補償角色散的補償器系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適于補償由光學系統(tǒng)的至少一個聲光偏轉器偏轉的電磁束的角色散的補償器系統(tǒng)，其中，每個偏轉束的角色散取決于由所述聲光偏轉器的偏轉聲頻獲得的偏轉角，其特征在于，所述補償器系統(tǒng)包括：第一透鏡組，用于通過將所述束基本上聚焦于焦平面上而在空間上分離具有不同偏轉角和角色散的偏轉束；補償器元件，具有第一表面和第二表面，并布置成使所述補償器元件的第一表面基本上位于所述第一透鏡組的焦平面中，所述補償器元件的第一和第二表面具有標稱半徑R1和R2，所述第一表面和第二表面一起充當具有傾角β和棱鏡開口角αp的棱鏡，傾角β和棱鏡開口角αp隨著離光軸的距離而變化，以補償在空間上分離的偏轉束的角色散；第二透鏡組，布置成使從所述補償器元件出射的每個偏轉束的不同波長成分基本上平行，同時維持在不同聲頻偏轉的束的角變化。本發(fā)明還涉及補償由光學系統(tǒng)的至少一個聲光偏轉器偏轉的電磁束的角色散的方法，其中，每個偏轉束的角色散取決于由偏轉聲頻獲得的偏轉角，其特征在于，通過經由第一透鏡組將所述束基本上聚集于所述第一透鏡組的焦平面上而在空間上分離具有不同偏轉角和角色散的偏轉束；根據指定束的角色散補償在空間上分離的偏轉束的角色散；使每個偏轉束的頻譜成分基本上平行，同時維持在不同聲頻偏轉的束的角變化。
【專利說明】補償角色散的補償器系統(tǒng)和方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適于補償由光學系統(tǒng)的至少一對聲光偏轉器偏轉的電磁束的角 色散的補償器系統(tǒng)和方法，其中，每個偏轉束的角色散取決于由聲光偏轉器的偏轉聲頻獲 得的偏轉角。

【背景技術】
[0002] 三維（3D)隨機存取激光掃描技術在對生物標本執(zhí)行測量（包括掃描、成像、檢測、 激發(fā)等）方面是很重要的，例如使生物結構成像或測定細胞表面受體的熒光標記或執(zhí)行如 釋放/光模擬（photosimulation)、FRET (熒光共振能量轉移）、FUM(熒光壽命成像）等的 測量。
[0003] 常用3D激光掃描顯微鏡是共焦顯微鏡或多光子（雙光子）顯微鏡。在共焦顯微 鏡技術中，針孔布置在偏轉器之前，以過濾出從除顯微鏡物鏡的焦平面之外的任何其它平 面反射的光。由此，可使位于樣品（例如生物標本）不同深度的平面成像。
[0004] 雙光子激光掃描顯微鏡使用低能量的激光，其中，需要兩個光子在量子事件中激 發(fā)熒光，導致發(fā)射熒光光子，熒光光子隨后由檢測器檢測。幾乎同時吸收兩個光子的可能 性極其低，要求高通量的激發(fā)光子，因此，雙光子激發(fā)實際上僅發(fā)生在激光束的焦斑（focal spot)中，在焦斑處，束強度超過雙光子閾值。光子數量還可通過鎖模激發(fā)激光使光子以高 強度反彈到達樣品而得以增加。通常，飛秒脈沖激光用于給雙光子激發(fā)提供所需光子通量， 同時保持平均激光束強度足夠低以避免熱樣品惡化。
[0005] 當應用上述任一技術時，通常通過經由例如步進電機移動樣品臺來實施3D掃描， 然而，當使用浸沒式標本室時或當用微電極對生物標本上進行電子記錄時，這實施起來復 雜。樣品臺的移動是緩慢過程，允許分鐘量級的成像速度或十分低（像素）數量的測量點， 從而導致低分辨率。相應地，在分析生物標本的情況下，通常優(yōu)選地移動激光束的焦斑，而 不是移動標本。這可通過偏轉激光束以掃描焦平面（XY平面）中的不同點和通過經由例如 壓電定位器沿其光軸（Z軸）移動物鏡以改變焦平面深度而實現(xiàn)。XY掃描通常通過經由機 械光學偏轉裝置（比如安裝在振鏡掃描儀（galvanometric scanner)上的偏轉鏡）在指定 焦平面（XY平面）內偏轉激光束來實現(xiàn)。
[0006] 機械掃描組件（即，掃描反射鏡和顯微鏡物鏡）的慣性（inertia)關于可實現(xiàn)的 掃描速度具有一定局限性，因為掃描組件需要物理地移動以執(zhí)行3D掃描。
[0007] 已提出快速聲光偏轉器（A0D)作為常規(guī)機械光學方案的替代例。
[0008] Kaplan 等人（"Acousto-optic lens with very fast focus scanning"，OPTICS LETTERS/Vol.26，No. 14/July 15,（2001))提出了一種由兩個A0D組成的聲光透鏡，具有相 位鎖定的反向傳播的聲波，以僅實現(xiàn)焦平面沿z軸的偏移，而不需要橫向移動波束。通過由 聲光設備改變聲頻的掃描速率來改變聲光透鏡的焦點。
[0009] 在US7227127中，使用上述原理來提供3D掃描?？梢酝ㄟ^使用四個聲光偏轉器而 在菱狀體積的空間中移動波束焦點，兩個聲光偏轉器用于兩個橫向方向（X和y)。橫向掃描 是在同一橫向方向上衍射的兩個AOD的聲頻差的結果，而深度調焦（即沿z軸的焦點偏移） 通過改變相同A0D的聲頻的掃描速率而實現(xiàn)。因此，焦點可以準獨立地在x-z和y-z平面 中調節(jié)，其中，z是對應于設備光軸的縱向方向。當X和y偏轉單元中的聲頻掃描速率沒有 完美匹配時，這還導致強像散。
[0010] 然而，存在關于現(xiàn)有技術AOD 3D掃描技術的許多問題，比如空間和時間色散，尤 其是當與多光子掃描技術結合應用時。
[0011] 現(xiàn)有技術A0D系統(tǒng)通過在A0D之間應用各色散補償元件或通過A0D對的特定布置 而多少消除了空間色散，如W02010/076579中所述。不過，現(xiàn)有技術光學布置不能充分地減 少A0D角色散，主要是因為其空間非均勻性。
[0012] 準直具有角色散的光束的已知方式是將棱鏡10放置在光路中，如圖1所示。入射 束12b包括不同波長成分，其中表示出的是最長波長成分λ |，中心波長成分λ 、和最短 波長成分λ 。在所示光學布置中，入射束12b通過使原始束12a穿過第一棱鏡10a使得原 始束12a以布魯斯特角α 射在第一棱鏡l〇a上而產生。第一棱鏡10a分開原始束 12a的不同波長成分，從而引入角色散。第二棱鏡10具有與第一棱鏡10相同的棱鏡開口角 α p。在具有角色散的第二束12b穿過第二棱鏡10b后，不同波長成分λ λ 、和λ 被準 直，即第三折射束12c的波長成分λ λ 、和λ ^彼此平行地傳播，但是具有取決于波長 的位置。相應地，棱鏡可用于補償由A0D對引入的角色散，如Shaoqun Zeng等人在Analysis of the dispersion compensation of acousto-optic deflectors used for multiphoton imaging(J.Biomed.0pt.l2,024015(Mar 09,2007) ;doi:10.1117/l. 2714061)中所建議 的。然而，實際上，角色散取決于所應用的聲頻，因此單個棱鏡不足以補償所有頻率的角色 散。


【發(fā)明內容】

[0013] 本發(fā)明的目的是克服與現(xiàn)有技術激光掃描顯微鏡相關聯(lián)及總體上與包括聲光偏 轉器（將角色散引入偏轉光束中）的任何光學系統(tǒng)相關聯(lián)的問題。
[0014] 特別地，本發(fā)明的目的是提供角色散補償系統(tǒng)，其減少偏轉光束的偏轉角對波長 的依賴性。
[0015] 本發(fā)明人意識到，通過提供具有兩個表面（一起充當具有變化的和匹配的入射角 和開口角的棱鏡）的補償器，可在光學系統(tǒng)中利用棱鏡的角色散補償特性，在該光學系統(tǒng) 中，電磁束的角色散取決于離光學系統(tǒng)的光軸的距離。本發(fā)明人還意識到，在激光掃描顯微 鏡中（其中，聲光偏轉器（A0D)用于偏轉掃描激光束），第一透鏡組可用于將偏轉束聚焦于 對應于這種補償器的表面之一的焦平面，由此，不同角色散的束在空間上分離，允許針對每 個波束通過適當成形的補償器獨立地補償角色散。
[0016] 上述目的通過根據權利要求1的補償器系統(tǒng)和根據權利要求5的方法來實現(xiàn)。
[0017] 本發(fā)明的其它有利實施例在所附從屬權利要求中限定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 從附圖和示例性實施例中會明白本發(fā)明的其它細節(jié)。
[0019] 圖1是分離和準直光束的不同波長成分的雙棱鏡光學布置的示意圖。
[0020] 圖2是根據本發(fā)明的布置在A0D和物鏡之間的補償器系統(tǒng)的示意圖。
[0021] 圖3是圖2的截面A的放大圖。
[0022] 圖4是圖2的補償器系統(tǒng)的補償器元件的示意圖。
[0023] 圖5是示出在不同聲頻，由A0D產生的偏轉角與波長的關系曲線的示圖。
[0024] 圖6是當單個偏轉器用于在指定x-z或y-ζ平面中偏轉束時，角色散（d Θ /dX ) 與偏轉角（Θ)的關系曲線的計算圖。
[0025] 圖7是示出當兩個連續(xù)的偏轉器用于在指定χ-ζ或y-z平面中偏轉束時，角色散 (d0 drf/cU)與偏轉角（0drf)的關系曲線的示圖。

【具體實施方式】
[0026] 圖2示出根據本發(fā)明的補償器系統(tǒng)20,其布置在一對連續(xù)的A0D13、14的第二A0D 14與光學系統(tǒng)（比如激光掃描顯微鏡（未不出））的物鏡16之間。光學系統(tǒng)可包括兩個連 續(xù)的A0D 13、14之間的各光學元件，如W02010/076579所討論的，另外，光學系統(tǒng)通常包括 第二對A0D，使得第一對A0D用于在第一橫向方向X上偏轉電磁束18,而第二對A0D在垂直 于第一橫向方向X的第二橫向方向y上偏轉束18。為了簡化起見，在下文中僅不出并討論 一對連續(xù)的A0D 13和14,然而，在對應于第二對A0D的橫向方向上，可類似地計算出束偏 轉。
[0027] 補償器系統(tǒng)20包括第一透鏡組22和第二透鏡組24,它們沿對應于物鏡16光軸的 共用光軸Z布置成在A0D 14的下游彼此隔開。在圖2中，為簡化起見，第一透鏡組22和第 二透鏡組24顯示為單個透鏡，然而，兩個透鏡組22和24可包括多于一個的透鏡，形成消色 差雙合透鏡或復消色差三合透鏡。
[0028] 補償器元件26布置在第一透鏡組22和第二透鏡組24之間，使得補償器元件26的 第一表面26a基本上位于第一透鏡組22的焦平面FP中，而補償器元件26的第二表面26b 面向第二透鏡組24。
[0029] 舉例來說，在圖2中示出兩個偏轉束18和18'。由于所應用的偏轉聲頻f\、f2，第 一束18通過八〇〇13、14對以關于光軸2的角度0 (^偏轉。第二所示束18'的偏轉角0(^， 通過分別在兩個連續(xù)的A0D 13和14中應用聲頻f/和f2'來獲得。
[0030] 第一透鏡組22將第一束18聚焦至基本上位于第一透鏡組22的焦平面FP中的、 與光軸Z(以及第一透鏡組22的焦點F)相距第一距離r的第一點P。第二束18'聚焦至 基本上位于第一透鏡組22的焦平面FP中的、與光軸Z相距第二距離r'的第二點P'。離 光軸2的距離1'、1*'取決于從第二六〇〇14出射的束18、18'的偏轉角0 (^、0(^，，因此，束 18、18'在空間上根據它們的不同偏轉角0drf和0 drf，而分離。如稍后會清楚，不同的偏轉 角θ^、0drf，導致不同的角色散，因此束18、18'還關于它們的不同角色散在空間上擴散， 由此，聚焦束18、18'的角色散隨離光軸Z的距離r、r'而變化。因此，第一透鏡組22有效 地用于在空間上分離具有不同角色散的束18、18'。
[0031] 如前面所提及的，補償器元件26的第一表面26a基本上位于第一透鏡組22的焦 平面FP中，所以束18、18'實際上聚焦于補償器元件26的第一表面26a上。清楚的是，實 際聚焦點P、P'與第一表面26a之間的偏差隨著偏轉角0 drf、0def，的增加而增加，然而，盡 管有該偏差，但是通過根據本發(fā)明的補償器系統(tǒng)20可顯著地改善隨后的視場，如從下面討 論中所明白的。
[0032] 由于具有不同角色散（和偏轉角0drf、0def，）的束18、18'實際上聚焦在補償器 系統(tǒng)26的第一表面26a的不同點P、P'上，所以可將補償器元件26設計成比如局部地作用 為棱鏡，以補償聚焦于指定局部表面區(qū)域上的束18、18'的角色散。如果放大焦點P，如圖3 所示，則可看出，盡管從上述討論中明白存在小偏差，但是入射束18的不同波長成分18a、 18b、18c (即，僅示出頻譜成分中的三個）聚焦于不同點Pa、Pb、Pc (顯示為位于補償器系統(tǒng) 26的第一表面26a上）。因此，可將補償器兀件26的第一表面26a和第二表面26b設計成 比如具有標稱半徑&和1? 2(見圖4)，它們一起用作具有關于共用光軸z的旋轉角β和棱 鏡開口角αρ(見圖1)的局部棱鏡，該旋轉角β和棱鏡開口角 〇￡)隨離光軸Ζ的距離而變 化，以補償在空間上分開的偏轉束18、18'的角色散。
[0033] 第二透鏡組24布置成基本上使從補償器元件26出射的每個偏轉束18、18'的不 同波長成分18a、18b、18c平行。由第一透鏡組22、補償器元件26和第二透鏡組24構成的 補償器系統(tǒng)設計成具有角度放大率M，因此其將偏轉角Θ def、Θ def，轉換為Μ* Θ def、M* Θ def，， 從而維持分別在不同聲頻4、4和fV、f2'處偏轉的束18、18'的角變化。第二透鏡組24在 物鏡16的出瞳（未示出）處產生圖像。系統(tǒng)的放大率設計成產生與物鏡后孔徑尺寸相同 的聲光偏轉器孔徑的圖像。
[0034] 在下面的描述部分中，提出了設計補償器系統(tǒng)20,尤其是計算補償器系統(tǒng)26的兩 個表面26a、26b的計算方法。
[0035] 第一聲光偏轉器13中的偏轉角Θ i由各向同性的布拉格方程與各向異性相互作 用的狄克遜方程控制。
[0036] 布拉格關系[方程（1)]表明偏轉角的正弦與光學波長的線性關系：
[0037]

【權利要求】
1. 一種補償器系統(tǒng)，適于補償由光學系統(tǒng)的至少一個聲光偏轉器偏轉的電磁束的角色 散，其中，每個偏轉束的角色散取決于由所述聲光偏轉器的偏轉聲頻獲得的所述偏轉角，其 特征在于，所述補償器系統(tǒng)包括： -第一透鏡組，通過將所述束基本上聚焦于所述焦平面上而在空間上分離具有不同偏 轉角和角色散的所述偏轉束； -補償器元件，具有第一表面和第二表面，并布置成使所述補償器元件的第一表面基本 上位于所述第一透鏡組的焦平面中，所述補償器元件的第一和第二表面具有標稱半徑凡和 R2，所述第一表面和第二表面一起充當具有傾角β和棱鏡開口角αρ的棱鏡，所述傾角β 和棱鏡開口角αρ隨著離所述光軸的距離而變化，以補償所述在空間上分離的偏轉束的角 色散； -第二透鏡組，布置成使從所述補償器元件出射的每個偏轉束的不同波長成分基本上 平行，同時維持在不同聲頻偏轉的束的角變化。
2. 如權利要求1所述的補償器系統(tǒng)，其中，所述補償器元件適于補償由至少一對聲光 偏轉器偏轉的束的角色散。
3. 如權利要求2所述的補償器系統(tǒng)，其中，所述補償器元件適于補償由在第一橫向方 向（X)上偏轉所述束的第一對聲光偏轉器以及在第二橫向方向（y)上偏轉所述束的第二對 聲光偏轉器偏轉的束的角色散。
4. 如權利要求1至3任一項所述的補償器系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡組（22)由雙透鏡 構成，所述第二透鏡組（24)由單個透鏡構成。
5. -種補償由光學系統(tǒng)的至少一個聲光偏轉器偏轉的電磁束的角色散的方法，其中， 每個偏轉束的角色散取決于由所述偏轉聲頻獲得的所述偏轉角，其特征在于， -通過經由第一透鏡組將所述束基本上聚集于所述第一透鏡組的焦平面上而在空間上 分離具有不同偏轉角和角色散的所述偏轉束； -根據所述指定束的角色散，補償所述在空間上分離的偏轉束的角色散； -使每個偏轉束的頻譜成分基本上平行，同時維持在不同聲頻偏轉的所述束的角變化。
6. 如權利要求5所述的方法，其中，補償所述在空間上分離的偏轉束的角色散的步驟 包括提供補償器元件，所述補償器元件具有第一表面和第二表面，并布置成使所述補償器 元件的第一表面基本上位于所述第一透鏡組的焦平面中，所述補償器元件的第一和第二表 面具有標稱半徑&和1? 2，所述第一表面和第二表面一起充當具有傾角β和棱鏡開口角αρ 的棱鏡，所述傾角β和棱鏡開口角^^隨著離所述光軸的距離而變化，以補償所述在空間 上分離的偏轉束的角色散。
7. 如權利要求5或6所述的方法，其中，通過所述光學系統(tǒng)的至少聲光偏轉器對使所述 束偏轉。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，通過在第一橫向方向（X)上偏轉所述束的第一對聲 光偏轉器和在第二橫向方向（y)上偏轉所述束的第二對聲光偏轉器使所述束偏轉。
9. 一種光學系統(tǒng)，包括至少一個聲光偏轉器，其特征在于包括如權利要求1所述的補 償器系統(tǒng)。
10. 如權利要求9所述的光學系統(tǒng)，其中，所述光學系統(tǒng)包括兩個連續(xù)的聲光偏轉器， 補償器系統(tǒng)布置在每個聲光偏轉器之后。
11. 如權利要求10所述的光學系統(tǒng)，其中，所述光學系統(tǒng)至少包括聲光偏轉器對，所述 補償器系統(tǒng)的補償器元件適于補償由至少所述聲光偏轉器對偏轉的束的角色散。
12. 如權利要求11所述的光學系統(tǒng)，其中，所述光學系統(tǒng)至少包括在第一橫向方向（X) 上偏轉所述束的第一對聲光偏轉器和在第二橫向方向（y)上偏轉所述束的第二對聲光偏 轉器，所述補償器系統(tǒng)的補償器元件適于補償由所述第一和第二聲光偏轉器偏轉的束的角 色散。
13. 如權利要求1至4任一項所述的補償器系統(tǒng)，其中，取代所述聲光偏轉器，適于電光 偏轉器或全息空間調制器或這些偏轉器的組合的要補償的角色散。
14. 如權利要求5至8任一項所述的方法，其中，取代所述聲光偏轉器，適于電光偏轉器 或全息空間調制器或這些偏轉器的組合的要補償的角色散。
15. 如權利要求9至12任一項所述的光學系統(tǒng)，其中，取代所述聲光偏轉器，適于電光 偏轉器或全息空間調制器或這些偏轉器的組合的要補償的角色散。
【文檔編號】G02B21/00GK104115062SQ201280069977
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年1月5日 優(yōu)先權日:2011年12月28日
【發(fā)明者】B.羅茲薩, G.卡托納, M.維雷斯, P.馬克, G.扎萊 申請人:菲托尼克斯公司