CN103492857A

CN103492857A - 光学扫描探针

Info

Publication number: CN103492857A
Application number: CN201280019677.9A
Authority: CN
Inventors: 田代佳之; 北辻真史; 横山精一
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2014-01-01
Also published as: US20140031679A1; JP2012229976A; DE112012001884T5; WO2012147379A1

Abstract

该光学扫描探针具有：柔性管、光纤以及物镜，其中，所述光纤用于传输扫描光，其被支撑以能够围绕在所述柔性管中心的轴旋转；所述物镜与光纤整体地旋转，并且具有将扫描光从发散光束转换为平行光束或者会聚光束的正的光学功率，所述扫描光影被从光纤传输。所述物镜配置有使所述扫描光偏斜以利用扫描光照射目标的挠曲表面。

Description

光学扫描探针

技术领域

本发明涉及用于光学地扫描目标的光学扫描探针。

背景技术

已知光学扫描***可用作在内腔中对身体组织成像的成像***。作为光学扫描***的具体配置的实例，在例如日本专利临时公开第HEI11-56786A号（在下文中被称为专利文件1）中描述了用于详细观测内腔（例如消化器官或支气管）的表层附近的精细结构的OCT（光学相干断层成像技术）。

在专利文件1中描述的OCT***包括待***内腔中的OCT探针。在专利文件1中描述的OCT探针通过传输从光源经由光纤发出的低相干光而利用低相干光照射内腔的侧壁。根据光纤围绕其轴的旋转，低相干光在圆周方向上扫描内腔的侧壁。OCT***基于低相干干涉法测量在内腔中反射或者散射扫描光处的位置和深度，以及在内腔中反射或者散射扫描光的角度，并且利用测量结果计算和生成内腔的层析成像的图像数据。生成的内腔的层析成像图像具有比由目前常用的超声***等生成的层析成像图像更高的分辨率。

发明内容

在专利文件1中描述的OCT探针中，聚焦低相干光的GRIN透镜联接到光纤的尖端。使低相干光的光学路径朝向内腔的侧壁弯曲的微棱镜结合至GRIN透镜的尖端表面。由于这种微棱镜是微小的光学部件，因此其具有难以加工的问题。此外，由于来自于对象（例如内腔的侧壁）的散射光通常是非常微弱的，因此需要尽可能地抑制取决于光学***的光量损耗。

考虑到上述情况而做出了本发明。本发明的目的是提供一种适于简化制造以及适于抑制取决于光学***的光量损耗的光学扫描探针。

为了解决以上描述的问题，根据本发明的实施方案的光学扫描探针包括：柔性管、光纤以及物镜，其中，所述光纤用于传输扫描光，其支撑在所述柔性管中，以能够围绕所述光纤的轴自由地旋转；所述物镜具有正的光学功率，以将从所述光纤透出的所述扫描光从发散光束转换为平行光束或者会聚光束，并且与光纤整体地旋转。根据本发明的物镜具有反射扫描光以照射目标的挠曲表面。

根据本发明，微棱镜是不必要的，其为微小且难以加工的构件，惯例被认为是在光学扫描探针中的基本元件。因此，制造变得更容易，并且由于用于扫描光的传输表面的减少（惯例使用的在微棱镜和GRIN透镜之间的结合表面的减少）抑制了扫描光的光量损耗，并且降低了元件的数目和工时。

物镜例如为GRIN透镜。所述GRIN透镜的挠曲表面可以是GRIN透镜的目标侧端表面，所述GRIN透镜形成为相对于所述轴倾斜。

所述物镜的挠曲表面可以是圆柱形表面，其在一个方向上具有预定曲度。所述圆柱形表面的预定曲度被设置为纠正当所述扫描光穿过所述GRIN透镜和所述柔性管传输时引起的像散的值。

所述物镜的挠曲表面可以是配置有反射所述扫描光的涂层的反射表面，或者完全反射所述扫描光的全反射表面。

根据本发明的光学扫描探针可以包括重心调整构件，所述重心调整构件结合至所述物镜的所述挠曲表面，并使得所述物镜和所述重心调整构件的组合重心位于所述光纤的轴上

根据本发明，提供了适于抑制取决于光学***的光量损耗，并且适于简化制造的光学扫描探针。

附图说明

图1为显示根据本发明的实施方案的OCT***的构造的框图。

图2显示根据本发明的实施方案的OCT探针的内部构造。

图3显示配置在根据本发明的实施方案的OCT探针中的GRIN透镜的外部形状。

图4显示配置在根据本发明的另一个实施方案的OCT探针中的GRIN透镜的外部形状。

图5显示根据本发明的另一个实施方案的OCT探针的内部构造。

具体实施方式

在下文中，参考所附附图说明具有根据本发明的光学扫描探针的光学扫描***。在该实施方案中，对于光学扫描***的具体构造，给出了基于低相干干涉原理进行测量并且利用测量数据生成图像的OCT***作为实例。

图1为显示OCT***1的常规构造的框图。在图1中，分别地，电信号的路径通过双链线来表示，光纤的光学路径通过实线来表示，并且光线穿过空气或者活体组织行进的光学路径通过虚线来表示。在下面的说明中，关于在OCT***1中的光学路径，更靠近光源的一侧被定义为近端侧，更远离光源的一侧被定义为尖端侧。

如图1所示，OCT***1具有用于获得内腔T（例如消化器官或者支气管）的表层附近的图像的OCT探针10。OCT探针10经由探针扫描设备30连接至***主单元20。具体地，探针扫描设备30光学连接OCT探针10的光纤11的近端和从***主单元20的光纤干涉仪21延伸至***主单元20的外侧的探针光纤22的尖端。在图1中，为了简化示意图，通过说明OCT观测的原理所需要的最少元件来表示OCT探针10的构造。此外，为了便于说明，OCT探针10的中心轴（在设计中，其与光纤11的旋转中心轴相一致）被称为“参考轴AX”。

除了光纤干涉仪21和探针光纤22外，***主单元20还具有低相干光源23、信号处理电路24、供应光纤25、参考光纤26、透镜27、达赫镜（ダハミラー）28和控制器29。控制器29完全地执行OCT***1的各种类型的控制（例如低相干光源23的光发射控制、信号处理电路24的控制）以及用于达赫镜28和探针扫描设备30的电动机的驱动。

低相干光源23是能够发射低相干光的光源，具体来说，低相干光源23是SLD（超辐射发光二极管）。从低相干光源23发射的低相干光入射在供应光纤25的近端上。供应光纤25将入射在其上的低相干光传输至光纤干涉仪21。光纤干涉仪21利用例如光耦合器的组件将来自于供应光纤25的低相干光分成两个光学路径。分开的光学路径中的一个作为目标光穿过探针光纤22传播。分开的光学路径中的另一个作为参考光穿过参考光纤26传播。

探针扫描设备30具有联接探针光纤22的尖端和光纤11的近端的旋转接头31。径向扫描电动机32经由传动机构（未示出）连接至旋转接头31。根据径向扫描电动机32的驱动，旋转接头31使光纤11相对于探针光纤22围绕参考轴AX旋转。穿过探针光纤22传输的目标光经由旋转接头31入射在光纤11的近端上。

图2显示OCT探针10的内部构造。如图2所示，OCT探针10具有光纤11、金属箍12以及GRIN透镜13。包括光纤11、金属箍12以及GRIN透镜13的组件中的每一个具有大致上圆柱体的形状，并且容纳在形成OCT探针10的外观的管形的外护套15中。外护套15由柔性材料形成，使得OCT探针10能够被***内腔中。

光纤11沿着参考轴AX支撑在金属箍12的内部，并且利用热固性粘合剂103结合。光纤11的尖端表面设置在与金属箍12的尖端表面相同的平面上，并且光学连接且机械连接至GRIN透镜13。

入射在光纤11的近端上的目标光穿过光纤11传播，并且入射在GRIN透镜13上。GRIN透镜13的挠曲表面13R相对于参考轴AX是倾斜的，并且涂有例如铝的金属薄膜以反射目标光。

目标光入射在围绕参考轴AX与挠曲表面13R相交处的点的区域上，并且被该区域反射，同时通过具有正的光功率的GRIN透镜13从发散光束会聚成平行光束或者会聚光束。光学路径通过反射而被弯曲的目标光穿过外护套15传播，并且朝向内腔T的侧壁发射。至少一个在GRIN透镜13和外护套15之间的光学路径填充有例如硅油的流体以抑制由于折射系数的差异而产生的光量损耗。

由于GRIN透镜13具有圆柱形的形状，因此GRIN透镜13的外圆周表面作为圆柱形的表面，其中，被挠曲表面13R弯曲的目标光从GRIN透镜13的外圆周表面发射。此外，由于外护套15是管形的，外护套15的内圆周表面和外圆周表面同样也为圆柱形的表面，其中，目标光穿过外护套15的内圆周表面和外圆周表面发射。因此，产生了像散。

出于该原因，挠曲表面13R具有预定义的圆柱形形状以抵消由GRIN透镜13和外护套15的目标光传输表面引起的像散。图3（a）显示GRIN透镜13的外观的侧视图。图3（b）和图3（c）分别显示沿着由在图3（a）中箭头A和B指示的方向所视的GRIN透镜13的外观。如图3所示，挠曲表面13R在垂直于参考轴AX的方向（为了方便，被称为“矢状平面方向”）上具有曲度，挠曲表面13R通过该曲度在外表上形成为凹面形状，并且挠曲表面13R在垂直于矢状平面方向的方向（为了方便，被称为“子午平面方向”）上没有曲度。因此，矢状图像平面相对于目标光的子午图像平面的相对位置能够由挠曲表面13R的圆柱形表面的曲度来控制，并因此降低了像散。因此，通过以上述的方式设计挠曲表面13R的圆柱形表面，子午图像平面和矢状图像平面都能够被调整到GRIN透镜13自身的图像平面位置（在这种情况下，为子午图像平面位置）附近，这有利于进行设计所必须的计算，并因此在设计阶段产生了优势。

GRIN透镜13沿着金属箍12固定至光纤11。因此，随着径向扫描电动机32被启动，从光纤11到GRIN透镜13的整体构造围绕参考轴AX整体旋转。用此方法，目标光在圆周方向上扫描内腔T。

通常使用相对于可见光具有穿过活体组织传播特性的近红外光作为低相干光。目标光到达内腔T的表层附近的部分，并且被反射或者散射。然后，反射的或者散射的目标光中的一部分入射在GRIN透镜13上。入射在GRIN透镜13上的返回光经由光纤11、旋转接头31和探针光纤22返回至光纤干涉仪21。

参考光穿过参考光纤26传播，从参考光纤26的尖端发射，并且入射在透镜27上。透镜27将参考光从发散光束转换为平行光束，并且使得该平行光束从此处透出。达赫镜28反射从透镜27出现，待再次入射到透镜27上的平行光束。为了使参考光的光学路径的长度可以改变，支撑达赫镜28使之能够通过传动机构（未示出）在光轴方向（图1中的箭头的方向）上自由地移动。发送回透镜27的参考光经由参考光纤26返回至光纤干涉仪21。

在光纤干涉仪21中，利用低相干干涉原理来进行干涉信号的测量。具体地，在光纤干涉仪21中，仅当从探针光纤22返回的目标光与从参考光纤26返回的参考光的光学路径长度彼此近似相等时才能获得干涉信号。干涉信号的强度根据对应于达赫镜28的位置（参考光的光学路径长度）的内腔T的特定位置（目标光的光学路径长度）处发生的目标光的反射或者散射的角度来确定。

光纤干涉仪21将对应于目标光和参考光的干涉图样的干涉信号输出至信号处理电路24。信号处理电路24执行对于输入的干涉信号的预定处理，并且根据干涉信号的扫描位置给干涉信号分配像素地址。在内腔T的圆周方向上的扫描位置通过径向扫描电动机32的驱动量来识别，并且在内腔T的深度方向上的扫描位置通过达赫镜28的驱动电动机（未示出）的驱动量来识别。

信号处理电路24根据分配的像素地址对由干涉信号表示的点图像的空间布置构成的图像的信号进行缓冲，进入以帧为基础的帧存储器（未示出）。在预定时刻从帧存储器清除缓冲的信号，并且输出至显示设备40的信息处理终端41。信息处理终端41对输入的信号执行预定处理，并且将输入的信号转换为视频信号，并且在显示器42上显示内腔T的表层附近的图像。

在根据实施方案的OCT探针10中，通过从***中省略了微小的微棱镜，除了降低部件的数目和工时外，由于能够对比微棱镜大的GRIN透镜13应用反射表面处理，因此有助于制造。此外，由于用于目标光的传输表面的减少（惯例使用的在微棱镜和GRIN透镜之间的结合表面的减少）而抑制了目标光的光量损耗。

前文是对本发明的实施方案的说明。本发明不限于以上描述的构造，并且能够在本发明的技术概念的范围里进行变化。例如，除了TD-OCT（时域OCT）类型的OCT***外，本发明能够应用于FD-OCT（傅立叶域OCT）类型的OCT***，例如SD-OCT（谱域OCT）类型或者SS-OCT（扫描源OCT）类型。

在挠曲表面13R外侧的介质的折射系数小于GRIN透镜13的情况下（例如空气），挠曲表面13R可以是不需要用于反射的特殊处理的全反射表面。

图4（a）显示根据本发明的另一个实施方案的GRIN透镜13的外观的侧视图。图4（b）和图4（c）分别显示沿着由图4（a）中的箭头A和B指示的方向截取的GRIN透镜13的外观。如图4所示，在该实施方案中的挠曲表面13R在使得其外观为凹面形状的子午平面方向上具有曲度，并且在矢状平面方向上没有曲度。因此，子午图像平面相对于目标光的矢状图像平面的相对位置能够由圆柱形的表面的曲度来控制，并因此能够降低像散。通过以上述的方式设计挠曲表面13R的圆柱形表面，挠曲表面13R能够覆盖GRIN透镜13应当完全提供的光学功率的部分，并且GRIN透镜13的整体长度因此能够被设计的更短。由于OCT探针10的非柔性部分的长度变得更短，因此更容易将OCT探针***内腔中。

图5显示根据本发明的再一个实施方案的OCT探针10的内部构造。在图5中，对于与图2中的OCT探针10的元件相同或相似的元件，分配相同的附图标记，并且将简化或者省略对其的说明。

GRIN透镜13的重心从参考轴AX转移。因此，当径向扫描电动机32的驱动力传输到时，光纤11的尖端和GRIN透镜13产生关于参考轴AX的摆动。所以，如图5所示，在该实施方案中，重心调整构件121结合至OCT探针10中的挠曲表面13R的后部。除了重心调整构件121被结合至挠曲表面13R的后部之外，如图5所示的OCT探针10具有与如图2所示的OCT探针10相同的构造。

GRIN透镜13和重心调整构件121由相同的材料或者具有大致上相同比重的材料制成。因此，GRIN透镜13和重心调整构件121的组合重心在参考轴AX上。由于结合至光纤11的尖端的所有部件（金属箍12、GRIN透镜13以及重心调整构件121）的组合重心在光纤11的旋转中心轴上，因此光纤11的尖端部分大致在参考轴AX上平稳地旋转。因此，挠曲表面13R相对于参考轴AX的位置变得稳定，因此焦点也变得稳定。

只要GRIN透镜13和重心调整构件121的组合重心位于参考轴AX上，并且其在外护套15内的旋转运动不受阻，重心调整构件121的体积、材料和比重并不受限。

当部件在具有高粘度的流体（例如硅油）中以高速旋转时，气穴产生的溶蚀现象是所关心的问题。出于该原因，重心调整构件121的形状取决于与GRIN透镜13大致上具有相同直径的圆柱形形状，并且重心调整构件121的近端表面具有对应于挠曲表面13R的形状（挠曲表面13R转换的形状）。由于GRIN透镜13和重心调整构件121结合为同轴，两个构件的边缘（挠曲表面13R的边缘和重心调整构件121的近端表面的边缘）不在外部形状轮廓上出现。此外，重心调整构件121的尖端边缘被切成弯曲表面的形状。即是说，由于没有边缘出现在外部形状轮廓上，因此在旋转运动期间，不存在具有高流体阻力的部件，并因此能够有效地抑制气穴的产生。

由于重心调整构件121结合至GRIN棱镜13，因此重心调整构件121还具有保护挠曲表面13R的功能。

Claims

1.一种光学扫描探针，包括：

柔性管；

光纤，用于传输扫描光的所述光纤支撑在所述柔性管中，以能够围绕所述光纤的轴自由地旋转；以及

物镜，所述物镜具有正的光学功率，以将从所述光纤透出的所述扫描光从发散光束转换为平行光束或者会聚光束，并且与光纤整体地旋转，

其中所述物镜具有使所述扫描光偏斜以照射目标的挠曲表面。

2.根据权利要求1所述的光学扫描探针，其中所述物镜为GRIN透镜。

3.根据权利要求2所述的光学扫描探针，其中所述挠曲表面为所述GRIN透镜的目标侧端表面的挠曲表面，所述挠曲表面形成为相对于所述轴倾斜。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的光学扫描探针，其中所述挠曲表面是圆柱形表面，在一个方向上具有预定曲度。

5.根据权利要求4所述的光学扫描探针，其中所述圆柱形表面的预定曲度被设置为纠正当所述扫描光穿过所述物镜和所述柔性管传输时引起的像散的值。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的光学扫描探针，其中所述挠曲表面为配置有反射所述扫描光的涂层的反射表面，或者完全反射所述扫描光的全反射表面。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的光学扫描探针，进一步包括重心调整构件，所述重心调整构件结合至所述挠曲表面，并使得所述物镜和所述重心调整构件的组合重心位于所述光纤的轴上。