CN101861515B - 模块化的成像设备、所述设备的模块和由所述设备实现的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像设备，包括：照明模块(1)，包括用于发射至少一条激发光束的装置；扫描和注入模块(2)，包括图像传导器(3)和扫描和注入装置(6)，图像传导器(3)的两个端部，分别为近端(3a)和远端(3b)，由多条光纤连接，使扫描和注入装置(6)从传导器的近端(3a)交替注入至少一条激发光束到图像传导器(3)的光纤内；检测模块(4)，包括用于检测在传导器的远端(3b)处收集的光通量(14)的装置。至少照明模块(1)或者检测模块(4)通过共轭光纤(5，7)与扫描和注入模块(2)光学共轭。使用共轭光纤(5，7)使得可能改进设备的维护、维修和升级，并且还可以使得可能执行激发光束的模式滤波和确保设备的共聚焦。

Description

模块化的成像设备、所述设备的模块和由所述设备实现的方法
技术领域
本发明涉及用于通过一捆光纤的近端扫描来成像的设备。本发明还涉及这个设备的模块和由这个设备实现的方法。
本发明的领域具体地是内窥镜检查和纤维状共聚焦显微镜的领域。
现有技术
存在公知的文献WO 06000704A1，该文献描述用于通过一捆光纤的近端扫描来进行荧光显微镜成像的系统。
这种系统包括发射激发光束的激光器和引导激发光束到扫描装置的二向色滤光器、分束器和透镜的阵列，它们从图像传导器的近端交替注入激发光束到该图像传导器的光纤内。传导器将激发光束传导到该传导器的远端，传导器的远端被放置为与样品接触或者接近样品。响应于激发光束，样品发出由传导器的远端收集的发光响应通量。所收集的通量沿传导器传导，然后通过扫描和注入装置以及二向色滤光器、分束器和透镜的阵列到达检测器。在检测器前面的滤波孔使得可能拒绝可能已经耦合到与传输激发光束的光纤邻近的传导器的光纤内的光。因而，在检测器内，仅对沿传输激发光束的光纤传导的部分所收集的通量进行成像。
滤波孔相对于在传导器的近端上的传导器的光纤位置的光学对准是至关重要的，因为滤波孔的光学对准保证系统的共聚焦。这种对准实现起来复杂，因为传导器的光纤的典型直径是几个微米。这种对准具体地依赖于位于滤波孔和图像传导器之间的所有光学组件。
系统的某些光学组件的技术特性强烈依赖于使用的激发光束的波长，特别是二向色滤光器的特性。这个系统存在的第一个问题是，难以访问激光源和二向色滤光器以便改变激发光束的波长，并且通常优选的是完全替换系统。
这种系统的第二个问题是，在不必将整个系统重新对准的条件下，几乎不可能替换或重新配置系统的光学组件、或者向系统添加新的光学组件。特别地，如果没有重新对准系统，系统面临丢失共聚焦的风险。
本发明的目标是提出可能解决上述的所有或一些问题的设备和由这种设备实现的方法。
发明内容
用成像设备实现上述目标，该成像设备包括：
-照明模块，包括用于发射至少一条激发光束的装置；
-扫描和注入模块，包括图像传导器和扫描和注入装置，所述图像传导器的两个端部，分别为近端和远端，由多条光纤连接，并且所述扫描和注入装置交替地从所述传导器的所述近端将所述至少一条激发光束注入到所述图像传导器的光纤内；
-检测模块，包括用于检测在所述传导器的所述远端收集的光通量的装置；
至少所述照明模块或者所述检测模块通过共轭光纤与所述扫描和注入模块光学共轭。
在本文中，当至少一个光学通量、信号或光束可以从一个对象传导另一个对象时，就说两个对象是光学连接的或者光学共轭的。这些对象其中之一可以由例如根据本发明的所述设备的所述模块其中之一或者光纤其中之一组成。
在本文中，当两个对象通过主光学元件(这个主元件通常包括光纤)光学共轭时，可能有使对象与所述主光学元件共轭的其它的中间光学元件。所述共轭光纤可以包括照明光纤、检测光纤或分离光纤，下面将描述所有这些光纤。
对于所述扫描和注入装置的给定位置，所述共轭光纤可以与所述传导器的单条光纤光学共轭。
根据本发明的所述设备可以包括用于通过所述共轭光纤断开并且重新连接所述共轭的装置，例如连接器。
所述照明模块可以通过照明光纤与所述扫描和注入模块光学共轭。可以使所述照明光纤执行所述至少一条激发光束的模式滤波，并且所述照明光纤优选地是单模光纤。所述发射装置可以包括几个源，每个源发射激发光束，并且所述照明模块可以包括用于在所述照明光纤中复用所述激发光束的装置。每个源可以通过源光纤与所述复用装置光学共轭，并且所述复用装置可以包括：例如熔合源光纤的纤芯的光纤复用器，或者例如包括声光复用系统的非光纤复用装置，或者相阵列型复用器。优选地，所述照明光纤交替与通过所述扫描和注入装置将所述至少一条激发光束注入到其中的、所述传导器的单条光纤光学共轭。
同样地，所述检测模块可以通过检测光纤与所述扫描和注入模块光学共轭。可以使所述扫描和注入装置传导所收集的光通量到所述检测模块内。可以使所述检测光纤执行所收集的光通量的空间滤波。对于所述扫描和注入装置的给定位置，所述检测光纤可以与所述扫描和注入装置将所述至少一条激发光束注入到其中的、所述传导器的光纤光学共轭，并且可以使所述扫描和注入装置拒绝来自于所述传导器的其它光纤的光。所述检测光纤优选地是多模光纤。优选地，可以使所述检测光纤与所述扫描和注入装置交替地将所述至少一条激发光束注入到其中的、所述传导器的单条光纤交替光学共轭。
一般地说，所述检测模块可以包括用于对所收集光通量进行波长解复用的装置。所述检测装置可以包括几个检测器，使每个检测器检测所解复用的通量的给定波段。
可以使所述扫描和注入装置将在所述传导器的所述远端收集的光通量传导到所述检测模块，并且根据传统的所述设备可以包括分离装置，可以使所述分离装置引导所述至少一条激发光束到所述扫描和检测装置，并且引导来自于所述扫描和注入装置的所收集的光通量到所述检测模块。所述分离装置可以包括二向色滤光器，优选地为多频带滤波器。所述分离装置还可以包括分束立方体，例如优选地偏振立方体，在这种情况下优选地提供所述照明模块和所述检测模块，特别地用于样品的反射成像。在变形中，所述分离装置是部分的所述扫描和i注入模块。在另一个变形中，所述分离装置是部分的分离模块，所述检测模块和所述照明模块通过所述分离模块和分离光纤与所述扫描和注入模块光学共轭，该分离光纤使所述分离模块与所述扫描和注入模块共轭，而照明或检测光纤可以使所述照明或检测模块分别与所述分离模块共轭。在一个实施方式中，所述分离光纤可以包括单独的单模或多模光纤，依赖于目标是否要分别优化所述激发光束或所收集的通量的品质。在另一个实施方式中，所述分离光纤可以包括两芯光纤，两芯光纤包括两个基本上同轴的纤芯，所述两个纤芯中的第一个具有比所述两个纤芯中的第二个更小的直径，所述纤芯中的每一个是单模或多模的。优选地，所述第一纤芯是单模的并且被用于传输所述至少一条激发光束，并且所述第二纤芯是多模的并且被用于传输所收集的光通量。
根据本发明的另一方面，对于根据本发明的设备提出扫描和注入模块，所述模块包括：
-图像传导器，包括由多条光纤连接的两个端部，分别为近端和远端；
-共轭装置，被提供用于使所述扫描和注入模块与照明模块光学共轭并且与检测模块光学共轭，所述照明模块包括用于发射至少一条激发光束的装置，所述检测模块包括用于检测在所述传导器的远端处收集的光通量的装置；
-扫描和注入装置，被用于从所述传导器的近端交替地注入所述至少一条激发光束到所述图像传导器的光纤内，
配置所述共轭装置，使得至少所述照明模块或者所述检测模块通过共轭光纤与所述扫描和注入模块光学共轭。
可以配置所述共轭装置，使得对于所述扫描和注入装置的给定位置，所述共轭光纤与所述传导器的单条光纤光学共轭。
在变形中，所述共轭光纤可以与所述模块是整体的。因而，所述共轭装置包括所述共轭光纤。
在另一变形中，所述共轭装置可以包括这样的装置，例如连接器，其用于从所述扫描和注入模块断开所述共轭光纤和重新连接所述共轭光纤到所述扫描和注入模块上。
所述共轭装置可以包括用于通过照明光纤使所述扫描和注入模块与所述照明模块光学共轭的装置，并且可以配置这些共轭装置，使得对于所述扫描和注入装置的给定位置，所述照明光纤与所述扫描和注入装置将所述至少一条激发光束注入其中的、所述传导器的光纤光学共轭，并且所述照明光纤不与所述图像传导器的其它光纤光学共轭。
此外，所述共轭装置可以包括用于通过检测光纤使所述扫描和注入模块与所述检测模块光学共轭的装置，可以使所述扫描和注入装置传导所收集的光通量到所述检测模块，并且可以配置这些共轭装置，使得对于所述扫描和注入装置的给定位置，所述检测光纤与所述扫描和注入装置将所述至少一条激发光束注入其中的、所述传导器的光纤光学共轭，并且所述检测光纤不与所述图像传导器的其它光纤光学共轭。
根据本发明的另一方面，提出了在根据本发明的所述设备中实现的成像方法，并且包括：
-通过照明模块发射至少一条激发光束；
-通过扫描和注入模块从图像传导器的近端将所述至少一条激发光束交替地注入到所述图像传导器的光纤内，所述图像传导器包括由多条光纤连接的两个端部，分别为所述近端和远端；
-通过检测模块检测在所述传导器的所述远端处收集的光通量；和
-通过共轭光纤使所述照明模块和/或所述检测模块与所述扫描和注入模块光学共轭。
在本文中，用于两个对象的光学连接或共轭的步骤包括从一个对象传导至少一个光通量、信号或光束到另一个对象。这些对象其中之一可以由例如根据本发明的所述设备的所述模块其中之一或者所述光纤其中之一组成。
与所述扫描和注入模块的光学共轭可以包括所述共轭光纤与所述传导器的单条光纤的光学共轭。
与所述扫描和注入模块的光学共轭可以包括沿照明光纤从所述照明模块传导所述至少一条激发光束到所述扫描和注入模块。根据本发明的所述方法可以包括通过所述照明光纤的所述至少一条激发光束的模式滤波。根据本发明的方法还可以包括在所述照明光纤中的几条激发光束的空间叠加或者复用。
与所述扫描和注入模块的光学共轭可以包括沿检测光纤从所述扫描和注入模块传导所收集的通量到所述检测模块。根据本发明的所述方法可以包括所收集的通量通过所述检测光纤的空间滤波，使得所述检测光纤与将所述至少一条激发光束交替注入其中的、所述传导器的光纤交替光学共轭。
根据本发明的所述方法还可以包括所收集的光通量通过所述检测模块的波长解复用。
根据本发明的所述方法还可以包括：通过所述扫描和注入装置传导所收集的光通量到所述检测模块；通过分离装置传导所述至少一条激发光束到所述扫描和注入装置；和通过所述分离装置传导来自于所述是扫描和注入装置的所收集的光通量到所述检测模块。
图像传导器的光纤之间的耦合意指在所述传导器的第一光纤和邻接所述第一光纤的所述传导器的第二光纤之间沿传导器的光传输。一般来说，在所述图像传导器的光纤之间的任何连接效果(特别是当所述共轭光纤被认为是与所述传导器的单条光纤光学共轭时)，已经从本发明的说明书中被省略掉；不考虑在这个单条光纤和邻近这个单条光纤的所述传导器的光纤之间的连接。优选地，配置根据本发明的设备、方法或模块的图像传导器，使得没有在这个传导器的光纤之间的可见的连接。
附图说明
通过阅读非限定实施方式和实现的具体描述和附图，本发明的其它特征和优势将显现，其中：
-图1是根据本发明的设备的示意图；
-图2是根据本发明的设备的第一实施方式的更详细视图；
-图3是根据本发明的设备的第二优选实施方式的视图；
-图4是根据本发明的设备的第三实施方式的视图；
-图5是根据本发明的设备的第四实施方式的视图；和
-图6是根据本发明的设备的第五实施方式的视图。
我们将首先参照图1描述根据本发明的设备，根据本发明的设备的特征对下面将描述的和实现根据本发明的方法的多个实施方式是共同的。
该设备包括照明模块1、扫描和注入模块2和检测模块4。典型地，传导器包括几千条光纤，每条光纤具有几个微米的直径。
照明模块1包括用于发射至少一条激发光束的装置，并且照明模块1通过照明光纤5与扫描和注入模块2光学共轭。当照明模块1发射至少一条激发光束时，该激发光束沿照明光纤5传导到扫描和注入模块2。
扫描和注入模块包括图像传导器3，图像传导器3包括由多条多模光纤连接的两个端部，分别为近端3a和远端3b。扫描和注入模块2还包括装置6，装置6用于从传导器的近端3a将至少一条激发光束交替地扫描和注入到图像传导器3的光纤内。在本文中，“扫描和注入装置的位置”意指扫描和注入装置6的状态，其中使这些装置注入至少一条激发光束到传导器3的给定光纤内，扫描和注入装置连续呈几个位置以便周期性地扫描传导器的所有光纤。然后上述至少一条激发光束被传导通过传导器的这条光纤到传导器3的远端3b。远端3b被设置为放置在样品内或与样品接触并且收集样品发出的光通量。所收集的通量可以例如包括反射信号和/或荧光信号，反射信号和/或荧光信号分别由样品响应于该样品已经接收的至少一条激发光束、通过反射和/或通过荧光发出。反射意味着通过散射或通过反向散射的发光。传导器3因而典型地形成内窥镜探针，该内窥镜探针的远端3b可以或可以不装备有光学头。
扫描和注入模块2通过检测光纤7与检测模块4光学共轭。由远端3b收集的光通量被传导到近端3a，然后被传导到检测光纤7的输入端。所收集的光通量然后沿检测光纤7传导到检测模块4。
检测模块4包括用于检测在远端3b处收集的光通量的装置。
使模块1、2和4共轭的照明光纤5和检测光纤7的第一功能是用作在这些模块之间的桥接，并且因而通过使设备的主要内部功能(即，照明功能、扫描和注入功能和检测功能)中的每一个与模块1、2和4其中之一关联来使这些内部功能分离。因而，这些分离功能更易于维修。光纤5、7的使用使访问设备的组件变得容易，例如为了替换在模块1、2和4其中之一内部的光学组件或者使在模块其中之一内部的光学组件互相对准，因而不会冒着使整个设备失去光学对准的危险。
此外，光纤5、7的末端可移除地连接到连接器，使得可以断开连接或者重新连接通过照明光纤5在照明模块1和扫描和注入模块2之间的共轭以及通过检测光纤7在检测模块4和扫描和注入模块2之间的共轭。因而根据本发明的设备的多个模块1、2和4可以与设备的其余的部分分离。这使得更容易替换分离的功能。因而可以快速替换模块1、2和4中任何一个，而不必替换整个设备，这是成本优势，并且不必使模块互相光学地重新对准。
模块1、2和4之间的光纤共轭5、7也使得可能向根据本发明的设备添加其它模块，或者更一般地不必在整体上替换设备而对设备进行升级。例如，可能用一系列光学组件替换照明光纤5，该一系列光学组件通过一条光纤与照明模块1光学共轭并且通过另一条光纤与扫描和注入模块2光学共轭，或者可能用一系列光学组件替换检测光纤7，该一系列光学组件通过一条光纤与检测模块4光学共轭并且通过另一条光纤与扫描和注入模块2光学共轭。
因而，以与分离的功能关联的并且通过光纤光学共轭的模块形式的结构使得可能降低根据本发明的设备的成本和交付时间并且改善根据本发明的设备的维护、维修和升级。
此外，照明光纤5是单模光纤，优选地高斯光纤，选择单模光纤5的模式以便有效地激发传导器3的一个或多个模式。因而，光纤5给予至少一条激发光束较高的单模高斯质量。此外，因为提供了关于到传导器内的注入的PSF(“点扩散函数”)以便正确地对应于传导器的光纤的基本模式，所以至少一条激发光束到图像传导器3内的注入率是最佳的。因而，照明光纤的另一功能是至少一条激发光束的模式滤波。
最后，对于扫描和注入装置的给定位置，使照明光纤5与传导器3的单条光纤光学共轭，更具体地与这样的传导器的光纤共轭，即，使扫描和注入装置注入至少一条激发光束到该传导器的光纤内。对于扫描和注入装置6的给定位置，由照明光纤5传送的至少一条激发光仅被注入到传导器的一条光纤内。特别地，照明光纤5的直径和朝向扫描和注入模块2的照明光纤5的末端位置依赖于传导器3的光纤的直径、传导器的近端3a的位置以及布置在照明光纤5和扫描和注入装置6之间的光学组件的特性。
检测光纤7是多模光纤。本质上，远端3b收集的光通量(例如通过反射或通过荧光发射的)通常激发传导器光纤的多种模式。因而，检测光纤7以几乎没有信号损失地传输由传导器3收集的光通量。因而，检测光纤7的另一项功能是不对由传导器3收集的通量执行任何模式滤波。
此外，对于扫描和注入装置的给定位置，使检测光纤7与传导器3的单条光纤光学共轭。换句话说，对于扫描和注入装置6的给定位置，检测光纤7将已经沿传导器3的这个单条光纤传导的在远端3b处收集的仅部分光通量传输到检测模块。检测光纤7使得可能拒绝已经沿传导器的其它光纤传导的部分的所收集的通量。如同照明光纤5一样，必须相应地调整朝向扫描和注入模块的检测光纤7的末端的位置和直径。优选地，对于扫描和注入模块的给定位置，检测光纤与这样的传导器的光纤光学共轭，即，扫描和注入装置注入至少一条激发光束到该传导器的光纤内。对于扫描和注入装置的给定位置，检测光纤7因此使得可能拒绝已经沿着除了传导激发光束的那条光纤以外的光纤传导的所收集的部分通量。因而，检测光纤7起过滤孔的作用。因此检测光纤7具有对在远端3b处收集的通量进行空间滤波的功能。检测光纤7使得可能选择已经用于照明(即，用于传输至少一条激发光束)的传导器3的光纤，因而能够使根据本发明的设备保持其共聚焦。这个共聚焦最初由于样品的一个点仅与传导激发样品上的这个点的激发光的传导器的光纤光学共轭。
使扫描和注入装置6交替注入至少一条激发光束到图像传导器3的光纤内，以这种方式周期性地扫描传导器的所有光纤。通过交替注入激发光束到传导器3的光纤内，检测模块4的检测装置交替检测由远端3b收集的和沿传导器的这条光纤传导的光通量，这个光通量来自于样品的源点。当扫描和注入装置已经扫描了传导器的所有光纤时，检测装置已经扫描样品的一组源点，即样品的整个视野。检测装置连接到构建装置，该构建装置用于根据视野的这种扫描构建样品图像。构建装置可以构建样品的反射或荧光图像，依赖于所收集的光通量的信号的本质。检测装置还连接到用于显示所构建的图像的装置。视野的大小依赖于在图像传导器中的光纤数量，依赖于这些光纤的直径，并且可能依赖于在传导器的远端上布置的光学头的特性(如果这个光学头存在的话)。典型地，传导器包括具有几个微米直径的几千条光纤。视野因此典型地每一侧测量从一微米到几百微米。根据本发明的设备因此特别适合于纤维共焦荧光和/或反射显微镜。
我们现在将参照图2描述特别地适用于荧光检测、量化或成像的根据本发明的设备101的第一实施方式。因为这个实施方式具有刚刚参照图1描述的设备的全部特性，所以将不再描述标号1到7
照明模块1的发射装置包括几个激发源8、9和10。这些激发源是激光源，每个激光源发射具有与其它激发光束不同的波长或波段的激发光束。设备101还包括复用装置，用于复用在照明光纤5内部的源8、9和10。因而，照明光纤5使可能在扫描和注入模块2的输入端处空间叠加所有激发光束11。
每个源8、9和10通过各自的源光纤108、109和110与复用器12光学共轭，源光纤108、109和110传输由所述源发射的激发光束。复用器12是这样的光纤复用器，该光纤复用器源将光纤108到110的纤芯熔合到单条光纤内，照明光纤5是该单条光纤的延伸。在扫描和注入模块2的输入端，光学系统13校准激发光束11。
由于与照明光纤5相同的原因，源光纤108到110是单模光纤。因而，光纤108到110给予每条激发光束高单模高斯量并且提供每条激发光束到图像传导器3内的最佳注入率。因此每条源光纤允许激发光束的模式滤波。
照明模块1包括包装，在包装内对源8到19、源光纤108到110和复用器12进行了分组。照明光纤5可以通过连接器与照明模块1的包装断开连接和重新连接到照明模块1的包装。同样地，源光纤108到110可以与各自的源8到10断开连接和重新连接到各自的源8到10，使得可能替换这个源并且因而改变由这个源发射的激发光束的波长或波段。
检测模块4包括波长解复用装置，用于对在传导器3的远端处收集的光通量14波长解复用。解复用装置15包括几个二向色滤光器16a、16b。每个二向色滤光器16a或16b将通量14的不同波长返回到检测器17或18。因而，使每个检测器17或18检测通量14的不同波段并且使得可能通过荧光信号对样品成像，荧光信号的波长包含在这个波段内并且由远端3b收集。
检测装置包括每个源8到10并且因而每个激发光束波段的至少一个检测器17或18。每个检测器17或18与激发光束关联。本质上，每个检测器17或18的波段优选地对应于以与所述检测器关联的激发光束的波长或波段激发的荧光团的发射谱带。在图2中示出的实施例中，设备101包括三个源8到10和四个检测器17和18，因为通量14的几个波段可以连接到相同的激发光束波长或波段，所以可以调整所述激发光束以便激发几个荧光团。
每个二向色滤光器16a或16b与解复用光纤117或118关联，使解复用光纤117或118将由这个二向色滤光器返回的波段传导到检测器17和18。由于与检测光纤7相同的原因，解复用光纤是多模光纤。为了光度测定原因，对于与在将每条解复用光纤与检测光纤7光学连接的光学组件阵列中的等于一的光学放大，每一条解复用光纤具有大于或者等于检测光纤7直径的直径(优选大于)，这允许更好的光学对准公差，还使得可能收集最大的通量，即限制光度测定损失。如果光学放大不等于一，那么每条解复用光纤具有大于或者等于通过这个光学放大调整的检测光纤7直径的直径(优选大于)。
检测光纤7可以通过连接器连接到检测模块4和与检测模块4断开。同样地，检测模块包括用于断开连接和重新连接每条复用光纤117、118的装置，因而使得可能容易地替换检测器17和18。
扫描和注入模块2包括壳体，在壳体中分组了多个光学系统13和19、扫描和注入装置6和分离装置，该分离装置用于从所收集的通量14的光路中分离激发光束11的光路。图像传导器3可以与扫描和注入模块2的壳体断开，从而使得可能改变连接到扫描和注入模块2的壳体的传导器3的类型。在传导器3的多种类型之中是：例如，传导器，其光纤是单模的；传导器，其光纤是多模的；传导器，在其远端具有光学头；传导器，在其远端没有光学头；传导器，具有给定数量的光纤；传导器，具有给定的光纤直径；或者传导器，在其近端和其远端之间具有给定长度。
分离装置包括二向色滤光器20。滤光器20是多频带滤波器，意味着它能反射几个不同的波段并且能透射几个其它波段。在图2中示出的实施例中，滤光器20反射与激发光束11的波长对应的波段，并且透射与所收集的通量14的波长对应并且与由二向色滤光器16a、16b反射的和由检测器17和18检测的波段对应的波段。假若照明光纤5和照明模块1的位置与检测光纤7和检测模块4的位置交换并且颠倒光学系统13和19，则还可能实施带有滤光器20的设备101，滤光器20反射与所收集的通量14的波长对应并且与由二向色滤光器16a、16b反射的和由检测器17和18检测的波段对应的波段，并且透射与激发光束的波长对应的波段。
沿着照明光纤5传导的和由光学系统13校准的照明激发光束11由分离装置引导到扫描和注入装置6。扫描和注入装置6包括两个移动的镜子6a和光学系统6b，两个移动的镜子6a允许在传导器的近端的输入端表面的平面内的二维扫描。移动镜子6a交替地将激发光束注入到图像传导器的光纤内。在进入传导器3之前，激发光束穿过光学系统6b，光学系统6b将激发光束聚焦到传导器3的近端上。
在相反方向上，所收集的通量14由光学系统6b校准，然后由移动镜子6a引导到检测模块4。在移动镜子6a和检测模块4之间，所收集的通量14穿过分离装置，在检测光纤7的输入端处由光学系统19聚焦，然后沿检测光纤7传导到检测模块4。
照明光纤5可以通过连接器与扫描和注入模块2的壳体断开连接和重新连接到扫描和注入模块2的壳体。同样地，检测光纤7可以通过连接器与扫描和注入模块2的壳体断开连接和重新连接到扫描和注入模块2的壳体。
设备101存在的一个问题是，位于扫描和注入模块2的壳体内部的二向色滤光器20的光谱特性(特别是二向色滤光器20必须能够透射或反射的波段)依赖于激发光束的波长和所收集的通量的波长。激发光束其中之一的波长上的变化使得必须改变多频带滤波器20，然而后者在扫描和注入模块内部在指定、生产和光学对准方面是复杂的。
我们现在将参考图3描述使得可能解决这个问题的根据本发明的设备102的第二实施方式。设备102是实现根据本发明的方法的优选实施方式的根据本发明的设备的优选实施方式。仅关于设备102与参考图2描述的设备101的差别对设备102进行描述。特别地，将不再描述标号1到19、108到110、117和118。特别地，设备102使得可能检测在传导器的远端处收集的荧光或反射信号，并且使得可能量化这些信号和/或通过荧光和反射根据这些信号构建样品图像。
在设备102中，扫描和注入模块2的分离装置存在于偏振立方体21内，偏振立方体21替换多频带二向色滤光器。偏振立方体21反射具有第一偏振的光束，透射具有与第一偏振正交的偏振的光束。所有的激发光束11具有相同的偏振。激发光束的寄生反射(例如在扫描和注入装置6或者传导器3的水平处)已经保持与激发光束相同的偏振。另一方面，来自于传导器3的末端部分所收集的通量14已经失去激发光束的偏振态，并且因此包括随着时间过去具有一个或多个随机偏振的信号。使偏振立方体21引导激发光束11到扫描和注入装置6，并且引导所收集的光通量14到检测模块4。在图3的实施例中，立方体21反射激发光束11和寄生反射，并且透射至少部分所收集的通量14。假若照明光纤5和照明模块1的位置与检测光纤7和检测模块4的位置交换，还可能实施带有立方体21的设备102，立方体21反射至少部分所收集的通量14并且透射激发光束。因而，立方体21使得可能根据来自于传导器3的末端部分的所收集的通量14，分离激发光束和已经保持激发光束的偏振的寄生反射。
实施检测模块4的滤波器16a其中之一，以便引导所收集的通量14的波段到检测器18，所收集的通量14的波段包括激光源8其中之一的波长或波段。因而，检测器18和激光源8可以用于位于传导器的远端的样品的反射成像。因为立方体21拒绝寄生反射的事实，这仅是可能的。如在第一实施方式中那样，检测模块4的其它滤波器16b和关联的检测器17使得可能量化来自于样品的荧光信号或者执行样品的荧光成像。
立方体21的使用相对于根据本发明的设备的第一实施方式具有一项劣势。本质上，立方体21的使用导致所收集的通量14的强度上的损失，特别是荧光信号的强度上的损失。本质上，尽管由于激发光束11的偏振，立方体引导激发光束11的所有强度到扫描和注入装置6，但是因为所收集的通量14不是仅具有一个偏振，所以立方体21部分反射和部分透射所收集的通量14。因此所收集的通量14仅部分地被引导到检测模块4。典型地，损失了引导到检测模块4的所收集的通量14的强度的50％。因而，设备102的灵敏度降低。
此外，为了不损失指向扫描和注入装置的激发光束11的强度，传导激发光束11到扫描和注入装置6的所有光纤(即，源光纤108到110和照明光纤5)是保偏光纤，导致额外的生产成本和特别调整。
我们现在将参考图4描述根据本发明的设备103的第三实施方式。将仅关于设备103与参考图2描述的设备101的差异对设备103进行描述。特别地，将不再描述标号1到20、108到110、117和118。特别地，设备102使得可能检测在传导器的远端处收集的荧光信号和/或反射信号，并且使得可能量化这些信号和根据这些信号通过荧光和通过反射构建样品的图像。
设备103还包括第二照明模块201和第二检测模块204。第二照明模块201与照明模块1的区别在于第二照明模块201仅包括一个发射激发光束的源，并且不包括复用装置。第二检测模块204与检测模块4的区别在于第二检测模块204仅包括一个检测器，没有滤波器并且没有解复用装置。
第二照明模块201和检测模块204以与在图3中示出的第二实施方式102的照明模块和检测模块相同的方式与扫描和注入装置6光学共轭。本质上，第二照明模块201通过保偏的第二单模照明光纤205与扫描和注入模块2光学共轭，第二检测模块204通过第二多模检测光纤207与扫描和注入模块2光学共轭，并且扫描和注入模块2包括已经参考图3描述的偏振立方体21。立方体21引导来自于第二照明模块201的部分激发光束到扫描和注入装置6并且引导部分所收集的光通量14到第二检测模块204。
二向色滤光器20和偏振立方体21通过相同的分束器22与扫描和注入装置6光学共轭。分束器22引导来自于第一或第二照明模块的激发光束到扫描和注入装置6。分束器22还引导所收集的通量部分到第一检测模块4，部分到第二检测模块204。引导到第一检测模块4的部分通量14包括由滤波器16a、16b引导到检测器17、18的通量14的波段。引导到第二检测模块204的部分通量14包括由第二照明模块201发射的激发光束的波长或波段，使得第二检测模块204的检测器在所收集的通量14内检测由样品响应于来自于第二照明模块20的照明光束发射的反射信号。因而，第二检测模块204使得可能执行样品的反射成像。本质上，来自于第二照明模块201的激发光束的寄生反射确实发生(特别地在扫描和注入装置中)，但是偏振立方体21拒绝这些寄生反射。因此设备103使得可能同时地使用纤维状共聚焦显微镜通过第二照明模块和第二检测模块执行位于接近或者接触导向器3的远端处的样品的反射成像(并且因此执行形态成像)，以及通过第一照明模块和第一检测模块执行位于接近或者接触导向器3的远端处的样品的荧光成像(并且因此执行功能成像)。
在第一变形中，在扫描和注入装置6的多个连续位置的过程中，扫描和注入装置6交替地使第一照明光纤5、第一检测光纤7、第二照明光纤205和第二检测光纤207与图像传导器3的单条光纤光学共轭，以便周期性地扫描传导器的所有光纤：
-对于扫描和注入装置的给定位置(即，在给定时刻)，使第一照明光纤5与传导器3的第一单条光纤光学共轭；
-对于扫描和注入装置的这个相同的给定位置，使第一检测光纤7与传导器3的这个第一单条光纤光学共轭；
-对于扫描和注入装置的这个相同的给定位置，使第二照明光纤205与传导器3的这个第一单条光纤光学共轭；和
-对于扫描和注入装置的这个相同的给定位置，使第二检测光纤207与传导器3的这个第一单条光纤光学共轭。
这个第一变形使得可能简化反射和荧光图像的构建。
在第二变形中，在扫描和注入装置6的多个连续位置的过程中，使扫描和注入装置6交替地使第一照明光纤5和第一检测光纤7与图像传导器的单条光纤光学共轭，以便周期性地扫描传导器的所有光纤，并且交替地使第二照明光纤205和第二检测光纤207与图像传导器3的另一单条光纤光学共轭，以便周期性地扫描传导器的所有光纤：
-对于扫描和注入装置的给定位置(即，在给定时刻)，使第一照明光纤5与传导器3的第一单条光纤光学共轭；
-对于扫描和注入装置的这个相同的给定位置，使第一检测光纤7与传导器3的这个第一单条光纤光学共轭；
-对于扫描和注入装置的这个相同的给定位置，使第二照明光纤205与传导器3的第二单条光纤光学共轭，第二单条光纤优选地邻近第一单条光纤；和
-对于扫描和注入装置的这个相同的给定位置，使第二检测光纤207与传导器3的这个第二单条光纤光学共轭。
这个第二变形使得可能进一步降低反射信号和荧光信号之间的寄生反射，但是需要构建的反射图像和荧光图像的时间配准。
我们现在将参考图5描述根据本发明的设备104的第四实施方式，具体地适用于样品的荧光检测、量化或者成像。仅关于设备104与参考图2描述的设备101的差异对设备104进行描述。特别地，将不再描述标号1到20、108到110、117和118。
与参考图2描述的第一实施方式101不同，用于将激发光束11的光路从所收集的通量14的光路分离的装置20、以及光学系统13和19布置在扫描和注入模块2的外面。因而，扫描和注入模块完全独立于激发光束11和所收集的通量14的波长。
实际上，设备104包括分离模块23。分离模块23包括壳体，在壳体内部分组了光学系统13和19、另一光学系统24和二向色滤光器20。
照明光纤5通过连接器不仅可以与扫描和注入模块的壳体断开连接和重新连接，而且还可以与分离模块23的壳体断开连接和重新连接。同样地，检测光纤7通过连接器不仅可以与扫描和注入模块的壳体断开连接和重新连接，而且可以与分离模块23的壳体断开连接和重新连接。分离模块23和扫描和注入模块2通过两芯光纤25光学共轭。
两芯光纤25包括两条基本上同轴的纤芯，第一纤芯是单模的并且被用于传输激发光束11，第二纤芯是多模的并且被用于传输所收集的通量14。两芯光纤25的末端之一可以通过连接器与分离模块23的壳体断开连接和重新连接到分离模块23的壳体，并且两芯光纤25的第二末端可以通过连接器与扫描和注入模块2的壳体断开连接和重新连接到扫描和注入模块2的壳体。
如在第一实施方式中那样，照明光纤5传导照明激发光束11。光学系统13校准由照明光纤5传导的激发光束。二向色滤光器20引导所校准的激发光束11到扫描和注入装置6，并引导所收集的通量14到检测模块4。
与在第一实施方式中不同，二向色滤光器20引导激发光束11到光学系统24和两芯光纤25。光学系统24聚焦激发光束11到两芯光纤25的输入端，朝向扫描和注入模块2。两芯光纤25沿其第一纤芯将激发光束11传导到扫描和注入模块2。此外，两芯光纤沿其第二纤芯传导所收集的通量14到分离模块23。光学系统24校准所收集的通量14，并且二向色滤光器20引导所收集的和校准的通量14到检测光纤7。光学系统19聚焦由滤波器20反射的所收集的通量14到检测光纤7的输入端，朝向检测模块4。
扫描和注入模块2还包括光学系统26，光学系统26校准来自于分离模块23并且指向扫描和注入装置6的激发光束11，并且聚焦所收集的通量14到两芯光纤25的输入端内，朝向分离模块23。
在设备104中，照明模块1通过照明光纤5和两芯光纤25与扫描和注入模块2光学共轭。同样地，检测模块4通过检测光纤7和两芯光纤25与扫描和注入模块2光学共轭。
两芯光纤25的第一纤芯是单模高斯光纤，其给予激发光束高的单模高斯量并且提供激发光束11到图像传导器3中的最佳注入率。因而，两芯光纤具有执行激发光束的模式滤波的功能。此外，第二纤芯是多模的，由于与检测光纤7相同的原因，两芯光纤具有不对所收集的通量14执行模式滤波的功能。
最后，对于扫描和注入装置的给定位置，两芯光纤25与传导器3的单条光纤光学共轭。本质上，对于扫描和注入装置6的给定位置，由两芯光纤25传输的激发光束11仅被注入到传导器的一条光纤内，并且计算第二纤芯的直径和位置，使得第二纤芯传输已经沿传导器的这条光纤传导的所收集的光通量14。因而，两芯光纤25具有执行所收集的通量14的空间滤波的功能，并且给予设备104其共聚焦。
二向色滤光器20的技术特性依赖于激发光束11的波长和所收集的通量14的波长。激发光束的任何光束的波长中的变化需要替换多频带光纤20。可以通过用包括新二向色滤光器20的新分离模块替换分离模块23而容易地进行这个变化，不必光学重排列设备104或者设备104中的任何模块。
最后，我们将参考图6描述根据本发明的设备105的第五实施方式。仅关于设备105与参考图5描述的设备104的差异对设备105进行描述。特别地，将不再描述标号1到19、21、23到36、108到110、117和118。特别地，设备105使得可能检测在传导器的远端收集的荧光信号或反射信号，并且使得可能通过荧光或通过反射来构建样品图像。
在设备105中，已经用参考图3描述的偏振立方体21替换分离模块23的二向色滤光器20。如在根据本发明的设备的第二实施方式中描述的那样，偏振立方体21使得可能使用检测器18其中之一和激光源8其中之一用于反射成像。本质上，如参考图3和图4描述的那样，偏振立方体21拒绝来自于用于反射的激光源8的激发光束的寄生反射。为了不损失引导到扫描和注入装置的激发光束11的强度，将激发光束11传导到扫描和注入装置6的所有光纤(即，源光纤108到110、照明光纤5和两芯光纤25的第一纤芯)是保偏光纤，导致增加的生产成本。
以上描述的多个实施方式中的元件的典型尺寸是：
一检测光纤7的纤芯直径：50微米；
-解复用光纤117、118的纤芯直径：62.5微米；
-照明光纤5的纤芯直径：4微米；
-两芯光纤25的单模纤芯的直径：4微米；和
-两芯光纤25的多模纤芯的直径：10微米。
可以理解本发明没有局限于以上描述的实施例，并且在没有超出本发明的范围的条件下可以对这些实施例进行多种修改。
特别地，激发光束的源可以是多波长激光器，即，同时发射几个波长或波段的激光器。
同样地，激发光束的源可以是可调整波长的激光器、发光二极管(LED)和广谱灯或者超连续谱。
此外，复用装置可以是例如相位复用或光纤复用装置，并且可以包括例如连接件，该连接件将解复用光纤117、118的纤芯熔合在检测光纤7的纤芯内。说明书没有限于每个照明模块的源的数量和每个检测模块的检测器的数量。
根据本发明的设备可以在激发源和扫描和注入模块之间包括串连的和/或并行的几个复用器。
根据本发明，图像传导器的光纤可以是全部多模光纤或者全部单模光纤，或者可以包括多模光纤和单模光纤的混合。
最后，检测模块的二向色滤光器或分离模块的二向色滤光器至少其中之一可以是动态二向色滤光器，其中，可以动态地控制动态二向色滤光器反射或透射的波段。这种动态二向色滤光器可以例如包括声光调制器或者电光调制器，其中，施加给调制器的命令使得可能控制波段。

Claims (36)

1.成像设备(101-105)，包括：
-照明模块(1)，包括用于发射至少一条激发光束(11)的装置；
-扫描和注入模块(2)，包括：图像传导器(3)，所述图像传导器(3)的两个端部，分别为近端(3a)和远端(3b)，由多条光纤连接；
-检测模块(4)，包括用于检测在所述图像传导器的所述远端(3b)处收集的光通量(14)的装置(15-18、117和118)；
至少所述照明模块(1)或所述检测模块(4)通过共轭光纤(5，7，25)与所述扫描和注入模块(2)光学共轭，
其中，所述扫描和注入模块(2)进一步包括扫描和注入装置(6)，所述扫描和注入装置(6)允许在所述图像传导器近端的输入端表面的平面内的二维扫描，所述扫描和注入装置(6)交替地从所述图像传导器的近端(3a)将所述至少一条激发光束注入到图像传导器(3)的光纤内。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
对于所述扫描和注入装置(6)的给定位置，所述共轭光纤(5，7，25)与所述图像传导器(3)的单条光纤光学共轭。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：
所述设备包括用于通过所述共轭光纤(5，7，25)断开连接和重新连接共轭的装置。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述照明模块(1)通过照明光纤(5)与所述扫描和注入模块(2)光学共轭。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于： 
使所述照明光纤(5)执行所述至少一条激发光束的模式滤波。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：所述照明光纤(5)是单模光纤。
7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：
所述发射装置包括几个源(8-10)，每个源发射激发光束，并且
所述照明模块包括用于在所述照明光纤(5)内复用所述激发光束(11)的装置(12)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：
每个源(8-10)通过源光纤(108-110)与所述复用装置(12)光学共轭，并且
所述复用装置包括熔合所述源光纤(108-110)的纤芯的光纤复用器(12)。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述检测模块(4)通过检测光纤(7)与所述扫描和注入模块(2)光学共轭。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：
所述扫描和注入装置(6)将所收集的光通量(14)传导到所述检测模块(4)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于：
所述检测光纤(7)执行所收集的光通量(14)的空间滤波。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于：对于所述扫描和注入装置(6)的给定位置，所述检测光纤(7)与所述扫描和注入装置(6)将所述至少一条激发光束(11)注入到其中的、所述图像传导 器的光纤光学共轭，并且所述检测光纤(7)拒绝来自于所述图像传导器(3)的其它光纤的光。
13.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：
所述检测光纤(7)是多模光纤。
14.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：
所述检测模块(4)包括用于对所收集的光通量(14)进行波长解复用的装置(15)。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于：
所述检测装置(4)包括几个检测器(17，18)，每个检测器检测经解复用的光通量(14)的给定光谱带宽。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述扫描和注入装置将在所述图像传导器的所述远端收集的光通量(14)传导到所述检测模块(4)，并且
所述设备包括分离装置(20，21)，所述分离装置(20，21)将所述至少一条激发光束(11)引导到所述扫描和注入装置(6)，并且将来自于所述扫描和注入装置(6)的所收集的光通量(14)引导到所述检测模块(4)。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于：
所述分离装置包括二向色滤光器(20)。
18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于：
所述分离装置包括多频带滤波器。
19.根据权利要求16所述的设备，其特征在于：
所述分离装置包括光束分离立方体(21)。 
20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于：
所述照明模块(1)和所述检测模块被提供用于反射成像。
21.根据权利要求16所述的设备，其特征在于：
所述分离装置(20，21)是部分所述扫描和注入模块(2)。
22.根据权利要求16所述的设备，其特征在于：
所述分离装置(20，21)是部分分离模块(23)，所述检测模块(4)和所述照明模块(1)通过所述分离模块(23)和分离光纤(25)与所述扫描和注入模块(2)光学共轭，所述分离光纤(25)使所述分离模块(23)与所述扫描和注入模块(2)光学共轭。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于：
所述分离光纤(25)包括两个基本上同轴的纤芯，第一纤芯是单模的并且被用于传输所述至少一条激发光束(11)，第二纤芯是多模的并且被用于传输所收集的光通量(14)。
24.扫描和注入模块，包括：
-图像传导器(3)，包括由多条光纤连接的两个端部，分别为近端(3a)和远端(3b)；
-共轭装置，被提供用于使所述扫描和注入模块与照明模块(1)光学共轭并且与检测模块(4)光学共轭，所述照明模块(1)包括用于发射至少一条激发光束(11)的装置，所述检测模块(4)包括用于检测在所述图像传导器的所述远端(3b)处收集的光通量(14)的装置；
所述共轭装置被配置为，使得至少所述照明模块(1)或者所述检测模块(4)通过共轭光纤(5，7，25)与所述扫描和注入模块(2)光学共轭，
其中，所述扫描和注入模块进一步包括扫描和注入装置(6)，所 述扫描和注入装置(6)允许在所述图像传导器近端的输入端表面的平面内的二维扫描，所述扫描和注入装置(6)交替地从所述图像传导器的近端(3a)将所述至少一条激发光束注入到图像传导器(3)的光纤内。
25.根据权利要求24所述的扫描和注入模块，其特征在于：
配置所述共轭装置，使得对于所述扫描和注入装置的给定位置，所述共轭光纤(5，7，25)与所述图像传导器(3)的单条光纤光学共轭。
26.根据权利要求24或者25所述的扫描和注入模块，其特征在于：
所述共轭装置包括所述共轭光纤(5，7，25)，所述共轭光纤(5，7，25)与所述扫描和注入模块是整体的。
27.根据权利要求24或者25所述的扫描和注入模块，其特征在于：
所述共轭装置包括这样的装置，该装置用于使所述共轭光纤(5，7，25)与所述扫描和注入模块断开连接以及将所述共轭光纤(5，7，25)重新连接到所述扫描和注入模块上。
28.根据权利要求24所述的扫描和注入模块，其特征在于：
所述共轭装置包括用于使所述扫描和注入模块通过照明光纤(5)与所述照明模块(1)光学共轭的装置，并且
配置所述共轭装置，使得对于所述扫描和注入装置(6)的给定位置，所述照明光纤与所述扫描和注入装置将所述至少一条激发光束(11)注入其中的、所述图像传导器的光纤光学共轭。
29.根据权利要求24所述的扫描和注入模块，其特征在于：
所述共轭装置包括用于使所述扫描和注入模块通过检测光纤(7) 与所述检测模块光学共轭的装置，
所述扫描和注入装置将所收集的光通量(14)传导到所述检测模块(4)，并且
配置所述共轭装置，使得对于所述扫描和注入装置(6)的给定位置，所述检测光纤与所述扫描和注入装置将所述至少一条激发光束(11)注入其中的、所述图像传导器的光纤光学共轭。
30.成像方法，包括：
-通过照明模块(1)发射至少一条激发光束(11)；
-通过扫描和注入模块(2)从图像传导器(3)的近端(3a)将所述至少一条激发光束(11)交替地注入到所述图像传导器(3)的光纤内，所述图像传导器(3)包括由多条光纤连接的两个端部，分别为所述近端(3a)和远端(3b)；
-通过检测模块(4)检测在所述图像传导器的所述远端(3b)处收集的光通量(14)；和
-通过共轭光纤(5，7，25)使所述照明模块(1)和/或所述检测模块(4)与所述扫描和注入模块(2)光学共轭，
其特征在于，所述成像方法包括在所述图像传导器近端的输入端表面的平面内，通过所述扫描和注入模块(2)执行二维扫描，交替地从所述图像传导器的近端(3a)将所述至少一条激发光束注入到图像传导器(3)的光纤内。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：
与所述扫描和注入模块(2)的光学共轭包括所述共轭光纤(5，7，25)与所述图像传导器(3)的单条光纤的光学共轭。
32.根据权利要求30或者31所述的方法，其特征在于：
与所述扫描和注入模块的光学共轭包括沿照明光纤(5)将所述至少一条激发光束(11)从所述照明模块(1)传导到所述扫描和注入模块(2)。 
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于：
所述方法包括通过所述照明光纤(5)对所述至少一条激发光束(11)进行模式滤波。
34.根据权利要求32的方法，其特征在于：
所述方法包括在所述照明光纤(5)内对几条激发光束(11)进行空间叠加。
35.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：
与所述扫描和注入模块的光学共轭包括沿检测光纤(7)将所收集的光通量(14)从所述扫描和注入模块(2)传导到所述检测模块(4)。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于：
所述方法包括通过所述检测光纤对所收集的光通量(14)进行空间滤波，使得所述检测光纤(7)与将所述至少一条激发光束(11)交替注入其中的、所述图像传导器(3)的光纤交替地光学共轭。 
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