光学元件

本发明广泛地涉及一种光学元件并且特别地(但不是排他地)涉及一种用于光学纤维的光学元件，诸如透镜，并且该光学元件可以形成生物医学装置的部分。

背景技术：

1、光学成像和表征技术对医疗装置应用越来越感兴趣。光学纤维和光学纤维部件的使用使能够设计用于这种装置的小型光学探头，该小型光学探头可以被插入组织或体腔中以用于成像或表征目的，同时与常规的较大型装置相比侵入性小。这种装置可以适合于表征或成像或同时使用不同技术，并且甚至可以使用单个光学纤维以传送与不同技术相关联的光学信号。使用单个纤维实现不同的成像和表征技术使能够使用微型装置进行同一位置的测量和成像，其提高精细狭窄管腔器官(诸如冠状动脉和小气道)的可及性。

2、最近已经开发用于光学相干断层扫描(oct)的光学探头，其中oct信号由双包层光学纤维的纤芯捕获。同一双包层光学纤维的内包层已经用于同时引导与包括光谱技术，诸如荧光和吸收光谱的其他表征技术相关联的光学信号或强度。这种基于单个纤维的oct+荧光技术已经成功用于动物和人类的血管。该技术是用于提供高风险斑块的准确诊断的有前途的候选者，该高风险斑块是心脏病发作的主要前兆病变。

3、然而，oct所具有的光学要求与荧光技术的光学要求形成对比。为了提供高质量的oct数据或图像，需要具有低数值孔径的聚焦光学器件以实现长工作距离(和大景深)，而荧光技术受益于大数值孔径以便提高荧光辐射的收集效率。然而，具有大数值孔径的透镜的探头通常具有小的景深。因此，对于荧光技术具有理想光学特性的探头不具有对于oct技术的理想特性。其他光学技术也具有其光学系统的特定最佳配置，并且这些在多种技术在单个系统内实施时可能发生冲突。这些光学技术包括oct、荧光、共焦显微镜、多光子显微镜、漫射光学层析成像、全内反射荧光显微镜、相位对比显微镜、受激发射耗尽显微镜、近场扫描光学显微镜、差分干涉对比显微镜、二次谐波成像显微镜、反射光谱、拉曼光谱和光学相干弹性成像。

4、需要技术进步。

技术实现思路

1、在本发明的第一方面，提供一种光学元件，该光学元件包括：

2、用于发射和/或接收电磁辐射的第一表面，该第一表面被布置为光学耦合到或被光学耦合到光学纤维的一部分，该光学纤维具有轴线；和

3、第二表面，定位为在横向于光学纤维的轴线的方向上发射和/或接收电磁辐射；

4、其中光学元件具有第一焦距和第二焦距，该第一焦距用于由第二表面的内部分发射和/或接收的电磁辐射，该第二焦距用于由第二表面的外部分发射和/或接收的电磁辐射，第一焦距和第二焦距是不同的焦距。

5、光学元件可以被一体形成。

6、第二表面的外部分可以完全围绕第二表面的所述内部分。

7、第一表面和第二表面中的一个或每个可以包括一个或多个连续的表面部分，该连续的表面部分可以是光滑的表面部分。

8、在一些实施例中，焦距可以被限定为电磁辐射波长的函数。在一个实施例中，第一焦距大于第二焦距。在这种情况下，与第二表面的内部分相关联的景深大于与第二表面的外部分相关联的景深。

9、光学元件可以被布置为使得在第二表面的内部分内接收的电磁辐射的至少一部分或大部分被引导到光学纤维的中心区域，诸如芯区域，并且在第二表面的外部分内接收的电磁辐射的至少一部分或大部分被引导到光学纤维的围绕中心区域的区域，诸如光学纤维的包层或内包层区域。

10、因此，根据本发明的实施例的光学元件为由第二表面的外部分接收的电磁辐射和由第二表面的内部分接收的电磁辐射提供至少部分分离的路径。

11、本发明的实施例的优点在于，针对不同光学测量技术可以定制透镜的每个部分的光学特性。这与仅具有单个焦距的透镜系统相比具有优势，其中多种技术的不同光学要求可能导致次优性能。例如，oct是光学技术，其中可期望具有大景深，这可能与大焦距相关联。相反，在随机方向上发射的荧光辐射的检测要求大数值孔径以实现高灵敏度测量。这可能与小焦距相关联。第二表面的内部分可以在电磁辐射的每个波长处具有大焦距，这在与oct一起使用时实现大景深。外部分可以在电磁辐射的每个波长处具有短焦距，这实现大数值孔径，从而允许由外部分高效收集荧光辐射。

12、在一个实施例中，光学纤维可以包括用于oct测量的内芯和用以收集荧光辐射的内包层。

13、在一个实施例中，外部分所具有的焦距导致数值孔径比内部分的数值孔径大至少0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7或甚至0.8。

14、光学元件在沿着光学纤维的轴线的方向上可以具有任何合适的直径，但在本发明的特定实施例中，该光学元件所具有的直径小于1mm、0.5mm、0.2mm或甚至0.1mm。

15、光学元件的第二表面可以被限制在圆内，并且所具有的直径可以小于1mm、0.5mm、0.2mm或甚至0.1mm。第二表面的内部分可以被限制在圆内，并且所具有的直径可以小于1mm、0.5mm、0.2mm、0.1mm或甚至小于0.01mm。第二表面的外部分也可以被限制在圆内，并且所具有的外直径可以小于1mm、0.5mm、0.2mm、0.1mm或甚至小于0.01mm。

16、光学元件可以被布置为使得第二表面被定位为在基本上垂直于光学纤维的轴线的方向上发射和/或接收电磁辐射。

17、光学元件的第二表面可以是球面或非球面透镜、轴锥透镜、菲涅耳透镜、全内反射透镜、衍射光学元件、金属透镜或其组合的表面，并且可以被布置为校正色差和/或球面像差和/或像散。例如，光学元件的内部分和外部分可以包括菲涅耳透镜的不同区，或者可以包括不同曲率的透镜部分。进一步，光学元件可以包括用于校正色差或用于辐射的波长特定分离的光栅。

18、光学元件可以进一步包括至少一个反射表面，该反射表面可以是具有反射涂层、二向色涂层的表面，或者可以是被定位为电磁辐射的全内反射的表面。至少一个反射表面可以被布置为在沿着光学纤维的轴线的方向与横向于光学纤维的轴线的方向之间引导电磁辐射。

19、在一些实施例中，反射表面是平面的。在替代实施例中，反射表面包括非平面的平滑表面部分。反射表面也可以是分段连续的。

20、反射表面可以被成形为校正光学像差，或者可以具有聚焦或散焦功能。光学像差的一个示例可能由电磁辐射必须穿过以便进行光学测量的其他表面引起的，诸如封闭的导管护套。

21、光学元件可以被布置为直接耦合或间接光学和机械耦合到光学纤维。

22、通过优化第二表面的外部分和内部分的直径的比率可以减少由第二表面的外部分接收的光学信号与由第二表面的内部分接收的光学信号之间的光学信号的噪声或串扰。例如，第二表面的外部分和内部分的外直径的比率可以是3:1。

23、在光学元件100包括布置用于全内反射的反射表面的实施例中，通过优化在全内反射表面与光学纤维的轴线之间的角度可以减少由第二表面的外部分接收的光学信号与由第二表面106的内部分接收的光学信号之间的光学信号的噪声或串扰。例如，全内反射表面的角度可以是电磁辐射的选择波长的临界角度，使得一些波长将不经历全内反射。

24、附加地或替换地，通过在反射表面上或在第二表面的内部分与外部分之间使用隔离元件可以减少在由第二表面106的外部分接收的光学信号与由第二表面的内部分接收的光学信号之间的光学信号的噪声或串扰。隔离元件可以反射或吸收特定波长范围内的电磁辐射。

25、光学元件可以使用任何合适的方法形成，但是在特定实施例中，该光学元件使用3d打印工艺形成，诸如多光子光刻。在本实施例中，光学元件100被直接形成在光学纤维的端部分上，或者可以单独形成。光学元件可以由任何合适的材料形成，诸如感光材料，)，并且在特定实施例中，该光学元件由“nanoscribe ip-s”形成。

26、在本发明的第二方面，提供一种光学装置，其包括根据本发明的第一方面的光学元件和耦合到光学元件的光学纤维的。

27、光学纤维可以是任何合适的类型，但是在一个实施例中，该光学纤维是无芯光学纤维。光学纤维可以包括涂层，诸如以下涂层：包括所具有的折射率类似于光学纤维的外部分的折射率的材料，但是被选择为吸收感兴趣的特定波长范围内的电磁辐射，以便降低在特定波长范围内的杂散电磁辐射的影响。

28、在本发明的第三方面，提供一种形成根据本发明的第二方面的光学装置的方法，该方法包括以下步骤：

29、为光学元件提供设计；

30、提供光学纤维并将光学纤维的端部分相对于多光子3d打印系统定位；和

31、根据提供的设计，指示多光子3d打印系统以形成光学元件。

32、本发明通过以下对本发明的具体实施例的描述将被更充分地理解。参见附图来提供描述。