紧凑、低色散以及低像差自适应光学扫描系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年10月12日提交的美国临时申请No. 61/713, 478的权益，其内 容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及自适应光学束扫描的领域。
【背景技术】
[0004] 大多数光学系统的设计仅考虑了系统内部的光学像差。结合了精确制造、谨慎装 配和包含选择的几个可调参数（例如焦点，变焦或球面像差校正）的光学表面几何形状的 谨慎选择使得所述光学系统获得规定标称水平的性能。然而，如果光学像差源存在于所述 光学系统的外部，所述像差是未知的并且可能随时间变化，那么所述光学系统的性能可被 显著降低。选择的几个光束扫描成像系统和像差源的示例分别在图1和图2中示出。自适 应光学（AO)提供了一种减少由像差源所造成的波前失真的方法，以获得改善的性能。在大 多数的AO系统中，波前校正设备（通常是可变形反射镜或液晶空间光调制器）包含几个到 几千个单独可寻址的致动器或单元（像素）来影响所述波前，如图3所示。波前不希望的 失真可被校正或使用集成在所述光学系统中所述波前校正设备来生成更优选的波前形状。 自适应光学已经应用于望远镜观察时动态大气像差的校正、视网膜成像时在人类和动物眼 睛中的像差的校正，显微成像时样本所引起的像差的校正、在激光材料处理中样本所引起 的像差的校正、视线光通信时大气像差的校正以及波前校正是理想的其它应用。自适应光 学的优点是在观察或成像应用中普遍改善分辨率和信号强度，在光束投影应用中更严密的 聚焦和更高的功率密度，或在数据传输应用中提高通信速率。
[0005] "补偿天文视宁度的可能性"一文中，H.W. Babcock，太平洋天文学会出版物，卷65、 No. 386,第229页（1953年）第一次引入了利用地面望远镜进行天文观察的自适应光学概 念。自适应光学系统迄今绝大多数已经使用了在Babcock的文章中提出的基本的AO框架， 其中所述系统包括波前传感器410、自适应光学元件420和反馈控制系统430,所述系统由 所述波前传感器产生输入，并产生控制信号以将所述自适应光学元件驱使为优选的波前校 正形状，如图4(A)所示。所述波前传感器可能是夏克-哈特曼（Shack-Hartmann)、四棱锥 (pyramid)或者其他波前传感设计。替换物和最近实施的AO不使用波前传感器，而是使用 关于所测量的信号质量的信息来代替，所述关于所测量的信号质量的信息通过作为输入的 所述图像传感器440获得，以作为所述过程的部分，最优化运行在优化系统450上的算法， 以为所述自适应光学元件460产生波前校正来改善其性能，如图4(B)中所示。当所述波前 校正是现有技术未知的且没有专用的波前传感器时，以这种方式实施AO通常被称为无传 感器的AO。AO的第三变形使用了通过开环控制系统480,施加到所述自适应光学元件470 的已存储或计算出的控制信号，称为开环的A0,如图4 (C)所示。
[0006] 由AO-SLO示例教导的AO系统像差挑战
[0007] 管理系统像差的历史挑战在自适应光学扫描激光检眼镜（AO-SLO)的环境下描 述。长期已经知道的是在人眼中的所述角膜周边和晶状体引入了以大光瞳直径降低分辨 率的波前失真。由F. W. Campbell和R. W. Gubisch在《生理学杂志》186卷、no. 3, 558-578 页（1966)的"人眼的光学质量"一文中，发现了 2. 4mm的光瞳直径使用直线排列分析产生 了最高的光学分辨率。在由W.J. Donnelly III and A. Roorda在JOSA的20卷，第11期， 2010-2015页（2003)的"人眼中用于轴向分辨率的最佳光瞳尺寸"的最近的文章中，类似 的发现表明2. 46mm的光瞳尺寸提供了最佳横向分辨率，4. 6mm提供了用于传统（非A0)扫 描激光检眼镜（SLO)成像的最佳的轴向分辨率。与较大光瞳尺寸相关联的像差比所述改善 的分辨率预期增加的数值孔径和相关联的改善的衍射极限，在更大程度上支配和降低分辨 率。自适应光学元件可以校正所述角膜周边和晶状体的像差，以允许将在所述衍射极限或 接近所述衍射极限使用的较大光瞳直径获得显著改善的分辨率和成像性能。
[0008] 在由 Dreher，J. Bille 和 R. Weinreb 在应用光学 28,804-808(1989)的"激光断层 扫描仪的自适应光学深度分辨率的改善" 一文中，教导了以开环的方式使用可变形的反射 镜，以校正在光瞳直径6_人眼中的像差，来获得激光断层扫描仪中两倍的深度分辨率。此 外，相同文章教导了使用转送器（relay)配置中的远焦4f透镜排列来将所述可变形反射镜 的有源表面成像到眼睛的入射光瞳。附加的远焦4f透镜排列将振镜扫描仪的扫描光瞳成 像到所述可变形反射镜的有源表面。这个基本排列和眼睛、AO元件和扫描仪之间的多个4f 转送器的使用已成为几乎所有执行激光扫描眼成像的AO系统的标准，但是所述4f转送器 中的光瞳平面和特定光学部件的排序可以有所不同。如果附加的振镜用于执行2D扫描，相 关的附加4f转送器用于与所述其他扫描仪共轭恰当的光瞳、自适应光学元件和光瞳平面。 所述4f光瞳转送器的设计已经面临挑战，因为在所述成像系统本身中的离轴像差可以引 入显著波前失真。由于混合了多个4f光瞳转送器的像差串联级联，这个问题会更加严重。
[0009] 早期的点扫描自适应光学成像系统使用在离轴配置中的球面反射镜来执行所 述4f光瞳转送器并专注于优化所述图像平面性能，如在由A. Roorda，F. Romero-Borja， W. Donnelly，III等在光学快讯10,405-412(2002)的"自适应光学扫描激光检眼镜〃"和相 关的专利US6890076B2的文章中所描述的。然而，用在本文或专利中的平面内配置的光瞳 转送器产生降低成像性能的相当大的残余散光像差在如今是已知的。
[0010] 由 S，Bums，R. Tumbar，A，Eisner 等在美国光学学会杂志 A 辑（J. Opt. Soc， Am. A)24,第1313-1326页（2007)的"大视场、模块化、稳定的基于自适应光学的扫描激光 检眼镜"一文教导了即使在4f光瞳转送器中所述球面反射镜上具有小的离轴光束角，离 轴散光随着所述系统中的多个连续镜面反射而积累。文章教导了设计的光学器件使得所 述第二光瞳转送器相比于所述第一光瞳转送器，在所述平面之外构造，可以部分地抵消散 光。由 A. Gomez-Vieyra，A. Dubra，D. Malacara-Hernandez 和 D. Williams 在光学快讯 17， 18906-18919页（2009)的"使用远焦望远镜的离轴反射眼科自适应光学系统的一阶设计 "的文章，进一步研宄了离轴像差并且开发了在所述视网膜（成像）和光瞳平面成像两者中 最优化成像性能的相关理论。由A. Gomez-Vieyra和D. Malacara-Hernandez在应用光学的 50,66-73页（2011)的"离轴球面反射镜中的波前像差的几何理论"后续的文章拓展了更高 阶级光瞳转送器的像差理论，并作为改善眼科AO成像系统的基础，所述改善眼科AO成像系 统在由A. Dubra和Y. Sulai，Biomed在光学快讯2,1757-1768页（2011)的"反射远焦宽带 自适应光学扫描检眼镜"的文章中描述。
[0011] 事实上，最小化像差，特别是散光以及同时最小化在成像平面和光瞳平面两者中 的像差的重要性由两组独立地发布在文章中的所述难以捉摸的杆马赛克图像来示范，由 A. Dubra，Y. Sulai，J，Norris，R. Cooper，A，Dubis，D，Williams，和 J. Carroll，Biomed 在 光学快讯2,1864-1876页（2011)的"采用共焦点自适应光学扫描检眼镜的人类视杆马赛克 的无创成像"和由 D. Merino, J. Duncan，P. Tiruveedhula，和 A. Roorda Biomed.在光学快讯 报2, 2189-2201页（2011)的"采用新一代的自适应光学扫描激光检眼镜对正常人和患者的 视锥和视杆的观察"。第二篇文章还教导了除了在所述图像和光瞳平面两者中引入取决于 波前的扫描位置之外，光束漂移还发生在基于4f光瞳转送器系统的球面反射镜中。光束漂 移可以使用所述平面外的转送器配置来改善。
[0012] 在超过十年的过程中，基于SLO的AO成像已经从只能解决视网膜中比较大的锥周 边马赛克到能够解决非常小的杆马赛克，具有长足的进步。密切关注所述像差和光瞳转送 器质量的细节对不断改善成像性能具有巨大的贡献。然而，由于在高度最优化设计中使用 的球面反射镜部件的长焦距，所得到的这些新的最优化的AO成像系统的尺寸是相当大的。 例如，在前面提到的最优化设计中，因为长焦距反射镜用于减少离轴像差，远焦望远镜长度 (Dubra，2011)在1.5米以上并且长度（Merino, 2011)在0.4米以上。基于AO系统的大尺 寸球面反射镜通过需要在所述AO系统中级联多个远焦转送器来合成，其中每个远焦转送 器都具有各自的相当长的长度。
[0013] 因为来自玻璃或透镜表面的少量背反射是显著的，并且可能干扰对从视网膜返回 光的低色阶的测量，所以在A0-SL0系统中已经最常用正动力反射镜和反射表面。玻璃表面 的背反射也可以产生使用波前传感器降低波前测量的漫射光效应和重影。由于这些原因， 反射镜已经优选于透镜并且在高性能的A0-SL0系统中已经几乎全部使用反射镜，如在前 面提到的文章（Gomez-Vieyra，2009)中所描述的。
[0014] 由 F. Felberer，J. Kroisamer，C. Hitzenberger 和 M. Pircher 在光学快讯 20， 17297-17310 (2012)的"基于透镜的自适应光学扫描激光检眼镜"文章中教导了在A0-SL0 系统中使用多个远焦光瞳转送器的基于全透镜的实施可以获得堪比基于更复杂平面外的 球面反射镜的配置的等级像差。远焦光瞳转送器的长度在0.5米的量级上。来自玻璃表面 的背反射干扰所述波前测量的问题通过在所述波前传感器之前引入偏振分束器和偏光器 和在所述眼睛之前引入四分之一波片来解决，使得从玻璃表面反射的光被排斥，但是从眼 睛反射的光穿过到所述波前传感器。来自透镜和玻璃表面的背反射干扰所述图像检测和形 成的问题仍未解决。这篇文章示出了杆马赛克的结果，虽然图像的质量不像利用前面提到 的Dubra 2011的文章中基于全透镜的平面外配置所获得的图像看起来那么好。
[0015] 截止到目前的讨论专注于A0-SL0,因为这种技术是一种最有据可查并且谨慎分析 的自适应光学系统之一。使用不同的成像模式或材料处理能力的其他AO系统也被示范并 且已经面临相同的离轴像差和尺寸的挑战以及当使用短脉冲激光器时与玻璃元件中的色 散相关的附加挑战。
[0016] 具有自适应光学的显微镜成像
[0017] 当在良好的控制和规定的成像条件下成像时，高性能的显微镜物镜获得最佳的性 能。标称成像条件的小扰动可以导致信号强度的显著降低以及分辨率的下降。标称成像条 件的不利扰动可能起因于使用不同厚度的盖玻片，在浸水成像的情况下使用浸油物镜，从 成像到组织或其他样本，从成像通过样本容器，或从其他来源。由M. J. Booth，M. A. A. Neil 和T. Wilson在显微镜杂志的192卷，第2期（1998)"折射率不匹配的媒介中共焦成像的像 差校正"的文章分析了标本和样本引起的像差，教导了在共焦或双光子显微镜中使用可变 形反射镜的可能性，以校正通过折射率不匹配媒介的深入成像引起的像差。
[0018] 由 M，A，A. Neil，R. Juskaitis，M J，Booth，T，Wilson，T. Tanaka 和 S，Kawata 在显 微镜杂志的200卷，Pt 2,105-108页（2000) "双光子显微镜中的自适应像差校正"文章描 述了利用自适应光学的双光子成像的第一实验应用。所述自适应光学校正器，铁电液晶空 间光调制器（FLCSLM)在商用激光扫描显微镜中位于所述扫描机构之前。
[0019] 专利US6381074B2教导了 一种激光扫描显微镜，包括波前变换元件以在所述光轴 (深度）方向执行焦点扫描而不需要改变所述显微镜物镜和所述标本之间的距离。深度扫 描期间发生的像差通过使用所述波前变换元件而抵消，以最小化由于在所述光轴方向扫描 引起的聚光性能的劣化。在与所述物镜光瞳位置共轭的位置上或附近放置所述波前变换元 件，使预定的条件得到满足。此外，所述波前变换元件和在扫描光学系统中扫描在垂直于所 述光轴的方向上聚集光的位置和进一步的所述物镜的光瞳位置的两个振镜反射镜中的每 个都通过所述中间光学系统被彼此共轭放置或接近彼此共轭放置。所述扫描光学系统包括 用于将所述波前变换元件和靠近所述波前变换元件的所述振镜反射镜共轭于彼此放置的 光瞳投影透镜。
[0020] 由 0· Albert，L. Sherman，G. Mourou，T. Norris 和 G. Vdovin 在光学快报 25， 52-54(2000)的"智能显微镜：用于像差校正的自适应光学学习系统"文章教导了使用可变 形反射镜来校正在双光子成像系统中的离轴像差。所述物镜为离轴抛物面反射镜，双光子 样本的强度被用于优化所述可变形反射镜的形状。
[0021] 由 M.J.Booth，M.A.A.Neil，RJuskaitis 和 T. Wilson 在美国国家科学院学报 (Proc. Nat. Acad. Sci.)第 99 卷，No. 9, 30,第 5788-5792 页（2002)的"在共焦点显微镜中 的自适应像差校正"的文章描述了在共焦点显微镜中自适应光学的第一示范。所述文章教 导了使用在所述可变形反射镜和所述物镜之间的转送透镜（relay lenses)。
[0022] 由 Sherman L，Ye JY，Albert 0，Norris TB 在显微镜杂志（J Microsc.) 206 (Pt I) :65-71 (2002)的"在使用可变性反射镜的多光子扫描显微镜中的深度引入的像差的自适 应校正"文章示范了在多光子扫描显微镜中使用可变形反射镜作为所述波前校正器。所述 文章教导了使用4F望远镜系统直接将DM表面成像到所述显微镜物镜的入射光瞳上。
[0023] 专利US6771417B1中教导了在显微镜的观察光束路径和/或照明光束路径中一个 或多个波前调制器的使用。所述专利教导了将所述波前调制器放置在所述镜筒透镜和所述 物镜之间。这种调制器可以适于改变光的相位和/或幅度，以这样的方式来进行在所述物 体空间的所述焦点的位移和成形和可能的像差的校正。该发明的一个实施例允许聚焦到不 同的深度而不改变从物镜到所述物体的距离。可能使用的范围包括共聚焦显微镜、激光辅 助显微镜、传统光学显微镜和分析性显微镜。
[0024] 专利US7733564B2(上述US6771417 Bl中的延续专利）包括附属权利要求，其中 将设计改变为在光瞳平面放置所述波前调制器的仪器的权利要求，但是没有描述其所述方 法和机制。
[0025] 专利US 7659993 B2中教导了一种在自适应光学显微镜体系结构内的波前传感设 备。该发明的一个实施例描述了使用多光子和共焦点显微镜用于荧光成像的示例。波前传 感器采用干涉技术，被称为相干门，以隔离样本中的感兴趣的深度。所述可变形反射镜适于 预定的形状，以便形成行进光脉冲的所述期望波前。样本扫描是利用所述样本夹持设备的 移动而获得的。
[0026] 使用在显微镜中级联多个光瞳转送器的前面提到的传统的方法所面临的挑战已 得到公认。专利US7002736 B2教导了使用波前变换元件来校正像差的扫描光学显微镜。援 引日本专利HEI-11-1019424(1999)，其教导了期望的是所述波前变换元件应当放置在与所 述光瞳共轭的位置，本专利强调了由于以下问题，很难实施光瞳转送器系统。第一个问题是 在显微镜观察中使用各种各样的物镜，并且每个物镜的光瞳位置不同。因此，当在多个物镜 中从一个切换到另一个来执行观察时，难以始终保持所述物镜的光瞳与所述波前变换元件 的共轭关系。此外，所述波前变换元件需要与激光扫描组件的位置共轭放置，并且还与所述 物镜光瞳的位置共轭。因此，需要至少两个光瞳转送器光学系统。因此，所述装置的尺寸变 大并且变得不利地复杂化。
[0027] 除了校正光学像差的原因以外，自适应光学已经用在显微镜中。专利US8198604 B2教导了一种用于在厚组织中提供增强背景抑制的系统，其包含用于在激发束路径中引入 可控外来空间像差的像差元件。相关的方法包括以下步骤：获取无外来像差的厚组织的双 光子激发的荧光；将外来像差图案引入到激发束路径中；获取具有所述引入的外来像差图 案的所述厚组织的双光子激发的荧光；以及从所获取的无外来像差的厚组织的标准双光子 激发的荧光中减去具有外来像差的双光子激发的荧光。所述可变形反射镜被转送到所述光 束扫描仪，依次被转送到所述物镜的所述背孔径。所述可变形反射镜位于与所述物镜的背 孔径共轭的平面内。
[0028] 利用自适应光学的OCT成像
[0029] 类似于A0-SL0,自适应光学已经被应用到光学相干断层扫描（OCT)，用于自适应 光学 OCT (AO-OCT)。
[0030] 专利US7364296 B2教导了光学成像的方法，包括：提供将要成像的样本，使用自 适应光学器件测量和校正与所述样本相关的像差，以及通过光学相干断层扫描技术将所述 样本成像。
[0031] 专利US7942527 B2,教导了使用巴达尔视力仪以及旋转插入在AO-OCT系统中的 柱面来校正大假相像差，例如近视，远视和散光，便于临床使用和减缓。类似于利用AO-SLO 来实施，正交地旋转在望远镜中的球面反射镜（平面外），以减少有所述扫描仪所造成的像 差和光束位移。这产生了大大降低的AO配准误差和改善的AO性能，使能了患者眼睛的高 阶像差校正。
[0032] 专利US7896496 B2教导了可用于AO-SLO或AO-OCT中的物体跟踪系统。
[0033] 专利申请W02005060823 Al教导了一种数据采集系统，其通过OCT获得测量值，其 中通过在所述光束路径中排列有源光学元件来改善这些测量值的质量，所述系统还包括波 前传感器。
[0034] 专利申请 US20120019780 Al 教导了 AO-SLO 和 A0-0CT。
[0035] 专利申请US20110234978 Al教导了多功能光学装置，所述多功能光学装置包括能 够以扫描激光检眼镜（SLO)模式和光学