用于彩色內(nèi)窺鏡檢查的裝置和方法
【專利摘要】可提供具有適于彩色光譜編碼成像的光柵的探測器。該探測器可包括波導(dǎo)配置、光聚焦配置和可具有第一光柵圖案和第二光柵圖案的光柵配置。波導(dǎo)配置可被配置和/或構(gòu)建為導(dǎo)致從波導(dǎo)部件傳播具有第一波長的光和具有第二波長的光，并且，光聚焦配置和波導(dǎo)配置可使光入射到光柵配置上。光柵配置可被配置和排列為使得，具有第一波長的光被第一光柵圖案衍射到與具有第二波長的光被第二光柵圖案衍射到的位置基本上相同的位置。
【專利說明】
用于彩色內(nèi)窺鏡檢查的裝置和方法[0001](對相關(guān)申請的交叉引用)[0002]本申請要求在2014年1月31日提交的美國臨時申請序列號N0.61/934464的優(yōu)先 權(quán)，其內(nèi)容通過引用全文并入本文。[0003]本申請涉及在2014年1月31日提交的美國臨時申請序列號N0.61/934486(0ptical probe, light intensity detect1n，imaging method and system for forward-view imaging)以及在2014年1月31日提交的美國臨時申請序列號N0.61/934421 (System and method for fabricat1n of miniature endoscope using nanoimprint lithography)， 這些公開的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明一般地涉及小型內(nèi)窺鏡，更特別地涉及用于制造和使用進行彩色成像的小型內(nèi)窺鏡的示例性裝置、系統(tǒng)和方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0005]光譜編碼內(nèi)窺鏡(“SEE”)是利用波長以編碼關(guān)于樣品的空間信息由此允許通過小直徑內(nèi)窺鏡探測器進行高分辨率成像的技術(shù)?？赏ㄟ^使用輸入到單個光纖的準單色或?qū)拵捁鈦韺崿F(xiàn)SEE。在纖維的遠端處，衍射或分散光學(xué)器件跨樣品分散光，該光通過光學(xué)器件和光纖被反射并且返回。來自光纖的光通過諸如光譜計之類的波長檢測裝置被檢測。通過檢測根據(jù)波長的光強度，圖像可被重構(gòu)。例如，在美國專利N0.7843572、N0.8145018、 No ? 6341036 和 No ? 7796270 和美國專利公開 No ? 2008/0013960 和 No ? 2011/0237892 中，已經(jīng)對 SEE技術(shù)進行了描述，它們的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
[0006]常規(guī)的內(nèi)窺鏡使用RGB顏色信息作為診斷的線索。通過使用波長信息以編碼空間位置，SEE圖像利用顏色信息中的許多以編碼空間位置，因此，重要的顏色信息可能丟失。以前已提出了用于在SEE探測器中進行彩色成像的方法。例如，已描述了臺式設(shè)備(bench top setup)中的彩色SEE成像(例如，參見Optics Express ,17( 17) ,15239-15247;2009)。在該臺式設(shè)備中，使用分別具有紅色、綠色和藍色譜帶中的一個的三個光束。這些光束以不同的角度入射在光柵上，這對所有的三個譜帶導(dǎo)致同一衍射角。因此，組織上的各點被三個譜帶照射。雖然該方法表明了進行彩色SEE成像的可行性，但是在小型SEE探測器中實施該方法具有許多技術(shù)挑戰(zhàn)。三個纖維需要精確地與小型透鏡對準并且組裝。這三個纖維一般使在SEE 探測器上進行掃描具有挑戰(zhàn)性。在不同的方法中，通過使用單個照射束展示彩色SEE成像 (例如，參見Optics Express, 19(7) ,6913-6922;2011)。在該方法中，用單個波長照射試樣的各點，但是試樣相對于SEE設(shè)備平移。因此，通過多個波長檢查試樣的各點，并且使用光譜信息以恢復(fù)試樣的彩色圖像。但是，該常規(guī)方法以受控的方式使用試樣的精確平移，這在內(nèi)窺鏡成像應(yīng)用中是不可行的。
[0007]因此，可能需要解決和/或克服以上描述的缺點中的至少一些。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本公開的各種示例性實施例，可提供用于通過使用光譜編碼內(nèi)窺鏡檢查技術(shù)進行彩色成像的裝置和方法。某些示例性裝置和方法可保持包含例如常規(guī)的紅-綠-藍顏色空間的顏色信息。
[0009]因此，根據(jù)本公開的示例性實施例，可提供可包括波導(dǎo)配置、光聚焦配置和可具有第一光柵圖案和第二光柵圖案的光柵配置的探測器。波導(dǎo)配置可被配置和/或構(gòu)建為導(dǎo)致從波導(dǎo)部件傳播具有第一波長的光和具有第二波長的光的傳播，并且，光聚焦配置和波導(dǎo)配置可使光入射在光柵配置上。光柵配置可被配置和排列為使得具有第一波長的光被第一光柵圖案衍射到與具有第二波長的光被第二光柵圖案衍射到的位置基本上相同的位置。
[0010]例如，第一光柵圖案和第二光柵圖案可具有不同的溝槽密度。第一光柵圖案和第二光柵圖案可基本上相互平行。光柵配置可被配置和/或排列為使得具有第三波長的光被第三光柵圖案衍射到與第一波長處的衍射光和第二波長處的衍射光基本上相同的位置上。 第一光柵圖案、第二光柵圖案和第三光柵圖案可基本上相互平行。第一光柵圖案和第二光柵圖案可分別在光柵配置上重復(fù)至少兩次。另外，可以提供一種可以包含光纖的檢測波導(dǎo)， 該光纖被定位為使得被組織反射的反射光在入射到檢測光纖上之前行進通過光柵配置。光柵配置的設(shè)置在檢測波導(dǎo)的前面的部分可具有分別被重復(fù)至少兩次的第一光柵圖案和第二光柵圖案。檢測光纖可被定位為使得被組織反射的反射光在不事先行進通過光柵配置的情況下入射在光纖上。
[0011]根據(jù)閱讀結(jié)合附圖給出的本公開的示例性實施例的以下的詳細描述和所提供的權(quán)利要求，本公開的這些和其它目的、特征和優(yōu)點將變得清楚?！靖綀D說明】
[0012]根據(jù)以下結(jié)合表示本公開的解釋性實施例的附圖給出的詳細描述，本公開的進一步目的、特征和優(yōu)點將變得清楚。
[0013]圖1是根據(jù)本公開的示例性實施例的示例性SEE探測器的示圖。
[0014]圖2是根據(jù)本公開的示例性實施例的示例性SEE系統(tǒng)的示圖。[〇〇15]圖3是根據(jù)本公開的示例性實施例的示例性SEE探測器的示圖。
[0016] 圖4A和圖4B是表示三種不同的光柵節(jié)距(1600/mm、2000/mm和2400/mm)的數(shù)據(jù)的示圖，圖4A表示衍射效率對波長的示圖，圖4B表示衍射效率對衍射角的示圖。[〇〇17] 圖5A和圖4B是表示三種不同的光柵節(jié)距(2400/mm、3000/mm和3500/mm)的數(shù)據(jù)的示圖，圖5A表示衍射效率對波長的示圖，圖5B表示衍射效率對衍射角的示圖。
[0018]圖6A?6C是根據(jù)本公開的示例性實施例的示例性光柵的截面圖。
[0019]圖7A?7C是根據(jù)本公開的另一示例性實施例的示例性光柵的截面圖。
[0020]圖8是第一示例性配置中的根據(jù)本公開的示例性實施例的示例性SEE探測器的示意圖。
[0021]圖9是第二示例性配置中的圖8所示的示例性SEE探測器的示意圖。[〇〇22]圖10是第三示例性配置中的圖8所示的示例性SEE探測器的示意圖。
[0023]在所有附圖中，除非另外陳述，否則使用相同的附圖標記和字符以表示示出的實施例的類似的特征、要素和部件或部分。并且，雖然將參照附圖詳細描述主題發(fā)明，但這種描述是結(jié)合示出的實施例進行的。意在可在不背離由所附的權(quán)利要求限定的主題公開的真實范圍和精神的情況下，對描述的實施例做出變化和修改。【具體實施方式】
[0024]在圖1中表示SSE探測器的示例性實施例的示圖。例如，SEE探測器150可包含光纖 100、聚焦透鏡110和衍射光柵120。寬帶光130(或其它電磁輻射)可通過光纖100傳輸?shù)骄劢雇哥R110。該光(或其它電磁福射)可然后通過光柵120被衍射。該光柵120可具有用于光柵圖案的三個或更多個空間頻率，使得試樣140的各點被三個衍射光束照射，每個光束可被包含于紅色(波長:585?660nm)、綠色(500?575nm)和藍色(415?490nm)光譜中的一個中。
[0025]在圖2中示出可包含圖1的示例性探測器的SEE系統(tǒng)的示例性實施例的示圖。例如， 來自來源160的寬帶光(或其它電磁輻射)可被耦合到耦合器180，并然后被傳輸?shù)絊EE探測器150。從試樣140反射的光(或其它電磁福射)可親合回到SEE探測器150并且被傳送到親合器180。然后，該光(或其它電磁輻射)可被傳輸?shù)焦庾V計170，在那里反射光的光譜可被分析。所獲取的光譜可分成三個子光譜，每個子光譜代表紅色、綠色和藍色光譜中的一個。三個子光譜可被處理和組合成試樣的單色線圖像。示例性SEE探測器可往復(fù)旋轉(zhuǎn)掃描，以獲得試樣140的二維圖像。
[0026]圖3更詳細地表示根據(jù)本公開的示例性實施例的示例性探測器(在圖1中表示)。例如，光柵120可具有多個區(qū)域，這些區(qū)域具有相異的溝槽密度。光柵的溝槽密度參數(shù)可被選擇，使得從波導(dǎo)部件入射在光柵部件上且通過光聚焦部件聚焦的具有第一波長心的光從第一光柵區(qū)域(溝槽密度:Gi)被衍射到與從波導(dǎo)部件入射在第二光柵區(qū)域(溝槽密度:G2)上且通過光聚焦部件聚焦的具有第二波長“的光的衍射基本上相同的位置。如果光柵的折射率和對光柵的入射角對于入1和h幾乎相同，那么X1、h、Gl和G2的關(guān)系將如下:[0027 ] Gi 入入 2
[0028]各區(qū)域可具有一定數(shù)量的溝槽，例如，10個溝槽、50個溝槽、100個溝槽、500溝槽等。在一些示例性實施例中，區(qū)域中的溝槽的總數(shù)可以為至少100以保持來自區(qū)域的足夠的光衍射。例如，圖3中的三個區(qū)域(即區(qū)域310、320和330)可分別具有1600線/mm、2000線/mm 和2400線/mm的溝槽密度，使得675nm、540nm和450nm光可衍射到組織表面上的相同位置。區(qū)域310、320和330中的每一個可位于同一平面上并且具有至少50miX50mi見方的尺寸。
[0029]如本文所討論的，入射在表面上的基本上相同的位置處的兩個或更多個光束的語境中的術(shù)語“基本上相同的位置”可意味著但不限于例如光束的面積重疊至少50%、至少 70 %或至少80%或至少90 %。類似地，如本文討論的那樣，術(shù)語“基本上平行”可意味著但不限于例如光柵圖案中的溝槽的方向相對于彼此成角度小于10%、小于5%或者更特別地小于2%。
[0030]在本示例性實施例中，光柵折射率為1.5037。對于光柵表面的入射角可以為約 20.94度或者確切地為20.94度。溝槽深度可X X對于所有的三個光柵圖案為約900nm或者確切地為900nm，并且，各圖案的占空比可以為約0.5或者確切地為0.5。1600線/mm、2000線/ 1111]1和2400線/1]11]1光概可分別將波長619?73〇11111(紅色)、495?58411111(綠色)和413?48711111(藍色)的光衍射到同一衍射角的范圍(27?39度)。分別在圖4A和圖4B中示出計算的三個光柵的衍射效率對波長和衍射角的示例性示圖。例如，計算方法可包括但不限于嚴格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis(RCWA))。具有675nm的不例性波長的紅光311可以以 33°的角度被區(qū)域310衍射。具有可以為約540nm或者確切地為540nm的示例性波長的綠光 321可被區(qū)域320衍射到約33°或者確切地為33°的角度，具有約450nm或者確切地為450nm的示例性波長的藍光331可被區(qū)域330衍射到同一衍射角度。從該例子明顯地看出，如果光柵可具有三個具有相異的溝槽密度的區(qū)域，那么三個不同的波長可被衍射到同一方向。如圖3 所示，可通過使用本文描述的示例性方法設(shè)計三個區(qū)域310、320和330上的光柵圖案，以對各工作波長提供適當?shù)难苌湫?。[〇〇31]在另一例子中，當光柵折射率為約1.5037或者確切地為1.5037且對于光柵的入射角為約35度或者確切地為35度時，可以使用2400線/mm、3000線/mm和3500線/mm的示例性光柵以分別將波長615?713nm(紅色)、492?571nm(綠色)和422?489nm(藍色)的光衍射到同一衍射角的范圍(38?58度)。分別在圖(A和圖5B中示出三個光柵的衍射效率對波長和衍射角的變化的示例性示圖。在這些示例性示圖中，圖案(空氣部分)的占空比為約0.4或者確切地為0 ? 4且溝槽深度為約800nm或者確切地為800nm。
[0032]各種示例性實施例可使用兩個、三個、四個或更多個光柵圖案。根據(jù)其它的各種示例性實施例，光柵的各種區(qū)域中的溝槽密度可適于以相同或相似的衍射角(例如，對于指定的波長，在彼此的5°、4°、3°、2°、1°或更小內(nèi))反射兩個、三個或更多個指定波長的光。
[0033]為了優(yōu)化衍射效率和/或使得它們便于制造，示例性溝槽深度可在不同的光柵之間不同。例如，光柵120可具有光柵圖案310 (例如，溝槽密度:1600線/mm，溝槽深度: lOOOnm)、光柵圖案320(例如，溝槽密度:2000線/mm，溝槽深度:900nm)和光柵圖案330(例如，溝槽密度:2000線/mm，溝槽深度:800nm)。為了制作這種光柵或其復(fù)制母版，可以使用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)。在RIE中，微加載效應(yīng)是已知的，S卩，通過寬開口蝕刻掩模的蝕刻比通過窄開口蝕刻掩模的蝕刻快，這可使得能夠制造具有不同的溝槽深度的三個衍射光柵?？蓪ρ苌湫屎蚐EE探測器的視角優(yōu)化入射角。[0〇34]圖6A?6C表不根據(jù)本公開的不例性實施例的不例性光柵120的截面圖。根據(jù)圖6A 所示的一個示例性實施例的示例性光柵具有垂直分開的三個光柵區(qū)域310、320和330,而光柵的溝槽如光柵區(qū)域的放大示圖300所示的那樣沿水平方向行進。在其它的示例性實施例中，三個光柵區(qū)域可水平分開(參見圖6B)或徑向分開(參見圖6C)。[0〇35]圖7A?7C表不根據(jù)本公開的光柵120的另一不例性實施例。三個光柵區(qū)域可垂直交錯(參見圖7A)或水平交錯(參見圖7B)。三個光柵區(qū)域還可沿垂直方向和水平方向兩者交錯(參見圖7C)。這些示例性設(shè)計可具有如下優(yōu)點，S卩，當制造光柵時，不需要光柵圖案與光柵外部形狀之間的精確對準。[〇〇36]圖8表示根據(jù)本公開的示例性實施例的示例性SEE探測器的示意圖，該SEE探測器包含用于檢測的附加的纖維。例如，可在SEE探測器中使用附加的纖維500,以檢測來自試樣的光。附加的檢測纖維500可經(jīng)由光柵120被連接。這可使檢測的標稱角度與照射的標稱角度對準。檢測纖維500可以是多模式纖維。在某些示例性實施例中，光柵可被設(shè)置在具有圖案的檢測纖維上，所有溝槽密度的光柵處于照射路徑上。[〇〇37]圖9表示根據(jù)本公開的示例性實施例的可包含圖8的SEE探測器的示例性SEE系統(tǒng)。 檢測纖維500的遠端可被角度拋光(angle polish)，以使檢測圓錐520與照射圓錐510對準。在照射過程中，可在意圖的照射圓錐510的外部提供照射，示為530。檢測圓錐520與意圖的照射圓錐510的一致性可排斥來自區(qū)域530的光。作為斜著角度拋光纖維500的替代，能夠出于相同的目的將棱鏡或反射鏡置于纖維500上。檢測纖維可以是多模式纖維。為了將檢測場角限制到小于照射場角的值，多模式纖維的數(shù)值孔徑(NA)和拋光/棱鏡/反射鏡的角度可被最佳地選擇。換句話說，檢測纖維500可被配置為接收來自組織的反射光，例如僅僅來自關(guān)注區(qū)域、例如來自照射不同波長的多個光的區(qū)域(例如，意圖的照射圓錐510)的反射光。 [〇〇38]例如，當多模式纖維的NA為約0.1且其拋光角為約0度時，檢測纖維500可被配置為接受來自與光軸成± 5.7度之間的方向的光。當NA為約0.1且其拋光角為約35度時，檢測纖維500可被配置為接受與光軸成15.9°與35.1°之間的方向的光。存在將檢測場調(diào)整到照射場的數(shù)種方式。例如，如圖10所示，可在檢測纖維500的前面使用反射鏡550。還可出于該目的使用棱鏡、作為鏡面的角度拋光纖維和/或其它光學(xué)部件。[〇〇39] 可通過幾種方式制作光柵120。例如，可通過例如在同時提交的申請中描述的且要求美國臨時申請序列號N0.61/934421的優(yōu)先權(quán)的包括軟光刻和納米壓印光刻的光刻或全息術(shù)來制作光柵120。在與探測器一體化之前制造光柵120的圖案處于本公開的范圍內(nèi)。在另一示例性實施例中，能夠在探測器上制作光柵120的各種圖案。
[0040]因此，提供特別有利的彩色SEE探測器和系統(tǒng)?？稍谛≈睆降膬?nèi)窺鏡探測器內(nèi)制作和使用所描述的光柵的示例性實施例。例如，示例性光柵可具有例如小于500wii或小于350y m的直徑。該示例性配置可用于活體應(yīng)用中。
[0041]以上僅示出本發(fā)明的原理。對描述的實施例提出的各種修改和變更對于考慮了本文的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是清楚的。事實上，可結(jié)合SEE或包括以上在美國專利 No ? 7843572、No ? 8145018、N〇 ? 6341036和 No ? 7796270 以及美國專利申請 No ? 2008/0013960 和 N0.2011/0237892中提到的那些其它成像系統(tǒng)，使用根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的配置、系統(tǒng)和方法。因此，可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計大量的系統(tǒng)、配置和方法，這些系統(tǒng)、配置和方法雖然本文沒有被明確表示或描述，但體現(xiàn)本發(fā)明的原理并因此位于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。另外，如果現(xiàn)有技術(shù)的知識在以上沒有明確通過引用被加入，那么其全部內(nèi)容在這里被明確加入。在本文中通過引用全文并入以上提到的所有公開。
【主權(quán)項】
1.一種探測器，包括: 波導(dǎo)配置； 光聚焦配置;和 光柵配置，包含第一光柵圖案和第二光柵圖案， 其中，波導(dǎo)配置被配置和構(gòu)建為導(dǎo)致從波導(dǎo)部件傳播具有第一波長的光和具有第二波長的光的傳播，并且光聚焦配置和波導(dǎo)配置使光入射到光柵配置上，以及 其中，光柵配置被配置和排列為使得具有第一波長的光被第一光柵圖案衍射到與具有第二波長的光被第二光柵圖案衍射到的位置基本上相同的位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，第一光柵圖案和第二光柵圖案具有不同的溝槽FtFt也/又。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，第一光柵圖案和第二光柵圖案基本上相互平行。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，光柵配置被配置和排列為使得具有第三波長的光被第三光柵圖案衍射到與第一波長處的衍射光和第二波長處的衍射光基本上相同的位置上。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探測器，其中，第一光柵圖案、第二光柵圖案和第三光柵圖案基本上相互平行。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，第一光柵圖案和第二光柵圖案分別在光柵配置上重復(fù)至少兩次。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，還包括檢測波導(dǎo)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探測器，其中，檢測波導(dǎo)包含光纖，該光纖被定位為使得被組織反射的反射光在入射到檢測光纖上之前行進通過光柵配置。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的探測器，其中，在光學(xué)器件光路中，光柵配置的位于檢測波導(dǎo)前面的部分至少具有分別重復(fù)至少兩次的第一光柵圖案和第二光柵圖案。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探測器，其中，檢測光纖被定位為使得被組織反射的反射光在不事先行進通過光柵配置的情況下入射到光纖上。11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探測器，其中，進入檢測波導(dǎo)的光的場角比具有第一波長的衍射光和具有第二波長的衍射光的場角小。12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探測器，還包括光學(xué)元件，所述光學(xué)元件被定位為使得被組織反射的光在入射到檢測波導(dǎo)上之前被光學(xué)元件反射或形成角度。13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探測器，其中，檢測波導(dǎo)包含被配置為使得檢測光纖的檢測場基本上與探測器的照射場重疊的角度拋光光纖。14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測器，其中，第一光柵圖案和第二光柵圖案的溝槽密度相差至少200線/mm。15.一種光譜編碼探測器，包括: 激勵光纖； 光聚焦配置； 光柵配置，包含第一光柵圖案和第二光柵圖案;和 檢測光纖，其中，激勵光纖被配置和構(gòu)建為導(dǎo)致從波導(dǎo)部件傳播具有第一波長的光和具有第二波 長的光的傳播，并且光聚焦配置和激勵光纖使光入射到光柵配置上，其中，光柵配置被配置和排列為使得具有第一波長的光被第一光柵圖案衍射到與具有 第二波長的光被第二光柵圖案衍射到的位置基本上相同的位置，以及其中，第一光柵圖案和第二光柵圖案中的每一個被配置和排列為轉(zhuǎn)送光譜分散的光。
【文檔編號】A61B1/07GK106028909SQ201580006424
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年1月30日
【發(fā)明人】吉列爾莫·J·蒂爾尼, 姜東均, 井久田光弘
【申請人】佳能美國公司, 綜合醫(yī)院有限公司