用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于为共聚焦显微镜生成随时间推移而变化的图案的光学系统。
现有技术
[0002]存在各种类型的共聚焦显微镜，它们在聚焦于待扫描对象表面的基础上检测该表面。此类系统的例子为诸如从US2007/0109559 Al得知的激光共聚焦显微镜，或如在瑞士专利申请016247/07中所述的pOFPT(即，平行焦点光学断层扫描)。
[0003]在pOFPT扫描器中，将移动图案投影到待扫描对象上。这是有利的，因为这是用于检测变化图案而非静态图案的更简单且更准确的信号技术。这种移动的实现使得具有该图案的掩模得以快速机械运动。这种移动为振荡的或连续的。
[0004]然而，这种机械运动存在一些明显缺点。这种机构需要空间，而这使紧凑设计变得不可能。这种机构还相对昂贵。此外，这种机械运动并不完全精确。具体地讲，变化率的精度受限，而这显著提高了分析成本。这甚至可能在机械运动中造成运行故障。
[0005]存在允许图案发生移动或变化的光学元件。这些元件(例如)用于投影仪中。然而，它们对于所需扫描而言过慢。例如，液晶显示投影仪的LCD允许每秒最多200张图像变化。然而，对于使用本文所述系统进行扫描的应用而言，每秒至少2，000张图像变化是必要的，甚至更好的是每秒20，000张图像变化。
[0006]因此，本发明的目的是为共聚焦显微镜提供一种光学系统及相关方法，在该光学系统及相关方法中尤其简化了图案的移动或变化，并且其变化非常精确地受时间控制，从而可与信号的后续评估完全同步。
【发明内容】
[0007]通过如分别在权利要求1和权利要求18中所述的光学系统和方法实现此目的。从属权利要求中规定了本发明的有利拓展。
[0008]根据本发明，提供了一种用于共聚焦显微镜的光学系统，该光学系统包括光源装置、分束器以及分束器与对象之间的透镜装置，其中光束从所述光源装置传播到反射该光束的对象，分束器使从光源装置发出的光束朝对象方向通过并且将由焦平面中的对象反射的光束朝检测器方向偏转，该检测器具有用于检测对象图像的检测器图案。具体地讲，该光源装置具有至少一个光源以及如下设备，该设备切换由所述至少一个光源所发出光束的偏振方向，从而无需移动具有投影仪图案的掩模即可生成变化的投影仪图案。
[0009]优选地，该分束器为偏振分束器。因此，可移动投影仪图案的光应始终具有相同的偏振方向。
[0010]因而，根据本发明，用固定的特殊光学装置和偏振方向变化的至少一个偏振光源代替上述机械运动。然后投影的图案或投影仪图案的变化与光源装置偏振方向的变化一样快。偏振方向可根据需要快速进行变化。
[0011]优选地，用于切换由所述至少一个光源所发出光束的设备相对于其偏振方向固定地布置在光源和可控光学延迟片的下游，该可控光学延迟片使偏振方向在两个不同偏振方向之间切换。因而偏振方向的快速切换和变化成为可能。
[0012]可控光学延迟片优选地为根据施加到电端子上的电压使偏振方向从入口到出口发生旋转的普克尔斯盒，所述电压以使延迟变化λ/2或其奇数倍的方式在两个电压Vl和V2之间切换。快速且受到良好控制的切换是可能的。
[0013]作为另外一种选择，可控光学延迟片优选地为固定旋转的λ/4延迟片。使用这种λ/4延迟片也可实现快速简单的切换。
[0014]作为另外一种选择，光源装置优选地具有两个光源和一个切换设备，所述切换设备作为相对于由所述至少一个光源所发出光束的偏振方向切换所述光束的设备，两个光源的光路组合为单一光路，两个光源发出偏振光并且两个光源的相应偏振方向旋转90°，并且在每种情况下切换设备都只将两个光源中的一个切换为开启状态，从而改变组合光的相应偏振方向。
[0015]两个光源可紧邻彼此地并排提供，使得其光路组合为单一光路。漫射盘优选地连接在光源下游。这种漫射盘用于更好地聚焦入射光并将其以所需方向发射出去。
[0016]两个光源可偏移90°布置，然后合束器将其光路组合为单一光路。
[0017]通过上述具有两个光源和一个切换设备的实施例，可以特别准确地切换至相应偏振方向。
[0018]相应光源优选地为发出自然偏振光的激光二极管，或者带有下游偏振片的LED。将以简单方式使用此类光源。
[0019]优选地将光线性偏振，并且优选地将两个偏振方向相对于彼此旋转90°，使得仅使用结构化偏振的方向。
[0020]优选地，在光源装置下游设置λ/4延迟片，该延迟片将偏振方向转变成一个逆时针方向一个顺时针方向的两个圆形偏振方向。由于偏振方向的这种转变，可采用简单方式生成投影仪图案。
[0021]优选地，在λ/4延迟片下游的结构化延迟片和透镜装置之间设置线性偏振片，该线性偏振片阻隔从偏振旋转90°的位置发出的光，而允许从出现偏振方向的位置发出的光通过，使得这些位置处的照明图案为透明的。这一设置方式还可以简化投影仪图案的生成，并且它确保了射向后续分束器的光始终具有相同的偏振方向。
[0022]照明图案或投影仪图案优选地为可根据需要进行控制的图案、固定线状图案或固定棋盘状图案。这些图案在实践中易于使用。
[0023]可采用如在液晶显示投影仪中所用的透明LCD，来容易地实现可控图案。形成合适图像需要生成结构化延迟片。
[0024]优选地，提供了用于对齐投影仪图案和检测器图案的装置。必须将图案对齐，这样在将该光学系统用作扫描器时可产生良好图像。
[0025]优选地提供了一种滤波器作为评估接收信号的装置，该滤波器的切换频率与光源偏振方向的切换频率同步。优选地，将该滤波器实现为锁相放大器。同步使得在扫描期间获得易于检测的信号。
[0026]此外，本发明涉及使用根据本发明的用于共聚焦显微镜的光学系统进行扫描的方法，该方法具有以下步骤:将投影仪图案与检测器图案对齐，当投影仪图案随高切换频率变化时调整焦平面，获得频率对应于切换频率的信号，对接收信号进行窄带滤波并在窄带滤波后搜索信号的最大强度，然后搜索具有恒定宽度的信号峰。
[0027]根据本发明的光学系统由于设计紧凑而尤其适合用于测量牙齿用的口腔内扫描器。
【附图说明】
[0028]根据以下【具体实施方式】和基于例子描述本发明的特征的附图，本发明的具体和其他特征以及细节对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中
图1示出了根据本发明的用于共聚焦显微镜的光学系统的总体结构，
图2示出了经由根据本发明的普克尔斯盒而具有可切换偏振方向的光源装置，
图3示出了经由根据本发明的(固定旋转)波片而具有可切换偏振方向的光源装置，
图4示出了经由根据本发明的两个光源而具有可切换偏振方向的光源装置，
图5示出了经由根据本发明的两个光源而具有可切换偏振方向的另一个光源装置，
图6示出了根据本发明的用于生成交替条纹图案的装置，
图7示出了根据本发明的结构化延迟片，
图8为用于定位变化图案的不意图，
图9示出了投影仪图案，
图10示出了检测器图案，
图11示出了从具有正确取向的测量对象看到的投影仪图案和检测器图案，
图12示出了从具有不正确取向的测量对象看到的投影仪图案和检测器图案，
图13示出了在调整聚焦位置期间的像素处的信号，
图14示出了在窄带滤波后所得的像素处的信号，以及图15示出了在进行窄带滤波来扫描自然牙齿后所得的像素处的信号。
【具体实施方式】
[0029]在下文中，将基于优选实施例并结合附图详细阐述本发明。
[0030]图1示出了根据本发明的用于共聚焦显微镜的光学系统的总体结构，其中提供了光源装置I，并且投影仪图案2为根据光源装置I的偏振态而变化的投影图案。图1的光源装置I在图2至图4中详细示出为具有可切换偏振态的光源装置I。此外，提供了分束器3，该分束器可为偏振分束器。就双箭头4而言，通过移动具有第一透镜4a和第二透镜4b的透镜装置的第二透镜4b来进行焦平面的移位。还示出了反射镜5、1/4波片6、对象7(诸如牙齿)、检测器图案8和传感器9。如果传感器的像素图案用作检测器图案，则不必使用检测器图案。该传感器可为(例如)用于POCT的智能像素图像传感器。
[0031 ]来自投影仪图案2的光束穿过分束器3射向对象7，通过第一透镜4a和第二透镜4b到达对象7处的焦平面。对象7反射的光束通过透镜4a和4b以及分束器3往回射向传感器9，在此传感器处检测到对象7的图像。在激光共聚焦显微镜中，照明图案或投影仪图案包括至少一个点光源，