利用扫描仪系统沿着连续扫描轨迹扫描的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用扫描仪系统(100)沿着连续扫描轨迹扫描的方法，该扫描仪系统包括用于偏转由定义x-z平面中的光轴(z)的连续透镜系统(200)生成的电磁波束的焦点的第一对声光偏转器(10)以及用于偏转基本上与x-z平面垂直的y-z平面中的焦点的第二对声光偏转器(20)，其特征在于在第一对偏转器(10)的偏转器(12、12’)中和在第二对偏转器(20)的偏转器(22、22’)中随时间持续改变声频扫动，以使得焦点沿着扫描轨迹持续移动。
【专利说明】利用扫描仪系统沿着连续扫描轨迹扫描的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用扫描仪系统沿着连续扫描轨迹扫描的方法，该扫描仪系统包 括用于偏转穿过定义x-z平面中的光轴（z)的连续透镜系统的电磁波束的焦点的第一对声 光偏转器以及用于偏转在基本上与χ-ζ平面垂直的y-z平面中的焦点的第二对声光偏转 器。
【背景技术】
[0002] 三维（3D)激光扫描技术在对生物样品进行测量（包括扫描、成像、检测、激发等） 中很重要。
[0003] 现有技术通常应用双光子激光扫描显微镜，该双光子激光扫描显微镜使用较低光 子能量的激光，其中需要两个光子来在量子事件中激发荧光团（f luorophore)，导致发射荧 光光子，该荧光光子随后被检测器检测到。接近同时吸收两个光子的概率极低，从而要求高 通量的激发光子，因此双光子激发实际上仅在激光束强度超过双光子阈值的激光束的焦点 出现。通过模式锁定激发激光以使得以高强度到达的光子在样本处反弹也增加光子数量。 通常，飞秒脉冲激光用于提供双光子激发所需的光子通量，同时保持平均激光束强度足够 低以避免热样本恶化。
[0004] 在分析生物样品的情形下，通常优选地移动激光束的焦点而非移动样品，当使用 浸没样品室（submerge specimen chamber)时或者当利用微电极对生物样品进行电记录 时，这将难于实现。可以通过偏转激光束以扫描焦平面（x-y平面）中的不同点并且通过例 如经由压电定位器（piezo-positioner)沿着其光轴（轴z)偏移物镜以便改变焦平面的深 度，实现沿着任意轨迹移动焦点。常规通过经由例如安装在检流计扫描仪上的偏转镜的机 械光学偏转部件（mechano-optical deflecting means)在给定焦平面（x-y平面）内偏转 激光束来实现XY扫描。
[0005] 机械扫描组件（即，扫描镜和显微镜物镜）的惯性呈现关于可实现扫描速度的特 定限制，因为扫描组件需要被物理偏移以便进行3D扫描。
[0006] 已经将快速声光偏转器（偏转器）作为常规机械光学解决方案的替代物提出。
[0007] Kaplan 等("Acousto-optic lens with very fast focus scanning"，OPTICS LETTERS/Vol. 26，N〇. 14/Julyl5,（2001))提出了一种由具有锁定相位的逆向传播的声波的 两个偏转器组成的声光透镜，以实现仅沿着z轴的焦平面变动，而不横向移动波束。在该类 型的应用中，应当生成啁啾（chirped)频率声波，S卩，偏转器的声光介质中的声波的频率持 续改变。通过经由声光器件的光学孔径改变声频的扫动速率（sweep rate),实现改变声光 透镜的焦点。为了同时移动波束并且改变焦平面，必须改变扫动速率并且应当引入一对的 两个偏转器之间的声频差异。为了沿着X轴移动焦点，应当应用在x-z平面中偏转的偏转 器之间的声频差异，为了沿着y轴移动焦点，应当应用在y-z平面中偏转的该对偏转器之间 的声频差异。相应对中的频率差异量确定焦点的X和y坐标。
[0008] 在声光扫描仪中使用上面的原理，以便提供3D扫描。在声光扫描仪中，使用四个 偏转器来实现真正的3D扫描，S卩如在US 7, 227, 127中所述将激发激光束聚焦到像钻石的 空间体积（spatial volume)内的多个点。在正常操作中，使用随机访问扫描，意味着可以 通过向声光偏转器添加适当控制来寻址（address) 3D空间中的任何选择点。该模式称作随 机访问多点扫描（RAMP)。
[0009] 对于3D中的RAMP操作，应当用具有几乎相等的频率扫动速率但不同开始频率的 随时间线性改变它们的频率的啁啾声波填充偏转器。啁啾的斜率确定焦深（focal d印th) (z水平高度（level))，而分别在x-z或者y_z平面中偏转的偏转器对的元件中呈现的瞬时 频率给出焦点相对于轴的横向距离X和y。
[0010] 例如在χ-y平面中偏转的该对元件中的频率函数可以被定义为：
[0011] fix = fi〇x+alx * t, f2x = f20x+a2x · t
[0012] 在RAMP运算中，通过保持量alx和a2x相等（a lx = a2x)来控制z水平高度（保持 不变），据此遵循由f2x_flx = f2ta-f 1(lx确定x水平高度。在现有技术声光扫描仪中，值alx和 a2x保持相等，以便在期望的空间位置中形成稳定的焦点。RAMP模式中两个不同空间点之间 的切换时间由声速确定，因为新的声波必须完全填充偏转器的光学孔径。如果孔径具有跨 越声音（across the sound)的宽度D，则以速度￥3。的新的声波填充声光介质的所需的时 间是：tsw = D/va。。（在声学旋转Te02偏转器配置中，对于15mm的孔径，该时间是21 μ s)。
[0013] 与常规RAMP模式相关联的问题之一是不能在切换时间期间进行测量，因为频率 的离散改变导致焦点在空间中展开，由此多光子激发不再出现。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是克服与现有技术相关联的问题。具体地，本发明的目的是消除与 声光偏转器的RAMP模式相关联的切换时间并且提供一种沿着任意扫描轨迹（曲线）持续 移动焦点的新的操作模式。
[0015] 本发明已经实现：如果X-Z或者y-ζ对中的两个偏转器中的斜率不保持相等，而是 随时间变化，则可以在2D和3D中沿着轨迹（曲线）移动焦点。
[0016] 通过根据权利要求1的方法实现上面的目的。
[0017] 在所附的从属权利要求中限定本发明的方法的具体有利的实施例。
[0018] 利用本发明的方法，没有必要等待直至新的频率填充光学孔径，因为如果频率差 异随时间持续改变，则这使得焦点沿着相邻点移动，而不需要将在空间中展开焦点的从一 个测量点"跳"到另一个测量点。发明人已经认识到并且在理论上和实验上演示焦点的点 扩展函数PSF仅根据其正在移动的实事不会变形（distort)。另一方面，可以通过适当的电 子驱动器和控制软件实现声光器件的适当控制。
[0019] 根据附图和示例性实施例，本发明的进一步细节将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是经由一对声光偏转器的波束偏转的基本要素（basics)的不意图不。
[0021] 图2是包括聚焦在X-Z和y-ζ平面的连续两对偏转器的现有技术扫描系统的示意 图示。
[0022] 图3是另一现有技术扫描系统的示意图示。
【具体实施方式】
[0023] 图1是经由包括第一偏转器12和第二偏转器12'的具有逆向传播的声波13和 13'的用于以已知方式在x-y平面中进行扫描的一对声光偏转器10的波束偏转的基本要素 的示意图示。通过传播通过的声波稍微修改组成偏转器12、12'的晶体的晶格常数，由此偏 转器晶体用作可修改光栅常数的厚光学光栅。
[0024] 因此，由第一偏转器12将入射电磁波束14 (通常为激光束）分成为未偏转零阶波 束16、一阶偏转波束18和更高阶偏转波束，由于通常仅对一阶波束18感兴趣，所以在下面 的讨论中忽略更高阶偏转波束。由第二偏转器12'偏转（衍射）的一阶波束18'将具有与 入射波束14相同的方向，因此具有与由第一偏转器12偏转的零阶波束16相同的方向。因 此，该零阶波束16 -定与出射第二偏转器12'的二次衍射的一阶波束18'分离。存在用于 分离零阶波束16的两种通常应用的技术。如果偏转器12、12'由各向异性晶体组成并且使 用涉及慢剪切声波（slow shear acoustic waves)的各向异性布拉格（Bragg)衍射，贝U与 未衍射零阶波束16相比将一阶衍射波束18的偏振旋转90度，因此可以经由偏振滤波器简 单滤除零阶波束16。根据第二种技术，在空间上分离二次衍射的一阶波束18'和零阶波束 16 :两个偏转器12、12'之间的间隔d必须大于由第一偏转器12的波束孔径D和一阶衍射 角Θ预测的间隔。实际上，要求的d间隔大约是d= 10*D。这迫使不能在同一偏转器内实 现两个逆向传播的声波束。
[0025] 图2图示包括连续两对偏转器10和20的现有技术扫描系统100。第一对10包括 提供用于聚焦在x-z平面中的第一和第二偏转器12、12'，而第二对20包括提供用于聚焦在 y-z平面中的第三和第四偏转器22、22'。
[0026] 图3图示包含不同布置的偏转器的现有技术扫描系统100。偏转器12、12'和22、 22'现在被分组在连续两对110和120中，漂移补偿单元和z聚焦单元。两对110和120包 含在x-z平面中操作的偏转器12、12'和在y-z平面中操作的偏转器22、22'。两个偏转器 对110、120利用远心（telecentric)成像系统60光学链接。扫描系统100经由第二远心 成像系统60被另外成像到物镜或者类似透镜系统200的后孔径（back aperture)。
[0027] 如在W02010076579中详细讨论的，为了补偿不同类型的光学像差，已经提出了各 种扫描系统100。
[0028] 本发明可以应用在包括两对声光偏转器并且具体地具有W02010/076579中公开 的任何声光偏转器系统的任何现有技术扫描仪中。本发明的方法适用于增加双光子显微镜 技术中的声光扫描的速度并且允许应用2D扫描（沿着给定焦平面（即z坐标不变）内的 线段（segment)，）以及应用3D扫描（沿着样本内的任意3D轨迹）二者。
[0029] 在x-z平面中偏转的对10的偏转器12、12'的频率函数可以定义为
[0030] flx = fi〇x+alx * t, f2x = f20x+a2x · t
[0031] 类似地，在y-z平面中偏转的对20的偏转器22、22'的频率函数可以定义为：
[0032] fly = fi〇y+aly * t, f2y = f20y+a2y · t
[0033] 2D 扫描
[0034] 在更简单的实施例中，可以通过保持z坐标不变并且仅改变x和y坐标进行线扫 描。在该情形下，可以利用在x-z或者y-z平面中偏转的连续声光偏转器12、12'或者22、 22'内的声频扫动之间的斜率失配（g卩，如在RAMP操作模式中alx不等于a2x)。可以通过分 别几乎对称地增加偏转器对10和20中的偏转器的斜率之间的失配来设置给定平面中的扫 描速度：这意味着alx_a 2x，aly_a2y不再是零。如果第一对10的偏转器12和12'相同，并且 第二对20的偏转器22和22'也相同，则偏转后的焦点的平面的z水平高度不改变，如果对 10和20的两个偏转器12、12'和22、22'的斜率被对称地变动以维持：
[0035] Δ ax= alx_a2X=吊数，并且 Δ ay= aly_a2y=吊数。
[0036] 因此，alx和a2x以及aly和a 2y可以被选择为：
[0037] alx = a1(lx+ Λ ax 并且 a2x = a1(lx_ Λ ax
[0038] aly = a1(ly+ Δ ay 并且 a2y = a脚-Δ ay。
[0039] 如果偏转器12、12'和22、22'分别不相同，则可以使用以下等式。
[0040] 如果负责x-z平面中的偏转的频率扫动分别具有斜率alx和a2x，则焦点将以下面 的速度沿着X轴在测量平面中移动：
[0041 ] νχ = (Κ2 ( λ ) a^-K! ( λ ) alx) · fobJ/M
[0042] 其中，K ( λ )是给定偏转器中偏转角Θ对声频f的相关性：Θ = K ( λ ) f，λ是光 学波长。一对中的第一和第二偏转器可以具有不同配置和几何形状，因此1和1(2不同。Μ 是扫描仪100和物镜200之间的光学系统的放大倍率，并且是物镜或者用作物镜200的 任何透镜系统的有效焦距。同样对于y-z平面有效：
[0043] vy = (Κ2 ( λ ) ad ( λ ) aly) · fobj/M
[0044] 因此，通过设置两个速度，都可以调整给定焦平面中的任意漂移方向。
[0045] 仿真已经示出焦点本身在漂移期间不显著改变其参数，斯特列尔比（Strehl ratio)仅根据对于静止焦点有效的规则随距离最优点（距离被扫描的体积的中间）的距离 减少。
[0046] 扫动斜率失配对于任何z尹0平面中的最小象散被最优化，以获得最好的焦点尺 寸和形状。最小象散限制造成X偏转和y偏转偏转器对的频率斜率的差异：a lx和a2x以及 aly和a2y分别设置用于x-z和y-z平面。我们在确定频率扫动斜率的算法中使用相当简单 的方法，其使得焦点在预定z的平面中在希望的方向上以希望的速度v移动。
[0047] 在图3中描绘的扫描系统100中，漂移补偿单元110的偏转器12和22被成像到扫 描仪单元120的偏转器22'和12'上。为结合扫描系统100的显微镜的标称焦平面（nominal focal plane)中的零象散进行光学系统的设计，如果X和y偏转器的斜率值将相等，则象散 将随距离该平面的Λζ距离几乎线性地增加。然而，通过实验性地选择每个偏转器的斜率 以获得整个被扫描体积上的最佳可能焦点PSF，这些被设置用于任何ζ =常数平面的零或 者几乎零象散。零象散条件是2；￡ = \。可以根据相应的偏转器中的斜率直接确定x-z或 者y-z平面的ζ值：
[0048]
【权利要求】
1. 一种利用扫描仪系统（100)沿着连续扫描轨迹扫描的方法，所述扫描仪系统（100) 包括用于偏转由定义X-Z平面中的光轴（Z)的连续透镜系统（200)生成的电磁波束的焦点 的第一对声光偏转器（10)以及用于偏转基本上与所述χ-ζ平面垂直的y-z平面中的所述 焦点的第二对声光偏转器（20)，其特征在于在第一对偏转器（10)的偏转器（12、12'）中和 在第二对偏转器（20)的偏转器（22、22'）中随时间持续改变声频扫动，以使得焦点沿着扫 描轨迹持续移动。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下操作改变所述声频扫动： -设置所述第一对偏转器（10)的偏转器（12、12'）的声频扫动之间的斜率失配，以便 使得所述焦点沿着X轴以第一速度（vx)移动，以及 -设置所述第二对偏转器（20)的偏转器（22、22'）的声频扫动之间的斜率失配，以便 使得所述焦点沿着y轴以关于所述第一速度（vx)的第二速度（vy)移动，从而沿着扫描轨迹 持续移动所述焦点。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，在第一和第二偏转器对（10和12)的偏转 器（12、12'和22、22'）内分别非线性地并且不对称地随时间改变声频扫动，以便使得所述 焦点沿着z轴以关于所述第一和第二速度（'和\)的第三速度（v z)移动，从而沿着扫描 轨迹持续移动所述焦点。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于： -根据函数：flx = f1Qx+blxt2+clxt 和 f2x = f2(lx+b2xt2+c2xt 改变所述第一对偏转器（10) 的偏转器（12、12'）中的声频扫动，以及 -根据函数：fly = f1Qy+blyt2+clyt 和 f2y = f2(ly+b2yt2+c2yt 改变所述第二对偏转器（20) 的偏转器（22、22'）中的声频扫动，以及 -确定常数 blx、b2x、bly、b2y、clx、c 2x、cly、c2y、f1(lx、f2(lx、f 1(ly、f2(ly，以使得所述两个偏转器 对（10、20)产生所述焦点的相同z坐标（z = zx = zy)和相同第三速度（vz = vzx = vzy)。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于： -根据函数：= = 改变所述第一对偏转器（10)的偏转器（12、 12'）中的声频扫动，以及 -根据函数：fly = f1Ciy+alyt和f2y = f2(ly+a2yt改变所述第二对偏转器（20)的偏转器（22、 22'）中的声频扫动，以及 -确定常数alx、a2x，以使得所述两个偏转器对（10、20)产生所述焦点的相同常数z坐 标（Ζχ = Zy =常数）。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，设置斜率失配，以使得对称地变动一对（10 和20)的两个偏转器（12、12'和22、22'）中的斜率，以维持1( 2!￡(入）￡12!￡+1(1!￡(入）￡11!￡=常数 和 K2y ( λ ) a2y+Kly ( λ ) aly =常数，其中 Κ1χ ( λ )、Κ2χ ( λ )、Kly ( λ )、K2y ( λ )分别是给定偏转器 (12、12'、22、22'）中偏转角Θ对声频f的相关性。
【文档编号】G02F1/33GK104115061SQ201280069646
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年1月5日 优先权日:2012年1月5日
【发明者】B.罗萨, G.卡托纳, M.维雷斯, P.马克, G.萨莱, A.卡斯扎斯, B.乔维尼, P.马特亚斯 申请人:菲托尼克斯公司