。虽然有可能设计出具有良好的（衍射极限）离轴性能的单个 4f转送器，普遍地所述4f转送器由具有主要正功率的光学元件组成，因此很难或不可能完 全平衡像差。级联多个4F转送器导致正幂元件（positive powered element)对部件的像 差贡献。因此，难以通过多个串联链接的4f转送器获得良好（衍射极限）的性能，正如通 常实施的。其结果是大多数的自适应光学系统使用长工作距离的透镜或反射镜，以减少像 差具有大尺寸的缺点。通过使用不便的平面外的光学配置已经获得附加的改善来减低像差 的混合，如当使用离轴球面反射镜时已经示出的。所述串行链接的4f转送器已经是用于将 所述自适应光学元件与所述物镜的光瞳平面共轭和用于适当地转向所述光束的常用方法。 然而，当使用透镜或反射镜时，所述串行链接的4f转送器遭受大尺寸且离轴像差，以及当 使用透镜时，遭受色差和色散。色散随着玻璃元件的厚度或数量的增加而增加。当使用短 脉冲激光器时，色散是不确定的，因为所述脉冲在时间上分散地拓宽。本发明的一个实施例 解决了现有技术设计的这些显著缺点。本发明的一个实施例使能非常紧凑且灵活的、几乎 没有为了改善的光学和成像性能的色散、色差以及离轴像差的自适应光学扫描系统。
[0090] 本发明实施例的应用
[0091] 本发明的一个实施例是一种自适应光学扫描系统。在扫描光学系统中，横跨样本 对光进行扫描。扫描光学系统可用于范围广泛的成像、处理、操纵或表征应用。
[0092] 图1显示了可以用于本发明实施例的若干成像模式和系统。将理解的是也可以使 用本发明实施例未示出的其他成像模式和系统。为了学习一些关于样本特性的事情或测量 所述样本特性的目的，常见的应用横跨所述样本对光进行扫描。例如，在一个实施例中，所 述自适应光学扫描系统执行所述样本的成像。所述成像可通过共焦点、多光子、二次谐波、 反射光、荧光、散射光或利用扫描的光束成像样本的任何其他方法来执行。所述成像可以是 一维（ID)，二维（2D)，三维（3D)或可能1D，2D或3D作为时间对图像动态过程的函数。所述 成像可以是波长选择性的和可能多色或多信道，例如通常在荧光成像中执行。更常见形式 的成像设法获得有关样本的光谱信息。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所 述样本的光谱。通常扫描光学系统被用于获得有关所述样本的材料特定信息，例如生物细 胞类型，其通常在荧光成像或样本的散射特性中执行，如通常使用光学相干断层扫描（OCT) 执行。其他应用只关注所述样本的形状或轮廓。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统 执行轮廓测定法。通常，期望的是样本的成像或表征是无损的并且不会改变样本本身。然 而通常，光漂白、加热或其他样本变化现象以成像副产品的形式出现。其他应用设法具体地 利用所述扫描的光束改良或影响所述样本，例如在激光加工、烧蚀、激励、加热或光学操纵。 在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本的处理。在另一个实施例中，所述 自适应光学扫描系统执行所述样本的操纵。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统 执行所述样本的轮廓分析。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本区 域的激励。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行所述样本区域的加热。
[0093] 图1㈧示出了用于光学相干断层扫描（OCT)系统的光学布局。在一个实施例中， 所述自适应光学扫描成像系统执行光学相干断层扫描（OCT)。当执行OCT时，本发明的一 个实施例为了从样本145获得干涉的OCT信号，进一步包括干涉仪110、样本路径115和参 考路径120。扫描仪135和物镜140允许横跨所述样本145对光斑进行扫描。OCT可以使 用多种方法来执行，包括时域、频谱/傅立叶域或扫频源/傅立叶域，有时也被称为光学频 域成像（OFDI)。OCT还可以使用高数值孔径物镜150,被称为光学相干显微（OCM)来执行。 在OCT中，低数值孔径物镜通常用于提供足够深度的场，因为信息通常沿着A扫描的相对长 的深度范围而获得。高度与低数值孔径之比的定义有些主观。为了本应用目的，高数值孔 径指的是通常在商业显微物镜中建立的孔径。图I(B)示出了用于将被连接到的OCT干涉 仪的OCM系统的样本路径的光学布局。校准光被引导至扫描仪155,并通过扫描透镜160和 镜筒透镜165到达所述物镜150。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行光学相干 显微（OCM)。当执行OCM成像时，本发明的实施例进一步包括用于获得相干的0CT/0CM信 号的干涉仪、样本路径和参考路径以及用于获得精细分辨率的样本数据的高数值孔径物镜 150。OCT的一种常见的应用是将所述眼睛170成像，如图I(C)所示。在一个实施例中，所 述自适应光学扫描系统执行眼睛170的0CT。所述视网膜是利用OCT来成像的所述眼睛的 最常见的部分，然而还可以执行所述前侧眼睛、晶状体和角膜的成像。
[0094] 在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行共焦点的成像。一个共焦成像 系统的示例在图I(D)中示出。当执行共焦成像时，所述自适应光学扫描系统进一步包括分 束器或分色镜175和检测器180和共焦点针孔185来获得深度切片的荧光或反射率成像。 有时单模或多模光纤的端部被用作共焦点针孔。扫描激光检眼镜（SLO)是对于成像所述眼 190有用的共焦成像的变体。一个SLO成像系统的示例在图I(E)中示出。在一个实施例 中，所述自适应光学扫描系统为SLO系统。本发明的一个实施例还可以使用非线性成像模 式。一个多光子/二次谐波成像系统在图I(F)中示出。在一个实施例中，所述自适应光学 扫描系统执行两光子成像。当执行两光子成像时，所述成像系统进一步包括在所述光路径 中的分色镜194以及所述检测器735测量弹射并多次散射的荧光或来自所述样本发射光。 还可以类似地执行三光子和其它多光子成像。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统 执行多光子成像。当执行多光子成像时，所述自适应光学扫描系统进一步包括在所述光路 径中的分色镜194以及所述检测器735测量弹射并多次散射的荧光或来自所述样本发射 光。许多多光子成像系统也可用于二次谐波成像。在一个实施例中，所述自适应光学扫描 系统执行二次谐波成像。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行荧光成像。更 普遍地，本发明的一个实施例可用于广泛的应用中，其中在样本上或样本中，在关于通过从 所述样本聚集光获得的所述样本的信息上或所述信息中扫描光束。除了荧光和非线性成像 之外，可以执行更标准的反射和透射成像。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行 反射成像。在另一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行透射成像。大多数成像应用 使用单通道的光谱检测或足够区分样本特性的少量光谱通道。其他应用程序设法使用光谱 来光谱地分解所述样本的区域。在一个实施例中，所述自适应光学扫描系统执行光谱成像。 当执行光谱成像时，所述自适应光学扫描系统进一步包括用于将来自所述样本的光的光谱 含量进行分解的光谱仪。
[0095] 存在许多可以从自适应光学受益而获得改善的性能的激光扫描应用。因此本发明 的一个实施例可以在与生物学，医学，工业和研宄领域相关的宽范围的样本上使用。一些示 例样本包括：生物标本、动物、动物的一部分、人、人的一部分、植物、植物的一部分、组织、活 组织、保存的组织、染色组织、生物器官、活检标本、眼睛、眼睛的一部分、大脑、大脑的一部 分或皮肤。其他示例样本包括：机械的部件、电气部件、光学部件、装配部件、部件的组合、材 料标本、半导体部件、半导体材料标本、金属部件、玻璃部件、塑料部件、无生命的有机标本、 晶体标本或矿物标本。更普遍地，本发明的实施例中使用的样本的特征在于所述样本的属 性。所述样本的特征在于有关空间的属性。所述样本的特征在于有关机械属性。所述样本 的特征在于有关光学属性。所述样本的特征在于有关荧光的属性。所述样本的特征在于有 关反射的属性。所述样本的特征在于有关透射的属性。所述样本的特征在于有关折射率。 所述样本的特征在于有关散射的属性。所述样本的特征在于有关色散的属性。所述样本的 特征在于有关光谱的属性。所述样本的特征在于有关偏振的属性。所述样本的特征在于有 关热属性。
[0096] 本发明的一个实施例中的所述像差源可以来自所述自适应光学扫描系统的内部 源或所述自适应光学扫描系统的外部源，如图2所示。在一个实施例中，所述像差来自围绕 部件210的封装205,所述部件210也就是所述样本，如图2 (A)所示。所述像差可以来源于 所述样本220之上的玻璃窗或盖玻片215,如图2(B)所示。所述像差可以来自所述样本或 标本本身225,如图2 (C)所示。所述像差可以来自眼睛230的一部分，包括角膜235或晶状 体240,如图2 (D)中所示。穿过例如在浮出流体、玻璃盖玻片或所述样本本身之间的界面的 折射率失配的表面的聚焦收敛光，引入了球面像差。所述样本的不均匀性可能会引入其它 像差。因此，像差可能随着深度变化，如图2(E-F)所示，或随着横向位置变化，如图2(G)所 示。像差引起波前的失真。本发明的一个实施例使用自适应光学元件（多个）来补偿所述 样本中的像差。本发明的一个实施例使用所述自适应光学元件（多个）补偿来自样本保持 器的像差，所述样本保持器可以是封装、盖玻片、窗口、管、容器或与所述样本和所述成像系 统接触或在所述样本和所述成像系统之间的任何其他材料、物体、流体或表面。所述成像系 统本身可以具有残余的系统像差。本发明的一个实施例使用所述自适应光学元件（多个） 来补偿所述成像系统内的残余像差。
[0097] 概述
[0098] 本发明的一个实施例是一种自适应光学扫描系统。本发明的一个实施例的示意图 在图7中示出。本发明的一个实施例包括用于产生光的发射源705,所述光通过所述自适应 光学扫描系统引导到样本710;-个或多个自适应光学元件715,所述自适应光学元件715 影响所述光的所述波前，影响所述强度或影响波前和强度两者；光束投影模块720,所述光 束投影模块720利用4个或更多个运动轴进行操作并且控制光的角度和位置，以优选地通 过在所述自适应光学元件上或附近创建或适应光束枢轴点对接所述自适应光学元件715， 同时横跨所述样本710来扫描所述光；用于控制在所述光束投影模块720中的所述轴的运 动轨迹的控制器725 ;样本传送光学器件730,所述样本传送光学器件730适当地调节所述 光并且将所述光引导到所述样本710上；一个或多个检测器735,所述检测器735测量来自 所述样本710的光。
[0099] 图7(A)示出了示例实施例，其中所述检测器735位于所述样本传送光学器件730 之后，或与所述样本传送光学器件730分开。在所述检测器735位于所述样本传送光学器 件730之后的实施例的一个示例将是所述检测器735从所述样本710直接接收光的多光子 成像系统，当成像薄样本时或当所述检测器布置在所述样本周围时，有时使用所述系统，但 不与所述样本传送光学器件730共享光程。图7(A)中在所述样本710之后的所述检测器 735的位置仅表示光的路径，并不表示所述检测器735相对于所述样本710和所述样本传 送光学器件730的实际空间位置。其它实施例和成像模式还可以使用一种所述检测器735 不与所述样本传送光学器件730共享光程的配置。图7(B)示出了示例实施例，其中所述检 测器735从所述样本传送光学器件730的至少一部分接收光。所述检测器735从所述样本 传送光学器件730的至少一部分接收光的示例实施例为多光子成像，其中通过所述显微镜 物镜、病人界面光学器件、扫描透镜或其他样本传送光学器件730聚集所述光。图7(C)示 出了示例实施例，其中所述检测器735从所述光束投影模块720接收光，可能在所述光束投 影模块720和所述检测器735之间具有附加的部件。所述检测器735从所述光束投影模块 720接收光的示例实施例可以是0CT、共焦成像、轮廓分析或光谱学的某些配置。也是可能 是未示出的所述检测器735的其它位置。所述检测器735可以定位于沿着所述光程接收或 截取光，或可以定位于将其从所述光学光传送系统分开。
[0100] 如图7所不，本发明的一个实施例包括发射源705。将在所述自适应光学扫描系 统中使用的发射源的类型选择为与所述扫描应用相兼容。根据所述成像模式，所述发射源 705可以利用二极管、脉冲激光器、可调谐激光器、波长扫频激光器、飞秒激光器、光纤激光 器、垂直腔面发射激光器（VCSEL)、波长可调谐的VCSEL、等离子体光源、卤素灯、汞灯、白炽 灯或超连续源来生成光。其它发射源705也可能并且包括在本发明的实施例中。
[0101] 关于从所述发射源705传送光的要求取决于所述应用。可能的发射源特性在图8 中示出。例如，多光子成像系统可以优先使用来自所述发射源的校准光束，同时共焦成像或 OCT系统可以优先使用从单模或多模光纤传送的光。本发明包括多个实施例，其中所述发 射源包括用于将来自点源或小面积发射器的光校准的光学器件。在许多情况下，校准来自 发射源的光。校准或主要校准光从其他光源之中的钛蓝宝石激光发出。发射校准光的发射 源805在图8(A)中示出。在本发明的一个实施例中，校准来自所述发射源805的光。从点 源发出的光穿过透镜，离开所述发射源，可以形成收敛光束。在本发明的另一个实施例中， 收敛来自所述发射源810的光，如图8 (B)所示。来自点源或小面积发射器的光可以形成发 散光束，如图8(C)所示。在本发明的一个实施例中，发散来自所述发射源的光805。对于 许多应用，例如OCT和共焦成像，期望使用光纤电缆来传送光，如图8(D)所示。在本发明的 一个实施例中，光纤耦合来自所述发射源的光820。此外，时常期望所述光纤电缆825为单 模，正如用于OCT的情况和共焦成像的实施。在本发明的一个实施例中，将来自所述发射源 的光光纤耦合到单模光纤中。来自发射源的光可以具有非常多的形状和光强度分布，所有 这些都包括在本发明的实施例中。常见的是来自激光器或点源的光具有主要为圆形的光束 横截面830,如图8(E)中所示。在本发明的一个实施例包括来自所述发射源的光，所述光 为具有主要为圆形横截面830的光束。来自激光源和其它源的光通常是总体上的高斯光分 布，如图8(F)所示。在本发明的一个实施例中，来自所述发射源的光为强度分布主要为高 斯分布的光束。不同的应用需要不同的性能规格的发射源。本发明的一个实施例包括所述 发射源705产生了宽带光谱含量的光并且发射一定范围的波长（大于约2nm)的实施。通 常使用宽带光源的应用包括OCT，多光子显微镜，共焦点显微镜，荧光显微镜（使用弧光灯、 白炽灯或LED)，某些光谱学实施或其他。宽带光源包括发出连续或脉冲的宽带发射的扫频 光源或光源。本发明的一个实施例包括所述发射源705产生了窄带光谱含量的光并且发射 窄范围的波长（小于约2nm)的实施。通常使用窄带光源的应用为共焦点和荧光成像（使 用激光光源），某些类型的轮廓测定法，某些类型的光谱学或其他的实施。
[0102] 本发明的一个实施例包括自适应光学元件，也等同地称为波前校正器。可能存在 许多可以在本发明的一个实施例中使用的自适应光学元件，其子集在图3中示出。本发明 的一个实施例可以使用可变形反射镜305、310、315、320、325、330和335的自适应光学元 件，液晶空间光调制器340和345,液晶设备340和345,具有连续面板305、315、320、325、 330, 335的可变形反射镜，分段的可变形反射镜310,空间光调制器340和345或其它可以 影响所述波前、影响所述强度，或者影响波前和光强度两者的有源和多致动器或信道光学 元件。在所述自适应光学元件中的所述致动器的排列根据所述自适应光学元件的设计而改 变。常见的致动器布局为网格图案、蜂巢图案、同心圆、径向对准的致动器、圆形或弧形分段 的致动器布局及其他。在本发明的一个实施例中，所述自适应光学元件（多个）715是可变 形反射镜。在本发明的一个实施例中，所述自适应光学元件（多个）715为液晶空间光调制 器。
[0103] 如图5中示出的许多自适应光学系统使用光瞳转送器（pupil relay)来妥善管理 相对于光学系统中扫描仪的位置的光束枢轴位置的要求。传统的光瞳转送器执行所述光瞳 场的真实转送，并用作在大多数现有的自适应光学系统中的所述转向反射镜、所述自适应 光学元件和所述样本传送光学器件或所述样本本身之间的所述光链路。本发明的优选实施 例使用了不同的方法。因为在基于激光的成像系统中所述光束直径在〇. 5_到若干厘米的 量级上并且所述光束质量普遍相当好，所以所述仪器的路径长度期间所述光束和波前和强 度分布的相关变化的发散是可以忽略的。事实上，许多现有的双光子显微镜使用商用的激 光光源（例如Coherent Chameleon?)以及与其配合的商用的双光子显微镜（例如Prairie Technologies Ultima?)来建造，这样，从所述激光源出现并且进入所述显微镜的所述校准 光束便会横贯一定距离，所述距离与基于方便安装实验室或地点的布局和可用空间的安装 方式不同而不同。所述光束保持了质量并且在从厘米到米的校准传播过程中，主要无变化， 因此谨慎控制距离和平面是没有必要的。换言之，所述高质量的激光束利用在显微镜安装 规模（厘米到若干米）距离内基本固定的（不变）强度和波前来传播。考虑到这一点，这 对于重新审视标准的AO配置是有帮助的，其中光瞳转送器（远焦4F望远镜）用于将一个 转向反射镜的所述光瞳平面605成像到另一个转向反射镜的光瞳平面610上，如图6所示。 所述光瞳转送器（远焦4F望远镜）615的第一作用是在所述反射镜平面620上创建虚拟枢 轴点，使得所述光束对于所有入射光束角和出射光束角总是朝向所述反射镜的中心。所述 光瞳转送器的第二作用是在第一转向反射镜从一个光瞳平面605将所述光学场采样和转 送到在第二转向反射镜的另一个光瞳平面610。以这种方式，所述光学波前和强度分布从第 一光瞳平面605转送到所述第二光瞳平面610中，即使所述波前是不平坦的并且强度分布 是复杂的。对于一个扫描自适应光学系统，创建虚拟枢轴点的第一作用是必要的，而转送所 述波前和强度分布的第二作用不是必要的。如果所述光束直径足够大、主要校准、主要平坦 的波前和主要高斯强度分布，那么所述光束在基本不变的平面镜反射之间传播。因此，没有 必要在形式上转送所述光瞳平面，而理想的是简单地创建所述光束的虚拟枢轴点。当从第 二光瞳平面610转送到所述自适应光学元件625的平面时，保持相同的推论，正如通常使用 第二光瞳转送器630来执行的。考虑了光束的强度分布和波前，其在从厘米到米的传播距 离名义上保持主要恒定，例如所描述的光束。图9示出了可能使用创建具有固定位置的虚 拟枢轴点的方法，但是使用一对旋转反射镜来代替透镜或凹面镜的可变光束角将在传统的 4f设计中使用。在如图9(B)所示的中性（零）位置上，所述光束首先从左到右传播，由第 一转向反射镜905反射。然后所述光束向上并向左传播，由第二转向反射镜910反射。所 述第二转向反射镜引