數值孔徑控制單元、可變光學探測器以及深度掃描方法

專利名稱：數值孔徑控制單元、可變光學探測器以及深度掃描方法
技術領域：
本公開涉及控制數值孔徑(NA)的數值孔徑(NA)控制單元、包括該NA控制單元的可變光學探測器以及利用該NA控制單元的深度掃描方法。
背景技術：
對于在人體皮膚組織的下層上進行精確斷層掃描的技術的需求以及對于關于醫學成像領域中人體皮膚組織的信息的需求正在增加。特別地，由于大部分癌癥開始于上皮的下部細胞中并擴展到皮下組織(其中存在血管) 的細胞中，如果能夠檢測早期的癌癥，就能夠極大地減少由癌癥引起的傷害。在現有的成像技術諸如磁共振成像(MRI)、x射線計算機斷層掃描(CO、超聲波掃描術等中，當光穿透到人體皮膚組織中時，可以對人體皮膚組織內部的層進行斷層掃描。然而，由于進行這樣的成像技術的裝置的分辨率低，可能不能檢測腫瘤較小的早期癌癥。另一方面，在已經于近期引入的光學相干斷層掃描(OCT)技術中，光穿透到皮膚中的深度為約2mm至約3mm，因此與現有的成像方法相比該深度較小。進行OCT技術的裝置的分辨率為超聲裝置的約10倍，因此與進行其他現有成像方法的裝置相比較高。因此，已經開展了致力于通過OCT來檢測早期癌癥的研究，其中的腫瘤尺寸為約50 μ m至約ΙΟΟμπι。然而，由于進行這樣的OCT技術的裝置的分辨率低于顯微鏡的分辨率，所以OCT技術不能替代在檢測癌癥中實際使用的活組織檢查和組織學。一些OCT研究者近來開展了研究，通過結合OCT和高分辨表面斷層掃描諸如共焦顯微鏡檢查的特性，其最終目標是實時進行組織內部的癌癥診斷而不用進行活組織檢查。然而，顯微鏡要具有一套光學系統，該系統具有相對高的數值孔徑(NA)從而在水平方向實現相對高的分辨率，而OCT裝置需要具有一套光學系統，該系統具有相對低的NA以在深度方向具有相對均勻的斑點尺寸，也就是相對大的聚焦深度(D0F)，從而獲得深度信息。

發明內容
本發明提供了通過選擇性地或同時地進行聚焦調整和數值孔徑(NA)控制來控制數值孔徑(NA)的數值孔徑(NA)控制單元、包括該NA控制單元的可變光學探測器以及利用該NA控制單元的深度掃描方法。額外的方面將部分地在以下的描述中給出，并將部分地從該描述而顯然，或者可以通過實踐給出的實施例而習知。根據本發明的一方面，一種數值孔徑(NA)控制單元包括孔徑調節單元，調節光透射穿過的孔徑；以及聚焦控制單元，設置在關于孔徑調節單元的預定位置，聚焦穿過孔徑的光并具有可調節的焦距。孔徑調節單元可以包括機械光闌，其孔徑尺寸被機械地調節。孔徑調節單元可以包括液體光闌，其孔徑尺寸利用液壓來調節。孔徑調節單元可以包括液體光闌，其孔徑尺寸利用微電流體法來調節。孔徑調節單元可以包括腔室，形成流體在其中流動的空間；第一流體和第二流體，容納在腔室中，彼此不混合，它們中的一個由具有光透射性質的材料形成，另一個由具有光阻擋性質或光吸收性質的材料形成；以及電極部分，設置在腔室內部，該電極部分中布置有一個或多個電極，電壓施加到該一個或多個電極從而在腔室中形成電場，光通過其透射的孔徑由電場引起的第一流體與第二流體之間的界面位置的變化來調節。第一流體和第二流體中的一個可以包括液體金屬或極性液體,第一流體和第二流體中的另一個可以包括氣體或非極性液體。腔室的區域可以包括第一通道；第二通道，設置在第一通道上方并連接到第一通道，孔徑的范圍通過在第一通道和第二通道的每個中發生的第一流體與第二流體之間的界面位置的變化來限定。第一通道可以通過如下形成第一基板，電極部分設置在第一基板上；第二基板，與第一基板間隔開并具有形成在第二基板的中央部分中的第一通孔以及形成在第二基板的周邊部分中的第二通孔；以及第一間隔物，設置為形成第一基板與第二基板之間的內部空間。第二通道可以通過如下形成第二基板；第三基板，與第二基板間隔開；以及第二間隔物，設置為形成第二基板與第三基板之間的內部空間。聚焦控制單元可以包括液晶透鏡，其中液晶被施加電場梯度以引起折射率梯度從而調節液晶透鏡的焦距。聚焦控制單元可以包括液體透鏡，該液體透鏡包括流體表面作為透鏡表面并通過使流體流動來調節該透鏡表面的形狀從而調節該液體透鏡的焦距。流體的流動可以由于電潤濕發生。聚焦控制單元可以包括第一流體，具有光透射性質和極性性質；第二流體，具有光透射性質并不與第一流體混合；腔室，具有容納第一流體和第二流體的內部空間；第一表面，其是第一流體與第二流體之間的邊界表面并形成透鏡表面；第二表面，其是第一流體與第二流體的邊界表面并引起透鏡表面的曲率的變化；第一中間板，設置在腔室中并具有第一通孔和第二通孔，該第一通孔限定對應于透鏡表面的透鏡的直徑，該第二通孔形成第二流體的路徑；以及電極部分，形成電場從而改變第二表面的位置。第一流體可以包括極性液體，第二流體可以包括氣體或非極性液體。根據本發明的另一方面，通過在深度方向上掃描樣品來照射光的深度掃描法包括通過利用數值孔徑(NA)控制單元同時改變焦距和孔徑尺寸來保持預定的數值孔徑(NA)。根據本發明的另一方面，一種可變光學探測器包括光透射單元；準直器，將透射穿過光透射單元的光準直為平行光；NA控制單元，將光聚焦在要被檢查的樣品上；以及掃描器，改變透射穿過光透射單元的光的路徑，使得樣品的預定區域被經過NA控制單元的光來掃描。光透射單元可以包括光纖。掃描器可以包括致動器，該致動器設置在光纖的一端上并引起光纖的變形以改變光的路徑，或者掃描器可以包括微機電系統(MEMS)掃描器,該MEMS掃描器通過驅動反射鏡表面來改變光的路徑。根據本發明的另一方面，一種圖像診斷系統包括光源單元；可變光學探測器，用于將從光源發射的光掃描在要被檢查的組織上；以及檢測器，由從該組織反射的光來檢測組織的圖像。根據本發明的另一方面，一種通過利用圖像診斷系統來檢測圖像的方法包括利用預定的數值孔徑(NA)值來控制NA控制單元，使得光聚焦在距離組織表面的第一深度上；掃描第一深度的預定區域并檢測圖像；控制聚焦控制單元使得聚焦控制單元的焦距增大并且光聚焦在距離組織表面的第二深度上，并控制孔徑調節單元的孔徑尺寸使得預定的NA值被保持；以及掃描第二深度的預定區域并檢測圖像。根據本發明的另一方面，一種圖像診斷系統包括光源單元，發射光；孔徑調節單元，調節從光源單元發射的光所透射穿過的孔徑；聚焦控制單元，設置在距離孔徑調節單元的預定位置，將經過孔徑的光聚焦在樣品上，并具有可調節的焦距；以及檢測器，由從樣品反射的光來檢測樣品的圖像，其中數值孔徑(NA)通過控制孔徑調節單元和聚焦控制單元來控制，獲得樣品的深度圖像而沒有改變樣品與聚焦控制單元之間的距離。孔徑調節單元可以包括孔徑尺寸被機械地調節的機械光闌、孔徑尺寸利用液壓調節的液體光闌、或者孔徑尺寸利用微電流體法調節的液體光闌。聚焦控制單元可以包括液體透鏡，該液體透鏡將流體表面定義為透鏡表面并通過使流體流動來調節透鏡表面的形狀，從而改變液體透鏡的焦距。流體流動可以由于電潤濕或以加壓的方式而發生。聚焦控制單元可以包括液晶透鏡，該液晶透鏡中的液晶被施加電場梯度以弓I起折射率梯度從而調節液體透鏡的焦距。圖像診斷系統還可以包括掃描器，該掃描器將從光源單元發射的光掃描在樣品的預定水平區域中。根據本發明的另一方面，一種圖像診斷方法包括從光源單元發射光；控制數值孔徑(NA)并將光聚焦在樣品的預定位置上；以及檢測從樣品反射的光。該圖像診斷方法還可以包括分開從光源單元朝向樣品發射的光的路徑與從樣品反射的光的路徑。該圖像診斷方法還可以包括將從光源單元發射的光調制為預定的相干光。將從光源單元發射的光調制為預定的相干光可以包括將從光源單元反射以朝向參考反射鏡照射的光中的一些分開以及利用從參考反射鏡反射的光來形成干涉光。該圖像診斷方法還可以包括對由檢測器檢測的信號進行信號處理以產生圖像信號。


從以下結合附圖對實施例的描述，這些和/或其他的方面將變得明顯并更易于理解，在附圖中圖1A和圖1B示出根據本發明示范性實施例的具有不同NA值的數值孔徑(NA)控制單元的示意結構；圖2是用于解釋水平分辨率與聚焦深度(DOF)之間的關系根據由聚焦光學構件定義的NA的概念圖；圖3示出根據本發明示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元中的孔徑調節單元；圖4示出根據本發明另一示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元中的孔徑調節單元；圖5示出根據本發明示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元中的聚焦控制單元；圖6示出根據本發明另一示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元中的聚焦控制單元；圖7示出根據本發明另一示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元中的聚焦控制單元；圖8A至圖8C示出根據本發明示范性實施例的利用圖1A和圖1B所示的NA控制單元的深度掃描方法，通過該方法，在樣品中的不同深度處保持相同的水平分辨率； 圖9示出根據本發明示范性實施例的可變光學探測器的示意結構；圖10示出根據本發明另一示范性實施例的可變光學探測器的示意結構；圖11示出根據本發明另一示范性實施例的可變光學探測器的示意結構；圖12示出根據本發明另一示范性實施例的可變光學探測器的示意結構；圖13A和圖13B是根據本發明示范性實施例的圖像診斷系統的示意結構的方框圖；圖14示出用于解釋根據本發明示范性實施例的圖13A和圖13B所示的圖像診斷系統的各種操作模式的設計窗口 ；以及圖15是示出根據本發明示范性實施例的利用圖13A和圖13B所示的圖像診斷系統來檢測圖像的方法的流程圖。
具體實施例方式現在將詳細參照實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中相似的附圖標記始終指代相似的元件。就此而言，本發明的實施例可以具有不同的形式，而不應被解釋為限于這里給出的描述。因而，以下通過參照附圖僅描述實施例來解釋本說明書的多個方面。在附圖中，為了清晰和方便，元件的尺寸可以被夸大。如這里所用的，術語“和/或”包括一個或多個所列相關項目的任何及所有組合。諸如“…中的至少一個”的術語，當用于一列元件時，修改了元件的整個列表，單不修改該列表的單個元件。圖1A和圖1B示出根據本發明示范性實施例的具有不同NA值的數值孔徑(NA)控制單元1000的示意結構。參照圖1A和圖1B，NA控制單元1000包括孔徑調節單元VA，其中調節光所透射穿過的孔徑；以及聚焦控制單元VF，聚焦透射穿過孔徑的光并具有可調節的焦距。孔徑調節單元VA調節光所透射穿過的孔徑，從而調節從其透射穿過的入射光束的直徑。例如，當孔徑調節到Dl時，如圖1A所示，穿過孔徑調節單元VA的平行光束的直徑為D1，當孔徑被調節為D2時，如圖1B所示，穿過孔徑調節單元VA的平行光束的直徑為D2。孔徑調節單元VA可以是孔徑尺寸被機械地調節的機械光闌、或者孔徑尺寸利用液壓諸如泵等調節的液體光闌。此外，孔徑尺寸利用微電流體(micro-electrical fluid)法調節的液體光闌可以用作孔徑調節單元VA。以下將描述液體光闌的詳細結構。
聚焦控制單元VF設置在關于孔徑調節單元VA的預定位置處并聚焦穿過孔徑的光。聚焦控制單元VF包括透鏡表面以改變光的形狀，聚焦控制單元VF改變透鏡表面以調節聚焦控制單元VF的焦距。例如，如圖1A所示，透鏡表面的曲率可以被調節使得焦距控制單元VF具有焦距fl,或者如圖1B所示,透鏡表面的曲率被進一步減小使得聚焦控制單元VF具有更長的焦距f2。聚焦控制單元VF可以是液晶透鏡，其中液晶被施加電場梯度以引起折射率的梯度從而調節液晶透鏡的焦距。備選地，聚焦控制單元VF可以是液體透鏡，該液體透鏡包括流體表面作為透鏡表面并通過使液體流動來調節透鏡表面的形狀從而調節液體透鏡的焦距。根據如何使流體流動，液體透鏡可以是壓力型液體透鏡或電潤濕液體透鏡，以下將描述液體透鏡的詳細結構。如上所述，NA控制單元1000形成為使得孔徑和焦距兩者或者選擇性地使孔徑或焦距可以被調節使得可以產生一光束，該光束具有適于檢查該光束將要照射的物體的水平分辨率和聚焦深度(D0F)。以下將描述水平分辨率與DOF之間的關系。圖2是用于解釋水平分辨率與聚焦深度(DOF)之間的關系根據由聚焦光學構件FE
定義的NA的概念圖。當光束被聚焦時，它沒有被聚焦到無限小的點，而是具有有限的尺寸ΛΧ，Λχ由孔徑D和焦距f定義，如公式I所示。
4 λ fΔλ_ = — Λ-~( I )
π D其中Λχ與水平分辨率相關，當Λχ減小時，水平分辨率增大。如公式I所示，Δχ與f/D成比例。同時，NA與D/f成比例，當需要相對高的水平分辨率時，Λχ相對小，因此具有相對大的NA的光學系統將被提供。DOF是光束的直徑小于或等于^ Δ X的范圍并利用公式2定義OOF = ^7(Ax)2(2)
IADOF是束斑點尺寸沿深度方向相對均勻的范圍，當獲得深度圖像信息例如人體組織的斷層掃描圖像時，具有相對大的DOF也就是具有相對小的NA的光學系統將被提供。這樣，水平分辨率和DOF具有折衷的關系，因而，將實現具有適于檢查目的的NA的光學系統。圖1A和圖1B所示的NA控制單元1000可以通過包括孔徑調節單元VA和聚焦控制單元VF來控制其NA。因此，NA控制單元1000可以實現為適于檢查目的的光學系統。在下文將描述可以使用在NA控制單元1000中的孔徑調節單元VA和聚焦控制單元VF的各種示例。圖3示出根據本發明示范性實施例的可用于圖1所示的NA控制單元1000中的孔徑調節單元101。孔徑調節單元101可以形成為使得流體由于電潤濕而流動并且光透射穿過的孔徑A的尺寸根據該流體的流動來調節。孔徑調節單元101包括腔室，形成流體在其中流動的空間；第一流體Fl和第二流體F2，容納在腔室中，不彼此混合，它們中的一個由具有光透射性質的材料形成，另一個由具有光阻擋性質或光吸收性質的材料形成；以及電極部分，設置在腔室里面，其中布置一個或多個電極，電壓施加到該一個或多個電極從而在腔室中形成電場。光透射穿過的孔徑A由于由電場引起的第一流體Fl與第二流體F2之間的界面位置的變化來調節。具體地，腔室的區域包括第一通道Cl和第二通道C2，第二通道C2設置在第一通道Cl上方并連接到第一通道Cl。孔徑A的范圍由第一流體Fl與第二流體F2之間的界面位置的變化來限定，該變化發生在第一通道Cl和第二通道C2的每個中。第一通道Cl可以通過如下形成第一基板110 ;第二基板150，與第一基板110間隔開并具有形成在第二基板150的中央部分中的第一通孔THl以及形成在第二基板150的周邊部分中的第二通孔TH2 ；以及第一間隔物130，設置來形成第一基板110與第二基板150之間的內部空間。此外，第二通道C2可以通過如下形成第二基板150 ;第三基板190，與第二基板150間隔開；以及第二間隔物170，設置來形成第二基板150與第三基板190之間的內部空間。第一流體Fl和第二流體F2中的一個可以是液體金屬或極性液體，其中的另一個可以是氣體或非極性液體。電極部分包括第一電極部分120，形成在第一基板110上并包括用絕緣材料I涂 覆的一個或多個電極E ;以及第二電極部分180，形成在第三基板190上并包括用絕緣材料I涂覆的一個或多個電極E。第一電極部分120可以包括多個電極E從而以數字的方式控制孔徑A。接地電極部分R可以在腔室中的一個或多個位置保持與極性流體例如極性第一流體Fl接觸，并可以設置在第一基板110上，如圖3所示，但是不限于圖3所示的位置。包括第一電極部分120和第二電極部分180的電極部分可以由透明導電材料形成，例如，金屬氧化物諸如銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)等、由金(Au)、銀(Ag)等形成的金屬納米顆粒擴散薄層、碳納米結構諸如碳納米管(CNT)、石墨烯等、或導電聚合物諸如聚 3, 4-乙撐二氧噻吩(poly (3, 4-ethylenedioxythiophene), PED0T)、聚卩比咯(PPy)、聚(3-己基噻吩)(poly (3-hexylthiophene), P3HT)等。接地電極部分R根據其布置并不一定具有光透射性質，可以形成為由金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)等形成的金屬薄層。電潤濕現象是當沉積在用絕緣體涂覆的電極上的電解質液滴的接觸角由于施加到電解質液滴的電壓而變化時的現象。也就是，電解質液滴的接觸角由于在流體、液滴和絕緣體彼此接觸的三相接觸線(TCL)處的每個界面張力而變化。當利用電潤濕現象時，流體的流動可以利用低電壓快速且有效地調節，并且流體可以被可逆地傳輸和調節。當適當的電壓施加到第一電極部分120的一個電極E時，電機械力作用于被激活的驅動電極E上的TCL上，也就是在第一流體Fl、第二流體F2和絕緣材料I彼此接觸處的切線上，使得第一流體Fl通過第一通道Cl移動到腔室的中間部分，并且孔徑A可以減小。此外，當適當的電壓施加到第二電極部分180時，第一流體Fl通過第二通道C2移動到腔室的中央部分，第一通道Cl的TCL被向外推動到通道Cl的角落，孔徑A可以被擴大。當第一電極部分120包括多個電極E時，孔徑A的尺寸可以隨著電極E被激活和驅動而以數字的方式調節。圖4示出根據本發明另一示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元1000的孔徑調節單元102。圖4所示的孔徑調節單元102與圖3所示的孔徑調節單元101的不同之處在于，圖4的孔徑調節單元102還包括第三電極部分320和第四電極部分380，其設置在第二基板150的相反兩側上并由涂覆有絕緣材料I的一個或多個電極E形成。第三電極部分320與第一電極部分120 —起用于增大在第一通道Cl處產生的驅動力，第四電極部分380與第二電極部分180—起用于增大在第二通道C2處產生的驅動力。第三電極部分320和第四電極部分380的電極的數目不限于圖4所示的電極的數目。此外，盡管第三電極部分320和第四電極部分380分別設置在第二基板150的相反兩側上，但這僅是示范性的，第三電極部分320或第四電極部分380可以僅設置在第二基板150的一側上。圖5示出根據本發明示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元1000中的聚焦控制單元201。聚焦控制單元201可以具有液體透鏡，該液體透鏡包括流體表面作為透鏡表面并通過使流體流動來調節透鏡表面的形狀從而調節液體透鏡的焦距。圖5的聚焦控制單元201具有其中流體由于電潤濕而流動的結構。參照圖5，具體地，第一流體TFl和第二流體TF2被容納在腔室中，第一流體TFl具有光透射性質且是極性的，第二流體TF2具有光透射性質并且不與第一流體TFl混合。第一流體TFl與第二流體TF2之間的邊界表面包括形成透鏡表面的第一表面LS以及引起透鏡表面的曲率變化的第二表面IS。此外，電極部分設置在腔室中，該電極部分形成電場從而改變第二表面IS的位置。為了形成第一流體TFl與第二流體TF2之間的邊界表面處的第一表面LS (其形成透鏡表面)和第二表面IS (其引起透鏡表面的曲率的變化)，第一中間板250設置在腔室中。第一中間板250具有第一通孔THl和第二通孔TH2，該第一通孔THl限定對應于透鏡表面的透鏡的直徑，該第二通孔TH2形成第二流體TF2的路徑。下基板210和上基板290可以分別關于第一中間板250的下部和上部設置，間隔部分可以設置在下基板210與第一中間板250之間以及第一中間板250與上基板290之間從而形成下基板210與上基板290之間的內部空間。間隔部分包括設置在下基板210與第一中間板250之間的第一間隔物230以及設置在第一中間板250與上基板290之間的第二間隔物270。下基板210、第一中間板250和上基板290可以由具有光透射性質的材料形成。第一流體TFl和第二流體TF2包括具有不同折射率的光透射流體。第一流體TFl可以是極性液體，第二流體TF2可以是氣體或非極性液體。如圖5所示，電極部分包括第一電極部分220，形成在下基板210的頂表面上并包括其表面用絕緣材料I涂覆的電極E ;以及第二電極部分280，形成在第一中間板250的底表面上并包括其表面用絕緣材料I涂覆的電極E。然而，可以僅提供第一電極部分220和第二電極部分280中的一個。此外，聚焦控制單元201還可以包括設置為接觸第一流體TFl的接地電極R。接地電極R設置在第一基板210上，但是可以設置在任意位置，只要在電壓不施加到接地電極R時接地電極R可以接觸第一流體TFl。接地電極R可以被選擇性地設置，當設置接地電極R時，可以減小用于驅動聚焦控制單元201的電壓。包括第一電極部分220和第二電極部分280的電極部分可以由透明導電材料形成，例如金屬氧化物諸如銦錫氧化物(ΙΤ0)、銦鋅氧化物(IZO)等、由金(Au)、銀(Ag)等形成的金屬納米顆粒擴散薄層、碳納米結構諸如碳納米管(CNT)、石墨烯等、或導電聚合物諸如聚3,4-乙撐二氧噻吩(PED0T)、聚吡咯(PPy)、聚(3-己基噻吩)(P3HT)等。接地電極R可以由如上所述的透明導電材料形成，但是當接地電極R根據其布置不一定具有光透射性質時，接地電極R可以形成為由金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)等形成的金屬薄層。在聚焦控制單元201中，施加到第二表面IS的壓力由于電潤濕驅動而變化，使得第一表面LS也就是透鏡表面的曲率被調節。在當前實施例中，第一電極部分220和第二電極部分280的每個包括一個電極E，第二表面IS的位置通過調節施加到電極E的電壓的大小而改變。當電壓不施加到電極E或者減小施加到電極E的電壓的大小時，第二表面IS移動到電極E之間的中央部分，第一表面LS可以變得更凸出。當施加到電極E的電壓的大小增加時，第二表面IS移動到電極E的相反兩側，因此第一表面LS的曲率可以被減小，當施加到電極E的電壓的大小增加得更多時，第一表面LS可以變得凹入。圖6示出根據本發明另一示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元1000中的聚焦控制單元202。圖6所示的聚焦控制單元202與圖5所示的聚焦控制單元201的不同在于第一電極部分222和第二電極部分282的每個包括用絕緣材料I涂覆的多個電極E。通過選擇第一電極部分222和第二電極部分282的多個電極E中的一部分并施加電壓到該部分電極E，第一表面LS (其是透鏡表面)的曲率可以以數字的方式調節。也就是，當從電極E當中選擇一個并且適當的電壓施加到所選的電極E時，電機械力作用于所選電極E的TCL上，也就是作用于第二表面IS(其是第一流體Fl與第二流體F2之間的邊界表面)和絕緣材料I彼此接觸的切線上，因此確定第二表面IS的位置并限定第一表面LS的曲率。當設置在最里面位置的電極E從電極E當中選出并且適當的電壓施加到所選的電極E時，第二表面IS的位置移動到電極E之間的中央部分并且第一表面LS的曲率可以被增大。此外，當設置在最外面位置的電極E從電極E當中選出并且適當的電壓施加到所選的電極E時,第二表面IS的位置移動到電極E的相反兩側,并且第一表面LS的曲率可以被減小或者具有凹入的形狀。盡管在圖6中設置了第一電極部分222、第二電極部分282和接地電極R的全部，但是可以僅設置第一電極部分222和第二電極部分282中的一個，可以不提供接地電極R。圖7示出根據本發明另一示范性實施例的可用于圖1A和圖1B所示的NA控制單元1000中的聚焦控制單元203。根據當前實施例的聚焦控制單元203具有流體以被加壓的方式流動從而改變透鏡表面的曲率的結構。聚焦控制單元203包括設置在腔室的內部空間380中的透明流體TF3。腔室的內部空間380由基板310以及形成在基板310上的框架330形成。腔室的內部空間380包括流體腔室382、流體路徑384和透鏡腔室386。膜350設置在框架330上，致動器370設置在膜350的對應于流體腔室382的上部的部分上。膜350的對應于透鏡腔室386的上部的部分是透鏡表面350a。膜350可以由具有彈性的透明材料例如硅彈性體形成。此外，具有優良的耐久性和柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)可以用于形成膜350。致動器370設置為施加壓力到透明流體TF3。多種類型的致動器可以用作致動器370。例如，具有相對小的厚度和相對低的功耗的一般聚合物致動器(其由電活性聚合物(EAP)形成)可以用作致動器370。弛豫鐵電聚合物致動器(relaxor ferroelectricpolymer actuator)(其由共聚物形成，諸如 P (VDF_TrFE_CFE)或 P (VDF-TrFE-CTFE))可以用作致動器370。當由于施加到致動器370的電壓而發生電致伸縮應變時，致動器370施加壓力到透明流體TF3。透明流體TF3可以是例如硅油。當由于致動器370被驅動而使得壓力施加到流體腔室382中的透明流體TF3時，透明流體TF3沿著流體路徑384移動到透鏡腔室386，因此透鏡表面350a的形狀被改變。可用于圖1所示的NA控制單元1000中的聚焦控制單元可以具有除圖5、圖6和圖7所示的結構之外的其他結構。例如，聚焦控制單元可以是液晶透鏡，其中液晶被施加電場梯度以引起折射率梯度從而調節液晶透鏡的焦距。圖8A至圖8C示出根據本發明示范性實施例利用圖1A和圖1B所示的NA控制單元1000的深度掃描法，通過該方法，在樣品S中的不同深度位置處保持相同的水平分辨率。參照圖8A，聚焦控制單元VF的焦距被調節，使得光可以被聚焦在樣品S中的預定深度位置上，孔徑調節單元VA的孔徑被調節使得可以根據該焦距獲得適于檢查目的的NA值。參照圖8B，聚焦控制單元VF的焦距被調節，使得光可以被聚焦在樣品S中的另一預定深度位置上，孔徑調節單元VA的孔徑被調節使得NA值可以被保持。當焦距增大時，孔徑調節單元VA的孔徑增大。參照圖8C，聚焦控制單元VF的焦距被調節使得光可以被聚焦在樣品S中的另一預定深度位置上，并且孔徑調節單元VA的孔徑被調節使得NA值可以被保持。在圖8A至圖SC所示的深度掃描方法中，當進行一般的光學相干斷層掃描(OCT)的深度掃描操作時，預定的束斑點尺寸Ax被保持，不同于束斑點尺寸根據深度增大的情形(也就是水平分辨率降低的情形)，使得預定的水平分辨率可以保持在預定范圍的DOF中。圖9示出根據本發明示范性實施例的可變光學探測器2000的示意結構。參照圖9，可變光學探測器2000包括光透射單元2100 ;準直器2300，將透射經過光透射單元2100的光準直為平行光；NA控制單元1000，通過將光聚焦在要被檢查的樣品上來控制NA ；以及掃描器2200，改變透射經過光透射單元2100的光的路徑使得經過NA控制單元1000的光掃描樣品S的預定區域。光透射單元2100可以由光纖形成，掃描器220可以是致動器，該致動器設置在光纖的一端并引起光纖的變形以改變光的路徑。致動器可以是壓電致動器，或者根據任意各種方法起作用的致動器，并包括用于驅動懸臂的形狀的任意各種材料，諸如由PZT形成的懸臂、形狀記憶合金等。準直器2300可以包括至少一個透鏡。NA控制單元1000包括孔徑調節單元VA和聚焦控制單元VF，孔徑調節單元VA可以是圖3和圖4所示的孔徑調節單元中的任一個，聚焦控制單元VF可以是圖5、圖6和圖7所示的聚焦控制單元中的任一個。圖10示出根據本發明另一示范性實施例的可變光學探測器2001的示意結構。除了圖9的可變光學探測器2000的元件之外，根據當前實施例的可變光學探測器2001包括對經過NA控制單元1000的光進行象差校正的透鏡單元2800，透鏡單元2800可以包括至少一個透鏡。圖11示出根據本發明另一示范性實施例的可變光學探測器2002的示意結構。除了圖9的可變光學探測器2000的元件之外，圖11所示的可變光學探測器2002包括通過驅動反射鏡表面來改變光的路徑的微機電系統(MEMS)掃描器2600。MEMS掃描器2600可以設置在孔徑調節單元VA與聚焦控制單元VF之間。此外，光路轉換構件2400可以進一步設置在孔徑調節單元VA與MEMS掃描器2600之間從而改變透射經過孔徑調節單元VA的光的路徑并使光入射在MEMS掃描器2600上。圖12示出根據本發明另一示范性實施例的可變光學探測器2003的示意結構。參照圖12，除了圖11的可變光學探測器2002的元件之外，可變光學探測器2003包括對經過孔徑調節單元VA和聚焦控制單元VF的光進行象差校正的透鏡單元2800，透鏡單元2800可以包括至少一個透鏡。圖13A是根據本發明示范性實施例的圖像診斷系統3000的示意結構的方框圖。參照圖13A，圖像診斷系統3000包括光源單元；可變光學探測器，將從光源發射的光掃描在要被檢查的樣品S上，例如人體組織上，從而控制NA ;以及檢測器，由從樣品S反射的光來檢測樣品S的圖像。可變光學探測器可以是圖9至圖12所示的可變光學探測器2000、2001、2002和2003中的任一個，并可以根據檢查目的來調節孔徑、焦距和NA。檢測器可以包括感測樣品S的圖像的圖像傳感器，諸如電荷耦合器件(CXD)。圖像診斷系統3000還可以包括分束器，將從光源單元朝向樣品S發射的光的路徑與從樣品S反射的光的路徑分開；以及圖像信號處理器，對由檢測器檢測的信號進行信號處理以產生圖像信號并顯示該圖像信號。圖13B是根據本發明另一示范性實施例的圖像診斷系統3001的示意結構的方框圖。參照圖13B，圖像診斷系統3001包括光源單元；光學干涉儀，將從光源單元發射的光調制成預定的相干光；可變光學探測器，將光掃描在要被檢查的樣品S上，例如人體組織上，從而控制NA ;檢測器，由從樣品S反射的光來檢測樣品S的圖像；以及圖像信號處理器，將由檢測器檢測的信號處理為圖像信號使得樣品S的圖像可以被顯示。光學干涉儀包括參考反射鏡和分束器。從光源單兀發射的光的一些被分束器分開并朝向參考反射鏡照射，然后從參考反射鏡反射。也就是，通過參考反射鏡和分束器的相互作用產生的相干光入射在可變光學探測器上。當圖像診斷系統3001以OCT模式操作時，通常使用這種類型的相干光。此外，從樣品S反射的光被分束器分開并朝向檢測器照射。可變光學探測器可以是圖9至圖12所示的可變光學探測器2000、2001、2002和2003中的任一個，并可以根據檢查目的來調節孔徑、焦距和NA。圖14示出用于解釋根據本發明示范性實施例的圖13A和圖13B所示的圖像診斷系統3000和3001的各種操作模式的設計窗口。獲得組織內部的層的圖像的OCT模式需要以相對長的焦距也就是相對小的NA來執行。在具有相對高的水平分辨率的OCT模式中，要提供具有相對高的NA的光學系統。可以考慮這一點而適當地選取操作模式，從而獲得適于檢查目的的焦距或束直徑。此外，圖13A和圖13B所示的圖像診斷系統3000和3001可以使用在一模式中，在該模式中可以保持預定的水平分辨率并且可以進行深度掃描。一般的OCT信號根據深度而減小，因為當通過調節焦距使光在深度方向上掃描時，水平分辨率降低。然而，由于圖13A和圖13B所示的圖像診斷系統3000和3001可以采用獨立地調節焦距和孔徑的NA控制單元，當通過增大焦距使光在深度方向上掃描時，可以通過調節孔徑來保持預定的NA值。例如，圖像診斷系統3000和3001可以操作為在保持預定NA值的同時在由DS所指示的箭頭方向上進行深度掃描。圖15是流程圖，示出根據本發明示范性實施例利用圖13A和圖13B所示的圖像診斷系統3000和3001來檢測圖像的方法。診斷模式和適于該診斷模式的NA在操作SlOl中確定，用于深度掃描的步驟數N在操作S102中確定。在操作S103中，利用所確定的NA來調節NA控制單元的焦距使得光可以聚焦距離組織表面的第一深度上；在操作S104中，調節孔徑的尺寸從而獲得預定的NA和焦距。在操作S105中，在水平方向上掃描第一深度的預定區域，檢測圖像，存儲被檢測的圖像。聚焦控制單元被控制使得在操作S103中NA控制單元的焦距增大并且光聚焦在距離組織表面的第二深度上。在操作S104中，孔徑調節單元的孔徑尺寸被調節使得在增大的焦距處可以保持預定NA值。在操作S105中，在水平方向上掃描第二深度的預定區域，檢測圖像，存儲被檢測的圖像。在重復進行操作S103至S105到N次的深度掃描之后，在步驟S106中，所存儲的圖像Ik (其中k為I至N)被結合在一起。如上所述，根據本發明的一個或多個實施例，通過利用孔徑調節和/或聚焦調節，NA控制單元可以實現所需的水平分辨率并且可以獲得適于DOF的NA。在上述深度掃描法中，深度掃描可以在保持需要的NA值的同時通過同時進行孔徑調節和聚焦調節來進行，可以獲得樣品的深度圖像而沒有樣品與聚焦控制單元之間的距離的變化。包括NA控制單元的可變光學探測器可以使用在要提供相對高的水平分辨率和相對高的DOF的圖像診斷系統中。應當理解，這里描述的示范性實施例應當僅以描述性的含義來理解，而不是為了限制的目的。對每個實施例中特征或方面的描述應當通常被認為可用于其他實施例中的其他類似特征或方面。
權利要求
1.一種數值孔徑控制單元，包括孔徑調節單元，調節光透射穿過的孔徑；以及聚焦控制單元，設置在關于所述孔徑調節單元的預定位置、聚焦透射穿過所述孔徑的光并具有可調節的焦距。
2.如權利要求1所述的數值孔徑控制單元，其中所述孔徑調節單元包括機械光闌，所述機械光闌的孔徑尺寸被機械地調節。
3.如權利要求1所述的數值孔徑控制單元，其中所述孔徑調節單元包括液體光闌，所述液體光闌的孔徑尺寸利用液壓來調節。
4.如權利要求1所述的數值孔徑控制單元，其中所述孔徑調節單元包括液體光闌，所述液體光闌的孔徑尺寸利用微電流體法來調節。
5.如權利要求4所述的數值孔徑控制單元，其中所述孔徑調節單元包括腔室，形成流體在其中流動的空間；第一流體和第二流體，容納在所述腔室中，彼此不混合，所述第一流體和所述第二流體中的一個由具有光透射性質的材料形成，另一個由具有光阻擋性質或光吸收性質的材料形成；以及電極部分，設置在所述腔室內部，所述電極部分中布置有一個或多個電極，電壓施加到該一個或多個電極以在所述腔室中形成電場，光通過其透射的所述孔徑由所述電場引起的所述第一流體與所述第二流體之間的界面位置的變化來調節。
6.如權利要求5所述的數值孔徑控制單元，其中所述第一流體和所述第二流體中的一個包括液體金屬或極性液體，所述第一流體和所述第二流體中的另一個包括氣體或非極性液體。
7.如權利要求5所述的數值孔徑控制單元，其中所述腔室的區域包括第一通道；和第二通道，設置在所述第一通道上方并連接到所述第一通道，其中所述孔徑的范圍由在所述第一通道和所述第二通道的每個中發生的所述第一流體與所述第二流體之間的界面位置的變化來限定。
8.如權利要求7所述的數值孔徑控制單元，其中所述第一通道由第一基板、第二基板和第一間隔物形成，所述電極部分設置在所述第一基板上，所述第二基板與所述第一基板間隔開并具有形成在所述第二基板的中央部分中的第一通孔以及形成在所述第二基板的周邊部分中的第二通孔，所述第一間隔物設置為形成所述第一基板與所述第二基板之間的內部空間。
9.如權利要求8所述的數值孔徑控制單元，其中所述第二通道由所述第二基板、第三基板和第二間隔物形成，所述第三基板與所述第二基板間隔開，所述第二間隔物設置為形成所述第二基板與所述第三基板之間的內部空間。
10.如權利要求1所述的數值孔徑控制單元，其中所述聚焦控制單元包括液晶透鏡，在所述液晶透鏡中液晶被施加電場梯度以引起折射率梯度從而調節所述液晶透鏡的焦距。
11.如權利要求1所述的數值孔徑控制單元，其中所述聚焦控制單元包括液體透鏡，所述液體透鏡包括流體表面作為透鏡表面并通過使流體流動來調節該透鏡表面的形狀從而調節該液體透鏡的焦距。
12.如權利要求11所述的數值孔徑控制單元，其中所述流體的流動由于電潤濕而發生。
13.如權利要求12所述的數值孔徑控制單元，其中所述聚焦控制單元包括第一流體，具有光透射性質和極性性質；第二流體，具有光透射性質并不與所述第一流體混合；腔室，具有容納所述第一流體和所述第二流體的內部空間；第一表面，其是所述第一流體與所述第二流體之間的邊界表面并形成所述透鏡表面； 第二表面，其是所述第一流體與所述第二流體之間的邊界表面并引起所述透鏡表面的曲率的變化；第一中間板，設置在所述腔室中并具有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔限定對應于所述透鏡表面的透鏡的直徑，所述第二通孔形成所述第二流體的路徑；以及電極部分，形成電場以改變所述第二表面的位置。
14.如權利要求13所述的數值孔徑控制單元，其中所述第一流體包括極性液體，所述第二流體包括氣體或非極性液體。
15.如權利要求11所述的數值孔徑控制單元，其中所述流體的流動以加壓的方式發生。
16.一種深度掃描方法，其中光通過在深度方向上掃描樣品來照射，該方法包括通過利用權利要求1所述的數值孔徑控制單元同時改變焦距和孔徑尺寸來保持預定的數值孔徑 (NA)。
17.一種可變光學探測器，包括光透射單元；準直器，將透射穿過所述光透射單元的光準直為平行光；權利要求1所述的數值孔徑控制單元，將光聚焦在要被檢查的樣品上；以及掃描器，改變光透射穿過所述光透射單元的路徑，使得所述樣品的預定區域被通過所述數值孔徑控制單元的光來掃描。
18.如權利要求17所述的可變光學探測器，其中所述光透射單元包括光纖。
19.如權利要求18所述的可變光學探測器，其中所述掃描器包括致動器，所述致動器設置在所述光纖的一端上并引起所述光纖的變形以改變光的路徑。
20.如權利要求18所述的可變光學探測器，其中所述掃描器包括微機電系統(MEMS)掃描器，該微機電系統掃描器通過驅動反射鏡表面來改變光的路徑。
21.如權利要求20所述的可變光學探測器，其中所述微機電系統掃描器設置在所述孔徑調節單元與所述聚焦控制單元之間。
22.如權利要求21所述的可變光學探測器，還包括光路轉換構件，所述光路轉換構件設置在所述孔徑調節單元與所述微機電系統掃描器之間以改變透射經過所述孔徑調節單元的光的路徑并使光入射在所述微機電系統掃描器上。
23.如權利要求17所述的可變光學探測器，還包括對通過所述NA控制單元的光進行象差校正的透鏡單元。
24.—種圖像診斷系統，包括光源單元；權利要求17所述的可變光學探測器，用于將從所述光源單元發射的光掃描在要被檢查的組織上；以及檢測器，由該組織所反射的光來檢測該組織的圖像。
25.一種利用權利要求24的圖像診斷系統來檢測圖像的方法，包括利用預定的數值孔徑(NA)值來控制所述數值孔徑控制單元，使得光聚焦在距離組織表面的第一深度上；掃描第一深度的預定區域并檢測圖像；控制聚焦控制單元使得所述聚焦控制單元的焦距增大并且光聚焦在距離所述組織表面的第二深度上，并控制所述孔徑調節單元的孔徑尺寸使得預定的數值孔徑值被保持；以及掃描第二深度的預定區域并檢測圖像。
26.一種圖像診斷系統，包括光源單兀，發射光；孔徑調節單元，調節從所述光源單元發射的光所透射穿過的孔徑；聚焦控制單元，設置在距離所述孔徑調節單元的預定位置，將經過所述孔徑的光聚焦在樣品上，并具有可調節的焦距；以及檢測器，由所述樣品反射的光來檢測所述樣品的圖像，其中數值孔徑(NA)通過控制所述孔徑調節單元和所述聚焦控制單元來控制，獲得所述樣品的深度圖像而沒有改變所述樣品與所述聚焦控制單元之間的距離。
27.如權利要求26所述的圖像診斷系統，其中所述孔徑調節單元包括孔徑尺寸被機械地調節的機械光闌、孔徑尺寸利用液壓調節的液體光闌、或者孔徑尺寸利用微電流體法調節的液體光闌。
28.如權利要求26所述的圖像診斷系統，其中所述聚焦控制單元包括液體透鏡，所述液體透鏡將流體表面定義為透鏡表面并通過使流體流動來調節該透鏡表面的形狀，從而調節所述液體透鏡的焦距。
29.如權利要求28所述的圖像診斷系統，其中該流體流動由于電潤濕或以加壓的方式而發生。
30.如權利要求26所述的圖像診斷系統，其中所述聚焦控制單元包括液晶透鏡，在所述液晶透鏡中液晶被施加電場梯度以引起折射率梯度從而調節所述液晶透鏡的焦距。
31.如權利要求26所述的圖像診斷系統，還包括掃描器，該掃描器將從所述光源單元發射的光掃描在所述樣品的預定水平區域中。
32.—種圖像診斷方法，包括從光源單兀發射光；控制數值孔徑(NA)并將光聚焦在樣品的預定位置上；以及檢測從所述樣品反射的光。
33.如權利要求32所述的圖像診斷方法，還包括分開從所述光源單元朝向所述樣品發射的光的路徑與從所述樣品反射的光的路徑。
34.如權利要求32所述的圖像診斷方法，還包括將從所述光源單元發射的光調制為預定的相干光。
35.如權利要求34所述的圖像診斷方法，其中將從所述光源單元發射的光調制為預定的相干光包括將從所述光源單元發射以朝向參考反射鏡照射的光中的一些分開以及利用從該參考反射鏡反射的光來形成相干光。
36.如權利要求32所述的圖像診斷方法，還包括對由檢測器檢測的信號進行信號處理以產生圖像信號。
全文摘要
本發明提供了數值孔徑(NA)控制單元、可變光學探測器以及深度掃描方法。該NA控制單元包括孔徑調節單元，控制光透射穿過的孔徑；以及聚焦控制單元，設置在關于孔徑調節單元的預定位置、聚焦透射穿過孔徑的光并具有可調節的焦距。該可變光學探測器包括光透射單元；準直器，將透射穿過光透射單元的光準直為平行光；NA控制單元，將光聚焦在要被檢查的樣品上；以及掃描器，改變透射穿過光透射單元的光的路徑，使得樣品的預定區域被經過NA控制單元的光來掃描。
文檔編號G02F1/29GK102998790SQ201210142509
公開日2013年3月27日 申請日期2012年5月10日 優先權日2011年9月16日
發明者崔珉碩, 李昇浣, 金云培, 李銀圣, 丁奎東, 張鐘賢 申請人:三星電子株式會社