利用光学系统来进行表征和成像的方法技术方案

一种表征光学系统的方法，其中光学系统包括具有近端和远端的光纤，其中光纤包括非单模光纤；并且包括反射器组件，该反射器组件包括设置在光纤的远端处的反射器堆叠，其中反射器堆叠被布置成根据照射波长而提供不同的反射器矩阵。该方法包括：以多个表征波长将校准图案投射到近端上，然后在近端处获取与所反射的校准图案相关的数据。然后，使用与所反射的校准图案相关的数据和反射器矩阵来确定所述光纤的瞬时传输矩阵。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用光学系统来进行表征和成像的方法
本公开涉及一种表征光学系统的方法，特别是但不限于在光学系统用作成像系统的情况下。本专利技术的各方面涉及成像方法、涉及光学系统以及涉及包括光学系统的成像系统。
技术介绍
通过光纤成像是众所周知的，并且变得越来越普遍。通过某些类型的光纤(称为成像光纤束或多芯光纤(multicorefibre，MCF))进行白光成像是用于商业管道镜和医用内窥镜的成熟的技术。最近，相干光(即来自激光器的光)已经被用于通过其他种类的光纤(诸如多模光纤(multimodefibre，MMF))成像。使用相干光的优点是图像可以在没有透镜的情况下形成，这意味着内窥镜不需要比光纤本身(通常<500μm)更厚。在MMF成像的情况下，由于更高的“信息密度”，这种大小优势得到增强——也就是说，MMF相比于MCF提供每单位面积更多的分辨率像素。这开启了在身体的以前无法到达的区域(例如大脑深处)中进行微创光学成像的机会。因此，已经有许多研究考察了使用MMF和MCF两者用于相干光成像。白光内窥镜检查是用于针对恶性病变前(发育不良)和癌症查视大面积的胃肠(GI)道和肺部的标准护理。例如，巴雷特食管是获得性化生疾病，其使患者易患食管腺癌。在存在发育不良的情况下，巴雷特患者的癌症风险显著增加，每年高达30％以上。发育不良的早期标识使得能够通过简单的内镜切除或射频消融进行治疗性干预。不幸的是，目前的监测程序使用结合随机活检的白光内窥镜检查，这两种方法一起仅示出对发育不良的40至64％的敏感性，从而导致高错失率。食管癌的5年生存率仅为15％，但当患者被诊断为早期疾病时可以高达80％，因此迫切需要内镜镜早期检测方法方面的改进。虽然应用染料可以提高对比度，但它们的使用延长程序时间，并可能导致毒性。无标记方法可以更好地解决对改进的发育不良的组织对比度的临床上未满足的需求。发育不良中细胞的局部增殖散射光，从而产生异常失真的波前。相位成像已被证明对这种失真高度敏感。另外，双向衰减、延迟和圆形度的偏振成像测量可以通过散射进行修改，也被光学各向异性分子(诸如肿瘤中丰富的胶原蛋白)的较高浓度所干扰。光散射光谱学已经示出了利用相位和偏振信息检测发育不良的前景，但是只涉及较窄的视野。使用侧向扫描机制的光学相干断层扫描部分地缓解了这个限制，但对所得到的截面图像的解释仍然具有挑战性。此外，两种方法都需要专用的复杂仪器，这具有有限的内窥镜应用。柔性医用光纤镜将光学信息从患者体内中继到外部成像系统，该成像系统可以用于在具有相对简单和低成本的元件(诸如编码孔径、光栅和偏振光学器件)的现有临床认可的系统中实现直接宽视场相位和偏振成像。商用内窥镜通常使用远侧传感器(“尖端芯片”)，并且尽管已经开发了用于其他模态的具有远侧光学器件的原型装置(例如全息成像)，但是附加的体积(>2倍宽度)使得与现有内窥镜手术的集成变得困难。光纤束在宽度方面通常<1mm、独立于成像模态，从而使其成为用于在内窥镜检查中实施新型医学成像技术的有吸引力的候选对象。然而，MCF和MMF两者是以确定但高度复杂的方式散射光，这种方式是弯曲和温度的函数。这种散射在大多数情况下会妨碍成像，或者至少会极大地降低成像质量，并且因此必须被抵消。这可以使用传输矩阵(transmissionmatrix，TM)方法在成像之前预先表征光纤的全部光学传递特性来以非常高的精度实现。典型地，通过在光纤的一个端部处发送已知的光场并测量在另一端部处发出的光来测量TM。通过创建许多不同的向量x1＝[x1…xM]T并测量相对应的输出场y1＝[y1…yN]T，可以构建线性系统：Y＝AX其中Y＝[y1y2...yP]X＝[x1x2...xP]然后可以求解这些方程来确定A，即传输矩阵(TM)，例如通过计算以下内容：YX-1＝A实际的图像向量xs将被光纤转换以产生原始输出ys＝Axs。为了从所测量的ys中恢复xs，使用以下等式：xs＝A-1ys。然而，到目前为止，仍然存在使用TM特征进行光纤成像的大多数工作的关键限制。这就是已知的光场必须在一个刻面(facet)光纤中发送，并在另一个面光纤中测量，以便获得TM。这给实际应用带来了问题，因为光纤的一个端部(远侧刻面)可能无法接近，例如在身体内部深处。不期望的是在远侧刻面处引入扫描机构，因为这将引入附加体积，从而降低该技术的关键益处：即，成像光纤是毛发细的(<500μm)。尽管微型扫描机构已经被集成到直径为1mm的内窥镜中，但这种方法不容易扩展到允许附加的高级处理，例如偏振测量或相位检测。将所有光学器件定位在体外近侧刻面处允许高级成像的更大灵活性。没有远侧光学器件的这种系统不能简单地通过预先测量光纤TM来实现，因为光纤对将在体内遇到的弯曲和温度方面的微小变化极其敏感。因此，在实际应用中，预先测量的TM不足以进行图像恢复。本专利技术的实施例的目的是克服与现有技术相关的某些缺点。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供了一种表征光学系统的方法，其中该光学系统包括：具有近端和远端的光纤；以及反射器组件，该反射器组件包括设置在光纤的远端处的反射器堆叠，其中反射器堆叠被布置成根据照射波长而提供不同的反射器矩阵；该方法包括：以多个表征波长将校准图案投射到近端上；在近端处获得与所反射的校准图案相关的数据；以及使用与所反射的校准图案相关的数据和反射器矩阵来确定光纤的瞬时传输矩阵。在某些实施例中，反射器矩阵可以通过以下确定：确定表征配置下光纤的表征传输矩阵；以多个表征波长的每一个，确定表征配置下的光纤的反射矩阵，其中反射器堆叠设置在远端处；以及使用反射矩阵和表征传输矩阵确定反射器矩阵。确定表征传输矩阵可以包括以多个表征波长中的每一个在表征配置下将光传输通过光纤，检测在多个表征波长中的每一个下传输的光，使用所检测的所传输的光确定表征传输矩阵。检测所反射的校准图案可以包括测量所反射的校准图案的幅值。附加地或替代性地，检测所反射的校准图案包括测量所反射的校准图案的相位。附加地或替代性地，检测所反射的校准图案包括测量所反射的校准图案的偏振。该方法可以包括从所反射的校准图案产生方形反射矩阵，其中确定瞬时传输矩阵包括使用方形反射矩阵。根据本专利技术的另一方面，提供了一种成像方法，包括：提供光学系统，该光学系统包括：具有近端和远端的光纤以及反射器组件，该反射器组件包括设置在光纤的远端处的反射器堆叠，其中反射器堆叠被布置成根据照射波长而提供不同的反射器矩阵；如上所述表征光学系统；以选自表征波长的成像波长照射靠近远端的样本；在近端处获取与样本相关的图像数据；以及使用与样本相关的图像数据和瞬时传输矩阵产生经恢复的图像数据。该方法还可以包括获取反射器组件的传输矩阵，其中确定瞬时传输矩阵或产生经恢复的图像数据可以包括使用反射器组件的传输矩阵。产生经恢复的图像数据可以包括产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对光学系统进行表征的方法，其中所述光学系统包括：/n光纤，具有近端和远端，其中所述光纤包括非单模光纤；以及/n反射器组件，包括设置在所述光纤的远端处的反射器堆叠，其中所述反射器堆叠被布置成根据照射波长而提供不同的反射器矩阵；/n所述方法包括：/n以多个表征波长将校准图案投射到近端上；/n在所述近端处获取与所反射的校准图案相关的数据；以及/n使用与所述反射的校准图案相关的数据和所述反射器矩阵来确定所述光纤的瞬时传输矩阵。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181109 GB 1818290.71.一种对光学系统进行表征的方法，其中所述光学系统包括：
光纤，具有近端和远端，其中所述光纤包括非单模光纤；以及
反射器组件，包括设置在所述光纤的远端处的反射器堆叠，其中所述反射器堆叠被布置成根据照射波长而提供不同的反射器矩阵；
所述方法包括：
以多个表征波长将校准图案投射到近端上；
在所述近端处获取与所反射的校准图案相关的数据；以及
使用与所述反射的校准图案相关的数据和所述反射器矩阵来确定所述光纤的瞬时传输矩阵。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反射器矩阵通过以下来确定：
确定表征配置下所述光纤的表征传输矩阵；
以所述多个表征波长的每一个表征波长来确定所述表征配置下的所述光纤的反射矩阵，其中所述反射器堆叠设置在所述远端处；并且
使用所述反射矩阵和所述表征传输矩阵来确定所述反射器矩阵。


3.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述表征传输矩阵包括以所述多个表征波长中的每一个表征波长在所述表征配置下将光传输通过所述光纤，检测以所述多个表征波长中的每一个表征波长传输的光，使用所检测的所传输的光来确定所述表征传输矩阵。


4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中检测所反射的校准图案包括测量所反射的校准图案的幅值。


5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中检测所反射的校准图案包括测量所反射的校准图案的相位。


6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中检测所反射的校准图案包括测量所反射的校准图案的偏振。


7.根据任一前述权利要求所述的方法，包括从所反射的校准图案产生方形反射矩阵，其中确定所述瞬时传输矩阵包括使用所述方形反射矩阵。


8.一种成像的方法，包括：
提供光学系统，所述光学系统包括：光纤，具有近端和远端；以及反射器组件，所述反射器组件包括设置在所述光纤的远端处的反射器堆叠，其中所述反射器堆叠被布置成根据照射波长而提供不同的反射器矩阵；
表征根据权利要求1至7中任一项所述的光学系统；
以成像波长来照射靠近所述远端的样本；
在近端处获取与样本相关的图像数据；以及
使用与样本相关的图像数据和瞬时传输矩阵来产生经恢复的图像数据。


9.根据权利要求8所述的方法，还包括获取所述反射器组件的传输矩阵，其中确定所述瞬时传输矩阵或产生经恢复的图像数据包括使用所述反射器组件的传输矩阵。


10.根据权利要求8或9所述的方法，其中产生经恢复的图像数据包括产生经恢复的幅值数据。


11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中产生经恢复的图像数据包括产生经恢复的相位数据。


12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中产生经恢复的图像数据包括产生经恢复的偏振数据。
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【专利技术属性】
技术研发人员：乔治·辛克莱·杜考夫·戈登，卡卢姆·威廉姆斯，莎拉·伊丽莎白·博恩迪克，
申请(专利权)人：癌症研究技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB