CN109561811A - 具有多个衍射级的光谱编码探测器 - Google Patents

具有多个衍射级的光谱编码探测器 Download PDF

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Abstract

一种光谱编码的内窥镜探测器。该探测器具有光导部件、光聚焦部件和光栅部件。该探测器被配置成使得多个波长的一组光束由光栅部件在基本相同的角度以不同的级衍射。该组光束包括至少3条光束。该组光束中的每条光束与不同的波长相关联。

Description

具有多个衍射级的光谱编码探测器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月15日提交的美国临时申请No.62/363,119的权益。美国临时申请No.62/363,119特此通过引用被并入。
技术领域
本公开涉及内窥镜。更具体地，本公开举例说明了光谱编码的内窥镜探测器。
背景技术
医疗探测器具有从患者体内提供图像的能力。考虑到由插入异物引起的对人体的潜在损害，优选的是探测器尽可能小。另外，在诸如小血管、小导管、小针、裂缝等小通路内成像的能力需要小的探测器尺寸。
一种有用的医疗探测器采用光谱编码的内窥镜检查(“SEE”)技术，该技术是可以通过亚毫米直径探测器进行高清晰度成像的微型内窥镜检查技术。SEE使用波长来编码样品的空间信息，从而允许通过小直径内窥镜探测器进行高分辨率成像。可以使用宽频带光输入到一根或多根光纤中来完成SEE。在光纤的远端处，衍射或色散光学部件将光分散在样品上，该光通过光学器件并然后通过光纤返回。光由波长检测装置检测，例如光谱仪，其中每个可分辨的波长对应于来自样品上不同点的反射率。SEE技术的原理和直径为0.5mm(即500μm)的SEE探测器已经在例如D.Yelin et al.，Nature Vol.443，765-765(2006)以及美国专利公开No.2007/0233396和No.2008/0013960中被描述。SEE可以生成二维和三维的高质量图像。
通过检测作为波长的函数的光强度，可以重建图像。然而，由于SEE图像利用波长信息来编码空间位置，因此重要的颜色信息与空间信息卷积或丢失。传统的内窥镜检查可以使用颜色信息作为诊断的提示。
以前，已经提出了用于在SEE探测器中进行彩色成像的方法。在台式设置中使用三种激发光纤进行彩色SEE成像被证实了(Optics Express，17(17)，15239-15247；2009和美国专利9,254,089)。在这种台式设置中，使用三条光束，每条光束具有红色、绿色和蓝色光谱带之一。这些光束以不同的角度入射到光栅上，这导致所有三个光谱带的衍射角相同。因此，组织上的每个点用三个光谱带照射。然而，该系统不易制造和组装，并且必须通过用于体内成像的多通道旋转接头送入多根纤维。多根纤维增大了探测器的尺寸和使用的侵入性，探测器的尺寸的增大减少了适用的使用次数。另外，在小光栅表面上包括多个光栅图案的彩色SEE的其他解决方案可能难以制造和组合到SEE装置中并且/或者是昂贵的。需要一种克服过去系统的这些缺陷的探测器。
发明内容
因此，解决和/或克服上文指出的至少一些缺陷可能是有益的，因此提供一种能够提供彩色观察的新彩色SEE探测器，而没有现有系统的尺寸、旋转接头或制造要求。
至少第一实施例可以是用于彩色成像的光谱编码的内窥镜探测器。该探测器可以包括：用于引导照明光的光导部件；光聚焦部件；以及光栅部件。光谱编码的内窥镜探测器被配置成使得多个波长的一组光束可以由光栅部件在相同的角度以不同的级衍射。该组光束包括至少3条光束。该组光束中的每条光束可以与不同的波长相关联。
在第一实施例的一个方面中，多个波长可以在400nm和1200nm之间。不同级的绝对值的最小值可以是2。
在第一实施例的一个方面中，多个波长可以在400nm和800nm之间。不同级的绝对值的最小值可以是3。
在第一实施例的一个方面中，该组光束中的每条光束可以与多个波长范围中的不同波长范围相关联。每条光束可以以不同的衍射级衍射。每条光束可以在基本相同的角度范围衍射。
在第一实施例的一个方面中，多个波长范围中的每个波长范围的光谱宽度可以大于30nm。
在第一实施例的一个方面中，角度范围可以大于10度。
在第一实施例的一个方面中，光导部件可以由单根光纤组成。
在第一实施例的一个方面中，照明光可以包括宽频带可见光。
在第一实施例的一个方面中，离开光栅部件的光谱分散的光可以具有在400nm和1000nm之间的波长，并且可以不以传输的第0级衍射。
在第一实施例的一个方面中，光谱分散的光的多级可以是第-m级、第-(m+1)级和第-(m+2)级，并且其中m是整数。
在第一实施例的一个方面中，光谱分散的光的多级可以是选自以下的一组级：由第-3级、第-4级和第-5级组成的第一组；由第-4级、第-5级和第-6级组成的第二组；以及由第-5级、第-6级和第-7级组成的第三组。
在第一实施例的一个方面中，离开光栅部件的光谱分散的光可以不以传输的第0级衍射。
在第一实施例的一个方面中，光聚焦部件可以是梯度折射率(GRIN)透镜或球透镜。
在第一实施例的一个方面中，探测器可以是前视探测器。
在第一实施例的一个方面中，探测器可以是侧视探测器。
在第一实施例的一个方面中，光栅部件的空间频率与多级中的级之一的乘积的绝对值可以大于2000/mm。
在第一实施例的一个方面中，光栅部件可以是具有大于1.0μm的凹槽深度的二元光栅。
在第一实施例的一个方面中，光栅部件可以是占空比小于0.5的二元光栅。
在第一实施例的一个方面中，不同级中的衍射级A和不同级中的衍射级B的比率A/B可以小于2。其中，以与光栅部件衍射与衍射级B相关联的第二波长的光相同的角度，光栅部件衍射与衍射级A相关联的第一波长的光。其中，第一波长可以小于第二波长。
至少第二实施例可以是包括用于彩色成像的光谱编码的内窥镜探测器的系统。该探测器可以包括：用于引导照明光的光导部件；光聚焦部件；以及光栅部件。其中，光导部件、光聚焦部件和光栅部件可以被配置成使得一组多个波长的光束可以在相同的角度以不同的级衍射。该组光束可以包括至少3条光束。该组光束中的每条光束可以与不同的波长相关联。该系统还可以包括用于引导所收集的光的第二光导部件，至少一个检测器和处理器。处理器可以被适配和配置为基于来自以多级衍射的光的信息形成彩色图像。
在第二实施例的一个方面中，至少一个检测器可以包括光谱仪。
在第二实施例的一个方面中，光谱分散的光的多级可以是第-m衍射级、第-(m+1)衍射级和第-(m+2)衍射级，并且其中m是整数。
在第二实施例的一个方面中，该系统还可以包括位于探测器视场外部的光束阻挡器，以阻挡以不是所述多级的级衍射的光束。
在第二实施例的一个方面中，第二光导部件可以包括一根或多根角度抛光的光纤。
在第二实施例的一个方面中，还可以包括用于沿第一方向扫描该组光束的扫描器。处理器还可以被配置为对来自以多级衍射的光的信息应用具有第一方向上的内核的平滑函数。内核为所述多级中的每一级的第一亚组波长的第一尺寸。内核为所述多级中的每一级的第二亚组波长的第二尺寸。第一尺寸可以与第一尺寸不同。
在第二实施例的一个方面中，彩色图像可以是极(polar)图像。所述多级中的每一级的第一亚组波长可以与极图像的第一半径范围相关联。所述多级中的每一级的第二亚组波长可以与极图像的第二半径范围相关联。第一半径范围可以小于第二半径范围。内核的第一尺寸可能大于内核的第二尺寸。
至少第三实施例可以是包括用于彩色成像的光谱编码的内窥镜探测器的系统。该探测器可以包括：用于引导照明光的光导部件；包括第一光栅和透镜的光收集部件。该系统还可以包括用于引导所收集的光的第二光导部件；至少一个检测器；和处理器。处理器可以被适配和配置为基于来自所收集的光的信息形成彩色图像。光谱编码的内窥镜探测器可以被配置成使得一组收集的多个波长的光束以不同的级衍射，并通过光收集部件耦合到第二光导部件中。该组收集的光束可以包括至少3条光束。该组收集的光束中的每条光束可以与不同的波长相关联。光谱编码的内窥镜探测器可以被配置成使得耦合到第二光导部件中的该组收集的光束中的每条收集的光束由第一光栅以基本上单一的级衍射。
通过结合附图阅读本公开的示例性实施例的以下详细描述和所提供的权利要求，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得清晰。
附图说明
根据结合示出本公开的说明性实施例的附图的以下详细描述，本公开的其他目的、特征和优点将变得清晰。
图1是实施例的图。
图2是可以在实施例中使用的探测器的示意图。
图3是光在实施例的一部分中衍射的图示。
图4是另一实施例的图。
图5示出了实施例的一部分的示意图。
图6示出了另一实施例的一部分的示意图。
图7示出了另一实施例的一部分的示意图。
图8示出了另一实施例的一部分的示意图。
图9是具有多根检测光纤的另一实施例的一部分的轮廓的图示。
图10是具有多根检测光纤的另一实施例的一部分的前视图的图示。
图11示出了另一实施例的一部分的示意图。
图12示出了可以在实施例中使用的示例性成像控制台的示意图。
图13A-F是不同信道的带宽重叠的图示。
图14是另一实施例的一部分的图示。
图15A-C是可以通过实施例获得的数据的图示。
图16是实施例的部件的衍射功率分布的图示。
图17A-B是可以通过实施例获得的数据分段的图示。
在整个附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记和符号用于表示所示出的实施例的相同特征、元件，部件或部分。此外，虽然现在将参照附图详细描述本主题公开，但是结合说明性示例的实施例这样做。打算在不脱离由所附权利要求限定的本主题公开的真实范围和精神的情况下，能够对所描述的示例性实施例进行改变和修改。
具体实施方式
第一实施例-侧视图
图1中示出了根据本公开的SEE探测器系统100的示例性实施例。该示例性SEE探测器系统100可以包括光源110、探测器120、光谱仪142和图像处理器150。在该实施例中，来自光源110的宽频带光耦合到光导部件中，该光导部件可以是照明光纤112。
宽频带光具有足够的带宽以允许沿光谱分散的尺寸的空间分辨率。在一些实施例中，宽频带光是宽频带可见光源，其包括蓝色光带(包括波长λB1至λBN)、绿色光带(λG1至λGN)和红色光带(λR1至λRN)。例如，蓝色带包含400-500nm光，绿色带包含500-600nm光，并且，红色带包含600-800nm光。在其他实施例中，宽频带光的波长被优化用于识别诸如血液、组织等的特定特征，并且可以延伸到近红外区域，例如1200nm。在一个实施例中，每个波长带可以具有大于30nm的波长范围。一个实施例可以包括将允许SEE产生彩色图像的至少三个带。可以使用更多带来获取附加信息。
宽频带光源110可以包括多个光源或可以是单个光源。宽频带光源110可以包括激光器、OLED、LED、卤素灯、白炽灯、由激光器泵浦的超连续光源和/或荧光灯中的一种或多种。宽频带光源110可以是提供光的任何光源，然后可以将该光分成至少三个带，其中每个带进一步分散以提供然后用于空间信息的光谱编码的光。宽频带光源110可以通过光纤耦合到或者可以通过自由空间耦合到SEE探测器系统100的另一个部件。
光导部件可以是照明光纤112或连接到SEE探测器120的某一其他光波导。照明光纤112可以是单模光纤、多模光纤或双包层光纤。优选地，单根光纤用作照明光纤112。探测器120或其部分可以如箭头所示旋转或振荡。例如，照明光纤和照明光学器件可以通过Galvano马达旋转。
图2是SEE探测器系统100的一部分的图示，其示出了探测器120的示意图，因为它可以用在图1所示的实施例中。该特定探测器可以是侧视探测器，使得来自该探测器的图像将从位于探测器侧面而不是直接位于探测器前面的组织或其他成像样品反射。光导部件112(示为照明光纤)将宽频带光传输到探测器120。第二光导部件140(示为检测光纤)收集来自样品200的光。探测器120包括光聚焦部件122和光栅部件126，该光栅部件126示为附接到间隔器124。光聚焦部件122的附着光导部件112的部分优选是透镜的抛光端。第二光导部件122可以是例如GRIN透镜或球透镜，并且可以固定到角度抛光的间隔器124。间隔器124可以由(但不限于)玻璃、可热固化树脂、可紫外线固化树脂或塑料制成。光导部件112可以相对于第二光导部件122居中或偏心。第二光导部件122可以是光聚焦部件。在居中的情况下，离开第二光导部件122的光方向基本上平行于第二光导部件122的光轴。在偏心的情况下，根据偏心量，离开第二光导部件122的光方向相对于第二光导部件122的光轴成一角度。
可以通过诸如干法蚀刻、湿法蚀刻、纳米压印和软光刻的技术来制造光栅126。它可以直接形成在间隔器124上。例如，具有光栅126的间隔器124可以通过切割和角度抛光蚀刻的玻璃光栅来制造。光栅126可以是，但不限于，二元光栅、闪耀光栅或全息光栅。图16是可用于实施例中的光栅126的许多衍射级的衍射功率分布的模拟结果的图示，其中，图例中的T和R分别代表透射和反射。
图3示出了光栅126的功能。蓝色光带(λB1到λBN)、绿色光带(λG1到λGN)和红色光带(λR1到λRN)以基本相同的入射角θi入射到光栅126上。衍射角θd可以通过光栅公式例如式(1)确定：
nisinθi+ndsinθd＝-mGλ (1)
其中，ni代表光栅126的入射侧材料的折射率；nd是光栅的衍射侧材料的折射率；m是衍射级；G是光栅126的空间频率，并且λ是光的波长。在示例性实施例中，衍射条件可以是：ni＝1.5037；nd＝1；θi＝42.81°；以及G＝860/mm。在一些实施例中，光栅126被设计成使得空间频率G和绿光的衍射级mG的乘积的绝对值|mGG|大于2000/mm、2500/mm或3000/mm。发明人已经确定增大|mGG|增大了实施例的视场(FOV)。FOV是与每个波长带相关联的照射角度的角度范围，所述波长带产生与每个衍射级相关联的重叠光束。
应当理解，虽然红光、绿光和蓝光以基本相同的入射角θi入射在光栅126上，但是由于色散可能存在一些差异。如果需要，可以在图像处理器150的图像重建过程中补偿由于这些差异导致的样品200上的波长偏移。例如，红光和蓝光的入射角θi可以变化1.0°或更小。基本上在入射角θi的上下文意味着变化小于2.0°、1.0°或0.5°，这取决于光学部件的色散特性。
光栅126可以是二元光栅，其占空比(开口宽度/周期)小于0.5，从而允许高衍射效率。占空比可以优选小于0.4。凹槽深度可以大于1μm，优选大于1.1μm，或大于1.2μm。
为了使照明光的蓝色带、照明光的绿色带和照明光的红色带在样品200上重叠，蓝色光带的衍射级mB、绿色光带的衍射级mG和红色光带的衍射级mR被限制为满足下式(2)：
|mB|＝|mG|+1
|mR|＝|mG|-1 (2)
在一个实施例中，3个波长(λBX，λGX，λRX)的光都以基本相同的角度θi入射到光栅126上，并且都以基本相同的角度θd衍射，申请人已经确定这限制了波长带的边缘，使得下面的一组公式(3)将条件置于波长带的边缘上，其中X是1到N的整数，表示蓝色、绿色和红色波长带中的波长。在本公开的上下文中，以基本相同的角度θd衍射意味着选择波长带的边缘，使得每个波长带的边缘具有基本相同的衍射角，在光谱仪142的5、4、3、2或1个像素内，或者在一些实施例中，在光谱仪142的测量公差内。每个波长带的边缘形成波长范围，该波长范围在特定的衍射级的特定角度范围处衍射。在上面的讨论中，没有考虑来自例如GRIN透镜或间隔器的任何材料色散。来自这些和其他光学元件的材料色散也可能影响角度θ_d。然而，预期可通过校准步骤最小化或去除材料色散的影响。选择每个波长带使得所有波长带具有基本相同的角度范围。在一个实施例中，角度范围可以大于10°。
λR1＞λRN＞λG1＞λGN＞λB1＞λBN
优选地，mB/mR的比率小于2，使得波长带在光谱仪142的传感器上不重叠。
优选地，mG等于或小于-4，使得可以在400-800nm的波长带宽内实现三个不同波长带(例如，红色、绿色和蓝色波长，RGB)的重叠。在一些优选的实施例中，mG是-4，-5或-6。在一些优选实施例中，mG和G的绝对值的乘积大于或等于2000/mm，以便获得大的视场。优选地，mG和G的绝对值的乘积大于或等于2500/mm、3000/mm或更大。然而，也可以使用不同波长小于400nm或大于800nm的其他实施例。在一个实施例中，其中所有重叠带的带宽在400nm和800nm之间，不同衍射级的绝对值的最小值是3。在一个实施例中，其中所有重叠带的带宽在400nm和1200nm之间，不同衍射级的绝对值的最小值是2。
表1示出了一些示例性衍射级和红绿蓝波长范围。
表1
例子1 例子2 例子3
(m<sub>B</sub>，m<sub>G</sub>，m<sub>R</sub>) (-5，-4，-3)或(5，4，3) (-6，-5，-4)或(6，5，4) (-7，-6，-5)或(7，6，5)
(λ<sub>B1</sub>-λ<sub>BN</sub>) (408nm-468nm) (417nm-479nm) (437nm-489nm)
(λ<sub>G1</sub>-λ<sub>GN</sub>) (510nm-585nm) (500nm-575nm) (515nm-570nm)
(λ<sub>R1</sub>-λ<sub>RN</sub>) (680nm-780nm) (625nm-719nm) (612nm-684nm)
图13A是例子1的图示，其中已经对式(3)进行了绘图，以图示当mG等于-4时由带宽框1370界定的绿光和蓝光的重叠。图13A还示出了当mG等于-4时由带宽框1372界定的绿光和红光的重叠。图13B是例子2的图示，其中已经对式(3)进行了绘图，除了mG等于-5之外以与图13A类似的方式图示绿光、蓝光和红光的重叠。图13C是例子3的图示，其中已经对式(3)进行了绘图，除了mG等于-6之外以与图13A类似的方式图示绿光、蓝光和红光的重叠。图13D是使用UV、IR和可见光的实施例的图示，其中带宽框1374图示了UV和可见光的重叠，带宽框1376图示了IR和可见光的重叠。图13E-F是使用任意波长带A、B和C的实施例的图示。带宽框1378和1380图示了波长带的重叠。
在样品200(例如，组织或体内样品)上照射衍射光(例如，红光，绿光和蓝光)之后，光被样品200反射、散射、光致发光。该光通过光栅126被检测光纤140收集(见图2)。在替代实施例中，由检测光纤140收集的光不穿过光栅126。
用于收集光的(一个或多个)检测光纤140可以附着在透镜122的侧表面上或附近。检测光纤140可以是单模光纤、多模光纤或双包层光纤。在该特定实施例中，光栅126附接到间隔器124和检测光纤140两者。然而，在其他实施例中，(一个或多个)检测光纤未附接到光栅126。检测光纤140可以可选地与照明光学器件一同旋转，或可以是静止的。如果旋转，则检测光纤140可以经由旋转接头连接到第二非旋转检测光纤。
如图1所示，收集的光通过检测光纤140传送到光谱仪142。光谱仪142获得3个波长带(例如，蓝光、绿光和红光)的1D光谱数据。该1D光谱数据对应于来自样品200上的三条照射线(RGB)的信息。
如箭头所示，图1的探测器120通过马达围绕光轴旋转，使得照明光线扫描样品，并且可以通过光谱仪142获得2D数据(波长和时间)。马达可以是例如Galvano马达、步进马达、压电马达或直流马达。旋转接头可用于旋转探测器。例如，通过沿箭头方向旋转光谱编码线，可以对圆形区域进行成像。该圆形区域可以大致垂直于SEE探测器定位，因此，如果选择m和G使得光以θd＝-θi的角度衍射，则图1中所示的示例性SEE探测器可以进行前视成像。可替代地，可以振荡探测器120以提供类似的2D数据。在光谱仪142处，可以读出所收集的光的波长，其可以用于生成样品的线图像。
在光谱仪以及一个或多个检测器检测到所收集的光之后，图像处理器150从数据生成红色、绿色和蓝色的三个2D图像(152R，152B，152G)。在其他实施例中，使用具有适当重叠的衍射光级的探测器形成两个、四个或更多个2D图像。
图像处理器150从3个基本上单色的图像构建2D彩色图像158：红色图像152R；绿色图像152G和蓝色图像152B。可以创建该彩色图像158以便模拟真彩色图像，或者可以调整该彩色图像158以突出显示例如组织类型的差异。在一些实施例中，可以代替彩色图像158或者除了彩色图像158之外还构建二或四色调图像。
当三个基本上单色的图像(152R，152G，152B)被处理器150创建并组合成2D彩色图像158时，可以应用颜色校准过程。
实施例可以使用用于颜色校准的方法，其利用三个波长带(红色，绿色和蓝色)的参考光谱及其参考RGB值。可以为3个光谱设置参考RGB值。这些是当SEE系统从目标获得的光谱数据与参考光谱相同时目标图像可能在RGB监视器中具有的像素值。
该方法的第一步是定义参考光谱其中X是R、G或B。例如，参考光谱可以是SEE系统100从样品200自身获得的光谱数据集的平均值。在另一个实施例中，参考光谱可以是SEE系统100从另一个均匀组织、参考样品或人造组织样品获得的光谱数据。在又一个实施例中，可以通过将由SEE系统获得的白色校准图表的光谱数据与感兴趣组织的反射光谱数据相乘来创建参考光谱。
第二步可以是定义对应于参考光谱的参考RGB值例如，如果参考光谱是从看起来是白色的组织生成的，则对于8位值，参考RGB值可以是比如(255，255，255)或(200，200，200)的值。如果参考光谱是从看起来是粉红色的组织生成的，则对于8位值，参考RGB值可以是比如(250，100，180)的值。
第三步可以是对三个基本上单色的图像进行归一化，并且将参考光谱和RGB值中的对应(即红色、绿色或蓝色)的一个分配给RGB值如下式(4)所示：
这是线性过程，因此可以在坐标系转换过程(例如极坐标到笛卡尔坐标)之前或之后完成。第四步可以是将3个校准图像组合成2D彩色图像158。可以在颜色校准处理之后应用伽马校正处理。
在前视成像中，通过将坐标系从极坐标系改变为笛卡尔坐标系，可以将获得的2D数据(波长和时间)转换为2D图像。在一个实施例中，可以将波长转换为极坐标系中的半径，然后将其转换为笛卡尔坐标系。
当获得如图17A所示的2D极图像1758时，与较长半径区域(大视角区域，FOV边缘，图17A中的1756)相比，较短半径区域(小视角区域，FOV中心，图17A中的1754)可在切向方向上被过采样。在一个实施例中，当极图像1758的半径在零和第一阈值之间时，在角度方向上采集的数据点的数量可以是大于第二数量的第一数量。第二数量是当极图像1758的半径在第二阈值和第三阈值之间时在角度方向上采集的数据点的数量。第二和第三阈值都大于第一阈值。因此，可能有效的是，用取决于半径的不同内核大小(对于较小的半径，较大的内核)在坐标系转换之前将平滑函数应用于由线传感器光谱仪142获取的色谱带(例如R，G，B)的每个2D数据，以增大SNR。例如，如果色谱带的最短波长位于FOV的中心处，如图5所示，则有效的是，对如图17B所示的每个光谱带的光谱仪数据1790中的数据子集1792(较短波长)应用沿扫描角方向具有比对数据子集1794(较长波长)更大的内核的平滑函数。
图15A-C是可以通过实施例获得的示例性数据的图示。如图15A所示，样品200可包括内部棕色半圆、中央白色圆圈和粉红色外圆。SEE探测器收集来自样品200的光并将其发送到光谱仪142，光谱仪142产生光谱仪数据，如曲线图所示，其图示了每个波长带获得的关于每条曲线的数据。
光谱仪数据被发送到图像处理器150。图像处理器150产生红色图像152R、绿色图像152G和蓝色图像152B，如15B所示。然后，图像处理器150组合红色图像152R、绿色图像152G和蓝色图像152B，以产生彩色图像1558，如图15C所示。
多个光谱仪可以用作光谱仪142。例如，蓝色和绿色收集的光可以被传送到一个光谱仪，而红光被传送到另一个光谱仪。类似地，多个检测器(未示出)可以检测来自多个光谱仪的光。多个光谱仪可以共享一个或多个部件。
第二实施例-前视图
图4是可以实现实施例的前视SEE探测器系统400的图示。前视SEE探测器系统还图示了在光源110和探测器420之间使用旋转接头114。
如图5所示，光导部件112(示为照明光纤)将宽频带光传输到探测器120。第二光导部件140(示为检测光纤)收集光。探测器420包括光聚焦部件122和光栅部件126，光栅部件126被示出为附接到间隔器524。间隔器具有反光镜表面528。反光镜528可以例如通过反射涂层、金属涂层或通过使用全内反射来实现。光导部件122可以是例如GRIN透镜或球透镜，并且被固定到角度抛光的间隔器524。间隔器524可以由(但不限于)玻璃、可热固化树脂、可紫外线固化树脂或塑料制成。
如图所示，通过照明光纤112传送的光被透镜122稍微聚焦，被表面528反射，并被光栅126衍射。每个颜色带宽(λR1，λG1，λB1)中的最短波长光在前视方向上被衍射到样品200。
检测光纤140收集样品200反射的光。检测光纤140可以是一根或多根多模光纤。多根光纤可以例如围绕透镜122和间隔器524排列。在一些实施例中，存在4、5、6、7、8或更多根检测光纤140。在一些实施例中，检测光纤140的阵列可以在一个或多个位置处具有“孔”以容纳其他光学或机械部件，例如冲洗装置。(一个或多个)检测光纤140可以是固定的，或者与透镜122和间隔器524一起旋转。优选地，检测光纤140具有高NA。NA可以大于0.2(更优选地，......0.3，0.4，0.5，0.6)。
图6是示例性前视SEE探测器620的另一实施例的图示，除了以下之外其基本上类似于图5中所示的前视探测器420：使用光栅626，并且观察区域根据新衍射光栅626的参数偏移了。此外，间隔器624被优化，使得来自表面628的光的入射角被优化。在该设计中，光栅参数(折射率、空间频率和入射角)和角度被优化，使得每个颜色带宽(λRN，λGN，λBN)中的最长波长光沿着前视方向被衍射到样品200。
未用于成像的下一个最高衍射级(mB-1)可能将噪声引入系统。在一个实施例中，(例如，mB＝-6)，未使用的该较高级带的衍射角大于最大角，使得光在探测器检测光学器件的视场之外被衍射，并且其实质上对系统的噪声没有贡献。优选地，满足由式(5)描述的以下条件，使得基本上不发生下一个最高级的衍射。
在一个实施例中，可以优化光栅626，使得照射的衍射效率高于相邻衍射级中的衍射效率。例如，在一个实施例中，ni＝1.5037，nd＝1，θi＝42.81°，G＝860/mm，沟槽深度＝1.45μm，占空比＝0.16。视场(FOV)中心和FOV边缘的衍射效率列于下表2中。表2A还示出了在FOV边缘但在相邻级中的相同的波长的衍射效率。这里，表中的衍射效率是TE和TM衍射效率的平均值。每个信道(蓝色，绿色，红色)中的FOV中心波长和FOV边缘波长之间的衍射效率不为零。在一个实施例中，当入射角θi大于全内反射(TIR)的临界角时，基本上没有与光栅传输的第0级(m＝0)相关联的透射光，而更高的被光栅衍射的光确实通过光栅。
表2A衍射效率
FOV中心波长/级 FOV边缘波长/级 与相邻级的FOV边缘相同的波长
蓝色 10.1％(408nm/第-5级) 27.4％(468nm/第-5级) 0.4％(468nm/第-4级)
绿色 19.9％(510nm/第-4级) 24.8％(585nm/第-4级) 1.6％(585nm/第-3级)
红色 24.4％(680nm/第-3级) 18.5％(780nm/第-3级) 3.6％(780nm/第-2级)
在一个实施例中，可以优化光栅626，使得照射的衍射效率高于相邻衍射级的衍射效率。例如，在一个实施例中，ni＝1.5037，nd＝1，θi＝38.67°，G＝800/mm，沟槽深度＝1.7μm，占空比＝0.2。视场(FOV)中心和FOV边缘的衍射效率列于下表2B中。表2B还示出了在FOV边缘但在相邻级中的相同的波长的衍射效率。
表2B衍射效率
在一个实施例中，可以优化光栅626，使得衍射效率分别针对蓝色(415-475nm)/绿色(498-570nm)/红色(622.5-712.5nm)的第-6级/第-5级/第-4级优化。例如，在一个实施例中，ni＝1.5037，nd＝1，θi＝36.0°，G＝650/mm，沟槽深度＝1.8μm，占空比＝0.25。
用于前视SEE探测器720的又一示例性实施例在图7中示出，并且基本上类似于前面所示的SEE探测器。探测器720还包括光束阻挡器730。光束阻挡器730围绕光栅126定位，使得它阻挡以除了感兴趣的视场中的角度以外的角度衍射的光。例如，光束阻挡器730可以阻挡其衍射角小于照射样品200的衍射光的其他级。光束阻挡器730可以吸收、反射或散射这样的光。光束阻挡器730可以是管道并且可以是静止的。光束阻挡器730可以与探测器120一起旋转。
用于前视SEE探测器420的又一示例性实施例在图8中示出。在该实施例中，检测光纤840具有角度抛光的远端，使得接收角是不对称的，并且它不收集除了与衍射光的特定级相关的特定视场之外的光。例如，以衍射角小于衍射到样品200上的特定照明光的其他级衍射的光。在替代实施例中，代替具有角度抛光的远端，检测光纤840可以在远端具有棱镜。在该实施例中还例示的是检测光纤840，其与照明光纤112、透镜122和间隔器524一起旋转。
图9-10是一个实施例的图示，其中检测光纤包括形成光纤束940的多根检测光纤940a-z。检测光纤940a-z可以包括围绕间隔器524和光栅126排列的多根光纤，如图9-10所示。如图9-10所示，示例性探测器420被多根(在该例子中为8根)检测光纤940a-z包围。来自每根检测光纤的光可以在图像处理器150的图像处理中一起使用或选择性地使用。时间门可以用于选择使用哪根或哪些检测光纤。这可以通过例如具有时间门控曝光或具有Galvo扫描仪的2D照相机和线照相机来完成。
图14是单个光谱仪1442如何可以适于从光纤束940的多根光纤收集数据的图示。如图14所示，光纤束940的输入侧1440a上的光纤束940的各根光纤可以形成环。环形是示例性的，并且其他形状可以用于光纤束的输入侧，例如多边形、椭圆形或其他形状。而且，光纤束的输出侧1440b可以形成诸如光纤带的阵列。
光谱仪1442可以包括准直透镜1482，用于从输出侧1440b采集光。准直透镜1482可以是单透镜、透镜组或透镜阵列。透镜阵列可以包括用于光纤束940中的每根光纤的单个透镜。准直透镜1482可以使来自输出侧1440b的光基本上准直。
准直透镜1482连同诸如反射镜和偏振器之类的一个或多个光学部件可以将光引导到光学色散部件1484，例如一个或多个光栅或棱镜。光学色散部件1484分散光，如图14所示。在图14中，蓝光用点线表示，绿光用实线表示，红光用虚划线表示。
然后可以通过聚焦透镜1486使光谱分散的光聚焦。聚焦透镜1486可以是单透镜、透镜组或透镜阵列。然后，聚焦透镜1486可以将光谱分散的光聚焦到传感器阵列1442上。传感器阵列1488中的每个像素可以是24μm×500μm的矩形像素。每个像素可以是由标准传感器阵列144中的多个较小的正方形像素构成的逻辑像素。如果聚焦透镜1486是透镜阵列，则透镜阵列可以包括用于每个矩形像素的透镜。传感器阵列1488可以产生图像，其中光谱信息沿第一轴，并且来自每根光纤的空间信息沿着与第一轴正交的第二轴。
图11是包括前视SEE探测器420的示例性实施例的一部分的图示。在该实施例中，与图5中所示的实施例相比，照明光纤112和检测光纤140被互换了。在这种情况下，照明光不被衍射，但是使用衍射光栅确保仅有一定的光被传输到检测光纤140上。该替代实施例还可以包括附接到照明波导112的柱面透镜1122。该替代实施例还可以包括附接到柱面透镜1122的棱镜1124，使得样品200上的照明光是白线，而不是如前一实施例中的3条光谱编码线。来自样品200的反射光被收集并通过间隔器524上的光栅126一起传递到检测光纤140，由表面528反射并由透镜122聚焦。照明光纤112和检测光纤140可一起旋转。白线可以沿探测器视场的径向方向对齐，并随探测器一起旋转。由于棱镜134的扭曲，白线相对于视场中心可以是不对称的，使得仅以一个级衍射的光被耦合到检测光纤140中。
在一些实施例中，探测器可以是前视或侧视探测器，是一次性探测器。在这些实施例中，照明光纤112和检测光纤140可以是可拆卸的。利用该示例性功能，探测器可以是一次性的，以确保清洁的探测器被插入到可能是人体的对象中。
根据各种示例性实施例，可以使用多包层光纤。多包层光纤可以表现为好像它具有取决于光传播方向的不同芯直径。因此，这种多包层光纤可以用作照明光纤和检测光纤。如果多包层光纤连接到旋转接头，则可以执行探测器的连续旋转。
系统和软件相关公开
本发明的(一个或多个)实施例还可以由如下实现：一个或多个计算机，所述计算机读出并执行记录在暂态或非暂态存储介质上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述实施例中的一个或多个的功能，并且/或者，包括用于执行上述实施例中的一个或多个的功能的一个或多个电路；以及由系统或装置的计算机通过如下执行的方法，例如，从存储介质读出并执行计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或多个的功能，和/或控制一个或多个电路来执行上述实施例中的一个或多个的功能。例如，计算机系统是图像处理器的一部分或被附接到图像处理器，并且可以获得和修改从成像检测器和可选的第二检测器接收的信息。
在一个实施例中，图像处理器150包括一个或多个计算机单元和一个或多个显示单元，其可以经由高清晰度多媒体接口(HDMI)连接到图像处理器150。可选地，单独的图像服务器是连接到经由以太网线缆或无线接入点连接的处理器150的另一计算机单元。
图12是图像处理器150的图示，其中命令可以经由可以位于图像处理器150上的用户接口单元/布置发送到一个或多个处理器161。图像处理器可以包括I/O接口，其中，通过包括或单独附接的触摸板屏幕、键盘、鼠标、操纵杆、球控制器和/或脚踏板中的一个或多个接收命令。用户/操作者可以使用图像处理器150来启动命令以便通过示例性前视SEE探测器观察或采集关于可能在人体内的对象的信息。例如，当用户输入命令，该命令被发送到CPU 161以由此执行。
图像处理器150可以包括CPU 161、存储器/RAM 162、I/O接口163和检测器接口164。此外，图像处理器150还可以包括一个或多个设备。图像处理器可以包括一个或多个通用计算机，或者可以包括专用处理器，例如ASIC、DSP、FPGA、GPU、FPU等。
图像处理器150可以被编程为应用示例性图像处理，例如降噪、坐标失真校正、对比度增强等。在执行图像处理之后或甚至在执行图像处理期间，可以将数据从图像处理器150发送到显示器。在一些示例性实施例中，液晶显示器可以是所述显示器。显示器可以显示例如根据本公开的各种示例性实施例的从单一模式或复合彩色图像获得的各个图像。显示器还可以显示除图像之外的其他信息，例如观察日期、观察人体的哪个部位、患者姓名、操作者姓名等。
CPU 161被配置为读取并执行存储在存储器/RAM 162中的计算机可执行指令。计算机可执行指令可以包括用于执行本文描述的方法和/或计算的指令。存储器/RAM 162包括一个或多个非暂态计算机可读和/或可写介质，并且可包括例如磁盘(例如，硬盘)、光盘(例如，DVD，Blu-ray)、磁光盘、半导体存储器(例如，非易失性存储卡，闪速存储器，固态驱动器，SRAM，DRAM)、EPROM、EEPROM等。存储器/RAM 162可以存储计算机可读数据和/或计算机可执行指令。图像处理器150的部件可以经由总线进行通信。
I/O接口163向输入和输出设备提供通信接口，输入和输出设备可以包括键盘、显示器、鼠标、打印设备、触摸屏、光笔、光学存储设备、扫描仪、麦克风、照相机、驱动器、通信线缆和网络(有线或无线)。
检测器接口163还向输入和输出设备提供通信接口。检测器可包括检测系统，例如光谱仪142、光谱仪内的部件，例如光电倍增管(PMT)、光电二极管、雪崩光电二极管检测器(APD)、电荷耦合器件(CCD)、多像素光子计数器(MPPC)等，以及提供有关探测器状态的信息的部件，例如旋转编码器、马达驱动电压、热电偶等。此外，检测器的功能可以通过记录在存储器/RAM 162上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)实现。
在示例性操作中，用户可以将示例性SEE探测器放置在护套中，然后可以将这种布置/配置插入人体的预定位置。可以预先将护套单独插入人体中，并且可以在护套插入后将SEE探测器插入护套中。示例性探测器可以用于观察人体内部并且用作内窥镜，例如关节镜、支气管镜、鼻窦、血管内窥镜等。
定义
在参考说明书时，阐述了具体细节以便提供对所公开的示例的透彻理解。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件和电路，以免不必要地延长本公开。
应当理解，如果一元件或部分在本文中被提到“在......上”，“抵靠”，“连接到”或“耦合到”另一元件或部分，则它可以直接在另一元件或部分上，直接抵靠另一元件或部分，直接连接到或耦合到另一元件或部分，或者可以存在中间元件或部分。与此形成对照的是，如果一元件被提到“直接在另一元件或部分上”，“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件或部分，则不存在中间元件或部分。当使用时，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目中的任何项目和所有组合，如果这样提供的话。
为了容易描述，在本文中可使用诸如“在......下方”、“在......之下”、“在......下面”、“下部的”、“在......上方”、“上部的”、“近端”、“远端”等空间相对术语来描述一个元件或特征与另一个(另一些)元件或特征的关系，如各个图所示。然而，应该理解，除了图中绘出的取向以外，空间相对术语还意图涵盖设备在使用或操作中的不同的取向。例如，如果图中的设备被翻转，那么被描述为在其它的元件或特征的“下面”或“之下”的元件将会被取向为在其它的元件或特征的“上方”。因此，诸如“在......下面”的空间相对术语可涵盖“上面”和“下面”的两种取向。设备可以其他方式被取向(以90°旋转或者以其它的取向)，并且，相应地，解释本文中使用的空间相对描述符。类似地，在适用的情况下，相对空间术语“近端”和“远端”也可以是可互换的。
本文所用的术语“约”是指例如10％以内、5％以内或更少以内。在一些实施例中，术语“约”可以是指测量误差内。
这里可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、部分和/或区间。应该理解，这些元件、部件、区域、部分和/或区间不应受这些术语的限制。这些术语仅仅用来将一个元件、部件、区域、部分或区间与另一个元件、部件、区域、部分或区间进行区分。因此，在不脱离本文的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、部分或区间可被称为第二元件、部件、区域、部分或区间。
本文中使用的术语仅仅出于描述特定实施例的目的，并且不应当是限制性的。如本文中使用的，除非上下文中明确地另有说明，单数形式“一”、“一种”、“所述”应当也包括复数形式。应该进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除未明确陈述的一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。
以上仅说明了本公开的原理。鉴于本文的教导，对所述示例性实施例的各种修改和更改对于本领域技术人员而言将是显然的。实际上，根据本公开的示例性实施例的布置、系统和方法可以与任何SEE系统或其他成像系统一起使用，并且例如与美国专利No.6,341,036；7,796,270；7,843,572；7,859,679；8,045,177；8,145,018；8,780,176；8,812,087；9,295,391和9,254,089以及PCT公开WO2015/116951和WO2015/116939中描述的那些一起使用，这些文献的公开内容在此通过引用全部并入本文。
在描述附图中所示的示例实施例时，为了清楚起见使用了特定术语。然而，本专利说明书的公开内容并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应理解，每个特定元件包括以类似方式操作的所有技术等同物。
虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这类修改以及等同的结构和功能。

Claims (26)

1.一种用于彩色成像的光谱编码的内窥镜探测器，包括：
用于引导照明光的光导部件；
光聚焦部件；以及
光栅部件；
其中，光谱编码的内窥镜探测器被配置成使得多个波长的一组光束由光栅部件在基本相同的角度以不同的级衍射；
其中，该组光束包括至少3条光束；并且
其中，该组光束中的每条光束与不同的波长相关联。
2.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述多个波长在400nm和1200nm之间；并且
其中，不同级的绝对值的最小值是2。
3.根据权利要求1所述的探测器，其中，该组光束中的每条光束与多个波长范围中的不同波长范围相关联；
其中，每条光束以不同的衍射级衍射；
其中，每条光束在基本相同的角度范围处衍射。
4.根据权利要求3所述的探测器，其中，所述多个波长范围中的每个波长范围的光谱宽度大于30nm。
5.根据权利要求3所述的探测器，其中，所述角度范围大于10度。
6.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述光导部件由单根光纤组成。
7.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述照明光包括宽频带可见光。
8.根据权利要求1所述的探测器，其中，离开所述光栅部件的光谱分散的光具有在400nm和1000nm之间的波长，并且不以传输的第0级衍射。
9.根据权利要求1所述的探测器，其中，光谱分散的光的多级是第-m级、第-(m+1)级和第-(m+2)级，并且其中m是整数。
10.根据权利要求9所述的探测器，其中，光谱分散的光的所述多级是选自以下的一组级：
由第-3级、第-4级和第-5级组成的第一组；
由第-4级、第-5级和第-6级组成的第二组；以及
由第-5级、第-6级和第-7级组成的第三组。
11.根据权利要求9所述的探测器，其中，离开所述光栅部件的光谱分散的光不以传输的第0级衍射。
12.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述光聚焦部件是梯度折射率(GRIN)透镜或球透镜。
13.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述探测器是前视探测器。
14.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述探测器是侧视探测器。
15.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述光栅部件的空间频率与所述多级中的级之一的乘积的绝对值大于2000/mm。
16.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述光栅部件是具有大于1.0μm的凹槽深度的二元光栅。
17.根据权利要求16所述的探测器，其中，所述光栅部件具有小于0.5的占空比。
18.根据权利要求1所述的探测器，其中，不同级中的衍射级A和不同级中的衍射级B的比率A/B小于2；
其中，以和光栅部件衍射与衍射级B相关联的第二波长的光相同的角度，光栅部件衍射与衍射级A相关联的第一波长的光；并且
其中，第一波长小于第二波长。
19.一种包括用于彩色成像的光谱编码的内窥镜探测器的系统，包括：
用于引导照明光的光导部件；
光聚焦部件；
光栅部件，其中，所述光导部件、所述光聚焦部件和所述光栅部件被配置成使得一组多个波长的光束在相同的角度以不同的级衍射；
其中，该组光束包括至少3条光束；并且
其中，该组光束中的每条光束与不同的波长相关联；
用于引导所收集的光的第二光导部件；
至少一个检测器；以及
处理器，其中，所述处理器被适配和配置为基于来自以多级衍射的光的信息形成彩色图像。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述至少一个检测器包括光谱仪。
21.根据权利要求19所述的探测器，其中，光谱分散的光的所述多级是第-m级、第-(m+1)级和第-(m+2)级，并且其中m是整数。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括位于探测器视场外部的光束阻挡器，以阻挡以不是所述多级的级衍射的光束。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第二光导部件包括一根或多根角度抛光的光纤。
24.根据权利要求19所述的系统，还包括：
用于沿第一方向扫描该组光束的扫描仪；
其中，处理器还被配置为对来自以所述多级衍射的光的信息应用具有第一方向上的内核的平滑函数；
其中，内核为所述多级中的每一级的第一亚组波长的第一尺寸；
其中，内核为所述多级中的每一级的第二亚组波长的第二尺寸；并且
其中，所述第一尺寸与所述第一尺寸不同。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，
彩色图像是极图像；
所述多级中的每一级的第一亚组波长与极图像的第一半径范围相关联；
所述多级中的每一级的第二亚组波长与极图像的第二半径范围相关联；
第一半径范围小于第二半径范围；并且
内核的第一尺寸大于内核的第二尺寸。
26.一种包括用于彩色成像的光谱编码的内窥镜探测器的系统，包括：
用于引导照明光的光导部件；
包括第一光栅和透镜的光收集部件；和
用于引导所收集的光的第二光导部件；
至少一个检测器；以及
处理器，其中，所述处理器被适配和配置为基于来自所收集的光的信息形成彩色图像；
其中，光谱编码的内窥镜探测器被配置成使得一组收集的多个波长的光束以不同的级衍射，并通过光收集部件耦合到第二光导部件中；
其中，该组收集的光束包括至少3条光束；
其中，该组收集的光束中的每条光束与不同的波长相关联；
其中，光谱编码的内窥镜探测器被配置成使得耦合到第二光导部件中的该组收集的光束中的每条收集的光束由第一光栅以基本上单一的衍射级衍射。
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