JP2015508685A5 - - Google Patents
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Description
(関連出願)
本願は、米国仮出願第61/599,839号(2012年2月16日出願)の利益を主張する。該出願は、参照により本明細書に引用される。
本願は、米国仮出願第61/599,839号(2012年2月16日出願)の利益を主張する。該出願は、参照により本明細書に引用される。
(連邦政府支援の研究に関する陳述)
本発明は、National Cancer Agencyによって、NIH認可番号第R33 CA094303号に基づいて、米国政府の支援の下で行なわれたものである。
本発明は、National Cancer Agencyによって、NIH認可番号第R33 CA094303号に基づいて、米国政府の支援の下で行なわれたものである。
画像走査システムでは、光のビームが、典型的には、標的面積にわたり走査され、後方散乱または反射光が、強度および色において変調され、走査内の特定の場所および時間において、表面上の点に対応する画素を与える。画像分解能を増加させるため、または画像画素のサイズを減少させるためには、表面の光学照合点が、十分に小さくされる必要がある。しかしながら、光が小さいスポットに集束されると、結果として生じる画像の焦点深度または被写界深度も同様に、比較的に浅くなり、標的面積のわずかな部分のみ焦点が合ったままであることを意味する。したがって、高画像分解能を維持しながら、拡張された焦点深度または被写界深度を提供する必要性がある。
本発明は、例えば、以下を提供する:
(項目1)
標的面積の画像を取得する方法であって、
照明を前記標的面積に提供するような走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させることであって、前記光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結されている複数の光ファイバを備え、前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリからの光を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、ことと、
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めることと、
前記標的面積から集められた光に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成することと
を含む、方法。
(項目2)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記複数の光ファイバを走査させることは、スキャナアクチュエータによって、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させることを含む、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目4に記載の方法。
(項目6)
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めることは、フレーム順次、走査線順次、または画素順次様式のうちの1つにおいて行なわれる、項目1に記載の方法。
(項目7)
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めることは、同時またはほぼ同時に行なわれる、項目1に記載の方法。
(項目8)
前記複合画像を生成することは、
前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を生成することと、
前記複数の画像の各々に対して、前記画像の高分解能部分を識別することと、
前記複数の画像の前記高分解能部分を組み合わせ、前記複合画像を形成することと
を含む、項目1に記載の方法。
(項目9)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目1に記載の方法。
(項目10)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも1つは、単一モード光ファイバである、項目1に記載の方法。
(項目11)
標的面積の画像を取得するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、
前記光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、前記光学システムは、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能である、光学システムと、
前記光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータであって、前記スキャナアクチュエータは、前記複数の光ファイバに関連付けられた遠位部分を作動させるように構成され、前記遠位部分は、前記複数の焦点面上である走査パターンにおいて、一緒にまたは個々にのいずれかで走査する、スキャナアクチュエータと、
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を検出するように構成されている1つ以上の検出器と、
有形媒体を備えている1つ以上のプロセッサであって、前記有形媒体は、命令を備え、前記命令は、実行されると、前記標的面積から集められた光に少なくとも部分的に基づいて、前記1つ以上のプロセッサに前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成させる、1つ以上のプロセッサと
を備えている、システム。
(項目12)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目11に記載のシステム。
(項目13)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目11に記載のシステム。
(項目14)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目11に記載のシステム。
(項目15)
前記1つ以上の検出器は、フレーム順次、走査線順次、または画素順次様式のうちの1つにおいて、前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を検出する、項目11に記載のシステム。
(項目16)
前記1つ以上の検出器は、前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を同時またはほぼ同時に検出する、項目11に記載のシステム。
(項目17)
前記複合画像を生成することは、
前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を生成することと、
前記複数の画像の各々に対して、前記画像の高分解能部分を識別することと、
前記複数の画像の前記高分解能部分を組み合わせ、前記複合画像を形成することと
を含む、項目11に記載のシステム。
(項目18)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目11に記載のシステム。
(項目19)
前記複数の光ファイバの遠位端面は、平滑光学表面を形成している、項目11に記載のシステム。
(項目20)
前記複合画像は、3次元である、項目11に記載のシステム。
(項目21)
複合画像を標的面積に投影する方法であって、
照明を前記標的面積に提供するような走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させることであって、前記光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結されている複数の光ファイバを備え、前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリからの光を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、ことと、
前記提供される光の強度を変調し、前記標的面積にわたり光強度の変動をもたらすことと、
前記標的面積に提供される照明に少なくとも部分的に基づいて、複合画像を前記標的面積上に投影することであって、前記複合画像は、前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する、ことと
を含む、方法。
(項目22)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目21に記載の方法。
(項目24)
前記複数の光ファイバを走査させることは、スキャナアクチュエータによって、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させることを含む、項目21に記載の方法。
(項目25)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記複合画像を投影することは、前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を投影することを含む、項目21に記載の方法。
(項目27)
前記複数の画像の各々は、前記複数の光ファイバのうちの1つによって投影される、項目26に記載の方法。
(項目28)
前記複数の画像は、同時に投影される、項目26に記載の方法。
(項目29)
前記複合画像は、3次元であり、前記複数の画像は、2次元である、項目26に記載の方法。
(項目30)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目21に記載の方法。
(項目31)
画像を標的面積上に投影するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、
前記光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、前記光学システムは、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能である、光学システムと、
前記光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータであって、前記スキャナアクチュエータは、前記複数の光ファイバに関連付けられた遠位部分を作動させるように構成され、前記遠位部分は、前記複数の焦点面上である走査パターンにおいて、一緒にまたは個々にのいずれかで走査する、スキャナアクチュエータと、
有形媒体を備えている1つ以上のプロセッサであって、前記有形媒体は、命令を備え、前記命令は、実行されると、前記標的面積に提供される照明に少なくとも部分的に基づいて、前記1つ以上のプロセッサに前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成させる、1つ以上のプロセッサと
を備えている、システム。
(項目32)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目31に記載の方法。
(項目33)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目31に記載の方法。
(項目34)
前記複数の光ファイバを走査させることは、スキャナアクチュエータによって、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させることを含む、項目31に記載の方法。
(項目35)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目34に記載の方法。
(項目36)
前記複合画像を投影することは、前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を投影することを含む、項目31に記載の方法。
(項目37)
前記複数の画像の各々は、前記複数の光ファイバのうちの1つによって投影される、項目36に記載の方法。
(項目38)
前記複数の画像は、同時に投影される、項目36に記載の方法。
(項目39)
前記複合画像は、3次元であり、前記複数の画像は、2次元である、項目36に記載の方法。
(項目40)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目31に記載の方法。
以下は、本発明の基本的理解を提供するために、本発明のいくつかの実施形態の簡略化された概要を提示する。本概要は、本発明の広範に及ぶ概要ではない。本発明の重要/必須要素を識別すること、または発明の範囲を境界することを意図するものではない。その唯一の目的は、以下に提示される発明を実施するための形態の前置きとして、本発明のいくつかの実施形態を簡略化された形態で提示することである。
(項目1)
標的面積の画像を取得する方法であって、
照明を前記標的面積に提供するような走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させることであって、前記光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結されている複数の光ファイバを備え、前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリからの光を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、ことと、
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めることと、
前記標的面積から集められた光に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成することと
を含む、方法。
(項目2)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記複数の光ファイバを走査させることは、スキャナアクチュエータによって、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させることを含む、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目4に記載の方法。
(項目6)
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めることは、フレーム順次、走査線順次、または画素順次様式のうちの1つにおいて行なわれる、項目1に記載の方法。
(項目7)
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めることは、同時またはほぼ同時に行なわれる、項目1に記載の方法。
(項目8)
前記複合画像を生成することは、
前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を生成することと、
前記複数の画像の各々に対して、前記画像の高分解能部分を識別することと、
前記複数の画像の前記高分解能部分を組み合わせ、前記複合画像を形成することと
を含む、項目1に記載の方法。
(項目9)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目1に記載の方法。
(項目10)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも1つは、単一モード光ファイバである、項目1に記載の方法。
(項目11)
標的面積の画像を取得するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、
前記光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、前記光学システムは、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能である、光学システムと、
前記光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータであって、前記スキャナアクチュエータは、前記複数の光ファイバに関連付けられた遠位部分を作動させるように構成され、前記遠位部分は、前記複数の焦点面上である走査パターンにおいて、一緒にまたは個々にのいずれかで走査する、スキャナアクチュエータと、
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を検出するように構成されている1つ以上の検出器と、
有形媒体を備えている1つ以上のプロセッサであって、前記有形媒体は、命令を備え、前記命令は、実行されると、前記標的面積から集められた光に少なくとも部分的に基づいて、前記1つ以上のプロセッサに前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成させる、1つ以上のプロセッサと
を備えている、システム。
(項目12)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目11に記載のシステム。
(項目13)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目11に記載のシステム。
(項目14)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目11に記載のシステム。
(項目15)
前記1つ以上の検出器は、フレーム順次、走査線順次、または画素順次様式のうちの1つにおいて、前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を検出する、項目11に記載のシステム。
(項目16)
前記1つ以上の検出器は、前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を同時またはほぼ同時に検出する、項目11に記載のシステム。
(項目17)
前記複合画像を生成することは、
前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を生成することと、
前記複数の画像の各々に対して、前記画像の高分解能部分を識別することと、
前記複数の画像の前記高分解能部分を組み合わせ、前記複合画像を形成することと
を含む、項目11に記載のシステム。
(項目18)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目11に記載のシステム。
(項目19)
前記複数の光ファイバの遠位端面は、平滑光学表面を形成している、項目11に記載のシステム。
(項目20)
前記複合画像は、3次元である、項目11に記載のシステム。
(項目21)
複合画像を標的面積に投影する方法であって、
照明を前記標的面積に提供するような走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させることであって、前記光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結されている複数の光ファイバを備え、前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリからの光を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、ことと、
前記提供される光の強度を変調し、前記標的面積にわたり光強度の変動をもたらすことと、
前記標的面積に提供される照明に少なくとも部分的に基づいて、複合画像を前記標的面積上に投影することであって、前記複合画像は、前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する、ことと
を含む、方法。
(項目22)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目21に記載の方法。
(項目24)
前記複数の光ファイバを走査させることは、スキャナアクチュエータによって、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させることを含む、項目21に記載の方法。
(項目25)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記複合画像を投影することは、前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を投影することを含む、項目21に記載の方法。
(項目27)
前記複数の画像の各々は、前記複数の光ファイバのうちの1つによって投影される、項目26に記載の方法。
(項目28)
前記複数の画像は、同時に投影される、項目26に記載の方法。
(項目29)
前記複合画像は、3次元であり、前記複数の画像は、2次元である、項目26に記載の方法。
(項目30)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目21に記載の方法。
(項目31)
画像を標的面積上に投影するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、
前記光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、前記光学システムは、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能である、光学システムと、
前記光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータであって、前記スキャナアクチュエータは、前記複数の光ファイバに関連付けられた遠位部分を作動させるように構成され、前記遠位部分は、前記複数の焦点面上である走査パターンにおいて、一緒にまたは個々にのいずれかで走査する、スキャナアクチュエータと、
有形媒体を備えている1つ以上のプロセッサであって、前記有形媒体は、命令を備え、前記命令は、実行されると、前記標的面積に提供される照明に少なくとも部分的に基づいて、前記1つ以上のプロセッサに前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成させる、1つ以上のプロセッサと
を備えている、システム。
(項目32)
前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、項目31に記載の方法。
(項目33)
前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、項目31に記載の方法。
(項目34)
前記複数の光ファイバを走査させることは、スキャナアクチュエータによって、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させることを含む、項目31に記載の方法。
(項目35)
前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、項目34に記載の方法。
(項目36)
前記複合画像を投影することは、前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を投影することを含む、項目31に記載の方法。
(項目37)
前記複数の画像の各々は、前記複数の光ファイバのうちの1つによって投影される、項目36に記載の方法。
(項目38)
前記複数の画像は、同時に投影される、項目36に記載の方法。
(項目39)
前記複合画像は、3次元であり、前記複数の画像は、2次元である、項目36に記載の方法。
(項目40)
前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、項目31に記載の方法。
以下は、本発明の基本的理解を提供するために、本発明のいくつかの実施形態の簡略化された概要を提示する。本概要は、本発明の広範に及ぶ概要ではない。本発明の重要/必須要素を識別すること、または発明の範囲を境界することを意図するものではない。その唯一の目的は、以下に提示される発明を実施するための形態の前置きとして、本発明のいくつかの実施形態を簡略化された形態で提示することである。
多くの実施形態では、標的面積からおよび/またはそこに画像を取得および/またはそれを投影するための改良された方法およびシステムが、提供される。そのような方法およびシステムは、標的面積をある走査パターンにおいて走査するように駆動され得る、光ファイバアセンブリを含む。光ファイバアセンブリは、光を複数の光源から別個の焦点面上および/または異なるコリメーション度を有する光学ビームに集束および/または方向転換させ得る、光学システムに対して軸方向に段違いにされた複数の有効光源を提供し得る。別個の焦点面に対応する画像データは、組み合わせられ、拡張焦点深度または被写界深度および改良された画像分解能を伴う、複合画像を生成し得る。
一側面では、標的面積の画像を取得する方法が、提供される。本方法は、照明を標的面積に提供するように、あるパターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させることであって、光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結される複数の光ファイバを備え、光学システムは、光ファイバアセンブリからの光を集束させ、光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、ことと、複数の焦点面の各々に対して、標的面積から反射された光を集めることと、少なくとも部分的に、標的面積から集められた光に基づいて、複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成することとを含む。
一側面では、標的面積の画像を取得するためのシステムが、提供される。本システムは、照明を標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能な光学システムと、複数の光ファイバに関連付けられ、一緒にまたは個々にのいずれかで、複数の焦点面上である走査パターンにおいて走査するよう遠位部分を作動させるように構成される、光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータと、複数の焦点面の各々に対して、標的面積から反射された光を検出するように構成されている1つ以上の検出器とを含む。本システムはまた、有形媒体であって、実行されると、プロセッサに、少なくとも部分的に、標的面積から集められた光に基づいて、複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成させる命令を備える、有形媒体を備える、プロセッサを含む。
一側面では、複合画像を標的面積に投影する方法が、提供される。本方法は、照明を標的面積に提供するような走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させることであって、光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結される複数の光ファイバを備え、光学システムは、光ファイバアセンブリからの光を集束させ、光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、ことと、提供される光の強度を変調し、標的面積にわたり光強度の変動をもたらすことと、標的面積に提供される照明に少なくとも部分的に基づいて、複合画像を標的面積上に投影することであって、複合画像は、複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する、こととを含む。
一側面では、画像を標的面積上に投影するためのシステムが、提供される。本システムは、照明を標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能な光学システムと、複数の光ファイバに関連付けられ、一緒にまたは個々にのいずれかで、複数の焦点面上である走査パターンにおいて走査するよう遠位部分を作動させるように構成される、光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータと、有形媒体であって、実行されると、1つ以上のプロセッサに、少なくとも部分的に、標的面積に提供された照明に基づいて、複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を投影させる命令を備える、有形媒体を備えている1つ以上のプロセッサとを備える。
(参照による引用)
本明細書に記載される全ての刊行物、特許、および特許出願は、各個々の刊行物、特許、または特許出願が、具体的かつ個々に、参照することによって組み込まれることが示される場合と同様に、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本明細書に記載される全ての刊行物、特許、および特許出願は、各個々の刊行物、特許、または特許出願が、具体的かつ個々に、参照することによって組み込まれることが示される場合と同様に、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本発明の新規特徴は、添付の請求項において、具体性を伴って記載される。本発明の特徴および利点のさらなる理解は、本発明の原理が利用される例証的実施形態を記載する、以下の発明を実施するための形態および付随の図面を参照することによって得られるであろう。
図1は、ある実施形態による、標的面積を撮像するための例示的画像走査システムの構成要素を図示する。
図2は、ある実施形態による、画像走査システムにおいて使用され得る、例示的走査デバイスを図示する。
図3a−bは、ある実施形態による、拡張被写界深度を提供するように構成される、走査デバイスの例示的構成要素を図示する。
図3a−bは、ある実施形態による、拡張被写界深度を提供するように構成される、走査デバイスの例示的構成要素を図示する。
図4は、ある実施形態による、拡張焦点深度または被写界深度および改良された分解能を伴う画像を提供するために使用される、例示的画像処理を図示する。
図5は、ある実施形態による、標的面積の画像を取得するための例示的プロセスを図示する。
図6は、ある実施形態による、拡張焦点深度または被写界深度を伴う、複合標的面積の画像を生成するための例示的プロセスを図示する。
図7は、いくつかの実施形態による、光ファイバアセンブリにおける光ファイバのいくつかの例示的構成を図示する。
図8は、いくつかの実施形態による、光ファイバアセンブリにおいて角度付けられた端面を伴う、いくつかの例示的光ファイバを図示する。
図9a−cは、ある実施形態による、例示的光ファイバアセンブリを図示する。
図9a−cは、ある実施形態による、例示的光ファイバアセンブリを図示する。
図9a−cは、ある実施形態による、例示的光ファイバアセンブリを図示する。
図10a−dは、いくつかの実施形態による、いくつかの例示的機械的カンチレバーアセンブリを図示する。
図10a−dは、いくつかの実施形態による、いくつかの例示的機械的カンチレバーアセンブリを図示する。
図10a−dは、いくつかの実施形態による、いくつかの例示的機械的カンチレバーアセンブリを図示する。
図10a−dは、いくつかの実施形態による、いくつかの例示的機械的カンチレバーアセンブリを図示する。
図11は、実施形態による、複合画像を面積上に投影するための例示的プロセスを図示する。
本発明は、走査ファイバ内視鏡(SFE)等の画像走査システムにおいて、高画像分解能を維持しながら、拡張焦点深度または被写界深度をもたらすための技法を提供する。典型的には、SFEは、ある走査パターン(例えば、渦巻またはジグザグ)において走査し、撮像される表面にわたり空間充填面積に照明を送達するように駆動される、単一モード光ファイバを有する。走査光ファイバ先端と標的面積との間の光学システム(例えば、対物レンズシステム)は、典型的には、SFEの画像分解能を定義し、光学システムは、典型的には、浅い焦点深度または被写界深度を提供しながら、高空間分解能を達成するように設計される。
本発明のある実施形態によると、SFE内の単一走査光ファイバは、複数の光ファイバを備える光学ファイバアセンブリと置換される。これらの光ファイバの先端は、光ファイバからの光を標的面積上に集束するように構成される光学システムに対して、軸方向に段違いにされ得る。段違いにされたファイバ先端は、光学システムによって、別個または段違いにされた焦点、故に、別個の焦点面に集束され得る可変光源点を提供するように動作可能であり得る。各焦点面は、非常に限定された焦点深度または被写界深度に関連付けられ得るが、組み合わせることによって、標的面積の結果として生じる画像は、改良された画像分解能を伴う、望ましい拡張焦点深度または被写界深度を有し得る。
図1は、ある実施形態による、標的面積を撮像するための例示的画像走査システム100の構成要素を図示する。いくつかの実施形態では、画像走査システム100は、内視鏡、気管支鏡、結腸鏡、あるいは体腔または管腔の内側等から、組織もしくは器官の表面を撮像するための他のタイプの顕微鏡または器具によって実装され得る。より一般的には、画像走査システム100は、任意のタイプの表面を撮像するために使用され得る。
ある実施形態では、画像走査システム100は、基地局102および走査デバイス104を含む。走査デバイス104は、例えば、1つ以上のケーブル(図示せず)を介して、電子的および/または光学的に、基地局102に連結され得る。種々の実施形態では、画像走査システム100は、図1に示されるものより多いまたは少ない構成要素を含み得る。
基地局102は、処理および表示システム106、光学スキャナドライバ108、検出器110、出力/入力光学系112、光源ドライバ114、および光源116を含み得る。いくつかの実施形態では、これらの要素のうちの1つ以上は、省略される。例えば、ファイバ走査表示システムのためのある実施形態では、検出器110は、省略される。別の実施形態では、光源ドライバ114は、省略される。
処理および表示システム106は、1つ以上の処理ユニット(集合的に、「コントローラ」と称される)およびメモリ(図示せず)を含み得る。メモリは、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、読み取り専用メモリ(「ROM」)、および/または恒久的記憶デバイス、例えば、フロッピー(登録商標)ディスク、テープドライブ、ディスクドライブ、DVD/CD−ROMドライブ、メモリカード、USBフラッシュドライブ、固体ドライブ(SSD)等を備え得る。
種々の実施形態では、メモリは、コントローラに連結される、またはそれと別個であり得る。メモリは、画像走査システム100の動作および任意の較正を制御する、ソフトウェアモジュール、ルックアップテーブル、ならびにアルゴリズムを記憶するために使用され得る。いくつかの実施形態では、メモリ内に記憶される制御ルーチンは、プロセッサによって、光学スキャナアセンブリ118および光源116を制御するために使用され得る。制御ルーチンは、光学スキャナアセンブリ118の動作パラメータ(例えば、共振周波数、電圧限界、ズーム能力、色機能等)を提供するように構成可能であり得る。メモリはまた、処理および表示システム106によって受信または産生されたデータ(例えば、画像、パラメータ)を記憶するために使用され得る。例えば、そのようなデータは、標的面積からの反射、標的面積に関連付けられた撮像データ等に関するものであり得る。
コントローラは、ゲートアレイ(図示せず)を含み得る、1つ以上のマイクロプロセッサおよび/または1つ以上の専用電子機器回路を含み得る。コントローラはまた、スキャナ駆動電子機器、センサ増幅器、およびA/Dコンバータ(図示せず)を含み得る。種々の実施形態では、コントローラは、メモリ内に記憶された実行可能命令または制御ルーチンを実行し、画像走査システム100の種々の側面を制御可能であり得る。例えば、コントローラは、少なくとも部分的に、検出器110によって検出された光に基づいて、画像を生成、処理、および/または表示させることが可能であり得る。ある実施形態では、コントローラはまた、電気制御信号を光学スキャナドライバ108に送信することによって、光学スキャナアセンブリ118の作動を制御する。別の実施形態では、コントローラは、ファイバ走査パターンを調整し、走査された光の集合をビデオ画像ファイルおよびディスプレイフレームにマップするために使用される、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)から成る。いくつかの実施形態では、コントローラはまた、電気制御信号を光源ドライバ114に送信することによって、光源116を制御(例えば、アクティブ化)し得る。当業者によって理解されるように、本発明の方法および技法は、コントローラによって実行されるソフトウェアモジュールおよび/または電子ハードウェアによって実施され得る。
いくつかの実施形態では、コントローラは、出力/入力電子機器(図示せず)を介して、画像走査システム100の他の要素と通信する。出力/入力電子機器は、当技術分野において公知の適切なインターフェースを提供することによって、コントローラと画像走査システム100の他の要素との間の電気通信を可能にし得る。
処理および表示システム106は、随意に、ディスプレイ(図示せず)を含み得る。ディスプレイは、画像走査システム100によって取得された画像、分析結果、および/または他のデータを表示するために使用され得る。例えば、ディスプレイは、走査されるにつれた患者組織または器官のリアルタイム画像、走査面積の健康または状態の指標等を提供するように構成され得る。加えて、ディスプレイは、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)を画像走査システムを動作させるユーザに提供し得る。別の実施例の場合、ディスプレイは、ユーザコマンドを受信および実行するために使用され得る。
ある実施形態では、基地局102はまた、1つ以上の出力/入力光学系112を通して、光を走査デバイス104に提供するための光源116を含む。光源116は、画像取得に好適な任意の光源を含み得る。好適な光源の実施例として、レーザ、レーザダイオード、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)、発光ダイオード(LED)、当技術分野において公知の他の発光デバイス、およびそれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。本発明の種々の例示的実施形態では、光源として、赤色光源、青色光源、緑色光源、RGB光源、白色光源、赤外線光源、紫外線光源、高強度治療用レーザ光源、またはそれらの組み合わせが挙げられ得る。特定の実装に応じて、光源は、光の連続ストリーム、変調光、または光パルスのストリームを放出し得る。光源は、第1のモード(例えば、連続ストリーム)と第2のモード(例えば、光パルスのストリーム)との間で切替可能であるように構成され得る。複数の光源が使用される場合、結合器が、使用され得る。
ある実施形態では、基地局102はまた、1つ以上の光源をアクティブ化、非アクティブ化、または別様に制御するために、随意に、電気制御信号を光源116に通信するように構成される光源ドライバ114を含む。光源ドライバ114は、前述のように、処理および表示システム106のコントローラによって制御され得る。
ある実施形態では、基地局102はまた、随意に、例えば、前述のように、処理および表示システム106のコントローラから受信した電気制御信号に従って、光学スキャナアセンブリ118のカンチレバー遠位部分を作動させるために、電気駆動信号を光学スキャナ18に通信する、光学スキャナドライバ108を含む。いくつかの実施形態では、駆動信号は、2つの別個の軸に関して、ある走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを作動させるための2つの駆動信号を含む。光学スキャナドライバ108は、ハードウェア(例えば、回路)、ソフトウェア(例えば、ルーチン、プログラム、または機械実行可能命令の組)、または両方の組み合わせで実装され得る。
ある実施形態では、基地局102はまた、随意に、標的面積から反射された光を検出および/または測定するために、光検出器等の検出器110を含む。検出器110の実施例として、フォトダイオード、光電子増倍管(PMT)等が挙げられる。多くの実施形態では、検出器110は、反射光を電気信号に変換し、さらなる処理(例えば、画像生成)および/または表示のために、電気信号を処理および表示システムに通信する。
いくつかの実施形態では、検出器110は、出力/入力光学系112を介して伝達された光を受光しなくてもよい。むしろ、検出器110は、標的面積から反射された光を検出し、および/または随意に、測定することができる、任意の場所に設置され得る。例えば、ある実施形態では、検出器110は、光学システム120を通してのみ伝達される、反射光を受光するように、光学スキャナアセンブリ118の内側に位置する。別の実施形態では、検出器110は、光学スキャナアセンブリ118の外側に位置する。
種々の実施形態では、出力/入力光学系110は、光を光源から光学スキャナアセンブリ118に伝達するために、および/または反射光を検出器110に伝達するために、使用され得る。種々の実施形態では、出力/入力光学系112は、導波路(例えば、光ファイバ)、レンズアセンブリ、または当技術分野において公知のような光を伝達するための他の手段を含み得る。ある実施形態では、出力/入力光学系110の少なくとも一部は、基地局102および走査デバイス104を接続する1つ以上のケーブル内に封入される。
ここで、走査デバイス104を参照する。典型的には、走査デバイス104は、基地局102と比較して、比較的に小さく、かつ操作しやすくあり得る。ある場合には、走査デバイス104は、体腔または管腔内に挿入されるために好適であり得る。ある実施形態では、スキャナデバイス104は、光学スキャナアセンブリ118、および随意に、光学システム120とを含む。ある実施形態では、光学スキャナアセンブリ118は、光学スキャナドライバ108からの駆動信号に従って、導波路アセンブリのカンチレバー遠位部分を作動させるように動作可能である、スキャナアクチュエータを含む。駆動信号は、2つの別個の軸に関して、ある走査パターンにおいて、導波路アセンブリのカンチレバー遠位部分を作動させるための2つの駆動信号を含み得る。ある実施形態では、導波路アセンブリは、1つ以上の光ファイバを備える、光ファイバアセンブリを含む。
いくつかの他の実施形態では、光学スキャナアセンブリ118は、アクチュエータによって、反射されたビームを走査するように移動され得る、ミラーまたは他の反射デバイスを含み得る。さらにいくつかの他の実施形態では、光学スキャナアセンブリ118は、アクチュエータによって、集束されたビームを走査するように移動され得る、レンズまたは他の集束デバイスを含み得る。
走査デバイス104は、随意に、光学スキャナアセンブリ118から向けられた光を標的面積101上に向けるためのおよび集束させるためのレンズアセンブリを備える、光学システム120を含み得る。いくつかの実施形態では、光学システム120はまた、標的面積から反射された光を光学スキャナアセンブリ118および/または検出器110に向け、および/または集束させ得る。
いくつかの実施形態では、走査デバイス104は、集合的に、前述の機能のうちの1つ以上を行なう、前述のような複数の要素またはシステム(例えば、アクチュエータ、導波路、光学システムスキャナ等)を含み得る。
いくつかの実施形態では、走査デバイスは、例えば、米国特許第7,298,938号、名称“Configuration Memory for a Scanning Beam Device”、2004年10月1日出願;米国特許出願第10/956,241号、名称“Remapping Methods to Reduce Distortions in Images,”、2004年10月1日出願;米国特許第7,159,782号、名称“Methods of Driving a Scanning Beam Device to Achieve High Frame Rates,”、2004年12月23日出願;米国特許第7,784,697号、名称“Methods of Driving a Scanning Beam Device to Achieve High Frame Rates,”、2008年1月3日出願;米国特許第7,189,961号、名称“Scanning Beam Device with Detector Assembly,”、2005年2月23日出願;米国特許出願第11/094,017号、名称“Methods and Systems for Creating Sequential Color Images,”、2005年3月29日出願;米国特許第7,312,879号、名称“Distance Determination in a Scanned Beam Image Capture Device,”、2005年8月23日出願;米国特許第7,395,967号、名称“Methods and Systems for Counterbalancing a Scanning Beam Device,”、2005年7月21日出願;および、米国特許出願第12/040,249号、名称“Piezoelectric Substrate Fabrication and Related Methods,”、2008年2月29日出願;(その完全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる)を含む、多数の共有に係る米国特許出願および特許に説明されるような走査ファイバ内視鏡(SFE)のために開発された技術を実装し得る。
図2は、ある実施形態による、画像走査システム内で使用され得る、例示的走査デバイス200を図示する。例えば、走査デバイス200は、図1に関連して論じられたような画像走査システム100内で使用され得る。
本実施例では、スキャナデバイス200は、筐体206内に搭載された、遠位先端208を伴う導波路アセンブリ209のカンチレバー遠位部分207を含む。導波路アセンブリ209は、1つ以上の光ファイバを備える、光ファイバアセンブリを含み得る。他の実施形態では、導波路アセンブリ209は、1つ以上の非光ファイバ導波路を含み得る。ある実施形態では、導波路アセンブリ209は、遠位部分207が自由にたわむように、カンチレバー固定されるように、導波路アセンブリ209の少なくとも1つの点に沿って固定される。いくつかの実施形態では、導波路アセンブリ209内の導波路のうちのいくつかのカンチレバー遠位部分は、組み合わせられたカンチレバー遠位部分を形成するように、好適な構成(例えば、並んで)において、一緒に連結または結合され得る。他の実施形態では、導波路の一部または全部は、一緒に結合されなくてもよい。
種々の実施形態では、導波路アセンブリ209のカンチレバー遠位部分207は、任意の所望の寸法および/または断面外形を有し得る。例えば、遠位部分207は、走査デバイスの所望の特性に応じて、対称断面外形または非対称断面外形を有することができる。丸みを帯びた断面外形を伴う遠位部分207は、典型的には、実質的に、任意の2つの直交軸に関して、同一の共振特性を有するであろう一方、非対称断面外形(例えば、楕円形)の遠位部分207は、典型的には、長軸および短軸に関して、異なる共振周波数を有するであろう。いくつかの実施形態では、遠位部分207は、その長さに沿って、線形または非線形に、先細にされ得る。
ある実施形態では、導波路アセンブリ209を備える、導波路は、導波路の遠位先端が、光学システム214(例えば、対物レンズアセンブリ)の光学軸に対してわずかな軸方向距離(例えば、1〜2mm未満)だけ、段違いにされるように配置される。したがって、導波路アセンブリ209の遠位先端から出射する光が、光学システム214によって方向転換および/または集束されると、別個かつ軸方向にシフトまたは段違いにされた被照面および/または焦点面が、光学システム214の光学軸に対してもたらされる。
ある実施形態では、導波路アセンブリ209の遠位部分207は、スキャナアクチュエータ210に連結され、それによって作動される。好適なタイプのスキャナアクチュエータの実施例として、圧電管、電気活性ポリマー(EAP)管、他のアクチュエータ管、他の圧電アクチュエータ、他のEAPアクチュエータ、磁気アクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータ、超音波アクチュエータ、電気音響アクチュエータ、電気機械アクチュエータ、微小電気機械システム(MEMS)、および導波路アセンブリのカンチレバー遠位部分を移動させることが可能な他の変換器が挙げられるが、それらに限定されない。
ある実施形態では、図1に関して説明されるような光学スキャナドライバは、駆動信号をスキャナアクチュエータ210に供給し、ある走査パターンにおいて、遠位部分207を作動させ得る。光学スキャナドライバは、筐体206の内側または外側に提供され得る。走査パターンは、1次元(例えば、ジグザグ線)または多次元(例えば、渦巻パターン)であり得る。ある実施形態では、導波路アセンブリ209の遠位部分207は、遠位部分207の共振周波数のQ値内にある周波数、好ましくは、その機械的または振動共振周波数(または、共振周波数の高調波)において、駆動される。理解され得るように、遠位部分207は、実質的に、共振周波数で駆動される必要はない。
ある実施形態では、筐体206は、遠位部分207およびスキャナアクチュエータ210を包囲する。スキャナアクチュエータ210は、1つ以上のカラー212を介して、筐体206内に搭載され得る。筐体206はまた、光学システム214の全部または一部を格納し得る。光学システム214は、遠位端208から標的面積に放出される光を集束および/または方向転換させるように、遠位部分207の遠位端208から距離をはなして配置得る。いくつかの実施形態では、光学システム214は、光学スキャナアセンブリの改良された画像分解能および/または視野を促進するために提供される。いくつかの実施形態では、光学システム214またはその1つ以上の構成要素(例えば、レンズ)は、遠位部分207の遠位端208および/またはスキャナアクチュエータ210に対して固定され得る。他の実施形態では、光学システム214またはその1つ以上の構成要素(例えば、レンズ)は、筐体206に対して移動可能であり得る。
ある実施形態では、走査デバイス200は、1つ以上の戻り導波路204(例えば、光ファイバ)を含む、スキャナ筐体206の外側の外側シース202を備える。戻り導波路204は、さらなる処理および分析(例えば、光検出器、プロセッサ等による)のために、標的面積から反射された光を基地局に搬送するように構成され得る。いくつかの実施形態では、光検出器は、光ファイバを介して、反射光を受光するように位置し得る。いくつかの実施形態では、検出器は、導波路アセンブリ209の光学経路の外側に位置し得る。例えば、検出器は、基地局内またはスキャナアセンブリの遠位部分近傍であるが筐体206の外側に位置し得る。他の実施形態では、検出器は、筐体206の内側に位置し得る。
使用時、導波路アセンブリ209は、スキャナアクチュエータ210によって、ある走査パターン(例えば、渦巻、ジグザグ)において、スキャナアセンブリの遠位端に近接する1つ以上の被照面218上を走査するように駆動され得る。導波路アセンブリ209の各導波路は、光学システム214を通して、照明スポットを被照面218上に生成し得る。照明スポットは、焦点またはその近傍に位置し、画像分解能を向上させ得る。したがって、被照面は、焦点に関連付けられた焦点面と一致し得るか、またはそれに非常に近接し得る。導波路アセンブリ209の導波路の遠位端が、前述のように、軸方向に段違いにされている場合、別個の焦点、故に、複数の焦点に関連付けられた複数の焦点面が、単一光学システム214によってもたらされ得る。これらの焦点面の各々から反射された光は、任意の単一焦点面に関連付けられた焦点深度または被写界深度より深い拡張焦点深度または被写界深度の画像を生成するために集光および処理され得る。
図3aは、ある実施形態による、拡張被写界深度を提供するように構成される、走査デバイス300の例示的構成要素を図示する。走査デバイス300は、光学スキャナアセンブリ301および光学システム302を含む。光学スキャナアセンブリ301は、スキャナアクチュエータ304および光ファイバアセンブリ303を含む。スキャナアクチュエータ304は、図2に関して論じられるように、ある走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリ303のカンチレバー遠位部分を作動させるように、光ファイバアセンブリ303に連結され得る。
ある実施形態では、光ファイバアセンブリ303は、308、310、312、および314等の複数の光ファイバのカンチレバー部分を含む。光ファイバアセンブリ301内の光ファイバの数、寸法、および材料は、例えば、少なくとも部分的に、走査デバイスの用途に基づいて、異なる実施形態において変動し得る。ある実施形態では、二酸化ケイ素(石英)材料から作製される3つまたは4つの単一モード光ファイバは、そのクラッディングが、標準的125ミクロンの外径から、約10〜50ミクロンの外径までエッチングされ、光ファイバのカンチレバー部分の長さは、近位から約2〜8mmである。本実施例では、クラッディングのエッチングは、必須ではないことに留意されたい。むしろ、エッチング手技は、マイクロ光ファイバスキャナにおいて使用される125マイクロ単一光ファイバとほぼ同一の全体的直径の多導波路カンチレバーをもたらすように、単に、マイクロ内視鏡検査用途のための空間を節約するために使用される。
ある実施形態では、図3aに示されるように、光ファイバアセンブリ内の光ファイバの遠位部分は、光ファイバの遠位先端が、光学システム302のレンズに対してさまざまな距離にあるように、光学システム302の光学軸305に沿って段違いにされた方式で配置され得る。例えば、図3aに示されるように、光ファイバ310の遠位先端は、隣接する光ファイバ308の遠位先端からわずかな軸方向距離307(例えば、1〜2mm)だけ段違いにされ得る。同様に、光ファイバ312および314の遠位端は、それぞれ、光ファイバ310および312の遠位端からわずかな軸方向距離だけ、段違いにされ得る。種々の実施形態では、光ファイバは、種々の構成に配置され得る。例えば、隣接する光ファイバ間の段違いにされた距離は、均一である必要はない。隣接する光ファイバのうちのいくつかは、全く段違いにされなくてもよい。いくつかの実施形態では、光ファイバは、図3aに示されるように、並んで配置され得る。他の実施形態では、光ファイバは、複数の軸に沿って配置され得る。光ファイバのいくつかの例示的構成は、図7に提供される。
いくつかの実施形態では、光ファイバアセンブリ内の光ファイバのカンチレバー部分は、組み合わせられたカンチレバー部分を形成するように、一緒に結合または連結され得る。組み合わせられたカンチレバー部分は、全体的直径を縮小させるようにエッチングまたは先細化され得る。二酸化炭素レーザ、熱、光学エポキシ、接着剤化学、熱収縮された物理的管類等を使用する、光ファイバの結合または溶接を含む、種々の技法が、光ファイバを結合するために使用され得る。光ファイバのそのような融合されたカンチレバー部分は、単一光ファイバが走査ファイバ内視鏡(SFE)内で走査するように駆動される方法と同様に、ある走査パターンにおいて、全体として、スキャナアクチュエータによって駆動され得る。いくつかの他の実施形態では、光ファイバアセンブリ内の光ファイバのカンチレバー部分のうちの少なくともいくつかは、一緒に結合されなくてもよい。代わりに、カンチレバー部分のうちのいくつかは、互から自由であり、かつ別個であり得る。例えば、ある実施形態では、光ファイバは、それらの各々が一緒に結合される複数のサブ群に分割され得る。別の実施形態では、全ての光ファイバは、互から自由であり得る。そのような実施形態では、光ファイバは、1つ以上のスキャナアクチュエータによって、連続して、または同時に作動され得る。
ある実施形態では、光ファイバ308、310、312、および314の段違いにされた遠位先端から放出される光は、光学システム302によって集束および/または方向転換され、光学軸305に沿って同様に段違いにされた対応する焦点または照明スポット316、318、320、および322を産生する。典型的には、光源が光学システムのレンズに近いほど、光学軸に沿った焦点は、光学システムから遠くなり、その逆も然りである。焦点316、318、320、および322は、対応する焦点面324、326、328、および330に関連付けられる。本明細書で使用される場合、焦点面は、焦点を通過し、光学軸(Z軸として示される)に垂直な平面(図3aにおけるXおよびY軸の平面として示される)である。示されるように、焦点面324、326、328、および330は、各々が対応する被写界深度332、334、336、および338を伴って、光学軸に沿って別個に距離をあけて配置される。典型的には、これらの被写界深度の各々は、比較的に小さい照明スポット、故に、改良された画像分解能と引き換えに、浅くなることが意図される。しかしながら、複数の焦点面の各々から反射された光が、集光および処理されると、複合画像は、少なくとも複数の焦点面にわたる距離に及ぶ、組み合わせられた被写界深度340を伴って、少なくとも部分的に、複数の焦点面からの撮像データに基づいて生成され得る。そのような拡張被写界深度340は、個々の焦点面の任意のものに関連付けられた被写界深度より深くなり得る。
好ましい実施形態では、光学システム302は、走査プロセスの間、実質的に、光ファイバアセンブリおよび/またはアクチュエータに対して固定されたままである。代替として、光学システムは、走査光ビームを産生するように移動され得る(例えば、可動ミラーまたはレンズを介して)。有利には、光学システムが固定されると、光ファイバアセンブリは、光学システムの機械的限界から独立して、ある走査率および/またはパターンにおいて走査するように駆動され得る。
図3aに図示される焦点および焦点面は、経時的に生じ得る、全ての焦点および焦点面を表すことを理解されたい。いくつかの実施形態では、段違いにされた光ファイバは、全焦点面または焦点面の全部分が、1度に照明されないように、順次様式において、照明を提供するように構成され得る。いくつかの実施形態では、集光される光のサンプリングが、フレーム順次、線順次、またはさらに画素順次様式で行なわれ得る。
いくつかの実施形態では、光学システムは、異なるコリメーション度を伴って、光ファイバアセンブリからの光を光ビームに集束および/または方向転換させ得る。図3bは、別の実施形態による、そのような実施例を図示する。本実施形態では、光ファイバアセンブリ350は、光ファイバの遠位端が、それぞれ、光学システム352に対して異なる距離357、359および361を伴って段違いにされた端部を有するように配置される、複数の光ファイバ356、358、および360を含む。例えば、光ファイバ導波路358の遠位端から出射する光は、レンズシステム352の焦点距離と同等の距離359に位置し、レンズシステムにより近接して位置する他の光ファイバ先端と比較して、より多くコリメートされた光のビームをもたらす。走査プロセスの間、光ファイバアセンブリ350は、振動運動において移動するように駆動され得る。図示されるように、光学システムの異なる焦点距離および/または構成により、光源からの光ビームは、ほぼコリメートされるか(例えば、光ファイバ358の場合)、または発散(例えば、光ファイバ356の場合)し得る。本実施形態は、種々の深度で画像を表示するための能力を有するファイバ走査表示システムのために、眼に対して直接画像を生成するシステムに最も関連する。画像が、コリメートされた光のビームを用いて走査されていることによって、眼は、眼の水晶体を弛緩させ、見掛け上の離れた画像に焦点を合わせるであろう。一方、発散光のビームは、眼が見掛け上のより近い画像に焦点を合わせるように適合するまで、焦点がずれて見えるであろう。このように、少なくとも部分的に、異なるコリメーション度における光の複数のチャネルの走査に基づく、単一マイクロディスプレイは、真の3次元表示を生成することができる。
前述のように、複数の光ファイバの各々に関連付けられた各焦点面または被照面は、非常に限定された焦点深度または被写界深度を有し得る。しかしながら、組み合わせることによって、標的面積の結果として生じる画像は、高分解能において、所望の拡張被写界深度を有し得る。図4は、ある実施形態による、拡張被写界深度を提供するための例示的画像処理を図示する。本実施例では、段違いにされた先端付き光ファイバアセンブリによって生成された複数の被照面または焦点面の各々から反射された光は、標的面積に対して複数の画像データ組を生成するように集光(同時に、または別個に)および処理され得る。複数の画像データ組の各画像組は、複数の焦点面のうちの1つに対する画像に対応し得る。例えば、画像データ組402、404、406、および408は、それぞれ、図3aに関して論じられる焦点面332、334、336、および338に対して生成され得る。各焦点面は、限定された焦点深度または被写界深度に関連付けられるので、対応する画像のわずかな部分のみ(図4における陰影面積によって示される)が、画像の残りに対して高分解能を有し得る。ある実施形態では、各画像データ組は、例えば、図1に関して論じられる画像処理システム106によって、処理または分析され、最も高い焦点または分解能を伴う、画像内の領域または画素を識別し得る。ある実施形態では、複数の画像にわたるそのような識別された高分解能領域または画素が、標的面積の複合画像410に組み合わせられ得る。したがって、複合画像410は、個々の焦点面に関連付けられた被写界深度を越えて拡張した有効被写界深度を有する。
図5は、実施形態による、標的面積の画像を取得するための例示的プロセス500を図示する。プロセス500の側面は、例えば、図1に関して論じられた画像走査システム100によって行なわれ得る。プロセス500の一部または全部(または、本明細書に説明される任意の他のプロセス、またはそれらの変形例および/または組み合わせ)は、実行可能命令で構成される1つ以上のコンピュータ/制御システムの制御下で行なわれ得、ハードウェアまたはそれらの組み合わせによって、1つ以上のプロセッサ上で集合的に実行するコード(例えば、実行可能命令、1つ以上のコンピュータプログラム、または1つ以上のアプリケーション)として実装され得る。コードは、例えば、1つ以上のプロセッサによって実行可能な複数の命令を備えるコンピュータプログラムの形態において、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体上に記憶され得る。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、非一過性であり得る。動作が説明される順序は、限定として解釈されることを意図するものではなく、任意の数の説明される動作が、任意の順序でおよび/または並行して、組み合わせられ、プロセスを実装し得る。
ある実施形態では、プロセス500は、標的面積を走査し、複数の異なる焦点面を生成するステップ502を含む。ある実施形態では、複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリが、図3aに関して論じられるような光学システムを通して、ある走査パターンにおいて、標的面積上を走査するように作動され得る。複数の光ファイバの遠位先端は、結果として生じる焦点、故に、焦点面もまた、軸方向に段違いにされるように、または距離をあけて配置されるように、光学システムの光学軸に対して、軸方向に段違いにされ得る。種々の実施形態では、段違いにされた光ファイバは、連続して、または同時に、個々に、または全体として、それぞれの走査平面を照射するように構成され得る。
標的面積から反射された光は、例えば、1つ以上のレンズおよび/または集光光ファイバによって、集光され504、図1に関して論じられたような1つ以上の検出器に提供され得る。例えば、光は、共焦点配置において、同一の光ファイバから放出および検出され得る。種々の実施形態では、集光および/または検出は、フレーム順次、走査線順次、画素順次、または任意の好適な様式において行なわれ得る。ある実施形態では、集光ファイバおよび/または検出器は、少なくとも部分的に、ファイバ先端の相対的位置および/または配向に基づいて、2つ以上の群に分割され得る。例えば、ファイバは、少なくとも部分的に、走査ファイバ先端に対するそれらの位置に基づいて、4つの四分円に分割され得る。ある実施形態では、集光ファイバおよび/または検出器は、光ファイバアセンブリ内の光ファイバに従って、2つ以上の群に分割され得る。
ある実施形態では、複数の被照面または焦点面の各々は、順次走査され、被照面または焦点面の各々に関連付けられた後方散乱光が、順次集光および検出される。別の実施例では、複数の被照面または焦点面のうちの2つ以上が、1度に走査され、2つ以上の被照面または焦点面に関連付けられた後方散乱光が、1度に集光および検出される。平面が順次走査されるとき、同一の組の検出器が、異なる被照面に関連付けられた光を検出するために使用され得る。さらに別の実施形態では、被照面または焦点面は全て、同時に走査され、平面の全てに関連付けられた後方散乱光が、1度に集光される。
少なくとも部分的に、標的面積から反射された検出された後方散乱光に基づいて、複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像が、生成され得る506。複合画像を生成するために、焦点面の各々に関連付けられた画像データは、処理され、および/または組み合わせられ得る。例えば、複合画像の特定の領域内の所与の画素または一組の画素の場合、種々の焦点面に関連付けられた画像データは、最高分解能を伴う画像データを抽出するために分析され得る。言い換えると、複数の光ファイバの各々に対する焦点深度の場所を事前に把握することによって、最高焦点の領域または画素が、3次元マッピングにおいて、画像の正しいXおよびY画素場所、および複数の焦点面の各々のZ場所に組み合わせられ得る。他の実施形態では、他の好適な画像処理技法もまた、画像データを別様に組み合わせるために使用され得る。例えば、所与の画素または画素の組に対して、Z軸に沿った画像データは、その画素または画素の組において、複合画像のためのデータを計算するために平均化され得る。
いくつかの実施形態では、複合画像は、標的面積に関連付けられた深度を表す、2次元画像または3次元画像であり得る。いくつかの実施形態では、各々が少なくとも部分的に複数の焦点面に関連付けられた画像データの全部またはサブセットから導出される、2つ以上の複合画像が、生成され得る。
図6は、実施形態による、拡張被写界深度を伴う、標的面積の複合画像を生成するための例示的プロセス600を図示する。プロセス600は、図5に関して前述のプロセス500のステップ506の一部として実装され得る。プロセス600の側面は、例えば、図1に関して論じられた画像処理および表示システム106によって行なわれ得る。
ある実施形態では、プロセス600は、複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を生成すること602を含む。いくつかの実施形態では、複数の画像を生成すること602は、同時にまたは連続して、個々にまたは全体として、複数の焦点面上の標的面積を走査することと、走査の結果の後方散乱光を集光および検出することと、複数の焦点面の各々に対応する画像を生成することとを含む。他の実施形態では、焦点面のそれぞれに対して別個の画像を生成するのではなく、焦点面の一部または全部を表す画像データの集合が、生成および分析され得る。
ある実施形態では、プロセス600は、複数の画像の各々に対して、画像の高分解能部分を識別すること604を含む。例えば、各画素または画素の集合に関連付けられた画像データが、分析され得る。いくつかの実施形態では、走査光ファイバ先端の相対的位置および配向が与えられた場合、画像の最高分解能部分の場所等、焦点面の各々に関連付けられたある特性が、事前に計算され得る。
ある実施形態では、プロセス600は、複数の画像の高分解能部分を組み合わせ、複合画像を形成すること606を含む。画像スティッチ技法等の種々の画像処理技法が、使用され得る。いくつかの実施形態では、最高分解能部分のみを選択するのではなく、種々の焦点深度または被写界深度の画像に関連付けられた画像データが、他の方法において組み合わせされ得る(例えば、平均化される)。
種々の実施形態では、本明細書に説明される方法、システム、および/または構成要素は、画像取得、画像表示/投影、または両方のために使用され得る。例えば、本明細書に説明される技法は、2009年5月19日出願の米国特許出願第12/468,832号「Scanning laser projection display devices and methods for projecting one or more images onto a surface with a light−scanning optical fiber」(本開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる)に説明されるような走査レーザ表示システムにおいて使用され得る。言い換えると、本明細書に説明される段違いにされたファイバ先端を使用した画像取得技法は、画像表示技法として、逆に使用されることができる。そのような表示システムでは、標的面積にわたり走査される光は、画像要素が標的面積内にレンダリングされるように、経時的に変調される。空間にわたり走査される異なるファイバまたは他の光源を介して、異なる画像データを提供することによって、複数の表示焦点面が、生成されることができる。眼によって視認されると、これらの複数の焦点面は、立体的またはステレオ3D画像として見られ得る。
この目的を達成するために、3D場面または物体が、1つ以上のプロセッサによって、複数の個別的な焦点面または層にスライスされ得る。焦点面の各々は、限定された焦点深度または被写界深度に関連付けられ得るが、組み合わせることによって、焦点面は、3D場面または物体に対して、全焦点範囲を網羅し得る。ある実施形態では、本明細書に開示されるような光ファイバアセンブリは、本明細書に論じられるように、ある走査パターンにおいて、作動され得る。作動されると、各光ファイバアセンブリ内の光ファイバは、前述の複数の焦点面のうちの1つに関連付けられた画像表現を表示するように構成され得る。種々の実施形態では、複数の個別的な焦点面に関連付けられた画像表現は、同時に、または連続して、眼等の標的表面上に表示され得る。
次に、図1を参照すると、画像走査システム100は、画像取得、画像投影、または両方に関連する機能性を提供するように構成され得る。例えば、ある実施形態では、画像走査システム100は、1つ以上の画像をある面積上に投影または表示するための投影システムとして使用され得る。投影システムは、広範囲の用途、例えば、携帯電話、ラップトップ、携帯情報端末(PDA)、MP3プレーヤ、スマートフォン、デジタルカメラ、カムコーダ、パーソナルモバイルテレビ、ポータブルプロジェクションユニット、GPS対応デバイス、および自動車において使用され得る。
ある実施形態では、処理および表示システム106は、ある面積上に投影される物体または場面の3Dモデルを記憶するためのメモリを含む。3Dモデルは、コンピュータで生成され得る。処理および表示システム106はまた、3Dモデルに基づいて、複数の画像表現を生成するように構成される、1つ以上のプロセッサを含み得る。例えば、3Dモデルは、異なる焦点面(例えば、光学軸またはZ軸に沿って)に対応する複数の2D画像に「スライス」され得る。種々の実施形態では、各焦点面は、1つ以上の画像表現または画像データの組に関連付けられ得る。そのような画像または画像データは、メモリ内に記憶され得る。少なくとも部分的に、画像データに基づいて、処理および表示システム106は、光学スキャナアセンブリ118内のスキャナアクチュエータを制御するための光学スキャナドライバ108への制御信号、ならびに光源ドライバ114への制御信号を生成し得る。ある実施形態では、各光ファイバは、別個の光源ドライバによって制御される。そのような実施形態では、光源ドライバによって受信される信号は、焦点面のうちの1つに対する画像データに応答して生成され得る。別の実施形態では、2つ以上の光ファイバは、同一の光源ドライバを共有し得る。
ある実施形態では、検出器110は、投影システムから省略され得る。別の実施形態では、検出器110は、投影面積101から反射された光を検出および/または測定し、投影された画像に関するフィードバック信号を生成するために使用され得る。フィードバック信号は、処理および表示システム106によって処理され得る。例えば、走査パターン内の投影された光の場所と、検出および測定された反射光と相関させることによって、画像および画像との任意の相互作用に関する情報が、決定されることができる。
次に、図3を参照すると、走査デバイス300は、ある実施形態に従って、画像取得目的の代わりに、またはそれに加え、画像投影目的のために使用され得る。本実施例では、光ファイバアセンブリ301は、スキャナアクチュエータ304に連結され、スキャナアクチュエータ304は、ある走査パターンにおいて走査する、光ファイバアセンブリのカンチレバー遠位部分を作動させる。標的面積にわたり走査される光は、画像要素が標的面積内にレンダリングされるように、経時的に変調される。異なるファイバまたは他の光源(図10に関して論じられたマルチチャネルカンチレバーアセンブリによって提供されるような)を介して、空間にわたり走査される異なる画像データを提供することによって、324、326、328、および340等の複数のディスプレイ焦点面が、生成されることができる。眼によって視認されると、これらの複数の焦点面は、立体的またはステレオ3D画像として視認され得る。
図11は、実施形態による、複合画像をある面積上に投影するための例示的プロセス1100を図示する。プロセス1100の側面は、例えば、図1に関して論じられた画像走査システム100によって行なわれ得る。ある実施形態では、複合画像は、1つ以上の2D画像を備える3Dまたはステレオ画像を含み得る。
ある実施形態では、プロセス1100は、照明をある面積に提供するように、ある走査パターンにおいて、本明細書に論じられるような光ファイバアセンブリを走査させること1102を含み、光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結され、光ファイバアセンブリからの光を集束させ、光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するための複数の光ファイバを備える。ある実施形態では、場面または物体の3D複合画像または3Dモデルが、生成され、または得られ得る。3D複合画像またはモデルは、異なる焦点面に関連付けられた複数の2D画像を決定するために処理され得る。制御信号は、前述の光学スキャナドライバおよび/または光源ドライバから決定され得る。そのような制御信号は、3D複合画像またはモデルのための複数の2D画像を生成するために、光ファイバアセンブリを関節運動させるために使用され得る。いくつかの実施形態では、複合画像は、少なくとも部分的に、標的面積に提供される光に基づいて、生成され得る。種々の実施形態では、光ファイバアセンブリは、同時に、または連続して、複数の2D画像を投影するように構成され得る。
ある実施形態では、プロセス1100は、提供される光の強度を変調し、標的面積にわたり光強度の変動をもたらすこと1104を含む。多くの実施形態では、光源強度、画像サイズ、走査パターン、および/または走査パラメータは、所望の画像特性を達成するように変動および/または修正される。そのような変動および/または修正は、種々の標的表面特性(例えば、サイズ、配向、および反射率)および周囲条件(例えば、照明)に対する所望の画像特性を達成するために使用されることができる。ある実施形態では、光強度の変調は、少なくとも部分的に、投影される画像または複数の画像に基づく。
ある実施形態では、プロセス1100は、少なくとも部分的に、標的面積に提供される光に基づいて、複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を投影すること1106を含む。前述のように、ある実施形態では、複合画像は、少なくとも部分的に、図1に関して論じられたような処理および表示システム内に含まれる3Dモデルまたは画像に基づいて生成される。ある実施形態では、複合画像は、複数の光ファイバアセンブリ内の光ファイバによって投影された複数の2D画像を重ね合せることによって生成され得る。焦点面の各々は、限定された焦点深度または被写界深度に関連付けられ得るが、組み合わせることによって、焦点面は、3D場面または物体に対して、全焦点範囲を網羅し得る。
ある実施形態では、検出器は、投影面積から反射された光を検出および/または測定し、投影された画像に関するフィードバック信号を生成するために使用され得る。フィードバック信号は、処理および表示システム100によって処理され得る。例えば、走査パターン内の投影された光の場所と、検出/測定された反射光を相関させることによって、画像および画像との任意の相互作用に関する情報が、決定されることができる。
図7は、いくつかの実施形態による、光ファイバアセンブリ内の光ファイバのいくつかの例示的構成を図示する。種々の実施形態では、光ファイバの数、寸法、相対的位置、および他の特性は、少なくとも部分的に、光ファイバアセンブリおよび/または走査デバイスの用途等、種々の考慮点に基づいて、所望に応じて、構成され得る。いくつかの実施形態では、光ファイバは、全ての光ファイバの軸が1つの平面内にあるような構成702、704、および706におけるように、並んで配置され得る。他の実施形態では、光ファイバは、軸の少なくともいくつかが異なる平面内にあるような構成708に示されるように配置され得る。
構成702に示されるようなある実施形態では、隣接する光ファイバの先端は、最外光ファイバから他方の最外光ファイバに向かって、ある方向に沿って(例えば、近位または遠位方向に向かって)、段違いにされる。構成704に示されるような別の実施形態では、隣接する光ファイバの先端は、一方の最外光ファイバから他方の最外光ファイバに向かって、2つ以上の方向に(例えば、近位および遠位方向に向かって)、段違いにされる。構成706に示されるようなさらに別の実施形態では、光ファイバのうちの少なくとも2つは、先端において同一平面である(すなわち、段違いにされない)。
4つの光ファイバが、ある概念を図示するために、ここでは示されるが、種々の実施形態では、光ファイバアセンブリは、4つより多いまたは少ない光ファイバを含み得ることを理解されたい。加えて、光ファイバは、同一のまたは異なる断面外形、材料等を有し得る。例えば、光ファイバのうちの1つは、別の光ファイバより厚いコアおよび/またはクラッディングを有し得る。別の実施例の場合、光ファイバのうちの1つは、マルチモード光ファイバであり得る一方、その他は、単一モード光ファイバであり得る。いくつかの実施形態では、光ファイバのうちの少なくともいくつかのクラッディングは、光ファイバの全体的直径を減少させるために、遠位部分でエッチングされるか、または先細にされ得る。光ファイバまたは導波路から放出する光の開口数は、導波路の固有の構造(例えば、屈折率)または導波路の遠位端上のマイクロレンズにより、異なり得る。
種々の実施形態では、光ファイバアセンブリ内の光ファイバの端面または先端は、光損失または後方反射を低減させるような幾何学形状および/または設計を伴って加工され得る。例えば、ある実施形態では、光ファイバの軸方向に段違いにされた先端は、光が単一端面から出射する前に、光を散乱させるであろう、空気−ガラス表面が殆どまたは全く存在しないように、屈折率整合媒体内に封入される。屈折率整合媒体のための材料として、屈折率整合光学エポキシが挙げられ得る。ある実施形態では、各光ファイバは、1本のガラスロッドに融合され(コアおよびクラッディング材料を伴う光ファイバではない)、次いで、エッチングされ、光ファイバ材料は、段違いにされる一方、ガラスロッド材料は、全導波路のために同一の点において切断され、一緒に融合される。
いくつかの実施形態では、段違いにされた光ファイバの個々の端面は、光ファイバから出射する光錐が、より短い光ファイバを越えて延び得る隣接する光ファイバに衝突しないように、小角度で切断され得る。図8は、いくつかの実施形態による、角度付けられた端面を伴う、光ファイバアセンブリ内のいくつかの例示的光ファイバを図示する。例えば、示されるように、光ファイバアセンブリ802A内の光ファイバの端面は、結果として生じる端面が平滑傾斜光学表面を形成するように、光ファイバコアの軸に垂直な軸に対して、ある角度で切断される。種々の実施形態では、切断される正確な角度は、光ファイバ間の段違いにされた距離、端面材料の屈折率、光を集束するために使用される光学システムの特性、標的面積の場所、および他の考慮点に依存し得る。光ファイバアセンブリ802Aの断面図は、802Bとして提供される。示されるように、光は、例えば、端面材料の屈折率により、ファイバの軸に対してある角度で、そのような角度付けられた端面から出射する。
有利には、構成802AおよびBに従って、光ファイバの端面を切断することは、本明細書で論じられる段違いにされた光ファイバ先端の簡略化された製造を促進し得る。具体的には、各光ファイバの端面を切断し(角度を付けてまたは付けずに)、個々に研磨し、それらを段違いにされた方式で結合するのではなく、光ファイバは、単に、ファイバ先端が整列されているか、または段違いにされているかにかかわらずに、一緒に束に結合され得る。その後、組み合わせられた光ファイバ束の遠位部分は、個々にではなく、全体として切断および研磨され、平滑傾斜光学表面を産生し得る。
光ファイバアセンブリ内の光ファイバのための異なる端面構成は、804AおよびB(断面図)によって示される。示されるように、光ファイバの端面は、光ファイバコアの軸に垂直な軸に対して、ある角度で切断される。しかしながら、角度付けられた端面は、構成802AおよびBに示されるものと反対方向に向くように示される。
光ファイバ806の角度付けられた端面の拡大図が、提供される。示されるように、光ファイバの端面は、光ファイバコアの軸808に垂直な軸810に対して、角度θ1で切断され得る。光ファイバ先端から出射する結果として生じる光または光錐は、光ファイバコアの軸808から角度θ2でそれ得る。種々の実施形態では、端面角度θ1および/または端面材料を調節して、結果として生じる光錐角度θ2を変動させ得る。
図9a−cは、ある実施形態による、例示的光ファイバアセンブリ900を図示する。本実施例では、光ファイバアセンブリ900は、軸方向に段違いにされた遠位端を伴う、束(例えば、7つ)の光ファイバを含み、1つの光ファイバは、光ファイバの残りによって包囲される束の中心にある。いくつかの実施形態では、中心光ファイバは、中心光学の遠位端が光学システムに最も近くなるように、最長遠位長を有しても、有しなくてもよい。いくつかの実施形態では、光ファイバのうちの少なくともいくつかは、その遠位先端が端面において同一平面になるように、同一の遠位長を有し得る。図9a−cは、光ファイバアセンブリ内に7つの光ファイバを示すが、種々の実施形態では、示されるものより多いまたは少ない光ファイバが、光ファイバアセンブリ内に含まれてもよいことを理解されたい。
図9aは、光ファイバアセンブリ900の7つの光ファイバのうちの3つを示す、断面図を図示する。示されるように、中心ファイバ902は、光ファイバのコア軸に垂直な角度付けられていない端面を有する一方、周囲ファイバ904および906は、中心光ファイバから離れる方に向いた角度付けられた端面を有し得る。このように、光ファイバの遠位端から出射する光ビームは、遠位平面を形成する用途のために、遠位端から離れて重複し得、全光学ビームは、光ファイバアセンブリ900の軸に沿って、先端から遠位で交差する。光ファイバ904および906の端面は、同一のまたは異なる角度で切断され得る。種々の実施形態では、出射する光学ビームの特性は、光ファイバの遠位部分の異なる(例えば、段違いにされた)長さにより、変動し得る。いくつかの実施形態では、異なる開口数が、光ファイバに適用され、段違いにされた遠位長から生じるそのような異なる特性を補償し得る。
図9bは、光ファイバアセンブリ900の7つの光ファイバのうちの5つを示す、側面図を図示する。示されるように、光ファイバ902、904、906、908、および910のコアの遠位端は、光ファイバアセンブリ900の縦軸920に沿って、異なる場所(例えば、それぞれ、x5、x4、x3、x2、およびxl)に位置し得る。
図9cは、光ファイバアセンブリ900の7つの端面を示す、端面図を図示する。示されるように、光ファイバアセンブリ900は、6つの光ファイバ904、906、908、910、912、および914によって包囲される、中心光ファイバ902を備える。
いくつかの実施形態では、光ファイバの先端の角度は、光ファイバアセンブリ内の光ファイバのうちの少なくともいくつかに対して異なることができる。例えば、より鋭角の角度は、束中心軸からより遠い、より長いファイバまたはファイバコアのために使用され得る一方、より鈍角の角度は、ファイバ束光学軸により近い、より短いファイバまたはファイバコアのために使用されることができる。本目的は、光ファイバアセンブリの遠位の同一の平面において、同一の光学ビームサイズにおいて、角度付けられたビームのうちの少なくともいくつかを一緒にすることであり得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバの全体的直径は、光ファイバのコアが、光ファイバアセンブリの中心軸から異なる側方距離に位置するであろうように、光ファイバのうちの少なくともいくつかに対して異なり得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバのうちの少なくともいくつかに対する開口数は、異なり得る。開口数は、光ファイバの先端からの長さにわたって、光学ビームのサイズ(断面直径)を決定し得る。そのような異なる開口数は、光ファイバの先端に位置するマイクロレンズまたは他の光学構成要素によって提供され得る。
いくつかの実施形態では、光ファイバアセンブリの代わりに、段違いにされた先端を伴う、マルチチャネルカンチレバーアセンブリが、使用され得る。この機械的カンチレバーの材料は、光が生成され、随意に、熱を放熱させる遠位先端に電気エネルギーをもたらすための能力(例えば、埋め込まれたワイヤ)を有する金属、セラミック、またはプラスチック等の非光学的透過性特性のうちの1つ以上から加工されることができる。マルチチャネルカンチレバーは、光ファイバアセンブリが走査するように駆動される方法と同様に、ある走査パターンにおいて、走査するように駆動され得る(例えば、圧電アクチュエータによって)。ある実施形態では、マルチチャネルカンチレバーは、その側方振動走査運動の増幅のために、その機械的共振またはその近傍において駆動され得る。図10a−dは、いくつかの実施形態による、いくつかの例示的機械的カンチレバーアセンブリを図示する。図10aは、例示的マルチチャネルカンチレバーアセンブリ1000の端面図を図示する。示されるように、マルチチャネルカンチレバーアセンブリ1000は、各々が発光ダイオード(LED)または垂直共振器面発光レーザ(VSCEL)等のそれぞれの遠位光源1003、1005、および1007から照明を提供するように構成される3つの光送達部材1002、1004、および1005を含み得る。
図10bは、ある実施形態による、マルチチャネルカンチレバーアセンブリ1000の断面図を図示する。図は、3つの光送達部材のうちの2つ1002および1004を示す。本実施形態では、各光送達部材は、光送達部材の遠位端に光源を含む。例えば、光送達部材1002および1004は、それぞれ、遠位光源1003および1005を含む。光源への電力または電気信号は、ワイヤ(例えば、ワイヤ1001および1009)および/または光源に連結されたバッテリによって外部から提供され得る。いくつかの実施形態では、ワイヤは、光送達部材内に封入され得る。図10bに示されるようないくつかの実施形態では、光送達部材は、遠位光源が機械的カンチレバーの縦軸に沿って段違いにされ得るように、軸方向に段違いにされた様式において配置され得る。
図10cにおける断面図に示されるような他の実施形態では、遠位光源は、図10bに示されるように、縦軸に沿って軸方向に段違いにされなくてもよい。むしろ、他の機構が、光源に関連付けられた特性を変動させるために使用され得る。例えば、光源1010、1012、および1014等の光源のうちのいくつかは、出射する光ビームが、異なるサイズ、コリメーション、強度、および/または他の特性であり得るように、光源に光学的に連結された(個々に、または群として)1つ以上のマイクロレンズまたは他の光学構成要素を有し得る。光源のうちのいくつかは、任意のマイクロレンズまたは光学構成要素に全く連結されなくてもよい。
図10dは、図10cに示される機械的カンチレバーの端面図を図示する。示されるように、光源1010、1012、および1014は、それぞれ、マイクロレンズ1011、1013、および1015に連結され得る。マイクロレンズは、出力を含む、異なる特性であり得る。例えば、マイクロレンズ1011、1015および1013は、出力を増加させるものであり得る。種々の実施形態では、マイクロレンズの使用および/または使用するマイクロレンズのタイプは、機械的カンチレバーの用途に依存し得る。
種々の実施形態では、任意の光源が、LED、VSCEL等を含む、遠位光源として使用され得る。例えば、図10bにおける遠位光源は、LED源であり得る一方、図10cにおける遠位光源は、VSCEL源であり得る。いくつかの実施形態では、単一機械的カンチレバーは、同一のまたは異なるタイプの光源を含み得る。
前述の例示的実施形態は、同時に、または連続して、多焦点画像を投影または取得する多くの異なる方法の代表にすぎない。追加の実施形態では、複数の走査ファイバおよび光学システムは、高分解能および短焦点深度において、複数の画像を取得または投影するために、並列で採用され得る一方、組み合わせることによって、これらの画像は、高分解能および拡張焦点深度または被写界深度の単一画像または複数の複合またはステレオ画像をもたらす。
本明細書に説明される方法および技法を例証するために、ある実施例が、以下に提供される。特に、本実施例は、走査ファイバ内視鏡(SFE)等の走査ファイバ撮像システム内で高画像分解能を維持しながら、拡張焦点深度をもたらすための手段を例証する。典型的には、SFEは、渦巻パターンにおいて駆動され、撮像される表面にわたって、空間充填丸面積内に照明を送達する、単一モード光ファイバを有する。走査ファイバ先端と組織との間の光学システム(対物レンズシステム)は、SFE内の画像分解能を定義する。光学システムは、典型的には、画像内の高空間分解能のために設定され、したがって、望ましくなく、短焦点深度または被写界深度を有する。
拡張焦点深度または被写界深度を達成するために、単一光ファイバスキャナは、照明のために、2つ以上の導波路および2つ以上の有効点源を有する、光機械的走査カンチレバーと置換される。固定光学システム内の対物レンズに対して、有効源点を変動させることによって、焦点は、標的面積または物体の表面上の被照面にシフトされる。
本実施例では、二酸化ケイ素(石英)材料から作製される3つまたは4つの単一モード光ファイバは、そのクラッディングが、標準的125ミクロンの外径から、約10〜50ミクロンの外径までエッチングされ、自由遠位先端からの長さは、近位から約2〜8mmである。3つまたは4つの光ファイバは、一緒に保持され(並んで)、その先端は、二酸化炭素レーザを用いて、光学平滑端面を作製するようにトリミングされる。光ファイバの房の近位端は、先端が、全て同一平面ではない、またはその自由端における同一の点で終端しないように引っ張られる。光ファイバの各端面は、わずかな軸方向距離(例えば、1〜2mm未満)だけ段違いにされ、単一対物レンズシステムを使用して、別個かつ軸方向にシフトまたは段違いにされた被照面をもたらす。
3つまたは4つの並列光ファイバの幾何学形状が確立されると、3つまたは4つのファイバのエッチングされた領域が、以下の技法のうちの任意の1つまたはその組み合わせを使用して、一緒に結合される:(1)二酸化炭素レーザを使用して、ファイバを一緒に溶接する、(2)熱を使用して、ファイバを一緒に溶接する、(3)光学エポキシを使用して、ファイバを一緒に結合する、(4)接着剤または化学物質を使用して、ファイバを結合する、および/または(5)収縮し得る物理的管類を使用して、ファイバを一緒に保持する。融合された光機械的システムは、SFEと類似方式において、共振振動モードに駆動され、空間充填照明を産生するであろう。しかしながら、本照明は、後方散乱光が、フレーム順次、走査線順次、またはさらに画素順次様式において検出される場合、3つまたは4つの異なる高分解能画像をもたらし得る、3つまたは4つの異なる焦点面を産生するであろう。この場合、同一の組の赤色、緑色、または青色光学検出器が、3つまたは4つの異なる被照面の各々から撮像し、トポグラフィック起伏を伴う表面の拡張被写界深度高分解能画像を生成するために使用され得る。共焦点配置では、光(例えば、蛍光)の別個の個々の光学検出器が、特定の焦点面を照射するために使用され、各光ファイバのコア内で集光された光学信号を測定するために使用され得る。
各被照面は、非常に限定された焦点深度または被写界深度を有し得るが、組み合わせることによって、標的面積の結果として生じる画像は、最高分解能において、所望の拡張焦点深度を有することができる。例えば、前述の実施形態から生じる3つまたは4つの2次元画像の各々は、コンピュータ処理され、最高焦点の画像内の領域または画素を識別し得る。各照明ファイバの各々に対する焦点深度の場所を事前に把握することによって、最高焦点の領域(画素)が、3次元マッピングにおいて、2D画像の正しいXおよびY画素場所および3つまたは4つの撮像平面の各々のZ場所に組み合わせられ得る。いくつかの実施形態では、複合画像の最も鮮明な集束部分が、所与のz位置に対して被照面の1つのみからもたらされ得る。
実施例では、カンチレバー光ファイバのクラッディングは、一緒に結合される前に、最初に、エッチングされる必要はない。エッチング手技は、単に、マイクロ内視鏡検査用途のための空間を節約し、マイクロ光ファイバスキャナ内で使用される我々の現在の80〜125ミクロン単一光ファイバとほぼ同一の全体的直径の多導波路石英カンチレバーをもたらすために提案される。
実施例では、光ファイバの端面は、光ファイバ先端から出射する光が隣接する光ファイバに衝突しないように、図8に図示されるような角度に切断および研磨され得る。角度は、光学コアに垂直な軸に対して約8度であり得る。角度付けられた端面から放出される結果として生じる光錐は、光学コアから約12度、偏向し得る。種々の実施形態では、切断角度および偏向角は、それぞれ、8および12度を上回る、またはそれ未満であり得る。
本発明の好ましい実施形態が、本明細書に図示および説明されたが、そのような実施形態は、一例として提供されるにすぎないことは、当業者に明白となるであろう。多数の変形例、変更、および代用が、本時点において、本発明から逸脱することなく、当業者に想起されるであろう。本明細書に説明される本発明の実施形態の種々の代替が、本発明を実践する際に採用され得ることを理解されたい。以下の請求項は、発明の範囲を定義し、これらの請求項およびその均等物の範囲内にある方法および構造は、それによって網羅されるものと意図される。
Claims (40)
- 標的面積の画像を取得するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するような走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させるための手段であって、前記光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結されている複数の光ファイバを備え、前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリからの光を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、手段と、
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めるための手段と、
前記標的面積から集められた光に少なくとも部分的に基づいて、前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成するための手段と
を備えている、システム。 - 前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバを走査させるための手段は、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させるスキャナアクチュエータを備えている、請求項1に記載のシステム。
- 前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、請求項4に記載のシステム。
- 前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を集めることは、フレーム順次、走査線順次、または画素順次様式のうちの1つにおいて行なわれる、請求項1に記載のシステム。
- 前記集めるための手段は、前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を、同時またはほぼ同時に集める、請求項1に記載のシステム。
- 前記複合画像を生成するための手段は、
前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を生成するための手段と、
前記複数の画像の各々に対して、前記画像の高分解能部分を識別するための手段と、
前記複数の画像の前記高分解能部分を組み合わせ、前記複合画像を形成するための手段と
を備えている、請求項1に記載のシステム。 - 前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバのうちの少なくとも1つは、単一モード光ファイバである、請求項1に記載のシステム。
- 標的面積の画像を取得するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、
前記光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、前記光学システムは、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能である、光学システムと、
前記光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータであって、前記スキャナアクチュエータは、前記複数の光ファイバに関連付けられた遠位部分を作動させるように構成され、前記遠位部分は、前記複数の焦点面上である走査パターンにおいて、一緒にまたは個々にのいずれかで走査する、スキャナアクチュエータと、
前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を検出するように構成されている1つ以上の検出器と、
有形媒体を備えている1つ以上のプロセッサであって、前記有形媒体は、命令を備え、前記命令は、実行されると、前記標的面積から集められた光に少なくとも部分的に基づいて、前記1つ以上のプロセッサに前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を生成させる、1つ以上のプロセッサと
を備えている、システム。 - 前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、請求項11に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、請求項11に記載のシステム。
- 前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、請求項11に記載のシステム。
- 前記1つ以上の検出器は、フレーム順次、走査線順次、または画素順次様式のうちの1つにおいて、前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を検出する、請求項11に記載のシステム。
- 前記1つ以上の検出器は、前記複数の焦点面の各々に対して、前記標的面積から反射された光を同時またはほぼ同時に検出する、請求項11に記載のシステム。
- 前記複合画像を生成することは、
前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を生成することと、
前記複数の画像の各々に対して、前記画像の高分解能部分を識別することと、
前記複数の画像の前記高分解能部分を組み合わせ、前記複合画像を形成することと
を含む、請求項11に記載のシステム。 - 前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、請求項11に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバの遠位端面は、平滑光学表面を形成している、請求項11に記載のシステム。
- 前記複合画像は、3次元である、請求項11に記載のシステム。
- 複合画像を標的面積に投影するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するような走査パターンにおいて、光ファイバアセンブリを走査させるための手段であって、前記光ファイバアセンブリは、光学システムに光学的に連結されている複数の光ファイバを備え、前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリからの光を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生する、手段と、
前記提供される光の強度を変調し、前記標的面積にわたり光強度の変動をもたらすための手段と、
前記標的面積に提供される照明に少なくとも部分的に基づいて、複合画像を前記標的面積上に投影するための手段であって、前記複合画像は、前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する、手段と
を備えている、システム。 - 前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、請求項21に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、請求項21に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバを走査させるための手段は、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させるスキャナアクチュエータを備えている、請求項21に記載のシステム。
- 前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、請求項24に記載のシステム。
- 前記複合画像を投影するための手段は、前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を投影するための手段を備えている、請求項21に記載のシステム。
- 前記複数の画像の各々は、前記複数の光ファイバのうちの1つによって投影される、請求項26に記載のシステム。
- 前記複数の画像は、同時に投影される、請求項26に記載のシステム。
- 前記複合画像は、3次元であり、前記複数の画像は、2次元である、請求項26に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、請求項21に記載のシステム。
- 画像を標的面積上に投影するためのシステムであって、
照明を前記標的面積に提供するように動作可能な複数の光ファイバを備えている光ファイバアセンブリと、
前記光ファイバアセンブリと光学的に連結されている光学システムであって、前記光学システムは、光ファイバアセンブリからの照明を集束させ、前記光学システムの光学軸に対して異なる距離に位置する複数の焦点面を産生するように動作可能である、光学システムと、
前記光ファイバアセンブリに連結されたスキャナアクチュエータであって、前記スキャナアクチュエータは、前記複数の光ファイバに関連付けられた遠位部分を作動させるように構成され、前記遠位部分は、前記複数の焦点面上である走査パターンにおいて、一緒にまたは個々にのいずれかで走査する、スキャナアクチュエータと、
有形媒体を備えている1つ以上のプロセッサであって、前記有形媒体は、命令を備え、前記命令は、実行されると、前記標的面積に提供される照明に少なくとも部分的に基づいて、前記1つ以上のプロセッサに前記複数の焦点面間の距離に及ぶ被写界深度を有する複合画像を投影させる、1つ以上のプロセッサと
を備えている、システム。 - 前記複数の光ファイバは、軸方向に段違いにされた方式において配置されている、請求項31に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバのうちの少なくとも2つは、互に連結されている、請求項31に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバを走査させることは、スキャナアクチュエータによって、ある走査パターンにおいて、前記複数の光ファイバの遠位部分を作動させることを含む、請求項31に記載のシステム。
- 前記光学システムは、前記光ファイバアセンブリに対して実質的に静止したままである、請求項34に記載のシステム。
- 前記複合画像を投影することは、前記複数の焦点面にそれぞれ対応する複数の画像を投影することを含む、請求項31に記載のシステム。
- 前記複数の画像の各々は、前記複数の光ファイバのうちの1つによって投影される、請求項36に記載のシステム。
- 前記複数の画像は、同時に投影される、請求項36に記載のシステム。
- 前記複合画像は、3次元であり、前記複数の画像は、2次元である、請求項36に記載のシステム。
- 前記複数の光ファイバのうちの少なくともいくつかは、角度付けられた遠位端面を有する、請求項31に記載のシステム。
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