(57)【要約】光源は、光ビームの空間プロファイルの変換を与える光ファイバの近位端から遠位端に伝搬する光ビームを生成する。光学制御デバイスは、信号プロセッサからの制御信号に応じて光ビームに補償空間プロファイルを与える。遠位光源は、光ファイバの遠位端から近位端への１本以上の光導波路を介して伝搬するキャリブレーション光を生成する。光学検出器は、キャリブレーション光を検出し、検出キャリブレーション光に応じて電気信号を生成する。信号プロセッサは、光ファイバによって与えられた光ビームの空間プロファイルの変換を少なくとも部分的に補償する補償空間プロファイルを光ビームに与えるように光学制御デバイスに指示する制御信号を生成する。【選択図】図１
2021514212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
ａ）光源と、
ｂ）前記光源の出力部に光学的に結合される入力部を有する光学制御デバイスと、
ｃ）前記光学制御デバイスの出力部に光学的に結合される入力部を有する光ファイバであって、該光ファイバは近位端から遠位端への複数の空間モードを伝搬するものであり、前記光源が、前記光ファイバの前記遠位端からサンプルを照射するように構成され、前記光源は前記光ファイバの前記遠位端付近に位置する少なくとも１つの近位的に制御される遠位源を備え、前記遠位源が、前記光ファイバによって実行される変換についての情報を提供して前記サンプルについての情報を特定するように構成された光ファイバと
を備える光学システム。
【請求項２】
ｄ）前記光ファイバの前記近位端に位置する光学検出器であって、前記遠位源によって提供される前記情報がキャリブレーション光を含み、前記光学検出器が前記キャリブレーション光の少なくとも一部分を検出し、検出された前記キャリブレーション光に応じて出力部において電気信号を生成する、光学検出器と、
ｅ）前記光学検出器の前記出力部に接続された電気的入力部及び前記光学制御デバイスの電気的制御入力部に接続された電気的出力部を備える信号プロセッサであって、前記光学制御デバイスに、前記光ファイバによって与えられた前記光ビームの空間プロファイルの変換を少なくとも部分的に補償する前記光源からの光ビームに補償空間プロファイルを与えるように指示する制御信号を生成する信号プロセッサと
をさらに備えた請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記光ファイバが、マルチコア光導波路、マルチモード光導波路及びマルチコア／マルチモード光ファイバのうちの１つを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記光ファイバの前記遠位光源が、マルチモード光ファイバを備える光導波路の周辺に位置する複数のシングルモードコアを備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記光ファイバが内視鏡に収容された、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
方法であって、
ａ）光源によって光ビームを生成するステップと、
ｂ）複数の空間モードを伝送する光ファイバの近位端に前記光ビームを、該光ビームが前記光ファイバの前記近位端から遠位端に伝搬することによって前記光ビームの空間変換を生成するように、結合するステップと、
ｃ）前記光ファイバによって生成された前記空間変換を少なくとも部分的に補償する補償空間プロファイルを前記光ビームに与えるステップと、
ｄ）前記光ファイバの前記遠位端の近傍に位置する出力部を有する遠位源によってキャリブレーション光を生成するステップと、
ｅ）光学検出器によって前記キャリブレーション光の少なくとも一部分を検出するステップと、
ｆ）前記光ファイバによって生成される前記空間変換を少なくとも部分的に補償する、前記光ビームへの前記与えられた補償空間プロファイルを決定するキャリブレーション信号を生成するように前記検出されたキャリブレーション光を処理するステップと
を備える方法。
【請求項７】
前記補償空間変換を前記光ビームに与えるステップが、前記光ビームの前記経路に位置する光学制御デバイスによって前記補償空間変換を前記光ビームに与えるステップを備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記補償空間変換を前記光ビームに与えるステップが、前記検出されたキャリブレーション光の前記処理中に少なくともある程度決定された数学的変換を適用することによって前記補償空間変換を前記光ビームに与えるステップを備える、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記光ビームの前記経路において前記光ファイバの前記遠位端にサンプルを位置させるステップをさらに備える請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
測定光を集光するステップをさらに備え、前記測定光が、サンプル、サンプルからのラマン散乱光及びサンプルから放射された蛍光のうちの１つから生成される、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記光ファイバの前記遠位端の近傍にサンプルを位置させるステップと、前記サンプルからの光を集光するステップと、前記サンプルの前記光学特性の画像を生成するように前記集光された光を処理するステップとをさらに備える請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
光ファイバの遠位端から近位端に複数の空間モードを伝搬する前記光ファイバによるサンプルを解析する方法であって、
ａ）複数の空間モードを伝搬する前記光ファイバの前記遠位端を介してサンプルからの空間プロファイルを備える光ビームを集光するステップと、
ｂ）前記集光された光ビームを、複数の空間モードを伝搬する前記光ファイバの前記遠位端から前記近位端に伝搬させるステップであって、前記光ファイバが、前記集光された光ビームが前記遠位端から前記近位端に伝搬するにつれて前記集光された光ビームの空間変換を与える、ステップと、
ｃ）前記伝搬された光ビームの少なくとも一部分を前記光ファイバの前記近位端の出力部において検出し、該検出に応じて電気信号を生成するステップと、
ｄ）前記光ファイバによって与えられた前記空間変換を少なくとも部分的に補償する前記電気信号の数学的変換を生成するように前記電気信号を処理するステップと
を備える方法。
【請求項１３】
前記光ファイバによって与えられた前記空間変換を少なくとも部分的に補償する前記電気信号の数学的変換を生成するように前記電気信号を処理するステップが、変換行列を生成するステップを備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
測定光を集光するステップをさらに備え、前記測定光が、サンプル、サンプルからのラマン散乱光及びサンプルから放射される蛍光のうちの１つから生成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
検出された伝搬光ビームから前記サンプルの光学特性の画像を生成するステップをさらに備える請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここで用いられる章の見出しは構成上のためだけのものであり、本出願に記載された主題をいかなる態様においても限定するものとして解釈されるべきではない。
【０００２】
本教示は、光導波路の遠位端において、光を送達及び／若しくは集光し、並びに／又は光学イメージングを実行し、並びに／又はサンプルの光学療法を実行するための医療及び非医療用途に関する。ある実施形態において、サンプルの光学特性が決定される。光学特性は、例えば、吸収、反射、屈折率、複屈折、分散、蛍光及び他の特性を含み、これは波長の関数であり、ある点において、小体積において及び／又は空間的若しくはスペクトル的に１次元又は複数の次元に沿って分解可能である。
【０００３】
サンプル（例えば、到達が難しい箇所の人間の臓器又はサンプル）の光学イメージングを実行することへの医療及び非医療の多くのニーズがある。これは、診断又は治療の手順を人体内において実行することを含む。到達が難しい対象組織領域に光を送達し及び／又はそこから集光するために、図１に示すような様々なデバイス及びアプローチがある。これは、内視鏡１００、カテーテル１２０、ガイドワイヤ、腹腔鏡、トロカール１４０、ボアスコープ、針及び種々の低侵襲ロボット手術デバイスを含む。１次元、２次元若しくは３次元のイメージング及び／又は機能的イメージングを実行するために、光学コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）及び他の干渉法によるイメージング、共焦点顕微鏡法、分光イメージング、蛍光イメージング、ラマンイメージング、多光子イメージング及び反射イメージングなどを含む種々の可能なモダリティがある。各イメージングモダリティは、別個の属性を与える。例えば、ＯＣＴは、ＯＣＴイメージング処理のコヒーレンスゲーティングに起因して高い軸方向サブレイリーレンジ分解能を実現することができ、それは高分解能の軸方向光学特性情報及び長い被写界深度が望まれる広範囲のシナリオにおいて非常に有益であり得る。比較のために、蛍光イメージングはより簡単に分子情報を提供可能であるが、一般的に被写界深度が低くなる。多くの用途において、レーザアブレーション及び光線力学療法など、療法のために光を送達することは有用である。
【０００４】
シングルモード光ファイバは、安価でかつ柔軟性があり内視鏡に沿って光を伝送するのに一般に用いられるが、通常、シングルモードファイバはそれ自体で２Ｄ又は３Ｄの空間イメージングを実行することはできない。シングルモードファイバを用いてイメージングを実行するには、シングルモードファイバから放射及び／又は集光された光を走査することを一般的に必要とする。図２に示す、又は参考文献Ｓ．Ａ．Ｂｏｐｐａｒｔ、Ｇ．Ｊ．Ｔｅａｒｎｅｙ、Ｂ．Ｅ．Ｂｏｕｍａ、Ｍ．Ｅ．Ｂｒｅｚｉｎｓｋｉ、Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ及びＥ．Ａ．Ｓｗａｎｓｏｎによる２００２年１１月２６日発行の米国特許番号６４８５４１３号「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｗａｒｄ−Ｄｉｒｅｃｔｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」に記載するような、トルクケーブルで駆動する回転シングルモードファイバ、又はシングルモード光ファイバによって照射される遠位モータ、及び他の機械的若しくは電気工学的なアプローチを用いることを含むシングルモードファイバを含む内視鏡の遠位端で光ビームを走査可能とする様々な既存技術がある。これらの既存技術には、多くの重要な医療及び非医療用途に対して、内視鏡プローブが人体内の重要な領域にアクセスするのに太すぎること及び／又は充分な柔軟性がないこと、臨床機器の既存のポート内に嵌ることができないこと、内視鏡又はそれを取り付けるシステムが高価すぎること、内視鏡が所望よりも信頼性が低いこと、走査メカニズムが不均一な回転歪みなどの光学画像アーチファクトをもたらすことなどの種々の深刻な限界がある。これらの従来技術の限界を超える著しい進歩が、新たな臨床用途を開拓して既存のものをより良好に実行するのに必要である。
【０００５】
好適な例示の実施形態による本教示は、その更なる効果とともに、以下の詳細な説明において添付の図面と併せてより具体的に記載される。当業者は、以下に記載する図面が例示のみを目的とすることを理解するはずである。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに教示の原理を説明することに概して重点が置かれる。図面は、いかなる態様においても出願人の教示の範囲を限定することを意図するものではない。また簡略化のため、図面の一部は、サンプル内の縮尺若しくは比率通りではなく、又は正確な位置ではないビーム伝搬（例えばビーム分岐）を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、公知の医療光学イメージングデバイスの例を示す。
【図２】図２は、公知の遠位光学走査アプローチの例を示す。
【図３】図３は、処理システム並びにシングルモード及びマルチモード構成要素を含むマルチコアファイバを含む本教示の一実施形態の簡略図を示す。
【図４】図４は、偏波ダイバーシティ検出が使用される本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。
【図５】図５は、本教示のマルチモード光導波路の実施形態のモデルを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、ファイバ端部の散乱中心に光を搬送するシングルモード又は数モードの導波路を備える本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、イメージング導波路に導入される追加の散乱中心を備える本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、イメージング導波路と重なるように作製されたシングルモード結合導波路を備える本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本教示の遠隔光学プローブシステムの例示の実施形態のイメージング導波路及び遠位源導波路の双方の屈折率プロファイルを示す。
【図７】図７は、単一偏波を備える本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態の簡略図を示す。
【図８】図８は、本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態の焦点距離、ビームウエスト及び焦点深度の図を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、複数のコア及び共通クラッディングを備える本教示のマルチコアファイバの断面の実施形態を示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは、各々が、任意の吸収性若しくは光ストリッピングの共通クラッディング及び／又はバッファを有する個別のクラッディングを有する複数のコアを備える本教示のマルチコアファイバの断面の実施形態を示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは、コアとコアの結合を最小化するコーティングを有する中空コアマルチコアファイバを備える本教示のマルチコアファイバの断面の実施形態を示す。
【図９Ｅ】図９Ｅは、１つ又は複数の形状センシングファイバと組み合わせたマルチコア光ファイバを備える本教示のマルチコアファイバの断面の実施形態を示す。
【図９Ｆ】図９Ｆは、ファイバ軸に垂直な任意の横断面の１次元線に沿って分散した単列のコアを有し、さらに形状センシングファイバを含むマルチコアファイバを備える本教示のマルチコアファイバの断面の実施形態を示す。
【図１０】図１０は、各コアが遠位反射を有するマルチコアファイバ、及び干渉法によって遠位反射及びサンプルの双方から集光し、近位の振幅及び／又は位相ビーム形成要素を調整して遠位走査又はイメージングを実行する近位システムを備える本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、近位端から例えばレーザによって差動的に熱活性化される光吸収材料を端部付近に有する外側ファイバコアを備える本教示の方法の実施形態を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、光を吸収して差動的熱膨張するようにコーティングされた材料に対して光を外向きに反射するファイバブラッググレーティング又は他の構造物を有する外側ファイバを備える本教示の方法の実施形態を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、中空の外側ファイバを備える本教示の方法の実施形態を示し、差動的液体、気体及び／又は吸引圧力がファイバを曲げるのに用いられ、及び／又は任意の膨張／収縮可能構造物が用いられる。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、ファイバを曲げるように作動させる電気コンジットとともに、ＰＺＴ又は他の電気機械的曲げ材料をファイバクラッディング内、ジャケット／バッファ上又はファイバの遠位部分の周囲に含むファイバの遠位部分を備える本教示の方法の実施形態を示す。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、ファイバの外面付近に取り付けられたプッシュ／プルワイヤを備える本教示の方法の実施形態を示す。
【図１２】図１２は、本教示によるイメージング導波路キャリブレーションの方法の実施形態を示すフローチャートを示す。
【図１３】図１３は、共焦点及び他のイメージング用途に適切な空間光変調器及びサーキュレータを有するアーキテクチャを用いる本教示のイメージング内視鏡の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本教示は、添付の図面に示すように、その例示の実施形態を参照してより詳細にここで説明される。本教示は種々の実施形態及び例と併せて説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。反対に、本教示は、当業者によって理解されるように種々の代替例、変形例及び均等物を包含する。ここでの教示を利用できる当業者は、ここで記載される本開示の範囲内である追加の実施例、変形例及び実施形態、さらに他の使用分野を認識するはずである。
【０００８】
明細書中の「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の構成、構造又は特徴が教示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。明細書の様々な箇所に出現する「一実施形態において」という文言は、必ずしも全てが同一の実施形態に言及しているわけではない。
【０００９】
本教示の方法の個々のステップは、教示が動作可能である限り、任意の順序及び／又は同時に実行することが可能であると理解されるべきである。さらに、本教示の装置及び方法は、教示が動作可能である限り、説明する実施形態の任意数又は全てを含み得ることを理解すべきである。例えば、単語「ファイバ」及び単語「コア」は、明細書を通じてある程度交換可能な形態で使用されると理解すべきである。複数のコアが共通のクラッディングに埋め込まれるように記載される場合、各々が第２の外側共通クラッディングに埋め込まれたコア及びクラッディングを有する複数の光ファイバを用いる均等な実施形態があることが当業者には理解されるはずである。そのようなコアは、シングルモード、数モード又はマルチモードの光学コアであり得る。
【００１０】
本教示は、光を送達及び／若しくは集光し、並びに／又は到達が難しい箇所のサンプルの光学イメージングを実行するための多くの医療及び非医療用途に関する。本開示において、我々は、例えば可視スペクトル全体を含む紫外線から赤外線までの波長範囲の任意の照射に対して単語「光」を用いる。
【００１１】
内視鏡内において、シングルモード光ファイバの代わりに、本教示によるマルチモード又はマルチコア光ファイバを使用すると、そのような光ファイバが内視鏡の近位端で光学場を操作又は測定することによって、より複雑な光学場が内視鏡の遠位端で測定及び／若しくは生成されることを可能とし、又は内視鏡の遠位端でサンプルから放射される光から内視鏡の近位端で複雑なフィールドを回復することを可能とする複数の空間光学モードを（シングルモードファイバで１つだけであるのに対し）サポートできるため、光学イメージングに顕著な効果がもたらされる。光ファイバは一種の導波路なので、用語「導波路」及び「ファイバ」はここでは互換可能に用いられることが理解されるべきである。また、ここで用いられるような用語「内視鏡」は、カテーテル、ガイドワイヤ、腹腔鏡、トロカール、ボアスコープ、針及び種々の低侵襲ロボット手術デバイスなどの医療用デバイスを含むような広い意味を有することを意図するものであると理解されるべきである。
【００１２】
焦点の遠位走査が横方向若しくは縦方向のいずれか又はその両方向で可能であるシステムの簡略化された例を図３に示す。そのようなアプローチは、例えば図２に示すものよりもはるかに小型で、低コストでかつより柔軟性のあるマルチモード又はマルチコアファイバを含む内視鏡を含む多くの利点を可能とする。しかし、１つの緩和的問題は、内視鏡の一端から他端までの光学場の伝搬が複雑であり、医者による内視鏡の操作、心臓の鼓動、呼吸、温度変動などの環境外乱又は生存患者若しくは環境外乱からの他の動作に応じて連続的に変化していることである。内視鏡の一端から他端までの光学場の変換を伝達関数ということもある。ファイバによって光学場に対して行われる変換をファイバの伝達関数ということもある。マルチモードファイバを用いてイメージングを遂行するには、連続的に変化するマルチモードファイバ伝達関数を把握し及び／又は能動的に補正する必要がある。システムは、その伝達関数を利用してイメージングを実行し、サンプルの光学特性を評価及び／又は療法のためにサンプルに光を送達することができる。本教示のある実施形態に対して、ファイバのパワーレベルは充分に低いので非線形性を無視可能であり、すなわち、伝達関数は特にファイバの異なるモード間のその分布において出射光に依存しない。このような場合、伝達関数は伝達行列によって表される。他の実施形態において、これらの仮定は、計算及びハードウェアの複雑性の対応の変化により緩和される。
【００１３】
以下の開示は、概略として、光ファイバの近位端に位置する処理及びファイバの遠位端付近に位置するサンプルによるシステムに接続されたマルチモード又はマルチコア光ファイバの使用に関し、ここでその処理はマルチモード又はマルチコア光ファイバの光学伝達関数を決定あるいは補正し、その情報を用いてサンプルの光学特性の光学イメージング、サンプルに光を走査すること又は光ファイバの遠位端付近に位置するサンプルの光学特性を決定することを実行し得る。本教示のある態様において、システムは、光ファイバに沿った光ビーム伝搬についてマルチモード又はマルチコア光ファイバの空間的及び／又は時間的効果の一部を決定することを促進するのに近位制御遠位源を用いる。
【００１４】
ここで、我々は、マルチモードファイバを通じてイメージングを行う本教示の一態様の説明を始める。マルチモード光ファイバ上の光の位相及び／又は振幅制御を用いた光学場のビームステアリングについての公知の方法がある。また、マルチモード導波路を通じた一方向イメージング及び照射も公知である。マルチモード内視鏡も当技術分野においてよく知られている。しかしながら、公知の方法及び装置において、マルチモードファイバの伝達関数は、許容可能な外部摂動の量についての仮定及び狭光学帯域を占める光の波長についてのさらなる仮定によってマルチモード導波路両端へのアクセス又は事前キャリブレーションを必要とした。これらの仮定は、多くの内視鏡用途、特に医療現場における用途又はＯＣＴなどの広帯域光源を用いる用途に適さない。必要とされるのは、摂動環境において内視鏡プローブ又は他の遠隔光学プローブデバイスの近位端処理を主に用いて、連続的に変化するマルチモード伝達関数を補正するための完全かつ堅牢な解決手段とともにその補正を利用可能なイメージング又は光送達及び／若しくは集光システムの説明である。
【００１５】
内視鏡、カテーテル、ガイドワイヤ、腹腔鏡、トロカール、ボアスコープ、針及び種々の低侵襲ロボット手術デバイスなど、到達が難しいこれらの箇所にアクセスする様々な既存の方法及び装置がある。図１は、到達が難しい箇所から光を送達及び集光するのに用いられることが公知の従来技術デバイスである内視鏡１００、カテーテル１２０及びトロカール１４０を示す。
【００１６】
図２は、従来技術の遠位光学走査アプローチの例を示す。第１の従来技術走査アプローチ２００は、回転ファイバ光学ジョイント及び回転ファイバを用いる。第２の従来技術走査アプローチ２２０は、固定型ファイバ光学接合部及び遠位モータを用いる。第３の従来技術走査アプローチ２４０は、固定型ファイバ光学接合部及び走査のための電気光学システムを用いる。
【００１７】
到達が困難な場所にアクセスする様々な既存の方法及びデバイスを利用する多くの用途について、既存の方法には、デバイス（例えば、内視鏡）が大きすぎること、充分な柔軟性がないこと、高価すぎること、光学アーチファクトを受けること及び他の限界がある。本教示は、公知の装置のこれら及び他の限界を克服する技術を説明する。例えば、本教示の一実施形態は、光ファイバの光学イメージング伝達関数を決定し、その情報を用いて光ファイバの遠位端に位置するサンプルの光学イメージングを実行することができる近位処理を用いるマルチコア光ファイバの使用を含む。
【００１８】
本教示は、主にパッシブマルチモード及び／若しくはマルチコアファイバ内視鏡の遠位端において、サンプルへの光の物理的若しくは合成的走査、及び／又はサンプル（例えば、組織）から放射する光のイメージングを主に近位端処理を用いて達成する方法を説明する。光学ゲイン及び非線形性のような特徴を含めること、さらにここで開示される発明と能動型の電気機械的又は電気光学的及び受動型のイメージングとの組合せなど、ここに示す実施形態に対して当業者に認識可能な拡張がある。
【００１９】
図３は、処理システム並びにシングルモード及びマルチモード構成要素を含むマルチコアファイバを含む本教示の一実施形態の簡略図を示す。図３は、本教示の一態様の図を示す。特に、図３は、光送達及び集光並びに／又は到達するのが難しい箇所に位置し得るサンプル３１６のイメージングを提供する光学プローブ装置３００を示す。処理システム３０２は送信機、受信機及び信号処理部を備えるサブシステム３０４を含み、空間振幅、位相、波長及び／又は偏波制御を提供するサブシステム３０６は近位端付近に位置するコネクタ（不図示）を用いてマルチコアファイバ３０８に接続される。サブシステム３０６は、電気入力信号に応じてサブシステム３０４の送信機によって生成される光ビームについての空間振幅、位相及び／又は偏波プロファイルを生成する。空間振幅及び／又は位相プロファイルは、光ビームにわたって１次元又は２次元で生成され得る。空間振幅及び位相プロファイルは、時間の関数として、及び／又はサブシステム３０４の受信機によって受信される信号を処理するプロセッサによって生成され得る制御信号に応じて変調され得る。内視鏡３１２は、シングルモード及びマルチモード構成要素を含むマルチコアファイバ３０８を含む（後述するように他の種類のファイバも可能である）。円滑なナビゲーション及び／又はイメージング、遠位サンプル３１６からの光の走査若しくは集光、さらに場合によってはファイバの伝達関数を決定する処理を促進する任意の遠位光学モジュール３１４が示される。光は、サンプル３１６から集光され、サブシステム３０４の受信機へマルチコアファイバ３０８に沿って伝搬される。この光は、測定光又はサンプルからの光ということもあり、画像を決定する又は遠位サンプル３１６の何らかの他のパラメータ若しくは情報を集光するのに用いられる。内視鏡及びファイバの断面３１８の例も示す。この図は、マルチコアファイバ断面を囲む簡略化されたシース、バッファ及び他の内視鏡共通構造物３２０を示す。マルチコアファイバ断面は、シングルモード（又は数モード）ファイバ３２２、３２２´、３２２´´、３２２´´´を含む。領域３２４はマルチモードコアであってもよいし、動作波長でマルチモード又はシングルモードであり得る複数のファイバコアを備えてもよい。なお、図３、他の図及び関連する文章において、示されるファイバ（例えば、ファイバ３２２、３２２´、３２２´´、３２２´´´）は、共通クラッディング（例えば、クラッディング３２６）によって囲まれる単純なコアであってもよいし、第２のクラッディング（例えば、クラッディング３２６）によって囲まれるコア及びクラッディングの双方を含むようなより複雑な構造物であってもよい。ファイバコア領域３２４は、クラッディング３２６によって囲まれる。後述するように、使用可能で本発明に従う多種多様な他のファイバ断面がある。また、後述するように近位制御された遠位源、形状センシングファイバ、イメージングファイバ、作動又は他の機能として動作することを含む、ファイバ３２２、３２２´、３２２´´及び３２２´´´の様々な使用がある。図３に示すよりも多くの又は少ないファイバコアがあり得る。また、ともに結合される幾つかのシングルコアファイバを使用することも可能である。
【００２０】
図３に示す装置３００は、低コスト、小型、良好な柔軟性、強化された光学性能を実現することができ、１次元、２次元若しくは３次元（３Ｄ）のイメージング及び／又は機能的イメージングに非常に適し、様々な医療及び非医療用途に対して多くの他の利点を有する。本教示の一態様は、マルチコアファイバ３０８のマルチモードファイバ伝達関数を能動的に測定及び／又は補正することである。このマルチモードファイバ伝達関数は、用途のニーズに応じて連続的又は断続的に決定され得る。ファイバ伝達関数の補正は、幾つかの異なる方法を用いて遂行可能である。例えば、１つの方法は、ホログラム又は空間光変調器による物理的補正を用いる。別の方法は、ヒルクライミング法、模擬アニーリング法又は遺伝的アルゴリズム最適化方法などのアルゴリズムを用いたデジタル補正を用いる。さらに別の方法は、出射又は検出された光学場に変換行列又は他の数学的操作を適用するコンピュータ処理的な補正を用いる。材料及び導波路の分散が存在する場合、マルチモード伝達関数は、波長掃引型光学コヒーレンストモグラフィー（ＳＳ−ＯＣＴ）又は近赤外（ＮＩＲ）の実施形態などの用途にとって重要なイメージングアルゴリズムによって用いられている全ての波長に対して既知である必要があり得る。ただし、モーダル特性が充分に一定であるか、又はイメージングに用いられるスペクトル範囲の波長にほぼ線形的に若しくは既知の態様で依存する場合、例えば、イメージング波長の使用範囲の中央における単一の波長のみで、又は代替的に幾つかの別個の波長で（例えば、波長範囲の境界で）後続の補間により較正することで充分であり得る。往復キャリブレーションは、各波長で２つの偏波に対して実行されてもよい。より一般的に、全偏波情報を取得するのに偏波ダイバーシティ検出を用いることが可能である。
【００２１】
光学マルチモード伝達関数が既知となると、１）マルチモードファイバへの入力において送信機からの近接光の空間及び他の光学特性を調整して遠位サンプルへの光の合焦、走査又は他の操作を行うこと、２）サンプルから放射される遠位光を集光し、それがマルチモード光ファイバを近位端に向かって横切るにつれてその集光された光の崩壊を補正することによって光学イメージングを行うこと、３）合焦された光がサンプルに送達されるとともにサンプルから集光されるような物理的又は合成的共焦点イメージング又は走査を行うこと、４）合焦ビームがサンプルに送達されてより高次のモードが集光及び解析されてサンプルの光学特性についての情報を決定するような暗視野イメージング又は類似のアプローチを行うこと、５）クラッディング又は不図示の第２の追加の外側クラッディングを用いて広域集光（同じ波長又は異なる波長の光）を有しつつサンプルに対する光の合焦スポット走査を行うこと、及び６）サンプルの広域照射及び集光の合焦ビーム走査を行うことを含む、光を遠位サンプルに送達し及び／又はサンプルの光学特性についての情報を取得する幾つかの方法がある。本教示によるシステムの様々な異なる実施形態があり、干渉法によるイメージング（例えば、ＯＣＴ）、共焦点顕微鏡法、蛍光イメージング、多光子イメージング、分光イメージング、反射イメージング及びラマンイメージングなどを含む。当業者であれば、本教示の装置及び方法の多数の他の用途があることが分かるはずである。
【００２２】
特定のマルチコア又はマルチモード光ファイバシステムのマルチモードファイバ伝達関数を決定することは、マルチモード／マルチコアファイバの近位端に出射され、そこから集光された光の光学特性（例えば、振幅、位相、偏波及び／又は波長の空間分布）の制御及び／又は測定を要する。一実施形態では、ファイバは、少なくとも１つのマルチモードファイバ及び１本以上のシングルモードファイバを有するマルチコアファイバからなる。図３について述べると、例えば、４本のシングルモードファイバ３２２、３２２´、３２２´´、３２２´´´その他マルチモードコア領域３２４が示される。本教示のマルチコアファイバにおけるシングルモードファイバの目的は、１つ以上の近位制御遠位源を遠位端に送達することである。これらのファイバはまた、近位制御遠位源及び形状センシングファイバとしての機能として作用するように、独立して又は同時に他の機能を兼ねることができる。この遠位端への近位制御光の送達は、遠位端への物理的なアクセスを要することなくマルチモードファイバ伝達関数を決定する能力における補助となる。従来技術の方法は、異なるモード間のパワーの実際の分布又は実際のファイバ伝達関数についての充分な情報を与えることはできない。
【００２３】
本教示のある実施形態の１つの特徴は、ファイバ伝達関数の知識が、光を送達し及び／又はサンプルの光学特性若しくは他の特徴を決定する光学プローブシステムにおけるプロセッサによって用いられることである。ファイバ伝達関数の決定及び光を送達し又はサンプルの光学特性を決定するその知識の利用を以下に説明する。
【００２４】
本教示の装置の一実施形態は、コア間の最小の結合で複数のシングルモード光学コアを含むマルチコア光ファイバを含む。各コアにおいて進行する光の一部は、遠位ファイバ端において及び／又は遠位ファイバ端に近い空間リフレクタによって反射されている。残余の伝送光の一部は、それが部分的に反射されるサンプルに伝搬する。遠位ファイバ端又はリフレクタから反射される光は、システムのキャリブレーションに使用される光の一形態であり、キャリブレーション光といわれることもある。各ファイバコアの近位端には、ビーム形成要素として機能する個々の振幅及び位相アジャスタがある。システムコントローラは、遠位ファイバ反射までの光学距離を能動的に測定し、例えば、位相アレイ走査と同様の態様で、遠位光の所望の走査パターンを実施するように、近位振幅及び位相ビーム形成要素を調整する。合成的処理のアプローチも可能である。
【００２５】
本教示のある実施形態は、同時形状センシング及び／又は光ファイバを近位端から統合する能力にイメージングファイバを組み合わせて、経路を特定すること及び／又は人体における曲がりくねったチャネルを誘導することを促進することを含む。
【００２６】
本教示のファイバ光学系イメージング並びに光の送達及び集光のために装置及び方法の多数の態様がある。連続的に変化するファイバ伝達関数を特定及び／又は補償する方法を説明する。伝達関数が既知となると、光をサンプルに送達し、サンプルから集光し、及び／又はサンプルの光学特性のイメージングを実行することができるシステム及び方法も説明する。本教示の一態様は、マルチモードファイバ伝達関数がキャリブレーションステップにおいて決定されてから、遠位端における光の空間分布を制御するように、例えば、サンプル上でのサンプルプローブ光の物理的合焦及び走査を達成するように、入力光空間分布（例えば、振幅及び／又は位相）が調整されることである。
【００２７】
本教示の他の態様は、サンプル上での遠位光の合成的合焦及び／又は走査があるように、キャリブレーションステップ及びイメージングステップの部分が組み合わされることである。
【００２８】
本教示の他の態様は、マルチコアファイバが内視鏡内で使用され、各コアが遠位反射を有し、近位システムが遠位反射及びサンプル双方からの光を相互干渉的に集光し、遠位走査又はイメージングを実行するように近位振幅及び／又は位相ビーム形成要素を調整することである。遠位反射から集光された光をキャリブレーション光といい、近位振幅及び位相ビーム形成要素によって修正された光をサンプルプローブ光ということもある。
【００２９】
本教示の他の態様は、形状センシング及び／又は統合との組合せにおいてイメージングが実現されることである。イメージングに関して、本教示による様々な異なる実施形態があり、干渉法によるイメージング（例えば、ＯＣＴ）、共焦点顕微鏡法、蛍光イメージング、多光子イメージング、分光イメージング及び反射イメージングなどを含む。
【００３０】
図４は、本教示の内視鏡システム４００の実施形態を示す。レーザ又は他の種類の光源４０２は、内視鏡システム４００の近位端において光を生成する。ある実施形態では、レーザ源４０２は、波長掃引型ＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）レーザであればよく、システム４００はサンプルの光学特性の合成的及び物理的走査を行うのに使用され得る。これは標準的なＳＳ−ＯＣＴ走査に類似するが、走査技術との組合せにおいて従来的なシングルモード光ファイバの代わりにマルチモード光ファイバを内視鏡に含ませるという重要な付加を伴う。例えば、走査技術との組合せにおける従来技術の従来的なシングルモード光ファイバを図２に示す。ある実施形態では、光源４０２のレーザ波長が固定され、マルチモードファイバ伝達関数が既知となると、システムはサンプル４０４へのレーザ光の物理的走査を実施する。これは、共焦点、蛍光、又は多光子顕微鏡法などの顕微鏡用途において有用である。集光は、共焦点配置又は広視野検出において存在し得る。あるいは、シングル空間モード検出イメージングが不要な場合には、より多くの光を集光するのにマルチモード導波路４０６の複数のモードが使用され得る。図４は（より詳細に以下に説明し、図６、７及び１３などの種々の図に示すような）近位制御遠位源の概念を示すのではなく、そのような近位制御遠位源及び形状センシングファイバのような他の機能が多数の実施形態で使用され得ることが理解されるべきである。
【００３１】
また、マルチモード導波路４０６の周囲の追加のクラッディング導波路は、より多くの光を集光するのに使用され得る。マルチモード導波路４０６は、マルチモード及び／又はマルチコアファイバであり得る。マルチコアファイバにおける複数のコアが結合され、分離され、又は結合及び分離の双方が組み合わされ得る。蛍光イメージング又はキャリブレーションの用途について、反射光は異なる導波路で出射されることが多く、受信機の異なる検出器が、蛍光を集光及び検出するように、例えば、導波路選択ビームスプリッタとともに挿入されてもよい。本教示の他の態様では、照射波長及び集光波長の双方が同じ波長であり、共焦点検出が行われる。ファイバ伝達関数が得られれば当業者が実施できる他のモダリティへの自明の展開がある。
【００３２】
図４に示すように、レーザ又は他の種類の光源４０２から出力された光は、振幅、位相及び／又は偏波制御デバイス４１２への基準経路４０８及び経路４１０に集光及び分離される。１次元又は２次元振幅、位相及び／又は偏波制御デバイス４１２は、空間光変調器（ＳＬＭ）といわれることもある。ただし、本教示では包括的な振幅、位相及び／又は偏波制御デバイスが意図されている。制御デバイス４１２は、処理要素４２８からの電気入力信号に応じて光源４０２によって生成された光ビームの空間プロファイルを生成する。空間プロファイルは、光ビームにおいて１次元又は２次元で生成され得る。空間プロファイルは、時間の関数として並びに／又は検出器４２０及び／若しくは４２０´によって受信される信号を処理するプロセッサによって生成され得る制御信号に応じて変調され得る。光ビームの空間プロファイルは、複雑な光学場を有するものとして示されることもある。光学場波面の各点は、大きさ（振幅）、位相、波長及び偏波などの光学特性を含む幾つかの属性によって説明され得る。
【００３３】
制御デバイス４１２の特徴は、個別に又は組み合わせてマルチモード導波路４０６の多くの又は全てのモードを制御可能に励起する能力にある。ある具体的実施形態では、制御デバイス４１２は、多数の小要素からなる空間光変調器である。他の実施形態では、制御デバイス４１２は、角度走査デバイス又はその２つの組合せからなる。他の種類のデバイスも可能である。ファイバ入力小面４１４は、制御デバイス４１２の焦点面、瞳面若しくは画像面又は他の位置に存在し得る。制御デバイス４１２はまた、選択的なシャッタ及び偏波制御を含み得る。制御デバイス４１２からの光は、レンズ４１６又は他の既知の光学的アプローチを用いる光ファイバの入力小面４１４に伝達される。導波路４０６は、ここに記載するように光学的に結合又は分離され得るマルチモード及びシングルモードコアの組合せを含むマルチコアファイバであり得る。それらの長さの一部又は全部にわたって結合される２本以上のファイバもあり得る。
【００３４】
マルチモード導波路４０６の遠位端は、能動型又は受動型であり得る遠位光学系４１８を含み、対象のサンプル４０４との光の伝達を促進し、選択的にシャッタ及び他のデバイスを含み得る。これらのシャッタ及び他のデバイスについては後述する。遠位端は、さらに後述する、マルチモード又はマルチコアファイバの伝達関数を学習することを促進する遠位源も含み得る。遠位端は、マルチモード導波路４０６を構成するマルチモード又はマルチコアファイバの伝達関数を学習することも促進する遠位ファイバ基準ターゲットも含み得る。サンプル４０４からの光は、マルチモード導波路４０６によって集光され、１つ以上の検出器アレイ４２０、４２０´に方向付けられる。検出器アレイは、ｘ方向に検出器アレイ４２０を、ｙ方向に検出器アレイ４２０´を含み得る。光源４０２からの光はまた、検出器アレイ４２０及び４２０´に選択的な波動プレート４２２及び変調器４２４を介して基準経路４０８に沿って伝送される。波動プレート４２２は偏波を調整するのに使用可能であり、変調器４２４は種々の形式の変調（強度、位相、偏波、周波数／波長（例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ）など））を付加して検出器４２０、４２０´における干渉信号を抽出及び／又は較正することを促進するのに使用され得る。これらの干渉信号の特徴は、位相、周波数、偏波、振幅及び波長などを含む。以降の図面は、選択的な変調器４２４を図示しない。ただし、（基準経路又はサンプル経路のいずれかにおいて）変調器４２４を利用するアプローチは対象の信号を背景干渉から分離するのに有益なことが多く、本教示の種々の実施形態に取り入れられ得ることが理解されるべきである。
【００３５】
図４に示す実施形態では、基準経路４０８及びマルチモード導波路４０６の双方からの受信光は、ｘ偏波された光を検出器Ｘアレイ４２０に、ｙ偏波された光を検出器Ｙアレイ４２０´に送信する偏波ビームスプリッタ４２６に方向付けられる。他の実施形態では、システムは、２つの偏波を異ならせずに、受信機処理が偏波情報を犠牲にして簡素化される。レンズ又は他の適切なアプローチが、マルチモード導波路４０６の入力小面４１４からの光を基準経路４０８からの光と組み合わせて検出器アレイに伝達させるのに使用される。内視鏡４３０の簡略化された図面が示されるが、これは、保護ジャケット、シース、トルクケーブル、アクセサリポート、マルチクラッドファイバ、ハウジング、アーティキュレーション、モータ、無線不透明マーカなどの内視鏡に通常みられる他の構造物を含み得ることが理解される。
【００３６】
ある用途では、異なる光路の経路長のバランスをとることが重要である。例えば、ある用途では、基準経路の長さを増加させてサンプルからの経路と戻り経路とを整合させ、良好な相互干渉的信号を得ることが重要である。
【００３７】
フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ及び他のアレイ検出器に基づくものなど、利用可能な種々の形態の検出器アレイ４２０、４２０´がある。当技術で公知のように、軸外デジタルホログラフ、中間周波数（ｉ．ｆ．）、位相、周波数、振幅などに基づく分離のような干渉信号を抽出するのには種々の態様がある。集積フォトニクスデバイス、液晶デバイス、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）、ホログラフデバイス、フィルタ処理グレーティングと組み合わせて使用される可変鏡デバイス、その他多数を用いる透過型及び反射型デバイスを含む多種多様な空間光変調器のアプローチもある。
【００３８】
遠位走査は、物理的に又は合成的に行われ得る。システムは、キャリブレーションステップにおいて、マルチモード導波路４０６に光を入力して伝搬する光を測定することによってマルチモード導波路４０６の伝達関数を学習し、この光は遠位ファイバ基準ターゲットから反射されたものであり得る。これは、別個のキャリブレーションステップにおいて行われてもよいし、光学ゲートがゲーティング技術を実施して異なる発生源の遠位光を分離するのと並行して行われてもよい。例えば、コヒーレンスゲーティング、範囲ゲーティング、波長ゲーティング、偏波ゲーティング、時間ゲーティング、中間周波数又は他の多数の種類のゲーティングが使用可能である。ゲーティングが用いられる場合、キャリブレーションステップにより失われたデューティサイクルの一部又は全部が回復可能であり、キャリブレーション基準光及びサンプル光は同時に集光可能となる。遠位光の走査は実際の所望の走査パターン（例えば、合焦ビーム）であってもよいし、サンプル４０４内のビームの合成１次元（１Ｄ）、２次元（２Ｄ）又は３次元（３Ｄ）走査であってもよく、ここで、ビームは一連の他の走査パターンを処理する数学的関数からコンピュータ処理的に合成される。基準光及びサンプル４０４から集光された光は、サンプルの光学的及び／又は物理的特性についての情報を取得するように処理される。システム４００はまた、治療用途について、単独で又はサンプルの光学的及び／若しくは物理的特性についての情報を取得する処理と組み合わせて、光をサンプル４０４に送達するのに使用され得る。
【００３９】
マルチモード導波路４０６の伝達関数は環境的外乱に応じて連続的に変化し、これは完全な又は部分的な組のマルチモードファイバのモードを掃引する処理全体がどれほど速く完了されなければならないかを支配する。内視鏡４３０は、サンプル４０４との光の伝達を最適化するレンズなどの遠位光学系４１８を有し得る。例えば、光が通過する内視鏡ハウジングのいずれの合焦及び収差の補償も、遠位光学系４１８によって遂行され得る。以下に説明するある実施形態では、マルチモード導波路４０６の遠位端からの光を反射し、マルチモード導波路４０６の伝達関数を決定するのに使用される遠位ファイバ基準ターゲット反射が使用される。遠位ファイバ基準ターゲットは、遠位光学系４１８の遠位表面内若しくは遠位光学系４１８の遠位表面上におけるマルチモード導波路４０６の遠位小面又は他の位置に配置され得る。遠位光学系４１８はまた、マルチモード導波路４０６を形成するファイバの主なアクセスから離れるように光を実質的に再方向付ける折り畳みミラーを有していてもよい。内視鏡４３０全体は、図２との関連で説明したもののようなモータ、送り戻しモータ、トルクケーブル、又は他の公知のアプローチを用いる何らかの形態の機械的な角度又は横方向走査を含んでいてもよい。
【００４０】
ある実施形態では、遠位集光及び収差補正が、マルチモードファイバの近位端に出射される光学場を制御することによってマルチモード導波路４０６から放射されるフィールドにおいて実施される。これによって遠位光学系４１８の複雑さが軽減する。拡張被写界深度形成、例えば、ベッセルフィールドも実施され得る。遠位端遠位光学系４１８におけるそのようなフィールドの生成によって、非常に簡素な設計、非常に低コストな使い捨て内視鏡、非常に小さなサイズ、及び柔軟性が可能となる。ある実施形態では、遠位光学系４１８は、サンプルから集光される場合と遠位ファイバ反射ターゲットから集光される場合とを分離するシャッタ又は他の手段を有し得る。遠位ファイバ反射ターゲットからの集光を以下に説明する。
【００４１】
結合並びに振幅、位相及び偏波及び伝搬中の光学モード間の他の関係を説明するファイバ伝達関数は、マルチモード導波路４０６の遠位端における光を制御し（例えば、レーザからの合焦光ビームをサンプル４０４に走査し）又は有用な画像の回復を制御するように充分に高精度に決定されなければならない。さらに、サンプルを照射及び／若しくはイメージングし、並びに／又は１Ｄ、２Ｄ若しくは３Ｄでの画像を形成するためのサンプル４０４の空間走査を実現する手法が必要である。後者は、物理的又は合成的走査であり得る。これらの２つの問題は、以下に個別に対処される。
【００４２】
近位端で光を出射して遠位端で測定を実行することによってイメージング導波路の伝達関数又は伝達行列を得ることが可能となる一方で、多くの用途はそのようなキャリブレーションが遠位端へのアクセスなしで実行されることを必要とする。本教示の１つの特徴は、光の近位制御及び測定のみを用いてマルチモードイメージング導波路をキャリブレーションする方法である。キャリブレーション手順は、２つの段階を有する。
【００４３】
キャリブレーション手順の第１の段階では、我々は、イメージング導波路を含むマルチモードプローブの往復キャリブレーションを実行する。往復キャリブレーションでは、我々は、例えば、適切な横断フィールド分布の光を導波路に結合することによって、マルチモードプローブの近位側において１以上の電場（Ｅ−ｆｉｅｌｄ）パターンを出射する。これらの電場は、マルチモードプローブの遠位端に伝搬する導波路のモードの線形合成を励起する。一般に、これは、誘導モードだけでなく漏れモード及び放射モードを含む。遠位端において、この光の一部分は、近位側に後方反射される。近位側において、この反射キャリブレーション光の電場パターンが測定される。この電場は、往復電場である。充分な数の出射電場パターンがあれば、出射及び往復電場に関する伝達行列を得ることができる。以下に説明するように、往復伝達行列は、近位及び遠位電場に関する伝達行列を得るのに充分なものとはならないことがある。
【００４４】
したがって、我々は、キャリブレーションに第２の段階を含ませる。キャリブレーションの第２の段階は、電場が既知である遠位源の形成を可能とする何らかの追加の光学系を我々のイメージング導波路に含めることに拠る。我々は、この光源の特性を以下に詳細に説明する。この遠位源の重要な特性は、イメージング導波路が曲げられ、撚られ、あるいは摂動を与えられる場合に、変化せず、既知の態様で変化し、又は既知の態様からごく僅かな量だけ外れることである。そして、我々のキャリブレーション手順における第２のステップは、遠位源が照射されるときの近位電場を記録する。遠位源は既知であるため、この測定は、往復伝達行列からシングルパス伝達行列を抽出する際に起こる不確定性をなくすことになる。
【００４５】
以下は、キャリブレーション手順の段階の詳細な説明である。図５は、キャリブレーション手順で使用される本教示のマルチモード光導波路の一実施形態のモデル５００を示す。以下において、Ｒは実数の集合であり、Ｃは複素数の集合であり、例えば、ｃ∈ＣＮは、ｃは複素数値入力を有するＮ次元のベクトルであることを意味する。またさらに、
【数１】
2021514212.tif 000003
は、光の３次元物理電場ベクトルを示す。横断座標（ｘ，ｙ）は、長手座標ｚが変動する導波路軸に垂直な横断面に及ぶ。特に、ｚ＝０は遠隔プローブの近位端であり、ｚ＝Ｌは遠隔プローブの遠位端である。我々は、マルチモード導波路の誘導固有モード
【数２】
2021514212.tif 000004
の数Ｎは、近位端ｚ＝０においてマルチモード導波路に入射した前方伝搬光
【数３】
2021514212.tif 000005
が、複素数値係数をｃｎ（ｆ，０）として、線形合成：
【数４】
2021514212.tif 000006
として記載され得るように、充分に大きいものと仮定する。この線形合成は、異なる偏波モード及びより高次のモードを含む任意の種類の誘導モードを含み得る。非線形性がない場合、遠位端ｚ＝Ｌにおいてマルチモード導波路から出射しようとしている前方伝搬光
【数５】
2021514212.tif 000007
は、複素数値係数をｃｎ（ｆ，Ｌ）として、線形合成：
【数６】
2021514212.tif 000008
として同様に記載され得る。導波路に沿う非線形性がない場合、導波路に沿う前方伝搬フィールドと後方伝搬フィールドとの結合がない（例えば、導波路に沿うブラッググレーティングがなく、又はレイリー後方散乱のレベルが充分に低い）ものとすると、ベクトルｃ（ｆ，０），ｃ（ｆ，Ｌ）∈ＣＮが入力ｃｎ（ｆ，０）及びｃｎ（ｆ，Ｌ）をそれぞれ有し、伝達行列Ｗ（ｆ）∈ＣＮ×Ｎが入力Ｗｍ，ｎ（ｆ）を有し、ｍ、ｎ＝１、・・・、Ｎであるものとして、導波路の両端における前方伝搬係数間には、
【数７】
2021514212.tif 000009
の線形関係がある。非線形性がある場合、伝達関数は通常、式（３）からの行列−ベクトル乗算よりも複雑なものとなる。特に、伝達行列Ｗ（ｆ）は入力ｃ（ｆ、０）に依存し得ることになり、出力フィールド
【数８】
2021514212.tif 000010
は、誘導モードのみの有限の合計ではなくなってしまう。
【００４６】
式（１）〜（３）と同様に、後方伝搬フィールドについての電場及び係数は、ベクトルｃ（ｂ，０），ｃ（ｂ，Ｌ）∈ＣＮが入力ｃｎ（ｂ，０）及びｃｎ（ｂ，Ｌ）をそれぞれ有し、行列Ｗ（ｂ）∈ＣＮ×Ｎが入力Ｗｍ，ｎ（ｂ）を有し、ｍ、ｎ＝１、・・・、Ｎであるものとして、式：
【数９】
2021514212.tif 000011
を満たす。
【００４７】
導波路外に非線形性がない場合、ｚ＝Ｌにおける前方伝搬フィールドの係数ｃ（ｆ，Ｌ）と後方伝搬フィールドの係数ｃ（ｂ，Ｌ）との間には、ファイバ端面及びその背後のいずれのサンプルも含むｚ≧Ｌについての全ての反射を記載する行列をＲ∈ＣＮ×Ｎとして、線形関係：
【数１０】
2021514212.tif 000012
もある。それゆえ、前方伝搬フィールドと後方伝搬フィールドとの間の結合は、ｚ≧Ｌについてのみ起こる。以下のキャリブレーション手順について、行列Ｒが正確に把握されて正則である必要があり、それは固有の特異値を有する必要がある。式（７）によると、この規則性は、全ての前方伝搬モードが全ての後方伝搬モードを結合する必要があることを意味する。言い換えると、キャリブレーション手順中、リフレクタ行列Ｒにおける（ｚ≧Ｌについての）測定サンプルのいずれの潜在的な影響も正確に把握されなければならず、それは、全ての後方モードがキャリブレーション中に充分な量の光を受信するという要件も、Ｒの特異値の固有性も阻害してはならない。この要件を考慮すると、キャリブレーションステップ中にサンプルからの光を遮蔽するシャッタ又はフィルタを含むことが望ましいこともある。特異値は定義として実数でありかつ負の値でないので、それらはモジュラスにおいてのみ異なり得るが、位相では異ならない。固有性条件におけるノイズの影響は、Ｒの特異値ＤＲ，ｎ，ｎの間の間隔を最大化することによって最小化されることになる。一実施形態では、これは、その特異値が等間隔に間隔を空けられるようにリフレクタを設計することによって達成される。Ｒは正則である必要があるので、その特異値は非ゼロでなければならない。したがって、両条件（固有性及び規則性）を組み合わせると、数学的観点において、各ｍ＝１、・・・、Ｎについて、１≦ｎ≦Ｎとして、特異値ＤＲ，ｎ，ｎが条件
【数１１】
2021514212.tif 000013
を満たすような固有のｎがあることが望ましく、ここで、我々は最小特異値及び最大特異値をＤＲ，ｍｉｎ＝
【数１２】
2021514212.tif 000014
及びＤＲ，ｍａｘ＝
【数１３】
2021514212.tif 000015
と定義する。最適値のＤＲ，ｍｉｎは、規則性条件のノイズ感度と固有性条件のノイズ感度とのトレードオフとなる。最適値のＤＲ，ｍａｘは、固有性条件のノイズ感度と最大許容反射率（例えば、シャッタが使用されている場合には１００％までとなり得る）との間のトレードオフとなる。そのような特異値の好ましくは等間隔の分布を作ることは難しいが、そのような分布に近づくリフレクタ設計がある。
【００４８】
式（７）、（６）及び（３）を組み合わせて、我々は、
【数１４】
2021514212.tif 000016
を得る。導波路材料の誘電率、透磁率及び導電率（後者は光導波路では自明にゼロである）テンソルが対称である場合、導波路自体は相反的なものとなり、すなわち、我々は対称関係
【数１５】
2021514212.tif 000017
を得る（上付き「Ｔ」は複素共役のない転置行列を示す）。
式（９）を式（８）に代入すると、我々は、
【数１６】
2021514212.tif 000018
を得る。Ｎ個の入力ベクトルｃ（ｆ，０）について式（１０）を繰り返すと、我々は、
【数１７】
2021514212.tif 000019
を得る。ここで、行列Ｃ（ｆ，０）∈ＣＮ×Ｎの各列は近位入力ベクトルｃ（ｆ，０）を表し、行列Ｃ（ｂ，０）∈ＣＮ×Ｎの各列は近位出力ベクトルｃ（ｂ，０）を表す。
【００４９】
これらＮ個の近位入力ベクトルｃ（ｆ，０）が線形的に独立であるとすると、行列Ｃ（ｆ，０）の逆行列
【数１８】
2021514212.tif 000020
が存在し、式（１１）は、
【数１９】
2021514212.tif 000021
を与える。
【００５０】
以下のキャリブレーション手順について、Ｗ（ｆ）（及びしたがって式（９）によるＷ（ｂ））はユニタリー行列、すなわち、
【数２０】
2021514212.tif 000022
となる必要があり、ここで、上付き「Ｈ」は複素共役転置を示す。ユークリッドノルムを用いると、これは、
【数２１】
2021514212.tif 000023
すなわち、マルチモード導波路に沿う無損失伝搬を意味する。
【００５１】
反射材料（サンプルを含む）の誘電率、透磁率及び導電率（後者は光導波路では自明にゼロである）テンソルが対称である場合、リフレクタ自体は相反的なものとなる。この場合、我々は、対角行列ＤＲ∈ＲＮ×Ｎが負でない入力を有し、ユニタリー行列をＵＲ∈ＣＮ×Ｎとして（なお、ＤＲはＲＲＨの固有値の負でない平方根を含むのでＵＲの列はＲの固有ベクトルではない）、対称関係及びＴａｋａｇｉ因数分解
【数２２】
2021514212.tif 000024
を得る（それは複素共役転置又は逆行列の代わりに転置行列（上付き「Ｔ」で示される）を用いるのでここでは好適である）。式（１４）に起因して、式（１２）における行列
【数２３】
2021514212.tif 000025
は、対称であり、すなわち、
【数２４】
2021514212.tif 000026
であり、したがって、我々は、対角行列Ｄ∈ＲＮ×Ｎが負でない入力を有し、ユニタリー行列をＵ∈ＣＮ×Ｎとして、これをＴａｋａｇｉ因数分解
【数２５】
2021514212.tif 000027
を用いて同様に分解することができる。上記の仮定（ユニタリー導波路行列Ｗ（ｆ）、正則リフレクタ行列Ｒ、積行列
【数２６】
2021514212.tif 000028
及びＤＲの対角に沿う固有入力）に基づいて、式（１５）は、未知対角行列Ｄｓ∈ＲＮ×Ｎが要素１及び−１をその対角に有するものとして、
【数２７】
2021514212.tif 000029
を示す。したがって、式（１６）は、
【数２８】
2021514212.tif 000030
と等価である。
【００５２】
言い換えると、我々がモード係数行列積
【数２９】
2021514212.tif 000031
及びリフレクタ行列Ｒの全対角化式（１４）を把握していたとしても、Ｎ個の未知符号を含む対角行列Ｄｓは導波路前方伝搬行列Ｗ（ｆ）の完全な知識からはやはり欠けている。これは、近位端ｚ＝０における前方伝搬（入力）フィールドは導波路を２回通過して近位端ｚ＝０において後方伝搬（出力）フィールドとなる必要があることに起因する。しかし、遠位端においてサンプルを走査するためには、シングルパス伝達関数Ｗ（ｆ）の正確な知識が必要である。
【００５３】
したがって、式（１７）における行列ＤｓのＮ個の対角入力の符号を決定する方法が必要となる。一実施形態では、これらの入力は、近位的に制御される遠位源を用いて決定され得る。この遠位源は、我々が式（６）におけるモーダル係数ベクトルｃ（ｂ，Ｌ）＝ｃｓ（ｂ，Ｌ）を把握する電場を有する。我々は、どのようにしてこれらの係数が決定され得るかについてさらに説明する。これらが既知となると、我々は式（１７）及び（１０）を用いてｃｓ（ｂ，Ｌ）を近位端において観察されるモーダル係数ベクトルｃｓ（ｂ，０）に関係付けることができる。
【数３０】
2021514212.tif 000032
ここで、我々は、中間行列Ｄｓを含む式（１７）からの往復キャリブレーションを含めている。
【００５４】
ここで、我々は、式（１８）を用いて遠位源モーダル係数ｃｓ（ｂ，Ｌ）から、及びイメージング導波路の遠位端から近位端への遠位源電場の伝搬後に測定された結果として得られる近位モーダル源係数ｃｓ（ｂ，０）から、Ｄｓを決定する。ユニタリー行列の複素共役（上付きアスタリスク「＊」で示される）はその転置の逆行列に等しいので、我々は
【数３１】
2021514212.tif 000033
を得る。それゆえ、式（１８）は、
【数３２】
2021514212.tif 000034
と等価である。
【００５５】
式（１９）において、左辺のベクトルをａ＝Ｕ＊ｃｓ（ｂ，０）と定義し、右辺のベクトルを
【数３３】
2021514212.tif 000035
と定義すると、Ｄｓは対角行列であるため、我々はＮ個のスカラ分離等式ａｎ＝Ｄｓ，ｎ，ｎｂｎの集合を得る。行列Ｄｓの主対角上のこれらの未知入力Ｄｓ，ｎ，ｎは以下の式（１６）のように＋１又は−１のみとなり得るので、それらは以下の式から決定可能となる。
【数３４】
2021514212.tif 000036
【００５６】
図１２は、遠位源振幅ｃｓ（ｂ，Ｌ）を決定することを含む最初の使用前の伝搬についてのステップのフローチャートを示す。式（２０）は、往復キャリブレーション測定値から求められるキャリブレーション式（１７）において対角行列Ｄｓにおけるこれまで未知である符号を正しく計算するのに使用され得る。近位出力ｃｓ（ｂ，０）及び遠位入力ｃｓ（ｂ，Ｌ）の全ての要素が充分に大きなモジュラスを有する限り、かつシステムにおけるノイズが式（２０）における積ａｎｂｎ＊のいずれの符号も反転させない場合に、符号が決定され得る。ａｎｂｎ＊の値のいずれかがノイズレベル以下であることによりそれらの符号の決定における誤りに影響されやすい場合、それらの値がノイズに影響されない程度に充分に大きくなる１つ以上の追加の遠位源を含ませることができる。
【００５７】
例えば、大きな電磁光学効果に起因してリフレクタが相反的でない場合、式（１２）における行列Ｒは対称ではなく、我々は式（１４）のようなＴａｋａｇｉ因数分解を用いることはできない。それゆえ、式（１４）〜（２０）は、この非相反的リフレクタの場合には有効ではない。その代わり、我々は、対角行列ＤＲ∈ＲＮ×Ｎが行列Ｒの負でない特異値を含み、ユニタリー行列がＵＲ、ＶＲ∈ＣＮ×Ｎであるものとして、より一般的な特異値分解
【数３５】
2021514212.tif 000037
を用いる。我々は、式（２１）が式（１４）と表記として同様であり、ユニタリー行列をＵＲ´＝ＵＲＴ及びＶＲ´＝ＶＲＨとして、より一般的な変換Ｒ＝ＵＲ´ＤＲＶＲ´Ｈと数学的に等価であることを注記する。式（２１）を式（１２）に代入すると、ユニタリー行列をＵ、Ｖ∈ＣＮ×Ｎ、及び対角行列を行列
【数３６】
2021514212.tif 000038
の負でない特異値を含むＤ∈ＲＮ×Ｎとして、
【数３７】
2021514212.tif 000039
の特異値分解は、
【数３８】
2021514212.tif 000040
を与える。導波路行列Ｗ（ｆ）がユニタリーである場合、
【数３９】
2021514212.tif 000041
とＶＲＷ（ｆ）の積は同様にユニタリーとなるので、式（２２）の右辺はやはり特異値分解として解釈可能である。両集合の特異値、すなわち、行列Ｄ及びＤＲの対角に沿う入力が増加しない順でソートされる場合、それらは固有なものとなり、すなわち、我々はＤ＝ＤＲを得る。またさらに、行列Ｄ（又はＤＲそれぞれ）における全ての特異値が固有である場合、式（２２）は、全てのｎ＝１、・・・、Ｎについて対角行列ＤＣ∈ＣＮ×Ｎが単位モジュラス｜Ｄｃ，ｎ，ｎ｜＝１の入力をその対角に有するものとして、
【数４０】
2021514212.tif 000042
を示す。式（２３）は、遠位源などの追加の条件を要することなく、シングルパス伝搬行列Ｗ（ｆ）及び未知の複素位相を含む対角行列Ｄｃを決定する逐次法として解釈され得る。しかし、式（１５）及び（２０）からの対称の場合とは逆に、中程度のノイズの存在下であっても正確な結果を与え得る符号関数は含まれない。それでもなお、非相反的なリフレクタの場合であっても、その特異値の固有性に対するノイズの影響は、等間隔又は略等間隔の特異値でのリフレクタ設計を用いることによって最小化可能である。上記式（８）に関する記載を参照。
【００５８】
本教示の１つの特徴は、プローブの近位端において制御される遠位源が利用可能であることである。この遠位源は、種々の実施形態において幾つかの特性を有する。第１に、遠位源は、必要に応じて、近位光学系及び電子系によってのみ制御される。制御されるパラメータは、波長、パワー、位相及び偏波状態を含み得る。これらのパラメータのいずれか又は全ては、時間の関数として変調され、範囲にわたって走査され、又は一組の離散状態間で変動され得る。第２に、近位光学系によって照射されると、遠位源は、マルチモード導波路が曲げ及び他の摂動を受けても大きくは変化しない。ある実施形態では、遠位源のいずれの変化も、マルチモード導波路のキャリブレーションを与えるのに依然として使用可能となるように充分に小さくなるように設計される。ある実施形態では、マルチモード導波路のキャリブレーションは、イメージング、ＯＣＴ、蛍光、共焦点光学系及びレーザパワー送達を含む医療手順のために使用可能なファイバの端部に焦点を形成することを可能とする。ある実施形態では、キャリブレーションはまた、ある範囲の位置にわたる合焦スポットの走査を可能とする。キャリブレーションが完全ではない場合には、所望の横断フィールドパターン（例えば、スポット）は、通常は合焦されずにノイズを付加する光によって達成されるので、所望のイメージング又はレーザ送達の用途を劣化させる。一般に、そのような用途は、所定のスポット歪及び信号対ノイズレベルに対して耐性を有する。有用なキャリブレーションは、定式化されたスポットに種々のパラメータにおける充分な性能を与えてプローブ測定を成功させる。例えば、ある実施形態では、キャリブレーションは、イメージング又はレーザ送達の用途に必要な許容可能レベル以下のレベルで歪及びノイズを生成するスポットの形成を可能とする。
【００５９】
遠位源の第３の特性は、Ｄｓ，ｎ，ｎが決定可能な充分な数のマルチモード導波路のモードを励起することができることである。遠位源の第４の特性は、遠位源はイメージング導波路を伝搬しなければならないサンプルからのイメージング信号と最小限でしか干渉しないことである。例えば、（キャリブレーション後の）イメージング処理中に、イメージングに使用される光によって励起され得る遠位端からの全ての信号は、イメージング信号の１％よりもはるかに少ない。ある実施形態では、近位処理検出器に到達する遠位源からのパワーの部分は、それが確実に、近位処理検出器に到達するイメージング信号からのパワーの１％未満又は他の幾らかの充分なレベルとなる程に低い。ある実施形態では、１つ以上の遠位源光が、サンプルによって生成される測定光と１つ以上の遠位源が干渉する効果を低減するように、ゲーティング及び／又はフィルタリングされる。ゲーティングは、コヒーレンス、時間、波長又は他の種類のゲーティング若しくはフィルタリングを用いて与えられ得る。サンプル測定中にリフレクタを電気光学的に又は物理的に除去及び置換することも可能である。遠位源はまた、イメージング波長域から離れているがそれでも有用となる程に充分に近い波長におけるものであってもよい。
【００６０】
図６Ａ〜Ｄは、遠位源を形成するマルチモードコア及びシングルモードファイバを含むマルチコア導波路の概念例を示す。各図は、どのようにして近位的に制御される遠位源がマルチモードイメージング導波路と結合され得るかを示す。なお、図６Ａ〜Ｄでは、シングルモード源（例えば、シングルモード源６０６）は、固定空間プロファイル、例えば、シングルモードファイバ又はシングルモードレーザからのビームを有する光源であり得る。このシングルモード源は、遠位源に結合される（例えば、シングルモード源６０８）。マルチモード源（例えば、マルチモード源６１４）は、より複雑な断面空間プロファイルを有するビームであってもよく、例えば、シングルモード源から発生して空間光変調器に伝搬されるとともにそれによって修正される光信号又は光ビームであり得る。多数の実施形態において、このマルチモード源からの光は、その後にイメージング導波路の近位端に伝搬及び結合される（ただし、図６Ａ〜６Ｄに示す実施形態は、マルチモード源をイメージングファイバに結合するこの特定のステップを示さない）。遠位照射は、往復キャリブレーションからのシングルパス伝達関数の符号不確定性を解決する。図６Ａ〜Ｃは、往復キャリブレーション手順を示すものではない。（１次元動作に使用され得る）円形コア及び矩形コアの例を示す。近位的に制御される遠位源は、多数の態様で実現され得る。図６Ａは、シングルモード源６０６によって生成された光６０４を導波路６０２の端部における遠位源６０８に搬送する導波路６０２を含むプローブシステム６００を示す。遠位源は、導波路６０２の端部において散乱中心の形態をとり得る。導波路６０２は、シングルモード又は少モード導波路であり得る。好ましい実施形態では、導波路６０２は、シングルモード導波路である。このように、全体導波路のいずれの曲げ、撚り、熱変動又は他の摂動も、遠位源には影響しないことになる。位相のみが変化することになる。そのような全体的な位相変化は、キャリブレーション手順においては重要ではない。ただし、シングルモード導波路は、２つの直交偏波をサポートすることもある。シングルモード導波路に沿う偏波の変動が過大であるために遠位源が一定偏波を有することができない場合には、シングルモード導波路６０２が偏波保持導波路となること又は経路に沿う偏波成分を含むことが可能となる。シングルモード導波路６０２を、単一の偏波モードのみが伝搬可能な偏波導波路とすることも可能である。導波路６０２は、マルチモードイメージング導波路６１０に対して近位となる。一実施形態では、イメージング導波路６１０内の散乱は、散乱中心６０８によって散乱される光の一部がイメージング導波路６１０に結合されることを確実にすることができる。２以上の遠位源が利用される場合には選択的スイッチ６１２が存在し得る。選択的に、マルチモード源６１４は、スイッチ６１２を介して接続されてもよい。ある実施形態では、同じシングルモード源６０６が、マルチモード源６１４を供給する。図６Ａのマルチモード導波路断面６１６、６１８は、どのようにして異なる導波路構造が利用され得るかも示す。例えば、断面６１６の円対称コアは、２Ｄイメージングに適する。断面６１８のより多くの矩形コアが１Ｄ又は２Ｄイメージングに適する。近位端における検出器アレイ６２０は、シングルモード源６０６からの光、その他マルチモード導波路６１０からの散乱光を受信し、上述のキャリブレーションステップを実行するプロセッサ（不図示）に検出信号情報を送信する。検出器及びプロセッサは、サンプルからマルチモード導波路によって集光されてマルチモード導波路によって検出器に伝搬して戻された測定光からのプローブシステムのイメージング又は他の測定ステップを実行してもよい。
【００６１】
図６Ｂは、イメージング導波路６３２に導入される追加の散乱中心を備える本教示のシステム６３０の実施形態を示す。散乱中心６３４は、イメージング導波路６３２の遠位端に位置する。これらの散乱中心は、シングルモード導波路６３６から散乱された光の一部分をイメージング導波路内で正確に規定された光６３８に結合する。一実施形態では、これらの散乱中心は、位相がシングルモード導波路から散乱された光と一致する周期的構造を形成する。このグレーティングの次元は、所定の遠位源スポットサイズを与えるように設計され得る。グレーティング面は、所与のシングルモード導波路からの散乱からの結合を増加させるように閃光照射され得る。図６Ｂのシステムは、図６Ａとの関連で説明したプローブシステムと同様の、シングルモードレーザ源６４０、スイッチ６４２、マルチモードレーザ源６４４及び検出器アレイ６４６を含む。図６Ｂは、ある実施形態におけるマルチモード導波路は断面６４８において円形状を有し得ることも示す。断面６５０は、ある実施形態における矩形状のマルチモード導波路を示す。
【００６２】
図６Ｃは、イメージング導波路と重なるように構成されたシングルモード（又は少モード）結合導波路を備える本教示の遠隔光学プローブシステム６６０の実施形態を示す。１本以上の結合導波路６６２が、マルチコアファイバ６６４において形成される。そのような結合導波路６６２は、ＵＶ又はＩＲフェムト秒放射のような化学線を用いて書かれ得る。化学線は、シングルモード導波路６６６における光の一部分が結合導波路６６２に結合され得るように充分に屈折率を変化させ得る。そして、この結合導波路６６２は、イメージング導波路６６８と重なるように構成され得る。そして、イメージング導波路６６８における散乱中心６７０は、必要な遠位源を提供する。あるいは、ある実施形態では、結合導波路６６２の代わりに、マルチコアファイバ６６４全体をテーパ状にすることも可能である。充分なテーパがあれば、シングルモード導波路６６６における電場は、イメージング導波路６６８と重なる結果として結合することになる。そして、イメージング導波路６６８における光の散乱又は反射は、遠位源を与えることになる。図６Ｃのシステムは、図６Ａ〜Ｂのプローブシステムの実施形態と同様の、シングルモード源６７２、スイッチ６７４、マルチモード源６７６及び検出器アレイ６７８を含む。図６Ｃは、ある実施形態で用いられるマルチモード導波路は断面６８０において矩形状を有し得ることも示す。断面６８２は、ある実施形態で用いられる円形状マルチモード導波路を示す。
【００６３】
種々の実施形態において、散乱中心はシングルモード光を多数のモードに変換し、その少なくとも一部は近位端に向かってマルチモード導波路を伝搬して戻る。そのような散乱を達成する１つの方法は、１つ以上の屈折率摂動を導波路の遠位端に導入して光を反射又は散乱することである。それらは、例えば、化学線、ホログラム、グレーティング、例えばフェムト秒レーザパルスを用いて導入された空隙などの離散的散乱中心を用いて形成された屈折率摂動であり得る。充分な数のそのような摂動は、遠位端において多数のモードを励起する安定光源を形成することができる。ある実施形態では、図６Ａ〜Ｂに示すように、散乱光を捕捉するイメージング導波路における小さな屈折率摂動がある。これは、シングルモード導波路からの散乱がイメージング導波路において適度に捕捉されない程度にシングルモード導波路の横断位置がイメージング導波路の中心からオフセットされた場合に、必要となり得る。
【００６４】
図６Ｄは、本教示の遠隔光学プローブシステムの４例の実施形態を表すイメージング導波路及び遠位源導波路の双方の５例の組の屈折率プロファイル６９０を示す。可能なイメージング導波路は、段状屈折率６９２、オフセットコア６９４、勾配屈折率６９６、マルチコア６９８、及びオフセットシングルモード（又は少モードファイバ）付き勾配屈折率マルチモードファイバ６９９を含む。プロファイルは、半径ｒ又はファイバの中心からのｘ軸ｘの関数として、屈折率ｎとして提示される。溝又は台を含むプロファイルなど、より複雑な屈折率プロファイルも、同様に可能である。遠位源導波路は、イメージング導波路内にあってもよいし、それからオフセットされていてもよい。遠位源導波路がイメージング導波路内にある場合、遠位源導波路を規定する高屈折率領域は、周囲のイメージング導波路において多数のモードとの結合をほとんど有しないシングルモードのみをサポートすることが好ましい。
【００６５】
ある実施形態では、シングルモード導波路からの光は、ファイバの端部をちょうど越える（例えば、内視鏡の保護キャップ内の）散乱領域に、又はファイバ小面自体においても、完全に又は部分的に合焦され得る。一実施形態では、この合焦領域は、イメージング用途において使用される所望の焦点スポットと非常に近似するように構成され得る。
【００６６】
ある実施形態では、遠位源は、サンプル自体の中に形成され得る。例えば、シングルモード導波路は、マルチモード導波路と組み合わされてもよい。それは、例えば、マルチモード導波路の中心であってもよい。例えば、マルチモード導波路を形成する屈折率段上の追加の屈折率段が、そのようなシングルモード導波路を与えてもよい。そのような追加の屈折率段において誘導されるモードは、このコアにおいて光が他のモードと結合することなく伝搬するイメージング導波の他のモードから充分に分離されていなければならない。したがって、導波路全体が多数のモードをサポートしたとしても、追加の屈折率段がファイバの長さにわたる有効なシングルモード誘導を可能とすることになる。そして、このシングルモード導波路からの光はサンプル上で合焦されて遠位源を形成し、その後にＯＣＴがこの焦点の軸に沿う画像を形成するのに使用され得る。したがって、焦点スポットの軸に沿って、遠位源散乱をもたらす幾つかの遠位源があってもよい。同時に、イメージング導波路は、同じ焦点スポットから集光することになる。同じＯＣＴ処理が、単数又は複数の焦点スポットからの信号を得るようにこれらのマルチモードイメージングファイバ信号に対して実行されることになる。我々は、ＯＣＴ処理が軸及び波長依存情報をもたらすことから、この情報も導波路の波長依存性を較正するのに使用され得ることを注記する。遠位端においてビームを走査するために、光は、遠位端におけるビームの変換に対応する近位光に対する線形変換とともに近位側から出射されることになる。すなわち、空間振幅及び位相プロファイルは、それが、遠位端における光ビームを変換するように作用するマルチモード導波路に結合される前に、光ビームに適用されることになる。
【００６７】
本教示の装置のある実施形態では、焦点スポットは、サンプルに存在しないことになる。その代わりに、それは、光源の近傍における既知領域上に存在することになる。
【００６８】
また、本教示の装置のある実施形態では、ビームスプリッタ及び２つのシャッタが含まれる。シャッタ１が閉じられる場合、光はキャリブレーション用の遠位源に進む。キャリブレーションが完了すると、シャッタ１は開放されて光をサンプルに導き、シャッタ２が閉じられてキャリブレーションからの光を遮蔽する。
【００６９】
当業者であれば、本教示の幾つかの実施形態において説明した様々な種類の光があることを理解するはずである。これらの種類の光は、遠位ターゲットから反射された光Ｒ、遠位キャリブレーション光からの光、及びサンプルからの光を含む。多種の光が種々の光源の光を変調すること及び／又はシャッタの開／閉を用いることの組合せを介して適時に別個に検出され得ることは注目に値することである。一方で、波長分離及びフィルタリング、変調分離（例えば、異なる電気的周波数又はコードにおいて変調及び検出を与えること）、コヒーレンスゲーティング、偏波ゲーティング及び他のアプローチなどのゲーティング技術を用いて、多種の光のうちの１以上を並行して検出することも可能である。
【００７０】
ある実施形態では、遠位源は、例えば、ファイバの端部にコーティングされ又は埋め込まれた蛍光材料であり得る。ポンプ波長で照射されると、この光源は所望の波長で蛍光を与えることになり、蛍光材料の配置によって決定される空間パターンを含み得る。ポンプ波長は、イメージングシステム及び／又はそのシステムの近位端における検出器アレイの波長範囲の外部に存在し得る。
【００７１】
ある実施形態では、シングルモード遠位源は、その間にマルチモード光励起がオフされるイメージング掃引の終了時に周期的にオンされるだけである。
【００７２】
ある実施形態では、遠位源は、シングルモード導波路からの光を、それがイメージング導波路の遠位面を横断して伝搬するように概ね９０度反射することによって形成され得る。そして、この遠位面における表面構成は、光をイメージング導波路に後方散乱させることになる。種々の光学部品、例えば、小反射プリズムミラーを用いて反射光が９０を超えて反射され得るようにすることも可能である。
【００７３】
ある実施形態では、シングルモード導波路は、マルチモード導波路のエッジにあり、及びそれとわずかに重なり得る。そのようなシングルモード導波路からのいずれの散乱も、その後に、導波路内の追加の散乱を要することなくマルチモード導波路において捕捉され得る。さらに、そのようなシングルモード導波路は、画質への影響が非常に小さくなるようにイメージング導波路の中心から充分に離れたものとなる。なお、イメージング導波路の周辺にある多数のそのようなシングルモード導波路が使用され得る。
【００７４】
本教示の装置のある実施形態では、高屈折率のリングが、おそらくは幾らか選択的な重なりとともにイメージング導波路を囲む。そして、安定軌道角運動量モードが、シングルモード導波路モードの代わりにそのようなリングにおいて励起され得る。
【００７５】
種々の実施形態において、遠位源を生成するのに必要な遠位端面における光学的変更が、イメージング処理中にイメージング導波路を介して伝搬するイメージング光に対して最小限の影響しか有さないことが重要である。この遠位源は、キャリブレーションに必要となるだけであるので、イメージング処理中に通常は照射されることはない。可能な例外は、遠位源の波長範囲がイメージングに使用される波長範囲から分断されている場合である。この場合、遠位源は、イメージング処理と同時に動作し得る。両波長範囲が重なる場合又は同一である場合、遠位源をもたらすのに必要な導波路全体への変更が、無用な信号を生成することによってイメージング処理と干渉し得る可能性がある。これらの信号は、イメージング信号と比べて無視できるものでなければならない。したがって、例えば、遠位源光学系によって散乱されるパワーの部分は、イメージング照射がオンされる場合にイメージングされるサンプルからの想定信号パワーの１％未満となるべきである。例えば、幾つかのＯＣＴイメージング構成では、散乱パワーは、入射パワーよりも１１０ｄＢ低い。この場合、遠位源をもたらす光学的変更は、−１３０ｄＢ未満で発生すべきである。遠位源光学系（例えば、中間周波数フィルタリング）からの無用な散乱を補償及び分離するのに用いられる他の技術があり得る。したがって、いずれのイメージング用途においても、遠位源光学系は、少量（例えば、１％未満）だけ画像を修正又は劣化させることになる。
【００７６】
遠位源をイメージング導波路に結合する少量の散乱部分を克服するために、充分に大きなパワーを用いて遠位源を励起することが必要となり得ることが理解される。この光の大部分は吸収又は反射され、サンプルがそのような放射の影響を受け易い場合にはサンプルに入射することが許容されないことも理解される。一実施形態では、遠位源の光は波長安定化狭線幅レーザからのものであり、近位光学フィルタリングを用いるイメージングのための他の光から分離される。このアプローチは、更なる近位処理の複雑さをもたらす。あるいは、方法は、本教示の３つの最重要な種類の光である、サンプルから反射された光、基準リフレクタによって反射された光、及び遠位源からの光を分離するのにも使用可能である。これらの方法は、例えば、コヒーレントゲーティング、時間ゲーティング、光学シャッタを動作させること、及びサンプルからの内視鏡の物理的除去を含む。
【００７７】
本教示の装置のある実施形態では、遠位源は、反射、散乱、蛍光などの多数の方法のいずれかを用いて生成される。信号帯域幅内の波長は用途によっては望ましいものであるが、遠位源はいずれの波長も有し得る。
【００７８】
本教示の装置のある実施形態では、遠位源、いずれかの残余のファイバ、及びイメージングされるサンプルの間の位相、振幅又は偏波の変動がキャリブレーションの許容できない損失又は画像の他の劣化をもたらさないように、遠位源は、ファイバの遠位端及びイメージング体積に充分近くに生成される。すなわち、ファイバの端部からの遠位源の距離は、遠位源からの光が画像の劣化又はシステムのキャリブレーションの損失をもたらさないように選択される。
【００７９】
当業者であれば、遠位源の位置及び特性は、イメージング光の光学特性が遠位源と画像体積の間で決定的かつ安定的なままとなるようなものであるべきことを理解するはずである。一般に、遠位源の位置は、イメージングされる体積の正確に同じ位置とはならないこともある。したがって、当技術の公知の追加の変換（例えば、レイリー・ゾンマフェルト、フレネル、フラウンホーファー又は類似の決定的伝搬）が、ファイバの遠位端からのモードフィールドを、イメージングされる体積の所望の光の形及び位置に変換するように実施されることになる。例えば、遠位源とイメージング体積とを分離する数ミリメートル又はセンチメートルもの光路があり得る。
【００８０】
入力信号光は、遠位源において所望の特性を生成するように調整され得る。調整は、入力信号光のファイバ照射位置、位相及び／又は振幅を含む。例えば、複数のコアからの光が遠位端における小さな気泡を照射すると、光はコアの各々に後方散乱される。入力光の特性は、１つの特定のコアに後方散乱される光の量を制御するように操作され得る。図６Ａに戻ると、ファイバを伝搬する光の方向は、マルチモード導波路６１０の近位端に出射されたマルチモード光が遠位源６０８に合焦され、そしてそれがシングルモード導波路６０２に沿って光を後方反射するように、図示するものとは逆となり得る。
【００８１】
本教示の装置のある実施形態では、ビームを操作し又は走査範囲及び解像度を修正するのに、ファイバの遠位端における先端整形が用いられ得る。先端の形状は、１つ以上のスポットがサンプルをイメージングするように同時に生成されるようなものとなり得る。
【００８２】
ある実施形態では、形状センシングをイメージングファイバに取り入れることによって遠位源及び／又は初期キャリブレーションの双方の制限を回避することができる。これらの実施形態において、マルチモードイメージングファイバの形状が決定される。ファイバの形状を決定する１つの方法は、追加のシングルモードコアを付加し、それらのコアからの後方散乱を用いてファイバの形状を再構成することによるものである。そのようなコアは、ファイバに沿う温度及び軸歪分布を取得するのにも使用され得る。そして、この形状、温度及び軸歪の情報は、当技術で公知の態様でイメージング導波路について伝達行列を計算するのに使用され得る。それらの当技術で公知の態様のうちの１つにおいて得られる伝達行列の値は、上述した解析におけるようにＤｓ，ｎ，ｎを計算するのにも使用され得る。すなわち、ファイバ形状から計算される伝達行列は、初期キャリブレーションの代わりに若しくはそれに加えて、又は遠位源の使用に代えて若しくはそれに加えて使用され得る。ファイバの形状を決定する公知の方法を用いる方法では、事前に伝達行列を決定する必要はなく、遠位源を用いる必要もない。さらに、初期キャリブレーションに拠ることに関連する不確定性は、除去されることになる。ある実施形態では、遠位源は、形状センシング能力に加えて使用されてもよい。形状センシングはファイバ内にシングルモードコアを必要とするので、そのような遠位源は容易に実施され、それらのシングルモードコアの１本以上は光を遠位源に供給するのに使用され得る。ファイバの形状は、例えば、ここに参照によって取り込まれるＪａｓｏｎ  Ｐ．Ｍｏｏｒｅ及びＭａｔｔｈｅｗ  Ｄ．Ｒｏｇｇｅ、「Ｓｈａｐｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｒｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｃａｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｃｕｒｖｅ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．２０、Ｉｓｓｕｅ３、ｐｐ．２９６７−２９７３、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３６４／ＯＥ．２０．００２９６７、２０１２に記載されるような３本以上のシングルモードコアを含むことによって決定され得る。この文献は、マルチコアファイバにおいてそのようなシングルモードコアから散乱された光がファイバの形状を求めるのに使用可能であることを記載する。
【００８３】
本教示の装置のある実施形態では、マルチモードイメージングコアは、１本以上のシングルモードファイバコアをその内部及び／又はその外部に有し得る。これらのシングルモードコアは、マルチモードファイバ内の局所歪及び温度分布を取得することによってイメージングファイバの連続的キャリブレーションを可能とするのに使用され得る。そのようなデータを取得する１つの方法は、それらのコアからの後方散乱光に掃引波長干渉法を実行することとなる。後方散乱光は、レイリー散乱を介して、又は例えばＵＶ内接イントラコアブラッググレーティングを介した散乱中心の導入を介して生成され得る。例えば、そこでの参照によりここに取り込まれるＰａｕｌ  Ｓ．Ｗｅｓｔｂｒｏｏｋ、Ｔｒｉｓｔａｎ  Ｋｒｅｍｐ、Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｓ．Ｆｅｄｅｒ、Ｗｉｎｇ  Ｋｏ、Ｅｒｉｃ．Ｍ．Ｍｏｎｂｅｒｇ、Ｈｏｎｇｃｈａｏ  Ｗｕ、Ｄｅｂｒａ  Ａ．Ｓｉｍｏｆｆ、Ｔｈｉｅｒｒｙ  Ｆ．Ｔａｕｎａｙ、Ｒｏｙ．Ｍ．Ｏｒｔｉｚ、「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇ  ａｒｒａｙｓ  ｆｏｒ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖ  ＰＰ、Ｉｓｓｕｅ  ９９、ｐｐ１−５、ｄｏｉ：１０．１１０９／ＪＬＴ．２０１７．２６６１６８０、２０１７を参照。
【００８４】
ある実施形態では、種々の必要なモードが、フォトニックランタンを用いてイメージングファイバに出射され得る。フォトニックランタンを用いるマルチモード導波路における複数のモードの励起は、ランタンが導波路において特定のモードを励起させるにつれて各モードが独立して制御されることを可能とする。フォトニックランタンは、シングルモード出射光学系のみを用いて光を出射するのに使用され得る一端における多数のシングルモードコアを有し得る。出射され得るモードの数は、フォトニックランタンにおけるコア数に依存することになる。テーパ化された領域は、種々のシングルモード出射ビームを、ファイバ遠位端における所与のパターンを再構成するのに必要な所望の複数のモードに変換する。テーパ化された変換領域は、遠位端付近若しくは遠位端、近位端又はその間のいずれかの場所となり得る。
【００８５】
時間ゲーティング及び／又は掃引波長干渉法が、種々の位置から得られたキャリブレーション信号を分離するのに使用され得る。例えば、遠位源に由来する光、往復キャリブレーションのための遠位ファイバ基準ターゲット反射に由来する光、及びサンプルから発生する信号に由来する光は、相互に分離されて別個に処理され得る。これらの分離技術は、光学及び／又は電気光分離方法を含む多数の既知の態様を取り得る。種々の実施形態において、これらの光源からの光を、個々に又は総称して、キャリブレーション光ということもある。すなわち、キャリブレーションに使用される光は、１つ以上の光源から到来して個々に又は別個に処理され得る。
【００８６】
ある実施形態では、リフレクタを保護してそれをサンプルから分離する非散乱ファイバ端キャップは、ゲーティング技術が使用された場合にキャリブレーション及び信号データのそのような分離を可能とすることになる（例えば、時間、波長、偏波など）。これは、シャッタの要件を緩和する。この方法のある実施形態では、基準電場が、近位側において検出器ごとに必要とされ得る。基準電場は、掃引波長干渉法が各画素で実行されることを可能とする。あるいは、時間ドメイン測定が実行され得る。
【００８７】
本教示は、合焦スポットを移動させることによってサンプルが走査されることを必ずしも必要としない。その代わりに、検出器が横断面にわたって光位相を測定することができる場合、マルチモード導波路のＮ個のモードの線形的な組合せの他のいずれかの適切な組がイメージング処理に使用され得る。これは合成的走査といわれることもあり、線形的な組合せの組は、それが当初のＮ個のモードと同じ空間に及ぶように選択され得る。このように、キャリブレーション及びイメージングは、単一の走査で行われ得る。位相に感度を有する検出が、近位側で使用される。
【００８８】
本教示の装置のある実施形態では、イメージング導波路は、多数の結合又は未結合シングルモードコアでピクセル化され得る。そのようなピクセル化されたファイバは、単一のマルチモード導波路と比較してモード結合よりも高い制御性を有する。制限的な場合において、未結合コアは、各コアにわたって近位源を走査し、光源が走査されるにつれて各コアに対する光学特性を独立して変化させることなどによって、個々に励起され得る。コアが未結合である場合、より複雑な近位照射及びより厳密な導波路設計という犠牲を払ってではあるが、伝達関数は容易に決定され、キャリブレーションは簡素となる。例えば、光学的に未結合のコアは、最小の空間分離度を要件とし、ファイバサイズを増大させ、画質及び解像度を劣化させる使用不可断面積を形成する。コア間のモード結合の量が増加するにつれて、伝達行列を決定する際の計算の複雑さも増加する。ファイバの複雑さとシステムの複雑さと画質との間にはトレードオフがある。モード結合はコアの有効屈折率に依存し、それはまた各コア及び周囲のクラッディング（寸法、屈折率）並びに周囲のコアとの関係に依存する。例えば、結合は、コア間隔、屈折率若しくは寸法を変化させること又は損失のある材料を付加することなどによって隣接コア間の物理的距離又は有効屈折率における分離を増加させることによって抑止可能となる。コア間の有効屈折率の差が歪、曲げ及び撚りに依存し得ることが注記されるべきである。
【００８９】
本教示の装置の１つの特徴は、幾つかの方法を用いて光がマルチモード導波路に出射可能なことである。マルチモード導波路入力小面にわたる任意の振幅及び位相（並びに選択的に導波路又は偏波）を可能とする一般的なアプローチは、一般的なクラスの空間光変調器（ＳＬＭ）、液晶アレイ、ＬＣＯＳ、ＭＥＭＳ、集積フォトニックアレイ及びフォトニックランタンを含んで存在する。例えば、図４に戻ると、制御デバイス４１２は、レーザ源４０２によって生成される光ビームに、採用される方法（ＳＬＭなど）の解像度の限度内において任意の位相及び／又は振幅変調を与えるのに使用され得る。
【００９０】
用途によっては、ファイバ入力小面において任意の振幅及び位相分布を実施することは必要ではない。このように、装置を簡素化してスループット損失を低減することができる。このような実施形態では、最大組織信号対ノイズ比（ＳＮＲ）に対するレーザ光−組織スループット損失を低減し、いずれのシステムの複雑さを最小化することもできる。このように、「位相のみ」のマスクは、ファイバ入力小面において所望の光信号を生成するための制御デバイスとして使用することが望ましいことがある。合成的走査に適する１つのアプローチは、角度走査ミラー（例えば、ガルボ）又は単純な位相のみの空間光変調器を用いて焦点面に位置するファイバ入力小面にわたって焦点を走査することである。他のアプローチは、ファイバ入力小面を瞳面における全開口照射でファイバ入力小面にわたって角度的に走査するデュアルアプローチである。各ファイバ入力出射において、導波路が走査される。単一の波長のみ又は狭い波長範囲が用いられる場合、波長走査ステップは省略可能である。なお、単純な走査ミラーを用いる実施形態は、任意の光をマルチモードファイバの入力小面に送達することができない。しかし、これら及び同様のアプローチが、マルチモードファイバ伝達関数を取得する際に有用となり得る。単純な走査ミラーを用いる実施形態はまた、後述するように、合成的イメージングのアプローチ及び他の用途に対して有用である。反射防止コーティングによって又は角度付きファイバ小面を用いることによって、いずれの望まれないファイバ入力小面又は他の迷光反射も最小化することが有利となり得る。ある実施形態では、入力小面反射を利用して入力フィールド分布を確認／測定／記録することができる。
【００９１】
遠位端において、単純な方法は、基準反射をサンプル反射から分離することにある。例えば、コヒーレンスゲーティング、波長分離、時間ゲーティング、及びシャッタの使用が、ファイバ伝達関数の決定において遠位基準ターゲット光からサンプル反射光を分離するのに利用され得る。シャッタは、遠位光学モジュールに位置し得る。また、遠位源、遠位基準ターゲット及びサンプルからの光が適時に分離されるマルチステップ処理が用いられてもよい。これは、キャリブレーションステップ中に、シャッタを用いること、マルチモード源及びシングルモード源を変調すること、又は他の手段によって達成可能である。
【００９２】
本教示の１つの特徴は、所望の特性の光をサンプルに効果的に送達し及び／又はサンプルの画像を生成するのに光ファイバ伝達関数の補償が使用可能となることである。これは、光ファイバの伝達関数を決定することによって、及び光ファイバを通過する伝搬によって変換される前提において又はそれが変換された後に、物理的に又はデジタル若しくはアナログ表示においてそれを用いて光学場を操作することによって達成可能となる。伝達関数は、ここに記載するキャリブレーションを用いて数学的に決定され、光学場のデジタル表示に適用され得る。あるいは、伝達関数は、ホログラム若しくは空間光変調器における、又はヒルクライム、模擬アニーリング若しくは遺伝的最適化アルゴリズムなどのアルゴリズムにおけるような公知の物理的な方法を適用することによって補償可能である。上述したように、マルチモード光伝達関数が保証可能となると、サンプルの光学特性についての情報を取得し、又は光をサンプルに送達するための幾つかの態様及び方法が存在する。これらは、マルチモード導波路への入力における送信機からの近位光の空間及び他の光学特性を調整して遠位サンプルへの合焦光の走査を実行することを含む。サンプルから集光された光は、共焦点配置において存在し、又は同一の若しくは異なる波長、例えば、蛍光からのより広域の検出に存在し得る。集光された光は、広域集光を可能とするマルチクラッド又はダブルクラッドファイバから到来し得る。サンプルの光学特性を取得することは、サンプルから放射された遠位光を集光し、それがマルチモード光ファイバを近位端まで横断するにつれて集光された光の特性の崩壊を補正することによって、サンプルの光学特性の光学イメージングを実行する形態をとり得る。サンプルの光学特性を取得することはまた、合焦光がサンプルに送達されサンプルから集光される物理的又は合成的共焦点イメージングを実行する形態をとり得る。サンプルの光学特性を取得することはまた、合焦ビームがサンプルに送達され、より高次のモードが集光及び解析されてサンプルの光学特性についての情報を決定する暗視野イメージング又は同様のアプローチを実行する形態をとり得る。集光された光を、測定光ともいう。
【００９３】
図７は、本教示のコヒーレント検出を利用する光学プローブシステム７００の実施形態を示す。図７のシステムは、物理的走査／イメージング又は合成的走査／イメージングのいずれかをサポートすることができる。遠隔光学プローブシステム７００は、レーザ（又は他の光源）７０２を用いる。レーザ源７０２からの光は、基準経路７０４及び照射経路７０６の２つの経路に分割される。照射経路７０６における光は、制御デバイス７０８を通過する。光学制御デバイス７０８は、照射経路における光ビームの振幅及び／又は位相の１次元又は２次元変調を生成する。ある実施形態では、空間光変調器は、制御デバイス７０８として用いられる。選択的に、偏波変調が付加され、及び／又は偏波制御が制御デバイス７０８において実行される。照射経路からの光は、マルチモード導波路７１０の近位入力小面を照射する。マルチモード導波路７１０は、マルチコアファイバ７１２に含まれる。マルチコアファイバ７１２は、外側マルチクラッドファイバを備えていてもよい。近位処理システムをマルチコアファイバ７１２に接続する入力コネクタは図７には図示されておらず、マルチコアファイバ７１２を囲む内視鏡の構造も図示されていない。マルチコアファイバ７１２は、１以上のシングルモードコア７１４、７１６も含む。マルチコアファイバ７１２の一例の断面７１８は、遠位源及び／又は形状センシングコアとなり得る４本のシングルモードコア７２０がどのようにして円形マルチモード導波路コア７２２を囲むのかを示す。マルチコアファイバ７１２の第２の例の断面７２４は、遠位源及び／又は形状センシングコアとなり得る６本のシングルモードコア７２６がどのようにして矩形マルチモード導波路コア７２８を囲むのかを示す。１つ以上の遠位源７３０が、マルチコアファイバ７１２の遠位端に配置され得る。シングルモードスイッチ７３２が、レーザ源７０２からの光をマルチコアファイバ７１２におけるシングルモードコア７１４、７１６に接続するのに用いられる。図７のシステムは、近位的に制御される遠位源を照射することに関してマルチモードコアにおけるイメージングのために同じレーザ源７０２を使用するが、代替的に、別個の光源が使用されてもよい。近位処理システムの受信側において、光学要素７３４が、１次元又は２次元のコヒーレント検出器アレイ７３６に光を方向付けるのに使用される。光学要素７３４は、１つ以上のレンズであり得る。２次元の検出器アレイ７３６の出力部は、所望の測定及び／又はイメージング信号を生成する信号処理部７３８に接続される。システム制御及び処理部７４０は、キャリブレーション及び測定収集を実行するようにシステムを制御するのに使用され得る。
【００９４】
図７は、１つの偏波に対するファイバの近位端におけるコヒーレント検出の使用を示す。図７に示す光学プローブシステムに対するキャリブレーションシーケンスの１つの可能な方法の第１のステップにおいて、制御デバイス７０８から出力されたレーザ源７０２がオフされ（シャッタ閉とされ）、図７においてＳＭ源経路と付されたシングルモード光路に沿ってレーザ源７０２がオンされ、遠位源７３０に供給を行うシングルモードファイバコア７１４、７１６の１つ又は幾つかにスイッチ７３２を介して接続される。光は遠位源７３０で後方散乱され、２Ｄコヒーレント検出器アレイ７３６に到達し、その光分布がシステム制御及び処理部７４０によって記録される。受信ＳＭ光路は、基準経路７０４の光とコヒーレントとなり、光検出器において干渉的に合成可能となる。先述したように、干渉信号を抽出することを促進するように、選択的な変調器がレーザ源７０２とＳＭスイッチ７３２の間に付加されて変調を加えることができる。図７に示すように、同じレーザ源７０２はマルチモード導波路７１０に結合される光の発生源として使用可能であり、又はマルチモード及びシングルモードコアに対して２以上の異なる光源を用いることができる。ＳＭスイッチ７３２は、遠位源に供給を行ういずれかの残余のＳＭファイバに切り替えられ、処理が繰り返される。あるいは、幾つかの又は全部の遠位源が同時に供給を受けてもよい。そして、ＳＭ源がオフされ、制御デバイス７０８から出力されたレーザ源７０２が有効化される。空間光変調器であり得るこの２Ｄフィールド制御デバイス７０８は、第１の空間モードを生成するように設定され、光はマルチモード導波路を遠位ターゲットリフレクタ（不図示）に向かって下り伝搬する。遠位ターゲットリフレクタは、ファイバの端部に又はその非常に近傍に位置する。反射光は、マルチモード導波路７１０を２Ｄコヒーレント検出器アレイ７３６に向けて伝搬して戻り、記録される。この処理が、空間モードの充分な数の線形合成が記録されるまで、制御デバイス７０８が空間モードの異なる線形合成を生成する各反復で繰り返される。この充分な数は、式（１）及び（２）におけるマルチモード導波路の誘導モード数Ｎに等しくてもよいし、例えば冗長性を達成するようにより多くの線形合成が使用されてもよいし、例えばＮ個のモードの１以上がイメージング精度に無関係の場合にはより少ない線形合成が使用されてもよい。図７は単一偏波の実施形態を示すが、図４との関係で説明したようにデュアル偏波の実施形態が実施され得る。したがって、各偏波について光学的な追加のステップが存在し得る。またさらに、異なる波長に対して追加の選択的ステップが存在し得る。上述のアルゴリズムを用いると、マルチモード導波路７１０の伝達関数が決定又は近似可能となる。このキャリブレーションステップの終了時に、遠位源の各々からの光の振幅及び位相の２Ｄプロファイルが記録され、Ｎ個の入力モードの各々からの光の２方向伝搬も同様である。このことから、１方向及び２方向光ファイバ伝達関数が、上述したように決定又は近似可能となる。
【００９５】
本教示の遠隔光学測定プローブの１つの特徴は、出力光学場がサンプル上で物理的に走査可能であることである。ファイバ伝達関数が決定され又は充分に近似されると、サンプルへの光の所望の出力パターンが実施及び調整又は走査可能となる。一実施形態では、図８に示すようなサンプルへのファイバの出力の衝突時に、近ガウシアン的な合焦ビーム又は他の所望のビームパターンを走査することが望まれる。図８は、本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態の焦点距離、ビームウエスト及び焦点深度の図を示す。もちろん、他の多数の種類のフィールド（例えば、拡張被写界深度又はベッセルビーム）が走査可能であり、図８に示す構成はそれらの多数の例の１つに過ぎない。また、ファイバ固有モードのベクトル和である出力フィールドのみが確実に実施可能であるので、完全なガウシアンビームを実施することが常に可能なわけではない。大きなモード数Ｎがなければ、ガウシアン又は他の所望のフィールドのようなより複雑なフィールドが厳密に近似可能となる。システム及びマルチモード伝達関数は、画像走査が取得される前に完全に較正される。１つのアプローチでは、遠位光学系におけるシャッタは、Ｎ個のキャリブレーションステップが実行される一方でサンプルからの光を遮蔽する。そして、シャッタが開放され、サンプルが走査される。あるいは、基準及びサンプル光は、先述した種々の形態のゲーティングの１つを用いて光が区別される状態で、Ｎ個のステップの各々において集光されてもよい。これは、システムデューティサイクルを増加させる利点を有する。サンプルへの所望の光分布を達成するために、所望の出力ビームが選択されてから、遠位源とファイバの遠位先端の間及び既知のファイバ伝達関数とともにサンプルに向かう光の伝搬を考慮して（例えば、レイリー・ゾンマフェルト、フレネル又はフラウンホーファー回折積分を用いて）数学的に変換される。この所望のフィールドは、振幅及び／又は位相制御デバイス（例えば、図７の制御デバイス７０８）を用いてファイバに対して入力小面において実施される。ファイバ伝達関数が連続的に測定される場合、サンプル測定及びファイバ伝達関数測定の双方が並行して行われ得る。あるいは、環境的条件が支配するにつれてシステムを較正するようにファイバ伝達関数が周期的に（断続的に）測定されてから、サンプル照射が実行される。画質がある許容レベル以下に劣化したと判定される場合、再キャリブレーションが実行され得る。物理的走査は、高い強度が焦点スポットにおいて必要となる共焦点イメージング、ＯＣＴ、蛍光又は多光子イメージングを含む多数の用途において有用である。
【００９６】
ＯＣＴ及び他の種類の共焦点イメージングについて、光は通常、合焦光ビームにおいてサンプルにわたって走査され、現在の焦点スポットからの後方散乱光が集光される。所望の出力走査を構成する導波路モードの複雑な重み付けと、サンプルの測定値を正確に解釈してサンプルの画像を潜在的に生成（共焦点イメージング）するために近位端において測定されるモーダル係数に適用される必要がある重み付けとの間には関係がある。遠位端におけるサンプル内の焦点スポットを達成するように近位端において実施される同等の２Ｄフィールドは、サンプルから近位端に後方伝搬する集光フィールドに適用される必要がある同じフィールド重みである。したがって、検出器アレイにおける受信サンプルフィールドは、光ファイバへの入力において同等のフィールドにモードマッチングされる態様で処理される。したがって、サンプルから合焦スポットを達成するのに使用されたのと同じ入力モードにサンプルから後方散乱された光は、所望の光である。当業者であれば、図２に示す従来的なシングルモードファイバ走査デバイスと比較してマルチモードファイバを用いるこのアプローチの１つの更なる特徴は、２次元で任意に走査することができること、また、３Ｄイメージング及び／又は複雑な拡張被写界深度照射を実施することを可能とするように焦点距離が調整可能なことであることを理解するはずである。内視鏡ハウジングにおける収差を補償することも可能である。またさらに、シングルモードファイバでは達成できないものもある共焦点照射モード以外の動作モード（導波路モードと混同されるべきではない）において集光することができる。癌のようなものからの細胞構造の変化は、光の後方散乱特性及び基本モードからの後方散乱光を集光することによってこの変化を電子的に検出する能力を変化させることが知られており、他のモードは有用な臨床情報を提供し得る。
【００９７】
共焦点又は合成的イメージングを実行することが常に必要なわけではなく、広視野集光が好ましいこともある。そのような実施形態では、合焦又は他の所望の光パターンが上述のようにサンプルに衝突しているが、イメージングステップにおいて２Ｄ検出器アレイは必要ではなく（ただし、キャリブレーションステップにおいてはやはり必要である）、ＭＭファイバ（又は更には外側クラッディング層若しくはダブルクラッディングファイバ）に反射された全ての光が利用される。これは、同じマルチモードファイバ又は外側クラッドファイバを用いて異なる波長で放射される蛍光を集光することが可能な蛍光イメージングの場合においても有用となり得る。光を大面積の蛍光検出器に方向付けるダイクロイック又は他の波長選択デバイスが、近位端において使用され得る。
【００９８】
ここでは２Ｄイメージングについて説明するが、ある実施形態では図７の例示の矩形ファイバ構造に示すように１Ｄイメージングが好ましいことも、留意されるべきである。空間光変調器及び処理においても、対応する簡素化があり得る。そのような１Ｄアプローチは、ビームを合焦することを促進する何らかのコンポーネント円筒光学系を用いてもよい。
【００９９】
本教示の他の態様は、ＳＳ−ＯＣＴ又は同様の干渉法イメージングにおける合成的走査である。マルチモードファイバ伝達関数を測定することは、ファイバによってサポートされるＮ個の独立したモードを照射することを必要とする。本教示のある実施形態では、このファイバのキャリブレーションステップを（おそらくは、シャッタが閉じられ、同時に何らかの種類のゲーティングとともに）行い、その後にサンプルから光を照射又は集光する第２のステップを行うことが望ましい。一方、他の実施形態では、合成的アパーチャレーダ、合成的アパーチャ顕微鏡法又はコンピュータ的な光干渉法において用いられてきたコンセプトを拡張することによってこれらのステップの一部を同時に行うことが可能となる。これらの実施形態では、ファイバのＮ個のモードがキャリブレーション手順において段階的に照射されるが、同時に光の大部分はサンプルに向かい続けることが可能となる。遠位ファイバ基準ターゲットから及びサンプルからの光は、検出器アレイ上に同時に集光される。ＳＳ−ＯＣＴのコヒーレンスゲーティング又は他の同様のアプローチを用いて、反射が別個に電子的に処理される。キャリブレーション手順が上記のように実行され、ファイバ伝達関数が決定されると、サンプルへの光の所望の出力走査パターンも合成的に構成され、又は全ての入力モードの複雑な重み付けを用いてマルチモードファイバ伝達関数の存在下で所望の走査パターンに最も一致するものを構成して、おそらくは数値的により良いワードとなる。一方向前方ファイバ伝達関数を把握することによって、所望の出力パターン（又は利用可能なファイバモード及び入力によってサポートされるものに近いパターン）を遠位端において合成することができる。この配置では、サンプルは光の複数の複雑なパターンで照射され、画像は合成アパーチャイメージングに幾らか類似する態様で回復される。マルチモード内視鏡はＮ個のモードをサポートするので、サンプルはＮ個の合成走査で照射可能となる。合成入力光学場が既知となると、検出信号が収集され、標準的なＳＳ−ＯＣＴ処理を行うことによって後方反射長手方向／軸方向の光学プロファイルを数学的に決定するように処理される。そして、２Ｄ及び３Ｄ画像が、ＳＳ−ＯＣＴの技術において知られるように所望の放射角を変化させて画像を生成することによって合成可能となる。照射モード（例えば、暗視野イメージング）以外のモードに後方散乱される光も、サンプルの更なる光学特性を決定するように解析可能となる。
【０１００】
再度図７に戻ると、合成走査における例示的な一例は、以下のようになる。第１のステップは、上記のようにＳＭ源が作動され、反射フィールドが集光される。そして、２Ｄ空間光変調器が、ここに説明するようなキャリブレーションステップの第２の組を実行するかのようにＮ個のモードの各々をファイバの入力小面上に付加するのに使用される。例えば、２Ｄ空間光変調器は走査ミラーによって置換可能であり、その後に合焦入力ビームが、マルチモードファイバのＮ個の直交モードにわたる入力小面において（又はファイバ入力小面は瞳面にあってもよい）全ラスターパターンにわたって段階的に走査される。１つのモードのみがファイバの近位端に結合されたとしても、それはモード結合に起因するファイバの遠位端におけるスペックルパターンをもたらし得る。一部の光は、遠位基準ターゲットから反射され、上記のようにキャリブレーションのために用いられる。しかし、また、一部の光は、サンプルから集光される。２つの種類の光が、ＯＣＴコヒーレンス処理又は当技術で公知の非ＯＣＴ実施形態（例えば、中間周波数のビート周波数による別個のタイムオブフライト）についての他の種類の時間若しくは波長ゲーティングの一部として時間ゲーティングを用いて数値的に分離され得る。ファイバ伝達関数Ｕがキャリブレーションステップから既知となる場合、入力フィールドＡｉ．ｉｎ（ｘ，ｙ，λ）も既知である（又は測定される）ので、図７に示すようなサンプルにわたって走査された所望のフィールドを数学的に得るように、Ｎ個のスペックルパターンが係数Ｘｉ（θ、λ）と合成的に組み合わされる。すなわち、Ａｔｘ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ（θ，ｘ，ｙ，λ）は、Ｘｉ（θ、λ）Ｕ（ｘ，ｙ，λ）Ａｉ．ｉｎ（ｘ，ｙ，λ）の和にも等しいＸｉ（θ、λ）Ａｉ．ｏｕｔ（ｘ，ｙ，λ）の和となる。この式Ｘｉ（θ、λ）の使用が決定される。各スペックルパターンからの反射光は、各入力焦点スポット（又は合焦ビームではない場合には入力モード）についての検出器アレイ上に集光される。Ａｉ．ｒｘ（ｘ，ｙ，λ）及び共焦点検出が達成される。定量的には、Ａｒｘ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ（θ，ｘ，ｙ，λ）は、Ｘｉ（θ、λ）Ａｉ．ｉｎ（ｘ，ｙ，λ）の和のベクトル内積をＡｉ．ｒｘ（ｘ，ｙ，λ）倍したものの和となる。当業者であれば、完全な従来的ＳＳ−ＯＣＴは可能であるが広い検出器帯域幅を要することを理解するはずである。コヒーレントであるが非ＯＣＴの実施形態も可能であることが留意されるべきである。より低域の帯域幅検出器が望ましい幾つかの実施形態では、異なる合成走査アプローチが使用され得る。
【０１０１】
図９Ａは、ＯＣＴ源又は固定波長レーザのような光学イメージング源９０２を含む本教示の遠隔光学プローブシステム９００の実施形態を示す。２Ｄ位相及び／又は偏波制御部９０４は、光学イメージング源９０２からの光信号を処理し、処理した信号を内視鏡９０６内に方向付ける。内視鏡９０６は、マルチコア光ファイバ９０８及び遠位光学系９１０を含む。２Ｄ位相及び／又は偏波制御部９０４の出力は、スポットをマルチコア光ファイバ９０８の近位端に合焦させる。内視鏡９０６の近位端は、医療用途に適した保護スムースカバー９１２を含む。結果として得られる物理的又は合成的走査パターンが示され、サンプル９１４を照射する。
【０１０２】
図９Ｂ〜９Ｆは、複数のコアを有するイメージングファイバの幾つかの例を示す。図９Ｂは、共通のクラッディングを有する複数のコアの断面を示す。コアが広く間隔を開けられる場合、クロス結合はほとんどなく、２Ｄ空間光変調器（図９Ａの制御部９０４など）は光を各ファイバに方向付ける単純な走査ミラー（又はファイバスイッチ）であればよく、受信機処理が非常に簡素となる。コアが近づくにつれて、結合が起こり、画像解像度は増加するが処理はより複雑となる。
【０１０３】
図９Ｃは、選択的な吸収性又は光除去用の共通クラッディング及び／又はバッファを有する別個のクラッディングを各々が有する複数のコアを備える、本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。これは、全てが他の共通クラッディングに埋め込まれた、各コアに対する非共通のクラッディングを有するマルチコアファイバである。共通のクラッディングは、吸収性のものであってもよいし、又はコア間の相互作用から離れて光を吸収若しくは除去するのに適した（選択的にバッファに一致する）屈折率のものであってもよい。このアプローチは、大きな結合が起こる前にコアがより密にまとめられることを可能とする。
【０１０４】
図９Ｄは、コア間結合を最小化するコーティングを有する中空コアのマルチコアファイバを備える、本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。これは、金属又は光をコア内に閉じ込める他の適切な外側コアを有する中空コアファイバを含むマルチコアファイバである。ここでも、共通クラッディングマトリクスが吸収性であってもよい。
【０１０５】
図９Ｅは、形状センシングファイバと組み合わせてマルチコア光ファイバを備える、本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。この実施形態は、同時イメージング及び形状センシングを可能とする形状センシングファイバを有するマルチコアファイバを一体化するコンセプトを示す。
【０１０６】
図９Ｆは、１Ｄマルチコアファイバを備える、本教示の遠隔光学プローブシステムの実施形態を示す。この１Ｄマルチコアファイバの例は、いずれの構成にも適用可能となる。選択的に、近位及び／又は遠位マスクが、ファイバコアに結合されない光を最小化し、又はなくすように追加され得る。また選択的に、遠位光学系は、折り畳みミラーを有し、及び／又はイメージングを促進する追加の機械的／モータ走査を有してもよい。例えば、内視鏡引き抜きデバイスと組み合わせて折り畳みミラーが実装されてもよい。最小のコア間結合を有するこれらの実施形態の１つの有利な態様は、それらの一部は空間光変調器のための走査ミラーを用いて単に光をファイバ入力小面上に合焦させる非常に簡素なシステムを有し得ることである。図９Ｆは、形状センシングファイバの選択的使用も示す。
【０１０７】
図１０は、各コアが遠位反射を有するマルチコアファイバ１００２並びに遠位反射及びサンプルの双方からの光を干渉法的に集光し、近位振幅及び／又は位相ビーム形成要素を調整して遠位走査又はイメージングを実行する近位システムを備える本教示の遠隔光学プローブシステム１０００の実施形態を示す。マルチコアファイバ１００２は、導波路として作用する複数のシングルモードコアを備え、内視鏡の部分１００３を占める。実施形態はＳＳ−ＯＣＴ構成であるが、他のモダリティも可能である。示される実施形態は最小限に結合されたコアを有するマルチコアファイバ１００２を有する。マルチコアファイバ１００２の各コアは遠位反射を有し、コアの１つは標準的なＳＳ−ＯＣＴの基準アームと同様に基準アームの反射のために使用される。ただし、基準アームが同一のファイバ内にある必要はない。
【０１０８】
近位システム１００４は、マルチコアファイバ１００２の入力部に光学的に結合される。近位システム１００４は、光信号を生成する光源１００６を備える。光カプラ１００８は、光源１００６によって生成された光信号の一部を基準信号アーム１００９に分離する。一実施形態では、基準信号アーム１００９は、マルチコアファイバの基準コアを介してその遠位反射に結合してから同じ経路に沿って戻る光をＤＳＰプロセッサなどのプロセッサ１０１２に結合された複数の受信機１０１０に結合する。そして、個々の振幅及び位相コントローラ１０１４を使用してビームを形成する。
【０１０９】
マルチコアファイバ１００２の遠位端において、個々のファイバコアからの光は、コアレスファイバ又は他の多数のビーム拡張光学要素の１つを使用して、図示の選択的なビーム拡張領域及び／又は区間１０１５において拡張される。光は、マルチコアメインファイバ上にスプライスされたマルチコア勾配屈折率ファイバレンズアレイを用いて実装され得る選択的なレンズアレイ１０１６を使用してコリメート、合焦あるいは処理され得る。レンズアレイ１０１６は、出力開口をより多く満たすこと及び位相アレイエミッタ（及びコレクタ）対広い間隔を有する空間的に干渉しないエミッタ／検出器のように動作することを可能とする。
【０１１０】
マルチコアファイバ１００２の各ファイバは、小さな遠位基準反射を有する。したがって、個々の受信機１０１０のそれぞれにおいて、主基準アーム１００９経路からの反射光、マルチコアファイバ基準反射の個々のコアからの光及びサンプルから反射された光が存在する。遠位端のリフレクタ及び／又はサンプルからマルチコアファイバ１００２の近位端に向かって後方伝搬する光は、カプラ１０１８を介して受信機１０１０に結合される。カプラ１０１８は、サーキュレータでもあり得る。マルチコアファイバ基準反射における個々のコア内の光からのビート信号及びサンプルからの光は、ＳＳ−ＯＣＴの技術において周知であるように異なる中間周波数として現れる。数値的には、近位システムの処理において、全ての個々のマルチコアファイバ基準反射の遅延／距離を決定することができ、どのような望ましい遠位位相及び振幅パターンでも、マルチコアファイバから放出されるフィールド上で及びサンプル上に閉ループ（又は開ループ）態様でインプラントされ得る。図示のように、複数の受信機は、これらの機能を並行して実行するように使用され得る。また、マルチコアファイバのそれぞれに異なる時間遅延が配置され得る。１つの受信機はＳＳ−ＯＣＴの技術において周知であるように異なる中間周波数として現れる情報とともに使用され得る。これには、単純さの向上という利点があるが、Ｎ：１の合成損失によるＳＮＲの低下という代償がある。また、ＳＳ−ＯＣＴの実施形態を使用するのではなく、他の種類の干渉法アプローチを使用することも可能である。
【０１１１】
多数の実施形態が、人体又は他の用途において到達が困難な場所へのアクセスを可能とすることに適した小型のイメージング内視鏡を製作するために説明されてきた。また、ここに説明されるように、本教示は、ファイバ形状のイメージング及び認識の双方を可能とするように形状センシングファイバを同時に使用する概念を含む。一部の用途に対する１つの追加の重要な態様は、ファイバを同時に統合する方法を可能として到達が困難な遠隔へのナビゲーションを可能とすることである。人体内又は人体外の工業的用途における曲がりくねった小さなチャネルを通るナビゲーションを可能とするための、従来の内視鏡において使用される当技術で公知の多数の方法が存在する。しかし、これら既存の技術のほとんどは、大きな直径及び複雑さを必要とする。
【０１１２】
図１１Ａ〜Ｅは、小さい体積においてファイバを統合する方法の例を示す。図１１Ａは、ファイバの遠位端での曲げを誘発する高光吸収材料にレーザ光を送達するために外部光ファイバ１１０１が使用されるマルチコアファイバ１１００の例を示す。外側ファイバ１１０１は、熱誘発による曲げのための光を送達し得る。当業者は、共通のクラッディングのコアは、コアとクラッディングの双方が第２の共通のクラッディングに埋め込まれたファイバであり得ることを理解するはずである。さらに、これらのファイバは、形状センシングにも使用され得る。外側ファイバは、ファイバの端部付近に光吸収材料を有し、近位端からレーザによって差動的に熱的に活性化される。あるいは、導電体が、曲げを誘発するように遠位の熱膨張材料に適用され得る。
【０１１３】
図１１Ｂは、熱／吸収／曲げ材料がファイバの外部に位置し、ファイバブラッググレーティング又は同様の材料がこの吸収及び熱誘発曲げ材料に向かって外向きに光を反射するのに使用されるマルチコアファイバ１１０２の代替例を示す。外側ファイバ１１０３は、熱誘発による曲げのための光を送達する。さらに、これらのファイバは、形状センシングに関して使用され得る。
【０１１４】
図１１Ｃは、ファイバ、そのバッファ又はジャケットにおける中空コアが、遠位の曲げを誘発するのに使用される空気圧誘発による曲げを有するマルチコアファイバ１１０４の例を示す。曲げは、コアにおける圧力に起因し得る。あるいは、最適に膨張可能な構造を端部付近に追加し得る。外側ファイバ１１０５は中空であり、差動的な液体、気体及び／又は吸引圧力がファイバを曲げるのに使用されてもよく、及び／又は選択的な膨張可能／収縮可能な構造が使用される。
【０１１５】
図１１Ｄは、圧電又は類似の電気機械材料がマルチコアファイバの外側コア又はそのバッファ若しくはジャケット内に配置されるマルチコアファイバ１１０６の例を示す。薄い電気的ワイヤは、遠位の電気−機械曲げ材料を活性化するのに使用される。材料がファイバコアの１つの内部に含まれる場合には、選択的にプリフォームが作成され、ファイバがそのように線引きされ得る。ファイバの遠位部分は、ＰＺＴ又は他の電気−機械曲げ材料をファイバ内、ジャケット／バッファ上又はファイバの遠位部分周辺に電気コンジットとともに含み、ファイバを活性化して曲げる。選択的な形状センシングファイバ１１０７が使用され得る。
【０１１６】
図１１Ｅは、ファイバの遠位端部に接続され、チェーン及びスプロケットを含み得る手動システムからの曲げを統合するのに使用されるプッシュ／プルワイヤを有するマルチコアファイバ１１０８の例を示す。近位作動ノブ若しくはモータ又は他のアプローチが使用され得る。選択的な形状センシングファイバ１１０９が使用され得る。
【０１１７】
図１１Ａ〜Ｅに示されるマルチコアファイバは、非常に小さい体積において及び同時の形状センシングを選択的に可能とするように、イメージング及び操作を同時に実行することができる。
【０１１８】
遠位源についてのｃｓ（ｂ，Ｌ）の正確な値は、多数の方法で決定され得る。図１２は、遠位源振幅ｃｓ（ｂ，Ｌ）を決定するためのフローチャート１２００を示す。それは、それらの振幅がどのようにしてイメージングファイバ伝達関数の決定に使用されるのかも示す。好適な実施形態において、ｃｓ（ｂ，Ｌ）は、それが使用される前に遠位端へのアクセスを有する導波路の１回の事前キャリブレーションを実行することによって決定され得る。そのような事前キャリブレーションは、ファイバに対するいずれの曲げ及び摂動に対しても堅牢であり、イメージング導波路の使用中に再び実行される必要はない。事前キャリブレーションは、遠位端から近位端へのシングルパス伝達行列Ｗ（ｂ）又は近位端から遠位端へのシングルパス伝達行列Ｗ（ｆ）を決定し得る。そして、近位光学系がオンされて単数の遠位源（又は複数の遠位源）を照らし、近位出力ｃｓ（ｂ，０）が記録され得る。そして、シングルパス事前キャリブレーションは、
【数４１】
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を介して遠位源振幅ｃｓ（ｂ，Ｌ）を決定するのに使用され得る。なお、振幅ｃｓ（ｂ，Ｌ）はファイバにおけるいずれの更なる曲げ又は摂動に対しても独立していることが重要である。このことの理由は、遠位源振幅は近位端から遠位端へのシングルモードファイバを介する第１の伝搬によって近位端から励起されることである。そのようなシングルモード経路は、ファイバの曲げ及び摂動に対して堅牢である。そして、このシングルモード経路からの光は、ファイバの遠位端における固定の組の光学系、散乱物体及びファイバ摂動物体に結合することによって遠位源振幅ｃｓ（ｂ，Ｌ）を励起する。これらの遠位光学系は、ファイバの曲げ又は摂動に影響されない。
【０１１９】
我々は、シングルモード導波路が曲げ及び摂動から実際に独立するためには、この導波路が単一の偏波であることも必要となり得ることに留意する。したがって、シングルモード導波路は、偏波保持導波路であり得る。シングルモード導波路は、偏波導波路であってもよい。シングルモード導波路は、偏波保持光ファイバ、偏波保有光ファイバ又は偏波シングルモード光ファイバであってもよい。
【０１２０】
あるいは、本教示によるある構成では、２つの偏波は、シングルモード導波路に出射され得る。そして、遠位端からの信号の近位端での検出は、偏波ダイバーシティ検出で実行され得る。
【０１２１】
また、そのようなシングルモード導波路を通じて誘導される光は、ファイバが曲げられ又は摂動されるにつれて変化し得る位相全体を蓄積する。このことは、位相全体を近位光分布に付加するが、空間パターンを変化させない。２以上の遠位源がある場合には、そのような手順が全ての遠位源で実行され、エラーを低減するように平均化アルゴリズムが実施され得る。
【０１２２】
より具体的には、図１２は、イメージング導波路キャリブレーションの実施形態を示すフローチャート１２００を示す。フローチャートは、遠位源振幅の決定を含む第１の使用１２０２の前に実行されるステップを含む。第１のステップ１２０４では、信号パス遠位−近位伝達行列は、遠位照射を用いて決定される。第２のステップ１２０６では、遠位源が照射される。第３のステップ１２０８では、近位電場が記録される。第４のステップ１２１０では、遠位電場振幅が計算される。
【０１２３】
また、フローチャート１２００は、シングルパス伝達行列における符号の不確定性を除去するように往復キャリブレーションとそれに続く遠位源照明を通して達成される近位−遠位伝達行列の決定を含む使用中に実行されるステップ１２１２も含む。使用中に実行される第１のステップ１２１４では、Ｎ個のモードが近位側から出射される。第２のステップ１２１６では、往復の電場が記録される。第３のステップ１２１８では、往復伝達行列が計算される。第４のステップ１２２０では、遠位源が照射される。第５のステップ１２２２では、近位電場が記録される。第６のステップ１２２４では、Ｗ（ｆ）における不確定な符号が決定される。
【０１２４】
図１３は、本教示によるマルチコア及び／又はマルチモードファイバを用いたイメージング内視鏡１３００の実施形態を示す。レーザ源（又は他の種類の光源）１３０２は、光サーキュレータ１３０４にファイバ結合される。例えば、レーザ源１３０２は、偏波コントローラ及び／又は偏波保持ファイバ並びに選択的な変調器を用いて結合され得る。サーキュレータ１３０４のファイバ結合された出力部は、任意の空間／偏波状態の生成を実行する装置１３０６に送信され、受信機及び処理装置１３０５にも送信される。装置１３０６は、偏波ビームスプリッタ、ミラー、半波長板、及び空間光変調器との間に挟持される選択的なシャッタを含む。多類の空間光変調器が使用され得る。装置１３０６は、サーキュレータ１３０４から出力されるファイバ結合源１３０２からの近ガウシアンビームを任意の空間モードに変換してマルチモードファイバコア１３１０を照射するのに使用される。レーザ源１３０２からの光もまた、シングルモードスイッチ１３０３を通じてファイバ１３０８に直接結合される。
【０１２５】
ファイバ及び内視鏡装置１３００の遠位源及び他の態様は、上述のものと同様である。単純化のために、遠位光学系をファイバの端部に示していないが、遠位光学系は多くの実際の実施形態で使用されることが理解される。ファイバ１３０８に含まれる基準及び／又はサンプルからの後方伝搬光は、ビームスプリッタ１３１２で反射され、ファイバキャリブレーション及び他の動作が上記と同様に実行され得るコヒーレント検出器アレイ１３１４及び信号プロセッサ１３１６に送信される。なお、共焦点イメージング用途については、共焦点光の一部は、それが分離されて光検出器及び受信機処理１３０５に送信され得るサーキュレータに向かって空間光変調器を通じて後方伝搬することになる。これは、発明のこの態様の顕著な特徴の１つであり、すなわち、それは、シングルチャネル検出器として比較的単純で高速な処理をすること及び装置１３０６を二重に通過することを可能とする。あるいは、２つの検出器が偏波ダイバーシティのために使用されてもよく、及び／又はバランス型検出のために追加の検出器が使用されてもよい。本教示の一実施形態では、点線として示されるビームスプリッタは、ファイバが較正されてサンプルの光学特性の測定が開始されると、スループットの増加のために除去されてもよい。また、例えば、参照によりここに組み込まれるＪｏｅｌ  Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ、“Ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ  Ｙｏｕ  Ａｌｗａｙｓ  Ｗａｎｔｅｄ  ｔｏ  Ｋｎｏｗ  Ａｂｏｕｔ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ”、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒ、ｐｐ．４−１０、Ａｕｇｕｓｔ  ２０１７に記載されているように、我々は、ビーム分析器として任意の空間／偏波状態出力フィルタを逆方向に使用する逐次処理を含む当技術において周知であるように、代替の種類の使用可能な検出器アレイ受信機処理があることにも留意する。
【０１２６】
本教示の他の態様では、サンプルの体積の超解像度イメージングは、検出器の前に既知の特性を有する追加の位相板を追加することによって達成され得る。そのような位相板は、サンプルからの位相情報を符号化し、回折限界を超える空間解像度を有するイメージングを可能とする。例えば、参照によりここに組み込まれるＢｏ  Ｓｈｕａｎｇ、Ｗｅｎｘｉａｏ  Ｗａｎｇ、Ｈａｏ  Ｓｈｅ、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｊ．Ｔａｕｚｉｎ、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ  Ｆｌａｔｅｂ、Ｊｉａｎｂｏ  Ｃｈｅｎ、Ｎｉｃｈｏｌａｓ  Ａ．Ｍｏｒｉｎｇ、Ｌｏｇａｎ  Ｄ．Ｃ．Ｂｉｓｈｏｐ、Ｋｅｖｉｎ  Ｆ．Ｋｅｌｌｙ＆Ｃｈｒｉｓｔｙ  Ｆ．Ｌａｎｄｅｓ、“Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｆｏｒ  ３Ｄ  Ｓｕｐｅｒ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｐｏｉｎｔ  Ｓｐｒｅａｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ”、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｐｏｒｔｓ、６：３０８２６、ＤＯＩ：１０．１０３８／ｓｒｅｐ３０８２６、２０１６を参照。共焦点配置では、これにより３Ｄ画像の生成が可能となる。
【０１２７】
本教示の他の態様は、サンプル上の合焦光スポットの１Ｄ又は２Ｄ横方向走査を実行すること及びサンプルから反射又は放射される光（例えば、蛍光）を集光することに加えて、サンプル内の光の焦点の位置も変更が可能である。これは、焦点が固定されたシングルモードファイバを使用する従来の内視鏡とは全く対照的である。
【０１２８】
サンプル上の合焦ビームを走査する概念が、共焦点配置、ＮＩＲ又は蛍光イメージングに適した配置及び他の構成においてここに記載された。なお、全視野ＯＣＴ及び他の種類の全視野イメージングも可能であり、検出器アレイの帯域幅に対する要求がより少ないことを含む幾つかの分野における効果及びサンプルからデータを並行して取得する能力を有することが留意されるべきである。
【０１２９】
本教示のさらに他の実施形態では、ベッセルビーム拡張焦点深度を可能とするフィールドが実現される。本教示のさらに他の実施形態では、超解像度イメージングが採用される。
【０１３０】
均等
出願人の教示は種々の実施形態と併せて記載されるが、出願人の教示はそのような実施形態に限定されることは意図されていない。逆に、出願人の教示は、当業者には理解されるように、本教示の主旨及び範囲から逸脱することなくここになされ得る種々の代替例、変形例及び均等物を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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