补偿角色散的补偿器系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种适于补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色散的补偿器系统，其中，每个偏转束的角色散取决于由所述声光偏转器的偏转声频获得的偏转角，其特征在于，所述补偿器系统包括：第一透镜组，用于通过将所述束基本上聚焦于焦平面上而在空间上分离具有不同偏转角和角色散的偏转束；补偿器元件，具有第一表面和第二表面，并布置成使所述补偿器元件的第一表面基本上位于所述第一透镜组的焦平面中，所述补偿器元件的第一和第二表面具有标称半径R1和R2，所述第一表面和第二表面一起充当具有倾角β和棱镜开口角αp的棱镜，倾角β和棱镜开口角αp随着离光轴的距离而变化，以补偿在空间上分离的偏转束的角色散；第二透镜组，布置成使从所述补偿器元件出射的每个偏转束的不同波长成分基本上平行，同时维持在不同声频偏转的束的角变化。本发明还涉及补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色散的方法，其中，每个偏转束的角色散取决于由偏转声频获得的偏转角，其特征在于，通过经由第一透镜组将所述束基本上聚集于所述第一透镜组的焦平面上而在空间上分离具有不同偏转角和角色散的偏转束；根据指定束的角色散补偿在空间上分离的偏转束的角色散；使每个偏转束的频谱成分基本上平行，同时维持在不同声频偏转的束的角变化。
【专利说明】补偿角色散的补偿器系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适于补偿由光学系统的至少一对声光偏转器偏转的电磁束的角 色散的补偿器系统和方法，其中，每个偏转束的角色散取决于由声光偏转器的偏转声频获 得的偏转角。
【背景技术】
[0002] 三维（3D)随机存取激光扫描技术在对生物标本执行测量（包括扫描、成像、检测、 激发等）方面是很重要的，例如使生物结构成像或测定细胞表面受体的荧光标记或执行如 释放/光模拟（photosimulation)、FRET (荧光共振能量转移）、FUM(荧光寿命成像）等的 测量。
[0003] 常用3D激光扫描显微镜是共焦显微镜或多光子（双光子）显微镜。在共焦显微 镜技术中，针孔布置在偏转器之前，以过滤出从除显微镜物镜的焦平面之外的任何其它平 面反射的光。由此，可使位于样品（例如生物标本）不同深度的平面成像。
[0004] 双光子激光扫描显微镜使用低能量的激光，其中，需要两个光子在量子事件中激 发荧光，导致发射荧光光子，荧光光子随后由检测器检测。几乎同时吸收两个光子的可能 性极其低，要求高通量的激发光子，因此，双光子激发实际上仅发生在激光束的焦斑（focal spot)中，在焦斑处，束强度超过双光子阈值。光子数量还可通过锁模激发激光使光子以高 强度反弹到达样品而得以增加。通常，飞秒脉冲激光用于给双光子激发提供所需光子通量， 同时保持平均激光束强度足够低以避免热样品恶化。
[0005] 当应用上述任一技术时，通常通过经由例如步进电机移动样品台来实施3D扫描， 然而，当使用浸没式标本室时或当用微电极对生物标本上进行电子记录时，这实施起来复 杂。样品台的移动是缓慢过程，允许分钟量级的成像速度或十分低（像素）数量的测量点， 从而导致低分辨率。相应地，在分析生物标本的情况下，通常优选地移动激光束的焦斑，而 不是移动标本。这可通过偏转激光束以扫描焦平面（XY平面）中的不同点和通过经由例如 压电定位器沿其光轴（Z轴）移动物镜以改变焦平面深度而实现。XY扫描通常通过经由机 械光学偏转装置（比如安装在振镜扫描仪（galvanometric scanner)上的偏转镜）在指定 焦平面（XY平面）内偏转激光束来实现。
[0006] 机械扫描组件（即，扫描反射镜和显微镜物镜）的惯性（inertia)关于可实现的 扫描速度具有一定局限性，因为扫描组件需要物理地移动以执行3D扫描。
[0007] 已提出快速声光偏转器（A0D)作为常规机械光学方案的替代例。
[0008] Kaplan 等人（"Acousto-optic lens with very fast focus scanning"，OPTICS LETTERS/Vol.26，No. 14/July 15,（2001))提出了一种由两个A0D组成的声光透镜，具有相 位锁定的反向传播的声波，以仅实现焦平面沿z轴的偏移，而不需要横向移动波束。通过由 声光设备改变声频的扫描速率来改变声光透镜的焦点。
[0009] 在US7227127中，使用上述原理来提供3D扫描。可以通过使用四个声光偏转器而 在菱状体积的空间中移动波束焦点，两个声光偏转器用于两个横向方向（X和y)。横向扫描 是在同一横向方向上衍射的两个AOD的声频差的结果，而深度调焦（即沿z轴的焦点偏移） 通过改变相同A0D的声频的扫描速率而实现。因此，焦点可以准独立地在x-z和y-z平面 中调节，其中，z是对应于设备光轴的纵向方向。当X和y偏转单元中的声频扫描速率没有 完美匹配时，这还导致强像散。
[0010] 然而，存在关于现有技术AOD 3D扫描技术的许多问题，比如空间和时间色散，尤 其是当与多光子扫描技术结合应用时。
[0011] 现有技术A0D系统通过在A0D之间应用各色散补偿元件或通过A0D对的特定布置 而多少消除了空间色散，如W02010/076579中所述。不过，现有技术光学布置不能充分地减 少A0D角色散，主要是因为其空间非均匀性。
[0012] 准直具有角色散的光束的已知方式是将棱镜10放置在光路中，如图1所示。入射 束12b包括不同波长成分，其中表示出的是最长波长成分λ |，中心波长成分λ 、和最短 波长成分λ 。在所示光学布置中，入射束12b通过使原始束12a穿过第一棱镜10a使得原 始束12a以布鲁斯特角α 射在第一棱镜l〇a上而产生。第一棱镜10a分开原始束 12a的不同波长成分，从而引入角色散。第二棱镜10具有与第一棱镜10相同的棱镜开口角 α p。在具有角色散的第二束12b穿过第二棱镜10b后，不同波长成分λ λ 、和λ 被准 直，即第三折射束12c的波长成分λ λ 、和λ ^彼此平行地传播，但是具有取决于波长 的位置。相应地，棱镜可用于补偿由A0D对引入的角色散，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)中所建议 的。然而，实际上，角色散取决于所应用的声频，因此单个棱镜不足以补偿所有频率的角色 散。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是克服与现有技术激光扫描显微镜相关联及总体上与包括声光偏 转器（将角色散引入偏转光束中）的任何光学系统相关联的问题。
[0014] 特别地，本发明的目的是提供角色散补偿系统，其减少偏转光束的偏转角对波长 的依赖性。
[0015] 本发明人意识到，通过提供具有两个表面（一起充当具有变化的和匹配的入射角 和开口角的棱镜）的补偿器，可在光学系统中利用棱镜的角色散补偿特性，在该光学系统 中，电磁束的角色散取决于离光学系统的光轴的距离。本发明人还意识到，在激光扫描显微 镜中（其中，声光偏转器（A0D)用于偏转扫描激光束），第一透镜组可用于将偏转束聚焦于 对应于这种补偿器的表面之一的焦平面，由此，不同角色散的束在空间上分离，允许针对每 个波束通过适当成形的补偿器独立地补偿角色散。
[0016] 上述目的通过根据权利要求1的补偿器系统和根据权利要求5的方法来实现。
[0017] 本发明的其它有利实施例在所附从属权利要求中限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 从附图和示例性实施例中会明白本发明的其它细节。
[0019] 图1是分离和准直光束的不同波长成分的双棱镜光学布置的示意图。
[0020] 图2是根据本发明的布置在A0D和物镜之间的补偿器系统的示意图。
[0021] 图3是图2的截面A的放大图。
[0022] 图4是图2的补偿器系统的补偿器元件的示意图。
[0023] 图5是示出在不同声频，由A0D产生的偏转角与波长的关系曲线的示图。
[0024] 图6是当单个偏转器用于在指定x-z或y-ζ平面中偏转束时，角色散（d Θ /dX ) 与偏转角（Θ)的关系曲线的计算图。
[0025] 图7是示出当两个连续的偏转器用于在指定χ-ζ或y-z平面中偏转束时，角色散 (d0 drf/cU)与偏转角（0drf)的关系曲线的示图。
【具体实施方式】
[0026] 图2示出根据本发明的补偿器系统20,其布置在一对连续的A0D13、14的第二A0D 14与光学系统（比如激光扫描显微镜（未不出））的物镜16之间。光学系统可包括两个连 续的A0D 13、14之间的各光学元件，如W02010/076579所讨论的，另外，光学系统通常包括 第二对A0D，使得第一对A0D用于在第一横向方向X上偏转电磁束18,而第二对A0D在垂直 于第一横向方向X的第二横向方向y上偏转束18。为了简化起见，在下文中仅不出并讨论 一对连续的A0D 13和14,然而，在对应于第二对A0D的横向方向上，可类似地计算出束偏 转。
[0027] 补偿器系统20包括第一透镜组22和第二透镜组24,它们沿对应于物镜16光轴的 共用光轴Z布置成在A0D 14的下游彼此隔开。在图2中，为简化起见，第一透镜组22和第 二透镜组24显示为单个透镜，然而，两个透镜组22和24可包括多于一个的透镜，形成消色 差双合透镜或复消色差三合透镜。
[0028] 补偿器元件26布置在第一透镜组22和第二透镜组24之间，使得补偿器元件26的 第一表面26a基本上位于第一透镜组22的焦平面FP中，而补偿器元件26的第二表面26b 面向第二透镜组24。
[0029] 举例来说，在图2中示出两个偏转束18和18'。由于所应用的偏转声频f\、f2，第 一束18通过八〇〇13、14对以关于光轴2的角度0 (^偏转。第二所示束18'的偏转角0(^， 通过分别在两个连续的A0D 13和14中应用声频f/和f2'来获得。
[0030] 第一透镜组22将第一束18聚焦至基本上位于第一透镜组22的焦平面FP中的、 与光轴Z(以及第一透镜组22的焦点F)相距第一距离r的第一点P。第二束18'聚焦至 基本上位于第一透镜组22的焦平面FP中的、与光轴Z相距第二距离r'的第二点P'。离 光轴2的距离1'、1*'取决于从第二六〇〇14出射的束18、18'的偏转角0 (^、0(^，，因此，束 18、18'在空间上根据它们的不同偏转角0drf和0 drf，而分离。如稍后会清楚，不同的偏转 角θ^、0drf，导致不同的角色散，因此束18、18'还关于它们的不同角色散在空间上扩散， 由此，聚焦束18、18'的角色散随离光轴Z的距离r、r'而变化。因此，第一透镜组22有效 地用于在空间上分离具有不同角色散的束18、18'。
[0031] 如前面所提及的，补偿器元件26的第一表面26a基本上位于第一透镜组22的焦 平面FP中，所以束18、18'实际上聚焦于补偿器元件26的第一表面26a上。清楚的是，实 际聚焦点P、P'与第一表面26a之间的偏差随着偏转角0 drf、0def，的增加而增加，然而，尽 管有该偏差，但是通过根据本发明的补偿器系统20可显著地改善随后的视场，如从下面讨 论中所明白的。
[0032] 由于具有不同角色散（和偏转角0drf、0def，）的束18、18'实际上聚焦在补偿器 系统26的第一表面26a的不同点P、P'上，所以可将补偿器元件26设计成比如局部地作用 为棱镜，以补偿聚焦于指定局部表面区域上的束18、18'的角色散。如果放大焦点P，如图3 所示，则可看出，尽管从上述讨论中明白存在小偏差，但是入射束18的不同波长成分18a、 18b、18c (即，仅示出频谱成分中的三个）聚焦于不同点Pa、Pb、Pc (显示为位于补偿器系统 26的第一表面26a上）。因此，可将补偿器兀件26的第一表面26a和第二表面26b设计成 比如具有标称半径&和1? 2(见图4)，它们一起用作具有关于共用光轴z的旋转角β和棱 镜开口角αρ(见图1)的局部棱镜，该旋转角β和棱镜开口角 〇￡)随离光轴Ζ的距离而变 化，以补偿在空间上分开的偏转束18、18'的角色散。
[0033] 第二透镜组24布置成基本上使从补偿器元件26出射的每个偏转束18、18'的不 同波长成分18a、18b、18c平行。由第一透镜组22、补偿器元件26和第二透镜组24构成的 补偿器系统设计成具有角度放大率M，因此其将偏转角Θ def、Θ def，转换为Μ* Θ def、M* Θ def，， 从而维持分别在不同声频4、4和fV、f2'处偏转的束18、18'的角变化。第二透镜组24在 物镜16的出瞳（未示出）处产生图像。系统的放大率设计成产生与物镜后孔径尺寸相同 的声光偏转器孔径的图像。
[0034] 在下面的描述部分中，提出了设计补偿器系统20,尤其是计算补偿器系统26的两 个表面26a、26b的计算方法。
[0035] 第一声光偏转器13中的偏转角Θ i由各向同性的布拉格方程与各向异性相互作 用的狄克逊方程控制。
[0036] 布拉格关系[方程（1)]表明偏转角的正弦与光学波长的线性关系：
[0037]
【权利要求】
1. 一种补偿器系统，适于补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色 散，其中，每个偏转束的角色散取决于由所述声光偏转器的偏转声频获得的所述偏转角，其 特征在于，所述补偿器系统包括： -第一透镜组，通过将所述束基本上聚焦于所述焦平面上而在空间上分离具有不同偏 转角和角色散的所述偏转束； -补偿器元件，具有第一表面和第二表面，并布置成使所述补偿器元件的第一表面基本 上位于所述第一透镜组的焦平面中，所述补偿器元件的第一和第二表面具有标称半径凡和 R2，所述第一表面和第二表面一起充当具有倾角β和棱镜开口角αρ的棱镜，所述倾角β 和棱镜开口角αρ随着离所述光轴的距离而变化，以补偿所述在空间上分离的偏转束的角 色散； -第二透镜组，布置成使从所述补偿器元件出射的每个偏转束的不同波长成分基本上 平行，同时维持在不同声频偏转的束的角变化。
2. 如权利要求1所述的补偿器系统，其中，所述补偿器元件适于补偿由至少一对声光 偏转器偏转的束的角色散。
3. 如权利要求2所述的补偿器系统，其中，所述补偿器元件适于补偿由在第一横向方 向（X)上偏转所述束的第一对声光偏转器以及在第二横向方向（y)上偏转所述束的第二对 声光偏转器偏转的束的角色散。
4. 如权利要求1至3任一项所述的补偿器系统，其中，所述第一透镜组（22)由双透镜 构成，所述第二透镜组（24)由单个透镜构成。
5. -种补偿由光学系统的至少一个声光偏转器偏转的电磁束的角色散的方法，其中， 每个偏转束的角色散取决于由所述偏转声频获得的所述偏转角，其特征在于， -通过经由第一透镜组将所述束基本上聚集于所述第一透镜组的焦平面上而在空间上 分离具有不同偏转角和角色散的所述偏转束； -根据所述指定束的角色散，补偿所述在空间上分离的偏转束的角色散； -使每个偏转束的频谱成分基本上平行，同时维持在不同声频偏转的所述束的角变化。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，补偿所述在空间上分离的偏转束的角色散的步骤 包括提供补偿器元件，所述补偿器元件具有第一表面和第二表面，并布置成使所述补偿器 元件的第一表面基本上位于所述第一透镜组的焦平面中，所述补偿器元件的第一和第二表 面具有标称半径&和1? 2，所述第一表面和第二表面一起充当具有倾角β和棱镜开口角αρ 的棱镜，所述倾角β和棱镜开口角^^随着离所述光轴的距离而变化，以补偿所述在空间 上分离的偏转束的角色散。
7. 如权利要求5或6所述的方法，其中，通过所述光学系统的至少声光偏转器对使所述 束偏转。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，通过在第一横向方向（X)上偏转所述束的第一对声 光偏转器和在第二横向方向（y)上偏转所述束的第二对声光偏转器使所述束偏转。
9. 一种光学系统，包括至少一个声光偏转器，其特征在于包括如权利要求1所述的补 偿器系统。
10. 如权利要求9所述的光学系统，其中，所述光学系统包括两个连续的声光偏转器， 补偿器系统布置在每个声光偏转器之后。
11. 如权利要求10所述的光学系统，其中，所述光学系统至少包括声光偏转器对，所述 补偿器系统的补偿器元件适于补偿由至少所述声光偏转器对偏转的束的角色散。
12. 如权利要求11所述的光学系统，其中，所述光学系统至少包括在第一横向方向（X) 上偏转所述束的第一对声光偏转器和在第二横向方向（y)上偏转所述束的第二对声光偏 转器，所述补偿器系统的补偿器元件适于补偿由所述第一和第二声光偏转器偏转的束的角 色散。
13. 如权利要求1至4任一项所述的补偿器系统，其中，取代所述声光偏转器，适于电光 偏转器或全息空间调制器或这些偏转器的组合的要补偿的角色散。
14. 如权利要求5至8任一项所述的方法，其中，取代所述声光偏转器，适于电光偏转器 或全息空间调制器或这些偏转器的组合的要补偿的角色散。
15. 如权利要求9至12任一项所述的光学系统，其中，取代所述声光偏转器，适于电光 偏转器或全息空间调制器或这些偏转器的组合的要补偿的角色散。
【文档编号】G02B21/00GK104115062SQ201280069977
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年1月5日 优先权日:2011年12月28日
【发明者】B.罗兹萨, G.卡托纳, M.维雷斯, P.马克, G.扎莱 申请人:菲托尼克斯公司