电润湿控制光学扫描探头

技术领域

本发明实施例是有关于一种光学扫描探头，且特别是有关于一种电润湿控制光学扫描探头。

背景技术

目前光纤式探头大部分都是单向扫描的设计，例如侧向扫描或者是前向扫描。然而，这些单向扫瞄的光纤式探头设计，在使用上都有其缺点。举例而言，在某些使用场合，例如血管或心血管光学同调断层扫描(intravascular optical coherence tomography，IVOCT)，除了侧向观察血管壁上的附着物或管内组织架构外，前方血管的阻塞情况观测也是需要的，如此可以提供医生最即时的组织立体断层扫描信息，使其能立即判断并进行相关医疗处里。换言之，若是使用单向扫瞄的光纤式探头却又欲进行侧向扫描与前向扫描，则在检查过程中就需要抽换探头，然而，如此一来，既浪费时间也造成病患折磨。

传统的侧向光纤式扫瞄探头，是利用光纤将光源导到一个旋转反射镜前方，进而使光源沿探头侧向射出，并进行环状线扫描。若是要利用光纤转动的方式来达成侧像扫描，则必须搭配光纤旋转连接器(fiber optic rotary joints，FORJ)来连接光纤的固定端与转动端。然而，使用光纤旋转连接器将会有下列几项缺点：(1)再经由光纤旋转连接器出光会较弱；(2)光纤旋转连接器的转动会使功率有跳动的问题；(3)光纤与光纤旋转连接器的耦合焦距调整困难，会造成功率的损失(约2～10％)。如果采用微型气动式叶片旋转机构设计，通常会受制于定子与转子旋转偏心的问题与转速不易控制的困难，使得待测物与安装于转子上的反射镜距离变动过大，进而造成影像跳动与降低信号品质。若采用马达旋转机构，虽然转速稳定，影像品质也较佳，然而反射镜前方须预留至少数毫米(mm)长度的空间以安装马达机身，在应用上探头需有较长的前置长度，更无法看到前方，造成实际应用上的不足。

因此，不管是前向扫瞄或侧向扫瞄的单向扫瞄的光纤式探头设计在应用上都有其限制，若是能设计出一种即时三维扫描光纤式探头能够同时进行前向扫瞄与侧向扫瞄，在光流体装置(optofluidic device)应用上就非常广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电润湿控制光学扫描探头，其响应快，能耗低，且整体系统稳定度与精确度高。

为实现上述目的，本发明提供了一种电润湿控制光学扫描探头，包含光纤以及液体透镜模块。液体透镜模块接合于光纤的出光端以产生聚焦光来进行前向扫描。液体透镜模块包含多个电极、电压施加装置、介电质层以及液体透镜(micro-liquid lens)。电压施加装置电性连接至电极。介电质层设置于电极上。液体透镜设置于介电质层上。其中液体透镜模块的电压施加装置基于电润湿效应(electrowetting effect)来调整施加于液体透镜模块的电极的电压，以调变液体透镜与液体透镜模块的介电质层的接触角，从而调变聚焦光的变焦程度。

在一些实施例中，上述电润湿控制光学扫描探头还包含反射元件，用以接收聚焦光，并将聚焦光反射到侧向来进行侧向扫描。

在一些实施例中，上述电润湿控制光学扫描探头还包含液体棱镜模块，用以接收聚焦光以产生扫描光来进行侧向扫描，其中液体棱镜模块包含多个电极、电压施加装置、介电质层以及液体棱镜(micro-liquid prism)。电压施加装置电性连接至电极。介电质层设置于电极上。液体棱镜设置于介电质层上，液体棱镜包含至少两种液体。其中液体棱镜模块的电压施加装置基于电润湿效应来调整施加于液体棱镜模块的电极的电压，以调变至少两种液体之间的介面轮廓，从而调变扫描光的扫描型态。

在一些实施例中，上述光纤为偏振保持光纤(polarization maintained fiber)，上述电润湿控制光学扫描探头还包含液体棱镜模块，其中液体棱镜模块为具有光偏极效应的液体偏光棱镜模块，用以接收聚焦光以产生S极化(S-polarized)反射光来进行侧向扫描以及P极化(P-polarized)穿透光来进行前向扫描，其中液体棱镜模块包含多个电极、电压施加装置、介电质层以及液体棱镜。电压施加装置电性连接至电极。介电质层设置于电极上。液体棱镜设置于介电质层上，液体棱镜包含至少两种液体。其中液体棱镜模块的电压施加装置基于电润湿效应来调整施加于液体棱镜模块的电极的电压，以调变至少两种液体之间的介面轮廓，从而调变S极化反射光与P极化穿透光的扫描型态。

在一些实施例中，上述液体透镜包含至少一种液体，上述液体透镜的至少一种液体或液体棱镜的至少两种液体为电解质液体、带有电荷的低导电性液体、或带有电荷的非导电性液体。

在一些实施例中，上述液体透镜包含至少两种液体，上述液体透镜的至少两种液体或液体棱镜的至少两种液体为具有不同介电常数且互不相容的液体。

在一些实施例中，上述光纤为单模光纤或偏振保持光纤。

在一些实施例中，上述液体透镜模块的电压施加装置调整施加于液体透镜模块的电极的交流电压的振幅与频率，以调变聚焦光的变焦程度来进行前向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的二维螺旋线扫描。

在一些实施例中，上述液体棱镜模块的电压施加装置调整施加于液体棱镜模块的电极的交流电压的振幅与频率，以调变扫描光的扫描型态为侧向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的三维螺旋线扫描。

在一些实施例中，上述液体棱镜模块的电压施加装置调整施加于液体棱镜模块的电极的交流电压的振幅与频率，以调变S极化反射光的扫描型态为侧向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的三维螺旋线扫描，且调变P极化穿透光的扫描型态为前向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的二维螺旋线扫描。

与现有技术相比，根据本发明的电润湿控制光学扫描探头，由电润湿控制，优点在于响应快且低耗能；且由于无机械式驱动机构，可提升至整体系统稳定度与精确度；再者，电润湿控制光学扫描探头的光机构造简单，体积可大幅缩小。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

从以下结合所附附图所做的详细描述，可对本发明的实施例有更佳的了解。需注意的是，根据业界的标准实务，各特征并未依比例绘示。事实上，为了使讨论更为清楚，各特征的尺寸都可任意地增加或减少。

图1是根据本发明的第一实施例的电润湿控制光学扫描探头的示意图。

图2是根据本发明的第二实施例的电润湿控制光学扫描探头的示意图。

图3A与图3B是根据本发明的第三实施例的电润湿控制光学扫描探头的示意图。

图4是根据本发明的第四实施例的电润湿控制光学扫描探头的示意图。

主要附图标记说明：

71-反射元件，80-聚焦光，82-S极化反射光，84-P极化穿透光，90-扫描光，100、200、300、400-电润湿控制光学扫描探头，110-光纤，120-液体透镜模块，122、132-电极，124、134-电压施加装置，126、136-介电质层，128-液体透镜，130-液体棱镜模块，138-液体棱镜，138A、138B、438A、438B-液体，410-偏振保持光纤，430-液体偏光棱镜模块，438-液体偏光棱镜。

具体实施方式

以下仔细讨论本发明的实施例。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的概念，其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论、公开的实施例仅供说明，并非用以限定本发明的范围。

图1是根据本发明的第一实施例的电润湿控制光学扫描探头100的示意图。电润湿控制光学扫描探头100包含光纤110以及液体透镜模块120。液体透镜模块120接合于光纤110的出光端，当入射光由光纤的入光端(如图1的光纤110的左侧)入射时，入射光会经由液体透镜模块120而聚焦，使液体透镜模块120产生聚焦光80来进行前向扫描。液体透镜模块120包含多个电极122、电压施加装置124、介电质层126以及液体透镜128。电压施加装置124电性连接至电极122。介电质层126设置于电极124上。液体透镜128设置于介电质层126上。

在本发明的第一实施例中，光纤110为单模光纤或偏振保持光纤(polarizationmaintained fiber)。在本发明的第一实施例中，多个电极122为连续性电极，多个电极122配置为电极阵列(electrode array)，多个电极122可例如以圆环的方式而围绕液体透镜128来进行配置，多个电极122可为例如以氧化铟锡(ITO)制成的透明电极板。在本发明的第一实施例中，液体透镜128包含一种以上液体，且液体透镜128所包含的液体为电解质液体、带有电荷的低导电性液体、或带有电荷的非导电性液体。当液体透镜128包含两种以上的液体时，该些液体为具有不同介电常数、密度相近、且互不相容的液体。介电质层126为疏水的或者包含疏水涂层，使得液体透镜128与介电质层126之间存在由表面张力所造成的接触角。

在本发明的第一实施例中，液体透镜模块120的电压施加装置124连接至控制单元(图未示)，所述控制单元基于电润湿效应(electrowetting effect)来调整电压施加装置124施加于液体透镜模块120的电极122的电压，以调变液体透镜128与液体透镜模块120的介电质层126的接触角，从而调变聚焦光80的变焦程度。具体而言，所述控制单元基于电润湿效应来调整电压施加装置124施加于液体透镜模块120的电极122的交流电压的振幅与频率，以调变液体透镜128与液体透镜模块120的介电质层126的接触角，从而调变聚焦光80的变焦程度来进行前向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的二维螺旋线扫描。

举例而言，借由调整施加于电极122的电压使得聚焦光80固定地聚焦于某个固定点，来进行前向的静态的点侦测。举例而言，借由动态地调整施加于电极122的交流电压的振幅与频率使得聚焦光80随着时间的改变而动态地聚焦于某一直线上的各个不同点位置，来进行前向的动态的直线扫描。举例而言，借由动态地调整施加于电极122的交流电压的振幅与频率使得聚焦光80随着时间的改变而动态地聚焦于某一圆周上的各个不同点位置，来进行前向的动态的圆环扫描。举例而言，借由动态地调整施加于电极122的交流电压的振幅与频率使得聚焦光80随着时间的改变而动态地聚焦于某一二维螺旋线上的各个不同点位置，来进行前向的动态的二维螺旋线扫描。

图2是根据本发明的第二实施例的电润湿控制光学扫描探头200的示意图。电润湿控制光学扫描探头200与电润湿控制光学扫描探头100的差异在于，电润湿控制光学扫描探头2000还包含反射元件(Reflector)71设置于液体透镜模块120所发射出的聚焦光80的行进路径的前方，电润湿控制光学扫描探头2000的反射元件71用以接收聚焦光80，并将聚焦光80反射到侧向而形成扫描光90来进行侧向扫描。具体而言，在本发明的第二实施例中，基于电润湿效应来调整施加于液体透镜模块120的电极122的电压，以调变聚焦光80的变焦程度，使得聚焦光80能够以点、直线、圆环线或螺旋线路径导向固定式的反射元件71，从而使得被反射到侧向的扫描光90能够对应地进行侧向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的三维螺旋线扫描。

图3A与图3B是根据本发明的第三实施例的电润湿控制光学扫描探头300的示意图。电润湿控制光学扫描探头300与电润湿控制光学扫描探头100的差异在于，电润湿控制光学扫描探头300还包含液体棱镜模块130设置于液体透镜模块120所发射出的聚焦光80的行进路径的前方，电润湿控制光学扫描探头300的液体棱镜模块130用以接收聚焦光80，并将聚焦光80反射到侧向而形成扫描光90来进行侧向扫描。

液体棱镜模块130包含多个电极132、电压施加装置134、介电质层136以及液体棱镜138。电压施加装置134电性连接至电极132。介电质层136设置于电极132上。液体棱镜138设置于介电质层136上，液体棱镜138包含至少两种液体。在本发明的第三实施例中，液体棱镜138所包含的液体为电解质液体、带有电荷的低导电性液体、或带有电荷的非导电性液体。在本发明的第三实施例中，液体棱镜138所包含的液体具有不同介电常数、密度相近、且互不相容的液体。举例而言，如图3A与图3B所示，液体棱镜138包含液体138A与138B。

在本发明的第三实施例中，液体棱镜模块130的电压施加装置134连接至控制单元(图未示)，所述控制单元基于电润湿效应来调整电压施加装置134施加于液体棱镜模块130的电极132的电压，以调变至少两种液体(例如液体138A与138B)之间的介面轮廓，从而调变扫描光90的扫描型态。具体而言，所述控制单元基于电润湿效应来调整电压施加装置134施加于液体棱镜模块130的电极132的交流电压的振幅与频率，以调变液体棱镜138所包含的液体138A与138B的介面轮廓，从而调变扫描光90的扫描型态来进行侧向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的三维螺旋线扫描。

在本发明的第三实施例中，如图3A与图3B所示，可借由调整施加于液体棱镜模块130的电极132的电压来使得液体棱镜138所包含的液体138A与138B的介面轮廓产生轮廓变化，使得液体138A与138B的介面轮廓成为可控的静态或动态旋转反射面，从而使得扫描光90的扫描型态能够进行侧向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的三维螺旋线扫描。

举例而言，借由调整施加于液体透镜模块120的电极122与液体棱镜模块130的电极132的电压使得扫描光90固定地聚焦于某个固定点，来进行侧向的静态的点侦测。举例而言，借由动态地调整施加于液体透镜模块120的电极122与液体棱镜模块130的电极132的交流电压的振幅与频率使得扫描光90随着时间的改变而动态地聚焦于某一直线上的各个不同点位置，来进行侧向的动态的直线扫描。举例而言，借由动态地调整施加于液体透镜模块120的电极122与液体棱镜模块130的电极132的交流电压的振幅与频率使得扫描光90随着时间的改变而动态地聚焦于某一圆周上的各个不同点位置，来进行侧向的动态的圆环扫描。举例而言，借由动态地调整施加于液体透镜模块120的电极122与液体棱镜模块130的电极132的交流电压的振幅与频率使得扫描光90随着时间的改变而动态地聚焦于某一三维螺旋线上的各个不同点位置，来进行侧向的动态的三维螺旋线扫描。

图4是根据本发明的第四实施例的电润湿控制光学扫描探头400的示意图。电润湿控制光学扫描探头100包含偏振保持光纤410、液体透镜模块120以及液体偏光棱镜模块430。关于电润湿控制光学扫描探头400的液体透镜模块120的组成与电润湿控制光学扫描探头100的液体透镜模块120相同，在此不再赘述。液体偏光棱镜模块430具有光偏极效应，用以接收聚焦光以产生S极化(S-polarized)反射光82来进行侧向扫描以及P极化(P-polarized)穿透光84来进行前向扫描。

如图4所示，液体偏光棱镜模块430包含多个电极132、电压施加装置134、介电质层136以及液体偏光棱镜438。电压施加装置134电性连接至电极132。介电质层136设置于电极132上。液体偏光棱镜438设置于介电质层136上，液体偏光棱镜438包含至少两种液体。在本发明的第四实施例中，液体偏光棱镜438所包含的液体为电解质液体、带有电荷的低导电性液体、或带有电荷的非导电性液体。在本发明的第四实施例中，液体偏光棱镜438所包含的液体具有不同介电常数、密度相近、且互不相容的液体。举例而言，如图4所示，液体偏光棱镜438包含液体438A与438B。

在本发明的第四实施例中，液体偏光棱镜模块430的电压施加装置134连接至控制单元(图未示)，所述控制单元基于电润湿效应来调整电压施加装置134施加于液体偏光棱镜模块430的电极132的电压，以调变至少两种液体(例如液体438A与438B)之间的介面轮廓，从而调变S极化反射光82与P极化穿透光84的扫描型态。具体而言，所述控制单元基于电润湿效应来调整施加于液体偏光棱镜模块430的电极132的交流电压的振幅与频率，以调变液体偏光棱镜438所包含的液体438A与438B的介面轮廓，从而调变S极化反射光82的扫描型态来进行侧向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的三维螺旋线扫描，且调变P极化穿透光84的扫描型态来进行前向的静态的点侦测、动态的直线扫描、动态的圆环扫描或动态的二维螺旋线扫描。

具体而言，本发明的第四实施例的电润湿控制光学扫描探头400借由偏振保持光纤410配合光偏极原理使得入射于态偏光棱镜438的聚焦光80同时产生S极化反射光82与P极化穿透光84，从而同步完成侧向扫描与前向扫描的目的，因此，若是将电润湿控制光学扫描探头400应用于管内组织结构的扫描场合，则能够在不抽换光学扫描探头的情形下，即能建构出完整的管腔结构组织断层扫描影像。

值得一提的是，本发明所提出的电润湿控制光学扫描探头乃是由电润湿控制，优点在于响应快且低耗能；且由于无机械式驱动机构，可提升至整体系统稳定度与精确度；再者，电润湿控制光学扫描探头的光机构造简单，体积可大幅缩小。

综合上述，本发明提出一种电润湿控制光学扫描探头，借由电润湿控制来调变其扫描型态，本发明所提出的电润湿控制光学扫描探头优点在于，响应时间短、变焦范围宽、操作便捷、集成性能好、结构简单、耗能低、透镜口径大小灵活、加工容易、稳定度佳、准确度高、低耗能、具高度附加价值等等优点。

以上概述了多个实施例的特征，因此本领域技术人员可以更了解本发明的实施例。本领域技术人员应了解到，其可轻易地把本发明当作基础来设计或修改其他的工艺与结构，借此实现和在此所介绍的这些实施例相同的目标及/或达到相同的优点。本领域技术人员也应可明白，这些等效的建构并未脱离本发明的精神与范围，并且他们可以在不脱离本发明精神与范围的前提下做各种的改变、替换与变动。