利用掃描儀系統沿著連續掃描軌跡掃描的方法
2023-05-23 11:36:06 5
利用掃描儀系統沿著連續掃描軌跡掃描的方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用掃描儀系統(100)沿著連續掃描軌跡掃描的方法，該掃描儀系統包括用於偏轉由定義x-z平面中的光軸(z)的連續透鏡系統(200)生成的電磁波束的焦點的第一對聲光偏轉器(10)以及用於偏轉基本上與x-z平面垂直的y-z平面中的焦點的第二對聲光偏轉器(20)，其特徵在於在第一對偏轉器(10)的偏轉器(12、12』)中和在第二對偏轉器(20)的偏轉器(22、22』)中隨時間持續改變聲頻掃動，以使得焦點沿著掃描軌跡持續移動。
【專利說明】利用掃描儀系統沿著連續掃描軌跡掃描的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種利用掃描儀系統沿著連續掃描軌跡掃描的方法，該掃描儀系統包 括用於偏轉穿過定義x-z平面中的光軸（z)的連續透鏡系統的電磁波束的焦點的第一對聲 光偏轉器以及用於偏轉在基本上與χ-ζ平面垂直的y-z平面中的焦點的第二對聲光偏轉 器。
【背景技術】
[0002] 三維（3D)雷射掃描技術在對生物樣品進行測量（包括掃描、成像、檢測、激發等） 中很重要。
[0003] 現有技術通常應用雙光子雷射掃描顯微鏡，該雙光子雷射掃描顯微鏡使用較低光 子能量的雷射，其中需要兩個光子來在量子事件中激發螢光團（f luorophore)，導致發射熒 光光子，該螢光光子隨後被檢測器檢測到。接近同時吸收兩個光子的概率極低，從而要求高 通量的激發光子，因此雙光子激發實際上僅在雷射束強度超過雙光子閾值的雷射束的焦點 出現。通過模式鎖定激發雷射以使得以高強度到達的光子在樣本處反彈也增加光子數量。 通常，飛秒脈衝雷射用於提供雙光子激發所需的光子通量，同時保持平均雷射束強度足夠 低以避免熱樣本惡化。
[0004] 在分析生物樣品的情形下，通常優選地移動雷射束的焦點而非移動樣品，當使用 浸沒樣品室（submerge specimen chamber)時或者當利用微電極對生物樣品進行電記錄 時，這將難於實現。可以通過偏轉雷射束以掃描焦平面（x-y平面）中的不同點並且通過例 如經由壓電定位器（piezo-positioner)沿著其光軸（軸z)偏移物鏡以便改變焦平面的深 度，實現沿著任意軌跡移動焦點。常規通過經由例如安裝在檢流計掃描儀上的偏轉鏡的機 械光學偏轉部件（mechano-optical deflecting means)在給定焦平面（x-y平面）內偏轉 雷射束來實現XY掃描。
[0005] 機械掃描組件（即，掃描鏡和顯微鏡物鏡）的慣性呈現關於可實現掃描速度的特 定限制，因為掃描組件需要被物理偏移以便進行3D掃描。
[0006] 已經將快速聲光偏轉器（偏轉器）作為常規機械光學解決方案的替代物提出。
[0007] Kaplan 等("Acousto-optic lens with very fast focus scanning"，OPTICS LETTERS/Vol. 26，N〇. 14/Julyl5,（2001))提出了一種由具有鎖定相位的逆向傳播的聲波的 兩個偏轉器組成的聲光透鏡，以實現僅沿著z軸的焦平面變動，而不橫向移動波束。在該類 型的應用中，應當生成啁啾（chirped)頻率聲波，S卩，偏轉器的聲光介質中的聲波的頻率持 續改變。通過經由聲光器件的光學孔徑改變聲頻的掃動速率（sweep rate),實現改變聲光 透鏡的焦點。為了同時移動波束並且改變焦平面，必須改變掃動速率並且應當引入一對的 兩個偏轉器之間的聲頻差異。為了沿著X軸移動焦點，應當應用在x-z平面中偏轉的偏轉 器之間的聲頻差異，為了沿著y軸移動焦點，應當應用在y-z平面中偏轉的該對偏轉器之間 的聲頻差異。相應對中的頻率差異量確定焦點的X和y坐標。
[0008] 在聲光掃描儀中使用上面的原理，以便提供3D掃描。在聲光掃描儀中，使用四個 偏轉器來實現真正的3D掃描，S卩如在US 7, 227, 127中所述將激發雷射束聚焦到像鑽石的 空間體積（spatial volume)內的多個點。在正常操作中，使用隨機訪問掃描，意味著可以 通過向聲光偏轉器添加適當控制來尋址（address) 3D空間中的任何選擇點。該模式稱作隨 機訪問多點掃描（RAMP)。
[0009] 對於3D中的RAMP操作，應當用具有幾乎相等的頻率掃動速率但不同開始頻率的 隨時間線性改變它們的頻率的啁啾聲波填充偏轉器。啁啾的斜率確定焦深（focal d印th) (z水平高度（level))，而分別在x-z或者y_z平面中偏轉的偏轉器對的元件中呈現的瞬時 頻率給出焦點相對於軸的橫向距離X和y。
[0010] 例如在χ-y平面中偏轉的該對元件中的頻率函數可以被定義為：
[0011] fix = fi〇x+alx * t, f2x = f20x+a2x · t
[0012] 在RAMP運算中，通過保持量alx和a2x相等（a lx = a2x)來控制z水平高度（保持 不變），據此遵循由f2x_flx = f2ta-f 1(lx確定x水平高度。在現有技術聲光掃描儀中，值alx和 a2x保持相等，以便在期望的空間位置中形成穩定的焦點。RAMP模式中兩個不同空間點之間 的切換時間由聲速確定，因為新的聲波必須完全填充偏轉器的光學孔徑。如果孔徑具有跨 越聲音（across the sound)的寬度D，則以速度￥3。的新的聲波填充聲光介質的所需的時 間是：tsw = D/va。。（在聲學旋轉Te02偏轉器配置中，對於15mm的孔徑，該時間是21 μ s)。
[0013] 與常規RAMP模式相關聯的問題之一是不能在切換時間期間進行測量，因為頻率 的離散改變導致焦點在空間中展開，由此多光子激發不再出現。
【發明內容】
[0014] 本發明的目的是克服與現有技術相關聯的問題。具體地，本發明的目的是消除與 聲光偏轉器的RAMP模式相關聯的切換時間並且提供一種沿著任意掃描軌跡（曲線）持續 移動焦點的新的操作模式。
[0015] 本發明已經實現：如果X-Z或者y-ζ對中的兩個偏轉器中的斜率不保持相等，而是 隨時間變化，則可以在2D和3D中沿著軌跡（曲線）移動焦點。
[0016] 通過根據權利要求1的方法實現上面的目的。
[0017] 在所附的從屬權利要求中限定本發明的方法的具體有利的實施例。
[0018] 利用本發明的方法，沒有必要等待直至新的頻率填充光學孔徑，因為如果頻率差 異隨時間持續改變，則這使得焦點沿著相鄰點移動，而不需要將在空間中展開焦點的從一 個測量點"跳"到另一個測量點。發明人已經認識到並且在理論上和實驗上演示焦點的點 擴展函數PSF僅根據其正在移動的實事不會變形（distort)。另一方面，可以通過適當的電 子驅動器和控制軟體實現聲光器件的適當控制。
[0019] 根據附圖和示例性實施例，本發明的進一步細節將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1是經由一對聲光偏轉器的波束偏轉的基本要素（basics)的不意圖不。
[0021] 圖2是包括聚焦在X-Z和y-ζ平面的連續兩對偏轉器的現有技術掃描系統的示意 圖示。
[0022] 圖3是另一現有技術掃描系統的示意圖示。
【具體實施方式】
[0023] 圖1是經由包括第一偏轉器12和第二偏轉器12'的具有逆向傳播的聲波13和 13'的用於以已知方式在x-y平面中進行掃描的一對聲光偏轉器10的波束偏轉的基本要素 的示意圖示。通過傳播通過的聲波稍微修改組成偏轉器12、12'的晶體的晶格常數，由此偏 轉器晶體用作可修改光柵常數的厚光學光柵。
[0024] 因此，由第一偏轉器12將入射電磁波束14 (通常為雷射束）分成為未偏轉零階波 束16、一階偏轉波束18和更高階偏轉波束，由於通常僅對一階波束18感興趣，所以在下面 的討論中忽略更高階偏轉波束。由第二偏轉器12'偏轉（衍射）的一階波束18'將具有與 入射波束14相同的方向，因此具有與由第一偏轉器12偏轉的零階波束16相同的方向。因 此，該零階波束16 -定與出射第二偏轉器12'的二次衍射的一階波束18'分離。存在用於 分離零階波束16的兩種通常應用的技術。如果偏轉器12、12'由各向異性晶體組成並且使 用涉及慢剪切聲波（slow shear acoustic waves)的各向異性布拉格（Bragg)衍射，貝U與 未衍射零階波束16相比將一階衍射波束18的偏振旋轉90度，因此可以經由偏振濾波器簡 單濾除零階波束16。根據第二種技術，在空間上分離二次衍射的一階波束18'和零階波束 16 :兩個偏轉器12、12'之間的間隔d必須大於由第一偏轉器12的波束孔徑D和一階衍射 角Θ預測的間隔。實際上，要求的d間隔大約是d= 10*D。這迫使不能在同一偏轉器內實 現兩個逆向傳播的聲波束。
[0025] 圖2圖示包括連續兩對偏轉器10和20的現有技術掃描系統100。第一對10包括 提供用於聚焦在x-z平面中的第一和第二偏轉器12、12'，而第二對20包括提供用於聚焦在 y-z平面中的第三和第四偏轉器22、22'。
[0026] 圖3圖示包含不同布置的偏轉器的現有技術掃描系統100。偏轉器12、12'和22、 22'現在被分組在連續兩對110和120中，漂移補償單元和z聚焦單元。兩對110和120包 含在x-z平面中操作的偏轉器12、12'和在y-z平面中操作的偏轉器22、22'。兩個偏轉器 對110、120利用遠心（telecentric)成像系統60光學連結。掃描系統100經由第二遠心 成像系統60被另外成像到物鏡或者類似透鏡系統200的後孔徑（back aperture)。
[0027] 如在W02010076579中詳細討論的，為了補償不同類型的光學像差，已經提出了各 種掃描系統100。
[0028] 本發明可以應用在包括兩對聲光偏轉器並且具體地具有W02010/076579中公開 的任何聲光偏轉器系統的任何現有技術掃描儀中。本發明的方法適用於增加雙光子顯微鏡 技術中的聲光掃描的速度並且允許應用2D掃描（沿著給定焦平面（即z坐標不變）內的 線段（segment)，）以及應用3D掃描（沿著樣本內的任意3D軌跡）二者。
[0029] 在x-z平面中偏轉的對10的偏轉器12、12'的頻率函數可以定義為
[0030] flx = fi〇x+alx * t, f2x = f20x+a2x · t
[0031] 類似地，在y-z平面中偏轉的對20的偏轉器22、22'的頻率函數可以定義為：
[0032] fly = fi〇y+aly * t, f2y = f20y+a2y · t
[0033] 2D 掃描
[0034] 在更簡單的實施例中，可以通過保持z坐標不變並且僅改變x和y坐標進行線掃 描。在該情形下，可以利用在x-z或者y-z平面中偏轉的連續聲光偏轉器12、12'或者22、 22'內的聲頻掃動之間的斜率失配（g卩，如在RAMP操作模式中alx不等於a2x)。可以通過分 別幾乎對稱地增加偏轉器對10和20中的偏轉器的斜率之間的失配來設置給定平面中的掃 描速度：這意味著alx_a 2x，aly_a2y不再是零。如果第一對10的偏轉器12和12'相同，並且 第二對20的偏轉器22和22'也相同，則偏轉後的焦點的平面的z水平高度不改變，如果對 10和20的兩個偏轉器12、12'和22、22'的斜率被對稱地變動以維持：
[0035] Δ ax= alx_a2X=吊數，並且 Δ ay= aly_a2y=吊數。
[0036] 因此，alx和a2x以及aly和a 2y可以被選擇為：
[0037] alx = a1(lx+ Λ ax 並且 a2x = a1(lx_ Λ ax
[0038] aly = a1(ly+ Δ ay 並且 a2y = a腳-Δ ay。
[0039] 如果偏轉器12、12'和22、22'分別不相同，則可以使用以下等式。
[0040] 如果負責x-z平面中的偏轉的頻率掃動分別具有斜率alx和a2x，則焦點將以下面 的速度沿著X軸在測量平面中移動：
[0041 ] νχ = (Κ2 ( λ ) a^-K! ( λ ) alx) · fobJ/M
[0042] 其中，K ( λ )是給定偏轉器中偏轉角Θ對聲頻f的相關性：Θ = K ( λ ) f，λ是光 學波長。一對中的第一和第二偏轉器可以具有不同配置和幾何形狀，因此1和1(2不同。Μ 是掃描儀100和物鏡200之間的光學系統的放大倍率，並且是物鏡或者用作物鏡200的 任何透鏡系統的有效焦距。同樣對於y-z平面有效：
[0043] vy = (Κ2 ( λ ) ad ( λ ) aly) · fobj/M
[0044] 因此，通過設置兩個速度，都可以調整給定焦平面中的任意漂移方向。
[0045] 仿真已經示出焦點本身在漂移期間不顯著改變其參數，斯特列爾比（Strehl ratio)僅根據對於靜止焦點有效的規則隨距離最優點（距離被掃描的體積的中間）的距離 減少。
[0046] 掃動斜率失配對於任何z尹0平面中的最小象散被最優化，以獲得最好的焦點尺 寸和形狀。最小象散限制造成X偏轉和y偏轉偏轉器對的頻率斜率的差異：a lx和a2x以及 aly和a2y分別設置用於x-z和y-z平面。我們在確定頻率掃動斜率的算法中使用相當簡單 的方法，其使得焦點在預定z的平面中在希望的方向上以希望的速度v移動。
[0047] 在圖3中描繪的掃描系統100中，漂移補償單元110的偏轉器12和22被成像到掃 描儀單元120的偏轉器22'和12'上。為結合掃描系統100的顯微鏡的標稱焦平面（nominal focal plane)中的零象散進行光學系統的設計，如果X和y偏轉器的斜率值將相等，則象散 將隨距離該平面的Λζ距離幾乎線性地增加。然而，通過實驗性地選擇每個偏轉器的斜率 以獲得整個被掃描體積上的最佳可能焦點PSF，這些被設置用於任何ζ =常數平面的零或 者幾乎零象散。零象散條件是2；￡ = \。可以根據相應的偏轉器中的斜率直接確定x-z或 者y-z平面的ζ值：
[0048]
【權利要求】
1. 一種利用掃描儀系統（100)沿著連續掃描軌跡掃描的方法，所述掃描儀系統（100) 包括用於偏轉由定義X-Z平面中的光軸（Z)的連續透鏡系統（200)生成的電磁波束的焦點 的第一對聲光偏轉器（10)以及用於偏轉基本上與所述χ-ζ平面垂直的y-z平面中的所述 焦點的第二對聲光偏轉器（20)，其特徵在於在第一對偏轉器（10)的偏轉器（12、12'）中和 在第二對偏轉器（20)的偏轉器（22、22'）中隨時間持續改變聲頻掃動，以使得焦點沿著掃 描軌跡持續移動。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過以下操作改變所述聲頻掃動： -設置所述第一對偏轉器（10)的偏轉器（12、12'）的聲頻掃動之間的斜率失配，以便 使得所述焦點沿著X軸以第一速度（vx)移動，以及 -設置所述第二對偏轉器（20)的偏轉器（22、22'）的聲頻掃動之間的斜率失配，以便 使得所述焦點沿著y軸以關於所述第一速度（vx)的第二速度（vy)移動，從而沿著掃描軌跡 持續移動所述焦點。
3. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，在第一和第二偏轉器對（10和12)的偏轉 器（12、12'和22、22'）內分別非線性地並且不對稱地隨時間改變聲頻掃動，以便使得所述 焦點沿著z軸以關於所述第一和第二速度（'和\)的第三速度（v z)移動，從而沿著掃描 軌跡持續移動所述焦點。
4. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於： -根據函數：flx = f1Qx+blxt2+clxt 和 f2x = f2(lx+b2xt2+c2xt 改變所述第一對偏轉器（10) 的偏轉器（12、12'）中的聲頻掃動，以及 -根據函數：fly = f1Qy+blyt2+clyt 和 f2y = f2(ly+b2yt2+c2yt 改變所述第二對偏轉器（20) 的偏轉器（22、22'）中的聲頻掃動，以及 -確定常數 blx、b2x、bly、b2y、clx、c 2x、cly、c2y、f1(lx、f2(lx、f 1(ly、f2(ly，以使得所述兩個偏轉器 對（10、20)產生所述焦點的相同z坐標（z = zx = zy)和相同第三速度（vz = vzx = vzy)。
5. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於： -根據函數：= = 改變所述第一對偏轉器（10)的偏轉器（12、 12'）中的聲頻掃動，以及 -根據函數：fly = f1Ciy+alyt和f2y = f2(ly+a2yt改變所述第二對偏轉器（20)的偏轉器（22、 22'）中的聲頻掃動，以及 -確定常數alx、a2x，以使得所述兩個偏轉器對（10、20)產生所述焦點的相同常數z坐 標（Ζχ = Zy =常數）。
6. 如權利要求5所述的方法，其特徵在於，設置斜率失配，以使得對稱地變動一對（10 和20)的兩個偏轉器（12、12'和22、22'）中的斜率，以維持1( 2!￡(入）￡12!￡+1(1!￡(入）￡11!￡=常數 和 K2y ( λ ) a2y+Kly ( λ ) aly =常數，其中 Κ1χ ( λ )、Κ2χ ( λ )、Kly ( λ )、K2y ( λ )分別是給定偏轉器 (12、12'、22、22'）中偏轉角Θ對聲頻f的相關性。
【文檔編號】G02F1/33GK104115061SQ201280069646
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年1月5日 優先權日:2012年1月5日
【發明者】B.羅薩, G.卡託納, M.維雷斯, P.馬克, G.薩萊, A.卡斯扎斯, B.喬維尼, P.馬特亞斯 申請人:菲託尼克斯公司