导光束向右传播，其在特定的位置与平面915相交。如图9(A)所示， 通过适当地调整所述转向反射镜的角度，相同的光学配置可以创建在相同的位置与所述平 面915相交的向下的光束角，如在图9(B)所示的所述中性位置。同样地，如图9(C)所示， 一组不同的转向反射镜角度产生在相同的位置与所述平面915相交的向上的光束角。图 9(D)叠加了图9(A-C)中所示的三种配置，并示出了所述转向反射镜角度的适当调整允许 平面915的主要固定的光束强度由围绕枢轴点的可调整的光束角形成。在所述反射镜上设 定适当的角度允许将产生中间光束角，所述中间光束角全部围绕着相同的枢轴点旋转。这 种光学构成可以用来满足创建虚拟枢轴点的要求，所述虚拟枢轴点将在自适应光学扫描系 统中，代替了所述更传统的光瞳转送器（远焦4f望远镜），被用作所述光束转向机制和所述 自适应光学元件之间的链路，但是所述光学构成具有无离轴像差、无色散和尺寸紧凑的显 著优点。图9(D)示出了从左侧进入的光束，具有固定强度位置的光束，但是在平面915中 的所述光束转向机制的右侧形成可变的角度。图9(E)示出了相同的光学构造也可以用于 从具有固定光束强度但光束角可变的位置的平面920接受光，并生成具有固定光束强度位 置的第二平面925,但是该第二平面925通过使用第一转向反射镜935和第二转向反射镜 940，可变光束角以适当的角度定向到所述光束转向机制的右侧。另外，排列的灵活性允许 任意且可编程的放置所述输出光束的位置和角度。例如，在图8(D)的平面945示出了随着 变化光束角而改变光束位置。所述光束位置和光束角在所述反射镜的工作孔径内是完全可 编程的，并且可以在不工作时预编程或重计算以在所述扫描期间创建任意的光束位置和光 束角轨迹，这可能会或可能不会围绕所述相同点为中心旋转。在图9(D-E)中说明的2项基 本功能可以作为在自适应光学扫描系统中紧凑扫描机制的构建块。大多数光束扫描系统横 跨所述样本在X和Y两个方向进行扫描。图10示出了可以将由2个旋转反射镜组成的X 光束扫描机制1005与Y光束扫描机制1010连接，所述Y光束扫描机制1010也可以由2个 旋转反射镜组成。所述两个光束扫描机制以正交方向（旋转90度）定向，并且投影到平面 1015内的相同固定点。在本示例中，第二对旋转反射镜1020和1025,以所述第一旋转反射 镜对的输出变为所述第二旋转反射镜对的输出的方式，在所述平面1015内的所述固定点 和所述第一对旋转反射镜1030和1035之间配合。图11示出了基于这个原理的示例配置， 说明了使用四个振镜（galvo)来致动所述转向反射镜的X和y扫描。所述反射镜的其他相 对排序和排列是可能的。产生光束的可编程位置和角度的反射镜和致动器的集合在本专利 申请中被称为光束投影模块720。
[0104] 本发明的一个实施例的自适应光学扫描系统包括用于在光学系统中的适当位置 生成所述光束的枢轴位置的光束投影模块。所述光束投影模块具有影响反射镜适当地导引 所述光束的四个或更多个运动轴。本发明的一个实施例使用所述光束投影模块的至少一个 轴是旋转的排列。如图11所示，本发明的一个实施例包括具有四个振镜（galvanometer) 驱动的反射镜的光束投影模块。所述振镜的排序可被优化为特定的成像应用。本发明的一 个实施例使用一种光学布局，其中所述2个X轴振镜在所述Y轴振镜之前。在另一个实施 例中，所述两个y轴振镜在所述两个X轴振镜之前。在另一个实施例中，将所述轴分开，使 得第一X和y振镜在第二1和 7振镜之前。其它反射镜和致动器配置也是可能的。例如， 图12(A)示出了由两个快速转向反射镜（FSM) 1205和1210组成的光束投影模块，以投影到 一个外部枢轴点1215。图12(B)示出了由两个快速转向反射镜（FSM) 1220和1225组成的 光束投影模块，其从外部光束枢轴点1230接受光并且投影到外部光束枢轴点1235。也有 可能是FSM和振镜的结合。本发明的一个实施例包括包含至少一个快速转向反射镜（FSM) 的光束投影模块。本发明的另一个更具体的实施例包括使用两个快速转向反射镜的光束投 影模块，其中每个快速转向反射镜具有两个旋转轴。还可以使用其他两个轴，单个反射镜光 束转向元件，如用所述FSM，例如MEMS反射镜，万向反射镜，压电驱动的倾斜反射镜和其他 倾斜反射镜机制。在另一个实施例中，所述光束投影模块包含至少一个振镜驱动的反射镜。 不是所有的致动器和反射镜的运动都必须是旋转。可以将旋转的和平移的致动器和反射镜 移动结合来完成所述目标或将光束投影到可编程的位置和光束角。图12(C)示出了第一旋 转反射镜1240如何与第二平移反射镜1245结合来创建产生外部光束枢轴1250的光束投 影模块。旋转轴到平移轴的排序可以不同。图12(D)示出了第一平移反射镜1255如何与 第二旋转反射镜1260结合来创建产生外部光束枢轴1265的光束投影模块。更普遍地，本 发明的一个实施例利用正在平移的光束投影模块的至少一个轴进行操作。本发明的另一个 实施例包括使用旋转和平移轴的组合或自由度的光束投影模块。其它光束转向设计是可 能的。本发明的一个实施例利用所述光束投影模块进行操作，其中所述光束投影模块包括 如下列表中的至少一个：转向反射镜（steering mirror)、声光偏转器、旋转多面体、电光光 束偏转器、电光棱镜、热光棱镜、衍射阵列、机械扫描的反射镜、由电机驱动的机械扫描反射 镜、由步进电机驱动的机械扫描反射镜、由振镜驱动的机械扫描反射镜、MEMS反射镜、声光 调制器或液晶设备。
[0105] 必须控制所述反射镜的角度或位置，以产生所期望的光束投影输出。许多致动器 具有相关的反馈控制系统，如此位置命令被用作命令所述致动器的输入，并且所述控制系 统起到跟踪所述命令位置的作用。例如，振镜系统可以使用电容式或光学编码器来测量所 述振镜角的位置。将所测量的位置与命令位置进行比较以产生位置误差。所述位置误差通 过例如比例-微分积分（PID)控制器或全状态反馈控制器的反馈控制器进行处理，以产生 将应用于所述振镜中致动器的校正作用。以这种方式，执行给所述反射镜的命令，直到到达 所述致动器和控制器的带宽、加速度和速度极限。这些本地化的反馈控制系统管理所述致 动器的低电平位置控制。其它致动器对开环位置命令响应良好，例如MEMS设备和压电致动 器。本发明的一个实施例使用用于所述光束投影模型中至少一个轴的闭环控制。本发明的 另一个实施例使用用于所述光束投影模块中至少一个轴的开环控制。然而，无论所述本地 化致动器的控制方案，谨慎协调在本发明的一个实施例中的所述不同致动器和反射镜之间 的位置以产生所期望的光束转向效应。
[0106] 通过用于控制所述光束投影模块中所述轴的所述运动轨迹，控制器725执行所述 光束转向模块（beam steering module)中不同轴之间的坐标。所述控制器为各个致动器产 生位置命令来协调所述运动。在优选的实施例中，通过可以执行代码、逻辑或指令的处理器 或电路执行所述坐标，以产生所期望的位置命令。所述处理器可以是微处理器、微控制器、 数字信号处理器（DSP)、现场可编程门阵列（FPGA)、专用集成电路（ASIC)或可以执行数字 计算的任何其他处理器。优选数字处理器，因为可以执行非线性计算，计算中具有可调节性 和灵活性，并且在许多成像系统中已经具有通常备用的处理器能力。然而，模拟电路也可以 用于执行所述控制。根据是否以开环或闭环（反馈）的方式控制在所述光束投影模块中的 用于所述反射镜的致动器，所述控制器除了在所述光束投影模块中为每个轴产生运动轨迹 之外，还可以包括所述闭环控制器。在开环或闭环致动器控制方法的任一种情况下，所述控 制器产生运动轨迹并用于控制所述光束投影模块中轴的运动轨迹。在本发明优选的实施例 中，通过到所述致动器或有源元件的电子信号来控制在所述光束投影模块中的自由度之间 的协调。在一个实施例中，耦合用于任何给定扫描轴的所述致动器，如此由单个输入参数确 定每个各个轴的所期望的输出命令。在本发明的另一个实施例中，通过机械的链路来控制 在所述光束投影模块中的自由度之间的坐标。成像系统普遍地扫描所述标本上的光斑，以 及许多扫描轨迹都是可能的。本发明的一个实施例使用所述光束投影模块720来利用引起 所述光束跟踪在所述样本710上的光栅扫描图案1705的轨迹来扫描所述反射镜。
[0107] 本发明的一个实施例包括用于将光传送到所述样本710的光学器件，称为样本传 送光学器件730。大多数样本要求物镜将所述光聚焦到所述样本或所述样本内。本发明的 一个实施例包括具有显微镜物镜的样本传送光学器件。更普遍地，本发明一个实施例使用 样本传送光学器件，所述样本传送光学器件利用数值孔径（NA)以收敛光束将所述光引向 所述样本，以在所述样本中获得所期望的分辨率。其它样本包括其自身的光学器件或光学 表面，例如所述生物眼或照相机系统，其根据所述光传送的特性具有不同的要求，使得优选 校准或近似校准的光束为用于传送到所述样本的光。本发明的一个实施例使用了样本传送 光学器件，所述样本传送光学器件利用枢轴点以主要校准的光束将所述光引向所述样本， 所述枢轴点位于在所述样本内的光瞳平面上或在光瞳平面附近，使得所述样本的光学性能 聚焦于所期望成像平面上的光。更具体地，本发明的一个实施例使用引导入眼睛的主要校 准的光束，位于眼睛的光瞳上或在眼睛光瞳附近的光束枢轴点，使得光的焦点位于眼睛的 视网膜245上或在其附近。所述样本传送光学器件用于将所述光调节和引导到所述样本， 其中调节是指产生所述光束的适当校准、收敛或发散，产生所述适当的光束直径，产生所述 适当的数值孔径，产生所述适当的强度轮廓，产生适当的光斑大小，产生适当的光斑形状， 产生适当的波前，或影响光束优先与所述样本相互作用的任何其他方式。
[0108] 本发明的一个实施例包括用于检测来自所述样本710的光的检测器735。在本发 明的一个实施例中，所述检测器735是用于执行光谱/傅立叶域OCT的行扫描相机。在本发 明的另一个实施例中，所述检测器735包括用于执行扫频源/傅立叶域OCT的实现失衡检 测的高速光电二极管或实现均衡检测的两个光电二极管。在本发明的另一个实施例中，所 述检测器735包括光电倍增管（PMT)或雪崩光电二极管。更具体地，本发明的一个实施例使 用了检测器，所述检测器包括用于执行双光子、多光子或二次谐波成像的光电倍增管（PMT) 或雪崩光电二极管。本发明的另一个实施例使用了检测器735,所述检测器735包括用于执 行共焦成像的光电倍增管（PMT)，光电二极管或雪崩光电二极管。在本发明的又一个实施例 中，所述检测器是用于将来自所述样本的光的光谱含量进行分解的光谱仪。本发明的另一 个实施例使用了检测器，所述检测器利用光化学反应，将信息记录在来自所述样本的光中， 如在电影中所使用的。本发明的另一个实施例使用了检测器，所述检测器利用热敏传感器 将信息记录在来自所述样本的光中，在光镊系统中，受操纵的物体通常利用相机来监控，例 如电荷耦合器件（CCD)或互补金属氧化物（CMOS)阵列。将光学力施加到受操纵的所述物 体和利用相机监控所述物体的响应，可以指示所述光阱力的强度。所述光阱力的测量依赖 于所述系统中的像差，以及自适应光学元件可以被优化以最大化光阱力。在本发明的一个 实施例中，所述检测器735是相机。在本发明的另一个实施例中，所述检测器735是波前传 感器。在本发明的另一个实施例中，所述检测器735测量来自所述样本的光强度。所述检 测器735可以沿着所述光程，符合所述应用，位于不同的位置，或者可以与将光传送到所述 样本的所述光学系统分开。
[0109] 多光子显微镜的实施例
[0110] 本发明的一个实施例可用于自适应光学多光子成像。图13-21教导了执行双光子 显微镜的本发明的一个实施例，图22和23示出了实验自适应光学双光子的结果。在原型中 的所述发射源705是商用的钛宝石飞秒激光器（Thorlabs公司0ctavius-2P)，如图21 (C) 所示。在原型中的所述自适应光学元件715是商用的具有140致动器、镀金、网格致动器 布局、静电致动以及4. 4毫米的有源区域（Boston Micromachines公司，Multi-DM) 2105的 MEMS可变形的反射镜，如图21⑶中所示。在图13中图解的所述光束投影模块720包括四 个商用的振镜（剑桥科技621 OH XY扫描仪）。每一对X-Y扫描仪通过与执行所述振镜角位 置的闭环控制的所述振镜一起售出的模拟控制器来控制。模拟电压信号被用作命令所期望 的振镜位置角的所述控制器的输入。如在图13(A)中所示，光进入所示光束投影模块1305 并且反射离开标记为X反射镜1的第一转向反射镜1310。光然后行进到标记为X反射镜2 的第二转向反射镜1315。X反射镜1和X反射镜2 -起工作，以控制在X扫描方向上的所 述光束的角度和位置。光从X反射镜2行进到标记为Y反射镜1的转向反射镜1320,其反 射光并将所述光引导到标记为Y反射镜2的转向反射镜1325。Y反射镜1和Y反射镜2 - 起工作，以控制在Y方向上的所述光束的角度和位置。注意选择X和Y方向是为了便于说 明，X和Y的顺序是可互换的。所述商用的XY扫描仪套件包含具有小反射镜和大反射镜的 一对振镜，因此2个套件包含具有小反射镜的2个振镜和具有大反射镜的2个振镜。具有 小反射镜的所述振镜的动态性能与具有大反射镜的所述振镜的动态性能不同。因此，与每 个扫描轴内的反射镜尺寸匹配的所述光束投影模块中的含量是理想的。在所示的具体实施 例中，理想的是在所述光束投影模块的第一阶段使用所述两个小反射镜1310和1315 (在图 13中标记为X反射镜1和X反射镜2)以及在所述光束投影模块的第二阶段使用所述两个 大反射镜1320和1325 (在图13中标记为Y反射镜1和Y反射镜2)。在一个阶段内匹配反 射镜的大小意味着简化在所述阶段内的扫描，因为所述两个振镜的动态性能是相似的，因 此它们将对输入命令电压轨迹作出类似的响应。进一步，在所述两个大反射镜之前放置所 述两个小反射镜是有利的，因为来自X反射镜1和X反射镜2的光束已经被引导离轴，需要 更大的Y反射镜1和Y反射镜2表面来接收所述离轴光束，如图14(B)中所示。从Y反射 镜2反射的光离开所述光束投影模块，并且行进到所述可变形的反射镜1330,其具有高反 射性的表面以朝向所述光束转向模块的输出反射所述光。改变所述转向反射镜的角度允许 所述光束角入射到将改变的所述可变形的反射镜1330上或从将改变的所述可变形的反射 镜1330反射，同时保持光束在所述可变形反射镜1330的光轴性。在图13(B)中耗尽的标 记为方向1，方向2和方向3的所述输出射线说明了光束转向的原理，所述原理使能到所述 可变形反射镜1330的紧凑界面和在所述样本上的光束扫描。图13(A)和13(B)示出了图 13(B)和图13(D)中投影视图，所述光束转向模块和自适应光学元件装配的等距视图。图 14 (A和B)示出了所述光束转向模块1405的实体模型图，其中所述转向反射镜和所述可变 形反射镜表面相对于输入和输出光束而示出。图15示出了所述原型实施例的所述转向反 射镜位置和角度。
[0111] 在本实施例的光束投影模块720中用于控制所述轴的运动轨迹的所述控制器725 包含在PC计算机（戴尔台式PC)上运行的软件代码1605,数字模拟转换器（DAC)电路板 1610(美国国家仪器的PCIe-6323)和用于所述振镜的所述模似控制器1615和1620,如图 16(A)中所示。所述PC计算机1605包含中央处理单元1625 (CPU)。算法1630通过所述CPU 1625来执行来为每个振镜产生反射镜角度的轨迹，以在所述成像场（成像平面）中完成扫 描期望的光斑轨迹。所述反射镜角度轨迹在计算机存储器中作为阵列存储。为了执行所述 扫描，代表所述反射镜角度轨迹的数字数据以1〇〇,〇〇〇样本每秒的固定速率，在16比特的 DAC分辨率，通过所述DAC板输出为在Chl到Ch4的每四个信道上的模拟输出电压。Chl到 CH4的输出通过电气布线1635被连接到所述2个振镜控制器1615和1620的输入。所述2 个振镜控制器1615和1620中的每个执行在所述光束投影模块1660中用于所述4个振镜 1640,1645,1650和1655的两个信道的闭环控制。图16(B)示出了扫描轨迹是如何产生的， 第一步通过扫描轨迹发生器1665参照所述成像场（成像平面）坐标系。基于所述光束投 影模块的几何形状，在所述场中所需要产生期望的扫描图案的一组振镜角度可以通过反射 镜角度计算1670来计算。所述X和Y场位置作为所述反射镜角度计算的输入，并且所述反 射镜角度计算产生相应的Xl振镜，X2振镜，Yl振镜和Y2振镜转向反射镜命令角。数字表 示并存储在计算机存储器中的所述Xl振镜，X2振镜，Yl振镜和Y2振镜命令被发送到将被 转换为模拟信号从Chl，Ch2, Ch3,和Ch4输出的所述DAC 1675中。
[0112] 图17示出了所述实验装置在所述成像场中使用的扫描图案的细节。光栅扫描图 案1705由从左到右成像路径的重复序列组成，其横跨所述样本在X方向以恒定速度扫描所 述光斑，如图17(A)和图17(B)中所示。随着横跨所述样本扫描所述光斑，从所述PMT聚集 的A/D转换器读出光强度测量来自所述样本的信号，所述数据用于产生最终双光子图像的 一行数据。在所述成像路径1710的每个恒定速度X方向扫描的末端，所述扫描图案定义了 快速回程运动或路径1715,以将所述光斑返回到新的恒定速度X方向扫描的开始。在所述 回程的同时，所述扫描图案定义了在所述y方向上所述光斑的小幅向上移动，行的阶跃移 动1720来扫描所述下一个邻近的行。实际上，当由适当平坦的轨迹命令且在可到达的运动 极限内时，振镜只能在有限的闭环动态带宽内进行跟踪，并且经受振荡和振铃效应。图17B 示出了用于原型实施例中光栅扫描的所述向前扫描和回程轨迹的细节。当在动态系统上存 在加速度和速度约束时，所述轨迹在加速度上基于半正弦波轮廓，这是经过深入研宄的以 及在所述运动控制场和机器人学中来降低振动和谐振模式不期望的激发使用的常见轨迹。 相对于所述半正弦加速度的时间导数是加加速度轮廓，其是有界值。相对于所述半正弦加 速度轮廓的时间积分为所述速度轮廓。相对于所述速度轮廓的时间积分是所述位置轮廓， 其被用作所述场参考坐标系的运动路径。图17(C)示出了在所述顶部曲线图中X方向扫描 的所述成像路径和回程的扫描轨迹和在所述底部曲线图中所述相关的行-阶跃移动的扫 描轨迹。所述行-阶跃移动1720也基于半正弦波加速轮廓。可以是其他扫描轨迹，以及其 成像和优化是理想的。图17(D)示出了相对于场位置扫描的同心的恒定速度成像圆周，其 中小的非成像路径分段加入到每个圆周中。所述相关的X和Y场位置和场速度在图17(E) 中绘制。图17(F)中示出了由非成像转回分段结合的辐射状十字形图案成像扫描，其是各 自最佳关于振镜加速度和速度的约束。所述相关的X和Y场位置和场速度在图17(G)中示 出。将在所述场参考平面