JP2019527576A - スペクトル符号化プローブ - Google Patents

Abstract

前方ビュー、側方ビュー、または前方ビューと側方ビューの組み合わせを有するスペクトル符号化内視鏡（ＳＥＥ）プローブであり得る新規な内視鏡が本明細書に提供される。ＳＥＥプローブは、光ガイドコンポーネントと、光集束コンポーネントと、回折格子コンポーネントとを備える。プローブは、光ガイドコンポーネントと回折格子コンポーネントの間に中間的な反射がない状態で回折格子コンポーネントからのスペクトル的な分散光などの光を試料へ進めるように構成されている。階段回折格子、または出っ張り回折格子などの三角回折格子が、回折格子コンポーネントとして使用され得る。【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年７月１５日に出願した仮出願第６２／３６３０８９号の優先権を主張するものであり、その開示は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、内視鏡に関する。より詳細には、本開示は、スペクトル符号化内視鏡プローブ（ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ ｅｎｃｏｄｅｄ ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ ｐｒｏｂｅ）を例示する。

医療用内視鏡プローブは、患者の身体の内部から画像を送る能力を有する。異物が入ることで引き起こされる人体への潜在的な損傷を検討するのに際して、プローブは、できる限り小さいことが好ましい。さらに、小血管、小管、小ニードル、小さい隙間などの小さい導管内で撮像する能力は、小さいプローブサイズを必要とする。

有用な医療用プローブの１つは、スペクトル符号化内視鏡検査（ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ ｅｎｃｏｄｅｄ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ：「ＳＥＥ」）を用いるものであり、このＳＥＥは、サブミリ径のプローブを介して高精細撮像を行うことができる小型内視鏡検査法である。ＳＥＥプローブでは、広帯域光が、光ファイバの先端で回折格子により回折させられ、試料に異なる波長（色）の分散スペクトルをもたらす。この試料から戻った光は分光計を用いて検出され、それぞれの分解可能な波長は、試料上の異なる点の反射率に対応する。このように、ＳＥＥプローブは、試料中の所与の点から反射した光を波長で符号化する。ＳＥＥ技法の原理、および０．５ｍｍ、すなわち、５００μｍの直径を有するＳＥＥプローブについては、Ｄ．Ｙｅｌｉｎ他による刊行物名称「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ．４４３、７６５〜７６５（２００６年）によって説明されている。別の同様の例は、Ｇ．Ｔｅａｒｎｅｙ他による「Ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ ｅｎｃｏｄｅｄ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、２７（６）：４１２〜４１４ページ、２００２年によって説明されている。ＳＥＥを用いた撮像は、２次元または３次元の高品質画像をもたらすことができる。

スペクトル符号化内視鏡検査は、波長に従って入射光を回折角へ偏向させる回折格子の能力を利用する。偏向された光が物体に当たるときに、光は、物体によって散乱される。波長ごとに散乱光強度を検出することは、対応する回折角からの強度を検出することに相当する。このように、物体の１次元ライン画像が得られる。２次元画像は、ＳＥＥプローブを回転させることによって得られる。３次元画像は、ＳＥＥプローブを回転および並進（直線的に移動）させることによって得ることができる。また、干渉計の試料アームに組み込まれるとき、ＳＥＥプローブは、試料（例えば、組織）からの深さ情報を取得することもできる。典型的には、回折格子が光を偏向させるとき、入射光は、通常、プローブの光軸に対して曲げられる。このように、光は、光軸に対して真っ直ぐに進まない。光が真っ直ぐに進まないので、従来のスペクトル符号化内視鏡検査の構成を用いて前方を見ることができない。

スペクトル符号化内視鏡検査の現在のトレンドは、側方ビュー型を用いるものであり、数例は、前方ビューの特徴を示す。フロントビュー型は、レンズ、スペーサ要素、プリズム、および回折格子を含む複数のコンポーネントからなり、これによりプローブ設計が複雑になっている。そのような設計の例は、例えば、Ｃ．Ｐｉｔｒｉｓ他、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ．１１ １２０〜１２４（２００３年）、および米国特許第８１４５０１８号に見付けることができ、これらの両方は、回折格子が２つのプリズム間に挟まれているデュアルプリズム構成（「グリズム」）を開示する。このグリズムは、スペクトル的に分散光をファイバの光軸を含む方向に向ける。グリズムは、適切な位置合わせを必要とする複数のコンポーネント（回折格子、プリズム）からなる。前方ビューのプローブを構成するためのグリズムの必要性により、プローブのコスト、製造の複雑さ、およびサイズは増加する。公報ＷＯ２０１５／１１６９５１は、角度の付いた反射側面によって、波長の少なくとも１つがレンズの光軸に平行に伝搬するように回折格子への光入射角をもたらす別の前方ビュー内視鏡を開示する。しかしながら、前方ビューＳＥＥプローブのこれらの知られている設計は、欠点を有する。第１に、この設計は、利用可能な口径全体の使用を可能にすることができない。より小さい口径は、達成できる分解能の低下を意味する。

第２に、両設計は、スペーサ内に反射面を必要とする。これは、小型サイズのスペーサを考慮すると、製造がとりわけ容易というわけではない。特に、スペーサおよびＧＲＩＮレンズの位置合わせは、製造中の課題をもたらす。

さらに、照明ファイバは、ＧＲＩＮレンズの軸外にあり、これは、製造時のさらなる困難、および光学収差をもたらす。いくつかの設計では、反射コーティングが、第２の反射面に少なくとも必要とされ、これは、系内の光損失および散乱をもたす。このコーティングは、低屈折率エポキシが使用されるのでない限り、第１の反射面にも必要とされる。低屈折率エポキシは、通常、特別な硬化条件を必要とし、これは、大量生産についてさらなる懸念をもたらす。

したがって、本明細書中で上に示した欠点の少なくとも一部に対処しおよび／または克服することが有益であり得、それゆえ例えば小型光学部品における撮像のための、前方ビューおよび／または無指向性ビューを有する新しいＳＥＥプローブ、およびそのようなプローブを使用する装置を提供する。従来知られているプローブと比較して低コストであり、および／またはあまり複雑でないＳＥＥプローブを提供することも有益である。

本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、光ガイドコンポーネント（ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）と、光集束コンポーネント（ｌｉｇｈｔ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）と、回折格子コンポーネント（ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）（例えば、三角回折格子（ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｇｒａｔｉｎｇ））とを備えたスペクトル符号化内視鏡検査プローブであって、当該プローブは、光ガイドコンポーネントからの光を、光集束コンポーネントを通じて回折格子コンポーネントへプローブの光軸の方向にガイドし、次いで中間的な反射（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）がない状態で回折格子コンポーネントからのスペクトル的な分散光を試料に進めるように構成されているスペクトル符号化内視鏡検査プローブを備える装置を提供する。

本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、光ガイドコンポーネントと、光集束コンポーネントと、三角回折格子コンポーネントとを備えるプローブであって、光ガイドコンポーネントからの光を、光集束コンポーネントを通じて回折格子コンポーネントへプローブの光軸の方向にガイドし、次いで中間的な反射がない状態で回折格子コンポーネントからの回折光を試料に進めるように構成されているプローブを備えた装置を提供する。

さらに他の実施形態によれば、光ガイドコンポーネントと、光集束コンポーネントと、回折格子コンポーネントと、回転要素（ｒｏｔａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ）と、１つまたは複数の検出ファイバ（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｉｂｅｒ）と、１つまたは複数の検出器（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、複数の回折次からの光を処理し、この光に基づいて単色画像を処理するように構成された１つまたは複数のプロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）とを備えたシステムを提供する。プローブは、光ガイドコンポーネントからの光を、光集束コンポーネントを通じて回折格子コンポーネントへプローブの光軸の方向にガイドし、次いで中間的な反射がない状態で回折格子コンポーネントからのスペクトル的な分散光を試料に進めるように構成することができる。

本開示のこれらおよび他の目的、特徴、および利点は、添付図面および用意した特許請求の範囲と併せて見るときに、後述する本開示の例示的な実施形態の詳細な説明を読むと明らかになろう。

本開示のさらなる目的、特徴、および利点は、本開示の説明的な実施形態を示す添付図面と併せて見るときに、以下の詳細な説明から明らかになろう。

図１は、本開示の例示的な一実施形態によるＳＥＥプローブの図である。 図２は、前方ビューの特徴を有するＳＥＥプローブの一実施形態のスペクトル分散を示す図である。 図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、図２に示されたプローブの例示的な光跡図である。 図４は、負の入射角および＋１次の回折次数を有する前方ビューＳＥＥプローブの一実施形態を示す図である。 図５は、回折格子間隔を増大させることによって逆波長極性設計を有する前方ビューＳＥＥプローブの一実施形態を示す図である。 図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、図５に示す逆波長極性プローブの例示的な光跡図を示す図である。 図７は、逆波長極性の＋５次の回折光に基づいて向上したＦＯＶを有する側面ビューＳＥＥプローブの一実施形態を示す図である。 図８Ａおよび図８Ｂは、様々な実施形態に説明されている回折格子の式を導くのに使用される符号規約を示す図である。 図９は、計算された光入射角および半分のＦＯＶ対入射光の様々な屈折率についての−ｍＧについての具体的な解空間の１つを示すグラフである。 図１０は、計算された光入射角および半分のＦＯＶ対入射光の様々な屈折率についてのｍＧについての具体的な解空間の１つを示すグラフである。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、図２のＳＥＥプローブについての例示的な階段回折格子設計の詳細図である。図１１Ａは、例示的な階段についての数値を示し、図１１Ｂは、２０段の階段回折格子を製造するための回折格子パラメータ全体を示す。 図１２Ａは、最小にされた反射率について最適化された階段回折格子設計の概略図である。図１２Ｂは、光ビームの細部が拡大されている図１２Ａの回折格子設計の概略図である。 図１３Ａおよび図１３Ｂは、回折格子の最適化の概略説明図である。 図１４は、一実施形態による可視光の回折の最大効率について最適化された回折格子設計の概略図である。 図１５は、バイナリ回折格子のための例示的な回折格子製造方法のステップを示す図である。 図１６は、マルチステップバイナリ回折格子のための例示的な回折格子製造方法のステップを示す図である。 図１７は、回折した−１次および反射した０次を用いることで前方方向に拡大したＦＯＶを有するＳＥＥプローブの一実施形態に適した例示的な階段回折格子設計を示す図である。 図１８は、屈折した−１次および反射した０次ならびに側面の別の回折格子を用いることによって前方方向に拡大したＦＯＶを有するＳＥＥプローブの一実施形態に適した例示的な階段回折格子設計を示す図である。 図１９は、階段回折格子の側面の第２の回折格子の表面を用いた屈折した−１次および０次の反射および透過を用いる無指向性ビュー特性を有するＳＥＥプローブの一実施形態に適した例示的な階段回折格子設計を示す図である。 図２０は、拡大したＦＯＶのための２つの照明ファイバおよび２つの階段回折格子を有するＳＥＥプローブの例示的な実施形態を示す図である。 図２１は、図２０に示した設計により設計したＳＥＥプローブを用いて取得した画像の写真である。 図２２Ａおよび図２２Ｂは、階段回折格子の最適化の例を示す図である。図２２Ａは、低い反射率および高い透過回析に最適化された回折格子設計の概略図である。図２２Ｂは、ビームの細部が拡大されている図２２Ａの回折格子設計の概略図である。 図２３は、本開示の例示的な一実施形態によるＳＥＥ装置を含むイメージングシステムの図である。 図２４は、例示的なイメージングコンソールの概略図である。

各図全体にわたって、同じ参照数字および記号は、特段明記されない限り、同じ特徴、要素、コンポーネント、または図示した実施形態の一部を示すために使用される。また、本主題開示は、次に図を参照して詳細に説明するが、図示した例示的な実施形態に関連してそのように行われる。特許請求の範囲によって定められる本主題開示の真の範囲および精神から逸脱することなく、変更および修正は、記載された例示的な実施形態になされてもよいことが意図される。

本明細書に開示した実施形態は、利用できる直径のより完全な使用により走査方向と分光方向（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）の両方において良好な分解能を有することができるＳＥＥプローブ記載する。これらの実施形態は、設計中に軸から外れた１つまたは複数の要素を必要とすることなく、およびミラー反射要素を必要とすることもなく、やはりＳＥＥプローブを提供する。軸から外れた要素およびミラー反射がないことは、製造プロセスを単純化し、プローブの信頼性を改善する。さらに、反射光を集めることにおいてより限られた受光角の使用により、本明細書に与えられるＳＥＥプローブのいくつかの実施形態は、０次および−２次がシステム内で迷光を引き起こさないように設計することができる。これは、０次透過光および０次反射光がとても大きい角度では実質的にない場合に、多くの設計にとって特に真実である。

図１には、本開示によるＳＥＥプローブ１００例示的な一実施形態の図が示されている。この例示的なＳＥＥプローブ１００は、光ファイバ１０（光ガイドコンポーネント）と、集束レンズ１２（光集束コンポーネント）と、スペーサ１４と、回折格子１６（回折格子コンポーネント）とを備える。広帯域光（または他の電磁放射）は、ファイバ１０に結合または他の方法でファイバ１０の中に供給され、レンズ１２によって集束され得る。光（または他の電磁放射）は、集束レンズ１２、スペーサ１４を通じて移動し、それらの間で何ら反射することなく回折格子１６に入射する。回折格子１６において、光は、光の波長および入射角に従って回折させられる。（波長λまたは波長帯Δλを有する）各光は、組織１８（試料）上の特有の空間位置に集束する。図１に示すように、Ｘ₁、Ｘ₂、およびＸ₃は、それぞれ波長λ₁、λ₂、およびλ₃についての組織１８の特有の空間位置である。したがって、光（または他の電磁放射）は、点ではなく、平面または線２０の中に集束することができる。図１に示された平面または線２０は、スペクトル符号化線（ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ−ｅｎｃｏｄｅｄ ｌｉｎｅ）と呼ばれる。光中の波長の１つは、図１のλ₁として示されたレンズ１２の光軸（Ｏｘ）にほぼ平行に伝搬することができる。組織１８によって反射される光（または他の電磁放射）は、ファイバ１０または異なるファイバ（図示せず）に結合され、または他の方法でそれに戻すことができ、次いで、集束された光は、分光計（図示せず）を含む検出器（図示せず）へ送り届けることができる。分光計において、戻る光（または他の電磁放射）のスペクトルは、電気信号として読み取ることができ、次いでこの電気信号は、コンピュータまたは他のデジタルプロセッサ（図示せず）を用いた組織の線画像を生成するように使用することができる。例示的なＳＥＥプローブ１００は、例えば、レンズ１２を回転または振動させることによってまたは当業者に理解されるはずである他のやり方で、回転の矢印２２によって示されるように、レンズの光軸Ｏｘに沿って回転走査することができる。

図１に示すように、および他の実施形態において、前方ビューの設計を行うのに軸から外れた要素が必要とされない。光ガイドコンポーネントと光集束コンポーネントの間にまたは光が回折格子に当たる前に任意の反射／ミラー内に軸から外れた要素は必要とされない。これによって、以前から知られているＳＥＥプローブと比較して光学部品の位置合わせがより容易になるので、製造プロセスを単純化し、および／または信頼性を改善することができる。

図２は、例示的な一実施形態による照明光および回折光の光跡を示す。図２では、照明ファイバ１０は、集束レンズ１２と同軸である。レンズ１２は、製造を容易にするためにＧＲＩＮ（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ）レンズとして図２に示されているが、ボールレンズまたは他のレンズ形状が、用いられてもよい。図２のこの実施形態は、ある特定の波長（例えば、青色、４１５ｎｍ）で、その回折次数のうちの１つ（この場合、−１次）が、回折しないように光軸に平行に伝搬する（回折角が入射角と同じである）ように回折格子への入射角が設計されるように、回折格子１６を特別に最適化する。

図２に示すように、集束レンズ１２の後、光は、スペーサ１４を通過し、次いで回折格子１６に入射し、それらの間でそれらの反射はない。−１次の回折次数が、図３Ａに示されている。０次は、反射することになり、示されていない。図３Ｂは、図２に示したプローブ設計についての−２次の回折次数を示す。検出ファイバが限られた受光角である（例えば、ＮＡ＝０．５）ことにより、（反射される）０次およびより大きい角度で回折される−２次は、通常、システム内に迷光を引き起こさない。視野（ＦＯＶ）は、波長範囲を増大させることによって、またはより高次の回折次数を導入することによって拡大することができる。ＦＯＶは、後で説明するように、回折格子への入射角を増大させることによって拡大することもできる。表１は、入射角θｉ＝５６．１°である３つの異なる波長における様々な次数についての光の伝搬を与える。

図２に示す設計については、回折格子間隔は便宜上約１μｍで一定であり、青色の光（４１５ｎｍ）はＦＯＶの中央にあるように設計されており、赤色の光（８００ｎｍ）はＦＯＶの縁部にあるように設計された。図３Ａは、−１次の回折次数を用いた図２のプローブ設計で得ることができる例示的な半分の角度のＦＯＶを示す。他の実施形態では、他の光帯域が使用されてもよく、他の波長または相対波長がＦＯＶの中央および末端として定められてもよい。しかしながら、所望の用途に応じて、回折格子は、回折の他のものが特定のＦＯＶ角を占めるように合わされるように設計することができる。図３Ｂは、図２に示すプローブ設計についての−２次の回折次数によって形成される例示的な半分の角度のＦＯＶを示す。

このようにして、図２の実施形態では、検出ファイバ（図示せず）の限られた受光角により、０次および−２次は、システム内でかなりの迷光を引き起こすべきでない。

ＦＯＶは、光の波長範囲を増大させるまたはより高次の回析次数を用いることによって拡大することができる。例えば、図３Ｃに示すように、波長範囲が０．８μｍから１μｍまで拡大される場合、図３Ａと比較して、視野（半分の角度）は３０°から４３°へ増加する。ここである潜在的問題は、図３Ｂに示される青色の光の−２次の回折次数であり、これは−１次の回折次数の青色部分と干渉する（例えば、４１５ｎｍは、両中央ＦＯＶを覆うことになり、ＦＯＶは８３０ｎｍに対応する）。少なくとも２つの測定が、この問題に対処するためにとられ得る。１つは、より高次の回折の効率を最小にするように回折格子を設計することである。他方の１つは、もう１つの検出ファイバを導入して、具体的により高い角度（例えば、３０度から４３度）の光を受けることである。例えば、フィルタが導入されてもよく、または検出ファイバ上の回折格子は、青色のエンド波長がフィルタで除去されるように設計され得る。

いくつかの実施形態では、集束レンズ１２は、ボールレンズとすることができる。スペーサ１４は、回折格子１６を支持する透明材料で形成することができる。言い換えれば、スペーサ材料は、回折格子１６の支持体とすることができ、例えば、エポキシ材が、レンズ１２を回折格子１６に位置合わせおよび固定するために使用され、あるいはガラス材料が使用されてもよい。代替として、スペーサ１４は、ちょうどレンズ１２と回折格子１６の間の自由空間（空気）であってもよい。実際には、スペーサ１４は、複数の溝が回折格子１６を形成するように配設されている透明なウェハ基板であってもよい。

図４は、＋１次の光を回折させるように設計された回折格子１６を有するプローブを示す。図２に示した実施形態と比較して、図４では、回折格子への光入射角は、正から負へ変化させられる。回折次数は、この場合、−１次から＋１次へやはり変化させられる。図２および図３Ａに関連して示す場合と同様に、０次の回折次数とより高次の回折次数の両方は、検出ファイバの限られた受光角、またはより高次の回折についての回折格子の低い効率、あるいは両方により、迷光を導入することができない。表２は、３つの異なる波長における第１および第２の正（＋）の回折次数について光伝搬角度を与える。

検出用ファイバ（図示せず）の限られた受光角により、０次および＋２次は、本実施形態のプローブを用いてシステム内に迷光を引き起こさない。先の実施形態にあるように、ＦＯＶは、波長範囲を増大させることによって、またはより高次の回折次数を使用することによって拡大することができる。

図４に示された設計について、回折格子間隔は、便宜上約１μｍで一定である。両設計について（図２および図４）、青色の光（４１５ｎｍ）は、中央ＦＯＶ内にあり、赤色の光（８００ｎｍ）は、ＦＯＶの縁部にある。しかしながら、前述したように、他の光帯域が使用されてもよく、他の波長または相対波長が、ＦＯＶの中央および末端として定められてもよい。

図５は、回折格子のピッチがＦＯＶの中央および末端として特定の波長を定めるように設計されている例示的な実施形態を示す。図５に示すように、中央ＦＯＶは、現在、青色の光（４１５ｎｍ）に代わって赤色（８００ｎｍ）の光によってカバーされている。本実施形態では、回折格子間隔は、例えば、約１μｍから２．５μｍへかなり増加した。この設計は、ＦＯＶ内の波長の極性を変化させた。すなわち、図５に示すように、赤色の光は中央にあり、青色の光はＦＯＶの縁部にある。これは、いくつかの理由のため、特に興味深いものであり得る。１つは、回折格子、および検出器の量子効率が、通常、赤色の領域内でより高い効率を有することである。中央ＦＯＶは、通常より重要であるので、この領域における効率および／または分解能が改善される。この逆波長極性設計は、＋２次の回折次数は、ＦＯＶの中央における青色の波長および周辺における赤色の波長を有するので、第２の正（＋２）の回折次数を用いるときにカラーＳＥＥプローブにおいてやはり特に有用であり得る。また、この長い回折格子間隔の設計の場合、いくつかのより高い回折次数は、図６Ａ〜６Ｃに示すように、視野内で共存することができる。図６Ａは、＋１次の回折次数を用いるとき、赤色（８００ｎｍ）の波長がＦＯＶの中央にあり、青色（４１５ｎｍ）の波長がＦＯＶの縁部にある図５の示すＳＥＥプローブの視野を示す。図６Ｂは、２次（＋２）の回折次数のＦＯＶ内の様々な波長の位置を示し、図６Ｃは、５次（＋５）の回折次数のＦＯＶ内の様々な波長の位置を示す。この現象は、以下本明細書においてより詳細に説明される。

長い回折格子間隔の設計の場合、いくつかのより高次の回折次数が、図６Ａ〜図６Ｃに示すように共存することができ、＋１次、＋２次、＋３次、＋４次、および＋５次の回折次数について表３にまとめられている。したがって、いくつかの実施形態では、回折格子は、これらのより高次の回折次数のうちの１つまたは複数の効率を特に高めるように設計される。

表３は、３つの異なる波長および入射角θｉ＝５６．１°で図５に示す実施形態について様々な次数についての光伝搬角度を示す。

表３に示す＋５次が、図４に示す＋１次と比較してずっと大きいＦＯＶを含むことができるので、手始めとしてとても粗い回折格子を有する側方ビュー応用のために、＋５次を用いることでシステムを設計することが可能である。これは、粗い回折格子が製造をより容易であるとともに、細かいピッチ回折格子よりも並べるのが容易であるので特に有利である。

複数の次数の回折を用いたカラー撮像についての一実施形態は、例えば、図２に示した構造的設計を用いることが可能である。図２に示したプローブは、入射角は８１度であり、回折格子の溝密度は０．１９８３線／ｍｍであるように設計されている。４１５ｎｍ、４９８ｎｍ、および６２２．５ｎｍの中心波長を有する光ビームは、前方ビューの方向にそれぞれ−６次、−５次、および−４次で回折された。このプローブを用いて、３つの単色の画像が、青色（４１５〜４７５ｎｍ、−６次）、緑色（４９８〜５７０ｎｍ、−５次）、および赤色（６２２．５〜７１２．５ｎｍ、−４次）のチャンネルについて得られる。半分の角度のＦＯＶは、２９．３度である。知られている画像処理アルゴリズムを用いて３つの単色の画像を組み合わせることによって、プローブによって走査される任意の関心領域の前方ビューのＲＧＢカラー画像を得ることを可能にする。

側面ビュープローブは、図７に示されている。このプローブは、図５に示された逆波長極性設計の＋５次屈折次数に基づく。回折格子への光入射角は３９．８°であり、ＦＯＶは４７°、（０．４１５μｍから０．８００μｍ）である。しかしながら、回折格子間隔は、以前から知られている他の側面ビューの設計の０．５μｍと比較して２．５μｍである。

回折格子設計
回折次数の議論を明確にするために、回折格子の式についての符号規約が、図８Ａおよび図８Ｂにおいて与えられ、示されている。入射光および回折光の場合、光は、回折格子の表面の法線に対して回転させられる。法線に対する回折光の回転が時計回りの場合、図８Ｂに示すように、回折光の符号は負（負の角度）である。回折次数については、回折光は、０次の光に対して回転し、回折光の回転が０次に対して反時計回りの場合、図８Ａに示すように、符号は正である（正の回析次数）。

図８Ａおよび図８Ｂに定められた符号規約によれば、回折格子の式は、以下の式１に示された形態をとる。
−ｎ_iｓｉｎθ_i＋ｎ_dｓｉｎθ_d＝ｍＧλ （１）
ただし、ｍは回折次数（ｍ＝０、±１、±２、・・・）であり、Ｇは回折格子空間周波数（単位：１／μｍ）であり、λは真空中の光の波長（単位：μｍ）であり、ｎ_iおよびｎ_dは、それぞれ入射光および回折光の屈折率であり、−θ_iおよびθ_dは、図８Ａおよび図８Ｂに示す符号規約によって定められる入射角および回折角度である。

本明細書に記載されるような前方ビュー（ｆｒｏｎｔ−ｖｉｅｗ）の設計については、少なくとも１つの特定の波長λo、入射角、および回折角度は、式（２）を満足することを意味する。
θ_i＝θ_d （２）

式１と式２を組み合わせると、入射光の角度の要件は、式（３）が満足させられるように得ることができる。

対応する回折角は、したがって、以下の式（４）から得ることもできる。
したがって、前方ビュープローブについての半分のＦＯＶ角は、Δθ＝θ_d−θ_iとして決定される。

本明細書において、本発明者らは、図９に示すように、可能性のある光入射角、およびそれらの対応する半分のＦＯＶ角を調べた。計算は、屈折光の屈折率をｎｄ＝１（空気）、λo＝０．４１５μｍ（青色の波長）、およびλ＝０．８μｍ（赤色の波長）と仮定した場合の式３および式４に基づいている。図９に示したグラフによれば、回折格子への入射角が増大するにつれて、半分のＦＯＶ角は増大することが明らかである。回折格子への入射角が９０°に近くなっていくとき、結果として得られる半分のＦＯＶ角は、入射光が出会う屈折率に応じて５５°（ｎｉ＝１．５の場合）から７０°（ｎｉ＝１．７の場合）の範囲である。図２によって具体化される回折格子１６の設計は、図９に示したグラフに従う。

図９には、計算された光入射角および半分のＦＯＶ角についての１つの解空間対入射光の様々な屈折率についての−ｍＧが示されている。回折光が観測する屈折率は、１であると仮定する（すなわち、回折光は、空気を通じて移動する）。これらの解は、図２によって具体化された設計を含む。

図１０には、計算された光入射角および半分のＦＯＶ角についての別の解空間対入射光の様々な屈折率についてのｍＧが示されている。回折光が観測する屈折率は、ｎｄ＝１であるとも仮定し、入射光が出会う屈折率は、ｎｉ＝１．５であると仮定する。図１０のグラフは、図４、図５、および図７によって具体化された回折格子の設計の対応する数値解である。この解空間は、式（３）中の負の符号が、式の左辺へ移されている（すなわち、式（３）の両辺に−１の積）と理解することができる。したがって、入射角ならびに回折次数は、符号を変化させている。

図６Ａ〜図６Ｃによって例示される実施形態で観察した逆極性解は、式（３）によって説明することもでき、すなわち同じ光入射角θｉおよび同じ格子定数Ｇは、Ｍλoの１つまたは複数の組み合わせに対応する。

いくつかの例示的な実施形態では、入射角、格子定数（Ｇ）、および半分のＦＯＶ角は、図９および図１０に示した結果に基づいて設計される。対称性により、図９に示した解決策にのみ注目する。ｎｄ＝１（空気）、ｎｉ＝１．５（例えば、我々の例に使用されているエポキシＯＧ６０３に対応する）、ｍ＝−１、λo＝０．４１５μｍ、Ｇ＝１／μｍの場合、我々は、θｉ＝５６．１°を有する。図４および図５に示した回折格子の設計は、ここで概説したこれらの数字に基づいている。

表４の列Ａに示すように、入射角を６０．６３°まで増加させる場合、格子定数はＧ＝１．０５／μｍとなり、半分のＦＯＶ角は３２．７８°となる。入射角を６５．９２°まで増加し続ける場合、格子定数はＧ＝１．１／μｍとなり、半分のＦＯＶ角は３６．６２°となる（列Ｂ）。入射角が７１．１２°である場合、格子定数は、Ｇ＝１．１４／μｍとなり、半分のＦＯＶ角は４０．６４°となる（列Ｃ）。最後に、入射角が８１．００°であるとき、この場合の格子定数は、１．１９／μｍとなり、半分のＦＯＶ角は４９．０３°となる（列Ｄ）。

回折格子の形成
本発明の様々な実施形態のプローブに使用される回折格子は、三角回折格子である。三角回折格子は、より一般化されたブレーズド回折格子であり、その回折格子線は、三角形の鋸歯状形状の断面を有する。形成された構造は、図１１Ａに示すように階段状であり得る。図１１Ａは、θ_i＝５６．１°および対応するその寸法が１ミクロンのピッチについての数値解に従う階段設計を示す。この階段設計は、典型的なブレーズド回折格子に基づいているが、それは、所与のパラメータｎ_d＝１（空気）、ｎ_i＝１．５、ｍ＝−１、λo＝０．４１５μｍ、およびＧ＝１／μｍに対する特定の結果を得るように特定の波長に合わせられている。図１１Ａに示すタイプの三角回折格子は、望ましい構造の補完的形状（しばしば、回折格子自体）を有する原型で成形され得る。原型の製造は、図１５または図１６に示すように、通常、フォトリソグラフィプロセスで行われる。

図１１Ａに示した回折格子のこの特定の設計は、図２に示した例示的なプローブのためである。階段設計は、回折格子が光軸Ｏｘに平行である階段の「ステップ」の側壁を有する実施形態を含む。それは、側壁は完全には平行でないが、出っ張りを有する階段設計も含む。

図１１Ｂは、階段回折格子を設計するパラメータを示し、ある方法は、まず式３〜４に従って理にかなった光入射角を用いて半分のＦＯＶ角を最適化するものである。この最適化の結果は、知られているまたは予期される半分のＦＯＶ角に関して回折格子間隔Λおよび光入射角θｉとなる。次いで、直線、すなわち光軸に平行（およびしたがって、入射光に平行）な線、および平行な線に直交する線が、階段プロファイルを形成するように描かれており、したがって、階段回折格子という名である。

厳密結合波理論（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）は、図１１Ａに示す設計についての格子効率を解析するために使用されてきている。本明細書に使用されるとき、格子効率は、所与の回折次数における所与の波長（または波長領域）における回折光エネルギーと入射光エネルギーの差を指す。当業者によって理解されるように、回折格子の（ピッチを減少させる）単位距離あたりの線の個数を増加させると、全体にわたるエネルギーを増加させる。しかしながら、ここでの目的は、回折効率が特定の回折次数で特定の波長について最適化されるように回折格子を設計することである。−１次（負の１次回折）について、平均効率は約３０％である。いくつかの実施形態では、他でも様々な実施形態において説明されるように、効率は、異なる回折次数または異なるピッチを用いてさらに最適化される。ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ（横電磁））解析は、ＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ（横磁場））解析よりもより高い回折効率を示す。比較として、−２次（負の１次回折）についての回折効率は、このタイプの階段回折格子設計に対してずっと低い。−２次についての回折効率は、例えば、領域全体について０．０４未満、および５００から８００ｎｍまで０．０２未満ほどの低さであり得る。他の実施形態では、回折格子は、−２次で最適化され得る。

エネルギー配分をよりよく理解するために、効率が、ＴＥモードとＴＭモードの両方について（反射および透過の）全ての回折次数について計算されている。本明細書に開示した実施形態では、透過の０次は存在しない。０次における光の大部分は、これらの場合について反射の０次である。そこで、有利には、０次反射光は、本明細書において以下に詳細に説明するように、拡大ＦＯＶを有するプローブを設計するために再利用することができる。

フォトリソグラフィは、本明細書に開示したような回折格子を製造するために使用され得る。製造方法は、いわゆる「バイナリオプティクス」のより大きいカタログに含まれ、ただし、いくつかのマスクは、図１１Ｂに示すような関心の構造を形成するように特に設計され得る。ＲＣＷＡ解析において、回折格子構造における２０ステップを有する回折格子設計がシミュレートされた（図１１Ｂ）。リソグラフィに使用されるとともにこのプロセスに示される４つのマスクは、最終設計において２＾４＝１６ステップを与えることができ、これは、いくつかの応用にとって十分なはずであり、他の応用は異なる製造方法を必要とするであろう。Ｎバイナリ透過マスクからの２＾Ｎまでの位相レベルを生成する特定のプロセスは、任意の回折格子構造を生成するのに使用することができる。

階段回折格子設計は、さらなる最適化のためのスタート点であり得る。すなわち、階段設計は、三角形の２つのより短い縁部が交わる点、すなわち図１１Ｂに示される点Ｐの位置を微調整するときに使用することができる。最適化は、例えば、回折格子間隔Λにおける、そして回折格子高さｄにおける、あるいはその逆も同様に点Ｐの位置で開始することができる。一方向において局所的な最小にそれが到達するとき、我々は、別な方向における局所的な最小を探し始めることができる。このプロセスは、解決策がまとまるまで続く。

メリット関数が、この最適化プロセスに使用することができる。可能性のあるメリット関数の１つは、少なくとも２つのパラメータを含むべきであり、１つは所望の回折次数についての平均回折効率である。他方の１つは、一実施形態の場合、約０．４（４００ｎｍ）から約０．１５（８００ｎｍ）までの範囲である要求された最小回折である。必要な場合、ペナルティ（または重み）関数は、０次回折またはより高次の回折を検討するために導入することもできる。

いくつかの実施形態では、回折格子は、バイナリ回折格子であり得る。図１５は、バイナリ回折格子のための例示的な回折格子製造方法のステップを示す。図１６は、マルチステップバイナリ回折格子のための例示的な回折格子製造方法のステップを示す。概して、回折性のバイナリ光学部品を製造する最も一般的なプロセスは、マイクロエレクトロニクスの製造に使用されるものと同様のであるフォトリソグラフィ法を含む。これらの方法は、基板に配設されるフォトレジストの使用に基づいており、マスクを使用してフォトレジストをエッチングし、フォトレジストを除去して所望の回折格子構造を得る。図１５および図１６に示すように、複数のリソグラフィマスクが、所望の数のエッチングレベル、したがって所望の回折の効率に応じて使用され得る。処理ステップは、（１）フォトレジストでコーティングされた基板の上に所望のマスクを配置するステップと、（２）マスクを電磁エネルギーで照射するステップと（マスクの一部の透過は、光がフォトレジストを露光することを可能にし、したがってフォトレジストは、基板から除去される）、（３）フォトレジストのない基板エリアを決定された深さまでエッチングするステップ（バイナリステップ）を含む。エッチング中、フォトレジストを有する基板のエリアは、エッチングプロセスを通さないままであり、（４）残っているフォトレジストを除去する。これらの４つの初期のステップは、図１５に示すような基本バイナリ構造を形成する。図１５のバイナリ構造を形成するためにフォトレジストが除去された後、プロセスは、さらなるレベルを形成し続けることができる。したがって、図１６に示すように、プロセスは、以下のステップをさらに含むことができる。（５）バイナリ構造をフォトレジストでコーティングするステップ、（６）新しいマスクを電磁エネルギーで照射するステップ（マスクの一部を照射することで、光がフォトレジストを露光することを可能にし、それによってフォトレジストが基板から除去される）、（７）（第２のバイナリステップを形成するために）フォトレジストのない基板エリアを所定の深さまでエッチングするステップ。エッチング中、フォトレジストがある基板のエリアは、エッチングプロセスを通さないままである。（８）残っているフォトレジストを除去するステップ。これらのプロセスは、所望のレベル数が基板の中にエッチングされるまで繰り返すことができる。

回析性の微細構造を製造するために、多くの異なる方法が存在する。上記のリソグラフィ技法は別として、直接機械加工、および複製（例えば、以前に「原型」について説明した）がよく知られている。製造技法の選択は、一般に、所望の機能とコストのバランスによって決められる。

原型の製造は、図１５および／または図１６に示すように、通常、フォトリソグラフィで行われる。しかしながら、図１４に示す特別回折格子設計の場合、アンダーカットにより、設計は、典型的なブレーズド回折格子として製造することができない。深堀りＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのアンダーカットという結果になり得る異方性エッチングまたは他のエッチング方法は、原型を作り出すために使用することができる。製造中に、三角形の頂点が丸くなり、三角形の縁部が完全な直線からわずかに外れる場合があることに注目する価値がある。ここで階段または三角回折格子の定義は、頂点が丸くなっている、または縁部が曲がっているとき、製造限界／誤差／欠陥による結果も含むはずである。

他の実施形態は、階段回折格子それ自体でない三角回折格子を用いてもよい。例えば、回折格子は、三角形の出っ張りの回折格子であってもよい。この回折格子の最適化は、階段回折格子の最適化と同様にして行うことができる。バイナリ回折格子設計、最適化によって理にかなった回折効率をもたらすこともできる。バイナリ回折格子に関連した問題の１つは、より高い回折次数に対して、より高い効率となることである。それにもかかわらず、特定の回折格子間隔および入射角に関連して理にかなった回折効率をもたらすことができる任意のタイプの三角回折格子が、本明細書に記載されるようなプローブに使用することができる。

したがって、いくつかの実施形態では、回折格子の最適化は、図１２Ａおよび図１２Ｂならびに図１３Ａおよび図１３Ｂによって説明することができる。これらの図では、プローブの屈折率ｎｉ＝１．５であり、回折される空間媒体はｎｄ＝１．０の屈折率を有すると推定され、図示されるようなパラメータの各々は、最適化することができる。これらの最適化では、三角形の一縁部は、プローブ軸Ｏｘと平行と仮定される。したがって、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すような未知の「ｙ」寸法は、回折格子間隔Λと回折格子高さｈと光入射角θの正接の値との積との差として計算される。

三角形の出っ張りである最適化された回折格子設計の１つが、図１４に示されている。この回折格子では、屈折率がｎｄ＝１およびｎｉ＝１．５と定められる場合、最適化された設計は、ｈ＝１およびａ１＝１をもたらす。この回折格子は、４００ｎｍから８００ｎｍで最小効率が６５％をもたらし、同じ範囲にわたって７５％よりも大きい平均効率を有する。

いくつかの実施形態では、Ｂ．Ｂａｉら、（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２０１０年１０月１日、４９（２８）：５４５４〜６４）によって説明されている回折格子製造方法が使用されてもよい。Ｂａｉは、ＥＢＬ、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、およびＵＶ複製などの知られている微細製造技法を用いて実現することができる傾いた出っ張り回折格子カプラの製造および複製を説明している

いくつかの実施形態では、Ｏ．Ｂａｒｌｅｖら、（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２０１２年１２月１日、５１（３４）８０７４〜８０）によって説明されている製造方法が、使用されることもできる。Ｂａｒｌｅｖは、深くて密集した溝を有する表面起伏共振領域回折格子を形成した。Ｂａｒｌｅｖは、「（ａ）電子ビームリソグラフィを用いて電子ビームレジスト層内に共振領域回折格子パターンを記録するステップと、（ｂ）記録された空間パターンを細かい金属マスクに転写するステップと、（ｃ）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技法を用いて金属マスクから共振領域回折格子の基板へ空間パターンを転写するステップ」を有するプロセスを使用した。これらおよび他の製造方法は、本発明が関係する当業者の知識内に十分あると考えられる。

増大したＦＯＶ
前述したように、いくつかの実施形態については、０次は反射される。したがって、この０次の光を再利用／リサイクルするのが有用である。０次の光は、ＦＯＶを増大させるために再利用することができる。図１７は、ＦＯＶを増大させるために０次反射光を再利用するように構成された階段回折格子の一実施形態を示す。−１次の光４２は、前方ビュー光として回折格子１６から外に出る。０次反射光３８は、例えば、内部全反射（ＴＩＲ）側壁または反射コーティング３０によってさらに反射され、内部で反射された０次光３９は、異なる角度でシステムに再び入り、反射４０として階段（ブレーズ）回折格子１６と再び相互作用する。この設計の場合、反射面３０は、光学的に平坦である、すなわち細かく磨かれているまたは射出成形されていることを必要とする。必要に応じて、射出成形部品が光学システム内で収差を補正するためにこの表面になだらかな曲線を導入することが可能である。図１７に示すように、−１次の光４２は、プローブの光軸Ｏｘに平行な回折格子１６から出て、前方ビュー光としての役割を果たす。他方で、反射４０（再利用の０次）の光は、光軸に対して負の角度で回折格子を出て、このようにして側面ビュー光としての役割を果たす。したがって、２つの検出ファイバ、すなわち、前方ビュー用のものと側面ビュー光用のものが、図１７のこの実施形態とともに使用されることが好ましい。限られた受光角のより、０次および−２次は、システム内で迷光を引き起こさない。対照的に、最適化された側壁３０を用いて適切に設計されているとき、回折格子は、ＦＯＶを増大させるために０次を使用することができる。

図１８は、光軸に実質的に平行なその側面の側壁表面３２を有する別の回折格子を示す。やはり、回折格子の側壁表面３２は、色収差補正のために、なだらかな曲線を有することが可能である。回折格子１６の第１の表面からの０次反射光３８は、入射光として働き、側壁表面３２と相互作用する。側壁表面３２は、第２の回折格子として形成することができ、第２の回折格子は、０次反射光３８を回折して回折光５０および回折光５２にすることができる。側壁表面３２（第２の回折格子）からの回折光５０および５２は、−１次、−２次等などの選択した次数に応じて、側面ビューのための、またはさらには後方ビューのための照明として機能する。図１８では、側壁３２によって回折される光は、−１次の光５２および０次の光５０として示される。しかしながら、壁３２（第２の回折格子）は、所望の照明角度で特定の所望の回折次数を回折させるように設計されることもできる。他方、図１８では、元の−１次の光４２は光軸に平行に伝搬し、前方ビュー光としての役割を果たす。やはり、２つの検出ファイバ、すなわち前方ビュー用のものと側面ビュー（または後方ビュー）用のものが、このシステムのために使用されることが好ましい。

図１７および図１８に示す回折格子の構成の組み合わせは、無指向性ＳＥＥプローブを可能にさせることができる。無指向性ＳＥＥプローブを実現するように構成されている回折格子の一例は、図１９に示されている。図１９によれば、回折格子１６の第１の表面から反射された０次反射光３８は、側壁表面３４と相互作用する。側壁表面３４は、第２の回折格子として設計され、この第２の回折格子が０次の光３８を回折して後方ビュー用の回折光５０にするとともに、側面ビューのための光３９も反射させるようになっている。反射光３９は、側方ビュー照明のために回折格子１６の第１の表面とやはり相互作用する。側壁表面３４（第２の回折格子）からの回折光５０は、０次、−１次、−２次等などの回折次数に応じて、後方ビューのための照明光として機能する。３つの検出ファイバは、図１９の場合に、すなわち１つは前方ビューのため、１つは側面ビューのため、および１つは後方ビューのために必要とされる。このようにして、真の無指向性ビューのプローブを最小数の光学要素を用いて提供することができる。

図１７〜図１９に示す設計は、たった１つの照明ファイバを備えた拡大ＦＯＶを提供する。１つまたは複数のさらなる照明ファイバを導入することによって、半分のＦＯＶの有効範囲をもっとさらに拡大するように回折格子をわずかに異なるように設計することが可能である。一例が図２０に示されており、ＳＥＥプローブ２００は、共通のシース２１０に配置された第１および第２の照明ファイバ１０ａおよび１０ｂと、第１および第２のＧＲＩＮレンズ１２ａおよび１２ｂと、第１および第２の回折格子１６ａおよび１６ｂとを備える。図２０のＳＥＥプローブ２００によれば、ＦＯＶの０°から３０°は、図２を参照して上述した前方ビュー設計によって含まれている。そして、ＦＯＶの３０°から８０°は、図７を参照して上述したものとして（負の回折角を除いて）側面ビュープローブ設計によって含まれている。上述したように、前方ビュープローブについては、回折格子間隔は、２．５μｍとすることができ、入射角は４９．６である。側面ビュープローブについては、回折格子間隔は０．５μｍであり、入射角は２５．４°である。バイナリ回折格子は、ここでは前方ビューと側方ビューの両方に使用され、これは−１次で最も高い回折効率のために最適化されている。

本発明者らは、図２０に示した前方プローブビューの設計を用いて得ることができる撮像品質を本明細書においてシミュレートした。計算されたスポットダイアグラムおよびＲＭＳ波面誤差は、撮像品質が前方ビュープローブの回折限界に近い（それではない）ことを示した。したがって、本明細書において提供される方法によるさらなる最適化は、この回折格子が回折限界に到達することをさらに最適化する。図２０のシミュレートされた側面ビュープローブについては、回折限界の撮像は、０．６３μｍあたりを中心とした波長範囲において達成することができた。

図２０の設計に従ったプローブが、作製され、検査を受けた。側面ビュープローブセクションは、３０°未満のボイドスペースを有するＦＯＷを有し、このＦＯＶのボイドスペースは、図２０に示すように、前方ビュープローブ設計によって満たされる。本発明者らによって行われた検査は、取得した画像が歪んでいるという結果となった。しかしながら、そのような歪みは、知られている画像処理アルゴリズムを用いて後で数的に補正することができる。走査用モータの限界により、本発明者らは、約７０°の角度範囲だけを走査することができた。完全な円は、モータを修正し回転接合を導入することで適切に走査することができた。表５は、図２０に示すＳＥＥプローブ２００の構成を用いて得られた撮像波長およびＦＯＶ角を要約する。

回折格子における反射の最小化
図１１に示す階段回折格子設計の代替回折格子設計を、図２２Ａおよび図２２Ｂを参照して説明する。この設計は、低い反射率および高い透過回折について最適化される。図２２Ａは、回折格子平面に直交する光軸に沿った平面回折格子の破断図を示す。この設計については、４００２は回折格子の平面であり、４００１は階段回折格子の物理的な縁部（形状）である。プローブの光軸（Ｏｘ）は符号４００３として示され、光軸に平行な前方方向の光（回折光）は矢印４００４として示されている。図の左上部分は、屈折率（ｎｉ）のプローブスペーサ材料であり、ただしｎｉ＝１．５である。図の右下部分は、屈折率（ｎｄ）を有する空気または回折空間媒体と仮定され、ただし、ｎｄ＝１．０である。この設計については、４１５から８３０ｎｍあるいは同様の範囲の波長範囲が考えられる。回折格子は、以前に示した実施形態について、かつ特定の波長λo＝４１５ｎｍについて、式（１）から（４）に従う。波面４００８を伴う反射光線４００６（ａ）および４００６（ｂ）は、回折格子の上側リッジ４０１０における散乱から波を結合することによって引き起こされる反射である。波面４００９を伴う射光線４００７（ａ）および４００７（ｂ）は、回折格子の下側リッジ４０１１における散乱によって引き起こされる反射である。回折格子の形状は、反射波面４００８および４００９が互いに弱め合う干渉をするように最適化されており、それによって反射の影響は小さくなる。この最適化のために、光線４００６（ｂ）および４００７（ａ）の光学的な経路差（ｐａｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）は、以下に説明するように計算される。

図２２Ｂにおいて、ビーム４１０７および４１０６が左から移動するとき、経路差は、等位点４１１１および４１１０からの経路を用いて計算することができることが理解できた。点４１１１から点４１１２へのビーム４１０７の経路１は、
経路１＝−ｎ_iΛｃｏｓθ_iｃｏｓ２θ_iｔａｎγ （５）
である。

点４１１０から点４１１３までのビーム４１０６の経路２は、以下の通りである。

Λは回折格子のピッチであり、格子定数Ｇの逆である。弱め合う干渉を有するために、２つの光線または波面の間の経路差は、波長および半波長の整数の倍数に等しい経路長を有さなければならない。この波長は、前方伝搬の波長λo＝４１５ｎｍから独立して選ぶことができる。

角γは、屈折に関するスネルの法則から以下の通りに決定される。

これらの式を用いて、例示的な一設計は、表６にまとめられる。この実施形態については、最短波長４１５ｎｍが反射を最小にするために選ばれ、したがってこの波長における透過回折を最大にする。経路差は、４１５ｎｍの波長の１．５倍である６２２．５ｎｍである。一例の回折格子についての厳密結合波理論（ＲＣＷＡ）の計算は、ＴＭ光とＴＥ光の両方について良好な効率を与える。この例では、ＴＥの効率は、０．６（４００ｎｍ）から０．３（８００ｎｍ）の間である。ＴＭ光については、効率は、約０．５からわずかに０．１を超えるまでの範囲である。

反射を最小にする回折格子設計の別の例示的な実施形態は、図１２Ａおよび図１２Ｂを用いて説明され、プローブおよびシステムは、図２を参照して以前に説明したように、前方ビューイメージングモードで働くことができる。この設計は、図２と同様に低い反射率および高い透過回折について最適化されているが、より高い回折効率のために回折格子のブレーズ角度でも最適化されている。図１２Ａおよび図１２Ｂは、光軸に沿っているとともに回折格子の平面に直交する平面回折格子の破断図を示す。これらの図は、説明を容易にするために、回折格子構造の一部を見るために大きく拡大されている。回折格子は、局所的に平坦な表面および直線的に定められた縁部を有するものとして示されるが、本発明の様々な実施形態は、平らな表面およびわずかに湾曲した（凹または凸）表面に適用することができることに留意されたい。

図１２Ａに示す設計については、４４０２は回折格子の平面であり、４４０１はステップ（階段）回折格子の物理的な形状（縁部）である。プローブの光軸Ｏｘは、４４０３に示されており、光軸に平行な前方方向の光は、４４０４によって示されている。図１２Ａおよび１２Ｂに示す実施形態の平面は、ブレーズド回折格子を形成するようにこの回折格子に対してブレーズド角度αで意図的に傾けられており、それによって屈折に関するスネルの法則は、ビーム４４１２にも当てはまり、ビーム４４１３の方向に屈折および回折する。そのような条件の式は、以下の通りである。
これは、以下と同じである。

図の左上部分は、屈折率ｎ_i＝１．５のプローブスペーサ材料である。図の右下部分は、屈折率ｎ_d＝１．０を有する空気または回折空間媒体と仮定される。この設計については、波長範囲４１５から８３０ｎｍが使用される。回折格子は、特定の回折波長λo＝４１５ｎｍの場合、以前に示した実施形態の式（１）から式（４）に従う。さらに、ブレーズド角度は、λo以外の波長について独立して選ぶことができる。

図１２Ａでは、波面４４０８を伴う反射光線４４０６（ａ）および４４０６（ｂ）は、回折格子の上側リッジ４４１０おける散乱から波を結合することによって引き起こされる反射である。波面４４０９を伴う反射光線４４０７（ａ）および４４０７（ｂ）は、回折格子の下側リッジ４４１１における散乱によって引き起こされる反射である。回折格子の形状は、反射波面４４０８および４４０９が互いに弱め合う干渉をするように最適化されており、それによって反射の影響は小さくなる。この最適化のために、光線４４０６（ｂ）および４４０７（ａ）の光学的な経路差は、以下に説明するように計算される。

図１２Ｂに示すように、ビーム４５０７および４５０６が、左から移動するとき、経路差は、等位点４５１４および４５１０からの経路を用いて計算することができる。

点４５１４から点４５１２までのビーム４５０７の経路１は、以下の通りである。
経路１＝−ｎ_iΛｃｏｓθ_iｃｏｓ２θ_i（ｔａｎα＋ｔａｎγ） （１１）

点４５１０から点４５１３までのビーム４５０６の経路２は、以下の通りである。

Λは回折格子のピッチであり、格子定数Ｇの逆である。弱め合う干渉を有するために、２つの光線または波面の間の経路差は、波長および半波長の整数の倍数に等しい経路長を有さなければならない。やはり、この波長は、前方伝搬の波長λo＝４１５ｎｍから独立して選ぶことができる。

角度γは、点４１１２における屈折に関するスネルの法則から以下の通りに決定される。

階段回折格子、回折格子ステップ、および回折光線の構成により、ほんのいくつかの条件が存在し、これは、回折格子における反射の影響を最小にすることが満足されなければならない。

これらの式を用いて、例示的な一例の設計は、以下に示される表７にまとめられる。この実施形態については、中心波長λ_c＝６２２．５ｎｍが反射を最小にするために選ばれ、したがって前方方向におけるこの波長における透過回折を最大にする。経路差は、選ばれた波長の１．５倍である９３３．７５ｎｍである。全波長にわたって回折効率全体を向上させるために、λｃ＝６２２．５ｎｍの中心波長は、ブレーズ角度最適化にも使用される。表７の設計パラメータを用いたこの実施形態の回折格子についての厳密結合波理論（ＲＣＷＡ）の計算は、約０．４の効率を与える。この実施形態のこのパラメータを有する回折格子の効率は、受け入れ可能であり、より高いＴＥを有し、８００ｎｍでＥｍａｘ＝０ ５６およびｍｉｎ＝０．３である。ＴＭは、青色λで同様の最大を有するとともに（８００ｎｍで）ｍｉｎが０．２である。完全なスペクトル範囲にわたっての全体の回折効率は、−１次回折の場合、表６を参照して説明すると回折格子についてものよりも高い。

この設計では、視野（ＦＯＶ）は、追加の次数の光（例えば、反射した０次を用いることによって拡大することができる。上述したように無指向性のプローブ設計を有することさえも可能である。

この実施形態および他の実施形態では、ずっと大きい間隔（例えば、Λ＞１．５μｍ）を有する回折格子は、より大きいＦＯＶを有する側方ビューのプローブについてのより高い回折次数（ｍ＞１）の組み合わせで使用することができる。我々の設計例では、５次回折を高めるためにブレーズド回折格子を使用する場合、２．５μｍ回折格子間隔の場合でも、より大きいＦＯＶ４７°を実現することが可能である。

いくつかの実施形態は、図１４に示すように、大きい出っ張りを有する回折格子を提供する。本明細書に記載されるとき本発明の様々な実施形態におけるある特定の利点は、これらの実施形態がプローブに関して利用できる直径を完全に使用する能力をもたらすので、走査方向およびスペクトル分光方向の一方または両方において従来のＳＥＥプローブに比べて、プローブは、改善された分解能を有することができることである。

本発明の様々な実施形態における別の特有の利点は、検出用ファイバまたはファイバの限られた受光角により、０次および−２次はあまりシステム内に迷光をもたらさないことである。これは、０次透過光を有さない本明細書に記載の多くの実施形態に関して特に真実である。多くの例では、０次反射光は、とても大きい角度におけるものであり、迷光をあまり引き起こさない。有利には、いくつかの実施形態において、０次反射光は、プローブのＦＯＶ角度を増大させるために再利用（再び方向づける）することができる。さらに有利には、回折格子のステップおよびブレーズは、反射光の弱め合う干渉を引き起こすことによって０次反射光の影響を最小にするように設計することができる。

イメージングシステム
本開示の例示的な一実施形態によるＳＥＥプローブから画像を取得するシステムは、図２３の図に示されている。図２３のシステム３０は、例えば、光源３７０と、検出器／分光計３８０と、光ファイバ回転接合（ＦＯＲＪ）３３０と、プローブ３０２と、画像処理コンピュータ３５０とを備える。光源３７０は、広帯域スペクトル（または他の電磁放射）の光を出力する。波長の範囲は、４００ｎｍから８００ｎｍまでである可視領域内であり得る。しかしながら、他の波長も使用可能である。例示的なイメージングシステム３００では、光は、直接ガイドすることができ、または他の方法で照明ファイバと呼ばれ得るファイバ３７２の中に供給することができる。照明ファイバ３７２は、ＦＯＲＪ３３０に接続することができ、シース３２０内のＦＯＲＪ３３０に接続される別の照明ファイバ３１０にさらにガイドされる（および／またはそれと関連付けられる）。照明ファイバ３１０の端部には、例示的なＳＥＥプローブ３０２を取り付けることができる。物体または試料（例えば、組織）から戻る散乱された光は、プローブ３０２によって集められ、検出ファイバ３１２へガイドすることができる。検出ファイバ３１２は、ＦＯＲＪ３３０を介して別の検出ファイバ３８２に接続することができる。検出ファイバ３８２は、コリメート用光学器機３８４を介して検出器／分光計３８０に接続することができる。検出器／分光計３８０は、選択した波長の強度を検出することができる。選択した波長を検出するこの例示的な機能は、分光計によって実行することができる。ＦＯＲＪ３３０内に収容される機械的走査ユニットによって回折方向に直交する方向３２８にプローブを機械的に走査することによって、物体の２次元画像を得ることができる。機械的走査は、照明ファイバ３１０および検出ファイバ３１２とともにプローブを回転させるために例えば、ガルバノスキャナまたはモータによって実行することができる。コンピュータ３５０は、システム３００の様々な部分を制御し動作させるように構成された１つまたは複数のマイクロプロセッサを備え、コンピュータ可読命令（プログラムコード）を実行して検出器／分光計３３０から得た信号に基づいて画像を再構成する。

いくつかの例示的な実施形態では、光源３７０から照明ファイバ３７２に広帯域光をガイドする代わりに、まず、光は、予め定められた波長λ₁、λ₂、．．．、λ_Nへ分散させられてもよい。例えば、波長λｉ（１≦ｉ≦Ｎ）を有する光は、多重化方式で照明ファイバ３７２に入力されてもよい。入力光は、接合（ＦＯＲＪ３３０）、照明ファイバ３１０、プローブ３０２から試料へ供給され、プローブ３０２、検出ファイバ３１２、接合（ＦＯＲＪ３３０）、検出ファイバ３８２を介して集められ、検出器／分光計３８０へガイドされてもよい。適宜、個々の波長λｉの光を用いて撮像する場合、入力光が波長λｉを有するので、検出器／分光計３８０は、光検出器などの単純な光強度検出器であってもよく、またはそれを含んでもよい。１からＮまでｉを変えることにより、単純な強度光検出器またはラインセンサを用いることによって、１次元ライン画像を得ることができる。機械的にラインを走査することによって、物体の２次元画像を取得することもできる。

ＦＯＲＪ３３０は、任意であってもよい。光接合（ＦＯＲＪ３３０）の役割の１つは、照明ファイバ３１０および検出ファイバ３１２を含むプローブ３０２を取り外し可能にさせることであり得る。この例示的な機能に関して、プローブ３０２は、廃棄可能とすることができ、したがって人間用の無菌プローブの「その場」使用が、撮像動作が実行されるたびに行うことができる。

本明細書中に説明および図示される様々な例示的なＳＥＥプローブは、参照軸に沿って光をそらせ、前方ビューを容易にすることができる。例示的なプローブは、静止保持することができ、または回転させることができ、プローブの回転は、２次元フロントビュー画像およびカラー画像の取得に特に役立つ。

例えば、検出ファイバ３１２は、フロントビュー型ＳＥＥプローブに取り付けることができるので、プローブの連続回転は、照明ファイバ３１０および検出ファイバ３１２をからまらせる可能性がある。したがって、いくつかの例示的な実施形態では、プローブは、例えば、＋／−約３６０度、順逆に回転することができる。他の例示的な実施形態では、例示的なプローブは、＋／−約１８０度、順逆に回転することができる。さらなる例示的な実施形態では、例えば、順回転および逆回転の９０度または２７０度などの他の度数の回転が使用されてもよい。

様々な例示的な実施形態によれば、マルチクラッドファイバが、照明ファイバ３１０と検出ファイバ３１２の両方にために利用されてもよい。マルチクラッドファイバは、光伝搬方向に応じてそれが異なるコア径を有するかのように機能することができる。したがって、そのようなマルチクラッドファイバは、照明ファイバおよび検出ファイバとして使用することができる。マルチクラッドファイバが「回転接合」に接続される場合、プローブの連続的な回転を行うことができる。

この例示的なイメージングシステム３００は、例えば、本明細書における様々な例示的な実施形態に説明されるような例示的なプローブとともに使用することができる。本明細書に記載の例示的なフロントビューＳＥＥプローブは、２つの例示的なタイプに分類される。あるタイプのプローブ、照明ファイバおよび検出ファイバを使用することができる。別のタイプのプローブは、たった１つファイバを使用することができ、これは、例えば、マルチクラッド（ダブルクラッド）ファイバであり得る。

本発明の様々な実施形態のいくつかの態様は、一時的または非一時的な記憶媒体に記録されているコンピュータ実行可能命令（例えば、１つまたは複数のプログラム）を読み出しとともに実行して上記の実施形態のうちの１つまたは複数の機能を実施し、および／または上記の実施形態のうちの１つまたは複数の機能を実施するための１つまたは複数の回路を含む１つまたは複数のコンピュータによって、ならびに例えば、上記の実施形態のうちの１つまたは複数の機能を実施するように記憶媒体からコンピュータ実行可能命令を読み出すとともに実行することによって、および／または上記の実施形態のうちの１つまたは複数の機能を実行するように１つまたは複数の回路を制御することによってシステムまたは機器のコンピュータによって実施される方法によって、実現することができる。例えば、コンピュータシステムは、イメージングプロセッサの一部であり、またはイメージングプロセッサに取り付けられ、イメージング検出器および任意の第２の検出器から受信した情報を取得および修正することができる。例えば、コンピュータシステムは、３つの異なる光のオーダを処理し、３つの異なるオーダからの画像に基づいてカラー画像を生成するために使用することができる。

したがって、検出器／分光計３８０は、コンピュータ３５０に接続することができ、コンピュータ３５０は、高品位マルチメディアインタフェース（ＨＤＭＩ）を介してこのイメージングプロセッサに接続されるイメージングプロセッサおよび１つまたは複数のディスプレイユニットを含む。適宜、別個のイメージサーバが、イーサネットケーブルまたは無線アクセスポイントを介して接続されたプロセッサに接続されている別のコンピュータユニットである。

図２４は、本明細書に記載のＳＥＥプローブの様々な実施形態に適用できる制御処理システムの概略ブロック図である。図２４に示すように、コンピュータ制御システムは、図２３に示すコンピュータ３５０の典型である。図２４では、コンピュータ３５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）４０１と、記憶メモリ（ＲＡＭ）４０２と、ユーザ入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース４０３と、システムインタフェース４０４とを備える。図２４によって説明されるコンピュータ３５０は、ユーザインタフェースユニット／構成４０３を介してイメージングシステム３００へ送信できる指令を発することができる。タッチパネルスクリーンは、ユーザインタフェースユニット／イメージングプロセッサの一部として含まれ得るが、キーボード、マウス、ジョイスティック、ボールコントローラ、およびフットペダルも、含まれ得る。ユーザは、ユーザインタフェースユニット／イメージングプロセッサを用いて例示的なフロントビューＳＥＥプローブを介して人体の内腔の内部を観察し始めるように指令することができる。例えば、ユーザがユーザインタフェース４０３を介して指令を入力するとき、この指令は、実行のために中央処理装置ＣＰＵ４０１へ送信され、それによってＣＰＵにシステムインタフェース４０４を介して光源３７０、検出器／分光計３８０、またはＦＯＲＪ３３０のうちの１つまたは複数に指令を発させる。

ＣＰＵ４０１は、記憶メモリ４０２に記憶されたコンピュータ可読命令を読み出して実行するように構成された１つまたは複数のプロセッサ（マイクロプロセッサ）で構成されている。コンピュータ可読命令は、本明細書に開示した新規のプロセス、方法、および／または計算の実行に関するプログラムコードを含むことができる。

コンピュータ３５０は、ノイズリダクション、座標歪み補正、コントラスト改善等などの例示的な画像処理を適用するようにプログラムできるイメージングプロセッサとして機能する。画像処理が実行された後または画像処理中に、データは、イメージングプロセッサからディスプレイ（図示せず）へ送信することができる。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、ディスプレイであり得る。ディスプレイは、例えば、本開示の様々な例示的な実施形態による単色または合成カラー画像から得られる個々の画像を表示することができる。ディスプレイは、観察の日付、人体の一部が観察されているもの、患者の名前、オペレータの名前等などの画像以外の他の情報を表示することもできる。

ＣＰＵ４０１は、記憶部／ＲＡＭ４０２に記憶されたコンピュータ可読命令を読み出して実行するように構成されている。コンピュータ可読命令は、本明細書に記載の方法および／または計算の実行のためにそれらを含むことができる。例えば、ＣＰＵ４０１は、ＳＥＥプローブの角運動量または回転速度を計算することができ、その情報（回転速度または角運動量）を使用してＦＯＲＪを動作させることができる。このように、コンピュータ３５０は、その角度位置が補正されている新しい画像セットを得ることができる。記憶部／ＲＡＭ４０２は、１つまたは複数のコンピュータ可読および／または書き込み可能媒体を備えるとともに、例えば、磁気ディスク（例えば、ハードディスク）、光ディスク（例えば、ＤＶＤ、ブルーレイ）、光磁気ディスク、半導体メモリ（例えば、不揮発性メモリカード、フラッシュメモリ、固体ドライブ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどを含むことができる。記憶部／ＲＡＭ４０２は、コンピュータ可読データおよび／またはコンピュータ可読命令を記憶することができる。プロセッサのコンポーネントは、バスを介して通信することができる。

システムＩ／Ｏインタフェース４０４は、キーボード、ディスプレイ、マウス、印刷装置、タッチスクリーン、光ペン、光記憶装置、スキャナ、マイクロフォン、カメラ、ドライブ、通信ケーブル、およびネットワーク（有線または無線）が含まれ得る入出力デバイスへの通信インタフェースを提供する。

システムＩ／Ｏインタフェース４０４も、入出力デバイスへの通信インタフェースを提供する。検出器は、例えば、光電子倍増管（ＰＭＴ）、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード検出器（ＡＰＤ）、電荷結合素子（ＣＣＤ）、マルチピクセルフォトンカウンタ（ＭＰＰＣ）、または他のものを含むことができる。また、検出器の機能は、記憶部／ＲＡＭ４０２に記録されたコンピュータ実行可能命令（例えば、１つまたは複数のプログラム）によって実現することができる。

例示的な動作では、ユーザは、例示的なＳＥＥプローブをシースに中に配置したことができ、次いでそのような装置／構成を人体の予め定められた位置に挿入することができる。シース単独が、前もって人体に挿入されてもよく、シースの挿入後にＳＥＥプローブをシースに挿入することが可能である。例示的なプローブは、人体の内部で観察するために使用することができ、関節鏡、気管支鏡、副鼻腔鏡、血管内視鏡などの内視鏡として働く。

定義
説明を参照するのに際して、開示した例を十分に理解するために具体的な詳細が説明される。他の例では、よく知られている方法、手順、コンポーネント、および回路については、本開示を必ずしも長くする必要がないので詳細には説明していない。

要素または部分が、別の要素または部分の「の上」、「に対して」、「に接続される」、または「に結合される」と本明細書において言及している場合、要素または部分は、他の要素または部分の上に直接あってもよく、他の要素または部分に直接対してもよく、他の要素または部分に直接接続または結合されてもよく、あるいは要素または部分に介在するものが存在してもよいことを理解されたい。逆に、要素が別の要素または部分の「直接上」、別の要素または部分に「直接接続される」、または別の要素または部分に「直接結合される」ことを指している場合、介在する要素または部分は存在しない。使用されるとき、「および／または」という用語は、そのように与えられる場合、関連して列挙した項目のうちの１つまたは複数のいずれかおよび全ての組み合わせを含む。

「下」、「真下」、「下方」、「下側」、「上方」、「上側」、「近位」、「遠位」などの空間的に相対的な用語は、様々な図に示されるようにある要素または特徴と別の要素または特徴の関係を説明するのを容易にするために本明細書に使用され得る。しかしながら、空間的に相対的な用語は、図に示した向きに加えて使用または動作時に装置の異なる向きを含むことが意図されることを理解されたい。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下方」または「真下」として記載された要素は、そのときこの他の要素または特徴の「上方」に向けられる。したがって、「下方」などの空間的に相対的な用語は、上方と下方の向きの両方を含み得る。装置は、他のやり方で向けられてもよく（９０度または他の向きで回転されてもよく）、明細書に使用される空間的に相対的な説明は、それに応じて解釈されるべきである。同様に、空間的に相対的な用語は、「近位」および「遠位」は、適用された場合、適用可能な場合、交換可能とすることもできる。

本明細書に使用されるとき、「約」という用語は、例えば、１０％以内、５％以内、それ以下を意味する。いくつかの実施形態では、「約」という用語は、測定誤差の範囲内を意味し得る。

「実質的に」という用語は、本明細書に使用されるとき、製造パラメータおよび／または測定誤差の範囲内であることを意味する。

第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、コンポーネント、領域、部分、および／またはセクションを説明するために本明細書中で使用される場合がある。これらの要素、コンポーネント、領域、部分、および／またはセクションは、これらの用語に限定されるべきではないことを理解されたい。これらの用語は、ある要素、コンポーネント、領域、部分、またはセクションを、別の領域、部分、またはセクションと区別するためにのみ使用されてきた。したがって、以下に説明される第１の要素、コンポーネント、領域、部分、またはセクションは、本明細書中の教示から逸脱することなく、第２の要素、コンポーネント、領域、部分、またはセクションと名付けられ定義もよい。

本明細書において使用されている専門用語は、特定の実施形態の説明するためのものに過ぎず、限定することを意図したものではない。本明細書において使用されとき、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」という単数形は、文脈上特段明確に示していない限り、複数形をも含むことが意図される。「備える、含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／または「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書において使用されるときには、記述されている特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および／または明示的に述べられていないこれらの群の存在もしくは追加を排除するものではないことをさらに理解されたい。

前述したものは、本開示の原理を示すものに過ぎない。説明している例示的な実施形態への様々な修正および変更は、本明細書中の教示に鑑みて当業者に明らかであろう。実際には、本開示の例示的な実施形態による配置、システム、および方法は、任意のＳＥＥシステム、または他のイメージングシステム、例えば、米国特許第６，３４１，０３６号、第７，７９６，２７０号、第７，８４３，５７２号、第７，８５９，６７９号、第８，０４５，１７７号、第８，１４５，０１８号、第８，７８０，１７６号、および第８，８１２，０８７号、ならびに米国特許出願第２００８／００１３９６０号、および第２０１１／０２３７８９２号、ならびにＰＣＴ国際公開ＷＯ２０１５／１１６９５１、およびＷＯ２０１５１１６９３９に記載されているものとともに使用することができ、これらの開示は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。

図面に示された例の実施形態を説明する際に、特定の専門用語が明確化のために用いられる。しかしながら、本特許明細書の本開示は、そう選択される特定の専門用語に限定されることは意図しておらず、各特定の要素は、同様のやり方で動作する全ての技術的な均等物を含むと理解されたい。

例示的な実施形態を参照して本開示を説明してきたが、本開示は、開示した例示的な実施形態に限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲は、全てのそのような修正および均等な構造および機能を含むように最も広い解釈が与えられるべきである。

Claims (23)

1. 光ガイドコンポーネントと、
   光集束コンポーネントと、
   回折格子コンポーネントと、
   を備えたプローブであって、
   前記プローブは、前記光ガイドコンポーネントからの光を、前記光集束コンポーネントを通じて前記回折格子コンポーネントへ前記プローブの光軸の方向にガイドし、次いで前記光ガイドコンポーネントと前記回折格子コンポーネントの間に中間的な反射がない状態で、前記回折格子コンポーネントからのスペクトル的な分散光を試料に進めるように構成されているプローブ。
2. 前記回折格子コンポーネントは、三角回折格子を備える、請求項１に記載のプローブ。
3. 前記プローブは、スペクトル符号化内視鏡検査（ＳＥＥ）プローブである、請求項１に記載のプローブ。
4. 前記回折格子コンポーネントは、前記プローブの光軸の前記方向に実質的に直交する第１の表面と前記プローブの光軸の前記方向に実質的に平行な第２の表面とを有する三角回折格子を備え、
   前記回折格子コンポーネントは、以下の式、
   を満足し、
   ただし、ｍは、前記回折格子コンポーネントの回折次数であり、Ｇは、前記回折格子コンポーネントの空間周波数であり、λは、前記回折格子コンポーネントへの入射光の波長であり、λoは、前記回折格子コンポーネントによって回析される光の特定の波長であり、ｎ_iおよびｎ_dは、前記入射光および回折光それぞれの屈折率であり、θ_iは、前記回折格子コンポーネントへの前記入射光の入射角であり、θ_dは、前記回折格子コンポーネントによって回折させられた前記光の回折角である、請求項１に記載のプローブ。
5. ４００ｎｍから１０００ｎｍの間の波長を有する前記回折格子コンポーネントから回析された光は、実質的に０次コンポーネントを有さない、請求項１に記載のプローブ。
6. 前記回折格子コンポーネントは、前記プローブの光軸の前記方向に実質的に直交する第１の屈折表面を備える、請求項１に記載のプローブ。
7. 前記回折格子コンポーネントは、前記プローブの光軸の前記方向に実質的に平行な第２の屈折表面を備える、請求項６に記載のプローブ。
8. 前記回折格子コンポーネントは、透過された回折光の次数のうちの１つまたは複数を高めるように構成された透過性回折格子である、請求項１に記載のプローブ。
9. 前記回折格子コンポーネントは、回折光の４次、５次、および６次を高めるように構成されている、請求項８に記載のプローブ。
10. 前記回折格子コンポーネントは、階段設計を有する、請求項８に記載のプローブ。
11. 前記光集束コンポーネントは、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ、またはボールレンズである、請求項１に記載のプローブ。
12. 前記プローブは、可視光をガイドおよび回折するように構成され、入射角θ_iおよび回折角θ_dをθ_i＝θ_dであるように有する前記可視光内の１つの波長がある、請求項１に記載のプローブ。
13. 前記プローブは、可視光をガイドおよび回折するように構成されており、前記可視光の最短の波長は、前記プローブの光軸に実質的に平行な前記回折格子コンポーネントから伝搬する、請求項１に記載のプローブ。
14. 前記回折格子コンポーネントは、反射に関する弱め合う干渉によって、前記回折格子コンポーネントに入射する光の反射を最小にするように構成されている、請求項１に記載のプローブ。
15. 前記回折格子コンポーネントの側面に配置されている光学的に平坦である反射面をさらに備え、前記回折格子コンポーネントおよび前記反射面は、前記回折格子コンポーネントに０次反射光を戻すようにガイドするように構成されている、請求項１に記載のプローブ。
16. 前記試料から少なくとも１つの反射光を受け取るように配置および構成された検出ファイバをさらに備える、請求項１に記載のプローブ。
17. 前記試料から反射光を受け取るように配置および構成された、少なくとも２つの検出ファイバをさらに備え、
    少なくとも１つの検出ファイバは、前記プローブの光軸に実質的に沿った前記試料上の位置から少なくとも１つの反射光を受け取るように配置および構成され、少なくとも１つの検出ファイバは、前記プローブの光軸に対して実質的に角度付けされた前記試料上の位置から少なくとも１つの反射光を受け取るように配置および構成されている、請求項１に記載のプローブ。
18. 前記回折格子コンポーネントの側面に配置された第２の回折格子コンポーネントをさらに備える、請求項１７に記載のプローブ。
19. 前記第２の回折格子コンポーネントは、前記回折格子コンポーネントによって反射された０次の光を回折させるように配置および構成され、
    前記プローブの光軸に対して実質的に角度付けされた前記試料上の位置から少なくとも１つの反射光を受け取るように配置および構成された前記検出ファイバは、その遠位端に回折格子を備える、請求項１８に記載のプローブ。
20. 回折格子間隔Λは、０．７５から１．２５μｍの間である、請求項１に記載のプローブ。
21. 回折格子間隔Λは、少なくとも１．５μｍである、請求項１に記載のプローブ。
22. 前記プローブの半分の視野（ＦＯＶ）は、４００から８００ナノメートルの間の波長を有する回折光について３０から８０度の間で角度付けされており、
    前記半分のＦＯＶの角度は、Δθ＝θ_d−θ_iとして定められ、θｉは前記回折格子コンポーネントへ入射する前記光の入射角であり、θ_dは前記回折格子コンポーネントにより回折させられた前記光の回折角である、請求項１に記載のプローブ。
23. 光ガイドコンポーネントと、
    光集束コンポーネントと、
    回折格子コンポーネントと、
    回転要素と、
    １つまたは複数の検出ファイバと、
    １つまたは複数の検出器と、
    前記１つまたは複数の検出器によって検出された回折光の複数の次数からの光を処理し、前記処理された光に基づいて単色画像または多色画像を形成するように構成された１つまたは複数のプロセッサと、
    を備えたシステムであって、
    前記光ガイドコンポーネント、光集束コンポーネント、および回折格子コンポーネントは、前記光集束コンポーネントを通じて前記回折格子コンポーネントへプローブの光軸の方向に前記光ガイドコンポーネントからの光をガイドするように構成されたプローブを形成し、次いで前記光ガイドコンポーネントと前記回折格子コンポーネントの間に中間的な反射がない状態で前記回折格子コンポーネントからのスペクトル的な分散光を試料に進めるように配置され、
    前記１つまたは複数の検出器は、前記試料から反射した回折光の複数の次数の光を検出するように構成されているシステム。