CN102998790A - 数值孔径控制单元、可变光学探测器以及深度扫描方法 - Google Patents

数值孔径控制单元、可变光学探测器以及深度扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了数值孔径（NA）控制单元、可变光学探测器以及深度扫描方法。该NA控制单元包括：孔径调节单元，控制光透射穿过的孔径；以及聚焦控制单元，设置在关于孔径调节单元的预定位置、聚焦透射穿过孔径的光并具有可调节的焦距。该可变光学探测器包括：光透射单元；准直器，将透射穿过光透射单元的光准直为平行光；NA控制单元，将光聚焦在要被检查的样品上；以及扫描器，改变透射穿过光透射单元的光的路径，使得样品的预定区域被经过NA控制单元的光来扫描。

Description

数值孔径控制单元、可变光学探测器以及深度扫描方法
技术领域
本公开涉及控制数值孔径（NA）的数值孔径（NA）控制单元、包括该NA控制单元的可变光学探测器以及利用该NA控制单元的深度扫描方法。
背景技术
对于在人体皮肤组织的下层上进行精确断层扫描的技术的需求以及对于关于医学成像领域中人体皮肤组织的信息的需求正在增加。特别地，由于大部分癌症开始于上皮的下部细胞中并扩展到皮下组织（其中存在血管）的细胞中，如果能够检测早期的癌症，就能够极大地减少由癌症引起的伤害。在现有的成像技术诸如磁共振成像（MRI）、x射线计算机断层扫描（CT）、超声波扫描术等中，当光穿透到人体皮肤组织中时，可以对人体皮肤组织内部的层进行断层扫描。然而，由于进行这样的成像技术的装置的分辨率低，可能不能检测肿瘤较小的早期癌症。另一方面，在已经于近期引入的光学相干断层扫描（OCT）技术中，光穿透到皮肤中的深度为约2mm至约3mm，因此与现有的成像方法相比该深度较小。进行OCT技术的装置的分辨率为超声装置的约10倍，因此与进行其他现有成像方法的装置相比较高。因此，已经开展了致力于通过OCT来检测早期癌症的研究，其中的肿瘤尺寸为约50μm至约100μm。然而，由于进行这样的OCT技术的装置的分辨率低于显微镜的分辨率，所以OCT技术不能替代在检测癌症中实际使用的活组织检查和组织学。
一些OCT研究者近来开展了研究，通过结合OCT和高分辨表面断层扫描诸如共焦显微镜检查的特性，其最终目标是实时进行组织内部的癌症诊断而不用进行活组织检查。然而，显微镜要具有一套光学系统，该系统具有相对高的数值孔径（NA）从而在水平方向实现相对高的分辨率，而OCT装置需要具有一套光学系统，该系统具有相对低的NA以在深度方向具有相对均匀的斑点尺寸，也就是相对大的聚焦深度（DOF），从而获得深度信息。
发明内容
本发明提供了通过选择性地或同时地进行聚焦调整和数值孔径（NA）控制来控制数值孔径（NA）的数值孔径（NA）控制单元、包括该NA控制单元的可变光学探测器以及利用该NA控制单元的深度扫描方法。
额外的方面将部分地在以下的描述中给出，并将部分地从该描述而显然，或者可以通过实践给出的实施例而习知。
根据本发明的一方面，一种数值孔径（NA）控制单元包括：孔径调节单元，调节光透射穿过的孔径；以及聚焦控制单元，设置在关于孔径调节单元的预定位置，聚焦穿过孔径的光并具有可调节的焦距。
孔径调节单元可以包括机械光阑，其孔径尺寸被机械地调节。
孔径调节单元可以包括液体光阑，其孔径尺寸利用液压来调节。
孔径调节单元可以包括液体光阑，其孔径尺寸利用微电流体法来调节。
孔径调节单元可以包括：腔室，形成流体在其中流动的空间；第一流体和第二流体，容纳在腔室中，彼此不混合，它们中的一个由具有光透射性质的材料形成，另一个由具有光阻挡性质或光吸收性质的材料形成；以及电极部分，设置在腔室内部，该电极部分中布置有一个或多个电极，电压施加到该一个或多个电极从而在腔室中形成电场，光通过其透射的孔径由电场引起的第一流体与第二流体之间的界面位置的变化来调节。
第一流体和第二流体中的一个可以包括液体金属或极性液体，第一流体和第二流体中的另一个可以包括气体或非极性液体。
腔室的区域可以包括：第一通道；第二通道，设置在第一通道上方并连接到第一通道，孔径的范围通过在第一通道和第二通道的每个中发生的第一流体与第二流体之间的界面位置的变化来限定。
第一通道可以通过如下形成：第一基板，电极部分设置在第一基板上；第二基板，与第一基板间隔开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边部分中的第二通孔；以及第一间隔物，设置为形成第一基板与第二基板之间的内部空间。
第二通道可以通过如下形成：第二基板；第三基板，与第二基板间隔开；以及第二间隔物，设置为形成第二基板与第三基板之间的内部空间。
聚焦控制单元可以包括液晶透镜，其中液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节液晶透镜的焦距。
聚焦控制单元可以包括液体透镜，该液体透镜包括流体表面作为透镜表面并通过使流体流动来调节该透镜表面的形状从而调节该液体透镜的焦距。
流体的流动可以由于电润湿发生。
聚焦控制单元可以包括：第一流体，具有光透射性质和极性性质；第二流体，具有光透射性质并不与第一流体混合；腔室，具有容纳第一流体和第二流体的内部空间；第一表面，其是第一流体与第二流体之间的边界表面并形成透镜表面；第二表面，其是第一流体与第二流体的边界表面并引起透镜表面的曲率的变化；第一中间板，设置在腔室中并具有第一通孔和第二通孔，该第一通孔限定对应于透镜表面的透镜的直径，该第二通孔形成第二流体的路径；以及电极部分，形成电场从而改变第二表面的位置。
第一流体可以包括极性液体，第二流体可以包括气体或非极性液体。
根据本发明的另一方面，通过在深度方向上扫描样品来照射光的深度扫描法包括：通过利用数值孔径（NA）控制单元同时改变焦距和孔径尺寸来保持预定的数值孔径（NA）。
根据本发明的另一方面，一种可变光学探测器包括：光透射单元；准直器，将透射穿过光透射单元的光准直为平行光；NA控制单元，将光聚焦在要被检查的样品上；以及扫描器，改变透射穿过光透射单元的光的路径，使得样品的预定区域被经过NA控制单元的光来扫描。
光透射单元可以包括光纤。
扫描器可以包括致动器，该致动器设置在光纤的一端上并引起光纤的变形以改变光的路径，或者扫描器可以包括微机电系统（MEMS）扫描器，该MEMS扫描器通过驱动反射镜表面来改变光的路径。
根据本发明的另一方面，一种图像诊断系统包括：光源单元；可变光学探测器，用于将从光源发射的光扫描在要被检查的组织上；以及检测器，由从该组织反射的光来检测组织的图像。
根据本发明的另一方面，一种通过利用图像诊断系统来检测图像的方法包括：利用预定的数值孔径（NA）值来控制NA控制单元，使得光聚焦在距离组织表面的第一深度上；扫描第一深度的预定区域并检测图像；控制聚焦控制单元使得聚焦控制单元的焦距增大并且光聚焦在距离组织表面的第二深度上，并控制孔径调节单元的孔径尺寸使得预定的NA值被保持；以及扫描第二深度的预定区域并检测图像。
根据本发明的另一方面，一种图像诊断系统包括：光源单元，发射光；孔径调节单元，调节从光源单元发射的光所透射穿过的孔径；聚焦控制单元，设置在距离孔径调节单元的预定位置，将经过孔径的光聚焦在样品上，并具有可调节的焦距；以及检测器，由从样品反射的光来检测样品的图像，其中数值孔径（NA）通过控制孔径调节单元和聚焦控制单元来控制，获得样品的深度图像而没有改变样品与聚焦控制单元之间的距离。
孔径调节单元可以包括孔径尺寸被机械地调节的机械光阑、孔径尺寸利用液压调节的液体光阑、或者孔径尺寸利用微电流体法调节的液体光阑。
聚焦控制单元可以包括液体透镜，该液体透镜将流体表面定义为透镜表面并通过使流体流动来调节透镜表面的形状，从而改变液体透镜的焦距。
流体流动可以由于电润湿或以加压的方式而发生。
聚焦控制单元可以包括液晶透镜，该液晶透镜中的液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节液体透镜的焦距。
图像诊断系统还可以包括扫描器，该扫描器将从光源单元发射的光扫描在样品的预定水平区域中。
根据本发明的另一方面，一种图像诊断方法包括：从光源单元发射光；控制数值孔径（NA）并将光聚焦在样品的预定位置上；以及检测从样品反射的光。
该图像诊断方法还可以包括分开从光源单元朝向样品发射的光的路径与从样品反射的光的路径。
该图像诊断方法还可以包括将从光源单元发射的光调制为预定的相干光。将从光源单元发射的光调制为预定的相干光可以包括：将从光源单元反射以朝向参考反射镜照射的光中的一些分开以及利用从参考反射镜反射的光来形成干涉光。
该图像诊断方法还可以包括对由检测器检测的信号进行信号处理以产生图像信号。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，在附图中：
图1A和图1B示出根据本发明示范性实施例的具有不同NA值的数值孔径（NA）控制单元的示意结构；
图2是用于解释水平分辨率与聚焦深度（DOF）之间的关系根据由聚焦光学构件定义的NA的概念图；
图3示出根据本发明示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的孔径调节单元；
图4示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的孔径调节单元；
图5示出根据本发明示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的聚焦控制单元；
图6示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的聚焦控制单元；
图7示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元中的聚焦控制单元；
图8A至图8C示出根据本发明示范性实施例的利用图1A和图1B所示的NA控制单元的深度扫描方法，通过该方法，在样品中的不同深度处保持相同的水平分辨率；
图9示出根据本发明示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图10示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图11示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图12示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器的示意结构；
图13A和图13B是根据本发明示范性实施例的图像诊断系统的示意结构的方框图；
图14示出用于解释根据本发明示范性实施例的图13A和图13B所示的图像诊断系统的各种操作模式的设计窗口；以及
图15是示出根据本发明示范性实施例的利用图13A和图13B所示的图像诊断系统来检测图像的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。就此而言，本发明的实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里给出的描述。因而，以下通过参照附图仅描述实施例来解释本说明书的多个方面。在附图中，为了清晰和方便，元件的尺寸可以被夸大。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。诸如“…中的至少一个”的术语，当用于一列元件时，修改了元件的整个列表，单不修改该列表的单个元件。
图1A和图1B示出根据本发明示范性实施例的具有不同NA值的数值孔径（NA）控制单元1000的示意结构。
参照图1A和图1B，NA控制单元1000包括：孔径调节单元VA，其中调节光所透射穿过的孔径；以及聚焦控制单元VF，聚焦透射穿过孔径的光并具有可调节的焦距。
孔径调节单元VA调节光所透射穿过的孔径，从而调节从其透射穿过的入射光束的直径。例如，当孔径调节到D1时，如图1A所示，穿过孔径调节单元VA的平行光束的直径为D1，当孔径被调节为D2时，如图1B所示，穿过孔径调节单元VA的平行光束的直径为D2。孔径调节单元VA可以是孔径尺寸被机械地调节的机械光阑、或者孔径尺寸利用液压诸如泵等调节的液体光阑。此外，孔径尺寸利用微电流体（micro-electrical fluid）法调节的液体光阑可以用作孔径调节单元VA。以下将描述液体光阑的详细结构。
聚焦控制单元VF设置在关于孔径调节单元VA的预定位置处并聚焦穿过孔径的光。聚焦控制单元VF包括透镜表面以改变光的形状，聚焦控制单元VF改变透镜表面以调节聚焦控制单元VF的焦距。例如，如图1A所示，透镜表面的曲率可以被调节使得焦距控制单元VF具有焦距f1，或者如图1B所示，透镜表面的曲率被进一步减小使得聚焦控制单元VF具有更长的焦距f2。聚焦控制单元VF可以是液晶透镜，其中液晶被施加电场梯度以引起折射率的梯度从而调节液晶透镜的焦距。备选地，聚焦控制单元VF可以是液体透镜，该液体透镜包括流体表面作为透镜表面并通过使液体流动来调节透镜表面的形状从而调节液体透镜的焦距。根据如何使流体流动，液体透镜可以是压力型液体透镜或电润湿液体透镜，以下将描述液体透镜的详细结构。
如上所述，NA控制单元1000形成为使得孔径和焦距两者或者选择性地使孔径或焦距可以被调节使得可以产生一光束，该光束具有适于检查该光束将要照射的物体的水平分辨率和聚焦深度（DOF）。以下将描述水平分辨率与DOF之间的关系。
图2是用于解释水平分辨率与聚焦深度（DOF）之间的关系根据由聚焦光学构件FE定义的NA的概念图。
当光束被聚焦时，它没有被聚焦到无限小的点，而是具有有限的尺寸Δx，Δx由孔径D和焦距f定义，如公式1所示。
Δx = 4 π λ f D - - - ( 1 )
其中Δx与水平分辨率相关，当Δx减小时，水平分辨率增大。如公式1所示，Δx与f/D成比例。同时，NA与D/f成比例，当需要相对高的水平分辨率时，Δx相对小，因此具有相对大的NA的光学系统将被提供。
DOF是光束的直径小于或等于
Figure BDA00001622301900072
Δx的范围并利用公式2定义：
DOF = π 2 λ ( Δx ) 2 - - - ( 2 )
DOF是束斑点尺寸沿深度方向相对均匀的范围，当获得深度图像信息例如人体组织的断层扫描图像时，具有相对大的DOF也就是具有相对小的NA的光学系统将被提供。
这样，水平分辨率和DOF具有折衷的关系，因而，将实现具有适于检查目的的NA的光学系统。
图1A和图1B所示的NA控制单元1000可以通过包括孔径调节单元VA和聚焦控制单元VF来控制其NA。因此，NA控制单元1000可以实现为适于检查目的的光学系统。
在下文将描述可以使用在NA控制单元1000中的孔径调节单元VA和聚焦控制单元VF的各种示例。
图3示出根据本发明示范性实施例的可用于图1所示的NA控制单元1000中的孔径调节单元101。
孔径调节单元101可以形成为使得流体由于电润湿而流动并且光透射穿过的孔径A的尺寸根据该流体的流动来调节。孔径调节单元101包括：腔室，形成流体在其中流动的空间；第一流体F1和第二流体F2，容纳在腔室中，不彼此混合，它们中的一个由具有光透射性质的材料形成，另一个由具有光阻挡性质或光吸收性质的材料形成；以及电极部分，设置在腔室里面，其中布置一个或多个电极，电压施加到该一个或多个电极从而在腔室中形成电场。光透射穿过的孔径A由于由电场引起的第一流体F1与第二流体F2之间的界面位置的变化来调节。
具体地，腔室的区域包括第一通道C1和第二通道C2，第二通道C2设置在第一通道C1上方并连接到第一通道C1。孔径A的范围由第一流体F1与第二流体F2之间的界面位置的变化来限定，该变化发生在第一通道C1和第二通道C2的每个中。第一通道C1可以通过如下形成：第一基板110；第二基板150，与第一基板110间隔开并具有形成在第二基板150的中央部分中的第一通孔TH1以及形成在第二基板150的周边部分中的第二通孔TH2；以及第一间隔物130，设置来形成第一基板110与第二基板150之间的内部空间。此外，第二通道C2可以通过如下形成：第二基板150；第三基板190，与第二基板150间隔开；以及第二间隔物170，设置来形成第二基板150与第三基板190之间的内部空间。
第一流体F1和第二流体F2中的一个可以是液体金属或极性液体，其中的另一个可以是气体或非极性液体。
电极部分包括：第一电极部分120，形成在第一基板110上并包括用绝缘材料I涂覆的一个或多个电极E；以及第二电极部分180，形成在第三基板190上并包括用绝缘材料I涂覆的一个或多个电极E。
第一电极部分120可以包括多个电极E从而以数字的方式控制孔径A。
接地电极部分R可以在腔室中的一个或多个位置保持与极性流体例如极性第一流体F1接触，并可以设置在第一基板110上，如图3所示，但是不限于图3所示的位置。
包括第一电极部分120和第二电极部分180的电极部分可以由透明导电材料形成，例如，金属氧化物诸如铟锡氧化物（ITO）、铟锌氧化物（IZO）等、由金（Au）、银（Ag）等形成的金属纳米颗粒扩散薄层、碳纳米结构诸如碳纳米管（CNT）、石墨烯等、或导电聚合物诸如聚3,4-乙撑二氧噻吩（poly(3,4-ethylenedioxythiophene),PEDOT）、聚吡咯（PPy）、聚（3-己基噻吩）（poly(3-hexylthiophene),P3HT）等。
接地电极部分R根据其布置并不一定具有光透射性质，可以形成为由金（Au）、银（Ag）、铝（Al）、铬（Cr）、钛（Ti）等形成的金属薄层。
电润湿现象是当沉积在用绝缘体涂覆的电极上的电解质液滴的接触角由于施加到电解质液滴的电压而变化时的现象。也就是，电解质液滴的接触角由于在流体、液滴和绝缘体彼此接触的三相接触线（TCL）处的每个界面张力而变化。当利用电润湿现象时，流体的流动可以利用低电压快速且有效地调节，并且流体可以被可逆地传输和调节。
当适当的电压施加到第一电极部分120的一个电极E时，电机械力作用于被激活的驱动电极E上的TCL上，也就是在第一流体F1、第二流体F2和绝缘材料I彼此接触处的切线上，使得第一流体F1通过第一通道C1移动到腔室的中间部分，并且孔径A可以减小。此外，当适当的电压施加到第二电极部分180时，第一流体F1通过第二通道C2移动到腔室的中央部分，第一通道C1的TCL被向外推动到通道C1的角落，孔径A可以被扩大。当第一电极部分120包括多个电极E时，孔径A的尺寸可以随着电极E被激活和驱动而以数字的方式调节。
图4示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元1000的孔径调节单元102。
图4所示的孔径调节单元102与图3所示的孔径调节单元101的不同之处在于，图4的孔径调节单元102还包括第三电极部分320和第四电极部分380，其设置在第二基板150的相反两侧上并由涂覆有绝缘材料I的一个或多个电极E形成。第三电极部分320与第一电极部分120一起用于增大在第一通道C1处产生的驱动力，第四电极部分380与第二电极部分180一起用于增大在第二通道C2处产生的驱动力。第三电极部分320和第四电极部分380的电极的数目不限于图4所示的电极的数目。此外，尽管第三电极部分320和第四电极部分380分别设置在第二基板150的相反两侧上，但这仅是示范性的，第三电极部分320或第四电极部分380可以仅设置在第二基板150的一侧上。
图5示出根据本发明示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元1000中的聚焦控制单元201。
聚焦控制单元201可以具有液体透镜，该液体透镜包括流体表面作为透镜表面并通过使流体流动来调节透镜表面的形状从而调节液体透镜的焦距。图5的聚焦控制单元201具有其中流体由于电润湿而流动的结构。
参照图5，具体地，第一流体TF1和第二流体TF2被容纳在腔室中，第一流体TF1具有光透射性质且是极性的，第二流体TF2具有光透射性质并且不与第一流体TF1混合。第一流体TF1与第二流体TF2之间的边界表面包括形成透镜表面的第一表面LS以及引起透镜表面的曲率变化的第二表面IS。此外，电极部分设置在腔室中，该电极部分形成电场从而改变第二表面IS的位置。为了形成第一流体TF1与第二流体TF2之间的边界表面处的第一表面LS（其形成透镜表面）和第二表面IS（其引起透镜表面的曲率的变化），第一中间板250设置在腔室中。第一中间板250具有第一通孔TH1和第二通孔TH2，该第一通孔TH1限定对应于透镜表面的透镜的直径，该第二通孔TH2形成第二流体TF2的路径。
下基板210和上基板290可以分别关于第一中间板250的下部和上部设置，间隔部分可以设置在下基板210与第一中间板250之间以及第一中间板250与上基板290之间从而形成下基板210与上基板290之间的内部空间。间隔部分包括设置在下基板210与第一中间板250之间的第一间隔物230以及设置在第一中间板250与上基板290之间的第二间隔物270。
下基板210、第一中间板250和上基板290可以由具有光透射性质的材料形成。
第一流体TF1和第二流体TF2包括具有不同折射率的光透射流体。第一流体TF1可以是极性液体，第二流体TF2可以是气体或非极性液体。
如图5所示，电极部分包括：第一电极部分220，形成在下基板210的顶表面上并包括其表面用绝缘材料I涂覆的电极E；以及第二电极部分280，形成在第一中间板250的底表面上并包括其表面用绝缘材料I涂覆的电极E。然而，可以仅提供第一电极部分220和第二电极部分280中的一个。
此外，聚焦控制单元201还可以包括设置为接触第一流体TF1的接地电极R。接地电极R设置在第一基板210上，但是可以设置在任意位置，只要在电压不施加到接地电极R时接地电极R可以接触第一流体TF1。接地电极R可以被选择性地设置，当设置接地电极R时，可以减小用于驱动聚焦控制单元201的电压。
包括第一电极部分220和第二电极部分280的电极部分可以由透明导电材料形成，例如金属氧化物诸如铟锡氧化物（ITO）、铟锌氧化物（IZO）等、由金（Au）、银（Ag）等形成的金属纳米颗粒扩散薄层、碳纳米结构诸如碳纳米管（CNT）、石墨烯等、或导电聚合物诸如聚3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT）、聚吡咯（PPy）、聚（3-己基噻吩）（P3HT）等。接地电极R可以由如上所述的透明导电材料形成，但是当接地电极R根据其布置不一定具有光透射性质时，接地电极R可以形成为由金（Au）、银（Ag）、铝（Al）、铬（Cr）、钛（Ti）等形成的金属薄层。
在聚焦控制单元201中，施加到第二表面IS的压力由于电润湿驱动而变化，使得第一表面LS也就是透镜表面的曲率被调节。在当前实施例中，第一电极部分220和第二电极部分280的每个包括一个电极E，第二表面IS的位置通过调节施加到电极E的电压的大小而改变。当电压不施加到电极E或者减小施加到电极E的电压的大小时，第二表面IS移动到电极E之间的中央部分，第一表面LS可以变得更凸出。当施加到电极E的电压的大小增加时，第二表面IS移动到电极E的相反两侧，因此第一表面LS的曲率可以被减小，当施加到电极E的电压的大小增加得更多时，第一表面LS可以变得凹入。
图6示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元1000中的聚焦控制单元202。
图6所示的聚焦控制单元202与图5所示的聚焦控制单元201的不同在于：第一电极部分222和第二电极部分282的每个包括用绝缘材料I涂覆的多个电极E。通过选择第一电极部分222和第二电极部分282的多个电极E中的一部分并施加电压到该部分电极E，第一表面LS（其是透镜表面）的曲率可以以数字的方式调节。
也就是，当从电极E当中选择一个并且适当的电压施加到所选的电极E时，电机械力作用于所选电极E的TCL上，也就是作用于第二表面IS（其是第一流体F1与第二流体F2之间的边界表面）和绝缘材料I彼此接触的切线上，因此确定第二表面IS的位置并限定第一表面LS的曲率。当设置在最里面位置的电极E从电极E当中选出并且适当的电压施加到所选的电极E时，第二表面IS的位置移动到电极E之间的中央部分并且第一表面LS的曲率可以被增大。此外，当设置在最外面位置的电极E从电极E当中选出并且适当的电压施加到所选的电极E时，第二表面IS的位置移动到电极E的相反两侧，并且第一表面LS的曲率可以被减小或者具有凹入的形状。
尽管在图6中设置了第一电极部分222、第二电极部分282和接地电极R的全部，但是可以仅设置第一电极部分222和第二电极部分282中的一个，可以不提供接地电极R。
图7示出根据本发明另一示范性实施例的可用于图1A和图1B所示的NA控制单元1000中的聚焦控制单元203。
根据当前实施例的聚焦控制单元203具有流体以被加压的方式流动从而改变透镜表面的曲率的结构。聚焦控制单元203包括设置在腔室的内部空间380中的透明流体TF3。腔室的内部空间380由基板310以及形成在基板310上的框架330形成。腔室的内部空间380包括流体腔室382、流体路径384和透镜腔室386。膜350设置在框架330上，致动器370设置在膜350的对应于流体腔室382的上部的部分上。膜350的对应于透镜腔室386的上部的部分是透镜表面350a。
膜350可以由具有弹性的透明材料例如硅弹性体形成。此外，具有优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。
致动器370设置为施加压力到透明流体TF3。多种类型的致动器可以用作致动器370。例如，具有相对小的厚度和相对低的功耗的一般聚合物致动器（其由电活性聚合物（EAP）形成）可以用作致动器370。弛豫铁电聚合物致动器（relaxor ferroelectric polymer actuator）（其由共聚物形成，诸如P(VDF-TrFE_CFE)或P(VDF-TrFE-CTFE)）可以用作致动器370。当由于施加到致动器370的电压而发生电致伸缩应变时，致动器370施加压力到透明流体TF3。
透明流体TF3可以是例如硅油。
当由于致动器370被驱动而使得压力施加到流体腔室382中的透明流体TF3时，透明流体TF3沿着流体路径384移动到透镜腔室386，因此透镜表面350a的形状被改变。
可用于图1所示的NA控制单元1000中的聚焦控制单元可以具有除图5、图6和图7所示的结构之外的其他结构。例如，聚焦控制单元可以是液晶透镜，其中液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节液晶透镜的焦距。
图8A至图8C示出根据本发明示范性实施例利用图1A和图1B所示的NA控制单元1000的深度扫描法，通过该方法，在样品S中的不同深度位置处保持相同的水平分辨率。
参照图8A，聚焦控制单元VF的焦距被调节，使得光可以被聚焦在样品S中的预定深度位置上，孔径调节单元VA的孔径被调节使得可以根据该焦距获得适于检查目的的NA值。
参照图8B，聚焦控制单元VF的焦距被调节，使得光可以被聚焦在样品S中的另一预定深度位置上，孔径调节单元VA的孔径被调节使得NA值可以被保持。当焦距增大时，孔径调节单元VA的孔径增大。
参照图8C，聚焦控制单元VF的焦距被调节使得光可以被聚焦在样品S中的另一预定深度位置上，并且孔径调节单元VA的孔径被调节使得NA值可以被保持。
在图8A至图8C所示的深度扫描方法中，当进行一般的光学相干断层扫描（OCT）的深度扫描操作时，预定的束斑点尺寸Δx被保持，不同于束斑点尺寸Δx’根据深度增大的情形（也就是水平分辨率降低的情形），使得预定的水平分辨率可以保持在预定范围的DOF中。
图9示出根据本发明示范性实施例的可变光学探测器2000的示意结构。
参照图9，可变光学探测器2000包括：光透射单元2100；准直器2300，将透射经过光透射单元2100的光准直为平行光；NA控制单元1000，通过将光聚焦在要被检查的样品上来控制NA；以及扫描器2200，改变透射经过光透射单元2100的光的路径使得经过NA控制单元1000的光扫描样品S的预定区域。
光透射单元2100可以由光纤形成，扫描器220可以是致动器，该致动器设置在光纤的一端并引起光纤的变形以改变光的路径。致动器可以是压电致动器，或者根据任意各种方法起作用的致动器，并包括用于驱动悬臂的形状的任意各种材料，诸如由PZT形成的悬臂、形状记忆合金等。
准直器2300可以包括至少一个透镜。
NA控制单元1000包括孔径调节单元VA和聚焦控制单元VF，孔径调节单元VA可以是图3和图4所示的孔径调节单元中的任一个，聚焦控制单元VF可以是图5、图6和图7所示的聚焦控制单元中的任一个。
图10示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器2001的示意结构。
除了图9的可变光学探测器2000的元件之外，根据当前实施例的可变光学探测器2001包括对经过NA控制单元1000的光进行象差校正的透镜单元2800，透镜单元2800可以包括至少一个透镜。
图11示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器2002的示意结构。
除了图9的可变光学探测器2000的元件之外，图11所示的可变光学探测器2002包括通过驱动反射镜表面来改变光的路径的微机电系统（MEMS）扫描器2600。MEMS扫描器2600可以设置在孔径调节单元VA与聚焦控制单元VF之间。此外，光路转换构件2400可以进一步设置在孔径调节单元VA与MEMS扫描器2600之间从而改变透射经过孔径调节单元VA的光的路径并使光入射在MEMS扫描器2600上。
图12示出根据本发明另一示范性实施例的可变光学探测器2003的示意结构。
参照图12，除了图11的可变光学探测器2002的元件之外，可变光学探测器2003包括对经过孔径调节单元VA和聚焦控制单元VF的光进行象差校正的透镜单元2800，透镜单元2800可以包括至少一个透镜。
图13A是根据本发明示范性实施例的图像诊断系统3000的示意结构的方框图。
参照图13A，图像诊断系统3000包括：光源单元；可变光学探测器，将从光源发射的光扫描在要被检查的样品S上，例如人体组织上，从而控制NA；以及检测器，由从样品S反射的光来检测样品S的图像。
可变光学探测器可以是图9至图12所示的可变光学探测器2000、2001、2002和2003中的任一个，并可以根据检查目的来调节孔径、焦距和NA。
检测器可以包括感测样品S的图像的图像传感器，诸如电荷耦合器件（CCD）。
图像诊断系统3000还可以包括：分束器，将从光源单元朝向样品S发射的光的路径与从样品S反射的光的路径分开；以及图像信号处理器，对由检测器检测的信号进行信号处理以产生图像信号并显示该图像信号。
图13B是根据本发明另一示范性实施例的图像诊断系统3001的示意结构的方框图。
参照图13B，图像诊断系统3001包括：光源单元；光学干涉仪，将从光源单元发射的光调制成预定的相干光；可变光学探测器，将光扫描在要被检查的样品S上，例如人体组织上，从而控制NA；检测器，由从样品S反射的光来检测样品S的图像；以及图像信号处理器，将由检测器检测的信号处理为图像信号使得样品S的图像可以被显示。
光学干涉仪包括参考反射镜和分束器。从光源单元发射的光的一些被分束器分开并朝向参考反射镜照射，然后从参考反射镜反射。也就是，通过参考反射镜和分束器的相互作用产生的相干光入射在可变光学探测器上。当图像诊断系统3001以OCT模式操作时，通常使用这种类型的相干光。此外，从样品S反射的光被分束器分开并朝向检测器照射。
可变光学探测器可以是图9至图12所示的可变光学探测器2000、2001、2002和2003中的任一个，并可以根据检查目的来调节孔径、焦距和NA。
图14示出用于解释根据本发明示范性实施例的图13A和图13B所示的图像诊断系统3000和3001的各种操作模式的设计窗口。
获得组织内部的层的图像的OCT模式需要以相对长的焦距也就是相对小的NA来执行。在具有相对高的水平分辨率的OCT模式中，要提供具有相对高的NA的光学系统。可以考虑这一点而适当地选取操作模式，从而获得适于检查目的的焦距或束直径。
此外，图13A和图13B所示的图像诊断系统3000和3001可以使用在一模式中，在该模式中可以保持预定的水平分辨率并且可以进行深度扫描。一般的OCT信号根据深度而减小，因为当通过调节焦距使光在深度方向上扫描时，水平分辨率降低。然而，由于图13A和图13B所示的图像诊断系统3000和3001可以采用独立地调节焦距和孔径的NA控制单元，当通过增大焦距使光在深度方向上扫描时，可以通过调节孔径来保持预定的NA值。例如，图像诊断系统3000和3001可以操作为在保持预定NA值的同时在由DS所指示的箭头方向上进行深度扫描。
图15是流程图，示出根据本发明示范性实施例利用图13A和图13B所示的图像诊断系统3000和3001来检测图像的方法。
诊断模式和适于该诊断模式的NA在操作S101中确定，用于深度扫描的步骤数N在操作S102中确定。
在操作S103中，利用所确定的NA来调节NA控制单元的焦距使得光可以聚焦距离组织表面的第一深度上；在操作S104中，调节孔径的尺寸从而获得预定的NA和焦距。
在操作S105中，在水平方向上扫描第一深度的预定区域，检测图像，存储被检测的图像。
聚焦控制单元被控制使得在操作S103中NA控制单元的焦距增大并且光聚焦在距离组织表面的第二深度上。在操作S104中，孔径调节单元的孔径尺寸被调节使得在增大的焦距处可以保持预定NA值。在操作S105中，在水平方向上扫描第二深度的预定区域，检测图像，存储被检测的图像。
在重复进行操作S103至S105到N次的深度扫描之后，在步骤S106中，所存储的图像Ik（其中k为1至N）被结合在一起。
如上所述，根据本发明的一个或多个实施例，通过利用孔径调节和/或聚焦调节，NA控制单元可以实现所需的水平分辨率并且可以获得适于DOF的NA。
在上述深度扫描法中，深度扫描可以在保持需要的NA值的同时通过同时进行孔径调节和聚焦调节来进行，可以获得样品的深度图像而没有样品与聚焦控制单元之间的距离的变化。
包括NA控制单元的可变光学探测器可以使用在要提供相对高的水平分辨率和相对高的DOF的图像诊断系统中。
应当理解，这里描述的示范性实施例应当仅以描述性的含义来理解，而不是为了限制的目的。对每个实施例中特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。

Claims (36)

1.一种数值孔径控制单元，包括：
孔径调节单元，调节光透射穿过的孔径；以及
聚焦控制单元，设置在关于所述孔径调节单元的预定位置、聚焦透射穿过所述孔径的光并具有可调节的焦距。
2.如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括机械光阑，所述机械光阑的孔径尺寸被机械地调节。
3.如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括液体光阑，所述液体光阑的孔径尺寸利用液压来调节。
4.如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括液体光阑，所述液体光阑的孔径尺寸利用微电流体法来调节。
5.如权利要求4所述的数值孔径控制单元，其中所述孔径调节单元包括：
腔室，形成流体在其中流动的空间；
第一流体和第二流体，容纳在所述腔室中，彼此不混合，所述第一流体和所述第二流体中的一个由具有光透射性质的材料形成，另一个由具有光阻挡性质或光吸收性质的材料形成；以及
电极部分，设置在所述腔室内部，所述电极部分中布置有一个或多个电极，电压施加到该一个或多个电极以在所述腔室中形成电场，
光通过其透射的所述孔径由所述电场引起的所述第一流体与所述第二流体之间的界面位置的变化来调节。
6.如权利要求5所述的数值孔径控制单元，其中所述第一流体和所述第二流体中的一个包括液体金属或极性液体，所述第一流体和所述第二流体中的另一个包括气体或非极性液体。
7.如权利要求5所述的数值孔径控制单元，其中所述腔室的区域包括：
第一通道；和
第二通道，设置在所述第一通道上方并连接到所述第一通道，
其中所述孔径的范围由在所述第一通道和所述第二通道的每个中发生的所述第一流体与所述第二流体之间的界面位置的变化来限定。
8.如权利要求7所述的数值孔径控制单元，其中所述第一通道由第一基板、第二基板和第一间隔物形成，所述电极部分设置在所述第一基板上，所述第二基板与所述第一基板间隔开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边部分中的第二通孔，所述第一间隔物设置为形成所述第一基板与所述第二基板之间的内部空间。
9.如权利要求8所述的数值孔径控制单元，其中所述第二通道由所述第二基板、第三基板和第二间隔物形成，所述第三基板与所述第二基板间隔开，所述第二间隔物设置为形成所述第二基板与所述第三基板之间的内部空间。
10.如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述聚焦控制单元包括液晶透镜，在所述液晶透镜中液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节所述液晶透镜的焦距。
11.如权利要求1所述的数值孔径控制单元，其中所述聚焦控制单元包括液体透镜，所述液体透镜包括流体表面作为透镜表面并通过使流体流动来调节该透镜表面的形状从而调节该液体透镜的焦距。
12.如权利要求11所述的数值孔径控制单元，其中所述流体的流动由于电润湿而发生。
13.如权利要求12所述的数值孔径控制单元，其中所述聚焦控制单元包括：
第一流体，具有光透射性质和极性性质；
第二流体，具有光透射性质并不与所述第一流体混合；
腔室，具有容纳所述第一流体和所述第二流体的内部空间；
第一表面，其是所述第一流体与所述第二流体之间的边界表面并形成所述透镜表面；
第二表面，其是所述第一流体与所述第二流体之间的边界表面并引起所述透镜表面的曲率的变化；
第一中间板，设置在所述腔室中并具有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔限定对应于所述透镜表面的透镜的直径，所述第二通孔形成所述第二流体的路径；以及
电极部分，形成电场以改变所述第二表面的位置。
14.如权利要求13所述的数值孔径控制单元，其中所述第一流体包括极性液体，所述第二流体包括气体或非极性液体。
15.如权利要求11所述的数值孔径控制单元，其中所述流体的流动以加压的方式发生。
16.一种深度扫描方法，其中光通过在深度方向上扫描样品来照射，该方法包括通过利用权利要求1所述的数值孔径控制单元同时改变焦距和孔径尺寸来保持预定的数值孔径（NA）。
17.一种可变光学探测器，包括：
光透射单元；
准直器，将透射穿过所述光透射单元的光准直为平行光；
权利要求1所述的数值孔径控制单元，将光聚焦在要被检查的样品上；以及
扫描器，改变光透射穿过所述光透射单元的路径，使得所述样品的预定区域被通过所述数值孔径控制单元的光来扫描。
18.如权利要求17所述的可变光学探测器，其中所述光透射单元包括光纤。
19.如权利要求18所述的可变光学探测器，其中所述扫描器包括致动器，所述致动器设置在所述光纤的一端上并引起所述光纤的变形以改变光的路径。
20.如权利要求18所述的可变光学探测器，其中所述扫描器包括微机电系统（MEMS）扫描器，该微机电系统扫描器通过驱动反射镜表面来改变光的路径。
21.如权利要求20所述的可变光学探测器，其中所述微机电系统扫描器设置在所述孔径调节单元与所述聚焦控制单元之间。
22.如权利要求21所述的可变光学探测器，还包括光路转换构件，所述光路转换构件设置在所述孔径调节单元与所述微机电系统扫描器之间以改变透射经过所述孔径调节单元的光的路径并使光入射在所述微机电系统扫描器上。
23.如权利要求17所述的可变光学探测器，还包括对通过所述NA控制单元的光进行象差校正的透镜单元。
24.一种图像诊断系统，包括：
光源单元；
权利要求17所述的可变光学探测器，用于将从所述光源单元发射的光扫描在要被检查的组织上；以及
检测器，由该组织所反射的光来检测该组织的图像。
25.一种利用权利要求24的图像诊断系统来检测图像的方法，包括：
利用预定的数值孔径（NA）值来控制所述数值孔径控制单元，使得光聚焦在距离组织表面的第一深度上；
扫描第一深度的预定区域并检测图像；
控制聚焦控制单元使得所述聚焦控制单元的焦距增大并且光聚焦在距离所述组织表面的第二深度上，并控制所述孔径调节单元的孔径尺寸使得预定的数值孔径值被保持；以及
扫描第二深度的预定区域并检测图像。
26.一种图像诊断系统，包括：
光源单元，发射光；
孔径调节单元，调节从所述光源单元发射的光所透射穿过的孔径；
聚焦控制单元，设置在距离所述孔径调节单元的预定位置，将经过所述孔径的光聚焦在样品上，并具有可调节的焦距；以及
检测器，由所述样品反射的光来检测所述样品的图像，
其中数值孔径（NA）通过控制所述孔径调节单元和所述聚焦控制单元来控制，获得所述样品的深度图像而没有改变所述样品与所述聚焦控制单元之间的距离。
27.如权利要求26所述的图像诊断系统，其中所述孔径调节单元包括孔径尺寸被机械地调节的机械光阑、孔径尺寸利用液压调节的液体光阑、或者孔径尺寸利用微电流体法调节的液体光阑。
28.如权利要求26所述的图像诊断系统，其中所述聚焦控制单元包括液体透镜，所述液体透镜将流体表面定义为透镜表面并通过使流体流动来调节该透镜表面的形状，从而调节所述液体透镜的焦距。
29.如权利要求28所述的图像诊断系统，其中该流体流动由于电润湿或以加压的方式而发生。
30.如权利要求26所述的图像诊断系统，其中所述聚焦控制单元包括液晶透镜，在所述液晶透镜中液晶被施加电场梯度以引起折射率梯度从而调节所述液晶透镜的焦距。
31.如权利要求26所述的图像诊断系统，还包括扫描器，该扫描器将从所述光源单元发射的光扫描在所述样品的预定水平区域中。
32.一种图像诊断方法，包括：
从光源单元发射光；
控制数值孔径（NA）并将光聚焦在样品的预定位置上；以及
检测从所述样品反射的光。
33.如权利要求32所述的图像诊断方法，还包括分开从所述光源单元朝向所述样品发射的光的路径与从所述样品反射的光的路径。
34.如权利要求32所述的图像诊断方法，还包括将从所述光源单元发射的光调制为预定的相干光。
35.如权利要求34所述的图像诊断方法，其中将从所述光源单元发射的光调制为预定的相干光包括：将从所述光源单元发射以朝向参考反射镜照射的光中的一些分开以及利用从该参考反射镜反射的光来形成相干光。
36.如权利要求32所述的图像诊断方法，还包括对由检测器检测的信号进行信号处理以产生图像信号。
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