CN111742211A - 使用多模光学波导和近侧处理的光学探头 - Google Patents

Abstract

一种生成光束的光源，该光束从光纤的近端传播到远端，该光纤施加光束的空间轮廓的变换。光学控制设备响应于来自信号处理器的控制信号而在光束上施加补偿的空间轮廓。远侧光源生成校准光，该校准光通过一个或多个光学波导从光纤的远端传播到近端。光学检测器检测校准光并且响应于检测到的校准光而生成电信号，信号处理器生成控制信号以指示光学控制设备在光束上施加补偿的空间轮廓，该补偿的空间轮廓至少部分地补偿由光纤施加的光束的空间轮廓的变换。

Description

使用多模光学波导和近侧处理的光学探头

本文使用的章节标题仅用于组织目的，并且不应以任何方式解释为限制本申请中描述的主题。

技术领域

本教导涉及用于在光学波导的远端处传送和/或收集光、和/或对样品执行光学治疗和/或执行光学成像的医学和非医学应用。在一些实施例中，确定样品的光学性质。光学性质可以包括例如吸收、反射、折射率、双折射、色散、荧光和其它性质，并且其可以是波长的函数并且可以处于一点、小体积和/或在空间上或光谱上沿着一维或多维解析。

背景技术

对样品(例如，在难以到达的位置的人体器官或样品)进行光学成像存在许多医学和非医学需求。这包括在人体内部执行诊断或治疗程序。为了将光传送到难以到达的关注组织区域和/或从难以到达的关注组织区域收集光，有多种设备和方法，诸如图1中所示的那些设备和方法。这包括内窥镜100、导管120、导丝、腹腔镜、套管针(trocar)140、管道镜、针头以及各种微创和机器人手术设备。为了执行一维、二维或三维成像和/或功能成像，有多种可能的模式，包括光学相干断层扫描(OCT)和其它基于干涉测量的成像、共焦显微镜、光谱成像、荧光成像、拉曼(Raman)成像、多光子成像和反射成像等。每种成像模式都提供不同的属性。例如，由于OCT成像处理的相干门控，OCT可以实现高的轴向亚瑞利(sub-Rayleigh)范围分辨率，这在期望高分辨率轴向光学性质信息和长景深的各种场景中可以带来极大的益处。为了进行比较，荧光成像可以更轻松地提供分子信息，但通常具有较小的景深。在许多应用中，传送光以进行治疗(诸如激光消融和光动力治疗)是有用的。

单模光纤是廉价且灵活的，并且通常用于沿着内窥镜传输光，但是单模光纤本身通常不能执行空间2D或3D成像。为了使用单模光纤执行成像，通常需要扫描从单模光纤发射和/或收集的光。有多种现有技术使得能够扫描包含单模光纤的内窥镜的远端处的光束，包括使用由扭矩电缆驱动的旋转单模光纤或由单模光纤照明的远侧马达，以及其它机械或电光方法，诸如图2中所示或以下参考文献中所描述的那些方法：2002年11月26日发布的美国专利号6,485,413“Methods and Apparatus for Forward-Directed Optical ScanningInstruments”，S.A.Boppart、G.J.Tearney、B.E.Bouma、M.E.Brezinski、J.G.Fujimoto和E.A.Swanson。对于许多重要的医学和非医学应用，这些现有技术受到各种重大限制，诸如：内窥镜探头太粗和/或不够灵活，而无法进入人体内的重要区域；无法装入现有的临床器械端口内；内窥镜或其附接的系统过于昂贵；内窥镜可靠性不如预期；扫描机制引入了光学图像伪影，诸如不均匀的旋转失真。为了开发新的临床应用并在现有应用中更好地表现，需要在这些现有技术限制上取得重大进步。

附图说明

在结合附图进行的以下详细描述中，更特别地描述了根据优选和示例性实施例的本教导以及其另外的优点。本领域技术人员将理解，下面描述的附图仅用于例示目的。附图不一定按比例，而是通常将重点放在例示本教导的原理上。这些附图无意以任何方式限制申请人的教导范围。还要注意的是，为了简单起见，一些附图未按比例或者未成比例或者不在样品内的确切位置地示出了光束传播(例如，光束发散)。

图1示出了已知的医学光学成像设备的示例。

图2示出了已知的远侧光学扫描方法的示例。

图3例示了本教导的一个实施例的简化图，该实施例包含处理系统以及包含单模和多模组件的多芯光纤。

图4示出了本教导的远程光学探头系统的实施例，其中利用了偏振分集检测。

图5示出了本教导的多模光学波导的实施例的模型。

图6A示出了本教导的远程光学探头系统的实施例，其包括将光携带到光纤端部处的散射中心的单模或少模波导。

图6B示出了本教导的远程光学探头系统的实施例，其包括引入到成像波导中的附加散射中心。

图6C示出了本教导的远程光学探头系统的实施例，其包括被制成与成像波导重叠的单模耦合波导。

图6D例示了本教导的远程光学探头系统的示例实施例的成像波导和远侧源波导两者的折射率曲线。

图7示出了本教导的包括单个偏振的远程光学探头系统的实施例的简化图。

图8示出了本教导的远程光学探头系统的实施例的焦距、束腰和焦深的图。

图9A例示了本教导的远程光学探头系统的实施例。

图9B例示了本教导的多芯光纤的横截面的实施例，其包括多个芯和公共包层。

图9C例示了本教导的多芯光纤的横截面的实施例，其包括多个芯，每个芯具有单独的包层，包层具有可选的吸收性的或光剥离性的公共包层和/或缓冲器。

图9D例示了本教导的多芯光纤的横截面的实施例，其包括具有涂层以最小化芯对芯耦合的空心多芯光纤。

图9E例示了本教导的多芯光纤的横截面的实施例，其包括与一个或若干个形状感测光纤组合的多芯光纤。

图9F例示了本教导的多芯光纤的横截面的实施例，其包括具有单行芯的多芯光纤，该单行芯沿着在垂直于光纤轴的任何横向平面中的一维线分布，并且还包括形状感测光纤。

图10示出了本教导的远程光学探头系统的实施例，其包括多芯光纤，其中每个芯具有远侧反射，并且包括近侧系统，该近侧系统以干涉方式从远侧反射和样品两者收集光并调节近侧振幅和/或相位束形成元件以执行远侧扫描或成像。

图11A例示了本教导的方法的实施例，其包括外部光纤芯，该外部光纤芯在靠近端部处具有光学吸收材料，该光学吸收材料从近端例如通过激光被不同地热激活。

图11B例示了本教导的方法的实施例，其包括具有光纤布拉格光栅或其它结构的外部光纤，以将光向外反射至涂覆的材料以吸收光并不同地热膨胀。

图11C例示了本教导的方法的实施例，其包括中空的外部光纤，并且使用不同的液体、气体和/或抽吸压力来弯曲光纤和/或使用可选的可充气/可放气结构。

图11D例示了本教导的方法的实施例，其包括在光纤包层内、在护套/缓冲器上或在光纤的远侧部分周围包含PZT或其它机电弯曲材料的光纤的远侧部分，以及用于激活光纤以弯曲的电导管。

图11E例示了本教导的方法的实施例，其包括附接在光纤外表面附近的推/拉线。

图12例示了流程图，其示出了根据本教导的成像波导校准的方法的实施例。

图13例示了本教导的成像内窥镜的实施例，其使用具有适合于共焦和其它成像应用的具有空间光调制器和环行器的体系架构。

具体实施方式

现在将参考如附图所示的本教导的示例性实施例更详细地描述本教导。虽然结合各种实施例和示例来描述本教导，但是并不意指本教导限于这样的实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代、修改和等同。能够获得本文教导的本领域普通技术人员将认识到在本文所述的本公开的范围内的其它实施方式、修改和实施例以及其它使用领域。

在说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本教导的至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都指同一个实施例。

应该理解的是，本教导的方法的各个步骤能够以任何顺序和/或同时地执行，只要该教导保持可操作即可。此外，应该理解的是，本教导的装置和方法可以包括任何数量或全部所描述的实施例，只要该教导保持可操作即可。例如，应该理解的是，在整个说明书中以某种可互换的方式使用词语“光纤”和词语“芯”。本领域技术人员将理解，当多个芯被描述为嵌入在公共包层中时，存在等同实施例，其中有多个光纤，每个光纤具有嵌入在第二外部公共包层中的芯和包层。这样的芯可以是单模、少模或多模的光芯。

本教导涉及用于在难以到达的位置传送和/或收集光和/或执行样品的光学成像的许多医学和非医学应用。在本公开中，词语“光”被用于例如在从紫外到红外的波长范围(包括整个可见光谱)内的任何辐射。

根据本教导在内窥镜中使用多模或多芯光纤代替单模光纤为光学成像提供了显著的优势，因为这样的光纤可以支持多种空间光学模式(而不仅仅是单模光纤中的一种)，从而允许通过操控或测量内窥镜的近端处的光场而在内窥镜的远端处测量和/或创建更复杂的光场，或者根据从在内窥镜的远端处的样品发出的光在内窥镜的近端处恢复复杂场。应该理解的是，术语“波导”和“光纤”在本文中可互换使用，因为光纤是一种类型的波导。还应该理解的是，如本文所使用的术语“内窥镜”旨在具有广泛的含义，以包括诸如导管、导丝、腹腔镜、套管针、管道镜、针头以及各种微创和机器人手术设备之类的医学设备。

这种系统的简化示例在图3中示出，其中可以在横向方向或纵向方向或两者上对焦点进行远侧扫描。与例如图2中所示的方法相比，这种方法具有许多益处，包括包含多模或多芯光纤的小得多的、更低成本的并且更灵活的内窥镜。但是一个缓解问题是，从内窥镜的一端到另一端的光场的传播是复杂的并且会响应于环境干扰(诸如医生操作内窥镜、心脏跳动、呼吸、温度波动或来自活着的患者的其它运动或环境干扰)而持续变化。从内窥镜的一端到另一端的光场的变换有时被称为传递函数。由光纤对光场执行的变换有时被称为光纤的传递函数。为了使用多模光纤完成成像，需要了解和/或主动补偿持续变化的多模光纤传递函数。系统可以利用该传递函数来执行成像以评估样品的光学性质和/或将光传送到样品以进行治疗。对于本教导的一些实施例，光纤中的功率水平足够低，使得非线性可以被忽略，即，传递函数与所发射的光无关，特别是在其在光纤的不同模式之间的分布方面。在这种情况下，传递函数由传递矩阵表示。在其它实施例中，这些假设随着计算和硬件复杂度的相应变化而放松。

以下公开内容一般而言涉及多模或多芯光纤的使用，该多模或多芯光纤连接到系统，其中处理位于光纤的近端处并且样品位于光纤的远端附近，其中该处理可以确定或以其它方式补偿多模或多芯光纤的光学传递函数，并使用该信息对样品的光学性质进行光学成像，或在样品上扫描光，或确定位于光纤的远端附近的样品的光学性质。在本教导的一些方面，该系统使用近侧控制的远侧源来帮助确定多模或多芯光纤对沿着光纤传播的光束的一些空间和/或时间影响。

现在开始描述本教导的通过多模光纤成像的一个方面。存在使用多模光纤上的光的相位和/或振幅控制来对光场进行光束操纵的已知方法。通过多模波导的单向成像和照明也是已知的。多模内窥镜在本领域中也是众所周知的。但是，在已知的方法和装置中，多模光纤的传递函数需要访问多模波导的两端或进行预校准，对可以容忍的外部扰动量进行假设以及对占据窄的光带宽的光的波长进行进一步假设。这些假设不适合许多内窥镜应用，尤其是在医学环境中的应用或使用宽带光源的应用(诸如OCT)。需要的是一种完整且鲁棒的解决方案，用于在受干扰的环境中主要使用内窥镜探头或其它远程光学探头设备的近端处理来补偿持续变化的多模传递函数，以及可以利用该补偿的成像或光传送和/或收集系统的描述。

有多种现有方法和装置可以访问这些难以到达的位置，诸如内窥镜、导管、导丝、腹腔镜、套管针、管道镜、针头以及各种微创和机器人手术设备。图1例示了内窥镜100、导管120和套管针140，它们是已知用于从难以到达的位置传送和收集光的现有技术设备。

图2示出了现有技术的远侧光学扫描方法的示例。第一现有技术的扫描方法200使用旋转光纤光学接头和旋转光纤。第二现有技术的扫描方法220使用固定光纤光学接头和远侧马达。第三现有技术的扫描方法240使用固定光纤光学接头和电光系统来进行扫描。

对于利用各种现有方法和设备来访问难以到达的位置的许多应用，现有方法遭受设备(例如，内窥镜)太大、不够灵活、太昂贵、遭受光学伪像的困扰以及其它限制。该教导描述了克服已知装置的这些和其它限制的技术。例如，本教导的一个实施例包括将多芯光纤与近侧处理一起使用，该近侧处理可以确定光纤的光学成像传递函数，并使用该信息对位于光纤远端处的样品进行光学成像。

本教导描述了主要使用近端处理实现在主要无源多模和/或多芯光纤内窥镜的远端处的样品上的光的物理或合成扫描和/或从样品(例如，组织)发射的光的成像的方法。存在本领域技术人员将认识到的本文提出的实施例的扩展，诸如包括如光学增益和非线性的特征，以及本文公开的本发明与有源机电或电光和无源成像的组合。

图3例示了本教导的一个实施例的简化图，该实施例包含处理系统和包含单模和多模组件的多芯光纤。图3示出了本教导的一个方面的图。特别地，图3例示了光学探头装置300，其提供样品316的光传送和收集和/或成像，其中样品316可以位于难以到达的位置。处理系统302包括子系统304和使用位于近端附近的连接器(未示出)连接到多芯光纤308的子系统306，子系统304包括发射器和接收器以及信号处理，并且子系统306提供空间振幅和/或相位和/或波长和/或偏振控制。子系统306响应于电输入信号在由子系统304中的发射器生成的光束上生成空间振幅和/或相位和/或偏振轮廓。可以在跨光束的一维或二维中生成空间振幅和/或相位轮廓。空间振幅和相位轮廓可以根据时间和/或响应于控制信号来调制，该控制信号可以由处理器生成，该处理器处理由子系统304的接收器接收到的信号。内窥镜312包括包含单模和多模组件的多芯光纤308(如稍后所述，其它类型的光纤也是可以的)。示出了可选的远侧光学模块314，其有助于平滑的导航和/或成像、扫描或收集来自远侧样品316的光，并且在一些情况下，有助于处理以确定光纤传递函数。光从样品316收集并沿着多芯光纤308朝子系统304的接收器传播。该光(有时被称为测量光或来自样品的光)用于确定图像或收集远侧样品316的一些其它参数或信息。还示出了示例内窥镜和光纤横截面318。该图例示了围绕多芯光纤横截面的简化的套和缓冲器以及其它公共的内窥镜结构320。多芯光纤横截面包括单模(或少模)光纤322、322'、322”、322”'。区域324可以是多模芯或包括多个光纤芯，其在操作波长处可以是多模或单模。注意在图3以及其它图和相关联文本中，所指示的光纤(例如，光纤322、322'、322”、322”')可以是被公共包层(例如，包层326)围绕的简单芯，或者它们可以是更复杂的结构，使得包含芯和由第二包层(例如，包层326)包围的包层。光纤芯区域324被包层326包围。如后面所述，还有各种各样的其它可以使用并且与本发明保持一致的光纤横截面。同样，如稍后所述，光纤322、322'、322”和322”'具有多种用途，包括充当近侧控制的远侧源、形状感测光纤、成像光纤、致动或其它功能。可以存在比图3中所示的更多或更少的光纤芯。也可以使用粘合在一起的几根单芯光纤。

图3中所示的装置300能够实现低成本、小尺寸、良好的灵活性、增强的光学能力、并且高度适用于一维、二维或三维(3D)成像和/或功能成像，并且具有许多其它针对各种医学和非医学应用的益处。本教导的一方面是主动测量和/或补偿多芯光纤308的多模光纤传递函数。可以根据应用需求而连续地或间歇地确定这种多模光纤传递函数。可以使用几种不同的方法来完成光纤传递函数的补偿。例如，一种方法使用利用全息图或空间光调制器的物理补偿。另一种方法使用数字补偿，该数字补偿使用诸如爬坡(hill-climbing)、模拟退火或遗传算法优化方案中的算法。又一种方法使用计算补偿，该计算补偿将变换矩阵或其它数学运算应用于发射或检测到的光场。在存在材料和波导色散的情况下，可能需要知道成像算法正在使用的所有波长的多模传递函数，这对于诸如扫描源光学相干层析成像(SS-OCT)或近红外(NIR)实施例之类的应用是重要的。但是，如果模态性质足够恒定或近似线性地或以已知方式依赖于成像所用光谱范围内的波长，那么仅在单个波长处(例如，在所采用的成像波长的范围的中心)或者替代地在几个不同波长处(例如，在波长范围的边界处)进行校准然后进行内插就可能足够。还可以针对在每个波长处的两个偏振执行往返校准。更一般地，可以使用偏振分集检测来获得完整的偏振信息。

一旦已知光学多模传递函数，就有几种方法将光传送到远侧样品和/或获得关于样品的光学性质的信息，包括：1)在多模光纤的输入端处调节来自发射器的近侧光的空间和其它光学性质，以对进入远侧样品中的光执行聚焦、扫描或其它操控；2)通过收集从样品发射的远侧光并校正该收集到的光在其穿过多模光纤到近端时的损坏来执行光学成像；3)执行物理或合成共焦成像或扫描，其中聚焦光既被传送到样品又从样品进行收集；4)执行暗场成像或类似方法，其中聚焦波束被传送到样品，并且高阶模被收集和分析以确定关于样品的光学性质的信息；5)在使用包层或未示出的第二附加外部包层进行广域光收集(相同波长或不同波长的光)的同时，在样品上执行光的聚焦点扫描；以及6)对样品执行广域照明，并对收集的光执行聚焦波束扫描。根据本教导的系统有各种不同的实施例，包括基于干涉的成像(例如，OCT)、共焦显微镜、荧光成像、多光子成像、光谱成像、反射成像和拉曼成像等。本领域的技术人员将认识到的是，本教导的装置和方法还有许多其它应用。

为了确定特定的多芯和/或多模光纤系统的多模光纤传递函数，需要控制和/或测量射入到多模/多芯光纤的近端和从中收集的光的光学性质(例如，振幅、相位、偏振和/或波长的空间分布)。在一个实施例中，光纤由具有至少一个多模光纤以及一个或多个单模光纤的多芯光纤组成。参考图3，例如，示出了四个单模光纤322、322'、322”、322”'以及多模芯区域324。本教导的多芯光纤中的单模光纤的目的是将一个或多个近侧控制的远侧源传送到远端。这些光纤也可以独立地或同时地用于其它功能，例如用作近侧控制的远侧源和用作形状感测光纤。这种向远端传送近侧控制的光有助于以下能力：确定多模光纤传递函数，而无需物理访问远端。现有技术的方法没有给出关于功率在不同模式之间的实际分配或实际光纤传递函数的足够信息。

本教导的一些实施例的一个特征是光学探头系统中的处理器使用光纤传递函数的知识来传送光和/或确定样品的光学性质或其它特征。下面描述光纤传递函数的确定和利用该知识来传送光或确定样品的光学性质。

本教导的装置的一个实施例包括多芯光纤，该多芯光纤包含多个单模光学芯，其中芯之间的耦合最小。在每个芯中行进的光的一部分在光纤远端处和/或由靠近光纤远端的特殊反射器反射。其余的透射光的一部分传播到样品，在样品处，它被部分反射。从光纤远端或反射器反射的光是用于系统校准的光的一种形式，并且可以被称为校准光。每个光纤芯的近端处都有用作波束成形元件的单独的振幅和相位调节器。系统控制器主动测量到远侧光纤反射的光学距离，并调节近侧振幅和相位波束成形元件，从而例如以类似于相位阵列扫描的方式来实现远侧光的期望扫描图案。合成处理方法也是可以的。

本教导的一些实施例包括将成像光纤与同时的形状感测和/或从近端铰接光纤的能力相结合，以帮助确定路径和/或导航人体中的弯曲(torturous)通道。

本教导的用于光纤成像以及光传送和收集的装置和方法有许多方面。描述了确定和/或补偿持续变化的光纤传递函数的方法。还描述了一旦已知传递函数，就可以将光传送到样品、从样品收集光和/或对样品的光学性质执行成像的系统和方法。本教导的一方面是在校准步骤中确定多模光纤的传递函数，然后调节输入光空间分布(例如，振幅和/或相位)以控制远端处的光的空间分布，例如，以实现对样品上的样品探测光的物理聚焦和扫描。

本教导的另一方面是成像步骤和校准步骤的一部分被组合，使得存在远侧光在样品上的合成聚焦和/或扫描。

本教导的另一方面是在内窥镜内使用多芯光纤，并且每个芯具有远侧反射，并且近侧系统干涉地收集来自远侧反射和样品二者的光，并调节近侧振幅和/或相位波束成形元件以执行远侧扫描或成像。从远侧反射收集的光可以被称为校准光，并且由近侧振幅和相位波束成形元件修改的光可以被称为样品探测光。

本教导的另一方面是结合形状感测和/或铰接来实现成像。关于成像，存在根据本教导的各种不同的实施例，包括基于干涉测量的成像(例如，OCT)、共焦显微镜、荧光成像、多光子成像、光谱成像和反射成像等。

图4例示了本教导的内窥镜系统400的实施例。激光器或其它类型的光源402在内窥镜系统400的近端处产生光。在一些实施例中，激光源402可以是扫描源OCT(SS-OCT)激光器，并且系统400可以用于对样品的光学性质执行合成或物理扫描。这类似于标准的SS-OCT扫描，但重要地增加了使内窥镜包含多模光纤，而不是结合扫描技术的传统单模光纤。例如，图2中示出了结合扫描技术的现有技术的传统单模光纤。在一些实施例中，光学源402的激光波长是固定的，并且一旦已知多模光纤传递函数，系统就实现到样品404上的激光的物理扫描。这在诸如共焦、荧光或多光子显微镜之类的显微镜应用中是有用的。光的收集可以是共焦布置或宽场检测。可替代地，如果不需要单个空间模式检测成像，那么可以使用多模波导406的多个模式来收集更多的光。图4未例示近侧控制的远侧源的概念(如下面更详细地描述并且在诸如图6、图7和图13之类的各种图中所示)，但是应该理解的是，在许多实施例中，可以使用这种近侧控制的远侧源和诸如形状感测光纤之类的其它功能。

而且，围绕多模波导406的附加包层波导可以用于收集更多的光。多模波导406可以是多模和/或多芯光纤。多芯光纤中的多个芯可以是耦合的、非耦合的或耦合和非耦合二者的组合。对于荧光成像或校准应用，反射光通常以不同的波长发射，并且接收器中的不同检测器可以与例如波长选择分束器一起插入，以收集和检测荧光。在本教导的另一方面，照明波长和收集波长两者是相同波长，并且执行共焦检测。存在一旦获得光纤传递函数，本领域技术人员就可以实现的到其它模式的明显扩展。

如图4中所示，从激光器或其它类型的光源402输出的光被收集并且被分路到参考路径408中和到振幅、相位和/或偏振控制设备412的路径410中。一维或二维振幅、相位和/或偏振控制装置412有时被称为空间光调制器(SLM)。但是，在该教导中，旨在通用的振幅、相位和/或偏振控制设备。控制设备412响应于来自处理元件428的电输入信号，在由光源402生成的光束上生成空间轮廓。可以在跨光束的一维或二维中生成空间轮廓。可以根据时间和/或响应于控制信号来调制空间轮廓，该控制信号可以由处理被检测器420和/或420'接收到的信号的处理器生成。光束的空间轮廓有时被称为具有复杂的光场。光场波前的每个点都可以用几个属性来描述，属性包括诸如幅度(振幅)、相位、波长和偏振之类的光学性质。

控制设备412的特征是或者单独地或者组合地可控地激发多模波导406的许多或全部模式的能力。在一个具体实施例中，控制设备412是由许多子元件组成的空间光调制器。在其它实施例中，控制设备412由角度扫描设备或两者的组合组成。其它类型的设备也是可以的。光纤输入面414可以在控制设备412的焦平面、光瞳平面或像平面中或在另一个位置。控制设备412还可以包括可选的快门和偏振控件。使用透镜416或其它已知的光学方法，来自控制设备412的光被传输到光纤的输入面414上。波导406可以是包括多模和单模芯的组合的多芯光纤，该多模和单模芯如本文所述可以是光学耦合的或非耦合的。也可能有不止一个光纤在其一些或全部长度上接合。

多模波导406的远端可以包含远侧光学器件418，该远侧光学器件可以是有源的或无源的，并且有助于将光传输到关注的样品404或传输来自关注的样品404的光，并且可选地包括快门和其它设备。这些快门和其它设备在后面描述。远端还可以包含远侧源，其有助于学习多模或多芯光纤的传递函数，这在下面进一步描述。远端还可以包括远侧光纤参考目标，该远侧光纤参考目标还有助于学习构成多模波导406的多模或多芯光纤的传递函数。来自样品404的光被多模波导406收集并被引导到一个或多个检测器阵列420、420'。这些检测器阵列可以包括用于x-方向的检测器阵列420和用于y-方向的检测器阵列420'。来自光源402的光还沿着参考路径408通过可选的波片422和调制器424传输到检测器阵列420和420'。波片422可以用于调整偏振，并且调制器424可以用于施加各种形式的调制(强度、相位、偏振、频率/波长(例如，声光调制器(AOM)等))，以有助于提取和/或校准检测器420、420'上的干扰信号。这些干扰信号特征包括相位、频率、偏振，振幅和波长等。后续各图未示出可选的调制器424。但是，应该理解的是，利用调制器424(在参考路径或样本路径中)的方法通常有益于将关注的信号与背景干扰分开，并且可以被并入到本教导的各种实施例中。

在图4所示的实施例中，来自参考路径408和多模波导406二者的接收光被引导到偏振分束器426上，该偏振分束器426将x-偏振光发送到检测器X阵列420并且将y-偏振光发送到检测器Y阵列420'。在其它实施例中，系统不区分两个偏振，然后以偏振信息为代价简化接收器处理。透镜或其它合适的方法用于将来自多模波导406的输入面414的光结合来自参考路径408的光传输到检测器阵列上。示出了内窥镜430的简化图，但是应该理解的是，这可以包括通常在内窥镜中找到的其它结构，诸如保护护套、套、扭矩电缆、附件端口、多包层光纤、外壳、关节、以及马达、不透射线的(radio-opaque)标记等。

在一些应用中，重要的是平衡不同光学路径的路径长度。例如，在一些应用中，重要的是增加参考路径的长度，以匹配来自样品和返回的路径，从而获得良好的干涉信号。

存在可以利用的各种形式的检测器阵列420、420'，诸如基于光电二极管阵列、CCD和其它阵列检测器的检测器阵列。如本领域中已知的，存在多种方法来提取干扰信号，诸如离轴数字全息图、基于中频(i.f.)频率、相位、频率、振幅的分离等。还存在各种各样的空间光调制器方法，包括使用集成光子器件、液晶器件、硅基液晶(LCDS)、微机电系统(MEMS)、全息器件、与过滤光栅组合使用的可变形镜面器件以及许多其它的透射和反射器件。

远侧扫描可以物理地或合成地执行。系统在校准步骤中通过以下步骤来学习多模波导406的传递函数：输入光并测量在多模波导406中传播的光，并且该光可能已经从远侧光纤参考目标反射。这可以在单独的校准步骤中完成，或者可以与实现门控技术以分离远侧光的不同来源的光闸并行完成。例如，可以使用相干门控、距离门控、波长门控、偏振门控、时间门控、中频频率或许多其它类型的门控。如果使用门控，那么可以恢复从校准步骤中丢失的一些或全部工作周期(duty cycle)，并且可以同时地收集校准参考光和样品光。远侧光的扫描可以是实际期望的扫描图案(例如，聚焦波束)，或者它可以是样品404内的波束的合成一维(ID)、二维(2D)或三维(3D)扫描—其中波束是根据处理一系列其它扫描图案的数学函数通过计算合成的。处理参考光和从样品404收集的光，以获取关于样品的光学和/或物理性质的信息。系统400还可以用于单独地或与获取关于样品的光学和/或物理性质的信息的处理组合地将光传送到样品404以用于治疗应用。

多模波导406的传递函数响应于环境干扰而持续变化，这指示扫描多模光纤模式的集合的全部或部分的整个处理必须多快地完成。内窥镜430可以具有远侧光学器件418，诸如透镜，以优化到样品404和来自样品404的光的传输。例如，聚焦和补偿光穿过的内窥镜壳体的任何像差可以通过远侧光学器件418来实现。在如下所述的一些实施例中，使用远侧光纤参考目标反射，其反射来自多模波导406的远端的光，并且用于确定多模波导406的传递函数。远侧光纤参考目标可以位于多模波导406的远侧面、远侧光学器件418的远侧表面内或远侧表面上或其它位置。远侧光学器件418还可以具有折叠镜(fold mirror)，以将光基本上重定向成远离形成多模波导406的光纤的主入口。整个内窥镜430还可以包含使用马达、回拉马达、扭矩电缆或其它已知方法(诸如结合图2描述的方法)的某种形式的机械角度或横向扫描。

在一些实施例中，通过控制发射到多模光纤的近端中的光场，在从多模波导406发射的场中实现远侧透镜和像差校正。这降低了远侧光学器件418的复杂性。也可以实现扩展的景深形成，例如贝塞尔场。在远端远侧光学器件418处的这种场的生成可以允许非常简单的设计、非常低成本的一次性内窥镜、非常小的尺寸和灵活性。在一些实施例中，远侧光学器件418可以具有快门或其它部件，以将从样品收集光时和从远侧光纤反射目标收集光时分开。下面描述收集来自远侧光纤反射目标的光。

必须充分准确地确定描述传播期间光学模式之间的耦合和振幅、相位和偏振以及其它关系的光纤传递函数，以控制多模波导406的远端处的光(例如，扫描来自激光的聚焦光束到样品404中)或恢复有用的图像。附加地，需要一种用于完成对样品404的空间扫描以照亮样品和/或对样品进行成像和/或创建1D、2D或3D图像的方案。后者可以是物理扫描或合成扫描。这两个问题将在下面分别解决。

虽然可以通过在近端发射光并在远端执行测量来获得成像波导的传递函数或传递矩阵，但是许多应用要求在不访问远端的情况下执行这种校准。本教导的一个特征是仅使用光的近侧控制和测量来校准多模成像波导的方法。校准过程具有两部分。

在校准过程的第一部分中，我们执行对包括成像波导的多模探头的往返校准。在往返校准中，我们例如通过将具有适当横向场分布的光耦合到波导中来在多模探头的近侧处发射一个或多个电场(E-field)图案。这些电场激发传播到多模探头的远端的波导模式的线性组合。一般而言，这不仅包括引导模式，还包括泄漏模式和辐射模式。在远端处，该光的一部分被反射回到近侧。在近侧，测量该反射的校准光的电场图案。该电场是往返电场。利用足够数量的发射电场图案，可以获得与发射和往返电场相关的传递矩阵。如下所述，往返传递矩阵可能不足以获得与近侧和远侧电场相关的传递矩阵。

因此，我们在校准中包括第二部分。校准的第二部分依赖于在我们的成像波导中包括一些附加的光学器件，这些光学器件允许创建其电场已知的远侧源。我们在下面详细描述该源的性质。该远侧源的关键性质是，当成像波导被弯曲、扭曲或以其它方式受到干扰时，该远侧源或者不会改变，或者以已知的方式改变，或者从已知方式仅偏离可忽略的量。然后，我们的校准过程中的第二步在远侧源被照亮时记录近侧电场。由于远侧源已知，因此该测量将消除从往返传递矩阵中提取单程传递矩阵时产生的歧义，

下面是校准过程的一部分的详细描述。图5例示了在校准过程中使用的本教导的多模光学波导的一个实施例的模型500。在下面，R是实数集，C是复数集，并且，例如，c∈C^N表示c是具有复数值条目的N-维向量。此外，

是指光的三维物理电场向量。横向坐标(x，y)跨越垂直于波导轴的横向平面，纵向坐标z沿着该波导轴变化。特别地，z＝0是远程探头的近端，并且z＝L是远程探头的远端。我们假设多模波导的引导本征模

的数量N足够大，使得已在近端处进入多模波导的前向传播光

可以被写为线性组合：

其中复数值系数为

该线性组合可以包括任何类型的引导模式，包括不同的偏振模式和高阶模式。在没有非线性的情况下，将在远端z＝L处离开多模波导的前向传播光

可以类似地被写为线性组合：

其中复数值系数为

在没有沿着波导的非线性的情况下，并且假设沿着波导的前向传播场和反向传播场之间没有耦合(例如，沿着波导没有布拉格光栅或瑞利反向散射的水平足够低)，波导两端处的前向传播系数之间存在线性关系，

c^(f，L)＝W^(f)c^(f，0)， (3)

其中向量c^(f，0)，c^(f，L)∈C^N分别具有条目

和

并且传递矩阵W^(f)∈C^N×N具有条目

其中m，n＝1，...，N。在存在非线性的情况下，传递函数通常比来自等式(3)的矩阵向量乘法更复杂。特别地，传递矩阵W^(f)可以然后取决于输入c^(f，0)，并且输出字段

可能不再是仅引导模式的有限求和。

类似于等式(1)-(3)，反向传播场的电场和系数满足以下等式：

c^(b，0)＝W^(b)c^(b，L)， (6)其中向量c^(b，0)，c^(b，L)∈C^N分别具有条目

和

并且矩阵W^(b)∈C^N×N具有条目

其中m，n＝1，...，N。

在波导外部不存在非线性的情况下，在z＝L处的前向传播场和反向传播场的系数c^(f，L)和c^(b，L)之间也存在线性关系：

c^(b，L)＝Rc^(f，L)， (7)

其中矩阵R∈C^N×N描述z≥L的所有反射，包括光纤端面及其后面的任何样品。因此，前向传播场和反向传播场之间的耦合仅对于z≥L发生。对于以下校准过程，矩阵R需要精确已知、规则，并且必须具有不同的奇异值。根据等式(7)，这种规则性意味着所有前向传播模式都需要耦合到所有反向传播模式。换句话说，在校准过程期间，测量样品(对于z≥L)对反射器矩阵R的任何潜在影响都必须精确已知，并且不得损害所有反向模式在校准期间都接收足够量的光的要求，也不得损害R的奇异值的特异性。鉴于该要求，可能期望包括在校准步骤期间遮挡来自样品的光的快门或滤光器。由于奇异值按照定义是实数和非负数，因此它们只能在模数(modulu)上而不是在相位上不同。通过最大化R的奇异值D_R，n，n之间的间隔，将最小化噪声对特异性条件的影响。在一个实施例中，这是通过设计反射器使得其奇异值等距间隔来实现的。由于R必须是规则的，因此其奇异值必须为非零。结合两个条件(特异性和规则性)，因此，如果用数学术语来说，期望对于每个m＝1，...，N，存在唯一的n，其中1≤n≤N，使得奇异值D_R，n，n满足条件

其中我们定义最小和最大奇异值

和

最佳值D_R，min是在规则性条件的噪声灵敏度和特异性条件的噪声灵敏度之间的权衡。最佳值D_R，max是在特异性条件的噪声灵敏度和最大允许反射率(如果使用例如快门则其可能高达100％)之间的权衡。虽然可能难以制造如此完美的奇异值的等距分布，但存在一些反射器设计接近这种分布。

结合等式(7)、(6)和(3)，我们获得

c^(b，0)＝W^(b)RW^(f)c^(f，0) (8)如果波导材料的介电常数、磁导率和电导率(后者在光波长处几乎为零)张量是对称的，那么波导本身是互易的(reciprocal)，即，我们具有对称关系(上标“T”表示矩阵转置，其中没有复杂的共轭)

在等式(8)中插入等式(9)，我们获得

对于N个输入向量c^(f，0)重复等式(10)，我们获得

其中矩阵C^(f，0)∈C^N×N的每一列表示近侧输入向量c^(f，0)，并且矩阵C^(b，0)∈C^N×N的每一列表示近侧输出向量c^(b，0)。

假设这些N个近侧输入向量c^(f，0)是线性独立的，那么存在矩阵C^(f，0)的逆

并且等式(11)给出

对于以下校准过程，W^(f)(以及因此根据等式(9)的W^(b))需要是酉(unitary)矩阵，即，

其中上标“H”表示复共轭转置。使用欧几里得范数，这意味着||W^(f)||₂＝||W^(b)||₂＝1，即，沿着多模波导无损传播。

如果反射材料(包括样品)的介电常数、磁导率和电导率(后者在光波长处几乎为零)张量是对称的，那么反射器本身是互易的。在这种情况下，我们具有对称关系和高木(Takagi)因子分解(其在这里非常适合，因为它使用转置(由上标“T”表示)而不是复共轭转置或逆矩阵)。

其中对角矩阵D_R∈R^N×N具有非负条目，并且酉矩阵U_R∈C^N×N(注意，U_R的列不是R的本征向量，因为D_R包含RR^H的本征值的非负平方根)。由于等式(14)，等式(12)中的矩阵

是对称的，即，

并且因此，我们也可以使用高木因子分解来分解它：

其中对角矩阵D∈R^N×N具有非负条目，并且酉矩阵U∈C^N×N。基于上述假设(酉波导矩阵W^(f)、规则的反射器矩阵R和乘积矩阵

沿着D_R对角线的不同条目)，等式(15)意味着：

其中未知的对角矩阵D_s∈R^N×N在其对角线上具有元素1和-1。因此，等式(16)相当于

换句话说，即使我们知道反射镜矩阵R的模式系数矩阵乘积

和整个对角化等式(14)，距离完全了解波导前向传播矩阵W^(f)仍然缺少包含N个未知符号的对角矩阵D_s。这是由于以下事实：近端z＝0处的前向传播(输入)场必须行进通过波导两次，以成为近端z＝0处的反向传播(输出)场。但是，要在远端扫描样品，必须确切了解单程传递函数W^(f)。

因此，需要一种确定等式(17)中矩阵D_s的N个对角线条目的符号的方法。在一个实施例中，可以使用近侧控制的远侧源来确定这些条目。这个远侧源具有电场，对于其，我们知道等式(6)中的模态系数向量

我们进一步描述如何可以确定这些系数。一旦这些已知，我们就可以使用等式(17)和(10)将

与在近端处观察到的模态系数向量

相关：

这里我们包括了等式(17)中的往返校准，其包括不确定矩阵D_s。

我们现在使用等式(18)，根据远侧源模态系数

和根据在远侧源电场从远侧传播到成像波导的近端之后测量的结果近侧模态源系数

来确定D_s。由于酉矩阵的复共轭(用星号上标“*”表示)等于其转置的逆，因此，我们具有

和

因此，等式(18)相当于：

在等式(19)中定义左侧向量

和右侧向量

我们获得N个标量解耦等式a_n＝D_s，n，nb_n的集合，因为D_s是对角矩阵。由于矩阵D_s的主对角线上的这些未知条目D_s，n，n只能是+1或-1，如下面等式(16)中所述，因此它们可以根据以下等式来确定：

图12示出了在首次使用之前进行准备的步骤的流程图，这些步骤包括确定远侧源振幅

等式(20)可以用于正确计算从往返校准测量得出的校准等式(17)中的对角矩阵D_s中的以前未知的符号。只要近侧输出

和远侧输入

的所有元素具有足够大的模数，并且如果系统中的噪声不会翻转等式(20)中的任何乘积

的符号，就可以确定符号。如果

的任何值低于噪声水平并且因此在确定其符号时易于出错，那么可以包括一个或多个附加远侧源，对于这些附加远侧源，这些值足够大，以使它们不受噪声影响。

如果反射器例如由于显著的磁光效应而不是互易的，那么等式(12)中的矩阵R不是对称的，并且我们不能像在等式(14)中那样使用高木因子分解。因此，等式(14)至(20)在非互易的反射器的情况下无效。替代地，我们使用更一般的奇异值分解：

其中对角矩阵D_R∈R^N×N包含矩阵R的非负奇异值，并且酉矩阵U_R，V_R∈C^N×N。我们注意到等式(21)在概念上类似于等式(14)，并且在数学上等效于更常见的惯例

其中酉矩阵

和

在等式(12)中插入等式(21)，

的奇异值分解给出：

其中酉矩阵U，V∈C^N×N并且对角矩阵D∈R^N×N包含矩阵

的非负奇异值。如果波导矩阵W^(f)是酉矩阵，那么乘积

和V_RW^(f)也是酉矩阵，因此等式(22)的右侧仍然可以被解释为奇异值分解。如果两组奇异值(即沿着矩阵D和D_R的对角线的条目)以非递增次序排序，那么它们是唯一的，即，我们有D＝D_R。此外，如果矩阵D(或分别为D_R)中的所有奇异值都不同，那么等式(22)意味着：

其中对于所有n＝1，...，N，对角矩阵D_c∈C^N×N在其对角线上具有单位模量的条目|D_c，n，n|＝1。等式(23)可以被解释为迭代过程，用于确定包含未知复相位的对角矩阵D_c和单程传播矩阵W^(f)，而不需要附加条件，诸如远侧源。但是，与等式(15)和(20)中的对称情况相比，不存在涉及的即使存在中等噪声也会给出确切结果的符号函数。然而，即使在非互易反射器的情况下，也可以通过使用具有等距或近似等距的奇异值的反射器设计来最小化噪声对其奇异值的特异性的影响，参见上面等式(8)的讨论。

本教导的一个特征是可以利用在探头的近端被控制的远侧源。在各种实施例中，该远侧源具有几个性质。首先，根据需要，远侧源仅由近侧光学器件和电子器件控制。受控参数可以包括波长、功率、相位和偏振状态。这些参数中的任何一个或全部可以作为时间的函数进行调制，或在范围内进行扫描，或在一组离散状态之间变化。其次，一旦被近侧光学器件照明，远侧源不会随着多模波导经历弯曲和其它扰动而发生明显变化。在一些实施例中，远侧源中的任何变化被设计为足够小，使得其仍可以用于提供多模波导的校准。在一些实施例中，多模波导的校准允许在光纤的端部处形成焦点，这可以用于医疗过程，包括成像、OCT、荧光、共焦光学和激光功率传送。在一些实施例中，校准还允许在位置范围内扫描焦点。如果校准不是完美的，那么期望的横向场图案(例如，光斑)将伴随有通常未聚焦并增加了噪声的光，从而劣化了期望的成像或激光传送应用。一般而言，此类应用将容忍某些光斑失真和信噪比水平。有用的校准为配制的光斑提供各种参数的足够性能，以提供成功的探头测量。例如，在一些实施例中，校准将允许光斑的形成，其产生水平低于成像或激光传送应用要求的可接受水平的失真和噪声。

远侧源的第三个性质是，它可以激发可以确定D_s，n，n的足够数量的多模波导模式。远侧源的第四个性质是远侧源对必须在成像波导中传播的来自样品的成像信号的干扰仅很小。例如，在成像处理期间(在校准之后)，来自远侧源的可能被用于成像的光激发的所有信号可能远远小于成像信号的1％。在一些实施例中，来自远侧源的到达近侧处理检测器的功率部分足够低，以确保它小于来自到达近侧处理检测器的成像信号的功率的1％或某个其它足够水平。在一些实施例中，对一个或多个远侧源光进行门控和/或过滤，以减小该一个或多个远侧源对由样品产生的测量光的干扰的影响。可以使用相干性、时间、波长或其它类型的门控或滤波来提供门控。在样品测量期间，也可以以光电或物理方式移除和更换反射器。远侧源也可以处于与成像波长范围分开，但是仍然足够接近以使得可用的波长处。

图6A-图6D例示了多芯波导的示例概念，该多芯波导包含多模芯和单模光纤以创建远侧源。每个图都示出了近侧控制的远侧源如何可以耦合到多模成像波导。注意的是，在图6A-图6D中，单模源(例如，单模源606)可以是具有固定空间轮廓的源，例如，来自单模光纤或单模激光器的波束。该单模源耦合到远侧源(例如，单模源608)。多模源(例如，多模源614)可以是具有更复杂的横截面空间轮廓的波束，并且例如可以是源自单模源并传播到空间光调制器并被其更改的光信号或光束。在许多实施例中，来自该多模源的光然后被传播并耦合到成像波导的近端中(即使图6A-图6D中所示的实施例未例示将多模源耦合到成像光纤中的该特定步骤)。远侧照明解决了来自往返校准的单程传递函数的符号歧义性。图6A-图6C未示出往返校准过程。示出了圆形芯和矩形芯(其可以用于一维操作)的示例。近侧控制的远侧源可以以许多方式实现。图6A例示了探头系统600，其包括波导602，该波导602将由单模源606生成的光604携带到在波导602的端部处的远侧源608。远侧源可以采取在波导602的端部处的散射中心的形式。波导602可以是单模或少模波导。在优选实施例中，波导602是单模波导。以这种方式，整个波导的任何弯曲、扭曲、热变化或其它扰动都不会对远侧源产生影响。只有相位将改变。这样的整体相位变化在校准过程中将不重要。但是，单模波导也可以支持两个正交偏振。如果沿着单模波导的偏振变化太大而不能使远侧源具有恒定的偏振，那么单模波导602可以是偏振维持波导或沿着路径包括偏振组件。单模波导602也可以是偏振波导，对于偏振波导，仅单偏振模式可以传播。波导602接近多模成像波导610。在一个实施例中，成像波导610内的散射将确保由散射中心608散射的一些光将被耦合到成像波导610中。如果要利用多于一个远侧源，那么可以有可选的开关612。可选地，也可以通过开关612连接多模源614。在一些实施例中，相同的单模源606可以馈送多模源614。图6A的多模波导横截面616、618也例示了如何可以利用不同的波导几何形状。例如，横截面616的圆形对称芯适合于2D成像。横截面618的更矩形的芯适合于1D或2D成像。在近端处的检测器阵列620接收来自单模源606的光以及来自多模波导610的散射光，并将检测到的信号信息发送到执行上述校准步骤的处理器(未示出)。检测器和处理器还可以根据由多模波导从样品收集并由多模波导传播回检测器的测量光来执行探头系统的成像或其它测量步骤。

图6B示出了本教导的系统630的实施例，其包括引入到成像波导632中的附加散射中心。散射中心634位于成像波导632的远端处。这些散射中心将从单模波导636散射成良好定义的光638的光的一部分耦合在成像波导内。在一个实施例中，这些散射中心形成周期性结构，该周期性结构与从单模波导散射的光相位匹配。该光栅的尺寸可以被设计为给出一定的远侧源光斑大小。光栅平面可以是闪耀的，以增加从给定单模波导中散射出来的耦合。与结合图6A描述的探头系统相似，图6B的系统包括单模激光源640、开关642、多模激光源644和检测器阵列646。图6B还在横截面648中例示了在一些实施例中的多模波导可以具有圆形形状。横截面650例示了在一些实施例中的矩形形状的多模波导。

图6C示出了本教导的远程光学探头系统660的实施例，其包括被制成与成像波导重叠的单模(或少模)耦合波导。一个或多个耦合波导662形成在多芯光纤664中。可以使用光化辐射(诸如UV或IR飞秒辐射)来写入这种耦合波导662。光化辐射可以充分改变折射率，使得单模波导666中的光的一部分将耦合到耦合波导662。该耦合波导662然后可以被制成与成像波导668重叠。成像波导668中的散射中心670然后将提供所需的远侧源。可替代地，在一些实施例中，代替耦合波导662，也可以使整个多芯光纤664成锥形。通过足够的锥度，单模波导666中的电场将与成像波导668重叠，从而导致耦合。然后成像波导668中的光的散射或反射将提供远侧源。与图6A-图6B的探头系统实施例相似，图6C的系统包括单模源672、开关674、多模源676和检测器阵列678。图6C还在横截面680中例示了在一些实施例中使用的多模波导可以具有矩形形状。横截面682例示了在一些实施例中使用的圆形形状的多模波导。

在各种实施例中，(一个或多个)散射中心将单模式光转换成许多模式，其中的至少一些在多模波导中朝着近端传播回去。实现这种散射的一种方法是将一个或多个折射率扰动引入到波导的远端以反射或散射光。例如，这些可以是使用光化辐射、全息图、光栅、离散散射中心(诸如使用例如飞秒激光脉冲引入的空隙)创建的折射率扰动。足够数量的此类扰动可以创建在远端处激发许多模式的稳定的源。在一些实施例中，如图6A-图6B所示，在成像波导中存在小的折射率扰动以捕获散射光。如果单模波导的横向位置相对于成像波导的中心偏移到一定程度以使得来自单模波导的散射不会被很好地被捕获在成像波导中，那么这可能是需要的。

图6D例示了表示本教导的远程光学探头系统的四个示例实施例的、成像波导和远侧源波导两者的五个示例折射率轮廓的集合690。可能的成像波导包括阶跃折射率692、偏移芯694、渐变折射率696和多芯698，以及具有偏移单模(或少模光纤)的渐变折射率多模光纤699。轮廓被表示为折射率n，它是距光纤中心的半径r或x-轴x的函数。更复杂的折射率轮廓(诸如包括沟槽或基座的轮廓)也是可能的。远侧源波导可以在成像波导内，或者它可以相对其偏移。当远侧源波导在成像波导内时，优选地，限定远侧源波导的升高的折射率区域仅支持与周围的成像波导中的许多模式几乎没有耦合的单个模式。

在一些实施例中，来自单模波导的光可以被完全或部分地聚焦到刚超出光纤的端部(例如，在内窥镜的保护帽内)或者甚至在光纤面本身处的散射区域上。在一个实施例中，可以使该聚焦区域非常类似于成像应用中使用的期望焦点。

在一些实施例中，远侧源可以形成在样品本身内。例如，单模波导可以与多模波导组合。例如，它可能在多模波导的中心处。例如，在形成多模波导的折射率阶跃之上的附加折射率阶跃可以提供这种单模波导。在这种附加的折射率阶跃中引导的模式必须与成像引导器的其它模式充分解耦，以使光可以在该芯中传播而不耦合到其它模式。因此，虽然整个波导将支持许多模式，但是附加的折射率阶跃将允许在光纤的长度上的有效的单模引导。然后，来自该单模波导的光将被聚焦到样品上以形成远侧源，然后可以使用OCT以沿着该聚焦的轴线形成图像。因此，可以存在沿着焦点的轴线的几个远侧源，从而导致远侧源散射。同时，成像波导将收集来自相同焦点的光。将对这些多模成像光纤信号执行相同的OCT处理，以获得来自一个或多个焦点的信号。我们注意到，由于OCT处理产生与轴线和波长相关的信息，因此该信息也可以用于校准波导的波长相关性。为了在远端处扫描波束，将从近侧发射光，其中进行与远端处的波束的平移对应的近侧光的线性变换。即，在将光束耦合到用于在远端处平移光束的多模波导之前，将对光束施加这种空间振幅和相位轮廓。

在本教导的装置的一些实施例中，焦点将不在样品中。相反地，它将在源附近的已知区域中。

另外，在本教导的装置的一些实施例中，包括分束器和两个快门。当快门1关闭时，光通向远侧源以进行校准。一旦校准完成，快门1打开，并且将光导至样品，并且快门2关闭，从而阻挡校准的光。

本领域的技术人员将认识到，在本教导的一些实施例中描述了各种类型的光。这些类型的光包括从远侧目标反射的光R、来自远侧校准光的光，以及来自样品的光。值得注意的是，通过调制各种光源和/或使用开/关快门的组合，可以在时间上单独检测多种类型的光。但是，也可以使用门控技术来并行检测多种类型的光中的一种或多种，门控技术诸如是波长分离和滤波、调制分离(例如，以不同的电频率或代码施加调制和检测)、相干门控、偏振门控和其它方法。

在一些实施例中，远侧源可以是荧光材料，该荧光材料例如被涂覆在光纤的端部上或嵌入在光纤的端部中。当用泵浦波长照射时，该源将提供期望波长处的荧光，并且可以包含由荧光材料的放置确定的空间图案。泵浦波长可以在系统的近端处的检测器阵列和/或成像系统的波长范围之外。

在一些实施例中，单模远侧源仅在成像扫描结束时周期性地打开，在此期间，关闭多模光学激发。

在一些实施例中，远侧源可以通过将来自单模波导的光反射大约90度使得光跨成像波导的远侧面传播而形成。然后，该远侧面处的表面特征会将光散射回到成像波导中。使用各种光学组件(例如，小型反射棱镜)，反射光还可能能够以甚至超过90度被反射。

在一些实施例中，单模波导将在多模波导的边缘处并且与它稍微重叠。然后，来自这种单模波导的任何散射将被捕获在多模波导中，而无需波导内的附加散射。而且，这种单模波导将距成像波导的中心足够远，以使得其对图像质量的影响很小。注意的是，可以使用在成像波导的外围处的许多这种单模波导。

在本教导的装置的一些实施例中，高折射率材料的环以可能的一些可选的重叠围绕成像波导。然后可以在这样的环中激发稳定的轨道角动量模式来代替单模波导模式。

在各种实施例中，重要的是产生远侧源所需的远端面处的光学修改对在成像处理期间传播通过成像波导的成像光的影响最小。由于远侧源仅对于校准是需要的，因此在成像处理期间通常不会照亮远侧源。可能的例外是远侧源的波长范围与用于成像的波长范围不相交的情况。在这种情况下，远侧源可以与成像处理同时操作。如果两个波长范围重叠或相同，那么产生远侧源所需的对整个波导的修改可能会通过产生不想要的信号而干扰成像处理。与成像信号相比，这些信号必须可忽略。因此，例如，当打开成像照明时，由远侧源光学器件散射的功率的部分应小于来自要成像的样品的预期信号功率的1％。例如，在一些OCT成像布置中，散射功率比入射功率低110dB。在这种情况下，产生远侧源的光学修改应生成小于-130dB。可以存在用于补偿和分离来自远侧源光学器件的不想要的散射的其它技术(例如，中频滤波)。因此，在任何成像应用中，远侧源光学器件将以较少的量(例如，小于1％)修改或劣化图像。

应该理解的是，可能需要使用大得多的功率来激发远侧源，以便克服将远侧源耦合到成像波导中的小的散射部分。还应该理解，如果该样品对这样的辐射敏感，那么该光的大多数将或者被吸收或者被反射，并且将不被允许进入样品。在一个实施例中，远侧源光来自波长稳定的窄线宽激光器，并且使用近侧光学滤波与用于成像的其它光分离。该方法带来了附加的近侧处理复杂性。可替代地，在本教导中，方法还可以用于分离三种最重要的类型的光：被样品反射的光、被参考反射器反射的光以及来自远侧源的光。这些方法包括例如相干门控、时间门控、操作光学快门以及将内窥镜从样品物理地移除。

在本教导的装置的一些实施例中，使用诸如反射、散射、荧光之类的多种方法中的任何一种来生成远侧源。远侧源可以具有任何波长，但是对于一些应用而言，信号带宽内的波长是期望的。

在本教导的装置的一些实施例中，远侧源被生成为足够接近光纤的远端和成像体积，使得远侧源、任何其余光纤以及要成像的样品之间的相位、振幅或偏振的波动不会导致不可接受的校准损失或图像的其它劣化。即，选择远侧源距光纤端部的距离，使得来自远侧源的光不会引起图像的劣化或系统的校准损失。

本领域的技术人员将认识到，远侧源的位置和特性应使得成像光的光学性质在远侧源和图像体积之间保持确定和稳定。一般而言，远侧源的位置可能与要成像的体积的位置不完全相同。因此，将实现如本领域已知的附加变换(例如，Rayleigh-Sommerfeld、Fresnel、Fraunhofer或类似的确定的传播)，以将模式场从光纤的远端转换成期望的光形状和要成像的体积的位置。例如，可能存在许多毫米或甚至厘米的光路将远侧源和成像体积分开。

可以调整输入信号光以在远侧源处产生期望的特性。调整包括光纤照明位置和/或输入信号光的相位和/或振幅。例如，如果来自多个芯的光照亮远端处的小气泡，那么光将被散射回到每个芯中。可以操控输入光的特性以控制散射回到一个特定芯的光量。返回参考图6A，光纤中传播的光的方向可以与图中所示的方向相反，使得发射到多模波导610的近端中的多模光聚焦到远侧源608上，远侧源608然后将光沿着单模波导602反射回去。

在本教导的装置的一些实施例中，在光纤的远端处的尖端成形可以用于操纵波束或修改扫描范围和分辨率。尖端的形状可以使得同时产生一个或多个光斑以对样品成像。

在一些实施例中，通过将形状感测结合到成像光纤中，可以避免远侧源和/或初始校准二者的限制。在这些实施例中，确定多模成像光纤的形状。确定光纤形状的一种方法是通过添加附加的单模芯，并使用来自这些芯的反向散射来重建光纤的形状。这样的芯也可以用于获得沿着光纤的温度和轴向应变分布。该形状、温度和轴向应变信息然后可以以本领域中已知的方式用于计算成像波导的传递矩阵。以本领域中已知的这些方式之一获得的传递矩阵的值也可以用于计算D_s，n，n，如以上给出的分析中那样。即，可以使用根据光纤形状计算的传递矩阵来代替初始校准或作为其附加，或者代替远侧源的使用或作为其附加。在使用已知方法确定光纤形状的方法中，将不必事先确定传递矩阵，也不必使用远侧源。此外，将消除与依赖于初始校准相关联的不确定性。在一些实施例中，除了形状感测能力之外，还可以使用远侧源。这样的远端源将容易实现，因为形状感测将需要光纤中的单模芯，并且这些单模芯中的一个或多个可以用于向远侧源供应光。可以通过包括三个或更多个单模芯来确定光纤的形状，如在例如以下文献中所描述的：Jason P，Moore和MatthewD.Rogge，“Shape Sensing Using Multi-Core Fiber Optic Cable and ParametricCurve Solutions”，Optics Express，第20卷，第3期，第2967-2973页，https://doi.org/10.1364/OE.20.002967，2012年，其通过引用并入本文。该参考文献描述了来自多芯光纤中的这种单模芯的光散射可以用于产生光纤的形状。

在本教导的装置的一些实施例中，多模成像芯可以在其内部和/或其外部具有一个或多个单模光纤芯。这些单模芯可以用于获得多模光纤内的局部应变和温度分布，从而实现成像光纤的连续校准。获得此类数据的一种方法将是对来自这些芯的反向散射光执行扫描波长干涉测量。反向散射光可以通过Rayleigh散射或通过引入散射中心(例如，经由UV内切芯内布拉格光栅)生成。参见，例如，Paul S.Westbrook、Tristan Kremp、KennethS.Feder、Wing Ko、Eric.M.Monberg、Hongchao Wu、Debra A.Simoff、Thierry F.Taunay、Roy.M.Ortiz，“Continuous multicore optical fiber grating arrays fordistributed sensing applications”，Journal of Lightwave Technology，v PP，第99期，第1-5页，doi:10.1109/JLT.2017.2661680，2017年，其通过引用并入本文并且在其中进行引用。

在一些实施例中，可以使用光子灯笼(photonic lantern)将各种所需模式发射到成像光纤中。使用光子灯笼在多模波导中激发多种模式允许每种模式被独立控制，因为灯笼在波导中激发特定模式。光子灯笼可以在一端具有许多单模芯，其可以用于仅使用单模发射光学器件来发射光。可以发射的模式的数量将取决于光子灯笼中的芯的数量。锥形区域将各种单模发射波束转换成在光纤远端处重建给定图案所需的期望的多个模式。锥形转换区域可以靠近或在远端处、近端处或两者之间的某个位置。

时间门控和/或扫描波长干涉法可以用于分离从各个位置获得的校准信号。例如，源自远侧源的光、源自用于往返校准的远侧光纤参考目标反射的光和源自起源于样品的信号的光可以彼此分离并单独处理。这些分离技术可以采取许多已知的形式，包括光学和/或电光分离方法。在各种实施例中，来自这些光源的光可以被个别地或共同地称为校准光。即，用于校准的光可以来自一个或多个源，并且可以被个别地或单独地处理。

在一些实施例中，如果使用了门控技术(例如，时间、波长、偏振等)，那么保护反射器并将其与样品分离的非散射光纤端盖将使得能够实现这种校准和信号数据的分离。这减轻了对快门的要求。在该方法的一些实施例中，对于近侧处的每个检测器而言，可能需要参考电场。参考电场将允许在每个像素处执行扫描波长干涉法。可替代地，可以执行时域测量。

本教导不是必须要求通过移动聚焦点来扫描样品。替代地，如果检测器可以测量跨横向平面的光学相位，那么可以将多模波导的N个模式的线性组合的任何其它合适的集合用于成像处理。这可以被称为合成扫描，并且可以选择线性组合的集合，使得其跨越与原始N个模式相同的空间。以这种方式，可以通过单次扫描完成校准和成像。在近侧使用相位敏感检测。

在本教导的装置的一些实施例中，成像波导可以利用许多耦合或非耦合的单模芯来像素化。与单个多模波导相比，这种像素化光纤将更好地控制模式耦合。在极限情况下，可以诸如通过跨每个芯扫描近侧源并在扫描源时独立地改变每个芯的光学性质来个别地激发非耦合的芯。如果芯是非耦合的，那么可以轻松确定传递函数，并且校准是简单的，但要以更复杂的近侧照明和更严格的波导设计为代价。例如，光学上非耦合的芯需要最小程度的空间分隔，从而增加了光纤尺寸并产生无法使用的横截面积，这将劣化图像质量和分辨率。随着芯之间模式耦合的量增加，确定传递矩阵的计算复杂度也随之增加。在光纤复杂度和系统复杂度以及图像质量之间存在权衡。模式耦合将取决于芯的有效折射率，而芯的有效折射率又取决于每个芯和周围包层的光学性质(尺寸、折射率)以及与周围芯的关系。例如，可以通过诸如通过改变芯间距、折射率或尺寸或通过添加有损材料增加相邻芯之间的物理距离或有效折射率的间隔来抑制耦合。应该注意的是，芯之间的有效折射率差可以取决于应变、弯曲和扭曲。

本教导的装置的一个特征是可以使用几种方法将光发射到多模波导中。允许跨多模波导输入面的任意振幅和相位(以及可选的波长或偏振)的通用方法存在，包括通用类的空间光调制器(SLM)、液晶阵列、LCOS、MEMS、集成光子阵列和光子灯笼。例如，返回参考图4，控制设备412可以用于为由激光源402生成的光束提供相位和/或振幅调制，该相位和/或振幅调制在所采用的方法(SLM等)的分辨率极限内是任意的。

对于一些应用，在光纤输入面处实现任意的振幅和相位分布是不必要的。由此，可以简化装置并减少吞吐量损失。在这样的实施例中，可以减少激光到组织的吞吐量损失以最大组织信噪比(SNR)，并且还可以最小化任何系统复杂性。由此，有时期望使用“仅相位”掩模作为控制设备，用于在光纤输入面处生成期望的光学信号。适用于合成扫描的一种方法是使用角度扫描镜(例如，振镜)或简单的仅相位空间光调制器，以跨位于焦平面中的光纤输入面扫描焦点。另一种方法是对偶方法(dual approach)，该方法以全光圈照明跨光纤输入面进行角度扫描，其中光纤输入面在光瞳平面中。在每次光纤输入发射时，扫描波长。如果仅使用单个波长或狭窄的波长范围，那么可以跳过波长扫描步骤。注意的是，使用简单扫描镜的实施例不能将任意的光传送到多模光纤的输入面。但是，这些和类似方法对于获得多模光纤传递函数会是有用的。使用简单扫描镜的实施例对于合成成像方法和其它应用也是有用的，如下面所讨论的。通过抗反射涂层或通过使用角形光纤面来最小化任何不需要的光纤输入面或其它杂散反射会是有益的。在一些实施例中，可以利用输入面反射来确认/测量/记录输入场分布。

在远端处，存在将参考反射与样品反射分离的直接方法。例如，在确定光纤传递函数时，可以使用相干门控、波长分离、时间门控和快门的使用以将样品反射光与远侧参考目标光分开。快门可以位于远侧光学器件模块中。而且，可以使用多步骤处理，其中来自远侧源、远侧参考目标和样品的光在时间上分离。这可以通过在校准步骤期间使用快门、调制多模源和单模源或其它方式来实现。

本教导的一个特征是光纤传递函数的补偿可以用于将具有期望特性的光有效地传送到样品和/或生成样品的图像。这可以通过确定光纤的传递函数和在预期被变换的情况下通过使用其来物理地或以数字或模拟表示操控光场，或者在其被变换之后通过传播通过光纤来实现。如本文所述，传递函数可以使用校准在数学上确定，并被应用于光场的数字表示。可替代地，传递函数可以通过应用已知的物理方法(诸如在全息图或空间光调制器中)或在算法中(诸如在爬坡、模拟退火或遗传算法优化方案中)补偿。如以上所讨论的，一旦可以补偿多模光学传递函数，就存在几个方面和方法来获得关于样品的光学性质的信息或将光传送到样品。这些包括调整近侧光从输入端处的发射器到多模波导的空间和其它光学性质，以执行到远侧样品中的聚焦光的扫描。从样品收集的光可以是共焦布置，或者它可以是从相同或不同波长(例如，荧光)进行的广域检测。收集的光可以来自允许广域光收集的多包层或双包层光纤。获得样品的光学性质可以采取以下形式：通过收集从样品发射的远侧光并在它经过多模光纤到近端时校正收集的光性质的损坏来执行对样品的光学性质的光学成像。获得样品的光学性质也可以采取执行物理或合成共焦成像的形式，其中聚焦光既被传送到样品又从样品收集。获得样品的光学性质还可以采取执行暗场成像或类似方法的形式，其中聚焦波束被传送到样品，并收集和分析高阶模式，以确定关于样品的光学性质的信息。收集到的光可以被称为测量光。

图7例示了利用本教导的相干检测的光学探头系统700的实施例。图7的系统可以支持物理扫描/成像或合成扫描/成像。远程光学探头系统700使用激光器(或其它光源)702。来自激光源702的光被分路到参考路径704和照明路径706这两条路径中。照明路径706中的光穿过控制设备708。可选的控制设备708在照明路径中产生光束的振幅和/或相位的一维或二维调制。在一些实施例中，空间光调制器被用作控制设备708。可选地，在控制设备708中施加偏振调制和/或执行偏振控制。来自照明路径的光照亮多模波导710的近侧输入面。多模波导710被包含在多芯光纤712中。多芯光纤712可以包括外部多包层光纤。将近侧处理系统连接到多芯光纤712的输入连接器未在图7中示出，围绕多芯光纤712的内窥镜结构也未示出。多芯光纤712还包含一个或多个单模芯714、716。多芯光纤712的一个示例横截面718示出了可以是远侧源和/或形状感测芯的四个单模芯720如何围绕圆形多模波导芯722。多芯光纤712的第二示例横截面724示出了可以是远侧源和/或形状感测芯的六个单模芯726如何围绕矩形多模波导芯728。一个或多个远侧源730位于多芯光纤712的远端处。单模开关732用于将来自激光源702的光连接到多芯光纤712中的单模芯714、716。图7的系统使用与用于照明近侧控制的远侧源相同的激光源702来用于在多模芯中成像，但是可替代地，可以使用分离的光。在近侧处理系统的接收侧，光学元件734用于将光引导到一维或二维相干检测器阵列736上。光学元件734可以是一个或多个透镜。二维检测器阵列736的输出连接到信号处理738，信号处理738产生期望的测量和/或成像信号。系统控制和处理740用于控制系统以便执行校准和测量收集。

图7例示了针对一个偏振在光纤的近端处使用相干检测。在针对图7中所示的光学探头系统的校准序列的一种可能方法的第一步骤中，从控制设备708输出的激光源702被关闭(或被闭合)，并且激光源702沿着图7中标记为SM源路径的单模光路被打开，并且经由开关732连接到馈送远侧源730的单模光纤芯714、716中的一个或几个。光从远侧源730反向散射，并到达2D相干检测器阵列736，并且光分布由系统控制和处理740记录。接收到的SM光路可以与参考路径704光相干，并且可以在光检测器上干涉地组合。如前所述，可以在激光源702和SM开关732之间添加可选的模块，以施加调制来帮助提取干扰信号。如图7所示，相同的激光源702可以用作被耦合到多模波导710中的光的来源，或者可以针对多模芯和单模芯使用两个或更多个不同的源。然后，SM开关732被切换到馈送远侧源的任何其余的SM光纤，并且重复该处理。可替代地，几个或所有远侧源可以被同时馈送。然后，SM源被关闭，并且从控制设备708输出的激光源702被启用。可以是空间光调制器的该2D场控制设备708被设置为生成第一空间模式，并且光沿着多模波导传播到远侧目标反射器(未示出)。远侧目标反射器位于光纤的端部处或非常靠近光纤的端部。反射光沿着多模波导710传播回2D相干检测器阵列736，并且被记录。重复该处理，直到记录足够数量的空间模式的线性组合，其中在每次迭代中，控制设备708生成空间模式的不同线性组合。该足够的数量可以等于等式(1)和(2)中的多模波导的引导模式的数量N，或者可以使用更多的线性组合，例如以实现冗余，或者例如，如果N个模式中的一个或多个模式与成像准确度无关，那么可以使用更少的线性组合。虽然图7示出了单偏振实施例，但是可以如结合图4所描述地实现双偏振实施例。因此，对于每个偏振，可以存在可选的附加步骤。此外，对于不同的波长，可以存在附加的可选步骤。使用上述算法，可以确定或近似多模波导710传递函数。在这个校准步骤结束时，记录来自每个远侧源的光的振幅和相位的2D轮廓以及来自N个输入模式中的每个输入模式的光的双向传播。由此，可以如上所述确定或近似单向和双向光纤传递函数。

本教导的远程光学测量探头的一个特征是输出光场可以被物理地扫描到样品上。一旦确定或充分良好地近似光纤传递函数，就可以实现和调整或扫描进入到样品中的光的期望输出图案。在一个实施例中，如图8所示，期望在光纤的输出端处扫描接近高斯型的聚焦光束或其它期望的波束图案入射到样品中。图8示出了本教导的远程光学探头系统的实施例的焦距、束腰和焦深的图。当然，可以扫描许多其它类型的场(例如，扩展的景深或贝塞尔波束)，并且图8所示的配置只是许多这些示例之一。同样，并非总是可以实现完美的高斯波束，因为仅能够可靠地实现作为光纤本征模的向量和的输出场。但是对于大量N的模式，可以更紧密地近似更复杂的场，诸如高斯场或其它期望的场。在获取图像扫描之前，已对系统和多模传递函数进行完全校准。在一种方法中，远侧光学器件中的快门在执行N个校准步骤时阻挡来自样品的光。然后打开快门并扫描样品。可替代地，可以在N个步骤的每个步骤处收集参考光和样品光二者，并使用如前面所述的各种形式的门控之一来区分光。这具有增加系统工作周期的益处。为了在样品上实现期望的光分布，选择期望的输出波束，然后考虑在远侧源、光纤远侧尖端之间并朝着样品的光传播(例如，使用Rayleigh-Sommerfeld、Fresnel或Fraunhofer衍射积分)以及已知的光纤传递函数来进行数学变换。使用振幅和/或相位控制设备(例如，图7的控制设备708)在光纤的输入面处实现该期望的场。如果连续测量光纤传递函数，那么可以并行进行样品测量和光纤传递函数测量二者。否则，根据环境条件周期性地(间歇地)测量光纤传递函数以校准系统，然后执行样品照明。当确定图像质量已经劣化到某个可接受水平以下时，可以执行重新校准。物理扫描在包括共焦成像、OCT、荧光或多光子成像在内的许多应用中是有用的，在这些应用中，焦点中需要高强度。

对于OCT和其它类型的共焦成像，通常以聚焦光束跨样品扫描光，并收集来自当前焦点的反向散射光。在用于构造期望输出扫描的波导模式的复杂权重与需要应用于在近端测量的模态系数的权重之间存在关系，以便正确解释样品的测量值并可能生成样品的图像(共焦成像)。在近端实现的用于在远端处的样品内实现聚焦点的等效2D场是需要应用在从样品传播回近端的收集场上的相同场权重。因此，以与光纤输入端处的等效场模式匹配的方式处理检测器阵列上接收到的样品场。因此，从样品反向散射到用于实现聚焦点的相同输入模式中的光是期望光。本领域的技术人员将认识到，与图2所示的传统单模光纤扫描设备相比，使用多模光纤的该方法的一个附加特征是可以在二维中任意扫描，并且还可以调整焦距以允许3D成像和/或实现复杂的扩展景深照明。补偿内窥镜壳体中的像差也是可能的。此外，可以以操作模式(不要与波导模式混淆)而不是单模光纤无法实现的共焦照明模式来收集光。已知诸如癌之类的细胞结构的变化会改变光的反向散射性质，并且通过从基本模式和其它模式收集反向散射光以电子方式检测这种变化的能力可以提供有用的临床信息。

并非总是需要执行共焦或合成成像，并且有时广域收集是优选的。在这样的实施例中，聚焦的或其它期望的光图案如上所述入射在样品上，但是在成像步骤中不需要2D检测器阵列(但是在校准步骤中仍然需要)，并且反射到MM光纤(甚至是外包层的层或双包层光纤)中的所有的光被利用。在其中可以使用相同的多模光纤或外包层光纤收集以不同的波长发射的荧光的荧光成像的情况下，这也会是有用的。在近端处，可以使用将光引导到大面积荧光检测器的二向色或其它波长选择设备。

虽然本文针对2D成像进行描述，但也应该注意的是，在一些实施例中，1D成像是优选的，如图7的示例矩形光纤几何形状所示。在空间光调制器和处理中存在对应的简化。这种1D方法可以使用一些部件圆柱光学器件来帮助聚焦波束。

本教导的另一方面是在SS-OCT或类似干涉成像中的合成扫描。测量多模光纤传递函数需要照亮光纤支持的N个独立模式。在本教导的一些实施例中，期望进行该光纤校准步骤(可能在快门关闭的情况下或利用某种门控同时)，然后进行照射或收集来自样品的光的第二步骤。但是，在其它实施例中，可以通过已在合成孔径雷达、合成孔径显微镜或计算光学干涉测量中使用的扩展概念来同时进行这些步骤中的一些步骤。在这些实施例中，在校准过程中逐步照亮光纤的N个模式，但同时允许大部分光继续朝着样品。来自远侧光纤参考目标和来自样品的光被同时收集在检测器阵列上。使用SS-OCT的相干门控或其它类似方法，反射被分别电子处理。校准过程按上述执行，并且一旦确定光纤传递函数，就可以使用所有输入模式的复杂权重来以合成方式(或者以数字方式可能是更好的词语)构造进入到样品中的光的期望输出扫描图案，以在存在多模光纤传递函数的情况下构建与期望扫描模式的最佳匹配。通过已知单向(1-way)前向光纤传递函数，可以在远端处合成期望的输出图案(或可用的光纤模式和输入所支持的与其接近的图案)。在这种布置中，用多个复杂的光图案照亮样品，并且以某种类似于合成孔径成像的方式恢复图像。由于多模内窥镜支持N个模式，因此可以用N个合成扫描照亮样品。一旦已知合成的输入光场，就可以通过进行标准的SS-OCT处理来收集和处理检测到的信号，从而以数学方式确定反向反射的纵向/轴向光学轮廓。然后，可以通过改变期望的发射角度来合成2D和3D图像，以产生图像，如SS-OCT领域中已知的。还可以分析反向散射到照明模式以外的其它模式的光(例如，暗场成像)，以确定样品的附加光学性质。

再次参考图7，合成扫描中的一个例示性示例如下：第一步骤是激活SM源并收集反射场，如上所述。然后，使用2D空间光调制器将N个模式中的每个模式施加到光纤的输入面上，就像执行本文所述的校准步骤的第二集合一样。例如，可以用扫描镜代替2D空间光调制器，然后在多模光纤的N个正交模式上的输入面处的整个光栅图案上阶跃扫描聚焦的输入波束(或者光纤输入面可以位于光瞳平面中)。即使只有一种模式耦合到光纤的近端，由于模式耦合也会在光纤的远端处引起斑点图案。如上所述，一些光从远侧参考目标反射并用于校准。而且还从样品中收集一些光。作为本领域中已知的，可以使用时间门控作为OCT相干处理的一部分或者对于非OCT实施例使用其它类型的时间或波长门控来对两种类型的光进行数值分离(例如，通过中频拍频来分离飞行时间)。如果从校准步骤中已知光纤传递函数U，并且由于输入场A_i，in(x，y，λ)也是已知的(或被测量的)，那么将N个斑点图案与系数X_i(θ，λ)合成地组合从而以数学方式产生跨样品扫描的期望场，如图7所示。即，A_{tx，synthetic}(θ，x，y，λ)是X_i(θ，λ)A_i，out(x，y，λ)的总和，其也等于X_i(θ，λ)U(x，y，λ)A_i，in(x，y，λ)的总和。使用该等式，可以确定X_i(θ，λ)。对于每个输入焦点(如果不是聚焦波束，那么或者为输入模式)，来自每个斑点图案的反射光被收集在检测器阵列上。可以完成A_i，rx(x，y，λ)和共焦检测。定性地，A_{rx，synthetic}(θ，x，y，λ)是A_i，rx(x，y，λ)的总和乘以X_i(θ，λ)A_i，in(x，y，λ)的总和的向量点积。本领域技术人员将认识到，完全传统的SS-OCT是可能的，但是需要大的检测器带宽。应当注意的是，相干但非OCT的实施例也是可能的。在期望较低带宽检测器的一些实施例中，可以使用不同的合成扫描方法。

图9A例示了本教导的远程光学探头系统900的实施例，其包括光学成像源902，诸如OCT源或固定波长激光器。2D相位和/或偏振控制单元904处理来自光学成像源902的光学信号，并将处理后的信号引导到内窥镜906中。内窥镜906包括多芯光纤908和远侧光学器件910。2D相位和/或偏振控制单元904的输出端将光斑聚焦在多芯光纤908的近端上。内窥镜906的远端包括适用于医学用途的保护性光滑盖912。结果产生的物理或合成扫描图案被示为照亮样品914。

图9B-图9F例示了具有多个芯的成像光纤的几个示例。图9B例示了具有公共包层的多个芯的横截面。如果芯是宽间隔的，那么交叉耦合很小，并且2D空间光调制器(诸如图9A的控制单元904)可以是简单的扫描镜(或光纤开关)，其将光引导到每个光纤上，从而使得接收器的处理非常简单。随着芯更加靠近，耦合发生，并且处理变得更加复杂，尽管图像分辨率提高。

图9C例示了本教导的远程光学探头系统的实施例，其包括多个芯，每个芯具有单独的包层，这些包层具有可选的吸收性的或光剥离性的公共包层和/或缓冲器。这是对于每个芯具有非公共包层的多芯光纤，所有包层都嵌在另一个公共包层中。公共包层可以是吸收性的或具有适于吸收或剥离光以使其远离芯之间相互作用的折射率(可选地与缓冲器匹配)。这种方法允许芯在发生显著耦合前被更紧密地包裹。

图9D例示了本教导的远程光学探头系统的实施例，其包括空心多芯光纤，该空心多芯光纤具有使芯到芯耦合最小化的涂层。这是包含带有金属或其它合适外芯的中空芯光纤以将光限制在芯中的多芯光纤。同样，公共包层矩阵可以是吸收性的。

图9E例示了本教导的远程光学探头系统的实施例，该远程光学探头系统包括与形状感测光纤相结合的多芯光纤。该实施例例示了将多芯光纤与形状感测光纤集成以允许同时成像和形状感测的概念。

图9F例示了本教导的包括1D多芯光纤的远程光学探头系统的实施例。该1D多芯光纤示例可以应用于任何配置。可选地，可以添加近侧和/或远侧掩模以最小化或消除未耦合到光纤芯的光。同样可选地，远侧光学器件可以具有折叠镜和/或具有附加的机械/马达扫描以辅助成像。例如，可以实现结合有内窥镜拉回设备的折叠镜。这些实施例的具有芯到芯耦合最小化的一个有益方面是它们中的一些可以具有非常简单的系统，该系统使用扫描镜作为空间光调制器并将光简单地聚焦在光纤输入面上。图9F还示出了可选地使用形状感测光纤。

图10示出了本教导的远程光学探头系统1000的实施例，其包括多芯光纤1002，其中每个芯具有远侧反射，并且包括近侧系统，该近侧系统以干涉方式从远侧反射和样品二者收集光并调整近侧振幅和/或相位波束形成元件以执行远侧扫描或成像。多芯光纤1002包括充当波导的多个单模芯，并且占据内窥镜的一部分1003。该实施例是SS-OCT配置，但是其它模态也是可以的。所示的实施例具有带最小耦合芯的多芯光纤1002。多芯光纤1002的每个芯具有远侧反射，并且其中一个芯与标准SS-OCT的参考臂类似地用于参考臂反射。但是，不要求参考臂位于同一光纤中。

近侧系统1004光学耦合到多芯光纤1002的输入端。近侧系统1004包括生成光学信号的光源1006。光耦合器1008将由光源1006生成的光学信号的一部分分离到参考信号臂1009。在一个实施例中，参考信号臂1009将光经由多芯光纤的参考芯耦合到其远侧反射，然后沿着相同的路径返回到被耦合到处理器1012(诸如，DSP处理器)的多个接收器1010。然后使用单独的振幅和相位控制器1014来形成波束。

在多芯光纤1002的远端处，使用无芯光纤或许多其它波束扩展光学元件之一，在所示的可选波束扩展区域和/或在部分1015中扩展来自各个光纤芯的光。可以使用可选的透镜阵列1016来准直、聚焦或以其它方式处理光，该可选的透镜阵列1016可以使用拼接到多芯主光纤上的多芯渐变折射率光纤透镜阵列来实现。透镜阵列1016允许输出光圈被填充得更多，并且相比宽间隔的空间无干扰的发射器/检测器，像相控阵列发射器(和收集器)那样操作。

多芯光纤1002中的每个光纤具有小的远侧参考反射。因此，在每个单独的接收器1010处，将有来自主参考臂1009路径的反射光、来自多芯光纤参考反射中的各个芯的光以及从样品反射的光。从远端处的样品和/或反射器朝着多芯光纤1002的近端传播回去的光经由耦合器1018耦合到接收器1010。耦合器1018也可以是环行器。来自多芯光纤参考反射中各个芯内的光的拍频信号(beat signal)和来自样品的光将在不同的中频频率处出现，如SS-OCT技术中已知的。在数值上，在近侧系统的处理中，可以确定所有单独的多芯光纤参考反射延迟/距离，并且可以以闭环(或开环)的方式将任何期望的远侧相位和振幅图案植入到从多芯光纤发射的场上和到样品上。如图所示，可以使用多个接收器并行执行这些功能。同样，可以在每个多芯光纤中放置不同的时间延迟。可以使用一个接收器，将信息显示为不同的中频频率，如SS-OCT技术中已知的。这具有增加简单性的益处，但是由于N:1合并损失而具有降低SNR的代价。也可以不使用SS-OCT实施例，而是使用其它类型的干涉测量方法。

已经描述了许多实施例，以使得小型成像内窥镜适合于实现访问人体中或其它应用中难以到达的位置。同样如本文所述，本教导包括同时使用形状感测光纤以允许成像和了解光纤形状二者的概念。对于一些应用，一个附加的重要方面是使方法能够同时铰接光纤，以允许导航到难以到达的远处位置。存在许多在传统内窥镜中使用的本领域中已知的方法，以允许导航通过人体内部或人体外部工业应用中的弯曲小通道。但是大多数这些现有技术要求大的直径和复杂性。

图11A-图11E示出了用于在小体积中铰接光纤的示例方法。图11A示出了多芯光纤1100的示例，其中外部光纤1101用于将激光传送到高度光学吸收的材料，该材料在光纤的远端处引起弯曲。外部光纤1101可以传送光以用于热引起的弯曲。本领域技术人员将认识到，公共包层中的芯可以是光纤，其中芯和包层二者都嵌入在第二公共包层中。此外，这些光纤可以用于形状感测。外部光纤在光纤的端部附近具有光学吸收性材料，并且被来自近端的激光不同地热激活。可替代地，可以将电导体应用到远侧热膨胀材料以引起弯曲。

图11B示出了多芯光纤1102的替代示例，其中热/吸收/弯曲材料位于光纤外部，并且使用光纤布拉格光栅或类似材料将光朝着该吸收和热引起的弯曲材料向外反射。外部光纤1103传送光以用于热引起的弯曲。此外，这些光纤可以用于形状感测。

图11C示出了具有气动引起的弯曲的多芯光纤1104的示例，其中光纤、其缓冲器或护套中的中空芯被用来引起远侧弯曲。弯曲可能是由于芯中的压力引起的。可替代地，可以在端部附近添加最佳可充气结构。外部光纤1105是中空的，并且可以使用不同的液体、气体和/或抽吸压力来使光纤弯曲和/或使用可选的可充气/可放气结构。

图11D示出了多芯光纤1106的示例，其中将压电或类似的机电材料放置在多芯光纤的外芯或其缓冲器或护套内。细电线用于激活远侧机电弯曲材料。如果材料包含在其中一个光纤芯内，那么可选地将创建预成型件，并以该方式拉伸光纤。光纤的远侧部分在光纤内、在护套/缓冲器上或在光纤的远侧部分周围包含PZT或其它机电弯曲材料，以及用于激活光纤以弯曲的电导管。可以使用可选的形状感测光纤1107。

图11E示出了多芯光纤1108的示例，该多芯光纤1108具有连接到光纤的远端的推/拉线，该推/拉线用于从可以包括链和链轮(sprocket)的手动系统铰接弯曲。可以使用近侧致动旋钮或马达或其它方法。可以使用可选的形状感测光纤1109。

图11A-图11E中所示的多芯光纤可以在非常小的体积中同时执行成像和操控，并且可选地还允许同时的形状感测。

远侧源的

的精确值可以通过多种方式确定。图12示出了用于确定远侧源振幅

的流程图1200。它还示出了在确定成像光纤传递矩阵时如何使用这些振幅。在优选实施例中，

可以通过在可以访问远端的波导被使用之前对其执行单次预校准来确定。这样的预校准将对光纤的任何弯曲和扰动具有鲁棒性，并且在成像波导的使用过程中不必再次执行。预校准将确定从远端到近端的单程传递矩阵W^(b)，或者从近端到远端的单程传递矩阵W^(f)。近侧光学器件然后被打开以点亮远侧源(或多个源)，并且近侧输出

将被记录。单程预校准将然后用于通过以下等式确定远侧源振幅

重要的是要注意振幅

独立于光纤上的任何进一步的弯曲或扰动。该事实的原因是，远侧源振幅是通过首先从近端到远端传播通过单模光纤而从近端激发。这样的单模路径对于光纤弯曲和扰动具有鲁棒性。来自该单模路径的光然后通过耦合到在光纤的远端处的一组固定的光学器件、散射器和光纤扰动来激发远侧源振幅

这些远侧光学器件不受光纤弯曲或扰动的影响。

我们注意到，为了使单模波导真正独立于弯曲和扰动，该波导可能还需要为单偏振。因此，单模波导可以是偏振维持波导。单模波导也可以是偏振波导。单模波导也可以是偏振维持光纤、偏振保持光纤或偏振单模光纤。

可替代地，在根据本教导的一些配置中，可以将两个偏振发射到单模波导中。然后可以利用偏振分集检测来执行在近端处对来自远端的信号的检测。

此外，被引导通过这种单模波导的光将累积总相位，该总相位会随光纤弯曲或以其它方式受到扰动而变化。这将为近侧光分布增加总相位，但不会改变空间图案。如果有多于一个远侧源，那么将对所有远侧源执行这种过程，并且可以实现平均算法以减少误差。

更具体而言，图12例示了流程图1200，其示出了成像波导校准的实施例。该流程图包括在第一次使用之前要执行的步骤1202，包括确定远侧源振幅。在第一步骤1204中，使用远侧照明确定信号通过远侧-近侧传递矩阵。在第二步骤1206中，照亮远侧源。在第三步骤1208中，记录近侧电场。在第四步骤1210中，计算远侧电场振幅。

流程图1200还包括在使用期间要执行的步骤1212，包括近侧-远侧传递矩阵的确定，这是通过往返校准，然后进行远侧源照明以消除单程传递矩阵中的符号歧义来完成的。在使用期间执行的第一步骤1214中，从近侧反射N个模式。在第二步骤1216中，记录往返电场。在第三步骤1218中，计算往返传递矩阵。在第四步骤1220中，照亮远侧源。在第五步骤1222中，记录近侧电场。在第六步骤1224中，确定W^(f)中的歧义性符号。

图13示出了根据本教导的使用多芯和/或多模光纤的成像内窥镜1300的实施例。激光源(或其它类型的光源)1302被光纤耦合到光环行器1304。例如，可以使用偏振控制器和/或偏振维持光纤和可选的调制器来耦合激光源1302。环行器1304的光纤耦合的输出被发送到执行任意空间/偏振状态生成的装置1306以及接收器和处理装置1305。装置1306包括偏振分束器、反射镜、半波片和夹在空间光调制器之间的可选快门。可以使用多种类型的空间光调制器。装置1306用于将从环行器1304输出的来自光纤耦合的源1302的近高斯波束转换成任意空间模式，以照亮多模光纤芯1310。来自激光源1302的光还通过单模开关1303直接耦合到光纤1308。

光纤和内窥镜装置1300的远侧源和其它方面与上述的类似。为了简单起见，未在光纤的端部处示出远侧光学器件，但是应该理解的是，远侧光学器件将用在许多实际的实施例中。光纤1308中包含的来自样品和/或参考的反向传播光被分束器1312反射离开，并被发送到可以执行与上述类似的光纤校准和其它操作的相干检测器阵列1314和信号处理器1316上。注意的是，对于共焦成像应用，一些共焦光将通过空间光调制器朝着环行器传播回去，在环行器中它可以被分离并被发送到光电检测器和接收器处理1305。这是本发明的该方面的显著特征之一；即，它允许如单通道检测器那样的相对简单和快速的处理以及两次通过装置1306。可替代地，两个检测器可以用于偏振分集和/或附加的检测器用于平衡检测。在本教导的一个实施例中，一旦光纤被校准并且开始样品的光学性质的测量，那么就可以移除以虚线示出的分束器以增加吞吐量。我们还注意到，如本领域中已知的，存在可以使用的检测器阵列接收器处理的替代类型，包括使用反向方向上的任意空间/偏振状态输出滤波器作为波束分析器的顺序处理，如在例如以下文献中描述的：Joel Carpenter，“Everything You Always Wanted to Know About Multimode Fiber”，IEEE PhotonicsSociety Newsletter，第4-10页，2017年8月，其通过引用并入本文。

在本教导的另一方面，可以通过在检测器前面添加具有已知性质的附加相位板来实现样品体积的超分辨率成像。这种相位板编码相位信息来自样品，并允许以超出衍射极限的空间分辨率进行成像，例如，参见Bo Shuang、Wenxiao Wang、Hao She、LawrenceJ.Tauzin、Charlotte Flateb、Jianbo Chen、Nicholas A.Moring、Logan D.C.Bishop、Kevin F.Kelly和Christy F.Landes的“Generalized Recovery Algorithm for 3DSuper-Resolution Microscopy Using Rotating Point Spread Functions”，ScientificReports，6:30826，DOI:10.1038/srep30826，2016年，其通过引用并入本文。在共焦布置中，这允许生成3D图像。

本教导的另一方面是，除了对样品上的聚焦点执行1D或2D横向扫描并收集从样品反射或发射的光(例如，荧光)外，也可以更改光在样品内的聚焦位置。这与使用其中焦点固定的单模光纤的传统内窥镜形成鲜明对比。

本文已经以共焦布置、适合于NIR或荧光成像的布置以及其它配置描述了在样品上扫描聚焦波束的概念。应该注意的是，全场OCT和其它类型的全场成像也是可以的，并且在几个领域中具有优势，包括对检测器阵列带宽的要求降低以及并行地从样品获取数据的能力。

在本教导的又一个实施例中，实现了允许Bessel波束扩展焦深的场。在本教导的又一个实施例中，采用了超分辨率成像。

等效形式

虽然结合各种实施例描述了申请人的教导，但是并不意图将申请人的教导限于这样的实施例。相反，申请人的教导涵盖各种替代、修改和等效形式，如本领域技术人员将认识到的，其中可以进行这些替代、修改和等效形式而不背离本教导的精神和范围。

Claims (15)

1.一种光学系统，包括：

a)光源；

b)光学控制设备，具有光学耦合到所述光源的输出端的输入端；以及

c)光纤，具有光学耦合到所述光学控制设备的输出端的输入端，所述光纤从近端到远端传播多个空间模式，其中所述光源被配置为从所述光纤的远端照亮样品，所述光纤包括位于所述光纤的远端附近的至少一个近侧控制的远侧源，其中所述远侧源被配置为提供关于由所述光纤执行的变换的信息，以确定关于所述样品的信息。

2.如权利要求1所述的光学系统，还包括：

d)位于所述光纤的近端处的光学检测器，其中由所述远侧源提供的信息包括校准光，并且其中所述光学检测器检测所述校准光的至少一部分，并且响应于检测到的校准光，在输出端处生成电信号；以及

e)信号处理器，包括连接到所述光学检测器的输出端的电输入端和连接到所述光学控制设备的电控制输入端的电输出端，所述信号处理器生成控制信号，所述控制信号指示所述光学控制设备在来自所述光源的光束上施加补偿的空间轮廓，所述补偿的空间轮廓至少部分地补偿由所述光纤施加的光束的空间轮廓的变换。

3.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光纤具有以下特征之一：多芯光学波导、多模光学波导和多芯/多模光纤。

4.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光纤的远侧光源包括多个单模芯，所述多个单模芯位于包括多模光纤的光学波导周围。

5.如权利要求1所述的光学系统，其中所述光纤被容纳在内窥镜中。

6.一种方法，包括：

a)用光源生成光束；

b)将所述光束耦合到传输多个空间模式的光纤的近端，使得所述光束从所述光纤的近端传播到远端，从而产生所述光束的空间变换；

c)对所述光束施加补偿的空间轮廓，所述补偿的空间轮廓至少部分地补偿由所述光纤产生的空间变换；

d)用远侧源生成校准光，所述远侧源具有位于所述光纤的远端附近的输出端；

e)用光学检测器检测所述校准光的至少一部分；以及

f)处理检测到的校准光以生成校准信号，所述校准信号确定在所述光束上施加的补偿的空间轮廓，所述补偿的空间轮廓至少部分地补偿由所述光纤产生的空间变换。

7.如权利要求6所述的方法，其中对所述光束施加补偿的空间变换包括：利用位于所述光束的路径中的光学控制设备，对所述光束施加补偿的空间变换。

8.如权利要求6所述的方法，其中对所述光束施加补偿的空间变换包括：通过应用至少部分地在处理检测到的校准光期间确定的数学变换，对所述光束施加补偿的空间变换。

9.如权利要求6所述的方法，还包括将样品定位在所述光束的路径中的所述光纤的远端处。

10.如权利要求6所述的方法，还包括收集测量光，其中所述测量光是从以下之一生成的：样品、来自样品的拉曼散射光，以及从样品发射的荧光。

11.如权利要求6所述的方法，还包括将样品定位在所述光纤的远端附近、从所述样品收集光，以及处理收集到的光以产生所述样品的光学性质的图像。

12.一种利用从光纤的远端到近端传播多个空间模式的光纤来分析样品的方法，所述方法包括：

a)通过传播多个空间模式的光纤的远端从样品收集包括空间轮廓的光束；

b)将收集到的光束从传播多个空间模式的光纤的远端传播到近端，随着收集到的光束从远端传播到近端，所述光纤对收集到的光束施加空间变换；

c)在所述光纤的近端的输出端处检测传播的光束的至少一部分，并且响应于所述检测而生成电信号；以及

d)处理所述电信号以生成至少部分地补偿由所述光纤施加的空间变换的所述电信号的数学变换。

13.如权利要求12所述的方法，其中处理所述电信号以生成至少部分地补偿由所述光纤施加的空间变换的所述电信号的数学变换包括生成变换矩阵。

14.如权利要求12所述的方法，还包括收集测量光，其中所述测量光是从以下之一生成的：样品、来自样品的拉曼散射光，以及从样品发射的荧光。

15.如权利要求12所述的方法，还包括从检测到的传播的光束产生所述样品的光学性质的图像。

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