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】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]多路复用方案的典型示例是Yokogaira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。
[0005]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。
[0006]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】
[0007]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。
[0008]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)。装置可进一步附接至IJ2D-1D光纤阵列缆线，2D-1D光纤阵列缆线将2D聚焦阵列转换为ID聚焦阵列，ID聚焦阵列可附接到能够使用所提供数据的装置。
[0009]因此，在此公开一种用于平移光束阵列的设备，包括:
[0010]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。
[0011]在此还公开一种用于平移光束阵列的方法，包括:
[0012]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。
[0013]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】
[0014]现在将仅示例性地参照附图描述各实施例，其中:
[0015]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。
[0016]图2a图示出用作显微镜一部分的图1所示设备。
[0017]图2b显示出使用图2a中所示部分的光学系统的更多内容。
[0018]图2c显示出图2a中的窗式倾斜扫描机构的实施例。
[0019]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。
[0020]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】
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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I实现，折射介质I能够可控地倾斜或者调节。折射介质I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I。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I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I而实现，折射介质I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I时返回到其原传播角度(在穿过介质I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。
[0026]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 2 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。
[0027]可用的折射介质包括但不限于:玻璃、塑料、和萤石。
[0028]优选实施例使用安装电流计(gaIvo)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( S卩，它们意在安装有镜)。
[0029]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I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。
[0030]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I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。
[0031]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。
[0032]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。
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