的10.0mm的距离处并且由PMMA制成，在 780nm波长处具有折射率1.4862以及阿贝数V＝57.4。透镜的光瞳直径 为D＝0.82mm并且轴上的厚度为0.647mm。物镜的数值孔径为 NAobj＝0.67。描述表面的“下垂(sag)”或z坐标的公式由下式给出
z ( r ) = r 2 R ( 1 + 1 - ( 1 + k ) r 2 / R 2 ) + A 2 r 2 + A 4 r 4 + A 6 r 6 + A 8 r 8 + A 10 r 10 + A 12 r 12 + A 14 r 14 + A 16 r 16 - - - ( 8 ) ]]>
其中R表示每个表面的透镜半径，r表示离光轴的距离并且z表示z方向 上沿着光轴的表面下垂的位置。系数A2-A16为表面的非球面系数。它 们如下给出：
R＝0.2743594mm
k＝-6.54
A2＝-0.30479289mm-1
A4＝28.308315mm-3
A6＝-527.54424mm-5
A8＝7899.4624mm-7
A10＝-77012.804mm-9
A12＝459584.12mm-11
A14＝-1510148.3mm-13
A16＝2090233.2mm-15
物镜6与玻璃板出射窗口4之间的距离为0.1mm。出射窗口4为 0.2mm厚并且由BK7肖特玻璃(Schott glass)制成，在780nm波长处具 有折射率1.5111以及64.2的阿贝数V。光束聚焦到水状组织中，其在 780nm处具有折射率1.330以及阿贝数33.1。
图7为依照本发明的方法的流程图。该方法包括：
S1提供依照第一方面的光学探测器1，
S2提供通过C光学耦合到所述光学探测器1的辐射源(RS)，该 探测器被设置用于将从辐射源发射的辐射引导到感兴趣区域(ROI)， 以及
S3利用光学耦合到所述光学探测器1的成像检测器(ID)执行成 像过程，该检测器被设置用于使用来自感兴趣区域(ROI)的反射的 辐射进行成像。
本发明可以借助于硬件、软件、固件或者这些的任意组合来实现。 本发明或者其一些特征也可以实现为运行在一个或多个数据处理器 和/或数字信号处理器上的软件。
本发明实施例的单独的元件可以以任何适当的方式在物理上、功 能上和逻辑上实现，例如在单个单元中、在多个单元中或者作为单独 的功能单元的一部分而实现。本发明可以在单个单元中实现，或者可 以在物理上和功能上分布在不同的单元和处理器之间。
尽管已经结合具体的实施例描述了本发明，但是本发明不应当被 视为以任何方式限制为给出的实例。本发明的范围应当根据所附权利 要求书来解释。在权利要求上下文中，措词“包括”或“包含”并没 有排除其他可能的元件或步骤。此外，例如“一”或“一个”等的引 用的提及不应当被视为排除了复数。权利要求中关于附图中表示的元 件的附图标记的使用也不应当被视为限制了本发明的范围。此外，不 同权利要求中提及的单独的特征可能可以有利地加以组合，并且不同 权利要求中这些特征的提及并没有排除特征的组合是不可能和有利 的。