JP2015508685A5 - - Google Patents

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高分解能画像走査のための拡張された焦点深度
（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。
（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。
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。
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)

  1. 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。
  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、請求項１に記載のシステム。
  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、請求項１に記載のシステム。
  4. 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。
  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、請求項４に記載のシステム。
  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、請求項１に記載のシステム。
  7. 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。
  8. 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。
  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、請求項１に記載のシステム。
  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、請求項１に記載のシステム。
  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。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  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、請求項１１に記載のシステム。
  20. 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。
  21. 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。
  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、請求項２１に記載のシステム。
  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、請求項２１に記載のシステム。
  24. 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。
  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、請求項２４に記載のシステム。
  26. 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。
  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、請求項２６に記載のシステム。
  28. 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。
  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、請求項２６に記載のシステム。
  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、請求項２１に記載のシステム。
  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。
  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、請求項３１に記載のシステム。
  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、請求項３１に記載のシステム。
  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、請求項３１に記載のシステム。
  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、請求項３４に記載のシステム。
  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、請求項３１に記載のシステム。
  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、請求項３６に記載のシステム。
  38. 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。
  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、請求項３６に記載のシステム。
  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、請求項３１に記載のシステム。
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