專利名稱：深度增強(qiáng)的圖像采集的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及光纖掃描裝置，諸如光纖圖像采集裝置和光纖圖像顯示裝置等，更詳細(xì)地說，涉及利用直徑非常小的柔性光纖增強(qiáng)深度信息，實(shí)現(xiàn)高圖像分辨率和寬視場(chǎng)的光纖掃描裝置。
光纖圖像采集裝置包括內(nèi)窺鏡、內(nèi)孔窺視儀和條碼閱讀器。內(nèi)窺鏡是一種成像儀器，用來觀看人體通道和空心器官的內(nèi)部。一般通過人體的開孔進(jìn)入。內(nèi)孔窺視儀是一種成像儀器，用來觀看人體內(nèi)部區(qū)域。一般是通過“鉆出”的開孔(例如，外科手術(shù)開孔)侵入。
有剛性內(nèi)窺鏡和柔性內(nèi)窺鏡。剛性內(nèi)窺鏡不具有象素化的圖像平面。柔性內(nèi)窺鏡較小，傳統(tǒng)上具有象素化圖像平面。但是，柔性內(nèi)窺鏡無法達(dá)到剛性內(nèi)窺鏡的分辨率和視場(chǎng)。然而，剛性內(nèi)窺鏡不能用在要求小尺寸和柔性光纖和鏡桿(shaft)的許多用途。
任何內(nèi)窺鏡的目的都是在小的包裝內(nèi)達(dá)到高的圖像質(zhì)量，允許最小的組織創(chuàng)傷。在最小侵入外科技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展中，對(duì)與當(dāng)前圖像質(zhì)量匹配的較小型的內(nèi)窺鏡存在巨大的需求。具體地說，對(duì)最小侵入醫(yī)療手術(shù)的需求增大了超細(xì)光學(xué)內(nèi)窺鏡的需求。但是，商售的柔性內(nèi)窺鏡在尺寸和圖像質(zhì)量上兩者須擇其一。內(nèi)窺鏡的直徑越小，圖像分辨率和/或視場(chǎng)(FOV)就越低，使得圖像質(zhì)量受損。采用非常小的內(nèi)窺鏡時(shí)許多內(nèi)窺鏡技術(shù)就無法使用或變得危險(xiǎn)，因?yàn)獒t(yī)生沒有足夠的視覺信息，亦即，尺寸小和圖像質(zhì)量差。因而，需要高分辨率和和大視場(chǎng)的非常小柔性內(nèi)窺鏡。具有非常小的直徑和高的圖像質(zhì)量的柔性圖像產(chǎn)生裝置的這種基本的折衷(兩者不可共得的情況)是諸如遙感等人體外部應(yīng)用的主要限制。
傳統(tǒng)的柔性內(nèi)窺鏡和內(nèi)孔窺視儀包括構(gòu)成CCD攝像頭的大的象素檢測(cè)器空間陣列。一般用光纖束來捕獲圖像，并把圖像發(fā)送給CCD攝像頭。為了達(dá)到高的分辨率、寬的視場(chǎng)，這樣的CCD攝像頭包括大約1000×1000個(gè)檢測(cè)器的象素檢測(cè)器陣列。為了彩色保真度，通常包括三個(gè)這樣的陣列，在要求有立體感的地方，就要加倍到6個(gè)陣列。每個(gè)象素檢測(cè)器要有一條光纖。每條光纖具有大于或等于4微米直徑。這樣，采集就需要每個(gè)象素大于或等于4微米的空間。若按VGA標(biāo)準(zhǔn)(800×600象素)，則僅僅圖像管道的最小直徑就大于3mm。1000×1000個(gè)象素檢測(cè)器陣列至少具有4mm直徑。對(duì)于VGA標(biāo)準(zhǔn)，為了獲得小于3mm的總直徑的鏡，便要犧牲分辨率和/或視場(chǎng)，采用較少的象素元件。減小內(nèi)窺鏡的直徑，便減小了可能的象素?cái)?shù)目，相應(yīng)地，降低了分辨率和視場(chǎng)。直徑上的限制也限制了訪問彩色圖像和立體圖像的機(jī)會(huì)。
小的(例如，直徑小于3mm)柔性內(nèi)窺鏡的領(lǐng)域中，內(nèi)窺鏡需要使用最小的象素尺寸，而且還要減少象素?cái)?shù)目，一般減到100×100。應(yīng)該指出，外科醫(yī)生發(fā)現(xiàn)這些小的柔性內(nèi)窺鏡太脆，所以得不到廣泛應(yīng)用。醫(yī)生寧可采用小的但剛性的桿狀(直桿)內(nèi)窺鏡，大大限制它們的機(jī)動(dòng)性和適用性。
在大的(例如，直徑大于或等于4mm)柔性內(nèi)窺鏡的領(lǐng)域，內(nèi)窺鏡具有直徑大于或等于4mm的柔性桿，一般或者包括一束光纖或者在遠(yuǎn)端包括小的攝像頭來捕獲圖像。但是，在所需的50-70°視場(chǎng)(FOV)和在人類視覺敏銳最大潛力下的分辨率之間仍要折衷，直至內(nèi)窺鏡直徑達(dá)到＞10mm。
1992年4月27日頒布的John W.Hicks的美國(guó)專利No.5,103,497公開了一種飛點(diǎn)內(nèi)窺鏡，其中減小光纖之間的空間，以便減小光纖束的總體直徑。不是用粘在一起的方法安排光纖束，Hicks在其推薦的實(shí)施例中利用多光纖，其相鄰纖芯是相位不匹配的、用電磁驅(qū)動(dòng)器，沿著光柵圖案、螺旋圖案、振動(dòng)圖案或旋轉(zhuǎn)圖案掃描所述多光纖。掃描照明光纖、觀察光纖或既掃描照明光纖又掃描觀察光纖。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，Hicks公開了掃描單根光纖(例如，或者照明光纖或者觀察光纖)。
Hicks利用小的光纖束或單根光纖通過沿著圖像平面掃描光纖束來掃描圖像平面。應(yīng)該指出，圖像平面尺寸不減小。較小的光纖束掃描整個(gè)圖像平面。為了這樣做，讓光纖束在先有技術(shù)中由較大的收集光纖陣列占用的同一區(qū)域上移動(dòng)。結(jié)果，Hicks裝置在操作時(shí)占用的區(qū)域與先有技術(shù)的相同。另外，在先有技術(shù)中較大陣列中光纖的纖芯尺寸限制了分辨率，Hicks的較小的光纖束中光纖的纖芯尺寸也同樣地限制了分辨率。
內(nèi)窺鏡技術(shù)上的一個(gè)挑戰(zhàn)是縮小掃描裝置的尺寸。正如上面討論的，最小尺寸是光纖直徑和所需分辨率和所需視場(chǎng)的組合的函數(shù)。所需分辨率或視場(chǎng)越大，所需直徑就越大。在給定的視場(chǎng)下所需分辨率越大，所需光纖的數(shù)目就越大。這種限制是利用光纖攝像頭元件對(duì)圖像平面的小部分進(jìn)行采樣這種技術(shù)造成的。傳統(tǒng)上，捕獲圖像平面的每個(gè)象素都用一根收集光纖，盡管Hicks一條或多條光纖掃描多個(gè)象素。
產(chǎn)生圖像平面時(shí)，用照明光纖照亮物體。某些照明光線直接射在物體上。其他照明光線射在物體之前或之后被散射。收集從圖像平面返回的光線(例如，反射光、熒光返回光、磷光返回光)。一般利用共焦系統(tǒng)把從物體的照明部分返回的所需的非散射光與散射光區(qū)分開。具體地說，透鏡聚焦返回觀察光纖的光。只有不散射的光沿著從物體部分到透鏡和觀察光纖的直接路徑行進(jìn)。透鏡具有這樣設(shè)置的焦距，使得非散射光聚焦在觀察光纖的端面上。這樣，所需的光被捕獲，并與不希望有的光分開。這種途徑的一個(gè)缺點(diǎn)是，大部分照明光線被浪費(fèi)了，或者被周圍的象素元件作為噪音捕獲，只有小部分作為非散射光用來定義給定的象素。
最小侵入醫(yī)療手術(shù)采用內(nèi)窺鏡，利用視頻監(jiān)視器向醫(yī)師提供單一攝像頭圖像。醫(yī)師必須在心里把由內(nèi)窺鏡捕獲的平面的二維圖像與人體內(nèi)掃描目標(biāo)的三維幾何聯(lián)系起來。受過訓(xùn)練的醫(yī)師利用運(yùn)動(dòng)視差、單眼提示和其他間接的深度證據(jù)在心里想象出人體的幾何形狀。最好改善呈現(xiàn)在醫(yī)師眼前的圖像。例如，當(dāng)前的立體內(nèi)窺鏡(帶有兩個(gè)光纖束或攝像頭)提供附加圖像數(shù)據(jù)，但呈現(xiàn)次最優(yōu)性能。在不顯著增加內(nèi)窺鏡的成本、重量和尺寸的情況下達(dá)到這樣的改善仍舊是一個(gè)挑戰(zhàn)。
發(fā)明概述按照本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了一種帶有柔性光纖的微型圖像采集系統(tǒng)。柔性光纖用作照明波導(dǎo)，照明波導(dǎo)諧振以便使發(fā)射的光沿著所需的圖案掃描。最好把單光纖用于照明光。對(duì)于照明光的多種顏色，最好把來自各自的彩色光源的光加以組合，通過照明單光纖，照射在觀看的物體上。在一個(gè)替代的實(shí)施例中，把多根光纖和同心光纖用于照明光。
不是像傳統(tǒng)的柔性內(nèi)窺鏡等所做那樣產(chǎn)生圖像平面并對(duì)其采樣(亦即其中象素是在空間上分開的)，本發(fā)明的掃描儀不必產(chǎn)生圖像平面來捕獲圖像。反之，象素是按時(shí)間采集的，在時(shí)間上分開。這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，圖像分辨率不再受檢測(cè)器的尺寸(例如，收集光纖的直徑)限制。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，圖像分辨率是被照明點(diǎn)尺寸的函數(shù)。具體地說，利用小于收集裝置直徑的光點(diǎn)尺寸即可改善圖像分辨率。在一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)單模光纖，它具有較小的高斯光束曲線和較小的纖芯曲線，允許在被掃描處產(chǎn)生較小的光點(diǎn)尺寸，由于象素是作為在時(shí)間窗口內(nèi)接收的光被檢測(cè)的，所以在這樣的時(shí)間窗口中檢測(cè)的光子來自照明的光點(diǎn)。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，避免了先有技術(shù)系統(tǒng)中的共焦問題的出現(xiàn)。利用典型的視頻速率，例如，來定義象素的時(shí)間窗口尺寸，每40納秒收集一個(gè)象素。要使來自其他象素的光干擾一個(gè)象素的光，第二個(gè)象素的光會(huì)要平均彈跳20英尺(因?yàn)楣饧s行進(jìn)1英尺/納秒)。對(duì)于典型的應(yīng)用，這樣的光要在小于一立方英寸的空間內(nèi)彈跳。相當(dāng)于大約240次反射。來自一個(gè)象素的光在被吸收之前要反射240次，這是不太可能的。于是共焦問題不明顯。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，照明光纖的遠(yuǎn)端部分用作諧振波導(dǎo)。這樣的遠(yuǎn)端部分在靠近光纖其余部分的末端被錨定(例如，稱作遠(yuǎn)端部分的近端或諧振波導(dǎo)的近端)。遠(yuǎn)端部分自由偏轉(zhuǎn)和諧振。波導(dǎo)是柔性的，以諧振頻率沿著掃描路徑偏轉(zhuǎn)。光檢測(cè)器定位在照明光纖的末端(例如，在遠(yuǎn)端部分的被錨定的近端附近)。應(yīng)該指出，可以有收集光纖，但不必要。另外，不必跟蹤掃描路徑。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于象素的獲取方法、透鏡的存在和光纖的驅(qū)動(dòng)方法，即使小而細(xì)的觀察器(scope)，也能達(dá)到光纖的柔軟性、廣闊的視場(chǎng)和高的分辨率。因?yàn)橄笏厥窃跁r(shí)間序列中測(cè)量的，并非二維象素矩陣，所以不必具有小的光子檢測(cè)器。檢測(cè)器的尺寸不像先有技術(shù)觀察器那樣關(guān)鍵，在那里許多小的檢測(cè)器分布在一個(gè)大的面積上。因此，本發(fā)明的觀察器可以做得比現(xiàn)有的觀察器小，而同時(shí)利用較少的比標(biāo)準(zhǔn)觀察器的象素檢測(cè)器大的光子檢測(cè)器。按照本發(fā)明，對(duì)于單色圖像采集，使用的光子檢測(cè)器可以少到只有一個(gè)，而對(duì)于全色成像，使用的紅、綠和藍(lán)色檢測(cè)器可以少到各一個(gè)。通過加上附加的檢測(cè)器，強(qiáng)調(diào)全色成像中的拓?fù)?，可以達(dá)到準(zhǔn)立體成像和光度立體。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，通過在每個(gè)象素位置上測(cè)距，測(cè)量從觀察器到目標(biāo)的軸向距離，即可達(dá)到真立體觀察。這樣的軸向測(cè)量值是圖像的第三維，加以處理便可產(chǎn)生立體視覺。
按照本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，帶有小的柔性桿的單根掃描光纖提供(i)軸向幾何尺寸，(ii)提供彩色保真度、增大目標(biāo)對(duì)比度和增大熒光對(duì)比度的低成本方法，和(iii)激照明明可以用于熒光成像、醫(yī)學(xué)診斷和激光外科手術(shù)。結(jié)合附圖參照以下的詳細(xì)描述，對(duì)本發(fā)明的這些和其他方面和優(yōu)點(diǎn)將有更好的理解。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的微型圖像采集系統(tǒng)的方框圖；圖2是說明圖像采集系統(tǒng)的照明子系統(tǒng)的示意圖；圖3是圖1圖像采集系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的收集子系統(tǒng)和顯示部分的示意圖；圖4是圖1的圖像采集系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的一部分的示意圖，包括檢測(cè)器子系統(tǒng)、顯示裝置和圖像存儲(chǔ)裝置圖5A-C是不同模式下圖2照明光纖諧振波導(dǎo)部分的示意圖；圖5D是按照?qǐng)D5C的諧振模式不同取向下的光纖遠(yuǎn)端透鏡的示意圖；圖6A是一個(gè)示意圖，描寫按照傳統(tǒng)的技術(shù)對(duì)圖像平面一個(gè)小的象素區(qū)域進(jìn)行采樣，其中被采樣的區(qū)域定義了象素尺寸和象素分辨率；圖6B是一個(gè)示意圖，描寫按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例對(duì)一個(gè)大區(qū)域進(jìn)行采樣，其中所述大的采樣區(qū)域內(nèi)較小的照明區(qū)域定義象素尺寸和象素分辨率；圖7是諧振波導(dǎo)和聚焦透鏡的示意圖，表示沿著掃描線的點(diǎn)和相應(yīng)的照明光點(diǎn)；圖8是表示光纖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步信號(hào)、光纖端部的角位移和照明光點(diǎn)位置與時(shí)間關(guān)系的曲線圖；圖9是由恒定的照明、連續(xù)采樣形成的掃描線示意圖，其中采樣結(jié)果按時(shí)間劃分形成N個(gè)象素；圖10是由恒定的照明、定期采樣形成的掃描線示意圖，其中每個(gè)采樣結(jié)果對(duì)應(yīng)N個(gè)象素中的一個(gè)；圖11是由周期性脈沖照明形成的掃描線示意圖，其中、定期采樣與脈沖同步進(jìn)行，產(chǎn)生N個(gè)象素的樣值；
圖12是圖1系統(tǒng)的觀察器部分的平面?zhèn)纫晥D；圖13是圖12的觀察器的平面正視圖；圖14是去掉外殼后圖13的觀察器的透視圖；圖15A-C是圖1觀察器部分實(shí)施例微光電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的平面圖；圖16是圖1系統(tǒng)的觀察器部分另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，包括雙壓電晶片元件彎曲執(zhí)行器，而且其中光檢測(cè)器安裝在一個(gè)圓盤上，在彎曲器動(dòng)作時(shí)所述圓盤運(yùn)動(dòng)；圖17是圖16的觀察器的透視圖，表示執(zhí)行件的基本諧振模式；圖18是圖1系統(tǒng)的觀察器部分另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，包括雙壓電晶片元件彎曲執(zhí)行器，其中光檢測(cè)器安裝在靜止的基座上；圖19是圖1系統(tǒng)的觀察器部分另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，包括管狀雙壓電晶片元件執(zhí)行器；圖20是圖1系統(tǒng)的觀察器部分另一個(gè)實(shí)施例的透視圖，包括同心地圍繞照明波導(dǎo)的收集波導(dǎo)；圖21是觀察器部分的一部分的平面圖，包括以差動(dòng)方式排除(factor out)環(huán)境光而設(shè)置的光子檢測(cè)器；圖22是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的采集增強(qiáng)深度信息的圖像的方法的流程圖；圖23是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的圖像處理流程圖；圖24是按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的采集增強(qiáng)深度信息的圖像的方法的流程圖。
具體實(shí)施例的描述概述參見圖1，微型圖像采集系統(tǒng)10包括照明子系統(tǒng)12、收集或檢測(cè)器子系統(tǒng)14和在某些實(shí)施例中的主機(jī)系統(tǒng)16。照明子系統(tǒng)12把光線發(fā)射在物體上。收集/檢測(cè)子系統(tǒng)14收集或檢測(cè)從物體返回的光。照明子系統(tǒng)12和收集/檢測(cè)子系統(tǒng)14都連接到主機(jī)系統(tǒng)16。主機(jī)系統(tǒng)16包括控制器18，用以使照明子系統(tǒng)的工作和收集/檢測(cè)子系統(tǒng)的工作同步。主機(jī)系統(tǒng)16還包括顯示裝置20、用戶接口21、圖像存儲(chǔ)裝置22、處理器(未示出)和存儲(chǔ)器(未示出)。圖像采集系統(tǒng)10在某些實(shí)施例中配置成獨(dú)立裝置，沒有主機(jī)系統(tǒng)16。在這樣的獨(dú)立裝置實(shí)施例中，控制器18和顯示器20都是獨(dú)立系統(tǒng)的一部分。在不同的應(yīng)用中，微型圖像采集系統(tǒng)10實(shí)現(xiàn)了內(nèi)窺鏡、內(nèi)孔窺視儀、條碼閱讀器和用于圖像采集的其他裝置。本文中術(shù)語(yǔ)“光纖觀測(cè)器”指利用掃描光纖波導(dǎo)的圖像采集系統(tǒng)。
參見圖2，照明子系統(tǒng)12包括光源24、光纖26和光纖偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28。光源24在一個(gè)實(shí)施例中發(fā)射出連續(xù)的光流30，而在另一個(gè)實(shí)施例中發(fā)射出光脈沖流32。當(dāng)實(shí)現(xiàn)脈沖時(shí)，控制器18向光源24發(fā)送控制信號(hào)，以便同步和控制脈沖發(fā)射的定時(shí)。
來自光源24的光進(jìn)入光纖26并行進(jìn)到遠(yuǎn)端部分36，在這里光向物體發(fā)射。遠(yuǎn)端部分36偏轉(zhuǎn)并用作諧振波導(dǎo)36。光纖26或至少遠(yuǎn)端部分36是柔軟的，經(jīng)受得起遠(yuǎn)端處的諧振偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。控制器18向光纖偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28發(fā)送同步信號(hào)，光纖偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28本身則使波導(dǎo)36的遠(yuǎn)端諧振。波導(dǎo)36的諧振運(yùn)動(dòng)使發(fā)射的光線沿著所需的掃描路徑在物體上掃描。在某些實(shí)施例中，光纖偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28是用送往控制器18的傳感器和反饋信號(hào)40閉環(huán)控制的。在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28是壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在替代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)永磁或電磁驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)、聲驅(qū)動(dòng)或電化學(xué)驅(qū)動(dòng)來代替壓電驅(qū)動(dòng)。
最好在波導(dǎo)的遠(yuǎn)端通過對(duì)遠(yuǎn)端的成型加工，形成一個(gè)或多個(gè)透鏡27?；蛘甙岩粋€(gè)或多個(gè)透鏡熔融、粘結(jié)、安裝或用其他方法附在遠(yuǎn)端部分36的遠(yuǎn)端(亦即遠(yuǎn)端面)上。透鏡最好不擴(kuò)展到光纖遠(yuǎn)端部分36的圓周和直徑以外。透鏡37相對(duì)于遠(yuǎn)端部分36是固定的，隨著遠(yuǎn)端部分36運(yùn)動(dòng)并改變?nèi)∠颉＿@些透鏡37用來準(zhǔn)直所發(fā)射的光線。另一個(gè)透鏡39，諸如掃描透鏡或f-θ透鏡設(shè)置在光纖的遠(yuǎn)端部分36以外的發(fā)射的光線的光路上，以便使光線聚焦在物體上。在某些實(shí)施例中，透鏡39是折射和/或衍射光學(xué)元件，諸如折射率漸變透鏡。透鏡37、39決定圖像質(zhì)量并限定子系統(tǒng)12的圖像分辨率。
透鏡39用作掃描透鏡，由玻璃、塑料或諸如液晶等其他波形成形材料形成。若有焦面，則掃描透鏡39的屈光力決定了照明在多遠(yuǎn)處形成焦面。若發(fā)射的光線是準(zhǔn)直的，則所得圖像具有接近所發(fā)射的光束直徑的分辨率，得到一個(gè)場(chǎng)深巨大的圖像。增大掃描透鏡39的屈光力，便增大象素的分辨率，而同時(shí)減小場(chǎng)深或焦深。掃描透鏡39的焦平面取決于其放大率和相對(duì)于遠(yuǎn)端58(見圖5A)和遠(yuǎn)端透鏡37的位置。通過相對(duì)于遠(yuǎn)端透鏡37軸向移動(dòng)掃描透鏡39，可以調(diào)整所述焦平面。
參見圖3，在一個(gè)實(shí)施例中，微型圖像采集系統(tǒng)10的一部分42包括收集子系統(tǒng)14’和視網(wǎng)膜掃描顯示裝置20’。從照明子系統(tǒng)12(見圖1和2)發(fā)射的光輸出到物體。從物體返回的光線44在一個(gè)或多個(gè)收集光纖46中收集，并被直接送到掃描顯示裝置20’。在一個(gè)實(shí)施例中，顯示裝置20’使光線掃描人眼E的視網(wǎng)膜。在另一個(gè)實(shí)施例中，顯示裝置使光線在投影屏幕上掃描(例如，被光電放大)。在再一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，來自收集光纖46的光線被采樣，并由存儲(chǔ)裝置27存儲(chǔ)?？刂破?8對(duì)收集光線的掃描或存儲(chǔ)進(jìn)行同步，并使之與照明光線相關(guān)。
在某些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)48使收集光纖46沿著與照明子系統(tǒng)12的照明光纖26的公共路徑偏轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)48和照明子系統(tǒng)28可以是同一系統(tǒng)，或者可以是單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)48最好是壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)48從控制器18接收同步信號(hào)38。在收集光纖46是固定的一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)48是不必要的。
掃描顯示裝置屬于先有技術(shù)已知的類型。一個(gè)示例性裝置是1995年11月14日授予Furness等人的美國(guó)專利No.5,467,104“虛擬視網(wǎng)膜顯示器”中所公開的。另一個(gè)示例性裝置是1997年12月2日授予Melville的美國(guó)專利No.5,694,237“機(jī)械諧振掃描反射鏡的位置檢測(cè)”中所公開的。
參見圖4，在一個(gè)替代的實(shí)施例中，微型圖像采集系統(tǒng)10包括檢測(cè)子系統(tǒng)14”。所述檢測(cè)子系統(tǒng)14”包括一個(gè)或多個(gè)光子檢測(cè)器50。光子檢測(cè)器50的一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的示例性類型包括光電倍增管、基于硅和半導(dǎo)體的光電檢測(cè)器、光電放大光纖、圖像存儲(chǔ)介質(zhì)(例如，膠片)和光電子發(fā)射介質(zhì)。返回光線射在光子檢測(cè)器50上。檢測(cè)器50連續(xù)地、周期地或非周期地根據(jù)從控制器18接收的采樣信號(hào)52對(duì)返回光線進(jìn)行采樣。采樣信號(hào)52在定時(shí)上與輸出到照明子系統(tǒng)12的同步信號(hào)38相關(guān)。結(jié)果，光子檢測(cè)器50輸出連續(xù)的信號(hào)或與對(duì)返回光線44的采樣對(duì)應(yīng)的電子信號(hào)脈沖流。在一個(gè)實(shí)施例中，輸出信號(hào)54送到圖像存儲(chǔ)裝置22，以便建立數(shù)據(jù)的圖像幀。在不同的實(shí)施例中，圖像存儲(chǔ)裝置22是模擬存儲(chǔ)裝置(例如，膠片)或數(shù)字式存儲(chǔ)介質(zhì)。另外，或者作為另一方案，同一或不同的輸出信號(hào)55被送到顯示裝置20，以便建立和顯示圖像數(shù)據(jù)幀。顯示裝置可以是任何一種傳統(tǒng)的顯示裝置，諸如陰極射線管、液晶顯示板、光投影儀、氣體等離子體顯示板或其他顯示裝置。
照明光纖波導(dǎo)的諧振模式參見圖5A-C，所示照明光纖26在其長(zhǎng)度上的一點(diǎn)56被錨定。從錨定點(diǎn)56到遠(yuǎn)端58的光纖長(zhǎng)度稱作遠(yuǎn)端部分36，用作諧振波導(dǎo)。在某些實(shí)施例中，采用短光纖，其中基本上整個(gè)光纖都用作諧振波導(dǎo)36，并沿著長(zhǎng)度出現(xiàn)在從錨定點(diǎn)56到遠(yuǎn)端58一段。波導(dǎo)36由光纖偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28驅(qū)動(dòng)(見圖2)，使波導(dǎo)以諧振模式偏轉(zhuǎn)。
有許多可以由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28實(shí)現(xiàn)的諧振模式。在每一種模式中，在錨定點(diǎn)56都會(huì)出現(xiàn)靜止節(jié)點(diǎn)。沿著波導(dǎo)36的長(zhǎng)度會(huì)出現(xiàn)反節(jié)點(diǎn)(anti-point)(亦即，偏轉(zhuǎn)最大的點(diǎn))。參見圖5A，說明一種諧振模式，其中靜止節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在錨定點(diǎn)56，而反節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在遠(yuǎn)端58。所示波導(dǎo)36處于中性位置60，和兩個(gè)最大偏轉(zhuǎn)位置62，64。
參見圖5B，說明一種諧振模式，其中有兩個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)一個(gè)在錨定點(diǎn)56，而另一個(gè)在錨定點(diǎn)56和遠(yuǎn)端58之間的點(diǎn)66。反節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在兩個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)56，66之間的點(diǎn)68上。所示波導(dǎo)36處在中性位置60，和兩個(gè)最大偏轉(zhuǎn)位置62’，64’。在不同的諧振模式下，一個(gè)或多個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)沿著波導(dǎo)的長(zhǎng)度出現(xiàn)，使遠(yuǎn)端58沿著弧70擺動(dòng)。也可能形成0到n個(gè)反節(jié)點(diǎn)，其中n或者相當(dāng)于靜止節(jié)點(diǎn)數(shù)或者比靜止節(jié)點(diǎn)數(shù)少1。
參見圖5C，在一個(gè)推薦的諧振模式下，靜止節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在波導(dǎo)36的遠(yuǎn)端58。所示波導(dǎo)36處于中性位置72，和兩個(gè)最大偏轉(zhuǎn)位置74，76。盡管在錨定點(diǎn)56和在遠(yuǎn)端58之間沒有額外的靜止節(jié)點(diǎn)，但是，在不同的實(shí)施例中，額外的靜止節(jié)點(diǎn)確實(shí)出現(xiàn)在這樣的點(diǎn)56，58之間。為了在波導(dǎo)的遠(yuǎn)端維持自然諧振的節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)端58的質(zhì)量和衰減是受控的設(shè)計(jì)特征。一般，對(duì)于幾何形狀和材料均勻的波導(dǎo)，只要小量增加質(zhì)量和衰減就夠。一個(gè)實(shí)施例在波導(dǎo)36的端面增加一個(gè)比較致密的透鏡(或較大的)的準(zhǔn)直透鏡37。
圖5D表示針對(duì)遠(yuǎn)端58上具有靜止節(jié)點(diǎn)的諧振模式的遠(yuǎn)端58(例如，透鏡37)的側(cè)視圖。所示的是對(duì)應(yīng)于波導(dǎo)36中性位置72的中性取向78，在一個(gè)方向上與最大偏轉(zhuǎn)位置74對(duì)應(yīng)的最大角度取向80和在另一個(gè)方向上與最大偏轉(zhuǎn)位置76對(duì)應(yīng)的另一個(gè)最大角度取向82。正如說明的，中心點(diǎn)84對(duì)于每一個(gè)取向一般都是靜止的。在準(zhǔn)確的說明(未示出)中，隨著波導(dǎo)偏轉(zhuǎn)，沿著波導(dǎo)36軸線88(例如，圖5D的Z軸)，端部58略有移動(dòng)。但是，沒有偏離軸線(沿著X軸或Y軸)的運(yùn)動(dòng)，只有圍繞軸線的取向改變，從取向78變到80到78到82再回到78。在波導(dǎo)36偏轉(zhuǎn)過程中這樣改變的取向造成在一般垂直于透鏡37的遠(yuǎn)端端面的方向上發(fā)射光線90的結(jié)果。在遠(yuǎn)端58和透鏡37改變?nèi)∠虻倪^程中，光線90掃描弧92。光線90’垂直于位置80上的透鏡37。于是，弧92限定了照明子系統(tǒng)12的視場(chǎng)。
把靜止節(jié)點(diǎn)放在波導(dǎo)36遠(yuǎn)端58上的好處是，內(nèi)窺鏡和其他照明裝置不必像圖5a和5b所示的諧振模式中那樣擴(kuò)大直徑來包括擺動(dòng)弧70。在X-Y空間中固定遠(yuǎn)端，而不是讓它作為點(diǎn)光源在X-Y空間中沿著線或弧擺動(dòng)，減小了光學(xué)畸變和象差。另外，不是使遠(yuǎn)端沿著弧70運(yùn)動(dòng)來限定視場(chǎng)，遠(yuǎn)端58的位置基本上固定，而同時(shí)遠(yuǎn)端的取向隨著諧振波導(dǎo)的其他區(qū)域的諧振運(yùn)動(dòng)而改變。光纖遠(yuǎn)端58改變的角度取向限定了所掃描的視場(chǎng)寬度(亦即，限定了弧92)。
按時(shí)間分隔的象素采集方法微型圖像采集系統(tǒng)10與先有技術(shù)裝置相比的差別是，象素分辨率由照明光點(diǎn)的尺寸決定，而不是由所采樣的光點(diǎn)尺寸(例如，傳感器或收集光纖的采樣面積)決定。按照申請(qǐng)人的方法，是照明光點(diǎn)的尺寸，而不是采樣區(qū)域的尺寸決定著象素的分辨率。于是，根據(jù)所需的功能(例如，彩色、立體、高對(duì)比度)使用一個(gè)大的檢測(cè)器或多個(gè)較小的檢測(cè)器。
參見圖6A，傳統(tǒng)上光纖照亮整個(gè)物體區(qū)域95，或者一次形成整個(gè)圖像平面96或者通過掃描形成圖像平面96。圖像平面是圖像象素的空間區(qū)域。在某些傳統(tǒng)的技術(shù)中，同時(shí)照亮整個(gè)物體區(qū)域95，而對(duì)圖像平面96的小的空間區(qū)域進(jìn)行采樣，以采集圖像象素。在其他傳統(tǒng)的技術(shù)中，光線在整個(gè)目標(biāo)上掃描，以便照亮物體改變著的部分98。對(duì)照明區(qū)域97內(nèi)的小空間區(qū)域97進(jìn)行采樣，以便采集象素。這些傳統(tǒng)的技術(shù)的特征在于(i)正被采樣的小空間區(qū)域變成被采集的象素并且決定了象素的分辨率；以及(ii)對(duì)于任何一次采樣，照明區(qū)域大于被采樣的區(qū)域。
參見圖6B，實(shí)行一種不同的技術(shù)。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，不是照明一個(gè)大的區(qū)域并檢測(cè)小的象素區(qū)域，而是照明小的象素區(qū)域并采樣大的區(qū)域。具體地說，由波導(dǎo)36(圖2)發(fā)射的光在某個(gè)與所述象素被采集對(duì)應(yīng)的給定時(shí)刻照明小的區(qū)域99。被檢測(cè)器50或收集光纖46采樣的區(qū)域100大于照明光點(diǎn)的尺寸99。這個(gè)區(qū)別是明顯的，傳統(tǒng)的技術(shù)用它們的傳感器(例如，被采樣的光點(diǎn)尺寸)決定的采樣區(qū)域來定義它們的象素和象素分辨率。按照本技術(shù)，象素分辨率是由照明的光點(diǎn)決定的。照明光點(diǎn)的尺寸準(zhǔn)確地由帶有透鏡37和39的波導(dǎo)36控制。
為使照明光點(diǎn)尺寸對(duì)應(yīng)于要采樣的象素，照明和采樣之間要有時(shí)間同步。這個(gè)同步不是像傳統(tǒng)方法那樣把采樣同步到圖像平面內(nèi)的特定位置，而是時(shí)間上同步到照明信號(hào)或脈沖。例如，在一個(gè)實(shí)施例中光子檢測(cè)器50在任何給定時(shí)刻檢測(cè)來自整個(gè)物體的光。在這樣的檢測(cè)器50檢測(cè)的光同步到特定的光發(fā)射，以便獲得與所述發(fā)射對(duì)應(yīng)的象素。事實(shí)上，排除采樣過程的空間關(guān)系。反之，象素的位置是由于知道照明光點(diǎn)在對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位置而知道的。
知道了時(shí)間上每一瞬間掃描光點(diǎn)的位置，很像視頻信號(hào)，圖像是一次一個(gè)象素地產(chǎn)生的。例如，通過以15.75kHz掃描圖像行，并以12.5MHz的時(shí)間分辨率檢測(cè)光，以視頻速率(60Hz)以VGA的分辨率(640×480)產(chǎn)生包含RGB彩色圖像的象素流。
利用時(shí)間同步法，在給定的時(shí)間窗口內(nèi)采集象素。因?yàn)橄笏厥亲鳛闀r(shí)間窗口內(nèi)接收的光而檢測(cè)的，所以在這樣的時(shí)間窗口檢測(cè)到的光子來自照明光點(diǎn)。另外，利用多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)共模抑制方案，濾除環(huán)境光，并檢測(cè)從物體返回的照明光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，避免了在先有技術(shù)的系統(tǒng)中出現(xiàn)的的共焦問題。例如，為了定義象素時(shí)間窗口的尺寸，利用典型的VGA視頻速率，每40毫微秒收集一個(gè)象素。對(duì)于一個(gè)象素的光，要被來自其他象素的光干擾，第一個(gè)象素的光要平均來回彈跳約20英尺(因?yàn)楣饷亢廖⒚胄羞M(jìn)約1英尺)。對(duì)于典型的應(yīng)用，這樣的光必須在小于一立方英寸的空間內(nèi)來回彈跳。這對(duì)應(yīng)于大約240次反射。光子被吸收或光子流被高度衰減之前，來自一個(gè)象素的光作240次反射是不大可能的。因此共焦問題不明顯。
參見圖7，在光30/32向透鏡39發(fā)射的同時(shí)，波導(dǎo)36諧振。所述透鏡使光射向目標(biāo)物體上的特定光點(diǎn)位置。在波導(dǎo)偏轉(zhuǎn)的一個(gè)極端位置上，對(duì)象的光點(diǎn)A被照明。隨著偏轉(zhuǎn)繼續(xù)，波導(dǎo)達(dá)到中性位置，其中光點(diǎn)B被照明。再繼續(xù)，波導(dǎo)達(dá)到相反的極端，在這里光點(diǎn)C被照明。照明光點(diǎn)C的光具有峰值強(qiáng)度半徑R。這樣的強(qiáng)度在半徑外減弱，并被認(rèn)為是不明顯的。相應(yīng)地，信號(hào)掃描線沿著從光點(diǎn)A到光點(diǎn)C的路徑行進(jìn)。在某些實(shí)施例中，光纖偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)28是線性掃描系統(tǒng)，它沿著一條線掃描。在另一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)28沿著直線或輻射狀光柵圖案掃描。在再一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28實(shí)現(xiàn)螺旋形掃描圖案，其中改變螺旋的半徑畫出物體區(qū)域的輪廓。由點(diǎn)A和C形成的弧決定了視場(chǎng)，并且可以跨越大約180度。光點(diǎn)A、B和C的距離由透鏡37，39決定，而且可以比透鏡37，39之間的距離大得多。
參見圖8，所示從控制器18接收的示例性同步信號(hào)，用以同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28。圖8中還示出了遠(yuǎn)端56和透鏡37的角位移102(例如，取向)。最后，示出照明光點(diǎn)沿著對(duì)象掃描線掃描時(shí)的位置10。一條示例性掃描線，例如，出現(xiàn)在從時(shí)間T1到T2。下一條掃描線(對(duì)于重疊掃描的實(shí)施例)出現(xiàn)在時(shí)間T2到T3。在掃描運(yùn)動(dòng)過程中，不同的時(shí)刻照明光點(diǎn)跨越光點(diǎn)A、B和C。在第一條掃描線過程中，光點(diǎn)A在時(shí)刻TA1被照明。光點(diǎn)B在時(shí)刻TB1被照明。光點(diǎn)C在時(shí)刻TC1被照明。對(duì)于隨后出現(xiàn)在時(shí)間T2到T3的掃描線，首先遇到光點(diǎn)C，并在時(shí)刻TC2被照明。之后相應(yīng)的光點(diǎn)B在時(shí)刻TB2被照明。然后光點(diǎn)A在時(shí)刻TA2被照明。
對(duì)于VGA分辨率的實(shí)現(xiàn)，從T1到T3的時(shí)間是63.5μs(微秒)。于是從T1到T2的時(shí)間是31.75μs。從TA1到TC1的時(shí)間小于31.75μs。具體地說，對(duì)于VGA標(biāo)準(zhǔn)，每條掃描線分成800個(gè)時(shí)間相等的象素。于是，每個(gè)象素跨越40ns(納秒)。相應(yīng)地從TA1到TC1是25.6μs。
圖9和10描述一種實(shí)現(xiàn)方案，其中，發(fā)射的光是沿著掃描線106移動(dòng)的連續(xù)光流30。在圖9的實(shí)現(xiàn)方案中，光子檢測(cè)器50連續(xù)地被激活，相關(guān)部分(TA到TC)均等地分成N個(gè)象素108。對(duì)于VGA標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)象素40ns的采樣時(shí)間。對(duì)于其他標(biāo)準(zhǔn)，可以采用不同的采樣時(shí)間。在圖10的實(shí)現(xiàn)中，光子檢測(cè)器50周期性地采樣。每次采樣對(duì)應(yīng)于一個(gè)采集的象素110。每條掃描線106采集N個(gè)象素。在一個(gè)實(shí)施例中，每次采樣持續(xù)20ns。對(duì)于VGA標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)采樣間隔的中點(diǎn)之間的時(shí)間是40ns。對(duì)于這樣的標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的采樣時(shí)間間隔是10ns。還可以采用替代的掃描時(shí)間和時(shí)間間隔。
參見圖2和11，在一個(gè)實(shí)施例中，照明系統(tǒng)12在掃描線114的掃描過程中定期發(fā)射光32的脈沖112。對(duì)光子檢測(cè)器50(圖4)進(jìn)行同步，以便一次對(duì)物體或至少包括照明光點(diǎn)的物體的區(qū)域進(jìn)行采樣，以捕獲與已知光點(diǎn)對(duì)應(yīng)的返回光。對(duì)應(yīng)于光點(diǎn)(例如，光點(diǎn)B)的采樣時(shí)間間隔I的跨度為時(shí)間周期116，對(duì)于所述光點(diǎn)，時(shí)間周期116大于、等于或小于光脈沖的時(shí)間間隔118。采樣時(shí)間間隔118的典型時(shí)間是20ns，而且可以改變。在再一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，正如針對(duì)圖9描述的，檢測(cè)器50連續(xù)檢測(cè)返回光，而同時(shí)采樣結(jié)果與發(fā)射光脈沖112相關(guān)。
采用只以固定頻率放大，通過把照明和/或檢測(cè)維持在固定的頻率(例如，等于1/40ns＝12.5MHz)，可以顯著提高信噪比。于是頻率較高或較低的其他所有頻率的噪音均被濾除。
物理實(shí)施例參見圖12，示出了圖像采集系統(tǒng)10的觀察器部分120，其中光纖偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28的波導(dǎo)36和執(zhí)行器125包裝在保護(hù)外殼122中。掃描透鏡39密封在觀察器的端頭。掃描透鏡39的焦平面取決于它的放大率和相對(duì)于光纖遠(yuǎn)端58和遠(yuǎn)端透鏡37的位置。相對(duì)于遠(yuǎn)端透鏡37軸向移動(dòng)透鏡37即可調(diào)整焦平面。
對(duì)于單軸125掃描，波導(dǎo)36在外殼122內(nèi)受執(zhí)行器125作用而偏轉(zhuǎn)。懸臂式波導(dǎo)的基礎(chǔ)錨定在執(zhí)行器125的遠(yuǎn)端建立振動(dòng)諧振的第一個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)。都可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)圖5A-D描述的任何一個(gè)諧振模式。對(duì)于雙軸掃描，第二執(zhí)行器124使觀察器120沿著軸130(圖14)偏轉(zhuǎn)。但在某些實(shí)施例中，執(zhí)行器124和/或125使波導(dǎo)產(chǎn)生非線性動(dòng)作，引起二維運(yùn)動(dòng)，諸如沿著螺旋線圖案運(yùn)動(dòng)。
參見圖13，在執(zhí)行器125的遠(yuǎn)端錨定面內(nèi)示出紅、綠和藍(lán)的光電檢測(cè)器對(duì)50，以便以準(zhǔn)立體方式捕獲彩色圖像。光電檢測(cè)器的瞬時(shí)帶寬大于象素照明速率，以免限制對(duì)比度或分辨率。例如，對(duì)于VGA標(biāo)準(zhǔn)，這樣的光電檢測(cè)器帶寬為≥12.5MHz，而對(duì)于sVGA視頻標(biāo)準(zhǔn)為19.8MHz。許多直徑小于1mm的基于硅的光電二極管在可見光譜中有足夠的帶寬。為了減小增大了的噪音，在微光電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的制造過程中，將光電檢測(cè)器與集成的前置放大器組合在一起。一個(gè)替代的方法是，把光引導(dǎo)到單光纖懸臂的外同心層或特種包層內(nèi)的觀察器的近端，或者利用一個(gè)或多個(gè)大芯(多模)光纖來捕獲散射回來的光線。這樣的配置允許光電檢測(cè)器處在觀察器的近端，這較少受到環(huán)境因素、物理空間限制和可能由于對(duì)可處理性和/或可消毒性的需求帶來的復(fù)雜化的影響。
參見圖15A-C，其中示出系統(tǒng)10的觀察器部分的120’的‘MEMS’實(shí)施例。在這樣的實(shí)施例中，用于機(jī)械諧振運(yùn)動(dòng)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是利用生產(chǎn)MEMS掃描儀的硅微加工技術(shù)批量生產(chǎn)的。在這樣的實(shí)施例中，執(zhí)行器124、125、檢測(cè)器50和附加的光導(dǎo)管(未示出)也是利用同樣的MEMS工藝制造的，產(chǎn)生整體結(jié)構(gòu)。微透鏡37和掃描透鏡39也是利用同樣的MEMS工藝或者單獨(dú)的注射模塑/加壓模塑或MEMS工藝制造的，然后連附在其他MEMS結(jié)構(gòu)上。附加的光學(xué)和位移傳感器也可以裝入觀察器120’內(nèi)，用以長(zhǎng)期控制掃描穩(wěn)定性。在這樣的實(shí)施例中，MEMS懸臂式波導(dǎo)36’被光纖26照明，光纖26粘結(jié)在下面襯底134的V型槽132內(nèi)。
參見圖16和17，在一個(gè)替代的觀察器部分120”的實(shí)施例中，光纖26穿過用作電導(dǎo)線和光纖的導(dǎo)管并支持周圍保護(hù)覆蓋物(未示出)的管形機(jī)械支架140。雙壓電晶片彎曲器142連同電導(dǎo)線144和光纖26一起從支架140伸出成為懸臂。彎曲器142用作光纖偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)28(見圖2)的執(zhí)行器。在彎曲器142的遠(yuǎn)端的是盤形結(jié)構(gòu)146，盤形結(jié)構(gòu)146支持用來產(chǎn)生緩慢掃描軸145的懸臂式光纖掃描波導(dǎo)36。
在盤形結(jié)構(gòu)146上有直接粘在盤上的光子檢測(cè)器50，諸如直徑0.1mm的商售光電二極管。在檢測(cè)器50的中心，環(huán)繞波導(dǎo)36的基座的是壓電環(huán)48，壓電環(huán)48驅(qū)動(dòng)光纖波導(dǎo)36進(jìn)入諧振振動(dòng)狀態(tài)。兩個(gè)壓電執(zhí)行器142，148同時(shí)在兩個(gè)正交的方向145、147上產(chǎn)生掃描。圖17所示是兩個(gè)掃描軸145、147的諧振基模。
參見圖18，在一個(gè)類似的觀察器120實(shí)施例中，利用兩個(gè)掃描軸145、147的第二諧振振動(dòng)模式以縮小的直徑實(shí)現(xiàn)直線掃描運(yùn)動(dòng)。類似于圖17的實(shí)施例，雙壓電晶片彎曲器142產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。但是，在這第二模式下，另一個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在觀察器內(nèi)。具體地說，在圖18的實(shí)施例中，振動(dòng)的第二節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在振動(dòng)件142、36的遠(yuǎn)端。例如，光纖端面上的準(zhǔn)直透鏡37的附加質(zhì)量使掃描光束彩色分離復(fù)合棱鏡組件的運(yùn)動(dòng)可以是沒有平移的旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)指出，光子檢測(cè)器50位于觀察器120的靜止基座150上。
參見圖19，在另一個(gè)觀察器120””的實(shí)施例中，利用單個(gè)執(zhí)行器152實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的掃描運(yùn)動(dòng)。不論對(duì)于圓形掃描還是徑向掃描的實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行器152都是管狀壓電執(zhí)行器。
參見圖20，在再一個(gè)觀察器120””’實(shí)施例中，照明波導(dǎo)36被收集波導(dǎo)160同心地包圍。在這個(gè)實(shí)施例中，收集波導(dǎo)160隨著偏轉(zhuǎn)器波36運(yùn)動(dòng)。這種配置的結(jié)果是，空間濾除本來會(huì)降低分辨率和彩色保真度的來自多重反射的反射。
立體和彩色觀察各種不同的觀察器實(shí)施例可以適合于使立體和彩色觀察成為可能。例如，通過提供物理上隔開并同步地對(duì)返回光進(jìn)行采樣的多個(gè)檢測(cè)器來實(shí)現(xiàn)立體成像。與用單獨(dú)的觀察器進(jìn)行立體觀察的先有技術(shù)系統(tǒng)相比，這有明顯的好處。對(duì)比之下，采用單一照明光纖達(dá)到立體觀察。
通過包括對(duì)與所需的顏色對(duì)應(yīng)的相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍敏感的光子檢測(cè)器來實(shí)現(xiàn)彩色觀察。參見圖13，包括匹配的紅、綠和藍(lán)光電檢測(cè)器對(duì)，用以進(jìn)行立體彩色成像。
在不同的實(shí)施例中，光子檢測(cè)器50可以是單元件或多元件光子檢測(cè)器。參見圖21，光子檢測(cè)器50’、50”裝在不同的軸上，以差分方式濾除環(huán)境光的光子(和來自目標(biāo)照明的強(qiáng)烈散射的背反射)，以便有別于由照明光纖26發(fā)射和直接返回物體的光子。具體地說，針對(duì)觀察器暴露在其強(qiáng)度與照明光30/32相比足夠大的環(huán)境光下的實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光的共模抑制。這有利于改善彩色保真度。
考慮每次反射顏色的改變。捕獲射在許多表面上之后的光線，結(jié)果造成像素顏色混亂。另外，由于影響光的其他目標(biāo)結(jié)構(gòu)，多重反射降低分辨率和對(duì)比度。因而，最好捕獲從所述光線所射到的第一點(diǎn)返回的顏色。
圖21實(shí)施例中光電檢測(cè)器50’和50”的配置在兩側(cè)和而在軸線上與照明光排成一直線，用來抑制背景分量。結(jié)果，彩色保真度和圖像分辨率都得以改善。在某些實(shí)施例中，包括偏振維持照明分量和偏振濾波器，以便抑制被多次散射和色移的背散射光。圖20中的準(zhǔn)同心配置連同偏振濾波器一起也產(chǎn)生改善顏色保真度和圖像分辨率的結(jié)果。
深度增強(qiáng)的方法當(dāng)用單檢測(cè)器光纖觀測(cè)器采集圖像時(shí)，圖像具有看來象是處于照明光纖位置上的視點(diǎn)和看來象是處于檢測(cè)返回光的光檢測(cè)器的位置上的單一表觀定向光源。所述圖像具有很強(qiáng)的由單一表觀光源引起的深度提示。利用從多個(gè)傳感器捕獲的圖像可以改善深度提示。可以把這些圖像結(jié)合起來，以便形成具有增強(qiáng)的陰影細(xì)節(jié)或深度感知的改善了的圖像。
改變檢測(cè)器的位置并不改變圖像視點(diǎn)的位置。但是，改變檢測(cè)器的位置確實(shí)改變表觀照明條件。顯然，采用多個(gè)檢測(cè)器，圖像中用一個(gè)檢測(cè)器建立的陰影不同于圖像中用處于其他位置的另一個(gè)檢測(cè)器建立的陰影?？梢园褟娜魏我环N傳感器組合產(chǎn)生的圖像結(jié)合起來，以便提供最適應(yīng)觀察條件的不同的照明方案。通過用多個(gè)或者處于光收集光纖(見圖15-21)遠(yuǎn)端或者處于其近端的檢測(cè)器50獲得一系列圖像，可以獲得帶有動(dòng)態(tài)照明的活動(dòng)圖像。
從不同的傳感器收集的其他信息也可以包括在圖像中。在一個(gè)實(shí)施例中，從至少三個(gè)檢測(cè)器中的每一個(gè)光檢測(cè)器的光是可見單色光或彩色光。在另一個(gè)實(shí)施例中，至少三個(gè)傳感器中的一個(gè)或多個(gè)捕獲由所述波導(dǎo)(例如，紫外或紅外)一致地輸出的非可見光(例如，紫外或紅外光束通過與可見光共用的波導(dǎo))?；蛘撸ò瑹晒饣蚱竦钠渌麑?duì)比度機(jī)制。
不是增強(qiáng)深度提示，而是利用來自至少兩個(gè)檢測(cè)器，最好來自至少三個(gè)檢測(cè)器的圖像，利用光度學(xué)立體感技術(shù)產(chǎn)生每個(gè)象素的深度信息。為了利用光度學(xué)立體感，所述圖像具有同一視點(diǎn)，無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最理想是同時(shí)采集，但具有不同的單光源照明狀態(tài)。這些類型的圖像用光纖觀測(cè)器很容易獲得。相比之下，為了達(dá)到必要的圖像，當(dāng)前的內(nèi)窺鏡需要多個(gè)照明通道，就要一次只用單個(gè)照明通道依次采集圖像。但是，內(nèi)窺鏡或圖像采集之間的表面的運(yùn)動(dòng)會(huì)把不準(zhǔn)確性引入從這樣的內(nèi)窺鏡推算出來的深度信息中。
采用至少三個(gè)檢測(cè)器的對(duì)應(yīng)的圖像來推算深度信息時(shí)，不需額外的信息即可準(zhǔn)確推算出三維形體。只用一個(gè)檢測(cè)器時(shí)，要求作某些假定和用戶的協(xié)助來準(zhǔn)確地推算三維形體。只用兩個(gè)檢測(cè)器時(shí)省去用戶協(xié)助，但要作出表面特性假定才能達(dá)到準(zhǔn)確的深度細(xì)節(jié)。相應(yīng)地，最好用三個(gè)檢測(cè)器來避免在推算準(zhǔn)確的深度信息時(shí)的用戶協(xié)助。采用多個(gè)圖像來推算深度信息，就消除了表面是凹是凸的二義性，并允許用變化的漫反射系數(shù)(亦即，表面漫反射特性)來分析表面。
就用一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器，很容易獲得二維圖像特性。存在圖像的深度提示，特別是來自濃淡處理和陰影的深度提示，但是，由于照明光纖和檢測(cè)器(亦即表觀視點(diǎn)和表觀照明方向)相對(duì)接近的緣故，這些提示可能不夠。通過提取深度信息，通過計(jì)算視點(diǎn)改變或照明方向的改變的影響，來增強(qiáng)深度提示，甚至那些由于光纖觀測(cè)器幾何形狀的緣故物理上無法獲得的深度提示。
參見圖22，其中呈現(xiàn)了產(chǎn)生具有增強(qiáng)了的深度信息的輸出圖像的方法200的流程圖。在步驟202從諧振光纖波導(dǎo)36(見圖2)輸出光束30/32。波導(dǎo)36使輸出光束沿著掃描路徑掃描。掃描透鏡39把光束聚焦在對(duì)象表面(亦即物體)上。在給定時(shí)刻把光束聚焦，射在目標(biāo)光點(diǎn)上，所述光點(diǎn)是照明光點(diǎn)，在所述光束沿著目標(biāo)表面掃描時(shí)，照明光點(diǎn)隨著時(shí)間而改變。
在步驟204，用多個(gè)檢測(cè)器50檢測(cè)從目標(biāo)表面返回的光。一個(gè)檢測(cè)器具有相對(duì)于諧振光纖波導(dǎo)的第一位置。另一個(gè)檢測(cè)器具有相對(duì)于諧振光纖波導(dǎo)的第二位置。第三個(gè)檢測(cè)器具有相對(duì)于諧振光纖波導(dǎo)的第三位置。至少同時(shí)用每一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)返回光。
在步驟206，從用第一檢測(cè)器檢測(cè)的返回光線采集第一圖像的多個(gè)象素。在步驟208，從用第二檢測(cè)器檢測(cè)的返回光線采集第二圖像的多個(gè)象素。類似地，在步驟210，從用第三檢測(cè)器檢測(cè)的返回光線采集第三圖像的多個(gè)象素。最好同時(shí)采集和構(gòu)造這樣的圖像。
由于返回的光線來自共同點(diǎn)(例如，波導(dǎo)36波導(dǎo)末端)，在每一個(gè)檢測(cè)器采集的圖像具有共同的表觀視點(diǎn)。但因每一個(gè)檢測(cè)器都具有不同的位置，所采集的每一個(gè)圖像都具有不同的表觀照明方向。第一圖像具有基于第一檢測(cè)器位置的第一表觀照明方向。第二圖像具有基于第二檢測(cè)器位置的第二表觀照明方向。第三圖像具有基于第三檢測(cè)器位置的第三表觀照明方向。
在步驟212，處理所采集的多個(gè)圖像，以便推算目標(biāo)表面的輸出圖像，包括基于多個(gè)檢測(cè)器50中的至少兩個(gè)，最好至少三個(gè)不同的表觀照明方向的深度信息。
在彩色圖像采集系統(tǒng)中，輸出光束是第一顏色光束、第二顏色光束和第三顏色光束(亦即紅、綠和藍(lán))的組合。在這樣的實(shí)施例中，從上述給定檢測(cè)器采集的圖像代之以從三個(gè)檢測(cè)器采集-三個(gè)顏色的輸出光束中每一種顏色的輸出光束一個(gè)檢測(cè)器。先前描述，采集兩個(gè)最好三個(gè)圖像，準(zhǔn)備為產(chǎn)生深度信息而進(jìn)行處理。這些圖像不必是彩色的。在三色成像系統(tǒng)中每個(gè)采集的圖像用三個(gè)同位置的檢測(cè)器，加上獲取用于深度提取的推薦的三個(gè)圖像的兩個(gè)附加的多波長(zhǎng)檢測(cè)器，這意味著最好至少用5個(gè)檢測(cè)器來采集增強(qiáng)深度信息的三色輸出圖像。
參見圖23，其中呈現(xiàn)用于處理所采集的圖像的方法214的流程圖。在步驟216，根據(jù)多個(gè)采集的圖像產(chǎn)生目標(biāo)表面法線的取向映射(亦稱針映射)。在步驟218，從取向映射獲得深度映射。在步驟220，從深度映射獲得三維網(wǎng)格。在一個(gè)替代的實(shí)施例中，獲得高斯圖(離散直方圖)，而不是深度映射。然后把高斯圖用于圖像識(shí)別應(yīng)用。
在步驟222，產(chǎn)生增強(qiáng)深度信息的輸出圖像。例如，三維網(wǎng)格中的深度信息用以加上虛擬陰影，以達(dá)到較佳的對(duì)比度，輸出圖像中觀察者看到的深度提示。在一個(gè)實(shí)施例中，從三維網(wǎng)格中推算立體圖像，其中計(jì)算觀察者的雙眼差異。把每個(gè)圖像輸出到觀察者各自一只眼睛。
按照步驟216，取向映射指出每個(gè)象素的表面取向，并且對(duì)恢復(fù)所成像的目標(biāo)的形體有用。一般說來，亮度和表面取向之間的映射不是唯一的，因?yàn)榱炼染哂幸粋€(gè)自由度，而表面取向具有兩個(gè)自由度。(盡管，對(duì)于特定的點(diǎn)，諸如亮度最大或最小的象素，表面取向一般可以唯一地從單個(gè)樣值求出)。
為了針對(duì)輪廓表面恢復(fù)表面取向，除采集的象素的單個(gè)亮度值外，還需要附加信息。用不同的照明采集的兩個(gè)圖像提供兩個(gè)樣值，用來解出兩個(gè)自由度的取向值。但即使用兩個(gè)圖像，兩個(gè)得出的方程式可能是非線性的，或者取向只可以通過小的范圍(其中所述關(guān)系是線性的)推算。最好正如上面討論的采集至少三個(gè)圖像來改進(jìn)取向映射的準(zhǔn)確度，并增大可以求解可能的表面取向的范圍。最好再用第三個(gè)圖像，因?yàn)樗试S獨(dú)立于漫反射系數(shù)(表面漫反射特性)變化地完成深度分析。漫反射系數(shù)的變化也可以利用第三圖像計(jì)算。
當(dāng)有三個(gè)以上的檢測(cè)器可用時(shí)，附加圖像可以用來改善取向估計(jì)。從n個(gè)光電檢測(cè)器獲得n個(gè)圖像時(shí)，計(jì)算取向的一個(gè)方法是諸如利用以下式方程式求最小值e=II1((fx2+fy2)+(gx2+gy2))dxdy+]]>3i=1nλ1II1(Ei(x,y)-Ri(x,y))2dxdy]]>式中Ei是在第i個(gè)圖像測(cè)得的亮度，而Ri是相應(yīng)的反射系數(shù)。常數(shù)λi是參數(shù)，用于對(duì)輻照度方程式相對(duì)于平滑偏離程度的誤差進(jìn)行加權(quán)處理。
在一個(gè)實(shí)施例中，推算取向值用的離散方程式是利用下列方程式通過疊代推算的fk1n+1=f‾k1n+3i=1nλi(Eik1-Ri(fk1,gk1))MRiMf,]]>和gk1n+1=g‾k1n+3i=1nλi(Eik1-Ri(fk1,gk1))MRiMg.]]>在另一個(gè)實(shí)施例中，利用查詢表確定取向。所述表用每個(gè)圖像中觀察到的亮度進(jìn)行索引。所述表的數(shù)值是根據(jù)方程式或在已知的標(biāo)定對(duì)象進(jìn)行的試驗(yàn)選定的取向。通過根據(jù)觀察到的亮度測(cè)量值選擇數(shù)值，針對(duì)被成像的目標(biāo)對(duì)象的每個(gè)象素獲得表面取向值。所采集的圖像的取向信息的集合在這里最好稱作取向映射。
按照步驟218，從取向映射推算深度映射。深度映射以不同的方式代表物體形狀。具體地說，不是指定取向信息，而是深度映射指定超過基準(zhǔn)平面的相對(duì)高度。深度映射是灰度圖像，黑代表最低高度，而白代表最高高度。象素(x，y)的高度z或z(x，y)是相應(yīng)取向值f和g的梯度函數(shù)。給定f和g，沿著任意曲線積分即可恢復(fù)深度z。
z(x,y)=z(x0,y0)+∫(x0,y0)(x,y)(fdx+gdy)]]>沿著封閉的路徑，積分應(yīng)等于0。在實(shí)際上，f和g不準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼈兪菑挠性胍舻膱D像恢復(fù)的。優(yōu)化技術(shù)，諸如全局積分或疊代拉普拉斯松馳技術(shù)可以從有噪音的映射恢復(fù)平滑表面。
按照步驟220，由深度映射推算三維網(wǎng)格。使平面網(wǎng)格的頂點(diǎn)相對(duì)于深度映射的灰度象素值位移一定量。然后可以從不同的視點(diǎn)、照明條件或表面特性(產(chǎn)生的顏色)再現(xiàn)這個(gè)網(wǎng)格，賦予一個(gè)較佳的透視或深度印象。對(duì)于給定光纖觀測(cè)器幾何形狀，所述視點(diǎn)和照明條件在物理上可能是不可實(shí)現(xiàn)的。可以包括從其他傳感器(紅外、紫外、偏振)或從測(cè)量(輪廓映射)產(chǎn)生的其他信息。
在某些實(shí)施例中，不獲得深度映射而獲得取向直方圖。取向直方圖，擴(kuò)展高斯曲線圖的離散情況，用于物體識(shí)別。已經(jīng)獲得已知形體的原型取向直方圖。一般說來，不同物體的原型取向直方圖會(huì)是明顯不同的。通過試驗(yàn)獲得的取向直方圖可以與存儲(chǔ)的原型比較，以便賦予未知物體一個(gè)已知物體類型。
附加的濃淡處理或其他圖像增強(qiáng)方案也可以應(yīng)用于不同的實(shí)施例，以改善圖像質(zhì)量。例如，在一個(gè)實(shí)施例中產(chǎn)生向觀察者各自的眼睛輸出的兩個(gè)圖像，來代表立體圖像。以不同的方法再現(xiàn)這兩個(gè)圖像來考慮觀察者的雙眼差異。根據(jù)兩眼之間相隔的距離和所述表面的表觀距離計(jì)算雙眼差異。相隔距離在某些實(shí)施例中是可選的，在另一個(gè)實(shí)施例中設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)平均值。在一個(gè)實(shí)施例中到所述表面的表觀距離可選，而在另一個(gè)實(shí)施例中設(shè)置為默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)距離。
測(cè)距在另一個(gè)實(shí)施例中，通過在每一個(gè)象素位置上進(jìn)行從觀察器到目標(biāo)的軸向測(cè)量，進(jìn)行測(cè)距，達(dá)到真立體觀察。這樣的軸向測(cè)量值是圖像的第三維，對(duì)其進(jìn)行處理以便產(chǎn)生立體圖像。例如，由控制器對(duì)來自匹配的檢測(cè)器對(duì)的信號(hào)進(jìn)行處理以檢測(cè)返回光線的相位差。這樣的相位差對(duì)應(yīng)于從掃描器到目標(biāo)對(duì)象的距離。
在一個(gè)實(shí)施例中，照明子系統(tǒng)12(圖1和2)包括光源24(圖2)，它由可見光和紅外線光源形成?？梢姽夂图t外線從共用的照明光纖26發(fā)出。參見圖4和15-20，光檢測(cè)器50既包括可見光檢測(cè)器又包括紅外線檢測(cè)器。
紅外線光源最好是調(diào)制激光紅外光源，它輸出在GHz頻率范圍的紅外光?？旃庾蛹t外檢測(cè)器檢測(cè)返回的紅外光。紅外光子檢測(cè)器最好在與紅外光源相同的頻率下產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)。照明紅外光和收集的紅外光之間調(diào)制的相位差對(duì)應(yīng)于目標(biāo)象素的距離，分辨率達(dá)≤1mm。具體地說，對(duì)于紅外光調(diào)制在1GHz的實(shí)施例，脈沖之間紅外光行進(jìn)1英尺或在各脈沖之間相位差360度中每度約1mm。
不是如剛才描述那樣根據(jù)相位來測(cè)量把光反射回去的目標(biāo)的距離，而是在一個(gè)替代的實(shí)施例中，用時(shí)間和頻率，或者利用光反饋干涉儀來測(cè)量目標(biāo)的距離。在飛行時(shí)間法中，從高調(diào)制帶寬激光二極管發(fā)出距離測(cè)量輸出光束。在給定頻率(例如，在幾十kHz的數(shù)量級(jí))下發(fā)出短的激光脈沖。對(duì)于每個(gè)脈沖，測(cè)量發(fā)射和返回脈沖接收之間經(jīng)過的時(shí)間。測(cè)得的時(shí)間與檢測(cè)器和物體表面最近一點(diǎn)之間的距離成正比。
或者，采用連續(xù)激光發(fā)射方案，而不是脈沖發(fā)射方案，其中所接收的采樣定時(shí)對(duì)應(yīng)于激光發(fā)射的特定時(shí)間。另外，在某些實(shí)施例中，利用光學(xué)強(qiáng)度的高調(diào)制帶寬從直接調(diào)制的激光二極管發(fā)射光線。距離用在與調(diào)制對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期進(jìn)行采樣進(jìn)行測(cè)量，以便確定發(fā)射和接收相應(yīng)的返回光線之間所經(jīng)過的時(shí)間。經(jīng)過的時(shí)間與到目標(biāo)表面上最近點(diǎn)的距離成正比。
在頻率法中，用可電子調(diào)諧的可頻率連續(xù)調(diào)制的激光二極管來確定短距離檢測(cè)。其頻率隨時(shí)間而變化的信號(hào)調(diào)制測(cè)距輸出光束。返回光束與干擾信號(hào)混頻，產(chǎn)生拍脈沖，它是目標(biāo)表面距離的函數(shù)。
對(duì)于光干涉儀法，反射回來的光沿著發(fā)射光的路徑與發(fā)射光引起干涉圖案。在一個(gè)實(shí)施例中，采用注入檢測(cè)方法來檢測(cè)返回光信號(hào)的相位和頻率。自混頻，利用脈沖方案對(duì)應(yīng)關(guān)系求出光強(qiáng)度波形的微商，用來測(cè)定深度(D)如下D=c4(dv/dt)(σ0fb0+σ1fb1)]]>式中Cs為光速，σ按照目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)是-1或+1，而f值是頻率偏移向上和向下斜坡過程中輸出功率與反饋的拍頻。
在每一個(gè)方法中，包括紅外或近紅外頻率的快光子或高帶寬光子檢測(cè)器，用以檢測(cè)返回光。此外，最好利用低散射光纖，光纖與低背反射損失、快定時(shí)和/或移相電路，連同平均軟件來提高信噪比。
參見圖24，其中呈現(xiàn)采集包括深度信息的圖像的方法230。在步驟232，從諧振波導(dǎo)36(見圖2)輸出光束30/32。波導(dǎo)36使光束沿著掃描路徑掃描。掃描透鏡39把光束聚焦在物體表面(亦即，目標(biāo))。在給定的時(shí)刻，聚焦所述光束以便射在目標(biāo)點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)，當(dāng)沿著目標(biāo)表面掃描所述光束時(shí)，被照明點(diǎn)隨著時(shí)間變化。
在步驟234，從目標(biāo)表面返回的光被至少一個(gè)檢測(cè)器50檢測(cè)。在步驟236，從返回光采集圖像的多個(gè)象素，或者在遠(yuǎn)端或者在光收集光束之后。在步驟238，還利用上述任何一個(gè)測(cè)距方法(例如，相移、飛行時(shí)間、頻率、干涉儀)從返回光采集距離信息，然后，最好與步驟236并行地進(jìn)行。
在步驟240，距離信息用來映射成像的場(chǎng)景(亦即目標(biāo)的拓?fù)?的表面、邊緣和頂點(diǎn)。在步驟242，處理在步驟240推算的三維圖像數(shù)據(jù)，以便獲得象素?cái)?shù)據(jù)，用于顯示在顯示屏幕上或諸如頭戴立體顯示器等其他輸出裝置上。例如，在使用頭戴立體顯示器的地方，計(jì)算觀察者的雙眼差異，以便產(chǎn)生一對(duì)立體圖像。在步驟244，把輸出圖像的象素?cái)?shù)據(jù)輸出到顯示器。
在一個(gè)替代的實(shí)施例中，使用第二檢測(cè)器，利用上述任何一種測(cè)距方法，從返回光檢測(cè)距離信息。在再一個(gè)實(shí)施例中，輸出光束包括用于將被掃描的物體成像的光束。這樣的輸出光束或者是單色或者是彩色可見光束。另外，輸出光束還包括測(cè)距用的重合光束(coincident beam)。重合光束或者是可見光或者是不可見光。
用途A.內(nèi)窺鏡/內(nèi)孔窺視儀/導(dǎo)管●總直徑小、最佳模式≤3mm，●極柔軟的桿，包含單光纖，●高分辨率，理論極限估計(jì)為5μm，●達(dá)到非常寬的視場(chǎng)(FOV)，(超出標(biāo)準(zhǔn)的45°，大約可達(dá)180°)●紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)全色檢測(cè)，●用兩種途徑中的一種實(shí)現(xiàn)立體圖像檢測(cè)-匹配的立體R，G，B光檢測(cè)器對(duì)，有助于增強(qiáng)在掃描照明子系統(tǒng)中固有的拓?fù)鋵?duì)比度特性，準(zhǔn)立體。
-雙圖像發(fā)生器，在最佳模式下直徑≤6mm，允許真立體，
●圖像顯示的視頻速率(30-60Hz刷新速率是標(biāo)準(zhǔn)的)，●低成本，潛在可處理，消毒，●低功率，諧振掃描操作，●設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，●可用于高功率激光，可見光、紫外光、紅外照明，用于諸如光動(dòng)態(tài)治療、激光引起的熒光、激光外科、血液中的紅外成像等醫(yī)療操作，●可以用于高功率、短脈沖紫外光、可見光或紅外光照明，用于測(cè)量觀察器和組織之間的距離(測(cè)距和真三維成像)、多光子熒光成像和熒光壽命成像等這樣的醫(yī)療用途，●小尺寸和柔軟性允許圖像發(fā)生器改進(jìn)到現(xiàn)有內(nèi)窺鏡(套管)、柔性包皮或附在外科或診斷工具上，●彎曲以及旋轉(zhuǎn)柔軟性帶有單根光纖軸對(duì)稱光耦合，●采集的光電信號(hào)與RGB視頻監(jiān)視器的視頻輸入信號(hào)直接兼容，特別是具有多重同步能力，●背散射光被光纖直接從遠(yuǎn)端引導(dǎo)到近端處觀察者的眼睛，不需要遠(yuǎn)端光電檢測(cè)器。除標(biāo)準(zhǔn)視頻顯示監(jiān)視器外，圖像可以在一個(gè)實(shí)施例中用視網(wǎng)膜掃描裝置顯示，不必進(jìn)行電信號(hào)轉(zhuǎn)換。
B.其他用途遠(yuǎn)程光檢測(cè)、放在機(jī)器人手指尖或執(zhí)握器上的機(jī)器人眼睛、長(zhǎng)期過程監(jiān)視、眼跟蹤器、條碼閱讀器、微平版印刷術(shù)、可視顯示，光學(xué)檢查和激光外科手術(shù)。
有價(jià)值的和有利的效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，由于象素的獲得方法、透鏡的存在和光纖的驅(qū)動(dòng)方式，即使用小而細(xì)的觀察器，也可以達(dá)到光纖的柔軟性、廣闊的視場(chǎng)、高的分辨率。因?yàn)橄笏厥前磿r(shí)間序列測(cè)量的，不是在二維象素陣列，所以不需要具有小的光子檢測(cè)器。檢測(cè)器的尺寸不像先有技術(shù)那樣關(guān)鍵，在先有技術(shù)中許多小的檢測(cè)器跨越一個(gè)大的區(qū)域。所以，本發(fā)明的觀察器做得比現(xiàn)有的觀察器小，而同時(shí)利用較少的光子檢測(cè)器，后者大于標(biāo)準(zhǔn)觀察器的象素檢測(cè)器。
按照本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到高的分辨率、廣闊的視場(chǎng)、掃描、和柔軟的光纖。尤其是把光纖諧振模式設(shè)置在光纖諧振波導(dǎo)的遠(yuǎn)端，在相對(duì)較小的光纖運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)可以達(dá)到寬闊的掃描角度。這就允許既有高分辨率，又有寬闊的視場(chǎng)。利用小的光點(diǎn)尺寸和通過與照明光相關(guān)地按時(shí)間捕獲被檢測(cè)的光，達(dá)到高的象素分辨率。用小的尺寸和低的功率消耗達(dá)到低成本、可任意使用的掃描裝置。
盡管對(duì)本發(fā)明推薦的實(shí)施例已經(jīng)作了說明和描述，但各種替代方案、修改和等效物都可以采用。例如，在某些實(shí)施例中，傳感器裝在光纖掃描器的端面上，來檢測(cè)光纖位置，并利用電磁、靜電、電機(jī)、光學(xué)或聲學(xué)控制，幫助控制掃描圖案。
在一些替代的實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)可變的或非直線掃描圖案，諸如半徑和矩心位置可變的橢圓形圖案。例如，對(duì)于單個(gè)執(zhí)行器、小尺寸眼睛跟蹤和條碼閱讀器的實(shí)現(xiàn)，諸如旋轉(zhuǎn)線性或輻射圖案等這樣的定制掃描圖案是所希望的。
實(shí)現(xiàn)較慢的正交的掃描軸的替代方案包括運(yùn)動(dòng)的反射鏡、透鏡、光柵或它們的組合。這樣的光學(xué)部件位于快速掃描諧振光纖和目標(biāo)對(duì)象之間。
在某些實(shí)施例中，光纖的端面是斜切的，以便(i)減小光纖端面的質(zhì)量，增大掃描振幅，(ii)減小掃描運(yùn)動(dòng)的物理范圍，和/或(iii)減小光發(fā)射的點(diǎn)光源的有效尺寸。
在某些實(shí)施例中，包括偏振維持照明組件和偏振光纖，以便抑制經(jīng)歷了多重散射和色移的背景光。在某些實(shí)施例中，波導(dǎo)是在波導(dǎo)端面上具有發(fā)射光線的光源懸臂。
盡管描述了掃描光纖波導(dǎo)，在一個(gè)深度增強(qiáng)的方法和測(cè)距方法的替代實(shí)施例中，采用偏轉(zhuǎn)的反射鏡或懸臂組件來使輸出光束在目標(biāo)對(duì)象上掃描。
盡管在一個(gè)推薦的實(shí)施例中，發(fā)射和檢測(cè)可見光，但是在一個(gè)替代的實(shí)施例中，發(fā)射和檢測(cè)的光是紫外光、紅外光。在某些實(shí)施例中，包括傳感器，它向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器提供反饋，控制器作為響應(yīng)調(diào)整懸臂的偏轉(zhuǎn)。結(jié)果，懸臂的偏轉(zhuǎn)得到調(diào)整和控制。
因此，以上描述不應(yīng)看作是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，本發(fā)明的范圍由后附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生目標(biāo)表面圖像的方法，包括以下步驟沿著相對(duì)于光軸的掃描路徑輸出光束；把所述光束聚焦在被掃描的所述目標(biāo)表面上，其中在給定時(shí)刻使光束聚焦，射在目標(biāo)點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)，當(dāng)所述光束在所述目標(biāo)表面上掃描時(shí)，所述被照明點(diǎn)隨著時(shí)間而改變；響應(yīng)所述光束的輸出，用多個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)從所述目標(biāo)表面返回的光，所述多個(gè)檢測(cè)器中的每一個(gè)都具有各自相對(duì)于光軸的位置，其中所述多個(gè)檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)所述返回光；利用所述多個(gè)檢測(cè)器采集多個(gè)并發(fā)圖像；其中，所述多個(gè)并發(fā)圖像具有基于產(chǎn)生所述返回光的共同光束的共同的表觀視點(diǎn)，所述共同光束是所述輸出光束；其中，所述多個(gè)并發(fā)圖像中的每一個(gè)圖像具有不同的表觀照明方向，所述多個(gè)圖像中的一個(gè)給定圖像的表觀照明方向是以用于采集所述給定的一個(gè)圖像的多個(gè)檢測(cè)器中相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器各自的位置為依據(jù)的；和處理所述多個(gè)并發(fā)圖像，以便推算出所述目標(biāo)表面的輸出圖像，包括基于所述多個(gè)并發(fā)圖像中的每一個(gè)的不同的表觀照明方向的相對(duì)深度信息。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)步驟包括檢測(cè)從所述目標(biāo)表面上大于所述被照明的斑點(diǎn)所限定的面積的面積的返回的光。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述處理步驟包括根據(jù)所述第一圖像和第二圖像產(chǎn)生所述目標(biāo)表面法線的取向映射。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述處理步驟還包括從所述取向映射建立取向直方圖并把所述取向直方圖與一個(gè)或多個(gè)原型取向直方圖比較，以便對(duì)所述目標(biāo)表面進(jìn)行分類的步驟。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述處理步驟還包括從所述取向映射建立深度映射的步驟。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述處理步驟還包括從所述深度映射建立三維網(wǎng)格的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述處理步驟包括利用虛擬照明和視點(diǎn)再現(xiàn)所述三維網(wǎng)格，以便同時(shí)增強(qiáng)深度感和表面拓?fù)浠蚱渲兄弧?br> 8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述處理步驟包括從所述三維網(wǎng)格計(jì)算兩個(gè)立體圖像，其中計(jì)算觀察者的雙眼差異。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述處理步驟包括再現(xiàn)所述輸出圖像，呈現(xiàn)比所述多個(gè)并發(fā)圖像中每一個(gè)都增強(qiáng)的表面拓?fù)洹?br> 10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述處理步驟包括再現(xiàn)所述輸出圖像，呈現(xiàn)比所述多個(gè)并發(fā)圖像中的每一個(gè)都增強(qiáng)的照明透視。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述處理步驟包括再現(xiàn)兩個(gè)立體圖像，其中計(jì)算觀察者的雙眼差異，所述兩個(gè)立體圖像是向所述觀察者眼睛輸出的圖像。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述輸出光束包括可見光和紫外光，其中所述第一檢測(cè)器檢測(cè)返回的可見光，而所述第二檢測(cè)器檢測(cè)返回的紫外光。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述輸出光束包括可見光和紅外光，其中所述多個(gè)檢測(cè)器中的第一檢測(cè)器檢測(cè)返回的可見光，而所述多個(gè)檢測(cè)器中的第二檢測(cè)器檢測(cè)返回的紅外光。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述光束是從所述諧振波導(dǎo)發(fā)出的輸出光束，而且在所述輸出步驟之前還包括以下步驟產(chǎn)生第一顏色的第一光束、第二顏色的第二光束和第三顏色的第三光束；以及在進(jìn)入所述諧振波導(dǎo)之前組合所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束，所述組合后的第一光束、第二光束和第三光束形成所述輸出光束。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述輸出光束是一系列光脈沖，而且其中所述檢測(cè)步驟與所述一系列的光脈沖同步，所述給定時(shí)刻的所述檢測(cè)的返回光對(duì)應(yīng)于給定的光脈沖和所述采集的象素。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)返回光的步驟包括檢測(cè)反射光。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)返回光的步驟包括檢測(cè)響應(yīng)所述輸出光束而從所述目標(biāo)表面發(fā)出的熒光。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)返回光的步驟包括檢測(cè)響應(yīng)所述輸出光束而從所述目標(biāo)表面發(fā)出的磷光。
19.一種用于采集目標(biāo)表面圖像的系統(tǒng)，它包括發(fā)射光的光源；執(zhí)行器，它使發(fā)射的光相對(duì)于光軸沿著掃描路徑偏轉(zhuǎn)；多個(gè)光子檢測(cè)器，用于檢測(cè)響應(yīng)所述發(fā)射的光而從所述目標(biāo)表面返回的光，所述多個(gè)光子檢測(cè)器中的每一個(gè)相對(duì)于光軸都具有不同的遠(yuǎn)端位置，其中，利用所述多個(gè)光子檢測(cè)器采集多個(gè)并發(fā)圖像，所述多個(gè)并發(fā)圖像具有基于產(chǎn)生所述返回光的共同光束的共同表觀視點(diǎn)，所述共同光束是所述輸出光束，所述多個(gè)并發(fā)圖像中的每一個(gè)圖像都具有不同的表觀照明方向，對(duì)于所述多個(gè)圖像中的一個(gè)給定圖像，其所述表觀照明方向是以用于采集所述給定的一個(gè)圖像的所述多個(gè)檢測(cè)器中相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器各自的位置為依據(jù)的；和處理器，它處理所述多個(gè)并發(fā)圖像，以便產(chǎn)生所述目標(biāo)表面的輸出圖像，包括基于來自所述多個(gè)并發(fā)圖像中每一個(gè)圖像的不同表觀照明方向的深度信息。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括柔性光波導(dǎo)，它接收所述發(fā)出的光并使所述光射向目標(biāo)表面，其中在給定時(shí)刻所述光照射到所述目標(biāo)表面的斑點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)；以及其中所述執(zhí)行器使所述波導(dǎo)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入諧振運(yùn)動(dòng)，所述被引導(dǎo)的光跟蹤沿著所述目標(biāo)表面的掃描路徑。
21.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括反射鏡，它接收所述發(fā)出的光并使所述光射向所述目標(biāo)表面，其中在給定時(shí)刻所述光照射到所述目標(biāo)表面的斑點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)；和其中所述執(zhí)行器使所述反射鏡偏轉(zhuǎn)，所述被引導(dǎo)的光跟蹤沿著所述目標(biāo)表面的掃描路徑。
22.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括懸臂組件，在懸臂的遠(yuǎn)端具有光源，所述光源發(fā)出光沿著所述懸臂的軸線向所述目標(biāo)表面輸出，其中，在給定時(shí)刻所述光照射到所述目標(biāo)表面的斑點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)；和其中，所述執(zhí)行器使所述懸臂組件偏轉(zhuǎn)，所述被引導(dǎo)的光跟蹤沿著所述目標(biāo)表面的掃描路徑。
23.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個(gè)檢測(cè)器中的每一個(gè)都具有所述目標(biāo)表面的超過被照明點(diǎn)尺寸的有效的觀察區(qū)域；并且所述系統(tǒng)還包括相關(guān)器，在所述光跟蹤掃描路徑時(shí)，使所述檢測(cè)器的采樣時(shí)間與所述光相關(guān)，其中從所述目標(biāo)表面的一部分的圖像采集象素，其中所述采集的象素中每一個(gè)象素的分辨率與所述被照明點(diǎn)尺寸相應(yīng)，以及其中從第一組檢測(cè)器采集所述各并發(fā)圖像中的第一個(gè)圖像。
24.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述輸出光束是第一顏色光束、第二顏色光束和第三顏色光束的組合；以及其中所述輸出圖像是彩色圖像；其中，所述多個(gè)檢測(cè)器包括第一組檢測(cè)器，所述第一組檢測(cè)器包括第一顏色的第一檢測(cè)器，用以檢測(cè)第一顏色光束的返回光；第二顏色的第一檢測(cè)器，用以檢測(cè)第二顏色光束的返回光；和第三顏色的第一檢測(cè)器，用以檢測(cè)第三顏色光束的返回光，而且其中從所述第一組檢測(cè)器采集所述多個(gè)并發(fā)圖像中的第一個(gè)圖像。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個(gè)檢測(cè)器包括第二組檢測(cè)器，所述第二組檢測(cè)器包括第一顏色的第二檢測(cè)器，用以檢測(cè)第一顏色光束的返回光；第二顏色的第二檢測(cè)器，用以檢測(cè)第二顏色光束的返回光；和第三顏色的第二檢測(cè)器，用以檢測(cè)第三顏色光束的返回光，而且其中從所述第二組檢測(cè)器采集所述多個(gè)并發(fā)圖像中的第二個(gè)圖像。
26.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個(gè)檢測(cè)器還包括第二檢測(cè)器，所述第二檢測(cè)器是多波長(zhǎng)檢測(cè)器，用以檢測(cè)從第一顏色光束、第二顏色光束和第三顏色光束返回的光的亮度，其中所述多個(gè)并發(fā)圖像中的第二個(gè)是從第二檢測(cè)器采集的。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個(gè)檢測(cè)器還包括第三檢測(cè)器，其中從所述第三檢測(cè)器采集所述多個(gè)并發(fā)圖像中的第三個(gè)圖像。
28.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個(gè)檢測(cè)器還包括第一檢測(cè)器和第二檢測(cè)器，所述第一檢測(cè)器用以采集所述各并發(fā)圖像中的第一個(gè)圖像，而所述第二檢測(cè)器用以采集所述各并發(fā)圖像中的第二個(gè)圖像。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于所述多個(gè)檢測(cè)器還包括第三檢測(cè)器，用以采集所述多個(gè)并發(fā)圖像中的第三個(gè)圖像。
30.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理器根據(jù)所述多個(gè)并發(fā)圖像產(chǎn)生所述目標(biāo)表面法線的取向映射。
31.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理器從所述取向映射建立取向直方圖，并把所述取向直方圖與一個(gè)或多個(gè)原型直方圖比較，以便對(duì)所述目標(biāo)表面進(jìn)行分類。
32.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理器從所述取向映射建立深度映射
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理器從所述深度映射建立三維網(wǎng)格。
34.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理器利用虛擬照明和視點(diǎn)再現(xiàn)所述三維網(wǎng)格，以便或者增強(qiáng)深度感知和表面拓?fù)渲换蛘咴鰪?qiáng)深度感知和表面拓?fù)鋬烧摺?br> 35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其特征在于所述處理器從所述三維網(wǎng)格計(jì)算兩個(gè)立體圖像，其中計(jì)算觀察者雙眼差異。
36.一種用于產(chǎn)生目標(biāo)表面圖像的方法，包括以下步驟從諧振的光纖波導(dǎo)輸出光束，所述波導(dǎo)使所述光束沿著掃描路徑掃描；利用掃描透鏡把所述光束聚焦在被掃描的所述目標(biāo)表面上，其中在給定時(shí)刻使光束聚焦，射在所述目標(biāo)的斑點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)，在所述光束在所述目標(biāo)表面上掃描時(shí)，所述被照明點(diǎn)隨著時(shí)間而改變；利用具有相對(duì)于所述諧振光纖波導(dǎo)的第一位置的第一檢測(cè)器和具有相對(duì)于所述諧振光纖波導(dǎo)的第二位置的第二檢測(cè)器檢測(cè)、響應(yīng)所述輸出光束而檢測(cè)從所述目標(biāo)表面返回的光，其中，所述第一檢測(cè)器和第二檢測(cè)器具有不同的取向軸，所述光纖波導(dǎo)具有軸線，所述第一檢測(cè)器和所述第二檢測(cè)器中至少一個(gè)具有不同于光纖波導(dǎo)軸線的取向軸；對(duì)利用所述第一檢測(cè)器和第二檢測(cè)器獲得的信號(hào)進(jìn)行共模抑制，以便通過以差分方式排除環(huán)境光的光子來改善顏色保真度和所采集的圖像的分辨率。
37.一種用于產(chǎn)生目標(biāo)表面圖像的方法，包括以下步驟沿著圍繞光軸的掃描路徑輸出光束；把所述光束聚焦在被掃描的所述目標(biāo)表面上，其中在給定時(shí)刻使光束聚焦，射在目標(biāo)點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)，在所述光束在所述目標(biāo)表面上掃描時(shí)，所述被照明點(diǎn)隨著時(shí)間而改變；利用多個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)從所述目標(biāo)表面返回的光，所述多個(gè)檢測(cè)器相對(duì)于光軸具有一般共焦的配置，所述多個(gè)檢測(cè)器中的每一個(gè)都包括偏振濾光器，用以抑制經(jīng)過多次散射和色移的背散射光。
38.一種用于產(chǎn)生目標(biāo)表面圖像的方法，包括以下步驟沿著圍繞光軸的掃描路徑輸出光束；把所述光束聚焦在被掃描的所述目標(biāo)表面上，其中在給定時(shí)刻使所述光束聚焦，射在所述目標(biāo)點(diǎn)上，所述目標(biāo)點(diǎn)是被照明點(diǎn)，在所述光束在所述目標(biāo)表面上掃描時(shí)，所述被照明點(diǎn)隨著時(shí)間而改變；利用至少一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)從所述目標(biāo)表面返回的光；從利用所述檢測(cè)器檢測(cè)的所述返回光中采集第一圖像的第一組多個(gè)象素；測(cè)量到所述目標(biāo)表面上一個(gè)或多個(gè)象素的距離；處理所述第一圖像和所述測(cè)得的距離，以便推算所述目標(biāo)表面的輸出圖像，包括深度信息。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)步驟包括檢測(cè)來自至少兩個(gè)檢測(cè)器的返回光，而所述測(cè)量距離的步驟包括以下步驟檢測(cè)由相應(yīng)象素的所述至少兩個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)的所述返回光的相位差，所述相位差對(duì)應(yīng)于到所述相應(yīng)象素的所述目標(biāo)表面的距離。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述光束包括從高調(diào)制帶寬激光二極管發(fā)射的光，而且其中在給定頻率下發(fā)射激光脈沖；其中所述測(cè)量步驟包括對(duì)于每一個(gè)脈沖，測(cè)量脈沖發(fā)射和相應(yīng)返回脈沖的接收之間經(jīng)過的時(shí)間，所述經(jīng)過的時(shí)間與到所述目標(biāo)表面上最近點(diǎn)的距離成正比。
41.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述光束包括利用光強(qiáng)度的高調(diào)制帶寬從直接調(diào)制激光二極管發(fā)射的光，其中，所述測(cè)量步驟包括以與所述調(diào)制對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期進(jìn)行采樣，以便測(cè)量發(fā)射和相應(yīng)的返回光的接收之間經(jīng)過的時(shí)間，所述經(jīng)過的時(shí)間與到所述目標(biāo)表面上最近點(diǎn)的距離成正比。
42.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述光束包括從可電子調(diào)諧的激光二極管發(fā)射的光，而所述輸出步驟包括從所述激光二極管發(fā)射連續(xù)頻率調(diào)制光；而且其中所述測(cè)量步驟包括使所述返回光與參考光混頻，產(chǎn)生與到所述目標(biāo)表面的距離成正比的拍頻。
43.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)步驟包括檢測(cè)沿所述輸出光束的所述路徑反射回來的光，所述反射回來的光與所述輸出光束呈現(xiàn)干涉圖案；而且其中所述測(cè)量步驟包括利用脈沖方案對(duì)應(yīng)關(guān)系使背返回光混頻，求光強(qiáng)度波形的微商，所述微商表示到所述目標(biāo)表面的距離。
44.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述檢測(cè)步驟包括檢測(cè)沿所述輸出光束的路徑反射回來的光，所述反射回來的光與所述輸出光束呈現(xiàn)干涉圖案；而且其中所述測(cè)量步驟包括利用連續(xù)激光發(fā)射方案的對(duì)應(yīng)關(guān)系使背返回光混頻，求光強(qiáng)度波形的微商，所述微商表示到所述目標(biāo)表面的距離。
全文摘要
最小侵害的醫(yī)療圖像采集系統(tǒng)輸出光束或脈沖，照明剛好一個(gè)斑點(diǎn)尺寸。多個(gè)光子檢測(cè)器檢測(cè)從包括所述斑點(diǎn)的物體返回的光子，象素分辨率由照明光點(diǎn)的面積(因而由透鏡配置)決定，而不是由傳感器檢測(cè)的面積決定。通過使相應(yīng)的檢測(cè)器所檢測(cè)的各圖像相關(guān)，或者通過基于相位差、飛行時(shí)間、頻率或干涉儀的測(cè)距的方法，決定深度增強(qiáng)。
文檔編號(hào)A61B1/05GK1575524SQ02820916
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月23日
發(fā)明者E·賽貝爾, Q·Y·J·史密斯維克, T·A·福爾內(nèi)斯三世 申請(qǐng)人:華盛頓州大學(xué)