CN105518509B - 通过调节性折射介质进行聚焦阵列扫描的设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了使用至少一个可调或倾斜介质执行聚焦阵列扫描的方法和设备。所述介质能够被可控地倾斜以将电磁照射光束垂直于其传播而平移，并在离开介质时将沿原来的进入方向传播。这允许例如激光器之类的发射照射设备保持静止而且仍扫描2D阵列。此外，反射的荧光经历相反的偏移以“逆行”扫描偏移并使微光束重新与微透镜阵列对准。因此，收集光纤在扫描过程中可保持静止并从样品上的不同斑点收集光。

Description

通过调节性折射介质进行聚焦阵列扫描的设备和方法

技术领域

本公开内容涉及一种利用多路复用阵列进行光学扫描的设备和方法。

背景技术

使用电磁照射光束扫描用于大量现代技术中，从3D环境扫描到摄谱术到显微术。这样，需要高效的方法、设备和系统来加速处理。现有技术教示了使用一条或一些光束扫描环境并可基于反射光束确定环境信息。为了高效操作光束或各光束来扫描环境，可能需要保持恒定的传播角度，而同时仍然横越2D格栅。

许多当前技术使用单一的或仅一些焦点来扫描3D区域。特别地，传统的共焦显微镜光栅扫描单一焦点以产生3D信息。为了提高数据获取速度，可使用多路复用(multiplexing)的聚焦(foci)阵列。

多路复用方案的典型示例是Yokogawa转盘共焦方法，其中在转盘上的微透镜阵列覆盖全视野。用于光束扫描的现有技术通常采用检流计(galvanometer)镜以某种方式改变光束角度。如此扫描2D(x和y)格栅。不过，若给定检流计镜的性质，则此方法仅应用于一条或几条光束。如果要引入更大光束阵列以加速处理，如在多路复用共焦显微镜中常用的那样，则检流计镜将不会均匀作用于所有光束，逆反扫描在现有技术中并未公开。当检流计镜在一角度振荡时，不同光束将扫描出不同的样品范围。因此，如果一条光束对准以扫描一特定区域时，则周围其它光束将可能有不同的行为，对区域的扫描过小或过大，导致样品的一部分扫描多次，而其它部分完全未扫描。电流计窗口配置是另一种现有技术中未公开的方法，不过其使用局限于激光加工，而且未开发出多路复用和逆反扫描的益处。

可替代地，现有技术中现在使用棱镜实现对检流计镜的类似目的。旋转棱镜能够可预计地折射光束，但导致与检流计镜相同的问题，其中，如果不使用光束阵列，则所有光束将不会同等地折射。

另一选择是平移台，其也可用于前后移动镜以改变光束的偏转，而同时保持恒定的传播角度。不过，平移台通常未提供速度、分辨率、重量支撑的良好组合。最快的和最准确的台是压电台，不过这些台具有很低的载荷能力和行进范围。

发明内容

本公开内容详细描述使用可控调节的折射介质，所述折射介质均匀地折射平行的各照射光束或保持恒定传播方向的照射光束，无论光束与折射介质接触的位置如何。折射介质可使光束垂直于其传播而平移，最终离开的光束的方向平行于进入装置的光束的方向。此外，可引入第二折射介质，使照射光束或各光束垂直于进入光束且垂直于第一折射介质平移光束的方向而平移，从而给予所述阵列2D空间进行横越。

折射介质可为玻璃、塑料、萤石、或另一折射介质，所述另一折射介质具有均匀组分并且均匀地作用于平行的照射光束，无论在介质上的接触位置如何。装置折射能力取决于折射介质、介质厚度、和介质可调的范围，所有这些因素均可选择，以最优地适应于具体应用。例如，玻璃介质对小于25度的角度保持良好的线性(R²≥0.999)。装置可进一步附接到2D-1D光纤阵列缆线，2D-1D光纤阵列缆线将2D聚焦阵列转换为1D聚焦阵列，1D聚焦阵列可附接到能够使用所提供数据的装置。

因此，在此公开一种用于平移光束阵列的设备，包括：

折射介质，其具有相反的第一表面和第二表面并具有预选的折射系数，所述折射介质被可动地安装，以允许调节光束阵列在所述折射介质的所述第一表面上的入射角度，其中所述光束阵列具有传播方向，其中对于给定的折射系数和每条光束在所述第一表面上的给定的入射角度，每条光束在离开所述第二表面时独立于在所述光束阵列与折射介质之间的接触位置而沿侧向平移一已知量且平行于每条光束的传播方向。

在此还公开一种用于平移光束阵列的方法，包括：

将具有传播方向的光束阵列朝向具有预选折射系数的折射介质的第一表面以可调的入射角度引导，其中对于给定的折射系数和每条光束在所述第一表面上的给定的入射角度，每条光束在离开与所述第一表面平行的第二表面时独立于在所述光束阵列与折射介质之间的接触位置而沿侧向平移一已知量且平行于每条光束的传播方向。

对本发明的功能和有利方面的进一步理解可通过参照以下详细描述和附图得以实现。

附图说明

现在将仅示例性地参照附图描述各实施例，其中：

图1显示出穿过折射介质的光束的平移，其中输出光束平移而平行于入射光束。

图2a图示出用作显微镜一部分的图1所示设备。

图2b显示出使用图2a中所示部分的光学系统的更多内容。

图2c显示出图2a中的窗式倾斜扫描机构的实施例。

图2d显示出扫描相机2，其使用图2b中所示窗式倾斜扫描机构的实施例。

参照以下详细描述和附图，可实现对本公开内容的功能和有利方面的进一步理解。

具体实施方式

本公开内容的各种实施例和方案将参照所论述的细节描述如下。以下描述和附图用于例示本公开内容而且不用于限制本公开内容。附图尺寸无需按照比例。描述多个具体细节以提供对本公开内容各种实施例的透彻理解。不过，在特定情况下，公知的或常规的细节不再描述，以提供对本公开内容的实施例的简要论述。

在此所用的表述“示例性”是指“用作示例、例子、或图示”，而不应被理解为比其它在此所公开的构造更优选或更有利。

在此所用的表述“约”和“大致”，在结合颗粒尺寸、混合物组分或者其它物理性能或特性的范围使用时，是指：覆盖可能存在于量度范围的上限和下限中的微小变化，从而不排除量度大多数在平均值上满足要求但量度在统计学上可能存在于此区域之外的实施例。本公开内容意在不排除例如这样的实施例。

在此所用的措辞“逆反扫描(descan)”是指扫描机构逆行(reverse)其引起的沿向前传播方向的偏转的能力。结果，在样品上的焦点或聚焦阵列将移动以扫描样品，已通过扫描仪向回行进的荧光将经历倒转偏移，因而在此部位的焦点或聚焦阵列将是静止的。检流计扫描仪是逆反扫描系统的一个示例。Yokugawa转盘扫描仪不是逆反扫描式的，因而通过转盘扫描仪向回收集的荧光的聚焦位置总是随扫描位置而移动。也可以逆反扫描的扫描方法的优点在于：静止的探测器或探测器阵列可以用在收集输出处。

目前提出使用调节性折射介质扫描2D聚焦阵列。在一个实施例中，如图1中所示，照射光束6的操控通过使光束穿过折射介质1实现，折射介质1能够可控地倾斜或者调节。折射介质1包括平行相反的表面，其中，第一表面是光束入射到的表面，相反的第二表面平行于第一表面，且光束从第二表面离开介质1。如图1中所示，非法向入射的准直(collimated)光束6的传播可垂直地偏移一个小的距离5，而其传播方向保持不变。侧向偏移5取决于入射角度4(其也被称为可调倾斜角度)、折射介质的折射系数n、和介质的厚度2。在一个实施例中，折射介质1能够均匀地折射多条光束使其相互保持它们的相对位置。这允许阵列作为单一单元移动并允许更高效的扫描。这通过使照射光束穿过折射介质1而实现，折射介质1具有均匀的、不同于周围环境的密度。这作用于照射光束6以改变其方向3并使其在离开介质1时返回到其原传播角度(在穿过介质1之前平行于入射方向)。所有平行于光束6的照射入射光束将经历相同的最终偏转，这允许根据需要进行光束均匀偏移。

此外，所述仪器非常具有可调整性。折射介质的材料、厚度和倾斜角度决定所述装置的扫描范围。因此，倾斜范围的角分辨率可通过改变折射介质的厚度或材料得以解决；而且在一些实施例中，使这些参数可调节。对典型的玻璃而言，当倾斜角度小于25度时，光束偏转是相当线性的(其中相当线性是指R²≥0.999)。这种线性特性在形成高精确多路复用方案时也很重要。超出此外，则不具有线性关系，但其仍将均匀扫描阵列。因此，考虑非线性，反射损失不太大，扫描仪不限于25度。不过，改变厚度或材料将会是实现此目的的更好方式。

可用的折射介质包括但不限于：玻璃、塑料、和萤石。

优选实施例使用安装电流计(galvo)的窗口来可控地倾斜折射介质。这是经济的选择，在步骤模式中很快，或者甚至可通过谐振模式操作，并具有比所需好得多的角分辨率。可替代地，可使用其它倾斜机构，例如尖端倾斜台，不过它们通常更昂贵、角度范围有限、且常不具有开口(即，它们意在安装有镜)。

电流计配置目前按步骤移动。针对电流计发送绝对角度以移动到，且其移动小于1毫秒。这可当读出相机正在读出最后的帧时进行。如果需要更大的速度，则电流计也可被配置为连续扫描，并可达到谐振速度。

可选地，也可引入第二折射介质，其基于与前述相同的物理原理与进入光束(z轴)和第一折射介质1折射光的方向(x轴)垂直地(y轴)折射光。通过引入这种第二折射介质，单条或多条光束可有效扫描一个区域。这提供了一种在不改变传播方向的情况下沿与其传播相垂直的方向移动激光束位置的方法。

在本发明的一个实施例中，为了采用共焦配置2D聚焦阵列扫描的光束偏移方法，使用检流计扫描仪倾斜玻璃窗口，以扫描通过微透镜阵列产生的聚焦阵列影像。玻璃窗口用于在x-y平面中实现光栅扫描，其中如前所述，x-y平面是垂直于进入光束方向的平面。窗口倾斜使得输入光束偏转，允许这些光束在样品上扫描。逆反扫描被实现为从样品收集的向回穿过系统、并经历相反偏移的光，使得微光束重新与微透镜阵列对准。因此，即使微光束实际上在样品上扫描，在光纤阵列2D端处的聚焦阵列影像的位置也是固定的。

图2a至2d显示出本发明的用于强调技术和应用的不同实施例。图2a演示出窗口倾斜方法如何能够用于扫描通过微透镜阵列形成的聚焦阵列。图2b显示出扫描如何实际上应用于我们的当前试验配置中。图2c显示出图2a中的扫描方法如何能够应用于基于扫描相机的多路复用扫描显微镜的示例。图2d显示出类似于图2c中的基于扫描相机的系统的详细的实施方案，其中包括一些附加元件。

更特别地，图2a显示出用作显微镜简化设施的一部分的实施例。其中图示出穿过两个折射介质的多条照射光束。反射介质使光束垂直于传播角度且垂直于另一反射介质的平移而平移。这允许照射光束横越(traverse)全2D格栅。微透镜阵列7用于在影像平面8处产生聚焦阵列。影像平面8与显微镜9的管透镜(tube lens)10共享，因而聚焦阵列的影像利用管透镜10和物镜(objective)11投射通过系统以显现在样品12上。在微透镜阵列7与管透镜10之间，安置x倾斜折射窗口13a和y倾斜折射窗口13b，以分别水平地和竖直地偏转聚焦阵列影像。在样品处形成的聚焦阵列影像将根据折射窗口的倾斜而偏移。

图2b显示出图2a中所示部分的实际实施方案。主要区别在于：使用光中继以定位而在显微镜的适合位置处形成影像平面。微透镜阵列14仍用于在影像平面15处形成聚焦阵列。一对中继透镜16a、16b用于中继所述影像平面，从而形成新影像平面17，新影像平面17可与显微镜18的管透镜19共享。影像平面17处的聚焦阵列影像利用管透镜19和物镜20投射通过系统以在样品21上形成聚焦阵列。在成对的中继透镜16a、16b的两侧上是x倾斜折射窗口22a和y倾斜折射窗口22b，以分别实现聚焦阵列影像的水平和竖直偏转。如果不使用成对的中继透镜，则在仍保持与管透镜的公共影像平面的情况下将没有足够空间容纳两个扫描仪。

图2a和图2b中所示设施被简化，并图示出在显微镜入口处的实施例的实施方案。未示出非创新性部件，因而实施例应被理解为不是排斥性的。

图2c显示出图2a的实施方案作为基于简化式扫描相机的多路复用扫描系统的扫描部件。微透镜阵列27和2D-1D光纤束28a用于：将2D聚焦阵列转换为1D聚焦阵列，该1D聚焦阵列可被馈送到能够接收信号的装置的1D输出端中。宽光束的准直激励光23通过分色滤光器24被反射到扫描部件25中，扫描部件25的子部件和操作已在图2a中描述。发射光还通过扫描部件25被逆反扫描，并透射通过分色滤光器24以及发射滤光器26至第二微透镜阵列27上。微透镜阵列27使聚焦阵列重现到2D-1D光纤阵列28a的2D端上，在此聚焦阵列重新布置到28b处的1D线中，作为扫描相机29的输入。

图2d显示出实际试验实施方案。图2c和图2d之间的主要区别在于：除了如图2b中所述的实际扫描部件以外，还包括与光束成形器、共焦单元相关的细节。来自二极管激光器30的激励光通过耦合透镜31耦合(couple)到方芯(square core)光纤阵列32中。方芯光纤阵列32的输出是方形均匀光，方形均匀光通过凸透镜33扩散并通过分色滤光器34反射到扫描部件35上，恰如图2b中所见。发射光还通过扫描部件35逆反扫描并透射通过分色滤光器34以及发射滤光器36。共焦单元37包括两个共焦透镜38a、38b和一可调的针孔39以阻隔失焦的光。收集的光然后进入第二微透镜阵列40，微透镜阵列40使聚焦阵列重现到2D-1D光纤阵列的2D端41a上，在此聚焦阵列重新布置到41b处的1D线中，作为扫描相机42的输入。

可替代地，窗式电流计配置可施加在场镜与物镜之间。不过，可能需要另外的后处理软件和校准。在有限管长度的显微镜的情况下，这可通过简单地将窗式电流计安装到显微镜中处于这两个元件之间而实现，这是因为显微镜常常具有额外空间来添加常用元件。在无限校正(infinity-corrected)显微镜中，窗口将不会引起任何光束偏移，这是因为其对于准直光工作。可替代地，可使用棱镜，但这将会是相当不同且复杂得多的设备(很多线性和均匀性的优点将消失)。

在此描述的倾斜折射系数材料扫描机构提供了在倾斜角度与偏转距离之间的非常线性的关系。当倾斜角度在-25°至+25°之间时，与倾斜角度相关的偏转可被表达为线性的。倾斜玻璃扫描仪的实施例将在此线性范围内扫描，以形成透射光束的偏转±Δd。使用如图1中限定的倾斜角度4，正倾斜角度将会引起折射介质1逆时针倾斜，并使得透射光束均匀向上偏转一距离5。如果倾斜角度被调节为负的，则玻璃将顺时针倾斜，透射光束将相反地向下偏转。当倾斜角度为0时，玻璃相对于入射光束呈法向，将不会引起偏转。当倾斜角度的幅度超过25°(或-25°)时，对透射光束形成的偏转仍然同等地作用于所有光束，但由于倾斜角度超出了小角度近似区域，因而倾斜角度4与偏转距离5之间的关系不再是线性的。虽然在较大角度时不是线性关系，不过所述关系仍是非常可预计的，因而可以实施。不过，由于复杂度增大且在大角度时玻璃透射变差，因而更优选的是增加玻璃厚度以改进在此部位处的偏转范围。

前文中已提供对本发明优选实施例的描述以例示本发明的原理，这不是将本发明限制到所示的具体实施例。本意在于：本发明的范围通过所附权利要求书及其等同方案内涵盖的所有实施例加以限定。

Claims (7)

1.一种用于聚焦阵列扫描的设备，包括：

一个微透镜阵列，用于在影像平面处生成光束聚集阵列；

显微镜设施，其包括管透镜和物镜，被构造以将光束聚焦到与所述光束行进时所沿方向垂直的x－y平面上，所述一个微透镜阵列和所述显微镜设施被构造为使得所述光束聚焦阵列被投射通过所述管透镜和物镜至用于形成所述x－y平面的影像平面的区域上；

扫描机构，位于所述微透镜阵列与所述显微镜设施的管透镜之间，安置x倾斜折射窗口和y倾斜折射窗口以分别水平地和竖直地偏转所述光束聚焦阵列影像，所述x倾斜折射窗口和y倾斜折射窗口中的每个的折射介质具有相反的表面并具有预选的折射系数，对于给定的折射系数和所述光束聚焦阵列中的每条光束在所述相反的表面中的一个上的给定的入射角度，每条光束在离开所述相反的表面中的另一个时独立于在所述光束聚焦阵列与折射窗口之间的接触位置而沿与所述光束的传播方向垂直的方向平移已知量，使得在样品处形成的聚焦阵列影像将根据所述x倾斜折射窗口和所述y倾斜折射窗口的倾斜而偏移；

其中，所述光束聚焦阵列通过所述物镜向前传播，在样品上形成焦点或聚焦阵列，所述扫描机构使所述焦点或聚焦阵列移动以扫描样品，从样品向回行进的光束将经历所述扫描机构的倒转偏移，倒转偏移之后形成的焦点或聚焦阵列是静止的。

2.如权利要求1所述的设备，其中

所述折射窗口通过玻璃、塑料或萤石制成。

3.如权利要求1所述的设备，其中

所述光束聚焦阵列包括：激光束。

4.如权利要求1所述的设备，其中

所述折射介质被可动地安装以允许在约-25度至约+25度之间调节所述光束阵列的入射角度。

5.如权利要求1所述的设备，其中

所述折射介质将所述光束阵列可操作地折射到2D-1D光纤阵列上，所述2D-1D光纤阵列将2D信号转换为1D信号。

6.如权利要求5所述的设备，其中

所述1D信号由扫描相机接收。

7.如权利要求1所述的设备，其中，

所述显微镜设施和所述微透镜阵列被构造为使得：发射光通过所述扫描机构被逆反扫描，并通过分色滤光器以及发射滤光器至第二微透镜阵列。

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