CN107750349A - 成像系统、光学元件以及使用其的导管或内窥镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种成像系统，包括：光学元件，其用于将轴向入射光偏转成一系列轴向间隔开的向外的径向投影；图像收集器件，其用于收集反射光。所述元件包括多个光偏转表面或特征，所述多个光偏转表面或特征被布置在沿着所述元件在轴向相继点处，每个轴向相继点处于不同的径向位置处。所述光偏转表面被布置为将从轴向方向入射到所述光偏转表面上的光偏转到径向方向上，每个光偏转表面由此生成来自所述元件的光的径向投影。沿着所述元件投影的光束或光束簇具有由所述面剥离的并且沿着结构在不同轴向点处向外偏转的相继的外部环形层。

Description

成像系统、光学元件以及使用其的导管或内窥镜
技术领域
本发明涉及一种成像系统，该成像系统包括光学元件，尤其是用于将轴向引导的光偏转成径向的元件。
背景技术
对于许多内窥镜流程，尤其是用于检查或研究人体上呼吸道的通畅性的流程，期望内窥镜具有能够产生光的向外引导的环(或径向平面)的光生成器件，使得当内窥镜被插入到管状气道中时，气道的横截面轮廓可以被照亮以供相机检查。
提供这种光图案的一种已知手段是将来自光纤的准直激光朝向偏转锥体引导，所述偏转锥体的间距使得入射光在偏转锥体周围的所有方向上相对于偏转锥体的表面偏转90度。其效果是创建从锥体向外突起的光的“环形”图案，其然后可以用于照亮气道的外周部分。尤其是，这个概念有两个变化。首先，锥体具有反射的外表面，并且被布置为使其尖端面向迎面而来的光的方向，使得光从其表面直接反射出。另一方面，锥体被布置为使其基部面朝迎面而来的光，并且间距被布置为使得从锥体的内壁上的光纤入射的光通过在透射光的相对壁的方向上的全内反射来反射，由于折射而偏转进入与初始入射光成90度的路径。
然而，在许多实例中，为了可靠地检查气道的通畅性，期望在沿着气道的一系列间隔点处创建光的多个环形图案。目前，这只能借助于沿着导管提供多个照明单元来实现，每个照明单元具有其自己的激光器、光纤(任选地，GRIN透镜)和锥体。这使得产生的导管既笨重又昂贵(对于生产来说)。
因此，期望一种光学设备，其能够利用仅仅单个光源来促进多个轴向间隔开的光的环形图案的生成和成像。
发明内容
本发明由权利要求来限定。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于对内腔进行成像的成像系统，包括：
光学元件，其包括：
光学主体，其具有轴向延伸和径向延伸，所述光学主体用于接收在轴向方向上传播的输入光束前沿，并将所述输入光束前沿偏转成一系列轴向间隔开的光的环形投影40，以及
多个光束偏转面(32、70、72)，其相对于彼此被轴向和径向地分开，所述光束偏转面之间具有非光束偏转空间，其中，所述光束偏转面是沿着所述光学主体被布置的，并被配置为将所述输入光束前沿的不同环形部分从所述光学主体向外截取并偏转到径向方向上，由此从所述光学元件生成一系列轴向分开的光的环形投影；以及
图像收集器件，其用于收集从所述内腔的一个或多个表面反射的光。
通过将光束偏转面相对于彼此径向地(以及轴向地)间隔开，每个面可以被布置为接收传播通过光学主体的整个光束或光束簇或沿着光学主体传播的整个光束或光束簇的环形“层”或区段。以这种方式，面可以有效地用作径向“选择器”；每个面都被布置为在沿着元件的不同轴向位置处有效地“剥去”传播光的仅一个环或径向层，并将传播光从元件径向向外偏转。这种效果是创建从元件传播的一系列轴向间隔开的光平面，每个光平面从元件径向向外伸出。例如，当光入射到患者气道的壁上时，这些光可以形成间隔开的光环，使得能够检查气道的多个区段。还提供了至少一个图像收集器件以收集和/或捕捉来自腔的内壁的间隔开的光环的反射，由此提供用于对内腔的轴向间隔开的部分进行成像的集成的成像系统。
在范例中，图像收集器件可以包括用于收集和/或重新引导从内腔的壁反射的光或图像的一个或多个光学元件。范例中的图像收集器件可以包括一个或多个透镜、反射镜、其他反射或偏转元件或者光纤。光纤可以使得从腔的壁收集的光或图像能够以光学方式被传输到外部的图像捕捉元件，例如，相机。然而，根据另外的范例，图像收集器件可以包括一个或多个图像捕捉元件(例如，相机元件)以用于捕捉反射光并生成图像数据作为输出。
根据范例，可以提供多个图像收集器件以促进对不同轴向区或区域进行成像，或者可以提供能够收集所有环形投影的反射的单个器件。这些图像收集器件可以包括例如被提供在沿着元件的多个点处的分开的相机元件，或者可以替代地包括被设置在沿着元件的多个点处的多个透镜和/或光纤，这些图像收集器件被配置为收集环形投影中的每个的反射并且经由光纤将所述反射以光学形式传输或传播到诸如相机的(外部提供的或者作为本发明的一部分而被提供的)图像捕捉元件。
所述光学元件包括主光学主体或芯，所述主光学主体或芯具有轴向延伸和径向延伸。所述元件被配置为在第一轴向端部或近端轴向区域处接收输入光束前沿，并促进将所述输入光束前沿的相继的环形部分输送到沿着所述光学主体布置的轴向间隔开的光束偏转面上。在至少一些范例中，所述光学主体被配置为将所述输入光束透射通过所述光学主体的体积或沿着所述光学主体的体积传送所述输入光束。在这种情况下，所述光学主体在一些情况下可以包括例如光纤，或者备选地可以包括任何光学单元或部件，所述光学单元或部件被配置为沿着其长度传送输入光束前沿或允许输入光束前沿经过主体自身的材料块。
然而，在其他范例中，所述光学主体可以不将光束前沿透射通过其体积，而是可以简单地形成中央光学结构，所述中央光学结构被配置为促进传播通过直接包围所述光学主体的空气(或其他介质)的输入光束前沿的轴向部分的相继的偏转或反射。在下面将要更加详细地描述的范例中，所述光学主体包括径向锥形光学结构，所述径向锥形光学结构具有沿着其轴向长度增加的径向延伸，并具有被布置在沿着其(扩张的)径向外周的轴向相继点处的光束偏转面。当光束前沿沿着与光学主体的轴向轴线基本重合的光轴朝向主体的近端轴向端传播时，光束前沿实质上被光学主体穿透，并且光束前沿沿着主体的长度行进，光束前沿的相继的内部环形区段落入沿着光学主体的外部布置的相继布置的偏转面处。
在所有范例中，所述光学主体包括单个的、结合性的整体性的主体，其能够接收跨主体的整个径向延伸进行延伸的单个光束前沿，并将所述单个光束前沿偏转成一系列轴向间隔开的光的环形投影。以这种方式，光学主体例如与备选光学结构相区别，所述备选光学结构例如可以包括被容纳在壳体或外壳内的光学零件的组件。光学元件至少包括光学主体与光束偏转面的组合，所述光束偏转面可以与光学主体直接光学连通，使得两者进行光学协作以接收、传送输入光束前沿并将输入光束前沿偏转成为多个输出环形投影。
注意，在该背景中的术语“环形”不应被理解为限于圆形。用于本目的的环形应被理解为意指围绕中心开口的任何闭环或环，所述闭环或环具有任何特定形状，包括但不限于圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形或六边形。“环形”是指遵循这样的环形的形状或形式，但不一定是连续的或完整的。光的环形投影可以包括例如遵循环形的仅一个区段或部分的形状的投影。
因此，光的环形投影在一些范例中可以包括连续的环形投影，但是在其他范例中可以包括不连续的环形投影。类似地，由光束偏转元件偏转的输入光束前沿的环形部分在某些范例中可以包括连续的或完整的光环，但是在其他范例中也可以仅包括完整环的方位角区段。
尽管光学元件的光学主体是依照径向延伸和轴向延伸来限定的，但是这些不应被理解为将光学元件限制为圆柱形或大致圆柱形。主体在各种非限制性范例中可以包括圆形、椭圆形、正方形、长方形，三角形或六边形横截面。主体的径向延伸应当被简单地理解为意指主体在垂直于轴向方向的方向上的延伸。类似地，该背景中的“径向方向”可以指与元件或主体的轴向方向/延伸垂直的任何方向。在范例中，光束偏转面可以适于在任何径向方向(即，垂直于轴向的任何方向)上偏转轴向入射光，并且不必一定例如在由从中心轴轴线到面的位置垂直延伸的向量限定的特定径向方向上。在任何给定的轴向点处，光学主体的径向延伸可以在所有径向方向上是不均匀的(对于圆柱将是这种情况)，但是可以改变以产生一系列的多边形形状中的任一种。
还要注意，“轴向”意指与光学元件或主体的中心纵向轴线相对齐，所述轴线沿其长度限定元件或主体的径向原点。该轴向或纵向轴线无需是线性的，而是可以是例如弯曲的。这可以是例如光学主体由柔性光纤形成的情况。
光束偏转面可以包括任何形式的表面、立面、面部或表面部分，它们适于在径向方向上偏转轴向入射光。在一些范例中，这些面可以包括(例如从光学主体的主体或体积)已经被切割的表面，使得它们在期望的方向上重新引导光，但是在其他范例中可以包括专用光学元件，例如，镜子元件、反射器元件或微棱镜。
在范例中，光束偏转面可以包括环形面，所述环形面被成形并被布置为围绕光学主体的整个外周周向地延伸。在其它情况下，光束偏转面可以被成形并被布置为仅围绕主体的外周的一部分延伸，由此形成环形区段或部分。
每个光束偏转面可以与其邻居径向分开，使得它们的表面在径向上不重叠。以这种方式，每个面被布置为与光束或光束簇的不同径向部分或层重合。在一些范例中，面可以被径向布置，使得它们的表面相对于彼此径向邻接。以这种方式，源光不会被浪费，这是因为输入光束或光束簇的相继偏转的径向“层”是相邻的。
尽管光束偏转面可以被径向相邻地布置，但是它们的表面的轴向布置不是相邻的。本发明的实施例的目的是要生成包括一系列轴向分开/间隔开的投影的纵向光束图案。轴向相邻的光束偏转面不能实现这一点。
注意，径向引导意指至少部分或基本上径向引导。尤其是，基本特征是光束偏转面径向地偏转(轴向)入射光，即，光束偏转面用于增加入射光线的传播方向的径向分量。
所述元件或光学主体的所述径向延伸可以沿着所述轴向方向变化，并且所述偏转面可以被设置在沿着光学主体的径向外周的轴向相继点处。
径向外周意指围绕其中心轴向或纵向轴线延伸的光学主体的外表面或边界。
所述元件或主体的径向延伸可以沿着所述轴向方向逐渐减小或逐渐增大。以这种方式，轴向相继的面被布置为分别偏转输入光束或光束簇的径向邻近层。这样的布置不是必须的，但是可以例如简化元件的制造。
在一些范例中，所述光学主体的径向延伸的除了由所述光束偏转面形成的任何突起或凹陷之外的总体包络层可以沿着所述轴向方向连续变化。所述光学主体例如可以包括主芯结构，所述主芯结构轴向延伸并且具有连续变化的径向延伸，并且其中，所述光束偏转面例如以凹口或反射突起的形式被构建到所述芯结构中或所述芯结构上。“包络层”意指元件的主芯的形状/结构，不包括由偏转面形成的任何较小的特征。
与连续变化相反，所述光学主体或元件的所述径向延伸在范例中可以沿着所述轴向方向阶梯式变化，使得所述元件的所述径向外周包括一系列轴向间隔开的阶梯式部分。
在这些情况下，所述光束偏转面可以被包括在反射元件中，每个反射元件具有反射表面，所述反射表面被布置为面向所述阶梯式部分中的一个，并被成角为将轴向入射光从所述元件向外反射到径向方向上。阶梯式部分在一些情况下可以包括直接径向平行(即，“竖直的”)阶梯，或者可以包括倾斜或成角的阶梯。每个光束偏转面可以被布置为例如具有面向每个径向平行或成角的阶梯的反射表面，使得透射通过阶梯的直的或倾斜的表面的光入射在面表面上并且被面表面偏转。
在其他范例中，所述光束偏转面可以部分地界定所述光学主体的所述径向外周。在这种情况下，光束偏转面被构建到元件本身的芯结构中。在整个径向外周连续且单调地变化的情况下，光束偏转面可以包括在光学主体或芯结构中形成的一系列轴向间隔开的凹口的表面。备选地，径向外周的阶梯式区段本身可以形成偏转面。
每个光束偏转面可以被布置为经由被定位在所述径向外周上的径向相对点处的对应的透射面将光从所述元件向外偏转，所述点是从偏转面沿着通过所述光学主体的光路被定位的。
在这种情况下，轴向入射在光束偏转面上的光被朝向光学主体的径向中心向内重新引导，并且通过专门提供的透射面在径向相对侧离开该结构，所述透射面被轴向布置为在到达结构的边缘时与偏转光束重合，并且具有成角的表面以便透射且不反射尽可能多的光。根据这些范例，每个透射面可以被构建到元件本身的芯中(即，部分地界定所述光学主体的所述径向外周)，并且所述偏转面可以通过全内反射来进行反射。
此外，在上面的范例中，对于每个透射面，还可以在沿着所述径向外周的径向平行且轴向邻接的点处提供对应的阻挡面，所述对应的阻挡面被布置为反射从轴向方向入射的光线以防止所述光线透射通过对应的透射面。
透射面不透射从轴向方向入射的光是重要的，这是因为这将导致通过这些面逸出的杂散光而干扰所生成的环形图案。阻挡面有效地隐藏透射面以避开轴向引导的光线。阻挡面可以由透明材料形成，但是要被特殊成角以便反射轴向入射光而不是透射轴向入射光。
注意，在一组范例中，阻挡面本身也可以起到偏转面的作用，以类似于第一偏转面的方式将光在被协作布置的第二透射面的方向上重新引导穿过元件的主体，所述第二透射面被定位为与第一偏转面径向平行且轴向邻近。在这种布置中，第一偏转面还可以作为阻挡面对第二透射面起到辅助作用。
在上述范例中，所述元件的所述光学主体的所述径向延伸可以沿着所述轴向方向减小，其中，对于所述元件的至少轴向部分，在轴向相继的偏转面处的所述径向延伸ri可以符合：
其中，μ＝所述偏转面的角度，并且
径向延伸的减少促进了在被定位在光学主体的径向外周处的轴向相继的偏转面之间的径向分开。半径减少以允许相继的面与不同的环形层或沿着元件轴向传播的部分光束或光束簇相对齐而不干扰任何其他的环形部分。相继的偏转面之间的径向变化例如可以等于先前的偏转面的(分辨的)径向“高度”。直到一点，相继的偏转面之间的径向变化可以是相等的。然而，在临界点之后，为了避免每个阻挡面与其各自的透射面之间的轴向分开变为负(即，它们之间没有分开)，对于相继的面，径向变化必须开始减小。由于偏转光路的角度约束，这在临界点之后开始发生。
根据任何范例实施例，所述光学元件可以包括光纤。所述光纤可以与包括偏转面和/或透射面的光学主体或主光学部件在空间上分开。在这种情况下，光纤提供介质，通过所述介质将光束径直传播到布置的偏转部分。在范例中，位于普通光馈送光纤之后的梯度折射率(GRIN)透镜能够用于对进入光学主体的光进行准直。任选地，光学主体本身可以由光纤形成，其中，偏转面被构建在所述芯纤维中或芯纤维上。
根据任何范例实施例，图像收集器件可以包括相机元件。在范例中，这可以是具有视场的单个相机元件，所述视场能够在光从正被成像的腔的内壁反射时捕捉由光学元件生成的所有环形投影。在范例中，所提供的相机元件可以具有多个敏感部分或区域，被配置为对来自正被成像的腔的不同轴向区域或径向区域的光进行成像或捕捉，或者捕捉不同的环形投影。在另外的范例中，可以提供多个相机元件以用于捕捉来自正被成像的腔的各自的多个轴向区域或径向区域的光，或者对来自不同的环形投影或者环形投影中的一个或多个的不同的径向区段的光进行成像或捕捉。
在又另外的范例中，可以替代地提供单个相机元件与被提供在不同轴向位置处的多个图像收集元件相结合，所述图像收集元件被配置为收集从内腔的各自的多个轴向区域反射的光并将所述光重新引导或光学传输或透射到所提供的单个相机元件。通过范例的方式，这些图像收集元件可以包括例如多个透镜和/或光纤。
根据本发明的一个方面，提供了一种导管或内窥镜，其包括：
光束生成器件；以及
根据前述权利要求中的任一项所述的成像系统，所述成像系统的所述光学元件与所述光束生成器件光学通信，并被布置为使得将来自所述光束生成器件的光从所述导管或内窥镜径向向外偏转。
根据本发明的另外的方面，额外地提供了一种对内腔进行成像的方法，所述方法包括偏转轴向传播的光以形成一系列轴向间隔开的环形投影，所述方法包括：
在沿着由光学元件包括的光学主体的轴向方向上传播输入光束前沿，所述光学元件被定位在所述内腔内，并且所述光学主体具有轴向延伸和径向延伸，其中，所述光学元件还包括多个光束偏转面，所述光束偏转面相对于彼此被轴向和径向地分开，所述光束偏转面之间具有非光束偏转空间，并且所述光束偏转面被布置为将所述输入光束前沿的不同环形部分从所述光学元件向外截取并偏转到径向方向上，由此从所述光学元件生成一系列轴向分开的光的环形投影；并且
借助于图像收集器件收集由所述内腔的一个或多个表面反射的光，由此使得能够对所述内腔进行成像。
根据该方法的各种实施例，所述输入光束前沿可以是激光束前沿。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：
图1示意性地描绘了第一范例光学元件；
图2示意性地描绘了第二范例光学元件；
图3示意性地描绘了第三范例光学元件；
图4描绘了本领域已知的范例偏转光学元件；
图5示意性地描绘了第四范例光学元件；
图6图示了对应于第四范例光学元件的光学图。
图7示意性地描绘了第五范例光学元件；
图8示意性地描绘了第六范例光学元件；
图9示意性地描绘了第七范例光学元件；
图10示意性地描绘了第八范例光学元件；
图11示意性地描绘了包含光学元件的实施例的范例导管；并且
图12示意性地描绘了包括光学元件的成像系统的范例配置。
具体实施方式
本发明提供了一种用于将轴向入射光偏转成一系列轴向间隔开的向外的径向投影的光学元件。该元件包括多个光偏转表面或特征，这些光偏转表面或特征被布置在沿着元件的轴向相继点处，每个轴向相继点在不同的径向位置处。光偏转表面被布置为使从轴向方向入射到所述光偏转表面上的光被偏转在径向方向上，由此每个轴向相继点生成来自元件的光的径向投影。沿着元件投影的光束或光束簇具有由面剥离并沿着结构在不同的轴向点处向外偏转的相继的外部环形层。
在图1中图示了根据本发明的实施例的第一范例光学元件6的横截面。元件6具有轴向延伸8和径向延伸10，并且关于中心轴向轴线12轴对称。出于说明的目的，附图中仅示出元件的上半部。元件6包括包含具有阶梯式减小的半径的透明光纤14的主光学主体。光纤的径向外周18包括一系列轴向间隔开的“竖直的”阶梯式部分22，所述阶梯式部分22由对应的间隔开的一系列轴向的(或方位角的)“平坦”部分26分开。由于该元件是轴对称的，因此平坦部分26有效定义了一系列不断缩小半径的邻接的圆柱体。邻近每个阶梯式部分22，定位有圆形或环状光学结构30，围绕光纤周向地延伸，并且具有相对于圆形或环状光学结构30以大约45度的角度面向阶梯式部分的方向的倾斜表面32。
如图所示，当准直光36沿着元件6的长度被轴向(水平)引导时，在元件内的不同径向水平处传播的光线或光束在不同的轴向点处被逐渐减小半径的相继布置的光学环形结构30截断。反射倾斜表面(或面)32用于将从轴向方向入射在反射倾斜表面32上的光36偏转并使光36被重新引导在径向方向上，以形成光40的一系列轴向间隔开的圆形(或环形)投影。所生成的环的宽度取决于入射在偏转面32处的光束的宽度，其中，最大宽度受到面32本身的表面积的约束。
注意，在该附图中，借助于多个分立的、径向分开的光线示意性地描绘源光36，每条光线沿着与光束偏转面32中的一个重合的路径传播。然而，这纯粹是出于说明的目的，实际上源光可以典型地包括输入光束，所述输入光束具有跨元件的径向平面连续延伸的光束前沿。在一些情况下，源光可以包括包含多条径向相邻的光束的输入光束簇，所述输入光束簇被布置为沿着元件的轴向延伸平行传播。在任一情况下，每个光束偏转面32被布置为截取输入光束或光束簇的不同的环形区段或层，而不仅仅是单独的光线或光束。
准直光源可以例如通过(单独提供的)激光器与诸如梯度折射率(GRIN)透镜的光学准直元件组合来输送。但是也可以使用其他准直元件，例如，TIR准直器、准直通道、菲涅尔透镜或菲涅耳箔。
尽管在图1的具体范例中，光学元件6的形状基本上是圆柱形的，但是在备选范例中，该元件可以具有不同的3D结构。例如，该元件可能是一个相继减少高度的长方体。在这种情况下，可能在该元件的四条边中的每条边上都生成光的线性“平面”。在这种情况下，该元件将因此产生沿着该元件的长度轴向间隔开的一系列不连续的(矩形)环形光投影。也可以考虑其他不同数量的边的规则的“棱镜”以便生成其他投影图案。
在图2中图示了根据本发明的实施例的第二范例光学元件6。在该实施例中，产生与图1的实施例中的相同的光学效果，但是不需要提供额外的光学环形结构30。相反，光束偏转面32被构建到光纤(光学主体)14本身的结构中，作为切入径向外周18的凹口的反射倾斜面。在这种情况下，元件的半径不是步进式减小的，而是连续减小的(不包括凹口本身的几何形状)，并且凹口在沿着元件的相继的轴向位置处被切入外周，为了使半径的变化大于或等于先前的凹口的高度(以避免重叠)而将凹口充分地间隔开。每个凹槽包括第一“竖直”表面44和第二相对(倾斜)表面32，光在从轴向方向入射时透射通过所述第一“竖直”表面44，所述第二相对(倾斜)表面32相对于第一表面44以大约45度的角度被设置，使得从轴向方向入射到第二相对(倾斜)表面32上的光被偏转在大致径向方向上。
例如，凹口的倾斜表面32可以被沉积有反射涂层。能够将反射涂层选择性地施加到倾斜表面32上，其中，竖直表面44保持透明，以用于透射轴向入射光。
在上述两个范例实施例中，光学元件6被组合到透明光纤14中或者在透明光纤14周围，所述光纤促进光束从光的生成源高效传播到偏转面，以用于径向向外的重新引导。然而，这些实施例需要将不同的材料组合到单个单元中以实现期望的光学效果。这是因为必须包括透明材料的光纤必须被提供有由反射材料制成的偏转面。
出于各种原因，包括例如在加工、物流和成本价格方面，将不同材料组合在单个单元中的这种要求通常是不希望的。优选可以是其中不需要一个单元或模块同时包括反射元件和透明元件的实施例。
因此，根据在图3描绘的第三范例实施例，提供了光学元件6，所述光学元件6包括包含全反射端部件14的光学主体，所述全反射端部件14可以被提供有用于借助于(被单独提供的或作为元件6的一部分而包括的)光纤15进行偏转的源光，所述光纤15被定位在与光学主体14自身轴向对齐，但可能在空间上是分开的。
光学主体14包括具有步进式增大的半径(即，在入射光的方向步进式增大)的主体。光学主体14的径向外周18包括一系列轴向间隔开的倾斜阶梯式部分22，所述阶梯式部分22由对应的间隔开的一系列轴向(或方位角)“平坦”部分26分开。倾斜的阶梯式部分的外表面形成反射偏转面32，以用于将轴向入射光线36偏转成径向投影40。如在图1的范例中，光学主体可以是轴对称的，在这种情况下，平坦部分26有效地限定为一系列不断增大的半径的邻接的圆柱体，所述圆柱体通过由倾斜的阶梯式部分22限定的截头锥体区段彼此分开。
如图3所示，光学主体14必须与光纤芯15准确对齐，使得通过所述芯传播的光与元件的偏转面32对齐。根据一个或多个范例，可以借助于将端部件14集成或耦合到光纤15自身的包层和/或缓冲层来辅助准确的对齐。
因此，图3的范例通过提供全反射光学主体14而避免了将不同材料组合成单个单元的必要性，所述全反射光学主体与用于将光从光源传送到反射元件的端部的任何(透明)光纤分开且与其不同。
然而，备选解决方案是利用全内反射效应，使用基于光纤的元件，所述基于光纤的元件具有特殊成形和成角的阶梯式边界部分以便生成期望的轴向分开的径向投影。
在图4中描绘了将所有水平光线50重新引导到垂直平面中的全内反射器的范例的横截面视图。反射器包括透明锥体，所述透明锥体具有可以被概念性地分成上边界部分52和下边界部分54的边界。轴向入射在上边界部分52处的入射光50通过锥体主体被向下反射，在锥体主体处入射在下边界部分上，并且透射出锥体，由于折射而弯曲，由此提供与垂直平面对齐的出射光线58。同样地，轴向入射在下边界部分54处的入射光50被向上反射通过锥体主体，然后通过上边界部分52透射出来，弯曲成垂直对齐的光线。
锥体的间距或尖端角度必须特别适于锥体材料的特定折射率，以便实现期望的角度偏转。在图4的特定范例中，针对折射率为1.5的材料使用大约38度的锥体尖端角度。
将期望利用该锥体的基本原理以便提供能够生成离散的、轴向间隔开的径向投影而不是由锥体产生的轴向连续的径向投影的基于全内反射的光学元件。
实现这一点的一种手段是使锥体不连续；将圆锥体分开成多个竖直的“切片”，所述“切片”由具有轴向平行的外边界的中间圆柱体部分分开。然而，这样的实施例需要非常小心的尺寸规格和限制，以便避免杂散光通过不具有将光弯曲到径向方向上的必要角度的面逸出。
在图5中示出了利用图4所示的锥体原理的通过基于范例全内反射的光学元件6的横截面。该元件包括光学主体14，所述光学主体14关于中心轴向轴线12轴对称，并且示出结构的上半部分和下半部分。该结构的径向外周18包括一系列轴向间隔开的阶梯式区域，所述阶梯式区域由轴向平行的区段分开，每个阶梯式区域包括三个相继布置的、交替倾斜的表面(或面)。第一面(在附图中由70和72指示其径向相对的点)用于使轴向入射光线径向向内偏转通过元件的主体，朝向在径向相对侧上的第三面的一部分(由78和80指示其径向相对点)。第三面与交替倾斜的中间面(由74和76指示的径向相对点)邻接，两者一起形成从结构向外的突起。第三面78、80与第一面70、72轴向间隔开，使得从第一面反射的光在传播穿过该结构的芯之后与该元件的相对侧上的第三面精确重合。此外，第三面被成角为透射从结构的径向相对侧上的第一面的方向入射到其上的所有光。
此外，第一面在元件内起着辅助作用：即，充当“阻挡”面以防止轴向平行光直接透射通过透射第三面78、80。因此，偏转面70的在该元件的上侧的一个点既使轴向入射光84朝向第三(透射)面的径向相对点80偏转，还用于阻止轴向导向的光透射通过透射面的直接径向对齐的点78。
为了使光学元件以期望的方式起作用，必须控制三个面的角度取向、面的相对轴向位置以及阶梯式区域的相对径向位置，以满足某些必要的约束条件和关系。现在将参考图6详细讨论这些约束条件和关系，图6示出了对应于图5的实施例的一部分的光学图。
在下面的描述中，(出于说明的目的)假设轴向引导的源光包括一簇径向相邻的光束。在备选范例中，源光可以简单地包括例如具有连续光束前沿的单个光束。
水平簇的最外层环84被第一面70的上部点以与竖直方向成角度μ进行内部反射，水平簇在竖直方向上与透明材料成角度相交并且经由第三面80的下部点离开，所述第三面80的下部点也以角度μ被设置并且被定位在与第一面70相同的半径处，但是在轴向方向上被移位。没有示出最外层环84的底部，但是能够证实的是，该部分将在第一面72的下部点处而不是在第三(透射)面80的下部点上反射。第二环86能够以类似的方式偏转，唯一的区别在于第三(透射)面78、80相对于第一(偏转)面70、72的轴向位移较小，这是因为在元件的该部分处的(径向)相交距离减小了。
对于图5和图6的实施例的设计，可以参考图6导出一组约束公式：
在第一(反射)表面70处，入射角等于反射角。由此我们得出这样的结论：
μ的值能够根据在下部三分之一(透射)表面处的折射定律来求解：
nt sinθt＝na sinθa (3)
其中，t、a指的是透明材料和空气。入射角能够被很容易地构建如下：
θt＝π-3μ (4)
为了具有垂直的全内反射，折射角应当满足
因此μ的值能够通过下式求解：
注意，μ也是第一面70上所有准直光线的入射角。
对于nt＝1.5和na＝1.0，我们发现：
μ＝51.9°
元件内部的反射光线的角度遵循(2)：
内部偏转面70(μ)的入射角确实大于的全内反射极限sin-1(na/nt)，在这种情况下，内部偏转面70(μ)的入射角是41.8度。
出射光环(u)的宽度是入射环宽度(Δ)的固定分数。
保持第一(偏转)面70、72与第三(出射)面78、80之间的非零距离是重要的；距离v不应当变成负值。根据这个条件，我们可以导出作为初始半径r1的函数的针对环宽(即，半径减小)的以下约束条件：
对于nt＝1.5和na＝1.0，我们有Δ≤0.32r1。在图5中能够看出，第一环84偏转在第一(偏转)面70、72与第二(出口)面78、80之间仍然留有一些水平裕量(Δ≈r1/4，但是在第二环86处偏转没有留裕量(Δ≈r1/3)。一般来说，约束条件(7)随着环偏转数量的增加而受到更多限制。
从环宽不能再保持恒定的点开始，通过首先根据(7)求解ri+1(其中，Δ＝ri-ri+1)能够使半径减小最大化，给出递归公式：
然后，取最小值。对于nt＝1.5和na＝1.0，缩减因子大约是2/3，换句话说，最大能够偏转半径的三分之一。
全内反射实施例的优点是不必将其他材料(或涂层)添加到光学芯。然而，在这种情况下，芯可能需要借助于包层和缓冲层进行保护。
在具有第一面70、72与第三面78、80的对的光纤芯被紧密地包含在透明包层内的情况下，几何形状可能需要优化包层材料的折射率。光纤的典型折射率值是n芯＝1.62和n包层＝1.52。在这种情况下，全内反射的限制条件为：
sin-1(n包层/n芯)＝69.8°
而在这种情况下满足(6)所要求的面角度是51.9度，这意味着这种包层材料不适合用于利用面特征来紧密地包络芯。
在上面的分析中假设向空气(或其他周围流体)的过渡，因此纤芯最好能够被包含在透明的包络层或毛细管中，从而在面周围留下气穴。在图7中描绘了图5和图6的设计的范例变型，其中，元件的外半径返回到在轴向间隔开的阶梯式区域中的每个之间的原始(最大)延伸。以这种方式，元件可以由外毛细管90直接封装，这是因为在阶梯式区域之间，沿着结构一直存在一致的外径向延伸。
注意，根据上述实施例中的任一个，元件的形状可以适于遵循螺旋形式。这样做的效果是创建遵循螺旋形状的径向向外投影。
根据范例实施例中的任一个，源光束可以借助于包括芯和包层的(由光学元件包含的或者单独提供的)光纤来传送，并且被包含在保护缓冲层中(芯和包层的折射率例如为通常分别具有大约1.62和1.52的值。
在本发明的任何范例中，准直的源光可以是激光。
光学结构在一些范例中可以关于其中心纵向(轴向)轴线是柔性的。在这种情况下，通过允许总的纵向芯(将所有的面部分保持在一起)弯曲或屈曲而使面结构具有相对于彼此重新定位的柔性和自由度以便最优地遵循任何曲形检查通道的纵向形状是有利的。在这种情况下，中间圆柱形部分需要(稍微)弯曲，但是与面部分相关联的径向平面维持与局部纵向方向对齐的法线方向。为了将剩余的光输送到下一个面的中心，能够在每个面的前方安装一个重新准直结构。
根据另外的可能的范例，光学元件可以包括由空心圆柱形壳体结构形成的光学主体，外壳层包括径向和轴向间隔开的光束偏转面。在这种情况下，元件的中空中心可以用于例如承载电缆或其它线缆或用于输送流体而不影响设备的光学功能。在这种情况下，要求源光的准直圆柱传播通过光学元件的外壳。这可以例如通过以圆形图案进行布置以与光学元件的壳体的尺寸一致的光纤和各自的GRIN透镜的专用布置来提供。备选地，可以提供适于将光束转换成圆环以用于沿着光学元件传播的单个光学元件。
在图8中图示的另一种可能性中，光学元件可以包括包含一系列同轴间隔开的透光圆柱层91的“分层”芯，所述“分层”芯通过由包含非透射材料的中间层92相对于彼此光学分开。在这种情况下，中间层92可以包括光束偏转面32，所述光束偏转面32被布置为从每个中间层径向突起，并且具有倾斜的表面，所述倾斜的表面被成角为将来自径向邻近的透射层91的光偏转到径向向外的方向上。因此，光的每个径向偏转的环或“平面”是根据经过透射层中的唯一的透射层的光的偏转而导出的。
该实施例是图1的实施例的改进，其中，光束偏转面32被布置为面向元件18的径向外周的阶梯式部分22布置。这种改进的一个特别的优点是，当光学元件弯曲时，分开层92限制光的色散。另外，偏转特征能够在制造期间容易地集成到分开层本身中，与图1的实施例对比，其需要提供单独的环状光学结构30并将其单独附接到元件的芯。
根据一个或多个范例，可以期望合并特征以防止输入光从光学元件的光学主体的径向外周的不包括光束偏转面的区域或不与光束偏转面直接光学连通的区域意外地或不希望地逸出。通过范例的方式在图9中示出了这样的实施例的范例。该实施例包括与图2的范例实施例相同的结构和构造，但是额外地包括遮光层或阻光层或隔膜99，所述遮光层或阻光层或隔膜99被提供为覆盖光学主体14的径向外周的位于光束偏转面32中的每个之间的部分。阻光覆盖物或隔膜99适于阻挡或以其他方式防止来自光芯的在不平行于轴向轴线8的方向上行进的光线逸出，使得这些光线落入径向外周18的所述中间区段中的一个处。
添加这样的层或隔膜为元件的光学功能提高了更大的稳定性和鲁棒性，这是因为即使在输入光束前沿没有沿着与光学主体的轴向轴线精确对齐的元件传播的情况下，元件仍将有效地起作用。这意味着可以减弱输入光束角的容限，使得能够更容易且更简单地使用光学元件并且还可能扩展光学元件的可能的应用。
根据一个或多个范例，阻光层、隔膜或覆盖物99可以被配置为完全或部分地吸收至少在径向边界18的内表面处入射的光。在其他范例中，层或隔膜99可以被改进以完全或部分地反射入射在径向边界18的内表面处入射的光。也可以使用任何其他类似的防止光逸出的物理手段。
在范例中，覆盖物或层99可以包括金属反射层。在另外的范例中，层或包络层99可以包括任何不透明的材料层或者以其他方式改进以防止光透射的层。
根据一个或多个范例，覆盖物或包络层99可以包括一个或多个相消干涉层，或者可以被一个或多个相消干涉层等效替换。
隔膜或覆盖物99可以有效地形成覆盖壳，所述覆盖壳具有与光束偏转面相对齐的狭缝或空间。
在范例中，阻光层99可以通过向光学元件的光学主体的外周沉积、涂覆或以其他方式施加适当的抑光材料层(例如，反射金属层或涂层)来形成。在金属涂层的情况下，这可以通过对与外周的轮廓、型面或形状相对应的金属层进行牢固弯曲或以其他方式进行成形并然后将成形的层施加或沉积到光学元件上来执行。
通过另外的范例的方式，图10示出了包括遮光外层或阻光外层99的实施例的额外的范例。这里，图7的实施例示出了具有被提供到径向外周的中间区域的适当的覆盖物或层99。
在备选范例中，遮光覆盖层99不仅可以被施加到径向外周的中间部分(如图9和图10的范例中所示)，而且还可以被施加到遮光面本身的表面。这可以简化这样的实施例的制造，这是因为偏转面的反射表面的形成可以被组合到与形成遮光包络层或层99相同的过程中。
本发明具有许多潜在的应用。如前面部分所讨论的，一个尤其有利的应用是在内窥镜领域，其中，对于患者气道的光学检查而言期望的是能够在沿着气道的间隔点处生成多个光的环状图案，而不需要提供单独的激光器来生成每个光的环状图案。本发明的实施例允许利用仅一个激光(或其他光)源和单个(例如，GRIN)准直透镜来生成这样的多个图案。这显著减少了所述元件被并入到其中的导管的体积和复杂性以及制造这样的导管的成本。
在图11中示意性地描绘了包含如上面的实施例所述的光学元件的导管94的说明性范例。封装在透明毛细管96内的导管94包括激光器98，所述激光器98被布置为在被轴向位移的梯度折射率(GRIN)透镜100的方向上传播所生成的激光。GRIN透镜与光学元件6光学耦合。对于图11的特定范例，描绘了图1的光学元件。导管96被示为被设置在患者气道102内。经由GRIN透镜100传播通过光学元件的源光在沿着导管的轴向间隔点处被偏转成一系列径向投影40，所述径向投影40形成从导管朝向患者气道102的壁径向向外投影的环形图案。
在图12中图示了根据本发明的实施例的成像系统的范例布置，其包括光学元件和用于捕捉从内腔102的内壁反射的光的相机元件。在所示的范例中，成像系统被描绘为被并入在图11中描绘(并在上文中描述)的范例导管布置94内。图12的范例的相机元件适于生成如图所示跨两个(可能是不邻接的)角区域延伸的视场，其中，第一区域成被成角且被成形为捕捉从上面的一组投影中的每个生成的反射，并且第二区域被成角且被成形以便捕捉来自下面一组投影中的每个的反射。在实践中，上面一组投影和下面一组投影可以包括一组轴向分开的环形投影40的第一(上)径向区域和第二(下)径向区域。此外，在范例中，相机元件可以适于捕捉跨圆形或环形或视场的光，其中，图12中所示的两个视场仅构成平面横截面。
根据另外的范例，成像系统可以包括多个相机元件，每个相机元件适于跨越实质上不同的视场捕捉光。然而，这些视场可能在一定程度上重叠。多个相机元件可以被定位在基本上相同的轴向位置处，或者可以被定位在沿着光学元件的长度或者沿着例如包括光学元件的导管的长度的不同轴向点处。
生成多个轴向间隔开的光环的优点是可以由导管相机106或传感器同时捕捉多幅轮廓图像。另外，平行光平面也可以在它们透射通行通过透明的圆柱形窗口(毛细管)96的过程中借助于窗口上或窗口中的额外的外周条或点码进行唯一标记。该标记可以允许对单幅相机图像中的多个轮廓(环)或多个环的径向区段的唯一标识。
光学元件可以被直接并入内窥镜，或者可以被构建在能够与任何现有的内窥镜结合使用的单独的照明设备中。照明光纤非常细，并提供分布式照明。因此，其中没有构建照明元件的内窥镜可以与本发明的实施例结合使用。结果，可以使内窥镜具有更小的直径。
当气道被规则距离的一系列环点亮时，内窥镜操作者将体验到深度感。在具有尖端光的现有技术的内窥镜中，经常发生患者气道的侧面被明亮地照亮，而中心仅示出黑洞。能够容易地识别出部分障碍物，这是因为它们将阻挡(障碍物后面的)更多距离环与(障碍物前面的)相机之间的视线。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于对内腔进行成像的成像系统，包括：
光学元件(6)，其包括：
光学主体(14)，其具有轴向延伸和径向延伸，所述光学主体用于接收在轴向方向上传播的输入光束前沿，并将所述输入光束前沿偏转成一系列轴向间隔开的光的环形投影(40)，以及
多个光束偏转面(32、70、72)，其相对于彼此被轴向和径向地分开，所述光束偏转面之间具有非光束偏转空间，其中，所述光束偏转面是沿着所述光学主体(14)被布置的，并被配置为将所述输入光束前沿的不同环形部分从所述光学主体向外截取并偏转到径向方向上，由此从所述光学元件生成一系列轴向分开的光的环形投影；以及
图像收集器件，其用于收集从所述内腔的一个或多个表面反射的光。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述光学主体(14)的所述径向延伸沿着所述轴向方向变化，并且其中，所述偏转面(32、70、72)被布置在沿着所述光学主体(14)的径向外周(18)的轴向相继点处。
3.根据权利要求2所述的成像系统，其中，所述光学主体(14)的所述径向延伸沿着所述轴向方向逐渐减小或逐渐增大。
4.根据权利要求2或3所述的成像系统，其中，所述光学主体(14)的径向延伸的除了由所述光束偏转面(32、70、72)形成的任何突起或凹陷之外的总体包络层沿着所述轴向方向连续变化。
5.根据权利要求2或3所述的成像系统，其中，所述光学主体(14)的所述径向延伸沿着所述轴向方向阶梯式变化，使得所述光学主体的所述径向外周(18)包括一系列轴向间隔开的阶梯式部分(22)。
6.根据权利要求5所述的成像系统，其中，所述光束偏转面(32、70、72)被包括在反射元件(30)中，每个反射元件具有反射表面，所述反射表面被布置为面向所述阶梯式部分(22)中的一个，并被成角为将轴向入射光从所述元件向外反射到径向方向上。
7.根据权利要求2-5中的任一项所述的成像系统，其中，所述光束偏转面(32、70、72)部分地界定所述光学主体(14)的所述径向外周(18)。
8.根据权利要求7所述的成像系统，其中，所述光束偏转面(70、72)在所述径向外周(18)中形成阶梯式部分(22)，并且其中，每个光束偏转面被布置为经由被定位在所述径向外周(18)上的径向相对点处的对应的透射面(78、80)将光从所述元件向外偏转，所述点是从所述偏转面沿着通过所述光学主体的光路被定位的。
9.根据权利要求8所述的成像系统，其中，每个透射面(78、80)部分地界定所述光学主体(14)的所述径向外周(18)，并且其中，所述偏转面(70、72)通过全内反射来反射光。
10.根据权利要求9所述的成像系统，其中，对于每个透射面(78、80)，在沿着所述径向外周的径向平行且轴向邻接的点处提供对应的阻挡面(70、72)，所述对应的阻挡面被布置为反射从轴向方向入射的光线以防止所述光线透射通过所述对应的透射面。
11.根据权利要求10所述的成像系统，其中，所述光学主体(14)的所述径向延伸沿着所述轴向方向减小，并且其中，对于所述光学主体的至少轴向部分，在轴向相继的偏转面(70、72)处的所述径向延伸ri符合：
其中，μ＝所述偏转面的角度，并且
12.根据前述权利要求中的任一项所述的成像系统，其中，所述光学主体(14)包括光纤(14)。
13.一种导管或内窥镜(94)，包括：
光束生成器件(98、100)；以及
根据前述权利要求中的任一项所述的成像系统，所述光学元件与所述光束生成器件光学通信，并被布置为使得将来自所述光束生成器件的光从所述导管或内窥镜径向向外偏转。
14.一种对内腔进行成像的方法，包括偏转轴向传播的光以形成一系列轴向间隔开的环形投影(40)，所述方法包括：
在沿着由光学元件(6)包括的光学主体(14)的轴向方向上传播输入光束前沿，所述光学元件被定位在所述内腔内，并且所述光学主体具有轴向延伸和径向延伸，其中，所述光学元件还包括多个光束偏转面(32、70、72)，所述光束偏转面相对于彼此被轴向和径向地分开，所述光束偏转面之间具有非光束偏转空间，并且所述光束偏转面被布置为将所述输入光束前沿的不同环形部分从所述光学元件向外截取并偏转到径向方向上，由此从所述光学元件生成一系列轴向分开的光的环形投影；并且
借助于图像收集器件收集由所述内腔的一个或多个表面反射的光，由此使得能够对所述内腔进行成像。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光束是激光束。
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